專利名稱:堅固的水下通信系統的制作方法
本發明涉及一種水下通信系統，尤其是但不是排他的，涉及堅固的水下通信系統，便于在水中或水下進行定位和/或導航。典型地這種系統用于近海石油和天然氣工業定位各種物體，例如表面上的工作船、在水柱(watercolumn)或在海底的運載工具或結構。此外，這些系統可以從物體到物體傳遞指令以及控制信號或其它數據。這樣的系統也可應用在海軍領域，用于與海下船只/交通工具通信。
距離測量、方位測量、速度測量和水下通信的最實際的方法是使用超聲或聲音信號。現代的系統通常都是與慣性/空間方位角傳感器以及例如全球定位系統(GPS)的水面上的無線導航定位系統高度集成的。然而，實際上，這些系統的水下部分使用聲音信號。
在這些系統中有的時候有幾個矛盾的數據通信要求。例如在指令、控制和導航系統要求的情況下，必須在較寬范圍的條件下可靠地、安全地并且以最小延遲傳遞相對小的數據量，而在水下記錄器具的情況下，使用最少運輸時間應該可獲取大量的數據，通常是文件結構。
通常認為，高性能水下通信使用無線電信號比等效的系統更困難。這是因為在工作環境中和周圍存在高的聲音噪聲電平以及由于通風、多徑效應、體積混響和有限頻率帶寬引起的其它一些問題，這些會導致差的要求的信噪功率比。發射機相對于接收機的額外運動也會產生問題。
更加詳細地考慮這些問題，多信號路徑(多徑效應)來自水面、海底和例如船殼的其它水下界限的信號的反射產生的。而且由于溫度隨著深度變化，海洋并不是均勻的，而是具有分層結構，折射聲音并且也可導致多徑效應。總的效應可能是在任一時刻接收的信號包括從幾個不同的路徑到達的幾個不同版本信號的總和。
在通信系統中，不同的信號代表不同的符號，它又代表不同的數據序列，因此水下通信的主要問題是符號間干擾。使用具有長的持續時間的符號可以避免該問題，但是這限制數據速率，而數據速率是重要的性能參數。另一個技術是使用時域或頻域“均衡”將數據排序，從而去除大量干擾。為了訓練的目的，很多已知的實施例使用已知數據的前同步序列，前同步序列是復雜的并且要求最短的時間期間傳送任何數據，這使得通常以文件結構傳送大量數據的該方法更加適用。
然而，復雜性可能是水下系統的問題，因為水下導航信標和許多其它海底儀器都是由電池供電的，而系統復雜性和能量消耗之間存在著大概正比關系。因此通常需要避免過度的復雜性從而減少電池更換之間的時間。
此外，通信系統的性能依賴于頻率帶寬以及接收機的要求的信噪比。在水中，聲音吸收隨著頻率增加而增加，結果是具有實際范圍能力的任何系統，尤其是在噪聲環境中的系統與無線電系統相比，具有有限的帶寬。因此有效地使用帶寬是另一個期望的要求。
在傳統窄帶系統中，符號間干擾，即交替積極的和有害的干擾導致信號幅度和功率的波動。該影響通常稱為衰落，它可以使用寬帶信號減輕。
本發明的目的是提供一種水下通信系統，其中至少部分減輕了上述問題，從而提供不是過度復雜并且能夠在困難的工作條件下有效操作的系統。
根據本發明，提供了一種水下通信系統，用于在聲音信號發射機和位于遠程的聲音信號接收機之間的通信，其中由多個符號承載發送的數據，每個具有兩個成分，一個成分包括不同的比特碼，另一個成分屬于作為一個整體的符號的字符，其中通過預定的持續重復不同的步長的序列改變連續符號的字符，序列中每個步長出現一次，信號接收機與信號發射機同步地操作，并且包括響應于該比特碼和接收信號的字符的相關器裝置，還具有輸出，每個符號一個輸出，從而當接收到符號時，其對應的輸出的信號居支配地位，以及響應于從該相關器的輸出的幅度檢測裝置，用于提供對應于發送數據的輸出信號。
根據預定的序列和發射機及接收機的同步操作不僅改變每個符號的比特碼而且還改變連續符號的字符，有助于在存在可能干擾接收的不需要的偽信號和噪聲的情況下檢測需要的信號。
特別地，基本上消除由于多徑效應引起的偽信號的影響，因為在序列被重復時這樣的信號已經消失了，優選地使用的該序列包括幾個步長變化，從而它先前發生的任何重要的多徑成分留下足夠的時間后再重復，從而極大地降為不重要的。
使用相移鍵控(PSK)可以發送包括每個符號的第一成分的比特碼，并且每個符號的字符可以通過載波頻率跳頻從而一個符號一個符號地改變，它是在載波頻率上通過所述預定的連續地重復步進序列發送。
該發射機可以包括PSK調制器裝置，和用于跳頻承載調制信號的載波頻率的裝置，該接收機包括頻率/相位檢測裝置，用于檢測接收信號的兩個成分，安排該檢測裝置將接收信號饋送給相關器，幅度檢測器響應該相關器提供對應于發送數據的輸出信號。
該頻率/相位檢測裝置可以包括相位正交檢測器。
該接收機的相關器優選地采用最佳的信號的相關處理，從而在相關器組中連續地生成每個時期，即信號周期的所有可能信號的復制品，同時使用最大似然原理也有助于信號/符號決定。
理想地，信號應該具有足夠的帶寬，以便考慮每個應用在需要時解決多徑問題。
使用寬帶標題信號可以獲得同步。
可以在每個序列結尾加上類似的尾部信號。
對于短的數據分組和適當的數據速率，發射機和接收機之間的相對運動的補償不是必須的，但是使用頭部和尾部信號的到達時間的估計并將時間差和已知的“已發送”時間差相比較可以獲得較高的速率補償，補償目的的該比較是在信號檢測后進行的。
可選地，使用每個符號到達時間的估計和估計發射機與接收機之間的最佳時間標定(time scale)差的卡爾曼過濾器方法可以實現相對運動補償。
本領域技術人員理解，根據本發明的系統實質上解決了提供安全、可靠指令和適用于大范圍操作條件的控制鏈路的問題。與已知的系統相比，取得更高的數據速率并且整個系統的操作速度也增加，從簡單性上看，相對小的功率消耗的實現是可能的，這對于電池供電的儀器/裝置是期望的特征。
特別地，本發明有助于通過多徑環境以最小的延遲、對導航系統最小的影響將適當大小的數據分組傳輸至位于嘈雜的工作船或平臺上的接收機。
下面參考附圖僅以示例的方式描述本發明的一個實施例。
圖1是聲音信號發射機的示意方框電路圖；圖2是和圖1的發射機共同使用的聲音信號接收機的示意方框電路圖。
現在參考圖1，聲音信號發射機包括數據存儲器1，用于存儲在二進制轉換器2和3中轉換為相應的二進制信號格式的數據。為了便于在接收機糾錯，而糾錯可能以任何已知方式進行，在碼生成器4中加入適當的額外冗余數據，該數據被重新排序為適合于在信號處理器5中合成的格式。這樣處理的信號在加法器6中增加標題比特進一步修改，加法器6有助于在接收器中識別序列的開始和發射機及接收機的同步。數據包括以重復的序列使用2n＝m符號一次編碼n比特，數據比特在調制器7中通過序列被PSK調制到載波上，該載波是已跳頻的載波，使用正交載波頻率產生偽隨機序列。在處理器8中附加尾部，而得到的信號通過數模轉換器9和輸出匹配的功率放大器10饋送給到聲音信號變換器，通過水傳輸該聲音信號到圖2所示的接收機。
應當懂得，載波本身并不承載任何信息，但是它們是減輕在接收機的多徑信號的手段。
現在參考圖2，在該接收機，由變換器12接收模擬聲音信號，在放大器13中放大，并且在AD轉換器14中以適當的速率轉換為抽樣的數字格式。在相位正交檢測器中將產生的數字信號混合為方便的中頻，相位正交檢測器包括混合器15a和15b，由本地振蕩器15c生成的相位正交的信號饋送給這兩個混合器。使用過濾器16將來自混合器15a和15b的相位正交相關的信號抽取為另一個適當的速率。抽取的信號饋送給到包括匹配濾波器17的復雜相關器組。
對于信號序列中的每個時期，該濾波器大致匹配該頭部信號、2n符號或尾部。中幅度檢測器18中決定符號的存在，該決定是根據濾波器17的所有輸出并選擇最大輸出，基于最大似然進行的。
得到的解碼數據序列輸入到檢錯/糾錯模塊19，其中使用冗余數據檢測傳輸差錯，并且如果可能，校正該差錯。在處理器20中格式化原始數據和錯誤報告并以適當的格式傳送。
