Реализация метода формирования сигналов с изменяющимися частотными свойствами на базе платформы NI PXIe-1065

Постановка задачи

Современные системы связи значительно упростили, ускорили и увеличили дальность информационного обмена между людьми. Особую роль в этом сыграли сети и системы беспроводного радиодоступа, основной особенностью которых является обеспечение информационного обмена между абонентами при помощи различного вида электромагнитных сигналов. Абонентские устройства, используемые для передачи информации в данных системах радиосвязи, могут свободно перемещаться в зоне радиопокрытия радиопередающей станции, что существенно повышает мобильность абонентов [1].

Известно, что в процессе информационного обмена в системах радиосвязи передаваемые данные претерпевают искажения, которые связаны с воздействием помех различного рода. В условиях современных промышленных городов основным видом помех, влияющих на помехоустойчивость информационного обмена, являются сосредоточенные по спектру помехи. Помехи данного вида представляют собой совокупность гармонических колебаний (одна или несколько гармоник), локализованных в достаточно малом диапазоне частот по сравнению с информационным сигналом [2].

Сосредоточенные по спектру помехи имеют техногенный характер, то есть возникают из-за непосредственной деятельности человека или в результате работы электромагнитных устройств, в частности генераторов, радиостанций, медицинского оборудования и многого другого. Развитие инфраструктуры густонаселенных городов и отдельных территорий привело к увеличению числа источников помех данного вида, что, в свою очередь, повлекло за собой ухудшение качества обмена информацией в системах радиосвязи [2].

Одним из способов повышения помехоустойчивости передачи данных к воздействию сосредоточенных по спектру помех является применение канальных сигналов с адаптивными спектральными свойствами – другими словами, необходимо использовать такие канальные сигналы, энергия которых локализована вне полосы частот сосредоточенной по спектру помехи. Сигналы данного вида описаны в [3-4].

В настоящей статье представлена программноаппаратная реализация метода формирования сигналов с изменяющимися частотными свойствами на платформе PXI. Формирование канальных сигналов, применяемых для передачи данных по радиотракту, осуществляется согласно следующей функциональной схеме, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема устройства формирования сигналов с изменяющимися частотными свойствами

Решение задачи

В рассмотренной выше функциональной схеме использовались следующие условные обозначения ДМ – демультиплексор, СК – сигнальный кодер, БФСВ – блок формирования собственных векторов, БФКС – блок формирования квадратурных составляющих, ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, ПФ – полосовой фильтр. Согласно функциональной схеме формирование высокочастотного (ВЧ) сигнала с требуемым частотным распределением происходило следующим образом. Цифровой информационный поток демультиплексировался на L битовых потоков, каждый из которых кодировался символьным кодером согласно выбранному алфавиту. Далее каждый из полученных L символов перемножался с соответствующим собственным вектором субполосной матрицы [3-4]. Полученные последовательности поот-счетно складывались. Суммарный дискретный сигнал преобразовывался в комплексную форму [4], реальная и мнимая компоненты которого подвергались цифро-аналоговому преобразованию для формирования квадратурной и синфазной огибающих суммарного ВЧ-сигнала. После чего обе квадратурные составляющие перемножались с высокочастотными колебаниями, отличающимися по фазе на π/2, а суммарный высокочастотный сигнал фильтровался согласно требуемой полосе.

В качестве платформы, на которой производилось формирование сигнала, был выбран векторный генератор компании National Instruments PXIe-5451. NI PXIe-5451 это двухканальный 16-битный генератор сигналов произвольной формы. Генератор имеет как несимметричные, так и дифференциальные выходы для двух аналоговых трактов, что обеспечивает максимальную гибкость и производительность устройства. Отличительной особенностью NI PXIe-5451 является то, что динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR), на 1 МГц для каждого из выходов составляет до 98 дБ, а плотность фазового шума на частоте 10 МГц (смещение 1 кГц) не превышает –137 дБ/ Гц. Также следует отметить, что межканальное рассогласование для данного генератора сигналов не превышает 25 пс. В связи с этим NI PXIe-5451 является высокоточным инструментом для тестирования устройств с квадратурными входами, может использоваться в качестве генератора широкополосных сигналов или служить основной для генератора ВЧ-сигналов.

Рис. 2. Внешний вид векторного генератора NI PXIe-5451

Внешний вид векторного генератора представлен на рис. 2. Данный генератор поддерживает такие функции цифровой обработки сигналов, как цифровая апконверция, формирование импульсов и интерполяция фильтров, контроль усиления и компенсации искажений сигнала, а также имеет цифровой программный генератор со сдвигом по частоте. Область применения данного устройства включает в себя создание прототипов устройств связи, проверка и тестирование полупроводниковых компонентов систем связи, радиолокации и систем радиоэлектронной борьбы [5]. Для управления работой векторного генератора на основе рассмотренной выше функциональной схемы в среде LabView была разработана программа, панель управления, которой приведена на рис. 3.

Рис. 3. Интерфейс программы, обеспечивающий настройку работы генератора на платформе NI PXIe-5451

Основные параметры, задающие свойства формируемого высокочастотного сигнала, могут быть изменены непосредственно на панели программы в соответствующих полях. В качестве изменяемых параметров, необходимых для формирования сигнала, были выбраны следующие показатели: частота несущей Frequency F; мощность электромагнитного излучения на выходе генератора Power level; размерность алфавита, используемого при кодировании бит информации M; число отсчетов на один передаваемый символ N; частота дискретизации сигналов S; номе частотного интервала с минимумом энергии (re[O,A-l]); число частотных интервалов R. Общую скорость передачи информации, исходя из рассмотренных выше параметров, можно определить следующим образом:

Z-lnM-S

При этом ширина полосы, занимаемой высокочастотным сигналом, определяется исходя из следующего выражения:

bF = S/2.

Частотный диапазон интервала с минимальной концентрацией энергии определяется параметрами r и R как

Q c

F ^NF — ,F ^№ R

Рассмотренные параметры для формирования сигналов выбирались таким образом, чтобы ширина спектра сигнала и скорость передачи информации в одном из L подканалов соответствовали стандарту CDMA, а именно ширина спектра сигнала не превышала 1,25 МГц, а скорость передачи в одном подканале была не ниже 19,2 кбит/с. Энергетические спектры сформированных сигналов, полученные векторным анализатором NI PXIe-5622, представлены на рис. 4-5.

Рис. 4. Энергетический спектр ВЧ-сигнала с отсутствием энергетических компонент в пятом частотном интервале

Выводы

Таким образом, изменяя параметры, используемые в программе для управления векторным генератором NI PXIe-5451, можно добиться показателей ширины спектра сигнала и скоро сти передачи данных, близких к другим современным стандартам связи. Изменяя параметры r и R, можно адаптивно подстраивать энергетический спектр сигнала под совокупность узкополосных помех, присутствующих в канале связи.

Рис. 5. Энергетический спектр ВЧ-сигнала с отсутствием энергетических компонент в двенадцатом частотном интервале нимизация затрат ресурсов информационнотелекоммуникационных систем (ИТС) при хранении и передаче речевых данных на основе применения оптимальных методов и алгоритмов их обработки» и Государственного задания НИУ «БелГУ» на 2014 год (код проекта № 358).