Способ цифровой модуляции радиосигнала

Изобретение относится к системам беспроводной связи. Технический результат - повышение плотности модуляции несущего сигнала и увеличение скорости передачи цифровой информации. Для этого способ заключается в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, причем для каждого из цифровых кодов блок управления направляет на антенну ряд передаваемых в течение заданного тактового интервала двоичных кодов. При этом каждый из них имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, в том числе виртуальных, и направлением вращения вектора поляризации. Это позволяет создать общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В различных цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mⁿ, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных. Причем тактовый интервал делится на "Кв" виртуальных временных интервалов равной длительности, в течение каждого из которых блок управления генерирует различное количество импульсов, создавая путем комбинаторных перестановок из Кв виртуальных интервалов алфавит объемом В_Кв=В^Кв=(n!mⁿ)^Кв. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно, к технике цифровой связи, и может быть использовано для передачи дискретной информации по каналам радиосвязи.

Известно достаточно много способов цифровой модуляции несущей частоты для передачи полезной информации. Наиболее эффективной в настоящее время считается многопозиционный метод цифровой модуляции (манипуляции) несущей, который существует в виде двух основных видов: фазовая PSK и квадратурно-амплитудная QAM манипуляции.

Известна также позиционно-импульсная модуляция (ПИМ) - форма модуляции сигнала, при которой N битов сообщения кодируются путем передачи одного импульса в один из возможных требуемых временных сдвигов [https://ru.abcdef.wiki/wiki/Pulse-position_modulation#]. Как известно, при ПИМ тактовый интервал делится на М позиций, при этом каждый импульс передаваемой информации соответствует номеру двоичного кода [https://bookzooka.com/book/167-lazernye-sistemy-svyazi-uchebnoe-posobie-viktor-georgievich-nechaev/19-46-pozicionno-impulsnaya-modulyaciya.html].

Недостатком этих устройств и реализуемых в них способов кодирования является в обоих случаях ограничения по скорости передачи данных, связанные с относительно низкой плотностью цифровой модуляции несущего сигнала.

Наиболее близким по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ кодирования и передачи данных по радиоканалам, заключающийся в том, что антенный блок выполнен в виде одной антенны, имитирующей ряд виртуальных антенн, на которые блок управления направляет последовательно ряд двоичных кодов, каждый из которых имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, и направлением вращения вектора поляризации, причем количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, при этом направление вращения вектора поляризации имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», создавая общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mⁿ, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн, m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных (см. патент РФ №2430422, МПК Н03М 13/00, опубл. 2020 г.).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение плотности модуляции несущего сигнала и, как следствие, увеличение скорости передачи цифровой информации при минимальном сокращении длительности сигналов, т.е. с минимальными затратами частотного ресурса.

Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе цифровой модуляции радиосигнала, заключающемся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, связанный с блоком управления и источником информации, причем для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок управления согласно матрице соответствия направляет последовательно на антенну ряд передаваемых в течение заданного тактового интервала двоичных кодов, каждый из которых имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, в том числе виртуальных, и направлением вращения вектора поляризации, причем количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, при этом направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки, создавая общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В различных цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mⁿ, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, a m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных, согласно изобретению тактовый интервал делится на "Кв" виртуальных временных интервалов равной длительности, в течение каждого из которых блок управления генерирует различное количество импульсов от одного до n, соответствующих определенным символам из алфавита объемом В=n!mⁿ, создавая путем комбинаторных перестановок из Кв виртуальных интервалов алфавит объемом В_Кв=В^Кв=(n!mⁿ)^Кв при этом каждой комбинаторной комбинации присваивается код Кв, соответствующий той или иной комбинации виртуальных интервалов из множества В_Кв=(n!mⁿ)^Кв, передающийся в начале каждого тактового интервала.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что при делении тактового периода на Кв виртуальных временных интервалов в предлагаемом решении в течение тактового периода происходит передача не одного импульса в одном из временных интервалов, как в известном способе ПИМ, а передается большее число импульсов, т.е. от одного в одном из интервалов или последовательно нескольких - от двух до n - в нескольких виртуальных временных интервалах также в течение каждого из тактовых периодов. Это за счет повторного применения правил комбинаторики, а именно комбинаторной конфигурации "Перестановки", позволяет существенно расширить алфавит передаваемых сообщений, а именно с объема алфавита равного В=n!mⁿ, до объема алфавита, равного В_Кв=(n!mⁿ)^Кв. Отличительным признаком каждой из конкретной комбинационной конфигурации виртуальных интервалов в каждом тактовом интервале является один из двоичных кодов Кв, которые формируются блоком кодирования вариантов виртуальной фрагментации и передаются в начале каждого тактового интервала. Данные коды весьма компактны и занимают лишь малую часть тактового интервала. Так, для передачи двоичного кода Кв=4, что соответствует созданию четырех виртуальных интервалов, потребуется всего лишь два двоичных разряда. Следовательно, длительность "полезного" времени, в течение которого излучаются информационные биты сократиться незначительно. Это, в свою очередь, позволяет длительность информационных битов оставить практически неизменной, а следовательно, оставить практически неизменной и частотную полосу, занимаемую передаваемыми сообщениями.

Таким образом, изобретение позволяет повысить плотность модуляции несущего сигнала, увеличить скорость передачи цифровой информации, практически не расширяя при этом потребную для данной передачи полосу частот.

Способ цифровой модуляции радиосигнала поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема, поясняющая принцип предлагаемого способа цифровой модуляции, а на фиг. 2 - временная диаграмма работы схемы.

На чертежах приняты следующие обозначения:

α₁…α₄ - двоичные коды, имитирующие направление вращения вектора поляризации в виртуальных секторах;

С1…С4 - уникальные коды каждого из виртуальных секторов. Для примера для разных секторов показаны разные направления вращения вектора в виде «0» и «1»;

А, В - буквы, символизирующие различные передаваемые сообщения;

K1, К2 - двоичные коды, обозначающие тот или иной вариант фрагментации тактового интервала.

Устройство, реализующее способ, содержит антенный блок 1, в состав которого входит одна антенна, блок 2 кодирования вариантов виртуальной фрагментации, блок 3 управления, источник 4 цифровой информации.

Способ цифровой манипуляции, заключается в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок 1, связанный с блоком 3 управления, который взаимодействует, обмениваясь сигналами, с блоком 2 кодирования вариантов виртуальной фрагментации и источником 4 информации. Антенный блок 1 выполнен в виде одной антенны, при помощи которой может имитироваться ряд виртуальных антенн. Это достигается тем, что для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок 3 управления согласно матрице соответствия в течение заданного временного интервала направляет на антенну последовательно ряд двоичных кодов. Каждый из этих кодов имеет свой уникальный признак, связанный с определенным количеством антенн, в том числе виртуальных, а также с направлением вращения векторов поляризации. Количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, а направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки. При этом создается общее число комбинаций состояний антенного блока, т.е. количества имитируемых антенн и соответствующих направлений векторов поляризаций, доступное для передачи объема алфавита из В цифровых кодов от источника 4 цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mⁿ, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, a m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных.

Далее осуществляют виртуальную фрагментацию тактового интервала, т.е. условное, предполагаемое деление тактового интервала на Кв равных временные интервалы. Созданные таким образом виртуальные временные интервалы используются для передачи импульсов в количестве от одного до n. Количество импульсов, а также их временное расположение в тех или иных виртуальных временных интервалах соответствуют одному из чисел в наборе B=n!mⁿ.

В свою очередь, появление нескольких виртуальных временных интервалов, доступных для формирования кода, позволяет применить одно из правил комбинаторики, а именно правило комбинаторной конфигурации "Перестановки", что и приводит к существенному расширению алфавита передаваемых сообщений.

Предложенная в изобретении возможность использования для передачи кодов не одного, а нескольких, а именно от одного до Кв виртуальных временных интервалов, позволяет расширить алфавит передаваемых сообщений с объема элементов алфавита В до объема алфавита В_Кв:

Формирование, хранение и присвоение кодов Кв обеспечивается путем подачи сигналов с блока 2 кодирования вариантов виртуальной фрагментации в ответ на запрос, получаемый от блока 3 управления.

Сказанное можно проиллюстрировать рядом примеров.

A) Примем число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, n=4, а число возможных состояний антенн m=3. В таком случае объем алфавита . Если тактовый интервал поделить на Кв=2 виртуальных временных интервалов, то получим

Это соответствует объему алфавита, равному примерно 2^21,85.

Такой объем алфавита для современных радиотехнических систем является, вероятно, избыточным и, возможно, в настоящее время не востребован. Зато такой подход позволяет снизить количество антенн, а следовательно, количество задействованных ресурсов, таких, как фазовый сдвиг, частот, кодов, что в свою очередь, делает систему более помехоустойчивой и технологичной.

Б) Теперь вместо четырех возьмем три n=3 антенны, оставив число возможных состояний антенн m=3 и временных интервалов М=2 неизменными. Получим, что

Тогда

Это соответствует объему алфавита равного примерно 2^12,51.

B) Тот же самый результат получим, если, оставляя число состояний антенн m=3 неизменным, теперь вместо четырех возьмем две n=2 антенны, а количество временных интервалов примем М=3, т.е. наоборот увеличим до трех. Получим, что

Тогда Это, очевидно, также соответствует объему алфавита равного примерно 2^12,51.

Следовательно, изобретение расширяет возможности разработчика в выборе средств и позволяет ему повысить плотность модуляции несущего сигнала и увеличить скорость передачи цифровой информации при минимальном сокращении длительности сигналов, а следовательно, с минимальными затратами частотного ресурса.

Способ цифровой модуляции радиосигнала реализуется следующим образом.

Подлежащий передаче в эфир цифровой сигнал от источника 4 цифровой информации поступает в блок 3 управления (см. фиг. 1). Блок 3 управления содержит некую базу данных, иными словами массив или матрицу соответствия, которые позволяют поступившему на блок 3 управления сигналу поставить в соответствие некий набор параметров антенного блока 1, которые и образуют некие коды, однозначно определяющие поступившую в блок 3 управления цифровую информацию от источника 4 информации, и которые в дальнейшем излучаются в эфир.

Под набором параметров понимается, во-первых, количество антенн, в том числе виртуальных, которые предполагается задействовать в данный момент для излучения цифрового сигнала, а во-вторых, направления вращения вектора поляризации электромагнитной волны.

Формирование виртуальных антенн осуществляется следующим образом. Предположим, необходимо сформировать антенный блок, состоящий, например, из четырех виртуальных антенн. Для этого вводится некий параметр α_i, который имитирует направление вращения вектора поляризации, связанного с i-й антенной. Количество этих параметров и номера их индексов указывает на антенны, которые задействованы в данный момент. Так, присутствие в сигнале параметров α₁, α₃, α₄ означает, что в передаче сигнала участвуют три антенны с условными номерами 1, 3, 4. Вращение вектора поляризации может происходить либо по часовой, либо против часовой стрелки, при этом параметр α_i принимает, соответственно, два значения: «0» или «1». Для того чтобы приемник мог распознать значение каждого из параметров α_i, каждый из них кодируется своим уникальным кодом, иными словами ему присваивается свой код - Ci. Таким образом, параметр α_i, а именно, его состояния - «0» или «1» кодируются одним из известных способов. Это может быть, например, амплитудное, частотное, фазовое, кодовое или амплитудно-фазовое кодирование. В дальнейшем именно по данному коду Ci приемник определяет, какие именно антенны антенного блока, в том числе виртуальные, были задействованы, а численное значение этого параметра α_i - «0» или «1», указывает направление вращение вектора поляризации.

Если в принятом сигнале на данном такте какого-то из параметров (или нескольких параметров) α_i не окажется, то это означает, что данная антенна α_i в передаче цифрового фрагмента в указанном временном интервале не участвовала (или не участвовали).

С блока 3 управления на антенный блок 1, таким образом, последовательно поступают один или несколько различных значений параметра α_i, каждый из которых представляют собой двоичные «0» или «1», закодированные уникальными кодами, которые «привязаны» к номерам виртуальных антенн, что впоследствии и позволяет приемнику идентифицировать антенны, участвовавшие в передаче сигнала.

Если учесть, что порядок следования параметров α_i при помощи блока 3 управления можно изменять в зависимости от передаваемого числа, то общее количество знаков, которые могут быть переданы - алфавит, согласно правилам комбинаторики может быть рассчитано по формуле: В=n!mⁿ.

Рассмотрим пример для четырех антенн, когда число состояний m, в котором могут находиться антенны, в том числе виртуальные, составляет m=3. При этом:

• первое состояние - это состояние, когда антенна не активирована;

• второе состояние - состояние, когда антенна активирована, при этом вектор поляризации вращается по часовой стрелке;

• третье состояние - состояние, когда антенна активирована, при этом вектор поляризации вращается против часовой стрелки.

