水聲信道的計算機仿真研究

　　當前的通信研究領域中，在水下利用聲波進行數字通信是一個熱門的研究。尤其是近年來隨著海洋開發事業的發展，對水下通信的要求也越來越迫切，大大增加了科研人員投身于水聲數字通信的熱情。水聲信道的研究是水聲通信技術研究的重要環節，然而其困于多徑干擾而未取得令人滿意的進展。本文針對當前多種調制方式在水聲信道中的應用，提出一種模擬水聲信道多徑傳播的簡化模型，通過計算機仿真對水聲信道中幾種常用的調制方式進行比較，其結果可對克服水聲信道的干擾、選擇合適的調制方式提供一些借鑒。

1 水聲信道的數學模型

　　水聲信道是所有通信信道中最為復雜的信道之一。他具有環境噪聲高、可用的載波頻率和帶寬低、傳輸時延大等特點。計算機仿真時可以將水聲信道簡化為一個時間和頻率變化的沖激響應的線性濾波器，同時存在著噪聲的影響，如圖1所示：

　　在水聲信道多徑傳播模型中，b(t)為噪聲，發送信號s(t)表示為：

2 仿真實例及分析

　　由于海洋反射、折射、聲線彎曲、時變、空變等現象的存在，要想用一個精確的模型完整地表述其性質是不可能的也是不必要的。從水聲通信的角度來看，水聲信道是一種典型的時變多徑信道，可以針對某一特定環境或某一應用范圍對其特性進行分析和研究。現在分析發射未調載波的情況，以便直觀地說明海洋多徑效應對信號傳輸的影響。發射信號簡化為：s(t)=Acosω0t，經過n條路徑傳播后的接收信號為：

　　其中，ui(f)，i(t)是第i徑的幅度、相位，隨時間變化而隨機變化。圖2是一個幅度為1，頻率為10 000 Hz的單頻信號經過20條路徑傳輸得到的波形及其頻譜，這20條路徑的衰減相同，但時延的大小是隨時間變化的，每徑時延的變化規律為正弦型，變化頻率從0～10 000 Hz抽取。

　　由圖2～7可以看出：單頻信號經過20徑時變信道后，輸出信號的包絡隨時間起伏，輸出信號的頻譜從沖激譜變成一個窄帶頻譜，信號的包絡呈現隨機起伏的特點。信號經過多徑時變信道，會產生碼間干擾和衰落。其中衰落快慢取決于碼元間隔與多徑間的時延差的相對關系。通常，當信息速率遠大于信道的衰落速度時，信號經歷慢衰落，如圖2所示；當由于信息速率與信道的衰落速度可比時，信號經歷快衰落，如圖3所示；當碼元間隔遠大于多徑間的最大時延時，由多徑造成的碼間干擾對信號接收影響不嚴重；當多徑間的時延差與信號碼元間隔可比時，多徑造成的碼間干擾就不可忽視。

3 結 語

　　水聲信道中信號傳輸的路徑較多，接收端同時收到來自多條傳輸路徑的信號，這些信號可能同相相加或反相相消。由于各徑時延差不同，每徑信號的衰減不同，因此水聲信號經過多徑信道后有碼間干擾。通常情況下，如果信號的碼元距離遠大于多徑的最大時延差，此時信號經過多徑后不會產生嚴重的碼間干擾；相反，如果信號碼元間隔與多徑間的時延差可比，則信號經過多徑后會產生嚴重的碼間干擾，此時接收端需要考慮采用均衡和其他消除碼間干擾的方法才能正確接收信號。