水声信道

anh（[ k n）Ts t0 ] 0
nk
h（[ k
n）Ts
t0
]
1 0
k n k n
理想的传输波形
时间扩展（频率选择性衰落）
时间扩展引起频率选择性衰落，可用相干 带宽描述。
相干带宽：信道在两个频率处的频率响应 保持强相关情况下的最大频率差。
相干带宽与时延扩展成反比
Bcoh
1
平坦衰落：相干带宽＞ 信号带宽 时延扩展＜ 码元间隔
水声通信的特点
通信距离有限 通信速率低 可靠性差 通信方向 通信内容单一 成本高 水声信道是一个带宽严重受限、噪声干扰 严重的时变、空变、频变的衰落信道。
编码信道 调制信道
信 源
加 密 器
编 码 器
调 制 器
发 转 换 器
信 道
收 转 换 器
解 调 器
解解 码密 器器
信 宿
发送设备
噪 声
接收设备
广义信道
eo t Aei t d eo Aei e jd
h(t) A t d
H () Ae jd
H A
幅频特性为常数
d
相频特性是线性
d
d
d
群延迟特性固定
只对ei(t)的不同频 率成份进行相同的
幅度衰减和时延。
|H()|
K0
O
a 幅频特性
j () td
O
b 相频特性
td
O
信道冲击响应函数
5公里
80公里
实测结果（浅海）
浅海信道的传递函数
仿真计算结果 水深100米 距离10公里
深海声道
深海传播损失
TL(dB)
TL(dB)
传播损失 65 70 75 80 85 90 95 100 105
15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 r(km)
传播损失 80
85
90
95
100
105
110
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
r(km)
信道冲击响应函数
-6
x 10 2
信道冲激响应
1.5
1
百度文库0.5
幅度
0
-0.5
-1
-1.5
收发均在声道轴
-2
0
1
2
3
4
5
6
time(s)
收发在不同深度
信道软件仿真结果（深海）
深海信道的传递函数
海底的影响
浅海的Pekeries模型
频率选择性衰落：
简正波模型
x, z
n0
Ans
in
n
h
x e jz
k 2 n 2 h
简正波模型
截止频率 频散 垂直相关半径
射线模型
海面、海底两个确定的、平整的界面，声速水平方向均匀
声速剖面
声线弯曲
表面声道
传播损失
表面声道
张仁和院士2003年南海试验结果，频率1kHz
c 群迟延特性
➢ 幅度－频率畸变
产生原因 ：
发射机、换能器、信道、传感器、接收机的幅度 －频率特性不理想所引起的，又称为频率失真。
相位-频率畸变
是指信道的相位-频率特性偏离线性关系所 引起的畸变。
常采用群延迟-频率特性来衡量
水声信道
信号传输的通道（媒介），通信系统重要 组成部分。
能量的损失
波形的畸变
确定性的变换导致波形的畸变，随机性变换导致信息损失
水声信道中的加性干扰
水声信号的发送和接收
发射机 换能器 海洋信道 水听器 接收机
多途模型
海面、海底两个确定的、平整的界面 均匀介质
N
rt aist i
i 1
码间干扰 频率选择性衰落
无码间干扰的基带传输
akh(t0 ) ak
信道 （信号通道）
有线信道 狭义信道
信号的传输媒质 无线信道 调制信道
恒参信道
广义信道 （连续信道） 随参信道
媒质及有关 变换装置
编码信道 有记忆编码信道
（离散信道）
无记忆编码信道
调制信道模型
ei（t） h(t)
eo(t)
e0t htei t nt e0t kt ei t nt
n(t)
n(t): 加性干扰 k(t): 乘性干扰
50 0
-50 -100 -150 -200
0
第 2帧 幅 频 特 性
first second third forth
4000
4500
5000
5500 频 率 /Hz
6000
第 2帧 相 频 特 性
6500
7000
7500
first second third forth
100
200
300
400
500
浅海 深海
信道的传递函数
台湾海峡实测数据
归一化的幅度 幅 值 的 对 数 /dB
松花湖试验结果
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
0 -0.2
0
第 7帧 的 信 道 冲 击 响 应
50
100
150
200
250
300
时 间 /ms
40 30 20 10
0 -10 -20
3500
200 150 100
k t 依赖于网络的特性，k t 反映网络特性对 ei t 的作用。
信道传输特性
ei (t) h(t) eo(t)
ei () H () eo()
e0t ht ei t e0 H ei
H H e j
幅频特性 相频特性
理想信道传输特性
无失真传输 (1) 对信号在幅度上产生固定的衰减； (2) 对信号在时间上产生固定的迟延。
600
克服措施 ：
✓改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效传输带 宽内平坦；
✓增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变得平坦 ——均衡器
✓分集接收：空间分集、频率分集、时间分集