RU2542573C1 - Method and apparatus for orthogonal frequency division multiplexing - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: apparatus comprises an information source, a converter for converting serial symbols into parallel symbols, modulators, a quadrature modulators, two multipliers, a carrier wave generator, π/2 phase shifter, an adder, a unit for signal generation based on aigen vectors of a sub-band-pass matrix, calculated for low frequency, as well as a sub-band-pass matrix vector former for low frequency, read-only memory, a device for controlling generation of eigen vectors of a sub-band-pass low-frequency matrix, a selector for selecting real and imaginary parts from modulation signals, two real and imaginary component adders.

EFFECT: reduced inter-channel interference of radio communication systems, higher rate of transmitting useful information, higher rate of generating signals, larger number of channels.

3 cl, 7 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к областям проводной, спутниковой и наземной радиосвязи, а именно к связи с ортогональным частотным уплотнением, и может быть использовано для улучшения систем цифрового формирования канальных сигналов с ортогональным частотным уплотнением.The invention relates to the field of wired, satellite and terrestrial radio communications, in particular to communication with orthogonal frequency multiplexing, and can be used to improve digital signal generation systems of channel signals with orthogonal frequency multiplexing.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны способ формирования канальных сигналов и устройство его реализующее (патент РФ №2459359, H04J 1/20, дата публикации 20.08.2012). Известный способ включает представление на передающей стороне информации в виде совокупности n последовательных информационных символов длительностью n*τ, где τ - длительность одного символа, которые преобразуют в совокупность n параллельных информационных символов длительностью τ каждый в блоке 2 (Фиг.1, Фиг.2). Затем разделяют полосу частот, выделенную для передачи, на n частотных интервалов, осуществляют вставку защитного интервала и обработку квадратурным модулятором, при этом перед вставкой защитного интервала формируют набор собственных векторов для заданных частотных интервалов.The prior art method for generating channel signals and a device implementing it (RF patent No. 2459359, H04J 1/20, publication date 08/20/2012). The known method includes representing on the transmitting side information in the form of a set of n consecutive information symbols of duration n * τ, where τ is the duration of one symbol, which is converted into a set of n parallel information symbols of length τ each in block 2 (Figure 1, Figure 2) . Then, the frequency band allocated for transmission is divided into n frequency intervals, the guard interval is inserted and the quadrature modulator is processed, and before the guard interval is inserted, a set of eigenvectors for the given frequency intervals is formed.

Для реализации указанного способа предложено устройство формирования канальных сигналов OFDM, включающее: источник информации 1; блок 2 - преобразователь последовательных символов в параллельные и расширитель; блок формирования сигнала 12; блок 4 - вставка защитного интервала, а также квадратурный модулятор, в состав которого входят два цифроаналоговых преобразователя 5 и 6, два умножителя 7 и 8, генератор 9 несущего колебания, устройство 10 сдвига фазы на π/2, сумматор 11.To implement this method, an OFDM channel signal generating apparatus is proposed, including: an information source 1; block 2 - the converter of consecutive characters in parallel and expander; signal conditioning unit 12; block 4 - insertion of the guard interval, as well as a quadrature modulator, which includes two digital-to-analog converters 5 and 6, two multipliers 7 and 8, a carrier oscillator 9, a device 10 phase shift by π / 2, the adder 11.

Блок 12 формирования сигнала на основе собственных векторов субполосных матриц включает: формирователь 13 собственных векторов субполосных матриц; устройство 14 управления формирователем собственных векторов субполосных матриц; J умножителей 15 и сумматор 16. Наличие указанной вставки согласно изобретению позволяет увеличить количество каналов, одновременно передающих информацию в выделенном частотном диапазоне, и снизить интерференционные помехи систем радиосвязи. Однако использование вставки защитного интервала вносит избыточную информацию и уменьшает скорость передачи всей системы в целом. Вставка защитного интервала вносит искажения в сигнально-кодовую конструкцию (разрыв фазы), что приводит к повышению уровня внеполосных излучений и не позволяет в полной степени минимизировать частотно-временную локализацию формируемых канальных сигналов. К недостаткам известного решения следует отнести также использование способа расчета ортогонального базиса. Представленный на Фиг.3 энергетический спектр канального сигнала, сформированного классическим OFDM методом, подтверждает данное мнение.The signal generating unit 12 based on the eigenvectors of the subband matrices includes: a shaper 13 of eigenvectors of the subband matrices; the device 14 controls the shaper of the eigenvectors of the subband matrices; J multipliers 15 and the adder 16. The presence of the specified insert according to the invention allows to increase the number of channels simultaneously transmitting information in the selected frequency range and reduce interference interference of radio communication systems. However, the use of a guard interval insert introduces redundant information and reduces the transmission rate of the entire system. The insertion of the guard interval introduces distortions into the signal-code structure (phase discontinuity), which leads to an increase in the level of out-of-band emissions and does not fully minimize the time-frequency localization of the generated channel signals. The disadvantages of the known solutions should also include the use of the method of calculating the orthogonal basis. Presented in Figure 3, the energy spectrum of the channel signal generated by the classical OFDM method confirms this opinion.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа и устройства для его реализации, предназначенных для формирования канальных сигналов OFDM, лишенных вышеуказанных недостатков.The problem to which the invention is directed, is to create a method and device for its implementation, designed to generate channel signals OFDM, devoid of the above disadvantages.

Технические результаты, объективно проявляющиеся при реализации изобретений, выражаются в снижении межканальных интерференционных помех систем радиосвязи, увеличении скорости передачи полезной информации, увеличении скорости формирования сигналов, увеличении количества каналов, одновременно передающих информацию в выделенном частотном диапазоне.Technical results objectively manifested in the implementation of the inventions are expressed in a decrease in inter-channel interference interference of radio communication systems, an increase in the transmission rate of useful information, an increase in the speed of signal generation, an increase in the number of channels simultaneously transmitting information in a selected frequency range.

