СПОСОБ ЦИФРОВОЙ МОДУЛЯЦИИ
DIGITAL MODULATION METHOD

Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно к технике цифровой связи, и может быть использовано для передачи дискретной информации по каналам радиосвязи.
Известно достаточно много способов цифровой модуляции несущей частоты для передачи полезной информации. Наиболее эффективной в настоящее время считается многопозиционный метод цифровой модуляции (манипуляции) несущей, который существует в виде двух основных видов: фазовая PSK и квадратурно - амплитудная QAM манипуляции.
Известна также позиционно-импульсная модуляция (ПИМ) - форма модуляции сигнала, при которой N битов сообщения кодируются путем передачи одного импульса в один из возможных требуемых временных сдвигов [https:// ru.abcdef. wiki/ wiki/Pulse-position_modulation#. Как известно, при ПИМ тактовый интервал делится на М позиций, при этом каждый импульс передаваемой информации соответствует номеру двоичного кода [https://bookzooka.com/book/167-lazemye-sistemy-svyazi-uchebnoe-posobie-viktor-georgievich-nechaev/19-46-pozicionno-impulsnaya-modulyaciya.html].
Недостатком этих устройств и реализуемых в них способов кодирования является в обоих случаях ограничения по скорости передачи данных, связанные с относительно низкой плотностью цифровой модуляции несущего сигнала.
n
Наиболее близким по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ кодирования и передачи данных по радиоканалам, заключающийся в том, что антенный блок выполнен в виде одной антенны, имитирующей ряд виртуальных антенн, на которые блок управления направляет последовательно ряд двоичных кодов, каждый из которых имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, и направлением вращения вектора поляризации, причем количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, при этом направление вращения вектора поляризации имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», создавая общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!m, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн, m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных (см. патент РФ №2430422, МПК Н03М 13/00, опубл. 2020 г.).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение плотности манипуляции несущего сигнала и, как следствие, увеличение скорости передачи цифровой информации.
n
n
Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе цифровой модуляции, заключающемся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, связанный с блоком управления и источником информации, причем для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок управления согласно матрице соответствия направляет последовательно на антенну ряд передаваемых в течение заданного тактового интервала двоичных кодов, каждый из которых имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, в том числе виртуальных, и направлением вращения вектора поляризации, причем количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, при этом направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки, создавая общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В различных цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!m, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных, согласно изобретению тактовый интервал с помощью управляющих сигналов от блока тактирования и фрагментации делится на "М" временных интервалов равной длительности, в течение каждого из которых блок управления генерирует различное от одного до n количество импульсов, соответствующих определенным кодам из набора В=n!m, создавая путем перестановок общее число комбинаций
M
M
n
M
B=B=(n!m)
n
M
n
M
M
Поставленная техническая задача решается за счет того, что при делении тактового периода на М временных интервалов в предлагаемом решении в течение тактового периода происходит передача не одного импульса в одном из временных интервалов, как в известном способе ПИМ, а передается большее число импульсов, т.е. от одного в одном из интервалов или последовательно нескольких - от двух до n - в нескольких временных интервалах также в течение каждого из тактовых периодов. Это за счет повторного применения правил комбинаторики, а именно комбинаторной конфигурации "Перестановки", позволяет существенно расширить алфавит передаваемых сообщений, а именно с объема его элементов, равного В=n!m, до объема его элементов, равного B=B=(n!m)
В свою очередь, это позволяет повысить плотность манипуляции несущего сигнала и, как следствие, увеличить скорость передачи цифровой информации.
Способ повышения плотности цифровой модуляции поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема, поясняющая принцип предлагаемого способа цифровой модуляции, а на фиг. 2. временная диаграмма работы схемы.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1
4
α … α - двоичные коды, имитирующие направление вращения вектора поляризации в виртуальных секторах;
С1…С4 - уникальные коды каждого из виртуальных секторов. Для примера для разных секторов показаны разные направления вращения вектора в виде «0» и «1»;
А, В, С - буквы, символизирующие различные передаваемые сообщения.
