mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2022-10-1-41-49mireabulletin-455Research ArticleСОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫMODERN RADIO ENGINEERING AND TELECOMMUNICATION SYSTEMSОптимальная нелинейная фильтрация сигналов М-ФМ при наличии доплеровского смещения частотыOptimal nonlinear filtering of MPSK signals in the presence of a Doppler frequency shifthttps://orcid.org/0000-0001-7964-6653КуликовГ. В.KulikovG. V.

Куликов Геннадий Валентинович, д.т.н., профессор, профессор кафедры радиоэлектронных систем и комплексов Института радиоэлектроники и информатикиScopus Author ID 36930533000

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Gennady V. Kulikov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Radio electronic Systems and Complexes, Institute of Radio Electronics and Informatics Systems

119454, Moscow, Vernadskogo pr., 78

kulikov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9596-5440ДоЧ. Т.DoT. T.

До Чунг Тиен, аспирант кафедры радиоэлектронных систем и комплексов Института радиоэлектроники и информатики

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Trung Tien Do, Postgraduate Student, Department of Radio Electronic Systems and Complexes, Institute of Radio Electronics and Informatics

119454, Moscow, Vernadskogo pr., 78

dotrungtien1993@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1722-7354УсмановР. Р.UsmanovR. R.

Усманов Ренат Рифович, инженер

115054, Москва, Космодамианская наб., д. 52, стр. 3

Renat R. Usmanov, Engineer

115054, Moscow, Kosmodamianskaya nab., 52-3

renat-usmanov@yandex.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationКейсайт ТекнолоджизРоссияKeysite TechnologiesRussian Federation2022280220221014149Copyright © Куликов Г.В., До Ч.Т., Усманов Р.Р., 20222022Куликов Г.В., До Ч.Т., Усманов Р.Р.Kulikov G.V., Do T.T., Usmanov R.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/455

Цели. Сигналы с фазовой манипуляцией (ФМ) широко применяются во многих телекоммуникационных, связных и сотовых системах передачи информации. По сравнению с амплитудной и частотной манипуляцией применение ФМ обеспечивает более высокую помехоустойчивость. Увеличение позиционности такого сигнала приводит к повышению его спектральной эффективности, но в то же время к некоторому снижению помехоустойчивости приема. Для обеспечения высокой помехоустойчивости при приеме многопозиционных сигналов (М-ФМ) в демодуляторе требуется обеспечить когерентность опорного колебания с несущей. Незнание частоты и фазы принимаемого сигнала приводит к существенным энергетическим потерям. Цель работы – синтез и анализ алгоритмов приема сигналов М-ФМ с флуктуациями фазы, вызванными изменениями его несущей частоты, связанными с эффектом Доплера, на фоне белого гауссовского шума.Методы. Задача решается с применением аппарата оптимальной нелинейной фильтрации и методов статистической радиотехники.Результаты. Синтезирован демодулятор, включающий в себя взаимосвязанные блок оценки дискретного символа, на выходе которого выдается решение о принимаемом символе, и блок фазовой автоподстройки частоты. Получены аналитические выражения, позволяющие оценить характеристики помехоустойчивости приемника в зависимости от отношения сигнал/шум и параметров флуктуаций. Показано, что синтезированный квазикогерентный алгоритм хорошо компенсирует флуктуации фазы сигнала М-ФМ, вызванные нестабильностью задающего генератора и доплеровским эффектом.Выводы. Сравнение полученных результатов с результатами в случае отсутствия флуктуации начальной фазы показывает, что энергетический проигрыш при большой относительной скорости движения передатчика и приемника (спутниковый радиоканал) составляет не более 1 дБ, при меньших скоростях движения объектов – около 0.2 дБ и менее.

