EA031912B1 - Комбинированная амплитудно-временная и фазовая модуляция - Google Patents

Abstract

Предлагается способ генерации составного сигнала с использованием одного или более, по существу, синусоидальных сигналов, содержащих кодированную цифровую информацию, объединяемых с сигналом или сигналами с переменным изменением фазы, для формирования составного зазубренного синусоидального сигнала, содержащего, по меньшей мере, синусоидальный сигнал, модулированный с помощью амплитудно-временной модуляции, и по меньшей мере один модулированный по фазе сигнал. Наличие или отсутствие изменения амплитуды синусоидального сигнала в пределах фазы указывает на значение данных. Эти значения данных могут изменяться в пределах цикла или пакета данных. По сравнению с классическими технологиями модуляции при амплитудно-временной модуляции наблюдается пониженный уровень модуляционных искажений. Этот пониженный уровень искажений в сигнале связи позволяет добиться увеличения эффективных длин участков передачи, уменьшения интенсивности ошибок, увеличения скорости передачи данных и повышения безопасности данных.

Description

Область техники

Изобретение в целом относится к передаче данных, а более конкретно - к технологиям модуляции синусоидального сигнала, позволяющим увеличить скорости передачи данных.

Уровень техники

Передача цифровых данных обычно выполняется из одного пункта в другой путем модулирования синусоидального сигнала, используемого в качестве несущего сигнала, посредством модификации одной или более таких характеристик этого сигнала, как амплитуда, частота и фаза.

Амплитудная модуляция синусоидального сигнала традиционно реализуется путем непосредственного изменения амплитуды этого сигнала, используемого в качестве несущего, согласно исходному сигналу, подлежащему передаче. Типичный синусоидальный сигнал характеризуется своей амплитудой, частотой и фазой. Синусоидальные сигналы используются для передачи данных через узлы различных систем связи. В случае радиосигнала с амплитудной модуляцией (AM) передаваемый в широковещательном режиме сигнал несущей (синусоидальный) модулируется голосом, и простой АМ-приемник может отделять голос от сигнала несущей с помощью диода, усиливать голосовой сигнал и воспроизводить его через динамик. Радиочастотный АМ-сигнал подвержен воздействию побочных шумов, которые ограничивают расстояние передачи сигнала, снижают его качество и достоверность. Обычно модуляция или другие изменения чистого синусоидального сигнала приводят к появлению побочных продуктов, включая гармоники, боковые полосы частот, отражения и электромагнитные помехи.

Непосредственная модуляция синусоидальных сигналов, служащих в качестве несущих, приводит к возникновению существенного шума, который трудно отфильтровать. Технологии частотной модуляции обычно реализуются путем кодирования информации в синусоидальном сигнале, используемом в качестве несущей, с помощью изменения мгновенной частоты сигнала. Технологии фазовой модуляции обычно реализуются путем кодирования информации в синусоидальном сигнале, используемом в качестве несущей, с помощью изменений мгновенной фазы сигнала несущей.

Помимо этого разработаны схемы смешанной модуляции, такие как QAM, SM и SSB. Эти разработанные схемы смешанной модуляции улучшают качество передачи данных, но все еще подвержены значительному влиянию шумов и других побочных продуктов модуляции, которые снижают фактическую скорость передачи и требуют использования избыточных ресурсов спектра.

Соответственно, необходимы усовершенствования кодирования данных путем модуляции сигнала.

Сущность изобретения

В то время как способ, посредством которого в рамках изобретения устраняются недостатки, присущие известному уровню техники, более подробно описывается ниже, в целом, изобретение обеспечивает новую технологию модуляции, позволяющую значительно улучшить отношение сигнал/шум (т.е. отношение энергии полезных данных к энергии шума в канале), снизить требования к ширине полосы пропускания, увеличить помехоустойчивость восстанавливаемых данных при заданной интенсивности ошибок в битах (BER, Bit Error Rate) и улучшить динамическое управление процессом модуляции.

Фазо-амплитудно-временная модуляция позволяет значительно увеличить скорости передачи данных по сравнению с прежними способами/технологиями модуляции. Новая технология может применяться на любой частоте и в большинстве существующих инфраструктур проводной и беспроводной связи.

Один аспект признаков настоящего изобретения, согласно некоторым вариантам осуществления, относится к способу кодирования цифровых данных, включающему генерацию синусоидального сигнала для передачи с фазой 0; ограничение дополнительной передачи (передач) сигнала на пиковой фазе и фазе пересечения нулевого уровня; генерацию по меньшей мере одного дополнительного синусоидального сигнала во время изменяемых неограниченных фаз; искажение одного или более синусоидальных сигналов путем искажения амплитудно-временной модуляции для кодирования цифровой информации и кодирование битового содержимого от 1 до n во время искажения синусоидального сигнала путем амплитудно-временной модуляции.

В некоторых вариантах осуществления способ включает передачу сдвинутых по фазе синусоидальных сигналов с плотностью от 1 до n в пределах цикла.

В некоторых вариантах осуществления способ включает декодирование цифровой информации, исходя из искажений с изменениями фазы амплитуды синусоидального сигнала.

В некоторых вариантах осуществления искажение амплитудно-временной модуляции выполняется путем удержания и/или минимальной задержки амплитуды синусоидального сигнала на короткий период времени.

- 1 031912

В некоторых вариантах осуществления искажение амплитудно-временной модуляции синусоидального сигнала приблизительно соответствует ступеньке на синусоидальном сигнале.

В некоторых вариантах осуществления способ включает кодирование значения данных или управляющего сообщения в виде фазового сдвига одного из синусоидальных сигналов. В некоторых вариантах осуществления фазовый сдвиг указывает на одно или более из следующего: инверсия ориентации модуляции; инверсия позиции старшего бита (MSB, Most Significant Bit); предварительно определенное форматирование местоположений битов данных и представление дополнительных битов данных для символа.

В некоторых вариантах осуществления компоненты амплитуды и фазы одного или более синусоидальных сигналов передают со сдвигом 90° по отношению друг к другу.

Согласно некоторым вариантам осуществления способ включает суммирование синусоидальных сигналов, преобразование синусоидальных сигналов и передачу синусоидальных сигналов. Согласно некоторым вариантам осуществления способ включает прием синусоидальных сигналов и декодирование цифровой информации из синусоидальных сигналов.

Другой аспект признаков настоящего изобретения в некоторых вариантах его осуществления относится к системе кодирования цифровых данных с помощью синусоидального сигнала. Система содержит схему генератора, сконфигурированную для генерации синусоидального сигнала; схему контроллера/счетчика, сконфигурированную для ограничения передачи переменного сигнала на пиковой фазе и фазе пересечения нулевого уровня и для генерации передач изменяемого сигнала в течение неограниченных фаз; схему контроллера/задержки, сконфигурированную для искажения амплитудно-временной модуляции синусоидального сигнала для кодирования цифровой информации с помощью битового содержимого от 1 до n в пределах цикла; схему суммирования, сконфигурированную для суммирования первого синусоидального сигнала с синусоидальными сигналами с изменяемым сдвигом по фазе для получения составного синусоидального сигнала; схему повышающего преобразователя, сконфигурированную для преобразования составного синусоидального сигнала для передачи; и схему внешнего интерфейса, сконфигурированную для передачи составного синусоидального сигнала.

В некоторых вариантах осуществления система содержит схему понижающего преобразователя, сконфигурированную для декодирования цифровых данных из составного синусоидального сигнала.

Согласно некоторым вариантам осуществления схема контроллера/задержки сконфигурирована для задержки фазы сигнала для формирования амплитудно-временного искажения синусоидального сигнала. В некоторых вариантах осуществления амплитудно-временное искажение синусоидального сигнала проявляется в виде ступеньки на форме волны сигнала.

Согласно некоторым вариантам осуществления схема контроллера/счетчика сконфигурирована для генерации множества синусоидальных несущих в пределах от 1 до n в предварительно определенных периодах местоположения фазы в переделах синусоидального сигнала.

Другой аспект признаков настоящего изобретения в некоторых вариантах его осуществления относится к способу модуляции для комбинирования амплитудно-временной модуляции и модуляции с изменяемой фазой синусоидального сигнала. Амплитудно-временная модуляция устраняет большинство причин паразитного излучения, проявляемого при использовании стандартных технологий модуляции, путем небольших изменяемых фазовых искажений амплитуды синусоидального сигнала. В некоторых вариантах осуществления амплитудно-временная модуляция описывается как искажение в виде ступеньки, основанное на небольших побитовых модификациях, проявляемых как изменения фазы синусоидального сигнала, похожие на ступеньку, во время амплитудно-временной модуляции.

Существующие схемы модуляции из-за шумов или других побочных продуктов модуляции обычно ограничены небольшим количеством битов информации в течение цикла. В отличие от этих схем амплитудно-временная модуляция позволяет использовать от 1 до n битов в цикле, где значение n ограничено только архитектурой аппаратного устройства связи, а также пиковой фазой и фазой пересечения. Каждая совокупность из n битов может содержать набор битов, расположенный на фазовых углах каждого сигнала. Кроме того, благодаря сглаживанию формы шумового сигнала при амплитудно-временной модуляции может передаваться большее количество битов в цикле. Обычно бит нулевой величины представляется отсутствием изменения значения синусоидального сигнала, а единичный бит представляется путем увеличения или уменьшения (в небольших пределах) амплитуды синусоидального сигнала в заданной позиции сигнала. Для амплитудно-временной модуляции могут также применяться классические технологии кодирования, такие как инвертирование чередующихся битов и адаптивное чередование.

Амплитудно-временная модуляция в сочетании с пониженным уровнем шума может повысить плотность сигналов с изменяемым сдвигом фазы и позволить разместить множество синусоидальных несущих (от 1 до n) в предварительно определенных периодах местоположения фазы в пределах синусоидального сигнала. Расположение может выбираться в любом местоположении сигнала, при этом значение n зависит, например, от архитектуры аппаратуры устройства, пиковой фазы и фазы пересечения, а также от тактовой частоты. Добавление модуляции с изменяемой фазой синусоидального сигнала может быть реализовано для увеличения объема содержимого данных в процессе передачи. Данные модуляции

- 2 031912 с изменяемой фазой могут также упростить добавление битов данных и/или управляющих битов для увеличения объема и повышения надежности данных, передаваемых в заданной полосе пропускания.

Синусоидальный сигнал с амплитудно-временной модуляцией объединяется с несколькими (от 1 до n) синусоидальными сигналами, модулированными с помощью изменяемой фазы, для формирования составного сигнала, предназначенного для передачи. Составной сигнал может форматироваться, модулироваться и передаваться через большинство систем связи различного типа. Составной сигнал затем может демодулироваться и декодироваться как и обычные связные данные. В любой комбинации проводных и беспроводных систем связи могут достигаться преимущества от использования технологий фазоамплитудно-временной модуляции.

Фазо-амплитудно-временная модуляция в различных применениях может быть реализована с помощью классического электронного оборудования, использующего списки и справочные таблицы, а также с помощью специальных устройств или программных продуктов.

Соответственно, раскрываемые технологии фазо-амплитудно-временной модуляции позволяют значительно повысить отношение сигнал/шум, снизить требования к ширине полосы пропускания, повысить устойчивость к шумам и улучшить управление процессом модуляции.

Краткое описание чертежей

Более полное представление о изобретении можно получить на основе подробного описания и формулы изобретения, рассматриваемых совместно с чертежами, на которых показано:

на фиг. 1 - синусоидальный сигнал, переносящий цифровую информацию, кодированную с помощью амплитудно-временной модуляции (АВМ);

на фиг. 2 - опции кодирования АВМ в положительном цикле;

на фиг. 3 - опции кодирования АВМ в отрицательном цикле;

на фиг. 4 - сигнал АВМ, в котором для передачи символа используется 8 битов;

на фиг. 5 - взаимоотношение между каналом АВМ и канальными сигналами, модулированными по фазе;

на фиг. 6 - объединитель, предназначенный для объединения сигнала АВМ с сигналами, модулированными по фазе;

на фиг. 7 - блок-схема модулятора для генерации модулированного синусоидального сигнала несущей;

на фиг. 8 - блок-схема повышающего преобразователя частоты для передачи синусоидального сигнала несущей;

на фиг. 9 - блок-схема понижающего преобразователя частоты для передачи синусоидального сигнала несущей;

на фиг. 10 - блок-схема модулятора, вырабатывающего отдельно модулированные синусоидальные несущие, объединяемые на выходе для формирования составного сигнала;

на фиг. 11 - блок-схема демодулятора для извлечения кодированной информации из модулированного синусоидального сигнала;

на фиг. 12 - блок-схема демодулятора с n потоками фазовой модуляции;

на фиг. 13 - приемопередающая система связи, в которой применяется амплитудно-временное кодирование;

на фиг. 14 - блок-схема интерфейса для реализации программно-конфигурируемого способа генерации составного сигнала;

на фиг. 15 - сигнальное созвездие QAM 256, используемое на известном уровне техники;

на фиг. 16 - сигнальное созвездие QAM 1024, используемое на известном уровне техники; и на фиг. 17 - реализация фазового канала, сконфигурированного для назначения значения квадранта и амплитудно-временного канала для обеспечения 8-битового значения данных в каждом квадранте.

Подробное описание

В последующем описании приводятся только примеры осуществления изобретения, не ограничивающие объем, применение или конфигурацию изобретения. Последующее описание предназначено для предоставления иллюстрации различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Как станет очевидным далее, различные изменения могут вноситься в функции и схемы элементов, описываемых согласно этим вариантам осуществления, без нарушения объема настоящего изобретения. Следует принимать во внимание, что данное описание может быть адаптировано для применения с альтернативно сконфигурированными устройствами, содержащими иные компоненты, использующими иные механизмы модуляции/демодуляции и т.п., без нарушения объема настоящего изобретения. Таким образом, данное подробное описание представлено только с целью иллюстрации, но не ограничения.

В рамках этого описания такие термины, как один из вариантов осуществления настоящего изобретения или вариант осуществления настоящего изобретения, предназначены для указания на то, что определенный признак, структура или характеристика, описываемые в связи с вариантом осуществления, включены, по меньшей мере, в некоторый вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, появление фразы в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения или в варианте осуществления настоящего изобретения в различных местах настоящего описания не обязательно в ка- 3 031912 ждом случае указывает на одну и ту же реализацию.

В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения фазо-амплитудно-временная модуляция синусоидального сигнала позволяет снизить уровень шума и увеличить плотность данных. Настоящее изобретение может использоваться с целью эффективного кодирования данных для передачи через системы связи.

На фиг. 1 показан малоискаженный синтезированный цифровым образом синусоидальный сигнал, переносящий данные, содержащиеся или кодированные в этом синусоидальном сигнале с использованием функции ступеньки, характеризуемой наличием или отсутствием битов данных в потоке данных. Цифровая информация может кодироваться посредством амплитудно-временной модуляции, представляемой в виде искажений сигнала типа ступеньки. В различных вариантах осуществления эта ступенчатая функция обозначается как амплитудно-временная модуляция (АВМ) или компонент АВМ. Искажения вида ступенька, используемые при кодировании информации, уменьшают искажения сигнала по сравнению со стандартными АМ-сигналами. К дополнительным преимуществам, достигаемым благодаря уменьшению искажений, относятся больший размер слова (от 1 до n), больший объем данных в цикле и эффективное использование доступного спектра.

Типичный синусоидальный сигнал может генерироваться с использованием справочной таблицы синусоидальных сигналов, размещаемой в цифроаналоговом преобразователе.

Описываемые здесь новые технологии модуляции называются фазо-амплитудно-временной модуляцией. Фазо-амплитудно-временная модуляция также включает квадратурный сигнал с изменяемой фазой (фазовый компонент), который позволяет пользователю программировать данные, представляемые сигналом. Таким образом, фазо-амплитудно-временная модуляция может описываться в терминах компонента АВМ и фазового компонента.

