水声信道的计算机仿真研究

水声信道的计算机仿真研究

作者：陈顺举童常根刘敬彪

来源：《现代电子技术》2008年第08期

摘要：简要分析水声信道的传播特性,建立水声时变多径信道的数学模型,给出一种水声信道的多径传播的计算机仿真方法。通过仿真结果,分析水声信道多径传播的特点,有助于对水声信道的了解及相关问题的设计。

关键词：水声信道；多径传播；计算机仿真；多径信道

中图分类号：TP391.9文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2008)08-088-

(School of Electronics & Information,Hangzhou Dianzi

Abstract：This paper describes the characters of underwater acoustic communication channels.A mathematical model of multipath fading channel in underwater acoustic communication is developed.Through the simulation results,the speciality of multipath,which is helpful to realize the character of the underwater acoustic communication channels is analyzed,and relative projects are

Keywords：underwater acoustic channel;multipathpropagation;computer simulation;multipath

当前的通信研究领域中,在水下利用声波进行数字通信是一个热门的研究。尤其是近年来随着海洋开发事业的发展,对水下通信的要求也越来越迫切,大大增加了科研人员投身于水声数字通信的热情。水声信道的研究是水声通信技术研究的重要环节,然而其困于多径干扰而未取得令人满意的进展。本文针对当前多种调制方式在水声信道中的应用,提出一种模拟水声信道多径传播的简化模型,通过计算机仿真对水声信道中几种常用的调制方式进行比较,其结果可对克服水声信道的干扰、选择合适的调制方式提供一些借鉴。

1 水声信道的数学模型

水声信道是所有通信信道中最为复杂的信道之一。他具有环境噪声高、可用的载波频率和带宽低、传输时延大等特点。计算机仿真时可以将水声信道简化为一个时间和频率变化的冲激响应的线性滤波器,同时存在着噪声的影响[1],如图1所示

图1 水声信道多径传播模型

在水声信道多径传播模型中为噪声,发送信号表示为［2]：

［］

对于复带通信号而言,复指数信号可称为复载波,而函数u(t)则为复调制分量,常称其为s(t)的复包络,即的等效低通信号。假设发射信号如式（1）所示，则经过非均匀的海水介质的传播,同时由于界面反射等作用,水听器接收到的信号是具有不同时延因子和衰减因数的许多路径信号的合成。因此,接收到的带通信号可表示为[2]：

－

式（2）中是第n 条传播路径上接收信号的衰减因子,τn(t)为第条传播路径的传播延时。将式（1）代入式（2）,可得：

［t－τn(t)］

可以看出接收信号的等效低通信号为:

［t－τn(t)］

由于是等效低通信道对等效低通信号的响应,因此,该等效低通信道可用其时变冲激响应来描述,即[2]：

πfcτn(t)δ［t－τn(t)］

式(5)即为多径信道的等效低通冲激响应表达式。由式(5)可以看出多径传播效应使发射信号的幅度和相位都发生畸变,并且其变化规律是人们无法预知的。

2 仿真实例及分析

由于海洋反射、折射、声线弯曲、时变、空变等现象的存在,要想用一个精确的模型完整地表述其性质是不可能的也是不必要的。从水声通信的角度来看,水声信道是一种典型的时变多径信道,可以针对某一特定环境或某一应用范围对其特性进行分析和研究。

现在分析发射未调载波的情况,以便直观地说明海洋多径效应对信号传输的影响。发射信号简化为经过条路径传播后的接收信号为：

［ω0(t－τi(t)］

=∑ni=1ui(t)cos［ω0t+φi(t)］

其中是第径的幅度、相位,随时间变化而随机变化。图2是一个幅度为1,频率为10 000 Hz的单频信号经过20条路径传输得到的波形及其频谱,这20条路径的衰减相同,但时延的大小是随时间变化的,每径时延的变化规律为正弦型,变化频率从0~10 000 Hz抽取。

图2 输入单频信号的时域波形

由图2~7可以看出：单频信号经过20径时变信道后,输出信号的包络随时间起伏,输出信号的频谱从冲激谱变成一个窄带频谱,信号的包络呈现随机起伏的特点。信号经过多径时变信道,会产生码间干扰和衰落,其中衰落快慢取决于码元间隔与多径间的时延差的相对关系。通常,当信息速率远大于信道的衰落速度时,信号经历慢衰落,如图2所示；当由于信息速率与信道的衰落速度可比时,信号经历快衰落,如图3所示；当码元间隔远大于多径间的最大时延时,由多径造成的码间干扰对信号接收影响不严重；当多径间的时延差与信号码元间隔可比时,多径造成的码间干扰就不可忽视。

图3 时延变化频率为1 000 Hz 经过径后接收信号的时域波形

3 结语

水声信道中信号传输的路径较多,接收端同时收到来自多条传输路径的信号,这些信号可能同相相加或反相相消。由于各径时延差不同,每径信号的衰减不同,因此水

图4 时延变化频率为10 000 Hz 经过径后接收信号的时域波形

图5 输入单频10 kHz信号的频谱

图6 时延变化频率为1 000 Hz经过径后接收信号的频谱

图7 时延变化频率为10 000 Hz经过径后接收信号的频谱

声信号经过多径信道后有码间干扰。通常情况下,如果信号的码元距离远大于多径的最大时延差,此时信号经过多径后不会产生严重的码间干扰；相反,如果信号码元间隔与多径间的时延差可比,则信号经过多径后会产生严重的码间干扰,此时接收端需要考虑采用均衡和其他消除码间干扰的方法才能正确接收信号。