现代水声通信第二讲课件.ppt

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1、n=0：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0；n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件；n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播，TL=15logr，相当于计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正；n=2：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr；,2.1 距离、带宽和信噪比,Thorp给出的简单而有效的吸收系数与频率之间的经验公式为,2.1.1 传播损失,声波在声场中的平均传播损失可表示为,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.1 传播损失,吸收系数与频率的关系,2.1 距离、带宽和信噪

2、比,2.1.2 海洋环境噪声,海洋环境噪声文兹谱级图,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.2 海洋环境噪声,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，海洋环境噪声的功率谱密度均被认为是以频率20 dB/decade 在下降。,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.2 海洋环境噪声,海洋中的噪声为

3、高斯分布的连续谱，其声压的瞬时值的概率密度为,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。,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.3 水声信道的通信距离和带宽,扩展损失只与距离有关，而吸收损失不但与距离有关而且还与频率有关，因此可用带宽有限。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,2.1 距离、带宽和信噪比,2

4、.1.3 水声信道的通信距离和带宽,接收端传播距离、带宽信噪比的关系图,2.1 距离、带宽和信噪比,2.1.3 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。通信距离在10100km的为远程水声通信，带宽只有几kHz（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。,2.2 多径传播及空变特性,水声通信中多径信号产生示意图,2.2.1 多径传播,2.2

5、多径传播及空变特性,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,2.2.1 多径传播,2.2 多径传播及空变特性,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,2.

6、2.1 多径传播,2.2 多径传播及空变特性,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。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。,深海典型声速抛面图,2.2.1 空变特性,2.2 多径传播及空变特性,在深海1000m，信号频率1.7kHz，距离100km，发射深度104m，接收深度305m时，各条传播路径的传播损失及传播时间如表21所示。表中所取的声线为主要本征声线，即其传播损失与最小传播损失相比，不大于30dB的声线。从表中可以看到，声线中最长的传播时间

7、为68.25s，最短的传播时间为67.38s，相差0.87s。,表21 深海条件下发射深度104m接收深度为305m时的传播路径,2.2 多径传播及空变特性,保持其它条件不变，将接收深度改为120m时，各传播路径的传播损失及传播时间如表22所示。对比表21、表22说明接收深度及海洋环境对多径特性的影响很大。表22 深海条件下发射深度104m接收深度120m时的传播路径,2.3 多普勒效应及时变特性,若发射机与接收机之间的径向运动速度为vr，在t=0时刻，收发之间的距离为L如图(a)所示，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,当信号的后沿到达接收端时，接收端

8、又向发射端靠近了,，,2.3 多普勒效应及时变特性,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,2.3.1 多普勒效应,若发射信号可表示为,2.3 多普勒效应及时变特性,不考虑传播延迟时，接收信号可表示为,其中多普勒因子,2.3.1 多普勒效应,2.3 多普勒效应及时变特性,满足 或,多普勒效应可视为简单的载波偏移,多普勒频移,2.3.1 多普勒效应,2.3 多普勒效应及时变特性,水声信道的时变特性包括两个方面：一个是水声信道本身固有的特性；另一个是收发间的相对运动引起。,水声信道本身固有的时变特性由两个方面引起：一种是水流引起声速梯度的变化，使得声传播

9、的方向发生变化；另一种是海面的波动，使得声波发生色散；,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,海洋表面波浪引起反射点的移动，从而造成声波的多普勒扩展。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,当通信距离远远大于深度时，不同风速，不同载波频率条件下的多普勒扩展如图所示,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,时不同风速、不同载波频率条件下的多普勒扩展,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2005年1月30日在云南抚仙湖进行的水声时变特性试验，估计风速3m/s，实验区域水深40

10、100m，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，结果如图28所示，其频率扩展分别为1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，与理论分析结果一致。,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,a 8000Hz的频率偏移约为1.25Hz b 5000Hz的频率偏移约为0.75Hz,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,水声信道脉冲

11、响应时变图,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,若发射信号为,无运动时接收信号,有运动时接收信号,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,2.3 多普勒效应及时变特性,2.3.2 时变特性,2.4 水声信道的模型2.4.1 水声信道的统计特性,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，是一个二维的随机过程，应当用二维概率密度函数表征其统计特性,若发送信号为,接收信号为,表示时变时延扩展信道t时刻的冲激响

12、应,2.4.1 水声信道的统计特性信道的时间（多径）扩展及相干带宽,假设,是广义平稳的（WSS），则,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）,水声信道是广义平稳非相关散射（WSSUS）,令,称为多径强度分布。,不为零的,Tm的理论值很难得到，通常使用实测值。,信道的时间扩展Tm：,值范围就是信道的时间扩展Tm,2.4.1 水声信道的统计特性信道的时间（多径）扩展及相干带宽,信道的时间扩展与相干带宽的关系：,相干带宽：基本不为零的宽度被称为信道的相干带宽。,以两经传输的例子来分析海洋多径信道中的时

13、间扩展与相干带宽的关系。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,2.4.1 水声信道的统计特性信道的频率（多普勒）扩展和相干时间,其自相关函数为,令f0，得到信道的多普勒功率谱,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,信道的相干时间：,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,2.4.1 水声信道的统计特性信道的衰落特性,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,a 时域：信号的符号周期 b 频域：信号的基带带宽图2-9 信号经历的衰落类型和信道参数之间的关系,2.4.1

14、水声信道的统计特性最佳符号周期 T的选择,一方面要求符号周期，以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，另一方面又要求，以克服频率选择性衰落的影响和减少码元间的相互干扰，因此需要综合考虑这两种要求。,理论上可以证明，最佳的符号周期：,2.4.2 水声信道模型,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。,2.4.2 水声信道模型频率非选择性慢衰落信道,接收信号可表示为,其中频率非选择信道的转移函数为,2.4.2 水声信道模型频率选择性慢衰落信道,精品课件！,精品课件！,第二章 作业,假设发射信号为 x(t)=Acos(2f0t)。其中A=1，f0=8kHz，接收机带宽B=8kHz。试用MATLAB仿真20km距离时，不同信道条件下的接收信号。,1、只有海洋环境噪声；2、海洋环境噪声、信道的多径如图所示；3、海洋环境噪声、信道的多径如图所示、收/发端的相对运动速度为10kn；4、分析水声信道的时变特性与Tm及Bd之间的关系（分两种情况：考虑时频展缩和只考虑频率展缩）。,