Кодек для системы связи с многократной фазовой модуляцией

 

Изобретение относится к вычислительной технике и технике связи. Его использование в цифровых системах связи позволяет повысить помехоустойчивость и одновременно скорость передачи . Кодек состоит из передающей стороны 1, содержащей кодер 4 сверточного кода, модулятор 8 сигналов фазовой модуляции и блок 9 тактовой синхронизации , из канала 3 связи и приемной стороны 2, содержащей демодулятор 10 сигналов фазовой модуляции, декодер 12 сверточного кода, блок 13 тактовой синхронизации и блок 14 ветвевой синхронизации . Цель изобретения достигается благодаря введению на передающей стороне 1 регистров 5, 6 сдвига и буферного регистра 7, а на приемной стороне 2 - блоков 11 вычисления среднеарифметических проекций сигналов. 1 з.п. Ъ-лы. 8 ил. S IE

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1

Н ОЗ И 13/12, Н 34 L 17/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ юг.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4343417/24 (22) 14.12.87 (46) 23.02.91. Бюл. Р 7 (71) Одесский электротехнический институт связи им. А.С.Попова (72) В.Л.Банкет, А;И.Ляхов и А.В.Салабай (53) 621.394,14:681.32(088.8) (563 Авторское свидетельство СССР . Р 809634, кл .. Н 04 L 17/30, 1978, Авторское свидетельство ССС?

Р 1443178, кл. Н 03 Н 13/00, 1987.

Зарубежная радиоэлектроника, 1981, Р 3, с. 3-23.

Кларк Дж,, Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. - М.: Радио и связь, 1987, с. 231-244, рис. 6.21. (54) КОДЕК ДЛЯ СИСТЕМ(СВЯЗИ С К1ОГОКРАТНОЙ ФАЗОВОИ ИОЦУЛЯЦИЕЙ

„„яцÄÄ 1629992

2 (57) Изобретение относится к вычислительной технике и технике связи. Его использование в цифровых системах связи позволяет повысить помехоустойчивость и одновременно скорость передачи. Кодек состоит из передающей стороны 1, содержащей кодер 4 сверточного кода, модулятор 8 сигналов фазовой модуляции и блок 9 тактовой синхронизации, из канала 3 связи и приемной стороны 2, содержащей демодулятор 10 сигналов фазовой модуляции, декодер

12 сверточного кода, блок 13 тактовой синхронизации и блок 14 ветвевой синхронизации. Цель изобретения достигается благодаря введению на передающей стороне 1 регистров 5, 6 сдви9 га и буферного регистра 7, а на приемной стороне 2 — блоков 11 вычисления среднеарифметических- проекций сигналов. 1 з.п. ф-лы. 8 ил.

162999?

Изобретение относится к вычисли« тельной технике и технике связи и может использоваться при проектировании и создании цифровых систем связи.

Пель изобретения — повышение помехоустойчивости при одновременном повышении скорости передачи.

На фиг. 1 приведена блок-схема кодека; на фиг. 2 - схема выполнения передающей стороны в случае трехкратной фаэовой модуляции (ФМ); нафиг.3— решетчатая диаграмма сверточного кода, на фиг. 4 - векторы сигналов трехкратной фазовой модуляции; на фиг. 5— схема объединения принятых сигналов в группы, на фиг. 6 — сравнительные результаты различных систем связи; на фиг. 7 — векторы сигналов четырехкратной фазовой модуляции; на фиг.8 - 20 схема. объединения принимаемых сигналов в группы. кодек включает в себя передающую сторону 1, приемную сторону 2 и канал

3 связи. Передающая сторона 1 содержит кодер 4 сверточного кода, первый и второй регистры 5,6 сдвига, буферный регистр 7, модулятор 8 сигналов

ФИ и блок 9 тактовой синхронизации, Приемная сторона 2 содержит демодулятор 10 сигналов ФМ, блоки 11 вычисления среднеарифметических сигналов, декодер 12 сверточного кода, блок 13 тактовой синхронизации и блок 14 ветвевой синхронизации.

Блоки 11 вычисления среднеарифмети35 ческих проекций сигналов могут быть реализованы на источнике 15 опорных сигналов, первом и втором вычитателях 16,.17, первом .и втором квадраторах 18,19, сумматоре 20 и вычислителе 21 корня.

