СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВОСЬМИТОЧЕЧНОЙ СИГНАЛЬНО-КОДОВОЙ КОНСТРУКЦИИ
METHOD AND SYSTEM OF EIGHT-POINT SIGNAL-CODE SEQUENCE GENERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к передаче данных, а конкретнее - к способу формирования восьмиточечной сигнально-кодовой конструкции и к системе для формирования восьмиточечной сигнально-кодовой конструкции.
Уровень техники
Как известно в данной области техники, сигнал связи, например радиосигнал, может быть представлен мгновенным комплексным значением на двумерной комплексной плоскости, где координата по одному измерению соответствует синусоидальной компоненте радиосигнала, а координата по второму измерению соответствует косинусоидальной компоненте радиосигнала. Известно, что функции косинус и синус взаимно ортогональны, поэтому их корреляция равна нулю. Это означает, что два этих значения расположены под прямым углом друг к другу. Обычно их обозначают I (от in phase) и Q (от quadrature phase), что означает «Синфазное» и «Квадратурное» (http://conture.by/post/592). В этом пространстве сигналов, которое является плоскостью, других ортогональных измерений не существует.
Известно также, что символы, представляющие группы битов, могут быть расположены на плоскости I-Q так, что любые два символа достаточно отделены друг от друга, чтобы избежать путаницы при их приеме, если отношение сигнал/шум (С/Ш) находится на высоком уровне (патент США №6807238, опубл. 19.10.2004). Например, 8 символов могут быть равномерно расположены на окружности на равных углах одна от другой (восьмипозиционная фазовая манипуляция, 8 ФМн), и при этом каждой точке назначаются три двоичных бита. Получающаяся восьмиточечная сигнально-кодовая конструкция (СКК) показана на Фиг. 1а, где указаны также расстояния между некоторыми точками этой СКК. На Фиг. 1б пунктирными линиями обозначены расстояния точек той же СКК от начала координат, а сплошные линии между этими пунктирами разделяют области решения для каждой точки. Если принятый сигнал имеет такие косинусную и синусную составляющие, т.е. такие координаты I и Q, что изображающая точка попадает в какую-либо область решения, то этот сигнал считается соответствующим той точке на окружности, которая лежит в середине этой области решения. Поскольку каждая точка СКК соответствует тройке двоичных разрядов передаваемого сообщения, прием сигнала, для которого изображающая точка попадает в ту или иную область решения, означает прием той из передаваемых троек, изображающая точка которой лежит в этой области решения.
Соответственно, известно много технических решений, использующих данный метод. См., в качестве примера, патент РФ №2099786 (опубл. 20.12.1997), патент США №8483308 (опубл. 09.07.2013), заявку США №2011/0150143 (опубл. 23.06.2011), заявку Китая №103166890 (опубл. 19.06.2013), патент Кореи №101221023 (опубл. 21.01.2013).
В заявке Великобритании №2389019 (опубл. 26.11.2003) рассмотрен способ формирования восьмиточечной СКК, в котором сигналы восьмипозиционной фазовой манипуляции размещаются аналогично рассмотренной СКК, но одна из ее точек перемещается в середину конструкции. В этом случае передаваемые сигналы получаются поворотом фазы, который на приеме осуществляется синхронизированно с поворотом фазы на передаче. Данное обстоятельство резко усложняет систему и обеспечивает лишь небольшой выигрыш в отношении С/Ш по сравнению с обычной восьмиточечной СКК.
Специалисту понятно, что чем больше минимальное расстояние между соседними точками СКК, тем при меньших отношениях сигнал/шум (С/Ш) возможен правильный прием сигналов.
Раскрытие изобретения
Задача данного изобретения состоит в разработке такого способа формирования восьмиточечной сигнально-кодовой конструкции и такой соответствующей системы, которые расширяли бы известный арсенал технических средств и обеспечивали при этом выигрыш в соотношении С/Ш по сравнению с известными восьмиточечными СКК.
t
s
t
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ формирования восьмиточечной сигнально-кодовой конструкции, в котором: строят фазовый портрет сигнально-кодовой конструкции (именуемой далее СКК) путем размещения одной точки этой СКК в центре координат и разнесения семи точек равноудаленно по окружности радиусом 1,07, выходящим из этого центра координат; ставят в соответствие каждой точке построенного фазового портрета трехразрядное двоичное число так, чтобы в каждой паре трехразрядных двоичных чисел, соответствующих соседним точкам из семи точек фазового портрета, разнесенных по окружности, отличался только один из трех разрядов; разбивают входной поток двоичных данных, поступающих с тактовой частотой f, на следующие одна за другой трехразрядные группы битов; генерируют синфазный и квадратурный несущие сигналы с заранее заданной несущей частотой для синфазного канала и квадратурного канала соответственно; осуществляют регулировку амплитуды синфазного и квадратурного несущих сигналов в соответствии со значениями, получаемыми при проецировании на соответствующие координатные оси той точки фазового портрета, для которой поставленное в соответствие трехразрядное двоичное число повторяет комбинацию двоичных разрядов в очередной трехразрядной группе битов; при этом значения для осуществления регулировки амплитуды меняют с частотой f переключения, которая втрое меньше тактовой частоты f.
Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что точке фазового портрета в центре координат могут ставить в соответствие двоичное число 010.
При этом могут располагать одну из остальных семи точек СКК на одной из осей координат, в качестве которой могут выбирать вертикальную ось или горизонтальную ось, а точке фазового портрета на вертикальной оси могут ставить в соответствие двоичное число 000.
t
s
t
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложена система для формирования восьмиточечной сигнально-кодовой конструкции, содержащая: формирователи синфазного и квадратурного несущих сигналов с заранее заданной несущей частотой для синфазного канала и квадратурного канала соответственно; последовательно-параллельный преобразователь, выполненный с возможностью разбиения входного потока двоичных данных, поступающих с тактовой частотой f, на следующие одна за другой трехразрядные группы битов; первый и второй регуляторы амплитуды в синфазном и квадратурном каналах соответственно, выполненные с возможностью осуществления регулировки амплитуды соответствующих несущих сигналов; формирователь частоты переключения, выполненный с возможностью формирования сигнала с частотой f переключения, которая втрое меньше тактовой частоты f, предназначенного для изменения регулировки амплитуды в первом и втором регуляторах амплитуды; сумматор, выполненный с возможностью суммирования отрегулированных по амплитуде несущих сигналов для формирования выходного сигнала сигнально-кодовой конструкции, именуемой далее СКК; блок отображения, выполненный с возможностью выдачи значений для регулировки амплитуды несущих сигналов в соответствии с фазовым портретом СКК, построенным путем размещения одной точки этой СКК в центре координат и разнесения семи точек равноудаленно по окружности радиусом 1,07, выходящим из этого центра координат, причем каждой точке построенного фазового портрета ставится в соответствие трехразрядное двоичное число так, чтобы в каждой паре трехразрядных двоичных чисел, соответствующих соседним точкам из семи точек фазового портрета, разнесенных по окружности, отличался только один из трех разрядов, при этом значения для регулировки амплитуды получаются при проецировании на соответствующие координатные оси той точки фазового портрета, для которой поставленное в соответствие трехразрядное двоичное число повторяет комбинацию двоичных разрядов в очередной трехразрядной группе битов.
Особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что точке фазового портрета в центре координат может быть поставлено в соответствие двоичное число 010.
При этом одна из остальных семи точек СКК может быть расположена на одной из осей координат, в качестве которой может быть выбрана вертикальная ось или горизонтальная ось, а точке фазового портрета на вертикальной оси может быть поставлено в соответствие двоичное число 000.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется далее приложенными чертежами.
Фиг. 1а иллюстрирует расстояния между некоторыми точками в известной восьмиточечной сигнально-кодовой конструкции (при использовании модуляции типа 8 ФМн).
Фиг. 1б иллюстрирует области решения для СКК по Фиг. 1а.
Фиг. 1в иллюстрирует СКК по заявке Великобритании №2389019.
Фиг. 2а иллюстрирует восьмиточечную сигнально-кодовую конструкцию по настоящему изобретению.
Фиг. 2б иллюстрирует области решения для СКК по Фиг. 2а.
Фиг. 3 представляет условную схему формирователя передаваемых сигналов в соответствии с СКК по Фиг. 2а.
Фиг. 4 показывает зависимости вероятности появления ошибки на выходе демодулятора от соотношения С/Ш для известной СКК и СКК по настоящему изобретению.
Подробное описание вариантов осуществления
В основе настоящего изобретения лежит использование нового вида восьмиточечной (восьмипозиционной) амплитудно-фазовой манипуляции, 8 АФМн (eight-point or eight-position amplitude and phase-shift keying, 8APSK). Соответствующая этому виду модуляции сигнально-кодовая конструкция («сигнальное созвездие») показана на Фиг. 2а, где горизонтальная и вертикальная оси соответствуют амплитудам синфазного и квадратурного каналов. В СКК по Фиг. 2а одна из точек расположена в центре и ей соответствуют нулевые амплитуды по обеим осям, т.е. сигнал нулевой мощности. Следовательно, если для обычной 8 ФМн мощность всех восьми «символов» принять за 8Р, где Р есть мощность, приходящаяся на один символ, то для предлагаемой 8 АФМн на каждый символ приходится .
