СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
DIGITAL INFORMATION ENCODING AND TRANSMISSION METHOD

Изобретение относится к системе беспроводной связи, а именно, к технике цифровой связи, и может быть использовано для передачи цифровой информации по каналам связи, использующим многоантенные системы.
Известен способ кодирования цифрового сигнала для передачи цифровой информации, заключающийся в том, что цифровой сигнал преобразуют к виду, характеризующемуся отсутствием постоянной составляющей при передаче длинной последовательности единиц и нулей путем кодирования исходного сигнала информации. При этом кодирование осуществляют по уровню сигнала, при котором каждый байт исходного цифрового сигнала разделяют на два байта - четный и нечетный (см. патент РФ №2317642, МКИ Н03М 13/00, опубл. 2008 г.).
Недостатком способа является то, что разделенные на части элементы исходного потока информации в дальнейшем передаются по одному каналу связи, что приводит к его интенсивной загрузке и, как следствие, к снижению скорости передачи информации, а при повышении скорости передачи также относительно невысокой помехозащищенности.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ, который реализуется с помощью устройства для многоантенной передачи, использующего принцип многоантенной передачи цифровых радиосигналов. Данный способ, использующий многоантенную систему, т.е. систему, состоящую из множества N антенн, включает в себя процедуру выделения определенного ресурса поднесущей или определенного кодового ресурса для конкретных опорных сигналов, соответствующих каждой решетке формирования диаграммы направленности из множества решеток формирования диаграммы направленности (см. патент РФ №2485685, МПК Н04В 7/02, опубл. 2013 г.).
Недостатком способа является то, что применение в предлагаемом способе многоантенной технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output - метод пространственного кодирования сигнала), используемой, в том числе для повышения скорости передачи сигналов, предполагает наличия весьма сложного алгоритма обработки принятых сигналов, а также относительно широкого диапазона частот даже с учетом применения технологии OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Кроме того, на высоких скоростях передачи система имеет относительно малую помехозащищенность.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, является повышение скорости и помехозащищенности передачи цифровой информации за счет увеличения фазового угла сдвига между двумя последовательно излучаемыми через одну и ту же антенну сигналами.
minN
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе кодирования и передачи цифровой информации, заключающимся в том, что используют антенные блоки, состоящие из множества N антенн, взаимно ориентированных в пространстве, с помощью которых осуществляют излучение многопозиционно фазоманипулированных цифровых сигналов, используя заданную матрицу управления и приема данных, согласно изобретению предварительно цифровые сигналы подвергают m - позиционной фазовой манипуляции, в результате которой задают фазовый сдвиг ϕ каждого из цифровых сигналов, отличный от других цифровых сигналов, затем последовательно излучают цифровые сигналы в виде радиоволн через N дипольных антенн, которые имеют различную поляризацию излучения, для чего антенны располагают в одной вертикальной плоскости и ориентируют под разными углами к горизонту, а при излучении каждый из цифровых сигналов направляют на определенную антенну, имеющую определенный угол наклона к горизонту, а следовательно, определенную поляризацию, при этом выполняют условие согласно которому минимальный фазовый угол сдвига ϕ фаз между двумя последовательно излучаемыми через каждую из антенн цифровыми сигналами больше или равен заданному углу сдвига фаз, а количество N антенн, обеспечивающих выполнение указанного условия, вычисляют по формуле:
где N - число излучающих антенн с различной поляризацией излучения;
m - число позиций манипуляции фазоманипулированного сигнала;
minN
ϕ - минимальный угол сдвига фаз между двумя фазоманипулированными сигналами, последовательно излучаемыми каждой из N антенн.
minN
Применение предлагаемой многоантенной системы, состоящей из N дипольных антенн, имеющих различную поляризацию излучения, позволяет пространственно кодировать цифровую информацию, увеличивая при этом минимальный угол сдвига между последовательно излучаемыми сигналами, что повышает помехоустойчивость системы, а также позволяет повысить скорость передачи цифровых сигналов. При этом последовательный цифровой m - манипулированный поток сигналов в приемнике разделяется по определенному правилу на подпотоки и затем последовательно излучается через одну их N антенн таким образом, чтобы минимальный угол ϕ фазового сдвига между сигналами, излучаемыми через одну и ту же антенну, был бы максимально возможным.
На фиг. 1 представлен вид фазовых созвездий для m=2 (BPSK - binary phase-shift keying - двоичная фазовая манипуляция), где количество излучающих антенн N=1.
На фиг. 2 представлен вид фазовых созвездий для m=4 (4-PSK, 4 - phase-shift keying - четырехпозиционная фазовая манипуляция или, что то же самое QPSK - Quadrature Phase Shift Keying - квадратурная фазовая манипуляция), где количество излучающих антенн N может быть как одна, так и две, т.е. N=1 или N=2.
На фиг. 3 представлено изображение фазовых созвездий для m=8 (8-PSK - восьмипозиционная фазовая модуляция), где количество излучающих антенн N может быть как одна, так и две или четыре, т.е. N=1, N=2 или N=4.
На фиг. 4 представлен случай манипуляции 4-PSK. При этом при использовании одной антенны N=1 между сигналами имеет место фазовый сдвиг 90° и фазовый сдвиг 180° - между сигналами при использовании двух антенн N=2.
На фиг. 5 представлен пример манипуляции 4-PSK, 8-PSK для случая применения 4-х антенн N=4, расположенных в одной плоскости под углом 45°.
На чертежах на фазовой плоскости представлены фазы, соответствующие различным двоичным значениям передаваемых сигналов. Указаны также условные направления осей дипольных радиально расположенных антенн, через которые следует излучать те или иные сигналы.
Известно, что для передачи цифровой информации используются различные технологии манипуляции. Предлагаемый способ кодирования и передачи цифровой информации заключается в том, что для этого используют антенные блоки, которые состоят из множества N антенн, взаимно ориентированных в пространстве. С помощью нескольких антенн N осуществляют излучение многопозиционно фазоманипулированных цифровых сигналов с их одновременным пространственным кодированием. При этом выбором той или иной антенны, управление передачей и приемом данных осуществляют, используя матрицу передачи и приема данных. Согласно изобретению предварительно цифровые сигналы подвергают m - позиционной фазовой манипуляции, в результате которой задают угол ϕ фазового сдвига каждого из цифровых сигналов относительно друг друга.
Параметр m представляет собой число возможных значений фазы модулируемого выходного сигнала. Это число называется позиционностью сигнала или способа модуляции. Так, m-позиционная фазовая модуляция означает, что каждый элемент сигнала на выходе модулятора имеет одну из m выбранных начальных фаз.
minN
Затем цифровые сигналы последовательно в виде радиоволн излучают через множество N дипольных антенн. Характерно, что антенны при этом имеют разные поляризации излучения. Для этого их располагают в одной вертикальной плоскости, но ориентируют под разными углами к горизонту, т.е. под некоторым углом друг относительно друга в этой плоскости. При излучении направляют цифровые сигналы каждый на определенную антенну, имеющую определенный угол наклона к горизонту, а следовательно, определенную поляризацию. При этом выполняют условие, согласно которому минимальный фазовый угол сдвига ϕ фаз между двумя последовательно излучаемыми через каждую из антенн цифровыми сигналами больше или равен заданному углу сдвига фаз, а количество N антенн, обеспечивающих выполнение указанного условия, вычисляют по формуле:
где N - число излучающих антенн с различной поляризацией излучения;
m - число позиций манипуляции фазоманипулированного сигнала;
minN
ϕ - минимальный угол сдвига фаз между двумя фазоманипулированными сигналами, последовательно излучаемыми каждой из N антенн.
Способ можно пояснить, рассмотрев ряд примеров.
Известно, что при биполярной двоичной фазовой манипуляции, т.е. для случая, когда параметр m=2 (в англоязычной литературе известной как BPSK), в качестве угла сдвига ϕ используются альтернативные значения фазы 0° и 180°. Иными словами, в случае BPSK бит "0" и бит "1" отличаются друг от друга по фазе на 180° (π). Таким образом, в случае BPSK одним цифровым сигналом (символом) осуществляется кодирование одного бита информации. Данный вид манипуляции нашел очень широкое применение ввиду высокой помехоустойчивости и относительной простоты схемной реализации модулятора и демодулятора. При этом так называемое фазовое созвездие состоит из двух точек (фиг. 1.).
Технически несложно увеличить количество используемых фаз сигнала и тем самым повысить его информационную нагрузку. Очевидно, что для того чтобы осуществить кодирование одним символом двух бит информации, необходимо, чтобы созвездие состояло из четырех точек (так называемая квадратурная фазовая манипуляция QPSK), как это показано на векторной диаграмме квадратурной фазовой манипуляции QPSK. Здесь параметр m=4, и количество бит, приходящихся на один сигнал (один радиоимпульс) равно двум (фиг. 2). Помимо этого, широко используются, в частности, варианты, например, с восемью значениями фаз (фиг. 3). При этом позиционность манипуляции m=8, а количество бит, приходящихся на один сигнал, равно, соответственно трем.
Из фиг. 1 видно, что для случая BPSK, m=2, когда минимальная разность фаз, т.е. угол сдвига фаз ϕ между излучаемыми сигналами составляет 180°.
В то же время минимальная разность фаз для 4-PSK, когда m=4, и для 8-PSK, когда m=8, составляет соответственно 90° и 45° (фиг. 2 и 3).
Важно подчеркнуть, что уменьшение минимальной разности фаз при прочих равных условиях, очевидно, приводит к снижению помехоустойчивости сигналов. Так, на фиг. 3 пунктирными линиями в виде окружностей показаны области фазовой диаграммы, в которых должен находиться конец вектора сигнала, чтобы исключить ошибки. С уменьшением разности фаз радиусы таких окружностей очевидно сокращаются. В связи с этим фазовая манипуляция, где количество фаз ϕ больше восьми в настоящее время на практике применяется редко, хотя простота технической реализации подобной технологии делает ее достаточно привлекательной.
Наиболее распространенные в настоящее время виды манипуляции и их соотвествующая теоретическая эффективность представлены в таблице 1.
Очевидно, что чем выше порядок m фазовой манипуляции, тем меньше оказывается "фазовое расстояние" между соседними числами, и тем более чувствительным должен быть фазовый детектор на приемной стороне радиоканала.
Поэтому, хотя теоретически возможны схемы многопозиционных фазовых манипуляций более высокого уровня, чем, к примеру, 8-PSK, на практике при их реализации возникает слишком большое количество ошибок (именно вследствие уменьшения фазового расстояния), что в настоящее время и сдерживает их дальнейшее развитие и применение. Приходится переходить к более сложным технологиям, например, к технологиям амплитудно-фазовых манипуляций: 16, 32, 64, 256 - QAM (см. таблицу 1).
При этом следует отметить, что чем сложнее схема манипуляции, тем более пагубное воздействие на нее оказывают искажения при передаче, и следовательно, тем меньше расстояние от базовой станции, на котором сигнал может быть успешно принят, если иметь в виду, например, сотовую связь.
minN
к
Цифровые сигналы, предназначенные для излучения в эфир, поступают с передающего устройства на одну из N антенн 1, 2, 3, 4 и т.д. Сигналы направляются на соответствующие антенны таким образом, чтобы расположенные на минимальном друг от друга фазовом угле сдвига ϕ (фазовом расстоянии) сигналы, излучались бы в эфир через разные антенны, расположенные в вертикальной плоскости под углом друг к другу. Иными словами, различные цифровые сигналы должны быть излучены в пространство при помощи радиоволн, имеющих различную поляризацию. Количество антенн, которые могут быть задействованы для реализации данного способа кодирования, вычисляется как степень числа 2 по формуле N=2, где к=0,1,2,3….
min1
Поясним сказанное и затем выведем зависимость количества антенн N от степени m позиционности модуляции передаваемого сигнала и минимального заданного угла ϕ сдвига фаз между сигналами, излучаемыми последовательно через одну антенну.
Очевидно, что при модуляции по типу m-PSK, значение m (фиг. 1) можно определить как
где m - число позиций манипуляции фазоманипулированного сигнала;
min1
ϕ - минимальный фазовый сдвиг между соседними позициями созвездия m-PSK при излучении сигналов через одну антенну.
Откуда
Для квадратурной фазовой манипуляции - 4-PSK (или QPSK) характерно наличие 4 углов сдвигов фазы, т.е. по четверти периода каждый: 0°, 90°, 180°, 270° (фиг. 2) и возможность, следовательно, кодирования двух битов в одном символе (01, 11, 00, 10).
При использовании одной антенны, например, вертикальной поляризации, минимальный фазовый сдвиг согласно формуле (2) будет
min1
ϕ=2π/m=2π*1/4=π/2 (90°).
