СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КАНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ Российский патент 2012 года по МПК H04J1/20 

Изобретения относятся к области радиосвязи, а именно к беспроводной связи с частотным разделением, и могут быть использованы для цифрового формирования канальных сигналов.

Известен способ формирования канальных сигналов [1], в системах с частотным разделением, реализуемый путем дискретизации с частотой f_д=8 кГц, входных речевых сообщений (имеющих частоту f_в=4 кГц), поступающих от М абонентов на соответствующий каждому из них вход одного из М параллельно подключенных каналов, последующего представления каждого квантованного значения отсчета речевого сообщения, в каждом из М параллельно подключенных каналов, в 8-разрядный сигнал с ИКМ, который модулирует в фазовом модуляторе различные для каждого из М каналов несущие частоты методом ФМ-4, с выхода каждого из М каналов фазоманипулированные сигналы, после прохождения схемы объединения каналов, поступают на вход оконечного каскада передающего устройства.

Указанный способ не позволяет наилучшим образом использовать выделенные частотные ресурсы при формировании канальных сигналов в системах с частотным разделением, так как для уменьшения взаимного влияния между соседними каналами необходимо вводить защитные интервалы, что является недостатком этого устройства.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ формирования канальных сигналов, использующий ортогональное уплотнение с частотным разделением OFDM и устройство, его реализующее [2].

Известный способ осуществляется путем преобразования информационных символов, где символ - сигнал многопозиционной системы модуляции, содержащий информацию об объединенных в группы количестве бит и их комбинации, которому в зависимости от битовой комбинации присваивается определенное значение символа, и передают их на ортогональных поднесущих частотах. Способ осуществляют следующим образом.

Представляют на передающей стороне информацию в виде совокупности из n последовательных информационных символов длительностью n*τ, где τ - длительность одного символа, преобразуют их в совокупность из n параллельных информационных символов длительностью τ каждый, которые затем преобразуют в параллельные информационные символы длительностью T_S=n*τ каждый. Далее полученную совокупность обрабатывают алгоритмом обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ). Процедура ОБПФ позволяет вычислить значения канального сигнала в моменты времени [0 T_S], т.е. суммирование гармонических составляющих, расположенных последовательно с шагом Δf в частотной области, причем Δf=1/T_S, где T_S - длительность сигнала, и модулированных информационными символами, причем вся полоса частот, выделенная для передачи, разделяется на n частотных интервалов шириной V=[-ν_i,-ν_i-1)∪[ν_i-1, ν_i) каждый, и, таким образом, каждый информационный символ передается в своем подканале. Применение процедуры ОБПФ позволяет произвести умножение каждого из предназначенных для передачи n информационных символов увеличенной длительности на соответствующую поднесущую частоту с фиксированным частотным шагом Δf без использования n умножителей и n генераторов поднесущих частот, что существенно упрощает схемотехническую реализацию передатчика и приемника системы связи, использующую OFDM. Далее осуществляют вставку защитного интервала и обработку квадратурным модулятором.

Однако использование сигнально-кодовых конструкций в виде ортогонального базиса Фурье с прямоугольной формой модулирующего импульса не позволяет минимизировать частотно-временную локализацию формируемых канальных сигналов и, как следствие, их уровень внеполосных излучений, тем самым делая невозможным обеспечение минимальной чувствительности к межканальной и межсимвольной интерференции.

Известно устройство [3], осуществляющее техническую реализацию указанного способа, в состав которого входят последовательно соединенные источник информации 1, блок 2, включающий последовательно соединенные преобразователь последовательных символов в параллельные и расширитель, n выходов последнего соединены с соответствующими входами блока 3 обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами блока 4 вставки защитного интервала. Первый и второй выходы блока 4 соединены с соответствующими входами квадратурного модулятора, в состав которого входят два цифроаналоговых преобразователя 5 и 6, два умножителя 7 и 8, генератор 9 несущего колебания, устройство 10 сдвига фазы на π/2, сумматор 11, причем первый выход блока 4 соединен со входом цифроаналогового преобразователя 5, выход которого соединен с первым входом умножителя 7, а второй вход умножителя 7 соединен с выходом генератора 9. Второй выход блока 4 вставки защитного интервала соединен со входом второго цифроаналогового преобразователя 6, выход которого соединен с первым входом второго умножителя 8, а второй вход умножителя 8 соединен с выходом устройства 10 сдвига фазы на π/2, вход которого соединен с выходом генератора 9. Выходы умножителей 7 и 8 соединены с соответствующими входами сумматора 11, на выходе которого окончательно формируется канальный сигнал на заданной несущей частоте.

