СПОСОБ ОДНОКРАТНОЙ ФАЗОРАЗНОСТНОЙ МОДУЛЯЦИИ Российский патент 2023 года по МПК H04L27/18 

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах передачи данных фазоманипулированными сигналами.

В некоторых системах, например спутниковых, помимо требований к уровню внеполосных спектральных составляющих сигнала существуют требования к постоянству их огибающих. В таких системах находит применение четырехфазная (квадратурная) фазовая манипуляция со сдвигом (ФМС, OQPSK), достоинством которой является отсутствие в модулированном сигнале скачков фазы на 180 градусов [1, стр. 151]. При фильтрации сигнала, с целью подавления внеполосных спектральных составляющих, возникает легкий спад огибающий в области переходов фазы на ±90 градусов. При дальнейшем ограничении в нелинейном усилителе мощности передатчика или спутниковом ретрансляторе огибающая восстанавливается, а спектральные составляющие не усиливаются [2, стр. 580].

При двоичной дифференциальной фазовой манипуляции (DBPSK), называемой также однократной фазоразностной модуляцией [3], начальные фазы соседних посылок сигнала совпадают или отличаются на 180 градусов. Наличие скачков фазы величиной 180 градусов приводит к тому, что при фильтрации сигналов возникает глубокая амплитудная модуляция, вплоть до обращения огибающей в нуль. Если в дальнейшем сигнал проходит через нелинейный усилитель мощности передатчика или спутниковый ретранслятор восстанавливается огибающая, а вместе с ней и подавленные спектральные составляющие [2, стр. 580].

Целью изобретения является разработка способа однократной фазоразностной модуляции при котором у модулированного сигнала отсутствуют скачки фазы на 180 градусов, а помехоустойчивость приема сигналов не ухудшается. Достигаемый результат - возможность использования в спутниковых системах и системах с нелинейным усилителем мощности передатчика.

Наиболее близким по количеству совпадающих признаков к заявляемому способу является фазоразностная модуляция второго порядка, представляющая собой способ формирования фазоманипулированного сигнала, при котором информация вкладывается в значение разностей второго порядка начальной фазы посылок сигнала [3, стр. 41; 4].

Математическое представление фазоманипулированного сигнала имеет вид:

где T - длительность посылок сигнала,

- начальная фаза n-ой посылки.

Разность второго порядка начальной фазы посылок сигнала [3, стр. 41]

При фазоразностной модуляции второго порядка величине присваивается значение, определяемое передаваемым символом информации и принадлежащее множеству, соответствующему кратности модуляции.

В случае однократной модуляции может принимать только два значения. Для обеспечения наибольшей помехоустойчивости выбирают 0 градусов и 180 градусов. В этом случае начальные фазы посылок принимают два значения, отличающихся на 180 градусов, и последовательность можно представить в виде

,

где - двоичная последовательность нулей и единиц.

Разность второго порядка преобразуется к виду:

поэтому с точностью до

.

Если передаваемая двоичная информация представляет собой последовательность , то

,

следовательно

.

Таким образом, однократную фазоразностную модуляцию второго порядка можно описать как способ формирования фазоманипулированного сигнала, заключающийся в том, что последовательность передаваемых двоичных данных преобразовывают в последовательность, у которой сумма по модулю два элементов, отстающих друг от друга на один элемент, равна передаваемому данному, а преобразованной последовательностью манипулируют по фазе на 180 градусов сигнал несущей частоты.

Недостатком способа-прототипа является наличие скачков фазы величиной 180 градусов.

Для решения поставленной в изобретении задачи в способе однократной фазоразностной модуляции, заключающемся в том, что последовательность передаваемых двоичных данных преобразовывают в последовательность, у которой сумма по модулю два элементов, отстоящих друг от друга на один элемент, равна передаваемому данному, а преобразованной последовательностью манипулируют по фаз на 180 градусов сигнал несущей частоты, согласно изобретению формируют второй сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе относительно первого на 90 градусов, элементы преобразованной последовательности инвертируют через один и полученной последовательностью манипулируют по фазе на 180 градусов второй сигнал несущей частоты, а также суммируют оба фазоманипулированных сигнала.

Способ однократной фазоразностной модуляции заключается в последовательном выполнении следующих операций.

- Последовательность передаваемых двоичных данных преобразовывают в последовательность , у которой сумма по модулю два элементов, отстоящих друг от друга на один элемент равна передаваемому данному, то есть . При этом первые два элемента последовательности - произвольные нули или единицы, а остальные элементы преобразованной последовательности могут быть вычислены по рекуррентной формуле .

- Элементы преобразованной последовательности инвертируют через один (каждый второй), формируя последовательность такую, что

(1)

- Формируют два сигнала несущей, сдвинутые между собой по фазе на 90 градусов: и

- Один из сигналов несущей частоты манипулируют по фазе на 180 градусов последовательностью , а второй - последовательностью .

- Суммируют оба фазоманипулированных сигнала.

Таким образом, формируемый сигнал на интервале времени

имеет вид:

,

где T - длительность одной посылки.

В результате преобразований сигнал можно привести к виду:

,

где определяется из условия

.

Методом перебора двоичных значений и можно доказать тождество

.

где - сумма по модулю два.

Введем обозначение , тогда

, (2)

причем с учетом (1)

,

то есть, последовательность представляет собой последовательность чередующихся нулей и единиц.

Разность начальных фаз (2) двух соседних посылок равна

.

Так как разность равна 1 или 1, разность с точностью до может принимать только два значения и . Таким образом, у модулированного сигнала отсутствуют скачки фазы на 180 градусов.

Рассмотрим методы приема данных, передаваемых с помощью рассматриваемого способа модуляции. Разность начальных фаз (2) посылок, отстоящих друг от друга на одну посылку, равна

Так как , то при и одинаковы и разность фаз равна нулю. При и различны, поэтому разность фаз равна. Следовательно и данные могут быть приняты путем сравнения начальных фаз посылок, отстоящих друг от друга на одну посылку.

Заметим, что при однократной фазоразностной модуляции первого порядка прием данных осуществляется путем сравнения начальных фаз соседних посылок. Следовательно, для приема данных, передаваемых заявляемым способом, могут использоваться аналогичные алгоритмы и схемы демодуляторов [3, стр. 36, рис.1.8, 1.9]. Отличие состоит в том, что задержка сигнала в соответствующих блоках увеличивается в два раза (вместо T - 2T). При этом помехоустойчивость алгоритмов демодуляции не изменяется.

Известно, [3, стр. 42], что фазоразностная модуляция второго порядка позволяет принимать данные в условиях значительной расстройки несущей частоты сигнала. Это объясняется тем, что разность второго порядка начальной фазы посылок сигнала инвариантна к несущей частоте [3, стр. 43].

Таким же свойством обладают сигналы, формируемые заявляемым способом. Действительно, если отклонение несущей частоты от номинального значения равно , то:

поэтому с точностью до

Следовательно, разность второго порядка начальной фазы посылок сигнала не зависит от величины отклонения несущей частоты сигнала. Прием инвертированных данных возможен с использованием автокорреляционных демодуляторов сигналов с однократной фазоразностной модуляцией второго порядка [3, стр. 215, рис.5.16, 5.17].

Рассмотрим ещё одно свойство сигналов, формируемых заявляемым способом. С учетом (2), квадрат сигнала равен

Таким образом, квадрат сигнала содержит переменную составляющую, представляющую собой гармоническое колебание удвоенной несущей частоты, манипулированное по фазе последовательностью чередующихся нулей и единиц. Этот сигнал не зависит от передаваемых данных, поэтому его использование в схеме символьной синхронизации может повысить эффективность (точность, помехоустойчивость и т.п.) работы схемы.

Пример технической реализации фазоразностного модулятора, соответствующего заявляемому способу, приведен на фиг.1.

Модулятор содержит:

1, 5 - сумматор по модулю два;

2, 3, 4 - D-триггер;

6,7 - преобразователь уровня;

8, 10 - перемножитель;

9 - фазовращатель;

11 - сумматор.

Модулятор работает следующим образом. Передаваемые двоичные данные поступают на один из входов сумматора по модулю два 1, а тактовые импульсы (ТИ), к фронтам которых они привязаны, поступают на тактовые входы D-триггеров 2, 3, 4. Выходной сигнал сумматора по модулю два 1 задерживается в D-триггерах 2, 4 на два периода тактовой частоты и поступает на его второй вход. Если последовательность двоичных импульсов на выходе сумматора по модулю два 1 обозначить как , то последовательность на выходе D-триггера 2 будет иметь вид , а на выходе D-триггера 4 . Так как в сумматоре по модулю два 1 суммируются последовательности и , то , то есть

, что соответствует правилу преобразования последовательности передаваемых данных в заявляемом способе.

D-триггер 3 работает в режиме делителя на два и на его выходе формируется меандр, период которого равен двум периодам тактовой частоты. На один вход сумматора по модулю два 5 подается меандр с выхода D-триггер 3, а на второй вход-последовательность с выхода сумматора по модулю два 1.

В сумматоре по модулю два 5 инвертируется каждый второй элемент последовательности Выходные сигналы сумматоров по модулю два 1 и 5 приводятся к биполярному виду в преобразователях уровня 6 и 7 и подаются на входы перемножителей 8 и 10. На второй вход перемножителя 8 подается сигнал несущей частоты, а на второй вход перемножителя 10 - сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на 90 градусов в фазовращателе 9.

На выходе перемножителя 8 формируется сигнал несущей частоты, манипулированный по фазе на 180 градусов преобразованной последовательностью передаваемых двоичных данных На выходе перемножителя 10 формируется сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе на 90 градусов и манипулированный по фазе на 180 градусов последовательностью , у которой проинвертирован каждый второй элемент.

В сумматоре 11 происходит суммирование фазоманипулированных сигналов с выходов перемножителей 8 и 10.

ИСТОЧНИКИ ИНФОМАЦИИ

Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации / А.Г. Зюко, А.И. Фалько, И.П. Панфилов, В.Л. Банкет, П.В. Иващенко; Под ред. А.Г. Зюко. - М.: Радио и связь, 1985. - 272 с., ил.

Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. - 1104 с.

Окунев Ю.Б. Цифровая передача информации фазоманипулированными сигналами. - М.: Радио и связь, 1991. - 296 с.

Авторское свидетельство СССР 177450. Способ передачи дискретных сообщений с относительной фазовой манипуляцией. Опубликовано 18.12.1965. Бюл. №1.

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах передачи данных фазоманипулированными сигналами. Техническим результатом изобретения является отсутствие скачков фазы на 180 градусов у модулированного сигнала при сохранении помехоустойчивости приема сигналов. Способ однократной фазоразностной модуляции состоит в том, что передаваемую последовательность двоичных данных преобразовывают в последовательность, у которой сумма по модулю два элементов, отстающих друг от друга на один элемент, равна передаваемому данному. Преобразованной последовательностью манипулируют по фазе сигнал несущей частоты. Элементы преобразованной последовательности инвертируют через один и манипулируют по фазе второй сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе относительно первого на девяносто градусов. Суммируют два фазоманипулированных сигнала. 1 ил.

Способ однократной фазоразностной модуляции, заключающийся в том, что последовательность передаваемых двоичных данных преобразовывают в последовательность, у которой сумма по модулю два элементов, отстающих друг от друга на один элемент, равна передаваемому данному, а преобразованной последовательностью манипулируют по фазе на 180 градусов сигнал несущей частоты, отличающийся тем, что формируют второй сигнал несущей частоты, сдвинутый по фазе относительно первого на 90 градусов, элементы преобразованной последовательности инвертируют через один и полученной последовательностью манипулируют по фазе на 180 градусов второй сигнал несущей частоты, а также суммируют оба фазоманипулированных сигнала.