CC BY
18УДК 621.396.93
Квадратурный модулятор с модулем выделения фазы
Щукин А.Н., Солозобов С.А.
Аннотация. Цель статьи: показать, как с использованием метода непрерывного вейвлет-преобразования, реализуемого в квадратурном модуляторе с модулем сглаживания фазы, можно улучшить спектральную эффективность сигнала. Приведена структурная схема квадратурного модулятора с относительно-фазовой манипуляцией в синфазном и квадратурном каналах и модулем, реализующим непрерывное вейвлет-преобразование. Представлены результаты имитационного моделирования процесса формирования сигнала в квадратурном модуляторе. Выполнен анализ сигнала на входе и выходе квадратурного модулятора во временной и спектральной области. В качестве критерия эффективности выбран критерий спектральной эффективности моделируемых сигналов. Представлены результаты имитационного моделирования процесса формирования и анализа формируемых сигналов. Результаты работы могут быть реализованы при создании перспективных радиопередающих устройств декаметрового диапазона волн.
Ключевые слова: декаметровый диапазон, условия распространения радиоволн, помеховая обстановка, квадратурный модулятор, вейвлет-преобразование.
Введение
Декаметровый диапазон волн, используемый для радиосвязи на большие расстояния, является сложным, с точки зрения обеспечения качества связи, как по условиям распространения волн, так и по помеховой обстановке, в пригодном для связи рабочем диапазоне частот.
Текущая неравномерность загрузки декаметрового диапазона волн [1] позволяет с большой вероятностью выбрать полосу частот, соизмеримую с шириной спектра сигнала, в пределах которой имеется низкий уровень помех и приемлемый для качественного приема уровень сигнала.
Узкая полоса частот, пригодных для связи в декаметровом диапазоне волн в ночное и дневное время, приводит к её высокой загруженности в следствии чего создаётся сложная помеховая обстановка для радиолиний, работающих в ней. Следовательно, необходимо увеличивать эффективность использования частотного спектра, выделенного для системы радиосвязи [2].
В этих условиях возрастают требования к цифровым системам связи. Возникает необходимость в максимально возможном ограничении спектра частот сигнала передатчика и повышению его спектральной эффективности.
Формирующий фильтр, используемый на выходе модулятора, ограничивает спектр сформированного в нем сигнала. Однако ограничение спектра сигнала влияет на точность восстановления его формы в точке приема, так как при уменьшении полосы пропускания фильтра длительность сигнала увеличивается и происходит наложение элементов, передаваемых в канале связи, друг на друга. Это ведет к увеличению вероятности ошибки при приеме сигнала.
Дальнейшее развитие систем радиосвязи невозможно без использования в средствах радиосвязи спектрально-эффективных сигналов. Особенно остро эта проблема стоит перед разработчиками систем и средств радиосвязи, функционирующих в условиях ограниченного частотный ресурс. К таким системам относятся системы декаметровой радиосвязи.
1. Структурная схема квадратурного модулятора с модулем сглаживания скачка фазы
Рассмотрим, приведенный в работе [3] сигнал, формируемый в квадратурном модуляторе, с поворотом созвездия квадратурного сигнала на угол п/4 и исследуем его временные и спектральные характеристики.
Квадратурный сигнал с относительно-фазовой манипуляцией (ОФМ) в синфазном и квадратурном каналах со сдвигом созвездия на угол п/4 имеет следующее аналитическое выражение
8(0= СО8(0)*СОБ(ю^+фо)- 8ш(0)*8ш(ю^+фо), (1)
где 0 - фаза между парами бит в синфазном и квадратурном каналах, значение которой определяется данными, приведенными в табл. 1; ю = 2п/- частота на которой формируется сигнал; фо - начальная фаза гармонического колебания равная п/4.
Таблица 1 - Закон изменения фазы в квадратурном модуляторе
Перекодированные биты
информации в синфазном Изменение фазы
и квадратурном каналах 0 =fdoTH in, doTH 2n)
dB™ in doTH 2n
1 1 -3П4
-1 1 3 n /4
-1 -1 n /4
1 -1 - n /4
S(t) является случайным сигналом, так как символы сообщения, поступающие на вход квадратурного модулятора, изменяются по случайному закону.
Спектр реализации случайного процесса (1) определяется выражением [4]
Fs(со) = Д.S{t) * exp(-j tot)dt, (2)
где Т - длительность сигнала S(t).
Непрерывное вейвлет-преобразование (НВП) S(t) определяется выражением [5]
«^¿пад^л^е*-"1*»-*©,*, (3)
где: ^("77) - вейвлет функция, сконструированная из материнского вейвлета; т - параметр
сдвига вейвлет функции по оси времени; sd - масштаб вейвлет функции, то есть ее ширина по оси времени; At - интервал дискретизации сигнала; n - номера отсчетов входного сигнала; N - уровень разложения по масштабу.
При фиксированном масштабе т. е. когда sd = sdo, С(т, sdo) будет характеризовать временную зависимость преобразованного сигнала с коэффициентами, определяемыми выражением
= (4)
Таким образом, зафиксировав масштаб базисной функции получим исходный сигнал во временной области со сглаженными скачками фазы сформированного сигнала квадратурного модулятора.
Процесс формирования квадратурного сигнала с ОФМ в синфазном и квадратурном каналах [6] сводится к перекодированию передаваемой двоичной последовательности, присвоению паре бит значения фазы, умножению соБ(0)*со8^+фо), 8т(0)*8т(^+фо) и сложению результатов перемножения в сумматоре.
Алгоритм перекодировки заключается в следующем. Если обозначить входной поток как значения бит сообщения din =±1, подлежащие передаче на n-м временном интервале, то
перекодированный, в соответствии с правилами ОФМ, dam ш в синфазном и квадратурном каналах определяется следующим рекуррентным соотношением:
dотн in = din *dотн in- i, (5)
Для получения квадратурного сигнала с ОФМ в синфазном и квадратурном каналах необходимо сложить выражения cos(0)*cos(roí+9o) и sin(0)*sin(roí+9o).
Структурная схема квадратурного модулятора с ОФМ в синфазном и квадратурном каналах, и модулем сглаживания фазы сформированного квадратурного сигнала, реализованного в блоке НВП, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Квадратурный модулятор с модулем непрерывного вейвлет-преобразования
Входной информационный поток поступает на регистр сдвига, с которого нечетные биты поступают на кодер ОФМ синфазного канала, четные биты - квадратурного канала. Перекодированные сигналы поступают на входы формирователя сдвига фазы. На выходе формирователя сдвига фазы, в соответствии с табл. 1, формируются значения фазы символа. В функциональных преобразователях вычисляются квадратурные компоненты комплексной огибающей сигнала соб(0) - синфазная компонента и вт(0) - квадратурная компонента.
Сигналы с выходов перемножителей поступают на вход сумматора, который формирует колебание, несущее информацию о передаваемых битах (символах).
Модуль непрерывного вейвлет-преобразования обрабатывает суммарный фазомодулированный сигнал в соответствии с выражением (4).
Таким образом, в квадратурном модуляторе формируются символы сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол равный п/2 с поворотом созвездия квадратурного сигнала на угол п/4.
2. Исследование процессов в квадратурном модуляторе
Исследования процессов в квадратурном модуляторе проводились в среде ЫмЬаЪ.
В имитационной модели модулятора формировался квадратурный сигнал с ОФМ в синфазном и квадратурном каналах и в соответствии с табл. 1 формировалась фаза символа при:
- отсутствии сглаживания фронтов бит передаваемой информации;
- отсутствии сглаживания фронтов бит передаваемой информации и обработки квадратурного сигнала в блоке нелинейного вейвлет-преобразования (НВП).
Временные диаграммы сигналов на входе и выходе каналов квадратурного модулятора представлены на рис. 2.
Синфазный канал
_1_
О 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03
Время, с Синфазный канал
77
X
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.016 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03
Время, с Квадратурный канал
~Г
~г
~г
~г
~г
_1_
О 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03
Время, с Квадратурный канал
Рис. 2. Сигналы на входе и выходе каналов квадратурного модулятора
Рис. 3. Временные диаграммы сигнала на выходе квадратурного модулятора
Из графиков видно, что при каждом изменении фазы перекодированного входного информационного сигнала изменяется фаза колебания в синфазном и квадратурном каналах. Сигналы на выходах синфазного и квадратурного каналов квадратурного модулятора
представляют собой фазоманипулированные колебания на частоте ю с изменением фазы на угол равный п/2. На выходе сумматора, в результате сложения фазомодулированных колебаний, формируются символы, сдвиг по фазе между которыми определяется парами передаваемых бит информации, в соответствии с табл. 1.
Обработка квадратурного сигнала в модуле НВП осуществлялась на частоте 4000 Гц, в полосе частот 800 Гц при символьной скорости передачи равной 500 символов/с.
На рис. 3 представлены временные диаграммы сигнала на выходе квадратурного модулятора.
Видно, что при отсутствии НВП выходного сигнала (верхний график), при смене фазы пары бит информации происходит скачкообразное изменение фазы сформированного сигнала на выходе квадратурного модулятора.
При использовании модуля НВП изменение фазы квадратурного сигнала (нижний график), смена пары бит информации на его входе, происходит плавно. Причем длительность символа, преобразованного в модуле НВП сигнала, остается неизменной, т. е. не приводит к межсимвольной интерференции сигнала.
На рис. 4 представлены спектральные диаграммы сигнала на выходе квадратурного модулятора при отсутствии модуля НВП и его наличия в нем.
"*>«-г;-™-™-™-™-™-—-----——^——^
Частота. Гц
Рис. 4. Спектральные диаграммы сигнала на выходе квадратурного модулятора
Из рис. 4 видно, что при обработке квадратурного сигнала в модуле НВП происходит уменьшение уровня боковых лепестков на выходе квадратурного модулятора. При этом 96,9 % мощности сигнала сосредоточены в полосе частот 800 Гц, а скорость передачи информации на выходе квадратурного модулятора составляет 1000 бит/с. При формировании квадратурного сигнала без сглаживания фазы в полосе частот 800 Гц сосредоточено 89,7 %.
Таким образом, спектральная эффективность квадратурного сигнала с модулем НВП, полученная в результате моделирования, составляет 1,25 бит/с на Герц.
Выводы
1. По своему физическому действию модуль НВП представляет собой полосовой фильтр, осуществляющий обработку квадратурного сигнала, подавляя при это боковые лепестки его спектра за счет сглаживания скачков фазы, появляющихся при модуляции.
2. Функционирование модуля НВП не приводит к увеличению длительности символа, которое имеет место при прохождение сигнала через полосовой фильтр, реализованный на КЬС элементах, из-за переходных процессов в его элементах.
3. Использование модуля НВП в квадратурном модуляторе приводит к спектральной эффективности квадратурного сигнала равной 1,25 бит/с на Герц.
Литература
1. Солозобов С.А., Шевченко В.В., Щукин А.Н. Децентрализованное использование частотного ресурса декаметрового диапазона волн в сложной помеховой обстановке // Техника средств связи. 2020. № 1 (149). С. 28-36.
2. Солозобов С.А., Шевченко В.В., Щукин А.Н. Статистический выбор рабочих частот в декаметровом диапазоне волн для различных видов радиосигналов // Техника средств связи. 2020.№ 2 (150). С. 55-62.
3. Солозобов С.А., Шевченко В.В., Щукин А.Н. Формирование спектрально-эффективного сигнала // Техника средств связи. 2020. № 3 (151). С. 43-49.
4. Купер Дж., Макгиллем К., Вероятностные методы анализа сигналов и систем: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 376 с.
5. Смоленцев Н. К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB. М.: ДМК Пресс. 2009. 448 с.
6. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е. Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс». 2003. 1104 с.
References
1. Solozobov S.A., Shevchenko V.V., Shchukin A.N. Decentralized use of the frequency resource decameter wave range in complex interference environment. Means of communication equipment. 2020. No 1 (149). Pp. 28-36 (in Russian).
2. Solozobov S.A., Shevchenko V.V., Shchukin A.N. Statistical selection of operating frequencies in decameter mode wave range for various types of radio signals. Means of communication equipment. 2020. No 2 (150). Pp. 55-62 (in Russian).
3. Solozobov S.A., Shevchenko V.V., Shchukin A.N. Generation of spectral-efficient signa. Means of communication equipment. 2020. No 3 (151). Pp. 43-49 (in Russian).
4. Cooper J., Mcgillem K., Probabilistic methods for analyzing signals and systems. Moscow: Mir, 1989. 376 p. (in Russian).
5. Smolentsev N. K., Fundamentals of the theory of wavelets. Wavelets in MATLAB. Moscow: DMK Press. 2009. 448 p. (in Russian).
6. Sklar Bernard. Digital communication. Theoretical foundations and practical application. Moscow. Publishing house "Williams". 2003. 1104 p. (in Russian).
Статья поступила 19 марта 2021 г.
Информация об авторах
Щукин Анатолий Николаевич - Кандидат технических наук. Главный специалист ПАО «Интелтех». E-mail: ShchukinAN@inteltech.ru. Тел.: (812)448-95-94.
Солозобов Сергей Анатольевич - Кандидат технических наук, доцент. Начальник научно-исследовательского отделения ПАО «Интелтех». E-mail: solozobob@inteltech.ru. Тел.: (812)295-40-54.
Адрес: 197342, Санкт Петербург, ул. Кантемировская, д.8.
Quadrature modulator with phase allotment module
A.N. Shchukin, S.A. Solozobov
Annotation. The aim of this paper is to show how the spectral efficiency of a signal can be improved using the continuous wavelet transform method implemented in a quadrature modulator with a phase smoothing module. A block diagram of a quadrature modulator with relative - phase modulation in inphase and quadrature channels and a module implementing a continuous wavelet transform is presented. The simulation of the signal formation process in a quadrature modulator is carried out. The signal at the input and output of the quadrature modulator in the time and spectral domain is analyzed. The criterion of spectral efficiency of the simulated signals is chosen as the efficiency criterion. The results of simulation modeling of the process of forming and analyzing the generated signals are presented. The results of the work can be implemented when creating promising radio transmitting devices of the decameter wave range.
Keywords: decameter range, radio wave propagation conditions, interference environment, quadrature modulator, wavelet transform.
Information about Authors
Anatoly Nikolaevich Shchukin - Doctaral. The postgraduate engenier of the Department PJSC «Inteltech». Tel.: +7 812-295-95-94. E-mail: ShchukinAN@inteltech.ru.
Sergey Anatolyevich Solozobov - Doctaral. The postgraduate shef of the Department PJSC «Inteltech». Tel.: +7 812-295-40-54. E-mail: solozobob@inteltech.ru.
Address: Russia, 197342, Saint-Petersburg, Kantemirovskaya street, 8.
Для цитирования: Щукин А.Н., Солозобов С.А. Квадратурный модулятор с модулем выделения фазы // Техника средств связи. 2021. № 1 (153). С. 49-54.
For citation: Shchukin A.N., Solozobov S.A. Quadrature modulator with phase allotment module. Means of communication equipment. 2021. No 1 (153). Pp. 49-54 (in Russian).
