Oсобливості аналізу радіочастотного спектра при використанні однобітного аналого-цифрового перетворення
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2024.97.20-29Ключові слова:
радіочастотний спектр, паразитні спектральні складові, однобітне квантування, радіомоніторинг, динамічний діапазонАнотація
Використання автономних сенсорів для аналізу широких смуг радіочастотного спектра вимагає використання високошвидкісних аналого-цифрових перетворювачів (АЦП). Робота таких пристроїв із високою розрядністю потребує потужності кілька Вт. Використання однобітних АЦП дозволить зменшити споживану потужність та спростити аналогову частину приймача.
Метою досліджень є визначення особливостей та умов, при яких доцільно аналізувати радіочастотний спектр в умовах складної радіоелектронної обстановки із використанням однобітного АЦП. Проблема використання таких АЦП полягає у погіршенні відношення сигнал-шум (ВСШ) та виникненні паразитних спектральних складових при середніх та високих його значеннях. Завдання радіомоніторингу ускладнюється тим, що в смузі частот аналізу може перебувати одночасно велика кількість сигналів з різними значеннями ширини спектра та ВСШ.
Після однобітного АЦП енергія комплексного сигналу залишається незмінною незалежно від його форми. Тому при високих значеннях ВСШ спостерігається перетікання сигналу у паразитні спектральні складові. При збільшенні ширини спектра сигналу до 30% від ширини смуги аналізу і вище паразитні спектральні складові перетворюються у суцільний широкосмуговий п’єдестал. Отримано аналітичні залежності, що дозволяють розраховувати значення ВСШ, при яких можливе виявлення сигналів та з’являються паразитні спектральні складові. Дані залежності враховують параметри періодограми Уелча та рівень завантаженості. Результати аналізу реальних сигналів показали, що форма спектра сигналу після однобітного АЦП повторює форму спектра після 8-бітного АЦП за винятком відсутності деяких слабких сигналів. Платою за спрощення апаратної реалізації та менші енергозатрати при використанні однобітного АЦП в порівнянні з АЦП більшої розрядності є звуження динамічного діапазону сигналів. Використання однобітного АЦП для ведення радіомоніторингу буде оправданим лише в умовах, коли є інформація щодо завантаженості смуги частот аналізу та ВСШ сигналів, які можуть спостерігатися.
Посилання
References
Zayyani H., Haddadi F., Korki M. (2020). One-Bit Spectrum Sensing in Cognitive Radio Sensor Networks. Circuits Syst Signal Process, Vol. 39, pp. 2730–2743, doi: 10.1007/s00034-019-01274-z.
Deng J., Chen Y. (2019). Subspace-based 1-bit Wideband Spectrum Sensing. 11th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing (WCSP), pp. 1-6, doi: 10.1109/WCSP.2019.8928133.
Mishali M., Eldar Y. C., Dounaevsky O., and Shoshan E. (2011). Sampling: Analog to digital at sub-Nyquist rates. IET Circuits, Devices & Systems, Vol. 5, Iss. 1, pp. 8–20, doi: 10.1049/iet-cds.2010.0147.
Rivet F., Deval Y., Begueret J.-B., Dallet D., Cathelin P. and Belot D. (2010). The Experimental Demonstration of a SASP-Based Full Software Radio Receiver. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 45, Iss. 5, pp. 979-988, doi: 10.1109/JSSC.2010.2041402.
Graf O., Bhandari A. and Krahmer F. (2019). One-bit Unlimited Sampling. ICASSP 2019-2019 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), pp. 5102-5106, doi: 10.1109/ICASSP.2019.8683266.
Mollén C., Choi J., Larsson E. G. and Heath R. W. (2017). Uplink Performance of Wideband Massive MIMO With One-Bit ADCs. IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 16, Iss. 1, pp. 87-100, doi: 10.1109/TWC.2016.2619343.
Jacobsson S., Durisi G., Coldrey M., Gustavsson U. and Studer C. (2015). One-bit massive MIMO: Channel estimation and high-order modulations. IEEE International Conference on Communication Workshop (ICCW), pp. 1304-1309, doi: 10.1109/ICCW.2015.7247358.
Jacobsson S., Durisi G., Coldrey M., Gustavsson U. and Studer C. (2017). Throughput Analysis of Massive MIMO Uplink With Low-Resolution ADCs. IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 16, Iss. 6, pp. 4038-4051, doi: 10.1109/TWC.2017.2691318.
Li Y., Tao C., Seco-Granados G., Mezghani A., Swindlehurst A. L. and Liu L. (2017). Channel Estimation and Performance Analysis of One-Bit Massive MIMO Systems. IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 65, Iss. 15, pp. 4075-4089, doi: 10.1109/TSP.2017.2706179.
Desset C., Van der Perre L. (2015). Validation of low-accuracy quantization in massive MIMO and constellation EVM analysis. European Conference on Networks and Communications (EuCNC), pp. 21-25, doi: 10.1109/EuCNC.2015.7194033.
Sarajlić M., Liu L. and Edfors O. (2017). When Are Low Resolution ADCs Energy Efficient in Massive MIMO? IEEE Access, Vol. 5, pp. 14837-14853, doi: 10.1109/ACCESS.2017.2731420.
