JP4205952B2 - 水中使用のための通信システム - Google Patents

Description

本発明は、水面下又は水中での使用に適した通信システムに関する。

水中での信頼性の有る通信は難しい。ＶＬＦ（１０ＫＨｚまで）電磁波通信を使用することが知られているが、これは高出力と大きなアンテナを必要とし、そのため船と潜水艦とを含む通信に限定されていて、例えば、ダイビング時の個人的な使用には使えない。

短距離通信には、２０乃至６００ＫＨｚの範囲の超音波が使用できる。しかし、信号伝送はドップラー効果、伝搬の非線形速度（例えば、水密度及び温度の異なる領域に起因して）、複数経路伝搬（反響としても知られる）、フェーデイング、及び雑音や他の音源を含む他の環境的な妨害の影響を受ける。

音波搬送波のアナログ変調を使用した水面下音響通信システムが知られているが、特に水面下ネットワークについては、不十分であると考えられている。既知の製造された装置は３２乃至４０ＫＨｚの搬送波をダイバーの声によるＳＳＢ変調を使用している。米国特許第４６５３７５８号公報は、音声シンセサイザーを使用して二人のダイバー間の音響通信を可能にしたシステムを開示している。別の既知のシステムはメッセージが可聴音又は存続時間により決定され、点滅するビーコンが緊急事態のダイバーを見つけることに役立つダイバーとダイバーとの間の通信システムに関する。カナダ特許出願第２１４１６１９号公報に開示されたシステムでは、ＡＭ変調されたメッセージがダイバー間に転送されて、受信装置がこの装置を持つダイバーが容易に聞くことのできるメッセージを発する。

これらアナログシステム又は装置の全ては相対的に短い距離、典型的に、１５０メートル以下の範囲でのみ有効で、且つ、通信は「視線」方向のみで可能である。

米国特許第６１２５０８０号公報（ダイブコム）は、１つ又は複数のＦＳＫ搬送波（キャリア）による２進値デジタル通信を使用した水面下通信システムに関する。関連する国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＬ００／００１６７号公報（ウーリッヒウェーブＬｔｄ）はさらに、受信者に対する送信者の角度位置、例えば、ボートに対するダイバーの位置、を決定することに関する。ダイブコムの１つの実施の形態では、複数のダイバーの装置の各々に、それに特有な一対の周波数を含むチャンネルが割り当てられると共に、選択的に、全てのダイバーに共通な緊急周波数が割り当てられる。装置は通常、そのチャンネル（及び選択的な緊急チャンネル）上のメッセージのみを聞く。ダイバーが通信を望む時、装置内の記憶されたメッセージが選択されて所望の宛先の装置に対応したチャンネル上で２進値シーケンスを発生するために２進値ＦＳＫ変調器により変調され、そしてこのシーケンスはＤＡＣを通じて送られる。チャンネルを聞いて、チャンネルが開いていると確認されると、メッセージが送信される。受信信号の信号経路は、一般に、送信信号のそれの逆である。

ダイブコム及びウーリッヒウェーブＬｔｄに開示されたデジタルシステムは、各ダイバーの装置は宛先に従い異なるＦＳＫ搬送波周波数で動作する能力を必要とする。

音響通信に関連して、送信された信号を回復する際に困難を生じ、そして水中経路を含む通信の際に特に厳しくなるいくつかの問題が存在する。ダイブコム及びウーリッヒウェーブＬｔｄに使用されるような狭帯域信号は、フェードする傾向を有し、そしてこの理由のためにこれらの特許文献は共に２つの別個の周波数により分離された搬送波上で信号伝達を行っている。これは、もし１つの信号がフェードした場合に、他の１つが十分に強くて回復及びデコードできるようにするためである。さらに、送信された信号は、送信の長さに対して相対的に短い時間規模でランダムに変化するドップラー周波数効果の影響を受ける。

これに加えて、等しく信号は顕著な複数経路伝搬の影響を受ける。利用可能なエネルギーは普通は直接的な信号だが必ずしもそうではない最強又は主信号と主信号の前又は後に到着する下位信号との間に分割される。これは主信号の振幅の減少を生ずるだけではなく、下位信号は以降の処理の際に主信号を劣化させる。チャンネル構造を定義する複数経路は、経路長と信号強度の両方に関して、ランダムで相対的に急速な変化を受ける（送信の長さに対して）。以降、主信号以外の顕著な信号を「副信号」と呼ぶ。

従って、主な関心は、特に背景雑音、複数経路伝搬及び音響ドップラーを含む水中通信に特有に導入されるエラーの影響に対して信頼性があり且つ柔軟性を持つ通信方法を提供することである。
米国特許第６１５８０４１号公報（ラーレイ）は、人工衛星、マイクロ波、又は例えば電話チャンネル、又は、磁気ディスク装置の文脈において、雑音、複数経路フェーデイング、及び他の好ましくない送信特徴を処理するための格子形コード変調システムに関する。
本発明の実施の形態では、信号は実効的に相対的に広帯域であり、このため、信号フェーデイングの問題を回避又は減少できる。さらに、手段が受信信号の複数経路到着を検出して信号全体の強度と信号対雑音比を増加するように処理し且つ受信信号中のドップラー及び位相シフトを検知して補償するように構成される。

本発明の好適な実施の形態では、水中環境での複数経路伝搬を解決しそして利用するために好適な相関関係特性を用いていくつかの相対的に広帯域な信号に狭帯域信号がマップされる。

