RU2809757C2 - Method for high-speed transmission and reception of information in hydroacoustic multibeam communication channel - Google Patents
Method for high-speed transmission and reception of information in hydroacoustic multibeam communication channel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809757C2 RU2809757C2 RU2021136181A RU2021136181A RU2809757C2 RU 2809757 C2 RU2809757 C2 RU 2809757C2 RU 2021136181 A RU2021136181 A RU 2021136181A RU 2021136181 A RU2021136181 A RU 2021136181A RU 2809757 C2 RU2809757 C2 RU 2809757C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- information
- impulse response
- pulses
- signal
- Prior art date
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 18
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 94
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 41
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 20
- 238000005311 autocorrelation function Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области передачи дискретной информации и предназначено для кодирования/декодирования приема и передачи информации в водной среде глубокого и мелкого моря.The invention relates to the field of discrete information transmission and is intended for encoding/decoding the reception and transmission of information in the aquatic environment of the deep and shallow seas.
Основные проблемы, возникающие при передачи сигналов информационных сообщений в гидроакустической среде связаны с частотным затуханием сигнала, искажением спектра, эффектами многолучевого искажения формы сигнала и рассеяния его энергии и межсимвольной интерференции.The main problems that arise when transmitting information message signals in a hydroacoustic environment are associated with frequency attenuation of the signal, spectrum distortion, the effects of multipath distortion of the signal shape and dissipation of its energy and intersymbol interference.
Эффекты частотного затухания с расстоянием приводят к уменьшению отношения сигнал - шум, эффекты же многолучевого распространения могут ухудшать и сделать невозможной расшифровку телеграмм даже и при больших отношениях сигнал-шум.The effects of frequency attenuation with distance lead to a decrease in the signal-to-noise ratio, while the effects of multipath propagation can degrade and make it impossible to decipher telegrams even at large signal-to-noise ratios.
Для решения этой проблемы необходимо уметь оценивать фактическую лучевую структуру сигнала - оценивать импульсную характеристику канала. Результирующий сигнал на приемном входе модема получается из исходного сверткой с импульсной характеристикой канала и искажением спектра пространственно-частотным затуханием сигнала в воде.To solve this problem, it is necessary to be able to estimate the actual beam structure of the signal - to estimate the impulse response of the channel. The resulting signal at the receiving input of the modem is obtained from the original one by convolution with the impulse response of the channel and distortion of the spectrum by spatial-frequency attenuation of the signal in water.
При известной форме импульсной характеристики канала возможно безошибочно восстановить переданное сообщение.With a known shape of the channel impulse response, it is possible to accurately reconstruct the transmitted message.
На текущий момент практически все способы оценки импульсной характеристики канала основаны на излучении наряду с информационными символами или сигналами также испытательных (или тестовых) сигналов, по которым и осуществляется восстановление формы импульсной характеристики канала. Такой принцип получил название «система с испытательным импульсом и предсказанием» (или СИИП) (см. например, [1], р.3.1). Этот же принцип используется и в [2] - [5].At the moment, almost all methods for estimating the channel impulse response are based on radiation, along with information symbols or signals, also test (or test) signals, from which the shape of the channel impulse response is restored. This principle is called a “system with a test pulse and prediction” (or SIIP) (see, for example, [1], p. 3.1). The same principle is used in [2] - [5].
Все указанные способы декодирования сообщений содержат функции оценивания импульсной характеристики канала. Варианты реализации таких алгоритмов приведены в [6, 7].All of these message decoding methods contain functions for estimating the channel impulse response. Options for implementing such algorithms are given in [6, 7].
Недостатком известных аналогов является неэффективное оценивание импульсной характеристики канала по серии (последовательности) испытательных импульсов. Оценивание импульсной характеристики канала по серии испытательных импульсов может производиться при передачи этих импульсов в промежутках между информационными импульсами (см., [1], рис. 3.1. на с. 108, [8], рис. 3.4 на с. 123 и [9], раздел 15.7.1, с. 1013), либо одновременно с информационными импульсами. В первом случае точность оценивания импульсной характеристики канала невысока в связи с малостью энергии последовательности испытательных импульсов, так как они передаются кратковременно, а основная часть времени занята передачей информационных импульсов, что делает невозможным учесть изменение импульсной характеристики канала во время передачи телеграммы и в итоге может привести к неработоспособности схемы при переменной во времени импульсной характеристики канала. Во втором случае при передаче всех импульсов в одной полосе частот испытательные импульсы будут представлять собой структурную помеху для информационных импульсов. Кроме того, фиксация диапазона частот, в котором передаются информационные импульсы, приводит к низкому качеству оценивания импульсной характеристики канала из-за эффекта межсимвольной интерференции, искажающей форму последовательности этих импульсов. В литературе предлагается решение, применение которого позволяет решить эту проблему с помощью «расширения спектра методом скачкообразной перестройки частоты» (см. [9], с. 998), однако ни одно из известных устройств оценивания импульсной характеристики канала при смене частотного диапазона при передаче каждого испытательного импульса не может выполнять свою функцию и производить устойчивую накопленную оценку импульсной характеристики канала.The disadvantage of the known analogues is the ineffective estimation of the channel impulse response from a series (sequence) of test pulses. Estimation of the channel impulse response from a series of test pulses can be carried out when these pulses are transmitted in the intervals between information pulses (see [1], Fig. 3.1 on p. 108, [8], Fig. 3.4 on p. 123 and [9 ], section 15.7.1, p. 1013), or simultaneously with information impulses. In the first case, the accuracy of estimating the impulse response of the channel is low due to the low energy of the sequence of test pulses, since they are transmitted for a short time, and the bulk of the time is occupied by the transmission of information pulses, which makes it impossible to take into account the change in the impulse response of the channel during the transmission of a telegram and can ultimately lead to to the inoperability of the circuit with a time-varying impulse response of the channel. In the second case, when all pulses are transmitted in one frequency band, the test pulses will represent structural interference for the information pulses. In addition, fixing the frequency range in which information pulses are transmitted leads to low quality estimation of the channel impulse response due to the effect of intersymbol interference, which distorts the shape of the sequence of these pulses. A solution is proposed in the literature, the use of which allows one to solve this problem using “spectrum expansion using the frequency hopping method” (see [9], p. 998), but none of the known devices for estimating the channel impulse response when changing the frequency range when transmitting each The test pulse cannot perform its function and produce a stable cumulative estimate of the channel impulse response.
Известные на сегодняшний день способы приема/декодирования сигналов связи работают с усеченной дискретной оценкой импульсной характеристики канала по отдельным лучам (по корреляционной ф-ии) и не используют ее как полную непрерывную функцию (не ограничивающуюся только лучами) и не используют ее очищенную дискретную оценку.Currently known methods for receiving/decoding communication signals work with a truncated discrete estimate of the channel impulse response for individual rays (based on the correlation function) and do not use it as a complete continuous function (not limited only to rays) and do not use its purified discrete estimate.
Это и есть недостаток аналогов, являющийся причиной низкого качества оценивания импульсной характеристики канала, и как следствие недостаточного качества связи или же его ограничения по расстоянию.This is the disadvantage of analogues, which is the reason for the low quality of estimation of the channel impulse response, and as a consequence of insufficient communication quality or its limitations in distance.
В качестве прототипа рассматривается способ для оценивания импульсной характеристики многолучевого канала связи, описанный в [9], рис. 15.24 на с. 1014. Блок схема прототипа приведена на рисунке 1. Алгоритм прототипа содержит соединенные последовательно блок извлечения настроечной последовательности, согласованный фильтр (СФ) и блок отсекающей функции. Фактически первый и третий из перечисленных компонент блок-схемы прототипа обязательными не являются. Так, блок извлечения является излишним, если имеется возможность разделения испытательных и информационных импульсов, например, по полосе частот (при их предполагаемой в заявляемом способе передаче именно в различных полосах частот), а блок отсекающей функции может быть исключен при соответствующей синхронизации работы всех компонент приемного устройства. Таким образом, прототип содержит согласованный с испытательным импульсом фильтр. При этом прототип на получение устойчивой накопленной импульсной характеристики канала по серии испытательных импульсов (тем более, при смене частотного диапазона при передаче каждого испытательного импульса) не рассчитан -нет блока накопления импульсной характеристики. Таким образом, недостаток прототипа - низкая точность оценивания импульсной характеристики канала.As a prototype, we consider a method for estimating the impulse response of a multipath communication channel, described in [9], Fig. 15.24 on p. 1014. The block diagram of the prototype is shown in Figure 1. The prototype algorithm contains a training sequence extraction block, a matched filter (MF) and a cutting function block connected in series. In fact, the first and third of the listed components of the prototype block diagram are not mandatory. Thus, the extraction block is redundant if it is possible to separate test and information pulses, for example, by frequency band (if they are supposed to be transmitted in different frequency bands in the proposed method), and the cutting function block can be eliminated with appropriate synchronization of the operation of all receiving components devices. Thus, the prototype contains a filter matched to the test pulse. At the same time, the prototype is not designed to obtain a stable accumulated impulse response of a channel from a series of test pulses (especially when changing the frequency range when transmitting each test pulse) - there is no impulse response accumulation unit. Thus, the disadvantage of the prototype is the low accuracy of estimating the channel impulse response.
Принцип действия прототипа состоит в следующем. Согласно определению, импульсная реакция линейной цепи (в данном случае - многолучевого канала) Н0(τ) - есть реакция этой цепи на δ - функцию (далее называем эту реакцию «импульсной характеристики канала в бесконечной полосе частот»).The operating principle of the prototype is as follows. According to the definition, the impulse response of a linear circuit (in this case, a multipath channel) H0(τ) is the response of this circuit to the δ - function (hereinafter we call this reaction the “impulse response of a channel in an infinite frequency band”).
В связи с тем, что передаваемые сигналы всегда характеризуются ограниченной шириной полосы частот, актуально рассмотрение дискретной модели многолучевого канала. Очевидно, что форма принимаемого сигнала не изменится, если последовательно, эквивалентным многолучевому каналу с импульсной характеристики канала H (τ) включить полосовой фильтр с прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой, пропускающий частоты в полосе сигнала, т.е. в диапазоне. Такая амплитудно-частотная характеристика совпадает со спектрами передаваемых сигналов (в том случае, если они являются широкополосными). Импульсная реакция полученной таким образом цепи (т.е. импульсной характеристики канала в рабочей полосе частот h(τ) - есть свертка импульсной характеристики канала во всей полосе частот Н(τ) с импульсной реакцией указанного полосового фильтра или, что фактически то же самое, как свертка импульсной характеристики канала с автокорреляционной функцией передаваемого сигнала.Due to the fact that transmitted signals are always characterized by a limited frequency bandwidth, it is important to consider a discrete model of a multipath channel. It is obvious that the shape of the received signal will not change if a band-pass filter with a rectangular amplitude-frequency characteristic that passes frequencies in the signal band is connected in series, equivalent to a multipath channel with the impulse response of the channel H (τ), i.e. in the range. This amplitude-frequency characteristic coincides with the spectra of the transmitted signals (if they are broadband). The impulse response of the circuit obtained in this way (i.e., the impulse response of the channel in the operating frequency band h(τ) is the convolution of the impulse response of the channel in the entire frequency band H(τ) with the impulse response of the specified bandpass filter or, which is actually the same thing, as a convolution of the channel impulse response with the autocorrelation function of the transmitted signal.
Форма принимаемого испытательного импульса z(n) вычисляется как свертка переданного испытательного импульса (например, импульс S(n)) с импульсной реакцией канала распространения Н (n) (см. [9], ф-ла 15.52 на с. 1014)The shape of the received test pulse z(n) is calculated as the convolution of the transmitted test pulse (for example, pulse S(n)) with the impulse response of the propagation channel H(n) (see [9], formula 15.52 on p. 1014)
где ⊗ - значок операции свертки; n - аргумент дискретного времени, означающий, что отсчет соответствующего сигнала взят в момент времени tn=n/ƒд, где ƒд - частота дискретизации.where ⊗ is the convolution operation icon; n is a discrete time argument, meaning that the sample of the corresponding signal is taken at the time t n =n/ƒ d , where ƒ d is the sampling frequency.
Тогда отклик у(n) СФ на сигнал (1) имеет вид (этот отклик есть свертка входного воздействия с импульсной реакцией этого фильтра, а последняя -есть сигнал, с которым согласован этот фильтр, «прочитанный» в обратном времени, т.е. сигнал вида S(M-n), М=ƒд⋅τ, τ - длительность импульса, ƒд - частота дискретизации)Then the response y(n) SF to signal (1) has the form (this response is a convolution of the input effect with the impulse response of this filter, and the latter is the signal with which this filter is matched, “read” in reverse time, i.e. signal of the form S(Mn), М=ƒ d ⋅τ, τ - pulse duration, ƒ d - sampling frequency)
где АКФ(n') - автокорреляционная функция сигнала S(n), n' - временной аргумент АКФ; соотношение (2) получено при подстановке в него z(n) из соотношения (1) и с учетом того, что по определению у(n) - есть оценка импульсной характеристики канала в полосе частот испытательного импульса S(n).where ACF(n') is the autocorrelation function of the signal S(n), n' is the time argument of the ACF; relation (2) was obtained by substituting z(n) into it from relation (1) and taking into account the fact that by definition, y(n) is an estimate of the channel impulse response in the frequency band of the test pulse S(n).
Таким образом, при реализуемой в прототипе согласованной фильтрации принимаемого сигнала формируется отклик, который с точностью до реализации аддитивного шума совпадает со сверткой функции Н(τ) с автокорреляционной функцией испытательного импульса; данный отклик - есть (по определению) оценка импульсной характеристики канала. Далее, если это не оговаривается особо, под импульсной характеристикой канала понимается импульсная характеристика канала в полосе частот соответствующего этой оценки импульса. При отсутствии блока пересчета оценки импульсной характеристики к одному диапазону частот это приводит к невозможности ее накопления.Thus, with the matched filtering of the received signal implemented in the prototype, a response is formed that, up to the implementation of additive noise, coincides with the convolution of the function H(τ) with the autocorrelation function of the test pulse; this response is (by definition) an estimate of the channel impulse response. Further, unless otherwise specified, the channel impulse response is understood as the channel impulse response in the frequency band corresponding to this impulse estimate. In the absence of a block for recalculating the impulse response estimate to one frequency range, this leads to the impossibility of its accumulation.
В итоге прототип обладает следующими недостатками по точности оценки импульсной характеристики канала: оценка ведется только по опорным, испытательным, импульсам и не производится на информационных импульсах, не используется накопление и уточнение оценки импульсной характеристики из-за отсутствия блоков трансформации оценки по частотному диапазону, не используется очищенная дискретная оценка и полная непрерывная оценка, включающая в себя произвольные искажения, а не только лучи.As a result, the prototype has the following disadvantages in terms of the accuracy of the estimation of the channel impulse response: the evaluation is carried out only on reference, test, pulses and is not performed on information impulses; accumulation and refinement of the impulse response estimate is not used due to the lack of estimation transformation blocks for the frequency range; it is not used a purified discrete estimate and a full continuous estimate that includes arbitrary distortions and not just rays.
Технический результат заявляемого изобретения состоит в повышении скорости передачи и улучшении приема информации за счет применения частотно-временной модуляции и повышения точности оценивания импульсной характеристики в гидроакустическом многолучевом канале связи при помощи оценивания импульсной характеристики канала на каждом шаге обработки непосредственно по информационным импульсам, а также одновременного использования оценки импульсной характеристики канала как полной непрерывной произвольной функции и дискретной очищенной оценки. Реализация оценки по всем информационным импульсам позволяет не вводить структурной помехи из испытательных импульсов, производить накопление импульсной характеристики канала на любых произвольных интервалах (а также как в рабочих полосах частот отдельных импульсов, так и во всей рабочей полосе за счет блоков трансформации) и получать точную оценку меняющейся во времени импульсной характеристики канала. Для реализации оценки по информационным импульсам в начале сигнала находится один или несколько опорных (тестовых) импульсов для детектирования начала приема и начальной оценки импульсной характеристики канала. Знание начальной импульсной характеристики канала позволяет затем производить ее дальнейшую оценку с накоплением.The technical result of the claimed invention is to increase the transmission speed and improve the reception of information through the use of time-frequency modulation and increasing the accuracy of estimating the impulse response in a hydroacoustic multi-beam communication channel by estimating the impulse response of the channel at each processing step directly from information pulses, as well as the simultaneous use channel impulse response estimates as a complete continuous arbitrary function and a discrete purified estimate. Implementation of the assessment for all information pulses makes it possible not to introduce structural noise from the test pulses, to accumulate the impulse response of the channel at any arbitrary intervals (as well as both in the operating frequency bands of individual pulses and in the entire operating band due to transformation blocks) and obtain an accurate assessment time-varying impulse response of the channel. To implement an assessment based on information pulses, at the beginning of the signal there are one or more reference (test) pulses to detect the start of reception and an initial estimate of the channel impulse response. Knowing the initial impulse response of the channel then allows its further evaluation with accumulation.
Указанный технический результат достигается способом высокоскоростной передачи и приема информации в гидроакустическом многолучевом канале связи, заключающимся в том, что при формировании результирующего сигнала для передачи осуществляется преобразование информации в информационные импульсы при помощи последовательно осуществляемых операций шифрования, кодирования, модуляции, предыскажения и фильтрации, при этом при формировании информационных импульсов в начале сигнала передают один или несколько опорных импульсов, а при приеме входной сигнал преобразуется в информацию последовательным применением операций формирования аналитического сигнала, осуществления операции его корреляции с опорными сигналами, согласованными с каналом передачи в заданной сетке доплеровских скоростей, полученными при помощи согласованной фильтрации, применением решающей функции и операции дешифрации, отличающийся тем, что по принятым опорным импульсам получают начальную импульсную характеристику канала, которая затем уточняется за счет оценивания ее на каждом шаге обработки непосредственно по информационным импульсам при осуществлении операций корреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания очищенной дискретной импульсной характеристики канала, и декорреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания полной непрерывной импульсной характеристики канала, с последующей их трансформацией, накоплением оценок дискретной и непрерывной импульсной характеристики канала и осуществлением согласованной фильтрации, образуя таким образом обратную связь с решающей функцией, соединенной с дешифратором.The specified technical result is achieved by a method of high-speed transmission and reception of information in a hydroacoustic multi-beam communication channel, which consists in the fact that when forming the resulting signal for transmission, information is converted into information pulses using sequential operations of encryption, encoding, modulation, pre-emphasis and filtering, while when generating information pulses, one or more reference pulses are transmitted at the beginning of the signal, and upon reception, the input signal is converted into information by sequentially applying the operations of generating an analytical signal, performing the operation of its correlation with the reference signals matched with the transmission channel in a given grid of Doppler velocities, obtained using coordinated filtering, the use of a decision function and a decryption operation, characterized in that the initial impulse response of the channel is obtained from the received reference pulses, which is then refined by estimating it at each processing step directly from information pulses when performing correlation operations of information pulses used to evaluate the cleared discrete impulse response of the channel, and decorrelation of information pulses used to estimate the full continuous impulse response of the channel, with their subsequent transformation, accumulation of estimates of the discrete and continuous impulse response of the channel and implementation of coordinated filtering, thus forming feedback with the decision function connected to the decoder.
Кроме того, указанный технический результат по заявленному способу достигается тем, что оценка очищенной дискретной и полной непрерывной импульсных характеристик канала связи по всем информационным и опорным импульсам осуществляется одновременная.In addition, the specified technical result according to the claimed method is achieved by the fact that the evaluation of the purified discrete and complete continuous pulse characteristics of the communication channel for all information and reference pulses is carried out simultaneously.
Помимо этого, указанный технический результат по заявленному способу достигается тем, что модуляция сигнала применяется в виде частотно-временная модуляция.In addition, the specified technical result according to the claimed method is achieved by the fact that signal modulation is used in the form of time-frequency modulation.
Кроме того, указанный технический результат по заявленному способу достигается тем, что осуществляется трансформация полученных оценок импульсной характеристики канала в одну и производится ее накопление.In addition, the specified technical result according to the claimed method is achieved by transforming the obtained estimates of the channel impulse response into one and accumulating it.
Использование одновременно дискретной и непрерывной оценки импульсной характеристики канала, через корреляцию и декорреляцию соответственно, позволяет получить выигрыш и точный результат как в случае хорошего отношения сигнал-шум, так в случае малых пороговых отношений сигнал-шум, а также при любой более сложной форме импульсной характеристики канала не описывающейся только набором лучей. А также за счет использования функции предыскажения улучшающей отношение сигнал-шум и как следствие и точность оценки импульсной характеристики.Using simultaneously discrete and continuous estimation of the channel impulse response, through correlation and decorrelation, respectively, allows one to obtain a gain and an accurate result both in the case of a good signal-to-noise ratio and in the case of low threshold signal-to-noise ratios, as well as with any more complex form of the impulse response channel not described only by a set of rays. And also through the use of the pre-emphasis function, which improves the signal-to-noise ratio and, as a result, the accuracy of impulse response estimation.
Скорость передачи увеличивается за счет одновременной модуляции сигналов как во времянной, так и в частотной области для всех импульсов в заданной сетке рабочих частот.The transmission speed is increased by simultaneous modulation of signals in both the time and frequency domains for all pulses in a given grid of operating frequencies.
Блок схема заявляемого способа приведена на Рисунке 2 и Рисунке 3 на отдельных листах.The block diagram of the proposed method is shown in Figure 2 and Figure 3 on separate sheets.
Блок-схема алгоритма тракта приема сигнала заявляемого объекта приведена на рисунке 2, где обозначены:The block diagram of the algorithm for the signal reception path of the proposed object is shown in Figure 2, where the following are indicated:
- 1 - функция формирования аналитического сигнала;- 1 - function of generating an analytical signal;
- 2 - опорные и информационные сигналы в доплеровских каналах;- 2 - reference and information signals in Doppler channels;
- 3 - функция согласованной фильтрации;- 3 - matched filtering function;
- 4 - функция согласованной фильтрации;- 4 - matched filtering function;
- 5 - опорные и информационные сигналы сигналы, согласованные с каналом, в доплеровских каналах;- 5 - reference and information signals, signals consistent with the channel, in Doppler channels;
- 6 - корреляторы;- 6 - correlators;
- 7 - решающая функция;- 7 - decisive function;
- 8 - корреляторы;- 8 - correlators;
- 9 - декорреляторы;- 9 - decorrelators;
- 10 - операция оценки дискретной импульсной характеристики канала;- 10 - operation of estimating the discrete impulse response of the channel;
- 11 - операция оценки непрерывной импульсной характеристики канала;- 11 - operation of estimating the continuous impulse response of the channel;
- 12 - функция трансформации оценки дискретной импульсной характеристики канала;- 12 - transformation function for estimating the discrete impulse response of the channel;
- 13 - функция трансформации оценки непрерывной импульсной характеристики канала;- 13 - transformation function for estimating the continuous impulse response of the channel;
- 14 - операция накопления оценки дискретной импульсной характеристики канала;- 14 - operation of accumulating estimates of the discrete impulse response of the channel;
- 15 - операция накопления оценки непрерывной импульсной характеристики канала;- 15 - operation of accumulating an estimate of the continuous impulse response of the channel;
- 16 - дешифратор;- 16 - decoder;
Функция формирования аналитического сигнала 1 формирует из входного сигнала аналитический сигнал через фильтр, функция 2 формирует библиотеку всех возможных информационных и опорных сигналов в сетке доплеровских каналов и сетке рабочих частот и подает их на функции согласованной фильтрации 3 и 4 с дискретной и непрерывной оценками импульсной характеристики канала соответственно, после согласованной фильтрации получается набор сигналов согласованный с каналом 5, который поступает на корреляторы 6 с аналитическим сигналом. Количество корреляторов совпадает с количеством всех возможных информационных и тестовых импульсов библиотеки сигналов канала связи, умноженному на используемое число доплеровских каналов, определяемое требуемым разрешением по частоте доплеровского смещения. В 6 формируется отклик согласованного фильтра на искаженный при распространении в многолучевом канале импульс Sm:Analytical signal generation function 1 generates an analytical signal from the input signal through a filter,
где AKФk(n') - автокорреляционная функция импульса Sk(n), АКФh(n) - автокорреляционная функция импульсной характеристики.where AKF k (n') is the autocorrelation function of the impulse S k (n), AKFh(n) is the autocorrelation function of the impulse response.
Выход коррелятора соединен с решающей функцией 7 которая по результатам корреляции принимает решение о коде сигнала и доплеровском канале, затем начинается линия обратной связи, в которой выход решающего устройства соединен одновременно с коррелятором 8 и декоррелятором 9, осуществляющих корреляцию и декорреляцию соответственно аналитического сигнала с выбранным решающим устройством опорным импульсом в выбранном доплеровском канале.The output of the correlator is connected to the decision function 7, which, based on the correlation results, makes a decision on the signal code and the Doppler channel, then a feedback line begins in which the output of the decision device is connected simultaneously to the correlator 8 and the decorrelator 9, which perform correlation and decorrelation, respectively, of the analytical signal with the selected decision device with a reference pulse in the selected Doppler channel.
