謝曜聰，單中堯
(中國(guó)電波傳播研究所, 山東 青島266000)
摘要：眼圖是無(wú)線電監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要測(cè)試項(xiàng)目。現(xiàn)代無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)屬于非協(xié)作通信，許多傳輸參數(shù)需要估計(jì)。因此接收信號(hào)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(cè)量結(jié)果，并進(jìn)行了分析，說(shuō)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(duì)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。
關(guān)鍵詞：眼圖；無(wú)線電監(jiān)測(cè)；非協(xié)作通信
0引言
文獻(xiàn)［1］提到，眼圖，即指通過(guò)用示波器觀察接收端的基帶信號(hào)波形，從而估計(jì)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_(kāi)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(kāi)的越小。可見(jiàn)，眼圖可以作為一個(gè)參考指標(biāo)來(lái)衡量無(wú)線電監(jiān)測(cè)傳輸系統(tǒng)的性能，也可以輔助監(jiān)測(cè)工作者對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行正確分析。
而在實(shí)際的無(wú)線電監(jiān)測(cè)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(lái)調(diào)節(jié)波形達(dá)到同步。在無(wú)線電監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)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(jì)出來(lái)。而在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)估計(jì)偏差。偏差會(huì)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［23］。
本文將眼圖技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線電的監(jiān)測(cè)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(guò)程
繪制眼圖所需要的數(shù)據(jù)來(lái)自基帶碼元信號(hào)經(jīng)脈沖成形濾波器成形后的接收信號(hào)波形數(shù)據(jù)。接收機(jī)得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)算法解調(diào)和時(shí)鐘同步，得到原始基帶成形信號(hào)，才可以畫(huà)出眼圖［4］。具體過(guò)程如下:
(1)設(shè)監(jiān)測(cè)到的待解調(diào)信號(hào)表示為X(t)。經(jīng)過(guò)接收機(jī)過(guò)采樣后，表達(dá)式更新為X(n)，此時(shí)含噪信號(hào)表達(dá)式為：
其中，S(n)為原始基帶信號(hào)，φ(n)為各種附加噪聲,Fc為信號(hào)的載頻，θ為信號(hào)相位。
(2)使用超外差接收方案，將待解調(diào)信號(hào)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(hào)載頻也需要進(jìn)行估計(jì)，因此這個(gè)過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生偏差。搬移至零中頻后，經(jīng)過(guò)低通濾波器處理，得到信號(hào)的表達(dá)式為：
其中，F(xiàn)o為估計(jì)載頻偏差，θ1和φ1(n)分別為處理后的信號(hào)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(gè)任務(wù)，第一個(gè)是同步，第二個(gè)是得到最佳采樣點(diǎn)。其中同步包括載波同步和時(shí)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)［57］進(jìn)行了研究，本文不再贅述其原理。本文使用了Gardner時(shí)鐘同步算法來(lái)實(shí)現(xiàn)位同步；同時(shí)使用判決反饋的科斯塔斯環(huán)來(lái)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(shí)刻相鄰的兩個(gè)點(diǎn)值的線性平均，得到最佳采樣時(shí)刻的點(diǎn)值，同時(shí)將該時(shí)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(shí)，得到信號(hào)為：
其中，S′(n)為經(jīng)過(guò)算法解調(diào)后的恢復(fù)基帶信號(hào)，φ2(n)為殘留噪聲。
(4)根據(jù)得到的最佳采樣時(shí)刻對(duì)眼圖的橫坐標(biāo)進(jìn)行控制，使用信號(hào)S′(n)作為眼圖繪制數(shù)據(jù)，繪制眼圖，觀察信號(hào)傳輸質(zhì)量。
2無(wú)線電監(jiān)測(cè)中眼圖的表現(xiàn)結(jié)果與分析
本文使用信號(hào)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(hào)。信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)接收機(jī)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行接收。經(jīng)過(guò)接收機(jī)處理后，估計(jì)載波頻偏為1 904.296 8 Hz，估計(jì)誤差為：
估計(jì)碼速率為50.048 kHz，估計(jì)誤差為：
本文通過(guò)程序編寫(xiě)，將接收機(jī)中處理的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，使用MATLAB仿真來(lái)直觀地觀察結(jié)果。得到的星座圖與眼圖如圖1所示。
作為對(duì)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(shí)，使用該算法對(duì)16QAM信號(hào)的解調(diào)結(jié)果。如圖2所示。
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(guò)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(gè)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(hào)還原出來(lái)。反映到圖2中的眼圖上，舉個(gè)例子，在橫坐標(biāo)為5的位置上，一共有4個(gè)交點(diǎn)。每個(gè)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)橐恢拢赃@里的每個(gè)交點(diǎn)的收斂范圍越小，相對(duì)距離越大，“眼睛”就睜得越開(kāi)，這時(shí)就說(shuō)明信號(hào)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(huì)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(cè)環(huán)境中，存在大量的噪聲干擾。同時(shí)，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?，只能從星座圖中分辨出這是一個(gè)16QAM信號(hào)，但是每個(gè)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(gè)交點(diǎn)，變成了一條有一定寬度的線條，垂直相對(duì)距離也變小了，“眼睛”張開(kāi)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(duì)比圖。
為了表示一般性，再分別給出BPSK、QPSK、8PSK的實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境下解調(diào)的星座圖和眼圖對(duì)比。這里，發(fā)送端信號(hào)源的碼元速率都給定為50 kHz，信號(hào)幅度為-40 dBm，信號(hào)載頻為1.555 GHz，經(jīng)過(guò)滾降系數(shù)為0.35的成形濾波器處理。測(cè)量結(jié)果如圖3~圖5所示。
其中，BPSK信號(hào)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(dòng)的值組成。其他信號(hào)的I、Q兩路信號(hào)眼圖是類似的。可以看到，相位調(diào)制點(diǎn)數(shù)越多，噪聲干擾的影響越大，特別是8PSK信號(hào)，“眼睛”幾乎沒(méi)有張開(kāi)。
這樣的眼圖，是否能達(dá)到現(xiàn)代無(wú)線電監(jiān)測(cè)的目的？或者說(shuō)，這樣的眼圖，是不是就是不好呢？需要明確的是，眼圖是用來(lái)實(shí)時(shí)反映信號(hào)傳輸質(zhì)量的一種手段。眼圖本身并沒(méi)有質(zhì)量好壞的差別。正確的眼圖是能夠真實(shí)反映無(wú)線電傳輸系統(tǒng)質(zhì)量的。并不是串?dāng)_的眼圖就一定不對(duì)，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(cè)的目的。
與理想條件下的眼圖繪制相比，不同的監(jiān)測(cè)目的，關(guān)注的重點(diǎn)是不同的。例如，監(jiān)測(cè)工作人員更看重接收信號(hào)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(huì)使得星座圖中最佳采樣點(diǎn)離散性很大，眼圖中“眼睛”張開(kāi)程度變小，但是收斂速度很快，可以在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度很短的一個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)就完成解調(diào)，分辨出該信號(hào)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(cè)環(huán)境中，在明確了工作目的后，影響眼圖實(shí)時(shí)反映信號(hào)傳輸質(zhì)量的誤差主要有以下幾種：
(1)信號(hào)載頻估計(jì)
由于是非協(xié)作通信，發(fā)送端以一個(gè)相對(duì)于監(jiān)測(cè)機(jī)未知的載頻來(lái)攜帶信號(hào)進(jìn)行傳播，接收端需要對(duì)載頻進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而搬移至零中頻。在這個(gè)過(guò)程中，由于噪聲和算法的影響，必然會(huì)產(chǎn)生載頻估計(jì)偏差。一般來(lái)說(shuō)，載頻越大，估計(jì)頻率偏差越大，但是該偏差相對(duì)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(duì)于接收端是存在影響的，但相對(duì)影響較小。
(2)碼元速率估計(jì)
碼元速率估計(jì)是算法解調(diào)中重要的一個(gè)步驟。如果碼元速率的估計(jì)偏差較大，就會(huì)校錯(cuò)發(fā)送端的時(shí)鐘，時(shí)鐘同步就很難達(dá)到，眼圖中各個(gè)最佳采樣點(diǎn)相鄰的波形就會(huì)互相交叉串?dāng)_在一起。相比于載頻，碼元速率估計(jì)偏差對(duì)于接收端解調(diào)效果影響較大。碼元速率估計(jì)的絕對(duì)偏差隨著碼元速率的增加而增加，不過(guò)碼元速率估計(jì)偏差的相對(duì)增長(zhǎng)最好控制在一個(gè)較低的增長(zhǎng)速率。例如，碼元速率如果提升了幾百千赫茲，那么估計(jì)偏差就要控制在相對(duì)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(wèn)題始終是監(jiān)測(cè)通信中非常重要的問(wèn)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(cè)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(duì)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(wú)線電監(jiān)測(cè)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(cè)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(huì)對(duì)眼圖產(chǎn)生不同的影響，而且是隨機(jī)的。噪聲的存在，對(duì)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(wèn)題，使得眼圖中眼線相互串?dāng)_。后一方面的問(wèn)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(lái)適應(yīng)當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)測(cè)環(huán)境。
4結(jié)論
本文針對(duì)眼圖在無(wú)線電監(jiān)測(cè)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(cè)目的不僅僅要求算法解調(diào)的精度高，還會(huì)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(cè)接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)包中，有時(shí)還存在丟包的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)序列很短，這時(shí)就更需要收斂速度快的算法及時(shí)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(cè)環(huán)境，要做出相應(yīng)的對(duì)策來(lái)滿足工程需求，最后完成工程上眼圖的繪制。
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