Моделирование передающей части цифровой системы связи

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению цикла лабораторных работ по дисциплине

"…"

 

 

Апробация пакета Simulink

Для создания новой модели нажмите File , New , Model (Ctrl+N). Необхо­димые элементы модели перетаскиваются из библиотеки в проект. Настройки моделирования задаются через Simulation , Configuration Parameters (Ctrl + E).

В процессе выполнения заданий необходимо использовать блоки из общего пакета (Simulink), Communications System Toolbox и DSP System Tool ­ box. Для поиска блоков необходимо использовать встроенный поиск (Enter search term). Основы работы в MATLAB Simulink приведены в соседнем файле.

Создайте новый проект и поместите на лист следующие блоки: Gaus ­ sian Noise Generator , Digital Filter Design , Spectrum Scope (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Пример моделирования цифрового фильтра

В настройках генератора шума установите Sample time 1/100000 (рис. 1.2), что соответствует частоте дискретизации 100 кГц.

Рисунок 1.2 – Настройки генератора шума

Установите настройки блока цифровой фильтрации сигнала в соответ­ствии с рисунком 1.3.

Рисунок 1.3 – Настройки блока цифровой фильтрации сигнала

Для примера выбран режекторный (Bandstop) фильтр с конечной им­пульсной характеристикой (FIR) 80-го порядка (Specify order), нормализован­ными частотами 0,3; 0,4; 0,6; 0,7. По нажатию кнопки Design Filter произво­дится расчет фильтра (рис. 1.30).

На рисунке 1.4 показаны настройки блока анализатора спектра.

Рисунок 1.4 – Настройки блока анализатора спектра

В настройках анализатора спектра необходимо включить буферизацию входного сигнала (Buffer input) и установить размер буфера (Buffer size).

Запустите моделирование (Simulation , Start), автоматически откроется окно анализатора спектра. Нажмите правой кнопкой мыши в окне анализато­ра спектра, выберите пункт Autoscale. На экране должен отобразиться от­фильтрованный спектр сигнала генератора белого шума (рис. 1.5). Как видно на рисунке, спектр повторяет амплитудно-частотную характеристику фильт­ра.

Рисунок 1.5 – Отфильтрованный спектр генератора белого шума

Дополните модель согласно рисунку 1.6.

Рисунок 1.6 – Формирование комплексного сигнала и смещение спектра

Для визуального выделения блоков присутствует возможность измене­ния их цвета, для этого нужно нажать правой кнопкой мыши по блоку и вы­брать цвет (Background Color).

Процесс формирования комплексного сигнала заключается в генериро­вании гармонических колебаний одной частоты со сдвигом фазы на 90º. Для этого используются блоки Sine Wave , настроенные соответствующим образом (рис. 1.7).

Рисунок 1.7 – Настройки формирователей сигналов комплексного генератора

При помощи блока Real - Imag to Complex из двух составляющих форми­руется комплексный сигнал. Блок Product выполняет перемножение сигналов, что в данном случае приводит к квадратурному переносу спектра. На рисунке 1.8 показаны осциллограммы сигналов модели, на рисунке 1.9 изображен смещенный спектр сигнала.

 

Рисунок 1.8 – Осциллограммы сигналов модели

Рисунок 1.9 – Смещенный спектр сигнала

Моделирование передающей части цифровой системы связи

Цель работы: изучение принципов формирования сигнала в системах цифровой связи.

Задачи работы: описание теоретической модели исследуемой системы передачи данных; создание модели передающего устройства цифровой сис­темы связи в Simulink; моделирование работы системы при различных на­чальных условиях; измерение основных параметров работы передающей сис­темы.

Исходные данные для работы приведены в таблице 2.1. Вариант выби­рается согласно последней цифре зачетной книжки или назначается препода­вателем.

Таблица 2.1 Исходные данные

Вариант	Вид манипуляции	Позиционность созвездия	Кратность созвездия
0	BPSK	2	1
1	QPSK	4	2
2	8PSK	8	3
3	16PSK	16	4
4	32PSK	32	5
5	16QAM	16	4
6	32QAM	32	5
7	64QAM	64	6
8	128QAM	128	7
9	256QAM	256	8

Для выполнения задания необходимо использовать следующие блоки:

Random Integer Generator – генератор случайных целых чисел;

1- D Lookup Table – таблица соответствий (истинности);

Raised Cosine Transmit Filter – формирующий фильтр с характеристикой корень из приподнятого косинуса;

Gain – усилитель сигнала;

Complex to Real - Imag – блок выделения реальной и мнимой части ком­плексного сигнала;

Scope – осциллограф;

Discrete - Time Eye Diagram Scope – блок отображения глазковой диа­граммы сигнала;

Discrete - Time Signal Trajectory Scope – блок отображения траектории вектора комплексной огибающей сигнала на плоскости;

Discrete - Time Scatter Plot Scope – блок отображения диаграммы рассея­ния сигнала;

Subsystem – подсистема, позволяет оформить часть модели в виде от­дельного блока;

Spectrum Scope – анализатор спектра сигнала.

