RU2809479C1 - Method of information transmission using mimo scheme in hypercomplex space - Google Patents

Method of information transmission using mimo scheme in hypercomplex space Download PDF

Info

Publication number
RU2809479C1
RU2809479C1 RU2023123129A RU2023123129A RU2809479C1 RU 2809479 C1 RU2809479 C1 RU 2809479C1 RU 2023123129 A RU2023123129 A RU 2023123129A RU 2023123129 A RU2023123129 A RU 2023123129A RU 2809479 C1 RU2809479 C1 RU 2809479C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
vector
matrix
hypercomplex
matrices
Prior art date
Application number
RU2023123129A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Михайлович Советов
Original Assignee
Вадим Михайлович Советов
Filing date
Publication date
Application filed by Вадим Михайлович Советов filed Critical Вадим Михайлович Советов
Application granted granted Critical
Publication of RU2809479C1 publication Critical patent/RU2809479C1/en

Links

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: in the method of transmitting information using the MIMO scheme in N=2n, n=2, 3, 4 hypercomplex space, sequences of binary data pulses consisting of zeros and ones arriving at the input of the transmitting device are converted into bipolar pulses, which are converted into N -dimensional information vector consisting of N information pulses and forming a hypercomplex number in a vector representation, while modulation on the transmitting side is carried out by multiplying the information vector by a hypercomplex carrier, which is a hypercomplex number in polar form with different N-1 reference frequencies in a matrix representation and acting as a channel matrix MIMO channel, while the multi-frequency channel matrix MIMO is decomposed into the sum of single-frequency matrices, which are modulated separately and their results are added up, forming multi-frequency elements of an N-dimensional vector, while the phase-modulated elements of the output multi-frequency modulated vector are transmitted sequentially in time either with code division or with frequency division, while the signal vectors are coherently demodulated by multiplying the received vector by transposed basis matrices of single-frequency matrices representing an orthogonal basis, and the reception of the signal vector arriving at the receiver input is carried out using the integration of the results of the multiplication followed by addition for each single-frequency matrix of the orthogonal basis and making a decision in the decision device about the value of the vector elements, while the hypercomplex carrier is a hypercomplex number in polar form and in matrix representation in the form of a square NxN matrix with N-1 reference frequencies, combinations of which form 2N-2 combinational frequencies, and the same number of single-frequency matrices.
EFFECT: increased noise immunity and information transmission rate in wireless and wired communication systems.
2 cl, 33 dwg

Description

Изобретение относится к системам передачи информации, в частности способам реализации схемы MIMO [H04B7/0413].The invention relates to information transmission systems, in particular methods for implementing the MIMO scheme [H04B7/0413].

Из уровня техники известен МЕТОД И СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ MIMO, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ СОВМЕСТНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ АДАМАРА И СХЕМУ АЛАМУТИ (KR20160010799(A), опубл. 28.01.2016) включающий: модулирование данных в цифровые символы, выполнение преобразования Адамара модулированных символов для генерации нового созвездия; и кодирование сгенерированного созвездия с использованием метода Аламути в качестве входных данных. При этом на этапе модуляции модулируется схема QPSK посредством комбинации преобразования Адамара и схемы Аламути. При этом на этапе преобразования объединяются две точки модулированного символа в один символ, при этом используется комбинация преобразования Адамара и схемы Аламути. При этом на этапе преобразования создается новая совокупность путем суммы или разности двух точек с использованием комбинации преобразования Адамара и метода Аламути. При этом система беспроводной связи MIMO содержит: модулятор для модуляции данных в цифровые символы на стороне передачи системы беспроводной связи MIMO; преобразователь для преобразования Адамара модулированного символа для создания нового созвездия; и кодер для кодирования сгенерированного созвездия в качестве входных данных с использованием метода Аламути. При этом модулятор представляет собой систему беспроводной связи MIMO с модуляцией QPSK, использующую комбинацию преобразования Адамара и преобразования Аламути, а преобразователь объединяет две точки модулированного символа в один символ, комбинируя преобразование Адамара и схему Аламути. При этом преобразователь генерирует новое созвездие путем суммирования или вычитания двух точек.Known from the prior art is a MIMO WIRELESS COMMUNICATION METHOD AND SYSTEM USING JOINT HADAMARD CONVERSION AND ALAMUTI SCHEME (KR20160010799(A), published 01/28/2016) including: modulating data into digital symbols, performing a Hadamard transform of modulated symbols to generate a new constellation; and encoding the generated constellation using the Alamouti method as input. In this modulation step, the QPSK scheme is modulated by a combination of the Hadamard transform and the Alamouti scheme. In this transformation step, two points of the modulated symbol are combined into one symbol using a combination of the Hadamard transform and the Alamouti scheme. In this transformation step, a new population is created by the sum or difference of two points using a combination of the Hadamard transform and the Alamouti method. In this case, the MIMO wireless communication system contains: a modulator for modulating data into digital symbols on the transmission side of the MIMO wireless communication system; a converter for Hadamard transform of the modulated symbol to create a new constellation; and an encoder for encoding the generated constellation as input using the Alamouti method. Here, the modulator is a MIMO wireless communication system with QPSK modulation using a combination of Hadamard transform and Alamouti transform, and the converter combines two modulated symbol points into one symbol by combining the Hadamard transform and Alamouti scheme. In this case, the converter generates a new constellation by summing or subtracting two points.

Недостатком аналога является низкая скорость передачи информации. The disadvantage of analogue is the low speed of information transfer.

Также известен СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ "MIMO" (RU2553679C2, опубл. 20.06.2015) с использованием пространственно-временным кодированием, в котором используется таблица отображения, которая отображает множество символов на антенны и на ресурсы передачи, которые могут быть временными интервалами или участками полосы частот OFDM. Таблица отображения содержит вложенные первичные сегменты кодов Аламоути, а именно кодирование Аламоути на уровне символов, внутри вторичных сегментов, которые могут содержать кодирование Аламоути первичных сегментов.There is also a known METHOD FOR DATA TRANSMISSION IN THE "MIMO" COMMUNICATION SYSTEM (RU2553679C2, publ. 06/20/2015) using space-time coding, which uses a mapping table that maps a set of symbols to antennas and to transmission resources, which can be time slots or sections of the OFDM frequency band. The mapping table contains nested primary Alamouti code segments, namely the character-level Alamouti encoding, within secondary segments, which may contain the Alamouti encoding of the primary segments.

Недостатком аналога является низкая скорость передачи информации. The disadvantage of analogue is the low speed of information transfer.

Наиболее близкой по технической сущности СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ БЛОЧНЫХ КОДОВ (US2008063110 А1,опубл., 13.03.2008) который характеризуется тем, что для передачи данных предоставляется набор из по меньшей мере 2mnxn матриц, которые представляют собой расширение группы без фиксированных точек. Каждой из 2m матриц присваивается уникальное двоичное число в диапазоне от 0 до 2m-1, тем самым обеспечивая идентификацию и отображение данных в соответствии с определенным распределением. Для оптимальной передачи, сопоставленные матрицы рекомендуется отправлять с использованием n антенн, где каждая антенна соответствует одной строке каждой матрицы, что обеспечивает многомерное пространственно-временное кодирование с максимальной полосой пропускания и надежностью передачи данных.The closest in technical essence is the DATA TRANSMISSION METHOD USING SPATIO-TEMPORAL BLOCK CODES (US2008063110 A1, publ., 03/13/2008) which is characterized by the fact that for data transmission a set of at least 2 m nxn matrices is provided, which represent an extension of the group no fixed points. Each of the 2 m matrices is assigned a unique binary number ranging from 0 to 2 m -1, thereby allowing data to be identified and displayed according to a specific distribution. For optimal transmission, matched matrices are recommended to be sent using n antennas, with each antenna corresponding to one row of each matrix, which provides multi-dimensional space-time coding with maximum data transmission bandwidth and reliability.

Основной технической проблемой прототипа является ограниченная пропускная способность, так как применение метода пространственно-временных блочных кодов (STBC) в схеме множественного входа и множественного выхода (MIMO) системе требует передачи дополнительной информации для кодирования блоков данных, что приводит к увеличению длительности передачи. Это ограничивает пропускную способность системы и может привести к ухудшению производительности в условиях с ограниченным временем передачи данных. Как следствие низкая скорость передачи информации. Другой технической проблемой прототипа является низкая помехоустойчивость, так как метод пространственно-временных блочных кодов (STBC) может быть чувствительным к помехам и искажениям, особенно в каналах с отрицательной корреляцией между антеннами MIMO. Это может привести к ухудшению качества принимаемых данных и повысить вероятность ошибок при декодировании, как следствие низкая помехоустойчивость.The main technical problem of the prototype is limited throughput, since the use of the Space-Temporal Block Codes (STBC) method in a multiple-input multiple-output (MIMO) system requires the transmission of additional information to encode data blocks, which leads to an increase in transmission duration. This limits system throughput and may result in poor performance in time-constrained environments. As a consequence, low information transfer speed. Another technical problem of the prototype is low noise immunity, since the Space Time Block Code (STBC) method can be sensitive to interference and distortion, especially in negatively correlated MIMO antenna channels. This can lead to deterioration in the quality of received data and increase the likelihood of errors during decoding, resulting in low noise immunity.

Задачей изобретения является устранение недостатков аналогов и прототипа. The objective of the invention is to eliminate the disadvantages of analogues and the prototype.

Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости и скорости передачи информации в системах беспроводной и проводной связи.The technical result of the invention is to increase noise immunity and information transmission speed in wireless and wired communication systems.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ передачи информации с использованием схемы MIMO в N=2n , n= 2, 3, 4 гиперкомплексном пространстве, характеризующийся тем, что поступающие на вход передающего устройства последовательности двоичных импульсов данных, состоящих из нулей и единиц, преобразуются в биполярные импульсы, которые преобразуются в N-мерный информационный вектор, состоящий из N информационных импульсов и образующий гиперкомплексное число в векторном представлении, при этом модуляция на передающей стороне осуществляется путем умножения информационного вектора на гиперкомплексную несущую, представляющую собой гиперкомплексное число в полярной форме с различными N-1 опорными частотами в матричном представлении и выполняющую роль канальной матрицы MIMO канала, при этом многочастотная канальная матрица MIMO раскладывается на сумму одночастотных матриц, которые модулируются отдельно и их результаты складываются, образуя многочастотные элементы N-мерного вектора, при этом модулированные по фазе элементы выходного многочастотного модулированного вектора передаются последовательно во времени или с кодовым разделением, или с частотным разделением, при этом векторы сигнала когерентно демодулируются путём умножения принимаемого вектора на транспонированные базисные матрицы одночастотных матриц, представляющих собой ортогональный базис, а прием поступающего на вход приемника вектора сигнала осуществляется с использованием интегрирования результатов умножения с последующим сложением для каждой одночастотной матрицы ортогонального базиса и принятия решения в решающем устройстве о значении элементов вектора. The specified technical result is achieved due to the fact that the method of transmitting information using the MIMO scheme in N=2 n , n= 2, 3, 4 hypercomplex space, characterized by the fact that the sequences of binary data pulses consisting of zeros and units, are converted into bipolar pulses, which are converted into an N-dimensional information vector, consisting of N information pulses and forming a hypercomplex number in a vector representation, while modulation on the transmitting side is carried out by multiplying the information vector by a hypercomplex carrier, which is a hypercomplex number in polar form with different N-1 reference frequencies in matrix representation and acting as a MIMO channel matrix of the channel, while the multi-frequency MIMO channel matrix is decomposed into the sum of single-frequency matrices, which are modulated separately and their results are added up, forming multi-frequency elements of the N-dimensional vector, while modulated in phase, the elements of the output multi-frequency modulated vector are transmitted sequentially in time or with code division, or with frequency division, while the signal vectors are coherently demodulated by multiplying the received vector by transposed basis matrices of single-frequency matrices, which represent an orthogonal basis, and the reception of the vector arriving at the input of the receiver signal is carried out using the integration of the results of multiplication followed by addition for each single-frequency matrix of the orthogonal basis and making a decision in the solver about the value of the vector elements.

В частности, гиперкомплексная несущая представляет собой гиперкомплексное число в полярной форме и в матричном представлении в виде квадратной матрицы NxN с N-1 опорными частотами, комбинации которых образуют 2N-2 комбинационных частот, и такое же количество одночастотных матриц.In particular, a hypercomplex carrier is a hypercomplex number in polar form and in matrix representation as an NxN square matrix with N-1 reference frequencies, the combinations of which form 2 N-2 combination frequencies, and the same number of single-frequency matrices.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

На фиг. 1 показаны векторы информационных импульсов в виде кватерниона для положительного значения первого элемента информационного вектора.In fig. Figure 1 shows vectors of information pulses in the form of a quaternion for a positive value of the first element of the information vector.

На фиг. 2 показаны векторы информационных импульсов в виде кватерниона для отрицательного значения первого элемента информационного вектора.In fig. Figure 2 shows vectors of information pulses in the form of a quaternion for the negative value of the first element of the information vector.

На фиг. 3 показан трёхчастотный модулированный по фазе вектор при информационном векторе X0 [11-11] №2.In fig. Figure 3 shows a three-frequency phase-modulated vector with information vector X0 [11-11] No. 2.

На фиг. 4 показан трехчастотный модулированный по фазе вектор при информационном векторе X0=[1-1-11] №6.In fig. Figure 4 shows a three-frequency phase-modulated vector with information vector X0=[1-1-11] No. 6.

На фиг. 5 показаны одночастотные модулированные по фазе векторы при информационном векторе X0=[11-11] №2.In fig. Figure 5 shows single-frequency phase-modulated vectors with information vector X0=[11-11] No. 2.

На фиг. 6показаны одночастотные модулированные по фазе векторы при информационном векторе X0=[1-1-11] №6.In fig. Figure 6 shows single-frequency phase-modulated vectors with information vector X0=[1-1-11] No. 6.

На фиг. 7 показана орбита вращения скалярной части трехчастотного кватерниона для начального вектора X0=[11-11].In fig. Figure 7 shows the rotation orbit of the scalar part of the three-frequency quaternion for the initial vector X0=[11-11].

На фиг. 8 показана орбита вращения скалярной части трехчастотного кватерниона для начального вектора X0=[1-1-11].In fig. Figure 8 shows the rotation orbit of the scalar part of the three-frequency quaternion for the initial vector X0=[1-1-11].

На фиг. 9 показана орбита вращения скалярной части трехчастотного кватерниона для начального вектора X0=[-11-11].In fig. Figure 9 shows the rotation orbit of the scalar part of the three-frequency quaternion for the initial vector X0=[-11-11].

На фиг. 10 показана орбита вращения скалярной части трехчастотного кватерниона для начального вектора X0=[-1-1-11].In fig. Figure 10 shows the rotation orbit of the scalar part of the three-frequency quaternion for the initial vector X0=[-1-1-11].

На фиг. 11 показан результат демодуляции по базисной матрице E 1 ( Ω 1 , t ) с частотой Ω 1 = ω i + ω j + ω k .In fig. Figure 11 shows the result of demodulation using the basis matrix E 1 ( Ω 1 , t ) with frequency Ω 1 = ω i + ω j + ω k .

На фиг. 12 показан результат демодуляции по базисной матрице I 1 ( Ω 1 , t ) с частотой Ω 1 = ω i + ω j + ω k .In fig. Figure 12 shows the result of demodulation using the basis matrix I 1 ( Ω 1 , t ) with frequency Ω 1 = ω i + ω j + ω k .

На фиг. 13 показан результат демодуляции по базисной матрице J 1 ( Ω 1 , t ) с частотой Ω 1 = ω i + ω j + ω k .In fig. Figure 13 shows the result of demodulation using the basis matrix J 1 ( Ω 1 , t ) with frequency Ω 1 = ω i + ω j + ω k .

На фиг. 14 показан результат демодуляции по базисной матрице K 1 ( Ω 1 , t ) с частотой Ω 1 = ω i + ω j + ω k .In fig. Figure 14 shows the result of demodulation using the basis matrix K 1 ( Ω 1 , t ) with frequency Ω 1 = ω i + ω j + ω k .

На фиг. 15 показана сумма значений по базисным матрицам с частотой Ω 1 = ω i + ω j + ω k .In fig. Figure 15 shows the sum of values for the basis matrices with frequency Ω 1 = ω i + ω j + ω k .

На фиг. 16 показан результат демодуляции по базисной матрице E 2 ( Ω 2 , t ) с частотой Ω 2 = ω i + ω j ω k .In fig. Figure 16 shows the result of demodulation using the basis matrix E 2 ( Ω 2 , t ) with frequency Ω 2 = ω i + ω j ω k .

На фиг. 17 показан результат демодуляции по базисной матрице I 2 ( Ω 2 , t ) с частотой Ω 2 = ω i + ω j ω k .In fig. Figure 17 shows the result of demodulation using the basis matrix I 2 ( Ω 2 , t ) with frequency Ω 2 = ω i + ω j ω k .

На фиг. 18 показан результат демодуляции по базисной матрице J 2 ( Ω 2 , t ) с частотой Ω 2 = ω i + ω j ω k .In fig. Figure 18 shows the result of demodulation using the basis matrix J 2 ( Ω 2 , t ) with frequency Ω 2 = ω i + ω j ω k .

На фиг. 19 показан результат демодуляции по базисной матрице K 2 ( Ω 2 , t ) с частотой Ω 2 = ω i + ω j ω k .In fig. Figure 19 shows the result of demodulation using the basis matrix K 2 ( Ω 2 , t ) with frequency Ω 2 = ω i + ω j ω k .

На фиг. 20 показана сумма значений по базисным матрицам с частотой Ω 2 = ω i + ω j ω k .In fig. Figure 20 shows the sum of values for the basis matrices with frequency Ω 2 = ω i + ω j ω k .

На фиг. 21 показан результат демодуляции по базисной матрице E 3 ( Ω 3 , t ) с частотой Ω 3 = ω i ω j + ω k .In fig. Figure 21 shows the result of demodulation using the basis matrix E 3 ( Ω 3 , t ) with frequency Ω 3 = ω i ω j + ω k .

На фиг. 22 показан результат демодуляции по базисной матрице I 3 ( Ω 3 , t ) с частотой Ω 3 = ω i ω j + ω k .In fig. Figure 22 shows the result of demodulation using the basis matrix I 3 ( Ω 3 , t ) with frequency Ω 3 = ω i ω j + ω k .

На фиг. 23 показан результат демодуляции по базисной матрице J 3 ( Ω 3 , t ) с частотой Ω 3 = ω i ω j + ω k .In fig. Figure 23 shows the result of demodulation using the basis matrix J 3 ( Ω 3 , t ) with frequency Ω 3 = ω i ω j + ω k .

На фиг. 24 показан результат демодуляции по базисной матрице K 3 ( Ω 3 , t ) с частотой Ω 3 = ω i ω j + ω k .In fig. Figure 24 shows the result of demodulation using the basis matrix K 3 ( Ω 3 , t ) with frequency Ω 3 = ω i ω j + ω k .

На фиг. 25 показана сумма значений по базисным матрицам с частотой Ω 3 = ω i ω j + ω k .In fig. Figure 25 shows the sum of values for the basis matrices with frequency Ω 3 = ω i ω j + ω k .

На фиг. 26 показан результат демодуляции по базисной матрице E 4 ( Ω 4 , t ) с частотой Ω 4 = ω i ω j ω k .In fig. Figure 26 shows the result of demodulation using the basis matrix E 4 ( Ω 4 , t ) with frequency Ω 4 = ω i ω j ω k .

На фиг. 27 показан результат демодуляции по базисной матрице I 4 ( Ω 4 , t ) с частотой Ω 4 = ω i ω j ω k .In fig. Figure 27 shows the result of demodulation using the basis matrix I 4 ( Ω 4 , t ) with frequency Ω 4 = ω i ω j ω k .

На фиг. 28 показан результат демодуляции по базисной матрице J 4 ( Ω 4 , t ) с частотой Ω 4 = ω i ω j ω k .In fig. Figure 28 shows the result of demodulation using the basis matrix J 4 ( Ω 4 , t ) with frequency Ω 4 = ω i ω j ω k .

На фиг. 29 показан результат демодуляции по базисной матрице K 4 ( Ω 4 , t ) с частотой Ω 4 = ω i ω j ω k .In fig. Figure 29 shows the result of demodulation using the basis matrix K 4 ( Ω 4 , t ) with frequency Ω 4 = ω i ω j ω k .

На фиг. 30 показана сумма значений по базисным матрицам с частотой Ω 4 = ω i ω j ω k .In fig. Figure 30 shows the sum of values for the basis matrices with frequency Ω 4 = ω i ω j ω k .

На фиг. 31 показана сумма значений по всем частотам.In fig. Figure 31 shows the sum of values for all frequencies.

Фиг. 32 показана функциональная блок-схема, демонстрирующая структуру иллюстративного беспроводного передатчика.Fig. 32 is a functional block diagram showing the structure of an exemplary wireless transmitter.

Фиг. 33 показана функциональная блок-схема, демонстрирующая структуру иллюстративного беспроводного приемника.Fig. 33 is a functional block diagram showing the structure of an example wireless receiver.

На фигурах обозначено: 1 –источник информации, 2 – кодер гиперкомлексных чисел, 3 – модулятор гиперкомлексных чисел, 4 – передающая антенна, 5 – принимающая антенна, 6 - демодулятор гиперкомлексных чисел, 7 – декодер гиперкомлексных чисел, 8 – получатель информации.The figures indicate: 1 – source of information, 2 – hypercomplex number encoder, 3 – hypercomplex number modulator, 4 – transmitting antenna, 5 – receiving antenna, 6 – hypercomplex number demodulator, 7 – hypercomplex number decoder, 8 – information receiver.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Рассмотрим способ передачи информации с использованием схемы MIMO в гиперкомплексном пространстве при использовании кватерниона.Let's consider a method for transmitting information using a MIMO scheme in a hypercomplex space using a quaternion.

Кватернион представляет гиперкомплексное число, имеющее три мнимых единицы i, j, k. В алгебраической форме кватернион запишем, какA quaternion represents a hypercomplex number having three imaginary units i, j, k. In algebraic form we write the quaternion as

q = s + x i + y j + z k , (1) q = s + x i + y j + z k , (1)

где s, x, y, z – действительные числа.where s , x , y , z are real numbers.

Представим операции с мнимыми единицами в виде таблицы.Let's present operations with imaginary units in the form of a table.

Таблица 1. Операция умножения мнимых единиц кватерниона.Table 1. Operation of multiplication of quaternion imaginary units.

× 1 i j k 1 1 i j k i i 1 k j j j k 1 i k k j i 1 . × 1 i j k 1 1 i j k i i 1 k j j j k 1 i k k j i 1 .

Как известно, в задачах радиотехники и передачи информации используются действительные сигналы, поэтому, чтобы избавиться от мнимых единиц, представим кватернион в алгебраической форме (1) в матричном виде: As is known, in problems of radio engineering and information transmission, real signals are used, therefore, in order to get rid of imaginary units, we present the quaternion in algebraic form (1) in matrix form:

Q = [ s x y z x s z y y z s x z y x s ] . (2) Q = [ s x y z x s z y y z s x z y x s ] . (2)

Определитель матрицы | Q | = ( s 2 + x 2 + y 2 + z 2 ) 2 . Матрица Q ортогональная, так какMatrix determinant | Q | = ( s 2 + x 2 + y 2 + z 2 ) 2 . Matrix Q is orthogonal because

Q T Q / | Q | = Q Q T / | Q | = E . Q T Q / | Q | = Q Q T / | Q | = E .

Мнимые единицы в матричном представлении для матрицы (2) запишем, какWe write the imaginary units in the matrix representation for matrix (2) as

I = [ 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 ] , J = [ 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 ] , K = [ 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 ] . (3) I = [ 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 ] , J = [ 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 ] , K = [ 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 ] . (3)

Матрицы мнимых единиц совместно с единичной матрицей с единицами на главной диагонали E = diag [ 1 1 1 1 ] , называют базисными матрицами кватерниона. Матрицу кватерниона (2) записывают с использованием базисных матриц (3) и единичной матрицы E, какMatrices of imaginary units together with an identity matrix with units on the main diagonal E = diag [ 1 1 1 1 ] , are called quaternion basis matrices. The quaternion matrix (2) is written using the basis matrices (3) and the identity matrix E as

Q = E s + I x + J y + K z . (4) Q = E s + I x + J y + K z . (4)

Для базисных матриц (3) справедлива аналогичная Таблице 1 таблица умножения:For the basis matrices (3), a multiplication table similar to Table 1 is valid:

Таблица 2. Операция умножения мнимых единиц кватерниона в матричном представлении.Table 2. The operation of multiplying quaternion imaginary units in matrix representation.

× E I J K E E I J K I I E K J J J K E I K K J I E . × E I J K E E I J K I I E K J J J K E I K K J I E .

Для кватерниона (1) запишем экспоненциальную функцию, какFor the quaternion (1) we write the exponential function as

e q = e s + x i + y j + z k = e s ( cos x + i sin x ) ( cos y + j sin y ) ( cos z + k sin z ) . (5) e q = e s + x i + y j + z k = e s ( cos x + i sin x ) ( cos y + j sin y ) ( cos z + k sin z ) . (5)

Отметим, что при x = y = z выражение (5) примет вид:Note that when x = y = z expression (5) will take the form:

e q = e s + x ( i + j + k ) = e s e x ( i + j + k ) = e s e x i ^ = e s ( cos x + i ^ sin x ) , e q = e s + x ( i + j + k ) = e s e x ( i + j + k ) = e s e x i ^ = e s ( cos x + i ^ sin x ) ,

где i ^ = ( i + j + k ) / 3 .Where i ^ = ( i + j + k ) / 3 .

Также, как и для комплексного числа при экспоненциальном отображении, коэффициенты при мнимых единицах кватерниона в полярной форме записи имеют физический смысл угла поворота. Поэтому, запишем углы в (5) как функции времени: x ( t ) = ω i t , y ( t ) = ω j t , z ( t ) = ω k t , где ω i , ω j , ω k - угловые частоты на осях i, j, k. Будем полагать, что e s = r = s 2 + x 2 + y 2 + z 2 - радиус вращения в 4D пространстве.Just as for a complex number in exponential display, the coefficients for the imaginary units of the quaternion in the polar form of notation have a physical meaning of the rotation angle. Therefore, we write the angles in (5) as functions of time: x ( t ) = ω i t , y ( t ) = ω j t , z ( t ) = ω k t , Where ω i , ω j , ω k - angular frequencies on axes i , j , k . Let's assume that e s = r = s 2 + x 2 + y 2 + z 2 - radius of rotation in 4D space.

После перемножения выражений в круглых скобках в формуле (5) и группировки по действительной и мнимым частям, получим экспоненциальную функцию в виде трёхчастотного кватерниона, которую обозначим, какAfter multiplying the expressions in parentheses in formula (5) and grouping by the real and imaginary parts, we obtain an exponential function in the form of a three-frequency quaternion, which we denote as

f ( q ( t ) ) = p ( t ) + i u ( t ) + j v ( t ) + k w ( t ) . (6) f ( q ( t ) ) = p ( t ) + i u ( t ) + j v ( t ) + k w ( t ) . (6)

После приведения подобных членов, составляющие в выражении (6) экспоненциальной функции от трёхчастотного кватерниона примут вид:After bringing similar terms, the components in expression (6) of the exponential function of the three-frequency quaternion will take the form:

Экспоненциальную функцию от трёхчастотного кватерниона (5) запишем в матричном виде с использование полученных выражений (7), какWe write the exponential function of the three-frequency quaternion (5) in matrix form using the obtained expressions (7), as

При матричном представлении (8) выражения (6) получим трехчастотную фундаментальную матрицу Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) :With matrix representation (8) of expression (6), we obtain a three-frequency fundamental matrix Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) :

Базисные матрицы (9) представим в виде (4):We represent the basis matrices (9) in the form (4):

Запишем разложение фундаментальной матрицы (9) по базисным матрицам, какLet us write the decomposition of the fundamental matrix (9) into basis matrices as

Выражение (5) при единичном радиусе также представим в матричном виде, с использованием одночастотных матриц:Expression (5) for a unit radius can also be represented in matrix form, using single-frequency matrices:

Перемножив одночастотные базисные матрицы (12), получим матрицу (9).Multiplying the single-frequency basis matrices (12), we obtain matrix (9).

Таким образом, фундаментальную матрицу 3-х частотного кватерниона (9) можно представить в виде суммы базисных 3-х частотных матриц (11) или в виде произведения одночастотных матриц (12).Thus, the fundamental matrix of a 3-frequency quaternion (9) can be represented as a sum of basic 3-frequency matrices (11) or as a product of single-frequency matrices (12).

Рассмотрим основные свойства фундаментальной матрицы трехчастотного кватерниона в виде суммы (11) и произведения (12). Фундаментальная матрица (9) является ортогональной, так какLet us consider the main properties of the fundamental matrix of a three-frequency quaternion in the form of a sum (11) and a product (12). Fundamental matrix (9) is orthogonal, since

Φ T ( ω i , ω j , ω k , t ) Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) = Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) Φ T ( ω i , ω j , ω k , t ) = E . Φ T ( ω i , ω j , ω k , t ) Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) = Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) Φ T ( ω i , ω j , ω k , t ) = E .

Определитель матрицы (9) вычисляется с использованием (7), какThe determinant of matrix (9) is calculated using (7) as

| Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) | = ( p 2 ( ω i , ω j , ω k , t ) + u 2 ( ω i , ω j , ω k , t ) + v 2 ( ω i , ω j , ω k , t ) + w 2 ( ω i , ω j , ω k , t ) ) 2 . | Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) | = ( p 2 ( ω i , ω j , ω k , t ) + u 2 ( ω i , ω j , ω k , t ) + v 2 ( ω i , ω j , ω k , t ) + w 2 ( ω i , ω j , ω k , t ) ) 2 .

Подставив в формулу определителя выражения (7), получимSubstituting expression (7) into the determinant formula, we obtain

| Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) | = E . | Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) | = E .

Определитель произведения базисных одночастотных матриц (12) равен определителю 3-х частотной матрицы (9):The determinant of the product of basic single-frequency matrices (12) is equal to the determinant of the 3-frequency matrix (9):

| Φ I ( ω i , t ) Φ J ( ω j , t ) Φ K ( ω k , t ) | = | Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) | . | Φ I ( ω i , t ) Φ J ( ω j , t ) Φ K ( ω k , t ) | = | Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) | .

Согласно известному свойству произведения определителей, определитель произведения одночастотных фундаментальных матриц для разных частот равен произведению определителей этих матриц:According to the well-known property of the product of determinants, the determinant of the product of single-frequency fundamental matrices for different frequencies is equal to the product of the determinants of these matrices:

| Φ I ( ω i , t ) Φ J ( ω j , t ) Φ K ( ω k , t ) | = | Φ I ( ω i , t ) | | Φ J ( ω j , t ) | | Φ K ( ω k , t ) | . | Φ I ( ω i , t ) Φ J ( ω j , t ) Φ K ( ω k , t ) | = | Φ I ( ω i , t ) | | Φ J ( ω j , t ) | | Φ K ( ω k , t ) | .