Verenzuela D., Björnson E. and Matthaiou M. (2017). Per-antenna hardware optimization and mixed resolution ADCs in uplink massive MIMO. 51st Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Pacific Grove, pp. 27-31, doi: 10.1109/ACSSC.2017.8335129.
Nguyen L. V., Swindlehurst A. L. and Nguyen D. H. N. (2021). SVM-Based Channel Estimation and Data Detection for One-Bit Massive MIMO Systems. IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 69, pp. 2086-2099, doi: 10.1109/TSP.2021.3068629.
Dong Y., Wang H. and Yao Y.-D. (2021). Channel Estimation for One-Bit Multiuser Massive MIMO Using Conditional GAN. (2021). IEEE Communications Letters, Vol. 25, Iss. 3, pp. 854-858, doi: 10.1109/LCOMM.2020.3035326.
Shao M., Li Q., Ma W.-K. and So A. M.-C. (2019). A Framework for One-Bit and Constant-Envelope Precoding Over Multiuser Massive MISO Channels. IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 67, Iss. 20, pp. 5309-5324, doi: 10.1109/TSP.2019.2937280.
Liu J., Luo Z. and Xiong X. (2019). Low-Resolution ADCs for Wireless Communication: A Comprehensive Survey. IEEE Access, Vol. 7, pp. 91291-91324, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2927891.
Shi B. et al. (2022). Impact of Low-Resolution ADC on DOA Estimation Performance for Massive MIMO Receive Array. IEEE Systems Journal, Vol. 16, Iss. 2, pp. 2635-2638, doi: 10.1109/JSYST.2021.3139449.
Ameri A., Bose A., Li J. and Soltanalian M. (2019). One-Bit Radar Processing With Time-Varying Sampling Thresholds. IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 67, Iss. 20, pp. 5297-5308, doi: 10.1109/TSP.2019.2939086.
Jin B., Zhu J., Wu Q., Zhang Y. and Xu Z. (2020). One-Bit LFMCW Radar: Spectrum Analysis and Target Detection. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 56, Iss. 4, pp. 2732-2750, doi: 10.1109/TAES.2020.2978374.
Xiao Y.-H., Ramírez D., Schreier P. J., Qian C. and Huang L. (2022). One-Bit Target Detection in Collocated MIMO Radar and Performance Degradation Analysis. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 71, Iss. 9, pp. 9363-9374, doi: 10.1109/TVT.2022.3178285.
Wu P.-W. et al. (2023). One-Bit Spectrum Sensing for Cognitive Radio. Electrical Engineering and Systems Science-Signal Processing, 13 p. doi: 10.48550/arXiv.2306.13558.
Zhao Y., Ke X., Zhao B., Xiao Y. and Huang L. (2021). One-Bit Spectrum Sensing Based on Statistical Covariances: Eigenvalue Moment Ratio Approach. IEEE Wireless Communications Letters, Vol. 10, Iss. 11, pp. 2474-2478, doi: 10.1109/LWC.2021.3104346.
Mehanna O., Sidiropoulos N. D. (2013). Frugal Sensing: Wideband Power Spectrum Sensing From Few Bits. IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 61, Iss. 10, pp. 2693-2703, doi: 10.1109/TSP.2013.2252171.
Ali A., Hamouda W. (2016). Low Power Wideband Sensing for One-Bit Quantized Cognitive Radio Systems. IEEE Wireless Communications Letters, Vol. 5, Iss. 1, pp. 16-19, doi: 10.1109/LWC.2015.2487347.
Merlano-Duncan J. C., Sharma S. K., Chatzinotas S., Ottersten B. and Wang X. (2017). Multi-antenna based one-bit spatio-temporal wideband sensing for cognitive radio networks. IEEE International Conference on Communications (ICC), pp. 1-7, doi: 10.1109/ICC.2017.7996737.
Nguyen L. L., Nguyen D. H. N., Fiche A., Huynh T. and Gautier R. (2019). Low-Bit Quantization Methods for Modulated Wideband Converter Compressed Sensing. IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), pp. 1-6, doi: 10.1109/GLOBECOM38437.2019.9013470.
Libin M. K., Shreejith S., Vinod A. P. and Madhukumar A. S. (2020). A Power-Efficient Spectrum-Sensing Scheme Using 1-Bit Quantizer and Modified Filter Banks. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, Vol. 28, Iss. 9, pp. 2074-2078, doi: 10.1109/TVLSI.2020.3009430.
Chen Y., Zhao Y., Huang J., and Zheng Y. (2019). Multiband sparse signal reconstruction through direct one-bit sampling. Rev. Sci. Instrum., Vol. 90, Iss. 8, pp. 2693-2703, doi: 10.1063/1.5113925.
Lyons R. G. (2011). Understanding Digital Signal Processing, 3rd ed. Prentice Hall, 858 p.
Prabhu K. M. M. (2014). Window functions and their applications in signal processing. Taylor&FrancisGroup, LLC, 406 р. doi: 10.1201/9781315216386.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Микола Вікторович Бугайов
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
