Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы по методам гидроакустической подводной связи. постановка задачи 9
1.1. Обзор методов передачи информации по гидроакустическому подводному каналу связи 9
1.1.1. Модель гидроакустического подводного канала связи 9
1.1.2. Аппаратуры передачи информации под водой и их рабочая частота ...12
1.1.3. Модель гидроакустического сигнала 14
1.2. Обработка гидроакустических сигналов в подводной связи. Постановка задачи 18
Выводы по главе 1 19
ГЛАВА 2. Обоснование формирования гидроакустических сигналов и метода их обработки для помехозащищенной передачи кодированной информации 20
2.1. Анализ условий распространения гидроакустических сигналов в морской среде. 20
2.1.1. Акустические характеристики морской среды 20
2.1.2. Уменьшение влияния многолучевости 26
2.1.3. Реверберационные помехи и их энергетические характеристики 30
2.2. Обоснование выбора параметрической излучающей аппаратуры для передачи гидроакустической информации 43
2.2.1. Нелинейный эффект 43
2.2.2. Особенности формирования ЧМ-сигналов в параметрических излучателях 50
2.3. Обоснование применения гидроакустических сигналов с частотной модуляцией для передачи информации по ГАК связи 54
2.4. Обоснование представления кодированной информации в амплитудных спектрах сигнала и метода обработки сигналов для гидроакустической подводной связи 59
2.5. Экспериментальные результаты исследования дальнего распространения мощного параметрического излучателя 63
Выводы по главе 2 68
ГЛАВА 3. Анализ, обоснование и выбор схемы кодирования информации. разработка правила декодирования передаваемой информации 69
3.1. Анализ основных правил устранения ошибок при передаче кодовой информации 69
3.1.1. Понятие помехозащищенного кодирования 69
3.1.2. Методы автоматического запроса повторной передачи 70
3.2. Анализ блочных кодов 72
3.2.1. Построение блочных кодов 72
3.2.2. Линейные систематические блочные коды 74
3.2.3. Порождающая и проверочная матрица линейного блочного кода 75
3.2.4. Синдром и обнаружение ошибок 77
3.2.5. Синдромное декодирование линейных блочных кодов 78
3.2.6. Декодирование методом максимального правдоподобия 79
3.2.7. Вес и расстояние Хемминга. Способность кодов обнаруживать и исправлять ошибки 82
3.2.8. Полиномиальные коды 83
3.3. Анализ сверточных кодов 87
3.3.1. Построение сверточных кодов 87
3.3.2. Кодирование с использованием сверточных кодов 88
3.3.3. Синдромное декодирование сверточных кодов 91
3.3.4. Кодовое дерево и решетчатая диаграмма 91
3.3.5. Алгоритмы поиска по решетке 93
3.4. Анализ примеров применения корректирующего кодирования в реальных системах связи 96
3.4.1. Каскадные коды 96
3.4.2, Кодирование с перемежением 97
3.5. Обоснование правила кодирования сигналов для гидроакустической связи 99
3.6. Разработка решающих правил для распознавания передаваемой информации при осуществлении гидроакустической связи 102
3.6.1. Разработка эвристического решающего правила 102
3.6.2. Разработка оптимального решающего правила 105
3.6.3. Построение правил распознавания кодовой информации при каскадном кодировании 108
3.7. Функциональная схема гидроакустической станции связи 109
3.8. Компьютерное моделирование кодирования информации в спектре частотно-модулированного сигнала 110
3.9. Компьютерное моделирование кодирования изменений сигналов при наложении в процессе распространения 113
3.10. Сравнение разработанного и альтернати в» юга методов гидроакустической подводной связи 116
Выводы по главе 3 . 117
Заключение 118
Список литературы 119
- Аппаратуры передачи информации под водой и их рабочая частота
- Особенности формирования ЧМ-сигналов в параметрических излучателях
- Порождающая и проверочная матрица линейного блочного кода
- Компьютерное моделирование кодирования информации в спектре частотно-модулированного сигнала
Введение к работе
Гидросфера- место обитания разнообразных живых существ, кладовая пищевых, минеральных и энергетических запасов — объект пристального изучения и сфера деятельности миллионов людей. Производственные и познавательные усилия людей в гидросфере невозможно представить без обязательно обмена информации, то есть получения и передачи определенных сведений. Основными видами обмена сообщениями под водой можно назвать опознавание, связь, телеизмерения, телеуправление,
В процессе опознавания производят запросы и определяют положение объекта и его принадлежность к какому-то типу или виду; в режиме связи корреспонденты передают друг другу различные сообщения или дают указания о дальнейших действиях. Телеизмерения могут осуществляться автоматически или по запросу; результаты телеизмерений используют в научных исследованиях или для принятия решений при дистанционном управлении разнообразными приборами и механизмами, функционирующими под водой.
