Тестирование и диагностика в радиоэлектронных системах передачи

А.М. ГОЛИКОВ

ТЕСТИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие для специалитета: 11.05.01 - Радиоэлектронные системы

и комплексы (Радиоэлектронные системы передачи информации)

Курс лекций, компьютерные лабораторные работы, компьютерный практикум,

задание на самостоятельную работу

Томск 2018

1

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

А.М. Голиков

ТЕСТИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие для специалитета: 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы

(Радиоэлектронные системы передачи информации)

Курс лекций, компьютерные лабораторные работы,

компьютерный практикум,

задание на самостоятельную работу

2018

2

Голиков А.М.

Тестирование и диагностика в радиоэлектронных системах передачи информации: Учебное пособие для специалитета 11.05.01 - Радиоэлектронные системы

и комплексы (Радиоэлектронные системы передачи информации). Курс лекций,

компьютерные лабораторные работы, компьютерный практикум, задание на самостоятельную работу [Электронный ресурс] / А. М. Голиков. — Томск: ТУСУР,

2018. — 594 с. — Режим доступа: https://edu.tusur.ru/publications/

Учебное пособие является учебно-методическим комплексом дисциплины

(УМКД) специалитета: 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы

(Радиоэлектронные системы передачи информации). Учебное пособие содержит

лекционный материал, компьютерные лабораторные работы, компьютерный практикум,

задание на самостоятельную работу по курсу «Тестирование и диагностика в радиоэлектронных системах передачи информации» (ТиДвРЭСПИ).

Основной задачей дисциплины является формирование у студентов компетенций, по-

зволяющих самостоятельно проводить математический анализ физических процессов в ана-

логовых и цифровых устройствах формирования, преобразования и обработки сигналов,

оценивать реальные и предельные возможности пропускной способности и помехоустойчи-

вости телекоммуникационных систем и сетей.

В курсе ТиДвРЭСПИ принят единый методологический подход к анализу и синтезу современных телекоммуникационных систем и устройств на основе вероятностных моделей сообщений, сигналов, помех и каналов в системах связи. Предусмотренные программой курса ТиДвРЭСПИ знания являются не только базой для последующего изучения специальных дисциплин, но имеют также самостоятельное значение для формирования инженеров по специальности 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы.

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей дисциплины является формирование у студентов компетенций, по-

зволяющих самостоятельно проводить математический анализ физических процессов в ана-

логовых и цифровых устройствах формирования, преобразования и обработки сигналов,

оценивать реальные и предельные возможности пропускной способности и помехоустойчи-

вости телекоммуникационных систем и сетей.

Вкурсе ТиДвИКСиС принят единый методологический подход к анализу и синтезу современных телекоммуникационных систем и устройств на основе вероятностных моделей сообщений, сигналов, помех и каналов в системах связи. Предусмотренные программой курса ТиДвИКСиС знания являются не только базой для последующего изучения специальных дисциплин, но имеют также самостоятельное значение для формирования инженеров по специальности 11.05.01 - Радиоэлектронные системы и комплексы.

Вучебном пособии представлен курс лекций, компьютерые лабораторные работы,

копьютерный практикум и задание на самостоятельную работу студентов. Учебное пособие содержит пять глав и три приложения - Глава 1. Методы измерений в системах связи, Глава

2. Радиочастотные измерения, Глава 3. Измерения электрических кабелей,

Глава 4. Измерения волоконно-оптических систем передачи , Глава 5. МЕТРОЛОГИЯ В

NI labview, Глава 8. Измерительная техника телекоммуникационных систем.

ПРИЛОЖЕНИЯ: П1. Компьютерный практикум, П2. Компьютерные лабораторные работы,

П3. Задание на самостоятельную работу.

