POLITECHNIKA OPOLSKA

K

ATEDRA

A

UTOMATYKI

,

E

LEKTRONIKI

I

I

NFORMATYKI

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

Projektowanie i Symulacja

Systemów Telekomunikacyjnych

COMMSIM 2001

Wprowadzenie

Laboratorium Elektroniki

Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001

Politechnika Opolska

2

Program CommSim 2001

Commsim jest programem komputerowym pozwalaj

ą

cym projektowa

ć

i symulowa

ć

analogowe i cyfrowe poł

ą

czenia komunikacyjne. Biblioteki programu zawieraj

ą

analogowe i cyfrowe modulatory, modele kanałów transmisyjnych, demodulatory, bloki
p

ę

tli fazowej, kody korekcji bł

ę

dów oraz analizatory bł

ę

dnych bitów. Symulacje mog

ą

by

ć

prowadzone zarówno w dziedzinie rzeczywistej jak i zespolonej. Dzi

ę

ki temu mo

ż

na

symulowa

ć

bardzo skomplikowane systemy komunikacyjne przy zdecydowanie

mniejszych obci

ąż

eniach obliczeniowych.

Wprowadzenie

Typowe poł

ą

czenie telekomunikacyjne składa si

ę

z minimum trzech podstawowych

elementów: nadajnika, kanału transmisyjnego i odbiornika. Aby w zadawalaj

ą

cy sposób

modelowa

ć

cały system telekomunikacyjny, narz

ę

dzie musi mie

ć

mo

ż

liwo

ść

symulacji

tych trzech podstawowych elementów.
Nadajnik i odbiornik mog

ą

by

ć

dodatkowo podzielona na dalsze podsystemy, tak jak

pokazano to na rysunku poni

ż

ej. Zawiera on

ź

ródło danych (analogowe lub cyfrowe),

opcjonalnie koder, modulator, demodulator, opcjonalnie dekoder oraz wyj

ś

cie danych.

Rysunek 1. Elementy systemu telekomunikacyjnego

Ź

ródło danych generuje sygnał informacyjny, który jest przeznaczony do wysłania do

odbiornika. Sygnałem tym mo

ż

e by

ć

zarówno sygnał analogowy, np. mowa jak i sygnał

cyfrowy, np. binarna sekwencja danych. Sygnał taki jest typowym sygnałem zawartym w
pewnym pa

ś

mie cz

ę

stotliwo

ś

ciowym i reprezentowanym poprzez poziomy napi

ę

cia.

Dla sygnału analogowego, cz

ę

sto przed wysłaniem, po

żą

dane jest jego kodowanie do

postaci cyfrowej poprzez przej

ś

cie przez proces kwantyzacji. Krok ten przekształca

sygnał analogowy do postaci cyfrowej. Je

ś

li cz

ęść

informacji zostaje wyci

ę

ta podczas

tego procesu, ko

ń

cowy sygnał cyfrowy jest cz

ę

sto du

ż

o bardziej odporny na

oddziaływanie zakłóce

ń

w kanale transmisyjnym.

Laboratorium Elektroniki

Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001

Politechnika Opolska

3

Koder zapewnia równie

ż

dodanie redundancji do cyfrowego ci

ą

gu danych, czyli

pewnych dodatkowych danych bitowych, w taki sposób, aby zapewni

ć

w odbiorniku

zdolno

ść

korekcji bł

ę

du powstałego podczas transmisji. Proces taki nazywany jest

Pocz

ą

tkowa Korekcja Bł

ę

du (Forward Error Correction FEC). W

ś

ród najbardziej

popularnych schematów FEC znajduj

ą

si

ę

: kodowanie splotowe, kodowanie blokowe,

kodowanie kratowe. Nale

ż

y zwróci

ć

uwag

ę

,

ż

e cz

ę

sto szybko

ść

bitowa na wyj

ś

ciu

kodera nie jest równa szybko

ś

ci bitowej sygnału wej

ś

ciowego. Aby wła

ś

ciwie rozró

ż

ni

ć

te dwie szybko

ś

ci, szybko

ść

bitowa na wej

ś

ciu nadajnika nazywana jest szybko

ś

ci

ą

danych informacyjnych, podczas gdy szybko

ść

wyj

ś

ciow

ą

z nadajnika nazywamy

szybko

ś

ci

ą

danych w kanale.

