Способ передачи и приёма сигналов квадратурной амплитудной модуляции
METHOD FOR TRANSMITTING AND RECEIVING QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION SIGNALS

Изобретение относится к способам передачи и приёма сигналов квадратурной амплитудной модуляции и может быть использовано в системах радиорелейной связи.
Известны несколько способов передачи и приёма сигналов квадратурной амплитудной модуляции - QAM сигналов, используемых в современных телекоммуникационных системах [1, 2]. Недостатком этих способов является достаточно высокий порог демодуляции. При передаче и приёме сигналов, модулированных тем или иным образом, важной характеристикой является порог демодуляции, то есть отношение мощности сигнала к мощности шума, при котором перестаёт выделяться несущее колебание принимаемого сигнала, что ведёт к срыву приёма. Порог демодуляции существенно зависит от вида модуляции, применённого на передающей стороне, и вида помехоустойчивого кодирования.
Наиболее эффективным видом помехоустойчивого кодирования, позволяющим с потерями всего в 0,8 – 1,5 дБ достигать предельных скоростей передачи информации, определяемых формулой Шеннона, является LDPC кодирование (Low Density Parity Check Codes – коды с проверкой на чётность низкой плотности). Препятствием для реализации характеристик кодирования являются слишком высокие пороги демодуляции в существующих демодуляторах, определяемые способностью демодулятора выделять несущее колебание.
Сигнал несущей может быть восстановлен непосредственно из принимаемого информационного сигнала. Большинство современных систем связи работают с подавлением несущего колебания, которое не содержит полезную информацию, и поэтому ФАПЧ не может восстановить несущее колебание на приёмном конце линии связи. Для синхронизации несущего колебания необходимо устранить модуляцию, восстановив тем самым его составляющую в спектре принятого сигнала. Сделать это можно путем возведения входного сигнала в степень (схема А. А. Пистолькорса).
Для большинства видов модуляции (амплитудные, фазовые, амплитудно-фазовые) система восстановления несущей непосредственно из информационного сигнала может быть построена на схеме Костаса.
На сегодня среди известных способов восстановления несущей частоты наиболее широко используется способ фазовой автоматической подстройки частоты [3], реализованный в фазоквадратурном кольце ФАПЧ – системе Костаса.
Как известно, фазовые ошибки слежения за фазой несущей этого способа ФАПЧ и способа ФАПЧ с возведением входного сигнала в степень описываются одинаковыми стохастическими уравнениями [3, стр. 103]. Поэтому при прочих равных условиях дисперсии фазовых ошибок слежения за фазой несущей, как этого способа ФАПЧ, так и способа ФАПЧ с возведением входного сигнала в степень будут одного уровня.
Наличие чистого опорного сигнала очень важно для повышения помехоустойчивости синхронного демодулятора. Очевидно, что случайные флуктуации фазы опорного сигнала приводят к значительной деградации правильного приёма: при обычном соотношении сигнал/шум 12 дБ случайные фазовые ошибки всего лишь в диапазоне 6 градусов ухудшают достоверность приёма почти на порядок [4, раздел 7.7.1].
Показано [5, стр. 305], что для многопозиционных фазомодулированных сигналов аппаратурная реализация также приводит к схеме Костаса.
H04L 29/00, H04L 27/34
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ по патенту РФ 2641448, , принятый за прототип.
Способ-прототип включает использование в канале связи вместо одного сигнала КАМ с высоким номером суперпозицию нескольких сигналов КАМ с более низкими номерами КАМ (иерархическую модуляцию). Для достижения нужного энергетического эффекта сигналы КАМ на передающем конце складывают в определенной пропорции, зависящей от примененных видов модуляции и помехоустойчивого кодирования и обеспечивающей на приемном конце их последовательное (с вычитанием из суперпозиции сигналов очередного декодированного сигнала) декодирование с заданной вероятностью.
Недостаток способа-прототипа – достаточно высокий порог демодуляции.
Задача предлагаемого технического решения – снижение порога демодуляции за счёт обеспечения низкого порога синхронизации по несущей частоте.
согласно изобретению
с
с
Для решения поставленной задачи в способе передачи и приёма сигналов квадратурной амплитудной модуляции, , на передающей стороне формируют гармонический сигнал и разветвляют его по двум каналам; сигнал первого канала модулируют, преобразуют при помощи первого повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р в горизонтальной поляризации, а немодулированный гармонический сигнал второго канала преобразуют при помощи второго повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р/n в вертикальной поляризации, при этом на первый и второй повышающие смесители подают общий сигнал гетеродина передатчика;
с
нес
с
на приёмной стороне модулированный сигнал первого канала принимают в горизонтальной поляризации, преобразуют при помощи первого понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В, а немодулированный гармонический сигнал второго канала принимают в вертикальной поляризации, преобразуют при помощи второго понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В, равной В/m и используют его для синхронной демодуляции модулированного сигнала первого канала, при этом на первый и второй понижающие смесители подают общий сигнал гетеродина приемника, а величину числа m выбирают больше величины числа n.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
С
с
На передающей стороне формируют гармонический сигнал и разветвляют его по двум каналам. Сигнал первого канала модулируют, преобразуют при помощи первого повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р в горизонтальной поляризации, а немодулированный гармонический сигнал второго канала преобразуют при помощи второго повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р/n в вертикальной поляризации, при этом на первый и второй повышающие смесители подаётся сигнал гетеродина передатчика. Использование общего сигнала гетеродина для первого и второго повышающих смесителей обеспечивает когерентность сигналов, передаваемых по двум каналам.