在不偏離本發明范圍的前提下，可以對本申請描述的示例的實施例進行各種變型，例如可以使用本領域技術人員熟知的其它技術定義兩個成分的性質。為了僅僅給出一個例子，包括該數據的第一成分可以包括脈碼調制，而定義重復序列的第二成分可以包括相位調制。應當懂得，對這兩個成分的其它適當的調制組合也是可行的。
權利要求
1.一種水下通信系統，用于在聲音信號發射機和位于遠程的聲音信號接收機之間的通信，其中發送的數據由多個符號承載，每個符號具有兩個成分，一個成分包括不同的比特碼，另一個成分屬于作為一個整體的符號的字符，其中通過預定的連續地重復序列的不同的步長步進連續符號的字符，在該序列中每個步長出現一次，該信號接收機與該信號發射機同步地操作，并且包括響應于比特碼和接收信號的字符的相關器裝置，用于進行解調并且具有多個輸出，每個符號一個輸出，從而當檢測到每個符號時，其對應的輸出上的信號居支配地位，以及響應于該相關器的輸出的幅度檢測裝置，用于提供對應于發送的數據的輸出信號。
2.根據權利要求
1所述的水下通信系統，其特征在于使用的該序列包括足夠步長的變化，使得在其重復前已經過去了足夠的時間，允許所有重要的多徑成分降為不重要的。
3.根據權利要求
1或2所述的水下通信系統，其特征在于使用相移鍵控(PSK)發送包括每個符號的第一成分的比特碼，和通過載波頻率跳頻一個符號一個符號地改變每個符號的字符，該符號的字符在載波頻率上通過所述預定連續地重復序列頻率發送。
4.根據權利要求
3所述的水下通信系統，其特征在于該發射機包括PSK調制器裝置，以及用于有效地跳頻承載這樣調制的信號的載波頻率的裝置，該接收機包括頻率/相位檢測裝置，用于檢測接收信號的兩個成分，安排該檢測裝置饋給相關器，該幅度檢測器響應該相關器提供對應于該發送數據的輸出信號。
5.根據權利要求
4所述的水下通信系統，其特征在于該頻率/相位檢測裝置包括相位正交檢測器。
6.根據前述任一項權利要求
所述的水下通信系統，其特征在于該接收機的該相關器采用信號的最佳相關處理，從而在相關器組中連續地生成每個時期的所有可能信號的復制品，因而有利于根據最大似然檢測原理進行符號識別。
7.根據前述任一項權利要求
所述的水下通信系統，其特征在于在每個信號序列的開始發送寬帶標題信號實現同步，在該接收機中提供檢測信號標題的裝置。
8.根據前述任一項權利要求
所述的水下通信系統，其特征在于在每個序列的結尾加上尾部信號。
9.根據權利要求
8所述的水下通信系統，其特征在于取決于該頭部和該尾部信號到達的相對時間進行在該發射機和該接收機之間的相對運動的補償。
10.根據權利要求
8所述的水下通信系統，其特征在于使用每個符號的到達時間的估計實現相對運動的補償。
11.一種水下導航系統，包括前述任一項權利要求
所述的通信系統。
12.一種水下定位系統，包括權利要求
1至10的任一項權利要求
所述的通信系統。
專利摘要
一種堅固的水下通信系統，用于聲音信號發射機和位于遠程的聲音信號接收機之間的通信，其中由多個符號承載發送的數據，每個符號具有兩個成分，一個成分包括區別比特碼，另一個成分屬于作為一個整體符號的字符，其中通過預定的持續重復不同步長的序列來步進連續符號的字符，在該序列中每個步長出現一次，該信號接收機與信號發射機同步地操作并且包括響應于比特碼和接收信號的字符的相關器裝置，用于進行解調并具有多個輸出，每個符號一個輸出，從而當接收到符號時，其對應的輸出的信號居支配地位，以及響應于相關器裝置的輸出的幅度檢測裝置，用于提供對應于該發送的數據的輸出信號。
文檔編號H04L27/00GK1998167SQ20058001911
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月3日
發明者克里斯托弗·達德利·皮爾斯, 理查德·詹姆斯·達德利·史密斯 申請人:索納達因國際有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan