Понеаснни. Моделирование систем связи в matlab
 Скачать 2.78 Mb.
|
|
Bertool (анализ займет некоторое время). По окончанию анализа зарисуйте полученный график. 5.g Постройте и зарисуйте аналогичные графики для сигналов модулированных 16,32,64,128-QAM. Сделайте вывод о влиянии шума на помехоустойчивость различных видов модуляции. 147 Содержание отчета Вектограмма и осциллограмма для 16-QAM График зависимости полосы частот, занимаемой модулированным сигналом от позиционности модуляции (М) Графики зависимости коэффициента ошибок от отношения 0 b E N Выводы Контрольные вопросы 1. Какие существуют критерии критерий качества приема для цифровых систем радиосвязи? Поясните их физический смысл. 2. Квадратурная амплитудная модуляция QAM. 3. Принцип формирования сигнала в коде Грея. 4. Поясните схему лабораторной модели, и преобразования сигнала происходящие на каждом этапе. 5. Сколько значений амплитуды и фазы используется для передачи информации в 16-QAM, 32-QAM? 6. В чем отличие симвльной ошибки и битовой ошибки? 8.3 Лабораторная работа №3 «Исследование влияния условий распространения сигнала на помехоустойчивость приема » Цель работы Целью работы является исследование влияния замираний на помехоустойчивость приема при использовании фазовой и квадратурной амплитудной модуляции в стационарных и подвижных системах связи. Подготовка к работе В ходе подготовки к лабораторной работе необходимо изучить основные сведения о замираниях сигнала в цифровой радиосвязи (раздел 1.11). Также необходимо изучить сведения, для подготовки к лабораторным работам №1 и №2. Описание лабораторной модели 148 Рисунок 8.3 Лабораторная модель В лабораторной работе используются модели имитирующие канал радиосвязи с двумя типами мешающих влияний: белый гауссовский шум и замирания Райса. Элементы модели: Генератор псевдослучайной последовательности Бернулли (Bernulli binary generator); Модулятор (Modulator); Канал с аддитивным белым Гауссовским шумом (Additive white Gaussian noise channel, AWGN channel); Канал с замираниями Райса (Rician Fadings Channel); Демодулятор (Demodulator); Счетчик ошибок (Error Rate Calculation); Осциллограф (Scope); Спектроскоп (Spectrum scope); Вектограф (Discrete-Time Scatter Plot Scope); Дисплеи для отображения параметров модели ( 0 b E N , M, Speed, Kfactor). Принцип работы Цифровой сигнал в коде NRZ , генерируемый блоком Bernoulli binary generator поступает на вход фазового модулятора со скоростью 0,1 Мбод/с. 149 Там он модулирует несущую частоту 200 КГц согласно принципам М-PSK или M-QAM. Модулированный сигнал поступает в канал, где подвергается воздействию мешающих влияний: белого шума (AWGN) и замираний Райса (Rician Fading Channel). Уровень шума в канале регулируется параметром 0 b E N . После прохождения канала AWGN сигнал подается на вход 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 дисплея 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; Kfactor – коэффициент К, характеризующий величину замираний. В лабораторной работе будет рассмотрено влияние замираний на помехоустойчивость при использовании модуляции M-QAM и M-PSK Начало работы В начале работы следует запустить программу MATLAB 7 из каталога “C:\MATLAB7”. Затем необходимо запустить файл “fade_PSK”, пользуясь либо проводником в левой части экрана либо меню File Open. Файл расположен в катологе «C:\MATLAB7\work\Lab3 – fading\fade_PSK». Основные сведения для работы с моделью Запуск и остановка модели осуществляется кнопками Start simulation и Stop simulation , расположенными на рабочей панели Simulink. Изменение позиционности модуляции производится из командной строки главного окна программы. Например, чтобы сделать кратность модуляции равной 8 в командной строке главного окна программы нужно ввести М = 8. Для изменения параметра К для замираний Райса на некоторое 150 значение n в командной строке следует ввести Kfactor = n Окна для просмотра вектограмм и спектрограмм появляются на экране автоматически после начала симуляции. Порядок выполнения работы 1 Изучить структурную схему модели, пояснить назначение элементов схемы. Ознакомится с основными сведениями по работе с моделью. 