RU2597685C1

RU2597685C1 - Hydroacoustic system for underwater communication

Info

Publication number: RU2597685C1
Application number: RU2015130243/28A
Authority: RU
Inventors: Рудольф Александрович Балакин; Глеб Иванович Вилков; Валерий Михайлович Тимец
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2016-09-20

Abstract

FIELD: hydro acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to hydroacoustics and can be used in systems for underwater digital communication in conditions of high level of interference from propagation multipath of acoustic signal; essence: the protection from interferences of multibeam and reverberation is achieved by using synchronously tunable frequencies grid synthesizers in the transmitter and the receiver for transmission and reception of each separate bit code sequence in a combination with control clock generators, carrying out byte and bit data synchronization.

EFFECT: high noise immunity to in-symbolic and inter-symbolic interference of acoustic beams at high speed of data transfer and increased remotability of the communication channel.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для передачи цифровой информации между двумя подводными объектами. Система предназначается для мелководных морей, характеризующихся специфическими помехами от многолучевого распространения звуковых лучей и реверберации. Помехи многолучевого распространения сигнала проявляются в интерференции звуковых лучей в точке приема. При малой разности временных задержек между отдельными лучами помехи проявляются в форме внутрисимвольной интерференции информационных посылок, которая вызывает случайные флуктуации фазы и амплитуды несущей частоты, а при неблагоприятных сочетаниях может вызывать снижение амплитуды сигнала ниже порога чувствительности (фединг). При большой разности временных задержек отдельных акустических лучей наблюдается повтор информационного сигнала и прием ложных символов.The invention relates to sonar and can be used to transmit digital information between two underwater objects. The system is intended for shallow seas, characterized by specific interference from multipath propagation of sound rays and reverberation. The multipath signal propagation interference is manifested in the interference of sound beams at the receiving point. With a small difference in time delays between individual beams, interference appears in the form of intrasymbol interference of information packets, which causes random fluctuations in the phase and amplitude of the carrier frequency, and in adverse combinations it can cause a decrease in the signal amplitude below the sensitivity threshold (fading). With a large difference in the time delays of individual acoustic rays, an information signal repeats and receives false symbols.

Известно устройство для телеизмерения гидрологических параметров (а.с. 942113), с гидроакустическим каналом связи, обеспечивающее защиту от многолучевости и реверберации. Устройство содержит измерительные датчики, кодирующий блок, гидроакустический передатчик и приемник. Защита от помех многолучевости обеспечивается применением кодирующего блока с времяимпульсным кодированием информации. Недостатком устройства является низкая скорость передачи данных - 50 бит/с, не удовлетворяющая современным требованиям. Современный уровень требований в данной области техники соответствует скорости передачи данных не менее 2400 бит/с при дистанционности линии связи не менее 3000 м.A device is known for telemetry of hydrological parameters (AS 942113), with a hydroacoustic communication channel, which provides protection from multipath and reverberation. The device contains measuring sensors, an encoding unit, a sonar transmitter and a receiver. Protection against multipath interference is provided by the use of an encoding unit with time-pulse coding of information. The disadvantage of this device is the low data transfer rate of 50 bit / s, which does not meet modern requirements. The current level of requirements in this technical field corresponds to a data transfer rate of at least 2400 bps with a communication distance of at least 3000 m.

Известен также способ и устройство подводной акустической связи, обладающий помехозащищенностью от многолучевости и более высокой скоростью передачи данных (патент W 099/29058). Согласно патенту применен способ связи, при котором передатчик передает цифровую информацию параллельным двоичным кодом через излучающий гидрофон. Импульсный сигнал, несущий сразу 62 бита информации, излучается в одном такте одновременно на 31 несущих частотах. Каждая частота подвергается ортогональной частотной манипуляции (OFDM), которая формирует акустическую посылку в виде четырехпозиционного фазового сдвига относительно отдельно излучаемой опорной частоты (пилот-сигнала). Использование OFDM - манипуляции позволяет на каждой из 31 несущих частот передавать 2 бита информации за один такт. Таким путем одна суммарная импульсная посылка за один такт передает 62 бита информации. Защита от помех многолучевости достигается тем, что каждый очередной многочастотный импульс передается после защитного интервала времени затухания последнего из запаздывающих лучей и сигнала реверберации. Наличие защитного интервала времени снижает скорость передачи данных, что в данном устройстве компенсируется применением параллельного двоичного кода с передачей 62 бит данных за один такт. В итоге достигается скорость передачи данных 3200 бит/с при длительности защитного интервала 20 мс, соответствующего характерному времени затухания многолучевости.There is also a known method and device for underwater acoustic communication having noise immunity from multipath and a higher data transfer rate (patent W 099/29058). According to the patent, a communication method is applied in which the transmitter transmits digital information in parallel binary code through a radiating hydrophone. A pulsed signal, carrying immediately 62 bits of information, is emitted in a single cycle simultaneously at 31 carrier frequencies. Each frequency undergoes orthogonal frequency shift keying (OFDM), which forms an acoustic package in the form of a four-position phase shift relative to the separately emitted reference frequency (pilot signal). Using OFDM manipulation allows transmitting 2 bits of information per clock cycle on each of the 31 carrier frequencies. In this way, one total pulse transmission per cycle transmits 62 bits of information. Protection against multipath interference is achieved by the fact that each successive multi-frequency pulse is transmitted after a protective interval of the decay time of the last of the delayed rays and the reverb signal. The presence of a protective time interval reduces the data transfer rate, which in this device is compensated by the use of parallel binary code with the transmission of 62 bits of data per cycle. The result is a data transfer rate of 3200 bps with a guard interval of 20 ms corresponding to the characteristic multipath decay time.

