Кодек сигнально-кодовой конструкции

 

Изобретение относится к вычислительной технике и связи. Его использование при разработке аппаратуры передачи дискретных сообщений позволяет повысить помехоустойчивость поредачи-приема информации. Это достигается благодаря использованию многомерной сигнально-кодоаой конструкции, в результате чего увеличивается минимальное Евклидово расстояние между кодовыми сигналами без внесения дополнительной избыточности. 1 з.п,ф-лы, 17 ил.

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Ю3 3 М1Ю О 13

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 Я sin cot, Т

x/ cos cn, Т чг саз2 а

p>(t) = (,)= Рз() =ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4887192/24 (22) 30,11.90 (46) 30.07,93. Бюл. М 28 (71) Институт радиофизики и электроники

АН Армении (72) Г.С.Маркарян, Г.Г,Манукян (SU) и Б.Ханари (GB) (56) Заездный А,М,. Окунев Ю.Б., Рахавич

Л.М. Фаза-разнастная модуляция, Ы,;

Связь, 1967, с. 91.

IEEE Transactions on Information Theory, 1982, v. IT28, М 1, р,55-67.

IEEE Communication Magazine, 1986, ч24, и 24, р. 25 — 38, Изобретение относится к,вычислительной технике и связи и может быть использовано при разработке аппаратуры передачи дискретных сообщений, Целью изобретения является повышение помехоустойчивости передачи-приема информации, достигаемое за счет использования многомерной сигнально-кодовой конструкции, что позволяет увеличить минимальное Евклидова расстояние между сигналами без увеличения мощности на передающем конце и без снижения скорости передачи.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в построении кодекса сигнально-кодовой конструкции, в котором сигнальные точки расположены не в двумерном, а в трехмерном Евклидовом пространстве, в чаСтности внешние сигналы фазовай манипуляции 8 — PSK расположены не на окружности, а на поверхности шара единичного радиуса, в вершинах куба, вписанного в этот шар, При этом минимальное Евклидова расстояние между соседними точками увеличи„„ I; 183О623 A l (sl)s Н 03 М 13t00, 13/12, Н 04 Е 27/18 (54) КОДЕК СИГНАЛЬНО-КОДОВОЙ КОНСТРУКЦь1И (57) Изобретение относится к вычислительной технике и связи. его использование при разработке аппаратуры передачи дискретных сообщений позволяет повысить поМехоустойчи вость передачи-приема информации. Это достигается благодаря использованию многомерной сигнально-кодовой конс- рукции., в результате чего увеличивает,,о, минимальное Евклидова расстояние между кодовыми сигналами без внесения дополнительной избыточности. 1 э.п,ф-лы, 1 / ил, вается, что приводит к повышению помехоустойчивости без увеличения мощности и снижения скорости переда;и, Сказанное поясним следующими выкладками, Пусть — семейства бэзисных ортонармированных функций. Сигналы г1 редлагаемай сигнальнокодовой конструкции формируются по следующему и равилу:

S (t) =- а; i@i(t)+a>

i = i,2 „,8, а = +1 . (2)

- Как следует из (2}, семейства функций (1} образует множество из восьми сигналов, которые расположены в вершинах куба с центрам в точке (0,0,0,) и имеют следующие координаты:

1830623

S1 =- (1,1,1) S5 =- (-1,1,1)

S2 = (1," ""1} Бе = (-1.1-1)

S3 = (1,-1,1) Зт = (-1,-1,1)

S4 = (1-1.-1) Sg = (-1,-1,-1)

При этом куб является вписанным в сферу единичного радиуса, Пусть в качестве внешнего кода используется сверточный код со скоростью 2/3 и порождающей матрицей

1+х 1+хО

6(х) =. o 1 1+ „(4)

Диаграмма состояний кодера представлена на фиг.1, на фиг,2 — представлена решетчатая кодера.

На этих диаграммах нулевому входному символу соответствуют пунктирные линии, а единичному символу соответствуют сплошные линии при этом зна ения выходного сигнала показаны на концах стрелок, В каждом из четырех возможных состояний кодера разрешенными являются только чегыре трехразрядные двоичные комбинации, каждая из которых соответствует выходному сигналу кодера.

