СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МОДУЛИРОВАННОГО РАДИОСИГНАЛА, НЕ СОДЕРЖАЩЕГО БОКОВЫХ СПЕКТРОВ И ГАРМОНИК Российский патент 2008 года по МПК H03C3/00 

Изобретение относится к технике связи и может применяться для передачи данных, используя электромагнитные волны.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому способу является способ формирования сигналов с квадратурной фазовой модуляцией по патенту РФ №2205518.

Известный способ формирования сигналов с квадратурной фазовой модуляцией предполагает выполнение известных в цифровой связи операций в оригинальной последовательности таким образом, что текущее значение формируемых сигналов всегда принимает максимальное или минимальное значения на границах всех символов и в результате первая производная формируемых сигналов неразрывна на границах всех символов, что обеспечивает уменьшение уровня внеполосных излучений.

Однако недостатком известного способа формирования сигналов с квадратурной фазовой модуляцией является отсутствие контроля за формой несущего колебания как на границах символов, так и между этими границами, что не позволяет полностью избавиться от внеполосных излучений, а также от боковых спектров и гармоник.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в координальном уменьшении побочного спектра частот при формировании модулированных радиосигналов путем совершенствования структуры передаваемых электромагнитных волн, приближая их к простейшим гармоническим.

Техническая задача согласно изобретению достигается тем, что в способе формирования модулированного радиосигнала с помощью генератора электромагнитных волн путем дискретного изменения одного или нескольких параметров несущей частоты и продолжительности пассивной паузы между формируемыми электромагнитными волнами, дополнительно до формирования электромагнитной волны произвольный начальный уровень напряжения на выходе генератора электромагнитных волн поддерживают неизменным до начала формирования электромагнитной волны, далее устанавливают ненулевые параметры частоты и амплитуды электромагнитной волны, не изменяя при этом начального уровня напряжения на выходе генератора, а формирование первой электромагнитной волны осуществляют по простому гармоническому закону от точки минимума или максимума до ближайшей точки максимума или минимума простой гармонической функции, после чего величину напряжения на выходе генератора в достигнутой точке максимума или минимума принимают за новый начальный уровень напряжения генератора для формирования второй электромагнитной волны, затем изменяют один или несколько параметров несущей частоты и время между окончанием формирования первой электромагнитной волны и началом формирования второй электромагнитной волны, не изменяя при этом достигнутого нового начального уровня напряжения на выходе генератора, и далее формирование второй и последующих электромагнитных волн осуществляют аналогично формированию первой электромагнитной волны.

Технический результат достигается за счет того, что генератор в моменты формирования электромагнитной волны всегда выполняет это по простому гармоническому закону, причем формирование электромагнитной волны всегда начинается и заканчивается в точках простой гармонической функции, где ее первая производная ровна нулю (точки минимальных и максимальных значений функции). В точках минимальных и максимальных значений простой гармонической функции скорость изменения электродвижущей силы ровна нулю, скорость изменения силы тока на выходе генератора электромагнитных волн ровна нулю, энергия электромагнитной волны в этих точках ровна нулю и, следовательно, не происходит излучения электромагнитной энергии. Именно в эти моменты времени можно изменить один или несколько параметров несущей частоты на любую величину и, не нарушая гармонического закона природы, приступить к формированию очередной электромагнитной волны с новыми, но неизменными параметрами несущей частоты при непосредственном формировании электромагнитной волны. В моменты времени, когда изменяются параметры несущей частоты по предлагаемому способу, на выходе генератора электромагнитных волн не происходит изменения уровня напряжения, так как этот уровень напряжения принимается за начальный уровень для формирования следующей электромагнитной волны. Самое короткое по продолжительности электромагнитное излучение на единственной частоте несущей без боковых спектров и гармоник (оно же элементарный фрагмент электромагнитной волны, оно же элементарное электромагнитное излучение) возможно между двумя ближайшими экстремумами (точки минимума и максимума напряжений) простой гармонической функции. От начала и до конца формирования каждого элементарного фрагмента электромагнитной волны по предлагаемому способу не происходит изменения ни одного из возможных параметров несущей частоты, что не лишает электромагнитное колебание гармонического характера и не превращает его в колебание сложное, состоящее из большего или меньшего числа простых гармонических колебаний [1] стр.81. В переходные моменты времени, когда генератор электромагнитных волн переходит из режима «пауза» (отсутствие электромагнитных излучений) к формированию электромагнитных волн и обратно в режим «пауза», также не происходит нарушения гармонического закона природы, так как рассматриваемые переходы выполняются в те самые моменты времени, когда формирование электромагнитной волны только намечается или когда такое формирование уже полностью завершено. В режиме «пауза» уровень напряжения на выходе генератора поддерживается неизменным и электромагнитные волны не формируются. Следовательно, если радиосигнал состоит из последовательного набора элементарных электромагнитных излучений на несущей частоте и пассивных пауз произвольной длительности, то такой сигнал не содержит боковых спектров и гармоник.

На фиг.1 показан сигнал, состоящий из последовательного набора элементарных электромагнитных излучений, имеющих одинаковую частоту несущей и произвольную амплитуду.

На фиг.2 показан сигнал, состоящий из последовательного набора элементарных электромагнитных излучений, имеющих одинаковую амплитуду несущей и произвольную частоту.

На фиг.3 показан сигнал, состоящий из последовательного набора элементарных электромагнитных излучений, имеющих одинаковую амплитуду и частоту несущей и произвольных пауз между излучениями.

На фиг.4 показан сигнал, состоящий из последовательного набора элементарных электромагнитных излучений, имеющих одинаковую амплитуду и частоту несущей с произвольно меняющейся начальной фазой элементарного электромагнитного излучения из ее допустимых значений.

На фиг.5 показан сигнал, состоящий из нескольких радиоимпульсов произвольной длительности. Каждый радиоимпульс этого сигнала состоит из элементарных электромагнитных излучений, имеющих одинаковую амплитуду и частоту несущей.

Подробное описание способа.

Далее приведено писание всех возможных и допустимых состояний на выходе генератора электромагнитных волн, не содержащих боковых спектров и гармоник.

При формировании модулированного радиосигнала по предлагаемому способу одновременно должны выполняться условия: радиосигнал состоит из последовательного набора элементарных электромагнитных излучений на частоте несущей и пассивных пауз произвольной длительности; форма сигнала генератора во время элементарного электромагнитного излучения соответствует выражению

S=Amcos(ωt+ϕ_o),

где:

S - величина сигнала;

Am - амплитуда сигнала;

cos - тригонометрическая функция косинус;

ω - частота несущей электромагнитной волны;

t - время;

ϕ_о - начальная фаза,

продолжительность одного элементарного электромагнитного излучения, при амплитуде Am, отличной от нуля, равна половине периода несущей частоты ω; общая продолжительность радиосигнала может быть произвольной, но не менее чем половина периода несущей частоты ω; амплитуда сигнала Am постоянна от начала и до конца формирования элементарного электромагнитного излучения; несущая частота ω постоянна от начала и до конца формирования элементарного электромагнитного излучения; начальная фаза ϕ_о для каждого элементарного электромагнитного излучения может принимать значения или ноль, или быть кратной ста восьмидесяти градусам.

Ниже приведено описание всех возможных и допустимых изменений сигнала во времени (допустимые способы модуляции) на выходе генератора электромагнитных волн, с сохранением условия отсутствия боковых спектров и гармоник, которые возможны следующими способами.

1. Относительная амплитуда элементарных электромагнитных излучений, входящих в радиосигнал, может быть произвольной (амплитудная манипуляция) (фиг.1).

2. Несущая частота любого элементарного электромагнитного излучения, входящего в радиосигнал, может быть произвольной (частотная манипуляция) (фиг.2).

3. Время между концом предыдущего элементарного электромагнитного излучения и началом формирования следующего может быть произвольным (фазовая манипуляция) (фиг.3).

4. Начальная фаза каждого следующего элементарного электромагнитного излучения может принимать значения или ноль, или быть кратной ста восьмидесяти градусам (ортогональная фазовая манипуляция) (фиг.4).

5. Продолжительность радиоимпульса, состоящего из набора элементарных электромагнитных излучений, может принимать любые значения (широтно-импульсная манипуляция) (фиг.5).

6. Допустима одновременная модуляция параметрами несущей частоты по вышеуказанным способам в любых сочетаниях.

Пример. Передача двоичного цифрового потока данных на единственной несущей частоте с использованием амплитудной манипуляции. Для передачи каждого бита модулирующей цифровой последовательности сопоставляется время, требуемое на формирование одного элементарного фрагмента электромагнитной волны, причем для передачи логической единицы формируется электромагнитная волна с заранее заданными параметрами амплитуды и частоты несущей, а для формирования логического нуля передающее устройство находится в режиме «пауза» и никаких излучений не производится.

Для осуществления приведенного примера передачи данных с использованием электромагнитных волн по предлагаемому способу формирования модулированного сигнала, не содержащего боковых спектров и гармоник, выполняют следующие операции:

1) произвольный начальный уровень напряжения на выходе генератора электромагнитных волн принимают за начальный уровень напряжения для формирования электромагнитной волны и поддерживают этот уровень напряжения неизменным до начала формирования электромагнитной волны;

2) перед началом формирования модулированного сигнала устанавливают параметры несущей частоты для формирования первой электромагнитной волны, причем начальный уровень напряжения на выходе генератора электромагнитных волн остается неизменным и ему только присваивается значение минимума напряжения простой гармонической функции, которое соответствует параметру амплитуды для формирования первой электромагнитной волны;

3) для передачи логической единицы, из модулирующей цифровой последовательности, формируют электромагнитную волну от точки минимума до ближайшей точки максимума напряжения простой гармонической функции по простому гармоническому закону;

4) величина напряжения на выходе генератора электромагнитных волн в последнее мгновение формирования электромагнитной волны принимается за новый начальный уровень напряжения для формирования очередной электромагнитной волны, и поддерживают этот уровень напряжения неизменным до начала формирования следующей электромагнитной волны;

5) если следующим битом из модулирующей цифровой последовательности вновь является логическая единица, то параметры несущей частоты не изменяют и сразу после предыдущей формируют следующую электромагнитную волну от точки максимума до ближайшей точки минимума напряжения простой гармонической функции по простому гармоническому закону;

6) величина напряжения на выходе генератора электромагнитных волн в последнее мгновение формирования электромагнитной волны принимается за новый начальный уровень напряжения для формирования очередной электромагнитной волны, и поддерживают этот уровень напряжения неизменным до начала формирования следующей электромагнитной волны;

7) если следующим битом из модулирующей цифровой последовательности является логический ноль, то изменяют параметр амплитуды несущей частоты, устанавливая его значение в ноль, и сразу после окончания предыдущей электромагнитной волны начинают формировать состояние логического нуля из модулирующей цифровой последовательности, которое характеризуется полным отсутствием электромагнитных излучений и поддержанием уровня напряжения на выходе генератора неизменным до начала формирования следующей электромагнитной волны;

8) если следующим битом из модулирующей цифровой последовательности вновь является логический ноль, то параметры несущей частоты не изменяют и сразу после завершения времени, отпущенного на формирование одного бита модулирующей цифровой последовательности, начинают формировать следующее состояние логического нуля, продолжая поддерживать уровень напряжения на выходе генератора неизменным до начала формирования следующей электромагнитной волны;

9) величина напряжения на выходе генератора электромагнитных волн в последнее мгновение формирования состояния логического нуля принимается за новый начальный уровень напряжения для генератора электромагнитных волн.

Используя вышеописанные алгоритмы для формирования генератором электромагнитных волн логических состояний для передачи модулирующей цифровой последовательности и переходных процессов между этими состояниями, можно осуществить передачу потока цифровых данных любого объема с удвоенной скоростью частоты несущей, не содержащей боковых спектров и гармоник.

Для формирования манипулированного радиосигнала, состоящего из элементарных электромагнитных излучений (активных излучений) и пассивных пауз (отсутствие каких-либо излучений), можно использовать генератор произвольного сигнала или заторможенный управляемый косинусоидальный генератор. Источниками элементарных радиоизлучений могут стать и другие уже действующие радиопередающие устройства, способные изменить алгоритм своей работы в соответствии с предлагаемым способом.

1. Применение предлагаемого способа формирования модулированного радиосигнала позволит на практике значительно уменьшить побочные излучения радиопередающих устройств, так как при каждом элементарном излучении генерируется электромагнитная волна единственной частоты.

2. Появляется возможность увеличить количество одновременно работающих радиостанций в предоставленном диапазоне частот. Взаимное расположение соседних радиопередатчиков на частотной оси может быть сколь угодно близким и зависит только от стабильности их задающих генераторов, способности радиоприемников настроиться на необходимую частоту, подавить помехи и декодировать информацию, переносимую радиосигналом.

3. Увеличивается пропускная способность узкополосного радиотракта за счет снятия ограничений по величинам амплитудной, фазовой и широтно-импульсной манипуляции, что в простом случае приближает скорость передачи информации к удвоенной частоте несущей, а при использовании многоуровневого или смешанных видов модуляций легко преодолевается и этот барьер.

4. Уменьшаются затраты энергии при передаче информации на аналогичное расстояние по сравнению с существующими способами радиосвязи, так как каждое излучение электромагнитной волны осуществляется на единственной частоте несущей и отпадает необходимость тратить энергию на передачу частот боковых спектров, а также, в случае равенства нулю модулирующего сигнала, излучения электромагнитной волны в большинстве случаев не происходит, что является важным параметром для мобильных устройств.

5. Данный способ формирования радиосигнала идеально подходит для передачи дискретной информации, так как информационное наполнение радиосигнала может осуществляться скачками амплитуды, частоты, фазы, продолжительности радиоимпульса или их произвольными сочетаниями.

6. При формировании модулированного радиосигнала по предлагаемому способу, для традиционных радиоприемных устройств, использующих частотно-избирательные линейные цепи непосредственно или математическую теорию линейных систем [2], энергия сигнала, из-за технического несовершенства последних, воспринимается ими преимущественно в диапазоне от нуля до двойного значения несущей частоты, и далее, с ростом частоты, стремительно уменьшается. Это позволяет постепенно внедрять связь по предлагаемому способу, начиная с низкочастотных диапазонов, и одновременно использовать без ограничений уже имеющиеся средства связи в высокочастотных диапазонах.

7. Предложенный способ формирования радиосигнала позволяет использовать его совместно с традиционными приемными устройствами связи на существующей сетке частот, но с условием, что глубина модуляции и мощность передатчика должны быть согласованы таким образом, чтобы не создавать помех для других каналов связи [3]. Скорость передачи данных в этом случае не должна превышать пропускную способность радиоприемника, использующего в своей конструкции частотно-избирательную линейную цепь или математическую теорию линейных систем.

8. Так как для предложенного способа формирования радиосигнала требуется меньше энергии для передачи единицы информации на заданное расстояние по сравнению с традиционными способами радиосвязи и практически отсутствуют побочные радиоизлучения, то он привлекателен и с экологической точки зрения.

Выделить от помех и декодировать информацию, переносимую радиосигналом, который создан и модулирован по предлагаемому способу формирования сигнала, способно, например, радиоприемное устройство, построенное по схемотехнике с цепью Юзвинского [4]. В этом случае необходимо выполнить дополнительные условия: селекцию сигнала необходимо выполнять с преобразованием частоты несущей вверх, постоянная времени высокочастотного полосового фильтра в цепи Юзвинского должна быть соизмерима или меньше продолжительности полупериода несущей частоты принимаемого сигнала, приемник, как минимум, не должен содержать резонансных цепей в диапазоне от нуля до удвоенной частоты несущей, информационный анализ принятого сигнала производится непосредственно на выходе цепи Юзвинского.

Источники информации

1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: 1964, стр.81-115, 434-457.

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М., 2003, стр.224-230, 400, 402.

3. Патент США US 6901246, 31.05.2005.

4. Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства. - М.: 1978, стр.29-32.

Изобретение относится к технике связи и может применяться для передачи данных, используя электромагнитные волны. Достигаемый технический результат - уменьшение побочного спектра частот при формировании модулированных радиосигналов. Способ заключается в том, что формирование модулированного радиосигнала выполняют с помощью генератора электромагнитных волн путем дискретного изменения одного или нескольких параметров несущей частоты и продолжительности пассивной паузы между формируемыми электромагнитными волнами, произвольный начальный уровень напряжения на выходе генератора электромагнитных волн поддерживают неизменным до начала формирования электромагнитной волны, устанавливают ненулевые параметры частоты и амплитуды электромагнитной волны, не изменяя начального уровня напряжения на выходе генератора электромагнитной волны, формирование первой электромагнитной волны осуществляют по простому гармоническому закону от точки минимума или максимума до ближайшей точки максимума или минимума простой гармонической функции, после чего величину напряжения на выходе генератора в достигнутой точке максимума или минимума принимают за новый начальный уровень напряжения генератора для формирования второй электромагнитной волны, затем изменяют один или несколько параметров несущей частоты и время между окончанием формирования первой электромагнитной волны и началом формирования второй электромагнитной волны, не изменяя при этом достигнутого нового начального уровня напряжения на выходе генератора. 5 ил.

Способ формирования модулированного радиосигнала, не содержащего боковых спектров и гармоник, заключающийся в том, что формирование модулированного радиосигнала выполняют с помощью генератора электромагнитных волн путем дискретного изменения одного или нескольких параметров несущей частоты и продолжительности пассивной паузы между формируемыми электромагнитными волнами, отличающийся тем, что до формирования электромагнитной волны произвольный начальный уровень напряжения на выходе генератора электромагнитных волн поддерживают неизменным до начала формирования электромагнитной волны, далее устанавливают ненулевые параметры частоты и амплитуды электромагнитной волны, не изменяя начального уровня напряжения на выходе генератора, а формирование первой электромагнитной волны осуществляют по простому гармоническому закону от точки минимума или максимума до ближайшей точки максимума или минимума простой гармонической функции, после чего величину напряжения на выходе генератора в достигнутой точке максимума или минимума принимают за новый начальный уровень напряжения генератора для формирования второй электромагнитной волны, затем изменяют один или несколько параметров несущей частоты и время между окончанием формирования первой электромагнитной волны и началом формирования второй электромагнитной волны, не изменяя при этом достигнутого нового начального уровня напряжения на выходе генератора, и далее формирование второй и последующих электромагнитных волн осуществляют аналогично формированию первой электромагнитной волны.