Передачу информации под водой с помощью электромагнитных колебаний осуществлять очень трудно из-за их большого поглощения практически в любом диапазоне частот. Только частоты ниже приблизительно 10 Гц и частоты, лежащие в спектре видимого света, могут с какой-то долей успеха найти применение в подводной связи, но этого мало с практической точки зрения: первые мало информативны, а вторые характеризуются ограниченной дальностью действия [50; 82]. Дальность распространения лучей лазера и радиоволн не превышает десятков и сотен метров [75].
Проводные линии связи в свою очередь также обладают рядом недостатков. Один из них, и на наш взгляд важнейший, это невозможность осуществлять связь с объектами, свободно расположенными и произвольно перемещающимися подводой [82].
Альтернативной может служить использование энергии звуковых волн, т. е. осуществление передачи информации при помощи гидроакустических средств,
так как акустическая энергия является по существу единственным видом энергии, который удовлетворительно распространяется в морской среде. Однако океан представляет собой среду, передача информации через которую связана с необходимостью преодоления многих трудностей. Во-первых, акустический сигнал подвергается значительному ослаблению из-за поглощения энергии в среде, хотя оно и достаточно мало по сравнению с поглощением электромагнитной энергии. Во-вторых, имеют место потери, вызванные обычным расишреиием фронта волны [78].
Большое влияние на характер распространения оказывают также явления рефракции и рассеяния звука дном, поверхностью моря и. др. Наличие этих явлений приводит к тому, что передача информации по гидроакустическому каналу в океане на большие дальности осуществляется в условиях замираний сигналов и многолучевого распространения сигналов, что накладывает значительные ограничения на эффективность гидроакустических систем связи. Особенно велико это влияние при осуществлении гидроакустической связи в мелководных районах моря, вследствие значительного влияния на характер распространения сигналов обеих границ морской среды.
Несмотря на сложность условий, разработаны и успешно используются различные гидроакустические средства с простым кодированием, успешно действующие на дальностях до 15 миль. Однако, требования к системам передачи информации под водой растут непрерывно. Особенно это относится к гидроакустической телеметрической аппаратуре, приборам звукоподводной связи между подводными пловцами, системам дистанционного управления подводными механизмами, средствам контроля работы подводных буровых установок и трубопроводов и др. [16].
В аппаратуре передачи информации под водой наибольшее распространение получили сигналы с фазовой манипуляцией (ФМ-сигналы). Передаваемые сигналы подвержены вредному воздействию реверберации, обусловленной многократными отражениями сигнала от рыб, поверхности и дна моря, воздействию
реверберационных и шумовых помех, искажениям за счет многолучевого распространения звуковых волн в морской среде.
Для снижения влияния мешающих воздействий разрабатываются методы повышения помехозащищенности передачи информации под водой с использованием гидроакустических сигналов. Повышение помехозащищенности гидроакустической связи в морской среде является основной целью данной работы. Помехозащищенность системы — это способность надежного выполнения этой системой заданных функций в условиях воздействия разного вида помех [51; 82].
Содержание работы состоит из трёх глав:
- Первая глава: Обзор литературы по повышению помехозащищенности для
гидроакустической подводной связи. Постановка задачи.
- Вторая глава: Обоснование способа формирования гидроакустических
сигналов и метода их обработки для помехозащищенной передачи кодированной
информации.
- Третья глава: Анализ, обоснование и выбор схемы кодирования информа
ции. Разработка правил декодирования передаваемой информации.
В последней части сделаны выводы и заключения.
Аппаратуры передачи информации под водой и их рабочая частота
В принципе передача информации по ГАК возможна на любых частотах, в том числе и на самых низких. Однако из общей теории связи известно, что низкие частоты малоинформативны и большая часть естественных шумов океана имеет частоту ниже 5 кГц, поэтому чтобы избежать ложных сигналов и команд, самый низкий частотный диапазон обычно принимается в полосе 3- 5 кГц [50; 82], или в полосе 7 12 кГц. Верхняя граница, как это ни парадоксально, определяется отсутствием достоверных сведений о помехах в море на частотах 30-ь40 кГц. В работе [76] показано, что для передачи информации используются гидроакустические сигналы в диапазоне 10-И00 кГц. В этом диапазоне окружающие шумы на входе приемника представляют собой в основном шум моря; для узкополосного фильтра спектральную плотность шума можно принять равномерной, а закон распределения мгновенных значений - гауссовым. На практике необходимо отметить, что выбор частоты для любой системы - это результат компромиссов между уменьшением и возрастанием значений различных частотно-зависимых характеристик. Выбор частоты следует увязывать и с рядом других факторов, таких как стоимость, габариты, точность и область применения.
Чтобы понять, какие трудности были, есть и будут возникать у инженеров при проектировании, создании, размещении и использовании аппаратуры для передачи иод водой информации по ГАК, следует составить о нём некоторое представление, оценить его главные особенности в условиях распространения сигналов в океанах и морях. Достижения радиотелеметрии, телеуправления и связи, обеспечивающие максимальные дальности и огромную пропускную способность, можно успешно внедрять в средства передачи информации под водой, лишь чётко зная особенности искажений гидроакустических сигналов и характеристики окружающих помех.
Обобщенная модель ГАК включает источник сигналов, водную среду, в которой распространяются акустические волны, переносящие информацию, и приёмник. Для решения конкретных задач проектирования и применения аппаратуры используются частные модели, число которых подсчитать невозможно, однако их можно систематизировать по рассмотренным выше типам аппаратуры, техническим характеристикам канала, условиям среды, видам помех и др. Можно также встретить деление на технические, физические и математические модели и т.д. [45].
При определении технических характеристик канала или аппаратуры используются геометрические, энергетические и информационные модели. Их основные элементы: дальность действия; мощность сигналов и помех, потери при распространении; скорость передачи информации и пропускная способность, вероятность ошибок и др. В используемых вариантах моделей водной среды (физические модели) с регулярными и случайными неоднородностями для глобальной, крупно-, мезо-, .мелко- и микро масштабной пространственно-временной изменчивости окружающей среды рассматриваются сверхдальний, дальний, средний, малый и сверхмалый поддиапазоны дальности действия гидроакустической аппаратуры. Учитывается искажение, вызванное действием замираний. При этом её действие рассматривается только в применении к амплитудной модуляции сигнала, т.е. учитываются лишь флуктуации огибающей. Предлагается несколько модификаций метода минимизации мощности такой помехи [45].
Первый состоит в возможности получения априорной информации об ожидаемых значениях флуктуации сигнала и оптимизации на этой основе приёмных трактов и схем обработки информации. Второй состоит в возможности слежения за изменениями результирующих параметров канала и осуществления прогнозирования этого процесса. На этой основе строятся адаптивные структуры приёмных трактов соответствующей гидроакустической аппаратуры.
Модель окружающих шумов океана включает биологические, технические, подлёдные и сейсмические шумы [45; 78]. На уровень динамических шумов влияют: состояние поверхности океана, ветры и ураганы, дожди и ливни, течение и конвекция, тепловое движение молекул, завихрения и турбулентность, перемещение воды у дна под действием прилива, смешение гальки и песка, разряды молний и удары грома. Биологические шумы создаются млекопитающими, рыбами, ракообразными, моллюсками, зоопланктоном, микроорганизмами. Вероятность их предсказания очень низкая, источники этих шумов часто оказываются вблизи приёмных антенн, и поэтому биологические шумы представляют собой наиболее серьезную помеху для высокочастотных средств гидроакустической телеметрии и дистанционного управления. К техническим шумам относятся шумы судоходства, рыболовства, предприятий и установок слива сточных вод, работы буровых платформ и исследовательской аппаратуры. [82].
Подледные шумы появляются в процессе образования, растрескивания и таяния льдов, при торошении и трении льдин, во время переметания снега или под влиянием лопающихся воздушных пузырьков. Этот вид подледных шумов особенно характерен для айсбергов, которые действуют в Северной Атлантике и Южном океане. Источники сейсмических шумов - землетрясения, извержения вулканов. Шумы, измеряемые в океане, представляют собой случайный нестационарный процесс. Они являются результатом сложения различных по частоте, амплитуде и фазе акустических колебаний, приходящих от многих источников с различных направлений. Многообразие гидрологических, аэрологических и геологических факторов, влияющих на формирование поля окружагоших шумов в океане, затрудняет прогнозирование их параметров по месту и во времени. Это усложняет выбор правильной модели гидроакустического канала передачи информации. Особенности распространения излученных шумов в основном такие же, как и специально сформированных информационных сигналов. Трудности оценок в любой области также весьма существенно сказываются на точности различных принимаемых моделей [82].
Особенности формирования ЧМ-сигналов в параметрических излучателях
Существуют несколько способов повышения помехоустойчивости передачи информации но ГАК, предназначенной для работы в условиях многолучевого распространения сигналов.
Первый способ борьбы с вредным влиянием многолучевости заключается в формировании такой характеристики направленности приемной акустической антенны, которая исключила бы попадание в приемный тракт сигналов, приходящих по другим направленням. В этом случае приемная антенна с достаточно узкой характеристикой направленности должна автоматически поворачиваться так, чтобы ось характеристики направленности бьша ориентирована в сторону излучателя. В однородной среде автоматическое сопровождение осуществляется без особых трудностей [74].
В условиях многолучевости сигналы приходят по разным направлениям с различными временными задержками, и поэтому приемный тракт автоматического сопровождения запирается ложными сигналами. Эти трудности можно преодолеть с помощью блока временной селекции. Для защиты от помех, возникающих из-за многолучевости распространения сигналов, иногда рекомендуют очень простой способ - приемный тракт запирается после приема первого импульса. Но он далеко не всегда обеспечивает эту защиту. Для обеспечения эффективности временной селекции необходимо иметь информацию о направлении излучения звука а и интервале задержки Aih которые не всегда точно определяются.
Кроме блока временной селекции можно использовать также, систему опорных импульсов, которые передаются излучающей аппаратурой в заданные интервалы и принимаются двумя преобразователями, находящимся на расстоянии d друг от друга. Если угол прихода плоской волны равен а, то фронт импульса будет приходить на преобразователи с интервалом Лх = d sina/c, где с — скорость звука [64]. Временной селектор отключает приемную антенну сразу после приёма импульса, пришедшего но основному лучу. Таким образом, сигналы, пришедшие под углами а,-Ф сен в моменты времени Лх-, Ф Ах, не будут обрабатываться в приемном тракте. Информацию, полученную с помощью опорного импульса, можно использовать для ориентации характеристики направленности акустической антенны по направлению а, что обеспечивает подавление сигналов, приходящих по лучам, расположенным за пределами основного лепестка.
Работа такой системы иногда нарушается вследствие замирания опорного сигнала. Для устранения этого недостатка вместо опорного одиночного импульса передают двоичным кодом некоторое помехоустойчивое сообщение, а в приёмном тракте имеют схему, обеспечивающую выдачу короткого импульса после раскодирования принятого сообщения. Тогда, если один из двоичных знаков не будет принят вследствие замирания, то опорный импульс с выхода приемного тракта, тем не менее, поступит за счет использования более сложных кодов (в виде корректирующих кодов).
Этот импульс и можно использовать для определения угла а. Однако, использование временной задержки, а не фазовой информации, для определения пеленга а уменьшает точность измерения угла при прочих равных условиях. Максимальная допустимая скорость повторения опорного сигнала определяется величиной затягивания импульсов. Приемлемая минимальная частота повторения опорного импульса зависит от скорости взаимного углового перемещения источника и приемника и ширины характеристики направленности приемной антенны. Она также зависит от периодичности и амплитуды угловых перемещений судна, на котором установлена приемная аппаратура. В некоторых случаях затягивание импульса не позволяет обеспечить требуемую частоту повторения опорного импульса. Тогда рекомендуется использовать следящую систему, обеспечивающую надежную работу при уменьшенной скорости повторения опорного сигнала без потери точности слежения. В такой системе используется многоканальная акустическая антенна с формированием в пространстве характеристики направленности по заданному направлению. Опорный импульс используется для идентификации сигнала, приходящего по прямому лучу, описанным выше способом. Относительное угловое перемещение источника и приемника приводит к постепенному изменению значения угла а, После идентификации прямого сигнала он используется для слежения за направлением прямого луча. При больших отношениях сигнал/помеха это осуществляется за счет измерения мощности сигнала. Если преобладает многолучевость первого рода, то для повышения помехоустойчивости наиболее рационально использовать способ пространственного разделения, который предусматривает разнесение частот или точек приёма таким образом, чтобы флуктуации сигнала в двух каналах не коррелировались. Преимущества методов разнесенного приёма были показаны в работах д. т. н. проф. Тараеіока Ю.Ф.[74] и других.
Повышение помехоустойчивости ГАС при изменении частоты сигнала из-за эффекта Доплера достигается применением автоматических следящих фильтров с плавно изменяющейся центральной частотой, а в условиях воздействия только шумовой помехи обеспечивается использованием оптимальных и субоптимальных трактов приёма и обработки сигналов. Уровень шумовой помехи на акустическом приёмнике можно уменьшить с помощью правильно выбранной рабочей частоты системы, сужения ширины полосы, применением конструктивных различных способов, а также путем удаления приёмной антенны от работающих механизмов судна.
Как известно, мероприятия, направленные на решение технических проблем повышения эффективности антенн были исследованы многими специалистами и опубликованы в их работах[71; 72; 81]. Однако необходимо отметить, что это на практике трудно достигается из-за технических ограничений (например: невысокая эффективность из-за недостаточного внимания проблеме обработки сигналов; сильная зависимость от технологии изготовления; стоимостные затраты и др.), Вместе с этим, практически большинство существующих способов повышения помехоустойчивости ГАС связано с уменьшением скорости передачи информации, поэтому они имеют определенные (иногда педостигаемые) ограничения.
Второй способ предусматривает увеличение скорости передачи информации за счет использования сложных модулированных сигналов. Как хорошо известно, в современных ГАС используется частотная или фазовая манипуляция. Другие методы модуляции, которые связаны с амплитудой или длительностью передаваемых импульсов, даже при хороших условиях распространения звука могут обеспечить лишь небольшую скорость передачи информации. В канале с высоким уровнем шумов и с замираниями эти методы оказываются неэффективными [74].
Для повышения помехоустойчивости передачи информации по ГАК можно использовать и частотное кодирование. В системе с зависимым от времени кодированием первый символ представляет собой один из двух возможных сигналов в полосе с центральной частотой/], а последующие символы передаются посредством аналогичных сигналов, но в частотных полосах с последовательными центральными частотами/2 /з,.../т. Такой способ позволяет избежать интерференции внутри символа по всей последовательности из/,, символов. Система с таким кодированием требует сложного и дорогостоящего передающего и приемного оборудования, но обеспечивает высокую скорость передачи информации. Использование корректирующих кодов может обеспечить ещё большую помехоустойчивость, но скорость передачи данных соответственно уменьшиться [74].
Порождающая и проверочная матрица линейного блочного кода
В пределе волна принимает пилообразный профиль (рис. 2.5, в), который сохраняется до тех нор, пока диссипация (рассеяния) не приведет к ослаблению энергии волны до уровня, соответствующего уровню энергии волн малой амплитуды. После этого он вновь принимает синусоидальную форму (рис. 2.5, г). Как следует из преобразования Фурье, волна пилообразной формы имеет очень широкий спектральный состав (в спектральном представлении этот процесс вызовет образование высших гармоник основной частоты), т. е. упругая среда для волн конечной амплитуды обладает нелинейными свойствами [3; 41].
Одно из наиболее важных с практической точки зрения явлений нелинейной акустики — параметрическое взаимодействие двух или нескольких ультразвуковых волн большой интенсивности. При взаимодействии двух коллиминирован-ных, т. е. узконаправленных, параллельных звуковых волн достаточной интенсивности с частотами f{ и /2 возникают (вследствие нелинейных свойств морской воды) волны с новыми частотами - генерируются сигналы вторых и высших гармоник (2f]t 2/, и т. д.) и комбинационных частот (f{ + /,,,/1 /2)- Волны частот «накачки» / и /,, суммарной частоты (/ + /,) и гармонических составляющих (2/,,2/) подвержены сильному затуханию. За пределами области взаимодействия практически существует лишь волна разностной частоты (ВРЧ) (А /г) имеющая существенно меньшее затухание [11; 78].
В линейной гидроакустике любая антенна совмещает в себе две основные функции: преобразование акустической энергии в электрическую (и обратно) и формирования направленного излучения [70; 73]. Основные издержки при создании антенных устройств происходит именно из-за необходимости обеспечения заданной направленности в определенном частотном диапазоне. Особенностью параметрических антенн является то, что указанные выше две функции у них пространственно разделены. Задача преобразования энергии из одного вида энергии в другой выполняется с помощью малогабаритных антенн, а характеристику направленности формирует участок нелинейной среды, озвученный специально излучаемым сигналом накачки. Благодаря использованию методов нелинейной гидроакустики появилась возможность уменьшить массо габаритные характеристики антенш іх устройств ГАК [41 ].
Параметрическая излучающая антенна (ПИА) представляет собой первичный преобразователь накачки, излучающий в простейшем случае две высокочастотные волны с близкими частотами, и участок водной среды —область взаимодействия волн (рис. 2.6). Область взаимодействия первичных волн, ширина которой определяется характеристикой направленности на высокой частоте, а протяженность Lj - величиной поглощения в среде на этой частоте, представляет собой объемную антенну, формирующую направленное излучение на разностной частоте.
При заданных размерах излучателей ширина ХН тем меньше, чем длиннее зона взаимодействия и выше частота волн «накачки». Необходимо отметить, что ПИА имеет аналог в линейной гидроакустике — антенну бегущей волны, представляющей собой ряд расположенных вдоль прямой линии одинаковых излучателей, излучающих сигналы с определенным фазовым сдвигом относительно друг друга. При сдвиге фаз, равном времени пробега акустической волной расстояния между соседними излучателями, максимум энергии формируется антенной вдоль оси. В антеннах бегущей волны ХН определяется продольными размерами антенны, то есть длиной цепочки излучателей.
Так как ширина характеристики направленности ПИЛ определяется длинной зоны взаимодействия, а продольный размер этой области во много раз превосходит поперечный, направленность параметрической антенны значительно выше, чем направленность антенны бегущей волны. Уникальные свойства ПИЛ связаны еще с тем обстоятельством, что источники волны разностной частоты (ВРЧ) в области взаимодействия не являются покоящимися; они возникают при нелинейном взаимодействии волн накачки и движутся вместе с ними со скоростью звука. Это явление приводит к тому, что ВРЧ излучается в основном вперед - вдоль оси распространения пучков накачки и под малыми углами к оси [54].
Среди других качеств ПИЛ можно отметить практически полное отсутствие боковых лепестков в диаграмме направленности. Ее форма определяется главным образом продольным распределением амплитуд высокочастотных волн, которые плавно уменьшаются при удалении от преобразователя накачки по экспоненциальному (из-за влияния затухания) или более сложному (вследствие дифракции и нелинейного поглощения) закону. На форму диаграммы оказывает влияние и поперечное распределение амплитуд высокочастотных волн на преобразователе (краевые эффекты), однако максимумы бокового излучения оказываются разнесенными на большие углы; кроме того, боковое излучение сильно подавленно из-за нелинейности процесса генерации ВРЧ.
Для параметрических антенн характерна широкополосность, вследствие которой относительно большие изменения разностной частоты можно получить при незначительных относительных изменениях одной из высоких частот или обеих частот одновременно. В тоже время значительные изменения ВРЧ не вызывают заметного изменения ХН.
Компьютерное моделирование кодирования информации в спектре частотно-модулированного сигнала
Выше было показано, что для передачи информации с помощью сложных сигналов по гидроакустическому каналу связи целесообразно использовать ЧМ-сигналы. Однако в морской среде даже ЧМ-сигналы подвержены значительным искажениям. Как выше сказано, сигналы .v,(f - г,) приходят на приемную антенну с малыми интервалами запаздывания { г,}. Оли накладываются один на другой.
В результате при выполнении взаимокорреляционной: обработке этих сигналов в приемном тракте в качестве помехи присутствует кроме шумовой составляющей чрезвычайно большое количество сигналов st(t r,), отличающихся временами запаздывания {г,}.
Для разделения этих сигналов в приемном тракте с согласованным фильтром требуется применять сложные сигналы с возможно большей шириной полосы F w применение гидроакустических антенн с узкой диаграммой направленности частности, параметрических излучателей [54]). Но так как гидроакустические антенны обладают ограниченной шириной частотной полосы - Л/, составляющей, как правило, 1 Н20% от несущей частоты /, то для передачи таких широкополосных сигналов требуется переходить на более высокие частоты / [70]. А это вызывает сокращение дальности передачи информации по гидроакустическому каналу связи за счет большего затухания высокочастотных сигналов в морской среде. Известно также, что с повышением частоты передаваемых сигналов при увеличении расстояния возрастают флуктуации их амплитудных значений л-( [74], что способствует понижению вероятности их обнаружения за счет вынужденного повышения порога обнаружения.
