现代水声通信第二讲

2.3 多普勒效应及Baidu Nhomakorabea变特性
2.3.2 时变特性
cos 1 时不同风速、不同载波频率条件下的多普勒扩展
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.2 时变特性
2005年1月30日在云南抚仙湖进行的水声时变特性试验，估 计风速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，结果如图2－8所示，其频率扩展分别为1.25Hz、0.75Hz、 0.5Hz、0.25Hz，与理论分析结果一致。
2;t
t)]
在海洋传输介质中，同路径延时 1相关联的信道衰减和相移与路径时延
2 相关联的信道衰减和相移是不相关的，这叫做非相关散射（US）
水声信道是广义平稳非相关散射（WSSUS）
c (1, 2 ; t) c (1; t) (1 2 )
令t 0
c ( ;0) c ( ) 称为多径强度分布。
第二章 水声信道特性
➢信息载体--声波; ➢多径传播--复杂; ➢系统带宽--有限; ➢环境噪声--很高; ➢传输衰减--很大;
2.1 距离、带宽和信噪比
2.1.1 传播损失
声波在声场中的平均传播损失可表示为
TL n 10lg r r
n=0：适用管道中的声传播，平面波传播，TL=0； n=1：适用表面声道和深海声道，柱面波传播，TL=10logr，相当于 全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播条件； n=1.5：适用计及海底声吸收时的浅海声传播 ，TL=15logr，相当 于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：适用于开阔水域（自由场），球面波传播，TL=20logr；
2.1.2 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。
2.2 多径传播及空变特性
2.2.1 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 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。
15 133.0 67.6
8 133.1 67.5
16 133.0 67.6
2.2 多径传播及空变特性
保持其它条件不变，将接收深度改为120m时，各传播路径的传播 损失及传播时间如表2－2所示。对比表2－1、表2－2说明接收深度 及海洋环境对多径特性的影响很大。
表2－2 深海条件下发射深度104m接收深度120m时的传播路径
信道的时间扩展Tm：c ( ) 不为零的 值范围就是信道的时间扩展Tm
Tm的理论值很难得到，通常使用实测值。
2.4.1 水声信道的统计特性
信道的时间（多径）扩展及相干带宽
c (f ) c ( )e j2f d
相干带宽 (f )c ：c (f ) 基本不为零的宽度被称为信道的相干带宽。
T
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.1 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
t2)
c
c vr
T
若发射信号可表示为
s(t)•••• 0 t T sT (t) 0•••••• 其它
当有传播延迟时 ，接收信号可表示为
sr (t)
sT
c
vr c
(t
)
2.2 多径传播及空变特性
2.2.1 空变特性
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。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。
1500
c(m / s) 表面层
1000 2000
主跃变层 声道轴
深海等温层
3000 z(m)
深海典型声速抛面图
2.2 多径传播及空变特性
在深海1000m，信号频率1.7kHz，距离100km，发射深度104m，接收深 度305m时，各条传播路径的传播损失及传播时间如表2－1所示。表中所取 的声线为主要本征声线，即其传播损失与最小传播损失相比，不大于30dB 的声线。从表中可以看到，声线中最长的传播时间为68.25s，最短的传播时 间为67.38s，相差0.87s。
2.1 距离、带宽和信噪比
2.1.3 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
2.1 距离、带宽和信噪比
2.1.3 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）；
Thorp给出的简单而有效的吸收系数与频率之间的经验公式为
a
0.1 1
f f
2 2
40 f 2 4100 f
2
2.75 104
f
2
0.003
2.1 距离、带宽和信噪比
2.1.1 传播损失
吸收系数与频率的关系
2.1 距离、带宽和信噪比
2.1.2 海洋环境噪声
海洋环境噪声文兹谱级图
2.1 距离、带宽和信噪比
表2－1 深海条件下发射深度104m接收深度为305m时的传播路径
路径 传播损失TL(dB)
传播时间t(s) 路径
传播损失TL(dB) 传播时间t(s) 路径
1 133.1 67.5
9 133.1 67.5
17
传播损失TL(dB) 131.9
传播时间t(s) 67.4
2 133.0 67.6
10 133.1 67.5
发射端靠近了vrt1 ,
L vrt1 ct1
t1
c
L vr
发射端
L vrT
，
接收端
当信号的后沿到达接收端时，
接收端又向发射端靠近了
发射端 t2
t1 a. 脉冲前沿
L
vr t2 b. 脉冲后沿
vr t1 接收端
vrT
vT
L vt2 ct2 vrT
t2
L vrT c vr
t1
t2
c
vr vr