Т.е. на выходе коррелятора 8 формируется отклик согласованного фильтра на искаженный при распространении в многолучевом канале импульс S1(n) определенный решающей функцией:Those. At the output of correlator 8, the response of the matched filter to the pulse S 1 (n) distorted when propagating in a multipath channel is determined by the decision function:
где АКФ1(n') - АКФ импульса S1(n).where ACF 1 (n') is the ACF of pulse S 1 (n).
8 и 9 соединены с функциями 10 и 11 оценки дискретной и непрерывной импульсной характеристики канала соответственно, а те в свою очередь соединены с функциями трансформации 12 и 13, осуществляющими приведение оценок импульсной характеристики полученной в разных частотных диапазонах к одному диапазону. Функции трансформации соединены с операциями накопления импульсной характеристики 14 и 15, в которых производится накопление и усреднение импульсных характеристик, которые затем идут на функции согласованной фильтрации 3 и 4. Выход решающей функции 7 соединен с дешифратором 16 который выдает расшифрованную информацию.8 and 9 are connected to functions 10 and 11 for estimating the discrete and continuous channel impulse response, respectively, and they in turn are connected to transformation functions 12 and 13, which bring estimates of the impulse response obtained in different frequency ranges to one range. The transformation functions are connected to the impulse response accumulation operations 14 and 15, in which the impulse responses are accumulated and averaged, which then go to the matched
Принцип работы заявляемого способа состоит в следующем. При приходе информационных импульсов производится оценка импульсной характеристики канала непосредственно по этим импульсам, при этом оценка импульсной характеристики канала производится одновременно как произвольной непрерывной функции через декорреляцию, так и как дискретная очищенная оценка через корреляционную функцию. Функция трансформации позволяет привести все оценки импульсной характеристики канала к общему рабочему диапазону частот. Бегущее по времени накопление импульсной характеристики канала позволяет сформировать устойчивую оценку. Использование свертки оценки импульсной характеристики канала с информационными импульсами позволяет вторичному коррелятору сформировать оценки для решающего устройства.The operating principle of the proposed method is as follows. When information pulses arrive, the channel impulse response is estimated directly from these pulses, while the channel impulse response is estimated simultaneously as an arbitrary continuous function through decorrelation, and as a discrete purified estimate through the correlation function. The transformation function allows you to bring all estimates of the channel impulse response to the general operating frequency range. The accumulation of the channel impulse response running over time allows one to form a stable estimate. The use of convolution of the channel impulse response estimate with information pulses allows the secondary correlator to generate estimates for the solver.
Блок-схема алгоритма тракта формирования сигнала заявляемого объекта приведена на рисунке 3, где обозначены:The block diagram of the signal generation path algorithm of the proposed object is shown in Figure 3, where the following are indicated:
- 1 - функция шифрования;- 1 - encryption function;
- 2 - операция кодирования;- 2 - encoding operation;
- 3 - функция времянной модуляция;- 3 - time modulation function;
- 4 - функция частотной модуляция;- 4 - frequency modulation function;
- 5 - функция предыскажения;- 5 - pre-emphasis function;
- 6 - функция фильтрации;- 6 - filtering function;
Вводимая информация зашифровывается в функции шифрования 1, затем кодируется в 2, и в соответствии с кодовой последовательностью производится времянная и частотная модуляция в функциях 3 и 4. В 5 выполняется функция предыскажения сигнала, компенсирующая неравномерности амплитудно-частотной характеристики передающего тракта, и при необходимости пространственное частотное затухание сигнала при распространении до планируемой точки передачи по дальности, затем сигнал передается на функцию фильтрации 6 в рабочем диапазоне, выход этого блока является выходом тракта формирования.The input information is encrypted in encryption function 1, then encoded in 2, and in accordance with the code sequence, time and frequency modulation is performed in
Таким образом высокоскоростная передача информации в гидроакустическом многолучевом канале связи обеспечивается способом, заключающийся в том, что при формировании результирующего сигнала для передачи осуществляется преобразование информации в информационные импульсы при помощи последовательно осуществляемых операций шифрования, кодирования, модуляции, предыскажения и фильтрации. Положительный эффект по скорости достигается за счет использования гибридной частотно-времянной модуляции.Thus, high-speed transmission of information in a hydroacoustic multi-beam communication channel is ensured by a method consisting in the fact that when forming the resulting signal for transmission, information is converted into information pulses using sequential operations of encryption, encoding, modulation, pre-emphasis and filtering. A positive speed effect is achieved through the use of hybrid time-frequency modulation.
Улучшение приема информации в гидроакустическом многолучевом канале связи обеспечивается способом, заключающийся в том, что при формировании информационных импульсов в начале сигнала передают один или несколько опорных импульсов, а при приеме входной сигнал преобразуется в информацию последовательным применением операций формирования аналитического сигнала, осуществления операции его корреляции с опорными сигналами, согласованными с каналом передачи в заданной сетке доплеровских скоростей, полученными при помощи согласованной фильтрации, применением решающей функции и операции дешифрации. Улучшение приема информации в гидроакустическом многолучевом канале связи достигается тем, что по принятым опорным импульсам получают начальную импульсную характеристику приемного канала, которая затем уточняется за счет оценивания ее на каждом шаге обработки непосредственно по информационным импульсам при осуществлении операций корреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания очищенной дискретной импульсной характеристики канала, и декорреляции информационных импульсов, применяемой для оценивания полной непрерывной импульсной характеристики канала, с последующей их трансформацией, накоплением оценок дискретной и непрерывной импульсной характеристик канала и осуществлением согласованной фильтрации, образуя таким образом обратную связь с решающей функцией, соединенной с дешифратором. Увеличение точности оценки импульсной характеристики канала достигается за счет одновременного использования очищенной дискретной и полной непрерывной оценки импульсной характеристики канала, оцениваемой через корреляционную функцию и декоррелятор и ее накопления по времени бегущим окном, при циклическом изменении частотных диапазонов. Последнее предотвращает негативное воздействие межсимвольной интерференции на точность оценивания ИРК. Использование функции предыскажения увеличивает отношение сигнал-шум и как следствие улучшает оценку импульсной характеристики. Оценка импульсной характеристики канала непосредственно по информационным импульсам позволяет оценивать переменную по времени импульсную характеристику канала, а использование двух вариантов оценок получать устойчивое декодирование как при больших так и при малых отношениях сигнал-шум, а также в случае когда импульсная характеристика канала имеет сложную структуру, не описываемую набором отдельных лучей.Improving the reception of information in a hydroacoustic multi-beam communication channel is ensured by a method consisting in the fact that when information pulses are formed, one or more reference pulses are transmitted at the beginning of the signal, and upon reception, the input signal is converted into information by sequentially applying the operations of generating an analytical signal, performing the operation of its correlation with reference signals matched to the transmission channel in a given Doppler velocity grid, obtained using matched filtering, the use of a decision function and decoding operation. Improving the reception of information in a hydroacoustic multi-beam communication channel is achieved by using the received reference pulses to obtain the initial impulse response of the receiving channel, which is then refined by estimating it at each processing step directly from information pulses when performing correlation operations of information pulses used to estimate the purified discrete impulse response of the channel, and decorrelation of information pulses, used to estimate the full continuous impulse response of the channel, with their subsequent transformation, accumulation of estimates of discrete and continuous impulse responses of the channel and implementation of coordinated filtering, thus forming feedback with the decision function connected to the decoder. An increase in the accuracy of the channel impulse response estimate is achieved through the simultaneous use of a purified discrete and full continuous estimate of the channel impulse response, estimated through the correlation function and decorrelator and its accumulation over time by a running window, with cyclic changes in frequency ranges. The latter prevents the negative impact of intersymbol interference on the accuracy of CRF estimation. Using the pre-emphasis function increases the signal-to-noise ratio and, as a result, improves the impulse response estimate. Estimating the impulse response of a channel directly from information pulses makes it possible to estimate the time-varying impulse response of the channel, and using two estimation options to obtain stable decoding for both large and small signal-to-noise ratios, as well as in the case when the impulse response of the channel has a complex structure, does not described by a set of individual rays.
Литература.Literature.
1. Кловский Д.Д,. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. М.: Связь. 1969.1. Klovsky D.D. Transmission of discrete messages via radio channels. M.: Communication. 1969.
2. Устройство приема дискретных сигналов в многолучевом канале связи. Пат. РФ №2048701.2. Device for receiving discrete signals in a multipath communication channel. Pat. RF No. 2048701.
3. Цифровое устройство для демодуляции дискретных сигналов в многолучевом канале связи. Пат. РФ №2267230.3. Digital device for demodulation of discrete signals in a multipath communication channel. Pat. RF No. 2267230.
4. Устройство для передачи дискретных сигналов в многолучевом канале связи. Пат. РФ №959291.4. Device for transmitting discrete signals in a multipath communication channel. Pat. RF No. 959291.
5. Устройство для демодуляции двоичных сигналов. Авт.св. СССР №794767.5. Device for demodulating binary signals. Auto St. USSR No. 794767.
6. Устройство для измерения импульсной реакции. Авт.св. СССР №1711340.6. Device for measuring impulse response. Auto St. USSR No. 1711340.
7. Устройство для оценки параметров многолучевого канала связи. Авт. св. СССР №780211.7. Device for estimating the parameters of a multipath communication channel. Auto. St. USSR No. 780211.
8. Николаев Б.В.. Последовательная передача дискретных сообщений по непрерывным каналам с памятью. М.: Радио и связь, 1988.8. Nikolaev B.V. Sequential transmission of discrete messages over continuous channels with memory. M.: Radio and communication, 1988.
9. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. 2-е издание, 2003.9. Sklyar B. Digital communication. Theoretical foundations and practical application. 2nd edition, 2003.
10. Применение цифровой обработки сигналов. Под ред. Э.Оппенгейма. М.: Мир. 1980.10. Application of digital signal processing. Ed. E. Oppenheim. M.: Mir. 1980.
11. Кайлатц Т. Каналы с параметрами, изменяющимися во времени // Лекции по теории связи / Под ред. Е.Дж. Багдади. М.: Мир, 1964. С.68-122.11. Keilatz T. Channels with time-varying parameters // Lectures on communication theory / Ed. E.J. Baghdadi. M.: Mir, 1964. P.68-122.
Claims (3)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021136181A RU2021136181A (en) | 2023-06-08 |
| RU2809757C2 true RU2809757C2 (en) | 2023-12-15 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2435323C2 (en) * | 2010-01-11 | 2011-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method to transfer information by means of noise-like signals |
| RU2491717C2 (en) * | 2010-05-04 | 2013-08-27 | Попик Павел Иванович | Method of increasing signal-to-noise level (ratio) using "disturbance damping principle" |
| RU2571390C1 (en) * | 2014-07-31 | 2015-12-20 | Открытое акционерное общество " Научно-исследовательский институт гидросвязи "Штиль" | Method of transmitting discrete information via hydroacoustic link in multibeam signal propagation conditions |
| US9900185B2 (en) * | 2012-09-13 | 2018-02-20 | Nvidia Corporation | Doppler spread and SNR estimation for a wireless communications receiver |
| RU2758637C1 (en) * | 2021-02-08 | 2021-11-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (СибГУТИ) | Method for transmitting discrete messages between underwater objects |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2435323C2 (en) * | 2010-01-11 | 2011-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ) | Method to transfer information by means of noise-like signals |
| RU2491717C2 (en) * | 2010-05-04 | 2013-08-27 | Попик Павел Иванович | Method of increasing signal-to-noise level (ratio) using "disturbance damping principle" |
| US9900185B2 (en) * | 2012-09-13 | 2018-02-20 | Nvidia Corporation | Doppler spread and SNR estimation for a wireless communications receiver |
| RU2571390C1 (en) * | 2014-07-31 | 2015-12-20 | Открытое акционерное общество " Научно-исследовательский институт гидросвязи "Штиль" | Method of transmitting discrete information via hydroacoustic link in multibeam signal propagation conditions |
| RU2758637C1 (en) * | 2021-02-08 | 2021-11-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (СибГУТИ) | Method for transmitting discrete messages between underwater objects |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7822098B2 (en) | Transmitting signals for time of arrival estimation | |
| Zhang et al. | A compressed sensing based ultra-wideband communication system | |
| DE68927658T2 (en) | Radio frequency terminal for interference suppression communication system | |
| KR100906383B1 (en) | Narrow-band interference suppression method in uwb ranging systems | |
| US20070237065A1 (en) | M-ARY Orthogonal Coded/Balanced UWB Transmitted Reference Systems | |
| KR100677684B1 (en) | Apparatus and method of searching for known sequences | |
| Cohen et al. | Channel estimation in UWB channels using compressed sensing | |
| RU2809757C2 (en) | Method for high-speed transmission and reception of information in hydroacoustic multibeam communication channel | |
| RU2700005C1 (en) | Method of estimating channel parameters in broadband hydroacoustic communication and a device for realizing said channel | |
| RU2528085C1 (en) | Method for intrapulse modulation-demodulation with direct spectrum spreading | |
| He et al. | Underwater acoustic communications using M-ary chirp-DPSK modulation | |
| JP2001217816A (en) | Method and device for evaluating transmission channel and synthetic signal generating device | |
| CN115567163A (en) | Frequency hopping signal blind detection method, system and equipment | |
| CN109768812B (en) | Underwater acoustic communication Doppler estimation and synchronization method based on chaotic frequency modulation | |
| CN1314219C (en) | Peak detection accuracy | |
| JP2005218079A (en) | METHOD FOR TRANSMITTING DATA IN COMMUNICATION SYSTEM INCLUDING AT LEAST ONE TRANSMITTER AND ONE RECEIVER, COMMUNICATION SYSTEM INCLUDING AT LEAST ONE TRANSMITTER AND ONE RECEIVER, AND DEVICE CONFIGURED SO AS TO TRANSMIT AND RECEIVE SIGNAL FORMED BY AT LEAST ONE SEQUENCE COMPOSED OF Ns PULSES OVER Ns TIME WINDOWS | |
| JPH1098497A (en) | Correlative transmission system due to sampling function waveform | |
| RU2730181C1 (en) | Method for detecting a pulsed radio signal in fast fading conditions against a background of white noise | |
| Lei et al. | A chaotic direct sequence spread spectrum communication system in shallow water | |
| Janssen et al. | High resolution coherent radio channel measurements using direct sequence spread spectrum modulation | |
| Sokolov et al. | Synthesis of ultra-wideband signals receiver algorithm based on Markov theory of nonlinear filtering | |
| Niranjayan et al. | Accurate performance analysis of TR UWB systems with arbitrary front-end filters | |
| Ra et al. | Superimposed DSSS transmission based on cyclic shift keying in underwater acoustic communication | |
| JP4571475B2 (en) | Method, receiver and communication system for transmitting and receiving data symbols | |
| Egnor et al. | Underwater acoustic single-and multi-user differential frequency hopping communications |