Оценка степени приближения информационной системы к границам Шеннона путем использования оптимальных по критерию максимальной концентрации энергии в полосе частот сигналов

А.С. Овсянникова; С.Б. Макаров; С.В. Завьялов; С.В. Волвенко

doi:10.18127/j00338486-202301-01

Оценка степени приближения информационной системы к границам Шеннона путем использования оптимальных по критерию максимальной концентрации энергии в полосе частот сигналов

А.С. Овсянникова¹, С.Б. Макаров², С.В. Завьялов³, С.В. Волвенко⁴

научная статья УДК 621.391 Страницы: 5-22 doi.org/10.18127/j00338486-202301-01

^1,2,3,4 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)

Ключевые слова: Граница Шеннона оптимальные сигналы максимальная концентрация энергии спектральная эффективность энергети-ческая эффективность

Аннотация

Постановка проблемы. Достижение удельных скоростей передачи информации 10-15 (бит/с)/Гц при минимальных энергетических потерях, составляющих не более 3-4 дБ, возможно путем использования оптимальных спектрально-эффективных сигналов с управляемой межсимвольной интерференцией, что обеспечит передачу данных со скоростью в 3-4 раза выше барьера Найквиста.

Цель. Получить количественные результаты приближения к границам Шеннона спектральной и энергетической эффективности информационной системы, в которой используются одночастотные многопозиционные оптимальные по критерию максимальной концентрации энергии в полосе частот сигналы с увеличенными размерами сигнального созвездия, обеспечивающие при когерентном поэлементном приеме минимальные энергетические потери.

Результаты. Показано, что спектральная эффективность 11,4 (бит/с)/Гц достигается путем использования оптимальных сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией и объемом канального алфавита M=1024. Показано, что применение новых спектрально-эффективных оптимальных сигналов обеспечивает существенное приближение информационной системы к границам Шеннона. Для сигналов, полученных в результате использования критерия концентрации 85% энергии в полосе частот, показано, что спектральная эффективность 11,4 (бит/с)/Гц уступает границе Шеннона лишь на 2% при Еб/N0=24,5 дБ для сигналов, имеющих коэффициент взаимной корреляции K0=0,01. При синтезе формы оптимальных амплитудных импульсов в зависимости от выбора критерия концентрации энергии сигнала в полосе занимаемых частот при различных значениях коэффициента взаимной корреляции K0=0,01 и K0=0,1 показано, что изменение формы оптимального амплитудного импульса крайне незначительно зависит от выбора критерия концентрации энергии в полосе (99% или 85%).

Практическая значимость. Применение оптимальных сигналов, полученных в соответствии с критерием максимальной концентрации энергии в занимаемой полосе частот, позволяет получить высокую спектральную и энергетическую эффективность информационной системы. Предлагаемые сигналы могут быть использованы при модификации цифрового радиовещания и телевидения в направлении увеличения скорости передачи данных без увеличения полосы занимаемых частот.

Поступила: 21.12.2022
Одобрена: 26.12.2022
Принята: 10.01.2023

Для цитирования

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: https://doi.org/10.18127/j00338486-202301-01

Список источников

Mazo J.E. Faster-than-nyquist signaling // The Bell System Technical Journal. Oct. 1975. V. 54. № 8. Р. 1451-1462. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1975.tb02043.x.
Liveris D., Georghiades C.N. Exploiting faster-than-Nyquist signaling // IEEE Transactions on Communications. Sept. 2003. V. 51. № 9. Р. 1502-1511. DOI: 10.1109/TCOMM.2003.816943.
Gelgor А., Gelgor T. New Pulse Shapes for Partial Response Signaling to Outperform Faster-than-Nyquist Signaling // 2019 IEEE Inter-national Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 2019. Р. 144-148. DOI: 10.1109/EExPolytech.2019.8906884.
Нгуен В.Ф., Горлов А.И., Гельгор А.Л. Достижение максимальной спектральной эффективности путем одновременного увеличения размера сигнального созвездия и введения управляемой межсимвольной интерференции // Радиотехника. 2018. № 1. С. 42–48.
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.
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.
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).
Nguyen Tan Hoang P., 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.
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). 11660 LNCS. 2019. Р. 649-660. DOI: 10.1007/978-3-030-30859-9_56.
Puzko D., Batov Y., Gelgor A., Tkachenko D., Angueira P., Montalban J. Evaluation of Finite Discrete RRC-Pulse Param-eters to Simulate DVB-S2 with LDM // 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St Petersburg, Russia. 17−18 Oct. 2019. IEEE. 2019. P. 140−143. DOI: 10.1109/EExPolytech.2019.8906847.
Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. Изд-е 4-е, перераб. и доп. М.: Радио и связь. 1986. 512 с.
Гуревич М.С. Спектры радиосигналов. М.: Связьиздат. 1963. 312 с.
Школьный Л.А. Оптимизация формы огибающей радиоимпульса по минимуму внеполосных излучений // Радиотехника. 1975. Т. 30. № 6. С. 12–15.
Макаров С.Б, Завьялов С.В. Оптимизация спектрально-эффективных многочастотных неортогональных сигналов // Радио-техника. 2016. № 12. С. 121–133.
Sadovaya Y., Gelgor A. Synthesis of Signals with a Low-Level of Out-of-Band Emission and Peak-to-Average Power Ratio // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 2018. Р. 103-106. DOI: 10.1109/Eex-Polytech.2018.8564428.
Slepian D. On bandwidth // Proc. of the IEEE. 1976. V. 64, № 3. P. 292−300. DOI: 10.1109/ PROC.1976.10110.
Slepian D., Pollak H.O. Prolate spheroidal wave functions, fourier analysis and uncertainty. I // The Bell System Technical J. 1961. V. 40. № 1. P. 43−63. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1961.tb03976.x.

[1] Mazo J.E. Faster-than-nyquist signaling // The Bell System Technical Journal. Oct. 1975. V. 54. № 8. Р. 1451-1462. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1975.tb02043.x.

[2] Liveris D., Georghiades C.N. Exploiting faster-than-Nyquist signaling // IEEE Transactions on Communications. Sept. 2003. V. 51. № 9. Р. 1502-1511. DOI: 10.1109/TCOMM.2003.816943.

[3] Gelgor А., Gelgor T. New Pulse Shapes for Partial Response Signaling to Outperform Faster-than-Nyquist Signaling // 2019 IEEE Inter-national Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 2019. Р. 144-148. DOI: 10.1109/EExPolytech.2019.8906884.

[4] Нгуен В.Ф., Горлов А.И., Гельгор А.Л. Достижение максимальной спектральной эффективности путем одновременного увеличения размера сигнального созвездия и введения управляемой межсимвольной интерференции // Радиотехника. 2018. № 1. С. 42–48.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 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).

[8] Nguyen Tan Hoang P., 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.

[9] 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). 11660 LNCS. 2019. Р. 649-660. DOI: 10.1007/978-3-030-30859-9_56.

[10] Puzko D., Batov Y., Gelgor A., Tkachenko D., Angueira P., Montalban J. Evaluation of Finite Discrete RRC-Pulse Param-eters to Simulate DVB-S2 with LDM // 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St Petersburg, Russia. 17−18 Oct. 2019. IEEE. 2019. P. 140−143. DOI: 10.1109/EExPolytech.2019.8906847.

[11] Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. Изд-е 4-е, перераб. и доп. М.: Радио и связь. 1986. 512 с.

[12] Гуревич М.С. Спектры радиосигналов. М.: Связьиздат. 1963. 312 с.

[13] Школьный Л.А. Оптимизация формы огибающей радиоимпульса по минимуму внеполосных излучений // Радиотехника. 1975. Т. 30. № 6. С. 12–15.

[14] Макаров С.Б, Завьялов С.В. Оптимизация спектрально-эффективных многочастотных неортогональных сигналов // Радио-техника. 2016. № 12. С. 121–133.

[15] Sadovaya Y., Gelgor A. Synthesis of Signals with a Low-Level of Out-of-Band Emission and Peak-to-Average Power Ratio // 2018 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 2018. Р. 103-106. DOI: 10.1109/Eex-Polytech.2018.8564428.

[16] Slepian D. On bandwidth // Proc. of the IEEE. 1976. V. 64, № 3. P. 292−300. DOI: 10.1109/ PROC.1976.10110.

[17] Slepian D., Pollak H.O. Prolate spheroidal wave functions, fourier analysis and uncertainty. I // The Bell System Technical J. 1961. V. 40. № 1. P. 43−63. DOI: 10.1002/j.1538-7305.1961.tb03976.x.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи