Лабораторные работы в программе Simulik Matlab r2011b

Задание 3. Моделирование приемной части
цифровой системы связи
Цель работы: изучение основ работы приемников цифровых систем
связи.
Задачи работы: описание теоретических моделей процессов, происходящих в приемниках цифровых систем связи; моделирование системы связи в
Simulink.
Для моделирования приемной части системы связи необходимо использовать следующие блоки Simulink:
Error Rate Calculator – блок подсчета количества ошибок при приеме
информации;
Display – блок отображения информации (сигналов);
To Workspace – блок вывода данных в среду MATLAB;
Gain – усилитель сигнала;
Raised Cosine Receive Filter – приемный фильтр с характеристикой приподнятого косинуса;
Downsample – блок понижения частоты дискретизации;
Add – блок суммирования/вычитания сигналов;
Constant – источник неизменяемого сигнала (константа);
Complex to Real-Imag – блок выделения реальной и мнимой части комплексного сигнала;
Product – блок перемножения/деления сигналов;
Minimum – блок поиска минимального значения вектора/матрицы сигналов;
n-D Lookup Table – блок n-размерной таблицы соответствий (таблицы
истинности);
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.
На рисунке 2.13 показан вид законченной модели системы цифровой
связи в Simulink.
48
Рисунок 2.13 – Законченная модель системы цифровой связи
Блок приемной части модели системы связи показан на рисунке 2.14.
Коэффициент усиления Gain выбирается обратным коэффициенту усиления в
передатчике. Согласованная фильтрация сигнала выполняется при помощи
фильтра с характеристикой корень из приподнятого косинуса (Raised Cosine
Receiver Filter) со следующими настройками: тип фильтра (Filter Type) – корень из приподнятого косинуса (Square Root); количество входных отсчетов
на один символ (Input samples per symbol (N)) – 8; групповая задержка, определяющая длину ИХ фильтра, (Group Delay) – 5 символов; коэффициент
скругления (Rolloff Factor) – 0.8; коэффициент понижения частоты дискретизации (Output Mode) – None; характер обработки сигнала (Input Processing) –
sample based. Перед понижением частоты дискретизации блоком Downsample
сигнал выводится на блок отображения глазковой диаграммы и блок отображения траектории вектора комплексной огибающей сигнала.
Рисунок 2.14 – Согласованная фильтрация и децимация сигнала
49
Демодуляция сигнала осуществляется на основе подсчета метрик (рис.
1.37) и выполняется в виде универсального демодулятора (рис. 2.15). Матрица (вектор) созвездия задается при помощи константы (Constellation на рис.
2.15). Поиск минимального значения метрики осуществляется при помощи
блока Minimum.
Рисунок 2.15 – Демодулятор сигнала
Соответствие между индексом минимальной метрики и символом задается в блоке n-D Lookup Table (рис. 2.16).
Рисунок 2.16 – Определение соответствий между
индексами матрицы созвездия и символами (для QAM16)
На рисунке 2.17 показаны диаграммы принимаемого сигнала с выхода
согласованного фильтра при отсутствии шумов, без частотного и фазового
50
рассогласования и без задержки в канале связи. Из рисунков хорошо видно,
что на принимаемое созвездие практически не оказывает влияние межсимвольная интерференция.
Рисунок 2.17 – Согласованный прием сигнала
Добавление к сигналу АБГШ приводит к размытию точек в созвездии и
повышению вероятности ошибки при приеме сигнала (рис. 2.18).
Рисунок 2.18 – Воздействие АБГШ на принимаемый сигнал
Частотное рассогласование приводит к вращению сигнального созвездия, что показано на рисунке 2.19. Фазовое рассогласование приводит к повороту сигнального созвездия (рис. 2.20). Рассинхронизация приемника по символьной частоте приводит к размытию созвездия (рис. 2.21).
51
Рисунок 2.19 – Результат частотного рассогласования при приеме
Рисунок 2.20 – Результат фазового рассогласования при приеме
Рисунок 2.21 – Результат рассогласования по
символьной частоте при приеме
52
На рисунке 2.22 показаны осциллограммы передаваемого и принимаемого сигналов. Не трудно подсчитать, что общая задержка в системе связи
равна 10 периодам следования импульсов данных. Данную задержку нужно
учесть в блоке подсчета количества ошибок передачи информации (Error Rate
Calculator – Receive Delay).
Рисунок 2.22 – Сопоставление передаваемого и принимаемого сигналов
Порядок выполнения работы:
1) Согласно приведенным выше рисункам и описанию, создайте модель
законченной системы связи в Simulink, убедитесь в ее работоспособности.
2) Установите нулевое частотное и фазовое рассогласование. Задайте
нулевую дробную задержку в канале связи. Установите ОСШ равным 0 дБ,
оцените статистическую вероятность появления ошибки при помощи блока
Error Rate Calculator.Увеличивайте ОСШ с шагом 5 дБ до достижения значения вероятности символьной ошибки не более 10 -5. Проведите ряд дополнительных измерений (не менее 5 точек) в области низких вероятностей символьной ошибки (10-2…10-5). Данные занесите в таблицу и постройте график.