Используем теперь для излучения этих 4-х чисел, а именно, 01, 11, 00, 10, две антенны: вертикальную и горизонтальную (фиг. 4). Причем каждую из них будем использовать для излучения сигналов, имеющих между собой фазовый сдвиг 180°, т.е., к примеру, пары 00-10 и 01-11, соответственно. Иными словами, в нашем случае сигналы, имеющие четный десятичный номер - это 00 и 10, будут излучаться антенной, к примеру, вертикальной поляризации, а нечетные - это 01 и 11 будут излучаться, соответственно, при помощи антенны, имеющей горизонтальную поляризацию.
min2
В этом случае минимальный угол ϕ фазового сдвига по каждому из каналов - вертикальному и горизонтальному составит 180° (π).
Нетрудно видеть, что для случая двух антенн можно записать:
min2
min1
min1
ϕ=ϕ*2=ϕ*N,
min2
где ϕ - минимальный фазовый сдвиг между соседними позициями созвездия m-PSK при излучении сигналов через две антенны;
min1
ϕ - минимальный фазовый сдвиг между соседними позициями созвездия m-PSK при излучении сигналов через одну антенну;
N - число излучающих антенн.
Таким образом, в общем виде для случая m - позиционной фазовой манипуляции при последовательном излучении сигналов через N антенн, можно записать:
minN
где ϕ - минимальный фазовый сдвиг между соседними позициями созвездия m-PSK при излучении сигналов через N антенн;
min1
ϕ - минимальный фазовый сдвиг между соседними позициями созвездия m-PSK при излучении сигналов через одну антенну;
N - число излучающих антенн;
m - число позиций манипуляции фазоманипулированного сигнала.
min2
min1
min2
То есть минимальный фазовый сдвиг ϕ между соседними позициями - излучаемыми сигналами, станет в два раза больше изначально минимального угла в 90° (π/2), в сравнении со случаем, если бы сигналы излучались через одну антенну ϕ. Здесь ϕ - это минимальный угол фазового сдвига, обеспечиваемый по каждому из каналов, т.е. в каждой из антенн, в случае применения двух антенн.
Увеличение угла фазового сдвига между соседними позициями облегчает режим работы фазового детектора радиоприемника, делает ее более устойчивой, повышая тем самым помехоустойчивость радиообмена. А это, в свою очередь, влечет за собой повышение скорости передачи сигналов.
Подобный алгоритм можно распространить на произвольное число m позиций манипуляции фазоманипулированного сигнала. В том числе, очевидно, и для случая m=8.
min
Рассмотрим, как можно использовать две, к примеру, взаимно перпендикулярные антенны - горизонтальную и вертикальную, для увеличения минимального фазового расстояния, т.е. минимального фазового угла ϕ сдвига при манипуляции 8-PSK, иными словами, когда имеется восемь сдвигов фазы и кодируется, таким образом, 3 бита в символе, а именно, 000, 001, 011, 111.
min1
В этом случае минимальное "фазовое расстояние" или иначе минимальный фазовый сдвиг ϕ для случая одной излучающей антенны определится согласно формуле (2), как:
min1
ϕ=2π*1/8=π/4 (45°).
Разобьем эти восемь сигналов на 2 группы.
Первая группа: 0-4, 2-6 - условно четная группа, и вторая группа: 1-5, 3-7 - условно нечетная группа.
Если теперь сигналы каждой из групп излучать через "свою" антенну вертикальной или горизонтальной поляризации, то сигналы в каждой из групп будут иметь фазовый сдвиг 90° (фиг. 3 и 5), т.е. в N раз больший, чем при излучении через одну антенну. В данном случае N=2 и можно, согласно формуле (3) записать:
min2
ϕ=2π*N/8=2π*2/8=π/2 (90°),
min2
где ϕ - фазовый сдвиг между соседними позициями созвездия m-PSK при излучении сигналов через две антенны;
N=2 - количество антенн с различной поляризацией.
Подобным образом минимальный фазовый угол можно увеличить, если применить не две, а, к примеру, четыре антенны с соответствующими поляризациями (фиг. 5). На фиг. 5 представлена графическая интерпретация этого случая. Цифры обозначают десятичные эквиваленты двоичных сигналов, которые предстоит излучить в пространство через данные антенны: десятичный "0" соответствует двоичному числу "000", десятичная "1" - "001", ……, "7" - "111". Всего восемь сигналов.
