И.М. Лернер1, Р.Р. Файзуллин2, А.Н. Хайруллин3, Д.В. Шушпанов4, В.И. Ильин5, И.В. Рябов6

1–3 Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ
(г. Казань, Россия)

4 Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
(Санкт-Петербург, Россия)

5 Казанский (Приволжский) федеральный университет (г. Казань, Россия)

6 Поволжский государственный технологический университет (г. Йошкар-Ола, Россия)

Постановка проблемы. Повышение удельной пропускной способности является одной из центральных проблем радиотехники и теории связи. Ключевой фактор ее решения – борьба с межсимвольными искажениями, обусловленными частотной селективностью реального составного канала связи. Для преодоления указанного фактора используются радиотехнических систем передачи информации, в которых передача информации осуществляется: 1) параллельным образом, реализуемым по технологии мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов и/или с пространственно-временным
кодированием; 2) последовательным образом, а прием – в условиях межсимвольных искажений, в том числе при скоростях передачи информации выше скорости Найквиста. Несмотря на то, что в настоящее время первый класс систем нашел широкое применение в области высокоскоростной передачи информации, он обладает рядом существенных недостатков по отношению ко второму.

Цель. Провести ретроспективный анализ методов приема и обработки информации в фазовых радиотехнических системах передачи информации с последовательной передачей информации в частотно-селективных каналах связи с межсимвольными искажениями для выработки подходов к повышению их удельной пропускной способности.

Результаты. Представлены результаты по решению задачи, связанной с исследованием функциональной сложности приемника при использовании первой и второй формы реализации приемных устройств в форме оценки их достоинств и недостатков и ограничений на применение. Первая форма реализации базируется на развитии теории разрешающего времени, а вторая – заключается в использовании комбинированных методов оптимальной и субоптимальной обработки сигналов с межсимвольными искажениями.

Практическая значимость. Найдены строгие ограничения на использование приемников первой и второй форм реализации, работающих в условиях межсимвольных искажений в частотно-селективных каналах связи, критического анализа реализующих их
алгоритмов, и сформированы рекомендации по их использованию.

1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Ч. 1. М.: Сов. радио. 1967.
2. Мордвинов А.Е. Исследование возможности повышения частотной эффективности линий связи за счет использования сигналов с взаимной интерференцией символов: дис. … канд. техн. наук: 05.12.04: дата защ. 12.10.08, дата утв. 21.05.09. МЭИ (ТУ).
3. Proakis J.G. Digital Communications. N.Y.: McGraw-Hill, 2001.
4. Carmon Y., Shamai S., Weissman T. Comparison of the Achievable Rates in OFDM and Single Carrier Modulation with I.I.D. Inputs // Transactions on Information Theory. 2015. V. 61. № 4. P. 1795–1818.
5. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1982.
6. Махьюб Х.Е.А., Кисель Н.Н., Грищенко С.Г. Повышение спектральной эффективности канала в беспроводных системах связи пятого поколения на основе системы массив-MIMO // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. Т. 172. № 11. С. 63–72.
7. Николаев Б.И. Последовательная передача дискретных сообщений по непрерывным каналам с памятью. М.: Радио и связь, 1988.
8. Хабаров Е.О. Разработка и исследование методов передачи дискретных сигнальных последовательностей по каналам с межсимвольной интерференцией: дис. ... д-р техн. наук: 05.12.13. Самара. 2013.
9. Male J., Porte J., Gonzalez T. et al. Analysis of the Ordinary and Extraordinary Ionospheric Modes for NVIS Digital Communications Channels // Sensors 2021. V. 21. № 6. P. 1–16.
10. Myung H.G., Goodman D.J. Single Carrier FDMA: A New Air Interface for Long Term Evolution. New Jersey: Wiley Telecom. 2008.
11. Perehia E., Gong M.X. Gigabit wireless LANs: an overview of IEEE 802.11 ac and 802.11 ad. // ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, 2011. V. 15. № 3. P. 23–33.
12. Овчинников В.В. Адаптивное эквалайзирование сигналов с быстрой ППРЧ для преодоление дисперсионных искажений и повышения скрытности широкополосной КВ связи: дис. ... канд. техн. наук: 05.12.13. Йошкар-Ола. 2020.
13. MIL-STD-188-110B: Interoperability and Performance Standards for Data Modems.  USA: US Department of Defense. 2000.
14. MIL-STD-188-110D: Interoperability and Performance Standards for Data Modems.  USA: US Department of Defense. 2017.
15. Зайцева Ю.М. Методы повышения эффективности использования частотного ресурса в беспроводных широкополосных системах связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. № 2. С. 56–58.
16. Фролов А.А. Анализ современных стандартов: MCWILL, TD_SCDMA, WCDMA, IEEE 802.15.3A для применения в СШП_системах // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. № 9. С. 144–148.
17. Ерохин С.Д., Зайцева Ю.М. Анализ спектральной эффективности современных широкополосных систем связи // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2010. Т. 10. № 1–3. С. 166–169.
18. Hartley R.V.L. Transmission of Information // BSTJ. 1928. V. 7. № 3. P. 535–563.
19. Теория информации и ее приложения (сборник переводов) / Под ред. А.А. Харкевича. М.: Гос. изд. физ-мат. лит-ры. 1959.
20. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1956.
21. Shannon C.E. A Mathematical Theory of Communication // Bell System Technical J. 1948. V. 27. № 3. P. 379–423.
22. Возенкрафт Дж., Джекобc И. Теоретические основы техники связи. М.: Мир. 1969.
23. Витерби А.Д. Принципы когерентной связи // Пер. с англ. под ред. Б.Р. Левина М.: Сов. радио. 1970.
24. Витерби А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования / Пер. с англ. под ред. К.Ш. Зигангирова. М.: Радио и связь. 1982.
25. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М.: Наука.1965.
26. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио. 1970
27. Коржик В.И., Финк Л.М., Щелкунов К.Н. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений: Справочник. М.: Радио и связь. 1981.
28. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах. М.: Сов. радио. 1972.
29. Гуткин Л.С. Проектирование радиосистем и устройств: Учеб. пособие для вузов.  М.: Радио и связь. 1986.
30. Михайлов А.В. Высокоэффективные оптимальные системы связи. М.: Связь. 1980.
31. Филиппов Л.И. Теория передачи дискретных сигналов. М.: Высш. школа. 1981.
32. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь. 1983.
33. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации / Под ред. А.Г. Зюко. М.: Радио и связь. 1985.
34. Аджемов А.С, Назаров М.В., Парамонов Ю.В., Санников В.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем передачи информации. М.: МТУСИ. 1997.
35. Борисов В.И., Зинчук В.М. Помехозащищенность систем радиосвязи. Вероятностно временной подход. М.: Радио и связь. 1999.
36. Пятошин Ю.П. Некоторые свойства m-ичных систем связи с кодированием // Проблемы передачи информации. 1968. Т. 4. № 1. С. 45–51.
37. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра / Пер. с англ. под ред. В.И. Журавлева. М.: Радио и связь. 2000.
38. Nyquist H. Certain Topics in Telegraph Transmission Theory // Trans. American IEE. 1928. № 2. P. 617–644.
39. Anderson, J.B., Rusek F., Viktor Ӧ. Faster Than Nyquist Signaling // Proceeding of the IEEE. 2013. V. 101. № 8. P.1817–1830.
40. Хабаров Е.О. Разработка и исследование методов передачи дискретных сигнальных последовательностей по каналам с межсимвольной интерференцией: дис. ... д-р техн. наук: 05.12.13. Самара. 2013.
41. Tufts D.W. Nyquist's problem – The joint optimization of transmitter and receiver in pulse amplitude modulation // in Proceedings of the IEEE. 1965. V. 53. № 3. P. 248–259.
42. Marko Н. Kann man ueber die Nyquistrate hinaus uebertragen. Moeglichkeiten und grenzen der digitalen uebertragung mit und ohne quanttisierte rueckkopplung // AEU. 1982. V. 36. № 6. P. 238–244.
43. Mazo J.E. Faster than Nyquist-Signaling // The Bell System Technical Journal. 1975. V. 54. № 8. P. 1451–1462.
44. Ильин Г.И., Польский Ю.Е. Динамический диапазон и точность радиотехнических и оптоэлектронных измерительных систем // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. 1989. Т. 39. С. 67–114.
45. Лернер И.М. Метод оценки пропускной способности реальных каналов связи с многопозиционными фазоманипулированными сигналами при наличии межсимвольных искажений и его применение // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Т. 11. № 8. С. 52–58.
46. Лернер И.М. Аналитическая оценка пропускной способности канала связи с частотной характеристикой резонансного фильтра при наличии межсимвольных искажений и использовании многопозиционного фазоманипулированного сигнала // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Т. 11. № 9. С. 65–73.
47. Лернер И.М., Чернявский С.М. Оценка пропускной способности реальных каналов связи с АФМн-N-сигналами при наличии МСИ // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Т. 12. № 4. С. 48–55.
48. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Рябов И.В. Высокопроизводительный алгоритм оценки пропускной способности каналов связи, функционирующих на базе теории разрешающего времени // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 4. С. 91–109.
49. Лернер И.М., Ильин Г.И., Ильин А.Г. К вопросу о циклостационарности АФМн-N-сигналов, наблюдаемых на выходе канала связи с межсимвольными искажениями // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2018. № 3. С. 107–117.
50. Лернер И.М., Ильин Г.И. Численный метод оценки потенциальной пропускной способности при использовании ФМн-n-сигнала в канале связи с межсимвольными искажениями // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2018. № 4. С. 138–149.
51. Лернер И.М., Ильин Г.И. Об одной возможности увеличения скорости передачи при наличии дестабилизирующих факторов в системах связи, использующих взаимную интерференцию символов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2017. Т. 20. № 4. С. 24–34.
52. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Чернявский С.М. К вопросу повышения спектральной эффективности фазовых радиотехнических систем передачи информации, функционирующих при сильных межсимвольных искажениях // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2018. № 1. С. 113–118.
53. Лернер И.М., Фатыхов М.М., Ильин Г.И. Особенности функционирования каналов связи с АФМн-N-сигналами при использовании взаимно коррелированными символами // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2019. Т. 22. № 1. С. 36–49.
54. Лернер И.М., Ильин Г.И., Ильин А.Г. Исследование вероятностных характеристик циклостационарных АФМн-N-сигналов, наблюдаемых на выходе канала связи с межсимвольными искажениями // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2018. № 4. С. 150–157.
55. Лернер И.М., Хайруллин М.И., Ильин Г.И., Ильин В.И. Особенности обработки многопозиционного фазоманипулированного сигнала с n дискретными состояниями в условиях межсимвольных искажений в линейном радиотракте // Нелинейный мир. 2017. Т. 15. № 6. С. 54–63. EDN YMSBJB.
56. Лернер И.М., Хайруллин М.И., Ильин Г.И., Ильин В.И. Особенности обработки многопозиционного фазоманипулированного сигнала с n-дискретными состояниями в условиях межсимвольных искажений в линейном радиотракте при расстройке по частоте // Нелинейный мир. 2017. Т. 15. № 6. С. 17–26.