Применив аппарат раздела математики "Комбинаторика" (см., например, Комбинаторика, Виленкин Н.Я., Виленкин А.Н., Виленкин П.А., 2006), не трудно показать, что в нашем случае для m=3 можно получить общее число различных комбинаций состояний антенного блока для n=4 антенн, равное В=4!3⁴=24 81=1944. Если же принять n=5, то В=5!3⁵=120 243=29 160. И если учесть, что 2¹⁵=32768, то можно сказать, что в данном случае изобретение позволяет увеличить плотность упаковки сигналов почти в 5 раз. При этом следует подчеркнуть, что предлагаемая технология позволяет производить кодирование сигналов наиболее помехоустойчивыми методами, что является ее дополнительным преимуществом.

Каждый из наборов параметров, согласно принятому правилу, соотносится с цифровым кодом, который необходимо передать в эфир в данный момент. Указанное соответствие с использованием блока 3 управления, содержащего соответствующую базу данных, может быть установлено в виде таблиц, формул, матриц соответствия и т.п.

Таким образом, некое двоичное число, подлежащее передаче по радиоканалу в данный момент времени, соотносится, как с одним из возможных количеств, выбранных в данный момент виртуальных антенн, так и с направлениями вращения в них векторов поляризации α₁…α₄. Последние различаются при помощи одноразрядного кода: подача на антенну кода «0» означает, что вектор вращается по часовой стрелке, а кода «1» означает, что вектор вращается против часовой стрелки.

В предлагаемом способе номер виртуальной антенны, а также направления вращения вектора поляризации определяется соответствующими кодами, имитирующими как виртуальные антенны, так и направление вращения векторов поляризации. Количество кодов соответствует количеству виртуальных антенн, которые предполагается создать. В нашем примере их четыре. Все четыре кода подаются на антенну последовательно в определенном порядке. Порядок следования кодов может быть разным, он определяется блоком 3 управления и зависит от значения числа, отобранного им в базе данных или матрице соответствия для последующего излучения в эфир.

Пояснить сказанное можно следующим образом. Пусть α1, α2, α3, α4 - это коды, указывающие направления вращения векторов поляризации в 1-й…4-й виртуальных антеннах (см. таблицу).

Из таблицы следует, что в излучении сигнала участвуют все четыре антенны, причем на первой и четвертой антеннах вращение вектора поляризации происходит по часовой стрелке (код «0»), а на второй и третьей (код «1») - против.

При этом каждая из переменных α_i, т.е. «0» или «1», указывающих на направление вращения вектора, кодируется своим уникальным кодом С₁…С₄, позволяющим однозначно «привязать» данный параметр к той или иной антенне. То есть позволяет не только отличить одну антенну от других, но и однозначно указать на направление вращения каждого вектора поляризации.

В таблице эти коды обозначены как Ci. В дальнейшем это позволит приемнику не только определить, какие именно виртуальные антенны были задействованы для передачи информации, но также и определить последовательность излучения в эфир и поступления на приемник параметров α₁…α₄, иными словами, позицию каждого из них в последовательности.

Например, если поступление кодов в последовательности C1 - С2 - С3 - С4 приемник при помощи матрицы соответствия определит, как число N1, то поступление кодов в последовательности С3 - С2 - С4 - С1 будет расшифровано приемником уже как число N2.

Подобное техническое решение позволяет для расчета объема передаваемого алфавита системы воспользоваться правилами "Комбинаторики", согласно которым общее число комбинаций определяется по формуле В=n!mⁿ, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, a m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных.

За счет того, что на антенну поступает не один, а несколько кодов, в нашем примере - четыре, имитирующих, соответственно, четыре антенны, то при помощи одной антенны можно имитировать произвольное число антенн, а следовательно, расширять алфавит в любых пределах. Это, в свою очередь, упрощает работу передатчика, приемника и системы радиообмена в целом.

Задача блока 2 кодирования вариантов виртуальной фрагментации заключается в том, чтобы по команде от блока 3 управления выдать требуемый код Кв, указывающих какую именно комбинаторную комбинацию виртуальных интервалов, в течение которой излучается выбранный из массива данных цифровой код, необходимо учесть приемнику при расшифровке полученного сигнала. Именно формирование нескольких виртуальных временных интервалов в рамках одного тактового интервала позволяет еще раз, уже применительно к вновь образованным элементам, а именно виртуальным временным интервалам, вновь использовать правила комбинаторики. Такой прием и обеспечивает существенное расширение алфавита передаваемых сообщений.

На фиг. 2 в качестве примера представлен случай, когда Кв=2, т.е. тактовый интервал при помощи блока 2 кодирования вариантов виртуальной фрагментации создает два виртуальных интервала. В верхней части фиг. 2 показан пример, когда для передачи двух различных сообщений создаются два физических интервала, излучение в течение которых одного и того же кода соответствует различным сигналам, а именно сигналу А и сигналу В. Это пример физической фрагментации тактового интервала.

