Возможности программного обеспечения Signal Analysis по демодуляции PSK-модулированных сигналов в связке с анализатором спектра СК4М-18А

Возможности программного обеспечения Signal Analysis по демодуляции PSK-модулированных сигналов в связке с анализатором спектра СК4М-18А

АО «НПФ «Микран» разработало программное обеспечение Signal Analysis, расширяющее функционал анализаторов сигналов и спектра. В статье приведены результаты исследования возможностей разработанного программного обеспечения по демодуляции сигналов стандартных видов цифровых модуляций на примере QPSK и π/8-D8PSK. Исследование проводилось в связке с анализатором спектра СК4М-18А производства АО «НПФ «Микран». Проведены исследования влияния возможных искажений, присутствующих в канале связи, на среднеквадратическое значение векторной ошибки (EVM) и коэффициент модуляционных ошибок (MER).

1. Функционал программного обеспечения Signal Analysis

Signal Analysis — программное обеспечение (ПО), позволяющее просматривать и исследовать модулированные сигналы, в том числе с цифровыми видами модуляции PSK и QAM. В режиме базового анализа ПО позволяет подключиться к измерительному прибору (анализатору спектра или сигналов), запросить выборку сигнала для дальнейшего анализа на графиках спектра сигнала, зависимости значений I- и Q-составляющих от времени, значения мощности от времени. В режиме анализа цифровых модуляций Signal Analysis позволяет проводить исследования сигналов с модуляциями PSK (от BPSK до 16PSK) и QAM (от QAM16 до QAM1024).

Анализ результатов демодуляции сигналов производится по следующим графикам: спектра сигнала, зависимости значений I- и Q-составляющих от времени, значения мощности от времени, векторной диаграмме и диаграмме созвездия, таблицах измеренных параметров модулированного сигнала и демодулированных символов. Внешний вид ПО Signal Analysis в режиме анализа цифровых модуляций изображен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Внешний вид ПО Signal Analysis.

2. Описание экспериментальной установки

Для проведения исследований была собрана экспериментальная установка, состоящая из векторного генератора сигналов Г7М-06 анализатора спектра СК4М-18А и анализатора сигналов PXA N9030А (рисунок 2.1). Анализатор сигналов PXA N9030А с опцией демодуляции сигналов стандартных видов цифровых модуляций используется в качестве эталона для сравнения результатов.

Рисунок 2.1 — Схема экспериментальной установки.

Между приборами настроена синхронизация по опорному генератору (пунктирные линии на рисунке 2.1) и в качестве задающего опорного генератора с частотой 10 МГц используется анализатор спектра СК4М-18А.

3. Методика проведения исследования

Для проведения исследования была собрана экспериментальная установка, описанная в пункте 2.

В векторном генераторе сигналов была выставлена несущая частота 1 ГГц, уровень выходной мощности 0 дБм и включена векторная модуляция. На следующем этапе в загруженный тестовый сигнал были поочередно внесены следующие искажения:

— дисбалансы амплитуды и фазы между квадратурными составляющими,

— смещение частоты несущего сигнала,

— постоянное смещение в IQ каналах,

— аддитивный белый гауссовский шум (АБГШ) (для добавления белого гауссовского шума в сигнал использовался новый векторный генератор сигналов).

После измерений каждый изменяемый параметр приводился к изначальному значению (0 или выключено).

Параметры тестовых сигналов, сформированных в ПО Signal Lab:

— модуляция: QPSK (первый тестовый сигнал) и π/8-D8PSK (второй тестовый сигнал),1

— символьная скорость: 100 кГц,

— тип формирующего фильтра: фильтр Найквиста с коэффициентом сглаживания 0,7.

С помощью ПО Signal Analysis захватывался сигнал с анализатора спектра СК4М-18А и выполнялась демодуляция по 150 символам. В PXA выполнялась такая же демодуляция. Результаты были занесены в таблицы для последующего анализа.

