Noise immunity of coherent reception of M-PSK signals with a sinusoidal envelope in hydroacoustic communication channel

Abstract

Goals: The main purpose of this work is to develop a methodology for determining the parameters of signals with multi-position phase manipulation (M-PSK), in 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. To do this, the error probabilities of the M-PSK signal receiver are determined, which is 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 hydroacoustic 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 additive boundary of the error probability for coherent reception of M-PSK signals with a sinusoidal envelope is determined. As a receiver, a coherent receiver is considered, optimal by the criterion of maximum likelihood under the action of white Gaussian noise and the absence of distortion in the marine environment. 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 are found for the upper bound of the error probability of coherent receivers of M-PSK signals with a sinusoidal envelope for M = 2, 4, 8, 16, 32. 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 number of phases 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 sending the signal, for each type of signal, a 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 receiving M-PSK signals with a rectangular envelope. It is shown that invariant signals with a sinusoidal envelope have a shorter duration than signals with a straight-angle envelope. In addition, the duration of signals with a sinusoidal envelope is significantly less dependent on the number of phases of the signal.

• hydroacoustic communication channel
• attenuation coefficient
• noise immunity
• error probability
• communication range
• duration of signal sending
• carrier frequency
• phase
• additive boundary
• sinusoidal envelope

Аннотация (на русском)

Помехоустойчивость когерентного приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией и синусоидальной огибающей в гидроакустическом канале связи

Цели: Основной целью данной работы является разработка методики определения параметров сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией (М-ФМ), 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. Для этого определяется вероятность ошибки приемника сигналов М-ФМ, который оптимален 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. Определена аддитивная граница вероятности ошибки при когерентном приеме сигналов М-ФМ с синусоидальной огибающей. В качестве приемника рассматривается когерентный приемник, оптимальный 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 для верхней границы вероятности ошибки когерентных приемников сигналов М-ФМ с синусоидальной огибающей для М = 2, 4, 8, 16, 32. 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 числа фаз сигнала, а также от дальности связи и отношения сигнал/шум. На плоскости несущая частота, длительность посылки сигнала для каждого вида сигнала построена граница области, выше которой сигналы являются относительно инвариантными к частотным искажениям в морской среде. Проведено сравнение со случаем приема сигналов М-ФМ с прямоугольной огибающей. Показано, что инвариантные сигналы с синусоидальной огибающей имеют меньшую длительность, чем сигналы с прямоугольной огибающей. Кроме того, длительность сигналов с синусоидальной огибающей значительно меньше зависит от числа фаз сигнала.

For citation

References

1. Денисов В.Е. Помехоустойчивость когерентного приема двоичных сигналов с синусоидальной огибающей в гидроакустическом канале связи. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2023. №3. С.1-22. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.3.3
2. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств. Ленинград, Судостроение. 1983. 205 с. 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.
3. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. Москва, Советское радио. 1970. 728 с.
4. Возенкрафт Дж., Джекобс И. Теоретические основы техники связи. Москва, Мир. 1969. 640 с.
5. Коржик В.И., Финк Л.М., Щелкунов К.Н. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений. Москва, Радио и связь. 1981. 232 с.
6. Фаддеева В.Н., Терентьев Н.М. Таблицы значений интеграла вероятностей от комплексного аргумента. Москва, Гостехиздат, 1954. С. 268
7. Денисов В.Е. Корреляция между входным и выходным сигналами гидроакустического канала связи при входном сигнале в виде высокочастотного импульса с прямоугольной огибающей. 2-я Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем" - РАДИОИНФОКОМ-2015". Москва, МИРЭА. 2015. Ч.1. С.98-103.
8. Денисов В.Е. Корреляция между двоичными сигналами ЧМ на входе и выходе гидроакустического канала связи. 3-я Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем" - РАДИОИНФОКОМ-2017". Москва, МИРЭА. 2015. Ч.1. С.7-12.
9. Денисов В.Е. Анализ искажений высокочастотного импульса с синусоидальной огибающей в морской среде на основе энергетического критерия. 59-я Научно-техническая конференция МИРЭА. Москва, МИРЭА. 2010. Ч.2. С.83-88.
10. Денисов В.Е. Помехоустойчивость когерентного приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией и прямоугольной огибающей в гидроакустическом канале связи. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №12. С. 1-19. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.11