Порядок выполнения работы
1.
Запустить программу MATLAB7, нажав левой кнопкой мыши на значок .
2.
Выбрать в окне «MATLAB» File → New → Model.
3.
В открывшемся рабочем окне создать имитационную модель
QPSK-модулятора (рис. 2.15). Для упрощения поиска необходимых компонентов модели использовать внутреннюю поисковую систему пакета SimuLink.
4.
Сохранить созданную имитационную модель в расширении
*.mdl, для чего выбрать в рабочем окне File → Save As → Имя файла →
Сохранить
(название
папки).
Пример имени файла:
Lab_1_01_09_2012_Ivanov.
5.
Исследовать созданную модель, предварительно установив в блоках модели параметры:
– PN Sequence Generator. Sample time: 1/1200;
– Unipolar to Bipolar Converter. M-ary number: 2;
– Buffer. Output buffer size (per channel): 2;
– Sine Wave. Frequency (rad/sec): 753600; Phase (rad): −pi/2;
– Sine Wave 1. Frequency (rad/sec): 753600; Phase (rad): 0;
– Scope. Time range: 12; Tick labels: all;
– Simulation time Start time: 0.0;Stop time:12.0.
6.
Создать имитационную модель QPSK-модулятора (рис. 2.16).
7.
Сохранить созданную имитационную модель в расширении *.mdl.
8.
Исследовать созданную модель, предварительно установив в блоках модели параметры:
– значение порождающего полинома короткой ПСП Random Inte- ger в Inicial seed – согласно пяти последним цифрам номера билета учащегося, а код второго Random Integer получить смещением на один разряд предыдущего порождающего полинома;
– M-ary number: 2;
– Sample time: 1/1.2288/10^6;
– кодовый индекс генератору кода Уолша принять равным двум последним цифрам номера билета учащегося;
– Sample time: 1/1.2288/10^6;
– установить время расчета: 0.128.
70
Рис
. 2.15.
Схема исследования манипулятора
QPSK
71
Рис
. 2.16.
Схема исследования манипулятора
QPSK
72 9.
Исследовать сигнальные созвездия квадратурных манипуляций, для этого:
– собрать последовательно схемы исследования (рис. 2.17, 2.18) применяя вышеизложенную методику, и сохранить созданные имита- ционные модели в расширении *.mdl;
– установить в
Random Integer: Sample time: 1/(38400/544*200), флажок – Frame-based outputs, Samples per frame: 200;
– установить время расчета: 0.1;
– в блоке Error Rate Calculator параметр Output data должен быть переключен на Port;
– изменять параметр М от 2 до 256 в блоках Random Integer, Rec- tangular QAM (в блоке AWGN установить отношение сигнал/шум не менее 30 дБ);
– наблюдать и зарисовать сигнальные созвездия в отчет.
Подписать каждое сигнальное созвездие, указав, к какому виду манипуляции оно относится;
– исследовать помехоустойчивость модуляции 4QAM, для чего построить зависимость BER (Bit Error Rate) = f(SNR), изменяя Es/No в блоке AWGN от −30 до 30 дБ с шагом 10 дБ.
10.
Исследовать помехоустойчивость модуляции QPSK. Для этого:
– установить в Random Integer: Sample time: 1/(36000/512*108); флажок – Frame-based outputs; Samples per frame: 108; M-ary number: 4;
– установить в Integer to Bit Converter: Number of bits per inte- ger(M): 2;
– установить в Bit to Integer Converter: Number of bits per integer(M): 2;
– установить время расчета: 0.1;
– построить зависимости SER (Symbol Error Rate) = f(SNR) и BER
(Bit Error Rate) = f(SNR), изменяя Es/No в блоке AWGN от −30 до 30 дБ с шагом 10 дБ. Для этого можно использовать графический пользовательский интерфейс BERTool (новая версия Release 14).
Вызывают интерфейс командой bertool в Command Window.
11.
Открыть демонстрационную модель TETRA (Terrestrial
Trunked Radio) physical layer PI/4-DQPSK modulation (рис. 2.19).
Скопировать файл в рабочую модель и сохранить ее.
12.
Установить время расчета по заданию преподавателя и включить схему.
13.
Занести наблюдаемые диаграммы в отчет для различных значений SNR (−10; 0; 10; 20; 30).
73
Рис
. 2.17.
Схема эл ектрическая структурная
QAM
74
Рис
. 2.18.
Схема эл ектрическая структурная исследования
QPSK
75
Рис
. 2.19.
Модель
TETRA physical layer PI/4-DQPSK m odulation
76
Рис
. 2.20.
Модель
TETRA physical layer 4-Q
A
M modulation
77 14.
