Кодек сигнально-кодовой конструкции Советский патент 1993 года по МПК H03M13/00 H03M13/12 H04L27/18 

Изобретение относится к.вычислительной технике и связи и может быть использовано при разработке аппаратуры передачи дискретных сообщений.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости передачи-приема информации, достигаемое за счет использования многомерной сигнально-кодовой конструкции, что позволяет увеличить минимальное Евклидово расстояние между сигналами без увеличения мощности н э передающем конце и без снижения скорости передачи.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в построении кодекса сигнально-кодовой конструкции, в котором сигнальные точки расположены не в двумерном, а в трехмерном Евклидовом пространстве, в частности внешние сигналы фазовой манипуляции 8-PSK расположены не на окружности, а на поверхности шара единичного радиуса, в вершинах куба, вписанного в этот шар. При этом минимальное Евклидово расстояние между соседними точками увеличивается, что приводит к повышению помехоустойчивости без увеличения мощности и снижения скорости передачи. Сказанное поясним следующими выкладками.

Пусть

(Л

с

i(t) on, pz(t} VlTcoswt, (v) Л cos2 firt

(1)

- семейство базисных ортонормированных функций. Сигналы предлагаемой сигнально- кодовой конструкции формируются по следующему правилу:

Si(t) - ai (t)+a2 (t)+a3 yu(t);

1 1.28. ai ±1. (2)

Как следует из (2), семейство функций (1) образует множество из восьми сигналов, которые расположены в вершинах куба с центром в точке (0,0,0,) и имеют следующие координаты:

Si- (1,1,1)85 (-1,1,1)

S2(1,1,-1)Se (-1.1-1)

53 (1,-1,1)S7 (-1.-1,1)

54 (1-1,-1)Se (-V1,-1)

При этом куб является вписанным в сферу единичного радиуса,

Пусть в качестве внешнего кода используется сверточный код со скоростью 2/3 и порождающей матрицей

G(x)

1 + х 1 + х О

о I i+x:

(4)

Диаграмма состояний кодера представлена на фиг.1, на фиг,2 - представлена решетчатая кодера.

На этих диаграммах нулевому входному символу соответствуют пунктирные линии, а единичному символу соответствуют сплошные линии при этом знаиения выходного сигнала показаны на концах стрелок,

В каждом из четырех возможных состояний кодера разрешенными являются только четыре трехразрядные двоичные комбинации, каждая из которых соответствует выходномусигналу кодера.

Значения сигналов на входе, выходе кодера и на входе и выходе модулятора представлены в таблице.

Входные сигналы модулятора являются преобразованными выходными сигналами кодера. Суть преобразования заключается в следующем: каждый О выходного сигнала кодера заменяется на сигнал -1 и подается на вход модулятора.

Заметим, что в состояниях 00 и 10 разрешенными кодовыми словами на выходе кодера являются 000, 011, 1.10, 101, (или соответствующие кодовые слова на входе модулятора -1-1-1, -111,11-1,1-11) а в состояниях 01 и 11 разрешенными кодовыми словами на выходе кодера являются 001, 010,111, ТОО (или соответствующие кодовые слова на входе модулятора-1--11,-11-1, 1-1- 1). Тем самым, поскольку в каждом из состояний используются только четыре максимально удаленных из восьми разрешенных символов, увеличивается расстоя- ние между этими сигналами, что достигается благодаря использованию описанного сверточного кода,

Из вышесказанного следует, что использование кодека приводит к дополнительному увеличению расстояния между сигналами сигнально-кодовой конструкции, что и приводит к дополнительному повышению помехоустойчивости. Оценку дополнительного энергетического выигрыша произведем по увеличению расстояния между сигналами. .

1. Рассчитаем минимальное расстояние между сигналами в двумерном и трехмерном пространстве без кодирования.

В двумерном пространстве, как видно из фиг.ба, минимальное расстояние между точками равно стороне вписанного в окружность восьмиугольника. Из несложных расчетов получим:

dmln2 2Rsln ft(4)

Учитывая,что R 1, получим:

dmin2 2sin з(5)

В трехмерном пространстве (см.фиг,8 6), с учетом того, что R 1, получим ,

3

Рассчитаем энергетический выигрыш при переходе от двумерного пространства к трехмерному.

Энергетический выигрыш равен

dmln3 :

(6)

Ahh

СГш1пЗ dmln2

(

ч2

(2sinf):

- 2,276 (7)

Энергетический выигрыш в логарифмической шкале равен:

Е1 101д ДН1- 3.57дБ

2. Рассчитаем минимальное расстояние между сигналами в двумерном и трехмерном пространстве для системы с кодированием.

