Page 199 - 《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 195

特征明显，在最大幅值点处能够获取准确的时间偏 于 0 dB 时，误比特率达到了 10 −4 量级，在 SNR 为
移结果。图5(b)是各参数相同的未编码和编码声梳 10 dB时，误比特率降至10 −5 量级。
时延估计误差仿真结果，两个信号的误差曲线近似
10 0
重合，在超过−18 dB SNR后的误差小于1 µs，这表 10 Hz
13 Hz
明编码声梳可以获得和原声梳相同可靠的时延估 10 -1 15 Hz
计结果。 17 Hz
20 Hz
10 -2
ឨᆊဋ
4
10 -3
2
10 -4
ࣨϙ/T10 7 0 10 -5 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

-2 η٪උ/dB
图 6 仿真通信误比特率结果
Fig. 6 Bit error rate results of simulated commu-
-4
-1.0 -0.5 0 0.5 1.0 nication
௑ᫎ/s
(a) ᎄᆊܦ೛ηՂӜᦡ໚ฉፇ౧ 3 声梳信号水声通信海试实验结果与分析

10 0
ళᎄᆊܦ೛ 为验证声梳信号的在实际水声信道中的通信
ᎄᆊܦ೛
性能，本文于 2024 年 1 月 9 日在厦门五缘湾海域开
展了海试实验。图 7 为该海域地图和实验时的声速
௑णͥᝠឨࣀ/s 分布图。实验选取的海域平均水深约为 7 m，信号
-3
10
发射水声换能器和接收水听器的布放深度均约为
-6
10
2 m，发射换能器带宽为 5∼15 kHz，共采用了 8 个
水听器接收信号，发射端和接收端的直线距离约为
650 m。
10 -9
-30 -26 -22 -18 -14 -10
实验使用了与仿真相同的偏移频率为 5 kHz，
η٪උ/dB
(b) ௑णͥᝠឨࣀ͌ᄾፇ౧ 间隔频率分别为10 Hz、13 Hz、15 Hz、17 Hz、20 Hz
的五种声梳信号。考虑到面向通导一体化应用背景
图 5 声梳信号的匹配滤波与时延估计
声梳信号需要保证时延测量和定位的高精度，同时
Fig. 5 Matched filtering and time delay estima-
具备可靠的信息传输能力，对通信速率的要求不高，
tion of acoustic frequency comb signal
因此为了不破坏声梳信号相关性，影响时延估计性
2.2 声梳信号水声通信仿真 能，本文水声通信实验中通信速率设置为40 bit/s。
接着为了研究编码声梳的通信性能，使用 5 种 图8 为实验中接收到的两个偏移频率为5 kHz、
偏移频率均为 5 kHz、间隔频率不同的声梳参数，对 间隔频率分别为 10 Hz 和 20 Hz 的声梳信号的时频
随机信息进行编码调制，生成编码声梳作为发射信 图、匹配滤波结果以及对应的信道冲激响应。由时
号进仿真通信。仿真信道由多个实测得到的厦门五 频图和信道冲激响应分析发现信号在经过了试验
缘湾海域信道叠加带限白噪声生成，所有仿真接收 海域浅海信道的传输后，受多径效应的影响发生了
信号解调时所采用的调整系数相同。声梳信号仿真 频率选择性衰减，在低频段，信号的衰减最严重。但
通信的误比特率结果如图 6 所示，其中间隔频率为 声梳信号的匹配滤波结果仍然保持了明显特征，其
10 Hz 的声梳性能最好，在 SNR 大于 1 dB 之后实 在最大幅值处表示的时间偏移量即时延估计与信
现了零误码；间隔频率为 13 Hz 的声梳则在 SNR 超 号在时域的偏移量相同，这表明编码声梳信号在海
过 7 dB 时实现零误码。其余的编码声梳在 SNR 大 试条件下保持了精确的时延估计性能。