ПРИЕМНИК КВАДРАТУРНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ СО СМЕЩЕНИЕМ (OQPSK) МНОГОКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК H04L27/22 

Изобретение относится к области передачи информации посредством электромагнитных волн и может быть использовано в системах сотовой и спутниковой радиосвязи, телеметрии, в системах управления по радио и волоконно-оптических системах передачи информации.

Известны системы сотовой связи с кодово-временным разделением каналов, использующие для синхронизации канала так называемые преамбулы (часть временного интервала в канале, используемого для передачи синхросигналов) [1]. Однако этим системам присущи следующие недостатки.

1. Низкая энергетическая эффективность, так как для обеспечения надежной синхронизации необходимо выделять для передачи синхросигналов до 40% энергетики канала.

2. Низкая временная эффективность использования канала, так как до 40% интервала времени, отводимого для передачи каждой посылки информации, используется для передачи синхросигналов.

3. При использовании систем такого типа не всегда удается обеспечивать требования по экологической безопасности, так как значительные энергетические затраты, которые необходимы для обеспечения надежной синхронизации системы, приводят к высокой спектральной плотности мощности в зоне обслуживания системы связи и, как следствие, к нарушению требований по экологической безопасности.

Известны также системы сотовой связи с кодовым разделением каналов, которые для синхронизации приемников используют пилот-сигнал [2] и [3].

Отличительной особенностью их является то, что пилот-сигнал, который используется для синхронизации приемников системы, передается одновременно с информацией. Однако и в этих системах использование пилот-сигнала также требует дополнительных энергетических затрат, которые при необходимости обеспечения надежной синхронизации системы могут составлять до 30% энергетики, выделяемой для передачи информации, что приводит к высокой спектральной плотности мощности в зоне обслуживания системы связи и, как следствие, к нарушению требований по экологической безопасности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является приемник псевдослучайных сигналов [3] (прототип), включающий последовательно соединенные первый преобразователь частоты (ПЧ), первый вход которого является входом приемника, первый фильтр промежуточный частоты (ФПЧ), второй ФПЧ, первый перемножитель (П), фазовый детектор (ФД), фильтр фазовой ошибки (ФФО), первый управляющий элемент (УЭ), управляемый генератор (УГ), выход которого соединен со вторым входом первого ПЧ, последовательно соединенные второй П, первый вход которого соединен с выходом первого ФПЧ, третий ФПЧ, первый сумматор (С), второй ПЧ, второй С, фильтр ошибки по задержке (ФОЗ), второй УЭ, управляемый тактовый генератор (УТГ), генератор опорных сигналов (ГОС), первый выход которого соединен со вторым входом первого П, последовательно соединенные третий П, первый вход которого соединен с выходом первого ФПЧ, четвертый ФПЧ, выход которого соединен со вторым входом первого С, а также опорный генератор (ОГ), первый выход которого соединен со вторым входом ФД, а второй его выход через фазовращатель (ФВ) соединен со вторым входом второго ПЧ, выход ФФО через усилитель (УС) соединен со вторым входом второго С, второй выход ГОС соединен со вторым входом второго П, а его третий выход соединен со вторым входом третьего П.

Целью настоящего изобретения является создание приемника квадратурно-модулированных сигналов со смещением (OQPSK), который обеспечивал бы высокую энергетическую эффективность системы связи с кодовым разделением каналов за счет использования всей излучаемой мощности только для передачи информации, а также обеспечивал бы требования по экологической безопасности работы системы связи за счет снижения спектральной плотности мощности излучаемых сигналов при одновременном обеспечении высокой надежности синхронизации системы.

