2023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響1第二講水聲信道傳輸特性距離、帶寬和信噪比的關系;多徑傳播及空變特性;多普勒效應及時變特性;水聲信道的模型;水聲信道的特點對通信網(wǎng)絡的影響;2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響1第2023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響2

距離、帶寬和信噪比聲波在聲場中的平均傳播損失:傳播損失n=0：n=1：n=1.5n=2：管道中的聲傳播，平面波傳播；表面聲道和深海聲道，柱面波傳播，以及全反射海底和全反射海面組成的理想波導中的傳播；計及海底聲吸收時的淺海聲傳播

，以及計入界面聲吸收所引起的對柱面波的傳播損失的修正；開闊水域（自由場），球面波傳播；2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響22023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響3

距離、帶寬和信噪比Thorp給出的吸收系數(shù)與頻率之間的經(jīng)驗公式為：傳播損失

工程上常用的吸收系數(shù)估計經(jīng)驗公式：2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響32023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響4吸收系數(shù)與頻率的關系

距離、帶寬和信噪比傳播損失2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響4吸2023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響5

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲海洋中的環(huán)境噪聲源從低頻到高頻依次為：潮汐和波浪的海水靜壓力效應，產(chǎn)生低頻噪聲；地震擾動：極低頻噪聲；海洋湍流：低頻噪聲；行船：產(chǎn)生50Hz~500Hz頻率范圍內的主要噪聲；海面波浪：產(chǎn)生500Hz~25000Hz頻率范圍內的噪聲；熱噪聲：2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響52023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響6海洋環(huán)境噪聲文茲譜級圖

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響6海2023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響7文獻表明：在1kHz到10kHz頻率范圍內淺海的環(huán)境噪聲譜級基本上在40dB到70dB(參考聲壓級為1PaHz)之間，3級海況時深海的環(huán)境噪聲譜級在50dB到70dB之間，并且隨著頻率的降低環(huán)境噪聲隨之增大；

1kHz以下的環(huán)境噪聲譜級均在70dB以上，因此傳輸信號使用的載波頻率的下限取1kHz。無論是深海還是淺海，海洋環(huán)境噪聲的功率譜密度均被認為是以頻率20dB/decade在下降。

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響7文2023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響8

海洋中的噪聲為高斯分布的連續(xù)譜，其聲壓的瞬時值的概率密度為：

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響82023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響92002年4月，在海南三亞南海海域進行的海洋環(huán)境噪聲試驗，其10秒鐘采樣率為12kHz的噪聲數(shù)據(jù)，分析結果如右圖所示，橫軸是電壓，縱軸是在相應電壓上噪聲出現(xiàn)的次數(shù)。分析結果表明，海洋環(huán)境噪聲服從正態(tài)(高斯)分布。

距離、帶寬和信噪比海洋環(huán)境噪聲2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響92023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響10

由傳播損失和頻率的關系、噪聲和頻率的關系可得3級海況下，發(fā)射聲源級190dB，頻率為1～10kHz，距離為10～100km時，接收端傳播距離、帶寬信噪比的關系如下圖

距離、帶寬和信噪比水聲信道的通信距離和帶寬擴展損失與距離有關；吸收損失與距離和頻率均有。水聲信道中的可用帶寬有限。2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響102023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響11接收端傳播距離、帶寬信噪比的關系圖

距離、帶寬和信噪比水聲信道的通信距離和帶寬2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響112023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響12

通信距離在10～100km的為遠程水聲通信，帶寬只有幾kHz（1000km距離的水聲通信，通信帶寬只有1Hz）；通信距離為1～10km的為中距離的水聲通，帶寬在10kHz數(shù)量級；通信距離在1km以內的為短距離水聲通信，其帶寬超過10kHz，若通信距離在100m以內時，通信的帶寬可在100kHz以上。

距離、帶寬和信噪比水聲信道的通信距離和帶寬

很明顯一定傳播距離時，這種關系影響了水聲通信系統(tǒng)距離與載波頻率及帶寬的選擇。2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響122023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響13

多徑傳播及空變特性水聲通信中多徑信號產(chǎn)生示意圖多徑傳播2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響132023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響14

