In vielen Bereichen der Technik werden Wellen zur Informationsübertragung genutzt. Dabei kann es sich beispielsweise um elektromagnetische bzw. akustische Wellen handeln, die sich entweder in einem speziellen Leiter oder frei in einem gegebenen Übertragungsmedium ausbreiten und so vom Sender bzw. Sendeeinheit zum Empfänger bzw. Empfängereinheit gelangen. Sind beide Einheiten beispielsweise auf die entsprechende Frequenz bzw. den zur Informationsübertragung vorgesehenen Frequenzbereich abgestimmt, wird eine Verbindung hergestellt. Über diese Verbindung können auf verschiedene Weise Informationen übertragen werden.

Dazu muß die Ausgangsinformation, die als Sprache, Text, Zahlenreihe, Musik, Bilddaten- oder anderweitige Daten in einer geeigneten Form vorliegen kann, umgewandelt bzw. codiert werden, um dann vom Sender in Gestalt von Wellensignalen in das Übertragungsmedium ausgestrahlt zu werden. Der Empfänger empfängt diese Signale, wandelt sie wieder in die ursprüngliche Form um, d. h. decodiert sie, und gibt die der Ausgangsinformation entsprechende Information aus.

Je nachdem, in welcher Form die Information in den Wellen codiert ist, unterscheidet man zwischen der analogen und der digitalen Informationsübertragung.

Bei der analogen Informationsübertragung werden die zu übertragenden Werte in einem stufenlosen, kontinuierlichen Spektrum von physikalischen Zuständen abgebildet. Das geschieht typischerweise in Form einer Amplituden-, Frequenz- und/oder Phasenmodulation der Trägerwellen. Damit können in einem gegebenen Zeitintervall sehr große Informationsmengen übertragen werden.

Bei der digitalen Informationsübertragung beschränkt man sich dagegen auf bestimmte diskrete Zustände. Hinsichtlich der Übertragungsrate ergeben sich, sofern elektromagnetische Wellen verwendet werden, jedoch in der bisherigen Praxis noch keine Einschränkungen, da die Frequenzen der betreffenden Trägerwellen sehr hoch sind und unterschiedliche digitale Zustände in extrem kurzen Zeitabständen realisiert werden können.

In einigen Übertragungsmedien, wie z. B. Wasser, ist die Informationsübertragung mittels elektromagnetischen Wellen jedoch nur bedingt möglich, da diese nur eine geringe Reichweite haben. Hier bietet sich deshalb die Verwendung von Schallwellen zur Informationsübertragung an, die sich oftmals über wesentlich größere Distanzen fortpflanzen können. Die Schallwellen lassen sich in ähnlicher Weise - wie oben beschrieben - modulieren. Diese Schallwellen sind jedoch mechanische Druck-Wellen, die sich, abgesehen von der erheblich niedrigeren Frequenz, welche sich natürlich auf die übertragbare Informationsrate auswirkt, auch hinsichtlich der generellen Ausbreitung unterscheiden. So hängt z. B. ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit stark von den jeweiligen Umgebungsbedingungen ab.

Die vielfältigen Probleme, die bei der akustischen Informationsübertragung auftreten können, seien kurz am Beispiel der Übertragung von Schallsignalen unter Wasser erläutert. Bei der Ausbreitung der von einem Sender abgegebenen Schallwellen im Raum kann ein Teil von ihnen z. B. von der Wasseroberfläche und/oder in Abhängigkeit von der Tiefe vom Grund des Gewässers, von diversen Gegenständen, Luftblasen, Schwebeteilchen und auch von schichtweisen Inhomogenitäten im Wasser reflektiert oder an diesen gebeugt werden. Die diversen Komponenten der Schallwellen treffen dann je nach Lauflänge, Winkelverhältnissen und akustischer Beschaffenheit der entsprechenden Grenzflächen bzw. Medien mit unterschiedlicher Amplitude und Phasenlage beim Empfänger ein. Infolge der Interferenz kann das eigentliche Signal im Empfangspunkt in nicht vorhersehbarer Weise verstärkt, abgeschwächt, verzerrt oder gar ganz ausgelöscht werden bzw. der Empfang kann auch durch das sogenannte Nachhallen gestört werden.

Um die Problematik näher zu erläutern, wird zunächst der einfache Fall betrachtet, wenn nur ein sehr kurzes Signal einer bestimmten Frequenz, ein sogenannter CWP (Continuous Wave Pulse) gesendet wird. Dann kann man in der besagten Situation am Empfänger nicht nur ein einzelnes Signal, sondern eine ganze Gruppe von zeitlich versetzten und unterschiedlich starken Einzelpulsen erhalten. Dieser Effekt wird als"Channel Response"bezeichnet. Während es in diesem Fall noch möglich ist, empfangerseitig die betreffenden Einzelpulse zu unterscheiden und z. B. den jeweils am besten geeigneten Pulse als"eigentliches Signal"auszuwählen (woraufhin die anderen Pulse dann konsequenterweise als "Störsignale" aufgefaßt und ggf. entsprechend behandelt werden können), läßt sich eine derartige Trennung bei der Übermittlung eines längeren Wellenpaketes normalerweise nicht mehr vornehmen, da der Empfänger nur ein summarisches bzw. zusammengesetztes Signal erhält, das zwar immer noch die gleiche Frequenz wie das Ausgangssignal besitzt, in dem aber das eigentliche Signal und die

Störsignale mit ihren unterschiedlichen Amplituden und Phasenlagen dergestalt überlagert sind, daß sich unvorhersehbare Schwankungen der Amplitude und auch der Phasenlage ergeben können. Dieser unliebsame Effekt, der die Signalauswertung erschweren oder unter Umständen auch ganz unmöglich machen kann, wird als"IntersymboI-Interaction"bezeichnet. Bewegen sich Sender und Empfänger relativ zueinander, können als zusätzliches Problem noch Frequenzverschiebungen infolge von Doppler-Effekten hinzukommen.

Die Fülle dieser Probleme macht die Unterwasserkommunikation, z. B. mittels Ultraschall zwischen Tauchern und/oder Unterwasserfahrzeugen und auch die Fernsteuerung entsprechender Unterwassergerätschaften sehr schwierig.

Bislang erwies sich insbesondere die analoge Informationsübertragung als nur sehr bedingt praktikabel. Sie wurde und wird jedoch häufig noch zur Übertragung von Sprache eingesetzt, wobei man sich zunutze macht, daß der Mensch ihm bekannte Wörter und Sinnzusammenhänge auch noch bei sehr stark verrauschtem Empfang erkennen kann. Durch entsprechende Übung und Vereinbarung eines beschränkten Vokabulars kann die Erkennungsrate etwas verbessert werden. Dieses Verfahren ist jedoch ungeeignet, um z. B. Computerdaten oder andere Informationen maschinell zu übertragen. Deshalb sucht man auch im Bereich der akustischen Informationsübertragung nach geeigneten Digitalverfahren.

Heutige technische Digital-Systeme, speziell für den Unterwassereinsatz, basieren meist auf der sequentiellen Übertragung von Tonsignalen gleichbleibender Höhe, welche in einem mehr oder weniger engen Frequenzband festliegen. Um eine möglichst große Reichweite zu erzielen und auch Informationsverluste durch akustisch blinde Frequenzbereiche auszuschalten, wird bei einigen Anwendungen mit hoher Energie synchron in einem breiten Frequenzband gesendet. Unabhängig davon, ob in einem engen oder breiten Frequenzband die Übertragung erfolgt, gestattet die Codierung mittels serieller

"Klicks"nur eine begrenzte Informationsübertragungsrate, was die Übermittlung großer Informationsmengen z. B. bei der Übertragung von Bildem einer Unterwasserkamera etc. erschwert, bzw. bisher noch unmöglich gemacht hat.

Neben dem relativ großen Energieaufwand, der auch eine"akustische Umweltverschmutzung"bedeutet, haben die bislang bekannten, verhältnismäßig "starren"Systeme auch große Probleme mit Doppler-Effekten.

Abgesehen von den übertragungstechnisch bedingten Verzerrungen und Verlusten bestehen femer auch erhebliche Schwierigkeiten, die in den komplexen Empfangssignalen enthaltenen Informationen so zu verarbeiten, daß die diversen, darin enthaltenen Störungen ausgeblendet bzw. eliminiert und die für die Infor- mationscodierung verwendeten Signalparameter empfängerseitig rekonstruiert werden können. Im Bereich der Datenübertragung liegen momentan jedoch keine Verfahren vor, welchen die Gesamtheit dieser Probleme ausreichend und in optimaler Weise lösen könnten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. ein geeingetes System zur Übertragung von Informationen bereitzustellen, welche bzw. welches eine hohe Übertragungsrate über eine große Reichweite ermöglicht.

Femer wird angestrebt, ein Verfahren bzw. ein System zur Übertragung von Information bereitzustellen, welche bzw. welches robust gegenüber den oben beschriebenen Störungen ist und an unterschiedliche Übertragungsbedingungen anpaßbar ist.

Insbesondere wird angestrebt, ein Verfahren bzw. ein geeignetes System zur Signalbearbeitung bereitzustellen, das in der Lage ist, mit hoher Trennschärfe zum bestmöglichen Ausschluß von Intersymbol Interactions aus einer Vielzahl der

Kanalantworten nach Möglichkeit stets diejenigen Signalkomponenten mit den geringsten Übertragungsverlusten zu isolieren und zu analysieren.

Weiterhin wird angestrebt, ein Verfahren bzw. ein geeignetes System zur Signalbearbeitung bereitzustellen, das im gleichen Kontext auch die möglichst vollständige Kompensation von Doppler-Effekten gewährleistet.

Femer ist beabsichtigt, durch die bestmögliche Qualität der Signalbearbeitung die Voraussetzung für eine erhebliche Steigerung der Ubertragungsrate und ggf. auch Reichweite auch unter komplizierten Ubertragungsbedingungen, wie beispielsweise bei der Kommunikation mit bzw. zwischen bewegten Objekten unter Wasser, zu schaffen.

Diese Aufgaben werden verfahrenstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und vorrichtungstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 31 gelöst.

Anmeldungsgemäß wird ein Informationssignal erzeugt, welches aus mindestens zwei Signalkomponenten besteht, zumindest einer Bezugskomponente (BK), die auf einem Bezugsfrequenzkanal gesendet wird und zumindest einer Informationskomponente (IK) bzw. (11 ; 12 ;... ; IN), die auf einem Informationsfrequenzkanal übertragen wird, so daß mehrere Frequenzkanäle bzw.

Komponenten zur Verfügung stehen. Durch deren gleichzeitige Verwendung können mehr Informationseinheiten pro Zeiteinheit übermittelt werden. Femer stellen sowohl der Bezugsfrequenzkanal bzw. die Bezugskomponente als auch der Informationsfrequenzkanal bzw. die Informationskomponente diskrete Zustände zur Verfügung, welche ein Bitmuster ausbilden. Als wesentlicher Unterschied z. B. zur bisherigen Radiotechnik wird beim anmeldungsgemäßen Verfahren keine hochfrequente Trägerwelle verwendet, auf die niederfrequente Wellen

aufmoduliert werden. Das erzeugte Informationssignal, welches hier für die Übertragung von Informationen herangezogen wird, stellt eine Welle dar, die aus der Überlagerung sowohl des Bezugsfrequenzkanals als auch des zumindest einen Informationsfrequenzkanals besteht.

Zur Bereitstellung des Bitmusters im einfachsten Fall können die Frequenzen bzw. Töne der Informationsfrequenzkanäle ein- bzw. ausgeschaltet werden, wobei das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der betreffenden Signalfrequenz- komponenten als binäre digitale Information (ON/OFF), d. h. 1 oder 0, gewertet wird. Auf diese Weise kann somit auf jedem dieser Informationsfrequenzkanäle ein Bit übertragen werden. Die Signalkomponenten ergeben zusammen ein Bitmuster, in dem die Information auf beliebiger Weise verschlüsselt werden kann.

Während dieser einfachste Fall praktisch alle Parameter des betreffenden Informationssignals betrifft, können in den ON-Zuständen aber auch verschiedene Signalparameter so variiert werden, daß zusätzlich weitere digitale Zustände unterschieden werden können.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß Anspruch 2 wird auf einfachste Weise eine zeitliche Folge von Bitmuster erzeugt.

Der Anspruch 3 beinhaltet eine vorteilhafte Grundvariante, in der die Frequenzkanäle eine harmonische Reihe bilden.

Wird gemäß Anspruch 4 der Bezugsfrequenzkanal als Grundton bzw.

Grundwelle und zumindest einer der Informationsfrequenzkanäle als harmonischer

Oberton bzw. Oberwelle zu dem Grundton oder aber auch alle Informationsfrequenzkanäle als harmonische Obertöne zu dem Grundton ausgebildet, so bilden die einzelnen Frequenzen bzw. Töne oder Signalkomponenten eine harmonische Reihe und somit ein Konsonanzsystem.

Eine Besonderheit dieses anmeldungsgemäßen Systems besteht darin, daß der Grundton mit der niedrigsten Frequenz, der die größte Reichweite hat, permanent während der Informationsübertragung gesendet werden kann und somit quasi eine ständige Brücke zwischen Sendeeinheit und Empfängereinheit bildet. Der als Grundton ausgebildete Bezugsfrequenzkanal dient in diesem Fall nicht der eigentlichen Informationsübermittlung sondern als ständiger Bezug zur Abstimmung der übrigen Informationsfrequenzkanäle und gegebenenfalls wie später noch dargestellt wird zur Bestimmung der relativen Phasenlagen sowie als Energiespender im Fall der Nutzung von nicht linearen Effekten zur Erhöhung der Reichweite des gesamten Frequenzsystems. An dieser Stelle sei aber grundsätzlich darauf hingewiesen, daß anstelle des tiefen Tones auch ein beliebiger anderer Ton eines vorgegebenen Frequenzspektrums als Bezugston oder Grundton verwendet werden kann, falls dieses bei bestimmten Umwelteinflüssen oder für eine gegebene Anwendung vorteilhafter ist.

