КОГЕРЕНТНЫЙ ПРИЕМНИК МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ СО СМЕЩЕНИЕМ (OQPSK) МНОГОКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С КОДОВЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК H04B1/10 H04J13/02 

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

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

1. Низкая энергетическая эффективность, так как для обеспечения надежной синхронизации необходимо выделить для передачи синхросигналов до 40% энергии 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 обеспечить 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 также 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], включающий последовательно соединенные первый преобразователь частоты (ПЧ), первый вход которого является входом приемника, первый фильтр промежуточной 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 ГГЧ, 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 когерентного 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 его второй выход через ФВ соединен со вторым входом второго ГП, 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, третий перемножитель, фазовый детектор, опорный генератор, первый и второй сумматоры, усилитель и разорвана связь между ГОС и вторым П и дополнительно введены новые элементы и связи между элементами, а именно: последовательно соединенные первый согласованный фильтр (СФ), вход которого соединен с выходом первого преобразователя частоты, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый квадратурный коррелятор (КК), демодулятор (ДМ) и декодер (Д), выход которого является выходом приемника, второй выход первого КК соединен с входом ФФО, выход УГ соединен с входом ФВ, второй вход второго ПЧ соединен с входом приемника, а его выход через последовательно соединенные второй СФ, второй АЦП и линию задержки (ЛЗ) соединен со вторым входом первого КК, выход ГОС соединен с третьим входом первого КК, выход первого АЦП соединен с первым входом второго КК, выход ЛЗ соединен со вторым входом второго КК, выход УТГ соединен со вторым входом первого П, выход которого соединен с третьим входом второго КК, выход второго КК соединен с входом второго П, выход которого, в свою очередь, подсоединен к входу ФОЗ, второй вход второго П соединен с первым выходом первого КК.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются введенные в схему приемника дополнительные элементы, а именно: первый и второй СФ, первый и второй АЦП, первый и второй КК, ЛЗ, ДМ, Д и соответствующие связи между ними, благодаря чему удается обеспечить повышение энергетической эффективности за счет использования всей излучаемой мощности только 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 фигурах 1 и 2. Цифрами на фигуре 1 обозначены:

1 - фазовращатель на π/2 (ФВ);

2 - управляемый генератор (УГ);

3, 18 - управляющий элемент (УЭ);

4 - фильтр фазовой ошибки (ФФО);

5, 11- преобразователь частоты (ПЧ);

6, 12- согласованный фильтр (СФ);

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

8, 15- квадратурный коррелятор (КК);

9 - демодулятор (ДМ);

10 - декодер (Д);

14 - линия задержки (ЛЗ);

16, 19 - перемножитель (П);

17 - фильтр ошибки по задержке (ФОЗ);

20 - генератор опорных сигналов (ГОС);

21 - управляемый тактовый генератор (УТГ);

На фигуре 2 цифрами обозначены:

1, 3, 6 - перемножитель (П);

2, 5- цифровой сумматор (ЦС);

4 - инвертор (И).

Работа приемника

Порядок работы приемника рассмотрим по структурной схеме, которая изображена на фигуре 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 A_m - амплитуда сигнала;

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

- j-й элемент кодовой последовательности, принимающий значение 1 или -1;

ω_с - круговая частота принимаемого сигнала;

ϕ - начальная фаза несущей;

n_I(t_k), n_Q(t_k) - синфазная и квадратурная составляющие нормального белого шума со спектральной плотностью мощности N₀/2;

Т - длительность элемента кодовой последовательности.

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

где ω₀ - круговая опорная частота управляемого генератора, причем ω₀≈ω_c.

Тогда сигналы на первых входах первого и второго КК (8) и (15) после преобразования в первом ПЧ (5), фильтрации в первом СФ (6) и преобразований в первом АЦП (7) имеют вид

а сигналы на их вторых входах после преобразования во втором ГТЧ (11), фильтрации во втором СФ (12), преобразований во втором АЦП (13) и задержки на полтакта (Т/2) в ЛЗ (14) имеют вид

где

Δω - разность частот принимаемого и опорного сигналов.

