Способ нормализованной когерентной амплитудной и относительной фазовой модуляции для многопользовательских систем связи

009970 Предмет изобретения Настоящее изобретение, как следует из его названия, относится к способу нормализованной модуляции, относительной по фазе и когерентной по амплитуде, для многопользовательских систем связи. Предлагаемый в изобретении способ применим в системах связи независимо от используемой в них физической передающей среды, а его основная особенность заключается в том, что он позволяет приспособиться к предлагаемой каналом максимальной пропускной способности, отслеживая изменения амплитуд в нем и обеспечивая эффективную передачу данных от одного пользователя нескольким пользователям, что способствует реализации модулятора и демодулятора малой сложности. Предпосылки создания изобретения Для передачи информации по каналу связи в системах связи, или дистанционной передачи данных,обычно необходимо осуществлять модуляцию, или кодирование, такой информации, иными словами,приводить ее в соответствие и адаптировать к характеристикам канала. Одними из основных проблем, с которыми сталкивается получатель информации в системах цифровой связи, являются проблема коррекции, или компенсации, канала, предполагающая необходимость оценивания канала, а также проблема отклонения частоты тактового генератора приемного устройства от частоты передающего устройства. В случае применения когерентной квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) для решения названных проблем необходимо значительно повышать сложность демодулятора. Одним из решений таких проблем является применение относительных видов модуляции или относительной амплитудно-фазовой модуляции или манипуляции (ОАФМн), в которых информация кодируется приращениями амплитуды и фазы. Такое относительное кодирование исключает необходимость оценивания канала приема и в значительной степени сводит к минимуму влияние рассогласования частот тактовых генераторов передающего и приемного устройств. Однако в случае применения полностью относительной модуляции такое снижение сложности приемного устройства при том же значении отношения сигнал/шум (ОСШ) влечет за собой повышение, по отношению к характеристикам КАМ, вероятности ошибок в двоичных разрядах, или появления ошибочных битов. С другой стороны, из уровня техники известна амплитудная относительная фазовая манипуляция или модуляция (АОФМн), описанная в следующих работах: "Comparison and Optimization of DifferentiallyFischer, L. Lampe и S. Calabr, International Journal on Electronics and Communications. Названная модуляция представляет собой модуляцию смешанного типа, используя технологии двух предыдущих (КАМ и ОАФМн), и занимает промежуточное положение между ними с точки зрения рабочих характеристик и сложности приемного устройства. Иными словами, применение данной манипуляции позволяет свести к минимуму проблему рассогласования частоты тактовых генераторов приемного и передающего устройств в системе цифровой связи и снизить сложность оценивания канала, поскольку такое оценивание необходимо осуществлять лишь в отношении амплитудной характеристики. Таким образом, модуляция АОФМн представляет собой наилучший для практической реализации компромисс между рабочими характеристиками и сложностью. С другой стороны, если требуется постоянно поддерживать максимальную скорость передачи данных, необходимо адаптировать число битов на несущую, используемую при модуляции, к пропускной способности канала. Иначе говоря, при заданном значении вероятности появления объективных ошибок в двоичных разрядах стремятся использовать максимальное число битов на несущую, чтобы вероятность ошибки не превышала этого значения или была ниже него. Кроме того, при осуществлении связи между несколькими абонентами и одним абонентом или между несколькими абонентами одновременно передающее устройство может передавать информацию нескольким приемным устройствам по различным каналам в одном кадре данных. Таким образом, в одном кадре будут использоваться разные созвездия. Другим важным фактором достижения максимальной скорости передачи данных является минимизация объема служебных данных (управляющей информации системы, которая необходима для правильного приема данных и которую передают вместе с данными). Такие служебные данные более важны в случае применения многочастотных алгоритмов передачи информации (с несколькими несущими), таких как ортогональное частотное уплотнение (ОЧУ), где символы имеют значительно большую длительность и содержат в себе гораздо больше информации, чем в случае цифровой связи с использованием одной несущей для передачи информации. Применительно к АОФМн существуют два важных требования. Первое из них заключается в том,что, поскольку часть информации кодируется приращениями фазы, необходимо предварительно передавать символ, представляющий для приемного устройства опорную фазу. Остальная информация, соответственно, будет кодирована значением амплитуды принятого символа. Таким образом, второе требование заключается в необходимости оценивать значение амплитудной характеристики канала, чтобы скомпенсировать, или скорректировать, ее влияние на приемном устройстве. Кроме того, характеристики реальных каналов изменяются во времени, в результате чего приемное устройство должно отслеживать эти изменения и корректировать первоначальную оценку.-1 009970 В упомянутых выше работах описано функционирование модулятора и демодулятора АОФМн и их характеристики, но не говорится о возможности использования разных созвездий в одном кадре данных. В последнем случае для смены созвездия потребовалось бы посылать новую опорную фазу или же значительно повысить сложность модулятора, что затруднило бы его практическую реализацию и препятствовало бы оптимальному осуществлению связи в многопользовательской среде. Эта проблема решается предлагаемым в изобретении способом, который позволяет передавать в начале кадра единственный символ опорной фазы и облегчает практическую реализацию модулятора малой сложности. Соответственно изобретение позволяет вводить символы данных в кадр таким образом, чтобы пользователи, которым данные передающего устройства не направляются, могли контролировать состояние канала и следить за изменениями его характеристик. Описание изобретения Для решения рассмотренных выше задач и преодоления рассмотренных выше недостатков в изобретении предлагается способ нормализованной модуляции, относительной по фазе и когерентной по амплитуде, применимый в любой системе связи, обеспечивающей двустороннюю связь между несколькими пользовательскими устройствами. При этой модуляции информация модулируется (или кодируется) значением амплитуды и приращениями фазы, и до передачи информации предусмотрена передача символа опорной фазы, как это было описано в предыдущем разделе. Отличие предлагаемого в изобретении способа состоит в том, что разность фаз (сдвиг или приращение фазы), которой предстоит модулировать информацию, принадлежит множеству возможной информации согласно числу фаз в предполагаемом для использования созвездии, причем между этим множеством и множеством информации, которая может быть модулирована в соответствии с созвездием, имеющим максимальное число фаз, выполняют инъективное отображение. Это отображение заключается в проецировании элементов первого множества на такое же число элементов второго множества с получением максимального измеряемого в радианах разнесения точек из созвездия с максимальным числом фаз. В результате этого информация,вводимая в фазоразностный модулятор, принадлежит второму множеству. Осуществляемую при приеме коррекцию канала выполняют в два этапа, на первом из которых производят первоначальную оценку затухания в канале, а на втором - при помощи адаптивного алгоритма отслеживают и уменьшают остаточную погрешность первоначальной оценки. Для первоначальной оценки затухания в канале при приеме используют символ опорной фазы и некоторое число последующих принятых символов. Символы такого множества, образованного символом опорной фазы и указанными последующими символами, имеют заранее известное значение амплитуды. Оценку затухания проводят путем суммирования амплитуд принятых символов, образующих указанное множество, и получения среднего значения амплитуды по числу символов, составляющих это множество. Кроме того, благодаря применению предлагаемого в изобретении способа в этих символах, следующих за символом опорной фазы, передают информацию, кодированную разностью фаз, что позволяет использовать такие символы для передачи информации и осуществления первоначальной оценки затухания в канале. С другой стороны, это оценочное значение затухания в канале используют в качестве исходной величины, вводимой в адаптивный алгоритм для отслеживания изменений амплитудной характеристики канала и уменьшения погрешности первоначальной оценки на основе принимаемой модулированной информации. Для дополнительного улучшения отслеживания изменения характеристики канала и для того, чтобы пользователи, не являющиеся получателями информации, могли проводить такое отслеживание, в кадр данных в определенные моменты, которые передающее устройство указывает приемному устройству, вводят символы, содержащие известную информацию, кодированную фазой и амплитудой. Описанный в изобретении способ позволяет реализовать на практике оптимальную многопользовательскую систему связи, в которой сведен к минимуму объем служебных данных и снижена сложность модулятора и демодулятора за счет возможности смены созвездия или пользователя в одном кадре данных. Кроме того, способ позволяет осуществлять передачу информации в символах, используемых для оценки амплитудной характеристики или затухания в канале. Соответственно, способ позволяет пользователям, не являющимся получателями информации, корректировать первоначальную оценку канала. Таким образом, изменения этой характеристики можно отслеживать во времени путем ввода символов в кадр данных с известной амплитудой, но с использованием информации о приращении фазы. Для облегчения понимания данного описания к нему прилагаются чертежи, являющиеся неотъемлемой частью описания, на которых иллюстративно и без ограничения объема представлен объект изобретения. Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена блок-схема одного из вариантов осуществления АОФМн-модулятора, в котором реализован предлагаемый в изобретении способ,на фиг. 2 - блок-схема АОФМн-демодулятора, действующего согласно изобретению,на фиг. 3 - структура кадров, используемая в системе, в которой реализован предлагаемый в изобре-2 009970 тении способ. Описание варианта осуществления изобретения Далее со ссылкой на цифровые позиции, использованные на чертежах, описан один из вариантов осуществления изобретения. Как было упомянуто в разделе "Предпосылки создания изобретения", модуляция методом АОФМн представляет собой смешанный вид модуляции, использующий принципы модуляции методом ОАФМн(относительный) и модуляции методом КАМ (когерентный). Следовательно, модулируемые биты преобразуют в амплитуды ak (информация, модулируемая) и приращения фазы bk (информация, модулируемая разностью фаз, или приращением фазы), исходя из распределения M точек созвездия по R кольцам и Эквивалент низкочастотного пропускания модулированной величины будет равен где A - положение первого кольца относительно центра, - коэффициент, корректирующий интервал между кольцами, а Это используется для нормализации созвездия к единичной мощности, Y что отражает разностный или относительный характер фазы. Значения R, Р, А иопределяют геометрию созвездия, а значит и его рабочие характеристики. Оптимальные значения этих величин получают путем минимизации вероятности появления ошибочных битов при приеме. Для каждого значениясуществует значение A, которое сводит к минимуму указанную вероятность, и поэтому для упрощения вычислений в рассматриваемом варианте предлагаемого в изобретении способа значениеполагают равным 1, приводя предыдущие уравнения к следующему виду: В рассматриваемом варианте изобретения оптимальными для каждого созвездия являются следующие значения: С учетом характеристик модуляции, демодулятору необходимы опорная фаза, чтобы начать демодуляцию битов, кодированных приращениями фазы, и оценка затухания в канале, чтобы уравнять амплитуду и демодулировать кодированные в ней биты. В данном варианте изобретения используют множество несущих (ОЧУ-модуляция), и каждую несущую модулируют методом АОФМн для реализации передачи информации от одного абонента нескольким абонентам (по схеме "точка - много точек"), или групповой передачи. В системе связи с использованием ОЧУ опорная фаза представляет собой служебный символ, как и символы, необходимые для первоначальной оценки амплитудной характеристики канала. Кроме того, при соединении по схеме "точка - много точек" (когда передаваемый узлом кадр данных может содержать информацию, адресованную нескольким узлам), где для максимального повышения скорости передачи данных каждый пользователь использует различное число битов на несущую, пришлось бы менять число битов на несущую для каждого пользователя, что потребовало бы нового приращения фазы с увеличением объема служебной информации, или же использование модулятора большей сложности, что сопряжено с серьезными проблемами. Показанный на фиг. 1 модулятор, в котором реализован предлагаемый в изобретении способ, по-3 009970 зволяет решить названные проблемы многоточечной связи. С учетом оптимальной конфигурации созвездия для каждого числа битов на несущую возможные или допустимые значения фазы всегда составляют некое подмножество среди допустимых значений фазы созвездия с наиболее плотным расположением точек. В силу особенностей модуляции модулятор в качестве первого символа кадра передает символ опорной фазы, который не может содержать информации. После этого, чтобы можно было сменить созвездие или пользователя без необходимости передачи еще одного символа опорной фазы, выполняют инъективное отображение между значениями соответствующему созвездию, которое предполагается использовать, и значениями созвездия с максимальным числом фаз, согласно выражению На фиг. 1 показана блок-схема модулятора, принимающего следующие входные величины: амплитуда ak 2, приращение фазы bk 1, число битов 3 модулируемой несущей и входной сигнал 17, указывающий на то, является ли символ символом опорной фазы. Выходными величинами модулятора являются ReSk, или синфазная составляющая 12, и ImSk,или квадратурная составляющая 13. Рассмотренное выше инъективное отображение осуществляют при помощи блока 4 и получают приращение 11 фазы bk. Для описанных выше оптимальных созвездий отношение Pmax/P представляет собой степень двух, поэтому необходимо лишь смещение входной величины 1 в пересчете на число 3 битов на несущую. При помощи блока 5 осуществляют относительную фазовую модуляцию следующим образом: где bk-1 16 является полученным в блоке 9 памяти значением фазы предыдущего символа, к которому прибавлено приращение фазы bk 11 с получением абсолютного значения 15 фазы bk. Как было отмечено выше, в начале кадра должен быть передан символ опорной фазы. Для этого сигнал 17, указывающий на передачу символа опорной фазы, управляет переключателем 14 с возможностью выбора входной величины bk 11 или результата 15 приращения фазы bk. Эту величину 18 на выходе переключателя сохраняют в памяти 9, чтобы использовать ее в следующем символе. Таким образом,Sk в опорной фазе имеет следующий вид: Для эффективной реализации модулятора необходима память 7 с числом ячеек, равным 2Pmax, где хранятся следующие значения: Вместе с тем, размер памяти 7 можно уменьшить до Pmax/4+1 с учетом следующих тригонометрических отношений: Блок 8 преобразует сигнал 18 в два соответствующих индекса для индексирования памяти 7 и получения величин 19 и 20. Информация, модулируемая (кодируемая) амплитудой ak 2, и число 3 битов на несущую определяют получаемое в памяти 6 значение амплитуды. Поскольку в памяти 6 хранятся значения (A+aj) 21,число ее ячеек равно сумме возможного количества всех используемых созвездий. Если сигнал 17 указывает на необходимость передачи опорной фазы, происходит выбор амплитуды, соответствующей созвездию с двумя битами на несущую, в котором информация передается только фазой сигнала с известной амплитудой. Этот опорный фазовый символ является одним из тех символов, что используются на приемной стороне для оценки канала. Наконец, модулятор при помощи умножителей 10 компонует синфазную 12 и квадратурную 13 составляющие.-4 009970 На фиг. 3 показана структура кадра, применяемая в многопользовательской среде согласно данному варианту осуществления изобретения. Первый символ 44 является символом опорной фазы, за которым следует ряд символов 45, которые модулируются при двух битах на несущую и могут быть направлены всем возможным адресатам. Множество, образованное названными символами 45 и символом 44 опорной фазы, аналогичным образом используется приемным устройством каждого из адресатов для первоначальной оценки канала. Символы 45 несут в себе информацию, модулируемую фазой, за счет чего уменьшаются затраты на оценивание канала. Затем передают символы 46 данных, которые могут быть адресованы как конкретному пользователю, так и нескольким пользователям, и которые модулируются при определенном числе битов на несущую. Кроме того, в кадр вводят символы известной амплитуды(которые в данном варианте изобретения модулируются при двух битах на несущую). Такая модуляция известна всем устройствам 47, в которых реализован предлагаемый в изобретении способ, вследствие чего пользователи, не являющиеся получателями предыдущих символов 46 данных, могут корректировать свои данные оценки амплитудной характеристики канала, тем самым отслеживая ее изменения. Такие символы опять же содержат информацию, модулируемую фазой. На фиг. 2 показана блок-схема демодулятора многопользовательской системы связи для применения в рассматриваемом варианте предлагаемого в изобретении способа. Модулированный сигнал 21,пропущенный через фильтр низких частот, преобразуется в блоке 22 в полярные (двухпозиционные) сигналы с получением принятой фазы Фk 24, и амплитуды Ak 23. Приращение фазы получают при помощи вычитающего устройства 27, которое из принятой фазы Фk 24 вычитает фазу Фk-1 26 предыдущего символа, извлеченную из памяти 25, где она была предварительно сохранена После этой операции принятую фазу Фk 24 всегда сохраняют в памяти 25, в той ячейке, где хранилась фаза Фk-1. Поскольку полученное приращение фазы 28 сопровождается шумом, необходимо определить, которому из возможных переданных приращений оно соответствует. Для решения данной задачи предусмотрен фазовый детектор 29, который в качестве переданного приращения 43 выбирает принятое приращение ближайшее по евклидову расстоянию. Число битов созвездия 31 определяет множество возможных переданных приращений фазы. В то же время, на символе опорной фазы детектор 29 отключают по сигналу 30. Принятую амплитуду Ak 23 обрабатывают иначе, поскольку она не имеет разностного характера. Сначала необходимо оценить затухание в канале, чтобы скорректировать принятую амплитуду и детектировать ее. Оценивание канала осуществляют при помощи блока 36. Блок 36 оценки канала вычисляет среднее значение для первых S символов 44 и 45 и вычисляет весовой коэффициент необходимый для коррекции амплитуды (выравнивания по амплитуде), согласно следующей формуле: Чтобы увеличивать значения амплитуды Ak 23 и сохранять вычисленный весовой коэффициент который будет применяться к S+1-ому символу, используют память 37 с возможностью повторного использования одних и тех же ячеек. Сигнал 33 оценки канала указывает, для каких символов необходимо вычислять среднее значение. Кроме того, если весовой коэффициент, необходимый для коррекции амплитуды, находится в процессе вычисления, отключаются блок 35 коррекции весовых коэффициентов и амплитудный детектор 32. Принятую амплитуду Ak 23 корректируют при помощи умножителя 38 с получением значения входной амплитуды который вводят в амплитудный детектор 32. Поскольку содержит шум, детектор 32 должен определить, какой из введенное в детектор значение амплитуды числа возможных амплитуд переданного сигнала он соответствует. Число битов на несущую созвездия 31 определяет множество возможных переданных амплитуд. Детектированное значение амплитуды является ближайшим по евклидову расстоянию к значению принятой скорректированной амплитуды 40 Аналогичным образом амплитудный детектор 32 вычисляет амплитудную погрешность или шум ek Если некий пользователь является адресатом, т.е. получателем информации, и ему, соответственно,известно количество битов на несущую в созвездии, он может скорректировать или обновить свою первоначальную оценку канала путем коррекции весовых коэффициентов 39 с применением адаптивного-5 009970 алгоритма, сводящего ek 40 к минимуму. Такой алгоритм реализован в блоке 35 коррекции весовых коэффициентов, который отключается по сигналу 33 при первоначальной оценке канала и по сигналу 34 отключения, генерируемому в случае, если принятое созвездие не известно. В качестве входных амплитудных величин адаптивный алгоритм использует принятую амплитуду Ak 23, вычисленную погрешность ek 40 и значение весового коэффициента 39, извлеченного из памяти 37 и примененного к принятой амплитуде. Блок 35 вычисляет новое значение весового коэффициента, которое сохраняется в памяти 37 и будет применено к амплитуде, принятой со следующим символом. Чтобы пользователи, которые не являются получателями информации или которым не известно используемое созвездие, могли отслеживать изменения характеристики канала и уточнять свои данные первоначальной оценки, в кадр данных вводят модулированные при помощи двух битов на несущую символы 47 с известной амплитудой, которые служат для коррекции весового коэффициента 39, что позволяет лучше настроиться на канал. Таким образом, все пользователи постоянно обновляют свои данные первоначальной оценки канала. Сигнал 34 приводит в действие блок 35 коррекции в процессе приема таких символов. Данные символы 47 также позволяют корректировать возможные отклонения, возникающие при оценке канала, при помощи итераций блоков 35 на основе обнаруженных символов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ нормализованной модуляции, относительной по фазе и когерентной по амплитуде, применимый в системе двусторонней связи между несколькими пользовательскими устройствами с использованием относительной по фазе и когерентной по амплитуде модуляции, предусматривающей передачу символа опорной фазы до передачи информации, отличающийся тем, что получают информацию, которую предстоит модулировать,выбирают модулируемую информацию, согласно используемому созвездию,вычисляют инъективное отображение, выполняемое посредством переноса соответствующей информации используемого созвездия на множество информации, соответствующей созвездию, имеющему максимальное число фаз, при этом вычисление осуществляют посредством проецирования элементов,составляющих первое множество, на такое же число элементов второго множества с получением максимального измеряемого в радианах разнесения точек из созвездия с максимальным числом фаз,переносят подвергаемую модуляции информацию посредством предварительно вычисленного инъективного отображения и осуществляют ввод и обработку итоговой информации в фазоразностном модуляторе,обеспечивая при этом минимизацию объема служебных данных (управляющей информации системы, которая необходима для правильного приема данных и которые передают вместе с данными) и оптимизацию смены созвездия или одного пользователя в том же самом кадре. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при приеме производят коррекцию канала, выполняемую в два этапа, на первом из которых производят первоначальную оценку затухания в канале, а на втором при помощи адаптивного алгоритма отслеживают и уменьшают остаточную погрешность такой оценки. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что первоначальную оценку затухания в канале осуществляют при помощи символа опорной фазы и некоторого числа последующих принятых символов, причем символы множества, образованного символом опорной фазы и указанными последующими символами,имеют заранее известное значение амплитуды, а оценку затухания проводят путем суммирования амплитуд принятых символов указанного множества и получения среднего значения амплитуды по числу символов, составляющих это множество. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в приращениях фазы символов, следующих за символом опорной фазы и используемых для первоначальной оценки затухания в канале, передают кодированную информацию. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что оценочное значение затухания в канале используют в качестве исходной величины, вводимой в адаптивный алгоритм для отслеживания изменений амплитудной характеристики канала и уменьшения погрешности первоначальной оценки на основе принимаемой модулированной информации. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в определенные моменты времени, которые передающее устройство указывает приемному устройству, вместе с кодированной в фазе информацией отправляют символы с известной амплитудой с обеспечением избирательного улучшения оценки амплитудной характеристики и/или отношения "сигнал-шум".