|
|
| Разместил: |
starche  |
|
|
Starche
НУЖНЫ ЛИ МОДЕЛИ OFDM СИГНАЛУ ?
Не умножай сущности без крайней необходимости -
W.Ockham, 14-й век
За последнее время общими усилиями многих форумчан
удалось существенно повысить качество анализа сигналов.
Разработаны новые методики анализа, усовершенствовались
анализаторы, родились новые идеи, к когорте анализаторщиков
примкнули новые сподвижники. К сожалению, этот процесс,
как и любое развитие, наряду с позитивным трендом имеет
разного рода боковые побеги. Некоторые из них оказываются
тупиковыми и, к сожалению, долгоживущими.
Оговорюсь сразу. Это мнение, как и большинство других в
статье, является моим личным мнением. Далее оговорок типа
"на мой взгляд", "по моему мнению" и им подобных не будет.
Нетривиальные мнения, конечно, будут обосновываться
и доказываться.
В предлагаемой статье обсуждаются вопросы, относящиеся
к введенному разработчиками анализатора SA понятию "модель
OFDM сигнала". Сначала вспомним кое-что из уже давней истории.
Как известно, метод передачи, получивший впоследствии
название OFDM, родился в конце 50-х годов прошлого века. Тогда
генерация и демодуляция производились аппаратным способом,
да еще и в аналоговом виде. Поэтому вполне естественным было
в модуляторе генерировать набор непрерывных поднесущих,
которые для переноса информации периодически синхронно
манипулировались по фазе. При этом в основном использовались
две, четыре и даже восемь позиций разностей фаз. Так рождались
сигналы практически всех первых КВ OFDM модемов.
(Ограничение "практически" тут не лишнее. Применялись и
трех-, и пяти-позиционные разности фаз)
Наблюдаемые при анализе таких сигналов сигнальные
созвездия достаточно просты и легко трактуются. При точном
анализе количества групп сигнальных отметок как в разностно-
фазовых, так и в абсолютно-фазовых созвездиях одинаковы, а
при смене номера подканала угловая ориентация разностных
созвездий не меняется. При этом определение позиционности
манипуляции не вызывает трудностей.
Практика анализа достаточно давно показала, что существуют
и другие сигналы, у которых либо одна, либо обе из отмеченных
особенностей не выполняются, что затрудняет определение
позиционности сигнала. Эти проблемы обсуждались и на форуме,
и в размещаемых на сайте статьях. Одной из статей была моя,
названная "Такая разная ФРМ" -
http://www.radioscanner.ru/info/article414/.
Для иллюстрации этих проблем возьмем, к примеру,
синтезированный по всем правилам Mil-Std и слегка
зашумленный 39-канальный сигнал и будем его демодулировать,
полагая, как это делалось раньше, что при отсутствии
информационных скачков фазы все поднесущие сохраняют
фазовую непрерывность на границах тактовых интервалов.
При правильно определенных в ходе анализа
длительностях интервалов тактового и ортогональности мы
увидим четырех-позиционные сигнальные фазо-разностные
созвездия с различными углами поворота в различных
подканалах и соответствующие им весьма разнообразные
созвездия в абсолютных фазах.
На приводимых ниже экранных снимках слева разностно-
фазовые созвездия, справа - абсолютно-фазовые.
Гармонический номер подканала приведен на разностном
созвездии.
Отложим на некоторое время выяснение причин поворота
разностных созвездий.
Разработчики анализатора SA, естественно, не могли не
заметить этих проблем и реализовали в своем анализаторе
обработку двух типов сигналов, различаемых по признаку,
названному ими "модель сигнала".
Различная обработка, конечно, необходима, но то, как
ее введение было обосновано, не может не вызвать ряд
недоуменных вопросов. Вопросы были заданы, а ответов
не последовало. Продолжим обсуждение в статейном
варианте.
Прежде всего, чтобы не отвлекать читателя поиском
оригинального текста, процитируем идеолога проекта SA из
http://signals.radioscanner.ru/info/item173/.
Стиль и орфография, естественно, сохранены. Курсив
- мой.
