Digital acoustic data exchange via a system of continuously varying frequencies

Abstract

Unter kompliziertesten Randbedingungen sind Wale und insbesondere Delphine in der Lage, über vergleichsweise große Distanzen zu kommunizieren - und das offenbar mit hohen Informationsraten. Anhand von über 2000 aufgezeichneten Pfeifsignalen von freilebenden und dressierten Großen Tümmlern (Tursiops truncatus) wurden die Besonderheiten der zur Kommunikation verwendeten Signalstrukturen analysiert. Aus den bioakustischen Befunden ließen sich drei Grundprinzipien extrahieren, auf deren Basis ein neuartiges bionisches Verfahren für die digitale akustische Unterwasserkommunikation entwickelt wurde. Diese Prinzipien sind: 1. Nutzung eines Systems von kontinuierlich (fließend) veränderlichen Frequenzkanälen, wobei stets die signalinterne Proportionen beibehalten werden (definierte Abstände der Trägerfrequenzen). 2. Permanente Verbindung zwischen Sender und Empfänger über einen signaltechnisch separierbaren Grundton bzw. Kennton, relativ zu dem der Empfänger dann die übrigen Frequenzkomponenten des Signals auffinden kann und der gleichzeitig eine signalinterne Referenz für die Auswertung dieser Komponenten liefert. 3. Digitale Informationsübertragung mittels geeigneter Modulationen der übrigen Frequenzkanäle bzw. Obertöne (Senden von Bitmustern). Eine theoretische Betrachtung ergab, dass mit einem solchen, als "Variable Mehrkanalige Transmission" (VMT) bezeichneten Verfahren das Interferenzproblem weitestgehend gelöst, Doppler-Effekte ggf. vollständig kompensiert und die Rauscheinflüsse minimiert werden können. Somit lassen sich empfängerseitig die gesendeten Signalparameter in hoher Güte rekonstruieren. Das ermöglicht die Anwendung feiner abgestufter und komplexere Modulationsformen und dementsprechend höhere Bitraten. Computersimulationen in einer numerisch modellierten hydroakustischen Übertragungsstrecke gestatteten eine erste Überprüfung der Hypothesen sowie die Optimierung der Signalstrukturen und der Signalverarbeitung. Nachdem sicher gestellt war, dass alle essentiellen Bausteine von der Signalerzeugung bis zur Decodierung der Signalparameter zusammen spielen, folgte die praktische Überprüfung in einer natürlichen akustischen Messstrecke (Baggersee). In den physischen Validierungsexperimenten konnte die Funktionstüchtigkeit und die besondere Leistungsfähigkeit des bionischen VMT-Verfahrens nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang ergab sich auch ein Spektrum neuer Möglichkeiten zur optimalen Ausnutzung der physikalischen (hydroakustischen) Gegebenheiten. Von herausragender Bedeutung dürfte hierbei die erstmalige Chance zur Nutzung der natürlichen Redundanz für eine verbesserte Parameterbestimmung sein. Abschließend werden die jetzt schon erreichbaren Leistungsparameter und die weiteren Perspektiven abgeschätzt. Das technische Entwicklungspotential schließt auch neue Ansätze für tiefergehende bioakustische Untersuchungen ein, womit sich der Kreis zu den Naturvorbildern schließt