Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ), применяемых на линиях многоканальной цифровой связи, а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения. Достигаемый технический результат - снижение пиковых напряжений сигнальных векторов формируемых сигналов КАМ-16 без увеличения значения пик-фактора. Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции содержит задающий генератор, три фазовращателя, шесть коммутаторов напряжения, четыре делителя напряжения, элемент «ИЛИ-НЕ» и сумматор. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции (КАМ), применяемых на линиях многоканальной цифровой связи, а также в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения.

Известно устройство для управления передачей данных по радиоканалу (Патент РФ №2205518, МПК 7 H04L 27/20, 2001 г.), содержащее источник сообщения, подключенный к первому входу 1-го синхронизатора, выход которого подключен к первому входу 1-го фазового манипулятора (ФМ), выход которого подключен к первому входу 1-го балансного модулятора, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход которого является выходом устройства, второй вход которого подключен к выходу 2-го ФМ, вход которого подключен ко входу 2-го фазовращателя (ФВ), вход которого объединен и подключен ко входу 2-го делителя напряжения (ДН) и входу 1-го ФМ, выход 2-го ДН подключен ко входу 1-го ДН и 1-го балансного модулятора, выход 2-го ФВ подключен ко второму входу 2-го ФМ, выход второго источника сообщения подключен ко второму входу 2-го синхронизатора.

Недостатком данного устройства является относительно низкая помехоустойчивость следствие относительно высокого пик-фактора (ПФ) формируемой сигнальной конструкции.

Известно устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной модуляции (Патент РФ №2365050, МПК H04L 27/06, 2008 г.), содержащее общий задающий генератор (ЗГ), 1-й, 2-й, 3-й ФВ, 1-й, 2-й, 3-й, 4-й КН, сумматор, 1-й, второй управляемый ДН, вычислитель отношений, ДН на два. Входы 1-го, 2-го ФВ и первый вход 1-го КН и выход общего ЗГ соединены. Выход 1-го ФВ подключен ко входу 3-го ФВ и к первому входу 2-го КН. Выход 3-го ФВ соединен со вторым входом 2-го КН. Первый выход 2-го КН соединен с первым входом 4-го КН. Второй выход 2-го КН соединен с первым входом 2-го управляемого ДН. Выход 2-го управляемого ДН подключен ко второму входу 4-го КН. Выход 4-го КН соединен со вторым входом сумматора. Выход 2-го ФВ соединен со вторым входом 1-го КН. Первый выход 1-го КН соединен с первым входом 3-го КН. Второй выход 1-го КН подключен к первому входу 1-го управляемого ДН. Выход 1-го управляемого ДН подключен с первым входом 3-го КН. Выход 3-го КН соединен с первым входом сумматора. Вход ДН на два соединен с демодулятором приемника. Выход ДН на два подключен ко входу вычислителя отношения. Выход вычислителя отношения соединен со вторыми входами управляемых ДН. Выход информационного канала 1-го информационного бита (ИБ) соединен с третьим входом 1-го КН. Выход информационного канала 2-го ИБ соединен с третьим входом 3-го КН. Выход информационного канала 3-го ИБ подключен к третьему входу 2-го КН. Выход информационного канала 4-го ИБ соединен с третьим входом 4-го КН. Выход сумматора является выходом устройства.

Недостатком устройства является относительно высокий уровень ПФ формируемой сигнальной конструкции, что приводит к снижению помехоустойчивости ее приема.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявляемому устройству является устройство формирования сигналов КАМ (см. Патент РФ 2439819, опубликованный 10.01.2012 Бюл. №1).

Устройство-прототип содержит ЗГ, выход которого подключен к входам 1-го, 2-го ФВ и к первому входу 1-го КН, второй вход которого подключен к выходу 2-го ФВ, первый выход 1-го КН подключен к первому входу 3-го КН, второй вход которого подключен к выходу 1-го ДН, вход которого подключен ко второму выходу 1-го КН, выход 3-го КН подключен к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу 4-го КН, второй вход которого подключен к выходу 4-го ДН, вход которого подключен к второму выходу 2-го КН, первый выход которого подключен к первому входу 4-го КН, первый и второй входы 2-го КН подключены соответственно к первому выходу 1-го ФВ и выходу 3-го ФВ, вход которого подключен ко второму выходу 1-го ФВ, причем 1-й и 2-й КН снабжены цифровыми входами соответственно 1-го и 2-го ИБ, а 3-й и 4-й КН снабжены входами 3-го и 4-го ИБ, а выход сумматора является выходом устройства, дополнительно введены 2-й, 3-й, 5-й и 6-й ДН. Входы 5-го и 6-го ДН объединены и подключены к второму выходу 2-го КН. Входы 2-го и 3-го ДН объединены и подключены к второму выходу 1-го КН. Выходы 2-го и 3-го ДН подключены соответственно к третьему и четвертому входам 3-го КН. Выходы 5-го и 6-го ДН подключены соответственно к третьему и четвертому входам 4-го КН, причем вход 3-го ИБ 3-го КН соединен с входом 3-го ИБ 4-го КН, вход 4-го ИБ которого соединен с входом 4-го ИБ 3-го КН.

Однако наиболее близкому по своей сущности устройству-прототипу присущ недостаток. Для обеспечения относительно низкого значения ПФ в устройстве-прототипе увеличивается средняя мощность за счет увеличения пиковых напряжений сигнальных векторов. Такой подход требует увеличения исходных значений напряжений формируемых векторов синфазной и квадратурной составляющих, что предполагает дополнительное применение усилительных устройств в устройстве формирования сигнала, что не всегда является возможным.

Цель заявляемого технического решения - снижение пиковых напряжений сигнальных векторов формируемой сигнальной конструкции КАМ-16, без существенного увеличения значения ПФ.

В заявляемом устройстве поставленная цель достигается тем, что в устройство формирования сигналов КАМ, содержащее ЗГ, выход которого подключен к входам 1-го и 2-го ФВ и первому входу 1-го КН, второй вход которого подключен к выходу 2-го ФВ, а выход - к входам 1-го и 2-го ДН. Выход 1-го ФВ подключен к входу 3-го ФВ и первому входу 2-го КН, второй вход которого соединен с выходом 3-го ФВ, а выход - с входами 3-го и 4-го ДН. При этом на информационные входы 1-го и 2-го КН соответственно подают 1-й и 2-й ИБ, причем выход сумматора служит выходом устройства. Дополнительно введены 3-й, 4-й, 5-й и 6-й КН, а также элемент «ИЛИ-НЕ», причем выход 1-го КН и 1-го ДН соответственно являются первым и вторым входами 3-го КН, выход которого является первым входом 5-го КН, вторым входом которого является выход 2-го ДН, а выход соединен с первым входом сумматора. Выход 2-го КН и 3-го ДН соответственно являются первым и вторым входами 4-го КН, выход которого является первым входом 6-го КН, вторым входом которого является выход 4-го ДН, а выход соединен с вторым входом сумматора, на информационный вход 3-го КН и второй вход элемента «ИЛИ-НЕ» подают 3-й ИБ, на информационный вход 4-го КН и первый вход элемента «ИЛИ-НЕ» подают 4-й ИБ, а информационные входы 5-го и 6-го КН соединены с выходом элемента «ИЛИ-НЕ». А коэффициент деления 1-го и 3-го ДН равен 1/3, а 2-го и 4-го ДН равен 5/6. А 1-й ФВ изменяет фазу на 90°, а 2-й и 3-й ФВ изменяют фазу на 180°.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом устройстве за счет дополнительного включения 3-го, 4-го, 5-го и 6-го КН, а также элемента «ИЛИ-НЕ», формируется сигнальная конструкция КАМ-16 с более низкими значениями пиковых напряжений сигнальных векторов, без существенного увеличения показателя ПФ.

Заявляемые технические решение поясняются чертежами, на которых:

на фиг.1 показана схема устройства формирования сигналов КАМ-16;

на фиг.2 показана последовательность ИБ, разделенная на шестнадцать блоков по четыре ИБ;

на фиг.3 показана векторная диаграмма сигнальной конструкции КАМ-16, сформированная при применении заявляемого устройства.

Устройство формирования сигналов КАМ-16, представленное на фиг.1, содержит: 1 - ЗГ; 2 - 1-й ФВ на 90°; 3 - 2-й ФВ на 180°; 4 - 3-й ФВ на 180°; 5 - 1-й КН; 6 - 2-й КН; 7 - 1-й ДН с коэффициентом деления на 1/3; 8 - 2-й ДН с коэффициентом деления на 5/6; 9-3-й ДН с коэффициентом деления на 1/3; 10 - 4-й ДН с коэффициентом деления на 5/6; 11-4-й КН; 12 - 3-й КН; 13 - элемент «ИЛИ-НЕ»; 14-6-й КН; 15 - 5-й КН; 16 - сумматор.

Выход ЗГ 1 является входом 1-го ФВ 2,2-го ФВ 3, первым входом 1-го КН 5. Выход 2-го ФВ 3 является вторым входом 1-го КН 5. Выход 1-го КН 5 является первым входом 3-го КН 12, а также входами 1-го ДН 7, 2-го ДН 8. Выход 1-го ДН 7 является вторым входом 3-го КН 12. Выход 2-го ДН 8 является вторым входом 5-го КН 15, первым входом которого является выход 3-го КН 12, а выход 5-го КН 15 является первым входом сумматора 16. Информационный вход 1-го КН 5 является входом 1-го ИБ r₁. Информационный вход 3-го КН 12 является входом 3-го ИБ r₃ и вторым входом элемента «ИЛИ-НЕ», выход которого является информационным входом 5-го КН 15 и 6-го КН 14. Выход 1-го ФВ 2 является входом 3-го ФВ 4 и первым входом 2-го КН 6, вторым входом которого является выход 3-го ФВ 4, а выход - первым входом 4-го КН 11 и входом 3-го ДН 9 и 4-го ДН 10. Информационный вход 4-го КН 11 является входом 4-го ИБ r₄ и первым входом элемента «ИЛИ-НЕ». Выход 3-го ДН 9 является вторым входом 4-го КН 11, выход которого является первым входом 6-го КН 14. Выход 4-го ДН 10 является вторым входом 6-го КН 14, выход которого является вторым входом сумматора 16. Информационный вход 2-го КН 6 является входом 2-го ИБ r₂. Выход сумматора является выходом устройства.

Общий ЗГ 1 предназначен для генерации напряжения синусоидальной формы. В качестве общего ЗГ 1 может быть использована схема мостового генератора синусоидальных сигналов (генератор Вина), (см. Достал И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982. - С.200-201, рис.6.27).

Первый ФВ 2 предназначен для сдвига фазы синусоидального сигнала на 90°. Реализация первого ФВ 2 известна (см. Достал И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982. - С.196, рис.6.20).

Второй ФВ 3 и 3-й ФВ 4 предназначены для сдвига фазы синусоидального сигнала на 180°. В качестве 2-го ФВ 3 и 3-го ФВ 4 может быть использована схема инвертора напряжения (см. Достал И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982. - С.182-184, рис.6.6).

Первый КН 5 и 2-й КН 6 выполняют функцию коммутации напряжения (прямого или инвертированного посредством ФВ 3 и ФВ 4). Первый КН 5 подключает на вход 1-го ДН 7, 2-го ДН 8 и первый вход 3-го КН 12 прямое напряжение с выхода ЗГ или инвертированное с выхода 2-го ФВ 3 в зависимости от значения ИБ r₁ (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 1-го КН 5. Второй КН 6 подключает вход 3-го ДН 9, 4-го ДН 10 и первый вход 4-го КН 11 к выходу 1-го ФВ 2 или к выходу 3-го ФВ 4 в зависимости от значения ИБ r₂ (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 2-го КН 6. Третий КН 12 выполняет функцию коммутации напряжения с выхода 1-го КН 5 и 1-го ДН 7 на первый вход 5-го КН 15 в зависимости от значения ИБ r₃ (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 3-го КН 12. Четвертый КН 11 выполняет функцию коммутации напряжения с выхода 2-го КН 6 и 3-го ДН 9 на первый вход 6-го ДН 14 в зависимости от значения ИБ r₄ (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 4-го КН 11. Пятый КН 15 выполняет функцию коммутации напряжения с выхода 3-го КН 12 и 2-го ДН 8 на первый вход сумматора 16 в зависимости от значения ИБ (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 5-го КН 15 с выхода элемента «ИЛИ-НЕ». Шестой КН 14 выполняет функцию коммутации напряжения с выхода 4-го КН 11 и 4-го ДН 10 на второй вход сумматора 16 в зависимости от значения ИБ (ноль или единица), подаваемого на информационный вход 6-го КН 14 с выхода элемента «ИЛИ-НЕ». В качестве 1-го КН 5 и 2-го КН 6 может быть использована схема аналогового мультиплексора (см. Патент РФ 2439819, опубликованный 10.01.2012 Бюл. №1).

Первый ДН 7, 2-й ДН 8, 3-й ДН 9, 4-й ДН 10 выполняют функцию деления напряжения синфазной и квадратурной составляющих (СС и КС) соответственно на 1/3, 5/6, 1/3, 5/6. В качестве делителя напряжения может использоваться схема перекрытого Т-образного амплитудного корректора (см. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. - М.: Радио и связь, 1986. - С.524-525, рис.22.6).

Сумматор 16 предназначен для аддитивного объединения аналоговых сигналов, поступающих на его первый и второй входы. В качестве сумматора 16 может быть использована схема суммирующего усилителя (см. Достал И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982. - С.184-185, рис.6.7).

Элемент «ИЛИ-НЕ» предназначен для формирования информационного бита на информационных входах 5-го КН 15 и 6-го КН 14. Реализация элементов «ИЛИ-НЕ» известна, см. Патент РФ №2187887, опубликованный 20.08.2002 г.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Исходную информационную последовательность ИБ разбивают на блоки по четыре ИБ в каждом (см. фиг.2). Мелким шрифтом в каждом блоке над ИБ указана их нумерация (см. фиг.2). Затем последовательно ИБ блоками подают на информационные входы в заявляемое устройство.

Общий ЗГ 1 генерирует синусоидальный сигнал (исходное значение напряжения СС) и подает его на вход 1-го ФВ 2, который изменяет фазу сигнала на 90° и таким образом формирует исходное значение напряжения КС. Далее СС и КС подают на первые входы 1-го КН 5 и 2-го КН 6, а также на входы 2-го ФВ 3 и 3-го ФВ 4. Второй ФВ 3 и 3-й ФВ 4 изменяют фазы соответственно СС и КС на 180°. С выходов 2-го ФВ 3 и 3-го ФВ 4, сдвинутые по фазе на 180° векторы напряжения (ВН) СС и КС подают на вторые входы 1-го КН 5 и 2-го КН 6.

В зависимости от значений ИБ r₁ и r₂, поступающих на информационные входы 2-го КН 6 и 1-го КН 5, последние подключают на свои выходы аналоговый сигнал, поступающий с их первого или второго входа, т.е. манипулируют СС и КС в зависимости от значений ИБ r₁ и r₂. Данная манипуляция СС и КС с помощью 1-го КН 5 и 2-го КН 6 производится следующим образом. Если на информационный вход поступает r₂=0 (r₁=0), то на выходы 1-го КН 5 (2-го 6 КН) подключают не сдвинутые по фазе на 180° ВН СС (КС). В противном случае, т.е. при поступлении r₂=1 (r₁=1), на выходы 1-го КН 5 (2-го КН 6) подключают сдвинутые по фазе на 180° ВН СС (КС).

С выхода 1-го КН 5 (2-го КН 6) сигнал СС (КС) подают на первый вход 3-го КН 12 (4-го КН 11), входы 1-го ДН 7 (ДН 9) и 2-го ДН 8 (ДН 10).

Если на информационном входе 3-го КН 12 (4-го КН 11) значение ИБ r₃=0 (r₄=0), на первый вход 5-го КН 15 (6-го КН 14) поступает ВН СС (КС) с выхода 1-го КН 5 (2-го КН 6).

Если на информационном входе 3-го КН 12 (4-го КН 11) значение ИБ r₃=1 (r₄=1), на первый вход 5-го КН 15 (6-го КН 14) поступает ВН СС (КС) с выхода 1-го ДН 7 (3-го ДН 9).

Если на информационном входе 5-го КН 15 (6-го КН 14) значение ИБ равно 0, на первый (второй) вход сумматора 16 поступает ВН СС (КС) с выхода 3-го КН 12 (4-го КН 11).

Если на информационном входе 5-го КН 15 (6-го КН 14) значение ИБ равно 1, на первый (второй) вход сумматора 16 поступает ВН СС (КС) с выхода 2-го ДН 8 (4-го ДНЮ).

Значение ИБ на выходе элемента «ИЛИ-НЕ» 13 формируется следующим образом. Если на его первом входе значение ИБ r₃=0, а на втором входе значение ИБ r₄=0, то на выходе элемента «ИЛИ-НЕ» значение ИБ равно 1. При остальных комбинациях: r₃=0, r₄=1; r₃=1, r₄=0; r₃=1, на выходе элемента «ИЛИ-НЕ» значение ИБ равно 0.

На выходе 16 сумматора 19, который является выходом заявляемого устройства, формируется результирующий ВН, который определяет точку сигнального созвездия, соответствующую блоку из четырех информационных битов. Векторы напряжений СС $${\overrightarrow{u}}_1^I$$ , $$-{\overrightarrow{u}}_1^I$$ , $${\overrightarrow{u}}_2^I$$ , $$-{\overrightarrow{u}}_2^I$$ , $${\overrightarrow{u}}_3^I$$ , $$-{\overrightarrow{u}}_3^I$$ соответственно формируются на выходе 1-го КН 5, выходах 2-го ДН 8, 1-го ДН 7. Векторы напряжений КС $${\overrightarrow{u}}_1^Q$$ , $$-{\overrightarrow{u}}_1^Q$$ , $${\overrightarrow{u}}_2^Q$$ , $$-{\overrightarrow{u}}_2^Q$$ , $${\overrightarrow{u}}_3^Q$$ , $$-{\overrightarrow{u}}_3^Q$$ соответственно формируются на выходе 2-го КН 6, выходах 4-го ДН 10, 3-го ДН 9.

На фиг.3 показаны точки сигнального созвездия F₁-F₁₆, соответствующие всем возможным комбинациям блоков из четырех ИБ, представленных на фиг.2.

Таким образом, максимальное значение пикового напряжения сигнальных векторов (F₃, F₆, F₁₄, F₁₁), см. фиг.3, формируемых заявляемым устройством, составляет $$\frac{5\sqrt{2}}{6}{U}_{исх}$$ , значение ПФ равно 1,2. Здесь U_исх - исходное значение напряжения, формируемое ЗГ. В способе-прототипе максимальное значение пикового напряжения составляет $$\sqrt{2}{U}_{исх}$$ , а значение ПФ равно 1,17.

Таким образом, цель заявляемого технического решения, заключающаяся в снижении пиковых напряжений сигнальных векторов формируемой сигнальной конструкции КАМ-16, без существенного увеличения значения ПФ достигнута. При этом заявляемое техническое решение исключает дополнительное применение усилительных устройств в устройстве формирования сигнала.

1. Устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции содержащее задающий генератор, выход которого подключен к входам первого и второго фазавращателей (ФВ) и первому входу первого коммутатора напряжения (КН), второй вход которого подключен к выходу второго ФВ, а выход - к входам первого и второго делителей напряжения (ДН), выход первого ФВ подключен к входу третьего ФВ и первому входу второго КН, второй вход которого соединен с выходом третьего ФВ, а выход - с входами третьего и четвертого ДН, при этом на информационные входы первого и второго КН соответственно подают первый и второй информационные биты, причем выход сумматора служит выходом устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены третий, четвертый, пятый и шестой КН, а также элемент «ИЛИ-НЕ», причем выход первого КН и первого ДН соответственно являются первым и вторым входами третьего КН, выход которого является первым входом пятого КН, вторым входом которого является выход второго ДН, а выход соединен с первым входом сумматора, выход второго КН и третьего ДН соответственно являются первым и вторым входами четвертого КН, выход которого является первым входом шестого КН, вторым входом которого является выход четвертого ДН, а выход соединен с вторым входом сумматора, на информационный вход третьего КН и второй вход элемента «ИЛИ-НЕ» подают третий информационный бит, на информационный вход четвертого КН и первый вход элемента «ИЛИ-НЕ» подают четвертый информационный бит, а информационные входы пятого и шестого КН соединены с выходом элемента «ИЛИ-НЕ».

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коэффициент деления первого и третьего ДН равен 1/3, а второго и четвертого ДН равен 5/6.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый ФВ изменяет фазу на 90°, а второй и третий ФВ изменяют фазу на 180°.