Повышение помехозащищенности передачи кодовой информации по гидроакустическому каналу связи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах руке»

Ж

Выовг Туан Хунг

ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОЗАЩИЩЕНОСТИ ПЕРЕДАЧИ КОДОВОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ

Специальность: 01.04. Об- Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Давыдов В. С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тарасюк Ю. Ф. кандидат технических наук, доцент Добротин Д. Д.

Ведущая организация - ФГУП ЦНИИ «Гидроприбор»

Защита диссертации состоится: « ¿У ъ&е^еб^иЖЪЬ г. в/е£ часов на заседании диссертационного совета Д 212.238Ю6 Саг^-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ученый секретарь диссертационного совета:

Юлдашев 3. М.

2 <0с>6-У

£ Л* </¿¿76

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы постоянно возрастает интерес к системам передачи информации по гидроакустическому каналу (ГАК) связи. Это обуславливается необходимостью обеспечения управления различными подводными объектами, передачи кодовой информации с таких объектов и т.д. Требуемые при этом дальности связи могут составлять от нескольких сотен метров до десятков километров при высокой точности доставки информации получателю

При передаче кодовой информации по ГАК основными факторами, ограничивающими эффективность работы системы связи, являются многолучевое распространение сигналов в морской среде и воздействие реверберационных помех. Эти явления приводят к тому, что параметры гидроакустических сигналов подвержены значительным случайным флукгуациям.

Поэтому актуальным является повышение помехозащищенности гидроакустической подводной связи (ГАПС) в том числе при передаче кодовой информации.

Целью диссертационной работы является повышение помехозащищенности кодовой информации, передаваемой по гидроакустическому каналу связи, от воздействия реверберационных помех в условиях многолучевого распространения сигналов в морской среде.

Цель работы достигается решением следующих задач:

1. Разработка рекомендаций по выбору метода формирования гидроакустических сигналов;

2. Выбор вида модуляции для передаваемых гидроакустических сигналов с повышенной помехозащищенностью;

3. Обоснование методов кодирования и обработки гидроакустических сигналов для помехозащшцённого приема передаваемой информации;

4. Формирование решающих правил распознавания передаваемой информации, закодированной в гидроакустических сигналах.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе теории сигналов, математической статистики, теория оценок, статической гидроакустики и др. Моделирование кодирования гидроакустических сигналов с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье выполнено на компьютере.

Научная новизна. Разработан метод ГАПС, включающий:

1) Обоснованный выбор частотной модуляции (ЧМ) вместо широкораспространенной фазовой манипуляции (ФМ) для передаваемых гидроакустических сигналов в морской среде;

2) Представление кодируемой информации в форме амплитудных спектров гидроакустических сигналов, а не во временной структуре сигналов;

3) Разработку эвристического и оптимального решающих правил для декодирования передаваемой информации;

4) Формирование каскадного кодирования и декодирования информации с применением в первом каскаде мягкого, а во втором каскаде жесткого декодирования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Применение сложных ""Г'Т'"'"^ ~ "тгнапрв для гидроакусти-

ческой подводной связи (в отличие от тональны* I?1вОДШЮШМ^отведляет суще-

I ВИБЛИОТЕКА |

! «'»я

ственно снизить флуктуации амплитуд сигналов и исключить противофазное гашение звуковых колебаний за счет эффекта "замирания";

2. Представление кодируемой информации в форме амплитудных спектров гидроакустических сигналов позволяет повысить помехозащищённость воспринимаемой информации за счет увеличения уровня амплитудного спектра принимаемого сигнала, равного сумме спектров всех составляющих этого сигнала, приходящих с разных направлений на приемную антенну;

3. Применение бинарного кода снижает ошибки декодирования передаваемой информации за счет выставления значительного порогового уровня между "О" и "1", снижающего влияние случайных флуктуаций уровней амплитудных спектров гидроакустических сигналов;

4. Каскадное кодирование и декодирование передаваемой информации с применением в первом каскаде мягкого декодирования с помощью разработанного оптимального решающего правила, а во втором каскаде - жесткого декодирования с помощью разработанного эвристического решающего правила.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендации. Достоверность основывается на корректном использовании известных теоретических методов обработки сигналов и кодированной информации, учете ограничений, накладываемых свойствами гидроакустического канала связи и точностью численного моделирования. Полученные результаты не содержат внутренних противоречий и согласуются с известными физическими представлениями.

Практическая ценность работы состоит в возможности передачи с большей помехозащищенностью кодовой информации по ГАК в морской среде. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанный метод для реализации в системах ГАПС.

Реализация результатов работы: Результаты работы использованы при проведении занятий по курсу "Радиооборудование кораблей", в курсовом проектировании студентов и научных исследованиях магистров кафедры. Предлагается использовать в практике инженерного проектирования систем звукоподводной связи корабельного состава отечественного и зарубежных флотов.

Апробация. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на 56-й научно-технической конференции "Радиоэлектроника и телекоммуникация" в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 10 февраля 2003 г., 57-й научно-технической конференции "Радиоэлектроника и телекоммуникация" в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 4 февраля 2004 г., 58-й научно-технической конференции "Радиоэлектроника и телекоммуникация" в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2 февраля 2005. г

Публикация.

По теме диссертации опубликованы 3 статьи.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трйх глав и заключения, списка литературы, включающего 87 наименований. Основная часть работы изложена на 118 страницах машинописного текста. Работа содержит 40 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введеняй даетця общая направленность работы, обсуждается актуальность

И« -*

решаемых задач диссертационного исследования, указывается цель исследования.

Первая глава работы носит обзорный характер. В ней проведен обзор методов передачи информации по ГАК - Гидроакустическому каналу. Рассматриваются структурная схема ГАК связи, аппаратура передачи информации под водой, модели ГАК связи. Обсуждаются перспективы внедрения гидроакустической техники. Для ослабления воздействия многолучевого характера распространения сигнала и реверберационных помех используются различные методы. К ним относятся корректирующее кодирование, разнесенный по пространству и по частоте прием, использование сложных антенных систем для выделения одного или небольшого числа лучей путем селекции сигналов по времени или углу прихода. Все эти методы можно назвать пассивными методами борьбы с многолучевостью, так как они предполагают лишь ту или иную обработку многолучевого сигнала в приемном тракте.

Принципиальным решением задачи по преодолению влияния многолучевости и повышению достоверности и скорости передачи информации в ГАК явилось применение сложных шумоподобных сигналов (ШПС). С этой целью стали использовать главным образом ФМ-сигналы и согласованный фильтр, обеспечивающие высокую разрешающую способность по дальности.

Благодаря своим корреляционным свойствам ШПС может быть «сжат» в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна используемой ширине полосы частот. Таким образом, выбирая такую полосу системы, чтобы длительность сжатого импульса была меньше времени запаздывания лучей, можно осуществить раздельный прием одного или ряда запаздывающих лучей. Так как ФМ-сигналы представляют собой набор коротких сигналов на одной частоте с изменениями фазы на 180°, эти сигналы подвержены также эффекту "замирания" и имеют сильные флуктуации амплитудных уровней в результате многолучевого распространения в морской среде и воздействия реверберационных помех. Поэтому потребовалось разработать метод ГАПС, не имеющей указанных недостатков, с повышенной помехозащищенностью к воздействию реверберационных помех и влиянию многолучевого распространения сигналов в морской среде.

В конце первой главы дана постановка задачи диссертационной работы.

В начале второй главы диссертационной работы предложен анализ условий распространения гидроакустических сигналов в морской среде. Рассмотрена стохастическая модель реверберационных помех. В настоящее время наибольшее признание при исследовании вероятностных характеристик реверберации получила дискретная каноническая модель П. Фора, В.В. Ольшевского и Д. Миддлтона (ФОМ).

Известно, что морская среда вызывает значительное искажения практически всех параметров распространяющихся в ней гидроакустических сигналов (амплитудные, частотные и фазовые искажения). Большое количество исследований было направленно на уменьшение и исключение этих искажений. В настоящее время для устройства кодовой ГАПС широко используются сложные сигналы, произведение ширины полосы F которых на длительность Т значительно превосходит единицу FT» 1. Взаимно-корреляционной обработкой таких принятых сигналов s(t) с копией излучаемого импульса ftf) реализуется сжатие s(t) в достаточно короткий импульс - отклик, длительность которого т обратно пропорциональна ширине полосы F излученного сигнала, то их корреляционная функция R(t,F) получается в виде:

R(T,F) = {EfE,Y/2 "¡sXmt - T)exp[jFj,(t)]dt, (1)

—«0

где Ei = §£{tfdt - энергия излучаемого импульса; Ex = ||.у(/)|2Л - энергия приня-

-ю -CO

того сигнала; s(t) + js{t)- функция, комплексно-сопряженная с принятым

сигналом sg(t); s(t}- мнимая часть аналитического сигнала, полученная путем преобразования Гильберта от его действительной части, равной s(t); FB- допле-

ровское смещение частоты.

Выбрав соответствующую ширину полосы F, добиваются, чтобы длительность т была меньше времени запаздывания сигналов, приходящих на приемную гидроакустическую антенну по разным лучам подводного звукового канала. Справедливость такого решения, направленного на выделение передаваемого сигнала в условиях многолучевого распространения, неоднократно подтверждалась экспериментальными исследованиями.

При построении систем кодовой ГАПС в качестве сложных излучаемых сигналов часто применяются ШПС с фазовой манипуляцией. С их помощью добиваются высокой разрешающей способности как по времени прихода сигналов, так и по их частоте, изменяющейся в результате эффекта Доплера при относительном движении объектов, передающих и принимающих кодовую информацию. Отклик согласованного фильтра, реализующего взаимную корреляционную обработку принятого сигнала s(t) с копией излученного ФМ - импульса £(/)> чрезвычайно чувствителен к изменению частоты s{t). За счет малой скорости распространения звуковых колебаний в морской среде (с ~ 1500 м/с) по сравнению со скоростью распространения электромагнитных колебаний в воздушной среде, отношение относительной скорости перемещения морских объектов ■ К к скорости распространения звуковых колебаний - с гораздо больше, чем отношение V'c для электромагнитных колебаний в воздушной среде. В гидроакустике изменения s(i) за счет эффекта Доплера значительно больше, чем в радиосвязи.

Поэтому для согласованной фильтрации ФМ - сигналов в соответствии с (1) необходимо выполнять многоканальную взаимно-корреляционную обработку. Разрешающая способность по частоте равна величине, обратно пропорциональной длительности излучающего импульса Т, поэтому в каждом канале требуется выбирать смещение по частоте копии излучающего импульса равным &F = 1/Г. В результате за счет доплеровского смещения и расширения спектра s(i) наблюдается также искажение формы принимаемого сигнала. Поэтому для точной согласованной фильтрации ФМ - сигналов целесообразно не только смещать частоту опорного сигнала ¡Xt), но и измешпъ его форму. С целью повышения точности передачи сообщений по ГАК в условиях многолучевости использовался большой ансамбль шу-моподобных ФМ-сигналов с разными задержками для накопления и усреднения оцениваемых параметров.

Для передачи информации с помощью сложных сигналов по ГАК связи целесообразно использовать ЧМ-сигналы, имеющие меньший интервал корреляции. Они, как правило, не требуют многоканальной согласованной фильтрации принимаемых сигналов s(t), изменяющихся за счет эффекта Доплера. ФМ-сигналы так

же, как тональные сигналы, подвержены эффекту «замирания», возникающему при наложении отдельных составляющих сигнала с близкой к 180 разностью фаз. Применение ЧМ-сигналов исключает эффект «замирания» и значительно сокращает флуктуации амплитуд по сравнению с тональными и ФМ-сигналами.

Однако в морской среде даже ЧМ-сигналы подвержены значительным искажениям. Из-за малого расстояния между дном и поверхностью моря переотраженные от них сигналы приходят на приёмную антенну с малыми запаздываниями {г,}. Для их разделения в приемном тракте с согласованным фильтром требуется применять сложные сигналы с возможно большей шириной полосы Г. Но так как гидроакустические антенны (ГАА) обладают ограниченной шириной частотной полосы Ата, которая составляет Део„ = (0,1 0,2^, где а>ср - средняя частота передаваемых антенной гидроакустических сигналов, то для передачи таких ШГТС требуется переходить на более высокие частоты а это вызывает со!фащение дальности передачи информации по ГАК связи из-за большего затухания высокочастотных сигналов в морской среде. Известно также, что с повышением частоты передаваемых сигналов при увеличении расстояния возрастают флуктуации их амплитуд что понижает вероятность их обнаружения из-за вынужденного повышения порога обнаружения.

В результате многократного отражения принимаемых сигналов я,(/-г,) от дна и рассеяния на поверхности моря в приёмном тракте может наблюдаться большое количество таких сигналов 5,(г-г,) с разными временами прихода Т\ , накладывающихся один на другой. В результате при выполнении взаимно- корреляционной обработке этих сигналов (1) в приемном тракте в качестве помехи присутствует наряду с шумовой составляющей весьма большое количество сигналов (Г-г,), отличающихся временами запаздывания {г,}. Присутствие данных сигналов снижает соотношение сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра. Возникающие при этом искажения, называемые внутрисимвольной интерференцией, в наибольшей степени могут проявляться при использовании ФМ-сигналов, т к они состоят из повторяющихся импульсов с тональным заполнением одинаковой частоты. Увеличение расстояния между символами, применяемое для борьбы с внутрисимвольной интерференцией, приводит к понижению скорости передачи информации и к уменьшению ширины полосы сигналов 7*1, что снижает разрешающую способность согласованного фильтра по дальности и, следовательно, ухудшает его возможность разделения в приёмном тракте сигналов $,(/ - г,), приходящих на приемную антенну с малыми интервалами запаздывания.

В морской среде наблюдается также явление дисперсии скорости звука, т.е. зависимость фазовой скорости распространения сигналов от частоты. Это явление вызывает дополнительные искажения ШПС и как следствие - снижение соотношения сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра.