В нижней части фиг. 2 физическая фрагментация заменяется виртуальной, указана, как "Виртуальный аналог фрагментации тактового интервала". Здесь для передачи сигналов используется весь тактовый интервал. И хотя в обоих случаях используется одна и та же двоичная последовательность (число 1010), информационные сигналы являются разными, поскольку в начале каждого из них присутствуют различные коды виртуальной фрагментации: в приведенном на фиг. 2 примере это коды Кв1 и Кв2.

Задача блока 3 управления заключается в том, чтобы сделать надлежащую выборку числа из данного массива (матрицы) и присвоить ему кодирующие признаки на основе параметров n, m из множества В=n!mⁿ, образованного различными комбинациями указанных кодирующих признаков. Полученный таким образом виртуальный код подается далее на антенный блок 1, состоящий из одной антенны.

Обработка сигналов в приемном устройстве может быть реализована различными способами, хорошо известными на современном уровне развития радиотехники. Приемник должен содержать исходные коды Кв и С₁…С₄, при помощи которых кодируются параметры α₁…α₄, и перемножая на которые входной сигнал, приемник выделяет полезную информацию.

Далее входной сигнал анализируется для определения значения кода Кв, а также на наличие или отсутствие какого-либо из параметров α₁…α₄ с той или иной виртуальной антенны. Кроме того, фиксируется последовательность появления их в приемнике, определяя, таким образом, позицию номера той или иной антенны во входном сигнале. На основании этих данных делается вывод о значении полученного от приемника кода. Указанный код соответствует некоторому фрагменту (числу) передаваемой цифровой информации. Это позволяет приемнику идентифицировать полученную информацию и соотнести ее с собственной матрицей, идентичной содержащейся в передатчике, и, расшифровав его таким образом, передать получателю цифровой информации об излученном сигнале. Способ позволяет обеспечить однозначное соответствие конкретного фрагмента цифровой информации и значения сформированного при помощи блока управления кода, который в дальнейшем излучается в эфир и расшифровывается в приемнике.

Кроме того, в приемном устройстве определяется в каком или каких именно из виртуальных временных интервалах Кв происходит излучение полезного сигнала, что в данном изобретении является одним из определяющих параметров метода передачи цифровой информации и существенно расширяющие его возможности.

Таким образом, изобретение позволяет повысить плотность модуляции несущего сигнала с объема алфавита В=n!mⁿ до объема алфавита В_Кв=(n!mⁿ)^Кв и, как следствие, существенно увеличить скорость передачи цифровой информации при минимальном сокращении длительности сигналов, т.е. с минимальными затратами частотного ресурса.

Способ цифровой модуляции радиосигнала, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, связанный с блоком управления и источником информации, причем для каждого из подлежащих излучению цифровых кодов блок управления согласно матрице соответствия направляет последовательно на антенну ряд передаваемых в течение заданного тактового интервала двоичных кодов, каждый из которых имеет свой уникальный признак, связанный с количеством антенн, в том числе виртуальных, и направлением вращения вектора поляризации, причем количество кодов и порядок их следования однозначно соответствует передаваемому числу, при этом направление вращения вектора поляризации условно имитируют с помощью одноразрядных двоичных кодов «0» или «1», где код «0» соответствует вращению вектора поляризации по часовой стрелке, а код «1» - вращению вектора поляризации против часовой стрелки, создавая общее число комбинаций состояний антенного блока, доступное для передачи массива В различных цифровых кодов от источника цифровой информации, равное множеству чисел, определяемых формулой В=n!mⁿ, где n - число кодов, имитирующих общее количество антенн антенного блока, в том числе виртуальных, a m - число возможных состояний антенн, в том числе виртуальных, отличающийся тем, что тактовый интервал делится на "Кв" виртуальных временных интервалов равной длительности, в течение каждого из которых блок управления генерирует различное количество импульсов от одного до n, соответствующих определенным символам из алфавита объемом В=n!mⁿ, создавая путем комбинаторных перестановок из Кв виртуальных интервалов алфавит объемом В_Кв=В^Кв=(n!mⁿ)^Кв, при этом каждой комбинаторной комбинации присваивается код Кв, соответствующий той или иной комбинации виртуальных интервалов из множества В_Кв=(n!mⁿ)^Кв, передающийся в начале каждого тактового интервала.