水声通信中的信道建模与仿真技术研究
水声信道建模与仿真
水声信道建模与仿真I. 引言A. 研究背景B. 研究意义C. 研究目的D. 论文结构II. 水声信道建模A. 水声信道特点B. 水声信道建模方法1. 等效电路法2. 滤波器组合法3. 时域有限元法C. 模型选择和比较III. 信道建模参数优化A. 优化目标B. 优化方法1. 遗传算法2. 粒子群算法3. 模拟退火算法C. 仿真结果分析IV. 信道建模仿真A. 仿真软件介绍B. 仿真实验设计C. 仿真结果分析V. 实验验证A. 实验装置介绍B. 实验设计C. 结果分析VI. 结论A. 研究结论B. 研究不足和展望参考文献I. 引言A. 研究背景随着信息化时代的到来，无线通信技术在各个领域得到了广泛的应用。
然而，在水下通信领域中，无线通信技术却呈现出无法覆盖、频谱利用率低、信噪比差等问题。
相比之下，水声通信技术则因其覆盖范围广、通信速率高和抗干扰能力强等优点，成为了水下通信领域中的主流技术。
然而，水声通信技术也有其独特的挑战。
由于水的介质特性导致了水声信号在传输过程中受到了严重的衰减以及携带信号的频带被限制等问题。
这些问题加剧了水声通信中所谓的“水声信道”问题，给通信的可靠性和通信距离等带来了极大的影响。
B. 研究意义为了提高水声通信系统的性能，我们需要对水声信道进行建模和仿真。
通过研究水声信道的特点和建模方法，可以更加深入地理解水声信道中的误码率、信噪比、传输速率等重要指标。
同时，建立仿真模型并进行仿真分析，可以帮助我们评估不同参数的影响，从而优化参数设置，最终提升水声通信系统的性能。
C. 研究目的本论文的研究目的是通过建立水声信道模型和进行仿真模拟分析，探讨水声信道中的不同特性和参数对系统性能的影响。
对于未来的水声通信系统设计和优化，本论文提供了一定的参考和指导，有利于推进水声通信技术的进一步发展。
D. 论文结构本论文的结构如下：第一章介绍论文的研究背景、研究意义和研究目的；第二章详细介绍水声信道建模的方法，包括等效电路法、滤波器组合法和时域有限元法等，并对其进行比较和分析；第三章讨论了信道建模参数的优化问题，并介绍了遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等优化方法；第四章展示了信道建模的仿真结果并分析了不同参数的影响；第五章进行实验验证，通过实验结果与仿真结果的比较来证明本论文所提方法的有效性；第六章对本论文的研究做出总结，并指出了未来的研究方向。
海洋声场建模与仿真技术研究
海洋声场建模与仿真技术研究一、引言海洋，占据着地球表面的约 71%，是一个充满神秘和未知的领域。
在海洋研究中，海洋声场建模与仿真技术作为一种重要的手段，为我们深入了解海洋的声学特性和物理过程提供了有力的支持。
海洋声场是指海洋中声波传播所形成的物理场，它受到海洋环境的多种因素影响，如海洋的深度、温度、盐度、海底地形、海洋生物等。
因此，准确地建模和仿真海洋声场对于海洋声学研究、海洋资源开发、海洋环境保护以及军事应用等领域都具有重要的意义。
二、海洋声场建模的基本原理海洋声场建模的核心是基于声波传播的物理规律。
声波在海洋中的传播可以用波动方程来描述，常见的有亥姆霍兹方程和抛物方程。
亥姆霍兹方程适用于描述小范围、高频的声波传播，而抛物方程则更适合处理大范围、低频的情况。
在建模过程中，需要考虑海洋介质的物理特性，如声速分布。
声速在海洋中并非均匀分布，而是受到温度、盐度和压力等因素的影响。
通常通过经验公式或者现场测量来获取声速的分布情况。
另外，海底地形也是影响海洋声场的重要因素。
海底的粗糙度、坡度和地质结构都会对声波的反射、折射和散射产生影响。
三、海洋声场仿真的方法（一）有限元法有限元法是一种将连续的求解域离散为有限个单元的数值方法。
通过对每个单元进行分析，然后将结果组合起来得到整个求解域的近似解。
在海洋声场仿真中，有限元法可以有效地处理复杂的边界条件和介质特性。
（二）边界元法边界元法是基于边界积分方程的数值方法，它只需要对边界进行离散化，从而减少了计算量。
对于具有规则边界的问题，边界元法具有较高的计算效率。
（三）射线理论法射线理论法将声波传播视为射线的传播，通过追踪射线的路径来计算声场。
这种方法在处理长距离传播和高频问题时具有一定的优势，但对于复杂的介质和边界条件适应性较差。
四、海洋声场建模与仿真中的关键技术（一）海洋环境数据的获取与处理准确的海洋环境数据是建模与仿真的基础。
这包括海洋的温度、盐度、深度、海底地形等数据的测量和收集。
水声数字语音通信系统的设计与仿真
水声通信原理课程设计姓名:班级:学号:摘要本次设计以水下语音通信为背景，建立一个数字通信系统，首先通过分析设计要求了解了课题背景，从课本、图书馆、网络获取一定的资料，进行整理之后，先大致建立多个方案想法并比较其优缺点，结合各个方案想法的优缺点进行结合分析，然后选择其中之一重点分析确定该系统原理为：信源经过码激励线性预测语音编码(CELP)编码。
再用卷积码对水声信道进行编码，然后用QPSK的方式进行调制。
在水声信道中，由于水介质的吸收使得可利用的工作频率较低，信道带宽较窄，因而通信速率也较低。
要想在水中进行数字语音通信就必须对语音信息进行大幅度压缩，降低传输所需的比特率。
本论文对数字语音压缩算法进行研究，采用码激励线性预测语音编码（CELP）对原始语音进行编码，并采用带宽利用率较高的相位调制技术对压缩语音进行传输，同时结合自适应均衡等技术来有效地克服信道多途传播产生的码间干扰，纠错编码技术进一步降低系统的误码率。
在设计过程中，先确定整个的流程框架，对该系统进行大致设计，画出整个设计的流程图，并初步分析系统画出系统框架图，对整个系统建立模型，并且运用具体知识分块设计，在每一步中进行设计，在给定参数的条件下完成系统设计，反复核查系统的可行性与可靠性，为了使系统能够正常运转，还运用了Matlab软件进行仿真，具体的分析仿真结果，依据仿真的结果进行综合性能分析与误差分析，以便更好的了解此系统的整体性能。
然后对于系统的结构可行性和最后的综合性能分析以及误差分析对系统进行总体评价。
最后通过一段时间的准备与设计，对这次课程设计进行了总结，总结这次设计中出现的问题以及自己的收获，了解问题出现的原因并进行解决，并分析自己的收获，争取在下次的设计或者其他工作中取得更好的成绩关键字：水声数字通信 CELP matlab QPSK调制 Viterbi译码一．引言 (4)二．原理介绍 (6)三．方案选择 (8)四．方案设计 (13)五．仿真及结果 (13)六．方案总结 (39)七．心得体会 (40)八．参考文献 (40)一．引言设计要求期望达到如下指标：平均传输速率：4kbits ／s传输距离：4千米左右误码率： 0.001以下带宽：3kHz ，载频60k 。
_浅海水声多途信道建模与仿真
摘 要: 在进行水声信号恢复和增强、目标探测、跟踪、定位、水声通信等技术的研究过程中, 对海洋信道 的仿
真研究是进行这些水声信号处理 仿真的基础。简要分析了水声信道的传 播特性, 主要针对 水声信道 强烈的多径 效应
这一特点, 研究了浅海水声多途信道的物理模型, 并通过 BELLHOP 射线传播模型实现了声 场环境模 拟以及水声 信道
充分的研究。
1 浅海水声信道特点
由于各种自然条件、地理条件等因素的影响, 水 声信道非常复杂。可以说海洋信道是一个环境噪声 高、信道带宽窄、传播损失大、多途效应严重的时变、 空变的随机信道。 111 海洋环境噪声
海洋环境 噪声 [ 1] 主要 来源于海洋动力 噪声、生 物噪声、交通噪声和工业噪声、地震噪声、冰下噪声,
水声信道带宽 [ 2] 受限的主要原因是海洋中水声 信号的吸收损失。它与水声信号频率密切相关, 信号 频率越高吸 收损失越 大。研究 表明, 声波频率 在 4 kH z左右是远距离传播的最佳频率。此外, 水声换能 器带宽的限制也是原因之一。 113 传播损失
