水声通信组网技术第二讲-水声信道传输特性课件.ppt

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1、2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响1第二讲水声信道传输特性距离、带宽和信噪比的关系;多径传播及空变特性;多普勒效应及时变特性;水声信道的模型;水声信道的特点对通信网络的影响;2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响2距离、带宽和信噪比声波在声场中的平均传播损失:传播损失n=0：n=1：n=1.5n=2：管道中的声传播，平面波传播；表面声道和深海声道，柱面波传播，以及全反射海底和全反射海面组成的理想波导中的传播；计及海底声吸收时的浅海声传播，以及计入界面声吸收所引起的对柱面波的传播损失的修正；开阔水域（自由场），球面波传播；2021

2、/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响3距离、带宽和信噪比Thorp给出的吸收系数与频率之间的经验公式为：传播损失工程上常用的吸收系数估计经验公式：2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响4吸收系数与频率的关系距离、带宽和信噪比传播损失2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响5距离、带宽和信噪比海洋环境噪声海洋中的环境噪声源从低频到高频依次为：潮汐和波浪的海水静压力效应，产生低频噪声；地震扰动：极低频噪声；海洋湍流：低频噪声；行船：产生50Hz~500Hz频率范围内的主要噪声；海面波浪：产生500Hz~25000Hz频率范围内

3、的噪声；热噪声：2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响6海洋环境噪声文兹谱级图距离、带宽和信噪比海洋环境噪声2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响7文献表明：在1kHz到10kHz频率范围内浅海的环境噪声谱级基本上在40dB到70dB(参考声压级为1PaHz)之间，3级海况时深海的环境噪声谱级在50dB到70dB之间，并且随着频率的降低环境噪声随之增大；1kHz以下的环境噪声谱级均在70dB以上，因此传输信号使用的载波频率的下限取1kHz。无论是深海还是浅海，海洋环境噪声的功率谱密度均被认为是以频率20dB/decade在下降。距离

4、、带宽和信噪比海洋环境噪声2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响8海洋中的噪声为高斯分布的连续谱，其声压的瞬时值的概率密度为：距离、带宽和信噪比海洋环境噪声2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响92002年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境噪声试验，其10秒钟采样率为12kHz的噪声数据，分析结果如右图所示，横轴是电压，纵轴是在相应电压上噪声出现的次数。分析结果表明，海洋环境噪声服从正态(高斯)分布。距离、带宽和信噪比海洋环境噪声2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响10由传播损失和频率的关系、噪声和频率的关系

5、可得3级海况下，发射声源级190dB，频率为1～10kHz，距离为10～100km时，接收端传播距离、带宽信噪比的关系如下图距离、带宽和信噪比水声信道的通信距离和带宽扩展损失与距离有关；吸收损失与距离和频率均有。水声信道中的可用带宽有限。2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响11接收端传播距离、带宽信噪比的关系图距离、带宽和信噪比水声信道的通信距离和带宽2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响12通信距离在10～100km的为远程水声通信，带宽只有几kHz（1000km距离的水声通信，通信带宽只有1Hz）；通信距离为1～10km的为中

6、距离的水声通，带宽在10kHz数量级；通信距离在1km以内的为短距离水声通信，其带宽超过10kHz，若通信距离在100m以内时，通信的带宽可在100kHz以上。距离、带宽和信噪比水声信道的通信距离和带宽很明显一定传播距离时，这种关系影响了水声通信系统距离与载波频率及带宽的选择。2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响13多径传播及空变特性水声通信中多径信号产生示意图多径传播2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响14多径传播及空变特性多径传播a声速梯度b深海多径c浅海多径2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响15200

7、2年4月，在海南三亚南海海域进行的海洋环境多径试验，多径检测信号为6s的线性调频（LFM）信号。将接收到的信号做拷贝相关，80km的多径检测结果如图所示。从图中可看出80km的多径信息主要集中于40ms以内，而300～400ms仍有多径信号但其能量均较弱可忽略。海洋环境多径时延多径传播及空变特性多径传播2021/9/21第二讲水声信道的特点及对通信网络的影响16实际上海洋中多径更多地来自大幅度起伏不平的海底山峦，由于它不受距离的限制，因此多径效应引起信号的时间扩展，在浅海中距离信道，多径扩展一般为10ms，有时可达几百毫秒，而在深海信道的多途扩展为几