Сущность изобретения - в формировании канальных сигналов при передаче информации в режиме частотного уплотнения, реализуемого с использованием нового ортогонального базиса с меньшим количеством собственных векторов субполосной матрицы, рассчитанной для области низких частот, формирования предназначенного для передачи по каналу связи символа с наличием встроенного защитного интервала без использования циклической вставки защитного интервала.The essence of the invention is in the formation of channel signals in the transmission of information in frequency multiplexing mode, implemented using a new orthogonal basis with fewer eigenvectors of the subband matrix, calculated for the low-frequency region, the formation of a symbol intended for transmission over a communication channel with an integrated guard interval without using cyclic insertion of the guard interval.

Технические результаты достигаются за счет того, что в способ формирования канальных сигналов прототипа, включающий представление на передающей стороне информации в параллельную последовательность, вставку защитного интервала и обработку квадратурным модулятором, внесены следующие новые признаки:Technical results are achieved due to the fact that the following new features are introduced into the method for generating channel signals of the prototype, including presenting information on a transmitting side in a parallel sequence, inserting a guard interval and processing with a quadrature modulator:

- вместо процедуры формирования набора собственных векторов для каждого частотного интервала перед вставкой защитного интервала формируют один другой набор собственных векторов субполосной матрицы для низкой частоты. Выбирается J таких векторов, собственные числа которых λ≥0,9, количество которых в два раза меньше чем в прототипе - таким образом, формируется новый ортогональный базис;- instead of the procedure for generating a set of eigenvectors for each frequency interval, before inserting the guard interval, one other set of eigenvectors of the subband matrix for low frequency is formed. J vectors are selected whose eigenvalues are λ≥0.9, the number of which is half that of the prototype — thus, a new orthogonal basis is formed;

- результат вычисления ортогонального базиса может быть записан в постоянно запоминающее устройство (ПЗУ) для повторного использования;- the result of the calculation of the orthogonal basis can be recorded in a read-only memory (ROM) for reuse;

- каждый из J полученных собственных векторов умножают на соответствующую ему реальную или мнимую составляющую информационного символа, поступающего от модуляторов и предназначенного для передачи по каналу связи;- each of the J received eigenvectors is multiplied by the corresponding real or imaginary component of the information symbol coming from the modulators and intended for transmission over the communication channel;

- формируют предназначенный для передачи по каналу связи информационный символ с наличием встроенного защитного интервала, являющегося частью этого символа, представляющего собой фрагмент начала и конца символа, в которых значения всех собственных векторов стремятся к нулю, благодаря чему, вставку защитного интервала в виде копии оконечного фрагмента сигнала в его начало не используют.- form an information symbol intended for transmission over the communication channel with the presence of a built-in protective interval, which is part of this symbol, which is a fragment of the beginning and end of the symbol, in which the values of all eigenvectors tend to zero, due to which, the insertion of the protective interval in the form of a copy of the terminal fragment no signal is used at its beginning.

Устройство формирования канальных сигналов OFDM, реализующее предложенный способ, включает: источник информации, выход которого подключен к блоку, содержащему преобразователь последовательных символов в параллельные, которые далее поступают на модуляторы; квадратурный модулятор, включающий два цифроаналоговых преобразователя, два умножителя, генератор несущего колебания, устройство сдвига фазы на π/2, сумматор; при этом первый выход блока формирования сигнала соединен со входом первого цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом генератора несущего колебания, а второй выход блока формирования сигнала соединен со входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого соединен с выходом устройства сдвига фазы на π/2, вход которого соединен с выходом генератора несущего колебания, а выходы умножителей соединены с соответствующими входами сумматора, на выходе которого окончательно формируется канальный сигнал на заданной несущей частоте, модуляторы, преобразовывающие каждый N канал согласно битовым картам, подключены к соответствующим входам блока формирования сигнала на основе собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы, при этом в состав блока формирования сигнала на основе собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы входят: J*2 умножителей для умножения базисных функций на J поступающих параллельных информационных символов, состоящих из реальной и мнимой частей, поступающих от разделительных блоков, сумматоры для реальной и мнимой составляющих сигнала, устройство управления формирователем собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы и формирователь собственных векторов субполосной матрицы, при этом согласно изобретению в устройстве используется формирователь собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы, который в соответствии с предложенным способом рассчитывает и отбирает собственные вектора субполосной матрицы для области низких частот без использования блока циклической вставки; первый и второй выходы формирователя собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы соединены напрямую с цифроаналоговыми преобразователями.An OFDM channel signal generating apparatus that implements the proposed method includes: an information source whose output is connected to a unit containing a converter of consecutive characters into parallel, which are then fed to modulators; a quadrature modulator, including two digital-to-analog converters, two multipliers, a carrier oscillator, a phase shift device π / 2, an adder; wherein the first output of the signal conditioning unit is connected to the input of the first digital-to-analog converter, the output of which is connected to the first input of the first multiplier, the second input of which is connected to the output of the carrier oscillator, and the second output of the signal conditioning unit is connected to the input of the second digital-to-analog converter, the output of which is connected to the first input of the second multiplier, the second input of which is connected to the output of the phase shift device by π / 2, the input of which is connected to the output of the carrier oscillator, and the outputs of the multipliers are connected to the corresponding inputs of the adder, at the output of which the channel signal is finally generated at a given carrier frequency, modulators that convert each N channel according to bitmaps are connected to the corresponding inputs of the signal generation unit based on the eigenvectors of the subband low-frequency matrix, while the signal generating unit based on the eigenvectors of the subband low-frequency matrix includes: J * 2 multipliers for multiplying the basis functions by J parallel information symbols consisting of the real and imaginary parts coming from the separation blocks, adders for the real and imaginary components of the signal, a control device for the eigenvector of the subband low-frequency matrix and the eigenvector of the subband matrix, while according to the invention the device uses the eigenvector subband low-frequency matrix, which in accordance with the proposed method calculates and selects the proper th vectors of the subband matrix for the low-frequency region without using a cyclic insert block; the first and second outputs of the eigenvector of the subband low-frequency matrix are connected directly to digital-to-analog converters.

