Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 369 -

Глава 4

4.9.4.2 Определение детальных параметров сигналов

Для описания характеристик схемы модуляции сигнала могут быть использованы следующие

методы/средства (после определения частоты несущей и поведения сигнала во времени):

– отображение символьной синхронизации, такое как глазковая диаграмма и/или созвездие

фазовой диаграммы согласно типу модуляции;

– полярное представление линейных типов модуляции (подтверждение синхронизации,

определение точек созвездия и переходов между символами);

– представление фазовой или частотной модуляций в виде гистограмм (подтверждение

синхронизации, определение количества поднесущих).

Некоторые алгоритмы оценки параметров цифровой модуляции сведены в табл. 4-18. Заметим, что

многие из этих методов также пригодны для описания характеристик аналоговых сигналов.

ТАБЛИЦА 4-18

Некоторые методы определения модуляционных характеристик модулированного сигнала

Оцениваемые

параметры

Метод Тип модуляции

Диаграмма созвездия и векторная диаграмма во время

принятия решения после коррекции или

согласованного фильтра

ФМн, СКФМн, КАМ,

Д2-ФМн со сдвигом на π/2,

ДКФМн со сдвигом на π/4

Гистограмма мгновенной амплитуды A

АМн, КАМ, ООК

Гистограмма мгновенной частоты F

ЧМн

Гистограмма мгновенной фазы Ф

ФМн

Количество

состояний

Спектральная плотность мощности Мультиплексирование,

OFDM, COFDM

Спектральная плотность мощности Любая модуляция Количество

поднесущих или

тональных

сигналов

Гистограмма мгновенной частоты F

ЧМн

Разнос между

частотами

поднесущих (сдвиг

при ЧМн)

Спектральная плотность мощности ЧМн, OFDM, COFDM

Гистограмма частоты F

ЧМн, OFDM, COFDM

Глазковая диаграмма I/Q, A

+ векторная диаграмма ФМн и КАМ, фильтрованная

или нет

Глазковая диаграмма, A

+ гистограмма отображения

частоты F

ЧМн, фильтрованная или нет

Символьная

синхронизация

Диаграмма созвездия + гистограмма отображения

частоты F

, и фазы Ф

Непрерывная ФМ,

фильтрованная или нет

- 370 -

Глава 4

В качестве примеров, на рис. 4-64а) и b) показано выделение параметров модуляции и описание

характеристик модуляции для сигнала КАМ-16 и для сигнала АМн/ФМн.

S.P.D.

Выделение технических параметров

(несущей, скорости в бодах)

Глазковая диаграмма

(I, Q или A

, Phi и т. п.)

Гистограмма

(Ai, Fi, Phi)

Отображение в полярных координатах

правление

параметром

а) Передача 16-КАМ с фильтрацией по Найквисту

(радиорелейная линия)

b) Классификация АМн/ФМн (цифровой

коротковолновый модем)

РИСУНОК 4-64

Примеры полного описания характеристик цифрового сигнала

4.9.4.3 Идентификация путем взаимной корреляции с испытательным сигналом

Другой эффективный способ распознавания и измерения сигналов может быть также реализован с

использованием техники взаимной корреляции с испытательными сигналами и функциями поиска,

возникающими благодаря взаимной корреляции. Пиковое значение взаимной корреляции

анализируемого сигнала с испытательным сигналом делает возможным обнаружение присутствия

испытательного сигнала внутри анализируемого сигнала. Легко может быть получена

дополнительная информация, такая как оценка импульсной характеристики канала, подтверждение

качества демодуляции и информация о занятости канала или временного интервала. Данный метод

также может быть использован с целью декодирования или идентификации синхро- или пилот-

последовательностей. Испытательный сигнал может извлекаться из базы данных или

генерироваться с использованием эталонного сигнала. Подобные методы также можно применять к

традиционным (аналоговым) системам, таким образом, могут быть построены

высокоавтоматизированные системы контроля, пример такой системы описан в § 4.9.5.4.

- 371 -

Глава 4

4.9.4.4 Демодуляция/декодирование

Одним из последних шагов является выделение текущей информации. В демодуляторе следовало бы

иметь анализатор, применяющий корреляционные методы к потоку битов для определения

используемой схемы кодирования. Поток битов следует преобразовывать в различные

информационные блоки, такие как алфавит. На рис. 4-65 показан пример цифрового демодулятора с

изображением анализатора битового потока для одного из наиболее распространенных типов

модуляции (ФМн).

РИСУНОК 4-65

Пример цифрового демодулятора с анализатором потока битов и декодером

- 372 -

Глава 4

4.9.4.5 Выводы

Для некоторых применений система должна строиться как двухканальная, причем применение само

определяет, какую часть системы придется дублировать. Динамический диапазон преобразователей

АЦП и процессоров ЦОС должен отражать состояние технологии, но при этом и иметь разумную

цену. 16-битовое решение гарантирует динамический диапазон в 96 дБ, что имеет практическую

значимость на конец 2001 года.

Можно сформулировать следующий набор требований:

– модульность аппаратного и программного обеспечения (объединение готовых изделий

(COTS), расширяемых для удовлетворения последних требований);

– использование общих стандартов (например, VXI, PCI, стандартных звеньев ЦОС, ЛВС);

– возможность работы в реальном масштабе времени, которая должна быть реализована при

наличии операционных систем реального времени и операционных систем ЦОС;

– компоненты и алгоритмы обработки сигналов, оптимизированные для конкретных

диапазонов частот, как например, ВЧ или ОВЧ/УВЧ;

– запись/ответ на широкополосные и (или) узкополосные сигналы;

– дистанционное управление от рабочей станции, имеющей мощный и реконфигурируемый

интерфейс пользователя;

– факультативное обеспечение низкоскоростного соединения, например, через телефонную

линию, приспособленную для нужд пользователя;

– возможности стыковки с существующим оборудованием, например, приемниками или

записывающими устройствами;

– обучение по вопросам применений МСЭ, поддерживаемых поставщиками или

национальными регламентарными органами;

– программное обеспечение, расширяемое при необходимости пользователем и

производителем.

Некоторые средства анализа не могут работать в реальном времени из-за нехватки необходимой

вычислительной мощности и наличия соответствующих издержек. Другие средства требуют

затратной по времени ручной подстройки, которая нежелательна, когда сигналы появляются только

случайно. Вследствие этого необходимо иметь некоторое записывающее устройство для записи

широкополосного или узкополосного сигнала. Важными характеристиками этих записывающих

устройств являются ширина полосы пропускания, динамический диапазон и максимальное время

необслуживаемой записи. Другой причиной использования записывающих устройств является тот

факт, что не каждая система анализа сигналов является портативной, а стоимость записывающего

устройства намного меньше, чем полной системы в тех случаях, когда вам требуется в одно и то же

время находиться во многих местах. Записывающие устройства обсуждаются в другом месте

настоящего Справочника.

4.9.5 Практические применения (примеры)

Для демонстрации возможных примеров использования системы анализа сигналов в этом разделе

даны некоторые практические, фактически реализованные применения.

4.9.5.1 Обнаружение и анализ помех

Для обнаружения и анализа помех используются методы кросс-корреляции и адаптивной

фильтрации.

- 373 -

Глава 4

4.9.5.1.1 Методы корреляции

Реализованный в системе анализа сигналов метод корреляции может быть использован для

объяснения механизма возникновения помех и выявления их источников. Данная система основана

на узкополосном анализаторе, показанном на рис. 4-58, и выполнена в этом применении для

двухканальной работы. Ее упрощенная блок-схема приведена на рис. 4-66.

Приемник 1

Приемник 2

Демодулятор

АЧ

Коррелятор (на

основе програм-

много обеспечения)

Контроль

коэффициента

корреляции

РИСУНОК 4-66

Кросс-коррелятор для анализа помех

Коррелометр на основе программного обеспечения выполняет процесс корреляции. Данная система

работает следующим образом. Используются два раздельных приемника; один из них настроен на

мешающий сигнал, а другой последовательно осматривает предполагаемые источники помех.

Положительное распознавание источников помех может быть произведено путем вычисления

коэффициентов взаимной корреляции между демодулированными сигналами от двух отдельных

приемников. В данную систему интегрирован пакет программ, включающий базу данных лицензий

и базу данных контроля. Обнаруженные типы помех представляют:

– побочные излучения;

– излучения, вызванные взаимной модуляцией;

– побочные каналы и каналы с взаимной модуляцией приемника;

– влияние блокировки и перекрестной модуляции;

– помеха от соседних каналов.

Подробная информация о корреляционном методе может быть получена из следующих источников:

[Харченкo, 1984] и [Ральников и Харченко, 2001].

4.9.5.1.2 Методы адаптивной фильтрации для разделения источников сигналов МДВР и

МДКР

Применение адаптивных методов при наличии множества источников и неблагоприятных условиях

с точки зрения помех позволяет производить синхронизацию сигналов трафика и контрольных

(beacon) каналов МДВР и МДКР, а также измерение уровней и отношений C/I в этих самых каналах,

совместно с демодуляцией и декодированием сообщений, содержащихся в каналах сигнализации,

создавая, таким образом, возможность их идентификации.

- 374 -

Глава 4

На рисунках 4-67а) и b) приведен реальный пример сигналов трафика GSM. На рис 4-67а) показано,

что можно обнаруживать сигналы и устанавливать идентичность источников даже при очень малом

отношении C/I (примерно 16 дБ в случае сигнала, обозначенного, как канал 4 трафика (ТСН4)).

На рис. 4-67b) показаны успешные демодуляция и декодирование сигнала, принятого с уровнем

–103 дБм при большом отрицательном отношении C/I около 16 дБ. Обычно адаптивные методы

хорошо подходят и эффективно работают в сложных условиях помех, как при непрерывных, так и

пакетных сигналах: при распространении в условиях плотной городской застройки, интенсивного

повторного использования частот в сетях, ошибок при проектировании сети и т. п.

СИГНАЛ

ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ

СПЕКТР

СИГНАЛА

TCH1 + TCH2 +...

TCH1

TCH2

TCH1

TCH1+TCH2

=помеха

Блок управления

магнитофоном

(только в авто-

номном

ежиме

)

Перечень файлов с записанными сигналами

a) Пример помеховой обстановки на частоте ТСН

Перечень файлов

записанными

сигналами

Перечень отчетов

Перечень

обнаруженных

вещательных

каналов BCCH

Перечень

обнаруженных

каналов TCH

трафика

Вычисление

импульсной

характеристики

канала TCH4

желтая: моноканал,

зеленая: пять каналов

Коэффициент

занятия TCH4

Идентификация

источника,

который

излучает

b) Результат анализа помех путем адаптивной фильтрации

РИСУНОК 4-67

Иллюстрация результатов, полученных при анализе помех и разделении

источников каналов ТСН GSM с использованием адаптивных методов

по отношению к сигналам GSM в городской зоне

- 375 -

Глава 4

4.9.5.2 Измерение частоты сигналов МДКР и высокоскоростных сигналов с ФМн

Показанная на рис. 4-58 система на основе применения узкополосного анализатора спектра может

быть использована для извлечения информации о частоте сигнала МДКР и высокоскоростного

сигнала с ФМн, имеющего малое отношение сигнал/шум. Этот сигнал преобразуется в основную

полосу частот (НЧ) и подается на узкополосный АЦП. Далее временной сигнал может быть изменен

с помощью нелинейной функции, такой как нарастающая функция с показателями степени 2 или 4,

которые соответствуют статистическим моментам 2-го или 4-го порядка, после чего фазовый спектр

вычисляется с помощью БПФ. Вершина диаграммы БПФ точно отображает центральную частоту

сигнала (см., например, рис 4-62). Другие методы для анализа сигналов с чрезвычайно малым

отношением S/N основываются на использовании широкополосных приемных систем с

вычислением циклической автокорреляции и спектральной корреляционной функции сигнала.

Такие методы еще обеспечивают хорошие результаты при крайне неблагоприятных условиях

(большие отрицательные значения C/N или C/(I + N)). Иллюстрация таких методов для оценки

характеристик сигналов МДКР (частота несущей, чиповая скорость) при крайне неблагоприятных

условиях (C/N<<0) дана на рис. 4-68.

Циклическая автокорреляция

псевдошумового/КФМн сигнала

(спад = 0,25 - 22,6 Мчип/с)

Корреляция спектра псевдошумового/2-ФМн

(спад = 0,25 - 16 кбод)

РИСУНОК 4-68

Вычисление циклической автокорреляционной функции

и спектральной корреляционной функции

Уровень

КОРРЕЛЯЦИЯ СПЕКТРА 1 (2-ФМн 16 кбод, частота = 100 кГц)

- 376 -

Глава 4

4.9.5.3 Анализ содержания ЧМ радиовещательного сигнала в основной полосе частот

Спектр ЧМ радиовещательного сигнала в основной полосе частот содержит не только звуковую

информацию; спектр от 53 до 74 кГц может быть использован для передачи дополнительных

сигналов, таких как RDS, CSI, HSDS и DARC. Во многих случаях оператору, эксплуатирующему

передатчик, необходима специальная лицензия для использования этих систем, но с другой стороны

максимум 10% от общей девиации частоты передатчика может быть использовано для таких систем.

Узкополосный анализатор, основанный на БПФ, соединенный с приемником, имеющим выход в

основной полосе частот, может быть применен для получения представления об использовании

дополнительных сигналов. Информация о девиации может быть получена путем цифровой

фильтрации или простой численной интеграции отдельных результатов работы БПФ. Пример такой

системы приведен на рис. 4-69. Эта система основана на узкополосном анализаторе, представленном

на рис. 4-58, и содержит АЦП с производительностью 500 тысяч выборок в секунду, размещенный

на шине PCI персонального компьютера. В этом случае может быть использован не только

специализированный ЧМ радиовещательный приемник, но и измерительный приемник с

мультиплексным выходом.

РИСУНОК 4-69

Анализатор основной полосы частот ЧМ радиовещательного сигнала,

основанный на БПФ

- 377 -

Глава 4

4.9.5.4 Цифровая система анализа для радиочастотного контроля

4.9.5.4.1 Введение

В этом разделе описывается простроенная по принципу "программно-управляемого радио"

высокоскоростная цифровая система анализа (DAS), используемая для программ управления

спектром. Настоящая система может определять занятость с частотой до 32 000 каналов/с и также

может обеспечить радиопеленгацию с частотой до 20 000 каналов/с. Она также измеряет

технические параметры заданного сигнала, определяет тип и систему модуляции, и обеспечивает

сбор статистических данных об использовании канала. Имеется также и полнофункциональный

анализатор спектра с разрешением от 32 до 16 777 216 точек в выбираемой пользователем полосе

частот. Сбор данных от DAS, объединенный с системой управления спектром, позволяет

автоматически идентифицировать передатчики, которые работают за пределами своих

санкционированных параметров и определять местоположение источников радиоизлучений,

которых нет в базе данных разрешенных частот. В данной системе используется имеющееся в

продаже аппаратное обеспечение и предлагается обширный набор решений для нужд контроля

спектра. Система DAS меньше по размерам, дешевле и легче транспортируется по сравнению с

традиционными системами контроля. Поскольку DAS была разработана с открытой архитектурой,

то ее аппаратное обеспечение может быть легко модернизировано, чтобы гарантировать, что

система не устареет. Кроме того, так как вся обработка сигналов производится на персональном

компьютере (ПК), а не на устройствах цифровой обработки сигналов (ЦОС), то программное

обеспечение, написанное на языке высокого уровня, также легко обновляется для выполнения

новых требований, предъявленных к контролю.

4.9.5.4.2 Архитектура аппаратного обеспечения цифровой системы анализа

На рис. 4-70 показана архитектура DAS. Она построена на имеющемся в продаже оборудовании,

использующем приемник, который охватывает диапазон от 20 МГц до 3 ГГц и 23-битовый АЦП,

который делает возможной работу в широком динамическом диапазоне со свободным уровнем

побочных сигналов лучше чем –110 дБ. Для многих видов действий по контролю имеются в

наличии дешевые, двухканальные АЦП с разрешающей способностью 14 битов, стыкующиеся с

шиной PCI, которые имеют даже большую частоту дискретизации.

(20–3000 )

МГц

Конт

олле

VXI

шина

MXI

шина

Перестраиваемый

широкополосный

приемник

Высокоско

остной

АЦП с

аз

ешающей

способностью 23 бита

Персональный компьютер,

работающий в среде

Windows NT

РИСУНОК 4-70

Общая архитектура аппаратного обеспечения системы

- 378 -

Глава 4

Тенденции развития рынка электросвязи в будущем приведут к готовым к применению 16-битовым

АЦП. Мгновенная полоса частот современных систем превышает 5,0 МГц. Будучи

синхронизированной с другими подобными блоками, система может быть использована для методов

радиопеленгации, основанных на измерениях интерферометрии. Эта система также может

накапливать данные о спектрах неизвестных сигналов, которые впоследствии могут быть объектом

анализа в автономном режиме. Выход АЦП через контроллер VXI подключен к персональному

компьютеру, который выполняет цифровую обработку сигналов наряду с анализом и хранением

данных. Через контроллер VXI персональный компьютер управляет целым комплексом

оборудования. При обработке данных не используется ни одного устройства ЦОС.

4.9.5.4.3 Характерные особенности измерений

В табл. 4-19 приведены возможности системы DAS, построенной на существующем оборудовании.

ТАБЛИЦА 4-19

Технические спецификации, относящиеся к современному оборудованию

Диапазон частот От 20 МГц до 3 ГГц

Скорость качания частоты 0,455 ГГц/с, шаг дискретизации БПФ = 5 кГц, установка тюнера < 100 Гц

Скорость развертки каналов 32 000 каналов/с (каналы шириной 30 кГц, шаг дискретизации 10 кГц,

установка тюнера < 100 Гц)

Шаг дискретизации

≈ от 39 до 160 кГц с приращением на октаву

Размер блока От 128 отсчетов до 8 млн. отсчетов с приращением на октаву

С увеличением скорости передачи данных от VXI или других шин к ПК, увеличения

быстродействия ПК и усовершенствования АЦП, скорость этих измерений будет повышаться.

Система DAS может функционировать либо как автономное устройство, или как система с

многопользовательским сетевым доступом с применением протокола TCP/IP. Система DAS может

эксплуатироваться с использованием непосредственного доступа, доступа в порядке очередности

или по временному расписанию для проведения или линейной развертки каналов или табличного

сканирования. Использование возможности сверхскоростного параллельного сканирования каналов

позволяет производить быстрое обследование занятости радиоспектра. Благодаря возможности

обнаружения сигналов, как принадлежащих, так и не принадлежащих каналам, создается перечень

несоответствий между присвоенными и измеренными каналами. Измерение занятости может быть

выполнено или с использованием постоянного уровня ложной тревоги (CFAR) или порога

отношения сигнал/шум. При использовании метода CFAR можно обнаруживать сигналы низкого

уровня или переходный негауссов шум. В настоящее время доступными окнами или импульсными

характеристиками фильтра являются прямоугольные, с плоской вершиной, а также Блэкмана и

Ганна. Используются пиковый, среднеквадратичный и экспоненциальный режимы усреднения

сигнала. Режимы усреднения канала – пиковый, пиковый с удержанием, среднеквадратичный и

экспоненциальный. Кроме того, можно автоматически получить оценку уровня собственных шумов

для канала или определенного пользователем диапазона частот. Также имеется пакет программ для

статистического анализа спектра (SSA). Для каждого канала получается следующая информация:

измеренная мощность, тип модуляции, тип системы связи, параметры модуляции, функция

совокупной плотности за час, ширина занимаемой полосы частот, отношение узкополосный

сигнал/шум, мгновенная средняя частота спектра мощности входного сигнала, точная оценка

частоты несущей соответствующей модуляции, ширина полосы частот входного сигнала,

соответствующая двум различным критериям МСЭ (методы оценки ширины полосы частот на

уровне х дБ и отношения мощностей). В табл. 4-20 дан текущий перечень идентифицированных

типов модуляции и систем. Если желательны другие типы, то они могут быть добавлены к

возможностям системы.