水声通信组网技术第二讲-水声信道传输特性课件

2023/8/7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;2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响1第2023/8/7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；2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响22023/8/7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：2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响32023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响4吸2023/8/7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50Hz~500Hz频率范围内的主要噪声；海面波浪：产生500Hz~25000Hz频率范围内的噪声；热噪声：2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响52023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响6海2023/8/7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1kHz到10kHz频率范围内浅海的环境噪声谱级基本上在40dB到70dB(参考声压级为1PaHz)之间，3级海况时深海的环境噪声谱级在50dB到70dB之间，并且随着频率的降低环境噪声随之增大；

1kHz以下的环境噪声谱级均在70dB以上，因此传输信号使用的载波频率的下限取1kHz。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20dB/decade在下降。

距离、带宽和信噪比海洋环境噪声2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响7文2023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响82023/8/7第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响92002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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响92023/8/7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1～10kHz，距离为10～100km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。2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响102023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响112023/8/7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10～100km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1～10km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。2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响122023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响132023/8/7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声速梯度b深海多径c浅海多径2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响142023/8/7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300～400ms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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响152023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响162023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响172023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响182023/8/7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海近程水声信道声线轨迹多径传播及空变特性2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响192023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响202023/8/7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L2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响212023/8/7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,

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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响222023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响232023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响242023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响252023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响262023/8/7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θ，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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响272023/8/7第二讲水声信道的特点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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响282023/8/7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40～100m，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，其频率扩展分别为1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz。多普勒扩展

多普勒效应及时变特性

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响292023/8/7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

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响302023/8/7第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响31a8000Hz的频率偏移约为1.25Hzb5000Hz的频率偏移约为0.75Hz多普勒扩展

多普勒效应及时变特性

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响312023/8/7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

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响322023/8/7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

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响332023/8/7第二讲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

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响342023/8/7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

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响352023/8/7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

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响362023/8/7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

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响372023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响382023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响392023/8/7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TmTm的理论值很难得到，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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响402023/8/7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：2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响412023/8/7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2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响422023/8/7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：2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响432023/8/7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信道的相干时间：

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

2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响442023/8/7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。2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响452023/8/7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

水声信道的模型信道的衰落特性2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响462023/8/7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：2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响472023/8/7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T<0.8s即为慢衰落信道。

水声信道的模型最佳符号周期的选择2023/8/1第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响482023/8/7第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响49

接收