RU2848194C2 - Method for transmitting and receiving information - Google Patents
Method for transmitting and receiving informationInfo
- Publication number
- RU2848194C2 RU2848194C2 RU2024108469A RU2024108469A RU2848194C2 RU 2848194 C2 RU2848194 C2 RU 2848194C2 RU 2024108469 A RU2024108469 A RU 2024108469A RU 2024108469 A RU2024108469 A RU 2024108469A RU 2848194 C2 RU2848194 C2 RU 2848194C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carrier
- signal
- frequency
- sequence
- time
- Prior art date
Links
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИAREA OF TECHNOLOGY
Изобретение относится акустической технике, гидроакустической технике, к сейсмической технике и к радиотехнике и может быть использовано в адаптивных системах помехозащищенной пакетной передачи данных.The invention relates to acoustic engineering, hydroacoustic engineering, seismic engineering and radio engineering and can be used in adaptive systems for noise-immune packet data transmission.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
Термины и определения.Terms and definitions.
Расширение спектра - способ повышения эффективности передачи информации с помощью модулированных сигналов через канал с сильными линейными искажениями (замираниями), приводящий к увеличению базы сигнала.Spread spectrum is a method of increasing the efficiency of information transmission using modulated signals through a channel with strong linear distortions (fading), leading to an increase in the signal base.
В существующих на сегодняшний день системах для этой цели в основном используются три следующих метода:In the systems existing today, the following three methods are mainly used for this purpose:
1. Псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ, англ. frequency-hopping spread spectrum, FHSS). Суть метода заключается в периодическом скачкообразном изменении несущей частоты по некоторому алгоритму, известному приемнику и передатчику. Преимущество метода - простота реализации, недостаток - задержка в потоке данных при каждом скачке. Метод используется в Bluetooth. Сходные методы с более редкими изменениями частот (Slow frequency hopping) предлагались для GSM;1. Frequency-hopping spread spectrum (FHSS). The method involves periodically hopping the carrier frequency according to an algorithm known to both the receiver and transmitter. The advantage of this method is its ease of implementation; the disadvantage is the delay in the data stream with each hop. This method is used in Bluetooth. Similar methods with less frequent frequency changes (slow frequency hopping) have been proposed for GSM.
Недостаток этого способа состоит в том, что при его использовании в каналах связи с небольшой шириной полосы частот, доступной для формирования сигнала связи (как, например, в гидроакустике или дальней радиосвязи), длительность одного интервала перестройки частоты соизмерима с длительностью реверберации. Например, при использовании ППРЧ в гидроакустике, длительность интервала перестройки частоты (т.е. длительность каждой очередной «ступеньки», на которой частота сигнала остается постоянной) должна соответствовать узкой полосе частот, типичной для гидроакустики, и, соответственно, быть достаточно большой иметь значение, равное обратному значению доступной полосы частот (или еще большее). В связи с этим, длительность интервала перестройки частоты (т.е. длительность каждой очередной «ступеньки», на которой частота сигнала остается постоянной) часто превышает избыточную задержку распространения сигнала. По этой причине принимаемый сигнал испытывает многолучевую интерференцию, приводящую к повреждению информации, содержащейся в сигнале связи.A disadvantage of this method is that when used in communication channels with a narrow bandwidth available for generating a communication signal (such as in hydroacoustics or long-distance radio communications), the duration of one frequency hopping interval is comparable to the reverberation duration. For example, when using frequency hopping in hydroacoustics, the duration of the frequency hopping interval (i.e., the duration of each successive "step" at which the signal frequency remains constant) must correspond to the narrow frequency band typical of hydroacoustics and, accordingly, be sufficiently large to have a value equal to the reciprocal of the available bandwidth (or even greater). Therefore, the duration of the frequency hopping interval (i.e., the duration of each successive "step" at which the signal frequency remains constant) often exceeds the excess signal propagation delay. For this reason, the received signal experiences multipath interference, leading to corruption of the information contained in the communication signal.
2. Расширение спектра методом прямой последовательности (ПРС, англ. direct sequence spread spectrum, DSSS). Метод по эффективности превосходит ППРЧ, но сложнее в реализации. Суть метода заключается в повышении тактовой частоты модуляции, при этом каждому символу передаваемого сообщения ставится в соответствие некоторая достаточно длинная псевдослучайная последовательность (ПСП). Метод используется в таких системах как CDMA и системах стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi);2. Direct sequence spread spectrum (DSSS). This method is more efficient than frequency hopping, but is more difficult to implement. It involves increasing the modulation clock frequency, assigning a relatively long pseudo-random sequence (PRS) to each symbol of the transmitted message. This method is used in systems such as CDMA and IEEE 802.11 (Wi-Fi) systems.
Аналогично - недостаток этого способа состоит в том, что при его использовании в каналах связи с небольшой шириной полосы частот, доступной для формирования сигнала связи (как, например, в гидроакустике или дальней радиосвязи), длительность одного интервала ПСП соизмерима с длительностью реверберации. В частности, при использовании ПСП в гидроакустике, длительность каждого очередного интервала ПСП (на которой частота сигнала остается постоянной) должна соответствовать узкой полосе частот, типичной для гидроакустики, и, соответственно, быть достаточно большой - иметь значение, равное обратному значению доступной полосы частот (или еще большее). В связи с этим, длительность интервала перестройки частоты (т.е. длительность каждой очередной «ступеньки», на которой частота сигнала остается постоянной) часто превышает избыточную задержку распространения сигнала. По этой причине принимаемый сигнал испытывает многолучевую интерференцию, приводящую к повреждению информации, содержащейся в сигнале связи.Similarly, a disadvantage of this method is that when used in communication channels with a narrow bandwidth available for generating a communication signal (such as in hydroacoustics or long-distance radio communications), the duration of one PRS interval is comparable to the reverberation duration. Specifically, when using PRS in hydroacoustics, the duration of each successive PRS interval (over which the signal frequency remains constant) must correspond to the narrow frequency band typical of hydroacoustics and, accordingly, be sufficiently long—having a value equal to the inverse of the available frequency band (or even greater). Therefore, the duration of the frequency-hopping interval (i.e., the duration of each successive "step" over which the signal frequency remains constant) often exceeds the excess signal propagation delay. For this reason, the received signal experiences multipath interference, leading to corruption of the information contained in the communication signal.
3. Расширение спектра методом линейной частотной модуляции (ЛЧМ, англ. chirp spread spectrum, CSS). Суть метода заключается в перестройке несущей частоты по линейному закону. Метод используется в радиолокации, в некоторых радиомодемах, а также в технологии LoRa.3. Chirp spread spectrum (CSS) is a method of spreading the spectrum using a linear frequency modulation (LFM). This method involves linearly adjusting the carrier frequency. This method is used in radar, some radio modems, and LoRa technology.
Недостаток CSS состоит в статичности параметров передаваемого сигнала связи во время текущего сеанса связи. В условиях многолучевого распространения сигнала (например, из-за переотражений от границ/слоев среды распространения) избыточные задержки распространения многолучевых составляющих («лучей») заранее не известны. Если период следования ЛЧМ сигналов (в частности, символов данных, расширенных с помощью линейной частотной модуляции) совпадает с избыточными задержками «лучей», то при приеме сигнала происходит интерференция текущего ЛЧМ сигнала (символа данных) с многолучевыми составляющими предыдущего ЛЧМ сигнала (предыдущего символа данных). Как следствие, это вызывает повреждение информации, содержащейся в принимаемом сигнала связи (в частности, возрастание числа битовых ошибок до неприемлемых значений). Такая деструктивная интерференция будет происходить в особенности часто при продолжительной реверберации высокой интенсивности (как например, в гидроакустической среде).A disadvantage of CSS is the static nature of the transmitted communication signal parameters during an ongoing communication session. In multipath signal propagation conditions (e.g., due to multiple reflections from the boundaries/layers of the propagation medium), the excess propagation delays of the multipath components ("paths") are not known in advance. If the chirp signal repetition period (in particular, data symbols spread using frequency modulation) coincides with the excess "path" delays, then upon signal reception, interference between the current chirp signal (data symbol) and the multipath components of the previous chirp signal (previous data symbol) occurs. Consequently, this causes corruption of the information contained in the received communication signal (in particular, an increase in the bit error rate to unacceptable values). Such destructive interference will occur particularly frequently in prolonged, high-intensity reverberation (such as in a hydroacoustic environment).
Из-за отсутствия возможности настройки порядка следования ЛЧМ сигналов в соответствии с текущими характеристиками среды распространения сигнала, а также отсутствие адаптации к среде распространения в ходе обмена данными, использование CSS является затруднительным.Due to the lack of ability to adjust the order of chirp signals in accordance with the current characteristics of the signal propagation environment, as well as the lack of adaptation to the propagation environment during data exchange, the use of CSS is difficult.
В особенности, при изменчивости среды распространения (как в случае гидроакустической связи между подвижными объектами под водой), и как следствие - из-за изменчивой продолжительности и интенсивности реверберации и невозможности контролировать (настраивать) периодичность следования ЛЧМ сигналов (символов данных, расширенных с помощью линейной частотной модуляции), использование CSS является нежелательным.In particular, when the propagation environment is variable (as in the case of hydroacoustic communication between moving objects underwater), and as a consequence - due to the variable duration and intensity of reverberation and the inability to control (adjust) the frequency of the chirp signals (data symbols expanded using linear frequency modulation), the use of CSS is undesirable.
В ряде систем для уменьшения мощностей побочного электромагнитного излучения могут применяться сходные технологии - Spread-spectrum clock generation (SSCG) - при которых частота тактового генератора высокочастотных синхронных схем постоянно меняется в пределах порядка 30-250 кГц (например, в SAT A, DisplayPo). Недостатки метода SSCG также связаны со статичностью параметров передаваемого сигнала связи во время текущего сеанса связи. Поэтому недостатки метода SSCG идентичны недостаткам метода CSS, описанным выше.A number of systems can use similar technologies to reduce spurious electromagnetic radiation—spread-spectrum clock generation (SSCG)—in which the clock frequency of high-frequency synchronous circuits is constantly varied within a range of 30-250 kHz (e.g., in SAT-A, DisplayPo). The disadvantages of SSCG are also related to the static nature of the transmitted communication signal parameters during an ongoing communication session. Therefore, the disadvantages of SSCG are identical to those of CSS, described above.
Известны способы и устройства для передачи и приема информации (RU 2282944, US 6985749 B2, МПК: H04L 27/10 (2006.01), опубл. 27.08.2006) [1], в которых для повышения качества передачи данных и повышения устойчивости к помехам осуществляется передача и/или прием информации посредством волн, в соответствии с которыми осуществляется наложение информационного сигнала на несущую волну, частота которой непрерывно и плавно изменяется на заданном интервале времени для формирования по меньшей мере одной развертки несущей, при этом передаваемый сигнал после приема фильтруется в частотной области для разделения многолучевых составляющих или очищается от помех и затем оценивается в отношении сигнального параметра, несущего информацию. Недостатки метода, описанного в патентах RU 2282944 (US6985749B2), тоже связаны со статичностью параметров передаваемого сигнала связи во время текущего сеанса связи и, поэтому, идентичны недостаткам методов CSS и SSCG, описанным выше.Methods and devices for transmitting and receiving information are known (RU 2282944, US 6985749 B2, IPC: H04L 27/10 (2006.01), published 27.08.2006) [1], in which, in order to improve the quality of data transmission and increase immunity to interference, information is transmitted and/or received by means of waves in accordance with which the information signal is superimposed on a carrier wave, the frequency of which continuously and smoothly changes over a given time interval to form at least one carrier sweep, wherein the transmitted signal after reception is filtered in the frequency domain to separate multipath components or is cleared of interference and then evaluated with respect to the signal parameter carrying the information. The disadvantages of the method described in patents RU 2282944 (US6985749B2) are also associated with the static nature of the parameters of the transmitted communication signal during the current communication session and, therefore, are identical to the disadvantages of the CSS and SSCG methods described above.
Известна система радиочастотной связи (US 9083444 B2, МПК: Н04В 1/69, опубл. 2015-07-14) [2], которая включает в себя радиочастотный передатчик и радиочастотный приемник, причем радиочастотный передатчик включает в себя схему модуляции и радиочастотный модулятор, при этом радиочастотный передатчик отображает каждый блок из К информационных битов в блок из N символов передачи, преобразует блок передает N символов с использованием повторения блоков символов и расширяет блоки символов путем умножения блоков символов на заранее определенный ЛЧМ-сигнал, при этом радиочастотный приемник включает в себя приемник ЛМЧ, выполненный с возможностью приема, демодуляции и оцифровки модулированного радиочастотного (РЧ) сигнала для формирования цифрового модулирующего сигнала и для восстановления сигнала, модулированного с использованием модуляции с расширенным спектром с перемежающейся частотной модуляцией одной несущей.A radio frequency communication system is known (US 9083444 B2, IPC: H04B 1/69, published 2015-07-14) [2], which includes a radio frequency transmitter and a radio frequency receiver, wherein the radio frequency transmitter includes a modulation circuit and a radio frequency modulator, wherein the radio frequency transmitter maps each block of K information bits into a block of N transmission symbols, converts the block to transmit N symbols using a repetition of symbol blocks and spreads the symbol blocks by multiplying the symbol blocks by a predetermined chirp signal, wherein the radio frequency receiver includes a chirp receiver configured to receive, demodulate and digitize the modulated radio frequency (RF) signal to form a digital modulating signal and to recover a signal modulated using spread spectrum modulation with interleaved frequency modulation of a single carrier.
Способ модуляции данных для передачи, включает:A method of modulating data for transmission includes:
- отображение блока из K информационных битов, где K представляет собой количество информационных битов, в блок из N символов передачи, где N представляет собой количество символов передачи, где N больше одного;- mapping a block of K information bits, where K is the number of information bits, into a block of N transmission symbols, where N is the number of transmission symbols, where N is greater than one;
- преобразование блока из N символов передачи в блок из N поднесущих в частотной области;- transformation of a block of N transmission symbols into a block of N subcarriers in the frequency domain;
- повторение блока из N поднесущих частотной области для формирования блока из L поднесущих частотной области, где L представляет собой количество поднесущих частотной области;- repeating a block of N frequency domain subcarriers to form a block of L frequency domain subcarriers, where L is the number of frequency domain subcarriers;
- интерполяцию последовательности ЛЧМ с коэффициентом N для формирования интерполированной последовательности ЛЧМ;- interpolation of the chirp sequence with the coefficient N to form an interpolated chirp sequence;
умножение повторяющегося блока из L поднесущих частотной области на интерполированную последовательность ЛЧМ для формирования поднесущих с ЛЧМ-расширением; иmultiplying a repeating block of L frequency-domain subcarriers by an interpolated chirp sequence to form chirp-spread subcarriers; and
- преобразование поднесущих с ЛЧМ-расширением в блок данных временной области для передачи;- converting chirp-extended subcarriers into a time-domain data block for transmission;
при этом блок данных временной области имеет длину L, а последовательность ЛЧМ имеет длину L/N, так что интерполированная последовательность ЛЧМ имеет длину L.wherein the time domain data block has length L and the chirp sequence has length L/N, so that the interpolated chirp sequence has length L.
Метод модуляции, где преобразованием символов является квадратурная фазовая манипуляция (QPSK),A modulation method where the symbol transformation is quadrature phase shift keying (QPSK),
- где отображение символов представляет собой двоичную фазовую манипуляцию (BPSK);- where the symbol mapping is binary phase shift keying (BPSK);
- где отображение символов представляет собой квадратурную амплитудную модуляцию (QAM).- where the symbol mapping is quadrature amplitude modulation (QAM).
Недостатком известного технического решения является использование для расширения спектра заранее определенного ЛЧМ-сигнала, следствием этого является статичность параметров передаваемого сигнала связи во время текущего сеанса связи.The disadvantage of the known technical solution is the use of a predetermined chirp signal to expand the spectrum, which results in the static nature of the parameters of the transmitted communication signal during the current communication session.
Недостатки метода, описанного в патенте US 9083444 B2, также связанны со статичностью параметров передаваемого сигнала связи во время текущего сеанса связи, и поэтому идентичны недостаткам методов CSS, SSCG, и недостаткам метода по патенту RLJ 2282944 (US 6985749 B2).The disadvantages of the method described in patent US 9083444 B2 are also associated with the static nature of the parameters of the transmitted communication signal during the current communication session, and are therefore identical to the disadvantages of the CSS, SSCG methods, and the disadvantages of the method according to patent RLJ 2282944 (US 6985749 B2).
Известен также способ и устройство цифровой связи, основанное на ЛЧМ сигналах, передаваемых в качестве синхроимпульсов (патентная заявка US 2008310481 A1). В заявке рассматривается способ и устройство цифровой связи, основанное на использовании ЛЧМ сигнала, передаваемого в качестве сигнала синхронизации, и, следом за ним, другого широкополосного сигнала (псевдошумового сигнала), который модулируется передаваемыми данными. В описании не предполагается настройки расширения спектра сигнала к условиям среды распространения сигнала, а также не предполагается и адаптации к среде распространения в ходе обмена данными. Кроме того, в ней не предполагается обработки принимаемых сигналов с разделением в частотно-временных координатах и/или выборочного объединения многолучевых составляющих (переотражений, эхо-сигналов), и, благодаря этому, очистки от помех с попутным повышением отношения сигнал/шум.A digital communications method and device based on chirped signals transmitted as synchronization pulses is also known (patent application US 2008310481 A1). The application discusses a digital communications method and device based on the use of a chirped signal transmitted as a synchronization signal, followed by another wideband signal (a pseudo-noise signal) modulated by the transmitted data. The description does not assume the adjustment of the signal spectrum spreading to the conditions of the signal propagation environment, nor does it assume adaptation to the propagation environment during data exchange. Furthermore, it does not assume the processing of received signals by separation in frequency-time coordinates and/or selective combining of multipath components (re-reflections, echo signals), and, due to this, interference removal with an associated increase in the signal-to-noise ratio.
В отличие от US 2008310481 A1 текущая заявка описывает синхронизирующий сигнал не как ЛЧМ сигнал, а как сложную конструкцию (совокупность) фрагментов развертки несущей. Последовательность сигналов (с символами данных), следующая за синхронизирующим сигналом, также содержит расширение спектра виде развертки несущей. При этом развертка несущей по определению представляет собой сложную конструкцию (совокупность) фрагментов, каждый из которых изменяется по частоте (содержит расширение спектра). Каждый такой фрагмент развертки несущей расположен вдоль оси времени и/или вдоль оси частот по зависимости, которая определяется характеристиками среды распространения сигнала.Unlike US 2008310481 A1, the current application describes the synchronizing signal not as a chirp signal, but as a complex structure (set) of carrier sweep fragments. The signal sequence (with data symbols) following the synchronizing signal also contains spectrum spreading in the form of a carrier sweep. Moreover, a carrier sweep, by definition, is a complex structure (set) of fragments, each of which varies in frequency (contains spectrum spreading). Each such carrier sweep fragment is located along the time axis and/or along the frequency axis according to a relationship determined by the characteristics of the signal propagation medium.
Также, существенный недостаток изобретения US 2008310481 A1 состоит в том, что использование синхронизирующего ЛЧМ сигнала не позволяет оперативно оценивать динамику характеристик среды распространения сигнала. Одиночный ЛЧМ сигнала может быть использован для определения одиночного импульсного отклика в точке приеме. В отличие от этого, в текущей заявке множество фрагментов несущей может быть использовано для оценки изменчивости импульсного отклика на некотором интервале времени. Также, использование одиночного ЛЧМ сигнала не позволяет оценить степень расширения или сжатия оси времени в результате доплеровского эффекта при взаимно-относительных перемещениях носителей устройств связи.A significant drawback of US 2008310481 A1 is that the use of a chirp synchronizing signal does not allow for the rapid assessment of the dynamics of the signal propagation environment. A single chirp signal can be used to determine a single impulse response at the receiving point. In contrast, in the current application, multiple carrier fragments can be used to estimate the variability of the impulse response over a certain time interval. Furthermore, the use of a single chirp signal does not allow for the assessment of the degree of expansion or compression of the time axis due to the Doppler effect during the relative movements of the carriers of the communication devices.
