Моделирование RF-мм волнового передатчика с гибридным формированием луча

Этот пример использует:

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

Документация