radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2024-27-5-6-23radioelectronics-929Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESРазделение циклостационарных сигналов и наводок в линиях передачи печатных плат методом независимых компонентSeparation of Cyclostationary Signals and Interference in Transmission Lines of Printed Circuit Boards Based on Independent Component Analysishttps://orcid.org/0000-0003-1194-3445КузнецовЮ. В.KuznetsovYu. V.

Кузнецов Юрий Владимирович – доктор технических наук (2005), профессор (2007), заведующий кафедрой теоретической радиотехники. Почетный работник высшего профессионального образования Российской Федерации (2012). Заслуженный работник высшей школы Российской Федерации (2020).

Волоколамское шоссе, д. 4, ГСП-3, Москва, 125993

Yury V. Kuznetsov - Dr Sci. (Eng.) (2005), Professor (2007), Head of the Department of Theoretical Radio Engineering of Moscow Aviation Institute (National Research University). Honorary Worker of Higher Professional Education of the Russian Federation (2012). Honored Worker of Higher School of the Russian Federation (2020).

4, Volokolamskoye Highway, GSP-3, Moscow 125993

kuznetsovyv@mai.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3829-1379БаевА. Б.BaevA. B.

Баев Андрей Борисович – кандидат технических наук (2002), доцент (2007), доцент кафедры теоретической радиотехники (405), начальник научно-исследовательского отдела кафедры 405 Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

Волоколамское шоссе, д. 4, ГСП-3, Москва, 125993

Andrey B. Baev - Cand. Sci. (Eng.) (2002), Associate Professor (2007), Associate Professor and a head of R&D Department on the Theoretical Radio Engineering.

4, Volokolamskoye Highway, GSP-3, Moscow 125993

baev@mai.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5673-1580КоновалюкМ. А.KonovalyukM. A.

Коновалюк Максим Александрович – кандидат технических наук (2011), доцент кафедры теоретической радиотехники Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

Волоколамское шоссе, д. 4, ГСП-3, Москва, 125993

Maxim A. Konovalyuk - Cand. Sci. (Eng.) (2011), Associate Professor of the Theoretical Radio Engineering Department.

4, Volokolamskoye Highway, GSP-3, Moscow 125993

konovalyukma@mai.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1300-1718ГорбуноваА. А.GorbunovaA. A.

Горбунова Анастасия Александровна – кандидат технических наук (2014), доцент кафедры теоретической радиотехники Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

Волоколамское шоссе, д. 4, ГСП-3, Москва, 125993

Anastasia A. Gorbunova - Cand. Sci. (Eng.) (2014), Associate Professor of the Theoretical Radio Engineering Department.

4, Volokolamskoye Highway, GSP-3, Moscow 125993

gorbunovaaa@mai.ruМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation202421112024275623Copyright © Кузнецов Ю.В., Баев А.Б., Коновалюк М.А., Горбунова А.А., 20242024Кузнецов Ю.В., Баев А.Б., Коновалюк М.А., Горбунова А.А.Kuznetsov Y.V., Baev A.B., Konovalyuk M.A., Gorbunova A.A.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/929Введение

Введение. При разработке и тестировании высокоскоростных линий связи цифровых электронных устройств проводится контроль формы электрических сигналов и наводок в линиях передачи с использованием глазковых диаграмм. В настоящее время контроль осуществляется с использованием многоканальных измерительных приборов, позволяющих определять форму импульсных сигналов и связанных с ними импульсных перекрестных помех.

Цель работы

Цель работы. Разработка способа слепой идентификации модели неизвестного сигнала, измеренного цифровым осциллографом в микрополосковых линиях передачи.

Материалы и методы

Материалы и методы. В работе использована модель сигнала, представляющего собой сумму информационного сигнала, межсимвольной интерференции и перекрестной помехи от соседней линии передачи в предположении статистической независимости символов их источников. Реализованный способ слепой идентификации позволил выполнить разделение трех компонент сигнала и определить их парциальные импульсные отклики. Предложенная процедура оценки характеристик модели сигнала включает в себя предварительную обработку измеренных данных с использованием метода главных компонент и последующий анализ независимых компонент на основе статистических характеристик четвертого порядка.

Результаты

Результаты. В статье представлены результаты параллельной и независимой обработки экспериментальных данных, измеренных в микрополосковых линиях передачи двух близкорасположенных печатных плат, демонстрирующие эффективность предложенного способа разделения сигналов. Проведено сравнение методов слепого разделения сигналов на основе статистик второго порядка, кумулянтов четвертого порядка и метода независимых компонент. Результаты проведенного моделирования показали, что для произвольной формы парциальных импульсов метод независимых компонент обеспечивает наилучшее качество восстановления.

Заключение

Заключение. Разработанный способ слепой идентификации параметров сигналов, измеренных в высокоскоростных линиях связи цифровых электронных устройств, позволит расширить функционал систем проектирования и тестирования многоканальных проводных линий связи.

Introduction

Introduction. When developing and testing high-speed communication links of digital electronic devices, the pulse shape of electrical signals and interference in transmission lines is commonly controlled using eye diagrams. Partial pulse responses are estimated by modern multi-channel testing and measuring equipment using specific testing procedures. Aim. To develop an approach to blind identification of a wireline communication signal measured by a digital oscilloscope in microstrip transmission lines.

Materials and methods

Materials and methods. The study was carried out using a communication signal model composed of a superposition of the information signal, intersymbol interference, and crosstalk interference from an adjacent transmission line, with the symbols of these signal sources being assumed statistically independent. The implemented blind identification method makes it possible to separate three components of the signal and evaluate their partial pulse responses. The proposed procedure for signal separation includes preliminary processing of the data measured by principal component analysis followed by an analysis of independent components based on fourth-order statistical characteristics.

Results

Results. The performance of the proposed signal separation method is demonstrated using the results of parallel and independent data processing measured in microstrip transmission lines in an experimental setup with two closely spaced printed circuit boards. A comparison of blind signal separation methods is carried out based on second-order statistics, fourth-order cumulants, and independent component analysis. The proposed method of independent component analysis demonstrated the highest efficiency in terms of minimum bit error probability for blind signal separation with arbitrary partial pulse responses, which was confirmed by simulation results.

Conclusion

Conclusion. The developed approach to blind identification of wireline signal parameters measured in high-density integrated digital electronic devices extends the range of systems for circuit design and testing of multi-channel high-speed communication lines.

