CC BY
87
Aj
Программный комплекс векторного формирования и анализа сигналов цифровых систем связи "Вектор" версии 3.5
Ключевые слова: модуляция, сигнал, векторный анализ, формирование сигналов, программный коплекс, МТУСИ
Дингес С.И., Колесников И.И, Пестряков А.В.,
МТУСИ
На кафедре Радиопередающих устройств Московского технического университета связа и информатики МТУСИ разработан программный комплекс векторного формирования и анализа сигналов "Вектор", предназначенный для векторного формирования и анализа модулированных сигналов современных систем связи [1,2]. Разрабатываемый комплекс позволит осуществить моделирование и исследование сложных телекоммуникационных систем и устройств, как на компьютерных моделях, так и с использованием телекоммуникационного оборудования в реальном масштабе времени в условиях натурного эксперимента. Разрабатываемый комплекс способен заменить целый ряд сложных и дорогостоящих измерительных приборов, предназначенных для генерирования модулированных сигналов и измерения их параметров. Переход к использованию таких комплексов позволит оперативно реагировать на стремительно изменяющуюся ситуацию в теории, технике и стандартизации систем и устройств телекоммуникаций и обеспечить исследователей и разработчиков адекватным инструментарием.
На кафедре Радиопередающих устройств МТУСИ разработан программный комплекс векторного формирования и анализа сигналов "Вектор", предназначенный для векторного формирования и анализа модулированных сигналов современных систем связи. В версии 3.5 программного комплекса добавлен ряд новых важных функциональных возможностей: генерация сигнала OFDM, генерация пакетированных сигналов GSM и EDGE; статическая регулировка мощности сигнала в таймслотах; динамическая регулировка мощности — рампинг; имитация многолучевого канала связи.
В реализованной в настоящее время версии 3.5 программного комплекса векторного формирования и анализа сигналов "Вектор" добавлен ряд новых важных функциональных возможностей: генерация сигнала OFDM, генерация пакетированных сигналов GSM и EDGE; статическая регулировка мощности сигнала в таймслотах; динамическая регулировка мощности — рампинг; имитация многолучевого канала связи. Введение этих функций позволяет существенно расширить области применения программного комплекса "Вектор", в том числе, в учебном процессе по ряду новых направлений, перспективных с точки зрения организации новых лабораторных работ.
В текущей версии программы векторного формирования сигналов "Вектор VSG" реализована возможность генерации пакетированных сигналов стандарта GSM/EDGE [3-6]. При этом в различных таймслотах кадра можно использовать модуляцию GMSK или 8PSK EDGE с генерацией всех типов пакетов, предусмотренных стандартом (рис. 1).
В программе введена возможность независимой установки величин мощности в различных таймслотах систем TDMA, как показано на рис 2. На рисунке приведен пример пакетированного сигнала GSM с различным уровнем мощности сигнала в отдельных таймслотах. В таймслотах 0, 4, 7 сформированы сигналы, в таймслотах 1, 2, 6 — сигналы. Таймслоты 3 и 5 не используются.
В дополнение к рассмотренному виду управления выходной мощностью, называемому иногда "статическим" (Static Control), в
Рис. 1. Панель установки параметров пакетированного сигнала
TDMA системах с временным разделением должно происходить плавное управляемое включение и выключение усилителей мощности в паузах между передачей информационных РЧ посылок. Это позволяет уменьшить проникновение сигнала в соседние каналы из-за расширения спектра формируемого РЧ сигнала, происходящего при коммутации передатчика. Формирование требуемой формы огибающей РЧ пакета в тракте передачи производится путем плавной коммутации или рампинга (Ramping) усилителя мощности передатчика с нормированными временами установления и спада (среза) формируемого выходного радиоимпульса в соответствии со спецификациями стандартов. Слишком крутые фронт и срез формируемой посылки приводят к расширению занимаемой полосы частот. С другой стороны, они не должны быть слишком пологими, так как это может привести к потере информации из-за недостаточной мощности в начале и конце информационных пакетов.
Информационный пакет, передаваемый в каждом таймслоте систем TDMA, заканчивается защитным интервалом (Guard Period). Этот период составляет в системе GSM 8,25 бит или 30 мс. В это время в пакете размещаются так называемые фиктивные или холостые биты (Dummy Bits), представляющие собой логические 1; то есть никакая информация при этом не передается. В это время уровень мощности пакета должен быть уменьшен от номинального до минимального значения, что означает его изменение на 70 дБ. В текущей версии программы "Вектор VSG" рампинг реализован путем программного введения пауз без формирования пологих фронтов пакетов.
В последнее время производилась разработка алгоритмов функционирования и реализация дополнительных модулей, необходимых для создания сигналов, используемьх в современных системах связи. Заложены основы технологии мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM). Данная технология используется в целом ряде ряде стандартов: беспроводных сетях передачи информации (стандарты IEEE 802.11 a b g, IEEE 802.15, IEEE 802.16), цифрового телевещания (стандарты DVB, ISBD), цифрового радиовещание (стандарты DRM, DAB, IBOC). В программе "Вектор" предусмотрена возможность генерации OFDM символов с заданием ряда параметров: рабочего интервала и защитного интервала, который
может быть отдельно добавлен к рабочему интервалу, исключен или заменен нулевой последовательностью.
Метод ортогонального частотного мультиплексирования реализован путем выполнения инверсного дискретного преобразования Фурье (ИДПФ). Программные методы отображения позволяют наблюдать сгенерированный сигнал во временной и частотной областях. С целью улучшения спектральных характеристик OFDM в тракте формирования сигнала задействованы операции оверсэм-плинга и оконного преобразования. Таким образом, в тракте формирования присутствуют все необходимые стадии, предусмотренные соответствующими цифровыми беспроводными стандартами, без привязки к какому-либо из стандартов. Переход к конкретному стандарту может быть произведен путем использования соответствующего набора параметров: вида модуляции поднесущих, количества поднесущих, точек ИДПФ, символьной скорости и т. д.
Количество символов для модуляции поднесущих (многоуровневых КАМ или ФМ) равно количеству поднесущих. Так как на передающей стороне, для формирования собственно OFDM сигнала используется обратное преобразование Фурье (ОБПФ), число символов в смлу симметрии и четности должно быть четным. Число символов OFDM в программе рассчитывается автоматически и зависит от количества символов для модуляции поднесущих, размера ОБПФ и числа поднесущих.
При просмотре векторной диаграммы и сигнального созвездия, у сформированного OFDM сигнала, какой-то четкой канонической структуры как, например, в случае EDGE не наблюдается. Сигнальное созвездие представляет собой просто "облако" — множество точек расположенных в прямоугольной системе координат. Поэтому, основной формой отображения и контроля таких сигналов являются временная форма I/Q сигналов и спектр сигнала.
Как правило, амплитуда и фаза последующего символа не совпадает с амплитудой и фазой предыдущего символа, в силу этого плавные переходы на границах символов чередуются с резкими переходами.
Для борьбы с многолучевостью в сигнал добавляется защитный интервал (циклический префикс), представляющий собой "хвосто-
Рис. 2. Пример пакетированного сигнала с различными видами модуляции и уровнем сигнала в таймслотах
-120 000 -100 000 -80 000 -60 000 -40 000 -20 000 0 20 000
Частота(Гц)
Рис. З,а. Спектр сигнала OFDM без оконного преобразования
80 000 100 000 120 000
-120 000 -100 000 -80 000 -60 000 -40 000 -20 000 0 20 000
Частота (Гц)
80 000 100 000 120 000
Рис. 3,б. Спектр сигнала ОРРМ с оконным преобразованием
вую" часть каждого символа OFDM сигнала, отнесенную к началу соответствующего символа. Так же как и в случае OFDM без префикса на границах символов наблюдаются резкие переходы, что существенно ухудшает спектральные характеристики OFDM. С целью сглаживания этих переходов на границах символов применяется так называемое оконное преобразование, используемый тип окна — приподнятый косинус. Само сглаживание происходит только на участке защитного интервала — полезная часть OFDM символа используется без каких-либо изменений. Временные диаграммы сигнала с теми же параметрами, при учете защитного интервала и оконного преобразования представлены на рисунке.
После применения оконного преобразования разрывы на границах отсутствуют. Спектр OFDM сигнала состоит из главного лепестка и боковых лепестков весьма небольшого уровня и без какой-либо дополнительной фильтрации. Данная особенность обусловлена самим методом формирования сигнала.
В качестве демонстрации спектра OFDM сигнала наглядным является пример с 400 символами QAM16, 256 точек ОБПФ, 80 поднесущих, символьная скорость 1000 Гц, приведенный на рис. 3а и 3б.
При создании пакета программ постоянно прорабатывается вопрос о внедрении АПК в учебный процесс университетов и МТУСИ, в частности. Широкое использование разрабатываемого комплекса позволит в максимально короткие сроки внедрять в образовательные программы последние достижения в области связи. Помимо исследований и разработок радиооборудования создаваемый комплекс позволяет решать задачи обучения современным телекоммуникационным технологиям в образовательных учреждениях, где вопросы обеспечения современным оборудованием в условиях скудного финансирования стоят наиболее остро.
Произведенные в последнее время доработки пакета вектор-
ного формирования сигналов "Вектор" позволяют существенно расширить области его применения в учебном процессе по целому ряду дисциплин по направлениям Телекоммуникации, Радиотехника. Для этого в процессе выполнения научно-исследовательской работы производилось создание методического обеспечения для постановки ряда лабораторных работ по изучению методов формирования и обработке модулированных сигналов наиболее распространенных стандартов и технологий, их свойств и параметров, а также искажений сигналов в трактах передачи и приема.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дингес С.И., Колесников И.И., Пестряков А.В., Смирнов А.Е., Чугунов И.В. Аппаратно-программный комплекс анализа и синтеза модулированных сигналов "ВЕКТОР1 // T-COMM: Телекоммуникации и транспорт. — 2009. — Спецвыпуск S1 'Технологии информационного общества". — С.97-99.
2. Дингес С.И., Колесников И.И., Пестряков А.В. Использование программного комплекса векторного формирования и анализа сигналов "Вектор" в учебном процессе // T-COMM: Телекоммуникации и транспорт. — 2010. — N9. — Технологии информационного общества. — С.14-15.
3. 3GPP TS 25.101. Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; User Equipment (UE) radio transmission and reception (FDD) (Release 9).
4. GPP TS 25.141, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Base Station (BS) conformance testing (FDD), (Release 9).
5. 3GPP TS 25.212, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Multiplexing and channel coding (FDD), (Release 9).
6. 3GPP TS 25.213, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Spreading and modulation (FDD), (Release 9).
