Underwater Communication I

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1 Underwater Communication I März 2005 Folie 5.1

2 Übertragungssystem data source source encoder channel encoder digital modulator Vorteile eines digitalen Übertragungssystems: Sprache: bessere Qualität transmitter Möglichkeit, Daten zu übertragen Effizienz (Bandbreite, Leistung) acoustic shallow water channel verdeckte Kommunikation möglich Verschlüsselung möglich receiver user source decoder channel decoder digital demodulator März 2005 Folie 5.2

3 S E S E S E S E März 2005 Folie 5.3

4 März 2005 Folie 5.4

5 B D / Hz 250 v=10m/s 200 v=5m/s 150 v=3m/s v=1m/s f 0 / khz März 2005 Folie 5.5

6 Dopplereffekt Frequenzverschiebung durch die relative Geschwindigkeit von Sender und Empfänger Frequenzverschiebungen durch Wellenbewegung Frequenzspreizung (Doppler-Spread) März 2005 Folie 5.6

7 Kanalcharakterisierung: Die Kanalimpulsantwort entspricht in guter Näherung der Kreuzkorrelation aus Sende- und Empfangschirp Die Kohärenzzeit des Kanals ergibt sich aus der Autokorrelation des Trägersignals, sie beschreibt die Periode der langsamen Kanalveränderungen. Das Dopplerspektrum berechnet sich als Autospektrum des Trägersignals, hier kann erkennen, ob und wie stark der Einfluß des Dopplershift existiert. Aus Amplituden- und Phasenverteilung des unmodulierten Trägers läßt sich ableiten, ob ein dominanter Pfad existiert (Rice-Verteilung der Amplitude, Gauß-Verteilung der Phase) oder ob sich das Signal aus etwa gleichstarken Streukomponenten zusammensetzt (Rayleigh-Verteilung der Amplitude, Gleichverteilung der Phase) März 2005 Folie 5.7

8 Kanalschätzung Kanaltestsignal 0,1 s Chirppuls KKF mit Originalchirp liefert Impulsantwort des Kanals 1,8 s unmodulierter Träger AKF liefert Kohärenzperiode FT ergibt Dopplerspektrum Amplituden- und Phasenhistogramm für Kanalcharakter März 2005 Folie 5.8

9 Kanalschätzung Channel EAT 1359 multipath intensity profile Channel Dienstag 1204, 1150m multipath intensity profile db 0.0 db t/ ms t/ m s Spaced time correlation function Spaced time correlation function t/ s t/ s Doppler power spectrum Doppler power spectrum f/ H z f/ H z Amplitude histogram Phase histogram Amplitude histogram Phase histogram ph ph März 2005 Folie 5.9

10 Vergleich mit Mobilfunk an Land Verhältnis Schallgeschwindigkeit / Lichtgeschwindigkeit: 1: längere Signal-/Echolaufzeiten Dopplereffekte machen sich stärker bemerkbar gekrümmte Schallausbreitung März 2005 Folie 5.10

11 Inkohärente Verfahren: z.b. FSK (frequency shift keying) kein Entzerrer notwendig keine Trägerphasensynchronisation benötigt leistungseffizient 00 f 1 01 f 2 11 f 3 10 f 4 niedrige Datenraten hohe Bandbreite Synchronisierung in Frequenz und Zeit nötig März 2005 Folie 5.11

12 Datenquelle (quellkodiert) Seriell / Parallel- Wandler IFFT Interpolator Quadraturmischer D / A- Wandler reale bandpaß Übertragungsstrecke Dopplerdetektion A / D- Wandler Senke Parallel / Seriell- Wandler FFT Dopplerkorrektur Symbolsynchronisation Dezimator Quadraturmischer TP-Filter März 2005 Folie 5.12

13 T 0 dt Betrag Verzögerung δ in Schleifenfilter Symbol- Waveform Generator VCO + - Verzögerung δ T 0 dt Betrag Beispiel für Zeitsynchronisierung März 2005 Folie 5.13

14 Info Info 40Hz DC f Frequenz - Synchronisation durch Pilottöne März 2005 Folie 5.14

15 DC f / Hz DC f / Hz DC f / Hz DC f / Hz Beispiele für Dopplerverschiebungen der Pilottöne März 2005 Folie 5.15

16 empfangenes Basisbandsignal Dopplerkorrektur Symbolsynchronisation FFT Parallel / Seriell- Wandler Senke Dopplerdetektion 1 "1" 0,5 "0" 0 März 2005 Folie 5.16

17 Kohärente Verfahren: 01 z.b. PSK (phase shift keying) hohe Datenraten bandbreiteneffizient 10 Q Entzerrer notwendig Trägerphasensynchronisation nötig I QPSK-Signalraumdarstellung März 2005 Folie 5.17

