Способ получения информации о качестве сигнала и устройство для его осуществления

 

Способ и устройство предназначены для получения информации о качестве сигнала и/или о надежности бита для множества фазомодулированных информационных символов. Это обеспечивается детектированием фазы принятого фазомодулированного сигнала, сравнением полученной оценки фазы с ближайшим ожидаемым значением для формирования сигнала ошибки фазы. Сигнал ошибки фазы затем отображается в оценку качества символа, которая затем усредняется на множестве символьных интервалов для формирования показателя качества сигнала. Наконец, информация о надежности бита вырабатывается путем взвешивания синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих оценки фазы полученным показателем качества сигнала. При этом способе и в реализующем его устройстве информация о качестве сигнала и/или о надежности бита может определяться без необходимости использования информации об амплитуде сигнала, что и является техническим результатом. 3 с. и 7 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для определения качества сигнала, в частности для определения информации о надежности бита для фазомодулированных сигналов.

Двоичное сверточное кодирование применяется в Американской Цифровой Сотовой (АЦС) и Японской Цифровой Сотовой (ЯЦС) системах, чтобы обеспечить улучшенную характеристику частоты появления ошибок по битам. Сверточные коды обычно декодируются с использованием алгоритма Витерби, который может использовать информацию "жесткого" (постоянного) решения, либо информацию "мягкого" (программируемого) решения. Декодер жесткого решения работает по решениям принимаемых разрядов и использует хеммингово расстояние как метрику доверительной вероятности. Декодирование с мягким решением, с другой стороны, работает по неквантованным выходным значениям демодулятора. Вследствие использования имеющейся информации о качестве канала, декодирование с мягким решением обеспечивает улучшенную характеристику частоты появления ошибок по битам по сравнению с декодированием с жестким решением.

Для линейного приемника информация мягкого решения обычно вырабатывается путем дискретизации выходного сигнала демодулятора с частотой появления символов. Это обеспечивает получение информации об амплитуде и о фазе, которую декодер Витерби может использовать для формирования метрики доверительной вероятности. Помимо требования использования линейного приемника, этот подход имеет еще один недостаток: он чувствителен к исключению части или всей огибающей замирания из-за автоматической регулировки усиления (АРУ). Если усиление АРУ меняется по длине эффективной памяти декодера, выходной сигнал детектора должен быть повторно модулирован исключенной огибающей замирания для достижения полного выигрыша от обработки с применением мягкого решения.

Для схем цифровой фазовой модуляции, таких как и π/4КФМ ( π/4QPSK - квадратурная фазовая манипуляция), часто предпочтительная структура приемника с ограничением. В этом случае дискретизованный один только выходной сигнал демодулятора обеспечил бы худшую информацию о декодировании с мягким решением, так как удалена вся информация об амплитуде (включая огибающую замирания). В результате выходной сигнал демодулятора обычно масштабируется измеренной информацией об уровне принятого сигнала. Этот подход, однако, требует использования дополнительных схем (включая аналого-цифровой преобразователь для дискретизации информации об уровне принятого сигнала) и усложняет интерфейс между демодулятором и остальной частью приемника.

Соответственно, имеется необходимость в способе и устройстве для выработки информации об эффективном мягком решении без использования информации об амплитуде сигнала.

На фиг. 1 приведена блок-схема приемника 100, в котором использовано изобретение; на фиг. 2 - пример устройства 121 мгновенной оценки доверительной вероятности двоичного символа, показанного на фиг. 1; на фиг. 3 - блок-схема алгоритма, используемого при способе определения качества сигнала согласно изобретению; на фиг. 4 - векторная диаграмма, иллюстрирующая изобретение.

Изобретение предусматривает способ и устройство для определения информации о качестве сигнала и/или о надежности двоичного символа для множества фазомодулированных информационных символов. Это обеспечивается детектированием сначала фазы принятого фазомодулированного сигнала с последующим сравнением полученной оценки фазы с ближайшим ожидаемым значением фазы для формирования сигнала фазовой ошибки. Сигнал фазовой ошибки затем отображается в оценку качества символа, которая затем усредняется по множеству символьных интервалов для формирования показателя качества сигнала. Наконец, вырабатывается информация о надежности бита путем взвешивания синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих оценки фазы полученным показателем качества сигнала. При таком способе и устройстве информация о качестве сигнала и/или о надежности бита может определяться без необходимости в информации об амплитуде сигнала.

