專利名稱：信息傳輸方法和一種適用該方法的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種信息傳輸方法和一種適用該方法的系統(tǒng)。
在許多技術(shù)領(lǐng)域中要使用波進行信息傳輸。其中的波例如可以是電磁波或者聲波，它們或者在一種專門的導體中或者自由地在一種給定的傳輸介質(zhì)中傳播，從發(fā)射機或發(fā)射單元抵達接收機或接收單元。如果兩個單元例如在相應的頻率或者為信息傳輸而規(guī)定的頻率范圍內(nèi)是調(diào)諧的，則可建立連接。通過該連接可以以不同的方式傳輸信息。
為此，對初始信息，例如以某種適當形式存在的語音、文本、數(shù)字串、音樂、圖象數(shù)據(jù)或其它數(shù)據(jù)，必須加以變換和編碼，以便被發(fā)射機以波信號的形式發(fā)射到傳輸介質(zhì)中。接收機接收到該信號后，將其重新變換到初始形式，即對其解碼，從而輸出與初始信息一致的信息。
根據(jù)對波中的信息進行編碼所采取的形式，人們將其劃分成模擬信息傳輸和數(shù)字信息傳輸。
在模擬信息傳輸中，被傳輸?shù)闹狄砸环N平穩(wěn)的、連續(xù)的物理態(tài)頻譜構(gòu)成。這種傳輸?shù)牡湫托问绞?，對載波的振幅、頻率和/或相位進行調(diào)制。所以在一個給定的時間間隔內(nèi)可以傳輸很大的信息量。
然而在數(shù)字信息傳輸中，人們僅將其限制在特定的離散狀態(tài)。考慮到傳輸速率，在迄今為止的實踐中如果使用的是電磁波，則尚無限制，因為相關(guān)載波的頻率很高，并且在極短的時間間隔內(nèi)可以實現(xiàn)不同的數(shù)字狀態(tài)。
但在某些傳輸介質(zhì)中，例如在水中，采用電磁波進行信息傳輸卻只能有條件地實現(xiàn)，因為其傳輸距離很短。所以在水中采用聲波進行信息傳輸，因為聲波能夠傳輸更遠的距離。聲波可通過與上述相似的方法進行調(diào)制。但聲波屬于機械壓力波，它除了頻率很低外，當然還會影響到傳輸信息的速率，在一般的傳輸方式上也有區(qū)別。例如其傳播速度很大程度上取決于相應的環(huán)境條件。
聲波信息傳輸中所產(chǎn)生的許多問題可以通過水下傳播聲波信號的例子加以簡要說明。在空間中傳輸從一個發(fā)射機發(fā)出的聲波時，聲波的一部分例如被水的表面和/或根據(jù)水體底部的深度被反射物體、氣泡、飄浮顆粒、甚至水的不均勻分層所反射，或者被其折射。聲波的這種反射分量，根據(jù)在相應界面或介質(zhì)中的行程、角度關(guān)系和聲學特性，以不同的振幅和相位進入接收機，由于干涉的原因，原始信號在接收點以無法預見的方式被放大、衰減、產(chǎn)生失真，甚至完全消失，此外接收也會因所謂的回聲而受到干擾。
為進一步解釋該問題，首先觀察一種簡單的情況，即僅發(fā)射一個很短的具有特定頻率的信號，一個所謂的連續(xù)波脈沖(CWP)。此時在所述的情況下，接收機不僅收到一個信號，而且收到整整一組在時間上錯開的、而且具有不同強度的獨立脈沖。這種效應稱為“信道混響(Channel Response)”。在這種情況下，尚有可能在接收端區(qū)分出相關(guān)的獨立脈沖，并且例如將最合適的脈沖作為“原始信號”挑選出來(其它脈沖則順理成章地作為“干擾信號”被采集，并且根據(jù)情況進行相應的處理)，然而這種信號分離在傳輸較長的波包時通常將無法進行，因為接收機僅得到一種疊加的或組合的信號，該信號雖然還具有與初始信號相同的頻率，但是原始信號以及干擾信號的不同振幅和相位相互重疊，從而使振幅以及相位產(chǎn)生無法預見的波動。這種不良的效果使信號難于鑒別，或者在某些情況下根本無法鑒別，所以被稱為“符號間交互作用”。如果發(fā)射機和接收機之間有相對運動，則還會由于多普勒效應而增加頻移的問題。
這些問題的積累使得水下通信，例如在潛水員和/或水下交通工具之間的超聲波通信以及對相應的水下裝置的遙控變得非常困難。迄今為止，特別是模擬信息傳輸只能在非常有限的條件下進行。而且信息傳輸在過去和將來要經(jīng)常用于傳輸語音，使人們即使在很強的噪音接收環(huán)境中還能夠識別出人們所熟知的詞匯和意思組合。通過相應的練習和有限單詞的簡化可以使識別率有所改善。但是這種方法例如并不適于機械地傳輸計算機數(shù)據(jù)或其它信息。所以人們在聲波信息傳輸領(lǐng)域一直在尋找合適的數(shù)字化方法。
現(xiàn)代技術(shù)中的專用于水下用途的數(shù)字系統(tǒng)大多基于有序傳輸相同音量的聲信號，該信號多少被固定在一個較窄的頻帶內(nèi)。為了實現(xiàn)最大的傳輸距離，以及排除由于聲音盲區(qū)頻率范圍而造成的信息損失，在某些應用中以較高的能量在一個較寬的頻帶內(nèi)發(fā)射信息。無論傳輸?shù)念l帶是窄還是寬，用“喀音(Klicks)”串方式進行編碼僅具有有限的信息傳輸速率，它對于傳輸大的信息量，例如傳輸水下攝像機的圖象而言是很困難的，迄今為止尚無法實現(xiàn)。除了較大的能量消耗外，這也意味著一種“聲音環(huán)境污染”，此外目前已知的相對“剛性”的系統(tǒng)還有很大的多普勒效應的問題。
除了由于傳輸技術(shù)造成的失真和損耗外，還存在的嚴重困難是，對從接收的混合信號中得到的信息必須進行處理，將其中的干擾信號消除或者抑制，并且在接收端恢復信息編碼時所使用的信息參數(shù)。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域內(nèi)，目前并沒有將以上所有問題徹底解決的方法，也沒有較好的解決方式。
本發(fā)明的任務是，提供一種信息傳輸方法和一種實用系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)能夠在較大的傳輸距離內(nèi)實現(xiàn)較高的傳輸速率。
另一個目的是，提供一種信息傳輸方法和一種系統(tǒng)，該方法和系統(tǒng)具有很強的抵抗上述干擾的能力，而且能夠適應不同的傳輸條件。
特別要實現(xiàn)的目標是，提供一種方法和一種合適的信號處理系統(tǒng)，它能夠以較高的分離度盡最大可能從大量信道應答中排除信號間的交互作用，并且根據(jù)可能，以最小的傳輸損失連續(xù)地對相應的信號分量進行隔離和分析。
還要實現(xiàn)的目標是，提供一種方法和一種合適的信號處理系統(tǒng)，它能在相同的條件下保證盡可能全部補償多普勒效應。
此外，還要實現(xiàn)的目標是，通過最高質(zhì)量的信號處理大大提高傳輸速率，并且即使在復雜的傳輸條件下，例如在移動的水下物體之間進行通信的條件下，也能實現(xiàn)最大的傳輸距離。
以上任務通過權(quán)利要求1的特征所體現(xiàn)的關(guān)于方法的方案和權(quán)利要求31的特征所體現(xiàn)的關(guān)于裝置的方案得到解決。
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，產(chǎn)生一個至少由兩個信號分量組成的信息信號，即至少一個在基準頻道上發(fā)射的基準分量(BK)和至少一個在信息頻道上傳輸?shù)男畔⒎至?IK)或(I1；I2；…；IN)，從而有多個頻道和分量可供使用。通過這種同時的使用，可以在每個時間單元內(nèi)傳輸多個信息單元。此外，不僅所述基準頻道或基準分量，而且所述信息頻道或信息分量可分別構(gòu)成用于比特模式的離散狀態(tài)。作為與現(xiàn)有無線電技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別，在本發(fā)明的方法中例如并沒有使用高頻載波，而是在低頻波上進行調(diào)制。所產(chǎn)生的信息信號用于傳輸所述信息，它是一種波，是由基準頻道以及至少一個信息頻道疊加而成的。
為了提供比特模式(Bitmuster)，在最簡單的情況下，信息頻道的頻率或聲音可被打開或關(guān)閉，其中相應信號頻率分量用二進制數(shù)字信息解釋成有或者無(開/關(guān))，即1或0。通過這種方式，可在每一個這種信息頻道上傳輸一個比特。所述信號分量可以共同構(gòu)成一個比特模式，在其中可將信息以任意方式進行編碼。
在這種最簡單的情況下，實際上涉及到了相關(guān)信息信號的所有參數(shù)，在開的狀態(tài)下也可以對各種信號參數(shù)加以變化，從而額外得到其它不同的數(shù)字狀態(tài)。
其它的有利實施例屬于從屬權(quán)利要求的主題。
根據(jù)權(quán)利要求2，比特模式的時序是以最簡單的方式產(chǎn)生的。
權(quán)利要求3中包含的一種基本的改進是，所述頻道構(gòu)成一個諧調(diào)序列。
根據(jù)權(quán)利要求4，所述基準頻道作為一個基音或基波構(gòu)成，并且至少有一個信息頻道作為一個與所述基音諧調(diào)的諧音或高次諧波構(gòu)成，但是所有信息頻道也可作為與基音諧調(diào)的諧音構(gòu)成，所以信號分量的各個頻率或聲音構(gòu)成一個諧調(diào)序列，從而形成一個諧振系統(tǒng)。本申請的這種系統(tǒng)的特點在于，基音具有最低的頻率以及最大的傳播距離，可以在信息傳輸過程中持續(xù)地發(fā)射，從而在發(fā)射單元和接收單元之間形成某種持續(xù)保持的連接橋。作為基音構(gòu)成的基準頻道在這種情況下的作用并不是進行本身的信息傳輸，而是作為相對其它信息頻道調(diào)諧的連續(xù)基準，并且在必要時如下所述，作為相對相位的調(diào)諧基準以及在使用非線性效應而提高整個頻率系統(tǒng)的傳播距離的利用率時，作為能量提供者。但是在此原則下應當指出的是，也可不采用低頻聲音，而采用某種預定頻譜的任意一種其它的聲音作為基準音或基音，如果這種做法在特定的環(huán)境影響下或者對于給定的應用是有利的話。
通過確認信息頻道始終與基準頻道之間有確定的間隔，可以保證接收機單元在已知相應的間隔或比例系數(shù)的情況下，僅需檢測作為基音構(gòu)成的基準頻道即可，從而以此為基準識別出所有其它有效的信息頻道，并且始終保持調(diào)諧狀態(tài)。這種調(diào)諧過程可以做到自動化，系統(tǒng)無需很大的附加費用即可匹配各種各樣的傳輸條件?；舻淖詣幼R別以及信息信道的相應的自匹配調(diào)諧，對于接收機單元端而言，特別意味著在與運動的物體通信時，或者在運動物體之間通信時具有極大的優(yōu)點，因為如果所使用的是一種調(diào)諧頻道系統(tǒng)的話，這樣做可消除公知方法中例如由于多普勒效應而造成的問題。