Objectives. Phase-shift keyed (PSK) signals are widely used in many telecommunication, communication, and cellular information transmission systems. Phase-shift keying provides a higher noise immunity than amplitude and frequency modulations do. An increase in the modulation order of such a signal leads not only to an increase in its spectral efficiency, but also to a certain decrease in the noise immunity of reception. To ensure a high noise immunity of reception of multiple phase-shift keyed (MPSK) signals, a demodulator should provide the coherence of the reference oscillation with the carrier. Ignorance of the frequency and phase of the received signal leads to significant energy losses. The purpose of this work was to synthesize and analyze algorithms for receiving MPSK signals with phase fluctuations caused by changes in the carrier frequency due to the Doppler effect against the background of white Gaussian noise.Methods. The problem was solved using the apparatus of optimal nonlinear filtering and methods of statistical radio engineering.Results. A demodulator was synthesized, which includes two interconnected units. One of them is a discrete symbol estimation unit, at the output of which a decision on the received symbol is issued, and the other is a phase-lock circuit. Analytical expressions were derived to estimate the characteristics of the receiver noise immunity as functions of the signalto-noise ratio and fluctuation parameters. It was shown that the synthesized quasi-coherent algorithm compensates well for the MPSK signal phase fluctuations caused by the instability of the master oscillator and the Doppler effect.Conclusions. Comparison of the results of this work with results obtained in the case of the absence of fluctuations in the initial phase showed that, at a high relative speed of the transmitter and the receiver (satellite radio channel), the energy loss is no more than 1 dB, and at lower speeds of the objects, it is about 0.2 dB and less.