На третий вход КК (8) с выхода ГОС (20) 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(t_k), а на третий вход КК (15) с выхода П (19) поступает опорная кодовая последовательность d_j. Эта последовательность формируется в П (19) путем сложения сигналов, поступающих на его входы с выхода ГОС (20) и выхода УТГ (21) и совпадает по фазе с последовательностью, подаваемой на третий вход КК (8).

После обработки принятых и опорных сигналов в КК (8) на его первом выходе появляется сигнал, соответствующий переданной двоичной информационной последовательности r_i, который поступает на демодулятор (9), и после декодирования в декодере (10), в котором происходит коррекция и исправление ошибок, информационные символы поступают на выход приемника.

На втором выходе КК (8) появляется сигнал, пропорциональный разности фаз несущей частоты принятого сигнала ω_с и частоты ω₀ УГ (2). Этот сигнал через ФФО (4) поступает на УЭ (3), который, воздействуя на УГ (2), подстраивает его опорную частоту ω₀ под несущую частоту принимаемого сигнала ω_c.

На первом выходе КК (15) появляется сигнал, содержащий информацию о величине рассогласования принимаемого и опорного сигналов по временной задержке. Кроме того, этот сигнал промодулирован символами информационной последовательности. В перемножителе (16) осуществляется операция снятия информационной составляющей и на его выходе появляется сигнал, содержащий только ошибку по задержке принимаемого и опорного сигналов и шумовую составляющую. Сигнал ошибки по задержке после фильтрации в ФОЗ (17) воздействует на управляющий элемент (18), который изменяет тактовую частоту УТГ (21) таким образом, чтобы компенсировать рассогласование по задержке принимаемой кодовой последовательности и опорной, формируемой ГОС (20).

Работу КК (8) и (15) рассмотрим по схеме, представленной на фиг.2, в двух режимах: в режиме приема информации и слежения за фазой принимаемого сигнала и в режиме формирования сигнала ошибки слежения за задержкой.

Работа КК в режиме приема информации и слежения за фазой принимаемого сигнала (в этом режиме работает КК (8)). При работе КК в этом режиме на первый вход П (1) (он же первый вход КК) подается сигнал вида (4), а на его второй вход (он же третий вход КК) - опорная кодовая последовательность d_j, 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, равной половине длительности элемента кодовой последовательности.

На первый вход П (3) (он же второй вход КК) подается сигнал вида (5), а на его второй вход (он же третий вход КК) подается опорная кодовая последовательность d_j, 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, равной половине длительности элемента кодовой последовательности.

В перемножителях (1) и (3) осуществляется свертка входных и опорных сигналов. Результат свертки с выхода П (1) подается на первые входы ЦС (2) и ЦС (5), а результат свертки с выхода П (3) подается на второй вход ЦС (2) и через И (4) на второй вход ЦС (5). Поскольку ЦС (2) выполняет функцию сложения, то на его выходе появится сигнал вида

Первое слагаемое в данном выражении (при достаточно точной синхронизации [cos(x_k)≈1]) является информационным символом, а последующие слагаемые - шумовые. Сигнал с выхода ЦС (2) подается на первый выход КК и на второй вход П (6).

На выходе ЦС (5), который вместе с инвертором (4) реализует функцию вычитания, появится сигнал вида

значение которого в основном определяется синусной составляющей в выражениях (4) и (5), поскольку косинусная составляющая на выходе ЦС (5) компенсируются. Этот сигнал поступает на первый вход П (6).

П (6) выполняет функцию сумматора по модулю два. Это приводит к тому, что на его выходе отсутствует информационная составляющая r_i. Действительно, перемножая выражения (6) и (7) получим

При малых расстройках по фазе несущей частоты принятого ω_с и частоты опорного сигналов ω₀ значение sin(2x_k)≈2ϕ, т.е. сигнал на выходе П (6) (на втором выходе КК) пропорционален фазовой ошибке синхронизации, которая в дальнейшем отрабатывается системой синхронизации.

Работа КК в режиме слежения за задержкой (в этом режиме работает КК (15) и выполняет функцию дискриминатора задержки сигнала).

Отличительной особенностью работы КК в этом режиме является то, что на вторые входы П (1) и (3), которые одновременно являются входом 3 КК, подается с выхода П (19) опорная кодовая последовательность, идентичная кодовой последовательности, содержащейся в сигналах, подаваемых на первые входы П (1) и П (3) и промодулированная импульсами тактовой частоты УТГ (21). В дальнейшем сигналы с выходов П (1) и (3) подвергаются той же обработке, что и в случае, изложенном выше. На выходе ЦС (2) появляется сигнал, содержащий в своем составе сигнал ошибки по задержке и нежелательная для этого режима работы КК информационная составляющая, которая в дальнейшем компенсируется в П(16).

Если принимаемый сигнал имеет задержку относительно опорного, снимаемого с выхода П (19), на величину τ, то выражения (4) и (5) можно представить в следующем виде:

где d_j[t_k-τ] - символ j-гo элемента кодовой последовательности принимаемого сигнала, задержанный во времени на величину τ.

Символ j-го элемента опорной кодовой последовательности, подаваемой на третий вход КК (15), состоит из двух разнополярных стробов длительностью Т/2 каждый и в k-й момент времени может быть представлен в виде

где δ[·] - полустроб.

На фиг.3 показано взаимное расположение j-x элементов принимаемой d_{j инф} и опорной d_{j опорн} кодовых последовательностей в k-й момент времени.

Из фиг.3 следует, что площадь перекрытия S_пер строба δ_j' с элементом кодовой последовательности принимаемого сигнала d_j[t_k-τ] равна (Т/2-τ), а площадь перекрытия строба δ_j'' с элементом этой же кодовой последовательности принимаемого сигнала равна (-Т/2), т.е. имеет место полное перекрытие этого строба информационной посылкой.

Результирующее перекрытие элемента опорного сигнала элементом кодовой последовательности принимаемого сигнала S_перΣ равно сумме площадей перекрытия стробов δ'_j и δ''_j и составляет величину, равную (-τ).

Сигнал на выходе ЦС (2) пропорционален величине S_перΣ.

Из изложенного выше следует, что при работе КК в режиме слежения за задержкой он действительно выполняет функции дискриминатора задержки принимаемого сигнала, а его второй выход 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 (6).

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

где Р_c - мощность сигнала;

Р_ш - мощность шума.

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

Статистические характеристики сигнала на входе канала синхронизации за несущей (второй выход КК (8)), как следует из выражения (8), имеют следующие значения:

среднее значение ошибки - при x→0;

дисперсия ошибки - ;

отношение сигнал/шум - с/ш=2Р_с/Р_ш.

Из анализа выражений видно, что значение отношения с/ш в канале синхронизации за несущей соответствует когерентному каналу синхронизации.

Эффективность работы канала слежения за задержкой определяется значением сигнала ошибки по задержке на выходе П (16). Как следует из фиг.3, результирующее значение сигнала ошибки по задержке при τ=0 равно нулю.

Оценка отношения с/ш на входе канала слежения по задержке однозначно следует из полученной оценки с/ш в информационном канале при растройке по задержке на величину τ=Т/2. В этом случае энергия сигнала на входе канала уменьшится ровно на половину. Таким образом, отношение сигнала к шуму на входе канала слежения за задержкой может быть оценено следующим выражением

c/ш=Е/N₀,

где Е - энергия сигнала. Очевидно, Е=Р_сТ.

Из изложенного следует, что при фиксированной (заданной) излучаемой мощности передатчика, отвечающей требованиям экологической безопасности (уровню спектральной плотности мощности), предлагаемое устройство обладает потенциальной помехоустойчивостью без выделения дополнительной энергии для обеспечения синхронизации системы связи, позволяет реализовать большую зону обслуживания при обеспечении надежной синхронизации системы связи.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет явные преимущества по сравнению с прототипом.

Техническая реализация цифровых сумматоров (вариант) может быть выполнена на микросхеме 7483, схема которой представлена в [4].

Источники информации

1. Новые стандарты широкополосной радиосвязи на базе технологии W-CDMA: М.: Международный центр научно-технической информации, 1999. (Рис. 4.25, с.89, 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 и может быть использовано в системах сотовой и спутниковой связи. Достигаемый технический результат - обеспечение высокой энергетической эффективности системы связи. Приемник содержит два преобразователя частоты, два квадратурных коррелятора, фильтр фазовой ошибки, управляемый генератор, два управляющих элемента, фильтр ошибки по задержке, управляемый тактовый генератор, генератор опорных сигналов, два перемножителя, два аналого-цифровых преобразователя, линию задержки, демодулятор, декодер, два согласованных фильтра, фазовращатель, 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Когерентный приемник квадратурно-модулированных сигналов со смещением многоканальной системы связи с кодовым разделением каналов, в состав которого входят первый преобразователь частоты, вход которого является входом приемника, последовательно соединенные фильтр фазовой ошибки, первый управляющий элемент, управляемый генератор, выход которого соединен со вторым входом первого преобразователя частоты, последовательно соединенные фильтр ошибки по задержке, второй управляющий элемент, управляемый тактовый генератор, генератор опорных сигналов, первый перемножитель, последовательно соединенные фазовращатель и второй преобразователь частоты, а также второй перемножитель, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные первый согласованный фильтр, вход которого соединен с выходом первого преобразователя частоты, первый аналого-цифровой преобразователь, первый квадратурный коррелятор, демодулятор, декодер, выход которого является выходом приемника, последовательно соединенные второй согласованный фильтр, вход которого соединен с выходом второго преобразователя частоты, второй аналого-цифровой преобразователь, линия задержки, выход которой соединен со вторым входом первого квадратурного коррелятора, второй квадратурный коррелятор, первый вход которого соединен с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, а его второй вход соединен с выходом линии задержки, выход первого перемножителя соединен с третьим входом второго квадратурного коррелятора, а выход генератора опорных сигналов соединен с третьим входом первого квадратурного коррелятора, выход второго квадратурного коррелятора соединен с входом второго перемножителя, второй вход второго перемножителя соединен с первым выходом первого квадратурного коррелятора, второй выход первого квадратурного коррелятора соединен с входом фильтра фазовой ошибки, выход управляемого тактового генератора соединен со вторым входом первого перемножителя, второй вход второго преобразователя частоты соединен с входом приемника, выход управляемого генератора соединен с входом фазовращателя, а вход фильтра ошибки по задержке соединен с выходом второго перемножителя.2. Когерентный приемник по п.1, отличающийся тем, что каждый из упомянутых квадратурных корреляторов включает последовательно соединенные первый перемножитель, первый вход которого является первым входом квадратурного коррелятора, первый цифровой сумматор, выход которого является первым выходом квадратурного коррелятора, а также последовательно соединенные второй перемножитель, первый вход которого является вторым входом квадратурного коррелятора, инвертор, второй цифровой сумматор, третий перемножитель, выход которого является вторым выходом квадратурного коррелятора, второй вход третьего перемножителя соединен с выходом первого цифрового сумматора, выход первого перемножителя соединен со вторым входом второго цифрового сумматора, а выход второго перемножителя соединен со вторым входом первого цифрового сумматора, при этом вторые входы первого и второго перемножителей одновременно являются третьим входом соответствующего квадратурного коррелятора.