2 Изучение влияния замираний разной степени на модулированный сигнал в неподвижной системе связи. 2.a Для сигнала 2-PSK экспериментально определить количество ошибок и коэффициент BER при передаче 5 10 5 бит информации по имеющейся системе связи при различном уровне воздействия замираний: К = 5, К = 10, К = 20. Сравнить вектограммы сигнала до и после воздействия замираний. Результаты занести в таблицу 1. 2.b Проделать то же самое для сигнала модулированного 8-PSK. Закрыть модель fade_PSK. 2.c Запустить модель fade_QAM из каталога work директории MATLAB701 и выполнить задание п. 2.а применительно к сигналам модулированным 16-QAM и 64-QAM. Закрыть модель fade_QAM. 3 Изучение влияния замираний разной степени на помехоустойчивость подвижной системы связи 3.a Проделать задание из пп. 2.а – 2.с для двух величин Доплеровского сдвига 5 Гц и 50 Гц. Все результаты занести в таблицу. 3.b Сделать вывод о влиянии изменения скорости взаимного движения передатчика и приемника на помехоустойчивость при использовании различных методов модуляции. 4 Построение зависимостей коэффициента ошибок (BER) от отношения Eb/No 4.a Построить и зарисовать графики зависимости коэффициента BER от отношения 0 b E N на интервале 0 – 20 дБ с шагом 4 дБ для сигналов 4-PSK, 8-PSK и 16-QAM при значении К=10. Доплеровский сдвиг принять равным 5 Гц. 4.b Сделать вывод о степени воздействия замираний на сигналы модулированные методами М-PSK и M-QAM. 151 Таблица 8.1 – BER для замираний различной скорости и глубины DS = 0.01 DS = 5 DS = 10 К=5 К=10 К=20 К=5 К=10 К=20 К=5 К=10 К=20 2-PSK 8-PSK 16-QAM 64-QAM Содержание отчета 1. Значения коэффициента ошибок, сведенные в таблицу 2. Графики зависимости BER от отношения 0 b E N 3. Выводы по полученым результатам работы Контрольные вопросы 1. Дать понятие замираний сигнала в радиосвязи, назвать два основных типа замираний по количеству путей распространения сигнала. 2. Классификация замираний по скорости, частоте и масштабу. 3. Назвать основные причины возникновения замираний. 4. Какова скорость движения мобильной станции относительно неподвижной базы в системе GSM-1800, если величина Доплеровского сдвига частот равна 4 Гц? 5. Дать понятие Доплеровского сдвига частот. 8.4 Лабораторная работа №4 «Исследование влияния характеристик передатчика на помехоустойчивость приема» Цель работы Исследовать характер влияния нелинейных амплитудных и фазовых характеристик передатчика на модулированные сигналы. Подготовка к работе Изучить сведения о методах модуляции M-PSK и M-QAM (разделы 1.8- 1.10), а также ознакомится с разделом 1.12. Описание лабораторной модели 152 Лабораторная модель рисунок 1 представляет собой простейшую систему радиосвязи, в которой имитируются нелинейные характеристики передающего усилителя (блок Memoryless nonlinearity). Рисунок 8.4 – Лабораторная модель Блок осуществляет преобразование входного сигнала на основе двух характеристик: – зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала – преобразование АМ/АМ, – зависимость фазы выходного сигнала от амплитуды входного сигнала – преобразование АМ/РМ. Блок Memoryless nonlinearity (рисунок 2) действует по следующему принципу: o Разделяет входной сигнал на модуль и фазовую составляющую; o Применяет преобразование 1 / 2 2 ( ) 1 AM AM u F u u (1) к амплитуде сигнала, получая таким образом выходную амплитуду. В уравнении (1): o u – входной сигнал, o 