Conditions for Distortionless Underwater Communications Using a Parametric Array

This paper presents the conditions fur the distortionless transmission of analogue modulation schemes using a parametric array. The square-law process, which is the basis of the parametric-array generation, is distortion-producing by its very nature. The basis of the analysis is the expression for the self-demodulation of a pulse as derived by Berktay.

Various amplitude modulation schemes arc investigated and it is shown that single sideband (SSB) may be sent free of distortion by suitably selecting the sub-carrier frequency. It is concluded that envelope modulation can only he sent acceptably free of distortion provided that the modulation index is very small, but this is an extremely inefficient way of operating the parametric array. However, if the envelope modulation is first modulated on to a sub-carrier and then sent by SSB, it is possible to recover the information efficiently.

Angle modulation may be sent distortion-free using the parametric array provided the normal quasi-stationary conditions apply; i.e., that the rate of change of the modulation frequency is small compared to the sub-carrier frequency.

Finally the double-time differentiation, which is a basic feature of the parametric-array generation theory, produces ‘linear distortion’. This can be corrected for. either by de-emphasis of the baseband signal on transmission. or by pre-emphasis after reception.

Zusammenfassung

Diese Arbeit stellt die Bedingungen für die verzerrungsfreie Übertragung analoger Modulationsarten mit Hilfe einer parametrischen Gruppe vor. Der quadratische Prozeß der die Grundlage der parametrischen Erzeugung bildet, erzeugt seiner Natur nach Verzerrungen. Grundlage der Untersuchung ist der von Berktay abgeleitete Ausdruck für die Selbstdemodulation eines Impulses.

Es werden verschiedene Arten der Amplitudenmodulation untersucht, und es wird gezeigt, daß ein einseitenbandmoduliertes Signal (SSB) durch eine passende Wahl der Trägerfrequenz verzerrungsfrei übermittelt werden kann. Daraus wird geschlossen, daß ein hüllkurvenmoduliertes Signal nur dann einigermaßen verzerrungsfrei übermittelt werden kann, wenn der Modulationsindex sehr klein ist, was aber eine äußerst ineffiziente Betriebsart einer parametrischen Gruppe darstellt. Wenn dagegen das hüllkurvenmodulierte Signal zuerst auf einen Subträger moduliert und dann als einseitenbandmoduliertes Signal übermittelt wird, kann die Information vollstündig wirksam wiedergewonnen werden.

Phasenmodulation kann mit einer parametrischen Gruppe verzerrungsfrei übermittelt werden, falls die normalen Bedingungen der Quasistationaritüt zutreffen, d.h. daß die Änderungsrate der Modulationsfrequenz klein ist im Vergleich zur Frequenz des Subträgers. Schließlich erzeugt die doppelte zeitliche Differentiation, die eine grundlegende Eigenschaft der parametrischen Erzeugung ist, eine “lineare Verzerrung”. Sie kann entweder durch Entzerrung des Grundbandes bei der Übertragung oder durch eine Vorverzerrung nach dem Empfang korrigiert werden.

Sommaire

Cette article présente les conditions d'une transmission sans distorsion de signaux modulés produits par un réseau paramétrique. Le processus d'élévation au carré de l'enveloppe, qui constitue la base des émissions par réseau paramétrique, est par nature générateur de distorsion. La point de départ de notre analyse est l'expression fournie par Berktay pour l'autodémodulation d'une impulsion.

En étudiant divers types de modulation d'amplitude, on montre qu'il est possible de transmettre sans distorsion une bande latérale unique en choisissant convenablement la fréquence de la sous-porteuse. Notre conclusion est qu'une modulation d'enveloppe ne se prête acceptablement à la transmission sans distorsion que si le taux de modulation est trés petit, mais ceci est un mode de fonctionnement très peu efficace pour un réseau paramétrique. Toutefois, si l'on procède è une modulation de l'enveloppe en une sous-porteuse et qu'on la transmette en bande latérale unique, il est possible de récupérer efficacement l'information.

Une modulation de phase peut se transmettre sans distorsion par réseau paramétrique pourvu que les conditions normales de quasi-stationnarité s'appliquent, c'est-à-dire que le taux de modulation en fréquence soit faible par rapport à la fréquence de la sous-porteuse.

Finalement, la double dérivation par rapport au temps, qui est aussi un trait fondamental de la théorie des réseaux paramétriques, produit une distorsion linéaire. Cette derniére peut être réduite par une technique d'égalisation, avec atténuation sélective avant émission ou amplification sélective opposée après réception.