Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ), применяемым на линиях многоканальной цифровой связи, цифрового радиовещания и цифрового телевидения.

Известен способ формирования 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 - потери помехоустойчивости переданной информации в условиях наиболее плохой помеховой обстановки 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 помехоустойчивости на основе изменения величины оптимального коэффициента модуляции (коэффициента делителя напряжения) в зависимости от получаемого по обратному каналу соотношения сигнал-шум (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 манипуляции формируются четыре вектора напряжения: и для СС (канал 7), и для КС (канал Q), которые манипулируют в зависимости от значений 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 формировании четырех точек сигнального созвездия КАМ-16. Следовательно, если в результате сбоя в аппаратуре или низкой величины ОСШ в канале не будет правильно принято значение одного из попарно переданных векторов, то по оставшемуся правильно принятому значению вектора напряжения невозможно будет рассчитать суммарный вектор напряжений СС и КС, определяющий точку сигнального созвездия, и, как следствие, восстановить переданную комбинацию из четырех битовых символов.

Целью заявляемого технического решения является разработка способа формирования сигнала КАМ-16, обеспечивающего восстановление переданной комбинации из четырех битовых символов в случае неправильного приема одного из попарно переданных векторов напряжений в результате сбоя в аппаратуре или низкой величины ОСШ в канале.

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 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, после чего манипулированные синфазную и квадратурную составляющие суммируют. 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 9/8, умножают на 7/8; если r₁=0, r₂=1, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 7/8, умножают на 3/8; если r₁=0, r₂=1, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 5/8, умножают на 9/8; если r₁=0, r₂=1, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 3/8, умножают на 5/8; если r₁=0, r₂=0, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 9/8, умножают на 5/8; если r₁=0, r₂=0, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 7/8, умножают на 9/8; если r₁=0, r₂=0, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 5/8, умножают на 3/8; если r₁=0, r₂=0, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 3/8, умножают на 7/8; если r₁=1, r₂=0, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 3/8, умножают на 5/8; если r₁=1, r₂=0, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 5/8, умножают на 9/8; если r₁=1, r₂=0, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 7/8, умножают на 3/8; если r₁=1, r₂=0, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 9/8, умножают на 7/8; если r₁=1, r₂=1, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 3/8, умножают на 7/8; если r₁=1, r₂=1, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 5/8, умножают на 3/8; если r₁=1, r₂=1, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 7/8, умножают на 9/8; если r₁=1, r₂=1, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 9/8, умножают на 5/8, причем формируют комбинацию информационных сигналов таким образом, чтобы каждому значению манипулированных векторов напряжений соответствуют только две комбинации информационных бит, расположенных в разных квадрантах. А суммируют манипулированные значения синфазной и квадратурной составляющих по формуле .

Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанный технический результат, заключающийся в том, что в результате манипулирования каждому значению вектора манипулированного напряжения будут соответствовать только две точки сигнального созвездия КАМ-16. Причем эти точки будут располагаться в разных квадрантах сигнального созвездия, что позволяет принять правильное решение в том случае, когда в переданной паре одно из значений манипулированных векторов будет принято правильно, а для значения другого принятого манипулированного вектора достаточно осуществить прием с точностью до знака (т.е. принять решение - передавалось положительное значение напряжения или отрицательное).

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 сигналов КАМ-16, формируемых в соответствии с известным способом-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. В непрерывной последовательности СИБП отсчитывают по четыре бита, которые и представляют блок. При этом нумерация битов в блоке происходит слева на право.

2. Генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения синфазной и квадратурной составляющих, причем при формировании СС синусоидальный сигнал оставляют без изменения.

Операции формирования синусоидального сигнала известны (см. патент РФ №2205518, 2001 г.). Причем КС можно формировать, например, 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, причем КС и СС манипулируют следующим образом:

3.1. Если r₁=0, r₂=1, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 9/8, умножают на 7/8.

3.2. Если r₁=0, r₂=1, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 7/8, умножают на 3/8.

3.3. Если r₁=0, r₂=1, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 5/8, умножают на 9/8.

3.4. Если r₁=0, r₂=1, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 3/8, умножают на 5/8.

3.5. Если r₁=0, r₂=0, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 9/8, умножают на 5/8.

3.6. Если r₁=0, r₂=0, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 7/8, умножают на 9/8.

3.7. Если r₁=0, r₂=0, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 5/8, умножают на 3/8.

3.8. Если r₁=0, r₂=0, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 3/8, умножают на 7/8.

3.9. Если r₁=1, r₂=0, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 3/8, умножают на 5/8.

3.10. Если r₁=1, r₂=0, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 5/8, умножают на 9/8.

3.11. Если r₁=1, r₂=0, r₃=1 и r₄=1 то умножают на 7/8, умножают на 3/8.

3.12. Если r₁=1, r₂=0, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 9/8, умножают на 7/8.

3.13. Если r₁=1, r₂=1, r₃=1 и r₄=0, то умножают на 3/8, умножают на 7/8.

3.14. Если r₁=1, r₂=1, r₃=0 и r₄=0, то умножают на 5/8, умножают на 3/8.

