кке. Моделирование, анализ и оптимизация
 Скачать 1.53 Mb.
|
|
Г. А. Проскура, А. В. Воробьев МОДЕЛИРОВАНИЕ, АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ 2016 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт» Г. А. Проскура, А. В. Воробьев МОДЕЛИРОВАНИЕ, АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ Учебное пособие по лабораторному практикуму Харьков “ХАИ” 2016 УДК 621.39(075.8) ББК 32.88 я73 Т31 Подано опис лабораторних робіт з курсів «Аналіз і синтез систем розподілу інформації», «Основи теорії систем», «Планування та проектування інформаційних систем», «Моделювання і оптимізація систем і мереж телекомунікацій» і викладено методику їх виконання. Розглянуто бібліотеку Communication Blockset системи MATLAB і методи моделювання цифрових систем зв’язку і їхніх елементів із заданими параметрами. Досліджено характеристики процесів комутації засобами MATLAB. Запропоновано приклади функцій і команд MATLAB для моделювання структури телекомунікаційних систем. Для студентів спеціальності «Телекомунікації і радіотехніка» при вивченні курсів «Аналіз і синтез систем розподілу інформації», «Основи теорії систем», «Планування та проектування інформаційних систем», «Моделювання і оптимізація систем і мереж телекомунікацій», а також при виконанні курсових і бакалаврських робіт. Рецензенты : канд. физ.-мат. наук А. А. Могила, канд. физ.-мат. наук А. М. Линкова Проскура, Г.А. Т31 Моделирование, анализ и оптимизация телекоммуникационных сетей : учеб. пособие по лаб. практикуму / Г. А. Проскура, А. В. Воробьев. – Х. : Нац. аэрокосм. ун-т им. Н. Е. Жуковского «Харьк. авиац. ин-т», 2016. – 58 с. Дано описание лабораторных работ по курсам «Анализ и синтез систем распределения информации», «Основы теории систем», «Планирование и проектирование информационных систем», «Моделирование и оптимизация систем и сетей телекоммуникаций» и изложена методика их выполнения. Рассмотрены библиотека Communication Blockset среды MATLAB и методы моделирования цифровых систем связи и их элементов с заданными параметрами. Исследованы характеристики процессов коммутации средствами MATLAB. Предложены примеры функций и команд MATLAB для моделирования структуры телекоммуникационных систем. Для студентов специальности «Телекоммуникации и радиотехника» при изучении курсов «Анализ и синтез систем распределения информации», «Основы теории систем», «Планирование и проектирование информационных систем», «Моделирование и оптимизация систем и сетей телекоммуникаций», а также при выполнении курсовых и бакалаврских работ. Ил. 15. Табл. 12. Библиогр. : 4 назв. УДК 621.39(075.8) ББК 32.88 я73 © Проскура Г. А., Воробьев А. В., 2016 © Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», 2016 3 Лабораторная работа № 1 ИЗУЧЕНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ В СРЕДЕ MATLAB Цель работы – изучить библиотеку Communication Blockset среды MATLAB и получить практические навыки моделирования элементов телекоммуникационных систем с заданными параметрами. Теоретические сведения Пакеты расширения Communication Blockset и Communication Toolbox – одни из самых крупных пакетов расширения системы MATLAB, предназначенные для исследования, моделирования и проектирования телекоммуникационных систем и устройств. В первую очередь, функции пакетов ориентированы на системы цифровой связи, но имеются и функции аналоговой модуляции и демодуляции. К возможным областям применения пакетов относится моделирование передачи данных по телефонным сетям (модемные протоколы, VDSL, HDSL, ADSL), радиоканалам (радиотелефоны DECT, сотовые сети GSM) и разнообразным физическим средам компьютерных сетей. Доступ к библиотеке Communications Blockset возможен или из командного окна MATLAB путем ввода команды >>commlib, или из пакета моделирования Simulink. Появится окно библиотеки, показанное на рисунке 1.1. В этом окне расположены значки с основными разделами библиотеки коммуникационных устройств и примеров их применения. Каждый раздел содержит ряд окон с соответствующими блоками. Краткие названия блоков приводятся под значками их моделей, а полное описание дается в окнах примеров. 4 Все множество моделей компонентов библиотеки пакета Communications Blockset разделено на смысловые группы в зависимости от их назначения. Рисунок 1.1 – Окно библиотеки пакета Communications Blockset Источники и получатели коммуникационных сигналов содержатся в разделах библиотеки Comm SourcesиComm Sinks.