ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО
RECEIVER

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к технологии приема звуковых волн в воде.
Уровень техники
[0002] В воде (особенно в море) поглощение и затухание электромагнитных волн является очень большим. По этой причине, звуковые волны, как правило, используются в качестве несущих волн для беспроводной передачи. Однако, звуковые полны имеют очень медленную скорость распространения по сравнению с электромагнитными волнами. Следовательно, возможный диапазон времени задержки между задержавшимися волнами, которые поступают после отражения от морской поверхности, дна, подводной структуры или т.п., и прямыми волнами, которые поступают без отражения (далее в данном документе называется "разброс задержки"), является очень большим. Сильное искажение формы волны возникает, когда накладываются друг на друга сигналы с большими временами задержки. Кроме того, низкая скорость распространения увеличивает разницу доплеровских частот (далее в данном документе называется "доплеровским разбросом") между прямыми волнами и задержавшимися волнами вследствие влияния морских течений и волн. Поскольку разность фаз между прямой волной и задержанной волной изменяется, характер искажения формы волны (далее в данном документе называется "характеристикой пути распространения") изменяется со временем. Как величина разброса задержки, так и величина доплеровского разброса являются пропорциональными обратной величине скорости распространения. Соответственно, разброс задержки и доплеровский разброс звуковых волн, используемых в воде, примерно в 200000 раз больше разброса задержки и доплеровского разброса электромагнитных волн, используемых в воздухе в тех же условиях. По этой причине, для того, чтобы предоставлять возможность передачи информации с помощью звуковых волн, требуется непрерывная компенсация искажения формы волны, которое быстро изменяется со временем.
[0003] В качестве способа для решения такой проблемы, присущей подводной акустической связи, был предложен способ адаптивной компенсации, который адаптивно вычисляет и использует КИХ-фильтр с обратной характеристикой для характеристики пути распространения между передатчиками и приемниками (например, NPL 1).
[0004] Фиг. 5 является схемой, показывающей конкретный пример приемного устройства 90, которое использует способ адаптивного выравнивания АЧХ, описанный в NPL 1. Приемное устройство 10 включает в себя приемник 901, блок 902 преобразования, фильтр 903 с конечной импульсной характеристикой (КИХ), блок 904 оценки символов и блок 905 вычисления коэффициента фильтра. Приемник 901 преобразует звуковые волны в воде в электрические сигналы. Блок 902 преобразования дискретизирует сигналы, принятые приемником 901. КИХ-фильтр 903 выполняет операцию с формой волны по дискретизированному сигналу. Блок 904 оценки символов оценивает переданные символы на основе сигнала, который прошел через КИХ-фильтр 903. Блок 905 вычисления коэффициента фильтра адаптивно вычисляет коэффициент отвода КИХ-фильтра 903, так что минимизируется ошибка между сигналом, проходящим через КИХ-фильтр 903, и расчетными символами. КИХ-фильтр 903 имеет длину отвода, которая является достаточно длинной, чтобы покрывать разброс задержки. Т.е., когда разброс задержки равен σ_T секунд, а частота дискретизации КИХ-фильтра 903 равна f_s Герц, количество отводов N_tap выражается выражением (1) ниже.
[0005] Мат. 1
[0006] Конструкция из множества отводов N_tap описывается на страницах 33 и 80 NPL 1, описанной выше.
[0007] Как описано выше, КИХ-фильтр 903, который охватывает интервал времени дольше разброса задержки, адаптивно оптимизируется. Эта оптимизация предоставляет возможность КИХ-фильтру 903 компенсировать искажение формы волны, создаваемое наложением прямой волны и задержанной волны. Т.е., возможно динамически конфигурировать выравнивающий фильтр, имеющий обратную характеристику для характеристики пути распространения. Такая обработка компенсирует сильное искажение формы волны, которое изменяется со временем.
