Способ передачи и приема сигналов кам (квадратурной амплитудной модуляции)
Владельцы патента RU 2641448:
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "КОСМОНЕТ" (RU)
Изобретение относится к области передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) и предполагает использование в канале связи вместо одного сигнала КАМ с высоким номером суперпозицию нескольких сигналов КАМ с более низкими номерами КАМ (иерархическую модуляцию). Технический результат – повышение энергетической эффективности канала с сохранением его спектральной эффективности. Для достижения нужного энергетического эффекта сигналы КАМ на передающем конце складывают в определенной пропорции, зависящей от примененных видов модуляции и помехоустойчивого кодирования и обеспечивающей на приемном конце их последовательное (с вычитанием из суперпозиции сигналов очередного декодированного сигнала) декодирование с заданной вероятностью ошибок. При этом наибольшая энергетическая эффективность достигается, если каждый последующий сигнал КАМ в суперпозиции сдвинут относительно предыдущего на половину периода символьной частоты. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.
Область техники, к которой относите изобретение
Изобретение относится к области передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции (далее - КАМ) с использованием способов иерархической модуляции.
Уровень техники
В настоящее время имеется достаточно много работ, посвященных иерархической модуляции как способу передачи данных. Например, патент US 8548079 от 01.10.2013 г. или патент ЕР 1406421 А2, публ. 07.04.2004 г. За ближайший аналог изобретения принят способ, описанный в патенте US 7274653 В1, публ. 25.09.2007 г. При внешней похожести предлагаемый способ имеет ряд особенностей, повышающих энергетическую эффективность способа передачи.
Раскрытие изобретения
Известно, что для повышения спектральной эффективности цифрового канала связи необходимо применять сигналы КАМ с более высокими номерами. В настоящее время используются сигналы КАМ 2048 и выше. Но повышение номера КАМ в канале связи приводит к ухудшению его энергетической эффективности, так как, чем выше номер КАМ, тем больше разрыв между требуемым для такого канала соотношением сигнал/шум для безошибочного приема и пределом Шеннона. Например, КАМ 512 со скоростью кодирования 8/9 требует соотношения сигнал/шум в 33-34 дБ для приема информации с вероятностью ошибки 10-7, а предел Шеннона для этого случая лежит на уровне 24 дБ. Кроме того, чем выше номер КАМ, тем выше требования к фазовой стабильности генераторного оборудования модемов. Предлагаемое изобретение позволяет повысить энергетическую эффективность цифрового канала связи при сохранении его спектральной эффективности и вероятности безошибочного приема и позволяет снизить требования к фазовой стабильности генераторного оборудования модемов.
Данное изобретение предполагает использование в цифровом канале связи вместо одного сигнала КАМ с высоким номером суперпозицию нескольких сигналов КАМ с более низкими номерами (то, что часто называют иерархической модуляцией), что позволяет повысить энергетическую эффективность канала с сохранением его спектральной эффективности.
Для достижения нужного энергетического эффекта входной информационный битовый поток на передающем конце преобразуется не в единый сигнал КАМ, обладающий заданной спектральной эффективностью, а в несколько парциальных сигналов КАМ с более низкими номерами, обладающими равной суммарной спектральной эффективностью, которые затем складываются в определенной пропорции в единый сигнал. Пропорция эта зависит от примененных видов модуляции и помехоустойчивого кодирования и должна обеспечивать на приемном конце последовательное декодирование парциальных сигналов с заданной вероятностью ошибок при минимально возможной мощности этих сигналов. Минимизация мощности парциальных сигналов в настоящем патенте обеспечивается поворотом каждого нечетного (или каждого четного) парциального сигнала по фазе на угол ϕ (оптимальным, с точки зрения энергетической эффективности, является угол ϕ в 22,5 градуса) и задержкой по времени каждого сигнала относительно предыдущего на величину , где Ts - период символьной частоты, N=1, 2, 3, … (оптимальной, с точки зрения энергетической эффективности, является задержка на половину периода символьной частоты Ts (N=2)).
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена функциональная схема телекоммуникационной системы для передачи информационного сигнала с помощью представления его в виде двух парциальных сигналов КАМ, реализованная с помощью предложенного способа.
На Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4 изображены фазовые портреты информационных сигналов, состоящих из двух парциальных сигналов QPSK, снятых на приемной стороне предлагаемой системы при различных параметрах ее реализации.
