Усовершенствованный анализатор OFDM-сигналов
Введение
Недавно на сайте размещен пакет программного анализатора OFDM-сигналов. Найти его можно в файловом архиве: Анализатор OFDM. Это уже 4-я версия моей разработки за последние 2 года. С увеличением номера версии количество реальных сигналов, не поддававшихся анализу, заметно уменьшалось. Последняя версия вполне прилично анализирует классические OFDM-сигналы с числом поднесущих в диапазоне 4 -100,переносящих информацию посредством манипуляции разностей фаз с числом позиций 2 - 8 (позиционность более 8 на практике не применяется). Анализатор удовлетворительно работает при наличии в записи сигнала разного рода искажений, как обусловленных свойствами ионосферы, так и вызванных техническими погрешностями при приеме и записи сигнала. Разумеется, что точность анализа зависит от числа и величин этих воздействий. Типичными причинами, из-за которых анализ провести не удается, являются чрезмерные зашумленность и (или) клиппированность сигнала.
Особенности OFDM-сигналов
OFDM-сигналы начали применять в конце 50-х годов прошлого века. Первоначально они использовались исключительно в КВ диапазоне, обеспечивая по крайней мере вдвое более эффективное использование занимаемой полосы частот. Благодаря этим сигналам в КВ появились цифровая вокодерная телефония и среднескоростная передача данных (от 600 бит/сек). За прошедшие полвека возможности систем с OFDM-сигналами существенно развились, а сами сигналы стали применяться в самых разнообразных системах и диапазонах. Последние новости - использование OFDM в новых системах беспроводного компьютерного доступа в Интернет (проект WiMAX). Разумеется, что предлагаемый анализатор ни в коей мере не претендует на возможность применения в любой системе, использующей принцип OFDM. Он предназначен для анализа прежде всего классических OFDM-сигналов, применяемых на КВ. Классический OFDM-сигнал - многочастотный сигнал со следующими свойствами:
1). неманипулированные поднесущие эквидистантно расположены на оси частот на расстоянии F Гц; некоторые поднесущие могут отсутствовать (присутствовать виртуально), тогда расстояние между соседними поднесущими кратно величине F;
2). манипуляция поднесущих синхронна, скорость манипуляции V Бод численно не превышает F.
Все предыдущие версии использовали чисто корреляционные методы анализа. Классический OFDM-сигнал благодаря наличию защитного интервала, равного разности 1/V - 1/F, имеет четко выраженный и хорошо фиксируемый всплеск автокорреляционной функции (АКФ). Абсцисса этого всплеска (измеряемая количеством отсчетов сигнала) прямо пропорциональна величине 1/F - интервалу ортогональности (Tort), на длительности которого производится демодуляция каждого тактового интервала (Tbod) протяженностью 1/V сек. Коэффициентом пропорциональности является величина частоты дискретизации ( Fдискр.). Амплитуда всплеска пропорциональна относительной длительности защитного интервала (Tquard), т.е. величине 1-V/F, полярность всплеска определяется выбором величин поднесущих частот. Если поднесущие частоты есть четные гармоники частоты F/2 - полярность всплеска положительна, если поднесущие - нечетные гармоники частоты F/2 - полярность всплеска отрицательна. Таким образом, простая фиксация параметров всплеска АКФ дает значительную информацию о самом сигнале. Практика применения предыдущих версий анализатора показала ограниченность возможностей корреляционного метода анализа. Этот метод плохо работает при анализе сигналов с малым защитным интервалом и сигналов с неравновероятными или зависимыми символами, передаваемыми по подканалам. Наличие такого феномена вовсе не удивительно. Корреляция и случайность - тесно связанные понятия. Просто практика показала, что такие сигналы реально встречаются.
Развитие принципов анализа
Одним из основных направлений совершенствования анализатора стало комбинирование алгоритмов корреляционного и некорреляционного методов. В качестве некорреляционных были выбраны переборные алгоритмы. В новой версии Пользователь может выбрать один из четырех возможных путей анализа.
В качестве первого (и основного) оставлен корреляционный способ определения величин Tbod и Tort. Одновременно в исходном массиве оцифрованных отсчетов сигнала также корреляционным способом находятся отсчеты, соответствующие границам тактовых интервалов.
Вторым путем анализа выбран корреляционный поиск величины Tort в сочетании с переборным поиском величины Tbod и границ тактовых интервалов. Практика анализа показала, что нередки ситуации, когда такой путь оказывается весьма полезным. Примером являются сигналы с неравновероятными, зависимыми символами.
Третий путь анализа - чисто переборный поиск величин Tort, Tbod и границ тактов. Разумеется, этот путь требует наибольших затрат времени, но при практическом отсутствии защитного интервала другой альтернативы придумано не было.
Наконец, четвертый путь - практически молниеносный поиск в исходном массиве данных границ тактовых интервалов при точно известных Пользователю значениях Tbod и Tort. Это оказывается полезным для просмотра вида манипуляции (сигнальных звезд) в отдельных частотных подканалах известного сигнала.
Одним из недостатков предыдущих версий был безальтернативный вывод результатов анализа. Пользователю было трудно судить, насколько надежными были выводимые данные. В новой версии почти везде имеется возможность увидеть альтернативные данные и, более того, сопоставить все результаты по надежности - весовым коэффициентам, сопровождающим выводимые данные. Отмечу еще одно нововведение. Ранее при просмотре сигнальных созвездий Пользователь был пассивным наблюдателем. Теперь он может вручную корректировать выданные программой или введенные им ранее значения параметров сигнала. Это особо полезно при неудачно выбранной частоте дискретизации или при сильной искаженности сигнала, т.е. при обстоятельствах, препятствующих получению от программы точного результата.
Результаты тестирования анализатора
В качестве объектов тестирования были выбраны записи сигналов, содержащиеся в сайтовском разделе "Сигналы". Было проанализировано около 40 сигналов. Результаты сведены в приведенной ниже таблице.
ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ. Практически все значения параметров, приведенные в таблице, вовсе не являются «истиной в последней инстанции». Это всего лишь ОЦЕНКИ истинных значений параметров, использование которых (оценок) позволило наблюдать сигнальные созвездия, определить количество и оценить частоты поднесущих. Эти оценки вполне могли бы быть уточнены в ходе анализа, например, передискретизаций сигнала, но в большинстве случаев после получения удовлетворительных созвездий никаких уточнений не проводилось. Для компактности таблицы произведено округление результатов.
Итоги анализа OFDM-сигналов
----------------------------------------------------------------
Интервалы: Поднесущие:
--------------- Мода -------------------------
Имя сигнала ортогон.; такт. разнос; частоты
--------------- кол-во ------------------
мсек Гц
------------------------------------------------------------------
Q15x25 8 12 ФРМ2 15 125 500 - 2250
27-tone_PSK 15,1 22,5 ФРМ2 28 66,4 597 - 2390
CIS45 Ch 16 30,3 ФРМ1 47 62,5 437 - 3312
Link-11,Tadil
-A Aligator 9 13,3 ФРМ2 16 111,1 600 - 2936
Chinese OFDM
19 Tone 9 22,5 ФРМ2 20 111,1 444 - 2442
CIS-12 5 8,3 ФРМ2 13 200 700 - 3300
CIS-20 8,3 13,3 ФРМ2 21 120 660 - 3300
MIL-188-110B 17,8 22,5 ФРМ2 40 56,3 394 - 2812
BulDiplo 17,8 22,5 ФРМ1 40 56 380 - 2800
Chinese mix
mode OFDM-20 10 13,9 ФРМ2 21 100 500 - 2600
Chinese mix
mode OFDM
10 from 20 10 13,9 АФМ 20 100 700 - 2600
Chinese mix
mode OFDM
4 from 8 10 13,9 AФМ 8 100 700 - 2000
Russian 93
tone OFDM
modem 32 44,8 ФРМ2 94 31,3 390 - 3360
Marconi-
25 tone 16,7 20,8 ФРМ2 25 60 720 - 2220
N2 00 17,8 20 ФРМ2 40 56,3 901 - 3098
STANAG 4197
(16 ch) 8,9 13,3 ФРМ2 16 112 560 - 2240
STANAG 4197
(39 ch) 17,9 22,5 ФРМ2 39 56 336 - 2464
YUG MIL
20 TONE 9,1 13,3 ФРМ1 20 110 440 - 2530
OFDM-59 20 25 АФМ 59 50 400 - 3300
CODAN
16 tone 8,6 13,3 ФРМ2 16 116 812 - 2552
CIS112
(112 ch) 39,0 45 OQAM 113 25,6 359 - 3306
CIS112
(56 ch) 19,5 45 ФРМ1 57 51,3 359 - 3306
Globe
Wireless 15,8 18 ФРМ2 12 63,5 698 - 1397
Pactor-3 10
chan PSK4 5 10 ФРМ2 10 200 800 - 2600
Pactor-3 10
chan PSK8 5 10 ФРМ3 10 200 800 - 2600
OFDM22 11,6 15,6 ФРМ2 22 86,3 604 - 2415
OFDM28 11,6 15,6 ФРМ2 28 86,3 604 - 3019
OFDM-42-ISS 16 20 ISS 42 62,5 437 - 3250
OFDM-48-42-
ISS(0) 16 20 ISS 48 62,5 375 - 3312
Mixed mode
PSK2 & OFDM 6,3 6,3 АФРМ 4 160 800 - 1280
Russian paral.
tone modem 25 25 ФРМ2 34 40 900 - 2220
MAGIC 11,6 10 ФРМ2 4 100 1000 - 1400
TEST_OF 9,3 10 ФРМ2 3 108 648 - 864
WINDRM 51-tone
COFDM MODEM 21,4 26,6 ? 51 46,9 398 - 2742
