謝曜聰，單中堯
(中國電波傳播研究所, 山東 青島266000)
摘要：眼圖是無線電監測中的一個重要測試項目。現代無線電監測系統屬于非協作通信，許多傳輸參數需要估計。因此接收信號的眼圖與協作通信中的眼圖有所不同。文章給出了眼圖的實際測量結果，并進行了分析，說明了在工程應用中眼圖繪制所需要達到的實際指標。對于眼圖繪制算法的改進，則需要根據工程目的進行適當修改，而不是一味地追求速度或是精度。
關鍵詞：眼圖；無線電監測；非協作通信
0引言
文獻［1］提到，眼圖，即指通過用示波器觀察接收端的基帶信號波形，從而估計和調整系統性能的一種方法。它能夠定性地分析傳輸系統的性能。“眼睛”張開的越小，眼圖越不端正，證明波形失真越大，碼間串擾越大；“眼睛”的線跡越粗，表示噪聲越大，“眼睛”也張開的越小。可見，眼圖可以作為一個參考指標來衡量無線電監測傳輸系統的性能，也可以輔助監測工作者對監測結果進行正確分析。
而在實際的無線電監測傳輸系統中，眼圖還要受到同步算法的影響，同步算法的作用相當于用示波器上的旋鈕來調節波形達到同步。在無線電監測中，監測方與發送方是屬于非協作的通信機制，因此調制方式、載波頻率、碼元速率、信噪比等一系列參數都需要估計出來。而在這個過程中，會出現估計偏差。偏差會影響眼圖的結果，這是與收發雙方為協作通信體制所不同的［23］。
本文將眼圖技術應用到無線電的監測中，觀察在非協作通信體制的條件下，眼圖的表現結果。
1眼圖繪制過程
繪制眼圖所需要的數據來自基帶碼元信號經脈沖成形濾波器成形后的接收信號波形數據。接收機得到的監測數據，需要經過算法解調和時鐘同步，得到原始基帶成形信號，才可以畫出眼圖［4］。具體過程如下:
(1)設監測到的待解調信號表示為X(t)。經過接收機過采樣后，表達式更新為X(n)，此時含噪信號表達式為：
其中，S(n)為原始基帶信號，φ(n)為各種附加噪聲,Fc為信號的載頻，θ為信號相位。
(2)使用超外差接收方案，將待解調信號頻譜搬移至零中頻，除去載波。需要注意的是，因為是非協作通信，信號載頻也需要進行估計，因此這個過程也會產生偏差。搬移至零中頻后，經過低通濾波器處理，得到信號的表達式為：
其中，Fo為估計載頻偏差，θ1和φ1(n)分別為處理后的信號相位偏移和附加噪聲。
(3)采用算法解調。算法解調主要完成兩個任務，第一個是同步，第二個是得到最佳采樣點。其中同步包括載波同步和時鐘同步。這里，關于同步和最佳采樣點獲取的算法已經有很多文獻［57］進行了研究，本文不再贅述其原理。本文使用了Gardner時鐘同步算法來實現位同步；同時使用判決反饋的科斯塔斯環來實現載波同步。
實現同步后，取得最佳采樣點。本文使用了線性插值的方法，即選擇最佳采樣時刻相鄰的兩個點值的線性平均，得到最佳采樣時刻的點值，同時將該時刻值進行記錄，作為控制眼圖起點和終點的坐標。至此，算法解調和同步已經完成。這時，得到信號為：
其中，S′(n)為經過算法解調后的恢復基帶信號，φ2(n)為殘留噪聲。
(4)根據得到的最佳采樣時刻對眼圖的橫坐標進行控制，使用信號S′(n)作為眼圖繪制數據，繪制眼圖，觀察信號傳輸質量。
2無線電監測中眼圖的表現結果與分析
本文使用信號源模擬器，在辦公樓樓頂架構天線作為輻射源，發射信號。信號強度為-40 dBm，調制方式選為16QAM，碼元速率設置為50.000 kHz，載頻設置為1.555 GHz。該基帶信號經過滾降系數為0.35的成形濾波器處理，調制后送入天線端發射。監測接收機在實驗室內進行接收。經過接收機處理后，估計載波頻偏為1 904.296 8 Hz，估計誤差為：
估計碼速率為50.048 kHz，估計誤差為：
本文通過程序編寫，將接收機中處理的數據提取出來，使用MATLAB仿真來直觀地觀察結果。得到的星座圖與眼圖如圖1所示。
作為對比，本文給出在準確的載頻和碼元速率條件下，信噪比為20 dB時，使用該算法對16QAM信號的解調結果。如圖2所示。
需要注意的是，圖中給出的是I路的眼圖，Q路眼圖與之類似。
通過圖1和圖2可以發現：(1)算法本身是可行的。在高信噪比下，圖2中的星座圖，每一個調制點上星座點收斂范圍很小，很精確。這表明該算法可以很精確地將16QAM信號還原出來。反映到圖2中的眼圖上，舉個例子，在橫坐標為5的位置上，一共有4個交點。每個交點都是星座圖上的星座點，即最佳采樣點，它與星座圖上的點是一致的。因為一致，所以這里的每個交點的收斂范圍越小，相對距離越大，“眼睛”就睜得越開，這時就說明信號的傳輸質量就越高，噪聲干擾小。(2)由于算法本身可行，那么為什么還會出現圖1的結果呢？這是因為圖1的解調條件所導致的。接收機工作在實際監測環境中，存在大量的噪聲干擾。同時，因為是非協作通信，很多參數需要顧及，存在偏差。因此得到的星座圖和眼圖就如圖1所示。可以看到，只能從星座圖中分辨出這是一個16QAM信號，但是每個星座點的收斂范圍很大，甚至幾乎都連到了一塊。反映到眼圖上，作為最佳采樣點的4個交點，變成了一條有一定寬度的線條，垂直相對距離也變小了，“眼睛”張開很小。這就是實際條件與理想條件下接收機解調結果的對比圖。
