水聲信道的計算機仿真研究

　　當前的通信研究領(lǐng)域中，在水下利用聲波進(jìn)行數字通信是一個(gè)熱門(mén)的研究。尤其是近年來(lái)隨著(zhù)海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)的發(fā)展，對水下通信的要求也越來(lái)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(shù)研究的重要環(huán)節，然而其困于多徑干擾而未取得令人滿(mǎn)意的進(jìn)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(jiǎn)化模型，通過(guò)計算機仿真對水聲信道中幾種常用的調制方式進(jìn)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(xué)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(shí)延大等特點(diǎn)。計算機仿真時(shí)可以將水聲信道簡(jiǎn)化為一個(gè)時(shí)間和頻率變化的沖激響應的線(xiàn)性濾波器，同時(shí)存在著(zhù)噪聲的影響，如圖1所示：

　　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 仿真實(shí)例及分析

　　由于海洋反射、折射、聲線(xiàn)彎曲、時(shí)變、空變等現象的存在，要想用一個(gè)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(lái)看，水聲信道是一種典型的時(shí)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(jìn)行分析和研究?，F在分析發(fā)射未調載波的情況，以便直觀(guān)地說(shuō)明海洋多徑效應對信號傳輸的影響。發(fā)射信號簡(jiǎn)化為：s(t)=Acosω0t，經(jīng)過(guò)n條路徑傳播后的接收信號為：

　　其中，ui(f)，i(t)是第i徑的幅度、相位，隨時(shí)間變化而隨機變化。圖2是一個(gè)幅度為1，頻率為10 000 Hz的單頻信號經(jīng)過(guò)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(shí)延的大小是隨時(shí)間變化的，每徑時(shí)延的變化規律為正弦型，變化頻率從0～10 000 Hz抽取。

　　由圖2～7可以看出：?jiǎn)晤l信號經(jīng)過(guò)20徑時(shí)變信道后，輸出信號的包絡(luò )隨時(shí)間起伏，輸出信號的頻譜從沖激譜變成一個(gè)窄帶頻譜，信號的包絡(luò )呈現隨機起伏的特點(diǎn)。信號經(jīng)過(guò)多徑時(shí)變信道，會(huì )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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)延時(shí)，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(shí)延差與信號碼元間隔可比時(shí)，多徑造成的碼間干擾就不可忽視。

3 結 語(yǔ)

　　水聲信道中信號傳輸的路徑較多，接收端同時(shí)收到來(lái)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(shí)延差不同，每徑信號的衰減不同，因此水聲信號經(jīng)過(guò)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(shí)延差，此時(shí)信號經(jīng)過(guò)多徑后不會(huì )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(shí)延差可比，則信號經(jīng)過(guò)多徑后會(huì )產(chǎn)生嚴重的碼間干擾，此時(shí)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。