Если сигнал £(?) имеет спектр Р\со), то сигнал ^ (/ - т1) имеет спектр ^(ш)ехр(-уа)г(). Таким образом, все сигналы 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 Р(р) сигнала £(/), то можно исключить многие указанные искажения. Но тогда целесообразно в протяженных сложных широкополосных сигналах изменять кодированную информацию в зависимости не от времени /, а от частоты, сохраняя неизменным частотный диапазон, составляющий Да» = (0,1 -г 0,2)еоср, где аср - среднее значение частоты передаваемого сигнала. В приёмном тракте требуется вычислять амплитудный спектр принимаемого сигнала, используя, например, широко известный алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ):

(?(<а) = {Е1е2[С?(а>)]+1т2 [(Т^)]}'2 > где Яе[с?(да)] и 1т[0(о>)]- действительная и мнимая части комплексного спектра <3(га) соответственно. Суммарный сигнал в точке приема можно представить в виде:

*«=!>,(')#['-*,(<)]+«(О,

/-1

где Ы- число лучей в точке приема; ^(с)- излучаемый сигнал; а((г)- амплитудные изменения /-того сигнала в процессе распространения и рассеяния на неровностях и неоднородностях среды; г, у)- временная задержка ¿-того сигнала, учитывающая частотные изменения сигнала в процессе распространения; «(/)- аддитивная шумо-

п

вая помеха; Р{со)= е~'а'Ж. Амплитудный спектр сигнала ¿(г):

|<?Н = И®) 1>/(0= И®)] 5>,(')cos*пМ)

м I

+

14

£a,(f)sin<ar,(/)

1/2

равен сумме спектров составляющих сигнала s(t), 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.

Весь частотный диапазон Аса разбивается на поддиапазоны: Д®,,Дй>2,...Да>,...Дй>„. Все поддиапазоны, безусловно, подвержены смещению за счет изменения частоты принимаемых сигналов при изменении относительной скорости V движения передающих и принимающих информацию объектов. Для учета изменения относительной скорости целесообразно использовать опорный сигнал ¿(0 на заранее известной частоте или точно знать, например, начальную частоту передаваемого широкополосного сообщения. Протяженность кодовых слов можно увеличивать, расширяя ширину полосы частот Дсо передаваемых сигналов s(t). Однако Да; ограничена шириной полосы частот ГАА Аша. Поэтому увеличивать протяженность кодовых слов целесообразно повышением разрешения Дю, в амплитудном спектре G(t») передаваемых сигналов, увеличивая их длительность. Расстояние между частотными диапазонами (Да>, -&сом) выбирается исходя из наиболее вероятного расширения спектра принимаемых сигналов: Afv =2/„(K/cXcosa, -cosa2), где V- относительная скорость объектов передающих и принимающих информацию; а,,а2 - углы между направлением движения и приходом лучей; с - скорость звука в морской среде.

Для повышения количества передаваемой информации, требуется уменьшать расстояние между частотными диапазонами (Ао>, -Д©м). 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, целесообразно применять параметрические излучатели, 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.

При амплитудно-частотном кодировании полезная информация передаётся в виде кодовых слов, каждый символ которых представляется амплитудой спектра сигнала в отдельном частотном поддиапазоне. При этом в отдельных частотных диапазонах Аа>1,Аа>2,...Аа>1...Аа>п целесообразно передавать не тональные сигналы, а непрерывный ЧМ-сигнал. Амплитудные изменения в соответствии с передаваемой кодированной информацией в отдельных частотных диапазонах можно оценить после вычисления амплитудного спектра С(аз) принимаемого ЧМ-сигнала.

При использовании ЧМ-сигналов применяется одноканальный приемно-излучающий тракт, что уменьшает стоимость аппаратуры. Исключаются искажения информации за счет эффекта «замирания» и снижаются амплитудные флуктуации принимаемых сигналов. Уменьшения этих флуктуаций способствует повышению вероятности правильного распознавания принимаемой информации.

В главе 3 рассмотрены схемы кодирования и правила декодирования информации, передаваемой по ГАК. При распространении сигналов в море могут возникать значительные изменения амплитуд передаваемых сигналов за счет возможного рассеяния их на рыбных скоплениях, взволнованной поверхности моря и в процессе отражения от дна. Эти флуктуации вызывают случайные изменения амплитуд спектра (?(ю), закодированных в соответствии с передаваемой информацией. Поэтому для снижения ошибок в передаваемой информации целесообразно применять бинарное кодирование, чтобы обеспечить максимальное отличие уровней 0 и 1.

Анализируются два основных класса корректирующих кодов - блочные и сверточные. Существенное различие между этими кодами состоит в отсутствии или наличии памяти кодера. При использовании блочных кодов информационная последовательность разбивается на отдельные блоки, которые кодируются независимо друг от друга. Таким образом, закодированная последовательность становится по-I следовательностью независимых слов одинаковой длины.

При использовании сверточных кодов поток данных разбивается на гораздо меньшие блоки длиной к0 символов, которые называются кадрами информационных символов. Кадры информационных символов кодируются кадрами кодовых символов длиной п„ символов. При этом кодирование кадра информационных символов в кадр кодового слова производится с учетом предшествующих т кадров информационных символов. Процедура кодирования, таким образом, связывает между собой последовательные кадры кодовых слов. Передаваемая последовательность становится одним полубесконечным кодовым словом.

Для передачи кодовой информации по ГАК связи намного удобнее использо-

вать блочные, а не сверточные коды. Блочные коды имеют постоянную длину слова, следовательно, амплитудные спектры и передаваемые сигналы ¿(г) будут также иметь постоянную длительность. Хотя за счет многолучевого распространения в морской среде сигналы изменяют свою длительность, эти изменения могут быть приблизительно рассчитаны, что позволяет применить временную селекцию принимаемых сигналов. В отличие от блочных кодов, имеющих фиксированную длину слова, в сверточных кодах нет определенного размера блока.

Декодирование сверточных кодов (например, по алгоритму Виггерби) связано с введением новых символов, со сбрасыванием старых символов и с последовательной обработкой кадров. Такая процедура декодирования может быть легко разрушена, если интервалы передачи отдельных кадров отличаются или интервалы между кадрами изменяются. Даже использование амплитудного спектра 0(ш) для кодирования информации не может полностью обеспечить строгую синхронизацию передаваемой информации из-за флуктуации уровней.

В качестве блочных кодов в работе предложено применение коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ). Они составляют мощный класс циклических кодов, который обеспечивает свободу выбора длины блоков, степени кодирование, размера алфавита и возможность коррекции ошибок. При использовании длинных блоков (до несколько сотен бит) коды БЧХ превосходят по своим качествам все другие блочные коды с теми же длиной блока и степенью кодирования.

Декодирование может быть построено двумя путями - жестким декодированием (когда в приемном тракте вначале принимается решение о значении каждого кодового символа 0 или 1, а затем распознается кодовое слово) и мягким декодированием (распознавание кодового слова выполняется непосредственно на основе принятого сигнала, а в нашем случае - на основе амплитудного спектра С(со)).