Устройство, реализующее способ, содержит антенный блок 1, в состав которого входит одна антенна, блок 2 тактирования и фрагментации, блок 3 управления, источник 4 цифровой информации.
n
Способ повышения плотности цифровой модуляции, заключается в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок 1, связанный с блоком 3 управления, на который воздействуют управлявшие сигналы от блока 2 тактирования и фрагментации, и источником 4 информации. Антенный блок 1 выполнен в виде одной антенны, при помощи которой может имитироваться ряд виртуальных антенн. Это достигается тем, что для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок 3 управления согласно матрице соответствия в течение заданного временного интервала направляет на антенну последовательно ряд двоичных кодов. Каждый из этих кодов имеет свой уникальный признак, связанный с определенным количеством антенн, в том числе виртуальных, а также с направлением вращения векторов поляризации. Количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, а направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки. При этом создается общее число комбинаций состояний антенного блока, т.е. количества имитируемых антенн и соответствующих направлений векторов поляризаций, доступное для передачи массива В цифровых кодов от источника 4 цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!m, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, a m- число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных.
Далее осуществляют фрагментацию тактового интервала, т.е. деление тактового интервала на равные временные интервалы, которое обеспечивается путем подачи управляющих сигналов от блока 2 тактирования и фрагментации. Созданные таким образом временные интервалы используются для передачи импульсов в количестве от одного до n. Количество импульсов, а также их временное расположение в тех или иных временных интервалах соответствуют одному из чисел в наборе
n
В=n!m.
В свою очередь, появление нескольких временных интервалов, доступных для формирования кода, позволяет применить одно из правил комбинаторики, а именно правило комбинаторной конфигурации "Перестановки", что и приводит к существенному расширению алфавита передаваемых сообщений.
Предложенная в изобретении возможность использования для передачи кодов не одного, а нескольких, а именно от одного до М временных интервалов, позволяет расширить алфавит передаваемых сообщений с объема элементов алфавита В до величины объема алфавита BM:
M
M
n
M
B=B=(n!m)
Сказанное можно проиллюстрировать рядом примеров.
n
4
А) Примем число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных n=4, а число возможных состояний антенн m=3. В таком случае объем алфавита В=n!m=4!3=1944. Если тактовый интервал поделить на М=2 временных интервалов, то получим
M
M
n
4
2
B=B=(n!m)M=4!3=(1944)=3 779 136.
21,85
Это соответствует объему алфавита, равному примерно 2.
Такой объем алфавита для современных радиотехнических систем является, вероятно, избыточным и, возможно, в настоящее время не востребован. Зато такой подход позволяет снизить количество антенн, а следовательно, количество задействованных ресурсов, таких, как фазовый сдвиг, частот, кодов, что в свою очередь, делает систему более помехоустойчивой и технологичной.
Б) Теперь вместо четырех возьмем три n=3 антенны, оставив число возможных состояний антенн m=3 и временных интервалов М=2 неизменными. Получим, что
n
3
M
n
M
3
M
В=n!m=3!3=746. Тогда B=B=(n!m)=(746)=5832.
12,51
Это соответствует объему алфавита, равного примерно 2.
В) Тот же самый результат получим, если, оставляя число состояний антенн m=3 неизменным, теперь вместо четырех возьмем две n=2 антенны, а количество временных интервалов примем М=3, т.е. наоборот увеличим до трех. Получим, что
n
2
M
n
M
3
M
В=n!m=2!3=18. Тогда B=B=(n!m)=(18)=5832.
12,51
Это, очевидно, также соответствует объему алфавита, равного примерно 2.
Следовательно, предложенное изобретение расширяет возможности разработчика в выборе средств и позволяет ему варьировать параметры системы таким образом, чтобы достичь максимального эффекта при решении конкретной технической задачи.
Способ цифровой модуляции реализуется следующим образом.
Подлежащий передаче в эфир цифровой сигнал от источника 4 цифровой информации поступает в блок 3 управления (см. фиг. 1). Блок 3 управления содержит некую базу данных, иными словами массив или матрицу соответствия, которые позволяют поступившему на блок 3 управления сигналу поставить в соответствие некий набор параметров антенного блока 1, которые и образуют некие коды, однозначно определяющие поступившую в блок 3 управления цифровую информацию от источника 4 информации, и которые в дальнейшем излучаются в эфир.