Кодер 4 сверточного кода состоит. (фиг. 2) из регистра 22 сдвига и сумматоров 23,24 по модулы два, соединенных в соответствии с генераторными полиномами сверточного кода. На фиг.2, представлено также подключение выходов регистров 5,6 сдвига к буферному регистру 7 для случая, когда число генераторных полиномов n=2 а число дополнительных сдвигов m=1 При этом кратность фазовой модуляции равна п+ш=3, т.е. модулятор 3 сигналов. ФИ реализует 2" 8 различных фаз в передаваемом сигнале (обозначается ФМ-8).55

Работа кодера 4 описывается решет-. чатой диаграммой (фиг. 3), которая представляет собой набор всех состояний кодера 4, соединенных переходами (ветвями). Каждый переход помечен кодируемыми символами (кодовыми ветвями), генерируемыми на данном переходе. На фиг. 3 обозначены также состояния выходов регистров 5,6 сдвига (фиг. 2).

На фиг. 4 показаны векторы сигналов трехкратной ФИ (ФМ-8), расположенных согласно манипуляционному коду

Грея. Демодулятор 10 производит когерентное детектирование принимаемых фазомодулированных сигналов и определение проекций суммы принимаемого сигнала и помехи на взаимноортогональные опорные колебания. Формируемые на выходах демодулятора 10 синфазный и квадратурный (сдвинутый на 90 ) сигналы подаются в блоки 13 и 14, где выделяются сигналы соответственно тактовой.и ветвевой синхронизации. Блок

14 обеспечивает указание неоднозначности фазы опорного колебания демодулятора 10 и разделения потока принимаемых символов на кодовые ветви. !

Кроме того, сигналы с демодулятора 10 подааются в блоки 11, принцип построения и. функционирования которых основан на следующем вновь разработанном алгоритме.

Для декодирования я соответствии с алгоритмом Витерби на каждом шаге декодирования необходимо вычислять метрики ветвей, т.е. расстояния принимаемой суммы сигнала и помехи до групп символов, соответствующих ветвям решетчатой диаграммы. На первом шаге решетчатой диаграммы необ- ходимо вычислить метрики ветви а, а2, на втором шаге - метрики ветви а +

1 (фиг. 3) ° Поскольку ветви сверточного кода а à а объединяются на передаче М

z н передаются одним сигналом трехкратной фазовой модуляции, при декодировании все сигнальные векторы объединяются в группы с одинаковыми символами а, а < (фиг. 5a) и группы с одинаФ ковым символом а (фиг. 5б) < нахо +< дящиеся в соответствующих секторах.

Поскольку символы в группах передаются равновероятно, в целях упрощения декодирования вычисляют расстояние не до каждого конкретного сигнала в группе, а до опорного сигнала, находящегося на оси симметрии каждого из секторов. Ортогональные проекции опорных сигналов определяются как среднее арифметическое соответствую162

9992

Поскольку вычисление метрик ветвей по формуле достаточно сложно, для упрощения реализации блока 11 можно использовать табличный способ вычислений метрик. При этом используется то же выражение для расчета расстояний r между принятым сигналом и опорными сигналами. Однако метрики ветвей 00, 01, 10, 11 и 01, предварительно рассчитанные, записаны B постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

Устройство вычитания метрик ветвей состоит из шести постоянных запоминающих устройств, на адресные входы которых с выходов демодулятора 10 поступают проекции (у,х) принятого сиг20 нального вектора, причем по адресу, определенному значениями (у,х) проекций, записаны расстояния от принятого сигнального вектора до опорных сигнаи лов, определенных в первых 2 блоках

25 17 как среднее арифметическое соответствукх их проекций 2 сигналов, кодовые комбинации которых определяют как значения первых кодированных символов, а также все возможные значения остальgp ных символов, а в последующих 2 блоN ках !1 — как среднее арифметическое

1 Ф m-1 соответствующих проекций 2, 2

2 сигналов, кодовые комбинации которых определяют как значения ш-го кодированного символа, так и все возмож35. ные значения остальных кодированных символов. Декодер 12 сверточного кода реализует алгоритм Витерби.

Кодер работает следующим образом.

40 Непрерывная последовательность информационных символов поступает на вход сверточного кодера 4 ° При выбранных параметрах n=2 и in=1 кодирование производят, сдвигая информацию в кодере 4 на один такт и определяя символы а, и а на первом и втором выходах, затем вновь сдвигая информацию на один такт и определяя один т кодированный символ а на выходе ( первого кодового генератора. На передающей стороне 1 такое преобразование символов реализовано путем использования двухразрядных регистров

5,6 сдвига и трехразрядного буферно55, ro регистра 7. Сигналы с кодера 4 по ступают на входы регистров 5,6> так: тируемых синхронно с регистром 22 кодера 4 сверточного када. Через два такта в первом регистре 5 содержатся .

