Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции



Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции
Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции
Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции
Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

 


Владельцы патента RU 2541502:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт телевидения" (RU)

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ). Технический результат - снижение величины средней мощности и пик-фактора формируемой сигнальной конструкции КАМ, за счет уменьшения различий амплитудных значений векторов сигнального созвездия, что приведет к повышению помехоустойчивости. В способе формирования сигналов КАМ поступающий информационный битовый поток разделяют на блоки по четыре бита. Затем генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения синфазной составляющей (СС) и квадратурной составляющей (КС), которые манипулируют в зависимости от значений первого, второго, третьего и четвертого битов информационного битового потока, а затем суммируют. Фазы СС и КС изменяют на 180° при значениях соответственно первого и второго информационных битов, равных единице. После чего СС и КС манипулируют в зависимости от значений каждого третьего и четвертого бита. 2 ил., 1 прил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к способам и устройствам формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ), применяемых на линиях многоканальной цифровой связи, а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения.

Известен способ формирований сигналов с квадратурной фазовой модуляцией (Патент РФ №2205518, МПК 7 H04L 27/20, 2001 г.), в котором расщепляют несущее колебание на синфазную составляющую (СС) и квадратурную составляющую (КС), формируют синфазный и квадратурный гармонические сигналы путем деления частоты СС и КС в (4k+1) раз, где k - целое число, сдвигают манипулирующие видеосигналы на половину длительности символа так, что фазы синфазного и квадратурного гармонических сигналов совпадают с фазами соответственно СС и КС в начале и конце каждого символа, фазы СС и КС изменяют на 180°, производят балансную модуляцию двоично-манипулированных СС и КС синфазным и квадратурным гармоническими сигналами и суммируют полученные составляющие.

Недостатком указанного способа является относительно низкая помехоустойчивость, что является следствием ее относительно высокого пик-фактора.

Известен способ формирования сигналов КАМ (Патент РФ №2365050, МПК H04L 27/06, 2008 г.), который состоит из двух параллельно работающих каналов, в одном из которых производят фазоамплитудную манипуляцию сигнала sin ωt (канал I), во втором - фазоамплитудную манипуляцию сигнала cos ωt (канал Q). Указанные сигналы формируют от общего задающего генератора, причем сигнал cosωt получают путем сдвига фазы сигнала sin ωt на 90° с помощью фазовращателя (0°/90°). Манипуляцию фаз сигналов в каналах I и Q производят с помощью коммутаторов, на первый вход которых подают сигнал без сдвига фазы, а на второй вход - сигналы со сдвигом по фазе на 180° с выходов фазовращателей. Управление коммутаторами 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. При такой совокупности описанных элементов и связей достигается увеличение пропускной способности по радиоканалу за счет снижения потерь помехоустойчивости на основе изменения величины оптимального коэффициента модуляции (коэффициента делителя напряжения) в зависимости от получаемого по обратному каналу соотношения сигнал-шум на входе приемного устройства как с разбиением, так и без разбиения общего переносимого потока бит на подпотоки по приоритетности в условиях помех.

Однако известному способу присущ недостаток, связанный с относительно большой величиной пик-фактора формируемой сигнальной конструкции (СК), что снижает помехоустойчивость ее приема.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому техническому результату является способ формирования сигналов КАМ (Патент РФ №2439819, МПК H04L 7/02, 2010 г.), заключающийся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения СС и КС , которые манипулируют в зависимости от значений первого r1, второго r2, третьего r3 и четвертого r4 информационных битов, причем фазы СС и КС изменяют на 180° при значениях соответственно r1=r2=1, после чего манипулированные СС и КС суммируют, дополнительно для манипулированных СС и КС формируют по четыре уровня напряжения путем умножения значений и на предварительно заданные соответствующие коэффициенты a, b и c. Таким образом, для СС получают ; ; ; . Для КС - ; ; ; . Затем из полученных четырех уровней напряжения СС и четырех уровней напряжения КС в зависимости от значений r3 и r4 выбирают по одному уровню напряжения и соответственно для СС и КС. Один из четырех уровней напряжения для СС и КС в зависимости от значений r3 и r4 выбирают из условий:

; ;

; .

Коэффициенты a, b и c выбирают соответственно в пределах: a≥1; b≥1/3; , причем выбранные значения данных коэффициентов должны удовлетворять одновременно условиям: (a-1)2+(b-1)2≥4/9; a2+b2≤2; (a-c)2+(b-c)2≥4/9.

Однако способу-прототипу присущ недостаток - относительно большая величина средней мощности и пик-фактора формируемой сигнальной конструкции (СК), обусловленная относительно большим различием амплитудных значений векторов сигнального созвездия (ВСС) формируемой СК.

Техническим результатом заявляемого технического решения является снижение величины средней мощности и пик-фактора формируемой сигнальной конструкции за счет уменьшения различий амплитудных значений векторов сигнального созвездия.

Это достигается тем, что способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, заключающийся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения для синфазной составляющей и квадратурной составляющей , которые манипулируют в зависимости от величин первого r1, второго r2, третьего r3 и четвертого r4 битов информационного битового потока, причем при r1=1 изменяют фазы на 180° у , а при r2=1 у , после чего манипулированные значения синфазной и квадратурной составляющих суммируют, отличается тем, что значения напряжений для синфазной составляющей , равные Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1), и квадратурной составляющей , равные Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1), манипулируют в зависимости от совместных величин каждой пары третьего r3 и четвертого r4 битов информационного битового потока, разделенного на блоки по четыре бита, при этом при r3=1 и r4=0 значения Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1) оставляют без изменения, а значения Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1) уменьшают в три раза до уровня при r2=0 ( при r2=1), при r3=0 и r4=1 значение Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1) уменьшают в три раза до уровня при r1=0 ( при r1=1), а значения Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1) оставляют без изменений, при r3=0 и r4=0 значения Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1) и Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1) оставляют без изменения, а результат их суммирования умножают на коэффициент α, при r3=1 и r4=1 значения Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1) и Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1) уменьшают в три раза, до уровня при r1=0 ( при r1=1) и при r2=0 ( при r2=1), а результат их суммирования умножают на коэффициент β, причем коэффициент α выбирают равным , а коэффициент β равным , манипулированные значения и суммируют по формуле . Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата, заключающегося в снижении величины средней мощности и пик-фактора формируемой СК за счет уменьшения различий амплитудных значений ВСС.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, на которых:

на фиг. 1 показан принцип разделения символов информационного битового потока на блоки по четыре символа в каждом;

на фиг. 2 показаны точки ВСС сигналов КАМ, формируемых в соответствии с известным способом-прототипом и предлагаемым способом.

Реализация заявляемого способа поясняется следующим образом.

1. Исходную последовательность символов информационных битов разделяют на блоки по четыре бита. При этом нумерация битов в блоке происходит слева направо. На фиг. 1 показана исходная последовательность символов информационных битов, разделенная на блоки по четыре бита. Над битами каждого блока указана нумерация.

2. Генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения СС и КС , причем при формировании синусоидальный сигнал оставляют без изменения.

Операции формирования синусоидального сигнала известны и описаны, например, в патенте РФ №2365050, 2008 г. Причем КС можно формировать, например, путем изменения фазы исходного синусоидального сигнала на 90° с помощью фазовращателя на 90° (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). На фиг.2 показаны исходные вектора СС и КС , соответственно по оси синфазного I и квадратурного Q напряжений.

3. Значения напряжений СС и КС манипулируют в зависимости от величин r1, r2, r3 и r4 битов информационного битового потока, причем при r1=1 изменяют фазы на 180° у , а при r2=1 у .

Операция манипулирования значениями напряжения СС и КС при формировании СК в двумерном пространстве сигналов КАМ предусматривает изменение исходных значений векторов напряжения СС и КС (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). На фиг.2 показаны значения напряжений Uисх21 и Uисх11 по осям синфазного I и квадратурного Q напряжений, сформированных из напряжения СС и КС в результате их манипуляции при формировании ВСС без изменения фазы, и значения напряжений Uисх22 и Uисх12, полученные при формировании ВСС с изменением фазы СС и КС

Операции манипуляции СС и КС, в том числе и при изменении их фазы на 180°, известны и описаны, например, в патенте РФ №2365050, 2008 г.

4. Манипулируют СС и КС в зависимости от значений каждого r3 и r4 информационных символов в каждом из блоков следующим образом:

4.1. При r3=1 и r4=0 значение оставляют без изменений, а значение уменьшают в три раза.

На фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U11 (без инверсии) и U12 (с инверсией), полученных в результате уменьшения в три раза исходных значений (без инверсии и с инверсией), и значения без изменений манипулированных напряжений Uисх21 (без инверсии) и Uисх22 (с инверсией), полученных из исходных значений (без инверсии и с инверсией).

4.2. При r3=0 и r4=1 значение оставляют без изменений, а значение уменьшают в три раза.

На фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U21 (без инверсии) и U22 (с инверсией), полученных в результате уменьшения в три раза исходных значений (без инверсии и с инверсией), и значения без изменений манипулированных напряжений Uисх12 (без инверсии) и Uисх12 (с инверсией), полученных из исходных значений (без инверсии и с инверсией).

4.3. При r3=0 и r4=0 значения и (без инверсии и с инверсией) оставляют без изменений.

На фиг.2 показаны значения без изменений манипулированных напряжений Uисх21 и Uисх22, полученных из исходных значений (без инверсии и с инверсией), и значения без изменений манипулированных напряжений Uисх11 и Uисх12, полученных из исходных значений (без инверсии и с инверсией).

4.4. При r3=1 и r4=1 значения и (без инверсии и с инверсией) уменьшают в три раза.

На фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U21 и U22, полученных в результате уменьшения в три раза исходных значений (без инверсии и с инверсией), и значения манипулированных напряжений U11 и U12, полученных в результате уменьшения в три раза исходных значений (без инверсии и с инверсией).

Операции уменьшения значения напряжения известны и описаны, например, в патенте РФ №2205518, МПК 7 H04L 27/20, 2001 г.

5. Манипулированные СС и КС суммируют. При r3=0 и r4=0 результат суммирования умножают на коэффициент . При r3=1 и r4=1 результат суммирования умножают на коэффициент β=1/2.

Суммирование манипулированных значений СС и КС осуществляют по формуле . В формуле под значениями и принимают исходные значения напряжений и , манипулированных в зависимости от величин r1, r2, r3 и r4. Операции суммирования напряжения СС и КС известны (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). Операции умножения известны (см. патент РФ №2439819,2010 г.).

В результате суммирования СС и КС (для комбинаций r3=0 и r4=0 и r3=1 и r4=1) результат суммирования соответственно умножают на значение α и β, формируют сигнальное созвездие сигнала КАМ.

На фиг.2 показаны результирующие точки BCC F1, F2, F3, F4, F5, F6, F7, F8, F9, F10, F11, F12, F13, F14, F15, F16, полученные в результате суммирования значений напряжения СС и КС, согласно заявляемому способу.

Возле каждой точки ВСС показан ее манипуляционный код, представленный в двоичной системе счисления. Порядок следования битов «слева направо» соответствует номерам информационных битов каждого из блоков, манипулирующих и , т.е. первый бит слева является первым информационным битом, второй - вторым информационным битом и т.д. для каждого из блоков.

Для манипуляции СС и КС выбран код Грея. Сигнальные конструкции с манипуляционным кодом Грея отличаются повышенной помехоустойчивостью, относительно СК при натуральном манипуляционном кодировании (см. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003, стр.234).

Согласно заявляемому способу, формирование сигналов КАМ происходит следующим образом. Информационную последовательность разбивают на блоки по четыре символа в каждом. Манипуляцию СС и КС осуществляют для каждого блока в соответствии со значениями r1 и r2 информационных битов блока следующим образом. В соответствии со значением r1 манипулируют , а в соответствии со значением r2 манипулируют . В случае, когда r1=0(r2=0), фазу СС (КС) оставляют без изменений. В случае, когда r1=1(r2=1), фазу СС (КС) изменяют на 180°, т.е. вместо берут инвертированное значение , а вместо берут инвертированное значение .

Затем для манипулированных битами r1 и r2 СС и КС, в зависимости от значений r3 и r4, формируют по два уровня напряжения.

В случае, когда r3=1 и r4=0 формируют: Uисх21 и U11 (для r1=0 и r2=0); Uисх21 и U12 (для r1=0 и r2=1); Uисх22 и U11 (для r1=1 и r2=0); Uисх21 и U12 (для r1=1 и r2=1). Результирующую точку ВСС получают после суммирования манипулированных значений СС и КС.