При жестком декодировании решение о наличии в определенном частотном диапазоне спектра в{ш) значений 0 или 1 может быть принято с учетом порога у. При превышении (?(<»,)> у порогового уровня в /-м диапазоне частот Кш, принимается решение, например, о значении 1, а в противном случае ( <3(ю,) < \|/ ) - о значении 0. Порог у устанавливается в соответствии с байесовским решающим правилом на основе известных условных плотностей вероятностей уровней амплитудного спектра (7(ю,), соответствующих значениям 1 -/,[<3(й)()//к ] и 0 - /[<?(®,)/х„]> априорных вероятностей появления в частотном диапазоне Д со, значении 1 [^Оч)] и 0 [Р, (у.)], функций потерь Пту при принятии решения о присутствии в определенном частотном диапазоне Дю, кода 1 {к = 1, отсутствии к - 0), если в действительности присутствует кода 0 (т = 1, отсутствует т = 0), а также для верных решений П1тт Пил- Тогда в соответствии с оптимальным байесовским критерием уровни амплитудного спектра <3(о)() для минимизации риска Л разбиваются на две области: - соответствующую значению 1, и С,га - соответствующую значению 0:

Л = \П1ткР1{ут)ф{0У1)1уя^О{со1) (2)

В результате разделения уровней амплитудного спектра (?(®,) на две области определяется величина у. Если отсутствует информация о функции потерь (П1тк - 0, Пшт = Пал = 1) и априорных вероятностях Р1 (,ук), Р,(ут), то порог \|/ определяется

только на основе условных плотностей вероятностей: о» о.

шш I/, И®, )/Г, )=1 -1 / И®, )/г. )

г о

Если для повышения помехозащищенности кодированная информация передаётся в виде априори заданных кодовых слов, то расшифровка информации может быть выполнена с помощью знаковой корреляционной функции. Обозначив через принятую последовательность кодовых символов, принимающую значения О или 1 в частотных диапазонах Да),,Д©2 ...Д®, ...Д<в„, а к-ю эталонную по-

следовательность кодовых символов, также принимающих значения 0 или 1 в тех же частотных диапазонах, можно вычислить знаковую корреляционную функцию:

(3)

Тогда по максимальному значению г(к), как показано на рис. 1, можно принимать решение о том, что принятая последовательность кодовых символов д(да,) соответствует ожидаемой к-й эталонной последовательности (А>му кодовому слову). В этом случае решение о присутствии в каждом частотном диапазоне Да), значения 0 или 1 принимается с использованием оптимального байесовского критерия, а распознавание кодового слова - с помощью эвристического решающего правила, в качестве которого используется знаковая корреляционная функция (3). Тогда по максимальному значению г(к), как показано на рис. 1, можно принимать решение о том, что принятая последовательность кодовых символов д{а>,) соответствует ожидаемой к-й эталонной последовательности (к-му кодовому слову).

Принятая последовательность (¡{(О,)

Лео, !Д

Ай>2 До« ДД>4

А аХ\ : <о А А сл.

' 6 п-2

Рис. 1. Схема жеского декодирования В этом случае решение о присутствии в каждом частотном диапазоне До, значения 0 или 1 принимается с использованием оптимального байесовского критерия,

а распознавание кодового слова - с помощью эвристического решающего правила, в качестве которого используется знаковая корреляционная функция (3).

При мягком декодировании распознавание принятого кодового слова может быть выполнено с помощью байесовского критерия или критерия максимума апостериорной вероятности, позволяющего по формуле Байеса рассчитывать апостериорную вероятность принятия решения. Для этого необходимо знать условные плотности вероятностей уровней амплитудного спектра С{т) для всех передаваемых кодовых слов и априорные вероятности передачи этих слов. При двоичном кодировании указанная задача может быть упрощена. Считаем заданными или аппроксимированными на основе экспериментальных данных условные плотности вероятностей уровней амплитудного спектра 6(0,), соответствующих значениям 1: /[<5(й>Л//4] и 0 /,[0(й),)//„], в общем случае отличающиеся для разных частотных диапазонов, а также априорные вероятности появления в частотных диапазонах Д со, значений 1 [^С»)]и 0 [Р,(гт)].

На рис. 2 для разных частотных диапазонов Дй),,Д<в2...Да»,... Да>„ схематично представлены условные плотности вероятностей уровней амплитудного спектра <3(й>,) для значений 0 и 1, умноженные на априорные вероятности появления этих кодов ^(Г^ФШ/ГцЛ (здесь означает величину, которая может быггь отнесена к присутствию как значения 0, так и значения 1).

На нем же точками указаны возможные отсчеты амплитудного спектра, измеренные в частотных диапазонах

(ЗОцХО^).. А®, )■. -0(я>„) • На основе отсчетов вычисляются значения функции правдоподобия с помощью известных условных плотностей вероятностей как для гипотезы о присутствии кодового элемента 0, так и для гипотезы о присутствии кодового элемента 1 с учетом априорных вероятностей Р(у„) и Р{ут). В предположении независимости флуктуаций уровней амплитудного спектра С(а>1) для разных частотных диапазонов многомерные условные плотности вероятностей уровней бО»,) для значений 0 и 1 могут быть представлены в виде произведения:

/|0 Ь^л/пл. ]}=П/, уг«т ].

1м ] м

Если количество априори известных кодовых слов равно М @ = 1,2, ...,М), то в соответствии с формулой Байеса апостериорная вероятность принятия у-й последовательности кодовых символов (кодовых слов) будет равна:

ЛЛ1

гЮФМ кЬ ^(лМоМ/п! о

ЖМщЫ < РШгШК]

\ <&)

'.)№*>,ЪЛ > 1(пШ«>>Л

с(а>,)

Рис. 2. Распознавание принимаемой кодированной информации в амплитудных спектрах сигналов

Н«>/Ф.)]= IKGv.кto/rJ lrinta.КЛ (4)

I '-I J u-1 /-1

Таким образом, окончательное решение о распознавании кодового слова принимается на основе измеренных значений амплитудного спектра G(a>,), G(a>2),...,G(a>t),...,G(w„) в разных частотных диапазонах. Одномерные условные плотности вероятностей могут быть аппроксимированы на основе экспериментальных данных, например, по методу Парзена-Розенблата с плотностью нормального закона распределения в качестве ядра аппроксимации:

р-1

где N, - число членов в обучающей выборке для i-го частотного диапазона. <т0 -среднеквадратическое отклонение для кривой нормального закона распределения, полученное на основе экспериментальных данных при оценке ошибок измерения; G - изменяющиеся значения уровней амплитудного спектра; Gpi - выборочные значения уровней амплитудного спектра, полученные в процессе обучения для определенного г'-го частотного диапазона.

Для повышения помехозащищенности передаваемой информации на практике применяется каскадное кодирование, включающее -несколько (обычно, два) уровня. В данном случае целесообразно применять каскадное кодирование, разбивая весь диапазон частот Аеи амплитудного спектра G(<o)на поддиапазоны До/, включающие, например, по три частотных диапазона Да, (рис. 3).

Кодирование в каждом поддиапазоне осуществляется с избыточностью. Тогда мягкое декодирование можно выполнять по формуле (4) для каждого поддиапазона частот, а распознавание кодовых слов - по формуле (3), в которую вместо q(a>,) следует включать декодированные последовательности кодовых символов Сa,b,c,d...) поддиапазонов частот q{a>\), а вместо Qt (at) - эталонные последовательности кодовых символов (a,b,c,d...) поддиапазонов частот QK{a>',) \

Ы

где К - количество кодовых слов, сформированных для всего частотного диапазона (на основе расшифрованных кодовых символов q{a>'l) поддиапазонов частот). N -число частотных подциапазонов (на рис. 3).

поддиапозон

поддиапозон

поддиапозон

д,(а>,+<в,) = д(<и;)=о ' Ч2(а>,*а>,) = д(агг)=Ь ' ' ' ш

Рис. 3. Пример разделения частотного диапазона на поддиапозоны При каскадном декодировании может быть существенно сокращенно количество операций декодирования и, следовательно, время декодирования. Таким образом, для передачи кодовой информации по ГАК рекомендуется применять бинарное кодирование в амплитудных спектрах передаваемых ГАС с использованием блочных

кодов, например типа кодов БЧХ. Для повышения помехозащищённости и быстродействия обработки информации предложено осуществлять каскадные операции, применяя в первом каскаде мягкое декодирование, а во втором - жесткое.

Рис. 4. функциональная схема гидроакустической станции связи

Предложена функциональная схема гидроакустической станции связи, у которой исполнены все основные положение разработанного метода гидроакустической подводной связи в морской среде (рис.4).

В процессе выполнения работы было реализовано компьютерное моделирование кодирования информации в спектре ЧМ- сигнала. Цель моделирования - демонстрация изменения формы ЧМ-сигнала в результате воздействия на его амплитудный спектр кодовых импульсных последовательностей. На компьютере была промоделирована операция кодирования амплитудного спектра ЧМ-сигнала кодовой информационной последовательностью. ЧМ-сигнал был задан в программе следующим выражением:

2лк1 1

i(/)=100sin

где N = 1024 ; Т0 =0,01; Г, =0,001; Дt = (Tk-T0)/N-t = {Тк — TJ,); Л = 1,2,3,...,1024.

Весь рабочий диапазон частот был разбит на 1024 отсчета, а длительность каждого двоичного символа «0» или «1» выбрана равной 10 отсчетам. На основе отчетов данного ЧМ- сигнала s{t) вычислялся его спектр G(co) с помощью программе

мы БПФ: G(a>) = Js(t)e~J°"dt. Таким образом, определялась действительная

-«О

Re[G(©)] и мнимая Im[G(o)] часть амплитудного спектра G(a> ). Затем вычислялся G(cd ) сигнала s(t) в виде:

О(о>)= 1таИ®)Г.

На начальном этапе моделирования в соответствии с выбранными параметрами был построен ЧМ- сигнал (кривая 1, рис. 5) и получен его амплитудный спектр ( кривая 3 на рис. 5) Реализовано кодирование исходной информации последовательностью (101010...) в амплитудном спектре построенного сигнала посредством умножения вещественной и мнимой части спектра на последовательности двоичных символов (кривая 4 на рис. 5).

иаа ия м* мм и ш* ш ш ш u ni* W

—~ > инмшаивпашии

0 100 208 300 «0 560 £00 ЯПМ 10П I

Рис. 5: Изменение вида ЧМ-сигнала и амплитудного спектра в соответствии с кодируемой информацией. (Чм- сигнал, амплитудный спектр которого кодирован последовательностью 101010...) о

—!—i--!---í—Г--4-

IM ИМ UI В> 1Ш Ю U ш

Min w ия хм ш* ш о "1 i ' > Ш» UM 1Ш и* (Л

¡J jwJvwjw^

im ни и* и ai nx i О ш ш» т» и IM и

0 100 300 ЭОО «30 300 600 700 800 900 1000 t

В) 1)

Рис. 6. Изменение вида ЧМ-сигналов и амплитудных спектров в соответствии с кодируемой информацией. (Чм- сигналы -а, -в, амплитудные спектры которых кодированы последовательностями 011011 - б и 001001 -г)

Полезным для передачи информации является ровный участок спектра в середине выбранного частотного диапазона. На заключительном этапе, осуществляя об-

ратное преобразование Фурье кодированных спектров, были получены ЧМ-сигналы (кривая 2, рис. 5).

Аналогичным образом моделирование было выполнено для нескольких отличающихся друг от друга кодовых импульсных последовательностей: 011011... (рис. 6. а, б) и 001001...(рис. 6. в, г)). На полученных графиках видны изменения амплитудных спектров в соответствии с кодируемой информацией, а также изменения передаваемых ЧМ- сигналов. Сформированные таким образом ЧМ сигналы после гетеродинирования поступают в излучающий тракт.

Проведено компьютерное моделирование сравнительного изменения частотно-модулированных (ЧМ) и фазоманипулированных (ФМ) сигналов при их наложении с разными временами запаздывания, возникающими за счет распространения сигналов в морской среде. Показано, что ФМ-сигналы подвержены замираниям и большим флуктуациям, чем ЧМ-сигналы при взаимном наложении.

В конце главы 3 выполнена сравнительная оценка разработанного метода и альтернативного метода (с использованием согласованной фильтрации ФМ-сигналов). Сравнение дано в виде таблицы. 1.

Таблица 1

АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД (включающий согласованную фильтрацию ФМ-сигалов) РАЗРАБОТАННЫЙ МЕТОД

1. Широкая характеристика направленности антенны: - высокий уровень реверберации; - значительные флуктуации амплитуд передаваемых сигналов. 2. Фазоманипулированные сигналы: - наличие эффекта "замирания"; - значительные флуктуации сигналов. 3. Кодирование информации в зависимости от времени передаваемых сигналов. Взаимнокорреляционная обработка сигналов: - обработка информации в сигнале, приходящем с одного направления (по одному лучу) или с ограниченного числа направлений; 4. Принятие решения о передаваемой информации: - неоптимальное принятие решения по максимальному значению из всех откликов взаимнокорреляционной функции в приемном тракте. 1.Узкая характеристика направленности антенны параметрического излучателя: - низкий уровень реверберации; - сниженные флуктуации амплитуд передаваемых сигналов. 2. Частотно-модулированные сигналы: - отсутствие эффекта "замирания"; - сниженные флуктуации сигналов. - повышение помехозащищенности передаваемой информации. 3. Кодирование информации в зависимости от частоты амплитудных спектров передаваемых сигналов. Спектральная обработка принимаемых сигналов: - обработка информации в амплитудном спектре суммарного сигнала, равном сумме спектров составляющих сигнала, приходящих с разных направлений на приемную антенну; 4. Принятие решения о передаваемой информации: - декодирование информации с помощью последовательного применения разработанных оптимального и эвристического решающих правил.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В процессе выполнения работы были получены следующие результаты:

1) Рекомендовано применение параметрической излучающей аппаратуры с узкой диаграммой направленности в целях снижения помех, обусловленных многолучевым распространением гидроакустических сигналов в морской среде;

