Способ параллельной многочастотной передачи цифровой информации по параллельным разнесенным радиоканалам с использованием гибридной модуляции данных
Владельцы патента RU 2562431:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ФГОБУ ВПО ПГУТИ) (RU)
Изобретение относится к технике пакетной передачи цифровой информации по каналам радиосвязи и телерадиовещания и может использоваться при одновременной передаче сообщений разного характера: широковещательной или циркулярной передаче группе пользователей важных сообщений. Достигаемый технический результат - увеличение пропускной способности системы с пакетной передачей данных по параллельным каналам и комбинированием в процессе некогерентной демодуляции квадратов отсчетов поднесущих OFDM сигналов, принятых в каждом из параллельных каналов. Для передачи в пакетном режиме используются статистически взаимно независимые параллельные радиоканалы, по которым информационные сообщения передаются при помощи гибридной двухэтапной модуляции сигналов поднесущих в системе OFDM, на первом этапе данные пакетов базовых сообщений методом многочастотной модуляции модулируют поднесущие OFDM во всех параллельных каналах, а на втором - данные индивидуальных сообщений по закону относительной фазовой модуляции модулируют поднесущие, активизированные на первом этапе только в своем индивидуальном канале. 8 ил.
В условиях загруженности радиочастотного спектра (РЧС) и дефицита в распределении частот РЧС тем не менее имеются неиспользуемые или используемые неэффективно полосы частот. Примеры тому можно найти в диапазонах отведенных для звукового радиовещания (ЗВ). Внедрение технологий цифрового радиовещания позволяет утилизировать такие полосы. Пример такого использования - это иллюстрированный график фиг. 1, показывающий использование полосы частот канала ЗВ для одновременной трансляции программ аналогового и цифрового вещания. Такое использование называют режимом simulcast DRM, описанным в ГОСТ Р 54707-2011 [1].
Другой пример для диапазона УКВ (ОВЧ ЧМ) вещания - это Patent US №7,046,694 B2 [2], практически реализованный в виде системы FM eXtra, технические характеристики которой приводятся на Фиг. 2. Цифровой сигнал в этой системе методом частотного уплотнения добавляют в групповой сигнал, который модулирует радиочастотную несущую вещательного передатчика по частоте.
Динамический доступ к спектру как проявление более общей концепции "когнитивного радио" расширяет представление о способах и масштабах эффективного использования этих полос, стимулируя поиск новых способов.
В современной технике передачи цифровой информации широко известно множество способов и устройств, их реализующих, в которых либо с целью повышения показателей помехоустойчивости, либо с целью повышения скорости информационного обмена используют идею разнесенной передачи цифровой информации по параллельным каналам, в том числе информации, организованной в виде последовательности пакетов.
В книге [4] описан режим многостанционного вещания для организации параллельных каналов передачи сообщений. При этом распространенной является ситуация, в которой есть несколько радиостанций, одновременно вещающих (каждая на своей частоте вещания fi) и имеющих значительное перекрытие их зон уверенного приема, и размещенных на ограниченной территории радиопередающего центра. Следовательно, открываются возможности построения систем, в которых одновременно передаются сообщения по нескольким радиоканалам радиостанций, излучающих на разных частотах. Такой способ передачи может быть назван параллельной передачей и может, как отмечалось выше, использоваться для повышения достоверности приема сообщений при их дублировании на передаче по разным каналам, а также для повышения скорости передачи сообщений при распараллеливании данных по каналам. Обобщенная схема, иллюстрирующая сущность параллельного метода в многостанционном режиме, изображена на Фиг. 3a для передающей части и Фиг. 3в для приемной части.
Известен способ гибридной модуляции, описанный в [5], в котором N поднесущих системы OFDM, для осуществления многопозиционной частотной модуляции (MFSK) разбиваются на k кластеров, содержащих по 4 поднесущих в каждом из них. Поступающий битовый информационный поток распределяется по кластерам: каждому кластеру адресуется пара последовательных бит (дибит) информационного потока, значения дибита, в соответствии с кодом Грея, определяют номер одной из поднесущих в кластере, которая фактически передается в составе группового сигнала OFDM (см. фиг. 4), производя тем самым модуляцию 4FSK.
