radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-4-6-22radioelectronics-658Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВRADIO ELECTRONIC FACILITIES FOR SIGNAL TRANSMISSION, RECEPTION AND PROCESSINGОптимизация формы сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией с использованием критерия заданной скорости спада уровня внеполосных излученийOptimizing the Shape of Signals with Quadrature Amplitude Modulation According to the Criterion of Given Reduction Rate of Out-of-Band Emissionshttps://orcid.org/0000-0001-7006-9634МакаровС. Б.MakarovS. B.

Макаров Сергей Борисович – доктор технических наук (1991), профессор (1994) Высшей школы прикладной физики и космических технологий

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Sergey B. Makarov, Dr Sci. (Eng.) (1991), Professor (1994) of the Higher school of applied physics and space technologies

 29, Polytechnicheskaya St., St Petersburg 195251

 

makarov@cee.spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3398-3616ЗавьяловС. В.ZavjalovS. V.

Завьялов Сергей Викторович – кандидат технических наук (2015), доцент (2020) Высшей школы прикладной физики и космических технологий

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Sergey V. Zavjalov, Cand. Sci. (Eng.) (2015), Associate Professor (2020) of the Higher school of applied physics and space technologies

29, Polytechnicheskaya St., St Petersburg 195251

zavyalov_sv@spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3401-2718ОвсянниковаА. С.OvsyannikovaA. S.

Овсянникова Анна Сергеевна – аспирант Высшей школы прикладной физики и космических технологий

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Anna S. Ovsyannikova, Postgraduate student of the Higher school of applied physics and space technologies

29, Polytechnicheskaya St., St Petersburg 195251

ovsyannikova_as@spbstu.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation202228092022254622Copyright © Макаров С.Б., Завьялов С.В., Овсянникова А.С., 20222022Макаров С.Б., Завьялов С.В., Овсянникова А.С.Makarov S.B., Zavjalov S.V., Ovsyannikova A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/658Введение

Введение. Рост объемов передаваемой информации по каналам связи приводит к их существенной перегруженности. Практически все используемые традиционные методы повышения скорости передачи данных в заданных полосах частот исчерпаны. В этой связи представляет интерес использование новых подходов, направленных на повышение спектральной эффективности радиотехнических и телекоммуникационных систем путем применения оптимальных сигналов, позволяющих задействовать резервы пропускной способности каналов передачи, которые дает теория Шеннона.

Цель работы

Цель работы. Повышение спектральной эффективности систем передачи цифровых сообщений путем применения сигналов с компактным спектром и увеличения объема канального алфавита при минимизации энергетических потерь.

Материалы и методы

Материалы и методы. При поиске оптимальных сигналов используется математический аппарат теории связи и функционального анализа, а также методы вариационного исчисления. Оценка помехоустойчивости приема полученных оптимальных сигналов при передаче в канале с аддитивным белым гауссовским шумом выполнена в среде MatLab.

Результаты

Результаты. Установлено, что в канале с аддитивным белым гауссовским шумом оптимальные сигналы при размере сигнального созвездия 64 в случае квадратурной амплитудно-фазовой модуляции обеспечивают энергетический выигрыш более 1 дБ относительно сигналов, которые получаются путем узкополосной фильтрации в условиях неконтролируемой межсимвольной интерференции. Показано, что оптимальные сигналы позволяют получить энергетический выигрыш 4.9 дБ по отношению к сигналам, построенным на основе узкополосной фильтрации, при фиксированной спектральной эффективности 7 (бит/с)/Гц.

Заключение

Заключение. Предложен метод повышения спектральной эффективности квадратурных сигналов с амплитудно-фазовой модуляцией, основанный на применении оптимальных форм импульсов, полученных в ходе решения оптимизационной задачи. Приведена процедура решения оптимизационной задачи по критерию минимизации внеполосных излучений при наличии ограничения на помехоустойчивость приема в случае амплитудно-фазовой модуляции. Выполнено сравнение энергетической и спектральной эффективности, обеспечиваемой сигналами с оптимальными формами импульсов и сигналами, построенными на основе узкополосной фильтрации.

Introduction

Introduction. The growth in the volume of information transmitted through communication channels leads to their significant congestion. Almost all methods conventionally used to increase the data transfer rate in given frequency bands have been exhausted. In this regard, it is of interest to use new approaches aimed at improving the spectral efficiency of radio engineering and telecommunication systems by applying optimal signals that make it possible to use the bandwidth reserves of transmission channels given by Shannon's theory.

Aim

Aim. Improvement of the spectral efficiency of digital messaging systems by using signals with a compact spectrum and increased volume of the channel alphabet at the same time as minimizing energy losses.

Materials and methods

Materials and methods. When searching for optimal signals, the mathematical apparatus of communication theory and functional analysis, as well as the methods of calculus of variations, were used. The evaluation of bit error rate performance of the obtained optimal signals transmitted in a channel with additive white Gaussian noise was performed in the MatLab environment. Results. It was established that, in a channel with additive white Gaussian noise, optimal signals with a signal constellation size of 64 in the case of quadrature amplitude-phase modulation provide an energy gain of more than 1 dB relative to signals obtained by narrowband filtering under the conditions of uncontrolled intersymbol interference. Optimal signals were shown to provide for an energy gain of 4.9 dB with respect to signals based on narrow-band filtering at a fixed spectral efficiency of 7 (bit/s)/Hz.

Conclusion

Conclusion. The paper proposes a method for improving the spectral efficiency of quadrature signals with amplitudephase modulation, based on the use of optimal pulse shapes obtained as a result of solving an optimization problem. The optimization problem was solved according to the criterion of minimizing out-of-band emissions with the constraint on bit error rate performance in case of amplitude-phase modulation. The energy and spectral efficiency of signals with optimal pulse shapes and signals based on narrow-band filtering were compared.