Тогда для соблюдения равных с модуляцией 8 ФМн энергетических условий точки СКК для 8 АФМн должны располагаться на окружности, радиус которой примерно в  раз больше радиуса для 8 ФМн.
Как видно из Фиг. 2а, минимальные расстояния между точками этой СКК больше, чем для СКК известной модуляции 8 ФМн (Фиг. 1б). Области решения для точек предлагаемой СКК показаны на Фиг. 2б.
Специалисту понятно, что положение семи точек на окружности радиуса 1,07 может быть любым. Предпочтительно, однако, чтобы одна из этих точек находилась на одной из координатных осей I или Q, что соответствует нулевой амплитуде косинусного или синусного составляющих колебаний. Если в качестве такой оси выбрана вертикальная ось Q, то находящейся на ней точке целесообразно поставить в соответствие тройку двоичных разрядов 000. Для центральной же точки можно выбрать тройку двоичных разрядов 010 или 101.
Реализовать предложенную СКК можно с помощью системы для формирования восьмиточечной сигнально-кодовой конструкции, которая содержит:
- формирователи синфазного и квадратурного несущих сигналов с заранее заданной несущей частотой для синфазного канала и квадратурного канала соответственно;
t
- последовательно-параллельный преобразователь, выполненный с возможностью разбиения входного потока двоичных данных, поступающих с тактовой частотой f, на следующие одна за другой трехразрядные группы битов;
- первый и второй регуляторы амплитуды в синфазном и квадратурном каналах соответственно, выполненные с возможностью осуществления регулировки амплитуды соответствующих несущих сигналов;
s
t
- формирователь частоты переключения, выполненный с возможностью формирования сигнала с частотой f переключения, которая втрое меньше тактовой частоты f, предназначенного для изменения регулировки амплитуды в первом и втором регуляторах амплитуды;
- сумматор, выполненный с возможностью суммирования отрегулированных по амплитуде несущих сигналов для формирования выходного сигнала СКК;
- блок отображения, выполненный с возможностью выдачи значений для регулировки амплитуды несущих сигналов в соответствии с фазовым портретом СКК, построенным путем размещения одной точки этой СКК в центре координат и разнесения семи точек равноудаленно по окружности радиусом 1,07, выходящим из этого центра координат, причем каждой точке построенного фазового портрета ставится в соответствие трехразрядное двоичное число так, чтобы в каждой паре трехразрядных двоичных чисел, соответствующих соседним точкам из семи точек фазового портрета, разнесенных по окружности, отличался только один из трех разрядов, при этом значения для регулировки амплитуды получаются при проецировании на соответствующие координатные оси той точки фазового портрета, для которой поставленное в соответствие трехразрядное двоичное число повторяет комбинацию двоичных разрядов в очередной трехразрядной группе битов.
На Фиг. 3 показана блок-схема данной системы. На Фиг. 3 введены следующие обозначения:
1 - последовательно-параллельный преобразователь,
2 - формирователь частоты переключения,
3 - блок отображения,
4 - формирователи синфазного и квадратурного несущих сигналов,
5 - первый регулятор амплитуды,
6 - второй регулятор амплитуды,
7 - сумматор,
8 - входной поток двоичных данных,
9 - сигнал тактовой частоты,
10 - выходной сигнал СКК.
t
s
t
Последовательно-параллельный преобразователь 1 может быть выполнен в виде трехразрядного сдвигового регистра, на сигнальный вход которого поступает входной поток 8 двоичных данных с тактовой частотой f. Сигнал 9 таковой частоты подается на тактовый вход последовательно-параллельного преобразователя 1 и на вход формирователя 2 частоты переключения. Формирователь 2 частоты переключения может быть выполнен в виде делителя частоты на три любым известным специалистам образом. Сигнал с частотой f=f/3 с выхода формирователя 2 частоты переключения подается на синхровходы последовательно-параллельного преобразователя 1 и блока 3 отображения, на сигнальный вход которого поступают тройки двоичных чисел с последовательно-параллельного преобразователя 1.
