МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПЕРЕДАТЧИК СПЕКТРАЛЬНО-ЭФФЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ
MULTICHANNEL TRANSMITTER FOR SPECTRALLY EFFICIENT RADIO COMMUNICATION SYSTEM

Изобретение относится к области радиосвязи и может найти применение в системах беспроводного доступа, сухопутной подвижной и спутниковой связи, обладающих высокими структурной скрытностью, передаваемых сигналов, помехозащищенностью к внутрисистемным и межсистемным помехам и высокой пропускной способностью.
Известны системы сотовой, беспроводной и спутниковой связи с кодовым разделением каналов, а именно: система сотовой подвижной связи стандарта IS-95 на основе технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов - МДКР (в иностранной терминологии - CDMA); система спутниковой связи «Глобалстар» (США), перспективные системы с МДКР, такие как CDMA-450, CDMA-2000 и WCDMA и спутниковые: SAT-SDMA (Ю. Корея), SW-CDMA (Европейское космическое агентство-ESA) [1, 2], а также передающее устройство с кодовым разделением каналов с высокой структурной скрытностью передаваемых сигналов [3].
Основным требованием, предъявляемым как к существующим, так и к перспективным системам связи в условиях возросшего спроса на выделение полос частот, является требование по обеспечению высокой спектральной эффективности.
Под спектральной эффективностью системы понимается максимально высокий график радиоинтерфейса в заданной полосе частот, которая оценивается коэффициентом спектральной эффективности и представляет собой отношение скорости передачи информации в системе (пропускной способности системы) к полосе частот спектра сигнала.
Известные системы связи характеризуются низкой спектральной эффективностью. Например, у системы сотовой подвижной связи стандарта IS-95 значение коэффициента спектральной эффективности не превосходит величины, равной 0,5.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является устройство [3] (прототип), в состав которого входят N информационных каналов, каждый из которых включает преобразователь информации информационного канала, внутренний кодер и формирователь спектра сигнала канала, при этом преобразователь информации информационного канала включает в себя последовательно соединенные разделитель, первый кодер, первый перемежитель, первый сумматор по модулю два и первый уплотнитель символов, выход которого является первым выходом преобразователя информации информационного канала, последовательно соединенные второй кодер, второй перемежитель, второй сумматор по модулю два и второй уплотнитель символов, выход которого является вторым выходом преобразователя информации информационного канала, последовательно соединенные генератор кода адреса, первый прореживатель, второй прореживатель, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго уплотнителей символов, выход первого прореживателя соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров по модулю два, причем вход разделителя является первым входом информационного канала, вход генератора кода адреса является вторым входом информационного канала, а третьи входы первого и второго уплотнителей символов объединены и являются третьим входом преобразователя информации информационного канала, второй выход разделителя соединен с входом второго кодера, K каналов вызова, каждый из которых включает преобразователь информации канала вызова, внутренний кодер и формирователь спектра сигнала канала, причем преобразователь информации канала вызова включает последовательно соединенные разделитель, первый кодер, первый перемежитель и первый сумматор по модулю два, выход которого является первым выходом преобразователя информации канала вызова, последовательно соединенные второй кодер, второй перемежитель и второй сумматор по модулю два, выход которого является вторым выходом преобразователя информации канала вызова, последовательно соединенные генератор кода адреса и прореживатель, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго сумматоров по модулю два, причем вход разделителя является первым входом канала вызова, а вход генератора кода адреса - вторым входом канала вызова, второй выход разделителя соединен с входом второго кодера, J служебных каналов, каждый из которых включает преобразователь информации служебного канала, внутренний кодер и формирователь спектра сигнала канала, причем преобразователь информации служебного канала включает последовательно соединенные кодер и повторитель символов, причем вход кодера является входом служебного канала, а выход повторителя символов - выходом преобразователя информации служебного канала, причем N+K+J=L - общее число каналов передатчика, при этом внутренний кодер каждого l-ого канала, где l принимает значения от 1 до L, включает в себя первый и второй кодеры, причем первый вход первого кодера является первым входом внутреннего кодера, а первый вход второго кодера - вторым входом внутреннего кодера, вторые входы первого и второго кодеров объединены и являются третьим входом внутреннего кодера, третьи входы первого и второго кодеров объединены и являются четвертым входом внутреннего кодера, четвертые входы первого и второго кодеров объединены и являются пятым входом внутреннего кодера, выход первого кодера является первым выходом внутреннего кодера, а выход второго кодера - вторым выходом внутреннего кодера, а формирователь спектра сигнала каждого l-го канала включает в себя последовательно соединенные первый сумматор по модулю два, второй сумматор по модулю два, сглаживающий фильтр, первый фазовый модулятор, сумматор и полосовой фильтр, выход которого является выходом формирователя спектра сигнала канала, а также последовательно соединенные третий сумматор по модулю два, четвертый сумматор по модулю два, второй сглаживающий фильтр и второй фазовый модулятор, выход которого подключен к второму входу сумматора, причем