1 , 1 – коэффициенты. o Применяет преобразование 2 2 / 2 2 ( ) 1 AM PM u F u u (2) к амплитуде сигнала, и прибавляет полученный результат к фазовой 153 составляющей сигнала, получая выходную фазу; o Из этих двух значений получает выходной сигнал, как функцию амплитуды и фазы. Рисунок 8.5 – Структурная схема блока Memoryless nonlinearity Элементы модели: Генератор псевдослучайной последовательности Бернулли (Bernoulli binary generator); Модулятор (Modulator); Канал с аддитивным белым Гауссовским шумом (Additive white Gaussian noise channel, AWGN channel); Нелинейный усилитель (Memoryless nonlinearity); Демодулятор (Demodulator); Счетчик ошибок (Error Rate Calculation); Осциллограф (Scope); Вектографы 1, 2 (Discrete-Time Scatter Plot Scope); Дисплеи для отображения параметров модели; o 0 b E N – отношение сигнал/шум в канале; o М – позиционность модуляции; o alpha1, beta1 – коэффициенты, описывающие амплитудную характеристику усилителя; o alpha2, beta2 – коэффициенты, описывающие фазовую характеристику усилителя; Начало работы В начале работы следует запустить программу MATLAB 7 из каталога “C:\MATLAB7”. Затем необходимо запустить файл “nonlinear_QAM”, пользуясь либо проводником в левой части экрана либо меню File Open. Модель находится в каталоге «C:\MATLAB7\work\Lab4 – NonLinear\nonLinear_PSK» 154 Основные сведения для работы с моделью Запуск и остановка модели осуществляется кнопками Start simulation и Stop simulation , расположенными на рабочей панели Simulink. Изменение позиционности модуляции производится из командной строки главного окна программы. Например, чтобы сделать кратность модуляции равной 8 в командной строке главного окна программы нужно ввести М = 8. Аналогичным образом производится изменение нелинейных характеристик Окна для просмотра вектограмм и спектрограмм появляются на экране автоматически после начала симуляции. Дисплеи в левой нижней части экрана отображают текущее состояние настроек модели: o 0 b E N – отношение сигнал/шум в канале o М – позиционность модуляции o alphaAM, betaAM – коэффициенты, описывающие амплитудную характеристику усилителя o alphaPM, betaPM – коэффициенты, описывающие фазовую характеристику усилителя Порядок выполнения работы 1 Изучить структурную схему модели, пояснить назначение элементов схемы. Ознакомится с основными сведениями по работе с моделью. 2 Изучение влияния нелинейных характеристик усилителя на сигналы M-PSK. 2.a Зарисовать вектограммы сигналов 8-PSK и 16-QAM после воздействия нелинейных характеристик: только амплитудной (alphaAM = 3, betaAM = 1; alphaPM = 0, betaPM = 1) только фазовой (alphaAM = 1, betaAM = 0; alphaPM = pi/3, betaPM = 1) амплитудной и фазовой одновременно (alphaAM = 3, betaAM = 1; alphaPM = pi/3, betaPM = 1). Для исследования сигналов QAM воспользоваться моделью «nonLinear_QAM» из каталога «work» в директории «MATLAB7» 2.b Для сигнала 4-PSK экспериментально определить количество ошибок и коэффициент BER при передаче 2 10 4 бит информации по имеющейся системе связи при трех вариантах нелинейных характеристик (варианты см. в п. 2.а). То же самое проделать для сигалов 8-PSK, 16-QAM и 32-QAM. Результаты занести в таблицу 1. Сделать обобщающие выводы. 155 Таблица 8.2 Тип нелинейной характеристики 4-PSK 8-PSK 16-QAM 32-QAM N ошибок BER N ошибок BER N ошибок N ошибок BER N ошибок амплитудная фазовая амплитудная+фазовая Содержание отчета Вектограммы сигналов 8-PSK и 16-QAM Таблица со значениями BER и количеством ошибок Выводы о влиянии нелинейных характеристик на многопозиционные сигналы Контрольные вопросы 1 Какие параметры несут информацию в сигнале модулированном PSK? В сигнале модулированном QAM? 2 Какой из элементов радиотракта может иметь нелинейные характеристики? 3 Поясните изменения в созвездии сигнала под воздействием нелинейных характеристик. 8.5 Лабораторная работа №5 «Помехоустойчивое кодирование» Цель работы Целью работы является знакомство с некоторыми помехоустойчивыми кодами, а также изучение их поведения в условиях белого шума в канале связи. Подготовка к работе В ходе подготовки к лабораторной работе необходимо изучить основные сведения о кодах БЧХ, кодах Рида-Соломона и сверточных кодах (глава «Помехоустойчивое кодирование в системах телекоммуникаций»). Описание лабораторной модели В ходе лабораторной работе будет рассмотрена помехозащищенность системы радиосвязи при применении избыточных кодов: сверточного кода, кода Рида-Соломона и кода БЧХ с различной корректирующей способностью. Для этого используется модель, изображенная на рисунке 1. 156 Рисунок 8.6 – Лабораторная модель Элементы модели: Генератор псевдослучайной последовательности Бернулли (Bernulli binary generator); FEC кодер (FEC coder); Модулятор (Modulator); Канал с аддитивным белым Гауссовским шумом (Additive white Gaussian noise channel, AWGN channel); Канал с замираниями Райса (Rician Fading Channel); Демодулятор (Demodulator); FEC декодер (FEC декодер); Счетчик ошибок (Error rate calculation); Дисплеи для отображения параметров модели ( 0 b E N , M, N, K). Модель, используемая в работе (рисунок 1), имитирует упрощенную систему цифровой радиосвязи. Помимо основных элементов в ней добавлен блок канального кодирования (рисунок 2). Канальный кодер состоит из трех блоков: – блок прямого кодирования (FEC encoder) – производит избыточное кодирование источника сигнала, позволяющее исправлять ошибки (с определенными ограничениями) – перемежитель (Interleaver) – формирует из данных блоки заданной длинны, и определенным образом перегруппировывает их на передаче, с целью устранения групповых (пакетных) ошибок на приеме 157 – скремблер (Scrambler) – исключает длинные последовательности нулей и единиц в двоичном сигнале Рисунок 8.7 – Канальный кодер Начало работы Запустить программу MATLAB 7 из каталога “C:\MATLAB7”, щелкнув на ярлыке MATLAB 7. Затем необходимо запустить файл “coder_bch”, пользуясь либо проводником в левой части экрана либо меню File Open. Файл находится в каталоге «C:\MATLAB7\work\Lab5\». Основные сведения для работы с моделью. Запуск и остановка модели осуществляется кнопками Start simulation и Stop simulation , расположенными на рабочей панели Simulink. Дисплеи в левой нижней части экрана отображают текущее состояние настроек модели: o 0 b E N – отношение сигнал/шум в канале o М – позиционность модуляции o K – количество информационных бит в кодовом слове (для сверточного кода – число входных двоичных потоков) o N – длина кодового слова (для сверточного кода – число выходных двоичных выходных потоков) Изменение корректирующей способности кода и отношения сигнал/шум осуществляется с помощью командной строки. Графический интерфейс BERtool, используемый для статистической обработки моделей запускается командой «bertool», через командную строку. Для обработки модели необходимо: o в появившемся окне выберать вкладку «Monte Carlo», и с помощью кнопки Browse указать путь к исследуемой модели и нажать кнопку «Open» o изменить значение поля BER variable name на “BER” o задать исследуемый диапазон отношения 0 b E N от 0 до 10 дБ и 158 шаг изменения 1 дБ. Для этого в поле E b /N 0 range нужно записать значения «0:1:10» o изменить значение поля Number of bits на «1е5» o запустить анализ модели, нажав кнопку Run (анализ может занять до пяти минут). Для того, чтобы скрыть график BERtool необходимо убрать флажок «plot» в строке с набором данных. Для того, чтобы изменить название графика BERtool необходимо выделить ячейку в столбце «BER data set» в окне «BERtool», нажать клавишу F2 и ввести имя графика. |