水聲通信組網(wǎng)技術(shù)第二講-水聲信道傳輸特性

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響1第二講水聲信道傳輸特性距離、帶寬和信噪比的關(guān)系;多徑傳播及空變特性;多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性;水聲信道的模型;水聲信道的特點(diǎn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響;2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響2

距離、帶寬和信噪比聲波在聲場(chǎng)中的平均傳播損失:傳播損失n=0：n=1：n=1.5n=2：管道中的聲傳播，平面波傳播；表面聲道和深海聲道，柱面波傳播，以及全反射海底和全反射海面組成的理想波導(dǎo)中的傳播；計(jì)及海底聲吸收時(shí)的淺海聲傳播

，以及計(jì)入界面聲吸收所引起的對(duì)柱面波的傳播損失的修正；開(kāi)闊水域（自由場(chǎng)），球面波傳播；2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響3

距離、帶寬和信噪比Thorp給出的吸收系數(shù)與頻率之間的經(jīng)驗(yàn)公式為：傳播損失

工程上常用的吸收系數(shù)估計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式：2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響4吸收系數(shù)與頻率的關(guān)系

距離、帶寬和信噪比傳播損失2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響5

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲海洋中的環(huán)境噪聲源從低頻到高頻依次為：潮汐和波浪的海水靜壓力效應(yīng)，產(chǎn)生低頻噪聲；地震擾動(dòng)：極低頻噪聲；海洋湍流：低頻噪聲；行船：產(chǎn)生50Hz~500Hz頻率范圍內(nèi)的主要噪聲；海面波浪：產(chǎn)生500Hz~25000Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲；熱噪聲：2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響6海洋環(huán)境噪聲文茲譜級(jí)圖

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響7文獻(xiàn)表明：在1kHz到10kHz頻率范圍內(nèi)淺海的環(huán)境噪聲譜級(jí)基本上在40dB到70dB(參考聲壓級(jí)為1PaHz)之間，3級(jí)海況時(shí)深海的環(huán)境噪聲譜級(jí)在50dB到70dB之間，并且隨著頻率的降低環(huán)境噪聲隨之增大；

1kHz以下的環(huán)境噪聲譜級(jí)均在70dB以上，因此傳輸信號(hào)使用的載波頻率的下限取1kHz。無(wú)論是深海還是淺海，海洋環(huán)境噪聲的功率譜密度均被認(rèn)為是以頻率20dB/decade在下降。

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響8

海洋中的噪聲為高斯分布的連續(xù)譜，其聲壓的瞬時(shí)值的概率密度為：

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響92002年4月，在海南三亞南海海域進(jìn)行的海洋環(huán)境噪聲試驗(yàn)，其10秒鐘采樣率為12kHz的噪聲數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如右圖所示，橫軸是電壓，縱軸是在相應(yīng)電壓上噪聲出現(xiàn)的次數(shù)。分析結(jié)果表明，海洋環(huán)境噪聲服從正態(tài)(高斯)分布。

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響10

由傳播損失和頻率的關(guān)系、噪聲和頻率的關(guān)系可得3級(jí)海況下，發(fā)射聲源級(jí)190dB，頻率為1～10kHz，距離為10～100km時(shí)，接收端傳播距離、帶寬信噪比的關(guān)系如下圖

距離、帶寬和信噪比水聲信道的通信距離和帶寬擴(kuò)展損失與距離有關(guān)；吸收損失與距離和頻率均有。水聲信道中的可用帶寬有限。2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響11接收端傳播距離、帶寬信噪比的關(guān)系圖

距離、帶寬和信噪比水聲信道的通信距離和帶寬2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響12

通信距離在10～100km的為遠(yuǎn)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1～10km的為中距離的水聲通，帶寬在10kHz數(shù)量級(jí)；通信距離在1km以?xún)?nèi)的為短距離水聲通信，其帶寬超過(guò)10kHz，若通信距離在100m以?xún)?nèi)時(shí)，通信的帶寬可在100kHz以上。

距離、帶寬和信噪比水聲信道的通信距離和帶寬

很明顯一定傳播距離時(shí)，這種關(guān)系影響了水聲通信系統(tǒng)距離與載波頻率及帶寬的選擇。2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響13

多徑傳播及空變特性水聲通信中多徑信號(hào)產(chǎn)生示意圖多徑傳播2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響14

多徑傳播及空變特性多徑傳播a聲速梯度b深海多徑c淺海多徑2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響152002年4月，在海南三亞南海海域進(jìn)行的海洋環(huán)境多徑試驗(yàn)，多徑檢測(cè)信號(hào)為6s的線(xiàn)性調(diào)頻（LFM）信號(hào)。將接收到的信號(hào)做拷貝相關(guān)，80km的多徑檢測(cè)結(jié)果如圖所示。從圖中可看出80km的多徑信息主要集中于40ms以?xún)?nèi)，而300～400ms仍有多徑信號(hào)但其能量均較弱可忽略。

海洋環(huán)境多徑時(shí)延

多徑傳播及空變特性多徑傳播2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響16

實(shí)際上海洋中多徑更多地來(lái)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(yīng)引起信號(hào)的時(shí)間擴(kuò)展，在淺海中距離信道，多徑擴(kuò)展一般為10ms，有時(shí)可達(dá)幾百毫秒，而在深海信道的多途擴(kuò)展為幾十微秒到幾秒量級(jí)，且距離越遠(yuǎn)，多徑擴(kuò)展時(shí)間越長(zhǎng)

多徑傳播及空變特性多徑傳播2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響17

實(shí)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(xiàn)波導(dǎo)效應(yīng)。深海典型聲速拋面圖

多徑傳播及空變特性多徑傳播2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響18

多徑傳播及空變特性多徑傳播及空變特性深海遠(yuǎn)程水聲信道聲線(xiàn)軌跡2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響19

多徑傳播及空變特性淺海近程水聲信道聲線(xiàn)軌跡多徑傳播及空變特性2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響20

海洋深度、發(fā)射接收端的深度，都對(duì)多徑時(shí)延的長(zhǎng)短有影響，因此其多徑特性隨發(fā)射、接收點(diǎn)空間位置的不同而變化，即水聲信道是空變的。

多徑傳播及空變特性多徑傳播及空變特性2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響21

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

射機(jī)與接收機(jī)之間在t=0時(shí)刻的距離為L(zhǎng)，徑向運(yùn)動(dòng)速度為vr多普勒效應(yīng)發(fā)射機(jī)接收機(jī)L2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響22

信號(hào)前沿到達(dá)接收端的時(shí)間為t1，則在t1時(shí)間內(nèi)接收端向發(fā)射端靠近了vrt1,

當(dāng)信號(hào)的后沿到達(dá)接收端時(shí)，接收端又向發(fā)射端靠近了，

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響23若發(fā)射信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為T(mén)，則接收信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為當(dāng)有傳播延遲時(shí)，接收信號(hào)可表示為若發(fā)射信號(hào)可表示為

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響24不考慮傳播延遲時(shí)，接收信號(hào)可表示為多普勒因子：

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響25滿(mǎn)足

或多普勒效應(yīng)可視為簡(jiǎn)單的載波偏移

多普勒頻移

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響26水聲信道本身固有的時(shí)變特性由兩個(gè)方面引起：水聲信道本身固有的特性；收發(fā)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起。水流引起聲速梯度的變化，使聲傳播的方向發(fā)生變化；海面的波動(dòng)，使得聲波發(fā)生色散(多普勒擴(kuò)展)。

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

多普勒擴(kuò)展水聲信道的時(shí)變特性包括兩個(gè)方面：舉例2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響27

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

反射波為零均值高斯分布的隨機(jī)過(guò)程，功率譜與風(fēng)速有關(guān)。當(dāng)載波頻率為f，入射角為θ，風(fēng)速為w時(shí)，一次海面反射引起的多普勒擴(kuò)展為:多普勒擴(kuò)展2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響28時(shí)不同風(fēng)速、不同載波頻率條件下的多普勒擴(kuò)展（通信距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于深度）

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

多普勒擴(kuò)展2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響29

云南撫仙湖試驗(yàn)，風(fēng)速3m/s，實(shí)驗(yàn)區(qū)域水深40～100m，不存在明顯的溫躍層，聲速呈現(xiàn)微弱負(fù)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(jī)，收發(fā)之間有輕微的移動(dòng)。發(fā)射持續(xù)時(shí)間為4s，頻率分別8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的單頻信號(hào)，取頻率精度為0.25Hz進(jìn)行分析，其頻率擴(kuò)展分別為1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz。多普勒擴(kuò)展

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響30多普勒擴(kuò)展

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

試驗(yàn)水域溫度深度曲線(xiàn)

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響31a8000Hz的頻率偏移約為1.25Hzb5000Hz的頻率偏移約為0.75Hz多普勒擴(kuò)展