На фиг. 1 показан приемник 100, включающий в себя фазовый детектор 101, определитель 102 надежности бита 102, определитель ошибки 103 и определитель качества сигнала 104. Определитель надежности бита 102 содержит устройство 121 мгновенной оценки доверительной вероятности бита. С выходами устройства 121 мгновенной оценки доверительной вероятности бита соединена группа 107 перемножителей. Определитель ошибки 103 содержит детектор символов 109, вычитатель 110 и выделитель абсолютного значения 111. Определитель качества сигнала 104 содержит блок оценки качества символа 112 и скользящий усреднитель 113.

Элементы, показанные на фиг. 1, могут быть выполнены с использованием различных методов, известных специалистам. Например, приемник 100 может быть выполнен с использованием блока цифровой обработки сигналов или заказной интегральной схемы. Фазовый детектор 101 может содержать средства аналого-цифрового преобразования с последующим табличным преобразованием, в результате которого из выходного сигнала АЦП выделяется оценка фазы 115. Кроме того, фазовый детектор 101 может быть выполнен с использованием схемы прямой оцифровки фазы, полностью состоящей из цифровых вентильных элементов. Определитель надежности бита 102, определитель ошибок 103 и определитель качества сигнала 104 могут быть реализованы с помощью цифровых аппаратных схем, алгоритмов цифровой обработки сигналов или методами табличного преобразования. Для случая передачи КФМ сигналов совместные функции фазового детектора 101 и устройства 121 мгновенной оценки доверительной вероятности бита могут выполняться с использованием аналоговой схемы прямого преобразования в базовой полосе для выработки синфазной составляющей (I) и квадратурной составляющей (Q) из фазомодулированного сигнала 114.

На фиг. 1 представлена блок-схема, соответствующая способу и устройству для определения информации о качестве сигнала и/или о надежности бита из фазомодулированного сигнала. Сигнал с цифровой фазовой модуляцией 114 подается в качестве входного на фазовый детектор 101. Фазовый детектор 101 вырабатывает сигнал оценки фазы 115. Сигнал оценки фазы 115 может представлять абсолютную фазу модулированного сигнала 114 или фазовый сдвиг модулированного сигнала 114 на символьном интервале. В предпочтительном варианте выполнения сигнал оценки фазы 115 представляет фазовый сдвиг модулированного сигнала 114 на периоде одного символа. Сигнал оценки фазы 115 подается на вход определителя ошибки 103 и на вход определителя надежности бита 102.

Определитель ошибки 103 сравнивает оценку фазы 115 с ближайшим ожидаемым значением фазы для формирования сигнала ошибки фазы 117. Это достигается путем подачи сигнала оценки фазы 115 на вход детектора символов 109. Выходной сигнал детектора символов 109 является ближайшим ожидаемым значением фазы. Это ожидаемое значение фазы вычитается из оценки фазы 115 с использованием вычитателя 110 для выработки сигнала разности фаз. Выделитель абсолютного значения 111 определяет модуль сигнала разности фаз для выработки сигнала ошибки фазы 117. В предпочтительном варианте выполнения большие значения сигнала ошибки фазы 117 соответствуют символу, имеющему плохое мгновенное качество сигнала; наоборот, малые значения сигнала ошибки фазы 117 соответствуют символу, имеющему хорошее мгновенное качество сигнала. Сигнал ошибки фазы 117 на выходе определителя ошибок 103 является входным для определителя качества сигнала 104.

