Цифровые системы связи и навигации в нестационарных гидроакустических средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.06, доктор наук Родионов Александр Юрьевич

• Родионов Александр Юрьевич
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Родионов Александр Юрьевич

Оглавление

Введение

1 Обзор по состоянию вопроса и постановка задачи диссертации

1.1 Организация гидроакустической связи с автономными подводными аппаратами и другими подводными объектами. Основные проблемы и существующие методы их решения в области цифровых систем связи и навигации

1.2 Многолучевое распространение сигнала в гидроакустической среде. Симуляторы гидроакустических каналов связи. Модель Watermark

1.3 Применяемые методы и алгоритмы цифровой сигнальной обработки в гидроакустических системах связи

1.4 Многочастотные методы цифровой модуляции для передачи данных, достоинства и недостатки. Существующие методы повышения энергетической эффективности многочастотных сигналов

1.5 Постановка задачи диссертации

2 Новые бинарные коды для решения задач навигации в гидроакустических системах, синхронизации и рандомизации многочастотных сигналов

2.1 Характеристики найденных бинарных кодов с наилучшими автокорреляционными свойствами по минимаксному критерию

2.2 Многопозиционный дифференциально-фазовый метод передачи цифровых данных и навигационных сигналов на основе предложенных новых

псевдослучайных последовательностей. Аналитические оценки пропускной способности

2.3 Оценки точности измерения дистанций между стационарными и подвижными подводными узлами в морских акваториях летом и зимой с ледовым покровом

3 Метод ортогонального частотного уплотнения с частотной модуляцией FM-OFDM

3.1 Оптимальное нормирование и метод снижения пикфактора многочастотных сигналов

3.2 Помехоустойчивость алгоритма FM-OFDM в канале с АБГШ

3.3 Система FM-OFDM в условиях нестационарного канала связи

4 Система FM-OFDM в условиях частотно-селективных замираний. Экспериментальные оценки работоспособности класса алгоритмов FM-OFDM в гидроакустических средах

4.1 Характеристики системы FM-OFDM в условиях частотно-селективных замираний

4.2 Численная модель FM-OFDM в условиях быстрых релеевских замираний и гауссовского шума

4.3 Экспериментальные оценки помехоустойчивости и пропускной способности системы FM-OFDM на шельфе на дистанциях до 3 км. Оценки работоспособности системы на подводных трассах без прямой видимости (NLOS)

4.4 Численные и экспериментальные оценки помехоустойчивости и пропускной способности системы FM-OFDM-QPSK c различным коэффициентом расширения спектра на дистанциях до 25 км при использовании низкочастотной (400 Гц) гидроакустической аппаратуры

5 Ортогональное частотное уплотнение с минимальным пикфактором сигнала и некогерентной демодуляцией символов в условиях нестационарной гидроакустической среды распространения

5.1 Общая аналитическая модель нового класса некогерентных режимов OFDM. Частотные характеристики трактов

5.2 Оценки мощности и пропускной способности для заданной дальности действия OFDM системы связи

5.3 Оценка помехоустойчивости предложенных некогерентных алгоритмов OFDM в условиях АБГШ и нестационарных многолучевых ГА средах

5.4 Численные модели OFDM- DBPSK и OFDM-WB. Экспериментальные

оценки помехоустойчивости и пропускной способности системы

5.5 Методы повышения энергетической эффективности OFDM-WB в условиях нестационарного гидроакустического канала. Результаты экспериментов

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цифровые системы связи и навигации в нестационарных гидроакустических средах»

Введение

Системы сбора и передачи информации под водой приобретают все большее значение при решении широкого круга задач в исследованиях физических полей океана - оценках температур, скорости течений, сейсмологических наблюдениях. Цифровые системы гидроакустической связи и навигации являются сейчас неотъемлемой частью в морском экологическом мониторинге, геологических изысканиях, сопутствующих нефте- и газодобыче, сборе данных о биоресурсах акваторий, осуществлении поисковых и прочих работ, выполняемых с помощью автономных роботов в совокупности с кораблями сопровождения, донными станциями. На сегодняшний день можно с уверенностью говорить, что результаты выполнения подводных миссий во многом зависит от качества работы гидроакустических систем связи и навигации.

В зависимости от решаемой задачи канал связи может быть организован между различными абонентами гидроакустической сети, в роли которых могут выступать: корабли, стационарные или мобильные маяки, АНПА, АНВА, ТНПА, работающие как самостоятельно, так и в группе, и т.д. При этом в каждом конкретном случае к системе гидроакустической связи и навигации (ГАСС/ГАНС) предъявляются свои, зачастую противоречащие требования, что затрудняет создание универсальной системы связи. Обеспечение требуемых показателей качества работы системы в каждом конкретном случае может быть достигнуто путём варьирования скорости передачи, объема пакетов данных, частоты их передачи в зависимости от характера режима функционирования ГАСС, типа передаваемой информации, текущего состояния канала связи и, соответственно, уровня достоверности принимаемых данных.

Актуальность проблемы. В настоящее время в мире ведется активная разработка подводных систем. При этом основными инструментами для проведения работ и исследований в море являются автономные подводные аппараты, донные станции, надводные технические объекты и корабли сопровождения, а гидроакустическая связь является почти единственным средством для передачи информации под водой на значительные расстояния. Разработка цифровых высокоскоростных систем передачи информации является на данный момент одним из основных направлений в области исследования и освоения Мирового Океана. Актуальность таких исследований подтверждается значительным количеством публикаций в России и за рубежом, посвященных данной теме. Динамичное развитие цифровой радиосвязи, проводных и волоконно-оптических систем дает широкий выбор решений по организации коммуникаций, однако в подводной среде использование данных способов крайне ограничено. Бурное развитие микроэлектроники и робототехники вместе с открытием перспективных направлений коммерческого освоения Мирового океана обусловило интерес мирового сообщества к данной области. Исследование водного пространства очень схоже с освоением космоса - предъявляются жесткие требования к надежности передаваемой информации, однако необходимо учитывать крайне низкие объемы передаваемой информации. В связи с этим, развитие цифровых гидроакустических методов передачи информации в нестационарных каналах в совокупности с системами навигации на данный момент - это активно развивающееся и востребованное направление в подводной робототехнике и поставленные в диссертации задачи отвечают требованиям данной области.

Из-за высокой мобильности подводных робототехнических комплексов, судов сопровождения, значительной динамики гидроакустической среды распространения сигналов особенно актуальными являются вопросы организации связи и навигации в подобных нестационарных условиях. Из-за высокой неста-

бильности среды распространения актуальной проблемой является точная оценка параметров канала связи, что также накладывает ограничения на применяемые алгоритмы цифровой сигнальной обработки в данных системах. Разработка новых методов сигнальной обработки позволит достичь высоких значений спектральной эффективности систем гидроакустической связи на единицу дистанции (бит/с/Гц/км) в условиях значительного искажения сигнала и сложной помеховой обстановки в точке приема. Актуальность данного направления закреплена в перечнях приоритетных направлений развития науки, технологий и техники (направление «Информационно-телекоммуникационные системы») и критических технологий (технология «Технологии информационных, управляющих, навигационных систем») Российской Федерации, утвержденных Указом Президента Российской Федерации от 07.07.2011 г. № 899, а также в направлении «Связанность территории Российской Федерации за счет создания интеллектуальных транспортных и телекоммуникационных систем, а также занятия и удержания лидерских позиций в создании международных транспортно-логистических систем, освоении и использовании космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики» Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации.

Несмотря на большое число работ, направленных на изучение цифровых гидроакустических систем связи и навигации в различных гидрологических условиях, системы, работающие при значительной динамике параметров среды распространения сигнала, изучены недостаточно. Вопросами разработки таких систем связи и навигации занимается ряд отечественных организаций: Южный федеральный университет, Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, АО «Концерн

"Океанприбор"», Крыловский государственный научный центр, а также большое количество научных объединений по всему миру. Наибольший вклад в отрасль сделали ученые Массачусетского технологического института, Океанографического института Вудс-Хоул, Харбинского инженерного университета.

Вопросами организации цифровой гидроакустической связи и навигации занимаются такие исследователи и ученые как И.Н. Бурдинский, А.В. Дикарев, В.Ю. Караев, Ю.Н. Моргунов, А.И. Машошин, С.П. Тарасов, М. Стоянович, Л. Фрейтаг, Д. Помпили, М. Читрэ, Д. Проакис, К. Кебкал, Д. Чао и др.

Цель работы: разработка методов, способствующих повышению помехоустойчивости и энергетической эффективности цифровых систем связи и навигации в нестационарных гидроакустических каналах различных типов для решения задач навигации и передачи данных.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- разработаны алгоритмические решения в системах связи и навигации для нестационарных гидроакустических каналов различных типов, используя псевдослучайные последовательности с лучшими автокорреляционными свойствами;

- созданы алгоритмы, позволяющие увеличить навигационную точность и помехоустойчивость исследуемых систем в условиях значительной реверберации канала, при наличии мощных импульсных помех;

- разработан класс алгоритмов с многочастотным ортогональным уплотнением с повышенной пропускной способностью и высокой энергетической эффективностью;

- создан программно-аппаратного комплекса цифровой связи и навигации, реализующий предложенные алгоритмы и методы;

- проведена серия численных и натурных экспериментов, подтверждающая теоретические положения диссертационной работы;

- представлен большой объем теоретических, численных и экспериментальных морских исследований, разработанных систем связи и навигации.

Объектом исследования являются цифровые гидроакустические системы связи и навигации, работающие в различных частотных диапазонах, гидрологических условиях, с достижением максимальной дальности действия.

Предметом исследования являются алгоритмы и методы цифровой сигнальной обработки, адаптированные для систем гидроакустической связи и навигации, работающие в сложных помеховых условиях нестационарной многолучевой подводной среды.

На защиту выносятся положения, которые дают системное решение части проблем организации надежной гидроакустической связи и навигации для подводных аппаратов, донных станций с судами и надводными объектами. Решение данной проблемы позволяет значительно увеличить эффективность применения технических средств в задачах освоения Мирового Океана для нужд народного хозяйства и др.

Положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

• Впервые предложен многопозиционный дифференциально-фазовый метод передачи цифровых данных и навигационных сигналов, на основе предложенных новых псевдослучайных последовательностей в гидроакустике.

• Разработан новый класс энергоэффективных методов ортогонального частотного уплотнения с частотной модуляцией для передачи цифровых данных с компенсацией доплеровских смещений принимаемого сигнала.