Краткие названия источников приводятся под значками их моделей, а полное описание источников дается в окнах их параметров. Раздел библиотеки Source Coding содержит модели кодирующих и декодирующих устройств для источников сигнала. Большая их часть — 5 это квантователи различного вида, обеспечивающие тот или иной способ преобразования аналоговой информации в дискретную и обратно. Модуляторы и демодуляторы — одни из самых распространенных устройств в технике связи и поэтому представлены очень широко в разделе библиотеки Modulation. Каналы включаются между передатчиком и приемником сообщений. Окно библиотеки каналов Channelsсодержит четыре блока: AWGN Channel (канал с аддитивным белым гауссовым шумом) ; Binary Symmetric Channel (симметричный канал для передачи двоичных данных); Multipath Rayleigh Fading Channel (канал с многолучевым замиранием, распределенным по Рэлею); Multipath Rician Fading Channel (канал с замиранием, распределенным по Райсу). Блоки детектирования ошибок и коррекции имеют большое значение при обработке, передаче и приеме цифровой информации и сосредоточены в разделе библиотеки Error Detection and Correction. Другие разделы библиотеки Communication Blockset Фильтрация сигналов представлена в разделе Comm Filters. К специальным типам фильтров со многими полосами относятся эквалайзеры, представленные в разделе Equalizers. Раздел Interleavingслужит для перестановок кодов (символов) в последовательностях блоков данных в соответствии с теми или иными правилами. Часть библиотеки Interleaving содержит два раздела: Block (перестановки в блоках) и Convolutional (перестановки при свертке). Раздел библиотеки Sequence operatorsсодержит блоки с операторами последовательностей. Синхронизация представлена в 6 разделе Synchronization Library. Раздел RF Impairmentsсодержит блоки радиочастотных помех. Для различных дополнительных операций служат блоки раздела Utility Blocks. Применение рассмотренных блоков можно найти в ряде примеров, размещенных в разделе Demosсправки. Там же можно найти тематический и алфавитный каталоги всех блоков пакета. Порядок выполнения 1. Моделирование канала связи: постройте модель беспроводного канала системы связи, приведенную на рисунке 1.2, в соответствии с вариантом (таблица 1.1); опишите все элементы схемы, для этого поочередно откройте каждый блок и изучите характеристики; задайте время моделирования, равное 100; изменив вероятность появления ошибки (теоретическую), заполните таблицу 1.2; постройте график зависимости вероятности появления битовой ошибки (практической) от теоретической. 2. Моделирование модуляции в цифровых системах связи: постройте и настройте модель системы связи с заданной модуляцией, приведенную на рисунке 1.3, в соответствии с вариантом (таблица 1.3); опишите все элементы схемы, для этого поочередно откройте каждый блок и изучите его характеристики; изменив отношение сигнал/шум (SNR), заполните таблицу 1.4; постройте график зависимости вероятности появления ошибки от отношения сигнал/шум. 7 Рисунок 1.2 – Модель беспроводного канала системы связи Таблица 1.1 – Вариант задания № п/п Probability of zero Sample time 1 0,35 0,8 2 0,4 0,6 3 0,45 0,4 4 0,5 0,2 5 0,55 0,1 6 0,6 0,08 7 0,1 20 8 0,15 15 9 0,20 10 10 0,25 5 11 0,3 1 12 0,65 0,8 13 0,7 0,6 14 0,75 0,4 15 0,8 0,2 16 0,85 0,1 Error Rate Calculation Tx Rx Error Rate Calculation 0.08982 45 501 Display BSC Binary Symmetric Channel Bernoulli Binary Bernoulli Binary Generator 8 Таблица 1.2 – Результат моделирования беспроводного канала связи Вероятность появления ошибки ( теоретическая) Количество ошибочных битов Количество принятых битов Вероятность появления ошибки ( практическая) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 0,9 1 Рисунок 1.3 – Модель системы связи с QPSK модуляцией Таблица 1.3 – Вариант задания № п/п Тип модуляции Phase 1 QPSK pi/4 2 BPSK pi 3 DBPSK 1/3pi Random Integer Random Integer Generator QPSK QPSK Modulator Baseband QPSK QPSK Demodulator Baseband Error Rate Calculation Tx Rx Error Rate Calculation 0.1881 19 101 Display AWGN AWGN Channel 9 Продолжение таблицы 1.3 № п/п Тип модуляции Phase 4 QPSK 4/3pi 5 BPSK 2pi 6 DBPSK pi/4 Таблица 1.4 – Результат моделирования системы связи с QPSK модуляцией Отношение сигнал/шум (SNR) Количество ошибочных битов Количество принятых битов Вероятность появления ошибки ( практическая) 1 3 5 7 8 9 10 Содержание отчета Отчет должен содержать:цель работы, вариант задания, построенные схемы моделирования и их описание, расчетные таблицы, полученные графики, выводы. Контрольные вопросы 1. Как определяется и что характеризует отношение сигнал/шум? 2. Какой сигнал генерирует Random Integer Generator? 