Способ оценки параметров канала в широкополосной гидроакустической связи и устройство для его реализации

Изобретение относится к области систем передачи информации. Техническим результатом является повышение точности оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования для информационных символов в системе передачи данных в широкополосных гидроакустических каналах с малым интервалом когерентности и/или с высокой частотной избирательностью, что позволяет повысить надежность коммуникации, а также расширить диапазон условий применения для систем гидроакустической связи. Технический результат заявляемого технического решения достигается тем, что в передатчике системы передачи информации формируют опорные последовательности с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала, а затем сформированные опорные последовательности с расширенным спектром комбинируют с информационной частью передаваемого символа. На приемной стороне системы передачи информации формируют эталонные последовательности для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемой опорной последовательности с расширенным спектром, производят когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области систем передачи информации и предназначено для оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования информационного символа в широкополосном гидроакустическом канале.

Задача оценки параметров канала возникает, например, при обмене данными между объектами, находящимися в водной среде, когда в качестве канала передачи информации выступает широкополосный гидроакустический канал. При передаче информационных символов в широкополосном гидроакустическом канале возникают их искажения, обусловленные доплеровским масштабированием и задержкой распространения. Оценка параметров этих искажений на приемной стороне необходима для успешного приема и демодуляции информационных символов, и, как следствие, для декодирования переданного сообщения.

Известны способ и устройство, обеспечивающие оценку времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования для группы информационных символов, описанные в патенте США 7859944 от 28.12.2010 (Н04В 11/00), где в начале и в конце группы информационных символов передают опорные последовательности "Preamble" и "Postamble" соответственно. При приеме за начало группы символов принимают момент обнаружения опорной последовательности "Preamble", а коэффициент доплеровского масштабирования определяют как функцию от временного интервала между моментом обнаружения опорной последовательности "Preamble" и моментом обнаружения опорной последовательности "Postamble". Однако данное техническое решение не может быть в полной мере использовано в гидроакустических каналах с малым временем когерентности, поскольку в таких каналах единые оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования, полученные для группы символов, будут обладать значительной погрешностью для каждого символа в группе. Наиболее близкими к заявленному решению являются способ и устройство по патенту США 8023596 от 20.09.2011 (H04L 27/00), в котором в информационных символах осуществляется передача опорных несущих с фиксированными частотами, мощности которых существенно превышают мощности несущих, используемых для передачи информации. На приемной стороне осуществляется оценка коэффициента доплеровского масштабирования за счет фильтрации набором полосовых фильтров каждой из несущих с повышенной мощностью, выделение огибающих за счет некогерентного детектирования сигнала на выходе каждого фильтра и последующей комбинации значений с выходов некогерентных детекторов. Однако данное техническое решение не может обеспечить требуемую функциональность, т.к. не позволяет работать в гидроакустических каналах с высокой частотной избирательностью, поскольку оценки энергетического параметра, полученные при некогерентном детектировании, искажаются влиянием неравномерной Амплитудно-частотной Характеристики (АЧХ) канала. К другим недостаткам данного технического решения можно отнести невозможность его работы в гидроакустических каналах с временем когерентности, соизмеримым с длительностью символа, поскольку даже незначительная потеря ортогональности, вызванная погрешностью оценки коэффициента доплеровского масштабирования, будет приводить к проникновению внеполосных спектральных составляющих от несущих с повышенным уровнем мощности на частоты, используемые для передачи информации, и, как следствие, к искажению передаваемой информации. Также данное техническое решение имеет ограничение на применение в многолучевых гидроакустических каналах, в которых пути распространения сигнала имеют разный коэффициент доплеровского масштабирования, так называемый, Doppler spread, поскольку, даже будучи ослабленными на пути распространения, смещенные по частоте несущие с повышенным уровнем мощности будут вносить помехи на частотах, используемых для передачи информации.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования для информационных символов в системе передачи данных в широкополосных гидроакустических каналах с малым интервалом когерентности и/или с высокой частотной избирательностью, повышение надежности коммуникации, а также расширение диапазона применимости для систем гидроакустической связи.

Технический результат достигается тем, что в передатчике системы передачи информации формируют опорные последовательности с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала, а затем сформированные опорные последовательности с расширенным спектром комбинируют с информационной частью передаваемого символа. На приемной стороне системы передачи информации формируют эталонные последовательности для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемой опорной последовательности с расширенным спектром, производят когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале, а в случае, когда для опорной последовательности с расширенным спектром формируют эталонный ряд отсчетов, производят формирование исходного ряда отсчетов для принимаемого сигнала, формирование скорректированных рядов отсчетов из исходного ряда отсчетов для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемых опорных последовательностей с расширенным спектром, после этого осуществляют когерентное детектирование эталонных рядов отсчетов в каждом из скорректированных рядов отсчетов, затем, как и в случае после когерентного детектирования эталонных последовательностей в принятом сигнале, производят формирование оценок правдоподобия, комбинирование оценок правдоподобия и определяют оценку времени прихода и величины доплеровского масштабирования символа, а также значений правдоподобия оценок.

В отличие от известного способа оценки коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосных гидроакустических каналах включающего формирование и передачу сигнала с использованием несущих, на которых передается информационная посылка, а также набор опорных несущих с фиксированными частотами, уровни которых существенно превышают уровни несущих, используемых для передачи информационной посылки, фильтрацию набором фильтров каждой из опорных несущих с фиксированной частотой и повышенным уровнем, формирование значений огибающих для сигналов на выходе каждого фильтра, комбинирование значений огибающих, в заявляемом способе оценки времени прихода сигнала и коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосных гидроакустических каналах

- формируют опорные последовательности с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала,

- комбинируют опорные последовательности с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа,

- формируют эталонные последовательности на приемной стороне,

- осуществляют когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале,

- формируют оценки правдоподобия,

- комбинируют оценки правдоподобия.

При этом эталонные последовательности формируют для ожидаемого диапазона коэффициентов доплеровского масштабирования принимаемых опорных последовательностей с расширенным спектром.

Когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале производят как во временной, так и в частотной областях.

В случае использования отсчетов при приеме для вычисления оценок правдоподобия и коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосных гидроакустических каналах в принимаемом сигнале для каждой опорной последовательности с расширенным спектром

- формируют эталонный ряд отсчетов,

- формируют исходный ряд отсчетов, из которого

- формируют скорректированные ряды отсчетов, затем

- когерентно детектируют эталонный ряд отсчетов в каждом из скорректированных рядов отсчетов,

- формируют оценки правдоподобия,

- комбинируют оценки правдоподобия.

При этом скорректированные ряды отсчетов формируют для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемой опорной последовательностей с расширенным спектром.

Чертежи, поясняющие заявляемый способ, представлены на

Фиг. 1 - структура передаваемого Символа 100.

Фиг. 2 - техническая реализация приемной подсистемы для оценивания времени прихода и доплеровского масштабирования информационного символа.

Фиг. 3 - техническая реализация блока детектирования.

Заявляемый способ оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосном канале передачи информации работает следующим образом:

- на передающей стороне формируют N Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N в частотных поддиапазонах широкополосного канала, затем комбинируют Опорные Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100 (фиг. 1). На приемной стороне:

- формируют эталонные последовательности для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемых Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром;

- осуществляют когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале;

- формируют оценки правдоподобия;

- комбинируют оценки правдоподобия.

При выборе Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N учитывают ширину их полосы для обеспечения возможно меньшего уровня внеполосных спектральных составляющих, а также форму их функции неопределенности, обеспечивающей необходимое разрешение по времени прихода и доплеровскому масштабированию. Длительность Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N может быть ограничена сверху временем когерентности канала передачи, а ширина полосы каждой последовательности может быть ограничена сверху шириной полосы когерентности канала передачи. Вариантами таких последовательностей могут быть последовательности с угловой модуляцией (фазовой или частотной), псевдослучайные последовательности, а также последовательности, сформированные с использованием мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (см. Nadav Levanon, Eli Mozeson; Radar Signals, ISBN: 978-0-471-47378-7, Jul 2004, Wiley-IEEE Press, 432 pages).

