Способ передачи информации по гидроакустическому каналу на дальние дистанции Российский патент 2024 года по МПК H04B11/00 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для передачи цифровой информации (команд) на подводный объект, находящийся на дистанции в сотни и тысячи километров от постов управления.

Способ предназначен для работы в морских и океанических масштабах, характеризующихся специфическими помехами от многолучевого распространения звуковых лучей и реверберации, искажением сигнала вследствие влияния эффекта Доплера. Помехи от многолучевого распространения сигнала возникают из-за интерференции звуковых волн в точке приема. Если разница во временных задержках между отдельными лучами мала, то помехи проявляются в виде внутрисимвольной интерференции информационных сигналов, которая вызывает случайные колебания фазы и амплитуды несущей частоты. В некоторых случаях это может привести к снижению амплитуды сигнала ниже порога чувствительности приемника.

Известен способ передачи информации в водной среде в виде информационных волн, заключающийся в формировании параметрического излучающего элемента, передаче в окружающую водную среду волн-переносчиков с одновременной передачей информационных волн и возможностью их взаимодействия с последующим приемом сигнала, образовавшегося в результате взаимодействия волн-переносчиков и информационных волн с последующим восстановлением переданной информации (п. РФ № 2167454). Технический результат достигается тем, что в ближней зоне от источника излучения формируется параметрический излучающий элемент путем внедрения в водную среду модулирующего нелинейного возмущения водной среды или дополнительного сигнала, имеющего отличную от информационных волн физическую природу.

Основными недостатками данного технического решения являются низкая эффективность из-за низкого КПД, небольшой дальности передачи информационных волн в морской среде и ограниченность информационной емкости передаваемых сигналов из-за недостаточной эффективности процесса параметрического формирования передаваемых информационных волн в нелинейном рабочем диапазоне излучателя.

Известен способ, реализованный устройством для подводной акустической связи с повышенной помехоустойчивостью и скоростью передачи данных, защищенные заявкой WO 099/29058. В данном способе используется передача цифровой информации параллельным двоичным кодом с использованием излучающего гидрофона/ Импульсный сигнал, несущий сразу 62 бита информации, излучается в одном такте одновременно на 31 несущих частотах. Каждая частота подвергается ортогональной частотной манипуляции (OFDM), которая формирует акустическую посылку в виде четырехпозиционного фазового сдвига относительно отдельно излучаемой опорной частоты (пилот-сигнала). Использование OFDM – манипуляции позволяет на каждой из 31 несущих частот передавать 2 бита информации за один такт.

Таким образом, одна суммарная акустическая посылка передаёт 62 бита информации за каждый такт. Защита от многолучевых помех достигается за счёт введения защитного интервала между передачей каждого следующего многочастотного сигнала. Этот защитный интервал выбирается таким образом, чтобы обеспечить затухание всех предыдущих сигналов и помех, включая эхо и реверберацию. Применение защитного интервала приводит к снижению скорости передачи данных. Однако, в данном способе этот недостаток компенсируется использованием параллельного двоичного кода, позволяющего передавать 62 бита данных за каждый такт. Благодаря этому, достигается скорость передачи данных до 3200 бит/с, при длительности защитного интервала в 20 мс, что соответствует характерному времени затухания сигналов многолучевости в данной среде.

Недостатком данного способа акустической связи является отсутствие защиты от интерференционных помех, создаваемых акустическими лучами с малыми временными задержками, внутри одного такта излучения. Такая внутрисимвольная интерференция может привести к замираниям сигнала ниже порога чувствительности приемника. Кроме того, у данного способа ограничена дальность связи из-за снижения мощности излучения каждой из 31 используемых частот относительно суммарной излучаемой мощности. Также, данный метод не подходит для передачи информации на сверхдальние расстояния — сотни и тысячи километров.

