Способ кодирования цифровой информации в радиоканале
METHOD FOR ENCODING DIGITAL INFORMATION IN A RADIO CHANNEL

Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно к технике цифровой связи, и может быть использовано для передачи дискретной информации по каналам связи.
Известно достаточно много способов физического кодирования цифровой информации. Наиболее эффективной в настоящее время считается многопозиционная манипуляция несущей, которая существует в виде двух основных видов: фазовая PSK и квадратурно - амплитудная QAM.
В качестве информативного параметра можно использовать не только амплитуду, частоту или фазу несущей, но и поляризацию радиоволны. Известные способы поляризационной модуляции (манипуляции) сигнала основаны на том, что в них в зависимости от значения полезного сигнала происходит модуляция одного из двух или двух параметров одновременно: ϕ - угла эллиптичности или θ - угла пространственной ориентации эллипса поляризации. Устройства, реализующие данные способы описаны в ряде источников, в частности, см. К.Г. Гусев, А.Д. Филатов, А.П. Сополев. Поляризационная модуляция. - М.: Советское радио, 1974 г., с. 63-161.
Недостатком этих устройств является то, что они достаточно сложны в реализации и не могут обеспечить многопозиционную модуляцию для достаточно больших значений m многопозиционной манипуляции.
Наиболее близким по технической сущности и принятый в качестве прототипа является способ пространственного кодирования и передачи цифровой информации, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, содержащий N радиально расположенных в одной плоскости антенн. Антенны имеют различную поляризацию излучения, для чего их располагают в вертикальной плоскости под разными углами к горизонту. Для передачи кодовой посылки каждый из цифровых сигналов направляют на определенную антенну. Антенный блок из N антенн условно разделяют на n независимых секторов. Антенны каждого из секторов в отдельности или нескольких секторов одновременно при помощи блока управления могут подключаться к источнику цифровой информации независимо (см. патент РФ №2730422, МПК Н03М 13/00, опубл. 2020 г.).
Недостатками известного способа является необходимость иметь антенный блок, представляющий из себя многоантенную систему, что в ряде случаев создает технические сложности при реализации. Кроме того, при реализации способа дополнительно задействуется поляризационный ресурс радиоканала.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение быстродействия и помехоустойчивости радиоканала при упрощении антенной системы и конструкции приемо-передающего трактов каналообразующей аппаратуры.
n
Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе кодирования цифровой информации в радиоканале, заключающемся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, согласно изобретению антенный блок выполнен в виде одной антенны, а цифровой сигнал излучают в виде двухэлементного сигнала, состоящего из двух последовательно следующих друг за другом радиоимпульсов - двух слотов n=2 синусоидальной формы, каждый из которых может иметь несколько сдвигов S начальных фаз Δϕ с возможностью формирования дополнительных виртуальных слотов, при этом каждый из слотов может находиться в одном из трех m=3 состояний, а именно, либо «0», либо «1», либо являться пустым слотом в случае отсутствия излучения сигнала, причем информационные биты «1» и «0» для их идентификации передают на разных частотах, отличных от центральной несущей частоты путем увеличения или соответственно уменьшения несущей частоты на фиксированное значение Δf, при этом указанные отклонения от несущей частоты для первого и второго слотов различны, а именно, в первом слоте отклонения составляют величину Δf1, а во втором - Δf2, что принимают за маркировочный признак номеров слотов с возможностью отслеживать последовательность их излучения в эфир и формировать алфавит передаваемых сообщений в виде множества В, объем которого вычисляют по формуле:
n
В=n!m,
где m=3 - число состояний каждого из двух элементов дибита;
n - количество элементов дибита, в том числе виртуальных.
n
Решение поставленной технической задачи становится возможным благодаря тому, что для передачи различных значений двоичных кодов, появляющихся на выходе источника цифровой информации, им в соответствие ставятся сигналы, каждый из которых состоит из двух элементов - слотов, передаваемых гармоническими колебаниями одинаковой амплитуды, но различной частоты (см. фиг. 3), т.е. методом частотной модуляции, которые имеют, кроме того, различные значения сдвигов начальных фаз Δϕ.
Кодирование информационных битов "1" и "0" и маркировка, иначе "нумерация" слотов, происходит также при помощи частотной модуляции. Так, для передачи "1" используется частота на величину Δf выше основной несущей частоты, т.е. fн + Δf, а для передачи "0" - частота на величину Δf ниже несущей, иными словами fн - Δf.