[0008] Как описано в NPL 1, конфигурация, использующая множество приемников 901 и множество КИХ-фильтров 903, соединенных с приемниками 901, также была предложена. В этой конфигурации число отводов КИХ-фильтров 903 также проектируется, чтобы удовлетворять выражению (1) как в вышеописанной конфигурации. Каждый КИХ-фильтр 903 работает, чтобы компенсировать искажение формы волны, создаваемое между соответствующим передатчиком и приемником. Т.е., каждый КИХ-фильтр 903 работает таким образом, чтобы формировать компенсирующий фильтр с обратной характеристикой для характеристики пути распространения, и множество приемников 901 используются с целью получения эффекта разнесения.
Список библиографических ссылок
Непатентная литература
[0009] [NPL 1]
Hiroshi Ochi, "Research on Underwater High-Speed Acoustic Transmission of Digital Data Using Wideband Transducers", The University of Electro-Communications Doctoral thesis, март 2009
Сущность изобретения
Техническая задача
[0010] В принципе, время, требуемое для оценки коэффициента фильтра, имеющего обратную характеристику для характеристики пути распространения, больше разброса задержки. С другой стороны, характеристика пути распространения изменяется со временем пропорционально обратной величине доплеровского разброса. Таким образом, когда доплеровский разброс и разброс задержки являются большими, характеристика пути распространения изменяется, в то время как коэффициент фильтра, имеющего обратную характеристику для характеристики пути распространения, оценивается. Компенсация искажения формы волны, следовательно, является трудно достижимой с помощью традиционного способа.
[0011] Величина доплеровского разброса пропорциональна частоте и скорости перемещения, которые используются. Следовательно, когда высокочастотный диапазон используется для высокоскоростной связи, или когда передатчик или приемник движется с высокой скоростью, трудно в достаточной степени компенсировать искажение формы волны с помощью традиционного способа. В результате, информация не может быть передана. По этой причине, скорость связи традиционных подводных акустических устройств была ограничена несколькими десятками кбит/с. Следовательно, было трудно выполнять связь с помощью подводных акустических устройств в высокоскоростном движущемся окружении.
[0012] С учетом вышеупомянутых обстоятельств целью настоящего изобретения является предоставление способа, который может снижать влияние искажения формы волны, вызванного разбросом задержки.
Средство решения проблемы
[0013] Один аспект настоящего изобретения является приемным устройством, включающим в себя: M приемников, сконфигурированных, чтобы принимать сигналы на основе звуковых волн, распространяющихся в воде; M КИХ-фильтров, сконфигурированных, чтобы выполнять операцию с формой волны по сигналам, принимаемым приемниками; объединяющее устройство, сконфигурированное, чтобы объединять выходные сигналы M КИХ-фильтров; и блок вычисления коэффициента фильтра, сконфигурированный, чтобы вычислять коэффициент отвода M КИХ-фильтров с тем, чтобы уменьшать ошибку выходных сигналов, объединенных посредством объединяющего устройства. M КИХ-фильтров имеют длину отвода, которая короче разброса задержки, т.е., возможного диапазона между временем прибытия прямой волны и временем прибытия задержанной волны из звуковых волн.
Преимущества изобретения
[0014] Настоящее изобретение может уменьшать влияние искажения формы волны, вызванного разбросом задержки.
Краткое описание чертежей
[0015] Фиг. 1 является схематичной блок-схемой, показывающей основные принципы функциональной конфигурации приемного устройства 10 настоящего изобретения.
Фиг. 2 является схемой, показывающей принцип работы приемного устройства 10.
Фиг. 3 является таблицей, показывающей рабочие условия для моделирований традиционного приемного устройства и приемного устройства 10 настоящего варианта осуществления.
Фиг. 4 является графиком, показывающим результаты моделирований, выполненных в рабочих условиях, показанных на фиг. 3.
Фиг. 5 является схемой, показывающей конкретный пример приемного устройства 90, которое использует способ адаптивного выравнивания АЧХ, описанный в NPL 1.
Подробное описание вариантов осуществления
[0016] Обращаясь к чертежам, вариант осуществления приемного устройства настоящего изобретения теперь описывается подробно.
Сущность изобретения
Фиг. 1 является схематичной блок-схемой, показывающей основные принципы функциональной конфигурации приемного устройства 10 настоящего изобретения. Приемное устройство 10 настоящего изобретения включает в себя множество КИХ-фильтров 103, имеющих длину отвода, достаточно более короткую по сравнению с предполагаемым разбросом σ_T задержки. Длина отвода является значением, полученным умножением интервала времени дискретизации на число отводов. Поскольку КИХ-фильтры 103 имеют такую длину отвода, КИХ-фильтры 103 не могут формировать фильтры с обратной характеристикой искажения формы волны. Однако, приемное устройство 10 настоящего изобретения приспособлено для пространственного удаления задержанной волны, которая является коренной причиной искажения формы волны. Таким образом, возможно уменьшать влияние искажения формы волны, вызванного большим разбросом задержки. Подробности приемного устройства 10 настоящего изобретения теперь описываются.
[0017] Подробности
Приемное устройство 10 включает в себя M приемников 101 (101_1 по 101_M), M блоков 102 (102_1 по 102_M) преобразования, M КИХ-фильтров 103 (103_1 по 103_M), объединяющее устройство 104, блок 105 оценки символов и блок 106 вычисления коэффициента фильтра. M является целым числом больше или равным 2. Является желательным, чтобы одинаковое число приемников 101, блоков 102 преобразования и КИХ-фильтров 103 было предоставлено. В последующем описании, когда конфигурация, общая для M компонентов одинакового названия описывается, каждый компонент указывается без использования ссылки "_1", например. Например, приемник указывается как "приемник 101" вместо "приемник 101_1".
[0018] Приемник 101 принимает звуковые волны, распространяющиеся в воде, и преобразует принятые звуковые волны в электрические сигналы.
[0019] Блок 102 преобразования дискретизирует электрический сигнал, преобразованный приемником 101. В частности, это выполняется следующим образом. Блок 102 преобразования выполняет аналогово-цифровое преобразование по электрическому сигналу, преобразованному приемником 101. Затем, блок 102 преобразования выполняет частотное преобразование по цифровому сигналу, полученному посредством аналогово-цифрового преобразования. Другие конфигурации (модификации) могут быть использованы для блока 102 преобразования, и модификации будут описаны ниже.
[0020] КИХ-фильтр 103 выполняет операцию с формой волны по сигналу, дискретизированному посредством блока 102 преобразования. Число отводов КИХ-фильтра 103 задается так, что длина отвода может быть достаточно более короткой по сравнению с предполагаемым разбросом σ_T задержки. Т.е., число отводов КИХ-фильтра 103 задается на основе интервала времени дискретизации и предполагаемого разброса σ_T задержки.
[0021] Объединяющее устройство 104 объединяет M сигналов, по которым операции с формой волны выполняются посредством КИХ-фильтров 103.
[0022] Блок 105 оценки символов оценивает символы, включенные в звуковые волны, которые распространились в воде, на основе сигналов, объединенных посредством объединяющего устройства 104. Другими словами, он оценивает символы, включенные в принятую звуковую волну во время, когда звуковая волна была отправлена.
[0023] Блок 106 вычисления коэффициента фильтра адаптивно вычисляет коэффициент отвода M КИХ-фильтров 103. Коэффициент отвода адаптивно вычисляется, так что ошибка минимизируется между символами, указанными посредством выходного сигнала объединяющего устройства 104, и символами, оцененными посредством блока 105 оценки символов.
