СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2024 года по МПК H04L27/20 H03M13/00 

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

Известно достаточно много способов физического кодирования цифровой информации. Наиболее эффективной в настоящее время считается многопозиционная манипуляция несущей, которая существует в виде двух основных видов: фазовая PSK и квадратурно-амплитудная QAM. При этом используется и излучается в эфир одна несущая частота.

Устройства, реализующие данные способы описаны в ряде источников, в частности, см. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Digital Communications: Fundamentals and Applications. -2 изд. - M: «Вильяме», 2007. - с. 1104. - ISBN 0-13-084788-7.

Недостатком этих устройств и реализуемых в них способов кодирования является ограничения по скорости передачи данных, связанные со сложностью приема сигналов, подвергнутых многопозиционной манипуляции при достаточно больших значениях параметра m.

Наиболее близким по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ пространственного кодирования и передачи цифровой информации, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, на который поступает соответственно одна из n частот от синтезатора частот, которые модулируются независимо друг от друга, а затем суммируются в суммирующем устройстве. Этот суммарный по всем частотам сигнал и является выходным сигналом устройства, поступающим на антенну, обеспечивая число В=2ⁿ комбинаций сигналов, излучаемых в эфир, где n - число частот синтезатора (см. патент РФ №2757486, МПК Н03М 13/00, опубл.2021 г.).

Недостатком известного способа является относительно сложная схема передатчика и, соответственно, приемника, поскольку при больших значениях алфавита передаваемых сообщений увеличивается позиционность модуляции за счет большого количества значений амплитуд и начальных фаз кодируемых сигналов, а это, в свою очередь, влечет за собой и существенное снижение помехоустойчивости сигнала, которая зависит не только от отношения сигнал/шум, но и от конфигурации используемого «созвездия».

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение помехоустойчивости системы, расширение алфавита сообщений и упрощение схемы модуляции радиосигналов.

Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе модуляции высокочастотных сигналов, заключающемся в том, что цифровые сигналы излучают с помощью передатчика в виде радиоволн через n параллельных выходных каскадов, на каждый из которых от синтезатора частот поступает одна из n частот для излучения в эфир сообщений из множества В цифровых сообщений через антенный блок, содержащий n антенн, и каждый из которых подключен к источнику цифровой информации, согласно изобретению передатчик дополнительно снабжают коммутируемым источником напряжений и устройством для задания значений начальных фаз излучаемых сигналов, выходной регистр источника цифровой информации условно разбивают на ряд последовательно соединенных между собой К n-разрядных блоков, напряжением с выхода которых в заданном порядке управляют коммутируемым источником напряжений, обеспечивая К! комбинаций выходных напряжений, причем информация с упомянутых блоков поступает на антенный блок, каждый выходной каскад которого излучает сигналы на заданной частоте, поступающей на них с коммутатора частот, соединенного с синтезатором частот, при этом задают одинаковые начальные фазы всех частот с помощью устройства для задания одной из Р начальных фаз сигналов, каждый блок К_i содержит число разрядов, определяемых как К_i=N/n, где N - разрядность выходного регистра, a n - число частот синтезатора, совпадающее с числом разрядов каждого из К_i блоков, а также с числом n выходных каскадов передатчика, каждый К_i n-разрядный блок имеет собственную амплитуду выходных импульсов, все одноименные разряды каждого К_i блока соединены между собой, обеспечивая суммирование выходных сигналов каждого из разрядов на одной из частот, а также соединены с каждым из n выходных блоков передатчика, причем каждую из n частот, поступающую с коммутатора частот, подают в заданном порядке на разные выходные каскады антенного блока, обеспечивая n! комбинаций частот, при этом множество В сигналов рассчитывается как

где m - возможное число амплитуд, получаемых в каждом из n выходных каскадов в результате сложения сигналов одноименных разрядов каждого К_i блока на любой из n частот.

