Эта модель показывает реализацию передатчика и приемника QPSK с Simulink ®. Приемник решает практические проблемы в беспроводной связи, такие как частота несущей и смещение фазы, дрейф синхронизации и синхронизация системы координат. Приемник демодулирует принятые символы и выводит простое сообщение в Diagnostic Viewer. Для реализации MATLAB ® той же системы см. раздел «Передатчик и приемник QPSK».
Эта модель примера выполняет всю обработку в комплексной полосе частот для обработки статического смещения частоты, дрейфа синхронизации и Гауссова шума. Чтобы справиться с вышеупомянутыми нарушениями, этот пример предоставляет исходный проект практического цифрового приемника, который включает в себя основанную на корреляции компенсацию грубой частоты, основанную на ФАПЧ компенсацию тонкой частоты, восстановление временных параметров символа ФАПЧ, синхронизацию система координат и разрешение неоднозначности фазы. Пример показывает несколько библиотечных блоков в Communications Toolbox™, которые реализуют алгоритмы синхронизации в обработке приемника.
Структура верхнего уровня модели показана на следующем рисунке, который включает 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
Генерация битов - генерирует биты для каждой системы координат
Модулятор QPSK - Модулирует биты в символы QPSK
Фильтр передачи приподнятого косинуса - использует коэффициент сгиба 0,5 и увеличивает символы QPSK на два
Канал
Канал AWGN с смещением частоты и переменной временной задержкой - применяет смещение частоты, дрейф синхронизации и аддитивный белый Гауссов шум к сигналу
Приемник
Фильтр приема приподнятого косинуса - использует коэффициент сгиба 0,5
Грубая частотная компенсация - оценивает приблизительное смещение частоты принимаемого сигнала и исправляет его
Символьный синхронизатор - Повторная амплитуда входного сигнала согласно восстановленному стробу синхронизации так, чтобы решения о символе принимались в оптимальные моменты дискретизации
Синхронизатор несущей - компенсирует смещение остаточной частоты и смещение фазы
Детектор преамбулы - Обнаружение местоположения заголовка системы координат
Система координат Synchronizer - выравнивает систему координат контуров в известном заголовке системы координат
Декодирование данных - устраняет неоднозначность фазы, вызванную синхронизатором несущей, демодулирует сигнал и декодирует текстовое сообщение
Передатчик включает подсистему генерации битов, блок QPSK Modulator и блок Raised Cosine Transmit Filter. Подсистема генерации битов использует переменное Рабочее пространство MATLAB в качестве полезной нагрузки системы координат, как показано на рисунке ниже. Каждая система координат содержит 20 сообщений 'Hello world # #' и заголовок. Первые 26 битов являются заголовочными битами, 13-битным кодом Баркера, который был переизбран на два. Код Баркера переизбирается двумя по порядку, чтобы сгенерировать точно 13 символов QPSK для дальнейшего использования в Подсистеме Декодирования Данных модели приемника. Остальные биты являются полезной нагрузкой. Полезная нагрузка соответствует представлению ASCII 'Hello world # #', где '# # #' является повторяющейся последовательностью '000', '001', '002',..., '099'. Полезная нагрузка скремблируется, чтобы гарантировать сбалансированное распределение нулей и таковых для операции восстановления синхронизации в модели приемника. Скремблированные биты модулируются модулятором QPSK (с отображением серого). Модулированные символы увеличиваются на два с помощью приподнятого косинусоидного передающего фильтра с коэффициентом свертывания 0,5. Скорость символа системы передатчика составляет 50 000 символов в секунду, и скорость дискретизации после приподнятого фильтра передачи косинуса составляет 100 000 выборки в секунду.
AWGN-канал с подсистемой смещения частоты и переменной задержки сначала применяет смещение частоты и предустановленное смещение фазы к передающему сигналу. Затем он добавляет к сигналу переменную задержку с выбором следующих двух типов задержки:
Задержка пандуса - Этот тип задержки инициализируется в выборках DelayStart и линейно увеличивается со скоростью выборок DelayStep в каждой системе координат. Когда фактическая задержка достигает одной системы координат, буфер задержки переполнен, и он поддерживает задержку одной системы координат.
Задержка треугольника - Этот тип задержки линейно изменяется назад и вперед между выборками MinDelay и выборками MaxDelay со скоростью дискретизации DelayStep в каждой системе координат
Использование нескольких характеристик задержки позволяет вам исследовать их эффекты на эффективность приемника, особенно на блок Symbol Synchronizer. Задержанный сигнал обрабатывается через канал AWGN. Схема подсистемы AWGN-канала со смещением частоты и переменной задержкой показана на следующем рисунке.
Фильтр приема приподнятого косинуса обеспечивает согласованную фильтрацию для переданной формы волны с коэффициентом срабатывания 0,5.
Амплитуда принимаемого сигнала влияет на точность несущей и символьного синхронизатора. Поэтому амплитуда сигнала должна быть стабилизирована, чтобы гарантировать оптимальный проект цикла. Выходная степень AGC устанавливается на значение, гарантирующее, что эквивалентные усиления фазы и детекторы временных ошибок остаются постоянными с течением времени. АРУ помещается перед приёмным фильтром приподнятого косинуса, так что амплитуда сигнала может быть измерена с коэффициентом избыточной дискретизации двух, таким образом улучшая точность оценки. Для получения дополнительной информации о проектировании коэффициента усиления фазового детектора см. главу 7.2.2 и главу 8.4.1 [1].
Подсистема компенсации грубой частоты исправляет входной сигнал с грубой оценкой смещения частоты. Следующая схема показывает подсистему, в которой смещение частоты оценивается путем усреднения выхода основанного на корреляции алгоритма блока Грубой Частотной Компенсатора. Компенсация выполняется блоком Phase/Frequency Offset. Обычно существует смещение остаточной частоты даже после грубой частотной компенсации, что вызвало бы медленное вращение созвездия. Блок Carrier Synchronizer компенсирует эту остаточную частоту.
Точность Компенсатора Грубой Частоты уменьшается с его максимальным значением смещения частоты. В идеале это значение должно быть установлено чуть выше ожидаемой области значений смещения частоты. Для примера эта модель вводит смещение частоты 5 кГц, и компенсатор грубой частоты сконфигурирован с максимальным смещением частоты 6 кГц.
Восстановление синхронизации выполняется библиотечным блоком Symbol Synchronizer, который реализует ФАП, описанную в главе 8 [1], чтобы исправить ошибку синхронизации в принятом сигнале. Детектор временной ошибки оценивается с помощью алгоритма Гарднера, который является вращательно-инвариантным. Другими словами, этот алгоритм может использоваться до или после компенсации смещения частоты. Вход в блок переизбран на две. В среднем блок генерирует один выходной символ на каждые две входные выборки. Однако, когда ошибка синхронизации канала (задержка) достигает символа контуров, в выход системы координат будет один дополнительный или отсутствующий символ. В этом случае блок реализует заполнение/пропуск бит, таким образом, выход этого блока является сигналом переменного размера.
Параметры Коэффициента затухания, Normalized цикла bandwidth и Detector gain блока настраиваются. Их значения по умолчанию равны 1 (критическое демпфирование), 0,01 и 5,4 соответственно, так что ФАПЛ быстро блокируется в правильном времени, вводя небольшой джиттер времени.
Коррекция мелкой частоты выполняется библиотечным блоком синхронизатора несущей, который реализует цикл фазовой автоподстройки (ФАП), описанный в главе 7 [1], для отслеживания смещения остаточной частоты и смещения фазы в входном сигнале. PLL использует прямой цифровой синтезатор (DDS), чтобы сгенерировать фазу компенсации, которая смещает остаточные смещения частоты и фазы. Оценка смещения фазы из DDS является интегралом выхода фазовой ошибки Цикла фильтра.
Параметры Коэффициента затухания и нормированной шумовой полосы блока настраиваются. Их значения по умолчанию равны 1 (критическое демпфирование) и 0,01 соответственно, так что ФАПЛ быстро блокируется в предполагаемой фазе, вводя небольшой фазовый шум.
Местоположение известного заголовка системы координат обнаруживается детектором преамбулы библиотечного блока и синхронизация системы координат выполняется системным блоком MATLAB с использованием системного object™ FrameSynchronizer. Блок детектора преамбулы использует известный заголовок системы координат (код Баркера с модуляцией QPSK), чтобы коррелировать с принятыми символами QPSK в порядок, чтобы найти местоположение заголовка системы координат. Блок Frame Synchronizer использует эту информацию о местоположении для выравнивания контуров системы координат. Это также преобразует выход переменного размера 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 это так, позволяет запускать подсистему декодирования данных.
Подсистема с поддержкой декодирования данных выполняет разрешение неоднозначности фазы, демодуляцию и декодирование текстовых сообщений. Блок Синхронизатора Несущей может блокироваться к немодулированной несущей со сдвигом фазы 0 , 90 , 180 или 270 степеней, что может вызвать неоднозначность фазы. Для получения дополнительной информации о неоднозначности фазы и ее разрешении см. главы 7.2.2 и 7.7 в разделе [1]. Подсистема оценки смещения фазы определяет этот сдвиг фазы. Подсистема коррекции и демодуляции неоднозначности фазы вращает входной сигнал на расчетное смещение фазы и демодулирует исправленные данные. Биты полезной нагрузки дескремблируются и распечатываются в Simulink Diagnostic Viewer в конце симуляции.
Когда вы запускаете симуляцию, она отображает вероятность битовой ошибки и многочисленные графические результаты.
Эти следующие области иллюстрируют спектр принимаемого сигнала до и после фильтрации, а также сигнальное созвездие после фильтрации, после восстановления синхронизации и после точной компенсации частоты.
Ниже приведены схемы созвездий на выходе блоков Symbol Synchronizer и Carrier Synchronizer соответственно.
Пример позволяет вам экспериментировать с несколькими возможностями системы, чтобы изучить их эффект на эффективность частоты битовой ошибки. Для примера можно просмотреть эффект изменения смещения частоты, типа задержки и
на различных отображениях.
Этот пример моделирует статическое смещение частоты. На практике смещение частоты может изменяться с течением времени. Эта модель все еще может отслеживать изменяющийся во времени дрейф частоты через Подсистему Компенсации Грубой Частоты. Если фактическое смещение частоты превышает максимальное смещение частоты, которое может быть отслежено текущей подсистемой грубой компенсации частоты, можно увеличить его область значений отслеживания, увеличив коэффициент избыточной дискретизации. Кроме того, можно изменить алгоритм с основанного на корреляции на FFT-основанный, в блоке Параметров модели. Алгоритм, основанный на FFT, работает лучше, чем алгоритм, основанный на корреляции, при низком значении Eb/No.
Можно также настроить параметры Normalized loop bandwidth и коэффициент затухания блоков Symbol Synchronizer и Carrier Synchronizer, чтобы оценить их время сходимости и точность оценки. В сложение можно оценить получение по запросу-в области значений блока Carrier Synchronizer. С большого нормированного цикла шириной полосы и Коэффициента затухания, PLL может получить большую область значений смещения частоты. Однако большой нормированный цикл полоса пропускания позволяет больше шума, что приводит к большой средней квадратичной невязке в оценке фазы. "Недостаточно демпфированные системы (с коэффициентом затухания менее единицы) имеют быстрое время урегулирования, но показывают перерегулирование и колебания; перегруженные системы (с коэффициентом затухания больше единицы) имеют медленное время урегулирования, но без колебаний ". [ 1 ]. Для получения дополнительной информации о проекте этих параметров ФАПЛ см. Приложение C в разделе [1].
1. Майкл Райс, «Цифровые коммуникации - подход в дискретном времени», Prentice Hall, апрель 2008 года.