оптимизационная задачавнеполосные излученияспектральная эффективностьэнергетическая эффективностьграница ШеннонаRRCoptimization problemout-of-band emissionsspectral efficiencyenergy efficiencyShannon limitRRCИсследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках соглашения о предоставлении гранта в форме субсидий из федерального бюджета на осуществление государственной поддержки создания и развития научных центров мирового уровня, выполняющих исследования и разработки по приоритетам научно-технологического развития от 20 апреля 2022 года № 075-15-2022-311The research was carried out with the financial support of the Russian Ministry of Education and Science within the framework of the grant agreement in the form of subsidies from the federal budget for state support for the creation and development of world-class research centers that carry out research and development on the priorities of scientific and technological development dated April 20, 2022 No. 075-15 -2022-311ReferencesETSI EN 302 307-1 v1.4.1 (2014-11): Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications. Pt. 1: DVBS2. URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302300_302399/30230701/01.04.01_60/en_30230701v010401p.pdf (дата обращения: 28.07.2022).ETSI EN 302 307-1 v1.4.1 (2014-11): Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications; Part 1: DVB-S2. Available at: https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302300_302399/30230701/01.04.01_60/en_30230701v010401p.pdf (accessed: 28.07.2022).ETSI EN 302 755 V1.4.1 (2015-07): Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302700_302799/302755/01.04.01_60/en_302755v010401p.pdf (дата обращения: 28.07.2022).ETSI EN 302 755 V1.4.1 (2015-07): Digital Video Broadcasting (DVB); Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2). Available at: https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302700_302799/302755/01.04.01_60/en_302755v010401p.pdf (accessed: 28.07.2022).Гельгор А. Л., Горлов А. И. Повышение спектральной и энергетической эффективности сигнально-кодовых конструкций DVB-S2 путем замены найквистовских импульсов на оптимальные финитные импульсы // Радиотехника. 2016. № 12. С. 94−104.Gelgor A. L., Gorlov A. I. Transition from Nyquist Pulses to Optimal Finite Pulses. Radioengineering. 2016, no. 12, pp. 94−104. (In Russ.)Нгуен В. Ф., Горлов А. И., Гельгор А. Л. Достижение максимальной спектральной эффективности путем одновременного увеличения размера сигнального созвездия и введения управляемой межсимвольной интерференции // Радиотехника. 2018. № 1. С. 42−48.Nguen V. F., Gorlov A. I., Gelgor A. L. Towards to the Maximum Bandwidth Efficiency by Combining Increasing Signal Constellation Size and Introducing ISI. Radioengineering. 2018, no. 1, pp. 42−48. (In Russ.)Optimizing the shape of faster-than-nyquist (FTN) signals with the constraint on energy concentration in the occupied frequency bandwidth / S. B. Makarov, A. S. Ovsyannikova, S. V. Zavjalov, I. I. Lavrenyuk, M. Liu, W. Xue, J. Qi // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 130082−130093. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3009213Makarov S. B., Ovsyannikova A. S., Zavjalov S. V., Lavrenyuk I. I., Liu M., Xue W., Qi J. Optimizing the shape of faster-than-nyquist (FTN) signals with the constraint on energy concentration in the occupied fre-quency bandwidth. IEEE Access. 2020, vol. 8, pp. 130082−130093. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3009213Said A., Anderson J. B. Bandwidth-Efficient Coded Modulation With Optimized Linear PartialResponse Signals // IEEE Trans. Inform. Theory. 1998. Vol. 44, № 2. P. 701−713. doi: 10.1109/18.661514Said A., Anderson J. B. Bandwidth-Efficient Coded Modulation With Optimized Linear PartialResponse Signals. IEEE Trans. Inform. Theory. 1998, vol. 44, no. 2, pp. 701−713. doi: 10.1109/18.661514Evaluation of Finite Discrete RRC-Pulse Parameters to Simulate DVB-S2 with LDM / D. Puzko, Y. Batov, A. Gelgor, D. Tkachenko, P. Angueira, J. Montalban // 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), St Petersburg, Russia, 17−18 Oct. 2019. IEEE, 2019. P. 140−143. doi: 10.1109/EExPolytech.2019.8906847Puzko D., Batov Y., Gelgor A., Tkachenko D., Angueira P., Montalban J. Evaluation of Finite Discrete RRC-Pulse Parameters to Simulate DVB-S2 with LDM. 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), St Petersburg, Russia, 17−18 Oct. 2019. IEEE, 2019, pp. 140−143. doi: 10.1109/EExPolytech.2019.8906847Rashich A., Kislitsyn A., Gorbunov S. Trellis Demodulator for Pulse Shaped OFDM // 2018 IEEE Intern. Black Sea Conf. on Communications and Networking (BlackSeaCom). Batumi, Georgia, 04−07 June 2018. IEEE, 2018. P. 1−5. doi: 10.1109/BlackSeaCom.2018.8433690Rashich A., Kislitsyn A., S. Gorbunov. Trellis Demodulator for Pulse Shaped OFDM. 2018 IEEE Intern. Black Sea Conf. on Communications and Networking (BlackSeaCom). Batumi, Georgia, 04−07 June 2018. IEEE, 2018, pp. 1−5. doi: 10.1109/BlackSeaCom.2018.8433690Zavjalov S. V., Volvenko S. V., Makarov S. B. A Method for Increasing the Spectral and Energy Efficiency SEFDM Signals // IEEE Communications Letters. 2016. Vol. 20, № 12. P. 2382−2385. doi: 10.1109/LCOMM.2016.2607742Zavjalov S. V., Volvenko S. V., Makarov S. B. A Method for Increasing the Spectral and Energy Efficiency SEFDM Signals. IEEE Communications Letters. 2016, vol. 20, no. 12, pp. 2382−2385. doi: 10.1109/LCOMM.2016.2607742Rashich A., Urvantsev A. Pulse-Shaped Multicarrier Signals with Nonorthogonal Frequency Spacing // 2018 IEEE Intern. Black Sea Conf. on Communications and Networking (BlackSeaCom). Batumi, Georgia, 04−07 June 2018. IEEE, 2018. P. 1−5. doi: 10.1109/BlackSeaCom.2018.8433714Rashich A., Urvantsev A. Pulse-Shaped Multicarrier Signals with Nonorthogonal Frequency Spacing. 2018 IEEE Intern. Black Sea Conf. on Communications and Networking (BlackSeaCom). Batumi, Georgia, 04−07 June 2018. IEEE, 2018, pp. 1−5, doi: 10.1109/BlackSeaCom.2018.8433714Гельгор А. Л., Горлов А. И., Попов Е. А. Преодоление "барьера" Найквиста при использовании одночастотных неортогональных многокомпонентных сигналов // Радиотехника. 2015. № 1. С. 32−48.Gelgor A. L., Gorlov A. I., Popov E. A. Exceeding the "Nyquist Barrier" by Single-Carrier Nonorthogonal Multicomponent Signals. Radioengineering. 2015, no. 1, pp. 32−48. (In Russ.)Lathi, B., Green, R. Essentials of Digital Signal Processing. Cambridge: Cambridge University Press, 2014. 760 p. doi:10.1017/CBO9781107444454Lathi, B., Green, R. Essentials of Digital Signal Processing. Cambridge, Cambridge University Press, 2014, 760 p. doi:10.1017/CBO9781107444454Gelgor A., Gelgor T. New Pulse Shapes for Partial Response Signaling to Outperform Faster-thanNyquist Signaling // 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St Petersburg, Russia, 17−18 Oct. 2019. IEEE, 2019. P. 144−148. doi: 10.1109/EExPolytech.2019.8906884Gelgor A., Gelgor T. New Pulse Shapes for Partial Response Signaling to Outperform Faster-thanNyquist Signaling. 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St Petersburg, Russia, 17−18 October 2019. IEEE, 2019, pp. 144−148. doi: 10.1109/EExPolytech.2019.8906884Макаров С. Б., Завьялов С. В., Овсянникова А. С. Спектральная и энергетическая эффективность оптимальных АФМ сигналов с увеличенными размерами сигнального созвездия // Вопр. радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2022. Вып. 2. С. 30−42.Makarov S. B., Zavjalov S. V., Ovsyannikova A. S. Spectral and Energy Efficiency of Optimal APM Signals with Extended Signal Constellations. Voprosy radioelektroniki, seriya Tekhnika televideniya. 2022, iss. 2, pp. 30−42. (In Russ.)Phuoc Nguyen T. H., Gelgor A. Means to Enhance the Bandwidth Gain from Applying Multicomponent Signals in DVB-S2 // 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). St Petersburg, Russia, 17−18 Oct. 2019. IEEE, 2019. P. 173−176. doi: 10.1109/EExPolytech.2019.8906865Phuoc Nguyen T. H., Gelgor A. Means to Enhance the Bandwidth Gain from Applying Multicomponent Signals in DVB-S2. 2019 IEEE Intern. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). Petersburg, Russia, 17−18 Oct. 2019. IEEE, 2019, pp. 173−176. doi: 10.1109/EExPolytech.2019.8906865Френкс, Л. Теория сигналов / пер. с англ. М. Р. Краевской и Р. М. Седлецкого; под ред. Д. Е. Вакмана. М.: Сов. радио, 1974. 343 с.Franks L. E. Signal Theory. NJ Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1969, 317 p.Гуревич М. С. Спектры радиосигналов. М.: Связьиздат, 1963. 312 с.Gurevich M. S. Spektry radiosignalov [Spectra of Radio Signals]. Moscow, Svyaz'izdat, 1963, 312 p. (In Russ.)Slepian D. On bandwidth // Proc. of the IEEE. 1976. Vol. 64, № 3. P. 292−300. doi: 10.1109/PROC.1976.10110Slepian D. On Bandwidth. Proc. of the IEEE. 1976, vol. 64, no. 3, pp. 292−300. doi: 10.1109/PROC.1976.10110Slepian D., Pollak H. O. Prolate spheroidal wave functions, fourier analysis and uncertainty – I // The Bell System Technical J. 1961. Vol. 40, № 1. P. 43−63. doi: 10.1002/j.1538-7305.1961.tb03976.xSlepian D., Pollak H. O. Prolate Spheroidal Wave Functions, Fourier Analysis and Uncertainty – I. The Bell System Technical J. 1961, vol. 40, no. 1, pp. 43−63. doi: 10.1002/j.1538-7305.1961.tb03976.xA Reduction of Peak-to-Average Power Ratio Based Faster-Than-Nyquist Quadrature Signals for Satellite Communication / S. B. Makarov, M. Liu, A. S. Ovsyannikova, S. V. Zavjalov, I. Lavrenyuk, W. Xue, Y. Xu // Symmetry. 2021. Vol. 13, iss. 2. P. 346. doi: 10.3390/sym13020346Makarov S. B., Liu M., Ovsyannikova A. S., Zavjalov S. V., Lavrenyuk I., Xue W., Xu Y. A Reduction of Peak-to-Average Power Ratio Based FasterThan-Nyquist Quadrature Signals for Satellite Communication. Symmetry. 2021, vol. 13, iss. 2, p. 346. doi: 10.3390/sym13020346

The authors declare that there are no conflicts of interest present.