многопозиционная фазовая манипуляцияэффект Доплераоптимальная нелинейная фильтрацияпомехоустойчивостьвероятность битовой ошибкиmultiple phase-shift keyingDoppler effectoptimal nonlinear filteringnoise immunitybit error probabilityReferencesProakis J.G. Digital communications. 4th ed. McGrawHill; 2001. 1002 p.Proakis J.G. Digital communications. 4th ed. McGrawHill; 2001. 1002 p.Fuqin Xiong. Digital modulation techniques. Series: Artech House Telecommunications Library. 2nd ed. Artech House Print on Demand; 2006. 1039 p.Fuqin Xiong. Digital modulation techniques. Series: Artech House Telecommunications Library. 2nd ed. Artech House Print on Demand; 2006. 1039 p.Акимов В.Н., Белюстина Л.Н., Белых В.Н. и др. Системы фазовой синхронизации; под ред. В.В. Шахгильдяна, Л.Н. Белюстиной. М.: Радио и связь; 1982. 289 с.Akimov V.N., Belyustina L.N., Belykh V.N., et al. Sistemy fazovoi sinkhronizatsii (Phase synchronization systems). Shahgildyan V.V., Belyustina L.N. (Eds.). Moscow: Radio i svyaz’; 1982. 289 p. (in Russ.).Куликов Г.В., Нгуен Ван Зунг. Влияние неточности тактовой синхронизации на помехоустойчивость когерентного приема сигналов М-ФМ. «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем. РАДИОИНФОКОМ – 2019». Сб. научных статей IV Международной научно-практической конференции. Москва. 2019. С. 109−113.Kulikov G.V., Nguyen Van Dung. Effect of inaccuracy of the clock synchronization on the noise immunity of coherent reception of MPSK signals. In: “Actual Problems and Prospects for the Development of Radio Engineering and Infocommunication systems. RADIOINFOKOM 2019.” Proc. IV International Scientific and Practical Conference. Moscow. 2019. P. 109−113 (in Russ.).Куликов Г.В., Нгуен Ван Зунг. Влияние неточности оценивания частоты и фазы несущей на помехоустойчивость когерентного приема сигналов М-ФМ. «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем. РАДИОИНФОКОМ – 2019». Сб. научных статей IV Международной научно-практической конференции. Москва. 2019. С. 114−122.Kulikov G.V., Nguyen Van Dung. Effect of inaccuracy of the carrier frequency and phase estimation on the noise immunity of coherent reception of MPSK signals. In: “Actual Problems and Prospects for the Development of Radio Engineering and Infocommunication systems. RADIOINFOKOM 2019”. Proc. IV International Scientific and Practical Conference. Moscow. 2019. P. 114−122 (in Russ.).Симонгауз В.И. Оптимальная синхронизация и демодуляция радиосигнала с многопозиционной фазовой манипуляцией. Радиотехника. 2017;11:87−96.Simongauz V.I. Optimal synchronization and demodulation of a radio signal with multi-position phase manipulation. Radiotekhnika = Radio Engineering. 2017;11:87−96 (in Russ.).Куликов Г.В., Нгуен В.З. Влияние погрешностей синхронизации на помехоустойчивость когерентного приема сигналов М-ФМ. Российский технологический журнал. 2019;7(5):47−61. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-5-47-61Kulikov G.V., Nguyen V.D. Influence of synchronization errors оn the noise immunity of coherent reception of M-PSK signals. Rossiiskii tekhnologicheskii zhurnal = Russian Technological Journal. 2019;7(5):47−61 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-5-47-61Мирошникова Н.Е. Влияние ошибок синхронизации на прием цифровых сигналов. T-Comm – Телекоммуникации и Транспорт. 2013;9:112−114.Miroshnikova N.E. Phase and timing synchronization error on digital receiver properties. T-Comm: Telekommunikatsii i Transport = T-Comm: Telecommunications and Transportation. 2013;9:112−114 (in Russ.).Гоголева С.А., Демидов А.Я., Каратаева Н.А., Майков Д.Ю., Ворошилин Е.П. Оценка влияния частотной расстройки на вероятность битовой ошибки в OFDMA системах связи. Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2011;2:45−48.Gogoleva S.A., Demidov A.Ya., Karataeva N.A., Maikov D.Yu., Voroshilin E.P. Assessing of impact of frequency detuning on the probability of bit error in the OFDMA communication systems. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniya i radioelektroniki = Proceedings of TUSUR University. 2011;2:45−48 (in Russ.).Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь; 1982. 624 с.Tikhonov V.I. Statisticheskaya radiotekhnika (Statistical radio engineering): 2nd ed. Moscow: Radio i svyaz’; 1982. 624 p. (in Russ.).Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М.: Сов. Радио; 1980. 258 с.Yarlykov M.S. Primenenie markovskoi teorii nelineinoi fil’tratsii v radiotekhnike (Application of the Markov theory of nonlinear filtering in radio engineering). Moscow: Sovetskoe Radio; 1980. 258 p. (in Russ.).Тихонов В.И., Харисов В.И., Смирнов В.А. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов. Радиотехника и электроника. 1978;23(7):1441−1452.Tikhonov V.I., Kharisov V.I., Smirnov V.A. Optimal filtration of discrete-continuous processes. Radiotekhnika i elektronika = Radio Engineering and Electronics. 1978;23(7):1441−1452 (in Russ.).Ярлыков М.С., Миронов М.А. О применимости гауссовой аппроксимации в марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации. Радиотехника и электроника. 1972;17(11):2285−2294.Yarlykov M.S., Mironov M.A. On the applicability of the Gaussian approximation in the Markov theory of optimal nonlinear filtering. Radiotekhnika i elektronika = Radio Engineering and Electronics. 1972;17(11):2285−2294 (in Russ.).Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов. Радио; 1975. 704 с.Tikhonov V.I., Kul’man N.K. Nelineinaya fil’tratsiya i kvazikogerentnyi priem signalov (Nonlinear filtering and quasi-coherent signal reception). Moscow: Sovetskoe Radio; 1975. 704 p. (in Russ.).Ярлыков М.С. Оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы приема и обработки ВОС-сигналов в перспективных глобальных навигационных спутниковых системах. Радиотехника и электроника. 2021;66(1):39−61. https://doi.org/10.31857/S0033849421010101Yarlykov М.S. Optimal and quasi-optimal algorithms for receiving and processing BOC signals in promising global navigation satellite systems. J. Commun. Technol. El. 2021;66(1):34−55. https://doi.org/10.1134/S1064226921010101Канавин С.В., Панычев С.Н., Самоцвет Н.А. Метод повышения помехоустойчивости систем связи и передачи информации на основе нелинейной корреляционной фильтрации сигналов. Вестник Воронежского института МВД России. 2021;1:143−152.Kanavin S.V., Panychev S.N., Samotsvet N.A. Method of increasing noise immunity of communication systems and information transmission based on nonlinear correlation filtering. Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii = Bulletin of Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia. 2021;1:143−152 (in Russ.).Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1971. 1108 с.Gradshtein I.S., Ryzhik I.M. Tablitsy integralov, summ, ryadov i proizvedenii (Tables of integrals, sums, series and products). Moscow: Nauka; 1971. 1108 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.