Эта модель показывает реализацию QPSK передатчика и приемника с Simulink ®. Приемник решает практические проблемы в беспроводной связи, такие как несущая частота и фазовое смещение, дрейф синхронизации и кадровая синхронизация. Приемник демодулирует принятые символы и выводит простое сообщение в средство просмотра диагностики. Для получения информации о реализации MATLAB ® в той же системе см. QPSK Передатчик и приемник.
Эта примерная модель выполняет всю обработку на сложной полосе частот для обработки статического сдвига частоты, временного дрейфа и гауссова шума. Чтобы справиться с вышеупомянутыми нарушениями, этот пример обеспечивает эталонную конструкцию практического цифрового приемника, которая включает в себя основанную на корреляции грубую компенсацию частоты, основанную на ФАПЧ тонкую компенсацию частоты, восстановление синхронизации символов на основе ФАПЧ, синхронизацию кадров и разрешение фазовой неоднозначности. В примере показаны несколько библиотечных блоков в Communications Toolbox™, которые реализуют алгоритмы синхронизации в обработке приемника.
Структура верхнего уровня модели показана на следующем рисунке, который включает в себя подсистему передатчика, подсистему канала и подсистему приемника.
Подробные структуры подсистемы передатчика и подсистемы приемника показаны на следующих рисунках.
Компоненты дополнительно описаны в следующих разделах.
Передатчик
Формирование битов - генерирует биты для каждого кадра
Модулятор QPSK - модулирует биты в символы QPSK
Фильтр косинусной передачи (Raised Cosine Transmit Filter) - использует коэффициент отката 0,5 и увеличивает значения символов QPSK на два
Канал
Канал AWGN со смещением частоты и переменной временной задержкой - применяет сдвиг частоты, дрейф синхронизации и дополнительный белый гауссов шум к сигналу
Приемник
Фильтр приема с увеличенным косинусом - использует коэффициент отката 0,5
Грубая компенсация частоты - оценивает приблизительный сдвиг частоты принимаемого сигнала и корректирует его
Синхронизатор символов (Symbol Synchronizer) - производит повторную выборку входного сигнала в соответствии с восстановленным стробом синхронизации так, чтобы решения по символам принимались в оптимальные моменты выборки.
Синхронизатор несущей - компенсирует смещение остаточной частоты и фазовое смещение
Детектор преамбулы - определение местоположения заголовка кадра
Синхронизатор кадров - выравнивает границы кадра в известном заголовке кадра
Декодирование данных - разрешение фазовой неоднозначности, вызванной синхронизатором несущей, демодулирует сигнал и декодирует текстовое сообщение
Передатчик включает в себя подсистему генерации битов, блок модулятора QPSK и блок фильтра косинусной передачи. Подсистема генерации битов использует переменную рабочего пространства MATLAB в качестве полезной нагрузки кадра, как показано на рисунке ниже. Каждый кадр содержит 20 сообщений «Hello world # # #» и заголовок. Первые 26 битов являются битами заголовка, 13-битным кодом Баркера, который был избыточно дискретизирован двумя. Код Баркера избыточно дискретизируется двумя для того, чтобы генерировать точно 13 символов QPSK для последующего использования в подсистеме декодирования данных модели приемника. Остальные биты являются полезной нагрузкой. Полезная нагрузка соответствует ASCII-представлению «Hello world # # #», где «# # #» является повторяющейся последовательностью «000», «001», «002»,..., «099». Полезная нагрузка скремблируется, чтобы гарантировать сбалансированное распределение нулей и единиц для операции восстановления синхронизации в модели приемника. Скремблированные биты модулируются QPSK модулятором (с отображением Грея). Модулированные символы усиливаются на два фильтром передачи с увеличенным косинусным коэффициентом 0.5. Скорость передачи символов в системе передатчика составляет 50k символов в секунду, а частота дискретизации после фильтра передачи с повышенным косинусом составляет 100k выборок в секунду.
Подсистема AWGN-канала с частотным смещением и переменной задержкой сначала применяет частотное смещение и заданное фазовое смещение к передающему сигналу. Затем он добавляет переменную задержку с выбором следующих двух типов задержки к сигналу:
Линейная задержка - этот тип задержки инициализируется в отсчетах DelayStart и линейно увеличивается со скоростью отсчетов DelayStep в каждом кадре. Когда фактическая задержка достигает одного кадра, буфер задержки заполняется и поддерживает задержку в один кадр.
Задержка треугольника - этот тип задержки линейно изменяется назад и вперед между отсчетами MinDelay и отсчетами MaxDelay со скоростью отсчетов DelayStep в каждом кадре
Использование нескольких характеристик задержки позволяет исследовать их влияние на производительность приемника, в частности на блок синхронизатора символов. Задержанный сигнал обрабатывается через канал AWGN. Схема канала AWGN с подсистемой смещения частоты и переменной задержки показана ниже.
Фильтр приема с увеличенным косинусом обеспечивает согласованную фильтрацию для передаваемого сигнала с коэффициентом отката 0,5.
Амплитуда принятого сигнала влияет на точность синхронизатора несущей и символа. Поэтому амплитуда сигнала должна быть стабилизирована для обеспечения оптимальной конструкции контура. Выходная мощность АРУ устанавливается на величину, гарантирующую, что эквивалентные коэффициенты усиления детекторов фазовых и временных ошибок остаются постоянными во времени. АРУ помещается перед фильтром приема приподнятого косинуса, так что амплитуда сигнала может быть измерена с коэффициентом избыточной дискретизации, равным двум, таким образом повышая точность оценки. Подробную информацию о проектировании коэффициента усиления фазового детектора см. в главах 7.2.2 и 8.4.1 [1].
Подсистема грубой компенсации частоты корректирует входной сигнал с помощью грубой оценки сдвига частоты. Следующая диаграмма показывает подсистему, в которой сдвиг частоты оценивается путем усреднения выходного сигнала основанного на корреляции алгоритма блока компенсатора грубой частоты. Компенсация выполняется блоком фазового/частотного смещения. Обычно существует остаточный сдвиг частоты даже после грубой компенсации частоты, что может вызвать медленное вращение созвездия. Блок синхронизатора несущей компенсирует эту остаточную частоту.
Точность компенсатора грубой частоты уменьшается с максимальным значением смещения частоты. В идеале это значение должно быть установлено чуть выше ожидаемого диапазона смещения частоты. Например, эта модель вводит сдвиг частоты 5 кГц, а компенсатор грубой частоты конфигурируется с максимальным сдвигом частоты 6 кГц.
Восстановление синхронизации выполняется блоком библиотеки синхронизатора символов, который реализует ФАПЧ, описанную в главе 8 из [1], для исправления ошибки синхронизации в принятом сигнале. Детектор ошибок синхронизации оценивается с помощью алгоритма Гарднера, который является вращательно инвариантным. Другими словами, этот алгоритм может использоваться до или после компенсации смещения частоты. Вход в блок избыточно дискретизирован на два. В среднем блок генерирует один выходной символ для каждых двух входных выборок. Однако, когда ошибка синхронизации канала (задержка) достигает границ символа, в выходном кадре будет один дополнительный или отсутствующий символ. В этом случае блок реализует ввод/пропуск битов, таким образом, выходной сигнал этого блока является сигналом переменного размера.
Параметры коэффициента демпфирования, полосы пропускания нормализованного контура и коэффициента усиления детектора являются настраиваемыми. Их значения по умолчанию установлены на 1 (критическое демпфирование), 0,01 и 5,4 соответственно, так что ФАПЧ быстро фиксируется в правильном времени при введении небольшого дрожания времени.
Тонкая компенсация частоты выполняется блоком библиотеки синхронизатора несущей, который реализует контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), описанный в главе 7 из [1], для отслеживания остаточного сдвига частоты и фазового сдвига во входном сигнале. PLL использует прямой цифровой синтезатор (DDS) для генерации компенсирующей фазы, которая сдвигает остаточную частоту и фазовые смещения. Оценка фазового смещения от DDS является интегралом выходного сигнала фазовой ошибки фильтра контура.
Параметры Damping factor и Normalized loop bandwidth блока настраиваются. Их значения по умолчанию установлены на 1 (критическое демпфирование) и 0,01 соответственно, так что ФАПЧ быстро фиксируется на заданной фазе при введении небольшого фазового шума.
Местоположение известного заголовка кадра определяется блоком библиотеки детектора преамбулы, и синхронизация кадра выполняется блоком системы MATLAB с использованием системного object™ FrameSynchronizer. Блок детектора преамбулы использует известный заголовок кадра (QPSK-модулированный код Баркера) для корреляции с принятыми символами QPSK, чтобы найти местоположение заголовка кадра. Блок синхронизатора кадров использует эту информацию о местоположении для выравнивания границ кадра. Он также преобразует выходной сигнал переменного размера блока синхронизатора символов в кадр фиксированного размера, который необходим для обработки в нисходящем направлении. Второй выходной сигнал блока является логическим скаляром, указывающим, является ли первый выходной сигнал допустимым кадром с требуемым заголовком, и если да, то позволяет запустить подсистему декодирования данных.
Подсистема, разрешающая декодирование данных, выполняет разрешение фазовой неоднозначности, демодуляцию и декодирование текстовых сообщений. Блок синхронизатора несущей может фиксироваться на немодулированной несущей с фазовым сдвигом 0, 90, 180 или 270 градусов, что может вызвать фазовую неоднозначность. Подробную информацию о неоднозначности фазы и ее разрешении см. в главах 7.2.2 и 7.7 в [1]. Этот фазовый сдвиг определяется подсистемой оценки фазового смещения. Подсистема коррекции и демодуляции фазовой неоднозначности вращает входной сигнал на оцененное фазовое смещение и демодулирует скорректированные данные. Биты полезной нагрузки дескремблируются и распечатываются в Simulink Diagnostic Viewer в конце моделирования.
При выполнении моделирования отображается частота битовых ошибок и многочисленные графические результаты.
Эти следующие области иллюстрируют спектр принятого сигнала до и после фильтрации, а также совокупность сигналов после фильтрации, после восстановления синхронизации и после точной компенсации частоты.
Ниже приведены диаграммы созвездий на выходе блоков синхронизатора символов и синхронизатора несущих соответственно.
В этом примере можно поэкспериментировать с несколькими системными возможностями, чтобы проверить их влияние на производительность частоты битовых ошибок. Например, можно просмотреть влияние изменения смещения частоты, типа задержки и
на различные дисплеи.
В этом примере моделируется статическое смещение частоты. На практике сдвиг частоты может изменяться во времени. Эта модель по-прежнему может отслеживать переменный во времени дрейф частоты через подсистему грубой компенсации частоты. Если фактическое смещение частоты превышает максимальное смещение частоты, которое может отслеживаться текущей подсистемой грубой компенсации частоты, можно увеличить ее диапазон отслеживания, увеличив коэффициент избыточной дискретизации. Кроме того, в блоке Параметры модели (Model Parameters) можно изменить алгоритм с основанного на корреляции на FFT. Алгоритм на основе БПФ работает лучше, чем алгоритм на основе корреляции при низком Eb/No.
Можно также настроить параметры полосы пропускания нормализованного контура и коэффициента демпфирования блоков синхронизатора символов и синхронизатора несущих, чтобы оценить их время сходимости и точность оценки. Кроме того, можно оценить диапазон втягивания блока синхронизатора несущей. При большой нормализованной полосе пропускания контура и коэффициенте демпфирования PLL может получить больший диапазон смещения частоты. Однако большая ширина полосы нормализованного контура допускает больше шума, что приводит к большой среднеквадратичной ошибке в фазовой оценке. "Системы с пониженным демпфированием (с коэффициентом демпфирования менее единицы) имеют быстрое время отстаивания, но имеют перепады и колебания; системы с избыточным давлением (с коэффициентом демпфирования больше единицы) имеют медленное время оседания, но без колебаний ". [ 1 ]. Более подробную информацию о проектировании этих параметров PLL можно найти в Приложении C в [1].
1. Майкл Райс, «Цифровые коммуникации - дискретный подход времени», Прентис Холл, апрель 2008 года.