Informacionnye TehnologiiInformacionnye TehnologiiИнформационные технологии1684-6400New Technologies Publishing House70207810.17587/it.31.507-516Modeling and optimizationМоделирование и оптимизацияResearch ArticleMethodology for assessing the noise immunity of digital signal reception in a shortwave communication channel taking into account the diffuseness of the ionosphereМетодика оценки помехоустойчивости приема цифровых сигналов в коротковолновом канале связи с учетом диффузности ионосферыPashintsevV. P.ПашинцевВ. П.
Russian Federation

Dr. of Eng. Sc., Professor

д-р техн. наук, проф.

pasintsevp@mail.ruBelokonD. A.БелоконьД. А.
Russian Federation

Senior Researcher

ст. науч. сотр.

ahoi8@yandex.ruNorth Caucasus Federal UniversityСеверо-Кавказский федеральный университетKrasnodar Higher Military SchoolКраснодарское высшее военное училище1510202531105075160202202602022026Copyright ©; 2025, Informacionnye TehnologiiCopyright ©; 2025, Информационные технологии2025Informacionnye TehnologiiИнформационные технологииhttps://journals.eco-vector.com/1684-6400/article/view/702078

The paper shows the dependence of the noise immunity of signals with multiple PSK and QAM modulation of a shortwave communication channel with Rician fading on the ratio of the operating frequency to the maximum usable frequency and the degree of ionosphere diffuseness. The noise immunity was estimated based on the moment function and numerical methods. Numerical calculations of the error probability were performed using the built-in MATLAB simulation tool. The values of the permissible signal-to-noise ratio were established to ensure the required error probability for PSK signals with a modulation ratio of M = 8 and QAM signals with a modulation ratio of M = 64. The modulation ratio of the signals was selected based on the signals actually used in the shortwave communication channel established in the MIL-STD-188-110B standard. Interoperability and Performance Standards for Data Modems. To estimate the signal fading depth in the Rician channel, a known technique for estimating the dependence of the Rician parameter on the ratio of the operating frequency to the maximum usable frequency and the degree of ionosphere diffuseness was used. Also, energy losses of the permissible signal-to-noise ratio of PSK-8 and QAM-64 signals were established in comparison with signals with binary orthogonal frequency modulation BFSK depending on the ratio of the operating frequency to the maximum usable frequency and the degree of ionosphere diffuseness. For QAM-64 signals, it was found that their energy loss relative to BFSK will be about 4 dB under normal diffuseness conditions and about 2 dB under moderate diffuseness conditions. For PSK-8 signals, it was found that their energy gain relative to BFSK will be about 4 dB under normal and moderate diffuseness conditions. The developed method allows, based on the results of probing the level of ionospheric diffuseness, to select such ratios of the operating frequency to the maximum usable frequency in a single-mode short-wave communication channel that will provide an acceptable value of the probability of erroneous reception of signals with multiple phase and quadrature-amplitude modulations. It is advisable to further develop this method to evaluate the throughput of a short-wave communication channel when receiving PSK and QAM signals with Rician fading.

Рассматривается влияние диффузости ионосферы и выбора рабочей частоты в однолучевой коротковолновой радиолинии на помехоустойчивость приема сигналов с многократной (M > 2) фазовой и квадратурно-амплитудной модуляцией. Установлены зависимости допустимого (для обеспечения требуемой вероятности ошибки, равной 10–5) отношения сигнал/шум на входе приемника сигналов с фазовой модуляцией кратностью М = 8 и квадратурно-амплитудной модуляцией кратностью М = 64 от отношения рабочей частоты к максимально применимой частоте коротковолновой радиолинии при отсутствии диффузности ионосферы и ее нормальном и умеренном уровнях.

