Исследование энергетической и спектральной эффективности систем на основе сверточных кодов с мягким декодированием

Приоритетным направлением развития современных телекоммуникационных систем является повышение энергетической эффективности, что позволяет обеспечить надежную передачу данных при минимальных затратах мощности. Тем не менее, стремление к максимальной энергетической эффективности зачастую вступает в противоречие с необходимостью высокоскоростной передачи информации в ограниченной полосе частот. Решение этого противоречия лежит в области совместного применения канального кодирования и многопозиционных схем модуляции, что и служит ключевым подходом к достижению необходимого баланса в современных системах связи. В данной работе детально анализируется эффективность этого подхода на примере комбинации сверточного кодирования с многопозиционными схемами модуляции, а именно с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK – Quadrature Phase Shift Keying) и квадратурной амплитудной модуляцией (QAM – Quadrature Amplitude Modulation) различных порядков. Особое внимание уделяется анализу производительности системы при использовании алгоритмов декодирования сверточных кодов с мягкими решениями. Основной целью работы является изучение стабильности передачи цифровой информации по каналу с аддитивным белым гауссовским шумом, а также количественная оценка влияния различных видов модуляции и кодовых скоростей на производительность системы. Для достижения поставленной цели был применен комбинированный подход, сочетающий теоретический анализ на основе теории кодирования и компьютерное моделирование в среде MATLAB. Одним из наиболее значимых результатов, полученных в работе, является демонстрация того, что применение мягких решений обеспечивает выигрыш в кодировании от 2 до 4 дБ по сравнению с методом жестких решений при одинаковых условиях функционирования. Представленные результаты позволяют повысить выигрыш от кодирования, а также определить компромисс между энергетической и спектральной эффективностью в системах связи.

1. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Москва: Издательский дом «Вильямс»; 2003. 1104 с.

2. Прокис Дж. Цифровая связь. Москва: Радио и связь; 2000. 800 с.

3. Парамонов А.А., Чу В.В. Помехоустойчивость приема сигнала OFDM с использованием квадратурной амплитудной модуляции с мягкими решениями при наличии узкополосных помех. Russian Technological Journal. 2024;12(5):17–32. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2024-12-5-17-32

4. Perişoară L.A., Stoian R. The Decision Reliability of MAP, Log-MAP, Max-Log-MAP and SOVA Algorithms for Turbo Codes. International Journal of Communications. 2008;2(1):65–74.

5. Cao X., Liu Yi, Hu D. Simplified LLR Algorithm for M‐QAM Demodulation. The Journal of Engineering. 2019;2019(21):7370–7375. https://doi.org/10.1049/joe.2019.0634

6. Берлекэмп Э. Алгебраическая теория кодирования. Москва: Мир; 1971. 479 с.

7. Katta K. Design of Convolutional Encoder and Viterbi Decoder Using MATLAB. International Journal for Research in Emerging Science and Technology. 2014;1(7):10–15.

8. Mosleh M.F., Abid F.A. Log-Likelihood Ratio to Improve Hard Decision Viterbi Algorithm. Engineering and Technology Journal. 2013;31(9):1779–1790. https://doi.org/10.30684/etj.2013.82189

9. Шеннон К.Э. Работы по теории информации и кибернетике. Москва: Изд. иностр. литературы; 1963. 829 с.

10. Макаров С.Б., Цикин И.А. Передача дискретных сообщений по радиоканалам с ограниченной полосой пропускания. Москва: Радио и связь; 1988. 304 с.