W zale

ż

no

ś

ci od typu sygnału informacyjnego oraz dla poszczególnego medium

transmisyjnego, stosowane s

ą

ró

ż

ne techniki modulacji. Modulacja korzysta ze

specyficznych technik, pozwalaj

ą

cych na przedstawienie sygnału informacyjnego w taki

sposób, jak fizycznie b

ę

dzie przesyłany do odbiornika. Na przykład w modulacji

amplitudy, informacja jest reprezentowana poprzez zmian

ę

amplitudy sygnału no

ś

nego.

Kiedy sygnał zostanie zmodulowany wysyłany jest poprzez medium transmisyjne, znane
równie

ż

jako kanał, do odbiornika. Medium tym mo

ż

e by

ć

:

ż

yła miedziana, kabel

ekranowany lub atmosfera, w przypadku, gdy korzystamy z transmisji radiowej.
Wszystkie kanały wprowadzaj

ą

, do pewnego stopnia, pewne zniekształcenia sygnału

oryginalnego. Aby symulowa

ć

takie zniekształcenia, stworzono rozbudowane modele

matematyczne ró

ż

nych kanałów. Najbardziej znanym modelem kanału jest kanał

dodaj

ą

cy szum biały (Additive White Gaussian Noise AWGN). W kanale tym zało

ż

ono

dodawanie do sygnału informacyjnego szumów, których spektralna g

ę

sto

ść

mocy jest

stała. Inne typy modeli kanałów: kanał tłumi

ą

cy (fading channels) oraz kanał wielodro

ż

ny

(multipath channel).

Je

ś

li zmodulowany sygnał transmitowany osi

ą

gnie odbiornik, przechodzi przez proces

demodulacji. Jest to krok odwrotny do modulacji i ma za zadanie wydoby

ć

oryginalny

sygnał informacyjny ze sygnału zmodulowanego. W czasie demodulacji dokonuje si

ę

równie

ż

proces synchronizacji sygnału, np. przy pomocy p

ę

tli fazowej, w celu

wychwycenia spójnej fazy pomi

ę

dzy sygnałem przychodz

ą

cym a sygnałem lokalnego

oscylatora.

W przypadku, gdy w nadajniku zastosowano proces kodowania, zanim b

ę

dzie mo

ż

na

odzyska

ć

poprawne dane z sygnału oryginalnego, nale

ż

y w odbiorniku wykona

ć

proces

dekodowania. Proces dekodowania sygnału zwykle jest bardziej kłopotliwy ni

ż

proces

kodowania i mo

ż

e by

ć

bardziej zło

ż

ony obliczeniowo. Schematy skutecznego

dekodowania s

ą

przez cały czas rozwijane.

Ostatecznie na wyj

ś

ciu odbiornika otrzymujemy oszacowanie sygnału oryginalnego. Z

punktu widzenia symulacji, interesuje nas sposób oceny, jak dobrze informacja

ź

ródłowa

została odtworzona na wyj

ś

ciu odbiornika. Stosuje si

ę

kilka metod oceny. Najbardziej

popularn

ą

miar

ą

, w przypadku sygnału cyfrowego, jest Elementarna Stopa Bł

ę

du BER

(Bit Error Rate). Inne metody, to okre

ś

lenie stosunku sygnału do szumu, wykres

oczkowy, czy wykres przesuni

ę

cia fazy.

Laboratorium Elektroniki

Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001

Politechnika Opolska

4

Ź

ródła sygnału

Pakiet VisSim/Comm posiada

ź

ródła sygnału analogowego jak i cyfrowego. Poprzez

kombinacj

ę

sygnałów z bloków podstawowych, u

ż

ytkownik mo

ż

e wygenerowa

ć

sygnał o

dowolnym kształcie. Bloki podstawowe zawieraj

ą

min.

ź

ródła sygnału sinusoidalnego,

stałego, narastaj

ą

cego, funkcje krokowe lub impulsy. U

ż

ytkownik mo

ż

e równie

ż

doł

ą

czy

ć

sygnał zapisany w postaci pliku wav.

Ź

ródła sygnałów cyfrowych zawieraj

ą

bloki generatorów losowych bitów lub symboli.

Jako bit rozumie si

ę

informacj

ę

przybieraj

ą

c

ą

warto

ść

"

" 0 lub

"

"1 , a symbol jest

definiowany jako warto

ść

całkowit

ą

z zakresu od 0 do M . Symboli u

ż

ywa si

ę

najcz

ęś

ciej z modulacjami wy

ż

szych rz

ę

dów. Parametry

ź

ródła danych s

ą

łatwo

definiowane poprzez dost

ę

p do poszczególnych bloków ustawie

ń

.

W przypadku pracy z

ź

ródłami sygnałów cyfrowych, cz

ę

stotliwo

ść

próbkuj

ą

ca symulacji

musi by

ć

ustawiona jako co najmniej 8 do 10 próbek na symbol. Takie ustawienie

zapewni,

ż

e w przypadku operacji filtrowania model b

ę

dzie poprawnie symulowany.

Oczywi

ś

cie w przypadku wyst

ę

powania no

ś

nej sygnału modulowanego, uwaga ta

dotyczy no

ś

nej.

Kodowanie sygnały

Kodowanie sygnału jest stosowane w celu zwi

ę

kszenia pewno

ś

ci przesyłu informacji.

Kodowanie mo

ż

e przybiera

ć

kilka ró

ż

nych form jak np. kwantowanie sygnału

analogowego lub dodanie bitów nadmiarowych do ci

ą

gu cyfrowego.

Kwantowanie sygnału analogowego w celu otrzymania ci

ą

gu danych cyfrowych

realizowane jest przy pomocy przetwornika analogowo cyfrowego.

Ś

rodowisko

VisSim/Comm zawiera kilka podstawowych bloków do tego celu takich jak bloki
przetworników AC lub bloki kompanderów. Kompander jest nieliniowym procesem
u

ż

ywanym przed procesem kwantowania w celu uzyskania wi

ę

kszej rozdzielczo

ś

ci dla

bardzo słabych sygnałów.

W przypadku pracy z sygnałami cyfrowymi,

ś

rodowisko VisSim/Comm zawiera bloki

realizuj

ą

ce kilka metod Wst

ę

pnej Korekcji Bł

ę

dów (FEC). Jest to realizowane przy

pomocy kodów splotowych lub kratowych. Dost

ę

pne s

ą

równie

ż

bloki realizuj

ą

ce

przeplot danych.

Modulacja

W celu przesłania informacji z jednego punktu do drugiego, sygnał musi by

ć

przed

wysłaniem, cz

ę

sto zmieniony. Proces ten nazywany jest Modulacj

ą

. Jest kilka powodów

dla których tworzy si

ę

nowy sygnał, który ma reprezentowa

ć

sygnał oryginalny.

Podstawowe przyczyny zwi

ą

zane s

ą

z zajmowanym pasmem i sposobem odtworzenia.

Proces modulacji pozwala np. przenie

ś

pasmo zajmowane przez informacj

ę

w

dziedzinie cz

ę

stotliwo

ś

ci tak,

ż

e kilka sygnałów mo

ż

e współistnie

ć

bez interferencji

Laboratorium Elektroniki

Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001

Politechnika Opolska

5

pomi

ę

dzy nimi. Osi

ą

ga si

ę

to poprzez umieszczenie ka

ż

dego modulowanego sygnału w

innych regionach dost

ę

pnego zakresu cz

ę

stotliwo

ś

ci.

Wiele technik modulacji zostało stworzonych tak, aby reprezentowa

ć

sygnał

informacyjny tak jak wygl

ą

da przed wysłaniem. Ogólnie, wszystkie schematy modulacji

polegaj

ą

na zmianie amplitudy, fazy lub cz

ę

stotliwo

ś

ci no

ś

nej sygnału. Najogólniej

technika modulacji mo

ż

e zosta

ć

podzielona na dwie grupy: modulacja analogowa oraz

modulacja cyfrowa.

W grupie modulacji analogowych dost

ę

pne s

ą

bloki modulacji AM i FM, a w grupie

modulacji cyfrowej bloki modulacji: FSK i MSK, PSK, QAM, PAM i inne.

Kanał transmisyjny

W celu przesłania informacji z jednego punktu do innego, emitowany sygnał musi
przeby

ć

pewne medium transmisyjne zanim osi

ą

gnie odbiornik. Droga z nadajnika do

odbiornika ogólnie nazywana jest kanałem. Modele kanałów transmisyjnych zawieraj

ą

takie media jak: przewody miedziane, kable

ś

wiatłowodowe lub wolna przestrze

ń

. Do

przesyłanego sygnału mog

ą

by

ć

dodawane wła

ś

ciwo

ś

ci charakterystyczne dla danego

medium transmisyjnego takie jak propagacja czy inne zaburzenia.

VisSim/Comm zawiera modele ró

ż

nych kanałów transmisyjnych zarówno dla poł

ą

cze

ń

stałych jak i ruchomych. Uwzgl

ę

dnia zaniki sygnału, rozchodzenie si

ę

sygnałów ró

ż

nymi

drogami na skutek odbi

ć

ograniczenie pasma czy szum gaussowski. W ka

ż

dym

przypadku mo

ż

na modyfikowa

ć

kluczowe parametry modelu aby spełniały specyficzne

wymagania projektanta.

W pakiecie VisSim/Comm dost

ę

pne s

ą

bloki moduluj

ą

ce ró

ż

ne kanały transmisyjne.

Podstawowym kanałem jest kanał dodaj

ą

cy szum biały. Dost

ę

pne s

ą

równie

ż

modele

symuluj

ą

ce systemy komunikacji ruchomej, odbicia od troposfery i jonosfery, modele

symuluj

ą

ce zwielokratnianie sygnału na skutek odbi

ć

. W przypadku przesyłania

informacji cyfrowej dost

ę

pny jest model symetrycznego kanału binarnego, powoduj

ą

cy

przekłamanie przesyłanych bitów z zadanym prawdopodobie

ń

stwem. Model takiego

kanału u

ż

yteczny jest szczególnie w przypadku badania wła

ś

ciwo

ś

ci ró

ż

nych kodów, a

nie samego kanału.

Demodulatory

Kiedy sygnał dotrze do odbiornika, wymagane jest wykonanie kilku czynno

ś

ci zanim

sygnał b

ę

dzie mógł by

ć

odtworzony. Odebrany sygnał zwykle jest najpierw filtrowany i

wzmacniany, tak aby pobra

ć

cz

ęść

spektrum zawieraj

ą

c

ą

żą

dan

ą

informacj

ę

. Cz

ę

sto w

celu uzyskania odpowiedniego poziomu napi

ę

cia stosowany jest układ automatycznego

wzmocnienia. Proces demodulacji zale

ż

y od sposobu modulacji w nadajniku i cz

ę

sto

składa si

ę

z kilku kroków.

Laboratorium Elektroniki

Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001

Politechnika Opolska

6

W wi

ę

kszo

ś

ci przypadków modulacji analogowej, sygnał nadawczy mo

ż

e by

ć

odtworzony w pojedynczym kroku. Przykładem mo

ż

e by

ć

sygnał zmodulowany w AM

gdzie demodulatorem jest prosty układ detekcji obwiedni lub modulacja FM gdzie do
demodulacji mo

ż

na u

ż

y

ć

układu p

ę

tli fazowej. W przypadku modulacji cyfrowej, zwykle

wymaga si

ę

kilku kroków. W minimalnym przypadku wymaga si

ę

trzech kroków:

odtworzenia no

ś

nej, odtworzenia czasu trwania symbolu oraz detekcja symbolu (układ

do detekcji symbolu cz

ę

sto okre

ś

lany jest jako slicer). Bardziej rozbudowane systemy

mog

ą

równie

ż

zawiera

ć

korektory adaptacyjne lub redukcj

ę

echa.

VisSim/Comm zawiera wszystkie niezb

ę

dne bloki umo

ż

liwiaj

ą

ce zbudowanie

odpowiedniego odbiornika dla ró

ż

nych sposobów modulacji. Znajduj

ą

si

ę

tutaj bloki

ł

ą

cz

ą

ce i rozdzielaj

ą

ce, elementy p

ę

tli fazowej, korektory, bloki detektorów dla ka

ż

dego

typu modulacji cyfrowej, bloki przetworników A/D oraz bloki ró

ż

nych filtrów w celu

implementacji odbiorników filtrowych.

Ogólnie, tak jak dokonano podziału na modulacj

ę

analogow

ą

i cyfrow

ą

, demodulacj

ę

mo

ż

na podzieli

ć

na demodulacj

ę

koherentn

ą

i niekoherentn

ą

. Demodulacja koherentna

wymaga aby odbiornik otrzymał synchronizacj

ę

od fazy no

ś

nej z nadawan

ą

no

ś

n

ą

.

Detekcja niekoherentna nie wymaga synchronizacji. Detekcja koherentna wykazuje 3dB
przewag

ę

w stosunku do demodulacji niekoherentnej osi

ą

gni

ę

tej przy bardziej

skomplikowanym odbiorniku.

Dekodowanie sygnału

Je

ś

li w nadajniku sygnał był kodowany, w odbiorniku zanim uda si

ę

odtworzy

ć

oryginaln

ą

informacj

ę

nale

ż

y dodatkowo wykona

ć

proces dekodowania. Proces

dekodowania wymaga znajomo

ś

ci procesu kodowania zastosowanego w nadajniku.

Proces dekodowania sygnału jest zwykle bardziej skomplikowany ni

ż

proces kodowania

i z tego powodu wymaga wi

ę

kszych nakładów obliczeniowych.

Ś

rodowisko

VisSim/Comm zawiera dekodery kodów splotowych i kratowych oraz bloki odwrotne do
przeplotu danych.

Prezentacja wyników

Wyniki symulacji mog

ą

by

ć

łatwo przedstawione w sposób graficzny przy pomocy bloku

rysuj

ą

cego. W podstawowym trybie blok ten mo

ż

e kre

ś

li

ć

cztery przebiegi w dziedzinie

czasu. Odpowiednia konfiguracja bloku rysuj

ą

cego umo

ż

liwia przedstawienie wyników w

charakterystycznych dla telekomunikacji trybach. Jest wi

ę

c mo

ż

liwo

ść

przedstawienia

krzywej BER, wykresów oczkowych, analiza widma i innych.

System odpowiedników nisko pasmowych

Wymagania co do cz

ę

stotliwo

ś

ci próbkowania mog

ą

by

ć

zmniejszone w przypadku

zastosowania tzw. techniki zespolonej. Kiedy modulujemy sygnał danych, cz

ę

stotliwo

ść

Laboratorium Elektroniki

Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001

Politechnika Opolska

7

symulacji musi by

ć

co najmniej 8 razy wi

ę

ksza od cz

ę

stotliwo

ś

ci no

ś

nej. Oznacza to,

ż

e

krok symulacji jest okre

ś

lany nie przez cz

ę

stotliwo

ść

sygnału badanego, ale przez

cz

ę

stotliwo

ść

no

ś

n

ą

, która zwykle jest kilkana

ś

cie razy wi

ę

ksza.

W przypadku gdy symulacja zostanie przeniesiona do modelów nisko pasmowych (lub
do pasma podstawowego) cz

ę

stotliwo

ść

no

ś

nej zostanie usuni

ę

ta (sprowadzona do

zera), co umo

ż

liwi dobranie cz

ę

stotliwo

ś

ci próbkuj

ą

cej w stosunku do cz

ę

stotliwo

ś

ci

badanego sygnału, a nie no

ś

nej. W wyniku mo

ż

liwa jest redukcja czasu symulacji bez

straty dokładno

ś

ci oblicze

ń

. W technice zespolonej wykorzystuje si

ę

zarówno cz

ęść

rzeczywist

ą

i urojon

ą

, które zwykle odpowiadaj

ą

składowej: fazy (I) i kwadratury (Q)

sygnału. Wi

ę

kszo

ść

modulatorów i kanałów dost

ę

pnych w

ś

rodowisku VisSim/Comm

umo

ż

liwiaj

ą

prac

ę

w dziedzinie zespolonej.