Блок 3 отображения предназначен для преобразователя троек двоичных чисел в значения амплитуд несущего колебания в синфазном и квадратурном каналах в соответствии с раскрытой выше восьмиточечной сигнально-кодовой конструкцией. Блок 3 отображения может быть выполнен в виде соответственно запрограммированного процессора либо на программируемой логической матрице (ПЛМ). Его работа поясняется далее.
0
0
0
Синфазный и квадратурный несущие сигналы с частотой f в виде колебаний cos(2πft) и sin(2πft) на выходах соответствующих формирователей, условно показанных на Фиг. 3 в виде одного блока 4, поступают на опорные входы первого регулятора 5 амплитуд и второго регулятора 6 амплитуд, на сигнальные входы которых подаются соответствующие значения амплитуд синфазного (на блок 5) и квадратурного (на блок 6) колебаний с соответственных выходов блока 3 отображения. Выходные сигналы с первого регулятора 5 амплитуд и второго регулятора 6 амплитуд поступают на соответственные входы сумматора 7, с выхода которого снимается выходной сигнал 10 сигнально-кодовой конструкции.
0
Формирователи 4 синфазного и квадратурного несущих сигналов могут быть выполнены в виде одного генератора высокочастотного сигнала, имеющего частоту f, причем один из несущих сигналов снимается непосредственно с выхода генератора, а другой - с выхода фазовращателя на π/2, подключенного своим входом к выходу этого генератора. Оба регулятора 5 и 6 амплитуд могут быть выполнены в виде перемножителей, как это известно специалистам.
Реализация способа по настоящему изобретению происходит следующим образом.
t
s
t
Входной поток 8 двоичных данных, следующих с тактовой частотой f, разделяется в последовательно-параллельном преобразователе 1 на группы по три бита каждая, которые поступают в блок 3 отображения. Работа последовательно-параллельного преобразователя 1 и блока 3 отображения синхронизируется сигналом с частотой f=f/3 с выхода формирователя 2 частоты переключения.
В блоке 3 отображения каждой поступающей группе битов ставится в соответствие точка сигнально-кодовой конструкции по Фиг. 2а. Фазовый портрет этой СКК имеет в центре координат одну сигнальную точку, на удалении от которой разнесены еще семь точек равноудаленно по окружности радиусом 1,07, выходящим из центра координат. Каждая из построенных восьми точек соответствует одной из 8 трехразрядных комбинаций двоичных чисел, причем для двух соседних точек, расположенных по окружности, двоичные комбинации отличаются лишь в одном разряде.
При этом, если одна из точек на окружности расположена на вертикальной оси, соответствующей синфазному каналу I и этой точке поставлена в соответствие трехразрядная комбинация 000, следующей (по часовой стрелке) точке - комбинация 001, а центральной точке - комбинация 010, то последовательность двоичных данных вида 001000010 будет сначала разделена на тройки 001 000 010, которым на выходах блока 3 отображения будут соответствовать пары амплитуд (0,62; 0,78), (1; 0), (0; 0).
Эти пары амплитуд будут соответственно модулировать синфазное и квадратурное несущие колебания с блока 4 в первом регуляторе 5 амплитуд и втором регуляторе 6 амплитуд. Сумма промодулированных таким образом несущих колебаний с выхода сумматора 7 и даст амплитудно-фазоманипулированный сигнал, соответствующий рассмотренной выше новой сигнально-кодовой конструкции.
-3
Поскольку расстояние между точками этой СКК больше, чем при обычной 8 ФМн, пропускная способность канала связи с таким видом модуляции (при равных энергетических условиях) выше. Это прямо следует из Фиг. 4, где приведены кривые зависимости вероятности появления ошибки в двоичном разряде (BER - Bit Error Rate) от соотношения С/Ш. Для значений BER от 3⋅10 и ниже выигрыш составляет 1,5 дБ и более.
Для приема сигнала с предложенной модуляцией демодулятор может быть таким же, как и для обычной 8 ФМн. Единственное отличие будет состоять в том, что вместо диаграммы областей решений по Фиг. 1б нужно будет использовать диаграмму областей решений по Фиг. 2б. Иначе говоря, когда принимаемый сигнал отображается в некоторую точку в пределах той или иной области решения, этому сигналу ставится в соответствие та точка предложенной СКК, вокруг которой построена данная область решений.
Таким образом, в настоящем изобретении предложены такой способ формирования новой восьмиточечной сигнально-кодовой конструкции и такая реализующая этот способ система, которые расширяют арсенал технических средств и обеспечивают выигрыш в соотношении С/Ш по сравнению с известными восьмиточечными СКК.