水声通信组网技术第二讲 水声信道传输特性

1、2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响1第二讲第二讲 水声信道传输特性水声信道传输特性距离、带宽和信噪比的关系距离、带宽和信噪比的关系;多径传播及空变特性多径传播及空变特性;多普勒效应及时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模型;水声信道的特点对通信网络的影水声信道的特点对通信网络的影响响;2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响2 距离、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比声波在声场中的平均传播损失声波在声场中的平均传播损失:rrnTLlg10n=0：n=1：n=1.5n=2：管道中的声传播，平面波传播管道中的声传播，平面波传播；表面声道和深海

2、声道，柱面波传播，以及全反射海底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；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计及海底声吸收时的浅海声传播 ，以及计入界面声，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；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；开阔水域（自由场），球面波传播；2022-4-30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：给出的吸收系数与频率之间的经验公式为： 2242220.1402.75 1

3、00.00314100ffafff 工程上常用的吸收系数估计经验公式：工程上常用的吸收系数估计经验公式：3 20.036/fdB km2022-4-30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、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响5 距离、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比海洋中的环境噪声源从低频到高频依海洋中的环境噪声源从低频到高频依次为：次为：潮汐和波浪的海水静压力效应，产生低频噪声；潮汐和波浪的海水静压力效应，产生低频噪声；地震扰动：极低频噪地震扰动：极低频噪声；声；海洋湍流：低频噪声；海洋湍流：低频噪声；行船：

4、产生行船：产生50Hz500Hz频率范围内的主要噪声；频率范围内的主要噪声；海面波浪海面波浪 ：产生：产生500Hz25000Hz频率范围内的噪声；频率范围内的噪声；热噪声：热噪声：2022-4-30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、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响7 在在1 kHz 到到10 kHz 频率范围内浅海的环境噪声谱级基本上频率范围内浅海的环境噪声谱级基本上在在40 dB 到到70 dB(参考声压级为参考声压级为1 Pa Hz )之间，之间，3级海况时深海级海况时深海的环境噪声谱级在的环境

5、噪声谱级在50 dB 到到70 dB之间，并且随着频率的降低环之间，并且随着频率的降低环境噪声随之增大；境噪声随之增大； 1 kHz 以下的环境噪声谱级均在以下的环境噪声谱级均在70 dB以上，因此传输信号以上，因此传输信号使用的载波频率的下限取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为是以频率20 dB/decade 在下降。在下降。 距离、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比2022-4-30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，其声压的海洋中的噪声为

6、高斯分布的连续谱，其声压的瞬时值瞬时值的概率密度为的概率密度为 ：22221)(xexp 距离、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比2022-4-30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、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比2022-4-30第二讲 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，

7、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、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比扩展损失与距离有关；吸收损失与距离和扩展损失与距离有关；吸收损失与距离和频率均有。频率均有。水声信道中的可用带宽有限。水声信道中的可用带宽有限。2022-4-30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、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响12 通信距离在通信距离在10100km的为远程水声通信，带宽只有几的为远程水声通信，带宽只有几kHz（1000km距离的水声通信，通信带宽只有距离的水声通信，通信

8、带宽只有1Hz）；）； 通信距离为通信距离为110km的为中距离的水声通，带宽在的为中距离的水声通，带宽在10kHz数量级；数量级； 通信距离在通信距离在1km以内的为短距离水声通信，其带宽超过以内的为短距离水声通信，其带宽超过10kHz，若通信距离在，若通信距离在100m以内时，通信的带宽可在以内时，通信的带宽可在100kHz以上。以上。 距离、带宽和信噪比距离、带宽和信噪比 很明显一定传播距离时，这种关系影响了水声通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。信系统距离与载波频率及带宽的选择。2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响13 多

9、径传播及空变特性多径传播及空变特性水声通信中多径信号产生示意图2022-4-30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及空变特性a 声速梯度 b 深海多径 c 浅海多径2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响152002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。05010015020025030035040000.10.20.30

10、.40.50.60.70.80.91DelayTime(ms) 海洋环境多径时延 多径传播及空变特性多径传播及空变特性2022-4-30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，引起信号的时间扩展，在浅海中距离信道，多径扩展多径扩展一般为一般为10ms，有时可达几百毫秒，而在有时可达几百毫秒，而在深海信道的深海信道的多途扩展为几十微秒到几秒量级，多途扩展为几十微秒到几秒量级，且距离越

11、远，多径且距离越远，多径扩展时间越长扩展时间越长 多径传播及空变特性多径传播及空变特性2022-4-30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形式，由于折射和界面反射，海洋声信道大都呈现波导效应。效应。表 面 层主 跃 变 层深 海 等 温 层声 道 轴100020003000)/(smc)(mz1500深海典型声速抛面图 多径传播及空变特性多径传播及空变特性2022-4-30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

12、变特性深海远程水声信道声线轨迹 2022-4-30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多径传播及空变特性浅海近程水声信道声线轨迹 2022-4-30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特性随发射、接收点空间位置的不同而变化，即变化，即水声信道是空变的水声信道是空变的。 多径传播及空变特性多径传播及空变特性2022-4-30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多普勒效应

13、及时变特性 射机与接收机之间在射机与接收机之间在t=0时刻的距离为时刻的距离为L， 径向运动速度为径向运动速度为vr发射机接收机L2022-4-30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 ,11rLv tct 1rLtcv 当信号的后沿到达接收端时，接收端又向发射端靠近了， 22rrLv tctv T Tvr2rrLv Ttcv 12rrvttTcv 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30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若发射信号的持续时间为T，则接收信号的

14、持续时间为，则接收信号的持续时间为12()rrcTTttTcv 当有传播延迟当有传播延迟时时 ，接收信号可表示为，接收信号可表示为 ( )()1()1()rrrTTTcvvs tstststcc 若发射信号可表示为若发射信号可表示为( )0( )0Ts t tTst 其其它它 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30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，接收信号可表示为不考虑传播延迟时，接收信号可表示为cvr多普勒因子：多普勒因子： 10(1)( )0TrsttTs t 其它 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30第二讲 水声信

15、道的特点及对通信网络的影响25满足满足 或或BTcvr1rvcBT 多普勒效应可视为简单的载波偏移多普勒效应可视为简单的载波偏移 )(2)(2)(2)(1 (2)(.)()()(tfjTtfjtfjtfjrets eeta etatsccccosfcvfcvffcrc多普勒频移多普勒频移 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30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水声信道本身固有的时变特性由两个时变特性由两个方面引起：方面引起：水声信道本身固有的特性；水声信道本身固有的特性；收发间的相对运动引起。收发间的相对运动引起。 水流引起声速梯度的变化，水流

16、引起声速梯度的变化，使声传播的方向发生变化；使声传播的方向发生变化； 海面的波动，使得声波发生海面的波动，使得声波发生色散色散(多普勒扩展多普勒扩展)。 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 水声信道的时变特性水声信道的时变特性 包括两个方面：包括两个方面：举例举例 2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响27cos0175. 023fwcf 多普勒效应及时变特性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，功率谱与反射波为零均值高斯分布的随机过程，功率谱与风速有关。风速有关。 当载波频率为当载波频率为f，入射角为，入射角为，风速为，风速为w时，一次时，一次海面

17、反射引起的多普勒扩展为海面反射引起的多普勒扩展为 :2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响281cos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效应及时变特性 2022-4-30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，风速云南抚仙湖试验，风速3m/s，实验区域水深，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，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发射换能器布放深度为6m，接收换能器布放深度为，接收换能器布放深度为22m，收发端距离，收发端距离25km，接收

18、船抛锚，发射船停机，接收船抛锚，发射船停机，收发之间有轻微的移动。发射持续时间为收发之间有轻微的移动。发射持续时间为4s，频率分，频率分别别8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的单频信号，取频率的单频信号，取频率精度为精度为0.25Hz进行分析，其频率扩展分别为进行分析，其频率扩展分别为1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz。 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响30 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 试验水域温度深度曲线 2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响31798579907

19、99580008005801080158020024681012141618x 107fc=8001.25Hz4985499049955000500550105015502000.511.522.5x 108fc=5000.75Hza 8000Hz的频率偏移约为1.25Hz b 5000Hz的频率偏移约为0.75Hz 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30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 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响33 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 20

20、22-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响34 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响35若发射信号为若发射信号为( )jwtx te无运动时接收信号无运动时接收信号( )( )jwty tH w e1( )nNjwnnH wa e1( )2,nnNjwjw tnnnnnDH wa ewfff其中有运动时接收信号有运动时接收信号( )( , )jwty tH w t e 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响36 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 20

21、22-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响37 多普勒效应及时变特性多普勒效应及时变特性 2022-4-30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的模型 水声信道为时变、空变、扩展衰落的信道，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，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。是一个二维的随机过程。 发送信号为发送信号为 ，接收信号为，接收信号为)(tsT)(tsr )()();()(twdtstctsTr用二维概率密度函数表征其统计特性。用二维概率密度函数表征其统计特性。 );(tc表示时

22、变时延扩展信道表示时变时延扩展信道t时刻的冲激响应时刻的冲激响应 2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响39假设假设 是广义平稳的（是广义平稳的（WSS），），);(tc);(tc的自相关函数为的自相关函数为);();(21);,(2121ttctcEtc 在海洋传输介质中，同路径延时在海洋传输介质中，同路径延时 相关联的相关联的信道衰减和相移与路径时延信道衰减和相移与路径时延 相关联的信道衰减相关联的信道衰减和相移是不相关的，这叫做非相关散射（和相移是不相关的，这叫做非相关散射（US） 12 水声信道的模型水声信道的模型2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络

23、的影响40水声信道是广义平稳非相关散射（水声信道是广义平稳非相关散射（WSSUS）)();();,(21121ttcc0t )()0 ;(cc多径强度分布：多径强度分布： 不为零的不为零的 值范围值范围就是信道的时间扩展就是信道的时间扩展Tm)(cTm的理论值很难得到，通常使用实测值。的理论值很难得到，通常使用实测值。信道的时间扩展信道的时间扩展Tm： 水声信道的模型水声信道的模型2022-4-30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信道的时间扩展与相干带宽的关系：干带宽的关系：deffjcc2)()( 基本不为零的宽基本不为零的宽度被称为信道的相干带宽。度被称为信道

24、的相干带宽。 )( fc信道的相干带宽信道的相干带宽 ：()cf ()1/cmfT 水声信道的模型水声信道的模型定义：定义：2022-4-30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相对的时延差T。频率特性将依赖于。频率特性将依赖于 2cosT 水声信道的模型水声信道的模型 2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响43detctfCfj2);();();();();(21);,(2121tfttfCtfCEtffcc自相关函数为：自相关函数为： 水声信道的模型水声信道的模

25、型定义：定义：tdetffStjcc2);();( 信道的多普勒功率谱：信道的多普勒功率谱： ( ,)( )ccSfS 0f 定义：定义：2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响44信道的多普勒扩展信道的多普勒扩展Bd： 不为零的不为零的 范围范围称作信道的多普勒扩展称作信道的多普勒扩展 )(cS信道的相干时间信道的相干时间 ：()ct dcBt/1)( 水声信道的模型水声信道的模型 为信道冲击响应维持不变的时间间隔的为信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值统计平均值 ，一般都要求符号周期，一般都要求符号周期 ct)(ctT)(2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对

26、通信网络的影响45ctT)(信号经历了慢衰落，否则为快衰落信号经历了慢衰落，否则为快衰落 mTT 信号经历了频率选择性衰落，信号经历了频率选择性衰落，否则为非频率选择性衰落否则为非频率选择性衰落 水声信道的模型水声信道的模型符号周期的选择，决定了信道的衰落特性。符号周期的选择，决定了信道的衰落特性。2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响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 水声信道的模型水声信道的模型2022-4-30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克服时间选择性衰落对信号的影

27、响，即要求信号经历慢衰落；影响，即要求信号经历慢衰落；ctT)( 克服频率选择性衰落的影克服频率选择性衰落的影响和减少码元间的相互干扰。响和减少码元间的相互干扰。mTT 理论上可以证明，理论上可以证明，最佳的符号周期最佳的符号周期 ：dmBTT4/3 水声信道的模型水声信道的模型符号周期的符号周期的选择应考虑选择应考虑两个方面：两个方面：2022-4-30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。 水声信道的模型水声信道的模型2022-4-30第二讲 水声信道的特点及对通信网络的影响49 接收信号可表示为接收信号可表示为: )()()0 ;(tjetatC频率非选择信道的转移函数为频率非选择信道的转移函数