Понеаснни. Моделирование систем связи в matlab
 Скачать 2.78 Mb.
|
|
5.1 Спецификация различных типов кодеров Главная задача канального кодирования – улучшение рабочих характеристик (вероятности ошибки, E b /N 0 или пропускной способности) за 126 счет полосы пропускания. Канальное кодирование состоит из двух частей: кодирование формы сигнала и структурированные последовательности. Кодирование формы сигнала представляет собой преобразование сигналов в усовершенствованные сигналы, которые дают улучшенные пространственные характеристики (по сравнению с исходными сигналами). Структурированные последовательности подразумевают добавление к данным избыточных разрядов, что позволяет обнаруживать и/или исправлять определенные модели ошибки. Для двоичных блочных кодов была исследована исправляющая способность циклических кодов БЧХ, которые сравнительно легко реализуются с помощью современных технологий интегральных схем. В качестве двоичного блочного кодера был использован кодер БЧХ (BCH Encoder). Коды Рида-Соломона – важный класс недвоичных блочных кодов, специально применяемых для коррекции пакетных ошибок. Коды Рида- Соломона особенно привлекательны, поскольку эффективность кода растет с его длиной. При большой длине блока коды можно сконфигурировать таким образом, что время декодирования будет значительно меньше, чем у других кодов с той же длиной блока. Это связано с тем, что декодер работает с целыми символами, а не битами. Следовательно, для 8-битовых символов арифметические операции будут выполняться на уровне байтов. По сравнению с двоичными кодами той же длины это повышает не только сложность логики, но и производительность. В качестве кодера Рида- Соломона использовалась модель устройства Binary RS Encoder. В течение последних десяти лет наиболее популярной схемой кодирования являлась сверточная, поскольку почти во всех приложениях сверточные коды лучше блочных при той же конструктивной сложности кодера и декодера. Для каналов спутниковой связи схемы прямого исправления ошибок позволяют легко понизить на 5-6 дБ требуемое значение SNR для заданной достоверности передачи. Из этой эффективности кодирования непосредственно вытекает снижение эффективной изотропной излучаемой мощности спутника (effective isotropic radiated power – EIRP), что, соответственно, приводит к снижению веса и стоимости спутника. В качестве сверточного кодера использовалась модель устройства Convolutional Encoder с декодером Витерби (Viterbi Decoder). 5.2 Перемежение Методика чередования (перемежения) позволяет, без потерь в качестве, использовать большинство блочных и сверточных схем кодирования в каналах с импульсными помехами или периодическим замиранием. В данном исследовании была проанализирована работа двух классов перемежителей: блочных и сверточных. В качестве блочных перемежителей были использованы следующие устройства: матричный диагональный 127 перемежитель (Matrix Helical Scan Interleaver),псевдослучайный перемежитель (Random Interleaver), а так же сверточный перемежитель (Convolutional Interleaver). 5.3 Результаты исследования С помощью специального инструмента анализа BERTool программного пакета MATLAB были получены графики зависимости коэффициента битовых ошибок BER от отношения сигнал/шум при различных параметрах радиотракта. Основные параметры системы: Скорость информационных бит 100 Мбит/с; Вид модуляции QAM-128; Скорость кода: BCH 64/127; RS (63/127)x7; Convolutional 1/2; Глубина перемежения 1000 бит. 1. Исследование влияния различных способов кодирования на коэффициент битовых ошибок (BER) при воздействии аддитивного белого гауссовского шума, (рисунок 5.1). Рисунок 5.1 – Зависимость BER от отношения 0 b E N при воздействии АБГШ, при использовании различных видов избыточного кодирования. Модуляция: QAM-128 128 Анализ: Распределение ошибок носит случайный характер. Они не группируются и, следовательно, декодерам легче производить их коррекцию. Сверточное кодирование дает заметный выигрыш по коэффициенту BER при большом отношении сигнал/шум. Хотя при малой энергии сигнала декодеры начинают размножать ошибки (особенно сверточный код) и коэффициент BER становится даже больше, чем без использования кодирования. 