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海洋噪声对水声数字通信的影响和处理方法

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:这是水声数字通信机最佳频率选择依据之一。在接收理论上,根据噪声对信号的影响,有加性干扰和非加性干扰两类。以上所述,多数情况,民用水声通信不需考虑非加性噪声的影响。

海洋噪声对水声数字通信的影响和处理方法

1.海洋噪声对水声数字通信的影响

可类比于无线电通信信道中各类噪声的影响。

1)在噪声背景检测条件下,水声通信信道中的噪声与信号叠加,组成通信接收机的输入信噪比。信号能否被正确地检测,不但与输入信号的幅度等参量有关,也决定于现场的NL。在水声通信信道特异性中,已知此类信道中TL较大,NL较高,加上发射功率的限制,水声通信机往往被迫工作于微弱信号条件下。当信噪比过小时,通信误码率就要上升,以致通信性能急剧的恶化。

2)由于水声通信信道的严格带限作用,频带宽度B一般较窄,在此频带中,可把噪声谱级的分布看作是均匀的,即使R=200bit/s,对应的B=200Hz,NL相对于NL01就有23dB的提升。水声信道中B的增加而使NL的提升是较高通信速率水声数字通信的限制原因之一。

3)水声信道中的NL,随工作频率的降低而加大,在水声数字信道的频带中,NL依每倍频程的下降有5~6dB的提高。使依靠降低工作频率以提高通信距离受到一定的限制,相反,对于近距离的水声通信,可以提高工作频率来降低NL,达到补偿,因高频引起大的声吸收而使TL的提升。这是水声数字通信机最佳频率选择依据之一。

4)舰船自噪声的影响,是高性能的水声移动通信较难实现的主要原因。对自噪声而言,NL随航速的提高而增强。因而较高航速下的输入信噪比将明显下降。或是需考虑最高航速的限制以保持接收机预期的输入信噪比,避免通信的失效,否则要缩短通信距离才能适应。

5)水声通信信道的NL具有随机时—空—频变化特性,如现场风速航运状况的变化、噪声传播条件的改变及可能出现降雨和生物噪声等间歇性的噪声。冬季声传播条件优于夏季,有的海区冬季海洋环境噪声比夏季高7dB。要像对水声信道中信号的随机时—空—频变进行预报那样,对具体通信海域的NL也要进行预报,作为水声通信机设计和具体运用的参考。

6)舰船自噪声存在的有规线状谱。可能对通信信号产生附加调制而使信号严重失真。

在接收理论上,根据噪声对信号的影响,有加性干扰和非加性干扰两类。由此可见,当水声通信的工作频段落在舰船自噪声出现有规线状谱的带宽中,就有可能使信号产生振幅、相位等参数的附加调制。非加性干扰的存在是远距离(工作频带低)水声移动通信需考虑的问题。

以上所述,多数情况,民用水声通信不需考虑非加性噪声的影响。

2.海洋噪声对水声通信影响的处理办法

水声通信信道中噪声是随机时—空—频变规率,是水声通信信号处理设计的水声物理基础之一。一般而言,无线电通信中的微弱信号的检测技术,可应用于水声通信领域中。

(1)降低NL的方法

1)设计适宜的滤波器,以滤掉接收机频带外的噪声。如使用移动水声通信,频带设计时要注意多普勒频移的影响,对定点通信,换能器摇摆和海流形成的频移一般只有几赫兹数量级,可不予考虑。(www.xing528.com)

对工作频带较宽的水声通信机,如扩频中的跳频,为避免因B的增加而使NL的过度上升,可采用跟踪滤波器以与每个跳频频码适配,可使NL明显下降。

2)设计适宜的接收换能器的指向性,可获较大的指向性指数DI。如果通信双方的方位未知,原则上水平方向应为无方向性,要求仔细地考虑垂直方向上的指向性。对于工作于深海通信状态的垂直或近于垂直向下的良好通信条件下,可使换能器指向性近于垂直向下,可有效地抑制海面风浪噪声和舰船自噪声。

3)选择最佳工作频率时,应考虑NL随工作频率的提高而下降的规律,尤其要注意在近距离通信条件下,应选择较高的工作频率,这时高频下NL的下降可能大于高频吸收引起的传输损失TL的增加。具体的选择可由通信声纳方程中运算优化

4)NL具有时—空变化特性,如条件允许,应选择有较低的NL海洋通信环境,最好能把NL的预报作为水声通信执行的参考。

提高SL、选用适配的滤波器和选择最佳工作频率对抗海洋噪声是有效的。从这意义上说,海洋噪声背景下信号的检测只涉及通信距离远与近的问题,而无多途背景下存在通信有效或失效的问题。

(2)噪声背景下微弱信号的相关检测

1)空间相关检测:

在水声通信中采用空间相关检测,将有好的抗噪效果。在空间相关检测中,使用彼此分离一定间隔的两个及以上接收换能器,较复杂、民用中难实现。但在定点通信中,对水声网络、海洋要素自动观测站等的水声数据通信系统,采用多个水听器组成空间相关检测阵列,将大大提高水声数据通信的性能。

2)时间相关检测:

在噪声统计规律中,已知噪声时间相关性,与空间相关性相同,是很弱的,无论是噪声瞬时值或包络的相关半径均在1ms以下;相反,水声通信信道中信号振幅起伏的时间相关性,虽因具体海洋通信环境的不同而有较大的差异,但其相关半径均在秒的量级以上。

当声信号由起伏的海面反射时,将产生相关损失。当“瑞利”参数较小时,信号振幅起伏时间相关半径与波浪起伏的相关半径基本一致,也是秒的数量级。因而,即使接收到的信号是由海面形成的多途转化来的,其相关性也较噪声强得多。

可见,采用时间相关接收法,以抗水声通信信道的噪声是有效的,原则上,可采用时间相关或互相关检测方案。时间相关检测有更好的信道适应性,更适合于随机时—空变化的信道中。互相关检测虽对信道适应性差些,但却有更强的抗噪声性能。在线性时不变的信道中,对于白噪声背景下确知信号的检测,互相关器等价于匹配滤波器,是输出信噪比最大准则下的最佳检测器。

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