Curs de pregatire Simularea Sistemelor de Comunicații Fără Fir utilizând MATLAB (Dr Shehata)

Rezultatele cursului

La finalizarea acestui curs, studentul trebuie să fie capabil să abordeze multe dintre problemele de cercetare actuale din domeniul ingineriei comunicațiilor, deoarece ar trebui să fi dobândit cel puțin următoarele competențe:

• Să traducă și să manipuleze expresii matematice complexe care apar frecvent în literatura de specialitate din domeniul ingineriei comunicațiilor.
• Capacitatea de a utiliza funcționalitățile de programare oferite de MATLAB pentru a reproduce rezultatele simulărilor din alte articole sau, cel puțin, pentru a se apropia de aceste rezultate.
• Crearea modelelor de simulare pentru idei propuse personal.
• Utilizarea eficientă a competențelor de simulare dobândite, combinate cu capacitatea puternică a MATLAB, pentru a proiecta coduri MATLAB optimizate în termenii timpului de execuție, economisind totodată memoria.
• Identificarea parametrilor cheie de simulare ai unui sistem de comunicații dat, extragerea acestora din modelul sistemului și studiul impactului acestor parametri asupra performanței sistemului analizat.

Structura cursului

Materialele furnizate în acest curs sunt extrem de corelate. Nu se recomandă ca un student să participe la un nivel fără să fi parcurs și înțeles profund nivelurile anterioare, pentru a asigura continuitatea cunoștințelor dobândite. Cursul este structurat în trei niveluri, începând cu o introducere la programarea MATLAB și ajungând până la nivelul simulării complete a sistemului, astfel:

Matematica comunicațiilor cu MATLAB
Sesiuni 01-06

La finalizarea acestei părți, studentul va fi capabil să evalueze expresii matematice complicate și să construiască ușor grafice adecvate pentru diferite tipuri de reprezentare a datelor, cum ar fi reprezentările în domeniul timpului și frecvenței, grafice BER, tipare de radiație a antenelor etc.

Concepte fundamentale

• Conceptul de simulare
• Importanța simulării în ingineria comunicațiilor
• MATLAB ca mediu de simulare
• Despre reprezentarea matricială și vectorială a semnalelor scalare în matematica comunicațiilor
• Reprezentarea matricială și vectorială a semnalelor de bandă bază complexe în MATLAB

Desktop MATLAB

• Bara de instrumente
• Fereastra de comandă
• Spațiul de lucru
• Istoricul comenzilor

Declarația variabilelor, vectorilor și matricelor

• Constantele predefinite MATLAB
• Variabilele definite de utilizator
• Araia, vectorii și matricele
• Introducerea manuală a matricelor
• Definirea intervalului
• Spațiul liniar
• Spațiul logaritmic
• Reguli de numire a variabilelor

Matrice speciale

• Matricea de unuri
• Matricea de zerouri
• Matricea identitate

Manipulare la nivel de elemente și la nivel de matrice

• Accesarea elementelor specifice
• Modificarea elementelor
• Eliminare selectivă a elementelor (trunchierea matricei)
• Adăugarea elementelor, vectorilor sau matricelor (concatarea matricelor)
• Găsirea indexului unui element într-un vector sau o matrice
• Reshape-ul matricei
• Trunchierea matricei
• Concatarea matricelor
• Învârtire de la stânga la dreapta și de la dreapta la stânga

Operatori matriciali unari

• Operatorul Sum
• Operatorul expectație
• Operatorul Min
• Operatorul Max
• Operatorul urma
• Detaliantul matricei |.|
• Inversa matricei
• Transpusa matricei
• Hermitiana matricei

Operații matriciale binare

• Operații aritmetice
• Operații relaționale
• Operații logice

Numere complexe în MATLAB

• Reprezentarea în bandă bază complexă a semnalelor de bandă intermediară și conversia RF, o revizuire matematică
• Formarea variabilelor, vectorilor și matricelor complexe
• Exponențiale complexe
• Operatorul partea reală
• Operatorul partea imaginară
• Operatorul conjugat ().*
• Operatorul modul |.|
• Operatorul argument sau fază

Funcții încorporate MATLAB

• Vectori de vectori și matrice de matrice
• Funcția rădăcina pătrată
• Funcția semn
• Funcția „rotunjire la întreg”
• Funcția „cel mai apropiat întreg inferior”
• Funcția „cel mai apropiat întreg superior”
• Funcția factorial
• Funcții logaritmice (exp, ln, log10, log2)
• Funcții trigonometrice
• Funcții hiperbolice
• Funcția Q(.)
• Funcția erfc(.)
• Funcții Bessel Jo (.)
• Funcția Gamma
• Comenzile Diff, mod

Polinoame în MATLAB

• Polinoame în MATLAB
• Funcții raționale
• Derivatele polinoamelor
• Integrarea polinoamelor
• Înmulțirea polinoamelor

Grafice în scară liniară

• Reprezentări vizuale ale semnalelor continue în timp și amplitudine
• Reprezentări vizuale ale semnalelor aproximare pe trepte
• Reprezentări vizuale ale semnalelor discrete în timp și amplitudine

Grafice în scară logaritmică

• Grafice dB-decadă (BER)
• Grafice decadă-dB (grafice Bode, răspuns în frecvență, spectrul semnalului)
• Grafice decadă-decadă
• Grafice dB-liniar

Grafice polare 2D

• (tipare planare de radiație a antenelor)

Grafice 3D

• Tipare de radiație 3D
• Grafice parametrice carteziane

Secțiune opțională (furnizată la cererea cursanților)

• Derivare simbolică și diferențiere numerică în MATLAB
• Integrare simbolică și numerică în MATLAB
• Ajutorul și documentația MATLAB

Fișiere MATLAB

• Fișiere script MATLAB
• Fișiere de funcții MATLAB
• Fișiere de date MATLAB
• Variabile locale și globale

Bucle, controlul fluxului cu condiții și luarea deciziilor în MATLAB

• Buclea for end
• Buclea while end
• Condiția if end
• Condițiile if else end
• Structura switch case end
• Iterații, erori convergente, operatori de sumă multi-dimensionali

Comenzi de afișare pentru intrare și ieșire

• Comanda input(' ')
• Comanda disp
• Comanda fprintf
• Căsuța de mesaj msgbox

Operații pe semnale și sisteme
Sesiuni 07-14

Obiectivele principale ale acestei părți sunt următoarele:

• Generarea semnalurilor de test aleatorii necesare pentru testarea performanței diferitelor sisteme de comunicații.
• Integrarea a multe operații elementare de semnal, care pot fi combinate pentru a implementa o singură funcție de procesare de comunicații, cum ar fi codificatoare, randomizatoare, împletitoare, generatoare de coduri de răspândire etc., atât la emițător, cât și la receptor.
• Interconectarea corespunzătoare a acestor blocuri pentru a realiza o funcție de comunicații.
• Simularea modelelor de canal îngust de bandă în interior și exterior, deterministe, statistice și semi-aleatorii.

Generarea semnalurilor de test de comunicații

• Generarea unei secvențe binare aleatorii
• Generarea de secvențe întregi aleatorii
• Importarea și citirea fișierelor de text
• Citirea și redarea fișierelor audio
• Importarea și exportarea imaginilor
• Imaginea ca o matrice 3D
• Transformarea RGB în scală de gri
• Fluxul serial de biți al unei imagini în scară de gri 2D
• Sub-îmblocarea semnalelor de imagine și reconstrucția

Condiționarea și manipularea semnalelor

• Scalarea amplitudinii (câștig, atenuare, normalizarea amplitudinii etc.)
• Deplasarea nivelului DC
• Scalarea timpului (comprimare temporală, rarefiere)
• Deplasarea în timp (întârziere temporală, avans temporal, deplasare circulară temporală stânga și dreapta)
• Măsurarea energiei semnalului
• Normalizarea energiei și puterii
• Scalarea energiei și puterii
• Conversia serial-paralelă și paralelă-serială
• Multiplexarea și demultiplexarea

Digitalizarea semnalelor analogice

• Eșantionarea în domeniul timpului a semnalelor analogice de bandă bază în MATLAB
• Cuantizarea amplitudinii semnalelor analogice
• Codificarea PCM a semnalelor analogice cuantizate
• Conversia zecimal-binară și binară-zecimală
• Formarea impulsurilor (pulse shaping)
• Calcularea lățimii adecvate a impulsului
• Selectarea numărului de eșantioane per impuls
• Convoluția folosind comanda conv și filter
• Auto-correlația și cross-correlația semnalelor cu durată limitată
• Operațiile de Transformată Rapidă a lui Fourier (FFT) și IFFT
• Vizualizarea spectrului unui semnal de bandă bază
• Efectul ratei de eșantionare și fereastra de frecvență adecvată
• Relația dintre convoluție, corelație și operațiile FFT
• Filtrarea în domeniul frecvenței, doar filtrare trece-jos

Funcții auxiliare de comunicații

• Randomizatoare și de-randomizatoare
• Punctuatoare și de-punctuatoare
• Codificatoare și decodificatoare
• Împletitoare și de-împletitoare

Modulatoare și demodulatoare

• Scheme de modulare digitală în bandă bază în MATLAB
• Reprezentarea vizuală a semnalelor modulate digital

Modelarea și simularea canalului

• Modelarea matematică a efectului canalului asupra semnalului transmis
  • Adițiune – canale cu zgomot gausian alb aditiv (AWGN)
  • Înmulțire în domeniul timpului – canale cu fading lent, deplasare Doppler în canale vehiculare
  • Înmulțire în domeniul frecvenței – canale cu fading selectiv în frecvență
  • Convoluție în domeniul timpului – răspunsul la impuls al canalului

Exemple de modele de canal deterministe

• Pierderile de propagare în spațiu liber și pierderile dependente de mediu
• Canale cu blocări periodice

Caracterizarea statistică a canalelor comune de fading multi-trajet staționare și pseudo-staționare

• Generarea unei variabile aleatoare distribuite uniform
• Generarea unei variabile aleatoare reale distribuite Gaussian
• Generarea unei variabile aleatoare complexe distribuite Gaussian
• Generarea unei variabile aleatoare distribuite Rayleigh
• Generarea unei variabile aleatoare distribuite Ricean
• Generarea unei variabile aleatoare distribuite Log-normal
• Generarea unei variabile aleatoare distribuite arbitrar
• Apropierea funcției de densitate de probabilitate (PDF) necunoscute a unei variabile aleatoare printr-un histogramă
• Calculul numeric al funcției de distribuție cumulată (CDF) a unei variabile aleatoare
• Canale cu zgomot gausian alb aditiv (AWGN) real și complex

Caracterizarea canalului prin profilul puterii-retardului

• Caracterizarea canalului prin profilul puterii-retardului
• Normalizarea puterii PDP
• Extragerea răspunsului la impuls al canalului din PDP
• Eșantionarea răspunsului la impuls al canalului cu o rată arbitrară de eșantionare, neconcordanță de eșantionare și întârziere
• Cuantizare
• Problema eșantionării neconcordanțe a răspunsului la impuls al canalului pentru canale de bandă îngustă
• Eșantionarea PDP cu o rată arbitrară de eșantionare și compensarea întârzierii fractionare
• Implementarea mai multor modele de canal interioare și exterioare standardizate IEEE
• (COST – SUI – Modele de canal Ultra Wide Band etc.)

Simulare la nivel de legătură a sistemelor de comunicații practice
Sesiuni 15-24

Această parte a cursului se concentrează pe cea mai importantă problemă pentru studenții cercetători, și anume cum să reproducă rezultatele simulărilor din alte articole publicate prin simulare.

Performanța Ratei de Eroare pe Bit (BER) a schemelor de modulare digitală în bandă bază

• Comparația performanței diferitelor scheme de modulare digitală în bandă bază în canale AWGN (studiu comparativ cuprinzător prin simulare pentru a verifica expresiile teoretice); grafice de împrăștiere, rata de eroare pe bit
• Comparația performanței diferitelor scheme de modulare digitală în bandă bază în diferite canale de fading staționare și pseudo-staționare; grafice de împrăștiere, rata de eroare pe bit (studiu comparativ cuprinzător prin simulare pentru a verifica expresiile teoretice)
• Impactul canalelor cu deplasare Doppler asupra performanței schemelor de modulare digitală în bandă bază; grafice de împrăștiere, rata de eroare pe bit
• Comunicații helicopter-satelit
  • Articol (1): Low-Cost Real-Time Voice and Data System for Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS) – Enunțul problemei și analiza
  • Articol (2): Pre-Detection Time Diversity Combining with Accurate AFC for Helicopter Satellite Communications – Prima soluție propusă
  • Articol (3): An Adaptive Modulation Scheme for Helicopter-Satellite Communications – O abordare de îmbunătățire a performanței

Simularea sistemelor de răspândire a spectrului

• Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe răspândirea spectrului
• Sisteme bazate pe răspândirea spectrului în secvență directă
• Generatoare de secvențe binare pseudo-aleatorii (PBRS)
  • Generarea secvențelor de lungime maximală
  • Generarea codurilor Gold
  • Generarea codurilor Walsh
• Sisteme bazate pe răspândirea spectrului prin hopping temporal
• Performanța Ratei de Eroare pe Bit (BER) a sistemelor bazate pe răspândirea spectrului în canale AWGN
  • Impactul ratei de codificare r asupra performanței BER
  • Impactul lungimii codului asupra performanței BER
• Performanța Ratei de Eroare pe Bit (BER) a sistemelor bazate pe răspândirea spectrului în canale de fading Rayleigh lent multi-trajet cu deplasare Doppler zero
• Analiza performanței Ratei de Eroare pe Bit a sistemelor bazate pe răspândirea spectrului în medii de fading cu mobilitate ridicată
• Analiza performanței Ratei de Eroare pe Bit a sistemelor bazate pe răspândirea spectrului în prezența interferenței multi-utilizator
• Transmiterea imaginilor RGB prin sisteme de răspândire a spectrului
• Sisteme Optical CDMA (OCDMA)
  • Coduri ortogonale optice (OOC)
  • Limitele de performanță ale sistemelor OCDMA; performanța BER a sistemelor OCDMA sincronice și asincrone

Sisteme SS de bandă ultra-largă

Sisteme bazate pe OFDM

• Implementarea sistemelor OFDM folosind Transformata Rapidă a lui Fourier
• Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe OFDM
• Performanța Ratei de Eroare pe Bit (BER) a sistemelor OFDM în canale AWGN
  • Impactul ratei de codificare r asupra performanței BER
  • Impactul prefixului ciclic asupra performanței BER
  • Impactul mărimii FFT și distanței dintre sub-căruțe asupra performanței BER
• Performanța Ratei de Eroare pe Bit (BER) a sistemelor OFDM în canale de fading Rayleigh lent multi-trajet cu deplasare Doppler zero
• Performanța Ratei de Eroare pe Bit (BER) a sistemelor OFDM în canale de fading Rayleigh lent multi-trajet cu CFO
• Estimarea canalului în sistemele OFDM
• Equalizarea în domeniul frecvenței în sistemele OFDM
  • Equalizator Zero Forcing
  • Equalizatoare MMSE
• Alte metrici comune de performanță în sistemele bazate pe OFDM (Raport de Putere de Vârf la Putere Medie, Raport de Purtață la Interferență etc.)
• Analiza performanței sistemelor bazate pe OFDM în medii de fading cu mobilitate ridicată (ca proiect de simulare care constă din trei articole)
  • Articol (1): Mitigarea interferenței între purtătoare
  • Articol (2): Sisteme MIMO-OFDM

Optimizarea unui proiect de simulare MATLAB

Scopul acestei părți este de a învăța cum să construiești și să optimizezi un proiect de simulare MATLAB pentru a simplifica și a organiza procesul general de simulare. În plus, spațiul de memorie și viteza de procesare sunt, de asemenea, luate în considerare pentru a evita problemele de depășire a memoriei în sistemele cu stocare limitată sau timpi lungi de execuție cauzate de procesare lentă.

• Structura tipică a proiectelor de simulare de mică scară
• Extragerea parametrilor de simulare și maparea de la teoretic la simulare
• Construirea unui proiect de simulare
• Tehnica de simulare Monte Carlo
• Un procedeu tipic pentru testarea unui proiect de simulare
• Tehnici de gestiune a spațiului de memorie și reducerii timpului de simulare
  • Simulare în bandă bază vs. simulare în bandă intermediară
  • Calcularea lățimii adecvate a impulsului pentru formele de impuls arbitrate trunchiate
  • Calcularea numărului adecvat de eșantioane per simbol
  • Calcularea numărului necesar și suficient de biți pentru testarea unui sistem

Programare GUI

A avea un cod MATLAB liber de erori și funcționând corect pentru a produce rezultate corecte este o mare realizare. Cu toate acestea, un set de parametri cheie într-un proiect de simulare controlează. Din acest motiv și altele, o lecție suplimentară despre „Programarea Interfeței Grafice pentru Utilizator (GUI)” este oferită pentru a aduce controlul asupra diferitelor părți ale proiectului tău de simulare la îndemână, în loc să te scufunzi în coduri sursă lungi pline de comenzi. În plus, ascunderea codului MATLAB într-o GUI ajută la prezentarea lucrării tale într-un mod care facilitează combinarea mai multor rezultate într-o fereastră principală și face mai ușoară compararea datelor.

• Ce este o GUI MATLAB
• Structura fișierului de funcții GUI MATLAB
• Componente principale ale GUI (proprietăți și valori importante)
• Variabile locale și globale

Notă: Subiecturile acoperite la fiecare nivel al acestui curs includ, dar nu se limitează la, cele menționate la fiecare nivel. În plus, elementele fiecărei lecții în parte sunt supuse modificărilor în funcție de nevoile cursanților și interesele lor de cercetare.