JP2006217267A - Submerged communication system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、魚網深度計などで行われる水中通信がドップラー効果の影響を受けないようにする技術に関する。 The present invention relates to a technique for preventing underwater communication performed by a fishnet depth meter or the like from being affected by the Doppler effect.
旋網漁では魚網の深度を知るために魚網深度計が用いられている(例えば、特許文献1)。魚網深度計は、魚網の底部に取り付けられる送信器、漁船の底部に取り付けられる受波器および漁船内に装備される受信器から構成される。送信器は、超音波信号である同期用パルスと周波数変調パルスとを繰返し送信する。同期用パルスは送信器・受信器間で通信の同期をとるための信号である。周波数変調パルスは、送信器で検出された水圧の大小に応じて周波数が変化する信号である。受信器は、受波器で受信された同期用パルスによって同期をとり、さらに周波数変調超音波パルスの周波数を検出することにより、上記水圧から送信器の位置する深度を求める。また、魚網は必ずしも均一に沈降しないので、一般に、複数組の送信器と受波器とが用いられる。 In net fishing, a fishnet depth meter is used to know the depth of a fishnet (for example, Patent Document 1). The fishnet depth meter is composed of a transmitter attached to the bottom of the fishnet, a receiver attached to the bottom of the fishing boat, and a receiver installed in the fishing boat. The transmitter repeatedly transmits a synchronization pulse, which is an ultrasonic signal, and a frequency modulation pulse. The synchronization pulse is a signal for synchronizing communication between the transmitter and the receiver. The frequency modulation pulse is a signal whose frequency changes according to the magnitude of the water pressure detected by the transmitter. The receiver obtains the depth at which the transmitter is located from the water pressure by synchronizing with the synchronization pulse received by the receiver and further detecting the frequency of the frequency-modulated ultrasonic pulse. In addition, since fish nets do not necessarily settle uniformly, a plurality of sets of transmitters and receivers are generally used.
ところが、魚網を沈めたり引き上げたりするときに、または潮流の影響を受けて魚網が上昇したり下降したりするので送信器も同様の動きをする。漁船も波によってピッチングやローリングをするので、受波器も揺動する。その結果、送信器と受波器との間に相対速度が生じるので、すなわち、送信器から送信された超音波信号がドップラー効果の影響を受けるので、受信信号の周波数が送信器から送信される周波数からシフトし、受信器で正確な深度を得ることができなくなる。そこで、以下のようにしてドップラーシフト(ドップラー効果によって周波数が変化すること)を補正して深度を求めることが提案されている(例えば、特許文献1)。 However, the transmitter moves in the same way when the fishnet is submerged or raised, or the fishnet rises or falls due to the influence of the current. Since fishing boats pitch and roll with waves, the receivers also oscillate. As a result, a relative speed is generated between the transmitter and the receiver, that is, since the ultrasonic signal transmitted from the transmitter is affected by the Doppler effect, the frequency of the received signal is transmitted from the transmitter. Shifting from the frequency, the correct depth cannot be obtained at the receiver. Accordingly, it has been proposed to obtain the depth by correcting the Doppler shift (frequency change due to the Doppler effect) as follows (for example, Patent Document 1).
図6は魚網深度計での波形を示す図である。(a)は受波器の受信信号を示す。(b)は同期用パルスの拡大波形を示す。(c)は受信器で生成されるゲート信号を示す。ゲート信号の時間幅は同期用パルスの1周期分である。(d)は受信器で生成されるクロックパルスを示す。クロックパルスは、同期用パルスの周波数よりも遥かに高い周波数の信号である。まず、ゲート信号がハイである期間におけるクロックパルスのパルス数がカウントされ、カウント値から同期用パルスの周波数が算出される。周波数変調パルスの周波数も、クロックパルスをカウントすることによって算出される。次に、算出された同期用パルスの周波数、同期用パルスの既知の周波数および水中音速に基づいて、上記の相対速度が相対速度算出手段によって算出される。さらに、水中音速および相対速度に基づいて、算出された周波数変調パルスの周波数が補正演算手段によって補正される。このようにして、ドップラーシフトを補正して深度を求めている。 FIG. 6 is a diagram showing a waveform in a fishnet depth meter. (A) shows the received signal of the receiver. (B) shows an enlarged waveform of the pulse for synchronization. (C) shows a gate signal generated by the receiver. The time width of the gate signal is one period of the synchronization pulse. (D) shows a clock pulse generated by the receiver. The clock pulse is a signal having a frequency much higher than the frequency of the synchronizing pulse. First, the number of clock pulses during the period when the gate signal is high is counted, and the frequency of the synchronization pulse is calculated from the count value. The frequency of the frequency modulation pulse is also calculated by counting clock pulses. Next, based on the calculated frequency of the synchronization pulse, the known frequency of the synchronization pulse, and the underwater sound speed, the relative speed calculation unit calculates the relative speed. Furthermore, based on the underwater sound speed and the relative speed, the calculated frequency of the frequency modulation pulse is corrected by the correction calculation means. In this way, the depth is obtained by correcting the Doppler shift.
また、水圧の値を1/0のビット列に変換して送信する方法も用いられる。下記の特許文献2には、このビット列をMSK(ミニマム・シフト・キーイング)変調するための回路が示されている。この方法では水圧のデジタル値を送信するので、ドップラーシフトの補正は不要である。しかし、海面や海底で生じる間接波の影響を低減するためには、比較的長い通信時間を要する。下記の特許文献3には、受信信号から生成された位相情報を表すデジタル信号と矩形波の基準信号との比較による相関処理を行い、両信号の相関度に基づいて当該受信信号が正規の受信信号であるか否かを判定することが示されている。
Further, a method of transmitting the water pressure value after converting it into a 1/0 bit string is also used.
ところで、特許文献1に示されるものにおいては、同期用パルスは、通信の同期をとる機能と、上記の相対速度を算出するための参照信号としての機能とを兼ね備える。一方、周波数変調パルスは水圧の大小に応じて周波数が変化する。従って、繰返し受信される同期用パルスと周波数変調パルスとを識別するためには、同期用パルスの周波数を周波数変調パルスの可変範囲外に割り当てなければならない。しかも、ドップラーシフトを考慮して、ある程度の余裕をもって割り当てなければならない。このため、受信信号の周波数帯域が広くなるので、近くで操業している他の漁船のスキャニングソナーから送信された超音波による干渉波や、波浪やプロペラによって発生するノイズ(以下、これらを総称して単に「ノイズ」という)に起因する伝送誤りが生じやすくなる。
By the way, in what is shown by
また、同期用パルスと周波数変調パルスとの1周期分のクロックパルスの個数に基づいて、同期用パルスの周波数と周波数変調パルスの周波数とを算出しているので、両パルスのゲート信号に対応する部分の波形がノイズによって歪むと、周波数が正しく算出されないという周波数算出誤りが生じる。このような伝送誤りや周波数算出誤りが生じると、送信器から受信器へ水圧値を正確に伝送できなくなる。 Further, since the frequency of the synchronization pulse and the frequency of the frequency modulation pulse are calculated based on the number of clock pulses for one period of the synchronization pulse and the frequency modulation pulse, it corresponds to the gate signal of both pulses. If the waveform of the portion is distorted by noise, a frequency calculation error that the frequency is not correctly calculated occurs. When such a transmission error or frequency calculation error occurs, the water pressure value cannot be accurately transmitted from the transmitter to the receiver.
本発明の課題とするところは、ドップラー効果やノイズの影響下でも、超音波による水中通信を正確に行えるようにすることにある。 An object of the present invention is to enable accurate underwater communication using ultrasonic waves even under the influence of the Doppler effect and noise.
