СПОСОБ ОРТОГОНАЛЬНОГО ЧАСТОТНОГО УПЛОТНЕНИЯ И ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ORTHOGONAL FREQUENCY MULTIPLEXING METHOD AND ITS IMPLEMENTING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретения относятся к областям проводной, спутниковой и наземной радиосвязи и могут быть использованы для передачи и приема (кодирования и декодирования) информации в системах с ортогональным частотным уплотнением (OFDM).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Мультиплексирование с ортогональным разделением частот (OFDM) также было известно в технике, по меньшей мере, с конца 1960-х годов. В OFDM единственный передатчик передает одновременно на многих разных ортогональных частотах. В OFDM доступная полоса частот подразделяется на некоторое число одинаковых полос "подканалов". Мультиплексирование с ортогональным разделением частот широко применяется в беспроводной связи, так как оно уменьшает взаимные помехи или перекрестные помехи между передачами сигналов, в конечном итоге, это позволяет передавать данные с более высокой пропускной способностью и с меньшим количеством ошибок. В настоящее время OFDM применяется во многих стандартах беспроводной связи [1, 2].
Метод OFDM функционирует с помощью разбиения одного высокоскоростного информационного потока на несколько информационных потоков с низкой скоростью, которые затем передаются одновременно (параллельно). Каждый низкоскоростной поток используется для модуляции поднесущей. Это создает многочастотную передачу путем разделения широкой частотной полосы (канала) на несколько узких диапазонов частот, каждая из которых модулирована сигнальным потоком.
В системе OFDM передатчик принимает входные данные в частотной области и преобразует их в сигнал временной области. Несущая волна модулируется сигналом временной области для беспроводной передачи. Приемник принимает сигнал, демодулирует волну и преобразует сигнал обратно в частотную область для дальнейшей обработки.
Прототипом изобретения, осуществляющего передачу и восстановление информации, может выступать описанное в патенте [1] устройство. Схема прототипа представлена на Фиг.1., где передаваемый OFDM сигнал может быть сформирован передатчиком 100. В иллюстрируемом варианте осуществления поток 101 входных данных подается посредством прикладной программы в OFDM передатчик 100. В стандартном стеке протоколов связи TCP/IP эти данные могут приниматься на физическом уровне или уровне управления передачей данных; изобретение не ограничивается каким-либо конкретным источником данных или механизмом для обеспечения передачи данных в передатчик и может воплощаться в аппаратных средствах или в программном обеспечении и на различных уровнях сетевого стека протоколов. Буфер 102 преобразования последовательного кода в параллельный разбивает последовательный поток данных на несколько параллельных потоков данных. Число параллельных потоков данных равно числу подканалов, выбранных для OFDM радиопередачи. Затем каждый из параллельных потоков данных, генерируемых буфером 102 преобразования последовательного кода в параллельный, посылается в модулятор 103 на множестве несущих. Модулятор 103 на множестве несущих модулирует каждый выбранный подканал каждым из параллельных потоков данных. Модулятор 103 на множестве несущих может быть эффективно реализован с использованием алгоритма обратного быстрого преобразования Фурье для вычисления сигнала временной области. Модулятор 103 на множестве несущих может использовать любую схему модуляции для модуляции каждого из входящих потоков данных. В предпочтительном варианте осуществления сигналы модулируются с помощью квадратурной амплитудной модуляции (QAM). Может быть использована любая группа QAM. Например, модулятор может использовать 16-QAM (шестнадцатеричную), 64-QAM, 128-QAM или 256-QAM. Схема модуляции может быть выбрана на основе требуемой скорости передачи данных, доступных подканалов, шума на каждом подканале или других факторов. Циклический префикс, который действует как защитный интервал, добавляется к каждой из параллельных модулированных волн на этапе 104. Затем параллельные потоки с циклическим префиксом объединяются обратно в один последовательный поток на этапе 104. Циклический префикс может добавляться после процедуры объединения параллельного потока в один последовательный поток, как альтернативный вариант вышеуказанному. Наконец, поток цифровых данных преобразуется в аналоговый сигнал в цифро-аналоговом преобразователе 105 и выводится для беспроводной передачи, например, на квадратурный модулятор (на схеме прототипа не показаны).
Переданный OFDM сигнал может быть принят приемником 110 и обработан для получения потока первоначальных данных. Как известно в данной области техники, сначала сигнал принимается принимающей антенной и поступает на квадратурный демодулятор (на схеме прототипа не показаны) и далее аналоговый сигнал преобразуется обратно в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя 111. Циклический префикс удаляется, и отдельные поднесущие преобразуются обратно в отдельные потоки в блоке 112. Каждый поток параллельных данных демодулируется с помощью демодулятора 113 множества несущих, с помощью алгоритма Быстрого Преобразования Фурье. Окончательно в блоке 114 параллельные потоки снова собираются в единый последовательный цифровой поток 115 для дальнейшей обработки.
К недостаткам известного решения можно отнести использование ортогонального базиса Фурье для уплотнения каналов передачи, применяемом в блоке 103, поскольку требуется наличие дополнительных защитных частотных интервалов для снижения уровня внеполосного излучения сигнала и межканальной интерференции, что снижает скорость передачи полезной информации.
Представленные на Фиг.6 и Фиг.7 энергетические спектры канальных сигналов с освобождением заданных частотных диапазонов и без, сформированных классическим OFDM методом с использованием базиса Фурье, в сравнении с предложенным в данном изобретении способом, подтверждает данное мнение. Как видно на фигурах, низкий уровень внеполосного излучения сигналов, сформированных предложенным способом (-170 Дб.), позволяет сократить защитные частотные интервалы (тем самым увеличить скорость), а также, позволяет эффективно вырезать неиспользуемые частотные интервалы, с минимальным воздействием на соседние каналы.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей, на решение которой направлены изобретения, является создание способа (способов) и устройства (устройств) для формирования и обработки сигнала на основе ортогонального базиса собственных векторов субполосной матрицы, позволяющих достичь технического результата.
Техническим результатом заявленной группы изобретений является обеспечение низкого уровня внеполосного излучения сигналов связи.
Дополнительным техническим результатом является:
уменьшение межканальной интерференции;
возможность исключения частотных диапазонов из используемой полосы частот;
улучшение помехоустойчивости связи;
увеличение скорости передачи полезной информации;
снижение требований к производительности вычислительных ресурсов и увеличение скорости формирования/восстановления сигнала.
Суть изобретений состоит в формировании из передаваемой информации сигнала с уплотнением каналов на основе ортогонального базиса собственных векторов субполосной матрицы, рассчитанного для заданного диапазона частот или набора частотных диапазонов в заданной полосе частот. На приемной стороне обеспечивается возможность достоверного восстановления информации из принятого сигнала.
В принимающем/передающем оборудовании могут быть использованы любые модификации до и после ортогонального уплотнения на основе собственных векторов субполосной матрицы, направленные на улучшение скорости передачи, надежности, помехозащищённости, эффективности, снижения уровня энергетических затрат, повышения скорости вычисления и других параметров.
Технический результат заявленной группы изобретений достигается за счет того, что:
1.  В способ формирования сигнала внесены следующие характерные признаки:
- рассчитывают элементы субполосной матрицы для заданных диапазонов частот;
- формируют набор собственных чисел и соответствующий набор собственных векторов субполосной матрицы, рассчитанной для заданных диапазонов частот;
- выборку собственных векторов субполосной матрицы производят на основе соответствующих им собственных чисел, в соответствии с заданными параметрами передачи;
- на основе рассчитанных и выбранных собственных векторов и передаваемой информации формируют сигнал.
Сигнал формируют на основе рассчитанных и выбранных собственных векторов матричным или поэлементным методом.
Приведенный способ позволяет формировать сигнал с низким уровнем внеполосного излучения.
2. В способ восстановления передаваемой информации, внесены следующие характерные признаки:
- рассчитывают элементы субполосной матрицы для заданных диапазонов частот;
- формируют набор собственных чисел и соответствующий набор собственных векторов субполосной матрицы, рассчитанной для заданных диапазонов частот;
- выборку собственных векторов субполосной матрицы производят на основе соответствующих им собственных чисел субполосной матрицы, в соответствии с заданными параметрами передачи;
- на основе рассчитанных и выбранных собственных векторов, прошедших процедуру комплексного сопряжения, восстанавливают информацию;
Восстанавливают информацию на основе рассчитанных и выбранных собственных векторов, прошедших процедуру комплексного сопряжения, матричным или поэлементным методом.
Приведенный способ позволяет восстанавливать информацию из принятого сигнала, сформированного способом, указанным в п.1.
3. В устройство формирования сигнала, внесены следующие характерные признаки: содержит блок собственных векторов, блок управления и операционный блок, выполняющие действия по п.1;
Приведенное устройство позволяет формировать сигнал способом, указанным в п.1.
4. В устройство восстановления информации из принятого сигнала, внесены следующие характерные признаки: содержит блок собственных векторов, блок управления и операционный блок, выполняющие действия по п.2;
Приведенное устройство позволяет восстанавливать информацию из принятого сигнала, сформированного способом, указанным в п.1.
Таким образом, заявленная группа изобретений обеспечивает низкий уровень внеполосного излучения сигналов связи.
Низкий уровень внеполосного излучения, в свою очередь, обеспечивает уменьшение межканальной интерференции.
Способ формирования сигнала позволяет производить расчет элементов субполосной матрицы для суммы используемых диапазонов частот или для общего заданного диапазона частот, из которого исключаются неиспользуемые диапазоны частот. Данная возможность актуальна при наличии помех в канале связи или занятых диапазонов частот. Способ восстановления информации по п.2 позволяет восстанавливать информацию из сигналов, сформированных указанным методом.
Низкий уровень внеполосного излучения и возможность исключения частотных диапазонов из используемой полосы частот позволяют улучшить помехоустойчивость связи.
Сохранение в памяти устройства (носителе информации) заранее рассчитанных и выбранных собственных векторов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот позволяет сократить количество вычислительных операций, снизить требования к производительности вычислительных ресурсов устройств, при этом, увеличить скорость формирования/восстановления сигнала.
Формирование сигнала указанным способом, позволяет сократить защитные частотные интервалы, благодаря чему можно увеличить объем передаваемой полезной информации за тот же промежуток времени – т.е. скорость передачи полезной информации.
Сущность изобретений поясняется изображениями, представленными на фигурах 1-7.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 - Схема прототипа;
Обозначения:
101 – входные данные;
102 – буфер преобразования последовательного кода в параллельный;
103 – блок модулятора на множестве несущих (обратное ДПФ);
104 – добавление циклического префикса и параллельно-последовательное преобразование;
105 – цифро-аналоговый преобразователь.
111 – аналогово-цифровой преобразователь;
112 – блок удаления циклического префикса и последовательно – параллельного преобразования;
113 – блок демодулятора на множестве несущих (ДПФ);
114 – параллельно – последовательный преобразователь;
115 – цифровой поток.
На Фиг.2 – Схема варианта реализации передатчика с устройством формирования сигнала
Обозначения:
101 – входные данные;
102 – буфер преобразования последовательного кода в параллельный;
203 – устройство формирования сигнала;
204 – блок опционального добавления защитного интервала и параллельно-последовательного преобразования;
105 – цифро-аналоговый преобразователь.
На Фиг.3 – Схема варианта реализации приемника с устройством восстановления информации из принятого сигнала
Обозначения:
111 – аналого–цифровой преобразователь;
212 – блок опционального удаления защитного интервала и последовательно-параллельного преобразования;
213 – устройство восстановления информации;
114 – параллельно – последовательный преобразователь;
115 – цифровой поток.
На Фиг.4 - Схема устройства формирования сигнала
Обозначения:
203 – устройство формирования сигнала;
301 –  блок управления;
302 –  блок собственных векторов (устройства формирования сигнала);
3021 – формирователь собственных векторов;
3022 – носитель информации;
305 – операционный блок;
На Фиг.5 - Схема устройства восстановления информации из принятого сигнала
Обозначения:
213 – устройство восстановления информации;
301 –  блок управления;
312 –  блок собственных векторов (устройства восстановления информации из принятого сигнала);
3121 – формирователь собственных векторов;
3022 – носитель информации;
315 – операционный блок;
На Фиг. 6 – энергетические спектры канальных сигналов, сформированных различными методами.
а) Энергетический спектр канального сигнала, сформированного с использованием базиса из собственных векторов субполосной матрицы;
б) Энергетический спектр канального сигнала, сформированного с использованием базиса Фурье.
На Фиг. 7 – энергетические спектры канальных сигналов с освобожденными заданными частотными диапазонами, сформированных различными методами.
а) Энергетический спектр канального сигнала, сформированного с использованием базиса из собственных векторов субполосной матрицы;
б) Энергетический спектр канального сигнала, сформированного с использованием базиса Фурье.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Предлагаемый способ формирования сигнала, характеризуется тем, что:
- рассчитывают элементы субполосной матрицы для заданных диапазонов частот  одним из методов:
1) путем расчета элементов субполосной матрицы для суммы заданных диапазонов частот, согласно выражению вида:
где ;
e - экспонента;
– ширина полосы используемого частотного диапазона m;
– нижняя и верхняя границы используемого частотного диапазона;
– допустимая область для нижней и верхней границ, используемых частотных диапазонов, Гц;
– общее количество используемых частотных диапазонов;
– номер используемого частотного диапазона;
– мнимая единица;
– элементы субполосной матрицы для заданных диапазонов частот;
i,k – натуральные числа от 1 до N;
– размер матрицы и количество отсчетов;
– частота дискретизации в Гц;
– длительность символа в секундах.
2) путем расчета элементов субполосной матрицы для общего заданного диапазона частот, из которого исключаются неиспользуемые диапазоны частот, согласно выражению вида:
где ;
e - экспонента;
– верхняя и нижняя границы заданного диапазона частот;
– ширина заданной полосы частот;
– ширина заданной полосы частот в Гц, ;
– частота дискретизации в Гц;
– исключаемый диапазон h, ;
e - экспонента;
– ширина полосы исключаемого частотного диапазона h, ;
– нижняя и верхняя границы исключаемого частотного диапазона h;
– область для нижней и верхней границ исключаемых частотных диапазонов, Гц;
– общее количество исключаемых частотных диапазонов, если  исключенные частотные диапазоны отсутствуют, тогда сигнал занимает весь выделенный частотный диапазон;
– номер исключаемого частотного диапазона;
– мнимая единица;
– элементы субполосной матрицы для заданных диапазонов частот;
i,k – натуральные числа от 1 до N;
– размер матрицы и количество отсчетов;
– длительность символа в секундах.
- формируют набор собственных чисел и соответствующий набор собственных векторов  субполосной матрицы С, рассчитанной для заданных диапазонов частот, где:
– собственный вектор-столбец субполосной матрицы
где  – размер матрицы и количество отсчётов
Т – знак транспонирования
–  натуральные числа от 1 до N
- на основе собственных чисел соответствующих собственных векторов субполосной матрицы производят выборку J собственных векторов, в соответствии с заданными параметрами передачи, значения собственных чисел которых близки к единице. Субполосная матрица рассчитана для заданных диапазонов частот;
- на основе рассчитанных и выбранных собственных векторов формируют сигнал одним из методов:
1) Поэлементно - путем суммирования произведений каждого символа информационного канала на элементы соответствующего выбранного собственного вектора:
где:
– сигнал, сформированный на основе субполосной матрицы для заданных диапазонов частот;
- элемент сформированного сигнала;
– i-ый элемент собственного вектора-столбца для n-ого информационного символа;
–  информационный символ;
–  номер информационного символа, натуральное число от 1 до J;
– номер элемента вектора, натуральное число от 1 до N;
J – количество используемых собственных векторов, количество информационных символов;
2) Матрично – произведением ортогонального базиса в виде матрицы, состоящей из отобранных собственных векторов-столбцов субполосной матрицы на вектор-столбец информационных символов, поступающих от информационных каналов:
, при этом выполняется условие:
где:
– сигнал, сформированный на основе субполосной матрицы для заданных диапазонов частот;
– ортогональный базис, представляющий собой матрицу, состоящую из выбранного набора собственных векторов-столбцов субполосной матрицы;
- собственный вектор-столбец, состоящий из N отсчетов;
Т – знак транспонирования;
– вектор-столбец передаваемых информационных символов;
– сопряженно-транспонированный ортогональный базис;
– единичная матрица;
– количество отсчетов, размерность вектора;
- при выполнении матричной операции, производится параллельно-последовательное преобразование сигнала;
- при необходимости, производят добавление защитного интервала к началу символа, в виде пассивной паузы или другой информации без разрыва фазы между символом и защитным интервалом;
Для систем беспроводной связи, выполняются операции, известные из уровня техники:
- преобразуют сигнал в аналоговый вид с помощью цифро-аналогового преобразователя;
- передают сигнал с помощью квадратурного модулятора и передающей антенны.
Рассчитанные и выбранные собственные вектора субполосной матрицы для заданных диапазонов частот могут быть сохранены в памяти устройства (носителе информации), для последующего использования.
Приведенный cпособ формирования сигнала реализуется на аппаратном уровне следующим образом (см. Фиг. 2 и Фиг. 4):
Передаваемый информационный поток поступает в буфер 102 для последовательно-параллельного преобразования, после чего, сигнал поступает в блок 203 формирования сигнала, где производится формирование сигнала на основе собственных векторов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот, согласно приведенному способу.
В блоке формирования сигнала 203 информация для расчета и отбора собственных векторов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот, включая метод расчета элементов субполосной матрицы, поступает от блока управления 301. В альтернативном варианте реализации заявленного решения исходные параметры для расчета элементов субполосной матрицы, такие как ширина полосы, нижняя и верхняя граница частотных диапазонов, частота дискретизации, длительность символа, размер матрицы и количество отсчетов и другие производные или зависимые параметры могут быть заданы в блоке формирования сигнала 203 изначально или рассчитаны на основе заданных параметров. Варианты расчета представлены ниже.
Соответственно, если используется метод расчета элементов субполосной матрицы для суммы заданных диапазонов частот, то на формирователь собственных векторов 3021 блока собственных векторов 302 поступает информация об общем количестве используемых частотных диапазонов (); нижней и верхней границы каждого из используемых частотных диапазонов (), имеющего номер (); частоте дискретизации в Гц (); длительности символа в секундах ( ). Допустимая область для нижней и верхней границ используемых частотных диапазонов определяется в зависимости от частоты дискретизации (). На основе значений частоты дискретизации в Гц () и длительности символа в секундах () в формирователе собственных векторов 3021 определяется размер матрицы и количество отсчетов (N). На основе значений нижней и верхней границы каждого из используемых частотных диапазонов () имеющего номер () определяют ширину полосы используемого частотного диапазона . На основе значений используемых частотных диапазонов в формирователе собственных векторов 3021 расчитываются элементы субполосной матрицы, с учетом размера матрицы и количества отсчетов ().
Если используется метод расчета элементов субполосной матрицы для общего заданного диапазона частот, из которого исключаются неиспользуемые диапазоны частот, то на формирователь собственных векторов 3021 блока собственных векторов 302 поступает информация о ширине заданной полосы частот в Гц () или верхней и нижней границе заданного диапазона частот (); нижней и верхней границе каждого исключаемого частотного диапазона  имеющего номер h;  частоте дискретизации в Гц (); общем количестве исключаемых частотных диапазонов (); длительности символа в секундах (). Допустимая область для нижней и верхней границ исключаемых частотных диапазонов определяется в зависимости от ширины заданной полосы частот (). На основе значений частоты дискретизации в Гц () и длительности символа в секундах () в формирователе собственных векторов 3021 определяется размер матрицы и количество отсчетов (N).
На основе информации о верхней и нижней границы заданного диапазона частот () и частоты дискретизации () определяется ширина заданной полосы частот (), а на основе значений нижней и верхней границ каждого исключаемого частотного диапазона   и частоты дискретизации () определяется ширина полосы каждого исключаемого частотного диапазона .
На основе значений заданной полосы частот и исключаемых диапазонов в формирователе собственных векторов 3021 расчитываются элементы субполосной матрицы.