В случае, когда r3=0 и r4=0 формируют: Uисх21 и Uисх11 (для r1=0 и r2=0); Uисх21 и Uисх12 (для r1=0 и r2=1); Uисх22 и Uисх11 (для r1=1 и r2=0); Uисх21 и Uисх12 (для r1=1 и r2=1). Результирующую точку ВСС получают после умножения суммы манипулированных значений СС и КС на значение . Значение выбрано из условия обеспечения равенства амплитудных величин BCC F1, F2, F3, F4, F5, F8, F9, F12, F13, F14, F15, F16 между собой.

В случае, когда r3=1 и r4=1 формируют: U21 и U11 (для r1=0 и r2=0); U21 и U12 (для r1=0 и r2=1); U22 и U11 (для r1=1 и r2=0); U21 и U12(для r1=1 и r2=1). Результирующую точку ВСС получают после умножения суммы манипулированных значений СС и КС на значение . Значение выбрано из условия обеспечения минимального эвклидова расстояния между следующими точками ВСС СК: |F1-F6|, |F1-F5|, |F1-F2| для левого верхнего квадранта; |F4-F7|, |F4-F3|, |F4-F8| для правого верхнего квадранта; |F16-F11|, |F16-F12|, |F16-F15| для правого нижнего квадранта; |F13-F10|, |F13-F9|, |F13-F14| для левого нижнего квадранта (см. прил. 1).

В случае, когда r3=0 и r4=1 формируют: U21 и Uисх11 (для r1=0 и r2=0); U21 и Uисх12 (для r1=0 и r2=1); U22 и Uисх11 (для r1=1 и r2=0); U22 и Uисх12(для r1=1 и r2=1). Результирующую точку ВСС получают после суммирования манипулированных значений СС и КС.

Возможность снижения величины средней мощности и значения пик-фактора в заявляемом способе показана в прил. 1.

Таким образом, в заявляемом способе при его реализации за счет уменьшения различий амплитудных значений ВСС достигается цель заявляемого технического решения, направленная на снижение величины средней мощности и значения пик-фактора формируемой СК, что приведет к повышению помехоустойчивости сигнала КАМ.

Приложение 1

ОЦЕНКА УРОВНЯ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ И ПИК-ФАКТОРА СИГНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АМПЛИТУДНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ВЕКТОРА СИГНАЛЬНОГО СОЗВЕЗДИЯ В ЗАЯВЛЯЕМОМ СПОСОБЕ

В способе-прототипе точки ВСС сигнала КАМ: A1, A2, A5, A6, A3, A4, A8, A7, A11, A12, A16, A15, A9, A10, A14, A13. В заявляемом способе точки векторов сигнальной конструкции КАМ: F1, F2, F5, F6, F3, F4, F8, F7, F11, F12, F16, F15, F9, F10, F14, F13 (см. фиг.2). Пик-фактор (см. стр.17 формула 23, патент РФ №2439819 C1, опубл. Бюл. №1 от 10.01.2012 г.) можно интерпретировать как результат отношения пиковой амплитуды Un СК к ее средней амплитуде .

Поскольку в СК КАМ значения точек ВСС в каждом из квадрантов имеют одинаковые энергетические значения, то все расчеты проведем только для правого верхнего квадранта.

Средняя амплитуда и пиковая амплитуда СК КАМ в способе-прототипе имеют следующие значения , где (см. стр.17 формула 20, 24 и 26, патент РФ №2439819 C1, опубл. Бюл. №1 от 10.01.2012 г.).

В результате значение пик-фактора для способа-прототипа

.

Пиковая амплитуда СК в заявляемом способе равна |OF4|, поскольку у формируемой СК одинаковые значения у следующих ВСС |OF3|=|OF4|=|OF8|. Значение |OF4|=α×|OA4|, |OA4| можно рассчитать из треугольника OA4H (см. фиг.2), , где |OH|=Uисх11, и |HA4|=Uисх21, учитывая, что |Uисх11|=|Uисх21|, тогда:

.

Средняя амплитуда СК в заявляемом способе равна

.

Значение . Значение , величину |OG| находим из треугольника OGB: , где . Тогда .

