О помехоустойчивости приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией в многолучевом канале связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИРЭА - Российский технологический университет, Москва, Россия

О помехоустойчивости приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией в многолучевом канале связи

Г. В. Куликов, Нгуен Ван Зунг, До Чунг Тиен

Аннотация

Сигналы с многопозиционной фазовой манипуляцией (М-ФМ) в настоящее время активно используются в различных телекоммуникационных системах и являются базовыми для ряда принятых протоколов беспроводных сетей: IEEE 802.11, сотовых сетей CDMA, цифрового спутникового телевидения DVB-S и DVB-S2/S2X. В таких системах в радиоканале связи часто наблюдается переотражение электромагнитных волн от зданий, окружающих предметов и других поверхностей, т.е. канал является многолучевым. В докладе оценена помехоустойчивость приема сигналов М-ФМ для двух случаев: при наличии в канале ретранслированной помехи и при наличии мультипликативной помехи (райсовский канал). Получены зависимости вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум, исследовано влияние амплитудных и фазовых флуктуаций. Показано, что с увеличением степени позиционности полезного сигнала влияние многолучевого канала значительно усиливается, причем мультипликативная помеха значительно опаснее, чем ретранслированная. При увеличении дисперсии флуктуаций поражающее действие мультипликативной помехи значительно возрастает. В райсовском канале на помехоустойчивость приема сигналов с малой позиционностью более существенное влияние оказывают флуктуации амплитуды, чем фазы. При увеличении позиционности влияние фазовых флуктуаций существенно возрастает.

Ключевые слова: многопозиционная фазовая манипуляция; ретранслированная помеха; мультипликативная помеха; вероятность битовой ошибки; помехоустойчивость.

Abstract

Signals with multiple phase-shift keying (M-PSK) are currently actively used in various telecommunication systems and are basic for a number of adopted wireless networks: IEEE 802.11, cellular networks CDMA, digital satellite television DVB-S and DVB-S2/S2X. In such systems, in a radio communication channel, there is often a re-reflection of electromagnetic waves from buildings, surrounding objects and other surfaces, that is, the channel is multipath. The report evaluated the noise immunity of M-PSK signal reception for two cases: in the presence in the channel of the retranslated interference and in the presence of a multiplicative interference (Rician fading channel). The dependences of the bit error probability on the signal-to-noise ratio are obtained, the influence of amplitude and phase fluctuations is investigated. It is shown that with an increase in the degree of positionality of the useful signal, the influence of the multipath channel is greatly enhanced, and the multiplicative interference is much more dangerous than the retransmitted one. With an increase in the fluctuation of fluctuations, the damaging effect of the multiplicative interference increases significantly. In the Rician fading channel, the noise immunity of receiving signals with low positionality is more significantly affected by fluctuations of amplitude than phases. With increasing positionality, the influence of phase fluctuations increases significantly.

Keywords: multiple phase-shift keying; retranslated interference; multiplicative interference; bit error rate; noise immunity.

Сигналы с многопозиционной фазовой манипуляцией (М-ФМ) в настоящее время активно используются в различных телекоммуникационных системах и являются базовыми для ряда принятых протоколов беспроводных сетей: IEEE 802.11, сотовых сетей CDMA, цифрового спутникового телевидения DVB-S и DVB-S2/S2X. В таких системах в канале связи часто наблюдается переотражение электромагнитных волн от зданий, окружающих предметов и других поверхностей, причем количество лучей распространения и их интенсивности могут быть разными [1-7]. При наличии в радиоканале только одного дополнительного луча будем называть помеху ретранслированной, при большом их числе - мультипликативной. Целью данной работы является анализ помехоустойчивости приема сигналов М-ФМ в многолучевом канале связи и определение факторов, отрицательно влияющих на качество радиосвязи.

1. Алгоритм оценки помехоустойчивости

Сигнал М-ФМ на тактовом интервале, равном длительности канального символа , несущего информацию об информационных битах, может принимать одно из М возможных значений:

(1)

где - амплитуда сигнала; - энергия канального символа, - энергия, приходящаяся на один бит информации, щ₀- несущая частота; _с - начальное фазовое смещение сигнального созвездия сигнала.

Считаем, что на входе приемника кроме полезного сигнала присутствует белый гауссовский шум n(t) с односторонней спектральной плотностью N₀

и ретранслированная или мультипликативная помеха.

Корреляционный демодулятор сигнала (1) вычисляет М интегралов свертки принимаемого колебания x(t) и опорных сигналов:

Вероятность правильного обнаружения любого канального символа, например, с индексом "0", находится при условии:

i=1, ...М-1.

Учитывая симметричность сигнального созвездия, вероятность ошибки при приеме канального символа равна

,(2)

При достаточно больших отношениях сигнал/шум вероятность битовой ошибки можно оценить по формуле [8]:

. (3)

2. Вывод формул

Случай 1. Ретранслированная помеха.

Представление о временных соотношениях между полезным сигналом М-ФМ и ретранслированной помехой дает рисунок 1, пример сигнальных созвездий показан на рисунке 2.

Рис. 1. Временные соотношения между полезным сигналом и ретранслированной помехой.

Математическая модель ретранслированной помехи имеет следующий вид:

(4)

где - относительная интенсивность ретранслированной помехи;- задержка ретранслированной помехи;- информационная составляющая фазы задержанного сигнала М-ФМ;- случайная начальная фаза помехи.

