Лабораторная работа 3. Лабораторная работа 3 Анализ помехоустойчивости системы цифровой связи при наличии помех и замираний в канале связи
 Скачать 371 Kb.
|
|
 |
| Рисунок 3.1 – Структурная схема радиоканала цифровой связи |
Сигнал может передаваться от передатчика к приемнику по множеству отражательных путей. Это явление, называемое многолучевым распространением (multipath propagation), может вызывать флуктуации амплитуды, фазы и угла прибытия полученного сигнала, что определило название замирание вследствие многолучевого распространения (multipath fading). В этой проблеме выделяют две составляющие:
Rayleigh fading – рэлеевское затухание (рассеяние). Обусловлено диффузным характером отражения радиоволн от реальных объектов. Как результат, принимаемый сигнал есть сумма многих идентичных сигналов, отличающихся по фазе (и амплитуде тоже). Эффект проявляет себя на уровне радионесущей и дает “fading dips” – пульсации уровня, замирания с периодом в пространстве, равным λ/2. Для GSM-900 это =33см/2=17см. Такой же эффект образуется и по времени, создавая быстрые замирания (пульсации) уровня сигнала.
Time Dispersion – эффект из-за существенно разнесенных по пространству лучей, т.е. прошедших дальние пути (far away). Таким образом, можно говорить об интерференции символов от двух лучей. При длительности бита в TDMA 3,7 мкс, задержка на 1 бит эквивалентна разности путей около 1 км.
Прямое моделирование и проектирование систем, включающих методы борьбы с замиранием, обычно сложнее разработки систем, где единственным источником ухудшения рабочих характеристик считается шум AWGN.
Для мобильной связи характерны два типа замираний: крупномасштабное и мелкомасштабное замирание.
Крупномасштабное замирание отражает среднее ослабление мощности сигнала или потери в тракте вследствие распространения на большое расстояние. На это явление влияют выступающие наземные элементы (например, холмы, леса, рекламные щиты, группы строений и т.д.) между передатчиком и приемником. Приемник "затеняется" этими выступами. Статистика крупномасштабного замирания позволяет приблизительно рассчитать потери в тракте как функцию расстояния. Это часто описывается через средние потери в тракте (степенной закон n-го порядка) и логарифм нормального распределения отклонения от среднего.
Мелкомасштабное замирание – это значительные изменения амплитуды и фазы сигнала, которые на практике могут быть результатом небольших изменений (порядка половины длины волны) расстояния между передатчиком и приемником. Мелкомасштабное замирание проявляется двумя способами – расширение сигнала во времени (или дисперсия сигнала) и нестационарное поведение канала. В мобильной радиосвязи параметры каналов изменяются во времени, поскольку движение передатчика и/или приемника приводит в результате к изменению пути распространения. Скорость изменения таких условий распространения определяет скорость замирания (скорость изменения ухудшения характеристик вследствие замирания). Мелкомасштабное замирание называется релеевскими, если имеется большое число многократно отражающихся путей и нет компонента сигнала вдоль луча обзора; огибающая такого полученного сигнала статистически описывается с помощью релеевской функции плотности вероятности. Если преобладает незамирающий компонент сигнала, такой как путь распространения, вдоль луча обзора, огибающая мелкомасштабного замирания описывается функцией плотности вероятности Райса. Иными словами, статистики мелкомасштабного замирания всегда распределены по Релею, если путь распространения вдоль луча обзора блокирован, в противном случае имеем распределение Райса. Мобильный радиоприем на большом пространстве должен иметь возможность обрабатывать сигналы, подвергнувшиеся замиранию обоих типов (мелкомасштабное, наложенное на крупномасштабное).
Крупномасштабное замирание (ослабление или потери в тракте) можно рассматривать как пространственное усреднение мелкомасштабных флуктуаций сигнала. Оно вычисляется, как правило, путем усреднения полученного сигнала по интервалу, превышающему 10–30 длин волн, чтобы отделить мелкомасштабные (главным образом релеевские) флуктуации от крупномасштабных эффектов затенения (обычно с логарифмически нормальным распределением).