Недостатком данного способа акустической связи и устройства на его основе является отсутствие защиты от интерференции акустических лучей с малыми временными задержками внутри длительности одного такта излучения. Внутрисимвольная интерференция таких лучей приводит к возможному замиранию сигнала ниже порога чувствительности приемного устройства. Кроме того, данное устройство имеет ограниченную дальность связи по причине снижения мощности каждой из 31 одновременно излучаемых частот по отношению к суммарной мощности излучения. Возможность повышения суммарной мощности сигнала ограничена так называемым "пик-фактором", соответствующим совпадению фазы всех частотных составляющих.The disadvantage of this method of acoustic communication and a device based on it is the lack of protection from interference of acoustic rays with small time delays within the duration of one radiation cycle. Intersymbol interference of such rays leads to a possible fading of the signal below the sensitivity threshold of the receiving device. In addition, this device has a limited communication range due to a decrease in the power of each of the 31 simultaneously radiated frequencies with respect to the total radiation power. The possibility of increasing the total signal power is limited by the so-called "peak factor" corresponding to the phase coincidence of all frequency components.

Более высокие технические характеристики обеспечивает способ и устройство гидроакустической связи согласно патенту US 6628724 B2. Способ передачи информации заключается в том, что информационный сигнал передается на несущей частоте, изменяющейся пилообразно по линейному закону в определенном временном интервале с циклическим повторением. По линии связи передается двоичный последовательный код путем фазовой манипуляции линейно изменяющейся несущей частоты (PSK). Для выделения фазы при детектировании сигнала передается вторая опорная частота. На стороне приемника первая несущая частота, изменяющаяся по линейному закону, преобразуется в постоянную промежуточную частоту с помощью частотного преобразователя, состоящего из смесителя и гетеродина. Для такого преобразования частота гетеродина также перестраивается по линейному закону со сдвигом на величину, равную фиксированной промежуточной частоте. Помимо частотной синхронизации гетеродина в данном способе и устройстве предусматривается байтовая синхронизация кодовой последовательности с помощью тактовых генераторов на передающей и приемной сторонах, синхронизированных по частоте и по фазе с помощью специальных импульсных посылок, передаваемых на частоте опорного канала. На приемной стороне демодуляция информационного сигнала выполняется фазовым детектором с системой автоматической подстройки частоты к частоте опорного канала. Эта же система автоматически обеспечивает компенсацию доплеровского сдвига при движении приемника относительно передатчика.Higher technical characteristics provides a method and apparatus for sonar communication according to patent US 6628724 B2. The method of transmitting information consists in the fact that the information signal is transmitted at a carrier frequency that varies sawtoothly according to a linear law in a certain time interval with cyclic repetition. A binary serial code is transmitted over the communication line by phase manipulation of a ramp carrier frequency (PSK). To isolate the phase during signal detection, a second reference frequency is transmitted. On the receiver side, the first carrier frequency, which varies linearly, is converted to a constant intermediate frequency using a frequency converter consisting of a mixer and a local oscillator. For such a conversion, the local oscillator frequency is also linearly tuned with a shift by an amount equal to a fixed intermediate frequency. In addition to the frequency synchronization of the local oscillator, this method and device provides for byte synchronization of the code sequence using clocks on the transmitting and receiving sides, synchronized in frequency and phase with the help of special pulse transmissions transmitted at the frequency of the reference channel. On the receiving side, the demodulation of the information signal is performed by a phase detector with a system for automatically adjusting the frequency to the frequency of the reference channel. The same system automatically provides compensation for Doppler shift when the receiver moves relative to the transmitter.

В данном способе эффект защиты от помех многолучевости с относительно большим временем задержки запаздывающих лучей достигается тем, что к моменту прихода запаздывающего луча приемник успевает перестроиться на другую частоту, и поэтому луч оказывается за пределами частотной полосы пропускания.In this method, the effect of protection against multipath interference with a relatively large delay time of delayed beams is achieved by the fact that by the time the delayed beam arrives, the receiver manages to tune to a different frequency, and therefore the beam is outside the frequency bandwidth.

Недостатком метода и устройства является недостаточная помехоустойчивость к многолучевости с относительно малыми задержками лучей по отношению к длительности информационной посылки. Такие лучи вызывают внутрисимвольную интерференцию, искажают фазу и амплитуду сигнала и приводят к искажениям информации. Указанный недостаток приводит к невозможности использования способа и устройства в мелководных водоемах с вертикальными отражающими стенками и бетонированным дном типа плавательных бассейнов.The disadvantage of this method and device is the lack of noise immunity to multipath with relatively low beam delays with respect to the duration of the information transmission. Such rays cause intrasymbol interference, distort the phase and amplitude of the signal and lead to distortion of information. The specified disadvantage leads to the impossibility of using the method and device in shallow water bodies with vertical reflecting walls and a concrete bottom such as swimming pools.