с
нес
с
На приёмной стороне модулированный сигнал первого канала принимают в горизонтальной поляризации, преобразуют при помощи первого понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В, а немодулированный гармонический сигнал второго канала принимают в вертикальной поляризации, преобразуют при помощи второго понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В, равной В/m и используют его для синхронной демодуляции модулированного сигнала первого канала, при этом на первый и второй понижающие смесители подаётся сигнал гетеродина приемника. Использование общего сигнала гетеродина для первого и второго понижающих смесителей обеспечивает когерентность сигналов, принимаемых по двум каналам.
нес
с
При передаче несущей по предлагаемому способу несущая выделяется фильтром с полосой ∆F, много меньшей ∆F. Поэтому соотношение сигнал/шум для несущей будет много больше соотношения сигнал/шум для принимаемого сигнала.
изл
6
-6
Рассмотрим числовой пример. Модулированный сигнал излучается с мощностью Р= 30 дБм (1 Вт) и с полосой 30 МГц. Спектральная плотность мощности составит 30 дБм / 30⋅10 Гц = 1⋅10дБм/Гц.
изл нес
Сигнал несущей излучается с мощностью Р=10 дБм (10 мВт), т.е. мощность, затрачиваемая на передачу несущей, составляет 1 % от мощности модулированного сигнала. Выделяют сигнал несущей в приёмнике фильтром с полосой 25 кГц (например, ФП2П4-557-02-46,95М-25).
-6
3
-3
В этой полосе мощность основного модулированного сигнала, который является мешающим, составит 1⋅10дБм/Гц ⋅25⋅10Гц = 25⋅10 дБм = 0,025 дБм. Типовая антенна с двойной поляризацией имеет минимальную величину разделения по поляризации 30 дБ. Тогда получают мощность основного сигнала, попадающую в канал передачи несущей: 0,025 дБм-30 дБ=-29,975 дБм. Видим, что 10 дБм намного больше, чем -29,975 дБм. Это означает, что основной модулированный сигнал не мешает немодулированному сигналу несущей.
Сравним отношение сигнал/шум на приёмной стороне в канале основного полезного сигнала с отношением с/ш в канале несущей.
с
нес
ш
ш нес
3
Мощность модулированного сигнала Р будет больше мощности несущей Р на 30 дБм-10 дБм = 20 дБ. Но и мощность шума в полосе модулированного сигнала Р с будет больше мощности шума в полосе несущей Рна 10lg(28 МГц/25 кГц) = 10lg(1,12⋅10) = 0,49+30 = 30,49 дБ.
Поэтому соотношение с/ш в канале несущей будет больше соотношения с/ш в канале основного полезного сигнала на 30,49 дБ-20 дБ = 10,49 дБ.
Технический результат состоит в снижении порога демодуляции за счёт обеспечения низкого порога синхронизации по несущей частоте.
Структурная схема устройства, предназначенного для реализации предлагаемого способа, приведена на фиг. 1, где обозначено:
1 – генератор гармонического сигнала;
2 – разветвитель;
3 – квадратурный модулятор;
4 – усилитель;
5 – первый повышающий смеситель;
6 – второй повышающий смеситель;
7 – гетеродин передатчика;
8 – первый усилитель мощности;
9 – второй усилитель мощности;
10 – первый полосовой фильтр передатчика;
11 – второй полосовой фильтр передатчика;
12 – первый циркулятор передатчика;
13 – второй циркулятор передатчика;
14 – передающая антенна с двойной поляризацией;
15 – приёмная антенна с двойной поляризацией;
16 –  первый циркулятор приёмника;
17 – второй циркулятор приёмника;
18 – первый малошумящий усилитель;
19 – второй малошумящий усилитель;
20 – первый понижающий смеситель;
21 – второй понижающий смеситель;
22 – гетеродин приёмника;
23 – первый усилитель промежуточной частоты;
24 – второй усилитель промежуточной частоты;
25 – полосовой фильтр модулированного сигнала;
26 – полосовой фильтр опорного сигнала;
27 – фазовращатель;
28 – квадратурный демодулятор.