為了表示一般性，再分別給出BPSK、QPSK、8PSK的實際監測環境下解調的星座圖和眼圖對比。這里，發送端信號源的碼元速率都給定為50 kHz，信號幅度為-40 dBm，信號載頻為1.555 GHz，經過滾降系數為0.35的成形濾波器處理。測量結果如圖3~圖5所示。
其中，BPSK信號的I路眼圖即為圖3中所示，而其Q路眼圖則由零值附近上下浮動的值組成。其他信號的I、Q兩路信號眼圖是類似的。可以看到，相位調制點數越多，噪聲干擾的影響越大，特別是8PSK信號，“眼睛”幾乎沒有張開。
這樣的眼圖，是否能達到現代無線電監測的目的？或者說，這樣的眼圖，是不是就是不好呢？需要明確的是，眼圖是用來實時反映信號傳輸質量的一種手段。眼圖本身并沒有質量好壞的差別。正確的眼圖是能夠真實反映無線電傳輸系統質量的。并不是串擾的眼圖就一定不對，有很大可能串擾是由于噪聲干擾造成的。真正衡量眼圖的標準是能否達到監測的目的。
與理想條件下的眼圖繪制相比，不同的監測目的，關注的重點是不同的。例如，監測工作人員更看重接收信號的調制方式，那么解調算法的精度上就可以適當放寬要求，只要能明確是何種調制方式即可，而在算法收斂的速度上就要有所提高。這樣的結果，就會使得星座圖中最佳采樣點離散性很大，眼圖中“眼睛”張開程度變小，但是收斂速度很快，可以在數據長度很短的一個數據包內就完成解調，分辨出該信號是何種調制方式。因此，根據不同的需要，眼圖繪制算法中控制解調速度和解調精度的參數也要相應調整。由于本文所使用解調算法更注重解調速度，因此在精度方面有所犧牲，圖3~圖5中的星座圖和眼圖就是使用該算法產生的。
3眼圖誤差影響分析
實際監測環境中，在明確了工作目的后，影響眼圖實時反映信號傳輸質量的誤差主要有以下幾種：
(1)信號載頻估計
由于是非協作通信，發送端以一個相對于監測機未知的載頻來攜帶信號進行傳播，接收端需要對載頻進行估計，進而搬移至零中頻。在這個過程中，由于噪聲和算法的影響，必然會產生載頻估計偏差。一般來說，載頻越大，估計頻率偏差越大，但是該偏差相對于載頻的比例是很小的，以本文使用的接收機為例，約為0.000 1%。因此，頻率偏差對于接收端是存在影響的，但相對影響較小。
(2)碼元速率估計
碼元速率估計是算法解調中重要的一個步驟。如果碼元速率的估計偏差較大，就會校錯發送端的時鐘，時鐘同步就很難達到，眼圖中各個最佳采樣點相鄰的波形就會互相交叉串擾在一起。相比于載頻，碼元速率估計偏差對于接收端解調效果影響較大。碼元速率估計的絕對偏差隨著碼元速率的增加而增加，不過碼元速率估計偏差的相對增長最好控制在一個較低的增長速率。例如，碼元速率如果提升了幾百千赫茲，那么估計偏差就要控制在相對提升幾百赫茲，甚至幾十赫茲的范圍內。
(3)解調算法同步
同步問題始終是監測通信中非常重要的問題。關于同步，已經有大量的文獻論述其方法。而現代監測技術要求的不僅僅是同步準確度，還有同步的速率。這二者是不可兼得的，需要根據實際工作目的對算法進行調整。在協作通信中同步準確度很重要，而在一些無線電監測環境中，同步速率很重要。
(4)各類噪聲
噪聲的影響是普遍存在的。監測接收機的系統噪聲、低通濾波器噪聲、自由傳播空間的噪聲等，都會對眼圖產生不同的影響，而且是隨機的。噪聲的存在，對眼圖的影響一方面表現在眼圖中的線條，噪聲越大，線條就越寬；而另一方面，則是造成了算法同步和解調上的問題，使得眼圖中眼線相互串擾。后一方面的問題尤為嚴重，需要從根本上去調整算法解調用的參數，來適應當地的監測環境。
4結論
本文針對眼圖在無線電監測環境下的表現結果做出了分析。在非協作通信和復雜實際環境的條件下，監測目的不僅僅要求算法解調的精度高，還會要求算法收斂的速度快。因此在這種條件下眼圖的表現結果與通信中眼圖的表現結果一般有所不同。在監測接收機接收的數據包中，有時還存在丟包的現象，數據序列很短，這時就更需要收斂速度快的算法及時完成解調，而精度要求就不再是主要要求。因此根據不同的監測環境，要做出相應的對策來滿足工程需求，最后完成工程上眼圖的繪制。
參考文獻
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