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
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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
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cos
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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
水声信道的通信距离和带宽
接收端传播距离、带宽信噪比的关系图
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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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1. 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。
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；
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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）
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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
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
2016/3/14 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
第二讲 水声信道传输特性
1.距离、带宽和信噪比的关系; 2.多径传播及空变特性; 3.多普勒效应及时变特性; 4.水声信道的模型;
5.水声信道的特点对通信网络的影
响;
2016/3/14 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 1
1. 距离、带宽和信噪比
传播损失
声波在声场中的平均传播损失: TL n 10lg r r
~(t )e j 2fc (1 )( t ) s r (t ) a ~(t )e j 2fc (t ) .e j 2fc (t ) • • • • • a
• • • • • sT (t )e j 2f (t )
vr v f c f cos 多普勒频移 f f c c c
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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)。
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
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
多普勒效应
发射端
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 , L v t ct
多径传播及空变特性
浅海近程水声信道声线轨迹
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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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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
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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
1. 距离、带宽和信噪比
传播损失
Thorp给出的吸收系数与频率之间的经验公式为：
0.1 f 2 40 f 2 4 2 a 2.75 10 f 0.003 2 2 1 f 4100 f
工程上常用的吸收系数估计经验公式：
0.036 f
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dB / km
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。
0 t (1 )T 1 t sT sr (t ) 其它 0
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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
多普勒效应
满足
vr 1 T c B
c 或 BT vr
多普勒效应可视为简单的载波偏移
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。
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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
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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
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1. 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。
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
3. 多普勒效应及时变特性
时变特性
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3. 多普勒效应及时变特性
时变特性
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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。
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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
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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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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
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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
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
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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)
n=0： 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 n=1： 和全反射海面组成的理想波导中的传播；
n=1.5 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；
n=2： 开阔水域（自由场），球面波传播；
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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
深海典型声速抛面图
2016/3/14 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
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2. 多径传播及空变特性
4985
4990
4995
5000
5005
5010
5015
5020
a 8000Hz的频率偏移约为1.25Hz
b 5000Hz的频率偏移约为0.75Hz
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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
时变特性
水声信道脉冲响应时变图
2016/3/14 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 32
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：
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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
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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
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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；
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
vห้องสมุดไป่ตู้T
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
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L vrT t2 c vr vr t1 t2 T c vr 22