СПОСОБ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ МНОГОЧАСТОТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В ЧАСТОТНЫХ ПОДКАНАЛАХ КОМБИНИРОВАННОЙ МНОГОПОЗИЦИОННОЙ ЧАСТОТНОЙ И ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ
METHOD FOR PARALLEL MULTI-FREQUENCY TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION USING COMBINED MULTI-POSITION FREQUENCY AND PHASE MODULATION IN FREQUENCY SUBCHANNELS

Описание изобретения
Изобретение относится к технике многочастотной передачи цифровой информации по каналам связи. Предлагаемый способ целесообразно использовать для реализации модемов в системах цифровой связи. Способ передачи включает комбинирование цифровой многочастотной и многопозиционной фазовой модуляции N OFDM поднесущих, разделенных для модуляции на кластеры (группы) по L поднесущих. В каждом кластере символы многочастотной модуляции передаются выбором R из L поднесущих, из которых P затем модулируются по фазе, a R-P поднесущих остаются немодулированными. На приемной стороне, после выделения в схеме OFDM квадратурных компонент поднесущих, демодуляция выполняется в два этапа: сначала некогерентно демодулируются символы многочастотной модуляции, определив R поднесущих, на втором этапе, используя опорные колебания, сформированные из квадратурных компонент немодулированных R-P поднесущих, когерентно демодулируют P фазомодулированных поднесущих. Технический результат заключается в повышении спектральной эффективности и помехоустойчивости способов многочастотной передачи цифровой информации, не требующих включения в состав передаваемого сигнала специальных тренировочных сигналов или пилот-тонов для оценки состояния канала. Преимущества предлагаемого способа в полной мере реализуются при надежной и устойчивой передаче цифровой информации по каналам с изменяющимися во времени параметрами (быстрыми замираниями).
Настоящее изобретение относится к технике передачи цифровой информации и может быть использовано для реализации модемов в системах цифровой связи. В том числе для одновременной передачи двух и более цифровых информационных потоков разного назначения. Из существующего уровня развития техники известны множество систем передачи цифровой информации, которые осуществляют многочастотную параллельную передачу символов, отображающих цифровую информацию, полученных путем многопозиционной модуляции многочастотных OFDM поднесущих. Структурная схема такой системы показана на фиг. 1.
Широко известным примером может служить система цифрового телевидения [1]. Другие примеры содержатся в патенте US 7702045 В2, класс H04L 27/06 "Method for estimating wireless channel parameters", дата патента 20.04.2010 г., в патенте US 665442901, класс H04L 25/02, опубликован 25.11.2008 г. "Pilot-aided channel estimation for OFDM in wireless systems". Bo всех вышеприведенных примерах способы оценки состояния канала базируются на включении в состав передаваемого многочастотного сигнала тренировочных символов или пилот-тонов, параметры которых известны на приемной стороне, и, следовательно, они не переносят полезные, т.е. информационные данные, а служат для определения характеристик канала, используя для этого методы статистического оценивания. Недостатками вышеперечисленных технических решений являются значительные затраты как вычислительных ресурсов и ресурсов пропускной способности систем OFDM на передачу пилот-тонов и получения достоверных оценок состояния канала с быстроизменяющимися (в масштабе длительности OFDM символа) параметрами.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ комбинированной (гибридной) модуляции, описанный в [2], в котором N поднесущих системы OFDM, для осуществления многопозиционной частотной модуляции (MFSK) разбиваются на К 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. 2), 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. 3.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>M</mi><mi>F</mi><mi>S</mi><mi>K</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>q</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>D</mi><mi>P</mi><mi>S</mi><mi>K</mi></mrow></msub></mrow>
Процесс демодуляции выполняется в два этапа: на первом определяются переданные поднесущие и соответствующие им дибиты
а на втором, используя поднесущие, определенные на первом этапе, демодулируются
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. Недостатком данного технического решения является использование относительной фазовой модуляции, уступающей фазовой модуляции (PSK) по характеристикам помехоустойчивости и надежности.
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>L</mi><mi>R</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>L</mi><mi>R</mi></msubsup></mrow>
n1
n2
n3
n2
Заявляемый способ передачи цифровой информации получает основной технический результат в виде сочетания повышения спектральной эффективности и помехоустойчивости надежных и устойчивых способов передачи цифровой информации, не требующих включения в состав передаваемого сигнала специальных тренировочных сигналов или пилот-тонов для реализации на приемной стороне использования специальных процедур оценки параметров канала. Предлагаемый способ возможно использовать для передачи двух потоков данных, поступающих от двух источников. Для этого N-общее число частотных подканалов многочастотной системы разделяют на N/L кластеров (групп), каждый из которых содержит L подканалов. В каждом кластере одновременно параллельно передается по R подканалам комбинация из R тональных поднесущих, отображающая один из возможных символов многотональной многопозиционной частотной модуляции. Общее число символов возможных для передачи в отдельном кластере равно
, где
- число сочетаний по R из L символов. Часть из переданных R поднесущих, равная P, модулируется по фазе B-позиционным кодом. R-P поднесущих не подвергаются фазовой модуляции и используются для формирования опорных колебаний при фазовой демодуляции. Правило выбора этих поднесущих определяется принципом «наиболее близкого размещения по частоте к модулированным по фазе поднесущим», минимизируя среднее значение расстояния между колебаниями для сохранения максимально возможной корреляции между поднесущими обоих видов. Поясним вышеприведенный принцип на примерах: в кластере с размером L=6 с использованием R=3 тональных поднесущих и дополнительной фазовой модуляцией Р=2 поднесущих при передаче днесущих с частотами f<f<f в качестве опорного колебания назначается поднесущая с частотой f. Таблица, приведенная на фиг. 4, иллюстрирует этот пример, в которой фазомодулированные поднесущие обозначены mpsk.
n1
n2
n3
n4
n2
n4
Другой пример кластера с размером L=8 и R=4 тональными поднесущими Р=2 фазомодулированными поднесущими при передаче поднесущих с частотами f<f<f<f, опорными выбирают поднесущие с частотами f; f. Если организовано целое число кластеров N/L, то число бит передаваемых одновременно равно:
где . - означает целую часть.
Структурная схема модулятора, работа которого описана выше приведена на фиг. 5.
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>L</mi><mi>R</mi></msubsup></mrow>
На приемной стороне демодулятор в каждом кластере после разделения OFDM сигнала на отдельные поднесущие и записи квадратурных компонент поднесущих в буферную память выполняет операции последовательно в два этапа: на первом этапе некогерентно демодулируются R поднесущих путем сравнения и выбора R наибольших значений из
вариантов, составленных из комбинаций, содержащих по R элементов. Каждый из которых получен возведением в квадрат значений квадратурных компонент отдельных поднесущих в кластере. Значения квадратурных компонент демодулированных R поднесущих сохраняются в буферном запоминающем устройстве (ЗУ) для выполнения на втором этапе демодуляции P фазомодулированных поднесущих с использованием R-P поднесущих для формирования опорных колебаний. В предлагаемом способе передачи цифровой информации для детектирования этих R-P поднесущих, участвующих в передаче части данных полезной цифровой информации, передаваемых методом многотональной многочастотной модуляции, используют некогерентный прием. Использование немодулированных по фазе поднесущих позволяет, в отличие от прототипа, при модуляции поднесущих по фазе применить не относительные методы модуляции, а абсолютные, что дает сочетание повышения спектральной эффективности и помехоустойчивости приема части данных цифровой информации, передаваемых методом фазовой модуляции.
Структурная схема, поясняющая работу демодулятора поднесущих одного кластера, приведена на фиг. 6.
Фазовую модуляцию и соответственно демодуляцию возможно осуществить в режиме иерархической модуляции [1, 3]. Для этого на передающей стороне поток информационных данных, подлежащих многократной фазовой модуляции, разделяют на подпотоки низкого и высокого приоритета и в схеме MPSK символы этих потоков отображаются со значениями фаз в соответствии с иерархией данных [1, 3]. Смещение, обусловленное изменением фазовых углов при иерархической модуляции, учитывается в схеме демодулятора, выполняющего разделение подпотоков высокого и низкого приоритета.
Источники информации
1. Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2), DVB Document A122, June 2008.
2. M. Wetz, I. PeriǺ¡a, 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.
3. A. Schertz, Ch. Weck. Hierarchical modulation - the transmission of two independent DVB-T multiplexes on a single frequency. EBU TECHNICAL REVIEW, April 2003 p/ 1-13.