Экспериментальное исследование радиомодема для передачи и приема оптимальных сигналов с управляемой межсимвольной интерференцией, построенных на основе собственных функций ограниченных по полосе ядер

И. Лавренюк; С.Б. Макаров; А.С. Овсянникова; С.В. Завьялов; Т.Ю. Кудряшова; В.С. Синепол; Б.И. Положинцев

doi:10.18127/j00338486-202403-11

Экспериментальное исследование радиомодема для передачи и приема оптимальных сигналов с управляемой межсимвольной интерференцией, построенных на основе собственных функций ограниченных по полосе ядер

И. Лавренюк¹, С.Б. Макаров², А.С. Овсянникова³, С.В. Завьялов⁴, Т.Ю. Кудряшова⁵, В.С. Синепол⁶, Б.И. Положинцев⁷

научная статья УДК 621.391.8 Страницы: 111-126 doi.org/10.18127/j00338486-202403-11

^{1,2,3,4,5,6,7} Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)

Ключевые слова: Радиомодем эксперимент оптимальные сигналы интерференция

Аннотация

Постановка проблемы. На практике в системах передачи сообщений даже для канала передачи с аддитивным белым гауссовым шумом (АБГШ) необходимо учитывать реализационные аспекты структуры информационной системы, такие как особенности пакетной передачи данных, а также структуру фазовой и тактовой синхронизации. Приближение информационных систем и систем связи к граничным значениям эффективности, определяемым формулой Шеннона для пропускной способности канала, будет зависеть от величины энергетических потерь, вызванных неточностями реализации устройств приема сигналов, особенно в случае применения оптимальных сигналов с управляемой межсимвольной интерференцией (МСИ), построенных на основе собственных функций ограниченных по полосе ядер.

Цель. Провести экспериментальное исследование влияния реальной фазовой и тактовой синхронизаций при пакетной передаче сообщений, состоящих из оптимальных сигналов с управляемой МСИ, построенных на основе собственных функций ограниченных по полосе ядер при скоростях передачи сообщений, превышающих барьер Найквиста.

Результаты. Проведено экспериментальное исследование, которое показало, что для каналов с постоянными параметрами применение пакетных форматов передачи сообщений при использовании оптимальных сигналов приводит к появлению энергетических потерь, связанных с неточностями практической реализации систем фазовой и тактовой синхронизаций. Установлено, что при использовании алгоритмов когерентного приема с обратной связью по решению и с максимально достоверной оценкой последующих символов для символьных скоростей передачи двоичных сообщений при реальных условиях работы фазовой и тактовой синхронизаций появляются энергетические потери, равные примерно 1,8-1,9 дБ при вероятности ошибки BER=10−3 и 2,1-2,4 дБ при BER=10−4. Кроме того, при значениях отношения сигнал/шум более 15 дБ энергетические потери, связанные с наличием реальной фазовой и тактовой синхронизаций, увеличиваются.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы в действующих системах DVB-S2X, а также для увеличения каналов телевещания, повышения его качества, а также для предоставления дополнительных услуг.

Поступила: 29.01.2024
Одобрена: 06.02.2024
Принята: 28.02.2024

Для цитирования

Лавренюк И., Макаров С.Б., Овсянникова А.С., Завьялов С.В., Кудряшова Т.Ю., Синепол В.С., Положинцев Б.И. Экспериментальное исследование радиомодема для передачи и приема оптимальных сигналов с управляемой межсимвольной интерференцией, построенных на основе собственных функций ограниченных по полосе ядер // Радиотехника. 2024. № 3. С. 111–126. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202403-11

