OFDM МОДУЛИРОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ АНТЕННЫ

АННОТАЦИЯ

Характеристики передачи мелкого подводного канала ограничены из-за многократного отражения звуковых волн от дна и поверхности воды, а также из-за нестационарности, вызванной движением поверхности воды. В традиционных узкополосных телекоммуникационных модемах используются сложные эквалайзеры с обратной связью по принятию решений для минимизации влияния межсимвольных помех, вызванных многолучевым распространением звуковых волн. В статье предлагается адаптировать метод мультиплексирования посредством ортогональных несущих для использования в системе подводной связи. В качестве излучающей системы предложено использовать гидроакустическую параметрическую антенну.

ABSTRACT

The transmission characteristics of a shallow underwater channel are limited due to the multiple reflection of sound waves from the bottom and surface of the water, as well as due to the unsteadiness caused by the movement of the water surface. Traditional narrowband telecommunication modems use sophisticated equalizers with decision feedback to minimize the impact of intersymbol interference caused by multipath propagation of sound waves. The article proposes to adapt the method of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) for use in an underwater communication system. It is proposed to use a hydroacoustic parametric array as a transmitting system.

Ключевые слова: модуляция, подводный канал, подводная связь, параметрическая антенна, мультиплексирование

Keywords: modulation, underwater channel, underwater communication, parametric antenna, multiplexing

В подводной связи сигнал акустической волны передается изменяющейся во времени средой. Многократные отражения звуковых волн от дна и движущейся поверхности воды вызывают межсимвольные помехи [1-3]. В настоящее время телекоммуникации предлагают несколько методов устранения этого эффекта. В приемниках обычных телекоммуникационных модемов используются эквалайзеры с обратной связью по принятию решений, основанные на адаптивных фильтрах. Слабостью этих эквалайзеров является их сложность. В модемах ADSL (асимметричная цифровая абонентская линия) используется технология широкополосной мультиплексирующей модуляции с ортогональным частотным разделением, которая является спектрально эффективной и устойчивой к межсимвольным помехам. Адаптивные эквалайзеры в приемниках ADSL проще, чем устройства DFE в обычных модемах [4, 5]. В статье предлагается применение модуляции OFDM и адаптивного выравнивания в подводной системе связи. Представлена краткая характеристика мелководного подводного канала. Описаны идеи модуляции OFDM при использовании параметрических излучающих антенн.

Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) - это метод модуляции, используемый в широкополосных телекоммуникационных модемах ADSL [6, 7]. Этот метод разбивает сигнал на несколько узкополосных каналов на разных взаимно ортогональных частотах. Исходный поток данных разделяется на параллельные подпотоки данных. Каждый из подпотоков модулирует свою собственную несущую частоту. Идея метода – вместо высокоскоростной модуляции одной несущей применять модуляцию набора поднесущих с гораздо меньшей скоростью. Весь диапазон разбивается на несколько ортогональных частот вида s_n(t)=A·sin(2π[f₀+nΔf]), где n=0,...,N; Δf – интервал между поднесущими. Входной поток данных делится на группы (символы), которые используются для одновременной модуляции каждой поднесущей. К символам добавляют защитные интервалы (паузы) как эффективное средство борьбы с межсимвольной интерференцией [8].

Обобщенная схема метода представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Диаграмма OFDM модулятора

Модулятор OFDM (рис. 1) состоит из квадратурных модуляторов и процессора дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ) реализуется в узкополосных подканалах, где скорости передачи относительно низки, поэтому нет необходимости применять сложные фильтры и эквалайзеры в приемнике. В каждом интервале дискретизации символы КАМ основной полосы частот представляют последовательность дискретных выборок спектра. Процессор ДПФ вычисляет обратное преобразование Фурье для каждой последовательности символов КАМ. Результат интерпретируется как дискретные временные выборки сигнала. Сигнал дискретного времени, вычисленный таким образом, равен сигналу, полученному с помощью КАМ полосы пропускания несущих частот.

Уникальной особенностью подводной связи является то, что сигнал акустической волны передается изменяющейся во времени средой. Из-за поглощения канал ограничен полосой пропускания. Большинство подводных систем связи работают на частоте ниже 30 кГц. Максимальная дальность и скорость передачи являются функциями физики канала.

На мелководье флуктуации передаваемого сигнала вызваны главным образом многократными отражениями звуковых волн от дна и поверхности воды. Пути отраженного сигнала достигают приемника с различными задержками. Помехи между сигнальными трактами приводят к затуханию передаваемого сигнала. Нестационарность канала вызвана главным образом движением поверхности воды и относительным перемещением передатчика и приемника.

В случае помех, вызванных несколькими сильными отражениями, нестационарный канал описывается n-элементной импульсной характеристикой, коэффициенты которой периодически меняются:

,                      (1)

где:  – веса синусоид;

ω₀=0 и ω_i, i=1,…, m – доплеровские пульсации [9].

Схема подводной передачи данных с использованием в качестве передатчика параметрической антенны представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Диаграмма звукоподводной системы передачи информации

Параметры системы представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Технические характеристики

Методы модуляции OFDM, предложенные для использования в нестационарном многолучевом подводном канале, в дальнейшем будут протестированы в среде моделирования. Основным ограничением эффективности метода является число поднесущих. Оно должно быть достаточно большим – от десятков до тысяч, что может быть затруднительно для практического использования. Для уточнения этого положения потребуется дополнительное моделирование.

Список литературы:

1. Lanzagorta M. Underwater communications //Synthesis lectures on communications. – 2012. – Т. 5. – №. 2. – С. 1-129.
2. Bai C. et al. Digital underwater communication with chaos //Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. – 2019. – Т. 73. – С. 14-24.
3. Yang Y., Xiao Y., Li T. A survey of autonomous underwater vehicle formation: Performance, formation control, and communication capability //IEEE Communications Surveys & Tutorials. – 2021. – Т. 23. – №. 2. – С. 815-841.
4. Федосова Е. С. Расчет максимально достижимой скорости передачи для технологии ADSL // Вестник магистратуры. – 2018. – №. 6-3. – С. 8.
5. Каргин М. С., Сагаева И. Д. Недостатки применения передачи данных по линии амплитудной модуляции 433 МГц в промышленных условиях //Математическое и компьютерное моделирование в экономике, страховании и управлении рисками. – 2020. – №. 5. – С. 90-94.
6. Myronchuk O., Shpylka O., Zhuk S. Algorithm of channel frequency response estimation in orthogonal frequency division multiplexing systems based on Kalman filter //2020 IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET). – IEEE, 2020. – С. 31-34.
7. Lian J. et al. Orthogonal frequency division multiplexing techniques comparison for underwater optical wireless communication systems //Sensors. – 2019. – Т. 19. – №. 1. – С. 160.
8. Леньшин А. В. и др. Использование технологии мультиплексирования с ортогональным частотным уплотнением в системах передачи информации //Фундаментально-прикладные проблемы безопасности, живучести, надежности, устойчивости и эффективности систем. – 2019. – С. 58-64.
9. Tsatsanic M.K., Giannakis G.B. Modeling and Equalization of Rapidly Fading Channels // International Journal of Adaptive Control and Signal Processing – 1996. - Vol. 10, - Pp. 159-176.