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響32水聲信道脈沖響應(yīng)時(shí)變圖時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響33時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響34時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響35若發(fā)射信號(hào)為無(wú)運(yùn)動(dòng)時(shí)接收信號(hào)有運(yùn)動(dòng)時(shí)接收信號(hào)時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響36時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響37時(shí)變特性

多普勒效應(yīng)及時(shí)變特性

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響38

水聲信道的模型

水聲信道為時(shí)變、空變、擴(kuò)展衰落的信道，且這種時(shí)變空變特性對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是無(wú)法預(yù)知的，是一個(gè)二維的隨機(jī)過(guò)程。

發(fā)送信號(hào)為，接收信號(hào)為

用二維概率密度函數(shù)表征其統(tǒng)計(jì)特性。

表示時(shí)變時(shí)延擴(kuò)展信道t時(shí)刻的沖激響應(yīng)水聲信道的統(tǒng)計(jì)特性2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響39假設(shè)是廣義平穩(wěn)的（WSS），的自相關(guān)函數(shù)為

在海洋傳輸介質(zhì)中，同路徑延時(shí)相關(guān)聯(lián)的信道衰減和相移與路徑時(shí)延相關(guān)聯(lián)的信道衰減和相移是不相關(guān)的，這叫做非相關(guān)散射（US）

水聲信道的模型信道的時(shí)間（多徑）擴(kuò)展及相干帶寬2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響40水聲信道是廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射（WSSUS）

多徑強(qiáng)度分布：

不為零的值范圍就是信道的時(shí)間擴(kuò)展TmTm的理論值很難得到，通常使用實(shí)測(cè)值。信道的時(shí)間擴(kuò)展Tm：

水聲信道的模型信道的時(shí)間（多徑）擴(kuò)展及相干帶寬2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響41信道的時(shí)間擴(kuò)展與相干帶寬的關(guān)系：

基本不為零的寬度被稱(chēng)為信道的相干帶寬。信道的相干帶寬：

水聲信道的模型信道的時(shí)間（多徑）擴(kuò)展及相干帶寬定義：2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響42

假設(shè)到達(dá)接收點(diǎn)的兩路信號(hào)具有相同的幅度和一個(gè)相對(duì)的時(shí)延差T。頻率特性將依賴(lài)于

水聲信道的模型信道的時(shí)間（多徑）擴(kuò)展及相干帶寬2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響43自相關(guān)函數(shù)為：

水聲信道的模型信道的頻率（多普勒）擴(kuò)展及相干時(shí)間定義：

信道的多普勒功率譜：

定義：2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響44信道的多普勒擴(kuò)展Bd：

不為零的范圍稱(chēng)作信道的多普勒擴(kuò)展信道的相干時(shí)間：

水聲信道的模型信道的頻率（多普勒）擴(kuò)展及相干時(shí)間

為信道沖擊響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均值，一般都要求符號(hào)周期

2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響45信號(hào)經(jīng)歷了慢衰落，否則為快衰落信號(hào)經(jīng)歷了頻率選擇性衰落，否則為非頻率選擇性衰落

水聲信道的模型信道的衰落特性符號(hào)周期的選擇，決定了信道的衰落特性。2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響46

a時(shí)域：信號(hào)的符號(hào)周期b頻域：信號(hào)的基帶帶寬信號(hào)經(jīng)歷的衰落類(lèi)型和信道參數(shù)之間的關(guān)系

水聲信道的模型信道的衰落特性2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響47

克服時(shí)間選擇性衰落對(duì)信號(hào)的影響，即要求信號(hào)經(jīng)歷慢衰落；

克服頻率選擇性衰落的影響和減少碼元間的相互干擾。理論上可以證明，最佳的符號(hào)周期：

水聲信道的模型最佳符號(hào)周期的選擇符號(hào)周期的選擇應(yīng)考慮兩個(gè)方面：2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響48

2005年在云南撫仙湖進(jìn)行試驗(yàn)中，頻率分別8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的單頻信號(hào)，其頻率擴(kuò)展Bd分別為1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，相應(yīng)的相干時(shí)間分別為0.8s、1.33s、2s、4s。也就是說(shuō)，選擇符號(hào)周期T<0.8s即為慢衰落信道。

水聲信道的模型最佳符號(hào)周期的選擇2025/3/3第二講水聲信道的特點(diǎn)及對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的影響49

接收信號(hào)可表示為:

頻率非選擇信道的轉(zhuǎn)移函數(shù)為:

水聲信道的模