水声信道
第3讲 水声信道
水声通信的特点
通信距离有限 通信速率低 可靠性差 通信方向 通信内容单一 成本高 水声信道是一个带宽严重受限、噪声干扰 严重的时变、空变、频变的衰落信道。
编码信道 调制信道
信 源
加 密 器
编 码 器
调 制 器
发 转 换 器
信 道
收 转 换 器
解 调 器
解解 码密 器器
信 宿
发送设备
50
100
150
200
250
300
时 间 /ms
40 30 20 10
0 -10 -20
3500
200 150 100
50 0
-50 -100 -150 -200
0
第 2帧 幅 频 特 性
first second third forth
4000
4500
5000
5500 频 率 /Hz
6000
第 2帧 相 频 特 性
time(s)
收发在不同深度
信道软件仿真结果（深海）
深海信道的传递函数
海底的影响
浅海的Pekeries模型
浅海 深海
信道的传递函数
台湾海峡实测数据
归一化的幅度 幅 值 的 对 数 /dB
松花湖试验结果
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
0 -0.2
0
第 7帧 的 信 道 冲 击 响 应
i 1
码间干扰 频率选择性衰落
无码间干扰的基带传输
akh(t0 ) ak
anh（[ k n）Ts t0 ] 0
nk
h（[ k
n）Ts
t0
]
1 0
k n k n
水声信道建模与通信技术研究
水声信道建模与通信技术研究随着科技的不断进步和应用场景的不断扩大，海底通信成为人们越来越关注的话题。
在海底通信中，水声信道是一种常用的通信手段，因为水声波在水中的传输具有穿透力强、带宽宽、安全性高等特点。
水声信道建模及通信技术研究是保证水声通信质量的关键。
一、水声信号的特点水声信号与空气声信号相比有很多不同之处，主要有以下几个特点：1.信道损耗大水的声传播损失比较大，这主要是由于水的分子极性所引起的，使得水分子在传播时带来的剧烈的摆动与旋转影响到了水分子间的相对位移，导致能量损失较大。
2.抗干扰能力差由于水声信道中伴随着水流的涡旋、波浪等因素，以及生物的声音，水声信号很容易受到外界的干扰。
3.信道时变性高水声信道由于水流、水温、海水成分等原因，导致信道传输的变化较为复杂，信道时变性较高。
4.带宽较低水声信号的频带受限制，一般只能在几千赫到几十千赫之间进行传播，这导致了传输数据的速率不能太高。
以上特点使得水声通信在带宽、传输距离、抗干扰能力等方面都有一定的局限性，因此水声信道建模及通信技术研究显得尤为重要。
二、水声信道建模在进行水声通信之前，需要了解水声信号在水中的传播，建立起模型，为后续通信技术研究提供理论基础。
目前常用的水声信道建模方法有统计方法和物理方法两种。
1.统计方法统计方法是基于接收到的信号去统计得出信道特性，它将信道建模分解为一组统计量，这种方法适用于大多数水声通信频带狭窄，传输距离比较短的情况。
2.物理方法物理方法是基于物理现象的分析，将信道建模分解为若干个分量，每个分量对应一种信道机制，这种方法适用于频带宽、传输距离长的情况。
在建模过程中，需要考虑水下环境条件、信噪比、特定频率范围内的传输损耗、信道衰减等因素，这些因素会直接影响信道模型的表达能力。
三、水声通信技术研究水声通信技术研究主要包括信号调制、信道编码、解调器设计等方面，这些方面以及其他相关技术的应用，是构成水声通信系统的关键要素。
水声通信信道建模及信号检测技术研究
水声通信信道建模及信号检测技术研究水声通信是一种利用水介质进行通信传输的技术，其信道特性的建模和信号检测技术的研究对于水声通信系统的设计和性能提升具有重要意义。
本文将对水声通信信道的建模方法及信号检测技术进行综述，展示当前研究进展和未来发展方向。
水声通信信道建模是研究水声通信的基础工作之一，主要通过对水声信道的特性进行建模和分析，为水声通信系统的设计和性能评估提供理论支持。
根据水声通信信道的特点，一般可以将其建模为时变、多径、多路徑衰落且噪声干扰较大的信道。
具体的建模方法包括几何模型、传输模型和统计模型等。
几何模型通过建立海底和海面几何形状、声源位置和接收器位置等信息，来预测水声信号的传播损耗和传播路径。
