УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНЫХ ОРТОГОНАЛЬНЫХ КОДОВ

Полезная модель относится к области радиотехники, предназначена для формирования фазоманипулированных сигналов на основе комплексных ортогональных кодов и для расширения канальных данных с использованием сформированных комплексных ортогональных кодов и может быть использована в системе связи множественного доступа с кодовым разделением каналов.
i
Обычно в системе связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (МДКРК) каналы разделяются с помощью ортогональных кодов Уолша (Walsh) W (где i=0-63) [1].
Количество необходимых ортогональных кодов зависит от используемого способа модуляции и минимальной скорости передачи данных. В будущих системах связи МДКРК количество каналов, выделяемых пользователям, будет увеличиваться. С этой целью понадобится увеличить пропускную способность каналов трафика, каналов пилот-сигналов и каналов управления.
Однако количество ортогональных кодов, которые можно использовать в усовершенствованной системе, ограничено. Следовательно, любое увеличение пропускной способности канала будет ограничено выбранным ансамблем ортогональных кодов.
Все основные свойства ансамбля ортогональных кодов заключаются в используемом алфавите. Известно, что замена противоположного алфавита {+1, -1} на некоторый бинарный непротивоположный (комплексный) {+1+b, -1+b}, где b - в общем случае комплексное число, позволит обратить в нуль все боковые лепестки периодической АКФ любой бинарной минимаксной последовательности [2, с.234].
Известно устройство распределения ортогональных кодов в системе связи множественного доступа с кодовым разделением каналов, имеющей структуру каналов с переменной скоростью передачи данных, содержащее контроллер, анализирующий скорость передачи данных пользователя канальных данных, носитель данных для запоминания номеров ортогональных кодов, генератор динамически распределяемой области кодов Уолша, каналы от 1 до 4, 5 умножителей и сумматор [3].
Недостатком этого устройства является то, что ограниченный объем используемого ансамбля ортогональных кодов не позволяет увеличить количество каналов в системе связи.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для расширения канальных данных с использованием квазиортогонального кода в системе связи с кодовым разделением каналов, содержащее преобразователь комплексных сигналов, параллельно соединенный с первым преобразователем и вторым преобразователем сигналов, которые последовательно подключены с блоком расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования, к которому подключены генератор четвертичного квазиортогонального кода и генератор псевдошумового кода, блок расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования последовательно подключен к фильтру полосы частот модулирующих сигналов, который последовательно подключен к блоку сдвига частоты [4].
Недостатком устройства-прототипа является то, что в случае увеличения числа абонентов невозможно адаптивно увеличить пропускную способность системы связи. В устройстве-прототипе объем ансамблей ортогональных кодов, используемый для разделения каналов, кратен степени 2”.
Технический результат - повышение пропускной способности системы связи множественного доступа с кодовым разделением каналов.
Технический результат достигается тем, что устройство формирования фазоманипулированных сигналов на основе комплексных ортогональных кодов содержит преобразователь комплексных сигналов, блок расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования, генератор комплексных ортогональных кодов, генератор псевдошумового кода, фильтр полосы частот модулирующих сигналов, блок сдвига частоты, причем два выхода преобразователя комплексных сигналов, два выхода генератора комплексного ортогонального кода и два выхода генератора псевдошумового кода связаны с входами блока расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования, два выхода которого подключены к двум входам фильтра полосы частот модулирующих сигналов, два выхода которого подключены к двум входам блока сдвига частоты.
При этом новым является то, что дополнительно введен генератор комплексного ортогонального кода для формирования комплексного ортогонального кода, соответствующего индексу комплексного ортогонального кода для присвоенного канала, два выхода генератора комплексного ортогонального кода подключены к двум входам блока расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования, на вход генератора комплексного ортогонального кода поступает индекс комплексного ортогонального кода для присвоенного канала.
Принцип формирования комплексных ортогональных кодов заложен в следующем выражении [5, 6]:
a
ni
к где  - ансамбль комплексного ортогонального кода;
ni
φ - фаза комплексного ортогонального кода;
n - порядковый номер комплексного ортогонального кода в ансамбле, изменяется в пределах {0,1,…, К-1};
i - номер элемента комплексного ортогонального кода, изменяется в пределах {0,1,…,К  -1};
К - размерность комплексного ортогонального кода. Рассмотрим примеры формирования комплексных ортогональных кодов. Представим матрицы фазы и ансамбля кодов, сформированных для К=4.
тогда произведя замену , получим следующий ансамбль комплексных ортогональных кодов:
Иначе, комплексные ортогональные коды можно представить в виде
0
1
2
3
А={1,1,1,1}, A={1,j,-1,-j} A={1,-1,1,-1}, A={1,-j,-1,j}
ni
Для К=8 значения фазы φ, равны:
По аналогии с примером формирования комплексных ортогональных кодов для К=4 рассчитывается матрица ансамбля кодов для К=8.
Для комплексных ортогональных кодов 8-значного ансамбля фаза сигнала .
Рассмотрим основные свойства комплексных ортогональных кодов [5, 6].
1 Свойство ортогональности кодов.
m
mi
l
li
a
a
Пусть А={} и А={} - два комплексных кода, причем , . Скалярное произведение этих кодов равно:
m
Отсюда следует, что одинаковые по размерности коды А, m=0,1,…,К-1, являются ортогональными.
Ортогональность кодов обеспечивает возможность разделения физических каналов теоретически без взаимных помех.
2 Свойство сопряжения кодов.
Покажем, что комплексные коды с порядковыми номерами m и К-m, комплексно-сопряженные, иначе:
*
где знак "" - означает комплексное сопряжение.
Поскольку комплексный ортогональный код вычисляется по формуле (1), то, подставив вместо значения т величину К-m, получим следующее выражение:
Переходя в полученном выражении к комплексно-сопряженным величинам, получаем соотношение (1).
3 Корреляционные свойства кодов.
Корреляционные функции, характеризующие схожесть сдвинутых во времени сигналов, критически важны в задачах измерения времени и разрешения. Под разрешением сигналов понимается процедура, направленная на разделение интерферирующих сигнальных копий или нейтрализацию их взаимного вредного взаимодействия [2, с.185]. Поэтому рассмотрению этих свойств уделяется особое внимание.
Выражение для АКФ комплексных ортогональных кодов имеет вид:
m
где  - комплексный ортогональный код А, но сдвинутый на d элементов, m и d - изменяются в пределах {0,1,…, К-1}.
Отсчеты определенной таким образом АКФ будут комплексными числами и рассматриваются как упорядоченная последовательность R{d). Суммируя компоненты, получим выражение:
Внутренняя сумма в последнем выражении для кода равна нулю. Поэтому нулю будет равна и сумма всех компонент АКФ [6].
m
Для построения многопользовательских систем с кодовым разделением каналов требуются семейства сигналов с приемлемыми взаимными корреляционными свойствами. В нашем случае взаимная корреляционная функция представляет собой набор скалярных произведений А и , d=0,1,…,К-1 и выглядит следующим образом:
В соответствии с выражением (6) все отсчеты данной ВКФ равны нулю [6]:
ml
R(d)=0.
Наглядное описание работы устройства формирования фазоманипулированных сигналов на основе комплексных ортогональных кодов представлено чертежами, на которых показано следующее:
Фиг.1 - структурная схема устройства формирования фазоманипулированных сигналов на основе комплексных ортогональных кодов;
Фиг.2 - временные диаграммы работы преобразователя комплексных сигналов;
Фиг.3 - блок расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования.
Устройство формирования фазоманипулированных сигналов на основе комплексных ортогональных кодов содержит преобразователь комплексных сигналов 1, блок расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования 2, генератор комплексных ортогональных кодов 3, генератор псевдошумового кода 4, фильтр полосы частот модулирующих сигналов 5, блок сдвига частоты 6, причем два выхода преобразователя комплексных сигналов 1, два выхода генератора комплексного ортогонального кода 3 и два выхода генератора псевдошумового кода 4 связаны с входами блока расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования 2, два выхода которого подключены к двум входам фильтра полосы частот модулирующих сигналов 5, два выхода которого подключены к двум входам блока сдвига частоты 6 (фиг.1).
вх
вх
I
Q
I
Q
c
b
Устройство формирования фазоманипулированных сигналов на основе комплексных ортогональных кодов работает следующим образом. На вход преобразователя комплексных сигналов 1 поступают бинарные данные Х={101100011010…}. Преобразователь комплексных сигналов 1 преобразует входные бинарные данные Х в комплексный сигнал и разделяет полученный комплексный сигнал на действительный сигнал X и мнимый сигнал Х таким образом, что предварительно выполняется преобразование бинарного алфавита {0,1} в алфавит {-1,+1}, и четные биты становятся составляющими действительного сигнала X, а нечетные составляющими мнимого сигнала Х. Длительность элементарного бита в действительном и мнимом сигналах увеличивается в два раза по отношению к длительности бита входного сигнала Т=2Т (фиг.2).
I
Q
Генератор комплексного ортогонального кода 3 получает индекс комплексного ортогонального кода. Этот индекс соответствует порядковому номеру n комплексного ортогонального кода в ансамбле размерностью К. Генератор формирует комплексные ортогональные коды в соответствии с выражением (1). Затем сформированный комплексный ортогональный код разделяется на действительную и мнимую составляющие QOF и QOF.
I
Q
Ниже показана процедура формирования действительной и мнимой составляющих QOF и QOF.
Для кода размерности К=64 и номера кода в ансамбле n=1 комплексный ортогональный код имеет вид:
Значения действительной и мнимой составляющих равны соответственно:
Важно отметить, что частота следования элементов составляющих комплексного ортогонального кода в К раз больше, чем частота следования бит входных данных.
I
Q
Сформированные составляющие комплексного ортогонального кода QOF и QOF поступают на вход блока расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования 2.
Для практической реализации заявляемого устройства целесообразно использовать размерность комплексного ортогонального кода К≥64.
I
Q
I
Q
Генератор псевдошумового кода 4 формирует действительный псевдошумовой код PN и мнимый псевдошумоврй код PN. Исходно псевдошумовые коды формируются как m - последовательности, генерируемые регистрами сдвига с линейной обратной связью, задаваемыми примитивными полиномами ƒ{x) и ƒ(x) [1, 2].
I
Q
Используя алфавит {+1, -1}, псевдошумовые коды PN и PN выглядят следующим образом:
I
PN={-1+1+1-1-1+1-1+1-1+1-1-1+1+1-1+1-1…},
Q
PN={-1+1+1-1-1+1-1+1-1+1-1-1+1+1-1+1+1…}.
Псевдошумовое маскирование применяется в системах множественного доступа с кодовым разделением каналов для разделения сигналов от различных базовых станций и засекречивания передаваемых данных.
I
Q
Сформированные псевдошумовые коды PN и PN поступают на вход блока расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования 2.
I
Q
I
Q
В устройстве в блоке расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования 2 происходят операция псевдошумового маскирования с использованием псевдошумовых кодов PN и PN, а также процесс расширения каналов с помощью составляющих комплексного ортогонального кода QOF и QOF.
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
I
Q
Блок расширения ортогональным кодом и псевдошумового маскирования 2 работает следующим образом (фиг.3). Комплексный умножитель умножает действительный и мнимый сигналы X и X на псевдошумовые коды PN и PN для вывода псевдошумовых маскированных сигналов d и d Сигнал d+jd, выдаваемый комплексным умножителем, принимает вид {X+jX)×(РN+jPN). Скорость передачи данного сигнала в К раз больше скорости передачи входного сигнала. Расширитель умножает псевдошумовые маскированные сигналы d и d с выходов комплексного умножителя на комплексные ортогональные коды QOF и QOF соответственно для вывода расширенных канальных сигналов Y и Y. Расширенные сигналы с выхода расширителя принимают вид {Y+jY)=(d+jd)×{QOF+jQOF).
I
Q
Фильтр полосы частот модулирующих сигналов 5 осуществляет фильтрацию расширенных сигналов Y и Y для уменьшения уровня внеполосных излучений.
I
Q
Блок сдвига частоты 6 преобразует сигналы Z и Z с выхода фильтра полосы частот модулирующих сигналов 5 в радиосигнал, организуя перенос спектра в необходимую частотную область. Блок сдвига частоты 6 можно представить в виде квадратурного модулятора, принцип работы которого известен в [2, с.42].
Полезная модель позволяет увеличить объем ансамбля ортогональных кодов для разделения каналов связи за счет синтезированных комплексных ортогональных кодов.
Применение комплексных ортогональных кодов в системах связи с кодовым разделением каналов позволяет улучшить отношение сигнал/шум, увеличить количество формируемых каналов и тем самым повысить пропускную способность системы связи [5, 6].
Также положительным свойством заявляемого устройства является возможность плавного увеличения числа ортогональных кодов, а соответственно и количества каналов трафика, с ростом числа абонентов. Это позволит разработать систему связи, адаптируемую к территориям с большой плотностью населения, различным уровням пиковой активности и условиями распространения сигнала (время суток, сезон года и др.).
Литература
1. Феер. К., Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра: Пер. с англ. Под ред. В.И.Журавлева. - М.: Радио и связь, 2000. - 520 с.;
2. Ипатов В., Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принцип и приложения / В.Ипатов. - М.: Техносфера, 2007. - 488 с.;
3. Патент №2214681 Российской Федерации МПК Н04В 1/69, Способ формирования комплексного квазиортогонального кода и устройство и способ для расширения канальных данных с использованием квазиортогонального кода в системе связи МДКР / САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС КО., ЛТД. (KR) - Заявл. 14.02.2000. Опубл. 20.10.2003;
4. Патент №2214683 Российской Федерации МПК Н04В 7/216, Устройство и способ распределения ортогональных кодов в системе связи множественного доступа с кодовым разделением каналов, имеющей структуру каналов с переменной скоростью передачи данных / САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС КО., ЛТД. (KR) - Заявл. 11.01.2000. Опубл. 20.10.2003-прототип;
5. Комплекснозначные и гиперкомплексные системы в задачах обработки многомерных сигналов / Фурман Я.А., Кревецкий А.В., Роженцов А.А. и др.; под ред. Я.А.Фурмана. - М.: Физматлит, 2004. - 456 с.;
6. Фурман Я.А., Роженцов А.А., Комплекснозначные сигналы и их применение в связи: Учебное пособие / Я.А.Фурман, А.А.Роженцов, Р.Г.Хафизов - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2001. - 168 с.