Для повышения спектральной эффективности системы фазы поднесущих модулируются по закону относительной (дифференциальной) фазовой модуляции (DPSK): значение фазы поднесущей в k-м кластере изменяется относительно значения фазы поднесущей в (k-1)-м кластере в соответствии со значениями бит дополнительного информационного потока. Структурная схема, поясняющая принцип работы прототипа, приведена на фиг. 5.
Процесс демодуляции выполняется в два этапа: на первом определяются переданные поднесущие и соответствующие им дибиты, а на втором демодулируются, используя поднесущие, определенные на первом этапе биты дополнительного информационного потока, переданные методом DPSK. Для демодуляции в способе прототипе нет необходимости в знании состояния канала и, следовательно, в его оценке, что делает его надежным способом для передачи по каналам с быстрыми замираниями. Данные каждого информационного потока могут иметь разную природу: так, например, они могут создаваться разными источниками или могут иметь неодинаковую информационную ценность (данные дополнительного потока могут нести информацию, уточняющую информацию, передаваемую в основном потоке).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению в системах с пакетной передачей является метод комбинирования предложенный в [3], основная идея такой схемы комбинирования заключена в повторной передаче пакетов информационных данных и комбинирование многих принятых копий пакетов в MRC (максимально правдоподобном комбинирования) декодере, таким образом реализуется схема с временным разнесением как это показано па Фиг. 6.
Недостатком этого способа является невозможность использования передачи по параллельным каналам для увеличения пропускной способности системы, а также необходимость многократной повторной передачи для организации параллельных каналов и получения оценки отношения сигнал/шум для осуществления комбинирования полученных пакетов.
Заявляемый способ получает основной технический результат: увеличение пропускной способности системы с пакетной передачей данных по параллельным каналам и комбинированием в процессе некогерентной демодуляции квадратов отсчетов поднесущих OFDM сигналов, принятых в каждом из параллельных каналов. Увеличение пропускной способности достигается применением гибридной двухэтапной модуляции в схеме передачи данных (M+1) информационного потока по M параллельным каналам следующим образом: при пакетной передаче (M+1)>3 потоков данных, из которых M потоков предназначены для приема M получателями этой информации и один базовый поток данных, общий для всех M получателей. При этом в каждом из M каналов передаваемые данные последовательности пакетов отображаются в виде символов, получаемых гибридной модуляцией многочастотного сигнала с ортогональным разделением поднесущих (OFDM) следующим образом: N поднесущих OFDM сигнала на первом этапе сгруппированы в N/L кластеров (групп) по L поднесущих в каждом кластере и на первом этапе гибридной модуляции данные базового потока передаются в виде символов многотональной многочастотной модуляции (MT-MFSK), получаемых в каждом из кластеров выбором конкретной комбинации R поднесущих из L возможных. А данные одного из M потоков данных, предназначенных конкретному получателю, на втором этапе гибридной модуляции передаются путем относительной или дифференциальной фазовой модуляции активизированных на первом этапе RN/L поднесущих в одном из M параллельных каналов. На приемной стороне, после разделения сигнала OFDM на N парциальных сигналов поднесущих OFDM, значения квадратурных компонент всех N поднесущих записывают в буферное запоминающее устройство, емкость которого должна быть рассчитана на хранение одного пакета. На первом этапе демодуляции по хранимым значениям N квадратурных компонент каждого из M параллельных каналов, используя сложение этих M ветвей с равными коэффициентами усиления для каждой из N поднесущих, получают сигналы для определения значений квадратов огибающей для N поднесущих, по которым, в свою очередь, в каждом кластере методом максимального правдоподобия определяется переданная комбинация из R поднесущих, то есть переданный символ данных базового потока. На втором этапе демодуляции, используя хранимые в буферном запоминающем устройстве квадратурные компоненты выявленных на первом этапе демодуляции RN/L поднесущих, в каждом из M демодуляторов относительной фазовой демодуляции методом правдоподобия определяют переданные символы конкретного потока данных, предназначенных одному из M получателей, получая демодулированные данные базового и индивидуального потоков. Пример построения конкретной системы, реализующей заявляемый способ для M=2 параллельных каналов, организуемых подобно FM eXtra (Фиг. 2) частотным уплотнением радиовещательного канала, показан на Фиг. 7 (передающая часть) и Фиг. 8 (приемная часть), где КСС - комплексный стереосигнал, ОЗП - основная звуковая программа, ЧД - частотный детектор.