選ばれた宛先の受信者のみが送信された信号に肯定的に応答できるように構成できる。エラー修正技術がデジタル信号に適用される。

本発明は、送受信機がポータブル又はウェアラブル装置に実現できるため、単独で水面の支援船舶と共に活動するダイバー、又はグループで水面の支援船舶と共に又は無しに活動するダイバーに有用であるが、また、どんな水中通信システム、例えば、有人水中乗り物又は遠隔操作水中艦又は水中遠隔測定装置、においても有用である。

本発明は、第１の観点において、デジタルビットの情報シーケンスを発生し又は受信するための手段と、前記シーケンスを２ⁿの潜在的なシンボルが存在するように各々がｎビットを含んだシンボルの連続に区分するための手段と、ここで、ｎは１に等しいか又はそれよりも大きく、前記各シンボルを長さｍチップ（ビット）の対応するコードのシーケンスに置き換えるための符号化手段と、ここで、コードは良い相関関係特性を持ち、且つ、ｍ／ｎの値は少なくとも３２であり、符号化手段からの信号により搬送波を変調するための変調手段と、水中に音響信号を送信するために変調手段の出力に接続された送信トランスデュサー手段とを含むデジタル水中送信装置を提供する。第１の観点はこの装置により実施されるような送信方法まで拡張する。

本発明は、第２の観点において、デジタルビットの情報シーケンスを発生し又は受信するための手段と、前記シーケンスを各々がｎビットを含んだシンボルの連続に区分するための手段と、ここで、ｎは１に等しいか又はそれよりも大きく、前記各シンボルを拡張されたシーケンスに置き換えるための符号化手段と、符号化手段からの信号により搬送波を変調するための変調手段とを含み、ここで拡張されたシーケンスは前置きシーケンス及び／又は後置きシーケンスにより拡張されると共にシンボルに対応するｍチップ（ビット）長の基礎コードシーケンスを含み、前記前置きシーケンスは基礎コードシーケンスの最後の部分のチップパターンを複製し、前記後置きシーケンスは基礎コードシーケンスの最初の部分のチップパターンを複製した、デジタル水中送信装置を提供する。好ましくは、前記前置き又は後置きの長さは、ｍ^1/2からｍ／２の範囲内の整数である。好ましくは、前置き又は後置きが共に備わり、そしてさらに好ましくはこれらが等しい長さを持つ。実施の形態では、変調手段は水中に音響波を送信するためのトランスデューサに接続される。

搬送波が受信されて復調される時、各拡張されたｍシーケンスは拡張されたシーケンスがどのパターンを表すかを決定するため（最尤度（可能性）結果）、各２ⁿ未拡張（基礎）ｍシーケンスと相関関係を付けることかできる。しかし、信号は複数チャンネルからの副信号がその中に感知できるほどのエネルギー量を持つ時に顕著に劣化する。拡張されたシーケンスの使用は一時的に離されたチャンネルから同様の信号を検出できるチャンスを増すことができる。これらは主信号と効率的に同期させて相関関係の前に加えることができ、従って、受信信号中のコードシーケンスに対応する相関関係器出力の振幅を改善できる。

しかし、拡張されたコードシーケンスの使用の主な長所は、受信信号中のシーケンスの期待されるタイミングと相関関係器中の基準シーケンスとの間にある時間の広がりを可能にすることである。受信機において、受信された拡張されたシーケンスからｍビットシーケンスが元の基礎シーケンスの部分に対応する意図された部分から抽出される。シーケンスの性質及び拡張が循環的であるという事実に起因して、たとえ抽出されたシーケンスが拡張されたシーケンスの元の送信されたコードシーケンスの部分から時間的に変位されていても、相関関係付け処理の効力は本質的に影響を受けない。基礎コードが拡張されたシーケンスの中心に一般的に置かれるようにするために一般的に等しい長さの前置きと後置きの両方を使用すると、主信号の前及び後に到着する間接的なチャンネルを可能にする。

デジタル情報シーケンスは、普通、それが伝えようとする情報、例えば、メッセージ及び／又は受信装置に固有の識別子、に従い変化する。しかし、例えば、送信装置に固有な記憶された固定識別子又は後述するように信号処理を助けるため使用できる固定ヘッダーシーケンスなど、装置からの固定情報に対応して、それらの少なくとも一部は予め決めることができる。情報シーケンスは、受信装置の選択的なアドレスをするために送信装置に記憶された複数の受信装置の識別子から選ばれた１つを含むことができる。送信及び／又は受信識別子はそれを回復するために情報シーケンス内でそれぞれ所定の位置又はスロットを持つ。変形例では、これらの項目の各々又はいずれかは変調信号中に変調されたシーケンスとして加え又は挿入できる。例えば、変調された固定ヘッダーシーケンスが変調されたデジタルシーケンスの前に加えることができ、これは固定ヘッダーを持つ情報シーケンスを効率的に提供するものと考えられる。

デジタル情報シーケンスは送信装置に供給される。代替的又は追加的に、例えば、（ａ）手動入力手段及びこの手動入力手段の操作に応答するための選択的なディスプレイ、（ｂ）前記デジタル情報シーケンスの少なくとも一部を提供するために送信装置の状態を測定するための測定手段、及び（ｃ）音声入力手段の１つ又は複数を含んだ手段を設けることにより、送信装置は情報シーケンスの少なくとも一部を発生できる。

また、音響送信の前に一対のパルス信号により変調信号の前触れをするための手段を設けることができる。これらの信号は、受信機で信号処理のために使用でき、特に、少なくともドップラー効果及び／又は複数経路送信（チャンネル構造）の初期決定のために使用できる。この目的のために、パルス信号は好ましくは広帯域で、及び／又は、良い相関関係特性を持つ。２つのパルス信号は、必ずしも必要ではないが好ましくは、同一である。実施の形態では、一対のチャープ信号が提供される。特に、線形的に上昇する周波数を持つ直ちに連続的な同一のチャープとして説明されるが、各チャープの特性、例えば、開始及び／又は終了周波数、エンベロープ形状、持続期間等は変化でき、そして他のチャープの特性と同じ又は異なることができる。

現在、好まれるｎの値は２、又はそれ以上である。例えば、後で説明される計算的な理由のため、２、３又は４である。好まれるｍの値は少なくとも６４であり、より好ましくは少なくとも２５６である。

符号化手段の前に、送信手段はエラー修正のために前記情報シーケンス内に冗長性を組み入れるためのリード・ソロモン・エンコーダなどの手段を含むことができる。

本発明は、第３の観点において、第１及び／又は第２の観点によるタイプの送信装置から送信された信号に応答するために構成されたデジタル水中受信装置を提供する。この受信装置は、前記信号を受信及び復調又は下降変換するための手段と、復調信号から各々が前記送信コードシーケンスのそれぞれ１つに関連した複数の受信コードシーケンスを導き出すための手段と、前記受信コードシーケンスの各々を前記２ⁿのコードシーケンスの各々に相関関係付けるための第１相関関係手段と、どのコードシーケンスが最大尤度（可能性）結果を与えるかを決定するための識別手段と、それにより受信された情報シーケンスを合成するために各最大尤度結果から対応する復号化されたシンボルを導出するための復号化手段とを含む。受信装置は、復号化手段の出力に接続されてユーザーが認識可能な出力を与えるための、（ａ）視覚的ディスプレイ、（ｂ）音響的警報又は視覚的警報、及び（ｃ）音響トランスデューサから得られた送信された音声情報を再構成するための音声シンセサイザー又は音響手段などのうちの少なくとも１つの、手段を含むことができる。

順番に受信されるどんな３つのシーケンスを取り、第１及び第２シーケンスが本質的に瞬間的なドップラー効果を決定して、第３（後）に受信されるシーケンスの修正のために利用可能である。そして、このように修正された第３ブロックは、第２の実施の形態に関連した説明から明らかとなるように、チャンネル構造を決定するために使用することができる。

コードシーケンスの使用は通信システムについて広帯域特性を生ずると考えられる。

受信されたシーケンスの正確な識別のため、使用される２ⁿのシーケンスについては擬似ランダム最大長シーケンス（ｍシーケンス）符号化などの最良の自己相関関係特性を与えることのできるコードを使用することが好まれる。しかし、他の同時的な送信から干渉を排除し防止するために、２ⁿのシーケンスについては各々が有界の相互相関関係を持つゴールドコード又はカサミコードなどの最良の相互相関関係を与えることのできるコードを使用することが好まれる。この２つの要件は一般に同時に満足することはできないが、擬似ランダム最大長シーケンス符号化により与えられる相互相関関係性能及びゴールド及びカサミコード化により与えられる自己相関関係性能は、目的について十分に満足する。

すなわち、本発明に使用するために選択されるコードは良い相関関係特性を持つことが必要であるが、選択されるコードのタイプは受信されることを意図したメッセージを復号する信頼性と受信されることを意図されないメッセージを拒絶する信頼性との間のバランスを反映し、これは少なくとも部分的にはいずれの送信機−受信機対が使用されるであろう環境により決定されるであろう。

実施の形態では、ｍシーケンス符号化を複数経路問題を処理するためにより良く適しているとして使用する。しかし、以下を参照すると理解されるように、上述したような他の符号化のタイプで置き換えることができる。

第１の知られた拡張コードシーケンスは、そのコーディングが選択されたそれが持つより優れた相関関係特性のために、チャンネル構造を識別するためにパルス又はチャープ信号より好まれる。しかし、シーケンスはドップラー推定エラーにより急速に相関関係を失い、そして相関関係はサイドローブを増加する傾向があるため、チャンネル構造を推定する前に約１ノット以内にドップラーを前置補償することが必要である。

このため、送信開始を指示することに加えて、離間されたパルス信号がドップラーの初期測定を得るために使用される。この測定はより正確にチャンネル構造を識別する目的のために最初の知られたコードシーケンスを補償するのに使用され、そして測定されたドップラーはチャンネル構造の更新された情報を得るため、受信された信号中の残りのコードシーケンスにその後に適用される。

残りの受信されたコードシーケンスから情報を得ることにより測定されたドップラーを連続的に更新することが好まれる。例えば、これは絶対的に必要ではなくシステムの複雑性を増すが、直前のシーケンス対から残余（又は差動）ドップラーの測定を得ることにより行われる（すなわち、閉ループシステム）。詳細に説明される実施の形態では影響しないが、可能な修正として説明される。

ドップラー情報を連続的に更新することの１つの利点は、パルス位置変調と同じ方法で、受信された各シーケンスの絶対的な開始タイミング、又は、シーケンス間の相対的なタイミングを調節することを可能にして、より多くのシーケンスに頼ることなくデータレートを改善できる。閉ループ・ドップラーが使用される時は、拡張されたコード化シーケンスの使用はあまり必要とされない。

本発明は、第１又は第２の観点による送信装置と一緒に第３の観点による受信装置とを含みある部分が共有され又は共有されない、送受信機に拡張される。また、本発明は、デジタル信号を送信及び／又は受信する方法、デジタル通信システム、及び、通信方法に拡張される。

本発明のさらなる特徴と効果は、以下の本発明の実施の形態の説明と特許の請求の範囲の記載から明らかとなる。

図１は、ダイバーが使用するための一対の送受信機１を示し、各々が金属箱２を含み、その金属箱の一側面には音響信号を受信するための一対の音響水中聴音器４が搭載されている。音響信号を送信するための１つの音響トランスデューサ３が、液晶、エレクトロルミネセント、又は他の適当なディスプレイ５の窓のすぐ上の箱の主面の上に搭載されている。液晶及び他の受動的ディスプレイとは異なり、エレクトロルミセント又は他の自己発光ディスプレイは別個の光源を必要としない点で有利である。窓の下には、４つの押しボタン６がある。送受信機全体は、潜水の際に生ずるような圧力下の水の浸入を防止するように設計されている。送信と受信の別個のトランスデューサが示されているが、両機能を提供するトランスデューサを１つ又は複数備えることも可能である。

図２は、送受信機１内の回路の概略的なブロック回路図を示し、この送受信機は１２ボルト電源８により駆動される電源７により動作する。駆動入力とディスプレイ機能は専用のプロセッサ１０に接続されたマイクロコントローラ９により実行される。送信モードでは、マイクロコントローラ９は押しボタン６から入力を受信して、対応する出力をディスプレイに出力すると共に、それに応答して最終的にメッセージ１１をプロセッサ１０にリード・ソロモン符号化デジタルストリーム１２の形式で入力する。これはプロセッサ１０により合成変調信号１３に変換されて、増幅されて１４、そしてトランスデューサ４にインピーダンス整合１５される。

受信モードにおいて、水中聴音器３からの出力は前置増幅されて１６、プロセッサ１０に入力されて、送信された情報シーケンス１２’（ダッシュ符号の使用は、送信信号に一般的に対応する受信信号を示す）の再構築を開始する。後者はリード・ソロモン復号化及び受信信号に含まれている情報に応答してディスプレイ５を制御するに適当な処理をプロセッサ９で受ける。

図３は、送受信機の送信側の部分的な概略図を示す。押しボタン４の共同操作は所定フォーマットのデジタルシーケンスの形式のメッセージをどんな既知の方法で生成する。とりわけ、メッセージは送信する送受信機の識別子、宛先の送受信機の識別子、選択的に送受信機のグループに固有な識別子、及び、送信することを望む情報を含む。識別子は３つ以上の送受信機（又は単一の送信機／受信機対）が存在する場合に有用である。例えば、１つ又は複数のグループのダイバーが同じそれぞれの船から操作されるが、他の状況では排除できる場合である。情報は、単純な英数字シーケンス、又は、例えば、所定の明瞭なメッセージを表す符号化された数字の組である。他のコード又はエラー検査手段も適当ならば含まれる。汎用的な受信、例えば、警報メッセージ、を意図したメッセージの識別子のための手段も設けることができる。

押しボタン６は、キーボードなどの他のどんな手動入力に、又は、他の形式の入力、例えば、音声入力又は水中若しくはダイバーに固有の局所的状態（例えば、空気供給、心拍数、潜水深度及び時間、水温／水圧）を測定する１つ又は複数のトランスデューサからの入力に、置き換えたり又は追加することができることが理解される。同様に、ディスプレイ５は、メッセージの受信を指示するための可聴警報又は点滅灯（メッセージの確認前に消す必要があってもよい）など、又は、音声シンセサイザー（又は、もし送信情報が例えばマイクロフォンからの可聴波形に対応する場合は音声出力）のどんな他の認識可能な出力に、置き換えたり又は追加することができることが理解される。また、プロセッサ９又はプロセッサ１０は、既知のメッセージ送信プロトコルのいくつかの形式、例えば、メッセージ受信の確認用、又は、このような確認がない場合のメッセージの再送信用、又はそれのメッセージを送信する前に他の送信が存在し無いことの検査用、を実現できることが理解される。

メッセージ１７は、宛先送受信機でのエラー検査／修正のためにプロセッサ９内でリード・ソロモン符号化１８を受ける。ｍシーケンス符号化器２０に接続される結果として得られたデジタル・ストリング１９は、ｎビット長のシンボルを含み、そしてｎビットの所定ブロックが前置きされる（図示しない）。

各シンボルを、ｍチップ（ビット）（ｍシーケンス）長の対応する擬似ランダム最大長シーケンスに変換することが知られている。ここで、ｍ＞ｎである。ｎビットのシンボルは、２ⁿの可能なビットパターンを持つため、２ⁿの対応するｍシーケンスが存在し、これは受信信号内でのそれらの識別を容易にして（そして、対応するｎビットシンボルの識別も）、そして他のｍシーケンスとの相互相関関係の量を減らすために最良の自己相関関係係数を与えるように、２^mの可能なｍ長のシーケンスから選択するために決定される。

実施の形態において、符号化器２０は２ⁿの拡張されたｍシーケンスをその中に記憶しており、これらｍシケーンスの各々は前記２ⁿのｍシーケンスの１つを含んでいてそれぞれｘ又はｙチップの拡張により前置き及び／又は後置きされている。ｘビット拡張はｍシーケンスの最後のｘチップの繰り返しである。ｙビット拡張はｍシーケンスの最初のｙチップの繰り返しである。ｘ及びｙ拡張は明らかな理由により時々、「巡回拡張」と呼ばれる。ｘ又はｙのいずれかはゼロであってもよいが、両方が有限の値であることが好まれる。ｘ又はｙは等しくなくてもよいが、実施の形態では等しい。したがって、ＡＢＣの形式の基礎シーケンスの場合、Ｂが中心部分を表し、Ａ及びＣが端末部分である。ＣＡＢＣ、又は、ＡＢＣＡ、又は、ＣＡＢＣＡの形式の拡張されたｍシーケンスが所望ならば得ることができる。