声波在海洋介质中的传播损失 [ 2 ] , 主要有 3个方 面: 扩展损耗 ) ) ) 由于波阵面在传播中的不断扩大, 使得单位时间内单位面积上能量减少; 吸收损耗 ) ) ) 声能在传播过程中不可逆的转换为热能而消耗; 边界 损耗) )) 声波在海洋边界的反射使声能发生 / 泄 漏 0。浅海区域由于泥沙、污物的影响, 水质浑浊, 使 得声散射强度较强, 声信号也易被吸收, 因而传播损 失更为严重。 114 多径效应
建模。通过比较不同深度声源的 声场分布, 以及不同收发条件下的 水声信道 冲激响应, 验证了 水声信道 的多径效应、
稀疏性、传播损失、时变空变以及 随机性等特性。
热带海洋环境下水下声通信信道建模及研究
热带海洋环境下水下声通信信道建模及研究随着人类对海洋的探索和利用程度不断提升，水下通信逐渐成为人们关注的热点话题，尤其是在热带海洋环境下的水下通信。
由于热带海洋环境下水质、水温、海流等因素的不稳定性，导致水下通信信道的传输特性具有不确定性和时变性，因而研究热带海洋环境下水下声通信信道建模成为当今水下通信领域的热点和难点问题。
一、热带海洋环境下水下声通信信道热带海洋环境下水下声通信信道，是指发生在热带海洋环境下的通信信道，代表了热带海洋环境下水下通信中的物理层面，具体包括了信号在水中传输的整个过程，这个过程包括了信号的散射、多径效应、声衰减等方面的影响。
热带海洋环境下的水下通信信道研究是水下通信领域的一个热点，它和传统的水下通信信道研究相对比存在以下的不同点和难点:1.热带海洋环境下水下通信信道中，噪声的影响很大。
这主要是由于热带海洋环境下的生物声、风浪声等因素，对水下通信信号的干扰比较严重，因此需要建立相应的噪声模型进行研究；2.热带海洋环境下水下通信信道中，多径信道的影响非常严重。
在浅海中，由于地形、潮汐、微生物等多种原因，信号会产生多路径传输，并形成多条信号传输途径。
因此，需要建立多径信道模型，对信号的传输进行研究；3.热带海洋环境下水下通信信道中，由于海水温度、盐度、压力等因素的影响，信号的传输特性呈现明显的时变性。
这也就意味着，传统的信号传输模型难以精确描述信号的传输过程。
因此，在研究热带海洋环境下的水下通信信道时，需要借助现代信号处理技术，对信号进行时变建模及处理。
二、热带海洋环境下水下声通信信道建模热带海洋环境下水下声通信信道的建模是水下通信领域中的核心问题，是确定水下通信系统参数的重要前提。
目前对于热带海洋环境下的水下声通信信道建模，研究者们主要采用以下三种方法：1.经验模型法：经验模型法是一种将实际现象转化为数学表达形式的方法，它是基于大量实验数据的统计分析方法，通过对统计数据进行分析得出相应的数学模型。
时变多径水声信道的仿真研究_牛富强
第28卷 第4期台湾海峡V o l .28, N o .42009年11月J O U R N A LO FO C E A N O G R A P H Y I N T A I W A N S T R A I T N o v .,2009收稿日期:2008-11-10基金项目:国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项基金资助项目(2009049)作者简介:牛富强(1981～),男,研习员,硕士研究生.时变多径水声信道的仿真研究牛富强1,杨燕明1,郭长勇2,刘贞文1,2(1.国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005;2.厦门大学海洋学系,福建厦门361005)摘要:本文针对浅海水声信道的时变特性,基于射线理论引入海洋参数———强度起伏参数Υ、不均匀度参数Λ,建立有效的时变多径信道模型,并采用M a t l a b 工具进行仿真.仿真结果表明,该模型相比于确定性模型更容易理解、更真实.文中给出的模型和结论能够为实际通信系统中发射接收机深度等的选择和设计提供一定的参考和依据,有助于对水声信道的了解.关键词:海洋声学;水声信道;时变信道;多径传播;仿真D O I :10.3969/J .I S S N .1000-8160.2009.04.023中图分类号:P 733.2文献标识码:A 文章编号:1000-8160(2009)04-0586-06随着海洋资源的开发和经济的发展,利用水声信道传输数据信息的需求不断增加,包括军事上的水声通信、遥测海洋涡流水团的数据传输,以及用于监测全球海洋环境及资源的信息传输等.声信道特性的研究是目前水声技术领域中重要而又较薄弱的环节.海洋介质极为复杂多变,尤其在浅海,由于海水对声能的吸收及传播过程中能量的扩展损失导致了信号衰落;海洋上下2个界面对声波的反射及不同声速梯度的折射导致了严重的多径传播;海水介质的随机不均匀性及各种噪声源等引起水声信号畸变.水声信道的时变、空变、频变特性为水声传输技术带来了极大挑战,因此,只有充分认识水声信道的特性,才能逐步地使水声传输系统与真实海洋环境相匹配,从而获得最好的传输性能.近年来计算机仿真技术已成为系统设计和分析的重要工具,引起水声技术领域的高度重视.仿真技术具有快速、灵活、方便、可重复等优点,既可以在水声传输系统设计前对算法进行研究,同时又能大大提高系统设计的速度,从而节约了实际实验成本和时间.水声信道仿真主要是基于射线理论进行建模,文献[1]概述了当前各种射线理论模型,文献[2]在射线理论的基础上,分析了浅海水声信道的确定性模型,但并没有涉及水声信道的时变特性.在许多实际应用中,研究水声信号的缓慢变化是十分重要的,但在外海条件下很难进行现场实验.因此,本文将水声信道看作“缓慢时变的相干多途信道”[3],针对浅海水声信道的传输特性,在确定性模型的基础上,建立了一种时变多径信道模型,并采用M a t l a b 工具进行仿真.仿真结果对水声传输系统的设计具有重要的指导意义.1 浅海水声信道的多径传播模型海洋存在着海面和海底2个界面,声波传输时会发生反射,同时由于温度、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.上下边界的反射和海水折射使得水声信道变为多途信道,多途径的声波干涉是设计水声传输系统的主要困难之一.对于浅海水声信道,边界对声信号传播产生很大影响,但如果不考虑海水介质的随机起伏及海底、海面的随机波动,声波传输将会产生稳定的多途.相干多途信道模型假定:海洋边界和海水介质都不随时间变化,声源与接收器之间的位置也固定,声源发出的信号沿不同路径到达接收器,由于海水吸收和边界反射,使得接收信号发生畸变而与原始发射信号有很大差别.声波是微振幅波,它满足叠加定理,因此合理地认为相干多途信道是线性的,可以用线性时不变滤波器来描述[3].然而实际海洋由于随机界面波动、不均匀的介质,以及海水温度微结构、内波、浮游生物和气泡等引起的散射效应,使得声信道随时间变化,这时声场被看作为确定性声场(相干分量)和随机声场(非相干分量)的叠加.本 4期牛富强等:时变多径水声信道的仿真研究文重点研究随机声场部分.接收信号由相干分量和非相干分量叠加而成,据此声源和接收点之间的海洋信道被看作2个并联的滤波器,如图1所示[3].图1 随机时变滤波器信道模型F i g .1 R a n d o m t i m e -v a r y i n g f i l t e r c h a n n e l m o d e l图1中,z (t )为t 时刻的输入信号,w (t )为接收信号;h (τ)、H (f )分别为系统的冲击响应函数和传输函数;h (τ,t )、H (f ,t )分别为网络的冲击响应函数和传输函数;Z (f )为输入信号z (t )的傅里叶变换.