RU2782244C1 - Receiver - Google Patents

Receiver Download PDF

Info

Publication number
RU2782244C1
RU2782244C1 RU2022112356A RU2022112356A RU2782244C1 RU 2782244 C1 RU2782244 C1 RU 2782244C1 RU 2022112356 A RU2022112356 A RU 2022112356A RU 2022112356 A RU2022112356 A RU 2022112356A RU 2782244 C1 RU2782244 C1 RU 2782244C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
receivers
fir filters
receiver
sound waves
delay spread
Prior art date
Application number
RU2022112356A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юсуке ФУДЗИНО
Хироюки ФУКУМОТО
Кадзунори АКАБАНЕ
Original Assignee
Ниппон Телеграф Энд Телефон Корпорейшн
Filing date
Publication date
Application filed by Ниппон Телеграф Энд Телефон Корпорейшн filed Critical Ниппон Телеграф Энд Телефон Корпорейшн
Application granted granted Critical
Publication of RU2782244C1 publication Critical patent/RU2782244C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: sound waves receiving technology.
SUBSTANCE: invention relates to a technology for receiving sound waves in water. The receiving device contains M receivers, M FIR filters, a combining device and a filter coefficient calculation unit. M FIR filters have a tap length shorter than the delay spread, i.e. possible range between the arrival time of the direct wave and the arrival time of the delayed wave from sound waves. M receivers are configured to receive signals based on sound waves propagating in water. The M FIR filters are configured to perform a waveform operation on the signals received by the receivers. The merging device is configured to combine the output signals of the M FIR filters. The filter coefficient calculation unit is configured to calculate the tap coefficient M of the FIR filters so as to reduce the error of the output signals
EFFECT: reducing the effect of waveform distortion caused by delay spread.
5 cl, 5 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

[0001] Настоящее изобретение относится к технологии приема звуковых волн в воде.[0001] The present invention relates to technology for receiving sound waves in water.

Уровень техникиState of the art

[0002] В воде (особенно в море) поглощение и затухание электромагнитных волн является очень большим. По этой причине, звуковые волны, как правило, используются в качестве несущих волн для беспроводной передачи. Однако, звуковые полны имеют очень медленную скорость распространения по сравнению с электромагнитными волнами. Следовательно, возможный диапазон времени задержки между задержавшимися волнами, которые поступают после отражения от морской поверхности, дна, подводной структуры или т.п., и прямыми волнами, которые поступают без отражения (далее в данном документе называется "разброс задержки"), является очень большим. Сильное искажение формы волны возникает, когда накладываются друг на друга сигналы с большими временами задержки. Кроме того, низкая скорость распространения увеличивает разницу доплеровских частот (далее в данном документе называется "доплеровским разбросом") между прямыми волнами и задержавшимися волнами вследствие влияния морских течений и волн. Поскольку разность фаз между прямой волной и задержанной волной изменяется, характер искажения формы волны (далее в данном документе называется "характеристикой пути распространения") изменяется со временем. Как величина разброса задержки, так и величина доплеровского разброса являются пропорциональными обратной величине скорости распространения. Соответственно, разброс задержки и доплеровский разброс звуковых волн, используемых в воде, примерно в 200000 раз больше разброса задержки и доплеровского разброса электромагнитных волн, используемых в воздухе в тех же условиях. По этой причине, для того, чтобы предоставлять возможность передачи информации с помощью звуковых волн, требуется непрерывная компенсация искажения формы волны, которое быстро изменяется со временем.[0002] In water (especially in the sea), the absorption and attenuation of electromagnetic waves is very large. For this reason, sound waves are typically used as carrier waves for wireless transmission. However, sound waves have a very slow propagation speed compared to electromagnetic waves. Therefore, the possible delay time range between delayed waves that arrive after reflection from the sea surface, bottom, underwater structure, or the like, and direct waves that arrive without reflection (hereinafter referred to as "delay spread") is very big. Severe waveform distortion occurs when signals with large delay times overlap. In addition, low propagation speed increases the Doppler frequency difference (hereinafter referred to as "Doppler spread") between direct waves and delayed waves due to the influence of sea currents and waves. Since the phase difference between the direct wave and the delayed wave changes, the waveform distortion pattern (hereinafter referred to as "propagation path characteristic") changes with time. Both the amount of delay spread and the amount of Doppler spread are proportional to the reciprocal of the propagation velocity. Accordingly, the delay spread and Doppler spread of sound waves used in water are about 200,000 times greater than the delay spread and Doppler spread of electromagnetic waves used in air under the same conditions. For this reason, in order to be able to transmit information using sound waves, continuous compensation of waveform distortion, which changes rapidly with time, is required.

[0003] В качестве способа для решения такой проблемы, присущей подводной акустической связи, был предложен способ адаптивной компенсации, который адаптивно вычисляет и использует КИХ-фильтр с обратной характеристикой для характеристики пути распространения между передатчиками и приемниками (например, NPL 1).[0003] As a method for solving such a problem inherent in underwater acoustic communications, an adaptive compensation method has been proposed that adaptively calculates and uses an inverse FIR filter to characterize the propagation path between transmitters and receivers (eg, NPL 1).

