|
|
| Разместил (Author): |
SergUA6  |
| Авторские права |
© http://www.radioscanner.ru |
|
|
Текст
|
Классический анализ OFDM сигналов.
Возможности и ограничения.
Классический анализ OFDM представляет определенную трудность, прежде чем браться за реальные сигналы мы рассмотрим основные методы и принципы на синтезированных сигналах. Это достаточно типичный и очень продуктивный метод. Для синтеза сигналов OFDM используется программа OCG. Как обычно, я подчеркиваю, вы можете использовать любую другую программу как для анализа так и для синтеза, важно, что бы результаты не вызывали сомнений, могли быть проверены и были повторяемы. Предполагается, что некоторые основы формирования OFDM известны, это не требует особых обоснований, так как анализ это не просто и не только использование того или иного анализатора каким бы замечательным он не был. В значительно большей степени это опыт и знания аналитика, его умение обобщать, делать выводы и т.д. До появления OCG, анализ OFDM сигналов, по крайней мере, для меня, носил хаотический, бессистемный и крайне не продуктивный характер, возможность синтеза различных по параметрам сигналов позволила разработать определенные методики и общие подходы. На практике все это работает и работает очень даже не плохо.
Стандартно задача анализа OFDM сводится к определению тактовой частоты манипуляции, величине разноса частот каналов, количества каналов, модуляции в каналах, определения наличия и длины циклического префикса(CP), плюс особенности самого сигнала, если такие имеются.
Синтезируем три сигнала, с одним, с тремя и шестью каналами и посмотрим, как это выглядит с точки зрения анализа и что из всего этого можно получить. Параметры у сигналов следующие, скорость 100, разнос 100, CP не используется.
Общий вид такой.
Детализация.
Обратите внимание, что хорошо видна вся сетка частот на которой формируется конкретный OFDM сигнал, в данном случае это 32 частоты. Места для несущих в этой сетке имеют минимальный уровень шума, в идеале равный 0. Шум достаточно интенсивный и максимальный в непосредственной близости от крайних каналов самого сигнала. Одиночный канал имеет стандартные параметры BW=2*Br, и внутри сигнала каналы перекрываются. Немодулированные несущие не дают ни каких побочных излучений, следовательно, шум несет в себе информацию о скорости манипуляции, которую можно попытаться извлечь в целях анализа. Кроме того, очень важное наблюдение, крайние каналы в силу своего особого расположения имеют не перекрытые области от соседних каналов. Это значит, что даже в сигнале без CP существует возможность получить как минимум пару более-менее нормальных каналов для анализа, так же это означает, что наличие немодулированных несущих или пропущенных каналов в сигнале автоматически дает по два канала с особыми свойствами. Каналы в сигнале без CP не различимы визуально. Полная ширина спектра активной части OFDM сигнала равна, (N-1)*dF+2*Br, где N-количество каналов, dF-разнос между каналами, Br-скорость манипуляции. Излучение за пределами этого спектра иногда подавляют, так как оно является паразитным внеполосным, но редко очень его подавляют в ноль, не все так просто, и грубое подавление чревато сильным ухудшением параметров ортогональности, обычно используют различные и достаточно сложные методы, снижающие уровень этих побочных компонент. Синтезируем те же сигналы с CP и посмотрим, что и как меняется в этом случае, CP возьмем равный, к примеру 10 отсчетов.
Первое и очевидное, каналы становятся различимы, в общем случае, чем больше CP, тем лучше различаются каналы, происходит это за счет снижения скорости манипуляции при прежнем разносе каналов, что приводит к меньшему перекрытию каналов внутри сигнала, и за счет усреднения на сонограммах или графиках это становится заметно. У сигналов без CP перекрытие полное и каналы не различимы. Длинна CP равная длине символа приводит к снижению скорости манипуляции в двое и полному разделению каналов, и переводит OFDM сигнал в категорию классического многоканального сигнала, где разнос между каналами >= 2*Br. Второй интересный момент, это "грязные" позиции в сетке частот для каналов, которые не используются, если в сигнале без CP уровень шума в этих позициях стремится к нулю, то в случае использование CP это уже не так. Причина проста, формально в сигнале с CP нарушены условия ортогональности, но это искусственное нарушение, вносимое при передаче, также легко устраняется на приеме путем удаления CP, и цель введения CP отдать на растерзание МСИ этот "ненужный кусочек" с тем что бы сохранилась не искаженной остальная часть. Но это уже теория формирования OFDM. Собственно вступительную часть по классическому анализу OFDM можно считать законченной. Все что нужно нам известно, осталось научиться использовать это на практике.
Рассмотрим сигналы без CP
Определение скорости манипуляции. Если есть внеполосные излучения, вырезаем сам сигнал, детектируем шум, и получаем скорость манипуляции.
Если внеполосного шума нет или он очень слабый, пытаемся выделить один из крайних каналов и получить скорость манипуляции из него, проблема в том, что ширина канала как правило не известна, по этому провести придется несколько измерений, примерно так.
При надлежащем качестве сигнала это срабатывает практически всегда. Далее зная скорость манипуляции, и зная или предполагая, что это OFDM без CP относительно легко получить количество каналов, равное (BW/Br)-1, разнос известен и равен Br. Наличие пилот-тонов или неиспользуемых каналов в сигнале увеличивает шансы на точное определение параметров, за счет возможности провести измерения не на двух каналах, а на большем количестве.
Сигналы с CP.
Общий подход точно такой же, с той разницей, что канал выделить можно значительно надежнее так как, обычно граница хорошо различима, так же желательно выделять крайние каналы, как имеющие наименьшее перекрытие с соседними и в этой связи значительно большую достоверность в определяемых параметрах.
Манипуляция для любого вида OFDM определяется так же на выделенном канале, обычно, если CP короткий это верхний или нижний канал. Проблемы в этом случае могут быть в том, что крайние каналы очень часто являются служебными и модуляция в них может быть какой либо специальной.
Практические примеры.
Мы рассматриваем общие принципы и подходы, но это не исключает вдумчивого анализа. Сигналы очень разные, качество записей как правило крайне низкое, и прежде чем применять тот или иной метод, нужно как минимум оценить возможность его использования. Попытка решить проблему определения скорости манипуляции "в лоб", через удаление сигнала и детектирование шума часто обречена на неудачу, так как шум или отсутствует или имеет крайне неравномерное распределение, желательно перед измерениями просмотреть графический спектр сигнала, это позволит выбрать как ширину полосы шума для анализа так и его часть верхнюю или нижнюю от сигнала. Крайне желательно при измерениях тактовой частоты пользоваться двумя методами детектирования, классическим взятием огибающей и модифицированным способом, всегда необходимо подтверждать полученное значение любым другим способом, это позволит избежать многих ошибок.
Пример.
Запись с нашей базы сигналов, DRM. Оцениваем шансы получения тактовой частоты манипуляции просматривая графический спектр сигнала.
Хорошо видно, что уровень интересующих нас излучений занимает очень узкую полосу примерно 230 Гц снизу и 150 Гц сверху от сигнала, что бы получить максимально четкую картину нужно отрезать все, что за пределами этих интервалов.
Оба метода взятия огибающей дают хорошие и убедительные результаты значения тактовой частоты манипуляции ~37.6 Гц. Проверяем так ли это, выделив нижний канал и получив тактовую частоту непосредственно из него.
На сонограмме хорошо видно то, чего не увидеть на графике, сигнал имеет не большой дрейф по частоте вниз, так как станции DRM это наземные не подвижные объекты, то скорее всего это проблема приемника. Так же видно, что классический детектор в случае с выделенным каналом не дает убедительной картины, модифицированный напротив, подтверждает ранее полученное значение, которое можно считать достоверным. Если бы мы попытались выделить канал сразу и использовали только классический детектор, скорее всего результат был бы нулевой, именно по этому желательно всегда, стараться получить значение одного и того же параметра разными способами и по возможности разными инструментами, в общем случае это гарантирует правильный результат и позволяет избежать грубых ошибок.
Точный разнос и количество каналов можно получить несколькими способами. Первый самый простой и трудоемкий, подсчитать каналы на графике и получить разнос из занимаемой полосы. Другой, посмотреть на особенности сигнала, и вычислить необходимые данные с меньшими затратами. Особенность это два пилот-тона с разносом в 750 Гц точно, и 19-ю каналами включая и сами пилот-тоны. Получаем, разнос равен 750/(19-1)= 41.6(6) Гц. Спектр сигнала от центра нижнего канала до центра верхнего примерно 9504 Гц.
Количество каналов равно (9504/41.6(6))+1 ~ 229.1 то есть 229. Более точные измерения можно получить, если брать не центры каналов, ошибка в определении которых может быть достаточно большой, а брать полный спектр сигнала от минимума нижнего канала до минимума верхнего, результат будет гораздо точнее, количество каналов вычисляется из ранее приведенной формулы (N-1)*dF+2*Br.
Полный спектр сигнала равен ~9574.22, тогда N-1 равно (9574.22-2*(37.60))/41.6(6) ~ 228.00.. что дает те же 229 каналов, но уже значительно точнее, так как определить глубокий минимум на графике можно более точно, чем размытый максимум. Конечно, если в крайних каналах удалось получить значение несущих в модуле возведения в степень, то следует ориентироваться именно на эти величины, просто не всегда это возможно.
Получить модуляцию в канале не получится, во первых даже выделяя крайние каналы, мы все равно выделяем их не чисто, а с какой-то степенью перекрытия, во вторых в DRM используется QAM модуляция в каналах, наблюдать которую в данной ситуации крайне сложно. Практически удается наблюдать PSK-8(pi/4 DQPSK) при классическом анализе OFDM сигналов, более сложные режимы требуют или абсолютного качества записи с очень большими значениями CP или специального демодулятора OFDM.
Часто пытаются получить значение тактовой частоты манипуляции через выделение самого сигнала OFDM и взятия огибающей, этот метод нельзя рекомендовать как общий, потому что это работает в очень частных случаях, и требует обязательной проверки результатов, так как теоретически таким способом можно получить всё что угодно, кроме того, что собственно нужно.
Пример, SkyOFDM. Взяв огибающую всего сигнала мы получаем совсем не то что хотели бы, но в этом примере из описания видно, что взятие огибающей всего сигнала это достаточно продуманный и мотивированный шаг и цель не получение тактовой частоты манипуляции, а подтверждение и проверка гипотезы.
Типичный пример ошибочных выводов в результате не совсем правильных действий есть на форуме. Из первых обсуждений тактовая частота определена как 80 Гц.
Ошибка в том, что не было предпринято попытки проверить это значение на достоверность, хотя бы так:
Совершенно очевидно, что 80 Гц тактовой не очень убедительны и в расхождениях есть(просто обязана быть), причина которую и нужно выяснить, а заодно и выяснить что же это за сигнал. Анализ этого сигнала подробно описан в статье, по этому на нем задерживаться не буду, просто хочу обратить внимание, что любое полученное значение в результате анализа должно быть проверено и обосновано, любые расхождения или нестыковки должны иметь понятные причины, если их не удается найти, значит процесс анализа зашел в тупик или идет по ложному пути, достаточно частое явление между прочим.
Очень интересная задача определения самого факта сигнала OFDM. Зачастую внутренняя структура сигналов создает иллюзию OFDM, и если не знать методов обоснования и проверок, можно анализировать не OFDM сигналы, как OFDM, с нулевым результатом конечно. OFDM сигналы с CP, имеют характерную ACF, у которой второй максимум дает примерный частотный разнос между каналами. Вид этого максимума в общем случае малоинформативен, так как зависит от смещения сигнала по частоте, частоты дискретизации записи и кроме того от положения рабочих частот по отношению к сетке частот формирования. Поскольку анализ предполагает априорное отсутствие информации о сигнале, то нет ни каких оснований полагать, что к примеру, отрицательный выброс это гарантия, что сигнал сформирован на нечетных гармониках. Можно говорить, что это выглядит как формирование на нечетных гармониках, но доказать это будет крайне сложно без использования специального демодулятора, и то я не уверен, что это можно гарантировать. В случае если поставщик записи гарантирует отсутствие сдвига сигнала по частоте, вид ACF уже можно принимать во внимание, но как правило такие гарантии чаще заявляются чем присутствуют на самом деле, и более того, такими гарантиями вообще мало кто озадачен, так как подход к анализу крайне не серьезный у подавляющей массы людей включая и профессионалов(не всех конечно, но основная часть профессионалов в сущности такие же люди как и все), которые просто не понимают и не хотят понимать, что такое нормальная запись для анализа.
Характерная ACF для OFDM с CP, в общем случае выглядит примерно так. Возьмем тот же DRM.
Получаем примерное значение разноса сетки частот 41.69 Гц, это достаточно близко к истине, но полагаться на точность в этом случае не нужно, значение в любом случае нужно воспринимать как сильно ориентировочное, ошибка может легко достигать 4-5 и более герц. Другой пример с нашего сайта, DAB.
Наличие подобного пика на ACF, который один и не зависит от положения выборки по которой берется ACF указывает на очень большую вероятность принадлежности сигнала к OFDM. Минусы этого метода, необходимость достаточно длительного фрагмента сигнала, при очень коротком CP выброс имеет очень маленькую амплитуду, относительно сильная погрешность в определении точного разноса. Другой косвенный признак, это отсутствие ожидаемой линии тактовой частоты после взятия огибающей. Метод не сильно надежен, но если, ширина спектра шумоподобного сигнала допустим 1 или 2 килогерца, то в случае классических режимов манипуляции, таких как QAM или PSK, логично ожидать тактовую частоту в районе этих же величин, если таковая не обнаруживается то шансы, что это OFDM велики, хотя и требуют подтверждения, что впрочем относится к любым выводам. Так же одним из косвенных признаков OFDM является достаточно ровное распределение мощности сигнала в ограниченной полосе частот, хотя многие приемники делают с этим распределением все, что им вздумается, сильно осложняя анализ не только OFDM сигналов.
Наличие выброса на ACF говорит о том, что сигнал, скорее всего относится к классу OFDM и имеет CP. Очень редко используется CP длительностью короче 2-3 мс, по крайней мере на КВ. Длительность CP можно определять как в отсчетах, так и в интервалах времени, это не играет особой роли, но обычно говорят о времени. Длина CP вычисляется из полученных параметров в процессе анализа, разноса между каналами Shift, и тактовой частоты манипуляции Br, и равна (Shift-Br)/(Shift*Br) разумеется, точность определяется в основном точностью измерений. Например, для DRM длительность защитного интервала(CP) составляет (41.6(6)-37.6)/(41.6(6)*37.6)~0.00259 секунды или 2.6 мс примерно.
Конечно, для качественного анализа OFDM сигналов желательно иметь специальный инструмент, мне известна по крайней мере одна попытка создания подобного анализатора, это разработка одного из участников нашего форума под ником starche. Его анализатор, позволяет гораздо более глубже изучить конкретный сигнал, выделить и рассмотреть фазовое созвездие любого канала. Однако до полного решения проблем анализа OFDM сигналов все таки еще далеко, в этой связи хотелось бы отметить плюсы и минусы классического анализа.
В отличии от универсального демодулятора OFDM, а анализатор starche можно отнести к этому типу, классический анализ инвариантен к значениям как частоты дискретизации так и к сдвигу сигнала, если сигнал имеет достаточную длительность и приемлемое качество, классический анализ в SA гарантирует точность определения параметров как минимум в 0.1 герц. Для классического анализа в общем случае все равно сколько частот в анализируемом OFDM сигнале, 3-30-300 или 3000, так же в общем случае все равно на четных или нечетных гармониках сформирован сигнал, на результаты это не влияет. За счет скорее очень сильного усреднения, классический анализ нечувствителен к отдельным аномалиям в сигнале, это все плюсы. Основные минусы классического анализа это, невозможность корректно работать с короткими сигналами, невозможность получения битового потока в принципе, тогда как универсальный демодулятор может это обеспечить, невозможность выделить нужный канал в чистом виде, крайне проблемная работа с сигналами имеющими очень короткий CP. Не смотря на минусы, классический анализ в большинстве случаев позволяет получить вполне приличные результаты при анализе подавляющего большинства OFDM сигналов. Надеюсь эта статья в какой-то мере поможет в этом.
Удачи.
|
|
|
| Автор |
Комментарий |
mihalych7
Участник
 |
14 Jun 2009 21:05
Большое спасибо за статью!
|
starche
Участник
 |
15 Jun 2009 02:08 · Поправил: 15 Jun 2009 02:11
Статья в целом безусловно полезна. Есть два замечания.
1.Не могу согласиться с мнением автора о низкой информативности
всплеска автокорреляционной функции (АКФ) OFDM сигнала.
Всплеск, по крайней мере в том виде, в каком он смотрится в моем анализаторе, позволяет:
-качественно определить наличие и относительную длительность защитного интервала,
-определить наличие частотного сдвига в сигнале,
-провести передискретизацию сигнала с целью приближения формы всплеска к идеальной, что упрощает и уточняет последующий анализ,
-при отсутствии существенных частотных сдвигов полярность всплеска помогает избежать промахов в определении значений поднесущих частот, так как полярность зависит от способа их формирования.
При частотном сдвиге кратном частоте разнесения поднесущих
использование всплеска АКФ (как и любых других методов и инструментов) конечно не позволит определить истинные значения поднесущих (в модуляторе), но позволит определить их реальные значения в записанном со сдвигом сигнале на выходе приемника.
2.Предлагаемая автором методика анализа на мой взгляд требует достаточно свободного общения пользователя с программным продуктом автора и большого опыта практического использования
этого продукта.
|
|
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные, активировавшие регистрацию и не ограниченные в доступе участники сайта!
|
| Файл создан: 14 Jun 2009 18:13, посл. исправление: 26 Jun 2009 23:57 |
|
English version
Versión en Español