Влияние реальных характеристик радиотракта на помехоустойчивость в системах цифровой связи с использованием многопозиционной КАМ

1 Введение

В настоящее время, в пик развития информационных технологий, главной задачей телекоммуникационных систем является передача информации по линиям связи быстро, качественно и эффективно. Ключевой характеристикой для передачи данных является частотный диапазон. Ограниченность в частотном спектре вынуждает использовать различные методы модуляции сигнала. Модуляция позволяет преобразовать исходный сигнал с целью повышения эффективности и помехоустойчивости передачи информации. В современных цифровых системах применяются частотная или фазовая модуляции (манипуляции). Эти виды модуляции повышают спектральную эффективность сигнала, уменьшают полосу частот.

В современных системах связи повсеместно применяются многоуровневые методы модуляции, такие как квадратурная фазовая манипуляция и квадратурная амплитудная модуляция. Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ) представляет собой разновидность многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции.

При распространении СВЧ сигналов с КАМ воздействие помех приводит к повышению вероятности ошибочного приема. Помимо шумов на сигнал влияет нелинейность характеристики усилителя передатчика, вследствие чего возникает АМ/АМ преобразование, так как при данной модуляции помимо фазы, амплитуда также несет в себе информацию о принятом сигнале. Таким образом, характеристика нелинейного устройства приводит к изменению положения сигнальной точки в векторном представлении на фазоапмлитудной плоскости, что влечет за собой повышение вероятности неправильного принятия решения на приемной стороне.

В проекте приводится теоретическое рассмотрение, анализ помехоустойчивости КАМ сигнала в реальных условиях распространения: с учетом белого шума и нелинейности характеристики радиопередающих устройств. Также построение модели приемо-передатчика с помощью визуального симулятора для СВЧ сигналов, синтез сигнала на макетной плате и анализ характеристик М-КАМ на приеме с помощью анализатора спектра, и сравнение полученных данных.

2 Основные характеристики систем спутниковой связи

Системы спутниковой связи развиваются и совершенствуются огромными темпами. Суть спутниковой связи заключается в том, что промежуточный ретранслятор радиосети связи устанавливается на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ), который движется по орбите. Спутник ретранслятор представляет собой в значительной степени автономную систему и способен предоставлять услуги связи в течение длительного времени. Срок службы современных спутников ретрансляторов составляет от 5 до 15 лет. Находясь на достаточно высокой орбите, спутник ретранслятор способен предоставить информацию пользователям, размещенным на огромной территории диаметром до нескольких тысяч километров. Орбиты, на которых могут быть размещены спутники, подразделяются на три типа: экваториальные, полярные и наклонные. Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита. Искусственный спутник, находящийся в геостационарной орбите, обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси, и постоянно находится над одной и той же точкой на земной поверхности.

Очевидно, что преимуществом геостационарной орбиты является то, что приемник в зоне обслуживания постоянно «видит» спутник. Но так как геостационарная орбита одна и невозможно вынести туда все спутники, а также спутники, находящиеся на данной орбите не охватывают приполярные области Земли, используются наклонные и полярные обриты. Полярные орбиты решают проблемы неохваченных зон, но в связи с тем, что спутник постоянно будет менять свою позицию относительно земного приемника, возникает необходимость вывести не меньше трех спутников на одну орбиту. При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, которые наводят антенны на спутник.

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции является ключевым фактором. От частоты зависит: поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции.

Энергетический расчет спутниковой системы связи относительно несложен, поскольку электромагнитный сигнал проходит большую часть пути в космическом пространстве, параметры которого близки к свободному пространству. Только небольшой слой плотной тропосферы вблизи поверхности Земли оказывает влияние на распространение сигнала.

С повышением частоты, уровень потерь значительно увеличивается. Ослабление обусловлено рассеянием и поглощением части энергии электромагнитных колебаний. Высокочастотные системы сильно зависят от атмосферной рефракции, гидрометеоров или затухания в газах атмосферы (от осадков).

Для передачи через спутник сигнал должен быть промодулирован. Модуляция производится на земной станции. Модулированный сигнал усиливается, переносится на нужную частоту и поступает на передающую антенну. Метод модуляции М-КАМ рассматривается в главе 3.

3 Принципы квадратурной амплитудной модуляции

Широкое распространение в области передачи цифровой информации получил комбинационная модуляция, получившая название квадратурной амплитудной модуляции.

Большей спектральной эффективностью обладают многопозиционные сигналы, из которых наиболее часто используют четырехпозиционную фазовую модуляцию (QPSK) и шестнадцатипозиционную квадратурную амплитудную модуляцию (16-КАМ).

