RU2700005C1 - Method of estimating channel parameters in broadband hydroacoustic communication and a device for realizing said channel - Google Patents
Method of estimating channel parameters in broadband hydroacoustic communication and a device for realizing said channel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2700005C1 RU2700005C1 RU2018139703A RU2018139703A RU2700005C1 RU 2700005 C1 RU2700005 C1 RU 2700005C1 RU 2018139703 A RU2018139703 A RU 2018139703A RU 2018139703 A RU2018139703 A RU 2018139703A RU 2700005 C1 RU2700005 C1 RU 2700005C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reference sequences
- likelihood
- extended
- spectrum
- reference sequence
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L27/00—Modulated-carrier systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области систем передачи информации и предназначено для оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования информационного символа в широкополосном гидроакустическом канале.The invention relates to the field of information transmission systems and is intended to assess the time of arrival and Doppler scaling factor of an information symbol in a broadband sonar channel.
Задача оценки параметров канала возникает, например, при обмене данными между объектами, находящимися в водной среде, когда в качестве канала передачи информации выступает широкополосный гидроакустический канал. При передаче информационных символов в широкополосном гидроакустическом канале возникают их искажения, обусловленные доплеровским масштабированием и задержкой распространения. Оценка параметров этих искажений на приемной стороне необходима для успешного приема и демодуляции информационных символов, и, как следствие, для декодирования переданного сообщения.The task of estimating the channel parameters arises, for example, in the exchange of data between objects located in the aquatic environment, when a broadband sonar channel acts as an information transmission channel. When transmitting information symbols in a broadband sonar channel, their distortions arise due to Doppler scaling and propagation delay. The estimation of the parameters of these distortions at the receiving side is necessary for the successful reception and demodulation of information symbols, and, as a result, for decoding the transmitted message.
Известны способ и устройство, обеспечивающие оценку времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования для группы информационных символов, описанные в патенте США 7859944 от 28.12.2010 (Н04В 11/00), где в начале и в конце группы информационных символов передают опорные последовательности "Preamble" и "Postamble" соответственно. При приеме за начало группы символов принимают момент обнаружения опорной последовательности "Preamble", а коэффициент доплеровского масштабирования определяют как функцию от временного интервала между моментом обнаружения опорной последовательности "Preamble" и моментом обнаружения опорной последовательности "Postamble". Однако данное техническое решение не может быть в полной мере использовано в гидроакустических каналах с малым временем когерентности, поскольку в таких каналах единые оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования, полученные для группы символов, будут обладать значительной погрешностью для каждого символа в группе. Наиболее близкими к заявленному решению являются способ и устройство по патенту США 8023596 от 20.09.2011 (H04L 27/00), в котором в информационных символах осуществляется передача опорных несущих с фиксированными частотами, мощности которых существенно превышают мощности несущих, используемых для передачи информации. На приемной стороне осуществляется оценка коэффициента доплеровского масштабирования за счет фильтрации набором полосовых фильтров каждой из несущих с повышенной мощностью, выделение огибающих за счет некогерентного детектирования сигнала на выходе каждого фильтра и последующей комбинации значений с выходов некогерентных детекторов. Однако данное техническое решение не может обеспечить требуемую функциональность, т.к. не позволяет работать в гидроакустических каналах с высокой частотной избирательностью, поскольку оценки энергетического параметра, полученные при некогерентном детектировании, искажаются влиянием неравномерной Амплитудно-частотной Характеристики (АЧХ) канала. К другим недостаткам данного технического решения можно отнести невозможность его работы в гидроакустических каналах с временем когерентности, соизмеримым с длительностью символа, поскольку даже незначительная потеря ортогональности, вызванная погрешностью оценки коэффициента доплеровского масштабирования, будет приводить к проникновению внеполосных спектральных составляющих от несущих с повышенным уровнем мощности на частоты, используемые для передачи информации, и, как следствие, к искажению передаваемой информации. Также данное техническое решение имеет ограничение на применение в многолучевых гидроакустических каналах, в которых пути распространения сигнала имеют разный коэффициент доплеровского масштабирования, так называемый, Doppler spread, поскольку, даже будучи ослабленными на пути распространения, смещенные по частоте несущие с повышенным уровнем мощности будут вносить помехи на частотах, используемых для передачи информации.A known method and apparatus for estimating the arrival time and Doppler scaling factor for a group of information symbols described in US patent 7859944 dated 12/28/2010 (HB04/00), where at the beginning and at the end of the group of information symbols transmit reference sequences "Preamble" and "Postamble" respectively. When a group of symbols is taken as the beginning, the moment of detection of the reference sequence "Preamble" is taken, and the Doppler scaling factor is determined as a function of the time interval between the moment of detection of the reference sequence "Preamble" and the moment of detection of the reference sequence "Postamble". However, this technical solution cannot be fully used in hydroacoustic channels with a short coherence time, since in such channels the unified estimates of the arrival time and Doppler scaling coefficient obtained for a group of symbols will have a significant error for each symbol in the group. Closest to the claimed solution are the method and device according to US patent 8023596 from 09.20.2011 (H04L 27/00), in which information carriers transmit reference carriers with fixed frequencies, the powers of which significantly exceed the powers of the carriers used to transmit information. On the receiving side, the Doppler scaling coefficient is estimated by filtering with a set of band-pass filters of each of the carriers with increased power, envelopes are selected due to incoherent signal detection at the output of each filter and the subsequent combination of values from the outputs of incoherent detectors. However, this technical solution cannot provide the required functionality, because