В этом примере показано, как реализовать передатчик QPSK и приемник в Simulink®, который оптимизирован для генерации HDL-кода и аппаратной реализации.
Модель, показанная в этом примере, модулирует данные на основе квадратурного манипулирования сдвига фазы (QPSK). Цель этого примера состоит в том, чтобы смоделировать систему связи QPSK HDL, которая может передать и восстановить информацию для системы реального времени. Приемник реализует символьную синхронизацию и несущую частоту и синхронизацию фазы, которые важны в системе связи одно несущей.
Этот раздел объясняет технические требования передатчика и приемника, используемого в этом примере. Формат системы координат является базирующимся пакетом. Каждый пакет имеет преамбулу длины 26 битов. Каждый бит 13 битов, последовательность Баркера повторяется дважды, чтобы сгенерировать преамбулу, упорядочивает таким образом, что тот же бит модулируется в в фазе и квадратурной фазе Модулятором QPSK. Последовательность преамбулы сопровождается на 2 240 битов данных о полезной нагрузке. Запуски передатчика с помощью импульсного формирующий фильтра корня повысил косинус (RRC) с фактором спада 0,5, приводя к полосе пропускания 1.5 раза уровня символа и четырех выборок на символ (частота дискретизации четыре раза уровня символа). Импульсная характеристика RRC охватывает более чем четыре смежных символа. Битрейт является дважды уровнем символа. Эффективная средняя скорость передачи данных является временами битрейта КПД системы координат. КПД системы координат (2240 / (2240+26)) = 0.9885.
Уровень символа по умолчанию установлен в 1.92 Mbaud, который приводит к полосе пропускания 1,5 раз 1.92e6, который равняется 2,88 МГц, и частота дискретизации 4 раз 1.92e6, который равняется 7.68 членам Шотландского парламента, битрейту 2 раз 1.92e6, который равняется 3,84 Мбит/с. Эффективная средняя скорость передачи данных, поддержанная этой системой, 0.9885 раза 3.84e6, который равняется 3,7959 Мбит/с. Эти технические требования изменяются с изменением в уровне символа.
Этот раздел объясняет высокоуровневую архитектуру передатчика QPSK и приемника как в блок-схеме. Передатчик QPSK производит вход на небольшом уровне дважды уровня символа. The Data Generator & Packetizer собирает биты данных, генерирует биты преамбулы и формирует пакетные биты. Скремблер Данных о HDL скремблирует биты данных каждого пакета, чтобы увеличить битные переходы и избежать длительных последовательностей того же бита. Модулятор QPSK модулирует пакетные биты, чтобы сгенерировать символы QPSK. Фильтр Передачи RRC сверхдискретизировал и импульсные формы символы QPSK, чтобы сгенерировать Форму волны Tx на уровне частоты дискретизации в четыре раза больше чем это уровня символа. Приемник QPSK производит вход при скорости передачи. Цифровой AGC выполняет, получают контроль к желаемому амплитудному уровню принятой формы волны. RRC Получают Фильтр, выполняет согласованную фильтрацию на AGC выход. Синхронизатор Частоты и Времени выполняет операции синхронизации и генерирует символы QPSK для каждого пакета. Демодулятор QPSK демодулирует символы QPSK, чтобы сгенерировать пакетные биты. Дескремблер Данных о HDL дескремблирует пакетные биты данных что поток из приемника.
Одна модель Simulink и три файла MATLAB® создают этот пример.
commhdlQPSKTxRx.slx — Модель Simulink верхнего уровня
commhdlQPSKTxRxParameters.m — Генерирует параметры для QPSK Tx и QPSK Rx, требуемый для инициализации
commhdlQPSKTxRxModelInit.m — Инициализирует модель commhdlQPSKTxRx.slx
generateHelloworldMsgBits.m — Генерирует "Hello World xxx" биты сообщения. xxx относится к любому значению от 000 до 100
Этот рисунок показывает модель верхнего уровня системы передатчика и приемника QPSK.
Входные параметры передатчика
dataIn — Входные данные в виде булева скаляра.
validIn — Управляющий сигнал подтвердить dataIn в виде булева скаляра.
Передатчик Выходные параметры
выходные данные — Выход передал форму волны, возвращенную как 16-битные комплексные данные на уровне частоты дискретизации в четыре раза больше чем это уровня символа.
validOut — Управляющий сигнал подтвердить выходные данные, возвращенные как булев скаляр.
txDiagBus — Сигнал состояния с диагностическими выходными параметрами, возвращенными как сигнал Шины.
dataReady — Сигнал указать на готовое к входным сигналам, возвращенным как булев скаляр.
Передатчик включает сигналу dataReady указать, что это готово принять входные биты. Передатчик создает пакет после того, как он примет все биты данных, соответствующие тому пакету. Если все биты данных, соответствующие тому пакету, не получены, передатчик генерирует фиктивные пакеты. Для фиктивного пакета последовательность Баркера не используется для преамбулы, и биты данных сгенерированы случайным образом внутренне. Пока входной битрейт меньше чем или равен уровню рабочего бита, сигнал dataReady остается высоким так, чтобы вход не получал противодавления от dataReady.
Входные параметры приемника
dataIn — Входные данные в виде 16-битные комплексные данные с частотой дискретизации, когда передатчик выводится.
validIn — Управляющий сигнал подтвердить dataIn в виде булева скаляра.
Приемник Выходные параметры
выходные данные — Декодируемые биты выходных данных, возвращенные как булев скаляр.
ctrlOut — Соедините шиной сигнал с запуском, конец и допустимые сигналы, возвратились как сигнал шины.
rxDiagBus — Сигнал состояния с диагностическими выходными параметрами, возвращенными как сигнал шины.
Этот рисунок показывает модель верхнего уровня QPSK подсистема Tx.
Битный Packetizer
Битная подсистема Packetizer состоит из Пакетного Контроллера функция MATLAB, Хранилище Битов и подсистема Мультиплексора. Последовательность преамбулы хранится в ищите таблицу (LUT) в подсистеме Хранилища Битов Преамбулы. Поток битов данных в подсистему Хранилища Битов и хранится в RAM в подсистеме Хранилища Битов данных. Пакетный Диспетчер функция MATLAB читает последовательность преамбулы, сопровождаемую по условию биты, сохраненные в RAM для каждого пакета. Подсистема Мультиплексора оптимизировала биты преамбулы и биты данных.
Подсистема Хранилища Битов данных состоит из RAM, который может сохранить два пакета. Этот RAM обеспечивает гибкость, чтобы управлять передатчиком с дискретным допустимым входом. Пакетная функция MATLAB Контроллера считывает данные из RAM, только если RAM содержит минимум одного пакета битов данных. Логика чтения и записи спроектирована таким способом, которым RAM не делает переполнения. Когда RAM не содержит минимум одного пакета битов данных, передатчик генерирует фиктивный пакет. Преамбула не использует последовательность Баркера для фиктивного пакета так, чтобы обнаружение преамбулы не обнаруживало его.
Скремблер данных о HDL
Подсистема Скремблера Данных о HDL скремблирует биты данных в каждом пакете при помощи управляющих сигналов, сгенерированных подсистемой Генератора Битов.
Модулятор QPSK
Подсистема Модулятора QPSK использует блок QPSK Modulator Baseband, чтобы модулировать преамбулу и биты данных, чтобы сгенерировать символы QPSK. Это использует серое отображение как описано в этой таблице.
Bits Mapping
____ _________________
00 0.70711+0.70711i
01 -0.70711+0.70711i
11 -0.70711-0.70711i
10 0.70711-0.70711i
Фильтр передачи RRC
Подсистема Фильтра Передачи RRC сверхдискретизировала вход на коэффициент четыре и использует блок Discrete FIR Filter HDL Optimized с импульсной характеристикой RRC к импульсной форме форма волны передатчика. Получение просачивается формы Приемника QPSK согласованный фильтр к этому фильтру передачи.
Этот рисунок показывает модель верхнего уровня QPSK подсистема Rx.
Автоматическое управление усилением
Когда амплитуда входного сигнала влияет на символ и эффективность PLL синхронизатора несущей, Автоматическая подсистема Управления Усилением помещается перед ними. Величина, в квадрате выход, по сравнению со ссылкой AGC, чтобы сгенерировать амплитудную ошибку. Эта ошибка умножена с усилением цикла и проходится интегратор, чтобы вычислить необходимое усиление. Законченное усиление умножается с входом AGC, чтобы сгенерировать AGC выход. Для получения дополнительной информации см. Главу 9.5 [1].
RRC получают фильтр
RRC Получают Фильтр, блок Discrete FIR Filter HDL Optimized с коэффициентами согласованного фильтра фильтра, используемого для формирования импульса в передатчике. Согласованная фильтрация RRC генерирует RC форма волны импульсной формы, которая имеет нулевые характеристики ISI в максимальном глазу, открывающемся в глазковой диаграмме для формы волны. Кроме того, процесс согласованной фильтрации максимизирует сигнал к отношению шумовой мощности (ОСШ) фильтра выход.
Частота и синхронизатор времени
Подсистема Синхронизатора Частоты и Времени выполняет синхронизацию символа, синхронизацию несущей и обнаружение преамбулы для пакетной синхронизации. Это также оценивает и разрешает неоднозначность фазы, которую оставляют неоткорректированной в синхронизации несущей.
Подсистема Синхронизатора Символа является основанной на PLL реализацией. Это генерирует выборки в оптимальный момент времени (максимальный глаз вводный момент) как описано в Главе 8.5 [1]. Подсистема генерирует тот выходная выборка для каждых четырех входных выборок. Подсистема Фильтра Интерполяции реализует кусочный параболический интерполятор с аппаратным ресурсом эффективная неоплодотворенная структура как описано в Главе 8.4.2, и неоплодотворенные коэффициенты сведены в таблицу в Таблице 8.4.1 (свободный параметр
коэффициентов взят в качестве 0,5) [1]. Этот фильтр вводит дробные задержки входной формы волны. Подсистема TED Гарднера реализует Гарднера, синхронизирующего детектор ошибок. Детектор ошибок синхронизации описан в Главе 8.4.1 [1]. Контурный фильтр фильтрует ошибку синхронизации, и ошибка синхронизации передается блоку MATLAB function Управления Интерполяцией. Этот блок реализует mod-1, постепенно уменьшающийся в противоречии с, вычисляют дробные задержки на основе цикла, отфильтрованного, синхронизируя ошибку как описано в Главе 8.4.3 [1], чтобы сгенерировать interpolants в оптимальные моменты выборки. Подсистема Указателя Уровня выбирает необходимый interpolant, обозначенный стробом. Эта выборка соответствует максимальному открытию глаза глазковой диаграммы перед синхронизацией символа.
Подсистемой Синхронизатора Несущей является ВВЕДЕНИЕ II PLL с синусоидальным детектором ошибок фазы, который действует в 45 рабочих точках степеней. Детектор ошибок фазы описан в Главе 7.2.2, и уравнения проекта описаны в Приложении C [1]. Детальный анализ ВВОДИТ II PLL с нулевой рабочей точкой, синусоидальный детектор фазы описан в Главе 4 [2]. Знаковая функция детектора фазы в действительных и мнимых частях преобразует все углы в этих 4 квадрантах в угол первого квадранта (от 0 до 90 градусов), который создает неоднозначность 90 180 270 градусов для второго (90 - 180 градусов), треть (-180 до-90 градусов) и четвертый (-90 до 0 градусов) квадрантные углы, соответственно. Ошибка фазы вычисляется как отклонение от рабочей точки (45 градусов) детектора фазы. Пропорциональные плюс интегратор просачиваются, подсистема Контурного фильтра фильтрует ошибку фазы. Контурный фильтр устанавливает нормированную полосу пропускания контура (нормированный на частоту дискретизации) и коэффициент затухания цикла. Нормированная полоса пропускания контура значения по умолчанию установлена в 0,005, и коэффициент затухания по умолчанию установлен в 0,7071. Отфильтрованная ошибка дана как источник шага фазы к подсистеме Прямого цифрового синтеза, которая использует блок NCO HDL Optimized для генерации фазы комплексной экпоненты. Фаза комплексной экпоненты используется, чтобы откорректировать частоту и фазу входа. Детальный анализ прямого цифрового синтеза описан в Главе 9.2.2 [1].
Подсистема Детектора Преамбулы выполняет непрерывную корреляцию для входа с последовательностью Баркера. Корреляция реализована как свертка с обратной последовательностью Баркера как коэффициенты для блока Discrete FIR Filter HDL Optimized, и величина коррелированого выхода найдена с помощью блока Complex to Magnitude-Angle HDL Optimized в подсистеме Коррелятора. Величина корреляции по сравнению с порогом. Пиковая Поисковая подсистема начинает искать максимальный пик корреляции, который превысил порог на каждое время системы координат и записывает смещение синхронизации. Синхронизация Настраивает, подсистема синхронизирует пакетную синхронизацию на основе смещения синхронизации, чтобы сгенерировать сигнал syncPulse, который указывает, что пакет синхронизировал выборку с последующей подсистемой.
Подсистема Оценки и Коррекции Неоднозначности Фазы работает на основе уникального метода слова на разрешение неоднозначности фазы, описанное в Главе 7.7.1 [1]. Этот метод использует последовательность преамбулы в качестве ссылочной последовательности. Ссылочная последовательность спрягается и умножается с последовательностью преамбулы во входе, и остаточная фаза извлечена как оценка неоднозначности фазы. Эта оценка используется, чтобы откорректировать неоднозначность путем вращения созвездия в противоположном направлении неоднозначности.
Пакетная Подсистема контроллера генерирует управляющие сигналы для пакетных контуров.
Демодулятор QPSK
Подсистема Демодулятора QPSK использует блок QPSK Demodulator Baseband, чтобы демодулировать синхронизируемые символы пакета и сгенерировать биты.
Дескремблер данных о HDL
Подсистема Дескремблера Данных о HDL дескремблирует демодулируемые биты, чтобы сгенерировать пользовательские биты.
QPSKTxRxVerification.m скрипт описывает процедуру, чтобы инициализировать, сгенерировать входные параметры, запуститься и проверить commhdlQPSKTxRx.slx модель при помощи commhdlQPSKTxRxModelInit.m скрипт инициализации. Можно присвоить пользовательские данные переменным из раздела Custom Frame Configuration в этом скрипте и запустить скрипт, чтобы запустить модель. Этот скрипт верификации генерирует ссылочную форму волны в рамках скрипта, сравнивает ссылочную форму волны с передатчиком выход и сравнивает переданные биты с декодируемыми пользовательскими битами.
Запустите QPSKTxRxVerification.m запускать модель.
>> QPSKTxRxVerification
Tx: Maximum QPSK Tx symbol error: Real:1.4496e-05 Imaginary:1.4496e-05 Maximum QPSK Tx waveform error: Real:7.8708e-05 Imaginary:7.8708e-05 Rx: Number of packets missed = 0 out of 10 Number of packets false detected = 0 out of 10 Number of bits errored = 0 out of 20160
Конвейерно обработайте регистры (отображенный голубым цветом), добавляются в модели, чтобы убедиться, что подсистемы передатчика и приемника не имеют долгого критического пути.
Проверять и сгенерировать HDL-код сослались в этом примере, у вас должен быть продукт HDL Coder™.
Чтобы сгенерировать HDL-код для подсистем передатчика и приемника, обновите модели и используйте следующую команду:
makehdl('commhdlQPSKTxRx/QPSK Tx') and makehdl('commhdlQPSKTxRx/QPSK Rx')Чтобы сгенерировать испытательный стенд, используйте следующую команду:
makehdltb('commhdlQPSKTxRx/QPSK Tx') and makehdltb('commhdlQPSKTxRx/QPSK Rx')Время генерации испытательного стенда зависит от времени симуляции.
Получившийся HDL-код синтезируется для оценочной платы Xilinx® Zynq®-7000 ZC706. Место сообщения и использование ресурса маршрута показывают в этой таблице. Максимальная частота операции составляет 280 МГц для передатчика и 215 МГц для приемника.
Resources Tx Usage Rx Usage
_______________ ________ ________
Slice Registers 318 6231
Slice LUT 137 4506
RAMB36 0 8
RAMB18 1 0
DSP48 18 88
Можно изменить условия канала путем настройки переменных, перечисленных в этой таблице в QPSKTxRxVerification.m скрипт и затем выполнение скрипта. Скрипт применяет условия канала и запускает модель.
Variable Name Description
______________________ _______________________________________________________________________________________
dataBits Data bits to the transmitter
Rsym Symbol rate specified in symbols per second
fractionalTimingOffset Normalized timing phase offset specified in the range >= 0 and < 1
timingFrequencyOffset Timing frequency offset specified in PPM
EbN0dB Energy per information bit to single sided noise power spectral density specified in dB
CFO Carrier frequency offset specified in Hz
CPO Carrier phase offset specified in degrees
1. Майкл Райс, цифровая связь - подход дискретного времени, Prentice Hall, апрель 2008.
2. Флойд М.Гарднер, методы Phaselock, третий выпуск, John Wiley & Sons, Inc., 2005