2. Исследование влияния различных способов кодирования на коэффициент битовых ошибок (BER) при воздействии Аддитивного белого гауссовского шума и Райсовских замираний (К = 40), (рисунок 5.2). Основные параметры среды распространения: 0 b E N [0..14] дБ; К 40 ; Максимальный Допплеровский сдвиг 5 Гц. Рисунок 5.2 – Зависимость BER от отношения 0 b E N при воздействии АБГШ и Райсовских замираний (К = 40), при использовании различных видов избыточного кодирования. Модуляция: QAM-16 129 Анализ: Имеет место некоторое группирование ошибок. Отношение энергии сигнала, проходящего в прямом направлении к энергии всех отраженных сигналов (K) велико. Перемежителю легко удается рассредоточить ошибки во времени. Поэтому коды ведут себя аналогично ситуации при воздействии только АБГШ. 3. Исследование влияния различных способов кодирования на коэффициент битовых ошибок (BER) при воздействии аддитивного белого гауссовского шума и Райсовских замираний (К = 20), (рисунок 5.3). Основные параметры среды распространения: 0 s E N [0..14] дБ; К 20 ; Максимальный Доплеровский сдвиг 5 Гц. Рисунок 5.3 – Зависимость BER от отношения 0 b E N при воздействии БГШ и Райсовских замираний (К = 20) ), при использовании различных видов избыточного кодирования. Модуляция: QAM-16 130 Анализ: Очень низкий коэффициент К не позволяет перемежителю разгруппировать ошибки. Плотность пакетов ошибок настолько велика, что декодеры теряют свою исправляющую способность и начинают активно размножать ошибки. 4. Исследование влияния различных способов кодирования на коэффициент битовых ошибок (BER) при воздействии аддитивного белого гауссовского шума и Релеевских замираний, (рисунок 5.4). Основные параметры среды распространения: 0 Es N [0..14] дБ; Максимальный Доплеровский сдвиг 1 кГц. Рисунок 5.4 – Зависимость BER от отношения 0 b E N при воздействии АБГШ и Релеевских замираний), при использовании различных видов избыточного кодирования. Модуляция: QAM-16 Анализ: Релеевские замирания являются наиболее тяжелым случаем как для демодуляции так и для декодирования. Большие пакеты ошибок с выхода модулятора не позволяют исправлять ошибки в кодовых комбинациях даже с использованием большой глубины перемежения. Самым 131 неэффективным кодом в данной ситуации является сверточный код. Это происходит вследствие его главной особенности – сверточные коды со степенью кодирования 1/n сохраняют в памяти предыдущие К - 1 бит, где К означает длину кодового ограничения. С такой памятью кодирование каждого входного бита данных зависит не только от значения этого бита, но и от предшествующих ему К - 1 бит. 5.4 Выводы По результатам исследования были получены графики зависимости коэффициента битовых ошибок BER от отношения 0 b E N при различных параметрах радиотракта. Наиболее эффективным кодом при работе с каналом с аддитивным белым гауссовским шумом является сверточный код. На сегодняшний день сверточное кодирование с обратной связью является наиболее широко применяемым в системах с коррекцией ошибок. Циклический код находит применение в системах с обнаружением ошибок, вследствие его превосходной обнаруживающей способности. При работе с радиотрактами, где имеют место замирания, используются специальные методы эквалайзинга и перемежения большой глубины совместно с блочным и сверточным кодированием. 132 Контрольные вопросы 1. Назначение генератора псевдослучайной последовательности в рассматриваемых моделях канала. 2. Чем отличаюся блочные и сверточные коды. 3. Назначение перемежения символов в каналах связи. 4. Поясните зависимость вероятности ошибки от отношения 0 b E N в канале с АБГШ для различных кодов. 5. Поясните зависимость вероятности ошибки от отношения 0 b E N в канале с АБГШ и Райсовских замираний для различных кодов. 6. Поясните зависимость вероятности ошибки от отношения 0 b E N в канале с АБГШ и Релеевских замираний для различных кодов. 133 6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе представлено исследование влияния методов модуляции, канального кодирования и реальных характеристик радиотракта на помехоустойчивость приема в системах цифровой радиосвязи. Методы модуляции M-PSK и M-QAM успешно применяются в системах радиорелейной и спутниковой связи, устройствах беспроводного абонентского доступа, сетях сотовой связи и т.д. Важной особенностью, обуславливающей применение этих видов модуляции, является возможность достижения компромисса между помехоустойчивостью системы и скоростью передачи информации в ней, а также относительная простота реализации устройств. В данной работе были проведены исследования характеристик модулированных сигналов с точки зрения помехоустойчивости и эффективности использования частотного диапазона. Исследование проведено на базе компьютерной модели, реализованной в системе MATLAB. В работе также продемонстрированы возможности MATLAB для моделирования систем связи, на примере простейшей модели системы телекоммуникаций. Свойства многофазовых сигналов были рассмотрены в условиях белого Гауссовского шума и замираний Релея и Райса, и при воздействии нелинейных характеристик приемно-передающего тракта. Было показано, что из трех методов фазовой модуляции – PSK и DPSK с когерентным и некогерентным обнаружением – наиболее помехоустойчивым является модуляция PSK, что обуславливает широкое практическое применение её вариантов BPSK и QPSK в сотовых сетях второго поколения (IS-95, W- CDMA) и некоторых реализациях стандарта IEEE 802.11. Однако, помехоустойчивость в некоторых случаях является менее приоритетной задачей по сравнению с простотой исполнения системы. В этих случаях предпочтение может отдаваться менее сложной, с точки зрения практической реализации, модуляции DPSK. Этот вид модуляции немногим уступает PSK в помехоустойчивости (в пределах 1-2 дБ), из-за чего применяется например в системах транкинговой связи стандарта PWT, в стандарте сотовой связи IS- 136 ( /4 DQPSK) и в реализациях 802.11 не требующих высоких скоростей передачи информации (DBPSK, DQPSK). Для обеспечения наибольших скоростей передачи применяется модуляция вида M-QAM. Сигналы QAM являют собой пример более эффективного использования спектра, чем у сигналов M-PSK. В частности, 16-ти позиционная QAM модуляция по сравнению с 8-PSK при помехозащищенности худшей примерно на 1,5 дБ характеризуются скоростью передачи информации большей на одну треть. Но при этом, при увеличении позиционности, помехоустойчивость QAM модуляции значительно понижается, что требует введения более мощного избыточного кодирования. Таким образом, применение QAM наиболее оправдано в 134 высокоскоростных системах передачи данных, работающих в условиях малых помех. Примеры областей применения QAM: стандарт IEEE 802.11 (скорости 24Мбит/с – 54Мбит/с) – 16-QAM, 64-QAM; спутниковые системы связи; радиорелейные линии связи. Исследование воздействия нелинейных характеристик приемно- передающего тракта привело к выводам, что преобразование амплитудной модуляции в амплитудную модуляцию (AM-to-AM conversion) негативно сказывается на сигналах основанных на модулировании амплитуды (QAM), но практически не влияет на сигналы на основе модулирования фазы с малым M (2-, 4-, 8-PSK); а переход амплитудной модуляции в фазовую (AM- to-PM conversion) негативно влияет на достоверность передачи при использовании любой схемы, основанной на модулировании фазы. Исследование влияния замираний Райса и Релея на модулированные сигналы показало, что замирания крайне негативно влияют на помехоустойчивость радиоканала, приемлемая помехоустойчивость достигается исключительно при большом отношении сигнал/шум и незначительном влиянии замираний. На практике эта проблема решается применением комплексных методов борьбы с замираниями (избыточное кодирование в сочетании с перемежением, эквалайзинг, использование RAKE приемников и пр.), рассмотрение которых выходит за рамки данного исследования. Вторая часть исследования посвящена влиянию способов кодирования сигнала на помехоустойчивость канала радиосвязи. Здесь подробно рассмотрено поведение различных типов кодов, проведен сравнительный анализ кодеров и декодеров по эффективности, сложности реализации и областям применения. Так было показано, что циклические блочные коды в основном используются при обнаружении ошибок в системах с циклической проверкой четности с избыточностью (CRC). Они позволяют обнаруживать одиночные и множественные ошибки при внесении очень малой избыточности (в протоколе Ethernet – около 4%). Для систем с исправлением ошибок используют сверточное кодирование. Почти во всех приложениях сверточные коды лучше блочных при той же конструктивной сложности кодера и декодера. Для каналов спутниковой связи схемы прямого исправления ошибок позволяют легко понизить на 5-6 дБ требуемое значение SNR для заданной достоверности передачи. Коды Рида-Соломона особенно привлекательны, поскольку эффективность кода растет с его длиной. При большой длине блока коды можно сконфигурировать таким образом, что время декодирования будет значительно меньше, чем у других кодов с той же длиной блока. Это связано с тем, что декодер работает с целыми символами, а не битами. На практике, для повышения эффективности кодирования используют каскадные коды – сочетание сверточного кодирования и кодов Рида-Соломона. 135 Среда MATLAB 7.0 является удобным инструментом для практического подтверждения теоретических выкладок. В программе Simulink, входящей в пакет MATLAB очень качественно реализованы модели реальных устройств и процессов, с помощью которых можно проверить достоверность теоретических результатов не используя реальных устройств и сред, и не описывая модели в виде сложных и больших программ. Удобный интерфейс и богатые функциональные возможности MATLAB позволяют не только на практике подтверждать описанные теоретически модели, но и исследовать совершенно новые системы и ставить сложнейшие эксперименты, подтверждая или опровергая существующие гипотезы. Проведенное исследование на практике доказало теоретически полученные зависимости. Сконструированная модель системы радиосвязи является базой для продолжения исследований в области телекоммуникаций. В дальнейшем можно использовать данную модель в качестве ядра по следующим направлениям: Исследование реальных систем цифровой радио и проводной связи; Построение моделей новых систем и отдельных устройств для практического обоснования современных теоретических исследований; Создание моделей для интерактивного обучения студентов и аспирантов на лабораторных занятиях. 136 7 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1 Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. : Пер. с англ. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с. : ил. – Парал. тит. англ. 2 Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети. : Пер. с англ. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. – 640 с. : ил. – Парал. тит. англ. 3 Макаров А.А., Прибылов В.П. Помехоустойчивое кодирование в системах телекоммуникаций. Учебное пособие. /СибГУТИ. – Новосибирск, 2004. – 142 с.: ил. 4 В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2005. – 864 с.: ил. 5 Беллами Дж. Цифровая телефония: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1986. – 544с. 6 Крук Б.И., Попантунгполо В.Н., Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3т. Том 1 / Под ред. В.П. Шувалова. – Новосибирск.: СибГАТИ, 1997.– 464с. 7 www.telesputnik.ru/archive/all/n70/58.html 8 www.exponenta.ru 9 www.matlab.ru 10 www.mathworks.ru 11 Телекоммуникационные системы и сети. Т.2: Учебное пособие / Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П., Носов В.И., и др. – Новосибирск: ЦЭРИС, 2000. – 624 с. 12 Носов В.И. Радиорелейные линии синхронной цифровой иерархии. Часть 1 – Многоуровневые кодеры, модемы и эквалайзеры. Учебное пособие. УМО по специальности связь. – Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. – 156 с. 13 Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах.Том 2 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение / Г.П. Катунин, Г.В. Мамчев, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шувалов, В.И. Носов и др.; под ред. профессора В.П. Шувалова. – Изд. 2 – е, испр. и доп. – М:. Горячая линия – Телеком, 2004. 672 с.: ил. 14 В.И. Носов Основы цифровой передачи сигналов и построения радиорелейных линий синхронной цифровой иерархии Учебное пособие. УМО по специальности связь. – Новосибирск.: СибГУТИ, 2005. – 256 с 137 8 ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ВВЕДЕНИЕ Лабораторный практикум содержит комплекс лабораторных, реализованных в системе MATLAB 7.0 предназначено для студентов, изучающих курсы «Сети подвижной связи», «Электромагнитная совместимость радиосредств», «Спутниковые и радиорелейные системы передачи», |