测量和仿真水声信道的方法研究
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作者: 王玥
【摘要】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。
【关键词】水声信道；数学模型；仿真；系统
1.引言
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EUAC，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。
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由下式表示：
2.2 多途现象
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：
2.3 多普勒扩展
多普勒扩展Bw，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：
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：
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
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：
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。
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。
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。
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。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。
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（在发射器与接收器之间的相对速度）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）和接收机处的接收级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，定期地扩大它以防信号周期比被测噪声周期要大。
5.结束语
本文提出一个水声仿真系统，该系统由时变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。
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