В отличие от этого, в текущей заявке множество синхроимпульсов (фрагментов несущей) может быть использовано для оценки доплеровских искажений на некотором интервале времени, и для учета этих искажений при пересчете времени синхронизации каждого символа данных (временного отсчета каждой развертки несущей) в ходе приема пакета с данными, следующими за синхронизирующим сигналом. Коме того, в текущей заявке предусмотрена возможность использования нескольких разверток несущей, следующих друг за другом на неэквидистантных интервалах, что позволит надежно (по множеству фрагментов несущей) оценивать импульсный отклик среды распространения на сравнительно продолжительном интервале времени.In contrast, in the current application, multiple synchronization pulses (carrier fragments) can be used to estimate Doppler distortions over a certain time interval and to account for these distortions when recalculating the synchronization time of each data symbol (the timing of each carrier sweep) during the reception of a data packet following the synchronization signal. Furthermore, the current application provides the ability to use multiple carrier sweeps, following one another at non-equidistant intervals, which will allow for reliable (using multiple carrier fragments) estimation of the propagation medium's impulse response over a relatively long time interval.
Предлагаемые в текущей заявке меры призваны обеспечить надежный обмен данными между подвижными (например, подводными) носителями устройств связи в условиях высокой динамики среды распространения сигнала.The measures proposed in the current application are intended to ensure reliable data exchange between mobile (e.g. underwater) communication devices in highly dynamic signal propagation environments.
Известна система и способ передачи и обнаружения сигналов с расширенным спектром (System and method for transmitting and detecting spread spectrum signals) (US 9088349 (B2), МПК: Н04В 1/00; H04B 1/7183; H04B 1/69, опубл. 2015-07-21) [3]. Предложена также система и способ обнаружения широкополосных сигналов с полосой пропускания X в системе связи, имеющей постоянную времени когерентности Т. Сигнал синхронизации генерируется как функция ЛЧМ-сигнала, который сканирует часть полосы пропускания X. Сигнал синхронизации передается и принимается в приемнике как широкополосный сигнал. Приемник обнаруживает сигнал синхронизации в широкополосном сигнале, принятом в приемнике, путем генерации сигнала обнаружения, корреляции принятого широкополосного сигнала с сигналом обнаружения и указания, когда сигнал синхронизации обнаружен в широкополосном сигнале. Сигнал обнаружения является комплексно-сопряженным сигналом синхронизации. Работа системы основана на использовании ЛЧМ сигнала, передаваемого в качестве сигнала синхронизации, и, следом за ним, другого широкополосного сигнала (псевдошумового сигнала), которая модулируется передаваемыми данными, снижает сложность обработки, но за счет уменьшения свойств автокорреляции, приемника выполняет преобразование с понижением частоты и фильтрацию РЧ, в то время как цифровой коррелятор 124 реализован с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ). Таким образом, система 100 решает проблему обнаружения сигнала с чрезвычайно низким отношением сигнал/шум. Когерентное обнаружение использовано для обнаружения чрезвычайно слабых сигналов с расширенным спектром.A system and method for transmitting and detecting spread spectrum signals is known (System and method for transmitting and detecting spread spectrum signals) (US 9088349 (B2), IPC: H04B 1/00; H04B 1/7183; H04B 1/69, published 2015-07-21) [3]. A system and method for detecting wideband signals with a bandwidth X in a communication system having a coherence time constant T are also proposed. The synchronization signal is generated as a function of a chirp signal that scans a portion of the bandwidth X. The synchronization signal is transmitted and received at a receiver as a wideband signal. The receiver detects the synchronization signal in the wideband signal received at the receiver by generating a detection signal, correlating the received wideband signal with the detection signal, and indicating when the synchronization signal is detected in the wideband signal. The detection signal is a complex conjugate of the synchronization signal. The system's operation is based on the use of a chirp signal transmitted as a synchronization signal, followed by another wideband signal (pseudo-noise signal) modulated by the transmitted data. This reduces processing complexity, but at the expense of reduced autocorrelation properties. The receiver performs downconversion and RF filtering, while digital correlator 124 is implemented using a fast Fourier transform (FFT). Thus, system 100 solves the problem of detecting signals with extremely low signal-to-noise ratios. Coherent detection is used to detect extremely weak, spread-spectrum signals.
Это особенно актуально, когда отношение сигнал/шум падает ниже единицы (0 дБ). Это снижает требования к полосе пропускания когерентности для системы связи, позволяя использовать недорогие генераторы с меньшей стабильностью.This is especially true when the signal-to-noise ratio drops below unity (0 dB). This reduces the coherence bandwidth requirements of the communication system, allowing the use of inexpensive oscillators with lower stability.
Недостатком известного технического решения является отсутствие настройки расширения спектра сигнала к условиям среды распространения сигнала и отсутствие адаптации к среде распространения в ходе обмена данными. Использование синхронизирующего ЛЧМ сигнала не позволяет оперативно оценивать динамику характеристик среды распространения сигнала. Одиночный ЛЧМ сигнала может быть использован для определения одиночного импульсного отклика в точке приема. Использование одиночного ЛЧМ сигнала не позволяет оценить степень расширения или сжатия оси времени в результате доплеровского эффекта при взаимно-относительных перемещениях носителей устройств связи.A drawback of the existing technical solution is the lack of signal spectrum spreading adjustment to the signal propagation environment and the lack of adaptation to the propagation environment during data exchange. The use of a synchronizing chirp signal does not allow for the rapid assessment of the dynamics of the signal propagation environment. A single chirp signal can be used to determine a single impulse response at the receiving point. Using a single chirp signal does not allow for the assessment of the degree of expansion or compression of the time axis due to the Doppler effect during the relative movements of the communication device carriers.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ пакетной передачи данных шумоподобными фазоманипулированными сигналами (RU 2801875, МПК: Н04В 1/69(2011.01), СПК: Н04В 1/69 (2023.05), опубл. 17.08.2023) [4], принимаемый за прототип, в котором для увеличения скорости передачи данных в начале передачи каждого пакета данных передают синхросигнал, который формируют квадратурной модуляцией сигнала несущей частоты двумя двоичными псевдослучайными последовательностями, синхронизирующей (СП) и информационной (ИП). СП является М-последовательностью, а ИП образована из М-последовательности путем добавления одного постоянного элемента. При передаче данных СП удлиняют на один элемент и формируют дополнительную последовательность (ДП) путем циклического сдвига первоначальной СП и добавлением одного постоянного элемента. На каждом периоде повторения ИП формируют две модулированные последовательности (МП1 и МП2) путем циклического сдвига М-последовательности, из которой образована ИП, на количество элементов, определяемое двумяThe closest in technical essence to the claimed invention is a method for packet data transmission using noise-like phase-shift keyed signals (RU 2801875, IPC: H04B 1/69 (2011.01), SPC: H04B 1/69 (2023.05), published on 17.08.2023) [4], taken as a prototype, in which, in order to increase the data transmission rate, a synchronization signal is transmitted at the beginning of the transmission of each data packet, which is formed by quadrature modulation of the carrier frequency signal with two binary pseudo-random sequences, synchronizing (SP) and information (IP). SP is an M-sequence, and IP is formed from the M-sequence by adding one constant element. When transmitting data, the SP is extended by one element and an additional sequence (AS) is formed by cyclically shifting the original SP and adding one constant element. At each repetition period of the IP, two modulated sequences (MP1 and MP2) are formed by cyclically shifting the M-sequence from which the IP is formed by a number of elements determined by two
передаваемыми информационными символами, и добавлением одного постоянного элемента.transmitted information symbols, and the addition of one constant element.
Осуществляют квадратурную модуляцию сигнала несущей частоты двумя двоичными последовательностями, одну из которых формируют сложением по модулю два СП и МП1, а вторую - сложением по модулю два ДП и МП2.Quadrature modulation of the carrier frequency signal is carried out by two binary sequences, one of which is formed by adding modulo two SP and MP1, and the second by adding modulo two DP and MP2.
Однако, в этой системе сам принцип расширения спектра основан на использовании двоичных псевдослучайных последовательностей, в основе которых лежит формирование хорошо известной М-последовательности, а также разнообразная манипуляция М-последовательностями. Недостатки использования псевдослучайных последовательностей упомянуты выше. Они связаны с тем, что при их использовании в каналах связи с небольшой шириной полосы частот, доступной для формирования сигнала связи (как, например, в гидроакустике или дальней радиосвязи), длительность одного интервала М-последовательности соизмерима с длительностью реверберации. В частности, при использовании М-последовательностей и/или их комбинаций в гидроакустике, длительность каждого очередного интервала ПСП (на которой частота сигнала остается постоянной) должна соответствовать узкой полосе частот, типичной для гидроакустики, и, соответственно, быть достаточно большой - иметь значение, равное обратному значению доступной полосы частот (или еще большее). В связи с этим, длительность интервала перестройки частоты (т.е. длительность каждой очередной «ступеньки», на которой частота сигнала остается постоянной) часто превышает избыточную задержку распространения сигнала. По этой причине принимаемый сигнал испытывает многолучевую интерференцию, приводящую к повреждению информации, содержащейся в сигнале связи.However, in this system, the very principle of spread spectrum is based on the use of binary pseudorandom sequences, which are based on the formation of a well-known M-sequence, as well as various manipulations of M-sequences. The disadvantages of using pseudorandom sequences are mentioned above. They are related to the fact that when they are used in communication channels with a small bandwidth available for generating a communication signal (as, for example, in hydroacoustics or long-distance radio communications), the duration of one M-sequence interval is commensurate with the reverberation duration. In particular, when using M-sequences and/or their combinations in hydroacoustics, the duration of each successive PRS interval (over which the signal frequency remains constant) must correspond to the narrow frequency band typical of hydroacoustics and, accordingly, be sufficiently large—have a value equal to the inverse of the available frequency band (or even greater). Because of this, the duration of the frequency hopping interval (i.e., the duration of each successive "step" at which the signal frequency remains constant) often exceeds the excess signal propagation delay. As a result, the received signal experiences multipath interference, which leads to corruption of the information contained in the communication signal.
Кроме того, к недостаткам относится и то, что расширение спектра сигнала в этом методе (прототипе) не предполагает какой-либо настройки/ адаптации к условиям среды распространения сигнала.In addition, the disadvantages include the fact that the expansion of the signal spectrum in this method (prototype) does not involve any adjustment/adaptation to the conditions of the signal propagation environment.
Общими признаками устройства являются использование расширения спектра, комбинирование расширяющих последовательностей для формирования символа данных, фазовая манипуляция несущей, а также наличие нескольких блоков в составе передаваемых последовательностей, отличающихся по их смысловому содержанию, например, синхронизирующей и информационной последовательностей, построенных на однотипном расширении спектра (на псевдослучайных последовательностях).The common features of the device are the use of spectrum spreading, the combination of spreading sequences to form a data symbol, carrier phase shift keying, and the presence of several blocks in the transmitted sequences that differ in their semantic content, for example, synchronizing and information sequences built on the same type of spectrum spreading (on pseudo-random sequences).
По итогам патентного поиска в целом отмечается, что текущая патентная заявка содержит ряд существенных отличительных особенностей, которые призваны обеспечить значимое преимущество устройство адаптивной пакетной передачи и приема цифровых данных по сравнению с упомянутыми выше. Например, используемый для расширения спектра "заранее определенный ЛЧМ-сигнал" говорит о статичности параметров передаваемого сигнала связи во время текущего сеанса связи. В отличие от этого, текущее изобретение основано не только на использовании непрерывного расширения спектра сигнала (например, посредством ЛЧМ), но также и на внедрении, так называемой, развертки несущей, параметры которой настраиваются и адаптируются в ходе текущей сессии обмена данными. При этом развертка несущей это не просто элемент или фрагмент сигнала, который непрерывно изменяется по частоте между заданными значениями. В текущей заявке развертка несущей представляет собой сложную конструкцию (совокупность), состоящую из элементов или фрагментов сигнала, каждый из которых изменяется по частоте, и при этом каждый такой элемент или фрагмент расположен на оси времени по зависимости, задаваемой передающим устройством в зависимости от характеристик среды распространения сигнала. Кроме того, развертка несущей (расширение спектра) может выполняться не только по линейной, но и любой другой зависимости (это зависит от характеристик среды распространения сигнала). Важно, что, как фрагмент развертки несущей, так и совокупность фрагментов (т.е. развертка несущей) не являются статичным "заранее определенным ЛЧМ-сигналом", а представляют собой настраиваемые и адаптируемые сущности, которые зависят от текущих характеристик среды распространения. Для этого, устройство адаптивной пакетной передачи и приема цифровых данных оснащаются способностью оценивать текущие характеристики среды распространения, а также способностью обмениваться такими оценками с другими аналогичными устройствами в начале (для настройки развертки несущей) и в ходе текущей сессии обмена данными (для адаптации развертки несущей).Based on the patent search, it is generally noted that the current patent application contains a number of significant distinctive features that are intended to provide a significant advantage to the adaptive packet transmission and reception device for digital data compared to those mentioned above. For example, the "predetermined chirp signal" used for spectrum spreading indicates that the parameters of the transmitted communication signal are static during the current communication session. In contrast, the current invention is based not only on the use of continuous signal spectrum spreading (e.g., by means of chirp), but also on the implementation of so-called carrier sweep, the parameters of which are adjusted and adapted during the current data exchange session. Moreover, carrier sweep is not simply an element or fragment of a signal that continuously varies in frequency between specified values. In the current application, carrier sweep is a complex structure (set) consisting of signal elements or fragments, each of which varies in frequency, and each such element or fragment is located on the time axis according to the relationship specified by the transmitting device depending on the characteristics of the signal propagation environment. Furthermore, carrier sweep (spectrum spreading) can be performed not only according to a linear relationship, but also according to any other dependence (this depends on the characteristics of the signal propagation environment). Importantly, both a carrier sweep fragment and a set of fragments (i.e., a carrier sweep) are not a static "predetermined chirp signal," but rather are configurable and adaptable entities that depend on the current characteristics of the propagation environment. To achieve this, adaptive packet transmission and reception devices for digital data are equipped with the ability to estimate the current characteristics of the propagation environment and exchange these estimates with other similar devices at the beginning (to adjust the carrier sweep) and during the ongoing data exchange session (to adapt the carrier sweep).
Серьезными недостатками упомянутых выше изобретений является то, что в условиях продолжительной реверберации высокой интенсивности (как например, в гидроакустической среде) может происходить деструктивная интерференция текущего ЛЧМ сигнала (символа данных), с многолучевыми составляющими предыдущего символа данных. Как следствие возрастание числа битовых ошибок до неприемлемых значений. Кроме того, при изменчивости среды распространения (как в случае гидроакустической связи между подвижными объектами под водой), и как следствие, изменчивой продолжительности и интенсивности реверберации, использование упомянутых выше изобретений является затруднительным или невозможным.A serious drawback of the above-mentioned inventions is that, under conditions of prolonged, high-intensity reverberation (such as in a hydroacoustic environment), destructive interference between the current chirp signal (data symbol) and the multipath components of the preceding data symbol can occur. This results in an unacceptable increase in bit errors. Furthermore, in a variable propagation environment (as in the case of hydroacoustic communication between moving objects underwater), and the resulting variable duration and intensity of reverberation, the use of the above-mentioned inventions is difficult or impossible.
Указанные недостатки устраняются в текущем изобретении посредством оснащения взаимодействующих устройств техническими возможностями взаимной настройки (согласования) частотных характеристик элементов или фрагментов несущей в отношении ширины частотной полосы, наклона и/или функции изменения частоты, а также характеристик развертки порядка следования элементов или фрагментов развертки несущей во времени и/или по частоте переменным образом в соответствии с условиями среды распространения сигнала и/или условиями множественного доступа и/или параметрами криптографической защиты или другими задачами. При этом взаимная настройка (согласование) и/или адаптация может выполняется, например, путем сдвига по времени и/или по частоте каждого последующего элемента или фрагмента развертки несущей и/или развертки несущей на предопределенную или псевдослучайную величину. При этом каждая такая развертка несущей или любая ее часть может нести цифровые символы данных (бит, часть бита, или множество/картеж битов), которые задаются изменением одного из параметров или множества параметров развертки несущей по закону передаваемой информации. В частности, в соответствии с текущим изобретением при установлении соединения и/или удержании соединения в ходе обмена данными устройства будут способны оценивать множество характеристик среды распространения сигналов (реверберацию во времени и по частоте) в точках их приема, в частности, импульсный отклик, уровень сигнала, уровень шума, целостность сигнала, доплеровский сдвиг и доплеровское расширение сигнала по оси частот, а также обобщенные метрики реверберации. И по текущим оценкам характеристик среды распространения выполнять (в ходе обмена данными) начальную настройку и адаптацию собственно элементов или фрагментов развертки несущей, а также последовательности элементов или фрагментов развертки несущей в частотно-временном пространстве. Важно, что начальная настройка и адаптация разверток несущей (функция изменения частоты каждого элемента или фрагмента несущей во времени), а также расстановка последовательности разверток несущей по частоте и времени будет выполняться в соответствии с текущими оценками характеристик среды распространения сигнала так, чтобы пропускная способность канала связи (например, скорость передачи данных при допустимой вероятности битовых ошибок) была наибольшей. При этом один цифровой символ (например, один бит) будет передаваться посредством одной развертки несущей, ее части или сразу несколькими развертками несущей, в зависимости от характеристик среды распространения сигнала, выполняя, таким образом, расширение спектра сигнала связи по сложной функции частоты и времени (энергия передаваемого символа данных будет расширена по сложной функции как вдоль оси частот, так и вдоль оси времени).The said disadvantages are eliminated in the current invention by equipping the interacting devices with technical capabilities for mutual adjustment (matching) of the frequency characteristics of the carrier elements or fragments in relation to the frequency bandwidth, slope and/or frequency change function, as well as the characteristics of the sweep of the order of the elements or fragments of the carrier sweep in time and/or frequency in a variable manner in accordance with the conditions of the signal propagation environment and/or the conditions of multiple access and/or the parameters of cryptographic protection or other tasks. In this case, the mutual adjustment (matching) and/or adaptation can be performed, for example, by shifting in time and/or frequency each subsequent element or fragment of the carrier sweep and/or the carrier sweep by a predetermined or pseudo-random value. In this case, each such carrier sweep or any part thereof can carry digital data symbols (a bit, a part of a bit, or a set/cartage of bits), which are specified by changing one of the parameters or a set of parameters of the carrier sweep in accordance with the law of the information being transmitted. In particular, in accordance with the current invention, when establishing a connection and/or maintaining a connection during data exchange, the devices will be capable of evaluating a multitude of characteristics of the signal propagation environment (reverberation in time and frequency) at the points of their reception, in particular, the impulse response, signal level, noise level, signal integrity, Doppler shift and Doppler spread of the signal along the frequency axis, as well as generalized reverberation metrics. And, based on the current estimates of the characteristics of the propagation environment, perform (during data exchange) the initial tuning and adaptation of the elements or fragments of the carrier sweep, as well as the sequence of elements or fragments of the carrier sweep in the frequency-time space. Importantly, the initial tuning and adaptation of the carrier sweeps (the function of changing the frequency of each element or fragment of the carrier over time), as well as the arrangement of the sequence of carrier sweeps in frequency and time, will be performed in accordance with the current estimates of the characteristics of the signal propagation environment so that the throughput of the communication channel (e.g., the data transfer rate with an acceptable probability of bit errors) is highest. In this case, one digital symbol (for example, one bit) will be transmitted by means of one carrier sweep, a part of it, or several carrier sweeps at once, depending on the characteristics of the signal propagation medium, thus expanding the spectrum of the communication signal along a complex function of frequency and time (the energy of the transmitted data symbol will be expanded along a complex function both along the frequency axis and along the time axis).