Наиболее близким техническим решением к заявленному по совокупности существенных признаков является подводная коммуникационная система согласно патенту US 5124955. Система цифровой связи содержит передатчик и приемник, снабженные передающим и приемным гидрофонами. Передатчик включает в себя источник информации и блок формирования излучаемого сигнала, построенного в виде банка множества частот. В передатчик входит также коммутатор, который выбирает из банка группу из нескольких частот, используемых в данный момент для формирования одной информационной посылки. Отобранная группа частот делится на две равные подгруппы, каждая из которых используется для передачи нуля или единицы двоичной кодовой последовательности. Коммутатор управляется импульсами тактового генератора, который синхронизирует формирование излучаемой кодовой посылки, состоящей из стартового бита, семи информационных бит, одного бита паритета и двух стоповых бит. Оконечным каскадом передатчика является усилитель мощности для возбуждения излучающего гидрофона.The closest technical solution to the claimed combination of essential features is an underwater communication system according to the patent US 5124955. The digital communication system includes a transmitter and a receiver equipped with transmitting and receiving hydrophones. The transmitter includes an information source and a unit for generating a radiated signal, constructed in the form of a bank of multiple frequencies. The transmitter also includes a switch that selects from the bank a group of several frequencies that are currently being used to form one information package. The selected group of frequencies is divided into two equal subgroups, each of which is used to transmit zero or one binary code sequence. The switch is controlled by pulses of a clock generator, which synchronizes the formation of the emitted code packet, consisting of a start bit, seven information bits, one parity bit and two stop bits. The terminal stage of the transmitter is a power amplifier to excite a radiating hydrophone.

Приемник включает в себя приемный гидрофон и набор узкополосных фильтров, частоты которых соответствуют частотам банка передатчика. Коммутатор фильтров приемника отбирает из их общего числа только определенную часть, соответствующую выбранной группе частот передатчика, используемых для передачи очередного бита информации. Коммутатором фильтров приемника управляет тактовый генератор, синхронизированный с тактовым генератором передатчика по частоте и по фазе. На выходе частотных фильтров приемника установлены амплитудные детекторы, после которых выходные сигналы суммируются в двух отдельных сумматорах, соответствующих нулям и единицам кода. Результаты суммирования от двух сумматоров подаются на входы решающего устройства, которое решает, какой из двух сравниваемых сигналов преобладает и соответственно принимается решение о приеме символа ноль или единица. Передача данных осуществляется байтами, в каждом из которых на приемной стороне также поочередно используются все фильтры банка. Длительность одного байта информации выбирают так, чтобы запаздывающие лучи успевали затухнуть до момента прихода лучей последующего байта на совпадающих частотах. Один байт от другого разделяются защитными временными интервалами, перекрывающими по длительности многолучевость и реверберацию, чем и обеспечивается защита от помех.The receiver includes a receiving hydrophone and a set of narrow-band filters, the frequencies of which correspond to the frequencies of the transmitter bank. The receiver filter switch selects from their total number only a certain part corresponding to the selected group of transmitter frequencies used to transmit the next bit of information. The receiver filter switch is controlled by a clock, synchronized with the transmitter clock in frequency and phase. At the output of the receiver’s frequency filters, amplitude detectors are installed, after which the output signals are summed in two separate adders corresponding to zeros and code units. The results of the summation from two adders are fed to the inputs of the deciding device, which decides which of the two compared signals prevails and, accordingly, a decision is made to accept the symbol zero or one. Data transmission is carried out bytes, in each of which on the receiving side all the bank filters are also used alternately. The duration of one byte of information is chosen so that the delayed rays have time to decay before the arrival of the rays of the next byte at the same frequencies. One byte from another is separated by protective time intervals that overlap the duration of multipath and reverberation, which provides protection against interference.

Преимущество прототипа перед приведенными аналогами заключается в более высокой помехоустойчивости от многолучевости как с малыми, так и с большими временными задержками между отдельными лучами. От помех многолучевости с малыми временными задержками, вызывающих внутрисимвольную интерференцию, защита от замираний достигается пятикратным дублированием частот в одном символе, соответственно количеству частот в подгруппе. Вероятность одновременного замирания сигнала на всех пяти частотах исчезающе мала, поэтому надежность приема после суммирования амплитуды пяти сигналов резко повышается.The advantage of the prototype over the above analogues is a higher noise immunity from multipath, both with small and with large time delays between individual beams. From multipath interference with small time delays causing intrasymbol interference, protection against fading is achieved by fivefold duplication of frequencies in one symbol, corresponding to the number of frequencies in a subgroup. The probability of simultaneous fading of the signal at all five frequencies is vanishingly small, therefore the reliability of reception after summing the amplitude of the five signals increases sharply.

