СПОСОБ ЦИФРОВОЙ МОДУЛЯЦИИ Российский патент 2022 года по МПК H03M13/00 H04L27/32 

Описание патента на изобретение RU2774346C1

Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно к технике цифровой связи, и может быть использовано для передачи дискретной информации по каналам радиосвязи.

Известно достаточно много способов цифровой модуляции несущей частоты для передачи полезной информации. Наиболее эффективной в настоящее время считается многопозиционный метод цифровой модуляции (манипуляции) несущей, который существует в виде двух основных видов: фазовая PSK и квадратурно - амплитудная QAM манипуляции.

Известна также позиционно-импульсная модуляция (ПИМ) - форма модуляции сигнала, при которой N битов сообщения кодируются путем передачи одного импульса в один из возможных требуемых временных сдвигов [https:// ru.abcdef. wiki/ wiki/Pulse-position_modulation#. Как известно, при ПИМ тактовый интервал делится на М позиций, при этом каждый импульс передаваемой информации соответствует номеру двоичного кода [https://bookzooka.com/book/167-lazemye-sistemy-svyazi-uchebnoe-posobie-viktor-georgievich-nechaev/19-46-pozicionno-impulsnaya-modulyaciya.html].

Недостатком этих устройств и реализуемых в них способов кодирования является в обоих случаях ограничения по скорости передачи данных, связанные с относительно низкой плотностью цифровой модуляции несущего сигнала.

Наиболее близким по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ кодирования и передачи данных по радиоканалам, заключающийся в том, что антенный блок выполнен в виде одной антенны, имитирующей ряд виртуальных антенн, на которые блок управления направляет последовательно ряд двоичных кодов, каждый из которых имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, и направлением вращения вектора поляризации, причем количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, при этом направление вращения вектора поляризации имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», создавая общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mn, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн, m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных (см. патент РФ №2430422, МПК Н03М 13/00, опубл. 2020 г.).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение плотности манипуляции несущего сигнала и, как следствие, увеличение скорости передачи цифровой информации.

Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе цифровой модуляции, заключающемся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, связанный с блоком управления и источником информации, причем для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок управления согласно матрице соответствия направляет последовательно на антенну ряд передаваемых в течение заданного тактового интервала двоичных кодов, каждый из которых имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, в том числе виртуальных, и направлением вращения вектора поляризации, причем количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, при этом направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки, создавая общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В различных цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mn, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных, согласно изобретению тактовый интервал с помощью управляющих сигналов от блока тактирования и фрагментации делится на "М" временных интервалов равной длительности, в течение каждого из которых блок управления генерирует различное от одного до n количество импульсов, соответствующих определенным кодам из набора В=n!mn, создавая путем перестановок общее число комбинаций

BM=BM=(n!mn)M

Поставленная техническая задача решается за счет того, что при делении тактового периода на М временных интервалов в предлагаемом решении в течение тактового периода происходит передача не одного импульса в одном из временных интервалов, как в известном способе ПИМ, а передается большее число импульсов, т.е. от одного в одном из интервалов или последовательно нескольких - от двух до n - в нескольких временных интервалах также в течение каждого из тактовых периодов. Это за счет повторного применения правил комбинаторики, а именно комбинаторной конфигурации "Перестановки", позволяет существенно расширить алфавит передаваемых сообщений, а именно с объема его элементов, равного В=n!mn, до объема его элементов, равного BM=BM=(n!mn)M

В свою очередь, это позволяет повысить плотность манипуляции несущего сигнала и, как следствие, увеличить скорость передачи цифровой информации.

Способ повышения плотности цифровой модуляции поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема, поясняющая принцип предлагаемого способа цифровой модуляции, а на фиг. 2. временная диаграмма работы схемы.

На чертежах приняты следующие обозначения:

α1 … α4 - двоичные коды, имитирующие направление вращения вектора поляризации в виртуальных секторах;

С1…С4 - уникальные коды каждого из виртуальных секторов. Для примера для разных секторов показаны разные направления вращения вектора в виде «0» и «1»;

А, В, С - буквы, символизирующие различные передаваемые сообщения.

Устройство, реализующее способ, содержит антенный блок 1, в состав которого входит одна антенна, блок 2 тактирования и фрагментации, блок 3 управления, источник 4 цифровой информации.

Способ повышения плотности цифровой модуляции, заключается в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок 1, связанный с блоком 3 управления, на который воздействуют управлявшие сигналы от блока 2 тактирования и фрагментации, и источником 4 информации. Антенный блок 1 выполнен в виде одной антенны, при помощи которой может имитироваться ряд виртуальных антенн. Это достигается тем, что для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок 3 управления согласно матрице соответствия в течение заданного временного интервала направляет на антенну последовательно ряд двоичных кодов. Каждый из этих кодов имеет свой уникальный признак, связанный с определенным количеством антенн, в том числе виртуальных, а также с направлением вращения векторов поляризации. Количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, а направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки. При этом создается общее число комбинаций состояний антенного блока, т.е. количества имитируемых антенн и соответствующих направлений векторов поляризаций, доступное для передачи массива В цифровых кодов от источника 4 цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mn, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, a m- число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных.

Далее осуществляют фрагментацию тактового интервала, т.е. деление тактового интервала на равные временные интервалы, которое обеспечивается путем подачи управляющих сигналов от блока 2 тактирования и фрагментации. Созданные таким образом временные интервалы используются для передачи импульсов в количестве от одного до n. Количество импульсов, а также их временное расположение в тех или иных временных интервалах соответствуют одному из чисел в наборе

В=n!mn.

В свою очередь, появление нескольких временных интервалов, доступных для формирования кода, позволяет применить одно из правил комбинаторики, а именно правило комбинаторной конфигурации "Перестановки", что и приводит к существенному расширению алфавита передаваемых сообщений.

Предложенная в изобретении возможность использования для передачи кодов не одного, а нескольких, а именно от одного до М временных интервалов, позволяет расширить алфавит передаваемых сообщений с объема элементов алфавита В до величины объема алфавита BM:

BM=BM=(n!mn)M

Сказанное можно проиллюстрировать рядом примеров.

А) Примем число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных n=4, а число возможных состояний антенн m=3. В таком случае объем алфавита В=n!mn=4!34=1944. Если тактовый интервал поделить на М=2 временных интервалов, то получим

BM=BM=(n!mn)M=4!34=(1944)2=3 779 136.

Это соответствует объему алфавита, равному примерно 221,85.

Такой объем алфавита для современных радиотехнических систем является, вероятно, избыточным и, возможно, в настоящее время не востребован. Зато такой подход позволяет снизить количество антенн, а следовательно, количество задействованных ресурсов, таких, как фазовый сдвиг, частот, кодов, что в свою очередь, делает систему более помехоустойчивой и технологичной.

Б) Теперь вместо четырех возьмем три n=3 антенны, оставив число возможных состояний антенн m=3 и временных интервалов М=2 неизменными. Получим, что

В=n!mn=3!33=746. Тогда BM=BM=(n!mn)M=(746)3=5832.

Это соответствует объему алфавита, равного примерно 212,51.

В) Тот же самый результат получим, если, оставляя число состояний антенн m=3 неизменным, теперь вместо четырех возьмем две n=2 антенны, а количество временных интервалов примем М=3, т.е. наоборот увеличим до трех. Получим, что

В=n!mn=2!32=18. Тогда BM=BM=(n!mn)M=(18)3=5832.

Это, очевидно, также соответствует объему алфавита, равного примерно 212,51.

Следовательно, предложенное изобретение расширяет возможности разработчика в выборе средств и позволяет ему варьировать параметры системы таким образом, чтобы достичь максимального эффекта при решении конкретной технической задачи.

Способ цифровой модуляции реализуется следующим образом.

Подлежащий передаче в эфир цифровой сигнал от источника 4 цифровой информации поступает в блок 3 управления (см. фиг. 1). Блок 3 управления содержит некую базу данных, иными словами массив или матрицу соответствия, которые позволяют поступившему на блок 3 управления сигналу поставить в соответствие некий набор параметров антенного блока 1, которые и образуют некие коды, однозначно определяющие поступившую в блок 3 управления цифровую информацию от источника 4 информации, и которые в дальнейшем излучаются в эфир.

Под набором параметров понимается, во-первых, количество антенн, в том числе виртуальных, которые предполагается задействовать в данный момент для излучения цифрового сигнала, а во-вторых, направления вращения вектора поляризации электромагнитной волны.

Формирование виртуальных антенн осуществляется следующим образом. Предположим, необходимо сформировать антенный блок, состоящий, например, из четырех виртуальных антенн. Для этого вводится некий параметр αi, который имитирует направление вращения вектора поляризации, связанного с i-й антенной. Количество этих параметров и номера их индексов указывает на антенны, которые задействованы в данный момент. Так, присутствие в сигнале параметров α1, α3, α4 означает, что в передаче сигнала участвуют три антенны с условными номерами 1, 3, 4. Вращение вектора поляризации может происходить либо по часовой, либо против часовой стрелки, при этом параметр принимает, соответственно, два значения: «0» или «1». Для того, чтобы приемник мог распознать значение каждого из параметров αi, каждый из них кодируется своим уникальным кодом, иными словами ему присваивается свой код - Ci. Таким образом, параметр αi, а именно его состояния - «0» или «1» кодируются одним из известных способов. Это может быть, например, амплитудное, частотное, фазовое, кодовое или амплитудно-фазовое кодирование. В дальнейшем именно по данному коду Ci приемник определяет, какие именно антенны антенного блока, в том числе виртуальные, были задействованы, а численное значение этого параметра αi - «0» или «1» указывает направление вращение вектора поляризации.

Если в принятом сигнале на данном такте какого-то из параметров (или нескольких параметров) αi не окажется, то это означает, что данная антенна αi в передаче цифрового фрагмента в указанном временном интервале не участвовала (или не участвовали).

С блока 3 управления на антенный блок 1, таким образом, последовательно поступают один или несколько различных значений параметра αi, каждый из которых представляют собой двоичные «0» или «1», закодированные уникальными кодами, которые «привязаны» к номерам виртуальных антенн, что впоследствии и позволяет приемнику идентифицировать антенны, участвовавшие в передаче сигнала.

Если учесть, что порядок следования параметров а, при помощи блока 3 управления можно изменять в зависимости от передаваемого числа, то общее количество знаков, которые могут быть переданы - алфавит, согласно правилам комбинаторики может быть рассчитано по формуле: В=n!mn,

Рассмотрим пример для четырех антенн, когда число состояний m, в котором могут находиться антенны, в том числе виртуальные, составляет m=3.

При этом:

• первое состояние - это состояние, когда антенна не активирована;

• второе состояние - состояние, когда антенна активирована, при этом вектор поляризации вращается по часовой стрелке;

• третье состояние - состояние, когда антенна активирована, при этом вектор поляризации вращается против часовой стрелки.

Применив аппарат раздела математики "Комбинаторика" (см., например, Комбинаторика, Виленкин Н.Я., Виленкин А.Н., Виленкин П.А., 2006), не трудно показать, что в нашем случае для m=3 можно получить общее число различных комбинаций состояний антенного блока для n=4 антенн, равное В=4!34=24 81=1944. Если же принять n=5, то В=5!35=120×243=29 160. При этом следует подчеркнуть, что предлагаемая технология позволяет производить кодирование сигналов наиболее помехоустойчивыми методами, что является ее дополнительным преимуществом.

Каждый из наборов параметров, согласно принятому правилу, соотносится с цифровым кодом, который необходимо передать в эфир в данный момент. Указанное соответствие с использованием блока 3 управления, содержащего соответствующую базу данных, может быть установлено в виде таблиц, формул, матриц соответствия и т.п.

Таким образом, некое двоичное число, подлежащее передаче по радиоканалу в данный момент времени, соотносится, как с одним из возможных количеств выбранных в данный момент виртуальных антенн, так и с направлениями вращения в них векторов поляризации α1 … α4. Последние различаются при помощи одноразрядного кода: подача на антенну кода «0» означает, что вектор вращается по часовой стрелке, а кода «1» означает, что вектор вращается против часовой стрелки.