Указанная цель достигается тем, что в известном приемнике псевдослучайных сигналов, включающем последовательно соединенные первый ПЧ, первый вход которого является входом приемника, первый ФПЧ, второй ФПЧ, первый П, ФД, ФФО, первый УЭ, УГ, выход которого соединен со вторым входом первого ПЧ, последовательно соединенные второй П, первый вход которого соединен с выходом первого ФПЧ, третий ФПЧ, первый С, второй ПЧ, второй С, ФОЗ, второй УЭ, УТГ, ГОС, первый выход которого соединен со вторым входом первого П, последовательно соединенные третий П, первый вход которого соединен с выходом первого ФПЧ, четвертый ФПЧ, выход которого соединен со вторым входом первого С, а также ОГ, первый выход которого соединен со вторым входом ФД, а второй его выход через ФВ соединен со вторым входом второго ПЧ, выход ФФО через УС соединен со вторым входом второго С, второй выход ГОС соединен со вторым входом второго П, а его третий выход соединен со вторым входом третьего П, из схемы исключены первый, второй, третий и четвертый ФПЧ, первый, второй и третий перемножители, фазовый детектор, опорный генератор, первый и второй сумматоры, усилитель и дополнительно введены новые элементы и связи между элементами, а именно: последовательно соединенные первый широкополосный фильтр нижних частот (ШФНЧ), вход которого соединен с выходом второго преобразователя частоты, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый квадратурный коррелятор (КК), фильтр нижних частот (ФНЧ) и декодер (Д), выход которого является выходом приемника, второй выход первого КК соединен со входом ФФО, выход УГ соединен со входом ФВ, первый вход второго ПЧ соединен со входом приемника, выход первого ПЧ через последовательно соединенные второй ШФНЧ и второй АЦП соединен со вторым входом первого КК, первым и вторым входами второго КК, второй выход второго КК через первый цифровой сумматор (ЦС) соединен со входом ФОЗ, выход первого АЦП соединен с первым и вторым входами третьего КК, второй выход третьего КК соединен со вторым входом первого ЦС, первый выход ГОС соединен с четвертым входом второго КК, второй выход ГОС соединен с третьим входом первого КК и четвертым входом третьего КК, третий выход ГОС соединен с четвертым входом первого КК и третьим входом второго КК, а его четвертый выход соединен с третьим входом третьего КК, причем КК включает последовательно соединенные первый перемножитель (П), первый вход которого является первым входом КК, а второй вход - четвертым входом КК, третий широкополосный фильтр нижних частот (ФНЧ), второй ЦС, выход которого является первым выходом КК, а также последовательно соединенные второй П, первый вход которого является вторым входом КК, а его второй вход - третьим входом КК, четвертый ШФНЧ, третий ЦС, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго ЦС, и фильтр нижних частот (ФНЧ), выход которого является вторым выходом КК, выход четвертого ШФНЧ соединен со вторым входом второго ЦС, а выход третьего ШФНЧ соединен со вторым входом третьего ЦС.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются введенные в схему приемника дополнительные элементы, а именно: первый и второй ШФНЧ, первый и второй АЦП, первый, второй и третий КК, ФНЧ, Д, ЦС и соответствующие связи между ними, благодаря чему удается обеспечить повышение энергетической эффективности за счет использования всей излучаемой мощности для передачи информации, а также выполнение требований по экологической безопасности при работе системы связи за счет снижения спектральной плотности мощности излучаемых сигналов при одновременном обеспечении высокой надежности синхронизации системы, что соответствует критерию "новизна".

Поскольку совокупность введенных элементов и их связи до даты подачи заявки в патентной и научной литературе не обнаружены, то предлагаемое техническое решение соответствует изобретательскому уровню.

Структурная схема устройства представлена на фиг. 1 и 2. Цифрами на фиг. 1 обозначены:

1 - фазовращатель на π/2 (ФВ);

2 - управляемый генератор (УГ);

3, 17 - управляющий элемент (УЭ);

4 - фильтр фазовой ошибки (ФФО);

5, 11 - преобразователь частоты (ПЧ);

6, 12 - широкополосный фильтр нижних частот (ШФНЧ);

7,13 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

8, 14, 20 - квадратурный коррелятор (КК);

9 - фильтр нижних частот (ФНЧ);

10 - декодер (Д);

15 - цифровой сумматор (ЦС);

16 - фильтр ошибки по задержке (ФОЗ);

18 - управляемый тактовый генератор (УТГ);

19 - генератор опорных сигналов (ГОС).