传输模型则是基于声波传播的物理特性和扩散特性进行建模，通过模拟诸如反射、折射、散射等传播效应来描述水声信道。
统计模型则通过对实际采集到的水声信号进行统计分析来提取相关的信道参数，并基于这些参数构建信道模型。
信号检测技术是水声通信系统中关键的研究内容之一，其目的是在复杂的水声信道中，通过设计有效的检测算法来实现对发送信号的准确接收。
由于水声信道的时变性和多普勒效应等因素的影响，传统的通信系统中常用的信号检测技术在水声通信中并不适用。
因此，研究者们提出了许多针对水声通信信道的信号检测算法。
其中，常用的方法包括：1.盲源分离算法：利用信号的独立性和非高斯性来从混合信号中分离出原始信号。
通过将混合信号与水声通信信道建模进行比较，可以实现盲源分离和信号检测。
2.自适应均衡算法：通过对接收到的信号进行均衡处理，抵消信道引起的时移和符号间干扰。
自适应均衡算法在估计信道响应的同时，实时调整均衡滤波器的系数，以适应信道变化。
3.多解码器组合算法：将多个解码器输出的结果进行组合，通过结合不同解码器的输出信息提高系统的译码性能。
4.采用智能算法：如神经网络和遗传算法等，用于优化信号检测算法的参数设置，提高检测性能。
除了上述方法，还有一些新兴的技术正在被研究和应用到水声通信中，例如多输入多输出（MIMO）技术、空时编码技术等，这些技术可以提高水声信道容量和系统的可靠性。
基于水声信道的通信方法及其性能分析
基于水声信道的通信方法及其性能分析一、引言随着信息技术的飞速发展，人类对于通信技术的需求也不断增加。
特别是在海洋和深海探测、水下机器人、海洋资源开发和保护等领域，对于高效稳定的水下通信技术越发迫切。
由于水声具有长距离传输和适应多种载体等特点，在水下通信中得到了广泛的应用。
本文将介绍基于水声信道的通信方法和其性能分析。
二、水声信道的特点水声传输信道的主要特点如下：1. 衰减大。
水声传输信道的衰减特征主要是频率依赖的、传播距离相关的、空间相关的和环境相关的。
2. 正弦成分丰富。
同时在水声信号中存在各种静态和动态的声学噪声，加剧了信号的复杂度和难度。
3. 时变信道特性。
水下信道的物理环境和水动力学过程均产生了时变效应，影响信号在传输过程中的衰减、时延和相位。
4. 多径效应和散射效应。
水声信源信号在水中经过多次反射、折射、衍射等散射现象而传输过程中，会造成多径效应和散射效应。
5. 可操纵性高。
水声信号能够被水中物体散射和吸收，使其能够被控制和操纵。
以上特点是水声信道特有的，对于水下通信系统的正确设计和信号处理至关重要。
三、基于水声信道的通信方法基于水声信道的通信技术包括传输协议、信号调制、信道估计、信号检测、编/解码和网络处理等环节。
1. 传输协议传输协议是用于在不可靠的信道上传输数据的方法。
传输协议可以用于数据传输，保证不可靠的信道上数据准确的接收，例如ARQ（自动重传请求）。
2. 信号调制水声信道的高噪声、大衰减和运动效应要求信号调制技术有很高的效率和较少的频谱使用。
调制技术的选择要根据操作环境，对抗噪声和抗多径性能等因素。
现在常用的调制方式有脉冲编码调制（PCM）、抗多径频率移位键控（FM）等。
3. 信道估计水声信道的时变性、多径和衰减等影响了传输信号的传播和接收。
正确的信道标定是确定接收信号的准确性的基础。
信道估计技术主要归纳为在线估计和离线估计两种。
在线估计是在信道变化时实时地进行估计，即时性强但计算量大。
水声通信系统中信道估计和均衡技术研究
水声通信系统中信道估计和均衡技术研究随着数字通信技术的发展，信息的传输和接收已经不再依赖于传统的有线接口，而更多地采用无线接口。
在海洋通信中，由于水的阻尼和散射特性，水声通信成为了一种主要的无线通信技术。
在水声通信技术中，信道估计和均衡技术是其中的两大核心技术，本文将对这两个技术进行深入研究。
一、水声通信信道特点水声通信信道的特点与一般无线通信的特点有很大的不同。
由于水分子在运动时波动比较频繁，所以水声信道会带来三个主要的方面的影响：1. 多路路径效应：水分子的快速运动导致水声信道的传输路径发生变化，信号同时到达接收端的多个传输路径上，导致系统的多路径衰落。
2. 蓝噪声：水声信道会引发蓝噪声，这是一种在低频率处具有比较强烈的噪声干扰的噪声。
