BADANIE SYMULACYJNE I POMIAROWE PROBLEMU WYKRYWANIA SYGNAŁÓW DS CDMA

Transkrypt

1 BADANIE SYMULACYJNE I POMIAROWE PROBLEMU WYKRYWANIA SYGNAŁÓW DS CDMA R.J. Katulski*, K. Brok*, J. Stefański*, A. Studańska*, R. Studański**, R. Wąs*** * Politechika Gdańska ** Akademia Maryarki Wojeej *** Maryarka Wojea RP S t r e s z c z e i e W referacie przedstawioo metodę wykrywaia sygałów DS CDMA polegającą a badaiu modułu DFT próbek sygału podiesioych do potęgi ( N i jest wielowartościowością modulacji fazy). Przedstawioo rówież zaprojektowae i zaimplemetowae użytkowo orygiale prototypowe staowisko laboratoryje do badań waruków wykrywaia sygałów DS CDMA. Słowa kluczowe: sygały rozproszoe widmowo, wykrywaie sygałów. WSTĘP Gwałtowy rozwój radiokomuikacji stwarza możliwość stosowaia dla potrzeb militarych radiowych systemów komuikacyjych o zaczej odporości a zakłóceia i w określoych warukach trudych do wykrycia przez przeciwika. Jedą z metod zwiększeia odporości a zakłóceia celowe jest stosowaie sygałów z rozpraszaiem widma metodą bezpośredią DS CDMA (ag. Direct Sequece Code Divisio Multiple Access). Należy spodziewać się, że w przypadku stosowaia przez przeciwika sygałów DS CDMA, w puktach rozpozaia radiowego ich moc będzie iższa iż moc szumu. W praktyce parametry systemu DS CDMA takie jak częstotliwość ośa, zysk przetwarzaia systemu, rozpraszający ciąg pseudolosowy, szerokość pasma są iezae. W takim przypadku odbiorik ie jest wstaie wykryć istieia sygałów DS CDMA, a klasycze metody wykrywaia źródeł promieiowaia elektromagetyczego są ieskutecze. Wobec tego potrzebą chwili jest opracowaie sposobu wykrywaia i amierzaia źródeł emisji sygałów DS CDMA. Od pewego czasu badaia takie są prowadzoe w Politechice Gdańskiej, przy współpracy z Akademią Maryarki Wojeej, przy poparciu Służby Rozpozaia Maryarki Wojeej. Na podstawie dotychczas przeprowadzoych badań moża stwierdzić, że przedmiotem zaiteresowaia mogą być astępujące sposoby detekcji sygału DS CDMA: - metoda korelacyja [1, ]; - metoda wielokrotie sumowaego widma [1]; - metoda aalizy modułu widma z próbek sygału podiesioych do potęgi ( N i jest wielowartościowością modulacji fazy) [1-5]. W referacie zostaie omówioa ostatia z wymieioych metod. W celu przeprowadzeia badań pomiarowych zostało zaprojektowae i zaimplemetowae użytkowo orygiale prototypowe staowisko laboratoryje do badań waruków wykrywaia sygałów DS CDMA. Uproszczoy schemat blokowy tego staowiska zilustrowao a rys. 1. II.3..1

2 Atea Programmable radio receiver Acguisitio & Processig Block Visual Block Iteret Cotrol Block Decisio Block INTERNET Laptop Rys. 1. Schemat blokowy staowiska laboratoryjego do wykrywaia sygałów DS CDMA WYKRYWANIE SYGNAŁÓW DS CDMA POPRZEZ BADANIE WIDMA Z PRÓBEK SYGNAŁU PODNIESIONYCH DO POTĘGI Jeżeli sygał wejściowy siusoidaly podiesiemy do kwadratu, to zgodie z poiższą zależością trygoometryczą: cos α + 1 cos α =, (1) moża zaobserwować wystąpieie składowej widma przy częstotliwości dwukrotie większej od częstotliwości ośej sygału. Przyjmując, że amplituda sygału wejściowego (w tym przypadku poszukiwaego sygału DS CDMA) wyosi A, powyższa zależość przyjmuje postać: A cos α + A A cos α =. () Wobec tego amplituda sygału przy częstotliwości dwukrotie wyższej od ośej wyosi A. Uwzględiając ajgorszy przypadek, gdy poszukiway sygał zajduje się pomiędzy składowymi widma wyzaczaymi przy użyciu DFT, wówczas amplituda składowej widma w pobliżu częstotliwości f N ie będzie miejsza od wartości wyikającej z wyrażeia: A si c(0,5). Poadto składowe modułu widma wyzaczae metodą DFT są symetrycze względem 0,5f s (gdzie: f s - częstotliwość próbkowaia). Wobec tego wartości modułu poszukiwaego prążka będą dwukrotie miejsze. Powyższą metodę wykrywaia sygałów DS CDMA w sposób uproszczoy przedstawioo a rys.. Sygał wejściowy Szerokopasmowy fitr pasmowo- -przepustowy (t) S i Podoszeie próbek sygału do kwadratu S i ( t) Boforowaie W kwadratów probek W-elemetowa DFT Detekcja syg. DS CDMA a podstawie składowej o częstot. f N Rys.. Uproszczoy schemat przetwarzaia sygału dla potrzeb wykrywaia sygału DS CDMA poprzez detekcję składowej modułu DFT o częstotliwości f N II.3..

3 Natomiast a rys. 3 zaprezetowao przykład widma sygału a wejściu odbiorika i modułu DFT z kwadratu próbek sygału I S(f)I czestotliwosc [Hz] x I S(f)I czestotliwosc [Hz] x 10 5 Rys. 3. Przykład widma sygału a wejściu odbiorika i modułu DFT z kwadratu 048 próbek sygału - S ( f ) - parametry symulacji: S/N=-3 db, częstotliwość ośa sygału DS CDMA 400 khz Ze wzoru (1) wyika, że amplituda składowej DFT o częstotliwości f N ie zależy od stopia rozproszeia sygału DS CDMA, lecz jedyie od jego mocy pod warukiem, że całość poszukiwaego sygału zajduje się w przepatrywaym paśmie częstotliwościowym. Zgodie ze wzorem () oraz uwzględiając własości DFT, wartość składowej DFT obserwowaej przy częstotliwości f N zawiera się w przedziale si c (0,5) A, A i ma oa taką samą wartość zarówo 4 4 dla sygału harmoiczego jak i sygału rozproszoego widmowo. Gdy mamy do czyieia z sygałem zmodulowaym MPSK (M-ary Phase Shift Keyig), to wówczas ależy podieść jego próbki do potęgi M (M= ). W wyiku tego uzyskamy składowe widma sygału przy częstotliwości f N. Wartość amplitudy tej składowej będzie mieścić się w zakresie: A π ( 1) A A f 0. (3) rys. 4. Przykład widma sygału CDMA/8PSK podiesioego do potęgi 8-mej przedstawioo a II.3..3

4 Rys. 4. Przykład widma sygału CDMA/8PSK podiesioego do potęgi 8. Parametry symulacji: f 0 = 1.65 MHz, czas trwaia chipu T c = µs, wartość amplitudy sygału DS CDMA A=3.16 STANOWISKO LABORATORYJNE DO BADAŃ WARUNKÓW WYKRYWANIA SYGNAŁÓW DS CDMA W celu przeprowadzeia pomiarowych badań waruków wykrywaia sygałów DS CDMA zostało opracowae i zrealizowae sprzętowo uikale staowisko laboratoryje. Staowisko to zostało tak zaprojektowae by istiała możliwość prowadzeia badań z użyciem wyizolowaych szerokopasmowych sygałów fizyczych oraz sygałów rzeczywistych. Rysuki 5 i 6 prezetują schematy blokowe każdego staowiska. Rys. 5. Schemat blokowy staowiska laboratoryjego do badań detekcji sygałów DS CDMA z użyciem wyizolowaych szerokopasmowych sygałów fizyczych Staowisko do badań detekcji sygałów DS CDMA z użyciem wyizolowaych szerokopasmowych sygałów fizyczych tworzy zespół urządzeń: odbiorik radiokomuikacyjy EM550, geerator sygałów SMU00A, geerator szumów AWGN firmy Rohde & Schwarz, aalizator widma sygału, karta akwizycji daych PDA14 oraz specjaly komputer PC. II.3..4