первый вход первого сумматора по модулю два является первым входом формирователя спектра сигнала канала, первый вход третьего сумматора по модулю два -вторым входом формирователя спектра сигнала канала, вторые входы второго и четвертого сумматоров по модулю два объединены и являются третьим входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход первого сумматора по модулю два является четвертым входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход третьего сумматора по модулю два - пятым входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход первого фазового модулятора является шестым входом формирователя спектра сигнала канала, а второй вход второго фазового модулятора - седьмым входом формирователя спектра сигнала канала, первый выход n-го преобразователя информации информационного канала, где n принимает значения от 1 до N, соединен с первым входом n-го внутреннего кодера информационного канала, а второй выход n-го преобразователя информации информационного канала соединен со вторым входом n-го внутреннего кодера информационного канала, в свою очередь, первый выход k-го преобразователя информации канала вызова, где k принимает значения от 1 до K, соединен с первым входом k-го внутреннего кодера канала вызова, а второй выход k-го преобразователя информации канала вызова соединен со вторым входом внутреннего кодера k-го канала вызова, выход j-го преобразователя информации служебного канала, где j принимает значения от 1 до J, соединен с объединенными первым и вторым входами j-го внутреннего кодера служебного канала, первый выход внутреннего кодера l-го канала, соединен с первым входом формирователя спектра сигнала l-го канала, а второй выход внутреннего кодера l-го канала, соединен с вторым входом формирователя спектра сигнала l-го канала, а также тактовый генератор, генератор несущей частоты, сумматор канальных сигналов, делитель частоты, вход которого подключен к выходу тактового генератора, генератор нелинейной маскирующей последовательности, вход которого соединен с выходом тактового генератора, генератор нелинейных ортогональных кодов, первый вход которого соединен с выходом тактового генератора, при этом выход формирователя спектра сигнала l-го канала, соединен с l-ым входом сумматора канальных сигналов, выход которого является выходом устройства, причем, третьи входы формирователей спектра сигнала всех каналов объединены и подключены к первому выходу генератора нелинейной маскирующей последовательности, четвертый вход формирователя спектра сигнала l-го канала, соединен с l-ым выходом генератора нелинейных ортогональных кодов, а пятый вход формирователя спектра сигнала l-го канала соединен с (L-l+1)-ым выходом генератора нелинейных ортогональных кодов, шестые входы формирователей спектра сигнала всех каналов объединены и соединены с первым выходом генератора несущей частоты, седьмые входы формирователей спектра сигнала всех каналов объединены и соединены со вторым выходом генератора несущей частоты, третьи входы внутренних кодеров всех каналов объединены и соединены с выходом делителя частоты, второй выход генератора нелинейной маскирующей последовательности соединен со вторым входом генератора нелинейных ортогональных кодов и с объединенными четвертыми входами внутренних кодеров всех каналов, пятые входы внутренних кодеров всех каналов объединены и соединены с L+1-ым выходом генератора нелинейных ортогональных кодов.
Целью настоящего изобретения является повышение спектральной эффективности передачи информации в перспективных системах связи.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве, включающем в себя N информационных каналов, каждый из которых включает преобразователь информации информационного канала, внутренний кодер и формирователь спектра сигнала канала, при этом преобразователь информации информационного канала включает в себя последовательно соединенные разделитель, первый кодер, первый перемежитель, первый сумматор по модулю два и первый уплотнитель символов, выход которого является первым выходом преобразователя информации информационного канала, последовательно соединенные второй кодер, второй перемежитель, второй сумматор по модулю два и второй уплотнитель символов, выход которого является вторым выходом преобразователя информации информационного канала, последовательно соединенные генератор кода адреса, первый прореживатель, второй прореживатель, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго уплотнителей символов, выход первого прореживателя соединен с вторыми входами первого и второго сумматоров по модулю два, причем вход разделителя является первым входом информационного канала, вход генератора кода адреса является вторым входом информационного канала, а третьи входы первого и второго уплотнителей символов объединены и являются третьим входом преобразователя информации информационного канала, второй выход разделителя соединен с входом второго кодера, К каналов вызова, каждый из которых включает преобразователь информации канала вызова, внутренний кодер и формирователь спектра сигнала канала, причем преобразователь информации канала вызова включает последовательно соединенные разделитель, первый кодер, первый перемежитель и первый сумматор по модулю два, выход которого является первым выходом преобразователя информации канала вызова, последовательно соединенные второй кодер, второй перемежитель и второй сумматор по модулю два, выход которого является вторым выходом преобразователя информации канала вызова, последовательно соединенные генератор кода адреса и прореживатель, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго сумматоров по модулю два, причем вход разделителя является первым входом канала вызова, а вход генератора кода адреса - вторым входом канала вызова, второй выход разделителя соединен с входом второго кодера, J служебных каналов, каждый из которых