現代水聲通信PPT課件

1、2.1 距離、帶寬和信噪比2.1.1 傳播損失吸收系數與頻率的關系 第1頁/共39頁2.1 距離、帶寬和信噪比2.1.2 海洋環(huán)境噪聲 海洋環(huán)境噪聲文茲譜級圖 第2頁/共39頁2.1 距離、帶寬和信噪比2.1.2 海洋環(huán)境噪聲 文獻表明：在1 kHz 到10 kHz 頻率范圍內淺海的環(huán)境噪聲譜級基本上在40 dB 到70 dB(參考聲壓級為1 Pa Hz )之間，3級海況時深海的環(huán)境噪聲譜級在50 dB 到70 dB之間，并且隨著頻率的降低環(huán)境噪聲隨之增大，1 kHz 以下的環(huán)境噪聲譜級均在70 dB以上，因此傳輸信號使用的載波頻率的下限取1 kHz 。無論是深海還是淺海，海洋環(huán)境噪聲的功率譜

2、密度均被認為是以頻率20 dB/decade 在下降。 第3頁/共39頁2.1 距離、帶寬和信噪比2.1.2 海洋環(huán)境噪聲 海洋中的噪聲為高斯分布的連續(xù)譜，其聲壓的瞬時值的概率密度為 22221)(xexp 2002年4月，在海南三亞南海海域進行的海洋環(huán)境噪聲試驗，其10秒鐘采樣率為12KHz的噪聲數據，分析結果如右圖所示，橫軸是電壓，縱軸是在相應電壓上噪聲出現的次數。分析結果表明，海洋環(huán)境噪聲服從正態(tài)(高斯)分布。 第4頁/共39頁2.1 距離、帶寬和信噪比2.1.3 水聲信道的通信距離和帶寬 擴展損失只與距離有關，而吸收損失不但與距離有關而且還與頻率有關，因此可用帶寬有限。由傳播損失和頻率

3、的關系、噪聲和頻率的關系可得3級海況下，發(fā)射聲源級190dB，頻率為110kHz，距離為10100km時，接收端傳播距離、帶寬信噪比的關系如下圖 第5頁/共39頁2.1 距離、帶寬和信噪比2.1.3 水聲信道的通信距離和帶寬接收端傳播距離、帶寬信噪比的關系圖第6頁/共39頁2.1 距離、帶寬和信噪比2.1.3 水聲信道的通信距離和帶寬 很明顯一定傳播距離時，這種關系影響了水聲通信系統距離與載波頻率及帶寬的選擇。 通信距離在10100km的為遠程水聲通信，帶寬只有幾kHz（1000km距離的水聲通信，通信帶寬只有1Hz）； 通信距離為110km的為中距離的水聲通，帶寬在10kHz數量級； 通信距

4、離在1km以內的為短距離水聲通信，其帶寬超過10kHz，若通信距離在100m以內時，通信的帶寬可在100kHz以上。第7頁/共39頁2.2 多徑傳播及空變特性水聲通信中多徑信號產生示意圖2.2.1 多徑傳播第8頁/共39頁2.2 多徑傳播及空變特性2002年4月，在海南三亞南海海域進行的海洋環(huán)境多徑試驗，多徑檢測信號為6s的線性調頻（LFM）信號。將接收到的信號做拷貝相關，80km的多徑檢測結果如圖所示。從圖中可看出80km的多徑信息主要集中于40ms以內，而300400ms仍有多徑信號但其能量均較弱可忽略。05010015020025030035040000.10.20.30.40.50.6

5、0.70.80.91DelayTime(ms) 海洋環(huán)境多徑時延 2.2.1 多徑傳播第9頁/共39頁2.2 多徑傳播及空變特性 實際上海洋中多徑更多地來自大幅度起伏不平的海底山巒，由于它不受距離的限制，因此多徑效應引起信號的時間擴展，在淺海中距離信道，多徑擴展一般為10ms，有時可達幾百毫秒，而在深海信道的多途擴展為幾十微秒到幾秒量級，且距離越遠，多徑擴展時間越長 2.2.1 多徑傳播第10頁/共39頁2.2 多徑傳播及空變特性 實際海洋溫度一般是水平分層（三層）均勻的分布形式，由于折射和界面反射，海洋聲信道大都呈現波導效應。海洋深度、發(fā)射接收端的深度，都對多徑時延的長短有影響，因此其多徑特