5

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ В РЭСПИ

МЕТОДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ЦИФРОВЫХ РЭСПИ

1. Особенности представления цифровых сигналов. Методы представления

сигналов в виде диаграмм

Поскольку основной темой настоящей книги является описание технологии измерений цифровых телекоммуникационных систем, в первую очередь необходимо рассмотреть мето-

ды анализа цифровых сигналов Отличие цифровых сигналов от аналоговых заключается в их дискретной структуре. Если параметры аналоговых сигналов меняются в используемом диапазоне непрерывно, то параметры цифровых сигналов изменяются дискретно, в этом со-

стоит основное отличие цифровых сигналов от аналоговых. Такая особенность цифровых сигналов позволяет использовать для их анализа ряд специфических методов, рассматривае-

мых в этой главе.

Помимо достаточно хорошо известных методов измерения аналоговых сигналов с ис-

пользованием осциллограмм и спектрального анализа, в методологии измерений цифровых сигналов широкое распространение получили специальные диаграммы, что определяется дискретной природой сигналов При проведении измерений используются два основных класса диаграмм- диаграммы физических параметров цифрового сигнала, к которым относят-

ся глазковые диаграммы и диаграммы состояний, а также алгоритмические диаграммы, к

которым относятся древовидные диаграммы и различные виды диаграмм Треллиса.

Диаграммы физических параметров используются для анализа как простых бинарных цифровых сигналов, так и сложных сигналов современных цифровых телекоммуникаций-

многоуровневых (таких как сигналы линейного кодирования ISDN и т.д) и модулированных сигналов (применяемых в радиочастотных системах передачи и системах радиосвязи)

Алгоритмические диаграммы используются для анализа сигналов дифференциальных модуляций и современных алгоритмов кодирования информации [1].

Глазковые диаграммы

Для анализа параметров цифрового сигнала часто используются глазковые диаграммы,

как при проведении лабораторных измерений (системное оборудование), так и эксплуатаци-

онных По своей структуре глазковые диаграммы являются модификацией осциллограмм, с

той только разницей, что используют периодическую структуру цифрового сигнала Для построения двухуровневой глазковой диаграммы (рис 1.1) цифровой (битовый)

поток подается на осциллограф, в то время как синхронизация внешней развертки

6

производится от битового потока с частотой fd . При построении многоуровневых диаграмм сигнал должен проходить через многоуровневый конвертер, а синхронизация производится от символьного потока с частотой f S . Для калибровки глазковой диаграммы сигнал часто подают в обход фильтра, ограничивающего диапазон сигнала. В этом случае возникает диаграмма в виде прямоугольника (рис 1.2, слева). Фильтр, ограничивающий полосу передаваемого сигнала, вносит существенные изменения в форму импульса, в результате чего возникает диаграмма в виде "стандартного глаза" (на рис. 1.2, справа - "бинарный глаз")

Глазковые диаграммы используют периодическую структуру цифрового сигнала. За счет внешней синхронизации развертки получаемые осциллограммы волнового фронта сигнала накладываются друг на друга с периодом одного отсчета. В результате проведения измерений с накоплением получается глазковая диаграмма, на которую по оси Y

откладывается амплитуда сигналов по уровням (рис 1.1)

Рис. 1.1. Построение глазковой диаграммы Процесс формирования диаграммы цифрового бинарного сигнала без фильтрации и с

фильтрацией на передаваемую полосу (рис. 1.2) позволяет реально продемонстрировать ме-

ханизм формирования глазковой диаграммы. Реальная осциллограмма сигнала (например,

двухуровневого цифрового сигнала) "разрезается" посимвольно в соответствии с тактовыми импульсами синхронизирующего генератора, а затем глазковая диаграмма "складывается" из полученных кусков. В идеальном случае при отсутствии цепей фильтрации в результате та-

кого сложения получится квадрат ("квадратный глаз", представлен на рисунке внизу слева).

Однако глазковая диаграмма реального сигнала значительно отличается от квадрата, по-

скольку содержит составляющие нарастания фронта и спада фронта сигнала, прямоугольный импульс имеет форму колокола. В результате получится диаграмма, более похожая на глаз

(на рисунке внизу справа).

7

Рис. 1.2. Глазковая диаграмма сигналов без фильтрации и с фильтрацией

Исследование глазковых диаграмм позволяет провести детальный анализ цифрового сиг-

нала по параметрам, непосредственно связанным с формой волнового фронта: параметру межсимвольной интерференции (ISI), джиттеру передачи данных и джиттеру по синхронизации.

Пример глазковой диаграммы представлен на рис. 1.3 (компьютерная имитация). Трасса двухуровневого сигнала на глазковой диаграмме в точках времени, соответствующих точкам отсчета, проходит точно через нормированные значения +1 и -1, следовательно ISI (межсим-

вольная интерференция) на рисунке отсутствует. В то же время различные трассы пересека-

ются с временной осью в разные временные промежутки. Максимальная ширина области пересечения с временной осью определяется как пиковое фазовое дрожание или джиттер передачи данных Djpp, Джиттер передачи данных измеряется обычно в единицах времени или как отношение к интервалу передачи символа Djpp/Ts. Пиковый джиттер, представленный на рисунке, составляет 35%. Следует отметить, что джиттер передачи данных является следст-

8

вием ограниченной полосы каналов. Например, расчет показывает, что для фильтра с коэф-

фициентом ограничения спектра 0,2 джиттер передачи данных составляет уже 48%, т.е.

чем меньше коэффициент ограничения спектра (альфа-фактор) канала, тем больше джиттер передачи данных. Сам по себе джиттер передачи данных является следствием объективных процессов преобразования сигналов и деградации качества связи не вызывает. Однако его комбинация с джиттером по синхронизации или постоянным сдвигом частоты передачи мо-

жет привести к существенным нарушениям качества.

Рис. 1.3. Глазковая диаграмма цифрового сигнала, проходящего через фильтр с коэффициентом ограничения спектра а=0,3 (компьютерная имитация)

Диаграммы состояний

Если аналоговый сигнал - это непрерывная функция изменения состояний, то цифровой сигнал может быть представлен в виде нескольких дискретных состояний, которые проходит сигнал. В связи с этим возникает задача анализа этих дискретных состояний с учетом ис-

пользуемых в современных телекоммуникациях принципов цифровой модуляции сигнала.

Для этого комплексная амплитуда сигнала обычно представляется в полярных координатах

(комплексной амплитудой сигнала называется его часть, отделенная от гармонической функ-

ции, например, для сигнала S = A{t)elwt, A(t) - комплексная амплитуда сигнала). Если пред-

ставить сигнал в виде суммы синфазного (сигнал 7) и смещенного на 90° относительно син-

фазного (сигнал Q) сигналов, то полученное представление будет являться графиком в коор-

динатах I-Q. В современных системах радиосвязи широкое распространение получили раз-

личные типы фазовых модуляций. Диаграмма представляет собой набор точек, соответст-

вующих дискретным состояниям модулированного сигнала (рис. 1.5). Такие диаграммы на-

зваются диаграммами состояний.

9

Диаграммы состояний представляют собой диаграммы сигнала в полярных координатах с накоплением, цифровой сигнал проходит на диаграмме состояний характерные для него точки. Цифровая форма сигнала определяет точечную структуру диаграммы состояний (ко-

нечное количество состояний сигнала). Для каждого типа модуляции диаграмма состояни своя и несет информацию о параметрах тракта в целом, работе модемов, эквалайзеров и дру-

гих устройств, принимающих и передающих модулированные сигналы.

Рис. 1.5. Примеры диаграмм состояния основных типов модуляции

Диаграммы состояния имеют особое значение для анализа модулированных сигналов так как в принятой технологии построения фазовых модуляторов и демодуляторов используется принцип разделения цифрового сигнала на две составляющие / и Q (например, на рис. 1.6

представлена схема модулятора квадратурной амплитудной модуляции QAM).

10