На фиг. 5 также показана антенная система с четырьмя антеннами (№1, №2, №3, №4), угол наклона каждой из которых, т.е. их поляризация, совпадает с углом фазового сдвига при данном виде манипуляции, т.е. для данного значения m=8.
Антенна №1 ("0-4") размещена горизонтально, имеет нулевой угол наклона, в дальнейшем через нее будут излучаться сигналы, соответствующие двоичным числам "000" и "010".
Антенна №2 ("1-5") расположена под углом 45°, через нее будут излучаться сигналы, соответствующие двоичным числам "001" и "011" и т.д.
Таким образом, по аналогии с предыдущим случаем разбиваем восемь сигналов, имеющих восемь различных углов сдвига фаз передаваемых сигналов, на по числу антенн четыре группы:
Сигналы "0" и "4" - излучаются через антенну №1.
Сигналы "1" и "5" - излучаются через антенну №2.
Сигналы "2" и "6" - излучаются через антенну №3.
Сигналы "3" и "7" - излучаются через антенну №4. Нетрудно видеть, что в этом случае фазовый сдвиг между сигналами, излучаемыми через каждую из антенн, согласно формуле (3) будет
min4
ϕ=2π*4/8=π (180°),
min4
где ϕ - фазовый сдвиг между соседними позициями созвездия m-PSK при излучении сигналов через четыре антенны.
Результаты расчетов, проведенных подобным образом и для других значений входящих величин, сведены в таблицу 2.
Из таблицы видно, что:
Количество антенн N, взятых в два раза меньше порядка m манипуляции (N=m/2), обеспечивает угол сдвига фаз ϕ=π.
Количество антенн N, взятых в четыре раза меньше порядка m манипуляции (N=m/4), обеспечивает угол сдвига фаз ϕ=π/2.
Количество антенн N, взятых в восемь раз меньше порядка m манипуляции (N=m/8) обеспечивает угол сдвига фаз ϕ=π/4.
Количество антенн N, взятых в шестнадцать раз меньшее порядка m манипуляции (N=m/16) обеспечивает угол сдвига фаз ϕ=π/8.
Нетрудно видеть, что углам фазовых сдвигов:
min1
min2
min3
1
2
3
ϕ=2π/2, ϕ=2π/2, ϕ=2π/2,…
соответствует количество антенн N, равное:
1
2
3
N=m/2, N=m/2, N=m/2, соответственно.
minN
к
к
Таким образом, в общем виде: углу ϕ=2π/2 соответствует количество антенн N=m/2, где к=1,2,3,…
minN
Исходя из сказанного, можно предложить общую формулу, указывающую на соотношение численного значения позиций m фазовой манипуляции сигнала с количеством используемых при этом антенн N различной поляризации и минимальным фазовым сдвигом ϕ, достигаемым при этом между символами, излучаемыми через каждую из N антенн:
где N - число излучающих антенн с различной поляризацией;
m - число позиций манипуляции сигнала;
minN
ϕ минимальный фазовый сдвиг между символами, излучаемыми через каждую из N антенн.
Таким образом, увеличивая количество антенн в передатчике, и, соответственно, в приемнике, и располагая их соответствующим образом в вертикальной плоскости под разными углами к горизонту, можно увеличить величину фазового сдвига в излучаемых сигналах до требуемой величины. Это позволит упростить процесс демодуляции принятых сигналов, повысить скорость и помехозащищенность радиообмена.
В таблице 3 представлены численные значения величин, входящих в формулу (4).
Изобретение при использовании многопозиционной, т.е. m - позиционной фазовой манипуляции высокого порядка, обеспечивает поддержание на заданном уровне "фазового расстояния" между ближайшими символами - двумя последовательно излучаемыми через каждую из антенн дискретными сигналами. Фактически происходит искусственное, кратное двум снижение значения параметра m и, как следствие, повышение помехоустойчивости, а, следовательно, и скорости передачи дискретной информации, передаваемой по радиоканалам. Это в итоге позволяет повысить скорость и помехозащищенность передачи цифровой информации, эффективность существующих радиотехнических систем и расширить их функциональные возможности.
Таким образом, изобретение позволяет повысить скорость и помехозащищенность передачи цифровой информации за счет увеличения фазового угла сдвига между двумя последовательно излучаемыми через одну и ту же антенну сигналами.