Способ и устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

Способ и устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам и устройствам формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, применяемым на линиях многоканальной цифровой связи, а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения.

Известен способ формирования сигналов с квадратурной фазовой модуляцией (Лагутенко О.И. Модемы. Справочник пользователя. Издатель: - СПб.: Лань, ISBN 5-86617-008-6; 12/1/1997, 368 с.), в котором расщепляют несущее колебание на синфазную и квадратурную составляющие, формируют синфазный и квадратурный гармонические сигналы путем деления частоты синфазной и квадратурной составляющей, сдвигают манипулирующие видеосигналы на половину длительности символа так, что фазы синфазного и квадратурного гармонических сигналов совпадают с фазами соответственной синфазной и квадратурной составляющих в начале и конце каждого символа, фазы синфазной и квадратурной составляющих изменяют на 180°, производят балансную модуляцию синфазной и квадратурной двоично-манипулированных составляющих синфазным и квадратурным гармоническими сигналами и суммируют полученные составляющие.

Недостатком данного способа является высокий уровень внеполосных излучений, относительно низкая помехоустойчивость, что является следствием ее относительно высокого пикфактора, а также малая позиционность сигнальной конструкции, что приводит к снижению пропускной способности образованной на основе ее системы передачи.

Также известен способ формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (Патент РФ №2365050, МПК H04L 27/06, 2008 г.), который состоит из двух параллельно работающих каналов, в одном из которых производят фазоамплитудную манипуляцию сигнала sin ωt (канал I), во втором - фазоамплитудную манипуляцию сигнала cos ωt (канал Q). Указанные сигналы формируют от общего задающего генератора, причем сигнал cos ωt получают путем сдвига фазы сигнала sin ωt на 90° с помощью фазовращателя (0°/90°). Манипуляцию фаз сигналов в каналах I и Q производят с помощью коммутаторов, на первый вход которых подают сигнал без сдвига фазы, а на второй вход - сигналы со сдвигом по фазе на 180° с выходов фазовращателей. Управление коммутаторами производится кодовыми комбинациями I_k и Q_k, подаваемыми на информационные входы фазоамплитудных манипуляторов. В результате такой модуляции векторы сигналов I и Q будут принимать фиксированные фазовые положения. При такой совокупности описанных действий достигается увеличение пропускной способности по радиоканалу за счет снижения потерь помехоустойчивости на основе изменения величины оптимального коэффициента модуляции (коэффициента делителя напряжения) в зависимости от получаемого по обратному каналу соотношения сигнал-шум на входе приемного устройства как с разбиением, так и без разбиения общего переносимого потока бит на подпотоки по приоритетности в условиях помех.

Недостатком известного способа формирования сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией является малая позиционность сигнальной конструкции, что приводит к снижению пропускной способности образованной на основе ее системы передачи, а также относительно большой пикфактор формируемой сигнальной конструкции, что снижает помехоустойчивость ее приема.

Известно устройство формирования сигналов двукратной фазовой телеграфии ДФТ (авт.св. СССР 692109, кл. H04L 27/20, 1979), включающее в себя источник сообщения, подключенный к первому входу первого манипулятора, выход которого подключен к первому входу первого балансового модулятора, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства, второй вход которого подключен к выходу второго балансового модулятора, вход которого подключен к выходу второго манипулятора, первый вход которого подключен к выходу блока задержки, вход которого подключен к выходу второго источника сообщений, а второй вход второго манипулятора подключен к выходу фазовращателя, вход которого объединен с входом первого манипулятора.

Недостатком данного устройства является высокий уровень внеполосных излучений при передаче формируемых радиосигналов, что обусловлено наличием разрывов на границах символов первой производной функции, описывающей формируемые сигналы, малая позиционность сигнальной конструкции, что приводит к снижению пропускной способности образованной на основе ее системы передачи, а также относительно низкая помехоустойчивость, что является следствием относительно высокого пикфактора сигнальной конструкции.

Известно также устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (Патент РФ №2365050, МПК H04L 27/06, 2008 г.), которое содержит общий задающий генератор, первый, второй, третий фазовращатель, первый, второй, третий, четвертый коммутатор, сумматор, первый, второй управляемый делитель напряжения, вычислитель отношений, делитель напряжения на два. Входы первого, второго фазовращателя и первый вход первого коммутатора и выход общего задающего генератора соединены. Выход первого фазовращателя подключен к входу третьего фазовращателя и к первому входу второго коммутатора. Выход третьего фазовращателя соединен со вторым входом второго коммутатора. Первый выход второго коммутатора соединен с первым входом четвертого коммутатора. Второй выход второго коммутатора соединен с первым входом второго управляемого делителя напряжения. Выход второго управляемого делителя напряжения подключен ко второму входу четвертого коммутатора. Выход четвертого коммутатора соединен со вторым входом сумматора. Выход второго фазовращателя соединен со вторым входом первого коммутатора. Первый выход первого коммутатора соединен с первым входом третьего коммутатора. Второй выход первого коммутатора подключен к первому входу первого управляемого делителя напряжения. Выход первого управляемого делителя напряжения подключен с первым входом третьего коммутатора. Выход третьего коммутатора соединен с первым входом сумматора. Вход делителя напряжения на два соединен с демодулятором приемника. Выход делителя напряжения на два подключен ко входу вычислителя отношения. Выход вычислителя отношения соединен со вторыми входами управляемых делителей напряжения. Выход информационного канала первого бита (I_k) соединен с третьим входом первого коммутатора. Выход информационного канала второго бита (E_k) соединен с третьим входом третьего коммутатора. Выход информационного канала третьего бита (Q_k) подключен к третьему входу второго коммутатора. Выход информационного канала четвертого бита (D_k) соединен с третьим входом четвертого коммутатора. Выход сумматора является выходом устройства.

Недостатком устройства является относительно высокий уровень пикфактора формируемой сигнальной конструкции, что приводит к снижению помехоустойчивости ее приема, а также малая позиционность сигнальной конструкции, что приводит к снижению пропускной способности образованной на основе ее системы передачи.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявляемому является способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (Патент РФ №2439819, МПК H04L 7/02, 2012 г.), заключающийся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения синфазной u ⇀ и с х I и квадратурной u ⇀ и с х Q составляющих, которые манипулируют в зависимости от значений первого r₁, второго r₂, третьего r₃ и четвертого r₄ информационных битов, причем фазы синфазной и квадратурной составляющих изменяют на 180° при значениях соответственно первого и второго информационных битов r₁=r₂=1, после чего манипулированные синфазную и квадратурную составляющие суммируют, дополнительно для манипулированных синфазной u → r 1 I и квадратурной u → r 2 Q составляющих формируют по четыре уровня напряжения путем умножения их манипулированных информационными битами r₁ и r₂ значений u → r 1 I и u → r 2 Q на предварительно заданные соответствующие коэффициенты a, b и с. Таким образом, для синфазной составляющей получают u → 1 I = u → r 1 I , u → 2 I = a u → r 1 I , u → 3 I = b u → r 1 I ; u → 4 I = c u → r 1 I . Для квадратурной составляющей - u → 1 Q = u → r 2 Q , u → 2 Q = a u → r 2 Q , u → 3 Q = b u → r 2 Q ; u → 4 Q = c u → r 2 Q . Затем из полученных четырех уровней напряжения синфазной составляющей и четырех уровней напряжения квадратурной составляющей в зависимости от значений третьего r₃ и четвертого r₄ информационных битов выбирают по одному уровню напряжения u → I и u → Q соответственно для синфазной и квадратурной составляющих. Один из четырех уровней напряжения для синфазной u → I и квадратурной u → Q составляющих в зависимости от значений третьего r₃ и четвертого r₄ информационных битов выбирают из условий:

Коэффициенты a, b и с выбирают соответственно в пределах: a≥1; b ≥ 1 3 ; 1 3 ≤ c ≤ 3 − 2 3 , причем выбранные значения данных коэффициентов должны удовлетворять одновременно условиям: ( a − 1 ) 2 + ( b − 1 ) 2 ≥ 4 9 ; ( a − c ) 2 + ( b − c ) 2 ≥ 4 9 ; a ²⁺b²≤2.

Однако способу-прототипу присущ недостаток - низкая пропускная способность образованной на основе его сигнальной конструкции системы передачи, что связано с ее малой позиционностью.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявляемому устройству является устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (Патент РФ №2439819, МПК H04L 7/02, 2012 г.), содержащее задающий генератор, первый, второй и третий фазовращатели, первый, второй, третий и четвертый коммутаторы, сумматор, а также первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой делители напряжения. Выход задающего генератора подключен ко входам первого, второго фазовращателей и к первому входу первого коммутатора, второй вход которого подключен к выходу второго фазовращателя. Первый выход первого коммутатора подключен к первому входу третьего коммутатора, второй вход которого подключен к выходу первого делителя напряжения, вход которого подключен ко второму выходу первого коммутатора. Выход третьего коммутатора подключен к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу четвертого коммутатора, второй вход которого подключен к выходу четвертого делителя напряжения, вход которого подключен к второму выходу второго коммутатора, первый выход которого подключен к первому входу четвертого коммутатора. Первый и второй входы второго коммутатора подключены соответственно к первому выходу первого фазовращателя и выходу третьего фазовращателя, вход которого подключен ко второму выходу первого фазовращателя. Первый и второй коммутаторы снабжены цифровыми входами соответственно первого и второго информационных битов. Третий и четвертый коммутаторы снабжены входами третьего и четвертого информационных битов. Входы пятого и шестого делителей напряжения объединены и подключены к второму выходу второго коммутатора. Входы второго и третьего делителей напряжения объединены и подключены к второму выходу первого коммутатора. Выходы второго и третьего делителей напряжения подключены соответственно к третьему и четвертому входам третьего коммутатора. Выходы пятого и шестого делителей напряжения подключены соответственно к третьему и четвертому входам четвертого коммутатора, причем вход третьего информационного бита третьего коммутатора соединен с входом третьего информационного бита четвертого коммутатора, вход четвертого информационного бита которого соединен с входом четвертого информационного бита третьего коммутатора. Выход сумматора является выходом устройства.

Недостатком устройства-прототипа является относительно низкая пропускная способность образованной на основе его сигнальной конструкции системы передачи, что обусловлено малой позиционностью сигнальной конструкции.

Целью заявленных технических решений является разработка способа и устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, обеспечивающих повышение пропускной способности образованной на их основе системы передачи за счет увеличения позиционности сигнальной конструкции.

В заявляемом способе поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, заключающемся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения синфазной u ⇀ и с х I и квадратурной u ⇀ и с х Q составляющих, которые манипулируют в зависимости от значений первого r₁, второго r₂, третьего r₃ и четвертого r₄ информационных битов, причем фазы синфазной и квадратурной составляющих изменяют на 180° при значениях соответственно первого и второго информационных битов r₁=r₂=1, после чего для манипулированных синфазной u → r 1 I и квадратурной u → r 2 Q составляющих формируют по четыре уровня напряжения путем умножения их манипулированных информационными битами r₁ и r₂ значений u → r 1 I и u → r 2 Q на предварительно заданные соответствующие коэффициенты a, b и с, в результате для синфазной составляющей получают u → 1 I = u → r 1 I ; u → 2 I = a u → r 1 I ; u → 3 I = b u → r 1 I ; u → 4 I = c u → r 1 I , квадратурной составляющей - u → 1 Q = u → r 2 Q ; u → 2 Q = a u → r 2 Q ; u → 3 Q = b u → r 2 Q ; u → 4 Q = c u → r 2 Q , а затем из полученных четырех уровней напряжения синфазной и квадратурной составляющих в зависимости от значений третьего r₃ и четвертого r₄ информационных битов выбирают по одному уровню напряжения u → I и u → Q соответственно для синфазной и квадратурной составляющих, после чего манипулированные синфазную и квадратурную составляющие суммируют, дополнительно для манипулированных синфазной u → r 1 I и квадратурной u → r 2 Q составляющих формируют еще по четыре уровня напряжения. Они формируются путем умножения манипулированных информационными битами r₁ и r₂ значений синфазной и квадратурной составляющих u → r 1 I и u → r 2 Q на предварительно заданные соответствующие коэффициенты d, е, f и g: u → 5 I = d u → r 1 I , u → 6 I = e u → r 1 I , u → 7 I = f u → r 1 I и u → 5 Q = d u → r 2 Q , u → 6 Q = e u → r 2 Q , u → 7 Q = f u → r 2 Q ; u → 8 Q = g u → r 2 Q . Из полученных восьми уровней напряжения синфазной и квадратурной составляющей в зависимости от значений третьего r₃ четвертого r₄ и пятого r₅ информационных битов выбирают по одному уровню напряжения u → I и u → Q соответственно для синфазной и квадратурной составляющих, из условий:

Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата за счет формирования четырех дополнительных уровней напряжения синфазной и квадратурной составляющих сигнала квадратурной амплитудной манипуляции, а также предложенного правила выбора одного из восьми сформированных уровней напряжения упомянутых синфазной и квадратурной составляющих без уменьшения евклидовых расстояний между сигнальными точками¹. (¹Евклидовым расстоянием называют расстояние между двумя точками линейного пространства сигналов с введенным аксиоматически скалярным произведением двух его элементов (см. Общая теория связи. Д.Л.Бураченко, Г.Д.Заварин, Н.И.Клюев и др. - ВАС, 1970, 412 с. Стр.81-82).

В заявляемом устройстве формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, содержащем задающий генератор, выход которого подключен к входам первого, второго фазовращателей и к первому входу первого коммутатора, второй вход которого подключен к выходу второго фазовращателя, первый выход первого коммутатора подключен к первому входу третьего коммутатора, второй, третий и четвертый входы которого подключены к выходам соответственно первого, второго и третьего делителей напряжения, входы которых объединены и подключены к второму выходу первого коммутатора, выход третьего коммутатора подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства, а его второй вход подключен к выходу четвертого коммутатора, первый вход которого подключен к первому выходу второго коммутатора, второй выход которого подключен к входам восьмого, девятого и десятого делителей напряжения, выходы которых подключены соответственно к второму, третьему и четвертому входам четвертого коммутатора, выход второго фазовращателя подключен к первому входу второго коммутатора и входу третьего фазовращателя, выход которого подключен к второму входу второго коммутатора, причем первый и второй коммутаторы снабжены цифровыми входами соответственно первого и второго информационных битов, а третий и четвертый коммутаторы снабжены цифровыми входами соответственно третьего, четвертого и пятого информационных битов, дополнительно введены четвертый, пятый, шестой, седьмой, одиннадцатый, двенадцатый, тринадцатый, четырнадцатый делители напряжения, входы четвертого, пятого, шестого, седьмого делителей напряжения объединены и подключены к второму выходу первого коммутатора, входы одиннадцатого, двенадцатого, тринадцатого, четырнадцатого делителей напряжений и подключены к второму выходу второго коммутатора, выходы четвертого, пятого, шестого, седьмого делителей напряжения подключены соответственно к пятому, шестому, седьмому и восьмому входам третьего коммутатора, выходы одиннадцатого, двенадцатого, тринадцатого и четырнадцатого делителей напряжения подключены соответственно к пятому, шестому, седьмому, восьмому входам четвертого коммутатора, причем третий коммутатор дополнительно снабжен цифровым входом третьего информационного бита, который соединен с цифровым входом третьего информационного бита четвертого коммутатора.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом способе и устройстве его реализующем за счет формирования четырех новых уровней напряжения синфазной и квадратурной составляющих сигнала квадратурной амплитудной манипуляции, реализованного на основе четвертого-седьмого и одиннадцатого-четырнадцатого делителей напряжения, а также предложенного правила выбора одного из восьми сформированных уровней напряжения синфазной и квадратурной составляющих, реализованных на основе третьего и четвертого коммутаторов, повышается пропускная способность образованной на их основе системы передачи за счет увеличения позиционности сигнальной конструкции.

Заявляемые технические решения поясняются чертежами, на которых:

- на фиг.1 показана структурная схема устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции;

- на фиг.2 показано исходное расположение сигнальных точек, соответствующее известному способу формирования 32-х позиционной сигнальной конструкции квадратурной амплитудной манипуляции и их смещение при применении заявляемого способа;

- на фиг.3 показана сигнальная конструкция, сформированная при применении заявляемого способа.

Реализация заявляемого способа поясняется следующим образом.

Генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения синфазной u ⇀ и с х I и квадратурной u ⇀ и с х Q составляющих, причем при формировании синфазной составляющей u ⇀ и с х I синусоидальный сигнал оставляют без изменения. Квадратурную составляющую u ⇀ и с х Q формируют путем изменения фазы исходного синусоидального сигнала на 90° с помощью фазовращателя на 90°. Вектора синфазной u ⇀ и с х I и квадратурной u ⇀ и с х Q составляющих представлены на фиг.2. На фиг.2, а также на фиг.3 изображено векторное представление исходных и результирующих сигналов при формировании квадратурно-амплитудно манипулированной 32-х позиционной сигнальной конструкции (КАМ-32) в двумерном пространстве сигналов, образованном осями I и Q. На данных осях отложены вектора синфазной u ⇀ и с х I и квадратурной u ⇀ и с х Q составляющих. Точками на фиг.2 показаны положения сигнальных точек исходной КАМ-32 конструкции. Пунктирными окружностями на фиг.2, а также точками на фиг.3 обозначены положения сигнальных точек КАМ-32 конструкции, формируемой в соответствии с предлагаемым способом. На фиг.2 и фиг.3 возле каждой сигнальной точки показан ее манипуляционный код, представленный в двоичной системе счисления, причем порядок следования битов слева направо соответствует номерам информационных битов, манипулирующих синфазную u ⇀ и с х I и квадратурную u ⇀ и с х Q составляющие, т.е. первый бит слева является первым информационным битом, второй - вторым информационным битом и т.д. Учитывая изложенные в заявляемом способе особенности манипуляционного кодирования, манипуляционный код, представленный на фиг.2 и фиг.3, является кодом Грея. Сигнальные конструкции с манипуляционным кодом Грея, как известно, отличаются повышенной помехоустойчивостью относительно конструкций с натуральным манипуляционным кодом. Стрелочками с треугольными указателями показываются направления перемещения сигнальных точек в сигнальной конструкции при применении заявляемого способа относительно исходных их положений, соответствующих известной сигнальной конструкции КАМ-32. Стрелочками с заостренными указателями обозначены вектора сигнальных точек, ссылки на которые имеются в приложениях 1 и 2. Начало и конец каждого такого вектора обозначены большими латинскими буквами.

Манипуляция синфазной u ⇀ и с х I и квадратурной u ⇀ и с х Q составляющих осуществляется в соответствии со значениями первого r₁ и второго r₂ информационных битов следующим образом. Манипуляция u ⇀ и с х I происходит в соответствии со значением r₁, а манипуляция u ⇀ и с х Q происходит в соответствии со значением r₂. В случае r₁=0 (r₂=0), фазу синфазной (квадратурной) составляющей оставляют без изменений, т.е. u → r 1 I = u → и с х I ( u → r 2 Q = u → и с х Q ) , в случае r₁=1 (r₂=1), фазу синфазной (квадратурной) составляющей изменяют на 180°, т.е. u → r 1 I = − u → и с х I ( u → r 2 Q = − u → и с х Q ) . При этом могут быть использованы фазовращатели на 180°.

Затем для манипулированных битами r₁ и r₂ синфазной u → r 1 I и квадратурной u → r 2 Q составляющих формируют по восемь уровней напряжения путем умножения их значений u → r 1 I и u → r 2 Q на предварительно заданные соответствующие коэффициенты

На фиг.3 показаны примеры расположения векторов сигнальных точек с манипуляционными кодами {00100; 00110; 10011} сформированных уровней напряжений

После формирования упомянутых выше уровней напряжения синфазную u ⇀ и с х I и квадратурную u ⇀ и с х Q составляющие манипулируют в зависимости от значений третьего r₃, четвертого r₄ и пятого r₅ информационных битов следующим образом. Данная манипуляция заключается в выборе одного из восьми уровней напряжения для синфазной u →