水声多径信道研究

PPT下载：水声多径信道研究1多径的产生及组成1水声信道的多途特性2抗多径技术3水声多径信道模型4目录2多径的产生及组成1多径产生的原因水声信道的多径传播模型多径的组成几种海况下的多径现象3界面发射：海洋存在着海面和海底2个界面，声波传输时会发生反射。声线弯曲：由于温度、盐度和深度的影响，不同深度的声速分布不均匀，从而使声波发生折射。海水中随机分布的杂乱体的散射。多径产生的原因1、由于水声场的时-空-频变特性，使得多途现象尤为突出，成为水声通信中难以克服的困难。2、浅海边界条件复杂、水中散射体多、介质分布不均匀等因素，也使得浅海中多途效应比深海严重得多。3、当通信距离增加到一定程度，将不存在直达路径，此时必须利用多途信号才能有效的通信。4水声信道的多径传播模型5声音的速度和深度的函数及相应的海洋截面水声信道的多径传播模型声速水深发射接收发射接收ab(a)深海；(b)浅海6多径的组成多径一般分为宏观多径(macro-multipath)和微观多径(micro-multipath)宏观多径一般由海面、海底的单次或多次反射形成的，可以导致信号的强烈起伏(fluctuation)以及大的码间干扰(InterSymbolInterference,ISI)。微观多径一般是由于信道中水团的不均匀性，使得声路径弯曲而折射形成，也可以导致信号的起伏。7几种海况下的多径现象海洋深度、传播路径长度、发射机和接收机的深度等因素的存在，导致了水声多径传播的具体情况也是多种多样的。近距离(1km)信道近距离信道包括深海垂直信道和近距离水平信道。在这种情况下，接收信号一般是由直接路径、海面反射产生的路径（有时候也会有由海底所引发的路径）所传播来的信号的叠加。在这类信道中，信号的幅度和相位变化相对地较轻微，一些针对电话信道所开发的信号调制方法和信道均衡技术也是适用于此类信道的。8几种海况下的多径现象中距离(1~20km)信道经由中距离信道传播所接收到的信号，其幅度和相位变化比较严重，多径扩展可达到50ms~1s的量级。对于浅海情况，一般都能够观察到由海面和海底所引发的多径。实际上，现在的大多数水声通信系统都是作用在这类有着复杂的多径结构的中距离浅海信道的。这种复杂的时变多径信道给数据传输的同步和均衡都带来了较大的困难。9几种海况下的多径现象远距离(20~2000km)信道由于水声信道的带宽受限，作用于远距离信道的水声通信系统的频率只能选在10kHz以下的范围。经过这样长的传播路径后，由于多径结构的动态变化性，信道的均衡问题仍然不是很容易解决。另外，由于经过长距离的传播后，信号的传输损失非常大，在设计水声通信系统时，环境噪声也成为一个比较显著的障碍。10水声信道的多途特性1多径衰落-振幅多普勒频展-频域时延扩展-时域11水声信道多途特性多径衰落多普勒频展时延扩展振幅统计特性频域特性时域特性12多径衰落—多途接收信号的振幅统计特性水声信道中，在一个信道码元的持续时间内，接收端会接收到由不同路径到达的该码元的多个信号复本，这些信号复本的延时或者相位是随机的，合成的结果就会造成在该码元持续时间内，接收信号的幅度随机起伏，这种由于多途传播而引起的一个码元时间内的接收信号幅度的随机起伏称为多径衰落。在浅海域大深度衰落是频发性的，时常衰到小至无法检测。多径衰落13不同距离多途振幅如下图所示。(a)、(b)和(c)分别为500米、2公里和5.5公里的数据。总的说来，多途振幅遵从于广义瑞利分布，但在距离较近(如500米)和较远处（如5.5公里），A/σ较小，趋于瑞利分布。这里，A为多途振幅，σ为多途迭加噪声的标准差。14多普勒频展Bd—多途接收信号的频域特性声波在多途信道传播时由于多普勒效应造成接收信号的功率谱展宽就是多普勒频展。尽管发射频率为单频fs，但接收信号的功率谱S(f)的却展宽到fs-fm到fs+fm的范围。这相当于单频信号在通过多途信道时受到随机调频。多普勒频展15在浅海信道中，多普勒频展可以认为是由以下两个截然不同的因素引起的。①传输媒质固有的时变性，如海面风浪和海中湍流，其中海面风浪是主要因素，并且随着海风风级的增强而增大。