Обзор

Оптимизированный пример Передатчика и Приемника HDL QAM показывает, как использовать блоки Simulink®, которые поддерживают генерацию HDL-кода, чтобы реализовать основополосную обработку передатчика цифровой связи и приемника.

HDL QAM Tx подсистема генерирует комплекс оцененное, 64-QAM модулируемое созвездие. Модель канала с плавающей точкой, Канал, используется, чтобы добавить затухание, шум канала, смещение несущей частоты и дробную задержку для того, чтобы продемонстрировать операцию подсистемы приемника. HDL QAM Rx подсистема реализует практический цифровой приемник, чтобы смягчить нарушения канала с помощью крупного восстановления частоты, синхронизируя восстановление, синхронизацию системы координат и восстановление фазы и величину. Полученные пакеты данных затем декодируются и распечатываются к Командному окну MATLAB® Текстовым сообщением, Декодирующим подсистему.

Структура примера

Структуру верхнего уровня модели приемника QAM показывают в следующем рисунке. HDL QAM Tx и подсистемы HDL QAM Rx были оптимизированы для генерации HDL-кода.

Подробная структура подсистемы HDL QAM Tx видна на рисунке ниже.

Подсистема HDL QAM Tx содержит следующие компоненты, которые описаны более подробно в разделе HDL Optimized QAM Transmitter.

Структура Канала видна ниже. Когда подсистема Канала предназначается, чтобы быть грубым приближением канала AWGN с затуханием, и частота возместила его, предназначается, чтобы быть запущенным в программном обеспечении. В результате блоки, которые не поддерживаются для генерации HDL-кода, могут использоваться здесь, такие как блок Phase/Frequency Offset. Блок Phase/Frequency Offset не поддерживает типы данных фиксированной точки, следовательно преобразование, чтобы удвоиться во входе подсистемы Канала. Сигнал преобразован назад в фиксированную точку прежде чем быть выведенным от подсистемы Канала. Дробная задержка и AWGN применяются к переданному сигналу, и блок Gain ослабляет сигнал.

Подробная структура подсистемы HDL QAM Rx видна на рисунке ниже.

Подсистема HDL QAM Rx содержит следующие компоненты, которые описаны более подробно в разделе HDL Optimized QAM Receiver.

Структуру Текстового сообщения, Декодирующего подсистему, показывают ниже.

Эта подсистема, как ожидают, будет запущена в программном обеспечении, поэтому, желательно использовать основанные на системе координат сигналы ускорить расчет. Текстовое сообщение, Декодирующее подсистему, имеет восемь основанных на выборке булевых входных сигналов: dValid, packetStart и сигналы bit1 к bit6. Преобразование от основанных на выборке сигналов до основанных на системе координат дубликатов реализовано dataframer блоком MATLAB function. Демодулируемые биты допустимы только, когда dValid установлен высоко. Блок dataframer использует сигнал dValid заполнить линию задержки полученными битами и сигналом newPacket передать данные, хранимые в линии задержки к выходу и сбросить линию задержки. Подсистема Дескремблирования и Печати обрабатывает полученные данные только, когда разрешать сигнал идет высоко. Это происходит, когда или линия задержки накапливается, 336 допустимых демодулируемых битов или сигнал newPacket высоко. Это заставит dataframer устанавливать сигнал RxGo высоко. Во время симуляции подсистема Дескремблирования и Печати выводит строку "Hello World! Тест ~64QAM представляет ~ в виде строки ###" к окну команды MATLAB, где '###' является повторяющейся последовательностью '000', '001, '002'..., '099'. Каждые 50 пакетов, частота ошибок по битам данных в последних 50 успешно полученных пакетах также отображена в командном окне MATLAB.

HDL оптимизированный передатчик QAM (HDL QAM Tx)

Оптимизированный Передатчик HDL содержит Data Generation & Packetization, Отображение Символа и блоки Формирования Импульса, которые описаны подробно в следующих разделах.

1 - Data Generation & Packetization

Контроллер FSM (Конечный автомат) и Источник данных генерирует биты преамбулы и биты данных, выполняет скремблирование и создает пакеты. Каждый пакет состоит из 84-битной преамбулы Баркера кода и 252 бита скремблированных данных. Блок Group Bits преобразует поток битов входных данных в целое число на шесть битов на 1/6-й из входной частоты дискретизации, как требуется картопостроителем символа.

Подсистема Источника данных имеет конвейерную задержку 2 выборок. Кроме того, существует конвейерная задержка между источником данных и подсистемой бита-парного соединения. Допустимый сигнал поэтому задержан, чтобы совпадать с конвейерной задержкой информационного канала. Подсистема Битов Группы уменьшает частоту дискретизации на коэффициент 6. Размещение прореживания 6 в допустимом пути к управлению гарантирует что соответствия частоты дискретизации тот из пути прохождения сигнала.

2 - Отображение символа

Символ, Сопоставляющий подсистему, использует блок Rectangular QAM Modulator Baseband, чтобы сопоставить целочисленное входное значение на оцененный символ соответствующего 64-QAM комплекса. Блок использует схему Gray Mapping.