Под набором параметров понимается, во-первых, количество антенн, в том числе виртуальных, которые предполагается задействовать в данный момент для излучения цифрового сигнала, а во-вторых, направления вращения вектора поляризации электромагнитной волны.
i
1
3
4
i
i
i
Формирование виртуальных антенн осуществляется следующим образом. Предположим, необходимо сформировать антенный блок, состоящий, например, из четырех виртуальных антенн. Для этого вводится некий параметр α, который имитирует направление вращения вектора поляризации, связанного с i-й антенной. Количество этих параметров и номера их индексов указывает на антенны, которые задействованы в данный момент. Так, присутствие в сигнале параметров α, α, α означает, что в передаче сигнала участвуют три антенны с условными номерами 1, 3, 4. Вращение вектора поляризации может происходить либо по часовой, либо против часовой стрелки, при этом параметр принимает, соответственно, два значения: «0» или «1». Для того, чтобы приемник мог распознать значение каждого из параметров α, каждый из них кодируется своим уникальным кодом, иными словами ему присваивается свой код - Ci. Таким образом, параметр α, а именно его состояния - «0» или «1» кодируются одним из известных способов. Это может быть, например, амплитудное, частотное, фазовое, кодовое или амплитудно-фазовое кодирование. В дальнейшем именно по данному коду Ci приемник определяет, какие именно антенны антенного блока, в том числе виртуальные, были задействованы, а численное значение этого параметра α - «0» или «1» указывает направление вращение вектора поляризации.
i
i
Если в принятом сигнале на данном такте какого-то из параметров (или нескольких параметров) α не окажется, то это означает, что данная антенна α в передаче цифрового фрагмента в указанном временном интервале не участвовала (или не участвовали).
i
С блока 3 управления на антенный блок 1, таким образом, последовательно поступают один или несколько различных значений параметра α, каждый из которых представляют собой двоичные «0» или «1», закодированные уникальными кодами, которые «привязаны» к номерам виртуальных антенн, что впоследствии и позволяет приемнику идентифицировать антенны, участвовавшие в передаче сигнала.
n
Если учесть, что порядок следования параметров а, при помощи блока 3 управления можно изменять в зависимости от передаваемого числа, то общее количество знаков, которые могут быть переданы - алфавит, согласно правилам комбинаторики может быть рассчитано по формуле: В=n!m,
Рассмотрим пример для четырех антенн, когда число состояний m, в котором могут находиться антенны, в том числе виртуальные, составляет m=3.
При этом:
• первое состояние - это состояние, когда антенна не активирована;
• второе состояние - состояние, когда антенна активирована, при этом вектор поляризации вращается по часовой стрелке;
• третье состояние - состояние, когда антенна активирована, при этом вектор поляризации вращается против часовой стрелки.
4
5
Применив аппарат раздела математики "Комбинаторика" (см., например, Комбинаторика, Виленкин Н.Я., Виленкин А.Н., Виленкин П.А., 2006), не трудно показать, что в нашем случае для m=3 можно получить общее число различных комбинаций состояний антенного блока для n=4 антенн, равное В=4!3=24 81=1944. Если же принять n=5, то В=5!3=120×243=29 160. При этом следует подчеркнуть, что предлагаемая технология позволяет производить кодирование сигналов наиболее помехоустойчивыми методами, что является ее дополнительным преимуществом.
Каждый из наборов параметров, согласно принятому правилу, соотносится с цифровым кодом, который необходимо передать в эфир в данный момент. Указанное соответствие с использованием блока 3 управления, содержащего соответствующую базу данных, может быть установлено в виде таблиц, формул, матриц соответствия и т.п.
1
4
Таким образом, некое двоичное число, подлежащее передаче по радиоканалу в данный момент времени, соотносится, как с одним из возможных количеств выбранных в данный момент виртуальных антенн, так и с направлениями вращения в них векторов поляризации α … α. Последние различаются при помощи одноразрядного кода: подача на антенну кода «0» означает, что вектор вращается по часовой стрелке, а кода «1» означает, что вектор вращается против часовой стрелки.
В предлагаемом способе номер виртуальной антенны, а также направления вращения вектора поляризации определяется соответствующими кодами, имитирующими как виртуальные антенны, так и направление вращения векторов поляризации. Количество кодов соответствует количеству виртуальных антенн, которые предполагается создать. В нашем примере их четыре. Все четыре кода подаются на антенну последовательно в определенном порядке. Порядок следования кодов может быть разным, он определяется блоком 3 управления и зависит от значения числа, отобранного им в базе данных или матрице соответствия для последующего излучения в эфир.
