JP2006109279A - Underwater communication system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は超音波を伝送媒体とした水中通信方式に関し、特に浅海域における多重反射等の影響に対して、安定した通信を行うことが可能な水中通信方式及び水中通信システムに関する。 The present invention relates to an underwater communication system using ultrasonic waves as a transmission medium, and more particularly to an underwater communication system and an underwater communication system capable of performing stable communication against the influence of multiple reflections in a shallow sea area.
従来、海水中でのデジタルデータ通信では、超音波を伝送媒体とした通信システムが用いられている。海中では、送信側から受信側に直接到来する直接波の他に、海面や海底等に反射して到来する遅延波が存在する。特に浅海域では、音波の距離減衰も小さいため、大きなパワーを有する多数の遅延波が生じ、データの伝送エラーを生じさせる大きな原因となる。以下、従来技術の水中通信システムについて、図9〜図11を用いて説明する。 Conventionally, in digital data communication in seawater, a communication system using ultrasonic waves as a transmission medium has been used. In the sea, in addition to the direct wave that arrives directly from the transmission side to the reception side, there is a delayed wave that is reflected and arrives at the sea surface or the sea floor. Particularly in the shallow water area, since the distance attenuation of the sound wave is small, a large number of delayed waves having a large power are generated, which causes a data transmission error. Hereinafter, the underwater communication system of a prior art is demonstrated using FIGS. 9-11.
図9は、従来技術における水中局と水上局からなる水中通信システムでの超音波の伝搬を説明する図、図10は、従来技術における水中通信システムでの実験用送波音圧の振幅スペクトル例を示す図、図11は、従来技術における水中通信システムでの受信音圧の振幅スペクトル例を示す図である。 FIG. 9 is a diagram for explaining the propagation of ultrasonic waves in an underwater communication system composed of an underwater station and a surface station in the prior art, and FIG. 10 is an example of an amplitude spectrum of an experimental transmission sound pressure in the underwater communication system in the prior art. FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an amplitude spectrum of received sound pressure in an underwater communication system according to the related art.
図9において、水中局70で収集された海底地形データや物体探知データは、超音波の周波数帯域の変調信号に変換され、水中局70に備えられた送波器71から送信されて、水上局80の受波器81で受信される。受信された信号は水上局80でデジタル処理され、無線アンテナ82を介して、別の水上局や陸上の基地局に伝送される。受波器81で受信される超音波には、実線のパスRdに沿って、受波器81に直接到来する直接波の他、破線のパスRsのように海面1で反射して到来する遅延波、一点鎖線のパスRb1のように海底1で反射して到来する遅延波、二点鎖線のパスRb2のように海底2と海面1で反射して到来する遅延波等、多数の遅延波が存在する。これら遅延波は直接波に重畳して、受信信号の振幅や位相を変化させる、いわゆるマルチパス・フェージング環境を作り出すため、データの伝送エラーを生じさせる原因となる。
In FIG. 9, the seafloor topography data and object detection data collected by the
マルチパスの特性を表す例として、深さ5mの無響水槽内において実測したマルチパス・フェージング特性の計測例について説明する。実験では、深さ4mの位置に無指向性の送波用ハイドロホンを設置し、送波用ハイドロホンから水平距離6.6m隔てた位置に、無指向性の受波用ハイドロホンを設置した。図10は、送波用ハイドロホンから放射されたパルス音波の音圧振幅スペクトルであり、図11(a)〜図11(e)は、深さ66cmの位置から43mm間隔で計測した、受波用ハイドロホンにおける受信信号の音圧振幅スペクトルである。図10、図11(a)〜図11(e)から明らかなように、マルチパスの影響によって、受信位置では多数の不感領域(ヌル領域)が発生し、その発生状況も受信位置によって大きく変化することがわかる。このようなマルチパス・フェージング環境下においても安定した水中通信を可能とする技術の一例として、特許文献1に記載の「多重超音波による水中超音波伝送装置及び超音波伝送方法」が知られている。特許文献1に記載の技術では、海面反射に起因して発生する不感領域(ヌル領域)を、異なる周波数の搬送波を用いて補間することにより、データ受信の確実性を向上させる。
As an example representing multipath characteristics, a measurement example of multipath fading characteristics measured in an anechoic water tank having a depth of 5 m will be described. In the experiment, an omnidirectional transmission hydrophone was installed at a depth of 4 m, and an omnidirectional reception hydrophone was installed at a distance of 6.6 m from the transmission hydrophone. . FIG. 10 is a sound pressure amplitude spectrum of a pulsed sound wave radiated from a hydrophone for transmission. FIGS. 11A to 11E show received waves measured at intervals of 43 mm from a position of 66 cm in depth. It is a sound pressure amplitude spectrum of the received signal in the hydrophone. As is clear from FIGS. 10 and 11 (a) to 11 (e), a large number of insensitive areas (null areas) are generated at the reception position due to the influence of multipath, and the occurrence state varies greatly depending on the reception position. I understand that As an example of a technique that enables stable underwater communication even in such a multipath fading environment, “Underwater ultrasonic transmission apparatus and ultrasonic transmission method using multiple ultrasonic waves” described in
また、別の例として、特許文献2に記載の「水中通信方式」が知られている。特許文献2に記載の技術は、スタートパルス、データパルス、エンドパルスで構成された受信信号のFSK(Frequency Shift Keying)変調波を周波数分析し、この変調波の周波数帯域内にスタートパルスが存在しているかどうかを検出して、スタートパルスの存在が確認されると、検出した信号の時間的に分離した周波数分析結果を用いて、コード判定を行う。
As another example, an “underwater communication system” described in
一方、装置構成の複雑さを避け、通信の安定性をより向上させるためのデータフレーム同期方式が非特許文献1に記載されている。非特許文献1に記載の技術では、変調方式としてQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)変調に特化しており、送受信データを全てデジタルで扱い、送信データフレームのQPSK信号の先頭には、その同相成分と直交成分のそれぞれに、同期シンボルとしてバーカー符号が付加される。受信側では、直交検波後の複素受信信号の絶対値を求めることによって搬送波の位相誤差を除去し、その後バーカー符号の自己相関を利用して、同期点を検出している。これによって、位相同期ループやデジタル位相同期ループを必要とせず、装置構成の簡略化も図れるとしている。