Присутствие этих сигналов снижает соотношение сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра. Возникающие при этом искажения, называемые внут-рисимвольной интерференцией [74], в наибольшей степени могут проявляться при использовании фазо манипул про ванных сигналов, так как они состоят из повторяющихся импульсов с тональным заполнением одинаковой частоты. Увеличение расстояния между символами, применяемое для борьбы с внутрисимволь-ной интерференцией, приводит к понижению скорости передачи информации и снижению ширины полосы сигналов F, что вызывает снижение разрешающей способности по дальности сої ласо ванно го фильтра и следовательно ухудшает его возможность разделения в приемном тракте сигналов (/- г,.), приходящих на приемную антенну с малыми интервалами запаздывания {г(}.
В морской среде наблюдается также явление дисперсии скорости звука, т.е. зависимость фазовой скорости распространения сигналов от частоты. Это явление вызывает дополнительные искажения ШГІС и как следствие — снижение соотношения сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра.
Если сигнал (t) имеет спектр F(w), то сигнал ,(/ — г,)имеет спектр F( w)exp(-y yr,). Таким образом, все сигналы ,(/- г,), содержащие одну и туже информацию и приходящие с разными временами запаздывания {г,} на приемную антенну, имеют одинаковые амплитудные спектры и отличаются только фазовыми. Следовательно, если передаваемую информацию кодировать только в амплитудном спектре F{U)) сигнала (/), то можно исключить многие указанные искажения. Но тогда целесообразно в протяженных сложных широкополосных сигналах изменять кодированную информацию в зависимости не от времени t , а от частоты, сохраняя неизменным частотный диапазон, составляющий АЙ) = (0,14- 0,2) yty,, где со1р- среднее значение частоты передаваемого сигнала. В приёмном тракте требуется вычислять амплитудный спектр принимаемого сигнала, используя, например, широко известный алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ): где Re[(7( y)] и [m[(?(fi )]- действительная и мнимая части комплексного спектра G(co)соответственно. Как выше указано, суммарный сигнал л(/) в точке приема можно представить по формуле (1.3). Тогда амплитудный спектр сигнала s(t) получается в виде: равен сумме спектров составляющих сигнала л(/), приходящих с разных направлений на приемную антенну. Таким образом, используется вся энергия приходящих на антенну сигналов с разных направлений, а не её часть, выделяемая по одному лучу, как это, как правило, выполняется при согласованной фильтрации. Для кодирования передаваемой информации в амплитудном спектре сигнала, весь частотный диапазон Д у разбивается на поддиапазоны Д«а ,, А(ог... Ащ ... А&п (рис. 2.13). Все частотные диапазоны, безусловно, подвержены смещению за счет изменения частоты принимаемых сигналов при изменении относительной скорости - V движения объектов передающих и принимающих информацию. Для учета изменения относительной скорости -V целесообразно использовать опорный сигнал %(t) на заранее известной частоте или точно знать, например, начальную частоту передаваемого широкополосного сообщения. Тогда в соответствии с (1.4) пересчитываются изменения частотных диапазонов Acot с учетом эффекта Доплера. Протяженность кодовых слов можно увеличивать, расширяя ширину полосы частот Аса передаваемых сигналов v(/). Однако Асо ограничена шириной полосы частот ГАЛ ДІУ ,. Поэтому увеличивать протяженность кодовых слов целесообразно повышением разрешения Ato, в амплитудном спектре G(o) передаваемых сигналов, увеличивая их длительность. Расстояние между частотными диапазонами (Аа , - До,+1) выбирается, исходя из наиболее вероятного расширения спектра принимаемых сигналов по формулах (2.12) и (2.21 Для повышения количества передаваемой информации, требуется уменьшать расстояние между частотными диапазонами (Д у, - Дл ,+1). Это достигается как снижением относительной скорости -V передающих и принимающих информацию объектов, так и сужением характеристик направленности передающей и приемной гидроакустических антенн. С этой целью, например, целесообразно применять параметрические излучатели [7; 54], обладающие относительно узкой диаграммой направленности практически без боковых лепестков при излучении низкочастотных звуковых колебаний, имеющих достаточно малое затухание при распространении в морской среде. Приемную антенну также целесообразно выполнять с относительно узкой диаграммой направленности, ориентированной на направление прихода сигналов по прямому лучу.
