水聲數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真

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1、萬方數(shù)據(jù)第20卷第4期2001顰12舅海洋技術(shù)()CEANTEC瓣NOI。OGVV01．20．No．4Dec．2001水聲數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真郭繼杰(廈門大學(xué)369信箱，361005)摘要本文介紹了利用計算機(jī)仿真水聲數(shù)字通信系統(tǒng)。介紹了數(shù)字通信系統(tǒng)的組成部分之后，重點介紹水聲倍道的仿真以及調(diào)制方法的選取。通過計算機(jī)的仿真提高了水聲通傣系統(tǒng)設(shè)計的有效性，對實際出海實驗很有幫助。關(guān)鍵詞：水聲數(shù)字通信仿真中闌分類號：P733．2，TB56文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B在水聲通信系統(tǒng)的設(shè)計中，經(jīng)常需要對系統(tǒng)進(jìn)行測試、試驗，以便發(fā)現(xiàn)問題加以改進(jìn)。這可以通過在承濺中初步實驗，然后再滋海進(jìn)毒虧系

2、統(tǒng)測試。然而，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得我們可以通過計算機(jī)的仿真來完成系統(tǒng)的初步設(shè)計，這可以節(jié)約大量時間、經(jīng)費。在本文中，我們使用matlab5．3來進(jìn)行仿真。Matlab是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，它信息源一匝基匠卜信息受主—_{二三至垂亟}集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理、圖形顯示等各功能于一體，構(gòu)成了一個方便、界麗友好的用戶環(huán)境。l水聲通信系統(tǒng)的組成承聲通信系統(tǒng)秘其{夔數(shù)字通信系統(tǒng)一樣，如圖1所示，由7個部分構(gòu)成。圈l信患源編碼寵成對信息的數(shù)字化與編碼。鍘如水下語音通信系統(tǒng)中，信息源編碼可以采用DPCM、子帶編碼、線性預(yù)測編碼I。PC等其它方式。僖道編碼是為

3、了免除信道中存巍的噪聲積予抗對信號傳輸正確性的影響。目前較多使用的是輿有長約束長度的卷積碼，并采用交織技術(shù)。信道熬特性逡接影鐫通信系統(tǒng)的設(shè)計。水聲數(shù)字通信系統(tǒng)的仿冀重點也在于水聲信道的仿真。調(diào)制是為了更有效利用傳輸媒質(zhì)，利用基帶信收稿日期：2000—10—20號對載波某些參量進(jìn)行控制。勰調(diào)是在接收端將已謫信號恢復(fù)為原始基帶信號的越程。針對水聲通信系統(tǒng)的特點，本文著重在于信號調(diào)制、解調(diào)以及信道的模擬上。2信道的仿真信道的仿真是否符合實際贏接關(guān)系到永聲數(shù)字通信仿真系統(tǒng)的成功與否，并且影響調(diào)制方式的選取。海洋聲道∞類似予傳播電波的變參通信信道，萬方數(shù)據(jù)58海洋技術(shù)第2(

4、)卷具有隨機(jī)時、空變化特性?，F(xiàn)在，有關(guān)海面、海底及海洋媒質(zhì)本身的特性及其對信號參數(shù)的影響，尚無完整的數(shù)學(xué)描述。因此，我們在模擬水聲信道時，也無法精確描述，而只能根據(jù)系統(tǒng)的特點，考慮影響水聲信息傳輸?shù)闹饕蛩?。比較簡單的方法是直接利用有關(guān)文獻(xiàn)給出的典型水聲信道D]。例如，考慮基帶傳輸系統(tǒng)，信號采樣率10khz。聲速為常數(shù)的均勻介質(zhì)信道的信道傳遞函數(shù)。Ⅳ(：)=1+0．599971：一2。均勻介質(zhì)信道的信道傳遞函數(shù)：H(2)一0．734189+Z一13—0．406511z一14—0．295130z一55負(fù)聲速梯度信道的信道傳遞函數(shù)：Ⅳ(2)一1+0．263112Z一7

5、+0．151214zq9—0．391599z一67深海聲道軸信道的傳遞函數(shù)：H(：)一0．076+0．122：_1+21”o當(dāng)然，這些信道的傳遞函數(shù)在系統(tǒng)仿真中對于系統(tǒng)調(diào)制方式等的選取中會有所幫助。但為了更針對當(dāng)?shù)氐男诺捞攸c，則需從水聲信道的傳輸模型入手。比較直接的方法是采用射線法。但是如果選取過多的水聲傳播途徑，并考慮海底、海面的邊界效應(yīng)，海洋內(nèi)部的不均勻性，則容易導(dǎo)致射線混沌。因此，仿真水聲信道時，可選取主要的三條途徑，即直達(dá)通道以及海底、海面的反射通道。這時可以利用matlab編寫的程序，根據(jù)水聲速度隨深度的分布曲線、接收以及發(fā)射水聲換能器的深度、傳播距離來

6、求出在接收端接收到的信號。因而這種方法具有更強(qiáng)的靈活性。設(shè)信道傳遞函數(shù)為：(叫)一∑HHH，(叫)(叫)一厶，(叫)14，≤3這里，i等于1、2、3分別對應(yīng)于直達(dá)通道、海底、海面反射通道，并且該函數(shù)未考慮時變效應(yīng)。H，(叫)一T((U，以。)A，(倒)R(∞，0，。)exp(一jwr，)????????????????????(1)式中，丁和R函數(shù)分別考慮了接收、發(fā)射換能器的指向性，第i條途徑中換能器的發(fā)射、接收角度。A函數(shù)則考慮第i條途徑與頻率有關(guān)的哀落特性。t是第i條途徑的時延。上式將海面看成靜止的鏡面。如果還需考慮海面的波動，可將i一3情況修正為：H3(山，

7、t)一H3(叫)p(wo，t)式中，H。(∞)為海面靜止時的傳遞函數(shù)10(山。，f)為反映海面波動的、與載波頻率cU。有關(guān)的時變反射函數(shù)，例如可取為零均值的高斯過程。前面介紹的兩種方法都是應(yīng)用傳遞函數(shù)描述確定性信道。也可以根據(jù)信道的統(tǒng)計特性來描述信道。對于水聲信道，除了深海里短途直達(dá)信道，在一般通信系統(tǒng)中所經(jīng)常使用的加性白高斯噪聲的信道模型(AWGN)卻往往不適用于此。對于多徑哀落信道，經(jīng)常使用的是瑞利(Rayleigh)哀落概率模型。在多徑數(shù)目較多且各路徑長度差不多時，接收信號幅度成瑞利分布，相位服從高斯分布。如果在傳輸中有一條主要路徑，通過主要路徑傳輸來的信號

8、有一個穩(wěn)定