Для того чтобы отличить один слот от другого используют два различных приращения частот. При этом для маркирования битов, передаваемых первым слотом, используются частоты с приращением Δf1: fн + Δf1 ("1") или fн - Δf1 ("0"), а для маркирования битов, передаваемых вторым слотом, используются частоты с приращением Δf2: fн + Δf2 ("1") или fн - Δf2 ("0").
n
Кроме того, каждый радиосигнал любого из слотов может иметь несколько значений начальных фаз. В свою очередь, наличие нескольких S начальных фаз Δϕ у каждого из сигналов создает дополнительные виртуальные слоты, которые позволяют расширить алфавит передаваемых сообщений, что позволяет повысить быстродействие системы передачи цифровой информации в радиоканале.
В данном способе информационными параметрами являются частоты f и фазы ϕ сигналов, амплитуда слотов таковой не является, что дает основание утверждать, что способ обладает повышенной помехоустойчивостью. Постоянство амплитуд обоих слотов, кроме того, снижает требования к линейности усилительных трактов передатчика и приемника, что упрощает и удешевляет конструкцию.
Способ кодирования цифровой информации поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 показан дибит, т.е. следующие друг за другом два радиоимпульса (слота), образующие один информационный сигнал; на фиг.3. представлены примеры частотных масок первого и второго слотов; на фиг. 4…6 показан принцип предлагаемого частотного кодирования логических битов "1" и "0" для различных вариантов порядка следования слотов друг за другом, а также значений переносимых ими битов; на фиг. 7 показана структура информационного дибита, состоящего из двух слотов одинаковой амплитуды, длительностью τ каждый.
n
Способ кодирования цифровой информации в радиоканале заключается в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, который выполнен в виде одной антенны. При этом цифровой сигнал излучают в виде двухэлементного сигнала, состоящего из последовательно следующих друг за другом двух радиоимпульсов или двух слотов n=2 синусоидальной формы. Каждый из синусоидальных сигналов может иметь несколько сдвигов S начальных фаз Δϕ, что позволяет формировать дополнительные "виртуальные" слоты. В свою очередь, каждый из слотов может находиться в одном из трех m=3 состояний, а именно, либо «0», либо «1», либо являться пустым слотом в случае отсутствия излучения сигнала. При этом информационные биты «1» и «0» для их идентификации передают на разных частотах путем увеличения или соответственно уменьшения несущей частоты на фиксированное значение Δf. Указанные отклонения частоты для первого и второго слотов различны, а именно, в первом слоте отклонения составляют величину Δf1, а во втором - Δf2, что и является маркировочным признаком номеров слотов. Наличие маркировки слотов дает возможность менять их местами и отслеживать последовательность их излучения в эфир, а следовательно, формировать алфавит передаваемых сообщений в виде множества В, объем которого вычисляют по формуле:
n
В=n!m,
где m=3 - число состояний каждого из двух элементов дибита;
n - количество элементов дибита, в том числе виртуальных.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит источник 1 цифровой информации, логическое устройство 2, блок 3 генераторов гармонических колебаний, блок 4 электронных ключей, блок 5 задержек начальных фаз, сумматор 6 сигналов, графическое изображение излучаемого в эфир дибита 7, излучающую антенну А (см. фиг. 1).
Прежде всего отметим, что данный способ предполагает, что за один тактовый интервал происходит излучение в эфир не одного импульса, а двухэлементного комплекса из двух сдвоенных импульсов - дибита (см. фиг. 2).
В данном способе применена частотная модуляция как для того, чтобы маркировать слоты и тем самым отличать первый слот от второго, так и отличать друг от друга информационные биты «1» и «0».
На фиг. 3 показаны частотные маски обоих слотов. Маркировка слотов осуществляется при помощи бинарной частотной манипуляции, а именно, первому слоту соответствует меньшее смещение частоты несущей "+/-Δf1" (для примера указаны 25 кГц), а второму слоту - большее смещение "+/-Δf2" (для примера указаны 50 кГц).
Иными словами, слоты отличаются друг от друга величиной дискретного отклонения частоты от частоты несущей, а логические "0" и "1" - знаком этого отклонения: "1" кодируется положительным отклонением частоты fн + Δf, а "0" - отрицательным fн - Δf.
На фиг. 4…6 показан принцип и приведены примеры предлагаемого в способе частотного кодирования дибита, а именно, показан принцип кодирования логических "1" и "0" для различных вариантов порядка следования слотов дибита друг за другом, а также значений переносимых ими информационных сигналов ("0 м или "1").
Так, на фиг. 4 показан случай, когда первый слот занимает первую позицию в дибите, и его информационный бит имеет значение "1", а второй - вторую позицию и значение "0".
На фиг. 5 показан случай, когда второй слот занимает первую позицию, и его информационный бит имеет значение "1", а изначально первый слот занимает вторую позицию и имеет значение бита - "0".
На фиг. 6 показан случай, когда второй слот занимает первую позицию и имеет значение "0", а первый - вторую позицию и имеет значение информационного бита "1".
Устройство (см. фиг. 1), реализующее способ, работает следующим образом.
Цифровая информация от источника 1 цифровой информации в виде двоичной цифровой последовательности, соответствующей определенному десятичному числу, поступает на логическое устройство 2. Логическое устройство 2, анализируя полученную двоичную последовательность, определяет, согласно матрице соответствия, какие именно частоты из блока 3 частот, а также ключи из блока 4 ключей, должны быть активированы, для формирования дибита, соответствующего передаваемому в данный момент числу. Окончательное формирование дибита происходит в сумматоре 6, на который в заданной логическим устройством 2 последовательности, поступают соответствующие частоты с заданными сдвигами фаз, величины которых также устанавливаются согласно матрице соответствий логическим устройством 2.
На выходе сумматора 6 формируется информационный комплекс - дибит, т.е. сигнал в виде двух последовательно следующих друг за другом радиоимпульсов одинаковой амплитуды и длительности, но каждый из них со своим спектром частот, имеющих различные начальные фазы. Далее данный комплекс подлежит излучению через антенну А в эфир.
Таким образом, создается возможность обеспечить взаимно - однозначное соответствие между цифровым сигналом, подлежащим передаче, а также комбинацией из двух следующих друг за другом радиоимпульсов, имеющих одинаковые амплитуды, но имеющих разные частотные и фазовые спектры. Именно эти два параметра - частотный, а также фазовый состав импульсов и последовательность их следования позволяет создать большой объем алфавита передаваемых сообщений, а значит повысить быстродействие радиоканала.
Согласно правилам комбинаторики, число комбинаций, которые можно реализовать при помощи дибита, т.е. комплекса, состоящего из двух элементов n=2, каждый из которых может находиться в одном из трех состояний m=3, будет определяться по формуле:
n
2
4,17
B=n!m=2!*3=18=2.
Очевидно, что алфавит, который может реализовать предложенная структура весьма незначителен - всего 18 знаков, что соответствует степени числа "2", равной 4,17.
Проблему расширения алфавита сообщений можно решить путем создания так называемых виртуальных секторов (слотов, элементов).
1
n
Графически это поясняет фиг. 7. Здесь показан принцип создания виртуальных слотов за счет смещения начальных фаз Δϕ…Δϕ излучаемых сигналов.
n.
Для этого достаточно создать возможность сообщать каждому из радиоимпульсов некоторое количество S сдвигов фаз величиной Δϕ. Общее количество секторов определяется как произведение количества физических секторов на количество сдвигов фаз S, которые применяются в данной конкретной схеме.
При этом идентификация слотов и значений информационных битов осуществляется по-прежнему путем частотной манипуляции. Три состояния слота обозначаются так:
• для первого слота «1» - это f + Δf1, «0» - это f - Δf1, третье состояние - отсутствие сигнала.
• для второго слота «1» - это f + Δf2, «0» - это f - Δf2, третье состояние - отсутствие сигнала.
Параметрами излучаемых сигналов, позволяющие их использовать в комбинаторных расчетах, являются частоты и фазы двух слотов, как единого информационного сигнала, а также последовательность их следования друг за другом во времени.
Рассмотрим, к примеру, вариант для трех (s=3) и четырех (s=4) сдвигов фаз соответственно.
В первом случае по-прежнему m=3, но n=2*3=6, и тогда формула приобретает вид:
6
19
В=6!*3=524 880=2.
В втором случае m=3, как и прежде, а n=2*4=8, и тогда получаем:
8
28
В=8!*3=264 539 520=2.
Такой подход существенно расширяет алфавит передаваемых сообщений, а следовательно, и скорость передачи цифровой информации. Наглядно это демонстрирует существенное возрастание степени числа "2", сопутствующее увеличению числа возможных комбинаций передаваемых параметров.
Таким образом, изобретение позволяет повысить быстродействие и помехоустойчивость радиоканала при упрощении антенной системы и конструкции приемо-передающего трактов каналообразующей аппаратуры.