RU2232473C2 - Data transfer method and system - Google Patents
Data transfer method and system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2232473C2 RU2232473C2 RU2001107610/09A RU2001107610A RU2232473C2 RU 2232473 C2 RU2232473 C2 RU 2232473C2 RU 2001107610/09 A RU2001107610/09 A RU 2001107610/09A RU 2001107610 A RU2001107610 A RU 2001107610A RU 2232473 C2 RU2232473 C2 RU 2232473C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- information
- frequency
- signal
- components
- component
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу передачи информации и к системе для осуществления способа.The invention relates to a method for transmitting information and to a system for implementing the method.
Во многих областях техники для передачи информации используются волны, например электромагнитные или акустические, которые, излучаясь передатчиком, достигают приемного устройства, распространяясь по специальному волноводу или свободно в определенной среде. В случае, если приемник и передатчик согласованы, например, по частоте или по выбранному частотному диапазону, то устанавливается соединение. Посредством такого соединения информация может передаваться различными путями.In many areas of technology, waves are used to transmit information, for example electromagnetic or acoustic, which, being emitted by the transmitter, reach the receiving device, propagating through a special waveguide or freely in a specific medium. If the receiver and transmitter are matched, for example, in frequency or in the selected frequency range, then a connection is established. Through such a connection, information can be transmitted in various ways.
Передаваемая информация (например, речь, текст, последовательность чисел, музыкальная запись, данные изображения и другие данные) может преобразовываться или кодироваться для излучения передатчиком в форме волновых сигналов в среду передачи. Приемник принимает сигналы, преобразует их в исходную форму, т.е. декодирует их, и выдает соответствующую выходную информацию.The transmitted information (for example, speech, text, a sequence of numbers, music, image data and other data) can be converted or encoded for emission by the transmitter in the form of wave signals into the transmission medium. The receiver receives signals, converts them to their original form, i.e. decodes them, and gives the corresponding output information.
В зависимости от формы кодирования информации различают аналоговую и цифровую передачу информации.Depending on the form of encoding information distinguish between analog and digital transmission of information.
При аналоговой передаче информации передаваемые величины представлены в непрерывном спектре физических состояний. Это происходит обычно в форме модуляции амплитуды, частоты, и/или фазы несущих волн. В течение заданного временного интервала могут передаваться большие объемы информации.In analogue information transfer, the transmitted values are presented in a continuous spectrum of physical states. This usually occurs in the form of modulation of the amplitude, frequency, and / or phase of the carrier waves. During a given time interval, large amounts of information can be transmitted.
При цифровом способе связи, ограничиваются определенными дискретными состояниями. В настоящее время не существует еще ограничений по скорости передачи информации в случае применения электромагнитных волн, поскольку частоты соответствующих несущих волн являются очень высокими, и поэтому различные дискретные состояния могут быть реализованы через исключительно короткие интервалы времени.With the digital communication method, they are limited to certain discrete states. At present, there are still no restrictions on the speed of information transfer in the case of the use of electromagnetic waves, since the frequencies of the corresponding carrier waves are very high, and therefore various discrete states can be realized at extremely short time intervals.
В некоторых средах передачи информации, например в воде, связь посредством электромагнитных волн является лишь условно возможной, поскольку эти волны распространяются в воде только на очень короткие расстояния. В этой среде, однако, возможна передача информации посредством звуковых волн, которые могут распространяться на большие расстояния. Звуковые волны могут модулироваться подобно тому, как описано выше. Эти волны, однако, являются механическими волнами давления, которые отличаются от электромагнитных характером распространения и, кроме того, существенно более низкими частотами, что в конечном итоге отражается на скорости передачи информации. В отношении характера распространения механических волн отмечается, к примеру, существенная зависимость скорости звука от определенных условий среды.In some information transmission media, for example in water, communication through electromagnetic waves is only conditionally possible, since these waves propagate in water only over very short distances. In this environment, however, it is possible to transmit information by means of sound waves that can propagate over long distances. Sound waves can be modulated in the same way as described above. These waves, however, are mechanical pressure waves, which differ from electromagnetic ones in the nature of propagation and, in addition, significantly lower frequencies, which ultimately affects the speed of information transfer. Regarding the nature of the propagation of mechanical waves, for example, there is a significant dependence of the speed of sound on certain environmental conditions.
Различные проблемы, имеющие место при акустическом способе передачи данных, объясняются ниже на примере передачи звуковых сигналов под водой. При распространении в водной среде звуковые волны, излученные передающим гидрофоном, могут отражаться или отклоняться, к примеру, от поверхности воды и/или, в зависимости от глубины, от дна, различных предметов, воздушных пузырьков, взвеси, а также от слоистых неоднородностей водного канала. Различные компоненты звуковых волн поступают в приемное устройство с различными амплитудами и фазами, в зависимости от длины пути распространения, угловых отношений и акустических свойств соответствующих граничных поверхностей. Полезный сигнал в точке приема может, как следствие интерференции, непредсказуемо усиливаться, ослабляться, искажаться или компенсироваться, и соответственно прием, вследствие так называемого эха, может быть нарушен.The various problems that occur with the acoustic method of transmitting data are explained below by the example of the transmission of sound signals under water. When propagating in an aqueous medium, sound waves emitted by a transmitting hydrophone can be reflected or deviated, for example, from the surface of the water and / or, depending on the depth, from the bottom, various objects, air bubbles, suspended matter, as well as from layered inhomogeneities of the water channel . The various components of the sound waves arrive at the receiver with different amplitudes and phases, depending on the length of the propagation path, the angular relations and the acoustic properties of the respective boundary surfaces. The useful signal at the receiving point can, as a result of interference, be unpredictably amplified, weakened, distorted or compensated, and accordingly, reception, due to the so-called echo, can be disrupted.
Для более полного разъяснения проблемы, рассмотрим сначала простой случай, когда посылается очень короткий сигнал определенной частоты, так называемый импульс непрерывного колебания. Тогда, в вышеупомянутых условиях, может быть принят не только один-единственный сигнал, а целая группа сдвинутых во времени отдельных импульсов разного уровня. Этот эффект называют откликом канала. Для описанного случая можно различить при приеме отдельные импульсы и, к примеру, выбирать наилучший подходящий импульс как "собственно сигнал", в то время как другие импульсы могут рассматриваться как помехи и соответствующим образом обрабатываться. Подобного рода возможность различения многолучевых импульсов друг от друга обычно не представляется возможной для более продолжительных пакетов волн. Это объясняется тем, что приемник регистрирует суммарный (или составной) сигнал, который, хотя и имеет ту же частоту, что и излученный сигнал, однако является суперпозицией сигналов и помех с различными фазами и амплитудами, что приводит к непредвиденным скачкам фазы и амплитуды в суммарном сигнале. Этот негативный эффект, затрудняющий или приводящий к невозможности обработки сигнала, называют "межсимвольной интерференцией". В случае относительных перемещений приемника и передатчика возникает дополнительная проблема смещений частоты вследствие доплеровского эффекта.For a more complete explanation of the problem, we first consider the simple case when a very short signal of a certain frequency is sent, the so-called continuous-wave pulse. Then, under the above conditions, not only a single signal can be received, but a whole group of time-shifted individual pulses of different levels. This effect is called channel response. For the described case, it is possible to distinguish between individual pulses when receiving and, for example, to select the best suitable pulse as a "signal proper", while other pulses can be considered as interference and processed accordingly. Such a possibility of distinguishing multipath pulses from each other is usually not possible for longer wave packets. This is because the receiver registers the total (or composite) signal, which, although it has the same frequency as the emitted signal, is a superposition of signals and noise with different phases and amplitudes, which leads to unforeseen jumps in phase and amplitude in the total signal. This negative effect, which makes it difficult or impossible to process the signal, is called "intersymbol interference". In the case of relative movements of the receiver and transmitter, an additional problem of frequency offsets arises due to the Doppler effect.
Указанные проблемы затрудняют подводную связь, как, например, ультразвуковую связь между водолазами и/или подводным аппаратом. Также сложным является и дистанционное управление подводными устройствами. До сих пор используемая аналоговая связь представляется лишь условно практичной. Она применялась и применяется еще часто для передачи речевых сигналов, используя свойства органов слуха распознавать знакомые слова и смысловой контекст даже при очень зашумленном приеме. С помощью соответствующих тренировок и договоренности о применении ограниченного списка слов может быть достигнуто некоторое улучшение степени распознавания речи. Этот поход не может быть, однако, применим для передачи, к примеру, компьютерных данных или другой информации алгоритмическим путем. По этой причине ведется поиск подходящего способа цифровой передачи данных также и в области акустической связи.These problems complicate underwater communication, such as, for example, ultrasonic communication between divers and / or underwater vehicles. Also difficult is the remote control of underwater devices. Until now, the analog communication used is only conditionally practical. It was used and is often used to transmit speech signals, using the properties of the hearing organs to recognize familiar words and semantic context even with very noisy reception. Through appropriate training and agreement to use a limited list of words, some improvement in the degree of speech recognition can be achieved. This approach cannot, however, be applicable for transmitting, for example, computer data or other information algorithmically. For this reason, a suitable method of digital data transmission is also being searched in the field of acoustic communication.
Современные технические цифровые системы, специально для применения под водой, базируются в основном на передаче тональных сигналов постоянной высоты, лежащих в более или менее узкой частотной полосе. Для достижения наибольших дальностей передачи и для исключения потерь информации в акустически "мертвых" зонах в некоторых системах излучаются сигналы большой энергии в широкой частотной полосе. Вне зависимости от того, в широкой или узкой полосе передаются сигналы, способ кодирования посредством последовательных "щелчков" (амплитудно-модулированных сигналов) позволяет достигнуть лишь очень ограниченной скорости передачи, что затрудняет или приводит к невозможности передачи больших объемов информации, например изображений, полученных подводной камерой и т.п. Кроме относительно больших затрат энергии, что означает также "акустическое загрязнение окружающей среды", известные в настоящее время относительно негибкие системы имеют также большие проблемы в связи с доплеровскими смещениями.Modern technical digital systems, especially for use underwater, are mainly based on the transmission of tonal signals of constant height, lying in a more or less narrow frequency band. To achieve the longest transmission distances and to eliminate information loss in acoustically "dead" zones, high energy signals are emitted in a wide frequency band in some systems. Regardless of whether signals are transmitted in a wide or narrow band, the coding method through successive “clicks” (amplitude-modulated signals) allows only a very limited transmission speed to be achieved, which makes it difficult or impossible to transmit large volumes of information, for example, images obtained underwater camera, etc. In addition to the relatively high energy costs, which also means "acoustic pollution", the currently known relatively inflexible systems also have big problems due to Doppler shifts.
Кроме искажений и потерь, технически обусловленных при передаче, существуют также значительные трудности с обработкой информации, содержащейся в сложных сигналах, для исключения или ослабления (при приеме) различных искажений и восстановления параметров сигнала, использованных для информационного кодирования. Среди способов связи не существует до сих пор подхода, позволяющего достаточно и оптимальным образом разрешить всю совокупность упомянутых проблем.In addition to the distortions and losses technically caused by the transmission, there are also significant difficulties in processing the information contained in complex signals to eliminate or attenuate (when receiving) various distortions and restore the signal parameters used for information coding. Among the communication methods, there is still no approach that allows a sufficient and optimal way to resolve the totality of the problems mentioned.
Задачей изобретения является создание способа и соответствующей системы для передачи данных, которые позволили бы осуществлять связь на большие расстояния с большей скоростью передачи.The objective of the invention is to provide a method and an appropriate system for transmitting data that would allow communication over long distances with a higher transmission speed.
Кроме того, задачей изобретения является создание способа и системы для передачи информации, являющихся устойчивыми к вышеописанным помехам и адаптируемых к разнообразным условиям связи.In addition, the object of the invention is to provide a method and system for transmitting information that is resistant to the above interference and adaptable to a variety of communication conditions.
Особенно важной является задача создания способа и соответствующей системы, обеспечивающих эффективное выделение и последующий анализ по возможности таких компонент, которые претерпели наименьшие потери в канале для наилучшего исключения влияния межсимвольной интерференции.Particularly important is the task of creating a method and an appropriate system that ensures the efficient isolation and subsequent analysis, if possible, of those components that have undergone the least losses in the channel to best exclude the effects of intersymbol interference.
Кроме того, задачей изобретения является создание способа и соответствующей системы для обработки сигналов, обеспечивающих по возможности полную компенсацию доплеровских сдвигов.In addition, the object of the invention is to provide a method and an appropriate system for processing signals, providing as much as possible full compensation for Doppler shifts.
Посредством улучшения качества обработки сигналов, предполагается создание предпосылок для существенного увеличения скорости передачи и, при необходимости, также дальности передачи в сложных условиях связи, например, между подвижными подводными объектами.By improving the quality of signal processing, it is planned to create the prerequisites for a significant increase in the transmission speed and, if necessary, the transmission distance in difficult communication conditions, for example, between moving underwater objects.
Эти задачи решаются в заявленном способе с помощью признаков пункта 1 и в системе с помощью признаков пункта 31.These tasks are solved in the claimed method using the characteristics of
В соответствии с изобретением генерируется информационный сигнал, состоящий по меньшей мере из двух компонент - по меньшей мере одной опорной компоненты, посылаемой в опорном частотном канале, и по меньшей мере одной информационной компоненты, передаваемой в информационном частотном канале, так что в распоряжение предоставляются несколько частотных каналов или частотных компонент. Посредством их одновременного использования может быть передано больше единиц информации за единицу времени. В дальнейшем, как опорный канал, так и информационный канал предоставляют дискретные состояния, формирующие битовый шаблон. Существенным отличием по сравнению с радиотехникой является тот факт, что используется не высокочастотная несущая волна, модулируемая низкочастотной волной. Выработанный информационный сигнал, используемый для передачи информации, представляет собой колебание, являющееся суперпозицией опорного канала и по меньшей мере одного информационного канала.In accordance with the invention, an information signal is generated consisting of at least two components — at least one reference component sent in the reference frequency channel and at least one information component transmitted in the information frequency channel, so that several frequency channels or frequency components. Through their simultaneous use, more units of information per unit of time can be transmitted. In the future, both the reference channel and the information channel provide discrete states forming a bit pattern. A significant difference compared with radio engineering is the fact that a non-high-frequency carrier wave modulated by a low-frequency wave is used. The generated information signal used to transmit information is an oscillation, which is a superposition of the reference channel and at least one information channel.
Для формирования битового шаблона, в простейшем случае частоты (или тоны) информационных каналов могут включаться или выключаться, причем присутствие или отсутствие соответствующих частотных компонент сигнала оцениваются как бинарные цифровые состояния (вкл./выкл.), т.е. 1 или 0. Таким образом, может быть передан один бит информации в каждом информационном канале. Компоненты сигнала совместно формируют битовый шаблон, в котором информация может быть закодирована любым образом.To form a bit pattern, in the simplest case, the frequencies (or tones) of the information channels can be turned on or off, and the presence or absence of the corresponding frequency components of the signal is evaluated as binary digital states (on / off), i.e. 1 or 0. Thus, one bit of information in each information channel can be transmitted. The components of the signal together form a bit pattern in which information can be encoded in any way.
В этом простейшем случае, в состояниях "вкл", могут варьироваться также другие сигнальные параметры, так что можно различать дополнительные цифровые состояния.In this simplest case, in the “on” states, other signal parameters may also vary, so that additional digital states can be distinguished.
Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.Other preferred embodiments of the invention are presented in the dependent claims.
В соответствии с пунктом 2 простейшим способом формируется временная последовательность битового шаблона.In accordance with
В пункте 3 представлен один из предпочтительных вариантов изобретения, в котором частотные каналы представляют гармоническую последовательность.
Если в соответствии с пунктом 4 информационный сигнал формируется в виде суммы опорного канала, являющегося основным тоном (основной волной) и, по меньшей мере, одного информационного канала, находящихся в гармоническом отношении друг к другу (к примеру, информационный канал является обертоном основного тона), либо также, если все информационные каналы находятся в гармонических соотношениях с основным тоном (основной волной), то отдельные частоты (тоны) или компоненты сигнала составляют гармоническую последовательность или консонантную систему. Особенность такой системы состоит в том, что основной тон, имеющий самую низкую частоту и наибольшую дальность распространения, может излучаться непрерывно при передаче информации, создавая как бы непрерывный мост между излучателем и приемником. Опорный канал, сформированный в виде основного тона, служит в этом случае собственно не для передачи данных, а в качестве постоянной опоры для согласования остальных информационных каналов и, при необходимости, как будет далее представлено, для согласования относительных значений фазы, а также возможно и в качестве энергетической "подпитки" в случае использования нелинейных эффектов для увеличения дальности передачи всей системы частот. Следует отметить, что вместо нижней частоты в качестве опорного канала (или основного тона) может быть использован любой другой тон заданного частотного спектра, если это по определенным соображениям охраны окружающей среды или для конкретного применения является более предпочтительным.If, in accordance with
Посредством задания определенного разнесения информационных частотных каналов относительно опорного канала гарантируется то, что приемному устройству, которому известны соответствующие разнесения или коэффициенты пропорциональности, требуется только лишь найти опорный канал, сформированный в виде основного тона, чтобы на этой основе распознать все остальные активные информационные каналы и обеспечить их оперативное согласование. Этот процесс согласования можно автоматизировать, чтобы система без больших дополнительных затрат, могла быть настроена на самые разнообразные условия связи. Автоматическое распознавание основного тона и соответствующее адаптивное согласование информационных каналов со стороны приемника создает существенные преимущества, в особенности для связи между подвижными объектами, поскольку, например, проблемы, вызванные доплеровскими сдвигами, имеющиеся в других способах, здесь отпадают, к примеру, если используется система гармонических частотных каналов.By setting a certain diversity of the information frequency channels relative to the reference channel, it is guaranteed that the receiving device, which knows the corresponding diversity or proportionality coefficients, only needs to find the reference channel formed in the form of a fundamental tone in order to recognize all other active information channels on this basis and ensure their prompt coordination. This coordination process can be automated so that the system, without large additional costs, can be configured for a wide variety of communication conditions. The automatic recognition of the fundamental tone and the corresponding adaptive matching of the information channels from the receiver side creates significant advantages, especially for communication between moving objects, since, for example, problems caused by Doppler shifts in other methods disappear here, for example, if a harmonic system is used frequency channels.
Если в соответствии с пунктом 5, частота опорного канала в процессе передачи данных меняется во времени, на этой основе осуществляется не только постоянная подстройка адаптивной системы для компенсации естественных частотных сдвигов (доплеровский эффект и т.д.). Намного более важным является то, что со стороны передатчика совершенно сознательно осуществляется регулируемое изменение частотного спектра, не создавая опасности потери контакта для приемника.If, in accordance with paragraph 5, the frequency of the reference channel in the process of data transfer varies over time, on this basis not only the adaptive system is constantly tuned to compensate for natural frequency shifts (Doppler effect, etc.). Much more important is that from the side of the transmitter, a controlled change in the frequency spectrum is realized absolutely consciously, without creating a danger of contact loss for the receiver.
Если изменение частоты опорного канала происходит непрерывно или ступенчато, согласно пункту 6, то для использования предоставляются один или несколько значений градиентов изменения частоты. Этот подход обозначается в дальнейшем как способ частотных градиентов (ЧГ). Посредством этого способа достигается то, что, например, отражения или сигналы помехи могут быть устранены. Изменение опорной и информационной компонент на основе способа ЧГ определяется далее как способ переменной многоканальной передачи (ПМП).If the change in the frequency of the reference channel occurs continuously or stepwise, according to paragraph 6, then one or more values of the gradients of the change in frequency are provided for use. This approach is hereinafter referred to as the method of frequency gradients (FH). By this method, it is achieved that, for example, reflections or interference signals can be eliminated. The change in the reference and information components based on the PG method is further defined as a method of variable multi-channel transmission (PMP).
В случае, если изменение компонент осуществляется пропорционально, эта разновидность вышеуказанного способа будет обозначаться как пЧГ или пПМП, в то время как разновидность способа с параллельным изменением компонент будет обозначаться как паЧГ или паПМП.In the case where the change in the components is carried out proportionally, this kind of the above method will be designated as FCG or pFMP, while the variation of the method with parallel component change will be designated as FGP or pFMP.
Посредством применения способа ЧГ возможно осуществлять более точный и надежный анализ сигнала, чем с помощью известных способов, в особенности использующих частотные каналы с неизменяемыми во времени частотами.By applying the PG method, it is possible to carry out a more accurate and reliable signal analysis than by known methods, in particular using frequency channels with time-invariant frequencies.
Так как в этом случае рабочие частоты информационных частотных каналов постоянно изменяются во времени, все компоненты сигнала, поступающие в данный момент времени к приемнику по различным путям,, имеют различные (мгновенные) частоты. На основе этих частотных различий, собственно информационные частотные каналы могут отделяться от существующих в каждом данном случае помеховых компонент; это значит, межсимвольные взаимодействия могут быть в основном или даже полностью устранены, при этом на приемной стороне может быть восстановлено значительно более ясное отображение информационного сигнала, излученного передающим устройством.Since in this case, the operating frequencies of the information frequency channels are constantly changing in time, all signal components arriving at a given moment in time to the receiver in different ways, have different (instantaneous) frequencies. Based on these frequency differences, the actual information frequency channels can be separated from the existing interference components in each case; this means that intersymbol interactions can be basically or even completely eliminated, while on the receiving side a much clearer display of the information signal emitted by the transmitting device can be restored.
Поскольку в способе ЧГ частота опорного частотного канала и синхронно с этим, соответственно заданному соотношению, частоты информационных частотных каналов могут варьироваться практически согласно любой зависимости, заявленные способ и система являются весьма гибкими. Посредством умышленно введенных частотных смещений можно избежать взаимных наложений сигналов нескольких передающих систем и уменьшить вероятность нежелательного подслушивания.Since in the FH method the frequency of the reference frequency channel and synchronously with this, according to a predetermined ratio, the frequencies of the information frequency channels can vary according to almost any dependence, the claimed method and system are very flexible. By means of deliberately introduced frequency offsets, it is possible to avoid overlapping signals of several transmitting systems and reduce the likelihood of unwanted eavesdropping.
В случае, если кроме частот опорного частотного канала и информационного частотного канала для создания битового шаблона также используются другие параметры сигнала, можно простым способом обеспечить более комплексный характер кодирования и соответственно увеличить скорость передачи данных.If, in addition to the frequencies of the reference frequency channel and the information frequency channel, other signal parameters are also used to create a bit pattern, it is possible to provide a more complex character of coding in a simple way and increase the data transfer rate accordingly.
Если согласно пункту 7 выполняется амплитудная модуляция информационного сигнала, то в определенных узлах колебаний амплитуды, используемой для модуляции, могут задаваться моменты времени, в которых, например, отдельные информационные частотные каналы могут мгновенно изменять свои информационные параметры, не вызывая помех в информационном сигнале в точках таких мгновенных изменений. Посредством этого качество передачи информации может быть также улучшено.If, according to
Если в соответствии с пунктом 8 битовые шаблоны генерируются в заданном временном такте, то они могут декодироваться в приемном устройстве простым способом, причем точность передачи информации возрастает.If, in accordance with clause 8, bit patterns are generated in a predetermined time cycle, then they can be decoded in the receiver in a simple way, and the accuracy of information transmission increases.
Если в соответствии с пунктом 9 изменение битового шаблона производится внутри одного временного такта, то в особенности первая часть временного такта может быть использована для распознавания информационных частотных каналов, используемых для передачи информации, а остальная часть - для формирования собственно битового шаблона. Кроме того, первая часть обеспечивает дополнительный опорный сигнал (кроме опорного частотного канала), с помощью которого параметры компонент сигнала, передаваемых во второй части такта, могут быть определены с высокой точностью. Таким образом, надежность передачи информации повышается.If, in accordance with paragraph 9, a change in the bit pattern is performed within one time cycle, in particular, the first part of the time cycle can be used to recognize the information frequency channels used to transmit information, and the rest to form the actual bit pattern. In addition, the first part provides an additional reference signal (except for the reference frequency channel), with which the parameters of the signal components transmitted in the second part of the clock can be determined with high accuracy. Thus, the reliability of information transfer is improved.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения изложен в пункте 10, согласно которому обеспечивается возможность настройки на различные условия связи и различные пользовательские потребности.A preferred embodiment of the invention is set forth in
С помощью признаков пункта 11 может быть достигнуто повышение скорости передачи данных.By using the features of
На основе достигнутого высокого качества приема (за счет применения способа ЧГ), в комбинации с вышеописанным способом включения/выключения отдельных информационных компонент (создания бинарных состояний "вкл"/"выкл") или вместо этого способа, информация может модулировать определенные параметры или комбинации параметров в сигнале. Поскольку в принимаемом сигнале, кроме частот, имеются также амплитуды и фазовые углы компонент сигнала, имеющие более определенное соответствие с первоначально сформированным сигналом, то практически все параметры могут использоваться для модуляции. Это может производиться, к примеру, посредством ступенчатых изменений.On the basis of the achieved high quality of reception (due to the application of the PG method), in combination with the above method of turning on / off individual information components (creating binary states "on" / "off") or instead of this method, the information can modulate certain parameters or combinations of parameters in the signal. Since in addition to frequencies, there are also amplitudes and phase angles of the signal components in the received signal that have a more definite correspondence with the initially generated signal, almost all parameters can be used for modulation. This can be done, for example, by step changes.
Существенное преимущество этого способа состоит в том, что для кодирования могут быть использованы присущие сигналу отношения в заданной системе частот. Посредством таких отношений достигается то, что битовые шаблоны или символы могут быть идентифицированы уже на основе одного или двух принятых тактов сигнала, причем без дополнительной привязки к внешней опорной величине.A significant advantage of this method is that the signal-specific relationships in a given frequency system can be used for encoding. By means of such relations, it is achieved that bit patterns or symbols can be identified on the basis of one or two received clock cycles of the signal, without additional reference to an external reference value.
Так, к примеру, фазовые углы могут задаваться в данном временном такте как текущее отношение между соответствующими параметрами информационной компоненты и опорного канала. Этот способ кодирования определяется как способ относительных фазовых углов (способ ОФУ). Предыстория не имеет значения в этом способе, внешнее время теряет свое значение для оценки сигнала. Вместо него вступает в силу внутреннее (относительное) системное время, которое может отсчитываться, например, на основе мгновенных значений циклического времени, которое, с внешней точки зрения зависит в каждом случае от текущего значения частоты. Относительные фазовые углы могут быть определены простым путем, когда, например, в процессе обработки все компоненты сигнала, т.е. опорные и информационные каналы, нормируются сначала одной-единой длительностью периода. Этот принцип поясняется следующим. В теории обработки сигналов известно множество подходов, использующих способы отображения и преобразования сигнала, которые могут быть использованы для того, что в результате применения способа ЧГ и в особенности пЧГ целый ряд помеховых эффектов может быть устранен; при этом дифференциальные фазовые углы могут определяться с большей точностью, что может быть использовано для более тонкой дискретизации (т.е. для кодирования большим числом фазовых состояний), а также для дальнейшего увеличения скорости передачи информации.So, for example, phase angles can be set in a given time step as the current relationship between the corresponding parameters of the information component and the reference channel. This coding method is defined as a method of relative phase angles (OFU method). Background does not matter in this method; external time loses its significance for signal estimation. Instead, the internal (relative) system time takes effect, which can be counted, for example, on the basis of instantaneous values of cyclic time, which, from an external point of view, depends in each case on the current frequency value. Relative phase angles can be determined in a simple way, when, for example, during processing, all signal components, i.e. reference and information channels are normalized first by one single duration of the period. This principle is explained as follows. In the theory of signal processing, there are many approaches that use methods for displaying and converting a signal, which can be used to ensure that as a result of the application of the FG method, and especially the FHG, a number of interference effects can be eliminated; in this case, the differential phase angles can be determined with greater accuracy, which can be used for finer sampling (i.e., for encoding a large number of phase states), as well as for a further increase in the information transfer rate.
Следующий вариант состоит в том, что информация кодируется не непосредственно фазовым углом соответствующей компоненты по отношению к опорному каналу (основному тону), в качестве так называемой "вертикальной" присущей сигналу опоры, а как разница между фазовыми углами в текущем и предыдущем такте той же компоненты, в качестве так называемой "горизонтальной", присущей сигналу опоры. Этот способ определяется как дифференциально-фазовый способ (ДФ-способ). При этом каждый первый такт соответствующей компоненты служит в качестве горизонтальной опоры. В очень сложных условиях связи может оказаться полезным использование комбинации ДФ-способа и способа по пункту 9. С другой стороны, в случае простых условий связи достаточно использование только лишь горизонтальная опора. В этом случае, опорный частотный канал может служить в качестве информационного частотного канала. Далее необходимо отметить, что как в способе ОФУ, так и в ДФ-способе, факт отсутствия одной из компонент сигнала (или, например, не превышение определенного амплитудного порога) может использоваться для кодирования дополнительного цифрового состояния.The next option is that the information is not encoded directly by the phase angle of the corresponding component with respect to the reference channel (fundamental tone), as the so-called “vertical” support inherent in the signal, but as the difference between the phase angles in the current and previous clock cycles of the same component , as the so-called "horizontal" inherent signal support. This method is defined as a differential phase method (DF method). In this case, each first beat of the corresponding component serves as a horizontal support. In very difficult communication conditions, it may be useful to use a combination of the DF method and the method according to paragraph 9. On the other hand, in the case of simple communication conditions, using only a horizontal support is sufficient. In this case, the reference frequency channel may serve as an information frequency channel. It should further be noted that both in the OFU method and in the DF method, the fact of the absence of one of the signal components (or, for example, not exceeding a certain amplitude threshold) can be used to encode an additional digital state.
Если в соответствии с пунктом 12 число информационных каналов изменяется в зависимости от свойств передающего канала, то этим достигается то, что, в особенности с уменьшением расстояния между передатчиком и приемником, могут быть использованы дополнительные, обычно более высокочастотные (или лежащие в промежутках между используемыми) компоненты, например, имеющие консонантные частоты; и, наоборот, при очень больших расстояниях связи используются, главным образом, более низкие частоты. Этим достигается оптимальное использование характера распространения волновых сигналов, что особенно важно при применении звуковых сигналов. Таким образом, могут быть достигнуты, например, в подводных каналах, соответственно максимальные скорости передачи битов и/или большие дальности связи. Само собой разумеется, способ допускает гибкость использования, так что настройки, используемые для определенных условий связи, могут быть приняты в качестве основного стандарта, если при этом реализуется заданный рабочий режим.If, in accordance with
Кроме конкретных состояний или пропорций параметров сигнала, в этом способе может быть использовано кодирование информации с применением для этого мгновенных значений или определенных динамических характеристик сигнала.In addition to specific states or proportions of the signal parameters, this method can be used to encode information using instantaneous values or certain dynamic characteristics of the signal.
В случае если, как в пункте 13, отдельные информационные каналы задаются в более широкой частотной полосе и при этом не пересекаются, создается возможность информационного кодирования с использованием постоянных (неступенчатых) фазовых смещений соответствующей информационной компоненты. Этот режим определяется как фазовый градиентный способ или способ фазовой скорости (ФС). Разнесение информационных компонент относительно опорного канала определяется, в типичном случае, как расстояние между характеристиками средних значений частот соответствующих каналов. При передаче данных, частоты отдельных информационных частотных каналов (внутри каждого временного такта) могут незначительно и плавно изменяться (обычно менее чем на 0,5% от текущего номинального значения частоты), при этом осуществляется непрерывное постепенное (либо ускоренное) смещение фазы текущей компоненты по отношению к фазе опорного канала или основного тона. Приемное устройство распознает не только, передавалась ли компонента определенной частоты в данном такте, но также и определяет (в случае существования компоненты) значение относительного фазового угла и/или характеристического параметра, описывающего функцию изменения фазы в зависимости от текущего циклического времени для опорного канала (или основного тона). Кроме собственных значений, описывающих состояния или пропорции, для кодирования могут быть использованы также и плавные изменения во времени таких состояний или пропорций. При этом создаются различные возможности изменения и комбинирования, позволяющие увеличить скорость передачи информации, улучшить адаптируемость системы к различным условиям связи, а также оптимизации приемопередающих устройств и их стоимости.If, as in
Для упрощения обработки сигнала, после его приема проводится отделение опорной компоненты от по меньшей мере одной информационной компоненты, как указано в пункте 16.To simplify the processing of the signal, after its reception, the support component is separated from the at least one information component, as described in paragraph 16.
В соответствии с пунктом 17 посредством попарной обработки соответствующей информационной компоненты сигнала совместно с опорным каналом или опорной компонентой (или одной из наиболее подходящих опорных компонент) достигается возможность компенсации доплеровских эффектов. Как дополнительный результат, этот шаг обработки сигнала способствует стабилизации частоты. В случае использования способа паЧГ, этот шаг может привести к формированию стабильных, т.е. не изменяющихся во времени промежуточных частот.In accordance with paragraph 17, by pairwise processing the corresponding information component of the signal, together with the reference channel or the reference component (or one of the most suitable reference components), the possibility of compensating for Doppler effects is achieved. As an additional result, this signal processing step helps to stabilize the frequency. In the case of using the FGG method, this step can lead to the formation of stable, i.e. not varying in time intermediate frequencies.
Дальнейшее развитие способа в соответствии с пунктом 18 обеспечивает перевод компонент сигнала в стабильные промежуточные частоты, которые обеспечивают предпочтительный вариант последующей обработки. Одно из преимуществ, достигаемых согласно пункту 18, состоит, например, в том, что постоянные промежуточные частоты могут быть сформированы в оптимальном частотном окне для последующей фильтрации в соответствии с пунктом 20, что обеспечивает возможность применения узкополосных фильтров.Further development of the method in accordance with paragraph 18 provides the translation of the signal components into stable intermediate frequencies, which provide a preferred option for subsequent processing. One of the advantages achieved according to clause 18 is, for example, that constant intermediate frequencies can be formed in the optimal frequency window for subsequent filtering in accordance with
При применении способов пЧГ или пПМП существует, в качестве альтернативы к подходам, определенным пунктами 16 и 18, также возможность формирования стабильных промежуточных частот посредством смешивания сигнала, принятого в текущем такте, с сигналом, принятым в предыдущем такте, причем без необходимости предварительного разделения компонент сигнала и применения гетеродинной частоты. Этот вариант обработки сигнала предлагается пунктом 19 в особенности для применения в комбинации с дифференциально-фазовым способом.When applying the FSH or PPMP methods, there is, as an alternative to the approaches specified in clauses 16 and 18, the possibility of forming stable intermediate frequencies by mixing the signal received in the current clock cycle with the signal received in the previous clock cycle, without the need for preliminary separation of the signal components and the application of the local oscillation frequency. This signal processing option is proposed in paragraph 19, in particular for use in combination with a differential phase method.
Дальнейшее развитие способа в соответствии с пунктом 20 имеет целью выделить (например, отфильтровать) из спектра стабильных промежуточных частот, имеющих целый набор многолучевых составляющих (или переотражений), только наиболее подходящих для каждой компоненты составляющих сигнала и, при этом, минимизировать влияние помех на них со стороны других составляющих. Последнее предполагает то, что на этом этапе обработки могут отделяться друг от друга также и собственно компоненты сигнала, если это еще не произошло (или произошло не полностью) по варианту способа согласно пункту 16.Further development of the method in accordance with
Для этой цели могут использоваться, в простейшем случае, специальные фильтры. При этом могут исключаться (к примеру, отфильтровываться) ненужные компоненты, т.е. компоненты, которые в данный момент времени не предназначены для обработки. В результате такой обработки каждая информационная компонента сигнала будет отчетливо выражена одной составляющей, на основе чего становится возможным наилучшее восстановление информационных параметров (использованных для кодирования данных), например, амплитуд и/или фазовых углов. В этом описании речь идет только лишь о представлении основного принципа. Само собой разумеется, что здесь могут быть применены также и более сложные методы обработки сигналов, которые, к примеру, кроме идентификации составляющих принимаемого сигнала выдают также соответствующие параметры.For this purpose, in the simplest case, special filters can be used. In this case, unnecessary components can be eliminated (for example, filtered out), i.e. components that are not currently intended for processing. As a result of such processing, each information component of the signal will be clearly expressed by one component, on the basis of which it becomes possible to best restore information parameters (used to encode data), for example, amplitudes and / or phase angles. This description is only about the presentation of the basic principle. It goes without saying that more sophisticated signal processing methods can also be applied here, which, for example, in addition to identifying the components of the received signal, also produce the corresponding parameters.
При дальнейшем усовершенствовании способа согласно пункту 21 достигается исключение ошибок в обработке сигнала.With further improvement of the method according to paragraph 21, the elimination of errors in signal processing is achieved.
В результате дальнейшего развития способа согласно пункту 22 достигается то, что для текущих условий связи могут быть идентифицированы постоянно такие многолучевые компоненты (составляющие сигнала), на основе которых оптимально, т.е. наилучшим образом, могут быть определены параметры передаваемого сигнала. Как правило, таковыми являются наиболее мощные составляющие сигнала, которые делают возможным достижение наилучшего качества обработки сигнала. В процессе настройки на канал могут быть определены, например, наилучшие настройки фильтров для наиболее точной фильтрации желаемых составляющих сигнала и оптимального подавления помеховых воздействий других многолучевых компонент и возможного влияния других боковых частотных полос. Последнее может в некоторых случаях содействовать увеличению радиуса приема сигнала и/или также увеличению скорости передачи информации. Чем лучше и надежнее могут быть обработаны принимаемые сигналы, тем больше возможностей имеется для более тонкого различения цифровых состояний или применения разных комбинаций параметров для кодирования информации.As a result of further development of the method according to paragraph 22, it is achieved that, for the current communication conditions, such multipath components (signal components) can constantly be identified on the basis of which it is optimal, i.e. in the best way, the parameters of the transmitted signal can be determined. As a rule, these are the most powerful signal components that make it possible to achieve the best signal processing quality. In the process of tuning to the channel, for example, the best filter settings can be determined for the most accurate filtering of the desired signal components and the optimal suppression of interference effects of other multipath components and the possible influence of other side frequency bands. The latter may in some cases contribute to an increase in the radius of reception of the signal and / or also to an increase in the speed of information transfer. The better and more reliable the received signals can be processed, the more possibilities there are for more finely distinguishing digital states or applying different combinations of parameters to encode information.
С помощью текущей актуализации фильтровых настроек, в соответствии с пунктом 23, могут достигаться оптимальные результаты приема даже в быстро меняющихся условиях связи, причем преимущество применения этого способа состоит в том, что для проведения настройки на канал нет необходимости прерывать собственно процесс передачи информации.Using the current update of filter settings, in accordance with paragraph 23, optimal reception results can be achieved even in rapidly changing communication conditions, and the advantage of using this method is that there is no need to interrupt the actual transmission of information for tuning to the channel.
Согласно пункту 27 достигается оптимизация одного из способов компенсации доплеровских смещений.According to paragraph 27, optimization of one of the methods for compensating Doppler shifts is achieved.
Способ, соответствующий пункту 28, предусмотрен предпочтительно для обработки принимаемых сигналов, находящихся под влиянием сильных доплеровских сдвигов, где каждая компонента сигнала представлена, однако, в основном посредством лишь одной многолучевой компоненты.The method according to paragraph 28 is preferably provided for processing received signals influenced by strong Doppler shifts, where each signal component is represented, however, mainly through only one multipath component.
Дальнейшие предпочтительные варианты выполнения предлагаемого изобретения изложены в остальных зависимых пунктах.Further preferred embodiments of the invention are set forth in the remaining dependent clauses.
Со ссылками на чертежи ниже более детально описываются различные формы выполнения заявляемого изобретения.With reference to the drawings below, various embodiments of the claimed invention are described in more detail.
Фиг.1 представляет один из заявленных вариантов с использованием одного опорного частотного канала и трех информационных частотных каналов.Figure 1 represents one of the claimed options using one reference frequency channel and three information frequency channels.
Фиг.2а представляет информационный сигнал, составленный из компонент по фиг.1 и подвергнутый амплитудной модуляции.Fig. 2a represents an information signal composed of the components of Fig. 1 and subjected to amplitude modulation.
Фиг.2б представляет ряд тактированных информационных сигналов.Fig.2b represents a number of clocked information signals.
Фиг.3 схематически представляет один из вариантов кодирования информации.Figure 3 schematically represents one of the options for encoding information.
Фиг.4 представляет такое же кодирование, как на фиг.3, но в варианте параллельного способа ЧГ.Fig. 4 represents the same coding as in Fig. 3, but in a variant of the parallel FH method.
Фиг.5 представляет результат анализа в момент времени ti сигнала, состоящего из опережающей и запаздывающей помеховой составляющей, с использованием способа пропорционального ЧГ по отношению к трем информационным частотным каналам, находящимся в гармоническом отношении друг к другу.Figure 5 represents the result of the analysis at time t i of the signal, consisting of the leading and delayed interference component, using the method proportional to the FG with respect to the three information frequency channels in harmonic relation to each other.
Фиг.6 представляет основной принцип улучшения анализа сигнала в отношении помеховых компонент соответственно фиг.5 при применении одного опорного и четырех информационных частотных каналов.FIG. 6 represents the basic principle of improving signal analysis with respect to interfering components of FIG. 5, respectively, using one reference and four information frequency channels.
Фиг.7 схематически представляет один из вариантов применения ступенчатого частотного смещения с дополнительным изменением информационных частотных каналов внутри такта, причем в каждом случае первая половина такта образует дополнительную горизонтальную опору для ДФ-способа.7 schematically represents one of the applications of the step frequency offset with an additional change in the information frequency channels within the cycle, and in each case the first half of the cycle forms an additional horizontal support for the DF method.
На фиг.8а схематически представлен один из вариантов кодирования с двумя ступенями изменения частоты.On figa schematically presents one of the coding options with two stages of frequency change.
Фиг.8б представляет в качестве примера принцип пентарного кодирования информации в одном из информационных частотных каналов.Figb is an example of the principle of pentary coding of information in one of the information frequency channels.
Фиг.9а и 96 представляют два различных градиента фаз, сформированных способом пЧГ.Figa and 96 represent two different phase gradients formed by the FSH method.
Фиг.10 представляет различные градиенты фаз, которые могут быть образованы с помощью способа непропорционального пЧГ (вверху) и способа пЧГ (внизу).Figure 10 presents various phase gradients that can be formed using the disproportionate hCG method (above) and the hCG method (bottom).
Фиг.11 представляет принцип построения одной из заявленных передающих систем.11 represents the construction principle of one of the claimed transmission systems.
Фиг.12 представляет возможный вариант одной из заявленных передающих систем, использующих амплитудную модуляцию.12 is a possible embodiment of one of the claimed transmission systems using amplitude modulation.
Фиг.13 представляет принцип построения одного из заявленных приемных устройств согласно первому варианту выполнения.13 represents a construction principle of one of the claimed receiving devices according to the first embodiment.
Фиг.14 представляет возможный вариант одного из заявленных приемных устройств с дополнительным детектированием фазовых углов согласно второму варианту выполнения.Fig represents a possible variant of one of the claimed receiving devices with additional detection of phase angles according to the second embodiment.
Фиг.15 представляет результат анализа в момент времени ti сигнала, состоящего из опережающей и запаздывающей помеховых составляющих, с использованием способа параллельного ЧГ по отношению к трем информационным частотным каналам, находящимся в гармоническом отношении друг к другу.Fig. 15 represents the result of the analysis at time t i of the signal, consisting of the leading and delayed interfering components, using the parallel FH method with respect to three information frequency channels that are in harmonic relation to each other.
Фиг.16 схематично представляет несколько примеров благоприятного расположения частотных каналов для конкретных применений.Fig. 16 schematically presents several examples of favorable arrangement of frequency channels for specific applications.
Фиг.17 схематично представляет один из основных процессов обработки сигнала в соответствии с заявляемым способом.17 schematically represents one of the main signal processing processes in accordance with the claimed method.
Фиг.18 представляет пример для изменяющихся во времени частотных каналов принятого сигнала, образованного способом пПМП, состоящего из одной опорной и трех информационных частотных компонент при практически идеальных условиях связи (минимум межсимвольных взаимодействий).Fig. 18 is an example for time-varying frequency channels of a received signal formed by the pFPS method, consisting of one reference and three information frequency components under practically ideal communication conditions (minimum intersymbol interactions).
Фиг.19 представляет принятый сигнал согласно фиг.18 после преобразования первой информационной компоненты сигнала на промежуточную частоту.Fig.19 represents the received signal according to Fig.18 after converting the first information component of the signal to an intermediate frequency.
Фиг.20 представляет пример того, что вследствие изменяющихся свойств многолучевого канала могут происходить существенные флуктуации уровней различных многолучевых составляющих данной принимаемой компоненты.Fig. 20 is an example of the fact that due to the changing properties of the multipath channel, significant fluctuations in the levels of various multipath components of this received component can occur.
Фиг.21 представляет пример (уже показанный на фиг.20) после прохождения через узкополосный фильтр.Fig. 21 is an example (already shown in Fig. 20) after passing through a narrow-band filter.
Фиг.22 схематично представляет одну из основных процедур заявляемого способа, при которой производится настройка на канал.22 schematically represents one of the main procedures of the proposed method, in which the channel is tuned.
Фиг.23 схематично представляет основные этапы обработки сигнала в различных предпочтительных вариантах выполнения заявляемого способа.23 schematically represents the main steps of signal processing in various preferred embodiments of the inventive method.
Фиг.24 представляет принцип построения заявляемой системы для обработки сигналов согласно третьему варианту выполнения.24 represents the construction principle of the inventive system for processing signals according to the third embodiment.
Фиг.25 представляет принцип построения заявляемой системы для осуществления настройки на канал.Fig represents the principle of construction of the inventive system for tuning on the channel.
На фиг.1 представлен вариант формирования информационного сигнала IS, состоящего, например, из одной опорной компоненты, являющейся опорным каналом ВК, который в этом случае выполнен как основной тон GT, и, например, трех информационных компонент, являющихся информационными частотными каналами I1, I2, I3. Представленные на фиг.1 информационные частотные каналы являются гармоническими обертонами НК1, НК2 и НК3 основного тона GT, сумма которых и составляет информационный сигнал. Из фиг.1 можно заключить, что информация в каждом информационном канале может кодироваться посредством смены бинарных состояний типа канал "включен" или "выключен", что соответствует, например, цифровым кодам "1" или "0" (сравни с фиг.2б).Figure 1 shows the option of generating an information signal IS, consisting, for example, of one reference component, which is a reference channel VK, which in this case is made as the main tone GT, and, for example, three information components, which are information frequency channels I1, I2 , I3. Presented in figure 1 information frequency channels are harmonic overtones NK1, NK2 and NK3 of the fundamental tone GT, the sum of which is an information signal. From figure 1 it can be concluded that the information in each information channel can be encoded by changing binary states of the channel type "on" or "off", which corresponds, for example, to digital codes "1" or "0" (compare with fig.2b) .
На фиг.2а представлена амплитудная модуляция информационного сигнала IS (см.фиг.1) для того, чтобы обеспечить плавный (непрерывный) переход в начале и конце такта для случая, когда информационный сигнал, принадлежащий определенному информационному частотному каналу, изменяется во времени.Figure 2a shows the amplitude modulation of the information signal IS (see Fig. 1) in order to ensure a smooth (continuous) transition at the beginning and end of the clock cycle for the case when the information signal belonging to a particular information frequency channel changes in time.
Такого рода изменение представлено на фиг.2б, причем значение информационного сигнала изменяется от такта к такту так, что, например, в секторе 1 существует информационный сигнал, состоящий из суммы основного тона, второго и третьего гармонического обертона (GT+HK2+HK3), который в следующем такте (в секторе II) преобразуется посредством отключения второго и третьего гармонического обертона в сигнал, состоящий только лишь из основного тона, чтобы в следующем такте сформировать другой информационный сигнал (соответствующий другому кодированному битовому шаблону), представляющий сумму основного тона и первого обертона (см. Сектор III). Таким образом, может передаваться один бит в единицу времени (такт) по каждому из информационных каналов. В результате из этого создается битовый шаблон, в котором информация может быть закодирована любым образом. В общем, в зависимости от числа используемых информационных частотных каналов применяемой системы кодирования, может, к примеру, кодироваться буква или любой другой символ.A change of this kind is shown in FIG. 2b, and the value of the information signal varies from measure to measure so that, for example, in
Необходимо отметить, что при применении 2, 4, 8, 12, 16 или другого числа информационных каналов может быть достигнута прямая совместимость с различными существующими методами электронной обработки данных.It should be noted that when using 2, 4, 8, 12, 16 or another number of information channels, direct compatibility with various existing methods of electronic data processing can be achieved.
На фиг.3 представлено, к примеру, слово "DolphinCom" при передаче его в общепринятом коде ASCII с использованием четырех информационных каналов. Система частотных каналов, составляющая информационный сигнал, состоит в этом примере из одного опорного частотного канала (в виде основного тона) и четырех гармонических информационных каналов (I1, I2, I3 и I4, в виде обертонов основного тона), которые варьируются во времени посредством пропорционального ЧГ. Кодирование в этом примере производится только лишь "включением"/"выключением" обертонов. Вертикальные линии показывают такты, которые всегда имеют одинаковую продолжительность. В каждом такте формируется специальный битовый шаблон, определяемый как символ. Два символа совместно формируют одну букву в коде ASCII. Представлено слово "DolphinCom". В общем, для кодирования передаваемой информации может быть применен также и любой другой код, что предоставляет пользователю максимальную свободу для собственного программирования, а также делает этот способ совместимым почти со всеми другими вычислительными системами. Как показано на фиг.3, опорный частотный канал изменяет свою частоту плавно и непрерывно, причем частоты четырех информационных частотных каналов (I1, I2, I3 и I4) изменяются пропорционально частоте опорного частотного канала.Figure 3 presents, for example, the word "DolphinCom" when transmitting it in the generally accepted ASCII code using four information channels. The system of frequency channels constituting the information signal consists in this example of one reference frequency channel (in the form of a fundamental tone) and four harmonic information channels (I1, I2, I3 and I4, in the form of overtones of the fundamental tone), which vary in time by means of a proportional CHG. The coding in this example is done only by “turning on” / “turning off” the overtones. The vertical lines show measures that always have the same duration. In each measure, a special bit pattern is formed, defined as a symbol. Two characters together form one letter in ASCII code. The word "DolphinCom" is presented. In general, any other code can also be used to encode the transmitted information, which gives the user maximum freedom for his own programming, and also makes this method compatible with almost all other computing systems. As shown in figure 3, the reference frequency channel changes its frequency smoothly and continuously, and the frequencies of the four information frequency channels (I1, I2, I3 and I4) change in proportion to the frequency of the reference frequency channel.
На фиг.4 снова представлено передаваемое слово "DolphinCom" в коде ASCII при применении также четырех информационных каналов, причем смещение частоты опорного частотного канала производится также плавно и непрерывно как на фиг.3, где смещения частот информационных частотных каналов (упорядоченных изначально в гармоническом соотношении частот), однако, в отличие от варианта по фиг.3, производится параллельное смещение частоты опорного частотного канала.Figure 4 again shows the transmitted word "DolphinCom" in the ASCII code when using also four information channels, and the frequency offset of the reference frequency channel is also smoothly and continuously as in figure 3, where the frequency offsets of the information frequency channels (initially ordered in harmonic ratio frequencies), however, in contrast to the variant of FIG. 3, a parallel frequency offset of the reference frequency channel is performed.
Фиг.5 показывает, как может проводиться существенно более точный и надежный анализ сигнала, когда, например, в опорном частотном канале производится плавное и непрерывное смещение частоты в соответствии со способом ЧГ. При этом для примера, приведенного на фиг.5 и с учетом фиг.3, было выбрано три информационных частотных канала, на которых, кроме собственно частот сигнала, в каждом случае (на приемной стороне) также регистрируется одна "опережающая частота" и одна "запаздывающая частота" в качестве сигналов-помех, причем соответствующий временной сдвиг этих сигналов-помех на каждом из информационных частотных каналов является идентичным. Для пояснения основного принципа, указание тактов не выполнялось. Вертикальная линия среза (в момент времени ti) показывает, что на приемной стороне частоты всех информационных компонент отличаются друг от друга. Особенно важно отметить тот факт, что на основании этих частотных различий, собственно частоты сигнала теперь можно отделить от помеховых частот, и, таким образом, межсимвольные взаимодействия могут быть либо полностью устранены, либо в значительной мере ослаблены. Важным в этой связи является также то, что амплитуды и фазовые углы принятых и таким образом "очищенных" компонент сигнала имеют явное соотношение с опорным частотным каналом. При применении способа ЧГ могут применяться специальные частотные фильтры для отделения собственно частот сигнала от соответствующих помеховых частот. На фиг.5 можно отчетливо видеть, что расстояние от собственно частот сигнала до соответствующих помеховых частот увеличивается с ростом градиента изменения (смещения) частоты df/dt, т.е. с увеличением соответствующей скорости изменения частоты. Поскольку в представленной на фиг.5 системе частоты всех информационных частотных каналов изменяются (смещаются) пропорционально, градиенты изменения частоты, относящиеся к более высокочастотным информационным каналам, увеличивают свои значения; при этом возрастает качество отделения актуальных частот полезного сигнала от помеховых частот.Figure 5 shows how a significantly more accurate and reliable signal analysis can be carried out when, for example, a smooth and continuous frequency shift is performed in the reference frequency channel in accordance with the FG method. In this case, for the example shown in Fig. 5 and taking into account Fig. 3, three information frequency channels were selected on which, in addition to the actual signal frequencies, in each case (on the receiving side) one "leading frequency" and one " delayed frequency "as interference signals, the corresponding time shift of these interference signals on each of the information frequency channels is identical. To clarify the basic principle, the indication of measures was not performed. The vertical cut line (at time t i ) shows that on the receiving side the frequencies of all information components are different from each other. It is especially important to note the fact that, based on these frequency differences, the actual signal frequencies can now be separated from the interference frequencies, and thus intersymbol interactions can either be completely eliminated or significantly weakened. It is also important in this connection that the amplitudes and phase angles of the received and thus “cleaned” signal components have an explicit relationship with the reference frequency channel. When applying the FH method, special frequency filters can be used to separate the actual signal frequencies from the corresponding interference frequencies. In Fig. 5, it can be clearly seen that the distance from the signal frequencies proper to the corresponding interference frequencies increases with an increase in the gradient of the change (offset) of the frequency df / dt, i.e. with an increase in the corresponding rate of change of frequency. Since in the system of FIG. 5, the frequencies of all information frequency channels vary (are shifted) proportionally, the frequency change gradients related to the higher frequency information channels increase their values; this increases the quality of separation of the actual frequencies of the useful signal from the interference frequencies.
На фиг.6 этот эффект (или функциональный механизм) представлен схематично для системы, состоящей из одного опорного частотного канала и четырех информационных частотных каналов, имеющих в каждом случае по две соседних помеховых частоты (многолучевых составляющих). Нанесенная на фиг.6 штриховая линия представляет характеристику обычного фильтра. Из фиг.6 можно отчетливо распознать, что даже для постоянной ширины полосы пропускания фильтра достигается повышенное качество разделения многолучевых составляющих для более высокочастотных информационных компонент. В сравнении с существующими способами в общем достигается существенно более высокое разрешение. При этом следует в особенности отметить, что согласно этому способу прежде всего наиболее высокочастотные информационные каналы, частоты которых больше всего подавляются в среде распространения и, следовательно, принимаются с наименьшей энергией, могут быть лучше выделены (отфильтрованы) из зашумленного сигнала. Отсюда следует, что, например, при помеховых частотах, которые близки к собственно частоте сигнала, должен выбираться соответственно более высокий частотный градиент, т.е. увеличивается скорость смещения частоты, в то время как для больших расстояний между полезной и помеховыми частотами могут быть достаточными более низкие градиенты. Для адаптации такого рода может использоваться либо заранее подготовленный набор шаблонов смещения частоты либо настройка градиентов в оперативном режиме. Последнее легко осуществимо, если связь используется в двух направлениях, т.е. если приемник может излучать, а передатчик может служить также и приемником. Таким образом может проводиться анализ отклика канала и производиться обмен результатами анализа между, например, приемным и передающим устройством или проводиться также и соответствующий подбор битового шаблона с последующей установкой оптимального градиента изменения (скорости смещения) частоты. В общем, такой градиент может вырождаться в нулевое значение в случае, если условия связи становятся соответственно благоприятными (стационарными), а помехи становятся пренебрежительно малыми.In Fig. 6, this effect (or functional mechanism) is shown schematically for a system consisting of one reference frequency channel and four information frequency channels, each having two adjacent interference frequencies (multipath components). The dashed line in FIG. 6 represents a characteristic of a conventional filter. From FIG. 6, it can be clearly recognized that even for a constant filter bandwidth, an improved separation quality of multipath components for higher frequency information components is achieved. Compared to existing methods, a substantially higher resolution is generally achieved. It should be noted in particular that according to this method, first of all, the most high-frequency information channels, whose frequencies are most suppressed in the propagation medium and, therefore, are received with the least energy, can be better extracted (filtered) from the noisy signal. It follows that, for example, at interference frequencies that are close to the actual frequency of the signal, a correspondingly higher frequency gradient should be selected, i.e. the frequency shift rate increases, while lower gradients may be sufficient for large distances between the useful and interference frequencies. For this kind of adaptation, either a pre-prepared set of frequency offset patterns or on-line gradients can be used. The latter is easily feasible if the connection is used in two directions, i.e. if the receiver can emit, and the transmitter can also serve as a receiver. Thus, the channel response can be analyzed and the results of the analysis exchanged between, for example, the receiving and transmitting devices, or the corresponding selection of the bit pattern can be carried out, followed by setting the optimal gradient of the change (displacement rate) of the frequency. In general, such a gradient can degenerate to zero if the communication conditions become suitably favorable (stationary), and the interference becomes negligibly small.
В этом отношении необходимо отметить, что для максимизации скорости передачи информации изменение продолжительности такта может осуществляться пропорционально с изменением частоты опорного канала, поскольку для анализа содержащихся в составном сигнале отдельных компонент необходимо не более чем определенное число периодов колебаний.In this regard, it should be noted that in order to maximize the information transfer rate, the change in the duration of the cycle can be carried out proportionally with the change in the frequency of the reference channel, since the analysis of the individual components contained in the composite signal requires no more than a certain number of oscillation periods.
На фиг.7, 8а и 8б представлены дальнейшие возможности, возникающие в особенности при применении ступенчатого изменения частоты опорных частотных каналов. Эти возможности представляют в особенности интересные альтернативы способу ЧГ, где временные смещения между собственно частотой сигнала и частотами помех представляют достаточно большие величины, например, миллисекундного диапазона. В этом случае может быть обеспечено хорошее отделение собственно частот сигнала от помеховых частот и в том случае, если все каналы (потактно) одновременно и ступенчато меняют свою частоту к более высокому или более низкому значению, сохраняя, однако, это значение постоянным внутри самого такта. Также и в этом случае полезно выполнять смещение частоты по возможности так, чтобы внутренние пропорции в сигнале были одинаково определены на всех ступенях. Это может быть проще всего достигнуто с помощью пропорциональных или параллельных ступенчатых смещений. Эта альтернатива определяется в общем как способ ступенчатой частоты (способ СЧ). Из фиг.7, 8а и 8б ясно, как, например, с помощью дополнительного фазового состояния производится пентарное кодирование отдельных информационных каналов. К тому же, для повышения надежности, в начале каждого такта на всех информационных частотных каналах передается опорный сигнал, которому во второй части такта следует соответственно кодированный сигнал. Как показано на обозначениях сбоку на фиг.7 и 8а, например, пять состояний могут определять 5 различных дискретных состояний, а именно отсутствие сигнала (0) и четыре цифровых ступени, полученных, например, с помощью ДФ-способа. В общей сложности в каждом такте для сигнала, состоящего из одного опорного частотного канала и трех информационных частотных каналов, образуется 53=125 комбинаций, которые могут быть использованы для кодирования.Figures 7, 8a and 8b show further possibilities that arise in particular when applying a step change in the frequency of the reference frequency channels. These possibilities are particularly interesting alternatives to the FG method, where the time offsets between the actual signal frequency and the interference frequencies are quite large values, for example, of the millisecond range. In this case, a good separation of the actual signal frequencies from the interfering frequencies can be ensured if all the channels (tactfully) simultaneously and stepwise change their frequency to a higher or lower value, while keeping this value constant inside the measure itself. Also in this case, it is useful to carry out a frequency offset, if possible, so that the internal proportions in the signal are equally determined at all steps. This can be most easily achieved using proportional or parallel step offsets. This alternative is generally defined as a step frequency method (midrange method). From Figs. 7, 8a and 8b it is clear how, for example, with the help of an additional phase state, the pentary coding of individual information channels is performed. In addition, to increase reliability, at the beginning of each clock cycle, a reference signal is transmitted on all information frequency channels, which is respectively encoded in the second clock section. As shown in the notation on the side of FIGS. 7 and 8a, for example, five states can determine 5 different discrete states, namely the absence of a signal (0) and four digital steps obtained, for example, using the DF method. In total, in each clock cycle for a signal consisting of one reference frequency channel and three information frequency channels, 5 3 = 125 combinations are formed that can be used for encoding.
Фиг.8б представляет в качестве примера принцип пентарного кодирования информационного частотного канала. Заданные обозначениями D1-D4 точки являются сигнальными компонентами, амплитуда которых превысила амплитудный порог ао и четыре различных фазовых угла (или угловых сектора).Fig. 8b represents, as an example, the principle of pentary coding of the information frequency channel. The points defined by the designations D1-D4 are signal components whose amplitude exceeded the amplitude threshold ao and four different phase angles (or angular sectors).
Фиг.8б представляет в качестве примера принцип пентарного кодирования информационного частотного канала. Заданные обозначениями D1-D4 точки являются сигнальными компонентами, амплитуда которых превысила амплитудный порог ао и четыре различных фазовых угла (или угловых сектора) которых могут быть в цифровом виде отделены друг от друга. Состояние D5 представляет случай, когда амплитуда компоненты сигнала не превышает порог Ао.Fig. 8b represents, as an example, the principle of pentary coding of the information frequency channel. The points defined by the designations D1-D4 are signal components whose amplitude exceeded the amplitude threshold ao and four different phase angles (or angular sectors) which can be digitally separated from each other. State D5 represents the case when the amplitude of the signal component does not exceed the threshold Ao.
Еще один способ кодирования информации представлен, например, способом ЧГ и поясняется с помощью фиг.9а, 9б и 10. Фиг.9а и 9б представляют так называемый способ пропорциональных фазовых градиентов или скоростей (ПФС). Фиг.10 дополнительно представляет отношения между компонентами для непропорциональных фазовых градиентов (нФС).Another way of encoding information is presented, for example, by the PG method and is explained using FIGS. 9a, 9b and 10. FIGS. 9a and 9b represent the so-called method of proportional phase gradients or velocities (SFC). Figure 10 additionally represents the relationship between components for disproportionate phase gradients (nFS).
Основной принцип способа ФС может быть пояснен проще всего на основе следующей исходной конфигурации.The basic principle of the FS method can be explained most simply based on the following initial configuration.
Пусть дана система, в которой информационные частотные каналы непрерывно составляют гармонический ряд, т.е. смещения частот производятся с помощью способа пропорционального ЧГ. Возьмем любой информационный частотный канал, в котором соответствующая частота в данном интервале (такте) теперь образуется не как точный обертон основному тону, а несколько сдвинута относительно требуемой частоты обертона вниз или вверх (обычно менее чем 0,5% такого номинального значения), как показано на фиг.10 в верхнем ряду. В общем случае производится сдвиг частоты, который, однако, зависит от того, является эта частота несколько выше или ниже своего "номинального" значения, в результате ее сложения с частотой основного тона GT становится очевидным непрерывное и плавное изменение фазового угла этой частоты, как это представлено на фиг.9а и 9б. Фаза частоты информационного частотного канала либо опережает основной тон, либо соответственно отстает от него. В соответствующем такте с помощью этого создается фазовый градиент, направление которого может быть легко распознано и также легко определено одним из известных алгоритмов. При вычислении фазового градиента в данном случае формируется линейная характеристика изменения фазы по отношению к мгновенному значению длительности периода основного тона. Предпосылкой для такой линейной характеристики является то, что при постоянном сдвиге частот во всей частотной системе продолжают соблюдаться внутренние, заданные в текущем такте, но легко изменяемые пропорции; это значит также, что и относительные сдвиги частоты в отношении основного тона являются неизменными. Выполнение этого условия определяется как пропорциональный способ ФС (пФС). В случае пФС имеет место равномерный поворот фазы информационного частотного канала влево или вправо по отношению к фазе опорного частотного канала.Let a system be given in which information frequency channels continuously make up a harmonic series, i.e. frequency offsets are performed using the proportional-frequency method. Let’s take any information frequency channel in which the corresponding frequency in this interval (measure) is now formed not as an exact overtone to the fundamental tone, but is slightly shifted up or down relative to the required overtone frequency (usually less than 0.5% of this nominal value), as shown figure 10 in the upper row. In the general case, a frequency shift is made, which, however, depends on whether this frequency is slightly higher or lower than its "nominal" value, as a result of its addition to the fundamental frequency GT, a continuous and smooth change in the phase angle of this frequency becomes obvious, as it presented in figa and 9b. The frequency phase of the information frequency channel is either ahead of the fundamental tone, or accordingly lags behind it. In the corresponding measure, this creates a phase gradient, the direction of which can be easily recognized and also easily determined by one of the known algorithms. When calculating the phase gradient in this case, a linear characteristic of the phase change with respect to the instantaneous value of the duration of the period of the fundamental tone is formed. A prerequisite for such a linear characteristic is that with a constant frequency shift in the entire frequency system, the internal proportions set in the current beat, but easily changeable, continue to be observed; it also means that the relative frequency shifts with respect to the fundamental tone are unchanged. The fulfillment of this condition is defined as a proportional method of FS (pFS). In the case of PPS, there is a uniform rotation of the phase of the information frequency channel left or right with respect to the phase of the reference frequency channel.
Этот эффект может быть очень выгодно использован для кодирования информации, поскольку как, например, при анализе направление поворота в сигнале, направление фазового градиента определяется намного проще, чем собственно значение фазового смещения. Математически это означает только лишь определение знака первой производной относительного фазового смещения частоты информационного частотного канала по отношению к частоте основного тона, или другими словами определение, является ли относительная скорость смещения фазы значением большим или меньшим, чем ноль (см.фиг.10 вверху).This effect can be very advantageously used for encoding information, since, for example, when analyzing the direction of rotation in a signal, the direction of the phase gradient is determined much easier than the actual value of the phase shift. Mathematically, this only means determining the sign of the first derivative of the relative phase shift of the frequency of the information frequency channel with respect to the fundamental frequency, or in other words, determining whether the relative speed of the phase shift is greater or less than zero (see figure 10 above).
Этот подход может применяться для каждого информационного канала индивидуально в каждом такте. Если этот подход используется в комбинации с ранее описанным простым способом "включения"/"выключения" канала, тогда в данном такте для каждого информационного канала в отношении GT создается до четырех различных цифровых состояний: 1) нет сигнала, 2) сигнал с положительным фазовым градиентом, 3) сигнал с отрицательным фазовым градиентом и 4) сигнал без градиента, хотя в практике, четвертое состояние едва ли может быть использовано, и в этом случае четырехпозиционное кодирование будет заменяться фактически трехпозиционным фазовым градиентным кодированием, которое в некоторых обстоятельствах все же может быть не столь надежным как двухпозиционное, поскольку одному из цифровых состояний соответствует сингулярная величина фазовой скорости (Null). Эта проблематика зависит, однако, от текущих условий (качества) связи, т.к. для передатчика, как правило, не существует сложностей с формированием градиентов любой точности. Теоретически скорость передачи информации могла бы в первом случае удвоиться по сравнению с простым "включением"/"выключением", и во втором варианте возрасти на одну треть.This approach can be applied for each information channel individually in each cycle. If this approach is used in combination with the simple “on” / “off” channel method previously described, then up to four different digital states are created for each information channel in relation to GT: 1) there is no signal, 2) a signal with a positive phase gradient , 3) a signal with a negative phase gradient and 4) a signal without a gradient, although in practice, the fourth state can hardly be used, in which case the four-position coding will be replaced by actually three-position phase-gradient coding which, in some circumstances, may still not be as reliable as a two-position, since one of the digital states corresponds to a singular value of the phase velocity (Null). This issue, however, depends on the current conditions (quality) of communication, as for the transmitter, as a rule, there are no difficulties with the formation of gradients of any accuracy. Theoretically, the information transfer rate could double in the first case compared to a simple “on” / “off”, and in the second case, increase by one third.
В качестве альтернативы, можно сэкономить соответствующее число каналов, причем частотный спектр системы может удерживаться более узким, что предоставляет множество соответствующих преимуществ, которые могут быть использованы по выбору. В этом случае излучатели могут быть не очень широкополосными, что, при использовании каскадов излучателей, может привести к экономии отдельных или множества элементов. Это может быть полезным для того, чтобы, например, снизить стоимость устройства. С другой стороны, при той же конфигурации устройства, может быть достигнута более высокая гибкость и адаптивность системы. Так, по выбору, может быть повышена скорость передачи информации посредством того, что при отказе от использования более низкочастотных каналов снижается продолжительность такта, в то время как при отказе от использования высоких частот могут быть достигнуты большие дальности связи. Существует целый ряд весомых причин необходимости увеличения числа цифровых состояний и, тем самым, повышения плотности информации в каждом информационном частотном канале.Alternatively, the corresponding number of channels can be saved, and the frequency spectrum of the system can be kept narrower, which provides many corresponding advantages that can be used by choice. In this case, the emitters may not be very broadband, which, when using cascades of emitters, can lead to savings of individual or multiple elements. This can be useful in order to, for example, reduce the cost of the device. On the other hand, with the same device configuration, higher system flexibility and adaptability can be achieved. Thus, optionally, the information transfer rate can be increased by the fact that when you refuse to use lower frequency channels, the cycle time decreases, while when you refuse to use high frequencies, longer communication ranges can be achieved. There are a number of significant reasons for the need to increase the number of digital states and, thereby, increase the density of information in each information frequency channel.
Способ пФС может быть усовершенствован так, что, кроме направления, могут также использоваться, например, различные наклоны линейных фазовых градиентов, которые посредством разных по величине частотных сдвигов информационных частотных каналов могут применяться для кодирования, причем в конкретном случае, в зависимости от уровня достигаемой дискретизации, могут появляться также и другие возможности кодирования и комбинирования.The PPS method can be improved so that, in addition to the direction, various slopes of linear phase gradients can also be used, which can be used for coding by means of different frequency shifts of the information frequency channels, and in a particular case, depending on the level of sampling achieved , other coding and combining capabilities may also appear.
Во взаимосвязи со способом ЧГ положительные и отрицательные фазовые градиенты могут формироваться также с помощью таких изменений частоты информационных частотных каналов, которые выполняются не совсем пропорционально по отношению к изменению частоты основного тона (см.фиг.10 внизу).In conjunction with the PG method, positive and negative phase gradients can also be formed using such changes in the frequency of information frequency channels that are not completely proportional to the change in the frequency of the fundamental tone (see figure 10 below).
В отличие от способа пФС этот вариант назван как способом нФС, причем "н" обозначает "непропорциональный"' Способ нФС может быть реализован таким образом, что частота соответствующего информационного частотного канала изменяется в данном такте несколько быстрее или медленнее, чем это предписывает, например, базовый вариант пропорционального способа ЧГ. Легко распознать, что оба варианта способа ФС наиболее предпочтительно применяются на основе гармонических частотных рядов в взаимосвязи с пропорциональным способом ЧГ.In contrast to the pPS method, this option is called the nPS method, and “n” means “disproportionate”. The nPS method can be implemented in such a way that the frequency of the corresponding information frequency channel changes in this cycle somewhat faster or slower than prescribed, for example, The basic version of the proportional method of PG. It is easy to recognize that both variants of the FS method are most preferably used on the basis of harmonic frequency series in conjunction with the proportional FH method.
Принцип альтернативного способа для формирования фазовых градиентов состоит, другими словами, в такой модификации пропорционального способа ЧГ, что внутри каждого такта может формироваться индивидуально для каждой компоненты дополнительный небольшой, обычно линейный, частотный градиент. В отличие от способа пФС, при сложении с основным тоном, вместо линейного фазового смещения образуется несколько другая характеристика, а именно, обычно, квадратичная кривая, описывающая ускоренное смещение фазового угла, направление и форма которой зависит, однако, от положения начальной и конечной величины соответствующего изменения частоты по отношению к своему номинальному значению (см.фиг.10). В случае способа нФС, уже на основании знаков первой и второй производной относительного фазового угла как функции времени цикла основного тона, могут различаться до шести конфигураций. Совместно для обоих вариантов в случае способа ФС образуются в общей сложности до восьми различных комбинаций знаков.The principle of an alternative method for forming phase gradients consists, in other words, in such a modification of the proportional FG method that an additional small, usually linear, frequency gradient can be formed individually for each component. Unlike the PPS method, when adding with the fundamental tone, instead of a linear phase shift, a slightly different characteristic is formed, namely, usually a quadratic curve describing the accelerated phase angle shift, the direction and shape of which depends, however, on the position of the initial and final values of the corresponding frequency changes in relation to its nominal value (see figure 10). In the case of the NFS method, up to six configurations can already be distinguished based on the signs of the first and second derivatives of the relative phase angle as a function of the pitch cycle time. Together for both options in the case of the FS method, a total of up to eight different combinations of characters are formed.
Интересным в способе нФС является также то, что дополнительно к знакам могут к тому же использоваться и определенные относительные фазовые углы, например фазы начального и конечного значений или точки среза на кривой должных значений фазы в смысле способа ОФУ.It is also interesting in the nPS method that, in addition to the signs, certain relative phase angles can also be used, for example, the phases of the initial and final values or the cut-off points on the curve of the proper phase values in the sense of the OFF method.
На фиг.11 представлен опорный вариант кодирования информации (модуляции) одним из передающих устройств. Схема, отражающая основной принцип, имеет устройство, подающее кодируемую информацию в кодер 3. Кодер преобразует полученную информацию в необходимый код, в соответствии с числом опорных и информационных частотных каналов, и доставляет кодированную информацию устройству (в форме генераторов 5), генерирующему как минимум один опорный и как минимум один информационный частотный сигнал, которые управляются с помощью специального устройства управления 7. Созданные этими генераторами волновые компоненты соответствующей амплитуды, частоты и фазы подаются на суммирующее устройство 9, которое управляется устройством управления 7.Figure 11 presents the reference version of the encoding of information (modulation) by one of the transmitting devices. The scheme reflecting the basic principle has a device that feeds encoded information to
Согласно этому варианту выполнения сформированный суммирующим устройством сигнал подается при необходимости на усилитель мощности 11, который передает информационный сигнал на вход подходящего для использования в определенной среде излучателя (или каскада излучателей).According to this embodiment, the signal generated by the summing device is supplied, if necessary, to a
Согласно этому варианту выполнения предусматривается по одному генератору на каждый частотный канал.According to this embodiment, one oscillator per frequency channel is provided.
На фиг.12 показан вариант осуществления одного из предпочтительных передающих устройств, осуществляющий, в случае необходимости, амплитудную модуляцию информационного сигнала. Для этого перед подачей информационного сигнала, состоящего из отдельных компонент (опорной и информационных частотных компонент), на суммирующее устройство, информационный сигнал сначала передается поканально на соответствующие модуляторы при управлении от устройства управления.On Fig shows an embodiment of one of the preferred transmitting devices, performing, if necessary, amplitude modulation of the information signal. For this, before applying an information signal, consisting of separate components (reference and information frequency components), to the summing device, the information signal is first transmitted channel by channel to the respective modulators under control from the control device.
На фиг.13 представлен один из вариантов осуществления приемного устройства заявляемой системы. Преобразователь, согласованный для приема сигналов в соответствующей передающей среде, принимает поступающий информационный сигнал, представленный на фиг.13 как акустический сигнал, и подает его на усилитель 23. После усилителя предусмотрен фильтр 25, предназначенный для разделения и анализа отдельных частотных каналов и, в особенности, для пропускания опорного частотного канала. Поступающий от фильтра, предпочтительно фильтра низких частот, сигнал передается на детектор частоты опорного канала 27, который оценивает значение уровня и частоты опорного частотного канала. Эти данные передаются в модуль управления 29 приемного устройства. Параллельно с этим, перед поступлением в фильтр низких частот 25, информационный сигнал подается также на управляемые фильтры 31, предусмотренные по одному для каждой из компонент. Выходные сигналы фильтра анализируются в управляемом пороговом устройстве 33 и передаются на декодер 35, преобразующий код в исходный символ.On Fig presents one of the embodiments of the receiving device of the inventive system. A converter adapted to receive signals in an appropriate transmission medium receives the incoming information signal shown in FIG. 13 as an acoustic signal and feeds it to an amplifier 23. After the amplifier, a filter 25 is provided for separating and analyzing individual frequency channels and, in particular , to pass the reference frequency channel. The signal coming from a filter, preferably a low-pass filter, is transmitted to a frequency detector of the reference channel 27, which estimates the value of the level and frequency of the reference frequency channel. These data are transmitted to the control module 29 of the receiving device. In parallel with this, before entering the low-pass filter 25, an information signal is also supplied to the controllable filters 31 provided one for each of the components. The output signals of the filter are analyzed in a controlled threshold device 33 and transmitted to a decoder 35, which converts the code into a source symbol.
На фиг.14 представлен следующий вариант выполнения, имеющий дополнительные фазовые детекторы, например, для способа пФС, нФС, дифференциально-фазового или фазового градиентного метода. Для анализа фаз предусматривается фазовый детектор 32, включенный между управляемым фильтром 31 и управляемым пороговым устройством 33, предпочтительно в соответствии с числом действующих информационных частотных каналов, причем для определения упомянутых значений фаз опорный канал, обрабатываемый детектором основного тона, используется в качестве опоры.On Fig presents the following embodiment having additional phase detectors, for example, for the method of PPS, nFS, differential phase or phase gradient method. For phase analysis, a
На фиг.15-24 детально представлены различные варианты выполнения обработки сигнала.15-24, various embodiments of signal processing are shown in detail.
Заявляемый способ включает две существенных опорных функции, которые могут комбинироваться любым способом или также использоваться самостоятельно. Эти опорные функции определены как 1) полная компенсация доплеровских сдвигов, сокращенно КДС и 2) "чистка канала", сокращенно ЧК. Соответствующие основные принципы объясняются сначала по отдельности; затем поясняются разнообразные возможности для комбинации и усовершенствования способа и системы.The inventive method includes two significant support functions that can be combined in any way or also be used independently. These support functions are defined as 1) full compensation for Doppler shifts, abbreviated as CDS, and 2) "channel cleaning", abbreviated as HK. The relevant basic principles are first explained separately; then, various possibilities for combining and improving the method and system are explained.
1. Решение проблемы доплеровских сдвигов1. The solution to the problem of Doppler shifts
Для пояснения основных принципов КДС сначала выбран пример, в котором частоты опорного и информационного каналов составляют гармонический ряд, т.е. эти частоты находятся в целочисленных отношениях друг к другу. Если передатчик изменяет свою частоту, то это происходит по способу пПМП. В приемнике происходит разделение всех частотных компонент сигнала сразу же на первом этапе, например, с помощью каскада полосно-пропускающих фильтров. Для простоты примем сначала идеальные условия передачи, когда каждая компонента состоит только лишь из одной-единственной многолучевой составляющей и все компоненты сигнала излучаются и принимаются примерно на одном уровне мощности. Такого рода условия связи могут возникать, например, при распространении электромагнитных сигналов в воздушной среде. В этом примере сначала объясняется, как и что достигается посредством полной компенсации доплеровских сдвигов.To explain the basic principles of CDS, an example is first chosen in which the frequencies of the reference and information channels make up a harmonic series, i.e. these frequencies are integer relations to each other. If the transmitter changes its frequency, then this happens according to the PPMP method. In the receiver, all frequency components of the signal are separated immediately at the first stage, for example, using a cascade of bandpass filters. For simplicity, we first accept the ideal transmission conditions when each component consists of only one single multipath component and all signal components are emitted and received at approximately the same power level. Such communication conditions may arise, for example, during the propagation of electromagnetic signals in the air. This example first explains how and what is achieved by fully compensating for Doppler shifts.
Проблема доплеровских сдвигов состоит в том, что вследствие перемещений передатчика и приемника относительно друг друга, возникают частотные смещения, которые не могут быть точно предсказаны заранее, поскольку, например, скорость относительных перемещений точно неизвестна. При этом положения фаз не могут быть определены с достаточной точностью, что приводит к существенным ограничениям для любых форм связи, использующих фазовое кодирование. Эта проблема может быть частично решена при дифференциальном фазовом кодировании, при котором принимается во внимание не собственно фазовый угол, а лишь его изменение от такта к такту. Стопроцентная компенсация доплеровских сдвигов может быть, однако, достигнута, если отдельные информационные компоненты обработать соответствующим образом совместно с опорной компонентой. Одно из полезных решений содержит "попарное выравнивание по доплеровским сдвигам", сокращенно пВДС, которое может быть реализовано разными путями. Одна из простейших возможностей этого поясняется подробнее в следующем примере:The problem of Doppler shifts is that due to the movements of the transmitter and receiver relative to each other, frequency shifts occur that cannot be accurately predicted in advance, because, for example, the speed of relative movements is not exactly known. Moreover, the position of the phases cannot be determined with sufficient accuracy, which leads to significant limitations for any form of communication using phase encoding. This problem can be partially solved by differential phase coding, in which the phase angle itself is not taken into account, but only its change from measure to measure. One-hundred-percent compensation for Doppler shifts can, however, be achieved if individual information components are processed appropriately together with the reference component. One useful solution contains "pairwise alignment by Doppler shifts", abbreviated pVDS, which can be implemented in different ways. One of the simplest features of this is explained in more detail in the following example:
Пусть любая одна, например первая информационная компонента (первый обертон основного тона), представлена для обработки в одном из временных тактов выборочно и репрезентативно для всех других. Частота этой компоненты fik и, следовательно, скорость, изменение фазового угла ωik представляют значения вдвое больше, чем соответствующие значения основного тона fb и ωb. Пусть сигнал принят в дискретном виде, тогда излученные передатчиком компоненты сигнала sendb и sendik могут быть представлены следующим образом:Let any one, for example, the first information component (the first overtone of the fundamental tone), be presented selectively and representatively for all others to be processed in one of the time steps. The frequency of this component f ik and, consequently, the speed, the change in the phase angle ω ik represent values twice as large as the corresponding values of the fundamental tone f b and ω b . Let the signal be received in discrete form, then the send b and send ik signal components emitted by the transmitter can be represented as follows:
где N - общее число оцифрованных точек (отсчетов) в данном такте, n - номер текущего отсчета, ts - интервал времени, в котором происходила оцифровка, nts - дискретное время, Е - энергия, θik - начальная фаза, θinf - фазовый угол, кодирующий определенное цифровое состояние на информационном канале, и фактор k описывает крутизну изменения частоты компоненты при применении пропорционального способа ПМП.where N is the total number of digitized points (samples) in a given clock cycle, n is the number of the current sample, t s is the time interval in which digitization took place, nt s is the discrete time, E is the energy, θ ik is the initial phase, θ inf is the phase angle encoding a certain digital state on the information channel, and the factor k describes the steepness of the change in the frequency of the component when applying the proportional PMP method.
В общем случае, k может быть любой подходящей функцией времени, может принимать положительные или отрицательные значения или быть равной нулю. Последнее значит, что применение постоянных несущих частот рассматривается здесь как один из возможных специальных случаев.In the general case, k may be any suitable function of time, may take positive or negative values, or be equal to zero. The latter means that the use of constant carrier frequencies is considered here as one of the possible special cases.
Поскольку значение начальной фазы опорной частоты не изменяется на передающей стороне, она не играет в дальнейшем никакой роли, поэтому соответствующее значение в уравнении (1) установлено равным нулю.Since the value of the initial phase of the reference frequency does not change on the transmitting side, it does not play any further role, therefore, the corresponding value in equation (1) is set equal to zero.
Вследствие доплеровских сдвигов, принимаемые компоненты сигнала empfb и empfik отличаются от излученных только лишь одним дополнительным членом:Due to Doppler shifts, the received signal components empf b and empf ik differ from those emitted by only one additional term:
где D - доплеровский коэффициент, описывающий отношение относительной скорости приемник-передатчик (положительный знак для взаимного сближения и отрицательный для удаления) к скорости распространения сигнала в передающей среде.where D is the Doppler coefficient describing the ratio of the relative velocity of the receiver-transmitter (positive sign for mutual approach and negative for removal) to the propagation speed of the signal in the transmitting medium.
На основе различных аргументов этих уравнений становится понятным, что доплеровский эффект оказывает такое влияние на эти компоненты, что соответствующие члены этих аргументов отличаются друг от друга ровно в два раза, что, собственно, определяется отношением пропорциональности между частотами этих компонент. В данном примере коэффициент пропорциональности равен двум.Based on the various arguments of these equations, it becomes clear that the Doppler effect has such an effect on these components that the corresponding members of these arguments differ from each other exactly two times, which, in fact, is determined by the proportionality relation between the frequencies of these components. In this example, the proportionality coefficient is two.
Поскольку коэффициент пропорциональности является известной величиной, точные значения доплеровских сдвигов не играют больше никакой практической роли. Именно, если опорная компонента преобразуется так, что она получает такую же частотную характеристику, какую имеет анализируемая информационная компонента, тогда значения доплеровских сдвигов этих компонент станут равными величинами. В представленном примере посредством возведения в квадрат опорной компоненты может вырабатываться такая опора Rf, которая имеет доплеровское смещение такое, как и для информационной компоненты. После возведения в квадрат опорной компоненты будет получено:Since the proportionality coefficient is a known quantity, the exact values of the Doppler shifts no longer play any practical role. Namely, if the reference component is transformed so that it receives the same frequency response as the analyzed information component, then the values of the Doppler shifts of these components will become equal. In the presented example, by squaring the support component, such a support Rf can be generated that has a Doppler shift such as for the information component. After squaring the support component, you will get:
После того как неиспользуемая боковая полоса спектра будет отфильтрована, а также после масштабирования результата посредством коэффициента получаем нормированный опорный сигнал Rf', значение фазы которой отличается от фазы информационной компоненты, представленной в уравнении (5), следующим образом:After the unused sideband of the spectrum is filtered, as well as after scaling the result by the coefficient we get the normalized reference signal Rf ', the phase value of which differs from the phase of the information component presented in equation (5), as follows:
Этот опорный сигнал может быть использован в определенной мере как внутренний тактовый сигнал составного сигнала, с помощью которого могут определяться фазовые углы информационных компонент.This reference signal can be used to some extent as an internal clock signal of a composite signal, with the help of which the phase angles of information components can be determined.
Аналогичным образом из опорной компоненты могут формироваться необходимые опорные сигналы также и для всех остальных содержащихся в принимаемом сигнале информационных компонент. В этом случае опорная компонента должна возводиться в соответствующую степень (многократно умножаться на саму себя) и, при необходимости, фильтроваться. В общем случае информационные компоненты также могут быть преобразованы аналогичным путем, что может оказаться полезным в случае, если частоты информационных компонент выбраны не так, как в предыдущем случае, а иначе, например, когда они лежат в диапазоне более низких частот, чем опорная компонента, или если их частоты не находятся в целочисленном отношении к частоте опорной компоненты. В последнем случае вышеописанный подход может применяться индивидуально для каждой из сторон пары, формируемой для текущей обработки (опорной и одной из информационных компонент) повторно, и именно столько, сколько необходимо для полного покрытия обеих частей пары. Поскольку после каждого умножения (возведения в степень) количество частотных составляющих спектра быстро увеличивается, необходимо изначально стремиться к такому расположению частотных каналов, чтобы по возможности меньшее число шагов потребовалось для попарной обработки принимаемого сигнала для уравнивания доплеровских сдвигов.Similarly, the necessary reference signals can also be formed from the reference component for all other information components contained in the received signal. In this case, the supporting component should be raised to the appropriate degree (multiplied by itself many times) and, if necessary, filtered. In the general case, information components can also be converted in a similar way, which can be useful if the frequencies of information components are not chosen as in the previous case, but otherwise, for example, when they lie in the lower frequency range than the reference component, or if their frequencies are not integer to the frequency of the reference component. In the latter case, the above approach can be applied individually for each side of the pair, formed for the current processing (reference and one of the information components) repeatedly, and just as much as is necessary to fully cover both parts of the pair. Since after each multiplication (exponentiation) the number of frequency components of the spectrum increases rapidly, it is necessary to initially strive for such an arrangement of frequency channels so that as few steps as possible are required for pairwise processing of the received signal to equalize Doppler shifts.
В общем случае, при использовании приложений с фазокодированными сигналами, в выборе подходов попарного уравнивания доплеровских сдвигов необходимо также стремиться к тому, чтобы не возникало потерь информации при манипуляции с информационными компонентами, например, из-за возникновения неопределенностей (многозначностей) в оценках положения фаз.In the general case, when using applications with phase-coded signals, when choosing approaches for pairing the Doppler shifts, it is also necessary to ensure that there is no loss of information when manipulating information components, for example, due to the occurrence of uncertainties (ambiguities) in the estimates of the phase position.
В последующем, на основе упомянутого примера, описывается одна из простых возможностей, как согласно вышеупомянутому подходу может быть определено положение фазового угла соответствующей информационной компоненты. Для этого должна быть, описана, например, возможность разложения соответствующей компоненты на базисе квадратурных функций опорного сигнала Rf '[п].In the following, on the basis of the mentioned example, one of the simple possibilities is described, how according to the aforementioned approach, the position of the phase angle of the corresponding information component can be determined. For this, it must be described, for example, the possibility of decomposing the corresponding component on the basis of the quadrature functions of the reference signal Rf '[n].
Так как опора Rf'[n] в этом примере уже представлена в косинусоидальной форме, запишем:Since the support Rf '[n] in this example is already presented in a cosine form, we write:
RfC[n]=Rf’[n]RfC [n] = Rf ’[n]
Соответствующая синус-составляющая может быть получена, например, посредством взятия первой производной от RfC[n] и соответствующего нормирования амплитуды.The corresponding sine component can be obtained, for example, by taking the first derivative of RfC [n] and the corresponding normalization of the amplitude.