it does not allow working in sonar channels with high frequency selectivity, since estimates of the energy parameter obtained with incoherent detection are distorted by the influence of the non-uniform amplitude-frequency characteristics (AFC) of the channel. Other disadvantages of this technical solution include the impossibility of its operation in sonar channels with a coherence time commensurate with the symbol duration, since even a slight loss of orthogonality caused by an error in the estimation of the Doppler scaling coefficient will lead to the penetration of out-of-band spectral components from carriers with an increased power level at frequencies used to transmit information, and, as a result, to distortion of the transmitted information. Also, this technical solution has a restriction on the use in multipath hydroacoustic channels in which the signal propagation paths have different Doppler scaling factors, the so-called Doppler spread, because even if weakened along the propagation path, frequency-shifted carriers with an increased power level will introduce interference at frequencies used to transmit information.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования для информационных символов в системе передачи данных в широкополосных гидроакустических каналах с малым интервалом когерентности и/или с высокой частотной избирательностью, повышение надежности коммуникации, а также расширение диапазона применимости для систем гидроакустической связи.The technical result of the proposed technical solution is to increase the accuracy of estimating the time of arrival and Doppler scaling factor for information symbols in a data transmission system in broadband sonar channels with a small coherence interval and / or with high frequency selectivity, increasing the reliability of communication, as well as expanding the range of applicability for sonar systems communication.
Технический результат достигается тем, что в передатчике системы передачи информации формируют опорные последовательности с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала, а затем сформированные опорные последовательности с расширенным спектром комбинируют с информационной частью передаваемого символа. На приемной стороне системы передачи информации формируют эталонные последовательности для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемой опорной последовательности с расширенным спектром, производят когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале, а в случае, когда для опорной последовательности с расширенным спектром формируют эталонный ряд отсчетов, производят формирование исходного ряда отсчетов для принимаемого сигнала, формирование скорректированных рядов отсчетов из исходного ряда отсчетов для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемых опорных последовательностей с расширенным спектром, после этого осуществляют когерентное детектирование эталонных рядов отсчетов в каждом из скорректированных рядов отсчетов, затем, как и в случае после когерентного детектирования эталонных последовательностей в принятом сигнале, производят формирование оценок правдоподобия, комбинирование оценок правдоподобия и определяют оценку времени прихода и величины доплеровского масштабирования символа, а также значений правдоподобия оценок.The technical result is achieved by the fact that in the transmitter of the information transmission system, reference sequences with a spread spectrum are formed in the frequency subbands of the broadband channel, and then the formed reference sequences with a spread spectrum are combined with the information part of the transmitted symbol. On the receiving side of the information transmission system, reference sequences are formed for the expected range of Doppler scaling of the received spread spectrum reference sequence, the reference sequences are coherently detected in the received signal, and in the case when a reference series of samples are formed for the spread spectrum reference sequence, the initial series is generated samples for the received signal, the formation of the corrected series of samples from the outcome a series of samples for the expected range of Doppler scaling of the received extended-spectrum reference sequences, then coherent detection of the reference series of samples in each of the corrected series of samples is carried out, then, as in the case after coherent detection of the reference sequences in the received signal, likelihood estimates are generated, combining likelihood estimates and determining the estimated time of arrival and magnitude of Doppler scaling symbols la, as well as the likelihood values of the estimates.
В отличие от известного способа оценки коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосных гидроакустических каналах включающего формирование и передачу сигнала с использованием несущих, на которых передается информационная посылка, а также набор опорных несущих с фиксированными частотами, уровни которых существенно превышают уровни несущих, используемых для передачи информационной посылки, фильтрацию набором фильтров каждой из опорных несущих с фиксированной частотой и повышенным уровнем, формирование значений огибающих для сигналов на выходе каждого фильтра, комбинирование значений огибающих, в заявляемом способе оценки времени прихода сигнала и коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосных гидроакустических каналахIn contrast to the known method for estimating the Doppler scaling coefficient in broadband sonar channels, which includes generating and transmitting a signal using carriers on which the information packet is transmitted, as well as a set of reference carriers with fixed frequencies, the levels of which significantly exceed the levels of carriers used to transmit the information packet, filtering by a set of filters of each of the supporting carriers with a fixed frequency and a high level, the formation of envelope values x for the signals at the output of each filter, combining the envelope values, in the inventive method for estimating the signal arrival time and the Doppler scaling factor in broadband sonar channels
- формируют опорные последовательности с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала,- form reference sequences with an extended spectrum in the frequency subbands of the broadband channel,
- комбинируют опорные последовательности с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа,- combine reference sequences with an extended spectrum with the information part of the transmitted symbol,
- формируют эталонные последовательности на приемной стороне,- form reference sequences on the receiving side,
- осуществляют когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале,- carry out coherent detection of reference sequences in the received signal,
- формируют оценки правдоподобия,- form the likelihood estimates,
- комбинируют оценки правдоподобия.- combine likelihood estimates.
