一种水声信道仿真设计方法

【摘要】本文提出了一种通过改变脉冲响应估算时间从而进行水声信道仿真（EUAC）的方法，该方法不需要海上试验就能对任一特定信号的通信方案进行信道输出估计，因此节省了时间和资源。这种方法首先需要进行一组海上试验。在每一次试验中，发送特定的窄带自相关信号，然后记录它们的响应，这样可以得到真实信道的冲激响应、多普勒漂移和相移的估计。应用这组海试结果建立一个EUAC数据库，该数据库将有助于在不经过海上试验的条件下对各种通信方法的性能进行评估。

【关键词】水声信道;数学模型;仿真

1.引言

本文描述了一种测量和仿真水声信道的方法，该方法能够用来建立一个仿真信道数据库。研究发现，特定信号的仿真信道响应（ECR）与真实信道响应具有典型的高相关性（大于80%）。适合测量信道冲激响应的波形，其自相关函数几乎接近一个脉冲。这意味着所使用的测试信号应具有尽可能宽的带宽。为了增加测试信号波形的功率，并使其超过极短单脉冲功率，需要用到一个带有高时间带宽积的信号波形。

对于特定信号的水声信道仿真（EUAC），我们假定信道是线性时不变（LTI）系统，因此，在信道冲激响应评估前，应对所有信道的非线性和时变特征进行单独评估和修正。随后，这些特征将被加入到仿真信号。

本论文提出的信道仿真方法包括两个阶段：（1）冲激响应和信道特征评估，仿真处理和数据库建立。（2）挑选及核查被仿真信道，在精选的仿真信道和在任何想要的信噪比的噪声条件下发射一个特定信号。

2.水声信道的特征

水下声信道是具有时变、频率选择性、空间不相关特征的加性有色高斯噪声信道，对特定频率和距离的声波具有较强的吸收，加之多途现象，从而导致信号衰减。水声信道的特征在以下分节中进行描述。

2.1 多普勒频移

接收机与发射机的相对运动或者介质运动（在不可忽略的流动条件下）可以改变声波通过信道的频率。这种在载波信号中频域和时域的明显改变就叫做多普勒频移。

假设声源和观察者的相对速度（v）远小于声速（c），则被观测的声波频率[1]由下式表示：

（1）

这里，f表示发射频率。多普勒频移效应将造成发射信号的长度（时域）压缩或者扩展。接收信号的脉冲周期是：

（2）

这里TS是发射信号的周期。

2.2 多途

多途现象主要是由于海底和海面的反射造成的，信号反射的次数决定了多途的扩展。此外，信道还包括浮游生物和鱼等声反射体。假如发射机与接收机的距离足够大，那么信号从发射机到接收机会经过各种路径传播，每条路径的信号延迟取决于其几何特征。信道的冲激响应可以建模如下：

（3）

这里表示每个路径的能量损耗和相位移动，L是有效的路径数，Tc是最小的路径时延。信道的互功率密度函数定义如下：

（4）

这里多径剖面强度（MIP）是，传播延迟Tm被定义为时间间隔，。水下信道的MIP建模如下[2]：

（5）

MIP函数实现的条件是当时：，因此，建模为高斯随机处理过程，其方差。传播延迟涉及到带宽一致性的使用：

当小于发射信号的带宽时，信道就被认为具有频率选择性。

2.3 多普勒扩展

多普勒扩展，表示为接收信号的散布谱宽。信道的相干时间涉及到多普勒的扩展：

在浅水，来自水面的反射是信道时变的主要原因。水波运动是水面反射散布的主要原因，从而造成了多普勒扩展。多普勒扩展值依赖于水波的高度、频率、风速、海面和海底的反射数目，以及理论冲击角。

2.4 信道噪声

信道噪声被假定为一个加了有色的高斯环境噪声，频率响应为：

（6）

这里k0是一个经验常量，它与频带和海况有关。在低频（1KHz以下）噪声中的主要成份是远场的船只噪声，在中频带是和音方面的噪声，在高频主要是热噪声[3]。在接收机和发射机处可能是白噪声。

2.5 传播损耗

声波通过信道的传播功率由于吸收损耗和散射损耗而减小。这些损耗可以建立如下模型：

（7）

这里k的范围从10到20，r（m）是传播距离，是依赖于发射波载波频率的吸收系数[1]。

3.信道特征估计

信道冲激响应可以通过发射窄带自相关信号来估计，该信号尽可能接近一个脉冲：，这里发射信号。因此，假设有线性时不变信道

（8）

这里h（t）是信道脉冲响应，这个运算表示卷积运算。

3.1 发射信号模块

一个信号的自相关（或者匹配滤波器）主旁瓣宽度由下式决定[4]：

MFwidth=1/BW                        （9）

这里BW表示这个信号的宽度。因此，这个发射信号是宽带信号。为了确保（8）式成立，发射信号应该对频率选择性信道具有免疫性。

3.1.1 同步信号

直接序列扩频信号的匹配滤波器输出易受多普勒频移的影响。因此，一个同步信号需要先于直接序列扩频块发射。这个信号是线性调频信号。通过发射一个“上行”的线性调频信号和一个“下行”的线性调频信号，多普勒频移可以被估计。

3.1.2 DSSS同步

同步中的时间漂移可以通过DSSS信号码同步来控制。同步放置点处被发现向四方展开处理输出（也就说，随着DSSS序列扩展器的乘法）的是窄带信号（用频谱分析算法可以检测）。既然收到的信号发生了多普勒频移，有必要在解扩前估计多普勒频移值，目的是补偿采样的多普勒频移。当载波频率等于DSSS信号频率时，在DSSS块之后发送单个载波信号（CW）来估计信道的相干时间。

