測量和仿真水聲信道的方法研究

【摘要】提出了一種通過改變脈沖響應估算時間從而進行水聲信道仿真（EUAC）的方法，該方法不需要海上試驗就能對任一特定信號的通信方案進行信道輸出估計，因此節省了時間和資源。這種方法首先需要進行一組海上試驗。在每一次試驗中，發送特定的窄帶自相關信號，然后記錄它們的響應，這樣可以得到真實信道的沖激響應、多普勒漂移和相移的估計。

【關鍵詞】水聲信道；數學模型；仿真；系統

1.引言

適合測量信道沖激響應的波形，其自相關函數幾乎接近一個脈沖。這意味著所使用的測試信號應具有盡可能寬的帶寬。為了增加測試信號波形的功率，并使其超過極短單脈沖功率，需要用到一個帶有高時間帶寬積的信號波形。

對于特定信號的EUAC，假定信道是線性時不變（LTI）系統，因此，在信道沖激響應評估前，應對所有信道的非線性和時變特征進行單獨評估和修正。隨后，這些特征將被加入到仿真信號。

本論文提出的信道仿真方法包括兩個階段：（1）沖激響應和信道特征評估，仿真處理和數據庫建立。（2）挑選及核查被仿真信道，在精選的仿真信道和在任何想要的信噪比的噪聲條件下發射一個特定信號。

2.水聲信道的特征

水下聲信道是具有時變、頻率選擇性、空間不相關特征的加性有色高斯噪聲信道，對特定頻率和距離的聲波具有較強的吸收，加之多途現象，從而導致信號衰減。

2.1 多普勒頻移

接收機與發射機的相對運動或者介質運動（在不可忽略的流動條件下）可以改變聲波通過信道的頻率。這種在載波信號中頻域和時域的明顯改變就叫做多普勒頻移。

假設聲源和觀察者的相對速度（v）遠小于聲速（c），則被觀測的聲波頻率由下式表示：

2.2 多途現象

多途現象主要是由于海底和海面的反射造成的，信號反射的次數決定了多途的擴展。此外，信道還包括浮游生物和魚等聲反射體。假如發射機與接收機的距離足夠大，那么信號從發射機到接收機會經過各種路徑傳播，每條路徑的信號延遲取決于其幾何特征。信道的沖激響應可以建模如下：

2.3 多普勒擴展

多普勒擴展Bw，表示為接收信號的散布譜寬。信道的相干時間涉及到多普勒的擴展：。在淺水，來自水面的反射是信道時變的主要原因。水波運動是水面反射散布的主要原因，從而造成了多普勒擴展。多普勒擴展值依賴于水波的高度、頻率、風速、海面和海底的反射數目，以及理論沖擊角。

2.4 信道噪聲

信道噪聲被假定為一個加了有色的高斯環境噪聲，頻率響應為：

這里k0是一個經驗常量，它與頻帶和海況有關。在低頻（1KHz以下）噪聲中的主要成份是遠場的船只噪聲，在中頻帶是和音方面的噪聲，在高頻主要是熱噪聲[3]。在接收機和發射機處可能是白噪聲。

2.5 傳播損耗

聲波通過信道的傳播功率由于吸收損耗和散射損耗而減小。這些損耗可以建立如下模型：

3.信道特征估計

信道沖激響應可以通過發射窄帶自相關信號來估計，該信號盡可能接近一個脈沖，這里發射信號。因此，假設有線性時不變信道

3.1 發射信號模塊

一個信號的自相關（或者匹配濾波器）主旁瓣寬度由下式決定：

1）同步信號

直接序列擴頻信號的匹配濾波器輸出易受多普勒頻移的影響。因此，一個同步信號需要先于直接序列擴頻塊發射。這個信號是線性調頻信號。通過發射一個“上行”的線性調頻信號和一個“下行”的線性調頻信號，多普勒頻移可以被估計。

2）DSSS同步

同步中的時間漂移可以通過DSSS信號碼同步來控制。同步放置點處被發現向四方展開處理輸出（也就說，隨著DSSS序列擴展器的乘法）的是窄帶信號（用頻譜分析算法可以檢測）。既然收到的信號發生了多普勒頻移，有必要在解擴前估計多普勒頻移值，目的是補償采樣的多普勒頻移。當載波頻率等于DSSS信號頻率時，在DSSS塊之后發送單個載波信號（CW）來估計信道的相干時間。

3.2 多普勒頻移估計

在同步信號和DSSS塊時需要進行多普勒頻移估計。

1）線性調頻信號的多普勒頻移估計

接收信號通過兩個匹配濾波器：一個為“正的線性調頻信號”，另一個為“負的線性調頻信號”。每一個匹配濾波器的輸出由每一個收到的線性調頻信號的主峰組成。

2）DSSS信號多普勒漂移估計

對片同步解擴DSSS信號進行頻譜分析時會產生多普勒頻移估計。為了減小估計誤差，需要用一個最佳擬合匹配多項式對被估多普勒頻移向量進行平滑處理。

3.3 相干時間估計

使用信號周期比信道的CT要短的信號進行信道估計，能夠得到較好的結果。假設CT的值在傳播期間改變不明顯，那么使用CW信號可能可以對它進行估計。

4.特定信號經過被估信道的ECR

沖激響應矩陣在轉移到載波頻率的過程中被測量。特定仿真信號也應該在相同頻率范圍內被測量，否則被估計的信道響應是不準確的。給定信號和仿真IRM實現二維的卷積運算，然后，信號根據多普勒模型被再次采樣。這些運算的輸出產生了信號的ECR。

4.1 IRM擴展

如果信號比仿真IRM周期長，那么脈沖響應矩陣需要擴展。通過周期性的IRM擴展是實現該過程的一個方法。周期擴展的周期從IRM的二維互相關的最大值中萃取。在海上試驗中能獲得大于90%的互相關結果。

一個更好的建模方法是把IRM進行Markov處理。在這個模型中每一行是一個最后狀態的函數和一組當前狀態參數。根據風速，波的周期，噪聲標準，波高，多徑數，以及在接收機處理論沖擊角等當前狀態值有望獲得精確的結果。

4.2 多普勒頻移向量擴展

多普勒頻移向量模型為了適應特定信號需要擴展，因為多項式擬合不適合周期性的擴展。假設多普勒頻移的產生來自DC部分（在發射器與接收器之間的相對速度）和AC部分（依靠波動周期）。假設該周期是兩個頻率的函數（連續起伏波和二度音譜線波），根據多普勒頻移向量采樣來估值二頻率正弦曲線波，可用Pisarenko諧波分解方法來實現。

4.3 傳播損耗估計

通過測量傳播信號（用一個在發射機的監視接收器）的聲源級（SL）和接收機處的接收級來計算接收信號的傳播損耗。根據對傳播損耗的估計值計算仿真信號的功率要倍增。

4.4 環境噪聲增加

通過在信道加入噪聲進行信噪比仿真，有兩種可供選擇的方法：

（1）建立噪聲模型以及根據預期信噪比設置噪聲標準。

（2）從信道里測量真實噪聲，定期地擴大它以防信號周期比被測噪聲周期要大。

5.結束語

本文提出一個水聲仿真系統，該系統由時變IRM估計、信道偏差補償與建模、沖激響應估計擴展和多普勒頻移組成；并探討了一種針對特定信號的仿真算法，相比真實水下信道測量達到80%的可信度。