Способ кодирования данных в радиоканале
METHOD FOR ENCODING DATA 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 является принятый в качестве прототипа 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 упрощение антенной системы при экономии частотного и поляризационного ресурса радиоканала.
n
n
n
Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе кодирования данных 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 излучается с использованием одной несущей частоты и передается в виде одного радиоимпульса синусоидальной формы, представляющего собой комбинационный комплекс в виде суммы гармоник, имеющих частоты, совпадающие с несущей, но имеющих различные амплитуды и различные начальные фазы, причем каждая из гармоник, составляющих комплекс, при формировании может находиться в трех m=3 состояниях, а именно, либо «0», либо «1», либо отсутствовать, при этом гармоника, имеющая большую амплитуду A2 соответствует логической единице - «1», а с меньшую амплитуду A1 - логическому нулю - «0», при этом различные начальные фазы Δϕ, а также различные амплитуды каждой из гармоник, соответствующие одному из состояний комплекса, позволяет формировать алфавит передаваемых сообщений, объем которого вычисляется по формуле:
n
B=m,
где m=3 - число состояний каждой из гармоник комплекса;
n
n
n=A*Δϕ - количество возможных комбинаций из различных амплитуд и начальных фаз синусоидальных сигналов, составляющих комплекс.
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 ставится гармоническое колебание с соответствующей амплитудой и начальной фазой. Это колебание, в свою очередь, представляет собой одно из состояний комплекса, сформированного из гармоник, отличающихся амплитудами и начальными фазами. Амплитуды соответствуют логическим "0" и "1". Причем большие амплитуды соответствуют, к примеру, "1", а меньшие "0". Количество начальных фаз и амплитуд каждой из гармоник может быть произвольным. Из различных комбинаций указанных гармоник, имеющих различные амплитуды и начальные фазы, методами комбинаторики формируется алфавит передаваемых сообщений, общее количество которых вычисляется по формуле: В=m.
Поскольку формирование частотного комплекса происходит с использованием одной частоты, а его излучение в эфир с использованием одной антенны, то таким образом достигается упрощение конструкции антенного блока при экономии частотного и поляризационного ресурса радиоканала.
Способ кодирования данных в радиоканале поясняется чертежами, где на фиг. 1 в графическом виде представлен принцип кодирования логической "1" и логического"0"; на фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующая способ кодирования данных в радиоканале; на фиг. 3 представлены варианты состояния радиоимпульса с различными амплитудами и фазами в виде круговой диаграммы; на фиг. 4 представлены варианты состояния радиоимпульса с различными амплитудами и фазами в виде прямоугольной диаграммы; на фиг. 5 представлены радиосигналы с нулевой начальной фазой ϕ=0, соответствующие информационным "1" и "0"; на фиг. 6 представлены радиосигналы, соответствующие информационным "1" и "0" с начальной фазой 120° (ϕ=2π/3); на фиг. 7 представлены радиосигналы, соответствующие информационным "1" и "0" с начальной фазой 240° (ϕ=4π/3).
1
n
На фиг. 1 приняты следующие обозначения: А1=0 В - нулевая амплитуда радиоимпульса, что соответствует отсутствию в» сигнале гармоники (гармоник) с данным (данными) сдвигом (сдвигами) фазы (фаз); А2=1 В - гармоника с амплитудой 1 В соответствует информационному биту «0»; A3=2 В - гармоника с амплитудой 2 В, соответствует информационному биту «1»; Δϕ…Δϕ - начальные фазы радиосигналов, соответствующие информационным битам "1" и "0".
Способ кодирования данных в радиоканале заключается в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, выполненный в виде одной антенны.