При этом эталонные последовательности формируют для ожидаемого диапазона коэффициентов доплеровского масштабирования принимаемых опорных последовательностей с расширенным спектром.In this case, reference sequences are formed for the expected range of Doppler scaling coefficients of the received extended-spectrum reference sequences.
Когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале производят как во временной, так и в частотной областях.Coherent detection of reference sequences in the received signal is performed both in the time and in the frequency domains.
В случае использования отсчетов при приеме для вычисления оценок правдоподобия и коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосных гидроакустических каналах в принимаемом сигнале для каждой опорной последовательности с расширенным спектромIn the case of using reception samples to calculate the likelihood estimates and the Doppler scaling coefficient in broadband sonar channels in the received signal for each reference sequence with an extended spectrum
- формируют эталонный ряд отсчетов,- form a reference series of readings,
- формируют исходный ряд отсчетов, из которого- form the initial series of samples from which
- формируют скорректированные ряды отсчетов, затем- form the corrected series of readings, then
- когерентно детектируют эталонный ряд отсчетов в каждом из скорректированных рядов отсчетов,- coherently detect a reference series of samples in each of the adjusted series of samples,
- формируют оценки правдоподобия,- form the likelihood estimates,
- комбинируют оценки правдоподобия.- combine likelihood estimates.
При этом скорректированные ряды отсчетов формируют для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемой опорной последовательностей с расширенным спектром.In this case, the corrected series of samples form for the expected range of Doppler scaling of the received reference sequences with extended spectrum.
Чертежи, поясняющие заявляемый способ, представлены наThe drawings explaining the claimed method are presented on
Фиг. 1 - структура передаваемого Символа 100.FIG. 1 - structure of the transmitted
Фиг. 2 - техническая реализация приемной подсистемы для оценивания времени прихода и доплеровского масштабирования информационного символа.FIG. 2 - technical implementation of the receiving subsystem for estimating the arrival time and Doppler scaling of the information symbol.
Фиг. 3 - техническая реализация блока детектирования.FIG. 3 is a technical implementation of the detection unit.
Заявляемый способ оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосном канале передачи информации работает следующим образом:The inventive method of estimating the time of arrival and the Doppler scaling factor in a broadband information channel works as follows:
- на передающей стороне формируют N Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N в частотных поддиапазонах широкополосного канала, затем комбинируют Опорные Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100 (фиг. 1). На приемной стороне:- N Reference Sequences with
- формируют эталонные последовательности для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемых Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром;- form reference sequences for the expected range of Doppler scaling of the received Reference Sequences with Extended Spectrum;
- осуществляют когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале;- carry out coherent detection of reference sequences in the received signal;
- формируют оценки правдоподобия;- form a likelihood assessment;
- комбинируют оценки правдоподобия.- combine likelihood estimates.
При выборе Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N учитывают ширину их полосы для обеспечения возможно меньшего уровня внеполосных спектральных составляющих, а также форму их функции неопределенности, обеспечивающей необходимое разрешение по времени прихода и доплеровскому масштабированию. Длительность Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N может быть ограничена сверху временем когерентности канала передачи, а ширина полосы каждой последовательности может быть ограничена сверху шириной полосы когерентности канала передачи. Вариантами таких последовательностей могут быть последовательности с угловой модуляцией (фазовой или частотной), псевдослучайные последовательности, а также последовательности, сформированные с использованием мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (см. Nadav Levanon, Eli Mozeson; Radar Signals, ISBN: 978-0-471-47378-7, Jul 2004, Wiley-IEEE Press, 432 pages).When choosing Reference Sequences with an Extended Range of 131 ... 13N, their bandwidth is taken into account to ensure the lowest possible level of out-of-band spectral components, as well as the shape of their uncertainty function, which provides the necessary resolution for arrival time and Doppler scaling. The duration of the Reference Sequences with the
Для исключения влияния нулей диаграммы направленности при использовании передающей системы с несколькими излучателями декоррелируют сигналы, передаваемые разными излучателями, используя разные циклические сдвиги Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N одновременно передаваемых разными излучателями.To exclude the influence of zeros of the radiation pattern when using a transmitting system with several emitters, signals transmitted by different emitters are decorrelated using different cyclic shifts of the Reference Sequences with
Для уменьшения влияния межсимвольных искажений при передаче последовательности из нескольких Символов 100 в канале с многолучевым распространением используют повторение части Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N для создания циклического префикса.To reduce the influence of intersymbol distortions when transmitting a sequence of
Гидроакустические широкополосные излучатели и гидрофоны отличает высокая неравномерность АЧХ. Для компенсации влияния априорно известных параметров передающего и/или приемного блока на качество оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования возможно изменение количества Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N, значений их центральных частот, а также их спектральных плотностей мощности.Hydroacoustic broadband emitters and hydrophones are characterized by high frequency response unevenness. To compensate for the influence of a priori known parameters of the transmitting and / or receiving unit on the quality of estimation of the arrival time and Doppler scaling coefficient, it is possible to change the number of Reference Sequences with
