Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

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 (КАМ), применяемых на линиях многоканальной цифровой связи, а также может быть использовано в области цифрового радио и телевещания.

Известно устройство формирования сигналов двукратной фазовой телеграфии (авт.св. СССР 692109, H04L 27/20, 1979), включающее в себя источник сообщения (ИС), подключенный к 1-му входу 1-го манипулятора, выход которого подключен к 1-му входу 1-го балансового модулятора (БМ), выход которого подключен к 1-му входу сумматора, выход которого является выходом устройства, 2-й вход которого подключен к выходу 2-го БМ, вход которого подключен к выходу 2-го манипулятора, 1-й вход которого подключен к выходу блока задержки, вход которого подключен к выходу 2-го ИС, а 2-й вход 2-го манипулятора подключен к выходу фазовращателя (ФВ), вход которого объединен с входом 1-го манипулятора.

Недостатком данного устройства является высокий уровень внеполосных излучений при передаче формируемых радиосигналов, что обусловлено наличием разрывов первой производной формируемых сигналов на границах символов, а также относительно низкая помехоустойчивость, что является следствием ее относительно высокого пик-фактора (ПФ).

Известно устройство для управления передачей данных по радиоканалу (Патент РФ №2205518, МПК7 H04L 27/20, 2001 г.), содержащее ИС, подключенный к 1-му входу 1-го синхронизатора, выход которого подключен к 1-му входу 1-го фазового манипулятора (ФМ), выход которого подключен к 1-му входу 1-го БМ, выход которого подключен к 1-му входу сумматора, выход которого является выходом устройства, 2-й вход которого подключен к выходу 2-го ФМ, вход которого подключен ко входу 2-го ФВ, вход которого объединен и подключен ко входу 2-го делителя напряжения (ДН) и входу 1-го ФМ, выход 2-го ДН подключен ко входу 1-го ДН и 1-го БМ, выход 2-го ФВ подключен ко 2-му входу 2-го ФМ, выход 2-го ИС подключен ко 2-му входу 2-го синхронизатора.

Недостатком данного устройства является относительно низкая помехоустойчивость, что является следствием ее относительно высокого ПФ.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявляемому устройству является устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (Патент РФ №2365050, МПК H04L 27/06, 2008 г.). Устройство-прототип содержит общий задающий генератор (ЗГ), 1-й, 2-й, 3-й ФВ, 1-й, 2-й, 3-й, 4-й коммутатор напряжения (КН), сумматор, 1-й, 2-й управляемый ДН, вычислитель отношений, ДН на два. Входы 1-го, 2-го ФВ и 1-й вход 1-го КН и выход общего ЗГ соединены. Выход 1-го ФВ подключен к входу 3-го ФВ и к 1-му входу 2-го КН. Выход 3-го ФВ соединен со 2-м входом 2-го КН, 1-й выход 2-го КН соединен с 1-м входом 4-го КН, 2-й выход 2-го КН соединен с 1-м входом 2-го управляемого ДН. Выход 2-го управляемого ДН подключен ко 2-му входу 4-го КН. Выход 4-го КН соединен со 2-м входом сумматора. Выход 2-го ФВ соединен со 2-м входом 1-го КН, 1-й выход 1-го КН соединен с 1-м входом 3-го КН, 2-й выход 1-го КН подключен к 1-му входу 1-го управляемого ДН. Выход 1-го управляемого ДН подключен с 1-м входом 3-го КН. Выход 3-го КН соединен с 1-м входом сумматора. Вход ДН на два соединен с демодулятором приемника. Выход ДН на два подключен к входу вычислителя отношения. Выход вычислителя отношения соединен со вторыми входами управляемых ДН. Выход информационного канала 1-го информационного бита (ИБ) соединен с 3-м входом 1-го КН. Выход информационного канала 2-го ИБ соединен с 3-м входом 3-го КН. Выход информационного канала 3-го ИБ подключен к 3-му входу 2-го КН. Выход информационного канала 4-го ИБ соединен с 3-м входом 4-го КН. Выход сумматора является выходом устройства.

Однако наиболее близкому по своей сущности устройству-прототипу присущ недостаток. При его реализации в результате манипуляции формируются четыре вектора напряжения (ВН): два для синфазной составляющей (СС) и два для квадратурной составляющей (КС), которые манипулируют в зависимости от значений каждых 4-х ИБ. В радиоканал значения ВН СС и КС передают попарно (значение ВН СС и КС, сумма которых определяет точку сигнального созвездия (ТСС)). Вместе с тем, каждый из манипулированных ВН участвует в формировании 4-х ТСС сигнала КАМ-16 (число 16 указывает на количество формируемых ТСС). Следовательно, если в результате сбоя в аппаратуре или низкой величины отношения сигнал/шум (ОСШ) в канале не будет правильно принято значение одного из попарно переданных ВН, то по оставшемуся правильно принятому значению ВН невозможно будет рассчитать суммарный ВН, определяющий ТСС, и, как следствие, восстановить переданную комбинацию из 4-х ИБ.

Целью заявляемого технического решения является разработка устройства формирования сигнала КАМ-16, обеспечивающего восстановление переданной комбинации из 4-х ИБ, в случае, если прием одного из попарно переданных ВН в результате сбоя в аппаратуре или низкой величины ОСШ в канале будет возможен только с точностью до знака (установление факта того, что переданное значение ВН имело положительное или отрицательное значение).

В заявляемом устройстве поставленная цель достигается тем, что в устройство формирования сигналов КАМ, содержащее ЗГ, выход которого подключен к входам 1-го, 2-го ФВ и к 1-му входу 1-го КН, 2-й вход которого подключен к выходу 2-го ФВ, выход 1-го КН подключен к 2-му входу 3-го КН, 2-й вход 2-го КН подключен к выходу 3-го ФВ, а 1-й вход 2-го КН подключен к выходу 1-го ФВ и входу 3-го ФВ, выход 2-го КН подключен к 2-му входу 4-го КН. Причем 3-й вход 1-го и 2-го КН является информационным входом, а 1-й вход 3-го и 4-го КН также являются информационными входами, а выход сумматора является выходом устройства. Дополнительно введены 5-й, 6-й, 7-й и 8-й КН, 1-й, 2-й, 3-й, 4-й, 5-й, 6-й ДН, а также 1-й и 2-й усилители напряжения (УН). Причем 2-й вход 5-го КН соединен со 2-м выходом 3-го КН, а 1-й и 2-й выходы 5-го КН соответственно соединены с входом 3-го ДН и входом 1-го УН, 2-й вход 7-го КН соединен с 1-м выходом 3-го КН, а 1-й и 2-й выходы 7-го КН соответственно соединены с входом 1-го ДН и входом 2-го ДН, 2-й вход 6-го КН соединен с 2-м выходом 4-го КН, а 1-й и 2-й выходы 6-го КН соответственно соединены с входом 5-го ДН и входом 6-го ДН, 2-й вход 8-го КН соединен с 1-м выходом 4-го КН, а 1-й и 2-й выходы 8-го КН соответственно являются входом 4-го ДН и входом 2-го УН. Причем выходы 1-го, 2-го, 3-го ДН и 1-го УН соединены с 1-м входом сумматора, а выходы 4-го, 5-го, 6-го ДН и 2-го УН соединены со 2-м входом сумматора. При этом, на третьи (информационные) входы 1-го и 2-го КН соответственно подают 2-й и 1-й ИБ, на первые (информационные) входы 3-го КН и 4-го КН подают 3-й ИБ, а на первые (информационные) входы 5-го и 7-го КН, а также 6-го и 8-го КН подают 4-й ИБ. А 1-й ФВ изменяет фазу сигнала на 90°, а 2-й и 3-й ФВ изменяют фазу сигнала на 180°. А коэффициенты деления составляют: 3/8 для 1-го и 5-го ДН; 5/8 для 2-го и 4-го ДН; 7/8 для 3-го и 6-го ДН. А коэффициент усиления для 1-го и 2-го УН составляет 9/8.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом устройстве, за счет формирования 4-х новых уровней напряжения ВН СС и КС сигнала КАМ-16, реализованного на основе 1-го, 2-го, 3-го, 4-го, 5-го, 6-го ДН, 1-го и 2-го УН, а также предложенного правила выбора одного из 4-х сформированных уровней напряжения СС и КС, реализованного на основе 3-го, 5-го, 7-го, 4-го, 6-го и 8-го КН, каждый из манипулированных ВН СС и КС участвует в формировании только двух ТСС сигнала КАМ-16. В результате предоставляется возможность восстановить комбинацию из 4-х переданных ИБ на приемном конце, в случае если значение одного из пары переданных манипулированных ВН будет восстановлено только с точностью до знака.

