RU2821367C1

RU2821367C1 - Способ модуляции радиочастоты

Info

Publication number: RU2821367C1
Application number: RU2023120520A
Authority: RU
Inventors: Борис Яковлевич Мактас
Filing date: 2023-08-04
Publication date: 2024-06-21

Abstract

Изобретение относится к системам беспроводной связи, а именно к технологии цифровой связи. Технический результат: повышение помехоустойчивости системы, расширение алфавита сообщений и упрощение схемы модуляции радиосигналов. Такой результат обеспечивается за счет того, что выходной регистр источника цифровой информации условно разбивают на ряд соединенных К n-разрядных блоков, информация с которых поступает на антенный блок передатчика, имеющий n параллельно включенных выходных каскадов. Каждый из n-разрядных блоков К_i=N/n, где N - разрядность выходного регистра, a n - число частот синтезатора, совпадающее с числом разрядов каждого из К_i блоков и числом n выходных каскадов. Каждый из К_i n-разрядных блоков имеет собственную амплитуду выходных импульсов, а все одноименные разряды каждого К_i блока соединены между собой. Это позволяет суммировать выходные сигналы каждого из них на одной из частот. Разряды также соединены с каждым из n выходных блоков передатчика, а каждая из n частот, поступающая с коммутатора, подается на выходные блоки, создавая n! комбинаций частот, при этом множество сигналов В формируется как В=n!mⁿ, где m - возможное число амплитуд, получаемых в каждом из n выходных каскадов в результате сложения сигналов одноименных разрядов. 1 ил.

Description

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

Известно достаточно много способов физического кодирования цифровой информации. Наиболее эффективной в настоящее время считается многопозиционная манипуляция несущей, которая существует в виде двух основных видов: фазовая PSK и квадратурно-амплитудная QAM. При этом используется и излучается в эфир одна несущая частота.

Устройства, реализующие данные способы, описаны в ряде источников, в частности, см. Скляр, Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Digital Communications: Fundamentals and Applications. - 2 изд. - M.: «Вильямс», 2007. - С. 1104. - ISBN 0-13-084788-7.

Недостатком этих устройств и реализуемых в них способов кодирования является ограничения по скорости передачи данных, связанные со сложностью приема сигналов, подвергнутых многопозиционной манипуляции при достаточно больших значениях параметра m.

Наиболее близким по технической сущности является принятый в качестве прототипа способ пространственного кодирования и передачи цифровой информации, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через антенный блок, на который поступает соответственно одна из n частот от синтезатора частот, которые модулируются независимо друг от друга, а затем суммируются в суммирующем устройстве. Этот суммарный по всем частотам сигнал и является выходным сигналом устройства, поступающим на антенну, обеспечивая число В=2ⁿ комбинаций сигналов, излучаемых в эфир, где n - число частот синтезатора (см. патент РФ №2757486, МПК Н03М 13/00, опубл. 2021 г.).

Недостатком известного способа является относительно сложная схема передатчика и, соответственно, приемника, поскольку при больших значениях алфавита передаваемых сообщений увеличивается позиционность модуляции за счет большого количества значений амплитуд и начальных фаз кодируемых сигналов, а это, в свою очередь, влечет за собой и существенное снижение помехоустойчивости сигнала, которая зависит не только от отношения сигнал/шум, но и от конфигурации используемого «созвездия».

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение помехоустойчивости системы, расширение алфавита сообщений и упрощение схемы модуляции радиосигналов.

Решение поставленной технической задачей достигается тем, что в способе модуляции радиочастоты, заключающимся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через n выходных каскадов, на каждый из которых от синтезатора частот поступает одна из n частот для излучения в эфир сообщений из множества цифровых сообщений В через антенный блок, содержащий n антенн, и каждый из которых подключен к источнику цифровой информации, согласно изобретению, что выходной регистр источника цифровой информации условно разбивают на ряд последовательно соединенных между собой К n-разрядных блоков, информация с которых поступает на антенный блок передатчика, имеющий n параллельно включенных выходных каскадов, каждый из которых излучает сигналы на заданной частоте, при этом с синтезатора частот сигнал направляют на коммутатор, каждый из n-разрядных блоков К_i=N/n, где N - разрядность выходного регистра, a n - число частот синтезатора, совпадающее с числом разрядов каждого из К_i блоков, а также с числом n выходных каскадов передатчика, причем каждый из К_i n-разрядных блоков имеет собственную амплитуду выходных импульсов, все одноименные разряды каждого из К_i блока соединены между собой, обеспечивая суммирование выходных сигналов каждого из них на одной из частот, а также соединены с каждым из n выходных блоков передатчика, причем каждую из n частот, поступающую с коммутатора, подают в заданном порядке на заданные выходные блоки, создавая n! комбинаций частот, при этом множество сигналов В формируется как В=n!mⁿ, где m - возможное число амплитуд, получаемых в каждом из n выходных каскадов в результате сложения сигналов одноименных разрядов каждого К_i блока на любой из n частот и модулирующих данную частоту.

Решение поставленной технической задачи становится возможным благодаря тому, что N - разрядный регистр, в котором записано подлежащее передаче число, разделяется на ряд последовательно соединенных блоков, например, на К1, К2, КЗ, которые поразрядно связаны между собой, и каждый из которых имеет собственную амплитуду выходных импульсов. Поразрядное объединение блоков позволяет, суммируя амплитуды одноименных разрядов на каждой из частот, получить в каждом выходном каскаде по m значений амплитуд выходного сигнала. Таким образом создается уникальный амплитудно-частотный код любого числа из множества сигналов (алфавита сообщений) В=mⁿ, т. е. своего рода новый вид амплитудной модуляции. Коммутатор частот позволяет, согласно заданному алгоритму, в заданных комбинациях направлять частоты, генерируемые синтезатором частот, на заданные выходные каскады. Таким образом число возможных кодов (алфавита сигналов) увеличивается в n! раз. Следовательно, общее число комбинаций, которые позволяет предлагаемый способ составит величину В=n!mⁿ.

При этом используется только амплитуды сигналов - всего (2^К-1) значений амплитуд. Контроль начальных фаз сигналов для предлагаемого вида модуляции не требуется, что, очевидно, ведет к упрощению схемы модулятора.

Способ модуляции радиосигнала для передачи цифровой информации поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема амплитудно-частотного модулятора (Σ - модулятора), поясняющая принцип амплитудно-частотного модуляции (Σ - модулирования) с использованием несущих частот, количество которых для примера принято равным 5, а именно f1… f5.

На чертеже приняты следующие обозначения:

К1, К2, К3 - блоки, на которые условно разбивается выходной регистр передающего устройства;

4В, 2В, 1В - амплитуды выходных сигналов с каждого из блоков К1, К2, К3;

1¹, 2¹, 3¹, 4¹, 5¹ - порядковые номера разрядов в каждом из блоков выходного регистра передающего устройства;

f1, f2, f3, f4, f5 - частоты, поступающие на выходные каскады передатчика от синтезатора частот.

Способ модуляции радиосигнала предполагает, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через несколько выходных каскадов антенного блока, на каждый из которых от синтезатора поступают частоты для излучения в эфир через антенный блок, содержащий n антенн, сообщений из некоего множества цифровых сообщений В. Каждый из выходных каскадов подключен к источнику цифровой информации, точнее, к его выходному регистру.

Выходной регистр источника, содержащий цифровую информацию, подлежащую излучению в эфир, условно разбивают на ряд последовательно соединенных между собой n-разрядных блоков, например, К1, К2, К3. Затем информация поступает на антенный блок передатчика, который имеет n параллельно включенных выходных каскадов, каждый из которых излучает сигналы на заданной, согласно некоторому алгоритму, частоте. Количество блоков, определяется по формуле К_i=N/n, где N - разрядность выходного регистра, а n - число частот синтезатора, совпадающее с числом разрядов каждого из К_i n-разрядных блоков, а также с числом n выходных каскадов передатчика.

Все разряды 1¹ … 5¹ каждого из Кⁱ блоков имеют свою собственную амплитуду выходных импульсов, а, кроме того, все одноименные разряды каждого из К_i блоков соединяются между собой. Таким образом обеспечивается суммирование выходных сигналов каждого из разрядов на одной из частот, на которой, согласно заданному алгоритму, излучает в данный момент каждый из К_i n-разрядных блоков. Благодаря тому, что каждый из блоков может излучать сигналы на любой из пяти f1 … f5 частот, множество сигналов В, которое формируется таким образом определяется по формуле В=n!mⁿ, где m - возможное число амплитуд, получаемых в каждом из n выходных каскадов в результате сложения сигналов одноименных разрядов каждого К_i блока на любой из n частот.

Способ реализуется устройством, в состав которого входит выходной регистр 1 передающего устройства, содержащий, например, 15-разрядное двоичноечисло, и условно разделенный, например, на три самостоятельных блока К1, К2, К3, каждый из которых имеет собственную амплитуду выходных сигналов. В состав устройства входят также, блок 2 выходных каскадов, содержащих пять параллельных каналов, коммутатор 3 частот и синтезатор 4 частот, генерирующий пять различных частот.

Способ модулирования радиосигнала заключается в том, что цифровые сигналы с каждого из поразрядно объединенных К блоков суммируются в блоке 2 выходного каскада, что позволяет для каждого числа, подлежащего передаче, получить уникальный амплитудно-частотный код, и в дальнейшем излучаются на частотах f1 … f5, номера которых задаются, согласно принятому алгоритму, коммутатором 3 частот.

Устройство реализует способ следующим образом.

При поступлении цифровой информации в выходной регистр 1 первые 32 бита записываются в любой из разрядов 1¹, 2¹, 3¹, 4¹, 5¹ первого блока К1, имеющего амплитуды выходных импульсов 4 В. Числа с большим число битов могут записываться последовательно во второй блок К2, а затем и в третий блок К3, которые имеют амплитуды выходных импульсов отличные от амплитуды первого выходного блока, а также друг от друга, а именно 2В и 1В, соответственно.

Амплитуда каждого поступившего с того или иного разряда 1¹ … 5¹ выходного регистра того или иного блока К_i "автоматически" суммируется с амплитудой одноименного бита одного или двух других блоков К1-К3. Это позволяет для каждого числа из множества В (алфавита) передаваемых сообщений создать уникальный амплитудно-частотный код, соответствующий передаваемому числу.

Таким образом, каждый из пяти разрядов 1¹ … 5¹ каждого из блоков К ... К3 может быть связан с любой из пяти f1 … f5 частот, номера которых на момент излучения сигнала задаются, согласно принятому алгоритму, коммутатором 3.

Согласно правилам Комбинаторики (см., например, Комбинаторика, Виленкин Н.Я., Виленкин А.Н., Виленкин П.А., 2006), при количестве выходных каскадов n и количестве амплитуд в каждом из них m, и с учетом возможности "переставлять" частоты в выходных каскадах, можно составить множество В=n!mⁿразличных комбинаций выходных сигналов. Реально освоенные современные технологии позволяют использовать плотность модуляции 2¹⁰=1024 (алфавит сообщений), используя для этого десятки градаций амплитуд и фаз, что существенно снижает помехоустойчивость системы.

В нашем случае рассмотрен пример, когда используется пять частот f1-f5 и три значения амплитуд разрядных сигналов выходного регистра передатчика: 1 В, 2 В, и 4 В. В этом случае возможное число суммарных амплитуд на выходе каждого из каналов равно восьми: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Следовательно, в нашем случае число возможных комбинаций (алфавит сообщений) В=5!8⁵=120*2¹⁵=2^6,9*2¹⁵=3932160=2^21,9. Это значит, что предлагаемая схема позволяет передать за один такт любое из 3932160=2^21,9 значений кода, что существенно больше, чем современные технологии.

Таким образом, в предлагаемом способе используемое количество амплитуд всего 7=2³-1, кроме того, все сигналы имеют одинаковые начальные фазы, что существенно упрощает схемы модулятора и соответствующего демодулятора сигналов.

При помощи предложенной схемы используя пять частот, 7 амплитуд и не используя начальную фазу сигнала в качестве информационного параметра можно значительно, а именно, в 2^21,9/2¹⁰=3821,7 раз расширить алфавит передаваемых сообщений, т. е. передать двоичное число 2^11,9. В то же время кратное снижение количества амплитуд передаваемого сигнала, а также исключение его начальной фазы, как информационного параметра, позволяет существенно повысить качество радиообмена и упростить схемы модуляции и последующей демодуляции радиосигнала.

Таким образом, изобретение позволяет повысить помехоустойчивость системы, расширить алфавит передаваемых сообщений, а также упростить схемы модуляции радиочастоты, несущей полезный сигнал.

Claims

Способ модуляции радиочастоты, заключающийся в том, что цифровые сигналы излучают в виде радиоволн через n выходных каскадов, на каждый из которых от синтезатора частот поступает одна из n частот для излучения в эфир сообщений из множества цифровых сообщений В через антенный блок, содержащий n антенн, и каждый из которых подключен к источнику цифровой информации, отличающийся тем, что выходной регистр источника цифровой информации условно разбивают на ряд последовательно соединенных между собой К n-разрядных блоков, информация с которых поступает на антенный блок передатчика, имеющий n параллельно включенных выходных каскадов, каждый из которых излучает сигналы на заданной частоте, при этом с синтезатора частот сигнал направляют на коммутатор, каждый из n-разрядных блоков К_i=N/n, где N - разрядность выходного регистра, a n - число частот синтезатора, совпадающее с числом разрядов каждого из К_i блоков, а также с числом n выходных каскадов передатчика, причем каждый из К_i n-разрядных блоков имеет собственную амплитуду выходных импульсов, все одноименные разряды каждого из К_i блока соединены между собой, обеспечивая суммирование выходных сигналов каждого из них на одной из частот, а также соединены с каждым из n выходных блоков передатчика, причем каждую из n частот, поступающую с коммутатора, подают в заданном порядке на заданные выходные блоки, создавая n! комбинаций частот, при этом множество сигналов В формируется как В=n!mⁿ, где m - возможное число амплитуд, получаемых в каждом из n выходных каскадов в результате сложения сигналов одноименных разрядов каждого К_i блока на любой из n частот и модулирующих данную частоту.