Возможным методом комбинирования Опорных Последовательностей 131…13N с Информационной Частью 111…11М является метод, при котором для передачи Символа 100 используют мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), при этом часть несущих выделяют для передачи Опорных Последовательностей 131…13N, а другую часть несущих - для передачи Информационной Части 111…11М. На выходе Блока Комбинирования формируется Символ 100, который поступает в широкополосный гидроакустический канал.A possible method of combining the
Опорные Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N также используют в качестве пилот-сигналов при демодуляции Информационной Части 111…11М Символа 100 для чего осуществляют когерентное комбинирование Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100.Reference Sequences with
Для уменьшения влияния внеполосных составляющих от Информационной Части 111…11М на Опорные Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N и внеполосных составляющих от Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N на Информационную Часть 111…11М, которые возникают при потере ортогональности между отдельными несущими при приеме Символа 100 за счет влияния флуктуаций канала и ошибок синхронизации, и, как следствие, для улучшения качества оценки и/или демодуляции, возможно формирование Защитных Частотных Интервалов 121…12N и 141…14N между Опорными Последовательностями с Расширенным Спектром 131…13N и Информационной Частью 111…11М.To reduce the influence of out-of-band components from the
На приемной стороне для каждой из Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N на выходах Формирователей Эталонных Последовательностей 321…32K формируют набор эталонных последовательностей, каждая из которых в наборе может представлять собой соответствующую Опорную Последовательность с Расширенным Спектром, формируемую в передатчике, и подвергнутую доплеровскому масштабированию, а именно, если коэффициент доплеровского масштабирования равен (1+α), то каждая частотная компонента с частотой ƒ передаваемой Опорной Последовательности с Расширенным Спектром будет преобразована в (1+α)ƒ, а длительность Т переданной Опорной Последовательности с Расширенным Спектром будет преобразована в (1-α)Т. Для Опорной Последовательности с Расширенным Спектром с номером n=1…N количество Kn эталонных последовательностей Un(αk), k=1…Kn в наборе может определяться необходимой разрешающей способностью по коэффициенту доплеровского масштабирования Δn=αk+1-αk и ожидаемым диапазоном значений коэффициента доплеровского масштабирования (1+αmin)≤(1+αk)≤(1+αmах).On the receiving side, for each of the Reference Sequences with the
При наличии априорно известной информации о параметрах канала на приемной стороне ее можно учитывать при детектировании эталонных последовательностей в принимаемом сигнале. Так, например, известность уточненных диапазонов времени прихода и/или коэффициента доплеровского масштабирования сокращает пространство поиска за счет сокращения количества эталонных последовательностей и, как следствие, уменьшает вероятность ложного обнаружения Опорной Последовательности, а также сложность приемной аппаратуры, что в свою очередь сокращает расход энергии и продливает время автономной работы системы. Диапазон значений коэффициента доплеровского масштабирования может зависеть от взаимной радиальной скорости передающей и приемной антенн, а также от скорости движения среды в радиальном направлении. Возможными значениями, формируемыми в моменты времени τ на выходе Блоков Когерентного Детектирования 311…31K, являются значения взаимно-корреляционной функции Rnk(τ) принимаемого сигнала и k-й эталонной последовательности Un(αk), сформированной для n-й Опорной Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N. Таким образом для одного Символа 100 количество значений Rnk(τ), вычисляемых в Блоках Когерентного Детектирования 311..31K для N Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131..13N, составляет 
В случае использования отсчетов при приеме для вычисления значений Rnk(τ) для каждой n-й Опорной Последовательности с Расширенным Спектром 131..13N формируют эталонный ряд отсчетов с частотой отсчетов Fs;In the case of using samples at reception to calculate the values of R nk (τ) for each n-th Reference Sequence with
- для принимаемого сигнала формируют исходный ряд отсчетов с частотой отсчетов Fs, используя, например, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);- for the received signal form the initial series of samples with a sampling frequency F s using, for example, an analog-to-digital converter (ADC);
- из исходного ряда отсчетов формируют Kn скорректированных рядов отсчетов;- from the original series of samples form K n adjusted series of samples;
- когерентно детектируют эталонный ряд отсчетов в каждом из скорректированных рядов отсчетов, вычисляя в моменты времени τ значения взаимно-корреляционной функции Rnk(τ), где k=1…Kn;- coherently detect the reference series of samples in each of the corrected series of samples, calculating at times τ the values of the cross-correlation function R nk (τ), where k = 1 ... K n ;
при этом скорректированные ряды отсчетов формируют для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемой опорной последовательностей с расширенным спектром, а частота отсчетов в k-м скорректированном ряде отсчетов составляет (1+αk)Fs.in this case, the corrected series of samples form for the expected range of Doppler scaling of the received reference sequences with an extended spectrum, and the frequency of samples in the k-th corrected series of samples is (1 + α k ) F s .
Для формирования из исходного ряда отсчетов k-го скорректированного ряда отсчетов с измененной в (1+αk) раз частотой отсчетов можно использовать полиномиальную интерполяцию отсчетов из исходного ряда отсчетов.To form the kth corrected series of samples from the original series of samples with the sample frequency changed by (1 + α k ) times, you can use polynomial interpolation of samples from the original series of samples.