On the other hand, Non-Patent
図9〜図11を用いて説明したように、特に浅海域では、音波の音速が遅いことと波長が短いことから、激しいマルチパス・フェージング環境が形成される。このフェージングによる音響伝搬路の周波数選択性は非常に細かく細分化され、多くの不感領域が形成される。また、不感領域の変化は水上局と水中局の位置関係に大きく依存する。このため、水中局や水上局が動揺したり移動したりすると、搬送波周波数が不感領域に含まれるような状態が頻繁に発生し、上述したような従来技術では、データを取得する以前に同期が取れず、通信の安定性を損なう可能性があった。 As described with reference to FIGS. 9 to 11, particularly in a shallow sea area, since the sound velocity of sound waves is slow and the wavelength is short, a severe multipath fading environment is formed. The frequency selectivity of the acoustic propagation path due to this fading is very finely divided, and many insensitive areas are formed. In addition, the change of the insensitive area largely depends on the positional relationship between the water station and the underwater station. For this reason, when the underwater station or the water station is shaken or moved, a state in which the carrier frequency is included in the insensitive area frequently occurs. In the conventional technology as described above, synchronization is performed before data is acquired. There was a possibility that the stability of communication could be lost.
また、非特許文献1に記載されているフレーム同期方式では、位相同期ループやデジタル位相同期ループを必要とせず、簡略な構成となっているものの、マッチドフィルタ処理の段階において、バーカー符号の2乗値による自己相関を利用しているため、バーカー符号本来の鋭い自己相関関数特性が活かされておらず、マルチパス・フェージング特性の変化に十分対応できない可能性があった。
The frame synchronization method described in
本発明の目的は、浅海域等におけるマルチパス・フェージング環境においても、安定した同期を実現し、安定して通信が可能な水中通信方式及び水中通信システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an underwater communication system and an underwater communication system that realizes stable synchronization and enables stable communication even in a multipath fading environment in a shallow sea area or the like.
本発明の水中通信方式は、QPSK変調を用いた水中通信方式であって、送信側では、QPSK送信データフレームの先頭の、QPSK信号の同相成分と直交成分のそれぞれに同一の同期シンボルを付加して送信し、受信側では、受信信号を直交検波し、直交検波後の同相成分と同期シンボルとの自己相関関数fと、直交検波後の直交成分と同期シンボルとの自己相関関数gとを求め、自己相関関数fの2乗と自己相関関数gの2乗とを加算して得られる時間関数sのピーク値Pの位置を同期点として検出して、フレーム同期をとる。同期シンボルとしては、バーカー符号又はM系列符号を用いる。 The underwater communication system of the present invention is an underwater communication system using QPSK modulation, and the transmitting side adds the same synchronization symbol to each of the in-phase component and the quadrature component of the QPSK signal at the head of the QPSK transmission data frame. On the receiving side, the received signal is quadrature-detected, and an autocorrelation function f between the in-phase component and the synchronization symbol after quadrature detection and an autocorrelation function g between the quadrature component and the synchronization symbol after quadrature detection are obtained. The position of the peak value P of the time function s obtained by adding the square of the autocorrelation function f and the square of the autocorrelation function g is detected as a synchronization point to establish frame synchronization. A Barker code or an M-sequence code is used as the synchronization symbol.
本発明の水中通信方式は、受信側では複数の受信チャンネルを具備しており、各チャンネルにおいてピーク値Pを検出し、各チャンネルのピーク値Pが最も大きいチャンネルにおける時間関数sのピーク値Pの位置を同期点として検出して、又は、時間関数sのピーク値Pと、ピーク値Pの時間を含む一定時間範囲内における時間関数sの平均値Mとの比P/Mを各チャンネルについて求め、比P/Mの値が最も大きいチャンネルにおける時間関数sのピーク値Pの位置を同期点として検出して、同期点で全チャンネルのフレーム同期をとる。 The underwater communication system of the present invention has a plurality of receiving channels on the receiving side, detects the peak value P in each channel, and determines the peak value P of the time function s in the channel having the largest peak value P in each channel. The position P is detected as a synchronization point, or the ratio P / M between the peak value P of the time function s and the average value M of the time function s within a certain time range including the time of the peak value P is obtained for each channel. The position of the peak value P of the time function s in the channel with the largest ratio P / M value is detected as a synchronization point, and frame synchronization of all channels is established at the synchronization point.
本発明の水中通信方式は、連続する2つの送信データフレームにおける同期点の時間間隔と、送信データフレームの送信間隔との差の絶対値が、予め定められた値より大きい場合に、該当のデータフレームについて送信側に再送要求する、又は、一つ目の送信データフレームの同期点と送信データフレームの送信間隔から、二つ目の送信データフレームの同期点を決定してフレーム同期をとる。 In the underwater communication system of the present invention, when the absolute value of the difference between the synchronization point time interval between two consecutive transmission data frames and the transmission interval of the transmission data frame is larger than a predetermined value, the corresponding data The frame is synchronized by requesting the frame to retransmit the frame, or by determining the synchronization point of the second transmission data frame from the synchronization point of the first transmission data frame and the transmission interval of the transmission data frame.
