DE69821647T2

DE69821647T2 - Verfahren und vorrichtung zur durchführung von hochgeschwindigkeitsunterwasser-übertragung

Info

Publication number: DE69821647T2
Application number: DE69821647T
Authority: DE
Inventors: Menashe Sonnenschein; Dov Wulich; Elazar Sonnenschein
Original assignee: UNDERWATER TECHNOLOGIES CENTER Ltd; UNDERWATER TECHNOLOGIES CT Ltd
Current assignee: UNDERWATER TECHNOLOGIES CENTER Ltd; UNDERWATER TECHNOLOGIES CT Ltd
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2018-06-19
Also published as: AU8032198A; ZA9810874B; IL122375A0; EP1036441B1; DE69821647D1; EP1036441A1; ATE259560T1; WO1999029058A1; IL122375A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Mittel für die Unterwasserkommunikation. Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausführen einer Unterwasserkommunikation mit einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit und eine Vorrichtung zum Ausführen einer Unterwasserkommunikation mit einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit nach diesem Verfahren.
Allgemeiner Stand der Technik
Das Durchführen einer zuverlässigen Unterwasserkommunikation ist eine verhältnismäßig komplizierte Aufgabe. Es ist bekannt, daß elektromagnetische Wellen merklich abgeschwächt werden, wenn sie sich durch Wasser ausbreiten. Das einzige Frequenzband, das für eine elektromagnetische Unterwasserkommunikation benutzt wird, ist der VLF(Längstwellenfrequenz)-Bereich im Bereich bis zu 10 kHz. In diesem Bereich wird eine Sendung mit hoher Leistung benötigt und ist die Verwendung äußerst langer Antennen sowohl am empfangenden Ende als auch am sendenden Ende erforderlich. Daher ist eine derartige Verwendung im Allgemeinen auf Unterseebootkommunikationen beschränkt und kann sie nicht für die private Verwendung ausgenutzt werden. Für die Unterwasserkommunikation mit geringerer Reichweite benutzen herkömmliche Systeme die Ultraschallakustikübertragung, im Allgemeinen im Frequenzbereich von 20 kHz bis 600 kHz. Unglücklicherweise stellt das Wasser als ein Kommunikationsmedium im Akustikfrequenzbereich jedoch praktisch nur eine verhältnismäßig schmale Bandbreite bereit, was die Geschwindigkeit der Datenübertragung durch Wasser beschränkt. Die Fähigkeit, Daten mit Schallwellen zuverlässig durch Wasser zu übertragen, ist ferner aufgrund von unterschiedlichen Schichten der Wasserdichte problematisch, was sich aus einer nichtkonstanten Geschwindigkeit des Schalls in Wasser, einer Mehrwegeausbreitung des Signals, einem Schwund und anderen umweltbedingten Störungen ergibt. Darüber hinaus ist bekannt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in Wasser merklich geringer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen in Luft ist. Wenn gewünscht wird, in Wasser zwischen zwei Vorrichtungen zu kommunizieren, von denen zumindest eine nicht feststehend ist oder sich mit einer geringen Geschwindigkeit bewegt, beeinflussen daher die Doppler-Effekte das Signal und die Fähig keit, die gesendeten Daten an der empfangenden Vorrichtung zuverlässig auszuwerten, merklich nachteilig.
Es wurde herausgefunden, daß viele herkömmliche Arten der elektromagnetischen Luftkommunikationstechniken nicht anwendbar sind, um die obigen Probleme, die für Unterwasserkommunikationen typisch sind, zu überwinden.
Eine drahtlose Vorrichtung zum Ausführen einer Kommunikation in Wasser ist in der Technik bekannt. Eine derartige Vorrichtung wird zum Beispiel in Telemetriesystemen zum Übertragen von Daten, die während ozeanographischer Untersuchungen gesammelt wurden, oder in Kommunikationsvorrichtungen für Taucher benutzt. Die am 18. August 1997 eingebrachte, gleichzeitig anhängige israelische Patentanmeldung Nr. 121561 durch den gleichen Anmelder wie hier offenbart eine Unterwasserkommunikationsvorrichtung und ein Kommunikationsnetz für Taucher. Kommunikationsvorrichtungen für Taucher sind auch in CA 2,141,619, WO 97/26551 und in US 4,463,452 gezeigt. Eine andere bestehende Vorrichtung, die fähig ist, Daten mit einer verhältnismäßig geringen Übertragungsgeschwindigkeit zu übertragen, ist im Allgemeinen im Bereich von nicht mehr als 600 Bit pro Sekunde tätig, einer Geschwindigkeit, die im Allgemeinen für Telemetriezwecke ausreichend ist, aber für andere Zwecke, die eine merklich höhere Geschwindigkeit der Datenübertragung erfordern, wie etwa Echtzeitstimm- oder Bildübertragungen, nicht ausreichend ist. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird gewünscht, ein Unterwassermodem bereitzustellen, das fähig ist, Daten mit einer viel höheren Übertragungsgeschwindigkeit, zumindest im Bereich von etwa 4800 Bit pro Sekunde bis 9600 Bit pro Sekunde, zu übertragen. Coatelan et al., "design and test coding OFDM system on the shallow water acoustic channel", OCEAN 95, MTS/IEEE, Conference Proceedings, Vol. 3, 9–12, Oktober 1995, Seiten 2065 bis 2070, offenbart ein FSK OFDM-Schema zum Ausführen einer Unterwasserkommunikation mit einer hohen Datenübertragungsgeschwindigkeit. Lam et al., "A coherent COFDM modulation system for a time varying frequency selective underwater acoustic channel", Seventh International Conference on Electronic Engineering in Oceanography, 23. bis 25. Juni 1997, Seiten 198 bis 203, Southhampton, Großbritannien, offenbart ein kohärentes OFDM-Schema zum Ausführen einer Unterwasserkommunikation mit einer hohen Datenübertragungsgeschwindigkeit.
Dieses Dokument offenbart genauer einen Unterwasser-Modulator-Demodulator, der Folgendes umfaßt:

– einen sendenden Abschnitt, umfassend
– ein Datenquellenmittel, umfassend digitale Daten, die durch Wasser zu senden sind;
– ein Serien-Parallel-Datenverarbeitungsmittel;
– ein n-Kanal-OFDM-Modulatormittel zum Empfangen von Daten von den n parallelen Kanälen und zum Modulieren der Daten mit n Paaren von Ultraschallträgern; und
– ein Hydrophonmittel zum Empfangen des modulierten Signals vom n-Kanal-Modulator und zum Senden der Daten in Wasser; und
– einen empfangenden Abschnitt, umfassend
– ein Hydrophonmittel zum Empfangen eines modulierten Signals aus dem Wasser und zum Übertragen des Signals in eine Hochfrequenzschaltung;
– eine Hochfrequenzschaltung zum Verstärken und Formen des empfangenen modulierten Signals und zum Übertragen des Signals in ein Serien-Parallel-Mittel;
– ein Serien-Parallel-Mittel zum Empfangen der geformten Daten von der Hochfrequenzschaltung und zum Aufspalten der Daten in n parallele Kanäle;
– ein n-Kanal-OFDM-Demodulatormittel, umfassend n Paare von orthogonalen Ultraschallsinussen zum Demodulieren des geformten Signals, das von der Hochfrequenzschaltung zum n-Kanal-OFDM-Demodulatormittel übertragen wurde, und zum Ausgeben von n Kanälen von digitalen Daten; und
– ein Parallel-Serien-Mittel zum Empfangen n paralleler Kanäle von ausgegebenen Daten vom n-Kanal-Differenzdecodierer und zum Kombinieren der Daten zu seriellen Daten.

Darüber hinaus ermöglicht die bestehende Vorrichtung eine Unterwasserkommunikation zwischen zwei Orten, die sich in einer verhältnismäßig nahen Entfernung, im Allgemeinen im Bereich von weniger als 150 Metern, befinden, und benötigt sie eine direkte "Sichtlinie" zwischen der sendenden und der empfangenden Vorrichtung. Eine derartige Vorrichtung stellt kein Mittel zum Ausführen einer zuverlässigen Unterwasserkommunikation zwischen zwei Stellen bereit, die mehrere Kilometer voneinander entfernt gelegen sein können und zwischen denen keine "Sichtlinie" besteht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Modem bereitzustellen, das Daten zuverlässig mit einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit durch Wasser übertragen und empfangen kann. Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, bezieht sich der Begriff "Unterwassermodem" oder einfach "Modem" bei seiner Verwendung hierin auf eine Vorrichtung, die fähig ist, Daten mit einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit durch Wasser zu senden und zu empfangen. Mit einer Datenübertragung mit "hoher Übertragungsgeschwindigkeit" soll eine Bandübertragungsgeschwindigkeit von zumindest 1200 bps und vorzugsweise von zumindest 4800 bps angezeigt werden.
Es ist noch ein anderer Zweck der Erfindung, ein Unterwassermodem bereitzustellen, das Schwund-, Mehrwege-, Doppler- und umweltbedingte Effekte wirksam überwinden kann.
Es ist noch ein anderer Zweck der Erfindung, ein Unterwassermodem bereitzustellen, das ferner Doppler-Verzerrungen des gesendeten Signals aufgrund einer Bewegung des sendenden Modems, des empfangenden Modems oder beider Modems überwinden kann.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Modem bereitzustellen, das ein Mittel zum Korrigieren von Fehlern umfaßt.
Andere Zwecke und Vorteile der Erfindung werden im Verlauf der Beschreibung ersichtlich werden.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es wurde durch die Erfinder herausgefunden, daß die Probleme des Schwunds und der Mehrwege, die Unterwasserakustikkommunikationen merklich beeinflussen, dem Schwund und den Mehrwegen ähnlich sind, die die HF(Hochfrequenz, Kurzwellen)-Funkkommunikation beeinflussen. Ein Verfahren, das ursprünglich entwickelt wurde, um die Probleme des Schwunds und der Mehrwege bei der HF-Kommunikation zu überwinden, ist das Orthogonal frequenzmultiplexverfahren (OFDM). Das OFDM-Kommunikationsverfahren wurde jedoch noch nicht für die Unterwasserkommunikation entwickelt.
Durch die Anmelder wurde festgestellt, daß OFDM das beste Modulationsverfahren zum Überwinden der Probleme des Schwunds und der Mehrwege unter Wasser ist. Die Verwendung von OFDM selbst ist jedoch nicht ausreichend, um alle obenerwähnten Probleme der Unterwasserkommunikation zu lösen, und es sollten zusätzliche Mittel bereitgestellt werden, um den Doppler-Effekt zu überwinden, um Kommunikationen sogar dann sicherzustellen, wenn keine Sichtlinie zwischen der sendenden und der empfangenden Vorrichtung besteht, und um eine zuverlässige (fehlerfreie) Kommunikation zu sichern. Der Doppler-Effekt ist bei Unterwasserakustikkommunikationen viel schlimmer als bei elektromagnetischen Luftkommunikationen, da sich Schallwellen in Wasser mit einer Geschwindigkeit von etwa 1500 Metern/Sekunde ausbreiten, während sich elektromagnetische Wellen in der Luft mit der Lichtgeschwindigkeit, d. h., 300.000 Kilometern/Sekunde, ausbreiten. Darüber hinaus ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Wasser nicht konstant und hängt sie merklich von der Tiefe, der Wassertemperatur und anderen Faktoren ab. Das Modem nach einer Ausführungsform der Erfindung stellt ein Mittel zum Überwinden der Probleme des Schwunds und der Mehrwege wie auch der Signalverzerrungen aufgrund der Doppler-Effekte bereit. Wie nachstehend gezeigt werden wird, kann das Modem nach der Erfindung Daten zuverlässig mit einer Übertragungsgeschwindigkeit übertragen, die höher als die Übertragungsgeschwindigkeit einer jeden Unterwasserkommunikationsvorrichtung des Stands der Technik ist.
Die Unterwasser-Modulator-Demodulator(Modem)-Vorrichtung der Erfindung zum Senden und Empfangen von Daten mit einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit durch Wasser ist durch Anspruch 1 definiert.
Vorzugsweise sind der empfangende Abschnitt und der sendende Abschnitt im gleichen Gehäuse beinhaltet, und sind das sendende Hydrophon und das empfangende Hydrophon innerhalb eines gleichen Hydrophons enthalten, und noch besser ist das Hydrophon ein Mehrrichtungs-Hydrophon. Bei manchen Anwendungen können der empfangende Abschnitt und der sendende Abschnitt jedoch in gesonderten Gehäusen beinhaltet sein.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt der sendende Abschnitt ferner einen n-Kanal-Differenzcodierer zum Empfangen von Daten vom Serien-Parallel-Mittel, um eine Differenzcodierung der Daten auf jedem einzelnen der n Kanäle vorzunehmen, und um die differenzcodierten Daten dem n-Kanal-OFDM-Modulator bereitzustellen, und umfaßt der empfangende Abschnitt ferner einen n-Kanal-Differenzdecodierer zum Empfangen von n Kanälen von demodulierten Daten vom Demodulator, und zum Differenzdecodieren der demodulierten Daten.
Vorzugsweise umfaßt der sendende Abschnitt ferner eine Vorwärtsfehlerkorrektur(FEC)-Vorrichtung zum Codieren der zu sendenden digitalen Daten, und zum Decodieren dieser Daten durch zumindest einen Fehlerkorrekturcode, und zum Ausgeben der Daten an die Parallel-Serien-Vorrichtung des empfangenden Abschnitts.