Оценкой правдоподобия, вычисляемой в каждом из формирователей Оценки Правдоподобия 331…33K, для входных значений взаимно-корреляционной функции Rnk(τ) при низких отношениях сигнал-шум в канале является значение 
Для уменьшения вероятности ложного обнаружения Опорной Последовательности с Расширенным Спектром при приеме и, как следствие, для повышения точности оценивания времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования значения Оценок Правдоподобия сравниваются с порогом, при этом значение Оценки Правдоподобия поступает в Блок Комбинирования Оценок Правдоподобия 270 в том случае, если порог превышен. Такая пороговая обработка обеспечивает выделение и последующее комбинирование оценок только с высокой достоверностью в Блоке Комбинирования Оценок Правдоподобия 270.To reduce the likelihood of false detection of the Reference Sequence with the Extended Spectrum during reception and, as a result, to increase the accuracy of estimating the time of arrival and the Doppler scaling coefficient, the likelihood estimates are compared with a threshold, and the likelihood estimates are sent to the Combination of
В Блоке Комбинирования Оценок Правдоподобия 270 для комбинирования оценок правдоподобия, получаемых с Формирователей Оценки Правдоподобия 331…33K для каждой из принятых Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N и набора эталонных последовательностей, и формирования оценки времени прихода 
Другим возможным способом комбинирования в Блоке Комбинирования Оценок Правдоподобия 270 является нахождение максимального значения среди оценок правдоподобия Qnk(τ). В этом случае оценки времени прихода
Также в Блоке Комбинирования Оценок Правдоподобия 270 сначала могут формироваться оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования, а также значение правдоподобия этих оценок отдельно для каждой из принятых Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N, а затем формироваться окончательная общая оценка за счет комбинирования значений из всех N поддиапазонов широкополосного канала передачи информации. При этом для комбинирования оценок правдоподобия для каждой из принятых Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N может использоваться один метод, а для комбинирования значений из всех N поддиапазонов широкополосного канала передачи информации - другой.Also, in the Combination Block of Likelihood Estimates 270, first, estimates of the time of arrival and Doppler scaling coefficient can be formed, as well as the likelihood of these estimates separately for each of the accepted Reference Sequences with
Устройство для оценки коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосных гидроакустических каналах по патенту-прототипу (см. патент США 8023596 от 20.09.2011 (H04L 27/00)) содержит:A device for evaluating the coefficient of Doppler scaling in broadband sonar channels according to the patent prototype (see US patent 8023596 from 09.20.2011 (H04L 27/00)) contains:
- формирователь и передатчик. сигнала, включающего несущие, на которых передается информационная посылка, а также набор опорных несущих с фиксированными частотами, уровни которых существенно превышают уровни несущих, используемых для передачи информационной посылки;- shaper and transmitter. a signal including carriers on which the information package is transmitted, as well as a set of reference carriers with fixed frequencies, the levels of which significantly exceed the levels of carriers used to transmit the information package;
- наборы с одинаковым количеством полосовых фильтров для каждой из опорных несущих с фиксированной частотой и повышенным уровнем;- sets with the same number of band-pass filters for each of the reference carriers with a fixed frequency and an increased level;
- квадратичные детекторы огибающей;- quadratic envelope detectors;
- устройство комбинирования значений огибающих,- a device for combining envelope values,
причем принимаемый сигнал поступает на входы фильтров, выходы фильтров подключены ко входам квадратичных детекторов огибающей, а выходы квадратичных детекторов огибающей подключены к устройству комбинирования, при этом общая полоса фильтров в каждом наборе перекрывает возможный диапазон изменения частоты соответствующей опорной несущей, вызванного доплеровским масштабированием.moreover, the received signal is fed to the inputs of the filters, the outputs of the filters are connected to the inputs of the quadratic envelope detectors, and the outputs of the quadratic envelope detectors are connected to the combiner, while the common filter band in each set covers the possible frequency range of the corresponding reference carrier caused by Doppler scaling.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение точности при реализации заявляемого способа оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования для информационных символов в системе передачи данных в широкополосных гидроакустических каналах с малым интервалом когерентности и/или с высокой частотной избирательностью, повышение надежности коммуникации, а также расширение диапазона применимости для систем гидроакустической связи.The technical result of the proposed device is to increase the accuracy when implementing the proposed method for estimating the arrival time and Doppler scaling factor for information symbols in a data transmission system in broadband sonar channels with a small coherence interval and / or with high frequency selectivity, increasing the reliability of communication, as well as expanding the range of applicability for sonar communication systems.
Технический результат достигается тем, что в устройство введены:The technical result is achieved by the fact that the device introduced:
- формирователи опорных последовательностей с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала;- shapers of reference sequences with extended spectrum in the frequency subbands of the broadband channel;
- блок комбинирования опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа;- block combining reference sequences with an extended spectrum with the information part of the transmitted symbol;
- формирователи эталонных последовательностей на приемной стороне;- shapers of reference sequences on the receiving side;
- блоки когерентного детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале;- blocks of coherent detection of reference sequences in the received signal;
- формирователи оценок правдоподобия;- likelihood estimators;
- блок комбинирования оценок правдоподобия;- a block combining likelihood ratings;
причем выходы формирователей опорных последовательностей с расширенным спектром подключены к входам блока комбинирования опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа, а принимаемый сигнал поступает на первые входы блоков когерентного детектирования, на вторые входы блоков когерентного детектирования поступают эталонные последовательности с выходов формирователей эталонных последовательностей, значения с выходов блоков когерентного детектирования поступают на входы формирователей оценки правдоподобия, выходы которых подключены к входам блока комбинирования оценок правдоподобия, на выходе которого формируются оценки времени прихода и доплеровского масштабирования символа, а также значение правдоподобия этих оценок.moreover, the outputs of the extended-spectrum reference sequence shapers are connected to the inputs of the extended-spectrum reference sequence combining unit with the information part of the transmitted symbol, and the received signal is fed to the first inputs of the coherent detection blocks, the reference sequences from the outputs of the reference sequence shapers are sent to the second inputs of the coherent detection blocks, the values from the outputs of the coherent detection blocks are fed to the inputs of the teley likelihood estimator, whose outputs are connected to inputs of the combination unit likelihood estimators, the output of which generates an estimate arrival-time and the Doppler scaling the symbol and the value of the likelihood estimates.
Заявляемое устройство для оценивания времени прихода и доплеровского масштабирования символа в широкополосном канале передачи информации (фиг. 2) включает:The inventive device for estimating the time of arrival and Doppler scaling of a symbol in a broadband information channel (Fig. 2) includes:
- формирователи Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 211…21N в частотных поддиапазонах широкополосного канала;- Shapers of Reference Sequences with
- блок Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100;- Combination block of Reference Sequences with
- передающий Блок 230;- transmitting
- приемный Блок 240;- receiving
- формирователи Эталонных Последовательностей 321…32K на приемной стороне;- shapers of
- блоки Когерентного Детектирования 311…31K эталонных последовательностей в принимаемом сигнале;- Coherent Detection blocks 311 ... 31K reference sequences in the received signal;
- формирователи Оценок Правдоподобия 331…33K;-
- блок Комбинирования Оценок Правдоподобия 270,- Combination of
причем выходы формирователей Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 211…21N подключены к входам блока Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100, выход Блока Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 подключен к входу передающего блока 230, а принимаемый сигнал поступает на приемный Блок 240 и далее с выхода приемного Блока 240 на первые входы блоков Когерентного Детектирования 311…31K, на вторые входы блоков Когерентного Детектирования 311…31K поступают эталонные последовательности с выходов Формирователей Эталонных Последовательностей 321…32K, значения с выходов блоков Когерентного Детектирования 311…31K поступают на входы формирователей Оценок Правдоподобия 331…33K, выходы которых подключены к входам Блока Комбинирования Оценок Правдоподобия 270, на выходе которого получают оценку времени прихода
Вариантом реализации заявляемого устройства является устройство, в котором выходы формирователя Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 211…21N подключены к входам Блоков Управления Мощностью Опорных Последовательностей, а выходы Блоков Управления Мощностью Опорных Последовательностей подключены к входам Блока Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100, что компенсирует априорно известные неравномерности АЧХ гидроакустического канала и тем самым улучшает качество оценок времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования.An embodiment of the inventive device is a device in which the outputs of the Reference Sequence generator with the
Заявляемое устройство работает следующим образом. На передающей стороне на выходах Формирователей Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 211…21N в частотных поддиапазонах широкополосного канала формируются Опорные Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N, которые затем поступают на входы Блока Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100. Возможным методом комбинирования Опорных Последовательностей 131…13N с Информационной Частью 111…11М является метод, при котором для передачи Символа 100 используется мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, при этом часть несущих выделяется для передачи Опорных Последовательностей 131…13N, а другая часть несущих - для передачи Информационной Части 111…11М. На выходе Блока Комбинирования Опорных Последовательностей 220 с Информационной Частью формируется Символ 100, который через Передающий Блок 230 передается в широкополосный гидроакустический канал.The inventive device operates as follows. On the transmitting side, at the outputs of the Reference Sequencers of the