[0024] Например, когда расстояние, которое является наибольшим среди расстояний между парами приемников 101, равно d [м], и скорость звука вводе равна c [м/с], число отводов Ntap каждого из КИХ-фильтров 103_1 по 103_M задается выражением 2 ниже. Поскольку d является наибольшим расстоянием среди расстояний между каждыми парами приемников 101, как описано выше, если все расстояния между каждыми парами приемников 101 являются единообразными, единообразное расстояние является значением d.
[0025] Мат. 2
[0026] Т.е., множество отводов проектируется так, что длина отвода является достаточно более короткой по сравнению с возможным диапазоном времени задержки между прямой волной и задержанной волной (разброс задержки) и более длинной по сравнению с разницей во времени прибытия между приемниками 101. Это число отводов может быть общим для всех M КИХ-фильтров 103. Длина, которая является "достаточно более короткой по сравнению с разбросом (σ_T) задержки", может быть, например, одной десятой разброса задержки или одной сотой разброса задержки. Например, длина отвода может быть определена как являющаяся достаточно более короткой по сравнению с разбросом задержки, когда она ближе к значению d/c, чем к медианному значению между разбросом задержки и значением d/c.
[0027] Множество отводов теперь описывается подробно. В приемном устройстве 10 настоящего варианта осуществления множество приемных систем (сочетаний, каждое из которых включает в себя приемник 101, блок 102 преобразования и КИХ-фильтр 103) предоставляются. Длина отвода каждого КИХ-фильтра 103 задается в достаточной степени более короткой по сравнению с разбросом задержки, как описано выше. Блок 106 вычисления коэффициента фильтра адаптивно оптимизирует КИХ-фильтры 103 этих приемных систем. Поскольку длина отвода КИХ-фильтров 103_1 по 103_M является в достаточной степени более короткой по сравнению с разбросом задержки, эти фильтры не формируют фильтры с обратной характеристикой искажения формы волны. С другой стороны, приемное устройство 10 настоящего варианта осуществления использует подход с выравниванием АЧХ формы волны, который полностью отличается от традиционного подхода, и пространственно устраняет задержанную волну, которая является коренной причиной искажения формы волны.
[0028] Детали приведены ниже. Фиг. 2 является схемой, показывающей принцип работы приемного устройства 10. В примере на фиг. 2 предполагается, что передаваемый сигнал является импульсным сигналом, число приемников 101 равно двум (101_a и 101_b), и число задержанных волн равно одной, ради интуитивного понимания. Также, для удобства, описывается конфигурация, в которой дополнительный КИХ-фильтр 103_c подключается на последующей стадии объединяющего устройства 104. В этой конфигурации каждый из КИХ-фильтров 103_1 по 103_M делится на два КИХ-фильтра 103a и 103b и помещается на стадии, следующей за объединяющим устройством 104. Т.е., конфигурация, показанная на фиг. 2, может выполнять операцию, эквивалентную операции приемного устройства 10.
[0029] Как показано на фиг. 2, КИХ-фильтр 103_a и КИХ-фильтр 103_b на предыдущем этапе выполняют, в качестве операции с формой волны, сдвиг по времени и инверсию фазы, так что две задержанные волны имеют одинаковую временную точку и противоположные фазы. Эта операция с формой волны удаляет компонент задержанной волны в объединенных сигналах. В результате, только искажение формы волны, вызванное наложением прямых волн, принятых двумя приемниками 101_a и 101_b, остается. Затем, КИХ-фильтр 101_c на последующем этапе компенсирует искажение формы волны, вызванное наложением прямых волн. Выравнивание АЧХ формы волны завершается вышеописанной обработкой.