Первичным каналом данных при фазо-амплитудно-временной модуляции является модулированный синусоидальный ABM-сигнал или компонент АВМ. В области средств связи каждый цикл обычно называется символом. Несмотря на то что с использованием АВМ в этом канале достигается скорость передачи данных, составляющая 16 битов на символ, с дальнейшим развитием технологий ожидается повышение скоростей передачи. Ориентация модуляции АВМ или способ представления бита в синусоидальный ABM-сигнале полностью программируется пользователем. На фиг. 2 и 3 показаны варианты, с помощью которых можно выборочно представлять одно из двух значений данных: 1 или 0. Таким же образом, количество битов на символ (от 1 до n) является переменным и выбирается пользователем, как и местоположение и ориентация данных.

В приемнике необработанные биты n-битового слова могут затем выделяться из синусоидального сигнала с пиками и впадинами, представляющими биты 0 и 1 данных, управляемые преамбулой или инструкциями управляющего слова. Помимо ориентации и количества битов на символ (цикл), также программируется местоположение бита в цикле, т.е. угол в сигнале, на котором расположен бит. Эти необработанные данные могут быть нормализованы, согласованы и сохранены требуемым образом.

Как показано на фиг. 4, для представления значения, подлежащего кодированию, может выбираться ориентация бита АВМ. Соответствующий приемник может информироваться об этой конфигурации для корректного определения подразумеваемого значения. Наконец, также программируется длительность модуляции АВМ в каждом местоположении. Следует отметить, что отрезок, представляющий бит, не может перекрывать начало представления последующего бита.

Далее описывается фазовый компонент фазо-амплитудно-временной модуляция. В отличие от канала/компонента АВМ, который содержит фактические значения данных, фазовый канал/компонент является представлением либо значения данных, либо управляющего сообщения. Этот канал в схеме фазо-амплитудно-временной модуляции создается путем ввода фазового сдвига в канал АВМ путем суммирования двух сигналов. Этот дополнительный канал позволяет использовать значение фазового сдвига как способ добавления в символ дополнительных битов данных либо передачи управляющих сигналов между передатчиком и приемником, относящихся к формату данных канала АВМ. Таким образом, фазовый компонент канала позволяет выполнять динамически управляемую модуляцию на физическом уровне. Например, ввод конкретного фазового сдвига может указывать приемнику на то, что последующая модуляция канала АВМ указывает на следующее: ориентация модуляции будет инвертирована до последующего уведомления; позиция старшего бита (MSB) будет противоположна текущей конфигурации до последующего уведомления; местоположение битов данных будет изменено согласно предварительно определенному формату до последующего уведомления; специальная конфигурация, созданная пользователем, будет действовать до последующего уведомления; или последующая информация о фазе будет представлять дополнительные биты данных для символа, которые надлежит использовать до последующего уведомления.

В некоторых вариантах осуществления динамическая природа управления характеристиками фазового канала модуляции может использоваться даже для динамического изменения характеристик модуляции на границе каждого пакета или даже символа.

Количество битов данных, представленных этим каналом, зависит от конфигурации, например от разделения фазового канала на четыре возможных значения: 45, 90, 135 и 180° сдвига. В этом случае

- 4 031912 пользователь может добавить два дополнительных бита на символ, т.е. 45° = 00, 90° = 01, 135° = 10 и

180° = 11. Эти биты обнаруживаются и добавляются к данным, передаваемым по каналу АВМ в пределах одного и того же символа. Очевидно, что большее значение возможных фаз позволяет использовать большее количество битов.

Этот канал может также использоваться как средство синхронизации подлежащих передаче данных с конкретным сдвигом, представляющим начало или конец байта данных, слова или даже пакета. Это позволяет повысить эффективность полезной нагрузки без необходимости передачи дополнительных управляющих битов преамбулы, пересылаемых для координации передачи, как это требуется при использовании других технологий модуляции. Реализация этих различных признаков может позволить создавать частные специальные протоколы или удовлетворять уникальные прикладные требования. Эта возможность создает дополнительные преимущества, заключающиеся в эффективном использовании скорости передачи данных в системе, применяющей эту технологию.

На фиг. 5 показано взаимоотношение канала АВМ и фазового канала, из которого следует, что фазовый канал находится в квадратуре (сдвинут на 90° по фазе) по отношению к каналу АВМ. Значения этих двух сигналов кодируются независимо. Комбинация фазовых и амплитудных характеристик фазового канала отражает данные/управляющую информацию для заданного символа.

На фиг. 6 объединенное значение данных, получаемое при кодировании символа, называется комплексным модулированным сигналом. На фиг. 6 показаны два канала, создаваемые согласно данной технологии. Верхний канал является каналом АВМ (амплитудно-временной модуляции). Он является первичным каналом данных. Для кодирования битов данных (от 1 до n), содержащихся в символе в этом канале данных, используется наличие или отсутствие модуляции, как это показано на фиг. 1-3.

Нижний канал является фазовым каналом. Этот канал в рассматриваемой технологии добавляет дополнительные биты и/или управляющие биты. Фаза и/или амплитуда фазового канала модулируется для представления требуемой информации или битов данных, подлежащих кодированию в сигнале. Эта комбинация фазовой и амплитудной модуляции используется для представления количества n значений в данном канале. Количество битов на символ в этом канале ограничено возможностью передающей и приемной схем достаточно быстро реагировать для создания и распознавания значений данных, подлежащих кодированию/декодированию.

Два канала находятся в квадратуре по отношению друг к другу или, другими словами, сдвинуты на 90° по фазе. При объединении этих сигналов создается комплексный сигнал, который содержит данные и/или элементы управления, передаваемые из передающего в приемное устройство.

В некоторых реализациях данные могут кодироваться исключительно в канале АВМ, т.е. с фазовым сдвигом 00 или с использование 0 битов данных в фазовом канале.

Далее описываются схемы реализации передачи сигнала с фазо-амплитудно-временной модуляцией. Модулированный синусоидальный сигнал передается в блок усиления для формирования гармонического компонента, например, в точке компрессии 3 дБ. Блок функционирует как мягкий смеситель, смешивающий скорость передачи данных и скорость передачи синусоидальной несущей для генерирования энергии на 3-, 5- и 7-й гармониках несущей.

Другая уникальная характеристика технологии фазо-амплитудно-временной модуляции состоит в том, что сигнал может передаваться с использованием, главным образом, гармоники и ее компонентов AM и РМ. Сгенерированная энергия сигнала пропускается через полосовой фильтр, центральной частотой которого является частотная компонента гармоники. Фильтр выделяет только гармонику, поскольку это спектр, содержащий пилообразные энергетические компоненты AM и РМ, необходимые для восстановления переданной информации. Эти компоненты дополняют друг друга и симметрично противоположны друг другу в одном временном интервале.

При использовании существующих в настоящий момент форм модуляции обычно генерируется внутриполосная энергия или энергия боковой полосы частот, т.е. в канале энергия генерируется наряду с шумом и другими побочными продуктами. Это обычно приводит к уменьшению коэффициентов SNR или Eb/No.

В отличие от этого при фазо-амплитудно-временной модуляции генерируется низкий уровень внутриполосного шума либо такой шум отсутствует, поскольку в данном случае главным образом энергия размещена в гармонической составляющей спектра. Вся энергия боковой полосы и несущей удаляется с помощью полосового фильтра, центральной частотой которого является частота гармоники. Например, если частота несущей составляет 100 кГц и на вертикальном наклоне используются 9 бит (или ступенек), то скорость передачи данных в 18 раз больше скорости несущей, или составляет 1,8 Мбит/с. Распределенная по Гауссу концентрация энергии генерируется на частоте гармоники с амплитудой и фазой единичного значения при пересечении на битовой скорости. Эта энергия затем демодулируется с использованием процессора DSP (Digital Signal Processing, цифровой сигнальный процессор) или эквивалентной схемы, сконфигурированной для работы в качестве фазового и амплитудного детектора как для канала АВМ, так и для фазового канала.

Теоретический нижний предел шума, известный как kTB, для 100 кГц составляет -124 дБм при комнатной температуре, однако пиковая мощность данных практически составляет -70 дБм. В результате

- 5 031912 среднеквадратичное значение SNR превышает 50 дБ.

Примечание: для такой скорости передачи данных обычно требуется, чтобы отношение Eb/No составляло примерно 100 дБ для BER, равного 10e-8. Однако, поскольку при фазо-амплитудно-временной модуляции не генерируются внутриканальный шум или искажения и передаются только биты разностных данных, требуется, чтобы значение Eb/No составляло менее 70 дБ.