3.2 多普勒频移估计

在同步信号和DSSS块时需要进行多普勒频移估计。

3.2.1 线性调频信号的多普勒频移估计

接收信号通过两个匹配滤波器：一个为“正的线性调频信号”，另一个为“负的线性调频信号”。每一个匹配滤波器的输出由每一个收到的线性调频信号的主峰组成。多普勒频移涉及到峰值处的区别在时域中表示如下：

（11）

这里是在匹配滤波器分别输出的“正”和“负线性调频信号”的峰峰间的差值。为了使定时误差最小，值应该用匹配滤波器的输出向中心集中的估计方法来测量。

3.2.2 DSSS信号多普勒漂移估计

对片同步解扩DSSS信号进行频谱分析时会产生多普勒频移估计。

（12）

为了减小估计误差，需要用一个最佳拟合匹配多项式对被估多普勒频移向量进行平滑处理。

3.3 相干时间估计

使用信号周期比信道的CT要短的信号进行信道估计，能够得到较好的结果。假设CT的值在传播期间改变不明显，那么使用CW信号可能可以对它进行估计。在x，y向量之间规范的匹配滤波器被定义为：

（13）

这里N是信号周期[采样率]，是x的平均值。把CW信号分割成次信号，第一个次信号作为参考，一个规范匹配滤波器输出峰值向量将被获得。CT被提取作为带有参考信号次信号的标准匹配滤波器的周期超出一定的门限。DSSS信号被分割成周期比短的次信号。

3.4 冲激响应矩阵（IRM）估计

每一个DSSS信号在用插值法修正多普勒频移后进行码元同步。每一个收到的DSSS信号与发射信号进行互相关运算（如3.3节分成次信号）。假设多普勒频移得到精确补偿，同时假设一个信号周期比CT的短，那么接收到的输出是当前信号的信道冲激响应估计。这个连续的冲激响应矩阵描述了信道冲激响应的时变性。

水平轴表示信号冲激响应的时间。纵轴表示信道的时间变化。从该图中可以看到3个重要的在矩阵周期里消退和增强的路径。

4.特定信号经过被估信道的ECR

冲激响应矩阵在转移到载波频率的过程中被测量。特定仿真信号也应该在相同频率范围内被测量，否则被估计的信道响应是不准确的。给定信号和仿真IRM实现二维的卷积运算，然后，信号根据多普勒模型被再次采样。这些运算的输出产生了信号的ECR。

4.1 IRM扩展

如果信号比仿真IRM周期长，那么脉冲响应矩阵需要扩展。通过周期性的IRM扩展是实现该过程的一个方法。周期扩展的周期从IRM的二维互相关的最大值中萃取。在海上试验中能获得大于90%的互相关结果。一个更好的建模方法是把IRM进行Markov处理。在这个模型中每一行是一个最后状态的函数和一组当前状态参数。根据风速，波的周期，噪声标准，波高，多径数，以及在接收机处理论冲击角等当前状态值有望获得精确的结果。

4.2 多普勒频移向量扩展

多普勒频移向量模型为了适应特定信号需要扩展，因为多项式拟合不适合周期性的扩展。假设多普勒频移的产生来自DC部分（在发射机与接收机之间的相对速度）和AC部分（依靠波动周期）。假设该周期是两个频率的函数（连续起伏波和二度音谱线波），根据多普勒频移向量采样来估值二频率正弦曲线波，可用Pisarenko谐波分解方法来实现。

4.3 传播损耗估计

通过测量传播信号（用一个在发射机的监视接收器）的声源级（SL）和接收机处的接收声级，可以来计算接收信号的传播损耗。根据对传播损耗的估计值计算仿真信号的功率要倍增。

4.4 环境噪声增加

通过在信道加入噪声进行信噪比仿真，有两种可供选择的方法：

（1）建立噪声模型（见2.4节）以及根据预期信噪比设置噪声标准。

（2）从信道里测量真实噪声，并定期地扩大它以防信号周期比被测噪声周期要大。

图1 仿真和真实信道技术比较

图2 比较结果

5.结果

该仿真方法的可信性通过从真实信道收到的信号与相应的ECR信号比较而进行评估。图1中，该特定信号与被用去产生IRM和多普勒频移向量的信号为同一信号。比较在每个系统的输出端之间完成。

图2显示的是在浅水区信道的时域比较结果，可以看出互相关系数大约可达80%。在各种水下声信道的海上试验结果中这是个典型值。

6.结束语

本文提出一个水声信道仿真设计方法，它由时变IRM估计、信道偏差补偿与建模、冲激响应估计扩展和多普勒频移等模块组成;并探讨了一种针对特定信号的仿真算法，相比真实水下信道测量达到80%的可信度。通过建立由几个IRM和多普勒频移向量组成的数据库，可以得到一个在广泛水声通信算法评估中的有用工具。

参考文献

[1]William S.Burdic.“Underwater Acoustic System Analysis”.Peninnsula Publishing，second edition 1991.

[2]Ihn-Kiel Chang.“Performance of Diversity Combing Techniques for DS/DPSK Signaling Over a Pulse Jammed Multipath-Fading Channel”.IEEE Trans.Commun.，vol.38，pp.1823-1834，1990.

[3]R.J.Urick.“Principles of Underwater Sound”.McGraw-Hill，New York，1983.

[4]Nadav Levanon.“Radar Principles”.J.Wiley&Sons，New York，1988.

作者简介：郑伟（1976—），男，高级工程师，主要从事水中兵器的引信设计工作，擅长于水声传感器及基阵、水声信号处理等工程实现。