включает преобразователь информации служебного канала, внутренний кодер и формирователь спектра сигнала канала, причем преобразователь информации служебного канала включает последовательно соединенные кодер и повторитель символов, причем вход кодера является входом служебного канала, а выход повторителя символов - выходом преобразователя информации служебного канала, причем N+K+J=L - общее число каналов передатчика, при этом внутренний кодер каждого l-ого канала, где l принимает значения от 1 до L, включает в себя первый и второй кодеры, причем первый вход первого кодера является первым входом внутреннего кодера, а первый вход второго кодера - вторым входом внутреннего кодера, вторые входы первого и второго кодеров объединены и являются третьим входом внутреннего кодера, третьи входы первого и второго кодеров объединены и являются четвертым входом внутреннего кодера, четвертые входы первого и второго кодеров объединены и являются пятым входом внутреннего кодера, выход первого кодера является первым выходом внутреннего кодера, а выход второго кодера - вторым выходом внутреннего кодера, а формирователь спектра сигнала каждого l-го канала включает в себя последовательно соединенные первый сумматор по модулю два, второй сумматор по модулю два, сглаживающий фильтр, первый фазовый модулятор, сумматор и полосовой фильтр, выход которого является выходом формирователя спектра сигнала канала, а также последовательно соединенные третий сумматор по модулю два, четвертый сумматор по модулю два, второй сглаживающий фильтр и второй фазовый модулятор, выход которого подключен к второму входу сумматора, причем первый вход первого сумматора по модулю два является первым входом формирователя спектра сигнала канала, первый вход третьего сумматора по модулю два - вторым входом формирователя спектра сигнала канала, вторые входы второго и четвертого сумматоров по модулю два объединены и являются третьим входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход первого сумматора по модулю два является четвертым входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход третьего сумматора по модулю два - пятым входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход первого фазового модулятора является шестым входом формирователя спектра сигнала канала, а второй вход второго фазового модулятора - седьмым входом формирователя спектра сигнала канала, первый выход преобразователя информации n-го информационного канала, где n принимает значения от 1 до N, соединен с первым входом внутреннего кодера n-го информационного канала, а второй выход преобразователя информации n-го информационного канала соединен со вторым входом внутреннего кодера n-го информационного канала, в свою очередь, первый выход преобразователя информации k-го канала вызова, где k принимает значения от 1 до K, соединен с первым входом внутреннего кодера k-го канала вызова, а второй выход преобразователя информации k-го канала вызова соединен со вторым входом внутреннего кодера k-го канала вызова, выход преобразователя информации j-го служебного канала, где j принимает значения от 1 до J, соединен с объединенными первым и вторым входами внутреннего кодера j-го служебного канала, первый выход внутреннего кодера l-го канала, соединен с первым входом формирователя спектра сигнала l-го канала, а второй выход внутреннего кодера l-го канала, соединен с вторым входом формирователя спектра сигнала l-го канала, а также тактовый генератор, генератор несущей частоты, сумматор канальных сигналов, делитель частоты, вход которого подключен к выходу тактового генератора, генератор нелинейной маскирующей последовательности, вход которого соединен с выходом тактового генератора, генератор нелинейных ортогональных кодов, первый вход которого соединен с выходом тактового генератора, при этом выход формирователя спектра сигнала l-го канала, соединен с l-ым входом сумматора канальных сигналов, выход которого является выходом устройства, причем, третьи входы формирователей спектра сигнала всех каналов объединены и подключены к первому выходу генератора нелинейной маскирующей последовательности, четвертый вход формирователя спектра сигнала l-го канала, соединен с l-ым выходом генератора нелинейных ортогональных кодов, а пятый вход формирователя спектра сигнала l-го канала соединен с (L-l+1)-ым выходом генератора нелинейных ортогональных кодов, шестые входы формирователей спектра сигнала всех каналов объединены и соединены с первым выходом генератора несущей частоты, седьмые входы формирователей спектра сигнала всех каналов объединены и соединены со вторым выходом генератора несущей частоты, третьи входы внутренних кодеров всех каналов объединены и соединены с выходом делителя частоты, второй выход генератора нелинейной маскирующей последовательности соединен со вторым входом генератора нелинейных ортогональных кодов и с объединенными четвертыми входами внутренних кодеров всех каналов, пятые входы внутренних кодеров всех каналов объединены и соединены с L+1-ым выходом генератора нелинейных ортогональных кодов, внесены следующие изменения:
из схемы устройства исключен делитель частоты, а из схемы каждого канала устройства исключены внутренний кодер и формирователь спектра сигнала канала, а в схему устройства дополнительно введен делитель частоты, первый вход которого подключен к выходу тактового генератора, а в схему каждого канала устройства введены новые элементы и установлены новые связи между элементами устройства, а именно:
в каждый канал дополнительно введен формирователь спектра сигнала канала, который включает последовательно соединенные первый М-ичный амплитудно-фазовый модулятор, первый перемножитель, первый фильтр нижних частот, первый фазовый модулятор, первый полосовой фильтр и сумматор, а также последовательно соединенные второй М-ичный амплитудно-фазовый модулятор, второй перемножитель, второй фильтр нижних частот, второй фазовый модулятор и второй полосовой фильтр, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход сумматора является выходом формирователя спектра сигнала канала и выходом канала, первый вход первого М-ичного амплитудно-фазового модулятора является первым входом формирователя спектра сигнала канала, первый вход второго М-ичного амплитудно-фазового модулятора является вторым входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход первого М-ичного амплитудно-фазового модулятора является четвертым входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход второго М-ичного амплитудно-фазового модулятора является пятым входом формирователя спектра сигнала канала, третьи входы первого и второго М-ичных амплитудно-фазовых модуляторов объединены и являются девятым входом формирователя спектра сигнала канала, а их четвертые входы также объединены и являются восьмым входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход первого фазового модулятора является шестым входом формирователя спектра сигнала канала, второй вход второго фазового модулятора является седьмым входом формирователя спектра сигнала канала, вторые входы первого и второго перемножителей объединены и являются третьим входом формирователя спектра сигнала канала, первый выход преобразователя информации n-го информационного канала соединен с первым входом формирователя спектра сигнала n-го информационного канала, а второй выход преобразователя информации n-го информационного канала соединен с вторым входом формирователя спектра сигнала n-го информационного канала, первый выход преобразователя информации k-го канала вызова соединен с первым входом формирователя спектра сигнала k-го канала вызова, а второй выход преобразователя информации k-го канала вызова соединен с вторым входом формирователя спектра сигнала k-го канала вызова, выход преобразователя информации j-го служебного канала соединен с первым и вторым входами формирователя спектра сигнала j-го служебного канала, выход l-го канала соединен с соответствующим l-ым входом сумматора канальных сигналов, а выход сумматора канальных сигналов является выходом многоканального передатчика, четвертый вход формирователя спектра сигнала l-го канала соединен с l-ым выходом генератора нелинейных ортогональных кодов, пятый вход формирователя спектра сигнала l-го канала соединен с i-ым выходом генератора нелинейных ортогональных кодов, где i=l+1, если i>L, то i принимает значение (l+1)-L, третьи входы всех формирователей спектра сигнала канала объединены и подсоединены к первому выходу генератора нелинейной маскирующей последовательности, шестые входы всех формирователей спектра сигнала канала объединены и подсоединены к первому выходу генератора несущей частоты, седьмые входы всех формирователей спектра сигнала канала объединены и подсоединены к второму выходу генератора несущей частоты, восьмые входы всех формирователей спектра сигнала канала объединены и соединены с выходом делителя частоты, девятые входы всех формирователей спектра сигнала канала и второй вход делителя частоты объединены и соединены с (L+1)-ым выходом генератора нелинейных ортогональных кодов.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются введенные в схему передатчика новые элементы, а именно: делитель частоты и L формирователей спектра сигнала канала, а также новые связи между элементами устройства, благодаря чему удалось в несколько раз повысить спектральную эффективность системы связи за счет формирования новой сигнально-кодовой конструкции, что соответствует критерию «новизна».
Поскольку совокупность введенных элементов и их связи до даты подачи заявки в патентной и научно-технической литературе не обнаружены, то предлагаемое техническое решение соответствует «изобретательскому уровню».
Структурная схема заявляемого устройства представлена на фиг.1 и 2.
С целью упрощения схемы на фиг.1 изображены один n-ый (n=1) информационный канал (ИК), один k-ый (k=1) канал вызова (KB) и один j-ый (j=J) служебный канал (КС), а также элементы, которые обеспечивают функционирование устройства и позволяют пояснить работу устройства в целом.
На фиг.1 представлена общая схема устройства, на которой обозначено:
1, 9, 26, 31, 34 - кодер (КД);
2, 10, 27, 32 - перемежитель (Пм);
3, 11, 28, 33 - сумматор по модулю два (С2);
4, 12 - уплотнитель символов (Ус);
5, 25 - разделитель (Р);
6, 29 - генератор кода адреса (ГКА);
7, 8, 30 - прореживатель (Пр);
13, 18 - М-ичный амплитудно-фазовый модулятор (АФМ);
14, 19 - перемножитель (П);
15, 20 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
16, 21 - фазовый модулятор (ФМ);
17, 22 - полосовой фильтр (ПФ);
23 - сумматор (С);
24 - генератор несущей частоты (ГНЧ);
35 - повторитель символов (ПС);
36 - тактовый генератор (ТГ);
37 - делитель частоты (ДЧ);
38 - генератор нелинейной маскирующей последовательности (ГНМП);
39 - генератор нелинейных ортогональных кодов (ГНОК);
40 - сумматор канальных сигналов (СКС);
41, 42, 43 - формирователь спектра сигнала канала (ФССК);
ПИ ИК - преобразователь информации (ПИ) информационного канала;
ПИ KB - ПИ канала вызова;
ПИ КС - ПИ служебного канала.
На фиг.2 представлена структурная схема АФМ. Цифрами на фиг.2 обозначены:
1 - m-разрядный регистр сдвига (PC);
2 - m-разрядный буферный регистр (БР);
3 - дешифратор (Дш);
4, 5 - электронный ключ (ЭК);
6, 7 - инвертор (Инв.);
8, 9, 10 - аналоговый ключ (АК);
12 - делитель напряжения (Дн);
11 - источник эталонного напряжения (ИЭН);
13 - перемножитель (П).
Работа передатчика. Передатчик обеспечивает доступ абонентов сети к информационным каналам связи (по каналам вызова), обмен двоичной информацией между абонентами посредством передачи информации по каналам связи (по информационным каналам), а также управление ресурсами сети и синхронизацию прохождения информационных потоков по каналам связи (по служебным каналам).
Порядок работы передатчика рассмотрим по структурным схемам, которые представлены на фиг.1 и 2.
При рассмотрении работы передатчика будем исходить из следующего:
1. Алгоритм работы преобразователей информации каналов (ПИ ИК, ПИ KB, ПИ КС) заявляемого устройства и устройства-прототипа одинаков.
2. Загруженность каналов передатчика определяется текущим графиком и управляется стандартными средствами базовой станции, которые в данном устройстве не рассматриваются.
3. Общее число каналов передатчика равно L=N+K+J, из них N - число информационных каналов; K - число каналов вызова; J - число служебных каналов. Для уяснения характера обработки информации в передатчике достаточно рассмотреть обработку информации в одном ИК, в одном KB и в одном КС.
мп
гок
мп
гок
s
4. Период нелинейной маскирующей последовательности Т, вырабатываемой ГНМП (38), соответствует кратному числу периодов последовательностей, вырабатываемых ГНОК (39) Т, т.е. Т=2Т, где s=1, 2, 3, ….
5. В заявляемом передающем устройстве в явном виде канал пилот-сигнала отсутствует. Фактически же функции канала пилот-сигнала выполняет один из имеющихся L каналов устройства. Этот канал выбирается оператором (администратором) сети и за ним закрепляются функции по решению задачи синхронизации сети.
Работа информационного канала. Рассмотрим работу ИК (n=1). На первый вход ПИ первого информационного канала поступает информация, которую необходимо передать другому абоненту, а на второй - информация об адресе абонента. Информация, поступающая на 1 и 2 входы ПИ, представляет собой поток двоичных символов. Поток двоичных символов, поступающий на первый вход ПИ первого ИК, Р (5) преобразуется в два потока для создания синфазной и квадратурной составляющих (условно в одном потоке следуют четные символы, а в другом - нечетные). С первого выхода Р (5) поток, состоящий из нечетных двоичных символов, поступает на вход КД (1), а с второго выхода поток, состоящий из четных двоичных символов, поступает на вход КД (9). В КД (1) и (9) осуществляется помехоустойчивое кодирование информации с целью исправления возможных ошибок в приемнике, возникающих при передаче информации по каналам связи в условиях наличия естественных и/или преднамеренных помех. С выхода КД (1) информация поступает на вход Пм (2), а с выхода КД (9) - на вход Пм (10). В Пм (2) и (10) кодированный поток двоичных символов подвергается искусственному перемешиванию по какому-либо алгоритму с целью исключить возможность группирования ошибок в пакеты (на приемной стороне, после деперемежения, декодирование информации относительно легко устраняет одиночные ошибки, т.е. уменьшается вероятность возникновения ошибок после декодирования информации). С выхода Пм (2) информация поступает на первый вход С2 (3), а с выхода Пм (10) - на первый вход С2 (11).
Поток двоичных символов, содержащий информацию об адресе вызываемого абонента, с второго входа ПИ ИК поступает на вход ГКА (6), который формирует адрес вызываемого абонента и направляет его на вход Пр (7). Информация с выхода Пр (7) поступает на вторые входы С2 (3) и (11) и на вход Пр (8). В С2 (3) и (11) в потоки информации, поступающие на их первые входы, с помощью Пр (7) «замешивается» информация об адресе абонента, поступающая с ГКА (6). С выхода С2 (3) информационный поток, содержащий уже признак адреса абонента, поступает на первый вход Ус (4), а с выхода С2 (11) - на первый вход Ус (12). В Ус (4) и (12) с помощью информации, поступающей на их вторые входы с выхода Пр (8), обеспечивается «замешивание» в информационный поток с адресом абонента дополнительной информации, которая поступает на их третьи входы для управления уровнем излучаемой мощности передатчика абонента. Информация с выхода Ус (4) поступает на первый выход ПИ ИК, а информация с выхода Ус (12) поступает на второй выход ПИ ИК.
Поток двоичных символов с первого выхода ПИ первого ИК подается на первый вход ФССК (41) и, следовательно, на первый вход АФМ (13), а поток двоичных символов с второго выхода ПИ первого ИК подается на второй вход ФССК (41) и, следовательно, на первый вход АФМ (18).
Одновременно на четвертые входы АФМ (13) и (18) через восьмой вход ФССК (41) поступают тактовые импульсы с выхода (ДЧ) (37), которые обеспечивают ввод входных двоичных символов в АФМ (13) и (18) соответственно. Частота тактовых импульсов с выхода ДЧ (37) соответствует скорости потока двоичных символов, поступающих с первого и второго выходов ПИ первого ПК на первый и второй входы ФССК (41), а на третьи входы АФМ (13) и (18) через девятый вход ФССК (41) поступает последовательность импульсов с (L+1)-ого выхода ГНОК (39), частота следования которых определяется периодом последовательности, генерируемой ГНОК (39). На второй вход АФМ (13) через четвертый вход ФССК (41) подается нелинейная ортогональная кодовая последовательность с первого выхода ГНОК (39), а на второй вход АФМ (18) через пятый вход ФССК (41) подается нелинейная ортогональная кодовая последовательность с второго выхода ГНОК (39). Учитывая, что принцип работы АФМ (13) и (18) одинаков, достаточно рассмотреть работу одного из них, например, АФМ (13).