Durch die Festlegung, daß die Informationsfrequenzkanäle stets einen definierten Abstand zum Bezugsfrequenzkanal haben, wird gewährleistet, daß die Empfängereinheit, der die entsprechenden Abstände bzw. Proportionalitätsfaktoren bekannt sind, lediglich den als Grundton ausgebildeten Bezugsfrequenzkanal aufzuspüren braucht, um im Bezug darauf alle anderen aktiven Informationsfrequenzkanäle zu erkennen und ständig operativ abstimmen zu können. Dieser Abstimmprozeß läßt sich dahingehend automatisieren, daß das System ohne großen Zusatzaufwand an die unterschiedlichsten Ubertragungsbedingungen angepaßt werden kann. Die automatische Erkennung des Grundtons und dementsprechende selbstadaptive Abstimmungen der

Informationskanäle seitens der Empfängereinheit bedeutet insbesondere bei der Kommunikation mit oder zwischen bewegten Objekten einen enormen Vorteil, da damit die bei den herkömmlichen Verfahren durch beispielsweise DopplerEffekte verursachten Probleme entfallen, wenn beispielsweise ein harmonisches Frequenzkanalsystem genutzt wird.

Ändert sich gemäß Anspruch 5 die Frequenz des Bezugsfrequenzkanals während der Übertragung zeitlich, so ergibt sich auf dieser Basis nunmehr das beim adaptiven System nicht nur empfängerseitig eine ständige Nachjustierung zur Kompensation von naturbedingten Frequenzverschiebungen (DopplerEffekten etc.) durchgeführt werden kann. Vielmehr kann nunmehr auch seitens der Sendeeinheit ganz bewußt eine geregelte zeitliche Veränderung des Frequenzspektrums erzeugt werden, ohne die Verbindung zum Empfänger zu gefährden.

Erfolgt die zeitliche Änderung der Frequenz des Bezugsfrequenzkanals gemäß Anspruch 6 stufenweise oder kontinuierlich, so können ein bzw. mehrere Frequenzgradienten zur Verfügung gestellt werden. Dieser Vorgang wird im folgenden als Frequenz-Gradienten-Methode (FGM) bezeichnet. Mit dieser Methode wird erreicht, daß beispielsweise Reflektionen bzw. Störsignale eliminiert werden. Die Variation der Bezugs- bzw. Informationskomponenten anhand der FGM wird im weiteren auch als VMT (Variable Mehrkanalige Transmission) bezeichnet.

Erfolgt die Variation der Komponenten stets proportional zueinander, wird von einer pFGM bzw. pVMT ausgegangen, wohingegen bei einer Variation der Komponenten, welche parallel erfolgt, von einer paFGM bzw. paVMT ausge- gangen wird.

Durch die Verwendung der FGM wird eine wesentlich schärfere und zuverlässigere Signalanalyse als bei den herkömmlichen Techniken, insbesondere solchen mit feststehenden Frequenzkanälen, ermöglicht. Da sich in diesem Fall die Arbeitsfrequenzen der Informationsfrequenzkanäle ständig ändern, haben alle Signalkomponenten, die auf unterschiedlichen Übertragungswegen zu einem gegebenen Zeitpunkt bei der Empfängereinheit eintreffen, nunmehr auch unterschiedliche Frequenzen. Aufgrund dieser Frequenzunterschiede können die eigentlichen Informationsfrequenzkanäle von gegebenenfalls vorliegenden Störkomponenten getrennt werden, d. h. die Intersymbol-Interactions können weitestgehend, wenn nicht sogar völlig eliminiert werden, wodurch somit empfängerseitig ein wesentlich eindeutigeres Abbild des von der Sendeeinheit ausgestrahlten Informationssignal rekonstruiert werden kann.

Da bei der FGM die Frequenz des Bezugsfrequenzkanals und synchron dazu im gegebenen Verhältnis auch die Informationfrequenzkanäle in nahezu beliebiger Weise variiert werden können, ist sowohl das anmeldungsgemäße Verfahren als auch das anmeldungsgemäße System außerordentlich flexibel. Durch die bewußt herbeigeführten Frequenzdriften lassen sich gegenseitige Überlagerungen von mehreren Übertragungssystemen vermeiden und das ggf. unerwünschte Abhören wird erschwert.

Werden femer neben der Frequenz des Bezugsfrequenzkanals und des Informationsfrequenzkanals auch andere Signalparameter zur Erzeugung eines Bitmusters herangezogen, so kann die Codierung auf einfache Weise komplexer gemacht und die Informationsrate entsprechend erhöht werden.

Wird gemäß Anspruch 7 das Informationssignal amplitudenmoduliert, so können bei den Schwingungsknoten der zur Modulation herangezogenen Amplitude Zeitpunkte festgelegt werden, an denen sich beispielsweise die einzelne

Informationsfrequenzkanäle ändern können, ohne die als sogenanntes"Glitching" bezeichnete Störung in dem Informationssignal hervorzurufen. Dadurch kann die Übertragungsqualität weiter verbessert werden.

Werden gemäß Anspruch 8 die Bitmuster in einem gegebenen Zeittakt erzeugt, so können sie auch empfangerseitig auf einfache Weise entschlüsselt werden, womit sich die Übertragungsgenauigkeit erhöht.

Wird gemäß Anspruch 9 das Bitmuster innerhalb eines Zeittaktes verändert, so kann insbesondere ein erster Teil innerhalb des Zeittaktes dafür verwendet werden, zu erkennen, welche Informationsfrequenzkanäle für die Übertragung der Information grundsätzlich verwendet werden, und beispielsweise der restliche Teil für die Erzeugung des Bitmusters selbst. Außerdem stellt in diesem Fall der erste Teil zusätzlich zum Bezugsfrequenzkanal eine weitere Referenz zur Verfügung, mit deren Hilfe die Parameter der im zweiten Taktabschnitt übermittelten Signalkomponenten mit sehr großer Präzision bestimmt werden können. Auf diese Weise wird die Übertragungssicherheit erhöht.

Die vorteilhafte Ausführungsform gemäß Anspruch 10 unterstützt die Möglichkeit, an unterschiedliche Übertragungsumgebungen und Nutzeransprüche angepaßt zu werden.

Mit der Maßnahme des Anspruchs 11 wird erreicht, daß die Übertragungsrate erhöht werden kann.

Aufgrund der insbesondere durch Anwendung der FGM erreichbaren hohen Empfangsqualität kann in Kombination mit dem bereits beschriebenen Ein- und Ausschalten der einzelnen Signalkomponenten oder anstatt dessen die Information auch in feineren Variationen bestimmter Signalparameter oder

Parameterkombinationen verschlüsselt werden. Da in den empfangenen Signalen neben den Frequenzen nunmehr auch die Amplituden und Phasenwinkel der Signalkomonenten einen stärker definierten Bezug zum ursprünglich generierten Signal haben, können praktisch alle Parameter in die Codierung eingezogen werden. Dieses kann z. B. durch stufenförmige Veränderungen geschehen.

Dabei besteht ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens darin, daß für die Codierung signalinterne Bezüge in dem gegebenen Frequenzsystem genutzt werden können. Durch diese Relativierung wird erreicht, daß die Bitmuster bzw.

Symbole bereits anhand von ein oder zwei empfangenen Takten identifiziert werden können, ohne daß eine zusätzliche Referenz zu einer externen Bezugsgröße erforderlich ist.

So können beispielsweise die Phasenwinkel in Form der jeweils im gegebenen Zeittakt aktuellen Relation zwischen der jeweiligen Informationskomponente und BK festgelegt werden. Diese Codierungsmethode sei als Relative Phasen-Winkel-Methode, abgekürzt RPWM, bezeichnet. In dieser Methode spielt die Vorgeschichte keine Rolle mehr, die äußere Zeit verliert ihre Bedeutung für die Signalauswertung. An ihre Stelle tritt die relative, systeminteme Zeit, die z. B. anhand der momentanen Zykluszeit etwa der BK abgelesen werden kann, die - von außen betrachtet - von der jeweils aktuellen Frequenz abhängt. Die relativen Phasenwinkel lassen sich auf einfache Weise bestimmen, wenn beispielsweise im Auswerteprozeß alle Signalkomponenten, d. h. Informations- frequenzkanäle und Bezugsfrequenzkanal zunächst auf eine einheitliche Periodendauer normiert werden. Damit soll jedoch nur das Prinzip verdeutlicht werden. Aus der Signalverarbeitung ist eine breite Palette von Projektions- und Transformationsverfahren bekannt, die zur Bestimmung der relativen Phasenwinkel herangezogen werden können. Damit hat der Anwender einen großen Spielraum für die praktische Umsetzung. Für das anmeldungsgemäße

Verfahren ist jedoch wesentlich, daß im Ergebnis der FGM und insbesondere der pFGM eine Reihe von Störeffekten eliminiert werden können, so daß sich auch die relativen Phasenwinkel mit größerer Präzision ermitteln lassen, was für eine feinere Diskretisierung, also der Unterscheidung von mehr Digitalzuständen und damit für eine weitere Steigerung der Informationsrate genutzt werden kann.

Eine weitere Variante besteht beispielsweise darin, daß die Information nicht direkt in dem Phasenwinkel der jeweiligen Komponente bezüglich des BK oder GT als sogenannte vertikale signalinteme Referenz, sondern in der Differenz zwischen diesem und dem im letzten zuvor ermittelten relativen Phasenwinkel derselben Komponente als sogenannte horizontale signalinteme Referenz verschlüsselt wird. Diese Methode sei als Relative Phasen-Differenz-Methode, abgekürzt RPDM bezeichnet. Bei der RPDM dient der jeweils erste Takt einer in sich geschlossenen Übertragungssequenz ausschließlich als horizontale Referenz.

Unter sehr komplizierten Übertragungsbedingungen kann es aber auch vorteilhaft sein, die RPDM in Verbindung mit dem Verfahren nach Anspruch 9 einzusetzen.

Hingegen kann es bei sehr günstigen Übertragungsbedingungen auch ausreichend sein, ausschließlich die horizontale sinalinteme Referenz zur Bestimmung der relativen Phasenwinkel zu nutzen. In diesem Fall ist kann der Bezugsfrequenzkanal ebenfalls zur Informationscodierung genutzt werden.

Weiterhin sei vermerkt, daß sowohl bei der RPWM als auch bei der RPDM das Nichtvorhandensein einer Signalkomponente bzw. das Unterschreiten eines bestimmten Amplitudenschwellwertes einen zusätzlichen Digitalzustand verkörpern kann.

Wird gemäß Anspruch 12 die Anzahl der Informationskanäle in Abhängigkeit des Übertragungsweges geändert, so wird erreicht, daß insbesondere bei Verringerung des Abstands zwischen Sendeeinheit und Empfängereinheit zusätzliche, typischerweise höhere oder zwischen den bisherigen Kanälen

liegende, z. B. auch andere konsonante Frequenzen genutzt werden, wohingegen andererseits bei sehr großen Abständen hauptsächlich niedrigere Frequenzbereiche genutzt werden. Mit dieser Maßnahme wird eine optimale Ausnutzung der Ausbreitungscharakteristik der Wellensignale erreicht, was insbesondere bei der Verwendung von Schallsignalen von großer Bedeutung ist. Auf diese Weise können z. B. im Unterwasserbereich jeweils maximale Bitraten und/oder bislang schwer erreichbare Übertragungsstrecken bereitgestellt werden. Selbstverständlich schließt diese Flexibilität ein, daß die auf spezifische Übertragungsbedingungen abgestimmten Einstellungen auch zum Grundstandard erklärt werden können, falls damit ein gegebenes Arbeitsregime gut abgedeckt werden kann.

Neben den oben genannten konkreten Zuständen bzw. Proportionen der Signalparameter kann in dem gegebenen Verfahren die Information aber auch in deren momentaner zeitlicher Veränderung, d. h. in der dynamischen Charakteristik verschlüsselt werden.

Werden gemäß Anspruch 13 die einzelnen Informationsfrequenzkanäle breiter bzw. breitbandig ausgelegt, ohne sich jedoch zu überlappen, so wird die Möglichkeit geschaffen, eine kontinuierliche Phasenverschiebung der betreffenden Signalkomponenten zu erzeugen und diese beispielsweise für die Informationskodierung zu nutzen. Diese Maßnahme sei als Phasen-Gradienten- Methode oder Phasen-Geschwindigkeits-Methode PGM bezeichnet. Die Abstände zum Bezugston beziehen sich dann typischerweise auf die Kennlinien der Mittelwerte der entsprechenden Kanäle. Während der Informationsübertragung können nunmehr in jedem Zeittakt die Frequenzen der einzelnen Informationsfrequenzkanäle innerhalb eines gegebenen Kanals geringfügig - typischerweise um weniger als 0, 5 % des jeweils aktuellen Sollwertes - verschoben oder kontinuierlich verändert werden, wodurch eine kontinuierliche gleichförmige bzw. beschleunigte Phasenverschiebung des jeweiligen

Informationsfrequenzkanals gegenüber dem Grundton bzw. Bezugsfrequenzkanals bewirkt wird. Die Empfängereinheit erkennt nicht nur, ob in einem gegebenen Zeittakt eine Frequenz auf dem entsprechenden Kanal gesendet wurde, sondern bestimmt - falls eine Frequenz vorliegt - auch die relativen Phasenwinkel und/ oder charakteristische Parameter, die deren Funktion etwa in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Zykluszeit des Grundtones bzw. Bezugsfrequenzkanals beschreiben. Somit können neben den eigentlichen Zustands- bzw.

Proportionswerten auch deren zeitliche Veränderungen für die Codierung verwendet werden. Daraus ergeben sich vielfältige Variations- und Kombinationsmöglichkeiten, die zur Steigerung der Informations- Übertragungsrate, für eine größere Adaptivität des Übertragungssystems an unterschiedliche Einsatzbedingungen, bzw. auch für eine Optimierung der Vorrichtungen und ihrer Kosten genutzt werden können.

