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(shù)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(jié)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(guān)問題的設計。

關(guān)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(shù)字通信是一個熱門的研究。尤其是近年來隨著海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)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(shù)字通信的熱情。水聲信道的研究是水聲通信技術(shù)研究的重要環(huán)節(jié)，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(diào)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(diào)制方式進行比較，其結(jié)果可對克服水聲信道的干擾、選擇合適的調(diào)制方式提供一些借鑒。 

1 水聲信道的數(shù)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(huán)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(fā)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(shù)信號ej2πfct可稱為復載波，而函數(shù)u(t)則為復調(diào)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(fā)射信號如式（1）所示，則經(jīng)過非均勻的海水介質(zhì)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(shù)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(fā)射信號的幅度和相位都發(fā)生畸變，并且其變化規(guī)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(xiàn)象的存在，要想用一個精確的模型完整地表述其性質(zhì)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(huán)境或某一應用范圍對其特性進行分析和研究。

現(xiàn)在分析發(fā)射未調(diào)載波的情況，以便直觀地說明海洋多徑效應對信號傳輸?shù)挠绊?。發(fā)射信號簡化為:s(t)=Acos ω0t，經(jīng)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(jīng)過20條路徑傳輸?shù)玫降牟ㄐ渭捌漕l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(guī)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(jīng)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(xiàn)隨機起伏的特點。信號經(jīng)過多徑時變信道，會產(chǎn)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(guān)系。通常，當信息速率遠大于信道的衰落速度時，信號經(jīng)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(jīng)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(jīng)過20徑后接收信號的時域波形

3 結(jié) 語

水聲信道中信號傳輸?shù)穆窂捷^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(jīng)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(jīng)過20徑后接收信號的頻譜

圖7 時延變化頻率為10 000 Hz經(jīng)過20徑后接收信號的頻譜

聲信號經(jīng)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(jīng)過多徑后不會產(chǎn)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(jīng)過多徑后會產(chǎn)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(shù)字通信［M］.4版.北京：電子工業(yè)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(tǒng)集成。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文