В изобретении в качестве информационного параметра используется только амплитуды сигналов, а именно всего (2^к - 1) значений амплитуд. Применение Р различных начальных фаз излучаемых сигналов в Р раз увеличивает алфавит передаваемых сообщений. Точный количественный контроль начальных фаз сигналов для предлагаемого вида модуляции не требуется, что, очевидно, ведет к упрощению схемы модулятора. Малый диапазон изменения амплитуд излучаемого сигнала повышает помехоустойчивость радиообмена.

Способ модуляции радиосигнала для передачи цифровой информации поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема амплитудно-частотного модулятора - модулятора), поясняющая принцип амплитудно-частотного модуляции - модуляции) с использованием несущих частот, количество которых для примера принято равным 5, а именно, f1 … f5.

На чертеже приняты следующие обозначения:

К1, К2, К3 - блоки, на которые условно разбивается выходной регистр передающего устройства;

4В, 2В, 1В - значения амплитуд выходных сигналов с каждого из блоков К1,К2, К3;

1¹, 2¹, 3¹, 4¹ - порядковые номера разрядов в каждом из блоков выходного регистра передающего устройства;

F1, f2, f3, f4 - частоты, поступающие на выходные каскады передатчика от синтезатора частот.

Способ модуляции радиосигнала предполагает, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через несколько выходных каскадов антенного блока, на каждый из которых от синтезатора поступают частоты для излучения в эфир через антенный блок сообщений из некоего множества В цифровых сообщений. При этом антенный блок содержит n антенн. Каждый из выходных каскадов подключен к источнику цифровой информации, точнее, к его выходному регистру.

Выходной регистр источника, содержащий цифровую информацию, подлежащую излучению в эфир, условно разбивают на ряд последовательно соединенных между собой n-разрядных блоков, например, К1, К2, К3. Затем информация поступает на антенный блок передатчика, который имеет n параллельно включенных выходных каскадов, каждый из которых излучает сигналы на заданной, согласно некоторому алгоритму, частоте. Количество блоков, определяется по формуле К=N/n, где N - разрядность выходного регистра, а n - число частот синтезатора, совпадающее с числом разрядов каждого К_i n-разрядного блока, а также с числом n выходных каскадов передатчика.

Все разряды l¹ … 4¹ каждого К_i блока имеют амплитуду выходных импульсов, значение которой управляется при помощи коммутируемого источника напряжений, а все одноименные разряды каждого К_i блока соединяются между собой. Таким образом обеспечивается суммирование выходных сигналов каждого из разрядов на одной из частот, на которой, согласно заданному алгоритму, излучает в данный момент каждый К_i n-разрядный блок. Коммутация амплитуд выходных напряжений каждого К_i блока при помощи коммутируемого источника напряжений увеличивает объем алфавита сообщений в К! раз. Кроме того, благодаря тому, что каждый К_i блок может излучать сигналы на любой из четырех частот f1 … f4, множество сигналов В, которое формируется таким образом определяется по формуле где m - возможное число амплитуд, которые образуются в каждом из n выходных каскадов в результате сложения сигналов одноименных разрядов каждого К_i блока на любой из n частот.

Введение в схему Устройства для задания начальных фаз позволяет задать одну из Р начальных фаз излучаемых сигналов. Это позволяет в Р раз увеличить алфавит передаваемых сообщений. В этом случае множество В сигналов формируется как В нашем примере принято четыре различные фазы.

Способ реализуется устройством, в состав которого входит выходной регистр 1 передающего устройства, содержащий, например, 12 - разрядное двоичное число, и условно разделенный, например, на три самостоятельных блока К1, К2, К3, каждый из которых имеет амплитуду выходных сигналов 4В, 3В, 1В, соответственно. В состав устройства входят также, антенный блок 2 с выходными каскадами, содержащими четыре параллельных канала, коммутатор 3 частот и синтезатор 4 частот, генерирующий четыре различных частоты, коммутируемый источник 5 напряжений, а также устройство 6 для задания одной из, например, четырех различных начальных фаз.