Далее описывается процесс приема сигналов с фазо-амплитудно-временной модуляцией. Гармоническая несущая, т.е. непосредственно гармоника, плюс энергия, связанная с несущей, подаются на квадратурный детектор. Этот процесс может выполняться с помощью пары двойных балансных смесителей с 90-градусным фазовым сдвигом гетеродина, формирующем IQ-демодулятор. После захвата гетеродином гармоники, деленной на значение гармоники, извлекается информация о данных временного интервала, поступающая из квадратурного и входного портов двойных балансных смесителей, или реализуется IQдемодулятор. Если компоненты фазы и амплитуды пересекают друг друга, выводится 1 или 0 в зависимости от того, были ли инвертированы данные.

Другой способ конфигурирования детектора заключается в выделении исходной частоты несущей, подаче ее в двойной балансный смеситель и подаче другого синусоидального сигнала, не содержащего данных, в порт гетеродина на той же частоте. Эта конфигурация служит в качестве дифференциального детектора, поскольку выход данных двухбалансного смесителя является разностью между этими двумя несущими. Таким образом, любой фазовый или амплитудный сдвиг любой из этих несущих может использоваться для генерации потока данных. Компоненты несущей и боковой полосы могут отбрасываться, благодаря чему снижается уровень шума и уменьшаются требования к спектру. В этой реализации используется только компонент гармонического искажения для первой группы несущих. Если в потоке передается несколько синусоидальных сигналов, то только один из них используется в качестве тактового, обычно, например, - верхний или нижний синусоидальный сигнал.

В многоканальной среде передается только одна гармоника. Хотя некоторые примеры описываются только в терминах третьей гармоники, может использоваться любая подходящая гармоника. Пока все сигналы начинаются в одной фазе, один из сигналов может использоваться для кадровой синхронизации всех каналов как в режимах АВМ, если сигналы снова когерентны по фазе. Таким образом, фазоамплитудно-временная модуляция более эффективна при переходе от одноканального к многоканальному использованию.

Одно из основных преимуществ технологии фазо-амплитудно-временной модуляции заключается в возможности передавать в заданной полосе пропускания больше информации по сравнению с современными технологиями. В настоящее время коммерчески доступные виды модуляции позволяют достигать скорости около 10 бит/Гц в существующих промышленных инфраструктурах. В современных технологиях модуляции часто приходится жертвовать интенсивностью ошибок для увеличения скорости передачи информации на 1 Гц, при этом согласно промышленным стандартам интенсивность ошибок должна составлять около 10 в минус 8 степени (BER = 10e-8).

На фиг. 7 показана блок-схема контроллера/схемы задержки или схемы модулятора для генерации модулированного синусоидального сигнала несущей. Показанная блок-схема представляет собой функциональный базис для реализации амплитудно-временной модуляции. Хотя на чертеже представлены классические функциональные блоки, для этой задачи также подходят другие средства обработки сигналов, такие как программируемые микросхемы, цифровые сигнальные процессоры, машины состояний. Справочная таблица синусоидальных сигналов (LUT, Look Up Table) управляет D/A-преобразователем (цифроаналоговым преобразователем). Фазовые углы в диапазоне от 0 до 360° квантуются на n дискретных значений. Многоразрядный счетчик непрерывно подсчитывает эти дискретные значения на тактовой частоте. Выход многоразрядного счетчика адресуется к справочной таблице синусоидальных сигналов, которая предоставляет цифровое закодированное значение синусоидальной функции для каждого квантованного фазового угла. D/A-преобразователь выводит напряжение, пропорциональное синусоиде дискретного фазового угла на входе справочной таблицы. Показанный тактовый генератор управляет многоразрядным счетчиком совместно с элементом задержки, и значение фиксируется, если высокий уровень прозрачен при малом значении. Выход управляет справочной таблицей. Справочная таблица управляет D/A-преобразователем. Модуляция реализует технологию амплитудно-временной модуляции вида ступенька путем фиксации входа в справочную таблицу для требуемого количества тактовых импульсов, равного временному интервалу, реализующему необходимый фазовый период.

Подлежащая кодированию информация поступает во входной регистр данных. Размер входных данных зависит от аппаратных средств устройства и тактовых частот. Входной регистр данных синхронизируется памятью. Данные предварительно загружаются, и начальный бит появляется на выходе (последовательном) входного регистра данных. Если как счетчик, так и входной регистр данных (при их появлении) подают на логическую схему And значение 1, выход D/A-преобразователя не изменяется. В процессе функционирования счетчик продолжает работу и выход последовательно обращается к содержимому памяти. Выход D/A-преобразователя изменяется только в том случае, если обнаруживается различие в значениях счетчика и регистра. Для реализации процесса кодирования цифровой информации может использоваться множество различных вариантов, которые минимизируют искажения сигнала и

- 6 031912 при этом максимально увеличивают пропускную способность. Контроллер битовой скорости может адаптивно конфигурироваться для изменения битовой скорости или фазовых интервалов для приспособления к состояниям канала связи. Кроме того, контроллер битовой скорости может адаптироваться для реализации функций обеспечения надежности и управления при передаче данных.

На фиг. 8 показана блок-схема повышающего преобразователя частоты для передачи синусоидального сигнала несущей. Г етеродин управляет одним входом балансного смесителя. Модулированный синусоидальный сигнал несущей подается для смешивания из другого входа балансного смесителя. Выход балансного смесителя соединяется с полосовым фильтром. Выход полосового фильтра подготовлен для передачи через подходящую схему формирователя.

На фиг. 9 показана блок-схема понижающего преобразователя частоты для осуществления связи с использованием синусоидального сигнала несущей. Гетеродин управляет входом балансного смесителя. Принятый входной радиочастотный сигнал подается для смешивания на другой вход балансного смесителя. Выход балансного смесителя подается на детектор для декодирования и согласования.

На фиг. 10 показана блок-схема цепей модулятора, вырабатывающего отдельно модулированные синусоидальные несущие, смешиваемые на выходе для формирования составного синусоидального сигнала. Показанные на чертеже модульные схемы (MOD.1, MOD.2, MOD.3 и MOD.4) представляют синусоидальные сигналы несущих с амплитудно-временной модуляцией. Сигналы этих модульных схем подаются на сумматор/объединитель для смешивания и получения составного сигнала, подлежащего согласованию, передаче и приему/декодированию. Выходы сумматора/объединителя последовательно или параллельно соединяются с блоком свертки данных для передачи. Позиционирование изменяемых синусоидальных сигналов несущих может варьироваться согласно спискам, справочным таблицам или посредством программного управления, как показано на фиг. 4 и 11. Хотя на чертеже показаны 4 модульных схемы, может использоваться до n схем, где n ограничено только аппаратной архитектурой устройства и тактовой частотой.

На фиг. 11 показана блок-схема демодулятора для извлечения кодированной информации из модулированного синусоидального сигнала. Вначале входной модулированный синусоидальный сигнал несущей поступает в блок согласования входного сигнала. В блоке согласования используются различные функции согласования сигнала, подходящие для типа передачи. К типам передачи без ограничения относятся передача по витой паре, беспроводная передача, микроволновая передача или передача по дифференциальным линиям. Выход блока согласования сигнала соединяется с полосовым фильтром. Центральная частота полосового фильтра обычно совпадает с частотой несущей, при этом Q>100. Сигнал из полосового фильтра усиливается блоком усиления и подается в блок балансного смесителя. Блок смесителя смешивает усиленный сигнал с сигналом генератора с цифровым управлением (NCO, Numerically Controlled Oscillator). Частота и фаза генератора с цифровым управлением устанавливаются равными частоте и фазе одного из синусоидальных сигналов с амплитудно-временной модуляцией в пределах полосы пропускания полосового фильтра.

На фиг. 12 показана блок-схема демодулятора с n потоками фазовой модуляции. На чертеже показано множество модулированных несущих в канале связи, каждая из которых по отдельности демодулируется для декодирования закодированных данных. На чертеже показан набор из шести балансных смесителей, однако может быть реализовано n смесителей, где n ограничено аппаратной архитектурой устройства и тактовой частотой. Все входные линии поступают на балансные смесители. Каждый балансный смеситель уникально соединяется с генератором многочастотного синусоидального сигнала, представляющим собой генератор с цифровым управлением. Выходные линии генератора на конкретной частоте несущей передают данные, которые должны быть выделены из несущей. Выходы смесителя(ей) представляют собой информацию из несущей и также соединяются с блоком свертки данных. Блок свертки данных выделяет цифровые данные из отдельных синусоидальных сигналов с амплитудновременной модуляцией. Входящие сигналы несущих могут поступать на разных частотах и с различными скоростями передачи при использовании адаптируемой управляющей информации.

На фиг. 13 показана приемопередающая система связи, в которой применяется амплитудновременное кодирование. На чертеже в виде примера показана блок-схема сквозной радиочастотной беспроводной связи.

Каждая станция оснащена пользовательским интерфейсом для управления функциями связи. Кроме того, каждая станция выполняет функцию модулятора/демодулятора для кодирования/декодирования сигналов. Помимо этого, каждая станция оснащена приемопередатчиком для модуляции/демодуляции сигналов несущих, подлежащих передаче/приему. Каждый функциональный оконечный каскад согласования и приемопередачи соответствует связным технологиям модуляции.

На фиг. 14 показана блок-схема интерфейса для реализации программно-конфигурируемого способа генерации составного сигнала. Настоящая блок-схема иллюстрирует аппаратную функцию, которая может быть программно сконфигурирована для адаптации к большинству различных систем связи. Схема интерфейса реализуется с помощью плоскости управления, которая представляет собой набор CPU (n CPU), взаимодействующих с интерфейсным сигналом, управляемым GPU. GPU представляет плоскость данных и управляет функциями преобразования, приема и передачи. Плоскость управления и плоскость

- 7 031912 данных взаимодействуют со схемой FPGA, которая содержит специальную логику ввода/вывода и буферы. FPGA также упрощает системный интерфейс. Кроме того, FPGA взаимодействует с модулятором/демодулятором для подготовки сигнала к передаче. Модулятор/демодулятор также взаимодействует с радиочастотным интерфейсом для выполнения функций передачи и приема. Показанная реализация CPU/GPU может заменяться цифровым сигнальным процессором (DSP), который программируется для выполнения тех же функций.

Важной характеристикой любой технологии модуляции является отношение сигнал/шум (SNR, Signal-to-Noise Ratio). Оно представляет собой требуемый уровень сигнала, измеренный в децибелах (дБ), превышающий посторонний шум, и часто упоминается в связи со значением BER, реализуемым на этом уровне. Другими словами, при заданном уровне сигнала, превышающем шум, технология модуляции может надежно обеспечить конкретное значение BER.

При вычислении интенсивности ошибочных символов (SER, Symbol Error Rate) принимается во внимание количество битов в символе. Для обеспечения более низкого значения BER может потребоваться более высокий уровень сигнала. В схеме 256 QAM для этого требуется 8 бит на символ, и, таким образом, значение SER вычисляется путем деления BER на 8 бит, содержащихся в символе. Чем сложнее схемы модуляции, тем обычно они более чувствительны к шуму. Таким образом, уровень сигнала должен быть значительно выше уровня шума, для того чтобы сигнал можно было надежно обнаружить и корректно интерпретировать. Если приемник некорректно интерпретирует принятый сигнал, он может с помощью программного обеспечения применить алгоритм упреждающего исправления ошибок, основанный на используемой схеме обнаружения и коррекции ошибок, или он может запросить у передатчика повторную передачу данных. Оба этих варианта могут негативно повлиять на производительность сети, в которой используется такая технология. Таким образом, предпочтительно обеспечивать наименьшее значение BER при наименьшем возможном значении SNR.

Хотя в настоящее время QAM (QAM 16, QAM 64 до QAM 1024) рассматривается как наилучшая стандартная схема модуляции, она наследует те же ограничения, поскольку при QAM в канале генерируются побочные продукты и шум. При использовании QAM любая попытка увеличить отношение сигнал/шум путем усиления сигнала приводит к усилению шума на тот же коэффициент. Таки образом, всегда достигается предел Шеннона. Таким образом, наименьший шаг QAM обычно должен более чем на 6 дБ превышать уровень шума в канале. Если в канале имеется шум, необходимо усилить сигнал перед возникновением шума. Фактически ограничения QAM также применимы к другим существующим формам модуляции, поскольку в них также используются внутриполосные компоненты, компоненты боковой полосы или связанные с ними типы модуляции.

Амплитудная модуляция (AM) является внутриполосной с двумя боковыми полосами, хотя несущая не требуется, поэтому несущая и одна из боковых полос фильтруются в приемнике, и остается только одна боковая полоса для предоставления переданной информации. Хотя частотная модуляция (FM) обладает некоторыми преимуществами в том, что касается устойчивости к шумам, она не экономит спектр.

QAM обычно рассматривается как схема более высокого уровня по отношению к PCM, BPSK, AFSK и другим формам модуляции. В QAM используется квадратурное перемещение синусоидального сигнала и амплитудные скачки каждого синусоидального сигнала. В зависимости от скорости передачи синусоидального сигнала существует компонент AM, сдвинутый вперед или назад по фазе с эффектом генерации внутриполосного шума. Помимо перемещения синусоидального сигнала, который генерирует FM или РМ, в QAM применяется скачок амплитуды, характеризующийся собственными побочными продуктами. Эти два элемента совместно генерируют случайный шум внутри канала. Таким образом, в стандартных схемах модуляции применяются способы транспортировки данных, генерирующие боковые полосы или другие побочные продукты.

Например, в случае радиочастоты AM, равной 1 МГц, для передачи музыки можно использовать половину этой частоты, т.е. 500 кГц, без нарушения пределов Найквиста. Если этот порог превышается, возможно спектральная разность будет отсутствовать между передаваемой информацией и используемой для этого несущей. Если этот предел превышается, генерируются побочные продукты в виде боковой полосы.

В отличие от этого, при фазо-амплитудно-временной модуляции перед передачей отбрасываются или фильтруются элементы несущей, боковых полос и внутриканальные посторонние элементы. Таким образом, при фазо-амплитудно-временной модуляции предел Найквиста может превышаться, если более 16 ступенек модулируются на синусоидальном сигнале. С помощью фазо-амплитудно-временной модуляции с использованием той же несущей частотой 1 МГц можно поддерживать скорость передачи 16 Мбит/с и превышать предел Найквиста (например, модулирование несущей частотой 16 МГц в пределах 1 МГц). Однако на 16 МГц передается не несущая, а поток данных. Для потока данных может использоваться один из нескольких типов частот, например 101, 001 и 010, с дополнительными комбинациями, вплоть до предельного значения ширины канала.

В конкретном варианте осуществления синусоидальный сигнал с фазо-амплитудно-временной модуляцией синтезируется с использованием несущей 100 кГц и генератора с цифровым управлением (NCO). Цифроаналоговый преобразователь используется для установки битового размера шага, напри

- 8 031912 мер, в младшем бите или в бите, следующем за младшим битом. Выборочное переключение единиц и нулей генерирует ступеньки в синусоидальном сигнале, называемом АВМ. Таким образом, ступеньки представляют либо единицы, либо нули, сгенерированные в каждом ином местоположении битов и в каждом ином местоположении временного интервала, поэтому каждый временной интервал отличается. Эти ступеньки обычно генерируются только на более вертикальных участках синусоидального сигнала. Например, в случае синусоидального сигнала частотой 1 МГц может использоваться 16 ступенек, 8 бит, на каждом более линейном участке вертикальных наклонов.

Канал АВМ амплитудно-временной модуляции, в котором передаются только 8 битов на символ, эквивалентен пропускной способности канала QAM256. В этом случае данные, передаваемые с использованием канала АВМ, также являются фактическим значением данных, требующих только один модулированный сигнал, и не являются представлением данных как в QAM256, которые требуют два модулированных сигнала для переноса тех же значений данных. На фиг. 15 показано сигнальное созвездие QAM256, в котором каждая точка представляет восьмибитовое двоичное значение в диапазоне от 0 до 255.