Для рассматриваемого примера кодироцания и канале с ФМ-3 необходимо рассчитать несть метрик ветвей (расстОяний) rpp r p р 7 qp y Г q< для первого шага решетчатой диаграммы и

r p, г1 для второго нага. Поэтому приемная сторона 2 содержит несть блоков 11. На первые входы вычитателей 16,17 с выходов демодулятора 10 поступают ортогональные проекции (у,х) принятого сигнала. На вторые входы вычитателей 16,17 с выходов источника 15 опорных сигналов поступают ортоганальные проекции (у „,х „) соответствующего опорного сигнала, заданные в виде чисел. На выход блока

11 поступает расстояние r от принятого сигнала до соответствующего опорнощих проекций сигналов, входящих в данную группу.

Таким образом, на первом шаге решетчатой диаграммы, содержащем символы а а, метрики вычисляют, как расстоянйя от принятого сигнала, заданного проекциями (у,х), до четырех опорных сигналов МОО, МО1, М10 и М11, также заданных своими проекциями (уо0 в xoo) ° (yoq у х (ц) у (у а xqp) и (у, х <, ) . На фиг. 5а опорные сигналы отмечены крестиками. На втором шаге решетчатой диаграммы, содержащем символ а, метрики вычисляют, ф+( как расстояния до опорных сигналов, отмеченных крестиком на фиг. 5б, Блок 11, обеспечивающий вычисление метрик ветвей сверточного кода, работающий по рассмотренному способу вычислений, может быть реализован различными аппаратурными средствами.

Например, на фиг, 1 приведена подробная структурная схема блока 11, использующего принцип вычисления по формуле. Согласно этому способу вычис ления необходимо рассчитать метрики ветвей 00, 01, 10 и 11 для нага решетчатой диаграммы, содержащего кодированные символы а,а, и метрики

Ь ветвей 0 и 1 для нага решетчатой диаграммы, содержащего символ а < . Для ф,+( расчета расстояний между принятым из канала сигнальным вектором, заданным своими проекциями (у, х) на орто.— гональные оси, и опорными сигналами, также заданными своими проекциями (у, xp ) используется выражение го, которое. используется в декодере 12 в качестве метрик ветвей.

1629992 кодированные символы первого кодового генератора а1 и а", во втором регистре 6 кодированйые символы второго кодового генератора а и а »

Один раз за два такта происходит перезапись трех кодированных символов а, а » и а в буферный регистр 7.

Четвертый символ а + в канал 3 не

2 передают. Таким образом, на два инфор- мационных символа на входе кодера 4 получают три кодированных символа на

его выходе, скорость кода повышает1 2 ся от. R=- до величины R=-. Из решет2 3

15 чатой диаграммы такого кодера (фиг.3) видно, что на каждом mare декодирования в каждый узел диаграммы входят только две ветви, что значительно упрощает декодирование по сравнению со стандартной диаграммой .кода со скоростью 2/3, где в каждый узел входят по четыре ветви. +

Три кодированных символа а, а а, с выходов регистра 7 поступают на входы модулятора 8 сигналов трехкратной фазовой модуляции. После передачи сигналов по каналу 3 и демодуляции в демодуляторе 10 с помощью блоков 11 осуществляют вычисление метрик ветвей, которые используются затем в декодере 12 сверточного кода.

Эффективность различных систем передачи информации (в том числе и с использованием помехоустойчивого кодирования) принято сравнивать при

35 помощи диаграммы частотной и энергетической эффективности (фиг. 6) °

Под эАфективностью системы связи в общем случае понимают степень ис- 4 пользования основных ресурсов, отводимых для передачи сообщений. Такими ресурсами являются отношение энер" гии сигнала к односторонней спектральной плотности белого шума (Ec/No) 45 и полоса частот канала (F). Поэтому эффективность систем передачи информации принято оценивать коэффициентани энергетической (J6) и частотной эффективности ($)

» е

E /Ng где R — скорость передачи сообщений 55

I по каналу.

Поскольку полоса частот, занимаемых сигналом, не всегда определяется, однозначно, то целесообразно перейти к нормированным значениям

N

EС/Nо к =р где N — - число независимых отсчетов сигнала в единицу времени.

Различные системы связи отображаются в виде точек на -диаграмме. Например, наиболее широко используемой в настоящее время двукратной четырехфазной фазовой модуляции (ФМ-4) соответствует точка с координатами

° °

Н =-9,б дБ;

У =1 10 ).

1н ="

Относительно этой точки проводят сравнение систем связи с многопознционными сигналами и помехоустойчивым сверточным кодированием.

Применение многократной фазовой модуляции позволяет получить более высокую удельную скорость передачи эа счет снижения энергетической эффективности системы. Например, системе связи с трехкратной (восьмифазной) фазовой модуляцией (ФМ-8) соответствует точка с координатами

pH =-13,6 дй! (Pg =1 .10 ) .

