Понеаснни. Моделирование систем связи в matlab
 Скачать 2.78 Mb.
|
|
1 Министерство информационных технологий и связи РФ Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики В.И. Носов, Р.С. Тимощук, Н.В. Дроздов МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ СВЯЗИ В MATLAB Учебное пособие Новосибирск 2006 г. 2 621.396.43 Дтн, профессор Носов В.И., Тимощук Р.С., Дроздов Н.В. МОДЕЛИРОВА- НИЕ СИСТЕМ СВЯЗИ В СРЕДЕ MATLAB: Учебное пособие/СибГУТИ. – г. Новосибирск, 2006 г. – 170 стр. В учебном пособии излагаются: – полосовая модуляция и демодуляция: критерии линейного кодирования сигналов; методы цифровой полосовой модуляции; сигналы MPSK, M- QAM и их векторное представление; замирания вследствие многолучевого распространения; реальные АЧХ и ФЧХ канала связи; – помехоустойчивое кодирование в системах телекоммуникаций: основные понятия и определения теории кодирования; выявление ошибок; блочные коды с коррекцией ошибок; сверточные коды; скремблирование и чередо- вание блоков; – принципы компьютерного моделирования в среде MATLAB 7.0: описание исследуемой модели; особенности моделирования в Simulink; – исследование влияния вида модуляции сигнала М-КАМ и М-ФМ на коэф- фициент битовых ошибок и полосу, занимаемую модулированным сигна- лом; – исследование влияния способов кодирования сигнала на помехоустойчи- вость канала радиосвязи. Кафедра систем радиосвязи Ил. 69, табл. 10, список лит. - 14 наимен. Рецензенты: Для специальностей: направление 210400 – телекоммуникации Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве учеб- ного пособия © Сибирский государственный университет телекоммуника- ций и информатики, 2006 г. 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6 1 ПОЛОСОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ ................................... 9 1.1 Критерии линейного кодирования сигналов .......................................... 9 1.2 Методы цифровой полосовой модуляции ............................................ 12 1.3 Оценка качества приема в цифровых системах связи ......................... 14 1.4 Фазовая манипуляция PSK ..................................................................... 15 1.5 Вероятность ошибки при когерентном обнаружении сигнала BPSK 16 1.6 Дифференциальная фазовая манипуляция DPSK ................................ 20 1.7 Вероятность ошибки при некогерентном обнаружении сигнала BDPSK 21 1.8 Сигналы MPSK и их векторное представление ................................... 22 1.9 Вероятность символьной ошибки для модуляции MPSK ................... 24 1.10 Квадратурная амплитудная модуляция M-QAM .................................. 25 1.11 Замирания вследствие многолучевого распространения .................... 27 1.12 Реальные амплитудные и фазовые характеристики передающих устройств ................................................................................................................ 28 Контрольные вопросы .......................................................................................... 30 2 ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЕ КОДИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ................................................................................... 31 2.1 Роль и место помехоустойчивого кодирования в системах телекоммуникаций ................................................................................................ 31 2.2 Дискретный канал связи ......................................................................... 33 2.3 Основные понятия и определения теории кодирования ..................... 34 2.4 Кодирование и защита от ошибок ......................................................... 36 2.4.1 Циклическая проверка четности с избыточностью ....................... 38 2.4.2 Блочные коды с коррекцией ошибок .............................................. 43 2.4.3 Сверточные коды .............................................................................. 61 2.4.4 Чередование блоков .......................................................................... 67 2.4.5 Скремблирование .............................................................................. 72 Контрольные вопросы .......................................................................................... 73 3 ПРИНЦИПЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В СРЕДЕ MATLAB 7.0 ............................................................................................................ 74 3.1 История возникновения системы MATLAB .......................................... 74 3.2 Simulink – общие сведения ...................................................................... 77 3.3 Описание исследуемой модели .............................................................. 78 3.4 Особенности моделирования в Simulink ............................................... 79 4 3.5 Генераторы: генератор псевдослучайной двоичной последовательности .............................................................................................. 81 3.6 Модуляторы и демодуляторы ................................................................ 82 3.6.1 Узкополосный модулятор М-PSK (M-PSK Modulator Baseband) ............................................................................................ 82 3.6.2 Узкополосный модулятор М-DPSK (M-DPSK Мodulator Baseband) ............................................................................................ 83 3.6.3 Узкополосный модулятор M-QAM (Rectangular QAM Мodulator Baseband) .......................................................................... 84 3.7 Имитаторы каналов и характеристик приемо-передающего тракта .. 85 3.7.1 Канал с аддитивным белым Гауссовским шумом (AWGN Channel) .............................................................................................. 85 3.7.2 Канал с замираниями Райса (Rician Fading Channel) .................... 85 3.7.3 Канал с замираниями Релея (Multipath Rayleigh Fading Channel) .............................................................................................. 86 3.7.4 Модель нелинейных характеристик (Memoryless Nonlinearity) ....................................................................................... 87 3.8 Цифровые фильтры ................................................................................. 87 3.9 Канальное кодирование .......................................................................... 88 3.9.1 Error Detection and Correction – Обнаружение и исправление ошибок ......................................................................... 89 3.9.2 Interleaving – перемежение .............................................................. 95 3.9.3 Scrambling – скремблирование ........................................................ 99 3.10 Устройства графического отображения ................................................ 99 3.10.1 Осциллограф (Scope) ........................................................................ 99 3.10.2 Анализатор спектра (Spectrum Scope) ........................................... 100 3.10.3 Вектограф (Discrete-Time Scatter Plot Scope) ............................... 101 3.11 Устройства регистрации и подсчета ошибок ..................................... 102 3.11.1 Счетчик ошибок (Error Rate Calculation) ...................................... 102 3.11.2 Дисплей (Display) ............................................................................ 102 3.12 Панель обобщения результатов моделирования (BERTool GUI) ..... 102 Контрольные вопросы ........................................................................................ 105 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛА НА КОЭФФИЦИЕНТ БИТОВЫХ ОШИБОК И ПОЛОСУ ДЛЯ МОДУЛЯЦИЙ М-КАМ И М-ФМ ................................................................................................ 106 4.1 Цель исследования ................................................................................ 106 4.2 Сравнение помехоустойчивости разных видов модуляции в условиях белого Гауссовского шума ................................................................................. 106 4.2.1 Критерии оценки системы ............................................................. 106 4.2.2 Сравнение M-PSK и M-DPSK на примере BPSK и BDPSK ......... 109 4.2.3 Сравнение M-PSK и M-QAM .......................................................... 111 5 4.3 Исследование эффективности использования частотного спектра при различных видах модуляции .............................................................................. 112 4.3.1 Производительность ....................................................................... 112 4.3.2 Плоскость "полоса-эффективность" ............................................. 113 4.3.3 Эффективность использования полосы при выборе схем MPSK и MQAM ................................................................................ 115 4.4 Оценка влияния замираний на модулированный сигнал .................. 115 4.4.1 Понятие замираний ......................................................................... 115 4.4.2 Воздействие замираний .................................................................. 117 4.5 Влияние нелинейной характеристики на модулированный сигнал . 120 Контрольные вопросы ........................................................................................ 124 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБОВ КОДИРОВАНИЯ СИГНАЛА НА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ КАНАЛА РАДИОСВЯЗИ .... 125 5.1 Спецификация различных типов кодеров ........................................... 125 5.2 Перемежение .......................................................................................... 126 5.3 Результаты исследования ..................................................................... 127 5.4 Выводы ................................................................................................... 131 Контрольные вопросы ........................................................................................ 132 6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................... 133 7 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................... 136 8 ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ............................................................ 137 8.1 Лабораторная работа №1 ...................................................................... 137 8.2 Лабораторная работа №2 ...................................................................... 142 8.3 Лабораторная работа №3 ...................................................................... 147 8.4 Лабораторная работа №4 ...................................................................... 151 8.5 Лабораторная работа №5 ...................................................................... 155 8.6 Лабораторная работа №6 ...................................................................... 159 Список сокращений ............................................................................................ 163 6 ВВЕДЕНИЕ Телекоммуникации как часть инфраструктуры общества служат одним из источников обеспечения функционирования и подъема экономики государства. На рубеже XXI века телекоммуникации оказались одной из наиболее быстро развивающихся частей общества. При этом темпы развития мировой телекоммуникационной отрасли в 2 раза превышают темпы роста всей мировой экономики. В настоящее время объем доходов отрасли превышает триллион долларов, причем 70% этой суммы приходится на услуги, а 30% - на продажу оборудования связи. Наступивший XXI век, по мнению большинства аналитиков многих стран, станет веком перехода от индустриального общества к информационному, в основе которого будет лежать информационная инфраструктура, во многом определяемая создаваемыми беспроводными телекоммуникационными системами. Одной из наиболее быстро развивающихся отраслей связи сегодня является мобильная связь. Стремление обеспечить связь с любым абонентом, где бы он ни находился, является естественным и понятным. В настоящее время это становится возможным благодаря внедрению мобильных сетей, использующих наземные и спутниковые системы радиосвязи. Современный период развития сотовой связи характеризуется повсеместным распространением систем сотовой связи второго поколения, постепенным свертыванием аналоговых систем (первого поколения) и созданием первых фрагментов сетей третьего поколения. Широкое распространение получают новые технологии и прежде всего Интернет. Дальнейшее развитие подвижной связи в России должно происходить путем использования в основном европейских технологий в направлении постепенной замены аналоговых сетей цифровыми, создания многодиапазонных сетей GSM, укрупнения существующих и создания новых сетей, эволюции существующих цифровых сетей к предоставлению высокоскоростных услуг, развертывания сетей третьего поколения на основе европейской версии UMTS международного стандарта IMT-2000. Сети радиодоступа предназначены для беспроводного подключения абонентов к телефонной сети общего пользования. Они находят все большее применение, являясь в ряде случаев единственно разумным вариантом присоединения абонента к ТФОП. Известно, что организация доступа составляет 60% затрат на инфраструктуру сети связи. Технология доступа определяет величину доходов и прибыли оператора. При ее выборе необходимо учитывать: требуемую для организации доступа ширину спектра частот; соотношение цены и качества; 7 скорость установки и наладки; Современные сети и системы передачи информации охватывают все стороны деятельности человека. В системах связи стали передавать цифровые сигналы с более высокими требованиями к достоверности передаваемой информации, а удовлетворить этим требованиям совершенствованием линий связи, увеличением излучаемой мощности, снижением собственного шума приемных устройств зачастую оказывается экономически невыгодно или же просто невозможно. В соответствии с теоремой Шеннона, для дискретных каналов связи (ДКС) с помехами, информация в таких каналах может передаваться со сколь угодно высокой степенью достоверности при условии, что скорость передачи информации не превышает пропускной способности канала. Помехоустойчивость (достоверность), как известно, определяется способностью системы противостоять вредному влиянию помех или, другими словами, это способность системы связи функционировать с требуемым качеством передачи информации в условиях неблагоприятных внутренних и внешних воздействий. Количественной мерой помехоустойчивости при передаче дискретных сообщений, как правило, является вероятность ошибки в принимаемой последовательности. Основным средством обеспечения высокой помехоустойчивости сложной системы, при этом, является введение избыточности, необходимой для обнаружения и исправления ошибок, возникающих при работе системы и ее элементов. Теоретической базой эффективного использования вводимой избыточности является теория помехоустойчивого кодирования. Помехоустойчивые (или корректирующие) коды имеют различные приложения. Так эти коды используются для защиты данных в вычислительных устройствах и сетях, системах хранения данных, спутниковых и навигационных системах, в сотовых телефонах и пейджерах, коды могут быть использованы для получения надежной связи даже тогда, когда мощность принимаемого сигнала близка к мощности шумов. В специальных приложениях коды используются для защиты информации против преднамеренно организованных помех. В данной работе проводится исследование влияния способов кодирования сигнала на помехоустойчивость канала радиосвязи при изменении его характеристик. Исследование базируется на блочной модели системы цифровой радиосвязи, реализованной с помощью программного пакета MATLAB 7.0. Пакет MATLAB является универсальной средой для моделирования любых систем, в том числе и телекоммуникационных, и предоставляет пользователю уникальную возможность экспериментально исследовать интересующую его систему без использования какого-либо оборудования, кроме персонального компьютера. Метод блочного моделирования, примененный в исследовании, позволяет не описывать математически всю 8 модель целиком, используя языки программирования, а составить её, используя уже заложенные в программе SIMULINK (расширение программного пакета