Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известен способ формирований сигналов с квадратурной фазовой модуляцией (Патент РФ №2205518, МПК 7 H04L 27/20, 2001 г.), в котором расщепляют несущее колебание на синфазную составляющую (СС) и квадратурную составляущую (КС), формируют синфазный и квадратурный гармонические сигналы путем деления частоты СС и КС в (4k+1) раз, где k - целое число, сдвигают манипулирующие видеосигналы на половину длительности символа так, что фазы синфазного и квадратурного гармонических сигналов совпадают с фазами соответственной СС и КС в начале и конце каждого символа, фазы СС и КС 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 относительно низкая помехоустойчивость, что является следствием ее относительно высокого пик-фактора.

Известен способ формирования сигналов КАМ (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 элементов и связей 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.

Однако известному способу присущ недостаток, связанный с относительно большой величиной пик-фактора формируемой сигнальной конструкции, что снижает помехоустойчивость ее приема.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому техническому результату является способ формирования сигналов КАМ (Патент РФ №2439819, МПК H04L 7/02 2012 г.), заключающийся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения CC u → и с х I и KC u → и с х Q , которые манипулируют в зависимости от значений первого r₁, второго r₂, третьего r₃ и четвертого r₄ информационных битов, причем фазы СС и KC изменяют на 180° при значениях r₁=r₂=1, после чего манипулированные CC и KC суммируют, дополнительно для манипулированных CC u → r 1 I и KC u → r 2 Q 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 c. Таким образом, для CC 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 КС - 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 4 Q . Затем из полученных четырех уровней напряжения CC и четырех уровней напряжения KC в зависимости от значений r₃ и r₄ выбирают по одному уровню напряжения u → I и u → Q соответственно для CC и KC. Один из четырех уровней напряжения для u → I и u → Q в зависимости от значений r₃ и r₄ выбирают из условий:

u → I = u → 1 I u → Q = u → 1 Q }   п р и   r 3 = r 4 = 0 ; u → I = u → 4 I u → Q = u → 4 Q }   п р и   r 3 = r 4 = 1 ;

u → I = u → 3 I u → Q = u → 2 Q }   п р и   r 3 = 0   и   r 4 = 1 ; u → I = u → 2 I u → Q = u → 3 Q }   п р и   r 3 = 1   и   r 4 = 1 .

Коэффициенты a, b и c выбирают соответственно в пределах: а≥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 ²+b²≤2; (a-c)²+(b-c)²≥4/9.

Однако способу-прототипу присущ недостаток - относительно большое значение пик-фактора формируемой сигнальной конструкции, обусловленное относительно большим различием амплитудных значений векторов сигнального созвездия формируемой сигнальной конструкции.

Целью заявляемого технического решения является снижение величины пик-фактора формируемой сигнальной конструкции КАМ за счет уменьшения различий амплитудных значений векторов сигнального созвездия.

В заявляемом способе поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования сигналов КАМ, заключающемся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения СС и КС, которые манипулируют в зависимости от значений первого r₁, второго r₂, третьего r₃ и четвертого r₄ битов информационного битового потока, причем фазы СС и КС изменяют на 180° при значениях соответственно r₁=r₂=1, после чего манипулированные СС и КС суммируют. Весь поступающий информационный битовый поток разделяют на блоки по четыре бита, причем в соответствии со значениям r₁ и r₂ СС и КС манипулируют следующим образом: если r₁=0, то фазу СС оставляют без изменений, если r₂=0, то фазу КС оставляют без изменений, если r₁=1, то фазу СС изменяют на 180°, если r₂=1, то фазу КС изменяют на 180°. Затем в зависимости от значений каждого r₃ и r₄ в каждом из блоков СС и КС манипулируют следующим образом: если r₃=1, а r₄=0, то СС умножают на значение sin75°, а КС умножают на значение cos75° в результате манипулирования, если r₃=0, а r₄=1, то СС умножают на значение sin15°, а КС умножают на значение cos15° в результате манипулирования, если r₃=0 и r₄=0, то СС умножают на значение sin45°, а КС умножают на значение cos45° в результате манипулирования, если r₃=1 и r₄=1, то и СС и КС в результате манипулирования уменьшают в три раза от первоначального значения.

Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата, заключающегося в снижении величины пик-фактора формируемой сигнальной конструкции КАМ, за счет уменьшения различий амплитудных значений векторов сигнального созвездия.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 показан принцип разделения символов информационного битового потока на блоки по четыре символа в каждом;

на фиг.2 показаны точки векторов сигнальных созвездий сигнальных конструкций КАМ, формируемых в соответствии с заявляемым способом.

Реализация заявляемого способа поясняется следующим образом.

1. Исходную последовательность символов информационных битов разделяют на блоки по четыре бита. При этом нумерация битов в блоке происходит слева на право. На фиг.1 показана исходная последовательность символов информационных битов, разделенная на блоки по четыре бита. Над битами каждого блока указана нумерация.

2. Генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения CC u → и с х I и KC u → и с х Q , причем при формировании u → и с х I синусоидальный сигнал оставляют без изменения.

Операции формирования синусоидального сигнала известны и описаны, например, в патенте РФ №2439819, 2012 г. Причем KC u → и с х Q можно формировать, например, путем изменения фазы исходного синусоидального сигнала на 90° с помощью фазовращателя на 90° (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). На фиг.2 показаны вектора CC u → и с х I и KC u → и с х Q соответственно по оси синфазного I и квадратурного Q напряжений, исходное значение которых равно U_исх.

3. Значения напряжений CC и KC манипулируют в зависимости от значений первого r₁, второго r₂, третьего r₃ и четвертого r₄ информационных битов, причем фазы CC и KC изменяют на 180° при значениях соответственно r₁=1 и r₂=1. Операция манипулирования u → и с х I и u → и с х Q при формировании КАМ сигнальной конструкции в двумерном пространстве сигналов предусматривает изменение исходных значений векторов напряжения СС и КС, равных U_исх (см. патент РФ №2439819, 2012 г.). На фиг.2 показаны значения напряжений U₄, U₃, U₂ и U₁, сформированных из напряжений u → и с х I и u → и с х Q в результате их манипуляции при формировании сигнальной конструкции КАМ. Операции манипуляции СС и KC, в том числе и при изменении их фазы на 180° известны и описаны, например, в патенте РФ №2365050, 2008 г.

Например, на фиг.2 показаны точки векторов сигнального созвездия A₃, A₄, A₈, A₇, которые сформированы в результате сложения манипулированных значений u → и с х I и u → и с х Q без изменения их фаз. Точки векторов сигнального созвездия A₅, A₁, A₂, A₆ - в результате сложения манипулированных значений u → и с х I без изменения фазы, а u → и с х Q с изменением фазы. Точки векторов сигнального созвездия A₁₁, A₁₂, A₁₆, A₁₅ - в результате сложения манипулированных значений u → и с х Q без изменения фазы, а u → и с х I с изменением фазы. Точки векторов сигнального созвездия A₉, A₁₀, A₁₄, A₁₃ - в результате сложения манипулированных значений u → и с х I и u → и с х Q с измененными фазами на 180°. То есть в зависимости от значений r₁ и r₂ (наличия нуля или единицы) осуществляют изменение фазы (при наличии единицы) исходных значении u → и с х I и u → и с х Q .

При r₁=1 инвертируют вектор u → и с х I , при r₂=1 инвертируют вектор u → и с х Q . Если и r₁=1, и r₂=1, то инвертируют и u → и с х I , и u → и с х Q .

4. Манипулируют u → и с х I и u → и с х Q в зависимости от значений каждого третьего r₃ и четвертого r₄ информационных символов в каждом из блоков следующим образом.

Если r₃=1, r₄=0, то в результате манипулирования исходное значение U_исх CC умножают на значение sin75°, а исходное значение U_исх KC умножают на значение cos75°. В качестве примера на фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U₄, полученных в результате умножения U_исх на величину, численно равную sin75° (для CC), и U₁, полученных в результате умножения U_исх на величину, численно равную cos75° (для KC), которые соответствуют блокам информационных символов 0010, 1010, 1110, 0110.

Если r₃=0, а r₄=1, то в результате манипулирования исходное значение U_исх CC умножают на значение sin15°, а значение U_исх KC умножают на значение cos15°. В качестве примера на фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U₁, полученных в результате умножения U_исх на величину, численно равную sin15° (для CC), и U₄, полученных в результате умножения U_исх на величину, численно равную cos15° (для KC), которые соответствуют блокам информационных символов 0001, 1001, 1101, 0101.

Если r₃=0 и r₄=0, то в результате манипулирования исходное значение U_исх CC умножают на значение sin45°, а значение U_исх KC умножают на значение cos45°. В качестве примера на фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U₃, полученных в результате умножения U_исх на величину, численно равную sin45° (для CC), и U₃, полученных в результате умножения U_исх на величину, численно равную cos45° (для KC), которые соответствуют блокам информационных символов 0000, 1000, 1100, 0100.