拡張の機能については後述する。ｍ、ｎ、ｘ及びｙの好ましい大きさについても後述する。参照と区別を容易にするため、以降、「通常」のｍシーケンスは「基礎シーケンス」と呼ぶ。そして、拡張されたｍシーケンスは「拡張シーケンス」と呼ぶ。

図４は、４つの拡張シーケンスＡ、Ｂ、Ｃ及びＤを発生するｎが２の場合について概略的に示している。符号化器２０がシンボルのストリング１９に作用して、変調器２２に転送するための対応した拡張シーケンスを選択する。変調器２２で適当な搬送波周波数ωにバイフェーズ変調される。したがって、変調器２２への入力２１は拡張シーケンスの一続きからなり、最初は上述した所定のシーケンスに対応し、残りはメッセージ１２により決定される。所定の形式の長さと相対的タイミングの２つのチャープ信号２４が発生器２５により生成されて、２６で変調信号２３の前に加えられて合成信号１３を作り、これが例えば水面上の船又は別のダイバーに送信するためにトランスデューサ４に接続される。

メッセージ１２を表す拡張シーケンスとチャープ信号２４の間に所定の拡張シーケンスが存在することが理解される。これは様様な方法で与えることができる。例えば、別個の発生器により、符号化器１８がその符号化処理の開始時に所定のシンボルを発生するように構成することにより、符号化器２０がその符号化処理の開始時に所定の拡張シーケンスを発生するように構成することにより、又は発生器２５が所定の拡張シーケンスが後に続く両チャープを発生することによりである。

マイクロコントローラ９により使用される拡張ｍシーケンスは各々がｍチップの基礎ｍシーケンスからなっている。ここで、ｍはｎより相当に大きく、好ましくは、ｍ／ｎが少なくとも１６、より好ましくは少なくとも３２、そしてさらに好ましくは少なくとも６４である（比ｍ／ｎは実効的に受信機相関関係器が達成する処理利得を定義する）。実際は、相当に大きな処理利得が複数経路とユーザ干渉に打ち勝つことを助けるために使用される。この応用については、比ｍ／ｎは２５５／２である。明らかに、この比はシステム・データ速度に影響を与え、より高いデータ・スループットを与えるためにこの量を減少することが可能である。基礎ｍシーケンスは擬似ランダム最大長ｍシーケンスであり、既知の方法でそれらの識別を容易にするため（そして、対応するｎビットシンボルを識別するため）、それらの長さについて最良の自己相関関係係数を与え、他の基礎ｍシーケンスとの相互相関関係の量を減少する。

信号１３は、チャープ１、チャープ２、Ｅ₀、（Ｅｍ）_xの（無間隔）シーケンスを含み、ここで、チャープ１とチャープ２はチャープ２４である。Ｅ₀は搬送波上で変調された所定の拡張シーケンスであり、（Ｅｍ）_xは搬送波上で変調されたメッセージ７により決定される拡張シーケンスの一続きである。送信時にこれら項目の各々の持続期間は既知のため、送信時のこれらの相対的なタイミングも既知である。したがって、一定の初期修正と復調の後、説明されるように、受信信号は同様のシーケンスに分解することが可能である。

図５は、送受信機１の受信回路の部分を概略的に示すもので、部分３０は受信された拡張シーケンスの一続き２１’を与えるために受信トランスデューサ３からの出力２３’の上述の初期修正と復調を実行する役割を持つ。

最初に、送信信号はドップラーと複数経路伝搬のいずれも受けていないと仮定すると、符号化器２０により生成されたのと同じような信号２１’を与えるために直接的に受信されて復調されてチャープが抽出される。その後にｍシーケンス復号器３１で復号され、そしてリード・ソロモン復号器３２により出力１７’としてメッセージが再構成される。

このような場合は、チャープ信号及び拡張シーケンスＥ₀は、単に送信の開始を示すことだけに機能し、タイミングを与えて、これにより（Ｅｍ）_xが成分の拡張シーケンスに分離される。既知の方法により、復号器３１で各成分Ｅｍはそれぞれが各基礎シーケンスと関連する２ⁿ並列相関関係器を通過させられて、これらの出力は比較されて、どのビットパターンがその拡張シーケンスと置き換えられるが決定される。拡張シーケンスは、レプリカ・シーケンスと複数経路を持つであろう受信シーケンスとの間の相関関係を実行する時、サイドローブ・レベルを減少する役割を果たす。拡張シーケンスはまた、受信信号中のどんなジッターも調節できるが、実際は、ジッターは顕著な複数経路成分の時間遅延をいかなるジッターを可能とする１つ又は２つのラグでプラス又はマイナスして相関関係に加算することにより調整される。

図６の上の図（ａ）に、各々の持続期間Ｔｃを持ち、最初のチャープが時間Ｔ＝０で開始し、直ちに連続するチャープ２４₁及び２４₂のチャープ信号２４を示す。真中の図（ｂ）に、線２７₁及び線２７₂が、対応するチャープ２４₁及び２４₂の送信された時の及びドップラー及び複数経路がなくて受信した時の、時間に対する周波数Ｆを示す。

