（通信与信息系统专业论文）水声通信编码与同步技术研究.pdf

摘要 随着对水声数字通信系统的重视和研究，水声数字通信技术得到了迅速发 展。本文从介绍水声数字通信系统出发，基于对水声信道特性的分析，紧密围 绕水声通信系统同步和编码技术展开研究。 论文系统分析了水声信道的三大特性，并深入研究了其对水声数字通信系 统的影响。针对水声数字通信的特点，提出了线性调频脉冲作为帧同步信号的 同步方法，接收端结合拷贝相关处理可以实现精确同步。本文还提出了线性调 频脉冲时延编码方法，提高了信息传输速率。 论文研究了基于频移键控的水声通信调制技术，结合线性调频帧同步法，全 面研究了三种频域解调方法：周期图法，平均改进周期图法和高阶累积量法。 结合水声数字通信的特点，对差分相移键控调制方式在水下信息传输中的应用 进行了全面研究，对两种解调方法：差分解调法和互谱解调法进行了详尽的分 析。同时运用线性调频脉冲帧同步法，改善了基于差分相移键控的水声数字通 信系统的性能。 关键词：水声数字通信水声信道帧同步线性调频 时延编码频移键控差分相移键控 a b s t r a c t i nt h e p a s t 10 y e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n th a sh a p p e n e d i nt h es t u d yo f u n d e r w a t e ra c o u s t i c ( u w a ) c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，w i t hm o r ea t t e n t i o nt ot h e u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e d i s s e r t a t i o n b e g i n s w i t ht h e i n t r o d u c t i o no ft h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n di sc o m p a c t l y d e v o t e dt ot h es t u d yo nt h es y n c h r o n i z a t i o na n dc o d i n gt e c h n i q u e si nu n d e r w a t e r a c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n ，b a s e d o nt h e a n a l y s i s o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fu w a c h a n n e l s t h et h r e em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fu w ac h a n n e l sa r es t u d i e dt h o r o u g h l y ，a n d t h e i ri n f l u e n c eo nt h eu w ac o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ec o m p l e t e l ya n a l y z e d a i m e d a tt h ef e a t u r e so ft h e u w a ，t h el f m ( 1 i n e a rf r e q u e n c y m o d u l a t e d ) p u l s e s y n c h r o n i z a t i o ni sp r o p o s e d ，i nw h i c hl f m i st h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ，a n d r e a l i z ea c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o nb yu s i n gr e p l i c ac o r r e l a t i o ni nr e c e i v i n ge n d t h e l f mp u l s et i m e d e l a yc o d i n g m e t h o di sa l s o p r o p o s e d i n d i s s e r t a t i o n ，w h i c h i n c r e a s e st h es p e e do f t r a n s m i t t i n gs i g n a li nu w a t h eu w a m o d u l a t o r yt e c h n i q u e b a s e do nf r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ( f s k ) i