6、性隨發(fā)射、接收點空間位置的不同而變化，即水聲信道是空變的。表面層主躍變層深海等溫層聲道軸100020003000)/(smc)(mz1500深海典型聲速拋面圖2.2.1 空變特性第11頁/共39頁2.2 多徑傳播及空變特性 在深海1000m，信號頻率1.7kHz，距離100km，發(fā)射深度104m，接收深度305m時，各條傳播路徑的傳播損失及傳播時間如表21所示。表中所取的聲線為主要本征聲線，即其傳播損失與最小傳播損失相比，不大于30dB的聲線。從表中可以看到，聲線中最長的傳播時間為68.25s，最短的傳播時間為67.38s，相差0.87s。路徑12345678傳播損失TL(dB)133.113

7、3.0133.1133.0133.1133.1133.1133.1傳播時間t(s)67.567.667.567.767.567.567.567.5路徑910111213141516傳播損失TL(dB)133.1133.1133.1133.1133.1133.1133.0133.0傳播時間t(s)67.567.567.567.567.667.667.667.6路徑1718192021傳播損失TL(dB)131.9132.5130.6132.3133.7傳播時間t(s)67.467.667.567.768.2表21 深海條件下發(fā)射深度104m接收深度為305m時的傳播路徑 第12頁/共39頁2.2

8、 多徑傳播及空變特性保持其它條件不變，將接收深度改為120m時，各傳播路徑的傳播損失及傳播時間如表22所示。對比表21、表22說明接收深度及海洋環(huán)境對多徑特性的影響很大。表22 深海條件下發(fā)射深度104m接收深度120m時的傳播路徑路徑123傳播損失TL(dB)126.2358 134.2151 132.3572傳播時間t(s)67.501068.439867.6737第13頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 若發(fā)射機與接收機之間的徑向運動速度為vr，在t=0時刻，收發(fā)之間的距離為L如圖(a)所示，信號前沿到達接收端的時間為t1，則在t1時間內接收端向發(fā)射端靠近了vrt1 ,11cttv

9、LrrvcLt1 當信號的后沿到達接收端時，接收端又向發(fā)射端靠近了Tvr， TvctvtLr22TvrrrvcTvLt2Tvcvttrr21第14頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 若發(fā)射信號的持續(xù)時間為T，則接收信號的持續(xù)時間為TvccttTTrr)(21當有傳播延遲時 ，接收信號可表示為)(1)(1)()(tstcvstcvcstsTrTrTr2.3.1 多普勒效應若發(fā)射信號可表示為其它TttstsT00)()(第15頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 不考慮傳播延遲時，接收信號可表示為cvr其中多普勒因子 2.3.1 多普勒效應10(1)( )0TrsttTs t其它第16頁

10、/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 滿足 或BTcvr1rvcBT 多普勒效應可視為簡單的載波偏移 )(2)(2)(2)(1 (2)(.)()()(tfjTtfjtfjtfjretseetaetatsccccosfcvfcvffcrc多普勒頻移 2.3.1 多普勒效應第17頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 水聲信道的時變特性包括兩個方面：一個是水聲信道本身固有的特性；另一個是收發(fā)間的相對運動引起。 水聲信道本身固有的時變特性由兩個方面引起： 一種是水流引起聲速梯度的變化，使得聲傳播的方向發(fā)生變化； 另一種是海面的波動，使得聲波發(fā)生色散；2.3.2 時變特性第18頁/共39頁2.3

11、多普勒效應及時變特性 海洋表面波浪引起反射點的移動，從而造成聲波的多普勒擴展。反射波為零均值高斯分布的隨機過程，功率譜與風速有關。當載波頻率為f，入射角為，風速為w時，一次海面反射引起的多普勒擴展為 cos0175. 023fwcf 當通信距離遠遠大于深度時， ，不同風速，不同載波頻率條件下的多普勒擴展如圖所示 1cos2.3.2 時變特性第19頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 1cos時不同風速、不同載波頻率條件下的多普勒擴展 2.3.2 時變特性第20頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 2005年1月30日在云南撫仙湖進行的水聲時變特性試驗，估計風速3m/s，實驗區(qū)域水深40

12、100m，不存在明顯的溫躍層，聲速呈現微弱負梯度，發(fā)射換能器布放深度為6m，接收換能器布放深度為22m，收發(fā)端距離25km，接收船拋錨，發(fā)射船停機，收發(fā)之間有輕微的移動。發(fā)射持續(xù)時間為4s，頻率分別8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的單頻信號，取頻率精度為0.25Hz進行分析，結果如圖28所示，其頻率擴展分別為1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，與理論分析結果一致。2.3.2 時變特性第21頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 79857990799580008005801080158020024681012141618x 107fc=8001.25Hz49854