[0030] Среди приемников 101 разница между прямыми волнами во времени прибытия и разница между задержанными волнами во времени прибытия зависят только от расстояний передаваемых и принимаемых волн и, таким образом, являются значительно более короткими по сравнению с временной разницей между прямой волной и задержанной волной (разброс задержки). По существу, операция с формой волны, описанная со ссылкой на фиг. 2, может быть осуществлена с помощью КИХ-фильтра 103, имеющего очень короткую длину отвода. Дополнительно, среди приемников 101, разница во времени прибытия и разница фаз между прямыми волнами и разница во времени прибытия и разница фаз между задержанными волнами являются постоянными, пока направления прибытия прямых волн и задержанных волн не изменяются. Таким образом, они являются более стабильными по сравнению с временной разницей и разницей фаз между прямой волной и задержанной волной. По этой причине, в отличие от традиционного приемного устройства, которое оценивает обратную характеристику для пути распространения, которая зависит от временной разницы и разницы фаз между прямой волной и задержанной волной, выравнивание АЧХ формы волны может быть осуществлено в значительной степени устойчивым образом, даже когда путь распространения имеет большой доплеровский разброс.
[0031] Блок 106 вычисления коэффициента фильтра не должен использовать новую конфигурацию для выполнения операции, явно описанной со ссылкой на фиг. 2, и является достаточным, чтобы блок 106 вычисления коэффициента фильтра имел традиционную функцию блока вычисления коэффициента фильтра. Т.е., длина отвода КИХ-фильтра 103 намеренно задается достаточно более короткой по сравнению с разбросом задержки, а также более длинной по сравнению с разницей во времени прибытия между приемниками 101, приводя в результате к КИХ-фильтру 103, который выполняет операцию, описанную со ссылкой на фиг. 2. Причина состоит в том, что такая конфигурация может теоретически выполнять операцию, описанную со ссылкой на фиг. 2, и ошибка сигнала, выводимого посредством выполнения операции, минимизируется.
[0032] Как описано со ссылкой на фиг. 2, операция, эквивалентная операции для конфигурации на фиг. 1, может быть теоретически выполнена с помощью конфигурации, в которой КИХ-фильтр 103_c дополнительно подключается на последующей стадии объединяющего устройства 104. По существу, либо конфигурация на фиг. 1, либо конфигурация на фиг. 2 может быть использована. Однако, в каскадной конфигурации КИХ-фильтра 103, как показано на фиг. 2, характеристическая поверхность ошибки подразумевает функцию четвертого порядка, так что конфигурация имеет локальное минимальное решение. Следовательно, адаптивный алгоритм, такой как LMS или RLS может вызывать схождение к ошибочному коэффициенту фильтра. Это также описывается в следующей справочной литературе.
[0033] Справочная литература: Kazunori Hayashi, Shinsuke Hara, "A Spatio-Temporal Equalization Method with Cascade Configuration of an Adaptive Antenna Array and a Decision Feedback Equalizer", The transactions of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers. B, Vol.J85-B, No.6, pp.900-909
[0034] По этой причине, на практике, желательно иметь конфигурацию, которая не подразумевает каскадное подключение КИХ-фильтра 103 на последующей стадии, как показано на фиг. 1. Каждый КИХ-фильтр 103 в конфигурации на фиг. 1 имеет функции КИХ-фильтра 103 на предыдущей стадии (103_a или 103_b) и КИХ-фильтра 103 на последующей стадии (103_c) на фиг. 2.
[0035] Приемное устройство 10 настоящего варианта осуществления имеет способность удалять задержанные волны, которых на одну меньше по сравнению с M приемниками 101. По существу, натуральное число "M" для числа приемников 101 и КИХ-фильтров 103 (число приемных систем) предпочтительно является положительным целым больше числа задержанных волн, которые, как предполагаются, должны прибывать в приемники 101 (задержанные волны, которые должны быть обработаны для удаления).
