Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к способам формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ), применяемых на линиях многоканальной цифровой связи, цифрового радиовещания и цифрового 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 составляющую (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 соответствующей 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 квадратурной манипуляции (Севальнев Л.А. Передача сигналов цифрового телевидения с информационным сжатием данных по кабельным линиям связи // Теле-Спутник, №1(27), 1998. - С.54-67), в котором формирование несущей получается путем модуляции и суммирования двух квадратурных сигналов: sin(ωt) и cos(ωt). Способ формирования содержит два параллельно работающих канала, в каждом из которых производится фазоамплитудная манипуляция (ФАМ), общий задающий генератор, фазовращатели и управляемые коммутаторы с делителями напряжения для получения четырехуровневого сигнала КАМ с шестнадцатью сигнальными точками (КАМ-16). При такой совокупности элементов и связей достигается повышение частотно-энергетической эффективности использования дискретных каналов линий многоканальной электросвязи (Бураченко Д.Л. Оптимизация сигнальной конструкции иерархической 16-QAM при двух алгоритмах оптимального приема и двух манипуляционных кодах. [Текст]: статья / Д.Л. Бураченко, В.И. Бобровский, И.В. Тимошин // Материалы 8-й международной НТК. - СПб.: ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2002. - С.17-19). Недостаток известного способа формирования сигналов КАМ-16 - потери помехоустойчивости переданной информации в условиях относительно низких величин отношения сигнал/шум (ОСШ), как с введением, так и без введения приоритетности в передаче сообщений нескольких пользователей.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому техническому результату является способ формирования сигналов КАМ-16 (Патент РФ №2365050, МПК H04L 27/06, 2008 г.), который состоит из двух параллельно работающих каналов, в одном из которых производят ФАМ сигнала sin(ωt) (канал I), во втором - ФАМ 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 помехо-устойчивости на основе изменения величины оптимального коэффициента модуляции (коэффициента делителя напряжения) в зависимости от получае-мого по обратному каналу значения ОСШ на входе приемного устройства, как с разбиением, так и без разбиения общего переносимого потока бит на подпотоки по приоритетности в условиях помех.

Однако наиболее близкому по своей технической сущности способу-прототипу присущ недостаток. При его реализации в результате манипуля-ции формируются четыре вектора напряжения: u → и с х I и - u → и с х I для СС (канал I),

u → и с х Q и - u → и с х Q для КС (канал Q), которые манипулируют в зависимости от зна-чений каждых четырех информационных битов. В радиоканал значения напряжений СС и КС передаются попарно (пара величин напряжений СС и КС, сумма которых определяет точку сигнального созвездия). Вместе с тем, каждый из векторов манипулированных напряжений участвует в формирова-нии четырех точек сигнального созвездия КАМ-16. Следовательно, если в ре-зультате сбоя в аппаратуре или относительно низкой величины ОСШ в кана-ле не будет правильно принято значение одного из попарно переданных век-торов, то по оставшемуся правильно принятому значению вектора напряже-ния невозможно будет вычислить результирующий суммарный вектор напряжений СС и КС, определяющий точку сигнального созвездия, и, как следствие, восстановить соответствующую ему переданную комбинацию из четырех битовых символов.

Целью заявляемого технического решения является разработка способа формирования сигнала КАМ-16 с более высокой помехоустойчивостью, обеспечивающейся за счет восстановления переданной комбинации из четы-рех битовых символов в случае неправильного приема (или невозможности приема) одного из попарно переданных векторов напряжений в результате сбоя в аппаратуре или относительно низкой величины ОСШ в канале.

В заявляемом способе поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования сигналов КАМ, заключающегося в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения квадратурной и синфазной составляющих, которые манипулируют в зависимости от значений первого r₁, второго r₂, третьего r₃ и четвертого r₄ информационных битов, причем фазы изменяют на 180° для если r₂=1, а для если r₁=1. При этом все поступающие информационные биты разделяют на блоки по четыре бита, причем квадратурную и синфазную составляющие манипулируют следующим образом, если r₁=0, r₂=1, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 18/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 14/16; если r₁=0, r₂=1, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 14/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 6/16; если r₁=0, r₂=1, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 10/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 18/16; если r₁=0, r₂=1, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 6/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 10/16; если r₁=0, r₂=0, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 17/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 7/16; если r₁=0, r₂=0, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 15/16, умножают на 17/16; если r₁=0, r₂=0, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 9/16, умножают на 7/16; если r₁=0, r₂=0, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 7/16, умножают на 15/16; если r₁=1, r₂=0, r₃=1 и r₄=0, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 6/16, умножают на 10/16; если r₁=1, r₂=0, r₃=0 и r₄=0, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 10/16, умножают на 18/16; если r₁=1, r₂=0, r₃=1 и r₄=1, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 14/16, умножают на 6/16; если r₁=1, r₂=0, r₃=0 и r₄=1, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 18/16, умножают на 14/16;если r₁=1, r₂=1, r₃=1 и r₄=0, то , фаза которого изменена на 180°,

умножают на 7/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 15/16; если r₁=1, r₂=1, r₃=0 и r₄=0, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 9/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 7/16; если r₁=1, r₂=1, r₃=1 и r₄=1, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 15/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 17/16; если r₁=1, r₂=1, r₃=0 и r₄=1, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 17/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 9/16, пары манипулированных синфазных и квадратурных составляющих передают по каналу связи. При приеме пары манипулированных значения синфазных и квадратурных составляющих суммируют по формуле .

Новая совокупность существенных признаков, заключающаяся в том, что каждой точке формируемого сигнального созвездия соответствует своя уникальная пара значений напряжений СС и КС, позволяющая достичь указанного технического результата, заключающегося в том, что правильное решение о переданной комбинации из четырех битов будет принято даже в условиях, когда одно из значений напряжений СС или КС из-за сбоя в аппаратуре или относительно низкой величины ОСШ в канале принято с ошибкой (т.е. когда номинал одного из пары переданных напряжений СС и КС отличается от величин допустимых для данных напряжений значений).

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, на которых:

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

на фиг. 2 показаны точки векторов сигнальных созвездий (ВСС) сигналов КАМ-16, формируемых в соответствии с прототипом и заявляемым способом.

Реализация заявляемого способа поясняется следующим образом.

1. Поступающие информационные биты разделяют на блоки по четыре бита. На фиг. 1 показана исходная последовательность СИБП, разделенная на блоки по четыре бита. Над битами каждого блока указана нумерация.

Операцию разделения последовательности СИБП на блоки можно реализовать следующим образом. Из непрерывной последовательности СИБП

отсчитывают по четыре бита, которые представляют блок. Нумерация битов в блоке происходит слева направо (см. фиг. 1).

2. Генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения квадратурной и синфазной составляющих. Операции формирования синусоидального сигнала известны (см. патент РФ №2205518, 2001 г.). Сигнал КС можно формировать путем изменения фазы исходного синусоидального сигнала на 90° с помощью фазовращателя (0°/90°) (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). На фиг. 2 показаны исходные вектора напряжений СС и КС , соответственно по оси синфазного I и квадратурного Q напряжений.

3. Значения напряжения квадратурной и синфазной составляющих манипулируют в зависимости от значений первого r₁, второго r₂, третьего r₃ и четвертого r₄ информационных битов, причем фазы изменяют на 180° для если r₂=1, а для если r₁=1.

Значения КС и СС манипулируют следующим образом:

3.1. Если r₁=0, r₂=1, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 18/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 14/16.

3.2. Если r₁=0, r₂=1, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 14/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 6/16.

3.3. Если r₁=0, r₂=1, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 10/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 18/16.

3.4. Если r₁=0, r₂=1, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 6/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 10/16.

3.5. Если r₁=0, r₂=0, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 17/16, умножают на 7/16.

3.6. Если r₁=0, r₂=0, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 15/16, умножают на 17/16.

3.7. Если r₁=0, r₂=0, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 9/16, умножают на 7/16.

3.8. Если r₁=0, r₂=0, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 7/16, умножают на 15/16.

3.9. Если r₁=1, r₂=0, r₃=1 и r₄=0, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 6/16, умножают на 10/16.

3.10. Если r₁=1, r₂=0, r₃=0 и r₄=0, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 10/16, умножают на 18/16.

3.11. Если r₁=1, r₂=0, r₃=1 и r₄=1, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 14/16, умножают на 6/16.

3.12. Если r₁=1, r₂=0, r₃=0 и r₄=1, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 18/16, умножают на 14/16.

3.13. Если r₁=1, r₂=1, r₃=1, r₄=0, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на7/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 15/16.

3.14. Если r₁=1, r₂=1, r₃=0, r₄=0, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 9/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 7/16.

3.15. Если r₁=1, r₂=1, r₃=1, r₄=1, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 15/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 17/16.

3.16. Если r₁=1, r₂=1, r₃=0, r₄=1, то , фаза которого изменена на 180°, умножают на 17/16, , фаза которого изменена на 180°, умножают на 9/16.

Операция манипулирования значениями напряжения СС и КС при формировании сигналов КАМ-16 в двумерном пространстве предусматривает изменение исходных значений векторов напряжения СС и КС (см. патент РФ №2439819 2012 г.).

На фиг. 2 показаны значения напряжений , , , , , , , , , , , , , , , , сформированных из напряжения КС и значения напряжений , , , , , , , , , , , , , , , , сформированных из напряжения КС в результате манипуляции СС и КС при формировании сигналов КАМ-16. Операции манипуляции напряжений СС и КС, в том числе и при изменении их фазы на 180°, известны и описаны (см. патент РФ №2365050, 2008 г.).

4. Суммируют при приеме манипулированные значения синфазной и квадратурной составляющих по формуле .

Операции суммирования манипулированных напряжений СС и КС известны (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). В результате суммирования СС и КС формируется сигнальное созвездие сигнала КАМ-16. На фиг. 2 показаны результирующие точки ВСС, полученные в результате суммирования манипулированных значений напряжений СС и КС , в том числе и для способа-прототипа.

Для заявляемого способа сумме значений напряжений и соответствует точка F₇ ВСС OF₇. Сумме значений напряжений и - точка F₈ ВСС OF₈. Сумме значений напряжений и - точка F₆ ВСС OF₆. Сумме значений напряжений и - точка F₆ ВСС OF₆. Сумме значений напряжений - и - точка F₄ ВСС OF₄. Сумме значений напряжений - и - точка F₃ ВСС OF₃. Сумме значений напряжений - и - точка F₁ ВСС OF₁. Сумме значений напряжений - и - точка F₂ ВСС OF₂. Сумме значений напряжений - и - - точка F₁₀ ВСС OF₁₀. Сумме значений напряжений - и - - точка F₉ ВСС OF₉.

Сумме значений напряжений − u → 3 I и u → 5 Q - точка F₁₂ BCC OF₁₂. Сумме значений напряжений − u → 1 I и − u → 6 Q - точка F₁₁ BCC OF₁₁. Сумме значений напряжений u → 7 I , и − u → 4 Q - точка F₁₃ BCC OF₁₃. Сумме значений напряжений u → 5 I и − u → 3 Q - точка F₁₄ BCC OF₁₄.

Сумме значений напряжений u → 6 I и − u → 1 Q - точка F₁₆ BCC OF₁₆. Сумме значений напряжений u → 8 I и − u → 2 Q - точка F₁₅ BCC OF₁₅.

Для способа-прототипа сумме значений напряжений u → и с х 1 I и u → и с х 1 Q соответствует точка A₇, вектора сигнального созвездия OA₇. Сумме значений напряжений u → и с х I и u → и с х 1 Q соответствует точка А₈, вектора сигнального созвездия OA₈. Сумме значений напряжений u → и с х 1 I и u → и с х Q соответствует точка А₅, вектора сигнального созвездия OA₅. Сумме значений напряжений u → и с х I и u → и с х Q соответствует точка А₆, вектора сигнального созвездия ОА₆. Сумме значений напряжений − u → и с х 1 I и u → и с х 1 Q соответствует точка А₄, вектора сигнального созвездия ОА₄. Сумме значений напряжений − u → и с х I и u → и с х 1 Q соответствует точка A₃, вектора сигнального созвездия ОА₃. Сумме значений напряжений − u → и с х 1 I и u → и с х Q соответствует точка А₂, вектора сигнального созвездия ОА₂. Сумме значений напряжений − u → и с х I и u → и с х Q соответствует точка А₁, вектора сигнального созвездия ОА₁. Сумме значений напряжений − u → и с х 1 I и − u → и с х 1 Q соответствует точка А₁₀, вектора сигнального созвездия ОА₁₀. Сумме значений напряжений − u → и с х I и − u → и с х 1 Q соответствует точка А₉, вектора сигнального созвездия ОА₉. Сумме значений напряжений − u → и с х 1 I и − u → и с х Q соответствует точка A₁₂, вектора сигнального созвездия ОА₁₂. Сумме значений напряжений − u → и с х I ^и − u → и с х Q соответствует точка А₁₁, вектора сигнального созвездия ОА₁₁. Сумме значений напряжений u → и с х 1 I и − u → и с х 1 Q соответствует точка А₁₃, вектора сигнального созвездия ОА₁₃. Сумме значений напряжений u → и с х I и − u → и с х 1 Q соответствует точка A₁₄, вектора сигнального созвездия ОА₁₄. Сумме значений напряжений u → и с х 1 I и − u → и с х Q соответствует точка А₁₅, вектора сигнального созвездия OA₁₅. Сумме значений напряжений u → и с х I и − u → и с х Q соответствует точка А₁₆, вектора сигнального созвездия ОА₁₆.

Согласно заявляемому способу формирование сигналов КАМ-16 происходит следующим образом. Информационную последовательность разбивают на блоки по четыре символа в каждом. При этом процесс манипуляции СС u → и с х I КС u → и с х Q происходит в два этапа.

На первом этапе проверяются значения первого и второго информационных символов блока. Если r₂=0, то фазу СС оставляют без изменений, если r₂=1, то фазу СС изменяют на 180°, и вместо u → и с х I формируют − u → и с х I . Если r₁=0, то фазу КС оставляют без изменений, если r₁=1, то фазу КС изменяют на 180°, и вместо u → и с х Q формируют − u → и с х Q .

На втором этапе, в зависимости значений r₁, r₂, r₃ и r₄ каждого блока информационных битов, выполняют процедуры п.п.3.1-3.16, т.е. исходные значения напряжений КС u → и с х Q и СС u → и с х I , преобразованных в ходе первого этапа реализации, умножают на соответствующие коэффициенты.

Затем пару манипулированных значений СС и КС передают по каналу связи. На приемном конце канала связи решение о переданной комбинации блока информационных битов осуществляют по значениям пары принятых напряжений манипулированных СС u → M I и КС u → M Q , которые в результате суммирования образуют ВСС.

В способе-прототипе в случае неправильного приема одного из пары переданных значений вектора напряжений СС или КС, вызванных, например, сбоем аппаратуры или относительно низкой величиной ОСШ, по оставшемуся принятому значению вектора напряжения из пары не возможно однозначно принять решение о том, какой комбинации информационных символов это значение вектора манипулированного напряжения соответствует.

Например, манипулированное значение u → и с х Q соответствует комбинациям 0110, 0100, 0010, 0000. Манипулированное значение u → и с х 1 Q соответствует комбинациям 0111, 0101, 0011, 0001. Манипулированное значение − u → и с х Q соответствует комбинациям 1111, 1101, 1011, 1001. Манипулированное значение − u → и с х 1 Q соответствует комбинациям 1110, 1100, 1010, 1000.

Манипулированное значение u → и с х I соответствует комбинациям 0000, 0001, 1000, 1001. Манипулированное значение u → и с х 1 I соответствует комбинациям 0010, 0011, 1010, 1011. Манипулированное значение − u → и с х I соответствует комбинациям 0110, 0111, 1110, 1111. Манипулированное значение − u → и с х 1 I