eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #1/2024
А.А.Липатов, С.С.Шаврин, А.В.Шлыков
Анализ результатов испытаний функционального макета бортового оборудования КА в технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов
Анализ результатов испытаний функционального макета бортового оборудования КА в технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов
Просмотры: 680
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.117.1.42.50
Рассмотрены эксплуатационная функциональность, характеристики и результаты испытаний макета бортового оборудования космических аппаратов в технологии гибкой полезной нагрузки. Технология гибкой полезной нагрузки реализует функцию цифровой спектрально-пространственной коммутации каналов на основе принципа прямого переноса спектра сигнала.
Рассмотрены эксплуатационная функциональность, характеристики и результаты испытаний макета бортового оборудования космических аппаратов в технологии гибкой полезной нагрузки. Технология гибкой полезной нагрузки реализует функцию цифровой спектрально-пространственной коммутации каналов на основе принципа прямого переноса спектра сигнала.
Теги: digital spatial-spectral channel switching flexible payload onboard equipment of spacecraft бортовое оборудование космических аппаратов гибкая полезная нагрузка цифровая пространственно-спектральная коммутация каналов
Анализ результатов испытаний функционального макета бортового оборудования КА в технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов
А.А.Липатов, начальник научно-технического отдела ФБГУ НИИР / lipatov@niir.ru,
С.С.Шаврин, д.т.н., проф. МТУСИ / sss@mtuci.ru,
А.В.Шлыков, ведущий инженер, ФБГУ НИИР / shlykov@niir.ru
УДК 004.722.45, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.117.1.42.50
Рассмотрены эксплуатационная функциональность, характеристики и результаты испытаний макета бортового оборудования космических аппаратов в технологии гибкой полезной нагрузки. Технология гибкой полезной нагрузки реализует функцию цифровой спектрально-пространственной коммутации каналов на основе принципа прямого переноса спектра сигнала.
Введение
Настоящая статья продолжает тему использования технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов в бортовом оборудовании космических аппаратов (КА) телекоммуникационных сетей. Уточняется также схема реализации пространственной коммутации.
Нелишним представляется напомнить, что технология цифровой спектральной коммутации (ЦСК) рассматривается в настоящее время разработчиками в качестве перспективы для дополнения технологий предшествующих поколений и обеспечивает:
Технология ЦСК
Технология ЦСК предполагает частичную обработку сигналов на борту и использует принцип прямого переноса спектра сигнала, поступающего на вход данного входного порта (обычно от одного луча), формирование выходных спектров для каждого выходного порта (как правило, также одного луча), и прямое вычисление значений отсчетов сигнала для каждого выходного порта по соответствующему спектру.
Принцип функционирования ЦСК иллюстрируется рис.1, демонстрирующем взаимосвязь между спектрами входных и выходных сигналов портов выходного оборудования КА.
Рассмотренный подход обеспечивает возможность организации связи для абонентов как через шлюзовую станцию в общую сеть, так и непосредственного соединения "точка – точка".
Для оценки функциональных возможностей и эксплуатационных свойств технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов был проведен цикл теоретических исследований, разработан ряд теоретических и практических технических решений и реализован макет бортового оборудования КА.
Реализация технологии ЦСК
Технология ЦСК опирается на процедуру прямого вычисления спектра. Корректный сдвиг спектра сигнала по шкале частот, очевидно, не должен вызывать заметных искажений преобразуемого сигнала. Должны сохраняться все амплитудные и фазовые соотношения, и, кроме того, должна быть обеспечена линейность преобразования. Прямое вычисление спектра сигнала, заложенное в механизм технологии ЦСК, может быть реализовано операцией фильтрации специального вида.
Одним из вариантов реализации прямого вычисления спектра является построение банка фильтров с полосой пропускания, соответствующей разрешающей способности системы ЦСК по частоте.
Для реализации механизма ЦСК для N частотных каналов банк должен включать N фильтров с индивидуальными для каждого канала характеристиками. При этом на реализацию фильтров будут накладываться специальные независимые требования по видам амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, а также по характеристикам добротности.
Альтернативным вариантом реализации функции прямого вычисления спектра является использование механизма дискретного преобразования Фурье. Этот механизм аналогично фильтрации структурами с конечной импульсной характеристикой (КИХ-структурами) обеспечивает вычисление свертки с эквидистантным разбиением спектра обрабатываемого сигнала в диапазоне от 0 до половины значения частоты дискретизации.
Вычисление спектра комплексных значений амплитуд сигналов спектральных составляющих осуществляется процедурой прямого дискретного преобразования Фурье, описываемого выражением:
,
где – значения отсчетов квадратурного (комплексного аналитического) входного сигнала луча.
Размер блока преобразования N определяется требованием к разрешающей способности ЦСК по частоте Δf при заданном значении частоты дискретизации fд:
.
Главным достоинством механизма дискретного преобразования Фурье, принятого для реализации "в железе" в рассматриваемом приложении, является гибкость, обеспечиваемая возможностью коммутации отдельных спектральных составляющих без преобразования в базовую полосу частот безотносительно к количеству каналов в пределах луча и полос частот, занимаемых сигналами коммутируемых каналов. Процесс коммутации отдельных спектральных составляющих сигнала без преобразования в базовую полосу частот показан на рис.2.
На рис.3 иллюстрируется реализация механизма коммутации ЦСК с использованием дискретного прямого (DFT) и обратного (IFT) преобразований Фурье.
Для прямого вычисления спектра входного сигнала используется процедура быстрого прямого дискретного преобразования Фурье (DFT).
Процесс коммутации отдельных спектральных составляющих сигнала обеспечивается полнодоступным коммутатором 8 × 8, структура которого на основе сети Шлыкова представлена на рис.4, где функция спектральной коммутации в пределах полосы частот луча реализуется блоком MUX, а функция пространственной коммутации между лучами − блоками SUM.
Формирование сигнала выходного луча осуществляется посредством процедуры быстрого обратного дискретного преобразования Фурье, которая описывается выражением:
.
Использование механизма DFT для обработки сигналов в реальном времени имеет специфическую особенность, связанную с дискретным характером вычисляемого спектра, соответствующим периодическому представлению о характере входного сигнала. Для снижения погрешности преобразования сигнала, вызванной несоответствием реального сигнала периодическому представлению, обычно используется наложение окон на входной процесс, которое может быть описано выражением:
,
где − функция временно'го окна.
Результаты исследований, проведенных с целью оптимизации ресурсоемкости процессов обработки сигнала, явились основанием выбора алгоритма с использованием синусквадратичного окна Ханна и сдвигом на половину длины буфера в соответствии с выражением:
,
где .
Значительная экономия вычислительных ресурсов достигается использованием быстрых алгоритмов преобразования Фурье по основанию "2", а в тех случаях, когда это возможно, − по основанию "4". При этом функция учета бит-реверсного и тетрадно-реверсного характера представления результатов преобразования Фурье возлагается на структуру коммутатора.
Разработанные и реализованные в форме макета технические решения были подвергнуты всесторонней экспериментальной проверке.
Цели испытаний
Испытания проводились с целями:
Объект испытаний
Испытывался функциональный макет бортового оборудования космических аппаратов в технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов.
Функциональный макет был реализован в минимально достаточной комплектации для проверки работоспособности и измерения характеристик принципиальных технических решений, принятых в базовой концепции цифровой спектральной коммутации каналов.
Макет обеспечивает полнодоступную пространственно-спектральную коммутацию сигналов с двух входных стволов на два выходных. В качестве достаточной для достижения поставленных целей была определена следующая концепция функционального макета:
Механизмы преобразования Фурье и коммутации реализованы программно. Разработано семь вариантов программной реализации базовых операций функционального макета:
БПФ (быстрое преобразования Фурье) 64 точки 32 бина по 3125 кГц;
БПФ 512 точек 256 бинов по 390,6 кГц;
БПФ 1024 точки 512 бинов по 195,3 кГц;
БПФ 2048 точек 1024 бина по 97,67 кГц;
БПФ 4096 точек 2048 бинов по 48,83 кГц;
БПФ 8192 точки 4096 бинов по 24,41 кГц;
двойное БПФ 8192 точки 4096 бинов по 24,41 кГц.
Под термином "бин" в данной статье понимается полоса частот шириной Fд/N вокруг спектральных составляющих дискретного преобразования Фурье кратности N при частоте дискретизации Fд.
Эксплуатационная функциональность макета включает:
Программа испытаний
В состав испытаний были включены:
Испытания проводились на сигналах от BPSK до 8PSK на скоростях от 18 кбит/с до 25 Мбит/с.
Результаты испытаний
Результаты проведенных испытаний функционального макета дают основания сформулировать следующие выводы.
Функциональный макет обеспечивает корректную реализацию всех основных функций:
Принятые и реализованные в функциональном макете технические решения (и, в частности, разрядность обработки данных) обеспечивают возможность обработки сигналов с сохранением характерного для двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразования динамического диапазона не менее 70 дБ.
Влияние эффектов преобразования сигналов алгоритмами функционального макета на проявление продуктов нелинейности третьего порядка первого рода не прослеживается на уровне погрешности двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразования.
Единицей определения разрешающей способности механизма спектральной коммутации следует считать один бин преобразования Фурье. Ширина полосы бина ∆F определяется выражением:
,
где Fs − частота дискретизации;
N − размер БПФ.
Этот параметр имеет определяющее значение. С одной стороны, он отражает допустимую плотность размещения спектров коммутируемых каналов в выходном спектре (общую ширину полос расфильтровки), а с другой − задействуемые для коммутации аппаратные ресурсы. Задействуемые аппаратные ресурсы, в свою очередь, определяют экономические показатели: стоимость изделия, энергопотребление, необходимость отвода тепла и другие, характерные для бортового оборудования.
Зависимость объема задействуемых в механизме спектральной коммутации аппаратных ресурсов от величины N представлена в табл.1.
Качество представления модулированных сигналов не имеет значимой зависимости от размера блока преобразования Фурье. Так, в табл.2 указаны результаты представления достаточно сложной картины взаимодействия двух модулированных сигналов преобразованием Фурье с различными значениями N. Параметрами, определяющими качество представления, выбраны ошибка вектора модуляции (EVM) и отношение сигнал/шум (SNR).
Представленные в табл.2 отличия можно трактовать как незначимые и не выходящие за пределы погрешности статистических исследований.
При организации коммутируемого по спектру канала полоса частот коммутируемого сигнала должна быть выражена в количестве бинов, равно как и ширина полосы расфильтровки.
Качество расфильтровки сигналов разных каналов не зависит ни от ширины полосы канала, ни от ее положения в пределах спектра; оно определяется количеством бинов в полосах расфильтровки.
Крутизна нарастания амплитудно-частотной характеристики фильтра, формируемого механизмом дискретного преобразования Фурье, иллюстрируется рис.6, представленным в частотном масштабе ≈ 1 бин на клетку.
Во избежание влияния процессов спектральной коммутации на свойство отсчетности сигнала полоса пропускания фильтра ∆FBP должна включать полный спектр передаваемого сигнала, включая найквистовские переходные полосы скругления, то есть:
где ∆Fmod − спектр сигнала используемого вида модуляции;
α – показатель скругления.
Запас в 1 бин дает затухание около 10 дБ в полосе расфильтровки, 2 бина − 30 дБ.
Затухание в полосе задержки выше 60 дБ требует полосы расфильтровки не менее 4 бинов, что соответствует расстоянию по шкале частот между спектрами коммутируемых сигналов ∆Fim 7−8 бинов.
Влияние ширины полос расфильтровки на параметры качества модуляции представлено в табл.3 для сигнала BPSK с α = 0,5 со скоростью 200 кбит/с.
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики фильтра, формируемого механизмом дискретного преобразования Фурье, не превышает в полосе пропускания 0,1 дБ, что показано на рис.7.
Неравномерность частотной характеристики группового времени задержки фильтра, формируемого механизмом дискретного преобразования Фурье, не превышает в полосе пропускания 2 нс, что иллюстрирует рис.8.
Проявление неравномерности частотной характеристики группового времени задержки фильтра приобретает значимый характер за пределами горизонтальной части амплитудно-частотной характеристики фильтра − там, где вносимое фильтром затухание превышает 15 дБ, что иллюстрируется рис.9.
Подавление мешающих сигналов с помощью используемых механизмов может быть обеспечено на уровне шума квантования цифрового представления –75 дБ, что показано на рис.10.
Функция спектральной коммутации обеспечивает частотный сдвиг и дублирование каналов с практически равнозначными свойствами. Результаты измерения качественных характеристик модуляции десяти идентичных каналов, сформированных из одного входного, представлены в табл.4.
Ухудшение качества передачи, вызванное влиянием используемых механизмов и алгоритмов обработки сигналов, может быть оценено по критерию качественных характеристик модуляции. Результаты измерений представлены в табл.5.
Заключение
Ухудшение качества передачи по степени подавления сигналов в полосах задержки, неравномерностям АЧХ и ГВЗ в рабочих полосах частот, характеристикам EVM и SNR, вызванное влиянием используемых механизмов и алгоритмов обработки сигналов, можно охарактеризовать как приемлемое для практического использования. ■
А.А.Липатов, начальник научно-технического отдела ФБГУ НИИР / lipatov@niir.ru,
С.С.Шаврин, д.т.н., проф. МТУСИ / sss@mtuci.ru,
А.В.Шлыков, ведущий инженер, ФБГУ НИИР / shlykov@niir.ru
УДК 004.722.45, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.117.1.42.50
Рассмотрены эксплуатационная функциональность, характеристики и результаты испытаний макета бортового оборудования космических аппаратов в технологии гибкой полезной нагрузки. Технология гибкой полезной нагрузки реализует функцию цифровой спектрально-пространственной коммутации каналов на основе принципа прямого переноса спектра сигнала.
Введение
Настоящая статья продолжает тему использования технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов в бортовом оборудовании космических аппаратов (КА) телекоммуникационных сетей. Уточняется также схема реализации пространственной коммутации.
Нелишним представляется напомнить, что технология цифровой спектральной коммутации (ЦСК) рассматривается в настоящее время разработчиками в качестве перспективы для дополнения технологий предшествующих поколений и обеспечивает:
- повышение эффективности использования частотного (спектрального) ресурса за счет изменения механизма расфильтровки сигналов от разных источников;
- сокращение объема, массогабаритных показателей и стоимости оборудования КА за счет исключения операций демодуляции принимаемого сигнала, его тактовой и символьной синхронизации, модуляции и других сопутствующих операций;
- универсальность оборудования КА по взаимодействию с различными по структуре и спектру видами ретранслируемых сигналов за счет изменения принципов их обработки;
- гибкость управления и перенастройки режимов и параметров обработки сигналов при изменениях частотного плана за счет универсальности подхода к обработке сигналов различной структуры;
- возможность смещения спектра любого сигнала по шкале частот с высокой разрешающей способностью;
- возможность перемещения и/или дублирования сигнала от любого источника в спектр любого выходного луча;
- возможность независимой регулировки выходной мощности сигнала любого источника в выходном сигнале любого луча;
- возможность исключения сигнала любого источника и/или его замену на сигнал другого источника в выходном сигнале КА и т.п.
Технология ЦСК
Технология ЦСК предполагает частичную обработку сигналов на борту и использует принцип прямого переноса спектра сигнала, поступающего на вход данного входного порта (обычно от одного луча), формирование выходных спектров для каждого выходного порта (как правило, также одного луча), и прямое вычисление значений отсчетов сигнала для каждого выходного порта по соответствующему спектру.
Принцип функционирования ЦСК иллюстрируется рис.1, демонстрирующем взаимосвязь между спектрами входных и выходных сигналов портов выходного оборудования КА.
Рассмотренный подход обеспечивает возможность организации связи для абонентов как через шлюзовую станцию в общую сеть, так и непосредственного соединения "точка – точка".
Для оценки функциональных возможностей и эксплуатационных свойств технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов был проведен цикл теоретических исследований, разработан ряд теоретических и практических технических решений и реализован макет бортового оборудования КА.
Реализация технологии ЦСК
Технология ЦСК опирается на процедуру прямого вычисления спектра. Корректный сдвиг спектра сигнала по шкале частот, очевидно, не должен вызывать заметных искажений преобразуемого сигнала. Должны сохраняться все амплитудные и фазовые соотношения, и, кроме того, должна быть обеспечена линейность преобразования. Прямое вычисление спектра сигнала, заложенное в механизм технологии ЦСК, может быть реализовано операцией фильтрации специального вида.
Одним из вариантов реализации прямого вычисления спектра является построение банка фильтров с полосой пропускания, соответствующей разрешающей способности системы ЦСК по частоте.
Для реализации механизма ЦСК для N частотных каналов банк должен включать N фильтров с индивидуальными для каждого канала характеристиками. При этом на реализацию фильтров будут накладываться специальные независимые требования по видам амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, а также по характеристикам добротности.
Альтернативным вариантом реализации функции прямого вычисления спектра является использование механизма дискретного преобразования Фурье. Этот механизм аналогично фильтрации структурами с конечной импульсной характеристикой (КИХ-структурами) обеспечивает вычисление свертки с эквидистантным разбиением спектра обрабатываемого сигнала в диапазоне от 0 до половины значения частоты дискретизации.
Вычисление спектра комплексных значений амплитуд сигналов спектральных составляющих осуществляется процедурой прямого дискретного преобразования Фурье, описываемого выражением:
,
где – значения отсчетов квадратурного (комплексного аналитического) входного сигнала луча.
Размер блока преобразования N определяется требованием к разрешающей способности ЦСК по частоте Δf при заданном значении частоты дискретизации fд:
.
Главным достоинством механизма дискретного преобразования Фурье, принятого для реализации "в железе" в рассматриваемом приложении, является гибкость, обеспечиваемая возможностью коммутации отдельных спектральных составляющих без преобразования в базовую полосу частот безотносительно к количеству каналов в пределах луча и полос частот, занимаемых сигналами коммутируемых каналов. Процесс коммутации отдельных спектральных составляющих сигнала без преобразования в базовую полосу частот показан на рис.2.
На рис.3 иллюстрируется реализация механизма коммутации ЦСК с использованием дискретного прямого (DFT) и обратного (IFT) преобразований Фурье.
Для прямого вычисления спектра входного сигнала используется процедура быстрого прямого дискретного преобразования Фурье (DFT).
Процесс коммутации отдельных спектральных составляющих сигнала обеспечивается полнодоступным коммутатором 8 × 8, структура которого на основе сети Шлыкова представлена на рис.4, где функция спектральной коммутации в пределах полосы частот луча реализуется блоком MUX, а функция пространственной коммутации между лучами − блоками SUM.
Формирование сигнала выходного луча осуществляется посредством процедуры быстрого обратного дискретного преобразования Фурье, которая описывается выражением:
.
Использование механизма DFT для обработки сигналов в реальном времени имеет специфическую особенность, связанную с дискретным характером вычисляемого спектра, соответствующим периодическому представлению о характере входного сигнала. Для снижения погрешности преобразования сигнала, вызванной несоответствием реального сигнала периодическому представлению, обычно используется наложение окон на входной процесс, которое может быть описано выражением:
,
где − функция временно'го окна.
Результаты исследований, проведенных с целью оптимизации ресурсоемкости процессов обработки сигнала, явились основанием выбора алгоритма с использованием синусквадратичного окна Ханна и сдвигом на половину длины буфера в соответствии с выражением:
,
где .
Значительная экономия вычислительных ресурсов достигается использованием быстрых алгоритмов преобразования Фурье по основанию "2", а в тех случаях, когда это возможно, − по основанию "4". При этом функция учета бит-реверсного и тетрадно-реверсного характера представления результатов преобразования Фурье возлагается на структуру коммутатора.
Разработанные и реализованные в форме макета технические решения были подвергнуты всесторонней экспериментальной проверке.
Цели испытаний
Испытания проводились с целями:
- практической оценки работоспособности и корректности принятых технических решений по реализации базовой концепции цифровой спектральной и пространственной коммутации каналов;
- отработки и корректировки результатов теоретических и экспериментальных исследований на предмет работоспособности и приемлемости принятых научных и технических решений в рамках базовой концепции цифровой спектральной коммутации каналов;
- исследования ресурсоемкости реализации бортового оборудования КА в технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов;
- исследования практических пользовательских характеристик оборудования, обеспечиваемых принятыми техническими решениями;
- разработки рекомендаций по заполнению спектра лучей передаваемыми сигналами при достигнутых результатах технических решений.
Объект испытаний
Испытывался функциональный макет бортового оборудования космических аппаратов в технологии гибкой полезной нагрузки с цифровой спектральной коммутацией каналов.
Функциональный макет был реализован в минимально достаточной комплектации для проверки работоспособности и измерения характеристик принципиальных технических решений, принятых в базовой концепции цифровой спектральной коммутации каналов.
Макет обеспечивает полнодоступную пространственно-спектральную коммутацию сигналов с двух входных стволов на два выходных. В качестве достаточной для достижения поставленных целей была определена следующая концепция функционального макета:
- количество входов (лучей): 2;
- количество выходов (лучей): 2;
- рабочий диапазон частот : 0–100 МГц;
- тип входов/выходов: коаксиальный, однопроводный (квадратура не формируется).
Механизмы преобразования Фурье и коммутации реализованы программно. Разработано семь вариантов программной реализации базовых операций функционального макета:
БПФ (быстрое преобразования Фурье) 64 точки 32 бина по 3125 кГц;
БПФ 512 точек 256 бинов по 390,6 кГц;
БПФ 1024 точки 512 бинов по 195,3 кГц;
БПФ 2048 точек 1024 бина по 97,67 кГц;
БПФ 4096 точек 2048 бинов по 48,83 кГц;
БПФ 8192 точки 4096 бинов по 24,41 кГц;
двойное БПФ 8192 точки 4096 бинов по 24,41 кГц.
Под термином "бин" в данной статье понимается полоса частот шириной Fд/N вокруг спектральных составляющих дискретного преобразования Фурье кратности N при частоте дискретизации Fд.
Эксплуатационная функциональность макета включает:
- пространственную маршрутизацию, когда необходимо провести произвольное транспонирование спектра внутри рабочей полосы частот;
- вещание во всех лучах с независимым регулированием уровня в каждом луче;
- передачу канала в нескольких лучах с независимым регулированием уровня в каждом луче;
- отключение ретрансляции канала.
Программа испытаний
В состав испытаний были включены:
- проверка функциональности макета;
- измерение порога перегрузки и динамического диапазона трактов макета;
- измерение уровня продуктов нелинейности (комбинационных колебаний) третьего порядка первого рода, вносимых функциональным макетом в сигнал на пороге перегрузки;
- измерение амплитудно-частотной характеристики и частотной зависимости группового времени задержки тракта функционального макета;
- проверка функции поканальной регулировки уровня передачи и измерение степени подавления помех, обеспечиваемой при использовании принятых алгоритмов обработки;
- проверка функций вещательной, пространственной и спектрально-пространственной коммутации;
- исследование влияния разрешающей способности механизма расфильтровки спектра (БПФ) на характеристики спектральной коммутации каналов функционального макета;
- исследование влияния механизма расфильтровки спектра (БПФ) на разрешающую способность спектральной коммутации каналов за счет эффектов утечки спектра;
- исследование влияния алгоритмов БПФ на значения ошибки вектора модуляции, приращения отношения сигнал/шум и на вид глаз-диаграммы и фазового созвездия.
Испытания проводились на сигналах от BPSK до 8PSK на скоростях от 18 кбит/с до 25 Мбит/с.
Результаты испытаний
Результаты проведенных испытаний функционального макета дают основания сформулировать следующие выводы.
Функциональный макет обеспечивает корректную реализацию всех основных функций:
- прозрачную передачу сигнала;
- настройку выходной мощности сигналов в каналах;
- спектральную коммутацию;
- пространственную коммутацию;
- вещательный режим;
- выключение канала;
- включение нового канала.
Принятые и реализованные в функциональном макете технические решения (и, в частности, разрядность обработки данных) обеспечивают возможность обработки сигналов с сохранением характерного для двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразования динамического диапазона не менее 70 дБ.
Влияние эффектов преобразования сигналов алгоритмами функционального макета на проявление продуктов нелинейности третьего порядка первого рода не прослеживается на уровне погрешности двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразования.
Единицей определения разрешающей способности механизма спектральной коммутации следует считать один бин преобразования Фурье. Ширина полосы бина ∆F определяется выражением:
,
где Fs − частота дискретизации;
N − размер БПФ.
Этот параметр имеет определяющее значение. С одной стороны, он отражает допустимую плотность размещения спектров коммутируемых каналов в выходном спектре (общую ширину полос расфильтровки), а с другой − задействуемые для коммутации аппаратные ресурсы. Задействуемые аппаратные ресурсы, в свою очередь, определяют экономические показатели: стоимость изделия, энергопотребление, необходимость отвода тепла и другие, характерные для бортового оборудования.
Зависимость объема задействуемых в механизме спектральной коммутации аппаратных ресурсов от величины N представлена в табл.1.
Качество представления модулированных сигналов не имеет значимой зависимости от размера блока преобразования Фурье. Так, в табл.2 указаны результаты представления достаточно сложной картины взаимодействия двух модулированных сигналов преобразованием Фурье с различными значениями N. Параметрами, определяющими качество представления, выбраны ошибка вектора модуляции (EVM) и отношение сигнал/шум (SNR).
Представленные в табл.2 отличия можно трактовать как незначимые и не выходящие за пределы погрешности статистических исследований.
При организации коммутируемого по спектру канала полоса частот коммутируемого сигнала должна быть выражена в количестве бинов, равно как и ширина полосы расфильтровки.
Качество расфильтровки сигналов разных каналов не зависит ни от ширины полосы канала, ни от ее положения в пределах спектра; оно определяется количеством бинов в полосах расфильтровки.
Крутизна нарастания амплитудно-частотной характеристики фильтра, формируемого механизмом дискретного преобразования Фурье, иллюстрируется рис.6, представленным в частотном масштабе ≈ 1 бин на клетку.
Во избежание влияния процессов спектральной коммутации на свойство отсчетности сигнала полоса пропускания фильтра ∆FBP должна включать полный спектр передаваемого сигнала, включая найквистовские переходные полосы скругления, то есть:
где ∆Fmod − спектр сигнала используемого вида модуляции;
α – показатель скругления.
Запас в 1 бин дает затухание около 10 дБ в полосе расфильтровки, 2 бина − 30 дБ.
Затухание в полосе задержки выше 60 дБ требует полосы расфильтровки не менее 4 бинов, что соответствует расстоянию по шкале частот между спектрами коммутируемых сигналов ∆Fim 7−8 бинов.
Влияние ширины полос расфильтровки на параметры качества модуляции представлено в табл.3 для сигнала BPSK с α = 0,5 со скоростью 200 кбит/с.
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики фильтра, формируемого механизмом дискретного преобразования Фурье, не превышает в полосе пропускания 0,1 дБ, что показано на рис.7.
Неравномерность частотной характеристики группового времени задержки фильтра, формируемого механизмом дискретного преобразования Фурье, не превышает в полосе пропускания 2 нс, что иллюстрирует рис.8.
Проявление неравномерности частотной характеристики группового времени задержки фильтра приобретает значимый характер за пределами горизонтальной части амплитудно-частотной характеристики фильтра − там, где вносимое фильтром затухание превышает 15 дБ, что иллюстрируется рис.9.
Подавление мешающих сигналов с помощью используемых механизмов может быть обеспечено на уровне шума квантования цифрового представления –75 дБ, что показано на рис.10.
Функция спектральной коммутации обеспечивает частотный сдвиг и дублирование каналов с практически равнозначными свойствами. Результаты измерения качественных характеристик модуляции десяти идентичных каналов, сформированных из одного входного, представлены в табл.4.
Ухудшение качества передачи, вызванное влиянием используемых механизмов и алгоритмов обработки сигналов, может быть оценено по критерию качественных характеристик модуляции. Результаты измерений представлены в табл.5.
Заключение
Ухудшение качества передачи по степени подавления сигналов в полосах задержки, неравномерностям АЧХ и ГВЗ в рабочих полосах частот, характеристикам EVM и SNR, вызванное влиянием используемых механизмов и алгоритмов обработки сигналов, можно охарактеризовать как приемлемое для практического использования. ■
Отзывы читателей
