Устройство для объединения принятых сигналов с указателями фаз и радиотелефон

 

Изобретение относится к способу и устройству объединения фаз, которое используется в радиотелефоне разнесенного приема. Способ и устройство объединения фаз характеризуют гибридный вариант разнесения, в котором используется комбинированные максимальные коэффициенты (МРС) и различные выборки сравниваемых уровней. В результате получается схема простого и надежного приемника разнесенного приема с очень хорошими характеристиками. В приемнике разнесенного приема производится демодуляция принятых сигналов 115 и 117, выделение их фаз, формирование двух сигналов фазового сдвига 209 и 211, которые затем объединяются для получения третьего сигнала фазового сдвига 213. Из этих трех сигналов выбирается один, который используется для интерпретации символа в поле данных квадратурной фазовой манипуляции (ОР К). Указанная операция выбора сигнала основана на сравнении уровней принятых сигналов. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к приемникам разнесенного приема, которые используются в радиотелефонах. Если же говорить более точно, то данное изобретение относится к способу и устройству объединения фаз по меньшей мере двух принятых сигналов, что позволяет улучшить характеристики цифрового или аналогового радиотелефона.

Приемник разнесенного приема с выбором сигнала после его детектирования представляет собой устройство, в котором используются по меньшей мере две антенны для обеспечения уверенного приема радиочастотных (RF) сигналов. Совместная работа каждой антенны и соответствующего приемника обеспечивают выдачу принятого сигнала. Если принимается по меньшей мере два сигнала, то выбирается один из них.

В настоящее время применяются два типа приемников разнесенного приема с выбором сигнала после его детектирования. В первом из них выбор одного из этих сигналов зависит от уровней принятых сигналов (RSS). Работа такого приемника разнесенного приема основана на способе сравнения различных уровней сигналов. Выбор сигнала в приемнике второго типа зависит от оценки фазовой погрешности. Второй тип приемника разнесенного приема с выбором сигнала после его детектирования основан на способе сравнения правдоподобных фаз сигналов.

При использовании способа сравнения различных уровней сигналов производится определение уровня каждого принятого сигнала и его сравнение с другими уровнями. После этого в радиотелефоне используется тот из принятых сигналов, который имеет самый высокий уровень. Такая простая схема устройства относительно эффективна в условиях рэлеевского замирания окружающей среды и очень хорошо подходит к устройствам с одной антенной и приемником. Но способ сравнения различных уровней не имеет каких-либо преимуществ перед устройствами с одной антенной при статических условиях окружающей среды.

При реализации способа сравнения правдоподобных фаз сигналов используется оценка фазовой погрешности каждого принятого сигнала и выбирается тот из них, который имеет минимальную расчетную фазовую погрешность. Такой вариант устройства описан в заявке на патент Японии N HE12-253727 с названием "Схема разнесенного приема", правоприемником которого является "Ниппон тэлеграм энд телефон корпорейшен", заявл. 28.03.89.

Согласно этой заявке сначала определяется фаза каждого принятого сигнала. Затем на соответствующем графике совокупности сигналов наносятся значения фаз, причем такая совокупность содержит определяющие точки выбора. Между построенным вектором фазы и ближайшей определяющей точкой выбора вычерчивается вектор фазовой погрешности, который наносится для каждого принятого сигнала. Для последующей обработки и использования в радиотелефоне выбирается тот принятый сигнал, который имеет вектор минимальной фазовой погрешности, а другие принятые сигналы игнорируются. Отметим, что при реализации способа сравнения правдоподобных фаз сигналов не используется информация об уровне принятых сигналов.

В статье ("All Digital Adaptive Cavveir Tracking Coherent Demodulator" Shigeki Saito, Harui Yamamoto, Yasushi Yamao, NJT Radio Communication System Laboritories, February, 1991) рассмотрена возможность расширения способа сравнения правдоподобных фаз сигналов. Такое расширение включает в себя объединение данных об уровнях принятых сигналов и фазовых погрешностях в двух каналах приемника разнесенного приема. При этом производится сравнение уровней принятых сигналов и если разность этих уровней превосходит определенное пороговое значение, то используется тот сигнал, уровень которого больше. Если же разность этих уровней меньше определенного порогового значения, то используются данные о фазовой погрешности для выбора сигнала вышеуказанным способом.

Такое решение возможностей указанного способа позволяет несколько повысить характеристики устройства по сравнению с его характеристиками, полученными при непосредственной реализации способа сравнения правдоподобных фаз сигналов, но это не исключает дальнейшее улучшение характеристик радиотелефона. Кроме того, необходимость получения оценки фазовой погрешности ограничивает возможности способа сравнения правдоподобных фаз при работе с фазоманипулированными сигналами.

Наблюдаемый сейчас спрос на эти устройства заставляет производителей радиотелефонов снижать их габариты, массу и потребляемую мощность при одновременном повышении рабочих характеристик. Поэтому имеется необходимость разработки простой схемы приема сигналов по сравнению с характеристиками тех устройств, которые используются в настоящее время.

Изобретение относится к устройству объединения фаз первого и второго принятых сигналов, причем каждый из принятых сигналов имеет указатель фазы и качества сигнала. В устройстве производится демодуляция принятых сигналов, из каждого такого сигнала выделяется фаза и формируются два сигнала фазового сдвига. Затем в устройстве происходит объединение сигналов фазового сдвига и выделяется третий сигнал фазового сдвига. После этого устройство производит выбор наиболее подходящего сигнала фазового сдвига из этих трех сигналов. Выбранный сигнал фазового сдвига используется для получения полезной информации.

На фиг. 1 представлена блок-схема радиотелефона, в котором применяется настоящее изобретение; на фиг. 2 - блок-схема сумматора различных фаз, применяемого в настоящем изобретении; на фиг. 3 - схема сумматора фаз, который используется в блок-схеме на фиг.2; на фиг.4 - схема выбора фаз, которая используется в блок-схеме на фиг. 2; на фиг.5 - таблица состояний схемы, приведенной на фиг.4; на фиг. 6 - график моделированной вероятности битовой погрешности в зависимости от отношения сигнал/шум при статических условиях окружающей среды (применительно к настоящему изобретению), приведенные данные относятся к способу сравнения правдоподобных фаз сигналов и к способу сравнения различных уровней сигналов; на фиг.7 - график моделирования вероятностей битовой погрешности в зависимости от отношения сигнал/шум при плавном рэлеевском замирании окружающей среды (применительно к настоящему изобретению), приведенные данные относятся к способу сравнения правдоподобных фаз сигналов, к способу сравнения различных уровней сигналов и к детектору одного канала; на фиг. 8 - поле данных квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) с определяющими точками выбора в каждом квадранте поля.

В предложенном изобретении предлагается схема сумматора фаз, которая используется в приемнике разнесенного приема радиотелефона. Указанный приемник имеет по меньшей мере две антенны для приема электромагнитных колебаний. Каждая такая антенна подключена к соответствующему приемнику и принимает радиочастотные сигналы. В результате получают два сигнала, каждый из которых имеет указатель фазы и качества сигнала.

Сумматор фазы используется для объединения фаз двух принятых сигналов и формирования третьего сигнала фазового сдвига. Указатель качества сигналов определяют уровни принятых сигналов, значения разброса при перенесении нулевого уровня, оценки фазовых погрешностей или другие, но подобные указатели качества. Указатель качества выбранного сигнала или комбинации указателей используется для определения того, какой из трех сигналов фазового сдвига подойдет для детектирования и получения данных, содержащихся в принятых сигналах. В предпочтительном варианте предложенного изобретения указателем качества сигнала является уровень принятого сигнала (RSS).

Хотя предложенное изобретение можно применит в системах связи с аналоговой или цифровой фазовой модуляцией, описанный здесь предпочтительный вариант устройства работает в системе связи с использованием цифрового радиотелефона.

