水声数字通信系统的仿真

第 4 期 水声数字通信系统的仿真 59
位信息的解调方法的误码率较高的结论。但随着信 道均衡技术的发展, 人们又逐渐重视相干解调方法。 因此, 使用仿真数字通信系统寻找较好适合水声的 信道均衡技术、相干解调方法是正式出海实验的重 要准备。目前, 基于计算机仿真技术, 一些信道均衡 方法已相继提出。而应用于高频无线信道的扩谱技 术也在尝试着应用于水声领域。图 3 是 M at lbab 仿 真的基带直接序列扩谱通信系统。护谱码使用最大 长度序列( 寄存器级数 6 级) , 经过信道传输后, 加入 的噪声使得未解扩的误码率为 10. 16% , 解扩后误 码率为 0. 02% 。
对于水声信道, 除了深海里短途直达信道, 在一般通 信系统中所经常使用的加性白高斯噪声的信道模型
( AWGN) 却往往不适用于此。对于多径哀落信道, 经常使用的是瑞利( Rayleigh) 哀落概率模型。在多 径数目较多且各路径长度差不多时, 接收信号幅度 成瑞利分布, 相位服从高斯分布。如果在传输中有一 条主要路径, 通过主要路径传输来的信号有一个稳 定的幅度、相位, 则辐度服从莱斯( Rice) 分布。对于 这两种概率模型, 在计算机上仿真出这两种信道, 还 是比较容易。关键是, 对于水声信道, 如何确定描述 瑞利分布所需要的各种参数。同样, 不同的水声信 道, 它的分布参数各不相同。为了更符合水声信道的 时变特性, 描述瑞利分布的参数可以采用随时间变 化的变量。图 2 是应用 M at lab Simulink 设计的一 个仿真通信系统。信息源用随机数发生器产生 5000 个大小介于 0～7 之间的随机整数, 应用 MF SK 调 制, 通过参数随时间变化( 用高斯噪声发生器产生时 变参数) 的 Ray leig h 哀落信道后, 用非相干解调方 法解调。将原始数据与解调出的数据通过误信率计
2 信道的仿真
信道的仿真是否符合实际直接关系到水声数字 通信仿真系统的成功与否, 并且影响调制方式的选 取。
海洋声道[ 1] 类似于传播电波的变参通信信道,
58 海 洋 技 术 第 20 卷
具有随机时、空变化特性。现在, 有关海面、海底及海 洋媒质本身的特性及其对信号参数的影响, 尚无完 整的数学描述。因此, 我们在模拟水声信道时, 也无 法精确描述, 而只能根据系统的特点, 考虑影响水声 信息传输的主要因素。
Computer- Based Simulation fo r U nderw at er A coustic Dig ital Communication Syst em
Guo Jijie
( P. O . Box 369, X iamen U niv er sity , 361005)
Abstract T his paper int roduces a sim ulat ion to ol fo r underw ater aco ust ic digit al com municat ion syst em . Aft er pr opo sing t he w ho le syst em desig n, the aut hor em phasizes the underw at er aco ustic channel sim ul at ion and t he modul at ion. Comput er- based simulatio ns improv e t he validit y of t he acoust ic co mmunicatio n sy st em desig n, and incr ease the success o f field exper im ent s. Key words: under wat er acoust ic, dig it al com municat ion, simulat io n
信息源编码完成对信息的数字化与编码。例如 水 下 语 音 通 信 系 统 中, 信 息 源 编 码 可 以 采 用 DP CM 、子带编码、线性预测编码 L PC 等其它方式。
信道编码是为了免除信道中存在的噪声和干扰 对信号传输正确性的影响。目前较多使用的是具有 长约束长度的卷积码, 并采用交织技术。
负声速梯度信道的信道传递函数: H ( z ) = 1+ 0. 263112Z- 7+ 0. 151214z - 39
- 0. 391599z - 67 深海声道轴信道的传递函数:
H ( z ) = 0. 076+ 0. 122z - 1+ z - 1000 当然, 这些信道的传递函数在系统仿真中对于 系统调制方式等的选取中会有所帮助。但为了更针 对当地的信道特点, 则需从水声信道的传输模型入 手。比较直接的方法是采用射线法。但是如果选取 过多的水声传播途径, 并考虑 海底、海面的边界效 应, 海洋内部的不均匀性, 则容易导致射线混沌。因 此, 仿真水声信道时, 可选取主要的三条途径, 即直 达通道以及海底、海面的反射通道。这时可以利用 mat lab 编写的程序, 根据水声速度随深度的分布曲 线、接收以及发射水声换能器的深度、传播距离来求 出在接收端接收到的信号。因而这种方法具有更强 的灵活性。 设信道传递函数为:
图 3
通过仿真水声数字通信系统, 我们可以方便地 改变调制方式, 增加信道编码, 改变水声信道特性, 仿真得到的结果有助于提高出海实验的有效性。
参考文献
1 卢光英等译 . 水声遥测 . 海洋版社 . 1983 2 艾宇慧等 . 水声信道相关均衡器仿真研究, 声学学报, 1999, 24( 6) : 589 3 姚庆栋等 . 数字无线传输 . 浙江大学出版社 . 1992
如果还需考虑海面的波动, 可将 i = 3 情况修正为:
图 2
3 调制与解调
由于水声信道随机时变、多途现象严重的特点, 以往比较经常使用的是抗哀落性能较强 的 M FSK 调制, 并采用非相干解调方法。而无论从理论计算, 还是应用仿真系统都得出了在 Ray leig h 哀落信道 中使用象 M PSK 这样的相位调制方法以及需要相
关键词: 水声 数字通信 仿真 中图分类号: P 733. 2, T B56 文献标识码: B
在水声通信系统的设计中, 经常需要对系统进 行测试、试验, 以便发现问题加以改进。这可以通过 在水池中初步实验, 然后再出海进行系统测试。然 而, 计算机技术的发展使得我们可以通过计算机的 仿真来完成系统的初步设计, 这可以节约大量时间、 经费。
信道的特性直接影响通信系统的设计。水声数 字通信系统的仿真重点也在于水声信道的仿真。
调制是为了更有效利用传输媒质, 利用基带信
收稿日期: 2000-10-20
号对载波某些参量进行控制。解调是在接收端将已 调信号恢复为原始基带信号的过程。
针对水声通信系统的特点, 本文着重在于信号 调制、解调以及信道的模拟上。
2第00210年卷1 2第月 4 期
海 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 技 术 OCEAN T ECHNOL OGY
V
ol. 20, No. Dec, 2001
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水声数字通信系统的仿真
郭继杰
( 厦门大学 369 信箱 , 361005)
摘要
本文介绍了利用计算机仿真水声数字通 信系统。介绍了数字通 信系统的组成部分 之后, 重点介 绍水声信道的 仿真以及调制方法的选取。通过计算机的仿真提高了 水声通信系统设计的有效性, 对实际出海实验很有帮 助。
算模块的计算后, 得到误信率。
H(
)=
H
1≤i≤3
i(
)
这里, i 等于 1、2、3 分别对应于直达通 道、海底、海
面反射通道, 并且该函数未考虑时变效应。
H i( ) = T ( , ei ) A i ( ) R ( , ri ) ex p( - j i)
…………………………………………………… ( 1) 式中, T 和 R 函数分别考虑了接收、发射换能器的 指向性, 第 i 条途径中换能器的发射、接收角度。A 函数则考虑第 i 条途径与频率有关的哀落特性。 i 是第 i 条途径的时延。上式将海面看成静止的镜面。
在本 文中, 我们使 用 mat lab5. 3 来进行 仿真。 M at lab 是一套高性能的数值计算和可视化软件, 它
集数值分析、矩阵运算、信号处理、图形显示等各功 能于一体, 构成了一个方便、界面友好的用户环境。
1 水声通信系统的组成
水声通信系统和其他数字通信系统一样, 如图 1 所示, 由 7 个部分构成。
H 3 ( , t ) = H 3 ( ) !( 0, t ) 式中, H 3( ) 为海面静止时的传递函数 !( 0, t ) 为反 映海面波动的、与载波频率 0 有关的时变反 射函
数, 例如可取为零均值的高斯过程。 前面介绍的两种方法都是应用传递函数描述确
定性信道。也可以根据信道的统计特性来描述信道。
比较简单的方法是直接利用有关文献给出的典 型水声信道[ 2] 。例如, 考虑基带传输系统, 信号采样 率 10khz。声速为常数的均匀介质信道的信道传递 函数。
H ( z ) = 1+ 0. 599971z - 20 均匀介质信道的信道传递函数:
H ( z ) = 0. 734189+ Z- 13 - 0. 406511Z- 14 - 0. 295130Z- 55