Если r₃=1 и r₄=1, то в результате манипулирования исходное значение U_исх CC и исходное значение U_исх KC уменьшают в три раза. В качестве примера на фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U₂, полученных в результате умножения U_исх на величину, численно равную 1/3 (для CC), и U₂, полученных в результате умножения U_исх на величину, численно равную 1/3 (для КС), которые соответствуют блокам информационных символов 0011, 1011, 1111, 0111.

Операции умножения (уменьшения) значения напряжения известны и описаны, например, в патенте РФ №2439819, 2012 г.

5. Манипулированные значения CC и KC суммируют.

Операции суммирования напряжения CC и CK известны (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). В результате суммирования манипулированных значений u → и с х I и u → и с х Q формируют сигнальное созвездие сигнальной конструкции КАМ. На фиг.2 показаны результирующие точки векторов сигнального созвездия, полученные в результате суммирования манипулированных значении u → и с х I и u → и с х Q , в том числе и инвертированных значений.

Сумме значений напряжений U₁ и U₄ соответствуют точки векторов сигнального созвездия A₃, A₈, A₁₂, A₁₅, A₁₄, A₉, A₅, A₂. Сумме значений напряжений U₃ и U₃ соответствуют точки векторов сигнального созвездия A₄, A₁₆, A₁₃, A₁. Сумме значений напряжений U₂ и U₂ соответствуют точки векторов сигнального созвездия A₇, A₁₁, A₁₀, A₆.

Возле каждой точки сигнального созвездия показан ее манипуляционный код, представленный в двоичной системе счисления. Порядок следования битов «слева направо» соответствует номерам информационных битов каждого из блоков, манипулирующих значения u → и с х I и u → и с х Q , т.е. первый бит слева является первым информационным битом, второй - вторым информационным битом и т.д. для каждого из блоков.

Для манипуляции CC и KC выбран код Грея. Сигнальные конструкции с манипуляционным кодом Грея отличаются повышенной помехоустойчивостью относительно конструкций при натуральном манипуляционном кодировании (см. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003, стр.234).

Согласно заявляемому способу формирование сигналов КАМ происходит следующим образом. Информационную последовательность разбивают на блоки по четыре символа в каждом. Манипуляцию значений u → и с х I и u → и с х Q осуществляют для каждого блока в соответствии со значениями r₁ и r₂ следующим образом. В соответствии со значением r₁ манипулируют u → и с х I , а в соответствии со значением r₂ манипулируют u → и с х Q . В случае если r₁=0 (r₂=0), фазу CC (KC) 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 CC (KC) изменяют на 180°, т.е. u → r 1 I = − u → и с х I ( u → r 2 Q = − u → и с х Q ) .

Затем для манипулированных битами r₁ и r₂ значений u → и с х I и u → и с х Q в зависимости от значений r₃ и r₄ формируют по четыре уровня напряжений U₄, U₃, U₂ и U₁ (в том числе и для инверсных значений). В случае если r₃=0 и r₄=0, для CC и KC выбирают уровень напряжения U₃ (в том числе и для инверсных значений). В случае если r₃=0 и r₄=1, для CC выбирают уровень напряжения U₁, а для KC выбирают уровень напряжения U₄ (в том числе и для инверсных значений). В случае если r₃=1 и r₄=0, для CC выбирают уровень напряжения U₄, а для КС выбирают уровень напряжения U₁ (в том числе и для инверсных значений). В случае если r₃=1 и r₄=1, для CC и KC выбирают уровень напряжения U₂ (в том числе и для инверсных значений).

Возможность снижения пик-фактора в заявляемом способе показана в приложении 1.

Таким образом, в заявляемом способе при его реализации за счет уменьшения различий амплитудных значений векторов сигнального созвездия достигается цель заявляемого технического решения, направленная на снижение величины пик-фактора формируемой сигнальной конструкции КАМ.

Приложение 1

Оценка уровня пик-фактора при изменении амплитудных значений векторов сигнального созвездия

В заявляемом способе точками векторов сигнальной конструкции КАМ являются A₃, A₄, A₈, A₇, A₁₁, A₁₂, A₁₆, A₁₅, A₉, A₁₀, A₁₄, A₁₃, A₁, A₂, A₆, A₅ (см. фиг.2). Из определения (см. Железняк В.К., Дворников С. В. Основы теории модулированных колебаний: учеб. пособие. ГУАП. - СПб., 2006. стр.6), пик-фактор можно интерпретировать как результат квадратного корня из отношения пиковой мощности (квадрат пиковой амплитуды U п 2 сигнальной конструкции) к ее среднему значению (квадрат среднего значения амплитуды U с р 2 сигнальной конструкции): Π Δ _ _ U п 2 / U с р 2 .

Поскольку в сигнальной конструкции КАМ значения точек сигнальных векторов в каждом из квадрантов имеют одинаковые энергетические значения, то все расчеты проведем только для правого верхнего квадранта.

Пиковая амплитуда U п ' сигнальной конструкции в способе-прототипе U п ' = 2 U и с х (см. выражение (24) описания патента РФ №2439819, опубликовано: 10.01.2012, Бюл. №1). Значение пиковой мощности равно U п ' 2 = 2 U и с х 2 .

Средняя мощность U с р ' 2 сигнальной конструкции в способе-прототипе U с р ' 2 = ( 2 U и с х 4 ( 3 + c ) ) 2 ≈ 1,44 U и с х 2 (см. выражение (26) описания патента РФ №2439819, опубликовано: 10.01.2012, Бюл. №1), где с = 1 1 + 2 (см. выражение (20) описания патента РФ №2439819, опубликовано: 10.01.2012, Бюл. №1). В результате значение пик-фактора для способа-прототипа

П ' Δ _ _ U п ' 2 / U с р ' 2 = 2 U и с х 2 / 1,44 U и с х 2 = 1,39 ≈ 1,18 .

В заявляемом способе значения |OA₃|, |OA₄|, |OA₈| равны U_исх, a | O A 7 | = 2 U и с х / 3 (см. фиг.2). Следовательно, пиковая мощность U п " 2 сигнальной конструкции в заявляемом способе равна U и с х 2 , а средняя мощность U с р " 2 сигнальной конструкции в заявляемом способе равна U с р " 2 = ( ( | O A 3 | + | O A 4 | + | O A 8 | + | O A 7 | ) / 4 ) 2 .

Тогда U с р " 2 = ( 1 + 1 + 1 + 2 / 3 4 ) 2 U и с х 2 = 0,75 U и с х 3 .

В результате значение пик-фактора для заявляемого способа

П ' ' Δ _ _ U п ' ' 2 / U с р ' ' 2 = 1 × U и с х 2 / 0,75 × U и с х 2 ≈ 1,15 .

Эффективность заявляемого способа по показателю относительного снижения значения пик-фактора Э_П составит

Э П = П ' / П " = 1,18 / 1,15 = 1,03.             ( 1 )

Изменение структуры сигнального созвездия в предлагаемом способе приведет к уменьшению значения евклидова расстояния d, которое определяет вероятность ошибочного события (Б. Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2003, см. с.599). И в заявляемом способе, и в способе-прототипе значение евклидова расстояния d одинаковое и будет определяться как у сигналов двенадцати позиционной фазовой манипуляции d=2U_исхsin15°.

Полученный результат указывает, что помехоустойчивость заявляемой сигнальной конструкции КАМ не ухудшится по отношению к прототипу.

Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, заключающийся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения синфазной составляющей (СС) и квадратурной составляющей (КС), которые манипулируют в зависимости от значений первого r₁, второго r₂, третьего r₃ и четвертого r₄ битов информационного битового потока, причем фазы СС и КС изменяют на 180° при значениях соответственно r₁ и r₂ информационных битов, равных единице, после чего манипулированные СС и КС суммируют, отличающийся тем, что весь поступающий информационный битовый поток разделяют на блоки по четыре бита, причем в соответствии со значениям r₁ и r₂ СС и КС манипулируют следующим образом: если r₁=0, то фазу СС оставляют без изменений, если r₂=0, то фазу КС оставляют без изменений, если r₁=1, то фазу СС изменяют на 180°, если r₂=1, то фазу КС изменяют на 180°, затем в зависимости от значений каждого r₃ и r₄ в каждом из блоков СС и КС манипулируют следующим образом: если r₃=1, а r₄=0, то СС умножают на значение синуса семидесяти пяти градусов, а КС умножают на значение косинуса семидесяти пяти градусов в результате манипулирования, если r₃=0, а r₄=1, то СС умножают на значение синуса пятнадцати градусов, а КС умножают на значение косинуса пятнадцати градусов в результате манипулирования, если r