Устройство формирования оптимальных спектрально-эффективных сигналов с фазовой модуляцией Российский патент 2025 года по МПК H04B1/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области техники связи, в частности может быть использовано в системах передачи данных по радиоканалу для формирования ограниченных по спектру сигналов с фазовой модуляцией и постоянным уровнем амплитуды сигналов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Современное направление развития систем передачи данных связано с появлением новых требований по увеличению объёмов передаваемой информации. При этом важным параметром является полоса занимаемых частот из-за того, что доступный частотный диапазон ограничен. При этом дополнительно следует учитывать уровень внеполосных излучений по соображениям снижения взаимного влияния различных систем передачи данных. Следующим важным параметром является уровень пик-фактора излучаемых колебаний, который определяется как отношение максимальной мгновенной мощности излучаемых колебаний к средней мощности. Снижение значения пик-фактора позволяет повысить коэффициент полезного действия усилителей мощности, что приводит к увеличению дальности действия системы в целом.

Одним из вариантов решения указанных проблем, в том числе увеличения объёмов передаваемой информации, является использование квадратурных сигналов. Увеличение длительности применяемых сигналов в каждой квадратурной составляющей используется для дополнительного уменьшения полосы занимаемых частот, увеличенная символьная скорость применяется для максимизации спектральной эффективности, то есть отношения скорости передачи к значению полосы занимаемых частот. Оптимальные спектрально-эффективные сигналы, полученные путём решения оптимизационной задачи с ограничениями (например, на помехоустойчивость приёма, полосу занимаемых частот, пик-фактор излучаемых колебаний), характеризуются сглаженной формой применяемых сигналов, причём может применяться увеличенная длительность сигналов и увеличенная символьная скорость [Макаров С.Б., Завьялов С.В., Овсянникова А.С. Оптимизация формы сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией с использованием критерия заданной скорости спада уровня внеполосных излучений // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25. № 4. С. 6-22]. Таким образом контролируются основные характеристики результирующих сигналов. Применение таких сигналов оказывается более эффективным по сравнению с известными [Makarov S.B., Ovsyannikova A.S., Zavjalov S.V., Lavrenyuk I.I., Liu M., Xue W., Qi J. Optimizing the shape of faster-than-nyquist (ftn) signals with the constraint on energy concentration in the occupied frequency bandwidth // IEEE Access. 2020. Т. 8. С. 130082-130093].

Также применение двух квадратурных составляющих позволяет применять более совершенные схемы модуляций, тем самым добиваясь контроля уровня внеполосных излучений и уровня пик-фактора излучаемых колебаний. Таким образом, увеличение объемов передаваемой информации в отведенной полосе частот при контролируемом уровне внеполосных излучений и пик-фактора излучаемых колебаний является актуальной задачей.

Близким является патент «Формирователь квадратурных гармонических сигналов» [RU 2553434 C1]. Устройство позволяет формировать квадратурные гармонические сигналы с осуществлением синхронизации выходных сигналов с фазой входного сигнала, амплитуда и частота которого могут изменяться в широких пределах. Однако невозможность использования различных форм сглаженных огибающих сигналов является недостатком и ограничивающим фактором использования устройства при формировании сигналов современных широкополосных систем с фазовой модуляцией.

Однако дальнейшее увеличение требований к скорости передачи требует перехода к квадратурному методу формирования сигналов. Использование только одной квадратурной составляющей является недостатком и ограничивающим фактором использования устройства-прототипа при формировании современных сигналов с фазовой модуляцией высокоскоростной передачи данных.