4. Анализ результатов

4.1 Влияние дисбалансов амплитуды и фазы между квадратурными составляющими

На дисбаланс амплитуды и фазы между квадратурными составляющими в передатчиках и приёмниках влияет множество факторов [1]:

— погрешность коэффициента усиления и фазы модулирующего сигнала и сигнала гетеродина в квадратурном модуляторе (демодуляторе),

— погрешность коэффициента усиления и фазы в цифро-аналоговом преобразователе (аналого-цифровом преобразователе),

— допуски номиналов дискретных компонентов (резисторов, конденсаторов и индуктивностей),

— рассогласования длин проводников.

Наличие дисбаланса амплитуды и фазы квадратурных составляющих находит отражение в искажениях диаграммы созвездия и векторной диаграммы (рисунок 4.1) и ухудшении EVM (рисунок 4.2 и 4.3).

Рисунок 4.1 — Пример влияния на векторную диаграмму дисбаланса амплитуды (а) и дисбаланса фазы (б) квадратурных составляющих.

Рисунок 4.2 — Зависимость среднеквадратического значения вектора ошибки (EVM), выраженного в процентах, от дисбаланса амплитуды.

Рисунок 4.3 — Зависимость среднеквадратического значения вектора ошибки (EVM), выраженного в процентах, от дисбаланса фазы.

Графики среднеквадратического значения вектора ошибки (EVM), выраженного в процентах от дисбаланса амплитуды и дисбаланса фазы квадратурных составляющих (рисунки 4.2 и 4.3), полученные при помощи ПО Signal Analysis в связке с СК4М-18А и полученные с PXA, совпадают между собой и теоретическими значениями, приведёнными в статье [2]. Для вычисления EVM в ПО Signal Analysis используется формула:

где l_k и Q_k – значение синфазной и квадратурной составляющих принятого символа;

 l_ref,k и Q_ref,k   – значения синфазной и квадратурной составляющих опорного символа, значение которого восстановлено в приёмнике;

M – количество символов.

С одной стороны, использование восстановленных опорных символов позволяет вычислять EVM для заранее неизвестной последовательности символов. С другой стороны, при низких значениях отношения уровня сигнала к уровню шума (ОСШ) даёт результат лучше реального [3].

ПО Signal Analysis позволяет не только измерить EVM, но и провести оценку величин внесённых искажений. Для модуляции QPSK измеренные значения дисбаланса амплитуды и фазы совпадают с установленными значениями (рисунки 4.4 и 4.5). Необходимо отметить, что для модуляции π/8-D8PSK из-за большого количества вариантов на диаграмме созвездия не получается точно определить величину дисбаланса амплитуды и фазы из-за их взаимного влияния без синхронизации по паттерну (эти величины несут исключительно информативный характер).

Рисунок 4.4 — Зависимость измеренного значения дисбаланса амплитуды от установленного значения дисбаланса амплитуды.

Рисунок 4.5 — Зависимость измеренного значения дисбаланса фазы от установленного значения дисбаланса фазы.

Также для модуляции QPSK возможно оценить значение отношения уровня сигнала к уровню шума (ОСШ или SNR) на фоне наличия дисбаланса амплитуды и фазы квадратурных составляющих (рисунок 4.6). На рисунке 4.6 для наглядности приведены значения MER и SNR. Значение MER вычисляется по формуле:

SNR вычисляется так же, как и MER, но после коррекции дисбалансов амплитуды и фазы. Так для модуляции π/8-D8PSK не стоит использовать значение SNR, так как дисбалансы амплитуды и фазы могут быть вычислены некорректно из-за их взаимного влияния.

Рисунок 4.6 — Зависимость измеренного значения MER и SNR от установленного значения дисбаланса амплитуды для модуляции QPSK.

4.2 Влияние смещения несущей частоты

Смещение несущего сигнала может возникать из-за несовпадения частот опорных генераторов приёмника и передатчика, ошибки установки частоты или эффекта Доплера при подвижной связи. Однако оно не должно оказывать влияние на значение EVM. В ПО Signal Analysis используются алгоритмы [4], позволяющие компенсировать ошибку частоты несущего сигнала даже при наличии искажений. Так, смещение несущей частоты до 3 кГц не оказало существенного влияния на оценку EVM (рисунок 4.7), а погрешность измерения смещения несущей частоты не превысила 0,2 % (рисунок 4.8).

Рисунок 4.7 — Зависимость среднеквадратического значения вектора ошибки (EVM), выраженного в процентах, от смещения частоты.

Рисунок 4.8 — Результат измерения смещения несущей частоты.

4.3 Влияние уровня просачивания несущего сигнала (наличия постоянного смещения в IQ каналах)

При использовании квадратурных модуляторов и демодуляторов наблюдается паразитное просачивание несущего сигнала. Влияние уровня просачивания несущего сигнала, не превышающего по мощности −18 дБн (максимальное значение, до которого проводились измерения), для модуляции QPSK не привело к заметному влиянию на оценку значения EVM (рисунок 4.9).

Для модуляции π/8-D8PSK ПО Signal Analysis применимо до уровня просачивания несущего сигнала, не превышающего значения −20 дБн. При достижении в −19 дБн появляются сбои в работе алгоритмов синхронизации, что необходимо учитывать при проведении измерений.

Рисунок 4.9 — Зависимость среднеквадратического значения вектора ошибки (EVM) от уровня просачивания несущего сигнала.

4.4 Влияние АБГШ

Зависимость MER от ОСШ (SNR), выставленного на генераторе, для модуляции QPSK носит линейный характер в диапазоне от 10 до 45 дБ с загибами на крайних точках 5 и 50 дБ (рисунок 4.10 и 4.11). При ОСШ, равном 50 дБ, влияние оказывают собственные шумы СК4М-18А, а при ОСШ = 5 дБ алгоритмы частотной и временной синхронизаций теряют свою эффективность. Для модуляции π/8-D8PSK зависимость носит линейный характер в диапазоне от 20 до 45 дБ с загибами в крайних точках (при ОСШ = 20 дБ алгоритмы частотной и временной синхронизацией начинают терять свою эффективность).

Рисунок 4.10 — Зависимость MER от ОСШ (для модуляции π/8-D8PSK в PXA отсутствует параметр MER).

Рисунок 4.11 — Зависимость среднеквадратического значения вектора ошибки (EVM) от ОСШ.

Выводы

Минимальное измеряемое значение EVM, ограниченное собственными шумами анализатора сигналов СК4М-18А, для сигналов с модуляциями семейства PSK составляет менее 0,5 %, а MER — более 46 дБ, что достаточно для проведения большинства практических измерений. Программное обеспечение Signal Analysis применимо для исследования сигналов с модуляциями семейства PSK при наличии в сигнале рассогласования амплитуды, фазы, остаточного уровня несущего сигнала, смещения частоты несущего сигнала и АБГШ.

Список источников:

1. Джан И. Баланс квадратурных составляющих и подавление зеркального канала в беспроводных передатчиках // Беспроводные технологии, 2011, № 1, с. 58-62

2. Georgiadis A. Gain, Phase Imbalance, and Phase Noise Effects on Error Vector Magnitude // IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2004, 53(2), p. 443–449. doi:10.1109/tvt.2004.823477 

3. Дубов М.А. Методика неэталонной оценки отношения сигнал/шум и вероятности битовой ошибки для сигналов с квадратурной модуляцией / Дубов М.А., Приоров А.Л. // Цифровая обработка сигналов, 2012, № 4, с. 37-43

4. Черный В.С. Алгоритм измерения искажений в сигнале с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK) / Черный В.С., Абраменко А.Ю., Пономарёв О.Г. // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2020. Т. 23. № 3. с. 45-52.