СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПЕРЕДАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ПОСЛЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ИХ ЧЕРЕЗ КАНАЛ СВЯЗИ Российский патент 2003 года по МПК H04L27/22 

Способ восстановления переданных информационных сигналов после прохождения их через канал связи относится к области обмена дискретной информацией с применением систем связи с различными видами модуляции.

Известен способ восстановления переданных информационных сигналов с одновременным получением информации о качестве сигнала, при котором принимают множество фазомодулированных цифровых символов, идентифицируют принятые символы по их принадлежности к сигнальным областям и обеспечивают получение информации о качестве принятых фазомодулированных цифровых символов (см. патент РФ 213061, МКИ 6 Н 04 L 27/22, опубл. в БИ 16,10.06.98 г.) [1].

Недостаток известного способа состоит в невозможности его использования по отношению к многопозиционным ансамблям сигналов с амплитудно-фазовой манипуляцией (АФМ), поскольку все операции способа основаны на действиях с оценками фазы принимаемых символов без учета их амплитуды.

Известен также способ восстановления переданных информационных сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией после их прохождения через канал связи, заключающийся в том, что осуществляют прием сигналов, прошедших через канал связи, разделяют принятые в аналоговой форме сигналы на ортогональные составляющие корреляционным методом, преобразуют их из аналоговой в цифровую форму, определяют принадлежность принятого сигнала в виде его оцифрованных ортогональных составляющих к конкретной сигнальной области (см. патент РФ 2054810, МКИ 6 H 04 L 27/22, Н 03 D 5/00, 1/00, опубл. БИ 5, 20.02.96 г.) [2].

Недостатки известного способа состоят в следующем.

Во-первых, согласно известному способу сигнальные области определяют исходя из заданного соотношения сигнал/шум. В то же время в реальных системах связи условия передачи информационных символов и соответственно соотношение сигнал/шум могут существенно отличаться от номинального значения и, кроме того, изменяться во время сеанса связи. Известный способ не позволяет учесть этот фактор и соответственно осуществить оптимальный прием сигналов.

Во-вторых, известный способ не позволяет передать потребителю информацию о надежности проведенной идентификации сигнала по его принадлежности к конкретной сигнальной области, поскольку, в частности, не предполагает выделения зон неопределенностей. Между тем определение и передача потребителю информации о надежности (достоверности) принадлежности сигнала к конкретной области является обязательной операцией для большинства современных сверточных декодеров Витерби, широко использующихся в системах передачи информации [3].

Из известных технических решений наиболее близким к патентуемому способу (прототипом) является способ восстановления переданных информационных сигналов после прохождения их через канал связи, заключающийся в том, что выделяют векторное поле, в пределах которого возможен уверенный прием сигналов, разделяют выделенное поле в соответствии с принятой схемой расположения векторов передаваемых сигналов по амплитуде и фазе на сигнальные области, присваивают каждой точке сигнальной области тот же сигнальный символ, который имеет по схеме вектор передаваемого сигнала, вокруг которого образована область, выделяют по границам сигнальных областей зоны неопределенности, присваивают каждой точке этих зон первый дополнительный сигнальный символ, осуществляют прием информационных сигналов, прошедших через канал связи, разделяют принятые в аналоговой форме сигналы на ортогональные составляющие корреляционным методом, определяют их величины в аналоговой форме, преобразуют величины ортогональных составляющих из аналоговой в цифровую форму, проводя оцифровку аналоговых величин ортогональных составляющих, определяют принадлежность принятого сигнала в виде его оцифрованных ортогональных составляющих к конкретной сигнальной области и зоне неопределенности, определяют для принятого сигнала корректирующее значение по амплитуде и фазе, преобразуют идентифицированный сигнал в форму, удобную для использования потребителем (см. патент РФ 2066926, МКИ 6 H 04 L 27/22, опубл. в БИ 26, 20.06.96 г.) [8].

Недостатки известного способа состоят в следующем.

1. Известный способ не предполагает передачи потребителю информации о достоверности проведенной идентификации сигнала, т.е. о надежности вычисленной принадлежности сигнала к конкретной сигнальной области. Между тем без такой информации невозможно функционирование "мягких" сверточных декодеров Витерби [3], являющихся одним из основных типов декодеров в современных системах связи [4].