3 N =1,5 °

Таким образом, переход оТ двукратной к трехкратной фаэовой модуляции увеличивает скорость передачи информации в 1,5 раза без расширения полосы частот. Энергетическая эффективность снижается на 4 дБ, поскольку увеличение кратности модуляции или числа фаз сигнала уменьшает различимость соседних позиций сигнала.

Применение помехоустойчивого коди-. рования позволяет повысить энергетическую эффективность системы связи за счет снижения удельной скорости передачи (расширения полосы занииаеьыс частот). Например, системе связи с помехоустойчивым сверточным кодированием и декодированием по алгоритму

Внтерби соответствуют точки с координатами: для сверточного кода со скоростью

R=1/2 и длиной кодового ограничения

4=4

Pg =-4,6 дй; (Ру-1. 10 ) .

У „=0,5, и

1629992

10 для сверточного кода со скоростью

R=2/3 и длиной кодового ограничения дБю (P =1 1О <).

t g =О,666, Испытания рассматриваемого кодека показали, что его энергетический выигрьпп по сравнению с некодированной двукратной ФИ составляет 3 дБ. Обе системы связи имеют одинаковую удельную скорость передачи / g =1. Таким . образом, разработанная система отобраяается иа Я -Ииаграиие точкой с коор15 ди атами (N =-6,6 дБ; (Г =1 ° 1О ).

rN =

Использование рассматриваемого алгоритма кодирования со скоростью

R=3/4 (n=2, m=2) н сигналов четырехкратной фазовой модуляции позволяет повысить удельную скорость передачи в 1,5. раз IIQ сравнению с некодирован-25 ной двукратной фазовой модуляцией в той же полосе частот канала. Сигналы четырехкратной ФИ показаны на фиг.7, а объединение сигналов в группы и опорные сигналы в группах приведены на фиг. 8.

Формула и.зобретения

1. Кодек для системы связи с многократной фазовой модуляцией, содержащий на передающей стоЧоне кодер сверточного кода, информационный вход ко- 5 торого объединен с входом блока тактовой синхронизации и является входом .кодека, первьп выход блока тактовой синхронизации соединен с тактовым входом кодера сверточного кода, модулятор сигналов фазовой модуляции, выход которого подключен к входу канала связи, на приемной стороне— демодулятор сигналов фазовой модуляции, вход которого подключен к выходу канала связи, — блок тактовой синхронизации и блок ветвевой синхронизации, выходы которых соединены соответственно с тактовым входом и входом синхронизации декодера сверточного кода, выход которого является выходом кодека, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости при одновременном повы55 шенин скорости передачи, на передающей стороне введены первый и второй регистры сдвига и буферный регистр, тактовые входы регистров сдвига объединены и подключены к первому выходу блока тактовой синхронизации, второй выход которого соединен с тактовыми входами буферного регистра, и модулятор сигналов фазовой модуляции, первый и второй выходы кодера сверточного кода подключены к информационным входам соответственно первого и второго регистров сдвига, выходы пер-. вого — n-го разрядов первого регистра сдвига (п - число генераторных полйномов сверточного кода) и выходы (n-m+ 1) -го-и-го разрядов второго регистра сдвига (m — число дополнительных символов в кодовом слове сверточного кода, m и) соединены с соответствующими информационными входами буферного регистра, выходы которого подключЕны соответственно к первому — (n+m) -му информационным входам модулятора сигналов Аазовой модуляции, на приемной стороне введены первый — (2 +л )-й и блоки вычисления срецнеквадратических проекций сигналов, синфазный и квадратурный выходы демодулятора сигналов фазовой модуляции подключены соответственно к первым и вторым входам блока тактовой синхронизации, блока ветвевой синхронизации и всех блоков вычисления среднеарифметических проекций сигналов, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами детектора сверточного кода.

2. Кодек по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что блок вычисления среднеарифметических проекций сигналов содержит первый и второй квадраторы, сумматор, вычислитель корня, источник опорных сигналов и первый и второй вычитатели, первые входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока, первый и второй выходы источника опорных сигналов соединены с вторыми входами соответственно первого.и второго вычитателей, выходы которых через одноименные квадраторы подключены к входам сумматора, выход которого соединен с входом вычислителя корня, выход которого является выходом блока.

Фиг. 2

„ the

10 е

От Ng

1.629992 юг. 3

ООО

Фиг..4

077 Х

Ъ.

Ъ3:

М

1629992

1629992

01

001

0110 ачо й60

Фиг.7

Фиг. 8

Составитель О. Ревинский

Редактор А.Мотыль . Техреп Л. Сердюкова Корректор И. Эрдейи

Заказ 443 Тираж 451 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035 Москва, Ж-35, Раушская .наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101