s s y s t e m a t i c a l l ya n di n d e p t hs t u d i e d a s s o c i a t e dw i t ht h el f m f l a m es y n c h r o n i z a t i o n m e t h o d ，t h et h r e em e t h o d s ：p e r i o d o g r a mm e t h o d ，w e l c h sm e t h o da n dh i g h e r - o r d e r c u m u l a n tm e t h o da r ec o m p l e t e d a n a l y z e d i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f u w a ，d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ( d p s k ) i ss t u d i e d t h et w od e m o d u l a t i o n m e t h o d s ：d i f f e r e n t i a ld e m o d u l a t i o nm e t h o da n dc r o s ss p e c t r ad e m o d u l a t i o nm e t h o d a r e d e e p l y s t u d i e d w i t ht h el f mp u l s ef r a m e s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d ，t h e p e r f o r m a n c e o fu w ac o m m u n i c a t i o n s y s t e m b a s e do nd p s ki s a p p a r e n t l y i m p r o v e d k e y w o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i c d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n u n d e r w a t e r a c o u s t i cc h a n n e lf r a m es y n c h r o n i z a t i o n l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t e d ( l f m ) p u l s et i m ed e l a yc o d i n g f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ( f s k ) d i f f e r e n t i a lp h a s e s h i f tk e y i n g ( d p s k ) 2 堕! ! 三些查兰堡! 兰笪笙苎! 丝 序言 第一章绪论 近几年来，随着海洋开发事业的发展，各种数据信息，如遥测数据、水下 机器人和海上石油平台的遥控数据、水文站的采集数据等等，对利用水声信道 和水声通信系统进行传送的要求大为增加。水声通信应用范围的增大使得对系 统的信息量和性能的要求也随之增加，国内外已经开展了大量的工作着重研究 怎样扩展系统的带宽和如何提高数据的传输率上，这些研究主要集中在编码调 制技术和抑制多径干扰的信号处理方面。本文正是在这样的情况下，结合国防 十五重点预研课题“水声遥控技术”而提出的。 1 1 水声信道和水声通信技术简介 海水介质是一种导电介质，向海洋空间辐射电磁波会被海水介质本身所屏 蔽，其大部分能量会以涡流的形式被损耗掉，因此电磁波在海水中的传播受到 严重限制。至于光波，因为在本质上属于更高频率的电磁波，被海水吸收所损 失的能量将更为明显。所以这两者都不能在水中远距离的传递信息。在海水中， 目前传递性能最佳的是声波，所以水下通信多以水声信号为主。 水声通信是利用水声信道进行数据或控制信息的传输。水声通信系统的应 用可以追溯到二十世纪初期，在将近2 0 年间，取得了长足的进步和稳定的发展， 主要可以归纳为以下6 个研究领域：1 ) 水声信道物理学的研究，包括信道的仿 真和测量：2 ) 接收机结构的研制。主要体现为功能强大的信号处理机的使用和 算法的研究；3 ) 各种应用于衰落信道的显分集和隐分集技术的研究；4 ) 编码 技术，包括图象传输所需的压缩编码和能够提高系统可靠性的纠错编码技术的 研究；5 ) 水下网络系统的研究：6 ) 新的能减少多途影响的调制方式的研究。 从通信的角度看，水声信道与无线电信道，水声通信技术与无线电通信技 术都有许多相似之处，但是在信道带宽、数据率、系统的可靠性等性能指标以 及系统结构和组成等诸多方砸，水声通信和无线电通信都有很大的不同。 堕! ! 三些查兰堡主堂垡堡兰一一! 丝 海洋及其边界一起形成一个对声波传播非常复杂的介质。它具有内部的结 构及独特的上、下表面，能对声波产生许多不同的影响。水声信道是一个极其 复杂的时变空变信道。它对水声通信的主要影响是声能量的传播损失、多径( 多 途) 传播效应和随机起伏效应。声波在海水中的传播损失主要是由扩展损失和 衰减损失两部分组成。扩展损失是指声信号从声源向外扩展时有规律减弱的几 何效应，又称为几何损失。衰减损失包括吸收、散射和声能量泄漏出声道的效 应。传播损失随频率的增加而增加。多径效应是水声信号在海洋声道中传播时 发生畸变的重要原因。水下声信道在相干时间长度内，可以简化为相干多径信 道，仅存在多径效应。多径效应的形成和海洋环境和信号频率有关，其形成机 理为：在浅海区，主要由界面( 海面、海底、目标等) 边界反射能量形成：在 深海区，主要由声源处不同出射掠角的声线在传播过程中发生弯曲形成。 数字通信系统中，多径传播会造成码间干扰。在无线电信道中，码间干扰 通常为几个码元宽度，而在水平传播的水声信道中，对中数据率和高数据率的 码间干扰将为几十到几百码元宽度。多径传播造成的码间干扰是影响数据传播 率的主要因素，抑制多径传播引起的码间串扰将是水声通信系统的主要任务。 在近1 6 年间，水声通信技术迅速发展，各种通信技术，如扩频技术、相位相干 检测、自适应均衡等都在水声通信系统中得到了广泛的应用。 1 2 水声通信编码和同步技术研究 随着具有相似衰落特性的无线电高频信道中通信技术的发展，新一代的水 声通信系统开始采用频移键控( f s k ) 调制和数字编码技术。在水声通信中采用 数字技术有两方面的作用，一方面可以采用复杂的纠错编码技术来增加传输的 可靠性，另一方面可以采用数字处理技术来抵消信道多途和频率扩展的影响。 在文献 3 】中，作者提出了一种预编码方式，这种方法借助于对码序列空间 进行划分的方法来具体分析影响平均信息比特误码率大小的因素及其所能达到 的上下限，从而得到具体的优化方法。通过这种预编码的方法可以有效地降低 信息比特误码率，使信源和信道匹配得更好。 1 9 8 2 年，u n g e r b o e c k 提出了网格编码调制( t c m ) 方法，他将编码和调制作 为一个整体来考虑，在不增加带宽和相同的信息传输速率下可以获得一定的编 码增益。u n g e r b o e c k 通过对二维多进制调制的信道容量的分析发现，在加性白 高斯噪声( a w g n ) 信道中，若把信道信号集由4 p s k 扩大一倍到8 p s k ，可在 2 要j ! 王、业查兰堡主兰堡笙；! ! ! ；! i 堕 同样的误码率、同样的信道容量下，获得7 d b 左右的编码增益而不牺牲频谱功 率。近年来，t c m 在衰落信道中的应用己成为热点。 西北工业大学海航工程学院研制的声控制系统中采用了交错编码，误码率 达到了l o 。哈尔滨工程大学声学所采用p a t t e r n 一时延编码技术，在2 k h z 的带 宽内，数据率可达到3 0 0 b s 在初期的水声信道研究中，水声信道被近似成瑞利衰落信道，即接收波形 的复包络为瑞利分布，其相位为均匀分布。在这种模型条件下，非相干调制比 相干调制更适合于水声信道。因此，非相干的f s k 系统得到了广泛的应用。 f s k 系统作为一种能量检测( 非相干检测) 而非相位检测( 相干检测) 系 统，对水声信道的时间和频率扩展有很强的适应能力。f s k 系统是用不同的单 频信号来表示数字信息，在接收机端用窄带滤波器来对各个单频信号进行能量 检测并判决。对于f s k 系统，接收机的核心部分是模拟或数字形式的窄带滤波 器。在所查阅的文献中，大多数的水声f s k 系统都采用了一些技术措施来减小 或回避信道多途引起的码间干扰( i s i ) 所造成的信号失真。例如采用传统的保 护时间技术，即在两个同一频率的码元之间预留一段时间给多径信号；还可以利 用多频分集技术，即同时使用多个单频表示同一信息：使用最广法的是纠错编 码技术。 c a p t i p o v i c 提出了在水声遥测系统中应用m f s k 调制，他将2 0 3 0 k h z 的带 宽分为1 6 个子带，在每个子带中采用4 f s k ，这样6 4 个信道中的1 6 支可以同 时被用来传输3 2 位信息。该系统的数据率可以到达5 k b s ，在浅水区可以传输4 5 k m ，在深海垂直信道中可以传输3 k m ，误码率可以达到1 0 。一1 0 一。 法国的研究人员使用二进制差分相移键控( d p s k ) 调制方式，在2 0 0 0 米 的传输距离上，载频为5 3 k h z ，数据率可以达到1 9 2 k b s 文献 1 l 】介绍的系统用于深海6 k i n 的垂直信道，采用2 d p s k 调制，数据率 为2 k b s ，误码率为1 0 ；在3 6 k m 的水平信道，抗误码性能略差一些。该系 统有如此好的性能的原因在于采用了有较强垂直方向性的发射源，且数据信息 用b c h 和r s 码进行了编码。 美国的w o o d s h o l e 研究所采用四相相移键控( q p s k ) 技术，辅以决策反馈 均衡器( d f e ) ，均衡器采用r l s 算法以抑制码间干扰，在使用1 5 k h z 载频的 情况下，可以达到5 k b s 的传输速率。 在选定了编码调制方式之后，同步就成为通信系统中一个很重要的实际问 题。