На фиг. 16 показано, что каждый квадрант карты сигнального созвездия QAM 1024 содержит 256 точек. Проблемы, существующие при использовании QAM 256, наиболее остро проявляются для QAM 1024. Например, точная идентификация намеченной точки на сигнальном созвездии и определение ее безошибочного значения данных требует того, чтобы два сигнала были точно измерены и интерпретированы на частоте символа. Точность является критичным фактором для поддержки BER или SER системы, позволяющих снизить объем обработки в приемнике, или, в худшем случае, устранить необходимость повторной передачи данных.

В частном случае применения фазо-амплитудно-временной модуляции, когда фазовый канал используется для назначения одного из четырех значений, обеспечивается повышенная пропускная способность. Этот вариант применения повышает надежность характеристик передачи данных канала АВМ и позволяет с помощью данных фазового канала учетверить (увеличить в 4 раза) эффективность пропускной способности. Аналогично QAM 1024, значение фазового канала связано с квадрантом, за исключением того, что фактическое значение данных закодировано в сигнале канала АВМ, в то время как фазовый канал определяет местоположение квадранта в сигнальном созвездии.

На фиг. 17 реализация эквивалентной пропускной способности QAM 1024 в фазо-амплитудновременной модуляции может рассматриваться как решение более высокого уровня. Эта реализация сходна с QAM 1024, но ей также присущи преимущества фазо-амплитудно-временной модуляции. Этот вариант использования подчеркивает эффективность, которую фазовый канал вносит в канал АВМ путем кодирования только двух битов данных в фазовом канале и только 8 битов на символ в канале АВМ, при этом скорость передачи данных, эквивалентная QAM 1024, может быть реализована с помощью фазоамплитудно-временной модуляции. Кроме того, при фазо-амплитудно-временной модуляции улучшается SNR и использование спектра. Пропускная способность при фазо-амплитудно-временной модуляции может пропорционально увеличиваться путем добавления дополнительных битов в фазовом канале.

Эти значения фазового канала также можно рассматривать как каналы для данных АВМ. Другими словами, три бита данных фазового канала в результате формируют восемь уникальных каналов для данных АВМ.

Сигнал канала АВМ передается в блок усиления, и входной сигнал блока усиления регулируется для достижения точки компрессии размаха синусоидального сигнала. Точка компрессии представляет собой нелинейный участок усилителя, на котором по мере увеличения сигнала выходной сигнал не следует за входным уровнем. Хотя посредством технологии фазо-амплитудно-временной модуляции в настоящее время можно использовать любую из 32 гармоник, при описании обращается внимание на третью гармонику. Выбор конкретной гармоники программируется в зависимости от варианта использования и требований применения. Интересующая точка компрессии является точкой, в которой полностью расположена несущая третьей гармоники и информация о компоненте. Таким образом, если количество ступенек исказило синусоидальный сигнал на 30-40 дБ, то это приводит к снижению несущей третьей гармоники на 30 дБ от амплитуды несущей основной частоты. Входной сигнал блока усиления также регулируется так, чтобы связанные компоненты ступеньки равнялись синусоидальному сигналу на трехкратной скорости передачи несущей.

Посредством регулировки описанной выше точки компрессии в усилителе (например, примерно до 2 или 3 дБ линейной компрессии) третья гармоника может использоваться в качестве тактового сигнала. Компоненты около третьей гармоники представляют собой результирующие символы данных. Распределенная по Гауссу концентрация энергии (или данные в этом случае) эквивалентна по амплитуде, что может использоваться для оптимизации отношения Eb/No, т.е. отношения энергии сигнала в битах к минимальному уровню шума. Ступеньки синусоидального сигнала с фазо-амплитудно-временной модуляцией представляют два компонента: амплитуду и фазу. Если эти два компонента пересекаются, они представляются как компоненты Фурье около третьей гармоники с гауссовым распределением.

В стандартных режимах модуляции, таких как FM-передача, глубина модуляции сигнала представляет собой сдвиг частоты передаваемой несущей. Величина девиации частоты представляет громкость

- 9 031912 модулирующего сигнала. При фазовой модуляции несущая отклоняется по фазе в соответствии с модулирующим сигналом. В случае фазо-амплитудно-временной модуляции, использующей гармонику, компонент громкости отсутствует, существует только скорость, которая более не связана со спектром канала, в результате чего в канале устраняется шум, генерируемый при модуляции.

Фазовый компонент, являющийся энергетической составляющей компонента Фурье, не передается и, таким образом, не занимает спектр. В схеме фазо-амплитудно-временной модуляции только для амплитудной ступеньки требуется спектр около гармоники. Фаза может восстанавливаться двумя способами. Первый способ заключается в квадратурном обнаружении компонента амплитуды. При захвате гармоники коррекция для блокировки также генерирует компонент фазы. Если компоненты амплитуды и фазы пересекаются, бит данных выводится в детектор.

При фазо-амплитудно-временной модуляции существует только один шаг амплитуды без частичных компонентов, которые генерируют энергию ниже минимального уровня шума. Например, сигнал 100 кГц с 16 ступеньками на синусоидальном сигнале в результате позволяет осуществлять передачу данных со скоростью 1,6 Мбит/с через канал 85 кГц (kTB для 85 кГц составляет -125 дБм). Таким образом, при передаче этого сигнала на уровне 0 дБм отношение сигнал/шум составляет 125 дБ.

По сравнению с другими схемами модуляции, использующими максимальную скорость передачи канала, фазо-амплитудно-временная модуляция генерирует канал, в котором устранены внутриполосные побочные продукты и существует значительно больше возможностей передачи данных, чем в обычных режимах, так, например, как в рассматриваемом случае 1,6 Мбит в канале 85 кГц. В результате при фазоамплитудно-временной модуляции достигается гораздо большее отношение сигнал/шум по сравнению с любой другой формой модуляции.

Фазо-амплитудно-временная модуляция позволяет добиться такого уровня устойчивости к шуму, поскольку компоненты амплитуды и фазы передаются сдвинутыми на 90° по отношению друг к другу. Данные в канале АВМ обнаруживаются в точке пересечения этих двух компонентов. Поскольку шум не сдвинут по фазе, обычно можно непосредственно приближаться к пороговому уровню шума, примерно к отношению 2 дБ сигнал/шум, и все еще обнаруживать данные. В других стандартных формах модуляции может потребоваться значение SINAD более 12 дБ или отношение 6 дБ сигнал/шум для эквивалентных интенсивностей битовых ошибок (BER). При значительном искажении данных требуется многократная повторная передача данных для достижения подходящего значения BER, такого как 10e-8. Шум в канале обычно снижает отношение сигнал/шум, при этом следует учитывать такие факторы, как kTB минимального уровня шума, вносимые потери, шум усилителя и различные генерируемые побочные продукты. Таким образом, пригодная для использования мощность сигнала не может возрастать без аналогичного возрастания уровня шума в канале.

Однако, поскольку при фазо-амплитудно-временной модуляции передаются только переходные составляющие, они могут передаваться на очень высоком уровне, в результате чего достигается высокое значение отношения Eb/No, например данные могут простым образом обнаруживаться, даже если SNR составляет только 2 дБ Eb/No.

Третья гармоника может переносить трехкратный объем фазовых данных, генерируемых в виде синтезируемых в цифровом виде данных на основной частоте. Генератор формирует искажение при генерации синусоидального сигнала в зависимости, например от тактовой частоты, размера ступеньки и степени монотонности цифроаналогового преобразователя (используется ли преобразователь многозвенного типа R2R или другого типа). При использовании 8-битовой многозвенной цепи R2R или цифроаналогового преобразователя генератор может обеспечить уровень 160 дБ/Гц на 10 кГц на основе частоты несущей третьей гармоники.

В общем случае третья гармоника характеризуется некоторой случайной боковой полосой и цифровым шумом, но их уровень на 160 дБ ниже на частоте 10 кГц частоты несущей третьей гармоники. Этот уровень ниже порогового значения амплитуды компонентов Фурье в точке пересечения третьего порядка (IP3, third order intercept point). В результате шум третьей гармоники не является существенным фактором.

Далее вернемся к описанию эффектов множества несущих, наиболее усовершенствованные схемы модуляции используются в средах передачи множества несущих, где шум генерируется из множества источников. Тем не менее, фазо-амплитудно-временная модуляция, по существу, поддерживает устойчивость к шумам как при передаче собственных данных, так и в случае перекрестного шума, генерируемого другими несущими. Однако некоторые формы модуляции, такие как импульсно-кодовая модуляция (PCM, Pulse Code Modulation), PSK31, AFSK и другие различные виды модуляции, характеризуются компонентами, не возвращающимися к нулю, которые иногда могут создавать помехи во временном интервале, в котором происходит попытка приема в процессе фазо-амплитудно-временной модуляции. Например, в случае телевизионных частот с множеством компонентов, распространяющихся в свободном пространстве, и других побочных продуктов в канале могут встречаться помехи на фазовой скорости фазо-амплитудно-временной модуляции, вызывающие ухудшение интенсивности битовых ошибок. Однако подсчитано, что максимальная вероятность возникновения таких событий составляет примерно 16%, поскольку распределенная по Гауссу концентрация энергии фазо-амплитудно-временной модуля- 10 031912 ции составляет 68% общей энергии. Оставшиеся 16% находятся вне дополнительной области этой части распределенной по Гауссу концентрации энергии. Статистически наибольший уровень помех при фазоамплитудно-временной модуляции возникает в течение 16% от общего времени. Таким образом, фазоамплитудно-временная модуляция довольно устойчива к шуму.

Энергия используемого компонента не генерирует дополнительный шум в этой части спектра рядом с заданной гармоникой. Существуют также компоненты искажения перекрестной модуляции и другие элементы шума, производимого боковой полосой, которые устраняются полосовым фильтром канала.

В конкретном примере, если полоса пропускания полосового фильтра для передачи на скорости 1,6 Мбит/с в канале 100 кГц составляет 100 кГц, то согласно максимальной скорости передачи канала требуется обеспечить отношение сигнал/шум (SN), равное примерно 80 дБ. При теоретическом минимальном уровне шума, составляющем -124 дБм, минимальная мощность сигнала равна только -44 дБм при фазо-амплитудно-временной модуляции. При необходимости полоса пропускания канала 100 кГц может уменьшаться, и увеличение отношения сигнал/шум от 10 дБ до 20 дБ приводит к двойному увеличению скорости, используемой в канале.

Кроме того, если использовать третью гармонику, то при фазо-амплитудно-временной модуляции, по существу, отбрасываются данные пятой и седьмой гармоник и две боковые полосы, сгенерированные на одной из трех частот, на которых могут существовать данные, плюс или минус используемая частота несущей. Хотя существуют два источника концентрации энергии, они не передаются, поскольку отфильтровываются в передатчике. Они просто добавляют нежелательную энергию в канале и не требуются для передачи.

Сигнал с фазо-амплитудно-временной модуляцией имеет одну амплитуду, которая может передаваться на любом требуемом уровне мощности. Эта энергия связана с гармоникой. Если передаются произвольные данные, то это распределенная по Гауссу концентрация энергия (sin х/х), которая может располагаться на любой боковой полосе или в центре третьей гармоники. Это достигается путем симметрии либо площадок, либо ступенек во время генерации синусоидального сигнала. Предпочтительно концентрация энергии располагается на высокочастотной стороне гармонической несущей, при этом соблюдается временная когерентность между энергией, амплитудой и передаваемой несущей. Амплитуда гармонической несущей является функцией общего искажения непосредственно синусоидального сигнала, поэтому нет необходимости передавать оба этих компонента для обнаружения в приемнике.

Фазо-амплитудно-временная модуляция обеспечивает гибкость использования младшего бита или следующего за ним бита, или другой комбинации для генерации размера ступеньки на синусоидальном сигнале. Сигнал может приостанавливаться, и выбранный бит при необходимости может переключаться. Кроме того, бит из предыдущего местоположения может переключаться в справочной таблице заранее по отношению к текущему местоположению, благодаря чему создается ступенька. Это создает множество возможных комбинаций.

Таким образом, не только связанная концентрация энергии может быть максимизирована рядом с гармоникой, но также возможно изменение комбинаций данных и создание двух дополнительных концентраций энергии. При этом может передаваться множество канальных комбинаций битов. Возможны также троичные, двоичные и многие другие комбинации. Дополнительное преимущество, связанное с безопасностью, состоит в том, что эти комбинации могут быть очень сложными и их нельзя декодировать без правильной ключевой последовательности.

Существенный аспект фазо-амплитудно-временной модуляции заключается в экономии спектра. В случае фазо-амплитудно-временной модуляции спектр используется при передаче изменения в значении данных, которое обнаруживается в гармонике в виде продуктов интермодуляционного искажения. Эти продукты являются компонентами Фурье, которые выражаются в передаваемой энергии. Поскольку передаются только изменения данных, и типовые данные являются случайными, только 50% обычно требуемой энергии необходимо использовать для передачи. Таким образом, требуется половина общей спектральной плотности мощности. Если желательно передавать каждый бит, каждый второй бит может инвертироваться. В результате почти все эти данные симметричны, и это дает классическое гауссово распределение энергии около гармоники. Однако оно включает только половину обычно требуемой энергии полосы частот.

Аспекты настоящего изобретения применимы к спутниковой связи и позволяют увеличить пропускную способность с одновременным уменьшением влияния шумов. В ходе тестирования для передачи 1,6 Мбит данных в канале 85 кГц использовался синусоидальный сигнал частотой 100 кГц с третьей гармоникой частотой 300 кГц. Предел Шеннона может рассчитываться следующим образом: логарифм двоичный значения SNR равен 0,332 от значения SNR, выраженного в дБ. Предположим, SNR составляет 120 дБ и проигнорируем сложение с 1 и численное значение, это значение может рассматриваться, если уровень мощности несущей равен +30 дБм или один Ватт, в результате несущая третьей гармоники будет примерно на уровне 0 дБм, и теоретический нижний порог шума будет составлять -125 дБм. После преобразования отношения мощностей из дБ в цифровое значение и добавления 1 в результате получаем значение SNR в дБ, умноженное на 0,332, умноженное на 85 кГц, что с учетом заданных параметров

- 11 031912 представляет собой общую максимальную скорость передачи канала в Мбит/с. В данном случае в результате получается 3,0101 Мбит/с. После деления на 85 кГц, согласно критерию Шеннона, наибольшая теоретическая возможная пропускная способность составляет 35,41 бит/Гц.

При использовании усилителя 30 дБ канал характеризуется уровнем 120 дБ свободного динамического диапазона выше минимального уровня шума, и шум в канале усиливается на 30 дБ. После вычитания 30 из 120 дБ общее значение SNR уменьшается до 90 дБ. Такие факторы сочетаются и уменьшают значение 39,84 до примерно 30 бит/Гц, что, например, является практическим предельным значением. В то время как стандартные формы модуляции сильно подвержены влиянию этих факторов, фазоамплитудно-временная модуляция позволяет транспортировать данные без воздействия некоторых из этих ограничивающих факторов, значительно влияющих на передачу.

Аспекты настоящего изобретения также применимы к передаче данных из скважин, т.е. передаче данных различных датчиков, данных наблюдений и т.д. во время подземного бурения и исследования. Устойчивость к шумам, скорость передачи данных и уровень надежности фазо-амплитудно-временной модуляции позволяет добиться практических преимуществ в этом применении.

Реализации приемника сигнала с фазо-амплитудно-временной модуляцией.

В одном из вариантов осуществления структуры приемника выполняется прямое преобразование или преобразование в ноль, если в приемнике происходит фильтрация для приема только гармоники и ее компонентов. В примере на частоте 300 кГц в таком приемнике осуществляется поиск реального и квадратурного мнимого компонентов фазы. Приемник должен синхронизироваться на третьей гармонике, деленной на три, принимать 2 выходных сигнала и проверять их на пересечение фазы и амплитуды. Поскольку существует только один размер шага амплитуды, амплитуда является функцией мощности в общей концентрации энергии. На уровне 0 дБм определяется напряжение 200 мВ. Шум должен возрасти до 190 мВ, прежде чем он начнет влиять на обнаружение данных. Тот факт, что шум не когерентен с данными, также является уникальным для фазо-амплитудно-временной модуляции.

