如何利用通信声纳方程进行水声数字通信声纳的性能预估

以扩频中的跳频（FH-SS）体制为基础的水声调制器，要求有中等通信距离（r=15km）和中等通信速率（R=600bit/s）。此通信机要能适配于绝大多数海区的多途结构，并可推广于多媒体（语音、文本、图像和数据）水声通信，组成兼容式的通信声纳，可广泛用于民用水声通信。

如同主动声纳在混响背景下检测，提高发射功率W_a和采用通常的滤波器方案。

对于r=15km的水声通信，可采用较高的工作频段。初步选定中心频率为15kHz。此频率下的多途幅度衰减较快，总时延较短。大多数海区对信号检测有影响的多途总时延小于50ms。如采用自适应抗多途频码压缩方案以适应此时延值，所需的频点在10个以下，并使整机工作于噪声背景下。

图3-8 主动声纳参数的回声测距示意图

要求的通信速率R=600bit/s，如采用FFT鉴频，频率分辨率是600Hz，采用CZT鉴频，可使频率分辨率提高2/5。这样，跳频图案的频隙为360Hz，整机的频带宽度为3.2kHz，适合距离r=15km的通信条件。为避免宽频带带来的高NL，接收机采用跟踪滤波方案。这样，计算NL的频带B=360Hz。如要求在6级海况下仍能正常工作，海洋环境噪声谱级NL₀₁≈45dB。对于定点通信或慢航速条件下，15kHz的舰船自噪声可略去不计，取NL₀₁=55dB。在通信双方的方位未知场合情况下，水平方向取无方向，垂直方向的指向性不宜过于尖锐，取DI_T=DI=0dB。对于采用弱信息检测的改进型FH—SS体制，取（DT）_i=10dB，应能使调制机获得误码率P_e=3×10^-2的信息重建，这时的P_e适用于小数据压缩比（8以下）的图像及无需数据压缩的图像文本（二灰度级图像）通信。对于要求3×10^-4的语音通信，可采取编码率2∶1（或3∶1）成熟的卷积码，这时有效的通信速率R_e=300bit/s基本适合语音通信要求。如要求P_e=10^-5的数据传输场合，采用编码率为3∶1的Turbo码方案，对应的R_e=200bit/s。

经上述设计后，算出通信声纳各参量，最终由背景噪声下的通信声纳方程进行发射功率的预估

SL=（DT）_i+TL+NL （3-21）

式中，TL=20lgr+βr=106dB（15kHz的β≈1.5dB/km）；(www.xing528.com)

NL=NL₀₁+10lgB-DI=81dB。

因此，SL≈197dB，即发射声功率W_a=350W。以70%的电—声效率计，要求发射电功率为500W。对于舰载通信声纳，此功耗能承担。

上述是依FH-SS体制的水声通信机进行性能估算。如采用新型体制，可用低的工作频段，用自适应Rake处理器对多阶多途进行取样和适宜合并，可能获得5～10dB的分集处理增益，这等效于允许（DT）_i降低相应的分贝数。两者的结合可使通信距离成倍地增加。

水声通信机上限频率取8kHz，β≈0.55dB/km，在此频率下的NL₀₁较15kHz提高5dB，由于取DI=DI_T=0dB，则不必考虑频率降低对指向性的影响，在r大于15km的条件下，所接收到的信号均为多途转化来的，认为自适应Rake接收时路径分集获得单个多途对应的信噪比的一倍，即有6dB时附加时间处理增益，等效于（DT）i由10dB降至4dB。因此

TL=SL-（DT）_i-NL=107dB （3-22）

估算得出r≈30km。

上述r的估算是假定TL_g依球面扩展而得的，可作为基准的数据。