МОДЕМ ДЛЯ СИГНАЛОВ СО МНОГИМИ НЕСУЩИМИ

Полезная модель относится к технике связи, преимущественно к системам радиосвязи диапазона высоких частот (ВЧ) и может быть использована для передачи и приема дискретной информации в каналах связи, характеризующихся многолучевым распространением и доплеровским рассеянием.
Для передачи и приема дискретной информации по каналам систем радиосвязи ВЧ диапазона используются различные устройства, выполненные в виде отдельных функционально-законченных устройств, в том числе для передачи информации - модуляторы, а для приема информации - демодуляторы. В основу их работы положены принципы формирования и демодуляции сигналов с использованием различных видов модуляции и методов повышения помехоустойчивости приема. Однако в большинстве известных устройств показатели помехоустойчивости являются низкими, а раздельное конструктивное выполнение таких устройств не позволяет также повысить надежность их работы. Все это ограничивает возможность широкого их использования.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является модем для сигналов со многими несущими, схема и технические возможности которого описаны в патенте на полезную модель №27766 [1]. Эта полезная модель содержит на передающей стороне последовательно-параллельный преобразователь, формирователь комплексных значений передаваемых символов с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ), блок обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ), параллельно-последовательный преобразователь, блок добавления защитного интервала, цифроаналоговый преобразователь и амплитудный модулятор, а на приемной стороне содержит аналого-цифровой преобразователь, блок синхронизации, блок удаления защитного интервала, последовательно-параллельный преобразователь, блок дискретного преобразования Фурье, блок демодуляции символов с относительной фазовой манипуляцией, параллельно-последовательный преобразователь и амплитудный демодулятор.
Основными недостатками известного устройства является сложность реализации и относительно низкая помехоустойчивость передаваемой информации.
Целью полезной модели является повышение помехоустойчивости передаваемой информации, надежности работы и упрощение схемы устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в модем для сигналов со многими несущими, содержащий передающий тракт, включающий в себя модулятор, состоящий из блока последовательно-параллельного преобразователя, формирователя комплексных значений передаваемых символов с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ), блока обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ), блока параллельно-последовательного преобразователя и цифроаналогового преобразователя (ЦАП); приемный тракт, включающий в себя демодулятор, состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), блока последовательно-параллельного преобразователя, блока прямого дискретного преобразования Фурье (ПДПФ) и блока параллельно-последовательного преобразователя, введены дополнительно в передающий тракт второй ЦАП, два умножителя, фазовращатель, генератор сигналов радиочастоты и сумматор, в приемный тракт введены блок входного согласования, два умножителя, фазовращатель, генератор сигналов радиочастоты, два фильтра, второй АЦП и блок детекторов, при этом цифровой сигнал s(n) группового потока от источника информации (ИИ) подключен ко входу блока последовательно-параллельного преобразователя модулятора передающего тракта, N выходов которого подключены к N входам формирователя комплексных значений передаваемых символов с ОФМ, N выходов которого подключены к N входам блока ОДПФ, первый и второй выходы которого подключены ко входам соответственно первого и второго ЦАП, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго умножителей, управляющий вход которого соединен с выходом генератора сигналов радиочастоты и с управляющим входом фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом первого умножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя, с выхода сумматора сигнал s(f) радиочастоты передается на вход канала связи (КС) для излучения в эфир; на приеме сигнал s(f) радиочастоты из эфира с выхода канала связи (КС) поступает на вход блока входного согласования демодулятора приемного тракта, первый и второй выходы которого подключены ко входам соответственно первого и второго умножителей, управляющий вход которого соединен с выходом фазовращателя, выход генератора сигналов радиочастоты соединен с управляющими входами фазовращателя и первого умножителя, выход которого через первый фильтр соединен со входом первого АЦП, выход которого соединен с первым входом блока ПДПФ, второй вход которого соединен с выходом второго АЦП, вход которого через второй фильтр соединен с выходом второго умножителя, N выходов блока ПДПФ подключены к N входам блока детекторов, N выходов которого подключены к N входам блока параллельно-последовательного преобразователя, цифровой сигнал s(n) группового потока с выхода которого подается потребителю информации (ПИ); при этом вход блока последовательно-параллельного преобразователя модулятора передающего тракта является информационным входом модема, информационным выходом которого является выход блока последовательно-параллельного преобразователя демодулятора приемного тракта, а выход сумматора является канальным выходом модема, канальным входом которого является вход блока входного согласования.
Предлагаемая полезная модель отличается от прототипа наличием новых блоков: в передающем тракте второго цифроаналогового преобразователя, двух умножителей, фазовращателя, генератора сигналов радиочастоты и сумматора, в приемном тракте блока входного согласования, двух умножителей, фазовращателя, генератора сигналов радиочастоты, двух фильтров, второго аналого-цифрового преобразователя и блока детекторов, а также изменением связей между остальными известными блоками, что способствовало достижению поставленной цели.
Предлагаемый модем для сигналов со многими несущими изготавливается из стандартных элементов и функционально-законченных узлов вычислительной и коммутационной техники, которые серийно выпускаются промышленностью. Он собирается с помощью стандартного оборудования и не требует дополнительного технического творчества, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемая полезная модель удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема модема для сигналов со многими несущими, а на фиг. 2 показаны графики вероятности ошибки на бит для модема с двоичной и четырехпозиционной относительной фазовой манипуляцией (ОФМ).
Модем для сигналов со многими несущими содержит (фиг. 1) передающий тракт, включающий в себя модулятор 1, состоящий из блока 2 последовательно-параллельного преобразователя, формирователя 3 комплексных значений передаваемых символов с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ), блока 4 обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ), первого 5 и второго 6 цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), первого 7 и второго 8 умножителей, фазовращателя 9, генератора 10 сигналов радиочастоты и сумматора 11; приемный тракт, включающий в себя демодулятор 12, состоящий из блока 13 входного согласования, первого 14 и второго 15 умножителей, фазовращателя 16, генератора 17 сигналов радиочастоты, первого фильтра 18, первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 19, второго фильтра 20, второго АЦП 21, блока 22 прямого дискретного преобразования Фурье (ПДПФ), блока 23 детекторов и блока 24 параллельно-последовательного преобразователя.
Цифровой сигнал s(n) группового потока от источника информации (ИИ) подключен ко входу блока 2 последовательно-параллельного преобразователя модулятора 1 передающего тракта, N выходов которого подключены к N входам формирователя 3 комплексных значений передаваемых символов с ОФМ, N выходов которого подключены к N входам блока 4 ОДПФ, первый и второй выходы которого подключены ко входам соответственно первого 5 и второго 6 ЦАП, выходы которых подключены ко входам соответственно первого 7 и второго 8 умножителей, управляющий вход которого соединен с выходом генератора 10 сигналов радиочастоты и с управляющим входом фазовращателя 9, выход которого соединен с управляющим входом первого умножителя 7, выход которого соединен с первым входом сумматора 11, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя 8, с выхода сумматора сигнал s(f) радиочастоты передается на вход канала связи (КС) для излучения в эфир.
На приеме сигнал s(f) радиочастоты из эфира с выхода канала связи (КС) поступает на вход блока 13 входного согласования демодулятора 12 приемного тракта, первый и второй выходы которого подключены ко входам соответственно первого 14 и второго 15 умножителей, управляющий вход которого соединен с выходом фазовращателя 16, выход генератора 17 сигналов радиочастоты соединен с управляющими входами фазовращателя 16 и первого умножителя 14, выход которого через первый фильтр 18 соединен со входом первого АЦП 19, выход которого соединен с первым входом блока 22 ПДПФ, второй вход которого соединен с выходом второго АЦП 21, вход которого через второй фильтр 20 соединен с выходом второго умножителя 15. N выходов блока 22 ПДПФ подключены к N входам блока 23 детекторов, N выходов которого подключены к N входам блока 24 параллельно-последовательного преобразователя, сигнал s(n) группового потока с выхода которого подается потребителю информации (ПИ). При этом вход блока 2 последовательно-параллельного преобразователя модулятора 1 передающего тракта является информационным входом модема, информационным выходом которого является выход блока 24 последовательно-параллельного преобразователя демодулятора 12 приемного тракта, а выход сумматора 11 является канальным выходом модема, канальным входом которого является вход блока 13 входного согласования.