第1の発明にかかる水中通信システムでは、超音波信号を水中に送信する送信器と、当該超音波信号を受信する受波器と、受波器で受信された受信信号に対して信号処理を施す受信器とを備えた水中通信システムにおいて、送信器は、後続する参照信号および情報信号と識別可能に所定の変調がされた同期信号、周波数が既知の参照信号、および送信情報に応じて変調された情報信号を超音波信号として水中に送信する。
ここで、送信情報に応じて変調された情報信号とは、送信信号で周波数変調された信号などである。
In the underwater communication system according to the first aspect of the invention, a transmitter that transmits an ultrasonic signal to the water, a receiver that receives the ultrasonic signal, and a signal process for the received signal received by the receiver. In an underwater communication system including a receiver, a transmitter modulates a synchronization signal that has been modulated in a predetermined manner so that it can be distinguished from subsequent reference signals and information signals, a reference signal having a known frequency, and modulation according to transmission information The transmitted information signal is transmitted into the water as an ultrasonic signal.
Here, the information signal modulated according to the transmission information is a signal that is frequency-modulated with the transmission signal.
上記のように、送信信号においては、通信の同期をとるための同期信号と周波数が既知の参照信号とが別々の信号であり、しかも同期信号が参照信号および情報信号と識別可能に所定の変調がされた信号であるので、受信器が、例えば受信した参照信号の周波数を推定し、推定した周波数と参照信号の既知の周波数とからドップラーシフト量を求め、さらにドップラーシフト量を用いて情報信号からドップラーシフトの影響を除去することにより、受信した情報信号から情報を取り出すことができる。また、同期信号と参照信号と情報信号との関係が上記のようになっているので、同期信号、参照信号および情報信号で共通の周波数帯域を使用することが可能となる。このようにすれば、特許文献1に示されるものよりも受信信号の周波数帯域を狭くすることができ、上述の伝送誤りを低減することができる。つまり、ドップラー効果やノイズの影響下でも、受信した情報信号から情報を取り出すことが可能となる。すなわち、超音波による水中通信を正確に行うことが可能となる。さらに、同期信号に基づいて複数の情報信号を受信器が検出すれば、複数の情報(例えば、実施形態に示す水圧や水温など)を伝送することが可能となる。
As described above, in the transmission signal, the synchronization signal for synchronizing communication and the reference signal having a known frequency are separate signals, and the synchronization signal is predetermined modulation so that it can be distinguished from the reference signal and the information signal. For example, the receiver estimates the frequency of the received reference signal, obtains the Doppler shift amount from the estimated frequency and the known frequency of the reference signal, and further uses the Doppler shift amount to obtain the information signal. By removing the influence of the Doppler shift from the information, information can be extracted from the received information signal. Further, since the relationship among the synchronization signal, the reference signal, and the information signal is as described above, a common frequency band can be used for the synchronization signal, the reference signal, and the information signal. In this way, the frequency band of the received signal can be narrower than that shown in
第2の発明にかかる水中通信システムでは、超音波信号を水中に送信する送信器と、当該超音波信号を受信する受波器と、受波器で受信された受信信号に対して信号処理を施す受信器とを備えた水中通信システムにおいて、送信器は、後続する参照信号および情報信号と識別可能に所定の変調がされた同期信号、周波数が既知の正弦波信号である参照信号、および送信情報の値に応じた周波数の正弦波信号である情報信号を超音波信号として水中に送信する。受信器は、受信した同期信号に基づいて受信した参照信号と情報信号とを検出し、検出した参照信号の周波数と検出した情報信号の周波数とを推定し、参照信号の既知の周波数と推定した参照信号の周波数とに基づいて推定した情報信号の周波数を補正する。 In the underwater communication system according to the second aspect of the invention, a transmitter for transmitting an ultrasonic signal into the water, a receiver for receiving the ultrasonic signal, and a signal processing for the received signal received by the receiver. In the underwater communication system including the receiving receiver, the transmitter includes a synchronization signal that is modulated in a predetermined manner so as to be distinguishable from the subsequent reference signal and information signal, a reference signal that is a sine wave signal having a known frequency, and a transmission An information signal, which is a sine wave signal having a frequency corresponding to the information value, is transmitted into the water as an ultrasonic signal. The receiver detects the received reference signal and the information signal based on the received synchronization signal, estimates the detected reference signal frequency and the detected information signal frequency, and estimates the known frequency of the reference signal The frequency of the information signal estimated based on the frequency of the reference signal is corrected.
このようにすることで、ドップラー効果やノイズの影響下でも、情報信号の正確な周波数を得ることができる。すなわち、超音波による水中通信を正確に行うことができる。詳しくは、通信の同期をとるための同期信号と周波数が既知の参照信号とを別々の信号とし、同期信号を参照信号および情報信号と識別可能な所定の変調がされた信号としているので、参照信号の既知の周波数と推定した周波数とに基づいて推定した情報信号の周波数を補正することにより、ドップラー効果の影響が除去された情報信号の周波数を得ることができる。また、同期信号と参照信号と情報信号との関係が上記のようになっているので、同期信号、参照信号および情報信号で共通の周波数帯域を使用することが可能となる。このようにすれば、特許文献1に示されるものよりも受信信号の周波数帯域を狭くすることができ、上述の伝送誤りを低減することができる。さらに、同期信号に基づいて複数の情報信号を検出して複数の情報信号の周波数を推定することにより、複数の情報(例えば、実施形態に示す水圧や水温など)を伝送することが可能となる。
In this way, an accurate frequency of the information signal can be obtained even under the influence of the Doppler effect or noise. That is, underwater communication using ultrasonic waves can be performed accurately. Specifically, the synchronization signal for synchronizing communication and the reference signal having a known frequency are set as separate signals, and the synchronization signal is a signal that has been modulated in a predetermined manner that can be distinguished from the reference signal and the information signal. By correcting the estimated frequency of the information signal based on the known frequency of the signal and the estimated frequency, the frequency of the information signal from which the influence of the Doppler effect is removed can be obtained. Further, since the relationship among the synchronization signal, the reference signal, and the information signal is as described above, a common frequency band can be used for the synchronization signal, the reference signal, and the information signal. In this way, the frequency band of the received signal can be narrower than that shown in
第3の発明にかかる水中通信システムでは、超音波信号を水中に送信する送信器と、当該超音波信号を受信する受波器と、受波器で受信された受信信号に対して信号処理を施す受信器とを備えた水中通信システムにおいて、送信器は、後続する参照信号および情報信号と識別可能に所定の変調がされた同期信号、周波数が既知の正弦波信号である参照信号、および送信情報の値に応じた周波数の正弦波信号である情報信号を超音波信号として水中に送信する。受信器は、受信信号の波形と同期信号の想定される波形との相関処理を行う相関処理手段と、相関処理によって得られた相関度を表す相関出力信号に基づいて同期信号を検出し、検出した同期信号の受信時刻に基づいて参照信号および情報信号のゲートを生成するゲート生成手段と、ゲート生成手段で生成されたゲート内の参照信号および情報信号に基づいて、参照信号の周波数および情報信号の周波数を推定する周波数推定手段と、参照信号の既知の周波数と周波数推定手段で推定された参照信号の周波数とに基づいて、周波数推定手段で推定された情報信号の周波数を補正する周波数補正手段と、を備える。
ここで、上記の相関処理手段は実施形態に示すマッチドフィルタ部に相当するものであり、ゲート生成手段は実施形態に示すゲート生成部に相当するものであり、周波数推定手段は実施形態に示す周波数推定部に相当するものであり、周波数補正手段は実施形態に示す周波数補正部に相当するものである。また、同期信号の想定される波形とは、受波器で受信された同期信号の波形ではなく、送信器から送信される同期信号の波形に相当するものである。
In the underwater communication system according to the third aspect of the invention, a transmitter for transmitting an ultrasonic signal into the water, a receiver for receiving the ultrasonic signal, and a signal processing for the reception signal received by the receiver. In the underwater communication system including the receiving receiver, the transmitter includes a synchronization signal that is modulated in a predetermined manner so as to be distinguishable from the subsequent reference signal and information signal, a reference signal that is a sine wave signal having a known frequency, and a transmission An information signal, which is a sine wave signal having a frequency corresponding to the information value, is transmitted into the water as an ultrasonic signal. The receiver detects the synchronization signal based on the correlation processing means for performing correlation processing between the waveform of the received signal and the assumed waveform of the synchronization signal, and the correlation output signal representing the degree of correlation obtained by the correlation processing. Gate generating means for generating a gate of the reference signal and information signal based on the reception time of the synchronized signal, and the frequency and information signal of the reference signal based on the reference signal and information signal in the gate generated by the gate generating means Frequency estimation means for estimating the frequency of the information signal, and frequency correction means for correcting the frequency of the information signal estimated by the frequency estimation means based on the known frequency of the reference signal and the frequency of the reference signal estimated by the frequency estimation means And comprising.
Here, the correlation processing means corresponds to the matched filter section shown in the embodiment, the gate generation means corresponds to the gate generation section shown in the embodiment, and the frequency estimation means uses the frequency shown in the embodiment. This corresponds to the estimation unit, and the frequency correction means corresponds to the frequency correction unit shown in the embodiment. The assumed waveform of the synchronization signal corresponds to the waveform of the synchronization signal transmitted from the transmitter, not the waveform of the synchronization signal received by the receiver.
このようにすることで、ドップラー効果やノイズの影響下でも、情報信号の正確な周波数を得ることができる。すなわち、超音波による水中通信を正確に行うことができる。詳しくは、通信の同期をとるための同期信号と周波数が既知の参照信号とを別々の信号とし、同期信号を参照信号および情報信号と識別可能な所定の変調がされた信号としているので、参照信号の既知の周波数と推定した周波数とに基づいて推定した情報信号の周波数を補正することにより、ドップラー効果の影響が除去された情報信号の周波数を得ることができる。また、同期信号と参照信号と情報信号との関係が上記のようになっているので、同期信号、参照信号および情報信号で共通の周波数帯域を使用することが可能となる。このようにすれば、特許文献1に示されるものよりも受信信号の周波数帯域を狭くすることができ、上述の伝送誤りを低減することができる。また、特許文献1のように同期信号を周波数によって検出するのではなく、受信信号の波形と同期信号の想定される波形との相関度に基づいて同期信号を検出するので、受信した同期信号の一部がノイズの影響を受けていても同期信号を検出することができる。さらに、同期信号受信時刻に基づいて参照信号および情報信号のゲートを生成し、ゲート内の参照信号および情報信号に基づいて参照信号の周波数および情報信号の周波数を推定するので、例えば、参照信号の先頭部分を周波数推定の対象信号から除外することができる。これにより、海底あるいは海面で反射したしたのち到来した同期信号と送信器から直接到来した参照信号とが混在した信号を用いて周波数を推定しないようにできるので、参照信号の周波数を正確に推定することができる。この点については、情報信号の周波数の推定についても同様である。また、情報信号ごとにゲートを生成することにより、複数の情報信号の周波数を推定できるので、複数の情報(例えば、実施形態に示す水圧や水温など)を伝送することが可能となる。
In this way, an accurate frequency of the information signal can be obtained even under the influence of the Doppler effect or noise. That is, underwater communication using ultrasonic waves can be performed accurately. Specifically, the synchronization signal for synchronizing communication and the reference signal having a known frequency are set as separate signals, and the synchronization signal is a signal that has been modulated in a predetermined manner that can be distinguished from the reference signal and the information signal. By correcting the estimated frequency of the information signal based on the known frequency of the signal and the estimated frequency, the frequency of the information signal from which the influence of the Doppler effect is removed can be obtained. Further, since the relationship among the synchronization signal, the reference signal, and the information signal is as described above, a common frequency band can be used for the synchronization signal, the reference signal, and the information signal. In this way, the frequency band of the received signal can be narrower than that shown in
第3の発明の実施形態においては、相関処理手段は、マッチドフィルタを用いて相関処理を行うことにより相関出力信号を生成し、ゲート生成手段は、相関出力信号の最大値が生じる時刻を同期信号の受信時刻とする。このようにすることで、最大値が生じる時刻を求めるのに最適な相関出力信号が生成されるので、時間ずれのない同期信号の受信時刻、すなわち上記のゲートの基準時刻が得られ、参照信号および情報信号の周波数の推定に用いる最適なゲートを生成することができる。 In an embodiment of the third invention, the correlation processing means generates a correlation output signal by performing correlation processing using a matched filter, and the gate generation means determines the time when the maximum value of the correlation output signal is generated as the synchronization signal. Reception time. In this way, an optimum correlation output signal is generated for obtaining the time at which the maximum value occurs, so that the reception time of the synchronization signal without time lag, that is, the reference time of the gate is obtained, and the reference signal It is possible to generate an optimum gate used for estimating the frequency of the information signal.
また、第3の発明の実施形態においては、参照信号の既知の周波数と周波数推定手段で推定された参照信号の周波数との差に基づいて、マッチドフィルタのフィルタ係数を更新するフィルタ係数更新手段を備える。ここで、フィルタ係数更新手段は実施形態に示すフィルタ係数計算部に相当するものである。このようにすることで、フィルタ係数にドップラーシフトの影響が反映され、ドップラー歪みに適応した最適なマッチドフィルタ処理が行われるので、ドップラー効果の影響下でも同期信号を確実に検出することができる。 In the embodiment of the third invention, the filter coefficient updating means for updating the filter coefficient of the matched filter based on the difference between the known frequency of the reference signal and the frequency of the reference signal estimated by the frequency estimation means. Prepare. Here, the filter coefficient updating means corresponds to the filter coefficient calculation unit shown in the embodiment. By doing so, the influence of the Doppler shift is reflected in the filter coefficient, and the optimum matched filter processing adapted to the Doppler distortion is performed, so that the synchronization signal can be reliably detected even under the influence of the Doppler effect.
さらに、請求項としては記載されていないが、第3の発明の実施形態においては、周波数推定手段は、参照信号および情報信号の周波数スペクトルの最大値に対応する周波数をそれぞれ参照信号および情報信号の周波数と推定する。このようにすることで、参照信号または情報信号の一部がノイズの影響を受けても周波数スペクトルへの影響は微小であるので、上述の周波数算出誤りを防止することができる。また、送信器から直接到来した参照信号と海底あるいは海面で反射したしたのち到来した参照信号とが混在していても周波数スペクトルは影響を受けないので、信号の混在による周波数推定(算出)誤りが生じない。この点については情報信号でも同様である。 Further, although not described in the claims, in the embodiment of the third invention, the frequency estimation means sets the frequency corresponding to the maximum value of the frequency spectrum of the reference signal and the information signal, respectively. Estimate the frequency. By doing so, even if a part of the reference signal or the information signal is affected by noise, the influence on the frequency spectrum is very small, so that the above-described frequency calculation error can be prevented. In addition, the frequency spectrum is not affected even if a reference signal that arrives directly from the transmitter and a reference signal that arrives after being reflected at the sea floor or the sea surface are mixed, so there is no frequency estimation (calculation) error due to the mixture of signals. Does not occur. The same applies to information signals.
さらに、第3の発明の実施形態においては、周波数推定手段は、デジタル化された参照信号および情報信号に離散フーリエ変換を施すことにより周波数スペクトルを得る。この場合、周波数スペクトルの最大値に対応する離散周波数を推定周波数としてもよいし、当該離散周波数と前後の離散周波数とに対して補間処理を施すことによって得られた周波数を推定周波数としてもよい。補間処理を行えば、周波数をより正確に推定できる。 Furthermore, in the embodiment of the third invention, the frequency estimation means obtains a frequency spectrum by performing a discrete Fourier transform on the digitized reference signal and information signal. In this case, a discrete frequency corresponding to the maximum value of the frequency spectrum may be used as the estimated frequency, or a frequency obtained by performing interpolation processing on the discrete frequency and the preceding and succeeding discrete frequencies may be used as the estimated frequency. If interpolation processing is performed, the frequency can be estimated more accurately.
