576_Maglitskij_B.R._Modelirovanie_ehlementov_i_sistem_TSRS_v_SKM_MATLAB_

УДК [621.396.2:519.711.3] (075.8)

Маглицкий Б. Н. Моделирование элементов и систем цифровой радиосвязи

вСКМ MATLAB/Simulink : Учебное пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. ‒ Новосибирск, 2015. – 276 с.

Вучебном пособии рассмотрены принципы построения цифровых систем радиосвязи, методы модуляции и особенности передачи данных в цифровых системах радиосвязи. Описываются модели распространения радиосигналов, замирания сигналов и вероятностные модели многолучевых радиоканалов. Рассмотрены числовые характеристики многолучевого канала. Лабораторный практикум включает ознакомительную работу по правилам создания моделей телекоммуникационных устройств в среде MATLAB/Simulink, работы по изучению принципов построения цифровых систем радиосвязи, по исследованию методов модуляции в системах сотовой связи, по исследованию помехоустойчивости систем связи в каналах с аддитивным белым Гауссовым шумом и

вканалах с замираниями Рэлея и Райса, работы по исследованию спектральной и энергетической эффективности систем связи.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.03.02 и 11.04.02 ‒ «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», квалификация (степень) «бакалавр» и «магистр».

Кафедра систем радиосвязи Ил. ‒ 258, список литературы ‒ 5 наим.

Рецензент: проф. В.Т. Разинкин

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве учебного пособия.

©Маглицкий Б.Н., 2015

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2015

2.2.Основные характеристики цифровых систем радиосвязи……………………………………………………….. 11

3.2.Передача данных по каналам с ограниченной полосой частот……………………………………………………………... 30

4.1.Формула Шеннона о пропускной способности канала связи………………………………………………………………. 40

4.2.Компромисс между отношением сигнал/шум и скоростью

5.2.Распространение радиосигнала в реальных условиях. Модель Окамуры………………………………………………………….. 52

8.3.Лабораторная работа № 8.3 «Скремблирование цифровых потоков»…………………………………………………………. 131

8.4.Лабораторная работа № 8.4 «Исследование методов

4

Введение

Движущей силой экономики современного постиндустриального общества являются научные разработки, создаваемые в первую очередь на основе таких производственных ресурсов, как информация и знания. Процессы интеграции компьютерных, информационных и коммуникационных технологий

вединую систему дают возможность открывать новые общесистемные свойства, позволяя создавать все более продуктивные методы организации жизни, как отдельного человека, так и всего мирового сообщества. Ключевую роль

ворганизации этих процессов занимают современные способы передачи информации.

Концепция развития средств связи в ХХI веке предполагает создание всемирной информационной инфраструктуры, объединяющей региональные и национальные сети связи в единую сеть. При этом связь должна быть не только глобальной, но и персональной, и, следовательно, доступной любому потребителю.

Врешении этой задачи, наряду с проводными системами, немаловажная роль принадлежит цифровым системам радиосвязи.

Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части рассмотрены принципы построения цифровых систем радиосвязи, особенности передачи данных по радиоканалам, вероятностные модели многолучевых каналов, модели распространения радиоволн.

Вторая часть учебного пособия включает лабораторный практикум по дисциплине «Космические и наземные системы радиосвязи» с применением системы компьютерного моделирования СКМ MATLAB/Simulink.

5

1. Обобщенная схема современной цифровой системы радиосвязи

Основные элементы цифровой системы радиосвязи в общем виде показаны на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Обобщённая структура системы радиосвязи

Источник информации может выдавать данные для передачи по каналу связи как в цифровом виде (современные носители цифровой информации, различные датчики с цифровым интерфейсом и т. д.), так и в аналоговом виде (аналоговые датчики, передача звука и изображения и др.).

Впередатчике выполняется канальное кодирование данных и цифровая модуляция.

