Понеаснни. Моделирование систем связи в matlab
 Скачать 2.78 Mb.
|
|
«Беспроводные сети доступа» специальность 210404 и «Системы радиосвязи и телевизионного вещания», «Цифровые системы передачи», «Электромагнитная совместимость радиосредств», специальность 210405 специальность 210404, магистрантов, изучающих курс «Сети радиодоступа» специальность 210404. Практикум подразумевает предварительное изучение теоритических сведений в размере соответствующей главы данного учебногопособия перед выполнением лабораторной работы. Основой для лабораторных работ являются модели, выполненные в Simulink. 8.1 Лабораторная работа №1 «Исследование многопозиционной фазовой модуляции» Цель работы 1.1 Освоение основных принципов моделирования в среде MATLAB 1.2 Знакомство с многопозиционными методами модуляции 1.3 Приобретение навыков по исследованию характеристик модулированного сигнала M-PSK Подготовка к работе 1.4 Изучить принципы моделирования в среде MATLAB по учебному пособию (разделы 3.1 – 3.4) 1.5 Изучить принципы многопозиционной фазовой модуляции M-PSK и её характеристики (раздел 1.2 – 1.9) Описание лабораторной модели Лабораторная модель представленная на рисунке 1 представляет собой совокупность элементов, образующих упрощенную модель системы радиосвязи. Элементы лабораторной модели: 138 Генератор псевдослучайной последовательности Бернулли (Bernoulli binary generator); Фазовый модулятор (Modulator); Канал с аддитивным белым Гауссовским шумом (additive white gauss noise channel, AWGN channel); Фазовый демодулятор (Demodulator); Счетчик ошибок; Осциллограф (Scope); Спектроскоп (Spectrum scope); Вектограф (Scatter Plot); Дисплеи для отображения параметров модели; Блок задержки нулевого порядка (Zero order hold). Рисунок 8.1 – Лабораторная модель Принцип работы лабораторной модели: Цифровой сигнал в коде NRZ , генерируемый блоком Bernoulli binary generator поступает на вход фазового модулятора со скоростью 0,1 Мбод/с. Там он модулирует несущую частоту 200 КГц согласно принципам М- позиционной фазовой модуляции (M-PSK – M-arry phase shift keying modulation). Модулированный сигнал поступает в канал, где на него 139 накладывается аддитивный белый гауссовский шум (AWGN). Уровень шума в канале регулируется параметром 0 b E N . После прохождения канала AWGN сигнал подается на вход фазового демодулятора, где происходит обратное преобразование из аналогового сигнала в цифровой; после чего производится подсчет ошибок приема. Количество ошибок определяется путем сравнения двух цифровых сигналов: исходного и прошедшего через канал связи. Цель этой процедуры – определить степень мешающего влияния белого шума на помехоустойчивость приёма. Информация о количестве неверно принятых бит, общем числе переданных бит и коэффициенте ошибок по битам (Bit error rate – BER) обрабатывается блоком подсчета ошибок и отображается на дисплее. Четыре других дисплея, размещенных в левой нижней части экрана, отображают текущее состояние настроек модели: 0 b E N – отношение сигнал/шум в канале; М – позиционность модуляции; Speed – скорость символов генератора; Carrier – несущая частота. Для наблюдения за сигналом в различных точках модели используются блоки графического отображения: осциллограф Scope, спектроскоп Spectrum Scope и вектографы Scatter plote scope 1 и 2. Основные сведения для работы с моделью Запуск и остановка работы модели осуществляется кнопками Start simulation и Stop simulation , расположенными на рабочей панели Simulink. Изменение позиционности модуляции производится из командной строки основного окна программы. Например, чтобы установить кратность модуляции равной 8 в командной строке главного окна программы нужно ввести М = 8. Аналогично изменяется и отношение сигнал/шум в канале с AWGN (имя параметра – « 0 b E N »). Просмотр осциллограмм осуществляется двойным щелчком на иконке осциллографа после остановки симуляции. В окне просмотра осциллограмм доступны функции изменения масштаба: o увеличение масштаба по оси X – кнопка Zoom X axis ; o увеличение масштаба по оси Y – кнопка Zoom Y axis ; o уменьшение масштаба – команды Zoom Out или Autoscale контекстного меню (вызывается правой кнопкой мыши). Окна вектограмм появляются на экране автоматически после запуска модели. 140 Окно спектрограммы появляется при установленном флажке Open scope at start of simulation на вкладке Display properties настроек спектрографа. Начало работы В начале работы следует запустить основное окно программы MATLAB 7, щелкнув на ярлыке MATLAB 7 из каталога “C:\MATLAB7”. Затем необходимо открыть файл “awgn_PSK”, пользуясь либо проводником в левой части экрана либо меню File Open. Файл находится в каталоге «C:\MATLAB7\work\Lab1\awgn _PSK_passband». Порядок выполнения работы 1 Изучить структурную схему модели, пояснить назначение элементов схемы. Ознакомится с основными сведениями по работе с моделью. 2 Изучение характеристик различных видов модуляции. 2.a Пронаблюдать вектограммы для различных видов модуляции: 2- PSK,4-PSK, 8-PSK и 16-PSK. 2.b Определить сдвиг фазы (в градусах) между двумя произвольными точками на каждой вектограмме. Зарисовать вектограммы для 2,4,8-PSK. 2.c Пронаблюдать осциллограммы для 2, 4, 8, и 16-PSK. Для этого после запуска модели дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на блоке Scope. Зарисовать осциллограммы для 2-PSK и 4-PSK. 3 Изучение влияния кратности модуляции на занимаемую полосу частот 3.a Откройте панель настройки блока Spectrum Scope из появившегося окна. На вкладке Display Properties поставьте флажок напротив пункта «Open scope at start of simulation» - теперь, при запуске модели на экране будет отображаться спектрограмма. 3.b Пронаблюдайте спектрограмму для модуляции 2-PSK. После запуска модели следует закрыть окна вектограмм для ускорения процесса симуляции. 3.c По спектрограмме определите полосу частот (ширину главного лепестка спектра), требуемую для передачи информации со скоростью 10 5 бит/с, запишите результат. 3.d То же проделайте для других видов модуляции (4,8,16-PSK). 3.e Постройте график зависимости полосы частот, занимаемой модулированным сигналом от позиционности модуляции (М). 141 4 Изучение влияния аддитивного белого Гауссовского шума (AWGN) на помехоустойчивость приёма 4.a В настройках спектрографа уберите флажок «Open Scope at start of simulation» (аналогично п. 3.а) 4.b Задайте величину 0 b E N = 20 дБСравните вектограммы сигнала 8- PSK до и после воздействия белого шума 4.c Измените установленный уровень шума в канале ( 0 b E N ) на значение 10дБ и пронаблюдайте его влияние на сигнал. Сравните с предыдущим пунктом 4.d Пронаблюдайте влияние БГШ разного уровня на ФМ сигнал различной позиционности, меняя параметры М и 0 b E N . 5 Построение зависимостей коэффициента ошибок (BER) от отношения 0 b E N 5.a Закройте окно модели 5.b В командной строке основного окна программы наберите команду «bertool»; в появившемся окне выберите вкладку «Monte Carlo», и с помощью кнопки Browse укажите программе путь к исследуемой модели (модель находится по адресу “С:\Matlab7\work\labs\Лаб 1\awgn_PSK_BER ”). 5.c Измените значение поля BER variable name на “BER”. 5.d Задайте исследуемый диапазон отношения 0 b E N от 0 до 20 дБ и шаг изменения 4 дБ. Для этого в поле 0 b E N range запишите значения “0:4:20”. 5.e Откройте модель “С:\Matlab7\work\labs\Лаб1\awgn_PSK_BER” с помощью основного окна программы. 5.f Запустите анализ нажав кнопку Run на панели Bertool (анализ займет некоторое время). По окончанию анализа зарисуйте полученный график. 5.g Постройте и зарисуйте аналогичные графики для сигналов модулированных 2,4,8,16-PSK. Сделайте вывод о влиянии шума на помехоустойчивость различных видов модуляции. Содержание отчета Отчет к лабораторной работе должен содержать: Вектограммы для 2,4,8-PSK, осциллограммы 2-PSK и 4-PSK; График зависимости полосы частот, занимаемой модулированным сигналом от позиционности модуляции (М); Графики зависимости коэффициента ошибок от отношения 0 b E N ; 142 Вывод о влиянии шума на помехоустойчивость различных видов модуляции Контрольные вопросы 1. Поясните значение терминов, «цифровой сигнал», «скорость передачи данных», «модуляция». Чем скорость модуляции отличается от скорости передачи информации? 2. Где и почему в цифровых системах связи применяют модулированные сигналы? В чём их преимущества перед прямоугольными импульсами? 3. Какие параметры сигнала используются для переноса информации в модуляции M-PSK? Поясните значение параметра М. 4. Что такое DPSK модуляция? В чем её отличие от PSK? 5. Смысл когерентного и некогерентного методов приема, недостатки и преимущества каждого метода. 6. Многофазные сигналы M-PSK и их векторное представление. 7. Опираясь на результаты лабораторной работы дайте сравнительную характеристику типам модуляции 2-PSK и 8-PSK. 8. Сколько значений амплитуды и фазы используется для передачи информации в 8-PSK, DPSK, BPSK? 8.2 Лабораторная работа №2 «Исследование многопозиционной квадратурной амплитудно- фазовой модуляции» Цель работы 1.1 Освоение основных принципов моделирования в среде MATLAB 1.2 Знакомство с многопозиционными методами модуляции 1.3 Приобретение навыков по исследованию характеристик модулированного сигнала M-QAM Подготовка к работе 1.4 Изучить принципы моделирования в среде MATLAB (разделы 3.1 – 3.4) 1.5 Изучить принципы многопозиционной квадратурной модуляции (M-QAM) и её характеристики Описание лабораторной модели 143 Лабораторная модель представленная на рисунке 1 представляет собой совокупность элементов, образующих упрощенную модель системы радиосвязи. Элементы лабораторной модели: Генератор псевдослучайной последовательности Бернулли (Bernoulli binary generator); Квадратурный амплитудный модулятор (Modulator); Канал с аддитивным белым Гауссовским шумом (additive white gauss noise channel, AWGN channel); Квадратурный амплитудный демодулятор (Demodulator); Счетчик ошибок (блок Error rate Calculation); Осциллограф (Scope); Спектроскоп (Spectrum scope); Вектограф (Scatter Plot); Дисплеи для отображения параметров модели ( 0 b E N , M, Speed, Carrier); Блок задержки нулевого порядка (Zero order hold). Рисунок 8.2 – Лабораторная модель 144 Принцип работы лабораторной модели: Цифровой сигнал в коде NRZ , генерируемый блоком Bernoulli binary generator поступает на вход фазового модулятора со скоростью 0,1 Мбод/с. Там он модулирует несущую частоту 200 КГц согласно принципам М- позиционной квадратурной амплитудной модуляции. Модулированный сигнал поступает в канал, где на него накладывается аддитивный белый гауссовский шум (AWGN). Уровень шума в канале регулируется параметром 0 b E N . После прохождения канала AWGN сигнал подается на вход QAM демодулятора, где происходит обратное преобразование из аналогового сигнала в цифровой; после чего производится подсчет ошибок приема. Количество ошибок определяется путем сравнения двух цифровых сигналов: исходного и прошедшего через канал связи. Цель этой процедуры – определить степень мешающего влияния белого шума на помехоустойчивость приёма. Информация о количестве неверно принятых бит, общем числе переданных бит и коэффициенте ошибок по битам (Bit error rate – BER) обрабатывается блоком подсчета ошибок и отображается на дисплее. Четыре других дисплея, размещенных в левой нижней части экрана, отображают текущее состояние настроек модели: 0 b E N – отношение сигнал/шум в канале; М – позиционность модуляции; Speed – скорость символов генератора; Carrier – несущая частота. Для наблюдения за сигналом в различных точках модели используются блоки графического отображения: осциллограф Scope, спектроскоп Spectrum Scope и вектографы Scatter plote scope 1 и 2. Основные сведения для работы с моделью Запуск и остановка работы модели осуществляется кнопками Start simulation и Stop simulation , расположенными на рабочей панели Simulink. Изменение позиционности модуляции производится из командной строки основного окна программы. Например, чтобы установить кратность модуляции равной 16 в командной строке главного окна программы нужно ввести М = 16. Аналогично изменяется и отношение сигнал/шум в канале с AWGN (имя параметра – « 0 b E N »). Просмотр осциллограмм осуществляется двойным щелчком на иконке осциллографа после остановки симуляции. В окне просмотра осциллограмм доступны функции изменения масштаба: 145 o увеличение масштаба по оси X – кнопка Zoom X axis ; o увеличение масштаба по оси Y – кнопка Zoom Y axis ; o уменьшение масштаба – команды Zoom Out или Autoscale контекстного меню (вызывается правой кнопкой мыши). Окна вектограмм появляются на экране автоматически после запуска модели. Окно спектрограммы появляется при установленном флажке Open scope at start of simulation на вкладке Display properties настроек спектрографа. Начало работы Введение В начале работы следует запустить основное окно программы MATLAB 7, щелкнув на ярлыке MATLAB 7 из каталога “C:\MATLAB7”. Затем необходимо открыть файл “awgn_PSK”, пользуясь либо проводником в левой части экрана либо меню File Open. Файл находится в каталоге «C:\MATLAB7\work\Lab2 – M-QAM». Порядок выполнения работы 1 Изучить структурную схему модели, пояснить назначение элементов схемы. Ознакомится с основными сведениями по работе с моделью. 2 Изучение характеристик различных видов модуляции. 2.a Пронаблюдать вектограммы для различных видов модуляции: 16- QAM, 32-QAM, 64-QAM и 128-QAM. Зарисовать вектограмму для QAM-16. 2.b Определить сдвиг фазы (в градусах) между двумя произвольными точками на вектограмме. 2.c Пронаблюдать осциллограммы для 16, 32 и 64-QAM. Для этого после остановки модели дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на блоке Scope. Зарисовать осциллограмму для 16-QAM. 3 Изучение влияния кратности модуляции на занимаемую полосу частот 3.a Откройте панель настройки блока Spectrum Scope из появившегося окна. На вкладке Display Properties поставьте флажок напротив пункта «Open scope at start of simulation» - теперь, при запуске модели на экране будет отображаться спектрограмма. 3.b Пронаблюдайте спектрограмму для модуляции 16-QAM. После запуска модели следует закрыть окна вектограмм для ускорения процесса симуляции. Зарисуйте огибающую спектра. 3.c По спектрограмме определите полосу частот (ширину главного лепестка спектра), требуемую для передачи информации со скоростью 10 5 бит/с, запишите результат. 146 3.d То же проделайте для других видов модуляции (32, 64, 128-QAM). 3.e Постройте график зависимости полосы частот, занимаемой модулированным сигналом от позиционности модуляции (М). 4 Изучение влияния аддитивного белого Гауссовского шума (AWGN) на помехоустойчивость приёма. 4.a В настройках спектрографа уберите флажок «Open Scope at start of simulation» (аналогично п. 3.а) 4.b Задайте величину 0 b E N = 20 дБ. Сравните вектограммы сигнала 16-QAM до и после воздействия белого шума. 4.c Измените установленный уровень шума в канале ( 0 b E N ) на значение 10дБ и пронаблюдайте его влияние на сигнал. Сравните с предыдущим пунктом 4.d Пронаблюдайте влияние БГШ разного уровня на QAM сигнал различной позиционности, меняя параметры М и 0 b E N . 4.e Сделайте вывод о взаимосвязи вероятности ошибки и позиционности модуляции при одинаковом соотношении 0 b E N . 5 Построение зависимостей коэффициента ошибок (BER) от отношения 0 b E N 5.a Закройте окно модели 5.b В командной строке основного окна программы наберите команду «bertool»; в появившемся окне выберите вкладку «Monte Carlo», и с помощью кнопки Browse укажите программе путь к исследуемой модели (модель находится по адресу “С:\Matlab7\work\labs\Лаб1\ awgn_QAM_BER”). 5.c Измените значение поля BER variable name на “BER”. 5.d Задайте исследуемый диапазон отношения E b /N 0 от 0 до 20 дБ и шаг изменения 4 дБ. Для этого в поле E b /N 0 range запишите значения “0:4:20”. 5.e Откройте модель “С:\Matlab7\work\labs\Лаб1\awgn_QAM_BER” с помощью основного окна программы. 5.f Запустите анализ нажав кнопку Run на панели |