В модели (4) имеются две неизвестные составляющие фазы _j и _П, которые вначале можно положить фиксированными величинами. Это позволит считать нормальными распределения случайных процессов I_i и их линейных комбинаций [9,10]. Тогда

(5)

а) б)

Рис. 2. Сигнальные созвездия сигналов 8-ФМ без помехи (а) и с ретранслированной помехой (б).

где

(6)

(7)

Здесь использовано обозначение

Подставив (5), (6) и (7) в (2) и (3) получим выражение для условной вероятности битовой ошибки . Для получения безусловной вероятности ошибки необходимо провести усреднение полученных результатов по случайной величине и возможным значениям j.

(8)

Случай 2. Мультипликативная помеха.

Математическая запись принимаемого процесса при наличии мультипликативной помехи имеет вид:

(9)

где - амплитудный множитель (закон распределения Райса); - случайная начальная фаза помехи (нормальный закон распределения).

Пример сигнальных созвездий показан на рисунке 3.

В этом случае составляющие формулы (5) определяются следующим образом:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Сигнальные созвездия сигналов 8-ФМ без помехи (а) и с мультипликативной помехой (б).

Для усреднения вероятности битовой ошибки по случайным параметрам µ и ц был использован метод Монте-Карло.

3. Результаты расчетов

В работе получены зависимости вероятности битовой ошибкиот отношения сигнал/шум для М=2, 4, 8, 16 и 32 при разных параметрах помех. На рисунке 4 для примера приведены рассчитанные зависимости при интенсивности ретранслированной помехи µ =0,1, среднем значении уровня принимаемого сигнала при райсовских замираниях , дисперсиях амплитудных замираний и фазы , равных 0,01 и 0,1. В случае мультипликативной помехи под величиной понимается средняя энергия замирающего сигнала. Здесь же для сравнения приведен график помехоустойчивости приема сигналов М-ФМ по отношению только к белому гауссовскому шуму.

Заключение

Проведен анализ помехоустойчивости приема сигналов с многопозиционной ФМ в многолучевом канале связи (при наличии ретранслированной или мультипликативной помехи). По результатам анализа полученных данных можно сделать следующие выводы:

1. С увеличением степени позиционности М полезного сигнала влияние многолучевого канала значительно усиливается, причем мультипликативная помеха значительно опаснее, чем ретранслированная. Для 2-ФМ и 4-ФМ присутствие на входе

сигнал многопозиционный фазовый манипуляция

Размещено на http://www.allbest.ru/

приемника ретранслированной помехи с интенсивностью м=0.1 при эквивалентно ухудшению отношения сигнал/шум на 0,1-0,2 дБ, а для 16-ФМ это ухудшение уже составляет около 2 дБ. Мультипликативная помеха с относительным средним значением 1, дисперсией амплитуды 0,01 и дисперсией фазы 0,01 рад² для 2-ФМ и 4-ФМ дает при ухудшение отношения сигнал/шум от 0,3 до 1 дБ, а для 8-ФМ и 16-ФМ - 2,5 и 5 дБ, соответственно. При увеличении дисперсии флуктуаций поражающее действие мультипликативной помехи значительно возрастает.

2. В райсовском канале на помехоустойчивость приема сигналов с малой позиционностью (М<8) более существенное влияние оказывают флуктуации амплитуды, чем фазы. При М>8 влияние фазовых флуктуаций существенно возрастает.

Литература

1.Куликов Г.В. Помехоустойчивость корреляционного приемника сигналов МЧМ при наличии ретранслированный помехи. // Труды 50 Юбилейной 50 научно-технической конференции МИРЭА: Сб. науч. тр. - М.: МИРЭА, 2001,Ч. 2. - С. 78-84.

2.Биккенин Р.Р., Андрюков А.А. Подавление ответных (ретранслированных) помех при обработке псевдослучайных сигналов с относительной фазовой модуляцией. // Информация и космос. Санкт-Петербургская научно-техническая общественная организация «Институт телекоммуникаций», 2016, № 2. - С. 27-32.

3.Вознюк В.В., Куценко Е.В. Помехоустойчивость систем радиосвязи с бинарными фазоманипулированными шумоподобными сигналами при воздействии ретранслированных компенсационных помех типа инверсии огибающей сигнала. // Журнал Радиоэлектроники, 2018, № 2.

4.Куликов Г.В. Помехоустойчивость приемников модулированных сигналов с непрерывной фазой при наличии нефлуктуационных помех. // Радиотехника, 2003, № 7. - С. 21-25.

5.Леммле Д.В. Характеристики передачи сигналов OFDM в многолучевых каналах. // Прикаспийский журнал: Управление и высокие технологии, 2015, № 2. - С. 207-216.

6.Литвин С.А., Мареха А.С., Петрищев А.В. Оценка параметров фазоманипулированных радиосигналов при двухпозиционном приеме. // Радиоэлектроника и информатика, 2001, № 2. - С. 26-32.

7.Волхонская Е.В., Коротей Е.В., Власова К.В., Рушко М.В. Модельное исследование помехоустойчивости приема радиосигналов с QPSK, BPSK, 8PSK и DBPSK. // Научный журнал «Известия КГТУ», 2017, № 46. - С. 165-174.

8.Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д.Кловского. - М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.

9.Куликов Г.В., Нгуен Ван Зунг, Нестеров А.В., Лелюх А.А. Помехоустойчивость приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией в присутствии гармонической помехи. // Наукоемкие технологии, 2018, № 11. - С. 32-38.

10.Куликов Г.В., Нгуен Ван Зунг. Анализ помехоустойчивости приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией при воздействии сканирующей помехи. // Российский технологический журнал, 2018, Т. 6, № 6. - С. 5-12.

Размещено на Allbest.ru