СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОПОЗИЦИОННЫХ СИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ МАНИПУЛЯЦИИ Российский патент 2025 года по МПК H04B1/66 

Изобретение относится к области телекоммуникаций и может быть использовано, в частности, для повышения скорости передачи информации при применении сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией или многопозиционной фазовой манипуляцией.

При передаче дискретной информации в системах телекоммуникаций используются различные способы формирования сигналов, в том числе многопозиционных, к которым относятся сигналы с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ) или с многопозиционной фазовой манипуляцией (МФМ) (Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000. - 800 с. [1]).

Сигнал с многопозиционной квадратурной амплитудной модуляцией на тактовом интервале, равном длительности канального символа , несущего информацию о k= информационных битах, может принимать одно из М возможных значений:

(1)

где - средняя амплитуда сигнала ( - энергия канального символа, средняя по всем информационным комбинациям; - средняя энергия, приходящаяся на один бит информации), I_i и Q_i - коэффициенты, определяющие амплитуды квадратурных компонент сигнала; ω₀ - несущая частота.

Примеры сигнальных созвездий сигналов КАМ представлены на фиг. 1. На них отмечены сигнальные точки, соответствующие передаваемым канальным символам, и пунктиром изображены границы областей принятия решения.

Сигнал с многопозиционной фазовой манипуляцией на тактовом интервале принимает одно из М возможных значений:

(2)

где - информационная фаза; - амплитуда сигнала; - энергия канального символа, несущего информацию о информационных битах; - энергия, приходящаяся на один бит информации.

Сигнальные созвездия МФМ изображены на фиг. 2.

Сигнальные точки и соответствующие им канальные символы расположены в соответствии с кодированием Грея, все точки сигнальных созвездий лежат в одной сигнальной плоскости.

Недостатком известных решений формирования многопозиционных сигналов является снижение помехоустойчивости системы телекоммуникации при увеличении позиционности М в связи с уменьшением евклидова расстояния между сигнальными точками при условии сохранения одной и той же средней энергии сигнала. Этот недостаток может быть существенно снижен за счет применения нового способа формирования многопозиционных сигналов с дополнением сигнальных созвездий за счет использования поляризационной манипуляции (Костин М.С., Ярлыков А.Д. Электродинамика, радиоволновые процессы и технологии / М.С. Костин, А.Д. Ярлыков. - М.; Вологда: Инфра-Инженерия, 2021. - 316 с. [2]), который является предметом настоящего изобретения.

Известны способы увеличения позиционности многопозиционных сигналов для повышения скорости передачи дискретной информации, например, использование способа OFDM (англ. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) (Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Шлома А.М., Шумов А.П. Технология OFDM. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2015. - 360 с. [3]) или использование многомерных сигналов (Путилин А.Н., Шаптала В.С. Помехоустойчивость трехмерной симплекс решетки // Техника средств связи. 2021. № 1(153). С. 27-34 [4]).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ OFDM - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, который выбран в качестве прототипа. При OFDM используется мультиплексирование близко расположенных ортогональных поднесущих частот (N-подканалов), на каждой из которых формируется свое сигнальное созвездие квадратурной амплитудной модуляции (фиг. 1) или многопозиционной фазовой манипуляции (фиг. 2), совокупность которых представляет собой единый сигнал. Недостатком такого способа является то, что использование N-подканалов существенно расширяет спектр передаваемого сигнала и, кроме того, для передачи OFDM-сигнала на N-подканалов постоянно затрачивается электрическая мощность, а расширение динамического диапазона такого сигнала с увеличением N-подканалов требует высокого отношения пиковой и средней мощности.

Сущность изобретения заключается в том, что при формировании многопозиционных сигналов вместо ортогональных поднесущих частот в качестве параметра, образующего дополнительные сигнальные созвездия и формирующего объемное (трехмерное) сигнальное созвездие, предлагается использовать угол ориентации линейно поляризованной электромагнитной волны (ЛПВ), т.е. поляризационную манипуляцию. При этом т.к. дополнительные сигнальные созвездия формируются с помощью поворота плоскости поляризации на одной несущей частоте, существенного расширения спектра не будет, а излучение мощности сигнала с определенным углом поворота плоскости поляризации происходит только в моменты выбора сигнальных точек из соответствующего созвездия.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются фиг. 3-5, где на фиг. 3 представлено объемное (трехмерное) сигнальное созвездие квадратурной амплитудной модуляции с поляризационной манипуляцией (КАМ-ПМ), где D₁ - евклидово расстояние между сигнальными точками в созвездии КАМ, а D₂ - евклидово расстояние между сигнальными точками, определяемое шагом угла ориентации ЛПВ θ;

на фиг. 4 представлено объемное (трехмерное) сигнальное созвездие на основе многопозиционной фазовой манипуляции с поляризационной манипуляцией (МФМ-ПМ), где D₁ - евклидово расстояние между сигнальными точками в созвездии МФМ, а D₂ - евклидово расстояние между сигнальными точками, определяемое шагом угла ориентации ЛПВ θ;

На фиг. 5 показано векторное представление электрической компоненты сигнала с амплитудой А_ср на поляризационных плоскостях.

Из условия принадлежности всех сигнальных точек одному сигнальному пространству должно соблюдаться равенство значений евклидова расстояния между всеми сигнальными точками, т.е. D₁ = D₂, и так как в объемном (трехмерном) сигнальном созвездии евклидово расстояние сохраняется таким же, как и в сигнальной плоскости, помехоустойчивость системы не меняется.

При вычислениях расстояния D₁ необходимо учесть нормировку по средней энергии с целью адекватного сравнения энергий сигналов. Средние энергии сигналов должны быть одинаковыми.

Для квадратурной амплитудной модуляции это можно сделать, пронормировав величины коэффициентов и . Например, в случае 16-позиционной КАМ (фиг. 1) в соответствии с положением сигнальных точек имеются три уровня энергии посылок:

Отсюда:

где х = D₁/2, т.е.

Из фиг. 5 имеем:

Из условия D₁ = D₂ получим шаг угла ориентации ЛПВ: θ = 36,8 град.

Аналогично можно рассчитать шаг угла ориентации ЛПВ при использовании 32- и 64-позиционной КАМ (табл. 1).

Учитывая, что однозначно определяемый диапазон углов линейной поляризации составляет (0, π], в этом диапазоне можно расположить конечное число поляризационных плоскостей (табл. 1) с поправкой шага θ на угловое смещение , определяющего показатель поляризационных потерь - инверсный к отношению сигнал-помеха (ОСП) между сигналами в соседних поляризационных плоскостях и зависящий от кросс-поляризационной развязки конкретного типа антенны:

где - коэффициент эллиптичности поляризации волны передаваемого сигнала; - коэффициент эллиптичности антенны; - угол между плоскостями поляризации антенны и набегающей волны, для которого поправочное смещение удовлетворяет ОСП между сигналами в соседних поляризационных плоскостях. При этом в качестве конечного θ в выражении для задается абсолютное значение для которого , где - предельно устанавливаемое значение ОСП. Если , необходимо подобрать такие и чтобы выполнялось предыдущее условие для и/или уменьшить число поляризационных плоскостей за счет выбора большего евклидова угла , учитывающего поправку на угловое смещение. Также следует учесть, что правила двоичного кодирования предполагают, что число сигнальных точек должно составлять 2ⁿ, где n - целое число.

Аналогичные расчеты можно выполнить для многопозиционной фазовой манипуляции (табл. 2). Условие D₁ = D₂ в данном случае обеспечивается равенством шага угла фазовой манипуляции и шага угла ориентации ЛПВ.

При реализации заявленного способа формирования многопозиционных сигналов (фиг. 6) передаваемые данные сначала преобразуются из последовательного кода в параллельный код с длиной кодового слова n. Затем с помощью квадратурного модулятора сигнала КАМ или МФМ (Самойлов А. Г. Устройства генерирования и формирования сигналов: учеб. пособие / А. Г. Самойлов, С. А. Самойлов; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. - Владимир: Изд-во ВлГУ, 2018 - 240 с. - ISBN 978-5-9984-0855-7 [5]) сигнальные точки кодируются k младшими разрядами общего кодового слова с использованием кода Грея, а старшими (n - k) разрядами этого кодового слова кодируются угловые позиции ориентации ЛПВ также с использованием кода Грея. Углы ориентации ЛПВ переключаются с помощью демультиплексора, и сигналы с разными углами ориентации ЛПВ излучаются антеннами (излучателями) соответствующей поляризации. Таким образом, при использовании дополнительной манипуляции угла ориентации ЛПВ имеется возможность увеличения позиционности сигнала. В результате применения заявляемого способа можно обеспечить повышение скорости передачи дискретной информации для сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией или многопозиционной фазовой манипуляцией без существенного расширения спектра при сохранении средней энергии сигнала. Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в разработке нового способа формирования многопозиционных сигналов с использованием поляризационной манипуляции для увеличения скорости передачи дискретной информации.

Источники информации

1. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000. - 800 с.

2. Костин М.С., Ярлыков А.Д. Электродинамика, радиоволновые процессы и технологии / М.С. Костин, А.Д. Ярлыков. - М.; Вологда: Инфра-Инженерия, 2021. - 316 с.

3. Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Шлома А.М., Шумов А.П. Технология OFDM. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2015. - 360 с.

4. Путилин А.Н., Шаптала В.С. Помехоустойчивость трехмерной симплекс решетки // Техника средств связи. 2021. № 1 (153). С. 27-34.

5. Самойлов А. Г. Устройства генерирования и формирования сигналов : учеб. пособие / А. Г. Самойлов, С. А. Самойлов; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. - Владимир: Изд-во ВлГУ, 2018 - 240 с. - ISBN 978-5-9984-0855-7.

Таблица 1

Исходная позиционность созвездия КАМ Шаг угла ориентации ЛПВ θ, град. Угловые позиции поляризационных плоскостей, град. Общее число поляризационных плоскостей Позиционность объемного (трехмерного) созвездия КАМ-ПМ 16 (k = 4) 36,8 0; 36,8; 73,6; 110,4 4 64 (n = 6) 32 (k = 5) 25,8 0; 25,8; 51,6; 77,4 4 128 (n = 7) 64 (k = 6) 17,7 0; 17,7; 35,4; 53,1;
70,8; 88,5; 106,2;
123,9 8 512 (n = 9)

Таблица 2

Исходная позиционность созвездия МФМ Шаг угла ориентации ЛПВ θ, град. Угловые позиции поляризационных плоскостей, град. Общее число поляризационных плоскостей Позиционность объемного (трехмерного) созвездия МФМ-ПМ 4 (k = 2) 90 0; 90 2 8 (n = 3) 8 (k = 3) 45 0; 45; 90; 135 4 32 (n = 5) 16 (k = 4) 22,5 0; 22,5; 45; 67,5;
90; 112,5; 135; 157,5 8 128 (n = 7)

Изобретение относится к области телекоммуникаций. Технический результат заключается в повышении скорости передачи дискретной информации без существенного расширения спектра при сохранении средней энергии сигнала. Способ заключается в увеличении позиционности сигнального созвездия путем ввода в сигнал дополнительной поляризационной манипуляции, в качестве параметра манипуляции, образующего дополнительные сигнальные созвездия, предлагается использовать угол ориентации линейно поляризованной волны, при этом все сигнальные созвездия в целом образуют единый многопозиционный сигнал на одной несущей частоте. 6 ил., 2 табл.

Способ формирования многопозиционных сигналов, заключающийся в увеличении позиционности сигнального созвездия с целью повышения скорости передачи дискретной информации для сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией или многопозиционной фазовой манипуляцией без существенного расширения спектра и при сохранении средней энергии сигнала, отличающийся тем, что в сигнал вводят дополнительную поляризационную манипуляцию и в качестве параметра манипуляции, образующего дополнительные сигнальные созвездия, предлагается использовать угол ориентации линейно поляризованной волны, при этом все сигнальные созвездия в целом образуют единый многопозиционный сигнал на одной несущей частоте.