Сквозная телеметрическая симуляция кодирования синхронизации и канала CCSDS с ухудшениями RF и коррекции
В этом примере показано, как измерить частоту ошибок по битам (BER) сквозной цепи Международном Консультативном Комитете по космическим Системам передачи данных (CCSDS) телеметрия (TM) система. Цепь симуляции следует схемам кодирования и модуляции, которые заданы этими двумя стандартами:
Введение
Данные из различных инструментов сгенерированы на борту спутника. Эти данные коллективно называются данными TM. CCSDS задает схемы кодирования и модуляции передачи данных TM от спутника до Наземной станции. Этот пример показывает сквозную симуляцию спутника к Наземной линии связи станции. Пример показывает, как сгенерировать комплексный основополосный CCSDS форма волны TM от случайным образом сгенерированных передаваемых кадров (TFs), ввести ухудшения радиочастоты (RF) сгенерированному модулированному сигналу и добавить аддитивный белый Гауссов шум (AWGN) в сигнал, которому повреждают. Затем пример показывает синхронизацию, демодуляцию и декодирование этого сигнала с шумом, которому повреждают, чтобы получить итоговые биты в форме TFs. Пример также показывает, как измерить BER относительно отношения сигнал-шум (SNR) для одной настройки сигнала TM CCSDS. Этот рисунок показывает сквозную цепь симуляции.
Этот пример демонстрирует эти ухудшения RF:
Несущая частота возмещена (CFO)
Фаза Carrier возмещена (CPO)
Символьная синхронизация возмещена (STO)
Этот рисунок показывает операции стороны приемника.
Шаг обработки декодирования кадровой синхронизации и канала выполняет эти три задачи.
Выполните разрешение неоднозначности фазы
Правильно синхронизируйте систему координат с запуском присоединенного синхронизирующего маркера (ASM)
Выполните декодирование канала синхронизируемой системы координат, чтобы получить восстановленный TF
Этот рисунок показывает эти три задачи. Чтобы запуститься, сформируйте банк последовательностей ASM. Каждая последовательность соответствует исходному значению ASM, в котором введена неоднозначность фазы. Коррелируйте каждую из этих последовательностей с демодулируемыми символами. Выберите значение неоднозначности фазы, которое имеет самый высокий пик корреляции. Выполните кадровую синхронизацию с этим процессом корреляции. Процесс, чтобы выполнить корреляцию проиллюстрирован в разделе 9.3.7 в [3]. Этот пример принимает упрощенный алгоритм Massey для кадровой синхронизации. Разрешите неоднозначность фазы на полном наборе демодулируемых символов после того, как процесс кадровой синхронизации будет завершен. Наконец, выполните декодирование канала на этих символах, чтобы получить восстановленный TFs.
Параметры симуляции
Этот пример использует схему модуляции квадратурного манипулирования сдвига фазы (QPSK) генерации сигнала и приема и rate-1/2 сверточную схему кодирования кодирования канала. Сквозная цепь этот пример, показы могут также использоваться для схем кодирования канала, которые заданы в [1]: коды Тростника-Solomon (RS) и каскадные коды. Для сверточных и каскадных кодов этот пример поддерживает уровни 1/2 и 2/3 наряду с импульсной модуляцией кода (PCM) - формат невозврата к нулевой линии (NRZ-L). Поддерживаемые схемы модуляции в этом примере являются бинарным манипулированием сдвига фазы (BPSK) и QPSK.
seeConstellation = true; % Flag to toggle the visualization of constellation channelCoding = "convolutional"; % Channel coding scheme transferFrameLength = 1115; % In bytes corresponding to 223*5 modScheme = "QPSK"; % Modulation scheme alpha = 0.35; % Root raised cosine filter roll-off factor sps = 8; % Samples per symbol
Установите частоты, которые используются для генерации сигнала и значений ухудшения RF.
fSym = 2e6; % Symbol rate or Baud rate in Hz cfo = 2e5; % In Hz
Инициализируйте энергию на бит к отношению шумовой мощности (Eb/N0), который используется, чтобы вычислить ОСШ с помощью системных параметров.