Заявляемые технические решения поясняются чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - электрическая схема устройства формирования сигналов КАМ-16;

на фиг.2 - последовательность ИБ, разделенная на блоки по четыре ИБ;

на фиг.3 - диаграмма ТСС, сформированная при применении заявляемого устройства.

Заявляемое устройство формирования сигналов КАМ-16 (см. фиг.1) содержит: 1 - ЗГ; 2 - 1-й ФВ на 90°; 3 - 2-й ФВ на 180°; 4 - 3-й ФВ на 180°; 5 - 1-й КН; 6 - 2-й КН; 7 - 3-й КН; 8 - 4-й КН; 9 - 7-й КН; 10 - 5-й КН; 11 - 8-й КН; 12 - 6-й КН; 13 - 1-й ДН с коэффициентом деления 3/8; 14 - 2-й ДН с коэффициентом деления 5/8; 15 - 3-й КН с коэффициентом деления 7/8; 16 - 1-й УН с коэффициентом усиления 9/8; 17 - 4-й ДН с коэффициентом деления 5/8; 18 - 2-й УН с коэффициентом усиления 9/8; 19 - 5-й ДН с коэффициентом деления 3/8; 20 - 6-й ДН с коэффициентом деления 7/8; 21 - сумматор.

Выход ЗГ 1.1 является входом 1-го ФВ, 2-го ФВ, 1-м входом 1-го КН. Выход 2-го ФВ 5.2 является 2-м входом 1-го КН. Выход 1-го КН 5.3 является 2-м входом 3-го КН, 1-й выход 3-го КН 7.2 является 2-м входом 7-го КН, 2-й выход 3-го КН 7.3 является 2-м входом 5-го КН, 1-й выход 7-го КН 9.2 является входом 1-го ДН, 2-й выход 7-го КН 9.3 является входом 2-го ДН, 1-й выход 5-го КН 10.2 является входом 3-го ДН, 2-й выход 5-го КН 10.3 является входом 1-го УН. Выход 1-го, 2-го, 3-го ДН и 1-го УН являются 1-м входом 21.1 сумматора. Выход 1-го ФВ 2.1 является входом 3-го ФВ и первым входом 2-го КН. Выход 3-го ФВ 6.2 является 2-м входом 2-го КН. Выход 2-го КН 6.3 является 2-м входом 4-го КН, 1-й выход 4-го КН 8.2 является 2-м входом 8-го КН, 2-й выход 4-го КН 8.3 является 2-м входом 6-го КН, 1-й выход 8-го КН 11.2 является входом 4-го ДН, 2-й выход 8-го КН 11.3 является входом 2-го УН, 1-й выход 6-го КН 12.2 является входом 5-го ДН, 2-й выход 6-го КН 12.3 является входом 6-го ДН. Выход 4-го, 5-го, 6-го ДН и 2-го УН являются 2-м входом 21.2 сумматора. А 3-й (информационный) вход 1-го КН 5.1 является входом 2-го ИБ r₂. А 1-й (информационный) вход 3-го КН 7.1 является входом 3-го ИБ r₃. А 1-й (информационный) вход 5-го КН 10.1 и 1-й (информационный) вход 7-го КН 9.1 являются входом 4-го ИБ r₄. А 3-й (информационный) вход 2-го КН 6.1 является входом 1-го ИБ r₁. А 1-й (информационный) вход 4-го КН 8.1 является входом 3-го ИБ r₃. А 1-й (информационный) вход 6-го КН 12.1 и 1-й (информационный) вход 8-го КН 11.1 являются входом 4-го ИБ r₄. Выход сумматора 21.3 является выходом устройства формирования сигнала КАМ-16.

В заявленном устройстве назначение структурных элементов следующее.

Общий ЗГ 1 предназначен для генерации напряжения синусоидальной формы. В качестве общего ЗГ 1 может быть использована схема мостового генератора синусоидальных сигналов (генератор Вина), (см. Достал И. Операционные усилители. - М., Мир, 1982. - С.200-201, рис.6.27).

1-й ФВ 2 предназначен для сдвига фазы синусоидального сигнала на 90°. Реализация 1-го ФВ 2 известна (см. Достал И. Операционные усилители. - М., Мир, 1982. - С.196, рис.6.20).

2-й ФВ 3 и 3-й ФВ 4 предназначены для сдвига фазы синусоидального сигнала на 180°. В качестве 2-го ФВ 3 и 3-го ФВ 4 может быть использована схема инвертора напряжения (см. Достал И. Операционные усилители. - М., Мир, 1982. - С.182-184, рис.6.6).

1-й КН 5 и 2-й КН 6 выполняют функцию коммутации напряжения (прямого или инвертированного посредством ФВ). 1-й КН 5 подключает на вход 3-го КН 7 (прямое напряжение с выхода ЗГ или инвертированное посредством 2-го ФВ 3) в зависимости от значения ИБ r₂ (ноль или единица), подаваемого на вход 5.1. 2-й КН 6 подключает на вход 4-го КН 8 (прямое напряжение с выхода 1-го ФВ 2 или инвертированное посредством 3-го ФВ 4) в зависимости от значения ИБ r₁ (ноль или единица), подаваемого на вход 6.1. В качестве 1-го КН 5 и 2-го КН 6 может быть использована схема аналогового мультиплексора (см. Патент РФ 2439819, опубликованный 10.01.2012. Бюл. №1).

3-й КН 7, 5-й КН 10, 7-й КН 9, 4-й КН 8, 6-й КН 12, 8-й КН 11 выполняют функцию коммутации напряжения на один из двух выходов, в зависимости от значения ИБ (ноль или единица) на информационном входе. В качестве 3-го КН 7, 5-го КН 10, 7-го КН 9 и 4-го КН 8, 6-го КН 12, 8-го КН 11, может быть использована схема аналогового мультиплексора (см. Патент РФ 2439819, опубликованный 10.01.2012. Бюл. №1), включенного наоборот.

1-й ДН 13, 2-й ДН 14, 3-й ДН 15, 5-й ДН 19, 4-й ДН 17, 6-й ДН 20 выполняют функцию деления напряжения СС и КС соответственно на 3/8, 5/8, 7/8. В качестве ДН может быть использована схема перекрытого Т-образного амплитудного корректора (см. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. - М.: Радио и связь, 1986. - С.524-525, рис.22.6).

1-й УН 16 и 2-й УН 18 выполняют функцию усиления напряжения СС и КС на 9/8. В качестве УН может быть использован операционный усилитель КР1407УД3.

Сумматор 21 предназначен для аддитивного объединения аналоговых сигналов, поступающих на его первый 21.3 и второй 21.2 входы. В качестве сумматора 21 может быть использована схема суммирующего усилителя (см. Достал И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982. - С.184-185, рис.6.7).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Исходную последовательность ИБ разбивают на блоки по 4 ИБ в каждом (см. фиг.2). Мелким шрифтом в каждом блоке над ИБ указана их нумерация (см. фиг.2). Затем последовательно ИБ блоками подают на информационные входы в заявляемое устройство.

Общий ЗГ 1 генерирует синусоидальный сигнал (исходное значение ВН СС u → и с х I )) на выходе 1.1. Затем синусоидальный сигнал подают на вход 1-го ФВ 2, который изменяет фазу сигнала на 90°, таким образом, формируя на его выходе 2.1 исходное значение ВН КС u → и с х Q . Далее СС и КС подают на первые входы 1-го КН 5 и 2-го КН 6, а также на входы 2-го ФВ 3 и 3-го 4 ФВ. 2-й ФВ 3 и 3-й ФВ 4 соответственно изменяют фазы u → и с х I и u → и с х Q на 180°. С выхода 5.2 2-го ФВ 3 и выхода 6.2 3-го ФВ 4, сдвинутые по фазе на 180° СС и КС, подают на вторые входы 1-го КН 5 и 2-го КН 6, на первые входы которых поступают не сдвинутые по фазе на 180° СС и КС. В зависимости от значений ИБ r₁ и ИБ r₂, поступающих на информационные входы 2-го КН 6 и 1-го КН 5, последние подключают на свои выходы 6.3 и 5.3 аналоговый сигнал, поступающий с их 1-го или 2-го входа, т.е. манипулируют сигнал в зависимости от значений r₁ и r₂. Данная манипуляция СС и КС с помощью 1-го КН 5 и 2-го КН 6 производится следующим образом. Если на информационный вход поступает r₂=0 (r₁=0), то на выходы 1-го КН 5 (2-го 6 КН) подключают несдвинутые по фазе на 180° СС (КС). При поступлении r₂=1 (r₁=1) на выходы 1-го КН 5 (2-го КН 6) подключают сдвинутые по фазе на 180° СС (КС).

С выхода 5.3 1-го КН 5 сигнал СС подают на вход 3-го КН 7.

Если на вход 7.1 поступает значение ИБ, равное нулю, т.е. r₃=0, то сигнал с 1-го выхода 7.2 3-го КН 7 подают на 2-й вход 7-го КН 9.

Если на вход 9.1 поступает значение ИБ, равное нулю, т.е. r₄=0, то сигнал с 1-го выхода 9.2 7-го КН 9 подают на вход 1-го ДН 13.

Если на вход 9.1 поступает значение ИБ, равное единице, т.е. r₄=1, то сигнал со 2-го выхода 9.3 7-го КН 9 подают на вход 2-го ДН 14.

Если на вход 7.1 поступает значение ИБ, равное единице, т.е. r₃=1, то сигнал со 2-го выхода 7.3 3-го КН 7 подают на 2-й вход 5-го КН 10.

Если на вход 10.1 поступает значение ИБ, равное нулю, т.е. r₄=0, то сигнал с 1-го выхода 10.2 5-го КН 10 подают на вход 3-го ДН 15.

Если на вход 10.1 поступает значение ИБ, равное единице, т.е. r₄=1, то сигнал со 2-го выхода 10.3 5-го КН 10 подают на вход 1-го УН 16. С выходов 1-го ДН ( u → 4 I , − u → 4 I ), 2-го ДН ( u → 3 I , − u → 3 I ), 3-го ДН ( u → 2 I , − u → 2 I ) и 1-го УН ( u → 1 I , − u → 1 I ) манипулированные ВН СС подают на вход 21.1 сумматора 21.

С выхода 6.3 2-го КН 6 сигнал КС подают на вход 4-го КН 8.

Если на вход 8.1 поступает значение ИБ, равное нулю, т.е. r₃=0, то сигнал с 1-го выхода 8.2 4-го КН 8 подают на 2-й вход 8-го КН 11.

Если на вход 11.1 поступает значение ИБ, равное нулю, т.е. r₄=0, то сигнал с 1-го выхода 11.2 8-го КН 11 подают на вход 4-го ДН 17.

Если на вход 11.1 поступает значение ИБ, равное единице, т.е. r₄=1, то сигнал со 2-го выхода 11.3 8-го КН 11 подают на вход 2-го УН 18.

Если на вход 8.1 поступает значение ИБ, равное единице, т.е. r₃=1, то сигнал со 2-го выхода 8.3 4-го КН 8 подают на 2-й вход 6-го КН 12.

Если на вход 12.1 поступает значение ИБ, равное нулю, т.е. r₄=0, то сигнал с 1-го выхода 12.2 6-го КН 12 подают на вход 5-го ДН 19.

Если на вход 12.1 поступает значение ИБ, равное единице, т.е. r₄=1, то сигнал со 2-го выхода 12.3 6-го КН 12 подают на вход 6-го УН 20. С выходов 4-го ДН ( u → 3 Q , − u → 3 Q ), 5-го ДН ( u → 4 Q , − u → 4 Q ), 6-го ДН ( u → 2 Q , − u → 2 Q ) и 2-го УН ( u → 1 Q , − u → 1 Q ), манипулированные ВН КС подают на вход 21.2 сумматора 21.

На выходе 21.3 сумматора 21, который является выходом заявляемого устройства, формируется результирующий ВН, который определяет ТСС, соответствующую блоку из 4-х ИБ. ВН СС u → 1 I , − u → 1 I , u → 2 I , − u → 2 I , u → 3 I , − u → 3 I , u → 4 I , − u → 4 I соответственно формируются на выходах УН 16, ДН 15, ДН 14, ДН 13. ВН КС u → 1 Q , − u → 1 Q , u → 2 Q , − u → 2 Q , u → 3 Q , − u → 3 Q , u → 4 Q , − u → 4 Q соответственно формируются на выходах УН 18, ДН 20, ДН 17, ДН 19.

На фиг.3 показаны ТСС F₁-F₁₆, соответствующие всем возможным комбинациям блоков из 4-х ИБ, представленных на фиг.2.

Таким образом, каждый ВСС участвует в формировании только двух ТСС: u → 1 I для F₆ и F₁₄; − u → 1 I для F₃ и F₁₁; u → 2 I для F₈ и F₁₃; − u → 2 I для F₄ и F₉; u → 3 I для F₅ и F₁₆; − u → 3 I для F₁ и F₁₂; u → 4 I для F₇ и F₁₅; − u → 4 I для F₂ и F₁₀; u → 1 Q для F₁ и F₅; − u → 1 Q для F₁₂ и F₁₆; u → 2 Q для F₃ и F₆; − u → 2 Q для F₁₁ и F₁₄; u → 3 Q для F₂ и F₇; − u → 3 Q для F₁₀ и F₁₅; u → 4 Q для F₄ и F₈; − u → 4 Q для F₉ и F₁₃, что указывает на достижение цели заявляемого устройства.

1. Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, содержащее сумматор, задающий генератор, выход которого подключен к входам первого, второго фазовращателей (ФВ) и к первому входу первого коммутатора напряжения (КН), второй вход которого подключен к выходу второго ФВ, выход первого КН подключен к второму входу третьего КН, второй вход второго КН подключен к выходу третьего ФВ, а первый вход второго КН подключен к выходу первого ФВ и входу третьего ФВ, выход второго КН подключен к второму входу четвертого КН, причем третий вход первого и второго КН является информационным входом, а первый вход третьего и четвертого КН также являются информационными входами, а выход сумматора является выходом устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены пятый, шестой, седьмой и восьмой КН, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой делители напряжения (ДН), а также первый и второй усилители напряжения (УН), причем второй вход пятого КН соединен со вторым выходом третьего КН, а первый и второй выходы пятого КН соответственно соединены с входом третьего ДН и входом первого УН, второй вход седьмого КН соединен с первым выходом третьего КН, а первый и второй выходы седьмого КН соответственно соединены с входом первого ДН и входом второго ДН, второй вход шестого КН соединен с вторым выходом четвертого КН, а первый и второй выходы шестого КН соответственно соединены с входом пятого ДН и входом шестого ДН, второй вход восьмого КН соединен с первым выходом четвертого КН, а первый и второй выходы восьмого КН соответственно являются входом четвертого ДН и входом второго УН, причем выходы первого второго, третьего ДН и первого УН соединены с первым входом сумматора, а выходы четвертого, пятого, шестого ДН и второго УН соединены со вторым входом сумматора, при этом, на третьи (информационные) входы первого и второго КН соответственно подают второй и первый информационные биты, на первые (информационные) входы третьего КН и четвертого КН подают третий информационный бит, а на первые (информационные) входы пятого и седьмого КН, а также шестого и восьмого КН подают четвертый информационный бит.

2. Устройство по п.1, отличающийся тем, что первый ФВ изменяет фазу сигнала на 90°, а второй и третий ФВ изменяют фазу сигнала на 180°.

3. Устройство по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты деления составляют: 3/8 для первого и пятого ДН; 5/8 - для второго и четвертого ДН; 7/8 - для третьего и шестого ДН, а коэффициент усиления для первого и второго УН составляет 9/8.