水声通信组网技术第二讲水声信道传输特性分析解析
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。
水下无线通信系统的设计与性能分析
水下无线通信系统的设计与性能分析随着科技的不断发展，水下无线通信系统在海洋工程、海洋资源勘探、军事等领域的应用越来越广泛。
本文将对水下无线通信系统的设计原理及其性能进行分析。
一、水下无线通信系统的设计原理1. 调制方式：水下无线通信中，由于水的特殊性质，常用的无线通信调制方式并不适用。
通常采用的调制方式有频移键控（FSK）和正交频分多址（OFDM）等。
这些调制方式能够克服水下的多路径传播和海洋环境噪声对信号的干扰。
2. 传输技术：为了提高水下无线通信的传输距离和速率，可以采用声波、电磁波以及光学技术。
声波传输适用于短距离通信，如水下无人机遥控。
而电磁波和光学技术适用于中长距离通信，如深海资源勘探。
3. 路由算法：水下无线通信中，由于水下环境的复杂性，传统的路由算法不再适用。
因此，设计水下无线通信系统时需要考虑到水下环境的特殊性。
一种常用的水下路由算法是基于地理位置的路由算法，通过节点之间的位置信息进行通信路径选择。
4. 多径传播影响：水下环境中，存在多径传播现象，即信号由于反射、折射等原因，到达接收节点的路径不止一条。
这会导致信号衰减和传播时间延迟，影响通信性能。
为了克服多径传播的影响，可以采用等化器、自适应调制等技术。
二、水下无线通信系统的性能分析1. 传输距离：水下无线通信的传输距离受到水下环境的影响，如水的吸收、散射和衰减等。
一般来说，声波传输距离较短，约为几百米至几公里；而电磁波和光学技术可以实现更远的传输距离，甚至达到数十公里。
2. 传输速率：水下无线通信的传输速率受到信道带宽和噪声等因素的影响。
在频谱资源有限的情况下，可以通过高效的调制和编码技术来提高传输速率。
此外，还可以采用多天线技术和波束成形技术来增加信道容量，提高传输速率。
3. 抗干扰性能：水下环境中存在各种噪声和干扰源，如水声噪声、海洋生物的声音等。
设计水下无线通信系统时需要考虑到这些干扰源对信号的影响，并采取相应的抗干扰技术，如扩频技术和自适应信号处理技术。
水声多径信道研究
1、由于水声场的时-空-频变特性，使得多途现象尤为突出，成为水声通信中
难以克服的困难。
2、浅海边界条件复杂、水中散射体多、介质分布不均匀等因素，也使得增加到一定程度，将不存在直达路径，此时必须利用多途信
号才能有效的通信。
4
水声信道的多径传播模型
声音的速度和深度的函数及相应的海洋截面
9
几种海况下的多径现象
远距离(20~2000km)信道 由于水声信道的带宽受限，作用于远距离信道的水声通信系统的
频率只能选在10kHz以下的范围。经过这样长的传播路径后，由于多 径结构的动态变化性，信道的均衡问题仍然不是很容易解决。另外， 由于经过长距离的传播后，信号的传输损失非常大，在设计水声通信 系统时，环境噪声也成为一个比较显著的障碍。
快衰落，也称时间选择性衰落，是用于描述Tcoh<Ts的信道， Tcoh是信道相干时间，Ts是一个码元的传输持续时间。因此，若信道 是快衰落的，则其衰落特性会在一个码元持续时间内改变多次，从而 引起基带脉冲波形的失真。 如果Tcoh>Ts，则信道是慢衰落的，这是信道状态在一个码元持 续时间内保持不变，传输的码元不会有脉冲失真。
19
多普勒频展
浅海声信道的多普勒频展是典型的信道衰落速率。 对于调频系统，着重考虑的是多普勒频展对于小频移窄带信号的 影响，如果选择相邻两个载频的频率间隔大于多普勒频展，即Bw>>Bd ， 则可以忽略多普勒频展带来的影响。否则必须考虑对接收信号进行多 普勒频展补偿，对于接收端来说就比较困难。所以对于调频系统，码 元与码元之间的频率必须保留一定的间隔。
20
时延扩展 时延扩展Δ—多途接收信号的时域特性
10
1 水声信道的多途特性
海洋无人机技术在水声信道传输中的应用
海洋无人机技术在水声信道传输中的应用第一章：引言随着科技的不断进步与发展，海洋科学研究越来越引起人们的关注。
而无人机技术是其中一个颇受瞩目的研究方向。
特别是，海洋无人机技术具有独特的技术优势，为海洋科学研究提供了更加广阔的视野和更为精细的数据收集渠道。
本文将介绍海洋无人机技术在水声信道传输中的应用。
第二章：无人机技术与水声信道传输2.1 无人机技术无人机，即无人飞行器，是一种通过遥控或自主计算机控制的无人驾驶飞行器。
随着无人机技术的不断发展，其在遥感、矿产资源开发、海上安保、军事侦察等多个领域拥有广泛的应用。
2.2 水声信道传输水中声波传播是指由水中某个点发出的声波，透过水分子作为媒介将声波传播到远处。
水声信道传输是一种基于水声通信原理实现的数据传输方式。
它与相对应的其他通信方式相比较，具有较强的适应性和更好的传输效果，因此在海底数据传输、水下探测等方面有广泛的应用。
第三章：海洋无人机技术在水声信道传输中的应用3.1 海洋无人机技术的优势相比于传统的水面船只和潜水器，无人机技术具有以下显著优势：（1）快速响应：无人机响应快，可快速在水中搜索、勘测、采样等。
（2）节省成本：由于无人机不需要运作人员，因此成本相对较低。
（3）高效精准：由于无人机的机身相较部分水陆载具更为轻便，其清晰快速的视角、高精度的GPS定位将有效地协助水声信号的接受和回传。
3.2 不同类型海洋无人机的应用（1）翼型无人机：在海中跟随声源进行空中声波检测。
定量分析声波的声压级、海流引起的背景噪声和扰动噪声等。
（2）潜水和潜水滑翔机：在海底接受声信号，对水中的水柱风速、盐度、温度、浊度等进行定量分析。
同时，可以对水底地形进行三维扫描。
3.3 海洋无人机在水声信道传输中的应用优势（1）提高传输速率：利用无人机不同的飞行高度，相对静止的空中视角，有效的提升了水声信道传输的传输速率。
（2）减少传输误差：无人机对水流、水温、水柱风速的感知能力将为水声信道在传输过程中提供更精确的环境参数，使传输误差得到有效降低，提高信号质量。
水声通信中的信号调制与解调技术研究
水声通信中的信号调制与解调技术研究在当今科技飞速发展的时代，通信技术的重要性日益凸显。
其中，水声通信作为一种特殊的通信方式，在海洋探索、水下监测、军事应用等领域发挥着至关重要的作用。
而信号的调制与解调技术则是水声通信系统中的核心环节，直接影响着通信的质量和效率。
水声通信面临着诸多独特的挑战。
首先，水声信道是一个极其复杂且多变的环境。
与电磁波在空气中传播不同，声波在水中传播时会受到吸收、散射、折射和多径效应等多种因素的影响，导致信号的衰减和失真。
其次，水下环境的噪声水平通常较高，这包括海洋生物发出的声音、水流的噪声以及船舶等机械产生的噪声。
此外，由于水的密度和压力等特性，声波的传播速度相对较慢，限制了通信的带宽和数据传输速率。
为了在如此恶劣的环境中实现可靠的通信，有效的信号调制与解调技术显得尤为关键。
信号调制是将原始信息加载到载波上的过程，其目的是使信号更适合在信道中传输。
在水声通信中，常见的调制方式包括幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
幅度调制是最简单的调制方式之一，通过改变载波的幅度来传递信息。
然而，由于水声信道中的衰减较大，幅度调制容易受到噪声的影响，导致信号的可靠性降低。
频率调制则是根据信息改变载波的频率。
这种调制方式在一定程度上能够抵抗信道中的噪声和衰减，因为频率的变化相对较容易检测。
但频率调制也存在一些局限性，例如占用较宽的带宽，在带宽有限的水声信道中可能不太适用。
相位调制通过改变载波的相位来传输信息。
它具有较高的频谱效率，能够在有限的带宽内传输更多的数据。
但相位调制对相位误差较为敏感，在复杂的水声信道中容易出现相位偏移，从而影响解调的准确性。
除了上述传统的调制方式，近年来，一些新型的调制技术也逐渐应用于水声通信中。
例如，正交频分复用（OFDM）技术将可用的频谱分割成多个子载波，每个子载波可以独立地进行调制和解调。
这种技术能够有效地对抗多径效应和频率选择性衰落，提高通信的可靠性和数据传输速率。
水声通信技术总结
水声通信技术总结
水声通信技术是一种利用水介质进行信息传递的通信技术。
该技术主要应用在海洋测量、水下探测、海底资源开发等领域，以及军事领域的水下通信。
水声通信技术的优点在于传输距离远、传输速度较快、不受电磁干扰、适用于深海等环境。
但是也存在一些问题，如传输距离会受到水温、盐度、压力等因素的影响，同时水声信号易受到环境噪声的影响。
水声通信技术主要包括单载波调制、多载波调制、脉冲编码调制等多种调制方式。
其中，单载波调制是最常用的一种方式，其利用单一的载波信号进行传输。
多载波调制则采用多个载波信号进行传输，可以提高传输速度和传输距离，但同时也增加了复杂度。
脉冲编码调制通过对脉冲进行编码，可以在保证传输速度的同时提高传输质量。
除了调制方式，水声通信技术还需要考虑信号处理、信道建模等问题。
信号处理可以提高信号的质量和可靠性，包括预处理、滤波、解调等。
信道建模则是估算水声信号在水中传播时的损耗、传播路径等信息，以便对传输进行优化。
总的来说，水声通信技术是一种在特定环境下具有优异性能的通信技术，未来将继续得到广泛应用和研究。
- 1 -。
水声多径信道研究PPT课件
将接收到的多途信号分离成不相干(独 立)的 多路信 号，然 后将这 些多路 信号的 能量按 照一定 的规则 合并起 来，使 接收的 有用信 号能量 最大， 从而提 高接收 端的信 噪功率 比，对 数字系 统而言 ，使误 码率最 小。
分集技术包括两个方面：
➢
如何把接收的多途信号分离出来，使 其互不 相关。
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时延扩展
m
多途最大时延差T
的倒数定义为信道相 关带宽 ：
coh
当码元速率较低，信号带宽B<<B
时 ，信号 通过信 道传输 后各频 率分量 的变化 具有一 致性， 则信号 波形不 失真， 无码间 串扰， 此时的 衰落为 平坦衰 落。
coh
反之，当码元速率较高，信号带宽B> B
时， 信号通 过信道 传输后 各频率 分量的 变化是 不一致 的，将 引起波 形失真 ，造成 码间串 扰，此 时的衰 落为频 率选择 性衰落 。
=1/T
。
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时延扩展
dm dm dm
乘积B
T
为信道的扩展因子。如果B
T
<1，信道被称为“欠扩展”信道；相 反，如 果B
T
>1，信道被称为“过扩展”信道。
dm
通常，如果BdTm <<1，这时可以采用相位相干调制解调 方案， 在解调 器中包 含自适 应均衡 器来消 除码间 干扰。 如果凡B
TLeabharlann >1，信 道冲激 响应的 测量即 使可能 也是极 其困难 和不可 靠的， 这时相 位相干 解调和 抗码间 干扰的 自适应 均衡器 就会失 去作用 ，在这 种情况 下,只 能采用 基于FSK的非 相干调 制解调 技术。
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时延扩展
水声通信组网技术水下信息网络概论剖析
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
2020/6/1
第一讲 序论
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 自动最佳路由选择
Wi-Fi
Wi-Fi
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Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
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Wi-Fi
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有线回传 最佳路由 备选替换路由
与有基础设施网的区别：
•不需要预设的基础设施（BS、AP）； •网络的组织是临时的、按需的、自动的； •必须采用分布式的控制方式。