Для исключения влияния нулей диаграммы направленности при использовании передающей системы с несколькими излучателями декоррелируют сигналы, передаваемые разными излучателями, используя разные циклические сдвиги Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N одновременно передаваемых разными излучателями.

Для уменьшения влияния межсимвольных искажений при передаче последовательности из нескольких Символов 100 в канале с многолучевым распространением используют повторение части Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N для создания циклического префикса.

Гидроакустические широкополосные излучатели и гидрофоны отличает высокая неравномерность АЧХ. Для компенсации влияния априорно известных параметров передающего и/или приемного блока на качество оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования возможно изменение количества Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N, значений их центральных частот, а также их спектральных плотностей мощности.

Возможным методом комбинирования Опорных Последовательностей 131…13N с Информационной Частью 111…11М является метод, при котором для передачи Символа 100 используют мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), при этом часть несущих выделяют для передачи Опорных Последовательностей 131…13N, а другую часть несущих - для передачи Информационной Части 111…11М. На выходе Блока Комбинирования формируется Символ 100, который поступает в широкополосный гидроакустический канал.

Опорные Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N также используют в качестве пилот-сигналов при демодуляции Информационной Части 111…11М Символа 100 для чего осуществляют когерентное комбинирование Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100.

Для уменьшения влияния внеполосных составляющих от Информационной Части 111…11М на Опорные Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N и внеполосных составляющих от Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N на Информационную Часть 111…11М, которые возникают при потере ортогональности между отдельными несущими при приеме Символа 100 за счет влияния флуктуаций канала и ошибок синхронизации, и, как следствие, для улучшения качества оценки и/или демодуляции, возможно формирование Защитных Частотных Интервалов 121…12N и 141…14N между Опорными Последовательностями с Расширенным Спектром 131…13N и Информационной Частью 111…11М.

На приемной стороне для каждой из Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N на выходах Формирователей Эталонных Последовательностей 321…32K формируют набор эталонных последовательностей, каждая из которых в наборе может представлять собой соответствующую Опорную Последовательность с Расширенным Спектром, формируемую в передатчике, и подвергнутую доплеровскому масштабированию, а именно, если коэффициент доплеровского масштабирования равен (1+α), то каждая частотная компонента с частотой ƒ передаваемой Опорной Последовательности с Расширенным Спектром будет преобразована в (1+α)ƒ, а длительность Т переданной Опорной Последовательности с Расширенным Спектром будет преобразована в (1-α)Т. Для Опорной Последовательности с Расширенным Спектром с номером n=1…N количество K_n эталонных последовательностей U_n(α_k), k=1…K_n в наборе может определяться необходимой разрешающей способностью по коэффициенту доплеровского масштабирования Δ_n=α_k+1-α_k и ожидаемым диапазоном значений коэффициента доплеровского масштабирования (1+α^min)≤(1+α_k)≤(1+α^mах).

При наличии априорно известной информации о параметрах канала на приемной стороне ее можно учитывать при детектировании эталонных последовательностей в принимаемом сигнале. Так, например, известность уточненных диапазонов времени прихода и/или коэффициента доплеровского масштабирования сокращает пространство поиска за счет сокращения количества эталонных последовательностей и, как следствие, уменьшает вероятность ложного обнаружения Опорной Последовательности, а также сложность приемной аппаратуры, что в свою очередь сокращает расход энергии и продливает время автономной работы системы. Диапазон значений коэффициента доплеровского масштабирования может зависеть от взаимной радиальной скорости передающей и приемной антенн, а также от скорости движения среды в радиальном направлении. Возможными значениями, формируемыми в моменты времени τ на выходе Блоков Когерентного Детектирования 311…31K, являются значения взаимно-корреляционной функции R_nk(τ) принимаемого сигнала и k-й эталонной последовательности U_n(α_k), сформированной для n-й Опорной Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N. Таким образом для одного Символа 100 количество значений R_nk(τ), вычисляемых в Блоках Когерентного Детектирования 311..31K для N Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131..13N, составляет . Когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале может производиться как во временной, так и в частотной областях.

