Эмпирический подход к оценке помехоустойчивости сигналов фазовой модуляции
Ключевые слова:
сигналы с непрерывной фазовой модуляцией, помехоустойчивость сигналов, вероятность битовой ошибки, спектральные свойства сигналовАннотация
Высокая спектральная эффективность сигналов с непрерывной фазовой модуляцией определила их известность и активное применение в различных радиотехнических проектах. Уникальность свойств таких сигналов связана с сохранением непрерывности их фазы при смене информационных посылок на длительности символа. Вместе с тем до недавнего времени из всего широкого класса сигналов с непрерывной фазовой модуляцией наибольшее распространение получили различные вариации так называемых сигналов частотной модуляцией с минимальным сдвигом. Однако это далеко не единственные представители класса сигналов с непрерывной фазовой модуляцией, обладающие свойством высокой спектральной компактности.
Исследованы не менее интересные сигналы этого класса, формируемые посредством двойной фазовой модуляции. Представлены аналитические выражения их синтеза, обоснована их принадлежность к классу сигналов с непрерывной фазовой модуляцией. Также исследованы временные свойства фазовой функции, рекомендованной МСЭ-R SM.328-11 для синтеза сигналов с непрерывной фазовой модуляцией, приведены временные и частотные фрагменты сигналов с минимальным сдвигом в сравнении сигналами с двоичной фазовой манипуляцией. Представлены этапы аналитического вывода модели помехоустойчивости сигналов с непрерывной фазовой модуляцией по показателю вероятности битовой ошибки на основе эмпирического подхода. Показана общность полученной модели с известным выражением для сигналов с минимальным сдвигом путем исследования разностной функции ошибки аппроксимации (ошибка порядка 10-3), что позволило получить более компактное представление разработанной модели применительно к сигналам с двойной фазовой модуляцией. Доказано, что такие сигналы обладают более высокими свойствами помехоустойчивости по отношению к сигналам с минимальным сдвигом (порядка 0,5 дБ по уровню ошибки 10-5). Указанный результат получен на основе исследования функций различия, определяемых разностью между сигнальными символами соответствующих информационным значениям «1» и «0». Определены направления дальнейшего исследования.
Литература
2. Schonhoff T. Symbol Error Probabilities for m-ary CPFSK: Coherent and Noncoher-ent Detection // IEEE Transactions on Communications. 1976. vol. 24(6). pp. 644–652.
3. Аладинский В.А. и др. Патент на изобретение RU 2261476 C1, 27.09.2005. Способ распознавания радиосигналов.
4. Aulin T., Rydbeck N., Sundberg C.E. Continuous Phase Modulation--Part II: Partial Response Signaling // IEEE Transactions on Communications. 1981. vol. 29(3). pp. 210–225.
5. Miyakawa H., Harashima H., Tatsui N., Tanaka Y. Digital Phase-Modulation Scheme Using Phase-Continuous Waveform // Electronics and Communications in Japan (English translation of Denshi Tsushin Gakkai Zasshi). 1975. vol. 58(12). pp. 35–42.
6. Zhou L., Martin P.A., Taylor D.P., Horn C. MLSE diversity receiver for partial response CPM // 12th IEEE International Conference on Communication Systems 2010. 2010. pp. 501–505.
7. Qi J. et al. Research on an optimization method for a partially responsive continuous phase modulated (CPM) signal based on an optimal generic function // Symmetry. 2019. vol. 11. no. 9. pp. 1114.
8. Zourob M. Detection, Receivers, and Performance of CPFSK and CPCK" // Electronic Thesis and Dissertation Repository. 2013. 1179 p.
9. Рекомендация МСЭ-R SM.328-11. Спектры и ширина полосы излучений (Вопрос МСЭ-R 222/1).
10. Кузьмин Е.В., Зограф Ф.Г. Параметризованная модель квадратурного модулятора MSK-сигнала в OrCAD // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». 2016. № 1. C. 2007–2016.
11. Zhai W., Li Z., Si J., Bai J. Performance analysis of a joint estimator for timing, frequency, and phase with continuous-phase modulation // IET Communications. 2016. vol. 10. no. 3. pp. 263–271.
12. Pan X., Liu C., Zhu J. Phase retrieval with extended field of view based on continuous phase modulation // Ultramicroscopy. 2019. vol. 204. pp. 10–17.
13. Rhyou C., Park S., Lee H. Optimal rate for continuous phase modulation in standing surface acoustic waves // Journal of Mechanical Science and Technology. 2019. vol. 33. no. 8. pp. 3819–3829.
14. Дворников С.С., Дворников С.В. Формирование сигналов с непрерывной фазой для передачи дискретной информации // Информационные технологии. 2016. Т. 22. № 6. С. 435–440.
15. Абакумов А.Н., Еремеев И.Ю., Кадуков Е.П. Модель радиосигналов с модуляцией с непрерывным изменением фазы зарубежных спутниковых систем связи в пространстве параметров фазовых диаграмм // Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. 2019. № 671. С. 71–79.
16. Дворников С.В., Дворников С.С., Манаенко С.С., Пшеничников А.В. Спектрально-эффективные сигналы с непрерывной фазой // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2016. Т. 12. № 2. С. 87–93.
17. Тамбовский С.С. Применение сигналов семейства СРМ для организации связи с БПЛА // DSPA: Вопросы применения цифровой обработки сигналов. 2016. Т. 6. № 1. С. 82–84.
18. Дворников С.С. Обоснование параметров фазамодулированных сигналов для высокоскоростных систем передачи информации // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2016. № 3. С. 43–48.
19. Дворников С.С. Спектрально-эффективные формы сигналов с непрерывной фазой для передачи дискретной информации // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2016. № 1. С. 86–93.
20. Султанов А.Х. и др. Методика определения оптимального коэффициента скругления спектра в беспроводных цифровых системах связи для устранения межсимвольной интерференции // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т. 9. № 2. С. 96–101.
21. Yuan R., Cheng J. Free-Space Optical Quantum BPSK Communications in Turbulent Channels // 2018 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps). 2018. pp. 1–6.
22. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости // М.: Государственное энергетическое изд-во. 1956. 152 с.
23. Вентцель Е.С. Теория вероятностей // М.: Академия. 2005. 576 с.
24. Дворников С.В. и др. Теоретическое обоснование синтеза ансамбля биортогональных сигналов с повышенной помехоустойчивостью // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2015. № 5. С. 16–20.
25. Yang G. et al. CPFSK signal detection in white and bursty impulsive noises // IEEE Access. 2019. vol. 7. pp. 74029–74039.
26. Нахмансон Г.С., Маснев И.Н. Прием модифицированного фазоманипулированного широкополосного сигнала корреляционным приемником с входным полосовым фильтром // Телекоммуникации. 2020. № 7. С. 17–23.
27. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники // М.: Радио и связь. 1989. 653 с.
28. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение // М.: Вильямc. 2003. 1104 с.
29. Osypchuk S., Moshynska A., Pieshkin A., Shmihel B. The effect of the features of signal-code constructions forming on indicators of functionality and reliability of communication systems based on the 802.11 N/AC standards // Sciences of Europe. 2018. vol. 26-2 (26). pp. 38–47.
30. Дворников С.В., Сауков А.М. Модификация частотно-временных описаний нестационарных процессов на основе показательных и степенных функций // Научное приборостроение. 2004. Т. 14. № 3. С. 76–85.
31. Афанасьев В.В., Логинов С.С. Негармонический спектральный анализ MULTISCROLL СИСТЕМ с динамическим хаосом // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2019. Т. 10. № 3. С. 4–7.
Empirical Approach to the Estimating the Immunity of Phase Modulation Signals with Continuous Phase
Abstract
The high spectral efficiency of signals with continuous phase modulation (CPM) has determined their popularity and active use in various radio engineering projects. The uniqueness of the properties of CPM signals is associated with the preservation of the continuity of their phase when changing information messages for the duration of a symbol. At the same time, until recently, of the entire wide class of signals with continuous phase modulation, the most widespread were various variations, the so-called Minimum Shift Keying (MSK) signals. However, these are far from the only representatives of the class of CPM signals with the property of high spectral compactness. This article examines no less interesting signals of this class, formed by means of Dual Phase Modulation (DPM). In particular, analytical expressions of their synthesis are presented, their belonging to the class of CPM signals is substantiated. In addition, the article investigates the temporal properties of the phase function recommended by ITU-R SM.328-11 for the synthesis of signals with continuous phase modulation, presents the time and frequency fragments of MSK signals in comparison with signals with Binary Phase Shift Keying (BPSK). The stages of the analytical derivation of the model of noise immunity of PCM signals in terms of the probability of a bit error based on an empirical approach are presented. The generality of the obtained model with the known expression for MSK signals is shown by studying the difference function of the approximation error (error of the order of 10-3), which made it possible to obtain a more compact representation of the developed model in relation to DPM signals. It has been proven that DPM signals have higher noise immunity properties in relation to MSK signals (about 0.5 dB at an error level of 10-5), using the results of studying the difference functions determined by the difference between the signal symbols corresponding to the information values "1" and "0". The directions of further research are determined.
Опубликован
Как цитировать
Раздел
Copyright (c) Сергей Викторович Дворников
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).