2. Известный способ не позволяет вычислять и передавать потребителю информацию о качестве канала связи, которое в общем случае определяется не только отношением сигнал - аддитивный белый Гауссовский шум, но и мультипликативными шумами типа фазового шума преобразователей частоты, а также импульсными помехами. Информация о качестве канала связи, определяемая как отношение сигнал/шум приборами типа анализатора спектра, является неполной, поскольку не учитывает состояние используемых при приеме и демодуляции следящих систем, в первую очередь фазового шума системы восстановления несущей частоты и джиттера системы тактовой синхронизации.

Следовательно, даже использование внешней по отношению к известному способу операции вычисления отношения сигнал/шум не дает потребителю полной и достоверной информации о качестве канала связи, поскольку операции известного способа (разделение принятых в аналоговой форме сигналов на ортогональные составляющие корреляционным методом, преобразование величины ортогональных составляющих из аналоговой в цифровую форму, определение для принятого сигнала корректирующих значений по амплитуде и фазе) в числе других операций собственно и образуют дискретный канал передачи информации [5].

3. Известный способ не позволяет оптимизировать в процессе приема величину зон неопределенности в зависимости от качества канала связи. Между тем для оптимального выполнения процедур восстановления переданных информационных сигналов через канал связи, зоны неопределенности должны уменьшаться (увеличиваться) при улучшении (ухудшении) качества канала связи.

4. Используемые в известном способе операции оцифровки ортогональных составляющих несколько раз на протяжении длительности единичной по времени сигнальной посылки и последующие операции над данными, получаемыми в каждом такте оцифровки, вообще имеют смысл (корректны) лишь для неограниченных по полосе (нефильтрованных) сигналов.

Реальные же системы связи, в которых жестко нормируется уровень межканальных помех, используют не только эффективную полосовую фильтрацию, но и специальные меры по формированию максимально компактного спектра типа использования предыскажающих фильтров. Кроме того, уже сам известный способ предполагает ограничение сигнала по полосе частот (интегрирование, интегрирование со сбросом, фильтрацию в ФНЧ), входящее в операцию разделения аналоговых сигналов на ортогональные составляющие корреляционным методом.

В этих условиях (ограничение сигнала по полосе) оцифровка его квадратурных составляющих с тактом оцифровки, превышающим нормированный предел (устанавливаемый теоремой Котельникова об отсчетах), не приводит к получению какой-либо дополнительной информации о сигнале или шуме.

В реальных системах связи воздействие таких факторов, как многолучевое распространение сигнала, его ограничение по полосе фильтрами с высокой прямоугольностью и межсимвольная интерференция (МСИ) вообще приводят к тому, что траектория движения сигнальной точки (до момента принятия решения) по векторному полю становится практически неинформативной и как минимум не позволяющей повысить достоверность приема.

Технический результат патентуемого способа состоит в следующем:
а) передача потребителю информации о достоверности (надежности) принадлежности сигнала к конкретной сигнальной области (в том числе для использования данной информации в "мягком" декодере Витерби);
б) передача потребителю информации о качестве сквозного дискретного канала связи (включающего в себя не только качество физического канала распределения радиоволн, но и качество преобразования спектра сигнала и следящих систем, используемых при приеме и демодуляции);
в) оптимизация в процессе приема размеров и конфигураций зон неопределенностей в зависимости от качества канала связи;
г) вынесение оптимальных (по критерию Котельникова-Зигерта) решений о принадлежности принятого сигнала к конкретной сигнальной области инвариантно по отношению к степени фильтрации спектра передаваемого и принимаемого сигналов.

Указанный технический результат достигается выполнением следующих операций над сигналом:
- выделяют векторное поле, в пределах которого возможен уверенный прием сигналов;
- разделяют выделенное поле в соответствии с принятой схемой расположения векторов передаваемых сигналов по амплитуде и фазе на сигнальные области;
- присваивают каждой точке сигнальной области тот же сигнальный символ, который имеет по схеме вектор передаваемого сигнала, вокруг которого образована область;
- выделяют по границам сигнальных областей зоны неопределенности;
- присваивают каждой точке этих зон первый дополнительный сигнальный символ;
- выделяют в сигнальных областях характерные зоны;
- присваивают каждой точке этих зон второй дополнительный сигнальный символ;
- осуществляют прием информационных сигналов, прошедших через канал связи;
- разделяют принятые в аналоговой форме сигналы на ортогональные составляющие корреляционным методом;
- определяют их величины в аналоговой форме;
- преобразуют величины ортогональных составляющих из аналоговой в цифровую форму, проводя оцифровку аналоговых величин ортогональных составляющих;
- определяют принадлежность принятого сигнала в виде его оцифрованных ортогональных составляющих к конкретной сигнальной области, зоне неопределенности и характерной зоне;
- определяют для принятого сигнала корректирующее значение по амплитуде и фазе;
- преобразуют идентифицированный сигнал в форму, удобную для использования потребителем;
- первый дополнительный сигнальный символ передают потребителю как информацию о достоверности принадлежности сигнала к конкретной области;
- второй дополнительный сигнальный символ передают потребителю как информацию о качестве канала связи, определяют среднее значение второго дополнительного сигнального символа по всем принимаемым информационным сигналам, проводят корректирование выделенных зон неопределенности в зависимости от величины среднего значения второго дополнительного сигнального символа.