Список источников

Anderson J.B., Rusek F., Öwall V. Faster-Than-Nyquist Signaling // in Proceedings of the IEEE. Aug. 2013. V. 1018. Р. 1817-1830. DOI: 10.1109/JPROC.2012.2233451.
Fan J., Guo S., Zhou X., Ren Y., Li G.Y., Chen X. Faster-Than-Nyquist Signaling: An Overview // in IEEE Access. 2017. V. 5.
Р. 1925-1940. DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2657599.
Ткаченко Д.А., Батов Ю.В., Пузько Д.А., Гельгор А.Л. Оценка эффективности использования цифровой предкоррекции в усилителях мощности спутниковых систем вещания DVB-S2/S2X // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 12. С. 48-57. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202212-04.
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.
Makarov S.B., et al. Optimizing the Shape of Faster-Than-Nyquist (FTN) Signals with the Constraint on Energy Concentration in the Occupied Frequency Bandwidth // in IEEE Access. 2020. V. 8. Р. 130082-130093. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3009213.
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. Т. 82. № 1. С. 42-48.
Гельгор А.Л., Гельгор Т.Е. Новые формы импульсов для сигналов с частичным откликом, обеспечивающие выигрыш по отношению к сигналам faster-than-nyquist // Радиотехника. 2018. Т. 82. № 12. С. 39-48.
Makarov S.B., et al. Optimizing the Shape of Faster-Than-Nyquist (FTN) Signals with the Constraint on Energy Concentration in the Occupied Frequency Bandwidth // in IEEE Access. 2020. V. 8. Р. 130082-130093. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3009213.
Гельгор А.Л., Тан Н.Ф.Х. Синтез спектрально-эффективных сигналов при наличии ограничения в виде спектральной маски // Радиотехника. 2018. Т. 82. № 12. С. 49-57. DOI: 10.18127/j00338486-201812-06.
Горлов А.И., Гельгор А.Л., Нгуен В.Ф. Использование оптимальных финитных импульсов как способ наилучшего введения управляемой межсимвольной интерференции // Радиотехника. 2016. Т. 80. № 12. С. 112-120.
Makarov S., Zavjalov S., Ovsyannikova A., Lavrenyuk I., Xue W. Comparison of the Spectral and Energy Efficiency of FTN Signals Based on RRC Pulses and Obtained by the Optimization Method // 2019 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech) (St. Petersburg, Russia). 2019. Р. 177-180. DOI: 10.1109/EExPolytech.2019.8906866.
Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Компенсация аддитивных помех в последовательных системах с ОСР // Радиотехника. 1997. Т. 51. № 8. С. 4-9.
Хабаров Е.О. Выравнивание с ОСР в многолучевом канале с замираниями при повышенной удельной скорости модуляции // Радиотехника. 2006. Т. 70. № 12. С. 22-29.
Tong M., Huang X., Zhang J.A. Frame-based Decision Directed Successive Interference Cancellation for FTN Signaling // 2022 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps) (Rio de Janeiro, Brazil). 2022. Р. 1670-1674. DOI: 10.1109/GCWkshps56602.2022.10008577.
Bedeer E., Ahmed M.H., Yanikomeroglu H. A Very Low Complexity Successive Symbol-by-Symbol Sequence Estimator for Faster-Than-Nyquist Signaling // in IEEE Access. 2017. V. 5. Р. 7414-7422. DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2663762.
Abbasi S., Bedeer E. Low Complexity Classification Approach for Faster-Than-Nyquist (FTN) Signaling Detection // in IEEE Communications Letters. March 2023. V. 27. № 3. Р. 876-880. DOI: 10.1109/LCOMM.2023.3236953.
Tong M., Huang X., Zhang J.A. Faster-Than-Nyquist Transmission with Frame-by-Frame Decision-Directed Successive Interference Cancellation // in IEEE Transactions on Communications. Aug. 2023. V. 71. № 8. Р. 4851-4861. DOI: 10.1109/TCOMM.2023.3279404.

[1] Anderson J.B., Rusek F., Öwall V. Faster-Than-Nyquist Signaling // in Proceedings of the IEEE. Aug. 2013. V. 1018. Р. 1817-1830. DOI: 10.1109/JPROC.2012.2233451.