Далее, в формирователе собственных векторов 3021 формируют набор собственных чисел и соответствующий набор собственных векторов , являющихся собственными вектор-столбцами субполосной матрицы С, рассчитанной для заданных диапазонов частот.
Далее, на основе собственных чисел соответствующих собственных векторов субполосной матрицы, в формирователе собственных векторов 3021  производят выборку J собственных векторов, в соответствии с заданными параметрами передачи, значения собственных чисел которых близки к единице.
Заранее рассчитанные и выбранные собственные вектора субполосной матрицы для заданных диапазонов частот могут быть сохранены в памяти устройства (блок 3022), для последующего использования. Информация о количестве и порядке использования сохраненных собственных векторов поступает от блока управления 301.
Далее, с соответствующих выходов блока 302 собственных векторов сигнал поступает на одни входы операционного блока 305, а на его другие входы, поступает сигнал, содержащий передаваемую информацию, где на основе рассчитанных и выбранных собственных векторов формируют сигнал одним из методов:
а) Поэлементно - путем суммирования произведений каждого символа информационного канала на элементы соответствующего выбранного собственного вектора;
б) Матрично – произведением ортогонального базиса в виде матрицы, состоящей из отобранных собственных векторов-столбцов субполосной матрицы на вектор-столбец информационных символов, поступающих от информационных каналов.
Результат с блока 203 подается на блок 204, где производится параллельно-последовательное преобразование (для матричной операции) и, при необходимости, добавляется защитный интервал. Далее сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь 105 для дальнейшей передачи в эфир с помощью модулятора (на схеме не представлен).
Таким образом, поскольку сигнал формируется на осове собственных векторов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот, достигается низкий уровень внеполосного излучения, следствием чего является уменьшение межканальной интерференции и улучшение помехоустойчивости связи, а также, возможность исключения частотных диапазонов из используемой полосы частот. Сохранение в памяти устройства (носителе информации) заранее рассчитанных и выбранных собственных векторов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот позволяет сократить количество вычислительных операций, снизить требования к производительности вычислительных ресурсов устройств, при этом, увеличить скорость формирования/восстановления сигнала. Формирование сигнала указанным способом, позволяет сократить защитные частотные интервалы, благодаря чему можно увеличить объем передаваемой полезной информации за тот же промежуток времени – т.е. скорость передачи полезной информации.
2. Предлагаемый способ восстановления передаваемой информации, характеризуется тем, что:
- рассчитывают элементы субполосной матрицы для заданных диапазонов частот одним из методов:
1) путем расчета элементов субполосной матрицы для суммы заданных диапазонов частот, согласно выражению вида:
где ;
e - экспонента;
– ширина полосы используемого частотного диапазона m;
– нижняя и верхняя границы используемого частотного диапазона;
– допустимая область для нижней и верхней границ, используемых частотных диапазонов, Гц;
– общее количество используемых частотных диапазонов;
– номер используемого частотного диапазона;
– мнимая единица;
– элементы субполосной матрицы для заданных диапазонов частот;
i,k – натуральные числа от 1 до N;
– размер матрицы и количество отсчетов;
– частота дискретизации в Гц;
– длительность символа в секундах.
2) путем расчета элементов субполосной матрицы для общего заданного диапазона частот, из которого исключаются неиспользуемые диапазоны частот, согласно выражению вида:
где ;
e - экспонента;
– верхняя и нижняя границы заданного диапазона частот;
– ширина заданной полосы частот;
– ширина заданной полосы частот в Гц;
– частота дискретизации в Гц;
– исключаемый диапазон h, ;
e - экспонента;
– ширина полосы исключаемого частотного диапазона h, ;
– нижняя и верхняя границы исключаемого частотного диапазона h;
– область для нижней и верхней границ исключаемых частотных диапазонов, Гц;
– общее количество исключаемых частотных диапазонов, если  исключенные частотные диапазоны отсутствуют, тогда сигнал занимает весь выделенный частотный диапазон;
– номер исключаемого частотного диапазона;
– мнимая единица;
– элементы субполосной матрицы для заданных диапазонов частот;
i,k – натуральные числа от 1 до N;
– размер матрицы и количество отсчетов;
– длительность символа в секундах.
- формируют, набор собственных чисел и соответствующий набор собственных векторов  субполосной матрицы С, рассчитанной для заданных диапазонов частот, где:
– собственный вектор-столбец субполосной матрицы ;
– размер матрицы и количество отсчётов;
Т – знак транспонирования;
–  натуральные числа от 1 до N;
- на основе собственных чисел соответствующих собственных векторов субполосной матрицы производят выборку J собственных векторов, в соответствии с заданными параметрами передачи, идентичных собственным векторам на передающей стороне;
- на основе рассчитанных и выбранных собственных векторов восстанавливают информацию одним из методов:
1) Поэлементно - путем суммирования, на протяжении длительности информационного символа, результатов произведения комплексно-сопряженных элементов соответствующего собственного вектора субполосной матрицы на элементы оцифрованного сигнала из канала связи без защитного интервала:
, где:
– принятый n-ый информационный символ;
– i-ый комплексно-сопряженный элемент собственного вектора-столбца для n-ого информационного символа;
– i-ый элемент оцифрованного канального сигнала;
– номер элемента, натуральное число от 1 до N;
–  номер информационного символа, натуральное число от 1 до J;
J – количество используемых собственных векторов, количество информационных символов;
* – знак комплексного сопряжения;
2) Матрично - путем произведения сопряженно-транспонированного ортогонального базиса на вектор-столбец элементов из канала связи, без защитного интервала (при выполнении матричной операции, в буфере накапливаются значения из аналого-цифрового преобразователя для последовательно-параллельного преобразования):
при этом выполняется условие: , где:
– вектор принятой информации;
– сопряженно-транспонированный ортогональный базис;
H – Эрмитово-сопряжение или сопряженное-транспонирование;
– вектор-столбец элементов из канала связи, без защитного интервала;
– знак транспонирования;
– ортогональный базис, представляющий собой матрицу, состоящую из выбранного набора собственных векторов-столбцов субполосной матрицы;
- собственный вектор-столбец, состоящий из N отсчетов;
– единичная матрица;
Комплексно-сопряженные, рассчитанные и выбранные собственные вектора субполосной матрицы для заданных диапазонов частот могут быть сохранены в памяти устройства (носителе информации), для последующего использования.
Способ восстановления передаваемой информации из принятого сигнала на аппаратном уровне осуществляется следующим образом (см. Фиг. 3 и Фиг. 5):
Для восстановления информации из принятого беспроводным методом сигнала осуществляют операции известные из уровня техники:
Принимают сигнал через принимающую антенну и подают его на квадратурный демодулятор, откуда он поступает на аналого-цифровой преобразователь 111, осуществляющий оцифровку сигнала. Оцифрованный сигнал поступает на вход блока 212 последовательно-параллельного преобразования и удаления защитного интервала, где защитный интервал при его наличии удаляется и сигнал передается далее на входы блока 213 восстановления информации.
Далее, согласно заявленной группе изобретений, в блоке восстановления информации 213 информация для расчета и отбора собственных векторов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот, включая метод расчета элементов субполосной матрицы, поступает от блока управления 301 на блок собственных векторов 312.
В формирователе собственных векторов 3121 блока собственных векторов 312 производится расчет элементов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот аналогичным методом блока 3021 блока собственных векторов 302.
Далее, в формирователе собственных векторов 3121 формируют набор собственных чисел и соответствующий набор собственных векторов , являющихся собственными вектор-столбцами субполосной матрицы С, рассчитанной для заданных диапазонов частот.
Далее, на основе собственных чисел соответствующих собственных векторов субполосной матрицы, в формирователе собственных векторов 3121  производят выборку J собственных векторов, в соответствии с заданными параметрами передачи, идентичных собственным векторам на передающей стороне. Производят комплексное сопряжение каждого элемента выбранных векторов.
Комплексно-сопряженные, рассчитанные и выбранные собственные вектора субполосной матрицы для заданных диапазонов частот могут быть сохранены в памяти устройства (блок 3022), для последующего использования. Информация о количестве и порядке использования сохраненных собственных векторов поступает от блока управления 301.
Далее, с выходов блока 312 сигнал поступает на одни входы операционного блока 315, а на другие входы поступает сигнал с соответствующих выходов блока 212, где на основе рассчитанных и выбранных собственных векторов восстанавливают информацию одним из методов:
а) Поэлементно - путем суммирования, на протяжении длительности информационного символа, результатов произведения комплексно-сопряженных элементов выбранного соответствующего собственного вектора субполосной матрицы на элементы оцифрованного сигнала из канала связи без защитного интервала.
б) Матрично - путем произведения сопряженно-транспонированного ортогонального базиса на вектор-столбец элементов из канала связи, без защитного интервала (при выполнении матричной операции, в буфере накапливаются значения из аналого-цифрового преобразователя для последовательно-параллельного преобразования).
Результат с блока 213 подается на блок 114 параллельно-последовательного преобразования, на выходе которого получаем передаваемый цифровой поток для дальнейшей обработки.
Таким образом, поскольку сигнал восстанавливается на осове собственных векторов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот, достигается низкий уровень внеполосного излучения, следствием чего является уменьшение межканальной интерференции и улучшение помехоустойчивости связи, а также, возможность исключения частотных диапазонов из используемой полосы частот. Сохранение в памяти устройства (носителе информации) заранее рассчитанных, выбранных и комплексно-сопряженных собственных векторов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот позволяет сократить количество вычислительных операций, снизить требования к производительности вычислительных ресурсов устройств, при этом, увеличить скорость восстановления сигнала.
Способы формирования сигнала и восстановления информации из принятого сигнала могут быть реализованы на аппаратном или программном обеспечении, или какой-либо их комбинации. Это изобретение не ограничивается его применением для элементов конструкции и схемы компонентов, установленных далее в последующем описании или проиллюстрированных в чертежах. Изобретение допускает другие осуществления до и после операции формирования сигнала и восстановления информации на основе собственных векторов субполосной матрицы и может быть осуществлено или выполнено другими способами. Изобретение и его части могут быть реализованы на одном устройстве или раздельно. Также фразеология и терминология, используемые здесь, приведены для описания и не должны рассматриваться как ограничительные.
3. Реализующее способ формирования сигнала, устройство формирования сигнала, (Фиг.2, Фиг.4), содержит блок собственных векторов, блок управления и операционный блок.
Блок собственных векторов 302, позволяет сформировать базис для формирования сигнала на основе собственных векторов, в соответствие с предложенным способом. Блок 302 может содержать формирователь собственных векторов 3021, производящий расчеты собственных векторов, и носитель информации 3022, в который записываются результаты расчетов, либо только один из них. При наличии только формирователя собственных векторов 3021, расчеты собственных векторов производятся постоянно. При наличии только носителя информации 3022, на него записываются результаты заранее произведенных расчетов собственных векторов, которые используются при формировании сигнала.
Блок управления 301 осуществляет управление блоком собственных векторов 302. Операционный блок 305 выполняет операции умножения и сложения и может быть реализован в следующих вариантах:
1) Для поэлементного формирования: блок 305 содержит J умножителей, на одни входы которых поступают соответствующие информационные символы, а на другие входы поступают элементы соответствующих собственных векторов ортогонального базиса. Выходы умножителей соединены с общим сумматором, где суммируются результаты произведения элементов соответствующего собственного вектора на информационный символ.
2) Для матричного формирования: блок 305 содержит элемент перемножения матрицы на вектор, на один вход которого поступает вектор информационных элементов, а на другой вход поступает ортогональный базис в виде матрицы, состоящий из отобранных собственных векторов субполосной матрицы, рассчитанной для заданных диапазонов частот.
Для передачи информации может использоваться передатчик, включающий: буфер преобразования последовательного кода в параллельный 102, выходы которого соответствующе подключены к входам устройства формирования сигнала 203, который соединен с блоком 204 опционального добавления защитного интервала и параллельно-последовательного преобразования. Блок 204 соединен с блоком цифро-аналогового преобразователя 105, который соединен с квадратурным модулятором (на схеме не представлен).
Работа передатчика с устройством формирования сигнала на аппаратном уровне осуществляется следующим образом:
Передаваемый информационный поток поступает в буфер 102 для последовательно-параллельного преобразования, после чего, сигнал поступает в устройство формирования сигнала 203, где производится формирование сигнала на основе собственных векторов субполосной матрицы для заданных диапазонов частот, согласно приведенному методу: выбирают J векторов, соответствующих заданным параметрам и удовлетворяющих условию значений соответствующих собственных чисел каждого собственного вектора; расчет и хранение векторов осуществляет блок 302 собственных векторов для заданных диапазонов частот, который управляется блоком 301 управления;
с соответствующих выходов блока 302 собственных векторов сигнал поступает на одни входы операционного блока 305, а на его другие входы, поступает сигнал, содержащий передаваемую информацию. Результат с блока 203 подается на блок 204, где при необходимости добавляется защитный интервал и/или производится параллельно-последовательное преобразование. Далее сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь 105 для дальнейшей передачи в эфир с помощью модулятора (на схеме не представлен).
На Фиг.6 и Фиг.7 представлены энергетические спектры канальных сигналов, сформированных классическим OFDM методом с использованием базиса Фурье, и спектры канальных сигналов, сформированных предложенным в данном изобретении способом. Как видно на фигурах, предложенный способ позволяет получить более низкий уровень внеполосного излучения сигналов (-170 дБ. против -25дБ), Таким образом, достигается заявленный технический результат.
4. Реализующее способ восстановления информации, устройство восстановления информации из принятого сигнала, (Фиг.3, Фиг.5), содержит блок собственных векторов, блок управления и операционный блок.
Блок собственных векторов 312, позволяет сформировать базис для восстановления информации из принятых сигналов, а также выполнить комплексное сопряжение матрицы с транспонированием, в соответствие с предложенным способом. Блок 312 может содержать формирователь собственных векторов 3121, производящий расчеты собственных векторов и комплексное сопряжение элементов матрицы, а также транспонирование этой матрицы для матричной операции, и носитель информации 3022, в который записываются результаты расчётов, либо только один из них. При наличии только формирователя собственных векторов 3121, расчеты производятся постоянно. При наличии только носителя информации 3022, на него записываются результаты заранее произведенных расчётов собственных векторов и комплексного сопряжения элементов матрицы с транспонированием этой матрицы, которые используются при восстановлении сигнала.
Блок управления 301 осуществляет управление блоком собственных векторов 312. Операционный блок 315 выполняет операции умножения и сложения и может быть реализован в следующих вариантах:
1) Для поэлементного восстановления: блок 315 содержит J умножителей, на одни входы каждого из которых поступают элементы из канала связи, на другие входы поступают комплексно сопряженные элементы соответствующих отобранных собственных векторов. Каждый из выходов умножителей соединен с соответствующим входом одного из J сумматоров (интеграторов), где осуществляется суммирование, с накоплением результатов перемножения на протяжении длительности одного символа, после чего результат сбрасывается.
2) Для матричного восстановления: блок 315 содержит элемент умножения, на один вход которого поступает сопряженно-транспонированный ортогональный базис, а на другой вход поступает вектор-столбец элементов из канала связи, без защитного интервала.
Для приема информации беспроводным способом может использоваться приемник, включающий: принимающую антенну с квадратурным демодулятором (не обозначен), выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 111, который соединен с блоком 212 опционального удаления защитного интервала и последовательно-параллельного преобразования, выходы которого соединены с блоком 213 восстановления информации, выходы каждого канала которого соединены с блоком 114 параллельно-последовательного преобразователя, с которого сформированный цифровой поток 115 подается для дальнейшей обработки. Символьные детекторы для восстановления битовой информации могут быть использованы как до, так и после блока 114 в зависимости от системы связи, такая перестановка не оказывает влияния на получение технического результата.
Работа приемника с устройством восстановления информации из принятого сигнала осуществляется следующим образом: полученный сигнал через принимающую антенну и квадратурный демодулятор поступает на аналого-цифровой преобразователь 111, осуществляющий оцифровку сигнала. Оцифрованный сигнал поступает на вход блока 212 последовательно-параллельного преобразования и удаления защитного интервала, где защитная вставка при её наличии удаляется и сигнал передается далее на входы устройства 213 восстановления информации, где:
- В блоке 312 производится формирование и/или хранение набора собственных векторов субполосной матрицы, согласно приведенному способу – отобранный и сформированный ортогональный базис должен быть идентичен ортогональному базису на передающей стороне. Блок 301 осуществляет управление блоком 312.  Блок собственных векторов 312 также выполняет комплексное сопряжение и транспонирование рассчитанной матрицы собственных векторов в блоке 3121 и/или хранит сопряженно-транспонированную матрицу собственных векторов в блоке 3022.
- Далее, с выходов блока 312 сигналы поступают на одни входы операционного блока 315, а на другие входы поступают сигналы с соответствующих выходов блока 212, где производится умножение комплексно-сопряженной и транспонированной матрицы собственных векторов на вектор принятого оцифрованного сигнала. При поэлементной процедуре умножения оцифрованный сигнал из канала связи поступает на одни входы умножителей операционного блока, а на другие входы подаются комплексно-сопряженные элементы соответствующих собственных векторов. Результаты перемножения суммируются на длительности символа.
Результат с устройства 213 восстановления информации подается на блок 114 параллельно-последовательного преобразования, на выходе которого получаем передаваемый цифровой поток для дальнейшей обработки.
Если устройство формирования сигнала и устройство восстановления информации из принятого сигнала реализованы на одной платформе, то блок 302 и блок 312 могут быть объединены, при этом функция комплексного сопряжения и/или транспонирования для устройства восстановления информации из принятых сигналов выполняется в отдельном блоке.
В различных вариантах реализации изобретения блоки 302 и 312 собственных векторов содержат или формирователь собственных векторов 3021/3121, или носитель информации 3022, или и то и другое одновременно. Различные варианты исполнения блоков 302 и 312 не влияют на работу устройств формирования сигнала и восстановления информации.
Расчеты собственных векторов субполосной матрицы и комплексного сопряжения матрицы с транспонированием могут осуществляться на другом устройстве, для последующей записи результатов на носитель информации 3022 и их использования при формировании сигнала и восстановлении информации.
Носителем информации 3022 может быть постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или жесткий диск или твердотельный накопитель или flash-память или оптический диск или гибридные накопители или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или удаленная компьютерная система или удаленное хранилище данных.
Приведенные функциональные блоки устройств могут быть реализованы на FPGA (Программируемая логическая интегральная схема) и/или SoC (Система на кристалле), выполненных в программо-аппаратной части таким образом, чтобы осуществлять предписанные им выше функции.
Настоящее подробное описание составлено с приведением различных не имеющих ограничительного и исчерпывающего характера вариантов осуществления. В то же время, специалистам, имеющим средний уровень компетентности в рассматриваемой области техники, очевидно, что различные замены, модификации или сочетания любых раскрытых здесь вариантов осуществления (в том числе частично) могут быть воспроизведены в пределах объема настоящего изобретения. Таким образом, подразумевается и понимается, что настоящее описание изобретения включает дополнительные варианты осуществления, суть которых не изложена здесь в явно выраженной форме. Такие варианты осуществления могут быть получены путем, например, сочетания, модификации или преобразования каких-либо действий, компонентов, элементов, свойств, аспектов, характеристик, ограничений и пр., относящихся к приведенным здесь и не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
OFDMA доступ, основанный на когнитивном радио. Патент на изобретение №2446603. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 27.03.2012. Авторы: Хассан А.А., Хьютема К.; заявитель и патентообладатель Майкрософт корпорейшн.
Переменное кодирование и модулирование подканала мультиплексирования с ортогональным частотным разделением. Патент на изобретение №2433555. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10.11.2011. Авторы: Абхишек А., Хассан А.А., Хьютема К., У Деюн, Куэнел Т.; заявитель и патентообладатель Майкрософт корпорейшн.
Адаптация скорости передачи данных в OFDM - системе при наличии помех. Патент на изобретение №2344546. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20.01.2009. Авторы: Гончаров Е.В.; заявитель и патентообладатель Корпорация "Самсунг Электроникс Ко., Лтд."
IEЕЕ Std Р802.16-2004, IEEЕ Standart for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed BWA Systems.