Способ высокоскоростной передачи и приема информации в гидроакустическом многолучевом канале связи Российский патент 2023 года по МПК H04B7/02 H04L17/02 

Изобретение относится к области передачи дискретной информации и предназначено для кодирования/декодирования приема и передачи информации в водной среде глубокого и мелкого моря.

Основные проблемы, возникающие при передачи сигналов информационных сообщений в гидроакустической среде связаны с частотным затуханием сигнала, искажением спектра, эффектами многолучевого искажения формы сигнала и рассеяния его энергии и межсимвольной интерференции.

Эффекты частотного затухания с расстоянием приводят к уменьшению отношения сигнал - шум, эффекты же многолучевого распространения могут ухудшать и сделать невозможной расшифровку телеграмм даже и при больших отношениях сигнал-шум.

Для решения этой проблемы необходимо уметь оценивать фактическую лучевую структуру сигнала - оценивать импульсную характеристику канала. Результирующий сигнал на приемном входе модема получается из исходного сверткой с импульсной характеристикой канала и искажением спектра пространственно-частотным затуханием сигнала в воде.

При известной форме импульсной характеристики канала возможно безошибочно восстановить переданное сообщение.

На текущий момент практически все способы оценки импульсной характеристики канала основаны на излучении наряду с информационными символами или сигналами также испытательных (или тестовых) сигналов, по которым и осуществляется восстановление формы импульсной характеристики канала. Такой принцип получил название «система с испытательным импульсом и предсказанием» (или СИИП) (см. например, [1], р.3.1). Этот же принцип используется и в [2] - [5].

Все указанные способы декодирования сообщений содержат функции оценивания импульсной характеристики канала. Варианты реализации таких алгоритмов приведены в [6, 7].

Недостатком известных аналогов является неэффективное оценивание импульсной характеристики канала по серии (последовательности) испытательных импульсов. Оценивание импульсной характеристики канала по серии испытательных импульсов может производиться при передачи этих импульсов в промежутках между информационными импульсами (см., [1], рис. 3.1. на с. 108, [8], рис. 3.4 на с. 123 и [9], раздел 15.7.1, с. 1013), либо одновременно с информационными импульсами. В первом случае точность оценивания импульсной характеристики канала невысока в связи с малостью энергии последовательности испытательных импульсов, так как они передаются кратковременно, а основная часть времени занята передачей информационных импульсов, что делает невозможным учесть изменение импульсной характеристики канала во время передачи телеграммы и в итоге может привести к неработоспособности схемы при переменной во времени импульсной характеристики канала. Во втором случае при передаче всех импульсов в одной полосе частот испытательные импульсы будут представлять собой структурную помеху для информационных импульсов. Кроме того, фиксация диапазона частот, в котором передаются информационные импульсы, приводит к низкому качеству оценивания импульсной характеристики канала из-за эффекта межсимвольной интерференции, искажающей форму последовательности этих импульсов. В литературе предлагается решение, применение которого позволяет решить эту проблему с помощью «расширения спектра методом скачкообразной перестройки частоты» (см. [9], с. 998), однако ни одно из известных устройств оценивания импульсной характеристики канала при смене частотного диапазона при передаче каждого испытательного импульса не может выполнять свою функцию и производить устойчивую накопленную оценку импульсной характеристики канала.

Известные на сегодняшний день способы приема/декодирования сигналов связи работают с усеченной дискретной оценкой импульсной характеристики канала по отдельным лучам (по корреляционной ф-ии) и не используют ее как полную непрерывную функцию (не ограничивающуюся только лучами) и не используют ее очищенную дискретную оценку.

Это и есть недостаток аналогов, являющийся причиной низкого качества оценивания импульсной характеристики канала, и как следствие недостаточного качества связи или же его ограничения по расстоянию.

В качестве прототипа рассматривается способ для оценивания импульсной характеристики многолучевого канала связи, описанный в [9], рис. 15.24 на с. 1014. Блок схема прототипа приведена на рисунке 1. Алгоритм прототипа содержит соединенные последовательно блок извлечения настроечной последовательности, согласованный фильтр (СФ) и блок отсекающей функции. Фактически первый и третий из перечисленных компонент блок-схемы прототипа обязательными не являются. Так, блок извлечения является излишним, если имеется возможность разделения испытательных и информационных импульсов, например, по полосе частот (при их предполагаемой в заявляемом способе передаче именно в различных полосах частот), а блок отсекающей функции может быть исключен при соответствующей синхронизации работы всех компонент приемного устройства. Таким образом, прототип содержит согласованный с испытательным импульсом фильтр. При этом прототип на получение устойчивой накопленной импульсной характеристики канала по серии испытательных импульсов (тем более, при смене частотного диапазона при передаче каждого испытательного импульса) не рассчитан -нет блока накопления импульсной характеристики. Таким образом, недостаток прототипа - низкая точность оценивания импульсной характеристики канала.

