Способ цифровой связи с расширенным спектром сигнала посредством модуляции с использованием комплементарных последовательностей голея, а также передатчик и приемник для его реализации
Изобретение относится к способу модуляции и демодуляции, обеспечивающему прием и передачу данных, в частности в случаях, когда применяется расширенный спектр сигнала. Достигаемый технический результат - повышение скорости передачи, увеличение коэффициента расширения спектра. Согласно способу цифровой связи с сигналом с расширенным посредством модуляции с использованием комплементарных последовательностей Голея спектром при передаче входные двоичные данные объединяют в η групп по m=log2A бит, модулируют А амплитудными значениями, расширяют спектр посредством η комплементарных последовательностей Голея, либо комплементарных последовательностей Голея с измененными знаком и фазой, модулируют в режиме N-фазной манипуляции, передают по каналу связи, при приеме производят фазовую демодуляцию, свертку с соответствующими комплементарными последовательностями Голея, амплитудную демодуляцию и формирование исходных данных. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу модуляции и демодуляции, а также к передатчику и приемнику, обеспечивающим передачу и прием данных с помощью любых приемопередающих средств, в частности, в тех случаях, когда необходимо или желательно применить расширенный спектр сигнала.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Принцип работы систем с "расширенным спектром" (с широкополосным или шумоподобным сигналом) был разработан для целей военной связи с учетом того, что подобные системы обладают высокой помехозащищенностью. Он основан на использовании некоторых двоичных последовательностей, которые имеют ряд признаков, сближающих их с шумом, но могут быть при этом зарегистрированы как сигнал приемником, которому такая последовательность известна. Аналогичным образом, сжатие импульсов с помощью двоичных последовательностей может оказаться полезным в радиолокации, гидроакустике и эхографии благодаря тому, что оно позволяет повысить разрешающую способность при обнаружении объектов. Однако в последние годы эти системы нашли также широкое применение в космической технике и в таких областях связи, как мобильная телефония, DS-CDMA (системы множественного доступа с кодовым разделением каналов с использованием кода прямой последовательности), шлейфы доступа радиотелефонных систем, доступ к сети Интернет, беспроводные локальные сети, дальняя космическая связь и пр. Все они основаны на цифровой модуляции с использованием последовательностей, пригодных к применению в перечисленных выше областях, благодаря свойственным им характеристикам автокорреляции и взаимной корреляции. По этой причине ряд международных организаций (IEEE - Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, UIT - Международный союз по дальней связи и др.) приступили к нормированию и стандартизации систем модуляции, что позволило упростить применение некоторых последовательностей для модуляции передаваемых двоичных данных и получить благодаря этому характеристики, позволяющие использовать, в числе прочих, некоторые частоты, которые выделены для промышленных, научных и медицинских целей (так называемый ISM-диапазон - 918, 2450, 5800 и 22 500 МГц) и для пользования которыми не требуется какого-либо специального разрешения административных органов. Потребность в передаче максимально возможного объема информации привела специалистов в области связи к необходимости разработки коммерческих систем, в которых используется стандарт IEEE 802.11 для радиопередачи по местным сетям с получением все более значительных скоростей благодаря применению таких двоичных последовательностей, как 11-битовая последовательность Баркера (для получения минимального коэффициента расширения спектра сигнала, равного 10,4 дБ) или 5-битовая последовательность Уолша, а также различных методов модуляции (BPSK - двухпозиционная фазовая, QPSK - квадратурная фазовая, МВОК, QMBOK и пр.), что позволяет достичь скоростей передачи до 11 Мбит/с. Благодаря этому стандарту возможна работа в пределах трех полос частот с шириной спектра по первым нулям, равной 22 МГц, то есть в так называемом диапазоне Е (2,4 ГГц).
Аналогичным образом, необходимы надежные способы передачи для так называемой дальней космической связи между космическими кораблями и наземными базами, обеспечивающие получение больших коэффициентов расширения спектра сигнала вследствие необходимости ограничения излучательной способности бортовой передающей аппаратуры, а также вследствие уменьшения отношения сигнал-шум при приеме указанных сигналов.