Наблюдать диаграммы и построить зависимость BER (Bit Er- ror Rate) = f(SNR), изменяя Es/No в блоке AWGN от −2 до 16 дБ с шагом 2 дБ. Сделать выводы.
15.
Выполнить п. 12–14 для демонстрационной модели TETRA
(Terrestrial Trunked Radio) physical layer 4-QAM modulation (рис. 2.20).
Задание на лабораторную работу
1. Создать с использованием среды MATLAB имитационные модели.
2. Получить временные и спектральные характеристики сигналов и проанализировать их.
Содержание отчета
1.
Титульный лист.
2.
Цель работы и задание на лабораторную работу.
3.
Схема модулятора с пояснением назначения его узлов и схемы моделей для изучения QPSK.
4.
Результаты наблюдений, вычислений, графики и диаграммы.
5.
Выводы по полученным данным.
Контрольные вопросы
1.
Опишите базовые принципы модуляции QPSK.
2.
В чем различие между фазовой и относительной фазовой мо- дуляциями?
3.
В чем основные преимущества и недостатки многопозицион- ных систем передачи дискретных сообщений?
4.
Что означают «символьная» и «битовая» вероятности ошибок?
5.
Как связаны предельные показатели энергетической и спек- тральной эффективности цифровых систем передачи? Что такое «гра- ница Шеннона»?
6.
Как можно достичь границы Шеннона при многопозиционной передаче?
7.
Перечислить достоинства и недостатки QPSK, OQPSK,
PI/4 DQPSK видов модуляции.
8.
Из каких узлов состоит QPSK-манипулятор стандарта CDMA?
9.
Что за устройство выполняет функцию источника сигнала в модели QPSK-манипулятора?
10.
Сравните временные диаграммы информационного и манипу- лированного сигналов.
11.
Сравните временные диаграммы двух генераторов Random Integer.
78 12.
К какому типу системы CDMA можно отнести исследуемую модель?
13.
В
каком узле осуществляется расщепление, а в каком модуляция?
14.
В каком узле осуществляется скремблирование, для чего оно проводится?
15.
Где расположен генератор функции Уолша и псевдослучайной последовательности (ПСП)?
16.
Какую функцию выполняет Product модели QPSK-мани- пулятора?
17.
Какую функцию выполняет XOR модели QPSK-манипулятора?
18.
Какую функцию выполняет Sum of Elements модели QPSK- манипулятора?
19.
Какую функцию выполняет Unit delay модели QPSK-мани- пулятора?
20.
Какой критерий используется для сравнения различных мето- дов модуляции при передаче непрерывных сообщений?
2.5. Лабораторная работа № 6 АНАЛИЗ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ ПРИ НАЛИЧИИ ПОМЕХ И ЗАМИРАНИЙ В КАНАЛЕ СВЯЗИ Цель работы: изучение имитационной модели системы цифровой связи, анализ ее помехоустойчивости; приобретение навыков создания подсистем и их маскирования.
Краткие теоретические сведения В современных системах беспроводной цифровой связи переда- ваемый сигнал подвергается воздействию помех и замираний в канале, что обуславливает вероятность ошибки при приеме сигнала. Струк- турная схема радиоканала в общем виде представлена на рис. 2.21.
Сигнал может передаваться от передатчика к приемнику по мно- жеству отражательных путей. Это явление, называемое многолучевым распространением (англ. multipath propagation), может вызывать флук- туации амплитуды, фазы и угла прибытия полученного сигнала, что определило название замирание вследствие многолучевого распро- странения (англ. multipath fading).
79
Рис. 2.21. Структурная схема радиоканала цифровой связи
В этой проблеме выделяют две составляющие:
1) Rayleigh fading – релеевское затухание (рассеяние). Обусловлено диффузным характером отражения радиоволн от реальных объектов.
Как результат, принимаемый сигнал есть сумма многих идентичных сигналов, отличающихся по фазе (и амплитуде тоже). Эффект проявля- ет себя на уровне радионесущей и дает «fading dips» – пульсации уров- ня, замирания с периодом в пространстве, равным λ/2. Для GSM-900 – это 33/2 ≈ 17 см. Такой же эффект образуется и по времени, создавая быстрые замирания (пульсации) уровня сигнала;
2) Time Dispersion – эффект из-за существенно разнесенных по пространству лучей, т. е. прошедших дальние пути (англ. far away).
Таким образом, можно говорить об интерференции символов от двух лучей. При длительности бита в TDMA 3,7 мкс, задержка на 1 бит эквивалентна разности путей около 1 км.