Существует три основных механизма, воздействующих на распространение сигнала в системах мобильной связи:
Отражение (reflection) происходит тогда, когда распространяющаяся электромагнитная волна сталкивается с гладкой поверхностью, размер которой гораздо больше длины волны радиочастотного сигнала (λ).
Дифракция (diffraction) встречается тогда, когда путь распространения между передатчиком и приемником преграждается плотным телом, размеры которого велики по сравнению с λ, что вызывает появление вторичных волн, образующихся позади преграждающего тела. Дифракция – это явление, которое является причиной того, что распространение радиочастотной энергии от передатчика к приемнику происходит в обход пути прямой видимости между ними. Ее часто называют затенением (shadowing), поскольку дифрагированное поле может достичь приемника, даже если оно затенено непроницаемой преградой.
Рассеяние (scattering) встречается тогда, когда радиоволна сталкивается с любой неровной поверхностью или с поверхностью, размеры которой порядка X или меньше, что приводит к распространению (рассеянию) или отражению энергии во всех направлениях. В городской местности обычные препятствия, вызывающие рассеивание сигнала, – это фонарные столбы, уличные знаки и листья. Название рассеивающий элемент (scatterer) применимо к любым препятствиям на пути распространения, которые являются причиной отражения или рассеяния сигнала.
Проблемой радиопередачи между MS и BTS также является Эффект Доплера – эффект относительности, проявляющийся в сжатии-растяжении по времени импульсов (интервалов) в случае приближения/удаления источника сигнала к приемнику сигнала (и наоборот).
В случае если импульс заполнен гармонической несущей, можно говорить также об изменении частоты этой несущей.
Обычно используется выражение для частоты:
 , | (3.1) |
где Vобъекта – относительная скорость перемещения приемника и передатчика; C – скорость волны в среде; f0 – значение частоты в условиях покоя.
Используемые в сотовой связи дециметровые радиоволны слабо огибают препятствия, т.е. распространяются в основном по прямой, но испытывают многочисленные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности. Одним из следствий такого многолучевого распространения является более быстрое, чем в свободном пространстве, убывание интенсивности принимаемого сигнала с расстоянием. Другое следствие – замирания и искажения результирующего сигнала. Искажения результирующего сигнала, или межсимвольная интерференция, имеет место в том случае, когда более или менее синфазные составляющие сигналы с соизмеримыми амплитудами настолько отличаются по разности хода, что символы одного сигнала «налезают» на соседние символы другого. Колебания уровня (замирания) принимаемого сигнала практически всегда имеют две составляющие – быструю и медленную. Для борьбы с быстрыми замираниями используются два основных метода: разнесенный прием, т.е. одновременное использование двух или более приемных антенн и расширение спектра
При межсимвольной интерференции разности хода в городских условиях могут достигать единиц микросекунд. В методе CDMA, при использовании широкополосных сигналов и RAKE-приемников, наиболее сильные сигналы выравниваются по задержке и после этого складываются, так что проблема межсимвольной интерференции в значительной мере снимается. В относительно узкополосных системах сотовой связи, использующих метод TDMA, для борьбы с межсимвольными искажениями применяются эквалайзеры – адаптивные фильтры, устанавливаемые в приемном тракте цифровой обработки сигналов, которые позволяют в некоторой степени компенсировать межсимвольные искажения. Наконец, для борьбы с последствиями многолучевого распространения, а именно для устранения ошибок, обусловленных как замираниями сигналов, так и межсимвольной интерференцией, используется помехоустойчивое канальное кодирование: блочное и сверточное кодирование, а также перемежение.
Разнесенный прием (английский термин diversity reception), как способ борьбы с быстрыми замираниями заключается в совместном использовании нескольких сигналов, различающихся (разнесенных) по какому-либо параметру или координате, причем разнесение должно выбираться таким образом, чтобы вероятность одновременных замираний всех используемых сигналов была много меньше, чем какого-либо одного из них.
