Всем привет.

Разрабатываю акустический модем, в настоящее время состоящий из ноутбука и разрабатываемого софта. Софт реализует полнодуплексный канал. Выходной сигнал генерируется динамиками ноутбука, входной сигнал записывается микрофоном ноутбука. Естественно, акустическая среда вносит серьезные искажения, поскольку сигнал претерпевает многократные отражения от стен и предметов интерьера.

Сейчас использую базовую OFDM-схему модуляции, в которой каждый бит кодируется двумя несущими: 0 - 1-я несущая, 1 - вторая (соседняя). Никаких фазовых и амплитудных манипуляций нет. Например, имея 16 несущих можем кодировать 8 бит - это канальный символ.

Кадр данных состоит из нескольких символов (~10-30). Для кадровой и в тоже время символьной синхронизации решил использовать пилот-сигнал, предваряющий каждый кадр. Сейчас я использую свою реализацию пилот-сигнала для проводного канала - пилот сигнал состоит из 3-х частей: средняя часть несколько периодов немодулированной несущей, края - эта же несущая но с фазовым сдвигом в Пи. Детектор пилот-сигнала выполняет корреляцию входного сигнала по известному образцу; максимум корреляции будет в последней точки средней части пилот-сигнала. Т.о. выполняется кадровая и символьная синхронизация.

В акустической среде такой сигнал выглядит крайне плохо из-за разрывов фазы. Собственно, вопрос: какой пилот-сигнал может быть хорошим?

Спасибо.

Например

Akon
Какаю скорость Вы планируете достичь реализацией на OFDM?
Почему не устраивает DTMF ?

Гармонический, ЛЧМ. Первый в случае частотного обнаружения окном с перекрытием. Второй - согласованным фильтром. ЛЧМ пожалуй предпочтительнее. У ЛЧМ относительно выраженный пик в АКФ + он устойчив к Допплеру (бинарные М-последовательности/Баркер, которые часто применяют вместе с OFDM, в акустическом канале будут приниматься плохо из-за высокого и быстро меняющегося Допплера).

Нужно использовать не только преамбулу, но и постамбулу. Из-за широкополосной модели Допплера происходит ресемплинг сигнала в канале (растяжение/сжатие). Измеряя время между детектированием преамбулы/постамбулы, можно определить коэффициент времянного искажения и сделать обратный дробный ресемплинг. Либо второй вариант - использование в качестве преамбулы серии из одинаковых последовательностей, что также позволит оценить коэффициент искажения.

Очень скоро вы поймёте, что преамбула - это самое малое, что нужно сделать, т.к. с акустическим OFDM очень много трудностей, вот например:

Обычно для звука применяют OFDM с большой базой Фурье и модуляциями BPSK/QPSK/8PSK на каждой несущей кроме зарезервированных под служебные. Большая база нужна для эффективного раложения сильно частотно-селективного звукового канала на множество каналов с плоским замиранием. PSK модуляция каждой несущей нужна, очевидно, для скорости. Никому не нужен акустический OFDM, если он не даёт существенного выигрыша по скорости в сравнении с более протсым и робастным ШПС/FSK.

Для OFDM вам потребуется механизм компенсации Допплера до Гц (очень затратные по ресурсу ML-алгоритмы). На каждом символе. А Допплер в акустике будет "плыть" от символа к символу потенциально больше чем на Гц.

Возможна ситуация, когда АЧХ канала будет меняться от символа к символу. Метод адаптивной оценки канала должен как-то это учитывать.

Нормальный OFDM модем для звука почти 100% должен быть многоканальным, (1)2х2 или (1)4х4 MISO/MIMO + MRC/STBC. На SISO в реальных условиях вы не получите выигрыша по скорости, который позволяет OFDM, там проще сразу уходить на ШПС/FSK, остальное просто не пролезет. Ну если у вас конечно приёмник и передатчик не напротив друг друга стоят. Есть проекты, где для высокоскоростной когерентной связи используют АФАР.

И, если не секрет, в конечном счёте цель - вода? В какой среде планируете применять разработку?

Если вы всерьёз заинтересованы OFDM для звука, начните с MIT'овских статей, например
 OFDM_capacity_considerations.pdf ( 937.91 килобайт ) Кол-во скачиваний: 221

 doppler.pdf ( 138.57 килобайт ) Кол-во скачиваний: 238

 design_considerations.pdf.pdf ( 696.49 килобайт ) Кол-во скачиваний: 206


Успехов.