多徑傳播及空變特性多徑傳播a聲速梯度b深海多徑c淺海多徑2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響142023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響152002年4月，在海南三亞南海海域進行的海洋環(huán)境多徑試驗，多徑檢測信號為6s的線性調頻（LFM）信號。將接收到的信號做拷貝相關，80km的多徑檢測結果如圖所示。從圖中可看出80km的多徑信息主要集中于40ms以內，而300～400ms仍有多徑信號但其能量均較弱可忽略。

海洋環(huán)境多徑時延

多徑傳播及空變特性多徑傳播2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響152023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響16

實際上海洋中多徑更多地來自大幅度起伏不平的海底山巒，由于它不受距離的限制，因此多徑效應引起信號的時間擴展，在淺海中距離信道，多徑擴展一般為10ms，有時可達幾百毫秒，而在深海信道的多途擴展為幾十微秒到幾秒量級，且距離越遠，多徑擴展時間越長

多徑傳播及空變特性多徑傳播2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響162023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響17

實際海洋溫度一般是水平分層（三層）均勻的分布形式，由于折射和界面反射，海洋聲信道大都呈現(xiàn)波導效應。深海典型聲速拋面圖

多徑傳播及空變特性多徑傳播2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響172023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響18

多徑傳播及空變特性多徑傳播及空變特性深海遠程水聲信道聲線軌跡2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響182023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響19

多徑傳播及空變特性淺海近程水聲信道聲線軌跡多徑傳播及空變特性2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響192023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響20

海洋深度、發(fā)射接收端的深度，都對多徑時延的長短有影響，因此其多徑特性隨發(fā)射、接收點空間位置的不同而變化，即水聲信道是空變的。

多徑傳播及空變特性多徑傳播及空變特性2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響202023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響21

多普勒效應及時變特性

射機與接收機之間在t=0時刻的距離為L，徑向運動速度為vr多普勒效應發(fā)射機接收機L2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響212023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響22

信號前沿到達接收端的時間為t1，則在t1時間內接收端向發(fā)射端靠近了vrt1,

當信號的后沿到達接收端時，接收端又向發(fā)射端靠近了，

多普勒效應及時變特性

多普勒效應2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響222023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響23若發(fā)射信號的持續(xù)時間為T，則接收信號的持續(xù)時間為當有傳播延遲時，接收信號可表示為若發(fā)射信號可表示為

多普勒效應及時變特性

多普勒效應2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響232023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響24不考慮傳播延遲時，接收信號可表示為多普勒因子：

多普勒效應及時變特性

多普勒效應2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響242023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響25滿足

或多普勒效應可視為簡單的載波偏移

多普勒頻移

多普勒效應及時變特性

多普勒效應2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響252023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響26水聲信道本身固有的時變特性由兩個方面引起：水聲信道本身固有的特性；收發(fā)間的相對運動引起。水流引起聲速梯度的變化，使聲傳播的方向發(fā)生變化；海面的波動，使得聲波發(fā)生色散(多普勒擴展)。

多普勒效應及時變特性

多普勒擴展水聲信道的時變特性包括兩個方面：舉例2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響262023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響27

多普勒效應及時變特性

反射波為零均值高斯分布的隨機過程，功率譜與風速有關。當載波頻率為f，入射角為θ，風速為w時，一次海面反射引起的多普勒擴展為:多普勒擴展2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響272023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響28時不同風速、不同載波頻率條件下的多普勒擴展（通信距離遠遠大于深度）

多普勒效應及時變特性

多普勒擴展2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響282023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響29

云南撫仙湖試驗，風速3m/s，實驗區(qū)域水深40～100m，不存在明顯的溫躍層，聲速呈現(xiàn)微弱負梯度，發(fā)射換能器布放深度為6m，接收換能器布放深度為22m，收發(fā)端距離25km，接收船拋錨，發(fā)射船停機，收發(fā)之間有輕微的移動。發(fā)射持續(xù)時間為4s，頻率分別8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的單頻信號，取頻率精度為0.25Hz進行分析，其頻率擴展分別為1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz。多普勒擴展

多普勒效應及時變特性

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響292023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響30多普勒擴展

多普勒效應及時變特性

試驗水域溫度深度曲線

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響302023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響31a8000Hz的頻率偏移約為1.25Hzb5000Hz的頻率偏移約為0.75Hz多普勒擴展

多普勒效應及時變特性

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響312023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響32水聲信道脈沖響應時變圖時變特性

多普勒效應及時變特性

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響322023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響33時變特性

多普勒效應及時變特性

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響332023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響34時變特性

多普勒效應及時變特性

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響342023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響35若發(fā)射信號為無運動時接收信號有運動時接收信號時變特性

多普勒效應及時變特性

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響352023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響36時變特性

多普勒效應及時變特性

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響362023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響37時變特性

多普勒效應及時變特性

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響372023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響38

水聲信道的模型

水聲信道為時變、空變、擴展衰落的信道，且這種時變空變特性對于用戶來說是無法預知的，是一個二維的隨機過程。

發(fā)送信號為，接收信號為

用二維概率密度函數(shù)表征其統(tǒng)計特性。

表示時變時延擴展信道t時刻的沖激響應水聲信道的統(tǒng)計特性2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響382023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響39假設是廣義平穩(wěn)的（WSS），的自相關函數(shù)為

在海洋傳輸介質中，同路徑延時相關聯(lián)的信道衰減和相移與路徑時延相關聯(lián)的信道衰減和相移是不相關的，這叫做非相關散射（US）

水聲信道的模型信道的時間（多徑）擴展及相干帶寬2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響392023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響40水聲信道是廣義平穩(wěn)非相關散射（WSSUS）

多徑強度分布：

不為零的值范圍就是信道的時間擴展TmTm的理論值很難得到，通常使用實測值。信道的時間擴展Tm：

水聲信道的模型信道的時間（多徑）擴展及相干帶寬2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響402023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響41信道的時間擴展與相干帶寬的關系：

基本不為零的寬度被稱為信道的相干帶寬。信道的相干帶寬：

水聲信道的模型信道的時間（多徑）擴展及相干帶寬定義：2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響412023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響42

假設到達接收點的兩路信號具有相同的幅度和一個相對的時延差T。頻率特性將依賴于

水聲信道的模型信道的時間（多徑）擴展及相干帶寬2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響422023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響43自相關函數(shù)為：

水聲信道的模型信道的頻率（多普勒）擴展及相干時間定義：

信道的多普勒功率譜：

定義：2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響432023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響44信道的多普勒擴展Bd：

不為零的范圍稱作信道的多普勒擴展信道的相干時間：

水聲信道的模型信道的頻率（多普勒）擴展及相干時間

為信道沖擊響應維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均值，一般都要求符號周期

2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響442023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響45信號經(jīng)歷了慢衰落，否則為快衰落信號經(jīng)歷了頻率選擇性衰落，否則為非頻率選擇性衰落

水聲信道的模型信道的衰落特性符號周期的選擇，決定了信道的衰落特性。2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響452023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響46

a時域：信號的符號周期b頻域：信號的基帶帶寬信號經(jīng)歷的衰落類型和信道參數(shù)之間的關系

水聲信道的模型信道的衰落特性2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響462023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響47

克服時間選擇性衰落對信號的影響，即要求信號經(jīng)歷慢衰落；

克服頻率選擇性衰落的影響和減少碼元間的相互干擾。理論上可以證明，最佳的符號周期：

水聲信道的模型最佳符號周期的選擇符號周期的選擇應考慮兩個方面：2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響472023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響48

2005年在云南撫仙湖進行試驗中，頻率分別8kHz、5kHz、2kHz、1.8kHz的單頻信號，其頻率擴展Bd分別為1.25Hz、0.75Hz、0.5Hz、0.25Hz，相應的相干時間分別為0.8s、1.33s、2s、4s。也就是說，選擇符號周期T<0.8s即為慢衰落信道。

水聲信道的模型最佳符號周期的選擇2023/8/1第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響482023/8/7第二講水聲信道的特點及對通信網(wǎng)絡的影響49

接收