さらに、第3の発明の実施形態においては、同期信号の周波数帯域と情報信号の周波数可変範囲とは重複しており、参照信号の既知の周波数は周波数帯域内または周波数可変範囲内に含まれる。このようにすることで、特許文献1に示されるものよりも受信信号の周波数帯域が狭くなるので、上述の伝送誤りを低減することができる。
Furthermore, in the embodiment of the third invention, the frequency band of the synchronization signal and the frequency variable range of the information signal overlap, and the known frequency of the reference signal is included in the frequency band or the frequency variable range. By doing in this way, since the frequency band of a received signal becomes narrower than what is shown by
本発明によれば、ドップラー効果やノイズの影響下でも、超音波による水中通信を正確に行うことができる。 According to the present invention, underwater communication using ultrasonic waves can be accurately performed even under the influence of the Doppler effect and noise.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図1は水中通信システムの一例である魚網深度計の構成を示す。図2は送信器から送信される送信信号を示す。図3は受信器の構成を示す。送信器3は魚網の底部に取り付けられており、水圧などの情報を超音波信号に変換して送信する。この超音波信号は漁船の底部に取り付けられた受波器2で受信され、電気信号に変換される。そして、受信信号が漁船内に装備された受信器1で処理されることにより、魚網深度などの情報が受信器1の表示部30に表示される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration of a fishnet depth meter which is an example of an underwater communication system. FIG. 2 shows a transmission signal transmitted from the transmitter. FIG. 3 shows the configuration of the receiver. The transmitter 3 is attached to the bottom of the fish net and converts information such as water pressure into an ultrasonic signal for transmission. This ultrasonic signal is received by the
次に、送信器3の構成および動作について説明する。図1において、送信器3は、水温計12、水圧計13、海底に向けて超音波を送信すると共にエコーを受信する送受波器14、超音波信号を受波器2に向けて送信する送波器15、送信器3の電源である電池17、電池17の電圧を検出する電圧検出回路16、および超音波信号の生成などを行う制御部11を備える。上記の超音波を送信してからエコーを受信するまでの時間を計測することにより魚網から海底までの距離である離底距離が求められる。水圧計13などから得られる水圧や、水温、離底距離、電池電圧などの情報が超音波信号に変換されて送波器15から送信される。
Next, the configuration and operation of the transmitter 3 will be described. In FIG. 1, a transmitter 3 is a
図2に示す送信信号は、同期信号、参照信号および2つの情報信号から構成され、周期的に送信される。同期信号が先頭に配置され、参照信号と情報信号とが後続する。ここでは参照信号の後に情報信号が続くが、順序を逆にしてもよい。また、情報信号の個数を2つとしているが、個数は1つでも、3つ以上でもよい。情報信号は、上記の水圧などの情報(以下、送信情報という)の値に応じた周波数の正弦波信号である。すなわち、送信情報で周波数変調された信号である。ここでは、周波数の可変範囲を72kHz〜74kHzとし、時間幅を100msとする。また、情報信号の周波数(finfで表す)と送信情報の値とは、例えば、下記の式(1)で対応付けられる。
finf=72kHz+(Iv−Imin)/(Imax−Imin)・(74kHz−72kHz) (1)
ここで、Ivは送信情報の値、Iminは送信情報の最小値、Imaxは送信情報の最大値である。
The transmission signal shown in FIG. 2 includes a synchronization signal, a reference signal, and two information signals, and is transmitted periodically. A synchronization signal is placed at the head, followed by a reference signal and an information signal. Here, the information signal follows the reference signal, but the order may be reversed. Although the number of information signals is two, the number may be one or three or more. The information signal is a sine wave signal having a frequency corresponding to the value of information such as water pressure (hereinafter referred to as transmission information). That is, the signal is frequency-modulated with transmission information. Here, the variable range of the frequency is 72 kHz to 74 kHz, and the time width is 100 ms. Moreover, the frequency (represented by finf) of the information signal and the value of the transmission information are associated with each other by the following equation (1), for example.
finf = 72 kHz + (Iv−Imin) / (Imax−Imin) · (74 kHz−72 kHz) (1)
Here, Iv is a value of transmission information, Imin is a minimum value of transmission information, and Imax is a maximum value of transmission information.
同期信号は、送信器3と受信器1との間で通信の同期をとるための信号であり、瞬時周波数が連続的に変化するリニアFM信号(LFM信号)である。ここでは、同期信号の時間幅(Tkpで表す)を50msとし、時間幅Tkp内で瞬時周波数が72kHzから74kHzまで連続的に変化するものとする。この周波数掃引幅(2kHz)をBkpで表す。参照信号は、上述の相対速度による影響を除去する際に周波数が参照される信号であり、周波数が既知の正弦波信号である。ここでは周波数(fpltで表す)を73kHzとし、時間幅を100msとする。以上のことから、送信信号の周波数帯域(送信帯域ともいう)は72kHz〜74kHzとなる。送信帯域の中心周波数(73kHz)をfcで表す。尚、上記の72kHz〜74kHzなどは、送信帯域などの数値の一例である。
The synchronization signal is a signal for synchronizing communication between the transmitter 3 and the
上記のように、通信の同期をとるための同期信号と周波数が既知の参照信号とを別々の信号とし、同期信号を参照信号および情報信号と識別可能な所定の変調がされた信号(リニアFM信号)としているので、同期信号、参照信号および情報信号で共通の周波数帯域を使用することができる。これにより、特許文献1に示されるものよりも受信信号の周波数帯域を狭くすることができるので、上述の伝送誤りを低減することができる。伝送誤りを低減する上では、上記のように情報信号の周波数の可変範囲と同期信号の周波数帯域とを一致させることが望ましいが、両者が重複していれば(例えば、情報信号の周波数の可変範囲が72.2kHz〜74.2kHzであり、同期信号であるリニアFM信号の周波数掃引範囲が71.8kHz〜73.8kHzであれば)、同様の効果が得られる。
As described above, a synchronization signal for synchronizing communication and a reference signal having a known frequency are set as separate signals, and the synchronization signal is a modulated signal (linear FM) that can be distinguished from the reference signal and the information signal. Signal), a common frequency band can be used for the synchronization signal, the reference signal, and the information signal. Thereby, since the frequency band of the received signal can be narrower than that shown in
次に、受信器1の構成および動作について説明する。図3において、周波数変換部21は、受波器2から出力される受信信号の中心周波数を周知の方法でfc(73kHz)から中間周波数(f0で表す)の10.24kHzに変換する。また、受波器2の有効帯域外の信号成分の除去や受信信号の増幅も行う。A/D変換器22は、周波数変換部21から出力される受信信号を一定のサンプリングレート(fsで表す)でサンプリングしてデジタル信号に変換する。ここではサンプリングレートfsを中間周波数f0の4倍の40.96kHzとしている。尚、上述のように複数組の送信器3と受波器2とが用いられ、各組で中心周波数が互いに異なる超音波信号が使用される場合に、受信器1での信号処理を共通化するために周波数変換が行われるが、周波数変換を行わずに受信信号そのものをサンプリングするようにしてもよい。
Next, the configuration and operation of the
直交検波部23は、A/D変換器22の出力信号から受信信号の複素包絡線系列を生成し、生成された複素包絡線系列のサンプリングレート(データレート)を所定の割合(間引き比)で低減して出力する。出力される複素包絡線系列の実部をI[n」で表し、虚部をQ[n]で表す。また、間引き比をrdecで表し、間引き後のサンプリングレートをfsdecで表す。ここではrdecを8とするので、fsdecは5.12kHz(fs/rdec=40.96kHz/8)となる。このようにサンプリングレートが低減するので、以降の信号処理の負荷が軽減される。また、上記の処理は周波数変換を含み、以降の処理は0Hzを中心周波数とする周波数範囲で行われる。以下、直交検波部23の各部の動作について説明する。
The quadrature detection unit 23 generates a complex envelope sequence of the received signal from the output signal of the A /