5 Geerator SMU00A jest odpowiedzialy za wygeerowaie sygału szerokopasmowego DS CDMA. Wygeeroway sygał jest podaway a wejście odbiorika. Komputer PC przestraja odbiorik, którego zadaiem jest kowersja częstotliwości z wysokiej a pośredią wyoszącą zawsze 1,4 MHz. Poieważ częstotliwość pracy geeratora szumów AWGN jest rówież ograiczoa, dlatego też szum jest dodaway do sygału w paśmie pośredich częstotliwości. Aalizator widma sygału w tym zestawie służy do sprawdzeia poziomu sygału i poziomu szumu w celu wyzaczeia SNR. Sygał użyteczy z dodaym szumem jest przekazyway do karty akwizycji daych, która próbkuje sygał z szybkością 100 MHz i przekazuje uzyskae dae do komputera. Komputer w oparciu o specjalistycze autorskie oprogramowaie wykouje operacje a dostarczoych do iego daych, realizując w te sposób procedurę wykrywaia sygału DS CDMA. Atea HE300 R&S Wzmaciacz ZFL-500LN 4 db 34 db Karta akwizycji daych PDA14 Chael 1 Iput 34 db PCI Przedwzmaciacz 3 db Wzmaciacz ZFL-500LN 4 db Blok opcjoaly Wzmaciacz 30 db 3 db Komputer PC X1 RF X5 IF3 Odbiorik EM550 X11 LAN Rys. 6. Schemat blokowy staowiska laboratoryjego do badań detekcji sygałów DS CDMA z użyciem sygałów rzeczywistych Natomiast staowisko laboratoryje do badań detekcji sygałów DS CDMA z użyciem sygałów rzeczywistych składa się z astępujących urządzeń: aktywa atea kierukowa HE300 firmy R&S, odbiorik radiokomuikacyjy EM550, wzmaciacz opcjoaly PAM-007, zespołu wzmaciaczy ZFL-500LN i tłumików 4 db, karta akwizycji daych PDA14 oraz komputer PC. Aby staowisko, którego schemat blokowy jest przedstawioy a rys. 5 mogło służyć do badań z użyciem sygałów rzeczywistych, ależało zastąpić geerator sygałów i szumów ateą kierukową. Należało rówież a wejściu i wyjściu odbiorika dołączyć szereg wzmaciaczy i tłumików, których zadaiem jest zapewieie odpowiediego poziomu sygału a wejściu karty akwizycji daych. Poieważ odbiorik EM550 pracuje w zakresie częstotliwości od 0 do 3600 MHz, dlatego też w tym zakresie częstotliwości dokoywao wykrywaia sygałów DS CDMA. Detekcję taką moża pomyślie przeprowadzać przy stosuku mocy sygału do mocy szumu ie miejszej iż 14dB, przy modulacji BPSK. Szerokość pasma częstotliwości odbieraych sygałów może wyosić 10, 7, 5, 3,, 1 MHz. Karta akwizycji daych zapewia rozdzielczość 14 bitową. Moża odebray sygał uśredić 300 krotie. Zaprojektowae staowisko laboratoryje jest staowiskiem prototypowym. Jego parametry są wystarczające do przeprowadzaia badań detekcji sygałów DS CDMA. Parametry staowiska zależą od jakości urządzeń, z których zostało zbudowae. Natomiast opracowae algorytmy mają charakter uiwersaly. II.3..5

6 WNIOSKI Metoda aalizy modułu widma z kwadratu próbek sygału umożliwia wykrywaie sygałów DS CDMA ukrytych poiżej poziomu szumów. Implemetacja tej metody w urządzeiach dostępych a ryku jest możliwa, a przykładzie opisaego staowiska laboratoryjego. PODZIĘKOWANIE Opisae w pracy badaia są fiasowae przez Miisterstwo Nauki i Szkolictwa Wyższego, w ramach gratu badawczo-rozwojowego r OR Autorzy pragą serdeczie podziękować za przydzieloe a te cel środki. Bibliografia [1] Katulski R. J., Studańska A., Stefański J., Studański R., Wąs R., Ifluece of Narrowbad Iterfereces o DS CDMA Sigals Detectio, The 18 th Iteratioal Coferece Electromagetic Disturbaces EMD 008, Wilo 008, str [] Studański R., Wąs R., Wykrywaie sygałów DS SS dla potrzeb morskich systemów aaliz radiowych, Krajowa Koferecja Radiokomuikacji Radiofoii i Telewizji, Pozać 006, str [3] Studański R., Wąs R., Detekcja sygałów DS CDMA metodą sumowaia widma, V Międzyarodowa Koferecja Perspektywy i Rozwój Systemów Ratowictwa Bezpieczeństwa i Obroości w XXI wieku, Gdańsk, 005. [4] Jażdzewski R., Media Filter Applicatio for the Detectio of Direcy Sequece Spread Spectrum Sigals i the Presece of Narrowbad Iterfereces, Regioal Coferece o Military Commuicatio ad Iformatio Systems, Zegrze 001. [5] Luc A., Vosicki V., Jaicek M., Trasmissio ad Detectio of DS SS Sigal Uder Noise, Regioal Coferece o Military Commuicatio ad Iformatio Systems, Zegrze 000. THEORETICAL AND MEASUREMENT INVESTIGATIONS OF DS CDMA SIGNAL DETECTION PROBLEM ABSTRACT This paper presets the aalysis of a averaged spectrum of the sigal raised to the power of ( N ad is multiple of phase modulatio) method for detectio sigals DS CDMA. There is described the prototype stad to research detectio of DS CDMA sigals. II.3..6