Недостатки данного устройства соответствуют недостаткам способа, который на нем реализован, и подтверждаются энергетическими спектрами на фигуре 4.

Задачей предлагаемых изобретений является создание способа и устройства для его реализации, обеспечивающих формирование канальных сигналов OFDM с уровнем внеполосных излучений не выше минус 65-70 дБ в системах связи с частотным уплотнением.

Техническим результатом использования предложенных изобретений является увеличение количества каналов, одновременно передающих информацию в выделенном частотном диапазоне, примерно на 20% и снижение интерференционных помех систем радиосвязи.

Поставленная задача достигается тем, что формирование канальных сигналов при передаче информации в режиме частотного уплотнения реализуется с использованием нового ортогонального сигнального базиса собственных векторов субполосных матриц, т.е. с учетом характерной особенности концентрации энергии собственного вектора в заданном частотном интервале.

Для этого в известный способ формирования канальных сигналов OFDM, включающий представление на передающей стороне информации в виде совокупности n последовательных информационных символов длительностью n*τ, где τ - длительность одного символа, преобразование их в совокупность из N параллельных информационных символов длительностью τ каждый, последующее преобразование каждого символа длительностью τ в символ длительностью n*τ, каждый при условии N=n, вставку защитного интервала, обработку квадратурным модулятором, внесены следующие новые признаки:

- вместо процедуры ОБПФ перед вставкой защитного интервала формируют набор собственных векторов субполосной матрицы, из которых выбирают J таких векторов, собственные числа которых λ_i≈1, причем J=N;

- умножают каждый из J полученных собственных векторов на соответствующий ему информационный символ, предназначенный для передачи по каналу связи и далее суммируют полученную совокупность модулированных собственных векторов.

Устройство, осуществляющее предложенный способ, вместо блока обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) содержит блок формирования сигнала на основе собственных векторов субполосных матриц, в состав которого входит:

- формирователь собственных векторов субполосных матриц, позволяющий обеспечить помехоустойчивость формируемых канальных сигналов не ниже, чем в прототипе, за счет свойства ортогональности формируемых собственных векторов;

- устройство управления формирователем собственных векторов субполосных матриц, обеспечивающее выбор J собственных векторов с собственным числом λ_i≈1, что позволяет снизить уровень внеполосных излучений канального сигнала до минус 65-70 дБ;

- J умножителей для умножения поступающих информационных символов на собственные векторы субполосных матриц, позволяющие использовать формируемые собственные векторы для передачи информации за счет их модуляции данными;

- сумматор, объединяющий совокупность модулированных собственных векторов в реальный Rе и мнимый Im сигналы.

Сущность изобретений поясняется изображениями, представленными на фигурах:

Фиг.1 - Схема прототипа;

Фиг.2 - Схема предложенного устройства;

Фиг.3 - Схема блока формирования сигналов на основе собственных векторов субполосных матриц;

Фиг.4 - Энергетический спектр канального сигнала, сформированного с использованием прототипа;

Фиг.5 - Энергетический спектр канального сигнала, сформированного с использованием предложенного устройства.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Информацию представляют в виде совокупности n последовательных информационных символов длительностью n*τ, где τ - длительность одного символа,

2. Совокупность из n последовательных информационных символов длительностью n*τ преобразуют в совокупность из n параллельных символов длительностью τ каждый;

3. Полученные n параллельных информационных символов длительностью τ каждый преобразуют в n параллельных информационных символов длительностью n*τ каждый;

4. Разделяют полосу частот, выделенную для передачи, на n частотных интервалов шириной V=[-ν_i,-ν_i-1)∪[ν_i-1,ν_i) каждый;

5. Производят формирование собственных векторов субполосных матриц для заданных частотных интервалов согласно следующим выражениям где - собственные векторы субполосных матриц вида , m,n=1,…,L c элементами вида;

6. Осуществляю выборку собственных векторов согласно кртерию максимального собственного числа λ_i=1, т.е. оставляют J таких векторов, собственные числа которых λ_i≈1. Причем J=n,

1. Производят умножение, предназначенных для передачи по каналу связи n информационных символов, на полученные J собственных векторов и последующее суммирование полученной совокупности модулированных собственных векторов согласно следующему выражению:

, где: - сформированный канальный сигнал;

- последовательность информационных символов; [4]

8. Выполняют вставку защитного интервала в начало сформированного сигнала, т.е. вставляют копию оконечного фрагмента сигнала в его начало;

9. Обрабатывают в квадратурном модуляторе и передают в канал связи. Критериям «новизна» и «изобретательский уровень» предложенный способ соответствует благодаря наличию следующих признаков:

- формирование собственных векторов субполосных матриц Q для заданных частотных интервалов, согласно следующим выражениям где

- собственные векторы субполоспых матриц вида , m, n=1,…,L с элементами вида:

- выборка собственных векторов согласно критерию максимального собственного числа λ_i=1, т.е. для передачи информации используются J собственных векторов, собственное число Х которых удовлетворяет условию λ_i≈1, причем J=n;

- умножение предназначенных для передачи по каналу связи n информационных символов на полученные J собственных векторов и последующее суммирование полученной совокупности модулированных собственных векторов согласно следующему выражению:

, где: - сформированный канальный сигнал;

- последовательность информационных символов.

Вышеперечисленные признаки позволяют формировать канальные сигналы при передаче информации в режиме частотного уплотнения, с минимальным уровнем внеполосных излучений за счет использования в качестве базисных функций собственных векторов субполосных матриц со значением собственного числа λ_i≈1, что подтверждается энергетическими спектрами, представленными на Фиг.5.

Для реализации указанного способа предложено устройство формирования канальных сигналов OFDM с минимальным уровнем внеполосных излучений канального сигнала за пределами выделенного частотного диапазона (Фиг.2), включающее источник информации 1, выход которого подключен ко входу блока 2, включающего преобразователь последовательных символов в параллельные и расширитель, выходы последнего соединены с соответствующими входами блока 12 формирования сигнала на основе собственных векторов субполосных матриц, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами блока 4 вставки защитного интервала, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами квадратурного модулятора, в состав которого входят два цифроаналоговых преобразователя 5 и 6, два умножителя 7 и 8, генератор 9 несущего колебания, устройство 10 сдвига фазы на π/2, сумматор 11. Первый выход блока 4 соединен со входом цифроаналогового преобразователя 5, выход которого соединен с первым входом умножителя 7, а второй вход умножителя 7 соединен с выходом генератора, несущего колебания, 9. Второй выход блока 4 вставки защитного интервала соединен со входом второго цифроаналогового преобразователя 6, выход которого соединен с первым входом второго умножителя 8, а второй вход умножителя 8 соединен с выходом устройства 10 сдвига фазы на π/2, вход которого соединен с выходом генератора 9. Выходы умножителей 7 и 8 соединены с соответствующими входами сумматора 11, на выходе которого окончательно формируется канальный сигнал на заданной несущей частоте.

Данная схема отличается от прототипа наличием блока 12 формирования сигнала на основе собственных векторов субполосных матриц в состав, которого входит:

- формирователь 13 собственных векторов субполосных матриц, позволяющий обеспечить помехоустойчивость формируемых канальных сигналов не ниже, чем в прототипе, за счет свойства ортогональности формируемых собственных векторов;

- устройство 14 управления формирователем собственных векторов субполосных матриц, обеспечивающее снижение уровня внеполосных излучений канального сигнала до минус 65-70 дБ за счет выбора собственных векторов с собственным числом λ_i≈1;

- J умножителей 15 для умножения поступающих n параллельных информационных символов длительностью n*τ каждый на собственные векторы субполосных матриц, позволяющие использовать формируемые собственные векторы для передачи информации за счет их модуляции данными;

- сумматор 16, объединяющий совокупность модулированных собственных векторов в реальный Rе и мнимый Im сигналы.

Перечисленные признаки в совокупности позволяют получить заявленный технический результат и из уровня техники не известны так же, как и влияние наличия этих признаков на увеличение количества каналов, одновременно передающих информацию в выделенном частотном диапазоне, примерно на 20% и снижение интерференционных помех систем радиосвязи за счет уменьшения уровня внеполосных излучений сигнала, что дает возможность признать их соответствующими критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Предложенный способ реализуют на данном устройстве следующим образом. Информацию, подлежащую передаче через канал связи, представляют на передающей стороне в виде совокупности n последовательных информационных символов длительностью n*τ, где τ - длительность одного символа. Затем в блоке 2, содержащем преобразователь последовательных символов в параллельные и расширитель, происходит преобразование совокупности n последовательных информационных символов в совокупность из n параллельных информационных символов длительностью τ каждый с последующим преобразованием каждого n параллельного информационного символа длительностью τ в символ длительностью n*τ каждый. Далее каждый из N параллельных информационных символов длительностью n*τ поступает на соответствующий выход блока 2, причем количество выходов блока 2 равно количеству N параллельных информационных символов. С каждого выхода блока 2 параллельные информационные символы длительностью n*τ одновременно поступают на соответствующие входы блока 12 формирования сигнала на основе собственных субполосных матриц, т.е на первые входы умножителей 15, на вторые входы умножителей 15 поступают сигналы с соответствующих выходов блока 13 формирователя собственных векторов субполосных матриц, который управляется устройством 14 управления собственных субполосных матриц, назначение которого устанавливать параметры формируемых собственных векторов и проводить их выборку. С выходов умножителей 15 модулированные собственные векторы поступают на соответствующие входы сумматора 16, и затем с первого выхода сумматора 16 реальная составляющая объединенного сигнала Rе поступает на первый вход блока 4 вставки защитного интервала. Со второго выхода сумматора 16 мнимая составляющая объединенного сигнала Im поступает на второй вход блока 4 вставки защитного интервала. Далее сигналы с выходов блока 4 одновременно поступают на соответствующие входы квадратурного модулятора, в состав которого входят два цифроаналоговых преобразователя 5 и 8, два умножителя 6 и 9, генератор 7 несущего колебания, устройство 10 сдвига фазы на π/2, сумматор 11. Причем сигнал Rе с первого выхода блока 4 поступает на вход цифроаналогового преобразователя 5, а сигнал Im со второго выхода блока 4 на вход цифроаналогового преобразователя 6, где они преобразовываются в аналоговый вид. С выходов цифроаналогового преобразователя 5 и цифроаналогового преобразователя 6 сигналы поступают на входы соответствующих умножителей 7 и 8, в которых происходит умножение входного сигнала на несущее колебание заданной частоты, поступающее соответственно на умножитель 7 с генератора 9 несущего колебания, а на умножитель 8 с устройства 10 сдвига фазы на π/2. С выходов умножителей 7 и 8 получаемые сигналы одновременно поступают на соответствующие входы сумматора 11, таким образом, на выходе квадратурного модулятора окончательно формируется канальный сигнал OFDM на несущей частоте для передачи по каналу связи.

В результате использования предложенных технических решений благодаря применению нового ортогонального сигнального базиса собственных векторов субполосных матриц удается формировать канальные сигналы с минимальным уровнем внеполосных излучений за пределами выделенной полосы частот, что позволяет увеличить примерно на 20% количество каналов, одновременно передающих информацию в предоставленном частотном диапазоне, и, как следствие, снизить интерференционные помехи систем радиосвязи.

Использованная литература

1. Томаси У. Электронные системы связи [Текст]. М.: Техносфера, 2007. - 1360 с.

2. IEЕЕ Std Р802.16-2004, IEEЕ Standart for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed BWA Systems.

3. Шахнович И.В. Современные технологии беспроводной связи [Текст] - М.: Техносфера, 2004.

4. Жиляков Е.Г. Вариационные метода анализа и построения функций по эмпирическим данным [Текст]: моногр. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2007.

Изобретения относятся к области беспроводной связи и могут быть использованы для цифрового формирования канальных сигналов с частотным разделением OFDM. Достигаемый технический результат - увеличение количества каналов, одновременно передающих информацию в выделенном частотном диапазоне, и снижение интерференционных помех систем радиосвязи. Устройство, реализующее способ формирования канальных сигналов OFDM, содержит источник информации, блок, содержащий преобразователь последовательных символов в параллельные, и расширитель, блок вставки защитного интервала и квадратурный модулятор, включающий два цифроаналоговых преобразователя, два умножителя, генератор несущего колебания, устройство сдвига фазы на π/2, сумматор, блок формирования сигнала на основе собственных векторов субполосных матриц, в состав которого входят формирователь собственных векторов субполосных матриц, устройство управления формирователем собственных векторов субполосных матриц, J умножителей для умножения n поступающих параллельных информационных символов на собственные векторы субполосных матриц и сумматор. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ формирования канальных сигналов OFDM, включающий представление на передающей стороне информации в виде совокупности из n последовательных информационных символов длительностью n·τ, где τ - длительность одного символа, преобразование его в совокупность из n параллельных информационных символов длительностью τ каждый, а затем каждый символ n длительностью τ преобразуют в символы длительностью n·τ каждый; разделяют полосу частот, выделенную для передачи, на n частотных интервалов шириной V=[-ν_i,-ν_i-1)∪[ν_i-1,ν_i) каждый, осуществляют вставку защитного интервала и обработку квадратурным модулятором, отличающийся тем, что перед вставкой защитного интервала формируют набор собственных векторов для заданных частотных интервалов согласно следующим выражениям , где - собственные вектора субполосных матриц вида , m, n=1, …, L с элементами вида;

из которых осуществляют выборку J таких собственных векторов, собственные числа которых λ_i=1, при условии J=n, затем производят умножение предназначенных для передачи по каналу связи n информационных символов длительностью n·τ на полученные J собственных векторов и последующее суммирование полученной совокупности модулированных собственных векторов согласно следующему выражению
, где - сформированный канальный сигнал;
- последовательность информационных символов.

2. Устройство формирования канальных сигналов OFDM, включающее источник информации, выход которого подключен к блоку, содержащему преобразователь последовательных символов в параллельные и расширитель, блок вставки защитного интервала и квадратурный модулятор, включающий два цифроаналоговых преобразователя, два умножителя, генератор несущего колебания, устройство сдвига фазы на π/2, сумматор, при этом первый выход блока вставки защитного интервала соединен со входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом генератора несущего колебания, а второй выход блока вставки защитного интервала соединен со входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого соединен с выходом устройства сдвига фазы на π/2, вход которого соединен с выходом генератора несущего колебания, а выходы умножителей соединены с соответствующими входами сумматора, на выходе которого окончательно формируется канальный сигнал на заданной несущей частоте, отличающееся тем, что n выходов блока, содержащего преобразователь последовательных символов в параллельные и расширитель, подключены к соответствующим входам блока формирования сигнала на основе собственных векторов субполосных матриц, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами блока вставки защитного интервала, при этом в состав блока формирования сигнала на основе собственных векторов субполосных матриц входит формирователь собственных векторов субполосных матриц, устройство управления формирователем собственных векторов субполосных матриц, J умножителей для умножения n поступающих параллельных информационных символов на собственные векторы субполосных матриц, сумматор.