УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ
APPARATUS OF GENERATING QUADRATURE AMPLITUDE-SHIFT KEYED SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ), применяемых на линиях многоканальной цифровой связи, а также в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения.
Известно устройство для управления передачей данных по радиоканалу (Патент РФ №2205518, МПК 7 H04L 27/20, 2001 г.), содержащее источник сообщения, подключенный к первому входу 1-го синхронизатора, выход которого подключен к первому входу 1-го фазового манипулятора (ФМ), выход которого подключен к первому входу 1-го балансного модулятора, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства, второй вход которого подключен к выходу 2-го ФМ, вход которого подключен ко входу 2-го фазовращателя (ФВ), вход которого объединен и подключен ко входу 2-го делителя напряжения (ДН) и входу 1-го ФМ, выход 2-го ДН подключен ко входу 1-го ДН и 1-го балансного модулятора, выход 2-го ФВ подключен ко второму входу 2-го ФМ, выход второго источника сообщения подключен ко второму входу 2-го синхронизатора.
Недостатком данного устройства является относительно низкая помехоустойчивость следствие относительно высокого пик-фактора (ПФ) формируемой сигнальной конструкции.
Известно устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (Патент РФ №2365050, МПК H04L 27/06, 2008 г.), содержащее общий задающий генератор (ЗГ), 1-й, 2-й, 3-й ФВ, 1-й, 2-й, 3-й, 4-й КН, сумматор, 1-й, второй управляемый ДН, вычислитель отношений, ДН на два. Входы 1-го, 2-го ФВ и первый вход 1-го КН и выход общего ЗГ соединены. Выход 1-го ФВ подключен ко входу 3-го ФВ и к первому входу 2-го КН. Выход 3-го ФВ соединен со вторым входом 2-го КН. Первый выход 2-го КН соединен с первым входом 4-го КН. Второй выход 2-го КН соединен с первым входом 2-го управляемого ДН. Выход 2-го управляемого ДН подключен ко второму входу 4-го КН. Выход 4-го КН соединен со вторым входом сумматора. Выход 2-го ФВ соединен со вторым входом 1-го КН. Первый выход 1-го КН соединен с первым входом 3-го КН. Второй выход 1-го КН подключен к первому входу 1-го управляемого ДН. Выход 1-го управляемого ДН подключен с первым входом 3-го КН. Выход 3-го КН соединен с первым входом сумматора. Вход ДН на два соединен с демодулятором приемника. Выход ДН на два подключен ко входу вычислителя отношения. Выход вычислителя отношения соединен со вторыми входами управляемых ДН. Выход информационного канала 1-го информационного бита (ИБ) соединен с третьим входом 1-го КН. Выход информационного канала 2-го ИБ соединен с третьим входом 3-го КН. Выход информационного канала 3-го ИБ подключен к третьему входу 2-го КН. Выход информационного канала 4-го ИБ соединен с третьим входом 4-го КН. Выход сумматора является выходом устройства.
Недостатком устройства является относительно высокий уровень ПФ формируемой сигнальной конструкции, что приводит к снижению помехоустойчивости ее приема.
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявляемому устройству является устройство формирования сигналов КАМ (см. Патент РФ 2439819, опубликованный 10.01.2012 Бюл. №1).
Устройство-прототип содержит ЗГ, выход которого подключен к входам 1-го, 2-го ФВ и к первому входу 1-го КН, второй вход которого подключен к выходу 2-го ФВ, первый выход 1-го КН подключен к первому входу 3-го КН, второй вход которого подключен к выходу 1-го ДН, вход которого подключен ко второму выходу 1-го КН, выход 3-го КН подключен к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу 4-го КН, второй вход которого подключен к выходу 4-го ДН, вход которого подключен к второму выходу 2-го КН, первый выход которого подключен к первому входу 4-го КН, первый и второй входы 2-го КН подключены соответственно к первому выходу 1-го ФВ и выходу 3-го ФВ, вход которого подключен ко второму выходу 1-го ФВ, причем 1-й и 2-й КН снабжены цифровыми входами соответственно 1-го и 2-го ИБ, а 3-й и 4-й КН снабжены входами 3-го и 4-го ИБ, а выход сумматора является выходом устройства, дополнительно введены 2-й, 3-й, 5-й и 6-й ДН. Входы 5-го и 6-го ДН объединены и подключены к второму выходу 2-го КН. Входы 2-го и 3-го ДН объединены и подключены к второму выходу 1-го КН. Выходы 2-го и 3-го ДН подключены соответственно к третьему и четвертому входам 3-го КН. Выходы 5-го и 6-го ДН подключены соответственно к третьему и четвертому входам 4-го КН, причем вход 3-го ИБ 3-го КН соединен с входом 3-го ИБ 4-го КН, вход 4-го ИБ которого соединен с входом 4-го ИБ 3-го КН.
Однако наиболее близкому по своей сущности устройству-прототипу присущ недостаток. Для обеспечения относительно низкого значения ПФ в устройстве-прототипе увеличивается средняя мощность за счет увеличения пиковых напряжений сигнальных векторов. Такой подход требует увеличения исходных значений напряжений формируемых векторов синфазной и квадратурной составляющих, что предполагает дополнительное применение усилительных устройств в устройстве формирования сигнала, что не всегда является возможным.
Цель заявляемого технического решения - снижение пиковых напряжений сигнальных векторов формируемой сигнальной конструкции КАМ-16, без существенного увеличения значения ПФ.
В заявляемом устройстве поставленная цель достигается тем, что в устройство формирования сигналов КАМ, содержащее ЗГ, выход которого подключен к входам 1-го и 2-го ФВ и первому входу 1-го КН, второй вход которого подключен к выходу 2-го ФВ, а выход - к входам 1-го и 2-го ДН. Выход 1-го ФВ подключен к входу 3-го ФВ и первому входу 2-го КН, второй вход которого соединен с выходом 3-го ФВ, а выход - с входами 3-го и 4-го ДН. При этом на информационные входы 1-го и 2-го КН соответственно подают 1-й и 2-й ИБ, причем выход сумматора служит выходом устройства. Дополнительно введены 3-й, 4-й, 5-й и 6-й КН, а также элемент «ИЛИ-НЕ», причем выход 1-го КН и 1-го ДН соответственно являются первым и вторым входами 3-го КН, выход которого является первым входом 5-го КН, вторым входом которого является выход 2-го ДН, а выход соединен с первым входом сумматора. Выход 2-го КН и 3-го ДН соответственно являются первым и вторым входами 4-го КН, выход которого является первым входом 6-го КН, вторым входом которого является выход 4-го ДН, а выход соединен с вторым входом сумматора, на информационный вход 3-го КН и второй вход элемента «ИЛИ-НЕ» подают 3-й ИБ, на информационный вход 4-го КН и первый вход элемента «ИЛИ-НЕ» подают 4-й ИБ, а информационные входы 5-го и 6-го КН соединены с выходом элемента «ИЛИ-НЕ». А коэффициент деления 1-го и 3-го ДН равен 1/3, а 2-го и 4-го ДН равен 5/6. А 1-й ФВ изменяет фазу на 90°, а 2-й и 3-й ФВ изменяют фазу на 180°.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом устройстве за счет дополнительного включения 3-го, 4-го, 5-го и 6-го КН, а также элемента «ИЛИ-НЕ», формируется сигнальная конструкция КАМ-16 с более низкими значениями пиковых напряжений сигнальных векторов, без существенного увеличения показателя ПФ.
Заявляемые технические решение поясняются чертежами, на которых:
на фиг.1 показана схема устройства формирования сигналов КАМ-16;
на фиг.2 показана последовательность ИБ, разделенная на шестнадцать блоков по четыре ИБ;
на фиг.3 показана векторная диаграмма сигнальной конструкции КАМ-16, сформированная при применении заявляемого устройства.
Устройство формирования сигналов КАМ-16, представленное на фиг.1, содержит: 1 - ЗГ; 2 - 1-й ФВ на 90°; 3 - 2-й ФВ на 180°; 4 - 3-й ФВ на 180°; 5 - 1-й КН; 6 - 2-й КН; 7 - 1-й ДН с коэффициентом деления на 1/3; 8 - 2-й ДН с коэффициентом деления на 5/6; 9-3-й ДН с коэффициентом деления на 1/3; 10 - 4-й ДН с коэффициентом деления на 5/6; 11-4-й КН; 12 - 3-й КН; 13 - элемент «ИЛИ-НЕ»; 14-6-й КН; 15 - 5-й КН; 16 - сумматор.
1
3
4
2
Выход ЗГ 1 является входом 1-го ФВ 2,2-го ФВ 3, первым входом 1-го КН 5. Выход 2-го ФВ 3 является вторым входом 1-го КН 5. Выход 1-го КН 5 является первым входом 3-го КН 12, а также входами 1-го ДН 7, 2-го ДН 8. Выход 1-го ДН 7 является вторым входом 3-го КН 12. Выход 2-го ДН 8 является вторым входом 5-го КН 15, первым входом которого является выход 3-го КН 12, а выход 5-го КН 15 является первым входом сумматора 16. Информационный вход 1-го КН 5 является входом 1-го ИБ r. Информационный вход 3-го КН 12 является входом 3-го ИБ r и вторым входом элемента «ИЛИ-НЕ», выход которого является информационным входом 5-го КН 15 и 6-го КН 14. Выход 1-го ФВ 2 является входом 3-го ФВ 4 и первым входом 2-го КН 6, вторым входом которого является выход 3-го ФВ 4, а выход - первым входом 4-го КН 11 и входом 3-го ДН 9 и 4-го ДН 10. Информационный вход 4-го КН 11 является входом 4-го ИБ r и первым входом элемента «ИЛИ-НЕ». Выход 3-го ДН 9 является вторым входом 4-го КН 11, выход которого является первым входом 6-го КН 14. Выход 4-го ДН 10 является вторым входом 6-го КН 14, выход которого является вторым входом сумматора 16. Информационный вход 2-го КН 6 является входом 2-го ИБ r. Выход сумматора является выходом устройства.
Общий ЗГ 1 предназначен для генерации напряжения синусоидальной формы. В качестве общего ЗГ 1 может быть использована схема мостового генератора синусоидальных сигналов (генератор Вина), (см. Достал И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982. - С.200-201, рис.6.27).
Первый ФВ 2 предназначен для сдвига фазы синусоидального сигнала на 90°. Реализация первого ФВ 2 известна (см. Достал И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982. - С.196, рис.6.20).
Второй ФВ 3 и 3-й ФВ 4 предназначены для сдвига фазы синусоидального сигнала на 180°. В качестве 2-го ФВ 3 и 3-го ФВ 4 может быть использована схема инвертора напряжения (см. Достал И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982. - С.182-184, рис.6.6).
1
2
3
4
Первый КН 5 и 2-й КН 6 выполняют функцию коммутации напряжения (прямого или инвертированного посредством ФВ 3 и ФВ 4). Первый КН 5 подключает на вход 1-го ДН 7, 2-го ДН 8 и первый вход 3-го КН 12 прямое напряжение с выхода ЗГ или инвертированное с выхода 2-го ФВ 3 в зависимости от значения ИБ r (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 1-го КН 5. Второй КН 6 подключает вход 3-го ДН 9, 4-го ДН 10 и первый вход 4-го КН 11 к выходу 1-го ФВ 2 или к выходу 3-го ФВ 4 в зависимости от значения ИБ r (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 2-го КН 6. Третий КН 12 выполняет функцию коммутации напряжения с выхода 1-го КН 5 и 1-го ДН 7 на первый вход 5-го КН 15 в зависимости от значения ИБ r (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 3-го КН 12. Четвертый КН 11 выполняет функцию коммутации напряжения с выхода 2-го КН 6 и 3-го ДН 9 на первый вход 6-го ДН 14 в зависимости от значения ИБ r (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 4-го КН 11. Пятый КН 15 выполняет функцию коммутации напряжения с выхода 3-го КН 12 и 2-го ДН 8 на первый вход сумматора 16 в зависимости от значения ИБ (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 5-го КН 15 с выхода элемента «ИЛИ-НЕ». Шестой КН 14 выполняет функцию коммутации напряжения с выхода 4-го КН 11 и 4-го ДН 10 на второй вход сумматора 16 в зависимости от значения ИБ (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 6-го КН 14 с выхода элемента «ИЛИ-НЕ». В качестве 1-го КН 5 и 2-го КН 6 может быть использована схема аналогового мультиплексора (см. Патент РФ 2439819, опубликованный 10.01.2012 Бюл. №1).
Первый ДН 7, 2-й ДН 8, 3-й ДН 9, 4-й ДН 10 выполняют функцию деления напряжения синфазной и квадратурной составляющих (СС и КС) соответственно на 1/3, 5/6, 1/3, 5/6. В качестве делителя напряжения может использоваться схема перекрытого Т-образного амплитудного корректора (см. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. - М.: Радио и связь, 1986. - С.524-525, рис.22.6).
Сумматор 16 предназначен для аддитивного объединения аналоговых сигналов, поступающих на его первый и второй входы. В качестве сумматора 16 может быть использована схема суммирующего усилителя (см. Достал И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982. - С.184-185, рис.6.7).
Элемент «ИЛИ-НЕ» предназначен для формирования информационного бита на информационных входах 5-го КН 15 и 6-го КН 14. Реализация элементов «ИЛИ-НЕ» известна, см. Патент РФ №2187887, опубликованный 20.08.2002 г.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Исходную информационную последовательность ИБ разбивают на блоки по четыре ИБ в каждом (см. фиг.2). Мелким шрифтом в каждом блоке над ИБ указана их нумерация (см. фиг.2). Затем последовательно ИБ блоками подают на информационные входы в заявляемое устройство.
Общий ЗГ 1 генерирует синусоидальный сигнал (исходное значение напряжения СС) и подает его на вход 1-го ФВ 2, который изменяет фазу сигнала на 90° и таким образом формирует исходное значение напряжения КС. Далее СС и КС подают на первые входы 1-го КН 5 и 2-го КН 6, а также на входы 2-го ФВ 3 и 3-го ФВ 4. Второй ФВ 3 и 3-й ФВ 4 изменяют фазы соответственно СС и КС на 180°. С выходов 2-го ФВ 3 и 3-го ФВ 4, сдвинутые по фазе на 180° векторы напряжения (ВН) СС и КС подают на вторые входы 1-го КН 5 и 2-го КН 6.
1
2
1
2
2
1
2
1
В зависимости от значений ИБ r и r, поступающих на информационные входы 2-го КН 6 и 1-го КН 5, последние подключают на свои выходы аналоговый сигнал, поступающий с их первого или второго входа, т.е. манипулируют СС и КС в зависимости от значений ИБ r и r. Данная манипуляция СС и КС с помощью 1-го КН 5 и 2-го КН 6 производится следующим образом. Если на информационный вход поступает r=0 (r=0), то на выходы 1-го КН 5 (2-го 6 КН) подключают не сдвинутые по фазе на 180° ВН СС (КС). В противном случае, т.е. при поступлении r=1 (r=1), на выходы 1-го КН 5 (2-го КН 6) подключают сдвинутые по фазе на 180° ВН СС (КС).
С выхода 1-го КН 5 (2-го КН 6) сигнал СС (КС) подают на первый вход 3-го КН 12 (4-го КН 11), входы 1-го ДН 7 (ДН 9) и 2-го ДН 8 (ДН 10).
3
4
Если на информационном входе 3-го КН 12 (4-го КН 11) значение ИБ r=0 (r=0), на первый вход 5-го КН 15 (6-го КН 14) поступает ВН СС (КС) с выхода 1-го КН 5 (2-го КН 6).
3
4
Если на информационном входе 3-го КН 12 (4-го КН 11) значение ИБ r=1 (r=1), на первый вход 5-го КН 15 (6-го КН 14) поступает ВН СС (КС) с выхода 1-го ДН 7 (3-го ДН 9).
Если на информационном входе 5-го КН 15 (6-го КН 14) значение ИБ равно 0, на первый (второй) вход сумматора 16 поступает ВН СС (КС) с выхода 3-го КН 12 (4-го КН 11).
Если на информационном входе 5-го КН 15 (6-го КН 14) значение ИБ равно 1, на первый (второй) вход сумматора 16 поступает ВН СС (КС) с выхода 2-го ДН 8 (4-го ДНЮ).
3
4
3
4
3
4
3
Значение ИБ на выходе элемента «ИЛИ-НЕ» 13 формируется следующим образом. Если на его первом входе значение ИБ r=0, а на втором входе значение ИБ r=0, то на выходе элемента «ИЛИ-НЕ» значение ИБ равно 1. При остальных комбинациях: r=0, r=1; r=1, r=0; r=1, на выходе элемента «ИЛИ-НЕ» значение ИБ равно 0.
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn><mi>I</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn><mi>I</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn><mi>I</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn><mi>I</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>3</mn><mi>I</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>3</mn><mi>I</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn><mi>Q</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>1</mn><mi>Q</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn><mi>Q</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>2</mn><mi>Q</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>3</mn><mi>Q</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mo>−</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mn>3</mn><mi>Q</mi></msubsup></mrow>
На выходе 16 сумматора 19, который является выходом заявляемого устройства, формируется результирующий ВН, который определяет точку сигнального созвездия, соответствующую блоку из четырех информационных битов. Векторы напряжений СС
,
,
,
,
,
соответственно формируются на выходе 1-го КН 5, выходах 2-го ДН 8, 1-го ДН 7. Векторы напряжений КС
,
,
,
,
,
соответственно формируются на выходе 2-го КН 6, выходах 4-го ДН 10, 3-го ДН 9.
1
16
На фиг.3 показаны точки сигнального созвездия F-F, соответствующие всем возможным комбинациям блоков из четырех ИБ, представленных на фиг.2.
3
6
14
11
исх
<mrow><mfrac><mrow><mn>5</mn><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow><mn>6</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt><msub><mi>U</mi><mrow><mi>и</mi><mi>с</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
Таким образом, максимальное значение пикового напряжения сигнальных векторов (F, F, F, F), см. фиг.3, формируемых заявляемым устройством, составляет
, значение ПФ равно 1,2. Здесь U - исходное значение напряжения, формируемое ЗГ. В способе-прототипе максимальное значение пикового напряжения составляет
, а значение ПФ равно 1,17.
Таким образом, цель заявляемого технического решения, заключающаяся в снижении пиковых напряжений сигнальных векторов формируемой сигнальной конструкции КАМ-16, без существенного увеличения значения ПФ достигнута. При этом заявляемое техническое решение исключает дополнительное применение усилительных устройств в устройстве формирования сигнала.