СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
METHOD FOR ENCODING AND TRANSMITTING DIGITAL INFORMATION

Способ кодирования и передачи цифровой информации Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно к технике цифровой связи, и может быть использовано для передачи дискретной информации по каналам связи, использующим многоантенные системы.
Известно достаточно много способов физического кодирования цифровой информации. Наиболее эффективной в настоящее время считается многопозиционная манипуляция несущей, которая существует в виде двух основных видов: фазовая PSK и квадратурно - амплитудная QAM.
В качестве информативного параметра можно использовать не только амплитуду, частоту или фазу несущей, но и поляризацию радиоволны. Известные способы поляризационной модуляции (манипуляции) сигнала основаны на том, что в них в зависимости от значения полезного сигнала происходит модуляция одного из двух или двух параметров одновременно, а именно ϕ - угла эллиптичности или θ - угла пространственной ориентации эллипса поляризации. Устройства, реализующие данные способы описаны в ряде источников, в частности, см. К.Г. Гусев, А.Д. Филатов, А.П. Сополев. Поляризационная модуляция. - М.: Советское радио, 1974 г, с. 63-161.
Недостатком этих устройств и реализуемых в них способов кодирования являются ограничения по скорости передачи данных, связанные со сложностью приема сигналов, подвергнутых многопозиционной манипуляции при достаточно больших значениях параметра т.
Наиболее близким по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ пространственного кодирования и передачи цифровой информации, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, содержащий N радиально расположенных в одной плоскости антенн. Антенны имеют различную поляризацию излучения, для чего их располагают в вертикальной плоскости под разными углами к горизонту. Каждый из цифровых сигналов направляют на определенную антенну. Антенный блок из N антенн условно разделяют на n независимых секторов. Антенны каждого из секторов в отдельности или нескольких секторов одновременно при помощи блока управления могут подключаться к источнику цифровой информации независимо (см. патент РФ №2430422, МПК Н03М 13/00, опубл.2020 г.).
Недостатком известного способа является сравнительно малая скорость передачи сигналов, связанная с относительно малым числом кодовых комбинаций, создаваемых излучающими антеннами антенного блока. Это объясняется тем, что сектора антенны зафиксированы не только "физически", но и "математически". Они обезличены, с математической точки зрения совершенно равноправны, «неподвижны» и отличаются друг от друга только пространственным положением. Это сужает количество возможных вариантов их комбинаций при активации секторов.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение скорости передачи цифровой информации.
n
i
n
n
n
Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе пространственного кодирования и передачи цифровой информации, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, содержащий N радиально расположенных в одной плоскости антенн с различной поляризацией и связанных через коммутатор с логическим устройством и источником информации и условно разделенных на n независимых секторов, причем антенны каждого из секторов в отдельности или несколько секторов одновременно выполнены с возможностью независимого подключения к источнику цифровой информации, при этом последовательность подключения каждой из антенн внутри каждого из секторов в зависимости от цифрового кода на выходе блока управления в каждом секторе обеспечена как в порядке возрастания номеров антенн - по часовой стрелке, так и в порядке убывания - против часовой стрелки, согласно изобретению каждый из n независимых секторов снабжен собственным идентификационным номером p, причем антенны в любом из n секторов антенного блока могут находиться в трех m=3 состояниях, а именно, либо не излучать сигнал, либо излучать сигнал с вращением вектора поляризации или по часовой стрелке, или против часовой стрелки, обеспечивая при этом число вариантов возможных комбинаций состояний n секторов с учетом числа их состояний m в количестве А=m, причем для различных излучаемых цифровых кодов логическое устройство назначает для каждого n сектора различные позиции номеров p этих секторов в любых упорядоченных наборах, составленных из номеров p секторов, обеспечивая при этом из n секторов возможное число комбинаций в количестве С=n!, создавая общее количество состояний элементов антенного блока, доступное для передачи массива различных цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой
*
*
n
В=АС=m n!, где m=3.
Решение поставленной технической задачи становится возможным благодаря тому, что для передачи различных значений двоичных кодов при помощи логического устройства и коммутатора в зависимости от передаваемого кода активируют различные участки (сектора) антенного блока. Кроме того, направление вращения векторов поляризации в секторах, а также позиционное положение идентификационных номеров секторов, иными словами их разрядный "вес", также задается логическим устройством и зависит от передаваемого в данный момент кода.
Можно сказать, что, оставаясь физически зафиксированными в пространстве, секторы антенного блока виртуально как бы "меняются местами", реализуя таким образом математическую операцию перестановок, что расширяет количество комбинаций состояний антенного блока, а следовательно, позволяет существенно расширить количество формируемых комбинаций, повысить скорость радиообмена.
Таким образом, разные комбинации из n секторов антенного блока (их количество может быть от 1 до n) и разные направления подключения антенн внутри задействованных секторов: либо в порядке возрастания, либо в порядке убывания номеров антенн, изменяя таким образом направление вращения вектора поляризации радиосигнала, а также использование маркировки каждого из n секторов антенного блока, иными словами, присвоение им идентификационных номеров, дают возможность, не меняя физически пространственного положения секторов, формировать различные коды с одним и тем же набором секторов, но с разными их местами (позициями) в разрядной сетке десятичного числа.
Способ пространственного кодирования и передачи цифровой информации поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема, поясняющая принцип пространственного дискретно - поляризационного кодирования цифровой информации для числа секторов, принятым в качестве примера, n=4 и числа состояний секторов m=3; на фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На чертежах приняты следующие обозначения:
N - количество антенн в антенном блоке;
1
2
3
4
n, n, n, n - номера секторов антенного блока;
i
m - число состояний, в которых может находиться n антенный сектор;
i
Pn - позиция номера того или иного сектора n в конкретной последовательности номеров;
1
2
1
2
2
2
1, 2, … r - номера антенн 1 сектора; 1, 2, … r - номера антенн 2 сектора;
3
3
3
4
4
4
1, 2, … r - номера антенн 3 сектора; 1, 2, … r - номера антенн 4 сектора;
1
4
"+/-" α…α - углы поворота вектора поляризации радиосигнала по часовой и против часовой стрелки, соответственно, связанные с положением в пространстве каждой антенны в пределах каждого из n (n=4) секторов антенного блока.
Способ пространственного кодирования и передачи цифровой информации заключается в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, содержащий N радиально расположенных в одной плоскости антенн с различной поляризацией и связанных через коммутатор с логическим устройством и источником информации и условно разделенных на n независимых секторов, причем антенны каждого из секторов в отдельности или несколько секторов одновременно выполнены с возможностью независимого подключения к источнику цифровой информации. При этом последовательность подключения каждой из антенн внутри каждого из секторов в зависимости от цифрового кода на выходе блока управления в каждом секторе обеспечена как в порядке возрастания номеров антенн - по часовой стрелке, так и в порядке убывания - против часовой стрелки.
n
n
n
*
*
n
n
Согласно изобретению для того, чтобы отличать один сектор от другого и иметь возможность в дальнейшем совершать их виртуальные перестановки, каждый из n независимых секторов, снабжается собственным идентификационным номером p. Антенны любого из n секторов могут находиться в трех состояниях m=3, т.е. они либо не излучают сигнала, иначе не задействованы, либо излучают сигнал с вращением вектора поляризации либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. К подобной структуре применимы правила комбинаторики, согласно которым число возможных комбинаций состояний секторов n с учетом числа их состояний m равно m. Кроме того, для различных излучаемых цифровых кодов логическое устройство, соединенное с источником информации и коммутатором, назначает для каждого из n секторов различные номера позиции p этих секторов в любых упорядоченных наборах, составленных из номеров p секторов. При этом дополнительно обеспечивается комбинация, числом равным n!, создавая таким образом общее количество состояний элементов антенного блока, доступное для передачи массива цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых из формулы В=СА=n! m, где m=3.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит антенный блок 1, коммутатор 2 и логическое устройство 3 передатчика, источник 4 цифровой информации; антенный блок 5, коммутатор 6 и логическое устройство 7 приемника, получатель 8 цифровой информации.
Рассмотрим реализацию способа на примере, когда число состояний т, в котором могут находиться антенные секторы, составляет m=3. При этом:
1 (первое) состояние - это состояние, когда сектор не активирован;
2 (второе) состояние - состояние, когда сектор активирован, при этом вектор поляризации вращается по часовой стрелке;
3 (третье) состояние - состояние, когда сектор активирован, при этом вектор поляризации вращается против часовой стрелки.
n
Применив аппарат раздела математики "Комбинаторика", а именно операцию "Размещения» (см., например, Комбинаторика, Виленкин Н.Я., Виленкин А.Н., Виленкин П.А., 2006), не трудно показать, что в нашем случае для m=3 можно получить общее число различных комбинаций состояний для n независимых секторов, равное А=3.
n
i
Кроме того, каждому из секторов n присвоен собственный идентификационный номер p, который позволяет оставляя тот или иной сектор физически фиксированным в заданном месте антенного блока, виртуально менять его позиционное положение, иначе "вес" разряда в числовой последовательности, составленной из номеров n различных секторов.
Например, когда активированы все четыре сектора n1, n2, n3, n4 (см. фиг. 1) в комбинации P1- P2- P3- P4 сектор под №2 (P2) занимает вторую позицию, а в комбинации n1, n3, n4, n2, или, что то же самое в терминах позиционных номеров: P1- P3- P4- P2 - он занимает уже четвертую позицию. Очевидно, что это две различные цифровые комбинации, и они могут быть поставлены в соответствие двум различным кодам, подлежащим передаче.
i
1
2
3
4
i
i
i
Сказанное иллюстрируется таблицей 1, приведенной ниже. В верхней строке таблицы указаны номера n секторов: n, n, n, n. В левом столбце указаны возможные состояния m, а именно m=1,2,3 каждого из секторов n. В нижней строке таблицы указаны позиционные номера P каждого сектора в данном конкретном наборе секторных номеров, соответствующем передаваемому числу.
Представленный в таблице пример означает, что в данном случае активированы все 4 сектора (строка 1, соответствующая состоянию неактивного сектора, не заполнена). При этом во втором и третьем секторах вращение вектора поляризации происходит по часовой (вторые состояния секторов), а в первом и четвертом секторах - против часовой стрелки (третьи состояния секторов).
4
1
2
3
Кроме того, при кодировании передаваемого числа комбинация из секторных номеров Pi, как это следует из таблицы, учитывается в следующем виде: n-n-n-n. Т.е. на позиции старшего (первого) разряда четырехразрядного десятичного числа находится номер четвертого сектора, а затем в порядке убывания - номер первого сектора (он на втором месте), второго и, наконец, третьего сектора, соответственно.
Предложенная в способе возможность таким образом виртуально "переставлять местами" физически неподвижные секторы позволяет, в свою очередь, в интересах увеличения общего числа различных комбинаций применить математическую операцию известную из Комбинаторики, как "Перестановки без повторений". Количество возможных комбинаций, согласно правилам комбинаторики, в этом случае составляет С=n!.
n
n
Используя правило умножения (основная формула комбинаторики), не трудно видеть, что принятая в предлагаемом способе возможность независимого изменения не только состояний секторов, но и виртуальных перестановок их позиций позволяет сформировать множество В вариантов состояний секторов антенного блока, которое определяется формулой В=n!m=n!3
Каждый из вариантов, согласно принятому правилу соответствия, соотносится с цифровым кодом, который необходимо передать в эфир в данный момент. Указанное соответствие с использованием логического устройства, содержащего соответствующую базу данных, может быть установлено в виде таблиц, формул, матриц и т.п.
n
i
n
i
В формировании указанного множества чисел В=n!3 участвуют, таким образом, три параметра: n, m, р, где n - число секторов, на которые поделен антенный блок, в нашем случае n=4, m - число состояний, в которых может находиться n антенный сектор, в нашем случае m=3 и p - позиция номера n сектора в данной цифровой комбинации, составленной из номеров секторов антенного блока.
Таким образом, некое двоичное число, подлежащее передаче по радиоканалу в данный момент времени соотносится как с одним из возможных вариантов подключения выбранных в данный момент секторов, так и направления подключения антенн внутри них, а, кроме того, позицией номера каждого из секторов в десятичном n-мерном числе, составленном из номеров секторов антенного блока.
Способ реализуется в устройстве, представленном в виде схемы на фиг. 2, следующим образом.
С выхода источника цифровой информации 4 сигнал в двоичном коде поступает на логическое устройство 3. Последнее содержит массив данных (чисел), соответствующих различным комбинациям трех параметров n, m, р антенного блока 1, а именно, количества задействованных секторов n, состояния т, иначе направления вращения поля в каждом из них, а также положения номера Р каждого из секторов в принятой комбинации.
n
Задача логического устройства заключается в том, чтобы сделать надлежащую выборку числа из данного массива и присвоить ему кодирующие признаки на основе трех параметров n, m, р из множества В=n!3, образованного различными комбинациями указанных кодирующих признаков. Полученный таким образом пространственно-поляризованного код используется далее в виде управляющих сигналов для активации антенного блока 1.
Далее выбранная кодовая комбинация поступает на коммутатор 2, который и обеспечивает подключение необходимое количество секторов антенного блока 1 с учетом их разрядного "веса" и надлежащего направление вращения вектора поляризации в каждом из них, обеспечивая излучение в эфир соответствующего цифрового кода. Способ позволяет обеспечить однозначное соответствие конкретного фрагмента цифровой информации и значения пространственно - поляризованного кода, при помощи которого данный двоичный код будет излучен в эфир.
n
Значение этого кода будет находиться среди множества чисел, сформированных по правилам комбинаторики. Всего таких чисел будет В=n!3
Представление об эффективности предложенного способа дает таблица 2.
10
Из таблицы следует, что уже при четырех секторах (n=4) антенной системы достигается значение кодового алфавита, равное 1944 знакам, что превосходит достигнутое современными технологиями значение - 1024 (2). Дальнейшее увеличение количества секторов дает объем алфавита и вовсе недоступное известным в настоящее время технологиям.
Применение предложенного способа позволяет избежать достаточно сложных устройств, обеспечивающих многопозиционную манипуляцию (демодуляцию) несущей при беспроводной передаче цифровой информации, а сводится к использованию электронных коммутаторов и элементов дискретной автоматики, что упрощает схемотехнику каналообразующих устройств и обработку цифровых сигналов при радиообмене, повышает его быстродействие.
Таким образом, изобретение позволяет решить поставленную техническую задачу, на решение которой направлено изобретение, а именно повысить скорость передачи цифровой информации.