Сообщение отредактировал serjj - Aug 24 2015, 06:41

ASN:
OFDM рассматривалась в первую очередь из-за относительной простоты реализации и хорошей помехозащищенности. У меня сейчас нет конкретных требований к скорости передачи, но, конечно, чем большей скорости удастся достичь, тем будет лучше Другим, возможно, важнейшим требованием будет использование только тех сигналов, которые хороши в смысле человеческого восприятия (т.е. сигналов, не раздражающих слух). DTMF в этом смысле совсем не плох. Сигналы, похожие на всякого рода звуки певчих птичек, также хороши. А так, конечно, какая-нибудь PSK звучит плохо.

Также рассматриваю возможность использования ультра диапазона (>= 18 кГц). Человек в этом случае особо резкого уже ничего не слышит, динамики и микрофоны обычных ноутбуков (планшетов, смартфонов) имеют АЧХ в этом диапазоне неизвестно какие (если имеют вообще). Тем не менее, я вижу, что мой ноут принимает встроенным микрофоном 24 кГц, которые сам же и генерирует (встроенными пищалками). Сигнал, правда, ослаблен на порядок, расстояние 40 см.

thermit:
Спасибо за наводку.

serjj:
Спасибо. Конечная акустическая среда - воздушное пространство в небольших помещениях (комната в квартире).

Собственно, у меня есть некоторые наработки софт-модема для ТЧ-каналов и физических линий. Этот софт-модем - это:
1. обычный комп (ноут) со звуковой картой, выполняющей функции АЦП/ЦАП;
2. специальное ПО, осуществляющее всю обработку (помехоустойчивое кодирование, модуляцию и т.д.);
3. пассивная трансформаторная гальваническая развязка для подключения звуковой карты к каналу.

Этот софт-модем я решил доработать для поддержки акустической среды. В конечном счете задача - передавать небольшие блоки данных между устройствами (компы, планшеты, смартфоны и т.п.), находящимися в одной комнате. Как вариант, можно акустическим сигналом замодулировать радио-сигнал и передавать подальше.

На данный момент известны несколько реализаций (правда, преследующих несколько различные цели):
http://chirp.io
http://www.whence.com/minimodem/
http://applidium.com/en/news/data_transfer_through_sound/

Вообще, схема передачи для максимизации скорости при условии передачи больших блоков данных, а также при условии неподвижности передатчика и приемника, видится мне следующим образом:
1. Оценивать передаточную ф-ю канала по пилот-сигналу;
2. На приемной стороне выполнять эквализацию (и фазы, и амплитуды).
3. Более-менее хорошее восстановление сигнала даст вожножность использовать более плотные методы модуляции, например, QAM. Мягкие решения демодулятора.
4. Использовать помехоустойчивое кодирование.

Если кто видит недочеты или может что-либо посоветовать, буду очень признателен.
Спасибо.

Простота - это FSK, помехозащищенность - это FH-FSK (frequency hopping FSK). OFDM - это скорость + работа в канале с частотно-селективными замираниями.


OFDM на звук как белый шум.


Это уже сделано до вас: wifi, bluetooth.

Что будет, если в комнате будут посторонние источники шума? Как уходить от такой интерференции?


Подумайте о разнесённом приёме. Если у вас будут спектральные нули в АЧХ канала (а это очень вероятно), никакое кодирование не поможет. А при разнесённом приёме канал хорошо сглаживается. Использовать демодулятор с мягкими решениями можно и при плохом восстановлении сигнала, это никак не связано, не надо всё в кучу валить.

serjj:
Все компоненты реализуются программно, поэтому понятие "простота реализации" прямо не соотносится с таковым для случая аппаратной реализации.


Я имел ввиду возможную область использования, а не реализуемую функцию. Т.е. поднес микрофон УКВ-радиостанции к динамику и передаешь соседу через дорогу.


Да это серьезный вопрос. Как вариант, попросить всех замолчать и выключить телевизор Также, огромные трудности вызывает перемещение передатчика или приемника. "Богатая" интерференционная картина, однако.


Думал, и полностью с вами согласен. Просто далеко не на всех устройствах есть возможность даже стерео входа. Поэтому, пока ориентируюсь на съем сигнала в одной точке.

Мысль о мягких решениях - это исходя из предположения об отсутствии импульсных (пакетных) помех (например, хлопки в ладоши).

Для таких целей используют не пилот тон, а заранее известные последовательности, по которым строится модель канала/среды. И лишь потом в канал/среду засовываются переменные данные, которые восстанавливают по модели. Необходимо только обеспечить изначальную кодировку, чтобы не спутать одно с другим.

Разумеется, я про пилот-тон никогда и не говорил. В случае с OFDM в таком пилот-сигнале там должны быть все тона (вместе, последовательно или сочетаниями).

Интересно, как будет себя вести в акустической среде модем с псевдоречевым алфавитом, наподобие JackPair. Звучит, конечно, приятнее OFDM.
Я пробовал свой BPSK через акустику в комнате, результат был хуже ожиданий.
И, кстати, посмотрите блоги rowetel и n1su, в обсуждениях масса экпериментов, в т.ч. по доплеру вследствие ионосферного пути радиоволн. Это, конечно, не акустика, но все же.

В акустической среде (как и в других ) вначале надо определиться с размерами стихийных бедствий - размер профиля многолучевости, границы Допплера и точностью определения блока данных на временной оси. Получив профиль многолучевости - как будете с ним бороться: работать по максимальному лучу, суммировать лучи (Rake - приеник), использовать преамбулу для данных и т.д. И под них уже выбирать пилот-сигнал и сигнал для передачи данных.

М-последовательности в качестве пилот-сигнала (синхросигнала) и в звуковом диапазоне давно используются и проблем не создают.
В 1980 году (+/- метр) при сдаче одной темы по модему, во время доклада были включены 2 макета модема в звуковом диапазоне частот (на прием - микрофон, на передачу - динамик). Модем по уровню громкости не мешал комиссии, докладчики не мешали модемам. В модеме использовались М-последовательности 2^10. Модемы работали при с/ш =0,3. Скорости маленькие.

Использовать только преамбулу и постамбулу для определения Допплера в многолучевом канале не рекомендую. Преамбула может декодироваться на одном луче, а постамбула уже на другом. Такая ошибка может все разрушить.

Использовать тон для пилот-сигнала не рекомендую даже для очень хорошего решения - разнесенного приема. Впрочем, модемы использующие тональные сигналы в звуковом диапазоне существуют. Наверное традиция, совместимость, стоимость, образование … или по Х. Хармут «Теория секвентного анализа» стр. 444.

Пилот тут не прокатит совсем. Как и медленные модуляции типа OFDM. Число возможных переотражений и их смена непредсказуемы. Плюс, если по каналу ходят люди и ездит техника, будет жестокий Доплер, убивающий любую медленную модуляцию. В результате угадать с длинной преамбул/вставок и т. д. не представляется возможным. В знакомой мне удачной реализации подобного устройства использовался модулированный по начальной фазе ЛЧМ. Одна из начальных фаз была выбрана, как не информационная и передавалась тем чаще, чем сложнее становилась обстановка. Так называемая скан фаза. Число фаз также менялось от 3 (ноль/один/скан) для худших условий, до 17 (4 бита/скан). В условиях небольшого офиса с малым изменением геометрии в секунду система была очень работоспособна. Конечно нужно выделять скан фазу и по ней определять ИХ полученного канала. Плюс нужна преамбула из таких фаз для гарантированного старта алгоритма. Как бонус, система из нескольких таких устройств запросто определяет геометрию помещения и координаты движущихся объектов.

Тут - это где?
Вы знаете более хорошее решение для кадровой синхронизации и обнаружения?


Что за термин такой - "медленная модуляция"?
Допплер возникает при относительном движении приёмника и передатчика. То, о чём вы говорите, формирует канал с замираниями с селективностью во времени, т.е. импульсная канала будет меняться со временем. Кто мешает задаться некоторой средней взаимной скоростью объектов в зоне распространения и оценить время когерентности такого канала, получить некоторую модель?

Кстати существуют удачные реализации OFDM для высокоскоростной передачи по гидроакустическому каналу. Так что говорить "это нереализуемо" неуместно.

Гидроакустический канал имеет скорость распространения в 5 раз больше. Соответственно Доплер в 5 раз меньше. Но в гидроакустике OFDM применим не везде. В частности для связи с большими глубинами используется только SC модуляция.

Там и несущая может быть в 3-4 раза больше. И если на воздухе вы можете поставить приёмник и передатчик, и они будут статичными, то под водой движение есть всегда. Плюс канал гораздо хуже. А по поводу применимости - OFDM под водой сравнительно недавно и пока это единственный вариант передавать на килобитных скоростях. Что-то попадалось про проект скоростного SC + RLS эквалайзер + решётка с beamformer'ом.. Но ИМХО слишком дорого и сложно в сравнении с x2 или x4 MRC + OFDM + LS/MMSE.