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JP6906759B2 - Acoustic communication system, acoustic receiver, acoustic transmitter and acoustic transmission method - Google Patents
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Acoustic communication system, acoustic receiver, acoustic transmitter and acoustic transmission method Download PDF

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Description

本発明は、音響通信システム、音響受信機、音響送信機および音響送信方法に関する。 The present invention relates to an acoustic communication system, an acoustic receiver, an acoustic transmitter and an acoustic transmission method.

水中等、電波を伝搬させることが困難な環境における情報通信には、音波が多用されている。例えば、下記特許文献1には、「水中送信用にデジタル情報シーケンスが搬送波に電気的に変調され(22)、変調搬送波(23)は音響送信用出力信号(13)を与えるため互いに及び変調されたデジタルシーケンスに対して既知のタイミングの少なくとも2つのパルス信号(24)で前置きされる。パルス信号は受信機に送信の開始を指示し、変調信号を復調前に再サンプリングするためドップラー情報を含む。情報シーケンスが等長のブロックに符号化される場合、連続ブロック間の関係がドップラー情報の更新に使用され後のブロックに使用できる。チャンネル情報もパルス信号及び/又はブロックから得られ、入力信号の次の部分をレーキングできる。パルス信号は好ましくは良い相関関係特性を持ち、線形上昇するチャープの直に連続した同一な対である。」と記載されている(要約書参照)。
また、下記非特許文献1には、水中の音波に対するドップラー効果の推定について記載されている。
Sound waves are often used for information communication in environments where it is difficult to propagate radio waves, such as underwater. For example, Patent Document 1 below states that "a digital information sequence is electrically modulated onto a carrier wave for underwater transmission (22), and the modulated carrier wave (23) is modulated with each other to provide an output signal (13) for acoustic transmission. The digital sequence is prefixed with at least two pulse signals (24) at known timings, which instruct the receiver to start transmitting and include Doppler information to resample the modulated signal prior to demodulation. When the information sequence is encoded into blocks of equal length, the relationships between successive blocks can be used for updating Doppler information and for later blocks. Channel information is also obtained from the pulse signal and / or the block and is the input signal. The next part of the can be raked. The pulsed signal preferably has good correlation characteristics and is a directly continuous and identical pair of linearly rising chapters. "(See abstract).
Further, Non-Patent Document 1 below describes the estimation of the Doppler effect on sound waves in water.

特表2004−528773号公報Special Table 2004-528773

Roee Diamant et.al, "Choosing the Right Signal: Doppler Shift Estimation for Underwater Acoustic Signals" 2012 ACM 978-1-4503-1773-3/12/11、[online]、[平成28年12月6日検索]、インターネット〈https://pdfs.semanticscholar.org/7eb3/55b9aa51e1a942fd72d397d080b6a763a979.pdf 〉Roee Diamant et.al, "Choosing the Right Signal: Doppler Shift Optimization for Underwater Acoustic Signals" 2012 ACM 978-1-4503-1773-3 / 12/11, [online], [Search December 6, 2016] , Internet <https://pdfs.semanticscholar.org/7eb3/55b9aa51e1a942fd72d397d080b6a763a979.pdf>

しかし、例えば水上の船舶等と、水中の潜水艇等との間で音響通信を行う場合、水面等での音波の反射による影響が大きくなる。このような場合、特許文献1および非特許文献1に記載された技術では、ドップラー効果およびマルチパスによる影響を充分に補償できず、信頼性の高い音響通信を実現することが困難であった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い音響通信を実現できる音響通信システム、音響受信機、音響送信機および音響送信方法を提供することを目的とする。
However, for example, when acoustic communication is performed between a ship on the water and a submersible underwater, the influence of reflection of sound waves on the water surface or the like becomes large. In such a case, the techniques described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 cannot sufficiently compensate for the effects of the Doppler effect and multipath, and it is difficult to realize highly reliable acoustic communication.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an acoustic communication system, an acoustic receiver, an acoustic transmitter, and an acoustic transmission method capable of realizing highly reliable acoustic communication.

上記課題を解決するため本発明の音響通信システムは、出力音響信号を出力する音響送信機と、前記出力音響信号が伝送路を経由して伝搬された結果である入力音響信号を受信する音響受信機と、を有し、前記音響送信機は、前記出力音響信号として、所定のビット列を有する基準信号と、伝送しようとする信号に対して変調を施した変調信号と、を交互に出力する送信部を有し、前記音響受信機は、前記基準信号を生成する基準信号生成部と、前記入力音響信号と、前記基準信号との相関演算を行い、第1の演算結果を出力する第1の相関演算器と、前記第1の演算結果を記憶する演算結果記憶部と、前記演算結果記憶部が過去に記憶した記憶値と、前記第1の演算結果との相関演算を行い、第2の演算結果を出力する第2の相関演算器と、前記第2の演算結果に基づいて受信スロット周期を求め、前記受信スロット周期を前記出力音響信号における送信スロット周期で除算することによって前記入力音響信号におけるドップラー量を演算するドップラー量演算部と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the acoustic communication system of the present invention receives an acoustic transmitter that outputs an output acoustic signal and an input acoustic signal that is the result of the output acoustic signal being propagated via a transmission path. The sound transmitter alternately outputs a reference signal having a predetermined bit string and a modulated signal modulated from the signal to be transmitted as the output sound signal. A first unit having a unit, the acoustic receiver performs a correlation calculation between the reference signal generation unit that generates the reference signal, the input acoustic signal, and the reference signal, and outputs the first calculation result. The correlation calculation unit, the calculation result storage unit that stores the first calculation result, the storage value stored in the past by the calculation result storage unit, and the first calculation result are subjected to the correlation calculation, and the second calculation result is performed. The input acoustic signal is obtained by obtaining the reception slot cycle based on the second correlation calculator that outputs the calculation result and the second calculation result, and dividing the reception slot cycle by the transmission slot cycle in the output acoustic signal. It is characterized by having a Doppler amount calculation unit for calculating the Doppler amount in the above.

本発明によれば、信頼性の高い音響通信を実現できる。 According to the present invention, highly reliable acoustic communication can be realized.

本発明の第1実施形態における音響送信機のブロック図である。It is a block diagram of the acoustic transmitter in the 1st Embodiment of this invention. 第1実施形態における音響受信機のブロック図である。It is a block diagram of the acoustic receiver in 1st Embodiment. (a)音響送信機の出力音響信号および(b)音響受信機の入力音響信号の信号フォーマットを示す図である。It is a figure which shows the signal format of (a) output acoustic signal of an acoustic transmitter and (b) input acoustic signal of an acoustic receiver. 第1実施形態における音響受信機の要部のブロック図である。It is a block diagram of the main part of the acoustic receiver in 1st Embodiment. (a)信号劣化が無い場合および(b)信号劣化が生じた場合の第1の相関係数の波形図である。It is a waveform diagram of the first correlation coefficient when (a) there is no signal deterioration and (b) signal deterioration occurs. (a)信号劣化が無い場合および(b)信号劣化が生じた場合の第2の相関係数の波形図である。It is a waveform diagram of the second correlation coefficient when (a) there is no signal deterioration and (b) signal deterioration occurs. 第2実施形態における音響送信機のブロック図である。It is a block diagram of the acoustic transmitter in the 2nd Embodiment. 第2実施形態における音響送信機の出力音響信号の信号フォーマットを示す図である。It is a figure which shows the signal format of the output acoustic signal of the acoustic transmitter in 2nd Embodiment. 第2実施形態における音響受信機の要部のブロック図である。It is a block diagram of the main part of the acoustic receiver in 2nd Embodiment. 第2実施形態における音響受信機の(a)入力音響信号の信号フォーマットを示す図、(b)第1の相関係数の波形図、および(c)第2の相関係数の波形図である。It is a figure which shows (a) the signal format of the input acoustic signal of the acoustic receiver in 2nd Embodiment, (b) the waveform diagram of the 1st correlation coefficient, and (c) the waveform diagram of the 2nd correlation coefficient. ..

[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態による音響通信システムについて説明する。
本実施形態の音響通信システムは、例えば水上の船舶と潜水艇との通信、あるいは潜水艇同士の通信に適用できる。本実施形態の音響通信システムは、図1に示す音響送信機TX1と、図2に示す音響受信機RX1と、を有している。以下、各々の構成について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, the acoustic communication system according to the first embodiment of the present invention will be described.
The acoustic communication system of the present embodiment can be applied to, for example, communication between a ship on water and a submersible, or communication between submersibles. The acoustic communication system of the present embodiment includes the acoustic transmitter TX1 shown in FIG. 1 and the acoustic receiver RX1 shown in FIG. Hereinafter, each configuration will be described.

<音響送信機TX1の構成>
図1は、音響送信機TX1のブロック図である。
図1において音響送信機TX1は、変調信号生成部101と、基準信号生成部102と、を有している。変調信号生成部101は変調信号MSを出力する。ここで、変調信号MSは、音響受信機RX1に伝送しようとするベースバンド信号に対して符号化処理および変調を施したデジタル信号である。また、基準信号生成部102は、所定のビット列を有する基準信号RSを繰り返し出力するものである。
<Configuration of sound transmitter TX1>
FIG. 1 is a block diagram of the acoustic transmitter TX1.
In FIG. 1, the acoustic transmitter TX1 has a modulation signal generation unit 101 and a reference signal generation unit 102. The modulation signal generation unit 101 outputs the modulation signal MS. Here, the modulated signal MS is a digital signal in which the baseband signal to be transmitted to the acoustic receiver RX1 is encoded and modulated. Further, the reference signal generation unit 102 repeatedly outputs the reference signal RS having a predetermined bit string.

スイッチ103は、変調信号MSおよび基準信号RSを交互に選択する。スイッチ103が変調信号MSを1回選択する期間と、基準信号RSを1回選択する期間と、を合計した期間を送信スロット周期Tslotと呼ぶ。ここで、変調信号MSの信号長は、例えば、誤り訂正の特性のために必要な信号長と伝搬環境の変動周期を考慮して決定するとよい。また、基準信号RSの信号長は、例えば、雑音とドップラー効果の耐性を考慮して決定するとよい。 The switch 103 alternately selects the modulation signal MS and the reference signal RS. The total period of the period in which the switch 103 selects the modulation signal MS once and the period in which the reference signal RS is selected once is referred to as a transmission slot period Tslot. Here, the signal length of the modulated signal MS may be determined, for example, in consideration of the signal length required for the characteristics of error correction and the fluctuation period of the propagation environment. Further, the signal length of the reference signal RS may be determined in consideration of, for example, the resistance to noise and the Doppler effect.

D/A変換器104は、スイッチ103から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。また、アンチエイリアスフィルタ105は、不要な信号成分を減衰させた後に該アナログ信号を出力する。また、パワーアンプ106は、アンチエイリアスフィルタ105の出力信号を所望の信号レベルに増幅する。信号変換器107は、パワーアンプ106から出力されたアナログ信号を出力音響信号Soutに変換し出力する。該出力音響信号Soutは、水中伝搬路におけるドップラー効果、マルチパス、フェージング等の影響を受けながら劣化し、図2に示すように、入力音響信号Sinとして音響受信機RX1に到達する。 The D / A converter 104 converts the digital signal output from the switch 103 into an analog signal. Further, the antialiasing filter 105 outputs the analog signal after attenuating unnecessary signal components. Further, the power amplifier 106 amplifies the output signal of the antialiasing filter 105 to a desired signal level. The signal converter 107 converts the analog signal output from the power amplifier 106 into an output acoustic signal Sout and outputs it. The output acoustic signal Sout deteriorates while being affected by the Doppler effect, multipath, fading, etc. in the underwater propagation path, and reaches the acoustic receiver RX1 as the input acoustic signal Sin as shown in FIG.

<音響受信機RX1の構成>
図2は、音響受信機RX1のブロック図である。
音響受信機RX1は、受信した入力音響信号Sinを電気信号に変換する信号変換器202(受信部)と、該電気信号を所望のレベルに増幅する低雑音アンプ203と、低雑音アンプ203から出力された電気信号すなわちアナログ信号をデジタル信号Sindに変換するA/D変換器204と、を有している。
<Configuration of sound receiver RX1>
FIG. 2 is a block diagram of the acoustic receiver RX1.
The acoustic receiver RX1 outputs from a signal converter 202 (receiver) that converts the received input acoustic signal Sin into an electric signal, a low noise amplifier 203 that amplifies the electric signal to a desired level, and a low noise amplifier 203. It has an A / D converter 204 that converts an electric signal, that is, an analog signal, into a digital signal Sind.

図3(a)および(b)は、各々出力音響信号Soutおよび入力音響信号Sinの信号フォーマットを示す図である。
図3(a)に示すように、出力音響信号Soutには、送信スロット周期Tslot毎に基準信号RSおよび変調信号MSが交互に現れる。また、図示の例では送信スロット周期Tslotは一定である。
3A and 3B are diagrams showing signal formats of the output acoustic signal Sout and the input acoustic signal Sin, respectively.
As shown in FIG. 3A, the reference signal RS and the modulated signal MS appear alternately in the output acoustic signal Sout for each transmission slot period Tslot. Further, in the illustrated example, the transmission slot period Tslot is constant.

また、図3(b)に示す入力音響信号Sinは、上記出力音響信号Soutがドップラー効果、マルチパス、フェージング等の影響を受けて劣化したものである。このため、入力音響信号Sinのスロット周期は、必ずしも一定にはならない。そこで、入力音響信号Sinにおけるスロット周期を「受信スロット周期」と呼び、「TslotRX(k)」の形式で表現する。ここで、kはスロット番号であり、0以上の整数である。そして、入力音響信号Sinにおいては、上述した基準信号RSが劣化した結果である受信基準信号RSRと、変調信号MSが劣化した結果である受信変調信号MSRと、が交互に現れる。 Further, in the input acoustic signal Sin shown in FIG. 3B, the output acoustic signal Sout is deteriorated due to the influence of the Doppler effect, multipath, fading, and the like. Therefore, the slot period of the input acoustic signal Sin is not always constant. Therefore, the slot period in the input acoustic signal Sin is called a "reception slot period" and is expressed in the form of "TslotRX (k)". Here, k is a slot number, which is an integer of 0 or more. Then, in the input acoustic signal Sin, the reception reference signal RSR, which is the result of the deterioration of the reference signal RS described above, and the reception modulation signal MSR, which is the result of the deterioration of the modulation signal MS, appear alternately.

図2に戻り、同期検出器205は、A/D変換器204が出力するデジタル信号Sindの中から、受信基準信号RSRを検出する。そして、同期検出器205は、受信基準信号RSRが検出されている期間においてスイッチ209をオフ状態にし、その他の期間にスイッチ209をオン状態にする。これにより、デジタル信号Sindに含まれる受信変調信号MSRがスイッチ209を介して出力される。カウンタ206(ドップラー量演算部)は、同期検出器205が受信基準信号RSRを検出する時間間隔を計測する。 Returning to FIG. 2, the synchronization detector 205 detects the reception reference signal RSR from the digital signal Sind output by the A / D converter 204. Then, the synchronous detector 205 turns off the switch 209 during the period when the reception reference signal RSR is detected, and turns on the switch 209 during the other period. As a result, the reception modulation signal MSR included in the digital signal Sind is output via the switch 209. The counter 206 (Doppler amount calculation unit) measures the time interval at which the synchronization detector 205 detects the reception reference signal RSR.

この時間間隔は、後述する誤検出等が生じない限り、図3(b)に示した受信スロット周期TslotRX(k)に等しくなる。演算器207(ドップラー量演算部)は、検出した受信スロット周期TslotRX(k)をスロット周期Tslotで除算することにより、入力音響信号Sinのドップラー率DR(ドップラー量)を出力する。補正器208は、ドップラー率DRに基づいて、受信変調信号MSRに生じている信号劣化を補正する。 This time interval becomes equal to the reception slot period TslotRX (k) shown in FIG. 3 (b) unless a false detection or the like described later occurs. The arithmetic unit 207 (Doppler amount calculation unit) outputs the Doppler ratio DR (Doppler amount) of the input acoustic signal Sin by dividing the detected reception slot period TslotRX (k) by the slot period Tslot. The corrector 208 corrects the signal deterioration occurring in the reception modulation signal MSR based on the Doppler ratio DR.

図4は、図2の要部の詳細ブロック図であり、特に同期検出器205および補正器208の詳細構成を示す。
図4において同期検出器205は、相関器301(第1の相関演算器)と、基準信号RSを出力する基準信号生成部302と、検波器303と、記憶部304(演算結果記憶部)と、相関器305(第2の相関演算器)と、を有している。相関器301は、デジタル信号Sindと、基準信号生成部302が出力する基準信号RSとの第1の相関係数CC1(第1の演算結果)を算出する。検波器303は、第1の相関係数CC1のピークレベルを監視し、ピークレベルが所定の閾値以上であるか否か等に基づいて、受信スロット周期TslotRX(k)の開始タイミングを検出する。
FIG. 4 is a detailed block diagram of a main part of FIG. 2, and in particular, shows a detailed configuration of the synchroscope 205 and the corrector 208.
In FIG. 4, the synchronous detector 205 includes a correlator 301 (first correlation calculator), a reference signal generation unit 302 that outputs a reference signal RS, a detector 303, and a storage unit 304 (calculation result storage unit). , And a correlator 305 (second correlation calculator). The correlator 301 calculates the first correlation coefficient CC1 (first calculation result) between the digital signal Sind and the reference signal RS output by the reference signal generation unit 302. The detector 303 monitors the peak level of the first correlation coefficient CC1 and detects the start timing of the reception slot period TslotRX (k) based on whether or not the peak level is equal to or higher than a predetermined threshold value.

また、図4において補正器208は、周波数変換器306(周波数修正部)と、キャリア周波数指定部307と、乗算器308と、乗算器311(可変ダウンサンプル部)と、ダウンサンプル部309(可変ダウンサンプル部)と、ダウンサンプル比指定部310と、を有している。 Further, in FIG. 4, the corrector 208 includes a frequency converter 306 (frequency correction unit), a carrier frequency designation unit 307, a multiplier 308, a multiplier 311 (variable downsample unit), and a downsample unit 309 (variable). It has a downsampling unit) and a downsampling ratio designating unit 310.

キャリア周波数指定部307は、キャリア周波数fcを出力する。このキャリア周波数fcは、音響送信機TX1が出力する出力音響信号Sout(図1参照)のキャリア周波数に等しい。乗算器308は、該キャリア周波数fcと、ドップラー率DRと、を乗算し乗算結果DR・fcを出力する。周波数変換器306は、乗算結果DR・fcに基づいて、受信変調信号MSRのキャリア周波数がキャリア周波数fcに等しくなるように受信変調信号MSRを修正し、修正結果を修正変調信号MSCとして出力する。換言すると、周波数変換器306は、ドップラー効果によって受信変調信号MSRに生じていた周波数シフトを修正し、修正変調信号MSCとして出力する。 The carrier frequency designation unit 307 outputs the carrier frequency fc. This carrier frequency fc is equal to the carrier frequency of the output acoustic signal Sout (see FIG. 1) output by the acoustic transmitter TX1. The multiplier 308 multiplies the carrier frequency fc and the Doppler rate DR, and outputs the multiplication result DR · fc. The frequency converter 306 corrects the reception modulation signal MSR so that the carrier frequency of the reception modulation signal MSR becomes equal to the carrier frequency fc based on the multiplication result DR · fc, and outputs the correction result as the correction modulation signal MSC. In other words, the frequency converter 306 corrects the frequency shift that has occurred in the received modulation signal MSR due to the Doppler effect, and outputs it as the corrected modulation signal MSC.

また、ダウンサンプル比指定部310は、修正変調信号MSCを復調する際のダウンサンプル比DSRを指定する。乗算器311は、ダウンサンプル比DSRに対してドップラー率DRを乗算し、乗算結果DR・DSRを出力する。ダウンサンプル部309は、この乗算結果DR・DSRをダウンサンプル比として、修正変調信号MSCをダウンサンプルすることにより、修正変調信号MSCを復調する。 Further, the downsampling ratio designation unit 310 specifies the downsampling ratio DSR when demodulating the correction modulation signal MSC. The multiplier 311 multiplies the downsampling ratio DSR by the Doppler ratio DR, and outputs the multiplication result DR / DSR. The downsampling unit 309 demodulates the modified modulation signal MSC by downsampling the modified modulation signal MSC with the multiplication result DR / DSR as the downsample ratio.

図5(a),(b)は、相関器301から出力される第1の相関係数CC1の波形図の例である。基準信号RSの信号長が十分に長く、符号間の直交性を確保できたと仮定した場合、信号劣化の無い理想的な条件では、第1の相関係数CC1の波形は、図5(a)に示すようになる。すなわち、デジタル信号Sindの1シンボルの幅で相関波形CW10が出現する。デジタル信号Sindの通過帯域内で相関処理を行う場合は、図示のように、キャリア周波数の周期で第1の相関係数CC1は振動する。そして、シンボルタイミングとキャリア周波数のタイミングが合致するタイミングすなわち時刻t1において第1の相関係数CC1には最大値のピークが生じる。 5 (a) and 5 (b) are examples of waveform diagrams of the first correlation coefficient CC1 output from the correlator 301. Assuming that the signal length of the reference signal RS is sufficiently long and the orthogonality between the codes can be ensured, the waveform of the first correlation coefficient CC1 is shown in FIG. 5A under ideal conditions without signal deterioration. Will be shown in. That is, the correlation waveform CW10 appears with a width of one symbol of the digital signal Sind. When the correlation processing is performed within the pass band of the digital signal Sind, the first correlation coefficient CC1 vibrates in the cycle of the carrier frequency as shown in the figure. Then, at the timing when the symbol timing and the timing of the carrier frequency match, that is, at time t1, the peak of the maximum value occurs in the first correlation coefficient CC1.

ここで、音響送信機TX1(図1参照)または音響受信機RX1(図2参照)の一方が水面近くに設けられている場合を想定してみる。かかる場合は、音響送信機TX1から音響受信機RX1に伝搬する直接波と、音響送信機TX1から水面に反射して音響受信機RX1に伝搬する反射波と、によるマルチパスが生じる。 Here, it is assumed that one of the acoustic transmitter TX1 (see FIG. 1) and the acoustic receiver RX1 (see FIG. 2) is provided near the water surface. In such a case, a multipath is generated by a direct wave propagating from the sound transmitter TX1 to the sound receiver RX1 and a reflected wave reflected from the sound transmitter TX1 to the water surface and propagating to the sound receiver RX1.

水面における音波の反射率は比較的高いため、反射波のレベルも比較的高くなり、反射波に対する相関波形のレベルも高くなる。その例を図5(b)に示す。図示の例において、相関波形CW11は直接波によるものであり、相関波形CW12は反射波によるものである。そして、マルチパスの状況によっては、反射波による時刻t13のピークレベルが、直接波による時刻t11,t12のピークレベルを超える場合もある。 Since the reflectance of sound waves on the water surface is relatively high, the level of the reflected wave is also relatively high, and the level of the correlation waveform with respect to the reflected wave is also high. An example thereof is shown in FIG. 5 (b). In the illustrated example, the correlation waveform CW11 is due to a direct wave and the correlation waveform CW12 is due to a reflected wave. Then, depending on the multipath situation, the peak level at time t13 due to the reflected wave may exceed the peak level at time t11 and t12 due to the direct wave.

また、信号変換器107(図1参照)、信号変換器202(図2参照)および水中伝搬路における群遅延特性の影響により、図5(b)に示す例においては、直接波による相関波形CW11においても、シンボル幅が広がり、時刻t11,t12においてほぼ等しいピークレベルが現れている。このような事情により、第1の相関係数CC1におけるピークレベルの判定結果に基づいて、受信スロット周期TslotRX(k)の開始タイミングを単純に検出しようとすると、この開始タイミングを誤検出する可能性がある。そして、開始タイミングが誤検出されると、演算器207において計算されるドップラー率DRが誤った値になり、受信変調信号MSRを適切に復調することが困難になる。 Further, due to the influence of the group delay characteristics in the signal converter 107 (see FIG. 1), the signal converter 202 (see FIG. 2), and the underwater propagation path, in the example shown in FIG. Also, the symbol width is widened, and almost equal peak levels appear at time t11 and t12. Under these circumstances, if the start timing of the reception slot period TslotRX (k) is simply detected based on the determination result of the peak level in the first correlation coefficient CC1, there is a possibility that this start timing will be erroneously detected. There is. If the start timing is erroneously detected, the Doppler rate DR calculated by the arithmetic unit 207 becomes an erroneous value, and it becomes difficult to properly demodulate the received modulation signal MSR.

そこで、本実施形態においては、図4に示すように、同期検出器205に記憶部304および相関器305を設けることにより、上述した問題に対応している。まず、記憶部304は、レジスタ等の記憶媒体を有しており、検波器303が第1の相関係数CC1のピークレベルを検出した時点を中心として、その前後の所定時間幅の第1の相関係数CC1の値を記憶する。記憶される第1の相関係数CC1の値は、例えば図5(a),(b)に示したものである。記憶部304は、記憶した第1の相関係数CC1の値を遅延させ、その結果を遅延相関係数CCD1(記憶値)として出力する。相関器305は、第1の相関係数CC1と、遅延相関係数CCD1との相関係数を演算し、その結果を第2の相関係数CC2(第2の演算結果)として出力する。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the above-mentioned problem is solved by providing the storage unit 304 and the correlator 305 in the synchronous detector 205. First, the storage unit 304 has a storage medium such as a register, and is the first of a predetermined time width before and after the time when the detector 303 detects the peak level of the first correlation coefficient CC1. The value of the correlation coefficient CC1 is stored. The stored value of the first correlation coefficient CC1 is shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), for example. The storage unit 304 delays the stored value of the first correlation coefficient CC1 and outputs the result as the delay correlation coefficient CCD1 (stored value). The correlator 305 calculates the correlation coefficient between the first correlation coefficient CC1 and the delay correlation coefficient CCD1, and outputs the result as the second correlation coefficient CC2 (second calculation result).