"Условно, сигналы OFDM можно разбить на два
основных типа, по способу формирования каналов.
Однако, по способу формирования рабочих каналов
и пилот тонов, получается три модели, в
действительности моделей может быть и больше, но
рассмотрим наиболее ключевые, базовые.
Модель А:
Все каналы формируются как есть, включая и пилот
тоны. В этом случае, пилот тон не может быть выбран
произвольно, и назначается из ограниченного числа
подходящих кандидатов. Типичный представитель
этой модели, сигнал WINDRM 51-Tone COFDM Modem
Модель B:
Все каналы формируются как потенциальные пилот
тоны, любой канал может быть назначен пилотным.
Типичный представитель этой модели
CIS 12-tones PSK-2,4 120(240) bps per channel .
Модель C:
Смешанный тип формирования, все каналы
формируются как есть, по модели А. Но, пилот тон(ы)
формируется специально, по модели B. В этой модели,
пилотом может быть назначен любой канал или каналы.
Типичный представитель этой модели, сигнал
MIL-188-110B-39 tone
Вообще нужно отметить, модель B характерна для
сигналов CIS, модель C для сигналов NATO, но
разумеется это весьма условное деление, хотя и
довольно устойчивое. Я не могу сказать, что это
железное правило, не так много сигналов прошло
через наши руки, что бы делать такие выводы, тем
более, что нет ни каких особых проблем,
сформировать ту или иную модель стандартными
алгоритмами FFT/IFFT. Более того, сигнал
MIL-STD-188-110A 16 Channels сформирован по
модели B. Скорее всего, как гипотеза, сигналы
моделей А и C, формируются с использованием
FFT/IFFT алгоритмов размерности 2^n, а сигналы
по модели B, без этого ограничения. Но повторюсь,
нет ни каких принципиальных проблем сформировать
любую модель в любой размерности FFT/IFFT…
Соответственно в SA, вводится возможность выбора
при анализе, того или иного типа формирования
канала. Самих типов как уже было отмечено два.
Это три(а в принципе и больше) модели сигналов
можно сформировать на основе этих двух типов.
Классический анализ не обеспечивает достоверного
определения режима модуляции/манипуляции в
канале, даже если у вас получится каким либо
образом выделить канал более-менее чисто. Это
явление напрямую связано с типом сигнала OFDM,
и лучше всего это рассмотреть на примере синтеза
сигнала с хорошим разносом каналов, например
такого как CIS-12 tone."
Небольшое замечание, касающееся способа
генерации информационных поднесущих. Совершенно
излишне, как-то увязывать его (способ генерации) с
формированием пилот-сигналов. Ведь пилот-сигнал
может отсутствовать вовсе. Общение на форуме
показало, что само понятие "пилот-сигнал" далеко не
однозначно воспринимается форумчанами.
Из приведенной цитаты можно предположить, что
автор под пилот-сигналом понимает только
неманипулированную поднесущую. Но ведь это вовсе
не общепринятая трактовка. Вот, например, как это
понятие излагается в Википедии:
"Пилот-сигнал (он же Пилот-тон) — сигнал с
априорно известными на приёмной стороне
параметрами (например, определённой частоты)".
То есть, пилот-сигнал - это не только
неманипулированная поднесущая.
Если неманипулированные пилот-сигналы
используются для автоподстройки частоты на
приемной стороне, то почему манипулированные
по амплитуде или фазе поднесущие, используемые,
для той же подстройки частоты и, дополнительно,
для тактовой синхронизации, также не считать
пилот-сигналом. Такие пилоты есть, например, у
сигнала Link-11 и у одного из китайских сигналов.
По последнему была даже написана статья
"Тайна китайского пилота"
http://www.radioscanner.ru/info/article460/.
Далее, почему также используемые для тактовой
синхронизации "дырки в спектре", как у сигналов
Marconi и CIS-128, не считать пилот-сигналом. Иногда
встречается даже такой термин, как виртуальный
пилот-сигнал.
Наконец, если согласиться с определением в
Википедии, то пилот-сигналом с полным правом
должны считаться различные, подчас достаточно
сложные сигнальные конструкции, называемые
преамбулами.
Закономерен вопрос - правомерно ли такое
широкое понятие, как пилот-сигнал, использовать для
трактовки существенно менее широкого понятия -
"модель OFDM сигнала"? Не удивительно, что практика
анализа показала, что понятие "модель сигнала"
почти всегда применяется только для характеристики
информационных поднесущих, а особенности
формирования пилотов при этом не упоминаются вовсе.
Что же такое - "модель сигнала"? Что остается в
толковании после исключения связи модели с пилот-
сигналами? Только способы формирования,
названные автором "как есть" и "как
потенциальный пилот". Попробую дать свое толкование проблемы,
сопроводив примитивные рассуждения столь же
примитивными формулами. Примитивизм иногда полезен.
Предварительно отмечу, что использование других способов
формирования ФРМ-сигналов стало вполне естественным
после того, как для их генерации, и демодуляции стали
применять программно выполняемые алгоритмы дискретного
преобразования Фурье. Ведь в этом случае не представляет
никаких трудностей задать любые соотношения между
начальными фазами поднесущих на границах тактовых
интервалов. Разумный выбор, как показано в
http://www.radioscanner.ru/info/article418/,
даже может дать ощутимый энергетический выигрыш.
Вернемся к толкованию. Пусть:
Fis(k,n) - фаза k-ой поднесущей в начале n-го тактового
интервала,
Fif(k,n) - фаза той же поднесущей в конце n-го тактового
интервала,
deltaFi - одинаковое для всех поднесущих и тактовых
интервалов приращение фазы.
Введенные обозначения позволяют описать правило
формирования сигналов поднесущих как в упоминавшихся
старых модемах, так и в некоторых современных, например,
16-канальном по Mil-STD, отнесенных в SA к модели В.
Очевидно, что в этих модемах
Fis(k,n+1)=Fif(k,n). (1)
Во многих (но не во всех) современных, например,
39-канальном по тому же Mil-Std, относимых в SA к
модели А,
Fis(k,n+1)=Fis(k,n). (2)
Существует и давно используется еще один вариант
Fis(k,n+1)=Fif(k,n)+deltaFi. (3)
Думается, что указанными известными вариантами
возможность реализации фазоразностной манипуляции
не исчерпывается. Например, возможен и такой -
Fis(k,n+1)=Fis(k,n)+deltaFi. (4)
Варианты (1) - (4), конечно, примитивны и вполне
очевидны. Для несогласных сообщаю, что вариант (2)
в словесной форме содержится в тексте стандарта
Mil-Std-188-110b app.B и в формульном виде - в тексте
стандарта Stanag-4197.
Немного о варианте (3). Он давно используется на
практике, и известен на Руси, как манипуляция с
"вращающейся фазой". Кратко повторю суть своего
комментария к статье
http://www.radioscanner.ru/info/article417/.
Практика быстро выявила недостатки сигналов модели B.
Главный - потеря тактовой синхронизации в паузах передачи
информации, дополнительный - сложность демодуляции
некоторых сигналов.
Например, при передаче вариантов разностей 0, 90, 180
и 270 градусов для демодуляции необходимо было учитывать
и абсолютные величины, и знаки аналоговых напряжений на
выходе демодулятора. Если же к каждой из разностей добавить
величину pi/4, то демодулировать оказывалось возможным
только по знакам тех же напряжений. В "доЭВМ-ную" эпоху
это было весьма существенно. Кроме того, непрекращающиеся
скачки фазы поддерживали стабильным тактовый синхронизм.
Правда при этом фазовых позиций в созвездиях абсолютных
фаз становилось не четыре, а восемь.
Думается, что это вполне обособленный вид OFDM сигналов,
отличающийся от трех других.
Теперь самое время пояснить причину поворота разностных
созвездий в приведенных выше экранных снимках.
Примечание. Все, о чем пойдет речь ниже, справедливо только
тогда, когда финалом анализа является получение сигнальных
созвездий. При желании получить битовые потоки придется
использовать иные приемы демодуляции.