Значения сигналов на входе, выходе кодера и на входе и выходе модулятора представлены в таблице.

Входные сигналы модулятора являются преобразованными выходными слгналами кодера. Суть преобразования заключается в следующем; каждый "О" выходного сигнала кодера заменяется на сигнал "-1" и подается на вход модулятора, Заметим, что в состояниях "00" и "10" разрешенными кодовыми словами на выходе кодера являются ООО, 011, .110, 101, (или соответствующие кодовые слова на входе модулятора -1-1-1, -1 И, 11-1, 1-11) а в состояниях "01" и "11" разрешенными кодовыми словами на выходе кодера являются 001, 010, 111, 100 (или соответствующие кодовые слова на входе модулятора -1-) 1, -11-1, 1-11). Тем самым, поскольку в каждом из состоя ний испОл ьзуются .тол ЬK0 четыре максимально удаленных из восьми разрешенных символов, увеллчивается расстояние между этими сигналами, что достигается благодаря использованию описанного сверточного кода, Из вышесказанного следует, что использование кодека приводит к дополнительному увеличени о расстояния между сигналами сигнально-кодовой конструкции, что и приводит к дополнительному повыше нию помехоустойчивости. Оценку дополнительнОГО энерГетическОГО выигрыша произведем по увеличению расстояния между сигналами, В

1. Рассчитаем минимальное расстояние между сигналами в двумерном и трехмерном пространстве без кодирования.

В двумерном пространстве, как видно из фиг.ба, минимальное расстояние между точками равно стороне вписанного в окружность восьмиугольника, Из несложных расчетов получим:

Л

10 бп11п2 = 2Вз п ц (4)

Учитывая, что H = 1, получим:

clmin2 = 2з п 8 (5)

8 трехмерном пространстве (см.фиг,8 б), с

15 учетом того, что R = 1, получим

3 2 З (6)

Рассчитаем энергетический выигрыш при переходе от двумерного пространства к

20 трехмерному.

Энергетический выигрыш равен

2i3 )2

Оmln2 (2 S(A ) 2

Энергетический выигрыш в логарифмической шкале равен:

30 Е1 = 10 Ig AH < = 3,57 дБ

2, Рассчитаем минимальное расстояние между сигналами в двумерном и трехмерном пространстве для системы с кодированием.

35 8 двумерном пространстве (см.фиг.Gs) минимальное расстояние между точками равно стороне вписанного в окружность четырехугольника.

С учетом того, что В = 1 получим:

ОвГЛ2К = (9)

В трехмерном пространстве (см,фиг.О г) с учетом того, что и = 1 получим:

2 6 ш п3К = (1 О)

Энергетический выигрыш для системы с кодированием равен

2 Я

50 Q H dITlln3K 3 1 33

dmln2K (JJ2 ) Энергетический выигрыш в логарифмической шкале равен

ЛЕ2= 10lg ЬН2= 1,25дБ (12) . Рассчитаем полученный энергетический выигрыш системы с кодированием в трехмерном пространстве по отношению к

1830623 системе без кодирования в двумерном пространстве (2у6 )2

-4,55 (13) (2 sin -)

1mtn3K

3—

dmfn2

10

50

Блок преобразования состоит (фиг.15) из элементов НЕ 26, источника положительного напряжения 27, источника отрицательного напряжения 28, ключевых элементов

29 и элементов ИЛИ 30.

Энергетический выигрыш в логарифмической шкале равен

Л Ез = 10 Ig Л Нз = 6,58 дБ (14)

Таким образом, кодек позволяет увеличить минимальное Евклидово расстояние между сигналами без увеличения мощности сигнала и без снижения скорости передачи. 1

Это позволяет повысить помехоустойчивость устройства.

На фиг.1 приведена диаграмл1а состояний кодера, на фиг.2 приведена решетчатая диаграмма состояний кодера, на фиг.3 — 2 приведена структурная схема передающей части заявляемого устройства, на фиг.4— приведена структурная схема приемной части заявляемого устройства, на фиг.5 — приведены эпюры напряжений, поясняющие 2 работу передающей части, на фиг.6 — приведено геометрическое представление сигналов, на фиг.7 — 14 представлены формы выходных сигналов передающей части, на фиг.15 — приведена реализация блока преобразования, на фиг.16 — представлена верхНяя и. нижняя границы вероятности ошибки, на фиг.17 — представлен энергетический выигрыш.

Кодек сигнально-кодовой конст,зукции содержит на передающей стороне первый сумматор по модулю два 1, первый регистр сдвига 2, второй сумматор по модулю два 3, второй регистр сдвига 4, третий сумматор по модулю два 5, блок преобразования 6, первый перемножитель 7, второй перемножитель 8, третий перемножитель 9, синусоидального сигнала 10, фазовращатель 11, умножитель частоты 12, аналоговый сумма. тор 13, а на приемной стороне полосовой 4 фильтр 14, выделитель тактовой частоты 15, генератор синусоидального сигнала 16, фазовращатель 17, умножитель частоты 18, первый перемножитель 19, второй перемножитель 20, третий перемножитель 21. первый фильтр низких частот 22, второй фильтр низких частот 23, третий фильтр низких частот 24, декодер Витерби с мягким решением 25. устройство раба-ает следу.ощим обра?Ом.

Пусть на передающей стороне входные безызбыточные двоичные последовательности имеют вид; ке первом информационном входе комбинация 100111001010010001 (см, фиг,5а), на втором — комбинация I11010110010000111 (см.фиг.5б). Пусть входная икформац, я поступает с тактовой частотой 4 (см.фиг.5в) Инфорл1ационные сигналы и тактовая частота подаются на соответству.ощие входы сверточного кодера, который осуществляет кодирование входного сигнала в соответствии с порождающей матрицей G.

Кодер состоит из nsðèñãî, второго и третьего сумматоров по модулю два 1, 3, 5 первого и второго регистров сдвига 2, 4. Как отмечалось выше, кодер имеет четыре состояния, Состояния соответствуют первым разрядам первого и BTopîão двухпазрядеых регистров сдвига 2, 4. Например, допустим в перво:. : разряде первого регистра 2 сдвига

О,;- в первом разряде второго регистра 4 сдвига 1, Это озна !ear, что кодер находится в состоянии 01. и кодирование и декодирование ведется в соответствии с этим состоянием. С приходом следующих информационных символов на входы регистров сдвига 2.. 4 старая информация сдвигается во вторые разряды этих регистров сдвига, а ",!à их мес-.о записывается новая пришедшая информация, которая определяет состояние кодера.

После соответствующего суммирования разрядов первого и второго ре истров сдвига 2, 4 первым, вторым и третьим сумматорами по модулю два 1, 3, 5 на выходах первого (см.фиг,5;), второго (см,фиг.5д) и третьего (см.фиг,5е) сумматоров по модулю два 1, 3, 5 формируется некоторая закодированная информация, которая подается на первый, второй и третий входы блока преобразования 6, в котором осуществляется преобоазование входных биполярных импульсов в униполярные, т,е, каждой логическои "1" на входе соответствует сигнал+1, а каждому логическому "0" — сигнал -1.

Входные и выходные сигналы кодера, а также входные и выходные сигналы модулятора, в зависимости от состояния кодера приведены в табл.1.

Выходные сигналы первого, второго, третьего выходов блока псеобразования представлены на фиг.5ж,з, и соответственно, Сигнал тактовой частоты поступает на вход генератора синусоидального сигнала

10, на выходе которого получается сигнал

1830623 рф) = - -- sin on (фиг.5к). Этот сигнал посту /2 пает на вход фазовращателя 11, где происходит сдвиг фазы сигнала на л/2; В результате формируется сигнал pz(t)

-}= sin(Nt+ т) = -г- cos Nt (фиг.5л). ПолУчен 2 г 2 ный сигнал поступает на вход умножителя частоты 12, где прои ходит умножение частоты на два, рз() = -Г- cos2 Nt (фиг,5м). Сиг2 налы р1{т}, pz(t}, pa(t) поступают на вторые входы первого, второго, третьего перемножителя 7 — 9 соответственно, на первые входы которых поступят сигналы с первого, второго, третьего выходов блока преобразования 6. Выходные сигналы первого 7 (фиг,5н), второго 8 (фиг.5о), третьего (фиг,5п) перемножителей поступают на соответствующие входы аналогового сумматора 13, с выхода которого (фиг,5p} сигнал поступает в. канал связи.

