И. Лавренюк1, С.Б. Макаров2, С.В. Завьялов3

1-3 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)

Постановка проблемы. При передаче данных со скоростями выше барьера Найквиста существенно возрастает алгоритмическая и вычислительная сложность радиомодемов, особенно при некогерентном приеме сигналов. Алгоритмы некогерентного приема могут быть реализованы на программно-определяемой радиоплатформе, на которой происходит формирование и прием оптимальных сигналов. Возможность программного изменения радиочастотных параметров сигналов без внесения конструктивных изменений в приемопередающий тракт позволяет значительно сократить вычислительные ресурсы радиомодемов.

Цель. Определить возможности практической реализации на основе SDR-платформы (Software Defined Radio) алгоритмов некогерентной обработки с обратной связью по решению с выбором оптимальных значений интервала наблюдения для повышенных скоростей передачи сообщений R>1/T при использовании оптимальных сигналов, построенных на основе собственных функций.

Результаты. Показана возможность применения дифференциальной модуляции оптимальных сигналов, формы которых получены в результате решения оптимизационной задачи в соответствии с критерием максимальной скорости спада уровня спектра вне полосы занимаемых частот, при пакетных протоколах передачи данных и использовании алгоритма некогерентной обработки в каналах с аддитивным гауссовским шумом. Показано, что при применении алгоритмов некогерентной поэлементной обработки с оптимизацией интервала наблюдения удается обеспечить устойчивый прием двоичных оптимальных сигналов до скоростей передачи, превосходящих барьер Найквиста в 1,66 раза и для вероятности ошибок, равной 10-3, при этом энергетические потери составляют около 18 дБ относительно потенциальной помехоустойчивости. На основе SDR-платформы построен цифровой модем оптимальных спектрально-эффективных сигналов, позволяющий проводить исследования спектральной и энергетической эффективности в реальном масштабе времени при наличии аддитивного канального шума. Установлено, что влияния неточностей тактовой синхронизации при пакетной передаче сообщений приводит к энергетическим потерям не более 1 дБ.

Практическая значимость. Применение дифференциальной модуляции оптимальных сигналов может быть использовано в системах цифрового телевидения и радиовещания в стандартах европейского цифрового телевидения DVB-S2 (Digital Video Broadcasting Satellite Second Generation), DVB-T2 (Digital Video Broadcasting Terrestrial Second Generation).

Лавренюк И., Макаров С.Б., Завьялов С.В. Реализация на базе SDR-платформы алгоритмов некогерентного приема опти-мальных сигналов, построенных на основе собственных функций // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 6. С. 163−179.
DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202306-21

1. Anderson J.B., Rusek F., Öwall V. Faster-Than-Nyquist Signaling // Proceedings of the IEEE. Aug. 2013. V. 101. № 8. Р. 1817-1830. DOI: 10.1109/JPROC.2012.2233451.
2. Bedeer E., Yanikomeroglu H., Ahmed M.H. Reduced complexity optimal detection of binary faster-than-Nyquist signaling // 2017 IEEE International Conference on Communications (ICC). Paris, France. 2017. Р. 1-6. DOI: 10.1109/ICC.2017.7997456.
3. Ван Н.Ф., Гельгор А.Л., Тан Н.Ф.Х. Преодоление спектральной эффективности сигналов OFDM путем использования оптимальных импульсов и применения алгоритма демодуляции M-BCJR // Радиотехника. 2018. № 12. С. 95-102. DOI: 10.18127/j00338486-201812-12.
4. Дворников С.В., Пшеничников А.В. Формирование спектрально-эффективных сигнальных конструкций в радиоканалах передачи данных контрольно-измерительных комплексов // Известия высших учебных заведений. Сер. Приборостроение. 2017. Т. 60. № 3. С. 221–228.
5. Гельгор А.Л., Тан Н.Ф.Х. Синтез спектрально-эффективных сигналов при наличии ограничения в виде спектральной маски // Радиотехника. 2018. № 12. С. 49-57. DOI: 10.18127/j00338486-201812-06.
6. Школьный Л.А. Оптимизация формы огибающей радиоимпульса по минимуму внеполосных излучений // Радиотехника. 1975. Т. 30. № 6. С. 12–15.
7. Макаров С.Б., Завьялов С.В. Оптимизация спектрально-эффективных многочастотных неортогональных сигналов // Радиотехника. 2016. № 12. С. 121–133.
8. Овсянникова А.С., Макаров С.Б., Завьялов С.В., Волвенко С.В. Оценка степени приближения информационной системы к границам шеннона путем использования оптимальных по критерию максимальной концентрации энергии в полосе частот сигналов // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 1. С. 5-22. DOI: 10.18127/j00338486-202301-01.
9. Бексаев А.С., Овсянникова А.С., Завьялов С.В. Имитационная модель системы передачи сообщений с использованием оптимальных сигналов, построенных на основе собственных функций ограниченных по полосе ядер // Радиотехника. 2022.
   Т. 86. № 12. С. 21-32. DOI: 10.18127/j00338486-202212-02.
10. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Радио и связь. 1986. 512 с.
11. ETSI EN 302 307-1 v1.4.1 (2014-11): Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications. Part 1: DVB-S2.
12. ETSI EN 302 755 V1.4.1 (2015-07): Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2).
13. P.N.T.H., Gelgor A. Means to Enhance the Bandwidth Gain from Applying Multicomponent Signals in DVB-S2 // 2019 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 2019. Р. 173-176. DOI: 10.1109/EExPolytech.2019.8906865.
14. Nguyen Tan Hoang P., Gelgor A. Optimization of Shaping Pulse by Spectral Mask to Enhance DVB-S2 // Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics). 2019. 11660 LNCS. Р. 649-660. DOI: 10.1007/978-3-030-30859-9_56.
15. Xu C., et al. Sixty Years of Coherent Versus Non-Coherent Tradeoffs and the Road from 5G to Wireless Futures // IEEE Access. 2019. V. 7. Р. 178246-178299. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2957706.
16. Макаров С.Б., Завьялов С.В., Овсянникова А.С. Спектральная и энергетическая эффективность оптимальных АФМ сигналов с увеличенными размерами сигнального созвездия // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2022. № 2. С. 30-43.
17. Ishihara T., Sugiura S. Faster-Than-Nyquist Signaling with Differential Encoding and Non Coherent Detection // 2018 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP). Calgary, AB, Canada. 2018. Р. 3734-3738. DOI: 10.1109/ICASSP.2018.8462455.
18. Lavrenyuk I., Makarov S., Polozhintsev B., Ge D. Noncoherent Detection of Faster-than-Nyquist Signal with Decision Feedback // 2021 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St. Petersburg, Russian Federation. 2021. Р. 42-46. DOI: 10.1109/EExPolytech53083.2021.9614881.
19. Ishihara T., Sugiura S. Differential Faster-Than-Nyquist Signaling // IEEE Access. 2018. V. 6. Р. 4199-4206. DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2800002.
20. Zavjalov S., Prokhorov V., Chudnov A. Comparison of Spectral Efficiency of FTN -Signaling with Coherent and Noncoherent Detection // 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St. Petersburg, Russian Federation. 2022. Р. 166-169. DOI: 10.1109/EExPolytech56308.2022.9950789.