ドップラーはあるが複数経路伝搬がない時、受信信号は源と受信装置の間の実効的な相対的移動により決定される方向にその量だけ圧縮又は拡大された送信信号の実効的バージョンである。図６の線２８₁及び２８₂は、これをドップラーの方向が波形の圧縮である時の２つのチャープについて示している。図の２７は大略矢印Ｄｏに示すように実効的に移動されて、より短い持続期間とより高い終端周波数に上昇した図の２８を与える。この移動の方向と量はドップラー効果の方向と大きさを示している。また、２つのチャープ２８₁及び２８₂は直ちに連続しているから、図中の線２８₂の開始点がＴｃから変位した量及び方向がドップラー効果の大きさと方向を示している。

図６の図（ｃ）に、元のチャープ波形に対する受信信号の複素数相関関係の大きさが信号を発生することが示されている。ここでピーク２９₁及び２９₂はそれぞれ線２８₁及び２８₂に対応する。線２７から発生されるであろうＴｃ／２及び３Ｔｃ／２での鋭いピークの代わりに、ピーク２９は幾分広くてそれぞれ量ΔＴ及び（ΔＴ＋αＴｃ）だけ早く発生する。

Δ及び／又はαの値からドップラーを測定することが可能である。しかし、上述したように、実際は、受信信号は主信号から得られる情報の正確性を減少させる傾向を持つ副信号を表す図６（ｂ）の細い線３０に示すような複数経路伝搬の影響も受ける。

したがって、図７に、|φ₁|²及び|φ₂|²として示される、図６（ｃ）のそれらと同様な複素数出力信号φ₁、φ₂を与えるため、元のチャープ波形と２つの受信されたチャープ信号との間の複素数相関関係の結果を生成してバッファすることが好ましい。出力信号（例えば、バッフアに記憶されているような）を検査し、そして閾値関数を使用することにより、出力信号から選択された又は一部の時間窓が選択される。これらの部分は相関関係出力がそれらの最大値を持つ時間に時間的な中心が置かれて、そして複数経路伝搬から生ずる他の顕著な信号ピークを含む大きさにサイズが合わされる。

図８に示すように、その後に、複素数相互相関関係が各選択された部分とその他に対して実行される。この処理はドップラー効果のより正確な決定を与え、そして、主信号からの情報のみだけではなく、主信号と時間的に接近して発生する顕著な副信号からの情報を使用する（多くの条件下で、大部分の副信号は主信号から近接した間隔で到着し、そして時間的にさらに主信号から離間した信号は相対的に少ないエネルギーを持つ）。

図５において、チャープに基づいたドップラー測定及びメッセージ情報の開始は同期回路３３で得られ、その出力が前置増幅器１６の出力に接続された再サンプラー３４を制御するために与えられる。このようにして、受信信号は、信号２１’を発生するためにデジタル変換器３５内で復調又は下降変換するため、変調器１０の周波数ωを持つ（通過帯域）信号１１’に変換される。

複数経路伝搬が考慮される時、相関関係が取られたチャープ信号は図７に示すような形式を取り、そこには副信号に対応した少なくとも１つの追加的な下位のピーク３６が存在する（これらは図６（ｃ）にも発生する）。図示するように、ピークは実際は問題の副信号のマクロ経路を構成する密に離間したマイクロ経路に対応した成分の合成であるが、細かい構造は都合よく無視できる。

増強された主信号を作り、信号対雑音比又は主信号の正確性を増加するために複数経路信号を処理することが知られている。１つの既知の方法は、主信号と下位信号の間のタイミングを測定し、信号が効率的に加えられるようにＦＩＲフィルターなどのフィルターを制御する。例えば、フィルターはタップされた遅延線の形式を取り、さまざまの経路が同期されてそれぞれの信号成分が一緒に加えられて読み出されるよう、その中に元の信号が供給されてそして制御された遅延で信号が取り出される。制御された遅延は可変である。一般的な処理は「レーキング」として知られている。

同期回路３３での相関関係により与えられるチャンネル構造情報は複数経路伝搬を処理するために使用できるが（図７参照）、図５の実施の形態では、この機能は後で詳述されるｍシーケンス復号器３１で行われる。したがって、再サンプラー３４及び変換器３５からの信号１１’、２１’はまだ複数経路構造を維持する。

上述したように、送信信号２１’の部分間の既知の相対的なタイミングを使用して、メッセージ１７’及び信号１９’の対応する部分（シンボル）を決定するため、２ⁿの基礎ｍシーケンスと相関関係付けるために、元（拡張されていない、すなわち、この目的のため拡張が無視された）のｍシーケンスに対応した位置のｍ長のシーケンス又はブロックが受信されて時間的に修正された信号から選択される。もし、相関関係器が受信されたままの信号２１’に直接的に作用するならば、その出力は副信号に関する情報も事実含み、そして、もし、ｍシーケンスの識別がこれらの出力に関して直接に実行されるならば、副信号情報がそれと干渉する。

したがって、決定されたチャンネル構造に基づいて、信号２１’は復号器３１内でＦＩＲフィルターに関連して上述したのと原理的に同じフィルター処理を受けて、異なる到着時間の信号が同期されて組織的に加えられる。これにより、信号対雑音比を増加し、複数経路伝搬の影響が減少され、そして、このようにして得られた「フィルターされた」出力がｍシーケンスの上述した決定（相関関係により）を行うために使用される。このフィルター処理は前に識別されたチャンネル経路の相対的なエネルギーに基づいて重み付けすることが好ましい。この処理は時々、最大比結合（ＭＲＣ）として知られている。