Квадратурная амплитудная модуляция является разновидностью многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции, помимо фазы амплитуда сигнала при заданном виде модуляции также будет нести в себе информацию. Это приводит к тому, что при заданной полосе частот возрастает количество передаваемой информации.

При использовании данного алгоритма передаваемый сигнал кодируется одновременными изменениями амплитуды синфазной (I) и квадратурной (Q) компонент несущего гармонического колебания, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на. Результирующий сигнал S формируется при суммировании этих колебаний. Квадратурное представление сигналов является удобным и достаточно универсальным средством их описания.

(3.1)

— модулирующие сигналы, — сигнал несущей частоты.

Этот же сигнал может быть представлен в комплексном виде:

(3.2)

(3.3)

где — алгоритм изменения амплитуды модулированного сигнала;

алгоритм изменения фазы модулированного сигнала.

На рисунке 3.1 представлен принцип формирования результирующего колебания S путем суммирования вектора квадратурной составляющей Q с вектором синфазной составляющей I. Амплитуда вектора S определяется соотношением Аm, а угол, который этот вектор образует с осью абсцисс, определяется соотношением .

Для данного алгоритма существенно, что при модулировании синфазной и квадратурной составляющей несущего колебания используется одно и то же значение дискрета изменения амплитуды. Поэтому окончания векторов модулированного колебания образуют прямоугольную сетку на фазовой плоскости действительнойRe{S} и мнимой составляющей вектора модулированного сигнала — Im{S}.

Схему расположения узлов на фазовой плоскости модулированного КАМ колебания принято называть созвездием. Для указания типа алгоритма КАМ принята следующая схема обозначения:

КАМ ;

обычно представляет собой значение вида 2N и соответствует количеству узлов на фазовой сетке, а также максимальному количеству различных значений вектора модулированного сигнала.

Следует отметить, что в данном случае значение N соответствует показателю спектральной эффективности используемого алгоритма. Число битов в этом символе равно значению N (для алгоритма КАМ-16 N==4).

Квадратурная амплитудная модуляция обладает следующими важными свойствами:

· Ширина спектра КАМ модулированного колебания не превышает ширину спектра модулирующего сигнала;

· Положение спектра КАМ модулированного колебания в частотной области определяется номиналом частоты несущего колебания.

Наиболее удобным методом анализа помехоустойчивости принятого сигнала является изучение и использование созвездия сигнала на фазоамплитудной плоскости.

Помехоустойчивость алгоритма КАМ обратно пропорциональна его спектральной эффективности. Воздействие помех приводит к возникновению не контролируемых изменении амплитуды и фазы передаваемого по линии сигнала. При увеличении числа кодовых точек на фазовой плоскости расстояние между ними Р уменьшается и, следовательно, возрастает вероятность ошибочного распознавания искаженного принятого вектора Sm* на приемной стороне. Предельный уровень допустимых амплитудных и фазовых искажений модулированного QAM сигнала представляет собой круг диаметром Р. Центр этого круга совпадает с узлом квадратурной сетки на фазовой плоскости. Заштрихованные области на рисунке 3.2 соответствуют координатам искаженного вектора модулированного КАМ — колебания при воздействии на полезный сигнал помехи.

Структурная схема модулятора 16-КАМ приведена на рисунке 3.3, а временные диаграммы его работы на рисунке 3.4.

На вход модулятора поступает цифровой поток бит со скоростью бит/с и параметрами, где — тактовая частота следования бит, — длительность бита. Этот цифровой поток разделяется на потока символов

(3.4)

где — позиционность модуляции, — тактовая частота и длительность символа, соответственно.

Далее необходимо произвести распределение двоичных потоков символов в сигнальных точках на фазово-амплитудной плоскости (созвездии) М = 16-позиционного модулятора. Для этого двоичных цифровых потоков символов в устройстве размещения модулятора преобразуются путем операции размещения в потоков символов, которые используются для амплитудной и фазовой модуляции синфазной составляющей несущего колебания модулятора, и в потоков символов, которые используются для амплитудной и фазовой модуляции квадратурной составляющей несущего колебания модулятора (рисунок 3.3).

Работа устройства размещения будет рассмотрена далее. Количество потоков символов в синфазном и квадратурном каналах на выходе устройства размещения определяется из уравнения

(3.5)

Полученные на выходе устройства размещения потоков символов в синфазном канале и в квадратурном канале поступают в цифроаналоговые преобразователи ЦАП. В цифроаналоговых преобразователях каждые потоков символов преобразуются в — уровневые аналоговые сигналы

. (3.6)

При потоков символов должны обеспечить формирование на фазово-амплитудной плоскости модулятора

(3.7)

сигнальных точек.