Защита от помех многолучевости с большими временными задержками лучей обеспечивается сменой всех частот от бита к биту. К моменту прихода лучей с большой задержкой фильтры приемника оказываются переключенными на последующую группу частот, поэтому сигналы от предшествующего бита оказываются вне полосы приема.Protection against multipath interference with large time delays of the rays is provided by changing all frequencies from bit to bit. By the time of arrival of rays with a large delay, the receiver filters are switched to the next group of frequencies, so the signals from the previous bit are outside the reception band.

В практической реализации системы подводной связи согласно прототипу банк передатчика содержит 100 фиксированных частот, из которых коммутатор отбирает в определенном порядке по 10 частот, используемых для передачи очередного бита данных. Шаг сетки частот в банке составляет 120 Гц при центральной несущей частоте 80 кГц и общей ширине полосы 12 кГц. Согласно ширине полосы приемных фильтров ΔF=120 Гц длительность одного бита информации составляет 1/ΔF и равняется 8,3 мс. При указанных параметрах системы получается относительно низкая скорость передачи данных около 120 бит/с, что не удовлетворяет современным требованиям.In the practical implementation of the underwater communication system according to the prototype, the transmitter bank contains 100 fixed frequencies, of which the switch selects in a certain order 10 frequencies used to transmit the next data bit. The frequency grid spacing in the bank is 120 Hz with a central carrier frequency of 80 kHz and a total bandwidth of 12 kHz. According to the bandwidth of the receiving filters ΔF = 120 Hz, the duration of one bit of information is 1 / ΔF and is 8.3 ms. With the specified system parameters, a relatively low data transfer rate of about 120 bit / s is obtained, which does not meet modern requirements.

Система связи согласно прототипу имеет два существенных недостатка. Первый недостаток, как уже отмечалось, заключается в низкой скорости передачи данных, обусловленной узкой полосой пропускания частотных фильтров и соответственно большой длительностью одного бита передаваемой информации. Второй недостаток заключается в малой дистанционности канала связи, что обусловлено снижением мощности каждой частотной составляющей сигнала при одновременном излучении пяти частот и ограниченной суммарной мощности.The communication system according to the prototype has two significant drawbacks. The first drawback, as already noted, is the low data rate due to the narrow passband of the frequency filters and, accordingly, the long duration of one bit of transmitted information. The second disadvantage is the small distance of the communication channel, which is due to a decrease in the power of each frequency component of the signal with the simultaneous emission of five frequencies and a limited total power.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости подводного канала связи к многолучевым помехам двух видов как с малыми, так и с большими временными задержками отдельных акустических лучей при достаточно высокой скорости передачи данных и повышенной дистанционности линии связи. Заявленный технический результат достигается в системе со следующей совокупностью признаков.The technical task of the invention is to increase the noise immunity of the underwater communication channel to multipath interference of two types with both small and large time delays of individual acoustic beams at a sufficiently high data rate and increased distance of the communication line. The claimed technical result is achieved in the system with the following set of features.

1. Гидроакустическая система подводной связи для передачи цифровой информации асинхронным двоичным кодом, состоящая из широкополосных передатчика и приемника, в которой передатчик содержит источник цифровой кодовой информации, подключенный к задающему генератору и первому генератору тактовых импульсов, управляющему задающим, выход задающего генератора подключен к усилителю мощности, нагруженному излучающим гидрофоном, а приемник содержит последовательно включенные приемную антенну, входной широкополосный фильтр, усилитель принимаемых частот, преобразователь принимаемых частот в промежуточную частоту, усилитель промежуточной частоты и частотный детектор, а также второй генератор тактовых импульсов, управляющий преобразователем принимаемых частот и входным широкополосным фильтром, отличающаяся тем, что в передатчике задающий генератор выполнен в виде первого микропроцессорного синтезатора сетки поочередно генерируемых частот, число которых равняется удвоенному числу информационных битов двоичной кодовой комбинации, каждая частота используется однократно для передачи очередного бита кодовой комбинации, а значения сетки частот сдвинуты между собой на один фиксированный шаг для передачи очередного нулевого или единичного бита кодовой информации, при этом для передачи стартовых посылок асинхронного двоичного кода первый синтезатор генерирует дополнительную частоту вне диапазона частот информационных битов.1. A hydro-acoustic underwater communication system for transmitting digital information asynchronously with binary code, consisting of a broadband transmitter and receiver, in which the transmitter contains a digital code information source connected to a master oscillator and a first clock generator that controls the master, the output of the master oscillator is connected to a power amplifier loaded with a radiating hydrophone, and the receiver contains a receiving antenna in series, an input broadband filter, a receiving amplifier frequencies, the converter of the received frequencies into the intermediate frequency, the intermediate frequency amplifier and the frequency detector, as well as the second clock generator controlling the received frequency converter and the input broadband filter, characterized in that the transmitter in the transmitter is made in the form of the first microprocessor synthesizer of the grid alternately generated frequencies, the number of which is equal to twice the number of information bits of the binary code combination, each frequency is used once for transmitting the next bit of the code combination, and the values of the frequency grid are shifted by one fixed step for transmitting the next zero or single bit of code information, while for the transmission of the starting packets of the asynchronous binary code, the first synthesizer generates an additional frequency outside the frequency range of the information bits.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в приемнике преобразователь принимаемых частот выполнен в виде второго микропроцессорного синтезатора сетки поочередно генерируемых частот, число которых равняется числу битов двоичной кодовой комбинации, каждая частота используется однократно для приема очередного бита информации, а значения частот сдвинуты относительно частот первого синтезатора в передатчике на один фиксированный шаг между нулевыми и единичными битами, при этом битовая синхронизация второго синтезатора частот осуществляется стартовыми импульсами второго генератора тактовых импульсов, а байтовая синхронизация осуществляется стартовыми импульсами асинхронного двоичного кода на дополнительной частоте.2. The system according to claim 1, characterized in that the receiver of the received frequency converter is made in the form of a second microprocessor synthesizer of a grid of alternately generated frequencies, the number of which is equal to the number of bits of the binary code combination, each frequency is used once to receive the next bit of information, and the frequency values shifted relative to the frequencies of the first synthesizer in the transmitter by one fixed step between zero and unit bits, while the bit synchronization of the second frequency synthesizer provides starting pulses of the second clock generator, and byte synchronization is carried out by the starting pulses of the asynchronous binary code at an additional frequency.

3. Система по п. 1 отличающаяся тем, что входной широкополосный фильтр приемника построен в виде дискретно-перестраиваемого резонансного LC-контура со схемой управления, состоящей из набора конденсаторов, подключаемых к резонансному контуру транзисторными ключами, которые управляются параллельным двоичным кодом, поступающим на их затворы с выходов второго тактового генератора.3. The system according to claim 1, characterized in that the input broadband filter of the receiver is constructed in the form of a discretely tunable resonant LC circuit with a control circuit consisting of a set of capacitors connected to the resonant circuit by transistor switches controlled by a parallel binary code supplied to them gates from the outputs of the second clock generator.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в приемнике частотный детектор построен по двухчастотной дифференциальной схеме и состоит из двухчастотных цифровых фильтров с квадратичными детекторами на выходах, подключенных к входам порогового элемента сравнения амплитуд сигналов, выполненного в виде компаратора с регулируемым уровнем срабатывания, а также из третьего цифрового частотного фильтра с квадратичным детектором, подключенным к управляющему входу второго генератора тактовых импульсов.4. The system according to claim 1, characterized in that in the receiver the frequency detector is constructed according to a two-frequency differential circuit and consists of two-frequency digital filters with quadratic detectors at the outputs connected to the inputs of a threshold element for comparing signal amplitudes, made in the form of a comparator with an adjustable response level , as well as from the third digital frequency filter with a quadratic detector connected to the control input of the second clock generator.

Предлагаемая гидроакустическая система связи сохраняет положительные качества аналогов и прототипа в части помехоустойчивости к интерференции акустических лучей с большими временными задержками, которые вызывают межсимвольную интерференцию. Это достигается за счет использования отдельных фиксированных частот для передачи каждого последующего бита кодовой комбинации, но различающихся частотным сдвигом при передаче нулей или единиц двоичного кода. Поэтому число частот синтезатора равняется удвоенному числу бит кодовой комбинации. Данное свойство системы позволяет на приемной стороне отстроиться по частоте от запаздывающих акустических лучей путем упреждающего переключения приемника на последующую частоту.The proposed hydroacoustic communication system retains the positive qualities of analogues and prototype in terms of noise immunity to interference of acoustic rays with large time delays that cause intersymbol interference. This is achieved through the use of separate fixed frequencies for transmitting each subsequent bit of the code combination, but differing in frequency shift when transmitting zeros or units of a binary code. Therefore, the number of frequencies of the synthesizer is equal to twice the number of bits of the code combination. This property of the system allows the receiver to tune in frequency from the delayed acoustic rays by proactively switching the receiver to the subsequent frequency.

В отличие от прототипа достигается также новое качество устойчивости к внутрисимвольной интерференции лучей с малыми временными задержками, которые получаются при переотражениях лучей от близко расположенных объектов к приемной антенне. Как отмечалось, внутрисимвольная интерференция в пределах одного бита данных характеризуется замираниями амплитуды (федингом) вплоть до снижения ниже порога чувствительности. Устойчивость к замираниям амплитуды в рассматриваемой системе связи достигается за счет многократного укорочения длительности битов кодовой последовательности по сравнению с прототипом. Укорочение посылок кодовой последовательности оказалось возможным благодаря расширению полосы частот каждой несущей во столько раз, во сколько снизилось число частот синтезатора по отношению к числу частот банка данных в прототипе. Длительность битовых посылок уменьшилась примерно в 10 раз и поэтому запаздывающие лучи с малыми временными задержками оказались за пределами временного интервала интерференции. Сокращение длительности битовых посыпок повысило также скорость передачи данных по отношению к прототипу и аналогам пропорционально уменьшению длительности посылки.In contrast to the prototype, a new quality of resistance to intrasymbolic interference of rays with small time delays, which are obtained when the rays are re-reflected from closely located objects to the receiving antenna, is also achieved. As noted, intrasymbol interference within one bit of data is characterized by fading in amplitude (fading) up to a decrease below the sensitivity threshold. The resistance to fading of the amplitude in the considered communication system is achieved by repeatedly shortening the duration of the bits of the code sequence in comparison with the prototype. The shortening of the code sequence packets was possible due to the expansion of the frequency band of each carrier by as many times as the number of synthesizer frequencies decreased in relation to the number of frequencies of the data bank in the prototype. The duration of the bit bursts decreased by about 10 times and therefore the delayed beams with small time delays were outside the time interval of the interference. Reducing the duration of bit toppings also increased the data transfer rate in relation to the prototype and analogues in proportion to the reduction in the duration of the sending.

Дистанционность линии подводной связи возросла за счет повышения мощности сигнала на единственной несущей частоте в момент излучения при сохранении пиковой мощности передатчика.The distance of the underwater communication line increased due to an increase in the signal power at a single carrier frequency at the time of radiation while maintaining the peak transmitter power.

Построение входного широкополосного фильтра приемника в виде дискретно-перестраиваемого резонансного LC-контура позволило многократно повысить отношение полезного сигнала к помехам. В каждый момент приема очередного бита данных контур оказывается настроенным в узком диапазоне на среднюю частоту именно этого бита (между нулем и единицей). При такой подстройке ширина полосы контура оказывается меньше полной полосы фильтра в кратности, равной числу бит в одном байте данных, т.е. в восемь раз. В такой же пропорции увеличивается по мощности отношение полезного сигнала к шумовым помехам. В итоге значительно возросла дальность канала связи или помехоустойчивость при фиксированной дальности.The construction of the input broadband filter of the receiver in the form of a discretely tunable resonant LC circuit made it possible to significantly increase the ratio of the useful signal to interference. At each moment of receiving the next bit of data, the circuit turns out to be tuned in a narrow range to the average frequency of this bit (between zero and one). With this adjustment, the contour bandwidth turns out to be less than the total filter bandwidth in multiplicity equal to the number of bits in one data byte, i.e. eight times. In the same proportion, the ratio of the useful signal to noise interference increases in power. As a result, the communication channel range or noise immunity at a fixed range has significantly increased.

На фигуре 1 приведена функциональная блок-схема передатчика. На схеме показаны источник информации 1 и подключенные к нему формирователь акустических сигналов 2 и первый тактовый генератор управляющих синхроимпульсов 3. Выход первого тактового генератора подключен к управляющему входу формирователя акустических сигналов 2, выполненного в виде первого синтезатора поочередно генерируемых частот. Выход синтезатора частот подключен к входу усилителя мощности 4, нагруженного на излучающий гидрофон 5 с круговой диаграммой направленности.The figure 1 shows the functional block diagram of the transmitter. The diagram shows the source of information 1 and the acoustic signal generator 2 and the first clock generator of the control clock 3 connected to it. The output of the first clock generator is connected to the control input of the acoustic signal generator 2, made in the form of a first synthesizer of alternately generated frequencies. The output of the frequency synthesizer is connected to the input of a power amplifier 4, loaded onto a radiating hydrophone 5 with a circular radiation pattern.

На фигуре 2 приведена блок-схема приемника. В состав схемы входят приемная антенна 6, подключенная к входному широкополосному фильтру 7 и далее к усилителю 8, выход которого подключен к преобразователю принимаемой частоты в промежуточную частоту 9, преобразователь принимаемой частоты построен из смесителя 10 и гетеродина 11, выполненного в виде второго синтезатора сетки фиксированных частот. К управляющему входу синтезатора частот подключен выход второго тактового генератора 12. На выходе преобразователя частоты 9 установлен усилитель промежуточной частоты 13. Выход усилителя промежуточной частоты подключен к входам частотного детектора 14, состоящего из трех цифровых избирательных частотных фильтров 15, 16 и 17 с квадратичными детекторами на выходах 18, 19, 20, которые подключены к входам компаратора 21, выполненного на базе операционного усилителя с регулируемым порогом срабатывания. Байтовая синхронизация второго тактового генератора 12 по управляющему входу осуществляется сигналами стартовых импульсов, поступающих от частотного фильтра 17 на дополнительно выделенной частоте синхронизации.The figure 2 shows the block diagram of the receiver. The structure of the circuit includes a receiving antenna 6 connected to an input broadband filter 7 and then to an amplifier 8, the output of which is connected to a converter of the received frequency to the intermediate frequency 9, the converter of the received frequency is constructed from a mixer 10 and a local oscillator 11, made in the form of a second fixed grid synthesizer frequencies. The output of the second clock generator 12 is connected to the control input of the frequency synthesizer 12. An intermediate frequency amplifier 13 is installed at the output of the frequency converter 9. The output of the intermediate frequency amplifier is connected to the inputs of the frequency detector 14, which consists of three digital selective frequency filters 15, 16, and 17 with quadratic detectors on outputs 18, 19, 20, which are connected to the inputs of the comparator 21, made on the basis of an operational amplifier with an adjustable threshold. Byte synchronization of the second clock generator 12 at the control input is carried out by the signals of the start pulses coming from the frequency filter 17 at an additionally allocated synchronization frequency.