Определение характеристик систем с цифровой фазовой модуляцией состоит в измерении частоты появления ошибок по битам (BER) в принятых сигналах. В данном варианте устройства предлагается улучшенный способ восстановления данных при измерении частоты ошибок по битам по сравнению с теми, которые описаны в вышеупомянутом способе сравнения правдоподобных фаз сигналов и в способе сравнения различных уровней сигналов.

Улучшение характеристик устройства достигнуто применением гибридного способа разнесения, в котором используются операции с комбинированными максимальными коэффициентами (MRC) и различные выборки сравниваемых уровней. Фактически получается, что объединение различных фаз представляется эффективной аппроксимацией комбинированных максимальных коэффициентов. Теоретически MRC характеризует оптимальный способ разнесения. Однако две ветви MRC очень сложны, так как включают в себя операции умножения принятых сигналов и комплексное усиление канала, что определяется следующим выражением: где α_i(t) - усиление канала; n_i(t) - комплексный гауссов шум; S(t) - компонента сигнала на входе сумматора; - фазовые сдвиги n₁(t) и n₂(t) с идентичными статическими свойствами.

Если уровни двух принятых сигналов сильно различаются, т.е. α₁≫ α₂ или α₂≫ α₁, то результирующий MRC можно аппроксимировать различными выборками сравниваемых уровней: Если же уровни двух принятых сигналов почти одинаковы, т.е. α₁≈ α₂≈ α, , то результирующую фазы MRC можно аппроксимировать средним значением двух сигналов фазового сдвига по модулю 2П, как показано ниже.

где
A_i(t) - амплитуда сигнала в отдельной ветви;
Q_i(t) - фаза сигнала в отдельной ветви.

Для устранения зависимости амплитуд сигналов отдельных ветвей используется аппроксимация вида
A₁(t) - A₂(t) - A(t)
Если воспользоваться тождеством
1 + e^jx = cos (x/2)e^j(x/2)
то получаем:
Θ_MRC(t) ≈ [Θ₁(t)+[Θ₂(t)-Θ₁(t)]mod2π/2]mod2π)
если α₁≈ α₂≈ α
Таким образом, примененный здесь способ объединения фаз представляет аппроксимацию выходного сигнала идеального сумматора максимальных коэффициентов.

На фиг. 1 приведена блок-схема радиотелефона с применением устройства предложенного изобретения. Находящийся в определенном месте стационарный приемопередатчик 103 передает и принимает электромагнитные колебания, которые принимаются и передаются подвижными портативными радиотелефонами, находящимися в различных точках некоторой географической зоны, Радиотелефон 101 представляет одно из устройств, которое находится в данной географической зоне и обслуживается стационарным приемопередатчиком 103.

Радиотелефон 101 имеет дев антенны 105 и 107, которые воспринимают электромагнитные колебания стационарного приемопередатчика 103 и преобразуют их в электрические радиочастотные сигналы. Последние поступают в приемники 111 и 113 и используются в радиотелефоне 101.

Принятые сигналы имеют определенные фазы и соответствующие уровни. Значения этих уровней содержатся в сигналах 127 и 129, а принятая радиотелефоном информация из приемников 111 и 113 при помощи сигналов 115 и 117 передается в сумматор различных фаз 119.

Сумматор различных фаз 119 производит демодуляцию принятых сигналов 115 и 117. При этом происходит выделение фазы каждого принятого сигнала 115 и 117 и формирование двух сигналов базового сдвига. Эти два сигнала объединяются и получается третий сигнал фазового сдвига. Затем выбирается один из трех сигналов фазового сдвига, который и используется для получения информации, содержащейся в принятых сигналах 115 и 117. Выбор сигнала фазового сдвига основан на значениях уровней принятых сигналов 115 и 117.

В предпочтительном варианте изобретения выбранный сигнал фазового сдвига декодируется и представляется знаками, которые вводятся в процессор 121 (например модели МС-68000 фирмы "Моторола инк.") и в соответствующее запоминающее устройство в виде символического сигнала 123. В других вариантах устройств, которые применяются в аналоговых системах, для одной цели можно использовать подобные схемы демодуляции.

Процессор 121 применяется для форматирования данных, которые перемещаются между интерфейсом пользователя 125, передатчиком 109 и приемниками 115 и 117. Интерфейс пользователя 125 содержит микрофон, громкоговоритель и клавишную панель. При поступлении декодированных данных в процессоре 121 используются определенные символы для восстановления звука голоса абонента или информации, вводимой в интерфейс пользователя 125.

Во время передачи данные или речевые сигналы из интерфейса пользователя 125 вводятся в процессор 121. В процессоре 121 сигналы дискретизируются, кодируются и синхронизируются, а затем поступают в передатчик 109, который преобразует эту информацию в радиочастотные сигналы. Последние преобразуются в электромагнитные колебания, излучаются антенной 105 и воспринимаются стационарным приемопередатчиком 103. В предпочтительном варианте изобретения используются две антенны 105 и 107, хотя с данным радиотелефоном могут работать и более двух антенн.

На фиг. 2 приведена блок-схема сумматора различных фаз, который на фиг. 1 имеет обозначение 119. Принятые сигналы 115 и 117 поступают в отдельные фазовые демодуляторы 201 и 203. Последние формируют цифровые сигналы, соответствующие значениям фаз принятых сигналов 115 и 117. Сигналы фазовых сигналов 211 и 209 поступают в сумматор фаз 207. При помощи последнего происходит формирование третьего сигнала фазового сдвига 213, который представляет среднее значение двух сигналов фазового сдвига 211 и 209 по модулю 211, введенных в сумматор фаз 207.

Сигналы фазовых сдвигов 211 и 209 поступают и в схему выбора фаз 215, которая отбирает один из трех сигналов фазового сдвига 211, 213, 209. Выбор сигнала фазового сдвига зависит от выходного сигнала схемы сравнения напряжений 205.

В схеме сравнения напряжений 205 производится сравнение уровня первого принятого сигнала 127 с уровнем второго принятого сигнала 129. Если разность уровней первого и второго принятых сигналов больше некоторого порогового значения, то при помощи схемы выбора фазы 215 отбирается тот из принятых сигналов, который имеет больший уровень.

Если же разность уровней первого и второго принятых сигналов меньше некоторого порогового значения, то выбирается комбинированный сигнал фазового сдвига 213. В данном варианте устройства указанное пороговое значение соответствует 3 дБ, но для каждого конкретного случая его можно изменить. Выбранный таким образом сигнал фазового сдвига 217 подается в блок выделения символа 219.

В предпочтительном варианте изобретения блок 219 используется для получения информации из выбранного сигнала, что зависит от силы модуляции в данной системе связи. В нашем случае используется квадратурная фазовая манипуляция (QPSK). Отметим, что в других вариантах устройств можно использовать равнозначные способы получения информации и модуляции, например гауссову манипуляцию, минимальным сдвигом (QMSK).

Получение информации производится при помощи вычерчивания фазы выбранного сигнала на поле данных QPSK, приведенного на фиг. 8. Это поле имеет четыре квадранта, образованных осями I (809) и Q (811). Определение фазового сдвига начинается от оси I поворотом вектора против часовой стрелки в пределах от 0 до 360^o через все четыре квадранта. При этом в каждом из них находится одна определяющая точка 801, 803, 805, 807, расположенная под углом 45^o относительно указанных осей.

Наносимый на это поле выбранный сигнал фазового сдвига 217 располагается в одном из вариантов и интерпретируется как один из четырех возможных сигналов путем выбора определяющей точки, ближайшей к наносимому вектору фазового сдвига. Например, выбранный сигнал фазового сдвига 217 с фазой 48^o будет находится в первом квадранте и поэтому будет характеризоваться определяющей точкой 801. Если же выбранный сигнал 217 имеет фазу 91^o, то он будет характеризоваться определяющей точкой 803 второго квадранта. Выбранная таким образом определяющая точка выдается сигналом 221, который вводится в процессор 121 для анализа и преобразования в речевое сообщение или данные.

На фиг. 3 приведена блок-схема сумматора фаз, который на фиг.2 имеет обозначение 207. Сумматор фаз 207 выдает третий сигнал фазового сдвига 213, который представляет среднее значение двух сигналов фазовых сдвигов 209 и 211 по модулю 2П. Операция усреднения состоит из вычисления арифметического модуля плюс деление на два, для чего требуются всего лишь один сумматор, один вычислитель и устройство деления на два. Сумматор фаз 207 можно использовать в процессоре цифровых сигналов или в простом аналоговом устройстве.

На фиг. 4 приведена схема выбора фазы, которая на фиг.2 имеет обозначение 215. Схема выбора фазы представляет собой трехканальный мультиплексор, который включается выходным сигналом схемы сравнения уровней 205. Схема 205 выдает сигналы трех состояний, которые содержат по два бита и характеризуются диаграммой состояний, приведенной на фиг.5
Если нужен сигнал фазового сдвига 211, который получен из первого принятого сигнала 115, то по цепям D1 и D0 вводится значение 0. Если нужен сигнал фазового сдвига 209, который получен при помощи второго принятого сигнала 117, то по цепям D1 и D0 вводится значение 1. Если же требуется комбинированный сигнал фазового сдвига 213, то по цепи D1 поступает значение 0, а по цепи D0 подается 1, что и обеспечивает выдачу сигнала 217.

Описанное здесь устройство разнесенного приема используется для улучшения характеристики радиотелефонной системы. Способ объединения фаз обеспечивает лучшие характеристики устройства по сравнению с теми двумя вариантами, о которых говорится в предпосылках создания изобретения, т.е. устройство на основе способа сравнения различных уровней сигналов и устройство на основе способа сравнения правдоподобных фаз сигналов.

Для оценки характеристик разнесенного приема обычно используются два вида условий окружающей среды. Первый - статические условия окружающей среды используются для моделирования работы стационарного радиотелефона; эти условия характеризуются постоянными сигналами одинакового уровня, которые воспринимаются обеими антеннами устройствам. Второй - условия окружающей среды, которые характеризуются теоретическим рэлеевским замиранием и используются для моделирования работы радиотелефона в движущемся автомобиле.

Во втором случае работа устройства определяется принятыми сигналами, модуляция которых производится при помощи независимого вероятностного процесса с рэлеевским распределением. Измеренные по этим двум критериям характеристики приемника разнесенного приема и представляют основные рабочие параметры радиотелефона.

На фиг. 6 и 7 приведены графики моделирования работы при одноканальном детектировании, при сравнении различных уровней сигналов, при сравнении правдоподных фаз сигналов и для сумматора различных фаз соответственно для статических условий окружающей среды и для условий рэлеевского замирания. Графики на фиг. 6 и 7 получены для случая QPSK вида π/4 и при идеальном обнаружении задержки.

На фиг. 6 приведены графики зависимости вероятности битовой погрешности от отношения сигнал/шум принятого сигнала для трех указанных выше приемников разнесенного приема, работающих в статических условиях окружающей среды. Из этого графика видно, что при использовании такого приемника с объединением фаз вероятность битовой погрешности меньше, чем у других упомянутых приемников разнесенного приема.

Зависимость для случая объединения различных фаз показана кривой 605. Кривая 603 определяет характеристику устройства, работающего по способу сравнения правдоподобных фаз сигналов, о котором говорится в предпосылках создания изобретения. Кривая 601 - это характеристика устройства, работающего по простому способу сравнения различных уровней, о котором также говорится в предпосылках создания изобретения.

Из графика на фиг. 6 видно, что при статических условиях окружающей среды в случае использования различных выборок сравниваемых уровней уменьшения значения BER по сравнению с данными детектора одного канала не наблюдается. Характеристика устройства на основе способа сравнения правдоподобных фаз сигналов превосходит характеристику, полученную способом сравнения различных уровней сигналов при статических условиях окружающей среды. Однако она несколько хуже характеристики на основе объединения различных фаз.

На фиг. 7 приведены графики зависимости вероятности битовой погрешности от отношения сигнал/шум в условиях рэлеевского замирания окружающей среды. Здесь данные способа сравнения различных уровней сигналов, способа сравнения правдоподобных фаз и способа объединения различных фаз представлены соответственно кривыми 703, 705 и 707. Все эти три приемника разнесенного приема в данных условиях окружающей среды имеют значительно лучшие характеристики по сравнению с данными детектора одного канала 701. Вместе с тем приемник на основе объединения разных фаз имеет несколько лучшую характеристику по сравнению с характеристиками других приемников разнесенного приема.

В данной заявке на патент описан способ объединения разных фаз, который при статических условиях окружающей среды и при условиях рэлеевского замирания обеспечивает лучшие характеристики устройства по сравнению с вышеуказанными способами различного выбора. Кроме того, способ объединения разных фаз можно достаточно просто использовать в процессоре цифрового сигнала или в детекторе цифровой аппаратуры.

В отличии от способа сравнения правдоподобных фаз сигналов объединение разных фаз можно применить в тех системах, в которых используется аналоговый или цифровой способы фазовой модуляции. И наконец, устройство настоящего изобретения можно использовать в приемниках, которые имеют более двух разнесенных каналов.

Формула изобретения

1. Устройство для объединения по меньшей мере двух входных сигналов с использованием индикатора фазы и качества сигнала, содержащее первый и второй фазовые демодуляторы, которые выполнены в виде блоков выделения из по меньшей мере двух входных сигналов, соответственно сигналов с первым фазовым сдвигом и сигналов с вторым фазовым сдвигом, отличающееся тем, что введены сумматор фаз сигналов, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго фазовых демодуляторов, блок фазовой селекции, первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу первого фазового демодулятора, выходу сумматора фаз сигналов и выходу второго фазового демодулятора, а также блок выделения символов информации, вход которого подключен к выходу блока фазовой селекции, при этом выход сумматора фаз сигналов является выходом сигнала с третьим фазовым сдвигом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок выделения символов информации выполнен в виде блока выбора символа, представляющего сигнал с фазовым сдвигом.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сумматор фаз сигналов дополнительно содержит средство для усреднения сигнала с первым фазовым сдвигом и сигнала с вторым фазовым сдвигом по модулю 2П.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит блок сравнения уровней сигналов, который выполнен в виде блока сравнения уровней сигнала разности уровней первого и второго входных сигналов с заданной пороговой величиной, при этом выход блока сравнения уровней сигналов соединен с входом управления выбором сигнала с третьим фазовым сдвигом блока фазовой селекции.

5. Радиотелефон, содержащий по меньшей мере две антенны, по меньшей мере два приемника радиочастотных сигналов, входы которых подключены к соответствующим антеннам, первый и второй фазовые демодуляторы, выходы которых являются выходами сигналов соответственно с первым и вторым фазовыми сдвигами, и передатчик, отличающийся тем, что введены сумматор фаз сигналов, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго фазовых демодуляторов, блок фазовой селекции, первый, второй и третий входы которого соединены с выходом первого фазового демодулятора, с выходом сумматора фаз сигналов и с выходом второго фазового демодулятора, а также блок выделения символов информации, вход которого соединен с выходом блока фазовой селекции, процессор для формирования выбранных символов в виде комбинаций звуковых колебаний и интерфейс пользователя для восприятия комбинаций звуковых колебаний, который соединен с процессором для формирования выбранных симоволов в виде комбинации звуковых колебаний, к которому также подключен передатчик.

6. Радиотелефон по п.5, отличающийся тем, что содержит блок сравнения уровней сигналов, который выполнен в виде блока сравнения уровней сигнала разности уровней первого и второго входных сигналов с заданной пороговой величиной, при этом выход блока сравнения уровней сигналов соединен с входом управления выбором сигнала с соответствующим фазовым сдвигом блока фазовой селекции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8