В случае использования отсчетов при приеме для вычисления значений R_nk(τ) для каждой n-й Опорной Последовательности с Расширенным Спектром 131..13N формируют эталонный ряд отсчетов с частотой отсчетов F_s;

- для принимаемого сигнала формируют исходный ряд отсчетов с частотой отсчетов F_s, используя, например, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);

- из исходного ряда отсчетов формируют K_n скорректированных рядов отсчетов;

- когерентно детектируют эталонный ряд отсчетов в каждом из скорректированных рядов отсчетов, вычисляя в моменты времени τ значения взаимно-корреляционной функции R_nk(τ), где k=1…K_n;

при этом скорректированные ряды отсчетов формируют для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемой опорной последовательностей с расширенным спектром, а частота отсчетов в k-м скорректированном ряде отсчетов составляет (1+α_k)F_s.

Для формирования из исходного ряда отсчетов k-го скорректированного ряда отсчетов с измененной в (1+α_k) раз частотой отсчетов можно использовать полиномиальную интерполяцию отсчетов из исходного ряда отсчетов.

Оценкой правдоподобия, вычисляемой в каждом из формирователей Оценки Правдоподобия 331…33K, для входных значений взаимно-корреляционной функции R_nk(τ) при низких отношениях сигнал-шум в канале является значение . Для высоких отношений сигнал-шум в канале оценкой правдоподобия является значение , где Е_k - энергия k-й эталонной последовательности U_n(α_k), которая может быть вычислена заранее, а - оценка энергии n-й принятой опорной последовательности в моменты времени τ с учетом влияния коэффициента доплеровского масштабирования (1+α_k), т.е. с учетом изменения длительности в (1-α_k) раз. Большее значение Q_nk(τ) показывает, что n-я опорная последовательность в принятом сигнале с большей достоверностью соответствует эталонной последовательности U_n(α_k).

Для уменьшения вероятности ложного обнаружения Опорной Последовательности с Расширенным Спектром при приеме и, как следствие, для повышения точности оценивания времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования значения Оценок Правдоподобия сравниваются с порогом, при этом значение Оценки Правдоподобия поступает в Блок Комбинирования Оценок Правдоподобия 270 в том случае, если порог превышен. Такая пороговая обработка обеспечивает выделение и последующее комбинирование оценок только с высокой достоверностью в Блоке Комбинирования Оценок Правдоподобия 270.

В Блоке Комбинирования Оценок Правдоподобия 270 для комбинирования оценок правдоподобия, получаемых с Формирователей Оценки Правдоподобия 331…33K для каждой из принятых Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N и набора эталонных последовательностей, и формирования оценки времени прихода , оценки коэффициента доплеровского масштабирования , а также значения правдоподобия оценок для принятого информационного символа вычисляется взвешенное среднее значение. Для его вычисления множество значений времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования усредняется с весами, равными значениям их оценок правдоподобия т.е решается задача о нахождении координат центра масс и эквивалентной массы для множества точек Q_nk(τ) на плоскости {τ, α}.

Другим возможным способом комбинирования в Блоке Комбинирования Оценок Правдоподобия 270 является нахождение максимального значения среди оценок правдоподобия Q_nk(τ). В этом случае оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования будут соответствовать найденному максимальному значению оценки правдоподобия . Уточнение оценки времени прихода и оценки коэффициента доплеровского масштабирования осуществляют за счет интерполяции значений оценок правдоподобия в окрестности максимума и последующего нахождения максимума среди интерполированных значений.