Zur vereinfachten Behandlung bzw. Verarbeitung des Informationssignals wird nach Empfang die Bezugskomponente von der zumindest einen Informations- komponente gemäß Anspruch 16 getrennt.

Gemäß Anspruch 17 wird durch die paarweise Bearbeitung der jeweiligen informationstragenden Signalkomponente mit der einen, bzw. der jeweils am besten geeigneten Bezugs- bzw. Referenzkomponente eine Kompensation von Doppler- Effekten erreicht. Als Nebenergebnis kann dieser Bearbeitungsschritt helfen, eine Frequenzstabilisierung vorzubereiten. Im Fall der paFGM kann dieser Schritt direkt zur Bildung stabiler, d. h. stehender Zwischenfrequenzen führen.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 18 gewährleistet die Überführung der Signalkomponenten in stehende Zwischenfrequenzen (Z'l ; Z*2 ;... ; ZN+X), die sich dann vorteilhaft weiter bearbeiten lassen. Einer dieser Vorteile besteht beispielsweise darin, daß die stehenden Zwischenfrequenzen (Z'1 ; Z'2 ;... ; ZN+X)

in einem für die nachfolgende Filterstufe gemäß Anspruch 20 optimalen Frequenzfenster plaziert werden können, das gleichzeitig auch den Einsatz besonders scharfer Filter ermöglicht.

Bei der Verwendung einer pFGM bzw. pVMT besteht als Alternative zu der Vorgehensweise gemäß den Ansprüche 16 bis 18 auch die Möglichkeit, ohne vorherige Trennung der Signalkomponenten und ohne den Einsatz von Hetrodynefrquenzen beispielsweise nur duch Multiplikation des im aktuellen Zeittakt empfangenen Signals mit dem Empfangssignal des vorangegangenen Taktes stehende Zwischenfrequenzen zu erzeugen. Die Variante der Signalbearbeitung gemäß Anspruch 19 bietet sich vorzugsweise in Verbindung mit dem Einsatz einer differentiellen Phasencodierung an.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 20 hat zur Aufgabe, aus den nunmehr frequenzstabilen Spektren der diversen Kanalantworten, für jede Signalkomponente den jeweils am besten geeigneten Signalanteil zu isolieren, beispielsweise herauszufiltem und dabei mögliche Störeinflüsse der übrigen Signalanteile zu minimieren. Letzteres schließt ein, daß in diesem Zuge auch die Signalkomponenten voneinander getrennt werden können, falls dieses nicht oder noch nicht vollständig gemäß Anspruch 16 erfolgt ist.

Für diesen Zweck können im einfachsten Fall spezielle Filter zur Anwendung kommen. Damit können u. a. die jeweils nicht benötigten, d. h. gerade nicht zur Auswertung anstehenden Komponenten ausgeblendet, d. h. jeweils weggefiltert werden. Im Ergebnis erhält man für jede der informationstragenden Signalkomponenten einen klar definierten Repräsentanten anhand dessen sich die für die Informationscodierung verwendeten Signalparameter (etwa die Amplitude und/oder die Phasenlage) auf bestmögliche Weise rekonstruieren lassen. Auch hierbei handelt es sich lediglich um eine Darstellung des Grundprinzips.

Selbstverständlich können aus dem allgemein bekannten, vielschichtigen Pepertoire der Signalbearbeitung auch komplexere Methoden eingesetzt werden, welche beispielsweise neben der Identifikation der Signalanteile auch die dazugehörigen Parameter liefern.

Mit der Weiterbildung gemäß Anspruch 21 wird erreicht, daß durch den Bearbeitungsprozeß keine Fehler in der Signalauswertung entstehen.

Mit der Weiterbildung gemäß Anspruch 22 wird der Vorteil erreicht, daß für die jeweils aktuellen Übertragungsbedingungen stets diejenigen Signalanteile bzw.

Kanalantworten identifiziert werden können, anhand derer die Signalparameter auf optimale, d. h. auf bestmögliche Weise bestimmt werden können. In der Regel sind dies die stärksten, d. h. energiereichsten Signalanteile, die auch die bestmögliche Qualität der Signalauswertung ermöglichen. Mittels des Kanal-Tunings können beispielsweise die bestmöglichen Filtereinstellungen ermittelt werden, um möglichst exakt die gewünschten Komponenten herauszufiltem und die Störeinflüsse der anderen Kanalantworten sowie eventueller Seitenbänder optimal zu unterdrücken. Letzteres kann u. a. zu einem vergrößerten Empfangsradius und/oder auch zur Erhöhung der Informationsrate beitragen. Je besser und sicherer die Empfangssignale ausgewertet werden können, desto mehr Möglichkeiten stehen auch zur Verfügung, feinere Abstufungen oder auch unterschiedliche Kombinationen von Parametervariationen für die Informationscodierung zu verwenden.

Durch fortlaufende Aktualisierung der Filtereinstellungen bzw. der fortlaufenden Identifikation der jeweils günstigsten Empfangskomponenten gemäß Anspruch 23 können optimale Empfangsergebnisse beispielsweise auch unter sich rasch ändernden Übertragungsbedingungen erreicht werden, wobei ein Vorteil des

genannten Verfahrens darin besteht, daß für das Kanal- Tuning keine Unterbrechung der eigentlichen Informationsübertragung erforderlich ist.

Gemäß Anspruch 27 wird der Vorteil erreicht, daß die Dopplerkompensation optimiert wird.

Das Verfahren gemäß Anspruch 28 ist vorzugsweise für die Verarbeitung von Empfangssignalen mit starker Doppler-Belastung anzuwenden, bei welche jede Signalkomponente im wesentlichen nur durch eine Kanalantwort repräsentiert ist.

Weitere vorteilhafte Ausfiihrungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Unter Bezugnahme auf die Figuren sollen unterschiedliche Ausführungsformen des anmeldungsgemäßen Gegenstandes detaillierter beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren und System verwendbaren Informationssignals bestehend aus einem Bezugsfrequenzkanal und drei Informationsfrequenzkanälen ; Fig. 2a zeigt ein einer Amplitudenmodulation unterworfenes Informationssignal von Fig. 1 ; Fig. 2b zeigt eine Folge von getakteten Informationssignalen ; Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung zur Kodierung einer Information ;

Fig. 4 zeigt die Kodierung von Fig. 3 lediglich mit paralleler FGM ; Fig. 5 zeigt die Signalanalyse zum Zeitpunkt ti einer vorauseilenden und nachfolgenden Störkomponente mittels der proportionalen FGM bezüglich drei im harmonischen Verhältnis zueinander stehenden Informationsfrequenzkanälen ; Fig. 6 zeigt das Grundprinzip zur Verbesserung der Signalanalyse hinsichtlich der Störsignalen entsprechend Fig. 5 unter der Verwendung eines Bezugsfrequenzsignals und vier Informationsfrequenzkanälen; Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Anwendung einer gestuften Frequenzverschiebung mit zusätzlicher Änderungen der Informationsfrequenzkanäle innerhalb des Zeittakts ; wobei jeweils die erste Takthälfte die zusätzliche horizontale Referenz für die RPDM bildet.

Fig. 8a zeigt eine schematische Darstellung der Kodierung jedoch nur mit zwei Frequenzstufen ; Fig. 8b zeigt als Beispiel das Prinzip einer pentären Kodierung eines Informationsfrequenzkanals ; Fig. 9a und 9b zeigen zwei unterschiedliche mittels der pPGM erzeugten Phasengradienten ; Fig. 10 zeigt verschiedene Phasengradienten, welche mittels der nPGM (oben) und der pPGM (unten) erzeugt werden können.

Fig. 11 zeigt einen Grundaufbau einer Sendeeinheit des anmeldungsgemäßen Systems ;

Fig. 12 zeigt einen weiteren Grundaufbau einer Sendeeinheit mit Amplitudenmodulation des anmeldungsgemäßen Systems ; Fig. 13 zeigt einen schematischen Grundaufbau einer Empfangseinheit des anmeldungsgemäßen Systems gemäß einer ersten Ausführungsform ; Fig. 14 zeigt einen weiteren Grundaufbau der Empfängereinheit mit zusätzlicher Phasendetektion gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 15 zeigt die Signalanalyse zum Zeitpunkt ti einer vorauseilenden und nachfolgenden Störkomponente mittels der parallelen FGM bezüglich drei im harmonischen Verhältnis zueinander stehenden Informationsfrequenzkanälen; Fig. 16 zeigt einige schematisierte Beispiele für günstige Frequenzabstände bei verschiedenen Anwendungen.

Fig. 17 zeigt schematisch eine Grundvariante für den Ablauf des anmeldungsgemäßen Verfahrens zur Signalverarbeitung.

Fig. 18 zeigt ein Beispiel für die zeitliche Änderung der Frequenzanteile eines pVMT-Empfangssignals, bestehend aus einer Bezugs- und drei Informationskomponenten bei nahezu idealen Übertragungsbedingungen (minimale Intersymbol Interactions).

Fig. 19 zeigt das Empfangssignal gemäß Fig. 18 nach Überführung der ersten informationstragenden Signalkomponente in eine Zwischenfrequenz.

Fig. 20 zeigt für ein Beispiel, daß infolge wechselnder Kanalantworten die Stärke der diversen Spektralanteile einer gegebenen Empfangskomponente erhebliche zeitliche Fluktuationen aufweisen kann.

Fig. 21 zeigt das bereits in Fig. 20 dargestellte Beispiel, nach dem Passieren der scharfen Filterstufe.

Fig. 22 zeigt schematisch den Ablauf einer Grundvariante des anmeldungsgemäßen Verfahrens, für welche ein Kanal- Tuning durchgeführt wird.

Fig. 23 zeigt eine schematisierte Übersicht über die wichtigsten Bearbeitungsschritte bei verschiedenen vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens zur Signalverarbeitung.

Fig. 24 zeigt einen Grundaufbau eines anmeldungsgemäßen Systems zur Signalverarbeitung einer dritten Ausführungsform.

Fig. 25 zeigt einen Grundaufbau eines anmeldungsgemäßen Systems für das Kanal- Tuning.

In Fig. 1 wird dargestellt wie das Informationssignal IS beispielsweise aus einem als Bezugskomponente ausgebildeten Bezugsfrequenzkanal BK, welcher in diesem Fall auch als Grundton GT ausgebildet ist, und beispielsweise drei als Informationskomponenten ausgebildete Informationsfrequenzkanäle, I1, I2, I3 zusammengesetzt wird. Die in Fig. 1 dargestellten Informationsfrequenzkanäle sind harmonische Obertöne HK1, HK2 und HK3 zum Grundton GT, welche durch Uberlagerung das Informationssignal bilden. Aus dieser Figur ist zu entnehmen, daß jeder der Informationsfrequenzkanäle durch Vorhandensein oder

Nichtvorhandensein eine binäre digitale Information, was gleichbedeutend mit 1 oder 0 ist, bereitstellen kann (vgl. auch Fig. 2b).

In Fig. 2a ist eine Amplitudenmodulation des Informationssignals IS aus Fig.

1 dargestellt, um beispielsweise zu Beginn und am Ende eines Taktes einen stetigen bzw. fließenden Übergang zu gewährleisten, wenn sich das Informationssignal durch zeitliche Änderung der Informationsfrequenzkanäle ändert.

Eine derartige Änderung ist beispielsweise in Fig. 2b gezeigt, wobei sich die Form des Informationssignals von Takt zu Takt ändert, so daß beispielsweise in dem Bereich I ein Informationssignal IS vorliegt, welches aus der Überlagerung des Grundtons und des zweiten und dritten harmonischen Obertons (GT+HK2+HK3) besteht, welches beim nächsten Takt (Bereich II) stetig durch Nichtvorhandensein der zweiten und dritten harmonischen Obertöne lediglich in den Grundton (GT) übergeht, um dann beim nächsten Takt durch Überlagerung des ersten harmonischen Obertons mit dem Grundton ein verändertes Informationssignal, welches einem anderen codierten Bitmuster entspricht, aufzuzeigen (siehe Bereich III). Auf diese Weise kann auf jedem dieser Informationskanäle somit ein Bit pro Zeittakt übertragen werden. Insgesamt ergibt sich daraus für jeden Zeittakt ein Bitmuster, in dem die Information auf beliebige Weise verschlüsselt werden kann. Generell kann somit je nach Anzahl der zur Verfügung stehenden Informationskanäle und in Abhängigkeit von dem verwendeten Codierungssystem zum Beispiel ein Buchstabe oder anderweitige Symbole verschlüsselt werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß sich bei Verwendung von 2,4, 8,12, 16 und weiteren Informationskanälen eine direkte Kompatibilität zu verschiedenen gängigen Verfahren der elektronischen Datenverarbeitung ergibt.

In Fig. 3 ist gezeigt, wie beispielsweise das Wort"DolphinCom"im allgemeinen bekannten ASCII-Code bei Verwendung von vier Informationskanälen übertragen werden kann. Das das Informationssignal bildende Frequenzsystem besteht in diesem Anschauungsbeispiel aus einem als Grundton GT verwendeten Bezugsfrequenzkanal und vier darauf aufbauende harmonische Informationsfrequenzkanäle (I1, I2, I3 und 14) als Obertöne, die mittels der proportionaler FGM zeitlich variiert werden. Die Codierung erfolgt in diesem Beispiel nur durch Ein- bzw. Ausschalten der Obertöne. Die senkrechten Linien zeigen die Takte, die hier immer die gleiche Länge haben. Für jeden Takt ergibt sich ein spezielles Bitmuster, das als Symbol bezeichnet wird. Jeweils 2 Symbole ergeben zusammen einen Buchstaben im ASCII-Code. Dargestellt wurde das Wort "DolphinCom". Grundsätzlich kann für die Verschlüsselung der zu übertragenden Information aber auch jeder beliebige andere Code verwendet werden, was dem Benutzer einen maximalen Spielraum für eigene Programmierungen ermöglicht und das Verfahren zu nahezu allen Systemen der EDV kompatibel macht. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ändert sich der Bezugsfrequenzkanal kontinuierlich, wobei sich die Frequenzen der vier Informationsfrequenzkanäle (I1, I2, I3 und 14) sich proportional verschieben. Demgegenüber zeigt Fig. 4 ebenfalls das Wort "DolphinCom"im ASCII-Code bei Verwendung von vier Informationskanälen übertragen werden kann, wobei sich wie in Fig. 4 der Bezugsfrequenzkanal kontinuierlich ändert, allerdings werden die beispielsweise zu dem Bezugsfrequenzkanal zunächst harmonisch angeordneten Informationsfrequenzkanälen stetig parallel mit der Änderung des Bezugsfrequenzkanals verschoben.

In Fig. 5 ist dargestellt, wie eine wesentlich schärfere und zuverlässigere Signalanalyse durchgeführt werden kann, wenn beispielsweise der Bezugsfrequenzkanal sich im Sinne der FGM kontinuierlich verändert. In dem in

Fig. 5 dargestellten Beispiel wurden in der Anlehnung an Fig. 3 exemplarisch drei Informationsfrequenzkanäle ausgewählt, auf denen neben der eigentlichen Signalfrequenz jeweils eine vorauseilende und eine nachfolgende Frequenz als Störsignale beim Empfänger eintreffen, wobei der jeweilige Zeitversatz für alle drei Informationsfrequenzkanäle identisch gewählt wurde. Zur Verdeutlichung des grundlegenden Prinzips wurde auf das Einzeichnen der Takte verzichtet. Die vertikale Schnittlinie (ausgehend von ti) veranschaulicht, daß sich in einem gegebenen Zeitpunkt ti alle empfangenen Informationsfrequenzen voneinander unterscheiden. Allerdings ist von besonderer Bedeutung, daß anhand dieser Frequenzunterschiede nunmehr die eigentlichen Signalfrequenzen von den Störfrequenzen getrennt bzw. die IntersymbolInteractions weitestgehend wenn nicht sogar völlig eliminiert werden können. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß die Amplituden und Phasenlagen der empfangenen und solchermaßen"bereinigten"Signalkomponenten einen klaren Bezug zu dem Bezugsfrequenzkanal haben. Bei Anwendung der FGM können zur Trennung der eigentlichen Signalfrequenzen von den jeweiligen Störfrequenzen spezielle Frequenzfilter eingesetzt werden. Aus Fig. 5 ist deutlich zu erkennen, daß der Abstand der Signalfrequenz zu den Störfrequenzen um so größer wird, je steiler der Gradient der Frequenzänderung df/dt, d.h. die jeweilige Frequenzgeschwindigkeit ist. Da in dem in Fig. 5 dargestellten System alle Informationsfrequenzkanäle stets proportional zueinander verändert werden, ergibt sich für die höheren Informationsfrequenzkanäle ein zunehmend steilerer Gradient und damit eine immer bessere Trennung der aktuellen Signalfrequenz von den Störfrequenzen.

In Fig. 6 ist diese Funktionsweise bzw. der Effekt schematisch für ein System mit einem Bezugsfrequenzkanal und vier Informationsfrequenzkanälen, mit jeweils zwei benachbarten Störfrequenzen gezeigt. Die in Fig. 6 dargestellte gestrichelte Linie symbolisiert die Charakteristik eines üblicherweise eingesetzten

Filters. Es ist deutlich zu erkennen, daß selbst bei konstanter Fensterbreite des Filters für die höheren Informationsfrequenzen eine zunehmend bessere Trennschärfe erreicht wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ergibt sich insgesamt eine deutlich bessere Auflösung. Hierbei ist insbesondere zu erwähnen, daß mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren vor allem auch die höheren Informationsfrequenzkanäle, die auf der Übertragungsstrecke stets am stärksten gedämpft werden und folglich beim Empfänger mit der geringsten Energie eintreffen, besser aus dem Rauschen herausgelöst werden können. Aus diesem Verhalten wird deutlich, daß man beispielsweise bei Störfrequenzen, welche sehr dicht bei der eigentlichen Signalfrequenz liegen, zur besseren Trennung zweckmäßigerweise einen steileren Frequenzgradienten auswählt, d.h. die Driftgeschwindigkeit der Frequenzen erhöht, wohingegen bei größeren Abständen flachere Gradienten ausreichen können. Für derartige Anpassungen kann beispielsweise entweder eine vorbereitete Palette von Frequenzverschiebemustem genutzt oder eine operative Anpassung der Gradienten der Frequenzänderung vorgenommen werden. Letzteres ist beispielsweise leicht möglich, wenn die Verbindungen bidirektional genutzt werden, d. h. die Sendeeinheit auch empfangen und die Empfängereinheit auch senden kann. Auf diese Weise können beispielsweise zwischen der Sendeeinheit und der Empfängereinheit Analysen des Kanalansprechverhaltens durchgeführt bzw. ausgetauscht werden oder auch ein entsprechendes Mustertraining durchgeführt werden, woraufhin die jeweils optimalen Gradienten für die Frequenzverschiebung eingestellt werden. Allerdings können bei entsprechend günstigen stationären Übertragungsbedingungen, unter denen die Störungen vemachlässigbar klein sind, die Gradienten im Grenzfall auch Null werden.

In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß es sich grundsätzlich anbietet, zur Maximierung der Übertragungsrate die Taktfrequenz proportional zur Frequenzhöhe des Bezugsfrequenzkanals zu verändern, da stets nur eine bestimmte

Anzahl von Schwingungsperioden erforderlich ist, um das Gesamtsignal hinsichtlich der darin enthaltenen Einzelkomponenten zu analysieren.

In Fig. 7 und 8 a, b sind weitere Möglichkeiten dargestellt, welche insbesondere bei einer stufenweisen Änderung des Bezugsfrequenzkanals auftreten. Diese Möglichkeiten sind insbesondere dann eine interessante Alternative zur FGM, wenn der Zeitversatz zwischen der Signalfrequenz und den Störfrequenzen ausreichend groß ist beispielsweise im Bereich von mehreren Millisekunden liegt. In diesem Fall kann eine gute Trennung zwischen den Signalfrequenzen und den Störfrequenzen auch dadurch erreicht werden, wenn alle Kanäle gleichzeitig von Takt zu Takt oder in Schritten zu mehreren Takten sprunghaft etwas zu höheren oder kleineren Frequenzwerten verschoben werden, innerhalb der Stufen jedoch konstant gehalten werden. Auch in diesem Fall ist es natürlich von Vorteil, die Frequenzverschiebung möglichst so vorzunehmen, daß die signalintemen Proportionen in allen Stufen gleichermaßen definiert sind. Dies läßt sich am leichtesten mittels proportionaler oder paralleler stufenförmiger Veränderungen erreichen. Diese Alternative wird allgemein als Frequenz-Sprung- Methode oder als Frequenz-Stufen-Methode, abgekürzt FSM bezeichnet. Anhand von den Figuren 7 und 8 a, b ist klar ersichtlich wie beispielsweise durch zusätzliche relative Phasencodierung eine pentäre Codierung der einzelnen Informationsfrequenzkaäle erzeugt wird. Hierzu wird zur Erhöhung der Sicherheit am Anfang eines jeden Taktes auf allen Informationsfrequenzkanälen ein Referenzsignal gesendet, dem in der zweiten Takthälfte das entsprechend codierte Signal folgt. Wie in der seitlichen Legende in Figur 7 u. 8a dargestellt ist, kann eine Unterscheidung von jeweils 5 Zuständen erfolgen, nämlich Kein Signal (0) und vier digitalen Stufen mit der RPDM. Insgesamt ergeben sich somit für jeden Takt bei einem Informationssignal bestehend aus einem Bezugsfrequenzkanal (BK) und 3 Informationsfrequenzkanälen (HK) 53 = 125 Kombinationsmöglichkeiten, die einer Codierung zur Verfügung stehen.

Die Fig 8b zeigt als Beispiel das Prinzip einer pentären Codierung eines Informationsfrequenzkanals. Die mit Bezugszeichen D1 bis D4 angegebenen Punkte sind Signalkomponenten, bei denen die Amplitude einen Schwellenwert Ao überschreitet und vier unterschiedliche Phasenwinkel F bzw. vier Winkelbereiche beispielsweise mittels der RPWM oder der RPDM digital unterschieden werden können, und Zustand D5 beinhaltet, daß die Amplitude der Signalkomponente kleiner als der Schwellenwert Ao ist.

Eine weitere Methode zur Informationskodierung ist beispielsweise die Phasen-Gradienten-Methode oder auch Phasen-Geschwindigkeits-Methode, welche im folgenden als PGM abgekürzt wird und mit den Fig. 9a und 9b sowie Fig. 10 veranschaulicht werden soll. Die Fig. 9a und 9b zeigen die sogenannte proportionale Phasen-Geschwindigkeits-Methode (pPGM), wobei die Fig. 10 zusätzlich die Verhältnisse bei der nichtproportionalen Phasen-Gradienten- Methode (nPGM) darstellt.

Das übergeordnete Prinzip der PGM läßt sich am einfachsten anhand der folgenden Ausgangskonfiguration erklären.

Gegeben sei ein System, in dem die Informationsfrequenzkanäle stets eine harmonische Reihe bilden, d. h. Frequenzänderungen nur mittels der proportionalen FGM durchgeführt werden. Herausgegriffen sei ein beliebiger Informationsfrequenzkanal, auf dem die entsprechende Frequenz nunmehr aber in einem gegebenen Taktintervall nicht exakt als Oberton des GT gesendet wird, sondern gegenüber der entsprechenden"Sollfrequenz"geringfiigig (typischerweise weniger als 0, 5 % des Sollwertes) nach oben oder unten verstimmt ist (siehe Abb.

10 obere Reihe). Im Grunde genommen wird hier eine Frequenzverschiebung vorgenommen, die jedoch so gering ist, daß empfängerseitig allein anhand der

Frequenzanalyse schwerlich als Modulation erkannt und folglich auch nicht als digitale Zustandsgröße interpretiert werden kann. Die Frequenz liegt weiterhin im Schärfebereich des betreffenden Analysefilters. Je nachdem, ob sie nun aber etwas höher oder niedriger als ihr Sollwert ist, kommt es in der Überlagerung mit dem GT zu dem in Abb. 9a bzw. 9b dargestellten Bild, in dem der relative Phasenwinkel kontinuierlich zu bzw. abnimmt. Die Phase der Frequenz des Informationsfrequenzkanals eilt der des GT voraus oder bleibt entsprechend zurück. In dem entsprechenden Takt wird somit ein Phasengradient erzeugt, dessen Richtung schon mit dem bloßen Auge erkannt und gleichermaßen unproblematisch bestimmt werden kann. Bei Auswertung der Phasengradienten in Bezug zur momentanen Periodendauer des GT ergibt sich im vorliegenden Fall ein konstanter Anstieg. Voraussetzung für eine solche lineare Charakteristik ist jedoch, daß bei einer kontinuierlichen Frequenzveränderungen des gesamten Frequenzsystems die internen, in dem gegebenen Taktintervall nunmehr aber leicht veränderten Proportionen beibehalten werden, d. h. sich auch die relative Verstimmung der Frequenz des Informationsfrequenzkanals im Bezug zum GT nicht ändert. Die Erfüllung dieser Bedingung sei durch die Bezeichnung pPGM deutlich gemacht, wobei das kleine p für proportional steht. Zyklisch betrachtet ergibt sich im Fall der pPGM eine gleichförmige Rechts- bzw. eine Linksdrehung der Informations- frequenzphase gegenüber der Phase des Bezugsfrequenzkanals.

Dieser Effekt läßt sich nun sehr vorteilhaft für die Informationscodierung nutzen, da in der Signalanalyse der Drehsinn, d. h. die Richtung des Phasengradienten wesentlich leichter bestimmt werden kann, als z. B. der Betrag der Phasenverschiebung. Mathematisch bedeutet das, daß lediglich das Vorzeichen der ersten Ableitung der relativen Phasenverschiebung zwischen der Frequenz des Informationsfrequenzsignals und GT bestimmt werden muß, das mit anderen Worten besagt, ob die relative Phasengeschwindigkeit größer oder kleiner als Null ist (vergl Abb. 10 oben).

Dieser Vorgang kann nun in jedem Zeittakt für jeden Informationskanal individuell angewendet werden. Nutzt man ihm z. B. in Kombination mit dem bisher beschriebenen einfachen Ein- und Ausschalten, ergeben sich für jeden Informationskanal in einem gegebenen Zeittakt bezüglich des GT bis zu vier unterschiedliche diskrete Zustände: 1. Kein Signal, 2. Signal mit positivem Phasengradient, 3. Signal mit negativem Phasengradient und 4. Signal ohne Phasengradient, wobei man ggf. in der Praxis auf den 4. Zustand verzichten wird, da die quatemäre Codierung de facto eine temäre Phasengradientcodierung beinhaltet, die unter Umständen nicht ganz so sicher wie die binäre zu realisieren ist, weil sich einer dieser Digitalwerte auf einen singulären Geschwindigkeitswert (Null) bezieht. Diese Problematik hängt aber von der jeweiligen Empfangsqualität ab, denn senderseitig lassen sich alle Gradienten in der Regel mit großer Präzision generieren. Theoretisch könnte jedenfalls im ersten Fall die Informationsrate auf jedem Kanal gegenüber dem einfachen Ein- und Ausschalten verdoppelt und bei der zweiten Variante um ein Drittel gesteigert werden.

Als Alternative hierzu können auch entsprechend viele Informationsfrequenzkanäle eingespart werden, womit das Frequenzspektrum insgesamt schmaler gehalten werden kann, was ebenfalls mehrere Vorteile mit sich bringt, die wahlweise genutzt werden können. In diesem Fall müssen die Transducer nicht ganz so breitbandig sein, was sich u. a. bei Verwendung von Transducerkaskaden dahingehend auswirken kann, daß einzelne oder ggf. auch mehrere Elemente eingespart werden können. Das kann nützlich sein, um z. B. die Gerätekosten zu reduzieren. Andererseits kann aber auch bei unveränderter Gerätekonfiguration die nunmehr gegebene größere Variabilität und Adaptivität des Systems genutzt werden. So kann man wahlweise die Informationsrate dadurch erhöhen, daß bei Weglassen der niedrigeren Frequenzen die Taktzeiten verkürzt werden, während sich bei Verzicht auf die höheren Frequenzen eine größere

Übertragungsreichweite ergibt. Es gibt somit eine ganze Reihe guter Gründe, eine möglichst große Kardinalität (Anzahl von Digitalstufen) anzustreben und so die Informationsdichte auf den Informationskanälen zu erhöhen.

Die pPGM läßt sich nun dahingehend weiter ausbauen, daß neben der Richtung z. B. auch unterschiedliche Anstiege von linearen Phasengradienten, die sich durch unterschiedlich starke Verstimmungen der Frequenzen der Informationsfrequenzkanäle erzeugen lassen, für die Codierung genutzt werden können, wobei sich je nach der im konkreten Fall erreichbaren Diskretisierung weitere Kombinations- und Codierungsmöglichkeiten ergeben.

In Verbindung mit der FGM können positive oder negative Phasengradienten aber auch durch solche Frequenzveränderung der Informationsfrequenzkanäle erzeugt werden, die nicht ganz exakt proportional zur Veränderung des Grundtones durchgeführt werden (siehe Abb. 10 unten).

Zur Unterscheidung von der pPGM sei diese Variante als nPGM bezeichnet, wobei das n für nicht proportional steht. Die nPGM kann etwa dergestalt realisiert werden, daß die Frequenz des jeweiligen Informationsfrequenzkanals in einem gegebenen Taktintervall geringfügig schneller oder langsamer verändert wird, als es z. B. die Basisvariante der proportionalen FGM vorsieht. Es ist nunmehr klar erkennbar, daß beide Varianten der PGM am günstigsten für harmonische Frequenzreihen in Verbindung mit der proportionalen FGM anzuwenden sind.

Das Grundprinzip der sich gegenüberstehenden Altemativmethode zur Erzeugung von Phasengradienten besteht mit anderen Worten darin, die proportionale FGM dahingehend zu modifizieren, daß nun auch innerhalb eines jeden Taktes für jede Signalkomponente individuell ein kleiner zusätzlicher, typischerweise linearer Frequenzgradient erzeugt werden kann. Dann ergibt sich

im Unterschied zur pPGM in der Überlagerung mit dem GT anstelle des linearen Phasendrift eine etwas andere Charakteristik, nämlich typischerweise eine quadratische Kurve, die einer beschleunigten Winkelbewegung entspricht, deren Richtung und Form jedoch von der Lage der Start und Endwerte der jeweiligen Frequenzänderung bezüglich der Sollwertkurve abhängt (vergl. Abb. 10). Bei der nPGM können allein schon anhand der Vorzeichen der ersten und zweiten Ableitung der relativen Phasenwinkel als Funktion der Zykluszeit des GT bis zu 6 Konfigurationen unterschieden werden. Nimmt man nun beide Varianten zusammen, ergeben sich für die PGM insgesamt bis zu 8 unterschiedliche Vorzeichenkombinationen.

Interessant an der nPGM ist aber auch, daß ggf. zusätzlich zu den Vorzeichen auch bestimmte relative Phasenwinkel, z. B. die Phase der Start- oder Endwerte oder der Schnittpunkte mit der Sollwertkurve im Sinne der RPWM genutzt werden können.

In Fig. 11 ist der Grundaufbau einer Sendeeinheit zur Informationscodierung dargestellt. Das Grundprinzip weist eine Informationseinheit auf, welche die zu kodierende Information einem Codierer 3 zuführt. Der Codierer verschlüsselt die von der Informationseinheit gelieferte Information in eine entsprechend der Frequenzkanäle bestehend aus Bezugsfrequenzkanal und Informationsfrequenzkanal notwendigen Codierung und führt die codierte Information entsprechend dem Mittel zum Erzeugen eines Bezugsfrequenzkanals und zumindest einem Informationsfrequenzkanals in Form von Generatoren 5 zu, welche von einem Steuermodul 7 angesteuert werden. Die von den Generatoren erzeugten Wellenkomponenten mit gegebener Amplitude, Frequenz und Phase werden einem Mischer 9 zugeführt, welche wiederum von dem Steuermodul 7 ansteuerbar ist.

Gemäß dieser Ausführungsform wird das in dem Mischer erzeugte Informationssignal, falls erforderlich einem Leistungsverstärker 11 zugeführt, welche das Informationssignal entsprechend dem Übertragungsmedium angepaßten Wandler bzw. Wandlerkaskade zuführt.

Gemäß dieser Ausführungsform ist für jeden Frequenzkanal ein Generator vorgesehen.

Die in Fig. 12 gezeigte Ausführungsform einer bevorzugten Sendeeinheit wird dargestellt, wenn eine Amplitudenmodulation hinsichtlich des Informationssignals vorgenommen werden soll. Hierzu wird bevor das in Einzelkomponenten hinsichtlich des Bezugsfrequenzkanals und der Informationskanäle zerlegte Informationssignals dem Mischer zugeführt wird, das Informationssignal über beispielsweise jeweils einem Modulator für jeden Informationsfrequenzkanal unter Ansteuerung von dem Steuermodul zugeführt.

In Fig. 13 ist eine Ausführungsform einer Empfangseinheit des anmeldungsgemäßen Systems dargestellt. Ein entsprechend dem Übertragungsmedium angepaßter Wandler bzw. Wandlerkaskade nimmt das ankommende Informationssignal, welches in Fig. 13 als akkustisches Signal dargestellt ist, auf und führt es einem Verstärker 23 zu. Hinter dem Verstärker ist ein Filter 25 zur Trennung und Analyse der einzelnen Frequenzkanäle und insbesondere zum Herausfiltem des Bezugsfrequenzkanals vorgesehen. Das von dem Filter, vorzugsweise ein Low-Pass-Filter, kommende Signal wird dem Bezugsfrequenzdetektor 27 zugeführt, welches die Bezugsfrequenz und die Empfangsstärke ermittelt. Diese Daten werden dem Steuermodul 29 der Empfangseinheit zugeführt. Parallel hierzu wird das Informationssignal vor Eintreten in den Low-Pass-Filter 25 abgegriffen und den ansteuerbaren Filtern 31 für die einzelnen Informationsfrequenzkanäle zugeführt. Die von dem Filter

abgehenden Signale werden in einem ansteuerbaren Schwellwertschalter 33 analysiert und einem Dekoder 35 zugeführt, welcher die ursprünglich vorhandene Information entschlüsselt.

In Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, welche zusätzlich Phasendetektoren für beispielsweise die proportionale bzw. nichtproportionale Phasen-Geschwindigkeits-Methode bzw. der Phasendifferenz-Methode dargestellt.

Zur Analyse der Phasenkomponenten werden hierzu zwischen den ansteuerbaren Filter 31 und den ansteuerbaren Schwellwertschalter 33 die Phasendetektoren 32, vorzugsweise entsprechend der Anzahl der zu ermittelnden Informationsfrequenzkanäle angeordnet, wobei zur Phasenbestimmung als Referenz die Bezugsfrequenz beim Grundton-Detektor abgegriffen wird.

Hinsichtlich einer bevorzugten Signalverarbeitung wird im folgenden anhand der Figuren 15 bis 24 detalliert auf unterschiedliche Ausführungsformen zur Signalverarbeitung eingegangen werden.

Das anmeldungsgemäße Verfahren beinhaltet zwei wesentliche Grundfunktionen, die auf unterschiedliche Weise realisiert und kombiniert, ggf. auch einzeln angewendet werden können. Diese Grundfunktionen seien als vollständige Doppler- Kompensation, abgekürzt vDK und als"Kanalreinigung", abgekürzt KR bezeichnet. Die entsprechenden Grundprinzipien seien zunächst separat erklärt, bevor dann auf die diversen verfahrenstechnischen Modifikations- und Kombinationsmöglichkeiten eingegangen wird: 1. Lösung des Doppler- Problems : Zur Erläuterung der Grundprinzipen der vDK sei hier zunächst ein einfaches Beispiel ausgewählt, bei dem der niedrigste Frequenzkanal die Bezugskomponente liefert und die Frequenzen der Informationskanäle eine harmonische Reihe bilden,

d. h. in einem ganzzahligen Verhältnis zur Bezugsfrequenz stehen. Falls seitens des Senders eine Variation der Frequenzen erfolgt, so mittels der pVMT. Seitens des Empfängers werden alle Signalkomponenten gleich im ersten Schritt, beispiels- weise mittels einer Kaskade von Bandpaßfiltern (BPF) voneinander getrennt. Der Einfachheit halber seien zunächst auch ideale Übertragungsbedingungen angenommen, so daß jede Komponente nur aus einer Kanalantwort besteht und alle Komponenten in etwa mit der gleichen Stärke gesendet und empfangen werden können. Derart günstige Verhältnisse können z. B. bei der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in der Luft vorkommen. An diesem Beispiel soll zunächst erklärt werden, daß und wie durch eine geeignete Bearbeitung eine vollständige Doppler-Kompensation erfolgen kann.

Das Doppler-Problem besteht darin, daß infolge von Relativbewegungen zwischen Sender und Empfänger Frequenzverschiebungen auftreten die oftmals nicht genau vorhergesagt werden können, weil beispielsweise die Geschwindigkeit der Relativbewegung nicht genau bekannt ist. Damit lassen sich aber auch die Phasenlagen der Informationssignale nicht mehr genau bestimmen, was erhebliche Einschränkungen für alle Formen der Informationsübertragung bedeutet, die eine Phasencodierung verwenden. Dieses Problem kann mittels der differenziellen Phasencodierung, bei der nicht die Phasenwinkel an sich sondern nur deren Veränderung von Takt zu Takt betrachtet wird, etwas reduziert, jedoch nicht grundsätzlich gelöst werden. Es läßt sich jedoch eine nahezu hundertprozentige Doppler - Kompensation erreichen, wenn die einzelnen Informationskomponenten auf geeignete Weise jeweils gemeinsam mit der Bezugskomponente bearbeitet werden. Eine vorteilhafte Lösung beinhaltet, einen paarweisen Doppler- Abgleich, abgekürzt pDA, der auf unterschiedliche Weise realisiert werden kann. Eine einfache Möglichkeit soll im folgenden Beispiel etwas ausführlicher erläutert werden :

Exemplarisch für alle anderen sei hier für einen Zeittakt die Bearbeitung der ersten Informationskomponente dargestellt, deren Frequenz fik und demzufolge auch deren Winkelgeschwindigkeit ik doppelt so groß ist, wie die entsprechenden Werte fb und b der Bezugskomponente. Angenommen, das Empfangssignal liegt in digitaler Form vor, dann können die vom Sender abgegebenen Signalanteile send b und send ik in der folgenden Form dargestellt werden : fF sendbn = + COS(Zts + k)(nts)2) (1) send jk n = g cos(2fisnts + k2cs(nts)2 + Rik + 0 in) (2) wobei N - die Gesamtzahl der Abtastungen in dem gegebenen Taktintervall, n - die Nummer der jeweils aktuelle Abtastung, ts - die Länge der Zeitintervalle in denen die Abtastung erfolgte und demzufolge nts - die diskrete Zeit, E die Energie, oi, - die Anfangsphase und Oinf den fiir die Codierung verwendeten Winkel der Informationskomponente bezeichnen und Faktor k die Steilheit der bei der proportionalen VMT aktiv erzeugten Frequenzverschiebung definiert.

Allgemein kann k eine beliebige geeignet Funktion der Zeit sein, positive oder auch negative Werte annehmen oder auch Null sein. Letzteres bedeutet, daß sie Verwendung konstanter Sendefrequenzen als Spezialfall in die Betrachtung eingeschlossen sind.

Da die Phasenlage der Bezugsfrequenz senderseitig nicht verändert und im weiteren auch keine Rolle spielen wird, wurde in Gleichung (1) der betreffende Wert gleich Null gesetzt.

Infolge des Doppler-Beaufschlagung unterscheiden sich die empfangenen Signalkomponenten empf b und empf ik von den gesendeten durch ein zusätzliches Glied : foC' empfb n = N cos (ants+k (nts) Z+D. rnts) (4) fir empf jk n = g cos(2cuntS + k2dtS(nts)2 + D2c9ntv + Sik + 6Rinf ) ( 5) wobei D - den Doppler- Koeffizient bezeichnet, der das Verhältnis von Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger (mit positivem Vorzeichen bei gegenseitiger Annäherung und negativem Vorzeichen bei Entfernung) und der Geschwindigkeit der Signalausbreitung im Übertragungsmedium beinhaltet.

Anhand der unterstrichenen Glieder dieser Gleichungen wird deutlich, daß sich die Doppler-Beaufschlagung der beiden Signalkomponenten genau um den Proportionalitätsfaktor unterscheidet, der auch das Verhältnis der entsprechenden Sendefrequenzen definiert. Im vorliegenden Beispiel ist dieser Proportionalitätsfaktor gleich 2.

Da der Proportionalitätsfaktor also bekannt ist, spielen die genauen Beträge der durch den Doppler-Effekt verursachten Phasenverschiebungen praktisch keine Rolle mehr. Wenn nämlich die Bezugskomponente so transformiert wird, daß sie die selbe Frequenzcharakteristik wie die jeweils zu analysierende Informationskomponente bekommt, ergibt sich für beide exakt die gleiche Doppler-Verschiebung. Im vorliegenden Beispiel kann aus der Bezugskomponente durch Multiplikation mit sich selbst eine solche, mit der Informationskomponente Doppler-identische Referenz Rf erzeugt werden. Nach der Multiplikationsregel ergibt sich :

Rf n = empf, n x empfb n Nach Wegfiltem des nicht benötigten Seitenbandes und Skalierung mit dem Faktor 2N/E bekommen wir schließlich ein normiertes Referenzsignal Rf', welches sich hinsichtlich der Phase von der in Gleichung (5) dargestellten Informationskomponente unterscheidet : Dieses Referenzsignal kann somit gewissermaßen als signalinteme Uhr verwendet werden, mit deren Hilfe die Phasenwinkel der Informationskomponente bestimmt werden können.

In ähnlicher Weise können aus der Bezugskomponente auch für alle weiteren, in dem Empfangssignal enthaltenen Informationskomponenten die jeweils erforderlichen Referenzen entwickelt werden. Nur muß dann mehrfach multipliziert und ggf. auch gefiltert werden. Generell lassen sich natürlich auch die Informationskomponenten in der gleichen Weise umwandeln, was sich z. B. dann als nützlich erweisen kann, wenn anders als in dem hier ausgewählten Beispiel die Frequenzen der Informationskomponenten niedriger als die der Bezugskomponente liegen oder zur derselben in keinem ganzzahligen Verhältnis stehen. Im letzten Fall kann der gleiche Vorgang individuell für jede Seite der jeweils aus Bezugs- und Informationskomponente zu bildenden Paare so oft angewendet werden, bis beide Anteile zur Deckung kommen. Da sich aber mit jeder Multiplikation auch die Anzahl der im jeweiligen Spektrum enthaltenen

Frequenzanteile vervielfacht, wird man bemüht sein die Kanäle so zu legen, daß möglichst wenig Schritte für den paarweisen Doppler- Abgleich erforderlich sind.

Generell muß bei allen Anwendungen für phasencodierte Signale hinsichtlich der Auswahl einer für den paarweisen Doppler- Abgleich geeigneten Vorgehensweise auch beachtet werden, daß bei der Manipulation der Informationskomponenten kein Informationsverlust, beispielsweise durch mehrdeutige (ambigious) Phasenlagen, auftritt.

Im weiteren soll anhand des genannten Beispiels eine Möglichkeit erläutert werden, wie nach der oben beschriebenen Signalaufbereitung nun auf einfache Weise die Phasenlage der jeweiligen Informationskomponente bestimmt werden kann. Dazu kann beispielsweise eine Zerlegung der betreffenden Informations- komponente auf den die Quadratur - Funktionen des dazugehörigen Referenzsignals Rf n durchgeführt werden, welche nachfolgend beschrieben wird.

Da die Referenz Rf' n in diesem Beispiel bereits in der Kosinusform vorliegt, können wir schreiben : RfC [n] = Rf n Die entsprechende Sinus - Quadratur - Komponente RfS [n] kann man dann z. B. durch Bildung der ersten Ableitung von RfC [n] und entsprechende Normierung der Amplitude erhalten.

Jetzt schreiben wir für die Projektion der Informationskomponente auf die Kosinus - Quadratur - Komponente der Referenz :

N2 CQ= empfi, n xRfC n Nl 7 cos(2zntS+ k269(ntS)2 +D2cunts + Sik + Sinf)X g cos(2zetS+ k2D(ntS)2 +D2znts) y. _ , v = 77 E"T s ( + . nf) + T7 E -, - cos (4 + 4 ()' + D4 + , + ) N N 2 N N, 2 wobei N1 den Anfang und N2 das Ende des jeweiligen Taktes bezeichnen.

Da im zweiten Summanden die Funktionswerte um Null schwingen, heben sich in der Summe die positiven und negativen Anteile auf, so daß dieses Glied insgesamt gegen Null strebt und somit ohne großen Fehler vernachlässigt werden kann : CQ # #E # cos(#ik + #inf) Entsprechend ergibt sich für die Projektion der empfangenen Informations- komponente auf die Sin-Quadratur-Komponente der Referenz : N2 SQ empf,, n x RfS n N1 A'2) -ir- rr 2E cos (2ants + k2 (nts)' + d 2Snst + Bk + 8 ; f) x 2 sin (2ts + k2itS(nts)2 + d 2BnSt) N N3 N2 --2 N 2VE sin (4mt, + k4 (nts)' w d 4o-v, t + Oi + Oinf2 N 2 S1I1-8k - Oi.,) y - - I > sin(6k Sinf ) = Xsin(°jk + 49inf ) N N, 2 TVr, Z Im weiteren seien nun CQ und SQ als x- bzw. y- Koordinate eines Punktes im rechtwinkligen Koordinatensystem betrachte. Dann schließen die Verbindungslinie zwischen diesem Punkt und dem Koordinatenursprung und die Abszisse den gesuchten Phasenwinkel 0 ein. Dieser kann nun mit geeigneten Algorithmen leicht bestimmt werden. Eine anschauliche Darstellungsform ist z. B. :

O = arctan = arctan = Sik - inf - e ; nf Die Phase der empfangenen Informationskomponente wird hier als Differenz zwischen der Anfangsphase der gesendeten Welle und der Codierungsphase dargestellt, d.h., daß sie innerhalb eines jeden Taktes invariant gegenüber der Zeit ist. Der Vollständigkeit halber sei dargestellt, daß ebensogut auch die Phasendifferenz zwischen dem vorangegangenen und dem aktuellen Takt zur Codierung genutzt werden kann. Bezeichnet man die Takte mit den Indizes i bzw. i+1, so ergibt sich für die differenzielle Phasencodierung : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> #i+1 = (#ik - #infi+i) - (#ik - #infi) = #infi - #infi+1 <BR> -aikBinfaikainf-BinfBinf In analoger Weise lassen sich für jeden Zeittakt auch die Phasenlagen der übrigen Informationskomponenten mit hoher Genauigkeit bestimmen. Das wiederum bietet dem Anwender die Möglichkeit für eine entsprechend feine Diskretisierung der Phasenwinkel und damit für eine Steigerung der Informationsrate. Die oben beschriebene Methode der Phasenwinkelbestimmung sei im weiteren allgemein als CS- Projektion bezeichnet.

Die vDK bildet insbesondere die Grundlage für das Verfahren nach Anspruch 28. Fig. 23 veranschaulicht in der Gesamtübersicht nochmals die wichtigsten Elemente des Bearbeitungsflusses der vDK. Die Übersicht zeigt weiterhin, daß verschiedene der hier beschriebenen Elemente in ähnlicher Weise auch in anderen vorteilhaften Ausführungsformen Verwendung finden können.

2. Kanalreinigung : Die KR beinhaltet die Identifikation der jeweils besten Kanalantwort und deren signaltechnische Separation bei gleichzeitiger Minimierung der Intersymbol Interactions. Sie kann ihrerseits bereits eine teilweise Doppler- Kompensation einschließen, welche für eine Reihe von Anwendungen bereits ausreichen kann.

Betrachten wir nun als Beispiel den Fall, daß die Doppler-Effekte keine wesentliche Rolle spielen, der Empfang aber durch die Überlagerung diverser Kanalantworten beeinträchtigt wird. Derartige Ubertragungsbedingungen sind u. a. häufig bei der akustischen Kommunikation mit oder zwischen langsam bewegten oder stationären Objekten unter Wasser anzutreffen. Jede der Signalkomponenten ist dann durch ein ganzes Spektrum von Kanalantworten repräsentiert (vergl. schematische Darstellung in Fig. 5 und Fig. 17a). Das anmeldungsgemäße Verfahren zur Signalverarbeitung muß nun vor allem gewährleisten, daß die Intersymbol Interactions minimiert werden.

Obwohl im Ergebnis der VMT die diversen Kanalantworten mit unterschiedlichen Frequenzen beim Empfänger eintreffen, ist es in der Praxis kaum möglich, gleich im ersten Schritt für jede Komponente die jeweils günstigste Kanalantwort aus dem betreffenden Spektrum herauszufiltern, da diese meist sehr dicht beieinander liegen und die Frequenzen nicht feststehen (vergl. Fig. 18). Auch mitlaufende Bandpaßfilter können schwerlich genügend scharf dafür eingestellt werden. Eingangs hatten wir jedoch vorausgesetzt, daß es möglich sein muß, die entsprechenden Spektren der Bezugs- und Informationskomponenten voneinander zu trennen (Fig. 17b und Fig. 17c).

Nach Multiplikation der Bezugskomponente mit der jeweilige Informationskomponente (Fig. 17d) erhält man jeweils zwei Spektren von Zwischenfrequenzen, die unterschiedlich hoch liegen und unterschiedlich schnell

laufen (Fig. 17e). Es bietet sich an, das jeweils niedrigere Frequenzband z. B. mittels eines Low-Pass-Filters für die weitere Bearbeitung herauszufiltem. In diesem Anteil sind mögliche Doppler- Effekte reduziert, während sie in dem anderen Spektralanateil verstärkt werden. Falls das zweite Seitenband nicht stört, weil beispielsweise genügend Rechenkapazität vorhanden ist, kann es auch mitgeführt werden, d. h. die Filterstufe kann eingespart werden.

Im nächsten Bearbeitungsschritt wird das zumindest eine verbliebene Frequenzband mit einer systemintemen generierten Hilfsfrequenz multipliziert (Fig. 17f), deren Charakteristik so gewählt wird, daß im Ergebnis der Multiplikation der eine Anteil der zweiten Zwischenfrequenzen fest steht, d. h. sich diese betreffenden Frequenzen zeitlich nicht mehr ändern (Fig. 17g).

Die Charakteristik der jeweiligen Hilfsfrequenz (Hl ; H2 ;... HN) ergibt sich entweder aus der zwischen Sender und Empfänger festgelegten oder operativ vereinbarten Abstimmung hinsichtlich der für die Informationsübertragung verwendeten Signalstruktur oder sie wird im Rahmen einer im Vorfeld der Informationsübertragung durchgeführten Sondierung des Übertragungskanals (Kanaltraining siehe unten) bestimmt.

Fig. 19 veranschaulicht, daß diese Stufe auch dann erreicht werden kann, wenn zunächst nur die Bezugskomponente von den Informationskomponenten getrennt werden konnte. Durch geeignete Wahl der Heterodynefrequenz kann dann die Frequenz der jeweils zur Bearbeitung vorgesehenen Informationskomponente (im vorliegenden Beispiel die erste) stabilisiert werden.

Ein Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß mittels geeigneter Heterodynfrequenzen die gewünschten Anteile der stabilen Zwischenfrequenzen stets in einem definierten Fenster plaziert und somit mittels eines feststehenden

Filters, beispielsweise eines Low-Pass-Filters optimal herausgefiltert werden können (Fig. 17h).

Fig. 20 soll an einem praxisnahen Beispiel mit einer Vielzahl von Kanalantworten veranschaulichen, daß jedoch anhand eines solchen Spektrums stabiler Zwischenfrequenzen noch keine verläßlichen Aussagen z. B. über die Phasenlage zu machen sind, da die diversen Kanalantworten zu unterschiedlichen Zeiten verschieden stark repräsentiert sein können.

Deshalb wird nunmehr eine zweite Filterstufe eingefügt, bei der im Prozeß eines vorangegangenen Kanaltrainings (Beschreibung siehe weiter unten) für jede Komponente bestmögliche Trennschärfe für die insgesamt stärkste Kanalantwort eingestellt wurde. Die gepunktete Linie in Fig. 17h soll zeigen, daß die Flanken dieser Filter sehr steil eingestellt werden können. Folglich können die Einflüsse der übrigen Kanalantworten auf die bestmögliche Weise minimiert werden (Fig.

17i).

Fig. 21 veranschaulicht für das praxisnahe Beispiel, daß im Ergebnis einer solchen scharfen Filterung aus der Vielzahl der in Fig. 20 noch fluktuierenden Kanalantworten eine eindeutige Auswahl getroffen und der Einfluß der übrigen Anteile unterdrückt werden kann. Der gesamte, in diesem Zusammenhang beschriebene Prozeß sei als Kanalreinigung mit teilweiser Doppler- Kompensation bezeichnet.

Parameterbestimmung : Die solchermaßen aufbereiteten und von störenden Kanaleinflüssen weitestgehend bereinigten Signalkomponeten können nunmehr einer detaillierten Parameteranalyse unterzogen werden. Dabei lassen sich sowohl die Amplituden als auch die Phasen der informationstragenden Signalanteile mit größtmöglicher

Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ermitteln. Verschiedene Amplitudenwerte können z. B. auf einfache Weise mittels Schwellwertschalter unterschieden werden.

Falls zur Bestimmung der Phasenwinkel eine C-S- Projektion durchgeführt werden soll, können ggf. zur Komponentenzerlegung erforderliche Referenzschwingungen (bzw. deren Sinus- und Cosinusanteile) künstlich generiert werden. Letzteres ist technisch kein Problem, da dem System die Einstellungen der letzten (scharfen) Filterstufe und damit die Frequenzen der informationstragenden Signalanteile bekannt sind. Je nach verwendeter Codierungsform können aber auch vom Anwender aus dem breiten Repertoire der bekannten Algorithmen die jeweils am besten geeigneten ausgewählt und eingesetzt werden.

In der oben beschriebenen Form kann die KR vorzugsweise in Verbindung mit einer pVMT (vergl. Fig. 5) eingesetzt werden. Sie läßt sich aber auch problemlos an die paVMT (vergl. Fig. 15) anpassen. Im Fall der paVMT führt die Multiplikation von Bezugs- und Informationskomponente unmittelbar zu stehenden Zwischenfrequenzen, so daß sich ggf. die Multiplikation mit Hilfsfrequenzen erübrigt. Sollte ein solcher Zwischenschritt dennoch zweckmäßig sein, beispielsweise um das betreffende Frequenzband in ein bestimmtes Filterfenster zu schieben, so kann dieses leicht durch Multiplikation mit jeweils einer konstanten Hilfsfrequenzen geschehen. Das liegt aber im Spielraum der obigen Beschreibung.

Die KR ist somit grundsätzlich für alle Formen der VMT geeignet, bei denen der Gradient der aktiv erzeugten Frequenzänderung ungleich Null ist. Um die hier beschriebene Variante von den nachfolgenden Modifikationen zu unterscheiden, sei sie mit KR1 bezeichnet. Die hier beschriebene vorteilhafte Ausführungsform des anmeldungsgemäßen Verfahrens bildet die Grundlage des Anspruchs 18. Die wichtigsten Elemente dieses grundlegenden Verfahrens sind nochmals in der Übersicht in Fig. 23 dargestellt.

Die oben beschriebene Variante der KR kann beispielsweise dergestalt modifiziert werden, daß die Bezugs- und Informationskomponente zunächst nicht miteinander multipliziert werden. In diesem Fall erfolgt die Bildung stabiler Zwischenfrequenzen direkt in einem Schritt durch Multiplikation der jeweiligen Signalkomponente mit einer jeweils geeigneten Hilfsfrequenz. Diese Vorgehensweise bringt den Vorteil, daß die Spektren der stabilen Zwischenfrequenzen nicht mehr Anteile haben, als die Empfangskomponenten.

Nach dem Herausfiltem der für jede Komponente jeweils besten Kanalantwort (Kanalreinigung) besteht dann immer noch die Möglichkeit, den jeweiligen informationstragenden Signalanateil mit der Referenz zu verarbeiten, um zumindest eine teilweise Doppler- Kompensation zu erreichen, bzw. um, analog zu dem bei der vDK beschriebenen Beispiel, eine Phasenwinkelbestimmung mittels C-S- Projektion der informationstragenden Komponente auf die Kosinus- und Sinus - Quadratur- Komponenten des gereinigten Bezugssignals durchzuführen.

Die entsprechende Frequenzanpassung der Referenz kann, falls erforderlich, entweder im Zuge der Multiplikation mit einer geeigneten Hilfsfrequenz erfolgen, oder nach Abschluß der letzten Filterstufe durch Multiplikation mit jeweils einer geeigneten konstanten Hilfsfrequenz. Im zweiten Fall braucht die Referenzkomponente nur einmal durch die Filter zu laufen.

Mit den im vorangegangenen Absatz beschriebenen Modifikationen ergibt sich eine weitere vorteilhafte Ausführungsform. Der schematisch vereinfachte Ablaufplan wurde in der Übersichtsdarstellung (Fig. 23) als KR2 bezeichnet.

Falls Doppler- Effekte aber gar keine Rolle spielen, kann die Bezugskomponente auch ganz weggelassen oder als zusätzliche Informationskomponente verwendet werden. Dann ist ohnehin nur KR2

anwendbar. Die Parameterbestimmung muß dann allerdings wieder analog zu der bei KR1 beschriebenen Vorgehensweise erfolgen.

Der Vollständigkeit halber sei hier auch nochmals auf die eingangs beschriebene jedoch nicht bildlich dargestellte Alternativlösung verwiesen, bei der beispielsweise im Rahmen der pVMT die Stufe der stabilen Zwischenfrequenzen auch ohne vorherige Trennung der Komponenten lediglich durch Multiplikation der in aufeinander folgenden Takten empfangenen Signale erreicht werden kann.

Dieser Schritt beinhaltet ebenfalls eine teilweise Dopplerkompensation. Als Besonderheit ergibt sich in diesem Fall, daß je nach Frequenzhub dann die Spektren der stabilen Zwischenfrequenzen der betreffenden Kanäle in separaten, jedoch mehr oder weniger dicht benachbarten Fenstern liegen. Allerdings erhält man im Ergebnis einer solchen Transformation eine sehr komplexe Signalstruktur.

Insbesondere wenn eine größere Anzahl an Informationskanälen verwendet wird, muß sorgfältig auf die Vermeidung eventueller Überlagerungen der Kreuzprodukte geachtet werden. Zur Trennung der Kanalantworten kann dann beispielsweise eine Kaskade von scharfen Filtern eingesetzt werden.

Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, daß mit der Beschreibung der Filtersysteme lediglich das Grundprinzip der Vorgehensweise veranschaulicht werden soll. In der Praxis ist es durchaus denkbar, auch komplexere Methoden der Signalbearbeitung und Singnalanalyse einzusetzen, welche die hier beschriebenen Arbeitschritte in ähnlicher oder anderer Form implizieren. Das Prinzip bleibt in jedem Fall gleich.

Komplettlösungen : Nachdem zunächst die verfahrenstechnischen Grundlagen für die vollständige Doppler- Kompensation und verschiedene Varianten der Kanalreinigung (z. T. inklusive einer teilweisen Doppler- Kompensation) separat

beschrieben wurden, sei nun ein Anwendungsfall betrachtet, bei dem der Empfang sowohl durch diverse Kanalantworten als auch durch starke Doppler- Effekte beeinträchtigt ist. Eine solche Kombination von Störgrößen erschwert z. B. häufig die Kommunikation mit bzw. zwischen bewegten Objekten unter Wasser.

Für diesen Fall besteht eine Lösungsmöglichkeit beispielsweise darin, vDK und KR2 miteinander zu kombinieren : Nach Trennung von Bezugs- und Informationskomponente wird zunächst, wie bei der vDK beschrieben, ein paarweiser Doppler- Abgleich durchgeführt, indem zumindest eine der paarweise zu betrachtenden Signalkomponenten, ggf. auch beide auf geeignete Weise so transformiert wird bzw. werden, daß beide exakt den selben Frequenzgang aufweisen, somit gleich stark Doppler- belastet sind. Optional können die jeweils nicht benötigten Seitenbänder weggefiltert und die verbliebenen Signalanteile wieder normiert werden.

Danach werden beide Komponenten separat durch Multiplikation mit typischerweise der selben Hilfsfrequenz (die den gleichen Anstieg wie die betreffenden Komponenten hat, jedoch etwas parallel verschoben ist) multipliziert, somit in stabile Zwischenfrequenzen überführt und dann jeweils separat den nachfolgenden Filterstufen zur Kanalreinigung unterzogen. Dazu können die scharfen Filter ggf. für jede Komponente individuell eingestellt werden. Im Idealfall können die betreffenden Filtereinstellungen auch bei der Feinabstimmung der o. g. Hilfsfrequenzen berücksichtigt werden.

Im Ergebnis erhält man sowohl für die Informationskomponente als auch für die Referenz jeweils ein von Intersymbol Interactions weitestgehend bereinigtes Signal. Nach dieser"Reinigung" (ggf. inklusive Schwellwertanalyse) kann die

Parameterbestimmung dann z. B. entsprechend der bei der vDK bzw. KR2 beschriebenen Vorgehensweise erfolgen, wobei mittels der paarweisen Bearbeitung der jeweiligen Informationskomponente mit der dazugehörigen Referenz die vollständige Doppler- Kompensation erreicht wird.

Die oben beschriebene Ausführungsform des anmeldungsgemäßen Verfahrens bildet die Grundlage für die vorteilhafte Ausführungsform des Verfahren gemäß Anspruch 8. In der schematisierten Übersicht in Fig. 23 wurde sie mit Kompl. l bezeichnet.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht in einer geeigneten Kombination von vDK und KR1 (vergl. vereinfachte Darstellung des Ablaufplanes Kompl. 2 in Fig. 23) : Auch in diesem Fall erfolgt nach der Trennung von Bezugs- und Informationskomponente zunächst der paarweise Doppler- Abgleich. Danach wird eine der beiden Komponenten durch Multiplikation mit einer in diesem Fall jedoch konstanten, im System generierten Hilfsfrequenz um einen geeigneten Betrag parallel verschoben. Anschließend werden beide Partnerkomponenten miteinander multipliziert, womit die in Fig. 17g dargestellte Bearbeitungsstufe, d. h. die Ebene der stabilen Zwischenfrequenzen erreicht wird. Danach wird das Verfahren mit den beiden Filterstufen und der Parameterbestimmung gemäß KR1 fortgesetzt.

Diese zweite Komplettlösung beinhaltet, daß durch die Projektion der Informationskomponente auf die Doppler- identische Referenz die Einflüsse von durch Bewegungen hervorgerufenen Frequenzverschiebungen vollständig eliminiert werden. Damit ist die Referenz jedoch"aufgebraucht". Sie wird aber auch nicht mehr benötigt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß systemintern lediglich jeweils eine konstante Hilfsfrequenz generiert zu werden braucht, um das gewünschte Seitenband der stabilen Zwischenfrequenzen

exakt in das für die Filterung optimale Frequenzfenster einzuordnen. Im günstigsten Fall könnte möglicherweise für alle Komponentenpaare auch ein und dieselbe Hilfsfrequenz verwendet werden. Im Prinzip besteht die Möglichkeit, diese Hilfsfrequenz im Anschluß an die"Reinigung"auch als Referenz für die Phasenanlyse zu nutzen. Da man in der Praxis jedoch versuchen wird, die scharfen Filter individuell für jede Signalkomponente (die im vorliegenden Fall bereits eine entsprechend aufbereitete Kombination aus der jeweiligen Info- und Bezugskomponente verkörpert) einzustellen, die Filtereinstellungen dem System somit bekannt sind, können problemlos systemintem auch exakt darauf abgestimmte Referenzen (inklusive der Sinus- und Kosinus - Quadratur- Komponenten) künstlich erzeugt werden, falls diese für die Phasenanalyse benötigt werden (vergl. KR1).

Kanaltraining und Kanal- Tuning : Mittels des bereits mehrfach erwähnten Kanaltrainings ist anhand von geeigneten Testsignalen zunächst sicherzustellen, daß Signalstruktur möglichst optimal an die jeweiligen Übertragungsbedingungen angepaßt ist und/oder das zumindest gewährleistet wird, daß der Empfänger stets im erforderlichen Maße die Komponententrennung vornehmen kann. Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, kann das für das Verfahren nach Anspruch 1 sowie auch für alle weiteren Varianten, die eine Kanalreinigung enthalten, unbedingt zu empfehlende Kanal- Tuning durchgeführt werden. Dazu bietet es sich an, etwas längere, Signale ohne Codierung zu senden, welche im übrigen aber bereits die zur Informationsübertragung vorgesehene Charakteristik besitzen. Hierbei liegt es im Ermessen des Anwenders, ob alle Frequenzkanäle gleichzeitig verwendet werden, oder ob das Kanal-Tuning anhand von Testsignale durchgeführt wird, die nacheinander jeweils eine Bezugskomponente und eine oder mehrere Informationskomponente (n) enthalten. Die jeweilige Vorgehensweise muß natürlich auf die entsprechend ausgewählte Variante des Signalbearbeitungs-

verfahren abgestimmt sein. Die empfange-nen Testsignale durchlaufen nun alle in der betreffenden Variante vorgesehenen Bearbeitungsstufen bis zur Bildung der stabilen Zwischenfrequenzen. Auf dieser Ebene wird für jede der zur Auswertung vorgesehenen Signalkomponente (bzw. aus der jeweiligen Informations- und Bezugskomponente gebildeten Mischkomponente) individuell eine Analyse der Energiedichteverteilung in dem gegebenen Frequenzspektrum durchgeführt. Für eine solche Analyse kann beispielsweise eine FFT angewendet werden. Anhand dieser Auswertungsergebnisse wird dann die jeweils am besten geeignete Kanalantwort (typischerweise die energiereichste) ausgewählt, für die nunmehr die jeweils bestmöglich Einstellung der"scharfen"Filter vorgenommen und abgespeichert wird. Nachdem die betreffenden Einstellungen für alle Komponenten festgelegt sind, kann die eigentliche Informationsübertragung beginnen. Die Filtereinstellungen werden dann bis zum nächsten KanalTuning beibehalten.

Speziell bei der akustischen Datenübertragung unter Wasser sind die Übertragungsbedingungen oftmals nicht zeitlich stabil. In solchen Fällen bietet es sich an, zumindest das Kanal- Tuning in geeigneten Zeitabständen zu wiederholen, d. h. die Einstellungen der scharfen Filter regelmäßig zu aktualisieren.

Die Verwendung längerer uncodierter Signale für das Kanal- Tuning bietet eine gute statistische Sicherheit, bedeutet aber, daß zwischenzeitlich die Informationsübertragung kurz unterbrochen werden muß. Solche Unterbrechungen lassen sich ggf. aber vermeiden. Eine vorteilhafte Alternative biete das Verfahren nach Anspruch 23. Dabei wird während der Informationsübertragung operativ, d. h. anhand der fortlaufend empfangenen Signale, parallel zu dem eigentlichen Signalbearbeitungsprozeß oder als Bestandteil desselben eine fortlaufende Aktualisierung der genannten Filtereinstellungen und somit ein fortlaufendes Kanal-Tuning durchgeführt. Dazu ist es zweckmäßig, die Empfangsergebnisse aus

mehreren Takten in die Auswertung einzubeziehen. Eine solche Altemativlösung stellt natürlich entsprechend höhere Anforderungen an das Auswertungssystem.

Bestimmung der Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger : Abschließend sei noch kurz dargestellt, daß aus dem Empfangssignales eine möglicherweise hilfreiche Aussage hinsichtlich der aktuellen Abstandsänderung zwischen Sender und Empfänger abgeleitet werden kann. Die Signalbearbeitung nach den oben beschriebenen Verfahren zielt darauf ab, für jede Signalkomponente auf bestmögliche Weise die (Sende-) Parameter (u. a. die Phasenwinkel) zu rekonstruieren. Dazu war es zweckmäßig, die Komponenten so miteinander zu verarbeiten, daß die Doppler- Anteile eliminiert werden. Letztere wurden als Störgrößen behandelt. Diese Doppler- Anteile enthalten aber in Form des Doppler- Koeffizienten D = v/c (vergl. Gl. 4 und 5) eine Information, die zwar nichts mit der eigentlichen Datenübermittlung zu tun hat, jedoch Aufschluß über die momentane Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger v geben kann. Der Doppler- Koeffizient kann mittels geeigneter Methoden der Signalbearbeitung bestimmt werden. Da sich die Geschwindigkeit der Signalausbreitung c in etwa bekannt ist, bzw. im Rahmen der Kanalsondierung gemessen werden kann, läßt sich v abschätzen bzw. auch relativ genau bestimmen.

Als Beispiel sei hier ein möglicher Lösungswege skizziert : Dazu kann eine beliebige Empfangskomponente (zweckmäßigerweise z. B. die uncodierte Bezugskomponente) herausgegriffen werden. Falls erforderlich, kann diese nochmals extra entsprechend KR2 auf eine Kanalantwort reduziert werden. Da dem Empfänger die vom Sender verwendete Signalstruktur bekannt ist und sich mittels der Signalanalyse nach einem der o. g. Verfahren auch die Phasenlage bestimmen läßt, kann nun systemintem ein amplitudennormiertes Referenzsignal generiert werden, das hinsichtlich seiner Phasenlage und

Frequenzcharakteristik - mit Ausnahme des Doppler- Anteils, welcher ja noch nicht bekannt ist - der betreffenden Empfangskomponete gleicht. Nach Projektion der Empfangskomponente auf die Sinus- und Kosinus- Quadratur- Komponenten dieser Referenz und Filtem (LPF) erhält man jeweils den reinen Doppler- Anteil in Form von einfachen Sinus- und Kosinus- Schwingungen gleicher Amplitude. Die arctan- Funktion liefert das Argument Dealts. Da fflts bekannt ist, ergibt die Division D, und D multipliziert mit c schließlich v. (Schematisierter Ablaufplan siehe Doppler- Best. in Fig. 23) Es dürfte für viele Anwendungen vorteilhaft sein, diese wertvolle Zusatzinformation ohne zusätzlichen Meßaufwand bekommen zu können.

Weiterhin sei vermerkt, daß die Kenntnis der Doppler- Anteile auch zur weiteren Verbesserung der eigentlichen Signalbearbeitung beitragen kann. So können, z. B. die im Rahmen der KR systemintem generierten Hilfsfrequenzen präziser auf die Struktur der jeweiligen Empfangskomponeten abgestimmt und so die bei der eigentlichen Signalanalyse unerwünschten Doppler- Einflüsse noch besser bzw. auf einfachere Weise reduziert werden. Durch die Integration solcher Maßnahmen, ggf. auch deren iterative Anwendung, kann neben einer Verbesserung der Auswertungsergebnisse zumindest zwischenzeitlich auch eine Verfahrensoptimierung erreicht werden, da sich mit Erhöhung der Doppler- Resistenz auch die möglichen Einsatzbereiche beispielsweise von KR1 und KR2 erweitem. Damit kann der insbesondere bei der Multiplikation von Empfangskomponenten mitunter unvermeidbar rasche Datenzuwachs reduziert, ggf. auf Zwischenfilter verzichtet und der Ablauf insgesamt schneller gemacht werden. Alle Vereinfachungen im Kembereich des Verfahrens kommen der online Auswertung zugute. Selbst wenn die Doppler- Auswertung zunächst einen Zusatzaufwand bedeutet, können sich möglicherweise insgesamt Einsparungen

ergeben, da die Kemroutinen der Signalbearbeitung dann ggf. mit einer geringeren Hard und Softwarekapazität bewältigt werden können.

Femer lassen sich die zuletzt genannten Verbesserungen bzw.

Vereinfachungen des anmeldungsgemäßen Verfahrens zumindest zwischenzeitlich auf einfache Weise auch dann realisieren, wenn die Information über die jeweils aktuelle Doppler Verschiebung in bereits aufbereiteter Form, beispielsweise seitens eines externen Meßsystems zur Verfügung gestellt wird.

In Fig. 24 ist der Grundaufbau einer Signalbearbeitungseinheit dargestellt.

Das Grundprinzip weist eine Filtereinheit auf, welche in dieser Ausführungsform aus zwei parallel geschalteten steurbaren Filterelementen BPF1 und BPF2 besteht, die das Empfangssignal in Bezugs- und Informationskomponente teilen.

Diese beiden Signalanteile werden dann gemäß dem Mittel zur Frequenzumwandlung zunächst einer Wandlereinheit bestehend aus Wandlerl und Wandler2 zugeführt, in der ein paarweiser Doppler- Abgleich erfolgt, bevor dann beide Anteile mittels des Multiplikators 1 vereint werden, um später durch Multiplikator 2 mittels einer geeigneten, von einem Generator gelieferten Hilfs- bzw. Hetrodynefrequenz in stehende Zwischenfrequenzen überführt zu werden.

Als Mittel zur Unterdrückung von Störanteilen dienen in dieser Ausführungsform zunächst das Filter LPF1 und ggf. auch ein zweites Filter LPF2, welche jeweils in Reihe den Multiplikatoren nachgeschaltet sind und nicht benötigte Seitenbänder weg filtern. Danach erfolgt mittels des in Reihe geschalteten scharfen Filters BPF3 die Auslese des jeweils am besten geeigneten Signalanteils, welcher anschließend an das Mittel zur Parameteranalyse, in dieser Ausführungsform ein Modul zur Parameteranalyse, weitergeleitet wird. Falls

erforderlich, kann das Modul zur Parameteranalyse durch einen Generator für Referenzsignale ergänzt werden, der mit BRF3 in Verbindung steht.

Am Ende der Verarbeitungseinheit werden dann für jede Informationskomponenten die zur Codierung verwendeten Signalparameter ausgegeben.

Fig. 25 zeigt einen Grundaufbau für das im gleichen Kontext vorteilhaft einzusetzende Kanal- Tuning. Im Unterschied zu Fig. 24 werden in dieser Ausführungsform die Signalkomponenten im Anschluß an LPF2 an das Mittel zum Tunen geleitet, bei welchem hier eine FFT- Einheit das Modul zur Analyse von Frequenzspektren und die mit 3 bezeichnete Einheit die Auswertungseinheit bilden. Das Ergebnis wird dann dem Steuermodul zugeführt, das die jeweils optimalen Filtereinstellungen für BPF3 vornimmt.

Im folgenden werden weitere Möglichkeiten bzw. Anwendungen des anmeldungsgemäßen Verfahrens und des anmeldungsgemäßen Systems detailliert beschrieben.

Als weitere Option können in diesem Verfahren bei Verringerung des Abstandes zwischen Sender und Empfänger problemlos zusätzlich auch andere, zwischen den ursprünglichen Frequenzkanälen liegende bzw. auch höhere Frequenzkanäle genutzt oder das gesamte Spektrum in Richtung höherer Frequenzen verschoben werden. Dabei kann man sich den Effekt zunutze machen, daß mit Verringerung der Übertragungsdistanz in der Regel auch die Störeinflüsse zuriickgehen. Dazu brauchen Sender und Empfänger nur für ein entsprechend breites Frequenzspektrum ausgelegt und mit der Fähigkeit ausgestattet zu werden, auch ihre Codierer entspreched umzustellen. Seitens des Empfängers kann die Erkennung eventuell neu hinzugekommener Frequenzen entweder automatisch

erfolgen, oder der Wechsel zu einem neuen Arbeitsregime wird ihm vom Sender in einer geeigneten Weise (z. B. mit dem letzten Informationspaket) mitgeteilt. Die einzelnen Tonkanäle müssen jedoch soweit auseinander liegen, daß sie unter den jeweiligen Übertragungsbedingungen gut vom Empfänger unterschieden werden können. Umgekehrt kann die Vergrößerung der Distanz eine Verschiebung des gesamten Spektrums zu niedrigeren Frequenzen oder die Aufgabe der oberen Kanäle bzw. auch (insbesondere bei zunehmenden Störeinflüssen) eine Vergrößerung der Abstände zwischen den Kanälen durch proportionales Auseinanderziehen oder Auslassen von Zwischenstufen erforderlich machen.

Die in der Grundvariante des Verfahrens vorgesehene Auswahl der Frequenzbänder dergestalt, daß die Töne bzw. Frequenzen konsonieren oder ganzzahlige Vielfache (Obertöne) des Tones mit der niedrigsten Frequenz sind, zielt auf die Erreichung einer energetisch günstigen Konstellation ab.

Bei der Verwendung von harmonischen Frequenzreihen ergibt sich außerdem die Möglichkeit nichtlineare Effekte der Schallausbreitung zu nutzen und so eine Signalübertragung über größere Distanzen zu erreichen. Schallwellen sind Longitudinalwellen, bei denen sich Abschnitte mit höherer und niedrigerer Dichte abwechseln. Da die Schallgeschwindigkeit aber u. a. von der Dichte des Mediums abhängt, pflanzen sich die verdichteten Anteile schneller fort. Die Flanken einer ursprünglichen Sinusschwingung werden allmählich asymmetrisch, d. h. die Sinusschwingung verformt sich mehr und mehr in Richtung etwa einer Sägezahnschwingung. Physikalisch bedeutet das einen Energietransfer zu den Obertönen. Im Wasser ist dieser Effekt erst nach einigen Kilometern Weglänge spürbar. Sendet man gleichzeitig mit dem Grundton z. B. ein oder mehrere Obertöne aus, so erhalten diese aufgrund der Harmoniebeziehung durch die besag- ten nichtlineare Effekte zusätzliche Energie von den jeweils tieferen Tönen. In der Konsequenz werden sie nicht so schnell gedämpft, sie bleiben länger über dem

Niveau des Grundrauschens und erreichen somit eine größere nutzbare Reichweite.

Da die die Reichweite des Gesamtsystems in erster Linie durch die des jeweils höchsten Frequenzbandes bestimmt ist, ergibt sich insgesamt ein größerer Senderadius. Dazu ist es zweckmäßig, den Grundton permanent und diesen, wie nach Möglichkeit auch alle anderen Töne, mit hoher Energie zu senden.

Aufgrund der großen Variabilität des Systems können möglicherweise auch noch andere Eigenschaften der Übertragungsstrecke genutzt werden. Häufig bilden sich z. B. infolge schichtweiser Inhomogenitäten des Wassers bestimmte Übertragungskanäle aus, die ein eigenes Schwingungsverhalten besitzen. Je nach den betreffenden Eigenwerten können hier leicht verschiedene Moden angeregt werden, die zwar in der Regel relativ niedrige Frequenzen haben, dafür aber sehr weit tragen. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, die Frequenzbänder des Übertragungssystems auf diese Moden abzustimmen. Darüber müssen sich Sender und Empfänger jedoch auf geeignete Weise verständigen.

Falls die Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger so gering ist, daß Doppler-Effekte vernachlässigbar sind, können als Alternative zu der o. g. proportionalen FGM auch geeignete, für das gesamte System einheitliche Frequenzveränderungen durchgeführt werden. In diesem Fall wird gewissermaßen eine"OffsetKurve", oder bildlich gesprochen eine"Melodie"vorgegeben bzw. operativ nach Analyse der jeweiligen Übertragungsbedingungen bestimmt, und additiv allen Frequenzkanälen hinzugerechnet (vergl. Fig. 4). Diese Methode wird als parallele FGM bezeichnet. Die Besonderheit dieser Methode besteht darin, daß sich infolge Parallelverschiebung für alle Frequenzkanäle stets der gleiche Gradient, d. h. die gleiche Driftgeschwindigkeit ergibt, womit im Idealfall über das gesamte Spektrum eine optimale Trennung der eigentlichen Signale von den Störkomponeten erreicht werden kann. Das solchermaßen modifizierte Verfahren hat zudem den Vorteil, das sich das Frequenzspektrum nicht mit dem Ansteigen

der Bezugsfrequenz aufspreizt. Aufgrund der stärkeren Bündelung laufen die oberen Töne dann nicht so leicht in Gefahr, in Frequenzbereiche mit zu geringem Ausbreitungsradius zu geraten und somit abgeschnitten zu werden. Damit können die in Sinne der Informationsübertragung schnelleren oberen Frequenzbereiche besser ausgenutzt werden. Die parallele FGM läßt sich vielleicht auch praktisch leichter realisieren, da oftmals die Transducer nur in einem jeweils begrenzten Frequenzband arbeiten können und auch die Verwendung von entsprechenden Wandler-Kaskaden nicht immer möglich ist.

Selbstverständlich muß auch bei der parallelen FGM dem Empfänger in einer geeigneten Form mitgeteilt werden wie er die einzelnen Frequenzkanäle in Bezug zum GT anstimmen soll. Prinzipiell dürfte aber auch das Umschalten zwischen proportionaler FGM und paralleler FGM kein Problem sein, da dies hinsichtlich der Bestimmung der Frequenzen der Informationsfrequenzkanäle in Bezug zum GT lediglich einen Wechsel zwischen Multiplikation und Addition beinhaltet.

Falls die Phasensprünge an den Taktübergängen Probleme bereiten sollten, kann die eingangs beschriebene taktbezogene Amplitudenmodulation verwendet werden. Eine weitere Methode zur Minimierung von Störeinflüssen besteht darin, ein Codierungsverfahren zu verwenden, das auf den Informationskanälen das Vorhandensein eines Tones in zwei aufeinanderfolgenden Takten ausschließt. Der gleiche Effekt kann auch durch Multiplexen, z. B. den abwechselnden Betrieb der geraden und ungeraden Informationskanäle erreicht werden. Daß neben diversen anderen Parametern auch die frequenzbezogene Geschwindigkeitscharakteristik des jeweiligen Übertragungskanals durch spezielle Sondierungen oder im Prozeß der wechselseitigen Kommunikation ermittelt und bei der Signalgenerierung berücksichtigt werden kann und auch sollte, versteht sich von selbst.

Es ist femer denkbar, daß der Bezugsfrequenzkanal bei Bedarf und sofern es die speziellen Übertragungsbedingungen zulassen als zusätzlicher Informationskanal verwendet wird.