Моделирование RF-мм волнового передатчика с гибридным формированием луча

Этот пример иллюстрирует методологию уровня системы моделирования и симуляции системы передачи и приема QPSK RF с частотой 66 ГГц с 32-элементной гибридной лучевой антенной. Система включает в себя дефекты RF, эффекты излучения передающего массива, узкополосный приёмный массив и приемник основной полосы частот с коррекциями на нарушения системы и декодирование сообщений. Направление формирования луча антенны задается с помощью азимута и углов возвышения, и оно оценивается в приемной антенне RF с помощью алгоритма Root Music DOA.

В следующих разделах вы увидите более подробную информацию о разработке системы.

Описание модели

Верхний уровень этого примера состоит из пяти блоков подсистем, блока для управления относительным углом между передатчиком и приемником и 2 отображения:

  • Передатчик основной полосы частот QPSK кодирует сообщение «Hello World # # #».

  • Радиочастотный передатчик с модуляцией IQ, смешиванием, усилением и гибридным формированием луча с помощью схемы управления. Модель RF-передатчика включает в себя RF-несовершенства, такие как шум, нелинейные эффекты и связь антенного элемента.

  • Идеальный канал, ослабляющий переданный сигнал с помощью модели потерь при распространении в свободном пространстве.

  • Приемник RF с двумя узкополосными антеннами приёмного массива, усилением приемника и ОСШ, 12-битным АЦП с конечной динамической областью значений и двумя корневыми алгоритмами MUSIC для оценки угла прихода по азимуту и повышению.

  • Приемник QPSK, включая синхронизацию несущей и системы координат, демодуляцию и декодирование данных.

  • Блок, где пользователь устанавливает относительный угол между передатчиком и приемником.

  • Область возможностей анализатора спектра, сравнивающая нормализованные переданные и принятые сигналы и отображение для принятого сообщения.

model = 'simrfV2_qpsk';
open_system(model)
sim(model)

Передатчик QPSK

Передатчик QPSK включает подсистему генерации битов, блок модулятора QPSK, блок приподнятого передающего косинусоидного фильтра для формирования импульсов и блок Gain. Подсистема генерации битов генерирует системы координат. Каждая система координат содержит 26 заголовочных битов с последующей полезной нагрузкой 174 бита, 105 битов для сообщения 'Hello world # #' и 69 случайных битов. Полезная нагрузка скремблируется, чтобы гарантировать сбалансированное распределение нулей и таковых для операции восстановления синхронизации в модели приемника.

open_system([model '/QPSK TX'],'force')

Радиочастотный передатчик

Радиочастотный передатчик состоит из трех секций: решетчатых лучевых форматоров, гибридной лучеобразующей антенны и блока Narrowband Transmit Array. 32-элементная гибридная лучевая антенна разделена на 4 подрешетки. Каждая подрешетка состоит из 8 радиочастотных передатчиков, работающих на 66 ГГц. Антенны являются микрополосковыми закрашенными фигурами. Эти антенные элементы и подрешетки были спроектированы и проверены скриптом MATLAB, который использует Antenna Toolbox™.

Коэффициент усиления антенной решетки дальнего поля вычисляется блоком Phased Array System Toolbox™ Narrowband Transmit Array. Вычисленная диаграмма направленности излучения является суперпозицией полей, сгенерированных изолированными микрополосковыми закрашенными фигурами.

open_system([model '/Transmit Array Hybrid Beamforming'])

Передающие массивы Beamformers

Передающий массив направляется в направлении, оцененном приемником. В демонстрационных целях для вычисления весов, применяемых к четырём подрешеткам и элементам каждого подмассива, используются два различных алгоритма формирования подрешетки.

Веса подрешеток вычисляются с помощью диаграммы направленности MVDR. Комплексное умножение в формирователе луча MVDR объединяет веса переданного сигнала и подрешеток, управляя переданным сигналом по азимутальному направлению. Конусность используется для уменьшения эффектов лопастей решетки.

Сдвиги фазы, примененные к восьми элементам подрешетки, вычисляются алгоритмом формирования луча фазовращателя. Четыре подрешетки применяют те же сдвиги фазы, которые управляют передатчиком вдоль направления по повышению.

open_system([model '/Transmit Array Hybrid Beamforming/Beamformers'])

Передайте подрешетки

Четыре подрешетки идентичны. Каждая подрешетка выполняет преобразование частоты вверх на 66 ГГц с помощью квадратурного модулятора и локального генератора на 5 ГГц, за которым следует супермодулятор, который состоит из локального генератора на 61 ГГц, фильтра изображений и фильтра выбора канала. Нарушения, такие как шум, разбаланс I/Q, утечки LO и нелинейности, включены в соответствующие компоненты подрешетки. Нелинейный усилитель степени увеличивает коэффициент усиления передатчика, а делитель степени типа Уилкинсона 1-8 с последующими переменными сдвигателями фазы соединяет PA с 8 антеннами. Восемь переменных фаз используются для управления лучом. Загрузка подрешетки антенны и связи между антенными элементами моделируется ее S-параметрами.

open_system([model '/Transmit Array Hybrid Beamforming/subarray1'])

Приёмный массив

Приемник моделируется на более высоком уровне абстракции по сравнению с передатчиком. Приемник использует два ортогональных линейных массивов, каждый с 4 изотропными антенными элементами. Массивы используются, чтобы обеспечить пространственное разнесение для идентификации угла прибытия. Приемник не реализует никакого алгоритма формирования луча.

Конечный коэффициент усиления и ОСШ приемника моделируется для каждого из принятых сигналов, за которым следует 12-битный АЦП с конечной динамической областью значений, включающим в себя эффекты насыщения и квантования.

Два корневых алгоритма MUSIC используются, чтобы оценить направление прихода с помощью сигналов линейного массива. Каждый алгоритм действует через одну размерность, таким образом, вместе может оценить положение передатчика с точки зрения азимута и углов возвышения.

open_system([model '/Receive Array'])

Приемник QPSK

Приемник QPSK из примера Communications Toolbox™ QPSK передатчик и приемник (Communications Toolbox) используется в этом примере с модификацией. Эти модификации удаляют блоки из этого приемника, когда ухудшение сигнала отсутствует.

  • АРУ управляет и стабилизирует амплитуду принимаемого сигнала, которая влияет на точность синхронизации символа несущей.

  • Фильтр приема приподнятого косинуса обеспечивает согласованную фильтрацию для переданной формы волны.

  • Блок синхронизатора несущей выполняет тонкую частотную компенсацию.

  • Блок детектора преамбулы использует известный заголовок системы координат (модулированный QPSK код Баркера), чтобы коррелировать с принятыми символами QPSK, чтобы найти местоположение заголовка системы координат.

  • Блок Frame Synchronizer использует информацию о местоположении системы координат из детектора преамбулы, чтобы выровнять контуры системы координат. 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.

open_system([model '/QPSK Receiver'])

Созвездие входных сигналов для демодулятора QPSK декодера данных

bdclose(model)
clear model;

См. также

Демодулятор Q-составляющей тока | Миксер | Усилитель степени

Похожие темы

Моделирование и симуляция MIMO RF Приемника включая формирование луча | Беспроводное цифровое видеовещание с формированием луча РФ