Хотя это не является обязательным требованием, в качестве экономного способа обнаружения используются средства цифрового сигнального процессора (DSP), которые могут обеспечить более комплексные характеристики при использовании фазо-амплитудно-временной модуляции/демодуляции. Универсальные средства DSP для фазо-амплитудно-временной модуляция были продемонстрированы для ряда применений.

Реализация IQ-демодулятора.

В некоторых вариантах осуществления приемник содержит IQ-демодулятор, подобный тем, что используются в сотовых телефонах. IQ-демодулятор может применяться для установки делителя частоты на три и временных интервалов декодирования с целью определения момента поиска данных и момента, когда этот поиск осуществлять не требуется. Для DSP требуется математическая модель, позволяющая эффективно декодировать данные без потери тактовых циклов. IQ-демодулятор представляет собой случайный и квадратурный детектор с девяностоградусным сдвигом по фазе между двумя двойными балансными смесителями. Входной сигнал управляет R-портами двухбалансных смесителей. Частота гетеродина генерируется на скорости несущей третьей гармоники. Порты находятся в квадратуре по отношению друг к другу.

В результате, если выходной сигнал появляется на одном порту, квадратурный образ этого сигнала появляется на другом порту. Один выход представляет фазу, а другой - амплитуду. Поскольку они появляются как противоположные пилообразные сигналы в месте пересечения друг друга, дополнительные значения в результате формируются в виде одного значения, четко определяющего амплитуду или энергетический импульс. Он легко обнаруживается даже в случае объединения с искажениями, такими как шум, наложения или другие помехи, обычно присутствующие в канале.

Требования к полосовому фильтру.

В одном из вариантов реализации канал АВМ в технологии фазо-амплитудно-временной модуляции использует эллиптический фильтр. Эллиптические фильтры позволяют реализовать точную частоту среза, однако они также характеризуются групповой задержкой. Это означает, что не все частоты проходят через фильтр с одинаковой временной задержкой. Эта групповая задержка представляет собой сдвиг по фазе в зависимости от частоты, который линеен (логарифмически) по отношению к частоте. Таким образом, фильтр конфигурируется для минимизации групповой задержки с целью устранения нарушения фазового компонента, подлежащего обнаружению. С повышением количества принимаемых битов роль групповой задержки значительно возрастает на частоте верхнего угла фильтра.

На частоте верхнего угла фильтр отбрасывает частоты, расположенные выше частоты среза, и пропускает частоты, расположенные ниже частоты среза. Это создает разрыв непрерывности импеданса, который вызывает отражения, измеряемые как обратные потери. Обратные потери представляют собой отношение напряжения отраженной и принятой мощности, так что частота угла искажает фазовый компонент, какой бы ни был наклон передаточной характеристики. Это состояние приводит к искажению в области фазо-амплитудно-временной модуляции, в которой должны обнаруживаться компоненты данных. В связи с этим как групповая задержка, так и фазовая компенсация групповой задержки являются важными предметами рассмотрения. Хорошо разработанный эллиптический фильтр может эффективно

- 12 031912 решать эти обозначенные выше проблемы для применений фазо-амплитудно-временной модуляции.

Подходящая среда системы связи более подробно раскрыта на чертежах патента США 7046741 (в настоящее время истекшего), выданного 16 мая 2006 г. Предмет этого изобретения полностью включен в настоящее раскрытие изобретения посредством ссылки.

Модулятор/демодулятор составного синусоидального сигнала с амплитудно-временной модуляцией обычно конфигурируется как классическая приемопередающая система связи. Технологии амплитудновременной модуляции также могут быть реализованы в виде выделенной автономной приемопередающей системы связи.

Следует иметь в виду, что фазо-амплитудно-временная модуляция обеспечивает новый способ передачи информации, который устраняет множество проблем, характерных для стандартных способов модуляции. С помощью этой новой технологии модуляции успешно могут решаться вопросы, связанные с полосой пропускания канала и шумами. Фазо-амплитудно-временная модуляция продемонстрировала способность обеспечения более высокой скорости передачи данных, более эффективного использования частоты и большей устойчивости к воздействию шумов.

К различным вариантам осуществления могут относиться случаи применения для модема сотовой связи, передачи информации датчиков из скважин в нефтяной/газовой промышленности, связи сотового клиента и инфраструктуры, телефона и xDSL, а также для множества беспроводных и кабельных средств связи.

Хотя изобретение описано как оборудование модуляции сигнала и средство передачи данных, настоящее изобретение может простым образом использоваться с любым количеством систем связи или других подобных устройств, известных в настоящее время или подлежащих разработке в будущем.

Наконец, хотя изобретение описано выше со ссылкой на различные примеры осуществления, различные изменения и модификации могут быть выполнены в рамках этих примеров без нарушения сути данного изобретения. Например, различные компоненты могут быть реализованы альтернативными способами. Эти альтернативные способы могут подходящим образом выбираться в зависимости от конкретного применения или с учетом любого количества факторов, связанных с работой устройства. Кроме того, описанные технологии могут дополняться или модифицироваться для использования с другими типами устройств. Эти и другие изменения или модификации предназначены для включения в объем изобретения.

Claims (7)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ модуляции для кодирования цифровых данных, включающий генерацию синусоидального сигнала, модулированного с использованием амплитудно-временной модуляции;

   генерацию синусоидального сигнала, модулированного с использованием фазовой модуляции, в квадратуре с упомянутым синусоидальным сигналом, модулированным с использованием амплитудновременной модуляции; и суммирование синусоидального сигнала, модулированного с использованием амплитудновременной модуляции, и синусоидального сигнала, модулированного с использованием фазовой модуляции, для генерации составного сигнала, при этом генерация синусоидального сигнала, модулированного с использованием амплитудновременной модуляции, включает кодирование цифровых представлений цифровых данных путем изменения формы синусоидальной волны при заранее заданном угле фазы путем поддержания, увеличения или уменьшения амплитуды на короткий интервал времени после заранее заданного угла фазы;

   искажение результирующей синусоидальной волны с формированием ступенек на синусоидальном сигнале, модулированном с использованием амплитудно-временной модуляции, отличающийся тем, что генерацию синусоидального сигнала, модулированного с использованием фазовой модуляции, программируют для кодирования управляющего сообщения как фазового сдвига.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что генерация синусоидального сигнала, модулированного с использованием амплитудно-временной модуляции, включает применение защитных полос при значениях пересечения нулевого уровня и пиковых значениях одного или более синусоидальных сигналов.
3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что генерация синусоидального сигнала, модулированного с использованием амплитудно-временной модуляции, включает задержку амплитуды на короткий период времени.
4. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что генерация составного сигнала включает смешивание синусоидального сигнала, модулированного с помощью амплитудно-временной модуляции, и синусоидального сигнала, модулированного с помощью фазовой модуляции, причем эти сигналы находятся в квадратурной взаимосвязи со сдвигом по фазе на 90° относительно друг друга.
5. 5. Система модуляции для кодирования цифровых данных, содержащая амплитудно-временной модулятор для генерации синусоидального сигнала, модулированного с ис- 13 031912 пользованием амплитудно-временной модуляции;

   фазовый модулятор для генерации синусоидального сигнала, модулированного с использованием фазовой модуляции, в квадратуре с упомянутым синусоидальным сигналом, модулированным с использованием амплитудно-временной модуляции; и модуль суммирования для суммирования синусоидального сигнала, модулированного с использованием амплитудно-временной модуляции, и синусоидального сигнала, модулированного с использованием фазовой модуляции, для генерации составного сигнала, при этом фазовый модулятор выполнен с возможностью кодирования управляющего сообщения как фазового сдвига, и амплитудно-временной модулятор выполнен с возможностью выбора угла, в котором располагаются биты данных на синусоидальном сигнале, модулированном с использованием амплитудно-временной модуляции.
6. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что синусоидальный сигнал, модулированный с использованием амплитудно-временной модуляции, содержит данные, кодированные в виде ступеньки на форме волны этого сигнала.
7. 7. Система по п.5, содержащая также модуль повышающего преобразователя для преобразования составного сигнала для передачи по линии связи;

   передатчик для передачи составного сигнала и модуль понижающего преобразователя для декодирования данных, закодированных в переданном составном сигнале.