18 I resultierender Pfad I resultierender Pfad R direkter Pfad R Fehlermodelle für QPSK - Mode Kanal mit mehreren ausgeprägten Pfaden (links) Statistische Störung der Ausbreitung (rechts) März 2005 Folie 5.18

19 Received samples Front end Coarse Synchronization Multicarrier Demodulation Fine Synchronization Equalization & Channel Tracking Deinterleaving Channel Decoding Info bits Channel Estimation Beispiel für einen QPSK - Empfänger mit Equilizer März 2005 Folie 5.19

20 Chirp-Puls transienter Frequenzsweep 0: f 1 f 2 1: f 3 f 4 Sehr robust gegenüber Störungen, da breitbandig extrem niedrige Datenrate Korrelationsgewinn bis 30dB März 2005 Folie 5.20

21 Kanalcodierung Gezielt Redundanz hinzufügen, Ziel: Schutz der Daten während der Übertragung Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur Skalierbarkeit: Leistung Bandbreite niedrigere Datenrate hoher Aufwand (Decodierung, Interleaving) März 2005 Folie 5.21

22 Kodierungsgewinn Schwach gestörte Übertragung Korrektur der einzelnen Wortfehler möglich Verringerung der Wortfehlerrate Stärker gestörte Übertragung Keine Fehlerkorrektur möglich längere Aussetzer (Einschwingen des Decoders) Erhöhung der Wortfehlerrate März 2005 Folie 5.22

23 Hadamard Kodierung 6 Gruppen à 20 Frequenzen De-/Kodierung über Hadamard-Matrix 1 Gruppe kodiert 5 bit 30 bit pro Symbol => 600 bit/s Empfang mit Maximum Likelihood Entscheider Soft-Decision März 2005 Folie 5.23

24 Protokoll Modulationsformate (9,5 khz oder 32 khz) Modulation Bitrate (bits/s) Bandbreite (Hz) QPSK QPSK QPSK BPSK BPSK FSK FSK CHIRP Jeweils optional mit Rate=1/2 bzw. 1/3 Faltungscodierung März 2005 Folie 5.24

25 One way to analyze the performance of a given system is to compute the Transmission Loss TL that can be tolerated for a given communication mode and bit error rate (BER) using the following equation: TL = SL + DI SNo + 10 log(sg) - NL Where SL = Source level 1 meter away from the transducer, based on far field beam pattern DI = Directivity index of the receiver SNo = Signal to noise ratio required by the modem for a given communication mode and a given BER SG = Spreading gain (Channel bandwidth / Signal bandwidth) NHz = Ambient acoustic noise in a 1 Hz band at the carrier frequency NL = NHz + 10 log(channel Bandwidth) März 2005 Folie 5.25

26 Stationary platforms in open water - AWGN Channel Signal Noise Range Configuration Freq SL DIr Comm. Mode SNRw SNRi SNRo BW BW SS0-1 TL Km "Omni" 9 khz MFSK "Sector" 9 khz MFSK "Sonar" 9 khz MFSK "Omni" 34 khz MFSK ,3 "Sector" 34 khz MFSK ,0 "Sonar" 34 khz MFSK ,2 "Omni" 9 khz MPSK "Sector" 9 khz MPSK "Sonar" 9 khz MPSK "Omni" 34 khz MPSK ,0 "Sector" 34 khz MPSK ,7 "Sonar" 34 khz MPSK ,9 März 2005 Folie 5.26

27 Stationary platforms in open water - Rayleigh fading Channel Signal Noise Range Configuration Freq SL DIr Comm. Mode SNRw SNRi SNRo BW BW SS0-1 TL Km "Omni" 9 khz MFSK ,2 "Sector" 9 khz MFSK ,0 "Sonar" 9 khz MFSK ,9 "Omni" 34 khz MFSK ,3 "Sector" 34 khz MFSK ,8 "Sonar" 34 khz MFSK ,9 "Omni" 9 khz MPSK ,4 "Sector" 9 khz MPSK ,7 "Sonar" 9 khz MPSK ,3 "Omni" 34 khz MPSK ,8 "Sector" 34 khz MPSK ,3 "Sonar" 34 khz MPSK ,4 März 2005 Folie 5.27

28 Quasistationäre Stör -einflüsse Freiraumdämpfung Dämpfung und Streuung durch Reflexionen an Boden und Oberfläche Geräusche Meeresrauschen Schiffsverkehr, biologische Aktivitäten Verstärkerrauschen Beugung an Sprungschichten März 2005 Folie 5.28

29 Dynamische Störeinflüsse Dopplershift / Dopplerspread Reflexionen an der bewegten Wasseroberfläche Reflexionen an bewegten Objekten Signalschwund als Folge von zeitvarianter Mehrwegeausbreitung Intersymbolinterferenz (ISI) durch lange Echolaufzeiten Bewegung von Sender und/oder Empfänger März 2005 Folie 5.29