В этой модели показана спутниковая линия связи с использованием блоков из Toolbox™ связи для моделирования следующих нарушений:
Нелинейность без памяти
Потеря пути свободного пространства
Доплеровская ошибка
Тепловой шум приемника
Фазовый шум
Синфазный и квадратурный дисбалансы
Смещения постоянного тока
Модель дополнительно исправляет большинство этих нарушений.
Моделируя выигрыши и потери на линии связи, эта модель реализует вычисления бюджета линии связи, которые определяют, может ли нисходящая линия связи быть закрыта с заданной частотой битовых ошибок (BER). Блоки усиления и потерь, включая блок потерь тракта свободного пространства и блок теплового шума приемника, определяют скорость передачи данных, которая может поддерживаться на линии связи в канале аддитивного белого гауссова шума.
В примере выделяется как модель спутниковой линии связи, так и области ее сигнала. Модель состоит из спутникового передатчика нисходящей линии связи, тракта нисходящей линии связи и наземного приемника нисходящей линии связи.
Блоки, соответствующие каждому из этих разделов:
Спутниковый передатчик нисходящей линии связи
Двоичный генератор Бернулли - создает случайный двоичный поток данных.
Прямоугольная модулирующая полоса QAM - отображает поток данных 16-QAM созвездие.
Фильтр передачи с увеличенным косинусом (Raised Cosine Transmit Filter) - Увеличивает выборку и формирует модулированный сигнал с использованием квадратного корня с увеличенной формой косинусного импульса.
HPA Nonlinearity with Optional Digital Predistortion (Усилитель высокой мощности) - моделирует усилитель трубки с бегущей волной (TWTA), используя опцию модели Салеха нелинейности без запоминания и опционально корректирует AM/AM и AM/PM с помощью блока Digital Predistortion.
Gain (Tx Dish Antenna Gain) - применяет усиление антенны параболической тарелки передатчика.
Путь к нисходящей линии связи
Потеря тракта свободного пространства (нисходящий тракт) - ослабляет сигнал по потере тракта свободного пространства.
Сдвиг фазы/частоты (доплеровская ошибка) - поворот сигнала для моделирования доплеровской ошибки на линии связи.
Приемник наземной станции нисходящей линии связи
Gain (Коэффициент усиления антенны Rx Dish) - применяет коэффициент усиления антенны приемной параболической тарелки.
Тепловой шум приемника (Satellite Receiver System Temp) - добавляет белый гауссов шум, который представляет эффективную системную температуру приемника.
Фазовый шум (Phase Noise) - вводит случайные фазовые возмущения, возникающие в результате 1/f или фазового мерцания.
Дисбаланс I/Q - вводит смещение постоянного тока, амплитудный дисбаланс или фазовый дисбаланс в сигнал.
LNA (Малошумящий усилитель) - применяет малошумящий усилитель.
Фильтр приема увеличенного косинуса (Raised Cosine Receive Filter) - применяет согласованный фильтр к модулированному сигналу, используя форму импульса увеличенного косинуса квадратного корня.
Блокировщик постоянного тока - компенсирует смещение постоянного тока в блоке дисбаланса I/Q.
Блок АРУ - устанавливает мощность сигнала на требуемый уровень.
Компенсатор дисбаланса I/Q - оценивает и удаляет дисбаланс I/Q из сигнала с помощью слепого адаптивного алгоритма.
Doppler Correction - использует блок синхронизатора несущей для компенсации смещения несущей частоты из-за доплеровского сдвига.
Прямоугольная модулирующая полоса демодулятора QAM - удаляет поток данных из пространства созвездия 16-QAM.
Дважды щелкните блок «Параметры модели» для просмотра параметров модели. Все эти параметры настраиваются. Чтобы внести изменения в параметры во время работы модели, примените их в диалоговом окне, а затем обновите модель с помощью клавиш ctrl + d. Параметры:
Высота спутника (км) - расстояние между спутником и наземной станцией. При изменении этого параметра обновляется блок потери пути свободного пространства. Значение по умолчанию - 35600.
Частота (МГц) - несущая частота линии связи. При изменении этого параметра обновляется блок потери пути свободного пространства. Значение по умолчанию - 4000.
