Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 359 -

Глава 4

4.9 Анализ сигналов

Стр.

4.9 Анализ сигналов ............................................................................................................ 360

4.9.1 Общие положения .......................................................................................................... 360

4.9.2 Применение анализа сигналов для контроля спектра ................................................ 360

4.9.3 Сценарий анализа сигналов .......................................................................................... 360

4.9.4 Средства и оборудование для анализа сигналов ........................................................ 362

4.9.4.1 Определение основных параметров сигнала .............................................................. 366

4.9.4.2 Определение детальных параметров сигнала ............................................................. 369

4.9.4.3 Идентификация путем взаимной корреляции с испытательным сигналом ............. 370

4.9.4.4 Демодуляция/декодирование ........................................................................................ 371

4.9.4.5 Выводы ........................................................................................................................... 372

4.9.5 Практические применения (примеры).......................................................................... 372

4.9.5.1 Обнаружение и анализ помех ....................................................................................... 372

4.9.5.2 Измерение частоты сигналов МДКР и высокоскоростных сигналов с ФМн........... 375

4.9.5.3 Анализ содержания ЧМ радиовещательного сигнала в основной полосе частот ... 376

4.9.5.4 Цифровая система анализа для радиочастотного контроля ...................................... 377

4.9.5.5 Измерения (плотности потока мощности) ниже минимального уровня шума ....... 379

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 – Примеры статистических данных для некоторых типов сигналов .......... 382

- 360 -

Глава 4

4.9 Анализ сигналов

4.9.1 Общие положения

Радиоконтроль не стоит на месте, потому что существует тенденция, чтобы все больше

современных сигналов были цифровыми, и чтобы "остаточная емкость" все большего числа

традиционных сигналов использовалась для передачи дополнительной информации. Кроме того,

для более эффективного решения традиционных задач контроля могут быть использованы новые

методы и разработки. Вследствие этого анализ сигналов, в качестве инструмента контроля,

становится более важным. Анализ сигналов представляет собой искусство извлечения из сигнала, в

нашем случае – радиосигнала каждого возможного бита передаваемой информации. Извлеченная

информация может быть полезной, преднамеренно передаваемой информацией, или информацией

технического характера. Связь организуется на различных уровнях модели ВОС. Вследствие этого

анализ сигналов также может быть организован на различных уровнях, таких как детектирование,

анализ спектра, распознавание способов модуляции, аналоговая и цифровая демодуляция,

распознавание кодов и канальное декодирование. Определенную роль в этом вопросе играют

корреляционный анализ, криптография и стеганография. Некоторые из относящихся к ним методов

обсуждаются в других местах настоящего Справочника. В зависимости от национального

законодательства использование этих методов может быть запрещено.

4.9.2 Применение анализа сигналов для контроля спектра

Что является причиной желания проводить анализ сигналов? В действительности анализ сигналов

уже выполняется многими органами. Например, прослушивание радиостанций с целью опознавания

является фактически способом анализа сигналов. Причины этого очевидны:

– идентификация пользователей спектра – определение процента использования

– соответствие условиям лицензий – определение эффективности использования

в эфире

– выявление противоправного использования – выявление мошеннических операторов

электросвязи

– обнаружение и опознавание источников

помех

– измерение частоты и ширины полосы частот

сложных сигналов

– локализация источников сигналов в сложных

сетях

Как показано, некоторые из упомянутых задач трудно решить простым прослушиванием станций, а

с другой стороны выполнение более простых задач может быть высокоавтоматизированым. Для

этого необходимы соответствующие технические средства.

4.9.3 Сценарий анализа сигналов

Анализ сигналов представляет собой систематический подход к проблеме, а не только техническое

решение. Конечно, в большинстве случаев технические средства необходимы, но более важен метод

работы и обработки сигналов. Постановка задачи оператору контроля определяет конструкцию

приемной станции и системы анализа сигналов. Эта система может быть, например,

широкополосной или узкополосной, или специально предназначенной для конкретного диапазона

частот.

Подход, о котором идет речь, может быть описан с помощью блок-схемы на рис. 4-57, дающей

схематическое представление о сценарии анализа сигналов. Эта блок-схема о многом говорит сама

по себе, однако, требуются некоторые замечания. Блок "Окружающая среда" означает, что вы

должны находиться в том или ином месте со своим контрольным автофургоном или контрольной

станцией, оборудованными антенной и приемником, пригодными для анализа сигналов. После

- 361 -

Глава 4

выполнения некоторых основных требований процедура анализа разделяется на две – для анализа

физического сигнала и для анализа демодулированной информации. Анализ физического сигнала

означает: присвоение ему наименования, если это известная система, извлечение скрытой

информации, если это возможно, или описание сигнала техническими методами, если первые два

варианта невыполнимы. Чтобы описать сигнал, его можно сравнить с другим известным или

неизвестным сигналом или описать его статистический профиль. Он включает модуляционные

характеристики сигнала (такие как скорость передачи символов, сдвиг частоты,

линейную/нелинейную модуляцию, вид модуляции: аналогово/цифровая, фазовая, частотная или

амплитудная модуляция, количество модуляционных состояний, созвездия для линейной

модуляции), его временные характеристики (формы пакета колебаний) или его спектральные

характеристики (узкая/широкая полоса, сигналы с одной или многими несущими и т. п.). Измерения

трафика также являются способом технического описания сигналов. Анализ демодулированной

информации подразумевает извлечение информации из потока демодулированных данных и

просмотр ее на наличие (вторичной) скрытой информации в этом потоке данных. Если последний

вариант невыполним, постарайтесь описать информацию техническим образом, например,

используя 9-значный алфавит со стартстопным битом и 20 знаками в знаковом кадре. Если

информация нечитаема, то возможно, что она зашифрована; причем данная информация ценна сама

по себе, даже при невозможности ее расшифровки.

В § 4.9.4 описывается, как эта процедура работает на практике.

Окружающая среда

Сигнал

присутствует?

НЕТ

ДА

Сигнал

обнаруживается?

Демодуляция

возможна?

Тот ли демодулятор

и начинать ли

демодуляцию?

Информация

скрыта?

Информация

скрыта?

Информация

читаема?

Информация

читаема?

Ждать или

применить стимул?

Использовать

спектральные

методы

Использовать

спектральные

методы

Определить

технические

параметры

Определить

технические

параметры

Определить

технические

параметры

Постобработка

РИСУНОК 4-57

Сценарий анализа сигналов

- 362 -

Глава 4

4.9.4 Средства и оборудование для анализа сигналов

Описанный анализ сигналов требует использования различных технических средств. Некоторые из

этих средств уже установлены в контролируемой среде с целью контроля и не являются типичными

средствами анализа сигналов. В дополнение к обычным средствам контроля предпочтительно

использовать специализированную систему анализа сигналов. Поскольку службы контроля

различных администраций имеют различные потребности, подобные системы должны быть

гибкими и открытыми, как в отношении физической конструкции, так и функциональности.

Лучшим вариантом является система, основанная на ЦОС с обновляемым и реконфигурируемым

аппаратным и программным обеспечением. Структурная схема такой системы приведена

на рис.4-58, а ее практическая реализация показана на рис 4-59.

Высокоскоростная широкополосная инструментальная

шина (например, VXI)

Аппаратный интерфейс

к высокоскоростной шине

Приемник

Высокая скорость

Низкая скорость

Средне- или низкоскоростная универсальная

шина (например PCI)

Широкополосный

процессор ЦОС

Программное обеспечение

для широкополосного

анализа

Программное обеспечение

для узкополосного анализа

Уз коп оло с ный

процессор ЦОС

Стандартная

рабочая станция

Интерфейс оператора и

управляющее программное

обеспечение

Аппаратный интерфейс к средне-

или низкоскоростной шине

РИСУНОК 4-58

Архитектура аппаратного обеспечения цифровой системы

анализа сигналов

- 363 -

Глава 4

РИСУНОК 4-59

Пример модульной системы анализа сигналов, основанной на ЦОС

(стандарт VXI)

Данная система содержит широкополосный и узкополосный анализаторы, которые могут быть

реализованы как отдельные системы или интегрированы в одну систему. В зависимости от

потребностей службы контроля могут быть реализованы только один или оба анализатора.

Широкополосный прием увеличивает вероятность обнаружения коротких временных сигналов или

пакетных сигналов (таких как трафик GSM) в широком диапазоне частот. Это делает возможным

анализ отношений (например, дуплекс на различных частотах). Широкополосный прием необходим,

например, для широкополосных сигналов МДКР, связи со скачкообразным изменением частоты или

сигналов с линейной частотной модуляцией. Узкополосный прием имеет лучшие характеристики

при плотных сценариях радиосвязи (например, в диапазоне ВЧ). Хотя узкополосные характеристики

можно получить путем применения методов фильтрации к сигналам, дискретизированным

широкополосным анализатором, необходимо гарантировать, что в этом случае широкополосный

анализатор не будет перегружен сильными сигналами. Пример выделения узкополосного сигнала из

широкополосного сигнала показан на рис. 4-60.

- 364 -

Глава 4

Шаг 1: Найти узкополосный сигнал на широкополосном

изображении

Шаг 2: Фильтрация отсчетов сигнала в основной полосе

частот путем использования временного представления

спектра и функций копирования и склеивания

Шаг 3: Вид склеенных сигналов в основной полосе частот

(два сигнала)

Шаг 4: Построение фильтра для дальнейших измерений

Шаг 5: Окончательное спектральное представление фильтрованного сигнала

РИСУНОК 4-60

Пример выделения узкополосного сигнала из широкополосного сигнала

- 365 -

Глава 4

В случае упомянутого объединения узко- и широкополосных анализаторов, и процессоры ЦОС и

преобразователи АЦП могут быть выполнены в виде отдельных устройств. Для многих применений

ЦОС обработка может лучше выполняться на рабочей станции, чем на специализированном

процессоре ЦОС. Непосредственное размещение приемников на высокоскоростной шине не

является обязательным и определяется необходимостью объединения и наличием подходящих

приемников. Размещенные на шине компоненты должны взаимодействовать через эту шину, а не

через вспомогательные специальные каналы производителя. На практике анализ сигналов

начинается с различных алгоритмов поиска, таких как пошаговое изменение частоты и

сканирование частоты для узкополосного подхода, а также специальное широкополосное

детектирование и алгоритмы классификации для широкополосного подхода. Распознавание

сигналов и методики их измерений должны основываться на подходящих представлениях

дискретных сигналов. Такие средства и возможности, как увеличение изображения,

копирование/склеивание во временной и частотной областях, следует реализовывать в интерфейсе.

Пример показан на рис. 4-61.

Основные

тональные сигналы

Спектральное и спектрально/временное

представление

868 Гц

Основные

тональные

сигналы

217 Hz

868 Hz

217 Hz

868 Hz

217 Hz

868 Hz

Вторичные

и тональные

сигналы

Спектральное и спектрально/временное

представление в увеличенном масштабе

Спектральное и спектрально/временное представление

TIME SPECTRUM VIEW

ZOOMED TIME SPECTRUM VIEW

+ MEASUREMENTS OF BURST DURATION AND SEPARATI ON

RELATED SPECTRUM VIEW

RESULT OF COPY/PASTE FUNCTION IN I/Q vs.TIME VIEW

COPY/PASTE FUNCTION IN TIME SPECTRUM VIEWS

Спектральное, спектрально/временное и временное представление сигнала

РИСУНОК 4-61

Примеры специальных интерфейсов для поддержки анализа, распознавания и измерений

- 366 -

Глава 4

На рис. 4-61 представление спектра сигнала и анализ спектра помогают классифицировать сигнал

путем изучения несущей и поднесущих. Например, функция сравнения спектров может быть

применена для выполнения автоматического распознавания систем связи с определенным спектром,

например сигналов с многими несущими и сигналов OFDM. Для автоматизированного поиска

несущих и их подсчета и просто для измерения ширины полосы излучаемых частот можно

использовать отображение спектра с высокой разрешающей способностью и различные алгоритмы

поиска (см. рис. 4-61). Рекомендуется панорамное представление сигнала с переменными

спектральным разрешением и временем интеграции. Объединение временного и

спектрально/временного представления сигналов помогает распознавать и измерять пакетные

сигналы. Для извлечения основных и подробных характеристик сигналов, в особенности несущей,

частоты символов и чиповой скорости, может быть использован специальный метод, описанный

ниже. В этом случае используется пример сигнала OFDM.

4.9.4.1 Определение основных параметров сигнала

Для определения основных технических параметров сигналов могут использоваться множество

методов, некоторые из которых приведены в этом разделе и показаны на рис. 4-62 и 4-63.

Оцениваются статистические характеристики 2-го и 4-го порядков и статистические моменты

сигналов. Это обеспечивает точное определение несущей, скоростей передачи символов и чиповых

скоростей для регулярных сигналов с одной или многими несущими и псевдошумовых/МДКР

сигналов, даже если эти сигналы приняты при неблагоприятных условиях. По отношению к

широкополосным или сложным сигналам такие "слепые" методы обеспечивают очень полезное

распознавание элементов для дальнейшего анализа.

= 128/4000 = 32 мс

отклик

канала

eоценивает

автокорреляция

Автокорреляция точно не установленного сигнала OFDM,

COFDM для определения задержки сдвига

1/(T

)

пе

ио

автоко

рр

еля

ии

авен 32 мс

Периодическая автокорреляция точно не установленного

сигнала OFDM, COFDM для сдвига, равного изменению

интервала между поднесущими

РИСУНОК 4-62

Пример методов оценки статистических характеристик

2-го и 4-го порядков для определения характеристик сигналов

и распознавания сигналов

Гц

- 367 -

Глава 4

Оценка несущих сигналов непрерывной

ФМ (СРМ) или 2-ФМн путем вычисления

момента 2-го порядка

Оценка сигнала (генератор со скачкообразной перестройкой частоты) с

помощью его времени/частоты

РИСУНОК 4-63

Примеры распознавания характеристик сигнала путем вычисления моментов 2-го порядка

и частотно-временных характеристик

Цифровой модулированный сигнал в большинстве случаев может быть идентифицирован путем

определения таких технических характеристик, как длительность символа T

, защитный интервал T

и количество поднесущих. После этого может быть проверено соответствие стандарту, а сигнал

демодулирован с использованием обычного демодулятора. Если это не удается, то такие параметры

как мгновенная частота, амплитуда и фаза могут быть использованы для технического описания

сигнала. Например, обычный радиолокационный сигнал может быть описан его временным

сигналом, а генератор со скачкообразной перестройкой частоты своим частотно-временным

сигналом. Для выделения центральной частоты, скорости передачи символов и других технических

характеристик цифровых сигналов могут быть использованы методы, сведенные в табл. 4-17.

Упомянутые параметры также могут быть использованы для классификации обычных нецифровых

сигналов.

- 368 -

Глава 4

ТАБЛИЦА 4-17

Некоторые методы выделения технической информации из (предполагаемых)

модулированных сигналов

Оцениваемые

параметры

Метод Тип модуляции

РЧ мощность или

длина пакета

Амплитудно-временной сигнал ООK, сигнал РЛС

Содержимое

информации

Автокорреляция временного сигнала любой тип модуляции

Наличие сигнала

Кросс-корреляция мгновенной амплитуды A

опорным сигналом

любой тип модуляции, но

особенно для сигналов

DSSS

Гистограмма длительности мгновенной амплитуды

, мгновенной частоты F

и мгновенной фазы Ф

OOK, нефильтрованная

ЧМн, нефильтрованная

ФМн

Спектр мгновенной амплитуды A

Фильтрованная ФМн, или

нефильтрованная ФМн,

или после нескольких

фильтраций

Спектр мгновенной частоты F

Нефильтрованная ЧМн

Пересечение нулей на мгновенной частоте F

ЧМН, фильтрованная или

нет

Спектр сигнального модуля, приподнятый до

мощности N (= 2 или 4)

ФМн и КАМ,

фильтрованная или нет

Спектр сигнального модуля, приподнятый до

мощности N после нескольких фильтраций на частоте

ЧМн, фильтрованная или

нет

Модуляция –

скорость

асинхронной или

синхронной

модуляции

Спектр сигнала, приподнятый при мощности N (N =

1/h)

Непрерывная ФМ,

фильтрованная или нет

Спектральная плотность мощности любой тип модуляции

Гистограмма мгновенной частоты F

ЧМн

Средняя мгновенная частота F

ЧМн

Несущая частота

Поднесущие частоты

Спектр, приподнятый до мощности

N ( = 2 (ФМн), 4 (КАМ) или 1/h для непрерывной ФМ)

ФМн, КАМ, непрерывная

ФМ

Ширина излучаемой

полосы частот

Плотность спектральной мощности по сравнению с

маской или предельной линейной функцией

Любой тип модуляции

Спектральная плотность мощности

Гармонический поиск и/или гармонические маркеры

ЧМн, OFDM, COFDM

Частотный разнос

между поднесущими

(сдвиг при ЧМн)

Гистограмма мгновенной частоты F

ЧМн, OFDM, COFDM

На этом уровне система анализа сигналов может доставлять информацию об охвате каналами МДВР

(например, GSM), МДЧР (например, Инмарсат) или МДКР (например, IS-95, IMT-2000). На

следующем шаге выполняется оценка параметров модуляции, которые необходимы для

идентификации типа модуляции. С этой информацией функция демодуляции может быть записана в

параметрической форме. Последующими шагами являются распознавание канального кода и

канальное декодирование.