2.1 Теоретические сведения

Среда моделирования Simulink позволяет создавать модели широкого диапазона динамических систем от финансовых процессов до систем управления летательными аппаратами. Для этих целей разработаны наборы специализированных блоков (Blocksets). Для решения задач в области телекоммуникаций наибольшее значение имеют следующие наборы блоков:

- Communications Blockset – предназначен для моделирования физического уровня широкого ряда телекоммуникационных систем. Включает в свой состав модели блоков источников/приемников сигналов, модуляторов/демодуляторов, кодеров/декодеров, фильтров, каналов связи и др.

- RF Blockset – предназначен для моделирования работы устройств радиочастотного тракта. Включает в себя модели высокочастотных фильтров, линий передачи, усилителей, смесителей и др.

- Signal Processing Blockset – охватывает широкий набор средств обработки сигналов, в т.ч. цифровые фильтры, средства статистической обработки сигналов, интегральных преобразований, а также блоки для работы с векторами и матрицами.

- Video and Image Processing Blockset – включает в себя специализированные средства обработки сигналов, предназначенные для работы с изображениями и видео.

Рассмотрим некоторые часто используемые блоки и классы блоков набора Communications Blockset.

1. Коммуникационные источники (Communications Sources). С помощью данных блоков моделируются источники сигналов, наиболее часто встречающихся в телекоммуникационных системах, в том числе источники случайных дискретных сигналов, шумов и источники последовательностей.

- Случайные дискретные сигналы. Источник случайного двоичного сигнала с законом распределения Бернулли (Bernoulli binary) позволяет моделировать псевдослучайные двоичные последовательности. Источник случайных целых чисел, распределенных по закону Пуассона (Poison Integer Generator) удобен при моделировании шумов в двоичных каналах передачи.

- Источники непрерывных шумов представлены четырьмя блоками источников случайных сигналов с нормальным распределением, а также с распределениями Гаусса, Релея и Райса. Данные средства позволяют моделировать шумы в непрерывных каналах связи.

2. Коммуникационные анализаторы (Communications Sinks) служат средствами представления и анализа сигналов в каналах связи. Наиболее важными из них являются:

• Д иаграмма разброса (Discrete-Time Scatter Scope Sink). Главным образом используется для отображения пространства сигналов, использующих сложные виды модуляции (КАМ).

• Глазковая диаграмма (Discrete-Time Eye Shaping). Строится путем наложения нескольких импульсов. Дает возможность оценить форму импульсов, искажение сигнала в канале связи, джиттер.

• С четчик ошибок (Error Rate Calculation). Позволяет автоматически подсчитывать вероятность битовых и символьных ошибок, сравнивая сигнал, поступающий на вход передатчика с сигналом, снимаемым с выхода приемника.

3. Кодеки источника (Source Coding) служат для кодирования и декодирования сигналов, поступающих непосредственно от источников информации. К данной группе относятся компрессоры и экспандеры по a- и μ-законам, кодер квантования (ставящий уровень выходного сигнала в соответствие с уровнем входного согласно таблице квантования), дифференциальный кодер (двоичное значение на выходе которого определяется как логическая разница между предыдущим выходным значением и текущим значением на входе), а также соответствующие декодеры.

4. Помехоустойчивые канальные кодеки (Error Detection and Correction). В данную группу входят кодеки трех видов:

- Блочные кодеки, в т.ч. двоичные линейный и циклический блочные кодеки, БЧХ-кодек, кодеки Рида-Соломона, Хемминга и др. Параметрами данных блоков, как правило, являются число бит в исходном и кодированном сообщениях.

- Сверточный кодер, а также декодер по методу апостриорной вероятности и декодер Витерби.

- Циклические кодеки с избыточностью.

5. Модуляторы/демодуляторы (Modulation) представлены обширным набором блоков, реализующих различные виды модуляции. Входным сигналом модуляторов, как правило, является модулирующий сигнал, выходным – модулированный (или наоборот для демодуляторов), параметры блоков настраивают характеристики несущей и другие свойства.

- Амплитудная модуляция (Digital Baseband AM). Блок общей КАМ (General QAM) позволяет задавать произвольное сигнальное созвездие с помощью параметра Signal constellation. Блок ортогональной КАМ (Rectangular QAM) модулирует сигнал с помощью M-арного множества, использующего прямоугольную решетку. Расстояние между элементами множества может задаваться как непосредственно, так и вычисляться на основании известной средней либо максимальной мощности сигнала.

