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
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Успехов.

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.

Есть такая контора. Бентос теледайн. У них для связи на большие глубины исключительно SC. OFDM они используют только для связи между аквалангистами на расстояния в сотни метров. Причина проста-очень большой Доплер от подводных течений. Никакая OFDM не выживает на таком сдвиге.
В радиолокации тоже никто не пробует (на самом деле пробует, но выходит не очень) использовать OFDM. Лучше ЛЧМ так ничего не придумали. Разве что можно испробовать SC-FDMA должно быть не хуже...
ПС: пора придумывать микстуру для защиты от OFDM вируса)))

Ахинею полную пишите.
1 - Levanon, Mozeson "Radar Signals" - глава 11 "Multicarrier phase-coded signals". Всё зависит от области применения радара и функции неопределённости выбранного сигнала/кода (Вам надеюсь знакомо такое понятие, раз вы делаете выводы о пригодности ЛЧМ и непригодности других сигналов?). А так да, можно до бесконечности делать ЛЧМ/синус...
2 - Null-subcarriers frequency offset estimation. - метод, позволяющий компенсировать быстро меняющийся Допплер, компенсация по каждому OFDM символу. + грамотный ресемплинг принятого фрейма. Нет ничего невозможного. В MIT вот почему-то освоили.
3 - должно быть не хуже - сразу виден научный подход. Вам не приходило в голову, что SC-FDMA имеет все недостатки OFDM по Допплеру (ICI никто не отменял)?

Поясните , плиз., что имеется ввиду. Или ссылку дайте.

Применительно к OFDM:
MRC - maximum ratio combiner, имеется в виду схема с разнесённым приёмом. При этом каждый канал обрабатывается отдельно вплоть до пространственно-временного эквалайзера, где соответствующие поднесущие с каждого канала когерентно складываются в соответствии с канальными весами. Таким образом при увеличении числа приёмных антенн, значительно уменьшается влияние и вероятность феномена спектральных нулей.
LS/MMSE - способы оценки АЧХ канала связи, вычисление комплексных весов, которые потом применяются в MRC, как было сказано выше.
Null-subcarriers CFO estimation - оценка CFO методом максимального правдоподобия, где целевая функция = интегральная энергия на нулевых поднесущих (т.е. неиспользованных передатчиком). Любая ненулевая ICI, вызванная ненулевым CFO, увеличивает эту энергию независимо от SNR. Т.о. CFO можно определить очень точно вплоть до каждого OFDM символа. Метод затратен по ресурсам, но в случае с нестабильным подводным Допплером - must have для подводной связи.

Пару статей по теме:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Таких проблем не имеет. Так как несущая мгновенно только одна, перехлеста поднесущих с разным Доплером не происходит. Плюс пик-фактор хороший. И одновременно с передачей канал сканируется, что позволяет на лету подстраиваться под быстро меняющуюся ИХ канала.

Такое впечатление, что вы прочитали брошюрку про LTE uplink и тем и ограничились.

Предположим есть простейшая sc-fdma схема, в которой большое Фурье = 1024 точки, малое = 64 точки. Способ размещения поднесущих - LFDMA, для простоты - без пилотов. В моделе сигнал-шум примем заведомо высоким (например 60 дБ). Рассмотрим 3 значения CFO 0,01 0,10 и 0,50 относительно интервала между поднесущими большего Фурье.
Для CFO = 0.01
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
И действительно, видно, что в демодуляторе после малого Фурье, когда мы переходим к пресловутой "SC" созвездие вращается некоторым медленным синусом, который можно оценить и убрать с незначительными потерями ievm в созвездии.
Для CFO = 0.10
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Оценённый синус оказывается искажённым, если использовать его для компесации CFO, то это приведёт к значительному ухудшению ievm.
Для CFO - 0.50
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Эффект ещё хуже и получается, что для Гауссова канала с энергетикой 60 дБ созвездие полностью деградировало, при том, что CFO известна априори.
На входе некоторый сигнал с высоким snr, который вращается чистым синусом (частотной расстройкой). На выходе в SC области также вращающийся сигнал, но с низким snr.
А теперь подумайте, как всё это связано с ICI в частотной области.
И ещё, если мы изменем схему размещения с LFDMA на IFDMA (которая часто бывает более предпочтительной с точки зрения формирования низкого пик-фактора), то выходной сигнал будет уже искажен не гармоническим сигналом, а некоторым сложным, имеющим несколько гармоник. Задача становится нелинейной. И всё это завязано на феномен ICI, т.к. sc-fdma тотже OFDM.

Это все лечится несколькими итерациями обработки по разным гипотетическим CFO. Сигнал полностью очищается от ICI при условии, что модулирующая последовательность символов предискажена определенным образом-обратная операция полностью его уничтожает до определенных С/Ш. С обычным OFDM число возможных гипотез становится космическим. Еще вариант считать, что сгенерили OFDM, а приняли nOFDM. Но обработка становится не менее сложной, так все равно нужно решить систему уравнений по каждой из гипотез.