Отсюда,From here,

| Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) | = | Φ I ( ω i , t ) | | Φ J ( ω j , t ) | | Φ K ( ω k , t ) | = | Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) | = | Φ I ( ω i , t ) | | Φ J ( ω j , t ) | | Φ K ( ω k , t ) | =

= ( cos 2 ( ω i t ) + sin 2 ( ω i t ) ) 2 ( cos 2 ( ω j t ) + sin 2 ( ω j t ) ) 2 ( cos 2 ( ω k t ) + sin 2 ( ω k t ) ) 2 = 1 . = ( cos 2 ( ω i t ) + sin 2 ( ω i t ) ) 2 ( cos 2 ( ω j t ) + sin 2 ( ω j t ) ) 2 ( cos 2 ( ω k t ) + sin 2 ( ω k t ) ) 2 = 1 .

Как видно из (10), мы получили 8 комбинаций произведений косинусов и синусов разных частот. Используем для преобразования выражений (7) известные формулы тригонометрии для произведений трёх комбинаций с синусами и косинусами. Согласно этим формулам, произведения трех синусов и косинусов в различных сочетаниях преобразуются в сумму синусов и косинусов от суммы частот в различных сочетаниях. Обозначим полученные в результате разложения комбинации угловых частот, как As can be seen from (10), we received 8 combinations of products of cosines and sines of different frequencies. To transform expressions (7), we use well-known trigonometry formulas for products of three combinations with sines and cosines. According to these formulas, the products of three sines and cosines in various combinations are converted into the sum of sines and cosines from the sum of frequencies in various combinations. Let us denote the combinations of angular frequencies obtained as a result of the expansion as

Соответствующая матрица преобразования опорных частот в комбинационные имеет вид:The corresponding matrix for converting reference frequencies into combination frequencies has the form:

Ω = [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ] . (14) Ω = [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ] . (14)

Соответствующие комбинационные частоты получаем в виде вектора F = [ F 1 F 2 F 3 F 4 ] T путем умножения вектора опорных частот f = [ f 1 f 2 f 3 ] T на матрицу Ω : F = Ω f .We obtain the corresponding combination frequencies in the form of a vector F = [ F 1 F 2 F 3 F 4 ] T by multiplying the reference frequency vector f = [ f 1 f 2 f 3 ] T to the matrix Ω : F = Ω f .

Матрица преобразования комбинационных частот в опорные вычисляется из (14), какThe transformation matrix of combination frequencies into reference frequencies is calculated from (14), as

1 4 Ω T = 1 4 [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ] . 1 4 Ω T = 1 4 [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ] .

Рассмотрим пример:Let's look at an example:

f = [ 6 2 1 ] , F = Ω f = [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ] [ 6 2 1 ] = [ 3 5 7 9 ] . f = [ 6 2 1 ] , F = Ω f = [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ] [ 6 2 1 ] = [ 3 5 7 9 ] .

f = 1 4 Ω T F = 1 4 [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ] [ 3 5 7 9 ] = [ 6 2 1 ] . f = 1 4 Ω T F = 1 4 [ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ] [ 3 5 7 9 ] = [ 6 2 1 ] .

После вычисления произведений синусов и косинусов в (10) с использованием указанных формул тригонометрии, приведения подобных членов и группировки по частотам, получим следующие выражения для экспоненциальных функций (10) для комбинационных частот (13):After calculating the products of sines and cosines in (10) using the indicated trigonometry formulas, bringing similar terms and grouping by frequencies, we obtain the following expressions for exponential functions (10) for combination frequencies (13):

Подставив выражения (15) для комбинационных частот в матрицу произведений (12) и сгруппировав члены по частотам, получим представление фундаментальной матрицы в виде суммы одночастотных матриц:Substituting expressions (15) for combination frequencies into the matrix of products (12) and grouping the terms by frequencies, we obtain a representation of the fundamental matrix as a sum of single-frequency matrices:

ГдеWhere

Соответствующие нормированные базисные матрицы для комбинационных частот обозначим, какWe denote the corresponding normalized basis matrices for combination frequencies as

В процессе корреляционного приема при интегрировании произведений базисных матриц на соответствующие транспонированные матрицы (17) на длительности T=1 получим, чтоIn the process of correlation technique, when integrating the products of the basis matrices by the corresponding transposed matrices (17) for duration T = 1, we obtain that

E m T ( Ω m , t ) E m ( Ω m , t ) = E , I m T ( Ω m , t ) I m ( Ω m , t ) = E , J m T ( Ω m , t ) J m ( Ω m , t ) = E , E m T ( Ω m , t ) E m ( Ω m , t ) = E , I m T ( Ω m , t ) I m ( Ω m , t ) = E , J m T ( Ω m , t ) J m ( Ω m , t ) = E ,

K m T ( Ω m , t ) K m ( Ω m , t ) = E , K m T ( Ω m , t ) K m ( Ω m , t ) = E ,

где m=1, 2, 3, 4.where m =1, 2, 3, 4.

Таким образом, мы получили выражения для экспоненциальной функции (5) трехчастотного кватерниона в виде суммы функций (6), которые представляются 8 комбинациями произведений косинусов и синусов опорных частот (7). Также, с использованием формул тригонометрии для произведений трёх комбинаций с синусами и косинусами, получили экспоненциальную функцию (5) в виде сумм косинусов и синусов (15) различных комбинаций частот (13).Thus, we have obtained expressions for the exponential function (5) of a three-frequency quaternion in the form of a sum of functions (6), which are represented by 8 combinations of products of cosines and sines of reference frequencies (7). Also, using trigonometry formulas for the products of three combinations with sines and cosines, we obtained the exponential function (5) in the form of sums of cosines and sines (15) of various combinations of frequencies (13).

Манипуляция многочастотной матрицы.Multi-frequency matrix manipulation.

Возможные комбинации двоичных символов представим в виде векторов начальных состояний, записанных в матрицу:We represent possible combinations of binary symbols in the form of vectors of initial states written in a matrix:

Амплитуда информационных векторов равнаThe amplitude of information vectors is equal to

A = x 0 2 + x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 = ± 1 2 ± 1 2 ± 1 2 ± 1 2 = 4 = 2 . A = x 0 2 + x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 = ± 1 2 ± 1 2 ± 1 2 ± 1 2 = 4 = 2 .

Мощность информационных векторов равнаThe power of information vectors is equal to

P = x 0 2 + x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 = ± 1 2 ± 1 2 ± 1 2 ± 1 2 = 4 . P = x 0 2 + x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 = ± 1 2 ± 1 2 ± 1 2 ± 1 2 = 4 .

Трехчастотную фундаментальную матрицу (9) будем использовать в качестве канальной матрицы MIMO канала в математической модели системы передачи информации. При использовании несущей частоты опорные частоты будут сдвинуты на величину несущей, образуя спектры на положительных и отрицательных опорных частот. Так как при приеме сигналов на несущей частоте происходит обратное преобразование, то будем рассматривать канальную матрицу на опорных и комбинационных частотах.We will use the three-frequency fundamental matrix (9) as the channel matrix of the MIMO channel in the mathematical model of the information transmission system. When using a carrier frequency, the reference frequencies will be shifted by the amount of the carrier, producing spectra at the positive and negative reference frequencies. Since when receiving signals at a carrier frequency, inverse conversion occurs, we will consider the channel matrix at reference and combination frequencies.

Манипуляцию запишем в виде умножения вектора начальных состояний на трехчастотную фундаментальную матрицу опорных частот, которую определим по аналогии с методами модуляции сигналами, рассматриваемыми на действительной оси или плоскости, как «кватернионную несущую», в общем случае – «гиперкомплексную несущую»:We write the manipulation in the form of multiplying the vector of initial states by a three-frequency fundamental matrix of reference frequencies, which we define by analogy with modulation methods with signals considered on the real axis or plane, as a “quaternion carrier”, in the general case – a “hypercomplex carrier”:

y ( ω i , ω j , ω k , t ) = Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) x ( 0 ) . (19) y ( ω i , ω j , ω k , t ) = Φ ( ω i , ω j , ω k , t ) x ( 0 ) . (19)

В результате умножения, получим модулированный вектор выхода y ( ω i , ω j , ω k , t ) .As a result of multiplication, we obtain a modulated output vector y ( ω i , ω j , ω k , t ) .

Так как многочастотная матрица равна сумме одночастотных матриц (16), то манипуляция по одночастотным матрицам будет, соответственно, иметь вид:Since the multi-frequency matrix is equal to the sum of single-frequency matrices (16), the manipulation of single-frequency matrices will, accordingly, have the form:

y ( ω i , ω j , ω k , t ) = [ Φ 1 ( Ω 1 , t ) + Φ 2 ( Ω 2 , t ) + Φ 3 ( Ω 3 , t ) + Φ 4 ( Ω 4 , t ) ] x ( 0 ) . (20) y ( ω i , ω j , ω k , t ) = [ Φ 1 ( Ω 1 , t ) + Φ 2 ( Ω 2 , t ) + Φ 3 ( Ω 3 , t ) + Φ 4 ( Ω 4 , t ) ] x ( 0 ) . (20)

Запишем (20) в виде отдельных векторов выхода:Let us write (20) in the form of separate output vectors:

y 1 ( Ω 1 , t ) = Φ 1 ( Ω 1 , t ) x ( 0 ) , y 2 ( Ω 2 , t ) = Φ 2 ( Ω 2 , t ) x ( 0 ) , y 3 ( Ω 3 , t ) = Φ 3 ( Ω 3 , t ) x ( 0 ) , (21) y 1 ( Ω 1 , t ) = Φ 1 ( Ω 1 , t ) x ( 0 ) , y 2 ( Ω 2 , t ) = Φ 2 ( Ω 2 , t ) x ( 0 ) , y 3 ( Ω 3 , t ) = Φ 3 ( Ω 3 , t ) x ( 0 ) , (21)

y 4 ( Ω 4 , t ) = Φ 4 ( Ω 4 , t ) x ( 0 ) . y 4 ( Ω 4 , t ) = Φ 4 ( Ω 4 , t ) x ( 0 ) .

Возможные комбинации информационных векторов (18) изобразим в виде состояний в 3D пространстве, как показано на фигурах 1 и 2. На фиг.1 в узловых точках показаны положительные значения старшего разряда информационного вектора, на фиг.2 в узловых точках показаны отрицательные значения старшего разряда информационного вектора.Possible combinations of information vectors (18) will be depicted as states in 3D space, as shown in Figures 1 and 2. In Figure 1, the positive values of the most significant bit of the information vector are shown at the nodal points; in Figure 2, the negative values of the most significant bit are shown at the nodal points information vector.