Работа АФМ (13) по структурной схеме, представленной на фиг.2.
Итак, на первый вход АФМ (13) а, следовательно, и на первый вход PC (1) подается поток двоичных символов (информационные символы), который тактовыми импульсами, поступающими на второй вход PC (1) через четвертый вход АФМ (13), последовательно вводится в PC (1).
При поступлении m информационных символов (в PC (1) все ячейки заполнены, а m может принимать значения ≥3) на третий вход PC (1) и (m+1)-ый вход БР (2) подается импульс с (Z+1)-го выхода ГНОК (39), который обеспечивает считывание информации из PC (1) в параллельном коде и ее запись в БР (2).
m-1
Состояние разрядов БР (2) (с первого по (m-1)-ый) оценивается Дш (3) и в зависимости от комбинации, характеризующей состояние БР (2), на одном из 1-ых выходов Дш (3), где i принимает значение от 1 до М, а М=2, появится импульс, который поступает на первый вход i-го АК и открывает его. Например, если импульс появляется на первом выходе Дш (3), то он поступает на первый вход АК (8) и открывает его.
Сигнал с m-го выхода БР (2) подается на первый вход ЭК (4) непосредственно, а на первый вход ЭК (5) - через Инв. (6). В зависимости от полярности сигнала на m-ом выходе БР (2) один ЭК закрыт, а другой открыт. Например, при положительном значении сигнала на m-ом выходе БР (2) ЭК (5) закрыт, а ЭК (4) открыт и наоборот. Одновременно на второй вход ЭК (4) непосредственно, а на второй вход ЭК (5) через Инв. (7) подается нелинейная ортогональная кодовая последовательность с l-го выхода ГНОК (39), причем, при открытом ЭК (4) на второй вход П (13) подается прямая, а при открытом ЭК (5) - инвертированная нелинейная ортогональная кодовая последовательность.
Таким образом, знак сигнала на m-ом разряде БР (2) определяет вид нелинейной кодовой последовательности, поступающей на второй вход П (13) (прямая или инвертированная), то есть можно говорить, что осуществляется инверсная (фазовая) модуляция нелинейной ортогональной кодовой последовательности.
i
Второй вход i-го АК соединен с i-ым выходом Дн (12), который «запитывается» от ИЭН (11) напряжением U. Причем напряжение на i-ом выходе Дн (12) U=i (U/M).
Напряжение с i-го выхода Дн (12) через открытый i-ый АК подается на первый вход П (13).
В результате перемножения в П (13) на его выходе нелинейная ортогональная кодовая последовательность приобретает амплитудно-фазовую модуляцию.
Промодулированная по амплитуде и фазе нелинейная ортогональная кодовая последовательность с выхода АФМ (13) подается на первый вход П (14), а с выхода АФМ (18) - на первый вход П (19). На вторые входы П (14) и (19) через третий вход ФССК (41) поступает нелинейная маскирующая последовательность с первого выхода ГНМП (38), длина которой кратна длине нелинейной ортогональной кодовой последовательности, генерируемой ГНОК (39). В результате перемножения входных сигналов значительно повышается структурная скрытность сигнала на выходе и его спектр становится широкополосным. Расширение спектра определяется отношением тактовой частоты формирования последовательности к скорости передачи информации в каждом квадратурном канале.
Сигналы с выходов П (14) и П (19) поступают на ФНЧ (15) и (20) соответственно, в которых подавляется верхняя боковая полоса частот (полоса частот, превышающая значение частоты тактового генератора).
Сигнал с выхода ФНЧ (15) поступает на первый вход ФМ (16), на второй вход которого через шестой вход ФССК (41) поступает косинусная составляющая несущей частоты с первого выхода ГНЧ (24), а сигнал с выхода ФНЧ (20) поступает на первый вход ФМ (21), на второй вход которого через седьмой вход ФССК (41) поступает синусная составляющая несущей частоты с второго выхода ГНЧ (24). В ФМ (16) и (21) спектр сигнала переносится на радиочастоту.
С целью исключения взаимного влияния спектров сигналов квадратурных каналов каждый из сигналов с выходов ФМ (16) и (21) пропускается через соответствующий ПФ (17), (22). Сигнал с выхода ПФ (17) поступает на первый вход С (23), а с выхода ПФ (22) - на второй вход С (23), который обеспечивает линейное сложение квадратурных составляющих. Сигнал с выхода С (23), который является выходом ФССК (41) и выходом канала, подается на первый вход СКС (40).
В остальных информационных каналах и в (L-1) ФССК происходит аналогичное преобразование сигнала.
Работа канала вызова. Рассмотрим работу канала вызова (k=1). На первый вход ПИ KB поступает информация, из которой формируется сигнал вызова, а на второй - информация об адресе абонента. Информация, поступающая на 1 и 2 входы ПИ KB, представляет собой поток двоичных символов. Поток двоичных символов, поступающий на первый вход ПИ KB, Р (25) преобразуется в два потока для создания синфазной и квадратурной составляющих (условно в одном потоке следуют четные символы, а в другом - нечетные). С первого выхода Р (25) первый поток поступает на вход КД (26), а с второго выхода Р (25) второй поток поступает на вход КД (31). Потоки двоичных символов в КД (26) и (31) кодируются избыточным кодом с целью обеспечения возможности исправления ошибок на приемной стороне.
С выхода КД (26) информация поступает на вход Пм (27), а с выхода КД (31) - на вход Пм (32). В Пм (27) и (32) кодированная информация «перемешивается» таким образом, чтобы исключить возможность группирования ошибок на приемной стороне. С выхода Пм (27) информация поступает на первый вход С2 (28), а с выхода Пм (32) - на первый вход С2 (33). Поток двоичных символов, содержащий информацию об адресе вызываемого абонента, со второго входа ПИ KB поступает на вход ГКА (29), который формирует адрес вызываемого абонента и направляет его на вход Пр (30). Информация с выхода Пр (30) поступает на вторые входы С2 (28) и (33). В С2 (28), (33) в потоки информации, поступающие на их первые входы, с помощью Пр (30) «замешивается» информация об адресе абонента, поступающая с ГКА (29). С выхода С2 (28) информационный поток, содержащий уже признак адреса абонента, поступает на первый выход ПИ KB, а с выхода С2 (33) - на второй выход ПИ КВ. Поток двоичных символов с первого и второго выходов ПИ KB подается соответственно на первый и второй входы ФССК (42) KB.
Одновременно на восьмой вход ФССК (42) поступают тактовые импульсы с выхода (ДЧ) (37), а на девятый вход ФССК (42) поступает последовательность импульсов с (L+1)-ого выхода ГНОК (39). На четвертый вход ФССК (42) подается нелинейная ортогональная кодовая последовательность с (N+1)-го выхода ГНОК (39), а на пятый вход ФССК (42) подается нелинейная ортогональная кодовая последовательность с (N+2)-го выхода ГНОК (39). На шестой вход ФССК (42) поступает косинусная составляющая несущей частоты с первого выхода ГНЧ (24), а на седьмой вход ФССК (42) поступает синусная составляющая несущей частоты с второго выхода ГНЧ (24). На третий вход ФССК (42) поступает нелинейная маскирующая последовательность с первого выхода ГНМП (38).
Процесс обработки информации в ФССК (42) аналогичен процессу, рассмотренному в ФССК (41).
С выхода ФССК (42) первого канала вызова сигнал подается на (N+1)-ый вход СКС (40).
Работа служебного канала. Рассмотрим работу последнего служебного канала (j=J). На вход ПИ КС J-ого служебного канала поступает служебная информация, которая представляет собой поток двоичных символов. Эта информация с входа канала поступает на вход КД (34), в котором осуществляется ее избыточное кодирование с целью обеспечения возможности исправления ошибок на приемной стороне.
С выхода КД (34) информация поступает на вход ПС (35), который обеспечивает доведение значения скорости потока двоичных символов на выходе ПИ КС до скорости потока двоичных символов на выходе ПИ ИК и ПИ КВ. С выхода ПС (35) поток двоичных символов поступает на выход ПИ КС, а с выхода ПИ КС подается одновременно на первый и второй входы ФССК (43) J-го КС.
Одновременно на восьмой вход ФССК (43) поступают тактовые импульсы с выхода (ДЧ) (37), а на девятый вход ФССК (43) поступает последовательность импульсов с (L+1)-ого выхода ГНОК (39). На четвертый вход ФССК (43) подается нелинейная ортогональная кодовая последовательность с L-го выхода ГНОК (39), а на пятый вход ФССК (43) подается нелинейная ортогональная кодовая последовательность с первого выхода ГНОК (39). На шестой вход ФССК (43) поступает косинусная составляющая несущей частоты с первого выхода ГНЧ (24), а на седьмой вход ФССК (43) поступает синусная составляющая несущей частоты с второго выхода ГНЧ (24). На третий вход ФССК (43) поступает нелинейная маскирующая последовательность с первого выхода ГНМП (38).
Процесс обработки информации в ФССК (43) аналогичен процессу, рассмотренному в ФССК (41).
С выхода ФССК (43) J-го КС сигнал подается на (N+K+J)-ый вход СКС (40).
Сигналы с выходов всех ФССК линейно складываются в СКС (40), с выхода которого сигнал подается на усилитель мощности (на фиг.1 не показан).
На первый вход ГНОК (39) поступают тактовые импульсы от ТТ (36), которые обеспечивают формирование в нем нелинейных ортогональных кодовых последовательностей, которые снимаются с его L выходов (с 1-го по L-ый).
На (L+1)-ом выходе ГНОК (39) один раз за период нелинейной ортогональной кодовой последовательности формируется импульс, который, поступая на девятые входы ФССК всех каналов, обеспечивает синхронную работу ПИ всех каналов с соответствующими ФССК, а, поступая на второй вход ДЧ (37), устанавливает его в исходное состояние и тем самым обеспечивает синхронную работу ДЧ (51) и ГНОК (39).
На второй вход ГНОК (39) со второго выхода ГНМП (38) поступает последовательность импульсов, которые обеспечивают взаимную синхронную работу ГНОК (39) и ГНМП (38), а частота следования этих импульсов определяется периодом нелинейной маскирующей последовательности.