Работа гидроакустической системы связи происходит в следующей последовательности.The work of the hydroacoustic communication system occurs in the following sequence.

При поступлении информационного сигнала от источника информации 1 в виде асинхронного двоичного кода на формирователь акустических сигналов 2 запускается тактовый генератор 3 стартовым импульсом кодовой комбинации, который выдает первый синхроимпульс на синтезатор частот. По этому синхроимпульсу синтезатор частот генерирует первую посылку длительностью в один бит, соответствующую выделенной несущей частоте байтовой синхронизации. Далее тактовый генератор вырабатывает пачку из девяти синхроимпульсов, соответствующих информационным битам передаваемого кода и стоповому биту. На каждый синхроимпульс тактового генератора синтезатор частот генерирует очередную частоту, используемую в качестве несущей для передачи информационных битов. Значение частоты в каждом бите определяется содержанием информации в виде нулей и единиц двоичного кода. Частоты синтезатора формируются с определенным фиксированным шагом в пределах полосы частот канала связи. Для передачи нулей кода используется первая сетка из 8 частот, для передачи единиц кода - вторая сетка из 8 частот. Сформированные первым синтезатором частот сигналы усиливаются усилителем мощности и передаются в водную среду через излучающий гидрофон. Сигналы распространяются в воде во всех направлениях, отражаются от границ раздела, ослабляются по мере распространения за счет поглощения и расхождения фронта волны и приходят в точку приема в виде отдельных лучей с различными амплитудами и временными задержками. В точке приема лучи интерферируют между собой и создают взаимные помехи многолучевости. Кроме того, в точке приема возникают помехи от реверберации, обусловленной рассеянием звука на неоднородностях в объеме воды и от шумов моря.Upon receipt of the information signal from the information source 1 in the form of an asynchronous binary code to the acoustic signal conditioner 2, the clock generator 3 is started by the start pulse of the code combination, which gives the first clock pulse to the frequency synthesizer. According to this clock pulse, the frequency synthesizer generates the first parcel with a duration of one bit corresponding to the allocated carrier frequency of the byte synchronization. Next, the clock generates a pack of nine clock pulses corresponding to the information bits of the transmitted code and the stop bit. For each clock pulse of the clock, the frequency synthesizer generates the next frequency used as a carrier for transmitting information bits. The frequency value in each bit is determined by the content of information in the form of zeros and units of a binary code. The synthesizer frequencies are formed with a certain fixed step within the frequency band of the communication channel. The first grid of 8 frequencies is used to transmit code zeros; the second grid of 8 frequencies is used to transmit code units. The signals generated by the first frequency synthesizer are amplified by a power amplifier and transmitted to the aqueous medium through a radiating hydrophone. Signals propagate in water in all directions, are reflected from interfaces, attenuated as they propagate due to absorption and divergence of the wave front, and arrive at the receiving point in the form of separate rays with different amplitudes and time delays. At the receiving point, the rays interfere with each other and create mutual interference with multipath. In addition, interference from reverberation due to scattering of sound by inhomogeneities in the volume of water and from the noise of the sea occurs at the receiving point.

Приемная антенна 6 принимает суммарный акустический сигнал вместе с помехами и передает его в приемный тракт, состоящий из широкополосного фильтра 7 и предусилителя 8. Резонансный LC-контур этого фильтра подстраивается к частоте очередного бита информации с помощью переключаемого набора конденсаторов. Переключение набора конденсаторов выполняют транзисторные ключи, управляемые параллельной выходной шиной второго тактового генератора. Предварительно усиленный и отфильтрованный по частоте сигнал далее поступает в преобразователь частоты 9, состоящий из смесителя 10 и гетеродина 11, выполненного в виде второго синтезатора сетки частот. В исходном состоянии в ожидании принимаемого сигнала гетеродин 11 выдает дополнительную частоту, для выделения стартового импульса. При получении стартового импульса кодовой комбинации эта частота выделяется цифровым частотным детектором 20 в виде синхроимпульса, которым запускается второй тактовый генератор 12.The receiving antenna 6 receives the total acoustic signal together with the noise and transmits it to the receiving path, which consists of a broadband filter 7 and a preamplifier 8. The resonant LC circuit of this filter adjusts to the frequency of the next bit of information using a switchable set of capacitors. Switching the set of capacitors is performed by transistor switches controlled by a parallel output bus of the second clock generator. The signal preliminarily amplified and filtered by frequency is then fed to a frequency converter 9, consisting of a mixer 10 and a local oscillator 11, made in the form of a second frequency grid synthesizer. In the initial state, in anticipation of the received signal, the local oscillator 11 generates an additional frequency to highlight the start pulse. Upon receipt of the start pulse of the code combination, this frequency is allocated by the digital frequency detector 20 in the form of a clock pulse, which starts the second clock generator 12.

Второй тактовый генератор 12 вырабатывает пачку из десяти управляющих импульсов и выдает их на управление резонансным LC-контуром и на синтезатор частот 11 приемника, который поочередно переключается на генерирование частот, соответствующих порядковому номеру принимаемых битовых посылок кода. После выдачи пачки управляющих импульсов второй тактовый генератор 12 останавливается в исходной позиции ожидания очередного запуска стартовым импульсом асинхронного кода.The second clock generator 12 generates a pack of ten control pulses and gives them to control the resonant LC circuit and to the frequency synthesizer 11 of the receiver, which alternately switches to generate frequencies corresponding to the serial number of the received code bit packets. After issuing a packet of control pulses, the second clock generator 12 stops at the initial position of waiting for the next start of the start pulse of the asynchronous code.

Принимаемая последовательность несущих частот передатчика несет в себе передаваемую информацию. При взаимодействии несущих частот передатчика, соответствующих нулям и единицам двоичного кода, с частотами местного гетеродина в смесителе получается одна из двух промежуточных частот. Если принимается нулевое значение бита, то образуется первая промежуточная частота, если принимается единичное значение бита, то образуется вторая промежуточная частота. Далее сигналы промежуточной частоты после усиления усилителем 13 подаются на дифференциальный частотный детектор 14, который осуществляет дешифрацию принимаемого кода. Решение о приеме нуля или единицы кода принимается компаратором 21, который сравнивает амплитуды двух сигналов от цифровых частотных фильтров после квадратичного детектирования и выдает на своем выходе исходный двоичный код. Компаратор 21 имеет регулируемый порог срабатывания к разности амплитуд сигналов, который соответствует уровню фоновых шумов водной среды. Уровень порога срабатывания вырабатывается в предусилителе 8 путем квадратичного детектирования суммарного сигнала в полной полосе частот приемника. С приемом очередного стартового импульса, излучаемого передатчиком, весь процесс приема данных повторяется.The received sequence of carrier frequencies of the transmitter carries the transmitted information. When the carrier frequencies of the transmitter, corresponding to zeros and units of the binary code, interact with the frequencies of the local oscillator in the mixer, one of two intermediate frequencies is obtained. If a zero bit value is received, then the first intermediate frequency is formed, if a single bit value is received, a second intermediate frequency is formed. Next, the intermediate frequency signals after amplification by the amplifier 13 are fed to a differential frequency detector 14, which decrypts the received code. The decision to accept zero or a code unit is made by the comparator 21, which compares the amplitudes of the two signals from the digital frequency filters after quadratic detection and generates the original binary code at its output. The comparator 21 has an adjustable threshold to the difference in the amplitudes of the signals, which corresponds to the level of background noise of the aquatic environment. The threshold level is generated in the preamplifier 8 by quadratic detection of the total signal in the full frequency band of the receiver. With the reception of the next start pulse emitted by the transmitter, the entire process of receiving data is repeated.

Модельные испытания экспериментального образца системы подтвердили устойчивость к помехам многолучевости в пределах ожидаемого диапазона временных задержек лучей.Model tests of an experimental model of the system confirmed the resistance to multipath interference within the expected range of time delays of the rays.

Claims

1. A hydro-acoustic underwater communication system for transmitting digital information asynchronously with binary code, consisting of a broadband transmitter and receiver, in which the transmitter contains a digital code information source connected to a master oscillator and a first clock generator that controls the master, the output of the master oscillator is connected to a power amplifier loaded with a radiating hydrophone, and the receiver contains a receiving antenna in series, an input broadband filter, a receiving amplifier frequencies, the converter of the received frequencies into the intermediate frequency, the intermediate frequency amplifier and the frequency detector, as well as the second clock generator controlling the received frequency converter and the input broadband filter, characterized in that the transmitter in the transmitter is made in the form of the first microprocessor synthesizer of the grid alternately generated frequencies, the number of which is equal to twice the number of information bits of the binary code combination, each frequency is used once for transmitting the next bit of the code combination, and the values of the frequency grid are shifted by one fixed step for transmitting the next zero or single bit of code information, while for the transmission of the starting packets of the asynchronous binary code, the first synthesizer generates an additional frequency outside the frequency range of the information bits.

2. The system according to claim 1, characterized in that the receiver of the received frequency converter is made in the form of a second microprocessor synthesizer of a grid of alternately generated frequencies, the number of which is equal to the number of bits of the binary code combination, each frequency is used once to receive the next bit of information, and the frequency values shifted relative to the frequencies of the first synthesizer in the transmitter by one fixed step between zero and unit bits, while the bit synchronization of the second frequency synthesizer provides starting pulses of the second clock generator, and byte synchronization is carried out by the starting pulses of the asynchronous binary code at an additional frequency.

3. The system according to claim 1, characterized in that the input broadband filter of the receiver is constructed in the form of a discrete tunable resonant LC circuit with a control circuit consisting of a set of capacitors connected to the resonant circuit by transistor switches controlled by a parallel binary code supplied to their gates from the outputs of the second clock generator.

4. The system according to claim 1, characterized in that in the receiver the frequency detector is constructed according to a two-frequency differential circuit and consists of two-frequency digital filters with quadratic detectors at the outputs connected to the inputs of a threshold element for comparing signal amplitudes, made in the form of a comparator with an adjustable response level , as well as from the third digital frequency filter with a quadratic detector connected to the control input of the second clock generator.