Элементы вектора (19) могут передаваться с использованием различного вида разделения: кодового, частотного или по времени.Vector elements (19) can be transmitted using different types of division: code, frequency or time.

На фигурах 3 и 4 показаны графики выходного вектора (19) с последовательной передачей во времени для опорных частот f = [ 6 2 1 ] T для двух возможных комбинаций векторов начального состояния. Отрицательная частота для синуса означает просто смену знака амплитуды.Figures 3 and 4 show graphs of the output vector (19) with sequential transmission over time for reference frequencies f = [ 6 2 1 ] T for two possible combinations of initial state vectors. A negative frequency for a sine simply means a change in the sign of the amplitude.

Так как фундаментальная матрица (9) ортогональная и не изменяет норму информационного вектора, то мощности элементов выходного вектора равны 1.Since the fundamental matrix (9) is orthogonal and does not change the norm of the information vector, the powers of the elements of the output vector are equal to 1.

На фигурах 5 и 6 показаны графики элементов выходных векторов (21) для четырех одночастотных матриц при двух комбинациях информационных векторов.Figures 5 and 6 show graphs of elements of output vectors (21) for four single-frequency matrices with two combinations of information vectors.

При 4-х ненулевых значениях элементов амплитуда будет 2 / 2 = 1 / 2 , мощность с учетом коэффициента 1 / 2 для гармоники получим 1 / 4 .With 4 non-zero values of the elements, the amplitude will be 2 / 2 = 1 / 2 , power taking into account the coefficient 1 / 2 for the harmonic we get 1 / 4 .

Амплитуда элементов векторов выхода одночастотных матриц может быть A=1 для 2 элементов и 0 для других 2-х элементов. Мощность элемента с учетом коэффициента 1 / 2 для гармоники будет 1 / 2 , т.е. мощность 1 элемента будет в 2 раза меньше.The amplitude of the elements of the output vectors of single-frequency matrices can be A = 1 for 2 elements and 0 for the other 2 elements. Element power taking into account the coefficient 1 / 2 for harmonica it will be 1 / 2 , i.e. the power of 1 element will be 2 times less.

В сумме по элементам мощность вектора будет 1 для элементов векторов на фигуре 5 и на фигуре 6. Мощность одного вектора одночастотной матрицы будет 1. Для 4 векторов по одночастотным матрицам мощность будет равна 4.In sum over the elements, the power of the vector will be 1 for the elements of the vectors in Figure 5 and in Figure 6. The power of one vector of a single-frequency matrix will be 1. For 4 vectors in single-frequency matrices, the power will be equal to 4.

Таким образом, мощность выходного вектора будет равна мощности входного вектора по многочастотной и в сумме по одночастотным матрицам.Thus, the power of the output vector will be equal to the power of the input vector over the multi-frequency matrix and in total over the single-frequency matrices.

На фигурах 7 и 8 показаны графики орбит вращения скалярной части кватерниона для различных начальных нормированных к 1 векторов с положительной скалярной частью, представляющую старший разряд двоичного вектора.Figures 7 and 8 show graphs of the rotation orbits of the scalar part of the quaternion for various initial vectors normalized to 1 with a positive scalar part representing the most significant bit of the binary vector.

На фигурах 9 и 10 показаны графики орбит вращения скалярной части кватерниона для тех же начальных нормированных к 1 векторов с отрицательной скалярной частью, представляющую старший разряд двоичного вектора.Figures 9 and 10 show graphs of the rotation orbits of the scalar part of the quaternion for the same initial vectors normalized to 1 with a negative scalar part representing the most significant bit of the binary vector.

Всего получим 8 орбит для положительного значения скалярной части и 8 орбит для отрицательной скалярной части. Данные орбиты сгруппируем по одинаковым траекториям и запишем как номера информационных векторов (18):In total we get 8 orbits for the positive value of the scalar part and 8 orbits for the negative scalar part. We group these orbits along identical trajectories and write them as numbers of information vectors (18):

1, 6 и11,16 2,3 и 14,15 4, 7 и 10, 13 5, 8 и 9,12.1, 6 and 11.16 2.3 and 14.15 4, 7 and 10, 13 5, 8 and 9.12.

Как видно, всего имеем 4 различных конфигураций траекторий для четырех различных информационных векторов. При воздействии помех в виде 4D вектора белого шума с центральной симметрией помехи будут не коррелированы даже при условии одинаковой траектории, так как начальные состояния располагаются в разных местах траектории.As you can see, in total we have 4 different configurations of trajectories for four different information vectors. When exposed to interference in the form of a 4D white noise vector with central symmetry, the interference will not be correlated even if the trajectory is the same, since the initial states are located in different places of the trajectory.

Известно, что для одночастотного кватерниона имеются также 4 траектории вращения скалярной части. Однако эти траектории располагаются на плоскостях в 3D. Для трехчастотного кватерниона, так как вращение для 4 комбинационных частот будет с разной скоростью, то траектория будет более сложной и в 3D траектории охватывают намного большее 3D пространство и, как следствие, сигналы имеют существенно большее разнообразие. Как известно, чем больше разнообразие сигнала, тем он меньше подвержен воздействию помех и тем больше скорость передачи информации возможно получить. В предельном случае, когда сигнал похож на белый шум и занимает весь объем, получим пропускную способность MIMO канала. Отметим также, что мощность, а, следовательно, и длина вектора вращения, остается постоянной.It is known that for a single-frequency quaternion there are also 4 trajectories of rotation of the scalar part. However, these trajectories are located on planes in 3D. For a three-frequency quaternion, since the rotation for the 4 combination frequencies will be at different speeds, the trajectory will be more complex and in 3D trajectories cover a much larger 3D space and, as a result, the signals have a significantly greater variety. As is known, the greater the diversity of the signal, the less susceptible it is to interference and the higher the information transmission speed can be obtained. In the limiting case, when the signal is similar to white noise and occupies the entire volume, we obtain the throughput of the MIMO channel. Note also that the power, and therefore the length of the rotation vector, remains constant.

Проходя по каналу связи, к модулированным колебаниям из комбинационных частот добавляются помехи. В качестве помехи рассмотрим 4D белый шум с циркулярной симметрией. В результате получи вектор сигнала с помехой:Passing through the communication channel, interference is added to the modulated oscillations from the combination frequencies. As a noise, consider 4D white noise with circular symmetry. As a result, get the signal vector with noise:

s ( t ) = [ y 1 ( Ω 1 , Ω 2 , Ω 3 , Ω 4 , t ) y 2 ( Ω 1 , Ω 2 , Ω 3 , Ω 4 , t ) y 3 ( Ω 1 , Ω 2 , Ω 3 , Ω 4 , t ) y 4 ( Ω 1 , Ω 2 , Ω 3 , Ω 4 , t ) ] + [ n 1 ( t ) n 2 ( t ) n 3 ( t ) n 5 ( t ) ] . s ( t ) = [ y 1 ( Ω 1 , Ω 2 , Ω 3 , Ω 4 , t ) y 2 ( Ω 1 , Ω 2 , Ω 3 , Ω 4 , t ) y 3 ( Ω 1 , Ω 2 , Ω 3 , Ω 4 , t ) y 4 ( Ω 1 , Ω 2 , Ω 3 , Ω 4 , t ) ] + [ n 1 ( t ) n 2 ( t ) n 3 ( t ) n 5 ( t ) ] .

Так как в качестве помехи рассматривается белый шум, то оптимальным приемником для каждого элемента является коррелятор. Since white noise is considered as interference, the optimal receiver for each element is a correlator.

Демодуляцию принимаемого вектора будем производить по нормированным транспонированным базисным матрицам (17) по каждой одночастотной матрице отдельно, в которых комбинационные частоты заменим на опорные в соответствии с (13). We will demodulate the received vector using normalized transposed basis matrices (17) for each single-frequency matrix separately, in which we will replace the combination frequencies with reference ones in accordance with (13).

Умножение принимаемой последовательности элементов вектора s ( t ) на элементы базисных матриц и их интегрирование с последующим суммированием результатов осуществляется в реальном масштабе времени без задержки импульсов. В конце накопления энергии сигнала производится отсчет, который запоминается. Так как каждый элемент последовательности s ( t ) содержит все элементы информационного вектора, то при умножении его на элементы столбцов базисных матриц получим оценки всех четырех информационных элементов. В последующем, все отсчеты каждого элемента по всем базисным матрицам каждой одночастотной матрицы складываются и подаются на решающее устройство.Multiplication of the received sequence of vector elements s ( t ) on the elements of the basis matrices and their integration with subsequent summation of the results is carried out in real time without pulse delay. At the end of the accumulation of signal energy, a count is made and stored. Since each element of the sequence s ( t ) contains all the elements of the information vector, then when multiplied by the elements of the columns of the basis matrices, we obtain estimates of all four information elements. Subsequently, all samples of each element from all basis matrices of each single-frequency matrix are added and fed to the solver.

На фигурах 11-30 показаны результаты умножения принятого вектора на базисные матрицы одночастотных матриц после интегрирования на длительности импульсов.Figures 11-30 show the results of multiplying the received vector by the basis matrices of single-frequency matrices after integration by pulse duration.

На фигуре 31 показана сумма результатов по матрицам 4-х частот.Figure 31 shows the sum of the results from the 4-frequency matrices.

При приеме элементов выходного вектора (19) путем умножения на базисные ортогональные матрицы норма вектора не изменяется. Однако при этом осуществляется перестановка элементов вектора помехи в соответствии со структурой матриц E, I, J, K. Следовательно, при сложении элементов векторов они складываются по энергии, а элементы вектора помех складываются по мощности. Поэтому, для каждой матрицы мы получаем выигрыш в отношении сигнал/шум, по сравнению с приёмом действительных сигналов с BPSK, в 4 раза. Так как прием одних и тех же значений осуществляется на разных частотах, то общий выигрыш в отношении сигнал/шум при некоррелированности помех и при достаточном разносе частот для устранения их влияния друг на друга будет равен 16, если не считать увеличение полосы частот. Обычно при работе в высокочастотных диапазонах волн увеличение полосы не ведет за собой каких-либо больших издержек.When receiving elements of the output vector (19) by multiplying by basic orthogonal matrices, the norm of the vector does not change. However, in this case, the elements of the interference vector are rearranged in accordance with the structure of the matrices E , I , J , K. Consequently, when adding vector elements, they are added in energy, and interference vector elements are added in power. Therefore, for each matrix we get a gain in signal-to-noise ratio, compared to receiving real signals with BPSK, by a factor of 4. Since the reception of the same values is carried out at different frequencies, the total gain in the signal-to-noise ratio with uncorrelated interference and with sufficient frequency separation to eliminate their influence on each other will be equal to 16, not counting the increase in frequency band. Typically, when operating in high-frequency wave bands, increasing the bandwidth does not entail any large costs.

Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости и скорости передачи информации в системах беспроводной и проводной связи, который достигается за счет того, что поступающие на вход передающего устройства последовательности двоичных импульсов данных, состоящих из нулей и единиц, преобразуются в биполярные импульсы, которые преобразуются в N-мерный информационный вектор, состоящий из N информационных импульсов и образующий гиперкомплексное число в векторном представлении, при этом обеспечивается большее энергетическое расстояние (в сравнение с физическим пространством, пространственно-временным кодом), а также эффективное использование N-мерного гиперкомплексного пространства гиперкомлексного числа по времени и частоте, увеличение помехоустойчивости передаваемой информации, как следствие, достигается повышение скорости передачи информации.The technical result of the invention is to increase the noise immunity and speed of information transmission in wireless and wired communication systems, which is achieved due to the fact that the sequences of binary data pulses consisting of zeros and ones arriving at the input of the transmitting device are converted into bipolar pulses, which are converted into N- dimensional information vector consisting of N information pulses and forming a hypercomplex number in a vector representation, which provides a greater energy distance (compared to physical space, space-time code), as well as effective use of the N-dimensional hypercomplex space of a hypercomplex number in time and frequency, increasing the noise immunity of transmitted information, as a result, increasing the speed of information transmission is achieved.

При этом модуляция на передающей стороне осуществляется путем умножения информационного вектора на гиперкомплексную несущую, представляющую собой гиперкомплексное число в полярной форме с различными N-1 опорными частотами в матричном представлении и выполняющую роль канальной матрицы MIMO канала, при этом многочастотная канальная матрица MIMO раскладывается на сумму одночастотных матриц, которые модулируются отдельно и их результаты складываются, образуя многочастотные элементы N-мерного вектора, при этом модулированные по фазе элементы выходного многочастотного модулированного вектора передаются последовательно во времени или с кодовым разделением, или с частотным разделением, тем самым достигается снижение количества передающих и принимающих антенн за счет использования одной антенны на передаче и одной антенны на приеме, при этом использование N-мерного гиперкомплексного пространства и вращение информационных элементов при модуляции кватернионной несущей позволяет максимизировать энергетическое расстояние между информационными элементами, что приводит к улучшенной помехоустойчивости, большей скорости передаваемой информации, эффективному использованию частотных ресурсов и повышенной скрытности передачи информации, как следствие достигается повышение помехоустойчивости и скорости передачи информации.In this case, modulation on the transmitting side is carried out by multiplying the information vector by a hypercomplex carrier, which is a hypercomplex number in polar form with different N-1 reference frequencies in a matrix representation and plays the role of the MIMO channel matrix of the channel, while the multi-frequency MIMO channel matrix is decomposed into the sum of single-frequency matrices that are modulated separately and their results are added to form multi-frequency elements of an N-dimensional vector, while the phase-modulated elements of the output multi-frequency modulated vector are transmitted sequentially in time either with code division or with frequency division, thereby achieving a reduction in the number of transmitting and receiving antennas due to the use of one antenna for transmission and one antenna for reception, while the use of N-dimensional hypercomplex space and rotation of information elements when modulating a quaternion carrier makes it possible to maximize the energy distance between information elements, which leads to improved noise immunity, higher speed of transmitted information, efficient the use of frequency resources and increased secrecy of information transmission, as a result, an increase in noise immunity and information transmission speed is achieved.

При этом, так как канальная матрица MIMO канала – ортогональна, то норма информационного вектора до передачи данных через канал связи будет равна норме информационного вектора после передачи, если канал не изменяет ее, как следствие достигается повышение помехоустойчивости и скорости передачи информации. In this case, since the channel matrix of the MIMO channel is orthogonal, the norm of the information vector before data transmission through the communication channel will be equal to the norm of the information vector after transmission, if the channel does not change it, as a result, an increase in noise immunity and information transmission speed is achieved.

При этом выигрыш в отношении сигнал/шум при использовании одночастотной кватернионной канальной матрицы, по сравнению с приемом действительных сигналов с BPSK, в 4 раза и в 16 раз для 4-х частотной канальной матрицы комбинационных частот.At the same time, the gain in signal-to-noise ratio when using a single-frequency quaternion channel matrix, compared to receiving real signals with BPSK, is 4 times and 16 times for a 4-frequency channel matrix of combination frequencies.

При этом мощность выходного вектора будет равна мощности входного вектора по многочастотным и в сумме по одночастотным матрицам, таким образом, система передачи информации сохраняет мощность сигнала на каждой частоте или в каждом отдельном канале, как следствие:In this case, the power of the output vector will be equal to the power of the input vector in multi-frequency matrices and in total in single-frequency matrices, thus, the information transmission system maintains the signal power at each frequency or in each individual channel, as a result:

1. Эффективно используются ресурсы: нет избыточной потери энергии или резких изменений мощности (пикфактор) на разных частотах. Это позволяет оптимально использовать мощность усилителей передатчика и доступную пропускную способность канала связи;1. Resources are used efficiently: there is no excess energy loss or sudden changes in power (peak factor) at different frequencies. This allows optimal use of the power of the transmitter amplifiers and the available bandwidth of the communication channel;

2. Подавление интерференции: Поскольку каждый информационный импульс передается на каждой позиции во времени и на каждой частоте модулированного сигнала и мощность сигнала сохраняется на всех частотах и всех позициях во времени, то система может быть более устойчивой к внешней интерференции. Интерференция на одной частоте не будет влиять на мощность сигнала на других частотах и позициях во времени. Это особенно важно в случае многолучевого распространения (multipathfading) или наличия других источников интерференции, а также при селективных по частоте и по времени замираниях;2. Interference Suppression: Since each information pulse is transmitted at each time position and at each frequency of the modulated signal, and the signal strength is maintained at all frequencies and all time positions, the system can be more resistant to external interference. Interference at one frequency will not affect the signal strength at other frequencies and positions in time. This is especially important in the case of multipathfading or the presence of other sources of interference, as well as in frequency- and time-selective fading;

3. Поддержка качественной передачи информации: Поскольку мощность сигнала не меняется, сохраняется качество переданных данных. Это особенно важно для передачи аналоговых или цифровых сигналов, где изменение мощности может привести к искажению данных;3. Support high-quality information transmission: Since the signal strength does not change, the quality of the transmitted data is maintained. This is especially important for transmitting analog or digital signals, where changes in power can cause data corruption;

4. Удобство обработки: когда мощность входного вектора равна мощности выходного, обработка сигнала становится более предсказуемой и удобной. Нет необходимости корректировать или компенсировать различия в мощности сигнала на разных частотах.4. Ease of Processing: When the power of the input vector is equal to the power of the output vector, signal processing becomes more predictable and convenient. There is no need to correct or compensate for differences in signal strength at different frequencies.

Как следствие достигается повышение помехоустойчивости и скорости передачи информации.As a result, an increase in noise immunity and information transmission speed is achieved.

При этом общий выигрыш в отношении сигнал/шум при некоррелированности помех будет равен 16, если не считать увеличение полосы частот.In this case, the total gain in signal-to-noise ratio with uncorrelated interference will be equal to 16, not counting the increase in frequency bandwidth.

При этом помехи на ортогональном базисе не коррелируемы, как следствие: In this case, interference on the orthogonal basis is not correlated, as a consequence:

1. Улучшенная разделимость сигналов: помехи можно более эффективно отделить от желаемых сигналов;1. Improved signal separability: interference can be more effectively separated from the desired signals;

2. Улучшенное качество приема: Помехи не суммируются или не усиливаются друг с другом. Это означает, что сигналы могут быть приняты с меньшим искажением и потерей качества. Некоррелированные помехи не создают интерференцию на основных частотах передачи информации;2. Improved reception quality: Interference does not add up or increase with each other. This means that signals can be received with less distortion and loss of quality. Uncorrelated noise does not create interference at the fundamental frequencies of information transmission;

3. Повышенная безопасность: Помехи, которые не коррелируют, затрудняют или делают более сложной задачу несанкционированного доступа или взлома системы связи. Некоррелированные помехи могут затруднить или сделать невозможным извлечение конфиденциальной информации из передаваемого сигнала;3. Increased Security: Interference that is not correlated makes it difficult or more difficult for unauthorized access or hacking of a communications system. Uncorrelated interference may make it difficult or impossible to extract sensitive information from the transmitted signal;

4. Более эффективное использование радиочастотного спектра: Некоррелированные помехи могут быть лучше изолированы и подавлены при использовании радиочастотного спектра. Это позволяет эффективно использовать доступные частотные полосы, минимизировать взаимное влияние сигналов и помех.4. More efficient use of radio frequency spectrum: Uncorrelated interference can be better isolated and suppressed when using radio frequency spectrum. This allows you to effectively use the available frequency bands and minimize the mutual influence of signals and interference.

Как следствие достигается повышение помехоустойчивости и скорости передачи информации.As a result, an increase in noise immunity and information transmission speed is achieved.

При этом векторы сигнала когерентно демодулируются путём умножения принимаемого вектора на транспонированные базисные матрицы одночастотных матриц, представляющих собой ортогональный базис, а прием поступающего на вход приемника вектора сигнала осуществляется с использованием интегрирования результатов умножения с последующим сложением для каждой одночастотной матрицы ортогонального базиса и принятия решения в решающем устройстве о значении элементов вектора. При этом достаточно вычислить фазу несущего колебания с использованием обычных методов синхронизации и не требуется знание фазы от каждой передающей антенны к каждой приемной антенне, чтобы определить параметры пространственно-временного кода. Обычно для получения таких данных используется обратная связь, пилот-сигнал и сложное вычислительное устройство. Таким образом, реализуется технологии раздельного приёма информационных элементов по базисным матрицам кватерниона, как следствие:In this case, the signal vectors are coherently demodulated by multiplying the received vector by transposed basis matrices of single-frequency matrices, which represent an orthogonal basis, and the reception of the signal vector arriving at the input of the receiver is carried out using the integration of the results of multiplication followed by addition for each single-frequency matrix of the orthogonal basis and making a decision in the decisive device about the meaning of vector elements. In this case, it is sufficient to calculate the phase of the carrier wave using conventional synchronization methods and does not require knowledge of the phase from each transmitting antenna to each receiving antenna to determine the parameters of the space-time code. Typically, feedback, a pilot signal, and a complex computing device are used to obtain such data. Thus, technologies for separately receiving information elements based on the basis matrices of the quaternion are implemented, as a consequence:

1. Улучшенная спектральная эффективность: увеличение отношения сигнал/шуми возможности передачи информации с большей скоростью;1. Improved spectral efficiency: increased signal-to-noise ratio; ability to transmit information at higher speeds;

2. Увеличение помехоустойчивости приема;2. Increased reception noise immunity;

3. Повышенная скрытность передачи данных, так как каждый информационный символ содержится в каждом символе передаваемого вектора и тем или иным образом изменяет его параметры модуляции. Поэтому, не зная канальную матрицу и её частоты, невозможно выделить информационные символы.3. Increased secrecy of data transmission, since each information symbol is contained in each symbol of the transmitted vector and in one way or another changes its modulation parameters. Therefore, without knowing the channel matrix and its frequencies, it is impossible to select information symbols.