Также в Блоке Комбинирования Оценок Правдоподобия 270 сначала могут формироваться оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования, а также значение правдоподобия этих оценок отдельно для каждой из принятых Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N, а затем формироваться окончательная общая оценка за счет комбинирования значений из всех N поддиапазонов широкополосного канала передачи информации. При этом для комбинирования оценок правдоподобия для каждой из принятых Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N может использоваться один метод, а для комбинирования значений из всех N поддиапазонов широкополосного канала передачи информации - другой.

Устройство для оценки коэффициента доплеровского масштабирования в широкополосных гидроакустических каналах по патенту-прототипу (см. патент США 8023596 от 20.09.2011 (H04L 27/00)) содержит:

- формирователь и передатчик. сигнала, включающего несущие, на которых передается информационная посылка, а также набор опорных несущих с фиксированными частотами, уровни которых существенно превышают уровни несущих, используемых для передачи информационной посылки;

- наборы с одинаковым количеством полосовых фильтров для каждой из опорных несущих с фиксированной частотой и повышенным уровнем;

- квадратичные детекторы огибающей;

- устройство комбинирования значений огибающих,

причем принимаемый сигнал поступает на входы фильтров, выходы фильтров подключены ко входам квадратичных детекторов огибающей, а выходы квадратичных детекторов огибающей подключены к устройству комбинирования, при этом общая полоса фильтров в каждом наборе перекрывает возможный диапазон изменения частоты соответствующей опорной несущей, вызванного доплеровским масштабированием.

Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение точности при реализации заявляемого способа оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования для информационных символов в системе передачи данных в широкополосных гидроакустических каналах с малым интервалом когерентности и/или с высокой частотной избирательностью, повышение надежности коммуникации, а также расширение диапазона применимости для систем гидроакустической связи.

Технический результат достигается тем, что в устройство введены:

- формирователи опорных последовательностей с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала;

- блок комбинирования опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа;

- формирователи эталонных последовательностей на приемной стороне;

- блоки когерентного детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале;

- формирователи оценок правдоподобия;

- блок комбинирования оценок правдоподобия;

причем выходы формирователей опорных последовательностей с расширенным спектром подключены к входам блока комбинирования опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа, а принимаемый сигнал поступает на первые входы блоков когерентного детектирования, на вторые входы блоков когерентного детектирования поступают эталонные последовательности с выходов формирователей эталонных последовательностей, значения с выходов блоков когерентного детектирования поступают на входы формирователей оценки правдоподобия, выходы которых подключены к входам блока комбинирования оценок правдоподобия, на выходе которого формируются оценки времени прихода и доплеровского масштабирования символа, а также значение правдоподобия этих оценок.

Заявляемое устройство для оценивания времени прихода и доплеровского масштабирования символа в широкополосном канале передачи информации (фиг. 2) включает:

- формирователи Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 211…21N в частотных поддиапазонах широкополосного канала;

- блок Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100;

- передающий Блок 230;

- приемный Блок 240;

- формирователи Эталонных Последовательностей 321…32K на приемной стороне;

- блоки Когерентного Детектирования 311…31K эталонных последовательностей в принимаемом сигнале;

- формирователи Оценок Правдоподобия 331…33K;

- блок Комбинирования Оценок Правдоподобия 270,

причем выходы формирователей Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 211…21N подключены к входам блока Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100, выход Блока Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 подключен к входу передающего блока 230, а принимаемый сигнал поступает на приемный Блок 240 и далее с выхода приемного Блока 240 на первые входы блоков Когерентного Детектирования 311…31K, на вторые входы блоков Когерентного Детектирования 311…31K поступают эталонные последовательности с выходов Формирователей Эталонных Последовательностей 321…32K, значения с выходов блоков Когерентного Детектирования 311…31K поступают на входы формирователей Оценок Правдоподобия 331…33K, выходы которых подключены к входам Блока Комбинирования Оценок Правдоподобия 270, на выходе которого получают оценку времени прихода и оценку доплеровского масштабирования принимаемого Символа 100, а также значение правдоподобия оценок .