由于海底活动和环境的变化，这种噪声会经常地发生变化。
3. 时变性：由于海水中溶解气体的不稳定性、温度、盐度、水压等环境因素的影响，水声信道的传输速度和衰落状况会不断变化，因此水声信号的传输速度和幅度会发生变化。
以上三个因素会导致水声信道的信号很难传输，这就需要信道估计和均衡技术的支持。
二、水声通信信道估计技术水声通信信道估计的目的是获得信道传输状况的信息，比如说带宽、噪声、信号强度、时变性和多路径等。
为了实现这个目标，当前主要采用了两个技术：扩展卡尔曼滤波技术和小波变换思想。
首先，扩展卡尔曼滤波技术是将卡尔曼滤波技术应用到非线性情况下的信号估计中，这种方法能够应对信号差别比较大、时变性比较强的情况，能够很好地应对水声信道的变化情况。
其次，小波变换思想是指将原始信号表示为不同频率和时间上的一系列小波函数相加的形式，这一技术可以用于信号的去噪和特征提取，能够很好地应用到信道估计中。
三、水声通信均衡技术为了得到传输信号，必须在接收端进行均衡，以消除多路径的干扰，减小信道传输时的失真。
目前主要使用的水声通信均衡技术有以下几种：线性均衡、时域均衡和频域均衡。
1.线性均衡线性均衡是传统的均衡方法，它仅限于单径线路场景；此方法可以用于去除白噪声的干扰，但无法处理多径干扰和波形畸变。
水声信道传输性能评估与优化技术研究
水声信道传输性能评估与优化技术研究水声信道是指利用水作为信号传输媒介的通信方式，是水下通信、水下声纳、水下声学观测和控制等方面的重要应用领域。
水声信道的传输性能影响着海洋监测、资源勘探和军事行动等方面的实际应用，并且会受到水温、盐度、水深变化等地理环境的影响。
如何对水声信道传输性能进行评估与优化技术研究成为研究热点。
一、水声信道传输性能评估技术1、传输距离水声信道传输距离受到水的传播损失、散射、多径传播和信道噪声等因素的影响，因此在传输信号时需要考虑传输距离。
通过衰减模型和波束形成等技术可以对水声信道传输距离进行评估，从而提高传输可靠性和效率。
2、信道带宽信道带宽是指该信道中信号可以传输的频带范围。
水声信道的信号受到海洋水域环境的影响，因此其带宽通常比较小。
对于水声信道，我们可以采用频率分集技术、多载波调制技术和码分多址技术等方法提高信道带宽，从而提高传输频宽和信息传输量。
3、误码率和位错率水声信道的误码率和位错率通常受到信道噪声的影响。
通过编码技术和解码技术可以提高信息传输的正确性和准确性。
其中，前向纠错码和卷积编码技术可以有效的降低误码率和位错率。
二、水声信道传输性能优化技术1、多种载波技术多种载波技术是指在不同频段使用不同载波方式，通过选择合适的载波信号可以优化信道传输性能。
例如，在高频段可以采用深水声波和扩谱技术，而在中频段可以采用PSK和FSK调制技术，从而提高信道带宽和传输速率。
在低频段可以采用频率分集技术和空间多址技术，使信道带宽得到更好的利用。
2、频率选择频率选择技术是指通过选择合适的频率范围，避免频率利用冲突和提高信噪比，从而降低误码率和位错率。
在水声通信中，频率选择技术可以有效的减少水声信道传输噪声和多径衰减，提高传输效率和可靠性。
3、倍增技术倍增技术是指在信号传输中采用多个发射器和接收器，同时传输多条信号，从而达到传输效果的同时进行多重检测和消除多重传播效应。
倍增技术可有效的提高信道传输可靠性和抗干扰性。
水声通信系统中的信道识别技术研究
水声通信系统中的信道识别技术研究随着海洋开发和安全需求的不断增加，水下通信技术也越来越受到重视。
而水声通信系统的主要问题之一就是信道识别。
本文将从水声通信系统中的信道特性、基于调制识别的信道识别、基于统计学方法的信道识别两个方面进行探讨。
水声通信系统中的信道特性水声通信在传播时会受到水中传播介质的影响，导致信号受到各种不同的干扰和失真，因此水声信道的特性十分复杂。
通信距离、海底地形、水温、盐度、噪声和其他环境因素都会影响水声信号的传播和接收，而水声信道的效应通常表现为多径效应、散射效应、噪声效应等。
多径效应是水声信道特有的，它是由于声波传播时遇到水下物体或介质不均匀性导致信号传播路径多样化的现象。
这种效应会导致信号出现时延扩展、频率扩展和幅度衰减等现象，给信号恢复带来很大困难。
