多徑的產(chǎn)生及組成1多徑產(chǎn)生的原因水聲信道的多徑傳播模型多徑的組成幾種海況下的多徑現(xiàn)象1第1頁/共44頁2021/10/10星期日界面發(fā)射：海洋存在著海面和海底2個(gè)界面，聲波傳輸時(shí)會發(fā)生反射。聲線彎曲：由于溫度、鹽度和深度的影響，不同深度的聲速分布不均勻，從而使聲波發(fā)生折射。海水中隨機(jī)分布的雜亂體的散射。多徑產(chǎn)生的原因1、由于水聲場的時(shí)-空-頻變特性，使得多途現(xiàn)象尤為突出，成為水聲通信中難以克服的困難。2、淺海邊界條件復(fù)雜、水中散射體多、介質(zhì)分布不均勻等因素，也使得淺海中多途效應(yīng)比深海嚴(yán)重得多。3、當(dāng)通信距離增加到一定程度，將不存在直達(dá)路徑，此時(shí)必須利用多途信號才能有效的通信。2第2頁/共44頁2021/10/10星期日水聲信道的多徑傳播模型3聲音的速度和深度的函數(shù)及相應(yīng)的海洋截面第3頁/共44頁2021/10/10星期日水聲信道的多徑傳播模型(a)深海；(b)淺海4第4頁/共44頁2021/10/10星期日多徑的組成多徑一般分為宏觀多徑(macro-multipath)和微觀多徑(micro-multipath)宏觀多徑一般由海面、海底的單次或多次反射形成的，可以導(dǎo)致信號的強(qiáng)烈起伏(fluctuation)以及大的碼間干擾(InterSymbolInterference,ISI)。微觀多徑一般是由于信道中水團(tuán)的不均勻性，使得聲路徑彎曲而折射形成，也可以導(dǎo)致信號的起伏。5第5頁/共44頁2021/10/10星期日幾種海況下的多徑現(xiàn)象海洋深度、傳播路徑長度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的深度等因素的存在，導(dǎo)致了水聲多徑傳播的具體情況也是多種多樣的。近距離(<1km)信道近距離信道包括深海垂直信道和近距離水平信道。在這種情況下，接收信號一般是由直接路徑、海面反射產(chǎn)生的路徑（有時(shí)候也會有由海底所引發(fā)的路徑）所傳播來的信號的疊加。在這類信道中，信號的幅度和相位變化相對地較輕微，一些針對電話信道所開發(fā)的信號調(diào)制方法和信道均衡技術(shù)也是適用于此類信道的。6第6頁/共44頁2021/10/10星期日幾種海況下的多徑現(xiàn)象中距離(1~20km)信道經(jīng)由中距離信道傳播所接收到的信號，其幅度和相位變化比較嚴(yán)重，多徑擴(kuò)展可達(dá)到50ms~1s的量級。對于淺海情況，一般都能夠觀察到由海面和海底所引發(fā)的多徑。實(shí)際上，現(xiàn)在的大多數(shù)水聲通信系統(tǒng)都是作用在這類有著復(fù)雜的多徑結(jié)構(gòu)的中距離淺海信道的。這種復(fù)雜的時(shí)變多徑信道給數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐胶途舛紟砹溯^大的困難。7第7頁/共44頁2021/10/10星期日幾種海況下的多徑現(xiàn)象遠(yuǎn)距離(20~2000km)信道由于水聲信道的帶寬受限，作用于遠(yuǎn)距離信道的水聲通信系統(tǒng)的頻率只能選在10kHz以下的范圍。經(jīng)過這樣長的傳播路徑后，由于多徑結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化性，信道的均衡問題仍然不是很容易解決。另外，由于經(jīng)過長距離的傳播后，信號的傳輸損失非常大，在設(shè)計(jì)水聲通信系統(tǒng)時(shí)，環(huán)境噪聲也成為一個(gè)比較顯著的障礙。8第8頁/共44頁2021/10/10星期日水聲信道的多途特性1多徑衰落-振幅多普勒頻展-頻域時(shí)延擴(kuò)展-時(shí)域9第9頁/共44頁2021/10/10星期日水聲信道多途特性多徑衰落多普勒頻展時(shí)延擴(kuò)展振幅統(tǒng)計(jì)特性頻域特性時(shí)域特性10第10頁/共44頁2021/10/10星期日多徑衰落—多途接收信號的振幅統(tǒng)計(jì)特性水聲信道中，在一個(gè)信道碼元的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，接收端會接收到由不同路徑到達(dá)的該碼元的多個(gè)信號復(fù)本，這些信號復(fù)本的延時(shí)或者相位是隨機(jī)的，合成的結(jié)果就會造成在該碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)，接收信號的幅度隨機(jī)起伏，這種由于多途傳播而引起的一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)的接收信號幅度的隨機(jī)起伏稱為多徑衰落。在淺海域大深度衰落是頻發(fā)性的，時(shí)常衰到小至無法檢測。多徑衰落11第11頁/共44頁2021/10/10星期日不同距離多途振幅如下圖所示。(a)、(b)和(c)分別為500米、2公里和5.5公里的數(shù)據(jù)。總的說來，多途振幅遵從于廣義瑞利分布，但在距離較近(如500米)和較遠(yuǎn)處（如5.5公里），A/σ較小，趨于瑞利分布。這里，A為多途振幅，σ為多途迭加噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。12第12頁/共44頁2021/10/10星期日多普勒頻展Bd—多途接收信號的頻域特性聲波在多途信道傳播時(shí)由于多普勒效應(yīng)造成接收信號的功率譜展寬就是多普勒頻展。盡管發(fā)射頻率為單頻fs，但接收信號的功率譜S(f)的卻展寬到fs-fm

到fs+fm

的范圍。這相當(dāng)于單頻信號在通過多途信道時(shí)受到隨機(jī)調(diào)頻。多普勒頻展13第13頁/共44頁2021/10/10星期日在淺海信道中，多普勒頻展可以認(rèn)為是由以下兩個(gè)截然不同的因素引起的。傳輸媒質(zhì)固有的時(shí)變性，如海面風(fēng)浪和海中湍流，其中海面風(fēng)浪是主要因素，并且隨著海風(fēng)風(fēng)級的增強(qiáng)而增大。W：風(fēng)速；θ：信號在表面反射時(shí)的隨機(jī)入射角度；f：發(fā)射載波頻率；C：海水中的聲速。發(fā)射-接收端的相對移動。V：系統(tǒng)的移動速度；C：海水中的聲速；f：發(fā)射載波頻率。多普勒頻展14第14頁/共44頁2021/10/10星期日多普勒頻展多普勒頻展的倒數(shù)定義為信道相干時(shí)間：相干時(shí)間表征的是時(shí)變信道對信號的衰落節(jié)拍，這種衰落是由于多普勒效應(yīng)引起的，并且發(fā)生在傳輸波形的特定時(shí)間段上，換句話說，就是信道在時(shí)域具有選擇性。15第15頁/共44頁2021/10/10星期日多普勒頻展時(shí)間選擇性衰落16第16頁/共44頁2021/10/10星期日多普勒頻展信道的時(shí)變特性可分為兩類：快衰落和慢衰落。快衰落，也稱時(shí)間選擇性衰落，是用于描述Tcoh<Ts的信道，Tcoh是信道相干時(shí)間，Ts是一個(gè)碼元的傳輸持續(xù)時(shí)間。因此，若信道是快衰落的，則其衰落特性會在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)改變多次，從而引起基帶脈沖波形的失真。如果Tcoh>Ts，則信道是慢衰落的，這是信道狀態(tài)在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變，傳輸?shù)拇a元不會有脈沖失真。17第17頁/共44頁2021/10/10星期日多普勒頻展淺海聲信道的多普勒頻展是典型的信道衰落速率。對于調(diào)頻系統(tǒng)，著重考慮的是多普勒頻展對于小頻移窄帶信號的影響，如果選擇相鄰兩個(gè)載頻的頻率間隔大于多普勒頻展，即Bw>>Bd，則可以忽略多普勒頻展帶來的影響。否則必須考慮對接收信號進(jìn)行多普勒頻展補(bǔ)償，對于接收端來說就比較困難。所以對于調(diào)頻系統(tǒng)，碼元與碼元之間的頻率必須保留一定的間隔。18第18頁/共44頁2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展Δ—多途接收信號的時(shí)域特性多途傳輸造成接收信號在時(shí)間軸上的展寬，定義為時(shí)延擴(kuò)展Δ。水聲信道抗多途跳頻通信中同步技術(shù)的研究時(shí)延擴(kuò)展Δ是對多途信道時(shí)延特性的統(tǒng)計(jì)描述，其含義是表示時(shí)延譜擴(kuò)展的程度。