Вариантом реализации заявляемого устройства является устройство, в котором выходы формирователя Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 211…21N подключены к входам Блоков Управления Мощностью Опорных Последовательностей, а выходы Блоков Управления Мощностью Опорных Последовательностей подключены к входам Блока Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100, что компенсирует априорно известные неравномерности АЧХ гидроакустического канала и тем самым улучшает качество оценок времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования.

Заявляемое устройство работает следующим образом. На передающей стороне на выходах Формирователей Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 211…21N в частотных поддиапазонах широкополосного канала формируются Опорные Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N, которые затем поступают на входы Блока Комбинирования Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 220 с Информационной Частью 111…11М передаваемого Символа 100. Возможным методом комбинирования Опорных Последовательностей 131…13N с Информационной Частью 111…11М является метод, при котором для передачи Символа 100 используется мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, при этом часть несущих выделяется для передачи Опорных Последовательностей 131…13N, а другая часть несущих - для передачи Информационной Части 111…11М. На выходе Блока Комбинирования Опорных Последовательностей 220 с Информационной Частью формируется Символ 100, который через Передающий Блок 230 передается в широкополосный гидроакустический канал.

При распространении от передающей части к приемной части Символ 100 в широкополосном гидроакустическом канале подвергается, помимо прочего, задержке, которая обусловлена конечной скоростью распространения акустических волн в водной среде, а также доплеровскому масштабированию, которое обусловлено влиянием эффекта Доплера на каждую частотную компоненту Символа 100. Влияние доплеровского масштабирования характеризуется коэффициентом доплеровского масштабирования (1+α). При приеме каждая частотная компонента, переданная с частотой ƒ, будет преобразована в (1+α)ƒ, а сигнал, переданный с длительностью T, будет преобразован в сигнал длительностью (1-α)Т. При работе на мелководье при высокой подвижности объектов, между которыми производится обмен информационными символами, гидроакустические каналы характеризуются малым временем когерентности, поэтому для успешной демодуляции и декодирования Символа 100 на приемной стороне необходимо надежно оценивать как задержку, так и коэффициент доплеровского масштабирования для каждого Символа 100.

На приемной стороне принимаемый из широкополосного гидроакустического канала сигнал поступает в Приемный Блок 240 и далее с выхода Приемного Блока 240 поступает на первые входы Блоков Когерентного Детектирования 311…31K (фиг. 3), при этом на вторые входы Блоков Когерентного Детектирования 311…31K поступают эталонные последовательности с выходов Формирователей Эталонных Последовательностей 321..32K. На выходах Формирователей Эталонных Последовательностей 321…32K формируют набор эталонных последовательностей для каждой из Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N. Каждая из эталонных последовательностей в наборе может представлять собой соответствующую Опорную Последовательность с Расширенным Спектром, формируемую в передатчике, и подвергнутую доплеровскому масштабированию. Для Опорной Последовательности с Расширенным Спектром с номером n=1…N количество K_n эталонных последовательностей U_n(α_k), k=1…K_n в наборе может определяться необходимой разрешающей способностью по коэффициенту доплеровского масштабирования Δ_n=α_k+l-α_k и ожидаемым диапазоном значений коэффициента доплеровского масштабирования (1+α^min)≤(1+α_k)≤(1+α^max).