所谓同步是指收发双方在时间上步调一致，故又称为定时。同步按照功用 的不同可以分为：载波同步、位同步、群同步和网同步。在采用同步解调或相 西北工业大学硕士学位论文 干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波。这个 相干载波的获取就称为载波提取，或称为载波同步。数字通信系统中，除了有 载波同步的问题外，还有位同步的问题，这是因为消息是一串相继的信号码元 的序列，解调时常需要知道每个码元的起止时刻。 提取载波的方法一般分为两类，一类是在发送有用信号的同时，在适当的 频率位置上，插入一个( 或多个) 称作导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波， 这类方法称为插入导频法：另一类是不专门发送导频，而在接收端直接从信号 中提取载波，这类方法称为直接法。 1 3 本文的主要研究内容 本文紧密围绕水声通信系统中同步和编码技术展开研究。在对水声信道特 性进行全面分析研究的基础上，通过理论分析和计算机仿真对相关关键技术进 行了系统、深入的研究。下面将本文完成的主要工作及各章节的安排介绍如下： 第章概述了水声通信系统的同步和编码技术的研究背景。 第二章首先对水声信道的重要特性，如传播损失、多途效应、多普勒频移、 海洋环境噪声，以及上述特性对水声通信传输系统的影响进行了分析。基于对 水声信道模型的分析，从声纳方程出发，研究了通信距离预报及最佳频段确定 的问题。 第三章针对水声通信传输中的帧同步问题，提出了采用线性调频( l f m ) 脉冲作为同步信号，结合拷贝相关处理来实现精确同步的线性调频同步方法。 而后结合水声信道的特点，提出了线性调频脉冲时延编码方法。 第四章对水声通信中的频移键控( f s k ) 进行了全面、深入的研究。从f s k 信号的谱特性出发，分别研究了三种频域解调方法，即周期图法、平均改进周 期图法和高阶累积量法。 第五章研究了基于二进制相移键控( d p s k ) 的水声通信调制技术，结合线 性调频信号帧同步法进行了深入、全面的讨论。 最后给出全文总结，并指出有待进一步研究的工作。 西北工业大学硕士学位论文 水声数字通信系统及其信道研究 第二章水声数字通信系统及其信道研究 水声数字通信系统中，理想的传输信道应该是无损均匀介质构成的无限空 间，声信号在传播过程中不产生任何畸变。但是实际海洋及其边界形成了一个 对声传播非常复杂的介质空间，它具有内部的结构和独特的上、下表面，能对 声波产生许多不同的影响。从通信的角度来看，水声信道的主要物理效应是：( 1 ) 声能量的传播损失，( 2 ) 声传播的多径效应，( 3 ) 声信号的起伏效应。 2 1 水声信道的特性及对水声通信的影响 2 1 1 声能量的传播损失与环境噪声 声信号在从声源向接收点的传播过程中，由于海水介质的不均匀性，加上 介质本身的吸收、声传播中波阵面的扩展以及海水中各种不均匀性的散射等原 因，使得信号能量会发生损失，这在远距离传输和高频应用情况下表现的更为 明显。信号能量损失是影响接收机信噪比的重要因素之一。在水声学中，常采 用传播损失来概括海洋中种种信号能量损失的效应。它定量地描述了海中距声 源1 米处的声到远处某一点时衰减的大小，表示为距声源1 米处的声强，。和远 处任一点处声强，的比值， ， 几= 1 0 l o g 半分贝( d b )( 2 1 ) 1 如果距离的单位用码，参考距离是1 码，则儿比以1 米作参考距离的儿大 0 7 8 d b 。 传播损失可以认为是由于声能扩展和衰减所引起的损失之和。扩展损失是 声信号从声源向外传播时声强有规律减弱的几何效应，因此又称为几何损失。 对于无限均匀介质空间，扩展是球面扩展，声强随距离的平方减少，扩展损失 则随距离的平方而增加：但是对非均匀有限空间，则是非球面扩展，损失的大 小与介质中声速分布和界面条件有关。由于折射和界面反射，海洋声传播信道 大都呈现波导效应，这时的扩展损失呈柱面扩展的特点，扩展损失随距离的一 次方增加。 衰减损失包括吸收、散射和声能泄漏。吸收表现为海水介质吸收和界面介 质( 如海底) 吸收，是由于介质的粘滞、热传导以及其它弛豫过程引起的衰减。 堕! ! 三些查兰堡主兰竺笙苎 查主鏊兰望堕墨竺垒基笪望竺塑 吸收包含着声能量转变成热能的过程，因而它代表了真正声能量在传播介质中 的损失。与扩展损失一样，吸收损失也随距离变化，通常用吸收系数口( 分贝 千米，d b k m ) 来定量描述。口的含义是指由于吸收，每传播l 千米，声强衰减 口分贝。在不同信道条件下，很多经验公式都可以来表示吸收系数a ，例如， 口= 1 7 7 6 厂1 5 1 65 4 1 0 “p 3 2 7 6 8 + f 31 + 3 2 7 6 8 f 065。0。53fr：f20026847f2 l 七铵j 。 ) 】0 9 1 4( 2 2 ) 其中p 为大气压，厂是信号频率，厅是弛豫频率。 吸收系数与温度、温度有关，特别是与声波频率有非常密切的关系，它随 频率的增加而显著增加。对于窄带信号，介质的吸收仅引起声波信号幅度或者 能量的衰减。但是对于宽带信号，吸收和频率的关系可以使声波信号波形发生 畸变，产生色散效应。海底的吸收损失与海底介质、声波入射方向和频率等有 关，并且海底的吸收损失远大于海水中的吸收。 