所謂時(shí)延譜是由不同時(shí)延的信號分量具有的平均功率所構(gòu)成的譜。時(shí)延譜的時(shí)延特征曲線的均方根值為時(shí)延擴(kuò)展Δ。19第19頁/共44頁2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)送一個(gè)極窄的脈沖信號，例如，到接收機(jī)時(shí)，由于存在著多條不同的傳播路徑，且路徑長度各不相同，則發(fā)射信號沿各個(gè)路徑到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間就不一樣，因而接收機(jī)所接收到的信號由許多不同時(shí)延的脈沖組成，可表示為:這里N為路徑的個(gè)數(shù)，

和

分別為第i條路徑的時(shí)延和衰減系數(shù)，為載頻。由于海洋聲信道的空變、時(shí)變等因素的存在，和都是變化的(在有些情況下，甚至N也是變化的)。對于不同的海洋環(huán)境，如深海、淺海、垂直方向的信道、水平方向的信道等不同的情況，接收信號中的各個(gè)時(shí)延脈沖可能是離散的，也可能聯(lián)成一片。20第20頁/共44頁2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展可以直觀地理解為在一串接收脈沖中，最大傳輸時(shí)延和最小傳輸時(shí)延之間的差值，也就是最后一個(gè)可分辨的延時(shí)信號與第一個(gè)延時(shí)信號到達(dá)時(shí)間的差值，記為Δ。實(shí)際上，Δ就是脈沖展寬的時(shí)間，若發(fā)送的窄脈沖寬度為T，則接收信號的寬度為T+Δ。21第21頁/共44頁2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展下圖(a)(b)分別是發(fā)射端源信號和接收端匹配濾波器輸出信號。在(b)中，多途信號分別被標(biāo)注1、2、3、4和5。發(fā)射信號脈寬約0.2ms，經(jīng)過387米后，接收信號脈寬擴(kuò)展到0.02s。22第22頁/共44頁2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展定義最大多途時(shí)延差Tm，即歸一化的時(shí)延特征曲線下降到-30dB處所對應(yīng)的時(shí)延差。多途造成時(shí)延擴(kuò)展的大小與信號載波頻率及海洋環(huán)境有關(guān)，淺海的最大時(shí)延差Tm在100ms左右，并且隨著傳播距離的減小而增大，可以增大到100ms~200ms。深海中的多途最大時(shí)延差Tm在300ms以上。通常，一個(gè)擴(kuò)譜系統(tǒng)將被設(shè)計(jì)成沒有ISI，那就是碼元間隔T必須遠(yuǎn)大于多途最大時(shí)延差Tm，即T>>Tm。23第23頁/共44頁2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展多途最大時(shí)延差Tm的倒數(shù)定義為信道相關(guān)帶寬：當(dāng)碼元速率較低，信號帶寬B<<Bcoh時(shí)，信號通過信道傳輸后各頻率分量的變化具有一致性，則信號波形不失真，無碼間串?dāng)_，此時(shí)的衰落為平坦衰落。反之，當(dāng)碼元速率較高，信號帶寬B>Bcoh時(shí)，信號通過信道傳輸后各頻率分量的變化是不一致的，將引起波形失真，造成碼間串?dāng)_，此時(shí)的衰落為頻率選擇性衰落。24第24頁/共44頁2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展頻率選擇性衰落25第25頁/共44頁2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展綜上所述，水聲信道是在時(shí)間和頻率上雙重?cái)U(kuò)展的信道。頻域上，多普勒效應(yīng)引起的多普勒頻展Bd，并相應(yīng)在時(shí)域上規(guī)定了相干時(shí)間Tcoh=1/Bd。時(shí)域上，多徑效應(yīng)引起的多途最大時(shí)延差Tm，并相應(yīng)在頻域上規(guī)定了相關(guān)帶寬Bcoh=1/Tm。26第26頁/共44頁2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展乘積BdTm為信道的擴(kuò)展因子。