При распространении от передающей части к приемной части Символ 100 в широкополосном гидроакустическом канале подвергается, помимо прочего, задержке, которая обусловлена конечной скоростью распространения акустических волн в водной среде, а также доплеровскому масштабированию, которое обусловлено влиянием эффекта Доплера на каждую частотную компоненту Символа 100. Влияние доплеровского масштабирования характеризуется коэффициентом доплеровского масштабирования (1+α). При приеме каждая частотная компонента, переданная с частотой ƒ, будет преобразована в (1+α)ƒ, а сигнал, переданный с длительностью T, будет преобразован в сигнал длительностью (1-α)Т. При работе на мелководье при высокой подвижности объектов, между которыми производится обмен информационными символами, гидроакустические каналы характеризуются малым временем когерентности, поэтому для успешной демодуляции и декодирования Символа 100 на приемной стороне необходимо надежно оценивать как задержку, так и коэффициент доплеровского масштабирования для каждого Символа 100.When propagating from the transmitting part to the receiving part,
На приемной стороне принимаемый из широкополосного гидроакустического канала сигнал поступает в Приемный Блок 240 и далее с выхода Приемного Блока 240 поступает на первые входы Блоков Когерентного Детектирования 311…31K (фиг. 3), при этом на вторые входы Блоков Когерентного Детектирования 311…31K поступают эталонные последовательности с выходов Формирователей Эталонных Последовательностей 321..32K. На выходах Формирователей Эталонных Последовательностей 321…32K формируют набор эталонных последовательностей для каждой из Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N. Каждая из эталонных последовательностей в наборе может представлять собой соответствующую Опорную Последовательность с Расширенным Спектром, формируемую в передатчике, и подвергнутую доплеровскому масштабированию. Для Опорной Последовательности с Расширенным Спектром с номером n=1…N количество Kn эталонных последовательностей Un(αk), k=1…Kn в наборе может определяться необходимой разрешающей способностью по коэффициенту доплеровского масштабирования Δn=αk+l-αk и ожидаемым диапазоном значений коэффициента доплеровского масштабирования (1+αmin)≤(1+αk)≤(1+αmax).On the receiving side, the signal received from the broadband sonar channel enters the
При приеме, для исключения влияния неравномерности АЧХ канала частотные составляющие, находящиеся вне рабочего частотного диапазона некоторого Блока Когерентного Детектирования 311…31K, могут значительно превышать уровень сигнала внутри рабочего частотного диапазона Блока Когерентного Детектирования 311…31K, т.е. представлять для некоторого Блока Когерентного Детектирования 311…31K внеполосную помеху, воздействие которой снижает точность оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования в устройстве устанавливают фильтры, через которые принимаемый сигнал поступает на первые входы Блоков Когерентного Детектирования 311…31K. Полоса каждого Фильтра 251…25N выбрана так, что фильтр пропускает соответствующую принимаемую Опорную Последовательность с Расширенным Спектром 131…13N с учетом возможных изменений ее центральной частоты и ширины полосы, вызванных доплеровским масштабированием, и подавляет частотные составляющие принимаемого Символа 100, находящиеся вне рабочего частотного диапазона соответствующего Блока Когерентного Детектирования 311…31K. Это повышает точность оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования для информационных символов в системе передачи данных в широкополосных гидроакустических каналах с высокой частотной избирательностью. Наличие Защитных Частотных Интервалов 121…12N и 141…14N может ослабить требования к ширине переходной полосы АЧХ Фильтров 211…21N.When receiving, in order to eliminate the influence of the channel frequency response unevenness, frequency components that are outside the working frequency range of a
Блок Когерентного Детектирования 311…31K в моменты времени τ может вычислять значения взаимно-корреляционной функции Rnk(τ) принимаемого сигнала и k-й эталонной последовательности Un(αk), сформированной для n-й Опорной Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N. Таким образом для одного Символа 100, включающего N Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N, в Блоках Когерентного Детектирования 311…31K вычисляется 
Значения с выходов Блоков Когерентного Детектирования 311…31K поступают на входы Формирователей Оценок Правдоподобия 331…33K, которые вычисляют оценки правдоподобия Qnk(τ). Оценкой правдоподобия может являться значение 
С выходов Формирователей Оценок Правдоподобия 331…33K значения поступают на вход Блока Комбинирования Оценок Правдоподобия 270, где происходит комбинирование оценок правдоподобия и формирования оценки времени прихода
Список цитируемых документовList of cited documents
US Pat. 7859944 Apparatus, systems and methods for enhanced multi-carrier based underwater acoustic communications.US Pat. 7859944 Apparatus, systems and methods for enhanced multi-carrier based underwater acoustic communications.
US Pat. 8023596 Doppler tracking method and device for a wide band modem. US Pat. 8023596 Doppler tracking method and device for a wide band modem.
Nadav Levanon, Eli Mozeson; Radar Signals, ISBN: 978-0-471-47378-7, Jul 2004, Wiley-IEEE Press, 432 pages.Nadav Levanon, Eli Mozeson; Radar Signals, ISBN: 978-0-471-47378-7, Jul 2004, Wiley-IEEE Press, 432 pages.