В начале анализа - по умолчанию или вручную - должен
быть установлен какой-либо режим для получения сигнальных
созвездий. Будем для определенности, но без потери общности
полагать, что смена режима производится вручную, а по
умолчанию устанавливается режим для приема сигналов,
сформированных по варианту (1).
Анализировавшийся выше сигнал сформирован по варианту
(2). При его анализе в анализаторе происходит избыточный набег
фаз поднесущих на длительности защитного интервала.
Величина этого набега в k-ом подканале, очевидно, равна
Psi(k)=2*Pi*F(k)*(Ttakt-Tort),
где F(k) - частота поднесущей, Ttakt, Tort - длительности
интервалов тактового и ортогональности, соответственно.
Разность набегов в соседних подканалах
deltaPsi = Psi(k+1)-Psi(k) = 2*Pi*(F(k+1)-F(k))*(Ttakt-Tort) =
2*Pi*Fo*(Ttakt-Tort) = 2*Pi*(Ttakt-Tort)/Tort = 2*Pi*Mag,
где Fo-частотное разнесение поднесущих, а Mag - кто бы
мог подумать - рожденный в проекте SA магический
коэффициент.
При наблюдении сигнальных созвездий именно величина
deltaPsi отображается в виде поворота созвездия при смене
номера подканала на единицу. Наличие такого поворота
свидетельствует о возможной генерации сигнала по варианту
(2). Обратное заключение в общем случае несправедливо.
Действительно, если Poz - позиционность манипуляции, и,
как обычно, Poz - целая степень числа 2, то поворот может
быть обнаружен при
deltaPsi <> 2*m*Pi/Poz, m-целое,
а фиксируемая величина поворота
FixPsi = (deltaPsi MOD (2*Pi/Poz)),
где (X MOD Y) - остаток от целочисленного деления X/Y.
В нашем случае deltaPsi=360*17/64=95.625 градусов, а
наблюдаемая его часть FixPsi = 5.625 градусов. При смене
номера канала на 8 единиц наблюдаемая часть поворота
созвездий составит 45 градусов, что и подтверждается
экранными снимками.
Для правильного определения вариантов передаваемых
разностей фаз и наблюдения абсолютно-фазовых созвездий
в анализаторе должен быть предусмотрен режим компенсации
указанного набега фаз поднесущих. Это та самая "подкрутка",
которую никак не может, или - не хочет принять (или понять)
известный форумный скандалист. Однако, она объективно
существует. Другое дело, что факт ее ввода может быть
вовсе не замечен пользователем анализатора SA. Просто
режим может меняться автоматически.
Из приведенного выше следует неожиданный факт,
свидетельствующий о возможности неверного определения
модели сигнала анализатором SA или оператором этого
анализатора.
Если при наблюдении разностных созвездий их поворот
при смене номера подканала отсутствует, то из этого вовсе
не следует формирование сигнала по варианту (1). Просто
этот поворот может быть не наблюдаемым. К такому типу
сигналов, в частности, относятся достаточно многочисленные
сигналы с четырех-позициционной манипуляцией и Mag=1/4.
При анализе эти сигналы не отличимы от сформированных
по варианту (3). Об этом без подробностей упоминалось
мною в статье
ОПЫТ АНАЛИЗА "КРИВО" ЗАПИСАННЫХ OFDM - СИГНАЛОВ
при анализе 34-канального сигнала "Сердолик".
При демодуляции подобных сигналов особых проблем
не возникает. Правильные созвездия, как в разностных, так
и в абсолютных фазах получаются при установке режима
обработки сигналов, у которых начальная фаза
устанавливается по варианту (1). Так же обрабатываются
сигналы варианта (3) при условии deltaFi=Pi/Poz, что
обычно и имеет место.
Для иллюстрации зыбкости понятия "модель сигнала"
приведу еще один пример.
При анализе сигнала Stanag-4197 нетрудно получить
для начальной (16-канальной) части OFDM-го пакета такие
данные: Ttakt=13,333 мсек и Tort=8,888 мсек, а для
конечной (39-канальной) части: Ttakt=22,5 мсек и
Tort=17,777 мсек.