Способ модулирования радиосигнала заключается в том, что цифровые сигналы с каждого из поразрядно объединенных К блоков суммируются в выходных каскадах, что позволяет для каждого числа, подлежащего передаче, получить уникальный код, и в дальнейшем излучаются на частотах, номера которых задаются, согласно принятому алгоритму, коммутатором 3 частот. В каждом конкретном случае все частоты, на которых излучаются сигналы, имеют одну из Р начальных фаз.

Устройство реализует способ следующим образом.

При поступлении цифровой информации в выходной регистр 1 первые 32 бита записываются в любой из разрядов l¹ … 4¹ первого блока К1, имеющего соответствующую амплитуду выходных импульсов, например, 4В. Числа с большим число битов могут записываться последовательно во второй блок К2, а затем и в третий блок К3, которые имеют амплитуды выходных импульсов, отличные от амплитуды первого выходного блока, а также друг от друга, например, 2В и 1В, соответственно.

Амплитуда каждого поступившего с того или иного разряда l¹ … 4¹ выходного регистра того или иного блока К_i "автоматически" суммируется с амплитудой одноименного бита одного или двух других блоков. Это позволяет для каждого числа из множества В (алфавита) передаваемых сообщений создать уникальный код, соответствующий передаваемому числу.

Таким образом, каждый из четырех разрядов l¹ … 4¹ каждого из блоков К1, К2, К3 может быть связан с любой из четырех f1 … f4 частот, номера которых на момент излучения сигнала задаются, согласно принятому алгоритму, коммутатором 3 частот. Кроме того, поступающие с коммутируемого источника 5 напряжений выходные амплитуды каждого К_i блока также, согласно заданному алгоритму, могут принимать любое из трех значений, к примеру, 1B, 2В, 4В.

Согласно правилам комбинаторики (см., например, Комбинаторика, Виленкин Н.Я., Виленкин А.Н., Виленкин П.А., 2006) при количестве выходных каскадов n антенного блока и количестве амплитуд в каждом из них т, и с учетом возможности "переставлять" частоты в выходных каскадах, а также "перестановки" значения амплитуд выходных импульсов, можно составить множество В=P*K!n!mⁿ различных комбинаций выходных сигналов. Реально освоенные современные технологии позволяют использовать плотность модуляции 2¹⁰=1024 (алфавит сообщений), используя для этого десятки градаций амплитуд и фаз, что существенно снижает помехоустойчивость системы.

В нашем случае рассмотрен пример, когда используется четыре частоты f1 … f4 и три значения амплитуд разрядных сигналов выходного регистра передатчика: 1В, 2В, и 4В. В этом случае возможное число суммарных амплитуд на выходе каждого из каналов равно восьми: 0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7.

Следовательно, в нашем случае число возможных комбинаций (алфавит сообщений) Это значит, что предлагаемая схема позволяет передать за один такт любое из 2^26,5 значений кода, что существенно больше, чем позволяют современные технологии.

Таким образом, в предлагаемом способе используемое количество амплитуд всего 7=2³ - 1. Кроме того, несмотря на то, что в различных сеансах начальные фазы сигналов могут быть разными, тем не менее в рамках одного сеанса все сигналы "синхронно" имеют одинаковые начальные фазы, что существенно упрощает схемы модулятора и соответствующего демодулятора сигналов.

При помощи предложенной cxeмы, используя четыре частоты, 7 амплитуд и не используя начальную фазу сигнала в качестве информационного параметра, можно значительно, а именно, в 2^26,5/2¹⁰=2^16,5 раз расширить алфавит передаваемых сообщений, т.е. передать любое из двоичных чисел 2^26,5.

В то же время кратное снижение количества амплитуд передаваемого сигнала, а также исключение его начальной фазы, как информационного параметра, позволяет существенно повысить помехоустойчивость радиообмена и при этом упростить схему модуляции радиосигнала.

Таким образом, изобретение позволяет повысить помехоустойчивость системы, расширить алфавит передаваемых сообщений, а также упростить схемы модуляции и демодуляции радиосигнала.

Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно к технике цифровой связи, и может быть использовано для передачи дискретной информации по радиоканалам связи. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости системы, расширение алфавита сообщений и упрощение схемы модуляции радиосигналов. Способ модуляции высокочастотных сигналов заключается в том, что цифровые сигналы излучают с помощью передатчика через n параллельных выходных каскадов, на каждый из которых от синтезатора частот поступает одна из n частот для излучения сообщений из множества В цифровых сообщений. Излучение происходит через антенный блок, содержащий n антенн, каждый из которых подключен к источнику цифровой информации. Передатчик имеет коммутируемый источник напряжений и устройство для задания значений начальных фаз излучаемых сигналов. Выходной регистр источника цифровой информации условно разбивают на последовательно соединенные между собой К n-разрядных блоков, а напряжением с их выхода в заданном порядке управляют коммутируемым источником напряжений, обеспечивая К! комбинаций выходных напряжений. Информация с упомянутых блоков поступает на антенный блок, каскады которого излучают сигналы на заданной частоте, поступающей на них с коммутатора. Коммутатор соединен с синтезатором частот. Одинаковые начальные фазы всех частот задают с помощью устройства для задания одной из Р начальных фаз сигналов. Каждый из блоков К_i содержит число разрядов, определяемых как К_i=N/n, где N - разрядность выходного регистра, a n - число частот синтезатора. Каждый К_i n-разрядный блок имеет собственную амплитуду выходных импульсов, а одноименные разряды каждого К_i блока соединены между собой, обеспечивая суммирование выходных сигналов каждого из разрядов на одной из частот. Одноименные разряды каждого К_i блока также соединены с каждым из n выходных блоков передатчика. Множество В сигналов рассчитывается как где m - возможное число амплитуд, получаемых в каждом из n выходных каскадов в результате сложения сигналов одноименных разрядов каждого К_i блока на любой из n частот. 1 ил.

Способ модуляции высокочастотных сигналов, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают с помощью передатчика в виде радиоволн через n параллельных выходных каскадов, на каждый из которых от синтезатора частот поступает одна из n частот для излучения в эфир сообщений из множества В цифровых сообщений через антенный блок, содержащий n антенн, и каждый из которых подключен к источнику цифровой информации, отличающийся тем, что передатчик дополнительно снабжают коммутируемым источником напряжений и устройством для задания значений начальных фаз излучаемых сигналов, выходной регистр источника цифровой информации условно разбивают на ряд последовательно соединенных между собой К n-разрядных блоков, напряжением с выхода которых в заданном порядке управляют коммутируемым источником напряжений, обеспечивая К! комбинаций выходных напряжений, причем информация с упомянутых блоков поступает на антенный блок, каждый выходной каскад которого излучает сигналы на заданной частоте, поступающей на них с коммутатора частот, соединенного с синтезатором частот, при этом задают одинаковые начальные фазы всех частот с помощью устройства для задания одной из Р начальных фаз сигналов, каждый блок К_i содержит число разрядов, определяемых как К_i=N/n, где N - разрядность выходного регистра, а n - число частот синтезатора, совпадающее с числом разрядов каждого из К_i блоков, а также с числом n выходных каскадов передатчика, каждый К_i n-разрядный блок имеет собственную амплитуду выходных импульсов, все одноименные разряды каждого К_i блока соединены между собой, обеспечивая суммирование выходных сигналов каждого из разрядов на одной из частот, а также соединены с каждым из n выходных блоков передатчика, причем каждую из n частот, поступающую с коммутатора частот, подают в заданном порядке на разные выходные каскады антенного блока, обеспечивая n! комбинаций частот, при этом множество В сигналов рассчитывается как

где m - возможное число амплитуд, получаемых в каждом из n выходных каскадов в результате сложения сигналов одноименных разрядов каждого К_i блока на любой из n частот.