Определитель качества сигнала 104 отображает сигнал ошибки фазы в оценку качества символа, которая затем усредняется по множеству символьных интервалов для формирования усредненной меры качества сигнала. Сначала блок оценки качества символа 112 переводит сигнал ошибки фазы 117 в оценку качества символа 118, что обеспечивает получение меры качества сигнала на посимвольной основе. В предпочтительном варианте выполнения сигналы большой ошибки фазы отображаются в малые значения оценки качества символа. Оценка качества символа 118 является входным сигналом для скользящего усреднителя 113, который определяет среднее значение оценки качества символа на заранее заданном числе символьных интервалов. Полученный показатель качества 119 сигнала обеспечивает усредненную меру качества сигнала. Показатель качества 119 сигнала увеличивается по модулю по мере улучшения качества сигнала. В предпочтительном варианте выполнения показатель качества сигнала используется как входной сигнал определителя надежности бита 102.

В общем случае для М-ичной модуляции будет m бит на символ, где m = log₂M. В этом случае устройство 121 мгновенной оценки доверительной вероятности бита вырабатывает m сигналов, где каждый сигнал соответствует отдельному биту принятого символа, причем m сигналов обеспечивают меру надежности бита на посимвольной основе. Эти m выходных сигналов устройства мгновенной оценки доверительной вероятности бита взвешиваются показателем качества 119 сигнала с помощью m перемножителей в группе 107 перемножителей. Определитель надежности бита 102 выдает m сигналов надежности. В предпочтительном выполнении M = 4 и m = 2.

На фиг. 2 показано устройство 121 мгновенной оценки доверительной вероятности бита, используемое в приемнике 100 по фиг. 1 для системы, которая кодирует 2 разряда на символ. В предпочтительном варианте выполнения устройство 121 оценки доверительной вероятности бита вырабатывает синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие оценки фазы. Сигнал оценки фазы 115 преобразуется в синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие отрицательным синусным преобразователем 106 и отрицательным косинусным преобразователем 105 соответственно. Сигналы I и Q определяют меру надежности бита на посимвольной основе. Для получения установившейся оценки качества сигнала сигналы I и Q взвешиваются показателем качества сигнала 119 с использованием группы 107 перемножителей. Выходной сигнал перемножителей несет информацию 120 о надежности бита.

На фиг. 3 показана блок-схема алгоритма, которая может использоваться при осуществлении изобретения. На этапе 200 принимается сигнал с цифровой фазовой модуляцией. Обработка при модуляции, в результате которой вырабатываются сигналы с цифровой фазовой модуляцией, включает осуществление фазовой манипуляции (ФМ), частотной манипуляции (ЧМ) и дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции (ДКФМ), кодированной сдвигом на π/4 . Операции, показанные на фиг. 3, специфичны для системы модуляции, которая кодирует два разряда на символ. Однако понятно, что может кодироваться любое количество разрядов на символ. Эти сигналы отличаются несущими колебаниями, имеющими фазу, меняющуюся в ответ на модулирующий сигнал, получаемый из потока двоичных данных. Поток данных разделяется на цифровые символы, имеющие заранее заданное число разрядов; каждый символ затем накладывает отдельную фазу на несущее колебание.

На этапе 201 выделяется оценка фазы, соответствующая каждому цифровому символу. В предпочтительном варианте выполнения оценка фазы является мерой фазового сдвига модулированного колебания на соответствующем символьном интервале. С другой стороны, может использоваться абсолютная фаза модулированного колебания. Математически фаза модулированного колебания равна арктангенсу отношения квадратурной составляющей модулированного колебания к синфазной составляющей модулированного колебания. Фаза модулированного колебания может определяться с использованием табличного преобразования или непосредственно вычисляться устройством прямой оцифровки фазы.

Путем сравнения оценки фазы с заранее заданным ожидаемым значением фазы на этапе 202 вырабатывается сигнал фазовой ошибки, который обеспечивает посимвольную оценку качества сигнала с цифровой фазовой модуляцией. На этапе 203 сигнал фазовой ошибки отображается в оценку качества символа, которая обеспечивает альтернативную меру краткосрочного качества сигнала. Подходящее отображение выбирается для улучшения оценки качества сигнала с цифровой фазовой модуляцией. В частности, сигнал фазовой ошибки может сравниваться с заранее заданным числом порогов. По мере увеличения числа порогов разрешение оценки качества символа улучшается за счет дополнительного усложнения. Значение сигнала фазовой ошибки относительно этих порогов определяет весовой коэффициент, влияющий на значение оценки качества символа. В предпочтительном варианте выполнения сигнал фазовой ошибки сравнивается с единственным порогом, который может быть оптимизирован для улучшения работы.

Этап 204 иллюстрирует пороговое сравнение сигнала фазовой ошибки согласно предпочтительному варианту выполнения. Если сигнал фазовой ошибки меньше заранее заданного порога, результат сравнения считается благоприятным и сигнал фазовой ошибки отображается в первую заранее заданную оценку качества символа на этапе 205. Наоборот, неблагоприятный результат сравнения получается, если сигнал фазовой ошибки превышает заранее заданный порог, при этом на этапе 206 вырабатывается вторая заранее заданная оценка качества символа. В предпочтительном варианте выполнения первая заранее заданная оценка качества символа имеет нулевое значение, второй заранее заданной оценке качества символа присвоено значение единицы.

На этапе 207 оценка качества символа усредняется на заранее заданном числе (n) символьных интервалов. Полученный показатель качества сигнала соответствует долговременной (установившейся) оценке качества сигнала с цифровой фазовой модуляцией. Хотя могут использоваться другие способы равнозначного взвешивания, предпочтительный вариант выполнения использует скользящий усреднитель для выработки показателя качества сигнала. Этот скользящий усреднитель равномерно взвешивает поступающую оценку качества символа с предыдущими (n-1) оценками качества символа. Число n выбирается для оптимизации характеристики, основанной на состоянии канала. Так как флуктуации в амплитуде сигнала, вызванные рэлеевскими замираниями, увеличиваются с частотой, n уменьшается для отслеживания меняющегося состояния канала. С другой стороны, n увеличивается, когда уменьшается частота замирания. Это увеличение числа усредненных отсчетов смягчает влияние неточной оценки фазы, обусловленное случайным шумом.

Выделение синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих оценки фазы достигается на этапе 208. Например, для обобщенной процедуры М-ичной модуляции, имеющей m разрядов на символ, вырабатывается m сигналов. Каждый сигнал обеспечивает мгновенную меру надежности бита на посимвольной основе. Для фазового отображения, показанного на фиг. 3, составляющая I является отрицательным синусом оценки фазы, выработанной на этапе 201, составляющая Q является отрицательным косинусом оценки фазы. Для иных фазовых отображений составляющие I и Q могут быть получены на основе доверительной вероятности того, что принятый бит в символе согласуется с его соответствующим переданным битом. Эта доверительная вероятность устанавливается на посимвольной основе в зависимости от расположения оценки фазы относительно ожидаемых значений фазы.

На этапе 209 информация о долговременном качестве сигнала используется для взвешивания информации о кратковременной надежности бита, содержащейся в составляющих I и Q . В предпочтительном варианте выполнения это взвешивание выполняется путем умножения составляющих I и Q на информацию о качестве сигнала. Результатом является желаемая информация о надежности бита.

На фиг. 4 показан рабочий пример вышеописанного процесса. Ансамбль 300 КФМ сигналов включает в себя ожидаемые точки 301, 302, 303 и 304 ансамбля сигналов. Ожидаемая точка 301 ансамбля сигналов отображается в двоичные цифры (B1, B0 = 00) и имеет ожидаемое значение 306 фазы, равное π/4. Точка 302 отображается в двоичные цифры (B1, B0 = 01) и имеет ожидаемое значение фазы, равное 3π/4 . Двоичные цифры (B1, B0 = 11) присвоены точке 303 ансамбля сигналов, которая имеет ожидаемое значение фазы, равное -3π/4 . Наконец, точка 304 ансамбля сигналов имеет ожидаемое значение фазы, равное -π/4 , и отображается в двоичные цифры (B1, B0 = 10). Ансамбль 300 КФМ сигналов содержит пример принятой точки (305) ансамбля сигналов, которая соответствует мгновенному представлению 1/Q сигнала с цифровой фазовой модуляцией. На фиг. 4 показаны также оценка 307 фазы и ошибка 308 фазы, соответствующие принятой точке 305 ансамбля сигналов. Пример заранее заданного порогового значения фазы показан позицией 309.

Путем определения угла между принятой точкой 305 ансамбля сигналов и горизонтальной осью 1 определяется оценка 307 фазы. Ошибка 308 фазы вычисляется как модуль разности между оценкой 307 фазы и ближайшим ожидаемым значением фазы. Например, для точки 305 ансамбля сигналов ближайшее ожидаемое значение фазы равно π/4, что соответствует точке 301 ансамбля сигналов. Оценка качества символа определяется путем сравнения ошибки 308 фазы с величиной фазового порога 309. Если ошибка фазы превышает порог, качество символа считается плохим, и оценке качества символа присваивается значение 0. С другой стороны, качество символа полагается хорошим, если модуль ошибки 308 фазы меньше величины фазового порога 309. В результате оценке качества символа присваивается значение 1. Для получения долговременной оценки качества принятого сигнала значения качества символа усредняются на заранее заданном числе (n) символьных интервалов для выработки показателя качества сигнала.

Выработка синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих, используемых определителем надежности бита, также показана на фиг. 4. Составляющая 1 вычисляется как отрицательный синус оценки фазы, а составляющая Q вычисляется как отрицательный косинус оценки фазы. Следовательно, составляющие I и Q меняются по значению от -1 до +1. Значение +1 показывает, что принятый бит равен 1 с высокой степенью уверенности, а значение - 1 показывает, что принятый бит равен 0 с высокой степенью уверенности. Когда составляющие I и Q имеют близкие к 0 значения, значение принятого бита считается неопределенным. Для согласования с отображением по фиг. 4 составляющая I принимается как мгновенная оценка надежности бита для бита B1, и составляющая Q принимается как мгновенная оценка надежности бита для бита B0. Например, принятая точка 305 ансамбля сигналов расположена между ожидаемыми точками 301 (B1, B0 = 00) и 302 (B1, B0 = 01). Так как B1 отображается в 0 для точек 301 и 302, принятая точка 305 ансамбля сигналов будет иметь значение B1 = 0 с высокой степенью уверенности. Это дает основание присвоить составляющую I, которая имеет в этой области значение, близкое к -1, биту B1. Так как B0 отображается в значение 0 в точке 301 и в значение 1 в точке 302, значение B0 будет неопределенным для принятой точки 305 ансамбля сигналов, которая расположена примерно посередине между этими ожидаемыми точками. Это дает основание присвоить составляющую Q, которая имеет в этой области значение около нуля, биту B0.

Наряду с составляющими I и Q, показатель качества сигнала используется для определения информации о надежности бита. Показатель качества сигнала объединяется с составляющей Q для определения надежности бита B0 и с составляющей I для определения надежности бита B1.

Изобретение обеспечивает способ и устройство для получения информации о качестве сигнала и/или о надежности бита для множества фазомодулированных информационных символов. При этом способе и в соответствующем ему устройстве информация о качестве сигнала и/или о надежности бита может вырабатываться без использования информации об амплитуде сигнала. В результате может быть исключена схема обработки, требуемая для определения уровня принятого сигнала, как и схема, требуемая для выполнения аналого-цифрового преобразователя. Более того, так как изобретение не требует использования информации об амплитуде, существенно снижается сложность сопряжения детектора с приемником.

Подписи к чертежам.

К фиг. 1 и 2: 101 - фазовый детектор; 103 - определитель ошибки; 104 - определитель качества сигнала; 105 - преобразователь в функцию отрицательного косинуса; 106 - преобразователь в функцию отрицательного синуса; 107 - группа перемножителей; 109 - детектор символов; 111 - выделитель абсолютного значения; 112 - блок оценки качества символа;
113 - скользящий усреднитель;
114 - символы с цифровой фазовой модуляцией;
115 - оценка фазы;
117 - сигнал ошибки фазы;
118 - оценка качества символа;
119 - показатель качества символа;
120 - информация о надежности бита;
121 - устройство мгновенной оценки доверительной вероятности бита.

К фиг. 4:
306 - ожидаемая фаза;
307 - оценка фазы;
308 - ошибка фазы;
309 - фазовый порог.

К фиг. 3:
б/N - начало;
200 - прием цифрового сигнала с фазовой модуляцией (ЦСФМ);
201 - для цифровых символов ЦСФМ - выполнение соответствующей оценки фазы;
202 - из соответствующей оценки фазы определение соответствующего сигнала ошибки фазы;
203 - сравнение соответствующего сигнала ошибки фазы с заранее заданной пороговой фазой;
204 - благоприятный результат сравнения;
205 - определение информации качества сигнала, являющейся первой заранее заданной оценкой качества символа;
206 - определение информации качества сигнала для цифрового символа, являющейся второй заранее заданной оценкой качества символа;
207 - усреднение n оценок качества символов для получения информации качества сигнала;
208 - получение составляющих I и Q цифровых символов;
209 - умножение составляющих I и Q на информацию качества сигнала для получения информации надежности бита.

Формула изобретения

1. Способ получения информации о качестве сигнала в приемнике, при котором принимают приемником множество фазомодулированных цифровых символов и обеспечивают получение информации о качестве принятых фазомодулированных цифровых символов, отличающийся тем, что вырабатывают в приемнике соответствующую оценку фазы для каждого фазомодулированного цифрового символа, по меньшей мере из нескольких фазомодулированных цифровых символов, определяют в приемнике соответствующий сигнал ошибки фазы из оценки фазы, после этого определяют в приемнике оценку качества символа на основании сигнала ошибки фазы и затем определяют в приемнике информацию о качестве сигнала фазомодулированных цифровых символов на основе заранее заданного числа оценок качества символа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при выработке в приемнике упомянутой оценки фазы формируют ограниченный сигнал промежуточной частоты.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при выработке в приемнике упомянутой оценки фазы после формирования ограниченного сигнала промежуточной частоты дополнительно детектируют фазу ограниченного сигнала промежуточной частоты.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что при определении в приемнике упомянутого сигнала ошибки фазы оценку фазы сравнивают с заранее заданной фазой.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что при определении в приемнике упомянутой оценки качества символа сравнивают соответствующий сигнал ошибки фазы с заранее заданным порогом для сигнала ошибки фазы.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при определении в приемнике упомянутой оценки качества символа дополнительно вырабатывают первое заранее заданное значение, если сигнал ошибки фазы превышает заранее заданный порог, и вырабатывают второе заранее заданное значение, если сигнал ошибки фазы меньше заранее заданного порога.

7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что при определении в приемнике упомянутой информации о качестве сигнала фазомодулированных цифровых символов усредняют заранее заданное количество оценок качества символа.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что после определения в приемнике упомянутой информации о качестве сигнала фазомодулированных цифровых символов дополнительно вырабатывают информацию о надежности бита на основе информации о качестве сигнала.

9. Способ получения информации о надежности бита в приемнике, при котором принимают приемником множество фазомодулированных цифровых символов и обеспечивают получение информации о надежности бита в принятых фазомодулированных цифровых символах, причем каждый фазомодулированный цифровой символ связан с информацией о фазе, отличающийся тем, что определяют в приемнике оценку качества символа на основе связанной с ним информации о фазе для каждого цифрового символа по меньшей мере некоторых из множества фазомодулированных цифровых символов, определяют в приемнике информацию о качестве сигнала для множества фазомодулированных цифровых символов на основе заранее заданного количества оценок качества символа и вырабатывают в приемнике информацию о надежности бита на основании информации о качестве сигнала и информации о фазе.

10. Устройство для получения информации о надежности бита для фазомодулированных цифровых символов, содержащее фазовый детектор, предназначенный для приема упомянутых фазомодулированных цифровых символов для выработки оценки фазы для каждого фазомодулированного цифрового символа, отличающееся тем, что введены определитель ошибок, подключенный с возможностью приема упомянутой оценки фазы и предназначенный для выработки сигнала ошибки фазы, определитель качества сигнала, подключенный с возможностью приема упомянутого сигнала ошибки фазы и подключенный для выработки показателя качества сигнала, и индикатор надежности бита, подключенный с возможностью приема упомянутого показателя качества сигнала и упомянутой оценки и предназначенный для выработки информации о надежности бита.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4