При просмотре сигнальных созвездий в конечной части
четко просматривается реализация по варианту (2), а при
просмотре созвездий в начальной части никаких поворотов
не обнаруживается.
Трудно предположить, что при генерации этого сигнала
использовались различные "модели". Разумеется, что обе
OFDM-ые части пакета генерировались одинаково, т.е. по
варианту 2, но поворот созвездий в начальной части не
может обнаруживаться оператором (или анализатором),
т.к. для этой части Mag=0.5, а угол поворота равен 180
градусам.
Может быть именно эта особенность помешала внести
для этого сигнала в базу столь почитаемые куратором
величины магических коэффициентов. Да и по виду
манипуляции все сомнения могут быть сняты - 4 позиции
в разностных фазах и 8 позиций в абсолютных.
Совершенно аналогичная ситуация может возникнуть
при анализе двух режимов излучения одной и той же
аппаратуры. В упоминавшейся выше статье
проанализированы два режима излучения аппаратурой
"Сердолик". При четырех-позиционном сигнале факт
формирования сигнала по варианту (2), как отмечалось,
не обнаруживается, а при двух-позиционном сигнале
(Serd25.wav) поворот созвездий на 90 градусов становится
наблюдаемым.
Наконец, еще один, может и гипотетический, но, можно
сказать, "убийственный" пример. Нетрудно видеть, что при
Mag=1 варианты (1) и (2) неотличимы друг от друга.
Спросите, а что же это за сигнал? Пока не встречал, но
у Cis-45, ver.1 Mag=0.875, а у начальной части Cis-112 -
Mag=1.3. Так что, не будем зарекаться.
Что же остается, как говорится, в сухом остатке?
Несомненно то, что некоторые сигналы требуют особого
режима демодуляции, НО необходимость использования
этого режима порождается не только способом генерации
сигналов, но и соотношением величин их основных
параметров. Как-то помечать "особые" сигналы, вероятно,
полезно, но помеченными окажутся далеко не все сигналы,
сформированные по варианту (2).
Поэтому, я считаю бесполезным вводить и использовать
дополнительную характеристику сигнала - "модель", хотя бы
потому, что способ формирования сигнала не всегда может
быть установлен в ходе анализа. Тем более, недопустимо
вешать на сигналы ярлыки, исходя из предложенных
определений этих самых "моделей". Определения, может
быть, вполне допустимы с грамматической точки зрения,
но не выдерживают никакой критики с точки зрения
технической.
Для выделения "особых" сигналов ведь можно
использовать традиционный путь. Существует же для
сигналов по варианту (3) особое обозначение типа pi/4 DQPSK.
Поступая аналогично, может следует сигнал 39-канального
модема назвать pi/4 DQPSK turn или даже pi/4 DQPSK pi/32.
А может эта идея со спец. обозначением уже реализована
где-то и кем-то? Стоит поискать. А то получается, как
стрельба из пушек по воробьям, а вся мощь - как в
паровозе - в свисток.
В заключение отмечу - я не против анализатора SA, я
всеми фибрами -ЗА. Но мне странно видеть, что по каким-то
непонятным для меня причинам, скорее всего конъюнктурно-
коммерческого толка, страдает инженерно-техническая
сторона дела. Сейчас в этом плане выделяются три
существенных недостатка SA:
1)игнорирование реальных сигналов реальных модемов,
у которых частоты поднесущих на выходе модулятора
не есть гармоники частоты разнесения, например, Link-11,
Mil-16; игнорирование носит воинствующий характер и
сопровождается даже заменой в базе "неправильных"
сигнальных файлов доморощенными, подложными;
2)необоснованное никакими практическими успехами
преувеличение роли "изобретенного" магического
коэффициента, который по определению является всего
лишь отношением двух и без того вычисляемых
параметров сигнала;
3)рассмотренные выше попытки классификации сигналов
по признаку "модель", проводимые при отсутствии четких
технических толкований и с неоднозначными решениями.
|
|
|
|
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные, активировавшие регистрацию и не ограниченные в доступе участники сайта!
|
| Файл создан: 16 Мар 2012 09:45, посл. исправление: 16 Мар 2012 10:00 |
|
