水聲信道的計算機仿真研究

摘 要：簡要分析水聲信道的傳播特性，建立水聲時變多徑信道的數學模型，給出一種水聲信道的多徑傳播的計算機仿真方法。通過仿真結果，分析水聲信道多徑傳播的特點，有助于對水聲信道的了解及相關問題的設計。

關鍵詞：水聲信道；多徑傳播；計算機仿真；多徑信道

中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)08-088-02[HJ1*5]

Research on Computer Simulation about Underwater Acoustic Communication Channel

CHEN Shunju，TONG Changgen，LIU Jingbiao

(School of Electronics Information，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou，310018，China)[HJ1*5]

Abstract：This paper describes the characters of underwater acoustic communication channels.A mathematical model of multipath fading channel in underwater acoustic communication is developed.Through the simulation results，the speciality of multipath，which is helpful to realize the character of the underwater acoustic communication channels is analyzed，and relative projects are designed.

Keywords：underwater acoustic channel;multipathpropagation;computer simulation;multipath channel

當前的通信研究領域中，在水下利用聲波進行數字通信是一個熱門的研究。尤其是近年來隨著海洋開發事業的發展，對水下通信的要求也越來越迫切，大大增加了科研人員投身于水聲數字通信的熱情。水聲信道的研究是水聲通信技術研究的重要環節，然而其困于多徑干擾而未取得令人滿意的進展。本文針對當前多種調制方式在水聲信道中的應用，提出一種模擬水聲信道多徑傳播的簡化模型，通過計算機仿真對水聲信道中幾種常用的調制方式進行比較，其結果可對克服水聲信道的干擾、選擇合適的調制方式提供一些借鑒。 

1 水聲信道的數學模型

水聲信道是所有通信信道中最為復雜的信道之一。他具有環境噪聲高、可用的載波頻率和帶寬低、傳輸時延大等特點。計算機仿真時可以將水聲信道簡化為一個時間和頻率變化的沖激響應的線性濾波器，同時存在著噪聲的影響^[1]，如圖1所示:

圖1 水聲信道多徑傳播模型

在水聲信道多徑傳播模型中，b(t)為噪聲，發送信號s(t)表示為^［2]：

s(t)=Re［u(t)ej2πfct］(1)

對于復帶通信號而言，復指數信號ej2πfct可稱為復載波，而函數u(t)則為復調制分量，常稱其為s(t)的復包絡，即s(t)的等效低通信號。假設發射信號如式（1）所示，則經過非均勻的海水介質的傳播，同時由于界面反射等作用，水聽器接收到的信號是具有不同時延因子和衰減因數的許多路徑信號的合成。因此，接收到的帶通信號可表示為^[2]：

x(t)=∑nAn(t)s(t－τn(t))(2)

式（2）中，An(t)是第n 條傳播路徑上接收信號的衰減因子，τn(t)為第n條傳播路徑的傳播延時。將式（1）代入式（2），可得：

x(t)=Re({∑nAn(t)u(t)ej2πfcτn(t)u［t－τn(t)］}ej2πfct)(3)

可以看出接收信號的等效低通信號為:

r(t)=∑nAn(t)ej2πfcτn(t)u［t－τn(t)］(4)

由于r(t)是等效低通信道對等效低通信號u(t)的響應，因此，該等效低通信道可用其時變沖激響應來描述，即^[2]：

c(τ;t)=∑nAn(t)ej2πfcτn(t)δ［t－τn(t)］(5)

式(5)即為多徑信道的等效低通沖激響應表達式。由式(5)可以看出多徑傳播效應使發射信號的幅度和相位都發生畸變，并且其變化規律是人們無法預知的。

2 仿真實例及分析

由于海洋反射、折射、聲線彎曲、時變、空變等現象的存在，要想用一個精確的模型完整地表述其性質是不可能的也是不必要的。從水聲通信的角度來看，水聲信道是一種典型的時變多徑信道，可以針對某一特定環境或某一應用范圍對其特性進行分析和研究。

現在分析發射未調載波的情況，以便直觀地說明海洋多徑效應對信號傳輸的影響。發射信號簡化為:s(t)=Acos ω0t，經過n條路徑傳播后的接收信號為：

r(t)=∑ni=1ui(t)cos［ω0(t－τi(t)］

=∑ni=1ui(t)cos［ω0t+φi(t)］(6)

其中，ui(t)，φi(t)是第i徑的幅度、相位，隨時間變化而隨機變化。圖2是一個幅度為1，頻率為10 000 Hz的單頻信號經過20條路徑傳輸得到的波形及其頻譜，這20條路徑的衰減相同，但時延的大小是隨時間變化的，每徑時延的變化規律為正弦型，變化頻率從0~10 000 Hz抽取。

圖2 輸入單頻信號的時域波形

由圖2~7可以看出：單頻信號經過20徑時變信道后，輸出信號的包絡隨時間起伏，輸出信號的頻譜從沖激譜變成一個窄帶頻譜，信號的包絡呈現隨機起伏的特點。信號經過多徑時變信道，會產生碼間干擾和衰落，其中衰落快慢取決于碼元間隔與多徑間的時延差的相對關系。通常，當信息速率遠大于信道的衰落速度時，信號經歷慢衰落，如圖2所示；當由于信息速率與信道的衰落速度可比時，信號經歷快衰落，如圖3所示；當碼元間隔遠大于多徑間的最大時延時，由多徑造成的碼間干擾對信號接收影響不嚴重；當多徑間的時延差與信號碼元間隔可比時，多徑造成的碼間干擾就不可忽視。

圖3 時延變化頻率為1 000 Hz 經過20徑后接收信號的時域波形

3 結 語

水聲信道中信號傳輸的路徑較多，接收端同時收到來自多條傳輸路徑的信號，這些信號可能同相相加或反相相消。由于各徑時延差不同，每徑信號的衰減不同，因此水

圖4 時延變化頻率為10 000 Hz 經過20徑后接收信號的時域波形

圖5 輸入單頻10 kHz信號的頻譜

圖6 時延變化頻率為1 000 Hz經過20徑后接收信號的頻譜

圖7 時延變化頻率為10 000 Hz經過20徑后接收信號的頻譜

聲信號經過多徑信道后有碼間干擾。通常情況下，如果信號的碼元距離遠大于多徑的最大時延差，此時信號經過多徑后不會產生嚴重的碼間干擾；相反，如果信號碼元間隔與多徑間的時延差可比，則信號經過多徑后會產生嚴重的碼間干擾，此時接收端需要考慮采用均衡和其他消除碼間干擾的方法才能正確接收信號。

參 考 文 獻

［1］劉伯勝，雷家煜.水聲學原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1999.

［2］郭文彬，桑林.通信原理[CD2]基于Matlab的計算機仿真［M］.北京:北京郵電大學出版社，2006.

［3］Proakis J G.數字通信［M］.4版.北京：電子工業出版社，2003.

［4］Christophe Viala，Claire Noel.Simulation of Acoustic Signal in Timevarying Multipath Underwater Channel Underwater Acoustics for Deep Sea Applications，2002.

作者簡介 陳順舉 男，1982年出生，重慶渝中人，在讀研究生。研究方向為電子系統集成。

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