1.2 水声信道特性

1.2.1 有限带宽

由于声波在水下传输过程中的传播损失随着频率的升高和距离的增大而增加，导致水声信道的可用通信带宽非常有限[5]，这是水声信道与陆上无线信道的一个重要区别。海水介质对声波能量的吸收与声波的频率密切相关，并且与海水的温度、盐度有关，吸收系数可以表示为

其中，吸收系数α的单位为dB/m; A=1.89 ×10-5;B=2.72 ×10-5;S为盐度（‰）;f为声波频率（kHz）; fT为驰豫频率（kHz）, fT等于驰豫时间的倒数，与海水温度相关，计算式为

其中，T表示的海水介质的绝对温度（K）。当f≤fT或者f≥fT时，声波衰减系数α与声波的频率f的平方成正比。同时，声波的吸收损失与声波传播的界面介质（如海底介质等）、声波的方向以及声波频率都有关系，在不考虑具体的传播条件时，对声波的传播损失可以粗略地表示为

其中，r表示到达声源的距离，单位为码。由于吸收损失和扩展损失，水声通信系统在传输距离达到几十公里后的系统带宽只有几kHz，在传输距离为几公里的中距离通信系统中带宽在10kHz，仅有短距离通信系统中，系统的可用带宽可以达到100kHz。由此可知，大多数水声信道都是带宽受限的。在研究水声通信信号处理与水声通信系统设计时，要充分考虑水声信道带宽受限这一前提条件。

1.2.2 多径效应

在水声通信大量的研究中，得到了这样的结论：多径效应是水声信号在海洋声信道中传播发生畸变的根本原因[6]。例如，在声源发射一个脉冲，由于多径效应，在接收端将收到一串畸变了的脉冲。特别是在使用无指向性声源时，多径效应表现尤为突出。在这种情况下，发射机和接收机之间存在大量的声波传输路径。水下声信道是缓慢时变的相干多径信道，在相干时间长度内，可简化为相干多径信道，仅存在多径效应。多径效应的形成与海洋环境和信号的频率有关，形成的机理为：在浅海区，主要由界面（海面、海底、目标等）边界反射能量形成；在深海区，主要由声源处的不同发射角的声线在传播过程中发生弯曲造成。

典型的水声多径信道模型可以用图1-1来表示，其中，s(t)为发射信号，c(t, τ)为信道响应，y(t)为经过信道后的信号，n(t)为信道噪声，x(t)为接收信号。符号t为时间变量，τ为时延。

多径效应会引发传输信号的时延扩展[7]，尤其是在浅海信道中，传输信号的多径扩展有时候可以达到几百个毫秒，即使在深海信道条件下，信道的多径扩展也会从几十个微秒到几秒的数量级不等。假设从声源处发射出的信号波形用信号s(t)表示，那么经过多径传播以后，在接收端接收到的波形y(t)可以表示为

其中，N表示声波传输的路径的总数量；Ai表示对应的第i条声线传播到达接收机时的信号幅度，这个幅度与原信号幅度相比较，会有能量损失；τi表示的是第i条声线传播到达接收机时信号的传播时延。多径效应的干扰不仅可能导致水下声信道的频率特性出现相间的“通带”和“止带”，很像一个梳状滤波器，而且可能导致某个频率信号波形发生相消或相长的干涉，使该频率信号的能量遭受严重损失，从而影响信息的判决。水声系统特别是水声通信系统，应当具有抗信道多径的能力。目前，在水声通信系统中，单载波自适应均衡仍然是对抗多径效应的有效技术手段。

1.2.3 多普勒频移

海洋介质并非恒定不变，存在着时变和空变特性，同时在实际的水声通信系统中，发射机和接收机之间常存在着相对运动，导致声信号在水声信道传输过程中产生随机起伏的现象。多普勒频移扩展包括相对简单的频率变换和连续的扩展频率[8]，简单的频率变换在接收机端很容易补偿，连续的扩展频率一般认为是产生多普勒扩展信号的根本原因。锁相环技术是克服多普勒频移的主要技术手段。在水声通信中，产生多普勒频移的原因主要是发射机和接收机之间的相对运动、海面波浪和海水固有的湍流、内波等自身因素。其中发射机和接收机之间的相对运动是发生多普勒频移时需要重点考虑的因素，如图1-2所示。