Возможности увеличения суммарной мощности акустического сигнала ограничены так называемым «пик-фактором», который соответствует совпадению фаз всех частотных компонент. Более высокую производительность обеспечивают метод и устройство гидроакустической связи, описанные в патенте США № 6628724 B2. Метод передачи данных основан на передаче информационного сигнала на несущей частоте, которая линейно изменяется в заданном временном интервале и циклически повторяется. Двоичный последовательный код передается по линии связи посредством фазовой манипуляции на линейно изменяющуюся несущую частоту (PSK). Чтобы выделить фазу при детектировании сигнала, передается вторая опорная частота. На приемнике, первая линейно изменяющаяся несущая частота преобразуется в стабильную промежуточную частоту при помощи частотного конвертера, состоящего из модулятора и генератора. Для такого конвертирования частота генератора также линейно регулируется со смещением, равным фиксированной промежуточной частоте.

В дополнение к частотной синхронизации генератора в данном способе предусмотрена байтовая синхронизация последовательности кодов с помощью генераторов тактовой частоты на передающей и принимающей сторонах, которые синхронизируются по частоте и фазе с использованием специальных импульсных сигналов, передаваемых на частоте опорного канала. На принимающей стороне демодуляция информационного сигнала осуществляется фазовым детектором с автоматической системой регулировки частоты относительно опорного канала. Та же система автоматически компенсирует доплеровский сдвиг при перемещении приемника относительно передатчика.

В данном способе обеспечивается эффект защиты от многолучевых помех с большими временными задержками за счет быстрой частотной перестройки приемника и к моменту прихода запоздавшего луча, он оказывается за пределами полосы пропускания приемника. Однако этот способ и устройство его реализующее имеют ограниченную устойчивость к помехам от многолучевости с малыми задержками относительно длительности информационного сигнала. Такие помехи вызывают внутрисимвольную интерференцию, которая искажает фазу и амплитуду сигнала, что приводит к ошибкам в принимаемой информации. Это ограничивает использование этого метода в условиях мелководья. Кроме того, сигналы на заявленных высоких частотах ограничивают дальность функционирования данного способа и устройства его реализующего.

Наиболее близким техническим решением к заявленному по совокупности существенных признаков является способ передачи информации, описанный в п. США № 5124955. На передающем конце информационная последовательность преобразуется в тональные импульсы сетки частот: среднее значение частоты 80 кГц. с разбросом 2-12 кГц. Значения частот находятся в банке множества частот. Из которого выбираются 5 значений частот для передачи логической «1» и 5 значений частот для передачи логического «0». Причем, для формирования каждой последующей посылки используется отдельная сетка частот, которая определятся заранее запрограммированной матрицей, одинаковой как для приемного, так и для передающего конца. Импульсы на всех частотах складываются, фильтруются для избавления от гармоник. Усиливаются и передаются в среду. Излучаемая кодовая посылка формируется следующим образом: два нулевых стартовых бита, семь информационных бит, одного бита паритета.

Принимаемый сигнал проходит через 10 узкополосных фильтров, настроенных на первую запрограммированную сетку частот. Далее производится сравнение суммарной энергии сигналов на 5 частотах, соответствующих логической «1», с энергией сигналов на 5 частотах, соответствующих логическому «0». При преобладании подряд двух символов «0» начинается прием и декодирование информационной последовательности. Сетка частот меняется после регистрации каждого бита, согласно запрограммированной матрице. Длительность одного байта информации выбирают так, чтобы запаздывающие лучи успевали затухнуть до момента прихода лучей последующего байта на совпадающих частотах. Один байт от другого разделяются защитными временными интервалами, перекрывающими по длительности многолучевость и реверберацию, чем и обеспечивается защита от помех. После передачи одного байта сетка частот переключается на изначальное значение.