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举例1：蜂窝移动通信系统
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1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统
– 移动终端和固定基 站互相通信
• 对网络层来说WLAN是一个单跳网络
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1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络
• 移动Ad hoc网络/多跳无线网络 • 由一组带有无线通信收发装置的移动终端
节点组成 • 网络中每个终端可以自由移动、地位相等 • 是一个多跳、临时、无中心网络 • 不需要现有信息基础网络设施的支持 • 可以在任何时候、任何地点快速构建
水面舰艇及潜艇与UUV通信
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2.水下信息的传输
UUV与UUV的通信
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28
2.水下信息的传输
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新型无线水声通信技术研究
新型无线水声通信技术研究随着科技的不断进步和发展，各种新型技术也应运而生。
在通信领域中，无线通信技术受到越来越多的关注和重视。
而在无线通信技术中，水声通信技术也同样备受关注。
新型的无线水声通信技术是什么？该技术具有哪些特点？又在哪些领域有应用前景？新型无线水声通信技术简介水声是物理学中的一种声波，可在水中传播。
无线水声通信技术，是利用水声传播的性质，实现两端的数据交流的通信技术。
不同于传统的有线通信技术，无线水声通信技术不需要通过网络连接，具有独特的优势。
传统的水声通信技术主要应用于海洋和湖泊等水域环境下。
而新型的无线水声通信技术，可适用于更广泛的领域，如水下沉船探测、水下生态监测、水面下的管道监测等。
同时，无线水声通信技术也逐渐应用于海上船舶通信和海底查找与探测。
新型无线水声通信技术的特点新型无线水声通信技术的主要特点，是其具有较高的数据传输速率和更广阔的覆盖范围。
无线水声通信技术可以通过合理的信号设计、编解码、多址技术等手段，提高数据传输速率和传输距离。
同时，由于水声传输特性的局限性，水声通信技术通常较难实现双向通信，难以应用于即时性传输数据等领域。
但是新型无线水声通信技术，可以通过信号处理、信噪比优化和编码解码技术等手段，大幅度提高水声通信的可靠性和抗干扰性。
此外，新型无线水声通信技术还具备隐蔽性和不容易遭到干扰的特点。
无线水声通信技术往往需要具备一定的水声功率和发送指向性，才能实现信息传输。
但由于水声通信技术的传输距离较短，且在水下环境中，干扰信号较少，使得无线水声通信技术具有很好的保密性和信号安全性。
这也是无线水声通信技术在一些特殊领域得到广泛应用的原因之一。
新型无线水声通信技术在海洋领域的应用海洋是地球表面上最广袤、最神秘的生态区，也是地球重要的自然资源库。
然而，由于海洋环境的特殊性，如水温、水压、盐度等环境因素的干扰，目前海洋资源的开发和利用仍具有相当大的挑战。
同时，在海洋科学研究和海上交通等领域中，也存在着通信和信息传输方面的问题。
深海水面通信信道传播特性分析
第54卷 第6期2021年6月通信技术Communications Technology Vol.54 No.6Jun. 2021·1314·文献引用格式：任祥维，魏兴雲，杨伟，等.深海水面通信信道传播特性分析[J].通信技术，2021，54（6）：1314-1319.REN Xiangwei,WEI Xingyun,YANG Wei,et al.Analysis of propagation characteristics of deep seasurface communication channel[J].Communications Technology,2021,54(6):1314-1319.doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2021.06.004深海水面通信信道传播特性分析*任祥维1，魏兴雲1，杨 伟2，胥 桓1，蒋天瑜1（1.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.电子科技大学，四川 成都 611731）摘 要：深海水面是一种极特殊的电磁波传播环境。
该环境下存在海浪散射、海水电特性、海杂波以及大气折射等诸多因素，导致通信信号传播过程中出现多径效应，且具有随机时变特性，对信号的接收和处理提出了较大挑战。
因此，针对典型工程应用中的深海水面传播场景，对其海浪特性、海水电特性等展开分析，通过选用合理的无线电波传播模型计算传播损耗，并分析通信信道通断规律，为后续进一步信道建模和通信信号体制设计、信号发射接收技术提出建议。
关键词：海面波；Debye 公式；Longley-Rice 模型；传播损耗中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1002-0802(2021)-06-1314-06Analysis of Propagation Characteristics of Deep SeaSurface Communication ChannelREN Xiangwei 1, WEI Xingyun 1, YANG Wei 2, XU Huan 1, JIANG Tianyu 1(1.No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China;2.University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu Sichuan 