способ передачи цифровой информации

аналоговым каналом

изобретение относится к области передачи данных, в частности к передаче цифровой информации аналоговым каналом, а именно к передаче радио- и телевизионных сигналов, сигналов спутниковой и мобильной связи, а также к проводниковым системам связи и т.д. для передачи дискретных данных аналоговыми каналами применяют модуляцию несущего гармонического сигнала полезным цифровым сигналом. при этом изложенное в фундаментальных литературных источниках требование относительно значительного превышения частоты несущей над наиболее высокочастотной составляющей модулирующего сигнала в случае дискретных модулирующих сигналов выражается в том, что для надежного воссоздания полезного сигнала на приемной стороне в длительность бита должны умещаться по меньшей мере несколько периодов колебаний несущей.

в настоящее время при беспроводной передаче цифровой информации принятое отношение частоты несущей к частоте модулирующего сигнала составляет от 10000:1 до 1000:1.

например, современный стандарт передачи данных IEEE 802.11q предусматривает передачу данных в частотном диапазоне 2500 или 5000 мгц. максимально возможная идеальная скорость передачи данных составляет 54 мб/с, что отвечает указанному отношению 46:1. однако, следует отметить, что данного соотношения даже по утверждению фирмы-производителя добиться крайне сложно. реальные же значения скорости передачи данных составляют 1 мбит/сек, что отвечает отношению 2500:1.

например, из описания изобретения к патенту рф 2211530 C2 (мпк ⁷ : нозм 1/00,

H04L 27/10, дата публикации 27.08.2003) известен способ передачи информации, который заключается в том, что на передающей стороне преобразуют первую последовательность цифровых отсчетов в первый аналоговый сигнал путем перемножения с сигналом заданной функции отсчетов; передают сформированный

аналоговый сигнал по линии связи; на приемной стороне принимают переданный аналоговый сигнал из линии связи; восстанавливают из принятого аналогового сигнала первую последовательность цифровых отсчетов, отличающийся тем, что на передающей стороне преобразуют вторую последовательность цифровых отсчетов во второй аналоговый сигнал путем перемножения с сигналом упомянутой заданной функции отсчетов, при этом моменты тактирования отсчетов для второй последовательности цифровых отсчетов располагают между моментами тактирования отсчетов для первой последовательности цифровых отсчетов; первый аналоговый сигнал получают путем преобразования цифровых отсчетов, значения которых равны разнице цифровых отсчетов упомянутой первой последовательности и значений второго аналогового сигнала в моменты тактирования отсчетов для упомянутой первой последовательности; суммируют первый и второй аналоговые сигналы, после чего и передают сформированный суммарный аналоговый сигнал по линии связи; на приемной стороне восстанавливают цифровые отсчеты упомянутой первой последовательности путем дискретизации принятого аналогового сигнала тактовой частотой; восстановленные цифровые отсчеты упомянутой первой последовательности преобразуют в первый аналоговый сигнал с помощью сигнала упомянутой заранее заданной функции отсчетов; вычитают восстановленный первый аналоговый сигнал из принятого аналогового сигнала; восстанавливают цифровые отсчеты упомянутой второй последовательности из полученного разностного аналогового сигнала. согласно данным публикации, информационная емкость передаваемого аналоговым каналом сигнала и соответственно скорость передачи и приема дискретной информации с использованием телефонной линии может быть увеличена почти в два раза в сравнении со стандартной обработкой сигнала. на данное время наиболее передовой технологией передачи цифровых данных абонентскими телефонными линиями на обычных медных проводах является технология хDSL. в частности, асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL) обеспечивает скорость передачи данных в направлении абонента 8 мбит/с, а в обратном направлении 1 ,5 Mбит/c. вместе общая пропускная способность составляет 9,5 мбит/с. в полномасштабном варианте ADSL по технологии DMT весь диапазон частот от 0 до 1104 кгц разделяется на 256 несущих частот с шагом 4,3125 кгц. таким образом, средняя пропускная способность одного частотного канала шириной около 4 кгц составляет приблизительно лишь 37 кбит/с, что отвечает указанному выше количеству колебаний несущей на один бит информации около 15:1. задачей изобретения является разработка способа передачи цифровых данных аналоговыми каналами, в котором путем изменения одного или нескольких параметров

несущей частоты полезным цифровым сигналом, который имеет битовую частоту, которая превышает частоту несущей, достигается значительное увеличение информационной емкости сигнала несущей.

поставленная задача решена в способе передачи цифровых данных аналоговыми каналами, при котором один или несколько параметров гармонического колебания модулируют передаваемой цифровой последовательностью, модулируемый аналоговый сигнал передают аналоговым каналом связи, принимают и путем демодуляции получают начальную цифровую последовательность, в котором согласно с изобретением модуляцию осуществляют путем изменения одного или нескольких параметров первичного гармонического колебания - амплитуды, частоты, фазы, поляризации - по закону битовой последовательности, которая имеет частоту следования, превышающую частоту первичного гармонического колебания, передачи сформированного таким образом сигнала несущей аналоговым каналом передачи данных, причем демодуляцию сигнала, принятого из канала передачи данных, осуществляют путем сравнения мгновенных значений принятого сигнала с немодулированным сигналом, определения положений и максимальных значений отклонений сигнала, выделения битовой последовательности путем компарирования модулированных параметров сигнала относительно эмпирически определенного порогового уровня.

в форме осуществления изобретения методом амплитудной модуляции с гетеродинированием частоты модуляцию осуществляют путем перемножения первичного гармонического колебания с битовой последовательностью, перемножения полученного сигнала с сигналом гетеродина, частота которого близка к частоте первичного гармонического сигнала, выделения полосовым фильтром модулированной несущей, имеющей разностную частоту. при этом сигнал, принятый из канала передачи данных, предварительно обрабатывают фильтром, который имеет ачх, обратную ачх полосового фильтра при модуляции.

как немодулированный сигнал для вычитания несущей из сигнала, переданного каналом связи, в случае амплитудной модуляции с гетеродинированием используют сигнал, который имеет разностную частоту, а в случае остальных видов модуляции может быть использован сигнал, который имеет частоту первичного гармонического колебания.

принципиально возможны формы осуществления изобретения, которые касаются амплитудной и/или частотной и/или фазовой модуляции и/или изменения поляризации сигнала. приведенная в данном описании форма осуществления изобретения касается использования амплитудной модуляции гармонического несущего сигнала, как наиболее наглядной для понимания. однако она не является исчерпывающей и ограничивающей

объем притязаний. при этом виде модуляции имеется простая возможность перенесения частоты передаваемой аналоговым каналом несущей в низкочастотную область спектра путем гетеродинирования, что упрощает требования к каналу и к средствам аппаратной реализации способа. в описываемой форме осуществления изобретения за основу был взят гармонический сигнал с частотой 200 кгц (фиг. 1). на отрицательную и положительную полуволны периода гармонического сигнала с соблюдением полярности была наложена обработанная NRZ-кодом случайная битовая последовательность со скоростью 400 кбит/с. при этом амплитуда импульсов превышала амплитуду гармонического сигнала в 1000 раз (фиг. 2).

после этого на полученный сигнал (фиг. 3) был наложен гармонический сигнал гетеродина с частотой 160 кгц, в результате чего были получены две составляющие спектра сигнала на суммарной (360 кгц) и разностной (40 кгц) частотах (фиг. 4).

была осуществлена фильтрация сигнала фильтром гаусса на частоте 40 кгц при полосе пропускания 10 % на уровне сигнала 3 дб (фиг. 5).

после передачи сформированного таким образом несущего сигнала (фиг. 6) аналоговым каналом связи полученный сигнал был подвергнут обратной фильтрации для поднятия высоких частот с использованием фильтра, который имеет амплитудно- частотную характеристику (ачх), обратную ачх полосового фильтра (фиг. 7(a)). потом из полученного сигнала путем вычитания гармонического сигнала, который имеет частоту несущей, была удалена составляющая несущей. после этого были определены положение и максимальные значения изменений сигнала (фиг. 7(6)). на фиг. 7 кривая (в) отвечает сигналу фиг. 2 и приведена для наглядности и облегчения понимания обработки сигнала. после подавления низких частот были определены абсолютные значения изменений амплитуд и выделена передана случайная битовая последовательность путем компарирования относительно эмпирически определенного относительного уровня 0,2 (фиг. 8(a)). на этой эпюре кривая (б) также отвечает сигналу фиг. 2 и приведена для наглядности и облегчения понимания обработки сигнала. при передаче на несущей, имеющей частоту 40 кгц, была передана, принята и декодирована случайная битовая последовательность с битовой скоростью 400 кбит/сек, что отвечает значению указанного выше отношения 1 :10. количество ошибок: 0. в упомянутом выше варианте ADSL по технологии DMT средняя пропускная способность одного частотного канала шириной около 4 кгц составляет приблизительно 37 кбит/с. в то же время, предложенный способ передачи цифровой информации

(описанная форма осуществления изобретения) на частоте 40 кгц при ширине частотного канала 10 % (4 кгц) обеспечивает пропускную способность 400 кбит/с, что на порядок выше.

предложенный способ передачи цифровой информации имеет по сравнению с технологией ADSL также такие преимущества. во-первых, в основе ADSL лежит квадратурная модуляция (QAM), при которой модулируется амплитуда и фаза несущей. в основе описанной формы осуществления изобретения лежит амплитудная модуляция, которая по сравнению со всеми другими способами модуляции занимает наименьшую полосу частот. это обеспечивает, в частности, уменьшение межканальной интерференции при многоканальной связи.

во-вторых, в основе описанной формы осуществления изобретения лежит двухпозиционная амплитудная модуляция. таким образом, нормируемое расстояние между точками созвездия на комплексной плоскости, которая характеризует помехоустойчивость, равняется 1. в то же время 16-пoзициoннaя квадратурная модуляция QAM имеет расстояние, равное 0,47.

таким образом, путем соответствующей изобретению обработки сигнала достигается значительное уменьшение соотношения между частотами несущего и модулирующих сигналов до значения 1 : 1 или меньше, что означает увеличение информационной емкости передаваемого аналоговым каналом сигнала, в результате чего достигается увеличенная скорость передачи данных.

указанные преобразования сигналов с целью предварительного определения параметров составных частей устройства для осуществления способа были промоделированы также на компьютере с использованием программы MATLAB 7.0. экспериментальные данные с приемлемым отклонением отвечали результатам моделирования.