根據(jù)權(quán)利要求5，所述基準頻道的頻率在傳輸過程中隨時間改變，這樣在該基礎(chǔ)上得到的匹配系統(tǒng)不僅在接收機端可以進行連續(xù)的再校準，以補償天然產(chǎn)生的頻移(多普勒效應等)。而且也可在發(fā)射機端完全有意識地產(chǎn)生頻譜隨時間進行的調(diào)節(jié)變化，不會危及與接收機的連絡。
根據(jù)權(quán)利要求6，所述基準頻道頻率的時間改變是逐級或者連續(xù)進行的，這樣可以提供一個或多個頻率梯度以供使用。該過程在后面稱為頻率梯度法(FGM)。采用該方法例如可實現(xiàn)對反射和干擾信號的抑制。基于FGM的基準分量和信息分量的改進方案在后面稱為可變多信道傳輸(VMT)。
所述分量的變化始終是按比例進行的，所以從一種pFGM或pVMT出發(fā)，當所述分量的變化是并行發(fā)生時，可認為是一種paFGM或paVMT。
通過使用所述FGM，與公知技術(shù)相比，特別是與具有固定頻道的技術(shù)相比，可以實現(xiàn)更加清晰和更加可靠的信號分析。因為在這種情況下，信息頻道的工作頻率始終是變化的，所以所有信號分量在不同的傳輸路徑上，在一個給定時間點抵達接收機單元時也具有不同的頻率。由于這種頻率差，可將原來的信息頻道從可能存在的干擾成分中分離出來，也就是說即使無法完全抑制符號間交互作用，也可對其大部進行抑制，從而在接收機端得到發(fā)射機單元所發(fā)出的信息信號的清晰的還原映象。
由于在FGM中基準頻道的頻率以及與它同步，在給定情況下也包括信息頻道能夠以幾乎任意的方式變化，所以本申請所述方法以及本申請所述系統(tǒng)具有極大的靈活性。通過有意識地加入頻率偏移，可以避免多個傳輸系統(tǒng)之間相互疊加，以及增大所不希望的竊聽的難度。
如果除了將基準頻道和信息頻道的頻率作為產(chǎn)生比特模式的條件外，還引入其它信號參數(shù)，則編碼便能夠以簡單的方式增加復合度，從而相應提高信息速率。
根據(jù)權(quán)利要求7，對所述信息信號進行調(diào)幅，這樣可在振幅調(diào)制的振動點上確認時間點，在該時間點上，例如可改變各個信息頻道，而無需在信息信號中造成所謂的“假信號”干擾。這樣可進一步改善傳輸質(zhì)量。
根據(jù)權(quán)利要求8，以一個給定的時鐘脈沖生成所述比特模式，這樣也可在接收機端以簡單的方式解碼，從而提高傳輸精度。
根據(jù)權(quán)利要求9，所述比特模式在一個時鐘脈沖內(nèi)改變，這樣特別可在所使用的時間脈沖的第一部分中識別出一般哪個信息頻道用于所述的信息傳輸，并且例如識別出其余部分用于產(chǎn)生比特模式本身。另外，在這種情況下，所述第一部分還可用于作為基準頻道的另一個參考，借助它的幫助，在第二個脈沖段中傳輸?shù)男盘柗蛛x參數(shù)可以有很高的精度確定。通過這種方式可提高傳輸?shù)目煽啃浴?br> 權(quán)利要求10所述的有利方案可支持與不同傳輸環(huán)境和使用要求的匹配。
采用權(quán)利要求11所述的方案可提高傳輸速率。
特別是由于采用了FGM而實現(xiàn)了更高的接收質(zhì)量，所以可與前述各個信號分量的開、關(guān)方式相組合，或者替代這種方式以特定信號參數(shù)或參數(shù)組合的更細微的變化進行編碼。因為在接收的信號中，除了頻率之外還有信號分量的振幅和相位角具有相對原始發(fā)生信號的更強的確定基準，所以實際上可將所有參數(shù)進行編碼。這種編碼例如可通過無級方式的變化實現(xiàn)。
該方法的一個重要優(yōu)點是，可以將編碼所使用的信號內(nèi)部基準用于給定的頻率系統(tǒng)。利用這種相對性，可以根據(jù)所接收的一個或兩個脈沖，識別出比特模式或者符號，無需額外參考一個外部的基準量。
例如可以確定相位角，其形式是相應的信息分量和BK之間在給定時間脈沖內(nèi)的相互關(guān)系。這種編碼方法稱為相對相位角法，簡稱RPWM。在這種方法中，前面的過程不再起任何作用，即外部時間(aeussere Zeit)失去了對信號解釋的作用。在其位置上代之以相對的系統(tǒng)內(nèi)部時間，該時間例如可根據(jù)BK的瞬間周期時間被讀出，該時間從外部觀察是與相應的實際頻率相關(guān)的。所述相對相位角能夠以簡單的方式確定，例如在處理過程中，所有的信號分量即信號頻道和基準頻道首先被統(tǒng)一到一個標準的時間周期上。但是以上所述的僅是原理性說明。在信號處理中，有大量的映射和變換方法是已知的，它們可用于確定相對相位角。所以用戶有一個很大的實際轉(zhuǎn)換空間。就本申請所述的方法而言，其本質(zhì)點在于，在FGM以及特別是在pFGM的結(jié)果中能夠抑制一系列干擾效應，所以相對相位角也可以以較大的精度測定，這對于精細離散化，即區(qū)別多種數(shù)字狀態(tài)以及進一步提高信息速率都是十分有用的。
另一種改進方案例如是，信息并不是直接以相應分量相對BK或GT的相位角作為所謂的垂直信號內(nèi)部基準，而是以它們之間的差值以及最后所測定的同樣分量的相對相位角作為所謂的水平信號內(nèi)部基準進行編碼。該方法稱為相對相差法，簡稱RPDM。在這種RPDM中，一個本身是封閉的傳輸頻率的第一脈沖全部被作為水平基準。在非常復雜的傳輸條件下，也可采用更為有利的方式，即，將RPDM與權(quán)利要求9所述方法結(jié)合使用。然而在非常有利的傳輸條件下，完全用水平信號內(nèi)部基準確定相對相位角也就足夠了。在這種情況下，所述基準頻道同樣可用于信號編碼。此外，應當說明的是，不僅在RPWM中，而且在RPDM中，一個信號分量的不存在，或者低于某個特定的振幅閾值可以表示一個額外的數(shù)字狀態(tài)。
根據(jù)權(quán)利要求12，所述信息信道的數(shù)量根據(jù)傳輸路徑而改變，這樣可達到特別是當發(fā)射機單元和接收機單元之間的距離減小時，使用附加的、典型方式是更高的頻率，或者例如使用已有信道之間的其它恒定頻率，而另一方面在間隔很大時，主要使用較低的頻率范圍。采用該方法可以實現(xiàn)對傳播特性的最佳利用，這特別是對聲信號的應用有很大的意義。采用這種方式例如可以在水下范圍內(nèi)分別提供最大比特率和/或迄今為止難以達到的傳輸距離。當然，這種靈活性也包括與特定傳輸條件相適應的調(diào)節(jié)，可以將其解釋成基本標準，如果可以很好地覆蓋給定的工作范圍的話。
除了以上所述信號參數(shù)的具體狀態(tài)和比例，也可以在給出的方法中，根據(jù)信息的瞬間時間變化，即動態(tài)特性對其進行編碼。
根據(jù)權(quán)利要求13，所述各個信息頻道按照較寬或?qū)拵гO計，但它們并不重疊，這樣便可以產(chǎn)生相應信號分量的連續(xù)相位偏移，并且將其用于例如信息編碼。該方法被稱為相位梯度法或者相位速度法，即PGM。與基音之間的間隔所涉及的典型方式是對應于信道平均值的特性曲線。信息傳輸可以在每個時間脈沖內(nèi)相對各個信息頻道的頻率，在一個給定的信道內(nèi)有一個很小的偏移，典型的偏移是小于各個實際額定值的0.5％，或者連續(xù)地變化，這樣便可相對基音和基準頻道使相應的信息頻道產(chǎn)生一個連續(xù)的形狀相同的或加速的相位偏移。所述接收機單元不僅可以識別出是否在一個給定的時間脈沖內(nèi)在對應的信道上發(fā)送一個頻率，而且如果存在一個頻率，便可以確定相對相位角和/或特征參數(shù)，其函數(shù)大致反映出所述基音和基準頻道的實際周期時間(Zykluszeit)。所以除了本身的狀態(tài)和比值以外，也可以將其時間變化用于編碼目的。從中可以產(chǎn)生許多變化和組合的可能性，它們可以提高信息的傳輸率，使傳輸系統(tǒng)對不同的使用條件有更大的適應性，而且有利于設備的最佳化及其成本的減小。
為了簡化信息信號的處理和加工，根據(jù)權(quán)利要求16，在接收后，將基準分量從至少一個信息分量中分離出來。
根據(jù)權(quán)利要求17，用一個或最合適的基準分量或參考分量對各個承載信息的信號分量進行成對處理，以實現(xiàn)多普勒效應的補償。作為附帶的結(jié)果，該處理步驟有助于增加頻率的穩(wěn)定性。在paFGM的情況下，該步驟可直接有助于形成穩(wěn)定的，即靜態(tài)的中頻(stehendeZwischenfrequenzen)。
根據(jù)權(quán)利要求18所述的改進方案，可保證將信號分量變換成靜態(tài)中頻(Z′1；Z′2；…；Z′N＋X)，該中頻可便于后續(xù)的處理。其優(yōu)點之一例如在于，所述靜態(tài)中頻(Z′1；Z′2；…；Z′N＋X)在權(quán)利要求20所述的一個后續(xù)濾波級中，定位在一個最佳的頻率窗口內(nèi)，同時也可使用高分離度的濾波器。
在使用pFGM或pVMT時，作為對權(quán)利要求16至18所述步驟的選擇，無需事先分離信號分量，而且無需使用外差頻率(Hetrodynefrequenzen)，例如僅通過將實際時間脈沖內(nèi)接收的信號同前一個脈沖中的接收信號相乘，即可產(chǎn)生靜態(tài)中頻。根據(jù)權(quán)利要求19，信號處理的改進最好與不同相位編碼的使用相結(jié)合。
針對發(fā)明任務，權(quán)利要求20的進一步的構(gòu)形為從反向的信道應答的頻率穩(wěn)定的頻譜中為每個信號分量分別分離出最合適的信號分量，例如通過濾波器分離出來，并且抑制其它信號分量的可能的干擾影響。后者包括在該過程中將信號分量相互分離，如果根據(jù)權(quán)利要求16，這些分量沒有產(chǎn)生或者不完整的話。
為上述目的，可以在最簡單的情況下使用專用濾波器。用該濾波器可以將不需要的，即剛好不需要用于計算的分量排除，也就是說分別濾掉。作為結(jié)果可使每個承載信息的信號分量得到一個清楚定義的代表值，根據(jù)該代表值，可以以最佳方式恢復出信息編碼所使用的信號參數(shù)(例如振幅和/或相位)。這里也僅涉及到基本原理的描述。當然一般公知的是，信息處理的多層指令系統(tǒng)也可使用復合方法，該方法除了識別信息分量也可提供所屬的參數(shù)。
根據(jù)權(quán)利要求21所述的進一步的構(gòu)形，可以通過所述的處理過程，達到在信號處理中沒有錯位產(chǎn)生的目的。
采用權(quán)利要求22所述的進一步的構(gòu)形的優(yōu)點是，對于各個實際傳輸條件而言，始終能夠識別出對應的信號分量和信道應答，根據(jù)這些結(jié)果可以按照最佳方式，即最好的方式確定信號參數(shù)。在通常情況下，該參數(shù)是最強的，即能量最大的信號分量，它可使信號處理具有最好的質(zhì)量。通過信道調(diào)諧例如可以測定最好的濾波器調(diào)整，從而盡可能精確過濾出所要求的分量，而且最佳地抑制其它信道應答以及可能的邊帶干擾影響。后者可有利于擴大接收半徑和/或提高信息速率。對接收信號的處理越好越可靠，所能提供的可能性就越多，分級就越細，或者在信息編碼中就可使用各種不同的參數(shù)變化組合。
根據(jù)權(quán)利要求23，通過連續(xù)地調(diào)節(jié)濾波器，或者連續(xù)地識別最有利的接收分量，可以在不斷變化的傳輸條件下達到最佳的接收效果，其中所述方法的優(yōu)點在于，對于信道調(diào)諧不需要中斷本身的信息傳輸。
權(quán)利要求27所述方案的優(yōu)點是多普勒補償可實現(xiàn)最佳化。
根據(jù)權(quán)利要求28所述方法，最好在接收信號的處理中應用較強的多普勒負載，其中每個信號分量基本上僅通過一個信道應答表示。
本發(fā)明的其它有利的實施例是其它從屬權(quán)利要求的主題。
下面對照附圖詳細描述本申請所述主題的各種實施例。


圖1表示本申請所述方法和系統(tǒng)中所使用的信息信號的結(jié)構(gòu)，它由一個基準頻道和3個信息頻道組成。
圖2a表示圖1所示信息信號的調(diào)幅情況。
圖2b表示脈沖信息信號的一個序列。
圖3是表示一條信息編碼的示意圖。
圖4表示圖3所示的具有并行FGM的編碼。
圖5表示通過FGM相對3個處在相互調(diào)諧狀態(tài)下的信息頻道的比例關(guān)系，在一個前行干擾成分和后續(xù)干擾成分的時間點ti上的信號分析。
圖6表示改善信號分析的基本原理，考慮到圖5所示干擾信號，并使用了一個基準頻率信號和4個信息頻道。
圖7表示使用一種分級頻率偏移的示意圖，包括時間脈沖內(nèi)的信息頻道的附加變化；其中第一脈沖半波分別構(gòu)成用于RPDM的附加水平基準。
圖8a是表示一個編碼的示意圖，但是僅有兩級頻率。
圖8b以實例的形式表示一個信息頻道5級編碼的原理。
圖9a和9b表示用pPGM產(chǎn)生的兩個不同的相位梯度。
圖10表示用nPGM(上面)和pPGM(下面)產(chǎn)生的不同的相位梯度。
圖11表示本申請所述系統(tǒng)的一個發(fā)射機單元的一種基本構(gòu)成。
圖12表示本申請所述系統(tǒng)的調(diào)幅發(fā)射機單元的另一種基本構(gòu)成。
圖13表示本申請所述系統(tǒng)的第一實施例的接收機單元的一種示意性基本構(gòu)成。
圖14表示第二實施例的具有附加相位檢測功能的接收機單元的另一種基本構(gòu)成。
圖15表示通過FGM相對3個處在相互調(diào)諧狀態(tài)下的信息頻道的并行關(guān)系，在一個前行干擾成分和后續(xù)干擾成分的時間點ti上的信號分析。
圖16表示在不同的應用中，最有利的頻率間隔的幾個實例。
圖17是示意圖，表示本申請所述方法用于信號處理的過程的一個基本變化。
圖18表示一個pVMT接收信號的頻率分量隨時間變化的實例，該接收信號由一個基準分量和3個信息分量組成，傳輸條件幾乎是理想的(符號間的交互作用最小)。
圖19表示圖18所示接收信號在第一承載信息的信號分量變換成一個中頻后的情況。
圖20表示一個實例，由于交替的信道應答，一個給定接收分量的反向頻譜分量的強度隨時間強烈波動的情況。
圖21表示圖20所示實例經(jīng)過強濾波級的情況。
圖22是表示本申請所述方法的一個基本變化過程的示意圖，其中，進行了信道調(diào)諧。
圖23是示意性總圖，表示所述信號處理方法的各種有利的實施例中最重要的處理步驟。
圖24表示本申請所述信號處理系統(tǒng)的第三個實施例的基本結(jié)構(gòu)。
圖25表示本申請所述系統(tǒng)用于信道調(diào)諧的基本構(gòu)成。
圖1示出了信息信號IS，它例如由一個作為基準分量構(gòu)成的基準頻道BK和例如三個作為信息分量構(gòu)成的信息頻道I1、I2、I3組成，其中，基準頻道在本例中是作為基音GT構(gòu)成的。圖1中所示的信息頻道是與基音GT諧調(diào)的諧音HK1、HK2和HK3，它們通過疊加構(gòu)成所述的信息信號。從該圖中可知，每個信息頻道均通過一個二進制數(shù)字信息的有或無表示，這相當于用1或0表示(參見圖2b)。
圖2a中示出了圖1所述信息信號IS的振幅調(diào)制，從而保證例如在一個脈沖的開始和結(jié)束有一個連續(xù)的或平滑的過渡，如果所述信息信號是通過信息頻道的時間性變化而改變的話。
這樣一種改變例如表示在圖2b中，其中所述信息信號的形狀從脈沖到脈沖而變化，所以例如在區(qū)域I內(nèi)存在一個信息信號IS，它是由基音與第二和第三調(diào)諧諧音疊加構(gòu)成的(GT＋HK2＋HK3)，它在下一個脈沖(區(qū)域II)中連續(xù)地不存在第二和第三調(diào)諧諧音而過渡到基音(GT)上，從而在下一個脈沖中通過第一諧調(diào)諧音與基音的疊加產(chǎn)生一個變化的信息信號，它相當于另一個編碼化比特模式(見區(qū)域III)。通過這種方式可以在這些信息信道的每一個中，每一個時間脈沖內(nèi)傳輸一個比特?？傆嬁蓮闹挟a(chǎn)生對應于每個時間脈沖的一個比特模式，其中的信息能以任意的方式編碼。一般而言可根據(jù)所支配的信息信道的數(shù)量，以及根據(jù)所使用的編碼體系，例如對一個字母或其它符號進行編碼。
在此應當指出的是，當使用2、4、8、12、16和更多的信息信道時可以得到與各種不同的現(xiàn)有電子數(shù)據(jù)處理方法的直接兼容性。
在圖3中，例如用公知的ASCII碼表示的單詞“DolphinCom”，使用4個信息信道傳輸。構(gòu)成所述信息信號的頻率系統(tǒng)在該實例中由一個作為基音GT使用的基準頻道和4個建立在其上的諧調(diào)信息頻道(I1、I2、I3和I4)作為諧音組成，該諧音通過比例化FGM隨時間變化。在該例中，編碼僅通過諧音的開和關(guān)實現(xiàn)。垂直線表示脈沖，該脈沖始終具有相同的長度。對每個脈沖可得到一個特定的比特模式，它用符號表示。每兩個符號組成一個ASCII碼的字母。圖中表示的是單詞“DolphinCom”。原則上對于所傳輸?shù)男畔⒕幋a也可以采用任何其它的代碼，這可以使用戶自己能夠擁有最大的編程空間，并且使本方法能夠與幾乎所有的電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兼容。如圖3所示，基準頻道連續(xù)地改變，而且4個信息頻道(I1、I2、I3和I4)成比例偏移。圖4同樣表示的是使用4個信息信道傳輸ASCII碼表示的單詞“DolphinCom”，然而基準頻道是連續(xù)變化的，如圖4所示，當然例如相對該基準頻道首先諧調(diào)設置的信息頻道連續(xù)地平行于基準頻道的改變而偏移。
圖5中表示的是，例如當基準頻道在FGM的意義上連續(xù)變化時，如何使信號的分析更明確更可靠地進行。在圖5所示的實例中，與圖3類似，選擇了3個信息頻道，其中除了原來的信號頻率外，還分別有一個先行頻率和一個后續(xù)頻率作為干擾信號抵達接收機，其中，分別對所有3個信息頻道選擇相同的時間偏移。為了說明基本原理，圖中沒有畫出脈沖。垂直虛線(從ti出發(fā))表示在給定的時間點ti，所有接收到的信號頻率是各不相同的。當然，特別重要的是，根據(jù)這種頻率的差別可以從干擾頻率中分離出原來的信號頻率，或者將符號間的交互作用大部抑制，甚至全部抑制。與此相關(guān)的重要之處在于，被接收并且被以上方法所“清理”出來的信號分量的振幅和相位與基準頻道之間有一個明確的關(guān)系。當應用FGM時，為從相應的干擾頻率中分離出原來的信號頻率，可使用專門的頻率濾波器。從圖5中可明顯看出，頻率變化df/dt的梯度越陡，即相應的頻率變化速度越快，信號頻率與干擾頻率的間隔也就越大。因為在圖5所示的系統(tǒng)中，所有信息頻道始終是相互成比例變化的，所以對于較高的信息頻道其梯度更陡，進而使實際信號頻率從干擾頻率中更好地分離出來。
圖6是具有一個基準頻道和4個信息頻道系統(tǒng)的所述功能原理和效果的示意圖，所述頻道分別具有兩個相鄰的干擾頻率。圖6中所示的虛線表示一個通常使用的濾波器的特性。從中可明確看出，即使在濾波器具有恒定窗口寬度的情況下，對于較高的信息頻率也能實現(xiàn)明顯改善的選擇性。與已有的方法相比，可以在總體上明顯改善分辨率。此處特別應當指出的是，采用本申請所述方法對于較高的信息頻道能夠更好地從噪聲中分離出來，即使其在傳輸路程上始終受到最大的衰減，而且由此而抵達接收機的能量最小。從以上特點中可明顯看出，例如對那些緊密位于本身信號頻率附近的干擾頻率，為了改善選擇性，可以以適當?shù)姆绞竭x擇一種更陡的頻率梯度，也就是說，提高頻率的偏移速度，而在較大的間隔中，可得到較平的梯度。對于這種適應例如可以使用一組準備好的頻率偏移模式，或者對頻率變化梯度進行運算匹配。后者例如按以下方式可易于進行，如果用雙向連絡，即發(fā)射機單元也可進行接收，接收機單元也可進行發(fā)射。以這種方式例如可以在發(fā)射機單元和接收機單元之間執(zhí)行或者交換信道響應特性分析，或者也可執(zhí)行一種對應的自適應模式(Mustertraining)，從而為頻率偏移分別設定最佳的梯度。當然也可以在有利的固定傳輸條件下，在干擾的比例影響較小時使梯度為極限情況下的零。
與此相關(guān)需要指出的是，原則上可以為了傳輸速率的最大化而提供的脈沖頻率隨基準頻道的頻率高低成比例而變化，因為始終僅需要特定數(shù)量的振蕩周期來對全部信號中含有的各個分量進行分析。
在圖7和圖8a、8b中提供了其它的方案，特別是描述了基準頻道逐級變化的情況。這種方案特別是一種相對于FGM的令人感興趣的選擇，如果信號頻率和干擾頻率之間的時間差足夠大的話，例如位于若干微秒的范圍內(nèi)。在這種情況下可以實現(xiàn)信號頻率和干擾頻率之間良好的分離，其方式是所有頻道同時從一個脈沖到另一個脈沖、或者分步通過多個脈沖跳躍式偏移到較高或較低的頻率值，其中的分級可保持恒定。在這種情況下，當然也具有盡可能實現(xiàn)頻率偏移的優(yōu)點，以便在所有分級中均勻地確定信號內(nèi)的比例。該方案很容易通過比例或并行分級變化實現(xiàn)。該選擇方案一般稱為頻率跳躍法或頻率分級法，簡稱FSM。從圖7和圖8a、8b中可清楚看到，通過附加的相對相位編碼，如何產(chǎn)生出各個信息頻道的五位編碼。其中為提高可靠性，在所有信息頻道的每個脈沖開始發(fā)射一個基準信號，隨后在第二個脈沖半邊是相應的編碼信號。如圖7和圖8a中的側(cè)面所示，一個區(qū)分可以分別由5個間隔表示，即無信號(0)和4個具有RPDM的數(shù)字分級?？偣部稍谝粋€信息信號的每個脈沖中得到由一個基準頻道(BK)和3個信息頻道(HK)組成的53＝125個組合可能，它們可用于編碼用途。
在圖8b中作為實例示出了一個信息頻道五位編碼的原理。用標記D1至D4給出的點表示信號分量，它們的振幅超過了一個閾值A(chǔ)o，還有4個不同的相位角F或4個角度范圍，例如通過RPWM或RPDM進行數(shù)字化區(qū)分，還含有狀態(tài)D5，其信息分量振幅小于所述的閾值A(chǔ)o。
另一種信息編碼方法例如是相位梯度法或相位速度法，以下也簡稱為PGM，如圖9a和圖9b以及圖10所示。圖9a和圖9b表示的是所謂比例相位速度法(pPGM)，圖10表示的是非比例相位梯度法(nPGM)的附加關(guān)系。
上位的PGM原理可根據(jù)以下初始設置加以最簡單的處理。
例如在某個系統(tǒng)中，信息頻道始終要構(gòu)成一個諧調(diào)序列，即僅通過比例化FGM執(zhí)行頻率變化。其中可認為一個任意的信息頻道中相應的頻率在給定的脈沖間隔內(nèi)并沒有精確地作為GT的諧波發(fā)射，而是相對于對應的“額定頻率”向上或向下有少許失調(diào)(典型的方式是小于額定值的0.5％)(參見圖10的上排)。原則上這里發(fā)生了頻率的偏移，但是偏移很小，所以在接收端僅根據(jù)頻率分析很難作為調(diào)制識別出來，所以也無法處理成數(shù)字狀態(tài)參量。頻率繼續(xù)位于對應的分析濾波器的曲線尖銳的范圍內(nèi)。根據(jù)頻率是否稍高于或稍低于其額定值，可產(chǎn)生圖9a和圖9b表示的GT疊加圖形，其中相對相位角是連續(xù)減小的。信息頻道的頻率相位比GT的頻率相位超前，或者相應滯后。在相應的脈沖內(nèi)，便可產(chǎn)生相位梯度，其方向用眼睛即可識別，并且可以毫無問題地均勻確定。在計算相對于GT瞬時周期時間的相位梯度時，在所示情況下可產(chǎn)生一個恒定的上升。但是存在這種線性特性的前提是，在整個頻率系統(tǒng)的連續(xù)頻率變化中，內(nèi)部的、在給定脈沖周期內(nèi)容易變化的比例得以保持，也就是說，信息頻道相對GT的相對頻率失調(diào)也沒有改變。該條件的滿足可通過名稱pPGM得到明確表示，其中的小寫字母p表示比例。從周期角度觀察，在pPGM的情況下可得到一個相對于基準頻道相位的信息頻率相位的右旋和左旋，其形狀相同。
該效果對于所述信息編碼是有利的，因為在信號分析中的轉(zhuǎn)向，即相位梯度的方向基本上較容易確定，這例如比相位偏移的數(shù)值更容易確定。在數(shù)學上這意味著只需要確定信息頻道信號的頻率和GT之間的相對相位偏移的一階導數(shù)的符號即可，換句話說，確定相對相位速度是大于0或者小于0即可(參見圖10上部)。
以上過程可任意用于每個信息頻道的每個時間脈沖中。例如可將其用在與迄今為止所述的簡單開和關(guān)的組合中，每個信息頻道可以在相對于GT的一個給定時間脈沖內(nèi)最多得到4個不同的離散狀態(tài)1、無信號，2、具有正相位梯度的信號，3、具有負相位梯度的信號，以及4、沒有相位梯度的信號，其中必要時可以在實踐中放棄第4種狀態(tài)，因為4位編碼實際上包含了一種3位相位編碼，它在某些情況下并不能像兩位編碼那樣可靠地實現(xiàn)，因為這種數(shù)字值之一涉及到一個單個速度值(0)。但是，該問題與對應的接收質(zhì)量有關(guān)，因為發(fā)射機端通常可用較大的精度產(chǎn)生所有的梯度。無論如何在第一種情況下，理論上可以使每個頻道中的信息速率相對于簡單的開、關(guān)的情況進行加倍，并且在第二種變化中增加三分之一。
作為對此的選擇方案，也可以相應地省掉許多信息頻道，使得頻譜在整體上保持得較窄，這同樣可帶來許多優(yōu)點，能夠?qū)ζ溥M行選擇使用。在這種情況下變頻器不必完全采用寬帶方式，使用變頻器級即可，從而可以節(jié)省單個的或者在某些情況下節(jié)省多個元件。這例如有利于降低設備成本。另一方面在不改變設備配置的情況下，也有利于系統(tǒng)具有更大的靈活性和適應性。例如可以通過選擇提高信息速率，即在取消較低的頻率的情況下縮短脈沖時間，而在取消較高頻率的情況下可得到更大的傳輸距離。所以有一系列很好的理由盡量得到更大的基數(shù)(數(shù)字級的數(shù)量)，從而提高信息頻道中的信息密度。
所述的pPGM可以繼續(xù)加以擴展，除了在方向上之外，例如也可以采取不同的線性相位梯度的上升率，所述相位梯度可通過信息頻道頻率的不同強度的失調(diào)產(chǎn)生，用于編碼的用途，其中根據(jù)在具體情況下所達到的離散度而得到組合和編碼的其它可能。
與FGM相關(guān)聯(lián)可以產(chǎn)生正向或負向相位梯度，也可通過信息頻道的頻率變化產(chǎn)生，該頻率變化不必與基音的變化呈完全精確的比例(參見圖10下部)。
為了與所述pPGM相區(qū)別，以上變化被稱為nPGM，其中，n表示沒有比例。該nPGM可采用以下方式構(gòu)成，即相應的信息頻道的頻率在一個給定的脈沖間隔內(nèi)作少許加快或減慢的變化，其基準例如是比例化FGM的基本變量。此時可明顯看出，PGM的兩種變化最有利于應用在諧調(diào)頻率序列中，并與比例化FGM聯(lián)合使用。
所述的用于產(chǎn)生相位梯度的兩種對比的選擇方法的原理的另一種表示是，對比例化FGM加以改變，從而在每個信號分量的每個脈沖內(nèi)任意產(chǎn)生一個典型的、較小的附加線性頻率梯度。因為與pPGM不同的是，在與GT的疊加中，在線性相位偏移的位置上產(chǎn)生了另一種少許不同的特性曲線，其典型是一種平方曲線，它對應于一種加速的角運動，但是其方向和形狀取決于相對額定值曲線的相應頻率變化的初始值和結(jié)束值位置(參見圖10)。在nPGM中，所有相對相位角的一階和二階導數(shù)前面的符號作為GT周期時間的函數(shù)可以區(qū)分出多達6種設置。如果加上兩種變化，則對pPGM總共可得到8種不同的前置符號組合。
對于nPGM，令人感興趣的還在于，除了前置符號外，還可利用特定的相對相位角，例如初始值或結(jié)束值的相位或者在RPWM方向與額定值曲線的切點。
在圖11中表示的是一個發(fā)射機單元信息編碼的基本構(gòu)成。在原理圖中具有一個信息單元，它將編碼信息輸入一個編碼器3。該編碼器在一個對應的頻道中對信息單元所提供的信息進行編碼，所述頻道由基準頻道和信息頻道組成，形成必要的編碼后，將編碼信息傳送給相應的裝置用于產(chǎn)生一個基準頻道和至少一個信息頻道，該裝置為發(fā)生器5，它受到一個控制模塊7的控制。由所述發(fā)生器產(chǎn)生的波分量具有給定的振幅、頻率和相位，它被送入混頻器9，后者同樣由控制模塊7的控制。
根據(jù)該實施例，在混頻器中產(chǎn)生的信息信號在必要時被送入一個功率放大器11，后者將信息信號送到相應的與傳輸介質(zhì)相匹配的變換器或變換器級中。
根據(jù)該實施例，每個頻道設有一個發(fā)生器。
圖12所示的實施例表示的是一個優(yōu)選的發(fā)射機單元，其中對信息信號進行了調(diào)幅。為此在基準頻道和信息頻道中的各個分量被分解成信息信號之前進入混頻器，所述信息信號例如分別通過用于每個信號頻道的一個調(diào)制器被輸入，而且受到控制模塊的控制。
圖13所示的實施例表示本申請所述系統(tǒng)的一個接收機單元。一個與傳輸介質(zhì)相匹配的變換器或變換器級接收輸入的信息信號，在圖13中作為聲信號表示，并且該信號被送入放大器23。在放大器后面設置了一個濾波器25，用于分離和分析各個頻道，特別是用于將基準頻道過濾出來。從該濾波器，優(yōu)選是一種低通濾波器出來的信號被送入基準頻率檢測器21，它可測定基準頻率和接收強度。這些數(shù)據(jù)被送入接收機單元的控制模塊29。與此并行的是，信息信號在進入低通濾波器25之前被取樣，并且輸送到用于各個信息頻道的可控濾波器31內(nèi)。從該濾波器輸出的信號在一個可控閾值開關(guān)33內(nèi)進行分析，然后輸入一個解碼器35，它可將原始信息解碼出來。
圖14中表示另一個實施例，它具有額外的相位檢測器，例如用于比例式或非比例式相位速度法或相差法。為分析出相位分量，在可控濾波器31和可控閾值開關(guān)33之間設置了相位檢測器32，它最好按照需測定信息頻道的數(shù)量配置，其中為確定作為基準的相位，從基音檢測器中對基準頻率取樣。
根據(jù)優(yōu)選的信號處理方法，下面對照圖15至24詳細介紹幾種不同的信號處理實施例。
本申請所述方法包含兩種基本功能，它們以不同的方式實現(xiàn)和組合，必要時也可單獨使用。該基本功能是完全的多普勒補償，簡稱vDK，以及“頻道凈化”，簡稱KR。首先將分別介紹對應的基本原理，然后介紹不同的方法步驟方面的調(diào)制和組合的可能1、多普勒問題的解決為解釋vDK的基本原理首先選擇一個簡單的實例，其中最低的頻道提供基準分量，信息頻道的頻率則構(gòu)成一個調(diào)諧序列，也就是說，相對于基準頻率有一個整數(shù)關(guān)系。如果發(fā)射機端產(chǎn)生一個頻率變化，則應通過pVMT進行。在接收機端，所有信號分量同樣在第一步驟中例如通過帶通濾波器(BPF)的級相互分離。為簡化起見，首先假設理想的傳輸條件，其中每個分量僅由一個頻道應答組成，并且所有分量以大致相等的強度發(fā)射和接收。這種有利的關(guān)系例如可以出現(xiàn)在電磁波在空氣中傳播的情況下。在該實例中首先解釋的是，怎樣通過一種合適的處理實現(xiàn)完全的多普勒補償。
多普勒問題是由于發(fā)射機和接收機之間的相對位移而產(chǎn)生的頻率偏移，它經(jīng)常無法精確地預計，因為例如相對移動速度往往無法精確得知。所以信息信號的相位也無法精確確定，這意味著大大限制了所有采用相位編碼的信息傳輸形式。該問題可以通過差分相位編碼在某種程度上減小，其中從脈沖到脈沖所觀察的不是相位角本身而僅僅是其變化，但是該問題并不能徹底解決。如果各個信息分量分別以適當?shù)姆绞脚c基準分量共同工作，則可實現(xiàn)幾乎百分之百的多普勒補償。一個有利的解決方案包括一對多普勒補償裝置，簡稱pDA，它能以不同的方式實現(xiàn)。在以下實施例中，對一個簡單的情況加以詳細說明。
作為其它所有方案的實例代表，其中表示出了在一個時間脈沖內(nèi)對第一信息分量的處理，其頻率fik和其角速度ωik是對應的基準分量數(shù)值fb和ωb的兩倍。假設接收信號以數(shù)值形式存在，則從發(fā)射機發(fā)出的信號分量send b和send ik可用下式表示sendb[n]=2ENcos(ωntS+kω(ntS)2)-----(1)]]>sendik[n]=2ENcos(2ωnts+k2ω(nts)2+θik+θinf)-----(2)]]>其中N是在給定的脈沖周期內(nèi)掃描的總數(shù)，n是各個實際掃描的號碼，ts是進行掃描的時間周期的長度，以及nts是離散時間，E是能量，θinf是初始相位和θik是編碼所使用的信息分量的角度，系數(shù)k表示以比例VMT產(chǎn)生的頻率偏移。
通常，k可以是時間的一種合適的任意函數(shù)，具有正值和負值，也可以是0。后者表示其使用恒定發(fā)射頻率，作為特殊情況考慮。
因為發(fā)射機端的基準頻率相位是不變的，所以在后面也不起作用，因此公式(1)中相應的值等于0。
由于多普勒的作用，所接收的信號分量empfb和empfik與發(fā)射的分量之間是通過一個附加項來區(qū)別的empfb[n]=2ENcos(ωnts+kω(nts)2+Dωnts)-----(4)]]>empfik[n]=2ENcos(2ωnts+k2ω(nts)2+D2ωnts+θik+θinf)----(5)]]>其中，D是表示多普勒系數(shù)，它包含了發(fā)射機與接收機(在相對接近時具有正號，在相互遠離時為負號)之間的相對速度關(guān)系以及在傳輸介質(zhì)中信號的傳播速度。
上式中帶有下劃線的項表明，兩個信號分量的多普勒作用正好偏離了一個比例系數(shù)，該系數(shù)也確定了相應發(fā)射頻率的關(guān)系。在以下實例中該比例系數(shù)等于2。
因為比例系數(shù)是已知的，所以通過多普勒效應而造成的相位偏移的準確數(shù)值實際上不再起任何作用。如果對基準分量進行變換，使其得到與待分析的信號分量同樣的頻率特性曲線，則對于兩者可得到精確的等值多普勒偏移。在本例中可從基準分量中通過自乘而產(chǎn)生一個與信息分量多普勒等值基準Rf。通過乘法規(guī)則可得到Rf[n]＝empfb[n]×empfb[n]=2ENcos(ωnts+kω(nts)2+Dωnts)×2ENcos(ωnts+kω(nts)2+Dωnts)]]>=2EN12[cos(0)+cos(2ωnts+k2ω(nts)2+D2ωnts)]]]>濾掉不使用的邊帶以及用系數(shù) 標定后，最終得到一個標準的基準信號Rf′，它的相位與公式(5)所示的信息分量的相位不同Rf′[n]=2Ncos[2ωnts+k2ω(nts)2+d2ωnts]-----(6)]]>該基準信號可以在一定程度上作為系統(tǒng)內(nèi)部時鐘使用，借助于該時鐘可以確定信息分量的相角。
以類似的方式可以從基準分量中推導出所有其它包含在接收信號內(nèi)的信息分量，它們分別需要相應的基準。所需要的僅僅是多次相乘，必要時也包括濾波。一般當然也可以采用相同的方式轉(zhuǎn)換信息分量，它在以下方式中被認為是有用的，如果與這里所選實例不同，信息分量的頻率低于基準分量的頻率，或者相對后者具有較小的整數(shù)關(guān)系的話。在后一種情況下，相同的過程可任意反復用于基準分量和信息分量的每一端，用于構(gòu)成一對分量，直到兩個分量重合為止。但是隨著每次相乘，相應頻譜內(nèi)包含的頻率分量的數(shù)量也倍增，所以必須考慮頻道的布置，使成對多普勒補償裝置所需的步驟盡可能少。
一般而言，對于相位編碼信號的所有應用必須注意采用合適的方式選擇成對多普勒補償，在信息分量的處理中不得出現(xiàn)信息損失，例如通過多義(不確定)相位而造成的信息損失。
下面對照所述實例說明一種可能性，如上所述的信號處理方法，僅能以簡單的方式對信息分量的相位加以確定。為此例如可以將相應的信息分量分解成所屬基準信號Rf｀[n]的求積函數(shù)，見以下說明。
因為基準信號Rf｀[n]在該例中已經(jīng)是正弦形式，所以可采用下式描述RfC[n]＝Rf｀[n]對應的正弦求積分量RfS[n]例如可通過構(gòu)成RfC[n]的一階導數(shù)以及振幅的相應標準化得出。
此時對所述信息分量在基準正弦求積分量上的映射描述如下CQ=ΣN1N2empfik[n]×RfC[n]]]>=ΣN1N22ENcos(2ωnts+k2ω(nts)2+D2ωnts+θik+θinf)×2Ncos(2ωnts+k2ω(nts)2+D2ωnts)]]>=2NΣN1N2E2cos(θik+θinf)+2NΣN1N2E2cos(4ωnts+k4ω(nts)2+D4ωnts+θik+θinf)]]>其中N1表示相應脈沖的起始，N2表示其結(jié)束。
因為在第二個求和式中，函數(shù)值在0的上下振蕩，所以在和中產(chǎn)生正分量和負分量，所以該項總體上趨向于0，而且沒有較大的誤差影響CQ≈E·cos(θik+θinf)]]>相應地，所接收的信息分量在基準正弦求積分量上的映射是SQ=ΣN1N2empfk1[n]×RfS[n]]]>=-ΣN1N22ENcos(2ωnts+k2ω(nts)2+d2ωsnst+θik+θinf)×2Nsin(2ωnts+k2ω(nts)2+d2ωnst)]]>=-2NΣN1N2E2sin(4ωnts+k4ω(nts)2+d4ωnst+θik+θinf)-2NΣN1N2E2sin(-θik-θiinf)]]>≈-2NΣN1N2E2sin(-θik-θinf)=Esin(θik+θinf)]]>另外，其中的CQ和SQ表示直角坐標系中一個點的x和y坐標。然后該點與坐標原點之間的連線和橫坐標之間形成所求的相位角Θ。該角度可采用合適的算法容易地加以確定。一個代表性的表達式例如是Θ=arctanSQCQ=arctanEsin(θik-θinf)Ecos(θik-θinf)=θik-θinf]]>所接收的信息分量的相位此處作為發(fā)射波的初始相位和編碼相位的差表示，即它在每個脈沖內(nèi)的相對時間保持不變。為了表示完整，還可使用前面的脈沖和當前脈沖之間的相位差進行編碼。如果將脈沖用指數(shù)i和i＋1表示，則對于差分相位編碼可得到Θi＋1＝(θik－θinfi＋1)－(θik－θinfi)＝θinfi－θinfi＋1以類似的方式可以對每個時間脈沖以較高的精度確定其它信息分量的相位。這樣又可向用戶提供相位角的相應精細離散的可能性，所以可提高信息速率。以上所述的相位角確定方法在下面一般稱為CS映射。
所述的vDK特別構(gòu)成權(quán)利要求28所述方法的基礎(chǔ)。圖23再次表示出vDK處理過程中最重要的元件的總體圖。該總體圖還表示其中的不同元件還可以以類似的方式用在其它有利的實施例中。
2、頻道凈化所述的頻道凈化，即KR，包括各個最佳頻道應答的識別及其信號分離，同時符號間的交互作用具有最小值。所述的頻道凈化本身已經(jīng)部分地包括在多普勒補償之內(nèi)，該補償對于一系列應用已經(jīng)是足夠了。
這里觀察作為實例的情況，其中多普勒效應沒有起到什么作用，但是接收由于分散的頻道應答疊加而受到影響。這種傳輸條件經(jīng)常出現(xiàn)在聲波通信中，即，與緩慢移動的物體或固定的物體在水下通信，或者它們之間通信。每個這種信號分量均由頻道應答的整個頻譜代表(參見圖5和圖17a)。本申請所述的用于信號處理的方法首先必須保證做到符號間的交互作用為最小。
盡管在vMT的結(jié)果中分散的頻道應答以不同的頻率到達接收機，然而在實踐中幾乎不可能在第一個步驟中即對每個分量從相應的頻譜中過濾出最有利的頻道應答，因為該頻譜大多，非常密集，并且無法確定頻率(參見圖18)。另外一同工作的帶通濾波器也很難以足夠的分離度進行設定。但是開始我們已經(jīng)假設必須能夠?qū)⒒鶞屎托畔⒎至康南鄳l譜相互分離出來(圖17b和17c)。
將基準分量與相應的信息分量相乘后(圖17d)可得到兩個中頻頻譜，它們具有不同的高度以及不同的運行速度(圖17e)。所能提供的是過濾出相應降低的頻帶，例如通過一個低通濾波器濾波，用于后續(xù)處理。在該分量中，可以降低可能的多普勒效應，而效應在其它頻譜分量中則被放大。如果該第二邊帶沒有干擾，例如由于具有足夠的計算容量，則也可以同時放大，即可以省掉濾波級。
在下一個處理步驟中，至少將一個留下的頻帶與一個系統(tǒng)內(nèi)生成的輔助頻率相乘(圖17f)，其特性曲線按以下方式選擇，使得相乘的結(jié)果能夠確定第二中頻的分量，也就是說該對應的頻率在時間上不再變化(圖17g)。
各個輔助頻率(H1；H2；…；HN)或者可以從發(fā)射機和接收機之間確定的規(guī)則中產(chǎn)生或在操作中確定的規(guī)則中產(chǎn)生，并考慮到信息傳輸所使用的信號結(jié)構(gòu)，或者該特性曲線在信息傳輸?shù)倪^程中所執(zhí)行的傳輸頻道的測定范圍內(nèi)確定(頻道自適應見下文)。
圖19表示該級也可通過以下方式達到，即首先從信息分量中僅分離出基準分量。通過適當選擇外差頻率可以使所處理的信息分量的頻率更加穩(wěn)定(在本例中是第一個信息分量)。
這種處理方法的一個優(yōu)點是，通過合適的外差頻率可以使穩(wěn)定的中頻所需要的分量始終處在一個確定的窗口內(nèi)，因此通過一個固定濾波器，例如一個低通濾波器可以采用最佳方式過濾出來(圖17h)。
圖20用一個接近實際的具有許多頻道應答的例子表示，根據(jù)這樣一種穩(wěn)定的中頻頻譜尚不能可靠地說明諸如相位的情況，因為這種分散的頻道應答在不同的時間可能代表不同的強度。
所以插入了一個第二濾波級，其中在先行的頻道自適應過程中(其說明見下文)，對于每個分量設定了用于所有最強頻道應答的最佳選擇性。圖17h中的虛線表示該濾波器的脈沖前沿可以設定得非常陡。其結(jié)果是其它信道應答對最佳方式的影響可以減到最小(圖17i)。
圖21表示的是與實際相近的實例，其結(jié)果是一個具有所述選擇性的濾波級從圖20中的許多尚在波動的信道應答中能夠確定一個唯一的選擇，并且抑制其它成分的影響。整個與此相關(guān)的過程稱為具有部分多普勒補償?shù)念l道凈化。
參數(shù)確定經(jīng)過以上準備并且徹底清除了干擾頻道影響的信號分量，可以進行詳細的參數(shù)分析。其中不僅對振幅，而且對容納信息的信號成分的相位以最大可能的精度和復原性進行測定。不同的振幅值例如可以采用簡單的方法通過閾值開關(guān)區(qū)分開來。如果為確定相位角，而要執(zhí)行C-S映射，則可以在必要時人工產(chǎn)生所需的基準振蕩(例如其正弦和余弦成分)而進行分量分解。人工產(chǎn)生所需的基準振蕩在技術(shù)上毫無問題，因為系統(tǒng)知道最后的(曲線尖銳)濾波級的設定，所以承載信息的信號成分的頻率是已知的。根據(jù)所使用的編碼形式，還可以由用戶從公知的算法出發(fā)，進行最合適的選擇和應用。
在以上所述的方式中，所述的KR最好與一種pVMT(參見圖5)聯(lián)合使用。但是與paVMT(參見圖15)匹配也毫無問題。在paVMT的情況下，基準分量和信息分量相乘直接產(chǎn)生靜態(tài)中頻，所以不再需要與輔助頻率相乘。如果還是需要這樣一個中間步驟，例如需將相關(guān)的頻帶移動到一個特定的濾波窗口內(nèi)，則可容易地通過與一個恒定的輔助頻率相乘而做到。但是該情況屬于以上說明的發(fā)揮范圍。
所述的KR原則上適用于所有形式的VMT，其中動態(tài)產(chǎn)生的頻率變化梯度不等于0。為了使這里所述的變化區(qū)別于下述變化，將其稱為KR1。這里，本申請所述方法的有利實施例構(gòu)成了 18的基礎(chǔ)。這種基本方法的最重要的因素再次表示在圖23中。
以上所述的KR的變化例如可以進行以下改變，所述基準和信息分量首先不進行互乘。在這種情況下，穩(wěn)定中頻的構(gòu)成直接在一個步驟中通過相應的信號分量分別與一個合適的輔助頻率相乘得到。這種方法帶來的優(yōu)點是，穩(wěn)定中間頻率的頻譜除了接收分量外，不再含有其它成分。在濾出了對于每個分量而言是最佳的頻道應答(頻道凈化)后，始終還存在以下可能，即，相應的承載信息的信號成分與基準一同進行處理，從而至少部分地實現(xiàn)多普勒補償，或者類似于vDK中所述的實例，通過承載信息的分量在凈化基準信號的余弦和正弦求積分量上的C-S映射而進行相位角的確定。相應的基準頻率匹配在必要時或者可以在乘法過程中與一個合適的輔助頻率相乘，或者在最后的濾波級結(jié)束后通過與一個合適的恒定輔助頻率相乘實現(xiàn)。在第二種情況下，基準分量僅需要一次性通過濾波器。
在以上段落所述的改進方案中，可產(chǎn)生另外一個有利的實施例。其簡要表示的流程圖在總體圖(圖23)中被稱為KR2。
如果多普勒效應根本不起作用，則也可以完全取消基準分量，或者作為附加信息分量使用。此時當然僅能使用KR2。所以，參數(shù)的確定必須類比KR1中所述的方法進行。
為了完整起見，此處再次引用開始所述的但沒有用附圖表示的選擇方案，其中，例如在pVMT的范圍內(nèi)穩(wěn)定中頻級也沒有事先進行分量分離，僅通過乘法即在順序的脈沖中得到接收信號。該步驟同樣包括一種部分多普勒補償。在這種情況下的特點是，根據(jù)頻率的偏移，相應頻道的穩(wěn)定中頻的頻譜處在分散的但多少是緊密相鄰的窗口內(nèi)。當然所得到的這種變換的效果是一種非常復雜的信號結(jié)構(gòu)。特別是當使用大量的信息頻道時，必須小心地避免可能出現(xiàn)的叉積(kreuzprodukte)疊加。為了分離出頻道應答，例如可以使用尖銳特性濾波器級。
以下需要再次指出的是，采用所述的濾波器系統(tǒng)僅表述了工作方式的基本原理。在實踐中完全可以想象，使用更為復雜的信號處理和信號分析方法，該方法與這里所述的操作步驟相似或者采取其它形式。但是無論如何原理是一樣的。
整體解決方案首先分別描述完整的多普勒補償和各種頻道凈化方法(目前包括部分多普勒補償)的基本工作原理，并觀察一個應用實例，其中的接收不僅受到分散的頻道應答影響，而且也受到強烈的多普勒效應的影響。這種與干擾量的組合例如經(jīng)常使水下移動物體之間的通信難度增大。
對于這種情況例如存在一種解決方案，即，將vDK和KR2相互組合使用將基準分量和信息分量分離后，首先如在vDK中所述，以成對方式進行多普勒補償，其方法是對成對處理的信號分量中的至少一個，必要時也可以是兩個，以合適的方式加以變換，使得兩者精確地具有同樣的頻率范圍，因而具有相同強度的多普勒負荷。作為選擇可將沒有使用的邊帶濾掉，并且將留下的信號成分重新進行標準化。
然后將兩個分量分別通過與典型的同一輔助頻率(它具有和相關(guān)分量一樣的升程，但是有少許平行偏移)相乘進行乘法運算，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的中頻，隨后分別在后面的濾波級中進行頻道凈化。為此可在必要時為每個分量任意設定曲線尖銳的濾波器。在理想情況下，相應的濾波器設定也可在上述輔助頻率的微調(diào)中考慮。
作為結(jié)果不僅可使信息分量，而且可使基準分別得到徹底凈化了符號間交互作用的信號。經(jīng)過這種“凈化”(必要時還包括閾值分析)后便可按照諸如vDK和KR2中所述方法進行參數(shù)確定，其中通過用所屬基準成對處理相應的信息分量，可實現(xiàn)完全的多普勒補償。
以上本申請的方法所述的實施例構(gòu)成了權(quán)利要求8所述的有利實施例的基礎(chǔ)。它在圖23所示的示意圖中用Kompl.1表示。
另一種解決方案是將vDK和KR1進行適當?shù)慕M合(參見圖23所示的Kompl.2的簡要流程圖)在這種情況下，也是將基準分量和信息分量分離后，首先以成對方式進行多普勒補償。然后將兩個分量之一通過與一個在此例中為恒定的、由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的輔助頻率相乘，從而平行偏移一個合適的數(shù)值。隨后用圖17g所示的處理級，將兩個成對分量相乘，也就是說，達到穩(wěn)定的中頻水平。然后，此方法接著通過兩個濾波級并按照KR1的參數(shù)確定而繼續(xù)進行。
這種第二完整解決方案包括的內(nèi)容是，通過信息分量在多普勒相同基準上的投影將由于移動而造成的頻移影響徹底消除。然而其間也將基準“用盡”。所述的基準也將不再使用了。這種方法的主要優(yōu)點是，系統(tǒng)內(nèi)部僅需要分別生成一個恒定的輔助頻率，從而使得所要求的穩(wěn)定中頻的邊帶精確地處在濾波裝置的最佳頻率窗口內(nèi)。在最有利的情況下，也可以對所有成對分量使用同一個輔助頻率。在原則上也存在以下可能性，使該輔助頻率在“凈化”之后繼續(xù)作為相位分析的基準使用。因為在實踐中也試圖將曲線尖銳的濾波器任意設定到適用于每個信號分量(該分量在本例中已經(jīng)由相應提供的信息和基準分量的組合表示出來)，所以，對于系統(tǒng)來說，濾波器設定是已知的，能夠順利地在系統(tǒng)內(nèi)部人工產(chǎn)生精確調(diào)諧的基準(包括正弦和余弦求積分量)，如果該基準被用于相位分析的話(參見KR1)。
頻道自適應(Kanaltraining)和頻道調(diào)諧通過已經(jīng)多次提到的頻道自適應，可以根據(jù)合適的測試信號，首先確保信號結(jié)構(gòu)盡量與對應的傳輸條件實現(xiàn)最佳匹配和/或至少保證接收機始終能以所要求的規(guī)格進行分量分離。如果該條件得到滿足，則對于權(quán)利要求1所述方法以及對于所有其它包含了頻道凈化的變化方案而言，必須進行所建議的頻道調(diào)諧。為此可提供的方案是，發(fā)射稍長的無編碼信號，該信號在其它情況下已經(jīng)具有信息傳輸所需的特性。其中用戶可以選擇是否同時使用所有的頻道，或者是否根據(jù)測試信號進行頻道調(diào)諧，所述測試信號依次包括一個基準分量和一個或多個信息分量。相應的方法當然必須與對應選擇出的信號處理方法的變化相適應。接收到的測試信號將通過所有相關(guān)方法中設置的處理級，直至形成穩(wěn)定的中頻。在該水平上，對于每個處理的信號分量(或由各個信息和基準分量構(gòu)成的混合分量)進行能量密度分析，并且要在給定的頻譜中進行。對于這種分析例如可以使用FFT。根據(jù)處理結(jié)果可以分別選擇出最合適的頻道應答(典型的是能量最大的)，該應答被對應的“曲線尖銳的”濾波器的最佳裝置所獲得和存儲。對所有分量設定了相應的裝置之后，便可以開始進行本身的信息傳輸。濾波的設定可以保持到下一次頻道調(diào)諧。
特別是在水下聲波數(shù)據(jù)傳輸中，傳輸條件經(jīng)常隨時間而不穩(wěn)定。在這種情況下所提供的方案是，至少讓頻道調(diào)諧在適當?shù)臅r間間隔內(nèi)重復，即，曲線尖銳的濾波器的設定定期更新。
將較長的未編碼數(shù)據(jù)用于頻道調(diào)諧可提供良好的靜態(tài)可靠性，但是也意味著信息傳輸會不時地出現(xiàn)短暫的中斷。這種中斷在必要時是可以避免的。一個有利的選擇方案見權(quán)利要求23所述的方法。其中在信息傳輸過程中，運行的、即持續(xù)接收的信號平行于本身的信號處理過程或者作為其組成部分執(zhí)行所述濾波器設定的連續(xù)更新，從而進行一種連續(xù)的頻道調(diào)諧。其中適當?shù)姆桨甘?，將來自多個脈沖的接收結(jié)果納入處理中。這種選擇方案當然對處理系統(tǒng)相應提出了更高的要求。
確定發(fā)射機和接收機之間的相對速度最后還要簡要說明，考慮到發(fā)射機和接收機之間的實際距離變化，從接收信號中得出盡可能有幫助的信息。按照以上所述方法進行信號處理的目的是，對于每個信號分量以最佳方式將(發(fā)射)參數(shù)(包括相位角)復原出來。為此最好對所述分量進行相互處理，將多普勒成分消除。后者也被作為干擾量處理。但是這種多普勒成分包含有多普勒系數(shù)D＝v/c形式的信息(參見公式4和5)，該信息雖然與數(shù)據(jù)傳輸本身無關(guān)，但是可以表示發(fā)射機和接收機之間的瞬時相對速度v。所述多普勒系數(shù)可以采用合適的信號處理方法來確定。因為信號傳播速度c是已知的，可以用頻道測定器測量，所以可估算出v，也可以相對精確地計算出v。
下面是一個可能的解決方案的實例說明為此可以抽取出任意一個接收分量(比較合適的例如是未編碼的基準分量)。如果需要也可再次按照KR2將其減少到一個頻道應答。因為發(fā)射機所使用的信號結(jié)構(gòu)對于接收機是已知的，并且通過上述方法之一所述的信號分析也可以確定相位，所以可以產(chǎn)生一個系統(tǒng)內(nèi)部的具有標準振幅的基準信號，該信號的相位和頻率特性與對應的接收分量相同，但是未知的多普勒成分例外。將所述接收分量映射到該基準和濾波器(低通濾波器)的正弦和余弦求積分量上后，可分別得到純粹的多普勒分量，其形式為具有相同振幅的簡單正弦和余弦振蕩。該反正切函數(shù)提供了幅角Dωnts，由于ωnts是已知的，從而可進行除法D，并且用c與D相乘，最后用v與D相乘(示意性流程圖見圖23中的多普勒確定法)。
無需額外的測量費用即可得到這種有價值的附加信息對于許多應用無疑是有利的。
此外，應當指出的是，關(guān)于多普勒成分的知識對于進一步改善信號處理本身也是有利的。例如可以在KR的范圍內(nèi)在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的輔助頻率更加精確地匹配各個接收分量的結(jié)構(gòu)，從而在本身的信號分析中以更好和更簡單的方式減小有害的多普勒影響。通過組合這些方法，必要時通過其相互結(jié)合使用，除了可改善處理效果以外，至少還可以實現(xiàn)方法的最佳化，因為提高了多普勒抵抗力后例如也可以擴展KR1和KR2的使用范圍。特別是在接收分量的乘法中可減少無法避免的快速數(shù)據(jù)增長，必要時取消中間濾波器，使整個處理過程更快。所有對方法核心部分的簡化都有利于在線分析。即使多普勒分析首先意味著額外的費用，也會在整體上得到可能的節(jié)省，因為信號處理的核心部分可采用更小的硬件和軟件容量。
此外，上面所述的對本申請所提供的方法的改進和簡化至少在以下情況下可采取簡單的方式實現(xiàn)，即關(guān)于相應的實際多普勒頻移的信息以準備好的形式，例如一個外部測量系統(tǒng)提供的形式使用。
在圖24中示出了信號處理單元的基本結(jié)構(gòu)。該基本原理中包括一個濾波器單元，它在本實施例中由兩個并聯(lián)連接的可控濾波器件BPF1和BPF2組成，它們將接收信號分離成基準分量和信息分量。
這兩個信號分量然后通過頻率變換裝置首先進入一個變換器單元，變換器單元由變換器1和變換器2組成，在變換器內(nèi)以成對方式進行多普勒補償，接著兩個分量通過乘法器1合并，從而以后通過乘法器2，借助一個合適的由一個發(fā)生器提供的輔助頻率或外差頻率變換成靜態(tài)中頻(stehende Zwischenfrenquenz)。
作為抑制干擾成分的裝置，在該實施例中首先使用了濾波器LPF1，必要時也可使用第二個濾波器LPF2，它們分別以串聯(lián)方式設置在乘法器后面，將無用的邊帶濾掉。然后通過串聯(lián)的曲線尖銳的濾波器BPF3讀出各個最合適的信號分量，該分量隨后進入?yún)?shù)分析裝置，在本實施例中是一個參數(shù)分析模塊，在需要時，參數(shù)分析模塊也可通過一個基準信號發(fā)生器加以完善，后者與BRF3相連。
在所述處理單元的終端可輸出對應于每個信息分量的用于編碼的信號參數(shù)。
圖25表示在同一裝置中使用的頻道調(diào)諧的基本結(jié)構(gòu)。與圖24不同的是，在該實施例中所述信號分量從LPF2出發(fā)連接到調(diào)諧裝置上，其中，F(xiàn)FT單元、頻譜分析模塊和用標號3表示的處理單元構(gòu)成了所述的調(diào)諧裝置。其結(jié)果被送入控制模塊。該模塊為BPF3提供了最佳的濾波器裝置。
下面對本申請所述方法和本申請所述系統(tǒng)的其它可能性和用途加以詳細描述。
作為另一種選擇，在該方法中，當發(fā)射機和接收機之間的距離減小時，可以順利地額外使用其它處在原始頻道之間的或者更高的頻道，或者轉(zhuǎn)移到較高頻率方向上的所有頻譜。其中可以利用以下效應，即，通常隨著傳輸距離的減小，干擾的影響也隨之減小。所以，發(fā)射機和接收機只需要設計出相應較寬的頻譜即可，且要具有以下能力，即，其編碼可以進行相應的變換。在接收機端可以識別出新進入的頻率，其方式是自動的，或者是交替采用一種新的工作方式，從而以某種適當?shù)姆绞綇陌l(fā)射機得知(如利用最后的信息包)。各個聲音頻道必須有足夠大的間隔，使其在相應的傳輸條件下能夠很好地被接收機所區(qū)分。相反當距離變大時，通過成比例拉開距離或者取消中間級，可以使整個頻譜移動到更低的頻率上，或者放棄高頻信道(特別也包括干擾影響增加的情況)，以及擴大頻道之間間隔。
在本方法的基本變化中規(guī)定的頻帶選擇表示的是，聲音或頻率諧振或者具有最低頻率聲音的整數(shù)倍(諧音)，目的達到最有利的效果。
在使用諧調(diào)頻率序列時，還可實現(xiàn)對聲波傳播的非線性效果的利用，并且實現(xiàn)更大距離的信號傳輸。聲波是縱波，其截面交替具有較高的和較低的密度。因為聲速與介質(zhì)的密度相關(guān)，所以密度大的部分傳播得更快。初始正弦波的邊緣將逐級變成非對稱的，即正弦波朝著鋸齒波的方向逐級發(fā)生變形。物理上這意味著能量轉(zhuǎn)移到諧音上。在水中這種效應僅在幾公里長的路徑之后即可察覺。如果同時發(fā)射具有基音的例如一種或多種諧音，則其中包括由于諧調(diào)關(guān)系通過所述非線性效應產(chǎn)生的低音附加能量。其結(jié)果是對其無法進行快速阻尼，使其較長時間保持在背景噪音的水平上，從而達到更大的有效傳播距離。因為整個系統(tǒng)的傳播距離首先是通過其最高頻帶確定的，所以總體上可得到更大的發(fā)射半徑。為此有利的方案是持續(xù)地發(fā)射基音，并且對基音以及盡可能所有其它音頻以高能發(fā)射。
由于所述的系統(tǒng)具有較大靈活性，因此，也可以利用傳輸距離上的其它特性。例如由于水的層狀不均勻性經(jīng)常形成特定的傳輸通道，它們具有自己的振蕩特性。根據(jù)相關(guān)的固有數(shù)值可以方便地激活不同的模式，它們雖然通常具有相對較低的頻率，但是傳輸距離很遠。原則上傳輸系統(tǒng)的頻帶也可以調(diào)諧在該模式上。但是發(fā)射機和接收機必須以合適的方式相配。
如果發(fā)射機和接收機之間的相對速度很小，使得多普勒效應可以忽略不計，則作為選擇可采用上述比例式的FGM，在整個系統(tǒng)中執(zhí)行統(tǒng)一的頻率變化。在這種情況下設定一種“偏移曲線”，或者形象化地稱為“旋律”，或者經(jīng)過分析相應的傳輸條件后在操作中確定，而且附加計算到所有頻道中(參見圖4)。該方法被稱為平行FGM法。該方法的特點在于，由于平行移動，所有頻道始終具有相同的梯度，即同樣的漂移速度，從而在理想情況下在所有頻譜上實現(xiàn)從干擾分量中最佳地分離出原始信號。通過這種方式變化的方法的優(yōu)點是，頻譜不會隨著基準頻率的增加而分離。由于較強的集束，諧音不會容易地在頻率范圍內(nèi)陷入較小的傳播半徑而被截斷。所以在信息傳輸?shù)囊饬x上可更好地利用快速高頻區(qū)。這種平行FGM也許更容易在實踐中實現(xiàn)，因為傳輸系統(tǒng)通常僅能在一個有限的頻帶內(nèi)工作，而且并不總是可以采用相應的變換器級。
顯然在平行FGM中也必須以某種適當?shù)男问礁嬖V接收機怎樣與GT的各個頻道相匹配。原則上可以在比例式的FGM和平行的FGM之間進行切換而不會出現(xiàn)任何問題，因為信息頻道的頻率相對于GT的確定僅意味著在乘法和加法之間的替換。
如果相位跳躍在脈沖過渡中造成了問題，則可使用開始所述的與脈沖相關(guān)的調(diào)幅。另一種減小干擾影響的方法是，使用編碼法，在信息頻道中排除以兩個順序脈沖存在的聲音。同樣的效應也可通過復合實現(xiàn)，例如可通過交替運行偶數(shù)和奇數(shù)信息頻道。除了各種其它參數(shù)外也有相應傳輸頻道的、與頻率相關(guān)的速度特性曲線可通過專門的檢測測定，或者在相互通信過程中確定，并且在信號發(fā)生時能夠而且應當予以考慮，這是顯而易見的。
此外還可設想，根據(jù)需要以及在特定的傳輸條件允許時，將基準頻道作為附加信息頻道使用。
權(quán)利要求
1.一種信息傳輸方法，其特征是，首先產(chǎn)生至少一個由一個基準分量(BK)和至少一個信息分量(I1；I2；…；IN)組成的信息信號(IS)，并且所述基準分量(BK)和信息分量(I1；I2；…；IN)分別構(gòu)成用于提供比特模式的離散狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述至少一個信息分量(I1；I2；…；IN)隨時間改變。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是，所述基準分量(BK)和信息分量(I1；I2；…IN)之間具有整數(shù)或諧調(diào)關(guān)系。
4.如權(quán)利要求1至3中任何一項所述的方法，其特征是，所述的基準分量(BK)作為一個基波(GT)構(gòu)成，并且所述的信息分量(I1；I2；…；IN)作為一個與所述基波諧調(diào)的諧波(HK1；HK2；HK3)構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1至4中任何一項所述的方法，其特征是，所述基準分量(BK)的頻率在傳輸過程中隨時間改變。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述基準分量(BK)的頻率隨時間改變是逐級或者連續(xù)進行的。
7.如權(quán)利要求1至6中任何一項所述的方法，其特征是，對所述信息信號(IS)進行調(diào)幅。
8.如權(quán)利要求1至7中任何一項所述的方法，其特征是，以一個給定的時鐘脈沖生成所述的比特模式。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征是，所述比特模式在一個時鐘脈沖內(nèi)改變。
10.如權(quán)利要求1至9中任何一項所述的方法，其特征是，所述基準分量(BK)的頻率和所述信息分量(I1；I2；…；IN)的頻率相互成比例地改變或者平行改變。
11.如權(quán)利要求1至10中任何一項所述的方法，其特征是，所述比特模式根據(jù)頻率、振幅、相位角或動態(tài)相位特性的變化來確定。
12.如權(quán)利要求1至11中任何一項所述的方法，其特征是，所述信息分量(I1；I2；…；IN)的數(shù)量根據(jù)傳輸路徑而改變。