2) Обоснован выбор частотной модуляции для повышения помехозащищенности передачи кодовой информации по гидроакустическому каналу связи;

3) Обосновано с целью повышения помехозащищенности представление кодированной информации в форме амплитудных спектров гидроакустических сигналов и применение метода спектрального анализа для обработки принимаемых сигналов при декодировании;

4) Обосновано применение бинарного кодирования информации в амплитудных спектрах гидроакустических сигналов с использованием блочных кодов;

5) Сформировано эвристическое решающее правило на основе знаковой корреляционной функции для жесткого декодирования информации с предварительным обнаружением кодов «О» или «1» в каждом частотном диапазоне амплитудного спектра сигнала с помощью порогового уровня, рассчитываемого по оптимальному байесовскому критерию;

6) Сформулировано оптимальное решающее правило на основе критерия максимума апостериорной вероятности для мягкого декодирования принимаемой информации;

7) Рекомендовано для повышения помехозащищенности и быстродействия обработки информации осуществлять каскадное кодирование и декодирование, применяя в первом каскаде мягкое декодирование, а во втором каскаде - жесткое декодирование.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРАТАЦИИ

1. Богданов Е. В., Выонг. Т. X., Давыдов. В. С. Выбор вида модуляции сложных сигналов для гидроакустической подводной связи // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Радиоэлектроника и телекоммуникации". 2003. Вып. 2. С. 6-8.

2. Богданов Е. В., Выонг. Т. X., Давыдов. В. С. Выбор сигналов и метода их обработки для гидроакустической подводной связи в мелком море. Н Известия высших учебных заведений России "Радиоэлектроника"СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2004. Вып. 1. С. 26-34.

3. Богданов Е. В., Выонг. Т. X., Давыдов. В. С., Нгуен Т.Т. Схемы кодирования и правила декодирования информации, передаваемой по гидроакустическому каналу связи в мелководных районах океана. // Известия высших учебных заведений России "Радиоэлектроника"СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2004. Вып. 3. С. 27 - 33.

Подписано в печать 17.11.05. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 124.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

г

*v

f

4 %

»24700

РНБ Русский фонд

2006-4 25732

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО МЕТОДАМ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ПОДВОДНОЙ СВЯЗИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Обзор методов передачи информации по гидроакустическому подводному каналу связи.

1.1.1. Модель гидроакустического подводного канала связи.

1.1.2. Аппаратуры передачи информации под водой и их рабочая частота.

1.1.3. Модель гидроакустического сигнала.

1.2. Обработка гидроакустических сигналов в подводной связи. Постановка задачи.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2.

ОБОСНОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И МЕТОДА ИХ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ КОДИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИИ.

2.1. Анализ условий распространения гидроакустических сигналов в морской среде.

2.1.1. Акустические характеристики морской среды.

2.1.2. Уменьшение влияния многолучевости.

2.1.3. Реверберационные помехи и их энергетические характеристики.

2.2. Обоснование выбора параметрической излучающей аппаратуры для передачи гидроакустической информации.

2.2.1. Нелинейный эффект.

2.2.2. Особенности формирования ЧМ-сигналов в параметрических излучателях.

2.3. Обоснование применения гидроакустических сигналов с частотной модуляцией для передачи информации по ГАК связи.

2.4. Обоснование представления кодированной информации в амплитудных спектрах сигнала и метода обработки сигналов для гидроакустической подводной связи.

2.5. Экспериментальные результаты исследования дальнего распространения мощного параметрического излучателя.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3.

АНАЛИЗ, ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР СХЕМЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ. РАЗРАБОТКА ПРАВИЛА ДЕКОДИРОВАНИЯ ПЕРЕДАВАЕМОЙ ИНФОРМАЦИИ.

3.1. Анализ основных правил устранения ошибок при передаче кодовой информации.

3.1.1. Понятие помехозащищенного кодирования.

3.1.2. Методы автоматического запроса повторной передачи.

3.2. Анализ блочных кодов.

3.2.1. Построение блочных кодов.

3.2.2. Линейные систематические блочные коды.

3.2.3. Порождающая и проверочная матрица линейного блочного кода.

3.2.4. Синдром и обнаружение ошибок.

3.2.5. Синдромное декодирование линейных блочных кодов.

3.2.6. Декодирование методом максимального правдоподобия.

3.2.7. Вес и расстояние Хемминга. Способность кодов обнаруживать и исправлять ошибки.

3.2.8. Полиномиальные коды.

• 3.3. Анализ сверточных кодов.

3.3.1. Построение сверточных кодов.

3.3.2. Кодирование с использованием сверточных кодов.

3.3.3. Синдромное декодирование сверточных кодов.

3.3.4. Кодовое дерево и решетчатая диаграмма.

3.3.5. Алгоритмы поиска по решетке.

3.4. Анализ примеров применения корректирующего кодирования в реальных системах связи.

3.4.1. Каскадные коды.

3.4.2. Кодирование с перемежением.

3.5. Обоснование правила кодирования сигналов для гидроакустической связи

3.6. Разработка решающих правил для распознавания передаваемой информации при осуществлении гидроакустической связи.

3.6.1. Разработка эвристического решающего правила.

3.6.2. Разработка оптимального решающего правила.

3.6.3. Построение правил распознавания кодовой информации при каскадном кодировании.

3.7. Функциональная схема гидроакустической станции связи.

3.8. Компьютерное моделирование кодирования информации в спектре частотно-модулированного сигнала.

3.9. Компьютерное моделирование кодирования изменений сигналов при наложении в процессе распространения.

3.10. Сравнение разработанного и альтернативного методов гидроакустической подводной связи.

Выводы по главе 3.

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 лучен 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 под водой [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 расширением 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 информации. Разработка правил декодирования передаваемой информации.

В последней части сделаны выводы и заключения.

Выводы по главе 3

1. Для снижения ошибок в передаваемой информации целесообразно применение бинарного кодирования, чтобы обеспечить максимальное отличие уровней 0 и 1 кодовых слов.

2. Сформировано эвристическое решающее правило на основе знаковой корреляции для декодирования информации с предварительным обнаружением кодов «О» или «I» в каждом частотном диапазоне амплитудного спектра сигнала с помощью порогового уровня, рассчитываемого по оптимальному байесовскому критерию;

3. Разработано оптимальное решающее правило для распознавания информации, кодируемой в амплитудном спектре гидроакустического сигнала, на основе критерия максимума апостериорной вероятности для мягкого декодирования принимаемой информации;

4. Рекомендовано для повышения помехозащищенности и быстродействия обработки информации осуществлять каскадное кодирование и декодирование, применяя в первом каскаде мягкое декодирование, а во втором каскаде — жесткое декодирование.

5. Выполнено моделирование кодирования информации в спектре ЧМ - гидроакустических сигналов. Показано изменение формы ЧМ — сигналов в зависимости от передаваемых кодов.