На Фиг. 2 изображен фазовый портрет суммарного сигнала, полученного в результате моделирования предлагаемой системы при отсутствии фазового и временного сдвигов между двумя парциальными сигналами QPSK.
На Фиг. 3 изображен фазовый портрет суммарного сигнала, полученного в результате моделирования предлагаемой системы при фазовом сдвиге между парциальными сигналами QPSK равном 22.5 градуса.
На Фиг. 4 изображен фазовый портрет суммарного сигнала, полученного в результате моделирования предлагаемой системы при временном сдвиге между двумя парциальными сигналами QPSK, равном половине периода символьной частоты.
Осуществление изобретения
Пример телекоммуникационной системы, реализованной с помощью предложенного способа, представлен на Фиг. 1.
Система состоит из передатчика 100, приемника 200 и канала связи 300.
Передатчик 100 реализован с помощью способа передачи 1 формулы изобретения.
На вход передатчика подается сигнал 102. Это есть символьный цифровой поток данных, который демультипликатором 104 разбивается на два битовых потока. Первый поток по линии 106 поступает на кодер 110, второй поток по линии 108 поступает на кодер 112. Закодированный первый битовый поток по линии 114 поступает на преобразователь 118 для формирования комплексного символьного потока 122 - КАМ1. Закодированный второй битовый поток по линии 116 поступает на преобразователь 120 для формирования комплексного символьного потока 124 - КАМ2. Комплексный символьный поток КАМ1 по линии 122 поступает на фазовращатель 126, где поворачивается на угол ϕ и по линии 130 поступает на сумматор 134. Комплексный символьный поток КАМ2 по линии 124 поступает на устройство задержки 128, где задерживается на определенную долю TS (периода следования символов). Задержанный сигнал КАМ2 суммируется в сумматоре 134 с сигналом КАМ1 в пропорции, обеспечивающей на приемном конце последовательное декодирование сигналов КАМ1 и КАМ2 с заданной вероятностью ошибок. Для суперпозиции двух сигналов КАМ1 и КАМ2 соотношение их мощностей должно быть больше или равно К+1, где К - это отношение мощности сигнала с меньшей энергетикой (сигнал КАМ2) к мощности шума минимально необходимое для приема этого сигнала с заданной вероятностью ошибки. Величина К зависит от вида применяемого помехоустойчивого кодирования и выбранного вида модуляции. Суммарный сигнал 136 переносят на несущую частоту 138 в комплексном преобразователе 140 и по линии 142 выводят в канал связи 300.
Приемник 200 реализован с помощью способа 2 формулы изобретения.
Входным сигналом приемника 200 является сигнал 310, прошедший канал связи 300. Данный сигнал демодулируют в демодуляторе 202, получая суммарный символьный комплексный поток. Данный поток по линии 204 поступает на преобразователь 208, где преобразуется в последовательность метрик битовых отсчетов (soft metric), соответствующих символьным отсчетам сигнала с наибольшей энергетикой. По линии 206 суммарный символьный комплексный поток поступает на устройство задержки 222 для обеспечения последующего синфазного вычитания сигналов. По линии 210 последовательность метрик битовых отсчетов (soft metrics) поступает на декодер 212. После декодирования в декодере 212 битовый поток данных по линии 214 поступает на кодер 218, с выхода которого по линии 220 поступает на модулятор 224, где преобразуется в символьный комплексный поток 228, эквивалентный KAM1.
В вычитающем модуле 230 осуществляется синфазное вычитание из суммарного символьного комплексного потока сигнала KAMI. В результате на выходе модуля 230 остается сигнал КАМ2 на фоне собственных шумов, который по линии 232 поступает на преобразователь 234, где преобразуется в последовательность метрик битовых отсчетов, соответствующих символьным отсчетам сигнала КАМ2. По линии 236 последовательность метрик битовых отсчетов поступает на декодер 238, где получают информационный битовый поток 2, который в мультиплексоре 242 объединяют с битовым потоком 1, поступающим туда по линии 216. Объединенный битовый поток 244 и является выходом устройства 200.
В Таблицах I - III приведены результаты моделирования в среде MATLAB предлагаемой системы передачи данных при использовании в канале связи суперпозиции двух парциальных сигналов одинаковой модуляции и LDPC - кодирования с длиной блока 64000 бит и вероятностью ошибки 10-7.