3. Какой сигнал генерирует Bernoulli Binary Generator? 4. Охарактеризуйте математическую модель блока AWGN Channel. 10 5. Охарактеризуйте математическую модель блока Binary Symmetric Channel. 6. Охарактеризуйте математическую модель блока QPSK Modulator Baseband. 7. Охарактеризуйте математическую модель блока BPSK Modulator Baseband. 8. Охарактеризуйте математическую модель блока DBPSK Modulator Baseband. 11 Лабораторная работа № 2 ИЗУЧЕНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ В СРЕДЕ MATLAB Цель работы – изучить библиотеку Communication Blockset среды MATLAB и получить практические навыки моделирования цифровых систем связи с заданными параметрами. Теоретические сведения Цифровая система связи (рисунок 2.1) предназначена для передачи сообщения из одной точки в другую через канал связи, обладающий определенными свойствами (в частности, пропускающий лишь некоторую полосу частот). Для решения этой задачи приходится осуществлять целый ряд преобразований. Рисунок 2.1 – Обобщенная структурная схема системы связи Прежде всего исходное сообщение подвергается первичному кодированию (кодированию источника), цель которого – преобразование аналогового сообщения в цифровое либо сжатие информации. 12 Следующий этап – помехоустойчивое кодирование. Здесь в сообщение вносится избыточность с целью обеспечить возможность исправления на приемной стороне всех или некоторых возникших в процессе передачи ошибок. После применения помехоустойчивого кода сообщение поступает в модулятор, преобразующий цифровое сообщение в аналоговый модулированный сигнал, занимающий заданную полосу частот. В процессе прохождения модулированного сигнала через канал связи сигнал подвергается воздействию шумов и помех. Искаженный сигнал поступает на вход приемника. Структура приемной части является зеркальным отражением структуры передатчика – сигнал проходит через блоки, в обратном порядке осуществляющие преобразования, обратные по отношению к тем, что производились в передатчике. Прежде всего сигнал подвергается демодуляции, в процессе которой аналоговый модулированный сигнал преобразуется в цифровое сообщение. Далее осуществляется декодирование помехоустойчивого кода, при этом благодаря корректирующим свойствам кода возможно исправление части (или всех) ошибок, возникших в процессе передачи. После исправления ошибок следует декодирование источника – восстановление исходного сообщения. В соответствии с этой схемой можно выделить следующие группы функций библиотеки Communication Blockset среды MATLAB: функции моделирования и анализа сигналов; функции кодирования/декодирования источника; функции помехоустойчивого кодирования/декодирования; функции модуляции/демодуляции; функции моделирования каналов связи. Модуляторы и демодуляторы – самые распространенные устройства в технике связи, поскольку именно модуляция (процесс наложения информации на несущее колебание) обеспечивает принципиальную 13 возможность осуществления беспроводной связи. Поэтому библиотека блоков модуляции и демодуляции представлена очень широко и включает в себя следующие подразделы: Digita l Baseband (цифровая модуляция); Analog Passband ( аналоговая модуляция). Для понимания названий блоков, входящих в эти подразделы, на рисунках 2.2, 2.3 показана классификация видов и методов модуляции сигналов, принятая в пакете Communication Blockset. Modulation methods for analog signals Modulation methods for analog signals Phase modulation (PM) Phase modulation (PM) Quadrature amplitude modulation (QAM) Quadrature amplitude modulation (QAM) Frequency modulation (FM) Frequency modulation (FM) Amplitude modulation (AM) Amplitude modulation (AM) Single-sideband suppressed-carrier (SSB) Single-sideband suppressed-carrier (SSB) Double-sideband suppressed-carrier (DSB SC) Double-sideband suppressed-carrier (DSB SC) Modulation methods for digital signals Modulation methods for digital signals Phase shift keying (PSK) Phase shift keying (PSK) Quadrature amplitude shift keying (QASK) Quadrature amplitude shift keying (QASK) Frequency shift keying (FSK) Frequency shift keying (FSK) Amplitude shift keying (ASK) Amplitude shift keying (ASK) Minimum shift keying (MSK) Minimum shift keying (MSK) Рисунок 2.2 – Виды аналоговой и цифровой модуляции 14 Modulation methods for digital data Amplitude modulation Phase modulation Frequency modulation