перекрестная помехаметод слепой идентификацииметод главных компонентциклостационарный процесскумулянт четвертого порядкаcrosstalkblind identification methodprincipal component analysiscyclostationary processfourth order cumulantReferencesHerres D. Oscilloscopes: A Manual for Students, Engineers, and Scientists. New York: Springer International Publishing, 2020. 267 p. doi: 10.1007/978-3-030-53885-9Herres D. Oscilloscopes: A Manual for Students, Engineers, and Scientists. New York, Springer International Publishing, 2020, 267 p. doi: 10.1007/978-3-030-53885-9Horowitz P., Hill W. The Art of Electronics. Cambridge: Cambridge University Press, 2015. 1220 p.Horowitz P., Hill W. The Art of Electronics. Cambridge, Cambridge University Press, 2015, 1220 p.Pre-FEC and Post-FEC BER as Criteria for Optimizing Wireline Transceivers / M. Yang, S. Shahramian, H. Wong, P. Krotnev, A. C. Carusone // IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems (ISCAS), Daegu, Korea, 22–28 May 2021. IEEE, 2021. doi: 10.1109/iscas51556.2021.9401125Yang M., Shahramian S., Wong H., Krotnev P., Carusone A. C. Pre-FEC and Post-FEC BER as Criteria for Optimizing Wireline Transceivers. IEEE Intern. Symp. on Circuits and Systems (ISCAS), Daegu, Korea, 22–28 May 2021. IEEE, 2021. doi: 10.1109/iscas51556.2021.9401125Sanders A., Resso M., D’Ambrosia J. Channel Compliance Testing Utilizing Novel Statistical Eye Methodology // Proc. DesignCon, Santa Clara, USA, Feb. 2004. 25 p.Sanders A., Resso M., D’Ambrosia J. Channel Compliance Testing Utilizing Novel Statistical Eye Methodology. Proc. DesignCon, Santa Clara, USA, Feb. 2004, 25 p.Sequence-Coded Multilevel Signaling for High-Speed Interface / C. R. Dick, Aurangozeb, M. Mohammad, M. Hossain // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2020. Vol. 55, № 1. P. 27–37. doi: 10.1109/JSSC.2019.2941016Aurangozeb, Dick C. R., Mohammad M., Hossain M. Sequence-Coded Multilevel Signaling for HighSpeed Interface. IEEE J. of Solid-State Circuits. 2020, vol. 55, no. 1, pp. 27–37. doi: 10.1109/JSSC.2019.2941016Френкс Л., Теория сигналов: пер. с англ. / под ред. Д. Е. Вакмана. М. : Сов. радио, 1974. 343 с.Franks L. E. Signal Theory. New Jersey, Prentice-Hall, 1969, 317 p.Gardner W. A. Cyclostationarity in communication and signal processing. New York: IEEE Press, 1994. 448 p.Gardner W. A. Cyclostationarity in Communication and Signal Processing. New York, IEEE Press, 1994, 448 p.Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Сов. радио, 1966. 728 с.Levin B. R. Teoreticheskie osnovy statisticheskoy radiotehniki [Theoretical Foundations of Statistical Radio Engineering]. Мoscow, Sov. radio, 1966, 728 p. (In Russ.)Chrysostomos N. L., Petropulu A. P. Higher-order spectra analysis: a nonlinear signal processing framework. New Jersey: PTR Prentice Hall, 1993. 537 p.Chrysostomos N. L., Petropulu A. P. Higher-Order Spectra Analysis: A Nonlinear Signal Processing Framework. New Jersey, PTR Prentice Hall, 1993, 537 p.Zarzoso V., Nandi A. K. Blind Source Separation. Blind Estimation Using Higher-Order Statistics. Boston: Springer, 1999. P. 167–252. doi: 10.1007/978-1-4757-2985-6_4Zarzoso V., Nandi A. K. Blind Source Separation. Blind Estimation Using Higher-Order Statistics. Boston, Springer, 1999, pp. 167–252. doi: 10.1007/978-1-4757-2985-6_4Qureshi S. U. H. Adaptive equalization // Proc. of the IEEE. 1985. Vol. 73, № 9. P. 1349–1387. doi: 10.1109/proc.1985.13298Qureshi S. U. H. Adaptive Equalization. Proc. of the IEEE. 1985, vol. 73, no. 9, pp. 1349–1387. doi: 10.1109/proc.1985.13298Anderson J. B., Rusek F., Owall V. Faster-Than-Nyquist Signaling // Proc. of the IEEE. 2013. Vol. 101, № 8. P. 1817–1830. doi: 10.1109/JPROC.2012.2233451Anderson J. B., Rusek F., Owall V. Faster-ThanNyquist Signaling. Proc. of the IEEE. 2013, vol. 101, no. 8, pp. 1817–1830. doi: 10.1109/JPROC.2012.2233451Lathi B. P., Ding Zhi. Modern Digital and Analog Communication Systems. 4th ed. Oxford: Oxford University Press, 2009. 1004 p.Lathi B. P., Ding Zhi. Modern Digital and Analog Communication Systems. 4th ed. Oxford, Oxford University Press, 2009, 1004 p.Meyr H. Digital Communication Receivers: Synchronization, Channel Estimation and Signal Processing. New York: John Wiley & Sons Inc, 1997. 864 p. doi: 10.1002/0471200573Meyr H. Digital Communication Receivers: Synchronization, Channel Estimation and Signal Processing. New York, John Wiley & Sons Inc, 1997, 864 p. doi: 10.1002/0471200573Hyvärinen A., Karhunen J., Oja E. Independent component analysis. London: Wiley Interscience, 2001. 504 p. doi: 10.1002/0471221317Hyvärinen A., Karhunen J., Oja E. Independent Component Analysis. London, Wiley Interscience, 2001, 504 p. doi: 10.1002/0471221317Kay S. M. Intuitive Probability and Random Processes Using MATLAB. New York: Springer, 2006. 834 p. doi: 10.1007/b104645Kay S. M. Intuitive Probability and Random Processes Using MATLAB. New York, Springer, 2006, 834 p. doi: 10.1007/b104645Independent Component Analysis of the Cyclostationary Signals in the Transmission Line / Yu. V. Kuznetsov, A. B. Baev, M. A. Konovalyuk, A. A. Gorbunova, J. A. Russer // Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility – EMC Europe, Gothenburg, Sweden, 05–08 Sept. 2022. IEEE, 2022. P. 96–101. doi: 10.1109/EMCEurope51680.2022.9901014Kuznetsov Yu. V., Baev A. B., Konovalyuk M. A., Gorbunova A. A., Russer J. A. Independent Component Analysis of the Cyclostationary Signals in the Transmission Line. Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility – EMC Europe, Gothenburg, Sweden, 05–08 Sept. 2022. IEEE, 2022, pp. 96–101. doi: 10.1109/EMCEurope51680.2022.9901014Blind Separation of the Measured Mixed Cyclostationary Waveforms in Transmission Lines of the PCB / Yu. V. Kuznetsov, A. B. Baev, M. A. Konovalyuk, A. A. Gorbunova // Electronics. 2023. Vol. 12, № 15. P. 3272. doi: 10.3390/electronics12153272Kuznetsov Yu. V., Baev A. B., Konovalyuk M. A., Gorbunova A. A. Blind Separation of the Measured Mixed Cyclostationary Waveforms in Transmission Lines of the PCB. Electronics. 2023, vol. 12, no. 15, p. 3272. doi: 10.3390/electronics12153272Cyclostationary Crosstalk Cancelation in High-Speed Transmission Lines / Yu. V. Kuznetsov, A. B. Baev, M. A. Konovalyuk, A. A. Gorbunova // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, № 17. P. 7988. doi: 10.3390/app11177988Kuznetsov Yu. V., Baev A. B., Konovalyuk M. A., Gorbunova A. A. Cyclostationary Crosstalk Cancelation in High-Speed Transmission Lines. Applied Sciences. 2021, vol. 11, no. 17, p. 7988. doi: 10.3390/app11177988Формирование вероятностной модели циклостационарных сигналов в линиях передачи электронных устройств / М. А. Коновалюк, А. Б. Баев, А. А. Горбунова, Ю. В. Кузнецов // Электросвязь. 2020. № 12. С. 64–71. doi: 10.34832/elsv.2020.13.12.010Konovalyuk M. A., Baev A. B., Gorbunova A. A., Kuznetsov Yu. V. Generation of a Probabilistic Model of Cyclostationary Signals in Transmission Lines of Electronic Devices. Electrosvyaz. 2020, no. 12, pp. 64–71. doi: 10.34832/elsv.2020.13.12.010. (In Russ.)

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