Оптимальная нелинейная фильтрация сигналов М-ФМ при наличии доплеровского смещения частоты

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.

1. Proakis J.G. Digital communications. 4th ed. McGrawHill; 2001. 1002 p.

2. Fuqin Xiong. Digital modulation techniques. Series: Artech House Telecommunications Library. 2nd ed. Artech House Print on Demand; 2006. 1039 p.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Симонгауз В.И. Оптимальная синхронизация и демодуляция радиосигнала с многопозиционной фазовой манипуляцией. Радиотехника. 2017;11:87−96.

7. 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-2019-7-5-47-61

8. Мирошникова Н.Е. Влияние ошибок синхронизации на прием цифровых сигналов. T-Comm – Телекоммуникации и Транспорт. 2013;9:112−114.

9. 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.

10. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь; 1982. 624 с.

11. Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М.: Сов. Радио; 1980. 258 с.

12. Тихонов В.И., Харисов В.И., Смирнов В.А. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов. Радиотехника и электроника. 1978;23(7):1441−1452.

13. Ярлыков М.С., Миронов М.А. О применимости гауссовой аппроксимации в марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации. Радиотехника и электроника. 1972;17(11):2285−2294.

14. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов. Радио; 1975. 704 с.

15. 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/S0033849421010101

16. Канавин 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.

17. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1971. 1108 с.