Способ передачи и приема цифровой информации
METHOD OF TRANSMITTING AND RECEIVING DIGITAL INFORMATION

Изобретение относится к технике связи, а именно к способам передачи и приема информации посредством цифровой связи.
Известен способ формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (патент РФ №2365050, 2009 г.), где осуществляется оптимизация сигнального созвездия квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) в зависимости от отношения сигнал/шум (ОСШ). В данном способе каждой группе из K бит (K=4 для КАМ-16) ставится в соответствие одно из 2K значений одного КАМ символа. Недостатком такого способа является недостаточно высокая помехоустойчивость при высоких отношениях сигнал/шум, так как оптимизация осуществляется только при плохих ОСШ. Кроме того, в данном способе используются одинаковые созвездия для всех КАМ символов и каждая группа из K бит передается только одним КАМ символом, что ограничивает возможности оптимизации.
Известен способ адаптивного переотображения сигнальных созвездий при квадратурно-амплитудной модуляции для повторных передач пакетов данных (патент РФ №2391782, 2010 г.), где для повышения помехоустойчивости используется повторная передача пакета данных по запросу приемника с переотображением КАМ созвездия. Повторная передача позволяет улучшить качество демодуляции ошибочно принятых бит, а переотображение созвездия при повторной передачи позволяет сделать более равномерным качество демодуляции каждого бита и дополнительно улучшить помехоустойчивость. Однако такой подход приводит к уменьшению скорости передачи и требует наличие обратного канала.
k
r
Наиболее близким аналогом и прототипом является способом передачи и приема цифровой информации (Варгузин В.А. Методы повышения энергетической и спектральной эффективности цифровой радиосвязи: учебное пособие / В.А., Варгузин, И.А. Цикин. - СПб.: БХВ-Петербург, 2013. - 352 с. 39-40), в котором на передающей стороне последовательность символов канального алфавита (двоичных бит) представляют в виде блоков из k бит, общее число комбинаций таких блоков равно m=2. Каждой r-ой комбинации бит ставится во взаимно однозначное соответствие сигнал s(t), r=1,2, …, m. На приемной стороне осуществляется демодуляция сигнала каждого блока и определяется, какой из m возможных сигналов поступил на вход демодулятора. Одновременно это означает и принятие решения относительно номера переданной комбинации данного блока и, следовательно, относительно переданной комбинации бит.
Ir
r
Предлагаемый способ передачи и приема цифровой информации отличается от ближайшего аналога тем, что один блок равен нескольким блокам, описанным в известном способе. При этом каждой комбинации K битов одного блока ставятся во взаимно однозначное соответствие L КАМ (квадратурная амплитудная модуляция) сигналов s(f), r=1,2,…,М, I=1,2,…L, а в прототипе только один КАМ сигнал меньшего порядка s(t), r=1,2,…,m. Помимо этого в прототипе решение о переданной комбинации блока из k битов выносится на основании анализа одного принятого КАМ сигнала, а в предлагаемом способе решение о переданной комбинации блока из K битов выносится на основании L принятых КАМ сигналов, при этом спектральная эффективность в прототипе равна k (бит/сек/Гц), определяется порядком КАМ модуляции и принимает только целые значения, тогда как в предлагаемом способе она равна KIL (бит/сек/Гц) и может принимать не только целые, но и дробные значения.
Кроме того, что если K=kL, то в этом случае спектральная эффективность предлагаемого способа и известного способа будут одинаковыми, но благодаря использованию нескольких сигналов минимальную суммарную разность (евклидовое расстояние) между сигналами, соответствующими разным комбинациям бит, можно сделать больше при одинаковой средней мощности сигнала, и в результате помехоустойчивость приема (энергетическая эффективность) таких сигналов будет выше.
Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости передаваемых сигналов и спектральной эффективности за счет увеличения порядка квадратурной амплитудной модуляции и передачи одной и той же информации разными КАМ символами с разными расположениями сигнальных точек созвездий.
K
Поставленная задача решается способом передачи и приема цифровой информации, заключающемся в том, что на предающей стороне пакет информационных бит разделяют на блоки по K бит в каждом, при этом число возможных комбинаций бит в блоке составляет М=2, каждой из М комбинаций бит ставятся в соответствие L значений КАМ символов, значения которых определяются определяемых точками соответствующих созвездий сигналов, формируют L гармонических сигналов с использованием полученных L значений L КАМ символов и объединяют L гармонических сигналов в один групповой сигнал несущей частоты, после чего групповой сигнал усиливается и передается в канал связи, где на приемной стороне групповой сигнал принимается, усиливается и фильтруется аналоговым приемником, из полученного отфильтрованного сигнала выделяются все L гармонических сигналов и осуществляется их общая демодуляция, осуществляемая путем вычисления суммы квадратов модулей разностей между принятыми значениями квадратурных составляющих L гармонических сигналов и М возможными значениями соответствующих L созвездий, а каждая сумма квадратов соответствует своей комбинации K переданных бит, для которой эта сумма минимальна, и является наиболее вероятной переданной комбинацией.
Объединение L гармонических сигналов осуществляется либо последовательно, тогда все гармонические сигналы формируются на одной поднесущей частоте, либо параллельно, тогда каждый гармонический сигнал формируется на своей поднесущей частоте.
На фиг. 1 приведена упрощенная функциональная схема варианта реализации заявленного способа передачи и приема цифровой информации.
На фиг. 2 изображены точки двух оптимизированных созвездий для предложенного способа при K=4 и L=2, что обеспечивает спектральную эффективность 2 бит/сек/Гц.
На фиг. 3 в виде таблицы приведены соответствия комбинаций битов и точек двух созвездий, приведенных на фиг. 2.
На фиг. 4 приведены характеристики помехоустойчивости заявленного способа при разных соотношениях параметров K и L при одинаковой спектральной эффективности 2 бит/сек/Гц и характеристики помехоустойчивости способа прототипа с модуляцией 4ФМ.
На фиг. 5 приведены характеристики помехоустойчивости заявленного способа при разных соотношениях параметров K и L при разной спектральной эффективности (2, 2,25, 2,33 и 2,67 бит/сек/Гц) и характеристики помехоустойчивости способа прототипа с модуляцией 4ФМ (2 бит/сек/Гц).
Ir
Двоичная информация в виде последовательного потока двоичных битов преобразуется в параллельный поток блоков из K битов. Эти K двоичных битов поступают на L КАМ модуляторов, каждый из которых формирует КАМ сигнал S(t), r=1,2,…,М, I=1,2,…L, в соответствии со своим созвездием. Параллельные потоки КАМ сигналов объединяются в один общий поток на несущей частоте, который передается в канал связи. На приемной стороне сигнал, прошедший канал связи вместе с шумом, усиливается и фильтруется приемником. Затем из общего потока выделяются L КАМ сигналов одного блока. Осуществляется совместная демодуляция всех L КАМ сигналов, и выносится решение о переданных K битов.
Для совместной демодуляции может использоваться алгоритм максимального правдоподобия для систем с MIMO каналами (Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. - М.: Горячая линия - Телеком, 2014. - 244 с.).
Для достижения поставленной цели повышения энергетической эффективности должны использоваться созвездия, обеспечивающие максимальное минимальное эвклидовое расстояние для всей совокупности L КАМ сигналов. Получить такие созвездия можно методами, аналогичными описанным в (G. Foschini, R. Gitlin, and S. Weinstein, "Optimization of two-dimensional signal constellations in the presence of Gaussian noise," IEEE Transactions on Communications, vol. COM-22, no. 1, pp.28-38, Jan. 1974 г.).
-6
Использование предложенного способа передачи и приема цифровой информации позволяет получить энергетический выигрыш по сравнению со способом прототипа без введения избыточности и, следовательно, без ухудшения спектральной эффективности. Так при вероятности ошибки 10 для K=4 и L=2 выигрыш составляет 0,6 дБ. При увеличении числа битов в блоке K и пропорциональном увеличении числа символов в блоке L (при постоянном отношении K/L=2) энергетический выигрыш увеличивается. Так при K=10 и L=5 выигрыш составляет 1,9 дБ.
Предложенный способ передачи и приема цифровой информации обеспечивает на 33% более высокую спектральную эффективность по сравнению с прототипом. Кроме того, заявленный способ позволяет иметь больший набор возможных значений пропускной способности системы связи, что позволяет обеспечить лучшее согласование скорости передачи и полосы канала связи.
Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности системы (помехоустойчивость) и спектральной эффективности (пропускную способность) одновременно.