実部符号変換部23aは、A/D変換器22の出力系列x[n](n=0,1,2,・・・)に対して、「無変換、0に置換、符号反転、0に置換」という操作を周期的に施す。従って、実部符号変換部23aの出力系列は、{x[0],0,−x[2],0,x[4],0,−x[6],0,・・・}となる。虚部符号変換部23bは、上記の出力系列x[n]に対して、「0に置換、符号反転、0に置換、無変換」という操作を周期的に施す。従って、虚部符号変換部23bの出力系列は、{0,−x[1],0,x[3],0,−x[5],0,x[7],・・・}となる。上述のように、サンプリングレートfsを中間周波数f0の4倍に選んでいるので、x[n]と周波数f0のコサイン系列との乗算、およびx[n]と周波数f0のサイン系列との乗算を上記の簡単な操作で行うことにより、受信信号の複素包絡線系列が得られる。
The real part
間引きフィルタ23c、23dは、それぞれ実部符号変換部23aおよび虚部符号変換部23bの出力系列に対して、ローパスフィルタとリサンプル(間引き)の操作を施す。間引きフィルタ23c、23dの入力系列と出力系列とをそれぞれp[n],q[n]で表すと、間引きフィルタ23c、23dの操作は下記の式(2)で表される。
この間引きフィルタ23c、23dの振幅応答の例を以下に示す。±1.25kHz(1kHz+250Hz)の周波数範囲内での振幅応答は、0Hzでの振幅応答より1dB低下するだけである。ここで、0Hzは処理信号の中心周波数であり、送信帯域の中心周波数fc(73kHz)に相当する。±1kHzは送信帯域の上限/下限周波数に相当する。また、250Hzは、送信器3と受波器2との相対速度が10ノットであるときに73kHzの信号に生じるドップラーシフト量である。また、リサンプルに起因する折り返し歪みの周波数成分(2.56kHz以上または−2.56kHz以下の周波数成分)での振幅応答は、0Hzでの振幅応答よりも40dB以上低下する。つまり、上記の間引きフィルタ23c、23dを用いることにより、10ノットの相対速度に相当するドップラーシフトを見込んだ受信信号の通過帯域幅を確保できると共に、リサンプルに起因する折り返し歪みを抑制できる。
An example of the amplitude response of the decimation filters 23c and 23d is shown below. The amplitude response in the frequency range of ± 1.25 kHz (1 kHz + 250 Hz) is only 1 dB lower than the amplitude response at 0 Hz. Here, 0 Hz is the center frequency of the processing signal, and corresponds to the center frequency fc (73 kHz) of the transmission band. ± 1 kHz corresponds to the upper limit / lower limit frequency of the transmission band. 250 Hz is a Doppler shift amount generated in a 73 kHz signal when the relative speed between the transmitter 3 and the
マッチドフィルタ部24は、直交検波部23から出力される複素包絡線系列(I[n],Q[n」)に対して、上述の同期信号に対応する複素マッチドフィルタ処理を施し、処理結果の絶対値を計算し、計算された絶対値系列D[n]を出力する。ここで、実部系列生成部24aと虚部系列生成部24bとは複素マッチドフィルタを構成する。実部系列生成部24aは複素マッチドフィルタの出力の実部系列Imf[n]を生成し、虚部系列生成部24bは複素マッチドフィルタの出力の虚部系列Qmf[n]を生成する。絶対値計算部24cは、実部系列Imf[n]と虚部系列Qmf[n]とから絶対値系列D[n]を生成する。これらの生成操作は、それぞれ下記の式(3)〜(5)で表される。
The matched
また、hc[m]およびhs[m]は、後述するフィルタ係数計算部26から供給されるフィルタ係数である。このhc[m]、hs[m]は、同期信号を検出するためのフィルタ係数であり、マッチドフィルタ内に同期信号にかかる全ての(256個の)複素包絡線系列(I[n],Q[n」)が揃ったときに、絶対値系列D[n]の値が最大となるように決められたフィルタ係数である。つまり、マッチドフィルタ部24は、受信信号の波形と同期信号の想定される波形との相関処理を行い、相関度を示す相関出力信号である絶対値系列D[n]を出力する。ここで、フィルタ係数hc[m]、hs[m]が同期信号の想定される波形の相当物といえる。
Hc [m] and hs [m] are filter coefficients supplied from a filter coefficient calculation unit 26 described later. These hc [m] and hs [m] are filter coefficients for detecting the synchronization signal, and all (256) complex envelope sequences (I [n], Q related to the synchronization signal in the matched filter). [N]) is a filter coefficient determined so that the value of the absolute value series D [n] is maximized. That is, the matched
上述のように、マッチドフィルタを用いて相関処理を行うので、最大値が生じる時刻を求めるのに最適な相関出力信号(絶対値系列D[n])が生成される。この絶対値系列D[n]の最大値が生じる時刻が後述するゲート生成部25で検出され、当該時刻が同期信号の受信時刻とされる。尚、絶対値系列D[n]の最大値を含むピークの幅は同期信号の掃引周波数幅Bkpに反比例し、D[n]のS/N比は同期信号の時間幅Tkpに比例する。従って、同期信号を検出するためには、BkpとTkpとを大きくすることが望ましいが、このようにすると送信信号の帯域幅が大きくなったり、通信時間が長くなるという問題が生じるので、これらの点を総合的に判断して、BkpとTkpとの最適値が決められる。 As described above, since correlation processing is performed using a matched filter, a correlation output signal (absolute value series D [n]) that is optimal for obtaining the time at which the maximum value occurs is generated. The time at which the maximum value of the absolute value series D [n] occurs is detected by the gate generation unit 25 described later, and this time is set as the reception time of the synchronization signal. The width of the peak including the maximum value of the absolute value series D [n] is inversely proportional to the sweep frequency width Bkp of the synchronization signal, and the S / N ratio of D [n] is proportional to the time width Tkp of the synchronization signal. Therefore, in order to detect the synchronization signal, it is desirable to increase Bkp and Tkp. However, since this causes problems such as an increase in the bandwidth of the transmission signal and a longer communication time, The optimum values of Bkp and Tkp are determined by comprehensively judging the points.
ゲート生成部25は、マッチドフィルタ部24から出力される絶対値系列D[n]に基づいて同期信号を検出し、さらに、同期信号の受信時刻に基づいて後述する周波数推定部27が参照信号および情報信号の周波数を推定するときに使用する両信号(正確には、両信号にかかる複素包絡線系列(I[n],Q[n」))の時間範囲を決定する。以下では、この時間範囲をゲートとよぶ。
The gate generation unit 25 detects a synchronization signal based on the absolute value series D [n] output from the matched
バッファメモリ25aは、上記の絶対値系列D[n]の一部分を一時的に記憶する。最大値検出部25bは、バッファメモリ25aの所定範囲内における絶対値系列D[n]の最大値を探し、最大値が所定値以上であるときは、最大値が生じる離散時刻(1/fsdecを単位とする時刻の値)を出力する。この離散時刻を以下では同期信号受信時刻とよぶ。同期信号受信時刻は、上述のマッチドフィルタ部24の特性から、同期信号と参照信号の境界に相当する時刻となる(図4参照)。そして、ゲート計算部25cが、同期信号受信時刻を基準として、参照信号のゲートおよび情報信号のゲートの開始時刻と終了時刻とを算出し、算出した値を出力する。
The
図4は、受信信号とゲートとの時間関係の一例を示す。ここでは、同期信号受信時刻から50msだけ経過したときを参照信号のゲートの開始時刻とし、開始時刻から50msだけ経過したときをゲートの終了時刻としているが、同期信号受信時刻から40msだけ経過したときを開始時刻とし、開始時刻から50msだけ経過したときを終了時刻としてもよい。このようにゲートの終了時刻側にも余裕を持たせれば、同期信号がノイズの影響を受け、決定された同期信号受信時刻が正確ではない場合であっても、参照信号のゲートは参照信号の受信時間帯内に位置するので、後述する参照信号の推定に対して悪影響を与えない。 FIG. 4 shows an example of the time relationship between the received signal and the gate. Here, the time when 50 ms elapses from the synchronization signal reception time is set as the gate start time of the reference signal, and the time when 50 ms elapses from the start time is set as the gate end time, but when 40 ms elapses from the synchronization signal reception time. May be the start time, and the end time may be when 50 ms has elapsed since the start time. In this way, if the gate end time side is also provided with a margin, even if the synchronization signal is affected by noise and the determined synchronization signal reception time is not accurate, the gate of the reference signal is Since it is located within the reception time zone, it does not adversely affect the estimation of the reference signal described later.
また、参照信号の先頭部分(前半部分)には海底あるいは海面で反射したしたのち到来した同期信号が混在するので、先頭部分をゲートの範囲外としている。一方、先頭部分以外の部分には、送信器3から直接到来した参照信号と海底などで反射したしたのち到来した参照信号とが混在するが、このことは後述する参照信号の周波数スペクトルに影響を与えない。上記の点については、情報信号についても同様である。 Further, since the synchronization signal that arrives after being reflected on the sea bottom or the sea surface is mixed in the head part (first half part) of the reference signal, the head part is out of the gate range. On the other hand, a reference signal that has arrived directly from the transmitter 3 and a reference signal that has arrived after being reflected at the seabed and the like are mixed in a portion other than the head portion. This affects the frequency spectrum of the reference signal described later. Don't give. The same applies to information signals.
上述のように、特許文献1のごとく同期信号を周波数によって検出するのではなく、受信信号の波形と同期信号の想定される波形との相関度に基づいて、具体的には相関度の最大値を検出することにより同期信号を検出している。従って、受信した同期信号の一部がノイズの影響を受けていても同期信号を検出できる。但し、ノイズの影響を受けた場合に同期信号受信時刻に多少の時間ずれが生じることがあるが、上述のようにゲートの開始時刻(前端)と終了時刻(後端)とに時間ずれに対する余裕を持たせることで、時間ずれに起因する不都合を回避できる。
As described above, the synchronization signal is not detected by frequency as in
周波数推定部27は、ゲート生成部25が出力する参照信号および情報信号のゲート内の複素包絡線系列(I[n],Q[n」)に対して、DFT(離散フーリエ変換)とスペクトル補間とを施すことにより、参照信号および情報信号の周波数を推定する。この推定される周波数は、ドップラーシフトした周波数、すなわち受信周波数である。以下、周波数推定部27の各部の動作について説明する。
The
図5に周波数推定部27の構成例を示す。バッファメモリ27a,27bは、それぞれ複素包絡線系列の実部系列I[n]および虚部系列Q[n」の一部分を一時的に記憶する。データ選択部27cは、バッファメモリ27a,27b内の信号の内、上記の参照信号のゲートまたは情報信号のゲートに対応する部分を選択する。窓係数メモリ27dは、下記の式(6)で表されるハニング窓の係数系列w[m]を記憶するメモリである。
w[m]={1-cos(2π・m/Mdft)}/2 (m=0,1,2,・・・,Mdft-1) (6)
ここで、MdftはDFTのデータ点数であり、fsdec・Tgate(ゲート幅)で定義される。従って、Mdftは256(5.12kHz×50ms)となる。
FIG. 5 shows a configuration example of the
w [m] = {1-cos (2π · m / Mdft)} / 2 (m = 0,1,2, ..., Mdft-1) (6)
Here, Mdft is the number of DFT data points and is defined by fsdec · Tgate (gate width). Therefore, Mdft is 256 (5.12 kHz × 50 ms).
乗算器27eは、ゲートで選択されたMdft個の実部系列I[n]と窓係数系列w[m]との積である実部系列を出力する。乗算器27fは、ゲートで選択されたMdft個の虚部系列Q[n]と窓係数系列w[m]との積である虚部系列を出力する。DFT計算部27gは、乗算器27e,27fから出力されるMdft個の実部系列と虚部系列とをそれぞれ実部、虚部とする複素系列に対して、高速フーリエ変換アルゴリズムを用いてDFTを施す。このDFTでMdft個の実部系列と虚部系列とからなるDFT系列G[k](k=0,1,2,・・・,Mdft−1)が算出される。そして、絶対値計算部27hが、各G[k]の絶対値|G[k]|(G[k]の実部の2乗と虚部の2乗との和の平方根)を計算する。この|G[k]|は、Mdft個の離散周波数に対する周波数スペクトル(振幅スペクトル)である。
The multiplier 27e outputs a real part sequence which is the product of the Mdft real part sequences I [n] selected by the gate and the window coefficient series w [m]. The
上記周波数の中心周波数が0Hzで、周波数分解能がfsdec/Mdft(5.12kHz/256=20Hz)であるので、|G[k]|は、0Hz±2.56kHzの周波数範囲における20Hz刻みの周波数スペクトルとなる。この周波数範囲は、送信信号の帯域幅(2kHz)よりも十分に広いので、情報信号にドップラーシフトが生じても、例えば、74kHzの情報信号の受信周波数が74.25kHzになっても、情報信号の周波数を推定することができる。送信帯域の中心周波数fc(73kHz)と同じ周波数の参照信号の周波数を推定できるのは勿論である。 Since the center frequency of the frequency is 0 Hz and the frequency resolution is fsdec / Mdft (5.12 kHz / 256 = 20 Hz), | G [k] | is a frequency spectrum in 20 Hz increments in the frequency range of 0 Hz ± 2.56 kHz. It becomes. Since this frequency range is sufficiently wider than the bandwidth (2 kHz) of the transmission signal, even if a Doppler shift occurs in the information signal, for example, even if the reception frequency of the 74 kHz information signal becomes 74.25 kHz, the information signal Can be estimated. Of course, the frequency of the reference signal having the same frequency as the center frequency fc (73 kHz) of the transmission band can be estimated.
スペクトルシフト部27iは、|G[k]|の系列を右方向(kが大きくなる方向)にMdft/2だけ巡回的にシフトする。シフト後の系列をGshift[k]で表すと、|G[0]|がGshift[Mdft/2]となり、|G[Mdft−1]|がGshift[0]となる。巡回的にシフトするのは、周波数スペクトルである|G[k]|が周波数の昇順になっていないからであり、この巡回的シフトによって周波数が昇順のGshift[k]が得られる。つまり、Gshift[0]が最も低い周波数に対する周波数スペクトルであり、Gshift[Mdft−1]が最も高い周波数に対する周波数スペクトルである。 The spectrum shifter 27i cyclically shifts the sequence of | G [k] | in the right direction (direction in which k increases) by Mdft / 2. When the shifted sequence is represented by Gshift [k], | G [0] | becomes Gshift [Mdft / 2] and | G [Mdft-1] | becomes Gshift [0]. The reason why the frequency shift is cyclic is that the frequency spectrum | G [k] | is not in ascending order of frequency, and Gshift [k] whose frequency is in ascending order is obtained by this cyclic shift. That is, Gshift [0] is the frequency spectrum for the lowest frequency, and Gshift [Mdft-1] is the frequency spectrum for the highest frequency.
スペクトル補間部27jは、下記の手順で参照信号および情報信号の受信周波数の周波数推定値(festで表す)を計算する。第1ステップでは、Gshift[k]の最大値に対応するk(このkをkmaxで表す)を求める。第2ステップでは、比r(Gshift[kmax−1]/Gshift[kmax])と比s(Gshift[kmax+1]/Gshift[kmax])とを計算する。第3ステップでは、r≧sの場合は、下記の式(7)によって周波数推定値festを算出する。r<sの場合は、下記の式(8)によって算出する。
fest=fc+Δf・{kmax−(2r−1)/(1+r)−Mdft/2} (7)
fest=fc+Δf・{kmax+(2s−1)/(1+s)−Mdft/2} (8)
上述のとおり、fcは送信帯域の中心周波数、ΔfはDFTの周波数の分解能である。また、 (2r−1)/(1+r)の減算および (2s−1)/(1+s)の加算によって離散周波数の補間処理が行われ、Mdft/2の減算によって中心周波数(0Hz)に対する補間後の離散周波数の変位量が補正される。
The
fest = fc + Δf · {kmax− (2r−1) / (1 + r) −Mdft / 2} (7)
fest = fc + Δf · {kmax + (2s−1) / (1 + s) −Mdft / 2} (8)
As described above, fc is the center frequency of the transmission band, and Δf is the DFT frequency resolution. In addition, the interpolation of the discrete frequency is performed by subtraction of (2r-1) / (1 + r) and the addition of (2s-1) / (1 + s), and after interpolation for the center frequency (0 Hz) by subtraction of Mdft / 2. The displacement amount of the discrete frequency is corrected.
補間処理を行うのは、kmaxで周波数スペクトルが最大となる確率よりも、kmaxとkmax−1との間、またはkmaxとkmax+1との間で周波数スペクトルが最大となる確率の方が高いからである。この補間処理により周波数推定値festがより正確に推定される。上述の処理を参照信号のゲートおよび情報信号のゲートで選択された複素包絡線系列(I[n],Q[n」)に施すことにより、参照信号の周波数推定値(fplt_estで表す)と情報信号の周波数推定値(finf_estで表す)とが算出され、周波数推定部27から出力される。
The reason why the interpolation processing is performed is that the probability that the frequency spectrum is maximized between kmax and kmax-1 or between kmax and kmax + 1 is higher than the probability that the frequency spectrum is maximized at kmax. . By this interpolation processing, the frequency estimation value fest is estimated more accurately. By applying the above-described processing to the complex envelope sequence (I [n], Q [n]) selected by the gate of the reference signal and the gate of the information signal, the frequency estimation value (represented by fplt_est) and information of the reference signal A frequency estimation value (represented by finf_est) of the signal is calculated and output from the
上記のように、参照信号および情報信号の周波数スペクトルの最大値に対応する周波数をそれぞれ参照信号および情報信号の周波数と推定するので、参照信号または情報信号の一部がノイズの影響を受けても周波数スペクトルへの影響は微小である。すなわち、上述の周波数算出誤りを防止することができる。また、上述のように、送信器から直接到来した参照信号(または情報信号)と海底あるいは海面で反射したしたのち到来した参照信号(または情報信号)とが混在する場合でも、周波数スペクトルは影響を受けないので、参照信号(または情報信号)を推定することができる。 As described above, since the frequency corresponding to the maximum value of the frequency spectrum of the reference signal and the information signal is estimated as the frequency of the reference signal and the information signal, respectively, even if a part of the reference signal or the information signal is affected by the noise The influence on the frequency spectrum is very small. That is, the frequency calculation error described above can be prevented. In addition, as described above, even when a reference signal (or information signal) that arrives directly from the transmitter and a reference signal (or information signal) that arrives after being reflected at the sea floor or the sea surface are mixed, the frequency spectrum has an effect. Since it is not received, the reference signal (or information signal) can be estimated.
周波数補正部28は、参照信号の既知の周波数fpltと周波数推定値fplt_estとに基づいて、情報信号の周波数推定値finf_estを補正する。この補正された周波数をfinf_corrで表すと、finf_corrは下記の式(9)で定義される。
finf_corr=finf_est・fplt/fplt_est (9)
この周波数finf_corrは、ドップラー効果の影響が除去された情報信号の周波数であり、理想的には、情報信号の送信周波数finfと等しくなる。このようにして、特許文献1に示される相対速度検出手段で検出された相対速度と水中音速とを用いることなく、finf_corrが求められる。
The
finf_corr = finf_est · fplt / fplt_est (9)
This frequency finf_corr is the frequency of the information signal from which the influence of the Doppler effect is removed, and ideally becomes equal to the transmission frequency finf of the information signal. In this way, finf_corr is obtained without using the relative speed detected by the relative speed detection means disclosed in
数値変換部29は、補正された情報信号の周波数finf_corrを送信情報の値に変換する。この変換は、上記の式(1)の逆変換によって行われる。そして、この送信情報の値(水圧や水温など)が表示部30に表示される。実際には、水圧から換算された魚網深度が表示部30に表示される。
The
フィルタ係数計算部26は、参照信号の既知の周波数fpltと周波数推定値fplt_estとに基づいて、上述のマッチドフィルタのフィルタ係数hc[m]、hs[m]を以下に定義される計算式(10)、(11)で計算する。
hc[m]=cos(ω・m+μ・m2) (m=0,1,2,・・・Mmf−1) (10)
hs[m]=sin(ω・m+μ・m2) (m=0,1,2,・・・Mmf−1) (11)
ここで、ω、μは、それぞれ下記の式(12)、(13)で定義される。
ω=(2π/fsdec)・{(fplt_est−fplt)−Bkp/2} (12)
μ=(π/fsdec2)・(Bkp/Tkp) (13)
上述の通り、Mmfはマッチドフィルタのフィルタ長(fsdec・Tkp=256)、Bkpは同期信号の周波数掃引幅(2kHz)、Tkpは同期信号の時間幅(50ms)である。
The filter coefficient calculation unit 26 calculates the filter coefficients hc [m] and hs [m] of the above-described matched filter based on the known frequency fplt of the reference signal and the frequency estimation value fplt_est (10 ) And (11).
hc [m] = cos (ω · m + μ · m 2 ) (m = 0,1,2,... Mmf−1) (10)
hs [m] = sin (ω · m + μ · m 2 ) (m = 0,1,2,... Mmf−1) (11)
Here, ω and μ are defined by the following equations (12) and (13), respectively.
ω = (2π / fsdec) · {(fplt_est−fplt) −Bkp / 2} (12)
μ = (π / fsdec 2 ) · (Bkp / Tkp) (13)
As described above, Mmf is the filter length of the matched filter (fsdec · Tkp = 256), Bkp is the frequency sweep width (2 kHz) of the synchronization signal, and Tkp is the time width (50 ms) of the synchronization signal.
式(10)、(11)によって計算されたフィルタ係数hc[m]、hs[m]は、フィルタ係数計算部26内のメモリに保存され、マッチドフィルタ部24に供給される。初回の受信時のマッチドフィルタ処理では、fplt_estが未知であるので、fplt_estにfpltの値を用いて計算された係数が使用され、2回目以降の受信時のマッチドフィルタ処理では、前回の受信時に得られたfplt_estを用いて計算された係数が使用される。このように、ドップラーシフト量に相当するfplt_estとfpltとの差に基づいてフィルタ係数hc[m]、hs[m]が更新され、ドップラー歪みに適応した最適なマッチドフィルタ処理が行われるので、ドップラー効果の影響下でも同期信号を確実に検出することができる。
The filter coefficients hc [m] and hs [m] calculated by the equations (10) and (11) are stored in the memory in the filter coefficient calculation unit 26 and supplied to the matched
以上述べた実施形態においては、瞬時周波数が連続的に増加するリニアFM信号を同期信号として用いる場合について説明したが、参照信号および情報信号と識別可能な他の信号を同期信号として用いることができる。例えば、瞬時周波数が連続的に減少するリニアFM信号や、周波数が一定の正弦波であって、位相が経時的に変化する、例えば位相が180°ずつ変化する位相変調信号なども同期信号として用いることができる。 In the embodiment described above, the case where the linear FM signal whose instantaneous frequency continuously increases is used as the synchronization signal, but other signals that can be distinguished from the reference signal and the information signal can be used as the synchronization signal. . For example, a linear FM signal whose instantaneous frequency continuously decreases, or a sine wave whose frequency is constant and whose phase changes with time, for example, a phase modulation signal whose phase changes by 180 °, is also used as the synchronization signal. be able to.
また、上記実施形態では、同期信号を検出するためにマッチドフィルタ処理を用いたが、受信信号の波形と同期信号の想定される波形との相関処理を行うものであれば、他の方法、例えば、上記の特許文献3に示される方法などを用いても本発明を実施することができる。さらに、上記実施形態では、DFT(離散フーリエ変換)を用いて参照信号および情報信号の周波数を推定するようにしたが、各信号の周波数スペクトルを求めることができるものであれば、他の方法を用いて周波数を推定するようにしても本発明を実施することができる。 In the above embodiment, the matched filter processing is used to detect the synchronization signal. However, other methods, for example, as long as the correlation processing between the waveform of the reception signal and the assumed waveform of the synchronization signal is performed. The present invention can also be implemented using the method disclosed in Patent Document 3 above. Furthermore, in the said embodiment, although the frequency of a reference signal and an information signal was estimated using DFT (discrete Fourier transform), if the frequency spectrum of each signal can be calculated | required, another method will be used. Even if the frequency is estimated by using the present invention, the present invention can be implemented.