Сравнительная оценка спектральной эффективности заявляемого устройства и прототипа
Сравнительную оценку пропускной способности заявляемого устройства и прототипа будем проводить при следующих общих допущениях:
1. Ширина частотного спектра сигналов соответствует выделенной полосе частот для организации связи.
2. Требования к качеству принимаемой информации одинаковые.
3. Пропускная способность каналов вызова и служебных каналов одинаковая.
4. Способ модуляции сигналов в информационных каналах заявляемого устройства - М-ичный амплитудно-фазовый, а в информационных каналах прототипа - фазовый.
K
K
эи
Спектральную эффективность будем оценивать коэффициентом спектральной эффективности е, который представляет собой отношение скорости передачи информации в системе NR (где R - скорость потока двоичных данных на входе информационного канала, а N - число информационных каналов) к выделенной полосе спектра частот для организации связи ΔF, которая определяется длительностью элементарного символа нелинейной ортогональной кодовой последовательности t, генерируемой ГНОК (39).
При этом возможны следующие два варианта реализации передачи информации в рассматриваемых устройствах:
кп
зу
1. Скорость потока двоичных данных на входе информационного канала в прототипе R и в заявляемом устройстве R - разная, а число информационных каналов - одинаковое.
кп
зу
2. Скорость потока двоичных данных на входе информационного канала в прототипе R и в заявляемом устройстве R - одинаковая, а число информационных каналов - разное.
Оценка спектральной эффективности прототипа. Для прототипа коэффициент спектральной эффективности можно представить в виде:
ии
где t - длительность информационного символа;
кп
R - скорость потока двоичных данных на входе информационного канала в прототипе;
P - число элементарных символов в нелинейной ортогональной кодовой последовательности (длина нелинейной ортогональной кодовой последовательности).
зу
кп
зу
к
Оценка спектральной эффективности заявляемого устройства при R≠R. При оценке спектральной эффективности заявляемого устройства будем исходить из следующего, что нем применяется М-ичная амплитудно-фазовая модуляция, при использовании которой каждой нелинейной ортогональной кодовой последовательности, поступающей на четвертые и пятые входы ФССК каждого информационного канала с соответствующего выхода ГНОК (39) ставится в соответствие т двоичных единиц информации. Следовательно, при использовании нелинейной ортогональной кодовой последовательности той же длины Р, которую она имеет в прототипе, для обеспечения согласованной работы АФМ (13) и (18), необходимо, чтобы скорость ввода данных в каждый информационный канал была увеличена в т раз, т.е. R=m·R. Тогда коэффициент спектральной эффективности заявляемого устройства будет иметь вид:
Из выражений (1) и (2) следует, что коэффициент спектральной эффективности заявляемого устройства в т раз превышает коэффициент спектральной эффективности прототипа.
зу
кп
зу
зу
Оценка спектральной эффективности заявляемого устройства при R=R=R. Поскольку скорость ввода данных в прототипе и заявляемом устройстве принята одинаковой, то для обеспечения согласованной работы АФМ (13) и (18), необходимо, чтобы длина нелинейной ортогональной кодовой последовательности была увеличена в m раз, то есть P=m P, а следовательно, и ансамбль ортогональных последовательностей, формируемых ГНОК (39), также возрастет ≈ в m раз [4, с.30], что позволяет увеличить число информационных каналов в m раз, то есть N≈m N. Тогда коэффициент спектральной эффективности заявляемого устройства можно представить в виде:
Принимая во внимание, что , выражение (3) будет иметь вид:
Из (4) следует, что коэффициент спектральной эффективности заявляемого устройства по сравнению с прототипом также возрастает в m раз.
Из анализа рассмотренных выше вариантов реализации предлагаемого технического решения следует, что:
первый вариант имеет менее сложную аппаратурную реализацию и его целесообразно использовать в системах связи, абоненты которых требуют высокие скорости передачи информации;
второй вариант позволяет более гибко управлять пропускной способностью в зависимости от требований абонентов, а также повысить помехозащищенность и структурную скрытность используемых сигналов.
Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает более высокую спектральную эффективность передачи информации в перспективных системах связи по сравнению с известными (приблизительно в m раз).
Делитель частоты (37) является делителем частоты повторения импульсов, построенным на основе двоичных ячеек. Принципы построения таких делителей описаны в [5, с.172].
Источники информации
1. Новые стандарты широкополосной радиосвязи на базе технологии W-CDMA, М.: Международный центр научно-технической информации, 1999. (стр.38-58).
2. Vijay К. Garg. IS-95 CDMA and cdma2000 Cellular/PCS Systems Implementation. Pretice Hall, PTR, 2000.
3. Патент на изобретение №2494550, приоритет изобретения 19.12.2011 г., опубликовано: 27.09.2013 г., Бюл. №27, (прототип).
4. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Под ред. Г.И. Тузова. - М.: Радио и связь, 1985. - 264 с.
5. Телицин A.M., Криницкий Р.Л. Преобразователи сигналов в радиоэлектронных системах. - М.: МО СССР, 1982. - 335 с.