3.15. Если r₁=1, r₂=1, r₃=1 и r₄=1, то умножают на 7/8, умножают на 9/8.

3.16. Если r₁=1, r₂=1, r₃=0 и r₄=1, то умножают на 9/8, умножают на 5/8.

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 СС , и значения напряжений , , , , , , , , сформированных из напряжения КС в результате их манипуляции при формировании сигналов КАМ-16. Операции манипуляции напряжений СС и КС, в том числе и при изменении их фазы на 180° известны, и описаны, например, в патенте РФ №2365050, 2008 г.

4. Суммируют манипулированные значения СС и КС 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 векторов сигнального созвездия, полученные в результате суммирования значений манипулированных значений напряжения СС и КС, в том числе и для способа-прототипа.

Для заявляемого способа сумме значений напряжений и соответствует точка F₇ вектора сигнального созвездия OF₇. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₈ вектора сигнального созвездия OF₈. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₅ вектора сигнального созвездия OF₅. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₆ вектора сигнального созвездия OF₆. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₄ вектора сигнального созвездия OF₄. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₃ вектора сигнального созвездия OF₃. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₁ вектора сигнального созвездия OF₁. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₂ вектора сигнального созвездия OF₂. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₁₀ вектора сигнального созвездия of₁₀. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₉ вектора сигнального созвездия OF₉. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₁₂ вектора сигнального созвездия OF₁₂. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₁₁ вектора сигнального созвездия OF₁₁. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₁₃ вектора сигнального созвездия OF₁₃. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₁₄ вектора сигнального созвездия OF₁₄. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₁₆ вектора сигнального созвездия OF₁₆. Сумме значений напряжений и соответствует точка F₁₅ вектора сигнального созвездия OF₁₅.

Для способа-прототипа сумме значений напряжений и соответствует точка A₇ вектора сигнального созвездия OA₇. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₈ вектора сигнального созвездия OA₈. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₅ вектора сигнального созвездия OA₅. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₆ вектора сигнального созвездия OA₆. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₄ вектора сигнального созвездия OA₄. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₃ вектора сигнального созвездия OA₃. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₂ вектора сигнального созвездия OA₂. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₁ вектора сигнального созвездия OA₁. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₁₀ вектора сигнального созвездия OA₁₀. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₉ вектора сигнального созвездия OA₉. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₁₂ вектора сигнального созвездия OA₁₂. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₁₁ вектора сигнального созвездия OA₁₁.

Сумме значений напряжений и соответствует точка A₁₃ вектора сигнального созвездия OA₁₃. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₁₄ вектора сигнального созвездия OA₁₄. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₁₅ вектора сигнального созвездия OA₁₅. Сумме значений напряжений и соответствует точка A₁₆ вектора сигнального созвездия OA₁₆.

Для манипуляции напряжений СС и КС 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-16 происходит следующим образом. Информационную последовательность разбивают на блоки по четыре символа в каждом. При этом процесс манипуляции СС КС 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 формируют . Если r₁=0, то фазу КС оставляют без изменений, если r₁=1, то фазу КС изменяют на 180°, и вместо формируют .

На втором этапе, в зависимости от значений r₁, r₂, r₃ и r₄ каждого блока информационных битов выполняют процедуры п.п.3.1-3.16, т.е. исходные значения напряжений КС и СС , 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 и КС.

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 напряжений из пары невозможно однозначно принять решение о том, какой комбинации информационных символов это значение вектора манипулированного напряжения соответствует.

Например, манипулированное значение соответствует комбинациям 0110, 0100, 0010, 0000. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0111, 0101, 0011, 0001. Манипулированное значение соответствует комбинациям 1111, 1101, 1011, 1001. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0111, 0101, 0011, 0001.

Манипулированное значение соответствует комбинациям 0000, 0001, 1000, 1001. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0010, 0011, 1010, 1011. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0110, 0111, 1110, 1111. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0100, 0101, 1100, 1101.

В то же время в заявляемом способе для однозначного принятия решения о переданной комбинации информационных символов необходимо правильно принять только одно из пары значений напряжений манипулированных векторов. Значение другого манипулированного напряжения достаточно принять с точностью до знака (т.е. принять решение - передавалось положительное значение напряжения или отрицательное). Это связано с тем, что каждому значению манипулированных векторов напряжений соответствует только две комбинации символов, при этом расположенных в разных квадрантах.

Манипулированное значение соответствует комбинациям 0000, 1000. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0001, 1001. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0010, 1010. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0011, 1011. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0111, 1111. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0110, 1110. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0101, 1101. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0100, 1100.

Манипулированное значение соответствует комбинациям 0110, 0010. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0100, 0000. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0111, 0011. Манипулированное значение соответствует комбинациям 0101, 0001. Манипулированное значение соответствует комбинациям 1101, 1001. Манипулированное значение соответствует комбинациям 1111, 1011. Манипулированное значение соответствует комбинациям 1100, 1000. Манипулированное значение соответствует комбинациям 1110, 1010.

Таким образом, в заявляемом способе при его реализации за счет постановки в результате манипулирования каждому значению вектора манипулированного напряжения только двух точек сигнального созвездия сигнала КАМ-16 достигается цель заявляемого технического решения.