さらに、上記実施形態では、直交検波部23から出力される複素包絡線系列(I[n],Q[n])を用いて同期信号の検出や周波数の推定を行うようにしたが、 受信信号を実部系列として処理するようにしても本発明を実施することができる。さらに、上記実施形態では、水中通信システムが魚網深度計である場合について説明したが、本発明は魚網深度計以外の水中通信システムにも適用することができる。 Furthermore, in the above embodiment, the detection of the synchronization signal and the estimation of the frequency are performed using the complex envelope sequence (I [n], Q [n]) output from the quadrature detection unit 23. The present invention can also be implemented by processing as a real part sequence. Furthermore, although the case where the underwater communication system is a fishnet depth meter has been described in the above embodiment, the present invention can also be applied to an underwater communication system other than a fishnet depth meter.
さらに、上記実施形態では、2つの情報信号の時間幅を同じとしたが、高精度が要求される送信情報にかかる第1の情報信号の時間幅を200msとし、高精度が要求されない送信情報にかかる第2の情報信号の時間幅を100msとするようにしてもよい。さらに、上記実施形態では、同期信号と参照信号と情報信号とを連続して送るようにしたが、各信号間に無送信区間を設けるようにしてもよい。 Furthermore, in the above embodiment, the time width of the two information signals is the same, but the time width of the first information signal related to the transmission information that requires high accuracy is set to 200 ms, and the transmission information that does not require high accuracy is used. The time width of the second information signal may be set to 100 ms. Furthermore, in the above-described embodiment, the synchronization signal, the reference signal, and the information signal are continuously transmitted. However, a non-transmission section may be provided between the signals.
1 受信器
2 受波器
3 送信器
23 直交検波部
24 マッチドフィルタ部(相関処理手段)
24a 実部系列生成部(マッチドフィルタ)
24b 虚部系列生成部(マッチドフィルタ)
25 ゲート生成部(ゲート生成手段)
26 フィルタ係数計算部(フィルタ係数更新手段)
27 周波数推定部(周波数推定手段)
27g DFT計算部
27j スペクトル補間部
fest 周波数推定値
finf 情報信号の周波数
finf_est 情報信号の周波数推定値
finf_corr 情報信号の補正された周波数推定値
fplt 参照信号の周波数
fplt_est 参照信号の周波数推定値
hc[m]、hs[m] マッチドフィルタのフィルタ係数
Mdft 離散フーリエ変換のデータ数
Mmf マッチドフィルタのフィルタ長
DESCRIPTION OF
24a Real part series generation part (matched filter)
24b Imaginary sequence generator (matched filter)
25 Gate generator (gate generator)
26 Filter coefficient calculation unit (filter coefficient updating means)
27 Frequency estimation unit (frequency estimation means)
27g
Claims (5)
前記送信器は、後続する参照信号および情報信号と識別可能に所定の変調がされた同期信号、周波数が既知の参照信号、および送信情報に応じて変調された情報信号を前記超音波信号として水中に送信することを特徴とする水中通信システム。 In an underwater communication system including a transmitter that transmits an ultrasonic signal into water, a receiver that receives the ultrasonic signal, and a receiver that performs signal processing on a reception signal received by the receiver ,
The transmitter uses a synchronization signal modulated in a predetermined manner so as to be distinguishable from the subsequent reference signal and information signal, a reference signal having a known frequency, and an information signal modulated according to transmission information as the ultrasonic signal. The underwater communication system characterized by transmitting to.
前記送信器は、後続する参照信号および情報信号と識別可能に所定の変調がされた同期信号、周波数が既知の正弦波信号である参照信号、および送信情報の値に応じた周波数の正弦波信号である情報信号を前記超音波信号として水中に送信し、
前記受信器は、受信した同期信号に基づいて受信した参照信号と情報信号とを検出し、検出した参照信号の周波数と検出した情報信号の周波数とを推定し、参照信号の既知の周波数と前記推定した参照信号の周波数とに基づいて前記推定した情報信号の周波数を補正することを特徴とする水中通信システム。 In an underwater communication system including a transmitter that transmits an ultrasonic signal into water, a receiver that receives the ultrasonic signal, and a receiver that performs signal processing on a reception signal received by the receiver ,
The transmitter includes a synchronization signal that is modulated in a predetermined manner so as to be distinguishable from the subsequent reference signal and information signal, a reference signal that is a sine wave signal having a known frequency, and a sine wave signal having a frequency corresponding to a value of transmission information. And transmitting the information signal as the ultrasonic signal underwater,
The receiver detects the received reference signal and the information signal based on the received synchronization signal, estimates the detected reference signal frequency and the detected information signal frequency, the reference signal known frequency and the information signal An underwater communication system, wherein the frequency of the estimated information signal is corrected based on the estimated frequency of the reference signal.
前記送信器は、後続する参照信号および情報信号と識別可能に所定の変調がされた同期信号、周波数が既知の正弦波信号である参照信号、および送信情報の値に応じた周波数の正弦波信号である情報信号を前記超音波信号として水中に送信し、
前記受信器は、
受信信号の波形と同期信号の想定される波形との相関処理を行う相関処理手段と、
前記相関処理によって得られた相関度を表す相関出力信号に基づいて同期信号を検出し、検出した同期信号の受信時刻に基づいて参照信号および情報信号のゲートを生成するゲート生成手段と、
前記ゲート生成手段で生成されたゲート内の参照信号および情報信号に基づいて、参照信号の周波数および情報信号の周波数を推定する周波数推定手段と、
参照信号の既知の周波数と前記周波数推定手段で推定された参照信号の周波数とに基づいて、前記周波数推定手段で推定された情報信号の周波数を補正する周波数補正手段と、を備えることを特徴とする水中通信システム。 In an underwater communication system including a transmitter that transmits an ultrasonic signal into water, a receiver that receives the ultrasonic signal, and a receiver that performs signal processing on a reception signal received by the receiver ,
The transmitter includes a synchronization signal that is modulated in a predetermined manner so as to be distinguishable from the subsequent reference signal and information signal, a reference signal that is a sine wave signal having a known frequency, and a sine wave signal having a frequency corresponding to a value of transmission information. And transmitting the information signal as the ultrasonic signal underwater,
The receiver is
Correlation processing means for performing correlation processing between the waveform of the received signal and the assumed waveform of the synchronization signal;
A gate generating means for detecting a synchronization signal based on a correlation output signal representing a degree of correlation obtained by the correlation processing, and generating a gate for the reference signal and the information signal based on the detected reception time of the synchronization signal;
Frequency estimation means for estimating the frequency of the reference signal and the frequency of the information signal based on the reference signal and the information signal in the gate generated by the gate generation means;
Frequency correction means for correcting the frequency of the information signal estimated by the frequency estimation means based on the known frequency of the reference signal and the frequency of the reference signal estimated by the frequency estimation means, Underwater communication system.
前記相関処理手段は、マッチドフィルタを用いて前記相関処理を行うことにより前記相関出力信号を生成し、
前記ゲート生成手段は、前記相関出力信号の最大値が生じる時刻を同期信号の受信時刻とすることを特徴とする水中通信システム。 The underwater communication system according to claim 3,
The correlation processing means generates the correlation output signal by performing the correlation processing using a matched filter,
The underwater communication system characterized in that the gate generation means sets the time when the maximum value of the correlation output signal occurs as the reception time of the synchronization signal.
前記参照信号の既知の周波数と前記周波数推定手段で推定された参照信号の周波数との差に基づいて、前記マッチドフィルタのフィルタ係数を更新するフィルタ係数更新手段を備えることを特徴とする水中通信システム。 The underwater communication system according to claim 4,
An underwater communication system comprising: filter coefficient updating means for updating a filter coefficient of the matched filter based on a difference between a known frequency of the reference signal and a frequency of the reference signal estimated by the frequency estimation means. .
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