В устройстве, реализующем предложенный способ, может быть использовано постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения базисных функций, представляющих собой собственные векторы субполосной низкочастотной матрицы, рассчитанные и отобранные формирователем собственных векторов низкочастотной субполосной матрицы.In a device that implements the proposed method, a read-only memory (ROM) can be used to store the basic functions, which are eigenvectors of the subband low-frequency matrix, calculated and selected by the eigenvector of the low-frequency subband matrix.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Сущность изобретений поясняется изображениями, представленными на фигурах:The invention is illustrated by the images presented in the figures:

Фиг.1 - Схема прототипа;Figure 1 - Scheme of the prototype;

Фиг.2 - Схема блока формирования сигналов на основе собственных векторов субполосных матриц прототипа;Figure 2 - Block diagram of the signal generation based on the eigenvectors of the subband arrays of the prototype;

Фиг.3 - Энергетический спектр канального сигнала, сформированного классическим OFDM методом;Figure 3 - The energy spectrum of the channel signal generated by the classical OFDM method;

Фиг.4 - Схема предложенного устройства;Figure 4 - Scheme of the proposed device;

Фиг.5 - Схема блока формирования сигналов на основе собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы;5 is a diagram of a signal generation unit based on eigenvectors of a subband low-frequency matrix;

Фиг.6 - Энергетический спектр канального сигнала, сформированного предложенным методом;6 - The energy spectrum of the channel signal generated by the proposed method;

Фиг.7 - Сравнение скорости передачи сигнала различными методами.7 - Comparison of the signal transmission rate by various methods.

Обозначения на фиг.1, 2, 4, 5:Designations in figures 1, 2, 4, 5:

(1) - Источник информации;(1) - Source of information;

(2) - Преобразователь последовательных символов в параллельные;(2) - Converter of consecutive characters in parallel;

(3) - Модулятор субполосной низкочастотной матрицы;(3) - Modulator subband low-frequency matrix;

(4) - Блок циклической вставки защитного интервала;(4) - Block cyclic insert guard interval;

(5), (6) - Аналого-цифровой преобразователь;(5), (6) - An analog-to-digital converter;

(7), (8) - Умножители;(7), (8) - Multipliers;

(9) - Генератор несущего колебания;(9) - Carrier oscillation generator;

(10) - Устройство сдвига фазы на π/2;(10) - Device for phase shift by π / 2;

(11) - Сумматор;(11) - Adder;

(12) - Блок формирования сигнала на основе собственных векторов субполосных матриц;(12) - Signal generation block based on eigenvectors of subband matrices;

(13) - Формирователь собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы;(13) - Shaper of the eigenvectors of the subband low-frequency matrix;

(14) - Управляющее устройство;(14) - Control device;

(15) - Умножитель;(15) - Multiplier;

(16) - Сумматор;(16) - Adder;

(17) - Запоминающее устройство (ПЗУ);(17) - Storage device (ROM);

(18) - Разделитель реальной и мнимой частей информационного символа;(18) - Separator of the real and imaginary parts of the information symbol;

(19) - Блок ортогонального частотного уплотнения на основе собственных векторов.(19) - Block of orthogonal frequency multiplexing based on eigenvectors.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Предлагаемый способ формирования канальных сигналов OFDM (мультиплексированных с ортогональным частотным разделением каналов) включает в себя: представление на передающей стороне информации в виде совокупности N последовательных информационных символов длительностью N*τ, где τ - длительность одного информационного символа, преобразование из последовательного кода в параллельные N посылок по М бит;The proposed method of generating OFDM channel signals (multiplexed with orthogonal frequency division of channels) includes: representing on the transmitting side information in the form of a set of N consecutive information symbols of duration N * τ, where τ is the duration of one information symbol, conversion from serial code to parallel N parcels of M bits;

- модуляцию каждой посылки, осуществляемой согласно битовым картам, с итоговым результатом в виде информационных элементов, состоящих из реальной и мнимой частей X₁=(Re1,Im1),…,X_J=(ReJ,ImJ);- modulation of each package, carried out according to bitmaps, with the final result in the form of information elements consisting of the real and imaginary parts X ₁ = (Re1, Im1), ..., X _J = (ReJ, ImJ);

- формирование перед обработкой квадратурным модулятором набора собственных векторов для заданного частотного интервала $$Q=\left({\overrightarrow{q}}_1,{\overrightarrow{q}}_2,\dots ,{\overrightarrow{q}}_J\right)$$

, где $${\overrightarrow{q}}_i$$

- собственные векторы субполосной низкочастотной матрицы A₀={a_i,k}, i,k=1,…,L, из которой осуществляют выборку J таких собственных векторов, собственные числа которых λ≥0,9, затем производят умножение предназначенных для передачи по каналу связи J информационных символов на то же количество полученных собственных векторов, и последующее суммирование полученной совокупности модулированных собственных векторов каждого информационного символа согласно следующему выражению:- the formation before processing by the quadrature modulator of a set of eigenvectors for a given frequency interval $$Q=\left({\overrightarrow{q}}_{\mathrm{one}},{\overrightarrow{q}}_2,...,{\overrightarrow{q}}_J\right)$$

where $${\overrightarrow{q}}_i$$

- eigenvectors of the subband low-frequency matrix A ₀ = {a _{i, k} }, i, k = 1, ..., L, from which J eigenvectors are selected, the eigenvalues of which λ≥0.9, then multiply the ones intended for transmission over the communication channel J information symbols for the same number of eigenvectors received, and the subsequent summation of the resulting set of modulated eigenvectors of each information symbol according to the following expression:

,

,

где $$\overrightarrow{S}$$

- сформированный канальный сигнал;Where $$\overrightarrow{S}$$

- formed channel signal;

Q - набор низкочастотных собственных векторов;Q is a set of low-frequency eigenvectors;

$$\overrightarrow{X}=\left(X_1,X_2,\dots ,X_j\right)$$

- вектор информационных элементов, состоящий из реальной и мнимой частей, $$\overrightarrow{X}=\left(X_{\mathrm{one}},{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="X"\; filenames="00000011.png,00000012.png"\; state="\{\{state\}\}">X</figure-callout>}}_2,...,X_j\right)$$

- a vector of information elements consisting of real and imaginary parts,

отличается предложенный способ тем, что:The proposed method differs in that:

- элементы субполосной низкочастотной матрицы рассчитывают согласно выражению вида:- the elements of the subband low-frequency matrix are calculated according to an expression of the form:

- формирование набора собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы для передачи в выделенной полосе частот осуществляют в диапазоне ΔV=[-ν/2, 0)∪[0, ν/2), где ν - выделенная полоса частот;- the formation of a set of eigenvectors of the subband low-frequency matrix for transmission in the selected frequency band is carried out in the range ΔV = [- ν / 2, 0) ∪ [0, ν / 2), where ν is the selected frequency band;

- предназначенный для передачи по каналу связи информационный символ формируют с наличием встроенного защитного интервала, являющегося частью этого символа, представляющего собой фрагмент начала и конца символа, в которых значения всех собственных векторов стремятся к нулю.- the information symbol intended for transmission over the communication channel is formed with the presence of a built-in guard interval, which is part of this symbol, which is a fragment of the beginning and end of the symbol in which the values of all eigenvectors tend to zero.

