CN1998167A - 坚固的水下通信系统 - Google Patents

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Abstract

一种坚固的水下通信系统，用于声音信号发射机和位于远程的声音信号接收机之间的通信，其中由多个符号承载发送的数据，每个符号具有两个成分，一个成分包括区别比特码，另一个成分属于作为一个整体符号的字符，其中通过预定的持续重复不同步长的序列来步进连续符号的字符，在该序列中每个步长出现一次，该信号接收机与信号发射机同步地操作并且包括响应于比特码和接收信号的字符的相关器装置，用于进行解调并具有多个输出，每个符号一个输出，从而当接收到符号时，其对应的输出的信号居支配地位，以及响应于相关器装置的输出的幅度检测装置，用于提供对应于该发送的数据的输出信号。

Description

坚固的水下通信系统
本发明涉及一种水下通信系统，尤其是但不是排他的，涉及坚固的水下通信系统，便于在水中或水下进行定位和/或导航。典型地这种系统用于近海石油和天然气工业定位各种物体，例如表面上的工作船、在水柱(watercolumn)或在海底的运载工具或结构。此外，这些系统可以从物体到物体传递指令以及控制信号或其它数据。这样的系统也可应用在海军领域，用于与海下船只/交通工具通信。
距离测量、方位测量、速度测量和水下通信的最实际的方法是使用超声或声音信号。现代的系统通常都是与惯性/空间方位角传感器以及例如全球定位系统(GPS)的水面上的无线导航定位系统高度集成的。然而，实际上，这些系统的水下部分使用声音信号。
在这些系统中有的时候有几个矛盾的数据通信要求。例如在指令、控制和导航系统要求的情况下，必须在较宽范围的条件下可靠地、安全地并且以最小延迟传递相对小的数据量，而在水下记录器具的情况下，使用最少运输时间应该可获取大量的数据，通常是文件结构。
通常认为，高性能水下通信使用无线电信号比等效的系统更困难。这是因为在工作环境中和周围存在高的声音噪声电平以及由于通风、多径效应、体积混响和有限频率带宽引起的其它一些问题，这些会导致差的要求的信噪功率比。发射机相对于接收机的额外运动也会产生问题。
更加详细地考虑这些问题，多信号路径(多径效应)来自水面、海底和例如船壳的其它水下界限的信号的反射产生的。而且由于温度随着深度变化，海洋并不是均匀的，而是具有分层结构，折射声音并且也可导致多径效应。总的效应可能是在任一时刻接收的信号包括从几个不同的路径到达的几个不同版本信号的总和。
在通信系统中，不同的信号代表不同的符号，它又代表不同的数据序列，因此水下通信的主要问题是符号间干扰。使用具有长的持续时间的符号可以避免该问题，但是这限制数据速率，而数据速率是重要的性能参数。另一个技术是使用时域或频域“均衡”将数据排序，从而去除大量干扰。为了训练的目的，很多已知的实施例使用已知数据的前同步序列，前同步序列是复杂的并且要求最短的时间期间传送任何数据，这使得通常以文件结构传送大量数据的该方法更加适用。
然而，复杂性可能是水下系统的问题，因为水下导航信标和许多其它海底仪器都是由电池供电的，而系统复杂性和能量消耗之间存在着大概正比关系。因此通常需要避免过度的复杂性从而减少电池更换之间的时间。
此外，通信系统的性能依赖于频率带宽以及接收机的要求的信噪比。在水中，声音吸收随着频率增加而增加，结果是具有实际范围能力的任何系统，尤其是在噪声环境中的系统与无线电系统相比，具有有限的带宽。因此有效地使用带宽是另一个期望的要求。
在传统窄带系统中，符号间干扰，即交替积极的和有害的干扰导致信号幅度和功率的波动。该影响通常称为衰落，它可以使用宽带信号减轻。
本发明的目的是提供一种水下通信系统，其中至少部分减轻了上述问题，从而提供不是过度复杂并且能够在困难的工作条件下有效操作的系统。
根据本发明，提供了一种水下通信系统，用于在声音信号发射机和位于远程的声音信号接收机之间的通信，其中由多个符号承载发送的数据，每个具有两个成分，一个成分包括不同的比特码，另一个成分属于作为一个整体的符号的字符，其中通过预定的持续重复不同的步长的序列改变连续符号的字符，序列中每个步长出现一次，信号接收机与信号发射机同步地操作，并且包括响应于该比特码和接收信号的字符的相关器装置，还具有输出，每个符号一个输出，从而当接收到符号时，其对应的输出的信号居支配地位，以及响应于从该相关器的输出的幅度检测装置，用于提供对应于发送数据的输出信号。
根据预定的序列和发射机及接收机的同步操作不仅改变每个符号的比特码而且还改变连续符号的字符，有助于在存在可能干扰接收的不需要的伪信号和噪声的情况下检测需要的信号。
特别地，基本上消除由于多径效应引起的伪信号的影响，因为在序列被重复时这样的信号已经消失了，优选地使用的该序列包括几个步长变化，从而它先前发生的任何重要的多径成分留下足够的时间后再重复，从而极大地降为不重要的。
使用相移键控(PSK)可以发送包括每个符号的第一成分的比特码，并且每个符号的字符可以通过载波频率跳频从而一个符号一个符号地改变，它是在载波频率上通过所述预定的连续地重复步进序列发送。
该发射机可以包括PSK调制器装置，和用于跳频承载调制信号的载波频率的装置，该接收机包括频率/相位检测装置，用于检测接收信号的两个成分，安排该检测装置将接收信号馈送给相关器，幅度检测器响应该相关器提供对应于发送数据的输出信号。
该频率/相位检测装置可以包括相位正交检测器。
该接收机的相关器优选地采用最佳的信号的相关处理，从而在相关器组中连续地生成每个时期，即信号周期的所有可能信号的复制品，同时使用最大似然原理也有助于信号/符号决定。
理想地，信号应该具有足够的带宽，以便考虑每个应用在需要时解决多径问题。
使用宽带标题信号可以获得同步。
可以在每个序列结尾加上类似的尾部信号。
对于短的数据分组和适当的数据速率，发射机和接收机之间的相对运动的补偿不是必须的，但是使用头部和尾部信号的到达时间的估计并将时间差和已知的“已发送”时间差相比较可以获得较高的速率补偿，补偿目的的该比较是在信号检测后进行的。
可选地，使用每个符号到达时间的估计和估计发射机与接收机之间的最佳时间标定(time scale)差的卡尔曼过滤器方法可以实现相对运动补偿。
本领域技术人员理解，根据本发明的系统实质上解决了提供安全、可靠指令和适用于大范围操作条件的控制链路的问题。与已知的系统相比，取得更高的数据速率并且整个系统的操作速度也增加，从简单性上看，相对小的功率消耗的实现是可能的，这对于电池供电的仪器/装置是期望的特征。
特别地，本发明有助于通过多径环境以最小的延迟、对导航系统最小的影响将适当大小的数据分组传输至位于嘈杂的工作船或平台上的接收机。
下面参考附图仅以示例的方式描述本发明的一个实施例。
图1是声音信号发射机的示意方框电路图；
图2是和图1的发射机共同使用的声音信号接收机的示意方框电路图。
现在参考图1，声音信号发射机包括数据存储器1，用于存储在二进制转换器2和3中转换为相应的二进制信号格式的数据。为了便于在接收机纠错，而纠错可能以任何已知方式进行，在码生成器4中加入适当的额外冗余数据，该数据被重新排序为适合于在信号处理器5中合成的格式。这样处理的信号在加法器6中增加标题比特进一步修改，加法器6有助于在接收器中识别序列的开始和发射机及接收机的同步。数据包括以重复的序列使用2n＝m符号一次编码n比特，数据比特在调制器7中通过序列被PSK调制到载波上，该载波是已跳频的载波，使用正交载波频率产生伪随机序列。在处理器8中附加尾部，而得到的信号通过数模转换器9和输出匹配的功率放大器10馈送给到声音信号变换器，通过水传输该声音信号到图2所示的接收机。
应当懂得，载波本身并不承载任何信息，但是它们是减轻在接收机的多径信号的手段。
现在参考图2，在该接收机，由变换器12接收模拟声音信号，在放大器13中放大，并且在AD转换器14中以适当的速率转换为抽样的数字格式。在相位正交检测器中将产生的数字信号混合为方便的中频，相位正交检测器包括混合器15a和15b，由本地振荡器15c生成的相位正交的信号馈送给这两个混合器。使用过滤器16将来自混合器15a和15b的相位正交相关的信号抽取为另一个适当的速率。抽取的信号馈送给到包括匹配滤波器17的复杂相关器组。
对于信号序列中的每个时期，该滤波器大致匹配该头部信号、2n符号或尾部。中幅度检测器18中决定符号的存在，该决定是根据滤波器17的所有输出并选择最大输出，基于最大似然进行的。
得到的解码数据序列输入到检错/纠错模块19，其中使用冗余数据检测传输差错，并且如果可能，校正该差错。在处理器20中格式化原始数据和错误报告并以适当的格式传送。
在不偏离本发明范围的前提下，可以对本申请描述的示例的实施例进行各种变型，例如可以使用本领域技术人员熟知的其它技术定义两个成分的性质。为了仅仅给出一个例子，包括该数据的第一成分可以包括脉码调制，而定义重复序列的第二成分可以包括相位调制。应当懂得，对这两个成分的其它适当的调制组合也是可行的。

Claims (12)

1.一种水下通信系统，用于在声音信号发射机和位于远程的声音信号接收机之间的通信，其中发送的数据由多个符号承载，每个符号具有两个成分，一个成分包括不同的比特码，另一个成分属于作为一个整体的符号的字符，其中通过预定的连续地重复序列的不同的步长步进连续符号的字符，在该序列中每个步长出现一次，该信号接收机与该信号发射机同步地操作，并且包括响应于比特码和接收信号的字符的相关器装置，用于进行解调并且具有多个输出，每个符号一个输出，从而当检测到每个符号时，其对应的输出上的信号居支配地位，以及响应于该相关器的输出的幅度检测装置，用于提供对应于发送的数据的输出信号。
2.根据权利要求1所述的水下通信系统，其特征在于：使用的该序列包括足够步长的变化，使得在其重复前已经过去了足够的时间，允许所有重要的多径成分降为不重要的。
3.根据权利要求1或2所述的水下通信系统，其特征在于：使用相移键控(PSK)发送包括每个符号的第一成分的比特码，和通过载波频率跳频一个符号一个符号地改变每个符号的字符，该符号的字符在载波频率上通过所述预定连续地重复序列频率发送。
4.根据权利要求3所述的水下通信系统，其特征在于：该发射机包括PSK调制器装置，以及用于有效地跳频承载这样调制的信号的载波频率的装置，该接收机包括频率/相位检测装置，用于检测接收信号的两个成分，安排该检测装置馈给相关器，该幅度检测器响应该相关器提供对应于该发送数据的输出信号。
5.根据权利要求4所述的水下通信系统，其特征在于该频率/相位检测装置包括相位正交检测器。
6.根据前述任一项权利要求所述的水下通信系统，其特征在于：该接收机的该相关器采用信号的最佳相关处理，从而在相关器组中连续地生成每个时期的所有可能信号的复制品，因而有利于根据最大似然检测原理进行符号识别。
7.根据前述任一项权利要求所述的水下通信系统，其特征在于：在每个信号序列的开始发送宽带标题信号实现同步，在该接收机中提供检测信号标题的装置。
8.根据前述任一项权利要求所述的水下通信系统，其特征在于在每个序列的结尾加上尾部信号。
9.根据权利要求8所述的水下通信系统，其特征在于：取决于该头部和该尾部信号到达的相对时间进行在该发射机和该接收机之间的相对运动的补偿。
10.根据权利要求8所述的水下通信系统，其特征在于：使用每个符号的到达时间的估计实现相对运动的补偿。
11.一种水下导航系统，包括前述任一项权利要求所述的通信系统。
12.一种水下定位系统，包括权利要求1至10的任一项权利要求所述的通信系统。
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