Принцип действия прототипа состоит в следующем. Согласно определению, импульсная реакция линейной цепи (в данном случае - многолучевого канала) Н0(τ) - есть реакция этой цепи на δ - функцию (далее называем эту реакцию «импульсной характеристики канала в бесконечной полосе частот»).

В связи с тем, что передаваемые сигналы всегда характеризуются ограниченной шириной полосы частот, актуально рассмотрение дискретной модели многолучевого канала. Очевидно, что форма принимаемого сигнала не изменится, если последовательно, эквивалентным многолучевому каналу с импульсной характеристики канала H (τ) включить полосовой фильтр с прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой, пропускающий частоты в полосе сигнала, т.е. в диапазоне. Такая амплитудно-частотная характеристика совпадает со спектрами передаваемых сигналов (в том случае, если они являются широкополосными). Импульсная реакция полученной таким образом цепи (т.е. импульсной характеристики канала в рабочей полосе частот h(τ) - есть свертка импульсной характеристики канала во всей полосе частот Н(τ) с импульсной реакцией указанного полосового фильтра или, что фактически то же самое, как свертка импульсной характеристики канала с автокорреляционной функцией передаваемого сигнала.

Форма принимаемого испытательного импульса z(n) вычисляется как свертка переданного испытательного импульса (например, импульс S(n)) с импульсной реакцией канала распространения Н (n) (см. [9], ф-ла 15.52 на с. 1014)

где ⊗ - значок операции свертки; n - аргумент дискретного времени, означающий, что отсчет соответствующего сигнала взят в момент времени t_n=n/ƒ_д, где ƒ_д - частота дискретизации.

Тогда отклик у(n) СФ на сигнал (1) имеет вид (этот отклик есть свертка входного воздействия с импульсной реакцией этого фильтра, а последняя -есть сигнал, с которым согласован этот фильтр, «прочитанный» в обратном времени, т.е. сигнал вида S(M-n), М=ƒ_д⋅τ, τ - длительность импульса, ƒ_д - частота дискретизации)

где АКФ(n') - автокорреляционная функция сигнала S(n), n' - временной аргумент АКФ; соотношение (2) получено при подстановке в него z(n) из соотношения (1) и с учетом того, что по определению у(n) - есть оценка импульсной характеристики канала в полосе частот испытательного импульса S(n).

Таким образом, при реализуемой в прототипе согласованной фильтрации принимаемого сигнала формируется отклик, который с точностью до реализации аддитивного шума совпадает со сверткой функции Н(τ) с автокорреляционной функцией испытательного импульса; данный отклик - есть (по определению) оценка импульсной характеристики канала. Далее, если это не оговаривается особо, под импульсной характеристикой канала понимается импульсная характеристика канала в полосе частот соответствующего этой оценки импульса. При отсутствии блока пересчета оценки импульсной характеристики к одному диапазону частот это приводит к невозможности ее накопления.

В итоге прототип обладает следующими недостатками по точности оценки импульсной характеристики канала: оценка ведется только по опорным, испытательным, импульсам и не производится на информационных импульсах, не используется накопление и уточнение оценки импульсной характеристики из-за отсутствия блоков трансформации оценки по частотному диапазону, не используется очищенная дискретная оценка и полная непрерывная оценка, включающая в себя произвольные искажения, а не только лучи.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в повышении скорости передачи и улучшении приема информации за счет применения частотно-временной модуляции и повышения точности оценивания импульсной характеристики в гидроакустическом многолучевом канале связи при помощи оценивания импульсной характеристики канала на каждом шаге обработки непосредственно по информационным импульсам, а также одновременного использования оценки импульсной характеристики канала как полной непрерывной произвольной функции и дискретной очищенной оценки. Реализация оценки по всем информационным импульсам позволяет не вводить структурной помехи из испытательных импульсов, производить накопление импульсной характеристики канала на любых произвольных интервалах (а также как в рабочих полосах частот отдельных импульсов, так и во всей рабочей полосе за счет блоков трансформации) и получать точную оценку меняющейся во времени импульсной характеристики канала. Для реализации оценки по информационным импульсам в начале сигнала находится один или несколько опорных (тестовых) импульсов для детектирования начала приема и начальной оценки импульсной характеристики канала. Знание начальной импульсной характеристики канала позволяет затем производить ее дальнейшую оценку с накоплением.

Указанный технический результат достигается способом высокоскоростной передачи и приема информации в гидроакустическом многолучевом канале связи, заключающимся в том, что при формировании результирующего сигнала для передачи осуществляется преобразование информации в информационные импульсы при помощи последовательно осуществляемых операций шифрования, кодирования, модуляции, предыскажения и фильтрации, при этом при формировании информационных импульсов в начале сигнала передают один или несколько опорных импульсов, а при приеме входной сигнал преобразуется в информацию последовательным применением операций формирования аналитического сигнала, осуществления операции его корреляции с опорными сигналами, согласованными с каналом передачи в заданной сетке доплеровских скоростей, полученными при помощи согласованной фильтрации, применением решающей функции и операции дешифрации, отличающийся тем, что по принятым опорным импульсам получают начальную импульсную характеристику канала, которая затем уточняется за счет оценивания ее на каждом шаге обработки непосредственно по информационным импульсам при осуществлении операций корреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания очищенной дискретной импульсной характеристики канала, и декорреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания полной непрерывной импульсной характеристики канала, с последующей их трансформацией, накоплением оценок дискретной и непрерывной импульсной характеристики канала и осуществлением согласованной фильтрации, образуя таким образом обратную связь с решающей функцией, соединенной с дешифратором.

Кроме того, указанный технический результат по заявленному способу достигается тем, что оценка очищенной дискретной и полной непрерывной импульсных характеристик канала связи по всем информационным и опорным импульсам осуществляется одновременная.

Помимо этого, указанный технический результат по заявленному способу достигается тем, что модуляция сигнала применяется в виде частотно-временная модуляция.

Кроме того, указанный технический результат по заявленному способу достигается тем, что осуществляется трансформация полученных оценок импульсной характеристики канала в одну и производится ее накопление.

Использование одновременно дискретной и непрерывной оценки импульсной характеристики канала, через корреляцию и декорреляцию соответственно, позволяет получить выигрыш и точный результат как в случае хорошего отношения сигнал-шум, так в случае малых пороговых отношений сигнал-шум, а также при любой более сложной форме импульсной характеристики канала не описывающейся только набором лучей. А также за счет использования функции предыскажения улучшающей отношение сигнал-шум и как следствие и точность оценки импульсной характеристики.

Скорость передачи увеличивается за счет одновременной модуляции сигналов как во времянной, так и в частотной области для всех импульсов в заданной сетке рабочих частот.

Блок схема заявляемого способа приведена на Рисунке 2 и Рисунке 3 на отдельных листах.

Блок-схема алгоритма тракта приема сигнала заявляемого объекта приведена на рисунке 2, где обозначены:

- 1 - функция формирования аналитического сигнала;

- 2 - опорные и информационные сигналы в доплеровских каналах;

- 3 - функция согласованной фильтрации;

- 4 - функция согласованной фильтрации;

- 5 - опорные и информационные сигналы сигналы, согласованные с каналом, в доплеровских каналах;

- 6 - корреляторы;

- 7 - решающая функция;

- 8 - корреляторы;

- 9 - декорреляторы;

- 10 - операция оценки дискретной импульсной характеристики канала;

- 11 - операция оценки непрерывной импульсной характеристики канала;

- 12 - функция трансформации оценки дискретной импульсной характеристики канала;

- 13 - функция трансформации оценки непрерывной импульсной характеристики канала;

- 14 - операция накопления оценки дискретной импульсной характеристики канала;

- 15 - операция накопления оценки непрерывной импульсной характеристики канала;

- 16 - дешифратор;

Функция формирования аналитического сигнала 1 формирует из входного сигнала аналитический сигнал через фильтр, функция 2 формирует библиотеку всех возможных информационных и опорных сигналов в сетке доплеровских каналов и сетке рабочих частот и подает их на функции согласованной фильтрации 3 и 4 с дискретной и непрерывной оценками импульсной характеристики канала соответственно, после согласованной фильтрации получается набор сигналов согласованный с каналом 5, который поступает на корреляторы 6 с аналитическим сигналом. Количество корреляторов совпадает с количеством всех возможных информационных и тестовых импульсов библиотеки сигналов канала связи, умноженному на используемое число доплеровских каналов, определяемое требуемым разрешением по частоте доплеровского смещения. В 6 формируется отклик согласованного фильтра на искаженный при распространении в многолучевом канале импульс Sm:

где AKФ_k(n') - автокорреляционная функция импульса S_k(n), АКФh(n) - автокорреляционная функция импульсной характеристики.

Выход коррелятора соединен с решающей функцией 7 которая по результатам корреляции принимает решение о коде сигнала и доплеровском канале, затем начинается линия обратной связи, в которой выход решающего устройства соединен одновременно с коррелятором 8 и декоррелятором 9, осуществляющих корреляцию и декорреляцию соответственно аналитического сигнала с выбранным решающим устройством опорным импульсом в выбранном доплеровском канале.

Т.е. на выходе коррелятора 8 формируется отклик согласованного фильтра на искаженный при распространении в многолучевом канале импульс S₁(n) определенный решающей функцией:

где АКФ₁(n') - АКФ импульса S₁(n).

8 и 9 соединены с функциями 10 и 11 оценки дискретной и непрерывной импульсной характеристики канала соответственно, а те в свою очередь соединены с функциями трансформации 12 и 13, осуществляющими приведение оценок импульсной характеристики полученной в разных частотных диапазонах к одному диапазону. Функции трансформации соединены с операциями накопления импульсной характеристики 14 и 15, в которых производится накопление и усреднение импульсных характеристик, которые затем идут на функции согласованной фильтрации 3 и 4. Выход решающей функции 7 соединен с дешифратором 16 который выдает расшифрованную информацию.

Принцип работы заявляемого способа состоит в следующем. При приходе информационных импульсов производится оценка импульсной характеристики канала непосредственно по этим импульсам, при этом оценка импульсной характеристики канала производится одновременно как произвольной непрерывной функции через декорреляцию, так и как дискретная очищенная оценка через корреляционную функцию. Функция трансформации позволяет привести все оценки импульсной характеристики канала к общему рабочему диапазону частот. Бегущее по времени накопление импульсной характеристики канала позволяет сформировать устойчивую оценку. Использование свертки оценки импульсной характеристики канала с информационными импульсами позволяет вторичному коррелятору сформировать оценки для решающего устройства.

Блок-схема алгоритма тракта формирования сигнала заявляемого объекта приведена на рисунке 3, где обозначены:

- 1 - функция шифрования;

- 2 - операция кодирования;

- 3 - функция времянной модуляция;

- 4 - функция частотной модуляция;

- 5 - функция предыскажения;

- 6 - функция фильтрации;

Вводимая информация зашифровывается в функции шифрования 1, затем кодируется в 2, и в соответствии с кодовой последовательностью производится времянная и частотная модуляция в функциях 3 и 4. В 5 выполняется функция предыскажения сигнала, компенсирующая неравномерности амплитудно-частотной характеристики передающего тракта, и при необходимости пространственное частотное затухание сигнала при распространении до планируемой точки передачи по дальности, затем сигнал передается на функцию фильтрации 6 в рабочем диапазоне, выход этого блока является выходом тракта формирования.

Таким образом высокоскоростная передача информации в гидроакустическом многолучевом канале связи обеспечивается способом, заключающийся в том, что при формировании результирующего сигнала для передачи осуществляется преобразование информации в информационные импульсы при помощи последовательно осуществляемых операций шифрования, кодирования, модуляции, предыскажения и фильтрации. Положительный эффект по скорости достигается за счет использования гибридной частотно-времянной модуляции.

Улучшение приема информации в гидроакустическом многолучевом канале связи обеспечивается способом, заключающийся в том, что при формировании информационных импульсов в начале сигнала передают один или несколько опорных импульсов, а при приеме входной сигнал преобразуется в информацию последовательным применением операций формирования аналитического сигнала, осуществления операции его корреляции с опорными сигналами, согласованными с каналом передачи в заданной сетке доплеровских скоростей, полученными при помощи согласованной фильтрации, применением решающей функции и операции дешифрации. Улучшение приема информации в гидроакустическом многолучевом канале связи достигается тем, что по принятым опорным импульсам получают начальную импульсную характеристику приемного канала, которая затем уточняется за счет оценивания ее на каждом шаге обработки непосредственно по информационным импульсам при осуществлении операций корреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания очищенной дискретной импульсной характеристики канала, и декорреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания полной непрерывной импульсной характеристики канала, с последующей их трансформацией, накоплением оценок дискретной и непрерывной импульсной характеристик канала и осуществлением согласованной фильтрации, образуя таким образом обратную связь с решающей функцией, соединенной с дешифратором. Увеличение точности оценки импульсной характеристики канала достигается за счет одновременного использования очищенной дискретной и полной непрерывной оценки импульсной характеристики канала, оцениваемой через корреляционную функцию и декоррелятор и ее накопления по времени бегущим окном, при циклическом изменении частотных диапазонов. Последнее предотвращает негативное воздействие межсимвольной интерференции на точность оценивания ИРК. Использование функции предыскажения увеличивает отношение сигнал-шум и как следствие улучшает оценку импульсной характеристики. Оценка импульсной характеристики канала непосредственно по информационным импульсам позволяет оценивать переменную по времени импульсную характеристику канала, а использование двух вариантов оценок получать устойчивое декодирование как при больших так и при малых отношениях сигнал-шум, а также в случае когда импульсная характеристика канала имеет сложную структуру, не описываемую набором отдельных лучей.