Для четного значения в модуляторе рисунок 3.3 формируется квадратное множество сигнальных точек (созвездие), при этом количество уровней сигналов в синфазном и квадратурном каналах равно

(3.8)

Чтобы обеспечить равномерное (эквидистантное) распределение сигнальных точек в созвездии, значения уровней сигналов в синфазном и квадратурном каналах принимаются равными (рисунок 3.4).

(3.9)

Алгоритм работы ЦАП, т. е. соответствие в синфазном и квадратурном каналах двух цифровых потоков символов и четырехуровневых сигналов, приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Преобразование потоков символов в ЦАП при 16-КАМ.

С выходов ЦАП многоуровневые сигналы синфазного и квадратурного каналов рисунок 3.4 поступают на фильтры нижних частот ФНЧ, которые выполнены в виде фильтров Найквиста и используются для ограничения полосы частот модулирующего сигнала, т. е. для формирования коэффициента скругления (roll off factor). Величина коэффициента скругления обычно выбирается в пределах .

После ФНЧ многоуровневые сигналы подаются на амплитудные модуляторы синфазного и квадратурного каналов. На вторые входы этих модуляторов подаются от генератора сигналы несущей частоты синфазного канала и квадратурного канала промодулированные по фазе в двухпозиционных фазовых модуляторах .

Фазовая модуляция на в синфазном канале или, в квадратурном канале или осуществляется первым из цифровых потоков символов в каждом из квадратурных каналов. Необходимо отметить, что посредством двухпозиционной фазовой модуляции осуществляется передача знака уровней.

Так, при передаче уровня со знаком плюс используется значение фазы в синфазном канале и в квадратурном канале, а при передаче уровня со знаком минус используется значение фазы в синфазном канале и в квадратурном канале. По этой причине алгоритм работы ЦАП составляется таким образом, чтобы при изменении символа в первом из двоичных потоков символов на выходе ЦАП изменялся знак при соответствующем уровне таблица 3.1.

При этом на выходах амплитудных модуляторов получаются квадратурные сигналы промодулированные по амплитуде и фазе. После суммирования этих сигналов на выходе модулятора получается сигнал 16-КАМ, количество сигнальных точек, на созвездии которого соответствует квадратному множеству точек (рисунок 3.5.)

В устройстве размещения (рисунок 3.3) четырем потокам символов ставятся в соответствие два двоичных потока в синфазном канале и два двоичных потока в квадратурном канале. Затем в ЦАП этим двум потокам в соответствии с таблицей 3.1 ставятся в соответствие четыре уровня сигналов. Первые двоичные потоки осуществляют двухпозиционную фазовую модуляцию сигнала несущей частоты в синфазном и квадратурном каналах. А четырехуровневые сигналы осуществляют амплитудную модуляцию в этих двух каналах после фазовых модуляторов. После суммирования амплитудно-фазомодулированных сигналов каждое из четырех состояний двоичных потоков и формирует сигнальную точку на созвездии (рисунок 3.5).

Таки образом, из проведенных рассуждений следует, что в устройстве размещения каждому из шестнадцати состояний четырех потоков символов ставится в соответствие сигнальная точка на созвездии. Делается это посредством формирования двух двоичных потоков для синфазного и двух двоичных потоков для квадратурного канала. Следовательно, работа устройства размещения может быть представлена кодовой таблицей, в которой шестнадцати состояниям потоков символов соответствуют шестнадцать состояний двоичных потоков .

Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции является относительно простым для реализации и в то же время достаточно эффективным алгоритмом.

Современные реализации этого алгоритма обеспечивают достаточно высокие показатели спектральной эффективности. Как уже было отмечено выше, ограниченность спектра, относительно высокий уровень помехоустойчивости КАМмодулированного сигнала обеспечивают возможность построения на основе этой технологии высокоскоростных систем передачи данных.

4 Факторы, влияющие на помехоустойчивость передачи сигналов с М-КАМ

4.1 Воздействие аддитивного белого гауссовского шума Аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ, англ. AWGN) — вид мешающего воздействия в канале передачи информации. Характеризуется равномерной спектральной плотностью, нормально распределённым значением амплитуды и аддитивным способом воздействия на сигнал. Наиболее распространённый вид шума, используемый для расчёта и моделирования систем радиосвязи.

