无线电检测中眼图的分析
摘要：眼图是无线电监测中的一个重要测试项目。现代无线电监测系统属于非协作通信，许多传输参数需要估计。因此接收信号的眼图与协作通信中的眼图有所不同。文章给出了眼图的实际测量结果，并进行了分析，说明了在工程应用中眼图绘制所需要达到的实际指标。对于眼图绘制算法的改进，则需要根据工程目的进行适当修改，而不是一味地追求速度或是精度。
1.引言
文献［1］提到，眼图，即指通过用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能的一种方法。它能够定性地分析传输系统的性能。"眼睛"张开的越小，眼图越不端正，证明波形失真越大，码间串扰越大；"眼睛"的线迹越粗，表示噪声越大，"眼睛"也张开的越小。可见，眼图可以作为一个参考指标来衡量无线电监测传输系统的性能，也可以辅助监测工作者对监测结果进行正确分析。
而在实际的无线电监测传输系统中，眼图还要受到同步算法的影响，同步算法的作用相当于用示波器上的旋钮来调节波形达到同步。在无线电监测中，监测方与发送方是属于非协作的通信机制，因此调制方式、载波频率、码元速率、信噪比等一系列参数都需要估计出来。而在这个过程中，会出现估计偏差。偏差会影响眼图的结果，这是与收发双方为协作通信体制所不同的［2~3］。
本文将眼图技术应用到无线电的监测中，观察在非协作通信体制的条件下，眼图的表现结果。
2.眼图绘制过程
绘制眼图所需要的数据来自基带码元信号经脉冲成形滤波器成形后的接收信号波形数据。接收机得到的监测数据，需要经过算法解调和时钟同步，得到原始基带成形信号，才可以画出眼图［4］。具体过程如下:
(1)设监测到的待解调信号表示为X(t)。经过接收机过采样后，表达式更新为X(n)，此时含噪信号表达式为：
其中，S(n)为原始基带信号，φ(n)为各种附加噪声,Fc为信号的载频，θ为信号相位。
(2)使用超外差接收方案，将待解调信号频谱搬移至零中频，除去载波。需要注意的是，因为是非协作通信，信号载频也需要进行估计，因此这个过程也会产生偏差。搬移至零中频后，经过低通滤波器处理，得到信号的表达式为：
其中，Fo为估计载频偏差，θ1和φ1(n)分别为处理后的信号相位偏移和附加噪声。
(3)采用算法解调。算法解调主要完成两个任务，第一个是同步，第二个是得到最佳采样点。其中同步包括载波同步和时钟同步。这里，关于同步和最佳采样点获取的算法已经有很多文献［57］进行了研究，本文不再赘述其原理。本文使用了Gardner时钟同步算法来实现位同步；同时使用判决反馈的科斯塔斯环来实现载波同步。
实现同步后，取得最佳采样点。本文使用了线性插值的方法，即选择最佳采样时刻相邻的两个点值的线性平均，得到最佳采样时刻的点值，同时将该时刻值进行记录，作为控制眼图起点和终点的坐标。至此，算法解调和同步已经完成。这时，得到信号为：
其中，S′(n)为经过算法解调后的恢复基带信号，φ2(n)为残留噪声。
(4)根据得到的最佳采样时刻对眼图的横坐标进行控制，使用信号S′(n)作为眼图绘制数据，绘制眼图，观察信号传输质量。
3.无线电监测中眼图的表现结果与分析
本文使用信号源模拟器，在办公楼楼顶架构天线作为辐射源，发射信号。信号强度为-40 dBm，调制方式选为16QAM，码元速率设置为50.000 kHz，载频设置为1.555 GHz。该基带信号经过滚降系数为0.35的成形滤波器处理，调制后送入天线端发射。监测接收机在实验室内进行接收。经过接收机处理后，估计载波频偏为1 904.296 8 Hz，估计误差为：
估计码速率为50.048 kHz，估计误差为：
本文通过程序编写，将接收机中处理的数据提取出来，使用MATLAB仿真来直观地观察结果。得到的星座图与眼图如图1所示。
作为对比，本文给出在准确的载频和码元速率条件下，信噪比为20 dB时，使用该算法对16QAM信号的解调结果。如图2所示。
需要注意的是，图中给出的是I路的眼图，Q路眼图与之类似。
通过图1和图2可以发现：(1)算法本身是可行的。在高信噪比下，图2中的星座图，每一个调制点上星座点收敛范围很小，很精确。这表明该算法可以很精确地将16QAM信号还原出来。反映到图2中的眼图上，举个例子，在横坐标为5的位置上，一共有4个交点。每个交点都是星座图上的星座点，即最佳采样点，它与星座图上的点是一致的。因为一致，所以这里的每个交点的收敛范围越小，相对距离越大，"眼睛