Важно также и то, что принимающее устройство будет способно выполнять разрешение (разделение), так называемых, многолучевых составляющих принимаемого сигнала, и их обработку по отдельности или, объединяя энергии множества многолучевых составляющих, совместно. В особенности, такой подход будет давать преимущества в гидроакустической среде распространения сигнала, а также в других средах, в которых импульсный отклик среды распространения сигнала (реверберация при приеме) будет представлен набором дискретных составляющих (будет иметь, так называемую, пальцевую структуру), а избыточные задержки распространения многолучевых составляющих будут большими (например, более длительными, чем длительность автокорреляционного отклика расширенного по спектру сигнала).It is also important that the receiving device be capable of resolving (separating) the so-called multipath components of the received signal and processing them individually or, by combining the energies of multiple multipath components, jointly. This approach will be particularly advantageous in hydroacoustic signal propagation environments, as well as in other environments in which the impulse response of the signal propagation environment (reception reverberation) is represented by a set of discrete components (has a so-called fingering structure), and the excess propagation delays of the multipath components are large (e.g., longer than the duration of the autocorrelation response of the spectrum-spread signal).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯESSENCE OF THE INVENTION
Техническим результатом настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков за счет введения новых блоков и их связей, новых последовательностей в формировании и обработке сигналов, а также новых действий над сигналом. Полученный технический результат будет использован для развития цифровой связи, в особенности, в гидроакустической среде с использованием гидроакустических сигналов, а также в электромагнитной среде, в особенности в каналах дальней радиосвязи, или механической среде, в особенности, с помощью сейсмических или вибрационных колебаний. Перечисленные среды обычно характеризуются сравнительно узкой полосой частот, доступной для формирования цифрового сигнала связи, наличием динамики (быстрого изменения характеристик принимаемого сигнала, в особенности при движении носителей взаимодействующих средств связи), а также наличием продолжительной реверберации высокой интенсивности, в особенности, наличием многолучевого распространения сигнала, обуславливающего в точке приема импульсный отклик дискретной (пальцевой) структуры. Именно в таких средах текущее изобретение демонстрирует наилучший результат, в частности, наибольшую производительность канала связи.The technical result of the present invention is to eliminate the aforementioned deficiencies by introducing new blocks and their connections, new signal generation and processing sequences, and new signal manipulation techniques. The resulting technical result will be used to develop digital communications, particularly in hydroacoustic environments using hydroacoustic signals, as well as in electromagnetic environments, particularly in long-distance radio communication channels, or mechanical environments, particularly using seismic or vibrational vibrations. These environments are typically characterized by a relatively narrow frequency band available for generating a digital communication signal, the presence of dynamics (rapid changes in the characteristics of the received signal, particularly when the carriers of the interacting communication devices are moving), as well as the presence of prolonged, high-intensity reverberation, particularly the presence of multipath signal propagation, which causes a discrete (fingerprint) impulse response at the receiving point. It is in such environments that the current invention demonstrates its best results, in particular, the highest communication channel performance.
Указанный технический результат достигается тем, что адаптивное приемопередающее устройство оснащается технической возможностью оперативного обмена информацией (с другим, аналогичным устройством) о характеристиках среды распространения сигнала с целью настройки и адаптации параметров передаваемых сигналов и их последовательностей в частотно-временном пространстве (параметров расширения спектра несущей) с целью достижения наилучшей производительности соединения (канала связи). Передаваемые сигналы (символы данных) содержат расширение спектра в виде разновидности развертки несущей в широком диапазоне частот или множества разверток несущей разных видов, формируемых на интервале передачи символа данных. В текущей заявке под разверткой несущей понимается не просто участок (элемент или фрагмент) колебания в виде частотно-модулированной волны, формируемой посредством непрерывного и плавного изменения частоты колебания на заданном интервале времени. В дополнение к этому - в текущей заявке развертка несущей может представлять собой сложную конструкцию (совокупность), состоящую из последовательности таких участков (элементов или фрагментов) колебания, при этом каждый такой участок последовательности может располагаться вдоль оси времени и/или вдоль оси частот по зависимостям, которые определяются текущими характеристиками среды распространения сигнала (при этом текущие характеристики среды распространения обычно оцениваются в ходе двунаправленного обмена сигналами между взаимодействующими приемопередающими устройствами, каждый из которых может является источником и/или получателем цифровой информации). Под символом данных понимается развертка несущей или ее часть или комбинация разверток несущей, которая подвергается манипуляции по одному или нескольким параметрам для задания ей информационного содержания (например, бита или кортежа битов).This technical result is achieved by equipping the adaptive transceiver with the capability to quickly exchange information (with another, similar device) about the characteristics of the signal propagation environment for the purpose of adjusting and adapting the parameters of transmitted signals and their sequences in the frequency-time domain (carrier spectrum spreading parameters) to achieve optimal connection (communication channel) performance. Transmitted signals (data symbols) contain spectrum spreading in the form of a carrier sweep variation over a wide frequency range or multiple carrier sweeps of different types, generated during the data symbol transmission interval. In the current application, a carrier sweep is understood to mean more than just a section (element or fragment) of an oscillation in the form of a frequency-modulated wave, generated by continuously and smoothly changing the oscillation frequency over a given time interval. In addition, in the current application, a carrier sweep may represent a complex structure (set) consisting of a sequence of such sections (elements or fragments) of oscillation, where each such section of the sequence may be located along the time axis and/or along the frequency axis according to dependencies that are determined by the current characteristics of the signal propagation medium (in this case, the current characteristics of the propagation medium are usually assessed during the bidirectional exchange of signals between interacting transceivers, each of which may be a source and/or receiver of digital information). A data symbol is understood to be a carrier sweep or a portion thereof, or a combination of carrier sweeps, which is subject to manipulation according to one or more parameters to assign it information content (e.g., a bit or a tuple of bits).
Аналогично упомянутому выше прототипу в текущем изобретении используется также блоки формирования и обработки синхросигнала (здесь модуль детектирования и синхронизации), блок формирования информационной последовательности (здесь - модуль задания информации развертке несущей), блок расширения спектра сигнала связи (здесь -модуль формирования частотных характеристик развертки несущей), блок демодуляции (здесь - модуль демодуляции и декодирования).Similar to the prototype mentioned above, the current invention also uses blocks for generating and processing a synchronization signal (here, a detection and synchronization module), a block for generating an information sequence (here, a module for assigning information to the carrier sweep), a block for expanding the spectrum of a communication signal (here, a module for generating frequency characteristics of the carrier sweep), and a demodulation block (here, a demodulation and decoding module).
Однако, содержание этих (аналогичных) модулей в текущем изобретении существенным образом отличается. Кроме отличающегося содержимого аналогичных блоков, устройство текущего изобретения содержит новые блоки и связи. Отличия аналогичных блоков обусловлены существенно отличающимся способом расширения спектра передаваемого сигнала, а именно формированием развертки несущей, в составе которой отсутствуют какие-либо интервалы, на которых частота сигнала оставалась бы постоянной (в отличите от псевдослучайной последовательности, в составе которой после каждой очередной инверсии фазы, частота сигнала некоторое время, пусть даже очень короткое, остается постоянной). В свою очередь, необходимость новых блоков и связей обусловлена настраиваемостью и адаптивностью устройства связи к текущим характеристикам среды распространения сигнала.However, the contents of these (similar) modules in the current invention differ significantly. In addition to the different contents of the analogous blocks, the device of the current invention contains new blocks and connections. These differences stem from a significantly different method for spreading the spectrum of the transmitted signal, namely, by generating a carrier sweep that lacks any intervals during which the signal frequency remains constant (unlike a pseudo-random sequence, in which, after each successive phase inversion, the signal frequency remains constant for some time, even a very short one). The need for new blocks and connections, in turn, stems from the adaptability and customizability of the communication device to the current characteristics of the signal propagation environment.
В предпочтительном варианте исполнения устройства модуль формирования частотных характеристик развертки несущей предназначен для задания параметров передаваемых фрагментов несущей и их последовательностей в частотно-временном пространстве, в частности - параметров расширения спектра и расстановки фрагментов несущей вдоль оси времени. Кроме того, модуль детектирования и синхронизации в текущем изобретении выполняет не только обнаружение сигнала и определение отсчета времени, в который синхроимпульс поступил в приемник. Кроме этих функций, модуль детектирования и синхронизации выполняет обработку синхронизирующего импульса или последовательности синхронизирующих импульсов для оценки точного временного и/или частотного смещения разверток несущей (фрагментов несущей), которые следуют за синхроимпульсом и содержат информационную последовательность, Путем обработки синхронизирующего импульса или последовательности синхронизирующих импульсов модуль детектирования и синхронизации выполняет оценку мультипликативного искажения (например, доплеровского растяжения или сжатия временных координат или временной оси) принимаемого сигнала и с помощью этого -выполняет оценку такого параметра, как «досинхронизация» (прогноз поправки синхронизации) разверток несущей (фрагментов несущей) в ходе их последующего приема. Обычно, в ходе синхронизации принимаемых последовательностей в приемном тракте соответствующая схема обработки определяет момент времени, с которого начинается первая развертка несущей принимаемой последовательности. Однако, в случае мультипликативных искажений временной оси (растяжения или сжатия временных координат) последующие развертки несущей далее могут следовать с нарастающим смещением во времени по отношению к известному (на приемной стороне) временному графику приема разверток несущей. Это нарастание будет соответствовать доплеровскому растяжению/сжатию оси времени - чем больше доплеровское растяжение/сжатие, тем более быстрой будет рассинхронизация поступающих на примем разверток несущей. Однако, из оценки доплеровского смещения (с помощью импульсов синхронизирующей последовательности) соответствующая схема принимающего устройства сможет оценивать параметр «досинхронизации» (определить поправку для досинхронизации) и применять ее в ходе приема разверток несущей (фрагментов несущей) для компенсации эффекта рассинхронизации, обусловленного доплеровским эффектом.In the preferred embodiment of the device, the carrier sweep frequency response generation module is designed to set the parameters of the transmitted carrier fragments and their sequences in frequency-time space, in particular the spectrum spreading parameters and the distribution of carrier fragments along the time axis. Furthermore, the detection and synchronization module in the current invention performs not only signal detection and determination of the time at which the synchronization pulse arrived at the receiver. In addition to these functions, the detection and synchronization module processes the synchronization pulse or sequence of synchronization pulses to estimate the precise temporal and/or frequency shift of the carrier sweeps (carrier fragments) that follow the synchronization pulse and contain the information sequence. By processing the synchronization pulse or sequence of synchronization pulses, the detection and synchronization module estimates the multiplicative distortion (e.g., Doppler stretching or compression of time coordinates or the time axis) of the received signal and, using this, estimates such a parameter as the "presynchronization" (prediction of the synchronization correction) of the carrier sweeps (carrier fragments) during their subsequent reception. Typically, during synchronization of the received sequences in the receive path, the corresponding processing circuit determines the point in time at which the first carrier sweep of the received sequence begins. However, in the case of multiplicative distortions of the time axis (stretching or compression of time coordinates), subsequent carrier sweeps may follow with an increasing time shift relative to the known (at the receiving end) carrier sweep reception schedule. This increase will correspond to the Doppler stretching/compression of the time axis - the greater the Doppler stretching/compression, the more rapid the desynchronization of the incoming carrier sweeps will be. However, by estimating the Doppler shift (using synchronization pulses), the corresponding receiving circuit will be able to estimate the "adjustment" parameter (determine the adjustment for the adjustment) and apply it during the reception of carrier sweeps (carrier fragments) to compensate for the desynchronization effect caused by the Doppler effect.
Кроме того, модуль задания информации развертке несущей в текущем изобретении отличается кратностью манипуляции фазы фрагмента несущей, а также возможностью использования дискретной манипуляции амплитудной и дискретной манипуляции частоты.In addition, the module for setting information for the carrier sweep in the current invention is distinguished by the multiplicity of the phase manipulation of the carrier fragment, as well as the possibility of using discrete amplitude manipulation and discrete frequency manipulation.
Новые модули текущего изобретения обеспечивают не только формирование разверток несущей (фрагментов несущей) с отличающимся характеристиками, но они обеспечивают новые функциональные возможности устройства. В частности, устройство способно взаимодействовать через среду распространения сигналов с другим, аналогичным приемопередающим устройством и оперативно (в реальном времени) сообщать друг другу информацию о характеристиках (свойствах) среды распространения сигнала, в особенности для настройки и адаптации параметров передаваемых сигналов и их последовательностей в частотно-временном пространстве (в частности, параметров расширения спектра и временной расстановки фрагментов несущей} с целью достижения наилучшей производительности устанавливаемого соединения (например, наибольшей скорости передачи и надежности доставки данных, а также снижения удельного потребления энергии на передачу данных). Вследствие этого устройство является настраиваемым на среду распространения сигнала и/или адаптивным к среде распространения сигнала.The new modules of the current invention not only provide for the generation of carrier sweeps (carrier fragments) with different characteristics, but also provide new functional capabilities for the device. In particular, the device is capable of interacting through a signal propagation medium with another, similar transceiver device and promptly (in real time) communicating information about the characteristics (properties) of the signal propagation medium, in particular for adjusting and adapting the parameters of the transmitted signals and their sequences in the frequency-time space (in particular, the parameters of spectrum spreading and the temporal arrangement of carrier fragments) in order to achieve the best performance of the established connection (e.g., the highest transmission rate and reliability of data delivery, as well as a reduction in the specific energy consumption for data transmission). As a result, the device is adjustable to the signal propagation medium and/or adaptive to the signal propagation medium.
Указанный технический результат достигается тем, что способ адаптивной пакетной передачи и приема цифровых данных предполагает взаимодействие как минимум двух аналогичных устройств связи. В ходе взаимодействия выполняется начальная настройка и последующая адаптация развертки несущей к характеристикам среды распространения сигнала. При этом реализуется следующая последовательность действий над сигналами.This technical result is achieved by the adaptive packet transmission and reception of digital data method, which requires the interaction of at least two similar communication devices. During this interaction, the carrier sweep is initially configured and subsequently adapted to the characteristics of the signal propagation environment. The following sequence of signal manipulations is performed.
Сначала передается пробного сигнала (например, после передачи синхроимпульса в виде одиночной развертки несущей) получатель выполняет оценку характеристик среды распространения сигнала в точке приема и возвращает эту оценку отправителю сигнала для настройки им следующей развертки несущей так, чтобы она наилучшим образом соответствовала характеристикам среды распространения (т.е. развертка несущей была бы согласована со средой так, чтобы производительность связи была бы наибольшей). Далее в ходе обмена данными, отравитель и получатель оценивают синхроимпульсы каждого из принимаемых пакетов данных и перенастраивают (адаптируют) развертки несущей к изменяющимся условиям среды распространения. (В случае движения отправителя и получателя условия распространения обычно быстро меняются, что вызывает необходимость перенастраивать развертки несущей). Оценка характеристик среды распространения сигнала в точке приема выполняется, например, путем оценки импульсного отклика, уровня и продолжительности реверберации вдоль оси времени, уровня и структуры реверберации вдоль оси частот, оценки уровня окрашенных шумов.First, a test signal is transmitted (e.g., after transmitting a synchronization pulse in the form of a single carrier sweep), the receiver evaluates the characteristics of the signal propagation environment at the reception point and returns this evaluation to the signal sender so that it can adjust the next carrier sweep so that it best matches the characteristics of the propagation environment (i.e., the carrier sweep would be matched to the environment so that the communication performance would be maximized). Then, during the data exchange, the sender and receiver evaluate the synchronization pulses of each of the received data packets and readjust (adapt) the carrier sweeps to the changing conditions of the propagation environment. (In the case of movement of the sender and receiver, propagation conditions usually change rapidly, which necessitates readjusting the carrier sweeps.) The characteristics of the signal propagation environment at the reception point are evaluated, for example, by evaluating the impulse response, the level and duration of reverberation along the time axis, the level and structure of reverberation along the frequency axis, and evaluating the level of colored noise.
Важное отличие от других патентов, использующих расширение спектра сигнала связи, состоит в том, что развертка несущей здесь не просто псевдошумовой или линейно-частотно модулированный сигнал. В текущей заявке развертка несущей - это не просто элемент или фрагмент сигнала, который непрерывно изменяется по частоте между заданными значениями. Развертка несущей здесь представляет собой сложную конструкцию (совокупность), состоящую из элементов или фрагментов сигнала, каждый из которых непрерывно изменяется по частоте, и при этом каждый такой элемент или фрагмент расположен на оси времени по зависимости, связанной с характеристиками среды распространения сигнала.An important distinction from other patents using spread spectrum for communication signals is that the carrier sweep here is not simply a pseudo-noise or frequency-modulated signal. In the current application, the carrier sweep is not simply a signal element or fragment that continuously varies in frequency between specified values. The carrier sweep here is a complex structure (a set) consisting of signal elements or fragments, each of which continuously varies in frequency, and each such element or fragment is positioned on the time axis according to a relationship related to the characteristics of the signal propagation medium.
Иными словами каждая развертка несущей состоит из фрагментов. Фрагмент имеет некоторую форму непрерывного изменения частоты на некотором интервале времени, а также частотный диапазон, лежащий между некоторыми значениями начальной и конечной частотой. Настройка фрагмента несущей на условия среды распространении состоит в задании определенной формы непрерывного изменения частоты и в задании продолжительности такого фрагмента, а также в задании начальной и конечной частоты такого фрагмента. Далее -развертка несущей формируется как совокупность фрагментов, которые следуют друг за другом с некоторыми паузами. Число фрагментов несущей и их расстановка во времени (задание конкретных пауз в порядке их следования) настраивается в соответствии с условиям среды распространения сигнала. Таким образом, настройка развертки несущей состоит в задании целого набора параметров, а именно: длительности, частотного диапазона и формы непрерывного изменения частоты фрагмента несущей, а также задания числа фрагментов несущей и их расстановки во времени (задание порядка следования фрагментов в составе развертки несущей). Примеры развертки несущей описаны в тексте, поясняющем Фиг. 1.In other words, each carrier sweep consists of fragments. A fragment has a certain form of continuous frequency change over a certain time interval, as well as a frequency range lying between certain values of the initial and final frequencies. Tuning a carrier fragment to the conditions of the propagation medium consists of setting a certain form of continuous frequency change and setting the duration of such a fragment, as well as setting the initial and final frequencies of such a fragment. Next, the carrier sweep is formed as a set of fragments that follow one another with certain pauses. The number of carrier fragments and their arrangement in time (setting specific pauses in their sequence) is adjusted in accordance with the conditions of the signal propagation medium. Thus, tuning a carrier sweep consists of setting a whole set of parameters, namely: the duration, frequency range, and form of continuous frequency change of the carrier fragment, as well as setting the number of carrier fragments and their arrangement in time (setting the sequence order of the fragments within the carrier sweep). Examples of carrier sweeps are described in the text explaining Fig. 1.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ ИЗОБРЕТЕНИЯBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS OF THE INVENTION
Устройство адаптивной пакетной передачи и приема цифровых данных и способ адаптивной пакетной передачи и приема цифровых данных, реализованный в этом устройстве поясняется фигурами.The device for adaptive packet transmission and reception of digital data and the method for adaptive packet transmission and reception of digital data implemented in this device are explained by figures.
Фиг. 1. Примеры разверток несущей при формировании последовательности цифровых символов (данных).Fig. 1. Examples of carrier scans when forming a sequence of digital symbols (data).
Фиг. 2. Вариант устройства связи в виде блок-схемы, содержащий модули, которые могут использоваться для технического воплощения текущего изобретения.Fig. 2. A variant of a communication device in the form of a block diagram containing modules that can be used for the technical implementation of the current invention.
Фиг. 3. Пример структуры пакета сигналов (символов данных).Fig. 3. Example of the structure of a signal packet (data symbols).
