水声通信信道特性测量研究

目录
摘要 (I)
Abstract.......................................................................................................... I I 1 绪论
1.1 引言 (1)
1.2水声通信的发展历史及现状 (2)
1.3 论文课题介绍 (8)
2 水声信道的传输特性及对水声通信的影响
2.1海洋中声信道的物理特性 (11)
2.2信道特性对通信的影响 (16)
2.3水声信道与无线电信道的比较 (18)
2.4本章小结 (19)
3 水声信道建模与仿真
3.1基于传统射线理论的N 径确定性模型 (20)
3.2水声信道的仿真与分析 (24)
3.3本章小结 (27)
4 水声信道特性测量方法研究与仿真
4.1信道特性函数分析 (28)
4.2信道测量方法 (33)
4.3信道测量的仿真分析 (40)
4.4本章小结 (45)
5 全文总结与展望 (46)
致谢 (48)
参考文献 (49)
1 绪论
1.1 引言
通信是人们赖以生存的重要手段之一。

现代通信技术己经进入了人们生活的方方面面，卫星通信、移动通信使得居住在世界各地的人们可以通过直接对话进行交流。

同时人类交流信息的空间也不再局限在陆地范围，占地球表面积绝大部分的浩瀚水域作为人们的宝贵资源，己经吸引了许多科技工作者在水下通信领域去探索和开发利用。

随着海洋开发和信息产业的发展，利用海洋信道传递信息的需求大为增加。

各种数据信息，如遥测数据，水下机器人遥控指令，水下无缆电话，水下电视图象，环境系统中的污染检测数据等，都需要通过水声通信系统进行传送，水声通信系统的商用价值凸现，与之相应的是水声通信的研究迅速增加。

在近10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。

要在水下两个距离较远的地点之间建立通信，一种方法就是把发射机和接收机用通信电缆连接起来。

但是这种水下通信方案有许多缺点，例如：造价昂贵；如果位于深水区则维护和修理特别困难；若某一平台很小且是可移动的，则这一平台的电缆拖曳便成为一个不可忽视的问题。

另一种方法是利用水自身来传播携带有信息的信号。

声场是水中传播最远的物理场[1]，因此，声波是水中通信的首选媒体，水声通信也成为人们普遍接受的水中通信方式。

但是，由于水声通信信道的带宽严重受限，水声传播的多径效应等等特性，水声通信的作用距离、通信速率、通信可靠性等都不能够很好地满足人们的要求。

因而，水声通信一方面通过借鉴数字信号处理、无线电通信、移动通信、卫星通信、扩频通信以及软件无线电技术和声纳技术的成果来满足相应的技术要求，另一方面，基于水声通信信道自身的特性，人们正在开发新方法、新技术来满足人们对水声通信系统性能的更高要求。

水声通信技术研究大致可划分为以下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)接收机结构的研究，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)减少多途影响的新调制技术的研究。

水声通信技术与无线电通信技术有很多相似之处，但在信道带宽、数据速率、系统的可靠性等性能指标以及系统结构和组成等诸多方面，水声通信与无线电通信都有很大不同，其关键在于水声信道可能是自然界最复杂的无线通信介质：在中距离的水平信道中，多途时延可能超过60ms，造成长的码间干扰，从而限制了系统的传输速率；按传播方向和水文条件的不同，信道会出现或快或慢、平坦性或选择性衰落过程；高频吸收损失和低频舰船噪声使得在浅海中等传播距离的信道中传输带宽不足40kHz；由于信道时变，在水声信道进行相位跟踪比较困难，很难采用有较高带宽利用率的相位相干检测技术等，这些因素都对实现高速、大容量和高可靠性的通信提出了挑战。

能否针对水声信道的特性，采用合适的无线电通信技术来提高通信速率是现在进行水声通信研究的热点。

1.2 水声通信的发展历史及现状
水声数据通信是近年来国际上发展迅速，研究相当活跃的科学领域之一。

它的研究主要是为了解决水下信息的可靠传输和交换，以更好地满足水下目标探测，水下自主航行器的遥控和广阔的民用领域的海洋开发，海上钻井平台和舰船的应急维护，水下资源勘探等的要求。