610041, China)Abstract: Deep sea surface is a very special electromagnetic wave propagation environment. In this environment, there are many factors such as ocean wave scattering, sea electrical characteristics, sea clutter, atmospheric refraction, etc., which lead to multipath effects and random time-varying characteristics in the propagation of communication signals. They pose greater challenges to signal reception and processing. Based on the deep sea surface propagation scenarios in typical engineering applications, this paper analyzes its wave characteristics, seawater electrical characteristics, etc., calculates the propagation loss by selecting a reasonable radio wave propagation model, and analyzes the on-off laws of communication channels for further follow-up suggestions on channel modeling and communication signal system design, signal transmission and reception technology.Keywords: sea surface wave; Debye formula; Longley-Rice model; propagation loss0 引 言深海海面是一种典型的多径传播环境，日常海况3～5级，浪高1～2 m，通信双方相对位置、天线方向均存在随变特征。
水下激光通信系统中信道特性分析_水下通信技术
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水下激光通信系统中信道特性分析
1.2.3 光纤通信 现代光纤通信是指以激光作为信息载体，以光纤代替电缆来进行通信。而 光纤是目前最有能力支持高带宽远距离通信的传输媒介。与传统的通信方式相 比，光纤通信有如下几个方面的优势[10]： （1）通信容量大，传输带宽大。单根石英光纤在低损耗频段 0.8~1.65μm 的频带宽度可以达到 200THz， 这样巨大的传输宽带和容量是其他传输介质所不 能代替的。 （2）损耗小，中继距离长。目前工业制造的光纤在 1.3μ m 附近，其损耗在 0.3~0.4dB/km 范围以内，在 1.55μm 波段已降到 0.2dB/km 以下。 （3）光纤通信的抗干扰性和保密性极好。光纤是二氧化硅制成的，它不受 各种电磁波的干扰，甚至在核辐射环境下，仍能正常工作。光信号在传输过程 中被束缚在光纤芯内，向外辐射和泄漏的极小，在信息传送时很难被窃听，这 在军事国防和经济上都有重要意义。 （4）光纤中几乎没有背景噪声。光纤对恶劣环境有较强的适应能力。 （5）重量轻、成本低、资源丰富、寿命长。光纤的制造不需要大量的有色 金属，所需要的石英丰富而便宜。光纤是绝缘体，没有电流和电压的干扰，且 不易被海水腐蚀。 尽管光纤有以上众多优点， 但是光纤是有线传输， 依赖于相对昂贵的光缆， 还要考虑到薄的电缆护套易受海洋生物附着和其他机械的损坏。水下光缆应用 的另一个挑战是收发器之间插拔连接，譬如一个海面船只与一个水下传感器之 间，或者一个 AUV 和一个传感器之间。总体而言，使用光纤的费用比较高， 维护困难，所以水下高带宽无线通信比光纤通信有着更明显的优势。 1.2.4 水下激光通信 水下激光通信结合了频率高和无需有线连接直接传播光载波的灵活性的优 点。与水声通信相比，水下激光通信可以克服水声通信的带宽窄、载频低、延 迟大等缺点。而与光纤通信对比，它继承了光纤通信的众多优点，但是激光在 海水中严重地受到周围环境条件的影响，在海洋中我们面对的是比大雾天气甚 至更高的单位距离的信号损耗，水下环境对于激光的性能起到决定性的作用。
现代水声通信技术发展
现代水声通信技术发展水声信道是一个十分复杂的多径传输信道，特性参数随着时-空-频的变化而随机变化，且在水声环境中，水声信道又表现出带宽窄、环境噪声高、传输时延大、载波频率低等缺点，使得传输数据率低、传输误码率高[1]。
因此，如何有效消除水声通信技术在运用过程中的诸多限制性因素，提高数据传输率，成为当下研究的一大热门课题。
为实现水声载体下的水声通信，下面结合相关专业理论知识，首先就水声信道的相关物理特性进行分析。
1水声信道相关物理特性探究声波是当前已知的在水中传输衰减最小的波动形式，稳定性与可靠性较高，因而在水下信息传输、水下探测等领域得到了广泛应用[2]。
在研究水声信道相关物理特性时，需要全面掌握声波在海洋中传播的复杂情况，而要想搞清楚这一状况，就需建立起多种复杂模型，在这多种复杂模型中，有一种模型立足于“信号系统”视角，将声传播的海洋环境看作是一个线性、随机时变的滤波器系统，该模型被称为水声信道。
1.1水声信道基本物理特性据探测，声波在海面附近的典型传播速率为150m/s，比电磁波的速率低5个数量级，因此，较之电磁波与光波，声波在海水中的衰减要小的多[3]。
实际上，水声信道是近似地满足广义平稳非相关散射条件的，且在该条件下，可实现“短时间内”的信道响应函数基本稳定。
且实践表明，复杂的水声信道会给水声通信系统的性能带来较大影响，且作为一个由海洋及其边界构成的十分复杂的介质空间，水声信道具有独特的上下表面与内部结构，可对声波产生诸多不同的影响。
总结以上分析可知，水声信道具有以下特性：①严重的多径效应。
在实际传输过程中，若实际水深小于传输距离，且同一波束内从不同路径传输的声波，会因为路径长度的差异，产生时间的延迟与能量的差异，导致信号展宽，波形码间干扰出现。
②环境噪声影响大。
水声通信中，影响通信质量的噪声因素来自多个方面，如水面作业产生噪音、水生生物活动产生噪音、沿岸工业活动产生噪音等，这些来源于不同路径的噪音无一例外会对信号的信噪比产生影响。
多协议下水声通信系统及传输理论
多协议下水声通信系统及传输理论水声通信是一种重要的通信技术，在海洋探测、海洋资源开发、水下传感器网络等领域具有广泛应用。
随着科技的发展，多协议下水声通信系统成为水声通信技术的一个重要研究方向。
本文将介绍多协议下水声通信系统的原理、应用和传输理论。
多协议下水声通信系统是指利用不同的协议在水声通信中传输数据。
传统的水声通信系统主要采用频率调制和幅度调制等模拟调制技术，但随着数字通信技术的进步，数字调制技术在水声通信中得到越来越广泛的应用。
多协议下水声通信系统允许在同一系统中同时使用不同的协议，以适应不同的通信要求和环境条件。
在多协议下水声通信系统中，常用的协议包括MFSK（多频移键控）协议、M-PSK（多进制相位键控）协议和QAM（正交振幅调制）协议等。
这些协议具有不同的特点和适用范围。
MFSK协议适用于低比特率传输，具有较强的抗多径干扰能力；M-PSK协议适用于高比特率传输，具有较好的抗噪声性能；QAM协议则兼具低比特率传输和高抗干扰性能的特点。
通过合理选择协议，可以实现更高效、更可靠的水声通信系统。
在多协议下水声通信系统中，传输理论起着关键作用。
传输理论研究的是在给定的信道条件下，如何最大化传输速率和保证可靠性。
常用的传输理论包括信息论、编码理论和调制理论等。
信息论主要研究如何通过编码和调制技术提高信道容量；编码理论研究如何通过编码和解码算法提高传输的可靠性；调制理论研究如何通过选择合适的调制方式提高传输效率。
在多协议下水声通信系统中，传输理论的应用可以通过以下几个方面体现。
首先，通过信息论的研究，可以选择合适的编码和调制方式，并优化系统参数，以使得系统能够在给定的信道条件下实现最大化的传输速率。
其次，通过编码理论的研究，可以设计出具有较强纠错能力的编码方案，以提高系统的可靠性。
最后，通过调制理论的研究，可以选择合适的调制方式和调制参数，以提高传输效率和抗干扰性能。
除了传输理论的研究，多协议下水声通信系统还面临着一些挑战。
专题报告水声通信
专题报告—水声通信当今世界已进入了飞速发展的信息时代,通信是这一进程中发展最为迅速、进步最快的行业.陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支———Internet网和移动通信网日臻完善,而海中通信的发展刚刚崭露头角.有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动(如正常航运)可能存在影响等缺点,极大地限制了它在海洋环境中的应用.另外由于在浑浊、含盐的海水中,光波、电磁波的传播衰减都非常大,即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km,因而它们在海水中的传播距离十分有限,远不能满足人类海洋活动的需要.在非常低的频率(200Hz以下),声波在海洋中却能传播几百公里,即使20kHz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km,因此水下通信一般都使用声波来进行通信.而在这个频率范围内,声波在水中(包括海水)的衰减与频率的平方成正比,声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限的.采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段水声通信。
最初是主要应用于军事领域,最近十年,随着人类对海洋资源的不断开发和利用,如近年来环境系统的污染监测、海上石油工业的遥控以及不回收仪器设备而直接获取海底工作站记录的科学数据等等,使得水下信息通信技术的商用前景越来越广阔,相应地,也促进了水下通信技术的发展.早在第二次世界大战之后,水声通信就已出现.现在水声通信已广泛应用于潜艇之间的通信、水面舰艇与潜艇的通信、海上遥控和遥测、遥感、水下测量设备记录数据回送、水下图像传输、语音传输和水声局域互联网(ALAN)等多个方面.其具体的设备包括舰艇用水声通信机、水下通信浮标、水下应急通信设备、潜水员水声电话、水下机器人用的图像声纳和通信声纳等许多种。
海洋水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道,这是至今还存在的难度最大的无线通信信道.研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理等多种学科和技术的知识,现在水声通信的研究已经成为各国科学和工程技术人员研究的热点之一.另外,海洋声学技术尤其是水声通信技术是国际发达国家对我国实行封锁的领域,因此研制具有自主知识产权的水声通信技术意义深远。
声波在水下传播与水声通信中的应用
声波在水下传播与水声通信中的应用声波是一种机械波，它通过介质中的分子振动传播。
在水下环境中，声波传播的速度较快，而且能够传播很远的距离。
因此，声波在水下通信中有着广泛的应用。
首先，声波在水下传播中起到了重要的作用。
水是一种良好的声波传播介质，因为它的密度高，分子之间的相互作用力强。
当声波进入水中时，它会引起水分子的振动，从而使声波传播。
声波在水中的传播速度大约为1500米/秒，比在空气中快约4倍。
这使得声波成为水下探测和通信的理想选择。
其次，水声通信是利用声波在水中传播的特性进行信息传递的一种方式。
水声通信可以用于海洋勘探、海底资源开发、水下导航、海底地震监测等领域。
在水声通信中，声波可以通过调制和解调的方式传输信息。
发送方将要传输的信息转化为声波信号，然后通过水中传播到接收方，接收方再将声波信号转化为可读的信息。
