Noise immunity of coherent reception of binary signals with an envelope of the raised cosine type in a hydroacoustic communication channel

Abstract

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 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 error probabilities of coherent receivers of binary signals with amplitude, frequency and phase manipulation with an envelope of the raised cosine type 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 an envelope of the raised cosine type 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, signal duration, 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 sinusoidal 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. Expressions of the error probability of coherent receivers of binary signals with amplitude, frequency and phase manipulation with an envelope of the raised cosine type 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, signal duration, 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 sinusoidal 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.

• hydroacoustic communication channel
• attenuation coefficient
• noise immunity
• error probability
• communication range
• duration of signal sending
• carrier frequency
• initial phase
• sinusoidal envelope
• the envelope of the raised cosine type

Аннотация (на русском)

Помехоустойчивость когерентного приема двоичных сигналов с огибающей вида приподнятый косинус в гидроакустическом канале связи

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 огибающей вида приподнятый косинус. 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 огибающей вида приподнятый косинус. 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 синусоидальной огибающей. Для дальностей связи R = 1,5 км и 3 км и типичных несущих частот приведены минимальные значения длительности инвариантных сигналов.

For citation

References

1. Денисов В.Е. Помехоустойчивость когерентного приема двоичных сигналов с прямоугольной огибающей в гидроакустическом канале связи // Журнал радиоэлектроники. - 2022. - №. 8. - С. 1-24. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.2
2. Денисов В.Е. Помехоустойчивость когерентного приема двоичных сигналов с синусоидальной огибающей в гидроакустическом канале связи // Журнал радиоэлектроники. - 2023. - №. 3. - С. 1-26. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.3.3
3. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств // Судостроение. - 1981. - 205 с.
4. Денисов В.Е. Аппроксимация амплитудно-частотной характеристики гидроакустического канала связи по совокупности показателей качества. // 56-я Научно-техническая конференция МИРЭА: Сб. тр. М.: МИРЭА. 2007. Ч.2. С. 71-76.
5. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений //Советское радио. - 1970. - 728 с.
6. Денисов В.Е., Бачурин В.А. Анализ искажений высокочастотного акустического импульса с огибающей вида приподнятый косинус в морской среде на основе энергетического критерия. // 61-я Научно-техническая конференция МИРЭА: Сб. тр. М.: МИРЭА, 2012. Ч.3. С. 16-20.
7. Денисов В.Е. Корреляция между входным и выходным сигналами гидроакустического канала связи при входном сигнале в виде высоко-частотного импульса с прямоугольной огибающей. // Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем "РАДИОИНФОКОМ-2015" - 2015. - С. 98-103.
8. Денисов В. Е. Корреляция между двоичными сигналами ЧМ на входе и выходе гидроакустического канала связи // Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем "РАДИОИНФОКОМ-2017" - 2017. - С. 7-12.