散射是指在海洋介质中，由于存在泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及 介质的不均匀性所引起的声散射，可见，粗糙海面与海底、海水中微结构的散 射也会造成声能量的损失。 从以上的论述中可以看出，声能量的吸收和扩展都与传输距离和信号频率 有关，从而使得传播损失与距离和频率有关。声场中的平均传播损失可以表示 为， t l = 门1 0 1 9 r + 凹( 2 3 ) 式中，h 为传播因子，r 为声波传播的声程( 米，m ) ，a 为吸收系数( 分贝米， d b m ) 。由公式( 2 3 ) 可见，传播损失随距离和频率的增加而增加。传播损失 的这一特性会使高频信号在远距离传输有很大的衰减，大大降低了信道的可用 带宽。例如，一个只有几十米的短距离传输系统，其信道可用带宽达几百千赫 兹：一个几公里的中距离系统，其信道可用带宽缩小为几十千赫兹；而一个几 十公里长距离系统，其信道可用带宽只有几千赫兹。在这种带宽受限信道中进 行数据传输，对水声通信系统的载波频率和系统带宽提出了很多限制。 海洋环境噪声是海洋介质的一个重要声学性质，也是影响信噪比的另一重 要因素。在海洋中有许多噪声源，包括潮汐、湍流、海面波浪、风成噪声、生 物噪声、行船及工业噪声等，噪声的性质与噪声源有很密切的关系，在不同的 时间、深度和频段有不同的噪声源。噪声根据产生原因的不同可以分为海洋动 力噪声、生物噪声、交通和工业噪声、地震噪声以及水下噪声。在水声学中， 通常用环境噪声级来描述环境噪声，噪声级是用无指向性水听器测得的噪声的 声强，用分贝表示。实用中常把噪声级折算到1 赫兹带宽内，称为环境噪声谱 6 堕! ! 三、业盔兰堡! 兰堡堡兰 查主塑兰望笪墨竺墨墨笪! 望! ! 里 级。 2 2 2 声传播的多径( 多途) 效应 由于介质空间的非均匀性，水声信道必然存在多途现象，也就是说，在一 定波束宽度内发出的声波可沿几种不同的路径到达接收点，而且声波在不同路 径中传播时，由于路径长度的差异，到达该点的声波能量和时间也不相同，从 而引起信号的衰落，造成波形畸变。多径效应是水声信号在海洋声信道中传播 时发生畸变的重要原因。在使用无指向性声源时，多径效应表现尤为突出，因 为在这种情况下，发射机和接收机之间存在大量的声波传输路径。 多径效应的形成与海洋环境和信号频率有关，其形成主要机理是声线弯曲 和海底、海面的反射，海底中内部结构如内波、紊流、潮汐等的影响，以及声 源和接收机平台的运动等。当声波在不同的层、海底和海面间传播会造成多次 的反射和折射，从而形成各个不同的传播路径。水下声信道在相干时间长度内， 可简化为相干多径信道，仅仅存在多径效应。 海洋声信道中的多径传播是影响水声通信系统性能的重要因素之一。在单 个接收机的系统中，多径传播会产生信号的幅度和相位起伏；由于沿不同路径 传播的时间不同，多径传播会导致信号畸变，并且使得信号的持续时间和频带 被展宽，从而信道呈现选择性衰落特性；由于海水中内部结构( 如内波、水团、 湍流等) 的影响，多途结构通常是时变的，并且与通信系统的相对位置有关。 多径效应的干扰，不仅可能导致水下声信道的频率特性出现相间的“通带”和 “止带”，而且可能导致某个频率信号波形发生相消或相长的干涉，使该频率信 号的能量遭受严重损失，影响信息的判决。 在数字通信系统中，多径传播会造成码间干扰( i s l ) 。在无线电信道中，码 间干扰通常为几个码元宽度，而在水平传播的水声信道中，对中、高数据率的 浅海信道，码间干扰会达到几十到几百个码元宽度。例如，传播距离为l 1 0 公 里的浅海信道，数据率为1 0 k b s 时，l o 毫秒的多径扩展会造成近1 0 0 个码元间 出现码间干扰；中长距离水平传播时的最大多径时延可达6 0 毫秒。多径传播造 成的码问干扰是影响水声通信系统数据率的主要因素，抑制多径效应，达到高 数据率的可靠传输是水声通信系统最富挑战性的任务。在水声通信系统中，一 般利用阵处理和自适应来抵抗多径效应。 西北工业大学硕卜学位论文 水声数字通信系统及其信道研究 2 3 3 声传播的起伏效应 声传播的波导效应和多径效应都是基于介质是水平均匀的分层结构，而实 际上介质不但在空间分布上不均匀，而且是随机时变的，因此声信号在传输过 程中是随机起伏的。 造成起伏效应的主要原因是海面、非均匀介质的温度微结构和内波。 海洋表面由于和大气接触，受温度和气流的影响经常呈现波浪、涌或涟漪 之类的不平整性，这种不平整性表面使声波在海面的反射中引进了随机反射或 漫反射成分，从而引起海水介质中声信号的随机起伏的频率的展宽。这种起伏 较大而且较快，起伏的大小与瑞利参数r 有关。 海水中的湍流和热交换会产生温度微结构，即温度的不均匀性，这些不均 匀体可以粗略地被认为是具有不同声速或折射率的不规则水团。声波在通过这 些水团时，会产生多路径的干涉效应，从而使声信号产生起伏。由这种温度微 结构产生的起伏，通常用短脉冲系列的振幅起伏率来表示。 海洋内波是海洋介质中非均匀水层在重力作用下的随机波动。一般情况下， 对单路径传输过程，内波的影响主要是相位起伏：但对远场条件下，由于存在 独立多途叠加效应，声场起伏也能反映到幅度上。起伏造成接收信号的时变和 空变，呈现选择性衰落。