WYZNACZANIE ODPOWIEDZI KANAŁU RADIOKOMUNIKACYJNEGO ZA POMOCĄ CIĄGU PSEUDOLOSOWEGO

Jerzy GARUS Krystya Maria NOGA Ryszard STUDAŃSKI WYZNACZANIE ODPOWIEDZI KANAŁU RADIOKOMUNIKACYJNEGO ZA POMOCĄ CIĄGU PSEUDOLOSOWEGO STRESZCZENIE W artykule opisao metodę wyzaczaia odpowiedzi kaału radiokomuikacyjego a wymuszeie jakim był sygał wysokiej częstotliwości zmoduloway ciągiem pseudoprzypadkowym. Odpowiedź impulsowa określaa była poprzez wyzaczaie korelacji wzajemej pomiędzy sygałem odebraym a sygałem adawaym. Poadto przedstawioo wyiki badań eksperymetalych w rzeczywistym środowisku propagacyjym. Słowa kluczowe: kaał radiokomuikacyjy, odpowiedź impulsowa kaału 1. WSTĘP Zajomość trasmitacji kaału radiokomuikacyjego jest iezwykle istota w zapewieiu poprawego odbioru trasmisji cyfrowych. Klasycze wyzaczaie odpowiedzi impulsowej kaału za pomocą sygałów zbliżoych do delty Diraca jest iezwykle trude. Przykładowo w pracy [1] odstąpioo od wyzaczaia odpowiedzi impulsowej za pomocą wysokoapięciowych impulsów EMD ze względu a koieczość przeprowadzeia odrębych badań ad metodyką pomiarów. Natomiast wyzaczoo właściwości kaału radiowego w dziedziie czasu i częstotliwości poprzez badaia z wykorzystaiem wektorowego aalizatora sieci. dr hab. iż. Jerzy GARUS e-mail: j.garus@amw.gdyia.pl Akademia Maryarki Wojeej, Istytut Elektrotechiki i Automatyki Okrętowej ul. Śmidowicza 69, 81-103 Gdyia dr iż. Krystya Maria NOGA 1), dr iż. Ryszard STUDAŃSKI 2) e-mail: [k.oga; r.studaski]@we.am.gdyia.pl 1) Akademia Morska, Katedra Automatyki Okrętowej, ul. Morska 81-87, 81-225 Gdyia 2) Akademia Morska, Katedra Elektroiki Morskiej, ul. Morska 81-87, 81-225 Gdyia PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 272, 2016

64 J. Garus, K. M. Noga, R. Studański Pomiar odpowiedzi impulsowej kaału propagacyjego (ag. Chael Impulse Respose) odgrywa bardzo ważą rolę przy opracowywaiu owych systemów radiokomuikacyjych oraz przy ich udoskoalaiu. Właściwości trasmisyje kaału są zależe od zjawisk w im występujących, między iymi od występowaia propagacji wielodrogowej [1 5]. Spowodowaa jest oa przede wszystkim odbiciem, ugięciem i rozproszeiem fal radiowych. Propagacja wielodrogowa zależy poadto od ukształtowaia tereu, zmieości tego ukształtowaia, zabudowy tereu. Czyiki te powodują, że charakterystyki kaału ie są stacjoare. W rezultacie tych zjawisk każdy sygał z adajika dociera do odbiorika w postaci wielu składowych o różych i zmieych w czasie tłumieiach oraz opóźieiach. W artykule przedstawioo wyiki badań eksperymetalych, prowadzoych w rzeczywistym środowisku propagacyjym. 2. OPIS KANAŁU RADIOKOMUNIKACYJNEGO Sygał przesyłay przez kaał radiokomuikacyjy moża przedstawić przy pomocy zależości [2]: j 2 f t t a~ ( t)exp j f t s( t) a( t)exp 0 2 0 (1) gdzie: a(t) amplituda sygału, (t) faza sygału, f 0 częstotliwość ośa, a ~ ( t) a( t) exp j t amplituda zespoloa. Dla propagacji wielodrogowej sygał odebray jest określoy zależością [2]: t ( t) ( t)exp j2 f t t a~ t ( t) y( t) ( t) s 0 (2) gdzie: (t) współczyik tłumieia sygału -tej drogi propagacyjej, (t) opóźieie propagacyje -tej drogi. Ważym parametrem opisującym kaał jest tzw. pasmo koherecji kaału B c. Pasmo to defiiujemy jako zakres częstotliwości, w którym sygały wejściowe, odległe a osi częstotliwości o miej iż B c, posiadają a wyjściu kaału skorelowae odpowiedzi amplitudowe i fazowe. Pasmo koherecji moża zapisać jako [3, 5]: B c 1 (3) T m gdzie T m jest czasem pamięci kaału, czyli miarą rozrzutu opóźieia z jakim przychodzą do odbiorika, wskutek wielodrogowej propagacji, koleje kopie sygału adaego. Parametr T m określa się jako czas, po którym fukcja korelacji maleje, w zależości od defiicji, do 1/ e lub do 1/10 swojej wartości maksymalej [2, 5]. Czas te często też azywamy czasem korelacji. Charakteryzuje o w przybliżeiu czas trwaia odpowiedzi impulsowej kaału a pobudzeie impulsem w.cz. o bardzo małym czasie trwaia.

Wyzaczaie odpowiedzi kaału radiokomuikacyjego za pomocą ciągu 65 Kolejym parametrem charakteryzującym kaał radiokomuikacyjy jest czas koherecji T d, defiioway jako czas, w którym odpowiedzi impulsowe kaału są skorelowae [5]. Czas te zależy od pasma częstotliwości wyikającego z efektu dopplerowskiego. Jest o zależy w przybliżeiu od odwrotości maksymalej częstotliwości dopplerowskiej f max, czyli [3, 5]: 1 T (4) d 2 f 2 D max gdzie: jest długością fali, to prędkość przemieszczaia się stacji ruchomej. 3. OPIS METODY POMIAROWEJ Celem przeprowadzoych badań było wyzaczeie odpowiedzi kaału radiokomuikacyjego a wymuszeie jakie staowił sygał z modulacją BPSK. Sygał o częstotliwości ośej 2440 MHz był moduloway z szybkością f symb 25 Msymboli/s liiowym ciągiem o maksymalej długości 511 bitów. Sygał wyjściowy podday był filtracji za pomocą filtru podiesioego cosiusa o współczyiku roll-off wyoszącym 0,35. Moc sygału wyjściowego wyosiła 10 mw. Schemat blokowy staowiska pomiarowego został przedstawioy a rysuku 1. Rys. 1. Schemat blokowy staowiska pomiarowego Część adawczą staowiska pomiarowego staowił wektorowy geerator sygałowy, który był źródłem sygału trasmitującego zadaą sekwecję biarą. Promieikiem sygału była atea tubowa SAS 571 o paśmie roboczym w zakresie od 700 MHz do 18000 MHz, o zysku eergetyczym 9 dbi dla częstotliwości 2400 MHz i szerokości wiązki główej dla polaryzacji pioowej 48 oraz 30 dla polaryzacji poziomej. Cześć odbiorczą staowiła atea LPDA-A0075 o paśmie roboczym w zakresie 800 MHz 2500 MHz, o zysku eergetyczym 7 dbi i szerokości wiązki główej dla

66 J. Garus, K. M. Noga, R. Studański polaryzacji pioowej 60 oraz 70 dla polaryzacji poziomej. Odbiorik zapewiał odbiór sygałów w paśmie o szerokości 40 MHz i przemiaę sygału a częstotliwość pośredią 70 MHz. Akwizycję sygałów przeprowadzoo za pomocą 14 bitowego przetworika aalogowo-cyfrowego. Na początku badań dokoao rejestracji sygału adawaego. Bezpośredio z geeratora, za pomocą przewodu, wysłao zmoduloway sygał do odbiorika. Po przemiaie sygału a częstotliwość 70 MHz, dokoao jego spróbkowaia z częstotliwością f s = 250 MHz. Tak przygotoway sygał cyfrowy, o liczbie 5110 próbek, został wykorzystay jako sygał wzorcowy. Autokorelację tego ciągu, po odfiltrowaiu składowych wysokiej częstotliwości wyikających z częstotliwości ośej (70 MHz), przedstawioo a rysuku 2. Czas trwaia impulsu korelacyjego wyosi 80 s, a więc dwukrotość czasu trwaia symbolu i jest zgody z zależością t impkor 2 2 80 s f symb 6 25 10 Hz (5) Uzyskae wartości współczyika autokorelacji ie tworzą postaci trójkąta, gdyż przyjęty w ostateczości do badań sygał ie był ciągiem zerojedykowym o maksymalej długości, a jedyie sygałem wysokiej częstotliwości zmodulowaym ciągiem pseudoprzypadkowym. W kolejym kroku badań emitowao sygały w rzeczywistym środowisku propagacyjym i prowadzoo rejestrację sygałów docierających do atey odbiorczej. Nadawae sygały były modulowae przyjętym do badań ciągiem. Odbieray sygał ie był widoczy jako przebieg zarejestroway w czasie. Rówież w aalizie widmowej zarejestrowaego sygału ie zaobserwowao przedziału częstotliwości o zwiększoej widmowej gęstości mocy. Wyika to z faktu, że moc sygału w pukcie odbioru była miejsza od mocy szumu. Rys. 2. Uormowaa fukcja autokorelacji sygału wzorcowego W celu określeia odpowiedzi kaału radiokomuikacyjego wyzaczoo korelację wzajemą pomiędzy sygałem wzorcowym a sygałami odebraymi. Opóźieia sygałów odbieraych z poszczególych dróg propagacji wyzaczao a podstawie