水声通信的优势在于传输距离远、抗干扰能力强、隐蔽性好等特点。
除了水声通信，声波在水下传播还有其他重要的应用。
例如，声纳技术是利用声波在水中传播的特性来探测和定位目标的一种方法。
声纳可以用于海洋生物学研究、水下地形测量、水下目标探测等领域。
通过发射声波信号，然后接收并分析回波信号，可以获取目标的位置、形状和运动信息。
此外，声波在水下传播还可以用于水下导航和通信系统。
水下导航系统利用声波在水中传播的速度和方向特性来确定自身位置和航向。
声波信号可以通过水下声纳设备发送和接收，从而实现对水下环境的感知和导航。
同时，声波也可以用于水下通信系统，实现水下设备之间的信息交流和数据传输。
总的来说，声波在水下传播与水声通信中的应用十分广泛。
声波作为一种机械波，通过水中的振动传播，为水下环境的勘探、导航和通信提供了重要的手段。
随着科技的不断发展，声波在水下应用领域的研究和应用也将不断深入，为人类探索水下世界带来更多的可能性。
水声通信组网技术第二讲 水声信道传输特性
2016/3/14 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 5
1. 距离、带宽和信噪比
海洋环境噪声
海洋环境噪声文兹谱级图
2016/3/14 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 6
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
2016/3/14 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 15
2. 多径传播及空变特性
多径传播
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
2016/3/14 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 25
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
水声信道的时变特性 水声信道本身固有的特性； 包括两个方面： 收发间的相对运动引起。
水声信道本身固有的 水流引起声速梯度的变化， 时变特性由两个 使声传播的方向发生变化； 方面引起： 海面的波动，使得声波发生 举例 色散(多普勒扩展)。
海洋环境噪声
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。
2016/3/14
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
9
1. 距离、带宽和信噪比
水声通信中的信道建模与信号处理研究
水声通信中的信道建模与信号处理研究水声通信是一门利用水介质进行数据传输通信的技术，其广泛应用于海底探测、海洋观测和军事领域等。
在水声通信中，信道建模与信号处理是重要的技术环节，因为水声信号在水中传播具有比较复杂的特性。
因此，本文将分别从信道建模和信号处理两个方面探讨水声通信中的技术研究。
一、信道建模在水声通信中，信道建模的主要目的是对水声信道进行建模，以便于设计和评估水声通信系统。
由于水声信道存在时变性、多途效应、噪声干扰等问题，因此对其进行建模具有挑战性。
1.1 时变性建模水声信道中的时变性主要体现在信号的传播距离、温度、盐度等因素的影响下。
因此，时变性建模需要考虑这些因素对信号传播的影响，并建立相应的数学模型。
目前，研究者主要采用了经验模型、传输函数模型和随机过程模型等技术进行时变性建模。
1.2 多途效应建模水声信道中存在多途效应，即信号到达接收器时，会有多个不同的信号路径达到接收器。
这种信号在接收器处叠加导致信号失真和失真，影响了接收器的性能。
因此，多途效应建模是水声通信中不可或缺的一项技术。
现有的多途效应建模技术主要包括脉冲响应技术、波导模拟技术和统计学方法等。
二、信号处理水声信号具有信噪比低、复杂多变的特点，因此信号处理是水声通信中的关键技术。
目前，信号处理主要涉及压缩感知、自适应信号处理和多输入多输出技术等。
2.1 压缩感知压缩感知是一种通过少量的非随机测量来恢复高维信号的技术。
在水声通信中，压缩感知可以用于压缩水声信号并恢复信号，从而提高传输效率。
2.2 自适应信号处理自适应信号处理技术是一种能够对信号进行实时跟踪和自适应调整的技术。
在水声通信中，自适应信号处理可用于抑制多径效应和噪声干扰，提高信号的抗干扰性能，并有效地提高水声通信的可靠性。
2.3 多输入多输出技术多输入多输出技术是一种用于水声通信系统的空间码技术，其利用多个发射和接收单元构成的线阵列实现信号的空间编码和解码。
这种技术可以使得水声通信系统在增加信息传输速率的同时，提高系统的可靠性。
水声通信网络浅析【范本模板】
水声通信网络浅析摘要：随着现代信息技术的飞速发展，覆盖了地面、空中、太空、水面的立体信息网已经形成并为各国的通讯、交通、资源调查、国防等各项业务服务。
近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快，发达国家开始对水下声通信网进行研究.水声通信网络（UWN）承担着探测、数据通信的重要使命。
它通常由海底传感器、自主式水下运载器（AUV）和水面站组成，水面站可进一步与Internet等主干网连接，在这种环境中人们可以从多个水下远程设备提取实时数据，并把控制信息传递给各个设备。
本文将介绍水声通信网络的发展现状、关键技术、具体应用及发展前景。
关键词：水声通信网络发展现状 AUV1.发展现状目前陆上与空中的有线及无线通信已经很成熟，但是水下无线通信仍处于研究与试用阶段。
随着人类对海洋探索、开发的不断深入，无论是军用领域还是民用领域,都对水下通信有着极大的需求。
尽管在水下可以使用电缆、光缆等有线方式进行通信，但是这些方式中节点无法移动，适用对象极其有限。
电磁波在水下的衰减很大，要想在水中传播很远的距离就必须采用很低的频率,这就要求很高的传输能量和很长的天线，通常是难以实现的。
目前水下通信方式主要有长波通信、水下激光通信、中微子通信、水声通信等。
长波通信所需设备体积庞大，价格昂贵，通信效率低,目前主要用于基地与潜艇之间的远程通信；水下激光通信目前主要研究蓝绿激光水下通信系统，其穿透海水能力强，可实现基地与下潜400米以上的潜艇的通信，通信频带宽，数据传输能力强，但是灵活性不够；中微子通信是近年来新兴的技术,比较复杂，目前还仅仅停留在实验室阶段[2]。
声波是惟一一种能在水介质中进行长距离传输的能量形式。
水声通信是目前水下最合适的通信方式，得到了各发达国家研究机构和军方的高度重视。
最早的水声通信可以追溯到20世纪50年代针对模拟数据的幅度调制（AM)和单边带（SSB)水下电话。
随着VLSI（very large scale intergration,超大规模集成电路）技术的发展，在80年代早期水下数字频移键控（FSK）技术得到应用，它对信道的时间、频率扩散有一定的鲁棒性。
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2. 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
2018/10/20
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
14
2. 多径传播及空变特性
多径传播
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
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
试验水域温度深度曲线
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 30
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
18 x 10
7
2.5
x 10
8
16 fc=8001.25Hz
fc=5000.75Hz 2
14
12
1.5
10
8
1
6
4
0.5
2
0
0
7985 7990 7995 8000 8005 8010 8015 8020
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒效应
若发射信号的持续时间为T，则接收信号的持续时间为
Tr T (t1 t 2 ) c T c vr
若发射信号可表示为
0 t T s(t )•••• sT (t ) 其它 0•••••• 当有传播延迟时 ，接收信号可表示为
c vr sr (t ) sT (t ) sT c
多径传播及空变特性
浅海近程水声信道声线轨迹
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 19
2. 多径传播及空变特性
多径传播及空变特性
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。
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L 接收端
r 1
1
t1
v r t1
，
发射端
a. 脉冲前沿 L
接收端
L t1 c vr
L vr t2 ct2 vrT
t2
vrT
vr t 2
b. 脉冲后沿
当信号的后沿到达接收端 时，接收端又向发射端靠近了 vrT
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
L vrT t2 c vr vr t1 t2 T c vr 22
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 7
1. 距离、带宽和信噪比
海洋环境噪声
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 ：
p ( x)
1 2
e
x2 2 2
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第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
8
1. 距离、带宽和信噪比
3. 多普勒效应及时变特性
时变特性
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第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
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。
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 12
2. 多径传播及空变特性
多径传播
海面 发射换能器 非均匀媒质 海底 接收换能器
水声通信中多径信号产生示意图
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。
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 29
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
27
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
cos 1 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）
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 28
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
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
海洋环境噪声
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。
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第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
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1. 距离、带宽和信噪比
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：
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 5
1. 距离、带宽和信噪比
海洋环境噪声
海洋环境噪声文兹谱级图
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 6
1. 距离、带宽和信噪比
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。
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vr 1 c
(t ) sT 1 ( t )
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第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒效应
多普勒因子： vr c 不考虑传播延迟时，接收信号可表示为
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第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
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3. 多普勒效应及时变特性
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θ，风速为w时，一次
海面反射引起的多普勒扩展为 :
f 0.0175 c fw
32
cos
2018/10/20
深海典型声速抛面图
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 17
1500
c(m / s ) 表面层
主跃变层 声道轴 深海等温层
2. 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
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 18
2. 多径传播及空变特性
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
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 15
2. 多径传播及空变特性
多径传播
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
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。
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
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第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
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第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
1. 距离、带宽和信噪比
传播损失
吸收系数与频率的关系
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 4
1. 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；
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 25
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
水声信道的时变特性 水声信道本身固有的特性； 包括两个方面： 收发间的相对运动引起。
水声信道本身固有的 水流引起声速梯度的变化， 时变特性由两个 使声传播的方向发生变化； 方面引起： 海面的波动，使得声波发生 举例 色散(多普勒扩展)。
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
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 16
2. 多径传播及空变特性
多径传播
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。
1000 2000 3000 z ( m)
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
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3. 多普勒效应及时变特性
多普勒效应
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
发射机
接收机
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第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
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3. 多普勒效应及时变特性