При этом реализуется возможность проводить оценку каждого элемента информационного вектора при воздействии различных помех, так как помехи раскладываются на составляющие на ортогональном базисе, а при узкополосном спектре не действуют на информационные элементы, передаваемые на других частотах.In this case, it is possible to evaluate each element of the information vector when exposed to various interference, since the interference is decomposed into components on an orthogonal basis, and with a narrow-band spectrum does not affect information elements transmitted at other frequencies.

Как следствие достигается повышение помехоустойчивости и скорости передачи информации.As a result, an increase in noise immunity and information transmission speed is achieved.

При этом гиперкомплексная несущая представляет собой гиперкомплексное число в полярной форме и в матричном представлении в виде квадратной матрицы NxN с N-1 опорными частотами, комбинации которых образуют 2N-2 комбинационных частот, и такое же количество одночастотных матриц.In this case, the hypercomplex carrier is a hypercomplex number in polar form and in matrix representation in the form of a square NxN matrix with N-1 reference frequencies, combinations of which form 2 N-2 combination frequencies, and the same number of single-frequency matrices.

При использовании многочастотных гиперкомплексных несущих, в общем случае, или, в частном случае, трёхчастотных кватернионных несущих, модулированные сигналы имею большее разнообразие, т.е. занимают больший объем гиперкомплексного пространства, как показано на фигурах 7-10. Как следствие, они в меньшей степени подвержены помехам, которые отличаются от белого шума и сосредоточены по времени (импульсные помехи) или по частоте (узкополосные помехи).Так как при воздействии помехи типа «белый шум» пропускная способность определяется разностью разнообразия сигнала и энтропии помехи, то при использовании гиперкомплексного многочастотного пространства возможно достичь более высокого разнообразия сигнала, чем при обычных методах модуляции действительных сигналов на плоскости, даже при увеличении числа уровней амплитуд сигналов или частот. Как следствие, существенно повышается пропускная способность таких каналов.When using multi-frequency hypercomplex carriers, in the general case, or, in the particular case, three-frequency quaternion carriers, the modulated signals have a greater variety, i.e. occupy a larger volume of hypercomplex space, as shown in Figures 7-10. As a result, they are less susceptible to interference that differs from white noise and is concentrated in time (pulse interference) or frequency (narrowband interference). Since when exposed to white noise interference, the throughput is determined by the difference between the diversity of the signal and the entropy of the interference , then when using a hypercomplex multi-frequency space it is possible to achieve higher signal diversity than with conventional methods of modulating real signals on a plane, even when increasing the number of signal amplitude levels or frequencies. As a result, the throughput of such channels increases significantly.

Согласно фиг. 32 и 33 Источник информации 1 преобразует поступающие на вход двоичные импульсы 0, 1 в биполярные 1, -1 и из них образует, в общем случае, N-мерный информационный вектор путем соответствующей задержки импульсов. При этом последний импульс поступает без задержки.According to FIG. 32 and 33 Information source 1 converts the binary pulses 0, 1 arriving at the input into bipolar 1, -1 and from them forms, in the general case, an N-dimensional information vector by appropriate delay of the pulses. In this case, the last pulse arrives without delay.

Кодер гиперкомплексных чисел 2 формирует, в общем случае, гиперкомплексную многочастотную несущую в виде NxN матрицы, в частном случае – кватернионную несущую в виде 4х4 матрицы с тремя частотами. Гиперкомплексная несущая представляет собой экспоненциальное отображение гиперкомплексного числа в матричном представлении, которая, в свою очередь, раскладывается на сумму одночастотных матриц.The hypercomplex number encoder 2 generates, in the general case, a hypercomplex multi-frequency carrier in the form of an NxN matrix, in a particular case, a quaternion carrier in the form of a 4x4 matrix with three frequencies. The hypercomplex carrier is an exponential representation of a hypercomplex number in a matrix representation, which, in turn, is decomposed into a sum of single-frequency matrices.

Модулятор гиперкомплексных чисел 3 осуществляет модуляцию гиперкомплексной несущей путем умножения одночастотных матриц на информационный вектор с последующим сложением результатов для получения модулированного многочастотного колебания, в частном случае, четырехчастотного колебания.The hypercomplex number modulator 3 modulates the hypercomplex carrier by multiplying single-frequency matrices by an information vector and then adding the results to obtain a modulated multi-frequency oscillation, in the particular case, a four-frequency oscillation.

На передающую антенну 4 поступают модулированные сигналы на несущей частоте и усиленные усилителем мощности. Антенна 4 излучает их в заданном направлении.The transmitting antenna 4 receives modulated signals at a carrier frequency and amplified by a power amplifier. Antenna 4 emits them in a given direction.

Приемная антенна 5 усиливает принимаемый сигнал, который далее поступает на малошумящий усилитель и переносится на частоты гиперкомплексной несущей.The receiving antenna 5 amplifies the received signal, which is then fed to a low-noise amplifier and transferred to the frequencies of the hypercomplex carrier.

Демодулятор гиперкомплексных чисел 6 осуществляет корреляционный приём в реальном времени принимаемых модулированных элементов вектора путем умножения его на элементы в столбцах транспонированных базисных матриц одночастотных матриц комбинационных частот с последующим интегрированием и сложением результатов.The demodulator of hypercomplex numbers 6 performs correlation reception in real time of the received modulated elements of the vector by multiplying it by elements in the columns of transposed basis matrices of single-frequency matrices of combination frequencies, followed by integration and addition of the results.

Декодер гиперкомплексных чисел 7 суммирует результаты корреляционного приема по всем многочастотным матрицам, в частном случае, по всем 4-х частотным матрицам трехчастотного кватерниона и подает их на решающее устройство. Решение может приниматься по каждому информационному элементу вектора отдельно или с вычислением нормы Фробениуса.The hypercomplex number decoder 7 summarizes the results of correlation reception over all multi-frequency matrices, in a particular case, over all 4-frequency matrices of a three-frequency quaternion and feeds them to the decision device. The decision can be made for each information element of the vector separately or with the calculation of the Frobenius norm.

Получатель информации 8 преобразует биполярные импульсы 1,-1 в 0, 1 и подает их потребителю в требуемом представлении.The information recipient 8 converts bipolar pulses 1, -1 into 0, 1 and supplies them to the consumer in the required representation.

Пример реализации.Example implementation.

Заявляемый способ был реализован для кватерниона с использованием канальной матрицы 4х4. В качестве источника данных применен генератор М-последовательности на JK-триггерах с обратной связью. Для формирования 4-х мерного вектора данных из поступающих импульсов первый импульс задерживался с помощью D-триггеров на 3 такта, 2-й - на 2, третий на 1, а 4-й принимался без задержки в реальном масштабе времени. The inventive method was implemented for a quaternion using a 4x4 channel matrix. An M-sequence generator based on JK flip-flops with feedback is used as a data source. To form a 4-dimensional data vector from incoming pulses, the first pulse was delayed using D-flip-flops by 3 clock cycles, the 2nd by 2, the third by 1, and the 4th was received without delay in real time.

Трехчастотная канальная матрица опорных частот представлялась в виде суммы 4-х одночастотных матриц комбинационных частот. Для формирования одночастотных канальных матриц использовался высокочастотный генератор, который выдавал на выходе два сдвинутые на π/2 гармонические колебания комбинационных частот, которые образовывали сумму косинуса и синуса с разными знаками в соответствии со структурой канальной матрицы. Модуляция осуществлялась путем перемножения вектора данных на элементы столбцов четырех одночастотных канальных матриц с использованием 4-х перемножителей для каждой матрицы. На один вход перемножителей подавался сигнал с генератора несущей заданной частоты, а на другой – соответствующий элемент вектора импульсов. Результаты, полученные на выходах перемножителей для матриц разных комбинационных частот, суммировались в сумматорах, в результате чего получался 4-х мерный вектор многочастотного сигнала. Описанная процедура соответствует перемножению 4-х мерного информационного вектора на трехчастотную матрицу опорных частот кватернионной несущей.The three-frequency channel matrix of reference frequencies was represented as the sum of 4 single-frequency matrices of combination frequencies. To form single-frequency channel matrices, a high-frequency generator was used, which outputted two harmonic oscillations of combination frequencies shifted by π/2, which formed the sum of a cosine and a sine with different signs in accordance with the structure of the channel matrix. Modulation was carried out by multiplying the data vector by the column elements of four single-frequency channel matrices using 4 multipliers for each matrix. A signal from a carrier generator of a given frequency was supplied to one input of the multipliers, and the corresponding element of the pulse vector was supplied to the other. The results obtained at the outputs of the multipliers for matrices of different combination frequencies were summed up in adders, resulting in a 4-dimensional vector of a multi-frequency signal. The described procedure corresponds to the multiplication of a 4-dimensional information vector by a three-frequency matrix of reference frequencies of a quaternion carrier.

Перемножение информационного вектора на каждый столбец осуществлялось за один такт длительности информационного импульса и полученный импульс в виде суммы 4-х комбинационных частот переносился на несущую частоту и передавался последовательно во времени через усилитель мощности в антенну. При этом каждый элемент передавался с использование всей мощности усилителя мощности.The multiplication of the information vector by each column was carried out in one clock cycle of the information pulse duration and the resulting pulse in the form of a sum of 4 combination frequencies was transferred to the carrier frequency and transmitted sequentially in time through a power amplifier to the antenna. In this case, each element was transmitted using the entire power of the power amplifier.

Проходя по каналу связи к сигналу добавлялся шум. Для получения характеристик помехоустойчивости на вход приемника дополнительно подавался шум с генератора шума.While passing through the communication channel, noise was added to the signal. To obtain noise immunity characteristics, noise from a noise generator was additionally supplied to the receiver input.

