水声通信组网技术第二讲水声信道传输特性分析解析
水声通信信道特性测量研究
目录摘要 (I)Abstract.......................................................................................................... I I 1 绪论1.1 引言 (1)1.2水声通信的发展历史及现状 (2)1.3 论文课题介绍 (8)2 水声信道的传输特性及对水声通信的影响2.1海洋中声信道的物理特性 (11)2.2信道特性对通信的影响 (16)2.3水声信道与无线电信道的比较 (18)2.4本章小结 (19)3 水声信道建模与仿真3.1基于传统射线理论的N 径确定性模型 (20)3.2水声信道的仿真与分析 (24)3.3本章小结 (27)4 水声信道特性测量方法研究与仿真4.1信道特性函数分析 (28)4.2信道测量方法 (33)4.3信道测量的仿真分析 (40)4.4本章小结 (45)5 全文总结与展望 (46)致谢 (48)参考文献 (49)1 绪论1.1 引言通信是人们赖以生存的重要手段之一。
现代通信技术己经进入了人们生活的方方面面，卫星通信、移动通信使得居住在世界各地的人们可以通过直接对话进行交流。
同时人类交流信息的空间也不再局限在陆地范围，占地球表面积绝大部分的浩瀚水域作为人们的宝贵资源，己经吸引了许多科技工作者在水下通信领域去探索和开发利用。
随着海洋开发和信息产业的发展，利用海洋信道传递信息的需求大为增加。
各种数据信息，如遥测数据，水下机器人遥控指令，水下无缆电话，水下电视图象，环境系统中的污染检测数据等，都需要通过水声通信系统进行传送，水声通信系统的商用价值凸现，与之相应的是水声通信的研究迅速增加。
在近10年间，水声通信技术迅速发展，各种通信技术，如扩频技术、相位相干检测、自适应均衡等都在水声通信系统中得到了广泛的应用。
要在水下两个距离较远的地点之间建立通信，一种方法就是把发射机和接收机用通信电缆连接起来。
水下无线通信系统的设计与性能分析
水下无线通信系统的设计与性能分析随着科技的不断发展，水下无线通信系统在海洋工程、海洋资源勘探、军事等领域的应用越来越广泛。
本文将对水下无线通信系统的设计原理及其性能进行分析。
一、水下无线通信系统的设计原理1. 调制方式：水下无线通信中，由于水的特殊性质，常用的无线通信调制方式并不适用。
通常采用的调制方式有频移键控（FSK）和正交频分多址（OFDM）等。
这些调制方式能够克服水下的多路径传播和海洋环境噪声对信号的干扰。
2. 传输技术：为了提高水下无线通信的传输距离和速率，可以采用声波、电磁波以及光学技术。
声波传输适用于短距离通信，如水下无人机遥控。
而电磁波和光学技术适用于中长距离通信，如深海资源勘探。
3. 路由算法：水下无线通信中，由于水下环境的复杂性，传统的路由算法不再适用。
因此，设计水下无线通信系统时需要考虑到水下环境的特殊性。
一种常用的水下路由算法是基于地理位置的路由算法，通过节点之间的位置信息进行通信路径选择。
4. 多径传播影响：水下环境中，存在多径传播现象，即信号由于反射、折射等原因，到达接收节点的路径不止一条。
这会导致信号衰减和传播时间延迟，影响通信性能。
为了克服多径传播的影响，可以采用等化器、自适应调制等技术。
二、水下无线通信系统的性能分析1. 传输距离：水下无线通信的传输距离受到水下环境的影响，如水的吸收、散射和衰减等。
一般来说，声波传输距离较短，约为几百米至几公里；而电磁波和光学技术可以实现更远的传输距离，甚至达到数十公里。
2. 传输速率：水下无线通信的传输速率受到信道带宽和噪声等因素的影响。
在频谱资源有限的情况下，可以通过高效的调制和编码技术来提高传输速率。
此外，还可以采用多天线技术和波束成形技术来增加信道容量，提高传输速率。
3. 抗干扰性能：水下环境中存在各种噪声和干扰源，如水声噪声、海洋生物的声音等。
设计水下无线通信系统时需要考虑到这些干扰源对信号的影响，并采取相应的抗干扰技术，如扩频技术和自适应信号处理技术。
水声多径信道研究
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
声音的速度和深度的函数及相应的海洋截面
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。
快衰落，也称时间选择性衰落，是用于描述Tcoh<Ts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Tcoh>Ts，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Bw>>Bd ， 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
10
1 水声信道的多途特性
海洋无人机技术在水声信道传输中的应用
海洋无人机技术在水声信道传输中的应用第一章：引言随着科技的不断进步与发展，海洋科学研究越来越引起人们的关注。
而无人机技术是其中一个颇受瞩目的研究方向。
特别是，海洋无人机技术具有独特的技术优势，为海洋科学研究提供了更加广阔的视野和更为精细的数据收集渠道。
本文将介绍海洋无人机技术在水声信道传输中的应用。
第二章：无人机技术与水声信道传输2.1 无人机技术无人机，即无人飞行器，是一种通过遥控或自主计算机控制的无人驾驶飞行器。
随着无人机技术的不断发展，其在遥感、矿产资源开发、海上安保、军事侦察等多个领域拥有广泛的应用。
2.2 水声信道传输水中声波传播是指由水中某个点发出的声波，透过水分子作为媒介将声波传播到远处。
水声信道传输是一种基于水声通信原理实现的数据传输方式。
它与相对应的其他通信方式相比较，具有较强的适应性和更好的传输效果，因此在海底数据传输、水下探测等方面有广泛的应用。
第三章：海洋无人机技术在水声信道传输中的应用3.1 海洋无人机技术的优势相比于传统的水面船只和潜水器，无人机技术具有以下显著优势：（1）快速响应：无人机响应快，可快速在水中搜索、勘测、采样等。
（2）节省成本：由于无人机不需要运作人员，因此成本相对较低。
（3）高效精准：由于无人机的机身相较部分水陆载具更为轻便，其清晰快速的视角、高精度的GPS定位将有效地协助水声信号的接受和回传。
3.2 不同类型海洋无人机的应用（1）翼型无人机：在海中跟随声源进行空中声波检测。
定量分析声波的声压级、海流引起的背景噪声和扰动噪声等。
（2）潜水和潜水滑翔机：在海底接受声信号，对水中的水柱风速、盐度、温度、浊度等进行定量分析。
同时，可以对水底地形进行三维扫描。
3.3 海洋无人机在水声信道传输中的应用优势（1）提高传输速率：利用无人机不同的飞行高度，相对静止的空中视角，有效的提升了水声信道传输的传输速率。
（2）减少传输误差：无人机对水流、水温、水柱风速的感知能力将为水声信道在传输过程中提供更精确的环境参数，使传输误差得到有效降低，提高信号质量。
水声通信中的信号调制与解调技术研究
水声通信中的信号调制与解调技术研究在当今科技飞速发展的时代，通信技术的重要性日益凸显。
其中，水声通信作为一种特殊的通信方式，在海洋探索、水下监测、军事应用等领域发挥着至关重要的作用。
而信号的调制与解调技术则是水声通信系统中的核心环节，直接影响着通信的质量和效率。
水声通信面临着诸多独特的挑战。
首先，水声信道是一个极其复杂且多变的环境。
与电磁波在空气中传播不同，声波在水中传播时会受到吸收、散射、折射和多径效应等多种因素的影响，导致信号的衰减和失真。
其次，水下环境的噪声水平通常较高，这包括海洋生物发出的声音、水流的噪声以及船舶等机械产生的噪声。
此外，由于水的密度和压力等特性，声波的传播速度相对较慢，限制了通信的带宽和数据传输速率。
为了在如此恶劣的环境中实现可靠的通信，有效的信号调制与解调技术显得尤为关键。
信号调制是将原始信息加载到载波上的过程，其目的是使信号更适合在信道中传输。
在水声通信中，常见的调制方式包括幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。
幅度调制是最简单的调制方式之一，通过改变载波的幅度来传递信息。
然而，由于水声信道中的衰减较大，幅度调制容易受到噪声的影响，导致信号的可靠性降低。
频率调制则是根据信息改变载波的频率。
这种调制方式在一定程度上能够抵抗信道中的噪声和衰减，因为频率的变化相对较容易检测。
但频率调制也存在一些局限性，例如占用较宽的带宽，在带宽有限的水声信道中可能不太适用。
相位调制通过改变载波的相位来传输信息。
它具有较高的频谱效率，能够在有限的带宽内传输更多的数据。
但相位调制对相位误差较为敏感，在复杂的水声信道中容易出现相位偏移，从而影响解调的准确性。
除了上述传统的调制方式，近年来，一些新型的调制技术也逐渐应用于水声通信中。
例如，正交频分复用（OFDM）技术将可用的频谱分割成多个子载波，每个子载波可以独立地进行调制和解调。
这种技术能够有效地对抗多径效应和频率选择性衰落，提高通信的可靠性和数据传输速率。
水声通信技术总结
水声通信技术总结
水声通信技术是一种利用水介质进行信息传递的通信技术。
该技术主要应用在海洋测量、水下探测、海底资源开发等领域，以及军事领域的水下通信。
水声通信技术的优点在于传输距离远、传输速度较快、不受电磁干扰、适用于深海等环境。
但是也存在一些问题，如传输距离会受到水温、盐度、压力等因素的影响，同时水声信号易受到环境噪声的影响。
水声通信技术主要包括单载波调制、多载波调制、脉冲编码调制等多种调制方式。
其中，单载波调制是最常用的一种方式，其利用单一的载波信号进行传输。
多载波调制则采用多个载波信号进行传输，可以提高传输速度和传输距离，但同时也增加了复杂度。
脉冲编码调制通过对脉冲进行编码，可以在保证传输速度的同时提高传输质量。
除了调制方式，水声通信技术还需要考虑信号处理、信道建模等问题。
信号处理可以提高信号的质量和可靠性，包括预处理、滤波、解调等。
信道建模则是估算水声信号在水中传播时的损耗、传播路径等信息，以便对传输进行优化。
总的来说，水声通信技术是一种在特定环境下具有优异性能的通信技术，未来将继续得到广泛应用和研究。
- 1 -。
水声多径信道研究PPT课件
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。
23
时延扩展
m
多途最大时延差T
的倒数定义为信道相 关带宽 ：
coh
当码元速率较低，信号带宽B<<B
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。
coh
反之，当码元速率较高，信号带宽B> B
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 。
=1/T
。
26
时延扩展
dm dm dm
乘积B
T
为信道的扩展因子。如果B
T
<1，信道被称为“欠扩展”信道；相 反，如 果B
T
>1，信道被称为“过扩展”信道。
dm
通常，如果BdTm <<1，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B
TLeabharlann >1，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。
19
时延扩展
水声通信组网技术水下信息网络概论剖析
