СПОСОБ МНОГОЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛА Российский патент 2015 года по МПК H03C3/00 

Изобретение относится к радиотехнике и позволяет при применении некоторых видов модуляции, использующих многочастотные сигналы, существенно уменьшить полосу занимаемых частот, в приемлемых пределах уменьшая скорости передачи информации.

Изобретение может быть эффективно использовано в системах подвижной радиосвязи.

Построение систем подвижной радиосвязи с высокими скоростями передаваемой информации - актуальная задача. Для построения таких систем широко применяются многочастотные виды модуляции, при которых передаваемый поток информации разделяют на несколько параллельных потоков, в каждом из которых скорость передаваемой информации ниже, чем у общего потока.

Известен способ модуляции, исключающий применение сигнала с высоким пик-фактором, названный SC FDMA. Эта модуляция применяется в новых системах связи, например стандарте LTE [1], в направлении от носимого абонентского терминала к базовой станции. SC FDMA - это сокращение от английского Single-Carrier FDMA - множественный доступ с частотным разделением на базе единственной несущей.

У SC FDMA сигнала в течение тактового интервала (интервала времени, в течение которого излучаемая частота постоянна) излучается единственная несущая, выбираемая из множества их N. Таким образом, информация при SC FDMA передается одновременно за счет двух факторов:

- за счет фазовой, либо амплитудной, либо какой-то другой модуляции несущей частоты;

- за счет нумерации каждой из всего множества частот, начиная с первой и до N-й, двоичными числами, начиная с ноля и до (N-1). На приемной стороне радиолинии определяется частота сигнала в течение текущего такта, и этой частоте сопоставляется некоторое двоичное число.

Количество разрядов в максимальном двоичном числе и есть количество бит передаваемой при SC FDMA дополнительной информации за один такт. Дополнительной здесь названа информация, передаваемая в дополнение к информации, переданной вышеупомянутой фазовой, либо амплитудной, либо какой-то другой модуляцией несущей.

Недостатком модуляции SC FDMA является низкая скорость передачи информации и большая полоса частот, занимаемая таким сигналом.

Имеются работы [2, 3], показывающие возможность применения для сужения полосы частот сигнала при многочастотной модуляции неортогональных ансамблей сигналов. В то же время в [3] указано, что предложенный в [2, 3] подход обладает рядом серьезных недостатков, ограничивающих целесообразность его применения.

Наиболее близкой к предлагаемому способу многочастотной модуляции является широко известная OFDM (англ. Orthogonal frequency-division multiplexing - модуляция с ортогональным частотным разделением каналов) [4]. При OFDM в течение тактового интервала Т_ТАКТ одновременно излучается постоянное число N несущих частот. Каждая из несущих частот модулируется каким-либо видом модуляции (это может быть фазовая, амплитудная либо другая модуляция), а все одновременно излучаемые несущие частоты образуют сетку частот с постоянным шагом ΔF.

Тактовым интервалом Т_ТАКТ OFDM называют время, в течение которого модулируемый параметр несущих (как правило, им является фаза излученного сигнала) для всех излучаемых несущих остается постоянным.

Для того чтобы при приеме одновременно излучаемое множество частот не создавало взаимных помех, шаг сетки частот ΔF у модуляции OFDM должен выбираться из условия ортогональности, которое можно записать в виде

Достоинство модуляции OFDM - возможность достижения высокой скорости передачи информации.

Недостаток OFDM - формирование сигналов с высоким пик-фактором [5, 6]. Как известно [5], пик-фактор определяется как отношение максимальной (пиковой) мгновенной мощности сигнала к его средней мощности.

Недостаток [6] многочастотных сигналов с высоким пик-фактором выливается в то, что в передающем тракте необходимо использовать линейные усилители мощности, а это сказывается на стоимости аппаратуры. Кроме того, линейные усилители мощности имеют низкую энергетическую эффективность, что приводит к быстрому разряду батарей мобильных носимых терминалов, которые излучают сигналы с модуляцией OFDM.

Совокупность существенных признаков модуляции OFDM, являющейся прототипом заявляемого изобретения, следующая:

- одновременно излучается множество несущих частот;

- в течение тактового интервала все частоты остаются постоянными;

- все одновременно излучаемые частоты образуют сетку частот, расстояние между которыми выбирается из условия их ортогональности;

- каждая излученная несущая частота модулируется каким-либо видом модуляции, причем скорость передачи информации, передаваемой модуляцией отдельной несущей частоты, ниже скорости передачи общего потока информации, передаваемого всеми одновременно излученными несущими частотами.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является получение такого способа модуляции, при котором скорость передачи информации оказывается значительно выше, чем при одночастотных методах модуляции, пик-фактор оказывается небольшим по сравнению с OFDM, и одновременно полоса занимаемых частот оказывается значительно меньшей, чем при OFDM или SC FDMA модуляции.

Техническим результатом настоящего изобретения является сокращение полосы занимаемых частот при приемлемом пик-факторе и приемлемой скорости передачи информации.

Другим техническим эффектом, получаемым в результате применения предложенного способа модуляции, является увеличение отношения сигнал-шум и увеличение устойчивости к помехам, связанное с уменьшением полосы принимаемых приемным устройством радиосигналов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что создается сетка из N частот, причем расстояние между несущими в сетке делается в целое число m раз меньше, чем расстояние между несущими ΔF, найденное из условия ортогональности (1).

Номера передаваемых в течение такта несущих частот случайны и определяются передаваемой информацией. Они выбираются из сетки частот с уменьшенным по сравнению с условием ортогональности шагом, а в случае невыполнения в конкретном тактовом интервале условий ортогональности несущие при передаче сдвигаются на требуемое число шагов сетки частот с уменьшенным шагом в необходимую сторону.

Сдвиг проводится на столько шагов, чтобы попасть в точки сетки, в которых обеспечивается ортогональность сигналов.

В передаваемую информацию для каждого тактового интервала вводится дополнительная служебная информация, содержащая:

- сведения о наличии или отсутствии сдвига каждой из несущих вдоль сетки частот,

- сведения о направлении сдвига каждой несущей частоты вдоль сетки частот,

- сведения о величине сдвига несущих.

При приеме сигнала с помощью переданной служебной информации восстанавливаются номера частотных позиций несущих в принятом сигнале, соответствующие номерам их в сетке с уменьшенным шагом без введенного при передаче сдвига по частоте.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, приведенными на фиг. 1 и фиг 2.

На фиг. 1 показаны две сетки частот, содержащие по N частот каждая, но у верхней шаг сетки выбран из условия ортогональности, а у нижней шаг в целое число m=3 раз меньше, и поэтому шаг нижней сетки условию ортогональности не удовлетворяет. В то же время полоса частот, занимаемая нижней сеткой, ориентировочно в m раз меньше, чем верхней.

На фиг. 2 показан способ приведения излучаемых одновременно в текущем такте двух частот к условию ортогональности за счет сдвига одной из частот на необходимое число шагов в сетке с уменьшенным шагом.

Предлагаемый способ модуляции работает следующим образом. Для повышения скорости передачи информации используется такая модуляция, когда одновременно передается не одна несущая частота, выбираемая из множества N, а n таких частот [4]. Каждая частота должна модулироваться по фазе, амплитуде либо каким-либо иным образом. Если наложить условие, что 1<n<<N, то при малых n можно получить у сигнала с такой многочастотной модуляцией приемлемый пик-фактор, много меньший, чем при OFDM с N несущими.

В предлагаемой модуляции часть информации передается путем выбора одной из множества комбинаций по n частот из N, что делает ее подобной SC FDMA, а часть информации - модуляцией каждой из несущих по фазе, амплитуде или ширине тактового интервала, как это делается при OFDM.

Информации, передаваемой за один такт, при равных количествах используемых частот N, при такой модуляции значительно больше, чем при SC FDMA, так как n>1. Поэтому применение модуляции, в которой 1<n<<N, упрощает построение передающих трактов в системах подвижной связи.

Всегда остро стоит вопрос об уменьшении полосы частот, требуемой для обеспечения необходимой скорости передачи информации.

Полоса П занимаемых частот при многочастотной, в том числе при OFDM и SC FDMA модуляции, оказывается равной

где П₁ - расстояние по оси частот между крайними точками сетки из N частот,

П₂ - ширина полосы частот, занимаемая при модуляции одной несущей, измеренная по первым нолям спектра.

Если N - число несущих частот, ΔF - шаг сетки частот, то для обычной многочастотной модуляции OFDM с шагом сетки частот, выбранным из условия ортогональности (1), выражение (2) запишется:

Из (1) и (3) видно, что при больших скоростях передачи информации, для достижения которых приходится увеличивать N и уменьшать Т_ТАКТ, полоса занимаемых частот увеличивается.

Скорость V передачи информации при предлагаемой многочастотной модуляции и применении для модуляции каждой из несущих М - позиционной фазовой модуляции, то есть такой, число точек М_Ф фазового созвездия которой удовлетворяет равенству

запишется [4]:

которое, умножив и разделив на (N+1), приводится к виду:

В (4), (5) и (6)

g_Ф - натуральное число, связанное с примененной модуляцией каждой несущей частоты, смысл которого ясен из формулы (4),

integer - целая часть от величины выражения $$\left({\log }_2{C}_N^n\right)$$ ,

$$C_N^n$$ - число сочетаний из N по n.

Решение поставленной задачи поясним примером, когда число одновременно излучаемых частот n равно 2, а полосу частот, занимаемых модулированным сигналом, нам необходимо уменьшить ориентировочно в 3 раза по сравнению с полосой, получаемой при известном способе OFDM модуляции с ортогональной сеткой частот и N несущими частотами.

Для достижения такого результата создается сетка из N частот, причем расстояние между несущими делается в целое число m раз меньше, чем расстояние между несущими ΔF, найденное из условия ортогональности (1).

В нашем примере m=3. Фиг. 1 и фиг 2, поясняющие способ модуляции и приводимый здесь пример, так же соответствуют случаю, когда n=2 и m=3.

Полосы частот, занимаемые двумя такими сетками частот, в первой из которых шаг сетки найден из условия ортогональности несущих, а во второй шаг сетки частот уменьшен по сравнению с первой, поясняются фиг. 1.

Соотношения между излученными несущими частотами при модуляции в сетках частот для n=2 и m=3 приведены на фиг. 2.

В рассматриваемом примере параметры модуляции таковы, что одновременно должны передаваться всего две несущие, выбираемые из множества их N.

Созданная нами новая сетка частот имеет шаг:

отличающийся от шага ΔF, при котором выполняются условия ортогональности, в m раз, причем m - целое число.

При передаче информации появляется случайная комбинация из n номеров несущих частот, выбранных из множества N. На фиг. 2, поясняющем разбираемый пример, в течение текущего такта первая и вторая частоты имеют номера k₁ и k₂.

При этом возможны следующие варианты соотношений между частотами, выбранными в связи с передаваемой информацией в текущем тактовом интервале:

1) Выбранные номера частот k₁ и k₂ таковы, что расстояния между ними по оси частот удовлетворяют условию ортогональности. В этом случае набор частот можно излучать, так как в этом тактовом интервале частоты не создают взаимных помех.

2) Для выбранных двух несущих частот k₁ и k₂ не выполняются условия ортогональности.

Тогда для того, чтобы в текущем тактовом интервале не создавались помехи между передаваемыми частотами при их приеме, следует из n передаваемых частот некоторые, в худшем случае их не более (n-1), сдвинуть по частоте. Так как в нашем примере n=2, то сдвигать необходимо только одну из двух частот.

Сдвиг следует произвести на столько шагов сетки частот, чтобы в результате попасть в точку сетки, для которой выполняются условия ортогональности между излучаемыми частотами.

В примере, приведенном на фиг. 2, частоты, которые следует излучить, расположенные на сетке частот с уменьшенным шагом, выделены треугольником (нижняя частота), квадратом (верхняя частота) и имеют номера k₁ и k₂=(k₁+2). Разница между этими частотами не кратна числу m, то есть - трем. Поэтому частоты на фиг. 2 с номерами k₁ и k₂=(k₁+2) не ортогональны.

Для правильного приема сигнала со сдвинутыми несущими частотами (в нашем примере - при единственной сдвинутой частоте) следует из точки передачи в точку приема передать дополнительную служебную информацию для каждой из двух несущих частот:

- о наличии сдвига первой из несущих (0 - нет сдвигов, 1 - есть сдвиг у первой из несущих)

- о наличии сдвига второй из несущих (0 - нет сдвигов, 1 - есть сдвиг у второй из несущих)

- о направлении сдвига (0 - сдвиг в сторону уменьшения частоты, 1 - сдвиг в сторону увеличения частоты)

- о величине сдвига несущей (в нашем примере - сдвиг на один или на два шага уменьшенной сетки частот).

В табл. 1 приведен набор возможных ситуаций, описывающих соотношения между выбранными в зависимости от передаваемой информации в текущем такте частотами и один из возможных наборов правил приведения выбранных частот к ортогональной сетке.

Нетрудно убедиться, что для разбираемого примера приведенные в табл. 1 варианты соотношений между частотами и их сдвиги образуют полное множество событий, появляющихся при модуляции, осуществляемой путем выбора двух частот из множества их N, причем после сдвига одной из частот по правилам, приведенным в табл. 1, пара излучаемых частот оказывается ортогональной.

В таблице 1:

K₁ и k₂ - номера первой и второй несущей частоты в одном такте среди номеров, изменяющихся от 1 до N;

- обозначение оси частот с номерами от 1 до N;

- обозначение первой несущей частоты;

- обозначение второй несущей частоты;

или - направления сдвига частот.

После рассмотрения вышеприведенного примера можно сделать некоторые общие выводы.

Для предложенного способа модуляции:

- число n одновременно излучаемых в течение такта частот выбирается из ряда целых чисел 2, 3, 4 и так далее, причем конкретный набор из n частот для каждого такта выбирается из множества их N, образующего сетку частот с уменьшенным по сравнению с сеткой, удовлетворяющей условию ортогональности, шагом;

- шаг сетки частот может быть уменьшен в m раз по сравнению с условием их ортогональности, причем m выбирается из набора целых чисел 2, 3, 4 и так далее;

- каждой паре значений n и m будет соответствовать своя таблица или несколько таблиц, аналогичных табл. 1, которые содержат наборы правил приведения передаваемых в течение такта частот к условию их ортогональности за счет вводимых для некоторых частот сдвигов;

- количество дополнительных бит служебной информации, которые необходимо передать для восстановления правильной нумерации частот на приемной стороне, оказывается разным. Оно зависит от выбранной при примененной модуляции пары чисел (n, m).

Нетрудно определить, что при двух несущих и шаге сетки частот с уменьшенным шагом, составляющим $$\frac{1}{2}$$ шага сетки частот, в которой выполняются условия ортогональности, требуется передать дополнительно не менее трех бит служебной информации.

Аналогично, при двух несущих и шаге сетки частот с уменьшенным шагом, составляющим $$\frac{1}{3}$$ шага сетки, найденной из условия ортогональности, требуется передать дополнительно четыре бита для двух несущих частот (это отражено в табл. 1), и т.д.

Если излучаемых в течение такта несущих не 2, а 4, причем шаг относительно ортогональной сетки частот уменьшается в два раза, то требуется передавать служебную информацию, объем которой должен быть не менее 12 бит.

Оценим выигрыш по полосе занимаемых частот и проигрыш по скорости передачи информации в канале связи для предложенного способа модуляции.

Очевидно, что уменьшенная полоса П_У, занимаемая частотами при использовании сетки частот с уменьшенным относительно условий ортогональности шагом, составит, по аналогии с (2)

где П_У1 - расстояние по оси частот между крайними точками сетки из N частот с уменьшенным шагом, которое с учетом (7) равно $$\frac{\Delta F}{m}\left(N-1\right)$$ ;

П_У2=П₂ - ширина полосы частот при модуляции единственной несущей, измеренная по первым нолям спектра.

Тогда уменьшенная полоса занимаемых частот П_У, при использовании сетки частот с уменьшенным относительно условий ортогональности шагом, составит

Выигрыш в полосе занимаемых частот δ_У, равный отношению П к П_У, при применении предложенного способа модуляции, равен:

Проигрыш $$\frac{V}{V_{У}}$$ по скорости передачи информации в канале связи определим из (6), учтя, что следует передать К бит дополнительной служебной информации, причем этот объем информация может быть передан только за счет исключения такого же количества бит полезной информации. Поэтому скорость передачи информации упадет и вместо (5) станет равной

Используя (5) и (11), получим величину проигрыша в скорости:

Пример

Пусть число используемых при модуляции частот N=64,

число излучаемых одновременно частот n=2,

используется модуляция несущих КАМ-16, для которой число g_Ф=4,

коэффициент сужения сетки частот относительно ортогональной m=3.

В соответствии с табл. 1 необходимо передать количество бит служебной информации K=4.

Найдем следующие величины.

Число комбинаций по 2 частоты из 64 равно

Проигрыш по скорости для модуляции с уменьшенным шагом сетки частот по сравнению с модуляцией, в которой шаг сетки частот найден из условий ортогональности, составит в соответствии с (12):

При этом уменьшение полосы занимаемых частот составит в соответствии с (10):

Интересно для величин, приведенных в примере, оценить изменение такого важного показателя эффективности модуляции, каким является коэффициент спектральной эффективности γ, равный отношению скорости передачи информации к полосе частот, занимаемой сигналом при модуляции. То есть

Для приведенного примера отношение коэффициентов спектральной эффективности сигналов, образованных на базе сетки частот с уменьшенным шагом и с ортогональным шагом, равно

Из приведенного примера видно, что применение предложенного способа сужения полосы частот при многочастотной модуляции увеличивает коэффициент спектральной эффективности модуляции.

Отметим, что за счет снижения полосы занимаемых частот при предложенном способе модуляции увеличивается отношение сигнал/шум на входе приемного устройства, а также повышается стойкость системы связи к воздействию помех. Таким образом, применение предложенной модуляции должно увеличивать достоверность передачи информации при воздействии шумов и помех.

Источники информации

1. Приходько А.С. «Особенности Downlink и Uplink технологии LTE», http://www.masters.donntu.edu.ua/2012/fkita/prihodko/library/articles/article2.htm

2. Слюсар В. «Неортогональное частотное мультиплексирование (N-OFDM) сигналов», часть 1, в журнале Технологии и Средства Связи, 2013, №5, стр. 61…65.

3. Слюсар В. «Неортогональное частотное мультиплексирование (N-OFDM) сигналов», часть 2, в журнале Технологии и Средства Связи, 2013, №6, стр. 60…65.

4. Н. Schulze, С. Lűders «Theory and Applications of OFDM и CDMA», John Wiley & Sons Ltd, 2005.

5. Рухлин C.H. «Вопросы формирования и применения OFDM сигналов в современных системах связи и телекоммуникаций», http://www.mivlgu.ru/conf/armand2013/srsa-2013/pdf/S3_10.pdf

6. Ортогональное частотное разделение со многими поднесущими (OFDM) http://systemseti.com/wimax/peredacha_signalov/4.3.html

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах подвижной радиосвязи. Достигаемый технический результат - сокращение полосы занимаемых частот при увеличении отношения сигнал-шум и увеличении устойчивости к помехам. Способ многочастотной модуляции радиосигнала характеризуется тем, что одновременно передают несколько несущих частот, номера которых в течение каждого тактового интервала выбирают из множества N, и каждую из несущих частот в течение тактового интервала дополнительно модулируют фазовой, амплитудной, либо широтной модуляцией, либо их комбинациями, создают сетку из N частот, в которой шаг сетки частот уменьшен по сравнению с шагом, необходимым для выполнения условия ортогональности, в целое число раз, номера передаваемых в течение такта несущих частот определяют для сетки частот с уменьшенным шагом, а в случае невыполнения в конкретном тактовом интервале условий ортогональности несущие при передаче сдвигают на требуемое число шагов сетки частот с уменьшенным шагом в необходимую сторону для попадания в точки сетки, в которых обеспечена ортогональность сигналов. 2 ил., 1 табл.

Способ многочастотной модуляции радиосигнала, при котором одновременно передают несколько несущих частот, номера которых в течение каждого тактового интервала выбирают из множества N, и каждую из несущих частот в течение тактового интервала дополнительно модулируют фазовой, амплитудной, либо широтной модуляцией, либо их комбинациями, отличающийся тем, что создают сетку из N частот, в которой шаг сетки частот уменьшен по сравнению с шагом, необходимым для выполнения условия ортогональности, в целое число раз, номера передаваемых в течение такта несущих частот определяют для сетки частот с уменьшенным шагом, а в случае невыполнения в конкретном тактовом интервале условий ортогональности несущие при передаче сдвигают на требуемое число шагов сетки частот с уменьшенным шагом в необходимую сторону для попадания в точки сетки, в которых обеспечена ортогональность сигналов, а в передаваемую информацию в каждом такте вводят служебную информацию, содержащую направление сдвига каждой несущей частоты в сетке частот, величину сдвига, или отсутствие такого сдвига, причем при приеме сигнала с помощью служебной информации, переданной для несущих частот, восстанавливают номера частотных позиций несущих в принятом сигнале, соответствующие номерам их в сетке с уменьшенным шагом без введенного при передаче сдвига по частоте.