Способ передачи и приёма сигналов квадратурной амплитудной модуляции Российский патент 2024 года по МПК H04L27/34 H03G3/00 

Изобретение относится к способам передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции и может быть использовано в системах радиорелейной связи.

Известны несколько способов передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции - QAM сигналов, используемых в современных телекоммуникационных системах [1, 2]. Недостатком этих способов является достаточно высокий порог демодуляции. При передаче и приеме сигналов, модулированных тем или иным образом, важной характеристикой является порог демодуляции, то есть отношение мощности сигнала к мощности шума, при котором перестает выделяться несущее колебание принимаемого сигнала, что ведет к срыву приема. Порог демодуляции существенно зависит от вида модуляции, примененного на передающей стороне, и вида помехоустойчивого кодирования.

Наиболее эффективным видом помехоустойчивого кодирования, позволяющим с потерями всего в 0,8-1,5 дБ достигать предельных скоростей передачи информации, определяемых формулой Шеннона, является LDPC кодирование (Low Density Parity Check Codes - коды с проверкой на четность низкой плотности). Препятствием для реализации характеристик кодирования являются слишком высокие пороги демодуляции в существующих демодуляторах, определяемые способностью демодулятора выделять несущее колебание.

Сигнал несущей может быть восстановлен непосредственно из принимаемого информационного сигнала. Большинство современных систем связи работают с подавлением несущего колебания, которое не содержит полезную информацию, и поэтому ФАПЧ не может восстановить несущее колебание на приемном конце линии связи. Для синхронизации несущего колебания необходимо устранить модуляцию, восстановив тем самым его составляющую в спектре принятого сигнала. Сделать это можно путем возведения входного сигнала в степень (схема А.А. Пистолькорса).

Для большинства видов модуляции (амплитудные, фазовые, амплитудно-фазовые) система восстановления несущей непосредственно из информационного сигнала может быть построена на схеме Костаса.

На сегодня среди известных способов восстановления несущей частоты наиболее широко используется способ фазовой автоматической подстройки частоты [3], реализованный в фазоквадратурном кольце ФАПЧ - системе Костаса.

Как известно, фазовые ошибки слежения за фазой несущей этого способа ФАПЧ и способа ФАПЧ с возведением входного сигнала в степень описываются одинаковыми стохастическими уравнениями [3, стр.103]. Поэтому при прочих равных условиях дисперсии фазовых ошибок слежения за фазой несущей, как этого способа ФАПЧ, так и способа ФАПЧ с возведением входного сигнала в степень будут одного уровня.

Наличие чистого опорного сигнала очень важно для повышения помехоустойчивости синхронного демодулятора. Очевидно, что случайные флуктуации фазы опорного сигнала приводят к значительной деградации правильного приема: при обычном соотношении сигнал/шум 12 дБ случайные фазовые ошибки всего лишь в диапазоне 6 градусов ухудшают достоверность приема почти на порядок [4, раздел 7.7.1].

Показано [5, стр.305], что для многопозиционных фазомодулированных сигналов аппаратурная реализация также приводит к схеме Костаса.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ по патенту РФ 2794314, H04L 27/34, принятый за прототип.

В способе-прототипе передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции на передающей стороне формируют гармонический сигнал и разветвляют его по двум каналам. Сигнал первого канала модулируют, преобразуют при помощи первого повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р_С в горизонтальной поляризации, а немодулированный гармонический сигнал второго канала преобразуют при помощи второго повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р_с/n в вертикальной поляризации, при этом на входы первого и второго повышающих смесителей подается сигнал гетеродина от общего гетеродина передатчика. Использование общего сигнала гетеродина обеспечивает когерентность сигналов, передаваемых по двум каналам.

На приемной стороне модулированный сигнал первого канала принимают в горизонтальной поляризации, преобразуют при помощи первого понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В_с, а немодулированный гармонический сигнал второго канала принимают в вертикальной поляризации, преобразуют при помощи второго понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В_нес, равной В_с/m и используют его для синхронной демодуляции модулированного сигнала первого канала, при этом на входы первого и второго понижающих смесителей подается сигнал гетеродина от общего гетеродина приемника. Использование общего сигнала гетеродина обеспечивает когерентность сигналов, принимаемых по двум каналам.

При выделении несущей из принимаемого сигнала обрабатывают сигнал с полосой ∆F_с. При этом неизбежно получают и шумы в этой же полосе. Поэтому чистота (соотношение сигнал/шум) выделенной несущей будет ограничена этими шумами.

При передаче несущей в способе-прототипе несущая выделяется фильтром с полосой ∆F_нес, много меньшей ∆F_с. Поэтому соотношение сигнал/шум для несущей будет много больше соотношения сигнал/шум для принимаемого сигнала.

Однако способ-прототип обладает недостаточной устойчивостью к быстрым замираниям принимаемого сигнала.

Сигналы с квадратурной амплитудной модуляцией имеют большой пик-фактор, система автоматической регулировки усиления (АРУ) в приемниках таких сигналов имеет большую постоянную времени, чтобы система АРУ не выравнивала амплитуду принимаемого сигнала, что приводит к искажению принимаемого сигнала. Поэтому при быстрых замираниях уровня принимаемого сигнала система АРУ на них не реагирует.

Задача предлагаемого технического решения - уменьшение влияния быстрых замираний уровня принимаемого сигнала на работу приемника.

Для решения поставленной задачи в способе передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции:

На передающей стороне формируют гармонический сигнал и разветвляют его по двум каналам; сигнал первого канала модулируют, преобразуют при помощи первого повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р_с в горизонтальной поляризации, а немодулированный гармонический сигнал второго канала преобразуют при помощи второго повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р_с /n в вертикальной поляризации, при этом на входы первого и второго повышающих смесителей подается сигнал гетеродина от общего гетеродина передатчика;

На приемной стороне модулированный сигнал первого канала принимают в горизонтальной поляризации, преобразуют при помощи первого понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В_с, а немодулированный гармонический сигнал второго канала принимают в вертикальной поляризации, преобразуют при помощи второго понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В_нес, равной В_с /m и используют его для синхронной демодуляции модулированного сигнала первого канала, при этом на входы первого и второго понижающих смесителей подается сигнал гетеродина от общего гетеродина приемника, а величину числа m выбирают больше величины числа n, согласно изобретению, на приемной стороне модулированный сигнал первого канала перед фильтрацией в полосе В_с усиливают при помощи первого регулируемого усилителя, а немодулированный гармонический сигнал второго канала после фильтрации в полосе В_нес, равной В_с /m, усиливают при помощи второго регулируемого усилителя, охваченного петлей быстрой автоматической регулировки усиления, работающей по критерию мгновенного уровня немодулированного гармонического сигнала, при этом сигнал петли быстрой автоматической регулировки усиления, управляющий коэффициентом передачи второго регулируемого усилителя, используют для регулирования коэффициента передачи первого регулируемого усилителя.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

На приемной стороне модулированный сигнал первого канала после фильтрации в полосе Вс усиливают при помощи первого регулируемого усилителя без автоматической регулировки усиления первого канала, а немодулированный гармонический сигнал второго канала после фильтрации в полосе В_нес, равной Вс /m, усиливают при помощи второго регулируемого усилителя, охваченного петлей быстрой автоматической регулировки усиления, работающей по критерию мгновенного уровня немодулированного гармонического сигнала, при этом сигнал петли быстрой автоматической регулировки усиления, управляющий коэффициентом передачи второго регулируемого усилителя, используют для регулирования коэффициента передачи первого регулируемого усилителя.

При быстрых замираниях петля быстрой автоматической регулировки усиления второго канала с немодулированным гармоническим сигналом увеличивает усиление второго регулируемого усилителя, компенсируя таким образом замирание принимаемого сигнала. Поскольку сигнал петли быстрой автоматической регулировки усиления, управляющий коэффициентом передачи второго регулируемого усилителя, используют для регулирования коэффициента передачи первого регулируемого усилителя, усиление первого регулируемого усилителя также будет увеличено. В результате влияние быстрых замираний на модулированный сигнал первого канала будет скомпенсировано. Следует отметить, что при появлении медленных замираний, они будут также скомпенсированы аналогичным способом.

Технический результат состоит в уменьшении влияния быстрых замираний уровня принимаемого сигнала на работу приемника.

Структурная схема устройства, предназначенного для реализации предлагаемого способа, приведена на фиг.1, где обозначено:

На передающей стороне:

1 - генератор гармонического сигнала (Г);

2 - разветвитель (Р);

3 - квадратурный модулятор (КвМ);

4, 11 - первый и второй повышающие смесители (См);

5, 12 - первый и второй усилители мощности (УМ);

6, 13 - первый и второй полосовые фильтры передатчика (ПФ);

7, 14 - первый и второй циркуляторы передатчика;

8 - гетеродин передатчика (Гет);

9 - передающая антенна с двойной поляризацией;

10 - усилитель (Ус);

На приемной стороне:

15, 24 - первый и второй циркуляторы приемника;

16, 25 - первый и второй малошумящие усилители (МШУ);

17, 26 - первый и второй понижающие смесители (См);

18, 28 - первый и второй регулируемые усилители (РУ);

19, 29 - первый и второй усилители промежуточной частоты (УПЧ);

20 - полосовой фильтр опорного сигнала (ПФ);

21 - квадратурный демодулятор (КвД);

22 - приемная антенна с двойной поляризацией;

23 - гетеродин приемника;

27 - полосовой фильтр модулированного сигнала;

30 - фазовращатель (ФВ);

31 - фильтр нижних частот (ФНЧ);

32 - усилитель постоянного тока (УПТ);

33 - логарифмический детектор/контроллер (Лд-К).

Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из передающей и приемной сторон.

Передающая сторона (фиг.1а) содержит генератор гармонического сигнала 1, выход которого через последовательно соединенные разветвитель 2, квадратурный модулятор 3, первый повышающий смеситель 4, первый усилитель мощности 5 и первый полосовой фильтр 6 соединен с входом первого циркулятора передатчика 7, выход которого соединен с первым входом передающей антенны с двойной поляризацией 9. Кроме того, второй выход разветвителя 2 через последовательно соединенные усилитель 10, второй повышающий смеситель 11, второй усилитель мощности 12 и второй полосовой фильтр передатчика 13 соединен с входом второго циркулятора передатчика 14, выход которого соединен со вторым входом передающей антенны с двойной поляризацией 9. При этом выход гетеродина передатчика 8 соединен со вторыми входами первого 4 и второго 11 повышающих смесителей. Квадратурный модулятор 3 имеет два входа для модулирующих сигналов I и Q.

Приемная сторона (фиг.1б) содержит приемную антенну с двойной поляризацией 22, первый выход которой соединен с входом первого циркулятора приемника 15, выход которого через последовательно соединенные первый малошумящий усилитель 16, первый понижающий смеситель 17, первый регулируемый усилитель 18, первый усилитель промежуточной частоты 19 и полосовой фильтр модулированного сигнала 20 соединен с первым входом квадратурного демодулятора 21. Второй выход приемной антенны с двойной поляризацией 22 соединен с входом второго циркулятора приемника 24, выход которого через последовательно соединенные второй малошумящий усилитель 25, второй понижающий смеситель 26, полосовой фильтр опорного сигнала 27, второй регулируемый усилитель 28, второй усилитель промежуточной частоты 29 и фазовращатель 30 соединен со вторым входом квадратурного демодулятора 21, выходы которого являются выходами демодулированных сигналов I и Q соответственно. Выход второго усилителя промежуточной частоты 29 через последовательно соединенные логарифмический детектор/контроллер 33, усилитель постоянного тока 32 и фильтр нижних частот 31 подключен к управляющим входам первого 18 и второго 28 регулируемых усилителей. Выход гетеродина приемника 23 соединен со вторыми входами первого 17 и второго 26 понижающих смесителей. Второй вход логарифмического детектора/контроллера 33 является входом для опорного напряжения U_ОП. При этом последовательно соединенные второй регулируемый усилитель 28, второй усилитель промежуточной частоты 29, логарифмический детектор/контроллер 33, усилитель постоянного тока 32 и фильтр нижних частот 31 образуют петлю АРУ.

Устройство работает следующим образом.

На передающей стороне генератор 1 вырабатывает гармонический сигнал, который разделяется разветвителем 2 на два канала. Сигнал первого канала модулируется сигналами I и Q в квадратурном IQ модуляторе 3 и поступает далее на вход первого повышающего смесителя 4, на гетеродинный вход которого поступает сигнал гетеродина передатчика 8. Выходной сигнал смесителя 4 усиливается усилителем мощности 5, фильтруется полосовым фильтром 6 и через циркулятор 7 поступает на первый вход передающей антенны с двойной поляризацией 9, которая излучает сигнал первого канала в эфир в горизонтальной поляризации.

Сигнал второго канала усиливается усилителем 10 и поступает далее на вход второго повышающего смесителя 11, на гетеродинный вход которого поступает сигнал гетеродина передатчика 8, общего для первого и второго каналов. Выходной сигнал смесителя 11 усиливается усилителем мощности 12, фильтруется полосовым фильтром 13 и через циркулятор 14 поступает на второй вход передающей антенны с двойной поляризацией 9, которая излучает сигнал второго канала в эфир в вертикальной поляризации.

Использование общего сигнала гетеродина обеспечивает когерентность сигналов, принимаемых по двум каналам.

На приемной стороне приемная антенна с двойной поляризацией 22 принимает сигнал с горизонтальной поляризацией первого канала. Принятый сигнал через циркулятор 15 и малошумящий усилитель 16 поступает на вход понижающего смесителя 17, на гетеродинный вход которого поступает сигнал гетеродина приемника 23. Выходной сигнал смесителя 17 усиливается регулируемым усилителем 18, а также усилителем промежуточной частоты 19 и через полосовой фильтр модулированного сигнала 20 поступает на вход квадратурного IQ демодулятора 21.

Приемная антенна с двойной поляризацией 22 принимает сигнал с вертикальной поляризацией второго канала. Принятый сигнал через циркулятор 24 и малошумящий усилитель 25 поступает на вход понижающего смесителя 26, на гетеродинный вход которого поступает сигнал гетеродина приемника 23, общего для первого и второго каналов. Выходной сигнал смесителя 26 фильтруется узкополосным полосовым фильтром опорного сигнала 27, усиливается регулируемым усилителем 28, а также усилителем промежуточной частоты 29 и поступает на вход фазовращателя 30, выходной сигнал которого поступает на вход опорного сигнала квадратурного IQ демодулятора 21. На выходе демодулятора 21 выделяются демодулированные сигналы I и Q. Сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты 29 поступает также на вход логарифмического детектора/контроллера 33, затем усиливается в УПТ 32, фильтруется ФНЧ 31 и поступает на управляющий вход регулируемого усилителя 28, а также на управляющий вход регулируемого усилителя 18.

Петля аналоговой АРУ, состоящая из регулируемого усилителя 28, УПЧ 29, логарифмического детектора/контроллера 33, УПТ 32 и ФНЧ 31 поддерживает уровень выходного сигнала УПЧ 29 неизменным. Напряжение U_оп, подаваемое на опорный вход логарифмического детектора/контроллера 33, задает уровень выходного сигнала петли АРУ, который поддерживается постоянным.

Выходной сигнал ФНЧ 31, регулирующий коэффициент передачи регулируемого усилителя 28, поступает также и на управляющий вход регулируемого усилителя 18, регулируя его коэффициент передачи и поддерживая постоянным (в том числе в случае быстрых замираний входного сигнала приемника) сигнал на входе квадратурного демодулятора 21.

Использование общего сигнала гетеродина обеспечивает когерентность сигналов, принимаемых по двум каналам.

Источники информации

1. Патент RU 2641448 С1. Способ передачи и приема сигналов КАМ (квадратурной амплитудной модуляции). Опубл. 17.01.2018, Бюл. №2.

2. Патент RU 2738091 С1. Способ квадратурной амплитудно-фазовой модуляции. Опубл. 08.12.2020, Бюл. №34.

3. В. Линдсей. Системы синхронизации в связи и управлении. М.: Сов. радио, 1978. - 600 с.

4. Галкин В.А. Цифровая мобильная радиосвязь. М.: Горячая линия - Телеком, 2012. - 592 с.

5. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.

6. Патент RU 2794314 С1. Способ передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции. Опубл. 14.04.2023, Бюл. №11.

Изобретение относится к способам передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции и может быть использовано в системах радиорелейной связи. Техническим результатом изобретения является уменьшение влияния быстрых замираний уровня принимаемого сигнала на работу приёмника. В способе передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции на приемной стороне модулированный сигнал первого канала перед фильтрацией в полосе В_с усиливают при помощи первого регулируемого усилителя, а немодулированный гармонический сигнал второго канала после фильтрации в полосе В_нес, равной В_с/m, усиливают при помощи второго регулируемого усилителя, охваченного петлёй быстрой автоматической регулировки усиления, работающей по критерию мгновенного уровня немодулированного гармонического сигнала. Сигнал петли быстрой автоматической регулировки усиления, управляющий коэффициентом передачи второго регулируемого усилителя, используют для регулирования коэффициента передачи первого регулируемого усилителя. 2 ил.

Способ передачи и приема сигналов квадратурной амплитудной модуляции, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют гармонический сигнал и разветвляют его по двум каналам; сигнал первого канала модулируют, преобразуют при помощи первого повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р_с в горизонтальной поляризации, а немодулированный гармонический сигнал второго канала преобразуют при помощи второго повышающего смесителя на частоту излучения и излучают с мощностью Р_с/n в вертикальной поляризации, при этом на входы первого и второго повышающих смесителей подается сигнал гетеродина от общего гетеродина передатчика;

на приемной стороне модулированный сигнал первого канала принимают в горизонтальной поляризации, преобразуют при помощи первого понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В_с, а немодулированный гармонический сигнал второго канала принимают в вертикальной поляризации, преобразуют при помощи второго понижающего смесителя на промежуточную частоту, подвергают полосовой фильтрации в полосе В_нес, равной В_с/m, и используют его для синхронной демодуляции модулированного сигнала первого канала, при этом на входы первого и второго понижающих смесителей подается сигнал гетеродина от общего гетеродина приемника, а величину числа m выбирают больше величины числа n, отличающийся тем, что на приемной стороне модулированный сигнал первого канала перед фильтрацией в полосе В_с усиливают при помощи первого регулируемого усилителя, а немодулированный гармонический сигнал второго канала после фильтрации в полосе В_нес, равной В_с/m, усиливают при помощи второго регулируемого усилителя, охваченного петлей быстрой автоматической регулировки усиления, работающей по критерию мгновенного уровня немодулированного гармонического сигнала, при этом сигнал петли быстрой автоматической регулировки усиления, управляющий коэффициентом передачи второго регулируемого усилителя, используют для регулирования коэффициента передачи первого регулируемого усилителя.