Из указанных блоков необходимо собрать модель, показанную на ри­сунке 2.1. Modulator – подсистема формирователя сигнала цифрового пере­датчика (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Общий вид модели передающей системы

В настройках генератора случайных чисел необходимо задать позици­онность созвездия (M - ary number) согласно варианту и частоту дискретизации (Sample Time) 1/9600, что соответствует символьной скорости передачи дан­ных 9600 бод/сек. В настройках анализатора спектра (Spectrum Scope) необ­ходимо выставить размер окна БПФ 1024 и включить буферизацию входного сигнала с размером буфера 1024 отсчета. Входными сигналами осциллографа являются сигнал данных и составляющие выходного комплексного сигнала передатчика, которые выделяются при помощи блока Complex to Real - Imag.

На рисунке 2.2 показана модель формирователя сигнала. В настройках таблицы истинности (1- D Lookup Table) необходимо указать соответствие между вектором входных символов и точками сигнального созвездия. В стро­ке Breakpoints укажите вектор входных символов согласно позиционности со­звездия, например, для QAM16: [ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ]. В стро­ке Table Data укажите точки созвездия, соответствующие входным символам, для QAM16 это: [ -3+3*i -3+1*i -3-3*i -3-1*i -1+3*i -1+1*i -1-3*i -1-1*i +3+3*i +3+1*i +3-3*i +3-1*i +1+3*i +1+1*i +1-3*i +1-1*i ]. Для манипуляций высоко­го порядка необходимо использовать методы автоматической генерации век­торов в MATLAB, например [ 0 : 1 : 255 ] и т. п.

Рисунок 2.2 – Формирователь сигнала

Ограничение спектра сигнала выполняется при помощи формирующего фильтра с характеристикой корень из приподнятого косинуса (рис. 2.3) со следующими настройками: тип фильтра (Filter Type) – корень из приподнято­го косинуса (Square Root); групповая задержка, определяющая длину ИХ фильтра, (Group Delay) – 5 символов; коэффициент скругления (Rolloff Factor) – 0.8; коэффициент повышения частоты дискретизации (Upsampling factor) – 8; характер обработки сигнала (Input Processing) – sample based.

Комплексный сигнал с выхода формирующего фильтра поступает на усилитель, в котором выполняется его нормировка. Коэффициент передачи усилителя равен 1/K, где

где N – позиционность созвездия.

Для исследования процессов формирования сигнала необходимо ис­пользовать блоки отображения глазковых диаграмм, блоки отображения тра­ектории вектора комплексной огибающей и блоки отображения диаграммы рассеяния (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Блоки отображения информации о сигналах

На рисунке 2.5 показан пример работы анализатора спектра.

При помощи трехканального осциллографа имеется возможность со­поставить сигнал данных и компоненты сигнала комплексной огибающей (рис. 2.6).

Рисунок 2.5 – Спектр формируемого сигнала

 

 

Рисунок 2.6 – Осциллограммы шины данных и комплексной огибающей сформированного сигнала

Порядок выполнения работы:

1) Согласно приведенным выше рисункам, создайте модель передатчи­ка в Simulink, убедитесь в ее работоспособности.

2) Установите коэффициент скругления формирующего фильтра рав­ным 0 и запустите модель. Сохраните для отчета все графики, полученные в ходе моделирования. Произведите оценку ширины спектра сигнала, крутизны скатов, уровня первого бокового лепестка и занесите эти данные в таблицу. При помощи осциллографа оцените амплитуду квадратурных составляющих для внешних точек сигнального созвездия (точек с максимальной амплиту­дой) и для внутренних (точек с минимальной амплитудой). Занесите полу­ченные данные в таблицу, найдите отношение максимального значения к ми­нимальному.

3) Повторите задание пункта 2 для коэффициентов скругления фильтра 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 и 1.

4) По результатам выполнения моделирования составьте отчет, который должен содержать: цели и задачи работы, вид модели в Simulink, графики, полученные при выполнении пунктов 2 и 3, выводы по результатам модели­рования.

 

 

…

Моделирование канала связи

Цель работы: исследование явлений, возникающих в канале связи сис­темы передачи цифровой информации.

Задачи работы: описание теоретических моделей процессов, происхо­дящих в канале связи; моделирование канала связи в Simulink.

Для выполнения задания необходимо использовать следующие блоки:

AWGN Channel – канал с АБГШ;

Phase / Frequency Offset – блок, осуществляющий фазовый и частотный сдвиг входного сигнала;

Variable Fractional Delay – блок дробной задержки сигнала;

Constant – источник неизменяемого сигнала (константа);

Complex to Real - Imag – блок выделения реальной и мнимой части ком­плексного сигнала;

Scope – осциллограф;

Discrete - Time Eye Diagram Scope – блок отображения глазковой диа­граммы сигнала;

Discrete - Time Signal Trajectory Scope – блок отображения траектории вектора комплексной огибающей сигнала на плоскости;

Discrete - Time Scatter Plot Scope – блок отображения диаграммы рассея­ния сигнала;

Subsystem – подсистема, позволяющая оформить часть модели в виде отдельного блока;

Spectrum Scope – анализатор спектра сигнала.

Для моделирования канала связи в Simulink необходимо создать от­дельную подсистему (Subsystem) и подключить ее к выходу передатчика (рис. 3.1).

 

 

Рисунок 2.7 – Цифровой передатчик и канал системы связи

 

Модель канала связи показана на рисунке 2.8, она включает в себя блок добавления к сигналу АБГШ, блок частотного и фазового сдвига и блок дробной задержки, которая задается константой.

Рисунок 3.1 – Модель канала связи

В настройках блока AWGN Channel выберите режим (Mode) SNR и за­дайте отношение сигнал/шум 13 дБ. Установите нулевой фазовый (Phase off ­ set) и частотный сдвиг (Frequency offset) сигнала в настройках блока Phase / Frequency Offset. Выберите режим линейной интерполяции (Iterpolation mode - Linear) в блоке дробной задержки Variable Fractional Delay. Запустите модель и при помощи блоков отображения информации о сигнале убедитесь в ее работоспособности. На рисунке 3.2 показаны графики сигнала с воздейст­вием АБГШ. Как видно на верхних рисунках, даже в отсутствие шума точки созвездия размыты, что связано с отсутствием согласованной фильтрации сигнала. Добавление шума в канале связи приводит к еще большему размы­тию точек созвездия. На рисунке 3.3 показано влияние частотного рассогла­сования на сигнал, в результате которого созвездие начинает вращаться. Так­же частотный сдвиг сигнала можно наблюдать на анализаторе спектра (рис. 3.4). Дробная задержка в канале связи, как и фазовое рассогласование, при­водят к повороту сигнального созвездия (рис. 3.5). В силу отсутствия петли слежения за символьной частотой демодуляция сигнала становится невоз­можной.

Рисунок 3.2 – Влияние воздействия на сигнал АБГШ

Рисунок 3.3 – Влияние частотного рассогласования

 

Рисунок 3.4 – Воздействие на сигнал АБГШ и смещение спектра

Рисунок 3.5 – Дробная задержка

Порядок выполнения работы:

1) Согласно приведенным выше рисункам и описанию, создайте модель канала связи в Simulink, подключите ее к передатчику и убедитесь в ее рабо­тоспособности.

2) Установите нулевое частотное и фазовое рассогласование. Задайте нулевую дробную задержку в канале связи. Проведите моделирование при отношениях сигнал/шум 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 дБ. Оцените значение ОСШ, при котором различение точек в созвездии становится невозможным. Проведите дополнительно 6 измерений возле этого значения. Сохраните для отчета все графики, полученные в ходе моделирования.

3) Установите ОСШ в канале равным 100 дБ. Задайте нулевую дробную задержку. Проведите моделирование при фазовом рассогласовании 0º, 45º, 90º, 135º, 180º, 270º и 360º. Проведите моделирование при частотном рассо­гласовании, равном 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц, 3 кГц. Сохраните для отчета все графики, полученные в ходе моделирования.

4) Установите ОСШ в канале равным 100 дБ. Задайте нулевое частотное и фазовое рассогласование. Проведите моделирование при дробной задержке, равной 0.1, 0.5, 1, 2, 3. Сохраните для отчета все графики, полученные в ходе моделирования.

5) По результатам выполнения моделирования составьте отчет, который должен содержать: цели и задачи работы, вид модели в Simulink, графики, полученные при выполнении пунктов 2, 3 и 4, выводы по результатам моде­лирования.

 

 

…

Вопросы …:

1) Общие вопросы моделирования канала связи.

2) Затухание сигнала в канале связи.

3) Воздействие АБГШ на сигнал.

4) Частотный и фазовый сдвиг сигнала.

5) Задержка в канале связи (дискретная, дробная, аналоговая).

6) Многолучевое распространение сигнала.

 

 

…

---

Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 426; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!