由于从发射机到接收机的声线往往不止一条，因此发射机和接收机之间的相对运动引起的多普勒频移扩展基本不会是简单的单一频率变换，而是连续的扩展频率。水声通信的常用频率为10～30kHz，波长为5～15m的量级。当接收机相对发射机产生一个很小的移动时，就可以达到一个波长，从而对多径干扰产生调制。从图1-2中可以看出这一规律。假设发射机布放深度为h1，接收机布放深度为h2，考虑声线直达路径和海面反射路径，不考虑海水介质不均匀对声速的影响，即假定声速是恒定的，那么两条声线到达接收机的相位差可以表示为

其中，c表示声速，θ0为掠射角。从式（1-5）可以看出，接收机深度很小的变化以及发射机深度变化导致掠射角的很小变化都会引起很大的相位差变化。

在水声通信系统中，如果海面反射声线是水声信道多径特性影响因素之一的话，海面的运动也是产生多普勒频移的一个因素。对于海面运动导致的起伏带宽可以表示为

其中，w为风速（m/s）, f 0为载波频率（Hz）, f w为波频（Hz）, hw为波高（m）。波频fw和波高hw可以表示为

研究表明，能够实现对信道进行自适应跟踪的条件是满足欠扩展条件：BwsT＜10-2, Ts为发射码间间隔。在一般的水声通信系统中，欠扩展条件都是满足的，因此在盲均衡算法仿真研究中，不再对该条件进行讨论。

除了上述两个因素外，海水湍流、非均匀水团和内波等因素影响也可以引起声信号的起伏和多普勒频移。湍流和热交换所产生的介质温度微结构，即水团，在气压、涌浪、潮汐等自然现象的作用下会产生随机运动，从而使声信号产生起伏。从物理本质上看，这些起伏是由水团对应声速或折射指数（-为平均声速）的随机变化引起的。因此起伏大小与水团折射指数的时空统计特性有关。内波是海洋介质中非均匀水层在重力作用下的随机波动。浅海内波为水平薄层的上下起伏。在深海，内波主要表现为地球运动和季节流引起的声道结构变化。

1.2.4 环境噪声

除了上述影响水声通信的因素外，噪声也是水声通信不可忽略的一个重要影响因素[9]，在海洋中存在着各种各样的声源，这些声源发出的声音随着时间和海域而变化，是随机的，称为水下噪声。水下噪声除海洋环境噪声外，还包括舰船辐射噪声和舰船自噪声等。这三种噪声对声呐系统有着不同的影响。海洋环境噪声和舰船自噪声是声呐系统的主要干扰背景之一，它干扰系统的正常工作，限制装备性能的发挥；舰船辐射噪声是被动声呐系统的声源，系统接收这种噪声来实现目标检测。海洋环境噪声是复杂多变的，它与海域位置、水听器的位置、近区和远区的气象条件有关，还与频率有关。按照产生噪声的原因来看，海洋环境噪声可分为：①海洋动力噪声，与风浪有关，是海水和大气中湍流产生的噪声，还包括海浪拍岸噪声、雨噪声、气泡噪声等；②生物噪声，各种生物所发出的噪声；③交通噪声和工业噪声，它是由人类活动产生的噪声；④地震噪声，由地震、火山活动和海啸产生的噪声；⑤热噪声，由海水介质的热骚动所产生，它与海水介质的温度成正比。

对于舰船辐射噪声而言，主要考虑舰船之间的通信情况，通过对舰船辐射噪声大量测量资料的分析和研究，可以认为舰船辐射噪声源可分为三大类：①机械噪声，指的是航行或作业舰船上各种机械的震动，通过船体向水中辐射而形成的噪声；②螺旋桨噪声，是由旋转着的螺旋桨所辐射的噪声，包括了螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片震动时所产生的噪声；③水动力噪声，由不规则的、起伏的海流流过运动船只表面而形成，是水流动力作用于舰船的结果。机械噪声和螺旋桨噪声在多数情况下是主要的辐射噪声，它们取决于频率、航速和深度。同舰船辐射噪声一样，机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声也是舰船自噪声的三种主要声源。虽然自噪声与辐射噪声的基本成因是相同的，但是辐射噪声属于远场噪声，自噪声属于近场噪声，并且自噪声和舰船辐射噪声在传播路径和对声呐设备工作影响等方面均不同。因此，这三种源在自噪声中所起的作用也不同于各自在辐射噪声中的作用。舰船的自噪声与船的航速有着密切的关系，不同的航速范围，其主要噪声源也将不同。此外，由于自噪声源在舰船上安装位置的原因和自噪声本声的近场特性，形成了自噪声具有明显指向性的一种重要特性。

在噪声影响条件下，接收信号的幅度会产生变化，这直接导致接收机判决错误概率的提高，即产生误码，因此在自适应均衡技术的研究中，算法性能的抗噪声能力，即低信噪比条件下的信号检测问题，也是必须考虑的内容。尤其是近年来的研究表明，海洋环境噪声经常呈现脉冲噪声特征，研究具有抑制脉冲噪声能力的盲均衡算法也是盲均衡技术研究的一项重要内容。

1.2.5 水声信道模型

由于进行海上外场试验的复杂性和成本巨大，水声信道仿真成为水声通信系统设计和水声信道研究的重要手段和辅助分析工具。到目前为止，射线模型由于数学形式简单、物理意义清晰而被广泛采用[10]。射线声学理论是严格的波动理论的一种近似，它给出了一定条件下波动方程的近似解。在声线理论下，对声场的描述是通过声线进行的。由声源辐射的声能量沿声线向四周传播，其中部分声线按一定路径传播而到达接收点，这些声线称为本征声线，接收点处的声场是所有这些本征声线叠加的结果。对应于声射线模型，水声信道可以用抽头延迟线模型来简化表示，如图1-3所示。

其中，s(t)为通过信道的等效低通发射信号，令S(f)为其频率表示，如果S(f)的带宽W远远小于信道的相干带宽Bcoh，即W≤Bcoh，则S(f)的所有频率分量在通过信道传输时，经历的能量吸收和相移是相同的，此时称信道为平坦信道（非频率选择性衰落信道）。平坦信道对信号仅产生时变乘积效应，由于W≤Bcoh=1/Tm，信道的多径效应并不明显。如果发射信号s(t)的带宽W大于信道带宽Bcoh，在发射信号S(f)时，超过Bcoh的频率分量将会有不同的增益和相位延迟，此时信道具有频率选择性，特别是当W≥Bcoh时，信道响应中多径分量在经历1/W的延迟后是可分辨的，此时，可用采样定理来表示所接收信号的不同多径分量，信道响应可以表示为

相对应的时变传递函数可以表示为

其中，ci(t)是第i个多径分量的复值信道增益，N是可分辨的多径分量个数。在多径扩展为Tm，多径时间量度为1/W时，可分辨多径分量个数为

其中，表示向下取整。对于频率选择性衰落信道的抽头延迟线信道模型，随机时变抽头增益也可以表示为

其中，αi(t)表示幅度，θi(t)为对应的相位，抽头增益ci(t)一般视为宽平稳非相关随机过程。

在对常数模盲均衡仿真和分析过程中，本书中均采用射线模型，以抽头延迟线模型来构建仿真基带系统。在水声信道射线模型研究上，已经出现了大量的研究成果，例如，在考虑了海面粗糙度对声线影响的射线模型中，通过定义信号多途干扰比，分析了没有均衡器的相干系统性能。Kraken简正波模型[11][12]和基于声速曲线拟合的射线跟踪模型[13]，对浅海信道和深海信道特性进行了仿真分析，初步计算了声传播损失、本征声线参数和信道响应等参数。哈尔滨工程大学范敏毅博士等人开发了基于射线模型的水声信道仿真软件[14]，该仿真软件在上海726研究所相关项目中得到了推广应用。