13.如權(quán)利要求1至12中任何一項所述的方法，其特征是，所述信息分量(I1；I2；…；IN)是寬帶的。
14.如權(quán)利要求1至13中任何一項所述的方法，其特征是，所述基準分量(BK)和至少一個信息分量(I1；I2；…；IN)是作為聲波構(gòu)成的。
15.如權(quán)利要求1至14中任何一項所述的方法，其特征是，所述基準分量(BK)和至少一個信息分量(I1；I2；…；IN)是作為電磁波構(gòu)成的。
16.如權(quán)利要求1至15中任何一項所述的方法，其特征是，為了對所述信息信號進行處理，在接收后將基準分量(BK)從至少一個信息分量(I1；I2；…；IN)中分離出來。
17.如權(quán)利要求1至16中任何一項所述的方法，其特征是，成對處理所述基準分量(BK)和信息分量(I1；I2；…；IN)。
18.如權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征是，所述基準分量和信息分量或者成對處理的所述基準分量和信息分量優(yōu)選通過與輔助頻率(H1；H2；…；HN＋X)相乘變換到靜態(tài)的中頻(Z′1；Z′2；…；Z′N＋X)上，所述輔助頻率例如具有與對應的信息分量相同的頻率特性和/或是恒定的。
19.如權(quán)利要求1至15中任何一項所述的方法，其特征是，優(yōu)選結(jié)合頻道的比例改變，通過對一個先行脈沖的、在實際時間脈沖中所接收的信號進行成對處理，例如乘法處理，而產(chǎn)生靜態(tài)中頻。
20.如權(quán)利要求18或19所述的方法，其特征是，從所述靜態(tài)的中頻(Z′1；Z′2；…；Z′N＋X)中，優(yōu)選地從濾波裝置中選擇出一個特定的信息分量作為信號分量，和/或?qū)τ谝粋€信息編碼，從所述信號分量中確定相關(guān)信息參數(shù)。
21.如權(quán)利要求17至20中任何一項所述的方法，其特征是，所述振幅的重新標定，優(yōu)選在每次頻率變換后進行。
22.如權(quán)利要求17至21中任何一項所述的方法，其特征是，以特定的時間間隔插入所謂的通道調(diào)諧。
23.如權(quán)利要求17至22中任何一項所述的方法，其特征是，通過對所述靜態(tài)中頻的頻譜進行適當分析，對相應最有利的接收分量進行連續(xù)識別和/或?qū)V波調(diào)整進行更新。
24.如權(quán)利要求17至23中任何一項所述的方法，其特征是，所述成對處理是通過乘法實現(xiàn)的。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征是，確定倍頻偏移，并且在產(chǎn)生所述輔助頻率時予以考慮。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征是，所述倍頻偏移由系統(tǒng)內(nèi)部確定。
27.如權(quán)利要求17至26中任何一項所述的方法，其特征是，根據(jù)內(nèi)部產(chǎn)生的具有相應匹配頻率特性的分量進行所述的成對處理。
28.如權(quán)利要求17至20中任何一項所述的方法，其特征是，分別將所述基準分量(BK)轉(zhuǎn)換成一個變換基準分量(BK′)，將至少一個所述信息分量(I1；I2；…；IN)轉(zhuǎn)換成一個變換信息分量(I1′；I2′；…；IN′)。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征是，根據(jù)I1′；I2′；…；IN′在由相應變換的基準分量(BK)產(chǎn)生的正弦或余弦分量上的投影確定與信號編碼相關(guān)的所述信號參數(shù)。
30.如權(quán)利要求28或29所述的方法，其特征是，所述基準分量通過適當?shù)淖儞Q轉(zhuǎn)換成一個與相應待處理的信息分量多普勒一致的參考分量(RF)，并且發(fā)生偏移，使兩個分量相乘產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定的信號分量。
31.一種信息傳輸系統(tǒng)，由一個發(fā)射機單元和一個接收機單元組成，在兩者之間傳輸信息信號(IS)，其特征是所述發(fā)射機單元具有一個裝置，用于產(chǎn)生一個基準分量(BK)和至少一個信息分量(I1；I2；…；IN)，以完成比特模式準備；所述接收機單元具有一個裝置，用于接收由所述基準分量(BK)和至少一個信息分量(I1；I2；…；IN)組成的信息信號(IS)。
32.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于產(chǎn)生信號的裝置具有一個編碼器，至少一個用于產(chǎn)生所述基準分量(BK)和至少一個信息分量的發(fā)生器，以及一個用于控制所述發(fā)生器和一個混頻單元的第一控制模塊。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于產(chǎn)生信號的裝置還具有至少一個調(diào)制器，它由所述控制模塊進行控制，并對所述發(fā)生器產(chǎn)生的分量進行調(diào)制，優(yōu)選進行振幅調(diào)制。
34.如權(quán)利要求32或33所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于接收信號的裝置具有一個用于識別所述基準分量(BK)的單元，一個第二控制模塊，至少一個濾波器單元，以及一個解碼器。
35.如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于識別基準分量(BK)的單元具有一個低通濾波器和一個基音檢波器，它們優(yōu)選串聯(lián)連接并與所述第二控制模塊相連。
36.如權(quán)利要求34或35所述的系統(tǒng)，其特征是，所述濾波器單元具有一個可控濾波器和一個可控閾值開關(guān)，其中，所述的信息信號(IS)優(yōu)選在所述識別基準分量的裝置之前被取出，并傳輸給所述的濾波器單元。
37.如權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其特征是，設置一個相位檢波器，它位于所述可控濾波器和可控閾值開關(guān)之間，并與所述基音檢波器相連。
38.如權(quán)利要求31至37中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征是，為進行信號處理而設置至少一個輸入裝置，一個處理單元，以及至少一個輸出裝置，其中所述的處理單元具有一個裝置，用于從至少一個基準分量(B1；B2；…；BN)和至少一個信息分量(I1；I2；…；IN)中分離出至少一個信息信號，還具有一個信號變換裝置，優(yōu)選的是一個頻率變換裝置，以及一個干擾成分抑制裝置，以及一個參數(shù)分析裝置。
39.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于分離信息信號的裝置具有一個包括控制模塊的濾波器單元，它至少含有兩個優(yōu)選采用并聯(lián)方式連接的濾波器件。
40.如權(quán)利要求38或39所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于頻率變換的裝置具有至少一個用于產(chǎn)生內(nèi)部輔助頻率的發(fā)生器和至少一個乘法器。
41.如權(quán)利要求38至40中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于頻率變換的裝置還具有至少一個用于多普勒補償?shù)淖儞Q器。
42.如權(quán)利要求38至41中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于干擾成分抑制的裝置同樣具有至少一個包括控制模塊的濾波器單元。
43.如權(quán)利要求38至42中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于干擾成分抑制的裝置具有附加的、優(yōu)選的是可控濾波器，它們分別連接在所述頻率變換裝置的后面。
44.如權(quán)利要求38至43中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于參數(shù)分析的裝置具有至少一個乘法器和一個分析模塊。
45.如權(quán)利要求38至44中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的用于參數(shù)分析的裝置還具有一個用于產(chǎn)生參考信號的發(fā)生器，它與最后一級濾波器的控制模塊相連。
46.如權(quán)利要求38至45中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征是，額外設置一個調(diào)諧裝置，它優(yōu)選連接在所述參數(shù)分析裝置之前，并且所述調(diào)諧裝置具有一個用于頻譜分析的模塊，例如一個FFT單元，并且具有一個處理單元，與干擾成分抑制濾波器單元的控制模塊相連。
47.如權(quán)利要求38至46中任何一項所述的系統(tǒng)，其特征是，額外設置一個多普勒分析模塊，它與至少一個輔助頻率發(fā)生器和/或另一個處理模塊相連，用于確定所述發(fā)射機單元和接收機單元之間距離變化的速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種信息傳輸方法和一種適用該方法的系統(tǒng),特別適用于數(shù)字化傳輸。其中,產(chǎn)生至少一個由一個基準分量和至少一個信息分量組成的信息信號,并且所述基準分量和信息分量分別構(gòu)成用于提供比特模式的離散狀態(tài)。所達到的效果是,例如可實現(xiàn)在水下長距離的信號傳輸。此外還給出了一種適于該方法的處理系統(tǒng)。
文檔編號H04B13/02GK1329782SQ99812296
公開日2002年1月2日 申請日期1999年8月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月21日
發(fā)明者魯?shù)婪颉ぐ嗉{施, 康斯坦丁·克布卡爾 申請人:埃沃羅杰克斯有限公司