Фиг. 4. Пояснение к возможности взаимной настройки (согласования) частотных характеристик разверток несущей и порядка их следования во времени или по частотеFig. 4. Explanation of the possibility of mutual adjustment (coordination) of the frequency characteristics of the carrier sweeps and the order of their sequence in time or frequency
Фиг. 5. Пояснение к возможности обработки сигнала в частотно-временных координатах с разделением и/или выборочным объединением его многолучевых составляющихFig. 5. Explanation of the possibility of processing a signal in frequency-time coordinates with separation and/or selective combining of its multipath components
Фиг. 6. Блок-схема устройства связи, содержащая модули для формирования множества ортогональных (или квази-ортогональных) последовательностей (ансамбля последовательностей) элементов/фрагментов разверток несущей для их одновременного/асинхронного использованияFig. 6. Block diagram of a communication device containing modules for generating a plurality of orthogonal (or quasi-orthogonal) sequences (ensemble of sequences) of carrier sweep elements/fragments for their simultaneous/asynchronous use
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ В СТАТИКЕ И ДИНАМИКЕDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION IN STATICS AND DYNAMICS
На Фиг. 1а, Фиг. 1б, Фиг. 1 с представлены примеры развертки несущей. В частности, на Фиг. 1a изображен пример развертки несущей, которая в простейшем случае представлена одним элементом/фрагментом - линейно- (или нелинейно-) частотно-модулированным сигналом (длительности Tsymb), каждый из которых несет один символ данных, например, бит или несколько битов одновременно. В соответствии с текущим изобретением каждый такой элемент настаивается/адаптируется (в соответствии с текущими оценками характеристик среды распространения сигнала) по форме и направлению изменения частоты, а также расположению начальной частоты на оси частот, так, чтобы пропускная способность канала связи (например, скорость передачи данных при допустимой вероятности битовых ошибок) была наибольшей. Той же цели служит и расстановка элементов развертки несущей (разверток несущей) по временной оси. На Фиг. 1а задержки τi задают расстановку элементов/фрагментов развертки несущей по времени, при этом задержки τi могут быть предопределенными, псевдослучайными, они могут настраиваться / адаптироваться к условиям среды распространения (приема / передачи) сигналов, или задаваться исходя из условий множественного доступа к среде распространения сигналов, или исход из параметров криптографической защиты информации.In Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c examples of carrier sweep are shown. In particular, in Fig. 1a an example of carrier sweep is shown, which in the simplest case is represented by one element/fragment - a linearly (or nonlinearly) frequency-modulated signal (of duration Tsymb), each of which carries one data symbol, for example, a bit or several bits simultaneously. In accordance with the current invention, each such element is adjusted/adapted (in accordance with current estimates of the characteristics of the signal propagation medium) in the form and direction of frequency change, as well as the location of the initial frequency on the frequency axis, so that the throughput of the communication channel (for example, the data transfer rate with an acceptable probability of bit errors) is greatest. The same purpose is served by the arrangement of the carrier sweep elements (carrier sweeps) along the time axis. In Fig. 1a delays τi determine the arrangement of elements/fragments of the carrier sweep in time, while delays τi can be predetermined, pseudo-random, they can be configured/adapted to the conditions of the signal propagation (reception/transmission) environment, or set based on the conditions of multiple access to the signal propagation environment, or based on the parameters of cryptographic information protection.
Несколько более сложное исполнение (конструкция) развертки несущей представлена на Фиг. 1б. На нем два элемента / фрагмента - линейно- (или нелинейно-) частотно-модулированных сигнала (с общей длительностью Tsymb) составляют развертку несущей, т.е. в данном случае два (в общем случае - целое число N) таких элементов/фрагментов формируют развертку несущей и назначаются для переноса цифрового символа (данных). Каждый из элементов/фрагментов развертки несущей может настаиваться/адаптироваться (в соответствии с текущими оценками характеристик среды распространения сигнала) по форме и направлению изменения частоты, а также расположению начальной частоты на оси частот, для достижения наибольшей пропускной способности канала связи в текущих условиях приема/передачи сигнала. Кроме того, задержки xi могут задавать расстановку элементов/фрагментов развертки несущей по времени, будучи предопределенными, псевдослучайными, настраиваемыми/адаптируемыми к условиям среды распространения (приема/передачи) сигналов, или заданными исходя из условий множественного доступа к среде распространения сигналов, или исходя из параметров криптографической защиты информации.A somewhat more complex implementation (design) of the carrier sweep is shown in Fig. 1b. In it, two elements/fragments – linearly (or nonlinearly) frequency-modulated signals (with a total duration Tsymb) – constitute the carrier sweep, i.e., in this case, two (generally, an integer N) such elements/fragments form the carrier sweep and are assigned to carry a digital symbol (data). Each of the elements/fragments of the carrier sweep can be configured/adapted (in accordance with current estimates of the characteristics of the signal propagation environment) in the shape and direction of frequency change, as well as the location of the initial frequency on the frequency axis, in order to achieve the highest communication channel capacity under the current signal reception/transmission conditions. In addition, the delays xi can determine the arrangement of elements/fragments of the carrier sweep in time, being predetermined, pseudo-random, adjustable/adaptable to the conditions of the signal propagation (reception/transmission) environment, or specified based on the conditions of multiple access to the signal propagation environment, or based on the parameters of cryptographic information protection.
Еще более сложное исполнение (конструкция) развертки несущей представлена на Фиг. 1в. На нем неполных два элемента/фрагмента - линейно- (или нелинейно-) частотно-модулированных сигнала составляют развертку несущей, т.е. в данном случае менее двух (в общем случае - действительное число N) таких элементов/фрагментов формируют развертку несущей и назначаются для переноса цифрового символа (данных) длительности Tsymb. Каждый такая развертка несущей может настаиваться/адаптироваться (в соответствии с текущими оценками характеристик среды распространения сигнала) по форме и направлению изменения частоты составляющего ее элемента/фрагмента, а также расположению их начальных частот на оси частот, для достижения наибольшей пропускной способности канала связи в текущих условиях приема/передачи сигнала. Кроме того, также и здесь задержки xi могут задавать расстановку элементов/фрагментов развертки несущей и/или их частей по времени, будучи предопределенными, псевдослучайными, настраиваемыми/адаптируемыми к условиям среды распространения (приема/передачи) сигналов, или заданными исходя из условий множественного доступа к среде распространения сигналов, или исходя из параметров криптографической защиты информации.An even more complex implementation (design) of the carrier sweep is shown in Fig. 1c. In it, less than two elements/fragments - linearly (or nonlinearly) frequency-modulated signals - constitute the carrier sweep, i.e. in this case, less than two (in the general case, the real number N) of such elements/fragments form the carrier sweep and are assigned to carry a digital symbol (data) of duration Tsymb. Each such carrier sweep can be customized/adapted (in accordance with current estimates of the characteristics of the signal propagation environment) in the form and direction of frequency change of the element/fragment comprising it, as well as the location of their initial frequencies on the frequency axis, in order to achieve the highest communication channel capacity under the current signal reception/transmission conditions. In addition, here too, the delays xi can determine the arrangement of elements/fragments of the carrier scan and/or their parts in time, being predetermined, pseudo-random, adjustable/adaptable to the conditions of the signal propagation (reception/transmission) environment, or specified based on the conditions of multiple access to the signal propagation environment, or based on the parameters of cryptographic information protection.
В общем виде текущее изобретение описывает совмещенное приемопередающее устройство, которое способно взаимодействовать через среду распространения сигналов с другим, аналогичным приемопередающим устройством и, за счет этого, оперативно (в реальном времени) сообщать друг другу информацию о характеристиках (свойствах, особенностях) среды распространения сигнала, в особенности для настройки и адаптации параметров передаваемых сигналов и их последовательностей в частотно-временном пространстве (в частности, параметров расширения спектра и временной расстановки фрагментов несущей) с целью достижения наилучшей производительности создаваемого соединения (например, скорости передачи и надежности доставки данных, снижения удельного потребления энергии на передачу данных).In general, the current invention describes a combined transmitting and receiving device that is capable of interacting through a signal propagation medium with another, similar transmitting and receiving device and, due to this, promptly (in real time) communicate to each other information about the characteristics (properties, features) of the signal propagation medium, in particular for setting up and adapting the parameters of the transmitted signals and their sequences in the frequency-time space (in particular, the parameters of spectrum spreading and the time arrangement of carrier fragments) in order to achieve the best performance of the created connection (for example, the transmission speed and reliability of data delivery, reducing the specific energy consumption for data transmission).
Фиг. 2 описывает вариант устройства связи в виде блок-схемы, содержащий модули, которые используются для технического воплощения текущего изобретения. Несмотря на то, что иллюстрация относится к обмену данными в гидроакустической среде, а его внедрение преимущественно в области гидроакустической техники, само описание изобретения и формула изобретения распространяется также и на другие среды распространения сигнала (электромагнитные, механические, сейсмические или вибрационных колебания).Fig. 2 depicts a communication device embodiment in block diagram form, containing modules used to implement the present invention. Although the illustration relates to data exchange in a hydroacoustic environment, and its implementation is primarily in the field of hydroacoustic technology, the description of the invention and the claims also extend to other signal propagation media (electromagnetic, mechanical, seismic, or vibrational oscillations).
Одна из важных особенностей гидроакустической среды состоит в том, что импульсный отклик на распространение гидроакустического сигнала имеет дискретную структуру. Из-за сравнительно малой скорости распространения гидроакустического сигнала, множество многолучевых составляющих принимаемого сигнала обычно отделены друг от друга сравнительно большими интервалами времени, так называемыми избыточными задержками распространения. При использовании широкополосного сигнала, автокорреляционный импульс (после сжатия широкополосного сигнала коррелятором в приемнике) часто имеет длительность, соизмеримую с избыточными задержками распространения многолучевых составляющих. Это обстоятельство открывает возможность разделения многолучевых составляющих в частотно-временном пространстве. При этом важно подобрать такую разновидность расширения спектра и такие параметры расширения, чтоб разделение многолучевых составляющих в частотно-временном пространстве давало наибольший результат.One of the key features of the hydroacoustic environment is that the impulse response to the propagation of a hydroacoustic signal has a discrete structure. Due to the relatively low propagation speed of the hydroacoustic signal, the multiple multipath components of the received signal are typically separated from one another by relatively large time intervals, known as excess propagation delays. When using a broadband signal, the autocorrelation pulse (after compression of the broadband signal by the correlator in the receiver) often has a duration commensurate with the excess propagation delays of the multipath components. This circumstance opens the possibility of separating multipath components in the frequency-time domain. It is important to select the type of spectrum spreading and the spreading parameters that maximize the separation of multipath components in the frequency-time domain.
Фиг. 2 иллюстрирует техническое решение задачи гидроакустической связи, основанной на использовании сигналов с непрерывным расширением спектра (разверткой несущей) и настройкой/адаптацией параметров развертки несущей в частотно-временном пространстве.Fig. 2 illustrates a technical solution to the problem of hydroacoustic communication based on the use of signals with continuous spectrum spreading (carrier sweep) and tuning/adaptation of the carrier sweep parameters in the frequency-time space.
Несмотря на то, что иллюстрация на Фиг. 2 относится к обмену данными в гидроакустической среде, а внедрение текущего изобретения преимущественно в области гидроакустической техники, само описание изобретения и формула изобретения распространяется также и на другие среды распространения сигнала (электромагнитные, оптические, механические, сейсмические или вибрационных колебания). В любых средах распространения, в которых импульсный отклик в точке приема сигнала будет иметь дискретную структуру (дискретную структуру многолучевости), изобретение может успешно применяться. Например, гидрооптические сигналы при связи под водой в окрестности множества отражателей (например, заборной арматуры донного добычного комплекса) могут характеризоваться дискретным импульсным откликом. При использовании достаточного расширения спектра связного сигнала, разделение многолучевых составляющих принимаемого сигнала в частотно-временном пространстве становится также возможным. Другой пример - дальняя радиосвязь с летательным аппаратами в плоскопараллельном канале, в котором одной из отражающих границ является поверхность земли, а другой границей - отражающий ионосферный слой. При избыточных задержках распространения многолучевых составляющих принимаемого сигнала порядка десятка микросекунд, достаточно использование расширения спектра связного сигнала порядка ста килогерц, чтобы достичь разделения многолучевых составляющих принимаемого сигнала в частотно-временном пространстве. Техническое воплощение устройства состоит в следующем.Although the illustration in Fig. 2 relates to data exchange in a hydroacoustic environment, and the implementation of the current invention is primarily in the field of hydroacoustic technology, the description of the invention and the claims also extend to other signal propagation media (electromagnetic, optical, mechanical, seismic, or vibrational oscillations). The invention can be successfully applied in any propagation media in which the impulse response at the signal reception point has a discrete structure (a discrete multipath structure). For example, hydrooptical signals during underwater communication in the vicinity of multiple reflectors (e.g., the intake fittings of a bottom mining complex) can be characterized by a discrete impulse response. By using a sufficiently broadened spectrum of the communication signal, the separation of the multipath components of the received signal in the frequency-time space also becomes possible. Another example is long-distance radio communication with aircraft in a plane-parallel channel, in which one of the reflecting boundaries is the earth's surface, and the other boundary is the reflecting ionospheric layer. When multipath propagation delays of the received signal are on the order of tens of microseconds, spreading the spectrum of the communication signal on the order of 100 kilohertz is sufficient to achieve separation of the multipath components of the received signal in the frequency-time domain. The technical implementation of the device is as follows.
Источник данных формирует битовый поток или поток других (например, служебных) цифровых символов, которые поступают на вход устройства цифровой гидроакустической связи (Модем 1).The data source generates a bit stream or a stream of other (for example, service) digital symbols, which are fed to the input of the digital hydroacoustic communication device (Modem 1).
В случае если устройство Модем 1 еще не имеет установленного соединения с другим (аналогичным) устройством цифровой гидроакустической связи, то наличие данных, предназначенных для передачи, или наличие других (служебных) цифровых символов на входе устройства цифровой гидроакустической связи, вызывает последовательность действий, обуславливающих установление соединения с другим (аналогичным) устройством (Модем 2). Для установления соединения Модем 1 формирует одну из начальных (пробных) разверток несущей, параметры которой могут зависеть от содержимого служебных цифровых символов. За формирование одной из начальных (пробных) разверток несущей отвечают "Модуль задания информации развертке несущей" и "Формирователь порядка следования разверток несущей". При этом, "Модуль задания информации развертке несущей" выполняет манипуляцию одним или несколькими параметрами начальной (пробной) развертки несущей.If Modem 1 does not yet have an established connection with another (similar) digital hydroacoustic communication device, the presence of data to be transmitted or the presence of other (service) digital symbols at the input of the digital hydroacoustic communication device triggers a sequence of actions that establish a connection with the other (similar) device (Modem 2). To establish a connection, Modem 1 generates one of the initial (test) carrier sweeps, the parameters of which may depend on the content of the service digital symbols. The "Carrier Sweep Information Setting Module" and the "Carrier Sweep Sequence Former" are responsible for generating one of the initial (test) carrier sweeps. The "Carrier Sweep Information Setting Module" manipulates one or more parameters of the initial (test) carrier sweep.
Далее, сформированная к передаче начальная (пробная) развертка несущей включается в состав передаваемого пакета, в котором секция синхроимпульсов и секция данных имеет нулевую длину. Т.е. для установления соединения используется только начальная (пробная) развертка несущей, манипулированная по одному или нескольким параметрам. За это действие отвечает "Модуль формирования пакета в составе секции синхроимпульсов, секции служебных сигналов, секции данных".Next, the initial (test) carrier sweep generated for transmission is included in the transmitted packet, in which the sync section and data section have zero length. In other words, only the initial (test) carrier sweep, manipulated according to one or more parameters, is used to establish a connection. The "Packet Generation Module consisting of the sync section, service signal section, and data section" is responsible for this action.
После этого, "Антенна/Схема передачи сигналов" преобразует сформированный сигнал (пакет) из электрического в гидроакустический и отправляет в среду распространения.After this, the "Antenna/Signal Transmission Circuit" converts the generated signal (packet) from electrical to hydroacoustic and sends it into the propagation medium.
На стороне устройства Модем 2 "Антенна/Схема приема сигналов" преобразует принимаемый сигнал из гидроакустического в электрический и отправляет его для оценки условий распространения, в частности, для оценки импульсного отклика в точке приема или для оценки компактной метрики канала связи в "Модуль оценки условий приема".On the device side, Modem 2 "Antenna/Signal Receiving Circuit" converts the received signal from hydroacoustic to electrical and sends it to the "Reception Conditions Evaluation Module" for propagation conditions assessment, in particular, for impulse response assessment at the receiving point or for compact channel metric assessment.
Полученные оценки условий среды распространения используются для расчета настроек частотных и временных характеристик (фрагментов) развертки несущей ("Модуль согласования частотных и временных характеристик развертки несущей"). Этот расчет настроек должен быть сообщен ответным сигналом устройству Модем 1. При этом, Модем 1 в последствии, начиная уже со следующего обмена сигналами, будет использовать этот расчет настроек для формирования собственной развертки несущей, которая будет использоваться для доставки пакетов данных устройству Модем 2.The resulting propagation environment estimates are used to calculate the carrier sweep frequency and time characteristics (fragments) ("Carrier Sweep Frequency and Time Response Matching Module"). This calculated setting must be communicated via a response signal to Modem 1. Modem 1 will subsequently, starting with the next signal exchange, use this calculated setting to generate its own carrier sweep, which will be used to deliver data packets to Modem 2.
Для того, чтобы выполненный расчет настроек устройство Модем 2 сообщило устройству Модем 1, соответствующая информация (расчет настроек) преобразуется в поток служебных данных, для чего она подается в "Модуль задания информации развертке несущей".In order for the Modem 2 device to communicate the completed settings calculation to the Modem 1 device, the corresponding information (settings calculation) is converted into a service data stream, for which it is fed to the "Carrier Sweep Information Assignment Module".
На текущем этапе взаимодействия устройств связи Модем 2 также использует одну из начальных (пробных) разверток несущей и поток служебных данных модулирует последовательность именно таких разверток несущей (в частности, манипулирует одним или несколькими ее параметрами развертки несущей). Поскольку ответный сигнал содержит уже не только начальную (пробную) развертку несущей, а последовательность манипулированных разверток несущей (с информацией о настройках), модуль "Формирователь порядка следования разверток несущей" выполняет расстановку разверток несущей во времени и/или по частоте (задает порядок следования разверток несущей во времени и.или по частоте). На первом этапе обмена сигналами (на этапе установления соединения) эта расстановка является фиксированной (далее она будет зависеть от условий среды распространения).At the current stage of communication between the communication devices, Modem 2 also uses one of the initial (test) carrier sweeps, and the service data stream modulates the sequence of these carrier sweeps (specifically, it manipulates one or more of its carrier sweep parameters). Since the response signal no longer contains only the initial (test) carrier sweep, but a sequence of manipulated carrier sweeps (with configuration information), the Carrier Sweep Sequencer module arranges the carrier sweeps in time and/or frequency (it sets the sequence order of the carrier sweeps in time and/or frequency). At the first stage of signal exchange (during the connection establishment stage), this arrangement is fixed (subsequently, it will depend on the propagation environment conditions).
Далее, перед передачей в среду распространения, выполняется формирование пакета, в составе которого содержится секция синхроимпульсов и секция служебных данных (информация с настройками), а секция данных имеет нулевую длину. За это действие отвечает "Модуль формирования пакета в составе секции синхроимпульсов, секции служебных сигналов, секции данных".Next, before transmission to the distribution medium, a packet is generated containing a sync section and a service data section (configuration information), with the data section having a zero length. This operation is performed by the "Packet Generation Module consisting of a sync section, service signal section, and data section."
Сформированный пакет данных преобразуется из электрического в гидроакустический и передается в среду распространения для доставки устройству Модем 1.The generated data packet is converted from electrical to hydroacoustic and transmitted into the propagation medium for delivery to the Modem 1 device.
После приема ответного сигнала от устройства Модем 2, принимающее устройство (Модем 1) выполняет обработку этого сигнала параллельно тремя модулями.After receiving a response signal from Modem 2, the receiving device (Modem 1) processes this signal in parallel using three modules.
Один из модулей - "Модуль оценки условий приема" - обрабатывает синхроимпульсы принимаемого сигнала для оценки импульсного отклика в своей точке приема или для оценки компактной метрики канала связи. Такая оценка передается в "Модуль согласования частотных и временных характеристик развертки несущей" для расчета настроек частотных и временных характеристик (фрагментов) развертки несущей. Также, как и на противоположной стороне, этот расчет настроек должен быть сообщен следующим сигналом (пакетом данных) устройству Модем 2 для того, чтобы Модем 2 в последствии использовал этот расчет настроек для формирования собственной развертки несущей, которая будет использоваться для доставки пакетов данных устройству Модем 1. Для того, чтобы выполненный расчет настроек устройство Модем 1 сообщило устройству Модем 2, соответствующая информация (расчет настроек) преобразуется в поток служебных данных, для чего она подается в "Модуль задания информации развертке несущей". Однако, этот поток служебных данных не отправляется сразу. Сначала завершается обработка принимаемого сигнала в параллельный ветвях.One of the modules, the "Reception Conditions Assessment Module," processes the received signal's clock pulses to estimate the impulse response at its receiving point or to estimate the compact metric of the communication channel. This estimate is passed to the "Carrier Sweep Frequency and Time Response Matching Module" to calculate the carrier sweep frequency and time characteristics (fragments). Just as on the opposite side, this configuration calculation must be communicated by the next signal (data packet) to Modem 2 so that Modem 2 can subsequently use this configuration calculation to generate its own carrier sweep, which will be used to deliver data packets to Modem 1. In order for Modem 1 to communicate the completed configuration calculation to Modem 2, the corresponding information (the configuration calculation) is converted into a service data stream, for which it is fed to the "Carrier Sweep Information Setting Module." However, this service data stream is not sent immediately. First, the processing of the received signal in parallel branches is completed.