Выбор значения обусловлен следующими соображениями. И в заявляемом способе значение минимального евклидова расстояния d для ВСС F1, F2, F5, F3, F4, F8, F12, F16, F15, F9, F14, F13 одинаковое и будет определяться как у сигналов двенадцатипозиционной фазовой манипуляции d=2Uисх11sin15°. Следовательно, для обеспечения такого же значения для |F4-F7| (|F1-F6| |F16-F11|, |F13-F10| для других квадрантов), необходимо значение |OF7| вычислять как разность |OF4|-|F4F7|. Полагая |F4F7|=d, имеем . Учитывая, что заявляемая СК формируется на основе квадратурных составляющих, то результирующее значение β можно рассматривать как отношение |OF7|/|OG|. Тогда

В итоге: .

В результате значение пик-фактора для заявляемого способа

.

Таким образом, эффективность заявляемого способа по показателю относительного снижения значения пик-фактора Эп составит

.

При этом среднее значение амплитуд в заявляемом способе в 1,3 раза меньше по отношению к способу-прототипу. Следовательно, и средняя мощность СК в заявляемом способе будет меньше. Это указывает на достижение цели заявляемого технического решения, направленной на снижение величины средней мощности и значения пик-фактора формируемой СК КАМ, и как следствие, повышения помехоустойчивости.

Способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, заключающийся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения для синфазной составляющей и квадратурной составляющей , которые манипулируют в зависимости от величин первого r1, второго r2, третьего r3 и четвертого r4 битов информационного битового потока, причем при r1=1 изменяют фазы на 180° у , а при r2=1 у , после чего манипулированные значения синфазной и квадратурной составляющих суммируют, отличающийся тем, что значения напряжений для синфазной составляющей , равные Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1), и квадратурной составляющей , равные Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1), манипулируют в зависимости от совместных величин каждой пары третьего r3 и четвертого r4 битов информационного битового потока, разделенного на блоки по четыре бита, при этом при r3=1 и r4=0 значения Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1) оставляют без изменения, а значения Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1) уменьшают в три раза до уровня при r2=0 ( при r2=1), при r3=0 и r4=1 значение Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1) уменьшают в три раза до уровня при r1=0 ( при r1=1), а значения Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1) оставляют без изменений, при r3=0 и r4=0 значения Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1) и Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1) оставляют без изменения, а результат их суммирования умножают на коэффициент α, при r3=1 и r4=1 значения Uисх21 при r1=0 (Uисх22 при r1=1) и Uисх11 при r2=0 (Uисх12 при r2=1) уменьшают в три раза, до уровня при r1=0 ( при r1=1) и при r2=0 ( при r2=1), а результат их суммирования умножают на коэффициент β, причем коэффициент α выбирают равным , а коэффициент β, равным , манипулированные значения и суммируют по формуле .



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ), применяемых на линиях многоканальной цифровой связи, цифрового радиовещания и телевидения.

Изобретение относится к области коррекции квадратурных ошибок, связанных с системами цифровой связи, и может использоваться в системах цифровой связи. Достигаемый технический результат - исправление фазовых ошибок между синфазным и квадратурным трактами.

Изобретение относится к способам передачи и приема данных и устройствам модуляции и демодуляции данных. Технический результат состоит в возможности достижения решения, превосходного по характеристикам нелинейных искажений.

Настоящее изобретение относится к области радиосвязи. Технический результат изобретения заключается в повышении маневренности при обмене информацией за счет введения каналов передачи данных, увеличении пропускной способности радиостанции.

Изобретение относится к устройству для компенсации погрешностей и линеаризации нелинейного IQ-модулятора. .

Изобретение относится к области передачи сигналов и может быть использовано для коррекции характеристик передачи схемы обработки сигналов. .

Изобретение относится к обработке данных перед их передачей. .

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ-16), применяемых на линиях многоканальной цифровой связи, цифрового радиовещания и телевидения. Технический результат - формирование сигнала КАМ-16, обеспечивающего восстановление переданной комбинации из четырех битовых символов в случае неправильного приема одного из попарно переданных векторов напряжений в результате сбоя в аппаратуре или низкой величины отношения сигнал/шум в канале. В способе формирования сигналов КАМ-16 все поступающие информационные биты разделяют на блоки по 4 бита, а квадратурную u → и с х Q и синфазную u → и с х I составляющие манипулируют в зависимости от значений информационных битов каждого блока, для чего их соответственно умножают на коэффициенты 18/16, 17/16, 15/16, 14/16, 10/16, 9/16, 7/16, 6/16, при приеме манипулированные значения синфазной u → M I и квадратурной u → M Q составляющих суммируют по формуле ( u ⇀ M Q ) 2 + ( u → M I ) 2 . 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх