Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции
Владельцы патента RU 2365050:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Министерства образования Российской Федерации РЯЗАНСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ КОМАНДНОЕ УЧИЛИЩЕ СВЯЗИ ИМЕНИ МАРШАЛА СОВЕТСКОГО СОЮЗА М.В. ЗАХАРОВА (RU)
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопередающим устройствам, применяемым на линиях многоканальной цифровой связи с квадратурной амплитудной манипуляцией, может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения. Достигаемый технический результат - снижение потерь помехоустойчивости в условиях плохой помеховой обстановки. В способе формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции формирование несущей частоты осуществляется путем модуляции и суммирования двух квадратурных сигналов: sin(wt) и cos(wt) по двум параллельно работающим каналам, в каждом из которых производится фазоамплитудная модуляция с помощью управляемых коммутаторов и делителей напряжения, при этом деление напряжения несущего колебания в каждом из двух квадратурных каналов формирователя сигналов квадратурной амплитудной модуляции синхронно осуществляется с переменным коэффициентом в зависимости от соотношения сигнал-шум на входе демодулятора приемника, полученного по обратному каналу. 4 ил., 2 табл.
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопередающим устройствам, применяемым на линиях многоканальной цифровой связи с квадратурной амплитудной манипуляцией, а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения.
Известны способы формирования сигналов относительной и квадратурной фазовой манипуляций (ОФМ, КФМ), в которых для уменьшения спектра передаваемого фазоманипулированного сигнала используется плавный фазовый переход [1, 2].
Также известны способы формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (КАМ, QAM), в которых шестнадцатеричный сигнал КАМ (КАМ-16) на передачу формируется в двух квадратурных ветвях (синфазная или синусная и квадратурная или косинусная составляющие), в каждой из которых используется способ формирования сигналов КФМ [3, 4].
Однако известные аналоги обладают относительно низкой помехоустойчивостью за счет строгого классического построения сигнальной конструкции и ввиду этого невозможностью разделения потока всех бит, переносимых сигналом КАМ на подпотоки по приоритетам [6], обладающие различной помехоустойчивостью, что очень важно при достаточно плохой помеховой обстановке (т.е. при низких значениях отношений сигнал-шум на входе демодулятора КАМ, что особенно актуально и прогрессивно в современных системах с турбокодированием [6]).
Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является способ формирования сигналов КАМ, в котором формирование несущей получается путем модуляции и суммирования двух квадратурных сигналов: sin(wt) и cos(wt). Способ формирования содержит два параллельно работающих канала, в каждом из которых производится фазоамплитудная манипуляция, общий задающий генератор, фазовращатели и управляемые коммутаторы с делителями напряжения для получения четырехуровневого сигнала КАМ с шестнадцатью сигнальными точками (КАМ-16)
[5].
При такой совокупности элементов и связей достигается повышение частотно-энергетической эффективности использования дискретных каналов линий многоканальной электросвязи [6].
Недостаток известного способа формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции - потери помехоустойчивости переданной информации в условиях наиболее плохой помеховой обстановки как с введением, так и без введения приоритетности в передаче сообщений нескольких пользователей.
Целью изобретения является снижение потерь помехоустойчивости в условиях плохой помеховой обстановки за счет оптимального построения сигналов шестнадцатеричной квадратурной модуляции (КАМ-16) как с разбиением, так и без разбиения общего переносимого потока бит на подпотоки по приоритетности.
Указанная цель достигается тем, что деление напряжения несущего колебания в каждом из двух квадратурных каналов формирователя сигналов квадратурной амплитудной модуляции синхронно осуществляется с переменным коэффициентом в зависимости от соотношения сигнал-шум на входе демодулятора приемника, полученного по обратному каналу.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков (отличительный признак) за счет введения изменяемого (заранее известного и точно посчитанного) в период наиболее плохой помеховой обстановки коэффициента деления напряжения квадратурных несущих позволяет обеспечить возможность снижения потерь помехоустойчивости информации нескольких пользователей при введении приоритетности сообщений в условиях достаточно низких значений соотношения сигнал-шум (сигнал-помеха) на входе демодулятора.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявляемый способ поясняется чертежами, графиками и таблицами, на которых показаны:
на фиг.1 - блок-схема устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции;
на фиг.2 - пространство сигналов классической КАМ-16:
а) фиксированные относительные значения амплитуд модулированных сигналов, находящихся в квадратуре;
б) фиксированные относительные значения амплитуд и фаз несущей на выходе модулятора КАМ-16;
на фиг.3 - пространство сигналов иерархической КАМ-16 при параметре модуляции α=2;
на фиг.4 - графики зависимости средней вероятности ошибки от параметра модуляции (коэффициента деления напряжения квадратурных несущих):
а) зависимость вероятности ошибки в приеме первого (второго), третьего (четвертого) битов и средней на бит вероятности ошибки при классической КАМ-16;
б) зависимость вероятности ошибки в приеме первого (второго), третьего (четвертого) битов и средней на бит вероятности ошибки при оптимальной иерархической КАМ-16;
- на фиг.5 приведены точные значения параметров модуляции (коэффициентов деления напряжения) для различных значений сигнал/шум на входе приемника и энергетические выигрыши (выигрыши в помехоустойчивости) оптимальной КАМ-16 по сравнению с известными иерархическими и классически аналогичными сигналами.
Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции, показанное на фиг.1 работает следующим образом.
Формирователь КАМ-16 состоит из двух параллельно работающих каналов, в одном из которых производится фазоамплитудная манипуляция сигнала sinwt (канал I), во втором фазоамплитудная манипуляция сигнала coswt (канал Q). Указанные сигналы получаются от общего задающего генератора 1, причем сигнал coswt получается путем сдвига фазы сигнала sinwt на 90° с помощью фазовращателя (0°/90°) 2. Манипуляция фаз сигналов I и Q производится с помощью коммутаторов 5 и 6, на первый вход которых подается сигнал без сдвига фазы, а на второй вход - сигналы со сдвигом по фазе на 180° с выходов фазовращателей 3 и 4. Управление коммутаторами 5 и 6 производится кодовыми комбинациями Ik и Qk, подаваемыми на информационные входы фазоамплитудных манипуляторов. В результате такой модуляции векторы сигналов I и Q будут принимать фиксированные фазовые положения, показанные на фиг.2а.
Амплитудная модуляция сигналов I и Q производится с помощью коммутаторов 7 и 8 и управляемых делителей напряжения 10 и 11 с переменным коэффициентом деления [7]. Управление коммутаторами 7 и 8 производится соответственно кодовыми комбинациями Еk и Dk, поступающими на информационные входы модулятора. Кодовые комбинации Ik, Qk, Ek и Dk поступают от формирователей импульсов источников сообщений.
После сложения промодулированных сигналов I и Q в сумматоре 9 в системе координат I и Q образуется 16 фиксированных точек - фиг.2б. Векторы, соединяющие начало координат и фиксированные точки, будут определять амплитуду и фазу КАМ-несущей на выходе модулятора для различных кодовых комбинаций.
При поступлении на вторые входы делителей напряжения 10 и 11 по обратному каналу информации об отношении сигнал-шум на входе демодулятора КАМ от 10-11 до 0.1 на выходе устройства формируется классическая сигнальная конструкция КАМ-16. При изменении помеховой обстановки на линии связи и поступлении на вторые входы делителей напряжения 10 и 11 по обратному каналу информации об отношении сигнал-шум на входе демодулятора КАМ от 0.1 до 0.3 (область применения современных турбо-кодов) на выходе устройства формируется оптимальная сигнальная конструкция КАМ-16 (ОКАМ-16) с лучшими энергетическими характеристиками по сравнению с известными классическими и иерархическими сигналами КАМ.
Точные расчеты помехоустойчивости предлагаемой оптимальной КАМ-16 с оптимальным коэффициентом модуляции
по сравнению с помехоустойчивостью аналогичных известных классических с коэффициентом модуляции α=1 (фиг.2б) и иерархических с коэффициентом модуляции α=2, 4 (фиг.3) сигналов [6] показали следующее.
