水声通信组网技术第二讲 水声信道传输特性ppt课件.ppt

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1、2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,1,第二讲 水声信道传输特性,距离、带宽和信噪比的关系;多径传播及空变特性;多普勒效应及时变特性;水声信道的模型;水声信道的特点对通信网络的影响;,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,2,距离、带宽和信噪比,声波在声场中的平均传播损失:,传播损失,n=0：n=1：n=1.5n=2：,管道中的声传播，平面波传播；,表面声道和深海声道，柱面波传播，以及全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播；,计及海底声吸收时的浅海声传播，以及计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正；,开阔水域（自由场），球面波传播

2、；,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,3,距离、带宽和信噪比,Thorp给出的吸收系数与频率之间的经验公式为：,传播损失,工程上常用的吸收系数估计经验公式：,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,4,吸收系数与频率的关系,距离、带宽和信噪比,传播损失,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,5,距离、带宽和信噪比,海洋环境噪声,海洋中的环境噪声源从低频到高频依次为：,潮汐和波浪的海水静压力效应，产生低频噪声；,地震扰动：极低频噪声；,海洋湍流：低频噪声；,行船：产生50Hz500Hz频率范围内的主要噪声；,海面波浪：产生

3、500Hz25000Hz频率范围内的噪声；,热噪声：,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,6,海洋环境噪声文兹谱级图,距离、带宽和信噪比,海洋环境噪声,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,7,文献表明：在1 kHz 到10 kHz 频率范围内浅海的环境噪声谱级基本上在40 dB 到70 dB(参考声压级为1 Pa Hz)之间，3级海况时深海的环境噪声谱级在50 dB 到70 dB之间，并且随着频率的降低环境噪声随之增大；1 kHz 以下的环境噪声谱级均在70 dB以上，因此传输信号使用的载波频率的下限取1 kHz。无论是深海还是浅海，海洋环境

4、噪声的功率谱密度均被认为是以频率20 dB/decade 在下降。,距离、带宽和信噪比,海洋环境噪声,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,8,海洋中的噪声为高斯分布的连续谱，其声压的瞬时值的概率密度为：,距离、带宽和信噪比,海洋环境噪声,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,9,2002年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境噪声试验，其10秒钟采样率为12kHz的噪声数据，分析结果如右图所示，横轴是电压，纵轴是在相应电压上噪声出现的次数。分析结果表明，海洋环境噪声服从正态(高斯)分布。,距离、带宽和信噪比,海洋环境噪声,2023/1/14,第

5、二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,10,由传播损失和频率的关系、噪声和频率的关系可得3级海况下，发射声源级190dB，频率为110kHz，距离为10100km时，接收端传播距离、带宽信噪比的关系如下图,距离、带宽和信噪比,水声信道的通信距离和带宽,扩展损失与距离有关；吸收损失与距离和频率均有。水声信道中的可用带宽有限。,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,11,接收端传播距离、带宽信噪比的关系图,距离、带宽和信噪比,水声信道的通信距离和带宽,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,12,通信距离在10100km的为远程水声通信，带宽只有几k

6、Hz（1000km距离的水声通信，通信带宽只有1Hz）；通信距离为110km的为中距离的水声通，带宽在10kHz数量级；通信距离在1km以内的为短距离水声通信，其带宽超过10kHz，若通信距离在100m以内时，通信的带宽可在100kHz以上。,距离、带宽和信噪比,水声信道的通信距离和带宽,很明显一定传播距离时，这种关系影响了水声通信系统距离与载波频率及带宽的选择。,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,13,多径传播及空变特性,水声通信中多径信号产生示意图,多径传播,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,14,多径传播及空变特性,多径传播,a 声

7、速梯度 b 深海多径 c 浅海多径,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,15,2002年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境多径试验，多径检测信号为6s的线性调频（LFM）信号。将接收到的信号做拷贝相关，80km的多径检测结果如图所示。从图中可看出80km的多径信息主要集中于40ms以内，而300400ms仍有多径信号但其能量均较弱可忽略。,海洋环境多径时延,多径传播及空变特性,多径传播,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,16,实际上海洋中多径更多地来自大幅度起伏不平的海底山峦，由于它不受距离的限制，因此多径效应引起信号的时间扩展，在浅海

8、中距离信道，多径扩展一般为10ms，有时可达几百毫秒，而在深海信道的多途扩展为几十微秒到几秒量级，且距离越远，多径扩展时间越长,多径传播及空变特性,多径传播,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,17,实际海洋温度一般是水平分层（三层）均匀的分布形式，由于折射和界面反射，海洋声信道大都呈现波导效应。,深海典型声速抛面图,多径传播及空变特性,多径传播,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,18,多径传播及空变特性,多径传播及空变特性,深海远程水声信道声线轨迹,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,19,多径传播及空变特性,浅

9、海近程水声信道声线轨迹,多径传播及空变特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,20,海洋深度、发射接收端的深度，都对多径时延的长短有影响，因此其多径特性随发射、接收点空间位置的不同而变化，即水声信道是空变的。,多径传播及空变特性,多径传播及空变特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,21,多普勒效应及时变特性,射机与接收机之间在t=0时刻的距离为L，径向运动速度为vr,多普勒效应,发射机,接收机,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,22,信号前沿到达接收端的时间为t1，则在t1时间内接收端向发射端靠近了vrt1,

10、当信号的后沿到达接收端时，接收端又向发射端靠近了,，,多普勒效应及时变特性,多普勒效应,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,23,若发射信号的持续时间为T，则接收信号的持续时间为,当有传播延迟时，接收信号可表示为,若发射信号可表示为,多普勒效应及时变特性,多普勒效应,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,24,不考虑传播延迟时，接收信号可表示为,多普勒因子：,多普勒效应及时变特性,多普勒效应,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,25,满足 或,多普勒效应可视为简单的载波偏移,多普勒频移,多普勒效应及时变特性,多普勒效应

11、,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,26,水声信道本身固有的时变特性由两个方面引起：,水声信道本身固有的特性；收发间的相对运动引起。,水流引起声速梯度的变化，使声传播的方向发生变化；海面的波动，使得声波发生色散(多普勒扩展)。,多普勒效应及时变特性,多普勒扩展,水声信道的时变特性 包括两个方面：,举例,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,27,多普勒效应及时变特性,反射波为零均值高斯分布的随机过程，功率谱与风速有关。当载波频率为f，入射角为，风速为w时，一次海面反射引起的多普勒扩展为:,多普勒扩展,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点

12、及对通信网络的影响,28,时不同风速、不同载波频率条件下的多普勒扩展（通信距离远远大于深度）,多普勒效应及时变特性,多普勒扩展,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,29,云南抚仙湖试验，风速3m/s，实验区域水深40100m，不存在明显的温跃层，声速呈现微弱负梯度，发射换能器布放深度为6m，接收换能器布放深度为22m，收发端距离25km，接收船抛锚，发射船停机，收发之间有轻微的移动。发射持续时间为4s，频率分别8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的单频信号，取频率精度为0.25Hz进行分析，其频率扩展分别为1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz。,

13、多普勒扩展,多普勒效应及时变特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,30,多普勒扩展,多普勒效应及时变特性,试验水域温度深度曲线,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,31,a 8000Hz的频率偏移约为1.25Hz b 5000Hz的频率偏移约为0.75Hz,多普勒扩展,多普勒效应及时变特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,32,水声信道脉冲响应时变图,时变特性,多普勒效应及时变特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,33,时变特性,多普勒效应及时变特性,2023/1/14,第二讲

14、水声信道的特点及对通信网络的影响,34,时变特性,多普勒效应及时变特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,35,若发射信号为,无运动时接收信号,有运动时接收信号,时变特性,多普勒效应及时变特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,36,时变特性,多普勒效应及时变特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,37,时变特性,多普勒效应及时变特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,38,水声信道的模型,水声信道为时变、空变、扩展衰落的信道，且这种时变空变特性对于用户来说是无法预知的，是一个二维的

15、随机过程。,发送信号为，接收信号为,用二维概率密度函数表征其统计特性。,表示时变时延扩展信道t时刻的冲激响应,水声信道的统计特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,39,假设 是广义平稳的（WSS），,的自相关函数为,在海洋传输介质中，同路径延时 相关联的信道衰减和相移与路径时延 相关联的信道衰减和相移是不相关的，这叫做非相关散射（US）,水声信道的模型,信道的时间（多径）扩展及相干带宽,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,40,水声信道是广义平稳非相关散射（WSSUS）,多径强度分布：,不为零的 值范围就是信道的时间扩展Tm,Tm的理论值

16、很难得到，通常使用实测值。,信道的时间扩展Tm：,水声信道的模型,信道的时间（多径）扩展及相干带宽,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,41,信道的时间扩展与相干带宽的关系：,基本不为零的宽度被称为信道的相干带宽。,信道的相干带宽：,水声信道的模型,信道的时间（多径）扩展及相干带宽,定义：,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,42,假设到达接收点的两路信号具有相同的幅度和一个相对的时延差T。频率特性将依赖于,水声信道的模型,信道的时间（多径）扩展及相干带宽,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,43,自相关函数为：,水

17、声信道的模型,信道的频率（多普勒）扩展及相干时间,定义：,信道的多普勒功率谱：,定义：,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,44,信道的多普勒扩展Bd：,不为零的 范围称作信道的多普勒扩展,水声信道的模型,信道的频率（多普勒）扩展及相干时间,为信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值，一般都要求符号周期,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,45,信号经历了慢衰落，否则为快衰落,信号经历了频率选择性衰落，否则为非频率选择性衰落,水声信道的模型,信道的衰落特性,符号周期的选择，决定了信道的衰落特性。,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及

18、对通信网络的影响,46,a 时域：信号的符号周期 b 频域：信号的基带带宽信号经历的衰落类型和信道参数之间的关系,水声信道的模型,信道的衰落特性,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,47,克服时间选择性衰落对信号的影响，即要求信号经历慢衰落；,克服频率选择性衰落的影响和减少码元间的相互干扰。,理论上可以证明，最佳的符号周期：,水声信道的模型,最佳符号周期的选择,符号周期的选择应考虑两个方面：,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,48,2005年在云南抚仙湖进行试验中，频率分别8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的单频信号，其频率扩展Bd

19、分别为1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，相应的相干时间分别为0.8s、1.33s、2s、4s。也就是说，选择符号周期T0.8s即为慢衰落信道。,水声信道的模型,最佳符号周期的选择,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,49,接收信号可表示为:,频率非选择信道的转移函数为:,水声信道的模型,频率非选择性慢衰落信道,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,50,水声信道的模型,频率选择性慢衰落信道,频率选择信道的转移函数为:,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,51,水声信道的特点对通信网络的影响,1.传输

20、延迟长 2.传输带宽窄3.节点能量有限,水中c1500m/s，相比于空中无线传输高出5个数量级，这将会导致整个网络系统的吞吐量受到严重影响。,带宽在110kHz量级，对应的数据率在0.110k bits/s量级，这使得水声通信网络的链路容量受到严重影响，远低于空中无线网络的链路容量。,网络中各节点通常以电池供电，能源有限，必须尽可能减少通信数据重发次数，并进行相应的能源管理。,2023/1/14,第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响,52,水声信道的特点对通信网络的影响,（1）传输延迟长。水中c1500m/s，相比于空中无线传输高出5个数量级，这将会导致整个网络系统的吞吐量受到严重影响。（2）传输带宽窄。带宽在110kHz量级，对应的数据率在0.110k bits/s量级，这使得水声通信网络的链路容量受到严重影响，远低于空中无线网络的链路容量。（3）节点能量有限。网络中各节点通常以电池供电，能源有限，必须尽可能减少通信数据重发次数，并进行相应的能源管理。（4）通信链路不对称且时变。由于水声信道受海洋环境及海底地貌的影响，使得通信链路不对称且时变，这个特性使得路由维护变得十分困难。,