13、99049955000500550105015502000.511.522.5x 108fc=5000.75Hza 8000Hz的頻率偏移約為1.25Hz b 5000Hz的頻率偏移約為0.75Hz 2.3.2 時變特性第22頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 水聲信道脈沖響應時變圖2.3.2 時變特性第23頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 2.3.2 時變特性第24頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 2.3.2 時變特性第25頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 2.3.2 時變特性若發(fā)射信號為( )jwtx te無運動時接收信號( )( )jwty tH w e1(

14、 )nNjwnnH wa e1( )2nnNjwjw tnnnnnDH wa ewfff其中有運動時接收信號( )( , )jwty tH w t e第26頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 2.3.2 時變特性第27頁/共39頁2.3 多普勒效應及時變特性 2.3.2 時變特性第28頁/共39頁2.4 水聲信道的模型2.4.1 水聲信道的統計特性 水聲信道為時變、空變、擴展衰落的信道，且這種時變空變特性對于用戶來說是無法預知的，是一個二維的隨機過程，應當用二維概率密度函數表征其統計特性 若發(fā)送信號為)(tsT 接收信號為)(tsr )()();()(twdtstctsTr);(tc表示

15、時變時延擴展信道t時刻的沖激響應 第29頁/共39頁2.4.1 水聲信道的統計特性信道的時間（多徑）擴展及相干帶寬);(tc);(tc假設是廣義平穩(wěn)的（WSS），則的自相關函數為);();(21);,(2121ttctcEtc12在海洋傳輸介質中，同路徑延時相關聯的信道衰減和相移與路徑時延相關聯的信道衰減和相移是不相關的，這叫做非相關散射（US） 水聲信道是廣義平穩(wěn)非相關散射（WSSUS）)();();,(21121ttcc令0t )()0 ;(cc稱為多徑強度分布。 )(c不為零的Tm的理論值很難得到，通常使用實測值。信道的時間擴展Tm：值范圍就是信道的時間擴展Tm第30頁/共39頁2.4.

16、1 水聲信道的統計特性信道的時間（多徑）擴展及相干帶寬信道的時間擴展與相干帶寬的關系：deffjcc2)()(相干帶寬 ： 基本不為零的寬度被稱為信道的相干帶寬。 )( fccf )(mcTf/1)( 以兩經傳輸的例子來分析海洋多徑信道中的時間擴展與相干帶寬的關系。假設到達接收點的兩路信號具有相同的幅度和一個相對的時延差T。頻率特性將依賴于 2cosT 第31頁/共39頁2.4.1 水聲信道的統計特性信道的頻率（多普勒）擴展和相干時間 detctfCfj2);();();();();(21);,(2121tfttfCtfCEtffcc其自相關函數為 tdetffStjcc2);();( 令f0

17、，得到信道的多普勒功率譜 )(cS信道的多普勒擴展Bd： )(cS不為零的 范圍稱作信道的多普勒擴展 信道的相干時間 ：ct)( dcBt/1)(為信道沖擊響應維持不變的時間間隔的統計平均值 ，一般都要求符號周期 ct)(ctT)(第32頁/共39頁2.4.1 水聲信道的統計特性信道的衰落特性ctT)(信號經歷了慢衰落，否則為快衰落 mTT 信號經歷了頻率選擇性衰落，否則為非頻率選擇性衰落 a 時域：信號的符號周期 b 頻域：信號的基帶帶寬圖2-9 信號經歷的衰落類型和信道參數之間的關系第33頁/共39頁2.4.1 水聲信道的統計特性最佳符號周期 T的選擇 一方面要求符號周期 ，以克服時間選擇

18、性衰落對信號的影響，即要求信號經歷慢衰落，另一方面又要求 ，以克服頻率選擇性衰落的影響和減少碼元間的相互干擾，因此需要綜合考慮這兩種要求。 ctT)(mTT 理論上可以證明，最佳的符號周期 ：dmBTT4/3第34頁/共39頁2.4.2 水聲信道模型 2005年在云南撫仙湖進行試驗中，頻率分別8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的單頻信號，其頻率擴展Bd分別為1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，相應的相干時間分別為0.8s、1.33s、2s、4s。也就是說，選擇符號周期T0.8s即為慢衰落信道。 第35頁/共39頁2.4.2 水聲信道模型頻率非選擇性慢衰落信道 接收信號可表示為 )()()0 ;(tjetatC其中頻率非選擇信道的轉移函數為 )()0;()()0;()()0;()();()(222tstCdfefStCdfefStCdfefSftCtsTftjTftjTftjTr第36頁/共39頁2.4.2 水聲信道模型頻率選擇性慢衰落信道 10)()();(Lllltwtc第37頁/共39頁第二章 作