本発明の水中通信方式は、適応等化器を備え、適応等化器は1チャンネル又はマルチチャンネルの判定帰還形適応等化器とする。 The underwater communication system of the present invention includes an adaptive equalizer, and the adaptive equalizer is a one-channel or multi-channel decision feedback type adaptive equalizer.
以上のような方式によって、浅海域等における激しいマルチパス環境化においても、確実な同期が可能となり、安定した通信が可能となる。 With the above method, even in a severe multipath environment such as in shallow water, reliable synchronization is possible and stable communication is possible.
位相同期ループやデジタル位相同期ループを用いることなく、マルチパス・フェージング環境でも、簡単な構成の同期方式により、安定した同期を実現し、安定した通信が可能な水中通信方式及び水中通信システムを提供できる。 Provides an underwater communication system and an underwater communication system that realizes stable synchronization and stable communication even in a multipath fading environment without using a phase locked loop or a digital phase locked loop. it can.
本発明の実施例では、浅海域における激しいマルチパス・フェージング環境下でも、確実なフレーム同期方式を提供するという目的を、位相同期ループやデジタル位相同期ループを用いない簡単な構成により実現する。また、受波器のアレイ化に伴い、さらなる通信の安定化、特により確実なフレーム同期が可能な水中通信方式を実現する。以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
(実施例1)
図1は、本発明の水中通信方式の実施例における受信側での信号処理を説明するブロック図である。
In an embodiment of the present invention, the object of providing a reliable frame synchronization method even in a severe multipath fading environment in a shallow sea area is realized by a simple configuration that does not use a phase locked loop or a digital phase locked loop. In addition, with an array of receivers, an underwater communication system capable of further stabilization of communication, particularly more reliable frame synchronization, is realized. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Example 1
FIG. 1 is a block diagram for explaining signal processing on the receiving side in an embodiment of the underwater communication system of the present invention.
本発明の実施例による水中通信では、データ通信におけるデジタル変調方式としてQPSK変調を用いる。図1において、図示しない受波器で受信した変調信号は、図示しないプリアンプ、AGC回路、A/D変換器を経て、全てデジタル信号で処理される。デジタル信号に変換された受信信号は、1データフレーム長さ毎に相関演算部10に入力される。相関演算部10は、バンドパスフィルタ(BPF)11、直交検波部12の出力(同相成分)13Aが入力されるマッチドフィルタ14A、直交検波部12の出力13B(直交成分)が入力されるマッチドフィルタ14B、マッチドフィルタ14Aの出力(同相成分の自己相関結果)16Aが入力されその2乗値を求める2乗計算部15A、マッチドフィルタ14Bの出力(直交成分の自己相関結果)16Bが入力されその2乗値を求める2乗計算部15B、2乗計算部15Aの出力と2乗計算部15Bの出力との加算値を出力する加算器を含む。
In underwater communication according to an embodiment of the present invention, QPSK modulation is used as a digital modulation method in data communication. In FIG. 1, a modulated signal received by a receiver (not shown) is all processed as a digital signal through a preamplifier, an AGC circuit, and an A / D converter (not shown). The received signal converted into the digital signal is input to the
加算器の出力、即ち、相関演算部10の出力(相関性を示す時間関数)17は、同期点検出部20に入力される。同期点検出部20では、検出されたピーク値を参照して同期点を求め、この同期点をもとに制御信号30を介してスイッチ40をONの状態にし、予め定められたデータシンボル系列長の時間を経ると制御信号30を介してスイッチ40をOFFの状態にする。スイッチ40がONの状態になると、受信信号はQPSK復調部50へ伝送され、QPSKシンボルデータが出力される。次に、相関演算部10の動作について説明する。
The output of the adder, that is, the output (time function indicating the correlation) 17 of the
図2は、本発明の実施例におけるデータフレームの構成を説明する図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining the structure of a data frame in the embodiment of the present invention.
図2に示すように、送信側において形成されるデータフレーム100の構成は、データフレームの先頭に位置する同期シンボル系列101と、QPSKシンボルデータ系列102とからなる。同期シンボル系列101は、QPSK信号の同相成分Iと直交成分Qのそれぞれに、同じ同期シンボルを割り当てて作られている。このようなデータフレーム100が、送波器から送信され、音響伝搬路を経て受信され、更にデジタル化された後、相関演算部10に入力される。相関演算部10に入力された受信信号は、まずバンドパスフィルタ11で帯域制限され、直交検波部12に送られる。直交検波時における搬送波の位相誤差をφとすると、直交検波部12から復調される同相成分13AはIcosφとなり、直交検波部12から復調される直交成分13BはQsinφとなる。ここでデータフレーム100の同相成分Iと直交成分Qは等しいので、I=Qである。
As shown in FIG. 2, the configuration of the
次に、同相成分13Aと直交成分13Bはマッチドフィルタ14A、14Bにそれぞれ伝送され、データフレーム100で付加された同期シンボル系列101と自己相関演算が行われる。位相誤差のない場合の自己相関演算の結果を同相成分についてI’、直交成分についてQ’と書くと、位相誤差φがある場合には、自己相関演算の結果にも搬送波との位相誤差φが含まれており、同相成分の自己相関結果16AはI’cosφ、直交成分の自己相関結果16BはQ’sinφとなる。このままでは同期点の検出が困難であるが、I’=Q’であることから、2乗計算部15A、15Bにおいて、自己相関結果16A、16Bをそれぞれ2乗しその結果を加算することで、(I’cosφ)2+(Q’sinφ)2=(I’cosφ)2+(I’sinφ)2=(I’)2となり、同期点で高い相関性を示す時間関数17が得られる。
Next, the in-phase component 13A and the quadrature component 13B are transmitted to the matched
同期点検出部20では、時間関数17のピーク値Pを検出し、ピーク値Pの位置を同期点として、QPSK復調部50への入力がQPSKシンボルデータ系列102の先頭からになるように、スイッチ40をONの状態にする。なお、確実な同期には、符号サイドローブの小さな同期シンボル系列が望ましいので、同期シンボル系列101としては、バーカー符号やM系列符号を適用するのが好ましい。また、量子化誤差によって、同期点検出部20において求めた同期点においても搬送波の残留位相誤差が残る可能性があるため、QPSK復調部50の出力結果は図示しない適応等化器によって更に処理されることが望ましい。なお、適応等化器は、等化精度のよい判定帰還形適応等化器とするのが望ましい。以上のような構成によって、位相同期ループやデジタル位相同期ループを必要としない簡単な構成で、且つ確実なフレーム同期をとることができ、安定した通信を行うことができる。
(実施例2)
図3は、本発明の水中通信方式の他の実施例における受信側での信号処理を説明するブロック図である。
The
(Example 2)
FIG. 3 is a block diagram for explaining signal processing on the receiving side in another embodiment of the underwater communication system of the present invention.
