CC BY
116УДК 681.883.45
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Трошина Евгения Юрьевна, магистрант; МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация
Аннотация: В данной статье проанализированы принципы построения гидроакустического канала связи Описаны особенности распространения акустического сигнала под водой. Рассмотрено помехоустойчивое кодирование при передаче данных в водной среде. Для повышения точности передачи данных рассмотрены два вида помехоустойчивых кодов, такие как код Голея и код Рида-Соломона. Проведено моделирование распространения заданной последовательности для двух видов помехоустойчивых кодов, а также произведен сравнительный анализ их использования, результатом которого является вывод об эффективности использования кода для условий среды, моделируемых в канале. Для оценки работы кодов были получены следующие зависимости: вероятность битовой ошибки от отношения энергии одного бита к спектральной плотности мощности шума каждого кода по отдельности и сравнительная оценка вероятности битовой ошибки
Ключевые слова: гидроакустика; канал связи; кодирование канала; код Голея; код Рида-Соломона; помехоустойчивый код.
HYDROACOUSTIC DATA CHANNEL
Troshina Evgeniya Yuryevna, master's stedent; BMSTU, Moscow, Russia
Abstract: This article analyzes the principles of constructing a sonar communication channel. The features of the propagation of an acoustic signal under water are described. Noise-resistant coding is considered for data transmission in the aquatic environment. To increase the accuracy of data transmission, two types of error-correcting codes are considered, such as the Golay code and the Reed-Solomon code. The propagation of a given sequence for two types of error-correcting codes has been simulated, and a comparative analysis of their use has been made, the result of which is a conclusion about the efficiency of using the code for environmental conditions simulated in the channel. To evaluate the operation of the codes, the following dependences were obtained: the probability of a bit error on the ratio of the energy of one bit to the spectral density of the noise power of each code separately and a comparative estimate of the probability of a bit error.
Keywords: hydroacoustics; channel coding; Goley code; Reed-Solomon code; error code.
Для цитирования: Трошина, Е. Ю. Гидроакустический канал передачи данных / Е. Ю. Трошина. - Текст : электронный // Наука без границ. - 2020. - № 6 (46). - С. 101-106. - URL: https://nauka-bez-granic.ru/N-6-46-2020/6-46-2020/
For citation: Troshina E.Yu. Hydroacoustic data channel // Scince without borders, 2020, no. 6 (46), pp. 101-106.
Введение. Гидроакустические системы являются сложными техническими системами сбора и обработки информации, потому что они связаны
с некоторыми особенностями: большие массогабаритные характеристики, большое количество элементов, случайное пространственное распо-
ложение элементов на дне. Неоднородность и изменчивость водной среды определена наличием солености и температуры, ветровым волнением морской поверхности, турбулентностью, климатическими условиями эксплуатации.
Актуальность гидроакустических систем заключается в их использовании в системах связи, подводной навигации, измерении глубин и при рассмотрении вопросов построения интегрированной системы наблюдения и передачи информации.
Цель научной работы - промоделировать канал связи для передачи данных под водой; в данной модели использовать помехоустойчивые коды, которые позволяют исправить ошибки при передаче информации; использовать коды Рида Соломона и коды Голея, провести оценку их работы.
Особенности распространения сигнала под водой. Скорость распространения акустической волны определяется характеристиками локальной среды распространения: плотностью р и модулем упругости Е (или для жидкости ее обратной величиной сжимаемости х):
В воде скорость акустической волны близка к 1500 м/с (фактически между 1450 м/с и 1550 м/с в зависимости от солености и температуры) [1]. Плотность морской воды примерно равна тем же физическим параметрам, в среднем р = 1030 кг • м-3.
Частоты, которые используются в подводной акустике, варьируются примерно от 10 Гц до 1 МГц в зависи-
мости от применения (то есть периоды от 0,1 с до 1 мкс).
Основными ограничениями частот, используемых для конкретного применения, являются:
- затухание звуковой волны в воде, которое увеличивается с частотой;
- целевой акустический отклик в зависимости от частоты будет отражать меньше энергии, так как ее размеры меньше по сравнению с длиной акустической волны.
Соленость воды и температура влияют на скорость звука в воде. Соленость также влияет на сжимаемость и плотность. При увеличении солености плотность увеличивается, а сжимаемость уменьшается. Более резкое изменение коэффициента сжимаемости по отношению к изменению плотности приводит к тому, что скорость звука при увеличении солености будет возрастать. Например, величина вариации скорости звука на измерение солености на 1 % составляет величину приблизительно 1,3 м/с.
Скорость звука в воде также увеличивается с повышением температуры. Например, при температуре 5°С изменение температуры всего на 1°С дает изменение скорости на 4,5 м/с. Регулярное изменение температуры и солености являются важными характеристиками при рассмотрении аппаратуры гидроакустической связи.
Принцип построения канала связи. Основные элементы цифровой системы связи в общем виде показаны на рис. 1. Источник информации может выдавать данные для передачи по каналу связи как в цифровом виде, так и в аналоговом виде. В независимости от типа источника информации данные должны быть представлены в как можно более сжатом цифровом виде.
С выхода кодера источника данные поступают на передатчик, в котором выполняется канальное кодирование данных и модуляция. Под каналом связи понимается физическая среда, в которой происходит распространение информационного сигнала. Пе-
Исиючник Информации
редаваемый по каналу связи сигнал подвержен аддитивному шуму, межсимвольной интерференции, затуханию. Приемная часть системы связи содержит системы синхронизации с принимаемым сигналом и демодулятор [2].
Приемник Декодер
Информации Источника
КоЗер Источника
Канаа С&яэи
Рисунок 1 - Структурная схема системы связи
Гидроакустический канал связи можно охарактеризовать как канал, обладающий следующими характеристиками [3]:
- ограниченная полоса частот, которая подходит для связи на большие расстояния;
- большие доплеровские смещения сигнала даже при небольших скоростях движения;
- узкая полоса частотной когерентности;
- короткое время когерентности канала связи;
- сильная рефракция сигнала, сопровождаемая рассеиванием.
Помехоустойчивое кодирование. Передача информации в одной среде также имеет ряд сложностей, которые связаны, например, с множественным отражением сигнала от дна или поверхности воды, задержками, пространственными отражениями.
Известно много различных видов помехоустойчивых кодов, которые отличаются друг от друга энергетической эффективностью, функциональным назначением алгоритмами кодирования и декодирования и многими другими параметрами.
В данной работе использованы коды Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ-коды) Это обширный класс кодов, конструкция которых определяется заданием корней порождающего их многочлена, который используют для защиты данных от ошибок.
Коды БЧХ с длиной 2т - 1 называют примитивными кодами. К кодам БЧХ относятся такие коды, длина п которых является делителем 2т - 1 . Один из таких кодов - это код Голея (23, 12, 7), используемый в работе, также принадлежит классу кодов БЧХ, поскольку при т = 11 примитивный код БЧХ имеет длину п = 211 - 1 = 2047, причём
это значение без остатка делится на длину кода Голея n = 23(2047:23 = 89), который относится к непримитивным БЧХ-кодам [4].
Коды Рида—Соломона являются широко используемым подмножеством кодов БЧХ. Код Рида—Соломона получится, если взять основание кода q = 2s. Это означает, что каждый символ кода заменяется s-злачной двоичной последовательностью. Если исходный код с основанием q исправляет ошибки кратности < gu, то полученный из него двоичный код имеет 23us проверочных символов (по 2 3 " ) на каждый блок из символов) из общего числа n = s - (2s - 1). Код может исправлять серийные ошибки (пакеты ошибок) длиной < b = s • (gu - 1) + 1.
Моделирование. Проведен сравнительный анализ помехоустойчивого кодирования Рида-Соломона и кода Голея по эффективности работы в канале. Для оценки эффективности кодов были получены зависимости: вероятность битовой ошибки (BER - Bit Error Rate) от
отношения энергии одного бита к спектральной плотности мощности шума (ЕЬ/Ш).
