Способ выбора вида модуляции сигналов
METHOD FOR SELECTING THE TYPE OF SIGNAL MODULATION

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для адаптивного выбора вида модуляции сигналов и скорости кодирования в радиолинии по результатам измерения текущего значения отношения мощности сигнала к мощности шума в полосе приема сигнала (ОСШ).
Известен способ измерения скорости передачи цифровой информации, реализованный в устройстве для измерения скорости передачи цифровой информации (по патенту RU № 2024217 от 12.05.1991 г., H04Q 5/16. Опубликовано: 30.11.1994 г.).
Сущность известного способа состоит в том, что под действием импульсов, поступающих по входу устройства, отсчитывается 16 временных интервалов, каждый из которых равен периоду частоты 2048 кГц. Затем дешифратор выделяет импульсы временных интервалов: первый, восьмой, шестнадцатый, девятый, одиннадцатый. После чего счетчик формирует код адреса временных интервалов - каналов, число которых соответствует числу канальных интервалов группового тракта. После чего на вход устройства поступает информационная последовательность, каждый бит которой записывается последовательно в регистр с помощью импульсов тактовой частоты, синхронных, но сдвинутых на полпериода относительно импульсов тактовой частоты. После записи входной информации в регистр по переднему фронту тактовых импульсов она переписывается в параллельном виде в регистр. Перезапись осуществляется по заднему фронту (спаду) импульса при одновременном наличии сигнала на управляющем входе регистра, формируемого с выхода дешифратора. Накопление порции информации в регистре и последующая перезапись после накопления позволяют осуществлять ее независимую обработку за время длительности канальных интервалов, содержащихся в цикле группового тракта. Из регистра записанная информация выдается по заднему фронту импульсов на первый логический вход триггера (а также на выход устройства при необходимости). При появлении на входе триггера "флажка", который представлен всегда битом "логическая единица", триггер переключается по заднему фронту импульса в единичное состояние, а по сигналу с выхода дешифратора - в нулевое состояние. За "флажком" следуют биты информации, значения которых соответствуют значениям бит в дискретном канале связи, а распределение и количество бит в каждом выходном канале зависят от скорости передачи информации. Дешифратор декодирует это число принятых бит, соответствующее номиналу скорости передачи информации в дискретном канале связи, и выдает его на информационные входы оперативного запоминающего устройства.
Недостаток указанного способа заключается в том, что он реализуем только после процедур демодуляции радиосигнала.
Известны Система и способ для динамической адаптации скорости передачи данных и мощности передачи с помощью протокола передачи маяка (по патенту РФ № 2381622 от 19.10.2005 г., Н04В 7/005, Опубликовано: 10.02.2010 Бюл. № 4).
В известном способе динамического выбора скорости передачи данных и/или мощности передачи в системе связи, включающей в себя множество устройств, включающих в себя, по меньшей мере, одно приемное устройство и, по меньшей мере, одно передающее устройство, заключающийся в том, что делят время на последовательность из, по меньшей мере, одного суперкадра; внедряют в приемное устройство обратную связь в маяк, причем указанная обратная связь по состоянию или качеству линии связи дополнительно содержит, по меньшей мере, одно из следующего: отношение сигнал/шум; уровень принятого сигнала; уровень шума; частоту пакетных ошибок; частоту битовых ошибок; потери в тракте и любую другую характеристику качества канала или приема.
Недостаток известного способа заключается в ограниченности его применения, т.к. он относится только к беспроводным системам связи, использующих протокол MAC, в которых устройства передают маяк.
В качестве прототипа выбран Способ выбора скорости передачи элементов сигнала в радиомодемах (по патенту РФ № 2640431, от 01.07.2016 г., G01R 23/00, Опубликовано: 09.01.2018 Бюл. № 1).
Способ-прототип заключается в том, что принимают сигнал, измеряют его ширину спектра, значение которой уточняют по мере поступления сигнала. Измеряют уровень мощности спектральной составляющей сигнала с максимальным значением амплитуды, а ширину спектра сигнала измеряют в пределах полосы его половинной мощности, причем решение о выбранном номинале скорости передачи осуществляют по результатам сравнения измеренных значений ширины спектра с предварительно рассчитанными значениями, соответствующими тем номиналам скоростей, для работы с которыми предназначены радиомодемы, искомым значением является то, различия с которым по результатам измерения наименьшие.
Недостаток способа-прототипа заключается в том, что для используемого вида модуляции он не обеспечивает максимально возможную информационную скорость передачи при заданной вероятности битовой ошибки в канале на приемной стороне, в зависимости от изменения ОСШ.
Задача предлагаемого способа заключается в расширении области его применения, а именно в обеспечении для используемого вида модуляции максимально возможной информационной скорости передачи при заданной вероятности битовой ошибки в канале на приемной стороне, в зависимости от изменения ОСШ.
Технический результат заключается в согласовании вида модуляции сигнала и скорости кодирования в зависимости от значения ОСШ в канале на приемной стороне радиолинии.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ выбора вида модуляции сигналов в радиолиниях, заключающийся в том, что предварительно рассчитывают значения ширины спектра сигнала, принимают сигнал, измеряют уровень мощности спектральной составляющей сигнала с максимальным значением амплитуды, измеряют значение ширины спектра сигнала, сравнивают измеренные значения ширины спектра с предварительно рассчитанными значениями и принимают решение, отличается тем, что рассчитанным значениям ширины спектра сигнала ставят в соответствие номиналы скоростей, определяемые допустимым видом модуляции в радиолинии, при этом предварительно в радиолинии задают полосу частот, измеряют уровень мощности шума в заданной полосе частот, а на передающей стороне формируют и передают тестовый сигнал с различными видами модуляции, обеспечивающих изменение градаций скорости передачи от минимального ее значения до максимального, определенной для данной радиолинии, при этом предварительно в радиолинии задают полосу частот, измеряют уровень мощности шума в заданной полосе частот, а на передающей стороне формируют и передают тестовый сигнал с изменяемой градацией скорости передачи от минимального ее значения до максимального, определенной для данной радиолинии, измеряют уровень мощности спектральной составляющей тестового сигнала с максимальным значением амплитуды для каждой градации скорости передачи от минимального ее значения до максимального, определенной для данной радиолинии, затем определяют границы в полосе частот, в пределах которых уровень мощности спектральных составляющих тестового сигнала становится равен уровню мощности шума для каждой градации скорости передачи от минимального ее значения до максимального, определенной для данной радиолинии, принимают решение о выборе вида модуляции, с учетом обеспечения максимальной скорости передачи в заданной полосе частот, после чего вычисляют значение отношения мощности сигнала к мощности шума в полосе приема сигнала в заданной полосе частот и выбирают скорость кодирования для вычисленного значения отношения мощности сигнала к мощности шума в полосе приема сигнала, передают на передающую сторону радиолинии информацию о выбранном виде модуляции и скорости кодирования, при этом процедуры по выбору вида модуляции и скорости кодирования в радиолинии периодически повторяют в ходе сеанса связи.
Работа радиолиний, как правило, осуществляется в условиях шумов и помех, интенсивность которых может изменяться в ходе сеанса радиосвязи, см. (Дворников СВ. и др. Обобщенная функциональная модель радиолинии с управлением ее частотным ресурсом // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2016. № 3. С. 49-56). Поэтому в современных стандартах, например, в стандартах цифрового телевидения DVB-T, предусмотрен широкий выбор видов модуляции сигналов и скоростей кодирования в зависимости от ОСШ (см. табл. 4.2 стр. 58. Одинец А.И., Бурдин А.Н. Основы цифрового телевидения стандарта DVB-T. Учебное пособие. - Омск: Издательство ОмГТУ, 2012, 75 с.). Однако вопросы изначально рационального выбора вида модуляции в сочетании со скоростью кодирования, которые соответствовали бы значению ОСШ в канале на приемной стороне радиолинии, нигде не раскрыты.
Вместе с тем в результате изменения уровня шумов на трассе распространения радиоволн происходит изменение значения ОСШ и в канале на приемной стороне радиолинии, см. (Комарович В.Ф., Сосунов В.Н. Случайные радиопомехи и надежность KB связи. - М.: «Связь», 1977 г. 136 с.). Поэтому, для сохранения минимального значения вероятности ошибки в канале необходимо изменять скорость передачи адаптивно с изменением текущего значения ОСШ, см. (Зайцев Д.В. и др. Способ выбора скорости передачи элементов сигнала в радиомодемах. Патент РФ № 2640431, от 01.07.2016 г., G01R 23/00, Опубликовано: 09.01.2018 Бюл. № 1). Но скорость передачи зависит как от вида модуляции, см. (Одинец А.И., Бурдин А.Н. Основы цифрового телевидения стандарта DVB-T. Учебное пособие. - Омск: Издательство ОмГТУ, 2012, 75 с.), так и от скорости кодирования, см. (Дворников С.В., Устинов А.А. и др. Анализ эффективности блоковых кодов // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2011. № 1. С. 63-73). При этом от скорости кодирования зависит исправляющая способность кода, см. (Дворников С.В., Устинов А.А. и др. Декодирование самоортогональных кодов // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2012. № 1. С. 93-100.), которая определяет значение вероятности битовой ошибки в канале на приемной стороне радиолинии.