Диаметр передающей и приемной антенны (m) - первый элемент в векторе представляет диаметр передающей антенны и используется для вычисления коэффициента усиления в блоке усиления передающей антенны. Второй элемент представляет диаметр приемной антенны и используется для вычисления коэффициента усиления в блоке усиления приемной антенны. По умолчанию установлено значение [.4 .4].
Температура шума (K) - позволяет выбрать из четырех эффективных температур шума системы приемника. Выбранная температура шума изменяет температуру шума блока теплового шума приемника. Значение по умолчанию - 20 K. Выбор:
0 (no noise) - Используйте эту настройку для просмотра других РЧ-нарушений без возмущающих эффектов шума.
20 (very low noise level) - Используйте эту настройку для просмотра того, насколько легко низкий уровень шума может в сочетании с другими нарушениями радиочастотного сигнала ухудшить производительность канала.
290 (typical noise level) - Используйте эту настройку для просмотра работы типичного бесшумного спутникового приемника.
500 (high noise level) - Используйте эту настройку для просмотра поведения приемника при значении системного шума 2,4 дБ и 290K температуре шума антенны.
Уровень отставания HPA - позволяет выбрать из трех уровней отставания. Этот параметр используется для определения того, насколько близок усилитель высокой мощности спутника к насыщению. Выбранное отставание используется для установки входного и выходного коэффициента усиления блока нелинейности без запоминания. Значение по умолчанию - 30 дБ (пренебрежимо малая нелинейность). Выбор:
30 dB (negligible nonlinearity) - устанавливает среднюю входную мощность на 30 децибел ниже входной мощности, которая вызывает насыщение усилителя (то есть точку, в которой кривая усиления становится плоской). Это приводит к незначительному преобразованию AM в AM и AM в PM. Преобразование АМ в АМ является показателем того, как амплитудная нелинейность изменяется в зависимости от величины сигнала. Преобразование AM-PM является мерой изменения нелинейности фазы в зависимости от величины сигнала.
7 dB (moderate nonlinearity) - устанавливает среднюю входную мощность на 7 децибел ниже входной мощности, которая вызывает насыщение усилителя. Это вызывает умеренное преобразование AM-в-AM и AM-в-PM, которое можно корректировать с помощью цифровой предыскажения.
1 dB (severe nonlinearity) - устанавливает среднюю входную мощность на 1 децибел ниже входной мощности, которая вызывает насыщение усилителя. Это вызывает сильное преобразование AM-в-AM и AM-в-PM и не корректируется с помощью цифровой предыскажения.
Доплеровская ошибка - позволяет выбрать одно из двух значений доплеровской ошибки. Выбор обновляет блок фазового/частотного смещения (доплеровская ошибка). Значение по умолчанию: 0 Hz. Выбор:
0 Hz - Нет доплеровского эффекта в звене.
3 Hz - добавляет смещение несущей частоты 3 Гц.
Фазовый шум - позволяет выбрать из трех значений фазового шума в приемнике. Выбор обновляет блок фазового шума. Значение по умолчанию: Negligible (-100 dBc/Hz @ 100 Hz). Выбор:
Negligible (-100 dBc/Hz @ 100 Hz) - Почти нет фазового шума.
Low (-55 dBc/Hz @ 100 Hz) - Достаточно фазового шума, чтобы быть видимым как в спектральной области, так и в области I/Q, и вызывать битовые ошибки в сочетании с тепловым шумом или другими нарушениями РЧ.
High (-48 dBc/Hz @ 100 Hz) - Достаточно фазового шума, чтобы вызвать ошибки без добавления теплового шума или других нарушений ВЧ.
Дисбаланс I/Q и смещение DC - позволяет выбрать из пяти типов синфазных и квадратурных дисбалансов в приемнике. Выбор обновляет блок дисбаланса I/Q. Значение по умолчанию: None. Выбор:
None - Никаких дисбалансов.
Amplitude imbalance (3 dB) - применяет усиление 1,5 дБ к синфазному сигналу и усиление -1,5 дБ к квадратурному сигналу.
Phase imbalance (20 deg) - вращает синфазный сигнал на 10 градусов, а квадратурный - на -10 градусов.
In-phase DC offset (1e-8) - добавляет смещение постоянного тока 1e-8 к амплитуде синфазного сигнала. Это смещение изменяет диаграмму совокупности принятых сигналов, но не приводит к ошибкам в линии связи, если не сочетается с тепловым шумом или другими РЧ-нарушениями.
Quadrature DC offset (5e-8) - добавляет смещение постоянного тока 5e-8 к амплитуде квадратурного сигнала. Это смещение вызывает ошибки на линии связи, даже если они не сочетаются с тепловым шумом или другим ухудшением ВЧ. Этот сдвиг также вызывает всплеск постоянного тока в спектре принятого сигнала.
Цифровая предыстория - позволяет включить или отключить подсистему Digital Predistortion. Значение по умолчанию: Disabled.
Коррекция смещения постоянного тока - позволяет включить или отключить подсистему блокировки постоянного тока. Значение по умолчанию: Disabled.
Доплеровская коррекция - позволяет включить или отключить подсистему доплеровской коррекции. Значение по умолчанию: Disabled.
Коррекция дисбаланса ввода/вывода - позволяет включить или отключить подсистему коррекции дисбаланса ввода/вывода. Значение по умолчанию: Disabled.
При запуске этой модели активны следующие экраны:
Спектр мощности (Power Spectrum) - двойной щелчок по этому блоку открытых областей позволяет просматривать спектр модулированного/отфильтрованного сигнала (желтый) и принятого сигнала перед демодуляцией (синий).
Сравнение двух спектров позволяет просмотреть влияние следующих нарушений ВЧ:
Повторный рост спектра из-за нелинейности HPA, вызванной блоком нелинейности без памяти
Тепловой шум, вызванный блоком теплового шума приемника
Фазовое мерцание (то есть шум 1/f), вызванное блоком фазового шума
HPA AM/AM и AM/PM - двойной щелчок по этому блоку открытых областей позволяет просматривать преобразования AM/AM и AM/PM после HPA. Эти графики позволяют просматривать влияние блока Digital Predistortion и HPA на линейность сигнала.
Constellation Before and After HPA (созвездие до и после HPA) - двойной щелчок по этому блоку Open Socops (открытые области) позволяет сравнить совокупность передаваемого сигнала до (желтый) и после (синий) HPA. Усиление усилителя приводит к тому, что выходной сигнал HPA превышает входной сигнал HPA. Этот график позволяет просмотреть комбинированный эффект нелинейности HPA и цифровой предыскаженности.
End to End Constellation - двойной щелчок по этому блоку Open Scopes позволяет сравнивать эталонное 16-QAM созвездие (красное) с принятым QAM созвездием перед демодуляцией (желтое). Сравнение этих диаграмм созвездий позволяет просмотреть влияние всех РЧ-нарушений на принятый сигнал и эффективность компенсаций.
Отображение частоты битовых ошибок (BER) - в правом нижнем углу модели отображается BER модели. Расчет BER может быть сброшен вручную путем двойного нажатия на зеленую кнопку «Double click to reset BER». Это позволяет просматривать влияние изменений параметров при работе модели.
В этом разделе описаны некоторые способы изменения параметров модели для эксперимента с эффектами блоков из библиотеки «RF обесценения» и других блоков в модели. Можно дважды щелкнуть блок «Параметры модели» в модели и попробовать некоторые из следующих сценариев:
Выигрыши и потери связи - изменение температуры шума на 290 (typical noise level), 0 (no noise) или 500 (high noise level). Измените значение параметров Высота спутника (км) или Частота спутника (МГц), чтобы изменить потери пути свободного пространства. Кроме того, увеличение или уменьшение параметра диаметров (m) передающей и приемной антенн для увеличения или уменьшения мощности принимаемого сигнала. Можно просмотреть изменения в принятой совокупности в области диаграммы принятых сигналов и изменения в принятой мощности в анализаторе спектра.
Формирование импульса с повышенным косинусом - убедитесь, что температура шума установлена в 0 (no noise). Включите области Constellation Before и After HPA. Обратите внимание на то, что фильтрация косинусов квадратного корня приводит к межсимвольным помехам (ISI). Это приводит к свободному рассеянию точек вокруг идеальных точек созвездия, которые можно увидеть на диаграмме созвездий After HPA. Квадратно-корневой приподнятый косинусный фильтр в приемнике совместно с фильтром передачи управляет ISI, который можно увидеть на диаграмме совокупности принятых сигналов.
Преобразование HPA AM в AM и преобразование AM в PM - измените параметр уровня задержки HPA на 7 dB (moderate nonlinearity) и наблюдать за преобразованиями AM-в-AM и AM-в-PM путем сравнения диаграммы совокупности сигналов, отфильтрованных RRC передачи, с сигналом RRC после диаграммы совокупности HPA. Обратите внимание, что преобразование AM-AM изменяется в соответствии с различными амплитудами сигнала. Можно также просмотреть влияние этого преобразования на принятый сигнал на диаграмме совокупности принятых сигналов. Кроме того, можно наблюдать спектральный повторный рост в анализаторе спектра принимаемого сигнала. Можно также просмотреть изменение фазы принятого сигнала в области диаграммы совокупности принятых сигналов.
Цифровое предыскажение С помощью флажка Digital predistortion измените параметр уровня задержки ВВД на 30 dB (negligible nonlinearity), 7 dB (moderate nonlinearity), и 1 dB (severe nonlinearity) для просмотра влияния цифровой предыскаженности на нелинейность ВВД.
Фазовый шум плюс преобразование АМ в АМ - задайте для параметра Фазовый шум значение High и наблюдают увеличенную дисперсию в тангенциальном направлении на диаграмме совокупности принятых сигналов. Также следует отметить, что этот уровень фазового шума достаточен для того, чтобы вызвать ошибки в канале без ошибок.
Смещение постоянного тока и компенсация смещения постоянного тока - задайте для параметра дисбаланса I/Q и смещения постоянного тока значение In-phase DC offset (1e-8) и просмотр сдвига совокупности на диаграмме совокупности принятых сигналов. Установка коррекции смещения постоянного тока в Enabled и просмотр диаграммы совокупности принятых сигналов для просмотра того, как блок смещения постоянного тока оценивает значение смещения постоянного тока и удаляет его из сигнала. Установить компенсацию смещения постоянного тока в Disabled и изменить дисбаланс ввода/вывода на Quadrature DC offset (5e-8). Просмотрите изменения в диаграмме совокупности принятых сигналов для большого смещения постоянного тока и пика постоянного тока в спектре принятого сигнала. Обратите внимание, что LNA усиливает малые смещения постоянного тока так, чтобы они были видны на диаграмме созвездия с гораздо большими пределами оси. Установить компенсацию смещения постоянного тока в Enabled и просмотрите диаграмму совокупности принятых сигналов и анализатор спектра, чтобы увидеть, как удаляется компонент постоянного тока.
Амплитудный дисбаланс - если коррекция дисбаланса I/Q отключена, установите для параметра Дисбаланс I/Q и смещение DC значение Amplitude imbalance (3 dB) для просмотра влияния несбалансированных коэффициентов усиления I и Q на диаграмме совокупности принятых сигналов. Разрешить коррекцию дисбаланса I/Q для компенсации амплитудного дисбаланса.
Доплеровская и доплеровская компенсация - отключить доплеровскую коррекцию, сняв флажок доплеровской коррекции. Установить доплеровскую ошибку в 3 Hz для отображения влияния нескорректированного доплеровского эффекта на диаграмму совокупности принятых сигналов. Включите доплеровскую коррекцию, чтобы показать, что синхронизатор несущей восстанавливает принятую совокупность. Повторите упражнение с различным дисбалансом I/Q и смещениями DC.
[1] Салех, Адель А.М., «Независимые от частоты и зависящие от частоты нелинейные модели усилителей TWT», IEEE ® Transactions on Communications, том COM-29, № 11, ноябрь 1981.
[2] Касдин, Н.Дж., "Дискретное моделирование цветного шума и стохастических процессов и 1/( f ^ альфа); Производство шума в соответствии с законом о мощности, "Материалы IEEE, том 83, № 5, май 1995 года.
[3] Касдин, Н. Джереми и Тодд Уолтер, «Дискретное моделирование шума закона мощности», симпозиум IEEE по частотному управлению 1992 года.
[4] Склар, Бернард, Digital Communications: основы и приложения, Englewood Cliffs, N.J., Прентис Холл, 1988.