假设声源发射一个δ脉冲,则此信道的脉冲响应函数[4]为:h (τ,t )=h 0(τ)+ h (τ,t ) h (τ,t )=δ(τ)+∑n -1i =0δ(τ-τi )A ie -j θi (t )(1)式中,n 是有效路径信号的个数,A i 、τi 、θi(t )是第i 个接收信号的幅度、时延和相移.相应传输函数为:H (w ,t )=H 0(w )+ H (w ,t )(2)式中,H 0(w )为传输函数的稳定部分, H (w ,t )为随机时变部分,并且均值为零.在水声信道多途传播模型中,将发送信号s (t )表示为:s (t )=R e [u (t )ej 2πf c t ](3) 对于复带通信号,e j 2πf c t 可称为复载波,u (t )则是s (t )的复包络,也即相应的基带低通信号.接收到的带通信号可表述为:x (t )=R e {[∑n A n(t )e -j 2πf c τn (t )u (t -τn (t ))]e j 2πf c t }(4)式中,A n (t )、τn (t )分别是第n 个接收信号的衰减因子和传播时延,f c 是未调制载波频率.等效低通接收信号为:r (t )=∑n A n (t )e -j 2πf c πn (t )u [t -τn (t )](5) 考虑频率为f c 的未调制载波的传播,对于所有时刻t ,u (t )是常数,因此接收信号r (t )为一系列幅度A n (t )和相位θn (t )的矢量之和.对于A n (t )和θn (t ),若信道介质不随时间变化,发射接收机位置确定,则接收信号是稳定的,由此得到确定性模型.但实际海水介质及边界都是时变的,使得上述参数也随时间而变化,因此必须建立信道的时变模型.由于r (t )是等效低通信道对u (t )的响应,该等效低通信道也可以由时变脉冲响应函数来描述:c (τ;t )=∑n α(τ;t )δ[τ-τn (t )](6)式中,α(τ,t )表示在时延τ和时刻t 信号成分的复衰落因子.信道仿真的关键就是产生α(τ,t ),这里将α(τ,t )简化表示为α(t ).由上面的分析α(t )可等效为零均值的复高斯随机过程,可用两个互不相关的实值零均值高斯随机过程产生,即:α(t )=u 1(t )+j u 2(t )(7)·587·台湾海峡28卷式中,u 1(t )和u 2(t )可基于中心极限定理,利用多个高斯白噪声叠加产生,一般方法有时域谐波叠加、频域谐波叠加、特殊形式的谐波等[5],本文采用时域谐波叠加法.2 浅海水声信道时变多径模型的建立浅海水声信道的时变特性可由海洋参数Υ、Λ来描述[6].它们分别描述水声信道中介质的起伏强度及均匀度.声线通过非起伏信道,所用时间为确定性时间t 0.但在起伏信道中,传播时间则变成t =t 0+Δt ,Δt 是起伏的.因此,总的传输时间也是起伏的,导致t 以t 0为均值的概率密度分布.令q 0=(2π/λ)为声波数,L c 为时变信道的相干长度,可由下式计算[6]:L c =[2<μ2>/C μ]3<μ2>=(116+a )2.25ε2/3c 20(L 02π)2/3C μ(z )=(116+a )11.364ε(z )2/3πc 0(z )2(8)式中,<μ2>为声速起伏值的均方值.C μ(z )代表信道的起伏程度,随海洋深度z 变化.a 为大小参数,其值在0.1和10之间.ε(z )为能量耗散率.c 0(z )为声速剖面的平均值.由上述参数可计算Υ、Λ为[6]:Υ2≈0.4L c q 20<μ2>L t o tΛ≈L t o t6L c q 0(9)式中:L t o t为声线经过的全部路程.最后,由上述的公式具体计算出每条传播路径的Υ和Λ值,从而确定每条路径的相位φ和幅度A (t )的方差.3 仿真与分析采用m a t l a b 来实现对上述模型的仿真.对于每一次实现,计算出接收信号包络S 和S M R (信号多途比),最后对一系列仿真结果进行统计分析.为仿真方便,选取台湾海峡中北部海域典型的正声速梯度[7]作为仿真声速剖面,声线图如图2所示.