• Впервые предложен класс многочастотных методов уплотнения для передачи цифровых данных на основе новых псевдослучайных последовательностей с некогерентной демодуляцией символов в условиях многолучевой нестационарной гидроакустической среды распространения.

• Предложен новый метод повышения энергетической эффективности и пропускной способности многочастотных сигналов c некогерентным режимом декодирования.

• Результаты численных исследований разработанных новых алгоритмов сигнальной обработки для гидроакустических систем связи и навигации.

• Результаты натурных морских экспериментов на базе созданного программно-аппаратного комплекса цифровой сигнальной обработки для связи и навигации с подводными аппаратами, донными станциями. Опытно -конструкторская разработка гидроакустического модема.

Методология и методы исследования. В работе использованы как теоретические, так и экспериментальные методы исследования предложенных решений. Теоретические методы базируются на основных положениях теории связи, статистики, цифровой сигнальной обработки. Численные исследования выполнялись на базе программ моделирования MATLAB, MathCAD, BellHop, Watermark, Acoustic Toolbox и др. и путем проведения значительного количества морских натурных испытаний в акваториях в летнее и зимнее время. Достоверность обусловлена выполнением требований стандартов для современного сертифицированного оборудования связи, периодической поверкой приборов, анализом и контролем погрешностей.

Научная новизна:

- Выполнен численный анализ статистического распределения символьных блоков для новых предложенных псевдослучайных кодовых последовательностей с наилучшими автокорреляционными свойствами по минимаксному критерию. Кодовые последовательности применены для решения задач навигации в гидроакустических системах, синхронизации и рандомизации многочастотных сигналов.

- Аналитически и численно исследован новый многопозиционный метод передачи данных с помощью время-позиционно-полярной манипуляции для предложенных кодов с дополнительным относительным фазовым кодированием.

- Аналитически и численно исследован новый метод ортогонального частотного уплотнения с частотной модуляцией с постоянной огибающей и компенсацией доплеровских смещений.

- В работе впервые аналитически и численно исследованы угловые методы модуляции для многочастотных сигналов в условиях гауссовского шума, а также для условий многолучевого нестационарного канала связи.

- Выполнен численный анализ нового класса многочастотных сигналов с некогерентной демодуляцией символов на базе предложенных кодов для гидроакустических коммуникационных систем.

- Исследована возможность повышения пропускной способности и энергетической эффективности многочастотных сигналов с некогерентной демодуляцией символов в нестационарных многолучевых гидроакустических каналах связи со сложной помеховой обстановкой.

- Экспериментально оценена точность измерения дистанций между стационарными и мобильными узлами разработанного гидроакустического комплекса на основе предложенных алгоритмов в различных гидрологических условиях. Получены характеристики вероятности ошибок при передаче информации в зависимости от различной величины доплеровских смещений, времени реверберации, отношения сигнал-шум в приемной точке.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные в настоящей работе результаты нашли свое подтверждение в численных моделях приемоизлучающих цифровых гидроакустических систем связи и навигации для автономных и телеуправляемых подводных аппаратов при управлении ими с

борта корабля сопровождения. Результаты данных исследований могут также быть использованы в других типах нестационарных каналов связи - тропосферных коротковолновых радиосистемах, мобильных системах связи и навигации, вибросистемах связи в колоннах буровых платформ.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что в результате комплексного подхода к проблемам передачи цифровых данных и навигации в гидроакустических нестационарных многолучевых каналах разработаны универсальные математические и численные модели, применимые для различных гидрологических условий, дальности действия и частотных диапазонов работы при использовании излучателей с соответствующими характеристиками.

Практическая ценность исследования отражена в использовании предложенных алгоритмов передачи информации в аппаратных комплексах гидроакустической связи и навигации подводных аппаратов и донных станций с надводными объектами и судами сопровождения на качественно новом уровне, необходимом для эффективного освоения шельфа и Мирового Океана.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты выполненных научно-исследовательских работ внедрены в ООО «Аквателеком» в качестве алгоритмических наработок, реализованных в аппаратном виде на программируемых логических интегральных схемах, также в ФГБУН ИПМТ и ТОИ ДВО РАН в качестве систем навигации и связи с автономными необитаемыми аппаратами, донными станциями для научно-исследовательских работ (Приложение А).

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается: - использованием фундаментальных положений теории связи, статистики, комбинаторики, цифровой сигнальной обработки;

- проведением численных и экспериментальных исследований на базе специально спроектированного и изготовленного оборудования цифровой сигнальной обработки, на сертифицированном измерительном оборудовании;

- согласованностью полученных экспериментальных результатов с теоретическими численными моделями;

- применением методов цифровой сигнальной обработки, корреляционного анализа, средств вычислительной техники, прикладных пакетов программ.

Полученные результаты подтверждены патентами РФ на полезную модель.

Результаты исследования использовались при выполнении следующих НИР и НИОКР:

Проект по Договору № 2951ГС1/45273 (2019-2020) в рамках программы СТАРТ Фонда содействия инновациям на тему: «Цифровой гидроакустический модем - ключевое звено для систем подводной связи и навигации в области освоения Мирового Океана».

Гранты РНФ №16-19-00038 и №16-19-00038-П (2016-2020) «Разработка системы гидроакустической связи для группового управления и навигации автономных необитаемых подводных и надводных аппаратов в условиях непрогнозируемых помех».

Проект по Соглашению № 14.578.21.0093 (2014-2016) в рамках ФЦПИР на тему «Исследование и разработка высокопараллельных программно-алгоритмических средств и методов моделирования и их реализация для высокопроизводительных программно-аппаратных платформ».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на всероссийских, республиканских, региональных, отраслевых и межотраслевых научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: всероссийской научной конференции «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (г. Красноярск, 2005 г.); 12-ой международной научно-технической конференции

студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (г. Москва, 2006 г.); всероссийской научно-технической конференции "Приоритетные направления развития науки и технологий" (г. Тула, 2006 г.); 5th Pacific RIM Underwater Acoustics Conference, PRUAC 2015 (Vladivostok, 2015 г.); Международная научная конференция "Современные технологии и развитие политехнического образования" (Владивосток, 2015 г.); 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS 2016 (Daejeon, 2016 г.); 2016 Oceans MTS/IEEE Monterey, OCE 2016 (Monterey, CA, 2016 г.); Международная научная конференция "Современные технологии и развитие политехнического образования" (Владивосток, 2016 г.); 4th IEEE International Conference on Progress in Informatics and Computing, PIC 2016 (Shanghai, 2016 г.); 17th International Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering, STA 2016 (Sousse, 2016 г.); 24th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, ICINS 2017 (Saint Petersburg, 2017 г.); 2017 IEEE OES International Symposium on Underwater Technology, UT 2017 (Haeundae, Busan, 2017 г.); XXIV Санкт-Петербургская Международная Конференция по Интегрированным Навигационным Системам (Санкт-Петербург, 2017 г.); 2018 OCEANS - MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans, Oceans - Kobe 2018 (Kobe, 2018 г.); Юбилейная XXV Санкт-Петербургская Международная Конференция по Интегрированным Навигационным Системам (Санкт-Петербург, 2018 г.); Молодежь и Наука: Актуальные проблемы фундаментальных и прикладных исследований (Комсомольск-на-Амуре, 2019, 2020, 2021 г.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВФУ. Материалы диссертации докладывались на научных семинарах департамента Электроники телекоммуникаций и приборостроения Политехнического Института ДВФУ, отделения акустики Тихоокеан-

ского океанологического института (ТОИ) ДВО РАН, на совещаниях научного состава Института Проблем Морских Технологий ДВО РАН.

Публикации по теме диссертационной работы: всего опубликовано 40 печатных работ, издана монография, получены патенты РФ, 11 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК, 14 работ в изданиях, индексируемых WoS и Scopus.

а) в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Власов, А. А. Перспективы использования систем подводной коммуникации на основе магнитной индукции (обзор) / А. А. Власов, А. Ю. Родионов // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. -2021. - № 2(47). - С. 36-49. - DOI 10.24866/2227-6858/2021-2-5.

2. Родионов А.Ю., Щербатюк А.Ф. Перспективы использования оптических систем связи и ориентации в подводной робототехнике // Подводные исследования и робототехника. 2021. №. 4(38). С. 37-49.

3. Оценки применения многочастотных сигналов с постоянной огибающей в гидроакустических системах связи / А. Ю. Родионов, П. П. Унру, С. Ю. Кулик, А. A. Голов // Подводные исследования и робототехника. - 2019. - № 3(29). - С. 30-38. - DOI 10.25808/24094609.2019.29.3.004.

4. Оценка точности измерения дистанции между подводными объектами с использованием гидроакустических модемов / А. Ю. Родионов, П. П. Унру, С. Ю. Кулик, Л. Г. Стаценко // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. - 2018. - № 1(34). - С. 23-29. - DOI 10.5281/zenodo.1196692.

5. Моргунов Ю. Н., Родионов А. Ю. и др. Дистанционные методы, технические средства и алгоритмы в прикладных задачах исследования природных сред //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2015. - №. 2. - С. 409-410.

6. Унру П. П., Стаценко Л. Г., Родионов А. Ю. Использование адаптивного ортогонального частотного мультиплексирования в гидроакустических каналах связи при модуляции передаваемого сигнала //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2014. - №. S12-3. -С. 118-123.

7. Родионов, А. Ю. Особенности применения многочастотных систем связи c ортогональным частотным уплотнением в каналах связи с замираниями / А. Ю. Родионов, С. Ю. Кулик // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2014. - № S12-3. - С. 90-101.

8. Ковылин, А. А. Анализ частоты повторений RLE-блоков в семействах бинарных кодов, наилучших по минимаксному критерию автокорреляционной функции / А. А. Ковылин, Д. В. Злобин, А. Ю. Родионов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - № 1(83). -С. 99-103. (ВАК, Scopus)

9. Родионов, А. Ю. Многочастотные цифровые системы связи в условиях многолучевого распространения и их энергетическая эффективность / А. Ю. Родионов // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. -2007. - № 1(131). - С. 69-72.

10. Родионов, А. Ю. Комплексный анализ помехоустойчивости многочастотных сигналов COFDM с частотной модуляцией / А. Ю. Родионов, Л. Г. Стацен-ко // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Физика. Математика. - 2007. - № 1. - С. 33-35.

11. Булгаков А. А., Родионова О. М., Петрова И. Ю., Елисейкина М. Г., Родионов А. Ю., Апанасевич В. И. Диагностическая и прогностическая информативность нового лектиноиммуноферментного метода диагностики //Тихоокеанский медицинский журнал. - 2011. - №. 1 (43). - С. 96-97.