В качестве прототипа выбран «Устройство формирования спектрально-эффективных сигналов» [RU 2468525 C1]. Устройство позволяет формировать произвольный импульсный отклик и дважды повторить операцию свертки входного сигнала импульсного отклика согласованного фильтра. Выполнение этой операции приводит к сглаживанию формы входного сигнала и, как следствие, во-первых, к увеличению скорости спада внеполосных излучений и, во-вторых, к уменьшению полосы занимаемых частот. Устройство содержит блок дискретизации, четыре электронных ключа, сумматор, многоотводную линию задержки, генератор тактовых импульсов, формирователь управляющих импульсов, взвешивающие элементы, элемент задержки, инвертор и фильтр нижних частот.

Блок дискретизации через последовательно соединенные с ним первый электронный ключ и первый вход сумматора подключен к входу многоотводной линии задержки. Генератор тактовых импульсов соединен одновременно с блоком дискретизации, с входом формирователя управляющих импульсов, элементом задержки и с многоотводной линией задержки. Формирователь управляющих импульсов одновременно соединен с первым электронным ключом через последовательно подключенный второй электронный ключ со вторым входом сумматора, третьим электронным ключом и через инвертор с входом четвертого электронного ключа. Выход многоотводной линии задержки через последовательно соединенные третий электронный ключ и элемент задержки подключен ко второму электронному ключу и, одновременно, через четвертый электронный ключ подключен к фильтру нижних частот, выход которого является выходом устройства формирования спектрально эффективных сигналов. Третий электронный ключ, элемент задержки и второй электронный ключ формируют обратную связь с выхода дискретно-аналогового нерекурсивного фильтра, состоящего из многоотводной линии задержки и взвешивающих элементов через сумматор на его вход. Дискретно-аналоговый нерекурсивный фильтр работает как согласованный фильтр.

Недостатком прототипа является использование одной квадратурной составляющей при формировании сигналов, особенно при формировании сигналов современных широкополосных систем с фазовой модуляцией, что не позволяет достичь передачи большого объема информации.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение арсенала средств, предназначенных для формирования спектрально-эффективных сигналов; недостаточно большой объем передаваемой информации в отведенной полосе частот при контролируемом уровне внеполосных излучений и пик-фактора излучаемых колебаний при использовании сигналов с фазовой модуляцией.

Устройство формирования оптимальных спектрально-эффективных сигналов, включающее блок дискретизации, последовательно соединенный с ним первый сумматор, многоотводную линию задержки, генератор тактовых импульсов, соединенный одновременно с блоком дискретизации, с многоотводной линией задержки и с первым элементом задержки, первые взвешивающие элементы и первый фильтр нижних частот, формирователь управляющих импульсов и четыре электронных ключа;

при этом с целью увеличения объемов передаваемой информации в отведенной полосе частот при контролируемом уровне внеполосных излучений и пик-фактора излучаемых колебаний при использовании сигналов с фазовой модуляцией устройство дополнительно содержит вторые взвешивающие элементы, второй фильтр нижних частот, второй элемент задержки и три электронных ключа;

при этом генератор тактовых импульсов, соединён со вторым элементом задержки, вторые взвешивающие элементы и второй фильтр нижних частот, при этом формирователь управляющих импульсов одновременно соединен через последовательно подключенный седьмой электронный ключ со вторым входом первого сумматора, с шестым электронным ключом и через инвертор - с входом пятого электронного ключа, а вход формирователя управляющих импульсов соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход многоотводной линии задержки через последовательно соединенные шестой электронный ключ и второй элемент задержки подключен ко седьмому электронному ключу и одновременно через пятый электронный ключ подключен ко второму фильтру нижних частот;

при этом выход первого фильтра нижних частот подключён к первому входу первого перемножителя, ко второму входу которого подключён генератор несущего колебания, выход второго фильтра нижних частот подключён к первому входу второго перемножителя, ко второму входу которого подключён генератор несущего колебания через фазовращатель, выходы первого и второго перемножителя подключены ко второму сумматору, на выходе которого формируется оптимальный спектрально-эффективный сигнал.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в реализации назначения устройства формирования спектрально-эффективных сигналов и в увеличении объемов передаваемой информации в отведенной полосе частот при контролируемом уровне внеполосных излучений и пик-фактора излучаемых колебаний при использовании сигналов с фазовой модуляцией за счет того, что создается вторая квадратурная составляющая, а сигналы двух квадратурных составляющих, полученные с первого и второго формирователей квадратурных составляющих имеют увеличенную длительность и сглаженную форму.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На прилагаемом к описанию изображении (фигура) представлена структурная схема устройства формирования спектрально-эффективных сигналов с фазовой модуляцией, содержащая компоненты:

1 – блок дискретизации

2 – первый электронный ключ

3 – первый сумматор

4 – многоотводная линия задержки

5 – генератор тактовых импульсов

6 – формирователь управляющих импульсов

7 – первые взвешивающие элементы

8 – второй электронный ключ

9 – первый элемент задержки

10 – третий электронный ключ

11 – инвертор

12 – четвертый электронный ключ

13 – первый фильтр нижних частот

14 – вторые взвешивающие элементы

15 – пятый электронный ключ

16 – второй фильтр нижних частот

17 – первый перемножитель

18 – второй перемножитель

19 – генератор несущего колебания

20 – фазовращатель

21 – второй сумматор

22 – шестой электронный ключ

23 – второй элемент задержки

24 – седьмой электронный ключ

25 – первый нерекурсивный фильтр

26 – обратная связь для выхода первого нерекурсивного фильтра

27 – второй нерекурсивный фильтр

28 – обратная связь для выхода второго нерекурсивного фильтра

29 – вторая квадратурная составляющая

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для решения задачи увеличения объемов передаваемой информации в отведенной полосе частот при контролируемом уровне внеполосных излучений и пик-фактора излучаемых колебаний при использовании сигналов с фазовой модуляцией предложено устройство формирования оптимальных спектрально-эффективных сигналов с фазовой модуляцией, которое дополнительно содержит формирователь второй квадратурной составляющей, генератор несущего колебания, фазовращатель, перемножители сигналов квадратурных составляющих, второй сумматор и три электронных ключа.

Устройство формирования спектрально-эффективных сигналов с фазовой модуляцией (фигура) содержит блок дискретизации 1, первый электронный ключ 2, первый сумматор 3, многоотводную линию задержки 4, генератор тактовых импульсов 5, формирователь управляющих импульсов 6, первые взвешивающие элементы 7, второй электронный ключ 8, первый элемент задержки 9, третий электронный ключ 10, инвертор 11, четвертый электронный ключ 12, первый фильтр нижних частот 13, вторые взвешивающие элементы 14, пятый электронный ключ 15, второй фильтр нижних частот 16, первый перемножитель 17, второй перемножитель 18, генератор несущего колебания 19, фазовращатель 20, второй сумматор 21, шестой электронный ключ 22, второй элемент задержки 23, седьмой электронный ключ 24. Формирователь первой квадратурной составляющей образован за счёт первого нерекурсивного фильтра 25, обратной связи для выхода первого нерекурсивного фильтра 26, четвертого электронного ключа 12, первого фильтра нижних частот 13, второго перемножителя 18. Формирователь 29 второй квадратурной составляющей образован за счёт второго нерекурсивного фильтра 27, обратной связи для выхода второго нерекурсивного фильтра 28, пятого электронного ключа 15, второго фильтра нижних частот 16, первого перемножителя 17. Первый нерекурсивный фильтр 25 образован за счёт многоотводной линии задержки 4 и первых взвешивающих элементов 7. Второй нерекурсивный фильтр 27 образован за счёт многоотводной линии задержки 4 и вторых взвешивающих элементов 14.

Устройство может выполнено на основе SDR-платформы NI USPR 2920.

Устройство работает следующим образом. Информация передаётся путём смены фазы и амплитуды видеоимпульсов длительностью Т. Входная информационная последовательность символов, состоящая из прямоугольных видеоимпульсов различной полярности и амплитуды, поступает на вход блока дискретизации 1. На второй вход данного блока дискретизации 1 поступают тактовые импульсы длительностью τ<<Т с периодом следования Т_н. В результате на выходе блока дискретизации 1 формируется последовательность импульсов длительностью τ, амплитуда каждого определяется фазой и амплитудой входного импульса на входе устройства формирования сигналов. Длительность данной последовательности импульсов равна Т. Последовательность импульсов проходит через первый электронный ключ 2 на первый сумматор 3. В первый момент времени сигналы на втором и третьем входах первого сумматора 3 отсутствуют. В таком случае сигнал проходит далее без изменений и поступает на вход двух нерекурсивных фильтров 25 и 27, которые состоят из многоотводной линии задержки 4, состоящей из М элементов 4-1…4-M, и взвешивающих элементов 7 и 14, состоящих из М элементов 7-1…7-M и 14-1…14-M. Причём для взвешивающих элементов 7 информация для последующей обработки берётся из фазы сигнала, для взвешивающих элементов 14 информация для последующей обработки берётся из амплитуды сигнала. С помощью взвешивающих элементов 7 и 14 будут сформированы итоговые импульсные отклики нерекурсивных фильтров 25 и 27 для двух квадратурных составляющих.

Использование для задания импульсных откликов сглаженных форм огибающих, таких как «полуволна синуса» или огибающих, полученных как решение соответствующей оптимизационной задачи синтеза формы огибающих по критерию фиксированной скорости спада внеполосных излучений при дополнительных ограничениях на помехоустойчивость приёма и пик-фактор излучаемых колебаний, и двух квадратурных составляющих позволяет добиваться решения задачи увеличения объемов передаваемой информации в отведенной полосе частот при контролируемом уровне внеполосных излучений и пик-фактора излучаемых колебаний. На выходе нерекурсивных фильтров 25 и 27 формируется сигнал, форма которого будет определяться используемой формой огибающей и длительность которого равна 2Т. Данные сигналы поступают на пятый 15 и шестой 22 электронный ключ в одной квадратурной составляющей и на третий 10 и четвертый 12 электронный ключ во второй квадратурной составляющей. Данные сигналы на выходе четвертого 12 и пятого 15 электронных ключей уже могут быть использованы для формирования спектрально-эффективного выходного сигнала с помощью несущего колебания.

Результирующий сигнал может быть передан через цепи обратной связи 26 и 28 на первый сумматор 3. Цепи обратной связи 26 и 28 формируются блоками третьего электронного ключа 10, первого элемента задержки 9, второго электронного ключа 8 и блоками шестого электронного ключа 22, второго элемента задержки 23, седьмого электронного ключа 24 соответственно. Логика работы блока первого сумматора 3 разделяется для двух квадратурных составляющих. Для первой квадратурной составляющей складываются фазовые составляющие сигнала, для второй квадратурной составляющей складываются амплитудные составляющие сигнала. В результате согласованной фильтрации (с выхода нерекурсивных фильтров 25 и 27) сигнал будет иметь длительность 3Т в каждой квадратурной составляющей, а результат с выхода первого сумматора 3 будет определяться свёрткой и импульсным откликом нерекурсивных фильтров 25 и 27. Применение обратной связи может выполняться сколь угодно много раз. В итоге результирующий сигнал длительностью LT (L>=2) поступает через открытые четвертый 12 и пятый 15 электронные ключи на первый 13 и второй 16 фильтры нижних частот. На выходе сформированы сигналы двух квадратурных составляющих, имеющие увеличенную длительность и скругление формы огибающих. Увеличение длительности сигналов используется для дополнительного контроля полосы занимаемых частот, так как полоса занимаемых частот обратно пропорциональна длительности применяемых сигналов в каждой квадратурной составляющей. Далее выполняется перемножение сигналов с помощью блоков первого 17 и второго 18 перемножителя. На вторые входы первого и второго перемножителей 17 и 18 заведены сигналы генератора несущего колебания 19 напрямую и через фазовращатель 20 для различных квадратурных составляющих. В результате сформированы сигналы в квадратурных составляющих на несущей частоте. Итоговое сложение сигналов производится в блоке второго сумматора 21, причём одна квадратурная составляющая имеет дополнительный сдвиг по времени на LT/2. Тем самым становится возможно контролировать пик-фактор излучаемых колебаний (при использовании соответствующих сглаженных огибающих).

Примеры реализации устройства формирования оптимальных спектрально-эффективных сигналов представлены в таблице:

Пример реализации Используемые
элементы Реализуемые блоки 1 AD7683BRMZRL7 1 – блок дискретизации zynq SM-K26-XCL2GC 3 – первый сумматор
5 – генератор тактовых импульсов
6 –формирователь управляющих импульсов
2 – первый электронный ключ
8 – второй электронный ключ
9 – первый элемент задержки
23 – второй элемент задержки
24 – седьмой электронный ключ
11 – инвертор
10 – третий электронный ключ
22 – шестой электронный ключ
12 – четвертый электронный ключ
15 – пятый электронный ключ ПЛИС EP1C6F256C7N 4 – многоотводная линия задержки
7 – первые взвешивающие элементы
14 – вторые взвешивающие элементы SXLP-10+ первый фильтр нижних частот SXLP-10+ второй фильтр нижних частот SIM-43H+ первый перемножитель SIM-43H+ второй перемножитель LM2572 генератор несущего колебания MAPS-010164 фазовращатель SIM-10+ второй сумматор

Пример реализации Используемые
элементы Реализуемые блоки 2 AD7683BRMZRL7 1 – блок дискретизации ПЛИС EP1C6F256C7N 3 – первый сумматор
5 – генератор тактовых импульсов
6 – формирователь управляющих импульсов
2 – первый электронный ключ
8 – второй электронный ключ
9 – первый элемент задержки
23 – второй элемент задержки
24 – седьмой электронный ключ
11 – инвертор
10 – третий электронный ключ
22 – шестой электронный ключ
12 – четвертый электронный ключ
15 – пятый электронный ключ
4 – многоотводная линия задержки
7 – первые взвешивающие элементы
14 – вторые взвешивающие элементы SXLP-10+ первый фильтр нижних частот SXLP-10+ второй фильтр нижних частот SIM-43H+ первый перемножитель SIM-43H+ второй перемножитель LM2572 генератор несущего колебания MAPS-010164 фазовращатель SIM-10+ второй сумматор

Согласно примерам реализации изобретения 1 и 2, на ПЛИС EP1C6F256C7N должна быть прошивка, реализующая алгоритм определения фазы сигнала. Рекомендуемое количество взвешивающих элементов равно 11, их значения равны: 0.2503, 0.2523, 0.2497, 0.2518, 0.1695, 0.0205, – 0.0094, 0.0046, – 0.0028, 0.0017, – 0.0012. Данные параметры обеспечат минимальные энергетические потери по помехоустойчивости приёма, контролируемый уровень пик-фактора излучаемых колебаний и скорость спада уровня внеполосных излучений.

Пример реализации Используемые
элементы Реализуемые блоки 3 программно на базе ЭВМ 3 – первый сумматор
5 – генератор тактовых импульсов
6 – формирователь управляющих импульсов
2 – первый электронный ключ
8 – второй электронный ключ
9 – первый элемент задержки
23 – второй элемент задержки
24 – седьмой электронный ключ
11 – инвертор
10 – третий электронный ключ
22 – шестой электронный ключ
12 – четвертый электронный ключ
15 – пятый электронный ключ
4 – многоотводная линия задержки
7 – первые взвешивающие элементы
14 – вторые взвешивающие элементы SDR-платформы NI USRP 2920 13 – первый фильтр нижних частот
16 – второй фильтр нижних частот
17 – первый перемножитель
18 – второй перемножитель
19 – генератор несущего колебания
20 – фазовращатель
21 – второй сумматор

Согласно примеру 3, реализация изобретения осуществляется программно при использовании SDR-платформы NI USRP 2920. Рекомендуемое количество взвешивающих элементов равно 11, их значения равны: 0.2503, 0.2523, 0.2497, 0.2518, 0.1695, 0.0205, – 0.0094, 0.0046, – 0.0028, 0.0017, – 0.0012. Данные параметры обеспечат минимальные энергетические потери по помехоустойчивости приёма, контролируемый уровень пик-фактора излучаемых колебаний и скорость спада уровня внеполосных излучений.

Изобретение относится к области техники связи, в частности может быть использовано в системах передачи данных по радиоканалу для формирования ограниченных по спектру сигналов с фазовой модуляцией и постоянным уровнем амплитуды сигналов. Технический результат изобретения заключается в увеличении объема передаваемой информации в отведенной полосе частот при контролируемом уровне внеполосных излучений и пик-фактора излучаемых колебаний при использовании сигналов с фазовой модуляцией. Такой результат обеспечивается за счет того, что в устройстве формирования оптимальных спектрально-эффективных сигналов с фазовой модуляцией создается первая квадратурная составляющая, для образования которой складываются фазовые составляющие сигнала, и вторая квадратурная составляющая, для образования которой складываются амплитудные составляющие сигнала, при этом сигналы двух квадратурных составляющих, полученные с первого и второго формирователей квадратурных составляющих, имеют увеличенную длительность и сглаженную форму. 1 ил., 1 табл.

Устройство формирования оптимальных спектрально-эффективных сигналов, включающее блок дискретизации, последовательно соединенный с ним первый сумматор, первый выход которого подключен ко входу многоотводной линии задержки, генератор тактовых импульсов, соединенный одновременно с блоком дискретизации, с многоотводной линией задержки и с первым элементом задержки, первые взвешивающие элементы и первый фильтр нижних частот, формирователь управляющих импульсов и четыре электронных ключа, при этом первый электронный ключ установлен между блоком дискретизации и первым входом первого сумматора, формирователь управляющих импульсов одновременно соединен с первым электронным ключом, через последовательно подключенный второй электронный ключ со вторым входом первого сумматора, с третьим электронным ключом и через инвертор - с входом четвертого электронного ключа, а вход формирователя соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выходы многоотводной линии задержки соединены с первыми взвешивающими элементами, выходы которых через последовательно соединенные третий электронный ключ и первый элемент задержки подключены ко второму электронному ключу и одновременно через четвертый электронный ключ подключен к первому фильтру нижних частот, отличающееся тем, что устройство формирования спектрально-эффективных сигналов дополнительно содержит вторые взвешивающие элементы, второй фильтр нижних частот, второй элемент задержки и три электронных ключа, при этом формирователь управляющих импульсов одновременно соединен через последовательно подключенный седьмой электронный ключ с третьим входом первого сумматора, с шестым электронным ключом и через инвертор – с входом пятого электронного ключа, а вход формирователя управляющих импульсов соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выходы многоотводной линии задержки соединены со вторыми взвешивающими элементами, выходы которых через последовательно соединенные шестой электронный ключ и второй элемент задержки подключены к седьмому электронному ключу и одновременно через пятый электронный ключ подключены ко второму фильтру нижних частот, при этом выход первого фильтра нижних частот подключен к первому входу второго перемножителя, ко второму входу которого подключен генератор несущего колебания через фазовращатель, выход второго фильтра нижних частот подключен к первому входу первого перемножителя, ко второму входу которого подключен генератор несущего колебания, выходы первого и второго перемножителя подключены ко второму сумматору, на выходе которого формируется оптимальный спектрально-эффективный сигнал.