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.2 时变特性
2.4 水声信道的模型
2.4.1 水声信道的统计特性
水声信道为时变、空变、扩展衰落的信道，且这种时 变空变特性对于用户来说是无法预知的，是一个二维的随 机过程，应当用二维概率密度函数表征其统计特性
若发送信号为 sT (t) 接收信号为 sr (t)
多普勒效应可视为简单的载波偏移
sr (t) a~ (t ) e j2fc (1 )(t )
••••• a~(t )e j2fc (t ) .e j2fc (t )
••••• sT (t )e j2f (t )
多普勒频移
f
fc
vr c
fc
v c
f
cos
2.3 多普勒效应及时变特性
路径
传播损失 TL(dB) 传播时间t(s)
1
2
3
126.2358 134.2151 132.3572
67.5010 68.4398 67.6737
2.3 多普勒效应及时变特性
若发射机与接收机之间的径向运动速度为vr，在t=0时刻，收发之间的距离
为L如图(a)所示，信号前沿到达接收端的时间为t1，则在t1时间内接收端向
通信距离为1～10km的为中距离的水声通，带宽在 10kHz数量级；
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。
2.2 多径传播及空变特性
2.2.1 多径传播
海面 发射换能器
海底
非均匀媒质
接收换能器
水声通信中多径信号产生示意图
18
132.5 67.6
3 133.1 67.5
11 133.1 67.5
19
130.6 67.5
4 133.0 67.7
12 133.1 67.5
20
132.3 67.7
5 133.1 67.5
13 133.1 67.6
21
133.7 68.2
6 133.1 67.5
14 133.1 67.6
7 133.1 67.5
sr (t) c( ;t)sT (t )d w(t)
c( ;t) 表示时变时延扩展信道t时刻的冲激响应
2.4.1 水声信道的统计特性
信道的时间（多径）扩展及相干带宽
假设 c( ;t) 是广义平稳的（WSS），则 c( ;t) 的自相关函数为
c
(1,
2 ; t)
1 2
E[c (1;t)c(
海洋表面波浪引起反射点的移动，从而造成声波的多普 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 fw3 2 cos
当通信距离远远大于深度时， cos ，1 不同风速，不同 载波频率条件下的多普勒扩展如图所示
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.2 时变特性
7
x 10 18
16 f c =8001. 25Hz
14
12
10
8
6
4
2
0
7985
7990
7995
8000
8005
8010
8015
8020
8
x 10 2.5
2
fc=5000.75Hz
1.5
1
0.5
0
4985
4990
4995
5000
5005
5010
5015
海洋环境多径时延
2.2 多径传播及空变特性
2.2.1 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
若发射信号为 x(t) e jwt
无运动时接收信号 y(t) H (w)e jwt
有运动时接收信号
N
H (w) ane jwn n1
y(t) H (w, t)e jwt
N
H (w)
a e jwn jwnt n
n1
其中wn 2 fn
fn fD
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.2 时变特性
2.1 距离、带宽和信噪比
2.1.3 水声信道的通信距离和带宽
扩展损失只与距离有关，而吸收损失不但与距离有关而 且还与频率有关，因此可用带宽有限。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
5020
a 8000Hz的频率偏移约为1.25Hz b 5000Hz的频率偏移约为0.75Hz
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.2 时变特性
水声信道脉冲响应时变图
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.2 时变特性
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.2 时变特性
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.2 时变特性
sT
1
vr c
(t
)
sT 1
(t
)
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.1 多普勒效应
其中多普勒因子 vr c
不考虑传播延迟时，接收信号可表示为
sr
(t)
sT
1
t
0
0 t (1 )T
其它
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.1 多普勒效应
满足
vr T 1
c
B
或 BT c vr
2.3.2 时变特性
水声信道的时变特性包括两个方面：一个是水声信道本 身固有的特性；另一个是收发间的相对运动引起。
水声信道本身固有的时变特性由两个方面引起： 一种是水流引起声速梯度的变化，使得声传播的方向发 生变化； 另一种是海面的波动，使得声波发生色散；
2.3 多普勒效应及时变特性
2.3.2 时变特性
2.1 距离、带宽和信噪比
2.1.2 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
x2
p(x) 1 e2 2
2
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。