На фигуре 2 цифрами обозначены:

1, 4, 7 - перемножитель (П);

2, 5 - широкополосный фильтр нижних частот (ШФНЧ);

3, 6 - цифровой сумматор (ЦС);

8 - фильтр нижних частот (ФНЧ).

Работа приемника. Порядок работы приемника рассмотрим по структурной схеме, которая изображена на фиг. 1, и при условии, что приемник находится в состоянии захвата принимаемого сигнала. Захват осуществлен устройством первоначальной синхронизации, которое в заявляемом устройстве не рассматривается.

Пусть на вход приемника в момент времени t_k поступает сигнал вида

где S_I(t_k) - синфазная составляющая сигнала;

S_Q(t_k) - квадратурная составляющая сигнала.

В свою очередь,

где А_m - амплитуда сигнала;

r_i - i-ый информационный символ, принимающий значение 1 или -1;

d'_j, d_j - j-ые элементы кодовой последовательности, принимающие значения 1 или -1;

ω_c - круговая частота принимаемого сигнала;

ϕ - начальная фаза несущей;

n_I(t_k), n_Q(t_k) - синфазная и квадратурные составляющие нормального белого шума по спектральной плотности мощности N₀/2;

Т - длительность элемента кодовых последовательностей.

Одновременно на второй вход первого ПЧ (11) непосредственно и на второй вход второго ПЧ (5) через ФВ (1) с выхода УГ (2) подаются сигналы вида

S_0I(t_k)=cos(ω₀t_k),

S_0Q(t)=sin(ω₀t_k),

где ω₀ - круговая частота управляемого генератора.

Тогда сигнал на первом входе первого КК (8) и на первом и втором входах третьего КК (20) после фильтрации в первом ШФНЧ (6) и преобразований в первом АЦП (7) имеет вид

а сигнал на втором входе первого КК (8) и на первом и втором входах второго КК (14) после фильтрации во втором ШФНЧ (12) и преобразований во втором АЦП (13) имеет вид

где x_k=(ω_c-ω₀)t_k+ϕ=Δωt_k+ϕ;

Δω - разность частот принимаемого и опорного сигналов.

На третий вход первого КК (8) со второго выхода ГОС (19) поступает опорная кодовая последовательность псевдослучайных символов d_j, идентичная и совпадающая во времени (в пределах длительности элемента кодовой последовательности Т) с кодовой последовательностью d_j, содержащейся в принимаемом сигнале S_I(t_k).

На четвертый вход первого КК (8) с третьего выхода ГОС (19) поступает опорная кодовая последовательность псевдослучайных символов d'_j, идентичная и совпадающая во времени (в пределах длительности элемента кодовой последовательности Т) с кодовой последовательностью d'_j, содержащейся в принимаемом сигнале S_Q(t_k), но сдвинутая во времени на 0,5 такта относительно последовательности, подаваемой на третий вход.

После обработки принятых и опорных сигналов в (8) на его первом выходе появляется сигнал, соответствующий переданной двоичной информационной последовательности r_i, который через ФНЧ (9) поступает на декодер (10), в котором происходит коррекция и исправление ошибок, и далее информационные символы поступают на выход приемника, а на втором выходе первого КК (8) появляется сигнал, пропорциональный разности фаз несущей частоты принятого сигнала ω_c и частоты ω₀ УГ (2). Этот сигнал через ФФО (4) поступает на первый УЭ (3), который, воздействуя на УГ (2), подстраивает его опорную частоту ω₀ под несущую частоту принимаемого сигнала ω_c.

На третий вход третьего КК (20) с четвертого выхода ГОС (19) поступает опорная кодовая последовательность псевдослучайных символов, идентичная и отстающая на 0,5 такта (0,57) относительно кодовой последовательности d'_j, содержащейся в принимаемом сигнале S_Q(t_k).

На четвертый вход третьего КК (20) со второго выхода ГОС (19) поступает опорная кодовая последовательность псевдослучайных символов, идентичная и опережающая во времени кодовую последовательность d'_j, содержащуюся в принимаемом сигнале S_Q(t_k).

После обработки принятого и опорных сигналов в (20) на его втором выходе появляется сигнал, пропорциональный величине временного смещения принимаемого сигнала относительно опорных, который подается на второй вход первого ЦС (15).

На третий вход второго КК (14) с третьего выхода ГОС (19) поступает опорная кодовая последовательность псевдослучайных символов, идентичная и отстающая на 0,5 такта (0,5Т) относительно кодовой последовательности d_j, содержащейся в принимаемом сигнале S_I(t_k).

На четвертый вход (14) с первого выхода (19) поступает опорная кодовая последовательность псевдослучайных символов, идентичная и опережающая на 0,5 такта во времени кодовую последовательность d_j, содержащуюся в принимаемом сигнале S_I(t_k).

После обработки принятого и опорных сигналов на втором выходе (14) появляется сигнал, пропорциональный величине временного смещения принимаемого сигнала относительно опорных, который подается на первый вход первого ЦС (15).

В (15) формируется результирующий сигнал ошибки, пропорциональный рассогласованию по фактической задержке принятого сигнала S(t_k) относительно опорных, формируемых ГОС (19).

Результирующий сигнал ошибки по задержке с выхода (15) через ФОЗ (16) подается на УЭ (17), который, воздействуя на УТГ (18), подстраивает его тактовую частоту под тактовую частоту кодовой последовательности, содержащейся в принимаемом сигнале. В свою очередь, УТГ (18) управляет работой ГОС (19), обеспечивая появление на его выходах сигналов с требуемой задержкой относительно принятого.

Работу КК (8, 14 и 20) рассмотрим по схеме, представленной на фиг.2, в двух режимах: в режиме приема информации и в режиме слежения за задержкой.

Работа КК в режиме приема информации. При работе КК в режиме приема информации на первый вход П (1) подается сигнал вида (5), а на его второй вход - опорная кодовая последовательность, которая идентична кодовой последовательности, содержащейся в сигнале (5), и совпадает с ней по задержке с точностью, определяемой работой схемы слежения за задержкой, но не превышающей величины длительности элемента кодовой последовательности.

На первый вход второго перемножителя КК (4) подается сигнал вида (4), а на его второй вход - опорная кодовая последовательность, которая идентична кодовой последовательности, содержащейся в сигнале (4), и совпадает с ней по задержке с точностью, определяемой работой схемы слежения за задержкой, но не превышающей величины длительности элемента кодовой последовательности.

В (1) и (4) осуществляется свертка входных и опорных сигналов. Результат свертки с выхода (1) через ШФНЧ (2) подается на первый вход ЦС (3) и на второй вход ЦС (6), результат свертки с выхода П (4) через ШФНЧ (5) подается на второй вход ЦС (3) и на первый вход ЦС (6).

На выходе ШФНЧ (2) сигнал можно представить в виде

а на выходе ШФНЧ (5) - в виде

Тогда на выходе ЦС (3), который выполняет функцию сложения, появится сигнал вида

Первое слагаемое в данном выражении при достаточно точной синхронизации [cos(x_k)≈1] является информационным символом, а последующие слагаемые - шумовые. Этот сигнал с выхода ЦС (3) подается на первый выход КК и на второй вход П (7).

На выходе ЦС (6), который выполняет функцию вычитания, появится сигнал вида

который подается на первый вход П (7). Сигнал с выхода (7) через ФНЧ (8) подается на второй выход КК. Сигнал на втором выходе КК имеет вид

где

Выражение после последнего знака равенства в (10) определяет ошибку синхронизации по несущей. При малой расстройке по частоте величина ошибки пропорциональна величине (2х_k+ξ_k), которая является фазовой ошибкой. В этом режиме работает КК (8).

Работа схемы КК в режиме слежения за задержкой.

При работе КК в режиме слежения за задержкой на первый вход П (1) и на первый вход П (4) подается сигнал вида (4) или (5), а на второй вход (1) подается опорная кодовая последовательность, которая идентична кодовой последовательности, содержащейся в сигнале (4) или (5), и опережает ее на интервал времени, равный половине длительности элемента кодовой последовательности, содержащейся в сигнале (4) или (5), а на второй вход (4) подается опорная кодовая последовательность, идентичная опорной кодовой последовательности, поступающей на второй вход (1), но задержанная относительно нее на интервал времени, равный длительности элемента кодовой последовательности. В дальнейшем сигналы с выходов П (1) и (4) подвергаются той же обработке, что и в случае, изложенном выше. Однако с учетом подаваемых входных и опорных сигналов на втором выходе КК сигнал будет иметь вид

или

где S_1I(T/2) - сигнал на выходе ШФНЧ (2) при подаче на его первый вход сигнала типа (5);

S_2I(T/2) - сигнал на выходе ШФНЧ (5) при подаче на его первый вход сигнала типа (5);

S_1Q(T/2) - сигнал на выходе ШФНЧ (2) при подаче на его первый вход сигнала типа (4);

S_2Q(Т/2) - сигнал на выходе ШФНЧ (5) при подаче на его первый вход сигнала типа (4).

Эти выражения характеризуют величину ошибки по задержке принимаемого сигнала (5) или (4) относительно опорных в синфазном или квадратурном каналах соответственно.

Следует заметить, что при работе КК в режиме слежения за задержкой:

- он выполняет функции дискриминатора задержки, который является инвариантным к передаваемой информации, т.е. некогерентным;

- первый выход КК не используется.

Проведем оценку эффективности работы заявляемого устройства по значению отношения с/ш на выходе информационного канала, а также в каналах слежения за фазой несущей частоты и задержкой принимаемого сигнала. Так как сигналы на выходах выше упомянутых каналов являются случайными и эргодическими, то отношение с/ш на выходе информационного канала может быть получено посредством усреднения по времени выражения (8).

Математическое ожидание уровня сигнала, его дисперсия и отношение с/ш на первом выходе КК (8) (информационный канал) имеют вид

M[S_I+S_Q]=A_mcos(x);

D[S_I+S_Q]=N₀/2;

с/ш=2P_c/N₀.

Из выражений следует, что в информационном канале достигается потенциальное значение отношения с/ш, соответствующее когерентному (оптимальному) приему сигнала.

Источники информации

1. Новые стандарты широкополосной радиосвязи на базе технологии W-CDMA: М.: Международный центр научно-технической информации, 1999 (Рис. 4.25, с.89; рис. 4.26, с.90).

2. Там же (Рис. 3.11, с.56).

3. Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов: - М.: Советское радио, 1977 (Рис. 4.20, с.213) (прототип).

4. Применение интегральных схем: Практическое руководство. В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ. / Под ред. А.Уильямса. - М.: Мир, 1987 (Рис. 8.33, с.51).

Изобретение относится к области передачи информации посредством электромагнитных волн и может использоваться в системах сотовой и спутниковой радиосвязи, телеметрии, в системах управления по радио и волоконно-оптических системах передачи информации. В приемнике осуществляется слежение за несущей частотой и задержкой по информационному сигналу, для этого используют кодовые последовательности, содержащиеся в синфазной и квадратурной составляющих принимаемого сигнала. Технический результат - энергетический выигрыш в отношении сигнал-шум, что позволяет при заданной мощности передатчика реализовать большую зону обслуживания при обеспечении надежной синхронизации системы связи. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Приемник квадратурно-модулированных сигналов со смещением (OQPSK) многоканальной системы связи с кодовым разделением каналов, в состав которого входят первый преобразователь частоты, первый вход которого является входом приемника, последовательно соединенные фильтр фазовой ошибки, первый управляющий элемент, управляемый генератор, выход которого соединен со вторым входом первого преобразователя, а также последовательно соединенные фазовращатель и второй преобразователь частоты, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные первый широкополосный фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом второго преобразователя частоты, первый аналого-цифровой преобразователь, первый квадратурный коррелятор, фильтр нижних частот и декодер, выход которого является выходом приемника, второй выход первого квадратурного коррелятора соединен со входом фильтра фазовой ошибки, а выход управляемого генератора соединен со входом фазовращателя, первый вход второго преобразователя частоты соединен со входом приемника, выход первого преобразователя частоты через последовательно соединенные второй широкополосный фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь соединен со вторым входом первого квадратурного коррелятора, а также с первым и вторым входами второго квадратурного коррелятора, второй выход которого через первый цифровой сумматор соединен со входом фильтра ошибки по задержке, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с первым и вторым входами третьего квадратурного коррелятора, второй выход третьего квадратурного коррелятора соединен со вторым входом первого цифрового сумматора, первый выход генератора опорных сигналов соединен с четвертым входом второго квадратурного генератора, второй выход генератора опорных сигналов соединен с третьим входом первого квадратурного коррелятора и четвертым входом третьего квадратурного коррелятора, третий выход генератора опорных сигналов соединен с четвертым входом первого квадратурного коррелятора и третьим входом второго квадратурного коррелятора, а четвертый выход генератора опорных сигналов соединен с третьим входом третьего квадратурного коррелятора, при этом первый квадратурный коррелятор формирует на первом выходе сигнал, соответствующий переданной двоичной информационной последовательности, а на втором выходе - сигнал, пропорциональный разности фаз несущей частоты принятого сигнала и частоты управляемого генератора, второй и третий квадратурные корреляторы формируют на вторых выходах сигналы, пропорциональные величине временного смещения синфазных и квадратурных составляющих сигнала относительно опорных соответственно, а генератор опорного сигнала формирует на первом выходе опорную кодовую последовательность, идентичную и опережающую на полтакта во времени кодовую последовательность d_j, содержащуюся в синфазной составляющей принимаемого сигнала, на втором выходе - опорную кодовую последовательность, идентичную и опережающую на полтакта во времени кодовую последовательность d'_j, содержащуюся в квадратурной составляющей принимаемого сигнала, на третьем выходе - опорную кодовую последовательность, идентичную и отстающую на полтакта относительно кодовой последовательности d_j, содержащейся в синфазной составляющей принимаемого сигнала, а на четвертом выходе - опорную кодовую последовательность, идентичную и отстающую на полтакта относительно кодовой последовательности d'_j, содержащейся в квадратурной составляющей принимаемого сигнала, где d_j и d'_j - j-е элементы кодовой последовательности, принимающей значения 1 или -1, и d'_j=d_j(t_k-T/2).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что квадратурный коррелятор включает последовательно соединенные первый перемножитель, первый вход которого является первым входом квадратурного коррелятора, а второй вход - четвертым входом квадратурного коррелятора, третий широкополосный фильтр нижних частот, второй цифровой сумматор, выход которого является первым выходом квадратурного коррелятора, а также последовательно соединенные второй перемножитель, первый вход которого является вторым входом квадратурного коррелятора, а его второй вход - третьим входом квадратурного коррелятора, четвертый широкополосный фильтр нижних частот, третий цифровой сумматор, выполняющий функции вычитателя, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго цифрового сумматора, и фильтр нижних частот, выход которого является вторым выходом квадратурного коррелятора, выход четвертого широкополосного фильтра нижних частот соединен со вторым входом второго цифрового сумматора, а выход третьего широкополосного фильтра нижних частот соединен со вторым входом третьего цифрового сумматора.