在这种信道中，相干检测只能用在起伏级足够低的场 合，以保证相干载波提取和跟踪的正确进行。信道起伏还造成信道脉冲响应的 时变性，这种时变性对通信系统的性能造成了严重的影响。 2 2 仿真分析水声数字通信系统的参量研究 2 2 1 水声信道研究 水声通信信道的研究，包括声场分析、信道时变特性和信道通信性能预测， 如对传播损失、多途机构的预测，对水声场的随机起伏的统计描述，对时变信 道的脉冲响应的研究，衰落信道中水声通信系统的性能估计等。 在通信系统中，信道以两种方式影响信号。首先当信号从发射机到接收机， 信道能改变它的形状，这种形状的改变除了引起幅值变化和时间延迟外，还会 造成波形失真，即信号在通过信道时，出现了信号色散，产生了与时间、频率 和空间有关的选择性衰落。第二种方式：信道会影响接收信噪比。早期，由于 水声通信系统的调制和解调方式比较简单，通信速率低，信息处理的速度、实 西北t 业大学硕士学位论文 水声数字通信系统及其f 占道研究 时性的要求也不苛刻，于是信噪比成为信道研究的重要方面。水声信道的研究 主要集中在传播损失等声场特性和信噪比等参量上，用声场模型对各种信道条 件下信道的传播损失、随机起伏等影响信噪比的因素进行分析和估计。随着高 速水声通信的出现，信道对波形失真的影响也越来越大，仅研究信噪比或者仅 用增加发射功率等惯用方法来改善通信质量已经无济于事，因此信道的研究逐 渐转移到信道的时变特性和信号色散方面。 水声信道在物理上可以看成是具有不同时延、不同频移、不同起始角的无 数条传播路径的总和，这些路径通常是不相关的，相应的选择性衰落都是广义 平稳的。水声信道可以用线性时变的脉冲响应来描述，当信道输入为时间波形 “( r ) 时，信道的输出v ( ，) 可以表示为， k t ) = i h ( r ，t ) u ( t f ) d c = i h ( t f ，t ) u ( r ) d f ( 2 4 ) 上式中，h ( r ，r ) 称为系统的脉冲响应，也称为输入延迟扩展函数，并且可以理解 为f 秒前输入的占脉冲在，时刻的输出响应。信道的输出v ( f ) 可以在频域里表示 为， 矿( ，) = i b ( 妒，f ) u ( f ，9 ) ( 印= i b ( f 一妒，f ) u ( f ) d q ) ( 2 5 ) 上式中，b ( p ，厂) 称为系统的输入频移扩展函数，它是当输入频率比厂低p 赫兹 的单频信号时，输出波形在频率，时的响应。 2 2 。2 传播损失的计算 传播损失会严重影响水声通信的传播距离和信道可用带宽，并且严重影响 接收机的输入信噪比，因此计算传播损失是设计水声通信系统的一个重要方面。 上面的讨论中已经给出了传播损失兕的基本概念和计算公式，我们知道， 传播损失扎与海洋条件，如海况、声速分布、海深、海底底质、海水中散射体 的存在状态等都有关系。一般的，浅海中计算声传播损失的半经验公式分为三 种情况，即近距离范围r 8 h 。其 中，h = ( d + r ) 8 “2 ，称为过渡距离( 千码) ，d 为海水深度( 英尺) ，t 为层 的厚度( 英尺) 。 对于中距离范围，计算传播损失的半经验公式为， 丁= 1 5 l o g r + 凹+ 口r ( - k 一1 ) + 5 l o g 日+ 6 0 一k ， ( 2 6 ) 堕些王些查兰堡! 兰焦笙苎 查主塑! 望笪墨塑望望重型! 里堕 上式中，r 和h 以千码计；a 是海水吸收系数，以分贝千码计；a ，是浅海衰减系 数：k 。是“近场异常衰减”，依赖于海况和海底类型。吸收系数口可以用下面的 公式计算， a = 筹+ 篙4 - 2 7 5 1 0 - a o o ， 2 2 3 通信距离预报和最佳频段确定 在一些功率受限的水声数字通信系统的研究中，例如水下遥控系统，希望 在有限的功率条件下达到最远的传播距离，因此需要对通信距离进行预测。这 里定义优质因素为， f o m = 趾一( n l + d t ) ( 2 8 ) 可以看出，优质因素f o m 是被动声纳方程的组合参数。上式中，毗为发射的声 源级，n l 为环境噪声谱级，d t 为检测阈值。由此公式可见，优质因素保证了 信号检测所需的最小信噪比，如果令f o m 定量等于单程传播损失，则与这个传 播损失对应的距离就是所允许的最大传播距离。因此，如果s l 、n l 和d t 为给 定值，就可以通过传播损失和距离的关系曲线得到水声数字通信系统的最大通 信距离。 下面讨论最佳频段的确定。在一定的声源级下，主被动声检测装置的作用 距离取决于与频率有关的一系列物理量，主要是n l 、t l 、接收指向性系数d i 和 接收机通频带占等。研究证明，存在一个最佳频率使得声检测装置的作用距离 达到最大值，也就是说，当要求的作用距离一定时，存在一个最佳频率使得所 需的声源级最小。 根据声纳方程和平均传播损失公式，式( 2 7 ) 可以转换为， f o m = t l = n 1 0 l o g r + 0 7 - ( 2 9 ) 对上式求微分，并经过单位转换可以得到， 垂塑：a ( f o m )( 2 1 0 ) 0 2 彤哇f 对公式( 2 7 ) 求微分可以得到， 竽= 挈一半一警 d fd fd fd f 因为辐射功率为常数，故丛磐：0 ；认为d t 是与频率无关的，故d ( d ，t ) ：0 ： 盯，d ， 西北工业大学硕士学位论文 水声数字通信系统及其信道研究 一般的，取噪声谱级变化d ( j n l 一) ：一5 一6 分贝倍频程；取d ( f o ：m 一) ：6 ；取吸收 d ，口， 系数口= o 0 3 6 f 3 d b k m ，结合公式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) ，可以得到最佳频率的估计 式为， 厶= 孚塑a 攀t 声 ( 2 1 2 ) ， 根据公式( 2 1 1 ) 就可以得到不同输出距离所对应的最佳频率。经过估算，可以 近似认为：传输距离为6 0 1 5 0 k i n 时，最佳发射频率在1 k h z2 k h z 之间。需 要说明的是，由于声纳方程中的许多参数只有统计平均的意义，故上述计算所 得到的最佳工作频率也只有统计平均的意义，只能作为确定设备工作频率的参 考。 2 2 4 误码率的计算 水声数字通信系统的错误概率( 误码率) 是衡量系统性能的一个重要指标。 水声信道的误码率不仅与水声信道的传播特性有关，而且与系统采用的调制与 解调方式有密切关系，通常表示为一个与信噪比有关的量。按照接收信号的先 验知识，通常采用两个误码率模型：一种模型中信号为确知信号，信道为单途 径无畸变的理想信道，这种情况在深海短距离或垂直信道中可能出现；另一种 模型中，信道为衰落信道，信号包络是瑞利分布的，噪声通常被假设为谱密度 为2 的白高斯噪声。 1 理想信道中的误码率 对于相干接收的频移键控( f s k ) 调制方式，系统的误码率为， 11 一 p 。= 寺e r f c ( x 6 2 ) = 寺e r f c ( 4 e n 。) ( 2 1 3 ) 二二 上式中，占= 2 e n o ，为信号的平均能量e 与噪声谱密度0 2 之比，即信噪比。 若假定发射机的声源级为乩，信道的传播损失为儿，接收机输入端的环境噪声 谱级为舭，接收机带宽为b w ，在接收端信号能量为乩一儿，于是接收机的输入 信噪比为， 占= s l t l 一 伍一2 0 i g b w ( 2 1 4 ) 如果采用非相干接收方式，f s k 系统的误码率为， 西北t 业大学硕t _ - e 学位论文 水声数字通信系统及其信道研究 p 。= 寺e x p ( - 驯2 n o ) ( 2 1 5 ) 二 在相移键控( p s k ) 调制系统中，误码率为， p 。= + e r f c ( 2 属n o ) ( 2 1 6 ) 对于采用差分相移键控( d p s k ) 调制的通信系统，其误码率为， p 。= 妻e x p ( 一e n o ) ( 2 1 7 ) 由上面的公式可见，在没有多径影响( 即衰落影响) 的信道中，水声通信系统 的误码率主要取决于信噪比。 2 选择性衰落情况下的误码率 选择性衰落包括时间选择性衰落和频率选择性衰落两种，首先来讨论第一 种。在一个信号码元的持续时间内存在时间选择性衰落时，载波的振幅、相位 或者频率不是某一随机变量，而是随时间变化的随机过程，所以会对水声数字 通信系统误码率产生影响。 采用f s k 调制时，误码率为， 胪( 等) 2 1 + l n ( 1 + 索) 】 ( 2 1 8 ) p s k 调制的情况下，误码率为， p 。0 2 5 y 0 2 t 2 ( 2 1 9 ) 上面公式中，为衰落速度，单位为弧度秒( r a d s ) ，r 是信号码元持续时间。 从公式可见，衰落速度和码元宽度决定了时间选择性衰落对信号的影响程度， 所以要降低时间选择性衰落造成的误码，可以减小码元宽度，则提高了信号的 传输速率a 这样，只有在长码元宽度比信号传输速率低时，才考虑时间选择性 衰落带来的影响。对于高速水声通信系统，可以忽略对时间选择性衰落的考虑。 频率选择性衰落所造成的误码比较难以进行严密的数学分析，通常是从工 程角度作一级近似处理，推导出频率选择性衰落造成的误码率为， ( 拿) z，j p 。= 【l + 1 n ( 1 + 等 一) ( 2 2 0 ) o t 4 7 r f 刍2 、2 。 上式中，a 是最大的多途时延差，即偏离平均时延的最大值；五，为比例系数， 西北工业大学硕士学位论文 水声数字通信系统及其信道研究 对二进制而言，无= 2 。可见，由频率选择性衰落引起的误码率p ，与信道的最大 时延差和码元宽度丁有关。所以当r 一定时，误码率p ，随的增大而增大；而 一定时，p 。随r 的增大而减小。要减小频率选择性衰落对误码率的影响，一方 面可以减小最大多途时延差，这可以利用基阵的窄波束接收实现；另一方面可 以降低信号的传输速率，从而增大码元宽度r 。但是随着丁的增加，时间选择性 衰落的影响会愈加严重。综上所述，当两种选择性衰落都存在时，信号传输速 率的选择必须综合考虑。 2 3 本章小结 本章首先介绍了水声数字通信系统的主要组成部分之一：水声信道，重点 讨论了水声信道的三个重要特性：传播损失，多径效应和起伏效应，并研究了 这三种效应对水声数字通信系统性能的影响。 在上述工作的基础上，对仿真分析水声数字通信系统的参量进行了详尽的 分析和讨论。首先研究了水声信道模型建立，然后在计算传播损失的基础上， 给出了通信距离预报和最佳频段的估计，并结合水声信道的衰落特性，对系统 误码率进行了讨论和研究。 