仿真中的具体参数设置如表1.图2 正声速梯度下声源深度20m 的声线F i g .2 S o u n d r a y d i a g r a m o f s o u r c e a t 20m d e p t h i n a w e a k p o s i t i v e s o u n dg r a d i e n t·588· 4期牛富强等:时变多径水声信道的仿真研究表1 信道仿真参数T a b .1 P a r a m e t e r s o f c h a n n e l s i m u l a t i o n 仿真参数仿真值信道深度/m40传输距离/k m3、10发射、接收深度/m20、15正声速梯度/m -11.6×10-5信号载波频率/k H z15码元速率/k b p s1参数a0.25能量耗散率10-8海底反射系数0.86海面反射系数(风速为5.14m/s )0.463.1 时变多径仿真模型中多途接收信号与接收距离的关系使用上述参数,得到如图3所示的多途接收信号S 随距离变化的单次实现.对比确定性模型,可以看出两者的变化趋势大体相同.但由于海洋环境参数的动态变动,信号随距离的衰减更加复杂,具有局部起伏震荡现象,主要是由于信号起伏在很大程度上破坏了确定性模型中的“子带结构”,使得远距离传输时反而更平坦.图3 S 值与水平传输距离的关系F i g .3 R e l a t i o nb e t w e e n Sa n dt r a n s m i s s i o n d i s t a n c e3.2 时变多径模型中S M R 均值的分布对时变多径模型进行仿真计算可得每一接收距离上S M R 的10000次实现的均值分布,如图4所示.从图4可以看出,与确定性模型对比,时变多径模型S M R 的均值是确定性模型S M R 的近似平滑.近距离时,多途比有用信号更强,直接导致了S M R 值小于1,引起码间干扰.这时只能使用频率调制M F S K 和低阶的相位调制,同时结合合适的信道编码来提高系统的性能.随着距离的增加,S M R 值也相应增加,主要是因为高阶多途在经历上下界面的多次反射造成的衰落大于低阶多途和直达信号.远距离时,由于仅有少数低阶多途和直达信号到达,有用信号的强度大于多途信号,S M R 值呈上升趋势.·589·台湾海峡28卷3.3 时变多径模型中S M R 值随接收深度变化发射机、接收机所放的深度对S M R 值也有较大影响.仿真中,发射机深度固定在20m ,改变接收机深度,结果如图5所示.图5 S M R 与接收深度的关系F i g .5 R e l a t i o nb e t w e e nS M Ra n dr e c e i v e r d e p t h s从图5中可以看出,接收机深度的不同可以很明显地改变S M R 值,影响系统的性能.调整接收机深度可以改变S M R 值.因此,实际海上实验时,可以固定其中一端,通过调整另一端深度,可以获得最佳接收效果.确定性模型中S M R 值随接收深度变化起伏较大,并且不太精确.而时变多径模型中S M R 均值(1000次统计)趋近平滑,更能反映实际海洋环境.从图5中可以看出,发射机固定在20m 时,接收机放在17～23m 深系统性能最佳.·590· 4期牛富强等:时变多径水声信道的仿真研究4 结论本文所建立的时变多径模型,主要考察S 随距离的变化、S M R 的均值随距离、接收机深度变化关系及与确定性模型的对比.其结果表明,时变多径模型相比于确定性模型更容易理解、更真实.影响水声传输系统性能的因素是多样的,文中给出的模型和结论能够为实际系统中发射接收机深度等的选择和设计提供一定的参考和依据.信道模型是对真实信道的近似模拟,有其适用的范围,要建立更加完善的模型还需要做进一步研究.参考文献:[1] K i l f o y l e DB ,B a g g e r o e r A B .T h e s t a t e o f t h e a r t i nu n d e r w a t e r a c o u s t i c t e l e m e t r y [J ].I E E EJ o u r n a l o f O c e a n i c E n g ,2000,25(1):4-27.[2] Z i e l i n s k i A ,Y o u n g -H o o nY ,WuLX .P e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f d i g i t a l a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ni na s h a l l o ww a t e r c h a n n e l [J ].I E E EJ o u r n a l o f O c e a n i c E n g ,1995,20(4):293-299.[3] 惠俊英,生雪莉.水下声信道[M ].北京:国防工业出版社,2007:37-40.[4] P r o a k i s J .数字通信[M ].张力军,张宗橙,郑宝玉等,译.北京:电子工业出版社,2003:577-581.[5] C r e s p o PM ,J i m e n e z J .C o m p u t e r s i m u l a t i o no f r a d i oc h a n n e l s u s i n g ah a r m o n i c d e c o m p o s i t i o nt e c h n i q u e [J ].I E E ET r a n s O nV e hT e c h n o ,1995,44(3):414-419.[6] B j e r r u m -N i e 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浅海中低频水声信道仿真研究
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水声信道的研究与仿真
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第２ ７卷第 １ 期
２０ ０ ８年 ２月
声
学
技
术
Ｖｏ１ ． ２７． Ｎｏ １ ．
Ｔｅ ｈ ｉ ａ ｏ ｓ ｉ ｓ ｃ ｎ ｃ ｌ Ａｃ ｕ ｔ ｃ
Ｆ ｂ ，２ ０ ｅ ． ０８
水声信道 的研究与仿真
魏 莉 ，许 芳，孙海信
（ 门大 学 水 声 通 信 与 海 洋 信 息 技 术 教 育 部 重 点实 验 室 ，厦 门 ３ １０ ） 厦 ６ ０ ５
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水声通信中的信道建模与仿真技术研究
作者：牛停举杨日杰刘凤华
来源：《硅谷》2009年第09期
[摘要]水声信道是水声通信的一个重要组成部分，它的研究可以提高水声信号传输的可靠性。
对水声通信中不同信道模型的传播特性进行较为详细的理论分析，并用MATLAB仿真软件对不同的信道模型的传播损失特性进行仿真，为水声通信系统的信道设计提供理论基础。
[关键词]水声通信信道模型仿真
中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0510103－02
一、引言
水声通信的难点集中在复杂多变的水声信道上，水声信道的传播损失、多径衰落、噪声、混响等特性极大的影响了传输信号，使其产生幅度起伏和相位波动。
因此分析研究水声信道的传播特性对于水声通信研究有重大意义。
本文从基本的波动方程出发，详细分析了波动方程的不同解法，并用MATLAB对不同信道模型进行了仿真分析。
