Эта модель показывает реализацию передатчика QPSK и получателя. Получатель решает практические проблемы в радиосвязях, например, несущую частоту и смещение фазы, синхронизируя синхронизация системы координат и дрейф. Получатель демодулирует полученные символы и выводит простое сообщение (например, к Диагностическому Средству просмотра).
Этот пример включает и MATLAB® и реализации Simulink®:
Скрипт MATLAB: commQPSKTransmitterReceiver.m
Модель Simulink: commqpsktxrx.slx
Эта модель в качестве примера выполняет всю обработку в комплексной основной полосе, чтобы обработать статическое смещение частоты, дрейф синхронизации и Гауссов шум. Чтобы справиться с вышеупомянутыми нарушениями, этот пример обеспечивает исходный проект практического цифрового получателя, который включает основанную на корреляции крупную компенсацию частоты, основанную на PLL прекрасную компенсацию частоты, основанное на PLL восстановление синхронизации символа, синхронизацию системы координат и разрешение неоднозначности фазы. Пример демонстрирует несколько библиотечных блоков в Communications Toolbox™, которые реализуют алгоритмы синхронизации в обработке получателя.
Структуру верхнего уровня модели показывают в следующем рисунке, который включает подсистему Передатчика, подсистему канала и подсистему Получателя.
Подробные структуры подсистемы Передатчика и подсистемы Получателя проиллюстрированы в следующих фигурах.
Компоненты далее описаны в следующих разделах.
Передатчик
Битная Генерация - Генерирует биты для каждой системы координат
Модулятор QPSK - Модулирует биты в символы QPSK
Повышенный Фильтр Передачи Косинуса - Использование фактор спада 0,5, и сверхдискретизировало символы QPSK два
Канал
Канал AWGN со Смещением Частоты и Переменной Задержкой - Применяет смещение частоты, дрейф синхронизации и аддитивный белый Гауссов шум к сигналу
Получатель
Повышенный Косинус Получает Фильтр - Использование фактор спада 0,5
Крупная Компенсация Частоты - Оценки аппроксимированное смещение частоты полученного сигнала и корректируют его
Синхронизатор символа - Передискретизирует входной сигнал согласно восстановленному стробу синхронизации так, чтобы решения символа были приняты в оптимальные моменты выборки
Синхронизатор поставщика услуг - Компенсирует остаточное смещение частоты и смещение фазы
Детектор преамбулы - Обнаруживает местоположение заголовка системы координат
Кадровый синхронизатор - Выравнивает контуры системы координат в известном заголовке системы координат
Декодирование данных - Твердость неоднозначность фазы, вызванная Синхронизатором Поставщика услуг, демодулирует сигнал и декодирует текстовое сообщение
Передатчик включает Битную подсистему Генерации, блок QPSK Modulator и блок Raised Cosine Transmit Filter. Битная подсистема Генерации использует переменную рабочего пространства MATLAB в качестве полезной нагрузки системы координат, как показано в фигуре ниже. Каждая система координат содержит 20 'Hello World ###' сообщения и заголовок. Первые 26 битов являются битами заголовка, 13-битный код Баркера, который был сверхдискретизирован два. Код Баркера сверхдискретизирован два для того, чтобы сгенерировать точно 13 символов QPSK для дальнейшего использования в подсистеме Декодирования Данных модели получателя. Остающиеся биты являются полезной нагрузкой. Полезная нагрузка соответствует представлению ASCII 'Hello World ### ', где '###' является повторяющейся последовательностью '000', '001', '002'..., '099'. Полезная нагрузка скремблирована, чтобы гарантировать сбалансированное распределение нулей и единицы для операции восстановления синхронизации в модели получателя. Скремблированные биты модулируются Модулятором QPSK (с Грэем, сопоставляющим). Модулируемые символы сверхдискретизированы два Повышенным Фильтром Передачи Косинуса с фактором спада 0.5. Уровень символа системы передатчика является 50k символами в секунду и частотой дискретизации после того, как Повышенный Фильтр Передачи Косинуса будет 100k выборками в секунду.
Канал AWGN со Смещением Частоты и Переменной подсистемой Задержки сначала применяет смещение частоты и предварительно установленное смещение фазы к сигналу передачи. Затем это добавляет переменную задержку с выбором следующих двух типов задержки с сигналом:
Задержка пандуса - Этот тип задержки инициализируется на выборках DelayStart и увеличивается линейно на уровне выборок DelayStep в каждой системе координат. Когда фактическая задержка достигает одной системы координат, буфер задержки полон, и это обеспечивает задержку одной системы координат.
Треугольная задержка - Этот тип задержки линейно изменяется назад и вперед между выборками MinDelay и выборками MaxDelay на уровне выборок DelayStep в каждой системе координат
Использование нескольких характеристик задержки позволяет вам исследовать их эффекты на производительности получателя, особенно на блоке Symbol Synchronizer. Задержанный сигнал обрабатывается через Канал AWGN. Схема Канала AWGN со Смещением Частоты и Переменной подсистемой Задержки находится как показано в следующем.
Повышенный Косинус Получает Фильтр, обеспечивает согласованную фильтрацию для переданной формы волны с фактором спада 0,5.
Полученная амплитуда сигнала влияет на точность синхронизатора символа и поставщика услуг. Поэтому амплитуда сигнала должна быть стабилизирована, чтобы гарантировать оптимальный проект цикла. Выходная мощность AGC установлена в значение, гарантирующее, что эквивалентные усиления фазы и детекторов ошибок синхронизации сохраняют постоянными в зависимости от времени. AGC помещается перед Повышенным Косинусом Получают Фильтр так, чтобы амплитуда сигнала могла быть измерена с фактором сверхдискретизации два, таким образом улучшив точность оценки. Можно обратиться к Главе 7.2.2 и Главе 8.4.1 [1] для получения дополнительной информации о том, как спроектировать усиление детектора фазы.
Крупная подсистема Компенсации Частоты корректирует входной сигнал грубой оценкой смещения частоты. Следующая схема показывает подсистему, в которой смещение частоты оценивается путем усреднения выхода основанного на корреляции алгоритма блока Coarse Frequency Compensator. Компенсация выполняется блоком Phase/Frequency Offset. Обычно существует остаточное смещение частоты даже после крупной компенсации частоты, которая вызвала бы медленное вращение созвездия. Блок Carrier Synchronizer компенсирует эту остаточную частоту.
Точность Крупных уменьшений Компенсатора Частоты с его максимальной частотой возместила значение. Идеально, это значение должно быть установлено чуть выше ожидаемой области значений смещения частоты. Например, эта модель вводит смещение частоты на 5 кГц, и Крупный Компенсатор Частоты сконфигурирован с максимальным смещением частоты на 6 кГц.
Восстановление синхронизации выполняется библиотечным блоком Синхронизатора Символа, который реализует PLL, описанный в Главе 8 [1], чтобы откорректировать ошибку синхронизации в полученном сигнале. Детектор ошибок синхронизации оценивается с помощью алгоритма Гарднера, который является вращательно инвариантным. Другими словами, этот алгоритм может использоваться, прежде или после того, как частота возместила компенсацию. Вход с блоком сверхдискретизирован два. В среднем блок генерирует тот выходной символ для каждых двух входных выборок. Однако, когда канал, синхронизирующий ошибку (задержка), достигает контуров символа, в выходной системе координат будет один дополнительный или отсутствующий символ. В этом случае заполнение битами реализаций блока / пропускающий таким образом выход этого блока является сигналом переменного размера.
Фактор Затухания, Нормированная пропускная способность цикла и параметры усиления Детектора блока являются настраиваемыми. Их значения по умолчанию установлены в 1 (критическое затухание), 0.01 и 5.4 соответственно, так, чтобы PLL быстро заблокировал к правильной синхронизации при представлении небольшого дрожания синхронизации.
Прекрасная компенсация частоты выполняется библиотечным блоком Синхронизатора Поставщика услуг, который реализует замкнутый цикл фазы (PLL), описанный в Главе 7 [1], чтобы отследить остаточное смещение частоты и смещение фазы во входном сигнале. PLL использует Прямой цифровой синтезатор (DDS), чтобы сгенерировать фазу компенсации, которая возмещает остаточную частоту и смещения фазы. Оценка смещения фазы от DDS является интегралом вывода ошибок фазы Контурного фильтра.