Источники информации
1. Система цифрового звукового радиовещания DRM. Одноканальная одновременная передача программ (SCS). M.: Стандартинформ, 2012 г., 8 с.
2. Patent No.: US 7,046,694 B2 IN-BAND ON-CHANNEL DIGITAL BROADCASTING METHOD AND SYSTEM.
3. D. Chase, "Code combining - A maximum-likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets," IEEE Trans. Commun., vol. COM-33, pp. 385-393, May, 1985.
4. C.H. Елисеев, Радиовещательные системы информационного обслуживания. - М.: Радио и связь, 2003 г. - 158 с.
5. М. Wetz, I. PeriAja, W. Teich and J. Lindner. OFDM-MFSK with Differentially Encoded Phases for Robust Transmission over Fast Fading Channels. 11th International OFDM-Workshop, Hamburg, Germany, August, 2006.
Способ пакетной передачи цифровой информации по M параллельным радиоканалам (M+1)>3 потоков данных, из которых M потоков предназначено для приема M получателями этой информации и один базовый поток данных, общий для всех M получателей, при этом в каждом из M каналов передаваемые данные последовательности пакетов отображаются в виде символов, получаемых гибридной модуляцией многочастотного сигнала с ортогональным разделением поднесущих (OFDM) следующим образом: N поднесущих OFDM сигнала на первом этапе сгруппированы в N/L кластеров, групп по L поднесущих в каждом кластере и на первом этапе гибридной модуляции данные базового потока передаются в виде символов многотональной многочастотной модуляции (MT-MFSK), получаемых в каждом из кластеров выбором конкретной комбинации R поднесущих из L возможных, а данные одного из M потоков данных, предназначенных конкретному получателю, на втором этапе гибридной модуляции передаются путем относительной или дифференциальной фазовой модуляции активизированных на первом этапе RN/L поднесущих в одном из M параллельных каналов, на приемной стороне, после разделения сигнала OFDM на N парциальных сигналов поднесущих OFDM значения квадратурных компонент всех N поднесущих записывают в буферное запоминающее устройство, емкость которого должна быть рассчитана на хранение одного пакета, на первом этапе демодуляции по хранимым значениям N квадратурных компонент каждого из M параллельных каналов, используя сложение этих M ветвей с равными коэффициентами усиления для каждой из N поднесущих, получают сигналы для определения значений квадратов огибающей для N поднесущих, по которым, в свою очередь, в каждом кластере методом максимального правдоподобия определяется переданная комбинация из R поднесущих, то есть переданный символ данных базового потока, на втором этапе демодуляции, используя хранимые в буферном запоминающем устройстве квадратурные компоненты выявленных на первом этапе демодуляции RN/L поднесущих, в каждом из M демодуляторов относительной фазовой демодуляции методом правдоподобия определяют переданные символы конкретного потока данных, предназначенных одному из M получателей, получая демодулированные данные базового и индивидуального потоков, отличающийся тем, что для увеличения пропускной способности передачи цифровой информации используется гибридная двухэтапная модуляция (M+1) потоков пакетов данных, предназначенных для M получателей, на первом этапе общие для всех получателей данные базового потока, передаваемые модулированными методом MT-MFSK сигналами поднесущих OFDM, M-кратно дублируются для передачи по M параллельным радиоканалам, на втором этапе данные M информационных потоков, предназначенные M получателям, используя активизированные на первом этапе поднесущие, передаются методом относительной фазовой модуляции этих поднесущих, на приемной стороне решение о переданном символе базового потока принимается демодуляцией по методу максимального правдоподобия результатов комбинирования выполняемого суммированием с равными коэффициентами усиления квадратов значений соответствующих квадратурных компонент поднесущих OFDM сигналов во всех M параллельных каналах, что обеспечивает более достоверный и надежный прием данных базового потока данных, а также данных M дополнительных, увеличивающих пропускную способность системы, индивидуальных информационных потоков, достоверность которых существенно зависит от достоверности демодуляции данных общего базового потока.
