Аппаратно-программный комплекс анализа и синтеза модулированных сигналов "Вектор"

Аппаратно-программный комплекс анализа и синтеза модулированных сигналов "ВЕКТОР"

Динпес С.И., Колесников И.И., Пестряков А.В., Смирнов А.Е, Чупунов И.В., МТУСИ

Традиционные методы оценки качества узлов и трактов современных цифровых систем связи не дают реальной картины их функционирования в составе РЧ блока. Не удается при этом и произвести оценку их возможного вклада в ухудшение качества формируемого сигнала. Это происходит из-за того, что неидеальность характеристик используемьх в РЧ оборудовании узлов приводит к нарушению "тонкой" структуры сложных сигналов. С помощью традиционных методов изучения сигнала во временной и спектральной областях обнаружить такие нарушения не удается. И временная, и спектральная форма представления сложных сигналов не позволяют определить степень искажения сигнала, возникающего при прохождении РЧ трактов, из-за свойственного сигналу случайного характера и изменчивости. Из практики же известно, что даже незначительное нарушение "тонкой" структуры сложного сигнала в РЧ трактах приводит к заметному ухудшению качества функционирования системы связи в целом. Для выявления таких повреждений структуры сигнала необходимо использовать более точные, чувствительные инструменты, какими является ряд новых параметров и характеристик, в том числе и статистических, широко используемых в настоящее время. Нахождение ряда новых показателей качества модулированных сигналов, таких как EVM, ACLR, CCDF [1,2], являющихся важнейшими для новых и перспективных систем связи, представляется возможным только при использовании новейшей, достаточно дорогой измерительной техники.

Характерной тенденцией последних лет является переориентация исследователей и разработчиков с использования комплектов традиционных измерительных приборов, имеющих ограниченный ряд функций, на применение универсальных и автоматизированных компьютерных комплексов. По этому пути следуют компании-производители с огромными финансовыми ресурсами, для которых традиционный подход к исследованиям и разработкам становится неэффективным. В российских же условиях это направление создания инструментария для научных исследований и технических разработок представляется, пожалуй, единственно возможным.

Проблеме повышения эффективности научных исследований и технических разработок путем широкого использования их автоматизации и компьютеризации в последнее время уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Приоритетное значение придают этому направлению практически все зарубежные компании, разрабатывающие электронные РЧ компоненты, радиотехническое и контрольно-измерительное оборудование. В то же время известно сравнительно немного коллективов, ведущих исследование и разработку подобных комплексов, применительно к телекоммуникационным системам и устройствам. Причем все они являются крупнейшими зарубежными компаниями: Agilent,

Rohde&Schwarz, Aeroflex. Проявляют заметный интерес и ведут раз-

работки в этой области и компании-разработчики оборудования связи — Ыок1а, БопуЕгтазоп, !пйпеоп и др.

Лабораторией фазовой синхронизации МТУСИ разработан пакет прикладных программ аппаратно-программного комплекса (АПК) "Вектор", предназначенного для формирования (Вектор-VSG) и векторного анализа (Вектор^А) сигналов современных систем связи, тестирования отдельных функциональных узлов, радиочастотных блоков и устройств в целом. Пакет программ входит в состав разрабатываемого АПК, предназначенного для исследования, разработки и изучения перспективных телекоммуникационных устройств и систем (рис. 1). 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 дорогих измерительных приборов, предназначенных для генерирования и измерения параметров сигналов. 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.

Разрабатываемый комплекс базируется на использовании универсальных интерфейсов как в трактах ввода-вывода информации в ЭВМ, так и при обращении к нему пользователей. В процессе разработки и функционирования комплекса предусматривается подключение к основной программе различных модулей, оформляемых в виде динамических библиотек. Назначение и набор таких модулей может быть самым разнообразным в зависимости от решаемых задач. Так, при исследовании телекоммуникационных устройств используются модули формирования необходимых типов сигналов, которые подаются через соответствующие интерфейсы на исследуемую компьютерную модель или физическое устройство, а также модули графического отображения сигналов во временной, спектральной или векторной форме. При анализе телекоммуникационных систем добавляются модули, задающие модели каналов, а также модули оценки показателей качества принимаемых сигналов.

Такой подход позволяет не только существенно ускорить проведение исследований и разработки телекоммуникационных устройств и систем, но и существенно повысить точность и достоверность получаемых результатов за счет использования самых современных и эффективных алгоритмов формирования и обработки сигналов по сравнению с традиционными методами.

В ходе выполнения работ создан универсальный пользовательский интерфейс отображения во временной, спектральной и векторной областях сигналов, используемых в современных телекоммуникационных системах и устройствах. Выбраны алгоритмы и созданы программные модули для нахождения параметров сигналов оценивания ключевых показателей качества сигналов современных и перспективных телекоммуникационных стандартов и технологий

В рамках работ над АПК "Вектор" разработана программа век-

Аппаратно-программный комплекс (АПК) "Вектор"

Библиотека тестовых сигналов

ППП векторного ППП векторного

синтеза анализа

"Вектор-VSG" "Вектор-VSA"

Файлы 1 f Файлы

данных 1 данных

Аппаратная часть комплекса I (устройства сопряжения с ПК . устройства модуляции и переноса в

диапазоны радиочастот, устройства переноса радиосигналов в низкочастотную область и демодуляции)

Рис. 1. Обобщенная структура АПК "Вектор"

торного синтеза сигналов Вектор-VSG, позволяющая формировать модулированные сигналы, используемые в наиболее распространенных стандартах и технологиях связи: многотоновые, GMSK, 8-PSK; EDGE, QAM (4, 8, 16, 32, 64,

128, 256-QAM), 16-PSK, 64-PSK с возможностью записи их в файлы популярных форматов — ASCII и *.рсм. Формируемые сигналы представляются в виде отсчетов квадратурных IQ компонент. Работа с программой осуществляется с использованием ряда окон (рис. 2). Для VSG разработаны модули отображения сигналов во временной области, на IQ плоскости.

Программа векторной генерации сигналов позволяет ввести в формируемый сигнал ряд наиболее распространенных искажений, присущих РЧ трактам. В настоящий момент производится введение в программу генерации сигналов дополнительных сервисных возможностей, в частности, искажений формируемых сигналов различного рода: шумы тракта формирования сигнала и тракта опорного сигнала, сдвиг постоянной составляющей сигнала (DC offset), фазовая ошибка (Phase error); разбаланс амплитуд и фаз (IQ imbalance); частотный сдвиг (Frequency deviation). Ввести необходимые искажения в формируемый сигнал можно на соответствующей панели искажений, показанной на рис. 3, которая появляется при выборе в Основном Меню пункта Искажения. На рис. 3 в качестве примера приведено сигнальное созвездие QPSK сигнала с введенными комплексными искажениями:

В программе используется модуль предмодуляционной фильтрации сигналов. В настоящее время предусмотрена возможность использования нескольких типов фильтров. При формировании модулированных сигналов различного рода могут быть использованы настраиваемые фильтры: Гауссовский фильтр с изменяемым параметром BT, фильтры RRC и RC с изменяемым параметром Альфа. Пользователь может применить ряд стандартных фильтров с параметрами, соответствующими нормативным документам нескольких стандартов связи: GSM, EDGE, WCDMA WCDMA RC. В програм-

ме предусмотрено использование ФНЧ Котельникова и пользовательских фильтров.

Выбор в Основном Меню пункта Установки позволяет перейти к выбору параметров трактов собственно формирования модулированного сигнала (Передатчик, Тх), приема (1^х) и Канала связи). Это позволяет ввести в формируемый сигнал различного рода искажения, характерные для реальных РЧ устройств.

Программа векторного анализа сигналов Вектор-УБА позволяет производить всесторонний анализ модулированных сигналов, вычисление различных их параметров и характеристик. При этом могут

Векторный Генератор Сигналов EN Английский (СШАГ0 Г

Файл 1 Модуляция | Стандарт 1 Параметры 1 Данные 1 Искажения 1 Фильтр 1 Измерения I Отображение I Загрузить в VSA | Анализ | Установки 1 Окна 1 Инструменты 1 Помощь

Для вычисления параметров сигнала исполыуйте Ме»*о/И»м«р«»*-

1Ы

а

Б

ш

a

і.

ы

и

Рис. 2. Общий вид интерфейса программы VSA

Созвездие сигнала Обработка...13728 отсчетов

Рис. 3. Сигнальное созвездие сигнала QPSK с шумом и частотной ошибкой

быть выбраны различные формы отображения сигнала: сигнальное созвездие или векторная диаграмма, временное отображение квадратурных компонент сигнала, амплитудные и фазовые спектры и т.д.

Для тестирования в процессе разработки создаваемого программного продукта была создана библиотека тестовых сигналов, как имеющих сравнительно простую структуру, так и отвечающих требованиям ряда стандартов связи: IxEVDO, 3GPP, IS95 (CDMA), CDMA2000, TDSDMA, WLAN (802.11 a, 802.11 b, 802.11 g), TDMA (GSM, EDGE). Эти сигналы позволяют проводить измерение основных параметров модулированных сигналов (EVM, ACLR, CCDF, FREQUENCY ERROR, BER, FER, и др.) при воздействии дестабилизирующих факторов канала связи (шумы, помехи, многолучевость), а также производить учет различного рода искажений, возникающих в процессе формирования моделированных сигналов. Файлы тестовых сигналов имеют структуру популярного формата *.рсм. Эти файлы могут быть использованы при повседневной работе с программным продуктом, так как многие тестовые сигналы имеют достаточно сложную структуру данных, отвечают требованиям различных стандартов, в них введены комплексные виды искажений. Получить такие сигналы в программной среде Вектор-VSG можно будет только через некоторое время, по мере введения различных дополнительных функций и возможностей. Библиотека примеров представляет собой сигналы с опорным уровнем 0 дБ, полученные в средах моделирования ADS2006А и, в ряде случаев, MatLab).

Все тестовые сигналы разделены на две группы:

1) нефильтрованные сигналы — тестовые сигналы, не прошедшие предмодуляционную фильтрацию;

2) фильтрованные сигналы — тестовые сигналы, прошедшие предмодуляционную фильтрацию.

Кроме того, все сигналы из библиотеки могут быть разделены еше на две группы, в зависимости от того, введены ли в них искажения:

1) опорные сигналы (reference) — канонические сигналы без искажений;

2) сигналы с введенными искажениями.

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. Широкое использование разрабатываемого комплекса позволит проводить конкурентоспособные исследования и разработки в области телекоммуникаций, а также в максимально короткие сроки внедрять в образовательные программы последние достижения в этой области.

Ближайшим и наиболее актуальным направлением работы по совершенствованию аппаратно-программного комплекса является сопряжение программной части с универсальными аппаратными средствами оцифровки и ввода/вывода информации и РЧ сигналов для расширения функциональных возможностей разработанного АПК. Кроме того, будет производиться наработка библиотеки формируемых в АПК сигналов и моделируемых систем, введение возможности формирования новых типов модулированных сигналов и усложнение структур формируемых сигналов с учетом конкретных требований нормативных документов современных систем связи. Кроме того, предполагается введение возможности автоматизированной и дистанционной работы с программой VSA c использованием команд TCP/IP

Литература

1. GSM 05.08: Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Radio subsystem link control. European Standard (Telecommunications series), version 8.0.0 Release 1999, p. 85.

2. 3GPP TS 25.101 V6.5.0 (2004-09). Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; User Equipment (UE) radio transmission and reception (FDD) (Release 6). p. 119.