Акустический модем: пилот сигнал Опции

[Akon]

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.

[serjj]

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

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

[Akon]

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.