図6(a),(b)は、第2の相関係数CC2の波形図の例である。
第1の相関係数CC1および遅延相関係数CCD1の波形が共に図5(a)に示したような波形である場合、すなわち信号劣化の無い理想的な条件では、第2の相関係数CC2の波形は図6(a)に示すようになる。図6(a)に示す第2の相関係数CC2には、時刻t21の前後に相関波形CW20が生じている。相関波形CW20は、図5(a)の相関波形CW10と比較すると、時間軸上で若干の広がりが見られるが、両者の波形は類似している。また、相関波形CW20に最大のピークが出現する時刻t21も明確である。
6 (a) and 6 (b) are examples of waveform diagrams of the second correlation coefficient CC2.
When the waveforms of the first correlation coefficient CC1 and the delay correlation coefficient CCD1 are both as shown in FIG. 5A, that is, under ideal conditions without signal deterioration, the second correlation coefficient CC2 The waveform of is shown in FIG. 6 (a). In the second correlation coefficient CC2 shown in FIG. 6A, a correlation waveform CW20 occurs before and after the time t21. The correlation waveform CW20 shows a slight spread on the time axis as compared with the correlation waveform CW10 in FIG. 5A, but both waveforms are similar. Further, the time t21 at which the maximum peak appears in the correlation waveform CW20 is also clear.

また、第1の相関係数CC1および遅延相関係数CCD1の波形が共に図5(b)に示したような波形である場合、すなわちマルチパスや群遅延特性の劣化が生じている条件では、第2の相関係数CC2の波形は図6(b)に示すようになる。図6(b)に示す第2の相関係数CC2には、三か所に相関波形CW21,CW22,CW23が生じている。これらのうち先頭に現れる相関波形CW21は、図5(b)に示した直接波による相関波形CW11と、反射波による相関波形CW12との相関波形に相当する。反射面が例えば水面であった場合、反射波の位相は反射面で反転するため、直接波と反射波の相関係数は低くなる。 Further, when the waveforms of the first correlation coefficient CC1 and the delay correlation coefficient CCD1 are both waveforms as shown in FIG. 5B, that is, under the condition that multipath or group delay characteristics are deteriorated. The waveform of the second correlation coefficient CC2 is as shown in FIG. 6 (b). In the second correlation coefficient CC2 shown in FIG. 6B, correlation waveforms CW21, CW22, and CW23 are generated at three places. The correlation waveform CW21 appearing at the head of these corresponds to the correlation waveform between the correlation waveform CW11 due to the direct wave and the correlation waveform CW12 due to the reflected wave shown in FIG. 5 (b). When the reflecting surface is, for example, a water surface, the phase of the reflected wave is inverted at the reflecting surface, so that the correlation coefficient between the direct wave and the reflected wave becomes low.

また、図5(b)に示した相関波形CW11においては、群遅延特性によって、時刻t11,t12においてほぼ等しいピークレベルが現れていたが、図6(b)において、相関波形CW22のピークは時刻t22の1回のみ現れている。このように、本実施形態によれば、相関器301,305を用いて同期検出を行うため、相関器301のみによって同期検出を行う場合と比較すると、安定したタイミングで同期検出を実行することができる。 Further, in the correlation waveform CW11 shown in FIG. 5B, substantially the same peak level appeared at times t11 and t12 due to the group delay characteristics, but in FIG. 6B, the peak of the correlation waveform CW22 is the time. It appears only once at t22. As described above, according to the present embodiment, since the synchronous detection is performed using the correlators 301 and 305, the synchronous detection can be executed at a stable timing as compared with the case where the synchronous detection is performed only by the correlator 301. can.

すなわち、カウンタ206(図4参照)は、第2の相関係数CC2にピークが現れたタイミング(例えば図6(a)の時刻t21または図6(b)の時刻t22)から次のピークが現れるまで、所定周期のクロック信号(図示せず)をカウントし、そのカウント結果に基づいて受信スロット周期TslotRX(k)の開始タイミングを検出する。これにより、正確な受信スロット周期TslotRX(k)を求めることができ、演算器207では、ドップラー率DRを正確に推定できる。 That is, in the counter 206 (see FIG. 4), the next peak appears from the timing when the peak appears in the second correlation coefficient CC2 (for example, time t21 in FIG. 6A or time t22 in FIG. 6B). Until, clock signals (not shown) having a predetermined cycle are counted, and the start timing of the reception slot cycle TslotRX (k) is detected based on the count result. As a result, the accurate reception slot period TslotRX (k) can be obtained, and the Doppler rate DR can be accurately estimated by the arithmetic unit 207.

ここで、ダウンサンプル部309(図4参照)において、単純な間引き処理によるダウンサンプルを行う場合を想定する。かかる場合、ダウンサンプル比は整数値であるから、乗算器311から出力される乗算結果DR・DSRの小数点以下の端数は四捨五入処理で整数化し、切り捨てまたは切り上げによる小数点以下の端数を蓄積加算していくとよい。この処理で、ダウンサンプル比が時間により±1だけずれるが、ダウンサンプル比DSRが比較的大きければ、その影響は軽微である。 Here, it is assumed that the downsampling unit 309 (see FIG. 4) performs downsampling by a simple thinning process. In such a case, since the downsampling ratio is an integer value, the fractions after the decimal point of the multiplication result DR / DSR output from the multiplier 311 are rounded to an integer, and the fractions after the decimal point by rounding down or rounding up are accumulated and added. You should go. In this process, the downsampling ratio shifts by ± 1 with time, but if the downsampling ratio DSR is relatively large, the effect is minor.

このように、本実施形態によれば、同期検出器205によって第2の相関係数CC2にピークが現れるタイミング(例えば図6(a)の時刻t21または図6(b)の時刻t22)に基づいて受信スロット周期TslotRX(k)の開始タイミングを検出するため、ドップラー率DRが刻々と変化した場合であっても、これに追従しながら、受信変調信号MSRの信号劣化を補正できる。特に、出力音響信号Soutが水面に反射して音響受信機RX1に到達する場合には、水面の波によってドップラー率DRが刻々と変化する。本実施形態では、このような場合においても、受信変調信号MSRの信号劣化を的確に補正できる。 As described above, according to the present embodiment, it is based on the timing at which the peak appears in the second correlation coefficient CC2 by the synchronous detector 205 (for example, time t21 in FIG. 6A or time t22 in FIG. 6B). Since the start timing of the reception slot period TslotRX (k) is detected, even if the Doppler ratio DR changes every moment, the signal deterioration of the reception modulation signal MSR can be corrected while following the change. In particular, when the output acoustic signal Sout is reflected on the water surface and reaches the acoustic receiver RX1, the Doppler ratio DR changes every moment due to the waves on the water surface. In the present embodiment, even in such a case, the signal deterioration of the reception modulation signal MSR can be accurately corrected.

また、音響送信機TX1(図1参照)において変調信号MSが誤り訂正符号によって符号化されたものである場合、誤り訂正符号の符号長の単位で変調信号MSを生成することが好ましい。その理由を説明する。まず、変調信号MSが受信変調信号MSRに変化して補正器208(図4参照)に供給されると、補正器208で信号劣化を補正する際には、1スロット分の遅延時間が生じる。しかし、この1スロット分の遅延時間は、そもそも誤り訂正符号の復号化処理のためにも必要な時間である。従って、誤り訂正符号の符号長の単位で変調信号MSを生成すると、補正器208において遅延時間が生じたとしても、追加の通信遅延が特に生じることにはならない。 Further, when the modulated signal MS is encoded by an error correction code in the acoustic transmitter TX1 (see FIG. 1), it is preferable to generate the modulated signal MS in units of the code length of the error correction code. The reason will be explained. First, when the modulated signal MS is changed to the received modulated signal MSR and supplied to the corrector 208 (see FIG. 4), a delay time of one slot occurs when the corrector 208 corrects the signal deterioration. However, the delay time for one slot is the time required for the decoding process of the error correction code in the first place. Therefore, if the modulation signal MS is generated in units of the code length of the error correction code, even if a delay time occurs in the corrector 208, an additional communication delay does not occur in particular.

<第1実施形態の効果>
以上のように本実施形態によれば、音響送信機(TX1)は、出力音響信号(Sout)として、所定のビット列を有する基準信号(RS)と、伝送しようとする信号に対して変調を施した変調信号(MS)と、を交互に出力する送信部(107)を有するものであり、音響受信機(RX1)は、基準信号(RS)を生成する基準信号生成部(302)と、入力音響信号(Sin)と、基準信号(RS)との相関演算を行い、第1の演算結果(CC1)を出力する第1の相関演算器(301)と、第1の演算結果(CC1)を記憶する演算結果記憶部(304)と、演算結果記憶部(304)が過去に記憶した記憶値(CCD1)と、第1の演算結果(CC1)との相関演算を行い、第2の演算結果(CC2)を出力する第2の相関演算器(305)と、第2の演算結果(CC2)に基づいて入力音響信号(Sin)におけるドップラー量(DR)を演算するドップラー量演算部(206,207)と、を有する。
これにより、第2の演算結果(CC2)には、基準信号(RS)に対応するタイミングが現れやすくなり、信頼性の高い音響通信を実現できるようになる。
<Effect of the first embodiment>
As described above, according to the present embodiment, the acoustic transmitter (TX1) modulates the reference signal (RS) having a predetermined bit string and the signal to be transmitted as the output acoustic signal (Sout). It has a transmitter (107) that alternately outputs the modulated signal (MS), and the acoustic receiver (RX1) has a reference signal generator (302) that generates a reference signal (RS) and an input. The first correlation calculator (301) that performs the correlation calculation between the acoustic signal (Sin) and the reference signal (RS) and outputs the first calculation result (CC1), and the first calculation result (CC1). A correlation calculation is performed between the calculation result storage unit (304) to be stored, the storage value (CCD1) stored in the past by the calculation result storage unit (304), and the first calculation result (CC1), and the second calculation result is performed. A second correlation calculator (305) that outputs (CC2) and a Doppler amount calculation unit (206,) that calculates the Doppler amount (DR) in the input acoustic signal (Sin) based on the second calculation result (CC2). 207) and.
As a result, the timing corresponding to the reference signal (RS) is likely to appear in the second calculation result (CC2), and highly reliable acoustic communication can be realized.

また、音響受信機(RX1)は、変調信号(MS)に対応して入力音響信号(Sin)に含まれる受信変調信号(MSR)の周波数を、ドップラー量(DR)に基づいて修正し、修正結果を修正変調信号(MSC)として出力する周波数修正部(306)と、ドップラー量(DR)に基づいて間引き間隔を調整しつつ修正変調信号(MSC)をダウンサンプルする可変ダウンサンプル部(309,311)と、をさらに有する。
これにより、修正変調信号(MSC)において信号劣化の影響を減少させることができ、一層信頼性の高い音響通信を実現できる。
Further, the acoustic receiver (RX1) corrects and corrects the frequency of the reception modulation signal (MSR) included in the input acoustic signal (Sin) corresponding to the modulation signal (MS) based on the Doppler amount (DR). A frequency correction unit (306) that outputs the result as a correction modulation signal (MSC), and a variable downsample unit (309,) that downsamples the correction modulation signal (MSC) while adjusting the thinning interval based on the Doppler amount (DR). 311) and further.
As a result, the influence of signal deterioration on the modified modulation signal (MSC) can be reduced, and more reliable acoustic communication can be realized.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態ついて説明する。なお、以下の説明において、図1〜図6の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
本実施形態の音響通信システムは、図7に示す音響送信機TX2と、図9に示す音響受信機RX2と、を有している。以下、各々の構成について説明する。
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the parts corresponding to the respective parts of FIGS. 1 to 6 may be designated by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted.
The acoustic communication system of the present embodiment includes the acoustic transmitter TX2 shown in FIG. 7 and the acoustic receiver RX2 shown in FIG. Hereinafter, each configuration will be described.

<音響送信機TX2の構成>
図7は、音響送信機TX2のブロック図である。
図7において、変調信号生成部101および基準信号生成部102(基準信号群生成部)は、第1実施形態のもの(図1参照)と同様である。本実施形態における音響送信機TX2には、さらに他の基準信号生成部601,602(基準信号群生成部)が設けられている。基準信号生成部601は、基準信号RSよりも前のタイミングで前基準信号RS+を出力し、基準信号生成部602は、基準信号RSよりも後のタイミングで後基準信号RS−を出力する。なお、前基準信号RS+および後基準信号RS−が有するビット列は、基準信号RSのものと同一である。
<Configuration of sound transmitter TX2>
FIG. 7 is a block diagram of the acoustic transmitter TX2.
In FIG. 7, the modulation signal generation unit 101 and the reference signal generation unit 102 (reference signal group generation unit) are the same as those of the first embodiment (see FIG. 1). The acoustic transmitter TX2 in the present embodiment is further provided with other reference signal generation units 601, 602 (reference signal group generation unit). The reference signal generation unit 601 outputs the front reference signal RS + at a timing before the reference signal RS, and the reference signal generation unit 602 outputs the rear reference signal RS− at a timing after the reference signal RS. The bit strings of the front reference signal RS + and the rear reference signal RS- are the same as those of the reference signal RS.

また、本実施形態におけるスイッチ103は、変調信号MS、基準信号RS、前基準信号RS+または後基準信号RS−のうち何れか一の信号を選択し出力する。本実施形態の音響送信機TX2は、さらにD/A変換器104、アンチエイリアスフィルタ105、パワーアンプ106、および信号変換器107を有している。これらの構成は第1実施形態の音響送信機TX1のもの(図1参照)と同様であり、信号変換器107からは出力音響信号Soutが出力される。 Further, the switch 103 in the present embodiment selects and outputs any one of the modulated signal MS, the reference signal RS, the pre-reference signal RS +, and the post-reference signal RS-. The acoustic transmitter TX2 of the present embodiment further includes a D / A converter 104, an antialiasing filter 105, a power amplifier 106, and a signal converter 107. These configurations are the same as those of the acoustic transmitter TX1 of the first embodiment (see FIG. 1), and the output acoustic signal Sout is output from the signal converter 107.

図8は、本実施形態における出力音響信号Soutの信号フォーマットを示す図である。上述した前基準信号RS+、基準信号RSおよび後基準信号RS−を総称して、「基準信号群RSG」と呼ぶ。図示のように、出力音響信号Soutには、送信スロット周期Tslot毎に基準信号群RSGおよび変調信号MSが交互に現れる。また、図示の例では送信スロット周期Tslotは一定である。 FIG. 8 is a diagram showing a signal format of the output acoustic signal Sout in the present embodiment. The above-mentioned pre-reference signal RS +, reference signal RS, and post-reference signal RS- are collectively referred to as "reference signal group RSG". As shown in the figure, the reference signal group RSG and the modulated signal MS appear alternately in the output acoustic signal Sout for each transmission slot period Tslot. Further, in the illustrated example, the transmission slot period Tslot is constant.

<音響受信機RX2の構成>
図9は、音響受信機RX2の要部のブロック図である。
音響受信機RX2の全体構成は、第1実施形態の音響受信機RX1のもの(図2,図4参照)と同様である。但し、本実施形態においては、第1実施形態の同期検出器205およびカウンタ206に代えて、図9に示す同期検出器215およびカウンタ216が適用される。
<Configuration of sound receiver RX2>
FIG. 9 is a block diagram of a main part of the acoustic receiver RX2.
The overall configuration of the sound receiver RX2 is the same as that of the sound receiver RX1 of the first embodiment (see FIGS. 2 and 4). However, in the present embodiment, the synchronous detector 215 and the counter 216 shown in FIG. 9 are applied instead of the synchronous detector 205 and the counter 206 of the first embodiment.

同期検出器215は、第1実施形態の同期検出器205(図4参照)と同様の構成要素301〜305を有し、さらに振幅値記憶部322を有している。この振幅値記憶部322は、第1の相関係数CC1の振幅レベル(またはエンベロープレベル)を所定期間、記憶するものである。また、カウンタ216は、第2の相関係数CC2にピークが現れる時間間隔と、振幅値記憶部322の記憶内容に基づいて、受信スロット周期TslotRX(k)の開始タイミングを検出する。なお、その詳細については後述する。 The synchronous detector 215 has the same components 301 to 305 as the synchronous detector 205 (see FIG. 4) of the first embodiment, and further has an amplitude value storage unit 322. The amplitude value storage unit 322 stores the amplitude level (or envelope level) of the first correlation coefficient CC1 for a predetermined period of time. Further, the counter 216 detects the start timing of the reception slot period TslotRX (k) based on the time interval in which the peak appears in the second correlation coefficient CC2 and the storage content of the amplitude value storage unit 322. The details will be described later.

図10(a)は、本実施形態において、音響受信機RX2に伝搬する入力音響信号Sinの信号フォーマットを示す図である。
入力音響信号Sinには、受信スロット周期TslotRX(k)(但し、kはスロット番号)毎に、受信基準信号群RSGRと、受信変調信号MSRと、が交互に現れる。ここで、受信基準信号群RSGRおよび受信変調信号MSRは、それぞれ、図8に示した基準信号群RSGおよび変調信号MSが伝送路を介して劣化したものである。
FIG. 10A is a diagram showing a signal format of the input acoustic signal Sin propagating to the acoustic receiver RX2 in the present embodiment.
In the input acoustic signal Sin, the reception reference signal group RSGR and the reception modulation signal MSR appear alternately for each reception slot period TslotRX (k) (where k is the slot number). Here, in the reception reference signal group RSGR and the reception modulation signal MSR, the reference signal group RSG and the modulation signal MS shown in FIG. 8 are deteriorated via the transmission line, respectively.

そして、受信基準信号群RSGRは、図8に示した前基準信号RS+、基準信号RSおよび後基準信号RS−がそれぞれ劣化した結果である前受信基準信号RSR+、受信基準信号RSRおよび後受信基準信号RSR−を含んでいる。ここで、前受信基準信号RSR+と受信基準信号RSRとの境界位置をBD+(第1の境界位置)と呼び、受信基準信号RSRと後受信基準信号RSR−との境界位置をBD−(第2の境界位置)と呼ぶ。 Then, the reception reference signal group RSGR includes the pre-reception reference signal RSR +, the reception reference signal RSR, and the post-reception reference signal, which are the results of deterioration of the pre-reference signal RS +, the reference signal RS, and the post-reference signal RS- shown in FIG. Contains RSR-. Here, the boundary position between the front reception reference signal RSR + and the reception reference signal RSR is called BD + (first boundary position), and the boundary position between the reception reference signal RSR and the rear reception reference signal RSR- is BD- (second boundary position). Boundary position).

図10(b)は、本実施形態において相関器301が出力する第1の相関係数CC1の波形図の例である。また、図10(c)は、相関器305が出力する第2の相関係数CC2の波形図の例である。
図10(b)に示す第1の相関係数CC1は、前受信基準信号RSR+、受信基準信号RSRおよび後受信基準信号RSR−の各々の開始タイミングに対応する時刻t34,t36,t38の付近で相関波形CW30,CW31,CW32が生じている。また、時刻t38から基準信号RSの信号長が経過した時刻t40では、第1の相関係数CC1はほぼ零値になっている。この第1の相関係数CC1は、時刻t37〜t39に対応する期間に、基準信号生成部302(図9参照)が基準信号RSを出力したことを想定している。
FIG. 10B is an example of a waveform diagram of the first correlation coefficient CC1 output by the correlator 301 in the present embodiment. Further, FIG. 10C is an example of a waveform diagram of the second correlation coefficient CC2 output by the correlator 305.
The first correlation coefficient CC1 shown in FIG. 10B is near the times t34, t36, and t38 corresponding to the start timings of the pre-reception reference signal RSR +, the reception reference signal RSR, and the post-reception reference signal RSR-. Correlated waveforms CW30, CW31, and CW32 are generated. Further, at the time t40 when the signal length of the reference signal RS has elapsed from the time t38, the first correlation coefficient CC1 is almost zero. The first correlation coefficient CC1 assumes that the reference signal generation unit 302 (see FIG. 9) outputs the reference signal RS during the period corresponding to the time t37 to t39.

すなわち、入力音響信号Sinにドップラーシフトが生じていなければ、受信基準信号RSRおよび基準信号RSの開始タイミングは、時刻t37で一致しているはずである。しかし、直前の受信スロット周期TslotRX(0)(図10(a)参照)がドップラーシフトによって、送信スロット周期Tslot(図8参照)よりも短くなったため、受信基準信号RSRの開始タイミングt36は、基準信号RSの開始タイミングt37よりも早まっている。 That is, if the input acoustic signal Sin does not have a Doppler shift, the start timings of the reception reference signal RSR and the reference signal RS should match at time t37. However, since the immediately preceding receive slot period TslotRX (0) (see FIG. 10A) is shorter than the transmission slot period Tslot (see FIG. 8) due to the Doppler shift, the start timing t36 of the reception reference signal RSR is set as a reference. It is earlier than the start timing t37 of the signal RS.

受信基準信号RSRおよび後受信基準信号RSR−の開始タイミングt36,t38は、基準信号RSの開始タイミングt37に近いため、相関波形CW31,CW32のピークレベルは比較的高くなっている。一方、前受信基準信号RSR+の開始タイミングt34は、時刻t37から相当に離れているため、相関波形CW30のピークレベルは、比較的低い値になっている。 Since the start timings t36 and t38 of the reception reference signal RSR and the post-reception reference signal RSR-are close to the start timing t37 of the reference signal RS, the peak levels of the correlation waveforms CW31 and CW32 are relatively high. On the other hand, since the start timing t34 of the pre-reception reference signal RSR + is considerably far from the time t37, the peak level of the correlation waveform CW30 is a relatively low value.

また、図示の例では、相関波形CW31,CW32のピークレベルはほぼ等しい値になっており、受信基準信号RSRの開始タイミングが時刻t36,t38の何れであるのか、図10(b)に示す第1の相関係数CC1のみに基づいて判断することは困難である。逆に、受信スロット周期TslotRX(0)が送信スロット周期Tslotよりも長くなると、基準信号RSの開始タイミングは、例えば時刻t35付近になる。この場合は、相関波形CW30,CW31のピークレベルが比較的高くなり、相関波形CW32のピークレベルは比較的低くなる。この場合も、受信基準信号RSRの開始タイミングが時刻t34,t36の何れであるのか、第1の相関係数CC1のみに基づいて判断することは困難である。 Further, in the illustrated example, the peak levels of the correlation waveforms CW31 and CW32 are substantially equal, and it is shown in FIG. 10B whether the start timing of the reception reference signal RSR is time t36 or t38. It is difficult to make a judgment based only on the correlation coefficient CC1 of 1. On the contrary, when the reception slot period TslotRX (0) becomes longer than the transmission slot period Tslot, the start timing of the reference signal RS becomes, for example, around time t35. In this case, the peak levels of the correlation waveforms CW30 and CW31 are relatively high, and the peak levels of the correlation waveforms CW32 are relatively low. In this case as well, it is difficult to determine whether the start timing of the reception reference signal RSR is at time t34 or t36 based only on the first correlation coefficient CC1.

そこで、本実施形態においては、第1実施形態と同様に、同期検出器215(図9参照)に記憶部304と相関器305と、を設けており、相関器305は第2の相関係数CC2を出力する。
図10(c)において、第2の相関係数CC2には、時刻t50,t51,t52,t53の付近で、相関波形CW40,CW41,CW42,CW43が生じている。相関波形CW41の主たる支配要因は、相関波形CW30,CW31の相関であり、比較的低いピークレベルを有している。相関波形CW42の主たる支配要因は、相関波形CW31,CW32の相関であり、比較的高いピークレベルを有している。相関波形CW42は、伝搬路の時間変移によって相関レベルが若干下がることもあるが、基本的には高いピークレベルが現れる。
Therefore, in the present embodiment, similarly to the first embodiment, the synchronous detector 215 (see FIG. 9) is provided with the storage unit 304 and the correlator 305, and the correlator 305 has the second correlation coefficient. Output CC2.
In FIG. 10C, the second correlation coefficient CC2 has correlation waveforms CW40, CW41, CW42, and CW43 near the times t50, t51, t52, and t53. The main dominant factor of the correlation waveform CW41 is the correlation of the correlation waveforms CW30 and CW31, and has a relatively low peak level. The main dominant factor of the correlation waveform CW42 is the correlation of the correlation waveforms CW31 and CW32, and has a relatively high peak level. In the correlation waveform CW42, the correlation level may be slightly lowered due to the time transition of the propagation path, but basically a high peak level appears.

第2の相関係数CC2のピークレベルが現れる時刻t52は、図10(a),(c)の例では、境界位置BD−に対応する。一方、受信スロット周期TslotRX(0)が送信スロット周期Tslotよりも長くなると、境界位置BD+に対応する時刻t51において第2の相関係数CC2のピークレベルが発生する。 The time t52 at which the peak level of the second correlation coefficient CC2 appears corresponds to the boundary position BD− in the examples of FIGS. 10A and 10C. On the other hand, when the reception slot period TslotRX (0) becomes longer than the transmission slot period Tslot, the peak level of the second correlation coefficient CC2 occurs at the time t51 corresponding to the boundary position BD +.

換言すると、前基準信号RS+(図8参照)および前受信基準信号RSR+は、受信スロット周期TslotRX(k)が送信スロット周期Tslotよりも長くなる正のドップラーシフトが生じたときに基準信号RSとの相関が高くなるため、正のドップラーシフトに対応するものである。 In other words, the pre-reference signal RS + (see FIG. 8) and the pre-reception reference signal RSR + are with reference signal RS when a positive Doppler shift occurs in which the receive slot period TslotRX (k) is longer than the transmission slot period Tslot. Since the correlation is high, it corresponds to a positive Doppler shift.

また、後基準信号RS−(図8参照)および後受信基準信号RSR−は、は、受信スロット周期TslotRX(k)が送信スロット周期Tslotよりも短くなる負のドップラーシフトが生じたときに基準信号RSとの相関が高くなるため、負のドップラーシフトに対応するものである。 Further, the post-reference signal RS- (see FIG. 8) and the post-reception reference signal RSR- are reference signals when a negative Doppler shift occurs in which the reception slot period TslotRX (k) becomes shorter than the transmission slot period Tslot. Since the correlation with RS becomes high, it corresponds to a negative Doppler shift.