Устройство для передачи и приема сигналов КАМ состоит из передающей и приемной сторон.
Передающая сторона содержит генератор гармонического сигнала 1, выход которого через последовательно соединенные разветвитель 2, квадратурный модулятор 3, первый повышающий смеситель 5, первый усилитель мощности 8 и первый полосовой фильтр 10 соединен с входом первого циркулятора передатчика 12, выход которого соединен с первым входом передающей антенны с двойной поляризацией 14. Кроме того, второй выход разветвителя 2 через последовательно соединенные усилитель 4, второй повышающий смеситель 6, второй усилитель мощности 9 и второй полосовой фильтр передатчика 11 соединен с входом второго циркулятора 13, выход которого соединен со вторым входом передающей антенны с двойной поляризацией 14. При этом выход гетеродина передатчика 7 соединен со вторыми входами первого 5 и второго 6 повышающих смесителей. Квадратурный модулятор 3 имеет два входа для модулирующих сигналов I и Q.
Приемная сторона содержит приемную антенну с двойной поляризацией 15, первый выход которой соединен с входом первого циркулятора приемника 16, выход которого через последовательно соединенные первый малошумящий усилитель 18, первый понижающий смеситель 20, первый усилитель промежуточной частоты 23 и первый полосовой фильтр модулированного сигнала 25 соединен с первым входом квадратурного демодулятора 28. Второй выход приемной антенны с двойной поляризацией 15 соединен с входом второго циркулятора приемника 17, выход которого через последовательно соединенные второй малошумящий усилитель 19, второй понижающий смеситель 21, второй усилитель промежуточной частоты 24, второй полосовой фильтр опорного сигнала 26 и фазовращатель 27 соединен со вторым входом квадратурного демодулятора 28, выходы которого являются выходами демодулированных сигналов I и Q соответственно. При этом выход гетеродина приемника 22 соединен со вторыми входами первого 20 и второго 21 понижающих смесителей.
Устройство работает следующим образом. Генератор 1 на передающей стороне вырабатывает гармонический сигнал, который разделяется разветвителем 2 на два канала. Сигнал первого канала модулируется сигналами I и Q в квадратурном IQ модуляторе 3 и поступает далее на вход первого повышающего смесителя 5, на гетеродинный вход которого поступает сигнал гетеродина передатчика 7. Выходной сигнал смесителя 5 далее усиливается усилителем мощности 8, фильтруется полосовым фильтром 10 и через циркулятор 12 поступает на первый вход передающей антенны с двойной поляризацией 14, которая излучает сигнал первого канала в эфир в горизонтальной поляризации.
Сигнал второго канала усиливается усилителем 4 и поступает далее на вход второго повышающего смесителя 6, на гетеродинный вход которого поступает сигнал гетеродина передатчика 7, общего для первого и второго каналов. Выходной сигнал смесителя 6 далее усиливается усилителем мощности 9, фильтруется полосовым фильтром 11 и через циркулятор 13 поступает на второй вход передающей антенны с двойной поляризацией 14, которая излучает сигнал второго канала в эфир в вертикальной поляризации.
Приёмная антенна с двойной поляризацией 15 принимает сигнал с горизонтальной поляризацией первого канала. Далее принятый сигнал через циркулятор 16 и малошумящий усилитель 18 поступает на вход понижающего смесителя 20, на гетеродинный вход которого поступает сигнал гетеродина приёмника 22. Выходной сигнал смесителя 20 далее усиливается усилителем промежуточной частоты 23 и через полосовой фильтр модулированного сигнала 25 поступает на вход квадратурного IQ демодулятора 28.
Приёмная антенна с двойной поляризацией 15 принимает сигнал с вертикальной поляризацией второго канала. Далее принятый сигнал через циркулятор 17 и малошумящий усилитель 19 поступает на вход понижающего смесителя 21, на гетеродинный вход которого поступает сигнал гетеродина приёмника 22, общего для первого и второго каналов. Выходной сигнал смесителя 21 далее усиливается усилителем промежуточной частоты 24 и через узкополосный полосовой фильтр опорного сигнала 26 поступает на вход фазовращателя 27, выходной сигнал которого поступает на вход опорного сигнала квадратурного IQ демодулятора 28. На выходе демодулятора 28 выделяются демодулированные сигналы I и Q.
Источники информации:
1. Патент RU 2641448 С1. Способ передачи и приема сигналов КАМ (квадратурной амплитудной модуляции). Опубликовано 17.01.2018. Бюл. №2.
2. Патент RU 2738091 С1. Способ квадратурной амплитудно-фазовой модуляции. Опубликовано 08.12.2020. Бюл. № 34
3. В. Линдсей. Системы синхронизации в связи и управлении.  М.: Сов. радио, 1978. – 600 с.
4. Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. М.: Горячая линия – Телеком, 2012. – 592 с.
5. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000. – 800 с.