ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДВОДНОЙ СВЯЗИ
HYDROACOUSTIC SYSTEM FOR UNDERWATER COMMUNICATION

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для передачи цифровой информации между двумя подводными объектами. Система предназначается для мелководных морей, характеризующихся специфическими помехами от многолучевого распространения звуковых лучей и реверберации. Помехи многолучевого распространения сигнала проявляются в интерференции звуковых лучей в точке приема. При малой разности временных задержек между отдельными лучами помехи проявляются в форме внутрисимвольной интерференции информационных посылок, которая вызывает случайные флуктуации фазы и амплитуды несущей частоты, а при неблагоприятных сочетаниях может вызывать снижение амплитуды сигнала ниже порога чувствительности (фединг). При большой разности временных задержек отдельных акустических лучей наблюдается повтор информационного сигнала и прием ложных символов.
Известно устройство для телеизмерения гидрологических параметров (а.с. 942113), с гидроакустическим каналом связи, обеспечивающее защиту от многолучевости и реверберации. Устройство содержит измерительные датчики, кодирующий блок, гидроакустический передатчик и приемник. Защита от помех многолучевости обеспечивается применением кодирующего блока с времяимпульсным кодированием информации. Недостатком устройства является низкая скорость передачи данных - 50 бит/с, не удовлетворяющая современным требованиям. Современный уровень требований в данной области техники соответствует скорости передачи данных не менее 2400 бит/с при дистанционности линии связи не менее 3000 м.
Известен также способ и устройство подводной акустической связи, обладающий помехозащищенностью от многолучевости и более высокой скоростью передачи данных (патент W 099/29058). Согласно патенту применен способ связи, при котором передатчик передает цифровую информацию параллельным двоичным кодом через излучающий гидрофон. Импульсный сигнал, несущий сразу 62 бита информации, излучается в одном такте одновременно на 31 несущих частотах. Каждая частота подвергается ортогональной частотной манипуляции (OFDM), которая формирует акустическую посылку в виде четырехпозиционного фазового сдвига относительно отдельно излучаемой опорной частоты (пилот-сигнала). Использование OFDM - манипуляции позволяет на каждой из 31 несущих частот передавать 2 бита информации за один такт. Таким путем одна суммарная импульсная посылка за один такт передает 62 бита информации. Защита от помех многолучевости достигается тем, что каждый очередной многочастотный импульс передается после защитного интервала времени затухания последнего из запаздывающих лучей и сигнала реверберации. Наличие защитного интервала времени снижает скорость передачи данных, что в данном устройстве компенсируется применением параллельного двоичного кода с передачей 62 бит данных за один такт. В итоге достигается скорость передачи данных 3200 бит/с при длительности защитного интервала 20 мс, соответствующего характерному времени затухания многолучевости.
Недостатком данного способа акустической связи и устройства на его основе является отсутствие защиты от интерференции акустических лучей с малыми временными задержками внутри длительности одного такта излучения. Внутрисимвольная интерференция таких лучей приводит к возможному замиранию сигнала ниже порога чувствительности приемного устройства. Кроме того, данное устройство имеет ограниченную дальность связи по причине снижения мощности каждой из 31 одновременно излучаемых частот по отношению к суммарной мощности излучения. Возможность повышения суммарной мощности сигнала ограничена так называемым "пик-фактором", соответствующим совпадению фазы всех частотных составляющих.
Более высокие технические характеристики обеспечивает способ и устройство гидроакустической связи согласно патенту US 6628724 B2. Способ передачи информации заключается в том, что информационный сигнал передается на несущей частоте, изменяющейся пилообразно по линейному закону в определенном временном интервале с циклическим повторением. По линии связи передается двоичный последовательный код путем фазовой манипуляции линейно изменяющейся несущей частоты (PSK). Для выделения фазы при детектировании сигнала передается вторая опорная частота. На стороне приемника первая несущая частота, изменяющаяся по линейному закону, преобразуется в постоянную промежуточную частоту с помощью частотного преобразователя, состоящего из смесителя и гетеродина. Для такого преобразования частота гетеродина также перестраивается по линейному закону со сдвигом на величину, равную фиксированной промежуточной частоте. Помимо частотной синхронизации гетеродина в данном способе и устройстве предусматривается байтовая синхронизация кодовой последовательности с помощью тактовых генераторов на передающей и приемной сторонах, синхронизированных по частоте и по фазе с помощью специальных импульсных посылок, передаваемых на частоте опорного канала. На приемной стороне демодуляция информационного сигнала выполняется фазовым детектором с системой автоматической подстройки частоты к частоте опорного канала. Эта же система автоматически обеспечивает компенсацию доплеровского сдвига при движении приемника относительно передатчика.
В данном способе эффект защиты от помех многолучевости с относительно большим временем задержки запаздывающих лучей достигается тем, что к моменту прихода запаздывающего луча приемник успевает перестроиться на другую частоту, и поэтому луч оказывается за пределами частотной полосы пропускания.
Недостатком метода и устройства является недостаточная помехоустойчивость к многолучевости с относительно малыми задержками лучей по отношению к длительности информационной посылки. Такие лучи вызывают внутрисимвольную интерференцию, искажают фазу и амплитуду сигнала и приводят к искажениям информации. Указанный недостаток приводит к невозможности использования способа и устройства в мелководных водоемах с вертикальными отражающими стенками и бетонированным дном типа плавательных бассейнов.
Наиболее близким техническим решением к заявленному по совокупности существенных признаков является подводная коммуникационная система согласно патенту US 5124955. Система цифровой связи содержит передатчик и приемник, снабженные передающим и приемным гидрофонами. Передатчик включает в себя источник информации и блок формирования излучаемого сигнала, построенного в виде банка множества частот. В передатчик входит также коммутатор, который выбирает из банка группу из нескольких частот, используемых в данный момент для формирования одной информационной посылки. Отобранная группа частот делится на две равные подгруппы, каждая из которых используется для передачи нуля или единицы двоичной кодовой последовательности. Коммутатор управляется импульсами тактового генератора, который синхронизирует формирование излучаемой кодовой посылки, состоящей из стартового бита, семи информационных бит, одного бита паритета и двух стоповых бит. Оконечным каскадом передатчика является усилитель мощности для возбуждения излучающего гидрофона.
Приемник включает в себя приемный гидрофон и набор узкополосных фильтров, частоты которых соответствуют частотам банка передатчика. Коммутатор фильтров приемника отбирает из их общего числа только определенную часть, соответствующую выбранной группе частот передатчика, используемых для передачи очередного бита информации. Коммутатором фильтров приемника управляет тактовый генератор, синхронизированный с тактовым генератором передатчика по частоте и по фазе. На выходе частотных фильтров приемника установлены амплитудные детекторы, после которых выходные сигналы суммируются в двух отдельных сумматорах, соответствующих нулям и единицам кода. Результаты суммирования от двух сумматоров подаются на входы решающего устройства, которое решает, какой из двух сравниваемых сигналов преобладает и соответственно принимается решение о приеме символа ноль или единица. Передача данных осуществляется байтами, в каждом из которых на приемной стороне также поочередно используются все фильтры банка. Длительность одного байта информации выбирают так, чтобы запаздывающие лучи успевали затухнуть до момента прихода лучей последующего байта на совпадающих частотах. Один байт от другого разделяются защитными временными интервалами, перекрывающими по длительности многолучевость и реверберацию, чем и обеспечивается защита от помех.
Преимущество прототипа перед приведенными аналогами заключается в более высокой помехоустойчивости от многолучевости как с малыми, так и с большими временными задержками между отдельными лучами. От помех многолучевости с малыми временными задержками, вызывающих внутрисимвольную интерференцию, защита от замираний достигается пятикратным дублированием частот в одном символе, соответственно количеству частот в подгруппе. Вероятность одновременного замирания сигнала на всех пяти частотах исчезающе мала, поэтому надежность приема после суммирования амплитуды пяти сигналов резко повышается.
Защита от помех многолучевости с большими временными задержками лучей обеспечивается сменой всех частот от бита к биту. К моменту прихода лучей с большой задержкой фильтры приемника оказываются переключенными на последующую группу частот, поэтому сигналы от предшествующего бита оказываются вне полосы приема.
В практической реализации системы подводной связи согласно прототипу банк передатчика содержит 100 фиксированных частот, из которых коммутатор отбирает в определенном порядке по 10 частот, используемых для передачи очередного бита данных. Шаг сетки частот в банке составляет 120 Гц при центральной несущей частоте 80 кГц и общей ширине полосы 12 кГц. Согласно ширине полосы приемных фильтров ΔF=120 Гц длительность одного бита информации составляет 1/ΔF и равняется 8,3 мс. При указанных параметрах системы получается относительно низкая скорость передачи данных около 120 бит/с, что не удовлетворяет современным требованиям.
Система связи согласно прототипу имеет два существенных недостатка. Первый недостаток, как уже отмечалось, заключается в низкой скорости передачи данных, обусловленной узкой полосой пропускания частотных фильтров и соответственно большой длительностью одного бита передаваемой информации. Второй недостаток заключается в малой дистанционности канала связи, что обусловлено снижением мощности каждой частотной составляющей сигнала при одновременном излучении пяти частот и ограниченной суммарной мощности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости подводного канала связи к многолучевым помехам двух видов как с малыми, так и с большими временными задержками отдельных акустических лучей при достаточно высокой скорости передачи данных и повышенной дистанционности линии связи. Заявленный технический результат достигается в системе со следующей совокупностью признаков.
1. Гидроакустическая система подводной связи для передачи цифровой информации асинхронным двоичным кодом, состоящая из широкополосных передатчика и приемника, в которой передатчик содержит источник цифровой кодовой информации, подключенный к задающему генератору и первому генератору тактовых импульсов, управляющему задающим, выход задающего генератора подключен к усилителю мощности, нагруженному излучающим гидрофоном, а приемник содержит последовательно включенные приемную антенну, входной широкополосный фильтр, усилитель принимаемых частот, преобразователь принимаемых частот в промежуточную частоту, усилитель промежуточной частоты и частотный детектор, а также второй генератор тактовых импульсов, управляющий преобразователем принимаемых частот и входным широкополосным фильтром, отличающаяся тем, что в передатчике задающий генератор выполнен в виде первого микропроцессорного синтезатора сетки поочередно генерируемых частот, число которых равняется удвоенному числу информационных битов двоичной кодовой комбинации, каждая частота используется однократно для передачи очередного бита кодовой комбинации, а значения сетки частот сдвинуты между собой на один фиксированный шаг для передачи очередного нулевого или единичного бита кодовой информации, при этом для передачи стартовых посылок асинхронного двоичного кода первый синтезатор генерирует дополнительную частоту вне диапазона частот информационных битов.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в приемнике преобразователь принимаемых частот выполнен в виде второго микропроцессорного синтезатора сетки поочередно генерируемых частот, число которых равняется числу битов двоичной кодовой комбинации, каждая частота используется однократно для приема очередного бита информации, а значения частот сдвинуты относительно частот первого синтезатора в передатчике на один фиксированный шаг между нулевыми и единичными битами, при этом битовая синхронизация второго синтезатора частот осуществляется стартовыми импульсами второго генератора тактовых импульсов, а байтовая синхронизация осуществляется стартовыми импульсами асинхронного двоичного кода на дополнительной частоте.
3. Система по п. 1 отличающаяся тем, что входной широкополосный фильтр приемника построен в виде дискретно-перестраиваемого резонансного LC-контура со схемой управления, состоящей из набора конденсаторов, подключаемых к резонансному контуру транзисторными ключами, которые управляются параллельным двоичным кодом, поступающим на их затворы с выходов второго тактового генератора.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в приемнике частотный детектор построен по двухчастотной дифференциальной схеме и состоит из двухчастотных цифровых фильтров с квадратичными детекторами на выходах, подключенных к входам порогового элемента сравнения амплитуд сигналов, выполненного в виде компаратора с регулируемым уровнем срабатывания, а также из третьего цифрового частотного фильтра с квадратичным детектором, подключенным к управляющему входу второго генератора тактовых импульсов.