6. Выполнено моделирование сравнительного изменения ЧМ и ФМ сигналов при их наложении с разными временами запаздывания, возникающими за счет распространения этих сигналов в морской среде. Показано, что ФМ-сигналы подвержены замираниям и большим флуктуациям, чем ЧМ-сигналы при взаимном наложении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения работы получены следующие результаты:

1) Рекомендовано применение параметрической излучающей аппаратуры с узкой диаграммой направленности в целях снижения помех, обусловленных многолучевым распространением гидроакустических сигналов в морской среде;

2) Обоснован выбор частотной модуляции для повышения помехозащищенности передачи кодовой информации по гидроакустическому каналу связи;

3)Обосновано с целью повышения помехозащищенности представление кодированной информации в форме амплитудных спектров гидроакустических сигналов и применение метода спектрального анализа для обработки принимаемых сигналов при декодировании;

4) Обосновано применение бинарного кодирования информации в амплитудных спектрах гидроакустических сигналов с использованием блочных кодов;

5) Сформировано эвристическое решающее правило на основе знаковой корреляционной функции для жесткого декодирования информации с предварительным обнаружением кодов «О» или «1» в каждом частотном диапазоне амплитудного спектра сигнала с помощью порогового уровня, рассчитываемого по оптимальному байесовскому критерию;

6) Сформулировано оптимальное решающее правило на основе критерия максимума апостериорной вероятности для мягкого декодирования принимаемой информации;

7) Рекомендовано для повышения помехозащищенности и быстродействия обработки информации осуществлять каскадное кодирование и декодирование, применяя в первом каскаде мягкое декодирование, а во втором каскаде — жесткое декодирование.

1. Аксенов Д. П., Тарасюк Ю. Ф. К вопросу о затухании гидроакустических сигналов в водной среде.// Судостроение, за рубежом, № 2, 1985.

2. Акустика океана: Современное состояние: М.: Наука, Москва, 1982. 246 с.

3. Акустика морских осадков. / Под ред. Л. Хэмптона. М.: Мир, 1977. — 534 с.

4. Бабкин С. Г. Сложные шумоподобные сигналы в системах с маяками-ответчиками.// Труды Шестой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Санкт-Петербург, 28-31 мая 2002г. с.302.306.

5. Бакулев П. А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. М.: Радиотехника, 2004. - 320 с.

6. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. «радиотехника». М.: Высш. шк., 2000. -462с.

7. Бахарев С.А., Карасев В.В. Использование методов и средств нелинейной гидроакустики в рыбопоисковой технике. Учеб. пособие. Владивосток-дальрыбвтуз, 2001.- 105 с.

8. Белов А. И., Шацких В. И. Исследование распространения частотно-модулированных сигналов в мелком море.// Акуст. журн, 1995, Т. 41, № 4, с. 636637.

9. Бенжамин Р. Анализ радио- и гидролокационных сигналов. Перевод с английского О. Казакова. М.: Воениздат, 1969. - 256 с.

10. Берлекэмп Э. Р. Техника кодирования с исправлением ошибок // ТИИЭР. -^ 1980.- Т. 68, № 5, С. 24-58.

11. Богданов Е. В., Выонг. Т. X., Давыдов. В. С. Выбор вида модуляции сложных сигналов для гидроакустической связи // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. Радиоэлектроника и телекоммуникации. 2003. № 2. — с. 6-8.

12. Богданов Е. В., Выонг. Т. X., Давыдов. В. С. Выбор сигналов и метода их обработки для гидроакустической подводной связи в мелком море. // Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. 2004. вып 1. С. 26 34.

13. Богданов Е. В., Выонг. Т. X., Нгуен Т. Т, Давыдов. Схемы кодирования и • правила декодирования информации, передаваемой по гидроакустическому каналу связи в мелководных районах океана. // Изв. Вузов России. Радиоэлектроника. 2004. №3. С. 27-33.

14. Букатый В. М. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М.: Мир, 2003. -496 с.

15. Булчук А. В. Особенности звуковых сигналов, отраженных от конкреционных участков дна океана.// Акуст. журн, 1995, Т 41, № 2, с. 194-201.

16. Бутусов М. М., Тарасюк Ю. Ф., Урванцева И. Л. Гидроакустические антенны на волоконных световодах.// Зарубежная радиоэлектроника, 1983, № 5, с. 38-58.

17. Ван Трис Г. А. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т. № 1. М.: Советское радио, 1978. 744 с.

18. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами.- М.: Радио и связь, 1985. 384 с.

19. Васильев К. К., Новосельцев Л. Я., Смирнов В. Н. Основы теории помехоустойчивых кодов: Учеб. Пособие. Ульяновск.: УлГТУ, 2000. - 91 с.

20. Верховцев О. Г. Широкополосные шумоподобные систем связи. ВВМУРЭ.: Изд-во Петродворец, 1982. — 64 с.

21. Винокуров В. И., Генкин В. А., Калениченко С. П. Морская радиолокация. Л.: Судостроение, 1986. 256 с.

22. Выонг. Т. X., Нгуен Т. Т, Давыдов. В. С. Тарасов С. П. Результаты распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений по гидролокационным сигналам // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. Радиоэлектроника и телекоммуникации. 2004. №2.-с. 3-5.

23. Гантмахер В. Е., Быстрое Н. Е., Чеботарев Д. В. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтер, обработка. СПб.: Наука и Техника, 2005. -400 с.

24. Горская Н. С., Островский Л. А., Сутин А. М. Параметрическое излучение звука в мелком море.// Акуст. журн, 1983, Т 29, № 4, с. 451-455.

25. Губатов С. Н., Зайцев В. О., и др. Параметрические излучатели в океанических волноводах // Акустика в океане. — М.: Наука, 1991. С. 208-227.

26. Давыдов В. С. Распознавание сложных целей в радиолокации: Учеб. Пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб, 2002. 80 с.

27. Давыдов В. С., Ломаза Н. Н., Родионов А. А. Маскировка гидролокационного поля морских подводных объектов под реверберационную помеху и поле ложных целей//Журн. Морская радиоэлектроника, июнь 2002, с. 38-44.

28. Донской Д. М., Зайцев В. 10., Наугольных К. А., Сутин А. М. Экспериментальные исследования поля мощного параметрического излучения в мелком море.// Акуст. журн, 1993, Т 39, № 2, с. 266-273.

29. Евтютов А. П., Митько В. Б. Инженерные расчёты в гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988. 288 с.

30. Есипов И. Б., Калачев А. И. Исследования дальнего распространения сигналов мощного параметрического излучения// Акуст. Журн., 1994, Т 40, № 1,с. 71-75.

31. Зайцев В. Ю., Калачев А. И., Наугольных К. А., Степанов Ю. С. Экспериментальное исследование поля параметрического излучателя в волноводе // Акуст. Журн. 1988, Т. 34, № 3, С. 470-474.

32. Зайцев В. Ю., Курин В. В., Сутин Л. М. Модельные исследования модовой структуры поля параметрического излучателя в акустическом волноводе // Акуст. Журн. 1989, Т. 35, № 2, С. 256-271.

33. Заславская О. М. и др. Статистическая теория связи в вопросах и задачах: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2004. - 180 с.

34. Захаров Ю. В., Коданев В. П. Экспериментальные исследования акустической системы передачи информации с шумоподобными сигналами // Акуст. журн, 1994, Т. 40, № 5, с. 799-808.

35. Он же. Помехоустойчивость адаптивного приема сложных акустических сигналов при наличии отражений от границ океана.// Акуст. Журн. Т. 42, № 2, 1996, с. 212-219.

36. Золотарёв В. В., Овечкин. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы: Справочник/ Под. Ред. Чл.-кор. РАН. Ю. Б. Зубарева. М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 126 с.

37. Иванов М. Т. Теоретические основы радиотехники: Учеб. Пособие./ М. Т. Иванов, А. Б. Сергиенко, В. Н. Ушаков; Под ред. В. Н. Ушакова. М.: Высш. шк., 2002. - 306 с.

38. Ивлиев С. В., Кравченко В. В. Использование методов нелинейной гидроакустики при излучении и приёме сигналов. Владивосток 1991. - 82 с.

39. Клещев А. А., Клюкин И. И. Основы гидроакустики: Учебник.—Л.: Судостроение, 1987. 224 с.

40. Клюкин И. И. Звук и море. Л.: Судостроение, 1984.

41. Колчеданцев А. С. Гидроакустические станции: Учебник для судостроительных техникумов. Л.: Судостроение, 1982. - 240 с.

42. Коптева С. А. Канал связи под водой. М.: Знание, 1984. 48 с.

43. Лаврентьев Э. В., Кузян О. И. Взрывы в море. Л.: Судостроение, 1977,160 с.

44. Лебедев А. Н., Куприянов М. С., Недосекин Д. Д. Вероятностные методы в инженерных задачах: Справочник СПб.: Энергоавтомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2000. - 333 с.

45. Лёзин Ю. С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1986. - 280 с.

46. Макаров Л. И. Квазикогерентный прием сигналов в каналах с дискретной многолучевостью.// Радиоэлектроника журн., Т. 31, № 8, 1988, с. 61-63.

47. Милн П. X. Гидроакустические системы позиционирования: Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1989. -232 .

48. Митько В. Б., Евтютов А. П., Гущин С. Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. Л.: Судостроение, 1982. 200 с.

49. Морская радиоэлектроника: Справочник / И. В. Соловьев и др.; Под ред. В. А. Кравченко. — СПб.: Политехника, 2003. 246 с.

50. Нелинейная гидроакустика и перспективы её применения // Морской сборник/ Под. Ред., О. Пахомов, В. Мартынюк vol 11, 1984. - с. 71-74.

51. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. -Л.: Судостроение, 1981. 264 с.

52. Новиков Б. К., Тимошенко В. И. Параметрические антенны в гидролокации. Л.: судостроение, 1990. 538 с.

53. Ольшевский В. В. Статистические методы в гидролокации. Л.: Судостроение, 1983.-280 с.

54. Основы цифровой обработки сигналов: Курс лекций / Авторы: А. И. Солонина и др. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 608 с.

55. Питерсон. У. Коды, исправляющие ошибки. М.: Мир, 1976. 594 с.

56. Подводная акустика и обработка сигналов : Пер. с англ./Под ред. Л. Бьёрнё. — М.: Мир, 1985.-488 с.

57. Проекты ДВОРАН. Гидроакустические системы связи. http://www. febras.ru/pro) ее ts/pro j ее t. h tm I.

58. Простаков А. Л. Электронный ключ к океану 2-е изд. - Л.: Судостроение, 1986.-184 с.

59. Рабинер Л. , Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.-848 с.

60. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника»/ Ю. П. Гришин, В. П. Ипатов, Ю. М. Казаринов и др.; Под ред. Ю. М. Казаринова. М.: Высш. Шк., 1990.-496 с.

61. Румынская И. Л. Основы гидроакустики. Д.: Судостроение, 1979. 214 с.

62. Сапрыкин В. А., Рокотов С. П. Теория гидроакустики и цифровая обработка сигналов. ВВМУРЭ.: Изд-во Петродворец, 1991, часть I. — 320 с, часть 2. 415 с.

63. Свердлин Г. М. Прикладная гидроакустика: Учеб. Пособие. Л.: Судостроение, 1990.-320 с.

64. Семенов А. М., Сикарев А. А. Широкополосная радиосвязь. М.: Воениздат, 1970.-280 с.

65. Скворцов Ю. С. Методы обработки сигналов для выделения отдельных импульсов из многолучевого гидроакустического сигнала. Пер. с англ.// Министерство обороны СССР, 1980, № 100/80. 12 стр.

66. Скляр Б., Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. 1104 с.

67. Смарышев М. Д., Добровольский Ю. Ю. Гидроакустические антенны. (Справочник). Л.: Судостроение, 1984. - 304 с.

68. Способ управления направленностью параметрического излучения. Пат (SU), 1810861 Al G 01s 15/00; 1809404 Al G 01s 15/00.

69. Справочник по гидроакустике/ А. П. Евтютов, А. Е. Колесников, Е. А. Коре-пин и др. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 552 с.

70. Тарасюк Ю. Ф., Серавин Г. И. Гидроакустическая телеметрия. Л.: Судостроение, 1973.- 176 с.

71. Тарасюк Ю. Ф. Передача информации под водой. М.: Знание, 1974. 84 с.

72. Тарасюк Ю. Ф. Использование двоичного кода в гидроакустической телеметрической системе с большим доплеровским сдвигом частоты. Пер. с англ.// Министерство обороны СССР, 1976, № 127/76. 17 стр.

73. Он же. Аппаратура, использующая код Фибоиасси для передачи цифровых данных по гидроакустическому каналу. Пер. с англ.// Министерство обороны СССР, 1973, № 63/73. 11 стр.

74. Урик Р. Д. Основы гидроакустики. Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1978. 444 с.

75. Фукунага К. Введение в статистическую теорию распознавания образов. М.: Наука, 1979.-368 с.

76. Цифровой способ оптимального приема линейно-частотно- модулированных импульсов. Пат (RU), 2042956 G 01s 7/285.

77. Чверткин Е. И. Гидроакустическая телеметрия в океанологии. Л.: Изд-во ЛГУ, 1978.- 147 с.

78. Шульгин В. И., Основы теории передачи информации. Помехоустойчивое кодирование. Харьков: Нац. аэрокосм, ун-т, 2003.- 87 с.

79. Catipovic J. A. performance limitation in underwater acoustic telemetry // IEEE journal of Oceanic Engineering. 1990. V. ОЕ-15. № 3, P. 205-216.

80. Catipovic J. A., Freitag L. E. Spatial diversity processing for underwater acoustic telemetry // IEEE journal of Oceanic Engineering. 1991. V. ОЕ-16. № 1, P. 86-97.

81. Milica. Stojanovic ( April 1996), «Recent Advances in High-Speed Underwater Acoustic Communications».// IEEE journal of Oceanic Engineering, vol 21, № 2, pp. 125-136.

82. Milica. Stojanovic , J.A Catipovic and J.G Proakis (Jan 1994) « Phase coherentdigital communications for underwater acoustic channels».// IEEE journal of Oceanict

83. Engineering, vol 19, pp. 100-III.