[2] Fan J., Guo S., Zhou X., Ren Y., Li G.Y., Chen X. Faster-Than-Nyquist Signaling: An Overview // in IEEE Access. 2017. V. 5.
Р. 1925-1940. DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2657599.

[3] Ткаченко Д.А., Батов Ю.В., Пузько Д.А., Гельгор А.Л. Оценка эффективности использования цифровой предкоррекции в усилителях мощности спутниковых систем вещания DVB-S2/S2X // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 12. С. 48-57. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202212-04.

[4] 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.

[5] Makarov S.B., et al. Optimizing the Shape of Faster-Than-Nyquist (FTN) Signals with the Constraint on Energy Concentration in the Occupied Frequency Bandwidth // in IEEE Access. 2020. V. 8. Р. 130082-130093. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3009213.

[6] 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. Т. 82. № 1. С. 42-48.

[7] Гельгор А.Л., Гельгор Т.Е. Новые формы импульсов для сигналов с частичным откликом, обеспечивающие выигрыш по отношению к сигналам faster-than-nyquist // Радиотехника. 2018. Т. 82. № 12. С. 39-48.

[8] Makarov S.B., et al. Optimizing the Shape of Faster-Than-Nyquist (FTN) Signals with the Constraint on Energy Concentration in the Occupied Frequency Bandwidth // in IEEE Access. 2020. V. 8. Р. 130082-130093. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3009213.

[9] Гельгор А.Л., Тан Н.Ф.Х. Синтез спектрально-эффективных сигналов при наличии ограничения в виде спектральной маски // Радиотехника. 2018. Т. 82. № 12. С. 49-57. DOI: 10.18127/j00338486-201812-06.

[10] Горлов А.И., Гельгор А.Л., Нгуен В.Ф. Использование оптимальных финитных импульсов как способ наилучшего введения управляемой межсимвольной интерференции // Радиотехника. 2016. Т. 80. № 12. С. 112-120.

[11] Makarov S., Zavjalov S., Ovsyannikova A., Lavrenyuk I., Xue W. Comparison of the Spectral and Energy Efficiency of FTN Signals Based on RRC Pulses and Obtained by the Optimization Method // 2019 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech) (St. Petersburg, Russia). 2019. Р. 177-180. DOI: 10.1109/EExPolytech.2019.8906866.

[12] Карташевский В.Г., Мишин Д.В. Компенсация аддитивных помех в последовательных системах с ОСР // Радиотехника. 1997. Т. 51. № 8. С. 4-9.

[13] Хабаров Е.О. Выравнивание с ОСР в многолучевом канале с замираниями при повышенной удельной скорости модуляции // Радиотехника. 2006. Т. 70. № 12. С. 22-29.

[14] Tong M., Huang X., Zhang J.A. Frame-based Decision Directed Successive Interference Cancellation for FTN Signaling // 2022 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps) (Rio de Janeiro, Brazil). 2022. Р. 1670-1674. DOI: 10.1109/GCWkshps56602.2022.10008577.

[15] Bedeer E., Ahmed M.H., Yanikomeroglu H. A Very Low Complexity Successive Symbol-by-Symbol Sequence Estimator for Faster-Than-Nyquist Signaling // in IEEE Access. 2017. V. 5. Р. 7414-7422. DOI: 10.1109/ACCESS.2017.2663762.

[16] Abbasi S., Bedeer E. Low Complexity Classification Approach for Faster-Than-Nyquist (FTN) Signaling Detection // in IEEE Communications Letters. March 2023. V. 27. № 3. Р. 876-880. DOI: 10.1109/LCOMM.2023.3236953.

[17] Tong M., Huang X., Zhang J.A. Faster-Than-Nyquist Transmission with Frame-by-Frame Decision-Directed Successive Interference Cancellation // in IEEE Transactions on Communications. Aug. 2023. V. 71. № 8. Р. 4851-4861. DOI: 10.1109/TCOMM.2023.3279404.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи