水声数字通信系统的仿真

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1、万方数据第20卷第4期2001颦12舅海洋技术()CEANTEC瓣NOI。OGVV01．20．No．4Dec．2001水声数字通信系统的仿真郭继杰(厦门大学369信箱，361005)摘要本文介绍了利用计算机仿真水声数字通信系统。介绍了数字通信系统的组成部分之后，重点介绍水声倍道的仿真以及调制方法的选取。通过计算机的仿真提高了水声通傣系统设计的有效性，对实际出海实验很有帮助。关键词：水声数字通信仿真中阑分类号：P733．2，TB56文献标识码：B在水声通信系统的设计中，经常需要对系统进行测试、试验，以便发现问题加以改进。这可以通过在承溅中初步实验，然后再滋海进毒亏系

2、统测试。然而，计算机技术的发展使得我们可以通过计算机的仿真来完成系统的初步设计，这可以节约大量时间、经费。在本文中，我们使用matlab5．3来进行仿真。Matlab是一套高性能的数值计算和可视化软件，它信息源一匝基匠卜信息受主—_{二三至垂亟}集数值分析、矩阵运算、信号处理、图形显示等各功能于一体，构成了一个方便、界丽友好的用户环境。l水声通信系统的组成承声通信系统秘其{夔数字通信系统一样，如图1所示，由7个部分构成。圈l信患源编码宠成对信息的数字化与编码。铡如水下语音通信系统中，信息源编码可以采用DPCM、子带编码、线性预测编码I。PC等其它方式。僖道编码是为

3、了免除信道中存巍的噪声积予抗对信号传输正确性的影响。目前较多使用的是舆有长约束长度的卷积码，并采用交织技术。信道熬特性逡接影镌通信系统的设计。水声数字通信系统的仿冀重点也在于水声信道的仿真。调制是为了更有效利用传输媒质，利用基带信收稿日期：2000—10—20号对载波某些参量进行控制。勰调是在接收端将已谪信号恢复为原始基带信号的越程。针对水声通信系统的特点，本文着重在于信号调制、解调以及信道的模拟上。2信道的仿真信道的仿真是否符合实际赢接关系到永声数字通信仿真系统的成功与否，并且影响调制方式的选取。海洋声道∞类似予传播电波的变参通信信道，万方数据58海洋技术第2(

4、)卷具有随机时、空变化特性。现在，有关海面、海底及海洋媒质本身的特性及其对信号参数的影响，尚无完整的数学描述。因此，我们在模拟水声信道时，也无法精确描述，而只能根据系统的特点，考虑影响水声信息传输的主要因素。比较简单的方法是直接利用有关文献给出的典型水声信道D]。例如，考虑基带传输系统，信号采样率10khz。声速为常数的均匀介质信道的信道传递函数。Ⅳ(：)=1+0．599971：一2。均匀介质信道的信道传递函数：H(2)一0．734189+Z一13—0．406511z一14—0．295130z一55负声速梯度信道的信道传递函数：Ⅳ(2)一1+0．263112Z一7

5、+0．151214zq9—0．391599z一67深海声道轴信道的传递函数：H(：)一0．076+0．122：_1+21”o当然，这些信道的传递函数在系统仿真中对于系统调制方式等的选取中会有所帮助。但为了更针对当地的信道特点，则需从水声信道的传输模型入手。比较直接的方法是采用射线法。但是如果选取过多的水声传播途径，并考虑海底、海面的边界效应，海洋内部的不均匀性，则容易导致射线混沌。因此，仿真水声信道时，可选取主要的三条途径，即直达通道以及海底、海面的反射通道。这时可以利用matlab编写的程序，根据水声速度随深度的分布曲线、接收以及发射水声换能器的深度、传播距离来

6、求出在接收端接收到的信号。因而这种方法具有更强的灵活性。设信道传递函数为：(叫)一∑HHH，(叫)(叫)一厶，(叫)14，≤3这里，i等于1、2、3分别对应于直达通道、海底、海面反射通道，并且该函数未考虑时变效应。H，(叫)一T((U，以。)A，(倒)R(∞，0，。)exp(一jwr，)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)式中，丁和R函数分别考虑了接收、发射换能器的指向性，第i条途径中换能器的发射、接收角度。A函数则考虑第i条途径与频率有关的哀落特性。t是第i条途径的时延。上式将海面看成静止的镜面。如果还需考虑海面的波动，可将i一3情况修正为：H3(山，

7、t)一H3(叫)p(wo，t)式中，H。(∞)为海面静止时的传递函数10(山。，f)为反映海面波动的、与载波频率cU。有关的时变反射函数，例如可取为零均值的高斯过程。前面介绍的两种方法都是应用传递函数描述确定性信道。也可以根据信道的统计特性来描述信道。对于水声信道，除了深海里短途直达信道，在一般通信系统中所经常使用的加性白高斯噪声的信道模型(AWGN)却往往不适用于此。对于多径哀落信道，经常使用的是瑞利(Rayleigh)哀落概率模型。在多径数目较多且各路径长度差不多时，接收信号幅度成瑞利分布，相位服从高斯分布。如果在传输中有一条主要路径，通过主要路径传输来的信号

8、有一个稳定