この全体プロセスは好ましくは、信号処理を容易にして通信の健全性を加えるのに適当なため、時間及びフーリエ領域の両方で実行される。好ましくは、チャンネル構造を決定する時、時間遅延相関関係のより高速な評価を可能にするため、相関関係処理はフーリエ領域で実行される。顕著な経路遅延とその重みが決定された後、相関関係処理は時間領域に戻されて、各経路遅延について及び各可能なシーケンスについて重み付け相関関係を加算する必要があるため、処理時間が節約される。２ⁿシーケンスとＰ経路について、Ｐｘ２ⁿの複素数相関関係を計算する必要がある。２ⁿシーケンスの各々からの最大の相関関係結果が最大尤度（可能性）の送信シンボルを識別する。これが識別された時、システムは最大尤度（可能性）シンボルと現在受信された時間ベクトルとの間のフーリエ領域相関関係を計算することにより、チャンネル推定を再計算する。これが経路遅延と重みをリセットして次に受信されるシーケンスの準備をする。このシステムは本来的に不正確な初期ドップラー推定に起因する又はプラットホームの加速によるドップラー変化（タイミング・ドリフト）をシーケンスからシーケンスへと追跡することが可能である。

以上で、固定のドップラーと複数経路伝搬が説明された。しかし、これらの要素は両方とも送信の長さにわたって変化して、潜在的なエラーを招く。

２つのチャープ２４の場合で上述したように、複素数自己相関関係はチャンネル構造の情報を与える。そして、その後に自己相関関係結果の互いの複素数相互相関関係を取るとドップラーに関する情報が与えられる。この処理は受信された拡張シーケンスの使用まで進めることができる。

最初に受信された拡張シーケンスは知られている。そして、ドップラーはチャープ信号を使用して得られると仮定され、最初のシーケンスの再サンプリングと復調を可能にする。そして、既知の最初の拡張シーケンスに対する既知の基礎シーケンスの（自己）相関関係がより正確なチャンネル構造情報を持つ相関関係信号を与える。

ドップラーもシーケンスの連続する対に行われる測定から絶えず更新されるシステムの変形例においては、更新されたドップラー（又は、差動ドップラー）測定は、もし必要ならば適当にバッフアされた第２の変調された拡張シーケンスの再サンプリングのために、復号器３１及び再サンプラー３４に供給される。さらに、更新されたチャンネル情報は同様に第２の変調された拡張シーケンスをレーキングする際に復号器３１内で使用できる。しかし、さらにチャンネル情報を更新するためには、第２の拡張シーケンスが識別されたなら、レーキングされていない信号２１’の第２の変調された拡張シーケンスが対応する基礎シーケンスと相関関係付けられて、既知の方法で結果からチャンネル構造の更新が得られ、第３の変調された拡張シーケンスのレーキングのために使用される。そして同様に繰り返される。

これらの測定の生成には遅れはあるが、それは十分に小さくて、ドップラー又は複数経路伝搬のために信号１９’に劣化が起こる可能性はないか又はほとんどない。

拡張シーケンスの使用は、既に受信信号内の時間ジッターを処理する見地で説明された。それはまた、送信基礎シーケンスを使用した場合に失われるかもしれない副信号経路情報を得るためにも役立つことが理解される。

すなわち、本発明のこの実施の形態は、狭帯域通信のようなフェーデイングを受けない広帯域通信を可能にし、ドップラー効果に対して良く対応でき、そしてメッセージ再生の正確性を増すために複数経路からのエネルギーを含むより多くの送信信号エネルギーを使用する。

本実施の形態では、ｎは２であり、ｍは２５５であり、２０チップ長の巡回拡張が各端に設けられる。これらの値は、遭遇するであろう送信状態、利用可能な計算パワー、及び他の状況に従い、選択的事項である。特にポータブル送受信機の現在の計算パワーを用いると、必要な相関関係の数を制限するために、ｎは好ましくは４より大きくない。しかし、受信する送受信機で実行される相関関係の数がｎ²で急速に増加するにもかかわらず、ｎのより大きい数は全体のより高速な送信を可能にすることが理解される。

この後者の考察は、固定されたｍの値に対してｎを増加すると、受信機の相関関係器で得られる処理利得を定義する比ｍ／ｎが減少する事実とバランスさせなければならない。最近の応用では、複数経路とユーザー干渉に打ち勝つことを助けるために、相当に大きい処理利得を使用することが好まれる。ｍ／ｎの値は好ましくは少なくとも３１、そしてさらに好ましくは少なくとも６３、そしてより好ましくは少なくとも１２７である。拡張の長さは好ましくは、ｍが２５５の時、１６と１２８の間にある。より一般的には、それは、ｍ^1/2とｍ／２の間に存在する。

ダイバーと船の間、又は一対のダイバー間の相互通信に適した一対の送受信機１の正面図。 図１の送受信機１内の回路の概略的なブロック回路図。 送受信機の送信側の部分的な概略図。 図３に示される回路の詳細な動作を示す図。 図１の送受信機１の受信回路の部分を示す概略図。 図５に示される回路の部分の動作を示すため、送信信号の開始のチャープの形式のパルス波形を参照する図表。 図５に示される回路の部分の動作を示すため、送信信号の開始のチャープの形式のパルス波形を参照する図表。 図５に示される回路の部分の動作を示すため、送信信号の開始のチャープの形式のパルス波形を参照する図表。

Claims (21)