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
2020/6/1
第一讲 序论
19
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络——特点 自动最佳路由选择
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
Wi-Fi
2020/6/1
有线回传 最佳路由 备选替换路由
与有基础设施网的区别：
•不需要预设的基础设施（BS、AP）； •网络的组织是临时的、按需的、自动的； •必须采用分布式的控制方式。
2020/6/1
第一讲 序论
11
1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统
2020/6/1
第一讲 序论
12
1.无线通信网络概述
举例1：蜂窝移动通信系统
– 移动终端和固定基 站互相通信
• 对网络层来说WLAN是一个单跳网络
2020/6/1
第一讲 序论
14
1.无线通信网络概述
举例2：移动Ad hoc网络
• 移动Ad hoc网络/多跳无线网络 • 由一组带有无线通信收发装置的移动终端
节点组成 • 网络中每个终端可以自由移动、地位相等 • 是一个多跳、临时、无中心网络 • 不需要现有信息基础网络设施的支持 • 可以在任何时候、任何地点快速构建
水面舰艇及潜艇与UUV通信
2020/6/1
第一讲 序论
27
2.水下信息的传输
UUV与UUV的通信
2020/6/1
第一讲 序论
28
2.水下信息的传输
2020/6/1
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2. 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
2018/10/20
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
14
2. 多径传播及空变特性
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
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
试验水域温度深度曲线
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 30
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
18 x 10
7
2.5
x 10
8
16 fc=8001.25Hz
fc=5000.75Hz 2
14
12
1.5
10
8
1
6
4
0.5
2
0
0
7985 7990 7995 8000 8005 8010 8015 8020
3. 多普勒效应及时变特性
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 t 2 ) c T c vr
若发射信号可表示为
0 t T s(t )•••• sT (t ) 其它 0•••••• 当有传播延迟时 ，接收信号可表示为
c vr sr (t ) sT (t ) sT c
多径传播及空变特性
浅海近程水声信道声线轨迹
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 19
2. 多径传播及空变特性
多径传播及空变特性
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。
2018/10/20
L 接收端
r 1
1
t1
v r t1
，
发射端
a. 脉冲前沿 L
接收端
L t1 c vr
L vr t2 ct2 vrT
t2
vrT
vr t 2
b. 脉冲后沿
当信号的后沿到达接收端 时，接收端又向发射端靠近了 vrT
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
L vrT t2 c vr vr t1 t2 T c vr 22
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 7
1. 距离、带宽和信噪比
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 ：
p ( x)
1 2
e
x2 2 2
2018/10/20
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
8
1. 距离、带宽和信噪比
3. 多普勒效应及时变特性
时变特性
2018/10/20
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
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。
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 12
2. 多径传播及空变特性
多径传播
海面 发射换能器 非均匀媒质 海底 接收换能器
水声通信中多径信号产生示意图
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。
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 29
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