堕! ! 三些查兰堡兰竺堡壅 查妻塑兰望笪墨堕旦生堡i ! ! ! 曼 第三章水声数字通信系统同步技术研究 o l 水声数字通信系统的组成 一般的数字通信系统模型如图3 1 所示。 广 i 噪声源l i。一 图3 1 数字通信系统模型 这里研究的水声数字通信系统的结构框图如下图3 2 所示。 广 厂 i 噪声源h 水声信道 l _ 十 图3 2 水声数字通信系统模型 图中，同步环节没有示出，是因为它的位置在水声数组通信系统中往往是 不固定的。当然，实际上的水声数字通信系统并非一定要如图3 2 所示那样包括 所有的环节，有些环节的采用与否取决于具体设计方法及要求。水声数字通信 系统的目的在于高速可靠地将信息源信息沿水声信道传输给受信者，即信宿。 海洋作为传输信道介质，其带宽受限，在水平方向上进行时不仅通信速率低， 可靠性差，而且传输距离近。再加上海洋信道伴随衰减和噪声，及一定的畸变， 这就导致在研究时需要在数据率和可靠性之间作折中考虑。 西北工业大学颈e 学位论文 水声数字通信系统同步技术研究 水声信道是水卢数字通信系统的重要组成部分，它不仅决定系统的误码率、 传输速率等性能，而且对系统的其他组成部分也有重要的影响。其影响主要体 现在以下四个方面：( 1 ) 传播损失；( 2 ) 环境噪声；( 3 ) 多径引起的回响；( 4 ) 相 对运动引起的多普勒频移。多径对接收信号的影响主要体现在两个方面：幅度 衰落和码间干扰。幅度衰落即接收信号忽大忽小，码间干扰造成会造成接收信 号发生不同码元重叠。多径引起的回响是水声信道最具挑战性的方面。 3 2 系统收发端的同步 同步是通信系统中的一个重要问题。所谓同步，是指收发双方在时间上保 持步调一致，又称为定时。同步包括位同步、字同步和群同步( 帧同步) 等。 接收端在对接收码元逐个进行采用判决时，需要产生与发射码元的重复频率和 相位一致的定时脉冲序列，这个过程称为位同步；数字通信中的消息数字流常 常是用若干字、句、群的方式传输，因此，在接收这些数据流时，也需要在接 收端产生与字、旬、群起止时刻相一致的定时脉冲序列，分别称为字同步、旬 同步和群同步。在同步通信系统中，同步是进行信息传输的前提。所以，为了 保证信息的可靠传输，首先要求系统能可靠地检出同步信号，达到稳定的同步。 基于前述的海洋中的恶劣的信号传输条件，水下数字通信系统的同步检测将遇 到更大的困难。 海洋水声信道对水声传输系统的同步信号主要的影响在于：( 1 ) 由于海洋中 的多径效应，传输信号不存在一条固定的直达波通道，使实际同步信号间的时 间间隔并不是一个常数。因此，同步抖动是不可避免的：( 2 ) 多径效应、海水温 度的随机不均匀、海水的声吸收等造成传输信号的强烈起伏，影响信号检测：( 3 ) 海洋中，特别是近海有着很强的环境噪声，大大降低了接收信号的信噪比。经 过大量的海上实验，可以看出群同步信号水下传输的几个特点：( 1 ) 信号的幅度 起伏的相关半径为秒数量级；( 2 ) 由于多径效应的影响，信号起伏严重，最大达 2 0 d b ：( 3 ) 在某些信号段信噪比接近0 d b ：( 4 ) 某些信号段多途的幅值甚至大于另 一信号段有用信号的幅值。 针对远程传输水声信道的特点，本文提出用线性调频信号作为帧同步信号 的同步方法，接收端结合拷贝相关处理来实现精确同步。 西北工业大学颁卜学位论文 水声数字通信系统同步技术研究 3 2 i 模糊度函数 假设发射信号为窄带信号z ( f ) ，其频谱为z ( f ) ，则拷贝相关器的参考信号 应为z 0 + r ) ，其中f 为时延。具有多普勒频移的窄带信号可以表示为z ( t ) e 。， 其中v 为多普勒频移，其频谱为z ( f + v ) 。 所谓模糊度函数，是指具有多普勒频移和时延差的信号的自相关函数，该 函数是在理想信道中匹配滤波器或拷贝相关器的输出。模糊度函数用z ( r ，v ) 表 示，即 z ( r ，v ) = f z ( f ) z + ( f + 咖川“d t = f z ( ，) z ( ，+ v ) e - j 2 毋矽 ( 3 1 ) 公式( 3 1 ) 所表示的模糊度函数用来描写拷贝相关器在理想信道中的检测性 能和测量性能，由该公式可知它完全取决于发射信号本身，因此信号波形的选 择将限制系统的检测性能。模糊度函数的峰值表征信号的能量，其主峰的宽度v 既可以表征分辨动目标的能力，即多普勒分辨力，又可以表征单一相关器检测 动目标的能力，即多普勒容限。 对于载频调制的窄带信号，其测量、分辨性能取决于复包络的波形。调制 的窄带信号可以表示为， z ( f ) = a ( t ) e ”。( 3 2 ) 式中口( f ) 为复包络，是信号的载频波形，其频谱记为a ( f ) ，则信号的模糊 度函数亦可写为， z ( r ，v ) = f d ( f ) d ( f + f ) e - j 2 “t d t = i a ( 厂) 4 ( 厂+ v ) e 一，2 d 矽 ( 3 3 ) 模糊度函数是一类非常特殊的函数。假定信号是归一化了的，即 0 ：( ，) 1 2 讲= 1( 3 4 ) 则有以下结论总结模糊度函数的几个特性： ( o l z ( o ，o ) i = 1 ，且i z ( r ，v ) l l z