б) патенты:

12. Патент на полезную модель № 198284 U1 Российская Федерация, МПК H04B 11/00, G01S 3/00. Устройство гидроакустической связи для подводной навигации : № 2019141775 : заявл. 16.12.2019 : опубл. 30.06.2020 / А. Ю. Родионов, С. Ю. Кулик, П. П. Унру, А. В. Кирьянов ; заявитель ООО "АКВАТЕЛЕ-КОМ" (Приложение А).

в) монографии:

13. Родионов, А. Ю. Многочастотные сигналы в нестационарных каналах связи с замираниями : Электронный ресурс / А. Ю. Родионов, Л. Г. Стаценко. -Владивосток : Дальневосточный федеральный университет, 2016. - 89 с. - ISBN 978-5-7444-3793-0.

г) в других изданиях (ядро РИНЦ, WoS, Scopus):

14. Kulik, S. Y., Rodionov, A. Y., Dubrovin, F. S., & Unru, P. P. (2018, May). On reliability of data transmission and distance estimation using mobile underwater acoustic modems. In 2018 25th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS) (pp. 1-4). IEEE. DOI: 10.23919/ICINS.2018.8405859

15. Кулик, С. Ю., Родионов, А. Ю., Дубровин, Ф. С., & Унру, П. П. (2018). Оценка достоверности передачи информации и точности определения дистанции подвижными гидроакустическими модемами для обеспечения навигации и связи подводных объектов. In Юбилейная XXV Санкт-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам (pp. 7578).

16. Rodionov, A., Unru, P., Statsenko, L., Kim, K., & Kuzin, D. (2018, May). OFDM-Based Underwater Acoustic Communication System Designing for Under-Ice and Cold-Water Applications. In 2018 OCEANS-MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans (OTO) (pp. 1-5). IEEE. DOI: 10.1109/OCEANSKOBE.2018.8559439

17. Morgunov, Y., Golov, A., Burenin, A., Unru, P., Rodionov, A., & Statsenko, L. (2018). An Experimental Study of the Special Aspects of Scalar-Vector Sound Field Spatial Structures in the Shallow Sea Area. Applied Sciences, 8(2), 157. https://doi.org/10.3390/app8020157

18. Rodionov, A., Statsenko, L., Unru, P., Morgunov, Y., Golov, A., Voitenko, E., & Kiryanov, A. (2018). Experimental Estimation of the Constant Envelope FM-OFDM Method Usage in Underwater Acoustic Communication Systems. Applied Sciences, 8(3), 402. https://doi.org/10.3390/app8030402

19. Родионов, А. Ю. Экспериментальное исследование точности измерения дистанции при помощи гидроакустических модемов для обеспечения навигации подводных объектов / А. Ю. Родионов, Ф. С. Дубровин, П. П. Унру, С. Ю. Кулик // XXIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам : Сборник материалов, Санкт-Петербург, 2931 мая 2017 года / Главный редактор В.Г. Пешехонов. - Санкт-Петербург: "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор", 2017. - С. 153-156.

20. Rodionov, A. Y., Unru, P. P., Kirianov, A. V., Dubrovin, F. S., & Kulik, S. Y. (2017, February). Some algorithms for DSSS signal processing with time-shift keying for long-distance underwater communication. In 2017 IEEE Underwater Technology (UT) (pp. 1-6). IEEE. DOI: 10.1109/UT.2017.7890287

21. Rodionov, A. Y., Unru, P. P., Kulik, A. Y., & Dubrovin, F. S. (2017, February). Model of adaptive navigation and communication protocol for the organization of AUV group operation. In 2017 IEEE Underwater Technology (UT) (pp. 1-7). IEEE. DOI: 10.1109/UT.2017.7890331

22. Rodionov, A. Y., Dubrovin, F. S., Unru, P. P., & Kulik, S. Y. (2017, May). Experimental research of distance estimation accuracy using underwater acoustic modems to provide navigation of underwater objects. In 2017 24th Saint Petersburg In-

ternational Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS) (pp. 1-4). IEEE. DOI: 10.23919/ICINS.2017.7995618

23. Rodionov, A. Y., Unru, P. P., Statsenko, L. G., Kir'yanov, A. V., Chusov, A. A., & Scherbatyuk, A. F. (2016, December). Development of the preamble-based FM-OFDM underwater acoustic communication system using high-performance computing. In 2016 17th International Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (STA) (pp. 697-704). IEEE. DOI: 10.1109/STA.2016.7952056

24. Chusov, A., Lysenko, A., Statsenko, L., Kuligin, S., Unru, P., & Rodionov, A. (2016, December). A parallel algorithmic approach to simulate acoustical fields with respect to scattering of sound due to reflections. In 2016 International Conference on Progress in Informatics and Computing (PIC) (pp. 728-732). IEEE. DOI: 10.1109/PIC.2016.7949594

25. Rodionov, A. Y., Kulik, S. Y., & Unru, P. P. (2016, September). Some trial results of the hydro acoustical communication system operation for AUV and ASV group control and navigation. In OCEANS 2016 MTS/IEEE Monterey (pp. 1-8). IEEE. DOI: 10.1109/OCEANS.2016.7761076

26. Scherbatyuk, A. F., Dubrovin, F. S., Rodionov, A. Y., & Unru, P. P. (2016, October). Group navigation and control for marine autonomous robotic complex based on hydroacoustic communication. In 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) (pp. 1388-1393). IEEE. DOI: 10.1109/IROS.2016.7759227

27. Rodionov, A. Y., Unru, P. P., & Statsenko, L. G. (2015, September). Orthogonal frequency-pulsed frequency-division multiplexing in underwater communications systems. In Proceedings of Meetings on Acoustics PRUAC2015 (Vol. 24, No. 1, p. 005004). https://doi.org/10.1121/2.0000141

1 Обзор по состоянию вопроса и постановка задачи диссертации

В данной главе представлен обзор по состоянию вопроса, посвященный организации цифровой гидроакустической связи и навигации для мобильных подводных объектов. Описаны типовые искажения и помехи, возникающие при многолучевом распространении в гидроакустической среде. Рассмотрен симу-лятор гидроакустического канала связи для различных частотных диапазонов, позволяющий осуществить повторяемость численных экспериментов для информационных и навигационных сигналов. Выполнен обзор существующих методов коррекций искажений излучаемых сигналов, рассмотрены основные проблемы цифровой сигнальной обработки в гидроакустике. Рассмотрены современные многочастотные методы уплотнения OFDM для передачи данных, отмечены достоинства и недостатки. Поставлены задачи диссертации.

1.1 Организация гидроакустической связи с автономными подводными аппаратами и другими подводными объектами. Основные проблемы и существующие методы их решения в области цифровых систем связи и навигации

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Родионов Александр Юрьевич, 2022 год

- - -

' 1 .....

Sum 0.4 0.43 0.43 0.186 0.26 0.4 0.5 0.5 0.5

L 0.42 0.45 0.45 0.146 0.19 0.36 0.5 0.5 0.5

R 0.33 0.35 0.35 0.16 0.23 0.37 0.5 0.5 0.5

г)

Рисунок 90 - Вероятности ошибок для OFDM и FM-OFDM в эксперименте на расстоянии 250 м: a) OFDM-DBPSK; б) FM-OFDM-DBPSK; в) OFDM-FSK; г) FM-OFDM-FSK. Положения излучателя и приемной системы отмечены символами: L - у дна, M - в середине толщи воды, H - у поверхности. Стрелки показывают направление излучения сигнала при качании луча

H-H H-L H-M

._____ —> -> -> ~—

Sum 0.032 0.026 0.027 0.098 0.125 0.244 0.025 0.024 0.032

L 0.027 0.026 0.026 0.277 0.34 0.4 0.022 0.027 0.026

R 0.027 0.026 0.025 0.08 0.11 0,18 0.28 0,127 0.08

L-H L-L L-M

-> « -> *—• -> ^

Sum 0.33 0.32 0.35 0.24 0.18 0.148 0.058 0.067 0.085

L 0.14 0.11 0.15 0.1 0.06 0.068 0.147 0.13 0.14

R 0.28 0.2 0.25 0.21 0.11 0,079 0.03 0,034 0.058

M-H ___ M-M M-L

Sum 0.03 0.026 0.028 0.12 0.113 0.177 0.16 0,22 0.28

L 0.023 0.024 0.025 0.094 0.083 0.094 0.099 0.084 0.138

R 0.029 0.026 0.025 0,075 0.063 0.095 0.079 0.11 0.22

Рисунок 91 - Вероятности ошибок в эксперименте на расстоянии 3000 м для алгоритма FM-OFDM-DBPSK. Положения излучателя и приемной системы отмечены символами: L - у дна, M - в середине толщи воды, H - у поверхности.

Стрелки показывают направление излучения сигнала при качании луча

Зависимости BER (Eb/N0), полученные в ходе эксперимента для предложенных режимов показаны на рисунке 92. Данные были получены на основе теста на дальности 250 м с лучшими условиями за счет уменьшения мощности излучаемого сигнала. Сплошными линиями отмечены теоретические зависимости для режимов FM-OFDM-DBPSK и OFDM-DBPSK по выражению (3.49).

Как видно на рисунке 92, все режимы, использующие FSK, демонстрируют насыщение BER на уровне 0.022 из-за неточности частотного корректора в полосе пропускания сигнала OFDM.

ю V

0 5 10 15 20

Рисунок 92 - Зависимости BER (Еь/Ы0), полученные в ходе эксперимента на дальности 250 м. Сплошными линиями отмечены теоретические зависимости для режимов FM-OFDM-DBPSK и OFDM-DBPSK по выражению (3.49).

Выводы. В таких условиях режимы, использующие OFDM-DBPSK, выглядят предпочтительнее для минимизации BER и параметра Eb / N0. Однако недостатки, характерные для классического OFDM в условиях нестационарности канала, могут вынудить использовать схемы FM-OFDM с частотной модуляцией. Использование FSK вместе со схемами модуляции OFDM и FM-OFDM требует более точных подходов при демодуляции информационных символов, что резко усложняет использование алгоритма в реальных условиях.

Как было сказано выше, в ходе эксперимента на дистанции 250 м приемлемые значения BER были получены вне прямой видимости (М-М). Однако более

лучшие значения вероятности ошибки BER наблюдались для режима FM-OFDM во время излучения в пределах прямой видимости.

