СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ КВАДРАТУРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ
METHOD OF GENERATING QUADRATURE AMPLITUDE-SHIFT KEYED SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к способам и устройствам формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ), применяемых на линиях многоканальной цифровой связи, а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения.
7
Известен способ формирований сигналов с квадратурной фазовой модуляцией (Патент РФ №2205518, МПК  H04L 27/20, 2001 г.), в котором расщепляют несущее колебание на синфазную составляющую (СС) и квадратурную составляющую (КС), формируют синфазный и квадратурный гармонические сигналы путем деления частоты СС и КС в (4k+1) раз, где k - целое число, сдвигают манипулирующие видеосигналы на половину длительности символа так, что фазы синфазного и квадратурного гармонических сигналов совпадают с фазами соответственно СС и КС в начале и конце каждого символа, фазы СС и КС изменяют на 180°, производят балансную модуляцию двоично-манипулированных СС и КС синфазным и квадратурным гармоническими сигналами и суммируют полученные составляющие.
Недостатком указанного способа является относительно низкая помехоустойчивость, что является следствием ее относительно высокого пик-фактора.
k
k
Известен способ формирования сигналов КАМ (Патент РФ №2365050, МПК H04L 27/06, 2008 г.), который состоит из двух параллельно работающих каналов, в одном из которых производят фазоамплитудную манипуляцию сигнала sin ωt (канал I), во втором - фазоамплитудную манипуляцию сигнала cos ωt (канал Q). Указанные сигналы формируют от общего задающего генератора, причем сигнал cosωt получают путем сдвига фазы сигнала sin ωt на 90° с помощью фазовращателя (0°/90°). Манипуляцию фаз сигналов в каналах I и Q производят с помощью коммутаторов, на первый вход которых подают сигнал без сдвига фазы, а на второй вход - сигналы со сдвигом по фазе на 180° с выходов фазовращателей. Управление коммутаторами производится кодовыми комбинациями I и Q, подаваемыми на информационные входы фазоамплитудных манипуляторов. В результате такой модуляции векторы сигналов I и Q будут принимать фиксированные фазовые положения. При такой совокупности описанных элементов и связей достигается увеличение пропускной способности по радиоканалу за счет снижения потерь помехоустойчивости на основе изменения величины оптимального коэффициента модуляции (коэффициента делителя напряжения) в зависимости от получаемого по обратному каналу соотношения сигнал-шум на входе приемного устройства как с разбиением, так и без разбиения общего переносимого потока бит на подпотоки по приоритетности в условиях помех.
Однако известному способу присущ недостаток, связанный с относительно большой величиной пик-фактора формируемой сигнальной конструкции (СК), что снижает помехоустойчивость ее приема.
1
2
3
4
1
2
3
4
3
4
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому техническому результату является способ формирования сигналов КАМ (Патент РФ №2439819, МПК H04L 7/02, 2010 г.), заключающийся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения СС  и КС , которые манипулируют в зависимости от значений первого r, второго r, третьего r и четвертого r информационных битов, причем фазы СС и КС изменяют на 180° при значениях соответственно r=r=1, после чего манипулированные СС и КС суммируют, дополнительно для манипулированных СС  и КС  формируют по четыре уровня напряжения путем умножения значений  и  на предварительно заданные соответствующие коэффициенты a, b и c. Таким образом, для СС получают ; ; ; . Для КС - ; ; ; . Затем из полученных четырех уровней напряжения СС и четырех уровней напряжения КС в зависимости от значений r и r выбирают по одному уровню напряжения  и  соответственно для СС и КС. Один из четырех уровней напряжения для СС  и КС  в зависимости от значений r и r выбирают из условий:
; ;
; .
2
2
2
2
2
2
Коэффициенты a, b и c выбирают соответственно в пределах: a≥1; b≥1/3; , причем выбранные значения данных коэффициентов должны удовлетворять одновременно условиям: (a-1)+(b-1)≥4/9; a+b≤2; (a-c)+(b-c)≥4/9.
Однако способу-прототипу присущ недостаток - относительно большая величина средней мощности и пик-фактора формируемой сигнальной конструкции (СК), обусловленная относительно большим различием амплитудных значений векторов сигнального созвездия (ВСС) формируемой СК.
Техническим результатом заявляемого технического решения является снижение величины средней мощности и пик-фактора формируемой сигнальной конструкции за счет уменьшения различий амплитудных значений векторов сигнального созвездия.
1
2
3
4
1
2
исх21
1
исх22
1
исх11
2
исх12
2
3
4
3
4
исх21
1
исх22
1
исх11
2
исх12
2
2
2
3
4
исх21
1
исх22
1
1
1
исх11
2
исх12
2
3
4
исх21
1
исх22
1
исх11
2
исх12
2
3
4
исх21
1
исх22
1
исх11
2
исх12
2
1
1
2
2
Это достигается тем, что способ формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции, заключающийся в том, что генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения для синфазной составляющей  и квадратурной составляющей , которые манипулируют в зависимости от величин первого r, второго r, третьего r и четвертого r битов информационного битового потока, причем при r=1 изменяют фазы на 180° у , а при r=1 у , после чего манипулированные значения синфазной и квадратурной составляющих суммируют, отличается тем, что значения напряжений для синфазной составляющей , равные U при r=0 (U при r=1), и квадратурной составляющей , равные U при r=0 (U при r=1), манипулируют в зависимости от совместных величин каждой пары третьего r и четвертого r битов информационного битового потока, разделенного на блоки по четыре бита, при этом при r=1 и r=0 значения U при r=0 (U при r=1) оставляют без изменения, а значения U при r=0 (U при r=1) уменьшают в три раза до уровня  при r=0 ( при r=1), при r=0 и r=1 значение U при r=0 (U при r=1) уменьшают в три раза до уровня  при r=0 ( при r=1), а значения U при r=0 (U при r=1) оставляют без изменений, при r=0 и r=0 значения U при r=0 (U при r=1) и U при r=0 (U при r=1) оставляют без изменения, а результат их суммирования умножают на коэффициент α, при r=1 и r=1 значения U при r=0 (U при r=1) и U при r=0 (U при r=1) уменьшают в три раза, до уровня  при r=0 ( при r=1) и  при r=0 ( при r=1), а результат их суммирования умножают на коэффициент β, причем коэффициент α выбирают равным , а коэффициент β равным , манипулированные значения  и  суммируют по формуле . Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата, заключающегося в снижении величины средней мощности и пик-фактора формируемой СК за счет уменьшения различий амплитудных значений ВСС.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, на которых:
на фиг. 1 показан принцип разделения символов информационного битового потока на блоки по четыре символа в каждом;
на фиг. 2 показаны точки ВСС сигналов КАМ, формируемых в соответствии с известным способом-прототипом и предлагаемым способом.
Реализация заявляемого способа поясняется следующим образом.
1. Исходную последовательность символов информационных битов разделяют на блоки по четыре бита. При этом нумерация битов в блоке происходит слева направо. На фиг. 1 показана исходная последовательность символов информационных битов, разделенная на блоки по четыре бита. Над битами каждого блока указана нумерация.
2. Генерируют синусоидальный сигнал, из которого формируют исходные значения напряжения СС  и КС , причем при формировании  синусоидальный сигнал оставляют без изменения.
Операции формирования синусоидального сигнала известны и описаны, например, в патенте РФ №2365050, 2008 г. Причем КС  можно формировать, например, путем изменения фазы исходного синусоидального сигнала на 90° с помощью фазовращателя на 90° (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). На фиг.2 показаны исходные вектора СС  и КС , соответственно по оси синфазного I и квадратурного Q напряжений.
1
2
3
4
1
2
3. Значения напряжений СС и КС манипулируют в зависимости от величин r, r, r и r битов информационного битового потока, причем при r=1 изменяют фазы на 180° у , а при r=1 у .
исх21
исх11
исх22
исх12
Операция манипулирования значениями напряжения СС и КС при формировании СК в двумерном пространстве сигналов КАМ предусматривает изменение исходных значений векторов напряжения СС и КС (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). На фиг.2 показаны значения напряжений U и U по осям синфазного I и квадратурного Q напряжений, сформированных из напряжения СС  и КС  в результате их манипуляции при формировании ВСС без изменения фазы, и значения напряжений U и U, полученные при формировании ВСС с изменением фазы СС  и КС
Операции манипуляции СС и КС, в том числе и при изменении их фазы на 180°, известны и описаны, например, в патенте РФ №2365050, 2008 г.
3
4
4. Манипулируют СС и КС в зависимости от значений каждого r и r информационных символов в каждом из блоков следующим образом:
3
4
4.1. При r=1 и r=0 значение  оставляют без изменений, а значение  уменьшают в три раза.
11
12
исх21
исх22
На фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U (без инверсии) и U (с инверсией), полученных в результате уменьшения в три раза исходных значений  (без инверсии и с инверсией), и значения без изменений манипулированных напряжений U (без инверсии) и U (с инверсией), полученных из исходных значений  (без инверсии и с инверсией).
3
4
4.2. При r=0 и r=1 значение  оставляют без изменений, а значение  уменьшают в три раза.
21
22
исх12
исх12
На фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U (без инверсии) и U (с инверсией), полученных в результате уменьшения в три раза исходных значений  (без инверсии и с инверсией), и значения без изменений манипулированных напряжений U (без инверсии) и U (с инверсией), полученных из исходных значений  (без инверсии и с инверсией).
3
4
4.3. При r=0 и r=0 значения  и  (без инверсии и с инверсией) оставляют без изменений.
исх21
исх22
исх11
исх12
На фиг.2 показаны значения без изменений манипулированных напряжений U и U, полученных из исходных значений  (без инверсии и с инверсией), и значения без изменений манипулированных напряжений U и U, полученных из исходных значений  (без инверсии и с инверсией).
3
4
4.4. При r=1 и r=1 значения  и  (без инверсии и с инверсией) уменьшают в три раза.
21
22
11
12
На фиг.2 показаны значения манипулированных напряжений U и U, полученных в результате уменьшения в три раза исходных значений  (без инверсии и с инверсией), и значения манипулированных напряжений U и U, полученных в результате уменьшения в три раза исходных значений  (без инверсии и с инверсией).
7
Операции уменьшения значения напряжения известны и описаны, например, в патенте РФ №2205518, МПК  H04L 27/20, 2001 г.
3
4
3
4
5. Манипулированные СС и КС суммируют. При r=0 и r=0 результат суммирования умножают на коэффициент . При r=1 и r=1 результат суммирования умножают на коэффициент β=1/2.
1
2
3
4
Суммирование манипулированных значений СС и КС осуществляют по формуле . В формуле под значениями  и  принимают исходные значения напряжений  и , манипулированных в зависимости от величин r, r, r и r. Операции суммирования напряжения СС и КС известны (см. патент РФ №2365050, 2008 г.). Операции умножения известны (см. патент РФ №2439819,2010 г.).
3
4
3
4
В результате суммирования СС и КС (для комбинаций r=0 и r=0 и r=1 и r=1) результат суммирования соответственно умножают на значение α и β, формируют сигнальное созвездие сигнала КАМ.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
На фиг.2 показаны результирующие точки BCC F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, полученные в результате суммирования значений напряжения СС и КС, согласно заявляемому способу.
Возле каждой точки ВСС показан ее манипуляционный код, представленный в двоичной системе счисления. Порядок следования битов «слева направо» соответствует номерам информационных битов каждого из блоков, манипулирующих  и , т.е. первый бит слева является первым информационным битом, второй - вторым информационным битом и т.д. для каждого из блоков.
Для манипуляции СС и КС выбран код Грея. Сигнальные конструкции с манипуляционным кодом Грея отличаются повышенной помехоустойчивостью, относительно СК при натуральном манипуляционном кодировании (см. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003, стр.234).
1
2
1
2
1
2
1
2
Согласно заявляемому способу, формирование сигналов КАМ происходит следующим образом. Информационную последовательность разбивают на блоки по четыре символа в каждом. Манипуляцию СС  и КС  осуществляют для каждого блока в соответствии со значениями r и r информационных битов блока следующим образом. В соответствии со значением r манипулируют , а в соответствии со значением r манипулируют . В случае, когда r=0(r=0), фазу СС (КС) оставляют без изменений. В случае, когда r=1(r=1), фазу СС (КС) изменяют на 180°, т.е. вместо  берут инвертированное значение , а вместо  берут инвертированное значение .
1
2
3
4
Затем для манипулированных битами r и r СС и КС, в зависимости от значений r и r, формируют по два уровня напряжения.
3
4
исх21
11
1
2
исх21
12
1
2
исх22
11
1
2
исх21
12
1
2
В случае, когда r=1 и r=0 формируют: U и U (для r=0 и r=0); U и U (для r=0 и r=1); U и U (для r=1 и r=0); U и U (для r=1 и r=1). Результирующую точку ВСС получают после суммирования манипулированных значений СС и КС.
3
4
исх21
исх11
1
2
исх21
исх12
1
2
исх22
исх11
1
2
исх21
исх12
1
2
1
2
3
4
5
8
9
12
13
14
15
16
В случае, когда r=0 и r=0 формируют: U и U (для r=0 и r=0); U и U (для r=0 и r=1); U и U (для r=1 и r=0); U и U (для r=1 и r=1). Результирующую точку ВСС получают после умножения суммы манипулированных значений СС и КС на значение . Значение  выбрано из условия обеспечения равенства амплитудных величин BCC F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F между собой.
3
4
21
11
1
2
21
12
1
2
22
11
1
2
21
12
1
2
1
6
1
5
1
2
4
7
4
3
4
8
16
11
16
12
16
15
13
10
13
9
13
14
В случае, когда r=1 и r=1 формируют: U и U (для r=0 и r=0); U и U (для r=0 и r=1); U и U (для r=1 и r=0); U и U(для r=1 и r=1). Результирующую точку ВСС получают после умножения суммы манипулированных значений СС и КС на значение . Значение  выбрано из условия обеспечения минимального эвклидова расстояния между следующими точками ВСС СК: |F-F|, |F-F|, |F-F| для левого верхнего квадранта; |F-F|, |F-F|, |F-F| для правого верхнего квадранта; |F-F|, |F-F|, |F-F| для правого нижнего квадранта; |F-F|, |F-F|, |F-F| для левого нижнего квадранта (см. прил. 1).
3
4
21
исх11
1
2
21
исх12
1
2
22
исх11
1
2
22
исх12
1
2
В случае, когда r=0 и r=1 формируют: U и U (для r=0 и r=0); U и U (для r=0 и r=1); U и U (для r=1 и r=0); U и U(для r=1 и r=1). Результирующую точку ВСС получают после суммирования манипулированных значений СС и КС.
Возможность снижения величины средней мощности и значения пик-фактора в заявляемом способе показана в прил. 1.
Таким образом, в заявляемом способе при его реализации за счет уменьшения различий амплитудных значений ВСС достигается цель заявляемого технического решения, направленная на снижение величины средней мощности и значения пик-фактора формируемой СК, что приведет к повышению помехоустойчивости сигнала КАМ.
Приложение 1
ОЦЕНКА УРОВНЯ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ И ПИК-ФАКТОРА СИГНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АМПЛИТУДНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ВЕКТОРА СИГНАЛЬНОГО СОЗВЕЗДИЯ В ЗАЯВЛЯЕМОМ СПОСОБЕ
1
2
5
6
3
4
8
7
11
12
16
15
9
10
14
13
1
2
5
6
3
4
8
7
11
12
16
15
9
10
14
13
n
В способе-прототипе точки ВСС сигнала КАМ: A, A, A, A, A, A, A, A, A, A, A, A, A, A, A, A. В заявляемом способе точки векторов сигнальной конструкции КАМ: F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F (см. фиг.2). Пик-фактор (см. стр.17 формула 23, патент РФ №2439819 C1, опубл. Бюл. №1 от 10.01.2012 г.) можно интерпретировать как результат отношения пиковой амплитуды U СК к ее средней амплитуде .
Поскольку в СК КАМ значения точек ВСС в каждом из квадрантов имеют одинаковые энергетические значения, то все расчеты проведем только для правого верхнего квадранта.
Средняя амплитуда  и пиковая амплитуда  СК КАМ в способе-прототипе имеют следующие значения , где  (см. стр.17 формула 20, 24 и 26, патент РФ №2439819 C1, опубл. Бюл. №1 от 10.01.2012 г.).
В результате значение пик-фактора для способа-прототипа
.
4
3
4
8
4
4
4
4
исх11
4
исх21
исх11
исх21
Пиковая амплитуда  СК в заявляемом способе равна |OF|, поскольку у формируемой СК одинаковые значения у следующих ВСС |OF|=|OF|=|OF|. Значение |OF|=α×|OA|, |OA| можно рассчитать из треугольника OAH (см. фиг.2), , где |OH|=U, и |HA|=U, учитывая, что |U|=|U|, тогда:
.
Средняя амплитуда  СК в заявляемом способе равна
.
Значение . Значение , величину |OG| находим из треугольника OGB: , где . Тогда .
1
2
5
3
4
8
12
16
15
9
14
13
исх11
4
7
1
6
16
11
13
10
7
4
4
7
4
7
7
Выбор значения  обусловлен следующими соображениями. И в заявляемом способе значение минимального евклидова расстояния d для ВСС F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F, F одинаковое и будет определяться как у сигналов двенадцатипозиционной фазовой манипуляции d=2Usin15°. Следовательно, для обеспечения такого же значения для |F-F| (|F-F| |F-F|, |F-F| для других квадрантов), необходимо значение |OF| вычислять как разность |OF|-|FF|. Полагая |FF|=d, имеем . Учитывая, что заявляемая СК формируется на основе квадратурных составляющих, то результирующее значение β можно рассматривать как отношение |OF|/|OG|. Тогда
В итоге: .
В результате значение пик-фактора для заявляемого способа
.
п
Таким образом, эффективность заявляемого способа по показателю относительного снижения значения пик-фактора Э составит
.
При этом среднее значение амплитуд в заявляемом способе в 1,3 раза меньше по отношению к способу-прототипу. Следовательно, и средняя мощность СК в заявляемом способе будет меньше. Это указывает на достижение цели заявляемого технического решения, направленной на снижение величины средней мощности и значения пик-фактора формируемой СК КАМ, и как следствие, повышения помехоустойчивости.