Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 6 · RADIO ENGINEERING

Introduction to statistical modulation theory

Y. Veshkurtsev1

1 Institute of Radioelectronics, service and diagnostics, Omsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.6.1 UDC 621. 396 : 521. 19 EDN ZVNWEY

Abstract

Using new knowledge and models of known signals with amplitude shift keying (ASK), build a statistical theory of designing promising modems for information and control systems. The statistical theory is based on the characteristic function of A. Lyapunov of a random signal. It is proposed to consider the characteristic function of a non-deterministic signal with ASK, which simultaneously with the amplitude of the oscillation is modulated by a telegraph message. Taking into account this phenomenon, it was decided to further investigate the ASK signal from the standpoint of the so-called statistical shift keying (SSK), since the advantages of the new modulation method according to the forecast will significantly increase the performance of the proposed modem. The old demodulator is removed in the ASK modem and a patented demodulator is installed for receiving SSK signals using estimates of the real and imaginary parts of the Lyapunov characteristic function. The analysis of the energy performance and noise immunity of the modernized modem is made. As a result of the use of the first discovered property of the Lyapunov characteristic function, the noise immunity of a digital system with amplitude shift keying is increased by ten orders of magnitude by including a promising modem in its composition, and an energy gain of 10 dB compared to QPSK or 13 dB compared to ASK is obtained. Practical relevance: Replacing old ASK signal modems with new SSK signal modems will increase the quality of digital systems many times and make them competitive with other systems, including QPSK digital systems.

  • amplitude manipulation
  • Lyapunov characteristic function
  • statistical modulation
  • demodulator
  • modem
  • noise immunity
  • signal-to-noise ratio
Аннотация (на русском)

Введение в теорию статистической модуляции

С использованием новых знаний и моделей известных сигналов с амплитудной манипуляцией (ASK - Amplitude Shift Keying) строится статистическая теория проектирования перспективных модемов. Целью данной работы является изложение основ статистической теории с использованием элементов теории вероятности и математической статистики. В основу статистической теории положена характеристическая функция Ляпунова стохастического сигнала, который в статистической радиотехнике называют квазидетерминированным колебанием. Предложено рассматривать характеристическую функцию Ляпунова квазидетерминированного сигнала с ASK, которая одновременно с амплитудой колебания модулирована телеграфным сообщением. С учетом модуляции характеристической функции Ляпунова принято решение исследовать далее сигнал ASK с позиций так называемой статистической модуляции (SSK - Statistical Shift Keying), поскольку достоинства нового метода модуляции по прогнозу значительно повысят показатели предлагаемого модема, построенного на базе структуры модема ASK. В модеме ASK исключен старый демодулятор и установлен запатентованный демодулятор для приема сигналов SSK с использованием оценок реальной и мнимой частей характеристической функции Ляпунова. Сделан анализ энергетических показателей и помехоустойчивости нового модема. В результате применения впервые свойств характеристической функции Ляпунова повышена на десять порядков помехоустойчивость цифровой системы с амплитудной манипуляцией путем включения в её состав перспективного модема и получен при этом энергетический выигрыш 10 дБ по сравнению с QPSK или 13 дБ по сравнению с ASK.

For citation

Veshkurtsev Y. Introduction to statistical modulation theory // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.6.1

References

  1. Вешкурцев Ю.М. Обобщение теории нового метода модуляции и демодуляции случайного сигнала. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.8
  2. Журавлев В.И., Руднев А.Н. Цифровая фазовая модуляция. Москва, Радиотехника. 2012. 208 с.
  3. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. Москва, Советское радио.1965. 263 с.
  4. Берштейн И.Л. Флуктуации амплитуды и фазы лампового генератора. Известия АН СССР. Сер. Физическая. 1950. №2. С.146-173.
  5. Беккиев А.Ю., Борисов В.И. Оценка помехозащищенности каналов радиосвязи в условиях действия помех от средств радиоэлектронной борьбы. Радиотехника и электроника. 2019. Т.64. №9. С.891-901.
  6. Бучинский Д.И., Вознюк В.В., Фомин А.В. Исследование приемника сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией к воздействию помех с различной структурой. Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2019. №671. С.120-127.
  7. Волхонская Е.В., Коротей Е.В., Власова К.В., Рушко М.В. Модельное исследование помехоустойчивости приема радиосигналов с QPSK, BPSK, 8PSK и DBPSK. Известия КГТУ. 2017. №46. С.165-174.
  8. Абед А.Х., Жуков В.М. Анализ помехоустойчивости радиостанции при воздействии организованных помех. Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2016. Т.22. №1. С.53-57.
  9. Куликов Г.В., Лелюх А.А., Граченко Е.Н. Помехоустойчивость когерентного приемника сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией при наличии ретранслированной помехи. Радиотехника и электроника. 2020. Т.65. №8. С.804-808.
  10. Паршин В.С. Распознавание случайных сигналов при использовании в качестве признаков выборочных характеристических функций. Цифровая обработка сигналов. 2019. №2. С.29-34.
  11. Костюков В.Н., Науменко А.П., Кудрявцева И.С. Оценка модуля характеристической функции виброакустического сигнала при заданном параметре для предельных состояний объекта диагностирования. Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т.5. №4. С.239-244.
  12. Компанеец О.Е. Аппроксимация вероятностных характеристик случайных процессов в рамках метода характеристической функции. В сб.: Наука, Технологии, Инновации. 2016. С.34-36.
  13. Парфенов В.И. Исследование системы передачи информации, основанной на манипуляции коэффициентом эксцесса стохастического процесса. ХIII Международная научная конференция "Радиолокация, навигация, связь". Воронеж, ВГУ. 2007. Т.1. С.436-444.
  14. Парфенов В.И., Сергеева Е.В. Применение дискриминантной процедуры при синтезе и анализе телекоммуникационной системы, основанной на манипуляции статистическими характеристиками случайного процесса. Вестник Воронежского государственного университета: физика, математика. 2008. №1. С.70-74.
  15. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. Москва, Сов. Радио. 1966. 678 с.
  16. Вешкурцев Ю.М. Прикладной анализ характеристической функции случайных процессов: монография. Москва, Радио и связь. 2003. 204 с.
  17. Патент РФ 2626332. Вешкурцев Ю.М., Вешкурцев Н.Д., Алгазин Е.И. Способ демодуляции сигнала. Дата заявки: 27. 07. 2016. Дата публикации: 26.07.2017. 5 с. URL: https://i.moscow/patents/ru2626332c1_20170726
  18. Вешкурцев Ю.М. Основы теории построения модемов нового поколения: монография. Новосибирск, Изд-во ООО "СибАК". 2020. 184 с.
  19. Звонарев В.В., Попов А.С. Методика расчета потенциальной помехоустойчивости оптимального когерентного приема многопозиционного фазоманипулированного радиосигнала с белым шумом. Радиотехника. 2019. Т.83. №4. С.79-83.
  20. Песков С.Н., Ищенко А.Е. Расчет вероятности ошибки в цифровых каналах связи. Теле - Спутник. 2010. №11. С.70-75.
  21. Вешкурцев Ю.М., Вешкурцев Н.Д., Титов Д.А. Фильтрация в пространстве вероятностей аддитивной смеси нецентрированного квазидетерминированного сигнала и шума. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2018. №3. С.18-23.
  22. Анищенко В.С., Нейман А.Б., Мосс Ф., Шиманский-Гайер Л. Стохастический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения степени порядка. Успехи физических наук. 1999. Т.169. №1. С.7-38.
  23. Вешкурцев Ю.М., Титов Д.А. Исследование модели модема сигналов с новой модуляцией. Теория и техника радиосвязи. 2021. №3. С.23-29.