EbN0 = 10; % To see a proper BER result, run the simulation for 3.2:0.2:5Инициализируйте параметры, чтобы отключить симуляцию. Параметры устанавливаются на маленькие значения в этом примере, чтобы получить быстрые результаты. Увеличьте эти параметры значение, чтобы получить более сглаженную кривую BER.
maxNumErrors = 1e2; % Simulation stops after maxNumErrors bit errors maxNumBits = 1e5; % Simulation stops after processing maxNumBits % Set maxNumBits = 1e8 for a smoother BER curve maxFramesLost = 1e2; % Simulation stops after maxFramesLost frames are lost
Системные параметры
Инициализируйте все объекты, которые требуются для надлежащего функционирования сквозной цепи.
Создайте генератор формы волны TM CCSDS этими параметрами при помощи ccsdsTMWaveformGenerator Система object™. Отобразите свойства объекта.
tmWaveGen = ccsdsTMWaveformGenerator("ChannelCoding",channelCoding, ... "NumBytesInTransferFrame",transferFrameLength, ... "Modulation",modScheme, ... "RolloffFactor",alpha, ... "SamplesPerSymbol",sps); disp(tmWaveGen)
ccsdsTMWaveformGenerator with properties:
WaveformSource: "synchronization and channel coding"
NumBytesInTransferFrame: 1115
HasRandomizer: true
HasASM: true
PCMFormat: "NRZ-L"
Channel coding
ChannelCoding: "convolutional"
ConvolutionalCodeRate: "1/2"
Digital modulation and filter
Modulation: "QPSK"
PulseShapingFilter: "root raised cosine"
RolloffFactor: 0.3500
FilterSpanInSymbols: 10
SamplesPerSymbol: 8
Use get to show all properties
Вычислите ОСШ от Eb/N0 и инициализируйте параметры, связанные с вычислением BER.
rate = tmWaveGen.info.ActualCodeRate; M = tmWaveGen.info.NumBitsPerSymbol; numBitsInTF = tmWaveGen.NumInputBits; snr = EbN0 + 10*log10(rate) + ... 10*log10(M) - 10*log10(sps); % As signal power is scaled to one while introducing noise, % snr value should be reduced by a factor of SPS numSNR = length(snr); ber = zeros(numSNR,1); % Initialize the BER parameter bercalc = comm.ErrorRate;
Создайте получить объект фильтра при помощи comm.RaisedCosineReceiveFilter Системный объект.
b = rcosdesign(alpha,tmWaveGen.FilterSpanInSymbols,sps); % |H(f)| = 1 for |f| < fN(1-alpha) - Annex 1 in Section 2.4.17A in [2] Gain = sum(b); rxFilterDecimationFactor = sps/2; rxfilter = comm.RaisedCosineReceiveFilter( ... "DecimationFactor",rxFilterDecimationFactor, ... "InputSamplesPerSymbol",sps, ... "RolloffFactor",alpha, ... "Gain",Gain);
Частота модели и фаза возмещают при помощи comm.PhaseFrequencyOffset Системный объект. Компенсируйте частоту и смещение фазы в приемнике на двух шагах.
Компенсируйте крупное смещение частоты при помощи
comm.CoarseFrequencyCompensatorСистемный объект.Компенсируйте прекрасное смещение частоты и смещение фазы при помощи
comm.CarrierSynchronizerСистемный объект.
phaseOffset = pi/8; fqyoffsetobj = comm.PhaseFrequencyOffset( ... "FrequencyOffset",cfo, ... "PhaseOffset",phaseOffset, ... "SampleRate",sps*fSym); coarseFreqSync = comm.CoarseFrequencyCompensator( ... "Modulation",modScheme, ... "FrequencyResolution",100, ... "SampleRate",sps*fSym); fineFreqSync = comm.CarrierSynchronizer("DampingFactor",1/sqrt(2), ... "NormalizedLoopBandwidth",0.0007, ... "SamplesPerSymbol",1, ... "Modulation",modScheme);
Создайте переменный дробный объект задержки при помощи dsp. Системный объект VariableFractionalDelay, который вводит дробную задержку переданной формы волны. Создайте объект синхронизации символа при помощи comm.SymbolSynchronizer Системный объект, который выполняет символьную синхронизацию.
varDelay = dsp.VariableFractionalDelay("InterpolationMethod","Farrow"); fixedDelayVal = 10.2; Kp = 1/(pi*(1-((alpha^2)/4)))*cos(pi*alpha/2); symsyncobj = comm.SymbolSynchronizer( ... "DampingFactor",1/sqrt(2), ... "DetectorGain",Kp, ... "TimingErrorDetector","Gardner (non-data-aided)", ... "Modulation","PAM/PSK/QAM", ... "NormalizedLoopBandwidth",0.0001, ... "SamplesPerSymbol",sps/rxFilterDecimationFactor);
Демодулируйте и декодируйте полученный сигнал при помощи HelperCCSDSTMDemodulator и HelperCCSDSTMDecoder файлы помощника, соответственно. Отобразите свойства полученных объектов.
demodobj = HelperCCSDSTMDemodulator("Modulation",modScheme,"ChannelCoding",channelCoding)
demodobj =
HelperCCSDSTMDemodulator with properties:
Modulation: "QPSK"
PCMFormat: "NRZ-L"
ChannelCoding: "convolutional"
decoderobj = HelperCCSDSTMDecoder("ChannelCoding",channelCoding, ... "NumBytesInTransferFrame",transferFrameLength, ... "Modulation",modScheme)
decoderobj =
HelperCCSDSTMDecoder with properties:
ChannelCoding: "convolutional"
HasRandomizer: true
HasASM: true
DisableFrameSynchronization: 0
DisablePhaseAmbiguityResolution: 0
NumBytesInTransferFrame: 1115
ConvolutionalCodeRate: "1/2"
ViterbiTraceBackDepth: 60
ViterbiTrellis: [1x1 struct]
ViterbiWordLength: 8
Modulation: "QPSK"
PCMFormat: "NRZ-L"
Инициализируйте объект схемы созвездия при помощи comm.ConstellationDiagram Системный объект, чтобы визуализировать, как созвездие развивается как синхронизаторы, сходится.
costellationobj = comm.ConstellationDiagram; % Default view is for QPSK if strcmp(modScheme,'BPSK') costellationobj.ReferenceConstellation = [1, -1] end
Последовательность обработки
Чтобы симулировать сквозную цепь и измерить BER системы TM CCSDS, выполните эти шаги.
Сгенерируйте случайные биты, чтобы сформировать TF.
Сгенерируйте форму волны TM путем передачи TF через
ccsdsTMWaveformGeneratorСистемный объект.Введите ухудшения RF, такие как задержка символа и CFO.
Добавьте AWGN в поврежденный RF сигнал. Этот сигнал с шумом рассматривается полученным сигналом.
Передайте полученный сигнал посредством крупной коррекции частоты, которая выполняет начальную грубую синхронизацию несущей частоты. Грубая оценка частоты сделана с помощью "основанного на БПФ" алгоритма.
Используйте согласованный фильтр (корневой фильтр приподнятого косинуса) с той же настройкой, которая применяется в конце передатчика. Поскольку модуль символьной синхронизации работает на частоте дискретизации, которая выше, чем уровень символа, комплексные основополосные выборки вниз не производятся к уровню символа после фильтрации. Это вниз производится такой в наименьшем количестве существуют, 2 выборки на символ.
Выполните символьную синхронизацию при помощи синхронизации детектора ошибок (TED) Гарднера, чтобы удалить смещение синхронизации, которое присутствует в сигнале.
