水聲信道的計(jì)算機(jī)仿真研究

　　當(dāng)前的通信研究領(lǐng)域中，在水下利用聲波進(jìn)行數(shù)字通信是一個(gè)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(duì)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(jìn)展。本文針對(duì)當(dāng)前多種調(diào)制方式在水聲信道中的應(yīng)用，提出一種模擬水聲信道多徑傳播的簡化模型，通過計(jì)算機(jī)仿真對(duì)水聲信道中幾種常用的調(diào)制方式進(jìn)行比較，其結(jié)果可對(duì)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(xué)模型

　　水聲信道是所有通信信道中最為復(fù)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(jì)算機(jī)仿真時(shí)可以將水聲信道簡化為一個(gè)時(shí)間和頻率變化的沖激響應(yīng)的線性濾波器，同時(shí)存在著噪聲的影響，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(hào)s(t)表示為：

2 仿真實(shí)例及分析

　　由于海洋反射、折射、聲線彎曲、時(shí)變、空變等現(xiàn)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看，水聲信道是一種典型的時(shí)變多徑信道，可以針對(duì)某一特定環(huán)境或某一應(yīng)用范圍對(duì)其特性進(jìn)行分析和研究?，F(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(yīng)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽０l(fā)射信號(hào)簡化為：s(t)=Acosω0t，經(jīng)過n條路徑傳播后的接收信號(hào)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(jī)變化。圖2是一個(gè)幅度為1，頻率為10 000 Hz的單頻信號(hào)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(shí)延的大小是隨時(shí)間變化的，每徑時(shí)延的變化規(guī)律為正弦型，變化頻率從0～10 000 Hz抽取。

　　由圖2～7可以看出：單頻信號(hào)經(jīng)過20徑時(shí)變信道后，輸出信號(hào)的包絡(luò)隨時(shí)間起伏，輸出信號(hào)的頻譜從沖激譜變成一個(gè)窄帶頻譜，信號(hào)的包絡(luò)呈現(xiàn)隨機(jī)起伏的特點(diǎn)。信號(hào)經(jīng)過多徑時(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(duì)關(guān)系。通常，當(dāng)信息速率遠(yuǎn)大于信道的衰落速度時(shí)，信號(hào)經(jīng)歷慢衰落，如圖2所示；當(dāng)由于信息速率與信道的衰落速度可比時(shí)，信號(hào)經(jīng)歷快衰落，如圖3所示；當(dāng)碼元間隔遠(yuǎn)大于多徑間的最大時(shí)延時(shí)，由多徑造成的碼間干擾對(duì)信號(hào)接收影響不嚴(yán)重；當(dāng)多徑間的時(shí)延差與信號(hào)碼元間隔可比時(shí)，多徑造成的碼間干擾就不可忽視。

3 結(jié) 語

　　水聲信道中信號(hào)傳輸?shù)穆窂捷^多，接收端同時(shí)收到來自多條傳輸路徑的信號(hào)，這些信號(hào)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(hào)的衰減不同，因此水聲信號(hào)經(jīng)過多徑信道后有碼間干擾。通常情況下，如果信號(hào)的碼元距離遠(yuǎn)大于多徑的最大時(shí)延差，此時(shí)信號(hào)經(jīng)過多徑后不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾；相反，如果信號(hào)碼元間隔與多徑間的時(shí)延差可比，則信號(hào)經(jīng)過多徑后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(hào)。