Литература.

1. Кловский Д.Д,. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. М.: Связь. 1969.

2. Устройство приема дискретных сигналов в многолучевом канале связи. Пат. РФ №2048701.

3. Цифровое устройство для демодуляции дискретных сигналов в многолучевом канале связи. Пат. РФ №2267230.

4. Устройство для передачи дискретных сигналов в многолучевом канале связи. Пат. РФ №959291.

5. Устройство для демодуляции двоичных сигналов. Авт.св. СССР №794767.

6. Устройство для измерения импульсной реакции. Авт.св. СССР №1711340.

7. Устройство для оценки параметров многолучевого канала связи. Авт. св. СССР №780211.

8. Николаев Б.В.. Последовательная передача дискретных сообщений по непрерывным каналам с памятью. М.: Радио и связь, 1988.

9. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е издание, 2003.

10. Применение цифровой обработки сигналов. Под ред. Э.Оппенгейма. М.: Мир. 1980.

11. Кайлатц Т. Каналы с параметрами, изменяющимися во времени // Лекции по теории связи / Под ред. Е.Дж. Багдади. М.: Мир, 1964. С.68-122.

Изобретение относится к области передачи информации и предназначено для кодирования/декодирования приема и передачи информации в водной среде глубокого и мелкого моря. Техническим результатом является повышение скорости связи и повышение качества приема информации в гидроакустическом многолучевом канале связи. Указанный технический результат достигается тем, что по принятым опорным импульсам получают начальную импульсную характеристику канала, которая затем уточняется за счет оценивания ее на каждом шаге обработки непосредственно по информационным импульсам при осуществлении операций корреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания очищенной дискретной импульсной характеристики канала, и декорреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания полной непрерывной импульсной характеристики канала, с последующей их трансформацией, накоплением оценок дискретной и непрерывной импульсной характеристики канала и осуществлением согласованной фильтрации, образуя таким образом обратную связь с решающей функцией, соединенной с дешифратором, при этом оценка очищенной дискретной и полной непрерывной импульсных характеристик канала связи по всем информационным и опорным импульсам осуществляется одновременная, а модуляция сигнала применяется в виде частотно-временной модуляции. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ высокоскоростной передачи и приема информации в гидроакустическом многолучевом канале связи, заключающийся в том, что при формировании результирующего сигнала для передачи осуществляется преобразование информации в информационные импульсы при помощи последовательно осуществляемых операций шифрования, кодирования, модуляции, предыскажения и фильтрации, при этом при формировании информационных импульсов в начале сигнала передают один или несколько опорных импульсов, а при приеме входной сигнал преобразуется в информацию последовательным применением операций формирования аналитического сигнала, осуществления операции его корреляции с опорными сигналами, согласованными с каналом передачи в заданной сетке доплеровских скоростей, полученными при помощи согласованной фильтрации, применением решающей функции и операции дешифрации, отличающийся тем, что по принятым опорным импульсам получают начальную импульсную характеристику приемного канала, которая затем уточняется за счет оценивания ее на каждом шаге обработки непосредственно по информационным импульсам при осуществлении операций корреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания очищенной дискретной импульсной характеристики канала, и декорреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания полной непрерывной импульсной характеристики канала, с последующей их трансформацией, накоплением оценок очищенной дискретной и полной непрерывной импульсной характеристики канала и осуществлением согласованной фильтрации, образуя таким образом обратную связь с решающей функцией, соединенной с дешифратором.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в нем применяется одновременная оценка очищенной дискретной и полной непрерывной импульсных характеристик канала связи по всем информационным и опорным импульсам.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модуляция сигнала применяется в виде частотно-временной модуляции.