В частности, в параллельной ветви в "Модуле детектирования и синхронизации" происходит обнаружение принимаемого сигнала на временной оси и выполняется синхронизация принимаемого сигнала с приемником (а именно, с эталонной копией начальной (пробной) развертки несущей). После синхронизации с приемником, последовательность разверток несущей, принимаемых от устройства Модем 2, подвергаются обработке в "Модуле обработки сигналов в частотно-временных координатах с разделением и выборочным объединением многолучевых составляющих принимаемого сигнала". Как упоминалось выше, такое разделение становится возможным при использовании такого расширения спектра, которое обуславливает малую длительность автокорреляционного отклика, сравнимую с избыточными задержками распространения многолучевых составляющих. Возникающая в результате разделения многолучевых составляющих возможность объединения их энергий, обуславливает не только ослабление разрушительного влияния реверберации на принимаемый сигнал, но также и возможность существенного повышения отношения сигнал/шум при приеме многолучевого сигнала.Specifically, the parallel branch of the "Detection and Synchronization Module" detects the received signal on the time axis and synchronizes it with the receiver (specifically, with a reference copy of the initial (test) carrier sweep). Following synchronization with the receiver, the sequence of carrier sweeps received from Modem 2 is processed in the "Signal Processing Module in Time-Frequency Coordinates with Separation and Selective Combining of the Received Signal's Multipath Components." As mentioned above, such separation is possible through the use of a spectrum spreading technique that results in a short autocorrelation response, comparable to the excess propagation delays of the multipath components. The resulting ability to combine the energies of the multipath components not only mitigates the destructive effects of reverberation on the received signal, but also significantly improves the signal-to-noise ratio when receiving a multipath signal.
Далее, синхронизированный и очищенный от многолучевых помех сигнал подвергается демодуляции и декодированию, с последующей оценкой параметров сигнала ("Модуль оценки параметров сигнала"), разделением принятого пакета на секции ("Модуль разделения пакета на секции"), а также выделением информационного содержания из принятого пакета.Next, the synchronized and multipath-free signal is demodulated and decoded, followed by signal parameter evaluation (“Signal Parameter Evaluation Module”), division of the received packet into sections (“Packet Sectioning Module”), and extraction of information content from the received packet.
Поскольку на данном этапе в составе пакета, кроме синхроимпульсов, содержится только служебная информация, в "Модуле выделения из принятого сигнала информационного содержания" выполняется распознавание той служебной информации, которую сформировало устройство Модем 2 для информирования устройства Модем 1 о тех настройках развертки несущей, которые устройство Модем 1 должно применять для достижения предпочтительных или оптимальный характеристик связи с устройством Модем 2 в текущих условиях среды распространения сигнала.Since at this stage the packet, in addition to the synchronization pulses, contains only service information, the "Module for extracting information content from the received signal" performs recognition of the service information that was generated by the Modem 2 device to inform the Modem 1 device about the carrier sweep settings that the Modem 1 device should use to achieve preferred or optimal communication characteristics with the Modem 2 device under the current conditions of the signal propagation environment.
Эта служебная информация подается в "Модуль согласования частотных и временных характеристик развертки несущей" для настройки параметров развертки несущей устройства Модем 1, которая будет использоваться для связи с устройством Модем 2.This service information is fed to the "Carrier Sweep Frequency and Time Characteristics Matching Module" to configure the carrier sweep parameters of Modem 1, which will be used for communication with Modem 2.
Далее, последовательность разверток несущей устройства Модем 1 модулируется информацией, полученной ранее в параллельной ветви, а именно в ходе оценки условий приема сигналов устройством Модем 1 от устройства Модем 2. Далее, также с учетом этой оценки условий распространения выполняется расстановка последовательности разверток несущей во времени и/или по частоте (расстановка интервалов времени и/или частоты между развертками несущей) так, чтобы она наилучшим образом соответствовала условиям распространения сигнала (в частности, исключала бы значимую интерференцию текущих фрагментов развертки несущей с задержанными многолучевыми составляющими фрагментов предыдущей развертки несущей).Next, the carrier sweep sequence of the Modem 1 device is modulated by the information received earlier in the parallel branch, namely, during the evaluation of the conditions for receiving signals by the Modem 1 device from the Modem 2 device. Next, also taking into account this evaluation of the propagation conditions, the carrier sweep sequence is arranged in time and/or frequency (the time and/or frequency intervals between the carrier sweeps are arranged) so that it best corresponds to the signal propagation conditions (in particular, it would exclude significant interference of the current fragments of the carrier sweep with the delayed multipath components of the fragments of the previous carrier sweep).
Таким образом, на данном этапе устройство Модем 1 сформировало развертку несущей и порядок их следования во времени и/или по частоте. При этом характеристики развертки несущей и порядок их следования согласованы со средой распространения и также известны устройству Модем 2, т.к. именно оно в своем ответном сигнала ранее оповещало устройство Модем 1 о необходимости использования именно таких характеристик развертки несущей.Thus, at this stage, Modem 1 has generated the carrier sweep and its sequence in time and/or frequency. The carrier sweep characteristics and sequence are matched to the propagation environment and are also known to Modem 2, as it was the device that previously notified Modem 1 in its response signal of the need to use these specific carrier sweep characteristics.
Далее, в зависимости от наличия или отсутствия данных от "источника данных 1", происходит формирование пакета в составе секции синхроимпульсов, секции служебных сигналов и секции данных ("Модуль формирования пакета в составе секции синхроимпульсов, секции служебных сигналов и секции данных).Next, depending on the presence or absence of data from “data source 1”, a packet is formed as part of the sync pulse section, the service signal section and the data section (“Packet formation module as part of the sync pulse section, the service signal section and the data section”).
В случае отсутствия данных от "источника данных 1", формируется пакет, в составе которого присутствуют синхроимпульсы и служебная информация (а именно, расчет настроек частотных и временных характеристик (фрагментов) развертки несущей, о которых необходимо проинформировать устройство Модем 2, для того, чтобы оно аналогичным образом использовало эти настройки при связи с устройством Модем 1 в текущих условиях среды распространения сигнала. В случае же наличия данных от "источника данных 1" происходит их включение в состав секции данных передаваемого пакета. При этом, передача последовательности из секции служебной информации, и также последовательности из секция данных от "источника данных 1", выполняется с использованием одинаковых (согласованных со средой распространения) разверток несущей.If there is no data from "data source 1," a packet is generated containing synchronization pulses and service information (namely, the calculation of the frequency and time characteristics (fragments) of the carrier sweep, which must be communicated to Modem 2 so that it can similarly use these settings when communicating with Modem 1 under the current conditions of the signal propagation environment. If data from "data source 1" is available, it is included in the data section of the transmitted packet. In this case, the transmission of the sequence from the service information section, as well as the sequence from the data section from "data source 1," is performed using identical (matched to the propagation environment) carrier sweeps.
Физически отправка сформированного пакета выполняется путем преобразования электрического сигнала в гидроакустический с помощью "Антенны/Схемы передачи сигналов".Physically, sending the formed packet is accomplished by converting the electrical signal into a hydroacoustic signal using the "Antenna/Signal Transmission Circuit".
На стороне устройства Модем 2 выполняется прием отправленного пакета путем преобразования гидроакустического сигнала в электрический с помощью "Антенны/Схемы приема сигналов".On the Modem 2 device side, the received packet is received by converting the hydroacoustic signal into an electrical signal using the "Antenna/Signal Receiving Circuit".
Далее происходит параллельная обработка принимаемого сигнала (аналогично тому, что было показано для устройства Модем 1).Next, parallel processing of the received signal occurs (similar to what was shown for the Modem 1 device).
Один из параллельно работающих модулей - "Модуль оценки условий приема" -обрабатывает синхроимпульсы текущего принимаемого сигнала для оценки текущего импульсного отклика в своей точке приема и/или для оценки текущего значения компактной метрики канала связи. Благодаря таким оценкам, которые выполняются при приеме каждого пакета, происходит повторное согласование с условиями среды распространения (перенастройка развертки несущей), и таким образом, постоянная адаптация характеристик связи к изменяющимся условиям среды распространения. "Модуль оценки условий приема" отправляет текущие оценки далее по схеме по цепи, аналогичной описанной выше для устройства "Модем 1", т.е. в "Модуль согласования частотных и временных характеристик развертки несущей" для расчета настроек частотных и временных характеристик (фрагментов) развертки несущей, которая на следующем этапе обмена данными должна использоваться устройством Модем 1 для связи с устройством Модем 2. И так далее.One of the parallel modules, the "Reception Conditions Assessment Module," processes the clock pulses of the current received signal to estimate the current impulse response at its receiving point and/or to estimate the current value of the compact communication channel metric. These assessments, performed upon reception of each packet, enable re-matching with the propagation environment (carrier sweep readjustment), thus continuously adapting the communication characteristics to changing propagation environment conditions. The "Reception Conditions Assessment Module" forwards the current assessments further along a circuit similar to that described above for "Modem 1," i.e., to the "Carrier Sweep Frequency and Time Response Matching Module" for calculating the frequency and time response settings (fragments) of the carrier sweep, which should be used by Modem 1 for communication with Modem 2 at the next stage of data exchange. And so on.
Другой параллельно работающий модуль - "Модуль детектирования и синхронизации", в котором происходит обнаружение принимаемого сигнала на временной оси и выполняется синхронизация принимаемого сигнала с приемником (а именно, с согласованной копией развертки несущей, которая ожидается при приеме пакетов устройством Модем 2 от устройства Молем 1). После синхронизации с приемником, последовательность разверток несущей, принимаемых от устройства Модем 1, подвергаются обработке в "Модуле обработки сигналов в частотно-временных координатах с разделением и выборочным объединением многолучевых составляющих принимаемого сигнала" для ослабления разрушительного влияния реверберации на принимаемый сигнал и повышения отношения сигнал/шум. Далее, синхронизированный и очищенный от многолучевых помех сигнал подвергается демодуляции и декодированию, с последующей оценкой параметров сигнала ("Модуль оценки параметров сигнала"), разделением принятого пакета на секции ("Модуль разделения пакета на секции"), а также выделением информационного содержания из принятого пакета.Another module operating in parallel is the "Detection and Synchronization Module," which detects the received signal on the time axis and synchronizes the received signal with the receiver (specifically, with a matched copy of the carrier sweep expected upon receipt of packets by Modem 2 from Molem 1). After synchronization with the receiver, the sequence of carrier sweeps received from Modem 1 is processed in the "Signal Processing Module in Time-Frequency Coordinates with Separation and Selective Combining of Multipath Components of the Received Signal" to reduce the destructive effect of reverberation on the received signal and improve the signal-to-noise ratio. Next, the synchronized signal, cleared of multipath interference, is demodulated and decoded, followed by signal parameter evaluation ("Signal Parameter Evaluation Module"), division of the received packet into sections ("Packet Separation Module"), and extraction of the information content from the received packet.
На данном этапе в составе пакета, кроме синхроимпульсов и служебная информация, может содержаться секция (полезных) данных. Поэтому в "Модуле выделения из принятого сигнала информационного содержания" выполняется распознавание не только той служебной информации, но и (полезных) данных.At this stage, the packet may contain, in addition to sync pulses and service information, a section of (payload) data. Therefore, the "Information Content Extraction Module" recognizes not only the service information but also the (payload) data.
При этом, (полезные) данные, при их наличии, отправляются получателю данных ("получатель данных 2"). В свою очередь, служебная информация, отправляется далее в "Модуль согласования частотных и временных характеристик развертки несущей" (эту служебную информацию сформировало устройство Модем 1 для информирования устройства Модем 2 о тех настройках развертки несущей, которые устройство Модем 2 должно применять для достижения предпочтительных или оптимальный характеристик связи с устройством Модем 1 в текущих условиях среды распространения сигнала).In this case, the (useful) data, if any, is sent to the data recipient ("Data Recipient 2"). In turn, the service information is then sent to the "Carrier Sweep Frequency and Time Characteristics Matching Module" (this service information was generated by Modem 1 to inform Modem 2 of the carrier sweep settings that Modem 2 should use to achieve preferred or optimal communication characteristics with Modem 1 under the current signal propagation environment conditions).
Далее, аналогично тому, что описано в отношении устройства Модем 1, "Модуль согласования частотных и временных характеристик развертки несущей" формирует развертку несущей и порядок следования разверток во времени. При этом характеристики развертки несущей и порядок их следования также согласованы со средой распространения и также известны устройству Модем 1, т.к. именно оно в своем предыдущем сигнале оповещало устройство Модем 2 о необходимости использования именно таких характеристик развертки несущей.Next, similar to what was described for Modem 1, the "Carrier Sweep Frequency and Time Characteristics Matching Module" generates the carrier sweep and the time sequence of the sweeps. The carrier sweep characteristics and their sequence are also matched to the propagation environment and are also known to Modem 1, as it was the device that notified Modem 2 in its previous signal of the need to use these specific carrier sweep characteristics.
Далее, в зависимости от наличия или отсутствия данных от "источника данных 2", происходит формирование пакета в составе секции синхроимпульсов, секции служебных сигналов и секции данных ("Модуль формирования пакета в составе секции синхроимпульсов, секции служебных сигналов и секции данных). В случае отсутствия данных от "источника данных 2", формируется пакет, в составе которого присутствуют синхроимпульсы и служебная информация (а именно, расчет настроек частотных и временных характеристик (фрагментов) развертки несущей, о которых необходимо проинформировать устройство Модем 1, для того, чтобы оно использовало эти настройки при связи с устройством Модем 2 в текущих условиях среды распространения сигнала.Next, depending on the presence or absence of data from "data source 2", a packet is formed consisting of a sync pulse section, a service signal section, and a data section ("Packet formation module consisting of a sync pulse section, a service signal section, and a data section"). In the absence of data from "data source 2", a packet is formed containing sync pulses and service information (namely, the calculation of the settings for the frequency and time characteristics (fragments) of the carrier sweep, which must be reported to the Modem 1 device so that it can use these settings when communicating with the Modem 2 device under the current conditions of the signal propagation environment.
Далее, также, в случае наличия данных от "источника данных 2" происходит их включение в состав секции данных передаваемого пакета. При этом, последовательность в секции служебной информации, и также последовательность в секция данных от "источника данных 2", структурно состоит из одинаковых (согласованных со средой распространения) разверток несущей. Единственная отличие одной развертки от другой ее информационное содержание (манипуляция одним или несколькими параметрами такой развертки несущей в соответствии с передаваемой информацией).Furthermore, if data from "data source 2" is present, it is included in the data section of the transmitted packet. The sequence in the service information section, as well as the sequence in the data section from "data source 2," structurally consists of identical carrier sweeps (matched to the propagation environment). The only difference between one sweep and another is its information content (the manipulation of one or more parameters of such a carrier sweep in accordance with the information being transmitted).
Также, отправка сформированного пакета выполняется путем преобразования электрического сигнала в гидроакустический с помощью "Антенны/Схемы передачи сигналов".Also, sending the generated packet is performed by converting the electrical signal into a hydroacoustic one using the "Antenna/Signal Transmission Circuit".
Далее действия повторяются.Then the actions are repeated.
Как видно из описания, в ходе обмена сигналами между устройствами Модем 1 и Модем 2 оба устройства получают информацию друг от друга об условиях приема связного сигнала. Постоянное информирование друг друга об условиях приема сигнала позволяет учитывать асимметрию в условиях среды распространения (в условия приема сигнала на противоположных концах канала связи).As can be seen from the description, during the exchange of signals between Modem 1 and Modem 2, both devices receive information from each other about the reception conditions of the communication signal. Constantly communicating the reception conditions of the signal allows for the asymmetry in the propagation environment (the reception conditions of the signal at opposite ends of the communication channel) to be taken into account.
Поскольку гидроакустический канал обычно является сильно несимметричным, такое информирование является серьезным преимуществом системы связи. (Неравномерность возникает из-за неодинаковой ориентации примоизлу чате лей с неравномерной/некруговой диаграммной направленности по отношению к отражающим границам и друг к другу, и, как следствие, из-за разной длительности и интенсивности реверберации, разницы в импульсных откликах, разности доплеровских смещений по разным многолучевым составляющим, и т.д.).Since the hydroacoustic channel is usually highly asymmetrical, such information is a significant advantage for the communication system. (The unevenness arises due to the uneven orientation of the primary emitters with a non-uniform/non-circular directivity pattern relative to the reflecting boundaries and to each other, and, as a consequence, due to different reverberation durations and intensities, differences in impulse responses, differences in Doppler shifts for different multipath components, etc.).
Кроме решения этой задачи, с помощью такого (постоянного) информирования друг друга, решается также задача адаптации характеристик связи к постоянно изменяющимся условиям связи с подстройкой оптимальных характеристик связного сигнала для достижения наибольшей производительности (наибольшей производительности устройства связи в каждых данных актуальных условиях связи).In addition to solving this problem, with the help of such (constant) informing each other, the problem of adapting the communication characteristics to constantly changing communication conditions is also solved by adjusting the optimal characteristics of the communication signal to achieve the highest performance (the highest performance of the communication device in each given current communication conditions).
Поскольку гидроакустические средства цифровой связи часто используются для передачи данных между стационарными (неподвижными) модулями (сенсорными системами), этап начального согласования характеристик развертки несущей путем обмена пробными развертками несущей может быть опущен. В известных условиях среды распространения описанные выше устройства Модем 1 и Модем 2 могут начинать сразу с передачи пакетов данных в составе в составе секции синхроимпульсов, секции служебных сигналов и секции данных. Применяя при этом известные настройки развертки несущей, согласованные с текущими (известными) условиями среды распространения или с (усредненным) набором условий среды распространения, устройства Модем 1 и Модем 2 могут исключить задержку времени, необходимую для начального согласования развертки несущей, и за счет этого, ускорить доставку (полезных) данных друг к другу. При этом не исключается возможность перенастройки/адаптации развертки несущей в ходе дальнейшего продолжительного обмена данными, при котором устройства Модем 1 и Модем 2 будут пересогласовывать текущие настройки развертки несущей с условиями среда распространения. Единственная разница с приведенным выше описанием (процесса обмена пакетами данных) будет состоять в том, что начало работы по обмену данными между устройствами Модем 1 и Модем 2 начнется сразу с этапа формирования пакетов данных, используя при этом известные этим обоим устройствам настройки развертки несущей.Since digital hydroacoustic communications are often used to transmit data between stationary (immobile) modules (sensor systems), the initial carrier sweep matching step of exchanging test carrier sweeps can be omitted. Under known propagation conditions, the above-described Modem 1 and Modem 2 devices can begin transmitting data packets consisting of a sync section, a service signal section, and a data section. By using known carrier sweep settings matched to the current (known) propagation conditions or to an (average) set of propagation conditions, Modem 1 and Modem 2 devices can eliminate the time delay required for initial carrier sweep matching and thereby accelerate the delivery of (useful) data to each other. This does not exclude the possibility of carrier sweep readjustment/adaptation during further, ongoing data exchange, during which Modem 1 and Modem 2 will re-align their current carrier sweep settings with the propagation environment. The only difference from the above description (of the data packet exchange process) is that data exchange between Modem 1 and Modem 2 will begin immediately with the data packet generation stage, using carrier sweep settings known to both devices.
Передаваемые в среду распространения пакеты сигналов могут включать в свой состав набор секций, например, секцию синхронизации, секцию служебных данных (заголовочную и/или суффиксную секцию), а также секцию данных полезной нагрузки. Пример пакета изображен на Фиг. 3.Signal packets transmitted over the distribution medium may include a set of sections, such as a synchronization section, an overhead section (header and/or suffix section), and a payload data section. An example packet is shown in Fig. 3.
В примере на Фиг. 3 секция синхроимпульсов представлена набором неэквидистантно следующих импульсов. Секция служебных данных и секция данных полезной нагрузки -последовательностями импульсов с псевдослучайной расстановкой во времени и/или по частоте. Как число, так и порядок следования этих импульсов по времени и частоте может быть разным в разных условиях. При этом, важным является то обстоятельство, что каждый импульс содержит расширение спектра несущей. При этом, как сама форма расширения спектра, так и расположение импульсов по частоте и времени, может адаптироваться в каждом из устройств связи к условиям приема-передачи сигналов (символов данных) благодаря двунаправленному обмену сигналами (данными) между устройством-источником и устройством-получателем и наличию в составе этих устройств модулей, ответственных за оценку условий приема-передачи сигналов в ходе обмена данными и за оптимизацию формы расширения спектра и расположение импульсов по частоте и/или по времени.In the example in Fig. 3, the sync pulse section is represented by a set of non-equidistant pulses. The service data section and the payload data section are represented by pulse sequences with a pseudo-random arrangement in time and/or frequency. Both the number and the order of these pulses in time and frequency may vary under different conditions. Importantly, each pulse contains carrier spectrum spreading. Both the spectrum spreading form itself and the pulse arrangement in frequency and time can be adapted in each communication device to the signal (data symbol) reception and transmission conditions due to the bidirectional exchange of signals (data) between the source and recipient devices and the presence in these devices of modules responsible for assessing the signal reception and transmission conditions during data exchange and for optimizing the spectrum spreading form and the pulse arrangement in frequency and/or time.
В любом случае - передаваемые сигналы (цифровые символы данных, элементы/фрагменты развертки несущей) содержат расширение спектра, например, в виде разновидности изменения частоты в широком диапазоне частот или в виде множества элементов/фрагментов развертки несущей разных форм на интервале передачи символа данных.In any case, the transmitted signals (digital data symbols, carrier sweep elements/fragments) contain spectrum spreading, for example, in the form of a variety of frequency changes over a wide frequency range or in the form of a multitude of carrier sweep elements/fragments of different shapes over the data symbol transmission interval.
В этом изобретении под разверткой несущей понимается участок частотно-временного пространства, в котором размещается один или несколько (полных или неполных элементов или фрагментов) несущей в виде частотно-модулированной волны, формируемой посредством непрерывного и плавного (гладкого, бесступенчатого) изменения частоты колебания на заданном интервале времени. В качестве примера такого участка (элемента/фрагмента) несущей может выступать частотно-модулированное колебание, описываемое выражением 1:In this invention, a carrier sweep is defined as a section of time-frequency space containing one or more (complete or incomplete elements or fragments) of a carrier in the form of a frequency-modulated wave, generated by continuously and smoothly (smoothly, steplessly) changing the oscillation frequency over a given time interval. An example of such a section (element/fragment) of a carrier is a frequency-modulated oscillation described by expression 1:
где - энергия излучения; - длительность сигнала; ; - время; истекшее с момента начала излучения сигнала; - текущее время; а, b, с, g - коэффициенты полинома, описывающего изменение частоты несущей во времени; - начальная фаза сигнала. Выражение 1 является только примером сигнала (символа данных) с несущей, изменяющей частоту во времени по закону полинома третьей степени. В действительности, в рамках текущего патента изменение частоты несущей (фрагмента несущей) во времени может происходить по любому другому закону, например, это изменение может иметь вид степенной, параболической, гиперболической, линейной, полиномиальной зависимости, или быть псевдохаотичным.Where - radiation energy; - signal duration; ; - time elapsed since the start of signal emission; - current time; a, b, c, g - coefficients of the polynomial describing the change in carrier frequency over time; - the initial phase of the signal. Expression 1 is only an example of a signal (data symbol) with a carrier whose frequency changes over time according to a third-degree polynomial. In reality, within the scope of the current patent, the frequency change of the carrier (or a portion of the carrier) over time may follow any other law; for example, this change may have the form of a power law, parabolic law, hyperbolic law, linear law, polynomial law, or be pseudo-chaotic.
Под символом данных будет пониматься развертка несущей или ее часть или комбинация разверток несущей, которая подвергается манипуляции по одному или нескольким параметрам для задания ей информационного содержания, например, бита или кортежа битов. Применительно к фрагменту несущей, представленной в примере выражением 1, это может быть манипуляция параметрами Е и/или θ и/или коэффициентами полинома , или параметрами и коэффициентами одновременно.A data symbol is understood as a carrier scan or a portion thereof, or a combination of carrier scans, which is manipulated by one or more parameters to assign it information content, for example, a bit or a tuple of bits. In relation to the carrier fragment represented in the example by expression 1, this could be manipulation of the parameters E and/or θ and/or the coefficients of a polynomial. , or parameters and coefficients simultaneously.
Каждый передаваемый символ данных формируется на интервале одной или большего числа элементов/фрагментов развертки несущей, т.е. один элемент/фрагмент развертки несущей может нести целое или дробное число бит, в частном случае - одна развертка несущей может нести менее одного бита информации. Применительно к примеру элемента/фрагмента развертки несущей, представленного выражением 1, последнее может означать, что для задания одного бита информации используется несколько фрагментов развертки несущей, манипулируемых параметрами Е, θ, коэффициентами полинома , или комбинацией части параметров или набором всего перечисленного.Each transmitted data symbol is formed over an interval of one or more carrier scan elements/fragments, i.e., one carrier scan element/fragment can carry an integer or fractional number of bits; in a particular case, one carrier scan can carry less than one bit of information. With regard to the example of a carrier scan element/fragment represented by expression 1, the latter may mean that several carrier scan fragments are used to specify one bit of information, manipulated by the parameters E, θ, and the coefficients of the polynomial , or a combination of some of the parameters, or a set of all of the above.
В отличие от предыдущих патентных заявок автора в текущей заявке формируемые для передачи сигналы существенно отличаются по составу, а также могут адаптироваться к условиям среды распространения (приема/передачи) сигналов, к условиям множественного доступа, к параметрам криптографической защиты или к другими задачам.Unlike the author's previous patent applications, in the current application the signals generated for transmission differ significantly in composition and can also be adapted to the conditions of the signal propagation (reception/transmission) environment, to multiple access conditions, to cryptographic protection parameters, or to other tasks.
Также, в отличие от предыдущих патентных заявок, в текущей заявке переходы между развертками несущей (следующими без пауз) в составе передаваемых последовательностей сигналов предполагаются предпочтительно плавными (без скачкообразного изменения фазы). Эта заявка предусматривает возможности также и ступенчатых переходов между элементами/фрагментами развертки несущей (переходы со скачкообразным изменением фазы), однако, для таких переходов здесь предусматривается гибкая настройка (управление, адаптация) временных разрывов (пауз) между элементами/фрагментами развертки в зависимости от характеристик среды распространения сигнала.Also, unlike previous patent applications, the current application assumes that transitions between carrier sweeps (following without pauses) within the transmitted signal sequences are preferably smooth (without abrupt phase changes). This application also provides for the possibility of stepwise transitions between elements/fragments of the carrier sweep (transitions with abrupt phase changes). However, for such transitions, it provides for flexible adjustment (control, adaptation) of the time gaps (pauses) between elements/fragments of the sweep depending on the characteristics of the signal propagation environment.
Благодаря возможности двунаправленного обмена данными, взаимодействующие устройства обеспечиваются техническими возможностями взаимной настройки (согласования) частотных характеристик развертки несущей (каждого фрагмента несущей) в отношении ширины частотной полосы, наклона и/или функции изменения частоты, а также порядка следования элементов или фрагментов развертки несущей и/или разверток несущей во времени и/или по частоте переменным образом в соответствии с условиями среды распространения сигнала и/или условиями множественного доступа и/или параметрами криптографической защиты или другими задачами (Фиг. 4). При этом согласование может выполняется, например, путем сдвига по времени и/или по частоте каждого последующего элемента или фрагмента развертки несущей и/или развертки несущей на предопределенную или псевдослучайную величину. (Фиг. 4 изображает только часть модулей модема, изображенного на Фиг. 2, в частности, модулей, ответственных за взаимную настройку/согласование частотных характеристик разверток несущей и порядка их следования во времени или по частоте).Due to the possibility of bidirectional data exchange, the interacting devices are provided with technical capabilities for mutual adjustment (matching) of the frequency characteristics of the carrier sweep (each carrier fragment) with respect to the frequency bandwidth, slope and/or frequency change function, as well as the sequence order of the elements or fragments of the carrier sweep and/or carrier sweeps in time and/or frequency in a variable manner in accordance with the conditions of the signal propagation environment and/or the conditions of multiple access and/or the parameters of cryptographic protection or other tasks (Fig. 4). In this case, the matching can be performed, for example, by shifting in time and/or frequency each subsequent element or fragment of the carrier sweep and/or carrier sweep by a predetermined or pseudo-random value. (Fig. 4 shows only a part of the modules of the modem shown in Fig. 2, in particular, the modules responsible for mutual adjustment/matching of the frequency characteristics of the carrier sweeps and the sequence of their sequence in time or frequency).
Технически оценки основных характеристик среды распространения (гидроакустической среды в точках приема-передачи сигналов) может, в частности, быть основано на измерении импульсной характеристики среды распространения сигналов при приеме (в частности, реверберации по оси времени), измерении шумов (в частности, окрашенных шумов), измерении доплеровских сдвигов (в частности, реверберации по оси частот).Technically, the assessment of the main characteristics of the propagation environment (hydroacoustic environment at the points of reception and transmission of signals) can, in particular, be based on the measurement of the impulse response of the signal propagation environment upon reception (in particular, reverberation along the time axis), the measurement of noise (in particular, colored noise), and the measurement of Doppler shifts (in particular, reverberation along the frequency axis).
В качестве примера технической реализуемости таких настроек можно, например, показать, что в случае использования фазовой манипуляции несущей (выражение 1) оценка фазы сигнала, принимаемого в условиях реверберации (многолучевости), может быть получена через разложение принимаемого сигнала по квадратурным составляющим и построения отношения в виде:As an example of the technical feasibility of such settings, it can be shown, for example, that in the case of using carrier phase shift keying (expression 1), the phase estimate signal received under reverberation (multipath) conditions can be obtained by decomposing the received signal into quadrature components and constructing a ratio in the form:
где - энергия принимаемого сигнала, Os(i) и Oc(i) - остатки квадратурных составляющих, зависимые от формы изменения частоты несущей (фрагмента несущей) в выражении 1. Можно показать, что остатки представимы в виде:Where - the energy of the received signal, O s (i) and O c (i) are the residuals of the quadrature components, depending on the form of the change in the carrier frequency (carrier fragment) in expression 1. It can be shown that the residuals can be represented in the form:
где - коэффициенты полинома, отличные от .Where - polynomial coefficients other than .
Важно отметить, что остатки Os(i) и Oc(i) зависят не только от характеристикIt is important to note that the residuals O s (i) and O c (i) depend not only on the characteristics
реверберации (числа и параметров многолучевых составляющих принимаемого сигнала), но и от собственных коэффициентов полинома. При известной реверберации (текущей оценке реверберации), коэффициенты полинома могут настраиваться для оптимизации/адаптации кривой изменения частоты несущей (формы полинома) под конкретные условия среды распространения сигнала, в частности, по критерию минимума погрешности оценки фазы . (Аналогично можно вывести и другие критерии оптимизации, например, в отношении других параметров расширенной по спектру несущей, которые также могут использоваться для ее манипуляции с целью задания информационного содержания сигналу связи.)reverberation (the number and parameters of the multipath components of the received signal), but also on the polynomial's own coefficients. Given a known reverberation (current reverberation estimate), the polynomial coefficients can be adjusted to optimize/adapt the carrier frequency curve (polynomial shape) to specific conditions of the signal propagation environment, in particular, according to the criterion of minimum phase estimation error. (Similarly, other optimization criteria can be derived, for example, in relation to other parameters of the spread spectrum carrier, which can also be used to manipulate it in order to set the information content of the communication signal.)
Таким образом, использование возможности взаимного оценивания характеристик среды распространения (в частности, реверберации) в точках приема сигналов взаимодействующих устройств, и внедрение методов минимизации воздействия среды на оценку параметров сигнала, несущих информацию, позволяет повышать (максимизировать) производительность устройства оперативно, для любых текущих условий связи.Thus, the use of the possibility of mutual evaluation of the characteristics of the propagation environment (in particular, reverberation) at the reception points of signals from interacting devices, and the implementation of methods for minimizing the impact of the environment on the evaluation of the parameters of the signal carrying information, makes it possible to increase (maximize) the performance of the device promptly, for any current communication conditions.
Кроме того, благодаря расширению спектра в широком диапазоне частот, устройство на приемной стороне обеспечивается возможностью обработки сигнала в частотно-временных координатах с разделением и/или выборочным объединением его многолучевых составляющих, например, для очистки принимаемого сигнала от помех и/или повышения отношения его уровня к шуму (Фиг. 5). (Фиг. 5 изображает только часть модулей модема, изображенного на Фиг. 2, в частности, модулей, ответственных за обработку сигнала в частотно-временных координатах с разделением и/или выборочным объединением его многолучевых составляющих).In addition, due to the expansion of the spectrum over a wide frequency range, the device on the receiving side is provided with the ability to process the signal in frequency-time coordinates with separation and/or selective combination of its multipath components, for example, to clear the received signal from interference and/or to increase the ratio of its level to noise (Fig. 5). (Fig. 5 shows only a part of the modules of the modem shown in Fig. 2, in particular, the modules responsible for processing the signal in frequency-time coordinates with separation and/or selective combination of its multipath components).
В качестве одной из отличительных особенностей и одного из важных исполнений приемопередающего устройства текущее изобретение также содержит вариант устройства связи, которое способно формировать одновременно множество ортогональных (или квазиортогональных) последовательностей (ансамбль последовательностей) разверток несущей (фрагментов несущей) (Фиг. 6), при этом их ортогональность (или квази-ортогональность) может соблюдаться по отношению ко всем другим или только к части последовательностей этого ансамбля. Взаимная ортогональность последовательностей разверток несущей сформированного ансамбля может быть инвариантна или неинвариантна к их взаимному временному сдвигу. Преимущественно ортогональность или квази-ортогональность разверток несущей определяется как законом изменения частоты каждого из элементов/фрагментов такой развертки, так и порядком их следования во времени и/или смещением частотного диапазона. Использование одновременно нескольких ортогональных ансамблей (наборов последовательностей) разверток несущей обеспечивает возможность одновременной передачи потоков данных от нескольких источников к нескольким получателям, или увеличивает поток передачи данных от одного источника к одному или нескольким получателям. (Фиг. 6 изображает только часть модулей модема, изображенного на Фиг. 2, в частности, модулей, ответственных за формирование множества ортогональных или квази-ортогональных последовательностей или ансамбля таких последовательностей (элементов/фрагментов) разверток несущей, для их одновременного/асинхронного использования).As one of the distinctive features and one of the important embodiments of the transmitting and receiving device, the current invention also contains a version of the communication device, which is capable of simultaneously forming a plurality of orthogonal (or quasi-orthogonal) sequences (ensemble of sequences) of carrier sweeps (carrier fragments) (Fig. 6), wherein their orthogonality (or quasi-orthogonality) can be maintained with respect to all other sequences or only to a part of this ensemble. The mutual orthogonality of the carrier sweep sequences of the formed ensemble can be invariant or non-invariant with respect to their mutual time shift. Preferably, the orthogonality or quasi-orthogonality of the carrier sweeps is determined both by the frequency variation law of each of the elements/fragments of such a sweep, and by the order of their sequence in time and/or the shift of the frequency range. The simultaneous use of several orthogonal ensembles (sets of sequences) of carrier sweeps provides the possibility of simultaneous transmission of data streams from several sources to several receivers, or increases the flow of data transmission from one source to one or several receivers. (Fig. 6 shows only a part of the modules of the modem shown in Fig. 2, in particular, the modules responsible for the formation of a set of orthogonal or quasi-orthogonal sequences or an ensemble of such sequences (elements/fragments) of carrier sweeps, for their simultaneous/asynchronous use).
Такое устройство на передающей стороне оснащается схемой управления и наложения (суперпозиции) взаимно ортогональных последовательностей формируемых разверток несущей для их одновременной (асинхронной) передачи в среду распространения сигналов. Такое устройство на приемной стороне оснащается также схемой управления и множеством приемных схем, с помощью которых множество одновременно (асинхронно) передаваемых взаимно ортогональных последовательностей разверток несущей отделяются одна от другой по соответствующим признакам (параметрам) ортогональности и обрабатываются по отдельности или совместно.Such a device on the transmitting side is equipped with a control circuit and superposition (overlay) of mutually orthogonal sequences of generated carrier sweeps for their simultaneous (asynchronous) transmission into the signal propagation medium. Such a device on the receiving side is also equipped with a control circuit and multiple receiving circuits, through which multiple simultaneously (asynchronously) transmitted mutually orthogonal sequences of carrier sweeps are separated from one another based on appropriate orthogonality parameters and processed individually or jointly.
Дальнейшее полезное исполнение приемопередающего устройства, описанного выше, содержит схему управления и формирования сдвигов по времени и/или частоте каждого из элементов/фрагментов, следующих в передаваемой последовательности развертки несущей, например, по заранее определенному расписанию одного из наборов (например, псевдослучайных наборов) частотно-временных расписаний, при этом каждый такой набор частотно-временных расписаний представляет собой уникальный набор частотных и/или временных меток (задаваемых, например, вычислителем, к которому подключен передатчик). Вариант такого исполнения содержит схему управления и формирования таких наборов частотно-временных расписаний (наборов частотных и/или временных меток), которые отличаться друг от друга и задают дополнительные дискретные состояния передаваемых сигналов, и такие дополнительные дискретные состояния соответствуют закону передаваемой информации (содержат полезную передаваемую информацию, поступающую, например, от источника, к которому подключен передатчик).A further useful embodiment of the transmitting and receiving device described above comprises a circuit for controlling and generating time and/or frequency shifts for each of the elements/fragments following in the transmitted carrier sweep sequence, for example, according to a predetermined schedule of one of the sets (e.g., pseudo-random sets) of frequency-time schedules, wherein each such set of frequency-time schedules represents a unique set of frequency and/or time marks (defined, for example, by a computer to which the transmitter is connected). A variant of such an embodiment comprises a circuit for controlling and generating such sets of frequency-time schedules (sets of frequency and/or time marks) that differ from one another and define additional discrete states of the transmitted signals, and such additional discrete states correspond to the law of the transmitted information (contain useful transmitted information coming, for example, from a source to which the transmitter is connected).
Дальнейшее полезное исполнение вариантов приемопередающего устройства, описанных выше, содержит схему управления и взаимодействия с внешним управляющим устройством (и/или схемой), например, с источником точного времени (атомными часами или другим точным генератором временных отсчетов) для задания моментов времени передачи в среду распространения элементов/фрагментов разверток несущей и/или их последовательностей.A further useful embodiment of the variants of the transmitting and receiving device described above contains a control circuit and interaction with an external control device (and/or circuit), for example, with a source of precise time (atomic clock or other precise time generator) for setting the time moments of transmission into the propagation medium of elements/fragments of carrier scans and/or their sequences.
Такое исполнение может быть полезным для определения (во время обмена данными) взаимного расхождения часов между приемопередающими устройствах на противоположных сторонах среды распространения сигнала. В свою очередь, такая информация может использоваться подключенными к этим приемопередающим устройствам вычислителями (источником и получателем данных) для корректировки измеряемых в ходе обмена данными взаимных дистанций, а также корректировки получаемых в ходе обмена данными результатов взаимного позиционирования (определения взаимного местоположения).This implementation can be useful for determining (during data exchange) the relative clock divergence between transmitting and receiving devices on opposite sides of the signal propagation medium. In turn, this information can be used by the computers connected to these transmitting and receiving devices (the source and receiver of the data) to correct the relative distances measured during data exchange, as well as to correct the relative positioning results obtained during the exchange.
Полезное исполнение вариантов приемопередающего устройства, описанных выше, содержит устройство управления и/или схему, позволяющую упорядочивать последовательности разверток несущей и/или составляющих ее элементов/фрагментов по времени и/или частоте в соответствии с протоколом, который может актуализироваться в процессе обмена информацией между приемником и передатчиком. В частности, актуализация протокола может осуществляться определенным согласованным образом (например, с помощью вычислителя, к которому подключено устройство передачи и приема информации). Также, актуализация может производится в ходе обмена в зависимости от информации о свойствах/характеристиках/особенностях канала передачи (например, с помощью дополнительного устройства управления или схемы, выполняющей обработку информации о свойствах и/или особенностях среды распространения сигнала). В частности, в ходе двустороннего обмена данными приемопередающие устройства могут оценивать импульсную характеристику среды распространения сигнала и сообщать эту характеристику взаимодействующему приемопередающему устройству для настройки/адаптации порядка следования разверток несущей и/или составляющих ее элементов фрагментов по времени и/или частоте. Например, для настройки такого прядка следования элементов/фрагментов развертки несущей по времени и/или по частоте, который минимизирует наложение во времени (задержанной) реверберационной составляющей (многолучевой составляющей) предыдущего элемента/фрагмента развертки несущей на текущий (принимаемый) элемент/фрагмент развертки несущей, и таким образом позволяет противодействовать разрушающему влиянию реверберации на принимаемый сигнал (в частности, реверберации, вызванной многолучевым распространением сигнала). Текущая информация о свойствах/характеристиках/особенностях среды распространения сигнала, а также, информация с настройками прядка следования элементов/фрагментов развертки несущей может отправляться взаимодействующему (на другой стороне среды распространения) аналогичному приемопередающему устройству для учета этим устройством такой информации при формировании (настройке и/или адаплации) собственных разверток несущей для осуществления обмена данными с наибольшей (для текущих условий среды распространения) показателями производительности, а частности, наибольшей скорости передачи данных и/или наименьшей вероятности повреждения данных (наименьшей вероятности битовой ошибки).A useful embodiment of the embodiments of the transmitting and receiving device described above comprises a control device and/or circuit that enables the ordering of the carrier sweep sequences and/or the elements/fragments comprising it in time and/or frequency in accordance with a protocol that can be updated during the information exchange between the receiver and the transmitter. In particular, the protocol can be updated in a certain agreed manner (e.g., using a computer to which the device for transmitting and receiving information is connected). Also, the updating can be performed during the exchange depending on information about the properties/characteristics/features of the transmission channel (e.g., using an additional control device or circuit that processes information about the properties and/or features of the signal propagation medium). In particular, during two-way data exchange, the transmitting and receiving devices can evaluate the impulse response of the signal propagation medium and communicate this characteristic to the interacting transmitting and receiving device for adjusting/adapting the order of the carrier sweeps and/or the elements/fragments comprising it in time and/or frequency. For example, to set up such an order of the elements/fragments of the carrier sweep in time and/or frequency that minimizes the overlap in time of the (delayed) reverberation component (multipath component) of the previous element/fragment of the carrier sweep on the current (received) element/fragment of the carrier sweep, and thus makes it possible to counteract the destructive effect of reverberation on the received signal (in particular, reverberation caused by multipath propagation of the signal). Current information about the properties/characteristics/features of the signal propagation environment, as well as information with the settings for the order of the elements/fragments of the carrier scan, can be sent to an interacting (on the other side of the propagation environment) similar transmitting and receiving device so that this device can take such information into account when forming (setting up and/or adapting) its own carrier scans to carry out data exchange with the highest (for the current conditions of the propagation environment) performance indicators, and in particular, the highest data transfer rate and/or the lowest probability of data corruption (the lowest probability of a bit error).
В одном из полезных исполнение приемопередающие устройства могут содержать схему для оценки параметров среды распространения сигнала (например, импульсной характеристики среды распространения сигнала), а также схему для формирования компактной метрики, отражающей эти характеристики, которая может отправляться взаимодействующему (на другой стороне среды распространения) аналогичному приемопередающему устройству. Значение такой метрики, известное обоим взаимодействующим приемопередающим устройствам, может быть использована ими для согласования временных сдвигов (интервалов) в порядке следования разверток несущей (и/или ее элементов/фрагментов) и/или сдвигов начального значения частоты каждой последующей развертки (и/или ее фрагментов) и/или настройки параметров самой развертки несущей (и/или ее элементов/фрагментов). В особенности, такая метрика может использоваться для выбора параметров псевдослучайных временных и/или частотных сдвигов в порядке следования разверток несущей (и/или ее элементов/фрагментов) при обмене данными между взаимодействующими приемопередающими устройствами.In one useful embodiment, the transmitting and receiving devices may comprise a circuit for estimating the parameters of the signal propagation medium (e.g., the impulse response of the signal propagation medium) and a circuit for generating a compact metric reflecting these characteristics, which can be sent to a similar communicating (on the other side of the propagation medium) transmitting and receiving device. The value of such a metric, known to both communicating transmitting and receiving devices, can be used by them to match time shifts (intervals) in the order of carrier sweeps (and/or its elements/fragments) and/or shifts in the initial frequency value of each subsequent sweep (and/or its fragments) and/or to adjust the parameters of the carrier sweep (and/or its elements/fragments) itself. In particular, such a metric can be used to select the parameters of pseudo-random time and/or frequency shifts in the order of carrier sweeps (and/or its elements/fragments) during data exchange between communicating transmitting and receiving devices.
Технически идея формирования компактной метрики, отражающей условия приема сигнала, может быть реализована следующим образом. При выполнении оценки импульсной характеристики среды распространения сигнала в точке приема может быть выполнена оценка отдельных многлучевых составляющих принимаемого сигнала, и среди них выбрана, например, наиболее энерговесомая составляющая (с которой будет синхронизирован приемник), при этом все остальные многлучевые составляющие могут быть оценены с точки зрения их уровней и избыточных задержек распространения по отношению к наиболее энерговесомой. Для построения компактной метрики может быть, например, найдено отношение среднеквардратического разброса уровней многлучевых составляющих к среднеквардратическому разбросу избыточных задержек многлучевых составляющих. Первая величина (уровень) пропорциональна энергии реверберации (может быть пересчитана через чувствительность приемопередающего тракта), а вторая величина (задержка) пропорциональна времени реверберации. Численно отношение энергии ко времени представляет собой мощность (в данном случае отношение их среднеквадратических разбросов), и, соответственно, компактная метрика представляет собой оценку мощности реверберации в точке приема сигнала. Для каждого из значений такой метрики может быть найдены оптимальные частотно-временные характеристики элементов/фрагментов несущей и порядок их следования по частоте и времени, так, чтобы влияние реверберации на оценку параметров принимаемого сигнала было наименьшим. Например, оптимизация по критерию минимума погрешности оценки фазы, амплитуды или другого параметра сигнала может быть выполнена (в отношении частотно-временных характеристик элементов/фрагментов несущей и порядка их следования по частоте и времени), в особенности в ходе математического или численного моделирования или физических экспериментов для широкого (требуемого) диапазона значений реверберации сигнала, а соответствующие, найденные в процессе оптимизации, значения компактной метрики могут быть сохранены в памяти устройства связи (модема) для дальнейшего использования на практике. В ходе практического использования устройства связи (модемы), обмениваясь оценками метрик, получат возможность настройки характеристик фрагментов несущей и порядка их следования по частоте и времени, так, чтобы влияние реверберации на оценку параметров принимаемого сигнала в текущих условиях обмена данными было наименьшим.Technically, the idea of forming a compact metric reflecting signal reception conditions can be implemented as follows. When estimating the impulse response of the signal propagation medium at the reception point, individual multipath components of the received signal can be estimated, and among these, for example, the most energy-heavy component (with which the receiver will be synchronized) can be selected. All other multipath components can then be evaluated in terms of their levels and excess propagation delays relative to the most energy-heavy component. To construct a compact metric, one can, for example, find the ratio of the root-mean-square spread of the levels of the multipath components to the root-mean-square spread of the excess delays of the multipath components. The first quantity (level) is proportional to the reverberation energy (can be recalculated using the sensitivity of the transmit-receive path), and the second quantity (delay) is proportional to the reverberation time. Numerically, the ratio of energy to time represents power (in this case, the ratio of their root-mean-square spreads), and, accordingly, a compact metric represents an estimate of the reverberation power at the signal reception point. For each value of such a metric, optimal frequency-time characteristics of carrier elements/fragments and their order in frequency and time can be found so as to minimize the influence of reverberation on the estimated parameters of the received signal. For example, optimization based on the criterion of minimum error in estimating the phase, amplitude, or other signal parameter can be performed (with respect to the frequency-time characteristics of carrier elements/fragments and their order in frequency and time), especially during mathematical or numerical modeling or physical experiments for a wide (required) range of signal reverberation values. The corresponding compact metric values found during the optimization process can be stored in the memory of the communication device (modem) for further practical use. In practical use, communication devices (modems), exchanging metric estimates, will have the ability to adjust the characteristics of carrier fragments and the order of their sequence by frequency and time, so that the influence of reverberation on the assessment of the parameters of the received signal under current data exchange conditions is minimal.
Также, в ходе анализа характеристик шумов и сообщения таких оценок друг другу в ходе обмена данными приемопередающие устройства могут также выполнять настройку/адаптацию порядка следования разверток несущей и/или составляющих ее элементов/фрагментов по времени и/или частоте в зависимости от текущих характеристик «окрашенных» шумов. Приемопередающие устройства могут адаптировать длительность и расположение по частоте элементов/фрагментов каждой последующей развертки несущей для достижения достаточного отношения сигнал/шум (окрашенный шум) на стороне приемного устройства.Additionally, when analyzing noise characteristics and communicating these assessments to each other during data exchange, transceivers can adjust/adapt the order of carrier sweeps and/or their constituent elements/fragments in time and/or frequency depending on the current characteristics of the "colored" noise. Transceivers can adapt the duration and frequency arrangement of the elements/fragments of each subsequent carrier sweep to achieve a sufficient signal-to-noise ratio (colored noise) at the receiving end.
Также, в ходе обмена данными настройка/адаптация порядка следования разверток несущей и/или составляющих ее фрагментов по времени и/или частоте может осуществляться в зависимости от самой передаваемой информации, например, с помощью дополнительного устройства управления или схемы, контролирующей поток передаваемой информации и определяющей, в частности, приоритет, происхождение (источник) данных, требования к надежности доставки данных с первой попытки, (криптографическую) защищенность данных. В зависимости от обнаруженных признаков (в потоке) данных приемопередающие устройства могут выбирать и/или согласовывать требуемый порядок следования разверток несущей и/или составляющих ее фрагментов по времени и/или частоте.Furthermore, during data exchange, the order of carrier sweeps and/or their constituent fragments can be adjusted/adapted based on the information being transmitted, for example, using an additional control device or circuit that monitors the flow of transmitted information and determines, in particular, the priority, origin (source) of the data, requirements for first-attempt data delivery reliability, and (cryptographic) data security. Depending on the detected features (in the data stream), the transmitting and receiving devices can select and/or coordinate the required order of carrier sweeps and/or their constituent fragments based on time and/or frequency.
Что касается передаваемой информации (параметров, несущих информацию), то приемопередающие устройства, описываемые в этой заявке, будут формировать так называемые информационные сигналы (символы данных) путем аналогового и/или дискретного изменения (модуляции) некоторых параметров развертки несущей (и/или ее элементов/фрагментов), причем такое изменение (модуляция) будет предпочтительно выполняться в виде манипуляции фазой и/или амплитудной, и/или частотой, модифицируя таким образом частотно-временные характеристики развертки несущей (и/или ее элементов/фрагментов). В частности, приемопередающие устройства могут содержать схему формирования информационного сигнала в виде относительного изменения параметров сигнала между двумя различными, предпочтительно между соседними развертками несущей (фрагментами несущей), смещенными по отношению друг к другу по времени и/или по частоте.With regard to the transmitted information (information-bearing parameters), the transmitting and receiving devices described in this application will generate so-called information signals (data symbols) by analog and/or discrete changes (modulations) of certain parameters of the carrier sweep (and/or its elements/fragments), wherein such changes (modulations) will preferably be performed in the form of phase and/or amplitude and/or frequency manipulation, thus modifying the time-frequency characteristics of the carrier sweep (and/or its elements/fragments). In particular, the transmitting and receiving devices may comprise a circuit for generating an information signal in the form of a relative change in the signal parameters between two different, preferably between adjacent, carrier sweeps (carrier fragments), shifted with respect to each other in time and/or frequency.
Кроме того, символы данных будут задаваться также посредством группы взаимно ортогональных и/или взаимно квази-ортогональных сигналов, каждый из которых будет соответствовать определенному дискретному значению передаваемой информации. В простейшем случае два взаимно-ортогональных сигнала будут задавать значение передаваемого бита (один из них двоичную единицу, второй двоичный ноль).Furthermore, data symbols will also be defined by a group of mutually orthogonal and/or mutually quasi-orthogonal signals, each of which will correspond to a specific discrete value of the information being transmitted. In the simplest case, two mutually orthogonal signals will define the value of the transmitted bit (one a binary 1, the other a binary 0).
Далее, приемопередающие устройства, описываемые в этой заявке, могут также содержать схему формирования и передачи множества модулированных разверток несущей в заданной полосе частот, которые могут частично или полностью перекрываться во времени, при этом множество таких разверток несущей может содержать один и тот же или различные информационные сигналы. При этом, информационные сигналы (символы данных) могут также формироваться в виде функции, например, суммы или разности, параметров двух или большего числа разверток несущей, передаваемых с перекрытием по времени или одновременно.Furthermore, the transceivers described in this application may also comprise circuitry for generating and transmitting multiple modulated carrier sweeps in a given frequency band, which may partially or completely overlap in time, wherein multiple such carrier sweeps may contain the same or different information signals. Moreover, the information signals (data symbols) may also be generated as a function, for example, the sum or difference, of the parameters of two or more carrier sweeps transmitted overlapping in time or simultaneously.
Еще одно исполнение приемопередающего устройства связи может содержать устройство управления или схему для перемножения информационного сигнала и/или развертки несущей или сформированного для передачи сигнала целиком с псевдошумовой последовательностью, причем эта псевдошумовая последовательность может быть определенна заранее или согласована (с точки зрения ее характеристик) уже в ходе обмена данными, например, с помощью вычислителей, к которым подключены передатчик и приемник соответственно.Another embodiment of the transmitting and receiving communication device may contain a control device or circuit for multiplying the information signal and/or scanning the carrier or the signal formed for transmission as a whole with a pseudo-noise sequence, wherein this pseudo-noise sequence may be determined in advance or agreed upon (from the point of view of its characteristics) already in the course of data exchange, for example, with the help of computers to which the transmitter and receiver are connected, respectively.
Приемопередающее устройство, описываемое в этой заявке, может представлять собой функциональную часть общепринятого устройства цифровой или аналоговой связи, которое может использоваться в качестве включаемой или переключаемой альтернативы в дополнение к общепринятому устройству цифровой или аналоговой связи. В частности, такое приемопередающее устройство может содержать устройство управления или схему для объединения как минимум двух разнородных сигнала, один из которых формируется согласно описанию текущей заявки, а другие - по известным общедоступным способам формирования сигнала связи.The transceiver described in this application may be a functional part of a conventional digital or analog communication device, which may be used as a switchable or switchable alternative to the conventional digital or analog communication device. In particular, such a transceiver may include a control device or circuit for combining at least two dissimilar signals, one of which is generated according to the description of the current application, and the others, using known, publicly available methods for generating communication signals.
Важное исполнение приемопередающего устройства содержит схему для включения в состав передаваемого сигнала как минимум одной дополнительной - синхронизирующей - последовательности широкополосных импульсов, каждый из которых может формироваться аналогично развертке несущей (т.е. содержать частотно-модулированную волну, какую-то ее часть или множество частотно-модулированных волн, частоты которой и/или которых непрерывно и плавно, гладко и бесступенчато изменяются на заданном интервале времени; и кроме того, частотно-модулированная волна может также перемножаться с псевдослучайной последовательностью прямоугольных импульсов). В составе такой дополнительной последовательности синхронизирующие импульсы могут следовать друг за другом по времени и/или по частоте эквидистантно или неэквидистантно, с перекрытием или без перекрытия во времени (Фиг. 3). Неэквидистантное следование разверток несущей имеет то преимущество, что позволяет с большей вероятностью выявить в составе импульсного отклика среды распространения реверберационные (многолучевые) компоненты, поступающие на прием с большими задержками (в частности, компоненты, задержанные после поступления «прямого» импульса в приемный тракт на время, многократно превышающее длительность синхроимпульса). В одном из исполнений приемопередающего устройства такая дополнительная - синхронизирующая - последовательность широкополосных импульсов может нести дополнительную полезную информацию (например, служебную информацию), при этом информационный сигнал каждого из импульсов синхронизирующей последовательности задается аналоговой или дискретной манипуляцией его частотно-временных характеристик (фазовой и/или амплитудной и/или частотой модуляцией).An important embodiment of the transmitting and receiving device contains a circuit for including in the transmitted signal at least one additional - synchronizing - sequence of broadband pulses, each of which can be formed similarly to a carrier sweep (i.e. contain a frequency-modulated wave, some part of it, or a plurality of frequency-modulated waves, the frequencies of which and/or which continuously and smoothly, smoothly and steplessly change over a given time interval; and, in addition, the frequency-modulated wave can also be multiplied with a pseudo-random sequence of rectangular pulses). As part of such an additional sequence, the synchronizing pulses can follow one another in time and/or in frequency equidistantly or non-equidistantly, with or without overlapping in time (Fig. 3). The advantage of non-equidistant carrier sweep sequencing is that it allows for a higher probability of detecting reverberant (multipath) components arriving at the receiver with significant delays in the propagation medium's pulse response (in particular, components delayed after the arrival of the "direct" pulse in the receiving path by a time many times exceeding the synchronization pulse duration). In one embodiment of a transmitting/receiving device, such an additional—synchronizing—sequence of wideband pulses can carry additional useful information (e.g., service information), with the information signal of each pulse of the synchronizing sequence being determined by analog or discrete manipulation of its frequency-time characteristics (phase and/or amplitude and/or frequency modulation).
Кроме того, приемопередающее устройство может содержать схему для включения в состав передаваемого сигнала еще одной дополнительной - служебной - последовательности широкополосных импульсов (служебных заголовочных и/или суффиксных, априорных и/или апостериорных широкополосных импульсов), каждый из которых может, в частности, формироваться аналогично развертке несущей (т.е. тоже представлять собой частотно-модулированную волну, частота которой будет непрерывно и плавно, гладко и бесступенчато изменяться на заданном интервале времени, или частотно-модулированную волну, перемноженную с псевдослучайной последовательностью), при этом импульсы такой последовательности могут следовать друг за другом, эквидистантно или неэквидистантно по времени и/или по частоте, с перекрытием из без перекрытия во времени (Фиг. 3). Также, как синхронизирующая, служебная последовательность широкополосных импульсов может нести дополнительную полезную информацию, причем информационный сигнал каждого из импульсов служебной последовательности может также задаваться аналоговым или дискретным изменением частотно-временных характеристик (фазовой и/или амплитудной и/или частотой манипуляцией).In addition, the transmitting and receiving device may contain a circuit for including in the transmitted signal another additional - service - sequence of wideband pulses (service header and/or suffix, a priori and/or a posteriori wideband pulses), each of which may, in particular, be formed similarly to a carrier sweep (i.e. also represent a frequency-modulated wave, the frequency of which will continuously and smoothly, smoothly and steplessly change over a given time interval, or a frequency-modulated wave multiplied by a pseudo-random sequence), wherein the pulses of such a sequence may follow one another, equidistant or non-equidistant in time and/or in frequency, with or without overlapping in time (Fig. 3). Just like the synchronizing sequence, the service sequence of wideband pulses can carry additional useful information, and the information signal of each of the pulses of the service sequence can also be specified by an analog or discrete change in the frequency-time characteristics (phase and/or amplitude and/or frequency manipulation).
Дальнейшее исполнение приемопередающего устройства может содержать схему для исключения из состава передаваемого сигнала синхронизирующих и/или служебных последовательностей широкополосных импульсов. В этом случае синхронизирующие и/или служебные последовательности широкополосных импульсов будут иметь нулевую длину. Или наоборот, приемопередающее устройство будет содержать схему для включения в состав передаваемого сигнала только дополнительных синхронизирующих и/или служебных последовательностей, при этом длина передаваемой последовательности всех других разверток несущей равна нулю (т.е. в среду распространения передаются только дополнительные синхронизирующие и/или служебные последовательности широкополосных импульсов, например, с целью экономии времени занятости среды распространения сигнала).A further embodiment of the transceiver may include a circuit for excluding synchronizing and/or service sequences of wideband pulses from the transmitted signal. In this case, the synchronizing and/or service sequences of wideband pulses will have zero length. Alternatively, the transceiver will include a circuit for including only additional synchronizing and/or service sequences in the transmitted signal, while the length of the transmitted sequence of all other carrier sweeps is zero (i.e., only additional synchronizing and/or service sequences of wideband pulses are transmitted into the propagation medium, for example, to save time in the signal propagation medium).
Приемопередающие устройства, описываемые текущей заявкой, могут формировать сигналы в виде электромагнитных или механических, в частности, акустических, сейсмических, или вибрационных колебаний и передаваться в среду распространения с помощью соответствующего этой среде передающего устройства (антенны).The transmitting and receiving devices described by the current application can generate signals in the form of electromagnetic or mechanical, in particular acoustic, seismic, or vibrational oscillations and be transmitted into the propagation medium using a transmitting device (antenna) corresponding to this medium.
На приемной стороне - аналогичное приемопередающее устройство может содержать устройства управления, антенны и/или схемы для приема сигналов из среды распространения, их детектирования, синхронизации, демодуляции и декодирования для распознавания содержащейся в них информации (Фиг. 2).On the receiving side, a similar transmitting and receiving device may contain control devices, antennas and/or circuits for receiving signals from the propagation medium, detecting, synchronizing, demodulating and decoding them to recognize the information contained in them (Fig. 2).
Детектирование принимаемого сигнала осуществляется, в частности, на основе его соответствия известному для приемника опорному (эталонному) сигналу, в частности, на основе согласованности принимаемого и опорного сигналов, которая может устанавливаться в ходе корреляционной обработки поступающего на прием сигнала (развертки несущей).The detection of the received signal is carried out, in particular, on the basis of its correspondence to the reference (standard) signal known to the receiver, in particular, on the basis of the consistency of the received and reference signals, which can be established during the correlation processing of the incoming signal (carrier sweep).
Синхронизация принимаемой последовательности выполняется путем обработки поступающей на прием секции широкополосных синхронизирующих импульсов, например, путем оценки функции корреляции последовательности таких импульсов с известной приемнику опорной (эталонной) копией одиночного импульса синхронизирующей последовательности или с опорной (эталонной) копией синхронизирующей последовательности целиком (в особенности последовательности неэквидистантно следующих друг за другом синхронизирующих импульсов), с последующей оценкой импульсного отклика среды распространения сигнала.Synchronization of the received sequence is performed by processing the section of wideband synchronizing pulses arriving at the reception, for example, by estimating the correlation function of the sequence of such pulses with a reference (standard) copy of a single pulse of the synchronizing sequence known to the receiver or with a reference (standard) copy of the synchronizing sequence as a whole (in particular, a sequence of non-equidistant synchronizing pulses following one another), followed by an evaluation of the impulse response of the signal propagation medium.
При этом, такой приемопередатчик может содержать устройства управления или схемы не только для оценки импульсного отклика среды распространения сигнала и/или оценки шума окружающей среды, но и схемы для выработки метрики сложности условий распространения сигнала связи, а также устройства управления или схемы для (опционального) сообщения значения этой метрики взаимодействующему с ним передатчику (отправителю соответствующего сигнала) и/или вычислителю, к которому подключен приемник. Такой обмен метриками сложности среды распространения сигнала связи, может, в частности, использоваться взаимодействующими приемопередающими устройствами для согласования передаваемых сигналов (разверток несущей, фрагментов несущей) и их последовательностей с условиями среды распространения сигнала. Аналогичная метрика может также формироваться для отображения условий множественного доступа и/или параметров криптографической защиты или других решаемых задачами, например, для настройки порядка следования формируемых им разверток несущей во времени и/или по частоте.Moreover, such a transceiver may contain control devices or circuits not only for estimating the impulse response of the signal propagation environment and/or estimating environmental noise, but also circuits for generating a metric for the complexity of the communication signal propagation conditions, as well as control devices or circuits for (optionally) communicating the value of this metric to the interacting transmitter (the sender of the corresponding signal) and/or the computer to which the receiver is connected. Such an exchange of metrics for the complexity of the communication signal propagation environment may, in particular, be used by interacting transceivers to match transmitted signals (carrier sweeps, carrier fragments) and their sequences with the conditions of the signal propagation environment. A similar metric may also be generated to reflect multiple access conditions and/or cryptographic protection parameters or other tasks, for example, to adjust the order of the generated carrier sweeps in time and/or frequency.
Приемопередающее устройство может также выполнять обработку синхронизирующего импульса или последовательности синхронизирующих импульсов для оценки временного и/или частотного смещения разверток несущей (фрагментов несущей), содержащих полезную информацию, по отношению к синхронизирующему импульсу или последовательности синхронизирующих импульсов. Кроме того, приемопередающее устройство может также выполнять обработку синхронизирующего импульса или последовательности синхронизирующих импульсов для оценки мультипликативного искажения (например, доплеровского растяжения или сжатия временных координат или временной оси) принимаемого сигнала и с помощью этого - получения оценки такого параметра, как «досинхронизация» (определения поправки досинхронизации) разверток несущей (фрагментов несущей) в ходе их последующего приема и обработки на предмет изъятия содержащихся в них полезных данных. Обычно, в ходе синхронизации принимаемых последовательностей в приемном тракте соответствующая схема обработки определяет момент времени, с которого начинается первая развертка несущей принимаемой последовательности. Однако, в случае мультипликативных искажений временной оси (растяжения или сжатия временных координат) последующие развертки несущей далее могут следовать с нарастающим смещением во времени по отношению к известному (на приемной стороне) временному графику приема разверток несущей. Это нарастание будет соответствовать доплеровскому растяжению/сжатию оси времени - чем больше доплеровское растяжение/сжатие, тем более быстрой будет рассинхронизация поступающих на примем разверток несущей. Однако, из оценки доплеровского смещения (с помощью импульсов синхронизирующей последовательности) соответствующая схема принимающего устройства сможет оценивать параметр «досинхронизации» (определить поправку для досинхронизации) и применять ее в ходе приема разверток несущей (фрагментов несущей) для компенсации эффекта рассинхронизации, обусловленного доплеровским эффектом.The transmitting and receiving device may also process the synchronizing pulse or the sequence of synchronizing pulses to estimate the time and/or frequency shift of the carrier sweeps (carrier fragments) containing useful information relative to the synchronizing pulse or the sequence of synchronizing pulses. Furthermore, the transmitting and receiving device may also process the synchronizing pulse or the sequence of synchronizing pulses to estimate the multiplicative distortion (e.g., Doppler stretching or compression of time coordinates or the time axis) of the received signal and thereby obtain an estimate of such a parameter as the "presynchronization" (determination of the presynchronization correction) of the carrier sweeps (carrier fragments) during their subsequent reception and processing for the purpose of removing the useful data contained therein. Typically, during the synchronization of the received sequences in the receiving path, the corresponding processing circuit determines the time point from which the first carrier sweep of the received sequence begins. However, in the case of multiplicative distortions of the time axis (stretching or compression of time coordinates), subsequent carrier sweeps may follow with an increasing time shift relative to the known (at the receiving end) carrier sweep reception schedule. This increase will correspond to the Doppler stretching/compression of the time axis - the greater the Doppler stretching/compression, the more rapid the desynchronization of the incoming carrier sweeps will be. However, by estimating the Doppler shift (using synchronization pulses), the corresponding receiving circuit will be able to estimate the "adjustment" parameter (determine the adjustment for the adjustment) and apply it during the reception of carrier sweeps (carrier fragments) to compensate for the desynchronization effect caused by the Doppler effect.
При этом, взаимодействующие приемопередающие устройства могут содержать схемы, формирующие сообщения о значениях доплеровских сдвигов и оценках радиальной скорости взаимно-относительных перемещений приемника и передатчика, и передающие эти значения друг другу и/или вычислителям, к которым подключены взаимодействующие приемопередающие устройства.In this case, the interacting transmitting and receiving devices may contain circuits that generate messages about the values of Doppler shifts and estimates of the radial velocity of the mutually relative movements of the receiver and transmitter, and transmit these values to each other and/or to the computers to which the interacting transmitting and receiving devices are connected.
Для демодуляции и декодирования принимаемых разверток несущей (фрагментов несущей) и/или импульсов синхронизирующей последовательности и/или импульсов служебной последовательности приемные устройства могут содержать схемы демодуляции и декодирования, которые будут выполнять их синхронную обработку с опорной (эталонной) копией развертки несущей и/или с опорной (эталонной) копией широкополосного импульса синхронизирующей или служебной последовательности, а также схемы распознавания содержащейся в них информации по частям непосредственно в процессе их приема (в частности, когда каждый широкополосный импульс дополнительной синхронизирующей или служебной последовательности или каждая принятая развертка несущей сразу после его/ее приема демодулируется и декодируется для скорейшего распознавания содержащейся в нем/ней информации).For demodulation and decoding of received carrier sweeps (carrier fragments) and/or pulses of the synchronizing sequence and/or pulses of the service sequence, receiving devices may contain demodulation and decoding circuits that will perform their synchronous processing with a reference (standard) copy of the carrier sweep and/or with a reference (standard) copy of the wideband pulse of the synchronizing or service sequence, as well as circuits for recognizing the information contained in them in parts directly in the process of their reception (in particular, when each wideband pulse of the additional synchronizing or service sequence or each received carrier sweep is demodulated and decoded immediately after its reception for the fastest possible recognition of the information contained in it).
Одно из исполнений приемопередающего устройства содержит также схему для обнаружения в текущем принимаемом сигнале информации о том, что он не адресован текущему приемнику, и для незамедлительного прекращения приема этого сигнала и переключения приемника в режим обнаружения следующего сигнала. Другое исполнение приемопередающего устройства может содержать также схему для обнаружения в текущем принимаемом сигнале информации о том, что он не адресован текущему приемнику, но такая схема не будет запрещать продолжение его приема. Такая схема, в частности, обеспечит выполнение синхронизации принимаемых разверток несущей, их демодуляции, декодирования и распознавания принимаемой информации, например, для прогнозирования времени занятости среды распространения, и/или настройки собственных временных и/или частотных параметров доступа к среде распространения сигнала, а также для определения своего местоположения по отношению к другим участникам обмена информационными сигналами в сети, для объединения потоков принимаемых данных в целью уплотнения данных, передаваемых в сети.One embodiment of the transceiver also comprises a circuit for detecting in the currently received signal information that it is not addressed to the current receiver and for immediately ceasing reception of this signal and switching the receiver to the next signal detection mode. Another embodiment of the transceiver may also comprise a circuit for detecting in the currently received signal information that it is not addressed to the current receiver, but such a circuit will not prohibit continued reception. Such a circuit, in particular, will ensure the synchronization of received carrier sweeps, their demodulation, decoding and recognition of received information, for example, to predict the occupancy time of the propagation medium, and/or adjust its own time and/or frequency parameters for access to the signal propagation medium, as well as to determine its location in relation to other participants in the exchange of information signals in the network, for combining streams of received data for the purpose of compressing the data transmitted in the network.
Поскольку в составе принимаемого сигнала могут одновременно находиться несколько последовательностей разверток несущей в виде суперпозиции волн приемное устройство может содержать схему для выделения составляющих, принадлежащих определенной информационной последовательности или пользователю, из принимаемого сигнала в соответствии с временным и/или частотным шаблоном, задаваемым в протоколе передачи (определяемым например, вычислителем, к которому подключен приемник), или согласованным по порядку следования разверток несущей (фрагментов несущей) во времени и по частоте переменным образом в соответствии с условиями среды распространения сигнала и/или условиями множественного доступа и/или параметрами криптографической защиты или другими решаемыми задачами. Также, такое устройство может содержать схему для выделения составляющих, принадлежащих определенному информационному сигналу или пользователю, из принимаемого сигнала с учетом их частотно-временных смещений (смещений в координатах частоты и времени), и/или соответствующих найденным при их приеме доплеровским сдвигам (радиальной скорости взаимно-относительных перемещений приемника и передатчика).Since the received signal may simultaneously contain several carrier sweep sequences in the form of a superposition of waves, the receiving device may comprise a circuit for extracting components belonging to a specific information sequence or user from the received signal in accordance with a time and/or frequency template specified in the transmission protocol (determined, for example, by a computer to which the receiver is connected), or coordinated by the order of the carrier sweeps (carrier fragments) in time and frequency in a variable manner in accordance with the conditions of the signal propagation environment and/or the conditions of multiple access and/or the parameters of cryptographic protection or other problems being solved. Such a device may also comprise a circuit for extracting components belonging to a specific information signal or user from the received signal taking into account their frequency-time shifts (shifts in frequency and time coordinates) and/or the Doppler shifts (radial velocity of mutually relative movements of the receiver and transmitter) found during their reception.
Приемопередающее устройство может также содержать схему для приема части сигнала или составляющей, принадлежащей определенной информационной последовательности или пользователю, выделения ее из принимаемого сигнала и преобразования в другую частотную форму (трансляции частоты), в частности в форму неизменяющейся по частоте несущей (при этом неизменяющейся часта несущей может иметь любое, в том числе нулевое, значение).The transmitting and receiving device may also contain a circuit for receiving a portion of a signal or component belonging to a specific information sequence or user, separating it from the received signal and converting it into another frequency form (frequency translation), in particular into the form of a carrier wave that does not change in frequency (in this case, the carrier wave that does not change in frequency may have any value, including zero).
Приемопередающее устройство может также содержать схемы для выделения части сигнала или составляющей, принадлежащей определенной информационной последовательности или пользователю, а также выделения двух или большего числа компонентов, обусловленных многолучевым распространением сигнала, и дополнительной фильтрации во временной и/или частотной области, с последующим комбинированием их энергий и/или параметров, в частности, для повышения отношения сигнал/шум.The transmitting and receiving device may also contain circuits for isolating a portion of the signal or component belonging to a specific information sequence or user, as well as isolating two or more components due to multipath propagation of the signal, and additional filtering in the time and/or frequency domain, followed by combining their energies and/or parameters, in particular to increase the signal-to-noise ratio.
Приемопередающее устройство может также содержать схемы для выделения двух или большего числа компонентов, обусловленных многолучевым распространением сигнала, в частности с помощью повторной синхронизации приемника с каждым из таких компонентов, и последующей дополнительной фильтрации во временной и/или частотной области и комбинирования их энергий и/или параметров для повышения отношения сигнал/шум.The transmitting and receiving device may also comprise circuits for isolating two or more components due to multipath propagation of the signal, in particular by re-synchronizing the receiver with each of such components, and then further filtering in the time and/or frequency domain and combining their energies and/or parameters to improve the signal-to-noise ratio.
Приемопередающее устройство может содержать схему для выделения и распознавания принимаемой информации, в частности оценивания значений параметров, содержащих передаваемую информацию, из части сигнала или составляющей, принадлежащей определенной информационной последовательности или пользователю, или из сигнала, скомбинированного при приеме из составляющих, обусловленных многолучевым распространением (реверберацией) сигнала, с последующей демодуляцией и/или декодированием.The transmitting and receiving device may contain a circuit for isolating and recognizing received information, in particular, evaluating the values of parameters containing the transmitted information, from a portion of the signal or component belonging to a specific information sequence or user, or from a signal combined upon reception from components caused by multipath propagation (reverberation) of the signal, with subsequent demodulation and/or decoding.
Приемопередающее устройство может содержать схему для восстановления передаваемого сигнала или его модификации в ходе демодуляции, а также для обработки (полученного в результате восстановления) сигнала совместно с принимаемым сигналом и/или с промежуточно обработанным принимаемым сигналом для получения информации об окружающей среде, в особенности для определения местоположения и параметров движения, для получения информации о пространственно-структурных и физических свойствах среды распространения сигнала, включая информацию о ее геометрии и имеющихся в ней объектах, на основе изменений, внесенных в сигнал в процессе его распространения между источником и получателем.The transmitting and receiving device may contain a circuit for restoring the transmitted signal or modifying it during demodulation, as well as for processing the signal (obtained as a result of restoration) together with the received signal and/or with the intermediately processed received signal to obtain information about the environment, in particular for determining the location and parameters of movement, to obtain information about the spatial-structural and physical properties of the signal propagation medium, including information about its geometry and the objects present in it, based on changes made to the signal during its propagation between the source and the receiver.
Одно из исполнений такого приемопередающего устройства может содержать схему приема отраженных от границ канала или от содержащихся в нем объектов собственных копий (реплик) передаваемого сигнала или его составляющих и обрабатывать их совместно с исходным передаваемым сигналом для выделения информации об окружающей среде, а также для учета информации о свойствах (особенностях, характеристиках) канала передачи при формировании следующих передаваемых сигналов и/или при обработке принимаемых сигналов.One of the embodiments of such a transmitting and receiving device may contain a circuit for receiving copies (replicas) of the transmitted signal or its components reflected from the channel boundaries or from objects contained therein and for processing them together with the original transmitted signal to extract information about the environment, as well as to take into account information about the properties (features, characteristics) of the transmission channel when generating subsequent transmitted signals and/or when processing received signals.
Claims (52)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2024108469A RU2024108469A (en) | 2025-09-29 |
| RU2848194C2 true RU2848194C2 (en) | 2025-10-16 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6985749B2 (en) * | 1999-12-21 | 2006-01-10 | Rudolf Bannasch | Method and devices for transmitting and receiving information |
| US9083444B2 (en) * | 2013-03-12 | 2015-07-14 | Digi International Inc. | Chirp spread spectrum system and method |
| RU2562769C1 (en) * | 2014-06-26 | 2015-09-10 | ОАО "Камчатский гидрофизический институт" | Method of transmitting information in communication system with noise-like signals |
| CN105323203A (en) * | 2015-11-12 | 2016-02-10 | 哈尔滨工程大学 | Anti-multipath underwater acoustic communication based on orthogonal carrier sweep expansion technology |
| RU2801875C1 (en) * | 2023-03-03 | 2023-08-17 | Акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method for packet data transmission by noise-like phase key signals |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6985749B2 (en) * | 1999-12-21 | 2006-01-10 | Rudolf Bannasch | Method and devices for transmitting and receiving information |
| US9083444B2 (en) * | 2013-03-12 | 2015-07-14 | Digi International Inc. | Chirp spread spectrum system and method |
| RU2562769C1 (en) * | 2014-06-26 | 2015-09-10 | ОАО "Камчатский гидрофизический институт" | Method of transmitting information in communication system with noise-like signals |
| CN105323203A (en) * | 2015-11-12 | 2016-02-10 | 哈尔滨工程大学 | Anti-multipath underwater acoustic communication based on orthogonal carrier sweep expansion technology |
| RU2809757C2 (en) * | 2021-12-08 | 2023-12-15 | Павел Александрович Молчанов | Method for high-speed transmission and reception of information in hydroacoustic multibeam communication channel |
| RU2801875C1 (en) * | 2023-03-03 | 2023-08-17 | Акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method for packet data transmission by noise-like phase key signals |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5111478A (en) | Method and apparatus for providing signal synchronization in a spread spectrum communication system | |
| CA2395171C (en) | Method and devices for transmitting and receiving information | |
| CN1934812B (en) | Method and apparatus for pilot signal transmission | |
| JP3697268B2 (en) | Orthogonal code synchronization system and method for spread spectrum CDMA communications | |
| JP3967385B2 (en) | Frequency division duplex communication method | |
| AU700456B2 (en) | Code acquisition in a cdma communication system using multiple walsh channels | |
| KR100220140B1 (en) | Apparatus and Method for Initial Synchronization of Spread Spectrum Codes in CDM Transmission System | |
| US7949032B1 (en) | Methods and apparatus for masking and securing communications transmissions | |
| Otnes et al. | Underwater acoustic network simulation with lookup tables from physical-layer replay | |
| US7606337B2 (en) | Enhancing signals | |
| JP2002345035A (en) | Wireless base station device and communication terminal device | |
| CN101099324B (en) | Synchronization acquiring device and synchronization acquiring method | |
| WO2008010306A1 (en) | Ultrasonic measuring device, and ultrasonic measuring method | |
| WO2004021580A2 (en) | System and method for cdma communications | |
| JP5596091B2 (en) | Improved frequency offset estimator | |
| JP2019021964A (en) | Communication system and communication method | |
| WO2021120027A1 (en) | Message signal broadcasting method and device employing phase discontinuity r-csk modulation | |
| JP4651735B2 (en) | Changes in the early-delay interval in a delay-locked loop | |
| JPH10163921A (en) | Spread spectrum demodulator | |
| JP4914352B2 (en) | Communication terminal device and base station device | |
| RU2848194C2 (en) | Method for transmitting and receiving information | |
| US7190940B2 (en) | Method and system for frequency offset estimation | |
| WO2002052740A1 (en) | Timing aid for ultra-wideband system | |
| Bodkhe | Implementation of FFT/IFFT Blocks for Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) | |
| KR100882435B1 (en) | IR-based system-based symbol timing estimation method |