Помехоустойчивость когерентного приема двоичных сигналов с синусоидальной огибающей в гидроакустическом канале связи

Аннотация

Цели. Основной целью данной работы является разработка методики определения параметров двоичных сигналов, при которых сигналы становятся относительно инвариантными к частотным искажениям в морской среде. Частотные искажения сигналов обусловлены неравномерностью частотной характеристики затухания морской среды. Главной частью указанной методики является оценка влияния частотных искажений сигналов на помехоустойчивость приема. В соответствии с этим определяются вероятности ошибки приемников сигналов с различными видами манипуляции, которые оптимальны при отсутствии искажений. Методы. Использованы положения прикладной гидроакустики, теории случайных процессов и теории передачи дискретных сообщений. Основное содержание. В работе рассматривалась модель однолучевого гидроакустического канала связи, характерная для глубокого моря, когда приемник или передатчик расположен в глубине моря. В качестве коэффициента передачи канала используется коэффициент передачи с гауссовской амплитудно-частотной характеристикой и линейной фазо-частотной характеристикой. Определены вероятности ошибки когерентных приемников двоичных сигналов с амплитудной, частотной и фазовой манипуляцией с синусоидальной огибающей. В качестве приемников рассматриваются когерентные приемники, оптимальные по критерию максимального правдоподобия при действии белого гауссовского шума и отсутствии искажений в морской среде. Введена логарифмическая мера увеличения вероятности ошибки, которая характеризует ухудшение помехоустойчивости за счет частотных искажений в канале. Для некоторых типичных случаев определены значения параметров сигналов, относительно инвариантных к частотным искажениям в морской среде. Результаты. Найдены выражения вероятности ошибки когерентных приемников двоичных сигналов с амплитудной, частотной и фазовой манипуляцией с синусоидальной огибающей. Введена логарифмическая мера относительного увеличения вероятности ошибки по сравнению со случаем отсутствия искажений. Определена функциональная зависимость этой меры от длительности посылки сигнала, несущей частоты и начальной фазы сигнала, а также от дальности связи и отношения сигнал/шум. На плоскости несущая частота, длительность сигнала для каждого вида сигнала построена граница области, выше которой сигналы являются относительно инвариантными к частотным искажениям в морской среде Проведено сравнение со случаем сигналов с прямоугольной огибающей. Для дальностей связи R = 1,5 км и 3 км и типичных несущих частот приведены минимальные значения длительности инвариантных сигналов.

• гидроакустический канал связи
• коэффициент затухания
• помехоустойчивость
• вероятность ошибки
• дальность связи
• длительность посылки сигнала
• несущая частота
• начальная фаза
• синусоидальная огибающая

Abstract (in English)

Noise immunity of coherent reception of binary signals with a sinusoidal envelope in hydroacoustic communication channel

Goals. The main purpose of this work is to develop a methodology for determining the parameters of binary signals, at which the signals become relatively invariant to frequency distortions in the marine environment. The frequency distortion of the signals is caused by the uneven frequency response of the attenuation of the marine environment. The main part of this technique is to assess the effect of frequency distortion of signals on the noise immunity of reception. In accordance with this, the error probabilities of signal receivers with various types of manipulation are determined, which are optimal in the absence of distortion. Methods. The provisions of applied hydroacoustics, the theory of random processes and the theory of transmission of discrete messages are used. The main content. The paper considered a model of a single-beam sonar communication channel, characteristic of the deep sea, when the receiver or transmitter is located in the depths of the sea. The transmission coefficient of the channel is used as a transmission coefficient with a Gaussian amplitude -frequency response and a linear phase-frequency response. The error probabilities of coherent binary signal receivers with amplitude, frequency and phase manipulation with a sinusoidal envelope are determined. Coherent receivers optimal by the criterion of maximum likelihood under the action of white Gaussian noise and the absence of distortion in the marine environment are considered as receivers. A logarithmic measure of increasing the probability of error is introduced, which characterizes the deterioration of noise immunity due to frequency distortions in the channel. For some typical cases, the values of signal parameters that are relatively invariant to frequency distortions in the marine environment are determined. Results. Expressions of the error probability of coherent receivers of binary signals with amplitude, frequency and phase manipulation with a sinusoidal envelope are found. A logarithmic measure of the relative increase in the probability of error compared to the case of no distortion is introduced. The functional dependence of this measure on the duration of sending the signal, the carrier frequency and the initial phase of the signal, as well as on the communication range and the signal-to-noise ratio is determined. On the plane of the carrier frequency, the duration of the signal for each type of signal, the boundary of the region above which the signals are relatively invariant to frequency distortions in the marine environment is constructed, a comparison is made with the case of signals with a rectangular envelope. For communication ranges R = 1.5 km and 3 km and typical carrier frequencies, the minimum values of the duration of invariant signals are given.

Для цитирования

Литература

1. Денисов В.Е. Помехоустойчивость когерентного приема двоичных сигналов с прямоугольной огибающей в гидроакустическом канале связи. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №8. С.1-24. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.2
2. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств. Ленинград, Судостроение. 1983. 205 с.
3. Денисов В.Е. Аппроксимация амплитудно-частотной характеристики гидроакустического канала связи по совокупности показателей качества. 56-я Научно-техническая конференция МИРЭА. Москва, МИРЭА. 2007. Ч.2. С.71-76.
4. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. Москва, Советское радио. 1970. 728 с.
5. Денисов В.Е. Анализ искажений высокочастотного импульса с синусоидальной огибающей в морской среде на основе энергетического критерия. 59-я Научно-техническая конференция МИРЭА: Сборник трудов. Москва, МИРЭА. 2010. Ч.2. С.83-88.
6. Денисов В.Е. Корреляция между входным и выходным сигналами гидроакустического канала связи при входном сигнале в виде высоко-частотного акустического импульса с синусоидальной огибающей. Сборник научных статей 4 международной научно-практической конференции "Радиоинфоком-2019". Москва, МИРЭА. 2019. С.282-287.
7. Денисов В.Е. Корреляция сигналов в гидроакустическом канале связи при частотноманипулированном входном сигнале с синусоидальной огибающей посылок. Сборник научных статей 4 международной научно-практической конференции "Радиоинфоком-2019". Москва, МИРЭА. 2019. С.288-292.