1. При значениях требуемой средней вероятности ошибки на бит Рb в интервале от 0.3 до 0.1 минимальная средняя энергия на бит h2 bc(λопт) при оптимальном построении КАМ-16 меньше h2 bc(λ=1/2) необходимой для известной классической КАМ-16 на величину порядка от 0.46 дБ до 0.17 дБ (помехоустойчивость оптимальной КАМ-16 при фиксированной мощности передатчика выше помехоустойчивости классической КАМ-16), а минимальная пиковая энергия h2 m(λопт) не превышает h2 m(λ=1/2) В этом случае оптимальный параметр модуляции (нормированный коэффициент делителя напряжения) λопт меняется от 1 до 0.39 (фиг.5, табл.5.1).
2. Выигрыш в пикфакторе П1/П2 оптимальной КАМ-16 по сравнению с классической КАМ-16 при минимизации пиковой энергии h2 m составляет величину от 1.342 для Рb=0.4 до 1.08 для Рb=0.2 (фиг.5, табл.5.2).
3. Для достижения требуемого значения средней вероятности ошибки на бит Ртр=0.3 и Ртр=0.1 необходимое значение минимальной пиковой энергии h2 m при λопт значительно меньше, чем h2 m при λ=1/2(α=1), а с дальнейшим уменьшением Ртр от 10-2 до 10-11 величина λопт постепенно приближается к 0.5, т.е. к известному классическому построению сигналов КАМ-16 (фиг.4а, б).
4. Предложенное оптимальное построение сигнальной конструкции (СК) КАМ-16 по сравнению с ранее известными классической и иерархической КАМ-16 требует меньшего h2 m во всем диапазоне значений требуемой средней вероятности ошибки на бит Рb, что, в свою очередь, ведет к выигрышу в энергетических характеристиках первой по сравнению со вторыми, т.е. к снижению потерь помехоустойчивости (фиг.4в).
5. При значениях требуемой Рb в пределах от 0.1 и выше известная иерархическая КАМ-16 при коэффициенте модуляции α=4 выигрывает по необходимому h2 m у ИКАМ-16 с α=2 и у классической КАМ-16, но все эти сигнальные конструкции, в свою очередь, проигрывают предложенной оптимальной СК КАМ-16 по энергетике, т.е. по помехоустойчивости (фиг.4г).
Таким образом, при такой совокупности существенных признаков при формировании шестнадцатеричных сигналов квадратурной амплитудной модуляции обеспечивается снижение потерь помехоустойчивости, вызванных введением оптимального коэффициента модуляции (коэффициента делителя напряжения), в зависимости от получаемого по обратному каналу соотношения сигнал-шум на входе демодулятора КАМ-16 как с разбиением, так и без разбиения общего переносимого потока бит на подпотоки по приоритетности.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №541292, Кл. H04В 7/165, 06.08.1974.
2. Патент Российской Федерации №2205518, МПК Н04L 27/20, 11.12.2001.
3. Скляр, Берн. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. [Текст] / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - 544 с.
4. Севальнев Л.А. Передача цифровых телевизионных программ с информационным сжатием данных по спутниковым каналам связи // Теле-Спутник, №7, 1997. - С.64-69.
5. Севальнев Л.А. Передача сигналов цифрового телевидения с информационным сжатием данных по кабельным линиям связи // Теле-Спутник, №1(27), 1998. - С.54-67.
6. 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.
7. Фриск В.В. Основы теории цепей. [Текст] - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - С.34-36.
Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции с формированием несущей частоты путем модуляции и суммирования двух квадратурных сигналов: sin(wt) и cos(wt) по двум параллельно работающим каналам, в каждом из которых производится фазоамплитудная модуляция с помощью управляемых коммутаторов и делителей напряжения, отличающийся тем, что деление напряжения несущего колебания в каждом из двух квадратурных каналов синхронно осуществляется с переменным коэффициентом в зависимости от соотношения сигнал-шум на входе демодулятора приемника, полученного по обратному каналу при наиболее плохой помеховой обстановке.