Проекция информационной компоненты на косинус-составляющую имеет вид:The projection of the information component on the cosine component has the form:
где N1 описывает начало, а N2 - конец соответствующего такта. where N1 describes the beginning and N2 describes the end of the corresponding measure.
Поскольку во второй части суммы значения функции осциллируют у нуля, то положительные и отрицательные величины взаимно уничтожаются, т.е. эта часть стремится к нулю и поэтому ею можно пренебречь:Since in the second part of the sum, the values of the function oscillate at zero, the positive and negative quantities are mutually annihilated, i.e. this part tends to zero and therefore it can be neglected:
Проекция принятой информационной компоненты на синус-составляющую соответственно записывается:The projection of the received information component on the sine component is respectively recorded:
Если рассматривать величины CQ и SQ как, например, координаты точки в радиальной системе координат, то соединительная линия между этой точкой, началом координат и абсциссой заключает в себе искомый угол Θ. Он может быть просто определен с помощью соответствующего алгоритма. Очевидный способ определения угла показан как:If we consider the quantities CQ and SQ as, for example, the coordinates of a point in a radial coordinate system, then the connecting line between this point, the origin and the abscissa encloses the desired angle Θ. It can be simply determined using the appropriate algorithm. An obvious way to determine the angle is shown as:
Фаза принимаемой компоненты представлена здесь как разница между начальной фазой передаваемой волны и некоторой кодирующей фазой, т.е. внутри каждого такта она инвариантна времени. Ради полноты изложения представлен вариант, где разница между фазой в текущем и предыдущем такте может быть использована для кодирования. Используя индексы i и i+1, получаем вариант дифференциально-фазового кодирования:The phase of the received component is presented here as the difference between the initial phase of the transmitted wave and some coding phase, i.e. within each measure, it is time invariant. For the sake of completeness, a variant is presented where the difference between the phase in the current and previous measure can be used for encoding. Using indices i and i + 1, we obtain a variant of differential phase encoding:
Аналогичным образом в каждом такте определяются фазовые углы остальных информационных компонент. Это предоставляет пользователю возможность соответственно более точной (многоступенчатой) дискретизации фазовых углов и увеличения скорости передачи информации. Вышеописанный способ определения фазовых углов определен здесь как C-S-проекция.Similarly, in each cycle, the phase angles of the remaining information components are determined. This gives the user the possibility of correspondingly more accurate (multi-stage) discretization of phase angles and increase the speed of information transfer. The above-described method for determining phase angles is defined here as a C-S projection.
Способ кДС является основой для варианта выполнения способа по пункту 28. На фиг.23 представлены важнейшие элементы обработки, выполняемой по способу кДС. Показано, что различные (из описанных) элементы могут аналогичным образом применяться и для других форм выполнения способа.The CDS method is the basis for the embodiment of the method according to paragraph 28. On Fig presents the most important elements of the processing performed by the method of CDS. It is shown that various (of the described) elements can be similarly applied to other forms of the method.
2. Чистка канала (ЧК)2. Channel cleaning (ChK)
ЧК включает в себя идентификацию (в каждом случае) наиболее подходящей многолучевой составляющей и ее отделение от остальных составляющих при одновременной минимизации межсимвольных взаимодействий. Она может включать в себя уже частичную компенсацию доплеровских сдвигов, что может уже быть достаточным для целого ряда различных приложений.HK includes the identification (in each case) of the most suitable multipath component and its separation from the remaining components while minimizing intersymbol interactions. It may include already partial compensation for Doppler shifts, which may already be sufficient for a number of different applications.
Рассмотрим в качестве примера случай, когда доплеровские сдвиги не играют существенной роли; принимаемый сигнал содержит только лишь помехи, представляемые многолучевыми компонентами. Условия связи такого рода встречаются часто в акустической связи между стационарными или медленно движущимися подводными объектами. Каждая из компонент сигнала представлена тогда целым спектром многолучевых компонент (см. схематичное представление на фиг.5 и 17а). Заявляемый способ должен, прежде всего, обеспечить возможность такой обработки сигнала, при которой межсимвольные взаимодействия значительно уменьшаются.Let us consider as an example the case when Doppler shifts do not play a significant role; the received signal contains only interference represented by multipath components. Communication conditions of this kind are often found in acoustic communication between stationary or slowly moving underwater objects. Each of the signal components is then represented by a whole spectrum of multipath components (see the schematic representation in FIGS. 5 and 17a). The inventive method should, first of all, provide the possibility of such signal processing in which intersymbol interactions are significantly reduced.
Несмотря на то, что в результате применения способа ПМП различные многолучевые составляющие поступают в приемник с различными значениями мгновенных частот, практически является едва ли возможным выделение наиболее благоприятных составляющих из спектра соответствующей компоненты сразу же на первом этапе обработки, так как они обычно расположены очень близко друг к другу, и их частоты являются переменными во времени величинами (см.фиг.18). Даже следящие фильтры могут едва ли использоваться для этой цели. Выше мы исходили, однако, из того, что соответствующие спектры опорной и информационных компонент могут отделяться друг от друга (фиг.17б и фиг.17с).Despite the fact that as a result of applying the PMF method, various multipath components arrive at a receiver with different values of instantaneous frequencies, it is hardly possible to isolate the most favorable components from the spectrum of the corresponding component immediately at the first stage of processing, since they are usually located very close to each other to a friend, and their frequencies are time-varying quantities (see Fig. 18). Even tracking filters can hardly be used for this purpose. Above, we proceeded, however, from the fact that the corresponding spectra of the reference and information components can be separated from each other (Fig.17b and Fig.17c).
После перемножения опорной и соответствующей информационной компоненты (фиг.17д) образуются два спектра промежуточных частот, которые лежат в разных частотных диапазонах и имеют разные градиенты частоты (фиг.17е). Диапазон более низких частот может быть пропущен с помощью фильтра низких частот для дальнейшей обработки. В этой части спектра наблюдается также уменьшение влияния доплеровских сдвигов, в то время как в другой части спектра эти сдвиги усиливают свое влияние. Если эта вторая (боковая) полоса частот не вызывает помех, на этом этапе она все еще может оставаться в спектре (не отфильтровываться), при этом одна из ступеней фильтра может быть сэкономлена.After multiplying the reference and corresponding information components (Fig.17d), two spectra of intermediate frequencies are formed, which lie in different frequency ranges and have different frequency gradients (Fig.17e). The lower frequency range can be omitted with a low-pass filter for further processing. In this part of the spectrum, a decrease in the effect of Doppler shifts is also observed, while in the other part of the spectrum, these shifts increase their influence. If this second (side) frequency band does not cause interference, at this stage it can still remain in the spectrum (not be filtered out), while one of the filter steps can be saved.
На следующем этапе обработки осуществляется умножение по меньшей мере одной оставшейся части спектра на вспомогательную частоту, генерируемую в приемном устройстве (фиг.17f), характеристика которой выбирается так, что в результате умножения часть вторых промежуточных частот больше не изменяется во времени (фиг.17g).In the next processing step, at least one remaining part of the spectrum is multiplied by the auxiliary frequency generated in the receiving device (Fig.17f), the characteristic of which is selected so that as a result of the multiplication, a part of the second intermediate frequencies no longer changes in time (Fig.17g) .
Характеристика соответствующей частоты (H1; H2;...HN) либо устанавливается исходя из оперативного согласования применяемых приемником и передатчиком структур сигналов, либо определяется из предварительно проведенного зондирования свойств передающего канала (см. ниже "настройку на канал"),The characteristic of the corresponding frequency (H1; H2; ... HN) is either established on the basis of operational coordination of the signal structures used by the receiver and transmitter, or is determined from a preliminary sounding of the properties of the transmitting channel (see below “channel tuning”),
На фиг.19 представлено, что это может быть также достигнуто, когда сначала только лишь опорная компонента отделяется от группы информационных компонент. Посредством соответствующего выбора гетеродинной частоты, частота предусмотренной для обработки информационной компоненты (первая в текущем примере) может быть стабилизирована.On Fig presented that this can also be achieved when at first only the supporting component is separated from the group of information components. By appropriately selecting the local oscillator frequency, the frequency provided for processing the information component (the first in the current example) can be stabilized.
Преимущество этого подхода состоит в том, что посредством подходящей гетеродинной частоты, необходимые части неизменяемых (стабильных) во времени частот могут размещаться в определенных частотных окнах и, при этом, фильтроваться с помощью обычных фильтров, например фильтров низких частот. (фиг.17h).The advantage of this approach is that by means of a suitable local oscillator frequency, the necessary parts of the unchanged (stable) in time frequencies can be placed in certain frequency windows and, at the same time, filtered using conventional filters, for example low-pass filters. (Fig.17h).
Фиг.20 представляет на близком к практическому использованию примере, что из-за существования в спектре стабильных промежуточных частот (целого ряда) многолучевых составляющих сигнала, пока еще не могут быть сделаны никакие заключения о значении фазового угла, т.к. разные многолучевые компоненты переставлены в различные моменты времени разными уровнями мощности.Fig. 20 shows in an example close to practical use that, due to the existence in the spectrum of stable intermediate frequencies (of a number of) multipath components of the signal, no conclusions can be made about the value of the phase angle, because different multipath components are rearranged at different points in time to different power levels.
По этой причине предусмотрена вторая ступень (по возможности с наилучшим качеством) фильтрации, полоса которой устанавливается (для каждой компоненты) на основе данных о свойствах канала, полученных при проведении процедуры "настройки на канал" (описание см. ниже) по самой мощной по уровню многолучевой компоненте. Пунктирная линия (фиг.17h) изображает, что линии наклона переднего и заднего фронта фильтра могут устанавливаться с необходимой крутизной. Вследствие этого влияние остальных многолучевых компонент могут существенно уменьшаться (фиг.17i).For this reason, a second stage (if possible with the best quality) of filtering is provided, the band of which is set (for each component) on the basis of data on the channel properties obtained during the “channel tuning” procedure (description below) at the most powerful level multipath component. The dashed line (Fig.17h) shows that the slope of the leading and trailing edges of the filter can be set with the necessary slope. As a result, the effect of the remaining multipath components can be significantly reduced (Fig. 17i).
фиг.21 представляет практический пример, как в результате такой узкополосной фильтрации влияние флюктуирующих многолучевых компонент (см. фиг.20) может быть в значительной мере ослаблено (подавлением этих компонент) и может быть произведена однозначная оценка информационного параметра. В целом, процесс, описанный в этом контексте, определен как "чистка канала" с частичной компенсацией доплеровских сдвигов.Fig.21 represents a practical example of how, as a result of such narrow-band filtering, the influence of fluctuating multipath components (see Fig.20) can be significantly weakened (suppression of these components) and an unambiguous assessment of the information parameter can be made. In general, the process described in this context is defined as “channel cleaning” with partial compensation for Doppler shifts.
Определение параметровParameter Definition
Подготовленные таким образом и очищенные от помеховых влияний канала компоненты сигнала могут теперь быть подвергнуты детальному анализу их параметров. При этом могут с высокой точностью определяться как амплитуды, так и фазы компонент сигнала, несущих информацию. Различные значения амплитуд могут различаться, в простейшем случае, с помощью пороговых устройств. В случае, если для определения фазовых углов необходимо проведение C-S-проекции, требуемые для разложения компонент опорные колебания (синусная и косинусная составляющие) могут искусственно генерироваться приемным устройством.Signal components prepared in this way and cleared of the channel interference can now be subjected to a detailed analysis of their parameters. In this case, both the amplitudes and phases of the signal components carrying information can be determined with high accuracy. Different amplitudes can vary, in the simplest case, using threshold devices. If it is necessary to carry out a C-S projection to determine the phase angles, the reference vibrations (sine and cosine components) required for the decomposition of the components can be artificially generated by the receiving device.
Последнее не представляет технических сложностей, поскольку настройки последней ступени (узкополосной) фильтрации известны в системе, следовательно, известны частоты несущих информацию компонент сигнала. В зависимости от используемой формы кодирования пользователем могут выбираться и применяться наиболее подходящие формы обработки из числа известных алгоритмов.The latter does not present technical difficulties, since the settings of the last (narrow-band) filtering stage are known in the system; therefore, the frequencies of the signal components that carry information are known. Depending on the form of coding used by the user, the most suitable processing forms from among the known algorithms can be selected and applied.
В вышеописанном методе процедура "чистки канала" ЧК применяется предпочтительно совместно со способом пПМП (см. фиг.5). Этот способ может быть также без проблем реализован и совместно со способом паПМП (см.фиг.15). В случае использования способа паПМП произведение опорной и информационной компонент приводит непосредственно к образованию стабильных промежуточных частот. При этом дальнейшее умножение на вспомогательную компоненту становится излишним. Если этот промежуточный этап является все еще необходимым, например, для перемещения определенного спектра частот в заданное частотное окно, то это может производиться посредством умножения на соответствующую вспомогательную компоненту постоянной частоты. Это находится, однако, в рамках данного выше описания.In the method described above, the “channel cleaning” procedure of the LC is preferably used in conjunction with the pFMP method (see FIG. 5). This method can also be implemented without problems and in conjunction with the pasf method (see Fig. 15). In the case of using the paPMP method, the product of the reference and information components leads directly to the formation of stable intermediate frequencies. In this case, further multiplication by the auxiliary component becomes redundant. If this intermediate step is still necessary, for example, to move a certain frequency spectrum into a given frequency window, this can be done by multiplying by the corresponding auxiliary component of the constant frequency. This is, however, within the scope of the above description.
Чистка канала совместима со всеми формами способа ПМП, при которых градиент изменения частоты есть величина большая, чем нуль. Для того чтобы отличить описанный вариант от последующих модификаций, он будет называться как способ ЧК-1. Описанная здесь предпочтительная форма выполнения заявляемого способа составляет основу пункта 18. Важнейшие элементы этого способа представлены на фиг.23.Channel cleaning is compatible with all forms of the PMD method, in which the gradient of the frequency change is a value greater than zero. In order to distinguish the described option from subsequent modifications, it will be called as the ChK-1 method. The preferred embodiment of the inventive method described here forms the basis of paragraph 18. The most important elements of this method are presented in FIG.
Вышеописанный вариант чистки канала может быть преобразован, например, так, что изначально не производится умножения информационной компоненты на опорную компоненту. В этом случае происходит образование стабильных промежуточных частот посредством умножения соответствующей компоненты на соответствующую вспомогательную частоту. Этот подход дает то преимущество, что спектры стабильных промежуточных частот имеют не такие сложные спектры многолучевых компонент, как принимаемые компоненты. После отделения (фильтрации) наилучшей многолучевой составляющей каждой из компонент (т.е. чистки канала) существует еще возможность обработки информационной компоненты с помощью опоры так, чтобы достичь по меньшей мере частичной компенсации доплеровских сдвигов, или как, по аналогии с описанным для кДС примером, провести оценку фазового угла информационной компоненты с помощью C-S-проекции, с образованием синусной и косинусной составляющих из "очищенной" опорной компоненты. Выбор частотной характеристики соответствующей опоры происходит, если необходимо, в ходе перемножения с соответствующей вспомогательной сопровождающей частотой, или после прохождения последней ступени фильтрации посредством перемножения с соответствующей вспомогательной постоянной частотой. В последнем случае необходимым является лишь однократное прохождение опорной компоненты через фильтр.The above-described variant of channel cleaning can be transformed, for example, so that initially the multiplication of the information component by the reference component is not performed. In this case, stable intermediate frequencies are formed by multiplying the corresponding component by the corresponding auxiliary frequency. This approach gives the advantage that the spectra of stable intermediate frequencies do not have such complex spectra of multipath components as the received components. After separating (filtering) the best multipath component of each component (i.e., cleaning the channel), there is still the possibility of processing the information component using a support so as to achieve at least partial compensation for Doppler shifts, or as, by analogy with the example described for CDS , to evaluate the phase angle of the information component using a CS projection, with the formation of the sine and cosine components from the "cleaned" reference component. The choice of the frequency response of the corresponding support occurs, if necessary, during the multiplication with the corresponding auxiliary accompanying frequency, or after passing the last filtering stage by multiplying with the corresponding auxiliary constant frequency. In the latter case, only a single passage of the support component through the filter is necessary.
С использованием описанных модификаций могут быть определены другие предпочтительные варианты осуществления изобретения. Схематично упрощенная процедура обработки представлена на фиг.23 и определена как способ ЧК-2.Using the described modifications, other preferred embodiments of the invention may be determined. A schematically simplified processing procedure is presented in FIG. 23 and is defined as a ChK-2 method.
В случае если доплеровские эффекты не играют никакой роли, опорная компонента может быть опущена или использована в качестве дополнительной информационной компоненты. В этом случае применяется способ ЧК-2. Определение параметров сигнала должно, однако, происходить так, как описано для способа ЧК-1.If the Doppler effects do not play any role, the support component can be omitted or used as an additional information component. In this case, the ChK-2 method is used. The determination of the signal parameters should, however, occur as described for the ChK-1 method.
Для полноты сошлемся еще раз на вышеописанное, но не представленное на чертежах альтернативное решение, с помощью которого этап получения стабильных промежуточных частот может быть достигнут в рамках, например, способа пПМП без предварительного разделения компонент, просто посредством перемножения сигналов, принимаемых непосредственно в соседних тактах. Этот этап включает также частичную компенсацию доплеровских сдвигов. Особенностью в этом случае является то, что, в зависимости от крутизны изменения частоты, спектры стабильных промежуточных частот соответствующих каналов лежат в различных, хотя более или менее близко друг к другу расположенных соседних частотных окнах. Однако в результате такой трансформации получается очень сложная структура сигнала. Особенно, если применяется большое число информационных каналов, необходимо тщательно следить за возможным наложением продуктов перемножения обрабатываемых компонент. Для разделения многолучевых компонент может применяться, например, каскад узкополосных фильтров.For completeness, we refer once again to the alternative solution described above, but not shown in the drawings, by which the stage of obtaining stable intermediate frequencies can be achieved in the framework of, for example, the PMF method without preliminary separation of components, simply by multiplying the signals received directly in adjacent clock cycles. This step also includes partial compensation for Doppler shifts. A feature in this case is that, depending on the steepness of the frequency change, the spectra of stable intermediate frequencies of the corresponding channels lie in different, although more or less close to each other adjacent frequency windows. However, as a result of such a transformation, a very complex signal structure is obtained. Especially if a large number of information channels are used, it is necessary to carefully monitor the possible imposition of multiplication products of the processed components. For separation of multipath components, for example, a cascade of narrow-band filters can be used.
