無線電監(jiān)測中實(shí)測眼圖與分析*

謝曜聰，單中堯

(中國電波傳播研究所, 山東 青島266000)

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無線電監(jiān)測中實(shí)測眼圖與分析*

謝曜聰，單中堯

(中國電波傳播研究所, 山東 青島266000)

眼圖是無線電監(jiān)測中的一個重要測試項(xiàng)目?，F(xiàn)代無線電監(jiān)測系統(tǒng)屬于非協(xié)作通信，許多傳輸參數(shù)需要估計。因此接收信號的眼圖與協(xié)作通信中的眼圖有所不同。文章給出了眼圖的實(shí)際測量結(jié)果，并進(jìn)行了分析，說明了在工程應(yīng)用中眼圖繪制所需要達(dá)到的實(shí)際指標(biāo)。對于眼圖繪制算法的改進(jìn)，則需要根據(jù)工程目的進(jìn)行適當(dāng)修改，而不是一味地追求速度或是精度。

眼圖；無線電監(jiān)測；非協(xié)作通信

0 引言

文獻(xiàn)[1]提到，眼圖，即指通過用示波器觀察接收端的基帶信號波形，從而估計和調(diào)整系統(tǒng)性能的一種方法。它能夠定性地分析傳輸系統(tǒng)的性能?！把劬Α睆堥_的越小，眼圖越不端正，證明波形失真越大，碼間串?dāng)_越大；“眼睛”的線跡越粗，表示噪聲越大，“眼睛”也張開的越小?？梢?，眼圖可以作為一個參考指標(biāo)來衡量無線電監(jiān)測傳輸系統(tǒng)的性能，也可以輔助監(jiān)測工作者對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行正確分析。

而在實(shí)際的無線電監(jiān)測傳輸系統(tǒng)中，眼圖還要受到同步算法的影響，同步算法的作用相當(dāng)于用示波器上的旋鈕來調(diào)節(jié)波形達(dá)到同步。在無線電監(jiān)測中，監(jiān)測方與發(fā)送方是屬于非協(xié)作的通信機(jī)制，因此調(diào)制方式、載波頻率、碼元速率、信噪比等一系列參數(shù)都需要估計出來。而在這個過程中，會出現(xiàn)估計偏差。偏差會影響眼圖的結(jié)果，這是與收發(fā)雙方為協(xié)作通信體制所不同的[2-3]。

本文將眼圖技術(shù)應(yīng)用到無線電的監(jiān)測中，觀察在非協(xié)作通信體制的條件下，眼圖的表現(xiàn)結(jié)果。

1 眼圖繪制過程

繪制眼圖所需要的數(shù)據(jù)來自基帶碼元信號經(jīng)脈沖成形濾波器成形后的接收信號波形數(shù)據(jù)。接收機(jī)得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過算法解調(diào)和時鐘同步，得到原始基帶成形信號，才可以畫出眼圖[4]。具體過程如下:

(1)設(shè)監(jiān)測到的待解調(diào)信號表示為X(t)。經(jīng)過接收機(jī)過采樣后，表達(dá)式更新為X(n)，此時含噪信號表達(dá)式為：

X(n)=S(n)cos(2π×Fc×n+θ)+φ(n)

(1)

其中，S(n)為原始基帶信號，φ(n)為各種附加噪聲,Fc為信號的載頻，θ為信號相位。

(2)使用超外差接收方案，將待解調(diào)信號頻譜搬移至零中頻，除去載波。需要注意的是，因?yàn)槭欠菂f(xié)作通信，信號載頻也需要進(jìn)行估計，因此這個過程也會產(chǎn)生偏差。搬移至零中頻后，經(jīng)過低通濾波器處理，得到信號的表達(dá)式為：

X1(n)=S(n)cos(2π×Fo×n+θ1)+φ1(n)

(2)