カウンタ216は、第1実施形態のカウンタ206(図4参照)と同様に、第2の相関係数CC2にピークが現れたタイミング(例えば図10(c)の時刻t52)から次のピークが現れるまで、所定周期のクロック信号(図示せず)をカウントする。また、カウンタ216は、第2の相関係数CC2にピークレベルが発生した際、振幅値記憶部322の記憶内容に基づいて、そのタイミングが境界位置BD+,BD−の何れに対応するかを判定する。そして、カウンタ216は、その判定結果に基づいて、カウント結果に対して基準信号RSの信号長を適宜加算または減算し、その結果を受信スロット周期TslotRX(k)として出力する。 Similar to the counter 206 (see FIG. 4) of the first embodiment, the counter 216 has the next peak appearing from the timing when the peak appears in the second correlation coefficient CC2 (for example, the time t52 in FIG. 10C). Counts clock signals (not shown) with a predetermined cycle until. Further, the counter 216 determines whether the timing corresponds to the boundary position BD + or BD− based on the stored contents of the amplitude value storage unit 322 when the peak level occurs in the second correlation coefficient CC2. do. Then, the counter 216 appropriately adds or subtracts the signal length of the reference signal RS from the count result based on the determination result, and outputs the result as the reception slot period TslotRX (k).

例えば、図10(b),(c)において、第2の相関係数CC2のピーク位置(時刻t52)に対応する第1の相関係数CC1の時間位置は時刻t38である。カウンタ216は、このピーク位置(t38)に対して、基準信号RSの信号長だけ前後の時刻t36,t40における第1の相関係数CC1の振幅レベルを比較する。この場合、「ピーク位置(t38)よりも基準信号RSの信号長だけ前の時間位置」すなわち時刻t36におけるレベルのほうが高くなっている。これにより、カウンタ216は、時刻t52のピーク位置は、境界位置BD−に対応すると判定する。 For example, in FIGS. 10B and 10C, the time position of the first correlation coefficient CC1 corresponding to the peak position (time t52) of the second correlation coefficient CC2 is time t38. The counter 216 compares the amplitude level of the first correlation coefficient CC1 at the times t36 and t40 before and after the signal length of the reference signal RS with respect to this peak position (t38). In this case, the level at "the time position before the peak position (t38) by the signal length of the reference signal RS", that is, at time t36 is higher. As a result, the counter 216 determines that the peak position at time t52 corresponds to the boundary position BD−.

一方、図示は省略するが、第2の相関係数CC2のピーク位置が時刻t51であった場合、対応する第1の相関係数CC1の時間位置は時刻t36である。カウンタ216は、このピーク位置(t36)に対して、基準信号RSの信号長だけ前後の時刻t34,t38における第1の相関係数CC1の振幅レベルを比較する。この場合は、「ピーク位置(t36)よりも基準信号RSの信号長だけ後の時間位置」すなわち時刻t38における振幅レベルのほうが、時刻t34の振幅レベルよりも高くなる。これにより、カウンタ216は、第2の相関係数CC2に現れたピーク位置を、境界位置BD+に対応すると判定する。 On the other hand, although not shown, when the peak position of the second correlation coefficient CC2 is the time t51, the time position of the corresponding first correlation coefficient CC1 is the time t36. The counter 216 compares the amplitude level of the first correlation coefficient CC1 at the times t34 and t38 before and after the signal length of the reference signal RS with respect to this peak position (t36). In this case, the “time position after the signal length of the reference signal RS from the peak position (t36)”, that is, the amplitude level at time t38 is higher than the amplitude level at time t34. As a result, the counter 216 determines that the peak position appearing in the second correlation coefficient CC2 corresponds to the boundary position BD +.

<第2実施形態の効果>
以上のように、本実施形態の音響送信機(TX2)は、所定のビット列を有する前基準信号(RS+)と、前基準信号(RS+)と同一のビット列を有し前基準信号(RS+)の後に出力される基準信号(RS)と、前基準信号(RS+)と同一のビット列を有し基準信号(RS)の後に出力される後基準信号(RS−)と、を有する基準信号群(RSG)を生成する基準信号群生成部(601,102,602)と、伝送しようとする信号に対して変調を施した変調信号(MS)を生成する変調信号生成部(101)と、を有し、基準信号群(RSG)と、変調信号(MS)と、を出力音響信号(Sout)として交互に出力する。
<Effect of the second embodiment>
As described above, the acoustic transmitter (TX2) of the present embodiment has a pre-reference signal (RS +) having a predetermined bit string and a pre-reference signal (RS +) having the same bit string as the pre-reference signal (RS +). A reference signal group (RSG) having a reference signal (RS) output later and a rear reference signal (RS-) having the same bit string as the front reference signal (RS +) and being output after the reference signal (RS). ), A reference signal group generation unit (601, 102, 602), and a modulation signal generation unit (101) that generates a modulation signal (MS) obtained by modulating the signal to be transmitted. , The reference signal group (RSG) and the modulated signal (MS) are alternately output as an output acoustic signal (Sout).

また、本実施形態の音響受信機(RX2)において、第2の演算結果(CC2)は、前基準信号(RS+)と基準信号(RS)との境界位置である第1の境界位置(BD+)に対応する第1のタイミング(図10(c)の時刻t51)、または、基準信号(RS)と後基準信号(RS−)との境界位置である第2の境界位置(BD−)に対応する第2のタイミング(図10(c)の時刻t52)の何れかにおいてピークレベルが生じるものであり、ドップラー量演算部(216,207)は、ピークレベルが生じたタイミングは第1のタイミング(時刻t51)および第2のタイミング(時刻t52)のうち何れであるかを第1の演算結果(CC1)に基づいて判定し、その判定結果と、第2の演算結果(CC2)とに基づいてドップラー量(DR)を演算するものである。
これにより、ドップラー量(DR)を一層正確に検出することができ、一層信頼性の高い音響通信を実現できる。
Further, in the acoustic receiver (RX2) of the present embodiment, the second calculation result (CC2) is the first boundary position (BD +) which is the boundary position between the front reference signal (RS +) and the reference signal (RS). Corresponds to the first timing corresponding to (time t51 in FIG. 10C) or the second boundary position (BD-) which is the boundary position between the reference signal (RS) and the post-reference signal (RS-). The peak level occurs at any of the second timings (time t52 in FIG. 10C), and the Doppler amount calculation unit (216, 207) determines that the timing at which the peak level occurs is the first timing ( Which of the time t51) and the second timing (time t52) is determined based on the first calculation result (CC1), and based on the judgment result and the second calculation result (CC2). It calculates the Doppler amount (DR).
As a result, the Doppler amount (DR) can be detected more accurately, and more reliable acoustic communication can be realized.

[変形例]
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
[Modification example]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. The above-described embodiments are exemplified for the purpose of explaining the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to delete a part of the configuration of each embodiment, or add / replace another configuration. In addition, the control lines and information lines shown in the figure show what is considered necessary for explanation, and do not necessarily show all the control lines and information lines necessary for the product. In practice, it can be considered that almost all configurations are interconnected. Possible modifications to the above embodiment are, for example, as follows.

(1)上記各実施形態における音響送信機TX1,TX2および音響受信機RX1,RX2のハードウエアは一般的なコンピュータを用いても実現できるため、図1、図2、図4、図7、図9に示したアルゴリズムを実現するプログラム等を記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。また、これらのアルゴリズムの一部または全部をASIC(Application Specific Integrated Circuit;特定用途向けIC)、あるいはFPGA(field-programmable gate array)等を用いたハードウエア的な処理に置き換えてもよい。 (1) Since the hardware of the acoustic transmitters TX1 and TX2 and the acoustic receivers RX1 and RX2 in each of the above embodiments can be realized by using a general computer, FIGS. 1, FIG. 2, FIG. 4, FIG. 7, and FIGS. A program or the like that realizes the algorithm shown in 9 may be stored in a storage medium or distributed via a transmission line. Further, a part or all of these algorithms may be replaced with hardware-like processing using an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (field-programmable gate array), or the like.

(2)また、上記各実施形態の音響通信システムは、水中の通信を行うものに限定されるわけではなく、空気中の物体同士の通信、地中の物体同士の通信、あるいは建物に埋設された物体同士の通信等に適用してもよい。 (2) Further, the acoustic communication system of each of the above embodiments is not limited to one that performs underwater communication, and is not limited to communication between objects in the air, communication between objects in the ground, or is buried in a building. It may be applied to communication between objects.

(3)上記実施形態において、カウンタ216が比較する第1の相関係数CC1の振幅レベルは、第2の相関係数CC2のピーク位置に対応するタイミング(例えば図10(b)の時刻t38)から所定長(基準信号RSの信号長)だけ前後のタイミング(例えば時刻t36,t40)であった。但し、この所定長は、基準信号RSの信号長以外の値であってもよい。但し、有意な検出結果を得るためには、この所定長は、「基準信号RSの信号長」±20%の範囲にすることが好ましい。 (3) In the above embodiment, the amplitude level of the first correlation coefficient CC1 compared by the counter 216 is the timing corresponding to the peak position of the second correlation coefficient CC2 (for example, time t38 in FIG. 10B). The timing was before and after (for example, time t36, t40) by a predetermined length (signal length of the reference signal RS). However, this predetermined length may be a value other than the signal length of the reference signal RS. However, in order to obtain a significant detection result, it is preferable that this predetermined length is in the range of “signal length of reference signal RS” ± 20%.

101 変調信号生成部
102 基準信号生成部(基準信号群生成部)
107 信号変換器(送信部)
202 信号変換器(受信部)
206,216 カウンタ(ドップラー量演算部)
207 演算器(ドップラー量演算部)
301 相関器(第1の相関演算器)
302 基準信号生成部
304 記憶部(演算結果記憶部)
305 相関器(第2の相関演算器)
306 周波数変換器(周波数修正部)
309 ダウンサンプル部(可変ダウンサンプル部)
311 乗算器(可変ダウンサンプル部)
601,602 基準信号生成部(基準信号群生成部)
BD+ 境界位置(第1の境界位置)
BD− 境界位置(第2の境界位置)
CC1 第1の相関係数(第1の演算結果)
CC2 第2の相関係数(第2の演算結果)
CCD1 遅延相関係数(記憶値)
DR ドップラー率(ドップラー量)
MS 変調信号
RS 基準信号
RS+ 前基準信号
RS− 後基準信号
RSG 基準信号群
RX1,RX2 音響受信機
Sin 入力音響信号
Sout 出力音響信号
TX1,TX2 音響送信機
101 Modulated signal generator 102 Reference signal generator (reference signal group generator)
107 Signal converter (transmitter)
202 signal converter (receiver)
206,216 counter (Doppler amount calculation unit)
207 Arithmetic unit (Doppler amount arithmetic unit)
301 Correlator (first correlation calculator)
302 Reference signal generation unit 304 Storage unit (Calculation result storage unit)
305 Correlator (second correlation calculator)
306 Frequency converter (frequency correction part)
309 Downsampling section (variable downsampling section)
311 Multiplier (variable downsample part)
601,602 Reference signal generation unit (reference signal group generation unit)
BD + boundary position (first boundary position)
BD-Boundary position (second boundary position)
CC1 first correlation coefficient (first calculation result)
CC2 Second correlation coefficient (second calculation result)
CCD1 Delay correlation coefficient (memory value)
DR Doppler rate (Doppler amount)
MS modulation signal RS reference signal RS + pre-reference signal RS-post-reference signal RSG reference signal group RX1, RX2 sound receiver Sin input sound signal Sout output sound signal TX1, TX2 sound transmitter

Claims (4)

出力音響信号を出力する音響送信機と、前記出力音響信号が伝送路を経由して伝搬された結果である入力音響信号を受信する音響受信機と、を有し、
前記音響送信機は、前記出力音響信号として、所定のビット列を有する基準信号と、伝送しようとする信号に対して変調を施した変調信号と、を交互に出力する送信部を有し、
前記音響受信機は、
前記基準信号を生成する基準信号生成部と、
前記入力音響信号と、前記基準信号との相関演算を行い、第1の演算結果を出力する第1の相関演算器と、
前記第1の演算結果を記憶する演算結果記憶部と、
前記演算結果記憶部が過去に記憶した記憶値と、前記第1の演算結果との相関演算を行い、第2の演算結果を出力する第2の相関演算器と、
前記第2の演算結果に基づいて受信スロット周期を求め、前記受信スロット周期を前記出力音響信号における送信スロット周期で除算することによって前記入力音響信号におけるドップラー量を演算するドップラー量演算部と、を有する
ことを特徴とする音響通信システム。
It has an acoustic transmitter that outputs an output acoustic signal and an acoustic receiver that receives an input acoustic signal that is the result of the output acoustic signal being propagated via a transmission line.
The acoustic transmitter has a transmitter that alternately outputs a reference signal having a predetermined bit string and a modulated signal obtained by modulating the signal to be transmitted as the output acoustic signal.
The sound receiver is
A reference signal generator that generates the reference signal,
A first correlation calculator that performs a correlation calculation between the input acoustic signal and the reference signal and outputs the first calculation result.
An operation result storage unit that stores the first operation result, and
A second correlation calculator that performs a correlation calculation between the stored value stored in the past by the calculation result storage unit and the first calculation result and outputs the second calculation result.
A Doppler amount calculation unit that calculates the Doppler amount in the input acoustic signal by obtaining the reception slot period based on the second calculation result and dividing the reception slot period by the transmission slot period in the output acoustic signal. An acoustic communication system characterized by having.
所定のビット列を有する基準信号と、伝送しようとする信号に対して変調を施した変調信号と、を有する出力音響信号が、伝送路を経由して伝搬された結果である入力音響信号を受信する受信部と、
前記基準信号を生成する基準信号生成部と、
前記入力音響信号と、前記基準信号との相関演算を行い、第1の演算結果を出力する第1の相関演算器と、
前記第1の演算結果を記憶する演算結果記憶部と、
前記演算結果記憶部が過去に記憶した記憶値と、前記第1の演算結果との相関演算を行い、第2の演算結果を出力する第2の相関演算器と、
前記第2の演算結果に基づいて受信スロット周期を求め、前記受信スロット周期を前記出力音響信号における送信スロット周期で除算することによって前記入力音響信号におけるドップラー量を演算するドップラー量演算部とを有する
ことを特徴とする音響受信機。
An output acoustic signal having a reference signal having a predetermined bit string and a modulated signal obtained by modulating the signal to be transmitted receives an input acoustic signal that is the result of being propagated via a transmission line. Receiver and
A reference signal generator that generates the reference signal,
A first correlation calculator that performs a correlation calculation between the input acoustic signal and the reference signal and outputs the first calculation result.
An operation result storage unit that stores the first operation result, and
A second correlation calculator that performs a correlation calculation between the stored value stored in the past by the calculation result storage unit and the first calculation result and outputs the second calculation result.
The calculated reception slot period on the basis of the second operation result, and a Doppler calculation unit for calculating a Doppler amount in the input audio signal by dividing the transmission slot period the receiving slot period in the output sound signal An acoustic receiver characterized by having.
前記変調信号に対応して前記入力音響信号に含まれる受信変調信号の周波数を、前記ドップラー量に基づいて修正し、修正結果を修正変調信号として出力する周波数修正部と、
前記ドップラー量に基づいて間引き間隔を調整しつつ前記修正変調信号をダウンサンプルする可変ダウンサンプル部と、
を有することを特徴とする請求項2に記載の音響受信機。
A frequency correction unit that corrects the frequency of the reception modulation signal included in the input acoustic signal corresponding to the modulation signal based on the Doppler amount and outputs the correction result as the correction modulation signal.
A variable downsampling unit that downsamples the modified modulation signal while adjusting the thinning interval based on the Doppler amount, and
2. The audio receiver according to claim 2.
前記入力音響信号は、前記基準信号と同一のビット列を有し前記基準信号の前に生じる前基準信号と、前記基準信号と同一のビット列を有し前記基準信号の後に生じる後基準信号と、を有するものであり、
前記第2の演算結果は、前記前基準信号と前記基準信号との境界位置である第1の境界位置に対応する第1のタイミング、または、前記基準信号と前記後基準信号との境界位置である第2の境界位置に対応する第2のタイミングの何れかにおいてピークレベルが生じるものであり、
前記ドップラー量演算部は、前記ピークレベルが生じたタイミングは前記第1のタイミングおよび前記第2のタイミングのうち何れであるかを前記第1の演算結果に基づいて判定し、その判定結果と、前記第2の演算結果とに基づいて前記受信スロット周期を求めることにより、前記ドップラー量を演算する
ことを特徴とする請求項2に記載の音響受信機。
The input acoustic signal includes a pre-reference signal having the same bit string as the reference signal and occurring before the reference signal, and a post-reference signal having the same bit string as the reference signal and occurring after the reference signal. Have
The second calculation result is at the first timing corresponding to the first boundary position which is the boundary position between the front reference signal and the reference signal, or at the boundary position between the reference signal and the rear reference signal. A peak level occurs at any of the second timings corresponding to a second boundary position.
The Doppler amount calculation unit determines which of the first timing and the second timing is the timing at which the peak level occurs based on the first calculation result, and the determination result and the determination result The acoustic receiver according to claim 2, wherein the Doppler amount is calculated by obtaining the reception slot period based on the second calculation result.
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