[0004] Фиг. 5 является схемой, показывающей конкретный пример приемного устройства 90, которое использует способ адаптивного выравнивания АЧХ, описанный в NPL 1. Приемное устройство 10 включает в себя приемник 901, блок 902 преобразования, фильтр 903 с конечной импульсной характеристикой (КИХ), блок 904 оценки символов и блок 905 вычисления коэффициента фильтра. Приемник 901 преобразует звуковые волны в воде в электрические сигналы. Блок 902 преобразования дискретизирует сигналы, принятые приемником 901. КИХ-фильтр 903 выполняет операцию с формой волны по дискретизированному сигналу. Блок 904 оценки символов оценивает переданные символы на основе сигнала, который прошел через КИХ-фильтр 903. Блок 905 вычисления коэффициента фильтра адаптивно вычисляет коэффициент отвода КИХ-фильтра 903, так что минимизируется ошибка между сигналом, проходящим через КИХ-фильтр 903, и расчетными символами. КИХ-фильтр 903 имеет длину отвода, которая является достаточно длинной, чтобы покрывать разброс задержки. Т.е., когда разброс задержки равен σ_T секунд, а частота дискретизации КИХ-фильтра 903 равна f_s Герц, количество отводов N_tap выражается выражением (1) ниже.[0004] FIG. 5 is a diagram showing a specific example of a receiver 90 that uses the adaptive equalization method described in NPL 1. The receiver 10 includes a receiver 901, a transform block 902, a finite impulse response (FIR) filter 903, a symbol estimator 904 and block 905 calculating the coefficient of the filter. The 901 receiver converts the sound waves in the water into electrical signals. Converter 902 samples the signals received by receiver 901. FIR filter 903 performs a waveform operation on the sampled signal. A symbol estimator 904 estimates the transmitted symbols based on the signal that has passed through the FIR filter 903. The filter coefficient calculator 905 adaptively calculates the tap gain of the FIR filter 903 so that the error between the signal passing through the FIR filter 903 and the estimated symbols is minimized. . The FIR filter 903 has a tap length that is long enough to cover the delay spread. That is, when the delay spread is σ_T seconds and the sampling rate of the FIR filter 903 is f_s Hertz, the number of taps N_tap is expressed by expression (1) below.

[0005] Мат. 1[0005] Mat. one

Figure 00000001
Figure 00000001

[0006] Конструкция из множества отводов N_tap описывается на страницах 33 и 80 NPL 1, описанной выше.[0006] The N_tap multi-tap design is described on pages 33 and 80 of NPL 1 described above.

[0007] Как описано выше, КИХ-фильтр 903, который охватывает интервал времени дольше разброса задержки, адаптивно оптимизируется. Эта оптимизация предоставляет возможность КИХ-фильтру 903 компенсировать искажение формы волны, создаваемое наложением прямой волны и задержанной волны. Т.е., возможно динамически конфигурировать выравнивающий фильтр, имеющий обратную характеристику для характеристики пути распространения. Такая обработка компенсирует сильное искажение формы волны, которое изменяется со временем.[0007] As described above, the FIR filter 903, which spans a time interval longer than the delay spread, is adaptively optimized. This optimization allows the FIR filter 903 to compensate for waveform distortion created by the superposition of the direct wave and the delayed wave. That is, it is possible to dynamically configure an equalization filter having an inverse characteristic for the propagation path characteristic. This processing compensates for the strong waveform distortion that changes over time.

[0008] Как описано в NPL 1, конфигурация, использующая множество приемников 901 и множество КИХ-фильтров 903, соединенных с приемниками 901, также была предложена. В этой конфигурации число отводов КИХ-фильтров 903 также проектируется, чтобы удовлетворять выражению (1) как в вышеописанной конфигурации. Каждый КИХ-фильтр 903 работает, чтобы компенсировать искажение формы волны, создаваемое между соответствующим передатчиком и приемником. Т.е., каждый КИХ-фильтр 903 работает таким образом, чтобы формировать компенсирующий фильтр с обратной характеристикой для характеристики пути распространения, и множество приемников 901 используются с целью получения эффекта разнесения.[0008] As described in NPL 1, a configuration using multiple receivers 901 and multiple FIR filters 903 coupled to receivers 901 has also been proposed. In this configuration, the number of taps of the FIR filters 903 is also designed to satisfy expression (1) as in the above configuration. Each FIR filter 903 operates to compensate for waveform distortion created between the respective transmitter and receiver. That is, each FIR filter 903 operates to form an inverse cancellation filter for propagation path response, and a plurality of receivers 901 are used to obtain a diversity effect.

Список библиографических ссылокList of bibliographic references

Непатентная литератураNon-Patent Literature

[0009] [NPL 1][0009] [NPL 1]

Hiroshi Ochi, "Research on Underwater High-Speed Acoustic Transmission of Digital Data Using Wideband Transducers", The University of Electro-Communications Doctoral thesis, март 2009Hiroshi Ochi, "Research on Underwater High-Speed Acoustic Transmission of Digital Data Using Wideband Transducers", The University of Electro-Communications Doctoral thesis, March 2009

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Техническая задачаTechnical task

[0010] В принципе, время, требуемое для оценки коэффициента фильтра, имеющего обратную характеристику для характеристики пути распространения, больше разброса задержки. С другой стороны, характеристика пути распространения изменяется со временем пропорционально обратной величине доплеровского разброса. Таким образом, когда доплеровский разброс и разброс задержки являются большими, характеристика пути распространения изменяется, в то время как коэффициент фильтра, имеющего обратную характеристику для характеристики пути распространения, оценивается. Компенсация искажения формы волны, следовательно, является трудно достижимой с помощью традиционного способа.[0010] In principle, the time required to estimate the coefficient of a filter having an inverse characteristic for the propagation path characteristic is larger than the delay spread. On the other hand, the propagation path characteristic changes with time in proportion to the reciprocal of the Doppler spread. Thus, when the Doppler spread and the delay spread are large, the propagation path characteristic is changed while the coefficient of a filter having an inverse characteristic of the propagation path characteristic is estimated. Compensation for waveform distortion is therefore difficult to achieve with the conventional method.

[0011] Величина доплеровского разброса пропорциональна частоте и скорости перемещения, которые используются. Следовательно, когда высокочастотный диапазон используется для высокоскоростной связи, или когда передатчик или приемник движется с высокой скоростью, трудно в достаточной степени компенсировать искажение формы волны с помощью традиционного способа. В результате, информация не может быть передана. По этой причине, скорость связи традиционных подводных акустических устройств была ограничена несколькими десятками кбит/с. Следовательно, было трудно выполнять связь с помощью подводных акустических устройств в высокоскоростном движущемся окружении.[0011] The amount of Doppler spread is proportional to the frequency and speed of movement that are used. Therefore, when the high frequency band is used for high-speed communication, or when the transmitter or receiver moves at high speed, it is difficult to sufficiently compensate for waveform distortion by the conventional method. As a result, information cannot be transmitted. For this reason, the communication speed of traditional underwater acoustic devices has been limited to a few tens of kbps. Therefore, it has been difficult to communicate with underwater acoustic devices in a high-speed moving environment.

[0012] С учетом вышеупомянутых обстоятельств целью настоящего изобретения является предоставление способа, который может снижать влияние искажения формы волны, вызванного разбросом задержки.[0012] In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a method that can reduce the effect of waveform distortion caused by delay spread.

Средство решения проблемыTroubleshooter

[0013] Один аспект настоящего изобретения является приемным устройством, включающим в себя: M приемников, сконфигурированных, чтобы принимать сигналы на основе звуковых волн, распространяющихся в воде; M КИХ-фильтров, сконфигурированных, чтобы выполнять операцию с формой волны по сигналам, принимаемым приемниками; объединяющее устройство, сконфигурированное, чтобы объединять выходные сигналы M КИХ-фильтров; и блок вычисления коэффициента фильтра, сконфигурированный, чтобы вычислять коэффициент отвода M КИХ-фильтров с тем, чтобы уменьшать ошибку выходных сигналов, объединенных посредством объединяющего устройства. M КИХ-фильтров имеют длину отвода, которая короче разброса задержки, т.е., возможного диапазона между временем прибытия прямой волны и временем прибытия задержанной волны из звуковых волн.[0013] One aspect of the present invention is a receiver including: M receivers configured to receive signals based on sound waves propagating in water; M FIR filters configured to perform a waveform operation on the signals received by the receivers; a combining device configured to combine the outputs of the M FIR filters; and a filter coefficient calculator configured to calculate a tap coefficient M of the FIR filters so as to reduce the error of the output signals combined by the combiner. The M FIR filters have a tap length that is shorter than the delay spread, i.e., the possible range between the time of arrival of the direct wave and the time of arrival of the delayed wave from the sound waves.

Преимущества изобретенияBenefits of the Invention

[0014] Настоящее изобретение может уменьшать влияние искажения формы волны, вызванного разбросом задержки.[0014] The present invention can reduce the effect of waveform distortion caused by delay spread.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

[0015] Фиг. 1 является схематичной блок-схемой, показывающей основные принципы функциональной конфигурации приемного устройства 10 настоящего изобретения.[0015] FIG. 1 is a schematic block diagram showing the basic principles of the functional configuration of the receiver 10 of the present invention.

Фиг. 2 является схемой, показывающей принцип работы приемного устройства 10.Fig. 2 is a diagram showing the operation principle of the receiver 10.

Фиг. 3 является таблицей, показывающей рабочие условия для моделирований традиционного приемного устройства и приемного устройства 10 настоящего варианта осуществления.Fig. 3 is a table showing the operating conditions for the simulations of the conventional receiver and the receiver 10 of the present embodiment.

Фиг. 4 является графиком, показывающим результаты моделирований, выполненных в рабочих условиях, показанных на фиг. 3.Fig. 4 is a graph showing the results of simulations performed under the operating conditions shown in FIG. 3.

Фиг. 5 является схемой, показывающей конкретный пример приемного устройства 90, которое использует способ адаптивного выравнивания АЧХ, описанный в NPL 1.Fig. 5 is a diagram showing a specific example of a receiver 90 that uses the adaptive frequency response equalization method described in NPL 1.

Подробное описание вариантов осуществленияDetailed description of embodiments

[0016] Обращаясь к чертежам, вариант осуществления приемного устройства настоящего изобретения теперь описывается подробно.[0016] Referring to the drawings, an embodiment of the receiver of the present invention is now described in detail.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Фиг. 1 является схематичной блок-схемой, показывающей основные принципы функциональной конфигурации приемного устройства 10 настоящего изобретения. Приемное устройство 10 настоящего изобретения включает в себя множество КИХ-фильтров 103, имеющих длину отвода, достаточно более короткую по сравнению с предполагаемым разбросом σ_T задержки. Длина отвода является значением, полученным умножением интервала времени дискретизации на число отводов. Поскольку КИХ-фильтры 103 имеют такую длину отвода, КИХ-фильтры 103 не могут формировать фильтры с обратной характеристикой искажения формы волны. Однако, приемное устройство 10 настоящего изобретения приспособлено для пространственного удаления задержанной волны, которая является коренной причиной искажения формы волны. Таким образом, возможно уменьшать влияние искажения формы волны, вызванного большим разбросом задержки. Подробности приемного устройства 10 настоящего изобретения теперь описываются.Fig. 1 is a schematic block diagram showing the basic principles of the functional configuration of the receiver 10 of the present invention. The receiver 10 of the present invention includes a plurality of FIR filters 103 having a tap length sufficiently short compared to the expected delay spread σ_T. The tap length is a value obtained by multiplying the sampling time interval by the number of taps. Since the FIR filters 103 have such a tap length, the FIR filters 103 cannot form filters with an inverse waveform distortion characteristic. However, the receiver 10 of the present invention is adapted to spatially remove the delayed wave, which is the root cause of waveform distortion. Thus, it is possible to reduce the effect of waveform distortion caused by a large delay spread. The details of the receiving device 10 of the present invention are now described.

[0017] Подробности[0017] Details

Приемное устройство 10 включает в себя M приемников 101 (101_1 по 101_M), M блоков 102 (102_1 по 102_M) преобразования, M КИХ-фильтров 103 (103_1 по 103_M), объединяющее устройство 104, блок 105 оценки символов и блок 106 вычисления коэффициента фильтра. M является целым числом больше или равным 2. Является желательным, чтобы одинаковое число приемников 101, блоков 102 преобразования и КИХ-фильтров 103 было предоставлено. В последующем описании, когда конфигурация, общая для M компонентов одинакового названия описывается, каждый компонент указывается без использования ссылки "_1", например. Например, приемник указывается как "приемник 101" вместо "приемник 101_1".The receiver 10 includes M receivers 101 (101_1 to 101_M), M transform units 102 (102_1 to 102_M), M FIR filters 103 (103_1 to 103_M), a combiner 104, a symbol estimator 105, and a filter coefficient calculator 106 . M is an integer greater than or equal to 2. It is desirable that the same number of receivers 101, transform units 102 and FIR filters 103 be provided. In the following description, when a configuration common to M components of the same name is described, each component is indicated without using the reference "_1", for example. For example, the receiver is listed as "receiver 101" instead of "receiver 101_1".

[0018] Приемник 101 принимает звуковые волны, распространяющиеся в воде, и преобразует принятые звуковые волны в электрические сигналы.[0018] The receiver 101 receives sound waves propagating in water and converts the received sound waves into electrical signals.

[0019] Блок 102 преобразования дискретизирует электрический сигнал, преобразованный приемником 101. В частности, это выполняется следующим образом. Блок 102 преобразования выполняет аналогово-цифровое преобразование по электрическому сигналу, преобразованному приемником 101. Затем, блок 102 преобразования выполняет частотное преобразование по цифровому сигналу, полученному посредством аналогово-цифрового преобразования. Другие конфигурации (модификации) могут быть использованы для блока 102 преобразования, и модификации будут описаны ниже.[0019] The conversion unit 102 samples the electrical signal converted by the receiver 101. In particular, this is done as follows. The conversion section 102 performs analog-to-digital conversion on the electrical signal converted by the receiver 101. Then, the conversion section 102 performs frequency conversion on the digital signal obtained by the analog-to-digital conversion. Other configurations (modifications) may be used for the conversion unit 102, and modifications will be described below.

[0020] КИХ-фильтр 103 выполняет операцию с формой волны по сигналу, дискретизированному посредством блока 102 преобразования. Число отводов КИХ-фильтра 103 задается так, что длина отвода может быть достаточно более короткой по сравнению с предполагаемым разбросом σ_T задержки. Т.е., число отводов КИХ-фильтра 103 задается на основе интервала времени дискретизации и предполагаемого разброса σ_T задержки.[0020] The FIR filter 103 performs a waveform operation on the signal sampled by the transform block 102 . The number of taps of the FIR filter 103 is set such that the tap length can be quite short compared to the expected delay spread σ_T. That is, the number of taps of the FIR filter 103 is set based on the sampling time interval and the estimated delay spread σ_T.

[0021] Объединяющее устройство 104 объединяет M сигналов, по которым операции с формой волны выполняются посредством КИХ-фильтров 103.[0021] The combiner 104 combines the M signals on which the waveform operations are performed by the FIR filters 103.

[0022] Блок 105 оценки символов оценивает символы, включенные в звуковые волны, которые распространились в воде, на основе сигналов, объединенных посредством объединяющего устройства 104. Другими словами, он оценивает символы, включенные в принятую звуковую волну во время, когда звуковая волна была отправлена.[0022] The symbol estimator 105 evaluates the symbols included in the sound waves that have propagated in the water based on the signals combined by the combiner 104. In other words, it evaluates the symbols included in the received sound wave at the time the sound wave was sent. .

[0023] Блок 106 вычисления коэффициента фильтра адаптивно вычисляет коэффициент отвода M КИХ-фильтров 103. Коэффициент отвода адаптивно вычисляется, так что ошибка минимизируется между символами, указанными посредством выходного сигнала объединяющего устройства 104, и символами, оцененными посредством блока 105 оценки символов.[0023] The filter coefficient calculator 106 adaptively calculates the tap coefficient M of the FIR filters 103. The tap coefficient is adaptively calculated such that an error is minimized between the symbols indicated by the output of the combiner 104 and the symbols estimated by the symbol estimator 105 .

[0024] Например, когда расстояние, которое является наибольшим среди расстояний между парами приемников 101, равно d [м], и скорость звука вводе равна c [м/с], число отводов Ntap каждого из КИХ-фильтров 103_1 по 103_M задается выражением 2 ниже. Поскольку d является наибольшим расстоянием среди расстояний между каждыми парами приемников 101, как описано выше, если все расстояния между каждыми парами приемников 101 являются единообразными, единообразное расстояние является значением d.[0024] For example, when the distance which is the largest among the distances between the pairs of receivers 101 is d [m], and the speed of sound input is c [m/s], the number of taps Ntap of each of the FIR filters 103_1 to 103_M is given by 2 below. Since d is the largest distance among the distances between each pair of receivers 101 as described above, if all distances between each pair of receivers 101 are uniform, the uniform distance is the value of d.

[0025] Мат. 2[0025] Mat. 2

Figure 00000002
Figure 00000002

[0026] Т.е., множество отводов проектируется так, что длина отвода является достаточно более короткой по сравнению с возможным диапазоном времени задержки между прямой волной и задержанной волной (разброс задержки) и более длинной по сравнению с разницей во времени прибытия между приемниками 101. Это число отводов может быть общим для всех M КИХ-фильтров 103. Длина, которая является "достаточно более короткой по сравнению с разбросом (σ_T) задержки", может быть, например, одной десятой разброса задержки или одной сотой разброса задержки. Например, длина отвода может быть определена как являющаяся достаточно более короткой по сравнению с разбросом задержки, когда она ближе к значению d/c, чем к медианному значению между разбросом задержки и значением d/c.[0026] That is, a plurality of taps is designed such that the tap length is sufficiently short compared to the possible delay time range between the forward wave and the delayed wave (delay spread) and longer than the arrival time difference between the receivers 101 This number of taps may be common to all M FIR filters 103. A length that is "sufficiently shorter than the delay spread (σ_T)" may be, for example, one tenth of the delay spread or one hundredth of the delay spread. For example, the tap length can be defined as being sufficiently short compared to the delay spread when it is closer to the d/c value than to the median between the delay spread and the d/c value.

[0027] Множество отводов теперь описывается подробно. В приемном устройстве 10 настоящего варианта осуществления множество приемных систем (сочетаний, каждое из которых включает в себя приемник 101, блок 102 преобразования и КИХ-фильтр 103) предоставляются. Длина отвода каждого КИХ-фильтра 103 задается в достаточной степени более короткой по сравнению с разбросом задержки, как описано выше. Блок 106 вычисления коэффициента фильтра адаптивно оптимизирует КИХ-фильтры 103 этих приемных систем. Поскольку длина отвода КИХ-фильтров 103_1 по 103_M является в достаточной степени более короткой по сравнению с разбросом задержки, эти фильтры не формируют фильтры с обратной характеристикой искажения формы волны. С другой стороны, приемное устройство 10 настоящего варианта осуществления использует подход с выравниванием АЧХ формы волны, который полностью отличается от традиционного подхода, и пространственно устраняет задержанную волну, которая является коренной причиной искажения формы волны.[0027] The plurality of taps are now described in detail. In the receiver 10 of the present embodiment, a plurality of receiver systems (combinations each including a receiver 101, a transform unit 102, and a FIR filter 103) are provided. The tap length of each FIR filter 103 is set sufficiently short compared to the delay spread as described above. The filter coefficient calculator 106 adaptively optimizes the FIR filters 103 of these receiver systems. Because the tap length of the FIR filters 103_1 to 103_M is sufficiently short compared to the delay spread, these filters do not form filters with an inverse waveform distortion characteristic. On the other hand, the receiver 10 of the present embodiment uses a waveform equalization approach, which is completely different from the conventional approach, and spatially eliminates the delayed wave, which is the root cause of waveform distortion.