図3において、図示しない受波器はアレイとなっており、異なるアレイ開口部から、Nチャンネル(Nは2以上の自然数)の受信信号が得られている。各チャンネルの受信信号は、1データフレーム長さ毎に各チャンネルに設けられた相関演算部10でそれぞれ処理され、各相関演算部10の出力は、同期点検出部21に入力される。同期点検出部21では、各相関演算部10からの情報に基づいて同期点が求められ、制御信号31を介して、各チャンネルに設けられたスイッチ40を全て同時にON、OFF制御する。スイッチ40によって通過した各チャンネルの受信信号は、各チャンネルに設けられたQPSK復調部50によって復調され、Nチャンネルの入力端を有するマルチチャンネル適応等化器60へ伝送され、マルチチャンネル適応等化器60によって、搬送波の残留位相誤差やマルチパス音響伝搬路のフェージング特性が補償され、誤りのない正しいQPSKシンボルデータが出力される。なお、マルチチャンネル適応等化器は、等化精度のよいマルチチャンネル判定帰還形適応等化器が望ましい。次に、同期点検出部21の同期点決定方法を図4、図5を用いて説明する。
In FIG. 3, the receiver not shown is an array, and N channel (N is a natural number of 2 or more) received signals are obtained from different array openings. The reception signal of each channel is processed by the
図4は、本発明の他の実施例における同期点検出部の同期点決定方法を示すフローチャート図である。 FIG. 4 is a flowchart showing a synchronization point determination method of the synchronization point detection unit in another embodiment of the present invention.
図3に示す同期点検出部21には、各チャンネルに設けられた相関演算部10によって得られる時間関数s1〜sNが送られてくる。同期点検出部21では、まず時間関数s1〜sNのそれぞれについてピーク値P1〜PNを求める。P1=max{s1}〜PN=max{sN}である。次に、ピーク値P1〜PNの中から最も大きいピーク値PK1=max{PK:k=1〜N}を求め、そのピーク値PK1をとるチャンネルK1の時間関数sK1を抽出する。次に、時間関数sK1のピーク値PK1の位置を同期点sn K1=argmax{sK1}として求める。送信間隔Lの送信データフレームが連続して送られており、2番目以降のデータフレームを受信している場合には、直前のデータフレームの同期点sn−1 K1と、今求めた同期点sn K1との時間間隔ΔT1=sn K1−sn−1 K1を求め、送信間隔Lと比較する。時間間隔ΔT1と送信間隔Lとの差の絶対値│L−ΔT1│が、予め定められた値X1以内にある時、即ち、│L−ΔT1│≦X1である時は同期点sn K1を採用し、│L−ΔT1│≦X1でない時は、L+sn−1 K1を同期点として採用する。また、│L−ΔT1│≦X1でない時は、sn K1=L+sn−1 K1を同期点として採用するか、図示しない再送要求処理部へ再送処理開始の信号を送る。なお、予め定められた値X1は、シンボルレートTと、マルチチャンネル適応等化器60で等化の対象とされるシンボル数Jとの積T・J以下の値とすればよい。このような方式で同期点を求めることによって、時間的、空間的に激しく変化する浅海域マルチパス・フェージング環境下においても、正しくフレーム同期がとれる確率が向上し、安定した水中通信が可能となる。
The synchronization
図5は、本発明の他の実施例における同期点検出部の他の同期点決定方法を示すフローチャート図である。 FIG. 5 is a flowchart showing another synchronization point determination method according to another embodiment of the present invention.
図3に示す同期点検出部21には、各チャンネルに設けられた相関演算部10によって得られる時間関数s1〜sNが送られてくる。同期点検出部21では、まず、各チャンネルの時間関数s1〜sN毎のピーク値P1〜PNをそれぞれ抽出する。P1=max{s1}〜PN=max{sN}である。次に、ピーク値P1〜PNの位置を含む、予め定められた範囲の時間関数s1〜sNの平均値M1〜MNの値を、各チャンネルについてそれぞれ計算する。M1=mean{s1}〜MN=mean{sN}である。求めたピーク値P1〜PN及び平均値M1〜MNを用い、各チャンネルについて、これらの比P1/M1〜PN/MNを求め、比P1/M1〜PN/MNの中から最も大きい比PK2/MK2=max{PK/MK:k=1〜N}をとるチャンネルK2の時間関数sK2を抽出して、時間関数sK2のピーク値PK2の位置を同期点sn K2=argmax{sK2}として求める。送信間隔Lの送信データフレームが連続して送られており、2番目以降のデータフレームを受信している場合には、直前のデータフレームの同期点sn−1 2Kと、今求めた同期点sn K2との時間間隔ΔT2=sn K2−sn−1 K2を求め、送信間隔Lと比較する。時間間隔ΔT2と送信間隔Lとの差の絶対値│L−ΔT2│が、予め定められた値X2以内にある時、即ち、│L−ΔT2│≦X2である時は同期点sn K2を採用する。また、│L−ΔT2│≦X2でない時は、sn K2=L+sn−1 K2を同期点として採用するか、図示しない再送要求処理部へ再送処理開始の信号を送る。なお、同期シンボル系列101には、バーカー符号やM系列符号を適用する。また、予め定められた範囲X2は、同期シンボル系列101のシンボル長をLsとして、ピーク値P1〜PNの各位値を中心に±Ls以上の範囲をとればよく、予め定められた値X2は、シンボルレートTと、マルチチャンネル適応等化器60で等化の対象とされるシンボル数Jとの積T・J以下の値とすればよい。以下、図5のフローチャートに基づく同期決定方式について、水深5mの無響水槽内で行った実験結果を、図6〜図8を用いて説明する。
The synchronization
図6は、本発明の実施例における実験用データフレームの構成を示す図であり、無響水槽内の水深4mの位置に置かれた、無指向性の送波用ハイドロホンから送信した、実験用データフレームの構成図である。 FIG. 6 is a diagram showing the structure of an experimental data frame in the embodiment of the present invention, and an experiment transmitted from an omnidirectional wave transmitting hydrophone placed at a depth of 4 m in an anechoic water tank. It is a block diagram of a data frame for use.
図6に示すように、実験用データフレーム110は、2つの連続したデータフレーム111を含むように構成した。データフレーム111は、図2に示したデータフレーム100と同じ構成となっており、13シンボル長の13ビットバーカー符号系列112と、1154シンボル長のデータシンボル系列113とから構成されており、連続するデータフレーム111の間には、3シンボル長のポーズを設けた。なお、搬送波の周波数は70kHz、シンボルレートは30000ボーとした。
As shown in FIG. 6, the
実験用データフレーム110を受信するための受波器は、5つの無指向性のハイドロホンからなる、CH1〜CH5までの5チャンネルの垂直アレイとし、各チャンネル間の間隔は搬送波の2波長分43mmとした。更に、垂直アレイをそのアレイ中心が水深75cm、送波用ハイドロホンとの水平距離5.8mの位置に垂直に配置した。
The receiver for receiving the
図7は、本発明の実施例の相関演算部により得られる時間関数の実験結果を示す特性図であり、垂直アレイの各チャンネル(水深の浅い方からCH1〜CH5とする)の受信信号波形を相関演算部10でそれぞれ処理することによって得た時間関数sCH1〜sCH5を示す。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the experimental results of the time function obtained by the correlation calculation unit of the embodiment of the present invention, and shows the received signal waveform of each channel of the vertical array (CH1 to CH5 from the shallower water depth). The time functions s CH1 to s CH5 obtained by processing in the
図8は、本発明の実施例における同期点比較の実験結果を示す特性表を示す図であり、2番目に送信されたデータフレーム111に着目して、比P1/M1〜P5/M5を時間関数sCH1〜sCH5から計算した同期点比較結果である。なお、予め定められた範囲X2は±100シンボル長とした。
FIG. 8 is a diagram showing a characteristic table showing the result of an experiment of synchronization point comparison in the embodiment of the present invention, and paying attention to the
受信チャンネル数が1つの場合、特に水面からのマルチパス成分によって搬送波成分が干渉し、不感領域に入ってしまうと、時間関数sCH3のような演算結果が得られる可能性が出てくる。この場合、時間関数sCH3のピーク値における時間を同期点としてしまうと、ピーク値を取る位置は同期シンボル系列側ではなくデータシンボル系列側にあり、同期が取れなくなってしまう。一方、水中における70kHzの搬送波の波長は約21.5mmであり、非常に短いので、受信位置を少しずらすことによって不感領域を避けることができるので、複数の受信アレイの使用により、確実に同期がとれる。 When the number of reception channels is one, especially when the carrier component interferes with the multipath component from the water surface and enters the insensitive region, there is a possibility that an operation result such as the time function s CH3 is obtained. In this case, if the time at the peak value of the time function s CH3 is set as the synchronization point, the position where the peak value is taken is on the data symbol sequence side, not on the synchronization symbol sequence side, and synchronization is not achieved. On the other hand, the wavelength of a carrier wave of 70 kHz in water is about 21.5 mm, which is very short, so that a dead area can be avoided by slightly shifting the reception position, so that the use of multiple reception arrays ensures synchronization. I can take it.
また、時間関数sCH1〜sCH5のピーク値のみの比較では、CH1とCH3でほとんど変わらないものの、図8に示す、比P1/M1〜P5/M5で比較することによって、符号サイドローブが小さく、鋭い自己相関関数を有するバーカー符号の特徴も利用でき、同期を取る基準とすべきチャンネルの決定が確実になされる。 Further, in the comparison of only the peak values of the time functions s CH1 to s CH5 , although there is almost no change between CH1 and CH3, by comparing with the ratios P 1 / M 1 to P 5 / M 5 shown in FIG. The characteristics of Barker codes with small side lobes and sharp autocorrelation functions can also be used to ensure the determination of the channel to be synchronized.
このように、マルチパス環境下においても、本同期点検出方式によって確実なフレーム同期が可能となることが実験的に確認された。 Thus, it was experimentally confirmed that reliable frame synchronization can be achieved by this synchronization point detection method even in a multipath environment.
以上のような構成により同期点を求めることによって、搬送波が不感領域に入ってしまう可能性を排除し、バーカー符号やM系列符号の自己相関関数の相関値だけでなく、低い符号サイドローブを有するという特徴も利用して同期点を求められる。従って、時間的、空間的に激しく変化する浅海域マルチパス・フェージング環境下においても、正しくフレーム同期がとれる確率が向上し、適応等化器によって搬送波の残留位相誤差も排除されるため、安定した水中通信が可能となる。 By obtaining the synchronization point with the above configuration, the possibility that the carrier wave enters the insensitive area is eliminated, and not only the correlation value of the autocorrelation function of the Barker code or the M-sequence code, but also a low code side lobe. Using this feature, the synchronization point can be obtained. Therefore, even in shallow sea multipath fading environments that change drastically in time and space, the probability of correct frame synchronization is improved, and the residual phase error of the carrier wave is eliminated by the adaptive equalizer. Underwater communication is possible.
QPSK変調を用いた本発明水中通信システムを纏めると次の通りである。 The underwater communication system of the present invention using QPSK modulation is summarized as follows.
本発明の水中通信システムでは、送信側では、QPSK送信データフレームの先頭の、QPSK信号の同相成分と直交成分のそれぞれに同一の同期シンボルを付加して送信し、受信側では、受信信号を直交検波し、直交検波後の同相成分と同期シンボルとの自己相関関数fと、直交検波後の直交成分と同期シンボルとの自己相関関数gとを求め、自己相関関数fの2乗と自己相関関数gの2乗とを加算して得られる時間関数sのピーク値Pの位置を同期点として検出して、フレーム同期をとる。同期シンボルには、バーカー符号又はM系列符号を用いる。 In the underwater communication system of the present invention, on the transmission side, the same synchronization symbol is added to each of the in-phase component and the quadrature component of the QPSK signal at the beginning of the QPSK transmission data frame, and transmission is performed on the reception side. The autocorrelation function f between the in-phase component and the synchronization symbol after detection and quadrature detection and the autocorrelation function g between the quadrature component and the synchronization symbol after quadrature detection are obtained, and the square of the autocorrelation function f and the autocorrelation function The position of the peak value P of the time function s obtained by adding the square of g is detected as a synchronization point, and frame synchronization is established. Barker code or M-sequence code is used for the synchronization symbol.
本発明の水中通信システムでは、受信側に複数の受信チャンネルを具備しており、各チャンネルにおいてピーク値Pを検出し、各チャンネルのピーク値Pが最も大きいチャンネルにおける時間関数sのピーク値Pの位置を同期点として検出して、又は、時間関数sのピーク値Pと、ピーク値Pの時間を含む一定時間範囲内における時間関数sの平均値Mとの比P/Mを各チャンネルについて求め、比P/Mの値が最も大きいチャンネルにおける時間関数sのピーク値Pの位置を同期点として検出して、同期点で全チャンネルのフレーム同期をとる。 In the underwater communication system of the present invention, the receiving side has a plurality of receiving channels, the peak value P is detected in each channel, and the peak value P of the time function s in the channel having the largest peak value P of each channel is detected. The position P is detected as a synchronization point, or the ratio P / M between the peak value P of the time function s and the average value M of the time function s within a certain time range including the time of the peak value P is obtained for each channel. The position of the peak value P of the time function s in the channel with the largest ratio P / M value is detected as a synchronization point, and frame synchronization of all channels is established at the synchronization point.
本発明の水中通信システムでは、連続する2つの送信データフレームにおける同期点の時間間隔と、送信データフレームの送信間隔との差の絶対値が、予め定められた値より大きい場合に、該当のデータフレームについて送信側に再送要求する、又は、一つ目の送信データフレームの同期点と送信データフレーム長から、二つ目の送信データフレームの同期点を決定してフレーム同期をとる。 In the underwater communication system of the present invention, when the absolute value of the difference between the synchronization point time interval between two consecutive transmission data frames and the transmission interval of the transmission data frame is larger than a predetermined value, the corresponding data The frame is synchronized by requesting the transmission side to retransmit the frame, or by determining the synchronization point of the second transmission data frame from the synchronization point of the first transmission data frame and the transmission data frame length.
本発明の水中通信システムでは、受信側に適応等化器を備え、適応等化器は1チャンネル又はマルチチャンネルの判定帰還形適応等化器としている。 In the underwater communication system of the present invention, an adaptive equalizer is provided on the receiving side, and the adaptive equalizer is a one-channel or multi-channel decision feedback type adaptive equalizer.
本発明の水中通信システムの代表的な効果は次の通りである。(1)位相同期ループやデジタル位相同期ループを必要としない簡単な構成で、同期シンボルの鋭い自己相関特性による確実な同期が可能となり、安定した通信を行なうことが可能となる。(2)激しく変化するマルチパス・フェージング環境化においても、正しい同期点が得られる確率が向上し、正確なデータの送受信が可能となる。(3)搬送波の残留位相誤差の影響を適応的に精度よく除去できるので、安定して正確な水中通信が可能となる。 Typical effects of the underwater communication system of the present invention are as follows. (1) With a simple configuration that does not require a phase-locked loop or a digital phase-locked loop, reliable synchronization can be achieved by the sharp autocorrelation characteristics of the synchronization symbols, and stable communication can be performed. (2) Even in a rapidly changing multipath fading environment, the probability that a correct synchronization point is obtained is improved, and accurate data transmission / reception becomes possible. (3) Since the influence of the residual phase error of the carrier wave can be adaptively and accurately removed, stable and accurate underwater communication is possible.
本発明の水中通信システムの構成の特徴は以下の通りである。 The characteristics of the configuration of the underwater communication system of the present invention are as follows.
(1)デジタル変調方式としてQPSK変調を用いる水中通信システムであって、受波器、前記受波器で受信された変調信号をデジタル信号に変換するA/D変換器、及び、前記デジタル信号が1データフレーム長さ毎に入力される相関演算部を含む複数の受信チャンネルと、前記各チャンネルの前記相関演算部の出力信号が入力される同期点検出部と、前記チャンネルのそれぞれに対応して設けられ前記チャンネルのそれぞれの前記A/D変換器の出力信号が入力されるスイッチ手段と、前記スイッチ手段のそれぞれに接続されるQPSK復調部と、前記各QPSK復調部の出力信号が入力されQPSKシンボルデータが出力されるマルチチャンネル適応等化器とを有し、前記同期点検出部において前記各相関演算部の出力信号に基づいて同期点が求められ、前記同期点検出部からの制御信号を介して、前記各チャンネルの前記スイッチ手段全てが同時にON、OFF制御され、前記各スイッチ手段を通過した前記各チャンネルの受信信号は、前記各チャンネルの前記QPSK復調部により復調され、前記マルチチャンネル適応等化器へ伝送され、前記マルチチャンネル適応等化器により、搬送波の残留位相誤差やマルチパス音響伝搬路のフェージング特性が補償され、QPSKシンボルデータが出力され、前記相関演算部のそれぞれは、前記相関演算部10に入力される受信信号を帯域制限するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの出力信号を直交検波し、同相成分及び直交成分を出力する直交検波部と、前記同相成分が入力され前記同相成分の自己相関結果を出力する第1のマッチドフィルタと、前記直交成分が入力され前記直交成分の自己相関結果を出力する第2のマッチドフィルタと、前記第1のマッチドフィルタの出力の2乗値を求める第1の2乗計算部と、前記第2のマッチドフィルタの出力の2乗値を求める第2の2乗計算部と、前記第1の2乗計算部の出力信と前記第2の2乗計算部の出力信との加算値を出力する加算器を含み、前記加算器の出力を前記相関演算部のそれぞれ出力信号とすることを特徴とする水中通信システム。 (1) An underwater communication system using QPSK modulation as a digital modulation method, wherein a receiver, an A / D converter that converts a modulation signal received by the receiver into a digital signal, and the digital signal Corresponding to each of a plurality of reception channels including a correlation calculation unit input every data frame length, a synchronization point detection unit to which an output signal of the correlation calculation unit of each channel is input, Switch means provided for receiving an output signal of the A / D converter for each of the channels; a QPSK demodulator connected to each of the switch means; and an output signal of each QPSK demodulator for receiving QPSK A multi-channel adaptive equalizer that outputs symbol data, and based on the output signal of each correlation calculation unit in the synchronization point detection unit Through the control signal from the synchronization point detection unit, all the switch means of each channel are simultaneously ON and OFF controlled, and the received signal of each channel that has passed through each switch means, Demodulated by the QPSK demodulator for each channel and transmitted to the multi-channel adaptive equalizer, and the multi-channel adaptive equalizer compensates for residual phase error of the carrier wave and fading characteristics of the multipath acoustic propagation path, QPSK symbol data is output, and each of the correlation calculation units quadrature-detects the band-pass filter for band-limiting the received signal input to the correlation calculation unit 10 and the output signal of the band-pass filter, A quadrature detection unit that outputs a quadrature component and the in-phase component are input and an autocorrelation result of the in-phase component is output. A first matched filter, a second matched filter that receives the quadrature component and outputs an autocorrelation result of the quadrature component, and a first square that obtains a square value of the output of the first matched filter A calculation unit; a second square calculation unit for obtaining a square value of the output of the second matched filter; an output signal of the first square calculation unit; and an output signal of the second square calculation unit. An underwater communication system comprising: an adder that outputs an addition value of the correlation calculation unit, wherein the output of the adder is an output signal of each of the correlation calculation units.
QPSK変調を用いた水中通信システムの送信側では、QPSK送信データフレームの先頭の、QPSK信号の同相成分と直交成分のそれぞれに同一の同期シンボルを付加して送信する。QPSK変調を用いた水中通信システムの受信側では、受信信号を直交検波し、前記直交検波後の同相成分と前記同期シンボルとの自己相関関数fと、前記直交検波後の直交成分と前記同期シンボルとの自己相関関数gとを求め、前記自己相関関数fの2乗と前記自己相関関数gの2乗とを加算して得られる時間関数sのピーク値Pの位置を同期点として検出して、フレーム同期をとる。 On the transmission side of the underwater communication system using QPSK modulation, the same synchronization symbol is added to each of the in-phase component and the quadrature component of the QPSK signal at the beginning of the QPSK transmission data frame and transmitted. On the receiving side of the underwater communication system using QPSK modulation, the received signal is quadrature-detected, the autocorrelation function f between the in-phase component after the quadrature detection and the synchronization symbol, the quadrature component after the quadrature detection and the synchronization symbol And the position of the peak value P of the time function s obtained by adding the square of the autocorrelation function f and the square of the autocorrelation function g is detected as a synchronization point. Take frame synchronization.
前記同期点検出部には、前記各チャンネルの相関演算部10の出力信号であり、相関性を示す時間関数が送られ、同期点検出部では、前記各チャンネル毎の前記時間関数のピーク値が抽出され、前記ピーク値の位置を含む予め定められた範囲の時間関数の平均値の値が、前記各チャンネルについてそれぞれ計算され、求められた前記ピーク値及び前記平均値を用いて、前記各チャンネルについて、前記平均値に対する前記ピーク値の比が求められ、前記比が最大である前記チャンネルの前記時間関数を抽出して、前記比が最大である前記チャンネルの前記時間関数の前記ピーク値の位置を同期点sn K2として求める。送信間隔Lの送信データフレームが連続して送られており、2番目以降のデータフレームを受信している場合には、直前のデータフレームの前記同期点sn−1 K2と、今回求めた前記同期点sn K2との時間間隔ΔT2が求められ、前記時間間隔ΔT2が前記送信間隔Lと比較され、│L−ΔT2│≦X2(X2:予め定められた値)である時は、同期点を今回求めた同期点sn K2とし、│L−ΔT2│≦X2でない時は、sn K2=L+sn−1 K2を同期点とするか、又は、再送要求処理部へ再送処理開始の信号を送る。値X2は、同期シンボルのシンボル長をLsとして、前記ピーク値の各位値を中心に±Ls以上の範囲とし、シンボルレートTと、マルチチャンネル適応等化器で等化の対象とされるシンボル数Jとの積T・J以下の値とする。
The sync point detection unit is an output signal of the
前記同期点検出部では、検出された前記ピーク値を参照して同期点を求め、この同期点をもとに制御信号を介して前記スイッチ手段をONの状態にし、予め定められたデータシンボルの系列長の時間を経過すると前記制御信号を介して前記スイッチ手段をOFFの状態にする。前記スイッチ手段がONの状態になると、受信信号はQPSK復調部へ伝送され、QPSKシンボルデータが出力される。 The synchronization point detection unit obtains a synchronization point with reference to the detected peak value, turns on the switch means via a control signal based on the synchronization point, and determines a predetermined data symbol. When the sequence length time elapses, the switch means is turned off via the control signal. When the switch means is turned on, the received signal is transmitted to the QPSK demodulator and QPSK symbol data is output.
(2)(1)の水中通信システムにおいて、前記同期シンボルは、バーカー符号又はM系列符号である。 (2) In the underwater communication system of (1), the synchronization symbol is a Barker code or an M-sequence code.
(3)(2)の水中通信システムにおいて、複数の前記受信チャンネルのそれぞれにおいて前記ピーク値を検出し、前記各チャンネルの前記ピーク値が最も大きいチャンネルにおける前記時間関数の、前記ピーク値の位置を同期点として検出して、前記同期点で全チャンネルのフレーム同期をとる。 (3) In the underwater communication system of (2), the peak value is detected in each of the plurality of reception channels, and the position of the peak value of the time function in the channel having the largest peak value of each channel is determined. Detection is performed as a synchronization point, and frame synchronization of all channels is performed at the synchronization point.
(4)(2)の水中通信システムにおいて、複数の前記受信チャンネルのそれぞれにおいて前記ピーク値を検出し、前記各チャンネルの前記時間関数のピーク値Pと、前記ピーク値の時間を含む一定時間範囲内における前記時間関数の平均値Mとの比P/Mを前記各チャンネルについて求め、前記比P/Mの値が最も大きい前記チャンネルにおける前記時間関数の、前記ピーク値Pの位置を同期点として検出して、前記同期点で全チャンネルのフレーム同期をとる。 (4) In the underwater communication system according to (2), the peak value is detected in each of the plurality of reception channels, and a certain time range including the peak value P of the time function of each channel and the time of the peak value A ratio P / M with respect to the average value M of the time function is obtained for each channel, and the position of the peak value P of the time function in the channel having the largest value of the ratio P / M is used as a synchronization point. Detection is performed, and frame synchronization of all channels is performed at the synchronization point.
(5)(2)の水中通信システムにおいて、連続する2つの前記送信データフレームにおける前記同期点の時間間隔と、前記送信データフレームの送信間隔との差の絶対値が、予め定められた値より大きい場合に、該当のデータフレームについて送信側に再送要求する。 (5) In the underwater communication system of (2), the absolute value of the difference between the time interval of the synchronization point in the two consecutive transmission data frames and the transmission interval of the transmission data frame is determined from a predetermined value. If it is larger, a retransmission request is made to the transmitting side for the corresponding data frame.
(6)(2)の水中通信システムにおいて、連続する2つの前記送信データフレームにおける前記同期点の時間間隔と、前記送信データフレームの送信間隔との差の絶対値が、予め定められた値より大きい場合に、一つ目の前記送信データフレームの同期点と前記送信間隔から、二つ目の前記送信データフレームの同期点を決定してフレーム同期をとる。 (6) In the underwater communication system of (2), the absolute value of the difference between the time interval of the synchronization point and the transmission interval of the transmission data frame in two consecutive transmission data frames is determined from a predetermined value. If larger, the synchronization point of the second transmission data frame is determined from the synchronization point of the first transmission data frame and the transmission interval, and frame synchronization is established.
マルチパス・フェージング環境でも、簡単な構成の同期方式により、安定した同期を実現し、安定した通信が可能な水中通信方式及び水中通信システムを提供できる。 Even in a multipath fading environment, it is possible to provide an underwater communication system and an underwater communication system that can achieve stable synchronization by using a synchronization method with a simple configuration.
10…相関演算部、11…バンドパスフィルタ、12…直交検波部、13A…直交検波後の同相成分、13B…直交検波後の直交成分、14A、14B…マッチドフィルタ、15A、15B…2乗計算部、16A…同相成分の自己相関結果、16B…直交成分の自己相関結果、17…相関性を示す時間関数、20、21…同期点検出部、30、31…制御信号、40…スイッチ、50…QPSK復調部、60…マルチチャンネル適応等化器、70…水中局、71…送波器、80…水上局、81…受波器、82…無線アンテナ、100、111…データフレーム、101…同期シンボル系列、102…QPSKシンボルデータ系列、110…実験用データフレーム、112…バーカー符号系列、113…データシンボル系列。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
8. The underwater communication system according to claim 7, wherein the adaptive equalizer is a one-channel or multi-channel decision feedback type adaptive equalizer.
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