Поставленная задача достигается тем, что в способе восстановления переданных информационных сигналов после прохождения их через канал связи выделяют векторное поле, в пределах которого возможен уверенный прием сигналов, разделяют выделенное поле в соответствии с принятой схемой расположения векторов передаваемых сигналов по амплитуде и фазе на сигнальные области, присваивают каждой точке сигнальной области тот же сигнальный символ, который имеет по схеме вектор передаваемого сигнала, вокруг которого образована область, выделяют по границам сигнальных областей зоны неопределенности, присваивают каждой точке этих зон первый дополнительный сигнальный символ, осуществляют прием информационных сигналов, прошедших через канал связи, разделяют принятые в аналоговой форме сигналы на ортогональные составляющие корреляционным методом, определяют их величины в аналоговой форме, преобразуют величины ортогональных составляющих из аналоговой в цифровую форму, проводя оцифровку аналоговых величин ортогональных составляющих, определяют принадлежность принятого сигнала в виде его оцифрованных ортогональных составляющих к конкретной сигнальной области и зоне неопределенности, определяют для принятого сигнала корректирующее значение по амплитуде и фазе и преобразуют идентифицированный сигнал в форму, удобную для использования потребителем.

Согласно изобретению, при реализации способа дополнительно выделяют в сигнальных областях характерные зоны, присваивают каждой точке этих зон второй дополнительный сигнальный символ, определяют принадлежность принятого сигнала в виде его оцифрованных ортогональных составляющих к конкретной характерной зоне, первый дополнительный сигнальный символ передают потребителю как информацию о достоверности принадлежности сигнала к конкретной области, второй дополнительный сигнальный символ передают потребителю как информацию о качестве канала связи, определяют среднее значение второго дополнительного сигнального символа по всем принимаемым информационным сигналам, проводят корректирование выделенных зон неопределенности в зависимости от величины среднего значения второго дополнительного символа.

На фиг. 1 изображено выделенное векторное поле с расположенными на нем сигнальными векторами, разделенное на сигнальные области; на фиг.2 изображено векторное поле, разделенное на сигнальные области с выделенными зонами неопределенности; фиг.3 показывает принцип выделения характерных зон; фиг 4. показывает соотношение между зонами неопределенности и характерными зонами.

Способ восстановления переданных информационных сигналов после их прохождения через канал связи состоит из следующих действий. Предварительно в зависимости от вида и состояния канала электросвязи и применяемого оборудования определяют размеры векторного поля, в пределах которого возможен уверенный прием сигналов. Схема передачи и приема данных предусматривает определенную организацию расположения сигнальных векторов и т. д., соответствующих применяемому в системе связи М-позиционному ансамблю сигналов, где m= log₂M - число битов информации, передаваемых одним сигнальным вектором. Разделяют выделенное поле на сигнальные области (см. фиг.1) в соответствии с принятой схемой расположения векторов передаваемых сигналов на векторном поле, при этом присваивают каждой точке сигнальной области то же значение, которое имеет по схеме вектор передаваемого сигнала, вокруг которого образована эта область. На фиг.1. приведен пример наиболее распространенного в системах связи 4-позиционного ансамбля фазоманипулированных сигналов ФМ-4 и показано присвоение сигнальным областям значений S_A, S_B, S_C, S_D. При этом М=4; m=2. По границам сигнальных областей выделяют зоны неопределенности (размеры которых зависят от первоначально заданного соотношения сигнал/шум, вида и уровня помех) и присваивают каждой точке зоны неопределенности первый дополнительный символ S¹, отличающий эти точки от других точек данного сигнального поля (см. фиг.2, где каждой точке зоны неопределенности, соответствующей сигнальной области, присваивают сигнальные символы S¹ _A S¹ _B, S¹ _C, S¹ _D. В пределах сигнальных областей выделяют характерные зоны независимо от выделенных зон неопределенности (см. фиг.3, где каждой точке характерной зоны присвоен второй дополнительный сигнальный символ S² _A, S² _B S² _C, S² _D). Соотношение между зонами в пределах одной сигнальной области (на примере области вектора иллюстрирует фиг.4. Поскольку в общем случае оптимальный М-позиционный ансамбль сигналов строится путем решения задачи наиболее плотной укладки М сфер одинакового радиуса в М-мерном пространстве или задачи наиболее плотной укладки М окружностей на плоскости [6,7], то мажорирующим фактором помехоустойчивости такого ансамбля является минимальное расстояние между центрами окружностей этого М-позиционного ансамбля d_min. Следовательно, характерные зоны для i-й сигнальной области, которые должны нести информацию о качестве канала связи, целесообразно строить в виде множества точек S² _i так, что:
S2i