Оценивая соответствие результатов экспериментов и моделирования по увеличению акустической освещенности подводной среды на расстояниях до 3 км, можно отметить некоторые аспекты. Например, режимы, использующие FM-OFDM, обеспечивают лучшие значения BER, которые можно наблюдать для позиций H-H и M-H. Алгоритмы с качанием луча помогают улучшить акустическую освещенность подводных сред, а в сочетании с некогерентными методами OFDM/FM-OFDM позволяют противостоять влиянию эффектов многолучевого распространения в искусственно созданной подледной нестационарной гидроакустической среде.

4.4 Численные и экспериментальные оценки помехоустойчивости и пропускной способности системы FM-OFDM-QPSK c различным коэффициентом расширения спектра на дистанциях до 25 км при использовании низкочастотной (400 Гц) гидроакустической аппаратуры

В данном разделе представлены численные и экспериментальные методы оценки работоспособности класса манипуляций, основанных на формировании многочастотных сигналов с постоянной огибающей (FM-OFDM). Рассмотрен режим с применением точной кадровой синхронизации многочастотных символов FM-OFDM с QPSK манипуляцией поднесущих, а также режимы с коэффициентами расширения спектра частотной модуляцией FM сигнала равные 2, 4 и 10. Приведены аналитические выражения для оценки BER при использовании QPSK манипуляции поднесущих OFDM. Также рассмотрены особенности работы цифрового частотного демодулятора при воздействии многолучевых компо-

нент на входе детектора. Представлены аналитические выражения для вероятности ошибки и результаты численного моделирования BER для различных многолучевых откликов гидроакустического канала связи. Приведены результаты экспериментов на дистанции 25 км при использовании низкочастотной гидроакустической аппаратуры с рабочей частотой 400 Гц. Получены значения вероятности ошибки приема для FM-OFDM-QPSK с различными коэффициентами расширения спектра.

Значительная доля современных исследований в области подводной цифровой связи посвящена методам, использующим ортогональное частотное уплотнение [310]. Данное направление заимствовано от систем радиосвязи, реализованных, в своем большинстве, по принципу OFDM. Если для радиоканалов принцип OFDM внедрен как стандарт, обеспечивающий высокую пропускную способность при высокой устойчивости к многолучевому распространению, то, в свою очередь, многообразие OFDM-решений для гидроакустических систем связи показывает, что ведется активный поиск методов, позволяющих сохранить преимущества OFDM при всех сложностях гидроакустической связи [100].

С активным внедрением робототехники в задачах исследования Мирового океана возросли требования к высокоточной навигации под водой, качественной ГА-связи при высокой пропускной способности. Несомненно, данные требования касаются организации связи в условиях высокой мобильности подводных аппаратов и надводных подвижных объектов, участвующих в миссии. Именно в мобильных системах ГА-связи OFDM методы показывают уязвимость, и во избежание этого используются различные методы предкоррекции сигнала в комбинациях с помехоустойчивым кодированием, позволяющим добиться приемлемой помехоустойчивости.

Одним из наиболее эффективных режимов приема для нестационарных каналов связи является некогерентный прием высокочастотного сигнала. Исполь-

зование частотной модуляции для OFDM сигналов позволяет реализовать некогерентные режимы приема [239].

Для формирования FM-OFDM сигнала принимается модель многочастотного стохастического сигнала с нормальным распределением в мнимой части сигнала OFDM. Сигнал OFDM после нормирования имеет вид:

s(t) = J^ZÍÍ^ Cnsin(2nAfnt), (4.9)

где Af = AF/2N, Cn - информационный символ на n-ой поднесущей [240].

Сигнал FM-OFDM для f0 = ш0 /2п и при индексе частотной модуляции mFM, может быть описан выражением:

sfm(í) = U0sin [v0+^AfNmFMs(t)] dt), (4.10)

где U0 - амплитуда несущей составляющей.

Формирование FM сигнала в излучателе и его демодуляция в приемном тракте выполняется с помощью квадратурной обработки в DSP. Выражение (4.10) представляется, как сумма двух квадратурных компонент, где квадратурные низкочастотные сигналы I и Q: x¡ = cos (Aw Jq s(t) dt),

Xq = -sin (Aw Jq s(t) dt). Для демодуляции FM выражение алгоритма приве-

dXQ

дено в [240]: = - м

Применяя некогерентное квадратурное детектирование с произвольной начальной фазой несущей частоты , на выходе демодулятора, получим иден-

тичный сигнал Также можно отметить значительную устойчивость

данного метода демодуляции к доперовскому сдвигу частоты несущей, приво-

дящий, обычно, к появлению в демодулированном сигнале постоянной составляющей, не влияющей негативно на процесс FFT-преобразования мнимой части OFDM символа.

Для увеличения спектральной эффективности системы передачи данных целесообразно использование M-QAM систем модуляции поднесущих частот OFDM, однако существенным фактором, ограничивающим использование подобных схем является нестабильность параметров ГА-канала, особенно в условиях движения объектов связи. Данное явление приводит к значительной изменчивости амплитуд сигнала на интервале излучения символов, что вынуждает использовать дифференциальные методы передачи информации. В другом варианте компромиссом по пропускной способности и помехоустойчивости может выступать ортогональная двух полярная система передачи символов (QPSK), что снижает амплитудную неоднозначность при декодировании символов в подобных условиях.

Для кадровой синхронизации FM-OFDM-QPSK символов используется псевдослучайная двоичная последовательность с согласованным фильтром на приеме. Требование к точности кадровой синхронизации OFDM символов также может быть проблемой при многолучевом распространении ГА сигнала. Особенное усложнение ситуации с кадровой синхронизацией создает динамичная смена параметров канала ГА связи в условиях перемещения объектов связи, сильного волнения моря, при подводных течениях.

Для последующей оценки вероятности ошибки FM-OFDM при режиме QPSK в условиях АБГШ со спектральной плотностью мощности равной N0 воспользуемся выражением соотношения сигнал/шум в полосе частот модулирующего сигнала (3.49) [240]. Здесь коэффициент изменения отношения сигнал-шум на входе FM демодулятора и его выходе будет равен р « 5 • mFM-1'6.

Аналитическое выражение вероятности ошибки для предложенного алгоритма в условиях АБГШ определяется коэффициентом изменения р отношения сигнал-шум на входе FM демодулятора и его выходе и формулы для расчета BER классической OFDM-QPSK:

Ре =

f™Rin

е 2 . V2п

du.

(4.11)

Рассмотрим особенность работы цифрового частотного демодулятора по предложенному алгоритму при воздействии многолучевых компонент на входе детектора. Для модели распространения с одной отраженной компонентой с амплитудой р (р < 1) и задержкой т импульсная характеристика линии связи описывается выражением = 1 + р • е-шт. После подстановки в выражение (3.25) и преобразований получим следующее выражение:

sRX(t) = s( t)

1 + р • cos(Aw J (s(t) - s(t - r))dt

+

+ s(t - т)^ p p + cos (л^ - s(t - x))dt)].

Здесь видно, что демодулированный OFDM сигнал подвергается паразитной амплитудной модуляции при возникновении на входе FM детектора прямого и сильного задержанного сигнала, что может приводить к нарушению ортогональности поднесущих частот OFDM пакета. Символ OFDM-FM при наличии мощной отраженной компоненты (р = 1, т = 100 ms) модулируется по амплитуде функцией a(t):

00

0

sRX(t) = (s(Fj + s(t - r)) [l + cos (am j^(s(Fj - s(t - T))dt)] =

a(t)[(s(t) + s(t - t))].

Здесь a(t) = l + cos (a^ Jq (s(t) - s(t - r))dt)].

Для существенного ослабления данного эффекта на входе FM демодулятора вводится адаптивный амплитудный ограничитель. Определение оптимальных уровней ограничения сигнала связано с существенными сложностями аналитического характера. Поэтому были произведены численные оценки BER при различных профилях многолучевого распространения сигнала в зависимости от параметра сатурации у = ULimit/U0.

Таблица 18. Значения BER для FM-OFDM-QPSK в зависимости от параметра сатурации у

Y BER Y BER

2 0.1768 2 0.2147

1.5 0.1697 1.5 0.2123

1.3 0.1626 1.3 0.2013

1.1 0.1594 1.1 0.1823

0.9 0.1476 0.9 0.1563

0.7 0.1239 0.7 0.1279

0.5 0.1 0.5 0.089

0.3 0.096 0.3 0.101

0.1 0.1342 0.1 0.1949

0.05 0.1436 0.05 0.1965

0.02 0.146 0.02 0.1965

0.01 0.1515 0.01 0.1965

В таблице 18 приведены значения BER в зависимости от параметра сатурации у для FM- OFDM-QPSK при свертке с многолучевыми профилями канала с частотными характеристиками:

Н1(ы) = 1 + 0.9 • e-j^10-625-10-3, Н2(ш) = 1 + 0.9 • е-^'11-25'10'3.

Параметры численной модели адаптировались для морских экспериментов, несущая частота FM сигнала составляла 400 Гц, полоса OFDM-QPSK равнялась 100 Гц, число поднесущих OFDM 100, частота дискретизации 8 кГц.

При данном способе ограничения входного сигнала по амплитуде на уровнях, соответствующих у = [0.3..0.5], значения BER принимают минимальные значения. Также производится эффективное ограничение мощных импульсных помех, характерных для зашумленных акваторий.

Численные эксперименты с FM-OFDM-QPSK в многолучевых гидроакустических средах. В данной части проведен анализ эффективности работы режима OFDM-FM-QPSK (с расширением спектра с коэффициентами 1, 2, 4, 10) с применением точной кадровой синхронизации OFDM символов по максимальному значению отклика согласованного фильтра для ПСП преамбулы, размещенной впереди пакета данных.

Для оценки эффективности работы системы с FM-OFDM-QPSK были разработаны численные модели с различным коэффициентом расширения спектра. Параметры численных моделей были адаптированы под экспериментальное гидроакустическое оборудование (рабочая частота 400 Гц, полоса пропускания ЛР = 200 Гц) в целях проведения последующих морских экспериментов. Модели были разработаны с коэффициентами расширения спектра 1, 2, 4 и 10. Параметры тестируемых моделей приведены в таблице 19, где N - количество поднесущих OFDM, Лf - частотный интервал между поднесущими, Tguard - защитный интервал, fb - скорость передачи информации. Защитный интервал Tguard

между символами OFDM выбран равным 200 мс, согласно проведенным ранее экспериментам по измерению импульсных характеристик и передаче данных в данной акватории на частоте 400 Гц [14,15].

Соотношение длительности многочастотного символа к защитному интервалу ^0FDM/T выбрано равным 5 для всех режимов.

/ 1guard

Выбирая режимы работы FM-OFDM-QPSK с расширенным спектром, следует ожидать снижения спектральной эффективности системы, рассчитываемое

2N

по формуле nf = J--—-г—

1 (' OFDM'' guard

Таблица 19. Параметры численных моделей FM-OFDM-QPSK для рабочей частоты 400 Гц и полосы пропускания 200 Гц

K1 K2 K4 K10

ШрМ 1 2 4 10

N 100 50 25 10

1 Гц 1 Гц 1 Гц 1 Гц

т 1 guard 200 мс 200 мс 200 мс 200 мс

fb 167 бит/с 83 бит/с 42 бит/с 17 бит/с

n 0.835 бит/с/Гц 0.418 бит/с/Гц 0.21 бит/с/Гц 0.083 бит/с/Гц

Одним из достоинств систем, использующих параллельное частотное разделение информационных символов (OFDM), является более медленное снижение функции спектральной эффективности в зависимости от значения времени защитного интервала Tguard, по сравнению с методами, реализованными по

принципу последовательного частотного разделения, где эффективность ис-

1

пользования спектра оценивается выражением п^

[184, 241].

Для режимов К1, К2, К4 и К10 были выполнены численные эксперименты для определения зависимости вероятностей ошибок, полученной в линии связи, от соотношения сигнал-шум на входе FM демодулятора. Определялись значения BER без введения помехоустойчивых кодеров. Результаты моделирования в условиях АБГШ представлены на рисунке 93.

сШ

Рисунок 93 - Результаты моделирования BER(SNR) для FM-OFDM-QPSK с коэффициентами расширения спектра 1,2,4 и 10 в условиях АБГШ

Характер и значения BER(SNR) для выбранных режимов согласуются с аналитическими выражениями, согласно выражению 4.11.

Для оценки помехоустойчивости исследуемого метода были выбраны отклики многолучевого распространения, характерные для гидроакустического канала связи и импульсные характеристики, описанные в литературе [190].

Первые два тестовых отклика аналитически могут быть описаны выражением Н^ш) в варианте с мощными отраженными лучами и в варианте с половинными уровнями отраженных компонент (рисунок 94):

Н1(ш) = 1 + 0.72 • е-^5710-3 + 0.34 • е-^22-83"10-3 +

+0.19 • е-М57.12-10-3 + 0.09 • е-;^-100-10-3

0.

0.

0.

0.

t, c

Рисунок 94 - Тестовые лучевые отклики ГА среды распространения

Также для всех четырех режимов были проведены численные расчеты BER в зависимости от SNR при свертке излучаемых сигналов с откликами канала и Я05(^). Результаты моделирования представлены на рисунке 95. Данные значения показывают рост помехоустойчивости системы с увеличением коэффициента расширения спектра FM-OFDM при достаточно сложных

1' в Атр х1 о Атр х0.5

«

► о

о о о 1

0 20 40 60 80 100

многолучевых откликах ГА канала связи. Выбор оптимального режима работы для реальных условий связан с компромиссом в отношении спектральной эффективности системы связи и помехоустойчивости. При уровне канальной

1 2

ошибки ниже 10- ..10- возможно получение удовлетворительных значений BER при использовании эффективных методов помехоустойчивого кодирования [178].

Для оценки соответствия полученных численных и экспериментальных данных были выбраны два лучевых отклика, схожих с полученными оценками модуля передаточной характеристики реальной гидроакустической среды на дистанции 25 км.

Аналитически отклики канала c двумя лучами с разницей прихода в 13 мс можно представить в виде:

На(ш) = 1 + 0.7 • е-"'13'10-3

Нь(ш) = 0.7 + 1 • е-)^1310'3

Система кадровой синхронизации FM-OFDM настраивалась в двух вариантах: на работу по первому лучу и на синхронизацию по наиболее сильному лучу. Результаты BER при свертке сигналов в режимах Ю, О, ^ и Ю0 с откликами На(ш) и Нь(ш) при SNR = 15 dB и различным типом синхронизации показаны в таблице 20.

Результаты моделирования с различным типом синхронизации показывают необходимость в точной кадровой синхронизации демодулированных FM-OFDM-QPSK символов по наиболее сильному лучу. Последующие данные BER, полученные в ходе морских экспериментов показали соответствие данным вышеописанного численного эксперимента и возможность корректировки лучевого отклика методом оценки АЧХ ГА канала связи.

10

10

ш 10 т

10

10

10

0

5

«-К1 *-К2 «-К4 в— К10

10 15 20 25 БЫ^ dB

10

10

а: -2 ш 102 00

10

10

0

5

10 15 вЫ^ dB

К1 К2 К4 К10^

20

25

Рисунок 95 - Вероятности ошибки в зависимости от SNR (при воздействии АБГШ) для откликов канала Н^ш) и Н0.5(ш).

Таблица 20. Вероятность ошибки для режимов FM-OFDM для каналов с откликами Яа(^) и Яь(^) при SNR = 15 dB и различным типом синхронизации

На(ю) = 1 + 0.7-е-^13-10-3 Нь(ю) = 0.7 + 1 • е-Уш1310-3

K1 K2 K4 K10 K1 K2 K4 K10

SYNC по лучу 1 0.075 0.057 0.015 0 0.069 0.03 0.01 0

SYNC по лучу 0.7 0.39 0.52 0.26 0.031 0.37 0.53 0.26 0.025

Морские эксперименты. Морские эксперименты проводились совместно с лабораторией акустической томографии ТОИ ДВО РАН в июле 2017 года в заливе Петра Великого в Японском море. Комплекс излучающей аппаратуры располагался на берегу, гидроакустическая излучающая антенна с рабочей полосой частот от 300 до 500 Гц располагалась в 1 метре от дна на расстоянии 150 метров от береговой черты. В условиях летней гидрологии (отрицательный градиент скорости звука) акустическая энергия на шельфе фокусировалась в придонном слое с постепенным выходом энергии на ось подводного звукового канала в глубоком море, в целях организации сверхдальней связи [44].

На судне, на расстоянии 25 км от излучающей антенны осуществлялся прием сигнала на неподвижный гидрофон, расположенный вблизи дна при глубине места 100 метров.

Предварительно выполнялись оценки вертикального распределения скорости звука в точке приема, измерялось распределение температуры и солености воды в зависимости от глубины. Также посредством излучения тестовых M-последовательностей длиной 63 элемента и свертки коррелятором на приемной стороне были получены оценки импульсной характеристики ГА канала связи.

Формат излучения M-последовательности был задан в виде фазово-манипулированного сигнала с 10-ю периодами излучения несущей (400 Гц) на символ.

Последующая кадровая синхронизация FM-OFDM-QPSK сигналов выполнялась по лучу с максимальной амплитудой и согласно тестовым откликам ГА канала связи происходило предварительное наложение более слабых по уровню копий FM-OFDM сигналов на основной символ, что создавало более «мягкие» условия приема OFDM символов. В данном случае условия численных экспериментов (по сравнению с морскими) превосходили по уровню сложности задаваемых многолучевых профилей в линии связи, что обусловило более высокие значения BER в численных экспериментах.

S[t). V

О 5 10 15 2025303540 45 5055

seconds

Рисунок 96 - Временные диаграммы записанных сигналов на расстоянии 25 км

В ходе морского эксперимента сформированные сигналы последовательно излучались в течение 53 секунд на излучающей стороне в формате: ПСП ^ 10 символов в режиме К1 (ЕМ-ОБВМ-РРЗК с коэффициентом расширения спектра 1) ^ 10 символов К2 ^ 10 символов К4 ^ 10 символов К10. Выполнена трехкратная серия излучения сигналов.

Временные диаграммы записанных сигналов показаны на рисунке 96.

На второй и третьей диаграмме отмечается присутствие сильных импульсных шумов для режимов К4 и К10, вызванных внешними факторами и порожденных судовым оборудованием. Среднее значение отношения сигнал/шум составляло от 20 дБ и выше.

Для записанных данных применялось амплитудное ограничение с параметром сатурации у = 0.5, что позволило значительно снизить, как и общий уровень ошибок БЕЯ при декодировании ЕМ-ОБВМ-РРЗК сигналов, так и влияние мощных импульсных помех, присутствующих в записях.

Рисунок 97 - Динамика амплитудно-частотной характеристики гидроакустической линии связи на интервале 53 секунды. Интервал частотной когерентности канала при проведении эксперимента составлял порядка 70-80 Гц

Для всех трех фрагментов была выполнена посимвольная оценка АЧХ гидроакустической трассы распространения в полосе пропускания 300-500 Гц, путем 2048 точечного FFT сравнения оригинальных и принятых сигналов (рисунок 97).

Выполняя оценку динамики АЧХ канала, можно заключить, что за интервал излучения трех пакетов информации (3 ■ 53 с) передаточная характеристика ГА канала претерпевает значительные изменения на данных дистанциях, что необходимо учитывать в системах, опирающихся на использование импульсной характеристики канала связи. Интервал частотной когерентности канала при проведении эксперимента составлял порядка 70-80 Гц, что определяет разницу хода лучей равную порядка 13 мс.

Результаты декодирования принятых в морских экспериментах сигналов приведены в таблице 21.

Таблица 21. Результаты декодирования сигналов FM-OFDM-QPSK, записанных в ходе морских экспериментов на дальности 25 км

FM-OFDM-QPSK BER1 BER2 BER3 Bitrate, бит/с

K1 0.1093 0.138 0.1343 167

K2 0.05618 0.0749 0.06991 83

K4 0.01247 0.0698 0.04489 42

K10 без ошибок 161 бит 0.031 0 17

Полученные в морских экспериментах данные хорошо согласуются с результатами численного моделирования в таблице 20, однако в численных моделях не осуществлялось воздействие мощных импульсных помех на принимае-

мый сигнал и как результат наблюдаются более высокие значения BER в натурных испытаниях. Для повышения достоверности приема передаваемых данных возможно использование полной комплексной передаточной характеристики канала для коррекции группы символов OFDM по первому оценочному символу, с периодическим повторением оценки канала связи.

Выводы. По результатам численных экспериментов в условиях гауссов-ского шума без дополнительного помехоустойчивого кодирования получены

-5

значения вероятности ошибки приема от 0.15 до 10" для многолучевых откликов типичных для гидроакустических трасс связи. Проведены эксперименты с режимом FM-OFDM-QPSK на дистанции 25 км при использовании низкочастотной (400 Гц) гидроакустической аппаратуры. Получены импульсные и частотные характеристики линии связи и значения BER при различном коэффициенте расширения спектра FM-OFDM-QPSK сигнала в условиях частотно-селективных замираний в ГА канале связи при пропускной способности до 167 бит/с. Схожие значения были получены в результате численных экспериментов в условиях гауссовского шума без дополнительного помехоустойчивого кодирования для многолучевых откликов аналогичных, полученным в ходе морских испытаний. Чувствительность к точности кадровой синхронизации FM-OFDM-QPSK метода допускает его использование в ГА трассах связи с достаточно стабильными характеристиками на интервале времени излучения всего пакета информации. В случаях активного перемещения приемника относительно излучателя нестационарность канала существенно затруднит кадровую синхронизацию символов OFDM, что требует реализации многочастотных алгоритмов с полностью некогерентными режимами демодуляции информационных сигналов.

Выводы по четвертой главе

Получена совокупность точных аналитических выражений отношений сигнал/реверберационная помеха для многочастотного сигнала с дополнительной частотной модуляцией для частных случаев с сильной отраженной компонентой. Выполнены численные оценки вероятности ошибки декодирования в условиях с различным типом импульсной характеристики гидроакустической среды распространения.

Выполнен численный анализ помехоустойчивости метода FM-OFDM с коэффициентом расширения спектра от 1 до 10 для нестационарной гидроакустической среды с различным типом импульсной характеристики. Выполнена серия морских натурных экспериментов с применением метода FM-OFDM для передачи информации на скоростях до 3 кбит/с на дистанциях до 3 км. Показана работоспособность метода с перемещением диаграммы направленности излучающей антенны в нестационарных многолучевых гидроакустических трассах с препятствием на пути распространения сигнала. Проведен натурный морской эксперимент на дистанции 25 км в частотном диапазоне 400 Гц с пропускной способностью от 17 до 167 бит/с с различным коэффициентом расширения спектра FM-OFDM сигнала.

5 Ортогональное частотное уплотнение с минимальным пикфактором сигнала и некогерентной демодуляцией символов в условиях нестационарной гидроакустической среды распространения

В условиях динамичной среды распространения гидроакустических сигналов, обусловленной сильным волнением моря, движением судна обеспечения, подводных робототехнических средств, работоспособность цифровых систем связи и навигации существенно осложняется малым временем когерентности подводного гидроакустического канала связи. Зачастую стабильность параметров гидроакустической трассы даже на малых дистанциях (единицы км) не превышает в отдельных случаях сотен миллисекунд, на значительных дистанциях (сотни км) эта величина может ограничиваться долями/единицами секунд при использовании соответствующего частотного диапазона для организации связи.

Обладая широкой вариабельностью параметров - от статичных, квазистационарных до абсолютно нестабильных в плане оценки амплитудно-фазовых характеристик, гидроакустическая среда распространения при всей ее сложности остается единственным беспроводным средством коммуникации в Мировом Океане.

Рассматривая совокупность рассмотренных отягощающих факторов в плане организации связи под водой, а также современные передовые наработки в области цифровой гидроакустической связи и рассмотренные в диссертации выше методы и алгоритмы, была выработана концепция создания нового класса многочастотных (OFDM) методов уплотнения для передачи цифровых данных на основе новых псевдослучайных последовательностей с некогерентной демодуляцией символов в условиях многолучевой нестационарной гидроакустической среды распространения.

Для нового класса некогерентных многочастотных методов должны выполняться следующие основные требования:

• биполярное или униполярное кодирование поднесущих частотных компонент из-за нестационарности амплитудно-частотной характеристики гидроакустического канала связи;

• использование дифференциальных методов кодирования фазы ввиду значительной нестабильности фазо-частотной характеристики подводных ГА трасс связи;

• использование комбинированных матриц рандомизации для OFDM на базе новых псевдослучайных последовательностей, решая задачу Л.И. Мандельштама по минимизации пиковой мощности многочастотных сигналов;

• выполнение кадровой самосинхронизации многочастотных символов без использования окна FFT;

• некогерентная демодуляция символов OFDM без использования окна FFT;

• устойчивость к нелинейным искажениям для высокой энергетической эффективности предлагаемых решений;

• выбор оптимальных значений частотного интервала между поднесущими для устойчивости к доплеровским смещениям в гидроакустической среде распространения сигнала;

• единая модель сигнальной обработки для узкополосных OFDM и широкополосных многочастотных ШПС;

• излучение сигнала без предварительных оценок передаточной характеристики гидроакустической среды распространения.

5.1 Общая аналитическая модель нового класса некогерентных режимов OFDM. Частотные характеристики трактов

Исходя из основных перечисленных требований для нового класса некогерентных многочастотных методов, была выработана следующая аналитическая модель:

Для излучаемых спектров и сигналов

S(f) = A(f)

1

нА(Л

N-1

I

п=0

М.

■Bnsin{n(f — \—A^)

П ^П

n(f -f0- Afn)

Dn(k) =

Cn(k) • Dn(k — 1), Dn(0)

1

=1

Cn(k) =

s(t) =

hA(t)

—1 1 0

N-1

Af =

{T}-1 iaT]

-1

Mn =

a(t) • I Mn- Dn- Ке{е1-2лф(Г°+А^}

n=0

1 —1

(5.1)

N

1 fT

-J s2(t)dt

< s(t) <

N

J s2(t)dt Jo

где S(f) - спектр излучаемого сигнала, A(f) - спектр оконной функции для многочастотного символа (прямоугольная/приподнятого косинуса), HA(f) -передаточная характеристика антенного тракта линии ГА связи, N - количество поднесущих частот в OFDM символе, Мп - матрица-вектор рандомизации

*

1

на базе новых ПСП (глава 2), Dn - модуляционный символьный вектор, /0

- нижняя частота спектра OFDM, Af - частотный разнос между поднесущими частотами, Т - длительность символа OFDM, аТ - увеличенная длительность символа (а > 1). s(t) - сигнал, подаваемый на излучатель, hA(t) - импульсная характеристика антенного тракта, a(t) - оконная функция для символа OFDM.

Для принимаемых дискретных информационных символов на n-ом частотном подканале:

ная характеристика цифрового БИХ-фильтра, sRX(t) - принятый сигнал на приемный гидрофон.

Для оптимизации модели и нахождения параметров и решений, удовлетворяющих перечисленным выше требованиям необходимо выполнить предварительный анализ возможной неравномерности частотной характеристики трактов излучения и самой гидроакустической среды на различных дальностях для потенциального применения многочастотных сигналов OFDM c широкой полосой частот.

Частотные характеристики антенных трактов. На рисунках 98, 99, 100

показан пример измеренной амплитудно-частотной характеристики |#^(/)| антенного тракта в схеме «излучатель - приемный гидрофон», состоящего из пары идентичных гидроакустических антенн частотного диапазона 12 кГц. Измерение производилось в мелководной акватории методом многократного измере-

2

где Dn - принимаемый символьный вектор, L(t) - комплексная импульс-

ния АЧХ тракта на различных расстояниях с последующим усреднением характеристики суммарного тракта. Данная методика дает неточные оценки АЧХ тракта «излучатель - приемный гидрофон», ввиду необходимости проведения большого количества стохастических измерений в различных позициях антенн и усредняя, таким образом, неравномерности АЧХ, вызванные влиянием на сигнал передаточной характеристики гидроакустической среды распространения. Но позволяет выполнить оценки суммарной частотной неравномерности тракта излучения, антенн и приемного тракта без использования специализированных заглушенных измерительных водных танков и бассейнов.

1ЙАи)1,дБ /, кГц

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94

Рисунок 98 - Серия измеренных амплитудно-частотных характеристик антенного тракта линии «излучатель - приемный гидрофон» на различных расстояниях

друг от друга стохастическим методом

Инверсия АЧХ измеренного тракта для предложенной модели 5.1 в заданном частотном диапазоне позволяет выполнить предкоррекцию многочастотно-

го сигнала OFDM, ввиду сильной неравномерности АЧХ антенных трактов. В данном случае для гидроакустики и применяемых антенных систем остро стоит проблема узкой полосы частот и сильной неравномерности ослабления частотных компонент с расстоянием.

Яд(/)|,дБ ^Р^ /, кГц

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94

Рисунок 99 - Усредненная амплитудно-частотная характеристика антенного тракта «излучатель - приемный гидрофон» (для пары антенн частотного диапазона 12 кГц)

Для максимально эффективного использования частотного ресурса стандартных пьезокерамических излучателей и как следствие увеличения пропускной способности гидроакустических цифровых систем связи и возможной дальности действия необходимо выполнить оценки ослабления частотных компонент излучаемого спектра с увеличением расстояния. Для детальной оценки энергетической дальности и пропускной способности ГА системы связи, использующей многочастотные OFDM сигналы без учета аномалий распростра-

нения в подводной звуковой среде, рассмотрим разные варианты начальных условий.

Рисунок 100 - Гидроакустическая антенна связи и навигации частотного диапазона 12 кГц

К примеру, для организации ГА сети связи между подводными абонентами (АНПА, АНВА, ТНПА, донные станции, корабли сопровождения) на шельфе и глубоком море требования к энергетической эффективности подводных прие-моизлучающих станций предъявляются особенно строгие. Для общей оценки необходимо выделить ряд требований к приемоизлучающему оборудованию:

1. Излучающие каскады являются главными потребителями энергии от автономных источников питания. Необходимо применение усилительных каскадов с высокими кпд, и в ЦОС модуляторе излучателя необходимо формирование многочастотных сигналов малочувствительных к возможным нелинейным искажениям при их минимальном пикфакторе.

2. Для повышения энергетической эффективности излучающей системы необходимо применение ГА антенн с узкими диаграммами направленности. Но учитывая погрешности установки станций на дно или в толще воды, а также необходимость информационного обмена узлов с соседними узлами сети, следует, что коэффициенты направленного действия антенн не должны быть значительными. С учетом этих требований удобно использовать ГА антенны с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и суженной диаграммой в вертикальной плоскости.

3. Основными параметрами подобной сети ГА связи являются скорость передаваемой информации (bitrate) от узла к узлу, BER (Bit Error Rate) вероятность ошибки на принимаемый бит, энергопотребление при заданной дальности. Эти параметры объединяет соотношение параметров, находящихся в нелинейной зависимости, при заданной полосе пропускания:

Дальность = Энергопотребление • BER / bitrate

Полосу пропускания определяет используемый ГА излучатель, который работает в режиме излучения и приема сигнала, причем частотные характеристики излучателя могут отличаться в зависимости от режима использования (прием или излучение). BER в ГА канале связи необходимо выбирать не более 10- , это значение вносит сам канал связи при заданном отношении сигнал-шум (SNR - Signal Noise Ratio) на входе приемника отдельного узла, без учета дополнительного помехоустойчивого кодирования. Дополнительным кодированием можно снизить BER на требуемый уровень

снижая при этом полезную скорость информационного обмена.

Опираясь на вышеприведенные главные требования и учитывая возможную необходимость организации ГА связи на малых и значительных дистанциях между узлами (до 100 км) в мелком море, оценим ряд параметров.

По формуле расчета оптимальной частоты работы излучающей ГА станции для определенной дальности предварительно оценим рабочие частоты для разных вариантов дальности между соседними ГА узлами [27]:

/opt = (39. .62) • г-2/з,г[км],/[кГц], (5.3)

Здесь коэффициент 39 оптимален для гидролокации, где сигнал проходит

удвоенное расстояние. Делая перерасчет для системы связи 39 • 0.5-2/з = 62 видно, что полученное значение соответствует рекомендуемому коэффициенту. Эту формулу можно интерпретировать так, что оптимальная частота соответствует достижению максимума дальности действия г при прочих заданных величинах. Более точные оценки рабочей частоты, мощности и других параметров рассмотрим ниже, исключив наиболее невыгодные варианты с точки зрения энергетики, малой скорости передачи и т.п.

Полоса пропускания (частотный ресурс связи) AF пропорциональна рабочей частоте fopt ГА узла связи, соответственно ширина спектра AF излучаемых сигналов ограничивается частотными характеристиками применяемых гидроакустических антенн. Ширина полосы пропускания высокодобротных ГА излучателей по уровню -3 дБ составляет от 20 до 35% от центральной частоты излучения fopt. Пьезокерамические преобразователи с большей полосой пропускания (гидрофоны) имеют более низкий коэффициент преобразования электрической мощности в акустическую на режим излучения, поэтому пригодны для средств измерений, регистрации сигналов. Примем AF = 0.3 • /opt.

Для идеализированного канала связи, принимая во внимание воздействие на сигнал только АБГШ (аддитивный белый гаусовский шум), для увеличения пропускной способности при ограниченном частотном ресурсе обычно используют многопозиционные системы манипуляции M-QAM (многопозиционная квадратурная манипуляция), широко применяемые в разных модификациях в

современных радио стандартах связи (ADSL, WiFi, WiMAX, DVB-T, LTE и др.). Любой вид манипуляции оценивается спектральной эффективностью - отношением скорости передачи данных к занимаемой полосе частот:

пг =

fb_ AF

Спектральная эффективность для M-QAM для сигналов на несущей частоте определяется формулой

(5.5)

1О92М nf=—

где M - количество позиций (квадратурных вариаций сигнала для отдельной кодовой двоичной комбинации). При использовании M-QAM в комбинации с OFDM спектральная эффективность обычно удваивается, за счет вдвое плотного расположения частотных подканалов. На практике для беспроводных каналов M > 64 используется редко, ввиду значительного возрастания отношения

л

сигнал-шум SNR для обеспечения приемлемого уровня BER < 10-2 (для 64-QAM SNR = 23.8 dB при BER = 10-6). Отсюда получается, что при отсутствии реверберации, доплеровских сдвигов частот, время-селективных замираний и импульсных помех, максимальную скорость передачи по ГА каналу при АБГШ и отсутствии помехоустойчивого кодирования можно оценить соотношением:

(5.6)

ОЗЧщМ -2,

fbMAX= -2--/3

Примем M = 64, выполним расчеты для дальностей 100 км, 50 км, 25 км, 10 км, 7 км, 5 км и 3км, результаты показаны в таблице 22. В реальных условиях на больших расстояниях (свыше 1 -2 км) максимальные значения скорости переда-

чи недостижимы даже при превышении необходимых значений SNR, ввиду неизбежности появления перечня вышеупомянутых факторов и помех.

Для реалистичной оценки скоростей передачи данных, необходим учет факторов многолучевого распространения сигнала, необходимости помехоустойчивого кодирования, зачастую снижающего полезную скорость информационного обмена двукратно (R = 1/2) в сложной помеховой обстановке. Ранее приводились примеры импульсных откликов ГА канала на различных частотах, здесь показаны импульсные реакции, полученные в Балтийском море с глубинами от 40 до 70 метров для дальностей 8 км, 28 км и 52 км (рисунок 101) [226]. Здесь величина временного разброса лучей по уровню -10дБ достигает 20 мс.

Таблица 22. Оптимальные частоты для различных дальностей работы ГА системы связи, частотный ресурс, максимальные/минимальные значения скорости передачи данных. Идеализированные оценки с M-QAM и реалистичные с OFDM с применением защитных интервалов

г 100 км 50 км 25 км 10 км 7 км 5 км 3 км

/opt 2.88 кГц 4.57 кГц 7.25 кГц 13.38 кГц 16.95 кГц 21.22 кГц 29.83 кГц

AF 864 Гц 1371 Гц 2175 Гц 4014 Гц 5085 Гц 6366 Гц 8949 Гц

/ь МЛХ Без т 1 guard 2.6 кбит/с 4.1 кбит/с 6.5 кбит/с 12 кбит/с 15.3 кбит/с 19.1 кбит/с 26.8 кбит/с

Т 1 guard 100 мс 50 мс 30 мс 20 мс 10 мс 10 мс 10 мс

/b OFDM c т 1 guard 691 бит/с 1.097 кбит/с 1.74 кбит/с 3.21 кбит/с 4.068 кбит/с 5.093 кбит/с 7.159 кбит/с

Согласно [1], временная флуктуация лучей может достигать на микроуровне от 1 до 2 мс и до 100-200 мс на макроуровне для глубокого моря (3.5 км) при заглублении антенн на 150-200 м.

Величина временной реверберации лучей напрямую влияет на возможную скорость передачи данных при минимальной вероятности ошибки BER (bit error rate).

Для устранения возможного эффекта межсимвольной интерференции необходимо введение временных защитных интервалов Tguard, равных величине временной реверберации гидроакустического канала связи.

Рисунок 101 - Нормированные по мощности импульсные отклики гидроакустических каналов на частоте 3.3 кГц, полученные в Балтийском море с глубинами от 40 до 70 метров для дальностей 8 км, 28 км и 52 км

Ввиду возможной флюктуации уровня сигнала на приемной стороне из-за изменения условий многолучевого распространения предпочтительнее использовать системы с М < 4. Как указывалось, ранее в предлагаемой аналитической модели, предпочтение отдается системам манипуляции символов с биполярным или униполярным кодированием (М = 2), ввиду значительной неоднозначности

и нестационарности амплитудно-частотных характеристик гидроакустических трасс распространения.

Преимущество использования многочастотных методов в данной ситуации связано с возможностью трансляции одновременно всего информационного пакета из N бит информации, снижая зависимость пропускной способности от временного защитного интервала для устранения межсимвольной интерференции. К примеру, для дальности 10 км можно применить защитный временной интервал (7^uard = 20 мс). В этом случае, если длительность символа OFDM равна T0FDM = 4 • , то T0FDM = 80 ms , а частотный разнос между под-

несущими OFDM составит Л/ =-=12.5 Hz . Тогда в выделенной полосе

^OFDM

ЛF = 4014 Гц количество поднесущих частот составит 321 шт. Скорость передачи данных без кодирования и при дифференциальной фазовой манипуляции поднесущих частот (M = 2) составит (таблица 22):

_ N • /о#2М _ 509 • /о#22 _ бит

/b OFDM = ¡""^ = n no . п m = 3210 _~

7 OFDM + 7guard 0.08 + °.°2 с

Но здесь необходимо учитывать, что при возникновении мощного отраженного луча, сравнимого по амплитуде с первым пришедшим и запаздывающим на величину защитного интервала, будут, как минимум возникать эффекты частотно-селективных замираний, где на каждой четвертой поднесущей частоте SNR будет значительно ниже допустимых уровней, что потребует помехоустойчивого кодирования и т.д. Реальная скорость, с учетом нижеприведенных проблем, будет ниже расчетной в совокупности с усложнением системы сигнальной обработки, требованиями к линейности трактов. К недостаткам классических методов OFDM следует отнести необходимость линейного усиления сигнала в тракте излучения, что при КПД класса усиления «А» равном 10-20 % является нецелесообразным, ввиду автономности излучающего блока, но на

данный момент активно стали применяться в гидроакустике высокоэффективные усилители класса D. Однако значительный пикфактор OFDM не позволяет эффективно излучать сигнал с учетом максимальной возможной мощности для применяемого усилителя. К недостаткам классической многочастотной OFDM также относятся сложности систем кадровой синхронизации OFDM, нарушение ортогональности поднесущих частот при время-селективных замираниях, доплеровских эффектах. Здесь можно применять модификации OFDM, такие, как FM-OFDM c частотной модуляцией [50], где решаются некоторые проблемы системы, но также требуется серьезный подход к реализации DSP архитектуры. Другим вариантом повышения энергетической эффективности OFDM быть адаптация усилителей класса «D» к отдаче мощности в ГА антенный тракт.

5.2 Оценки мощности и пропускной способности для заданной дальности действия OFDM системы связи

В целях амплитудной коррекции многочастотных сигналов OFDM выполним энергетическую оценку ГА системы связи для различных частот и дальностей:

(5.7)

SNR = Ртх(Г'Го) ^ 833 ^ 1Q6 ^ Ктх ^ Krx

г2 • 1Q3.6-10-б-/015т • р2 • д^

Формула получена из [1] и отвечает принципам теории связи, где отношение сигнал шум на входе приемника определяется суммарной мощностью на входе приемника с учетом усиления антенн (Ртх(г>Ъ) • 8.35 • 106 • Ктх • KRX), деленное на ослабление сигнала прошедшего от излучателя до приемника

(г2 • 1036 10 -/о- г), и деленное на уровень мощности шумов на входе приемника (р2 • ДF).

Здесь • - показывает общее усиление приемной и излучающей антенн (здесь не отмечена частотная зависимость коэффициентов от частоты),

10-3.б-1° б/о15 г - показывает ослабление сигнала на заданной частоте и расстоянии, 8.35 • 10-6 - коэффициент пропорциональности между квадратом давления излучения и излучаемой акустической мощностью, г2 - учитывает пространственное расхождение и ослабление сигнала, р^ • ДF - мощность шума в полосе приема.

Тогда уровень акустической мощности на излучающей стороне:

(5.8)

8.35 • 10-6 • г2 • • р2 • ЛF

^ • ^ • 10-3 6-10-б-/о15-^

где /° в кГц. Зададимся следующими параметрами системы для оценки энергетической дальности, требуемой мощности излучения на выбранной частоте: требуемое отношение сигнал-шум — 15 ЙБ (31.62). Направленные свойства ГА антенн в режиме излучения и приема примем равными 6 дБ: Коэффициент концентрации — 4 Коэффициент направленного действия антенны — 4 Выполним расчеты акустической мощности для дальностей, указанных в таблице 22. В формуле расчета акустической мощности для заданной дальности также фиксированными остаются параметры отношения сигнал-шум, коэффициенты направленности антенн, рабочая частота, определяющая уровень шумов моря на заданной частоте. Более гибким параметром является доступная полоса частот ДF, определяющая достижимую скорость передачи данных.

Применяя многочастотные методы манипуляции OFDM, использующие всю полосу частот ДF, можно рассчитать требуемую акустическую мощность на границах и в центре частотного диапазона и их амплитудное соотношение по вышеприведенной формуле.

Оценки мощности для различных дальностей действия ГА систем для применения многочастотных сигналов с широкой полосой. На рисунке 102 представлены спектральные характеристики шумов моря, являющихся источниками помех приему гидроакустических сигналов, которые могут быть использованы в расчетах. По левой оси ординат отложены абсолютные уровни акустического давления, а по правой - уровни в дБ относительно р0 = 2-10-5 Па [1].

Для дальности 100 км согласно таблице 22 центральная частота излучения будет равна /0 = 2.88 кГц, рабочая полоса частот ДF = 864 Hz . Для выбранной частоты примем уровень шумов равный 5-ти балльному волнению моря (кривая 35) рп(2.88 kHz) = 10-3 Па, здесь это же значение примерно равно верхнему пределу подледных шумов (кривая 5).

Кривая акустической мощности излучателя P(r,f0) для области г [90. .110 km] представлена на рисунке 103. Для излучения сигналов в полосе 864 Гц на центральной частоте 2.88 кГц для дальности 100 км потребуется уровень акустической мощности равный 8.2 кВт.

Уровень требуемой акустической мощности будет различаться на краевых частотах диапазона равных 2.509 кГц и 3.251 кГц. Требуемый уровень акустической мощности на этих частотах будет равен 0.543 кВт и 2.595 кВт соответственно.

Для дальности 50 км согласно таблице 22 центральная частота излучения будет равна /0 = 4.57 рабочая полоса частот ДF = 1371 Hz. Для выбранной частоты примем уровень шумов равный 5-ти балльному волнению моря

(кривая 35) pn(4.57 kHz) = 7 • 10-4 Па. Кривая акустической мощности излучателя P(r,f0) для области г [40. .60 km] представлена на рисунке 103.

Р„,Па 0,2

2-Ю"* 2*103 2-1 ff* 2-10"5

Рисунок 102 - Спектральные характеристики источников помех в ГАСС 1,2 - максимальный и минимальный уровни шумов моря; 3 - шум волнения моря

(подстрочные индексы - баллы скорости ветра); 4, 5 - подлёдные шумы; 6 - сейсмический фон; 7 - шумы судоходства; 8 - шумы судоходных трасс; 9, 70 - шумы креветок и рыб семейства горбылевых; 11 - тепловой шум моря

Для излучения сигналов в полосе 1371 Гц на центральной частоте 4.57 кГц для дальности 50 км потребуется уровень акустической мощности равный 1.59 кВт. Уровень требуемой акустической мощности будет отличаться на краевых частотах диапазона равных 3.99 кГц и 5.15 кГц. Требуемый уровень акустической мощности на этих частотах будет равен 118 Вт и 553 Вт соответственно.

.5x10

Вт

Ptx(r)

7.8x10"

г [90. .110 fcm]

г [20. .30 fcm]

г [40. .60 fcm]

г [8. .12 fcm]

г [5. .10 fcm]

г [3. .7 fcm]

Рисунок 103 - Акустические мощности излучения Р(г,/0)

Рисунок 104 - Акустическая мощность излучения Р(г, /0) для области

г [1. .5 km]

Для дальности 25 км согласно таблице 22 центральная частота излучения будет равна /0 = 7.25 kHz, рабочая полоса частот AF = 2175 Hz. Для выбранной частоты примем уровень шумов равный 5-ти балльному волнению моря (кривая 35) pn(7.25 kHz) = 3 • 10-4 Па.

Кривая акустической мощности излучателя P(r,f0) для области г [20. .30 km] представлена на рисунке 103. Для излучения сигналов в полосе 2175 Гц на центральной частоте 7.25 кГц для дальности 25 км потребуется уровень акустической мощности равный 115 Вт. Уровень требуемой акустической мощности будет отличаться на краевых частотах диапазона равных 6.34 кГц и 8.16 кГц. Требуемый уровень акустической мощности на этих частотах будет равен 9 Вт и 41 Вт соответственно.

Для дальности 10 км согласно таблице 22 центральная частота излучения будет равна /0 = 13.38 kHz , рабочая полоса частот AF = 4014 Hz . Для выбранной частоты примем уровень шумов равный 5-ти балльному волнению моря (кривая 35) pn(13.38 kHz) = 2 • 10-4 Па.

Кривая акустической мощности излучателя P(r,f0) для области г [8..12 km] представлена на рисунке 103. Для излучения сигналов в полосе 4014 Гц на центральной частоте 13.38 кГц для дальности 10 км потребуется уровень акустической мощности равный 15.3 Вт. Уровень требуемой акустической мощности будет отличаться на краевых частотах диапазона равных 11.67 кГц и 15.09 кГц. Требуемый уровень акустической мощности на этих частотах будет равен 1 Вт и 5 Вт соответственно.

Для дальности 7 км согласно таблице 22 центральная частота излучения будет равна f0 = 16.95 kHz, рабочая полоса частот AF = 5085 Hz. Для выбранной частоты примем уровень шумов равный 5-ти балльному волнению моря (кривая 35) рп(16.95 kHz) = 10-4 Па.

Кривая акустической мощности излучателя P(r,f0) для области г [5..10 km] представлена на рисунке 103. Для излучения сигналов в полосе 5085 Гц на центральной частоте 16.95 кГц для дальности 7 км потребуется уровень акустической мощности равный 2.36 Вт.

Уровень требуемой акустической мощности будет отличаться на краевых частотах диапазона равных 14.92 кГц и 18.98 кГц. Требуемый уровень акустической мощности на этих частотах будет равен 0.14 Вт и 0.67 Вт соответственно.

Для дальности 5 км согласно таблице 22 центральная частота излучения будет равна f0 = 21.22 kHz, рабочая полоса частот AF = 6366 Hz. Для выбранной частоты примем уровень шумов равный 5-ти балльному волнению моря (кривая 35) рп(21.22 kHz) = 8 • 10-5 Па.

Кривая акустической мощности излучателя P(r,f0) для области г [3..7 km] представлена на рисунке 103. Для излучения сигналов в полосе 6366 Гц на центральной частоте 21.22 кГц для дальности 5 км потребуется уровень акустической мощности равный 1 Вт. Уровень требуемой акустической

мощности будет отличаться на краевых частотах диапазона равных 18.57 кГц и 23.87 кГц. Требуемый уровень акустической мощности на этих частотах будет равен 0.05 Вт и 0.25 Вт соответственно.

Для дальности 3 км согласно таблице 22 центральная частота излучения будет равна f0 = 29.83 kHz, рабочая полоса частот AF = 8949 Hz. Для выбранной частоты примем уровень шумов равный 5-ти балльному волнению моря (кривая 35) рп(29.83 kHz) = 6 • 10-5 Па.

Таблица 23. Дальности действия цифровых ГА систем для различных параметров мощности излучения

г 100 км 50 км 25 км 10 км 7 км 5 км 3 км

fopt 2.88 кГц 4.57 кГц 7.25 кГц 13.38 кГц 16.95 кГц 21.22 кГц 29.83 кГц

AF 864 Гц 1371 Гц 2175 Гц 4014 Гц 5085 Гц 6366 Гц 8949 Гц

Р 8200 Вт 1590 Вт 115 Вт 15.3 Вт 2.36 Вт 1 Вт 0.3 Вт

Pl 543 Вт 118 Вт 9 Вт 1 Вт 0.14 Вт 0.05 Вт 0.02 Вт

Рн 2595 Вт 553 Вт 41 Вт 5 Вт 0.67 Вт 0.25 Вт 0.09 Вт

/uL 2.18 2.16 2.13 2.23 2.18 2.23 2.12

Кривая акустической мощности излучателя Р(г^0) для области г [1. .5 кт] представлена на рисунке 104. Для излучения сигналов в полосе 8949 Гц на центральной частоте 29.83 кГц для дальности 3 км потребуется уровень акустической мощности равный 0.3 Вт. Уровень требуемой акустической мощности будет отличаться на краевых частотах диапазона равных 25.99 кГц и 33.66 кГц. Требуемый уровень акустической мощности на этих частотах будет равен 0.02 Вт и 0.09 Вт соответственно.

В таблице 23 показаны различные параметры цифровых ГА систем связи для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум в точке приема не менее 15 дБ. Показаны оптимальные рабочие частоты, полосы пропускания AF, требуемая мощность излучения Р, мощность на нижней границе частотного диапазона PL, мощность на верхней границе частотного диапазона Рн, соотношение амплитуд сигналов верхней и нижней частоты полосы пропускания

/uL.

Отношение сигнал/шум в точке приема не менее 15 дБ - это достаточно высокий уровень для того чтобы обеспечить минимальный уровень ошибок при влиянии АБГШ на биполярные или униполярные системы манипуляции многочастотных сигналов OFDM. Расчетные показатели, сведенные в таблицу 23, могут в разы отличаться от тех значений, что могут применяться на практике, к примеру, для экспериментов на морском мелководье (глубины до 15 м при дальностях до 3500 м) дальность связи может пятикратно отличаться в зависимости от времени года при использовании одной и той же аппаратуры.

Приведенные значения являются ориентирами, по которым можно произвести оценку применимости предлагаемого класса многочастотных систем OFDM для организации цифровой гидроакустической связи на различных дальностях, в различных частотных диапазонах.

Предпочтительное двукратное соотношение амплитуд верхней и нижней

ч

зывает, что данная частотная предкоррекция может быть обеспечена, однако вследствие того, что зачастую системы связи и навигации работают с запасом по дальности действия, то введение данных предыскажений необязательно в формируемый многочастотный спектр OFDM сигнала.

частоты полосы пропускания формируемого для излучения сигнала пока-

На рисунке 105 показаны OFDM символ без частотной предкоррекции (а) и с двукратной линейной коррекцией в области верхних частот спектра =