近年来，随着海洋开发的发展，水声通信越来越受到世界各国的重视。

水声通信的历史可以追溯到1914年，水声电报系统研制成功并被英国海军安装在巡洋舰上，这可以看作水下无线通信的雏形。

20 世纪初，水声通信开始用于潜水员和水面控制船之间进行传递信息[2]。

然而真正有可靠性保证的水声模拟通信系统出现在二战以后，系统在潜艇间的通信开始采用数字技术。

在水声通信中采用数字技术有两方面重要作用：(1)可以采用复杂的纠错编码技术以提高传输的可靠性；(2)可以采用数字信号处理技术来抵消信道多途和频率扩展的影响。

从此，随着具有相似衰落特性的无线电高频信道通信技术的发展，水声通信得到了突飞猛进的发展。

在最初的水声信道研究中，水声信道被近似为瑞利衰落信道，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水声信道，因此非相干FSK系统得到了广泛的应用。

就调制方式来说，FSK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[3]，对水声信道的时间和频率扩展有很强的适应能力。

FSK系统是用不同的单频信号来表示数字信息，在接收机用窄带滤波器对各个单频信号进行能量检测
并判决。

对于FSK系统，接收机的核心部分是模拟或数字形式的窄带滤波器。

大多数的水声FSK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(Intersymbol Interference，简称ISI)所造成的信号失真，如采用传统的保护时间技术、多频分集技术以及纠错编码技术。

在近十年间，非相干接收技术的发展主要在于采用更有效、能力更强的硬件上。

高可靠性、长期无人值守的系统也是非相干系统研制的一个方向。

非相干接收系统在远距离传输时，其接收机结构没有本质的变化。

目前，非相干系统研制面临的主要任务是自适应调节系统的参数达到最佳化，以适应所处的信道环境，从而达到最远的传播距离、最高的数据率和可靠性。

现有的非相干系统都没有自动确定保护时间、设置参数的能力，结果系统都是按最恶劣的环境设计，造成带宽和功率不必要的浪费。

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指令、水下无缆电话，海底勘探数据，水下电视图象，环境系统中污染检测数据，水文站的采集数据等，利用水声信道和水声通信系统进行传送的需要大为增加。

水声通信，特别是无缆水声通信应用范围的扩大，使得对系统的信息量和性能的要求随之增加。

如在传输控制指令的水声遥控系统中，数据率可低至 3 b/s，系统带宽不大于30 Hz；而要传送图象信号，数据率则需10 kb/s~50 kb/s，系统带宽20 kHz~60 kHz。

虽然非相干FSK 系统很可靠，但它较低的频带利用率使得其很不适应在带宽受限的水声信道进行图象传输或多用户网络应用。

因此近十年中，大量研究着重于如何扩展系统的带宽，提高数据的传输率。

这些研究主要集中在有更好带宽利用率的相位相干调制技术和抑制多途信号处理方面。

与非相干接收系统相比，相位相干水声通信系统在近二十年间得到了很大的发展。

在相干接收发展中具有里程碑意义的是在接收机中使用了判决反馈均衡器(Decision Feedback Equalization，简称DFE)和锁相环(Phase-locked loop，简称PLL)。

在传统的水声传输观念中，时变起伏是相干接收的主要障碍，但实际上使用DFE 和PLL 也是基于要估计和跟踪信道脉冲响应的复杂性和时变性[4]。

非相干接收机是努力回避码间干扰的影响，而相干接收机则必须主动减小ISI的影响，以获得可靠的相位参考。

相位相干调制有相对相干调制和绝对相干调制之分。

绝对相干调制，例如移相键控(PSK)调制，用发射信号的相位直接表示数字信息，它的频带利用率和在白噪声中的误码率性能在数字调制技术中是最优的[5]。

但PSK信号在接收时需要得到正确的相位参考，否则会造成解调信号的严重错误。

相对相干调制－差分PSK(DPSK)
无需载波提取，且在抗频漂、抗多途及抗相位慢抖动能力方面均优于PSK。

因此，在80 年代初，考虑到相干调制的好处和时变信道的复杂性，相干通信主要依赖于DPSK。

文献[6]介绍的系统用于深海6km的垂直信道，采用2DPSK调制，数据率为2 kb/s，误码率为10-5，在3~6 km的水平信道，误码率性能略差。

此系统有如此好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BCH(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem)和RS(Reed-Solomon)码进行了编码。

虽然DPSK系统能减小相位跟踪的困难，但无法避免ISI的影响，所以它主要用于深海垂直信道或距离很短的水平信道，这种信道多途很小，相位稳定性好。

要克服ISI 的影响，系统中还需要采用抵消码间干扰的技术措施。

一个垂直设置的图像传输系统[7]，采用4-DPSK的差分相干调制，带宽为20KHz，从海底到海面6500米，数据率为16kb/s，输入信噪比为15dB时，误比特率为10-4量级。

在浅海要达到这个数量级，就要辅以采用LMS算法的线性均衡器。

另一个垂直信道数据传输的成功例子是法国研制的水下图像和数据传输系统[8]，此系统采用BDPSK调制，数据率为19.2kb/s，载频为53kHz，传输距离2000米。

早期的这些相干系统达到了较高的带宽利用率，数据率也有较大的提高，但水平传播距离都较近。

在中长距离的水平信道或更复杂的信道，要达到更高的数据率，相位相干系统还必须能处理接收信号中的ISI。

在高斯白噪声信道，同样的功率和数据率条件下，PSK的误码率低于DPSK系统，这个性能优势可用来达到更远的传播距离或使用更低的功率，但其代价是要连续跟踪信号幅度和相位的变化。

在近十年间，大量基于PSK调制，采用DFE自适应均衡器和PLL的接收机结构被提出来。

Proakis将这些方法归结为三个主要特征[7]：
(1)均衡器中的滤波器可以是线性的，只带有几个分支的抽头延迟线，或是非线性的，带有反馈决策的环路。

(2)自适应估计和修正滤波器加权值的方法包括低复杂度、慢收敛率的最小均方LMS(Least-Mean-Sqaure)算法和高复杂度、快收敛的RLS(Recursive Least Square)算法。

(3)载波相位跟踪可由均衡滤波器或PLL 环路来完成。

一种常用且有效的算法是将DFE和二阶的PLL结合在一起，用PLL能快速而稳定地跟踪由于信道时变特性所带来的多普勒频移，因为在大多数情况下，信号的时变特性主要体现为时变的多普勒频移[4]；用均衡器跟踪复杂的相对慢变的信道响应。

大量的文献显示[4][8]，一个成功的相干水声通信系统都包含一个带有反馈的自适应均衡器和一个联合最佳的PLL，它常能改善系统的动态性能。

LMS和RLS算
法的选择取决于信道的复杂度，大量的文献对各种自适应算法的收敛度、计算复杂度和计算能力等进行分析和比较[4]。

美国西北大学和Woods Hole海洋研究所(WHOI)联合研制了一种采用绝对相位相干调制QPSK的系统[9]。

为在强多径环境中提取载波，采用了瞬时同步和DFE联合技术，通过对载波相位和均衡器参数的联合估计，进行相干检测。

WHOI研制的系统在各种水声环境中进行了试验，其数据率从长距离信道的2kb/s，到浅海中距离的40kb/s。

一种用于遥测图像数据传输的系统采用线性均衡器和联合最佳的载波恢复[10]，算法能自动修正PLL的增益，数据率达到150kb/s，但其它实验或仿真结果没有给出。

近几年，相干接收机的研究重点在于减小接收机整个计算的复杂度，提高均衡及跟踪的能力。

对于传统的DFE，几种致力于减少算法复杂度的结构己被提出。

比如，稀疏修正技术只在误差值超过门限时，才对横向滤波器的权值进行修正，这样在稳定性较好的信道中应用时能减小计算量；当收敛和稳定性允许的条件下，可以采用更有效的算法如LMS或RLS算法；还可以采用稀疏反馈结构。

实验数据表明[4]，上述各种方法能使计算量减少75%~90%。

稀疏均衡器也得到了研究，均衡器只对主要的传播路径进行扫描，因而能大大减少横向滤波器的分支数。

文献[11]研究了在解码过程中自适应地修正分支设置和参数的方法。

在对DFE-PLL 及其改进结构进行研究的同时，其它一些方法如无需训练序列的盲均衡[12][13]和最大似然序列估计等也在研究中。

Gomes提出的盲均衡技术是用线性横向均衡器加一个预判决反馈均衡器[4]，两个滤波器的参数分别进行调节，反馈滤波器用于对输入进行白化。

文献[14]提出在横向滤波器和PLL之前加入递推白化滤波器。

当超过给定门限后，递推滤波器DFE中的反馈环路连接，采用直接决策判决，若信道条件迅速恶化，算法转向盲均衡模式，无需重新训练就能恢复跟踪。

最大似然序列估计(maximum likelihood sequence estimation，简称MLSE)在最近几年受到了极大的注意。

文献[15]提出了联合信道估计和信道恢复。

由于联合估计十分复杂，采用了迭代算法，首先估计信道的脉冲响应，用Viterbi对数据进行解码，再利用解码数据进行信道识别，将其结果再用于解码。

不过这种方法只能应用于多途延迟小于信号码元宽度，且在多个码元宽度内保持不变的信道。

当多途延迟过大时，MLSE的计算复杂度会呈指数增加。

针对多途的信号处理方法还有阵处理，直接序列扩频(directsequence-spread spectrum，简称DS-SS)技术[16]和编码调制技术等。

抑制多途的阵处理可用在发射和
接收两端。

英国伯明翰大学提出的方法是使用长发射阵，激励单条传播路径，同时使用接收阵来抵消剩余的码间干扰。

系统采用BDPSK或QDPSK，可分别达到10kb/s 和20kb/s的数据率，误比特率分别为10-2～10-3数量级[8]。

接收端进行阵处理则为自适应波束形成。

英国Newcastle大学研制了一种采用自适应波束形成的系统[17][18]，其样机采用LMS算法，使波束方向对准无海面反射波的方向，同时系统还辅以决策反馈型均衡器(DFE)和时间分集，DFE采用LMS算法进行实时跟踪。

Wen推导和分析了一种多信道的线性均衡器[19]，并推导了在有附加白噪声和残余ISI的情况下错误概率的表达式，且与仿真的结果吻合较好。

Stojanovic通过试验比较了两种多信道均衡方法，一种是全信道的联合最佳多信道均衡器，另一种是一个K→P信道窄带自适应波束形成加P个信道的单信道均衡器[20][21][22]。

试验在New England大陆架进行，采用QPSK和8PSK调制，发射距离为1565海里，接收用一个垂直设置的20个阵元的线列阵。

传统的多信道DFE对三个到达路径进行组合，于是信道的选择对系统的性能影响很大，若在多信道均衡器前加一个10→3信道波束形成器，就可获得2dB的信噪比增量；更重要的是对信道选择的灵敏度被减小了，且系统复杂度增加不多。

系统复杂度和性能的改善之间可综合考虑，研究表明，采用多信道均衡器和一个波束形成器加单信道均衡器所得到的信噪比性能是相近的[4]，且接收阵能显著改善相干系统的整体性能。

分集组合技术是衰落信道中比较常用且有效的技术。

分集技术有频率、时间和空间分集之分。

频率分集和时间分集在非相干水声通信系统中有广泛的应用，如在系统中采用FSK或MFSK调制。

空间分集在相干系统中的应用更为普遍，其典型形式为自适应波束形成和多信道均衡。

时间分集是将同一信号多次经过同一信道，即让同一信号重复地发送和接收，由于衰落在时间上有选择性，不同时刻的衰落是不一样的，因而利用同一信号在相隔一定的时间区间内重复地发送和接收，可以使合并的信号相互弥补和加强，实现分集效果。

时间分集在水声数字通信系统中比较常用，水声数字遥控系统中就采用了时间分集技术[23]，将每一码组信号重复发三次，以此来改善遥控系统的性能。

频率分集是将同一信息在不同的频率上同时发送和接收，在接收端通过不同的滤波器将不同频率的信号分开，再采取一定的合并形式进行汇总。

频率分集具有设备简单、可靠、效果较好的特点，是对抗频率选择性衰落的有效方法；但它也有明显不足的地方，即占用的频带加宽，这在频带受限的水声信道是一个很不利的因素。

频率分集技术在非相干的水声数字通信系统中有广泛的应用[4-5][23-26]。

在水声数字通信中，空间分集是采用多个水听器组成接收阵，接收来自不同传
播路径的信号。

由于相隔一定距离的不同路径上同时衰落的可能性很小，因此这种系统会有分集的效果。

空间分集的明显缺点就是所需的接收设备复杂。

若在接收端的阵处理中采用了自适应算法，则为自适应波束形成，自适应波束形成技术用在高速数字通信中，用来抑制多径[6-10]。

空间分集在相干系统中的应用更为普遍，其典型形式为自适应波束形成和多信道的均衡。

Capotivic在一个MFSK系统中采用了空间分集，对不同的阵元输入进行非相千的平方率组合[27]，实验结果表明，采用单接收机时，系统的误码率约为0.03，采用分集组合后为0.0006。

分集接收技术，是对抗时变信道选择性衰落的有效办法，它们能提高平均信噪比，降低数字通信的差错概率。

由于这些分集技术一般都需要多套设备，因此这些技术又称为显分集技术[8][28]。

显分集技术具有不少优点，但也存在两个严重的缺陷，首先，采用几重分集就需要几套设备，使整个接收系统变得复杂；其次，不管分集的重数有多少，由于传播信道并未改变，多径时延不能减少，因而对数字通信中的码间干扰无能为力。