Предлагаемая гидроакустическая система связи сохраняет положительные качества аналогов и прототипа в части помехоустойчивости к интерференции акустических лучей с большими временными задержками, которые вызывают межсимвольную интерференцию. Это достигается за счет использования отдельных фиксированных частот для передачи каждого последующего бита кодовой комбинации, но различающихся частотным сдвигом при передаче нулей или единиц двоичного кода. Поэтому число частот синтезатора равняется удвоенному числу бит кодовой комбинации. Данное свойство системы позволяет на приемной стороне отстроиться по частоте от запаздывающих акустических лучей путем упреждающего переключения приемника на последующую частоту.
В отличие от прототипа достигается также новое качество устойчивости к внутрисимвольной интерференции лучей с малыми временными задержками, которые получаются при переотражениях лучей от близко расположенных объектов к приемной антенне. Как отмечалось, внутрисимвольная интерференция в пределах одного бита данных характеризуется замираниями амплитуды (федингом) вплоть до снижения ниже порога чувствительности. Устойчивость к замираниям амплитуды в рассматриваемой системе связи достигается за счет многократного укорочения длительности битов кодовой последовательности по сравнению с прототипом. Укорочение посылок кодовой последовательности оказалось возможным благодаря расширению полосы частот каждой несущей во столько раз, во сколько снизилось число частот синтезатора по отношению к числу частот банка данных в прототипе. Длительность битовых посылок уменьшилась примерно в 10 раз и поэтому запаздывающие лучи с малыми временными задержками оказались за пределами временного интервала интерференции. Сокращение длительности битовых посыпок повысило также скорость передачи данных по отношению к прототипу и аналогам пропорционально уменьшению длительности посылки.
Дистанционность линии подводной связи возросла за счет повышения мощности сигнала на единственной несущей частоте в момент излучения при сохранении пиковой мощности передатчика.
Построение входного широкополосного фильтра приемника в виде дискретно-перестраиваемого резонансного LC-контура позволило многократно повысить отношение полезного сигнала к помехам. В каждый момент приема очередного бита данных контур оказывается настроенным в узком диапазоне на среднюю частоту именно этого бита (между нулем и единицей). При такой подстройке ширина полосы контура оказывается меньше полной полосы фильтра в кратности, равной числу бит в одном байте данных, т.е. в восемь раз. В такой же пропорции увеличивается по мощности отношение полезного сигнала к шумовым помехам. В итоге значительно возросла дальность канала связи или помехоустойчивость при фиксированной дальности.
На фигуре 1 приведена функциональная блок-схема передатчика. На схеме показаны источник информации 1 и подключенные к нему формирователь акустических сигналов 2 и первый тактовый генератор управляющих синхроимпульсов 3. Выход первого тактового генератора подключен к управляющему входу формирователя акустических сигналов 2, выполненного в виде первого синтезатора поочередно генерируемых частот. Выход синтезатора частот подключен к входу усилителя мощности 4, нагруженного на излучающий гидрофон 5 с круговой диаграммой направленности.
На фигуре 2 приведена блок-схема приемника. В состав схемы входят приемная антенна 6, подключенная к входному широкополосному фильтру 7 и далее к усилителю 8, выход которого подключен к преобразователю принимаемой частоты в промежуточную частоту 9, преобразователь принимаемой частоты построен из смесителя 10 и гетеродина 11, выполненного в виде второго синтезатора сетки фиксированных частот. К управляющему входу синтезатора частот подключен выход второго тактового генератора 12. На выходе преобразователя частоты 9 установлен усилитель промежуточной частоты 13. Выход усилителя промежуточной частоты подключен к входам частотного детектора 14, состоящего из трех цифровых избирательных частотных фильтров 15, 16 и 17 с квадратичными детекторами на выходах 18, 19, 20, которые подключены к входам компаратора 21, выполненного на базе операционного усилителя с регулируемым порогом срабатывания. Байтовая синхронизация второго тактового генератора 12 по управляющему входу осуществляется сигналами стартовых импульсов, поступающих от частотного фильтра 17 на дополнительно выделенной частоте синхронизации.
Работа гидроакустической системы связи происходит в следующей последовательности.
При поступлении информационного сигнала от источника информации 1 в виде асинхронного двоичного кода на формирователь акустических сигналов 2 запускается тактовый генератор 3 стартовым импульсом кодовой комбинации, который выдает первый синхроимпульс на синтезатор частот. По этому синхроимпульсу синтезатор частот генерирует первую посылку длительностью в один бит, соответствующую выделенной несущей частоте байтовой синхронизации. Далее тактовый генератор вырабатывает пачку из девяти синхроимпульсов, соответствующих информационным битам передаваемого кода и стоповому биту. На каждый синхроимпульс тактового генератора синтезатор частот генерирует очередную частоту, используемую в качестве несущей для передачи информационных битов. Значение частоты в каждом бите определяется содержанием информации в виде нулей и единиц двоичного кода. Частоты синтезатора формируются с определенным фиксированным шагом в пределах полосы частот канала связи. Для передачи нулей кода используется первая сетка из 8 частот, для передачи единиц кода - вторая сетка из 8 частот. Сформированные первым синтезатором частот сигналы усиливаются усилителем мощности и передаются в водную среду через излучающий гидрофон. Сигналы распространяются в воде во всех направлениях, отражаются от границ раздела, ослабляются по мере распространения за счет поглощения и расхождения фронта волны и приходят в точку приема в виде отдельных лучей с различными амплитудами и временными задержками. В точке приема лучи интерферируют между собой и создают взаимные помехи многолучевости. Кроме того, в точке приема возникают помехи от реверберации, обусловленной рассеянием звука на неоднородностях в объеме воды и от шумов моря.
Приемная антенна 6 принимает суммарный акустический сигнал вместе с помехами и передает его в приемный тракт, состоящий из широкополосного фильтра 7 и предусилителя 8. Резонансный LC-контур этого фильтра подстраивается к частоте очередного бита информации с помощью переключаемого набора конденсаторов. Переключение набора конденсаторов выполняют транзисторные ключи, управляемые параллельной выходной шиной второго тактового генератора. Предварительно усиленный и отфильтрованный по частоте сигнал далее поступает в преобразователь частоты 9, состоящий из смесителя 10 и гетеродина 11, выполненного в виде второго синтезатора сетки частот. В исходном состоянии в ожидании принимаемого сигнала гетеродин 11 выдает дополнительную частоту, для выделения стартового импульса. При получении стартового импульса кодовой комбинации эта частота выделяется цифровым частотным детектором 20 в виде синхроимпульса, которым запускается второй тактовый генератор 12.
Второй тактовый генератор 12 вырабатывает пачку из десяти управляющих импульсов и выдает их на управление резонансным LC-контуром и на синтезатор частот 11 приемника, который поочередно переключается на генерирование частот, соответствующих порядковому номеру принимаемых битовых посылок кода. После выдачи пачки управляющих импульсов второй тактовый генератор 12 останавливается в исходной позиции ожидания очередного запуска стартовым импульсом асинхронного кода.
Принимаемая последовательность несущих частот передатчика несет в себе передаваемую информацию. При взаимодействии несущих частот передатчика, соответствующих нулям и единицам двоичного кода, с частотами местного гетеродина в смесителе получается одна из двух промежуточных частот. Если принимается нулевое значение бита, то образуется первая промежуточная частота, если принимается единичное значение бита, то образуется вторая промежуточная частота. Далее сигналы промежуточной частоты после усиления усилителем 13 подаются на дифференциальный частотный детектор 14, который осуществляет дешифрацию принимаемого кода. Решение о приеме нуля или единицы кода принимается компаратором 21, который сравнивает амплитуды двух сигналов от цифровых частотных фильтров после квадратичного детектирования и выдает на своем выходе исходный двоичный код. Компаратор 21 имеет регулируемый порог срабатывания к разности амплитуд сигналов, который соответствует уровню фоновых шумов водной среды. Уровень порога срабатывания вырабатывается в предусилителе 8 путем квадратичного детектирования суммарного сигнала в полной полосе частот приемника. С приемом очередного стартового импульса, излучаемого передатчиком, весь процесс приема данных повторяется.
Модельные испытания экспериментального образца системы подтвердили устойчивость к помехам многолучевости в пределах ожидаемого диапазона временных задержек лучей.