В принципе возможны как минимум пять вариантов разнесенного приема:
с разнесением во времени; при этом используются сигналы, сдвинутые во времени один относительно другого; этот метод сравнительно легко реализуем лишь в цифровой форме, и улучшение качества приема разменивается на пропускную способность канала связи;
с разнесением по частоте; при этом используются сигналы, передаваемые на нескольких частотах, т.е. платой является расширение используемой полосы частот;
разнесением по углу, или по направлению; при этом прием производится на несколько антенн с рассогласованными (не полностью перекрывающимися) диаграммами направленности; в этом случае сигналы с выходов разных антенн коррелированы тем слабее, чем меньше перекрытие диаграмм направленности, но при этом одновременно падает и эффективность приема (интенсивность принимаемого сигнала), по крайней мере для всех антенн, кроме одной;
с разнесением по поляризации, когда, например, две антенны принимают сигналы двух взаимно ортогональных поляризаций; практического значения этот вариант не имеет, поскольку в диапазоне СВЧ замирания на разных поляризациях сильно коррелированы;
с разносом в пространстве, т.е. с приемом сигналов на несколько пространственно разнесенных антенн; это единственный метод, находящий практическое применение, и именно он обычно имеется в виду, когда говорят о разнесенном приеме.
Практическое применение находит простейшая система с двумя приемными антеннами, и в основном в базовых станциях. В подвижных станциях сколько-нибудь широкого распространения разнесенный прием не получил.
При использовании методов разнесенного приема, т.е. приема одинаковых сигналов по нескольким каналам, появляется необходимость объединения этих сигналов с целью получить определенный выигрыш по помехоустойчивости. При этом выигрыш имеет место в двух направлениях: во-первых, в уменьшении влияния замираний сигналов; во-вторых, в увеличении отношения «сигнал/шум» (С/Ш) после объединения. Объединение может проводиться как до детектирования, так и после детектирования. Выигрыш в обоих случаях имеет место из-за того, что в складываемых сигналах полезная составляющая (при додетекторном сложении – после предварительного фазирования разнесенных сигналов) складывается синфазно, а составляющие шумов в различных разнесенных сигналах, будучи независимыми, складываются со случайными взаимными фазовыми сдвигами, т.е. «по мощности». При одинаковой мощности шумов и равенстве уровней полезных составляющих это может дать выигрыш до 3 дБ.
При моделировании сложных систем целесообразным является формирование отдельных блоков в виде подсистем, для которых можно задавать собственные параметры.
Подсистема формируется из группы отдельных блоков следующим образом:
выделяется группа блоков;
в меню Edit выбирается опция Create Subsystem и после этого группа блоков преобразуется в один блок с соответствующим числом входов и выходов (рисунок 3.2). Маскируемая подсистема выделяется нажатием левой клавиши мыши, в меню Edit выбирается опция Create Mask и после этого появляется окно, где можно задавать параметры маскируемой подсистемы;σ
далее выбирается панель Initialization, где в окне Prompt вводится наименование параметра подсистемы, которое будет в дальнейшем отображаться в виде, показанном на рисунке 3.2 слева внизу (Carrier Wave (Hz)). Можно задавать до 1X параметров;
в окне Variable задается переменная величина, описывающая этот же параметр, которая в дальнейшем вводится в окна параметров различных блоков.
 |
| Рисунок 3.2 – Редактор маскирования подсистемы |
Таким образом, маскирование подсистемы позволяет задавать глобальные переменные, относящиеся ко всей подсистеме.
Порядок выполнения работы
Запустите программу MATLAB. После чего запустите Simulink.
Исследовать помехоустойчивость модуляции BPSK при оптимальном линейном сложении сигналов и оптимальном автовыборе. Для этого:
1.1. Создать модель, показанную на рисунке 3.1. Все блоки (кроме Display) взяты из библиотеки Communications Blockset.
 |
| Рисунок 3.1 – Имитационная модель оптимального линейного сложения сигналов и оптимального автовыбора |
1.2. Генератор Бернулли должен производить Frame-based сигнал. Sample time = 1/1200.
1.3. В блоке AWGN Channel режим (Mode) должен быть установлен на Signal to Noise Ratio (SNR), Symbol period (s):1/1200. Отношение SNR в первой ветви разнесения установить 1db, а во второй ветви разнесения изменять в интервале от 1 до 10 db с шагом 1db. Данные свести в таблицу.
1.4. Выполнить пп.1.3 при отношении SNR в первой ветви разнесения 3db, 6db, 9db, а во второй ветви разнесения изменять в интервале от 1 до 10 db с шагом 1db.
1.5. На основании полученных результатов в дальнейшем данные использовать для построения семейства графиков зависимости Error Rate = f(SNR) для всех исследуемых моделей (всего 4 семейства для разных SNR в первой ветви). Для этого можно использовать графический пользовательской интерфейс BERTool (новоя версия Release 14).
1.6. В блоках BPSK модулятора/демодулятора формат входных/выходных данных должен быть переключен на двоичный (Bit).
1.7. В блоке Error Rate Calculator параметр Output data должен быть переключен на Port.
1.8. Время моделирования Simulation time должно быть ограничено 10.
Исследовать помехоустойчивость модуляции BPSK при линейном сложении сигналов (рисунок 3.2) и комбинированной обработке цифровых сигналов при пространственном разнесении (рисунок 3.3).
 |
| Рисунок 3.2 – Имитационная модель линейного сложения сигналов |
 |
| Рисунок 3.3 – Имитационная модель комбинированной обработки цифровых сигналов при пространственном разнесении |
Исследовать помехоустойчивость модуляции BPSK при многолучевом распространении сигнала со спектром Джейкса. Для этого:
Создать модель, показанную на рисунке 3.4.
 |
| Рисунок 3. – Имитационная модель многолучевого канала |
Генератор Random Integer должен производить Framebased сигнал. Sample time = 1/500000.
Для четырехлучевого канала в блоке Multipath Rayleigh Fading Channel параметр Maximum Doppler shift (Hz) установить 100 для четных N и 200 – для нечетных N. Discrete path delay vector (s): 1.0e-004 * [0 0.0400 0.0800 0.1200]; Average path gain vector (dB): [0 -3 -6 -9]. Установить флажок Open channel visualization at start of simulation.
В блоке LMS Linear Equalizer установить параметры: Number of taps: 4; Signal constellation: pskmod([0:1],2); Reference tap: 2; Step size: 0.1.
Время расчета выбрать «inf»; в блоке Error Rate Calculation поставить флажок на Stop simulation и установить Target number of errors:200, а Maximum number of symbols:500.
Выполнить расчеты для 3, 5, 6 и т.д. лучей (количество лучей – по заданию преподавателя) и построить зависимость BER = f(Npath). Наблюдать изменение сигнальных созвездий до и после эквалайзера, а также все визиализируемые характеристики в блоке Visualization.
Задание на лабораторную работу
1. Создать с использованием среды MATLAB имитационные модели.
2. Построить графические зависимости для BER исследуемых моделей и проанализировать их.
3. С использованием программ Matlab (Приложение 1,2) выполнить расчеты по своему варианту для Рэлеевского канала.
Содержание отчета
1. Титульный лист.
2. Цель работы и задание на лабораторную работу.
3. Схема имитационных моделей.
5. Результаты наблюдений, вычислений, графики и диаграммы.
6. Выводы по полученным данным.
Контрольные вопросы
Какой параметр характеризует помехоустойчивость системы цифровой связи?
В чем заключается принципиальная разница между системами цифровой и аналоговой связи?
Какая характеристика системы связи измеряется вероятностью ошибки?
Вероятность ошибки должна быть существенно ниже в системах передачи речевых сигналов или в системах передачи данных?
В чем принципиальная разница между замираниями и помехами (шумами)?
Каким образом воздействуют на полезный сигнал аддитивные и мультипликативные помехи?
Какой вид модуляции применяется в изучаемых моделях?
Поясните характеристики визиализируемые в блоке Multipath Rayleigh Fading Channel.
Какой полезный эффект дает возможность создания подсистем?
В чем заключается основное преимущество маскированной подсистемы по сравнению с обычной подсистемой?