27
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
cos 1 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）
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 28
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒扩展
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
海洋环境噪声
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。
2018/10/20
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
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1. 距离、带宽和信噪比
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：
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 5
1. 距离、带宽和信噪比
海洋环境噪声
海洋环境噪声文兹谱级图
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 6
1. 距离、带宽和信噪比
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。
2018/10/20
vr 1 c
(t ) sT 1 ( t )
23
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒效应
多普勒因子： vr c 不考虑传播延迟时，接收信号可表示为
2018/10/20
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
26
3. 多普勒效应及时变特性
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 fw
32
cos
2018/10/20
深海典型声速抛面图
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 17
1500
c(m / s ) 表面层
主跃变层 声道轴 深海等温层
2. 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
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 18
2. 多径传播及空变特性
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
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 15
2. 多径传播及空变特性
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
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。
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
2018/10/20
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
3
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
1. 距离、带宽和信噪比
传播损失
吸收系数与频率的关系
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 4
1. 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；
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 25
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 水声信道本身固有的特性； 包括两个方面： 收发间的相对运动引起。
水声信道本身固有的 水流引起声速梯度的变化， 时变特性由两个 使声传播的方向发生变化； 方面引起： 海面的波动，使得声波发生 举例 色散(多普勒扩展)。
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
2018/10/20 第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响 16
2. 多径传播及空变特性
多径传播
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。
1000 2000 3000 z ( m)
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
20
3. 多普勒效应及时变特性
多普勒效应
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
发射机
接收机
2018/10/20
第二讲 水声信道的特点及对通信 网络的影响
21
3. 多普勒效应及时变特性