Как показано ниже (фиг.1), от длины кодирующей последовательности (Баркера, псевдошумовой, Уолша и др.) зависят как коэффициент расширения спектра сигнала, так и используемая ширина полосы. Как правило, при попытках увеличить коэффициент расширения спектра сигнала уменьшается скорость передачи, что постоянно вынуждает искать компромисс между этими двумя параметрами. Скорость передачи можно повысить, увеличивая количество фаз модуляции, однако по мере снижения отношения сигнал-шум при приеме возрастают различные ограничения, связанные с этим способом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что назрела потребность в создании такого способа цифровой модуляции с расширенным спектром сигнала, который позволил бы, с одной стороны, повысить скорость передачи, а с другой стороны - добиться более высокого коэффициента расширения спектра сигнала с тем, чтобы стало возможным снижение требуемой мощности передачи или повышение отношения сигнал-шум при приеме с одновременным уменьшением сложности существующих в настоящее время таблиц модуляции.
Согласно изобретению предусмотрено использование пар комплементарных последовательностей Голея для модуляции с расширенным спектром и DS-CDMA амплитудно-модулированных двоичных данных в сочетании с N-фазной фазовой манипуляцией или модуляцией, широко применяемой в системах цифровой связи и обозначаемой русской аббревиатурой ФМН или английской аббревиатурой PSK.
Основная особенность используемых здесь последовательностей состоит в том, что в отличие от последовательностей Баркера, имеющих боковые лепестки, последовательности Голея отличаются идеальной автокорреляцией или, другими словами, соответствуют идеальному символу Кронекера, удовлетворяя следующим условиям:
где CA и Cn - индивидуальные автокорреляции последовательностей А и В, составляющих пару выбранных комплементарных последовательностей Голея с длиной М, значения которых принадлежат к двухэлементному множеству (1, -1).
Формирование таких последовательностей основано на использовании известных до настоящего времени так называемых основных ядер по 2, 10 и 26 бит (правила формирования последовательностей Голея описаны в статье М.Дж.Э.Голея "Комплементарные последовательности", опубликованной в издании IRE Transactions on Information Theory, vol. IT-7, pp.82-87, April 1961).
Благодаря предложенной системе связи становится возможным установление сквозного или многоточечного физического соединения со скоростью передачи, определяемой применяемыми средствами, располагаемой шириной полосы и приемлемой интенсивностью ошибок.
Эта система состоит из двух отдельных компонентов: передатчика и приемника.
Передающая аппаратура используется для выполнения следующих задач:
прием данных и генерация символов, соответствующих каждой группе из (m) бит, в виде функции последовательности Голея номер (η) с выбранной длиной (М), с количеством амплитуд (А) на символ, количеством фаз (N), используемых для модуляции, и коэффициентом расширения спектра сигнала, требуемым для удовлетворения требований к качеству системы;
сложение различных фаз для формирования N-фазной фазовой манипуляции (ФМН) и генерации тем самым передаваемого сигнала;
передача составного сигнала на передатчик, например, с помощью ВЧ-каскада и антенны.
Приемная аппаратура используется для выполнения следующих операций:
демодуляция информации, касающейся N-фазной фазовой манипуляции (ФМН), и выделение компонентов каждой из отдельных фаз;
согласование, фильтрация и корреляция выделенных компонентов с их соответствующими комплементарными парами или последовательностями Голея;
суммирование корреляций и получение тем самым исходного потока данных в виде цифровых уровней;
декодирование уровней для получения исходных данных.
Первое достоинство этого способа состоит в том, что он позволяет получить сколь угодно большой коэффициент расширения спектра сигнала вне зависимости, как будет показано ниже, от скорости передачи и единственно путем увеличения длины выбранных последовательностей Голея, вследствие чего для получения большого отношения сигнал/шум оказывается ненужной высокая мощность передачи. В этом случае коэффициент расширения спектра сигнала (в децибелах) определяется по формуле:
где М соответствует длине последовательностей Голея, используемых при модуляции. Этот признак исключительно важен в тех случаях применения, когда желательна невысокая мощность передачи (портативные терминалы, космические корабли и спутники связи), когда осуществляется связь на большие расстояния (дальняя космическая связь) и даже в военной области, где надежность и качество передачи зависят от создаваемых противником помех или необходимости шифрования передаваемого сигнала.
Кроме этого, описанный способ позволяет одновременно передавать по каналу связи информационные потоки в одних и тех же полосах частот благодаря использованию различных последовательностей Голея со слабой взаимной корреляцией, что облегчает создание коммуникационных подсетей в пределах одной и той же полосы, либо увеличить скорость передачи в число раз, пропорциональное η.
Аналогичным образом, возможно даже большее увеличение скорости передачи, если проводится предварительная модуляция входных данных с помощью А амплитуд.
Таким образом, из сказанного выше можно сделать вывод, что скорость передачи или пропускная способность (С), которую можно получить в системе связи с расширенным спектром сигнала благодаря этому способу, равна:
где В (в герцах) - используемая ширина спектра по первым нулям, N - количество фаз, используемых при модуляции (степень числа 4), А - количество амплитуд, используемых при кодировании двоичных данных, a η - количество пар используемых комплементарных последовательностей Голея. Из приведенного выше выражения можно видеть, что С не зависит от М.
Таким образом, изобретение позволяет создать мощную систему связи, которую можно применить в случаях с расширенным спектром сигнала, в DS-CDMA, в среде с неблагоприятными внешними воздействиями, где введены ограничения на мощность передачи, или просто в тех случаях, когда требуется повысить качество связи без уменьшения скорости передачи данных.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлена диаграмма, иллюстрирующая основной способ передачи с использованием системы с расширенным спектром сигнала и, в частности, 11-битовой последовательности Баркера, которая с помощью функции "исключающее ИЛИ" обеспечивает расширение спектра исходного сигнала данных. Можно видеть, что битовая частота (частота передачи битов) в 11 раз меньше, чем частота, применяемая для последовательности Баркера, что делает возможным получение коэффициента расширения спектра сигнала, равного 10·log10 (11) 10,4 ДБ.
На фиг.2 приведена схема, иллюстрирующая основной принцип, использованный при создании предлагаемого способа передачи, и возможное выполнение соответствующего передатчика при N=4. Двоичные данные (1) группами по ηxm бит поступают в излучатель. Каждая группа i по m бит умножается со знаком (3) с помощью последовательностей Голея А и В, соответствующих номеру ВМВ (базового блока модуляции) i. Результаты обоих умножений независимо аккумулируются в каждой из фаз и в каждом элементе сдвигового регистра (4), после чего перемещаются вправо в ожидании следующего символа.
Затем выходные значения сдвигового регистра каждого ВМВ суммируются (5), результатом чего являются фаза и квадратура, модулированные произведением, например, со знаком синуса и косинуса (6). Результат поступает в обычный передающий каскад (7).
На фиг.3 приведена схема, иллюстрирующая основной принцип, использованный при создании предлагаемого способа приема, и пример выполнения соответствующего приемника при N=4. Обе фазы ослабляют посредством 4-фазной фазовой демодуляции с получением одного синфазного и другого квадратурного сигнала (1). Полученные аналоговые синфазные (I) и квадратурные (Q) сигналы подвергают квантованию и вводят во все BDB (базовые блоки демодуляции), после чего результаты обеих операций подвергают корреляции с соответствующими исходными последовательностями (3), при этом сумма (3) обоих потоков дает амплитудно-кодированный сигнал, который соответствует данным каждой подгруппы из m исходных бит, прошедших демодуляцию. В блоке уплотнения (4) выполняются декодирование и упорядочение бит с целью восстановления исходного потока данных.
Фиг.4 иллюстрирует возможный пример модуляции. Для простоты изложения здесь показан только случай с фазой 1 (фаза Q такая же, с той разницей, что модуляция осуществляется с использованием комплементарной последовательности). Поэтому показаны только один из регистров Голея (1), только один из аккумуляторов и сдвиговых регистров (2) и только один умножитель (3).
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Ниже рассматривается один из возможных вариантов осуществления способа применительно к системе сквозной наружной радиосвязи. Для простоты изложения на фиг.2 иллюстрируется пример передатчика с квадратурно-фазовой модуляцией (N=4), обеспечивающего модуляцию данных с использованием η последовательностей Голея, модулированных с помощью А амплитуд. Таким образом, если применить выражение (1.2), скорость передачи данных будет составлять:
В соответствии со сказанным выше, исходным пунктом является ряд η пар последовательностей Голея из М бит, генерируемых и хранящихся в передатчике с помощью, как правило, 2хη двоичных регистров (значения 1 и -1), которые необходимо подвергнуть амплитудной модуляции с помощью А амплитуд и 4-х фаз квадратурно-фазовой манипуляции (4-фазной фазовой манипуляции). На той же фиг.2 детально показан один из базовых блоков модуляции (ВМВ).
Передатчик выполняет следующие операции (R - скорость передачи в символах):
(1) Кодер. Цифровые данные типа NRZ (без возврата к нулю), принятые со скоростью ηxmxR бит/с, поступают в кодированном виде и объединяются в η групп по m=log2A бит. В каждом ВМВ происходит параллельная обработка группы из m бит, в результате чего система обеспечивает передачу ηxm бит на символ. Бит с наибольшим весом каждой группы соответствует знаку, а m-1 с меньшим весом - модулю.
(2) Регистр Голея. Образован двумя двоичными регистрами с длиной М, где хранится пара комплементарных последовательностей А и В, значения которых принадлежат к множеству (1, -1), для модуляции данных, обработанных в соответствующем блоке BMB.
(3) Умножитель. Состоит из двух умножителей со знаком (битом наивысшего веса) пары последовательностей Голея А и В блока BMB с арифметическим значением соответствующей группы внутри множества групп входного символа.
(4) Сдвоенный аккумулятор и сдвиговый регистр. Выполняют арифметическое суммирование результата работы умножителей с содержимым сдвоенного сдвигового регистра (верхний маршрут с А, а внутренний - с В) и производят сдвиг регистра в правой части каждого цикла символа с обновлением регистра, удаленного максимально влево от него, на нулевое значение. Сдвиговый регистр образован базовыми элементами, в которых хранятся значения сигнала. Следовательно, количество (n) бит, используемых в каждом базовом элементе указанного регистра, должно быть подобрано так, чтобы предотвратить переполнение в процессе накопления. Таким образом, количество элементов сдвигового регистра должно равняться или превышать М для каждого из маршрутов А и В.
(5) Сумматор. Самостоятельно суммирует данные, соответствующие выходу каждого сдвигового регистра каждого из блоков ВМВ с получением при этом суммарных сигналов Iт и От, которые впоследствии модулируются.
(6) Модулятор QPSK. Модулирует выходные сигналы сумматора, умножая их на два квадратурных символа, например синусоидальный символ с фазой Ф0 (через Iт) и вторая квадратура (через Qт), после чего суммирует результаты обеих фаз с получением передаваемого сигнала, модулированного в режиме QPSK.
(7) Выходной каскад. Состоит из каскада Ц/А преобразователя и традиционного высокочастотного каскада, который, например, посылает сигнал на средства передачи.
На фиг.3 приведена примерная структура приемника для N=4, который образован η базовыми блоками демодуляции (BDB), детально показанными на той же схеме. В состав приемника входят следующие блоки:
(1) Приемник QPSK. Обеспечивает усиление ВЧ входного сигнала и при необходимости его преобразование в промежуточную частоту (ПЧ), получение информации о фазе и возможность демодуляции и восстановления разных потоков (синфазного I и квадратурного Q), которые соответствуют фазам 
Сигналы I и Q преобразуют в цифровой вид, и результат поступает в блок корреляции, общий для всех BDB.
(2) Коррелятор Голея. Обеспечивает возможность корреляции различных потоков, принятых от соответствующих последовательностей Голея. Учитывая, что эти последовательности нормализованы в пределах от +1 до -1, корреляция сводится к операциям суммирования и вычитания.
(3) Сумматор и детектор. Обеспечивают такое суммирование корреляций (два и два), при котором результатом являются исходные амплитудно-модулированные данные. Последним задаются пороговые значения и они преобразуются в двоичные данные, генерируемые с частотой появления символов на выходе каждого блока.
(4) Декодер. Выполняет объединение групп, принятых в информационном потоке, которые соответствуют передаваемым данным, в том порядке, в каком они были переданы со скоростью ηxmxR бит/с.
Два описанных выше устройства, взятых вместе, и образуют передающую систему.
1. Способ цифровой связи с сигналом с расширенным посредством модуляции с использованием комплементарных последовательностей Голея спектром, согласно которому при передаче входные двоичные данные объединяют в η групп по m=log2A бит, модулируют А амплитудными значениями, расширяют спектр посредством η комплементарных последовательностей Голея, либо комплементарных последовательностей Голея с измененными знаком и фазой, модулируют в режиме N-фазной манипуляции, передают по каналу связи, при приеме производят фазовую демодуляцию, свертку с соответствующими комплементарными последовательностями Голея, амплитудную демодуляцию и формирование исходных данных.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют комплементарные последовательности Голея со слабой взаимной корреляцией.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что результаты умножения входных данных на комплементарные последовательности Голея, либо на комплементарные последовательности Голея с измененными знаком и фазой, суммируют все вместе, либо в любой комбинации.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для изменения фазы последовательности Голея используют сдвоенный сдвиговый регистр.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что результат суммирования модулируют в режиме N-фазной манипуляции.
6. Способ по п.2, отличающийся тем, что включает этапы:
(а) введение амплитудно-модулированных двоичных входных данных, объединенных в группы по m бит, в η базовых блоков модуляции (ВМВ);
(б) хранения пары комплементарных последовательностей Голея, значения которых находятся в пределах от 1 до -1, в сдвоенных сдвиговых регистрах длиной М в указанном ВМВ;
(в) получения произведения комплементарных последовательностей Голея с соответствующей группой из m бит, знак которой соответствует знаку бита с наибольшим весом, а модуль представлен остальными m-1 битами, в результате чего формируются две последовательности I и Q длиной М элементов;
(г) поэлементного накопления значений М, содержащихся в сдвоенном сдвиговом регистре длиной М, с соответствующими М элементами каждой из последовательностей, полученных на предыдущем этапе;
(д) смещения содержимого указанных регистров в сторону М-ого элемента и добавления в базовые элементы первого порядка указанного регистра нулевого значения;
(е) получения суммарных квадратурных последовательностей Iт и Qт, путем суммирования η значений, полученных независимо на выходах последовательностей I и Q каждого из блоков ВМВ;
(ж) модулирования в режиме N-фазной манипуляции последовательностей Iт и Qт и суммирования результатов манипуляции с целью получения передаваемого сигнала;
(з) передачи полученного сигнала средствами передачи.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает этапы:
(а) согласования и синхронизации принимаемого сигнала,
восстановление квадратурных последовательностей при фазовой демодуляции, введения их в каждый из η базовых блоков демодуляции (BDB);
(б) выполнения свертки указанных последовательностей с η парами комплементарных последовательностей Голея посредством корреляции или согласованной фильтрации;
(в) суммирования результатов свертки, соответствующих одной и той же паре комплементарных последовательностей Голея, с целью получения η информационных потоков, модулированных А амплитудными значениями;
(г) получения по результатам амплитудной демодуляции η групп по m=log2A бит;
(д) формирования исходного потока данных путем уплотнения указанных групп.