∪S3i = S_i;
S2i⊂S_i; S3i⊂S_i
S3i∩S3i = ⊘;
i - номер сигнальной области; i={А, D, С...};
S_i - полное множество точек i-й сигнальной области
S³ _i - окружность с радиусом
Попадание сигнальной точки в характерную зону несет важную информацию о качестве канала связи: чем чаще сигнальные точки попадают в множество точек S² _i, тем хуже качество канала связи.

При этом случаи попадания в зоны точек S² _i принципиально отличаются от случая попадания в зоны точек 8¹ _i (см. фиг.3). Так, попадание сигнальной точки в подзону F в данном случае не приводит к ошибке в определении области А, более того, данное определение происходит с высокой достоверностью (точки F гарантированно не попадают в зону неопределенности).

Однако в силу равномерного действия шума по всем направлениям сигнального поля такая величина вектора шума косвенно свидетельствует о высокой вероятности ошибок в других случаях. В самом деле, если бы вектор оказался направленным в сторону области D (вектор на фиг.3), произошла бы ошибка в символе, причем в этом случае не было бы даже установлено ненадежное определение области S_d, поскольку точка не попала бы в зону неопределенности.

Вообще можно считать, что символ S¹ _i несет информацию о достоверности данного символа, а усредненное значение S² _i - о качестве канала связи на длительности всего сеанса (как в силу усреднения, так и ввиду существенного превышения площади зоны S² _i над площадью зоны S¹ _i).

На фиг.4 горизонтальной штриховкой выделены точки S² _A, принадлежащие характерной зоне; вертикальной штриховкой - точки S¹ _A, принадлежащие зоне неопределенности; оба типа штриховки свидетельствуют о принадлежности точки к двум зонам одновременно.

Исходя из способа определения зон неопределенности и характерных зон, возможны четыре случая принадлежности сигнальных точек (см. таблицу).

Для определенности примем, что присвоение точке первого или второго дополнительного сигнального символа означает, что значение соответствующего атрибута точки (дополнительного сигнального символа) равно 1, в противном случае - 0. Реализацию этих действий осуществляют, например, при помощи запоминающего устройства с необходимым объемом памяти, ячейки памяти которого содержат необходимое число разрядов, обеспечивающих возможность выполнения этих действий.

Осуществляют прием информационных сигналов, прошедших через канал связи в соответствии с принятой схемой.

При приеме информационных сигналов проводят синхронизацию работы передающих и принимающих систем. Синхронизация проводится по служебным сигналам, которые передаются в начале и (или) на протяжении передачи в соответствии с принятой схемой. Принятый информационный сигнал S_пp - это переданный информационный сигнал S_п, искаженный при прохождении через канал связи. В свою очередь переданный информационный сигнал S_п - это сигнал с длительностью посылки Т и промодулированный по амплитуде и фазе в соответствии с выбранной схемой. Принятый в аналоговой форме сигнал разделяют на ортогональные составляющие корреляционным методом и определяют величины аналоговых проекций Х_пр, Y_пр. Далее преобразуют принятые сигналы из аналоговой в цифровую форму Х_ц, Y_ц, проводя оцифровку аналоговых величин Х_пр, Y_пp ортогональных составляющих сигнала.

По полученным значениям ортогональных составляющих в цифровой форме Х_ц, Y_ц определяют принадлежность сигнала к конкретным:
- сигнальной области;
- зоне неопределенности;
- характерной зоне.

После преобразования сигнала в удобную форму (перекодирование манипуляционным кодом, сопряжение электрических интерфейсов) потребитель получает не только информацию о переданном сигнале S_п, но и данные о надежности выполненной демодуляции (первый дополнительный сигнальный символ S¹ _i) и о качестве канала связи (второй дополнительный сигнальный символ S² _i). При этом значение S¹ _i=1 означает низкую доверительную вероятность выполненной идентификации символа, а значение S¹ _i=0 - высокую.

Текущее значение S² _i=1 означает низкое текущее качество канала связи, а значение. S² _i=0 - высокое. Усредняя значение S² _i; по всем информационным сигналам в течение сеанса связи, получаем среднее значение S² _cp, в зависимости от величины которого изменяют размеры зон неопределенности.

Одновременно с этим в общем случае проводится корректирование принятого сигнала по амплитуде и фазе. Контрольное корректирование проводят по служебным сигналам, у которых заранее оговорены, в соответствии с применяемой схемой величины амплитуды, фазы и длительности символа.

Источники информации
1. Патент РФ 2113061, МКИ 6 H 04 L 27/22, опубл. в БИ 16,10.06.98 г.

2. Патент РФ 2054810, МКИ 6 H 04 L 27/22, H 03 D 5/00, 1/00, опубл. в БИ 5 20.02.96 г.

3. Кларк Дж., мл., Кейн Дж. Кодирование с исправлением ошибок в системах цифровой связи. - М.: Радио и связь, 1987.- C. 231-233.

4. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. - М.: Радио и связь, 2000. - C. 287.

5. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений: Справочник /Под ред. Л.М. Финка. - М.: Радио и связь, 1981. - C. 4.

6. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации / Под ред. А.Г. Зюко. - М.: Радио и связь, 1985.- 272 с.

7. Радиотехнические системы передачи информации / Под ред. В.В. Калмыкова. - М.: Радио и связь, 1990. - C. 97-99.

8. Патент РФ 2066926, МКИ 6 H 04 L 27/22, опубл. в БИ 26, 20.06.96 г. - прототип.

Изобретение относится к области обмена дискретной информацией с применением систем связи с различными видами модуляции. Технический результат - передача потребителю информации о достоверности принадлежности сигнала к конкретной сигнальной области, о качестве сквозного дискретного канала связи, оптимизации в процессе приема размеров и конфигураций зон неопределенности в зависимости от качества канала связи. В способе восстановления переданных информационных сигналов после прохождения через канал связи на векторном поле выделяют сигнальные области, зоны неопределенности и характерные зоны, разделяют принятые в аналоговой форме сигналы на ортогональные составляющие корреляционным методом, определяют принадлежность принятого сигнала в виде его оцифрованных ортогональных составляющих к конкретной сигнальной области, зоне неопределенности и характерной зоне. 4 ил., 1 табл.

Способ восстановления переданных информационных сигналов после прохождения их через канал связи, заключающийся в том, что выделяют векторное поле, в пределах которого возможен уверенный прием сигналов, разделяют выделенное поле в соответствии с принятой схемой расположения векторов передаваемых сигналов по амплитуде и фазе на сигнальные области, присваивают каждой точке сигнальной области тот же сигнальный символ, который имеет по схеме вектор передаваемого сигнала, вокруг которого образована область, выделяют по границам сигнальных областей зоны неопределенности, присваивают каждой точке этих зон первый дополнительный сигнальный символ, осуществляют прием информационных сигналов, прошедших через канал связи, разделяют принятые в аналоговой форме сигналы на ортогональные составляющие корреляционным методом, определяют их величины в аналоговой форме, преобразуют величины ортогональных составляющих из аналоговой в цифровую форму, проводя оцифровку аналоговых величин ортогональных составляющих, определяют принадлежность принятого сигнала в виде его оцифрованных ортогональных составляющих к конкретной сигнальной области и зоне неопределенности, определяют для принятого сигнала корректирующее значение по амплитуде и фазе, преобразуют сигнал в форму, удобную для использования потребителем, отличающийся тем, что выделяют в сигнальных областях характерные зоны, присваивают каждой точке этих зон второй дополнительный сигнальный символ, определяют принадлежность принятого сигнала в виде его оцифрованных ортогональных составляющих к конкретной характерной зоне, первый дополнительный сигнальный символ передают потребителю как информацию о достоверности принадлежности сигнала к конкретной сигнальной области, второй дополнительный сигнальный символ передают потребителю как информацию о качестве канала связи, определяют среднее значение второго дополнительного сигнального символа по всем принимаемым информационным сигналам, проводят корректирование выделенных зон неопределенности в зависимости от величины среднего значения второго дополнительного символа.