为了克服码间干扰，目前在数字通信中己广泛采用了另一类分集技术，这类分集技术大多是扩频技术，它通过一定的技术途径扩展被传送信息的带宽以达到分集的效果，也就是说，它的分集效果是隐藏在信号波形内部的，并不需要简单的增加设备套数来达到多重分集的效果，因此相对显分集技术，称这类分集技术为隐分集技术。

其中，多途分离是一种典型的隐分集技术。

由于多径延迟现象的存在，接收信号是由不同路径来的信号叠加而成的，当路径时延差较大而码元宽度又较窄时，就会产生严重的码间干扰。

如果在接收点能将这些不同路径，具有不同时延的信号识别、分离出来，并等汇齐后叠加，那么由于多径而造成的频率选择性衰落对数字通信带来的危害可以被控制在最低限度。

多途分离技术是通过信号设计，赋予被传送的信号以某种可分特性，以便在接收端把各路径分离开来；在接收端，将携带相同信息，不同时延、相位和幅度的来自各路径的信号分离出来，再通过相位校正、时间对齐等措施最后进行加权合并，因此它不需要增加换能器和其它接收设备，是一种积极的解决码间干扰影响的构思巧妙的隐分集技术。

它的主要缺点是单位频带内的信息速率很低，对多径展宽远大于码元宽度的严重码间干扰无能为力。

编码技术在水声数字通信系统中也得到了重要的应用。

西北工业大学研制的声遥控系统中采用了交错编码[29]，误码率达到10-6。

哈尔滨工程大学声学所采用Pattern －时延编码技术[30][31]，来消除码间干扰，在2kHz的带宽内，数据率可达300b/s，系统己通过了计算机仿真和湖试。

Catipovic对瑞利信道中长约束长度的卷积码的序
列译码进行了仿真[32]，当每比特的信噪比大于13dB时，可以获得很大的编码增益；而当信噪比较低时，译码性能显著变坏，这使得序列译码在信噪比较低的恶劣环境中的应用受到了限制。

文献[33]介绍的MFSK系统中将频率分集和信道编码结合起来，在瑞利衰落信道能达到更低的误码率。

带有编码的系统的共同特点是由于引进冗余而使实际的数据率降低，采用格码调制(TCM)技术能保持冗余而不降低数据率[4][8][34]。

因此一个更吸引人的任务是将TCM融进DFE结构中以降低信噪比门限。

目前有关水声信道编码研究的论文比较缺乏，说明这一领域需要更多的工作。

虽然各种FSK，PSK，QAM调制在水声数字通信系统中正起着重要的作用，但一些研究人员已开始研究新的调制技术如多载波调制(MCM)[4]、参数换能器[35]等，以期能减小信道多径的影响。

多载波调制(MCM)是目前正在研究的可能应用于水声通信中的新的调制方法[36][37]。

它是将所用的带宽划分成一系列子带宽，每一子带宽内的信号可以采用任一种调制方式，可大大提高系统传输的数据率。

另外多模式、多用户和水声网也吸引了广泛的注意[4][8][38][39][40]。

采用相位相干检测和通过信号处理方法来抑制码间干扰达到高速传输己成为可能，但由于水声信道的复杂性，即使水声通信的数据率远小于无线电通信的数据率，水声通信系统也需要更复杂的接收机结构和自适应算法，以至于很难保证器件能有效而实时地完成实际的高数据率通信。

因此，目前大多数高速率的水声通信系统大都处于原理样机阶段，或应用于特殊信道。

一些研究问题，如多载波调制技术，如降低接收机结构和自适应算法的复杂度，以保证实时完成：抑制水声信道中的噪声和干扰，保证系统能应用于各种信道，特别是航运繁忙的信道，且总处于最佳状态；选用调制与编码技术，更好地改善信道的带宽性能等技术，是水声通信研究的一个重要方面。

而水声信道的传播特性对水声通信系统的质量、效率、可靠性等都产生了强烈的影响，都必须对水声信道的特性如传播损失、环境噪声、多径结构和时变特性等有充分的了解，因此水声信道的研究仍将是现在和不久的将来水声通信技术研究的焦点。

1.3 论文课题介绍
本文第一章首先介绍水声通信的背景及发展状况，论述了海洋声信道研究的意。