水声通信组网技术第二讲水声信道传输特性分析解析

2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响1第二讲水声信道传输特性1.距离、带宽和信噪比的关系;2.多径传播及空变特性;3.多普勒效应及时变特性;4.水声信道的模型;5.水声信道的特点对通信网络的影响;2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响21.距离、带宽和信噪比声波在声场中的平均传播损失:rrnTLlg10传播损失n=0：n=1：n=1.5n=2：管道中的声传播，平面波传播；表面声道和深海声道，柱面波传播，以及全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播；计及海底声吸收时的浅海声传播，以及计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正；开阔水域（自由场），球面波传播；2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响31.距离、带宽和信噪比Thorp给出的吸收系数与频率之间的经验公式为：2242220.1402.75100.00314100ffafff传播损失工程上常用的吸收系数估计经验公式：320.036/fdBkm2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响4吸收系数与频率的关系1.距离、带宽和信噪比传播损失2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响51.距离、带宽和信噪比海洋环境噪声海洋中的环境噪声源从低频到高频依次为：潮汐和波浪的海水静压力效应，产生低频噪声；地震扰动：极低频噪声；海洋湍流：低频噪声；行船：产生50Hz~500Hz频率范围内的主要噪声；海面波浪：产生500Hz~25000Hz频率范围内的噪声；热噪声：2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响6海洋环境噪声文兹谱级图1.距离、带宽和信噪比海洋环境噪声2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响7文献表明：在1kHz到10kHz频率范围内浅海的环境噪声谱级基本上在40dB到70dB(参考声压级为1PaHz)之间，3级海况时深海的环境噪声谱级在50dB到70dB之间，并且随着频率的降低环境噪声随之增大；1kHz以下的环境噪声谱级均在70dB以上，因此传输信号使用的载波频率的下限取1kHz。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20dB/decade在下降。1.距离、带宽和信噪比海洋环境噪声2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响8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：22221)(xexp1.距离、带宽和信噪比海洋环境噪声2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响92002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。1.距离、带宽和信噪比海洋环境噪声2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响10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1.距离、带宽和信噪比水声信道的通信距离和带宽扩展损失与距离有关；吸收损失与距离和频率均有。水声信道中的可用带宽有限。2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响11接收端传播距离、带宽信噪比的关系图1.距离、带宽和信噪比水声信道的通信距离和带宽2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响12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）；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。1.距离、带宽和信噪比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。2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响132.多径传播及空变特性发射换能器接收换能器海面海底非均匀媒质水声通信中多径信号产生示意图多径传播2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响142.多径传播及空变特性多径传播a声速梯度b深海多径c浅海多径2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响152002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。海洋环境多径时延2.多径传播及空变特性多径传播2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响16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2.多径传播及空变特性多径传播2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响17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。表面层主跃变层深海等温层声道轴100020003000)/(smc)(mz1500深海典型声速抛面图2.多径传播及空变特性多径传播2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响182.多径传播及空变特性多径传播及空变特性深海远程水声信道声线轨迹2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响192.多径传播及空变特性浅海近程水声信道声线轨迹多径传播及空变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响20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。2.多径传播及空变特性多径传播及空变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响213.多普勒效应及时变特性射机与接收机之间在t=0时刻的距离为L，径向运动速度为vr多普勒效应发射机接收机2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响22信号前沿到达接收端的时间为t1，则在t1时间内接收端向发射端靠近了vrt1,11rLvtctL1t1tvrrvT2tvrL2t发射端a.脉冲前沿b.脉冲后沿接收端发射端接收端1rLtcv当信号的后沿到达接收端时，接收端又向发射端靠近了，22rrLvtctvTTvr2rrLvTtcv12rrvttTcv3.多普勒效应及时变特性多普勒效应2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响23若发射信号的持续时间为T，则接收信号的持续时间为12()rrcTTttTcv当有传播延迟时，接收信号可表示为()()1()1()rrrTTTcvvststststcc若发射信号可表示为()0()0TsttTst其它3.多普勒效应及时变特性多普勒效应2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响24不考虑传播延迟时，接收信号可表示为cvr多普勒因子：10(1)()0TrsttTst其它3.多普勒效应及时变特性多普勒效应2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响25满足或BTcvr1rvcBT多普勒效应可视为简单的载波偏移)(2)(2)(2))(1(2)(.)(~)(~)(tfjTtfjtfjtfjretseetaetatsccccosfcvfcvffcrc多普勒频移3.多普勒效应及时变特性多普勒效应2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响26水声信道本身固有的时变特性由两个方面引起：水声信道本身固有的特性；收发间的相对运动引起。水流引起声速梯度的变化，使声传播的方向发生变化；海面的波动，使得声波发生色散(多普勒扩展)。3.多普勒效应及时变特性多普勒扩展水声信道的时变特性包括两个方面：举例2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响27cos0175.023fwcf3.多普勒效应及时变特性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:多普勒扩展2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响281cos时不同风速、不同载波频率条件下的多普勒扩展（通信距离远远大于深度）3.多普勒效应及时变特性多普勒扩展2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响29云南抚仙湖试验，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，其频率扩展分别为1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz。多普勒扩展3.多普勒效应及时变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响30多普勒扩展3.多普勒效应及时变特性试验水域温度深度曲线2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响3179857990799580008005801080158020024681012141618x107fc=8001.25Hz4985499049955000500550105015502000.511.522.5x108fc=5000.75Hza8000Hz的频率偏移约为1.25Hzb5000Hz的频率偏移约为0.75Hz多普勒扩展3.多普勒效应及时变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响32水声信道脉冲响应时变图时变特性3.多普勒效应及时变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响33时变特性3.多普勒效应及时变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响34时变特性3.多普勒效应及时变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响35若发射信号为()jwtxte无运动时接收信号()()jwtytHwe1()nNjwnnHwae1()2,nnNjwjwtnnnnnDHwaewfff其中有运动时接收信号()(,)jwtytHwte时变特性3.多普勒效应及时变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响36时变特性3.多普勒效应及时变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响37时变特性3.多普勒效应及时变特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响384.水声信道的模型水声信道为时变、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。发送信号为，接收信号为)(tsT)(tsr)()();()(twdtstctsTr用二维概率密度函数表征其统计特性。);(tc表示时变时延扩展信道t时刻的冲激响应水声信道的统计特性2020/4/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响39假设是广义平稳的（WSS），);(tc);(tc的自相关函数为)];();([21);,(2121ttctcEtc