[0036] Фиг. 3 является таблицей, показывающей рабочие условия для моделирований традиционного приемного устройства и приемного устройства 10 настоящего варианта осуществления. Фиг. 4 является графиком, показывающим результаты моделирований, выполненных в рабочих условиях, показанных на фиг. 3. В частности, фиг. 4 показывает частоту битовых ошибок после определения символа относительно скорости перемещения, в результате моделирований. Как очевидно из фиг. 4, при высокоскоростной связи 400 кбит/с (200 кбод, QPSK), традиционное приемное устройство не может обновлять фильтр во время, когда скорость перемещения превышает приблизительно 0,001 м/с, и частота битовых ошибок начинает дозволяться. Соответственно, невозможно следовать небольшим изменениям в пути распространения, таким как волны и приливно-отливные течения, указывающие, что связь трудно использовать на практике даже в неподвижном окружении. Напротив, приемное устройство 10 согласно настоящему варианту осуществления может поддерживать частоту битовых ошибок, равную 0,1% или менее даже в сверхвысокоскоростном движущемся окружении, превышающем 10 м/с. Результаты моделирования подсказывают, что традиционное приемное устройство имеет лучшие характеристики частоты битовых ошибок, когда скорость перемещения является очень низкой. Причина состоит в том, что традиционное приемное устройство может выполнять идеальное выравнивание АЧХ формы волны посредством компенсации с помощью фильтра, имеющего обратную характеристику для пути распространения, пока оно может обновлять фильтр своевременным образом.
[0037] Как описано выше, в приемном устройстве 10 настоящего варианта осуществления, длина отвода, достаточно более короткая по сравнению с разбросом задержки, используется в КИХ-фильтрах 103, подключенных к множеству приемников 101. Также, применяется конфигурация, в которой коэффициент фильтра для КИХ-фильтров 103 адаптивно оптимизируется. Такая конфигурация может пространственно удалять задержанную волну, которая является коренной причиной искажения формы волны. Пространственное удаление задержанной волны предоставляет возможность высокоскоростной связи в подводном высокоскоростном движущемся окружении.
[0038] Модификации
В настоящем варианте осуществления блоки 102 преобразования могут быть сконфигурированы, чтобы выполнять только аналогово-цифровое преобразование. Блоки 102 преобразования могут быть сконфигурированы, чтобы выполнять преобразование частоты по аналоговому сигналу и затем выполнять аналогово-цифровое преобразование.
[0039] Физические интервалы M приемников 101 могут все быть равны или могут отличаться друг от друга.
[0040] Кроме того, может быть использована конфигурация, в которой фильтр обратной связи для удаления остаточной ошибки КИХ-фильтра (фильтра прямой связи), как описано в NPL 1, подключается на последующей стадии.
[0041] Блок 105 оценки символов и блок 106 вычисления коэффициента фильтра приемного устройства 10 конфигурируются с помощью процессора, такого как CPU, и памяти. Блок 105 оценки символов и блок 106 вычисления коэффициента фильтра работают, когда процессор считывает и исполняет программу, сохраненную в запоминающем устройстве. Программа может быть записана на компьютерно-читаемом носителе записи. Компьютерно-читаемый носитель записи является долговременным носителем хранения, который может быть съемным носителем, таким как гибкий диск, магнитно-оптический диск, ROM, или CD-ROM, или запоминающим устройством и т.п., таким как жесткий диск, встроенный в компьютерную систему. Программа может быть передана по телекоммуникационной линии. Часть или все операции блока 105 оценки символов и блока 106 вычисления коэффициента фильтра могут быть реализованы в аппаратных средствах, включающих в себя электронную схему, использующую LSI, ASIK, PLD, FPGA или т.п.
[0042] Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения описываются выше подробно со ссылкой на чертежи, но конкретные конфигурации не ограничиваются этими вариантами осуществления и включают в себя проекты и т.п. в диапазоне, который не отклоняется от сути настоящего изобретения.
Промышленная применимость
[0043] Настоящее изобретение применимо к связи с помощью звуковых волн в воде.
Список ссылочных знаков
[0044] 10 Приемное устройство
101 Приемник
102 Блок преобразования
103 КИХ-фильтр
104 Объединяющее устройство
105 Блок оценки символов
106 Блок вычисления коэффициента фильтра