Модель идеального канала, называемого каналом с «аддитивным белым Гауссовским шумом» (AWGNAdditive White Gaussian Noise) — обычная отправная точка при анализе работы системы связи. Согласно этой модели, переданные образцы данных искажаются рядом статистически независимых шумовых источников, которые представлены главным образом тепловыми шумами, возникающими в приемнике. Тепловые шумы возникают из-за случайного движения электронов вследствие тепловой активности в приемнике. Термин «Гауссовский» используется, чтобы подчеркнуть, что эти тепловые помехи имеют Гауссовское распределение. Ток, наведенный случайным движением электронов, может быть оценен как сумма бесконечно большого количества малых индивидуальных токов, произведенных движением очень большого количества электронов, и, так как все источники ведут себя независимо, предполагается, что полный ток является суммой большого количества независимых и идентично распределенных случайных токов. Если применить центральную предельную теорему, которая утверждает, что распределение суммы большого количества случайных переменных приближается к Гауссовскому распределению, то этот полный ток будет иметь Гауссовское поведение. Если шум имеет Гауссовское (нормальное) распределение вероятностей, то вероятность ошибки можно записать.

(4.1)

где — мощность шума на входе решающего устройства.

Термин «белый» (white) используется, чтобы указать, что этот шум имеет равную мощность для всех частотных компонент, то есть спектральная плотность мощности шума постоянна для всех частот. Термин «аддитивный» подразумевает, что шумовые составляющие накладываются на полезный сигнал и суммарный сигнал будет искаженным.

4.2 Воздействие паразитного преобразования АМ/АМ Нелинейность амплитудной характеристики — вызвана нелинейностью промежуточных и высокочастотных усилителей, фильтров, конвертеров и эквалайзеров. При этом точки в созвездии сигнала сдвинуты относительно центра ячейки по осям I и Q пропорционально расстоянию ячейки от центра диаграммы.

Во многих системах связи используются нелинейные элементы, имеющие нелинейные характеристики. В большинстве спутниковых систем связи мощность сигнала существенно ограничена, и преодоление неэффективности, которая связана с каскадами линейного усиления мощности, является весьма затратным. Поэтому многие спутниковые системы используют нелинейные усилители мощности, в которых эффективное усиление сигнала осуществляется через нелинейную амплитудную характеристику рабочего элемента.

Эффект преобразования амплитудной модуляции в амплитудную модуляцию для нелинейных систем является обычным. На входе устройства любые флуктуации огибающей сигнала (амплитудная модуляция) подвергаются нелинейному преобразованию и приводят к искажению амплитуды сигнала на выходе.

Нелинейность амплитудной характеристики — вызвана нелинейностью промежуточных и высокочастотных усилителей, фильтров, конвертеров и эквалайзеров. На фазоамплитудной диаграмме можно увидеть, что точки сдвинуты относительно центра ячейки по осям I и Q пропорционально расстоянию ячейки от центра диаграммы.

Соотношение (4.2) показывает пример реальной зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала при нелинейной характеристике выходного усилителя

(4.2)

Приведенная зависимость отражает форму амплитудной характеристики в соответствии с моделью Салеха, справедливой для усилителей СВЧ, используемых в спутниковых системах связи.

5 Исследование помехоустойчивости приема сигналов 16-КАМ

5.1 Методы исследования сигналов М-КАМ

В настоящее время проблемы построения и исследования систем различного назначения и сигналов разнообразной природы занимают одно из видных мест среди проблем современной науки. Проникновение математических методов в технику, естествознание и гуманитарные науки идет по пути математического проектирования и моделирования соответствующих объектов, а все более возрастающие возможности вычислительной техники обеспечивают большой успех этому научному направлению.

Существуют различные методы исследования модуляций и процессов преобразования сигналов. Одним из распространенных методов является математические методы исследования. Математические методы предполагают в себе расчет и анализ моделей. С помощью математических расчетов можно вывести формулы зависимости вероятности ошибки от соотношения сигнал/шум, график зависимости амплитуды сигнала во временной плоскости и многое другое для оценки помехоустойчивости принятого сигнала с заданными параметрами.

Одним из интереснейших методов является метод использования физических моделей. В этом методе можно на физических макетных установках генерировать сигнал с нужной модуляцией, меняя параметры передаваемого сигнала (усиление, полосу частот, вид модуляции) анализировать поведение сигнала на приемной стороне с помощью измерительного оборудования (осциллографы, анализаторы спектра и т. п.). Этот метод наиболее приближен к практике, а потому и наиболее достоверный.

С развитием компьютерных технологий, наибольшую популярность приобретают исследования в виртуальных моделях. С помощью данных моделей можно проанализировать и оценить любые характеристики приема и передачи сигналов. Преимущества метода в том, что нет необходимости в специальном оборудовании, кроме персонального компьютера. Блочное моделирование в виртуальных системах позволяет не описывать математически всю модель целиком, а лишь варьировать настройками в программе для получения нужных параметров системы.

На данный момент самой популярной средой для моделирования является программный пакет MatLab (в частности, дополнение Simulink). Но также есть еще много альтернативных и ничем не уступающих по параметрам универсальных сред для моделирования любых телекоммуникационных систем. В данном дипломном проекте для анализ сигнала с М-КАМ используется продукт Advancing the Wireless Revolution Visual System Simulator (AWR VSS). Данная система на ряду с MatLab является научным инструментом высокой степени сложности.

5.2 Результаты моделирования 16-КАМ в визуальном симуляторе AWR VSS

В настоящее время наибольшее применение в задачах моделирования как этапа проектирования получили персональные компьютеры. Изначально широкое использование определялось не их быстродействием, а возможностью гармонично настроить рабочее место исследователя, организовать передачу данных между задачами, получить законченный отчет. Современные программы численного моделирования систем и процессов становятся все более автоматизированными, облегчая пользователю процесс постановки и решения широкого класса сложных задач. Еще больший эффект дают возможности качественного визуального представления результатов.

Продукт Advancing the Wireless Revolution Visual System Simulator (AWR VSS) представляет собой специализированный пакет моделирования трактов передачи и обработки сигналов телекоммуникационного оборудования на системном уровне. Пакет имеет мощный инструментарий для построения, моделирования и оптимизации архитектуры разрабатываемого устройства и позволяет значительно сократить затраты за счет исключения излишних итераций проектирования, а также снижения излишне жестких требований на отдельные элементы системы. При использовании продукта VSS проектирование начинается на поведенческом уровне, далее осуществляется переход в продукты Microwave Office или Analog Office на уровень компонентов, а окончательная верификация проекта может быть выполнена с применением реальных измеренных данных.

Visual System Simulator (VSS) — программа моделирования коммуникационных систем на уровне функциональных блоков. Программа была функционально расширена с целью предоставить разработчикам уникальную возможность проектировать архитектуру радиочастотных систем в сквозном режиме и определять применимые к системе параметры согласно спецификации блоков, составляющих коммуникационную систему.

Одно из ключевых преимуществ среды проектирования AWR-возможность интеграции программ сторонних производителей, что дает возможность пользователю оперативно проверить достоверность полученных результатов анализа.

Преимущества этой программы в том, что можно моделировать сигналы при любом значении параметров составляющей схемы и просматривать нужные характеристики мгновенно, без особой загрузки оперативной памяти компьютерной системы.

Данная программа позволяет визуально анализировать такие параметры и характеристики систем связи как: глазковые диаграммы, спектры сигналов, фазовые созвездия, вероятность ошибки от соотношения сигнал/ шум, амплитудные характеристики фильтров и усилителей и многое другое.

В программе AWR VSS был синтезирован и исследован сигнал 16-КАМ, с максимально приближенными к реальному каналу связи параметрами.

На рисунке 5.1 показана схема симуляции 16-КАМ в программе моделирования AWR VSS. Из источника случайных импульсов сигнал поступает на вход передатчика, который преобразует последовательность случайных символов в КАМ сигнал с заданной позиционностью. (В данном случае М=16)

Модулированный сигнал поступает на вход усилителя. Схема усилителя показана на рисунке 5.2.

В усилителе (рисунок 5.2) имеется возможность изменения воздействия нелинейных искажений с помощью добавления в спектре передаваемого сигнала дополнительных гармоник (вторая, третья гармоники) с относительно большим уровнем. В частности проблема паразитных спектральных компонент в соседних каналах напрямую связана с линейностью передающего тракта. Соответственно, при появлении дополнительных гармоник увеличивается коэффициент нелинейных искажений.

Нелинейность в усилителе аппроксимируется полиномом следующего вида:

(5.1)

На рисунке 5.3 показан спектр сигнала на приемной и передающей стороне системы с 16-КАМ сгенерированного на частоте 1.2 ГГц со скоростью передачи данных 50 Мбит/с без воздействия нелинейности в тракте приемо-передачи.

А при изменении амплитудной характеристики усилителя получаются следующие графики как на рисунке 5.4.

Добавление высших гармоник с спектре сигнала, вызванного нелинейностью амплитудной характеристики уменьшает энергетическую эффективность сигнала. При хорошей структуре сигнала основная передаваемая мощность должна быть сосредоточена в середине полосы передачи. А в случае воздействия нелинейности спектр сигнала «расплывается» по частотному диапазону.

Одной из важнейших метрик производительности в системах цифровой связи является график зависимости вероятности появления ошибочного бита РОШ от Еб/N0. Безразмерное отношение Еб/N0 — это стандартная качественная мера производительности систем цифровой связи. Следовательно, необходимое отношение Еб/N0 можно рассматривать как метрику, позволяющую сравнивать производительность различных систем; чем меньше требуемое отношение Еб/N0, тем эффективнее процесс обнаружения при данной вероятности ошибки, рисунок 5.5. Очевидно явное влияние шумов и нелинейных искажений. Так как с увеличением соотношения сигнал/шум вероятность ошибки сигнала с нелинейными искажениями изменяется намного медленнее, чем кривая вероятности для сигнала без искажений. BER (Bit Error Rate) — это количество ошибочно принятых битов разделенное на общее количество переданных битов. Оно может быть выражено и в дБ, но обычно выражается в формате 10-х.

Из графика зависимости вероятности ошибочного приема от соотношения сигнал/шум (рисунок 5.5) видно, что вероятность ошибки для сигнала, подверженного искажениям, минимизируется при достижении отношения сигнал/шум равной примерно 22 (в дБ), а для сигнала без воздействия нелинейности такая же вероятность достигается уже при соотношении сигнал/шум равной примерно 16,5 (в дБ).

Аналогично можно проанализировать данные полученные в Scatter Plot (устройство визуализации созвездия 16-КАМ на фазоамплитудной плоскости).

При появлении нелинейности наиболее подвержены к сдвигам крайние точки созвездия (рисунок 5.7.), и сдвиг увеличивается по сравнению с созвездием сигнала без нелинейности тракта передачи, также к сдвигам добавляются искажения вызванные аддитивным белым гауссовским шумом (рисунок 5.6). Соответственно, возрастает вероятность ошибочного приема сигнала, так как на приемной стороне сигнальная точка может поменять свое местоположение и выйти за область принятия решения.

Искажения формы передаваемых импульсов удобно наблюдать на глазковой диаграмме. Глазковая диаграмма представляет собой «осциллограмму» аналогового демодулированного сигнала, построенную при длительности «прямого хода развертки», равной одному символьному такту, и бесконечном «времени послесвечения экрана». В точках оптимальной дискретизации линии на такой диаграмме образуют узкие пучки, свободное пространство между которыми по форме напоминает раскрытый глаз. Ширина открытия глаза указывает время, в течение которого производится выборка сигнала. Оптимальное время взятия выборки соответствует максимально распахнутому глазу, что дает минимальное воздействия помех.

На рисунке 5.9 видно, что глазковая диаграмма имеет другой вид по сравнению с глазковой диаграммой на передающей стороне, показанной на рисунке 5.8., которая является типичной диаграммой, достаточно ровная и симметричная с плавными переходами. На приемной стороне под воздействием помех, глазковая диаграмма имеет меньшую меру запаса помехоустойчивости и чувствительность к ошибкам синхронизации. Соответственно, помехоустойчивость сигнала при воздействии различных помех значительно снижается.

С помощью визуальной системы AWR VSS проанализировано воздействие нелинейности характеристики радиопередающего тракта и аддитивного гауссовского белого шума на сигнал с шестнадцатипозиционным КАМ.

Для подтверждения полученных данных с точки зрения практики в данной работе была использован лабораторный макет USRP, где были получены аналогичные основные характеристики (глазковые диаграммы, спектральные характеристики, созвездия сигналов) для оценки помехоустойчивости.

5.3 Результаты измерения в макетной системе USRP

Universal Software Radio Peripheral (USRP) — Универсальный периферийный приемо-передатчик. USRP устройство, которое можно снабдить программным обеспечением для посылки определенных радиосигналов. Это устройство состоит из платы микросхем, которая выполняет операции обработки сигналов и подключается к любому компьютеру через USB 2.0. Передача и прием информации производится в режиме реального времени на нужном диапазоне частот.

Для получения достоверных результатов необходимо связать процесс моделирования с физическим смыслом задачи, чтобы быть убежденным в правильности полученных результатов либо получить неопровержимые доказательства неправильной постановки задачи и знать, где искать ошибку. Именно для этих целей в данной работе используется приемо-передающая система USRP совместно с программным обеспечением GNU Radio Software, которая необходима для программирования сигналов с заданным типом модуляции.

GNU Radio — программное обеспечение свободного использования для создания программных радиоприемников. Это программное обеспечение представляет собой комплекс средств для обработки сигналов. Программа включает в себя сотни блоков для обработки сигналов, современные графические утилиты, а также возможность адаптации приемо-передающей системы USRP с обычным персональным компьютером.

Была поставлена задача: получить сигнал с 16-КАМ с максимальной скоростью передачи данных 50 Мбит/с. Синтез согласующих цепей осуществляется с помощью GNU Radio Software для рабочей частоты 1.2 ГГц с целью дальнейшего создания макета реального усилителя и проведения измерений основных параметров.

Схема получения сигнала с 16-КАМ в программе GNU Radio показана на рисунке 5.11. Данная схема состоит из источника сигналов косинусоидальной форма, которая, проходя через дискретизатор сигналов, в последующих блоках кодируется и модулируется в сигнал 16-КАМ. Поскольку в большинстве случаев ошибка при приеме j-ого вектора заключается в распознавании соседнего с ним вектора на комплексной плоскости, целесообразно применить код Грея, при котором все соседние состояния на комплексной плоскости отличаются друг от друга не более чем на 1 бит. Полученный вид сигнала поступает на антенну и передается. На приемной стороне стоит такая же схема с декодером и демодулятором. К выходу приемной платы подключается анализатор спектра Spectrum Analyzer R&S®FSQ8 1155.5001.08. (20 Hz — 26 GHz). Анализатор позволяет увидеть визуально спектральную характеристику, глазковые диаграммы и созвездия сигнала на фазоамплитудной плоскости.

Спектры сигнала на передающей и приемной сторонах приведены на рисунках 5.12 и 5.13, соответственно.

На рисунке 5.14 показано созвездие сигнала с 16- КАМ. Видно, что под воздействием нелинейности приемо-передающего устройства USRP крайние точки созвездия более подвержены сдвигам. Приблизительно такие же сдвиги на фазоамплитудной плоскости были получены при симуляции сигнала в программе AWR VSS.

Анализ глазковых диаграмм это широко используемый инструмент для оценки целостности сигнала в потоках последовательной передачи данных. Как видно из рисунка 5.15, раскрыв четырехуровневой глазковой диаграммы (16-КАМ) не сильно уменьшается, соответственно как показала практическая часть проекта, целесообразно передавать сигнал с 16-КАМ.

Использование данного вида модуляции для высокоскоростных систем, для спутниковой связи возможно при максимальной линейности амплитудных характеристик оборудования. При приемо-передаче сигнала посредством макетной платы USRP модулированный сигнал под воздействием помех и нелинейности устройств не сильно искажается, и прием сигнала производится с достаточно высокой достоверностью. И если сравнивать исследуемую модуляцию с другими видами преобразования, то КАМ в силу многопозиционности (возможность одновременного изменения амплитуды и фазы) передает большее количество информации.

5.4 Сравнение результатов симуляции в AWR VSS и измерений в системе USRP

Свойства сигнала 16-КАМ были рассмотрены в условиях аддитивного белого гауссовского шума и при воздействии нелинейной амплитудной характеристики приемо-передающего тракта. В визуальном симуляторе AWR VSS был получен сигнал КАМ с позиционностью равной 16, на частоте 1,2 ГГц, с максимальной скоростью передачи данных 50 Мбит/с. Аналогичный сигнал был синтезирован на макетной плате USRP.

Исходя из полученных характеристик на симуляторе VSS и на макетной плате USRP, можно утверждать, что влияние нелинейности тракта приемо-передачи ухудшает помехоустойчивость приема сигнала. Под воздействием нелинейности изменяется положение сигнальных точек на фазоамплитудной плоскости, что приводит к неправильному принятию решения приемника. Спектр сигнала теряет свою эффективность на заданной полосе частот.

5.5 Выводы по исследованию

В данной главе представлено исследование сигнала с 16-КАМ с использованием визуального симулятора AWR VSS и реальной макетной платы USRP. Получены основные характеристики для оценки влияния воздействия помех со стороны канала связи и неидеальности параметров приемо-передающей системы. Было проведено сравнение результатов визуальной симуляции и измеренных данных на макетной плате. Исследование показало, что влияние нелинейности характеристик устройств значительно ухудшает помехоустойчивость. Приемлемое значение помехоустойчивости достигается исключительно при большом соотношении сигнал/шум.

Измерениями и исследованиями подтвержден главный недостаток КАМ сигнала. Недостаток заключается в том, что в составе сигналов КАМ присутствуют элементы сигналов с различными амплитудами, которые под воздействием нелинейности искажаются неодинаково. При рассмотрении созвездияКАМ-16 видно, что большим искажениям подвержены крайние сигнальные точки. Поэтому при использовании КАМ амплитудные характеристики высокочастотного тракта приемопередатчика должны быть линейными.

6 Заключение

Современные системы беспроводной связи для достижения высоких скоростей передачи и высокой спектральной эффективности используют сложные методы модуляции и кодирования, что влечёт за собой повышение требований к передающему оборудованию.

В данной работе представлено исследование влияния реальных характеристик радиотракта на помехоустойчивость в системах цифровой связи с использованием многопозиционной КАМ.

Достоверность теоретических положений подтверждены результатами моделирования в среде AWR VSS и экспериментальными исследованиями в системе USRP & Gnu Radio Software.

Одной из основных задач экспериментальной части работы являлся синтез сигнала с 16-КАМ и согласование макетной платы с компьютерной системой с использованием языка программирования Python в операционной системе Linux. На приемной стороне с помощью анализатора спектра исследованы глазковые диаграммы, созвездия на фазоамплитудной плоскости и спектр сигнала с заданной модуляцией.

Построена схема приемо-передающей системы с шестнадцатипозиционным КАМ в визуальном симуляторе с использованием элементов, имеющих нелинейные характеристики. Получены графики зависимости вероятности ошибочного приема от соотношения сигнал/шум при воздействии нелинейных искажений, также и для идеального случая (без нелинейных искажений и без шумов в канале передачи). Произведено сравнение глазковых диаграмм, созвездий и спектров сигнала при различных параметрах оборудования и различных условиях распространения сигнала.

Исходя из полученных данных в визуальном симуляторе и на макетной плате, можно прийти к выводу, что использование данного вида модуляции для высокоскоростных систем возможно при максимальной линейности амплитудных характеристик оборудования. При исследовании процесса передачи сигнала посредством макетной платы USRP модулированный сигнал под воздействием шумов реального уровня и нелинейности устройств искажается меньше, чем при моделировании и прием сигнала производится с большей достоверностью. Это можно объяснить критическими условиями симуляции в программеAWR VSS, которые были введены в процессе моделирования.

спутниковый связь помехоустойчивость сигнал

Библиография

1. Носов В. И., Тимощук Р. С., Дроздов Н. В. Моделирование систем связи в среде MATLAB: Учебное пособие/СибГУТИ. — г. Новосибирск, 2007 г. — 178 с.

2. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналовСПб.:Питер, 2002.-608 с.

3. Зюко А. Г. Теория передачи сигналов: учебник для ВУЗов- 2-е изд., перераб. и доп.- М.:Радио и связь, 1996. — 304с. ил.

4. Носов В. И. Сети радиодоступа. Часть 2: Учебное пособие/СибГУТИ. — г. Новосибирск, 2006 г. — 256 с.

5. GNU Radio Home Page: http://gnuradio.org/trac

6. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Б. Скляр; пер. с англ. Е. Г. Грозы [и др.]; под ред. А. В. Назаренко. — 2-е изд., испр. — М.: Вильямс, 2004. — 1104 с.: ил.

7. Egan, W. F. (1981). «The Effects of Small Contaminating Signals in Nonlinear Elements Used in Frequency Synthesis and Conversion.» Proceedings of the IEEE, Vol. 69, No. 7, July, pp. 279−811.

Список сокращений

AWGN (Additive White Gaussian Noise) — Аддитивный белый гауссовский шум;

AWR (Advancing the wireless revolution) — Расширенные беспроводные системы;

BER (Bit Error Rate) — Вероятность битовой ошибки;

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) — Квадратурная фазовая манипуляция;

R&S (Rohde & Schwarz);

USB (Universal Serial Bus) — Универсальная последовательная шина;

USRP (Universal Software Radio Peripheral) — Универсальный периферийный приемо-передатчик;

VSS (Visual System Simulator) — Система визуальной симуляции;

АБГШ — Аддитивный белый гауссовский шум;

АМ — Амплитудная модуляция;

АХ — Амплитудная характеристика;

КАМ — Квадратурная амплитудная модуляция;

М-КАМ — Многопозиционная квадратурная амплитудная модуляция;

ОФМ — Относительная фазовая модуляция;

ФНЧ — фильтр нижних частот;

ЦАП — цифроаналоговый преобразователь;