Под каналом связи понимается физическая среда, в которой происходит распространение информационного сигнала. При беспроводной связи в качестве такой среды выступает свободное пространство. Передаваемый по каналу связи сигнал подвержен аддитивному шуму, межсимвольной интерференции, затуханию, воздействиям промышленных, атмосферных помех и другим фак-

торам, которые вносят искажения в передаваемый сигнал.

Приемная часть цифровой системы связи содержит системы синхрони-

зации с принимаемым сигналом, цифровой демодулятор, системы канального декодирования и интерфейс выдачи полезных данных пользователю. При необходимости на приемной стороне системы связи реализуется преобразование цифрового сигнала в аналоговую форму. Как правило, приемная часть системы связи является более сложной в сравнении с передающей частью. Это вызвано в первую очередь необходимостью синхронизации с принимаемым сигналом по частоте и фазе несущего колебания, по частоте следования импульсов (символьной частоте). Реализация блоков канального декодирования сигнала более затратная с точки зрения вычислительных ресурсов, чем кодирования сигнала в передатчике. Зачастую приемная часть системы связи вынуждена работать при очень низких отношениях сигнал/шум (ОСШ), что требует от разработчика реализации наиболее эффективных методов цифровой обработки сигналов.

Взависимости от типа и назначения системы связи каналы связи подразделяются на симплексные, полудуплексные и дуплексные. При симплексной организации канала связи данные передаются только в одном направлении. Примерами симплексных цифровых систем связи являются сети цифрового радио- и телевещания, линии телеметрического контроля и т. д.

6

Дуплексный режим работы системы связи позволяет передавать данные в обоих направления одновременно за счет физического разделения сигналов (частотное, кодовое, пространственное, поляризационное разделение). В полудуплексном режиме работы системы связи происходит временное разделение потоков данных, при этом сигналы передаются по одному каналу связи в разное время.

Эффективность передачи информации через систему радиосвязи при определённых физических характеристиках радиоканала определяется свойствами передающей и приёмной ее частей, выбранными методами организации канала связи. Типовая структура передающей части системы цифровой радиосвязи представлена на рисунке 1.2.

Генератор

несущей

Рис. 1.2. Структурная схема передающей части цифровой системы радиосвязи

Первичным блоком в системе цифровой связи является источник информации. Источник может быть аналоговым или цифровым.

В случае если источник является аналоговым, выполняется преобразование его сигнала в цифровой с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя).

С выхода АЦП цифровой сигнал поступает на кодер источника. Основная задача кодера источника – сжатие информации. Чем меньше объём информации, который необходимо передать через радиоканал в единицу времени, тем меньше требуемая полоса частот и энергия, которую необходимо затратить на передачу.

Как правило, цифровые источники не кодируются. В этом случае исходная информация либо уже закодирована, либо может быть при желании сжата пользователем перед передачей, либо информация разнородна, тип её заранее не известен и оптимальный метод кодирования выбрать трудно.

Для сопряжения источника информации и передающей части системы радиосвязи предназначен блок интерфейсов.

Кодер канала используется практически во всех современных системах цифровой радиосвязи. Этот блок обозначен на рисунке 1.2 как FEC Encoder (предварительное кодирование). Его основное назначение – повышение достоверности передаваемой информации.

7

Повышение достоверности передачи производится за счет добавления избыточности к исходной информации. Данная операция называется помехоустойчивым кодированием.

Достоверность передачи информации в цифровых системах характеризуется статистической величиной – вероятностью ошибки на бит (BER – Bit Error Rate). BER является вероятностью ошибочного приёма при передаче одного бита информации, усреднённой для статистически большого объёма передаваемой информации.

Эффективность работы кодера канала описывается кодовой скоростью. Кодовая скорость равна отношению объёма закодированной информации к исходному объему информации. Типовые используемые значения кодовых скоростей для современных кодов составляют 1/4..3/4.

Добавление избыточности к передаваемой информации, очевидно, приводит к снижению информационной скорости передачи.

Цифровые методы передачи данных позволяют достичь любой заданной достоверности (при условии, если отношение энергии бита к спектральной плотности мощности шума больше -1,6 дБ – предела Шеннона), однако платой за это является падение скорости передачи информации, либо расширение требуемой полосы частот.

Перед модуляцией практически в любом цифровом передатчике осуществляется операция скремблирования цифрового сигнала с целью улучшения его статистических свойств.

Фильтрация необходима для ограничения спектра сигнала. В условиях ограниченного частотного ресурса и множества пользователей многоканальной системы связи ограничение спектра необходимо для исключения влияния сигнала на сигналы других абонентов и иные системы связи. Эту функцию выполняет фильтр формирования полосы (ФФП).

Фильтр применяется также и в приемном устройстве (рис. 1.3). Здесь его основной задачей является устранение влияния внеполосных помех и максимизация отношения сигнал/шум.

После фильтрации сигнал поступает на модулятор, где происходит модуляция одного или нескольких параметров несущего колебания. В большинстве случаев модуляция производится на промежуточной частоте. Методы модуляции и их характеристики будут подробно рассмотрены ниже.

Генератор несущей частоты вырабатывает немодулированное высокочастотное колебание, которое поступает на преобразователь частоты ПРЧ. К генератору предъявляются требования высокой стабильности частоты, часто низкого уровня фазовых шумов и возможности перестройки частоты.

Как правило, генератор построен на системе ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты) с использованием в качестве опорного низкочастотного стабильного сигнала от кварцевого генератора.

8

Усилитель мощности УМ обеспечивает необходимый уровень мощности в антенне передатчика. В зависимости от вида модуляции, предъявляются различные требования к линейности усилителя и его динамическому диапазону.

Типовая структура приемной части системы цифровой радиосвязи представлена на рисунке 1.3.

Генератор

несущей

Рис. 1.3. Структурная схема приемной части цифровой системы радиосвязи

Приемный тракт цифровой системы связи содержит набор блоков, большинство из которых выполняют функции, обратные выполняемым в передатчике. Входной сигнал через малошумящий усилитель (МШУ) и тракт преобразования частоты и усиления поступает на эквалайзер и далее на демодулятор, после которого регенерируется и фильтруется в фильтре ФФП. Затем цифровой сигнал поступает на дескремблер и декодер FEC. Через блок интерфейса сигнал подается к получателю сообщения.

Отметим, что описанная выше структура приемо-передающих устройств является типовой, то есть ее общий вид соответствует большинству современных систем (стандартов) связи. Тем не менее, существует множество систем, реализованных по иным схемам. Кроме этого, каждая из систем обладает существенно различными особенностями реализации, не упомянутыми при описании общей схемы.

2.Методы модуляции в цифровых системах радиосвязи

2.1.Общие сведения

Под модуляцией сигналов понимается преобразование сигналов с целью повышения эффективности и помехоустойчивости процесса передачи информации. В большинстве случаев методы модуляции основываются на

9

управлении параметрами сигналов в соответствии с информационным сообщением.

Информационный сигнал (сообщение) обозначим (t) , сигналпереносчик, параметр которого изменяется в соответствии с сообщением, обозначим s(t). При модуляции выполняется преобразование этих двух сигналов в один модулированный сигнал (t) в соответствии с уравнением

где M [.] – оператор, определяемый видом модуляции. Для выделения сообщения (t) на приёмной стороне необходимо выполнить обратное преобразование (демодуляцию), т. е.

При модуляции сигналов изменяется их форма и спектральные характеристики. Особенности спектров сигналов имеют большое значение для систем связи и телекоммуникаций.

На рисунке 2.1 приведена классификация методов модуляции.

В цифровых системах связи могут использоваться те же виды модуляции, что и в аналоговых системах: амплитудная (АМ), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ). При цифровом способе передачи эти параметры изменяются дискретно. По числу позиций (значений) модулируемого параметра несущей М различают двухпозиционные методы модуляции (М = 2) и многопозиционные (М > 2) методы модуляции (правильнее манипуляции) амплитуды (частоты или фазы).

Методы

модуляции

Рис. 2.1. Классификация методов модуляции

10