634_Nosov_V.I._Modelirovanie_sistem_svjazi_v_Matlab_

неэффективным кодом в данной ситуации является сверточный код. Это происходит вследствие его главной особенности – сверточные коды со степенью кодирования 1/n сохраняют в памяти предыдущие К - 1 бит, где К означает длину кодового ограничения. С такой памятью кодирование каждого входного бита данных зависит не только от значения этого бита, но и от предшествующих ему К - 1 бит.

5.4Выводы

По результатам исследования были получены графики зависимости коэффициента битовых ошибок BER от отношения Eb N0 при различных

параметрах радиотракта.

Наиболее эффективным кодом при работе с каналом с аддитивным белым гауссовским шумом является сверточный код. На сегодняшний день сверточное кодирование с обратной связью является наиболее широко применяемым в системах с коррекцией ошибок. Циклический код находит применение в системах с обнаружением ошибок, вследствие его превосходной обнаруживающей способности.

При работе с радиотрактами, где имеют место замирания, используются специальные методы эквалайзинга и перемежения большой глубины совместно с блочным и сверточным кодированием.

131

Контрольные вопросы

1.Назначение генератора псевдослучайной последовательности в рассматриваемых моделях канала.

2.Чем отличаюся блочные и сверточные коды.

3.Назначение перемежения символов в каналах связи.

4.Поясните зависимость вероятности ошибки от отношения Eb N0 в

канале с АБГШ для различных кодов.

5. Поясните зависимость вероятности ошибки от отношения Eb N0 в

канале с АБГШ и Райсовских замираний для различных кодов. 6. Поясните зависимость вероятности ошибки от отношения Eb N0 в

канале с АБГШ и Релеевских замираний для различных кодов.

132

6ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вданной работе представлено исследование влияния методов модуляции, канального кодирования и реальных характеристик радиотракта на помехоустойчивость приема в системах цифровой радиосвязи.

Методы модуляции M-PSK и M-QAM успешно применяются в системах радиорелейной и спутниковой связи, устройствах беспроводного абонентского доступа, сетях сотовой связи и т.д. Важной особенностью, обуславливающей применение этих видов модуляции, является возможность достижения компромисса между помехоустойчивостью системы и скоростью передачи информации в ней, а также относительная простота реализации устройств. В данной работе были проведены исследования характеристик модулированных сигналов с точки зрения помехоустойчивости и эффективности использования частотного диапазона. Исследование проведено на базе компьютерной модели, реализованной в системе MATLAB.

Вработе также продемонстрированы возможности MATLAB для моделирования систем связи, на примере простейшей модели системы телекоммуникаций.

Свойства многофазовых сигналов были рассмотрены в условиях белого Гауссовского шума и замираний Релея и Райса, и при воздействии нелинейных характеристик приемно-передающего тракта. Было показано, что из трех методов фазовой модуляции – PSK и DPSK с когерентным и некогерентным обнаружением – наиболее помехоустойчивым является модуляция PSK, что обуславливает широкое практическое применение её вариантов BPSK и QPSK в сотовых сетях второго поколения (IS-95, W- CDMA) и некоторых реализациях стандарта IEEE 802.11. Однако, помехоустойчивость в некоторых случаях является менее приоритетной задачей по сравнению с простотой исполнения системы. В этих случаях предпочтение может отдаваться менее сложной, с точки зрения практической реализации, модуляции DPSK. Этот вид модуляции немногим уступает PSK в помехоустойчивости (в пределах 1-2 дБ), из-за чего применяется например в системах транкинговой связи стандарта PWT, в стандарте сотовой связи IS-

136 ( /4 DQPSK) и в реализациях 802.11 не требующих высоких скоростей передачи информации (DBPSK, DQPSK).

Для обеспечения наибольших скоростей передачи применяется модуляция вида M-QAM. Сигналы QAM являют собой пример более эффективного использования спектра, чем у сигналов M-PSK. В частности, 16-ти позиционная QAM модуляция по сравнению с 8-PSK при помехозащищенности худшей примерно на 1,5 дБ характеризуются скоростью передачи информации большей на одну треть. Но при этом, при увеличении позиционности, помехоустойчивость QAM модуляции значительно понижается, что требует введения более мощного избыточного кодирования. Таким образом, применение QAM наиболее оправдано в

133

высокоскоростных системах передачи данных, работающих в условиях малых помех. Примеры областей применения QAM: стандарт IEEE 802.11 (скорости 24Мбит/с – 54Мбит/с) – 16-QAM, 64-QAM; спутниковые системы связи; радиорелейные линии связи.

Исследование воздействия нелинейных характеристик приемнопередающего тракта привело к выводам, что преобразование амплитудной модуляции в амплитудную модуляцию (AM-to-AM conversion) негативно сказывается на сигналах основанных на модулировании амплитуды (QAM), но практически не влияет на сигналы на основе модулирования фазы с малым M (2-, 4-, 8-PSK); а переход амплитудной модуляции в фазовую (AM- to-PM conversion) негативно влияет на достоверность передачи при использовании любой схемы, основанной на модулировании фазы.

Исследование влияния замираний Райса и Релея на модулированные сигналы показало, что замирания крайне негативно влияют на помехоустойчивость радиоканала, приемлемая помехоустойчивость достигается исключительно при большом отношении сигнал/шум и незначительном влиянии замираний. На практике эта проблема решается применением комплексных методов борьбы с замираниями (избыточное кодирование в сочетании с перемежением, эквалайзинг, использование RAKE приемников и пр.), рассмотрение которых выходит за рамки данного исследования.

Вторая часть исследования посвящена влиянию способов кодирования сигнала на помехоустойчивость канала радиосвязи. Здесь подробно рассмотрено поведение различных типов кодов, проведен сравнительный анализ кодеров и декодеров по эффективности, сложности реализации и областям применения. Так было показано, что циклические блочные коды в основном используются при обнаружении ошибок в системах с циклической проверкой четности с избыточностью (CRC). Они позволяют обнаруживать одиночные и множественные ошибки при внесении очень малой избыточности (в протоколе Ethernet – около 4%). Для систем с исправлением ошибок используют сверточное кодирование. Почти во всех приложениях сверточные коды лучше блочных при той же конструктивной сложности кодера и декодера. Для каналов спутниковой связи схемы прямого исправления ошибок позволяют легко понизить на 5-6 дБ требуемое значение SNR для заданной достоверности передачи. Коды Рида-Соломона особенно привлекательны, поскольку эффективность кода растет с его длиной. При большой длине блока коды можно сконфигурировать таким образом, что время декодирования будет значительно меньше, чем у других кодов с той же длиной блока. Это связано с тем, что декодер работает с целыми символами, а не битами. На практике, для повышения эффективности кодирования используют каскадные коды – сочетание сверточного кодирования и кодов Рида-Соломона.

134

Среда MATLAB 7.0 является удобным инструментом для практического подтверждения теоретических выкладок. В программе Simulink, входящей в пакет MATLAB очень качественно реализованы модели реальных устройств и процессов, с помощью которых можно проверить достоверность теоретических результатов не используя реальных устройств и сред, и не описывая модели в виде сложных и больших программ. Удобный интерфейс и богатые функциональные возможности MATLAB позволяют не только на практике подтверждать описанные теоретически модели, но и исследовать совершенно новые системы и ставить сложнейшие эксперименты, подтверждая или опровергая существующие гипотезы.

Проведенное исследование на практике доказало теоретически полученные зависимости. Сконструированная модель системы радиосвязи является базой для продолжения исследований в области телекоммуникаций. В дальнейшем можно использовать данную модель в качестве ядра по следующим направлениям:

Исследование реальных систем цифровой радио и проводной связи; Построение моделей новых систем и отдельных устройств для

практического обоснования современных теоретических исследований; Создание моделей для интерактивного обучения студентов и

аспирантов на лабораторных занятиях.

135

7СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр. : Пер. с англ. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с. : ил. – Парал. тит. англ.

2Столлингс В. Беспроводные линии связи и сети. : Пер. с англ. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2003. – 640 с. : ил. – Парал. тит. англ.

3Макаров А.А., Прибылов В.П. Помехоустойчивое кодирование в системах телекоммуникаций. Учебное пособие. /СибГУТИ. – Новосибирск,

2004. – 142 с.: ил.

4В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник для вузов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2005. – 864 с.: ил.

5Беллами Дж. Цифровая телефония: Пер. с англ. – М.: Радио и связь,

1986. – 544с.

6 Крук Б.И., Попантунгполо В.Н., Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3т. Том 1 / Под ред. В.П. Шувалова. – Новосибирск.: СибГАТИ, 1997.– 464с.

7www.telesputnik.ru/archive/all/n70/58.html

8www.exponenta.ru

9www.matlab.ru

10www.mathworks.ru

11Телекоммуникационные системы и сети. Т.2: Учебное пособие / Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П., Носов В.И.,

идр. – Новосибирск: ЦЭРИС, 2000. – 624 с.

12Носов В.И. Радиорелейные линии синхронной цифровой иерархии. Часть 1 – Многоуровневые кодеры, модемы и эквалайзеры. Учебное пособие. УМО по специальности связь. – Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. – 156 с.

13 Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах.Том 2 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение / Г.П. Катунин, Г.В. Мамчев, В.Н. Попантонопуло, В.П. Шувалов, В.И. Носов и др.; под ред. профессора В.П. Шувалова. – Изд. 2 – е, испр. и доп. – М:. Горячая линия – Телеком, 2004. 672 с.: ил.

14 В.И. Носов Основы цифровой передачи сигналов и построения радиорелейных линий синхронной цифровой иерархии Учебное пособие. УМО по специальности связь. – Новосибирск.: СибГУТИ, 2005. – 256 с

136

8 ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум содержит комплекс лабораторных, реализованных в системе MATLAB 7.0 предназначено для студентов, изучающих курсы «Сети подвижной связи», «Электромагнитная совместимость радиосредств», «Спутниковые и радиорелейные системы передачи», «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

1.1Освоение основных принципов моделирования в среде MATLAB

1.2Знакомство с многопозиционными методами модуляции

1.3Приобретение навыков по исследованию характеристик модулированного сигнала M-PSK

Подготовка к работе

1.4Изучить принципы моделирования в среде MATLAB по учебному пособию (разделы 3.1 – 3.4)

1.5Изучить принципы многопозиционной фазовой модуляции M-PSK

иеё 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:

137

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

138

накладывается аддитивный белый гауссовский шум (AWGN). Уровень шума в канале регулируется параметром Eb N0 . 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:

Eb N0 – 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 – « Eb N0 »).

Просмотр осциллограмм осуществляется двойным щелчком на иконке осциллографа после остановки симуляции. В окне просмотра

oуменьшение масштаба – команды Zoom Out или Autoscale контекстного меню (вызывается правой кнопкой мыши).

Окна вектограмм появляются на экране автоматически после запуска модели.

139

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

1Изучить структурную схему модели, пояснить назначение элементов схемы. Ознакомится с основными сведениями по работе с моделью.

2Изучение 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 105 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).

140