Das Modem benutzt die OFDM-Modulation, so daß die Frequenzeinstellvorrichtung Doppler-Effekte durch Verändern der Frequenz eines jeden der n Paare von orthogonalen Sinussen des OFDM-Demodulators um die gleiche gemessene Abweichung ausgleicht.
Vorzugsweise umfassen zumindest der n-Kanal-OFDM-Modulator am sendenden Abschnitt und der Demodulator am empfangenden Abschnitt einen digitalen Signalprozessor, der in einer integrierten Schaltung enthalten ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein wie durch Anspruch 9 definiertes Verfahren.
Vorzugsweise arbeitet das Verfahren besser, wenn am sendenden und am empfangenden Ende ein Mehrrichtungs-Hydrophon benutzt wird. Optional kann jedes Ende fähig sein, eine Zweirichtungs-Kommunikation durchzuführen, und falls dies der Fall ist, kann ein Hydrophon sowohl für das Empfangen als auch für das Senden benutzt werden.
Noch besser beinhaltet die Dauer jedes Symbols eine Schutzzeit und wird die Schutzzeit zur Symbolsynchronisierung am empfangenden Ende benutzt.
Einfache Erklärung der Zeichnungen
1 veranschaulicht den Aufbau eines Modems nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Blockdiagramms;
2 veranschaulicht den Aufbau des sendenden Abschnitts eines Modems nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Blockdiagramms;
3 zeigt die Symbolkonstellationskarte eines Modems nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
4 veranschaulicht den Aufbau des Codierers im sendenden Abschnitt der Vorrichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Blockdiagramms;
5 zeigt den Aufbau des OFDM-Modulators im sendenden Abschnitt des Modems nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Blockdiagramms;
6 veranschaulicht den Aufbau des empfangenden Abschnitts 3 des Modems nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Blockdiagramms;
7 veranschaulicht den Aufbau des DFT(diskreten Fourier-Transformator)-Blocks des sendenden Abschnitts eines Modems nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
8a, 8b und 9 veranschaulichen den Symbolentscheidungsalgorithmus am empfangenden Abschnitt eines Modems nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
10 veranschaulicht den Aufbau des Symbolsynchronisators am empfangenden Abschnitt eines Modems nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Blockdiagramms;
11 ist ein Zeittaktdiagramm, das den Betrieb des Symbolsynchronisators von 10 veranschaulicht.
12 veranschaulicht den Betrieb des Durchschnittsleistungsblocks des Symbolsynchronisators von 10; und
13 ist ein Beispiel eines Spektrumdiagramms, das das Bandspektrum eines Modems nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt ein Unterwassermodem nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in Form eines Blockdiagramms. Bequemerweise umfaßt das Modem 1 sowohl einen sendenden Abschnitt 2 als auch einen empfangenden Abschnitt 3. Obwohl das Vorhandensein der beiden Abschnitte in jedem Modem nötig ist, um eine zuverlässige Zweirichtungs-Kommunikation durchzuführen, kann es Fälle geben, in denen eine Kommunikation nach der Erfindung zwischen zwei Vorrichtungen durchgeführt werden kann, von denen eine erste nur einen sendenden Abschnitt 2 und eine zweite nur einen empfangenden Abschnitt 3 umfaßt. Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, wird hierin zum Zwecke dieser Beschreibung angenommen werden, daß jedes Modem sowohl einen sendenden als auch einen empfangenden Abschnitt umfaßt.
Die Datenquelle 4 des sendenden Abschnitts 2 stellt Daten jedweder Art in digitaler Form dar, die durch das drahtlose Modem durch Wasser zu einem empfangenden Modem gesendet werden müssen, das unter Wasser an einer anderen Stelle gelegen ist. Die Daten von der Datenquelle (in der Folge auch als die "ursprünglichen Daten" bezeichnet) werden in einen FEC(Vorwärtsfehlerkorrektur)-Codierer 5 bereitgestellt, der sie mit zusätzlichen Bits zur Fehlerkorrektur kombiniert, um dem empfangenden Modem die Fähigkeit des Korrigierens von Fehlern bereitzustellen, welche aufgrund von Störungen im Unterwassermedium auftreten, und um die wie durch die Datenquelle erzeugten ursprünglichen Daten wiederzuerlangen. Der FEC-Codierer 5 ist von seinem Aufbau her herkömmlich und wendet jedes beliebige Fehlerkorrekturverfahren an, das in der Technik bekannt ist. Daten, die die ursprünglichen Daten und die zusätzlichen Bits kombinieren (in der Folge im Allgemeinen als "die codierten Daten" bezeichnet), werden vom FEC-Codierer zu einem OFDM-Modulator 6 übertragen, der die digitalen Daten durch mehrere Niederfrequenzträger moduliert. Das modulierte Signal wird dann einer Hochfrequenz schaltung 7 bereitgestellt, die die Frequenz des modulierten Signals in das Band der Signalultraschallfrequenzen umsetzt, das Signal verstärkt und es mittels eines Hydrophons 17 durch das Unterwassermedium 100 sendet.
Der empfangende Abschnitt 3 empfängt modulierte Ultraschalldaten mittels eines Hydrophons 17' vom Unterwassermedium 100, die dann einer Eingangs-Hochfrequenzschaltung 8 bereitgestellt werden, welche sie verstärkt und sie in den Niederfrequenzbereich hinunter umsetzt. Das Signal wird vom Ausgang der Eingangs-Hochfrequenzschaltung 8 zu einem OFDM-Demodulator 9 übertragen, der das Signal demoduliert und codierte Daten ausgibt. Die codierten Daten vom OFDM-Demodulator werden in einen FEC(Vorwärtsfehlerkorrektur)-Decodierer 10 übertragen. Der FEC-Decodierer 10 führt einen Vorgang durch, der zum Vorgang des FEC-Codierers im sendenden Modem umgekehrt ist. Der FEC-Decoder 10 gewinnt die weiterzuleitenden ursprünglichen Daten, wie sie durch die Datenquelle 4 zum FEC-Codierer 5 des sendenden Modems übertragen wurden, wieder. Der FEC-Decodierer 10 enthält ein Mittel zum Analysieren der codierten Daten, und benutzt bei einer Feststellung, daß die Daten beispielsweise beim Verlauf durch den Unterwasserkanal verfälscht wurden, die durch den FEC-Codierer 5 hinzugefügten zusätzlichen Bits, um Fehler zu korrigieren und die ursprünglichen Daten wiederzugewinnen. Ähnlich wie der FEC-Codierer 5 ist auch der FEC-Decodierer 10 hinsichtlich seines Aufbaus herkömmlich, und ist er fähig, Fehler nur bis zu einem gewissen Ausmaß wiederzugewinnen.
Wenn binäre Systeme besprochen werden, wird üblicherweise auf Bits verwiesen, da zwei Signalebenen möglich sind, z. B. ±A. Bei OFDM, das die M-Ebenen-Technik anwendet, gibt es mehr als zwei Signalmöglichkeiten und wird üblicherweise auf jedes mögliche gesendete Signal als ein "Symbol" verwiesen.
Die Symboldauer ist als die Summe der eigentlichen Dauer T plus der Schutzzeit ΔT definiert. Zuerst muß die eigentliche Dauer T des Symbols und die Bandbreite B eines modulierten Trägers des gesendeten Signals gewählt werden, um einen frequenzunselektiven (flachen) und langsamen Schwund zu erreichen. Die zwei Anforderungen zum Erreichen eines flachen und langsamen Schwunds sind (1) B << 1/Td; und (2) T << 1/Δf, wobei 8 die Bandbreite des gesendeten Signals ist, T_d die Verzögerungszeit des Kanals bezeichnet, T die Dauer jedes gesendeten Symbols ist, und Δ_f die Doppler-Streuung bezeichnet.
Unter der Annahme, daß T = 1/B ist, sollten die folgenden Bedingungen erfüllt sein: (3) Td << T << 1/Δf
Wenn angenommen werden kann, daß T_dmax = 2 msek und 1/Δf_max = 100 msek beträgt, sollte die gewählte Symboldauer T im Bereich von (4) 2 msek << T << 100 msekliegen.
Wenn eine Symboldauer von T = 10 ÷ 20 msek, die in diesem Bereich liegt, benutzt wird und diese Anforderung erfüllt, bedeutet dies, daß die Bandbreite eines modulierten Trägers B = 50 Hz 100 Hz beträgt. Es wurde festgestellt, daß es durch die Verwendung von OFDM möglich ist, die Anforderung (4) zu erfüllen und wirksam eine weite Spektrumsbandbreite (zum Beispiel 3 kHz) zu benutzen. In einem solchen Fall sollte die Anzahl der Träger N etwa N = BW·Tbetragen, wobei BW die gesamte Bandbreite angibt, die für das gesamte OFDM-Signal verfügbar ist.
Die Anmelder haben festgestellt, daß für BW = 3 kHz, eine Anzahl von Trägern = 31 und SNR = 10 dB und für eine Bitfehlerrate = 10^–3 gemäß der DQPSK-Modulation und mit, beispielsweise, einem vorwärtsfehlerkorrigierenden BCH-Code von (31, 16, 7) eine maximale Bitrate von 3000 bps erreicht werden kann. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die hierin als ein Beispiel angegeben wird, werden 31 Träger benutzt, obwohl selbstverständlich eine andere Anzahl von Trägern angewendet werden kann. Darüber hinaus wurde festgestellt, daß auch die maximale Bitrate zunimmt, wenn die Anzahl der Träger zunimmt. Beispielsweise kann für etwa 100 Träger eine Bitrate von 9600 bps erhalten werden.
Wie erwähnt wird der Doppler-Effekt ein sehr ernstes Problem bei Unterwasser-Akustikkommunikationen. Eine Frequenzverschiebung von so viel wie 20 Hz ist bei derartigen Kommunikationen völlig normal. Um eine derartige ernste Verschiebung zu überwinden und um den empfangenden Abschnitt des Modems auf die Frequenz des empfangenen Signals abgestimmt zu halten, werden zwei zusätzliche unmodulierte Träger, die nachstehend als "Piloten" bezeichnet werden, zusammen mit dem informationstragenden Signal gesendet, welches wie erwähnt 31 modulierte Träger umfaßt. Die Frequenz des ersten Pilots wird so gewählt, daß sie geringfügig unter dem niedrigsten frequenzmodulierten Träger liegt, und der zweite Pilot liegt über dem höchsten frequenzmodulierten Träger.
Ein ausführlicheres Blockdiagramm des OFDM-Modulators 6 des sendenden Abschnitts 2 des Modems nach dieser besonderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in 2 gezeigt. Da die Verwendung einer kohärenten Demodulation aufgrund einer sehr zufälligen, raschen und häufigen Veränderung in der Trägerphase bei Unterwasseranwendungen sehr problematisch ist, begegnet das Modem nach der Erfindung der Erfordernis der Trägerwiedergewinnung durch die Verwendung der Differenzmodulation. Genauer werden die Daten eines jeden der mehreren Träger des OFDM durch eine DQPSK-(Differenz-Quadratur-Phasenumtastungs)-Modulation moduliert.
Wie gezeigt werden serielle (ursprüngliche) Daten in den FEC-Codierer 5 eingegeben, der sie mit zusätzlichen Bits zur Ermöglichung der Fehlerkorrektur am empfangenden Modem kombiniert. Die Daten in der seriellen Form werden vom FEC-Codierer 5 zu einer Serien-Parallel-Vorrichtung 12 übertragen, die im Wesentlichen ein Schieberegister ist, das jeden Abschnitt von 62 Bits von seriellen Daten (nachstehend wird jeder derartige 62-Bit-Abschnitt auch als ein "Wort" bezeichnet werden) in 31 Zwei-Bit-Symbole von parallel zu verarbeitenden Daten teilt. Es sollte hier bemerkt werden, daß die Bit-Zuordnung von einem Wort zu Symbolen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und zur Bereitstellung einer besseren Fehlerkorrektur nicht sequentiell ist, sondern aus einem Bit, das von der ersten Hälfte eines 62-Bit-Worts genommen wird, und einem zweiten Bit, das von der zweiten Hälfte des gleichen Worts genommen wird, kombiniert ist. Ein Vektor eines 62-Bit-Worts, seiner Bit-Zuordnung zu 31 Symbolen und der Symbol-Zuordnung zu gesonderten Trägern des OFDM-Modulators ist nachstehend gezeigt.
Vektor von Eingangsbits, die einem 62-Bit-Wort zugeteilt werden:
Bit-Zuordnung zu Symbolen und Trägern im Modulator:
Dann werden alle der genannten 31 Symbole eines gleichen Datenworts parallel zu 31 Differenzcodierern übertragen, die den folgenden Vorgang durchführen: Ak = def [Ak (1), Ak (2), ..., Ak (N)], Bk = [Bk (1), Bk (2), ... def, Bk (N)], Bk (n) = Bk–1 (n) + Ak (n) (mod L); n = 1, 2, ..., N; k = –∞, ∞n bezeichnet die Trägernummer (n = 1, 2, 3, 4 ... N), L = 4 sind die wie in der Konstellationskarte von 3 definierten und gezeigten vier möglichen Symbole {0, 1, 2, 3} (unter der Annahme, daß jedes Symbol zwei Bits umfaßt). A_k ⁽ ⁿ ⁾ sind Symbole, die der Datenquelle 4 entstammen, durch den FEC-Codierer 5 codiert sind, und durch die Serien-Parallel-Vorrichtung 12 getrennt sind, und k bezeichnet den laufenden Index der Symbole. Der Aufbau eines jeden der 31 Differenzcodierer ist in 4 schematisch gezeigt. Der Block 16 bezeichnet eine 1-Bit-Addiervorrichtung, und 17 bezeichnet eine Verzögerung von T Sekunden, wobei T die Dauer eines jeden Symbols ist.
Aus den genannten 31 Differenzcodierern 15 werden codierte Symbole B_k in 31 parallelen Leitungen 22 zu einer 31-Träger-Quadratur-OFDM-Modulatoreinheit 21 übertragen. Der Aufbau des Quadratur-OFDM-Modulators ist in 5 gezeigt. Ein Datenaufteiler 20 lenkt die Daten von jeder Leitung 22 zu einem entsprechenden Orthogonalmodulator 23. Jeder Modulator umfaßt zwei Multipliziervorrichtungen 25 und 25', wobei die erste Multipliziervorrichtung 25 die Daten mit einem Kosinus-Hilfsträger und die zweite Multipliziervorrichtung 25' sie mit einem orthogonalen Sinus-Hilfsträger multipliziert. Eine Addiervorrichtung 26 addiert das Ergebnis der beiden Multipliziervorrichtungen. Ein gleichartiger Modulationsvorgang wird in jedem einzelnen der anderen 30 Modulatoren durchgeführt. Die Ergebnisse von allen 31 Modulatoren werden zuerst durch ein Summiermittel 27 kombiniert, dann durch eine Addiervorrichtung 29 mit zwei zusätzlichen Hilfsträgern (Piloten), cosω⁽⁰⁾t und cosω^(N+1)t, kombiniert, und schließlich einem Hydrophon 28 bereitgestellt, das das kombinierte Signal in das Wasser sendet. Der Zweck der Übertragung der beiden Hilfsträger cosω⁽⁰⁾t und cosω^(N+1)t ist, dabei zu helfen, die Frequenzverschiebung aufgrund von Doppler-Effekten im Wasser zu überwinden, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung offensichtlich werden wird. Ferner sollte bemerkt werden, daß zu Synchronisierungszwecken am empfangenden Modem ein Schutzabstand benutzt wird. Die Dauer des Schutzabstands kann unterschiedlich sein. Sie sollte jedoch vorzugsweise zumindest in der Größenordnung von etwa 10% der Symboldauer T sein.
Ein Beispiel eines Bandspektrums eines Modems nach einer Ausführungsform der Erfindung ist in 13 gezeigt. Wie gezeigt wird die OFDM-Übertragung durch 31 modulierte Träger cosω⁽¹⁾t und cosω⁽³¹⁾t und die beiden unmodulierten Träger (Piloten) cosω⁽⁰⁾t und cosω⁽³²⁾t durchgeführt. Die Frequenzzuteilungen für jeden einzelnen der Träger nach diesem Beispiel lauten wie folgt:
Das Hydrophon ist nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Mehrrichtungs-Hydrophon, das im Wesentlichen gleich in alle Richtungen senden kann oder daraus empfangen kann. Es sollte hier bemerkt werden, daß herausgefunden wurde, daß die Verwendung eines Mehrrichtungs-Hydrophons, vorzugsweise gemäß einer OFDM-Übertragung, die Zuverlässigkeit der Übertragung merklich verbessert und verschiedenste Störungen im Wasser wie etwa Rauschen, Mehrwege und Schwund am besten überwindet. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß eine derartige Verwendung sogar dann eine wirksame zuverlässige Übertragung gestattet, wenn zwischen dem sendenden und dem empfangenden Modem keine Sichtlinie vorhanden ist. Dies ist in der Tat überraschend, da der Stand der Technik bei der Unterwasserkommunikation die Verwendung von Richt-Hydrophonen betont.
Ein ausführlicheres schematisches Blockdiagramm des empfangenden Abschnitts 3 des Modems ist in 6 gezeigt. Die Hochfrequenzschaltung 8 des empfangenden Abschnitts umfaßt einen Vorverstärker 40, einen Empfangsoszillator 42 und einen Mischer 41, einen Bandpaßfilter 43 und einen Analog-Digital-Wandler 44. Daten, die im Hydrophon empfangen werden, werden zuerst zu einem Vorverstärker 40 übertragen, der das Signal verstärkt. Vom Vorverstärker wird ein verstärktes Signal zu einem Mischer 41 weitergeleitet. Wie im Vorhergehenden erwähnt überspannt das Signal an den Mischer nach dem oben gegebenen Beispiel eine Bandbreite von 3,5 kHz und ist es beispielsweise zwischen 40,2 kHz und 43,6 kHz gelegen. Der Mischer 41 empfängt auch eine Frequenz von beispielsweise 40 kHz vom Empfangsoszillator und wandelt daher die Bandbreite des Signals abwärts um, so daß sie Frequenzen von zwischen 200 Hz und 3600 Hz überspannt. Dann wird das Signal vom Mischer 41 zum Tiefpaßfilter 43 und dann zu einem Analog-Digital(A/D)-Wandler 44 übertragen, der das Signal abtastet und es in eine digitale Darstellung umwandelt.
Das Signal, das sich wie erwähnt in einer digitalen Darstellung befindet, wird dann in den OFDM-Demodulator 9 bereitgestellt. Der OFDM-Demodulator 9 umfaßt einen DFT (einen diskreten Fourier-Transformator) 45, einen Symbolsynchronisator 46, eine Frequenzeinstellschaltung 47, eine Entscheidungsvorrichtung und einen Differenzdecodierer 48 und eine Parallel-Serien-Vorrichtung 49. Es sollte hier bemerkt werden, daß der OFDM-Demodulator 9 nach der Erfindung vorzugsweise durch eine DSP(digitale Signalverarbeitungs)- Schaltung ausgeführt ist, die im Allgemeinen in einem integrierten Chip erhältlich ist. Er kann jedoch auch durch andere Mittel, die Fachleuten wohlbekannt sind, ausgeführt sein, wie beispielsweise durch einen leistungsfähigen Mikroprozessor. Das Signal vom Analog-Digital-Wandler 44, das sich wie erwähnt in digitaler Form befindet, wird parallel zum DFT 45, zum Symbolsynchronisator 46 und zur Frequenzeinstellschaltung 47 übertragen. Der Symbolsynchronisator stellt sowohl dem DFT 45 als auch der Entscheidungsvorrichtung und dem Differenzdecodierer 48 einen Takt bereit, der den Beginn und das Ende eines empfangenen Symbols angibt. Die Frequenzeinstellschaltung 47 prüft die beiden Hilfsträger, die mit dem gesendeten Signal kombiniert sind, um eine Frequenzverschiebung im Allgemeinen aufgrund von Doppler-Effekten auf das im Wasser ausgebreitete Signal festzustellen. Die Frequenzeinstellschaltung 47 aktualisiert die Entscheidungsvorrichtung und den Differenzdecodierer 48 ständig hinsichtlich jedweder Frequenzverschiebung. Die Entscheidungsvorrichtung und der Differenzdecodierer 48 stellen der Parallel-Serien-Vorrichtung 49 nach dem gleichzeitigen Feststellen von 31 Symbolen 62 Bits, die die Symbole darstellen, in paralleler Form bereit, und diese trennt die Symbole in Bits, die dann in zwei Worte kombiniert werden und an den FEC-Decodierer 10 ausgegeben werden.
7 zeigt den Aufbau des DFT 45 ausführlicher. Das empfangene Signal wird, nachdem es durch den Analog-Digital-Wandler abgetastet und in eine digitale Darstellung umgewandelt wurde, auf einer Leitung 50 zum DFT übertragen, die dann in zweiundsechzig parallele Leitungen 51 aufgeteilt wird, wobei jede einzelne der parallelen Leitungen 51 zu einer entsprechenden von zweiundsechzig Multipliziervorrichtungen 53 führt. Die zweiundsechzig Multipliziervorrichtungen sind in einunddreißig orthogonale Paare geteilt, wobei eine Multipliziervorrichtung in jedem Paar mit einem sin(ω⁽ⁿ⁾t + θ_x) und eine zweite mit einem cos(ω⁽ⁿ⁾t + θ_x) versehen ist, wobei n [n = 1, 2, 3, ... 31] die Symbolnummer in einem 31-Symbol-Wort angibt, und θ_x eine Phase angibt, die nicht mit Sinus- oder Kosinus-Eingaben an andere Multipliziervorrichtungen 53 von anderen Paaren phasensynchronisiert ist. Der Ausgang von jedem einzelnen der zweiundsechzig Multipliziervorrichtungen wird dann durch einen entsprechenden von zweiundsechzig Integratoren 54 integriert, von denen jeder wie angegeben die Integration ₀∫^T während eines Zeitraums T eines vollständigen Symbols, eines Zeitraums, der dem DFT durch einen vom Symbolsynchronisator 46 bereitgestellten Takt angegeben wird, durchführt. Die beiden Aus gänge von jedem beliebigen Paar von Integratoren erzeugen einen zusammengesetzten Vektor Q_k ⁽ⁿ⁾, wobei (n = 1, 2, 3, ... 31 = N) die Symbolstelle im Wort angibt, und k den Symbolindex angibt. Ein Vektor Q_n ^(n→N), der alle 31 Vektoren darstellt, wird dann in die Entscheidungsvorrichtung und den Differenzdecodierer 48 übertragen.
Der Entscheidungsalgorithmus der Entscheidungsvorrichtung und des Differenzdecodierers 48 ist in 8a, 8b und 9 veranschaulicht. Wenn der DFT-Ausgang für die Trägernummer n und die Symbole k – 1 und k Vektoren Q_k–1 ⁽ⁿ⁾ bzw. Q_k ⁽ⁿ⁾ sind, und Δφ_k ⁽ⁿ⁾ den Phasenunterschied zwischen Q_k–1 ⁽ⁿ⁾ bzw. Q_k ⁽ⁿ⁾ bezeichnet, wie in 8a und 8b gezeigt ist, werden die Werte von sinΔφ_k ⁽ⁿ⁾ und cosΔφ_k ⁽ⁿ⁾ berechnet, um einen Punkt (sinΔφ_k ⁽ⁿ⁾, cosΔφ_k ⁽ⁿ⁾) auf dem Entscheidungsebenendiagramm von 9 zu berechnen, wo die Entscheidungsbereiche angegeben sind.
Der Symbolsynchronisator 46 führt eine Symbolsynchronisierung (häufig auch als "Zeittaktwiedergewinnung" bezeichnet) durch, deren Zweck es ist, aus dem Eingang an den DFT an der Leitung 50, welcher das eingegebene modulierte Signal in digitaler Form darstellt, einen Takt mit der Symbolrate (oder einem mehrfachen davon) wiederzugewinnen. Wie im Vorhergehenden bemerkt bestimmt dieser Takt die Grenzen der Integration des DFT 45 und wird er auch der Entscheidungsvorrichtung und dem Differenzdecodierer 48 bereitgestellt, um die Symbolzeittaktgrenzen zu bestimmen. 10 veranschaulicht den Aufbau des Symbolsynchronisators 46, und 11 ist ein entsprechendes Zeittaktdiagramm. Ein empfangenes Signal x(t), das an der Leitung 50 ankommt, wird in den Synchronisator 46 eingegeben. Das Signal x(t) ist tatsächlich S_T(t), das durch Rauschen verfälscht und durch den Kanal verzerrt ist. Es enthält ein moduliertes Symbol der Dauer T + ΔT. Der Synchronisator 46 umfaßt einen summierenden Bestandteil 56, der zwei Eingänge aufweist, wobei einem Eingang das Signal x(t) bereitgestellt wird, und einem zweiten Eingang das durch den Verzögerungsblock 52 um einen Zeitraum T (T ist der wesentliche Teil des Symbols) verzögerte Signal x(t) bereitgestellt wird. Der Ausgang aus dem summierenden Bestandteil 56 wird durch eine Leitung 58 dem Durchschnittsleistungsblock 57 bereitgestellt, der die Durchschnittsleistung des ihm bereitgestellten Signals mißt, um einen Zeittakt der Minimalleistung zu finden. Eine derartige Suche nach einem Minimalleistungszeittakt wird durch Verändern des Beginns der Integration an Block 60 und Bereitstellen des Ergebnisses der Integration in den Minimumsuchblock 61 durchgeführt. Der Ausgang des Blocks 61 wird zurückgeführt, um den Beginn der Integration an Block 60 einzustellen. 11 ist ein Zeittaktdiagramm, das den Betrieb des Symbolsynchronisators veranschaulicht. Unter der Annahme, daß das Signal x(t) ein digital moduliertes Signal aus Symbolen mit der Dauer T + ΔT umfaßt, tritt der Beginn der Symbole bei t_k, t_k+1, t_k+2 usw. auf, und beinhalten die Symbole wie gezeigt die Schutzabstände ΔT. Wenn der Verarbeitungsbetrieb des Symbolsynchronisators zu einer zufälligen Zeit λ_k = t_k + Δ_t beginnt, wobei t_k die richtige Synchronisierungszeit ist und Δ_t die Abweichung von der richtigen Synchronisierungszeit angibt, ist P₁ für einen idealen Fall ohne Rauschen oder Störungen für 0 < Δt < ΔT "Null". Für den tatsächlichen Fall jedoch sucht der Synchronisator 46 den Fall, in dem P₁ minimal ist. In 11 geben λ_k+1, λ_k+2, ... den Zeittakt des Beginns des Verarbeitens des DFT an, der zur Synchronisierung Δt erhält, und geben δk, δ_k+1, δ_k+2 ... den Zeittakt des Endes des Verarbeitens des DSP an. Wie Fachleuten klar ist, konvergiert der Wert von Δt nach wenigen Symbolen zu einem solchen Wert, der ein Minimum von P₁ garantiert.
12 zeigt, daß während der Schutzzeiträume ΔT eine minimale Leistung auftritt. P₁ erreicht seinen minimalen Leistungswert, wenn, und nur wenn, sich das System in einer vollständigen Symbolsynchronisierung befindet. Wie erwähnt findet der Symbolsynchronisator den (Δt), für den die Leistung minimal ist.
Das OFDM-Signal kann eine Frequenzverschiebung ΔF erleiden, wenn es durch die Unterwasserverbindung gesendet wird. Ein erster und allgemeiner Grund für eine Frequenzverschiebung liegt in der Frequenzgenauigkeit der Empfangsoszillatoren des Senders und des Empfängers. Wenn die Genauigkeit der Empfangsoszillatoren jeweils 100 ppm beträgt, kann für eine Hochfrequenz von 50 kHz, die der Frequenzbereich ist, der durch das Modem für die Kommunikation benutzt wird, eine Frequenzverschiebung von –5 Hz ≤ ΔF ≤ 5 Hz erwartet werden. Eine derartige Frequenzverschiebung ist im Allgemeinen konstant und verändert sich im Lauf der Zeit nicht, und sie ist auch nicht vom Medium der Signalausbreitung abhängig. Der zweite Grund für die Trägerverschiebung, der bei der Unterwasserkommunikation ernster ist, ergibt sich aus dem Doppler-Effekt, insbesondere aufgrund der Bewegung eines des empfangenden oder des sendenden Modems oder beider oder aufgrund der Verände rung in der Dichte des Wassers. Beispielsweise wird für eine relative Geschwindigkeit von 0,5 Metern/Sekunde zwischen dem empfangenden oder dem sendenden Modem eine Doppler-Frequenzverschiebung von etwa 16 Hz erwartet.
Wie im Vorhergehenden erwähnt werden vom sendenden Modem zwei reine Träger (Piloten), einer unter dem niedrigsten modulierten Träger, und einer über dem höchsten modulierten Träger, zusammen mit den anderen n modulierten Trägern gesendet. Die Frequenzen dieser Träger werden an der Frequenzeinstellschaltung 47 durch zwei Phasenregelkreis(PLL)-Vorrichtungen verfolgt, von denen jede auf eine Pilotfrequenz abgestimmt ist. Wenn in diesen Frequenzen eine Verschiebung festgestellt wird, wird jeder Vielzahl von sineω⁽ⁿ⁾- und cosineω⁽ⁿ⁾-Bestandteilen am DFT eine anzeigende Frequenzverschiebung bereitgestellt. Eine derartige Verschiebung der Frequenz richtet daher die Bandbreite des empfangenden Modems hinsichtlich jedweder Frequenzverschiebung, die am Signal aufgrund des Doppler-Effekts oder aufgrund der Ausbreitungseffekte in Wasser auftreten kann, erneut aus.
Wie man sieht, stellt die Erfindung ein Modem bereit, das Daten mit einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit zuverlässig durch Wasser übertragen kann. Die Verwendung der OFDM-Modulation und eines Mehrrichtungs-Hydrophons verbessern die Fähigkeit und die Qualität der Datenübertragung merklich und stellen eine merkliche Verbesserung für den wirksamen Bereich der Übertragung dar. Darüber hinaus ist das Modem nach der Erfindung mit einem Mittel zum wirksamen Überwinden ernster Frequenzverschiebungen des gesendeten Signals aufgrund von Doppler-Effekten versehen. Es sollte hier bemerkt werden, daß die Verwendung von OFDM nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Übertragen von Daten durch Wasser bevorzugt ist, da dieses Modulationsverfahren eine gleichzeitige Übertragung von Daten über mehrere Kanäle mit enger Bandbreite ermöglicht, wobei jeder Kanal aufgrund seiner engen Bandbreite sehr wenig für Amplituden- und Phasenverzerrungen anfällig ist.
Obwohl einige Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichend beschrieben wurden, wird einleuchtend sein, daß die Erfindung mit vielen Abänderungen, Veränderungen und Anpassungen und mit der Verwendung zahlreicher Äquivalente oder alternativer Lösungen, die im Rahmen von Fachleuten liegen, in die Praxis umgesetzt werden kann, ohne den Umfang der Ansprüche zu überschreiten. Beispielsweise kann die Anzahl der Träger, die im Obigen beispielsweise als 31 gewählt wurde, unterschiedlich sein und ist sie eine Funktion der Übertragungsgeschwindigkeit und der Fehlerkorrekturüberlegung. Um eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit zu erreichen, wird vorzugsweise eine größere Anzahl von Trägern benutzt. Selbstverständlich muß mit der Zunahme der Anzahl der Träger eine kompliziertere FEC benutzt werden. Nach der Erfindung kann angenommen werden, daß eine Bitrate von bis zu etwa 100 kbs praktisch erreichbar ist. Obwohl zudem die Verwendung eines Mehrrichtungs-Hydrophons bevorzugt ist, stellt dies keine Beschränkung dar, da das Modem auch mit einem Richt-Hydrophon arbeiten kann. Die Bandbreite und die Frequenzen sind ebenfalls selektiv und können von Gestaltungsüberlegungen abhängen. Die Verwendung eines DSP ist ebenfalls optional, und es können verschiedene Alternativen benutzt werden.

Claims

Unterwasser-Modulator-Demodulator(Modem)-Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Daten mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von zumindest 1200 bps durch Wasser, wobei das Modem Folgendes umfaßt: a. einen sendenden Abschnitt (2), umfassend – ein Datenquellenmittel (4), umfassend digitale Daten, die durch Wasser zu senden sind; – ein Serien-Parallel-Datenverarbeitungsmittel (12) zum Aufspalten von seriellen Daten in n parallele Kanäle; – einen n-Kanal-Differenzcodierer (15) zum Empfangen von Daten vom Serien-Parallel-Datenverarbeitungsmittel, um eine Differenzcodierung der Daten auf jedem einzelnen der n Kanäle vorzunehmen, und um die differenzcodierten Daten einem n-Kanal-OFDM-Modulator bereitzustellen; – ein OFDM-Modulatormittel (21) zum Empfangen der Daten von den n parallelen Kanälen und zum Modulieren der Daten mit n Paaren von Ultraschallträgern, wodurch ein moduliertes Signal erzeugt wird; und – ein Hydrophonmittel (17) zum Empfangen des modulierten Signal vom n-Kanal-Modulatormittel (21) und zum Senden der Daten in Wasser; b. einen empfangenden Abschnitt (3), umfassend – ein Hydrophonmittel (17') zum Empfangen eines modulierten Signals aus dem Wasser und zum Übertragen des Signals in eine Hochfrequenzschaltung; – eine Hochfrequenzschaltungsanordnung (8) zum Verstärken und Formen des empfangenen modulierten Signals und zum Übertragen des Signals in ein Serien-Parallel-Mittel; – ein Serien-Parallel-Mittel (50) zum Empfangen der geformten Daten von der Hochfrequenzschaltung und zum Aufspalten der Daten in n parallele Kanäle; – ein n-Kanal-OFDM-Demodulatormittel (9), umfassend n Paare von orthogonalen Ultraschallsinussen zum Demodulieren des ge formten Signals, das von der Hochfrequenzschaltung (8) zum n-Kanal-OFDM-Demodulator übertragen wurde, und zum Ausgeben von n Kanälen von digitalen Daten; – einen n-Kanal-Differenzdecodierer (48) zum Empfangen von n Kanälen von demodulierten Daten vom Demodulator und zum Differenzdecodieren der demodulierten Daten; – ein Parallel-Serien-Mittel (49) zum Empfangen n paralleler Kanäle von ausgegebenen Daten vom n-Kanal-Differenzdecodierer (48) und zum Kombinieren der Daten zu seriellen Daten; und c. ein Mittel zum Ausgleichen von Doppler-Effekten am gesendeten Signal, welches sich durch Wasser ausbreitet, wobei das Mittel zum Ausgleichen von Doppler-Effekten im Modulator (21) des sendenden Abschnitts ein Mittel zum Senden zumindest eines zusätzlichen unmodulierten Trägers, der eine am empfangenden Abschnitt bekannte Frequenz aufweist, und im empfangenden Abschnitt eine Frequenzeinstellvorrichtung (47) zum Messen der Frequenz des zumindest einen unmodulierten Trägers, zum Vergleichen der Frequenz mit der bekannten Frequenz und zum Ausgleichen jeglicher Abweichung darin umfaßt.
Unterwasser-Modulator-Demodulator-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Frequenzeinstellvorrichtung Doppler-Effekte durch Verändern der Frequenz eines jeden der n Paare von orthogonalen Sinussen des OFDM-Demodulatormittels (9) des empfangenden Abschnitts um die gleiche gemessene Abweichung von der bekannten Frequenz des gesendeten unmodulierten Trägers ausgleicht.
Unterwasser-Modulator-Demodulator-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das sendende Hydrophonmittel (17) und das empfangende Hydrophonmittel (17') innerhalb eines gleichen Hydrophons enthalten sind.
Unterwasser-Modulator-Demodulator-Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Hydrophonmittel (17, 17') ein Mehrrichtungs-Hydrophon ist.
Unterwasser-Modulator-Demodulator-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der sendende Abschnitt ferner eine Vorwärtsfehlerkorrektur(FEC)-Vorrichtung (5) zum Empfangen der zu übertragenden digitalen Daten, zum Codieren dieser Daten durch zumindest einen Fehlerkorrekturcode und zum Ausgeben der Daten an die Serien-Parallel-Vorrichtung des sendenden Abschnitts umfaßt.
Unterwasser-Modulator-Demodulator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der empfangende Abschnitt und der sendende Abschnitt im gleichen Gehäuse beinhaltet sind.
Unterwasser-Modulator-Demodulator-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der empfangende Abschnitt und der sendende Abschnitt in gesonderten Gehäusen beinhaltet sind.
Unterwasser-Modulator-Demodulator-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest das n-Kanal-OFDM-Modulatormittel (21) am sendenden Abschnitt und das OFDM-Demodulatormittel (9) am empfangenden Abschnitt einen digitalen Signalprozessor umfassen, der in einer integrierten Schaltung enthalten ist.
Verfahren zum Ausführen einer Unterwasserdatenkommunikation mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von zumindest 1200 bps, umfassend das Durchführen der folgenden Schritte: (i) Senden von Daten durch a. Bereitstellen serieller Daten in digitaler Form, die zu senden sind; b. Bereitstellen eines Mittels (12) zum Aufspalten der seriellen Daten in n parallele Kanäle und Zuweisen von Symbolen zu Gruppen von Datenbits; c. Differenzcodieren der Symbole (15) in jedem der n parallelen Kanäle; d. Modulieren (21) der differenzcodierten Symbole durch eine n-Kanal-OFDM-Modulation; e. Senden der OFDM-modulierten Daten durch ein Hydrophon (17) in das Wasser; und (ii) Empfangen der gesendeten Daten in verständlicher Form durch a. Empfangen der gesendeten OFDM-modulierten Daten durch ein Hydrophon (17'); b. Demodulieren des empfangenden Signals durch einen n-Kanal-OFDM-Demodulator (9); c. Differenzdecodieren (48) der demodulierten Daten in n Kanäle; und d. Umwandeln (49) der codierten Daten in den n Kanälen von der parallelen in die serielle Form; wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfaßt: Übertragen zumindest eines zusätzlichen unmodulierten Ultraschallträgers (Pilots) gleichzeitig mit den OFDM-modulierten Daten; und Messen der Frequenzverschiebung des unmodulierten Signals von seinem erwarteten Frequenzwert und Ausgleichen der Verschiebung durch entsprechendes Einstellen des OFDM-Demodulators des empfangenden Abschnitts, wenn die OFDM-modulierten Daten und der zumindest eine zusätzliche unmodulierte Ultraschallträger durch das Hydrophon empfangen werden.
Verfahren zum Ausführen einer Unterwasserkommunikation mit einer hohen Datenübertragungsgeschwindigkeit nach Anspruch 9, wobei der empfangende und der sendende Abschnitt innerhalb des gleichen Gehäuses gelegen sind.
Verfahren zum Ausführen einer Unterwasserkommunikation mit einer hohen Datenübertragungsgeschwindigkeit nach Anspruch 10, wobei die Hydrophone (17') am empfangenden Abschnitt und (17) am sendenden Abschnitt innerhalb eines gleichen Hydrophons enthalten sind.
Verfahren zum Ausführen einer hochratigen Unterwasserkommunikation nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Hydrophon ein Mehrrichtungs-Hydrophon ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Dauer jedes Symbols eine Schutzzeit beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schutzzeit zur Symbolsynchronisierung am empfangenden Ende benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Symbolsynchronisierung durch Feststellen eines Mindestmaßes der Durchschnittsleistung im Differenzsignal innerhalb eines Zeitraums, welcher der Schutzzeit gleich ist, erfolgt, wobei das Differenzsignal als der Unterschied zwischen dem empfangenden Signal und dem durch eine Dauer von einem Symbol verzögerten empfangenden Signal definiert ist.