Wyzaczaie odpowiedzi kaału radiokomuikacyjego za pomocą ciągu 67 odstępu pomiędzy pierwszym a kolejymi maksimami fukcji korelacji. Oczywiście skupieie omawiaych maksimów fukcji korelacji wzajemej powtarza się, co czas trwaia ciągu rozpraszającego, czyli co 5110 próbek. Stosuki pomiędzy wartościami maksimów fukcji korelacji wzajemej określają relacje mocy sygałów odebraych przez ateę z różych dróg propagacyjych. Przedstawioe w artykule fukcje korelacji zostały uormowae względem ajwyższej wartości wyzaczoego współczyika korelacji za czas trwaia pomiaru. 4. BADANIA W WARUNKACH RZECZYWISTYCH Bazując a doświadczeiach zdobytych w trakcie badań w środowisku rzeczywistym i przedstawioych w pracach [1, 2, 4 10] przeprowadzoo badaia według różych sceariuszy. Zasadiczym celem praktyczej realizacji pomiarów było wyzaczeie czasów opóźień pomiędzy odbieraymi sygałami o różych drogach propagacyjych. 4.1. Sceariusz 1 Atey adawcza i odbiorcza skierowae były a prostopadłą płaską ściaę dużego budyku usytuowaego w odległości ok. 37 m od atey adawczej (rys. 4 i 5). W kieruku tej ściay wysyłao sygał pomiarowy. Rejestrację odbieraego sygału prowadzoo w sesjach przez czas około 2 sekud. Jak już wspomiao, wyzaczoo fukcję korelacji wzajemej z sygałem wzorcowym. Aaliza maksymalych wartości współczyika korelacji, przedstawioych a rysuku 3, pozwala a porówaie czasu opóźień między maksimami fukcji korelacji a odległościami ate adawczej i odbiorczej od przeszkód tereowych. Rys. 3. Przykładowa fukcja korelacji wzajemej pomiędzy sygałem wzorcowym a sygałem zarejestrowaym w warukach sceariusza 1

68 J. Garus, K. M. Noga, R. Studański Rys. 4. Orietacyje wyzaczeie drugiej drogi propagacji sygału z atey adawczej do odbiorczej Rys. 5. Orietacyje wyzaczeie trzeciej drogi propagacji sygału z atey adawczej do odbiorczej Pierwsze maksimum jest efektem odbioru sygału bezpośredio z atey adawczej. Mała wartość współczyika korelacji, mimo odległości pomiędzy ateami wyoszącej 7,5 m, wyika z tego, że sygał z atey adawczej pochodził z listka wsteczego a poadto atea adawcza schowaa była za ściaą budyku.

Wyzaczaie odpowiedzi kaału radiokomuikacyjego za pomocą ciągu 69 Rys. 6. Fukcja korelacji wzajemej pomiędzy sygałem wzorcowym a sygałem odbitym w warukach sceariusza 1 Największe maksimum fukcji korelacji wywołae jest sygałem odbitym od ściay budyku odległej od atey adawczej o około 37 m. Opóźieie tego maksimum względem pierwszego wyosi 0,264 s, co odpowiada drodze sygału 79,1 m. Uwzględiając odległość pomiędzy ateami adawczą o odbiorczą (7,5 m) rzeczywista droga od atey adawczej do przeszkody tereowej i atey odbiorczej jest większa o 7,5 m. Odległości wstępie oszacowae za pomocą stroy iteretowej Google Maps [11] wskazują a dystas 86,2 m (rys. 4). Koleje maksimum opóźioe jest względem pierwszego o 1,12 s, co staowi dystas 335,8 m. Uwzględiając odległość między ateami, faktycza odległość: atea adawcza przeszkoda tereowa atea odbiorcza wyosi 343,3 m. Kalkulacja ta jest rówież zgoda z długością drogi sygału wyzaczoą, za pomocą stroy iteretowej Google Maps [11] (rys. 5). Na rysuku 6 przedstawioo fukcję korelacji wzajemej pomiędzy sygałem wzorcowym a sygałem odbitym zarejestrowaą w czasie wyoszącym 1,7 s. W tym przypadku obserwuje się iewielkie zmiay wartości współczyika korelacji, co jest efektem wolozmieych fluktuacji odbieraych sygałów. Przedstawioe wyiki wskazują a czas pamięci kaału T m wyoszący 1,12 s, czyli pasmo koherecji Bc dla badaych waruków propagacyjych wyosi prawie 890 khz. 4.2. Sceariusz 2 W realizacji kolejego eksperymetu zmieioo kieruek promieiowaia sygału oraz ustawieie atey odbiorczej. Obie atey skierowae były a zespół wolostojących budyków (rys. 8, 9, 10) i zajdowały się a wysokości ich górych kodygacji. Rejestrację odbieraego sygału prowadzoo w sesjach przez czas około 2 sekud. Rówież i w tym przypadku wyzaczoo fukcję korelacji wzajemej z sygałem wzorcowym.

70 J. Garus, K. M. Noga, R. Studański Rys. 7. Przykładowa fukcja korelacji wzajemej pomiędzy sygałem wzorcowym a sygałem zarejestrowaym w warukach sceariusza 2 Rys. 8. Orietacyje wyzaczeie drugiej drogi propagacji sygału z atey adawczej do odbiorczej Aaliza maksymalych wartości współczyika korelacji przedstawioych a rysuku 7 pozwala a porówaie czasu opóźień między maksimami fukcji korelacji, a odległościami ate adawczej i odbiorczej od przeszkód tereowych. Pierwsze maksimum pochodzi od sygału odebraego bezpośredio z atey. Największe maksimum fukcji korelacji wywołae jest sygałem odbitym od dachu budyku usytuowaego ajbliżej, tj. w odległości około 30 m. Opóźieie tego maksima względem pierwszego wyosi 0,198 s, co odpowiada drodze sygału 58,76 m. Podobie jak w sceariuszu 1, uwzględiając odległość pomiędzy ateami adawczą i odbiorczą (7,5 m), rzeczywista droga od atey adawczej do przeszkody tereowej i atey odbiorczej jest większa o 7,5 m. Odległości wstępie wyzaczoe za pomocą stroy iteretowej [11] wskazują a dystas 64 m (rys. 8).

Wyzaczaie odpowiedzi kaału radiokomuikacyjego za pomocą ciągu 71 Rys. 9. Orietacyje wyzaczeie trzeciej drogi propagacji sygału z atey adawczej do odbiorczej Rys. 10. Orietacyje wyzaczeie czwartej drogi propagacji sygału z atey adawczej do odbiorczej Trzecie maksimum opóźioe jest względem pierwszego o 0,328 s, co staowi dystas 98,33m. Po uwzględieiu odległości między ateami, faktycza odległość: atea adawcza przeszkoda tereowa atea odbiorcza wyosi 105,8 m. Kalkulacja ta jest porówywala z długością drogi sygału (rys. 9) wyzaczoą za pomocą stroy iteretowej Google Maps [11]. Opóźieie pomiędzy pierwszym a czwartym maksimum fukcji korelacji wzajemej wyosi 800 s, wobec tego droga pokoywaa w tym czasie przez falę elektromagetyczą wyosi 239,83m. Uwzględiając czas propagacji a drodze bezpośrediej między ateami obliczoy dystas powiie wyosić ok. 247,3 m. Wyzaczoa za pomocą wspomiaej już stroy iteretowej Google Maps odległość pokoaa przez sygał wyosi 250 m (rys. 10), co potwierdza zgodość obliczeń.

72 J. Garus, K. M. Noga, R. Studański Rys. 11. Fukcja korelacji wzajemej pomiędzy sygałem wzorcowym a sygałem odbitym w warukach sceariusza 2 Na rysuku 11 przedstawioo fukcję korelacji w czasie rejestracji sygału wyoszącym 1,7 s. Zmiay wartości współczyika korelacji są efektem wolozmieych fluktuacji odbieraych sygałów. Przedstawioe wyiki wskazują a czas pamięci kaału T m wyoszący 0,800 s, wobec tego pasmo koherecji B c w warukach propagacji sceariusza 2 wyosi prawie 1250 khz. 5. PODSUMOWANIE Przedstawioa w artykule metoda określeia liczby istotych dróg propagacyjych i wyzaczaia pasma koherecji jest łatwą w realizacji techiką pomiarową. Jedak iesie dość ostre wymagaia, co do parametrów sprzętu badawczego. By pomiar był wystarczająco precyzyjy ależy stosować sygały o możliwie dużych szybkościach modulacji. Zastosowaa w badaiach szybkość modulacji BPSK była graiczą dla posiadaego geeratora sygałowego. Rówież wymagaa szerokość odbieraego pasma powyżej 25 MHz dla wielu odbiorików laboratoryjych jest wielkością przekraczającą ich parametry. Wykorzystyway zestaw pomiarowy posiadał jede tor odbiorczy i dlatego ie moża było wskazać kieruku adejścia sygału. W ajbliższym czasie przewiduje się rozbudowę zestawu badawczego tak, aby wzbogacić jego fukcjoalość o możliwość określaia kieruku adejścia sygału dla poszczególych obserwowaych maksimów. Poadto aktualie prowadzoe są badaia dla atey adawczej zajdującej się w ruchu.

Wyzaczaie odpowiedzi kaału radiokomuikacyjego za pomocą ciągu 73 LITERATURA 1. Więckowski T. W.: Usługi i sieci teleiformatycze astępej geeracji aspekty techicze, aplikacyje i rykowe, kompatybilość elektromagetycza, cz. 1. Politechika Wrocławska, 2010. 2. Stefański J.: Efektywość odbioru adaptacyjego w systemie łączości komórkowej GSM. Praca doktorska, Politechika Gdańska, 2000. 3. Proakis J. G.: Digital Commuicatios. McGraw Hill, New York, 1995. 4. Ambroziak S. J.: Badaia i aaliza uwarukowań propagacyjych w środowisku uprzemysłowioym. Praca doktorska, Politechika Gdańska, 2012. 5. Niski R.: Efektywość odbiorika RAKE w iterfejsie radiowym WCDMA/FDD systemu UMTS. Praca doktorska, Politechika Gdańska, 2005. 6. Ziółkowski C.: Degradacja jakości trasmisji sygałów w dyspersyjych kaałach radiowych. Wojskowa Akademia Techicza, Warszawa, 2011. 7. Magiera J, Katulski R. J.: Aaliza i badaia systemu atyspoofigowego GPS. Przegląd Elektrotechiczy, R. 91, r 3, s. 66 69, 2015, 8. Keler J, Ziółkowski C.: Zastosowaie techologii SDF do lokalizowaia źródeł emisji BPSK i QPSK. Przegląd Elektrotechiczy, R. 91, r 3, s. 61 65, 2015. 9. Ambroziak S. J., Sadowski J.: Mobile staowisko do badań propagacyjo-zasięgowych. Przegląd Telekomuikacyjy i Wiadomości Telekomuikacyje, r 2 3, 58 62, 2011. 10. Sharif Z., Zuri Sha ameri A.: The applicatio of cross correlatio techique for estimatig impulse respose ad frequecy respose of wireless commuicatio chael. 5th Studet Coferece o Research ad Developmet, Malaysia, 2007. 11. www.google.maps Przyjęto do druku dia 23.02.2016 r. DETERMINATION OF RADIO COMMUNICATION CHANNEL RESPONDS WITH THE HELP OF A PSEUDORANDOM SEQUENCE Jerzy GARUS, Krystya Maria NOGA, Ryszard STUDAŃSKI ABSTRACT The paper describes the method of the determiatio of a radio commuicatio chael respose whe a high-frequecy sigal modulated with psuedoradom sequece is used as the iput of chaels. The impulse respose was calculated by meas of a cross-correlatio betwee received ad set sigals. Results of experimets i a real-world eviromet are iserted. Keywords: radio commuicatio chael, chael impulse respose, multipath propagatio

74 J. Garus, K. M. Noga, R. Studański