POLITECHNIKA OPOLSKA
K
ATEDRA
A
UTOMATYKI
,
E
LEKTRONIKI
I
I
NFORMATYKI
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
Projektowanie i Symulacja
Systemów Telekomunikacyjnych
COMMSIM 2001
Wprowadzenie
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
Ŝ
na
symulowa
ć
bardzo skomplikowane systemy komunikacyjne przy zdecydowanie
mniejszych obci
ąŜ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝą
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
y zwróci
ć
uwag
ę
,
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
no
ś
ci od typu sygnału informacyjnego oraz dla poszczególnego medium
transmisyjnego, stosowane s
ą
ró
Ŝ
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
Ŝ
jako kanał, do odbiornika. Medium tym mo
Ŝ
e by
ć
:
Ŝ
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
Ŝ
nych kanałów. Najbardziej znanym modelem kanału jest kanał
dodaj
ą
cy szum biały (Additive White Gaussian Noise AWGN). W kanale tym zało
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
na
odzyska
ć
poprawne dane z sygnału oryginalnego, nale
Ŝ
y w odbiorniku wykona
ć
proces
dekodowania. Proces dekodowania sygnału zwykle jest bardziej kłopotliwy ni
Ŝ
proces
kodowania i mo
Ŝ
e by
ć
bardziej zło
Ŝ
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
Ŝ
ytkownik mo
Ŝ
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
Ŝ
ytkownik mo
Ŝ
e równie
Ŝ
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
Ŝ
ywa si
ę
najcz
ęś
ciej z modulacjami wy
Ŝ
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,
Ŝ
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
Ŝ
e przybiera
ć
kilka ró
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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,
Ŝ
e kilka sygnałów mo
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
nych kanałów transmisyjnych zarówno dla poł
ą
cze
ń
stałych jak i ruchomych. Uwzgl
ę
dnia zaniki sygnału, rozchodzenie si
ę
sygnałów ró
Ŝ
nymi
drogami na skutek odbi
ć
ograniczenie pasma czy szum gaussowski. W ka
Ŝ
dym
przypadku mo
Ŝ
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
Ŝ
ne kanały transmisyjne.
Podstawowym kanałem jest kanał dodaj
ą
cy szum biały. Dost
ę
pne s
ą
równie
Ŝ
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
Ŝ
yteczny jest szczególnie w przypadku badania wła
ś
ciwo
ś
ci ró
Ŝ
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
Ŝą
dan
ą
informacj
ę
. Cz
ę
sto w
celu uzyskania odpowiedniego poziomu napi
ę
cia stosowany jest układ automatycznego
wzmocnienia. Proces demodulacji zale
Ŝ
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
Ŝ
e by
ć
odtworzony w pojedynczym kroku. Przykładem mo
Ŝ
e by
ć
sygnał zmodulowany w AM
gdzie demodulatorem jest prosty układ detekcji obwiedni lub modulacja FM gdzie do
demodulacji mo
Ŝ
na u
Ŝ
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
Ŝ
zawiera
ć
korektory adaptacyjne lub redukcj
ę
echa.
VisSim/Comm zawiera wszystkie niezb
ę
dne bloki umo
Ŝ
liwiaj
ą
ce zbudowanie
odpowiedniego odbiornika dla ró
Ŝ
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
Ŝ
dego
typu modulacji cyfrowej, bloki przetworników A/D oraz bloki ró
Ŝ
nych filtrów w celu
implementacji odbiorników filtrowych.
Ogólnie, tak jak dokonano podziału na modulacj
ę
analogow
ą
i cyfrow
ą
, demodulacj
ę
mo
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
e kre
ś
li
ć
cztery przebiegi w dziedzinie
czasu. Odpowiednia konfiguracja bloku rysuj
ą
cego umo
Ŝ
liwia przedstawienie wyników w
charakterystycznych dla telekomunikacji trybach. Jest wi
ę
c mo
Ŝ
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,
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
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
Ŝ
liwiaj
ą
prac
ę
w dziedzinie zespolonej.