Continuous phase modulation Pulse amplitude modulation (PAM) Quadrature amplitude modulation (QAM) Phase shift keying (PSK) Differential phase shift keying (DPSK) Offset phase shift keying Frequency shift keying (FSK) Gaussian minimum shift keying (GMSK) Minimum shift keying (MSK) Continuous phase frequency shift keying (CPFSK) Рисунок 2.3 – Методы аналоговой и цифровой модуляции Глазковая диаграмма Глазковая диаграмма – это изображение, полученное в результате измерения отклика системы на заданные узкополосные сигналы. На вертикальные пластины осциллографа подается отклик приемника на случайную последовательность импульса, а на горизонтальные – пилообразный сигнал сигнальной частоты. Другими словами, горизонтальная временная развертка осциллографа устанавливается равной длительности символа (импульса). В течение каждого сигнального промежутка очередной сигнал накладывается на семейство кривых в интервале (0; Т). На рисунке 2.4 показана глазковая диаграмма, получаемая при двоичной антиподной (биполярные импульсы) передаче сигналов. Поскольку символы поступают из случайного источника, они могут быть как положительными, так и отрицательными, и отображение послесвечения электронного луча позволяет видеть изображение, имеющее форму глаза. Ширина открытия глаза указывает время, в течение которого должна быть проведена выборка сигнала. Разумеется, 15 оптимальное время взятия выборки соответствует максимально распахнутому глазу, что даст максимальную защиту от воздействия помех. Если в системе не используется фильтрация, т. е. если передаваемым информационным импульсам соответствует бесконечная полоса, то отклик системы даст импульсы идеальной прямоугольной формы. В этом случае диаграмма будет выглядеть уже не как глаз, а как прямоугольник. Диапазон разностей амплитуд, обозначенный через D A , является мерой искажения, вызванного межсимвольной интерференцией, а диапазон разностей времени перехода через нуль, обозначенный через J T – мерой неустойчивой синхронизации. На рисунке также показана мера запаса помехоустойчивости M N и чувствительность к ошибкам синхронизации S T . Чаще всего глазковая диаграмма используется для качественной оценки степени межсимвольной интерференции. По мере закрытия глаза ISI (inter symbol interference – межсимвольная интерференция) увеличивается, а по мере открытия – уменьшается. Рисунок 2.4 – Глазковая диаграмма Порядок выполнения Моделирование цифровой системы связи: постройте и настройте схему цифровой системы связи (рисунок 2.5), модель которой показана на рисунке 2.6, в соответствии с вариантом (таблица 2.1); 16 опишите все элементы схемы, для этого поочередно откройте каждый блок и изучите характеристики (рисунок 2.7); изменяя параметр сигнал/шум, заполните таблицу 2.2; постройте график зависимости вероятности появления ошибки от отношения сигнал/шум; изменяя фазу модулятора, заполните таблицу 2.3 (значение параметра сигнал/шум является постоянным); постройте график зависимости вероятности появления ошибки от изменения фазы; для исследования параметров канала связи постройте глазковые диаграммы на выходе КС и на выходе демодулятора при изменении отношения сигнал/шум и при изменении фазы. Рисунок 2.5 – Обобщенная структурная схема цифровой системы связи 17 Рисунок 2.6 – Simulink-модель цифровой системы связи Таблица 2.1 – Вариант задания № п/п Тип модуляции Тип канала связи 1 QPSK AWGN 2 BPSK Binary Symmetric 3 DBPSK Multipath Rayleigh Fading 4 QPSK AWGN 5 BPSK Multipath Rician Fading 6 DBPSK Binary Symmetric Таблица 2.2 – Результат моделирования цифровой системы связи SNR Количество ошибочных битов Количество принятых битов Вероятность появления ошибки (практическая) 1 2 3 4 5 6 7 Random Integer Random Integer Generator Normal Raised Cosine Transmit Filter2 Normal Raised Cosine Transmit Filter1 Error Rate Calculation Tx Rx Error Rate Calculation 0 0 101 Display Discrete-Time Eye Diagram Scope2 Discrete-Time Eye Diagram Scope1 Differential Encoder Differential Encoder Differential Decoder Differential Decoder BPSK BPSK Modulator Baseband BPSK BPSK Demodulator Baseband AWGN AWGN Channel 18 Продолжение таблицы 2.2 SNR Количество ошибочных битов Количество принятых битов Вероятность появления ошибки (практическая) 8 9 10 12 14 16 Рисунок 2.7 – Параметры согласующего фильтра 19 Таблица 2.3 – Результат моделирования Фаза Количество ошибочных битов Количество принятых битов Вероятность появления ошибки (практическая) 0 1/3pi 1/2pi 2/3pi pi 4/3pi 5/3pi 2pi |