Выполните отслеживание Несущей частота и фазы при помощи
comm.CarrierSynchronizerСистемный объект, который имеет фазовую подстройку частоты (PLL) типа 2. Этот Системный объект может отследить стационарное смещение несущей частоты. Системный объект также вводит неоднозначность фазы, которая затем удалена модулем кадровой синхронизации.Визуализируйте созвездие после символьной синхронизации, и синхронизация несущей частоты завершена. Наблюдайте, как созвездие развивается по нескольким итерациям.
Демодулируйте полученный сигнал и проверьте, что сигнал на уровне символа (то есть, выборки на символ 1).
Выполните кадровую синхронизацию и декодирование канала, чтобы разрешить неоднозначность фазы, синхронизировать систему координат с запуском ASM, и затем декодировать синхронизируемую систему координат, чтобы восстановить TF.
numBitsForBER = 8; % For detecting which frame is synchronized numMessagesInBlock = 2^numBitsForBER; for isnr = 1:numSNR rng default; % Reset to get repeatable results reset(bercalc); berinfo = bercalc(int8(1), int8(1)); % Initialize berinfo before BER is calculated tfidx = 1; numFramesLost = 0; prevdectfidx = 0; inputBuffer = zeros(numBitsInTF, 256,"int8"); while((berinfo(2) < maxNumErrors) && ... (berinfo(3) < maxNumBits) && ... (numFramesLost < maxFramesLost)) seed = randi([0 2^32-1],1,1); % Generate seed for repeatable simulation % Transmitter side processing bits = int8(randi([0 1],numBitsInTF-numBitsForBER,1)); % The first 8 bits correspond to the TF index modulo 256. When % synchronization modules are included, there can be a few frames % where synchronization is lost temporarily and then locks again. % In such cases, to calculate the BER, these 8 bits aid in % identifying which TF is decoded. If an error in these 8 bits % exists, then this error is detected by looking at the difference % between consecutive decoded bits. If an error is detected, then % that frame is considered lost. Even though the data link layer is % out of scope of this example, the data link layer has a similar % mechanism. In this example, only for calculating the BER, this % mechanism is adopted. The mechanism that is adopted in this % example is not as specified in the data link layer of the CCSDS % standard. And this mechanism is not specified in the physical % layer of the CCSDS standard. msg = [de2bi(mod(tfidx-1,numMessagesInBlock),numBitsForBER,"left-msb").';bits]; inputBuffer(:,mod(tfidx-1,numMessagesInBlock)+1) = msg; tx = tmWaveGen(msg); % Introduce RF impairments cfoInroduced = fqyoffsetobj(tx); % Introduce CFO delayed = varDelay(cfoInroduced,fixedDelayVal); % Introduce timing offset rx = awgn(delayed, snr(isnr),'measured',seed); % Add AWGN % Receiver-side processing coarseSynced = coarseFreqSync(rx); % Apply coarse frequency synchronization filtered = rxfilter(coarseSynced); % Filter received samples through RRC filter TimeSynced = symsyncobj(filtered); % Apply symbol timing synchronization fineSynced = fineFreqSync(TimeSynced); % Track frequency and phase % Visualize constellation if seeConstellation % Plot constellation of first 1000 symbols in a TF so % that variable size of fineSynced does not impede the % requirement of constant input size for the % comm.ConstellationDiagram System object. costellationobj(fineSynced(1:1000)); end demodData = demodobj(fineSynced); % Demodulate decoded = decoderobj(demodData); % Perform phase ambiguity resolution, % frame synchronization, and channel decoding % Calculate BER and adjust all buffers accordingly dectfidx = bi2de(double(decoded(1:8).'), ... "left-msb")+1; % See the value of first 8 bits if tfidx > 30 % Consider to calculate BER only after 30 TFs are processed % As the value of first 8 bits is increased by one in each % iteration, if the difference between the current decoded % decimal value of first 8 bits is not equal to the previously % decoded one, then it indicates a frame loss. if dectfidx - prevdectfidx ~= 1 numFramesLost = numFramesLost + 1; disp(['Frame lost at tfidx: ' num2str(tfidx) ... '. Total frames lost: ' num2str(numFramesLost)]); else berinfo = bercalc(inputBuffer(:,dectfidx),decoded); if nnz(inputBuffer(:,dectfidx)-decoded) disp(['Errors occurred at tfidx: ' num2str(tfidx) ... '. Num errors: ' num2str(nnz(inputBuffer(:,dectfidx) - decoded))]) end end end prevdectfidx = dectfidx; % Update tfidx tfidx = tfidx + 1; end fprintf("\n"); currentBer = berinfo(1); ber(isnr) = currentBer; disp(['Eb/N0: ' num2str(EbN0(isnr)) '. BER: ' num2str(currentBer) ... '. Num frames lost: ' num2str(numFramesLost)]); % Reset objects reset(tmWaveGen); reset(fqyoffsetobj); reset(varDelay); reset(coarseFreqSync); reset(rxfilter); reset(symsyncobj); reset(fineFreqSync); reset(demodobj); reset(decoderobj); end
Eb/N0: 10. BER: 0. Num frames lost: 0
Дальнейшее исследование
Этот пример демонстрирует симуляцию BER для сверточных кодов с модуляцией QPSK в присутствии нескольких ухудшений RF. Чтобы наблюдать сквозную цепь симуляции для различных сценариев, измените свойства, связанные со схемами кодирования и модуляции канала. Схемы модуляции, которые поддерживаются приемником в этом примере, являются BPSK и QPSK. Схемы кодирования канала, которые поддерживаются приемником в этом примере, не являются ни одним (то есть, никакое кодирование канала), RS, сверточные, и каскадные коды.
Запустите полную симуляцию BER путем устанавливания значения Eb/N0 к 3.2:0.2:5 и наблюдайте BER установкой maxNumBits к 1e8. Не прокомментируйте этот код, чтобы построить результаты BER.
% semilogy(EbN0,ber); % grid on; % xlabel('E_b/N_0 (dB)'); % ylabel('BER'); % title('BER plot');
Всегда резервируйте начальные немного TFs для символьной синхронизации и синхронизаторов несущей частоты, чтобы заблокировать. Этот пример отбрасывает первые 30 TFs. Этот номер может варьироваться на основе ОСШ, в котором приемник действует и параметры циклов синхронизации, таких как полоса пропускания контура и коэффициент затухания. Если вы работаете приемником с низким ОСШ и наблюдаете большие ошибки в начальных значениях tfidx, затем синхронизаторы еще не заблокированы. Для данных параметров симуляции отбросьте начальный TFs как соответствующий. Вторые выходные аргументы comm.CoarseFrequencyCompensator и comm.CarrierSynchronizer Системные объекты содержат информацию, связанную с предполагаемым CFO, который может использоваться, чтобы оценить, заблокированы ли циклы синхронизации или нет.
Приложение
Пример использует следующие файлы помощника:
HelperCCSDSTMDemodulator.m - Выполняет демодуляцию сигналов, которые заданы в CCSDS TM [2]
HelperCCSDSTMDecoder.m - Выполняет, разрешение неоднозначности фазы, кадровая синхронизация и декодирование канала кодов, заданных в [1]
Ссылки
[1] Синхронизация TM и кодирование канала. Рекомендация для стандартов системы передачи и обработки данных пробела, CCSDS 131.0-B-3. Синяя книга. Выпуск 3. Вашингтон, округ Колумбия: CCSDS, сентябрь 2017.
[2] Радиочастота и системы модуляции - часть 1: заземлите станции и космический аппарат. Рекомендация для стандартов системы передачи и обработки данных пробела, CCSDS 401.0-B-30. Синяя книга. Выпуск 30. Вашингтон, округ Колумбия: CCSDS, февраль 2020.
[3] Синхронизация TM и кодирование канала - сводные данные концепции и объяснения. Сообщите о касающихся стандартах системы передачи и обработки данных пробела, CCSDS 130.1-G-3. Зеленая книга. Выпуск 3. Вашингтон, округ Колумбия: CCSDS, июнь 2020.