- Фазовая модуляция (Digital Baseband PM). Фазовая манипуляция осуществляется с помощью блоков BPSK Modulator/Demodulator Baseband. Дифференциальная фазовая манипуляция (значение на выходе модулятора зависит от предыдущего и текущего значений на входе) осуществляется с помощью блоков DBPSK Modulator/Demodulator Baseband. Квадратурная фазовая модуляция реализуется при помощи блоков QPSK Modulator/Demodulator Baseband, а квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (Ofset QPSK, OQPSK), позволяющая боле эффективно использовать полосу частот, – при помощи блоков OQPSK Modulator/Demodulator Baseband.

- Виды модуляции без разрыва фазы (CPFSK, MSK, GMSK и др.) представлены в группе Digital Baseband CPM.

- Аналоговые виды модуляции (Analog Passband Modulation). Данная группа блоков позволяет реализовать двухстороннюю (DSB), одностороннюю (SSB), двухстороннюю с подавлением несущей (DSBSC) амплитудную модуляции, а также частотную и фазовую модуляции аналогового сигнала.

6. Модели каналов связи (Channels). Данные блоки являются представлением реальных каналов связи.

- Канал с аддитивным белым Гауссовым шумом (AWGN Cannel) моделирует работу аналогового канала. Основным параметром данного блока является отношение сигнал-шум. Для моделирования битовых ошибок в цифровом канале используется блок двоичного симметричного канала (Binary Symmetric Channel), в параметрах которого задается вероятность возникновения ошибки.

- Для моделирования затухания и интерференции сигналов в радиоканалах используются блоки многолучевого распространения с моделями замираний Релея либо Райса (Multipath Rayleigh (Rician) Fading Channel). Данные блоки позволяют задавать параметры доплеровского сдвига при перемещении приемника относительно передатчика и удобны при моделировании каналов систем мобильной связи.

7. Кроме того в набор блоков для задач телекоммуникаций входят модели фильтров, устройств интерливинга, синхронизации, скремблирования/дескремблирования, MIMO и др.).

Набор блоков для моделирования СВЧ-систем (RF blockset) состоит из двух типов моделей – математических (Mathematical) и физических (Physical).

1. Блоки, входящие в группу Mathematical описывают работу устройств в общем виде с помощью уравнений, без привязки к реальным технологиям. В данной подгруппе представлены модели фильтров (ВЧ, НЧ и т.д.), усилителей и смесителей. Параметры данных блоков позволяют настраивать непосредственно основные характеристики устройства (коэффициент усиления, частоты срезов и т.п.) не учитывая его внутреннего строения.

2. Блоки группы Physical моделируют работу физических устройств и компонентов. Модели фильтров (Ladder Filters) в данном случае представляются электрическими схемами, которые позволяют настраивать параметры отдельных элементов. Характеристики усилителей (Amplifiers) и смесителей (Mixers) вводятся с помощью параметров рассеивания. Модели линий передачи (Transmission Lines) позволяют настраивать параметры физической среды передачи сигналов (коаксиальных, двухпроводных, микрополосковых линий и др.). Для того, чтобы подключить данные блоки к системе используются входные (Input Port) и выходные (Output Port) порты.

Набор блоков обработки сигналов (Signal Processing Blockset) является одним из самых обширных в системе Simulink. Данные блоки могут найти применение в любых приложениях, в том числе и в задачах телекоммуникаций. Рассмотрим наиболее важные из них.

1. Быстрое преобразование Фурье. Блоки FFT и IFFT реализуют стандартное прямое и обратное преобразования Фурье для входной последовательности данных, количество элементов которой должно равняться целой степени числа 2.

2. Буфер (Buffer). Перераспределяет входные данные, образуя на выходе кадры другого размера. Фактически может производить перекодирование из последовательного кода в параллельный и наоборот. При этом следует отметить, что частота следования кадров уменьшается при увеличении их разрядности.

3. Группа статистических операций (Statistics) предоставляет возможности для оценки статистических параметров сигналов (минимальных, максимальных, средних значений, СКО, вычисления корреляционных функций и др.).

4. Группа блоков фильтров (Filters) позволяет реализовывать множество, как аналоговых так и цифровых устройств, задаваемых различными способами.