Исследование способов оценки качества передаваемого сигнала в канале связи

ИННОВАЦИИ В ИНФОРМАТИКЕ

DOI:

В электронно-вычислительной среде анализ методов оценки качества сигнала можно осуществить посредством глазковой диаграммы, сигнального созвездия (карты рассеяния), применением блоков подсчета коэффициента битовых ошибок переданных данных [3]. Данные методы являются эффективными в настоящее время, и широко применяются как в проводных, так и беспроводных системах связи.

В рекомендациях МСЭ-Т G.821, G.826 описаны методы обнаружения ошибок кода передачи для оценки качества сеанса связи в цифровом тракте, метод циклового синхросигнала в цикле сигнала Е1 (имеет недостаточную точность), метод циклического контроля по избыточности и др., метод контроля первичных статических характеристики каналов тональной частоты (дрожание фазы, АЧХ и т. д.) и другие.

В ходе исследования были проанализированы несколько методов оценки качества передаваемого сигнала. Для этого была построена цифровая система передачи на основе QPSK-модуляции в программной среде Simulink Matlab (рис. 1).

QPSK-модуляция (Quadrature Phase Shift Keying – кодирование методом квадратично- го фазового сдвига) является простейшей формой QAM (также известная как 4-QAM). QPSK использует две несущие одинаковой частоты, сдвинутые на 90°, и два возможных уровня амплитуды. Один уровень амплитуды соответствует 0, другой – 1. Достоинством QAM модуляции является повышенная скорость передачи данных, поскольку таким образом большее количество битов информации может быть передано в течение одного цикла. Однако, с другой стороны, в этом случае большее число уровней амплитуды сигнала располагаются близко друг к другу, повышая тем самым вероятность неразличимости двух уровней, и как следствие – повышая чувствительность системы к шуму. Таким образом, высокие значения номера QAM более требовательны к параметру CNR (Carrier Noise Ratio – отношение сигнал / шум). Данный параметр является важнейшим фактором, определяющим качество работы различной радиотехнической аппаратуры. Например, в сетях кабельного телевидения – одна из доступных измеряемых величин.

Оценка воздействия шумов на сигналы возможно несколькими способами. Визуальную оценку по полученным параметрам мож-

Рис. 1. Схема передачи данных посредством QPSK-манипуляции (экранная копия)

но получить с использованием сигнального созвездия – в данном случае на амплитуднофазовой плоскости отдельному элементу созвездия соответствует точка. По карте созвездия можно оценить качество канала связи – показывает положением символов на комплексной плоскости только в момент принятия решения о принятом символе. При при- сутствии каких-либо помех карта рассеяния начинает приобретать «расплывчатость», тем самым мы говорим о влиянии белого шума на сигнал (сравнение рис. 2 и рис. 3) [4]. Последовательно изменяя в параметрах блока AWGN Channel отношение сигнал / шум (начиная с 50 Дб до 5 Дб) наблюдается изменение форм глазковой диаграммы и сигнального

Рис. 2. Созвездие и глазковая диаграмма сигнала при отношении сигнал / шум 50 dB

Рис. 3. Созвездие и глазковая диаграмма сигнала при отношении сигнал / шум 5 dB

созвездия QPSK. При настройке блока AWGN channel в 50 dB графики сигнальных созвездий и глазковых диаграмм QPSK-манипуляции выглядят следующим образом (см. рис. 2).

При настройке блока AWGN channel в 5 dB графики сигнальных созвездий и глазковых диаграмм QPSK-манипуляции выглядят следующим образом (см. рис. 3).

При уменьшении отношения сигнал / шум с 50 до 5 дБ возникает больше помех, это видно по закрытию глаза на диаграммах глаз. В MATLAB определена функция глазковой диаграммы eyediagram(x,n) [1]. Интерпретация глазковой диаграммы следующая: осциллограф формирует диаграмму из развертки последовательных сегментов длинного потока данных, главным источником которого является синхронизация. Происходит отображение импульсов, которые появляются после периода задержки и накладываются друг на друга, тем самым получается изображение в виде «открывания глаза». При искажении или зашумленности глаз «закрывается». При передаче в высокоскоростных цифровых каналах искажения, вносимые на различных этапах, приводят к ошибкам синхронизации. Одной из таких ошибок является «джиттер» ( jitter ) – фазовое дрожание, которое возникает из-за несовпадения времени нарастания и спада (см. рис. 3).

Точным вычислением отличается следующий метод – подсчет коэффициента битовых ошибок BER (bit error rate – отношение бит / ошибка) при CNR (Carrier Noise Ratio – отношение сигнал / шум). Данный метод применяется для оценки качества цифровых систем передач, является самым объективным, используется при технических осмотрах цифровой аппаратуры, выходе ее из строя. Показатель выражается в дБ. В ходе исследования были получены следующие результаты BER (см. таблицу).

Представим полученные результаты работы блока Error Rate Calculation в графическом виде Excel c помощью диаграммы (рис. 4).

Таблица и график наглядно показывают, что, чем меньше отношение сигнал / шум в блоке AWGN Channel, тем больше уровень ошибки.

Еще одна технология измерения соотношения сигнал / шум – NPR (Noise Power Ratio – отношение шум / мощность) – применяется в аналоговых устройствах, которые работают в режимах QAM или QPSK. Поскольку эти режимы имеют частотный спектр в виде гауссового шума, NPR-тест производится путем подмены сигнала эквивалентной полосой белого шума. Ближе к середине полосы эта шумовая «зарубка» (обычно 4 МГц)

Значения BER при изменении CNR для QPSK-модуляции

CNR, Дб	20	18	16	14	12	10	8	6	4	2
BER, Дб	1	11	51	115	197	302	375	445	524	573

QPSK

0                                                                    --------

2      4      6      8      10     12     14     16     18     20

Отношение сигнал/шум дБ

Рис. 4. График отношения CNR к BER при QPSK опускается. Когда полоса шума пускается через устройство, глубина «зарубки» определяется несколькими факторами: термическим шумом, «шумоподобными продуктами» сигнала и т. п.

Технология FEC (Forward Error Correction – упреждающая коррекция ошибок) – передатчик преобразует передаваемые блоки данных путем канального кодирования и избыточности информации, тем самым предотвращает возможность обнаружения и восстановления приемником определенного количества битов, подвергающихся искажению. Технология является сложной и требует больших затрат мощности процессора для исправления ошибок [2].

Технология MER (Modulation Error Ratio – отношение модуляция / ошибка), определяющая исходный искаженный радиосигнал по конкретным параметрам. Их значения усредняются по времени – это величина отклонения полученной модуляции (по амплитуде и/ или фазе) от переданной.

Наличие множества помех требует выполнения моделирования передачи сигналов по каналам связи, чтобы оценить вероятности ошибок в них. Механизмы генерации ошибок определяются принципами обработки смешанного сигнала с помехами, а также характеристиками устройств, реализующих эти принципы. В ходе работы были рассмотрены популярные методы оценки принятого сигнала путем представления сигнала с применением QPSK-модуляции, проведены эксперименты. Данные методы оценки принятых сигналов применяются также в различных цифровых системах связи более высоких порядков, активно используются и в настоящее время.