[0028] Детали приведены ниже. Фиг. 2 является схемой, показывающей принцип работы приемного устройства 10. В примере на фиг. 2 предполагается, что передаваемый сигнал является импульсным сигналом, число приемников 101 равно двум (101_a и 101_b), и число задержанных волн равно одной, ради интуитивного понимания. Также, для удобства, описывается конфигурация, в которой дополнительный КИХ-фильтр 103_c подключается на последующей стадии объединяющего устройства 104. В этой конфигурации каждый из КИХ-фильтров 103_1 по 103_M делится на два КИХ-фильтра 103a и 103b и помещается на стадии, следующей за объединяющим устройством 104. Т.е., конфигурация, показанная на фиг. 2, может выполнять операцию, эквивалентную операции приемного устройства 10.[0028] Details are given below. Fig. 2 is a diagram showing the principle of operation of the receiving device 10. In the example of FIG. 2, it is assumed that the transmitted signal is a pulse signal, the number of receivers 101 is two (101_a and 101_b), and the number of delayed waves is one, for the sake of intuition. Also, for convenience, a configuration is described in which the additional FIR filter 103_c is connected in the subsequent stage of the combiner 104. In this configuration, each of the FIR filters 103_1 to 103_M is divided into two FIR filters 103a and 103b, and placed in the stage following the merging device 104. That is, the configuration shown in FIG. 2 can perform an operation equivalent to that of the receiver 10.

[0029] Как показано на фиг. 2, КИХ-фильтр 103_a и КИХ-фильтр 103_b на предыдущем этапе выполняют, в качестве операции с формой волны, сдвиг по времени и инверсию фазы, так что две задержанные волны имеют одинаковую временную точку и противоположные фазы. Эта операция с формой волны удаляет компонент задержанной волны в объединенных сигналах. В результате, только искажение формы волны, вызванное наложением прямых волн, принятых двумя приемниками 101_a и 101_b, остается. Затем, КИХ-фильтр 101_c на последующем этапе компенсирует искажение формы волны, вызванное наложением прямых волн. Выравнивание АЧХ формы волны завершается вышеописанной обработкой.[0029] As shown in FIG. 2, the FIR filter 103_a and the FIR filter 103_b in the previous step perform, as a waveform operation, a time shift and a phase inversion so that the two delayed waves have the same time point and opposite phases. This waveform operation removes the delayed wave component in the combined signals. As a result, only the waveform distortion caused by the superposition of the direct waves received by the two receivers 101_a and 101_b remains. Then, the FIR filter 101_c in a subsequent step compensates for waveform distortion caused by superposition of direct waves. The alignment of the frequency response of the waveform is completed by the above processing.

[0030] Среди приемников 101 разница между прямыми волнами во времени прибытия и разница между задержанными волнами во времени прибытия зависят только от расстояний передаваемых и принимаемых волн и, таким образом, являются значительно более короткими по сравнению с временной разницей между прямой волной и задержанной волной (разброс задержки). По существу, операция с формой волны, описанная со ссылкой на фиг. 2, может быть осуществлена с помощью КИХ-фильтра 103, имеющего очень короткую длину отвода. Дополнительно, среди приемников 101, разница во времени прибытия и разница фаз между прямыми волнами и разница во времени прибытия и разница фаз между задержанными волнами являются постоянными, пока направления прибытия прямых волн и задержанных волн не изменяются. Таким образом, они являются более стабильными по сравнению с временной разницей и разницей фаз между прямой волной и задержанной волной. По этой причине, в отличие от традиционного приемного устройства, которое оценивает обратную характеристику для пути распространения, которая зависит от временной разницы и разницы фаз между прямой волной и задержанной волной, выравнивание АЧХ формы волны может быть осуществлено в значительной степени устойчивым образом, даже когда путь распространения имеет большой доплеровский разброс.[0030] Among 101 receivers, the difference between direct waves in arrival time and the difference between delayed waves in arrival time depend only on the distances of transmitted and received waves and are thus much shorter compared to the time difference between direct wave and delayed wave ( delay spread). As such, the waveform operation described with reference to FIG. 2 can be implemented with a FIR filter 103 having a very short tap length. Additionally, among the receivers 101, the arrival time difference and phase difference between direct waves and the arrival time difference and phase difference between delayed waves are constant as long as the directions of arrival of direct waves and delayed waves do not change. Thus, they are more stable compared to the time difference and phase difference between the direct wave and the delayed wave. For this reason, unlike a conventional receiver which estimates the reciprocal response for the propagation path, which depends on the time difference and phase difference between the direct wave and the delayed wave, waveform equalization can be carried out in a largely stable manner even when the path propagation has a large Doppler spread.

[0031] Блок 106 вычисления коэффициента фильтра не должен использовать новую конфигурацию для выполнения операции, явно описанной со ссылкой на фиг. 2, и является достаточным, чтобы блок 106 вычисления коэффициента фильтра имел традиционную функцию блока вычисления коэффициента фильтра. Т.е., длина отвода КИХ-фильтра 103 намеренно задается достаточно более короткой по сравнению с разбросом задержки, а также более длинной по сравнению с разницей во времени прибытия между приемниками 101, приводя в результате к КИХ-фильтру 103, который выполняет операцию, описанную со ссылкой на фиг. 2. Причина состоит в том, что такая конфигурация может теоретически выполнять операцию, описанную со ссылкой на фиг. 2, и ошибка сигнала, выводимого посредством выполнения операции, минимизируется.[0031] The filter coefficient calculator 106 does not need to use the new configuration to perform the operation explicitly described with reference to FIG. 2, and it is sufficient that the filter coefficient calculator 106 has the traditional function of the filter coefficient calculator. That is, the tap length of the FIR filter 103 is deliberately set to be sufficiently short compared to the delay spread, and also long compared to the arrival time difference between the receivers 101, resulting in the FIR filter 103 which performs the operation, described with reference to FIG. 2. The reason is that such a configuration can theoretically perform the operation described with reference to FIG. 2, and the error of the signal output by performing the operation is minimized.

[0032] Как описано со ссылкой на фиг. 2, операция, эквивалентная операции для конфигурации на фиг. 1, может быть теоретически выполнена с помощью конфигурации, в которой КИХ-фильтр 103_c дополнительно подключается на последующей стадии объединяющего устройства 104. По существу, либо конфигурация на фиг. 1, либо конфигурация на фиг. 2 может быть использована. Однако, в каскадной конфигурации КИХ-фильтра 103, как показано на фиг. 2, характеристическая поверхность ошибки подразумевает функцию четвертого порядка, так что конфигурация имеет локальное минимальное решение. Следовательно, адаптивный алгоритм, такой как LMS или RLS может вызывать схождение к ошибочному коэффициенту фильтра. Это также описывается в следующей справочной литературе.[0032] As described with reference to FIG. 2, an operation equivalent to that of the configuration in FIG. 1 could theoretically be done with a configuration in which the FIR filter 103_c is further connected in a subsequent stage of the combiner 104. As such, either the configuration in FIG. 1 or the configuration in FIG. 2 can be used. However, in the cascaded configuration of the FIR filter 103, as shown in FIG. 2, the error characteristic surface implies a 4th order function so that the configuration has a local minimum solution. Therefore, an adaptive algorithm such as LMS or RLS may cause convergence to an erroneous filter coefficient. This is also described in the following reference literature.

[0033] Справочная литература: Kazunori Hayashi, Shinsuke Hara, "A Spatio-Temporal Equalization Method with Cascade Configuration of an Adaptive Antenna Array and a Decision Feedback Equalizer", The transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers. B, Vol.J85-B, No.6, pp.900-909[0033] References: Kazunori Hayashi, Shinsuke Hara, "A Spatio-Temporal Equalization Method with Cascade Configuration of an Adaptive Antenna Array and a Decision Feedback Equalizer", The transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers. B, Vol.J85-B, No.6, pp.900-909

[0034] По этой причине, на практике, желательно иметь конфигурацию, которая не подразумевает каскадное подключение КИХ-фильтра 103 на последующей стадии, как показано на фиг. 1. Каждый КИХ-фильтр 103 в конфигурации на фиг. 1 имеет функции КИХ-фильтра 103 на предыдущей стадии (103_a или 103_b) и КИХ-фильтра 103 на последующей стадии (103_c) на фиг. 2.[0034] For this reason, in practice, it is desirable to have a configuration that does not involve cascading the FIR filter 103 in a subsequent stage, as shown in FIG. 1. Each FIR filter 103 in the configuration of FIG. 1 has the functions of the FIR filter 103 in the previous stage (103_a or 103_b) and the FIR filter 103 in the subsequent stage (103_c) in FIG. 2.

[0035] Приемное устройство 10 настоящего варианта осуществления имеет способность удалять задержанные волны, которых на одну меньше по сравнению с M приемниками 101. По существу, натуральное число "M" для числа приемников 101 и КИХ-фильтров 103 (число приемных систем) предпочтительно является положительным целым больше числа задержанных волн, которые, как предполагаются, должны прибывать в приемники 101 (задержанные волны, которые должны быть обработаны для удаления).[0035] The receiver 10 of the present embodiment has the ability to remove delayed waves that are one less than the M receivers 101. As such, the natural number "M" for the number of receivers 101 and FIR filters 103 (the number of receiver systems) is preferably a positive integer greater than the number of delayed waves expected to arrive at the receivers 101 (delayed waves to be processed for removal).

[0036] Фиг. 3 является таблицей, показывающей рабочие условия для моделирований традиционного приемного устройства и приемного устройства 10 настоящего варианта осуществления. Фиг. 4 является графиком, показывающим результаты моделирований, выполненных в рабочих условиях, показанных на фиг. 3. В частности, фиг. 4 показывает частоту битовых ошибок после определения символа относительно скорости перемещения, в результате моделирований. Как очевидно из фиг. 4, при высокоскоростной связи 400 кбит/с (200 кбод, QPSK), традиционное приемное устройство не может обновлять фильтр во время, когда скорость перемещения превышает приблизительно 0,001 м/с, и частота битовых ошибок начинает дозволяться. Соответственно, невозможно следовать небольшим изменениям в пути распространения, таким как волны и приливно-отливные течения, указывающие, что связь трудно использовать на практике даже в неподвижном окружении. Напротив, приемное устройство 10 согласно настоящему варианту осуществления может поддерживать частоту битовых ошибок, равную 0,1% или менее даже в сверхвысокоскоростном движущемся окружении, превышающем 10 м/с. Результаты моделирования подсказывают, что традиционное приемное устройство имеет лучшие характеристики частоты битовых ошибок, когда скорость перемещения является очень низкой. Причина состоит в том, что традиционное приемное устройство может выполнять идеальное выравнивание АЧХ формы волны посредством компенсации с помощью фильтра, имеющего обратную характеристику для пути распространения, пока оно может обновлять фильтр своевременным образом.[0036] FIG. 3 is a table showing the operating conditions for the simulations of the conventional receiver and the receiver 10 of the present embodiment. Fig. 4 is a graph showing the results of simulations performed under the operating conditions shown in FIG. 3. In particular, FIG. 4 shows the bit error rate after character determination versus moving speed, as a result of the simulations. As is evident from FIG. 4, in 400 kbps (200 kbaud, QPSK) high-speed communication, the conventional receiver cannot update the filter at the time when the moving speed exceeds about 0.001 m/s, and the bit error rate starts to be allowed. Accordingly, it is impossible to follow small changes in the propagation path, such as waves and tidal currents, indicating that communication is difficult to use in practice even in a stationary environment. On the contrary, the receiver 10 according to the present embodiment can maintain a bit error rate of 0.1% or less even in an ultra-high-speed moving environment exceeding 10 m/s. The simulation results suggest that the conventional receiver has better bit error rate performance when the moving speed is very low. The reason is that a conventional receiver can perform perfect waveform equalization by compensating with a filter having an inverse propagation path response as long as it can update the filter in a timely manner.

[0037] Как описано выше, в приемном устройстве 10 настоящего варианта осуществления, длина отвода, достаточно более короткая по сравнению с разбросом задержки, используется в КИХ-фильтрах 103, подключенных к множеству приемников 101. Также, применяется конфигурация, в которой коэффициент фильтра для КИХ-фильтров 103 адаптивно оптимизируется. Такая конфигурация может пространственно удалять задержанную волну, которая является коренной причиной искажения формы волны. Пространственное удаление задержанной волны предоставляет возможность высокоскоростной связи в подводном высокоскоростном движущемся окружении.[0037] As described above, in the receiver 10 of the present embodiment, a tap length sufficiently short compared to the delay spread is used in FIR filters 103 connected to a plurality of receivers 101. Also, a configuration is applied in which a filter coefficient for The FIR filters 103 are adaptively optimized. Such a configuration can spatially remove the delayed wave, which is the root cause of waveform distortion. Spatial removal of the delayed wave enables high-speed communication in an underwater high-speed moving environment.

[0038] Модификации[0038] Modifications

В настоящем варианте осуществления блоки 102 преобразования могут быть сконфигурированы, чтобы выполнять только аналогово-цифровое преобразование. Блоки 102 преобразования могут быть сконфигурированы, чтобы выполнять преобразование частоты по аналоговому сигналу и затем выполнять аналогово-цифровое преобразование.In the present embodiment, conversion units 102 may be configured to perform only A/D conversion. Converters 102 may be configured to perform frequency conversion on an analog signal and then perform analog to digital conversion.

[0039] Физические интервалы M приемников 101 могут все быть равны или могут отличаться друг от друга.[0039] The physical intervals M of the receivers 101 may all be equal or may differ from each other.

[0040] Кроме того, может быть использована конфигурация, в которой фильтр обратной связи для удаления остаточной ошибки КИХ-фильтра (фильтра прямой связи), как описано в NPL 1, подключается на последующей стадии.[0040] In addition, a configuration can be used in which a feedback filter for removing the residual error of the FIR filter (feedforward filter) as described in NPL 1 is connected in a subsequent step.

[0041] Блок 105 оценки символов и блок 106 вычисления коэффициента фильтра приемного устройства 10 конфигурируются с помощью процессора, такого как CPU, и памяти. Блок 105 оценки символов и блок 106 вычисления коэффициента фильтра работают, когда процессор считывает и исполняет программу, сохраненную в запоминающем устройстве. Программа может быть записана на компьютерно-читаемом носителе записи. Компьютерно-читаемый носитель записи является долговременным носителем хранения, который может быть съемным носителем, таким как гибкий диск, магнитно-оптический диск, ROM, или CD-ROM, или запоминающим устройством и т.п., таким как жесткий диск, встроенный в компьютерную систему. Программа может быть передана по телекоммуникационной линии. Часть или все операции блока 105 оценки символов и блока 106 вычисления коэффициента фильтра могут быть реализованы в аппаратных средствах, включающих в себя электронную схему, использующую LSI, ASIK, PLD, FPGA или т.п.[0041] The symbol estimator 105 and the filter coefficient calculator 106 of the receiver 10 are configured with a processor such as a CPU and a memory. The symbol evaluator 105 and the filter coefficient calculator 106 operate when the processor reads and executes the program stored in the memory. The program may be recorded on a computer-readable recording medium. A computer-readable recording medium is a non-volatile storage medium, which may be a removable medium such as a floppy disk, magnetic optical disk, ROM, or CD-ROM, or a storage device, etc., such as a hard disk built into a computer system. The program may be transmitted over a telecommunications line. Some or all of the operations of the symbol estimator 105 and the filter coefficient calculator 106 may be implemented in hardware including an electronic circuit using an LSI, ASIK, PLD, FPGA, or the like.

[0042] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения описываются выше подробно со ссылкой на чертежи, но конкретные конфигурации не ограничиваются этими вариантами осуществления и включают в себя проекты и т.п. в диапазоне, который не отклоняется от сути настоящего изобретения.[0042] Some embodiments of the present invention are described above in detail with reference to the drawings, but specific configurations are not limited to these embodiments and include designs and the like. in a range that does not deviate from the essence of the present invention.

Промышленная применимостьIndustrial Applicability

[0043] Настоящее изобретение применимо к связи с помощью звуковых волн в воде.[0043] The present invention is applicable to communication using sound waves in water.

Список ссылочных знаковList of reference marks

[0044] 10 Приемное устройство[0044] 10 Receiver

101 Приемник101 receiver

102 Блок преобразования102 Conversion block

103 КИХ-фильтр103 FIR filter

104 Объединяющее устройство104 Uniting device

105 Блок оценки символов105 Symbol evaluation block

106 Блок вычисления коэффициента фильтра106 Filter coefficient calculation block

Claims (10)

1. Приемное устройство, содержащее:1. A receiving device, comprising: M приемников, сконфигурированных, чтобы принимать сигналы на основе звуковых волн, распространяющихся в воде;M receivers configured to receive signals based on sound waves propagating in water; M КИХ-фильтров, сконфигурированных, чтобы выполнять операцию с формой волны по сигналам, принятым посредством приемников;M FIR filters configured to perform a waveform operation on the signals received by the receivers; объединяющее устройство, сконфигурированное, чтобы объединять выходные сигналы M КИХ-фильтров; иa combining device configured to combine the outputs of the M FIR filters; and блок вычисления коэффициента фильтра, сконфигурированный, чтобы вычислять коэффициент отвода M КИХ-фильтров с тем, чтобы уменьшать ошибку выходных сигналов, объединенных посредством объединяющего устройства,a filter coefficient calculation unit configured to calculate the tap coefficient M of the FIR filters so as to reduce the error of the output signals combined by the combiner, при этом M КИХ-фильтров имеют длину отвода, которая короче разброса задержки, т.е., возможного диапазона между временем прибытия прямой волны и временем прибытия задержанной волны из звуковых волн.wherein the M FIR filters have a tap length that is shorter than the delay spread, i.e., the possible range between the time of arrival of the direct wave and the time of arrival of the delayed wave from the sound waves. 2. Приемное устройство по п. 1, при этом длина отвода дольше времени, полученного делением расстояния, которое является наибольшим среди расстояний между каждыми парами из M приемников, на скорость звука в воде.2. The receiver according to claim 1, wherein the length of the tap is longer than the time obtained by dividing the distance, which is the largest among the distances between each pair of M receivers, by the speed of sound in water. 3. Приемное устройство по п. 1 или 2, при этом значение M является положительным целым больше числа задержанных волн, которые должны быть обработаны.3. The receiving device according to claim 1 or 2, wherein the value of M is a positive integer greater than the number of delayed waves to be processed. 4. Приемное устройство по п. 1, дополнительно содержащее M блоков преобразования, сконфигурированных, чтобы преобразовывать звуковые волны, принятые приемниками, в цифровые сигналы.4. The receiver of claim 1, further comprising M conversion units configured to convert the sound waves received by the receivers into digital signals. 5. Приемное устройство по п. 4, при этом блоки преобразования конфигурируются, чтобы дополнительно выполнять частотное преобразование по сигналам звуковых волн.5. The receiver of claim 4, wherein the conversion units are configured to further perform frequency conversion on the sound wave signals.
RU2022112356A 2019-11-12 Receiver RU2782244C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2782244C1 true RU2782244C1 (en) 2022-10-25

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220393778A1 (en) * 2019-11-12 2022-12-08 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Receiving apparatus

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1244801A2 (en) * 1984-12-17 1986-07-15 Северо-Западный Заочный Политехнический Институт Telephone communication device for underwater swimmers
US4736431A (en) * 1986-10-23 1988-04-05 Nelson Industries, Inc. Active attenuation system with increased dynamic range
US5757931A (en) * 1994-06-15 1998-05-26 Sony Corporation Signal processing apparatus and acoustic reproducing apparatus
JP2001257627A (en) * 2000-03-13 2001-09-21 Kawasaki Steel Corp Wireless receiver
JP2002026780A (en) * 2000-06-20 2002-01-25 Samsung Electronics Co Ltd Method and device for adjusting length of filter tap for adaptive equalizer employing training sequence
RU57536U1 (en) * 2006-03-16 2006-10-10 Оао "Научно-Производственное Предприятие "Дальняя Связь" COMMUNICATION SYSTEM WITH UNDERWATER OBJECTS
RU2297641C1 (en) * 2005-11-21 2007-04-20 Вячеслав Адамович Заренков Radio hydro-acoustic device for remote disconnection of underwater product and for monitoring its position on sea surface

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1244801A2 (en) * 1984-12-17 1986-07-15 Северо-Западный Заочный Политехнический Институт Telephone communication device for underwater swimmers
US4736431A (en) * 1986-10-23 1988-04-05 Nelson Industries, Inc. Active attenuation system with increased dynamic range
US5757931A (en) * 1994-06-15 1998-05-26 Sony Corporation Signal processing apparatus and acoustic reproducing apparatus
JP2001257627A (en) * 2000-03-13 2001-09-21 Kawasaki Steel Corp Wireless receiver
JP2002026780A (en) * 2000-06-20 2002-01-25 Samsung Electronics Co Ltd Method and device for adjusting length of filter tap for adaptive equalizer employing training sequence
RU2297641C1 (en) * 2005-11-21 2007-04-20 Вячеслав Адамович Заренков Radio hydro-acoustic device for remote disconnection of underwater product and for monitoring its position on sea surface
RU57536U1 (en) * 2006-03-16 2006-10-10 Оао "Научно-Производственное Предприятие "Дальняя Связь" COMMUNICATION SYSTEM WITH UNDERWATER OBJECTS

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220393778A1 (en) * 2019-11-12 2022-12-08 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Receiving apparatus
US11888538B2 (en) * 2019-11-12 2024-01-30 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Receiving apparatus

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4038536A (en) Adaptive recursive least mean square error filter
Meng et al. Sparsity-aware affine projection adaptive algorithms for system identification
JP6714095B2 (en) Optical receiver, optical receiving method, and optical communication system
US7680266B2 (en) System and method for adaptive reduced-rank parameter estimation using an adaptive decimation and interpolation scheme
US8804794B2 (en) Adjustable latency transceiver processing
CN108574459B (en) Efficient time domain broadband beam forming circuit and method
JP2009206809A (en) Radio communication device, equalizer, equalizer weighting coefficient operation program, and equalizer weighting coefficient operation method
Kari et al. Robust adaptive algorithms for underwater acoustic channel estimation and their performance analysis
US11888538B2 (en) Receiving apparatus
RU2782244C1 (en) Receiver
Lin et al. High throughput concurrent lookahead adaptive decision feedback equaliser
KR100748642B1 (en) Interference signal cancellation method for mobile communication repeaters
US20240187113A1 (en) Receiving Apparatus
Sireesha et al. Adaptive filtering based on least mean square algorithm
Krysik et al. Reference channel equalization in FM passive radar using the constant magnitude algorithm
JP6783201B2 (en) Tap coefficient update method and judgment feedback type equalization circuit
Prasad et al. Implementation of Optimized Adaptive LMS Noise Cancellation System to Enhance Signal to Noise Ratio
US9419826B2 (en) Adaptive filtering method and system based on error sub-band
Ling Achievable performance and limiting factors of echo cancellation in wireless communications
Bhoyar et al. Implementation of adaptive filter for channel estimation
JP4324676B2 (en) Adaptive filter
Im et al. A pipelined adaptive NEXT canceller
Bhimavarapu An Efficient VLSI Architecture of Adaptive Filter for Noise Reduction and Echo Cancellation
Ali Implementation of a Least Mean Square (LMS) Algorithm for Adaptive Channel Equalization using HDL Coder
US20040053588A1 (en) Decision feedback equalizer with embedded coherent signal combiner