Сохраните для отчета все графики, полученные в ходе моделирования.
3) Проведите моделирование согласно пункту 2 при фазовом рассогласовании 5º, 10º, 85º, 175º. Данные занесите в таблицу и постройте график зависимости символьной ошибки от фазового рассогласования. При необходимости скорректируйте диапазон углов фазового рассогласования для конкретного вида манипуляции.
4) Проведите моделирование согласно пункту 2 при дробной задержке в
канале связи 0.1, 0.5, 1, 3.9. Данные занесите в таблицу и постройте график
53
зависимости символьной ошибки от дробной задержки в канале связи. При
необходимости скорректируйте диапазон задержек для конкретного вида манипуляции.
5) По результатам выполнения моделирования составьте отчет, который
должен содержать: цели и задачи работы, вид модели в Simulink, таблицы и
графики, полученные при выполнении пунктов 2, 3 и 4, выводы по результатам моделирования.
Список тем для подготовки к защите:
1) Общие вопросы построения приемных систем цифровой связи.
2) Архитектура первого поколения цифровых приемников.
3) Архитектура второго поколения цифровых приемников.
4) Архитектура третьего поколения цифровых приемников.
5) Согласованная фильтрация сигнала.
6) Демодуляция сигнала. Расчет метрик. Мягкое решение. Жесткое решение.

Задание 4. Моделирование системы восстановления
несущего колебания
Цель работы: исследование систем синхронизации приемных устройств цифровой связи.
Задачи работы: описание теоретических моделей процессов, происходящих в блоках синхронизации цифровых систем связи; моделирование системы цифровой связи с блоком восстановления несущего колебания в Simulink.
Для моделирования блока восстановления несущего колебания системы
связи необходимо использовать следующие блоки Simulink:
Delay – блок дискретной задержки сигнала;
Sign – блок, выдающий +1 для положительного сигнала и -1 для отрицательного.
Math Function – блок математической обработки сигнала (модуль, логарифм, экспонента и т. д.);
Gain – усилитель сигнала;
Add – блок суммирования/вычитания сигналов;
Constant – источник неизменяемого сигнала (константа);
Complex to Real-Imag – блок выделения реальной и мнимой части комплексного сигнала;
Product – блок перемножения/деления сигналов;
Scope – осциллограф;
Subsystem – подсистема, позволяющая оформить часть модели в виде
отдельного блока.
На рисунке 2.23 показан вид модели системы цифровой связи в Simulink с петлей восстановления несущего колебания (петля Костаса).
55
Рисунок 2.23 – Приемная часть системы связи с блоком синхронизации
по несущему колебанию
Петля Костаса (рис. 2.24) состоит из детектора Костаса (2.25), фильтра
низких частот обратной связи (ФНЧ ОС) и генератора, управляемого кодом
(Numeric Controlled Oscillator).
Рисунок 2.24 – Петля Костаса
На рисунке 2.65 показан вид модели фильтра обратной связи. При помощи блоков усиления задаются коэффициент пропорциональной части и коэффициент интегральной части звена регулирования. Модель интегратора показана на рисунке 2.27. На рисунке 2.28 показана модель генератора комплексного сигнала, управляемого сигналом с фильтра обратной связи.
На рисунке 2.29 показан пример работы петли синхронизации. Сверху
приведены синфазная и квадратурная составляющие входного сигнала, затем
составляющие скорректированного сигнала и составляющие сигнала коррекции. На нижнем графике приведен сигнал ошибки с выхода фильтра обратной
связи.
56
Рисунок 2.25 – Детектор Костаса
Рисунок 2.26 – Фильтр петли обратной связи
Рисунок 2.27 – Модель интегратора
57
Рисунок 2.28 – Генератор комплексного сигнала, управляемый кодом
Рисунок 2.29 – Коррекция частотного рассогласования
58
Порядок выполнения работы:
1) Согласно приведенным выше рисункам и описанию, создайте модель
системы связи в Simulink с блоком восстановления несущего колебания, убедитесь в ее работоспособности.
2) Установите нулевую дробную задержку в канале связи и задайте
ОСШ равным 100 дБ. При нулевом фазовом и частотном рассогласовании
убедитесь в работоспособности модели. Задайте фазовое рассогласование 40º
и наблюдайте на блоке отображения сигнального созвездия процесс автоматического регулирования. Устанавливая различное фазовое рассогласование,
создайте все возможные случаи ложной синхронизации системы связи. Сохраните для отчета все графики, полученные в ходе моделирования.
3) При нулевом фазовом рассогласовании задайте частотный сдвиг сигнала 10 Гц, наблюдайте переходной процесс системы регулирования. Устанавливая различные значения частотного рассогласования, найдите максимальное значение, при котором система автоподстройки частоты работоспособна.
4) Оцените влияние изменения коэффициента пропорциональной части
системы автоматического регулирования на длительность переходного процесса и максимальное значение частотного рассогласования (согласно пункту
3). Найдите и зафиксируйте оптимальное значение коэффициента пропорциональной части для максимального частотного рассогласования и для наиболее
быстрой работы петли регулирования при частотном рассогласовании 10 Гц.
5) Оцените влияние изменение коэффициента интегральной части системы автоматического регулирования согласно пункту 4.
6) По результатам выполнения моделирования составьте отчет, который
должен содержать: цели и задачи работы, вид модели в Simulink, таблицы и
графики, полученные при выполнении пунктов 2, 3, 4 и 5, выводы по результатам моделирования.
Список тем для подготовки к защите:
1) Системы восстановления несущего колебания.
2) Петля с возведением сигнала в квадрат (петля Пистолькорса). Синфазно-квадратурная петля (петля Костаса).
3) Петля символьной синхронизации.
4) Фазовая неоднозначность при приеме сигналов с подавленным несущим колебанием. Способы решения фазовой неоднозначности.
5) Системы автоматического регулирования уровня усиления сигнала.
59
Задание 5. Моделирование петли символьной синхронизации
Цель работы: исследование систем символьной синхронизации приемных устройств цифровой связи.
Задачи работы: описание теоретических моделей процессов, происходящих в блоках символьной синхронизации цифровых систем связи; моделирование системы цифровой связи с блоком восстановления несущего колебания и блоком символьной синхронизации в Simulink.
Для моделирования системы синхронизации приемного устройства по
символьной частоте необходимо дополнить модель приемника петлей символьной синхронизации (петля Гарднера). На рисунке 2.30 показана модель
приемного устройства с петлей символьной синхронизации (Timing phase recovery (Gardner detector)).
Рисунок 2.30 – Модель приемного устройства с петлей
символьной синхронизации
На рисунке 2.31 показана модель петли синхронизации, состоящая из
фильтра-интерполятора (фильтр Фарроу, рис. 2.32), детектора Гарднера (рис.
2.33), фильтра петли обратной связи (рис. 2.34) и генератора, управляемого
кодом (рис. 2.35).
60
Рисунок 2.31 – Петля символьной синхронизации
Рисунок 2.32 – Фильтр-интерполятор (структура Фарроу)
61
Рисунок 2.33 – Детектор Гарднера
Рисунок 2.34 – Фильтр петли обратной связи
Параметры фильтра петли обратной связи (коэффициенты пропорционального и интегрального звеньев) подбираются экспериментально, по виду
графика переходного процесса системы автоматического регулирования.
62
Рисунок 2.35 – Генератор, управляемый кодом
Генератор, управляемый кодом, выполнен на основе структуры Modulo1, предложенной Гарднером. В структуре генератора присутствует блок Triggered Subsystem (рис. 2.36), позволяющий производить передискретизацию
сигнала.
Рисунок 2.36 – Блок передискретизации сигнала
На рисунках 2.37–2.39 показаны диаграммы сигналов приемника системы связи при различных значениях дробной задержки в канале связи.
63
Рисунки 2.37–2.39 – Вид принимаемого созвездия при различных
значениях дробной задержки в канале связи
64
Порядок выполнения работы:
1) Согласно приведенным выше рисункам и описанию, создайте модель
системы связи в Simulink с блоком синхронизации по символьной частоте.
2) Установите нулевую дробную задержку в канале связи и задайте
ОСШ равным 100 дБ. При нулевом фазовом и частотном рассогласовании
убедитесь в работоспособности модели. Задавая различное частотное и фазовое рассогласование, убедитесь в работоспособности петли восстановления
несущего колебания. Задавая различное значение дробной задержки в канале
связи, убедитесь в правильной работе петли синхронизации по символьной
частоте.
3) Создайте генератор медленно изменяющегося синусоидального сигнала с минимальным значением амплитуды 0 и максимальным значением 8.
Подайте сигнал генератора на вход блока переменной дробной задержки в
канале связи. Наблюдайте на глазковой диаграмме перемещение сигнала и
убедитесь в правильной работе петли синхронизации по символьной частоте.
4) Оцените степень влияния петли синхронизации по символьной частоте на вид принимаемого созвездия.
5) Исключите петлю синхронизации по несущей частоте из модели приемника. Изменяйте значения частотного и фазового рассогласования, оцените
возможность работы петли синхронизации по символьной частоте при частотном рассогласовании передатчика и приемника.
6) По результатам выполнения моделирования составьте отчет, который
должен содержать: цели и задачи работы, вид модели в Simulink, таблицы и
графики, полученные при выполнении пунктов 2, 3, 4 и 5, выводы по результатам моделирования.