Прямое
моделирование и проектирование систем, включающих методы борьбы с замиранием, обычно сложнее разработки систем, где единственным источником ухудшения рабочих характеристик счита- ется шум AWGN.
Для мобильной связи характерны два типа замираний: крупно- масштабное и мелкомасштабное замирание.
Крупномасштабное замирание отражает среднее ослабление мощности сигнала или потери в тракте вследствие распространения на большое расстояние. На это явление влияют выступающие наземные элементы (например, холмы, леса, рекламные щиты, группы строений и т. д.) между передатчиком и приемником. Приемник «затеняется» этими выступами. Статистика крупномасштабного замирания позво- ляет приблизительно рассчитать потери в тракте как функцию рас- стояния. Это часто описывается через средние потери в тракте (сте- пенной закон
n-го порядка) и логарифм нормального распределения отклонения от среднего.
80
Мелкомасштабное замирание – это значительные изменения ам- плитуды и фазы сигнала, которые на практике могут быть результа- том небольших изменений (порядка половины длины волны) расстоя- ния между передатчиком и приемником. Мелкомасштабное замирание проявляется двумя способами – расширение сигнала во времени (или дисперсия сигнала) и нестационарное поведение канала. В мобильной радиосвязи параметры каналов изменяются во времени, поскольку движение передатчика и/или приемника приводит в результате к из- менению пути распространения. Скорость изменения таких условий распространения определяет скорость замирания (скорость изменения ухудшения характеристик вследствие замирания). Мелкомасштабное замирание называется релеевским, если имеется большое число мно- гократно отражающихся путей и нет компонента сигнала вдоль луча обзора; огибающая такого полученного сигнала статистически описы- вается с помощью релеевской функции плотности вероятности. Если преобладает незамирающий компонент сигнала, такой как путь рас- пространения вдоль луча обзора, огибающая мелкомасштабного зами- рания описывается функцией плотности вероятности Райса. Иными словами, статистики мелкомасштабного замирания всегда распреде- лены по Релею, если путь распространения вдоль луча обзора блоки- рован, в противном случае имеем распределение Райса. Мобильный радиоприем на большом пространстве должен иметь возможность об- рабатывать сигналы, подвергнувшиеся замиранию обоих типов (мел- комасштабное, наложенное на крупномасштабное).
Крупномасштабное замирание (ослабление или потери в тракте) можно рассматривать как пространственное усреднение мелкомасштаб- ных флуктуаций сигнала. Оно вычисляется, как правило, путем усред- нения полученного сигнала по интервалу, превышающему 10–30 длин волн, чтобы отделить мелкомасштабные (главным образом релеев- ские) флуктуации от крупномасштабных эффектов затенения (обычно с логарифмически нормальным распределением).
Существует три основных механизма, воздействующих на рас- пространение сигнала в системах мобильной связи.
Отражение (англ. reflection) происходит тогда, когда распростра- няющаяся электромагнитная волна
сталкивается с гладкой поверхно- стью, размер которой гораздо больше длины волны радиочастотного сигнала (λ).
Дифракция (англ. diffraction) встречается тогда, когда путь рас- пространения между передатчиком и приемником преграждается
81 плотным телом, размеры которого велики по сравнению с λ, что вы- зывает появление вторичных волн, образующихся позади преграж- дающего тела. Дифракция – это явление, которое является причиной того, что распространение радиочастотной энергии от передатчика к приемнику происходит в обход пути прямой видимости между ними.
Ее часто называют затенением (англ. shadowing), поскольку дифраги- рованное поле может достичь приемника, даже если оно затенено не- проницаемой преградой.
Рассеяние (англ. scattering) встречается тогда, когда радиоволна сталкивается с любой неровной поверхностью или с поверхностью, размеры которой порядка
X или меньше, что приводит к распростра- нению (рассеянию) или отражению энергии во всех направлениях.
В городской местности обычные препятствия, вызывающие рассеива- ние сигнала, – это фонарные столбы, уличные знаки и листья. Назва- ние рассеивающий элемент (англ. scatterer) применимо к любым пре- пятствиям на пути распространения, которые являются причиной от- ражения или рассеяния сигнала.
Проблемой радиопередачи между MS и BTS также является Эф- фект Доплера – эффект относительности, проявляющийся в сжатии- растяжении по времени импульсов (интервалов) в случае приближе- ния/удаления источника сигнала к приемнику сигнала (и наоборот).
В случае если импульс заполнен гармонической несущей, можно говорить также об изменении частоты этой несущей.
Обычно используется выражение для частоты: объекта
0 0
2 1
VffC⎛
⎞
′ =
±
⎜
⎟
⎝
⎠
, (2.10) где
Vобъекта
– относительная скорость перемещения приемника и пере- датчика;
C – скорость волны в среде;
f0
– значение частоты в усло- виях покоя.
Используемые в сотовой связи
дециметровые радиоволны слабо огибают препятствия, т. е. распространяются в основном по прямой, но испытывают многочисленные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности. Одним из следствий такого многолучево- го распространения является более быстрое, чем в свободном про- странстве, убывание интенсивности принимаемого сигнала с расстоя- нием. Другое следствие – замирания и искажения результирующего сигнала. Искажения результирующего сигнала, или межсимволь- ная интерференция, имеет место в том случае, когда более или менее
82 синфазные составляющие сигналы с соизмеримыми амплитудами на- столько отличаются по разности хода, что символы одного сигнала «на- лезают» на соседние символы другого. Колебания уровня (замирания) принимаемого сигнала практически всегда имеют две составляющие – быструю и медленную. Для борьбы с быстрыми замираниями использу- ются два основных метода: разнесенный прием, т. е. одновременное ис- пользование двух или более приемных антенн и расширение спектра.
При межсимвольной интерференции разности хода в городских условиях могут достигать единиц микросекунд. В методе CDMA, при использовании широкополосных сигналов и RAKE-приемников, наи- более сильные сигналы выравниваются по задержке и после этого складываются так, что проблема межсимвольной интерференции в значительной мере снимается. В относительно узкополосных систе- мах сотовой связи, использующих метод TDMA, для борьбы с меж- символьными искажениями применяются эквалайзеры – адаптивные фильтры, устанавливаемые в приемном тракте цифровой обработки сигналов, которые позволяют в некоторой степени компенсировать межсимвольные искажения. Наконец, для борьбы с последствиями многолучевого распространения, а именно для устранения ошибок, обусловленных как замираниями сигналов, так и
межсимвольной ин- терференцией, используется помехоустойчивое канальное кодирова- ние: блочное и сверточное кодирование, а также перемежение.
Разнесенный прием (англ. diversity reception), как способ борьбы с быстрыми замираниями, заключается в совместном использовании нескольких сигналов, различающихся (разнесенных) по какому-либо параметру или координате, причем разнесение должно выбираться таким образом, чтобы вероятность одновременных замираний всех исполь- зуемых сигналов была много меньше, чем какого-либо одного из них.
В принципе возможны как минимум пять вариантов разнесенно- го приема:
– с разнесением во времени (при этом используются сигналы, сдвинутые во времени один относительно другого; этот метод сравни- тельно легко реализуем лишь в цифровой форме, и улучшение качест- ва приема разменивается на пропускную способность канала связи);
– по частоте (при этом используются сигналы, передаваемые на нескольких частотах, т. е. платой является расширение используемой полосы частот);
– по углу, или по направлению (при этом прием производится на не- сколько антенн с рассогласованными (не полностью перекрывающимися)
83 диаграммами направленности; в этом случае сигналы с выходов раз- ных антенн коррелированы тем слабее, чем
меньше перекрытие диа- грамм направленности, но при этом одновременно падает и эффек- тивность приема (интенсивность принимаемого сигнала), по крайней мере для всех антенн, кроме одной);
– по поляризации (например, две антенны принимают сигналы двух взаимно ортогональных поляризаций; практического значения этот вариант не имеет, поскольку в диапазоне СВЧ замирания на раз- ных поляризациях сильно коррелированы);
– в пространстве, т. е. с приемом сигналов на несколько простран- ственно-разнесенных антенн (это единственный метод, находящий практическое применение, и именно он обычно имеется в виду, когда говорят о разнесенном приеме).
Практическое применение находит простейшая система с двумя приемными антеннами, в основном в базовых станциях. В подвижных станциях сколько-нибудь широкого распространения разнесенный прием не получил.
При использовании методов разнесенного приема, т. е. приема оди- наковых сигналов по нескольким каналам, появляется необходимость объединения этих сигналов с целью получить определенный выигрыш по помехоустойчивости. При этом выигрыш имеет место в двух на- правлениях: во-первых, в уменьшении влияния замираний сигналов; во- вторых, в увеличении отношения сигнал/шум (С/Ш) после объедине- ния. Объединение может проводиться как до детектирования, так и по- сле детектирования. Выигрыш в обоих случаях имеет место из-за того, что в складываемых сигналах полезная составляющая складывается синфазно, а составляющие шумов в различных разнесенных сигналах,
будучи независимыми, складываются со случайными фазовыми сдви- гами, т. е. «по мощности». При одинаковой мощности шумов и ра- венстве уровней полезных составляющих это дает выигрыш до 3 дБ.
Скачать 6.84 Mb.