散射效应是指由于水中有许多杂散物体，如悬浮物、海草等，它们会散射声波信号，这样在接收端会产生多次反射和折射的声波信号，增加了接收信号的干扰和失真。
噪声是水声通信中不可避免的一种环境干扰，其来源可以是水声设备的电子噪声、机械噪声、水流噪声、声波散射噪声等。
噪声对水声通信系统不同频段的信号传播和接收有显著影响，影响水声通信系统的通信质量和可靠性。
基于调制的信道识别基于调制的信道识别是一种广泛应用的水声通信系统信道识别技术。
调制方法多种多样，每种调制方式都具有一些独特的特征，通过分析和识别这些特征，可以实现水声信道的判别和分类。
调制方式是指将数字信息用模拟信号表达的方式。
水声通信系统中，通过对模拟信号的调制和解调来实现信息传输。
在调制过程中，信号会受到信道的影响，使得信号的特征发生改变。
对于同一信道，不同的调制方式会有不同的信号特征。
因此，在信道识别中，可以利用不同调制方式之间不同的信号特征进行识别。
例如，常见的四种调制方式为AM、FM、PM和FSK。
不同调制方式的信号能量分布、频谱、时域波形都有所不同。
通过对这些参数进行测量分析，并进行分类训练，就能实现对水声信道的有效识别。
水声通信中的信道建模与信号处理研究
水声通信中的信道建模与信号处理研究水声通信是一门利用水介质进行数据传输通信的技术，其广泛应用于海底探测、海洋观测和军事领域等。
在水声通信中，信道建模与信号处理是重要的技术环节，因为水声信号在水中传播具有比较复杂的特性。
因此，本文将分别从信道建模和信号处理两个方面探讨水声通信中的技术研究。
一、信道建模在水声通信中，信道建模的主要目的是对水声信道进行建模，以便于设计和评估水声通信系统。
由于水声信道存在时变性、多途效应、噪声干扰等问题，因此对其进行建模具有挑战性。
1.1 时变性建模水声信道中的时变性主要体现在信号的传播距离、温度、盐度等因素的影响下。
因此，时变性建模需要考虑这些因素对信号传播的影响，并建立相应的数学模型。
目前，研究者主要采用了经验模型、传输函数模型和随机过程模型等技术进行时变性建模。
1.2 多途效应建模水声信道中存在多途效应，即信号到达接收器时，会有多个不同的信号路径达到接收器。
这种信号在接收器处叠加导致信号失真和失真，影响了接收器的性能。
因此，多途效应建模是水声通信中不可或缺的一项技术。
现有的多途效应建模技术主要包括脉冲响应技术、波导模拟技术和统计学方法等。
二、信号处理水声信号具有信噪比低、复杂多变的特点，因此信号处理是水声通信中的关键技术。
目前，信号处理主要涉及压缩感知、自适应信号处理和多输入多输出技术等。
2.1 压缩感知压缩感知是一种通过少量的非随机测量来恢复高维信号的技术。
在水声通信中，压缩感知可以用于压缩水声信号并恢复信号，从而提高传输效率。
2.2 自适应信号处理自适应信号处理技术是一种能够对信号进行实时跟踪和自适应调整的技术。
在水声通信中，自适应信号处理可用于抑制多径效应和噪声干扰，提高信号的抗干扰性能，并有效地提高水声通信的可靠性。
2.3 多输入多输出技术多输入多输出技术是一种用于水声通信系统的空间码技术，其利用多个发射和接收单元构成的线阵列实现信号的空间编码和解码。
这种技术可以使得水声通信系统在增加信息传输速率的同时，提高系统的可靠性。
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k t 依赖于网络的特性，k t 反映网络特性对 ei t 的作用。
信道传输特性
ei (t) h(t) eo(t)
ei () H () eo()
e0t ht ei t e0 H ei
H H e j
幅频特性 相频特性
理想信道传输特性
无失真传输 (1) 对信号在幅度上产生固定的衰减； (2) 对信号在时间上产生固定的迟延。
anh（[ k n）Ts t0 ] 0
nk
h（[ k
n）Ts
t0
]
Байду номын сангаас
1 0
k n k n
理想的传输波形
时间扩展（频率选择性衰落）
时间扩展引起频率选择性衰落，可用相干 带宽描述。
相干带宽：信道在两个频率处的频率响应 保持强相关情况下的最大频率差。
相干带宽与时延扩展成反比
Bcoh
1
平坦衰落：相干带宽＞ 信号带宽 时延扩展＜ 码元间隔
频率选择性衰落：
简正波模型
x, z
n0
Ans
in
n
h
x e jz
k 2 n 2 h
简正波模型
截止频率 频散 垂直相关半径
射线模型
海面、海底两个确定的、平整的界面，声速水平方向均匀
声速剖面
声线弯曲
表面声道
传播损失
表面声道
张仁和院士2003年南海试验结果，频率1kHz
水声通信的特点
通信距离有限 通信速率低 可靠性差 通信方向 通信内容单一 成本高 水声信道是一个带宽严重受限、噪声干扰 严重的时变、空变、频变的衰落信道。
编码信道 调制信道
信 源
加 密 器
编 码 器
调 制 器
发 转 换 器
信 道
收 转 换 器
解 调 器
解解 码密 器器
信 宿
发送设备
噪 声
接收设备
广义信道
传播损失 80
85
90
95
100
105
110
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
r(km)
信道冲击响应函数
-6
x 10 2
信道冲激响应
1.5
1
0.5
幅度
0
-0.5
-1
-1.5
收发均在声道轴
-2
0
1
2
3
4
5
6
time(s)
收发在不同深度
信道软件仿真结果（深海）
深海信道的传递函数
海底的影响
浅海的Pekeries模型
信道 （信号通道）
有线信道 狭义信道
信号的传输媒质 无线信道 调制信道
恒参信道
广义信道 （连续信道） 随参信道
媒质及有关 变换装置
编码信道 有记忆编码信道
（离散信道）
无记忆编码信道
调制信道模型
ei（t） h(t)
eo(t)
e0t htei t nt e0t kt ei t nt
n(t)
n(t): 加性干扰 k(t): 乘性干扰
信道冲击响应函数
5公里
80公里
实测结果（浅海）
浅海信道的传递函数
仿真计算结果 水深100米 距离10公里
深海声道
深海传播损失
TL(dB)
TL(dB)
传播损失 65 70 75 80 85 90 95 100 105
15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 r(km)
50 0
-50 -100 -150 -200
0
第 2帧 幅 频 特 性
first second third forth
4000
4500
5000
5500 频 率 /Hz
6000
第 2帧 相 频 特 性
6500
7000
7500
first second third forth
100
200
300
400
500
eo t Aei t d eo Aei e jd
h(t) A t d
H () Ae jd
H A
幅频特性为常数
d
相频特性是线性
d
d
d
群延迟特性固定
只对ei(t)的不同频 率成份进行相同的
幅度衰减和时延。
|H()|
K0
O
a 幅频特性
j () td
O
b 相频特性
td
O
波形的畸变
确定性的变换导致波形的畸变，随机性变换导致信息损失
水声信道中的加性干扰
水声信号的发送和接收
发射机 换能器 海洋信道 水听器 接收机
多途模型
海面、海底两个确定的、平整的界面 均匀介质
N
rt aist i
i 1
码间干扰 频率选择性衰落
无码间干扰的基带传输
akh(t0 ) ak
600
克服措施 ：
✓改善信道中的滤波性能，使幅频特性在信道有效传输带 宽内平坦；
✓增加线性补偿网络，使整个系统衰耗特性曲线变得平坦 ——均衡器
✓分集接收：空间分集、频率分集、时间分集
浅海 深海
信道的传递函数
台湾海峡实测数据
归一化的幅度 幅 值 的 对 数 /dB
松花湖试验结果
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
0 -0.2
0
第 7帧 的 信 道 冲 击 响 应
50
100
150
200
250
300
时 间 /ms
40 30 20 10
0 -10 -20
3500
200 150 100
c 群迟延特性
➢ 幅度－频率畸变
产生原因 ：
发射机、换能器、信道、传感器、接收机的幅度 －频率特性不理想所引起的，又称为频率失真。
相位-频率畸变
是指信道的相位-频率特性偏离线性关系所 引起的畸变。
常采用群延迟-频率特性来衡量
水声信道
信号传输的通道（媒介），通信系统重要 组成部分。
能量的损失