1
2
n
В основу алгоритма работы модема для сигналов со многими несущими положена технология ортогонального частотного мультиплексирования OFDM, которая была разработана ранее и успешно используется в устройствах для борьбы с помехами при многолучевом приеме. При OFDM последовательный цифровой поток преобразуется в большое число параллельных потоков (субпотоков), каждый из которых передается на отдельной несущей. Частотный разнос между соседними несущими f, f, …f в групповом радиоспектре OFDM выбирается из условия возможности выделения в демодуляторе индивидуальных несущих.
2
1
Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был постоянен и точно равен значению Δf=1/TU. То есть на интервале TU должно укладываться целое число периодов разносной частоты (f-f). Выполнение этого соотношения достигается введением в модеме OFDM двух видов сигналов синхронизации: сигналов для синхронизации несущих частот группового спектра и сигналов для синхронизации тактовых частот функциональных блоков демодулятора.
Таким образом, при OFDM временной интервал символа субпотока делится на две части - защитный интервал, в течение которого оценка значения символа в декодере не производится, и рабочий интервал символа, за время которого принимается решение о значении принятого символа. Технически метод OFDM реализуется путем выполнения обратного (инверсного) дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуляторе передающего тракта и прямого дискретного преобразования Фурье в демодуляторе приемного тракта модема.
Предлагаемый модем для сигналов со многими несущими работает следующим образом.
0
1
n-2
n-1
На передаче цифровой сигнал s(n) группового потока, обрабатываемый словами по N*M бит, где N - количество информационных несущих, M - количество бит, передаваемых на одной несущей, поступает от источника информации (ИИ) на вход блока 2 последовательно-параллельного преобразователя модулятора 1 передающего тракта и через него на вход формирователя 3 комплексных значений передаваемых символов с ОФМ, в которых происходит преобразование из последовательного кода в параллельные N посылок по M бит, которые модулируются согласно битовым картам, выходной сигнал с которых (X, X, …, X, X) поступает на вход блока 4 ОДПФ, где путем преобразования входных значений из спектральной во временную область происходит OFDM модуляция. Блок 4 ОДПФ обеспечивает точное соблюдение условий ортогональности для формируемого OFDM сигнала. Подготовленный блок данных из N частот, то есть 2N значений (Im - мнимое и Re - реальное) частоты преобразовывается в блоке 4, где получается 2N временных отсчетов, которые передаются с частотой дискретизации. После чего на вход блока 4 подается следующий блок данных. В результате получается абсолютно корректный OFDM сигнал с сеткой из N частот. Использующаяся в блоке 4 ОДПФ постоянная составляющая не используется и равна нулю, поэтому реально используется максимум N-1 частот. Блок 4 ОДПФ работает с комплексными числами, поэтому результатом преобразования в блоке 4 являются N комплексных значений. Для преобразования комплексных значений во временные отсчеты используется квадратурная модуляция, при которой осуществляется перемножение реальных (Re) и мнимых (Im) частей сигнала отдельно с сигналом несущей с нулевой фазой и фазой, смещенной на 90 градусов соответственно, и сложения получившихся сигналов.
Получившиеся на выходе блока 4 ОДПФ квадратурные составляющие (мнимая и реальная) с помощью первого 5 и второго 6 цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) переводятся из цифровой в аналоговую форму, переносятся в область радиочастот с помощью первого 7 и второго 8 умножителей и фазовращателя 9 путем умножения квадратурных составляющих сигнала с сигналом с выхода генератора радиочастоты. Затем сигналы с выхода умножителей 7 и 8 складываются в сумматоре 11, с выхода которого сигнал s(f) поступает на вход канала связи (КС) для излучения в эфир.
0
1
n-2
n-1
На приеме сигнал s(f), поступающий из эфира по каналу связи (КС), в демодуляторе 12 приемного тракта сначала с помощью первого 14 и второго 15 умножителей, фазовращателя 16 и генератора 17 сигналов радиочастоты разделяется на квадратурные составляющие и переносится в область низких частот путем перемножения на квадратурные составляющие сигнала с генератора 17 радиочастоты. После этого квадратурные составляющие фильтруются с помощью квадратурных фильтров 18 и 20 и поступают на аналого-цифровые преобразователи 19 и 21, с выходов которых цифровые квадратурные сигналы поступают на блок 22 прямого дискретного преобразования Фурье (FFT), где в результате дискретного преобразования Фурье они демодулируются и на выходе блока 22 образуют N посылок (Υ, Υ, …Υ, Υ), переводящихся в блоке 23 детекторов бит в N потоков по M бит. Затем N посылок собираются в цифровой поток s(n) путем преобразования параллельного потока в последовательный с помощью блока 24 последовательно-параллельного преобразователя и с его выхода цифровой поток s(n) поступает к получателю информации (ПИ).
