RU2554531C1

RU2554531C1 - Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции

Info

Publication number: RU2554531C1
Application number: RU2014113512/08A
Authority: RU
Inventors: Игорь Викторович Тимошин; Дмитрий Сергеевич Фирсов; Александр Александрович Бутко
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2015-06-27

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах многоканальной цифровой связи с квадратурной амплитудной манипуляцией, а также в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения. Достигаемый технический результат - снижение потерь пропускной способности дискретного канала в условиях плохой помеховой обстановки. Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции содержит общий задающий генератор, три фазовращателя, четыре коммутатора, сумматор, первый и второй делители напряжения с переменным коэффициентом деления, имеющие два входа и один выход, на первый вход которых подается сигнал с выхода устройства управления величиной сигналов низкого уровня Е_k и D_k, содержащего аналого-цифровой преобразователь, постоянное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь. 4 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопередающим устройствам, применяемым на линиях многоканальной цифровой связи с квадратурной амплитудной манипуляцией, а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения.

Известны способы формирования сигналов относительной и квадратурной фазовой манипуляции (ОФМ, КФМ), в которых для уменьшения спектра передаваемого фазоманипулированного сигнала используется плавный фазовый переход [1, 2].

Известны способы формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (КАМ, QAM), в которых шестнадцатеричный сигнал квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ -16) на передачу формируется в двух квадратурных ветвях (синфазная или синусная и квадратурная или косинусная составляющие), в каждой из которых используется способ формирования сигналов квадратурной фазовой манипуляции [3, 4]. Однако известные аналоги обладают сложностью практической реализации устройства формирования классической КАМ-16.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявляемому является устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляцией (КАМ), содержащее первый, второй, третий фазовращатели, первый, второй, третий, четвертый коммутаторы, первый, второй делители напряжения, сумматор, общий задающий генератор (фиг.1) [5, 6].

Входы первого, второго фазовращателей и первый вход первого коммутатора и выход общего задающего генератора соединены между собой. Выход первого фазовращателя подключен к входу третьего фазовращателя и к первому входу второго коммутатора. Выход третьего фазовращателя соединен со вторым входом второго коммутатора. Первый выход второго коммутатора соединен с первым входом четвертого коммутатора. Второй выход второго коммутатора соединен с входом второго делителя напряжения. Выход второго делителя напряжения подключен ко второму входу четвертого коммутатора. Выход четвертого коммутатора соединен со вторым входом сумматора. Выход второго фазовращателя соединен со вторым входом первого коммутатора. Первый выход первого коммутатора соединен с первым входом третьего коммутатора. Выход первого делителя напряжения соединен с первым входом третьего коммутатора. Второй выход первого коммутатора подключен к входу первого делителя напряжения. Выход третьего коммутатора соединен с первым входом сумматора. Третьи входы первого, второго, третьего, четвертого коммутаторов подключены к информационным каналам. Выход сумматора является выходом устройства.

Однако устройство имеет недостаток. При описанной совокупности элементов и связей оно обладает относительно высокими потерями в пропускной способности дискретного канала в условиях наиболее плохой помеховой обстановки (отношение сигнал-шум на входе демодулятора 10^-1 и выше).

Технический результат направлен на снижение потерь пропускной способности дискретного канала в условиях плохой помеховой обстановки.

Технический результат достигается тем, что в устройстве формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции, содержащем общий задающий генератор, первый, второй и третий фазовращатели, первый, второй, третий, четвертый коммутаторы, сумматор, первый и второй делители напряжения, информационные входы являются входами устройства. Выход информационного канала первого бита (I_k) соединен с третьим входом первого коммутатора. Выход информационного канала второго бита (Q_k) соединен с третьим входом второго коммутатора. Выход информационного канала третьего бита (E_k) подключен к третьему входу третьего коммутатора. Выход информационного канала четвертого бита (D_k) соединен с третьим входом четвертого коммутатора. Входы первого, второго фазовращателя, первый вход первого коммутатора и выход общего задающего генератора соединены между собой. Выход первого фазовращателя соединен с входом третьего фазовращателя и с первым входом второго коммутатора. Выход третьего фазовращателя соединен со вторым входом второго коммутатора. Первый выход второго коммутатора соединен с первым входом четвертого коммутатора. Второй выход второго коммутатора соединен с входом второго делителя напряжения. Выход второго делителя напряжения соединен со вторым входом четвертого коммутатора. Выход четвертого коммутатора соединен со вторым входом сумматора. Выход второго фазовращателя соединен со вторым входом первого коммутатора. Первый выход первого коммутатора соединен с первым входом третьего коммутатора. Выход первого делителя напряжения соединен с первым входом третьего коммутатора. Первый выход первого коммутатора соединен с входом первого делителя напряжения. Выход третьего коммутатора соединен с первым входом сумматора, при этом в устройство вместо первого и второго делителей напряжения введены первый и второй делители напряжения с переменным коэффициентом деления, имеющие два входа и один выход, а также введено устройство управления оптимальной величиной сигналов низкого уровня E_k и D_k, содержащее аналого-цифровой преобразователь, постоянное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь.

Отличительными признаками от прототипа является то, что первый и второй делители напряжения заменены на делители напряжения с переменным коэффициентом деления, имеющие по два входа и один выход (фиг.2), а также дополнительно введено устройство управления оптимальной величиной сигналов низкого уровня E_k и D_k.

Заявляемое устройство поясняется чертежами и графиками, на которых показаны:

на фиг.1 - блок-схема устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции;

на фиг.2 - блок-схема устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции с делителями напряжений с переменным коэффициентом деления;

на фиг.3 - расширенная блок-схема устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции с делителями напряжений с переменным коэффициентом деления;

на фиг.4 - зависимость оптимальной величины низкого уровня сигналов E_k и D_k от соотношения сигнал/шум.

Заявленное устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (фиг.2) содержит общий задающий генератор 1, первый 2, второй 3, третий 4 фазовращатели, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8 коммутаторы, сумматор 9, делители напряжений с переменным коэффициентом деления 10, 11, устройство управления 12.

На фиг.3 приведена расширенная блок-схема устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции с делителями напряжений с переменным коэффициентом деления (аналоговыми умножителями) 13, 14, с устройством управления, которое состоит из аналого-цифрового преобразователя 10, постоянного запоминающего устройства 11 и цифроаналогового преобразователя 12.

Выход информационного канала первого бита (I_k) соединен с третьим входом первого коммутатора 5. Выход информационного канала второго бита (Q_k) соединен с третьим входом второго коммутатора 6. Выход информационного канала третьего бита (E_k) подключен к третьему входу третьего коммутатора 7. Выход информационного канала четвертого бита (D_k) соединен с третьим входом четвертого коммутатора 8. Входы первого 2, второго 3 фазовращателей, первый вход первого коммутатора 5 и выход общего задающего генератора 1 соединены между собой. Выход первого фазовращателя 2 подключен ко входу третьего фазовращателя 4 и к первому входу второго коммутатора 6. Выход третьего фазовращателя 4 соединен со вторым входом второго коммутатора 6. Первый выход второго коммутатора 6 соединен с первым входом четвертого коммутатора 8. Второй выход второго коммутатора 6 соединен со вторым входом второго умножителя напряжения 14. Выход второго умножителя напряжения 14 подключен ко второму входу четвертого коммутатора 8. Выход четвертого коммутатора 8 соединен со вторым входом сумматора 9. Выход второго фазовращателя 3 соединен со вторым входом первого коммутатора 5. Первый выход первого коммутатора 5 соединен с первым входом третьего коммутатора 7. Выход первого умножителя 13 напряжения подключен ко второму входу третьего коммутатора 7. Первый выход первого коммутатора 5 подключен ко входу первого умножителя напряжения 13. Выход третьего коммутатора 7 соединен с первым входом сумматора 9. Соотношение сигнал/шум h_c, полученное по обратному каналу, подано на вход аналогово-цифрового преобразователя 10. Выход аналогово-цифрового преобразователя 10 соединен с входом постоянного запоминающего устройства 11. Выход постоянного запоминающего устройства 11 соединен со входом цифроаналогового преобразователя 12. Выход цифроаналогового преобразователя 12 соединен с входами аналоговых умножителей 13, 14. Выход сумматора 9 является выходом устройства.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Формирователь КАМ-16 состоит из двух параллельно работающих каналов, в одном из которых производится фазоамплитудная манипуляция сигнала sinwt (канал I), во втором фазоамплитудная манипуляция сигнала coswt (канал Q) (фиг.3). Указанные сигналы формируются от общего задающего генератора 1, причем сигнал coswt получается путем сдвига фазы сигнала sinwt на 90° с помощью фазовращателя (0°/90°) 2. Манипуляция фаз сигналов I и Q производится с помощью коммутаторов 5 и 6, на первый вход которых подается сигнал без сдвига фазы, а на второй вход - сигналы со сдвигом по фазе на 180° с выходов фазовращателей 3 и 4. Управление коммутаторами 5 и 6 производится кодовыми комбинациями I_k и Q_k, подаваемыми на информационные входы фазоамплитудных манипуляторов. В результате такой модуляции векторы сигналов I и Q будут принимать фиксированные фазовые положения.

Амплитудная модуляция сигналов I и Q производится с помощью коммутаторов 7 и 8 и делителей напряжения с переменным коэффициентом деления 10 и 11 (фиг.2), устройства управления 12 в зависимости от соотношения сигнал/шум, полученным по обратному каналу. Управление коммутаторами 7 и 8 производится соответственно кодовыми комбинациями E_k и D_k, поступающими на информационные входы модулятора. Кодовые комбинации I_k, Q_k, E_k и D_k поступают от формирователей импульсов источников сообщений.

После сложения промодулированных сигналов I и Q в сумматоре 9 в системе координат I и Q образуется 16 фиксированных точек. Векторы, соединяющие начало координат и фиксированные точки, будут определять амплитуду и фазу КАМ-несущей на выходе модулятора для различных кодовых комбинаций.

Принцип действия делителей напряжений с переменным коэффициентом деления 10, 11 (фиг.2) основан на изменении амплитуды напряжения низкого уровня сигналов E_k и D_k в зависимости от соотношения сигнал/шум (фиг.4), построенной по теоретическим расчетам, приведенным в [7]. Данные о зависимости оптимальной величины низкого уровня сигналов E_k и D_k от соотношения сигнал/шум, приведенной на фиг.4, записываются в постоянное запоминающее устройство 11 (фиг.3). Соотношение сигнал/шум, полученное по обратному каналу, подается на вход аналого-цифрового преобразователя 10, где преобразуется в цифровое значение. Цифровая величина соотношения сигнал/шум соответствует адресу ячейки памяти постоянного запоминающего устройства 11, где записано цифровое значение зависимости оптимальной величины низкого уровня сигналов E_k и D_k от соотношения сигнал/шум (фиг.4). Данное значение подается на вход цифро-аналогового преобразователя 12, где преобразуется в аналоговое значение, подаваемое на входы аналоговых умножителей напряжения 13, 14. Аналоговые умножители 13, 14 реализуют оптимальные величины низкого уровня сигналов соответственно E_k и D_k в зависимости от соотношения сигнал/шум, полученного по обратному каналу.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков (отличительный признак) за счет введения изменяемых соотношений напряжений битов и вследствие этого оптимального перераспределения областей принятия решения между переданными сигнальными точками КАМ-16 позволяет обеспечить возможность снижения потерь пропускной способности дискретного канала в условиях достаточно низких (10^-1 и более) значений соотношения сигнал-шум (сигнал-помеха) на входе демодулятора.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Таким образом, при совокупности замены делителей напряжения на делители напряжения с переменным коэффициентом деления, а также дополнительного введения устройства управления оптимальной величиной сигналов низкого уровня E_k и D_k в формирователе классической КАМ-16 достигается снижение потерь пропускной способности дискретного канала в условиях плохой помеховой обстановки за счет оптимального построения областей принятия решения о переданных сигнальных точках КАМ-16.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №541292, кл. H04B 7/165, 06.08.1974.

2. Патент Российской Федерации №2205518, МПК H04L 27/20, 11.12.2001.

3. Скляр, Берн. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение [Текст] / Изд. 2-е, испр.: [пер. с англ.]. - М.: Радио и связь, 1986. - 544 с.

4. Севальнев Л.А. Передача цифровых телевизионных программ с информационным сжатием данных по спутниковым каналам связи [Текст] // Теле-Спутник. - 1997. - №7. - С.64-69.

5. Севальнев Л.А. Передача сигналов цифрового телевидения с информационным сжатием данных по кабельным линиям связи [Текст] // Теле-Спутник. - 1998. - №1 (27). - С.54-67.

6. Бураченко Д.Л. Оптимизация сигнальной конструкции иерархической 16 QAM при двух алгоритмах оптимального приема и двух манипуляционных кодах [Текст]: статья / Д.Л. Бураченко, В.И. Бобровский, И.В. Тимошин // Материалы 8-й международной НТК. - СПб.: ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2002. - С.17-19.

7. Патент Российской Федерации №2365050, МПК H04L 27/06, 20.08.2009.

Технико-экономическое обоснование на предлагаемое изобретение «Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции»

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопередающим устройствам, применяемым на линиях многоканальной цифровой связи с квадратурной амплитудной модуляцией, а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения. Технический результат от предлагаемого устройства направлен на снижение потерь пропускной способности дискретного канала в условиях плохой помеховой обстановки (отношение сигнал-шум на входе демодулятора 10^-1 и ниже).

Затраты на реализацию предлагаемого устройства определяются в основном стоимостью изготовления радиотехнической схемы (задающий генератор, фазовращатели, коммутаторы, сумматоры, делители напряжения, компараторы, умножители, шифратор и дешифратор). Устройство может быть выполнено в виде микросхемы. В этом случае стоимость устройства не выходит за пределы сотен рублей.

Экономический эффект от использования устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции обусловлен возможностью приема и обработки сигнала квадратурно-амплитудной модуляции на увеличенных расстояниях при организации цифрового радиовещания и телевидения.

При применении устройства формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции в военной технике связи повышается устойчивость системы связи в условиях радиоэлектронного противодействия противника.

Claims

Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции, содержащее общий задающий генератор, первый, второй и третий фазовращатели, первый, второй, третий, четвертый коммутаторы, сумматор, первый и второй делители напряжения, информационные входы являются входами устройства, где выход информационного канала первого бита (I_k) соединен с третьим входом первого коммутатора, выход информационного канала второго бита (Q_k) соединен с третьим входом второго коммутатора, выход информационного канала третьего бита (E_k) соединен с третьим входом третьего коммутатора, выход информационного канала четвертого бита (D_k) соединен с третьим входом четвертого коммутатора, входы первого, второго фазовращателей, первый вход первого коммутатора и выход общего задающего генератора соединены между собой, выход первого фазовращателя соединен с входом третьего фазовращателя и с первым входом второго коммутатора, выход третьего фазовращателя соединен со вторым входом второго коммутатора, первый выход второго коммутатора соединен с первым входом четвертого коммутатора, второй выход второго коммутатора соединен со входом второго делителя напряжения, выход второго делителя напряжения соединен со вторым входом четвертого коммутатора, выход четвертого коммутатора соединен со вторым входом сумматора, выход второго фазовращателя соединен со вторым входом первого коммутатора, первый выход первого коммутатора соединен с первым входом третьего коммутатора, выход первого делителя напряжения соединен со вторым входом третьего коммутатора, первый выход первого коммутатора соединен со входом первого делителя напряжения, выход третьего коммутатора соединен с первым входом сумматора, отличающееся тем, что в устройстве первый и второй делители напряжения, имеющие один вход и один выход, заменены на первый и второй делители напряжения с переменным коэффициентом деления, имеющие два входа и один выход, на первый вход которых подается сигнал с выхода устройства управления оптимальной величиной сигналов низкого уровня E_k и D_k, содержащего аналого-цифровой преобразователь, постоянное запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь, на второй вход которого подается соотношение сигнал/шум, полученное от демодулятора приемника по обратному каналу, тем самым достигается снижение потерь пропускной способности дискретного канала в условиях плохой помеховой обстановки.