с3_Комаровx

РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ ПО
ИЗВЕСТНЫМ И НЕИЗВЕСТНЫМ ДАННЫМ
А. А. Комаров, А.В. Леонова Андреев А.С.
ОАО «КБ «Искра» 660028, г. Красноярск, ул. Телевизорная, 1
E-mail: komarovalal@gmail.com, ann3leo@gmail.com, mail.4o@yandex.ru
Рассмотрены существующие методы определения отношения сигнал/шум (С/Ш), описаны особенности реализации
на ПЛИС, проведено моделирование и испытание на реальном сигнале со спутника. Сделаны выводы о
целесообразности использования данных алгоритмов, о границах применимости, выявлены основные недостатки и
достоинства алгоритмов.
Актуальность разработки систем связи широкополосного вещания через
спутниковые каналы связи обусловлена растущими потребностями пользователей.
Определение отношения С/Ш необходимо для наведения самонаводящейся антенной
системы. Вычисление отношение сигнал шум возможно как по известному сигналу
(преамбулы пакетов), так и по неизвестному сигналу. Основным недостатком
вычисления С/Ш по неизвестному сигналу является невозможность работы на высоких
модуляциях.
Вставка известного сигнала повышает избыточность информации, что приводит к
снижению эффективности использования полосы, но позволяет точнее определять
отношение С/Ш. Для применения в самонаводящейся антенной системе реализованы и
протестированы на реальном сигнале методы основанные на определении С/Ш как по
неизвестному, так и по известному. Для работы обоих методов используется один
отсчёт на символ. Была проведено сравнение с существующими системами измерения
С/Ш. В качестве эталонного измерителя использовался векторный анализатор R&S
FSW.
Согласно стандарту DVB-S2 в начале каждого кадра следует преамбула[4].
Структура преамбулы представляет PLSCODE 64 символа и SOF(start of frame),
состоящий из 26 символов одинаковых для любого типа пакетов рис 1.
Рис. 1 структура кадра DVB-S2
Следовательно возможно использовать алгоритмы определения С/Ш, основанные
на известных последовательностях данных SOF. Был реализован метод, вычисляющий
отношение С/Ш согласно (1)
2
 90

 Re{ Rk Dk *}
 k 1

2
90
90


2
90 Rk   Re{ Rk Dk *}
k 1
 k 1

(1)
где, Rk – входящие отсчеты преамбулы;
Dk – эталонные отсчеты преамбулы.
Реализованный метод предполагает, что уже произошло выделение преамбулы из
принятого сигнала, и в качестве исходных данных поступает как принятая преамбула
так и эталонная.
В случае идеального сигнала (Rk = Dk) умножение на сопряженное приведёт к
тому, что вся энергия сигнала перейдёт в синфазную составляющую. Соответственно,
чем сильнее сигнал отличается от эталонного, тем меньше будет синфазная
составляющая. В случае идеального сигнала знаменатель будет стремиться к нулю, а
выражение целиком к бесконечности.
Так же был реализован метод определения отношения С/Ш по
фазомодулированному сигналу.
Метод не чувствителен к наличию частотной и фазовой ошибки, что позволяет
определять
С/Ш
без
фазовой
синхронизации.
Рассмотрим
подробно
последовательность действий составляющих алгоритм.
1) Нормирование отсчётов.
2) Вычисление произведения текущего и предыдущего отсчёта. В случае идеального
сигнала для QPSK аргумент произведения может составлять 0, 90, 180, 270 градусов,
для 8PSK 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315.
3) Возведение всех произведений в степень равную порядку модуляции, что позволяет,
в случае идеального сигнала, свести всё множество точек к точке с нулевой
квадратурной составляющей. Дальнейшее возведение в степень приводит к
увеличению дисперсии шумов, что способствует более четкой градации точек в
зависимости от уровня зашумлённости.
Для сравнения описанных алгоритмов был собран испытательный стенд (Рис. 2)
Рис. 2 Схема испытательного стенда
Изменение отношения С/Ш осуществлялось при помощи изменения уровня
сигнала на выходе модема EASTAR. К данному сигналу добавлялись шумы со
спутника, уровень которых оставался неизменным. Смешанный сигнал подавался
одновременно на векторный анализатор, DVB приёмник и обратно на модем. Регулируя
мощность сигнала с шагом в 1 Дб были сняты показания С/Ш с модема и DVB
приёмника.
Рис 3 Сравнение различных способов определения С/Ш при модуляции QPSK
Рис 4 Сравнение различных способов определения С/Ш при модуляции 8PSK
Из графиков видно, что ни один из представленных способов измерения не
обеспечивает линейность относительно измерений при помощи векторного
анализатора.
При реализации самонаводящейся системы не так важна неточность измерений,
как выявление общей тенденции на увеличение/уменьшение СШ. Соответственно
любой из представленных способов подходит для обеспечения работы системы.
Главное различие заключается в том, что метод по неизвестному сигналу не
способен работать по сигналу с амплитудно-фазовой модуляцией (преамбула всех
пакетов передается с модуляцией QPSK). Но с другой стороны, на сигнале 8PSK метод
по неизвестному сигналу при меньших значениях С/Ш начинает показывать значения
на которых возможна работа алгоритма наведения. Так же для обеспечения работы
алгоритма по известному сигналу необходимо выделить преамбулу, что связанно с
дополнительными ресурсными затратами. Из всего вышесказанного следует, что метод,
работающий по известному сигналу, предоставляет больше возможностей, но требует
больших ресурсов для работы. Таким образом, выбор должен в первую очередь
основываться на требованиях к системе. Оптимальным решением является
использование для модуляции 8PSK метода по неизвестному сигналу, а в случаях
QPSK, 16APSK, 32APSK метода по известному сигналу.
Список литературы :
1) Yair Linn A Carrier-Indipendent Non-Data-Aided Real-Time SNR Estimator for MPSK and D-MPSK Suitable for FPGAs and ASICs. IEEE Transactions on Circuit and
Systems-I:Regular Papers Vol.56 No.7 2009
2) Комаров А. Реализация метода определения отношения сигнал/шум по
неизвестному
фазомодулированному
сигналу.
Всероссийская
научнотехническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых
«Современные проблемы радиоэлектроники». Сборник научных трудов,
Красноярск: СФУ, 2014
3) U. Mengali and M. Morelli, “Data-Aided Frequency Estimation for Burst Digital
Transmission,” IEEE Trans. Commun., vol. 45, Jan. 1997, pp. 23–25.
4) ETSI EN 302-307, “Digital Video Broadcasting (DVB) - Second generation framing
structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive
Services, News Gathering and other broadband satellite applications”, V1.1.1, January
2004.