В предлагаемом способе номер виртуальной антенны, а также направления вращения вектора поляризации определяется соответствующими кодами, имитирующими как виртуальные антенны, так и направление вращения векторов поляризации. Количество кодов соответствует количеству виртуальных антенн, которые предполагается создать. В нашем примере их четыре. Все четыре кода подаются на антенну последовательно в определенном порядке. Порядок следования кодов может быть разным, он определяется блоком 3 управления и зависит от значения числа, отобранного им в базе данных или матрице соответствия для последующего излучения в эфир.

Пояснить сказанное можно следующим образом. Пусть αl, α2, α3, α4 -это коды, указывающие направления вращения векторов поляризации в 1-й…4-й виртуальных антеннах (см. таблицу).

Из таблицы следует, что в излучении сигнала участвуют все четыре антенны, причем на первой и четвертой антеннах вращение вектора поляризации происходит по часовой стрелке (код «0»), а на второй и третьей (код «1») - против.

При этом каждая из переменных αi, т.е. «0» или «1», указывающих на направление вращения вектора, кодируется своим уникальным кодом С1…С4, позволяющим однозначно «привязать» данный параметр к той или иной антенне. То есть позволяет не только отличить одну антенну, от других, но и однозначно указать на направление вращения каждого вектора поляризации.

В таблице эти коды обозначены как Ci. В дальнейшем это позволит приемнику не только определить, какие именно виртуальные антенны были задействованы для передачи информации, но также и определить последовательность излучения в эфир и поступления на приемник параметров α1 … α4, иными словами, позицию каждого из них в последовательности.

Например, если поступление кодов в последовательности C1 - С2 - С3 -С4 приемник при помощи матрицы соответствия определит, как число N1, то поступление кодов в последовательности С3 - С2 - С4 - С1 будет расшифровано приемником уже как число N2.

Подобное техническое решение позволяет для расчета объема передаваемого алфавита системы воспользоваться правилами "Комбинаторики", согласно которым общее число комбинаций определяется по формуле В=n!mn, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, a m- число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных.

За счет того, что на антенну поступает не один, а несколько кодов, в нашем примере - четыре, имитирующих, соответственно, четыре антенны, при помощи одной антенны можно имитировать произвольное число антенн, а следовательно, расширять алфавит в любых пределах. Это, в свою очередь, упрощает работу передатчика, приемника и системы радиообмена в целом.

Задача блока 2 тактирования и фрагментации заключается в задании строго фиксированного основного тактового интервала Т, а также фрагментации данного интервала на заданное число М временных интервалов, в течение которых излучается выбранных цифровой код. Именно формирование нескольких временных интервалов в рамках одного тактового интервала позволяет еще раз, уже применительно к вновь образованным элементам, а именно временным интервалам, вновь использовать правила комбинаторики. Такой прием и обеспечивает существенное расширение алфавита передаваемых сообщений. На фиг. 2 в качестве примера представлен случай, когда М=2, т.е. тактовый интервал при помощи указанного блока делится пополам.

Задача блока 3 управления заключается в том, чтобы сделать надлежащую выборку числа из данного массива (матрицы) и присвоить ему кодирующие признаки на основе параметров n, m из множества В=n!mn, образованного различными комбинациями указанных кодирующих признаков. Полученный таким образом виртуальный код подается далее на антенный блок 1, состоящий из одной антенны.

Обработка сигналов в приемном устройстве может быть реализована различными способами, хорошо известными на современном уровне развития радиотехники. В любом случае приемник должен содержать исходные коды С1…С4, при помощи которых кодируются параметры α1 … α4, и перемножая на которые входной сигнал, приемник выделяет полезную информацию.

Далее входной сигнал анализируется на наличие или отсутствие какого-либо из параметров α1 … α4 с той или иной виртуальной антенны. Кроме того, фиксируется последовательность появления их в приемнике, определяя, таким образом, позицию номера той или иной антенны во входном сигнале. На основании этих данных делается вывод о значении полученного от приемника кода. Указанный код соответствует некоторому фрагменту (числу) передаваемой цифровой информации. Это позволяет приемнику идентифицировать полученную информацию и соотнести ее с собственной матрицей, идентичной содержащейся в передатчике, и, расшифровав его таким образом, передать получателю цифровой информации об излученном сигнале. Способ позволяет обеспечить однозначное соответствие конкретного фрагмента цифровой информации и значения сформированного при помощи блока управления кода, который в дальнейшем излучается в эфир и расшифровывается в приемнике.

Кроме того, в приемном устройстве определяется в каком или каких именно из М временных интервалах происходит излучение полезного сигнала, что в данном изобретении является одним из определяющих параметров метода передачи цифровой информации и существенно расширяющие его возможности.

Таким образом, изобретение позволяет повысить плотность манипуляции несущего сигнала с объема алфавита В=n!mn до объема BM=BM=(n!mn)M и, как следствие, существенно увеличить скорость передачи цифровой информации.

Похожие патенты RU2774346C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ЦИФРОВОЙ МОДУЛЯЦИИ РАДИОСИГНАЛА 2021
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2774840C1
СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛАМ 2020
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2758348C1
СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ 2020
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2764257C1
Способ кодирования цифровой информации в радиоканале 2021
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2770420C1
СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ 2020
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2757486C1
СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАДИОСИГНАЛА 2023
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2821365C1
СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ РАДИОЧАСТОТЫ 2023
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2821367C1
СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ РАДИОСИГНАЛА 2023
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2821368C1
СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННОГО КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ 2020
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2730422C1
СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА 2023
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2822443C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 774 346 C1

Реферат патента 2022 года СПОСОБ ЦИФРОВОЙ МОДУЛЯЦИИ

Изобретение относится к системам беспроводной связи. Технический результат - повышение плотности манипуляции несущего сигнала и увеличение скорости передачи цифровой информации. Для этого способ заключается в том, что сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, причем для каждого из кодов блок управления направляет на антенну ряд передаваемых в течение заданного тактового интервала двоичных кодов. При этом каждый из них имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, в том числе виртуальных, и направлением вращения вектора поляризации. Это позволяет создать общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В различных цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mn, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн, m - число возможных состояний антенн. Причем тактовый интервал делится на М временных интервалов равной длительности, в течение каждого из которых блок управления генерирует различное от одного до n количество импульсов, соответствующих определенным кодам из набора В, создавая общее число комбинаций BM=BM=(n!mn)M. 2 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 774 346 C1

Способ цифровой модуляции, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, связанный с блоком управления и источником информации, причем для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок управления согласно матрице соответствия направляет последовательно на антенну ряд передаваемых в течение заданного тактового интервала двоичных кодов, каждый из которых имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, в том числе виртуальных, и направлением вращения вектора поляризации, причем количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, при этом направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки, создавая общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В различных цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mn, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных, отличающийся тем, что тактовый интервал с помощью управляющих сигналов от блока тактирования и фрагментации делится на М временных интервалов равной длительности, в течение каждого из которых блок управления генерирует различное от одного до n количество импульсов, соответствующих определенным кодам из набора В=n!mn, создавая путем перестановок общее число комбинаций BM=BM=(n!mn)M.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2774346C1

СПОСОБ ПРОСТРАНСТВЕННОГО КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ 2020
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2730422C1
СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ 2019
  • Мактас Борис Яковлевич
RU2704742C1
US 5973638 A1, 26.10.1999
АДАПТИВНАЯ МОДУЛЯЦИЯ И КОДИРОВАНИЕ В SC-FDMA-СИСТЕМЕ 2007
  • Айхингер Йозеф Мартин
  • Гао Янь
  • Хальфманн Рюдигер
  • Хауштайн Томас
  • Рааф Бернхард
  • Шульц Эгон
  • Цирвас Вольфганг
RU2473173C2

RU 2 774 346 C1

Авторы

Мактас Борис Яковлевич

Даты

2022-06-17Публикация

2021-10-20Подача