Способ осуществляют следующим образом (Фиг.4, Фиг.5):The method is as follows (Figure 4, Figure 5):

1. Представление на передающей стороне информации в виде совокупности N последовательных информационных символов длительностью N*τ, где τ - длительность одного информационного символа.1. Presentation on the transmitting side of information in the form of a set of N consecutive information symbols of duration N * τ, where τ is the duration of one information symbol.

2. В блоке (2) происходит преобразование из последовательного кода в параллельные N посылок по М бит с длительностью каждого символа Ts=M*τ, при этом N=J.2. In block (2), there is a conversion from a serial code to parallel N packets of M bits with a duration of each symbol Ts = M * τ, with N = J.

3. Модуляция каждой посылки осуществляется согласно битовым картам в блоке (3), на выходе с которого получают сигналы X1=(Re1,Im1),…, X_J=(ReJ,ImJ).3. Modulation of each package is carried out according to the bitmaps in block (3), at the output of which signals X1 = (Re1, Im1), ..., X _J = (ReJ, ImJ) are received.

4. Элементы субполосной низкочастотной матрицы рассчитывают согласно выражению вида:4. Elements of the subband low-frequency matrix are calculated according to an expression of the form:

;

;

5. Формирование набора собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы для передачи в выделенной полосе частот осуществляют в диапазоне ΔV=[-ν/2, 0)∪[0, ν/2), где ν - выделенная полоса частот. Выбирают J таких векторов, собственные числа которых λ≥0,9 и при этом J равно количеству информационных каналов. Расчет векторов осуществляет блок (13), который управляется устройством (14).5. The formation of a set of eigenvectors of the subband low-frequency matrix for transmission in the selected frequency band is carried out in the range ΔV = [- ν / 2, 0) ∪ [0, ν / 2), where ν is the selected frequency band. Choose J such vectors whose eigenvalues are λ≥0.9 and J is equal to the number of information channels. The calculation of the vectors is carried out by the block (13), which is controlled by the device (14).

5.1. Полученные векторы могут быть записаны на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (17) для последующего использования без необходимости пересчета в блоке (13).5.1. The resulting vectors can be written to read-only memory (ROM) (17) for subsequent use without the need for recounting in block (13).

6. Результирующие сигналы одновременно поступают на соответствующие первые входы разделителей реальной и мнимой частей (18) блока (19) формирования сигнала на основе собственных векторов субполосной матрицы, рассчитанной для низкой частоты.6. The resulting signals simultaneously arrive at the corresponding first inputs of the separators of the real and imaginary parts (18) of the signal generation unit (19) based on the eigenvectors of the subband matrix calculated for the low frequency.

7. Затем сигнал поступает на соответствующие первые входы умножителей (15) блока (19), а на вторые входы умножителей (15) поступают сигналы с соответствующих выходов блока (13) или выходов блока памяти (17) с записанными векторами из блока (13).7. Then the signal goes to the corresponding first inputs of the multipliers (15) of the block (19), and the signals from the corresponding outputs of the block (13) or the outputs of the memory block (17) with the recorded vectors from the block (13) are fed to the second inputs of the multipliers (15) .

8. С выходов умножителей (15) модулированные собственные векторы поступают на соответствующие входы сумматоров (16), где суммируют полученную совокупность модулированных собственных векторов согласно следующему выражению:8. From the outputs of the multipliers (15), the modulated eigenvectors arrive at the corresponding inputs of the adders (16), where they summarize the resulting set of modulated eigenvectors according to the following expression:

$$\overrightarrow{S}=\left({\overrightarrow{q}}_1\cdot X_1+{\overrightarrow{q}}_2\cdot X_2+\dots +{\overrightarrow{q}}_j\cdot X_j\right)$$

, где $$\overrightarrow{S}$$

- сформированный канальный сигнал; $$\overrightarrow{S}=\left({\overrightarrow{q}}_{\mathrm{one}}\cdot X_{\mathrm{one}}+{\overrightarrow{q}}_2\cdot {\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="X"\; filenames="00000011.png,00000012.png"\; state="\{\{state\}\}">X</figure-callout>}}_2+...+{\overrightarrow{q}}_j\cdot X_j\right)$$

where $$\overrightarrow{S}$$

- formed channel signal;

$$\overrightarrow{q}$$

- низкочастотный собственный вектор; X=(Re,Im) - информационный символ. $$\overrightarrow{q}$$

- low-frequency eigenvector; X = (Re, Im) is an information symbol.

9. Сигнал Re с выхода сумматора (16) поступает на вход цифроаналогового преобразователя (5), а сигнал Im с выхода сумматора (16) поступает - на вход цифроаналогового преобразователя (6), где они преобразовываются в аналоговый вид.9. The signal Re from the output of the adder (16) goes to the input of the digital-to-analog converter (5), and the signal Im from the output of the adder (16) goes to the input of the digital-to-analog converter (6), where they are converted to analog form.

10. С выходов цифроаналогового преобразователя (5) и цифроаналогового преобразователя (6) сигналы поступают на входы соответствующих умножителей (7) и (8), в которых происходит умножение входного сигнала на несущее колебание заданной частоты, поступающее соответственно на умножитель (7) с генератора (9) несущего колебания, а на умножитель (8) - с устройства (10), со сдвигом фазы на π/2.10. From the outputs of the digital-to-analog converter (5) and the digital-to-analog converter (6), the signals are supplied to the inputs of the corresponding multipliers (7) and (8), in which the input signal is multiplied by the carrier oscillation of a given frequency, which is respectively supplied to the multiplier (7) from the generator (9) of the carrier oscillation, and for the multiplier (8) - from the device (10), with a phase shift of π / 2.

11. С выходов обоих умножителей полученные сигналы одновременно поступают на соответствующие входы сумматора (11), на выходе которого окончательно формируется канальный сигнал OFDM на несущей частоте для передачи по каналу связи.11. From the outputs of both multipliers, the received signals are simultaneously fed to the corresponding inputs of the adder (11), at the output of which the OFDM channel signal is finally generated at the carrier frequency for transmission over the communication channel.

12. Предназначенный для передачи по каналу связи информационный символ формируют с наличием встроенного защитного интервала, являющегося частью этого символа, представляющего собой фрагмент начала и конца символа, в которых значения всех собственных векторов стремятся к нулю.12. The information symbol intended for transmission over the communication channel is formed with the presence of a built-in guard interval, which is part of this symbol, which is a fragment of the beginning and end of the symbol, in which the values of all eigenvectors tend to zero.

Использование в качестве базисных функций собственных векторов низкочастотной субполосной матрицы со значением собственного числа, близким к единице, позволяет формировать канальные сигналы при передаче информации в режиме ортогонального частотного уплотнения с минимальным уровнем внеполосных излучений, что подтверждается энергетическим спектром на Фиг.6. Благодаря этому достигается снижение межканальных интерференционных помех систем радиосвязи, что позволяет увеличить, примерно, на 20% количество каналов, одновременно передающих информацию в выделенном частотном диапазоне. Использование в два раза меньшего количества базисных функций способствует увеличению скорости формирования сигналов. Как наглядно показано на Фиг.7, формирование информационного символа с наличием встроенного защитного интервала, являющегося частью этого символа, позволяет не использовать вставку защитного интервала в виде копии оконечного фрагмента сигнала в его начало. Вследствие чего скорость передачи полезной информации увеличивается на 3-25% (в зависимости от размера неиспользуемой циклической вставки, в пределах от 1/32 до 1/4 сигнала, традиционно применяемой в конкретной технологии).Using as the basis functions the eigenvectors of a low-frequency subband matrix with an eigenvalue close to unity, it is possible to generate channel signals when transmitting information in the orthogonal frequency compression mode with a minimum level of out-of-band emissions, which is confirmed by the energy spectrum in Fig. 6. Due to this, a reduction in inter-channel interference interference of radio communication systems is achieved, which allows increasing by approximately 20% the number of channels simultaneously transmitting information in the selected frequency range. The use of half as many basic functions helps to increase the speed of signal formation. As is clearly shown in Fig. 7, the formation of an information symbol with the presence of a built-in guard interval, which is part of this symbol, allows not to use the insertion of the guard interval in the form of a copy of the terminal fragment of the signal at its beginning. As a result, the transmission rate of useful information increases by 3-25% (depending on the size of the unused cyclic insert, ranging from 1/32 to 1/4 of the signal traditionally used in a particular technology).

Для реализации указанного способа предложено устройство формирования канальных сигналов OFDM с минимальным уровнем внеполосных излучений канального сигнала (Фиг.4, Фиг.5), включающее источник информации (1), выход которого подключен ко входу блока (2), включающего преобразователь последовательных символов в параллельные. Параллельные выходы блока (2) поступают на входы блока (3), где модуляция каждой посылки осуществляется согласно битовым картам, выходы последнего соединены с соответствующими входами блока (19) формирования сигнала на основе собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами квадратурного модулятора, в состав которого входят два цифроаналоговых преобразователя (5) и (6), два умножителя (7) и (8), генератор (9) несущего колебания, устройство (10) сдвига фазы на π/2, сумматор (11).To implement this method, a device is proposed for generating channel signals OFDM with a minimum level of out-of-band emissions of a channel signal (Fig. 4, Fig. 5), including an information source (1), the output of which is connected to the input of a block (2), including a serial to parallel converter . The parallel outputs of block (2) are supplied to the inputs of block (3), where each parcel is modulated according to bitmaps, the outputs of the latter are connected to the corresponding inputs of the signal generation block (19) based on the eigenvectors of the subband low-frequency matrix, the first and second outputs of which are connected to corresponding inputs of a quadrature modulator, which includes two digital-to-analog converters (5) and (6), two multipliers (7) and (8), a carrier oscillator (9), a phase shift device (10) by π / 2, an adder (eleven).

Первый выход блока (19) соединен со входом цифроаналогового преобразователя (5), выход которого соединен с первым входом умножителя (7), а второй вход умножителя (7) соединен с выходом генератора несущего колебания (9). Второй выход блока (19) соединен со входом второго цифроаналогового преобразователя (6), выход которого соединен с первым входом второго умножителя (8), а второй вход умножителя (8) соединен с выходом устройства (10) сдвига фазы на π/2, вход которого соединен с выходом генератора (9). Выходы умножителей (7) и (8) соединены с соответствующими входами сумматора (11), на выходе которого окончательно формируется канальный сигнал на заданной несущей частоте.The first output of the block (19) is connected to the input of the digital-to-analog converter (5), the output of which is connected to the first input of the multiplier (7), and the second input of the multiplier (7) is connected to the output of the carrier oscillator (9). The second output of the block (19) is connected to the input of the second digital-to-analog converter (6), the output of which is connected to the first input of the second multiplier (8), and the second input of the multiplier (8) is connected to the output of the phase shift device (10) by π / 2, input which is connected to the output of the generator (9). The outputs of the multipliers (7) and (8) are connected to the corresponding inputs of the adder (11), at the output of which the channel signal is finally formed at a given carrier frequency.

Данная схема отличается от прототипа блоком (19) ортогонального частотного уплотнения на основе собственных векторов низкочастотной субполосной матрицы, позволяющего исключить блок циклической вставки (поз. 4 на Фиг.1)This circuit differs from the prototype in block (19) of orthogonal frequency multiplexing based on the eigenvectors of the low-frequency subband matrix, which allows to exclude the cyclic insert block (item 4 in FIG. 1)

Блок 19 (Фиг.5) состоит из:Block 19 (Figure 5) consists of:

- формирователя собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы (13), позволяющего обеспечить помехоустойчивость формируемых канальных сигналов не ниже, чем в прототипе и не использовать вставку защитного интервала;- the shaper of the eigenvectors of the subband low-frequency matrix (13), which allows to provide noise immunity of the generated channel signals no lower than in the prototype and not to use the insertion of the protective interval;

- устройства (14) управления формирователем собственных векторов субполосных матриц;- devices (14) for controlling the generator of eigenvectors of subband matrices;

- блоков (18), разделяющих информационный символ на реальные и мнимые части;- blocks (18) dividing the information symbol into real and imaginary parts;

- опционально, блока (17) сохранения заранее рассчитанных базисных функций для последующего использования в формировании сигнально-кодовой конструкции;- optionally, a block (17) for storing pre-calculated basic functions for subsequent use in the formation of a signal-code structure;

- J*2 умножителей (15) для умножения поступающих J параллельных информационных символов, позволяющих использовать формируемые собственные векторы для передачи информации за счет их модуляции данными;- J * 2 multipliers (15) for multiplying incoming J parallel information symbols, allowing the use of generated eigenvectors to transmit information due to their modulation with data;

- сумматоров (16), объединяющих совокупность модулированных собственных векторов в реальную Re и мнимую Im составляющую сигнала.- adders (16), combining the set of modulated eigenvectors into real Re and imaginary Im component of the signal.

Постоянное запоминающее устройство (17) для хранения базисных функций представляет собой собственные векторы субполосной низкочастотной матрицы, рассчитанные и отобранные формирователем собственных векторов низкочастотной субполосной матрицы. Сохраненные в ПЗУ базисные функции используются в процедуре формирования канального сигнала, что позволяет сократить количество вычислений, производимых формирователем собственных векторов низкочастотной субполосной матрицы. Однако наличие ПЗУ является необязательным, что ни в коем случае не влияет на работу устройства формирования канальных сигналов OFDM, а может быть рассмотрено как возможный вариант.Permanent storage device (17) for storing basic functions is the eigenvectors of the subband low-frequency matrix, calculated and selected by the eigenvector of the low-frequency subband matrix. The basic functions stored in the ROM are used in the channel signal generation procedure, which reduces the number of calculations performed by the eigenvector of the low-frequency subband matrix. However, the presence of ROM is optional, which in no way affects the operation of the OFDM channel signal generating device, but can be considered as a possible option.

Работа устройства осуществляется следующим образом. На передающей стороне информацию представляют в виде совокупности N последовательных информационных символов длительностью N*τ, где τ - длительность одного информационного символа. В блоке (2) происходит преобразование из последовательного кода в параллельные N посылок по M бит с длительностью каждого символа Ts=M*τ, при этом N=J. Модуляция каждой посылки осуществляется согласно битовым картам в блоке (3), на выходе с которого получают сигналы X1=(Re1,Im1),…, XJ=(ReJ,ImJ). Формирование набора собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы для передачи в выделенной полосе частот осуществляют в диапазоне ΔV=[-ν/2, 0)∪[0, ν/2), где ν - выделенная полоса частот. Выбирают J таких векторов, собственные числа которых λ≥0,9 и при этом J равно количеству информационных каналов. Расчет векторов осуществляет блок (13), который управляется устройством (14). Полученные векторы могут быть записаны на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (17) для последующего использования без необходимости пересчета в блоке (13). Результирующие сигналы одновременно поступают на соответствующие первые входы разделителей реальной и мнимой частей (18) блока (19) формирования сигнала на основе собственных векторов субполосной матрицы, рассчитанной для низкой частоты.The operation of the device is as follows. On the transmitting side, information is represented as a set of N consecutive information symbols of duration N * τ, where τ is the duration of one information symbol. In block (2), there is a conversion from a serial code to parallel N packets of M bits with a duration of each symbol Ts = M * τ, with N = J. Each parcel is modulated according to the bitmaps in block (3), at the output of which signals X1 = (Re1, Im1), ..., XJ = (ReJ, ImJ) are received. The formation of a set of eigenvectors of the subband low-frequency matrix for transmission in the selected frequency band is carried out in the range ΔV = [- ν / 2, 0) ∪ [0, ν / 2), where ν is the selected frequency band. Choose J such vectors whose eigenvalues are λ≥0.9 and J is equal to the number of information channels. The calculation of the vectors is carried out by the block (13), which is controlled by the device (14). The resulting vectors can be written to read-only memory (ROM) (17) for subsequent use without the need for recounting in block (13). The resulting signals are simultaneously fed to the corresponding first inputs of the separators of the real and imaginary parts (18) of the signal generation unit (19) based on the eigenvectors of the subband matrix calculated for the low frequency.

Затем сигнал поступает на соответствующие первые входы умножителей (15) блока (19), а на вторые входы умножителей (15) поступают сигналы с соответствующих выходов блока (13) или выходов блока памяти (17) с записанными векторами из блока (13). С выходов умножителей (15) модулированные собственные векторы поступают на соответствующие входы сумматоров (16), где суммируют полученную совокупность модулированных собственных векторов согласно следующему выражению:Then the signal is supplied to the corresponding first inputs of the multipliers (15) of the block (19), and the signals from the corresponding outputs of the block (13) or the outputs of the memory block (17) with the recorded vectors from the block (13) are fed to the second inputs of the multipliers (15). From the outputs of the multipliers (15), the modulated eigenvectors arrive at the corresponding inputs of the adders (16), where they summarize the resulting set of modulated eigenvectors according to the following expression:

$$\overrightarrow{S}=\left({\overrightarrow{q}}_1\cdot X_1+{\overrightarrow{q}}_2\cdot X_2+\dots +{\overrightarrow{q}}_j\cdot X_j\right)$$

, где $$\overrightarrow{S}$$

- сформированный канальный сигнал; $$\overrightarrow{S}=\left({\overrightarrow{q}}_{\mathrm{one}}\cdot X_{\mathrm{one}}+{\overrightarrow{q}}_2\cdot {\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="X"\; filenames="00000011.png,00000012.png"\; state="\{\{state\}\}">X</figure-callout>}}_2+...+{\overrightarrow{q}}_j\cdot X_j\right)$$

where $$\overrightarrow{S}$$

- formed channel signal;

$$\overrightarrow{q}$$

- низкочастотный собственный вектор; X=(Re,Im) - информационный символ. $$\overrightarrow{q}$$

- low-frequency eigenvector; X = (Re, Im) is an information symbol.

Сигнал Re с выхода сумматора (16) поступает на вход цифроаналогового преобразователя (5), а сигнал Im с выхода сумматора (16) поступает на вход цифроаналогового преобразователя (6), где они преобразовываются в аналоговый вид. С выходов цифроаналогового преобразователя (5) и цифроаналогового преобразователя (6) сигналы поступают на входы соответствующих умножителей (7) и (8), в которых происходит умножение входного сигнала на несущее колебание заданной частоты, поступающее соответственно на умножитель (7) с генератора (9) несущего колебания, а на умножитель (8) - с устройства (10), со сдвигом фазы на π/2. С выходов обоих умножителей полученные сигналы одновременно поступают на соответствующие входы сумматора (11), на выходе которого окончательно формируется канальный сигнал OFDM на несущей частоте для передачи по каналу связи.The signal Re from the output of the adder (16) goes to the input of the digital-to-analog converter (5), and the signal Im from the output of the adder (16) goes to the input of the digital-to-analog converter (6), where they are converted to analog form. From the outputs of the digital-to-analog converter (5) and the digital-to-analog converter (6), the signals are fed to the inputs of the corresponding multipliers (7) and (8), in which the input signal is multiplied by the carrier oscillation of a given frequency, which is respectively transmitted to the multiplier (7) from the generator (9) ) of the carrier oscillation, and to the multiplier (8) - from the device (10), with a phase shift of π / 2. From the outputs of both multipliers, the received signals are simultaneously sent to the corresponding inputs of the adder (11), at the output of which the OFDM channel signal is finally generated at the carrier frequency for transmission over the communication channel.

Таким образом, за счет исключения блока формирования защитного интервала и замены блока формирования сигнала на основе собственных векторов субполосных матриц на блок формирования сигнала на основе собственных векторов субполосной матрицы для низких частот, в состав которого входят:Thus, due to the exclusion of the block of formation of the guard interval and the replacement of the block of signal generation based on the eigenvectors of the subband matrices by the signal generation block based on the eigenvectors of the subband matrix for low frequencies, which includes:

- формирователь собственных векторов субполосной матрицы для области низких частот, который обеспечивает: помехоустойчивость формируемых канальных сигналов не ниже, чем в прототипе, за счет свойства ортогональности формируемых собственных векторов; устойчивость к межсимвольным искажениям формируемых канальных сигналов за счет наличия встроенного защитного интервала, являющегося частью информационного символа; возможность рассчитать одновременно в два раза меньше собственных векторов, используемых для формирования канального сигнала;- shaper of the eigenvectors of the subband matrix for the low frequency region, which provides: the noise immunity of the generated channel signals is not lower than in the prototype, due to the orthogonality property of the generated eigenvectors; resistance to intersymbol distortions of generated channel signals due to the presence of an integrated guard interval, which is part of the information symbol; the ability to simultaneously calculate two times less than the eigenvectors used to form the channel signal;

- опционально используемое постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), которое позволяет сохранить и повторно использовать сформированный базис собственных векторов, рассчитанных из низкочастотной субполосной матрицы;- the optionally used read-only memory (ROM), which allows you to save and reuse the generated basis of the eigenvectors calculated from the low-frequency subband matrix;

- разделитель информационного символа на реальную и мнимую составляющую, для дальнейшего формирования сигнально-кодовой конструкции;- separator of the information symbol into the real and imaginary component, for the further formation of the signal-code structure;

- устройство управления формирователем собственных векторов субполосных матриц, обеспечивающее выбор J собственных векторов с собственным числом λ≥0,9, что позволяет снизить уровень внеполосных излучений канального сигнала до минус 60 дБ;- a control device for the eigenvector of the subband matrices, providing the choice of J eigenvectors with an eigenvalue λ≥0.9, which reduces the level of out-of-band emissions of the channel signal to minus 60 dB;

- J*2 умножители для умножения поступающих информационных символов с разделителя реальной и мнимой частей на заранее сохраненные значения собственных векторов, позволяющие использовать сформированные собственные векторы для передачи информации за счет их кодирования данными;- J * 2 multipliers for multiplying the incoming information symbols from the separator of the real and imaginary parts by pre-stored values of the eigenvectors, allowing you to use the generated eigenvectors to transmit information by encoding them with data;

- два сумматора, объединяющие совокупность модулированных собственных векторов в реальный Re и мнимый Im сигналы,- two adders combining a set of modulated eigenvectors into real Re and imaginary Im signals,

стало возможным согласно экспериментальным исследованиям снижение межканальных интерференционных помех систем радиосвязи, увеличение скорости передачи полезной информации на 3-25%, увеличение скорости формирования сигналов, увеличение примерно на 20% количества каналов, одновременно передающих информацию в выделенном частотном диапазоне.according to experimental studies, it became possible to reduce the inter-channel interference of radio communication systems, increase the transmission rate of useful information by 3-25%, increase the speed of signal generation, increase by approximately 20% the number of channels simultaneously transmitting information in the selected frequency range.

Использованная литератураReferences

1. ИЗ №2459359 «Способ формирования канальных сигналов и устройство его реализующее».1. FROM No. 2459359 "The method of forming channel signals and the device that implements it."

2. Урсол Д.В. Метод обеспечения помехоустойчивости информационных коммуникаций при субполосной передаче информации [Текст]: диссертация на соискание уч. ст. к.тех.н. - Белгород, 2012.2. Ursol D.V. The method of ensuring noise immunity of information communications in the sub-band transmission of information [Text]: the dissertation for the competition. Art. Ph.D. - Belgorod, 2012.

3. Жиляков Е.Г. Вариационные методы анализа и построения функций по эмпирическим данным [Текст]: моногр. - Белгород: Изд-во БелГУ, 2007.3. Zhilyakov EG Variational methods of analysis and construction of functions according to empirical data [Text]: monograph. - Belgorod: BelSU Publishing House, 2007.

4. IEEE Std P802.16-2004, IEEE Standart for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed BWA Systems.4. IEEE Std P802.16-2004, IEEE Standart for Local and metropolitan area networks - Part 16: Air Interface for Fixed BWA Systems.

Claims (3)

1. Способ формирования канальных сигналов OFDM, включающий: представление на передающей стороне информации в виде совокупности N последовательных информационных символов длительностью N*τ, где τ - длительность одного информационного символа, преобразование из последовательного кода в параллельные N посылок по М бит; модуляцию каждой посылки, осуществляемой согласно битовым картам, с итоговым результатом в виде информационных элементов, состоящих из реальной и мнимой частей; формирование перед обработкой квадратурным модулятором для заданного частотного интервала набора собственных векторов

, где

- собственные векторы субполосной низкочастотной матрицы A₀={a_i,k},i,k=1,…,L из которой осуществляют выборку J таких собственных векторов, собственные числа которых близки к единице, затем производят умножение предназначенных для передачи по каналу связи J информационных символов на то же количество полученных собственных векторов и последующее суммирование полученной совокупности модулированных собственных векторов каждого информационного символа, отличающийся тем, что элементы субполосной матрицы рассчитывают для области низких частот заданной шириной канала; предназначенный для передачи по каналу связи информационный символ формируют с наличием встроенного защитного интервала, являющегося частью этого символа, представляющего собой фрагмент начала и конца символа, в которых значения всех собственных векторов стремятся к нулю.1. A method of generating OFDM channel signals, including: presenting on the transmitting side information in the form of a set of N consecutive information symbols of duration N * τ, where τ is the duration of one information symbol, conversion from serial code to parallel N packets of M bits; modulation of each package, carried out according to bitmaps, with the final result in the form of information elements consisting of real and imaginary parts; formation before processing by a quadrature modulator for a given frequency interval of a set of eigenvectors

where

- the eigenvectors of the subband low-frequency matrix A ₀ = {a _{i, k} }, i, k = 1, ..., L from which J selects such eigenvectors whose eigenvalues are close to unity, then multiply the ones intended for transmission over the communication channel J information symbols for the same number of received eigenvectors and the subsequent summation of the resulting set of modulated eigenvectors of each information symbol, characterized in that the elements of the subband matrix are calculated for the low-frequency region m predetermined channel width; The information symbol intended for transmission over the communication channel is formed with the presence of a built-in guard interval, which is part of this symbol, which is a fragment of the beginning and end of the symbol in which the values of all eigenvectors tend to zero. 2. Устройство формирования канальных сигналов OFDM, включающее источник информации, выход которого подключен к блоку, содержащему преобразователь последовательных символов в параллельные, которые далее поступают на модуляторы; квадратурный модулятор, включающий два цифроаналоговых преобразователя, два умножителя, генератор несущего колебания, устройство сдвига фазы на π/2, сумматор; при этом первый выход блока формирования сигнала соединен со входом первого цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом генератора несущего колебания, а второй выход блока формирования сигнала соединен со входом второго цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого соединен с выходом устройства сдвига фазы на π/2, вход которого соединен с выходом генератора несущего колебания, а выходы умножителей соединены с соответствующими входами сумматора, на выходе которого окончательно формируется канальный сигнал на заданной несущей частоте, модуляторы, преобразовывающие каждый N канал согласно битовым картам, подключены к соответствующим входам блока формирования сигнала на основе собственных векторов субполосной матрицы, при этом в состав блока формирования сигнала на основе собственных векторов субполосной матрицы входят: J*2 умножителей для умножения базисных функций на J поступающих параллельных информационных символов, состоящих из реальной и мнимой частей, поступающих от разделительных блоков; сумматоры для реальной и мнимой составляющих сигнала; устройство управления формирователем собственных векторов субполосной матрицы и формирователь собственных векторов субполосной матрицы, отличающееся тем, что:
формирователь собственных векторов субполосной матрицы рассчитывает и отбирает собственные векторы субполосной матрицы для области низких частот;
первый и второй выходы формирователя собственных векторов субполосной низкочастотной матрицы соединены напрямую с цифроаналоговыми преобразователями.2. An OFDM channel signal generating device, including an information source, the output of which is connected to a unit containing a serial to parallel converter, which then goes to modulators; a quadrature modulator, including two digital-to-analog converters, two multipliers, a carrier oscillator, a phase shift device π / 2, an adder; wherein the first output of the signal conditioning unit is connected to the input of the first digital-to-analog converter, the output of which is connected to the first input of the first multiplier, the second input of which is connected to the output of the carrier oscillator, and the second output of the signal conditioning unit is connected to the input of the second digital-to-analog converter, the output of which is connected to the first input of the second multiplier, the second input of which is connected to the output of the phase shift device by π / 2, the input of which is connected to the output of the carrier oscillator, and the outputs of the multipliers are connected to the corresponding inputs of the adder, at the output of which the channel signal is finally formed at a given carrier frequency, modulators that convert each N channel according to bitmaps are connected to the corresponding inputs of the signal generation block based on the eigenvectors of the subband matrix, while in the block generating a signal based on the eigenvectors of the subband matrix includes: J * 2 multipliers for multiplying the basis functions by J incoming parallel information characters, consisting of real and imaginary parts, coming from the separating units; adders for the real and imaginary components of the signal; a control device for the eigenvector of the subband matrix and the eigenvector of the subband matrix, characterized in that:
the subband matrix eigenvector calculates and selects the subband matrix eigenvectors for the low frequency region;
the first and second outputs of the eigenvector of the subband low-frequency matrix are connected directly to digital-to-analog converters. 3. Устройство формирования канальных сигналов OFDM по п.2, отличающееся тем, что в нем имеется постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). 3. The OFDM channel signal generating apparatus according to claim 2, characterized in that it has a read-only memory (ROM).

Images