Для того чтобы избежать межсимвольных искажений, перед каждым OFDM символом вводится защитный интервал. Это гарантирует сохранение ортогональности поднесущих. Величина защитного интервала в предлагаемой полезной модели определяется количеством несущих колебаний OFDM модема. Чтобы достигнуть максимальной скорости передачи информации и помехоустойчивости приема защитный интервал должен быть ниже 1/4 времени полезного символа, и, естественно, должен быть как можно короче.
В качестве примера практической реализации предлагаемой полезной модели разработан модем для сигналов со многими несущими на базе оценочных плат ADDS-2106x-EZ-LITE (макетная плата ADI 21061 EZ-LAB) и ADDS-21065-EZ-LITE (макетная плата ADI 21065L EZ-LAB) с программным обеспечением к ним. В данном примере каналом связи являлся радиорелейный канал высокочастотного (ВЧ) диапазона со стандартной полосой пропускания 8 МГц. Скорость передачи устанавливалась равной 12 Мбит/с при отношении сигнал/шум 20 дБ. Длительность символа составляла 57,7 мкс. Частота дискретизации канального сигнала была принята равной 12 ГГц. Сигналы оцифровывались с помощью 16-разрядного АЦП/ЦАП и обрабатывались в 32-битном цифровом процессоре. Размер блока дискретного преобразования Фурье составлял 128 отсчетов, длительность защитного интервала - 16 отсчетов. Общее число поднесущих равнялось 2048, из них 1705 поднесущих использовались для передачи информации.
Помехоустойчивость передачи информации в предлагаемом модеме была определена аналитически с использованием аналитических выражений, приведенных в [2].
-6
Расчеты показывают, что значение отношения сигнал/шум (ОСШ) при требуемой вероятности ошибки на бит 1×10 для модема с двоичной ОФМ составляет около 10,5 дБ, а для модема с четырехпозиционной ОФМ ОСШ составляет около 13,5 дБ.
Зависимость вероятности (BER) ошибки на бит от отношения сигнал/шум для модемов с двоичной и четырехпозиционной ОФМ приведена на графике (фиг. 2), на котором показаны кривые линии и введены следующие обозначения:
две кривые линии: одна сплошная линия, характеризующая зависимость вероятности ошибки при использовании BPSK модуляции, и вторая - пунктирная линия при использовании QPSK модуляции;
BER - вероятность ошибки, значения которой отложены по вертикали;
Eb/No - отношения сигнал/шум, значения которых отложены по горизонтали;
BPSK (Binary Phase-Shift Keying) - двоичная фазовая манипуляция;
QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) - квадратурная фазовая манипуляция.
Как следует из графика, при использовании предложенной схемы модуляции/демодуляции энергетический выигрыш будет составлять около 3,5 дБ для модема с двоичной ОФМ (при этом скорость передачи увеличивается в 1,4 раза) и приблизительно 2,5 дБ для модема с четырехпозиционной ОФМ (при этом скорость передачи увеличивается в 1,2 раза).
Технический результат от предлагаемой полезной модели модема для сигналов со многими несущими заключается в увеличении спектральной эффективности передачи, повышении помехоустойчивости приема информации, надежности работы и упрощении схемы устройства, достигаемых за счет введения в схему новых элементов и объединения в одном устройстве функций модуляции/демодуляции передаваемой/принимаемой информации, что позволило не только улучшить технические характеристики модема, но и увеличить объем передаваемой информации за счет увеличения пропускной способности, сократить массогабаритные показатели и расширить возможности применения предлагаемого модема для сигналов со многими несущими на различных линиях связи, в том числе на проводных линиях связи, на линиях радиорелейной и тропосферной связи.
Достоинством предлагаемого модема для сигналов со многими несущими является также и то, что в нем обеспечивается спектральная эффективность 1 бит/Гц при использовании двоичной ОФМ или 2 бит/Гц - при четырехпозиционной ОФМ (без учета длительности защитного интервала).
Источники информации.
1. RU, патент на полезную модель №27766 U1, кл. H04L 27/00, H04B 7/00, 2003 (прототип).
2. Прокис Дж. Цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000.