При приеме, для исключения влияния неравномерности АЧХ канала частотные составляющие, находящиеся вне рабочего частотного диапазона некоторого Блока Когерентного Детектирования 311…31K, могут значительно превышать уровень сигнала внутри рабочего частотного диапазона Блока Когерентного Детектирования 311…31K, т.е. представлять для некоторого Блока Когерентного Детектирования 311…31K внеполосную помеху, воздействие которой снижает точность оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования в устройстве устанавливают фильтры, через которые принимаемый сигнал поступает на первые входы Блоков Когерентного Детектирования 311…31K. Полоса каждого Фильтра 251…25N выбрана так, что фильтр пропускает соответствующую принимаемую Опорную Последовательность с Расширенным Спектром 131…13N с учетом возможных изменений ее центральной частоты и ширины полосы, вызванных доплеровским масштабированием, и подавляет частотные составляющие принимаемого Символа 100, находящиеся вне рабочего частотного диапазона соответствующего Блока Когерентного Детектирования 311…31K. Это повышает точность оценки времени прихода и коэффициента доплеровского масштабирования для информационных символов в системе передачи данных в широкополосных гидроакустических каналах с высокой частотной избирательностью. Наличие Защитных Частотных Интервалов 121…12N и 141…14N может ослабить требования к ширине переходной полосы АЧХ Фильтров 211…21N.

Блок Когерентного Детектирования 311…31K в моменты времени τ может вычислять значения взаимно-корреляционной функции R_nk(τ) принимаемого сигнала и k-й эталонной последовательности U_n(α_k), сформированной для n-й Опорной Последовательности с Расширенным Спектром 131…13N. Таким образом для одного Символа 100, включающего N Опорных Последовательностей с Расширенным Спектром 131…13N, в Блоках Когерентного Детектирования 311…31K вычисляется значений R_nk(τ). Когерентное детектирование эталонных последовательностей в принимаемом сигнале может производиться как во временной, так и в частотной областях.

Значения с выходов Блоков Когерентного Детектирования 311…31K поступают на входы Формирователей Оценок Правдоподобия 331…33K, которые вычисляют оценки правдоподобия Q_nk(τ). Оценкой правдоподобия может являться значение , где Е_k - энергия k-й эталонной последовательности U_n(α_k), которая может быть вычислена заранее, - оценка энергии n-й принятой опорной последовательности в моменты времени τ с учетом влияния коэффициента доплеровского масштабирования (1+α_k), т.е. с учетом изменения длительности. Такая оценка правдоподобия Q_nk(τ) может принимать значения в диапазоне [0, 1]. Большее значение Q_nk(τ) показывает, что n-я опорная последовательность в принятом сигнале с большей достоверностью соответствует эталонной последовательности U_n(α_k).

С выходов Формирователей Оценок Правдоподобия 331…33K значения поступают на вход Блока Комбинирования Оценок Правдоподобия 270, где происходит комбинирование оценок правдоподобия и формирования оценки времени прихода и оценки коэффициента доплеровского масштабирования , а также значения правдоподобия оценок для принятого информационного символа.

Список цитируемых документов

US Pat. 7859944 Apparatus, systems and methods for enhanced multi-carrier based underwater acoustic communications.

US Pat. 8023596 Doppler tracking method and device for a wide band modem.

Nadav Levanon, Eli Mozeson; Radar Signals, ISBN: 978-0-471-47378-7, Jul 2004, Wiley-IEEE Press, 432 pages.

1. Способ оценки параметров канала в широкополосной гидроакустической связи, состоящий в определении времени прихода и величины доплеровского масштабирования символа, включающий при передаче формирование опорных последовательностей с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала, комбинирование опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью символа, комбинация которых поступает на вход передающего блока, а при приеме - для опорной последовательности с расширенным спектром, принятой с выхода приемного блока, формирование эталонных последовательностей для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования, затем когерентное детектирование эталонных последовательностей в принятом сигнале, а в случае, когда для опорной последовательности с расширенным спектром формируют эталонный ряд отсчетов, производят формирование исходного ряда отсчетов для принимаемого сигнала, формирование скорректированных рядов отсчетов из исходного ряда отсчетов для ожидаемого диапазона доплеровского масштабирования принимаемых опорных последовательностей с расширенным спектром, после этого осуществляют когерентное детектирование эталонных рядов отсчетов в каждом из скорректированных рядов отсчетов, затем, как и в случае после когерентного детектирования эталонных последовательностей в принятом сигнале, производят формирование оценок правдоподобия, комбинирование оценок правдоподобия и определяют оценку времени прихода и величины доплеровского масштабирования символа, а также значений правдоподобия оценок.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что формирование опорных последовательностей с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала включает формирование сигнала с угловой модуляцией.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что формирование опорных последовательностей с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала включает формирование псевдослучайной последовательности.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что формирование опорных последовательностей с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала включает формирование модулированных несущих.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что формирование опорных последовательностей с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала включает циклический сдвиг опорной последовательности.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что формирование опорных последовательностей с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала включает повторение части опорной последовательности.

7. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что количество опорных последовательностей с расширенным спектром устанавливают в зависимости от амплитудно-частотной характеристики канала передачи информации.

8. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что центральную частоту опорной последовательности с расширенным спектром устанавливают в зависимости от амплитудно-частотной характеристики канала передачи информации.

9. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что спектральную плотность мощности опорной последовательности с расширенным спектром устанавливают в зависимости от амплитудно-частотной характеристики канала передачи информации.

10. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что комбинирование опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа производят когерентно.

11. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что комбинирование опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа включает формирование защитного частотного интервала между опорной последовательностью и информационной частью символа.

12. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что набор эталонных последовательностей формируют на приемной стороне с учетом взаимной радиальной скорости передающей и приемной антенн и скорости движения среды в радиальном направлении.

13. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что когерентное детектирование эталонной последовательности в принимаемом сигнале производят с учетом параметров канала передачи информации.

14. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что когерентное детектирование эталонной последовательности в принимаемом сигнале включает вычисление преобразования Фурье.

15. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что формирование скорректированных рядов отсчетов из исходного ряда отсчетов включает полиномиальную интерполяцию отсчетов из исходного ряда отсчетов.

16. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что формирование оценки правдоподобия включает получение оценки отношения сигнал-шум.

17. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что формирование оценки правдоподобия включает вычисление энергетического параметра опорной последовательности.

18. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что сформированную оценку правдоподобия сравнивают с порогом оценки правдоподобия.

19. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что при комбинировании оценок правдоподобия вычисляют взвешенное среднее значение оценок правдоподобия.

20. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что при комбинировании оценок правдоподобия определяют максимум оценок правдоподобия.

21. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что при комбинировании оценок правдоподобия первоначально выполняют комбинирование оценок правдоподобия в каждом поддиапазоне широкополосного канала передачи информации.

22. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что при комбинировании оценок правдоподобия выполняют интерполяцию результатов.

23. Устройство для реализации способа оценки параметров канала при широкополосной гидроакустической связи, включающее: формирователи опорных последовательностей с расширенным спектром в частотных поддиапазонах широкополосного канала; блок комбинирования опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа; передающий блок; приемный блок; формирователи эталонных последовательностей на приемной стороне; блоки когерентного детектирования эталонных последовательностей в принимаемом сигнале; формирователи оценок правдоподобия; блок комбинирования оценок правдоподобия, при этом в передающей части - выходы формирователей опорных последовательностей с расширенным спектром подключены к входам блока комбинирования опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа, выход которого подключен к передающему блоку, а в приемной части - выход приемного блока и выходы формирователей эталонных последовательностей подключены к входам блоков когерентного детектирования эталонных последовательностей, выходы которых подключены к входам формирователей оценок правдоподобия, выходы которых подключены к входам блока комбинирования оценок правдоподобия, на выходе которого формируются оценки времени прихода и доплеровского масштабирования принимаемого символа, а также значения правдоподобия оценок.

24. Устройство по п. 23, характеризующееся тем, что выходы формирователей опорных последовательностей с расширенным спектром подключены к входам блоков управления мощностью опорных последовательностей с расширенным спектром, а выходы блоков управления мощностью опорных последовательностей с расширенным спектром подключены к входам блока комбинирования опорных последовательностей с расширенным спектром с информационной частью передаваемого символа.

25. Устройство по п. 23, характеризующееся тем, что в приемной части перед блоками когерентного детектирования установлены фильтры.