В итоге необходимо еще раз указать на то, что в настоящем описании системы поясняется лишь принцип предлагаемого подхода. На практике возможно применение более сложных методов обработки и анализа сигналов, которые включают использование вышеописанных этапов обработки подобной или другой формы при сохранении принципа.As a result, it is necessary to once again point out that in the present description of the system only the principle of the proposed approach is explained. In practice, it is possible to use more complex methods of signal processing and analysis, which include the use of the above processing steps of a similar or other form while maintaining the principle.
Комплексные решенияIntegrated Solutions
После того как по отдельности описаны методические основы для полной компенсации доплеровских сдвигов и различные варианты чистки канала (включающие также частичную компенсацию доплеровских сдвигов), рассмотрим практический случай, в котором помехи при приеме сигнала вызывают как множество многолучевых компонент, так и доплеровские сдвиги. Такая комбинация мешающих факторов часто осложняет связь между подвижными объектами под водой.After we have separately described the methodological foundations for the full compensation of Doppler shifts and various options for cleaning the channel (including also partial compensation for Doppler shifts), we consider the practical case in which interference with the reception of a signal causes both a multitude of multipath components and Doppler shifts. Such a combination of interfering factors often complicates the connection between moving objects under water.
Для этого примера существует возможность получения решения, например, путем комбинирования способов кДС и ЧК-2.For this example, there is the possibility of obtaining a solution, for example, by combining the methods of CDS and ChK-2.
После разделения опорной и информационных компонент сначала проводится, как описано для способа кДС, попарное выравнивание доплеровских сдвигов, при котором как минимум одна из компонент выбранной пары преобразуется (либо, при необходимости, обе компоненты преобразуются) так, что обе компоненты пары представляют в точности равные характеристики изменения частоты и поэтому одинаково "нагружены" доплеровскими сдвигами. По необходимости не требуемые для обработки частотные полосы (составляющие) сигнала могут отфильтровываться и оставшиеся составляющие сигнала могут повторно нормироваться.After separation of the reference and information components, the pairing of Doppler shifts is first performed, as described for the CDS method, in which at least one of the components of the selected pair is transformed (or, if necessary, both components are transformed) so that both components of the pair are exactly equal characteristics of the frequency change and therefore are equally "loaded" with Doppler shifts. If necessary, the frequency bands (components) of the signal that are not required for processing can be filtered out and the remaining signal components can be re-normalized.
После этого обе компоненты по отдельности перемножаются обычно с такой же вспомогательной частотой (которая имеет такой же градиент изменения частоты, как и соответствующая компонента, но параллельно сдвинута на некоторую величину), при этом образуются стабильные промежуточные частоты, которые затем фильтруются для осуществления чистки канала на последующих ступенях фильтрации. Для этого узкополосные фильтры устанавливаются для каждой компоненты индивидуально. В идеальном случае соответствующие установки фильтров могут учитываться также при точном согласовании вышеупомянутых вспомогательных частот.After that, both components separately are usually multiplied with the same auxiliary frequency (which has the same gradient of frequency change as the corresponding component, but is parallel shifted by a certain amount), and stable intermediate frequencies are formed, which are then filtered to clean the channel by subsequent stages of filtration. For this, narrow-band filters are installed individually for each component. Ideally, the appropriate filter settings can also be taken into account when precisely matching the aforementioned auxiliary frequencies.
В результате достигается очищение от межсимвольных взаимодействий, как опорной компоненты, так и информационной компоненты. После такой очистки (включая при необходимости анализ пороговых значений) анализ параметров может происходить, например, согласно описанному подходу для кДС или ЧК-2, причем посредством попарной обработки соответствующей информационной компоненты с соответствующим опорным сигналом достигается полная компенсация доплеровских сдвигов.As a result, purification from intersymbol interactions of both the support component and the information component is achieved. After such cleaning (including, if necessary, analysis of threshold values), the analysis of the parameters can occur, for example, according to the described approach for CDS or ChK-2, and by fully processing the corresponding information component with the corresponding reference signal, full compensation for Doppler shifts is achieved.
Вышеописанная форма выполнения заявляемого способа создает основу для варианта выполнения способа по пункту 8. На фиг.23 она обозначена как Kompl.1.The above form of execution of the proposed method creates the basis for a variant of the method according to paragraph 8. In Fig.23 it is designated as Kompl.1.
Следующее возможное решение состоит в соответствующем комбинировании способов кДС и ЧК-1 (см. упрощенное представление схемы обработки на фиг.23). Также и в этом случае, после отделения опорной компоненты от информационной, происходит попарное выравнивание доплеровских сдвигов. После этого одна из компонент сдвигается параллельно на некоторое значение частоты с помощью перемножения ее с соответствующей вспомогательной константной частотой, генерируемой принимающим устройством. Затем обе компоненты перемножаются, при этом достигается этап обработки, представленный на фиг.17д, т.е. этап образования стабильных промежуточных частот. После этого производится фильтрация (на обоих этапах) и анализ параметров согласно способу ЧК-1.The next possible solution is to appropriately combine the CDS and ChK-1 methods (see a simplified representation of the processing circuit in Fig. 23). Also in this case, after separation of the support component from the information component, pairwise alignment of Doppler shifts occurs. After that, one of the components is shifted in parallel by a certain frequency value by multiplying it with the corresponding auxiliary constant frequency generated by the receiving device. Then both components are multiplied, and the processing step shown in Fig. 17d is achieved, i.e. stage of formation of stable intermediate frequencies. After that, filtering (at both stages) and analysis of the parameters according to the ChK-1 method are performed.
Это второе (комплексное) решение предполагает, что посредством проекции информационной компоненты на опорный сигнал, имеющий идентичную характеристику доплеровских смещений, влияние частотных сдвигов, вызванных движением объектов, полностью устраняется. При этом этот опорный сигнал "расходуется". Однако он больше и не потребуется. Значительное преимущество этого подхода состоит в том, что для размещения требуемой части спектра промежуточных частот в точности в пределах заданного частотного окна существует необходимость только лишь в генерировании вспомогательной константной частоты. В благоприятном случае может применяться одна и та же вспомогательная частота для всех пар обрабатываемых компонент. В принципе существует возможность использования этой вспомогательной частоты на заключительном этапе чистки канала в качестве опорного сигнала для проведения анализа значений фаз. Поскольку в практике будут пытаться настраивать узкополосные фильтры для каждой компоненты сигнала индивидуально (в данном случае представлена уже комбинация опорной и соответствующей информационной компоненты), тогда текущие настройки фильтров становятся известными системе в каждом случае проведения настроек, и поэтому приемное устройство может искусственно генерировать согласованные с такими настройками опорные сигналы (включая квадратурные синусоидальную и косинусоидальную компоненты), если они необходимы для проведения анализа фазовых углов (сравни с ЧК-1).This second (complex) solution assumes that by projecting the information component onto a reference signal having an identical characteristic of Doppler shifts, the influence of frequency shifts caused by the movement of objects is completely eliminated. In this case, this reference signal is "consumed". However, it is no longer needed. A significant advantage of this approach is that to place the required part of the spectrum of intermediate frequencies exactly within a given frequency window, there is a need only to generate an auxiliary constant frequency. In the favorable case, the same auxiliary frequency can be used for all pairs of processed components. In principle, it is possible to use this auxiliary frequency at the final stage of channel cleaning as a reference signal for analyzing phase values. Since in practice they will try to configure narrow-band filters for each signal component individually (in this case, a combination of the reference and corresponding information components is already presented), then the current filter settings become known to the system in each case of settings, and therefore the receiving device can artificially generate reference signals (including quadrature sinusoidal and cosine components), if necessary, for performing anal for phase angle (compare with CHK-1).
Установка канала и настройка на каналChannel setup and channel setup
Посредством многократно упомянутой настройки на канал, на основе соответствующих тестовых сигналов сначала необходимо установить, что структура сигнала оптимально подобрана для соответствующих условий связи и/или обеспечивается, как минимум то, что приемное устройство может в требуемой степени разделять компоненты сигнала. Если эта предпосылка выполнена, тогда может проводиться настройка на канал для всех вариантов выполнения способа, которые соответствуют пункту 1 и также всем дальнейшим вариантам, включающим процедуру чистки канала. Для этого можно предусмотреть сначала передачу более продолжительных некодированных сигналов, которые в остальном, однако, обладают необходимыми характеристиками, используемыми в дальнейшем для передачи информации. При этом пользователь может выбрать, применять ли все частотные каналы одновременно, или настройку на канал осуществлять на основе тестовых сигналов, посылаемых по очереди и представляющих в каждом случае либо только опорную компоненту, либо только одну из информационных компонент. Любой из этих подходов должен, естественно, быть согласован с выбранным вариантом способа обработки сигнала. Принятые тестовые сигналы проходят все предусмотренные соответствующим способом этапы обработки для формирования стабильных промежуточных частот. На этом уровне проводится анализ распределения энергии в заданном спектре частот индивидуально для каждой из компонент сигнала (или из смешанных компонент, сформированных перемножением опорной и соответствующей информационной компоненты), предназначенных для дальнейшей обработки. Для такого анализа может применяться, например, быстрое преобразование Фурье. На основании результатов обработки выбирается наилучшая (благоприятствующая) многолучевая компонента (имеющая обычно наиболее высокий уровень мощности), для которой затем выполняется качественная настройка узкополосных фильтров, результаты которой сохраняются в памяти. После завершения соответствующих настроек для всех компонент сигнала, может начинаться собственно передача данных (информации). Эти настройки сохраняются до проведения следующей настройки на канал.By repeatedly adjusting to the channel, based on the corresponding test signals, it is first necessary to establish that the signal structure is optimally selected for the respective communication conditions and / or it is ensured that at least the receiving device can separate the signal components to the required degree. If this prerequisite is fulfilled, then tuning to the channel can be carried out for all variants of the method, which correspond to
Особенно при акустической передаче данных в подводных каналах условия связи часто являются неустойчивыми, переменными во времени. В таких случаях рекомендуется проведение процедуры настройки на канал повторно через соответствующие условиям связи промежутки времени, это значит, что настройки узкополосных фильтров регулярно обновляются.Especially with acoustic data transmission in underwater channels, communication conditions are often unstable, time-varying. In such cases, it is recommended that the channel tuning procedure be repeated at intervals corresponding to the communication conditions, which means that the settings of narrow-band filters are regularly updated.
Применение более продолжительных некодированных сигналов для настройки на канал предлагает хорошую статическую надежность, хотя это означает, что собственно передача данных должна время от времени прерываться. Таких перерывов можно, однако, избежать. Полезной альтернативой является способ, заявленный в пункте 23. При этом постоянно и оперативно, на основе принимаемых сигналов, параллельно с процессом собственно обработки сигнала (или в качестве его составной части) производится настройка на канал с обновлением упомянутых настроек фильтров. При этом целесообразно использовать для обработки результаты приема сигналов из множества тактов. Одно из таких альтернативных решений выставляет, соответственно, более сложные требования системе по обработке сигналов.The use of longer non-encoded signals for tuning to the channel offers good static reliability, although this means that the data transmission itself should be interrupted from time to time. Such interruptions can, however, be avoided. A useful alternative is the method stated in paragraph 23. At the same time, on the basis of the received signals, in parallel with the process of the signal processing itself (or as an integral part of it), the channel is tuned in and the mentioned filter settings are updated. In this case, it is advisable to use for processing the results of receiving signals from multiple clock cycles. One of these alternative solutions sets, accordingly, more complex requirements for the signal processing system.
Определение относительной скорости между приемником и передатчикомDetermination of relative speed between receiver and transmitter
Ниже представлено, что на базе принимаемых сигналов может выполняться определение текущего изменения расстояния между приемником и передатчиком. Обработка сигнала по вышеописанному способу предполагает восстановление наилучшим образом параметров (посылаемого) сигнала (например, фазовых углов) для каждой из компонент сигнала. Компоненты сигнала целесообразно обрабатываются совместно таким образом, что доплеровские смещения устраняются. Последние рассматриваются в качестве помеховых величин. Доплеровские смещения содержат, однако, информацию в форме доплеровского коэффициента D=ν/c (сравни с уравнениями 4 и 5), которая хотя и не имеет никакого отношения к собственно передаче данных, может, однако, предоставить информацию о мгновенной величине относительной скорости v между приемником и передатчиком. Доплеровский коэффициент может быть определен с помощью соответствующего способа обработки сигнала. Так как скорость распространения сигнала с является известной величиной (например, может быть измерена в процессе зондирования канала), величина v может быть оценена или относительно точно определена.It is presented below that, based on the received signals, a determination of the current change in the distance between the receiver and the transmitter can be performed. Signal processing according to the above method involves the restoration in the best way of the parameters of the (sent) signal (for example, phase angles) for each of the signal components. The signal components are expediently processed together so that Doppler offsets are eliminated. The latter are considered as interference values. Doppler shifts, however, contain information in the form of the Doppler coefficient D = ν / c (compare with
В качестве примера может быть представлено следующее возможное решениеThe following possible solution may be presented as an example.
Для этого может быть отфильтрована одна любая компонента принимаемого сигнала (целесообразно выделить некодированную опорную компоненту). Если необходимо, то снова, в соответствии со способом ЧК-2 можно сократить спектр принимаемого сигнала до одной многолучевой составляющей. Поскольку структуры сигнала известны как приемному, так и передающему устройству, а также возможно определение фазового угла в процессе проведения анализа сигналов (по одному из знакомых методов), то система может генерировать нормированный по амплитуде опорный сигнал, который в отношении своего фазового угла и частотной характеристики - за исключением еще не известной доплеровской составляющей - является идентичным соответствующей компоненте принимаемого сигнала. После выполнения проекции этой компоненты принимаемого сигнала на квадратурные синусную и косинусную составляющие опорного сигнала и после фильтрации (НЧ-фильтрации) чистая доплеровская составляющая может быть получена в форме синусоидальных и косинусоидальных колебаний равной амплитуды. Функция арктангенса определяет аргумент Dωnts. Поскольку ωnts, является известной величиной, деление этих величин дает D, и D, умноженное на с, дает в конце концов ν. (См. фиг.23). Для многих приложений может оказаться полезным получать эту полезную информацию без дополнительных измерительных затрат.For this, any one component of the received signal can be filtered out (it is advisable to select an uncoded reference component). If necessary, then again, in accordance with the ChK-2 method, it is possible to reduce the spectrum of the received signal to one multipath component. Since the signal structures are known to both the receiving and transmitting devices, and it is also possible to determine the phase angle in the process of signal analysis (using one of the familiar methods), the system can generate an amplitude-normalized reference signal, which with respect to its phase angle and frequency response - with the exception of the not yet known Doppler component - is identical to the corresponding component of the received signal. After projecting this component of the received signal onto the quadrature sine and cosine components of the reference signal and after filtering (low-pass filtering), the pure Doppler component can be obtained in the form of sinusoidal and cosine oscillations of equal amplitude. The arc tangent function defines the argument Dωnt s . Since ωnt s , is a known quantity, dividing these quantities gives D, and D multiplied by c gives finally ν. (See FIG. 23). For many applications, it may be useful to obtain this useful information without additional measurement costs.
Необходимо отметить, что знание доплеровской составляющей способствует дальнейшему совершенствованию собственно обработки сигнала. Так, например, генерированные в рамках ЧК вспомогательные частоты могут быть точнее согласованы со структурой соответствующей компоненты принимаемого сигнала и, таким образом, нежелательные (при анализе сигнала), доплеровские смещения могут ослабляться более эффективно или более простым путем. С помощью интеграции таких процедур, при необходимости их итеративного применения, кроме улучшения результатов обработки может также достигаться хотя бы промежуточная оптимизация; так, с увеличением устойчивости по доплеровским смещениям могут расширяться области применения, например, способов ЧК-1 и ЧК-2. При этом можно избежать, в особенности при перемножении компонент принимаемого сигнала друг с другом, быстрого роста вычислительных затрат, в некоторых случаях можно отказаться от промежуточной ступени фильтрации и в целом быстрее выполнить обработку. Все упрощения способа полезны для достижения режима обработки в реальном времени. Даже если оценка доплеровских смещений вызывает сначала дополнительные вычислительные затраты, в целом все же может быть достигнута экономия, т.к. тогда центральные процедуры обработки сигнала могут выполняться с использованием меньшего объема программных и/или аппаратных средств.It should be noted that knowledge of the Doppler component contributes to the further improvement of the signal processing itself. So, for example, auxiliary frequencies generated within the framework of the HF can be more precisely coordinated with the structure of the corresponding component of the received signal and, thus, undesirable (in the analysis of the signal), Doppler shifts can be weakened more efficiently or in a simpler way. By integrating such procedures, if necessary iteratively applying them, in addition to improving the processing results, at least intermediate optimization can also be achieved; Thus, with an increase in stability with respect to Doppler displacements, the fields of application, for example, of the ChK-1 and ChK-2 methods, can expand. In this case, it is possible to avoid, especially when multiplying the components of the received signal with each other, the rapid growth of computational costs, in some cases, you can refuse the intermediate stage of filtering and generally process faster. All simplifications of the method are useful for achieving a real-time processing mode. Even if the estimation of Doppler shifts first causes additional computational costs, in general, savings can still be achieved, since then the central signal processing procedures can be performed using less software and / or hardware.
Далее, упомянутые упрощения или улучшения заявляемого способа могут быть достигнуты простым путем также и в случае, когда информация о текущем доплеровском смещении предоставляется в одной из форм, например, со стороны внешней измерительной системы.Further, the aforementioned simplifications or improvements of the proposed method can be achieved in a simple way also in the case when information about the current Doppler shift is provided in one of the forms, for example, from the side of an external measuring system.
На фиг.24 представлен один из возможных вариантов функциональной схемы устройства по обработке сигналов, содержащего фильтрующее устройство, состоящее из двух параллельных управляемых фильтров BPF1 и BPF2, который разделяет принимаемый сигнал на опорную и информационную компоненту.On Fig presents one of the possible functional diagrams of a signal processing device containing a filtering device consisting of two parallel controlled filters BPF1 and BPF2, which separates the received signal into a reference and information component.
Обе части сигнала подаются сначала на устройство преобразования частот [состоящего из Wandler1 (Преобразователь 1) и Wandler2 (Преобразователь 2)], в котором происходит попарное уравнивание доплеровских смещений перед тем, как эти обе части сигнала перемножаются с помощью умножителя 1, для последующего преобразования с помощью вспомогательной (гетеродинной) частоты (поставляемой генератором системы обработки) и умножителя 2 к константным (более не изменяемым во времени) промежуточным частотам.Both parts of the signal are first fed to the frequency conversion device [consisting of Wandler1 (Converter 1) and Wandler2 (Converter 2)], in which the Doppler offsets are paired up before these two parts of the signal are multiplied by
В качестве средства подавления помеховых составляющих служит (при этой форме осуществления способа) сначала фильтр LPF1 и при необходимости также второй фильтр LPF2, которые в каждом случае включены после соответствующих умножителей, для удаления из спектра ненужных для обработки боковых частотных составляющих. Затем производится выделение из спектра подходящей для обработки многолучевой составляющей с помощью включенного в цепь обработки фильтра BPF3; сигнал подается затем на устройство анализа параметров (в этой форме выполнения - в модуль для анализа параметров). Если необходимо, модуль анализа параметров может дополняться генератором опорных сигналов, связанных с BPF3.The filter LPF1 and, if necessary, also the second filter LPF2, which in each case are included after the respective multipliers, to remove from the spectrum unnecessary side frequency components for processing, serves as a means of suppressing interference components (in this form of the method implementation). Then, a multipath component suitable for processing is extracted from the spectrum using the BPF3 filter included in the processing chain; the signal is then fed to the parameter analysis device (in this form of execution, to the module for parameter analysis). If necessary, the parameter analysis module can be supplemented with a reference signal generator associated with BPF3.
На выходе обрабатывающего устройства для каждой информационной компоненты выдаются параметры сигнала, использованные при модуляции передаваемых символов (для кодирования информации).At the output of the processing device, for each information component, signal parameters are used that are used to modulate the transmitted symbols (for encoding information).
Фиг.25 представляет функциональную схему для настройки на канал, применимую в аналогичном контексте. В отличие от фиг.24 в этой форме выполнения компоненты сигнала после фильтра LPF2 подаются в устройство настройки, в котором FFT-модуль (или модуль для анализа частотных спектров) и устройство 3 представляют обрабатывающее устройство. Результат подается на устройство управления, производящее соответствующую оптимальную настройку фильтра BPF3.25 is a functional diagram for tuning to a channel, applicable in a similar context. In contrast to Fig. 24, in this embodiment, the signal components after the LPF2 filter are supplied to a tuning device in which the FFT module (or the module for analyzing frequency spectra) and
Ниже детально описываются дальнейшие возможности применения заявляемого способа и системы.The following describes in detail further possibilities for using the proposed method and system.
При уменьшении расстояния между приемником и передатчиком могут по выбору использоваться дополнительные частотные каналы, лежащие между изначально использованными частотными каналами, а также могут использоваться более высокочастотные каналы или весь спектр частот может сдвигаться целиком в направлении более высоких частот. При этом появляется такой дополнительный полезный эффект, что с уменьшением расстояния связи уменьшается также и влияние помеховых факторов. Для реализации этого приемник и передатчик должны обладать возможностью использования достаточно широкого диапазона частот, а также способностью соответственно перенастраивать кодирующие устройства. Со стороны передатчика опознавание введенных дополнительно частот может производиться либо автоматически, либо переход на новый рабочий режим может производиться с помощью передачи сообщения от передатчика (например, с последним информационным пакетом). Отдельные тоновые каналы должны, однако, лежать так далеко друг от друга, чтобы они могли разделяться приемником при соответствующих условиях связи. С другой стороны, увеличение расстояния связи может вызывать необходимость смещения спектра используемых частот в более низкочастотный диапазон или необходимость увеличения частотных расстояний между каналами (особенно при усилении воздействия помех) посредством пропорционального растягивания спектра сигнала или посредством опускания промежуточных частотных компонент.When the distance between the receiver and the transmitter is reduced, additional frequency channels lying between the originally used frequency channels can optionally be used, higher frequency channels can also be used, or the entire frequency spectrum can be shifted entirely towards higher frequencies. At the same time, such an additional beneficial effect appears that with a decrease in the communication distance, the influence of interference factors also decreases. To implement this, the receiver and transmitter must be able to use a fairly wide range of frequencies, as well as the ability to accordingly reconfigure encoding devices. On the transmitter side, the recognition of additional frequencies entered can be done either automatically, or the transition to a new operating mode can be done by sending a message from the transmitter (for example, with the latest information packet). The individual tone channels must, however, lie so far apart that they can be separated by the receiver under appropriate communication conditions. On the other hand, increasing the communication distance may necessitate shifting the spectrum of the frequencies used to a lower frequency range or the need to increase the frequency distances between the channels (especially when amplifying the effects of interference) by proportionally stretching the spectrum of the signal or by lowering the intermediate frequency components.
Выбор частотных диапазонов, предусмотренный в основном из основных вариантов так, что тоны или частоты каналов имеют консонантные или целочисленные соотношения (обертона) к основному тону, имеющему самую низкую частоту, направлен на достижение энергетически благоприятного соотношения.The choice of frequency ranges, provided mainly from the main options so that the tones or frequencies of the channels have a consonant or integer ratio (overtone) to the fundamental tone having the lowest frequency, is aimed at achieving an energetically favorable ratio.
При применении гармонических последовательностей частот возникает, кроме всего, еще и возможность использования нелинейных эффектов при распространении звуковых колебаний и при этом достижения больших расстояний передачи информации. Звуковые волны являются продольными волнами, в которых участки высокой плотности сменяются участками низкой плотности. Поскольку скорость звука зависит, кроме того, от плотности среды, уплотненные участки распространяются быстрее. Фронты изначально синусоидальных колебаний становятся постепенно несимметричными, т.е. синусоидальное колебание преобразуется в большей степени в пилообразное колебание. Физически это означает передачу энергии обертонам. В воде этот эффект становится чувствительным на расстоянии нескольких километров. Если одновременно с основным тоном посылаются также обертоны (один или более), то последние, по причине гармонических отношений и упомянутых нелинейных эффектов, получают дополнительную энергию от более низкочастотных тонов. Впоследствии они исчезают в шуме не так скоро (остаются дольше над уровнем фонового шума) и поэтому распространяются на большие расстояния. Поскольку расстояние передачи данных системой определяется в первую очередь самой высокой частотой системы, дальность связи в целом возрастает. Целесообразно, основной тон (по возможности, также и другие тоны) излучать с высокой мощностью.When applying harmonic frequency sequences, there is, among other things, the possibility of using nonlinear effects in the propagation of sound vibrations and at the same time achieving large transmission distances. Sound waves are longitudinal waves in which high-density regions are replaced by low-density regions. Since the speed of sound also depends on the density of the medium, the densified areas propagate faster. The fronts of initially sinusoidal oscillations become gradually asymmetric, i.e. sinusoidal oscillation is converted to a greater extent into a sawtooth oscillation. Physically, this means the transfer of energy to overtones. In water, this effect becomes sensitive at a distance of several kilometers. If overtones (one or more) are also sent along with the fundamental tone, then the latter, due to harmonic relations and the aforementioned nonlinear effects, receive additional energy from lower frequency tones. Subsequently, they disappear in the noise not so soon (they stay longer above the background noise level) and therefore spread over long distances. Since the distance of data transmission by the system is determined primarily by the highest frequency of the system, the communication range as a whole increases. It is advisable that the main tone (if possible, also other tones) emit with high power.
Ввиду многовариантности системы, возможно, могут использоваться также и другие свойства передающего канала. Вследствие слоистой неоднородности водной среды часто создаются передающие каналы, которые обладают собственными свойствами по распространению колебаний. В зависимости от соответствующих собственных значений могут возбуждаться несколько различающиеся моды, которые, как правило, имеют относительно низкие частоты, зато распространяются на очень большие расстояния. В системе передачи информации в принципе существует возможность согласования частотных диапазонов на такие моды. Приемное и передающее устройства должны иметь возможность согласования для такого режима передачи и приема.Due to the multivariance of the system, other properties of the transmission channel may also be used. Due to the layered heterogeneity of the aquatic environment, transmission channels are often created that have their own properties for the propagation of vibrations. Depending on the corresponding eigenvalues, slightly different modes can be excited, which, as a rule, have relatively low frequencies, but propagate over very large distances. In the information transfer system, in principle, there is the possibility of matching frequency ranges to such modes. The receiving and transmitting devices must be able to negotiate for such a mode of transmission and reception.
В случае, если относительная скорость приемника по отношению к передатчику является такой малой, что доплеровскими смещениями можно пренебречь, для всей системы могут производиться соответствующие однородные изменения частоты в качестве альтернативы к вышеописанному пропорциональному методу ЧГ. В этом случае может задаваться (в зависимости от определенных условий связи) так называемая кривая частотных смещений и суммироваться со всеми частотными каналами (см. фиг.4). Этот способ назван способом паЧГ. Особенность этого способа состоит в том, что вследствие параллельного смещения частотных каналов образуется постоянный частотный градиент, т.е. скорость смещения частоты, причем в оптимальном случае может быть достигнуто оптимальное разрешение частот многолучевых (помеховых) компонент для соответствующих каналов по всему частотному спектру. Модифицированный таким образом способ имеет, кроме всего, то преимущество, что спектр частот, занятых компонентами сигнала, не расширяется с возрастанием опорной частоты. На основании большей компактности расположения компонент в спектре верхним тонам едва ли угрожает опасность оказаться в частотном диапазоне со слишком малым радиусом распространения колебаний, следствием чего могли быть потери информации. Верхние частотные диапазоны (более благоприятные в смысле скорости передачи данных) могут быть более эффективно использованы. Параллельный способ ЧГ может быть проще реализован, т.к. излучатели и приемные сенсоры могут часто работать лишь в очень ограниченной полосе частот, а применение соответствующих каскадов является не всегда возможным.If the relative speed of the receiver with respect to the transmitter is so small that Doppler shifts can be neglected, corresponding uniform frequency changes can be made for the entire system as an alternative to the above-described proportional FG method. In this case, the so-called frequency offset curve can be set (depending on certain communication conditions) and summed with all frequency channels (see Fig. 4). This method is called the paGG method. A feature of this method is that due to the parallel displacement of the frequency channels, a constant frequency gradient is formed, i.e. the frequency displacement rate, and in the best case, the optimal resolution of the frequencies of the multipath (interfering) components for the corresponding channels along the entire frequency spectrum can be achieved. The method thus modified has, among other things, the advantage that the spectrum of frequencies occupied by the signal components does not expand with increasing reference frequency. Due to the more compact arrangement of the components in the spectrum, the upper tones are hardly at risk of being in the frequency range with too small a radius of propagation of oscillations, which could result in loss of information. The upper frequency ranges (more favorable in terms of data rate) can be more effectively used. The parallel method of PG can be easier to implement, because emitters and receiving sensors can often work only in a very limited frequency band, and the use of appropriate cascades is not always possible.
Само собой разумеется, что также при параллельном способе ЧГ приемному устройству должно сообщаться, как отдельные частотные каналы должны быть согласованы в отношении к основному тону. В принципе, переключение между параллельным и пропорциональным способом ЧГ не должно быть проблематичным, поскольку в отношении определения характеристик частот по отношению к опорному каналу нужно всего лишь перейти от функции умножения к функции сложения.It goes without saying that also with the parallel FS method, the receiver should be informed how the individual frequency channels must be matched in relation to the pitch. In principle, switching between a parallel and proportional FH method should not be problematic, since with respect to determining the frequency characteristics with respect to the reference channel, it is only necessary to switch from the multiplication function to the addition function.
Если фазовые скачки создают проблемы в точках сопряжения тактов, может оказаться полезным осуществление потактной амплитудной модуляции. Один из дальнейших способов минимизации влияний помех состоит в применении такого способа кодирования, при котором исключается существование тонов в двух соседних тактах одного и того же информационного канала. Такой же эффект может быть достигнут посредством мультиплексирования при попеременном применении четных и нечетных информационных каналов. Кроме других параметров, может определяться также и характеристика скорости (основанная на значениях частоты) посредством специального зондирования или в процессе двухсторонней связи. Она может (и даже должна) учитываться при генерировании сигналов.If phase jumps create problems at the junction points of the clocks, it may be useful to implement beat-based amplitude modulation. One of the further ways to minimize the effects of interference is to use a coding method that eliminates the existence of tones in two adjacent clock cycles of the same information channel. The same effect can be achieved by multiplexing with alternate use of even and odd information channels. In addition to other parameters, a speed characteristic (based on frequency values) can also be determined by means of special sensing or in the process of two-way communication. It can (and even should) be taken into account when generating signals.
При необходимости, если позволяют текущие условия связи, в дальнейшем предполагается применение опорного частотного канала дополнительно, в качестве информационного частотного канала.If necessary, if current communication conditions allow, it is further intended to use the reference frequency channel additionally as an information frequency channel.
Claims (37)
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19838060.7 | 1998-08-21 | ||
DE19838060 | 1998-08-21 | ||
DE19904747.2 | 1999-02-05 | ||
DE19904747A DE19904747A1 (en) | 1998-08-21 | 1999-02-05 | Information transmission method e.g. underwater using digital states of reference frequency channel and information frequency channels to provide bit pattern |
DE19927040.6 | 1999-06-07 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001107610A RU2001107610A (en) | 2003-03-27 |
RU2232473C2 true RU2232473C2 (en) | 2004-07-10 |
Family
ID=33420133
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001107610/09A RU2232473C2 (en) | 1998-08-21 | 1999-08-23 | Data transfer method and system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2232473C2 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2510582C2 (en) * | 2008-08-29 | 2014-03-27 | Телефонактиеболагет Л М Эрикссон (Пабл) | Method and apparatus for low-complexity interference cancellation in communication signal processing |
RU2523934C2 (en) * | 2010-03-26 | 2014-07-27 | Филд Систем, Инк. | Transmitter |
RU2531257C2 (en) * | 2004-12-22 | 2014-10-20 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Methods and devices for flexible channel switching in multiple access communication network |
RU2534929C2 (en) * | 2013-02-12 | 2014-12-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная компания "Мера" (ЗАО НПК "МЕРА") | Method for discrete setting of phase shift between two monochromatic harmonic initially synchronous signals, and device for its implementation |
US9326685B2 (en) | 2012-09-14 | 2016-05-03 | Conopco, Inc. | Device for evaluating condition of skin or hair |
RU2637422C1 (en) * | 2016-07-07 | 2017-12-04 | Акционерное общество "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева" | Method of receiving signals in digital communication system with compensation of noise defined by multiple-beam interference |
RU2649059C1 (en) * | 2017-03-02 | 2018-03-29 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") | Doppler method of estimation of technical parameters of underwater object at hydro-acoustic range |
RU2650722C1 (en) * | 2017-03-02 | 2018-04-17 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") | Hydroacoustic doppler method of estimation of technical parameters of individual parts of the underwater object on the range |
-
1999
- 1999-08-23 RU RU2001107610/09A patent/RU2232473C2/en active
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2531257C2 (en) * | 2004-12-22 | 2014-10-20 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Methods and devices for flexible channel switching in multiple access communication network |
RU2510582C2 (en) * | 2008-08-29 | 2014-03-27 | Телефонактиеболагет Л М Эрикссон (Пабл) | Method and apparatus for low-complexity interference cancellation in communication signal processing |
RU2523934C2 (en) * | 2010-03-26 | 2014-07-27 | Филд Систем, Инк. | Transmitter |
US9326685B2 (en) | 2012-09-14 | 2016-05-03 | Conopco, Inc. | Device for evaluating condition of skin or hair |
RU2534929C2 (en) * | 2013-02-12 | 2014-12-10 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная компания "Мера" (ЗАО НПК "МЕРА") | Method for discrete setting of phase shift between two monochromatic harmonic initially synchronous signals, and device for its implementation |
RU2637422C1 (en) * | 2016-07-07 | 2017-12-04 | Акционерное общество "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева" | Method of receiving signals in digital communication system with compensation of noise defined by multiple-beam interference |
RU2649059C1 (en) * | 2017-03-02 | 2018-03-29 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") | Doppler method of estimation of technical parameters of underwater object at hydro-acoustic range |
RU2650722C1 (en) * | 2017-03-02 | 2018-04-17 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") | Hydroacoustic doppler method of estimation of technical parameters of individual parts of the underwater object on the range |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6628724B2 (en) | Process and system for information transfer | |
RU2282944C2 (en) | Methods and devices for transmission and receipt of information | |
US7215599B2 (en) | Ultrasonic transmitter, ultrasonic transceiver and sonar apparatus | |
GB2383730A (en) | Digital data is transported using sequentially transmitted acoustic pulses, each pulse having a different carrier frequency to the other pulses | |
RU2232473C2 (en) | Data transfer method and system | |
GB2270226A (en) | ILS Receiver | |
ATE78641T1 (en) | ECHO COMPENSATION. | |
CN104169740A (en) | Apparatus for detecting audible signals and associated method | |
Nowsheen et al. | Design of a high frequency FPGA acoustic modem for underwater communication | |
KR20190126797A (en) | Detection of Concrete Structures by Electromagnetic Waves | |
Murphy et al. | Direct digital synthesis (DDS) controls waveforms in test, measurement, and communications | |
JP4386282B2 (en) | Underwater communication system | |
JPH1090396A (en) | Method and apparatus for measurement of distance | |
UA73724C2 (en) | Method for transmitting information and a system for the realization of the method | |
EP3245537B1 (en) | Fill level measurement device | |
KR100669566B1 (en) | Method for transmitting information and suitable system therefor | |
Mohammadgholiha et al. | Enabling spatial multiplexing in guided waves-based communication: the case of quadrature amplitude modulation realized via discrete frequency steerable acoustic transducers | |
JP4249332B2 (en) | Frequency measuring method and Doppler sonar | |
US4386321A (en) | Device for economizing data bandwidth | |
RU2415392C1 (en) | Device for remote pressure measurement | |
JP7454834B2 (en) | Underwater communication system | |
Nehorai et al. | An adaptive SSB carrier frequency estimator | |
JP4259228B2 (en) | Communication system transponder | |
Kochańska et al. | Transmission of digital signals in a nonstationary hydroacoustic channel | |
GB2213026A (en) | Control arrangement for a phase shift keying system |