1. デジタルビットの情報シーケンス（１７）を生成又は受信するための手段と、前記シーケンスを２ⁿの潜在的なシンボルが存在するように各々がｎビットを含むシンボルの連続（１９）に区分するための手段（１８）と、ｎは１と等しいか又は大きく、前記各シンボルをｍチップ（ビット）長の対応する基礎コードシーケンス（２１）に置き換えるためのコード化手段（２０）と、ｍ／ｎの値は少なくとも３２であり、コード化手段からの信号により搬送波を変調するための変調手段（２２）と、変調手段の出力（２３）に接続されて水中に音響信号を送信するための送信トランスデューサ（３）と、を含むデジタル水中送信装置（１）。
2. ｎの値が少なくとも２である請求項１に記載の送信装置。
3. ｍの値が少なくとも６４である請求項１又は請求項２のいずれかに記載の送信装置。
4. 前記情報シーケンスの頭に所定のシンボルを与える、又は、所定のシンボルを表すコード化された情報シーケンスの開始点に所定のコードシーケンスを与えるための手段を含む請求項１乃至３のいずれか１つに記載の送信装置。
5. コードが、（ａ）擬似ランダム最大長シーケンス、（ｂ）ゴールドコード、及び（ｃ）カサミコードから選択される請求項１乃至４のいずれか１つに記載の送信装置。
6. 前記変調手段が、バイフェーズ変調を実行するように構成されている請求項１乃至５のいずれか１つに記載の送信装置。
7. 前記情報シーケンスの中にエラー修正のために冗長性を組み入れるための手段を含む請求項１乃至６のいずれか１つに記載の送信装置。
8. 前記変調された搬送波の前に２つのパルス信号（２４）を互いに及び変調された信号に対して既知のタイミングで置くための手段を含む請求項１乃至７のいずれか１つに記載された送信装置。
9. 上記請求項１乃至８のいずれか１つに記載の送信装置から送信された信号に応答するためのデジタル水中受信装置であって、前記信号を受信して復調又は下降変換するための手段（４、３３、３４、３５）と、復調された信号から各々が前記送信されたコードシーケンスのそれぞれの１つに関連した複数の受信コードシーケンス（２１’）を得るための手段と、前記各受信コードシーケンスを前記２ⁿの基礎コードシーケンスの各々と相関関係付けるための第１相関関係手段（３１、３２）と、どのコードシーケンスが最大尤度（可能性）結果を与えるかを決定するための識別手段（３１、３２）と、各最大尤度結果から対応する復号されたシンボルを得てそれにより受信情報シーケンス（１７’）を合成するための復号化手段（３１、３２）とを含む受信装置。
10. 受信信号中のドップラー効果を検出して測定するためのドップラー測定手段（３３、３４）と、復調又は下降変換前に前記ドップラー効果を修正するためのドップラー修正手段とを含む請求項９に記載の受信装置。
11. 前記ドップラー修正手段が、前記ドップラー測定手段からの出力に応答して前記受信トランスデューサの出力に再サンプリングのために接続された再サンプリング手段（３４）を含む請求項１０に記載の受信装置。
12. 前記相関関係手段が、少なくとも部分的に複素数相関関係手段である請求項９乃至１１のいずれか１つに記載の受信装置。
13. 主又は直接的な信号から時間的に変位された複数経路伝搬から生じた顕著な副信号を識別するための副信号手段を含む請求項９乃至１２のいずれか１つに記載の受信装置。
14. 前記副信号手段が、実効的に前記主及び副信号を一緒に加えるために、前記副信号の少なくとも１つを前記主又は直接的な信号と実効的に同期させる手段を含む請求項１３に記載の受信装置。
15. 請求項８に記載の送信装置からの信号と共に使用され、前記パルス信号の出現を識別するためのパルス検出手段を含む請求項９乃至１４のいずれか１つに記載の受信装置。
16. 請求項１乃至８のいずれか１つに記載の送信装置の１つ又は複数と、請求項９乃至１５のいずれか１つに記載の別個の受信装置の１つ又は複数とを含んだ通信システム。
17. 請求項１乃至８のいずれか１つに記載の送信装置と、請求項９乃至１５のいずれか１つに記載の受信装置とを含んだデジタル水中送受信機。
18. 情報を表すデジタルビットのシーケンス（１７）を送信する方法であって、前記シーケンスを各々がｎビットを含んだブロック（１９）の連続に区分するステップ、ここで、ｎは１に等しいか又はそれよりも大きい、前記各ブロックをそのブロック内のビット又はビットパターンと予め定められた対応を有するｍビット長のコードシーケンスを含む又はからなる送信されるビットの連続（２１）に置き換えるステップと、ここで、ｍ／ｎの値は少なくとも３２であり、結果として得られた信号により搬送波を変調するステップと、水中に前記変調された搬送波に対応した音響波信号を送信（４）するステップとを含む方法。
19. コードが、（ａ）擬似ランダム最大長シーケンス、（ｂ）ゴールドコード、及び（ｃ）カサミコードから選択される請求項１８に記載の方法。
20. 請求項１８又は請求項１９のいずれか１つに記載された方法により発生された信号を受信して復号する方法であって、受信信号を復調又は下降変換し、復調又は下降変換した信号を各々が送信された連続のそれぞれの１つに対応した受信されたビットの複数の連続に区分し、前記各受信された連続を最大ｎ²の前記シーケンスの各々と相関関係付けをし、どのシーケンスが最大の自己相関関係結果を与えるかを決定し、それに従い対応したｎビットの前記ブロックを与えそして対応する受信した前記情報シーケンスを与えることを含む方法。
21. 送信される信号を与えるために請求項１８又は請求項１９のいずれか１つに記載された方法を実行すること、送信された信号が受信されたときに請求項２０に記載の方法を実行することを一緒に含む通信方法。

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