single-beam short-wave communication channelionospherediffusenessfadingnoise immunityphase modulationquadrature-amplitude modulationоднолучевый коротковолновый канал связиионосферадиффузностьзамиранияпомехоустойчивостьфазовая модуляцияквадратурно-амплитудная модуляцияРоссийский Научный ФондRussian Science Foundation24-21-00295Berezovskiy V. A., Dul’keyt I. V., Savitskiy O. K. Modern decameter radio communication: equipment, systems and complexes, Ed. by. V. A. Berezovsky. Moscow, Radiotekhnika, 2011, 444 p. (in Russian).Березовский В. А., Дулькейт И. В., Савицкий О. К. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / Под ред. В. А. Березовского. М.: Радиотехника, 2011. 444 с.Chernov Yu. А. Special issues of radio wave propagation in communication and broadcasting networks, Moscow, TECHNOSPHERА, 2018, 688 p. (in Russian).Чернов Ю. А. Специальные вопросы распространения радиоволн в сетях связи и радиовещания. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018, 688 с.Khmel’nitskiy Ye. А. Assessment of real noise immunity of signal reception in the HF range, Moscow, Svyaz’, 1975, 232 p. (in Russian).Хмельницкий Е. А. Оценка реальной помехоустойчивости приема сигналов в КВ диапазоне. М.: Связь, 1975, 232 с.Fabritsio D. A. High-frequency over-the-horizon radar: fundamental principles, signal processing and practical application, Moscow, TEKHNOSFERA, 2018, 936 p. (in Russian).Фабрицио Д. А. Высокочастотный загоризонтный радар: основополагающие принципы, обработка сигналов и практическое применение. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018. 936 с.Fink L. M. Theory of discrete message transmission, Moscow, Sov.radio, 1970, 728 p. (in Russian).Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970. 728 с.Oroshchuk I. M., Suchkov А. N., Zharikov-Gorskiy V. А., Solovyev M. V. The simulation method of decameter range scalar radiointerference field, randomized by digital antenna array, Journal of Radio Electronics, 2018, no. 4, DOI: 10.30898/1684-1719.2018.4.4.Oroshchuk I. M., Suchkov А. N., Zharikov-Gorskiy V. А., Solovyev M. V. The simulation method of decameter range scalar radiointerference field, randomized by digital antenna array // Journal of Radio Electronics. 2018. N. 4. DOI: 10.30898/1684-1719.2018.4.4.Zhukov G. A., Budko P. A., Dyachenko А. N. Modification of the Waterson model of the ionospheric shortwave radio channel for adaptive spatial diversity reception, Sistemy upravleniya, svyazi i bezopasnosti, 2023, no. 2, pp. 147—174 (in Russian), DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-147-174.Жуков Г. А., Будко П. А., Дяченко А. Н. Повышение скорости обмена данными в направлениях "берег-море-берег" по радиотрактам декаметрового диапазона волн // Системы управления, связи и безопасности. 2023. № 2. С. 147—174. DOI: 10.24412/2410-9916-2023-2-147-174.Oroshchuk I. M., Suchkov A. N., Kadochnikov M. I. Formation of single-beam decameter communication channels using digital antenna arrays placed on natural slopes, Zhurnal radioelektroniki, 2023, no. 9 (in Russian), DOI: 10.30898/1684-1719.2023.9.12.Орощук И. М., Сучков А. Н., Кадочников М. И. Формирование однолучевых декаметровых каналов связи с помощью цифровых антенных решеток, размещенных на естественных склонах // Журнал радиоэлектроники. 2023. № 9. DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.9.12.Oroshchuk I. M., Gureyev I. Ye, Suchkov A. N., Solov’yev M. V. Results of a study of spatial-correlation characteristics of a single-beam ionospheric decameter communication channel. Morskiye intellektual’nyye tekhnologii, 2020, no. 1, vol. 2, pp. 145—150 (in Russian).Орощук И. М., Гуреев И. Е, Сучков А. Н., Соловьев М. В. Результаты исследования пространственно-корреляционных характеристик однолучевого ионосферного декаметрового канала связи // Морские интеллектуальные технологии. 2020. Т. 2, № 1. С. 145—150.Vertogradov G. G., Uryadov V. P., Vertogradova E. G. Ionosonde-radio direction finder with linear frequency modulation of signal a new tool for studying the ionosphere and radio wave propagation, Izv. vuzov. Radiofizika, 2008, vol. LVI, no. 5, pp. 287—306.Вертоградов Г. Г., Урядов В. П., Вертоградова Е. Г. Ионозонд-радиопеленгатор с линейной частотной модуляцией сигнала — новый инструмент для исследований ионосферы и распространения радиоволн // Изв. вузов. Радиофизика. 2008. Т. LVI, № 5. С. 287—306.Klovskiy D. D. Transmission of discrete messages over radio channels, Moscow, Radio i svyaz’, 1982, 304 p. (in Russian).Кловский Д. Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. М.: Радио и связь, 1982. 304 с.Barnes R. I. Spread Es structure producing apparent small scale structure in the F region, Journal pf Atmospheric and Terrestrial Physics, vol. 54 (3-4), 1992, pp.373—389.Barnes R. I. Spread — Es structure producing apparent small scale structure in the F — region // Journal pf Atmospheric and Terrestrial Physics. 1992. Vol. 54 (3-4). P. 373—389.Sklar В. Digital communications: fundamentals and applications, London, U. K., Pearson, 2021, 1104 p.Sklar В. Digital communications: fundamentals and applications. London, U. K.: Pearson, 2021. 1104 p.Simon K., Alouini M. S. Digital Communication over Fading Channels: А Unified Approach to Performance Analysis, New York, John Wiley&Sons, 2000, 544 p.Simon K., Alouini M. S. Digital Communication over Fading Channels: А Unified Approach to Performance Analysis. New York: John Wiley&Sons, 2000. 544 p.Yakovlev O. I., Yakubov V. P., Uryadov V. P., Pavel’yev А. G. Radio wave propagation, Moscow, LENAND, 2009, 496 p. (in Russian).Яковлев О. И., Якубов В. П., Урядов В. П., Павельев А. Г. Распространение радиоволн. М.: ЛЕНАНД, 2009. 496 с.Yeh K. H., Liu C-H. Radio Wave Scintillations in the Ionosphere. Proceedings of the IEEE, 1982, vol. 70, no. 4, pp. 324—360, DOI: 10.1109/proc.1982.12313.Yeh K. H., Liu C-H. Radio Wave Scintillations in the Ionosphere // Proceedings of the IEEE. April 1982. Vol. 70, N. 4. P. 324—360. DOI: 10.1109/proc.1982.12313.Pashintsev V. P., Omelchuk A. V., Koval S. A., Galushko Yu.I. Method for determining the intensity of irregularities from ionospheric sounding data, Double technologies, 2009, no. 1, pp. 38—41 (in Russian).Пашинцев В. П., Омельчук А. В., Коваль С. А., Галушко Ю. И. Метод определения величины интенсивности неоднородностей по данным ионосферного зондирования // Двойные технологии. 2009. № 1. С. 38—41.Pashintsev V. P., Belokon D. A., Tsymbal V. A., Koval S. A., Skorik А. D. Methodology for assessing the influence of ionospheric diffuseness and the choice of operating frequency on the noise immunity of shortwave communications, Zhurnal radioelektroniki, 2024, no. 12, DOI: 10.30898/1684-1719.2024.12.2.Пашинцев В. П., Белоконь Д. А., Цимбал В. А., Коваль С. А., Скорик А. Д. Методика оценки влияния диффузности ионосферы и выбора рабочей частоты на помехоустойчивость коротковолновой связи // Журнал радиоэлектроники. 2024. № 12. DOI: 10.30898/1684-1719.2024.12.2.Romanov Yu. V. Evolution of high-speed HF radio modems in the twentieth century, Radiocommunication Engineering, 2016, vol. 1 (28), pp. 72—88 (in Russian).Романов Ю. В. Эволюция высокоскоростных КВ-радиомодемов в ХХ веке // Техника радиосвязи. 2016. Вып. 1 (28). С. 72—88.Puksa D. O., Romanov Yu. V. On the influence of the spectral efficiency of the HF modems signal on their energy efficiency, Radiocommunication Engineering, 2017, vol. 1 (32), pp. 7—16 (in Russian).Пукса Д. О., Романов Ю. В. К вопросу о влиянии спектральной эффективности сигнала КВ-модемов на их энергетическую эффективность // Техника радиосвязи. 2017. Вып. 1 (32). С. 7—16.Mathuranathan V. Wireless Communication Systems in Matlab, Independently published, 2020, 382 p.Mathuranathan V. Wireless Communication Systems in Matlab Second Edition. Independently published, 2020. 382 p.Goldsmith А. Wireless communications, Cambridge university press, 2005, 605 p.Goldsmith А. Wireless Communication. Cambridge University Press, 2005. 644 р.Lee P. J. Computation of the Bit Error Rate of Coherent M-ary PSK with Gray Code Bit Mapping, IEEE Transactions on Communications, 1986, vol. 34, no. 5, pp. 488—491, DOI: 10.1109/ TCOM.1986.1096558.Lee P. J. Computation of the Bit Error Rate of Coherent M-ary PSK with Gray Code Bit Mapping // IEEE Transactions on Communications. 1986. Vol. 34, N. 5. P. 488—491. DOI: 10.1109/ TCOM.1986.1096558.Cho K., Dongweon Y. On the general BER expression of one- and two-dimensional amplitude modulations, IEEE Transactions on Communications, 2002, vol. 50, no. 7, pp. 1074—1080, DOI: 10.1109/tcomm.2002.800818.Cho K., Dongweon Y. On the general BER expression of one- and two-dimensional amplitude modulations // IEEE Transactions on Communications. 2002. Vol. 50, N. 7. P. 1074—1080. DOI: 10.1109/tcomm.2002.800818Pashincev V. P., Belokon D. A., Cimbal V. A., Koval S. A., Skorik А. D. Methodology for assessing the influence of ionospheric diffuseness and the choice of operating frequency on the noise immunity of shortwave communications, Zhurnal Radioelektroniki, 2024, no. 12, DOI: 10.30898/1684-1719.2024.12.2.Слюсарев П. В. Электромагнитная доступность раиоизлучений и антенные устройства. Л.: ВАС, 1978, 108 с.Slyusarev P. V. Electromagnetic accessibility of radio emissions and antenna devices, Leningrad, Military academy of communication Publ., 1978, 108 p. (in Russian).Руководство по организации ионосферно-волновой и частотно-диспетчерской службы на узлах связи Вооруженных сил СССР. М.: Военное издательство, 1990. 96 с.Guide to the organization of ionospheric-wave and frequency-dispatch service at communication nodes of the USSR Armed Forces, Moscow, Voyennoye izdatel’stvo, 1990, 96 p.Youssef T., Abdelfattah E. Performance evaluation of different QAM techniques using Matlab/Simulink // IEEE Long Island Systems, Applications and Technology Conference. Farmingdale. 2013. P. 1—5. DOI: 10.1109/LISAT.2013.6578237.Youssef T., Abdelfattah E. Performance evaluation of different QAM techniques using Matlab/Simulink, IEEE Long Island Systems, Applications and Technology Conference. Farmingdale, 2013, pp. 1—5, DOI: 10.1109/LISAT.2013.6578237.Sadeque G., Shadhon C. M., Firoj A. Multipath Rayleigh and Rician fading channel simulation using MATLAB // American Journal of Engineering Research. 2015. P. 36—42.Sadeque G., Shadhon C. M., Firoj А. Multipath Rayleigh and Rician fading channel simulation using MATLAB, American Journal of Engineering Research, 2015, pp. 36—42.Sanjiv K., Gupta P. K., Singh G., Chauhan D. S. Performance Analysis of Rayleigh and Rician Fading Channel Models using Matlab Simulation // International Journal of Intelligent Systems and Applicaions. 2013. Vol. 5, N. 9. P. 94—102. DOI: 10.5815/ijisa.2013.09.11.Sanjiv K., Gupta P. K., Singh G., Chauhan D. S. Performance Analysis of Rayleigh and Rician Fading Channel Models using Matlab Simulation, International Journal of Intelligent Systems and Applications, 2013, vol. 5, no. 9, pp. 94—102, DOI: 10.5815/ijisa.2013.09.11.Пашинцев В. П., Тишкин С. А., Иванников А. И., Боровлев И. И. Расчет параметра глубины замираний в однолучевой декаметровой радиолинии // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2001. № 12. Т. 44. С. 57—65.Pashintsev V. P., Tishkin S. A., Ivannikov A. I., Borovlev I. I. Calculation of the fading depth parameter in a singlebeam decameter radio link, Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Radioelektronika. 2001, no. 12, vol. 44, pp. 57—65.