Пояснить сказанное можно следующим образом. Пусть αl, α2, α3, α4 -это коды, указывающие направления вращения векторов поляризации в 1-й…4-й виртуальных антеннах (см. таблицу).
Из таблицы следует, что в излучении сигнала участвуют все четыре антенны, причем на первой и четвертой антеннах вращение вектора поляризации происходит по часовой стрелке (код «0»), а на второй и третьей (код «1») - против.
i
1
4
При этом каждая из переменных α, т.е. «0» или «1», указывающих на направление вращения вектора, кодируется своим уникальным кодом С…С, позволяющим однозначно «привязать» данный параметр к той или иной антенне. То есть позволяет не только отличить одну антенну, от других, но и однозначно указать на направление вращения каждого вектора поляризации.
1
4
В таблице эти коды обозначены как Ci. В дальнейшем это позволит приемнику не только определить, какие именно виртуальные антенны были задействованы для передачи информации, но также и определить последовательность излучения в эфир и поступления на приемник параметров α … α, иными словами, позицию каждого из них в последовательности.
Например, если поступление кодов в последовательности C1 - С2 - С3 -С4 приемник при помощи матрицы соответствия определит, как число N1, то поступление кодов в последовательности С3 - С2 - С4 - С1 будет расшифровано приемником уже как число N2.
n
Подобное техническое решение позволяет для расчета объема передаваемого алфавита системы воспользоваться правилами "Комбинаторики", согласно которым общее число комбинаций определяется по формуле В=n!m, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, a m- число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных.
За счет того, что на антенну поступает не один, а несколько кодов, в нашем примере - четыре, имитирующих, соответственно, четыре антенны, при помощи одной антенны можно имитировать произвольное число антенн, а следовательно, расширять алфавит в любых пределах. Это, в свою очередь, упрощает работу передатчика, приемника и системы радиообмена в целом.
Задача блока 2 тактирования и фрагментации заключается в задании строго фиксированного основного тактового интервала Т, а также фрагментации данного интервала на заданное число М временных интервалов, в течение которых излучается выбранных цифровой код. Именно формирование нескольких временных интервалов в рамках одного тактового интервала позволяет еще раз, уже применительно к вновь образованным элементам, а именно временным интервалам, вновь использовать правила комбинаторики. Такой прием и обеспечивает существенное расширение алфавита передаваемых сообщений. На фиг. 2 в качестве примера представлен случай, когда М=2, т.е. тактовый интервал при помощи указанного блока делится пополам.
n
Задача блока 3 управления заключается в том, чтобы сделать надлежащую выборку числа из данного массива (матрицы) и присвоить ему кодирующие признаки на основе параметров n, m из множества В=n!m, образованного различными комбинациями указанных кодирующих признаков. Полученный таким образом виртуальный код подается далее на антенный блок 1, состоящий из одной антенны.
1
4
1
4
Обработка сигналов в приемном устройстве может быть реализована различными способами, хорошо известными на современном уровне развития радиотехники. В любом случае приемник должен содержать исходные коды С…С, при помощи которых кодируются параметры α … α, и перемножая на которые входной сигнал, приемник выделяет полезную информацию.
1
4
Далее входной сигнал анализируется на наличие или отсутствие какого-либо из параметров α … α с той или иной виртуальной антенны. Кроме того, фиксируется последовательность появления их в приемнике, определяя, таким образом, позицию номера той или иной антенны во входном сигнале. На основании этих данных делается вывод о значении полученного от приемника кода. Указанный код соответствует некоторому фрагменту (числу) передаваемой цифровой информации. Это позволяет приемнику идентифицировать полученную информацию и соотнести ее с собственной матрицей, идентичной содержащейся в передатчике, и, расшифровав его таким образом, передать получателю цифровой информации об излученном сигнале. Способ позволяет обеспечить однозначное соответствие конкретного фрагмента цифровой информации и значения сформированного при помощи блока управления кода, который в дальнейшем излучается в эфир и расшифровывается в приемнике.
Кроме того, в приемном устройстве определяется в каком или каких именно из М временных интервалах происходит излучение полезного сигнала, что в данном изобретении является одним из определяющих параметров метода передачи цифровой информации и существенно расширяющие его возможности.
n
M
n
M
M
Таким образом, изобретение позволяет повысить плотность манипуляции несущего сигнала с объема алфавита В=n!m до объема B=B=(n!m) и, как следствие, существенно увеличить скорость передачи цифровой информации.