В Таблице I приведены результаты моделирования предлагаемой системы при отсутствии фазового и временного сдвигов между парциальными сигналами.
Эти результаты по существу совпадают с результатами системы для способа, взятого нами за ближайший аналог.
В Таблице II приведены результаты моделирования предлагаемой системы при фазовом сдвиге между парциальными сигналами равном 22,5 градусов и отсутствии временного сдвига между ними.
В Таблице III приведены результаты моделирования предлагаемой системы при временном сдвиге между парциальными сигналами равном половине периода символьной частоты.
1. Способ для осуществления передачи суперпозиции сигналов нескольких КАМ, где отсчеты каждого последующего сигнала КАМ в суперпозиции сдвинуты во времени относительно предыдущего на некоторую величину, для использования в телекоммуникационных сетях для любых скоростей передачи данных со следующими шагами:
- преобразуют исходную информационную битовую последовательность с тактовой частотой ƒt в n(n≥2) параллельных битовых последовательностей с тактовыми частотами 
;
- каждую из последовательностей подвергают кодированию, в результате тактовая частота каждой из закодированных последовательностей становится равной 
;
- каждую закодированную последовательность преобразуют в комплексную многоуровневую последовательность, соответствующую определенной модуляции, символьной частоты ƒs;
- каждую нечетную или каждую четную комплексную последовательность поворачивают по фазе на угол ϕ; - отсчеты каждой комплексной последовательности задерживают по времени относительно предыдущей последовательности на величину 
, где Ts - период символьной частоты, N=1,2,3,…
- осуществляют суммирование комплексных последовательностей с сохранением временного положения их отсчетов, в пропорциях, определяемых видами применяемых модуляции и кодирования, позволяющей на приемном конце осуществить последовательную демодуляцию комплексных последовательностей с заданной вероятностью ошибки;
- подвергают суммарную комплексную последовательность фильтрации для формирования суммарной огибающей;
- переносят суммарную огибающей на несущую частоту ƒ0 для передачи ее через канал связи.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждую нечетную или каждую четную комплексную последовательность поворачивают по фазе на угол ϕ равный 22,5 градуса.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отсчеты каждой комплексной последовательности задерживают по времени относительно предыдущей последовательности на величину, равную половине периода символьной частоты Ts(N=2).
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что суммирование комплексных последовательностей для суперпозиции из двух комплексных последовательностей при N=1 осуществляют при соотношении их мощностей не меньше К+1, где К - это отношение мощности последовательности с наименьшей энергетикой к мощности шума, минимально необходимое для приема этого сигнала с заданной вероятностью ошибки; величина К зависит от вида применяемого помехоустойчивого кодирования и выбранного вида модуляции.
5. Способ для осуществления приема суперпозиции сигналов нескольких КАМ, где отсчеты каждого последующего сигнала КАМ в суперпозиции сдвинуты во времени относительно предыдущего на некоторую величину, для использования в телекоммуникационных сетях для любых скоростей передачи данных со следующими шагами:
- принимают из канала связи суммарную комплексную модулированную несущую;
- демодулируют любым известным способом принятую суммарную комплексную модулированную несущую, формируя суммарную комплексную огибающую с символьной частотой ƒs;
- преобразуют каждый символьный отсчет суммарной комплексной огибающей, соответствующий по времени символьному отсчету частной последовательности с наибольшей энергетикой, в мягкие значения битов этого символьного отсчета, получая последовательность метрик битовых отсчетов;
- полученную последовательность метрик битовых отсчетов декодируют, в результате чего появляется битовая информационная последовательность, соответствующая сигналу с наивысшей энергетикой из суперпозиции принятых сигналов;
- кодируют полученную битовую информационную последовательность и преобразуют ее в комплексную символьную последовательность таким же способом, как на передающем конце;
- подвергают данную комплексную последовательность фильтрации для формирования соответствующей ей огибающей;
- вычитают полученную огибающую из огибающей суперпозиции, получая огибающую следующей суперпозиции, которую демодулируют, преобразовывают и декодируют относительно сигнала с наивысшей энергетикой из сигналов, оставшихся в суперпозиции, получая соответствующую информационную битовую последовательность;
- повторяют операции кодирования, вычитания, демодулирования, преобразования и декодирования для последовательного извлечения всех информационных составляющих принятой суперпозиции сигналов.