При этом цифровой сигнал излучается с использованием одной несущей частоты и передается в виде одного радиоимпульса синусоидальной формы, представляющего собой комбинационный комплекс в виде суммы гармоник.
n
n
Гармоники имеют одинаковые частоты, но различные амплитуды A и различные начальные фазы Δϕ. Причем каждая из гармоник, составляющих комплекс, при его формировании может находиться в трех m=3 состояниях: либо «0», либо «1», либо отсутствовать (см. фиг. 1).
n
n
n
n
При этом гармоники, имеющие большие амплитуды A2 соответствуют логической единице «1», а гармоники, имеющие меньшие амплитуды A1 - логическому нулю «0». Множество различных начальных фаз Δϕ, а также различных амплитуд A каждой из гармоник соответствующие одному из состояний комплекса, позволяет формировать алфавит передаваемых сообщений, объем которого вычисляется по формуле:
n
B=m,
где m=3 - число состояний каждой из гармоник комплекса;
n
n
n=A*Δϕ - количество возможных комбинаций из различных амплитуд и начальных фаз синусоидальных сигналов, составляющих комплекс.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (см. фиг 2), содержит источник 1 цифровой информации, логическое устройство 2, блок 3 электронных ключей, генератор 4 гармонического колебания (несущей частоты), блок 5 задержек начальных фаз, сумматор 6 гармоник, излучающую антенну А, суммарный выходной сигнал 7, который подлежит излучению в эфир.
Устройство работает следующим образом.
Для кодирования данных цифровой информации последняя от источника 1 цифровой информации в виде двоичной цифровой последовательности, соответствующей определенному десятичному числу, поступает на логическое устройство 2, которое в конечном счете управляет электронными ключами К1-Кn, входящими в блок ключей 3.
На первом этапе логическое устройство 2 при помощи матрицы соответствия соотносит цифровую информацию, поступающую от источника цифровой информации 1, с некоторым комплексом параметров, содержащемся в матрице соответствия, иными словами, в базе логического устройства 2. Каждый из этих комплексов представляет собой сумму гармонических колебаний, имеющих в общем случае одинаковые частоты, но разные амплитуды (в нашем примере их три - A1=0B, А2=1В, A3=2В) и разные начальные фазы. Указанных амплитуд может быть несколько, и они также устанавливаются логическим устройством 2 в соответствии с матрицей соответствий в момент поступления на логическое устройство 2 двоичного кода от источника 1 цифровой информации. Амплитудами гармоник, источником которых является генератор 4 несущей частоты, и сдвигом начальных фаз, формируемых блоком 5 задержек, также управляет логическое устройство 2, в соответствии с двоичным кодом, поступившим на него от источника 1 цифровой информации.
Логическое устройство 2, анализируя полученную двоичную последовательность, определяет, согласно матрице соответствия, какие именно ключи Кn блока 3 электронных ключей должны быть открыты (активированы) для формирования соответствующего комплекса из гармоник, поступающих с блока 5 линий задержек. Таким образом, в зависимости от передаваемого цифрового кода логическое устройство 2 формирует гармонические сигналы с соответствующими амплитудами и открывает ключи К1…Kn блока 3 электронных ключей, пропускающие на сумматор 6 необходимые гармоники для формирования соответствующего комплекса в виде суммы этих гармоник. Известно, что сумма гармоник с одинаковыми частотами, но разными амплитудами и начальными фазами является также гармоническим колебанием той же частоты, но со своей амплитудой «А» и своей начальной фазой «ϕ» (см., например, НИЯУ МИФИ. «Оптика и волны. Колебательное движение». https://online.mephi.ru/courses/physics/optics/data/course/1 или «Сложение гармонических колебаний, https://siblec.ru/estestvennye-nauki/kolebaniya/2-slozhenie-garmonicheskikh-kolebanij, п. 2.1).
Таким образом, результирующее колебание, полученное при сложении двух гармонических колебаний с равными частотами, также является гармоническим колебанием.
На каждую их линий задержек блока 5 линий задержек поступают сигналы соответствующих амплитуд от генератора 4 несущей частоты.
Прошедшие через блок 3 ключей сигналы поступают в сумматор 6 частот, где и формируется единый выходной сигнал 7 - комплекс, образованный, как сумма нескольких гармоник и подлежащий в дальнейшем излучению в эфир. Согласно классическим правилам сложения синусоидальных сигналов, данный суммарный комплексный сигнал 7 будет также представлять из себя гармонику, имеющую собственные уникальные амплитуду «А» и начальную фазу «ϕ».
Таким образом, определив в приемнике только два этих параметра, мы получаем возможность однозначно установить структуру комплекса, сформированного в передатчике, а следовательно, и передаваемый в данный момент символ. На приемной стороне именно эти два параметра - амплитуда и начальная фаза принятой гармоники позволяют достаточно просто и однозначно определять значение сигнала, излученного на передающей стороне.
Графическая интерпретация сказанному представлена на фиг. 3…7.
На фиг. 3 значения битов «0» или «1» представлены в виде двух окружностей разных радиусов (амплитуд - в нашем случае 1 В и 0,5 В), разделенных на сектора. Численные значения начальных фаз ϕ внутри каждого из секторов символизируют гармоники с различными начальными фазами: ϕ=0,2π/3,4π/3.
В линейном виде это можно интерпретировать, как показано на фиг. 4, где кодирование бита «1» осуществлено при помощи гармоники с амплитудой 1 В, а бита «0» - гармоники с амплитудой 0,5 В. При этом каждая гармоника может иметь три различные начальные фазы: ϕ=0,2π/3, 4π/3 (0°, 120° и 240°).
Для наглядности на фиг. 5…7 приведены графики трех пар гармоник, передающих информацию, представленную на рисунках 3, 4, где показаны графики гармоник с разными амплитудами - 1,0 В и 0,5 В и разными начальными фазами - ϕ=0,2π/3, 4π/3.
Не трудно видеть, что суммарная функция также является гармоникой с собственной амплитудой и собственной начальной фазой. Эти два параметра и являются идентифицирующими параметрами, однозначно определяющие сигнатуру конкретного комплекса, переданного в эфир.
Более наглядно эти параметры можно просмотреть при помощи таблицы, приведенной ниже.
Из нее не трудно видеть, что фаза гармоники легко определяется как значение функции в нулевой точке х=0, а амплитуда - в точке 1 (или 4).
Такое решение позволяет, используя правила комбинаторики, формировать алфавит передаваемых сообщений, объем которого вычисляется по формуле:
n
B=m,
где m=3 - число состояний каждой из гармоник комплекса; n - количество начальных фаз каждой из гармоник комплекса.
Эффективность метода можно показать на следующих примерах: если для различных реализаций способа взять значения сдвига фаз, равные числам 6, 7 и 8, соответственно, то объем алфавитов передаваемых сообщений примут значения
n
6
9,51
В=m=3=729=2,
10
что соизмеримо с наиболее эффективными из известных в настоящее время способов кодирования (В=2).
Для количества сдвигов фаз, равных числам 7 и 8 результаты еще более убедительны:
n
7
11,1
B=m=3=2187=2;
n
8
12,7
B=m=3=6561=2.
При помощи соответствующих зависимостей, которые могут быть представленных в виде таблиц, формул, матриц и т.п. каждый из возможных выбранных в данный момент комплексов соотносится с неким десятичным числом, подлежащим передаче по радиоканалу в данный момент времени.
Применение предложенного способа позволяет избежать достаточно сложных устройств, обеспечивающих многопозиционную манипуляцию (демодуляцию) несущей при беспроводной передаче цифровой информации, а сводится к использованию электронных коммутаторов и элементов дискретной автоматики, что упрощает схемотехнику каналообразующих устройств и обработку цифровых сигналов при радиообмене.
В итоге создается возможность обеспечить взаимно-однозначное соответствие между цифровым сигналом, подлежащим передаче и двумя параметрами сигнала, поступившего в приемник. При этом используется только одна несущая частота, а также одна антенна вместо нескольких.
Таким образом, предложенный способ позволяет упростить антенную систему и обеспечить экономию частотного и поляризационного ресурса радиоканала.