Принятый сигнал переносился на исходные комбинационные частоты и принимался с использованием корреляторов. В качестве опорных частот использовались элементы 4-х одночастотных базисных матриц, на которые раскладывались одночастотные матрицы комбинационных частот и представляли собой ортогональный базис.The received signal was transferred to the original combination frequencies and received using correlators. As reference frequencies, elements of 4 single-frequency basis matrices were used, into which single-frequency matrices of combination frequencies were decomposed and represented an orthogonal basis.

Все 16 перемножителей с интеграторами для каждой одночастотной матрицы объединялись в шину по 4 в каждом проводе. Демодуляция осуществлялась в реальном времени. При поступлении 1-го элемента он подавался на 1 -й провод шины и умножался на элементы первых столбцов базисных одночастотных матриц. В конце накопления производился отсчет результатов и их суммирование по всем элементам столбца для всех 4-х одночастотных матриц. Результат суммы 16 отсчетов подавался на решающее устройство, которое принимало решение о значении информационного импульса. Вероятность ошибки определялась путем сравнения поданного импульса с принятым. Аналогичные операции производились при поступлении 2-го принимаемого импульса, который подавался на 2-й провод шины и т.д.All 16 multipliers with integrators for each single-frequency matrix were combined into a bus, 4 in each wire. Demodulation was carried out in real time. When the 1st element arrived, it was fed to the 1st wire of the bus and multiplied by the elements of the first columns of the basic single-frequency matrices. At the end of accumulation, the results were counted and summed over all elements of the column for all 4 single-frequency matrices. The result of the sum of 16 samples was fed to the decision device, which made a decision on the value of the information impulse. The probability of error was determined by comparing the supplied pulse with the received one. Similar operations were performed upon receipt of the 2nd received pulse, which was applied to the 2nd wire of the bus, etc.

Измерение отношения сигнал/шум проводилось с использованием селективного милливольтметра. В результате получили повышение отношения сигнал/шум в 16 раз по сравнению с BPSK и в 8 раз по сравнению со схемой Аламути с MIMO 2х2. The signal-to-noise ratio was measured using a selective millivoltmeter. The result was an increase in signal-to-noise ratio by 16 times compared to BPSK and 8 times compared to the Alamouti scheme with 2x2 MIMO.

Claims (2)

1. Способ передачи информации с использованием схемы MIMO в N=2n, n = 2, 3, 4, гиперкомплексном пространстве, характеризующийся тем, что поступающие на вход передающего устройства последовательности двоичных импульсов данных, состоящих из нулей и единиц, преобразуются в биполярные импульсы, которые преобразуются в N-мерный информационный вектор, состоящий из N информационных импульсов и образующий гиперкомплексное число в векторном представлении, при этом модуляция на передающей стороне осуществляется путем умножения информационного вектора на гиперкомплексную несущую, представляющую собой гиперкомплексное число в полярной форме с различными N-1 опорными частотами в матричном представлении и выполняющую роль канальной матрицы MIMO канала, при этом многочастотная канальная матрица MIMO раскладывается на сумму одночастотных матриц, которые модулируются отдельно и их результаты складываются, образуя многочастотные элементы N-мерного вектора, при этом модулированные по фазе элементы выходного многочастотного модулированного вектора передаются последовательно во времени или с кодовым разделением, или с частотным разделением, при этом векторы сигнала когерентно демодулируются путём умножения принимаемого вектора на транспонированные базисные матрицы одночастотных матриц, представляющих собой ортогональный базис, а прием поступающего на вход приемника вектора сигнала осуществляется с использованием интегрирования результатов умножения с последующим сложением для каждой одночастотной матрицы ортогонального базиса и принятия решения в решающем устройстве о значении элементов вектора. 1. A method for transmitting information using a MIMO scheme in N=2 n , n = 2, 3, 4, hypercomplex space, characterized by the fact that sequences of binary data pulses consisting of zeros and ones arriving at the input of the transmitting device are converted into bipolar pulses , which are converted into an N-dimensional information vector consisting of N information pulses and forming a hypercomplex number in vector representation, while modulation on the transmitting side is carried out by multiplying the information vector by a hypercomplex carrier, which is a hypercomplex number in polar form with different N-1 reference frequencies in the matrix representation and acting as the channel matrix of the MIMO channel, while the multi-frequency channel matrix MIMO is decomposed into the sum of single-frequency matrices, which are modulated separately and their results are added up, forming multi-frequency elements of the N-dimensional vector, while the phase-modulated elements of the output multi-frequency modulated vectors are transmitted sequentially in time or with code division, or with frequency division, while the signal vectors are coherently demodulated by multiplying the received vector by transposed basis matrices of single-frequency matrices, which represent an orthogonal basis, and the reception of the signal vector arriving at the receiver input is carried out using integration of the results multiplication followed by addition for each single-frequency matrix of the orthogonal basis and making a decision in the decision device about the value of the vector elements. 2. Способ передачи информации с использованием схемы MIMO в гиперкомплексном пространстве по п.1, отличающийся тем, что гиперкомплексная несущая представляет собой гиперкомплексное число в полярной форме и в матричном представлении в виде квадратной матрицы NxN с N-1 опорными частотами, комбинации которых образуют 2N-2 комбинационных частот и такое же количество одночастотных матриц.2. A method for transmitting information using a MIMO scheme in hypercomplex space according to claim 1, characterized in that the hypercomplex carrier is a hypercomplex number in polar form and in matrix representation in the form of a square NxN matrix with N-1 reference frequencies, combinations of which form 2 N-2 combination frequencies and the same number of single-frequency matrices.
RU2023123129A 2023-09-06 Method of information transmission using mimo scheme in hypercomplex space RU2809479C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2809479C1 true RU2809479C1 (en) 2023-12-12

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7548588B2 (en) * 2004-01-28 2009-06-16 Ramot At Tel Aviv University Ltd. Method of transmitting data using space time block codes
CA2616387A1 (en) * 2007-12-21 2009-06-21 Cartiza Canada Inc. Transmitter using linear space-time codes for wide-band and/or low-snr multiple-antenna wireless communication systems and method of using same
CN101707516A (en) * 2009-02-03 2010-05-12 天津博微科技有限公司 Method and system for MIMO transmission diversity based on multi-system LDPC codes
US8290080B2 (en) * 2009-02-13 2012-10-16 Freescale Semiconductor, Inc. Techniques for transmitting data in a wireless communication system using quasi-orthogonal space-time code
RU2553679C2 (en) * 2009-09-02 2015-06-20 Эппл Инк Method of transmitting data in mimo communication system
US10411837B1 (en) * 2015-02-24 2019-09-10 Marvell International Ltd. Systems and methods for a multiple-input-multiple-output (MIMO) data transmission scheme using a space time block code (STBC)
US11165540B2 (en) * 2018-01-08 2021-11-02 Csub Auxiliary For Sponsored Programs Administration Space-time coded massive multiple-input multiple-output (MIMO) wireless systems and methods of making using the same

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7548588B2 (en) * 2004-01-28 2009-06-16 Ramot At Tel Aviv University Ltd. Method of transmitting data using space time block codes
CA2616387A1 (en) * 2007-12-21 2009-06-21 Cartiza Canada Inc. Transmitter using linear space-time codes for wide-band and/or low-snr multiple-antenna wireless communication systems and method of using same
CN101707516A (en) * 2009-02-03 2010-05-12 天津博微科技有限公司 Method and system for MIMO transmission diversity based on multi-system LDPC codes
US8290080B2 (en) * 2009-02-13 2012-10-16 Freescale Semiconductor, Inc. Techniques for transmitting data in a wireless communication system using quasi-orthogonal space-time code
RU2553679C2 (en) * 2009-09-02 2015-06-20 Эппл Инк Method of transmitting data in mimo communication system
US10411837B1 (en) * 2015-02-24 2019-09-10 Marvell International Ltd. Systems and methods for a multiple-input-multiple-output (MIMO) data transmission scheme using a space time block code (STBC)
US11165540B2 (en) * 2018-01-08 2021-11-02 Csub Auxiliary For Sponsored Programs Administration Space-time coded massive multiple-input multiple-output (MIMO) wireless systems and methods of making using the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0905920B1 (en) Multiple antenna communication system and method thereof
JP3778969B2 (en) Method and apparatus for spread spectrum code pulse position modulation
US7406130B2 (en) Method and system for optimization of channel estimation and synchronization in an OFDM-MIMO wireless communication system
US10873361B2 (en) Communication system and methods using multiple-in-multiple-out (MIMO) antennas within unitary braid divisional multiplexing (UBDM)
EP0572171A1 (en) Method and apparatus for providing time diversity for multipath fading channels
US11838078B2 (en) Communication system and methods using very large multiple-in multiple-out (MIMO) antenna systems with extremely large class of fast unitary transformations
KR100899747B1 (en) Method and apparatus for reducing peak-to-average power ratio in orthogonal frequency division multiplexing system
US20210006446A1 (en) Communication system and method using orthogonal frequency division multiplexing (ofdm) with non-linear transformation
JP2007243277A (en) Receiver, receiving method and program
CN101053174B (en) Method and device for data processing in wireless communication system
KR100389489B1 (en) An apparatus and method of enhancing transmit diversity
US11843429B2 (en) Wireless communication system, wireless communication method, transmitting station device and receiving station device
RU2809479C1 (en) Method of information transmission using mimo scheme in hypercomplex space
US6389085B1 (en) Receiver combiner for spatial diversity digital communications
US7236539B2 (en) Apparatus and method for estimation of frequency offset in wireless communications
CN101019339A (en) Method for transmitting signals in a communications system
US6693976B1 (en) Method of wireless communication using structured unitary space-time signal constellations
JP7176449B2 (en) Wireless device and wireless transmission method
Cai et al. Non-coherent chaotic communications aided by RIS: A performance-enhanced approach
US11489557B2 (en) Wireless communication system, wireless communication method, transmitting station device and receiving station device
Sergienko et al. Combining Index Modulation with Codebooks for Noncoherent Reception
Krishna et al. Implementation of fast independent component analysis on field‐programmable gate array for resolving the slot collision issue in the space‐based automatic identification system
Holla et al. Performance Analysis of MIMO System with the Combination of Different Types of STBC and DCSK
Trinca A contribuition to the study of channel coding in wireless communication systems
Phan-Huy et al. Make-it-real-and-anticirculating orthogonal space-time coding for MIMO OFDM/OQAM