В этом примере показано, как использовать методологию конструирования на основе модели для преодоления проблемы обмена спецификациями, информацией о конструкции и моделями проверки между несколькими конструкторскими группами, работающими над одним проектом. В примере используется простой проект - исполняемая спецификация, которая инкапсулирует информацию из всех рабочих групп. Пример включает в себя информацию о том, как использовать Toolbox™ обработки сигналов, DSP System Toolbox™, Communications Toolbox™, RF Toolbox™ и RF Blockset™ в многодоменной конструкции.
Рис. 1: Устранение разрыва между RF и системными инженерами
При проектировании на основе модели в центре процесса разработки используется модель системного уровня. Перед разделением модели системного уровня среди различных проектных групп исходная модель системы, разработанная системным инженером, проверяется на соответствие требованиям и стандартам. С проверенной спецификацией исполняемого файла без ошибок проектирование и реализация проходят гладко. По мере разработки верификация может включать совместное моделирование и тестирование с аппаратным обеспечением в цикле.
Рис. 2: Проектирование на основе модели - модель системного уровня находится в центре процесса разработки
Вместо того чтобы говорить обо всех элементах процесса разработки, этот пример посвящен тому, как проектирование на основе моделей помогает инженерным группам. Идея состоит в том, чтобы дать возможность системному инженеру изначально создать исполняемую спецификацию в виде модели Simulink, которая может быть распределена среди групп разработчиков. Группа, такая как группа RF, будет разрабатывать подсистему, извлекать модель проверки и импортировать ее в RF Toolbox. Затем группа RF возвращает решение системному инженеру, который переоценивает общую производительность системы с повреждениями из подсистемы RF. Проектные группы могут переходить назад и вперед, выполняя итерацию, чтобы найти оптимальное решение по мере разработки. Возможно, радиочастотная секция может использовать более эффективное или менее дорогостоящее устройство, если алгоритмы обработки сигналов изменены. Или, возможно, небольшое увеличение длины слова с фиксированной точкой может высвободить часть потерь реализации, предусмотренных в бюджете, и позволит использовать более дешевый компонент RF. Эта методология проектирования на основе модели расширяет возможности междоменной оптимизации.
open('rfb_receiver_0.slx')
Модель rfb_receiver_0.slx показывает тип модели Communication System Toolbox, которая вдохновила на создание библиотеки RF Blockset Equivalent Baseband. Обратите внимание, что это простая модель для иллюстративных целей. Communications Toolbox включает более сложные модели WCDMA, 802.11, DVB-S2 и т. д. Однако представленные концепции могут применяться и к более сложным моделям.
Простая система беспроводной связи состоит из источника сообщения, модулятора КАМ, корневого косинусного фильтра и канала AWGN. Модель является исполняемой спецификацией и используется для проверки спецификации на соответствие требованиям и критериям приемлемости: «При BER 1e-3 значение Eb/No должно быть не больше 1dB выше теоретического предела для» 16QAM.
Для проверки спецификации можно использовать ранее сохраненный файл сеанса BERTool rfb_receiver_0.ber. Чтобы найти этот файл, введите следующую команду в подсказке MATLAB
which rfb_receiver_0.ber
Откройте BERTool с помощью команды MATLAB bertool. Из файла = = > Открыть сеанс... , перейдите к сохраненному сеансуrfb_receiver_0.ber. Теперь щелкните вкладку Monte Carlo, а затем нажмите кнопку Run. Генерируется цифра, подобная приведенной ниже:
Рис. 3: BER по сравнению с Eb/No, график без RF-обесценения
Значение Eb/No для данного значения BER немного выше теоретического предела из-за потерь реализации. (В данном случае основная потеря обусловлена конечной длиной корня, поднятого косинусными фильтрами.) Но деградация находится в рамках критериев приемлемости.
open('rfb_receiver_1.slx')
Давайте разработаем базовую модель и посмотрим, как она изменяется с дополнительной доработкой с помощью компонентов RF Blockset. Первый шаг состоит в замене блока AWGN блоком с потерями в тракте (показан на предыдущем рисунке голубым); это приведет к снижению уровня сигнала, близкого к концу значения диапазона. Потери в тракте (в дБ), необходимые для снижения мощности блока (1W) до заданного значения Eb/No (также в дБ) на входе приемника:
path_loss = 10*log10(k*T_ref*B*M) + EbNo + NF
где k - постоянная Больцмана (~ 1.38e-23 Дж/К ),T_ref - стандартная эталонная температура шума IEEE ® (290K ),B - ширина полосы шума (в данном случае ~ 50 МГц), иNF - показатель шума приемника в дБ.
Далее включаются подсистема РЧ-приемника голубого цвета и блоки АРУ. Блок АРУ является следствием использования реалистичных уровней сигнала, требуемых демодулятором.
open('rfb_receiver_1.slx') open_system('rfb_receiver_1/RF Receiver')
Теперь изучите подсистему RF Receiver, которая является каскадной моделью супергетеродинного приемника. Приемник использует блоки из библиотеки RF Blockset Equivalent Baseband. Сигнал Simulink поступает в РЧ-домен через блок «входной порт» шлюза. Обратите внимание, что соединители после шлюза отличаются. Стандартные стрелки Simulink были заменены на радиочастотные соединительные линии. Это напоминает нам о том, что радиочастотные сигналы являются двунаправленными. Приёмник представляет собой каскад компонентов, каждый из которых представлен в виде 2-портовой сети: фильтр, LNA, смеситель и полоса IF. Выходной порт в этом случае не только является шлюзом, возвращающимся к Simulink, но и представляет собой идеальный квадратурный смеситель преобразования с понижением частоты. Вот структура или архитектура для приемника, который еще не разработан. Создана исполняемая спецификация для инженера RF. Каждая ступень радиочастотной подсистемы включает в себя бюджет для общего усиления, шума и нелинейности, как показано на следующем рисунке.
Рис. 4: Спецификация параметров блока усилителя
В качестве примера бюджетирования рассмотрим фильтр переднего плана на приведенном выше рисунке. S-параметры задаются в одной частотной точке с помощью первого элемента массива gainVec, введенного в базовое рабочее пространство с помощью PostLoadFcn * на вкладке «Обратные вызовы» панели «Свойства модели». Каждый элемент массива относится к этапу, поэтому индекс 1 относится к первому этапу. Значения для OIP3 на вкладке Нелинейность данных (Nonlinearity data) и для параметра Шум (Noise Figure) на вкладке Шум (Noise data) задаются аналогичным образом.
Рис. 5. Спецификация сложных параметров моделирования, эквивалентных модулирующей полосе
Теперь откройте блок «Порт ввода». Этот порт содержит параметры, применимые к общей радиочастотной подсистеме. Подход узкополосного моделирования используется для захвата внутриполосных эффектов, которые влияют на блоки обработки сигналов в нисходящем направлении. Диапазон частот задается параметром Частота центра (Center frequency), параметром Время выборки (Sample time) (который равен 1/Bandwidth) и параметром Длина фильтра конечной импульсной характеристики (который является длиной фильтров импульсной характеристики, которые используются при моделировании радиочастотных компонентов). Фильтр временной области большей длины даст более высокое разрешение частотной области в пределах указанной полосы пропускания. Для моделирования несоответствия на входе первого компонента здесь также указывается импеданс источника. Обратите внимание на флажок «Добавить шум». Для включения шума в моделирование необходимо установить флажок «Добавить шум».
Рис. 6. Моделирование шума с помощью библиотеки RF Blockset Equivalent Baseband Library
Блок AWGN моделирует общий шум как отношение сигнал/шум. В отличие от этого, блоки из RF Blockset Equivalent Baseband model noise, добавляя вклад шума каждого блока по отдельности. Для каждого блока шум моделируется с использованием соответствующей формулировки, определяемой набором параметров шума, подаваемых для этого блока. После вычисления шума для каждого блока разрабатывается общая модель шума системы. Эта общая модель включает в себя положение каждого блока в каскаде (т.е. включает в себя усиление последующих каскадов).
Рис. 7: BER в сравнении с Eb/No графика с ухудшением ВЧ
Графики BER в сравнении с Eb/No, сравнивающие теоретическую, базовую и базовую модели с RF-нарушениями, приведены на рисунке 7. Это простая иллюстрация удобства, обеспечиваемого методологией проектирования на основе модели. На данном этапе процесса была разработана исполняемая спецификация. Эта спецификация будет использоваться группами для проектирования своих подсистем. В случае РЧ-подсистемы абстрактные РЧ-блоки заменяются дискретными компонентами. По мере реализации каждого радиочастотного блока может оцениваться его влияние на критерии проектирования системы.
bdclose('rfb_receiver_0'); bdclose('rfb_receiver_1');