JP2021108432A - Underwater communication system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、データ送信部が基準信号に基づいて水中に送信したデータを含む物理信号をデータ受信部が受信し、このデータ受信部が受信した物理信号について基準信号との相関を計算する水中通信システムに関する。 In the present invention, the data receiving unit receives a physical signal including data transmitted underwater by the data transmitting unit based on the reference signal, and the underwater communication for calculating the correlation between the physical signal received by the data receiving unit and the reference signal is calculated. Regarding the system.
データ送信部が基準信号に基づいて水中に送信したデータを含む物理信号をデータ受信部が受信し、このデータ受信部が受信した物理信号について基準信号との相関を計算する水中通信システムとして、例えば特許文献1に記載の水中通信システムが知られている。
As an underwater communication system in which a data receiving unit receives a physical signal including data transmitted underwater by the data transmitting unit based on a reference signal and calculates the correlation between the received physical signal and the reference signal for the physical signal received by the data receiving unit, for example. The underwater communication system described in
図5に示すように、このような従来の水中通信システム1では、基準信号発生器2が発生した電気信号である基準信号について、データ送信部3が変調部4においてPSK(Phase Shift Keying:位相偏移変調)等のデジタル変調を行うとともに、変換器(トランスデューサー)5においてデータを含む超音波信号、光信号等の物理信号に変換し、水中に送信する。そして、被測定物における反射等により物理信号が戻ってくると、その物理信号をデータ受信部6が受信し、バンドパスフィルタリング及び増幅して相関計算器7に出力する。相関計算器7には、データ受信部6が受信した物理信号とともに、データ送信部3でデジタル変調された基準信号(特許文献1においては、同期信号)が入力され、相関計算器7では、図6(a)に示すように、それらの信号がフーリエ変換された後に、振幅及び位相が合成されて逆フーリエ変換されることにより、データ受信部6が受信した物理信号について基準信号との相関が計算される。
As shown in FIG. 5, in such a conventional
ところで、従来の水中通信システムでは、伝送系が遅延波やドップラー効果で歪むことにより相関結果が分散し、相関を正確に計算できないことが多かった。そこで、相関結果を分散させずに相関のピークを検出しやすくするために、POC(Phase Only Correlation:位相限定相関法)のアルゴリズムを使用することが考えられる。前述のとおり、相関の計算には、通常は振幅及び位相を用いるが、POCでは、図6(b)に示すように、位相だけを用いて相関を計算することにより、相関のピークが出やすくなる。 By the way, in the conventional underwater communication system, the correlation result is dispersed due to the distortion of the transmission system due to the delay wave or the Doppler effect, and the correlation cannot be calculated accurately in many cases. Therefore, in order to make it easier to detect the peak of the correlation without dispersing the correlation result, it is conceivable to use a POC (Phase Only Correlation) algorithm. As described above, the amplitude and phase are usually used for the calculation of the correlation, but in POC, as shown in FIG. 6 (b), the peak of the correlation is likely to occur by calculating the correlation using only the phase. Become.
しかしながら、POCでは、相関計算に用いられる基準信号や物理信号の精度が高くなければならず、たとえ従来の水中通信システムでは問題にならない精度であったとしても、POCによる計算時には誤差が増大して実用的ではないという問題がある。例えば、従来の計算では、図7(a)に示すような波形(横軸は位相又は時間、縦軸は振幅又は相関値)がPOCによる計算では同図(b)に示すような波形になるはずであっても、実際には同図(a)に類する同図(c)に示すような波形にしかならないことが多々生じる。 However, in POC, the accuracy of the reference signal and physical signal used in the correlation calculation must be high, and even if the accuracy is not a problem in the conventional underwater communication system, the error increases during the calculation by POC. There is a problem that it is not practical. For example, in the conventional calculation, the waveform shown in FIG. 7A (horizontal axis is phase or time, vertical axis is amplitude or correlation value) becomes the waveform shown in FIG. 7B in the calculation by POC. Even if it should be, in reality, it often happens that the waveform is similar to that shown in FIG.
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、POCにも好適で相関を正確性高く計算することができる水中通信システムを提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an underwater communication system that is suitable for POC and can calculate correlations with high accuracy.
上記課題を解決するために、本発明に係る水中通信システムは、基準信号を発生する基準信号発生部と、前記基準信号発生部が発生した基準信号をデジタル変調してデータを含む物理信号に変換し、水中に送信するデータ送信部と、前記データ送信部が送信した物理信号を受信するデータ受信部と、前記基準信号又は前記データ受信部が受信した物理信号を補正するイコライザー部と、前記データ受信部が受信した物理信号と前記イコライザー部が補正した基準信号との相関、又は、前記データ受信部が受信し前記イコライザー部が補正した物理信号と前記基準信号との相関を計算する相関計算部とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the underwater communication system according to the present invention digitally modulates a reference signal generating unit that generates a reference signal and a reference signal generated by the reference signal generating unit into a physical signal including data. A data transmission unit that transmits data in water, a data reception unit that receives a physical signal transmitted by the data transmission unit, an equalizer unit that corrects a reference signal or a physical signal received by the data reception unit, and the data. Correlation calculation unit that calculates the correlation between the physical signal received by the receiving unit and the reference signal corrected by the equalizer unit, or the correlation between the physical signal received by the data receiving unit and corrected by the equalizer unit and the reference signal. It is characterized by having and.
前記イコライザー部は、前記基準信号又は前記データ受信部が受信した物理信号を前記データ送信部及び前記データ受信部の伝達特性に基づいて補正してもよく、前記相関計算部は、POCにより相関を計算してもよい。 The equalizer unit may correct the reference signal or the physical signal received by the data receiving unit based on the transmission characteristics of the data transmitting unit and the data receiving unit, and the correlation calculation unit correlates by POC. You may calculate.
また、前記基準信号発生部は、前記相関計算部の計算結果に基づいて、発生する基準信号を複数の基準信号の中から選択可能であってもよく、前記データ受信部は、前記データ送信部による物理信号の送信時に動作を停止してもよい。 Further, the reference signal generation unit may be able to select the generated reference signal from a plurality of reference signals based on the calculation result of the correlation calculation unit, and the data reception unit may be the data transmission unit. The operation may be stopped when the physical signal is transmitted by.
本発明に係る水中通信システムによれば、POCにも好適で相関を正確性高く計算することができる。 According to the underwater communication system according to the present invention, it is also suitable for POC and the correlation can be calculated with high accuracy.
本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。 A mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、本実施の形態に係る水中音響通信システム10は、基準信号発生器11と、データ送信部12と、データ受信部13と、イコライザー部14と、相関計算器15とを備える。
As shown in FIG. 1, the underwater
基準信号発生器11は、デジタル信号であるM系列等の基準信号を発生し、データ送信部12に出力する。
The
データ送信部12は、変調部16及び変換器(トランスデューサー)17を有し、基準信号発生器11が発生した基準信号が入力されると、その基準信号を変調部16においてデジタル変調し、変換器17においてアナログ信号に変換した後にデータを含む超音波信号として水中に送信する。
The
データ受信部13は、データ送信部12が送信した超音波信号が被測定物における反射等により戻ってくると、その超音波信号を受信し、バンドパスフィルタリング及び増幅して相関計算器15に出力する。
When the ultrasonic signal transmitted by the
イコライザー部14には、変調部16においてデジタル変調された基準信号がデータ送信部12から入力され、イコライザー部14は、その基準信号をデータ送信部12及びデータ受信部13の伝達特性に基づいて補正し、補正した基準信号を相関計算器15に出力する。すなわち、データ送信部12及びデータ受信部13は、S/Nや妨害特性の改善を目的として帯域制限をするため、データ受信部13が相関計算器15に出力する超音波信号には歪みが生じるが、イコライザー部14は、データ送信部12及びデータ受信部13の逆伝達関数を再現し、その超音波信号との相関をとる基準信号を超音波信号と同様に歪ませる補正を行う。
A reference signal digitally modulated by the
相関計算器15は、データ受信部13が受信した超音波信号及びイコライザー部14が補正した基準信号が入力されると、両信号をフーリエ変換した後に位相を合成して逆フーリエ変換し(図6(b)参照)、両信号の相関をPOCにより計算する。この計算結果により、水中音響通信システム10又は外部の演算装置では、データ受信部13が受信した超音波信号についてのデータ復調のタイミングや伝達時間(超音波信号を発信してから受信するまでの伝達時間)が求められる。
When the ultrasonic signal received by the
水中音響通信システム10は、図2に示すように、イコライザー部14がデータ送信部12と相関計算器15との間に設けられるのではなく、データ受信部13と相関計算器15との間に設けられてもよい。この場合、イコライザー部14は、データ送信部12及びデータ受信部13の伝達関数を再現し、データ受信部13が受信した超音波信号をデータ送信部12及びデータ受信部13による伝送系歪みをキャンセルするように補正して、補正した超音波信号を相関計算器15に出力する。相関計算器15には、変調部16においてデジタル変調された基準信号がデータ送信部12から入力され、相関計算器15は、その基準信号とともにイコライザー部14が補正した超音波信号が入力されると、両信号をフーリエ変換した後に位相を合成して逆フーリエ変換し、両信号の相関をPOCにより計算する。
In the underwater
また、水中音響通信システム10は、図3に示すように、複数が組み合わせられてもよく、同図においては、2つの水中音響通信システム10が組み合わせられ、各水中音響通信システム10を区別するために符号の末尾にA,Bを付している。例えば水中音響通信システム10Aは海上(船上)に設置可能であり、水中音響通信システム10Bは海底に設置可能である。
Further, as shown in FIG. 3, a plurality of underwater
水中音響通信システム10Aのデータ送信部12Aから送信された超音波信号は、水中音響通信システム10Bのデータ受信部13Bで受信された後、相関計算器15Bに入力される。相関計算器15Bには、基準信号発生器11Bで発生してデータ送信部12Bの変調部16Bでデジタル変調され、さらにイコライザー部14Bで補正された基準信号も入力され、この補正された基準信号とデータ受信部13Bが受信した超音波信号との相関が計算される。
The ultrasonic signal transmitted from the
一方、水中音響通信システム10Bは、水中音響通信システム10Aから超音波信号を受信すると、データ送信部12Bから水中音響通信システム10Aに向けて超音波信号を送信する。データ送信部12Bから送信された超音波信号は、水中音響通信システム10Aのデータ受信部13Aで受信された後、相関計算器15Aに入力される。相関計算器15Aには、基準信号発生器11Aで発生してデータ送信部12Aの変調部16Aでデジタル変調され、さらにイコライザー部14Aで補正された基準信号も入力され、この補正された基準信号とデータ受信部13Aが受信した超音波信号との相関が計算される。
On the other hand, when the underwater
本実施の形態において、基準信号発生器11は、相関計算器15の計算結果に基づいて発生する基準信号を複数の基準信号の中から選択可能であり、伝送系の歪みに適した基準信号を発生させることもできる。
In the present embodiment, the
例えば、遅延波が想定遅延より長い伝送系について説明すると、図4(a)に示すように、変調部16においてPSKで1シンボルごとに位相を変更して基準信号を変調し(図4は6シンボル(6ビット)で基準信号を構成し、1シンボル区間に8波のsin波が入った例を表す。)、基本波に対して反射波が時間tIだけ遅れて到達する場合、基本波のうち、そのtIに相当する部分が干渉を受け、シンボルのS/NはtS/tIとなる(tIに相当する部分+tSに相当する部分=1シンボル)。
For example, to explain a transmission system in which the delay wave is longer than the assumed delay, as shown in FIG. 4A, the
したがって、同図(b)に示すように、tIに相当する部分及びtSに相当する部分がいずれも4波だとすると、S/Nは0dBになって基準信号としては使えなくなるが、基準信号発生器11は、同図(c)に示すように、シンボル長を2倍とする基準信号を選択して発生することができ、これにより、S/Nは10dBになって基準信号として利用可能になる。
Therefore, as shown in FIG. 6B, if the portion corresponding to t I and the portion corresponding to t S are both four waves, the S / N becomes 0 dB and cannot be used as a reference signal, but the reference signal. As shown in FIG. 3C, the
本実施の形態に係る水中音響通信システム10は、基準信号を発生する基準信号発生器11と、基準信号発生器11が発生した基準信号をデジタル変調してデータを含む超音波信号に変換し、水中に送信するデータ送信部12と、データ送信部12が送信した超音波信号を受信するデータ受信部13と、基準信号又はデータ受信部13が受信した超音波信号を補正するイコライザー部14と、データ受信部13が受信した超音波信号とイコライザー部14が補正した基準信号との相関、又は、データ受信部13が受信しイコライザー部14が補正した超音波信号と基準信号との相関を計算する相関計算器15とを備えるので、相関計算に用いられる基準信号や超音波信号がイコライザー部14により補正され、相関計算時の水中伝送系以外の送受信機内(データ送信部12及びデータ受信部13の内部の)伝送系歪みの影響が除かれることにより、相関を正確性高く計算することができる。
The underwater
ここでは、イコライザー部14が基準信号又はデータ受信部13が受信した超音波信号をデータ送信部12及びデータ受信部13の伝達特性に基づいて補正することによって、POCにより相関を計算しても図7(b)に示すような波形が得られるので、相関計算器15は、POCにより相関を計算し、相関のピークが正確に検出される。
Here, even if the
また、基準信号発生器11は、相関計算器15の計算結果に基づいて、発生する基準信号を複数の基準信号の中から選択可能であるので、1つの基準信号では相関の計算が難しいような場合にも相関の計算が可能となり(図4(b),(c)参照)、相関を利用した様々な分析等が可能になる。
Further, since the
以上、本発明を実施するための形態について例示したが、本発明の実施形態は上述したものに限られず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更等してもよい。 Although the embodiments for carrying out the present invention have been illustrated above, the embodiments of the present invention are not limited to those described above, and may be appropriately modified without departing from the spirit of the invention.
例えば、水中通信システムが送受信する物理信号は超音波信号に限られず、光信号等であってもよく、基準信号発生器が発生する複数の基準信号は、シンボル長を異ならせたものではなく波の数等を異ならせたものでもよい(図4(c)においては、シンボル長を2倍にしたが、シンボル数は6個のまま、1シンボルを16波とすることもできる。)。 For example, the physical signal transmitted and received by the underwater communication system is not limited to an ultrasonic signal, but may be an optical signal or the like. (In FIG. 4C, the symbol length is doubled, but the number of symbols may remain 6 and one symbol may have 16 waves).
さらに、データ受信部は、データ送信部による物理信号の送信時に動作を停止し、物理信号を受信しないように構成してもよく、これにより、データ送信部が送信していない物理信号をデータ受信部が誤って受信し、相関計算に悪影響が生じる事態を防止することができる。 Further, the data receiving unit may be configured to stop the operation when the data transmitting unit transmits the physical signal so as not to receive the physical signal, whereby the data receiving unit receives the physical signal not transmitted by the data transmitting unit. It is possible to prevent a situation in which the unit receives the data erroneously and adversely affects the correlation calculation.
10 水中音響通信システム(水中通信システム)
11 基準信号発生器(基準信号発生部)
12 データ送信部
13 データ受信部
14 イコライザー部
15 相関計算器(相関計算部)
10 Underwater acoustic communication system (underwater communication system)
11 Reference signal generator (reference signal generator)
12
イコライザー部14には、変調部16においてデジタル変調された基準信号がデータ送信部12から入力され、イコライザー部14は、その基準信号をデータ送信部12及びデータ受信部13の伝達特性に基づいて補正し、補正した基準信号を相関計算器15に出力する。すなわち、データ送信部12及びデータ受信部13は、S/Nや妨害特性の改善を目的として帯域制限をするため、データ受信部13が相関計算器15に出力する超音波信号には歪みが生じるが、イコライザー部14は、データ送信部12及びデータ受信部13の伝達関数を再現し、その超音波信号との相関をとる基準信号を超音波信号と同様に歪ませる補正を行う。
A reference signal digitally modulated by the
水中音響通信システム10は、図2に示すように、イコライザー部14がデータ送信部12と相関計算器15との間に設けられるのではなく、データ受信部13と相関計算器15との間に設けられてもよい。この場合、イコライザー部14は、データ送信部12及びデータ受信部13の逆伝達関数を再現し、データ受信部13が受信した超音波信号をデータ送信部12及びデータ受信部13による伝送系歪みをキャンセルするように補正して、補正した超音波信号を相関計算器15に出力する。相関計算器15には、変調部16においてデジタル変調された基準信号がデータ送信部12から入力され、相関計算器15は、その基準信号とともにイコライザー部14が補正した超音波信号が入力されると、両信号をフーリエ変換した後に位相を合成して逆フーリエ変換し、両信号の相関をPOCにより計算する。
In the underwater
Claims (5)
前記基準信号発生部が発生した基準信号をデジタル変調してデータを含む物理信号に変換し、水中に送信するデータ送信部と、
前記データ送信部が送信した物理信号を受信するデータ受信部と、
前記基準信号又は前記データ受信部が受信した物理信号を補正するイコライザー部と、
前記データ受信部が受信した物理信号と前記イコライザー部が補正した基準信号との相関、又は、前記データ受信部が受信し前記イコライザー部が補正した物理信号と前記基準信号との相関を計算する相関計算部とを備えることを特徴とする水中通信システム。 A reference signal generator that generates a reference signal,
A data transmission unit that digitally modulates the reference signal generated by the reference signal generation unit, converts it into a physical signal containing data, and transmits it underwater.
A data receiving unit that receives a physical signal transmitted by the data transmitting unit, and
An equalizer unit that corrects the reference signal or the physical signal received by the data receiving unit, and
Correlation between the physical signal received by the data receiving unit and the reference signal corrected by the equalizer unit, or the correlation of calculating the correlation between the physical signal received by the data receiving unit and corrected by the equalizer unit and the reference signal. An underwater communication system including a calculation unit.
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