Claims (25)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018139703A RU2700005C1 (en) | 2018-11-08 | 2018-11-08 | Method of estimating channel parameters in broadband hydroacoustic communication and a device for realizing said channel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018139703A RU2700005C1 (en) | 2018-11-08 | 2018-11-08 | Method of estimating channel parameters in broadband hydroacoustic communication and a device for realizing said channel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2700005C1 true RU2700005C1 (en) | 2019-09-12 |
Family
ID=67989871
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018139703A RU2700005C1 (en) | 2018-11-08 | 2018-11-08 | Method of estimating channel parameters in broadband hydroacoustic communication and a device for realizing said channel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2700005C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111366897A (en) * | 2020-04-02 | 2020-07-03 | 中国科学院深海科学与工程研究所 | Signal design and processing method for high-precision underwater sound positioning system |
| CN115987742A (en) * | 2023-03-20 | 2023-04-18 | 四川创智联恒科技有限公司 | Frequency domain Doppler frequency offset resistant extension method based on OFDM communication system |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101505291A (en) * | 2009-03-16 | 2009-08-12 | 哈尔滨工程大学 | Hydroacoustic communication differential decoding method based on OFDM coding |
| CN103095639A (en) * | 2013-01-15 | 2013-05-08 | 哈尔滨工程大学 | Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) underwater acoustic communication parallel iterative inter-carrier interference (ICI) elimination method |
| CN103618686A (en) * | 2013-11-22 | 2014-03-05 | 江苏科技大学 | Method for accurately estimating underwater sound OFDM Doppler factor |
| CN107426120A (en) * | 2017-07-24 | 2017-12-01 | 哈尔滨工程大学 | A kind of underwater sound OFDM MFSK channel equalization methods based on least mean-square error |
| RU183781U1 (en) * | 2018-06-14 | 2018-10-02 | Публичное акционерное общество "Российский институт мощного радиостроения", Патентное бюро | DEVICE FOR DOPPLER FREQUENCY DEFINITION DETERMINATION DETERMINATION BY THE INFORMATION PHASOMANIPULATED SIGNAL BY APPROXIMATION OF PHASE DEFLECTION |
-
2018
- 2018-11-08 RU RU2018139703A patent/RU2700005C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101505291A (en) * | 2009-03-16 | 2009-08-12 | 哈尔滨工程大学 | Hydroacoustic communication differential decoding method based on OFDM coding |
| CN103095639A (en) * | 2013-01-15 | 2013-05-08 | 哈尔滨工程大学 | Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) underwater acoustic communication parallel iterative inter-carrier interference (ICI) elimination method |
| CN103618686A (en) * | 2013-11-22 | 2014-03-05 | 江苏科技大学 | Method for accurately estimating underwater sound OFDM Doppler factor |
| CN107426120A (en) * | 2017-07-24 | 2017-12-01 | 哈尔滨工程大学 | A kind of underwater sound OFDM MFSK channel equalization methods based on least mean-square error |
| RU183781U1 (en) * | 2018-06-14 | 2018-10-02 | Публичное акционерное общество "Российский институт мощного радиостроения", Патентное бюро | DEVICE FOR DOPPLER FREQUENCY DEFINITION DETERMINATION DETERMINATION BY THE INFORMATION PHASOMANIPULATED SIGNAL BY APPROXIMATION OF PHASE DEFLECTION |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111366897A (en) * | 2020-04-02 | 2020-07-03 | 中国科学院深海科学与工程研究所 | Signal design and processing method for high-precision underwater sound positioning system |
| CN111366897B (en) * | 2020-04-02 | 2023-03-21 | 中国科学院深海科学与工程研究所 | Signal design and processing method for high-precision underwater sound positioning system |
| CN115987742A (en) * | 2023-03-20 | 2023-04-18 | 四川创智联恒科技有限公司 | Frequency domain Doppler frequency offset resistant extension method based on OFDM communication system |
| CN115987742B (en) * | 2023-03-20 | 2023-06-16 | 四川创智联恒科技有限公司 | OFDM communication system-based frequency domain Doppler frequency offset expansion resisting method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zheng et al. | Super-resolution delay-Doppler estimation for OFDM passive radar | |
| JP4551714B2 (en) | Orthogonal frequency division multiplexed signal processing method | |
| Baczyk et al. | Reconstruction of the reference signal in DVB-T-based passive radar | |
| CN101005475A (en) | Method and system for synchronizing time and frequency in orthogonal frequency division multiplex communication | |
| Perrine et al. | Doppler estimation and correction for shallow underwater acoustic communications | |
| WO2015135295A1 (en) | Method, device and system for detecting random access signal in interference environment | |
| CN110736977A (en) | integration signal generation method suitable for sonar detection | |
| RU2700005C1 (en) | Method of estimating channel parameters in broadband hydroacoustic communication and a device for realizing said channel | |
| Aparicio et al. | Asynchronous detection and identification of multiple users by multi-carrier modulated complementary set of sequences | |
| JP2012088279A (en) | Radar device and mobile target detecting method to be applied for radar device | |
| Chi et al. | Utilizing orthogonal coprime signals for improving broadband acoustic Doppler current profilers | |
| Li et al. | Cross power spectral density based beamforming for underwater acoustic communications | |
| Baldone et al. | Doppler estimation and correction for JANUS underwater communications | |
| Dokhanchi et al. | A half-duplex joint communications and sensing system using ZP-OFDM | |
| US7003415B2 (en) | Delay profile estimation apparatus and a correlating unit | |
| Kochańska et al. | Underwater acoustic communications in time-varying dispersive channels | |
| US8385438B1 (en) | System and method for adaptive synchronization | |
| CN111539323B (en) | Frequency estimation method and device for cyclic prefix linear frequency modulation signal | |
| CN110191079B (en) | Non-coherent combined capturing method and device | |
| Babich et al. | A simple method for TOA estimation in OFDM systems | |
| Socheleau | Cyclostationarity of communication signals in underwater acoustic channels | |
| CN115333912B (en) | Communication interference integrated signal design and processing method based on parameter modulation | |
| Rafique et al. | A novel frame design for integrated communication and sensing based on position modulation | |
| WO2019142150A1 (en) | Method for vehicle location estimation using orthogonal frequency-division multiplexing | |
| Unal et al. | Field experiments with doppler compensation in High-Frequency underwater acoustic communication system |