3 - Импульсное формирование

Импульс, Формирующий подсистему, использует блок RRC Interpolation Filter с фактором повышающей дискретизации 4. Согласованный фильтр реализован в приемнике. Фильтр является конвейерным (см. HDL Block Properties).

HDL оптимизированный приемник QAM (HDL QAM Rx)

HDL Оптимизированный Приемник содержит AGC, Coarse Frequency Offset Correction, Timing Recovery, Magnitude & Phase Recovery, и Демодулируйте блоки, которые описаны подробно в следующих разделах.

1 - AGC

AGC гарантирует, что амплитуда входа Крупной Компенсации Частоты нормирована к области значений 1 к-1.

Структуру AGC показывают в следующей схеме с конвейерными регистрами, отображенными зеленым в модели.

2 - Крупная коррекция смещения частоты

Крупная подсистема Коррекции Смещения Частоты оценивает и корректирует для смещения частоты с помощью алгоритма Луизы-Реггиэннини [1]. Подсистема Оценки Смещения Частоты заставляет оценку на основе выхода Корневого Повышенного Косинуса Получить Фильтр, затем коррекция смещения частоты на основе этой оценки применяется во входе к Корневому Повышенному Косинусу, Получают Фильтр. Это гарантирует, что желаемый фрагмент полученной пропускной способности сигнала лучше выравнивается с частотной характеристикой фильтра приемника, улучшение ОСШ по сравнению с исправлением при выходе Корневого Повышенного Косинуса Получает Фильтр.

Когда алгоритм оценки и коррекции действует в замкнутом цикле, делая итеративные обновления предыдущих оценок смещения частоты, система будет постепенно сходиться к результату. Усиление Цикла включено, чтобы реализовать усреднение оценок. Эта архитектура описана в [1]. Корневой Повышенный Косинус Получает реализации Фильтра операция субдискретизации, таким образом, необходимо сверхдискретизировать сигнал обратной связи, с помощью повторного блока, совпадать с уровнем во входе к фильтру.

Обратите внимание на то, что существует остаточное смещение частоты при выходе Крупной подсистемы Коррекции Смещения Частоты, которая варьируется в зависимости от времени, даже если смещение частоты во входе к подсистеме остается то же самое, когда новые оценки смещения сделаны. Мелкомодульная коррекция остаточного смещения выполняется позже в приемнике подсистемой Восстановления Величины и Фазы.

3 - Синхронизация восстановления

Подсистему Восстановления Синхронизации показывают в следующей схеме.

Подсистема Восстановления Синхронизации реализует PLL, описанный в Главе 8 [3], чтобы откорректировать ошибку синхронизации в полученном сигнале. В среднем подсистема Восстановления Синхронизации генерирует тот выходная выборка для каждых двух входных выборок.

Блок Функции управления Интерполяции реализует постепенное уменьшение по модулю 1 счетчик, описанный в Главе 8.4.3 [3], чтобы сгенерировать управляющий сигнал упростить выбор interpolants Фильтра Интерполяции. Этот управляющий сигнал также включает Синхронизацию детектора ошибок (TED), так, чтобы это вычислило ошибки синхронизации в правильные моменты синхронизации. Подсистема Управления Интерполяцией обновляет различие в синхронизации, mu, для Фильтра Интерполяции, генерируя interpolants в оптимальные моменты выборки.

Фильтром Интерполяции является Фэрроу параболический фильтр с как описано в Главе 8.4.2 [3]. Фильтр использует 0,5 так, чтобы все коэффициенты фильтра стали 1,-1/2 и 3/2, который значительно упрощает структуру интерполятора. На основе interpolants синхронизирующие ошибки сгенерированы Детектором ошибок Синхронизации пересечения нулем как описано в Главе 8.4.1 [3].

Фильтр Интерполяции вводит дробную задержку с сигналом для того, чтобы компенсировать ошибку синхронизации. Дробной задержкой управляет mu входной сигнал. Когда ошибка синхронизации (задержка) достигает контуров символа, в выходе существует один дополнительный или недостающий interpolant. Детектор ошибок Синхронизации реализует заполнение битами или пропуск, чтобы обработать дополнительное или пропавших без вести interpolants.

Обратитесь к Главе 8.4.4 [3] для деталей заполнения битами и пропуска. Цикл восстановления синхронизации обычно генерирует тот выходной символ для каждых двух входных выборок. Это также выводит строб синхронизации (validOut сигнал), который запускается на уровне входной частоты дискретизации. При нормальных обстоятельствах значение строба является просто последовательностью чередования единиц и нулей. Однако это происходит только, когда относительная задержка между передатчиком и приемником содержит некоторую дробную часть одного периода символа, и целая часть задержки (в символах) остается постоянной. Если целая часть относительных изменений задержки, значение строба может иметь два последовательных нуля или два последовательных единиц.

4 - Magnitude & Phase Recovery

Подсистема Magnitude & Phase Recovery выполняет пакетную синхронизацию, мелкомодульное восстановление частоты и мелкомодульное амплитудное восстановление.

Внутреннюю структуру Желаемой Исходной подсистемы Сигнала показывают ниже. LUT поиска данных содержит символы преамбулы.

Внутреннюю структуру подсистемы DLMS С 1 касанием показывают ниже.

5 - Демодулировать

Демодулировать подсистема сопоставляет каждый 64-QAM вводимый символ вдребезги, выводя 6 битов для каждого вводимого символа. Чтобы сгенерировать HDL для блока Rectangular QAM Demodulator Baseband, минимальное расстояние между символами должно быть установлено в 2. Это в 8 раз больше, чем расстояние между символами, сгенерированными в передатчике. В результате вход символов к Демодулировать подсистеме должен быть увеличен соответственно. Это сделано с помощью блока Shift Arithmetic, который переключает двоичную точку, оставленную на 3 бита достигнуть необходимого умножения 8.

Результаты и отображения

Во время симуляции модель отображает успешно полученные пакеты в командном окне MATLAB. В каждых 50 пакетах частота ошибок по битам данных в последних 50 успешно полученных пакетах также отображена в командном окне MATLAB.

После выполнения симуляции модель отображает шесть различных фигур, иллюстрирующих различные аспекты эффективности приемника. Их показывают ниже, наряду с объяснением каждого графика. Первые пять графиков показывают адаптацию, по длительности симуляции, Автоматического Управления Усилением, Оценки Смещения Частоты, оценки положения Восстановления Синхронизации, действительной части созвездия при выходе подсистемы Восстановления Синхронизации, и при выходе подсистемы Magnitude & Phase Recover. Последний график показывает схему созвездия при выходе подсистемы Magnitude & Phase Recovery после того, как любая адаптация произошла.

Следующий график иллюстрирует Автоматическую подсистему Управления Усилением, адаптирующуюся в зависимости от времени, чтобы нормировать выход. Равновесие должно быть установлено между тем, как быстро AGC адаптируется и сколько пульсации, там после того, как усиление достигло относительно постоянного уровня. Используя больший AGC усиление цикла адаптируется быстрее, но амплитуда после адаптации варьируется больше. Используя меньший цикл усиление замедляет адаптацию AGC, сглаживая уровень после адаптации, но занимая больше времени, чтобы адаптироваться.

Следующий график иллюстрирует, как крупное смещение частоты постепенно адаптируется к смещению частоты, введенному системой (синяя горизонтальная линия). Это показывает, что, в то время как оценка близко подходит к фактическому смещению частоты, существует все еще остаточная ошибка, которая должна быть исправлена позже в системе.

Следующий график показывает вход mu Фильтру Интерполяции. Обратите внимание на то, что mu сходится к устойчивому состоянию (с некоторой пульсацией) в зависимости от времени, когда задержка канала не варьируется во время симуляции.

Следующий график иллюстрирует, как действительная часть подсистемы Восстановления Синхронизации выход начинает сходиться к восьми отличным амплитудным уровням, ожидаемым для 64QAM. Однако как остаточное смещение частоты, остающееся после того, как, крупное восстановление частоты еще не было откорректировано в этой точке в приемнике, качество сигнала меняется в зависимости от отличных амплитудных уровней, более явно видимых в некоторых точках, чем в других. Созвездие все еще имеет некоторое вращение в этой точке в приемнике.

Следующий график показывает, как действительная часть выхода подсистемы Magnitude & Phase Recovery адаптируется в зависимости от времени. В отличие от предыдущего графика, сгенерирована эта схема после прекрасного восстановления частоты поэтому не должно вращаться созвездие. Нет никаких выборок первоначально, когда выход от блока не допустим, и затем восемь ясных амплитудных уровней должны быть замечены - представление восьми действительных амплитудных уровней 64-QAM созвездия.

Следующий график показывает созвездие при выходе подсистемы Magnitude & Phase Recovery после того, как система имела время, чтобы адаптироваться к каналу. Сокращение шума канала должно уменьшать размер каждой из точек созвездия; увеличение шума канала начинает объединять отличные точки созвездия вместе. Если система успешно не откорректировала для смещения частоты, то вращение созвездия отображается здесь.

Ссылки

1. М. Луиза и Р. Регджаннини, "Восстановление несущей частоты в полностью цифровых модемах для передач пакетного режима", Сделка IEEE. Коммуникации, стр 1169-1178, 1995.

2. Moeneclaey, M. и Де Жонгх, G. "Ориентированный на ML на синхронизацию поставщика услуг NDA для общих вращательно симметричных сигнальных созвездий", Сделка IEEE. Коммуникации, pp.2531-2533, 1994.

3. Майкл Райс, "цифровая связь - подход дискретного времени", Prentice Hall, апрель 2008.

4. Г. Лонг, Ф. Линг и Дж. Г. Проукис "LMS-алгоритм с задержанной содействующей адаптацией", Сделка IEEE на Акустике, Речи и Обработке сигналов, pp.1397-1405, 1989.