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无线电监测中眼图的分析

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发表于 2016-12-13 14:46:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
摘要:眼图是无线电监测中的一个重要测试项目。现代无线电监测系统属于非协作通信,许多传输参数需要估计。因此接收信号的眼图与协作通信中的眼图有所不同。文章给出了眼图的实际测量结果,并进行了分析,说明了在工程应用中眼图绘制所需要达到的实际指标。对于眼图绘制算法的改进,则需要根据工程目的进行适当修改,而不是一味地追求速度或是精度。

1.引言

文献[1]提到,眼图,即指通过用示波器观察接收端的基带信号波形,从而估计和调整系统性能的一种方法。它能够定性地分析传输系统的性能。“眼睛”张开的越小,眼图越不端正,证明波形失真越大,码间串扰越大;“眼睛”的线迹越粗,表示噪声越大,“眼睛”也张开的越小。可见,眼图可以作为一个参考指标来衡量无线电监测传输系统的性能,也可以辅助监测工作者对监测结果进行正确分析。

而在实际的无线电监测传输系统中,眼图还要受到同步算法的影响,同步算法的作用相当于用示波器上的旋钮来调节波形达到同步。在无线电监测中,监测方与发送方是属于非协作的通信机制,因此调制方式、载波频率、码元速率、信噪比等一系列参数都需要估计出来。而在这个过程中,会出现估计偏差。偏差会影响眼图的结果,这是与收发双方为协作通信体制所不同的[2~3]。

本文将眼图技术应用到无线电的监测中,观察在非协作通信体制的条件下,眼图的表现结果。

2.眼图绘制过程

绘制眼图所需要的数据来自基带码元信号经脉冲成形滤波器成形后的接收信号波形数据。接收机得到的监测数据,需要经过算法解调和时钟同步,得到原始基带成形信号,才可以画出眼图[4]。具体过程如下:



(1)设监测到的待解调信号表示为X(t)。经过接收机过采样后,表达式更新为X(n),此时含噪信号表达式为:
1.png



其中,S(n)为原始基带信号,φ(n)为各种附加噪声,Fc为信号的载频,θ为信号相位。

(2)使用超外差接收方案,将待解调信号频谱搬移至零中频,除去载波。需要注意的是,因为是非协作通信,信号载频也需要进行估计,因此这个过程也会产生偏差。搬移至零中频后,经过低通滤波器处理,得到信号的表达式为:
2.png


其中,Fo为估计载频偏差,θ1和φ1(n)分别为处理后的信号相位偏移和附加噪声。

(3)采用算法解调。算法解调主要完成两个任务,第一个是同步,第二个是得到最佳采样点。其中同步包括载波同步和时钟同步。这里,关于同步和最佳采样点获取的算法已经有很多文献[57]进行了研究,本文不再赘述其原理。本文使用了Gardner时钟同步算法来实现位同步;同时使用判决反馈的科斯塔斯环来实现载波同步。

实现同步后,取得最佳采样点。本文使用了线性插值的方法,即选择最佳采样时刻相邻的两个点值的线性平均,得到最佳采样时刻的点值,同时将该时刻值进行记录,作为控制眼图起点和终点的坐标。至此,算法解调和同步已经完成。这时,得到信号为:
3.png


其中,S′(n)为经过算法解调后的恢复基带信号,φ2(n)为残留噪声。

(4)根据得到的最佳采样时刻对眼图的横坐标进行控制,使用信号S′(n)作为眼图绘制数据,绘制眼图,观察信号传输质量。

3.无线电监测中眼图的表现结果与分析

本文使用信号源模拟器,在办公楼楼顶架构天线作为辐射源,发射信号。信号强度为-40 dBm,调制方式选为16QAM,码元速率设置为50.000 kHz,载频设置为1.555 GHz。该基带信号经过滚降系数为0.35的成形滤波器处理,调制后送入天线端发射。监测接收机在实验室内进行接收。经过接收机处理后,估计载波频偏为1 904.296 8 Hz,估计误差为:
4.png


估计码速率为50.048 kHz,估计误差为:

5.png


本文通过程序编写,将接收机中处理的数据提取出来,使用MATLAB仿真来直观地观察结果。得到的星座图与眼图如图1所示。

6.png


作为对比,本文给出在准确的载频和码元速率条件下,信噪比为20 dB时,使用该算法对16QAM信号的解调结果。如图2所示。

7.png


需要注意的是,图中给出的是I路的眼图,Q路眼图与之类似。

通过图1和图2可以发现:(1)算法本身是可行的。在高信噪比下,图2中的星座图,每一个调制点上星座点收敛范围很小,很精确。这表明该算法可以很精确地将16QAM信号还原出来。反映到图2中的眼图上,举个例子,在横坐标为5的位置上,一共有4个交点。每个交点都是星座图上的星座点,即最佳采样点,它与星座图上的点是一致的。因为一致,所以这里的每个交点的收敛范围越小,相对距离越大,“眼睛”就睁得越开,这时就说明信号的传输质量就越高,噪声干扰小。(2)由于算法本身可行,那么为什么还会出现图1的结果呢?这是因为图1的解调条件所导致的。接收机工作在实际监测环境中,存在大量的噪声干扰。同时,因为是非协作通信,很多参数需要顾及,存在偏差。因此得到的星座图和眼图就如图1所示。可以看到,只能从星座图中分辨出这是一个16QAM信号,但是每个星座点的收敛范围很大,甚至几乎都连到了一块。反映到眼图上,作为最佳采样点的4个交点,变成了一条有一定宽度的线条,垂直相对距离也变小了,“眼睛”张开很小。这就是实际条件与理想条件下接收机解调结果的对比图。

为了表示一般性,再分别给出BPSK、QPSK、8PSK的实际监测环境下解调的星座图和眼图对比。这里,发送端信号源的码元速率都给定为50 kHz,信号幅度为-40 dBm,信号载频为1.555 GHz,经过滚降系数为0.35的成形滤波器处理。测量结果如图3~图5所示。

8.png


9.png


10.png


其中,BPSK信号的I路眼图即为图3中所示,而其Q路眼图则由零值附近上下浮动的值组成。其他信号的I、Q两路信号眼图是类似的。可以看到,相位调制点数越多,噪声干扰的影响越大,特别是8PSK信号,“眼睛”几乎没有张开。

这样的眼图,是否能达到现代无线电监测的目的?或者说,这样的眼图,是不是就是不好呢?需要明确的是,眼图是用来实时反映信号传输质量的一种手段。眼图本身并没有质量好坏的差别。正确的眼图是能够真实反映无线电传输系统质量的。并不是串扰的眼图就一定不对,有很大可能串扰是由于噪声干扰造成的。真正衡量眼图的标准是能否达到监测的目的。

与理想条件下的眼图绘制相比,不同的监测目的,关注的重点是不同的。例如,监测工作人员更看重接收信号的调制方式,那么解调算法的精度上就可以适当放宽要求,只要能明确是何种调制方式即可,而在算法收敛的速度上就要有所提高。这样的结果,就会使得星座图中最佳采样点离散性很大,眼图中“眼睛”张开程度变小,但是收敛速度很快,可以在数据长度很短的一个数据包内就完成解调,分辨出该信号是何种调制方式。因此,根据不同的需要,眼图绘制算法中控制解调速度和解调精度的参数也要相应调整。由于本文所使用解调算法更注重解调速度,因此在精度方面有所牺牲,图3~图5中的星座图和眼图就是使用该算法产生的。

4.眼图误差影响分析

实际监测环境中,在明确了工作目的后,影响眼图实时反映信号传输质量的误差主要有以下几种:

(1)信号载频估计

由于是非协作通信,发送端以一个相对于监测机未知的载频来携带信号进行传播,接收端需要对载频进行估计,进而搬移至零中频。在这个过程中,由于噪声和算法的影响,必然会产生载频估计偏差。一般来说,载频越大,估计频率偏差越大,但是该偏差相对于载频的比例是很小的,以本文使用的接收机为例,约为0.000 1%。因此,频率偏差对于接收端是存在影响的,但相对影响较小。

(2)码元速率估计

码元速率估计是算法解调中重要的一个步骤。如果码元速率的估计偏差较大,就会校错发送端的时钟,时钟同步就很难达到,眼图中各个最佳采样点相邻的波形就会互相交叉串扰在一起。相比于载频,码元速率估计偏差对于接收端解调效果影响较大。码元速率估计的绝对偏差随着码元速率的增加而增加,不过码元速率估计偏差的相对增长最好控制在一个较低的增长速率。例如,码元速率如果提升了几百千赫兹,那么估计偏差就要控制在相对提升几百赫兹,甚至几十赫兹的范围内。

(3)解调算法同步

同步问题始终是监测通信中非常重要的问题。关于同步,已经有大量的文献论述其方法。而现代监测技术要求的不仅仅是同步准确度,还有同步的速率。这二者是不可兼得的,需要根据实际工作目的对算法进行调整。在协作通信中同步准确度很重要,而在一些无线电监测环境中,同步速率很重要。

(4)各类噪声

噪声的影响是普遍存在的。监测接收机的系统噪声、低通滤波器噪声、自由传播空间的噪声等,都会对眼图产生不同的影响,而且是随机的。噪声的存在,对眼图的影响一方面表现在眼图中的线条,噪声越大,线条就越宽;而另一方面,则是造成了算法同步和解调上的问题,使得眼图中眼线相互串扰。后一方面的问题尤为严重,需要从根本上去调整算法解调用的参数,来适应当地的监测环境。

5.结论

本文针对眼图在无线电监测环境下的表现结果做出了分析。在非协作通信和复杂实际环境的条件下,监测目的不仅仅要求算法解调的精度高,还会要求算法收敛的速度快。因此在这种条件下眼图的表现结果与通信中眼图的表现结果一般有所不同。在监测接收机接收的数据包中,有时还存在丢包的现象,数据序列很短,这时就更需要收敛速度快的算法及时完成解调,而精度要求就不再是主要要求。因此根据不同的监测环境,要做出相应的对策来满足工程需求,最后完成工程上眼图的绘制。

参考文献

  [1] 樊昌信,曹丽娜. 通信原理(第6版)[M].北京:国防工业出版社,2007.

  [2] 张会,刘伯栋.基于眼图分析的数字通信干扰效果方法研究[J].船舶电子工程,2011,31(2):73 76.

  [3] 牛帅,孟博,沈戈婷. 基于眼图分析的数字滤波选取方法分析[J].舰船电子工程,2009,29(10):103 106.

  [4] 杜亮. 眼图测量技术[J].测控技术,2013,32(Z):116 119.

  [5] 李梦.DMR端机的符号同步技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2010.

  [6] 朱雪阳.基于Gardner算法的位定时同步研究[D].南京:南京理工大学,2010.

  [7] 杨焕珍.非协作通信中MPSK/MQAM信号盲解调技术研究[D].成都:电子科技大学,2010.

文章来源于网络,侵删。

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