57. Лернер И.М., Камалетдинов Н.Н. К вопросу увеличения скорости передачи в фазовых радиотехнических системах передачи информации, работающих при сильных межсимвольных искажениях в линейном радиотракте // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2017. Т. 9. № 5. С. 92-104.
58. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Яушев С.Т. О повышении пропускной способности беспроводных систем связи с ФМн-n-сигналами в каналах связи с межсимвольными искажениями // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2019. № 3. С. 159–168.
59. Лернер И.М. Оценка пропускной способности беспроводных систем связи на основе выбора оптимальной комплексной частотной характеристики канала // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2019. № 4. С. 142–151.
60. Лернер И.М. К вопросу оптимизации амплитудно-частотных характеристик каналов связи с ФМН-n-сигналами, построенных на основе теории разрешающего времени // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Т. 13. № 9. С. 36–49.
61. Лернер И.М. О влиянии формы амплитудно-частотной характеристики на пропускную способность канала связи с памятью, использующего принципы теории разрешающего времени, с АФМн-N-сигналами // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Т. 13. № 10. С. 45–59.
62. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ 2019665776 РФ. И.М. Лернер, В.В. Кадушкин, С.М. Чернявский. Заявл. 30.10.19; опубл. 28.11.19.
63. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ 2021615058 РФ. Программа для аналитической оценки разрешающего времени и пропускной способности каналов связи с межсимвольными искажениями (МСИ), использующих АФМн-n-сигналы в радиотехнических системах передачи информации (РСПИ) / И.М. Лернер. Заявл. 31.03.21; опубл. 02.04.21.
64. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ 2021615057 РФ. Программа для аналитической оценки разрешающего времени и пропускной способности каналов связи с межсимвольными искажениями (МСИ), использующих ФМн-n-сигналы в радиотехнических системах передачи информации (РСПИ) / И.М. Лернер. Заявл. 31.03.21; опубл. 02.04.21.
65. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ 2021615163 РФ. Программа вычисления зависимостей эффективной памяти канала с межсимвольными искажениями от длительности символа для ФМн-n и АФМн-N-сигналов для радиотехнических систем передачи информации (РСПИ) / И.М. Лернер, Р.Р. Файзуллин. Заявл. 31.03.21; опубл. 05.04.21.
66. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ 2021615647 РФ. Программный комплекс для построения карт областей окон прозрачности и граничного времени установления информативных параметров ФМн-n- и АФМн-N-сигналов для радиотехнических систем передачи информации (РСПИ) / И.М. Лернер, Р.Р. Файзуллин. Заявл. 31.03.21; опубл. 9.04.21.
67. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ 2021619969 РФ. Программный комплекс для оценки наименьшего числа реализаций модулирующей псевдослучайной последовательности ФМн-n- и АФМн-N-сигнала, необходимого для формирования цикло-стационарного процесса на выходе канала с памятью / И.М. Лернер. Заявл. 11.06.21; опубл. 21.06.21.
68. Liveris A.D., Georghiades С.N. Exploiting faster-than-Nyquist signaling // IEEE Trans, on Communications. 2003. V. 51. № 9. P. 1502–1511.
69. Rusek F., Anderson J.B. Non Binary and Precoded Faster Than Nyquist Signaling // IEEE Transactions on Communications. 2008. V. 5. P. 808–817.
70. Seshadri N., Anderson J.B. Asymptotic error performance of modulation codes in the presence of severe intersymbol interference // IEEE Transactions on Information Theory. 1988. V. 34. № 5. P. 1203–1216.
71. Wang C.K., Lee L.S. Practically realizable digital transmission significantly below the Nyquist bandwidth // In Proc. IEEE Global Commun. Conf., Phoenix, AZ, USA. Dec. 1991. P. 1187–1191.
72. Овчинников В.В. Адаптивное эквалайзирование сигналов с быстрой ППРЧ для преодоление дисперсионных искажений и повышения скрытности широкополосной КВ связи: дис. ... канд. техн. наук: 05.12.13. Йошкар-Ола. 2020.
73. Николаев Б.И. Последовательная передача дискретных сообщений по непрерывным каналам с памятью. М.: Радио и связь. 1988.
74. Ibrahim A., Bedeer E. Yanikomeroglu H. A novel low complexity faster-than-Nyquist (FTN) signaling detector for ultra high-order QAM // IEEE Open Journal of the Communications Society. 2021. V. 2. P. 2566–2580.