Page 197 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 魏博文等： 面向通导一体化的声梳信号水声通信方案 193

图 1 为声梳信号的示意图，信号在时域表现为 对应可采用具有 N 位模态的声梳，如果第 n 位数据
周期性的窄脉冲，在频域表现为等间隔频率线，类似 为 1，则声梳的第 n 位模态存在，否则不存在。最后
梳齿。根据声梳信号的数学表达式(1)，信号的参数 选定声梳信号的偏移频率和间隔频率，通过二进制
如偏移频率、间隔频率均可灵活调整，以生成所需 数据与声梳的声学模态相映射的方式，实现信号的
要的各种声梳 [6−8] 。 调制。发射信息经过编码表示为B n ，调制后的声梳
信号表示为
20
N
∑
ࣨϙ 0 s(t) = B n A n sin(2π(B n f n )t + φ 0 ). (2)
n=0
-20 声梳信号在经过水声多径信道传输后的接收
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
௑ᫎ/s 信号为
(a) ܦ೛ηՂ௑۫ฉॎ
L N
∑ ∑ [
r(t) = B n A n sin 2π(B n f n )(t − τ l )
1.0 l=0 A l n=0
ॆʷӑࣨϙ 0.5 + φ 0 + n(t), (3)
]
0 式(3)中：L表示多径的数目，A l 表示多径信号幅值，
5000 5020 5040 5060 5080 5100
ᮠဋ/Hz τ l 表示多径时延拓展，n(t)则表示水声信道噪声。
(b) ܦ೛ηՂᮠ۫ฉॎ
对接收的声梳信号进行解调时，首先对信号进
图 1 声梳信号 行滤波以减少噪声干扰，接着将信号进行快速傅里
Fig. 1 Acoustic frequency comb signal 叶变换 (Fast Fourier transform, FFT) 后得到信号
的幅频数据；随后根据发射信号的偏移频率和间隔
1.2 声梳信号调制与解调原理 频率定位到所有可能存在的声学模式的频率点和
因为声梳信号是由一系列相干的正弦信号组 相对应的幅值；接着将幅值数据划分成若干个部分，
成，如果去除某个频率的正弦信号，那么与之对应的 对每个部分单独进行阈值比较判断。阈值设定为每
频率梳齿就不再存在，因此可以用声梳梳齿的有无 个部分所包含的幅值数据的期望再乘以一个调整
来表示二进制数1 和0。对信号进行编码时，首先将 系数，调整系数可根据信号存在的频率衰减进行调
通信信息转换为二进制数据，再对转换后的数据进 节。当幅值超过阈值则判定存在该声学模式，表示
行卷积编码，得到编码后的二进制数据流。考虑在 二进制数 1，相反为 0。最后合并阈值比较后得到的
实际通信过程中存在诸多干扰，会影响解调时对单 二进制信息，根据扩充位数还原数据流并解卷积，再
个梳齿存在与否的判断，因此可以用连续多个梳齿 转换得到接收信息。
表示一个二进制数据，实现数据扩充，增加冗余以减 据声梳信号调制与解调原理得到的通信系统
少误判。当扩充后的数据流包括 N 位二进制数时， 如图2所示。

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图 2 声梳信号通信系统
Fig. 2 Communication system of acoustic frequency combs signal