MATLAB) блоки, варьируя настройки которых, можно добиться нужных параметров системы. В исследовании используется упрощенная модель цифровой системы радиосвязи (ЦСРС), включающая в себя: генератор сигнала, кодер канала, модулятор, модель канала, демодулятор, декодер, а также ряд вспомогательных блоков. Система MATLAB является научным инструментом высокой степени сложности. В связи с этим любое исследование, проводимое в среде MATLAB, требует не только превосходного знания предмета исследования, но и профессиональных навыков моделирования систем с помощью предлагаемых инструментов, что заметно сказывается на временных и трудозатратах при создании рабочей модели. На сегодняшний день полностью русскоязычной версии программы не существует, что требует дополнительных знаний в области технического английского языка. 9 1 ПОЛОСОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ 1.1 Критерии линейного кодирования сигналов Прежде всего, имеет смысл дать определения некоторых терминов. Цифровой сигнал – это последовательность дискретных импульсов напряжения. Каждый импульс представляет собой сигнальную посылку. Для передачи двоичных данных каждый бит данных кодируется сигнальной посылкой. В простейшем случае существует взаимно однозначное соответствие между битами и сигнальными посылками (рисунок 1.1). Здесь двоичный «0» представляется более низким уровнем напряжения, а двоичная «1» – более высоким. Подобным образом цифровой поток данных можно закодировать в аналоговый сигнал как последовательность сигнальных посылок, причем каждая сигнальная посылка – это импульс постоянной частоты, фазы и амплитуды, соответствующий определенному двоичному числу. Для этого должно существовать взаимно однозначное соответствие между элементами данных (битами) и аналоговыми сигнальными посылками. Скорость передачи данных R – это количество переданных бит за секунду. Длительностью или длиной бита называется время, затрачиваемое передатчиком на излучение этого бита; при скорости передачи данных R длина бита равна 1 b T R сек. Цифровой сигнал в большинстве случаев передаётся по линиям связи не в двоичной форме, а после определённых преобразований, производимых с целью улучшения помехоустойчивости и спектральных характеристик, такие преобразования называют линейным кодированием или модуляцией [14]. Модуляция – это процесс, посредством которого символы сообщений или канальные символы (если используется канальное кодирование) преобразуются в сигналы, совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных. Скоростью модуляции называется скорость изменения уровня сигнала. Скорость модуляции измеряется в бодах, 1 бод соответствует одной сигнальной посылке в одну секунду. В случае полосовой модуляции (passband modulation) импульсы заданной формы модулируют синусоиду, называемую несущей частотой (carrier frequency), или просто несущей (carrier); для радиопередачи на нужное расстояние [1, 12]. Полосовая модуляция имеет и другие важные преимущества при передаче сигналов. При использовании одного канала более чем одним cигналом, модуляция может применяться для разделения различных сигналов. Один из таких методов – уплотнение с частотным разделением (frequency-division multiplexing – FDM). Модуляция может использоваться и для минимизации последствий интерференции. Класс схем модуляции, известный как модуляция расширенным спектром, требует полосы, 10 значительно превышающей минимальную полосу, необходимую для передачи сообщения. Кроме того, модуляция может использоваться для перемещения сигнала в диапазон частот, в котором легко удовлетворяются специфические конструктивные требования, например, относящиеся к фильтрации и усилению. Примером такого применения модуляции является преобразование в приемнике радиочастотных сигналов в сигналы промежуточной частоты. Рисунок 1.1 – Воздействие шума на цифровой сигнал Задачи, входящие в интерпретацию цифровых сигналов в приемнике, можно обобщить, снова обратившись к рисунку 1.1. Во-первых, приемник должен знать распределение сигналов во времени. Иначе говоря, приемник должен, с определенной точностью, знать, где бит начинается и где – заканчивается. Во-вторых, приемник должен определить уровень каждого двоичного разряда: высокий он «1» или низкий «0». На рисунке 1.1 для 11 выполнения этих задач в середине интервала каждого двоичного разряда производится выборка, после чего полученная величина сравнивается с пороговым значением. Как можно видеть на том же рисунке, помехи и другие искажения могут приводить к ошибочным результатам. То, насколько успешной будет интерпретация сигнала, поступившего в приемник, главным образом зависит от трёх факторов: отношения сигнал/шум, скорости передачи данных и ширины полосы. При фиксированных остальных параметрах справедливы следующие утверждения: – увеличение скорости передачи данных приводит к увеличению скорости появления ошибочных битов, или, что тоже самое, к увеличению частоты битовых ошибок (ВЕR – bit error rate); – увеличение отношения сигнал/шум уменьшает скорость появления ошибочных битов; – увеличение ширины полосы позволяет увеличить скорость передачи данных. Существует еще один фактор, позволяющий увеличить производительность – выбор схемы линейного кодирования. Схема кодирования представляет собой простое отображение информационных битов в сигнальные посылки. При выборе конкретной схемы в первую очередь обращают внимание на следующие параметры и показатели [5, 11, 13]. |