В двумерном пространстве (см.фиг,8в) минимальное расстояние между точками равно стороне вписанного в окружность четырехугольника, С учетом того, что R 1 получим:

dmin2K (9)

В трехмерном пространстве (см.фиг.8 г) с учетом, того, что R 1 получим: 2Ve .

dmin3K „

(Ю)

Энергетический выигрыш для системы с кодированием равен

АН2

dmin3K

d mln2K

2

f

(Vf) 2

1.33 (t1)

Энергетический выигрыш в логарифмической шкале равен

;Л Е2 - 10 ig АН2 1,25 дБ(12}

.Рассчитаем полученный энергетический выигрыш системы с кодированием в трехмерном пространстве по отношению к

системе без кодирования в двумерном пространстве

ДНз:

4,55 (13)

Энергетический выигрыш в логарифмической шкале равен

ДЕз 101дДНз 6,58дБ(14)

Таким образом, кодек позволяет увеличить минимальное Евклидово расстояние между сигналами без увеличения мощности сигнала и без снижения скорости передачи. Это позволяет повысить помехоустойчивость устройства.

На фиг.1 приведена диаграмма состояний кодера, на фиг.2 приведена решетчатая диаграмма состояний кодера, на фиг.З - приведена структурная схема передающей части заявляемого устройства, на фиг.4 - приведена структурная схема приемной части заявляемого устройства, на фиг.5 - приведены эпюры напряжений, поясняющие работу передающей части, на фиг.6 - приведено геометрическое представление сигналов, на фиг.7 - 14 представлены формы выходных сигналов передающей части, на фиг.15 - приведена реализация блока преобразования, на фиг.16-представлена верхняя и нижняя границы вероятности ошибки, на фиг. 17 - представлен энергетический выигрыш.

Кодек сигнально-кодовой конструкции содержит на передающей стороне первый сумматор по модулю два 1, первый регистр сдвига 2, второй сумматор по модулю двз 3, второй регистр сдвига 4, третий сумматор по модулю два 5, блок преобразования 6, первый перемножитель 7, второй перемножитель 8, третий перемножитель 9, синусоидального сигнала 10, фазовращатель 11, умножитель частоты 12, аналоговый сумма- тор 13, а на приемной стороне полосовой фильтр 14, выделитель тактовой частоты 15, генератор синусоидального сигнала 16, фазовращатель 17, умножитель частоты 18, первый перемножитель 19, второй перэ- множитель 20, третий перемножитель 21, первый фильтр низких частот 22, второй фильтр низких частот 23, третий фильтр низких частот 24, декодер Витерби с мягким решением 25.

Блок преобразования состоит (фиг.15) из элементов НЕ 26, источника положительного напряжения 27, источника отрицательного напряжения 28, ключевых элементов 29 и элементов ИЛИ 30.

Устройство рзбо ает следующим образам.

Пусть из передающей стороне входные базызбыточные двоичные последователь- 5 костм MMGFOT вид: не первом информационном входе комбинация 100111001010010001 (см, фуг,5э), на втором - комбинация 111010110010000111 (см.фиг. Бб). Пусть входная информация поступает с тактовой

0 частотой fo (см.фиг.Ба). Информационные сигналы и тактовая частота подаются на соответствующие входы сверточного кодера, который осуществляет кодирование входно- . го сигнала в соответствии с порождающей

5 матрицей G.

Кодер состоит из первого, второго и третьего сумматоров по модулю два 1, 3, 5 перзого и второго регистров сдвига 2, 4. Как отмечалось выше, кодер имеет четыре со0 стояния. Состояния соответствуют первым

разрядам перзого и второго двухразрядёых

регистров сдвига 2, 4. Например, допустим

з первом разряде первого регистра 2 сдвига

О, з в первом разряде второго регистра 4

5 сдвига 1, Это означает, что кодер находится Б состоянии 01: и кодирование и декодирование ведется в соответствии с этим состо- янием. С приходом следующих информационных символов на входы реги0 стров сдвига 2, 4 старая информация сдвигается во вторые разряды этих регистров сдвига; а на их место записывается новая пришедшая информация, которая определяет состояние кодера.

5 После соответствующего суммирования разрядов первого и второго регистров сдвига 2, 4 первым, вторым и третьим сумматорами по модулю два 1, 3, 5 на выходах первого (см,фиг,5г), второго (см.фиг.бд) и

0 третьего (см.фиг.бе) сумматоров по модулю два 1,3,5 формируется некоторая закодированная информация, которая подается на первый, второй и третий входы блока преобразования б, в котором осуществляется пре5 образование входных биполярных импульсов s униполярные, т.е. каждой логической 1 нэ входе соответствует сигнал +1, а каждому логическому О - сигнал -1. Входные и выходные сигналы кодера, а

0 также входные и выходные сигналы модулятора, в зависимости от состояния кодера приведены в табл.1.

Выходные сигналы первого, второго, третьего выходов блока преобразования

5 представлены на фиг.5ж,з, и соответственно.

Сигнал тзктовсй частоты поступает на вход генератора синусоидального сигнала 10, на выходе которого получается сигнал

Vo

yiW т sin вя (фиг.бк). Этот сигнал поступает на вход фазовращателя 11, где происходит сдвиг.фазы сигнала на л/2, В результате формируется сигнал z(t)

sin(cwt+ -п) -4- cos an (фиг.Бл). Полученный сигнал поступает на вход умножителя частоты 12, где происходит умножение часА/5

тоты на два, рз(1) -Ф- cos2 cot (фиг.5м). Сигналы (t), #2(t), рз($ поступают на вторые входы первого, второго, третьего перемножителя 7-9 соответственно, на первые вхо- ды которых поступят сигналы с первого, второго, третье го выходов блока преобразования 6. Выходные сигналы первого 7 (фиг.бн), второго 8 (фиг.Бо), третьего (фиг.бп) перемножителей поступают на соответствующие входы аналогового сумматора 13, с выхода которого (фиг.5р) сигнал поступает в. канал сёязи.

& Выходные сигналы сумматора 13 при разных значениях коэффициентов at, az, аз представлены на фиг, 7-14, Для наглядности представлено два периода выходного сигнала сумматора 13.

С выхода аналогового сумматора 13 сигнал поступает в канал связи, с выхода которого искаженный сигнал поступит на приемной стороне (фиг. 4) на входы полосо- вого фильтра 14 и выделителя тактовой частоты 15. Полосовой фильтр 14 выделяет из смеси сигнала и шума область частот, в которой осуществлялась передача информации,. . .

Выделитель тактовой частоты 15 осуществляет выделение сигнала тактовой частоты f0 из рабочего сигнала.

С-выхода полосового фильтра сигнал поступает на корреляционный приемник, состоящий из первого, второго и третьего перемножителя 19-21, первого 22, второго 23, третьего 24 фильтров низких частот, декодера Вмтерби 25 с мягким решением.

Для нормального функционирования корреляционного приемника требуется создание определенных сигналов (в данном случае сигналов (t), р2$, (t).}. Эту функцию выполняют генератор 16, фазовращатель 17, умножитель частоты 18.

Сигнал тактовой частоты с выхода выделителя тактовой частоты 15 поступает на вход генератора 16, на выходе которого

/2

формируется сигнал -r.-sln. wt. С выхода генератора 16 сигнал поступает на фазовращатель 17, где формируется сигнал vST

йМcos ол. Полученный на выходе фазовращателя 17 сигнал p2(t) поступает на

вход умножителя частоты 18, на выходе торого формируется сигнал s(t) -y-cos2

ал. Сигналы (t), 2(1), рзЬ) поступают на вторые входы перемножителей 19-21 соответственно, на первые входы которых поступает сигнал с выхода полосового фильтра 14.

Перемножители 19-21 служат для перемножения сигналов# i(t). 2(1), 03з(т)на входной сигнал прошедший через входной полосовой фильтр 14.

С выходов перемножителей 19-21 сигналы поступят на входы первого 22, второго 23, третьего 24 фильтров низких частот, которые проигнорируют полученные сигналы.

С выходов фильтров низких частот 2224 сигналы поступят на соответствующие входы декодера Витерби с мягким решением 25, где происходит дальнейшая обработка и вынесение решений сигнала.

После декодирования и вынесения решения на выходе декодера Витерби с мягким решением 25 получим первый.и второй информационные сигналы.

Таким образом, как следует из анализа работы, в предложенном устройстве достигается поставленная цель - повышение помехоустойчивости передачи приема информации, обеспечиваемая за счет использования многомерной сигнально-кодо- вой конструкции, что позволяет увеличить

минимальное Евклидово расстояние между сигналами без внесения дополнительной избыточности.

Расчет помехоустойчивости предложенного устройства показал, что его использовакие в цифровых системах передачи-приема позволяет получить дополнительный энергетический выигрыш, что дает существенное улучшение технико- экономических параметров существующей

аппаратуры передачи дискретных сообщений..

Формула изобретения

1. Кодек сигнально-кодовой конструкции, содержащий на передающей стороне первый регистр сдвига, информационный вход которого является первым информационным входом передающей стороны, генератор синусоидального сигнала, выход

которого подключен непосредственно и через фазовращатель к первым входам соответственно первого и второго перемножителей, выходы которых соединены с первым и вторым входами аналогового сумматора, выход которого является выходом передающей стороны, на приемной стороне - полосовой фильтр, вход которого является входом приемной стороны, генератор синусоидального сигнала, выход которого непосредственно и через фаэовра- щатель соединен с первыми входами соответственно первого и второго перемножителей, выход полосового фильтра подключен к вторым входам первого и второго перемножителей, выходы которых соединены через соответственно первый и второй фильтры нижних частот с первым и вторым информационными входами декодера Витерби с мягким решением, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости передачи-приема информации, на передающей стороне введены первый-третий сумматоры по модулю два, блок преобразования, умножитель частоты, третий перемножитель и второй ре- гистр сдвига, информационный вход которого является вторым информационным входом передающей стороны, тактовые входы регистров сдвига объединены с входом генератора синусоидального сигнала и являются тактовым входом передающей стороны, вход и выход умножителя частоты подключены соответственно к выходу фазовращателя и первому входу третьего перемножителя, выход которого соединен с третьим входом аналогового сумматора, выход первого разряда второго регистра сдвига соединен с третьим входом второго сумматора по модулю два и первым входом третьего сумматора по модулю два, влход второго разряда второго регистра сдвига подключен к второму входу третьего сумматора по модулю два, выходы первого-третьего сумматоров по модулю два соединены соответственно с первым-третьим входами блока преобразования, первый-третий выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого-третьего перемножителей, нз приемной стороне введены умножитель частоты, третий перемножитель, третий фильтр нижних частот и выделитель тактовой частоты, вход которого подключен к входу приемной стороны, выход выделителя тактовой частоты соединен с входом генератора синусоидального сигнала и тактовым входом декодера Витерби с мягким решением, вход и выход умножителя частоты подключены соответственно к выходу фазовращателя и первому входу третьего паремножителя, второй вход которого подключен к выходу полосового фильтра, выход третьего перемножителя через третий фильтр нижних частот соединен с третьим информационным входом декодера Витерби с мягким решением, первый и второй выходы которого являются одноименными выходами приемной стороны.

2. Кодек по п. 1,отличающийся тем, что на передающей стороне блок преобразования содержит первый - шестой ключевые элементы, первый-третий элементы ИЛИ, источник положительного напряжения, источник отрицательного напряжения и первый-третий элементы НЕ, вход 1-го элемента НЕ (i 1, 2, 3) объединен с управляющим входом (2И)-го ключевого элемента и является i-м входом блока, выход 1-го элемента МБ соединен с управляющим входом (2i)-ro ключевого элемента, информацион- -ный вход которого подключен к выходу источника отрицательного напряжения, выход источника положительного напряжения соединен с входом (2Н)-го ключевого элемента, выходы (2i-1)-ro и (2J)-ro ключевых элементов подключены к первому и второму входам 1-го элемента ИЛИ, выход которого является 1-м выходом блока.

со

СЧ

to о со со

ЛЗ

Л

SH

vо

S

&

Фи&З

Изобретение относится к вычислительной технике и связи. Его использование при разработке аппаратуры передачи дискретных сообщений позволяет повысить помехоустойчивость поредачи-приема информации. Это достигается благодаря использованию многомерной сигнально-кодо- аой конструкции, в результате чего увеличивается минимальное Евклидово расстояние между кодовыми сигналами без внесения дополнительной избыточности. 1 з.п,ф-лы, 17 ил.

Фиг4

а

о i о 1

1 1

о о

о

о

д

tL

ж

7

А

N

/t

АААЛАААА/ АЛА/

и

WAA/vrum wmw

АКМ/ЛАШ

Фиг5

1 О

О 1

о

о

О f

О 1

о

о о

о

f

f

-5

и

и

и

п

DL

h

V

т№

7%

А

V

Л

WVW

/

wft/w

-K.J

I

В

А

S

.

ч (.

«.М

ч, (.

f -jrewMi.

У

5

Со

j.v v.j -,.

У

ТSz (i )s+ fifsintot +/-fC0Mt - yjcos2n)t фугд

-6.28

Sslti +$sinu)t-$cosu)t+$cos ojt фугд

-№

&r ХГЛ-f

uwt- Vfeosat-jj.casztat @игfO

-г.31 Wfa-ffsfavt+ lcosuit +$jf cosiat

ФигЯ

Ј/Мф

Я™й JWSOjjJl-ww +}MK±A-:w s #7 & w3 +№miA wujsil-s i)L$

/Ј79t 9С290С81

Uf

ч- /jTг- l

Wtiz-Vfainiot -Vfmstat-fficasfat

Г

/7.

27

w

ШФиг15

Фиг.М

6

ffl

i «

Ш

Ш

Ш

m

..J

togfPb)

-fO-9-8-7-6-5 4-3-2-fu f 2 3 4 5 6 7 8 9 fOfftftf f4tt/6f7fStf

Јs/No fdff)

- -Нижняя гроница 323 - Нижняя граница. 2Я

Фиг./6

№

t

54, J2

1-- О

Верхняя граница

Нижняя граница

/ / J 56 78 9 W // /2. f3 M /S f6 ЛЖ

Фиг.17

-Верхняя граница ЗЯ верхняя граница 2Я

Верхняя граница

Нижняя граница