W：风速；θ：信号在表面反射时的随机入射角度；f：发射载波频率；C：海水中的声速。②发射-接收端的相对移动。V：系统的移动速度；C：海水中的声速；f：发射载波频率。多普勒频展cos)/(0175.02/3WCfBdfCVBd)/(16多普勒频展多普勒频展的倒数定义为信道相干时间：dcohBT/1相干时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由于多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上，换句话说，就是信道在时域具有选择性。17多普勒频展时间选择性衰落18多普勒频展信道的时变特性可分为两类：快衰落和慢衰落。快衰落，也称时间选择性衰落，是用于描述TcohTs的信道，Tcoh是信道相干时间，Ts是一个码元的传输持续时间。因此，若信道是快衰落的，则其衰落特性会在一个码元持续时间内改变多次，从而引起基带脉冲波形的失真。如果TcohTs，则信道是慢衰落的，这是信道状态在一个码元持续时间内保持不变，传输的码元不会有脉冲失真。19多普勒频展浅海声信道的多普勒频展是典型的信道衰落速率。对于调频系统，着重考虑的是多普勒频展对于小频移窄带信号的影响，如果选择相邻两个载频的频率间隔大于多普勒频展，即BwBd，则可以忽略多普勒频展带来的影响。否则必须考虑对接收信号进行多普勒频展补偿，对于接收端来说就比较困难。所以对于调频系统，码元与码元之间的频率必须保留一定的间隔。20时延扩展时延扩展Δ—多途接收信号的时域特性多途传输造成接收信号在时间轴上的展宽，定义为时延扩展Δ。水声信道抗多途跳频通信中同步技术的研究时延扩展Δ是对多途信道时延特性的统计描述，其含义是表示时延谱扩展的程度。所谓时延谱是由不同时延的信号分量具有的平均功率所构成的谱。时延谱的时延特征曲线的均方根值为时延扩展Δ。21时延扩展当发射机发送一个极窄的脉冲信号，例如，到接收机时，由于存在着多条不同的传播路径，且路径长度各不相同，则发射信号沿各个路径到达接收机的时间就不一样，因而接收机所接收到的信号由许多不同时延的脉冲组成，可表示为:这里N为路径的个数，和分别为第i条路径的时延和衰减系数，为载频。由于海洋声信道的空变、时变等因素的存在，和都是变化的(在有些情况下，甚至N也是变化的)。对于不同的海洋环境，如深海、浅海、垂直方向的信道、水平方向的信道等不同的情况，接收信号中的各个时延脉冲可能是离散的，也可能联成一片。iiaciia)()(00tatStjNiiiceaatS10)()(22时延扩展时延扩展可以直观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延之间的差值，也就是最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值，记为Δ。实际上，Δ就是脉冲展宽的时间，若发送的窄脉冲宽度为T，则接收信号的宽度为T+Δ。23时延扩展下图(a)(b)分别是发射端源信号和接收端匹配滤波器输出信号。在(b)中，多途信号分别被标注1、2、3、4和5。发射信号脉宽约0.2ms，经过387米后，接收信号脉宽扩展到0.02s。24时延扩展定义最大多途时延差Tm，即归一化的时延特征曲线下降到-30dB处所对应的时延差。多途造成时延扩展的大小与信号载波频率及海洋环境有关，浅海的最大时延差Tm在100ms左右，并且随着传播距离的减小而增大，可以增大到100ms~200ms。深海中的多途最大时延差Tm在300ms以上。通常，一个扩谱系统将被设计成没有ISI，那就是码元间隔T必须远大于多途最大时延差Tm，即TTm。25时延扩展多途最大时延差Tm的倒数定义为信道相关带宽：mcohTB/1当码元速率较低，信号带宽BBcoh时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，则信号波形不失真，无码间串扰，此时的衰落为平坦衰落。反之，当码元速率较高，信号带宽BBcoh时，信号通过信道传输后各频率分量的变化是不一致的，将引起波形失真，造成码间串扰，此时的衰落为频率选择性衰落。26时延扩展频率选择性衰落27时延扩展综上所述，水声信道是在时间和频率上双重扩展的信道。频域上，多普勒效应引起的多普勒频展Bd，并相应在时域上规定了相干时间Tcoh=1/Bd。时域上，多径效应引起的多途最大时延差Tm，并相应在频域上规定了相关带宽Bcoh=1/Tm。28时延扩展乘积BdTm为信道的扩展因子。如果BdTm1，信道被称为“欠扩展”信道；相反，如果BdTm1，信道被称为“过扩展”信道。通常，如果BdTm1，这时可以采用相位相干调制解调方案，在解调器中包含自适应均衡器来消除码间干扰。如果凡BdTm1，信道冲激响应的测量即使可能也是极其困难和不可靠的，这时相位相干解调和抗码间干扰的自适应均衡器就会失去作用，在这种情况下,只能采用基于FSK的非相干调制解调技术。29抗多径技术1抗幅度衰落技术抗码间干扰技术3031抗多径技术分集技术空间分集频率分集角度分集时间分集Rake接收抗幅度衰落技术自适应均衡技术线性均衡非线性均衡扩频抗多径技术直接序列扩频跳频抗码间干扰技术抗多径技术32抗幅度衰落技术分集接收的基本思想：将接收到的多途信号分离成不相干(独立)的多路信号，然后将这些多路信号的能量按照一定的规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高接收端的信噪功率比，对数字系统而言，使误码率最小。分集技术包括两个方面：如何把接收的多途信号分离出来，使其互不相关。将分离出的多途水声信号怎样合并起来，获得最大的信噪比。33抗幅度衰落技术多途信号之所以难以分离，问题在于它们是相关或相干的信号。数字系统经常采用时间分集一交织技术来提高抗衰落性能。分集是信道补偿的另一种技术，通常需要多个接收机来实现。当它和均衡器一起使用时，通信的质量将有极大提高，并且无需增加发射功率或带宽。34抗码间干扰技术自适应均衡技术从广义上来讲，均衡可以指任何用来消弱码间干扰的信号处理操作，由于水声信道具有随机性和时变性，这就要求均衡器必须能够实时地跟踪水声通信信道的时变特性，而这种均衡器又被称为自适应均衡器。位于接收机处的均衡器通过递归算法来评估信道特性，并且修正滤波器的系数以便对信道做出相应的补偿。均衡器从调整参数至形成收敛，整个过程的时间跨度是均衡器算法、结构和水声多径信道变化率的函数。35抗码间干扰技术使用自适应均衡器的通信系统结构框图36抗码间干扰技术扩频抗多径技术扩频系统抗多径的基本方法：通过合理设计系统的参数，来分离多途和利用多途从而改善系统的性能。扩频多途接收机是分集接收机的一种特别形式，它不是利用在时域、空域和频域上设计出来的分集支路，而是直接利用从发射机到接收机之间自然形水声信道抗多途跳频通信中同步技术的研究成的多条“分集支路”。37抗码间干扰技术水声通信中扩频技术主要有直接序列扩频和跳频两种。直接序列扩频：简称直扩，它直接用高速的扩频码序列在发送端扩展信号频谱，在接收端用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。跳频：用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。在接收端，为了解调跳频信号，需要有与发送端完全相同的本地扩频码发生器去控制本地频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频器中与接收信号差频出固定的中频信号，然后经中频带通滤波器及信息解调器输出恢复的信息。38抗码间干扰技术跳频抗多途的基本原理：若发射的信号载频频率为f0，当存在多途传播环境时，因多途延时的不同，信号到达接收端的时间有先有后。若接收机在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一个频率为上，则可避免由于多途延时引起接收信号的码间干扰(ISI)。为此,要求跳频信号驻留时间小于多途延时时间差，换句话说，要求跳频的速率应足够快。跳频抗衰落是指抗频率选择性衰落。当跳频的频率间隔大于信道相关带