二、水声通信中的信道模型
从基本的状态方程、连续方程和运动方程可以推导理想流体中的小振幅波的波动方程：其中为定义的一个新的标量函数，称为声速势函数；
为拉氏算符。
利用边界模型来限制波动方程的解在边界上的取值，然后再根据给定的声波辐射条件（在无穷远处的定解条件）就可以完全确定波动方程的解。
（一）简正波模型
在柱坐标中可将波动方程方程成为简化的椭圆波动方程，假设分层介质是圆柱对称的，那么方程中的势函数的解可以写成。
然后用作为分离变量常数对变量进行分离，可得到一下两个方程：
方程1是著名的简正波方程；方程2是距离方程。
简正波方程解称为格林函数。
距离方程的解可写成汉克尔函数（）。
如假定声源为单色点源，则的通解可用无限积分表示：
射线声学是把声波的传播看作是一束无数条垂直于等相位面的射线传播，每一条射线与等相位面相垂直。
从声源发出的声线按一定的路径达到接收点，接收点接收到的声场是所有达到该点声线的叠加。
用两个基本方程来确定声场的路径和强度：程函方程和强度方程：
由程函方程和强度方程就可以得到波动方程的近似解。
（三）快速声场模型
在快速声场理论中，通过快速傅里叶变换（FFT）方法直接计算声场积分表达式。
与简正波模型运用复变函数中的留数定理求解声场积分只是计算方法不同。
在计算声场积分时，首先是根据简正波方法分离波动方程参量，然后用汉克尔函数渐近展开式中的第一项，代替方程（4）中的汉克尓函数表达式，即：
那么方程（4）可以表示为：
然后，使用快速傅立叶变换估算这一无限积分。
对于给定的声源——接收器几何配置，傅立叶变换将给出n个离散距离点上的声场值。
（四）抛物型方程模型
在柱坐标中。
可以把亥姆霍兹方程改写为：
忽略方位耦合，进一步假设解的形式为可以得到：
用作为分离常数，把方程（10）分离成如下两个微分方程：
程可以简化为：
这就是抛物型方程。
在这个方程中，n与深度（z）、距离（r）和方位（）有关。
抛物型近似在计算上的好处在于抛物型微分方程在距离坐标上可以向前递推，而对于简化的椭圆形波动方程来说，则必须在整个距离——深度范围内同时求得数值解。
三、信道模型的MATLAB仿真与分析
环境模型设置：
信道位于浅海，水深50～80米，海底属海积平坦，沉积层为泥沙；水深100～200米，海底为褶皱断块路坡，沉积层为沙。
水深50m时，密度1.767(g/cm3)声速1623(m/s)；水深80m 时，密度2.034(g/cm3)，声速1836(m/s)。
用KRAKEN简正波模型进行仿真，图1和图2是在水深50m，信源深度35m，信宿深度35m，信号频率在1k和20k的传播损失图。
图3和图4是在水深78m，信源深度50m，信宿深度50m，信号频率在1k和20k的传播损失图。
从仿真结果看出KRAKEN简正波模型对高频信号的传播损失较大。
在同样的条件下通过高斯波束跟踪的方法，用射线模型BELLHOP进行仿真：图5和图6是在水深50m，信源深度35m，信宿深度35m，信号频率在1k和20k的传播损失图；图7和图8是在水深78m，信源深度50m，信宿深度50m，信号频率在1k和5k的传播损失图。
比较图5、图6可知射线模型在低频随着传播距离的增大传播损失变化较小。
从程序运行时间上看，同样的条件下射线模型比简正波模型的运算量大。
四、总结
作为水声通信理论基础的水声信道的分析与仿真，成为分析水声通信系统设计的重要辅助手段。
评估水声信道模型或算法的性能，可以提高外场实验的成功率，为系统设计提供理论基础。
因此研究水声信道模型意义重大。
基金项目：国家自然科学基金(60572161)
参考文献：
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[5]汪得昭、尚尔昌，水声学[M].科学出版社，1981.04.
作者简介：
牛停举，男，山东济宁人，烟台大学在读硕士，主要从事水声物理信道及水声通信等方向的研究。