如果BdTm<1，信道被稱為“欠擴(kuò)展”信道；相反，如果BdTm>1，信道被稱為“過擴(kuò)展”信道。通常，如果BdTm<<1，這時(shí)可以采用相位相干調(diào)制解調(diào)方案，在解調(diào)器中包含自適應(yīng)均衡器來消除碼間干擾。如果凡BdTm>1，信道沖激響應(yīng)的測量即使可能也是極其困難和不可靠的，這時(shí)相位相干解調(diào)和抗碼間干擾的自適應(yīng)均衡器就會失去作用，在這種情況下,只能采用基于FSK的非相干調(diào)制解調(diào)技術(shù)。27第27頁/共44頁2021/10/10星期日抗多徑技術(shù)1抗幅度衰落技術(shù)抗碼間干擾技術(shù)28第28頁/共44頁2021/10/10星期日29抗多徑技術(shù)分集技術(shù)空間分集頻率分集角度分集時(shí)間分集Rake接收抗幅度衰落技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù)線性均衡非線性均衡擴(kuò)頻抗多徑技術(shù)直接序列擴(kuò)頻跳頻抗碼間干擾技術(shù)抗多徑技術(shù)第29頁/共44頁2021/10/10星期日30抗幅度衰落技術(shù)分集接收的基本思想：將接收到的多途信號分離成不相干(獨(dú)立)的多路信號，然后將這些多路信號的能量按照一定的規(guī)則合并起來，使接收的有用信號能量最大，從而提高接收端的信噪功率比，對數(shù)字系統(tǒng)而言，使誤碼率最小。分集技術(shù)包括兩個(gè)方面：如何把接收的多途信號分離出來，使其互不相關(guān)。將分離出的多途水聲信號怎樣合并起來，獲得最大的信噪比。第30頁/共44頁2021/10/10星期日31抗幅度衰落技術(shù)多途信號之所以難以分離，問題在于它們是相關(guān)或相干的信號。數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)常采用時(shí)間分集一交織技術(shù)來提高抗衰落性能。分集是信道補(bǔ)償?shù)牧硪环N技術(shù)，通常需要多個(gè)接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)它和均衡器一起使用時(shí)，通信的質(zhì)量將有極大提高，并且無需增加發(fā)射功率或帶寬。第31頁/共44頁2021/10/10星期日32抗碼間干擾技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù)從廣義上來講，均衡可以指任何用來消弱碼間干擾的信號處理操作，由于水聲信道具有隨機(jī)性和時(shí)變性，這就要求均衡器必須能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤水聲通信信道的時(shí)變特性，而這種均衡器又被稱為自適應(yīng)均衡器。位于接收機(jī)處的均衡器通過遞歸算法來評估信道特性，并且修正濾波器的系數(shù)以便對信道做出相應(yīng)的補(bǔ)償。均衡器從調(diào)整參數(shù)至形成收斂，整個(gè)過程的時(shí)間跨度是均衡器算法、結(jié)構(gòu)和水聲多徑信道變化率的函數(shù)。第32頁/共44頁2021/10/10星期日33抗碼間干擾技術(shù)使用自適應(yīng)均衡器的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第33頁/共44頁2021/10/10星期日34抗碼間干擾技術(shù)擴(kuò)頻抗多徑技術(shù)擴(kuò)頻系統(tǒng)抗多徑的基本方法：通過合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)，來分離多途和利用多途從而改善系統(tǒng)的性能。擴(kuò)頻多途接收機(jī)是分集接收機(jī)的一種特別形式，它不是利用在時(shí)域、空域和頻域上設(shè)計(jì)出來的分集支路，而是直接利用從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間自然形水聲信道抗多途跳頻通信中同步技術(shù)的研究成的多條“分集支路”。第34頁/共44頁2021/10/10星期日35抗碼間干擾技術(shù)水聲通信中擴(kuò)頻技術(shù)主要有直接序列擴(kuò)頻和跳頻兩種。