Выходные сигналы сумматора 13 при разных значениях коэффициентов а1, а2, аз представлены на фиг, 7 — 14, Для наглядности представлено два периода выходного сигнала сумматора 13.

С выхода аналогового сумматора 13 сигнал поступает в канал связи, с выхода которого искаженный сигнал поступит на приемной стороне (фиг, 4) на входы полосового фильтра 14 и выделитепя тактовой частоты 15. Полосовой фильтр 14 выделяет из смеси сигнала: и шума область частот, в которой осуществлялась передача информации, Выдепитель тактовой частоты 15 осуществляет выделение сигнала тактовой частоты 4 из рабочего сигнала.

С выхода полосового фильтра сигнал поступает на корреляционный приемник, состоящий из первого, второго и третьего перемножителя l9 — 21, первого 22, второго

23, третьего 24 фильтров низких частот, декодера Витерби 25 с мягким решением.

Для нОрмального функционирования корреляционного приемника требуется создание определенных сигналов (в данном случае сигналов p>(t), pr{t}, рф} ). Эту функцию выполняют генератор 16, фазовращатель 17, умножитепь частоты 18.

Сигнал тактовой частоты с выхода выделителя тактовой частоты 15 поступает на вход генератора 16, на выходе которого rg формируется сигнал p>(t) = - - sin Nt, С выхода генератора 16 сигнал постуйает на фазовращатель 17, где формируется сигнал (t) = - = сов Nt. полученный на выходе фа 6 зовращателя 17 сигнал pg(t) поступает на вход уыножнтелл частоты 18, на выходе хоторого формируется сигнал рз(т) = - - cos2

2 вторые входы перемножителей 19-21 соответственно, на первые входы которых поступает сигнал с выхода полосового фильтра

14.

Перемножители 19 — 21 служат для перемножения сигналовр (1}, p2(t), Q(t) на входной сигнал прошедший через входной полосовой фильтр 14.

С выходов перемножитепей 19 —.21 сиг10 налы поступят на входы первого 22, второго

23, третьего 24 фильтров низких частот, которые проигнорируют полученные сигналы.

С выходов фильтров низких частот 2224 сигналы поступят на соответствующие

20 входы декодера Витерби с мягким решением 25, где происходит дальнейшая обработка и вынесение решений сигнала, После декодирования и вынесения решения на выходе декодера Витерби с мягким решением 25 получим первый и второй информационные сигналы.

Таким образом, как следует из анализа работы, в предложенном устройстве дости30 гается поставленная цель — повышение помехоустойчивости передачи приема информации, обеспечиваемая за счет использования многомерной сигнально-кодовой конструкции, что позволяет увеличить минимальное Евклидово расстояние между сигналами без внесения дополнительной избыточности.

Расчет помехоустойчивости предложенного устройства показал, что его исполь40 зова ние в цифровых системах передачи-приема позволяет получить дополнительный энергетический выигрыш, что дает существенное улучшение техникоэкономических параметров существующей аппаратуры передачи дискретных сообщений, Формула изобретения

1. Кодек сигнально-кодовой конструкции, содержащий на передающей стороне первый регисто сдвига, информационный вход которого является первым информациОнным входом передающей стороны, генератор синусоидального сигнала, выход которого подключен непосредственно и через фазовращатель к первым входам соответственно первого и второго перемножитепей, выходы которых соединены с первым и вторым входами аналогового сумматора, выход которого является выхо5. Nt. Сигналы p<(t), pz(t), pgt) поступают на

1830623 дом передающей стороны, на приемной стороне — полосовой фильтр, вход которого является входом приемной стороны, генератор синусоидального сигнала. выход которого непосредственно и через фазовращатель соединен с первыми входами соответственно первого и второго перемножителей, выход полосового фильтра подключен к вторым входам первого и второго перемножителей, выходы которых соединены через соответственно первый и второй фильтры нижних частот с первым и вторым информационными входами декодера Витерби с мяг<им решением, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости передачи-приема информации, на передающей стороне введены первый-третий сумматоры по модулю два, блок преобразования, умно>китель частоты, третий перемножитель и второй регистр сдвига, информационный вход которого является вторым информационным входом передающей стороны, тактовые входы регистров сдвига объединены с входом генератора синусоидального сигнала и являются тактовым входом передающей стороны, вход и выход умножителя частоты подключены соответственно к выходу фазовращателя и первому входу третьего перемножителя, выход которого соединен с третьим входом аналогового сумматора, выход первого разряда второго регистра сдвига соединен с третьим входом второго сумматора по модулю два и первым входом третьего сумматора по модулю два, в. ход второго разряда второго регистра сдвига подключен к второму входу третьего сумматора по модулю два, выходы первого-третьего сумматоров по модулю два соединены соответственно с первым-третьим входами блока преобразования, первый-третий выходы которого подключены к BTopblM входам соответственно первого-третьего перемножителей, на приемной стороне введены умножитель частоты, третий перемножитель.

5 третий фильтр нижних частот и выделитель тактовой частоты, вход которого подключен к входу приемной стороны, выход выделителя тактовой частоты соединен с входом генератора синусоидального сигнала и

10 тактовым входом декодера Витерби с мягким решением, вход и выход умножителя частоты подключены соответственно к выходу фазовращателя и первому входу третьего перемножителя, второй вход которого

15 подключен к выходу полосового фильтра, выход третьего перемножителя через третий фильтр нижних частот соединен с третьим информационным входом декодера

Витерби с мяп<им решением, первый и вто20 рой выходы которого являются одноименными выходами приемной стороны, 2, Кодек по п.1, отличающийся тем, что на передающей стороне блок преобразования содер>кит первый — шестой ключе25. вые элементы, первый-третий элементы

ИЛИ, источник положительного напряжения, источник отрицательного напряжения и первый-третий элементы НЕ, вход i-ro элемента НЕ (i = 1, 2, 3) обьединен с управляю30 щим входом (2i-1)-ro ключевого элемента и является !-м входом блока, выход i-го we. мента НЕ соединен с управляющим входом (2i)-го ключевого элемента, информацион.ный вход которого подключен к выходу ис35 точника отрицательного напряжения, выход источника положительного напряжения соединен с входом (21-1)-го ключевого элемента, выходы (2i-1)-ro и (2i)-го ключевых элементов подключены к первому и второму

40 входам!-го элемента ИЛИ, выход которого является 1-м выходом блока.

/ ,с» фД -, .

goo --- ", 1, у4 =. -:=-;

Фы .;/

ООО .Ф б00 —,О оо

ФИХ .2

ОО (g (..- ° .:-- рад " ». ., ",=. б "

y -1830623

1830623 ф р

I, 6 у ", 1

-. ( 1 ) gf;.

/! j

/, 8 Я

pl\ ,с

1,-1, . р"-у / /Я „

1 ,> (" » г», " .«1 ", 1 ь . Ь б

,г А . .,, / i

z /

/ л у

4 у

/

t

Ф . .,/n

Я //)= -" Япь. i ° (ЫХМ" ; —;Л"".. .Й t

1. 1.

1

1 с -у: 3

1830623

1830б23

1830623

",мосгз

1830623

kyбРб) 8 Я 10ИЯ13М1Х16ЛИ19

/834 5

Еу/Ж7 ЯВ

Нижняя граница ХР -+- Верхняя граница Ш

-+-Нижняя грана а ГЮ Верхняя граница РЮ

ЮЬг УЮ

8 У 0» а пн л. ыАИ63 д ЬГ 17

Составитель Г. Манукян .

Техред M. Моргентал Корректор Н, Ревская

Редактор Н. Коляда

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

Заказ 2527 Тираж Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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