Преимущество прототипа перед известными аналогами заключается в более высокой помехоустойчивости от многолучевости как с малыми, так и с большими временными задержками между отдельными лучами. От помех многолучевости с малыми временными задержками, вызывающих внутрисимвольную интерференцию, защита от замираний достигается пятикратным дублированием частот в одном символе, соответственно количеству частот в подгруппе. Вероятность одновременного замирания сигнала на всех пяти частотах исчезающе мала, поэтому надежность приема после суммирования амплитуды пяти сигналов резко повышается. Защита от помех многолучевости с большими временными задержками лучей обеспечивается сменой всех частот от бита к биту. К моменту прихода лучей с большой задержкой фильтры приемника оказываются переключенными на последующую группу частот, поэтому сигналы от предшествующего бита оказываются вне полосы приема. В практической реализации системы подводной связи согласно прототипу банк передатчика содержит 100 фиксированных частот, из которых коммутатор отбирает в определенном порядке по 10 частот, используемых для передачи очередного бита данных. Шаг сетки частот в банке составляет 120 Гц при центральной несущей частоте 80 кГц и общей ширине полосы 12 кГц. Согласно ширине полосы приемных фильтров ΔF=120 Гц длительность одного бита информации составляет 1/ΔF и равняется 8,3 мс. При указанных параметрах системы получается относительно низкая скорость передачи данных около 120 бит/с, что не удовлетворяет современным требованиям даже для относительно небольших дистанций. Система связи согласно прототипу имеет существенный недостаток, заключающийся в малой дистанционности канала связи, что обусловлено снижением мощности каждой частотной составляющей сигнала при одновременном излучении пяти частот и ограниченной суммарной мощности, вследствие увеличивающегося пик-фактора, при сложении каждой последующей частоты.

Таким образом, стоит проблема увеличения дистанционности канала связи, которая решается предложенным способом передачи данных по гидроакустическому каналу, обеспечивающим повышение помехоустойчивости подводного канала связи к многолучевым помехам как с малыми, так и с большими временными задержками отдельных акустических лучей и многократно повышенной дистанционности линии связи.

Заявляемый способ передачи данных по гидроакустическому каналу, включает формирование сигнального фрейма, путем преобразования исходных данных в бинарный вид, разбиения его на тетрады бит, с присвоением каждой из шестнадцати возможных тетрад тонального импульса длиной не менее 1 секунды и частотой выбранной из сетки частот, заранее запрограммированной как на передающем, так и на принимающем конце и включающей 16 дискретных частот отстоящих друг от друга не менее чем на 2 Гц в полосе до 500 Гц. Путем соединения тональных импульсов без защитных интервалов в порядке следования тетрад, формируют информационное сообщение фиксированной длительности, при этом перед информационным сообщением добавляют широкополосный псевдослучайный сигнал типа М-последовательности с центральной частотой, соответствующей среднему значению частоты в запрограммированной сетке частот. Между концом сигнала типа М-последовательности, например, сигнала с несущей частотой 400 Гц, длиной 1023 символа, 4 периода несущей частоты на символ (один из возможных вариантов сигналов типа М-последовательности), и началом информационного сообщения формируют защитный интервал, превышающий время затягивание сигнала при распространении на дальних дистанциях в условиях конкретной акватории (Акустический журнал, 1994, том 40, № 6, с. 930 – 934). Полученный сигнальный фрейм фильтруют в полосе, соответствующей самой низкой и самой высокой частоте фрейма, и излучают в среду. На приемном конце сигнал регистрируют методом корреляционной обработки, определяют сдвиг по частоте и время максимума импульсного отклика канала, от которого определяют время начала информационного сообщения, выделяют часть зарегистрированного сигнального фрейма, равную длительности информационного сообщения, которую разбивают на фрагменты, равные длительности одного, соответствующего каждой тетраде импульса, затем все фрагменты обрабатывают алгоритмом Герцеля по набору присвоенных тетрадам частот, определяют доминирующую частоту в каждом фрагменте, которую интерпретируют как соответствующую ей тетраду, из набора которых восстанавливают информационное сообщение, длительность которого известна и запрограммирована ранее как на передающей, так и на приемной стороне

Предлагаемый способ передачи информации по гидроакустическому каналу обеспечивает помехоустойчивость к интерференции акустических лучей с большими временными задержками, которые вызывают межсимвольную интерференцию. Это достигается за счет добавление в сигнальный фрейм перед информационным сообщением сигнала типа М-последовательности с центральной частотой, соответствующей среднему значению частоты в запрограммированной сетке частот, которая подвергается корреляционной обработке на приемном конце с целью получения импульсного отклика канала, по максимуму которого происходит определение времени начала информационного сообщения и достигается точность разбиения части сигнального фрейма, соответствующую информационному сообщению, на фрагменты подвергающиеся обработке алгоритмом Герцеля для выделения доминирующей частоты во фрагментах и дальнейшего восстановления исходных данных.

В отличие от прототипа достигается также новое качество устойчивости к внутрисимвольной интерференции лучей с малыми временными задержками. Как отмечалось, внутрисимвольная интерференция в пределах одного бита данных характеризуется замираниями амплитуды вплоть до снижения ниже порога чувствительности. Устойчивость к замираниям амплитуды в рассматриваемой способе достигается за счет большой длительности тонального сигнала, присвоенного каждой тетраде, (более 1 с), равной или превосходящей длительность импульсного отклика канала, полученного при корреляционной обработке излучаемого перед информационным сообщением сигнала типа М-последовательности. Более того, большая длительность импульса увеличивает чувствительность алгоритма Герцеля, повышая помехоустойчивость метода.

За счет совокупности признаков, а именно: применением низких частот, до 500 Гц, которые слабо затухают в водной среде и могут распространяться на сотни и тысячи километров; добавлением перед информационным сообщением сигнала типа М-последовательности, корреляционная обработка которого на приемном конце позволяет нивелировать помехи, созданные эффектом Доплера, реверберацией и многолучевостью, а также определить начало информационного сообщения и обеспечить точность его разбиения на фрагменты; применения длинных импульсов, длиной более 1с, что увеличивает чувствительность алгоритма Герцеля; повышение мощности сигнала на единственной несущей частоте в момент излучения при сохранении пиковой мощности передатчика позволяет многократно увеличить дальность функционирования подводной связи.

Способ реализуется следующим образом.

На фиг. 1 приведена блок схема алгоритма преобразования исходных данных в излучаемый гидроакустический сигнальный фрейм.

На фиг. 2 приведена блок-схема обработки зарегистрированного сигнала и восстановления исходных данных и уравнение корреляции с ортогональной последовательностью и сигналами, сдвинутыми по частоте.

На Фиг.3 - Результаты экспериментального тестирования способа передачи информации по гидроакустическому каналу на дальние дистанции: а) Схема эксперимента; б) Результаты приема излученного сообщения «0101 0000 0100 1111 0100 1001 0101 0000 0100 1111 0101 1001» 48 бит информации, со скоростью 4 бит/с.

Исходные данные преобразуется в бинарную последовательность. Каждые восемь бит (1 информационный байт) последовательности делятся на 2 тетрады. Всего возможно составить 16 комбинаций тетрад. Каждой из шестнадцати возможных тетрад присевается тональный импульс длиной не менее 1 секунды и частотой, выбранной из сетки частот, заранее запрограммированной как на передающем, так и на принимающем конце и включающей 16 дискретных частот отстоящих друг от друга не менее чем на 2 Гц в полосе до 500 Гц. Формируют информационное сообщение путем соединения тональных импульсов без защитных интервалов в порядке следования тетрад. Перед информационным сообщением формируют широкополосный псевдослучайный сигнал типа М-последовательности с центральной частотой, соответствующей среднему значению частоты в запрограммированной сетке частот. Между концом сигнала типа М-последовательности и началом информационного сообщения формируют защитный интервал, превышающий затягивание сигнала при распространении на дальних дистанциях в условиях конкретной акватории (например, для Японского моря экспериментально определено это время более 1 секунды, для Охотского более 2 секунд). Полученный сигнальный фрейм фильтруют в полосе, соответствующей самой низкой и самой высокой частоте фрейма и далее сигнал используют для излучения в среду.

Принятый сигнал проходит серию операций сверток с репликой, излученной М-последовательности (импульсный отклик) сдвинутой по несущей частоте в диапазоне возможного ухода вследствие влияния эффекта Доплера. Дополнительно свертка производится с ортогональной последовательностью (уровень корреляционного шума). При превышении отношения максимумов уровней импульсного отклика и корреляционного шума значения не менее 1.5 на промежутке не менее длительности импульсного отклика, зафиксированного на конкретной акватории, сигнал считают зарегистрированным. Определяется сдвиг центральной частоты и максимум импульсного отклика, от которого отсчитывается временной интервал равный сумме длительностей М-последовательности и защитного интервала. После выделяется часть зарегистрированного сигнала равная запрограммированной длительности информационного сообщения, проходит полосовую фильтрацию и разбивается на фрагменты равные длительности одного тонального импульса. Каждый фрагмент проходит обработку алгоритмом Герцеля для сетки запрограммированных частот, сдвинутых на вычисленное ранее методом корреляционной обработки значение, для выделения доминирующей на данном интервале. Вычисленной в каждом фрагменте доминирующей частоте сопоставляется соответствующая ей тетрада, после чего происходит восстановление исходных данных.

Способ был экспериментально апробирован в августе 2022 года в ходе экспедиции ТОИ ДВО РАН в Японское море на НИС «Профессор Гагаринский» (рейс № 81) и яхте «Светлана». НИС «Профессор Гагаринский» становился на якорь вблизи порта Чехов (о. Сахалин, Фиг. 3а). С борта судна свешивался гидроакустический излучатель и погружался на глубину 40 м (1 метр над дном). Каждые 6 минут излучался набор сигналов, в том числе и сигнальный фрейм согласно заявляемому способу. Сетка частот выбиралась в диапазоне 380 – 425 Гц, с интервалом 2 Гц между соседними значениями. Перед информационным сообщением излучался сложный фазоманипулированный сигнал типа М-последовательности с несущей частотой 400 Гц, длиной 1023 символа, 4 периода несущей частоты на символ. Информационное сообщение содержало 48 бит и представляло собой 6 ASCII символов “POIPOI” (английская аббревиатура ТОИ ДВО РАН). Сигналы регистрировались гидрофоном дрейфующего радиогидроакустического буя в районе банки Кито-Ямато (Японское море) и по радиоканалу передавались на борт сопровождающей яхты «Светлана», где сохранялись на жесткий диск для дальнейшей обработки. Всего за эксперимент было передано более 160 посылок или более 7600 бит информации (Фиг. 3б). Все зарегистрированные посылки были успешно декодированы.

Изобретение относится к гидроакустике и может использоваться в системах подводной цифровой связи дальнего радиуса действия в условиях высокого уровня помех от многолучевости, при сильном искажении сигнала вследствие влияния эффекта Доплера. Техническим результатом является увеличение дистанционности канала связи, повышение помехоустойчивости подводного канала связи к многолучевым помехам как с малыми, так и с большими временными задержками отдельных акустических лучей. Искажение сигнала из-за реверберации и эффекта Доплера нивелируется путем введения алгоритма генерации исходящего сигнала, включающего добавление к информационной посылке сложного фазоманипулированного сигнала типа М-последовательности, и обработки принятого сигнала, включающей корреляционную обработку фазоманипулированного сигнала, с целью выделения отдельных приходов акустической энергии, с применением алгоритма Герцеля для декодирования информационного сообщения. 3 ил.

Способ передачи данных по гидроакустическому каналу, включающий формирование сигнального фрейма путем преобразования исходных данных в бинарный вид, разбиение их на тетрады бит с присвоением каждой из шестнадцати возможных тетрад тонального импульса длиной не менее 1 секунды и частотой, выбранной из сетки частот, заранее запрограммированной как на передающем, так и на принимающем конце и включающей 16 дискретных частот, отстоящих друг от друга не менее чем на 2 Гц в полосе до 500 Гц, формирование информационного сообщения с фиксированной длительностью путем соединения тональных импульсов в порядке следования тетрад, при этом перед информационным сообщением добавляют широкополосный псевдослучайный сигнал типа М-последовательности с центральной частотой, соответствующей среднему значению частоты в запрограммированной сетке частот, а между концом сигнала типа М-последовательности и началом информационного сообщения формируют защитный интервал, превышающий время затягивания сигнала при распространении на дальних дистанциях в условиях конкретной акватории, полученный сигнальный фрейм фильтруют в полосе, соответствующей самой низкой и самой высокой частоте фрейма, и излучают в среду, на приемном конце сигнал регистрируют методом корреляционной обработки, определяют сдвиг по частоте и время максимума импульсного отклика канала, от которого определяют время начала информационного сообщения, выделяют часть зарегистрированного сигнального фрейма, равную длительности информационного сообщения, которую разбивают на фрагменты, равные длительности одного соответствующего каждой тетраде импульса, затем все фрагменты обрабатывают алгоритмом Герцеля по набору присвоенных тетрадам частот, определяют доминирующую частоту в каждом фрагменте, которую интерпретируют как соответствующую ей тетраду, из набора которых восстанавливают информационное сообщение.