Следовательно, для решения задачи обеспечения минимальной битовой ошибки в канале на приемной стороне радиолинии, необходимо периодически обеспечивать согласование вида модуляции сигнала и скорости кодирования, в зависимости от значения ОСШ в канале на приемной стороне радиолинии.
Реализация указанных процедур обеспечивается в заявляемом техническом решении.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 - графические зависимости вероятности битовой ошибки сигнала от ОСШ в канале на приемной стороне радиолинии.
Реализация заявляемого способа предполагает последовательное выполнение следующих процедур.
1. Задают градации полосы пропускания приемного тракта в соответствии с номиналами допустимых скоростей передачи для радиолинии.
Взаимосвязь ширины спектра сигнала со скоростью передачи его элементов известна и описана, например, см. (Зайцев Д.В. и др. Способ выбора скорости передачи элементов сигнала в радиомодемах. Патент РФ № 2640431, от 01.07.2016 г., G01R 23/00, Опубликовано: 09.01.2018 Бюл. № 1).
2. Рассчитывают значения ширины спектра сигнала и рассчитанным значениям ширины спектра сигнала в соответствие ставят номиналы скоростей, определяемые допустимым видом модуляции в радиолинии.
Взаимосвязь вида модуляции сигнала со скоростью передачи его элементов известна и описана, например, см. (Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 2000. 800 с.).
3. Измеряют уровень шума на приемной стороне радиолинии и рассчитывают его спектральную плотность мощности.
Процедуры измерения принятых реализаций радиоизлучений известны. Например, см. (Гель В.Э. и др. Способ оценки помехозащищенности линий радиосвязи. Патент РФ № 2613035 С1, от 16.03.2016 г., H04L 29/00, Опубликовано: 14.03.2017 г., Бюл. № 8).
4. На передающей стороне формируют и передают тестовый сигнал с различными видами модуляции, обеспечивающих изменение градаций скорости передачи от минимального ее значения, до максимального, определенной для данной радиолинии.
Процедуры формирования сигналов с различными скоростями передач и различными видами модуляции известны, например см. (Аладинский В.А. и др. Способ распознавания радиосигналов. Патент на изобретение RU 2261476 С1, 27.09.2005. Заявка № 2004102168/09 от 26.01.2004).
5. Принимают сигнал и измеряют уровень мощности спектральной составляющей тестового сигнала с максимальным значением амплитуды для каждой градации скорости передачи от минимального ее значения до максимального, определенной для данной радиолинии.
Процедуры приема сигналов известны, например см. (Горячая А.В. и др. Способ оценки помехозащищенности линий радиосвязи приемного радиоцентра. Патент РФ № 2633984 С1, от 23.05.2016, H04L 29/00, Опубликовано: 20.10.2017 г., Бюл. № 29).
Процедуры измерения мощности тестового сигнала известны. Например, см. (Дворников С.В. и др. Способ распознавания радиосигналов. Патент на изобретение RU 2419147 С1, 20.05.2011. Заявка № 2009143294/08 от 23.11.2009).
6. Определяют границы в полосе частот, в пределах которых уровень мощности спектральных составляющих тестового сигнала становится равен уровню мощности шума для каждой градации скорости передачи от минимального ее значения до максимального, определенной для данной радиолинии.
Для реализации этой процедуры вычисляют спектр принятого тестового сигнала для каждой градации скорости передачи. Процедуры вычисления спектра известны, например см. (Дворников С.В. и др. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов. Патент на изобретение RU 2382495 С1, 20.02.2010. Заявка № 2009105585/09 от 17.02.2009).
7. Измеряют значение ширины спектра сигнала.
Процедуры измерения ширины спектра сигнала известны, например см. (Зайцев Д.В. и др. Способ выбора скорости передачи элементов сигнала в радиомодемах. Патент РФ № 2640431, от 01.07.2016 г., G01R 23/00, Опубликовано: 09.01.2018 Бюл. № 1).
8. Сравнивают измеренные значения ширины спектра с предварительно рассчитанными значениями.
Процедуры сравнения измеренных значений ширины спектра известны, например см. (Зайцев Д.В. и др. Способ выбора скорости передачи элементов сигнала в радиомодемах. Патент РФ № 2640431, от 01.07.2016 г., G01R 23/00, Опубликовано: 09.01.2018 Бюл. № 1).
9. Принимают решение о выборе вида модуляции, с учетом обеспечения максимальной скорости передачи в заданной полосе частот.
Решение принимают по результатам выполнения процедур этапа 8.
10. Вычисляют значение ОСШ в заданной полосе частот и выбирают скорость кодирования для вычисленного значения ОСШ.
Расчет текущего значения ОСШ производят как отношение измеренной мощности тестового сигнала к спектральной плотности мощности шума в полосе частот спектра тестового сигнала. Такие процедуры известны, например см. (Горячая А.В. и др. Способ оценки помехозащищенности линий радиосвязи приемного радиоцентра. Патент РФ № 2633984 С1, от 23.05.2016, H04L 29/00, Опубликовано: 20.10.2017 г., Бюл. № 29).
11. Передают на передающую сторону радиолинии информацию о выбранном виде модуляции и скорости кодирования.
Процедуры передачи информационных сигналов известны, например, см. (Вознюк М.А. и др. Работа линий радиосвязи с ППРЧ в условиях преднамеренных помех // Информационные технологии. 2012. № 10. С. 64-67).
12. Процедуры по выбору вида модуляции и скорости кодирования в радиолинии периодически повторяют в ходе сеанса связи.
Периодичность передачи тестового сигнала устанавливают на основе эмпирического опыта предыдущих сеансов связи.
b
Особенность сочетания совместного выбора вида модуляции и скорости кодирования состоит в том, что использование при заданной полосе частот только вида модуляции сигналов для регулирования заданного значения вероятности битовой ошибки в канале P, позволяет учитывать только достаточно резкие изменения значения ОСШ. В то время как совместный выбор вида модуляции и скорости кодирования позволяет учитывать даже незначительные изменения значения ОСШ.
В качестве примера, на фиг. 1 представлены графические зависимости вероятности битовой ошибки сигнала от ОСШ в канале на приемной стороне радиолинии для сигналов четырехпозиционной фазовой манипуляции (ФМ4) (S1 на фиг. 1), восьмипозиционной фазовой манипуляции (ФМ8) (S4 на фиг. 1), ФМ8 при скорости кода 7/8 (S3 на фиг. 1) и ФМ8 при скорости кода 5/6 (S2 на фиг. 1). Для построения графических зависимостей, изображенных на фиг. 1, использованы результаты исследований, представленные в (Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е испр.: Пер. с англ. - М: ИД «Вильяме». 2004. 1104 с.).
b
b
b
Согласно графикам на фиг. 1, вероятность битовой ошибки P, равная 0,00001 для сигналов ФМ4 обеспечивается при ОСШ ≈ 10 дБ, а для сигналов ФМ8 - при ОСШ ≈ 13,5 дБ. То есть, если допустить, что первоначально на приемной стороне радиолинии в канале значение ОСШ было 13,5 дБ. И для обеспечения значения P, равного 0,00001, использовалась модуляция ФМ8, то при снижении значения ОСШ до уровня 12 дБ, сохранение указанного значения P, при регулировании скорости передач только за счет вида модуляции, потребуется переход к сигналам ФМ4. В результате скорость передачи снизится более чем на 30%, т.к. один символ сигнала ФМ4 переносит 2 бита информации, а один символ сигнала ФМ8 переносит 3 бита информации.
b
В то же время использование помехоустойчивого кодирования со скоростью кода 7/8 для сигналов ФМ8, обеспечит сохранение требуемого значения P, см. фиг. 1, но при этом снижение скорости передачи информации составит всего лишь 12,5%.
Полученный результат указывает на достижение заявляемого технического результата.
Порядок выбора скорости кодирования информации определен в (Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е испр.: Пер. с англ. - М.: ИД «Вильяме». 2004. 1104 с.).