直接序列擴(kuò)頻：簡稱直擴(kuò)，它直接用高速的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端擴(kuò)展信號頻譜，在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。跳頻：用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變。在接收端，為了解調(diào)跳頻信號，需要有與發(fā)送端完全相同的本地?cái)U(kuò)頻碼發(fā)生器去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號能在混頻器中與接收信號差頻出固定的中頻信號，然后經(jīng)中頻帶通濾波器及信息解調(diào)器輸出恢復(fù)的信息。第35頁/共44頁2021/10/10星期日36抗碼間干擾技術(shù)跳頻抗多途的基本原理：若發(fā)射的信號載頻頻率為f0，當(dāng)存在多途傳播環(huán)境時(shí)，因多途延時(shí)的不同，信號到達(dá)接收端的時(shí)間有先有后。若接收機(jī)在收到最先到達(dá)的信號之后立即將載波頻率跳變到另一個(gè)頻率為上，則可避免由于多途延時(shí)引起接收信號的碼間干擾(ISI)。為此,要求跳頻信號駐留時(shí)間小于多途延時(shí)時(shí)間差，換句話說，要求跳頻的速率應(yīng)足夠快。跳頻抗衰落是指抗頻率選擇性衰落。當(dāng)跳頻的頻率間隔大于信道相關(guān)帶寬時(shí)，可使各個(gè)跳頻駐留時(shí)間內(nèi)的信號相互獨(dú)立，即在不同的載波頻率上同時(shí)發(fā)生衰落的可能性很小。第36頁/共44頁2021/10/10星期日37抗碼間干擾技術(shù)擴(kuò)頻多途接收機(jī)與自適應(yīng)均衡技術(shù)的差別：自適應(yīng)均衡技術(shù)通常用于多途不能分離的場合。擴(kuò)頻技術(shù)可以有效地消除碼間干擾，其分集合并的特性是隱含的。第37頁/共44頁2021/10/10星期日水聲多徑信道模型138第38頁/共44頁2021/10/10星期日39水聲多徑信道模型聲線理論是發(fā)展最早，也是數(shù)學(xué)上最簡單、物理上最直觀的聲場分析方法。由于聲線理論以下特點(diǎn)，在建立水聲多徑信道模型時(shí)，一般都基于聲線理論。在聲線理論下，對聲場的描述是通過聲線進(jìn)行的。由聲源輻射的聲能量沿聲線向四周傳播，其中部分聲線按一定路徑傳播而到達(dá)接收點(diǎn)，這些聲線稱為本征聲線，接收點(diǎn)處的聲場是所有這些本征聲線的疊加結(jié)果。第39頁/共44頁2021/10/10星期日40水聲多徑信道模型對于某一實(shí)際的海域，當(dāng)己知海洋環(huán)境的聲速梯度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)各自的海深，二者之間的距離等海洋環(huán)境參數(shù)時(shí)，即可根據(jù)聲線理論，計(jì)算出接收機(jī)處的本征聲線。設(shè)本征聲線有p條，則我們認(rèn)為水聲多徑信道有p條路徑。可得到水聲多徑信道的脈沖響應(yīng)為:其中和

分別是對應(yīng)于不同路徑（即不同的本征聲線）的傳播衰減系數(shù)與相對時(shí)延，它們可以由己知的環(huán)境參數(shù)計(jì)算而得。p(t)一般是升余弦脈沖。第40頁/共44頁2021/10/10星期日41水聲多徑信道模型如果是為了研究應(yīng)用于水聲通信的一些算法的性能，并且沒有具體的水聲通信環(huán)境參數(shù)的時(shí)候，代表第i條路徑的傳播衰減系數(shù)，其值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來選取。如果在建立信道模型時(shí)，采用狹義定義下的信道，則p(t)為δ(t)，如果采用廣義定義下的信道，則p(t)一般是升余弦脈沖第41頁/共44頁2021/10/10星期日42參考文獻(xiàn)：[1]惠俊英,生雪莉.水下聲信道(第二版)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.[2]吳開明.水下聲信道的仿真