其中，F(xiàn)o為估計載頻偏差，θ1和φ1(n)分別為處理后的信號相位偏移和附加噪聲。

(3)采用算法解調(diào)。算法解調(diào)主要完成兩個任務(wù)，第一個是同步，第二個是得到最佳采樣點(diǎn)。其中同步包括載波同步和時鐘同步。這里，關(guān)于同步和最佳采樣點(diǎn)獲取的算法已經(jīng)有很多文獻(xiàn)[5-7]進(jìn)行了研究，本文不再贅述其原理。本文使用了Gardner時鐘同步算法來實(shí)現(xiàn)位同步；同時使用判決反饋的科斯塔斯環(huán)來實(shí)現(xiàn)載波同步。

實(shí)現(xiàn)同步后，取得最佳采樣點(diǎn)。本文使用了線性插值的方法，即選擇最佳采樣時刻相鄰的兩個點(diǎn)值的線性平均，得到最佳采樣時刻的點(diǎn)值，同時將該時刻值進(jìn)行記錄，作為控制眼圖起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)。至此，算法解調(diào)和同步已經(jīng)完成。這時，得到信號為：

S′(n)=S(n)+φ2(n)

(3)

其中，S′(n)為經(jīng)過算法解調(diào)后的恢復(fù)基帶信號，φ2(n)為殘留噪聲。

(4)根據(jù)得到的最佳采樣時刻對眼圖的橫坐標(biāo)進(jìn)行控制，使用信號S′(n)作為眼圖繪制數(shù)據(jù)，繪制眼圖，觀察信號傳輸質(zhì)量。

2 無線電監(jiān)測中眼圖的表現(xiàn)結(jié)果與分析

本文使用信號源模擬器，在辦公樓樓頂架構(gòu)天線作為輻射源，發(fā)射信號。信號強(qiáng)度為-40 dBm，調(diào)制方式選為16QAM，碼元速率設(shè)置為50.000 kHz，載頻設(shè)置為1.555 GHz。該基帶信號經(jīng)過滾降系數(shù)為0.35的成形濾波器處理，調(diào)制后送入天線端發(fā)射。監(jiān)測接收機(jī)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行接收。經(jīng)過接收機(jī)處理后，估計載波頻偏為1 904.296 8 Hz，估計誤差為：

估計碼速率為50.048 kHz，估計誤差為：

本文通過程序編寫，將接收機(jī)中處理的數(shù)據(jù)提取出來，使用MATLAB仿真來直觀地觀察結(jié)果。得到的星座圖與眼圖如圖1所示。

圖1 無線電監(jiān)測解調(diào)后信號星座圖與眼圖對比

作為對比，本文給出在準(zhǔn)確的載頻和碼元速率條件下，信噪比為20 dB時，使用該算法對16QAM信號的解調(diào)結(jié)果。如圖2所示。

圖2 高信噪比解調(diào)后星座圖與眼圖對比

需要注意的是，圖中給出的是I路的眼圖，Q路眼圖與之類似。

通過圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)：(1)算法本身是可行的。在高信噪比下，圖2中的星座圖，每一個調(diào)制點(diǎn)上星座點(diǎn)收斂范圍很小，很精確。這表明該算法可以很精確地將16QAM信號還原出來。反映到圖2中的眼圖上，舉個例子，在橫坐標(biāo)為5的位置上，一共有4個交點(diǎn)。每個交點(diǎn)都是星座圖上的星座點(diǎn)，即最佳采樣點(diǎn)，它與星座圖上的點(diǎn)是一致的。因?yàn)橐恢?，所以這里的每個交點(diǎn)的收斂范圍越小，相對距離越大，“眼睛”就睜得越開，這時就說明信號的傳輸質(zhì)量就越高，噪聲干擾小。(2)由于算法本身可行，那么為什么還會出現(xiàn)圖1的結(jié)果呢？這是因?yàn)閳D1的解調(diào)條件所導(dǎo)致的。接收機(jī)工作在實(shí)際監(jiān)測環(huán)境中，存在大量的噪聲干擾。同時，因?yàn)槭欠菂f(xié)作通信，很多參數(shù)需要顧及，存在偏差。因此得到的星座圖和眼圖就如圖1所示?？梢钥吹剑荒軓男亲鶊D中分辨出這是一個16QAM信號，但是每個星座點(diǎn)的收斂范圍很大，甚至幾乎都連到了一塊。反映到眼圖上，作為最佳采樣點(diǎn)的4個交點(diǎn)，變成了一條有一定寬度的線條，垂直相對距離也變小了，“眼睛”張開很小。這就是實(shí)際條件與理想條件下接收機(jī)解調(diào)結(jié)果的對比圖。

為了表示一般性，再分別給出BPSK、QPSK、8PSK的實(shí)際監(jiān)測環(huán)境下解調(diào)的星座圖和眼圖對比。這里，發(fā)送端信號源的碼元速率都給定為50 kHz，信號幅度為-40 dBm，信號載頻為1.555 GHz，經(jīng)過滾降系數(shù)為0.35的成形濾波器處理。測量結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 BPSK信號星座圖和眼圖對比

圖4 QPSK信號星座圖與眼圖對比

圖5 8PSK信號星座圖與眼圖對比

其中，BPSK信號的I路眼圖即為圖3中所示，而其Q路眼圖則由零值附近上下浮動的值組成。其他信號的I、Q兩路信號眼圖是類似的?？梢钥吹剑辔徽{(diào)制點(diǎn)數(shù)越多，噪聲干擾的影響越大，特別是8PSK信號，“眼睛”幾乎沒有張開。

這樣的眼圖，是否能達(dá)到現(xiàn)代無線電監(jiān)測的目的？或者說，這樣的眼圖，是不是就是不好呢？需要明確的是，眼圖是用來實(shí)時反映信號傳輸質(zhì)量的一種手段。眼圖本身并沒有質(zhì)量好壞的差別。正確的眼圖是能夠真實(shí)反映無線電傳輸系統(tǒng)質(zhì)量的。并不是串?dāng)_的眼圖就一定不對，有很大可能串?dāng)_是由于噪聲干擾造成的。真正衡量眼圖的標(biāo)準(zhǔn)是能否達(dá)到監(jiān)測的目的。

與理想條件下的眼圖繪制相比，不同的監(jiān)測目的，關(guān)注的重點(diǎn)是不同的。例如，監(jiān)測工作人員更看重接收信號的調(diào)制方式，那么解調(diào)算法的精度上就可以適當(dāng)放寬要求，只要能明確是何種調(diào)制方式即可，而在算法收斂的速度上就要有所提高。這樣的結(jié)果，就會使得星座圖中最佳采樣點(diǎn)離散性很大，眼圖中“眼睛”張開程度變小，但是收斂速度很快，可以在數(shù)據(jù)長度很短的一個數(shù)據(jù)包內(nèi)就完成解調(diào)，分辨出該信號是何種調(diào)制方式。因此，根據(jù)不同的需要，眼圖繪制算法中控制解調(diào)速度和解調(diào)精度的參數(shù)也要相應(yīng)調(diào)整。由于本文所使用解調(diào)算法更注重解調(diào)速度，因此在精度方面有所犧牲，圖3～圖5中的星座圖和眼圖就是使用該算法產(chǎn)生的。

3 眼圖誤差影響分析

實(shí)際監(jiān)測環(huán)境中，在明確了工作目的后，影響眼圖實(shí)時反映信號傳輸質(zhì)量的誤差主要有以下幾種：

(1)信號載頻估計

由于是非協(xié)作通信，發(fā)送端以一個相對于監(jiān)測機(jī)未知的載頻來攜帶信號進(jìn)行傳播，接收端需要對載頻進(jìn)行估計，進(jìn)而搬移至零中頻。在這個過程中，由于噪聲和算法的影響，必然會產(chǎn)生載頻估計偏差。一般來說，載頻越大，估計頻率偏差越大，但是該偏差相對于載頻的比例是很小的，以本文使用的接收機(jī)為例，約為0.000 1%。因此，頻率偏差對于接收端是存在影響的，但相對影響較小。

(2)碼元速率估計

碼元速率估計是算法解調(diào)中重要的一個步驟。如果碼元速率的估計偏差較大，就會校錯發(fā)送端的時鐘，時鐘同步就很難達(dá)到，眼圖中各個最佳采樣點(diǎn)相鄰的波形就會互相交叉串?dāng)_在一起。相比于載頻，碼元速率估計偏差對于接收端解調(diào)效果影響較大。碼元速率估計的絕對偏差隨著碼元速率的增加而增加，不過碼元速率估計偏差的相對增長最好控制在一個較低的增長速率。例如，碼元速率如果提升了幾百千赫茲，那么估計偏差就要控制在相對提升幾百赫茲，甚至幾十赫茲的范圍內(nèi)。

(3)解調(diào)算法同步

同步問題始終是監(jiān)測通信中非常重要的問題。關(guān)于同步，已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)論述其方法。而現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)要求的不僅僅是同步準(zhǔn)確度，還有同步的速率。這二者是不可兼得的，需要根據(jù)實(shí)際工作目的對算法進(jìn)行調(diào)整。在協(xié)作通信中同步準(zhǔn)確度很重要，而在一些無線電監(jiān)測環(huán)境中，同步速率很重要。

(4)各類噪聲

噪聲的影響是普遍存在的。監(jiān)測接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲、低通濾波器噪聲、自由傳播空間的噪聲等，都會對眼圖產(chǎn)生不同的影響，而且是隨機(jī)的。噪聲的存在，對眼圖的影響一方面表現(xiàn)在眼圖中的線條，噪聲越大，線條就越寬；而另一方面，則是造成了算法同步和解調(diào)上的問題，使得眼圖中眼線相互串?dāng)_。后一方面的問題尤為嚴(yán)重，需要從根本上去調(diào)整算法解調(diào)用的參數(shù)，來適應(yīng)當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)測環(huán)境。

4 結(jié)論

本文針對眼圖在無線電監(jiān)測環(huán)境下的表現(xiàn)結(jié)果做出了分析。在非協(xié)作通信和復(fù)雜實(shí)際環(huán)境的條件下，監(jiān)測目的不僅僅要求算法解調(diào)的精度高，還會要求算法收斂的速度快。因此在這種條件下眼圖的表現(xiàn)結(jié)果與通信中眼圖的表現(xiàn)結(jié)果一般有所不同。在監(jiān)測接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)包中，有時還存在丟包的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)序列很短，這時就更需要收斂速度快的算法及時完成解調(diào)，而精度要求就不再是主要要求。因此根據(jù)不同的監(jiān)測環(huán)境，要做出相應(yīng)的對策來滿足工程需求，最后完成工程上眼圖的繪制。

[1] 樊昌信,曹麗娜. 通信原理(第6版)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007.

[2] 張會,劉伯棟.基于眼圖分析的數(shù)字通信干擾效果方法研究[J].船舶電子工程,2011，31(2)：73-76.

[3] 牛帥,孟博,沈戈婷. 基于眼圖分析的數(shù)字濾波選取方法分析[J].艦船電子工程,2009，29(10)：103-106.

[4] 杜亮. 眼圖測量技術(shù)[J].測控技術(shù),2013，32(Z)：116-119.[5] 李夢.DMR端機(jī)的符號同步技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2010.

[6] 朱雪陽.基于Gardner算法的位定時同步研究[D].南京:南京理工大學(xué),2010.

[7] 楊煥珍.非協(xié)作通信中MPSK/MQAM信號盲解調(diào)技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2010.

Test and analysis of the eye diagram in wireless inspect

Xie Yaocong,Shan Zhongyao

(China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao 266000, China)

Eye diagram is an important testing item in the field of wireless inspect. The modern wireless inspect system is a kind of un-cooperated communication system, in which many parameters need to be estimated. There are some differences of the eye diagrams between the two systems. This paper shows the actual testing result of the eye diagram and analyzes the result, which gives the actual standard the eye diagram needs to achieve in the application of the engineering. To improve the eye diagram plotting arithmetic, one thing should be considered is the purpose of the engineering, not the speed or the precision solely.

eye diagram; wireless inspect; un-cooperated communication

青島市自主創(chuàng)新重大專項(xiàng)基金(14-6-1-8-ZDZX)

TN911.6

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.024

謝曜聰，單中堯. 無線電監(jiān)測中實(shí)測眼圖與分析[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(21)：79-81,87.

2016-06-14)

謝曜聰(1984-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：無線電監(jiān)測。

單中堯(1989-)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向：數(shù)字信號處理。