Фактор Затухания и Нормированные параметры пропускной способности цикла блока являются настраиваемыми. Их значения по умолчанию установлены в 1 (критическое затухание) и 0.01 соответственно, так, чтобы PLL быстро заблокировал к намеченной фазе при представлении небольшого шума фазы.
Местоположение известного заголовка системы координат обнаруживается библиотечным блоком Детектора Преамбулы, и синхронизация системы координат выполняется блоком MATLAB System с помощью Системы FrameSynchronizer object™. Блок Preamble Detector использует известный заголовок системы координат (модулируемый QPSK код Кусачек для снятия оболочки), чтобы коррелировать против полученных символов QPSK для того, чтобы найти местоположение заголовка системы координат. Блок Frame Synchronizer использует эту информацию о местоположении, чтобы выровнять контуры системы координат. Это также преобразовывает переменный размер выход блока Symbol Synchronizer в систему координат фиксированного размера, которая необходима для нисходящей обработки. Второй выход блока является булевым скаляром, указывающим, является ли первый выход допустимой системой координат с желаемым заголовком и если так, позволяет подсистеме Декодирования Данных запуститься.
Данные, Декодирующие, включили подсистему, выполняет разрешение неоднозначности фазы, демодуляцию и декодирование текстового сообщения. Блок Carrier Synchronizer может заблокировать немодулируемому поставщику услуг со сдвигом фазы 0, 90, 180, или 270 градусов, которые могут вызвать неоднозначность фазы. Для получения дополнительной информации неоднозначности фазы и ее разрешения, обратитесь к Главе 7.2.2 и 7.7 в [1]. Подсистема Средства оценки Смещения Фазы определяет этот сдвиг фазы. Подсистема The Phase Ambiguity Correction & Demodulation вращает входной сигнал предполагаемым смещением фазы и демодулирует исправленные данные. Биты полезной нагрузки дескремблированы и распечатаны к Средству просмотра Диагностики Simulink в конце симуляции.
Когда вы запускаете симуляцию, она отображает частоту ошибок по битам и многочисленные графические результаты.
Эти после осциллографов иллюстрируют спектр полученного сигнала до и после фильтрации, а также сигнальное созвездие после фильтрации, после синхронизации восстановления и после прекрасной компенсации частоты.
В следующем схемы созвездия при выходе блоков Синхронизатора Синхронизатора и Поставщика услуг Символа соответственно.
Пример позволяет вам экспериментировать с несколькими системными возможностями исследовать их эффект на производительности частоты ошибок по битам. Например, можно просмотреть эффект изменения смещения частоты, типа задержки и
на различных отображениях.
Этот пример моделирует статическое смещение частоты. На практике смещение частоты может варьироваться в зависимости от времени. Эта модель может все еще отследить изменяющийся во времени дрейф частоты через Крупную подсистему Компенсации Частоты. Если фактическое смещение частоты превышает максимальное смещение частоты, которое может быть прослежено текущей крупной подсистемой компенсации частоты, можно увеличить ее область значений отслеживания путем увеличения фактора сверхдискретизации. В качестве альтернативы можно изменить алгоритм от основанного на корреляции до основанного на БПФ в блоке Model Parameters. Основанный на БПФ алгоритм выполняет лучше, чем основанный на корреляции алгоритм в низком Eb/No.
Можно также настроить Нормированную пропускную способность цикла и Ослабляющий факторные параметры блоков Синхронизатора Синхронизатора и Поставщика услуг Символа, чтобы оценить их время сходимости и точность оценки. Кроме того, можно оценить область значений получения по запросу - в блока Carrier Synchronizer. С большой Нормированной пропускной способностью цикла и фактором Затухания, PLL может получить в большей области значений смещения частоты. Однако большая Нормированная пропускная способность цикла позволяет больше шума, который приводит к большой среднеквадратической ошибке по оценке фазы. "Системы Underdamped (с Затуханием Фактора меньше чем один) имеют быстрое время урегулирования, но показывают перерегулирование и колебание; сверхослабленные системы (с Затуханием Фактора, больше, чем один), имеют медленное время урегулирования, но никакие колебания". [1]. Для большего количества детали о проекте этих параметров PLL можно обратиться к Приложению C в [1].
1. Майкл Райс, "цифровая связь - подход дискретного времени", Prentice Hall, апрель 2008.