В модели канала связи использован аддитивный белый гауссов шум, который изменяет отношение ЕЬ/ N0. В настройках моделирования канала указывается число информационных бит на символ и длительность символа в секундах. Энергия сигнала равна 1 Вт. В качестве модуляции использовалась фазовая манипуляция.
Для того чтобы сравнить результаты передачи данных, были построены графики зависимости вероятности битовой ошибки передачи данных от отношения сигнал/шум (рис. 2 и рис. 3).
Произведем сравнительную характеристику двух графиков, показанную на рис. 4. В моделируемом канале связи меньшую вероятность битовой ошибки на всех значениях отношения сигнал/шум имеет сигнал, переданный с помощью кодирования Рида-Соломона.
о 0 о о ф с
О 3TXJMM berths?
} Q О о
О о
-----,
т? D 2 4 S a 1D
£N4 §И)
Рисунок 2 - Вероятность битовой ошибки при использовании п омехоустойчивого кода Рида-Соломона
1 • 1 , • *
• Sir. J*«] ВЕН cGcfeyl
* * 1 •
■ +
■2 О 2 + а б ID
SUR (dB)
Рисунок 3 - Вероятность битовой ошибки при использовании помехоустойчивого кода Голея
10"
« 10" а
® а
и ш
№
*
□
О
о
О SrmJSlrd OER (RS) * S«iJ6l0d BERfCotM
О
*
О
10
Рисунок 4 - Сравнение графиков вероятности битовой ошибки
Заключение. В работе была рассмотрена передача данных в гидроакустическом канале с учетом особенностей распространения сигнала в воде с использованием помехоустойчивого кодирования. Проанализированы особенности помехоустойчивых кодов путем моделирования передачи данных в канале связи с использованием кодирования Рида-Соломона и кода Голея.
Произведен сравнительный анализ двух видов кодирования, получены графики вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум. Был произведен вывод, что в моделируемом канале связи сигнал, переданный с помощью кодирования Рида-Соломона, имеет меньшие значения вероятности битовой ошибки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фирсов, Ю. Г. Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров / Ю. Г. Фирсов. - СПб. : Нестор-История, 2010. - 348 с. - Текст : непосредственный.
2. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации / А. Г. Зюко,
А. И. Фалько, И. П. Панфилов, В. Л. Банкет, П. В. Иващенко / под редакцией А. Г. Зюко. - М. : Радио и связь, 1985. - 272 с. - Текст : непосредственный.
3. Макаров, А. А. Помехоустойчивое кодирование в системах телекоммуникаций: учебное пособие / А. А. Макаров, В. П. Прибылов. - СибГУТИ, Новосибирск, 2004. -142 с. - Текст : непосредственный.
4. Блейхут, Р. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки / Р. Блейхут ; перевод с английского К. Ш. Зигангирова. - М.: Мир, 1986. - 576 с. - Текст : непосредственный.
REFERENCES
1. Firsov Yu. G. Osnovy gidroakustiki i ispol'zovaniya gidrograficheskikh sonarov [Fundamentals of hydroacoustics and the use of hydrographie sonars]. St. Petersburg: Nestor-Istoriya, 2010, 348 p.
2. Zyuko A.G., Falco A.I., Panfilov I.P., Banquet V.L., Ivashchenko P.V. / Ed. A.G. Zyuko Pomekhoustoychivost' i effektivnost' sistem peredachi informatsii [Interference immunity and efficiency of information transmission systems]. M.: Radio and communications, 1985, 272 p.
3. Makarov A.A., Pribylov V.P. Pomekhoustoychivoye kodirovaniye v sistemakh telekommunikatsiy: uchebnoye posobiye [Noise-resistant coding in telecommunication systems: textbook]. SibGUTI, Novosibirsk, 2004, 142 p.
4. Bleikhut R. Teoriya i praktika kodov, kontroliruyushchikh oshibki Per. s angl. [Theory and practice of error control codes: Tran. with English / ed. K. Sh. Zigangirova]. Moscow, Mir, 1986, 576 p.
Материал поступил в редакцию 20.05.2020
© Трошина Е.Ю., 2020
