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Analisi 256-QAM utilizzando Simulink

Questo esempio mostra come modellare un sistema di comunicazioni con la modulazione numerica di ampiezza in quadratura (QAM), canale di rumore gaussiano bianco additivo (AWGN) e rumore di fase, utilizzando Simulink®. Il modello visualizza i diagrammi di costellazione del segnale 256-QAM ed esegue i calcoli del tasso di errore.

Panoramica

Il modello cm_commphasenoise simula l’effetto dell’AWGN e del rumore di fase su un segnale 256-QAM. Il modello Simulink è una rappresentazione grafica di un modello matematico di un sistema di comunicazioni che genera un segnale casuale, lo modula utilizzando la QAM, aggiunge l’AWGN e il rumore di fase al segnale e lo demodula. Il modello contiene anche dei blocchi per visualizzare il tasso di errore bit e i diagrammi di costellazione del segnale modulato.

  • Il blocco Bernoulli Binary Generator genera un segnale costituito da una sequenza di valori binari a 8 bit nell’intervallo [0, 255].

  • Il blocco Rectangular QAM Modulator Baseband modula il segnale utilizzando la banda base 256-ary QAM.

  • Il blocco AWGN Channel modella un canale rumoroso aggiungendo rumore gaussiano bianco al segnale modulato.

  • Il blocco Phase Noise introduce il rumore nell’angolo del suo segnale complesso in entrata.

  • Il blocco Rectangular QAM Demodulator Baseband demodula il segnale.

Ulteriori blocchi nel modello possono aiutare a interpretare la simulazione.

  • Il blocco Constellation Diagram visualizza i diagrammi di costellazione del segnale con AWGN e rumore di fase aggiunti.

  • Il blocco Error Rate Calculation conta i bit che differisco tra segnale ricevuto e segnale trasmesso.

  • Il blocco To Workspace, etichettato outputErr, fornisce i risultati all’area di lavoro per essere utilizzati durante il plottaggio dei risultati. Il blocco Display BER Plot apre un grafico del tasso di errore bit (BER) che mostra le curve prestazionali Eb/N0 per la trasmissione e la ricezione 256-QAM a vari livelli di rumore di fase.

Modulazione digitale

Il modello simula la QAM, che è un metodo per convertire un segnale digitale in un segnale complesso. Il modello modula il segnale su una sequenza di numeri complessi che si trovano su un reticolo di punti nel piano complesso, noto come la costellazione del segnale. Un grafico di questi punti è chiamato grafico a dispersione o diagramma di costellazione del segnale.

Il diagramma di costellazione che viene mostrato qui visualizza la banda base 256-ary QAM con AWGN e rumore di fase aggiunti. I punti nel diagramma di costellazione non si trovano esattamente sulla costellazione mostrata in figura a causa del rumore aggiunto. Il rumore di fase altera l’angolo del segnale modulato complesso causando uno spostamento radiale dei punti di costellazione.

Esecuzione della simulazione

La durata di esecuzione della configurazione del modello predefinita è impostata su inf. Il blocco Error Rate Calculation è configurato per essere eseguito fino a quando non si verificano 100 errori. Per interrompere la simulazione prima che si verifichino 100 errori, fare clic su Stop (Interrompi) nella scheda Simulation (Simulazione).

Visualizzazione del tasso di errore

Il blocco Display visualizza il numero di errori introdotti dal canale AWGN e dal rumore di fase. Quando si esegue la simulazione, vengono visualizzate tre piccole caselle nel blocco che mostrano l’uscita del vettore dal blocco Error Rate Calculation.

  • La prima voce è il BER.

  • La seconda voce è il numero totale di errori.

  • La terza voce è il numero totale di confronti effettuati.

Visualizzazione di un grafico del rumore di fase

Per visualizzare una figura che traccia i risultati di simulazione del BER rispetto alle curve Eb/N0 per un intervallo di impostazioni di rumore di fase, fare doppio clic sul blocco Display BER Plot nel modello.

Ulteriore esplorazione

È possibile controllare il modo in cui funziona un blocco Simulink impostandone i parametri. Per visualizzare o modificare i parametri di simulazione, fare doppio clic su un blocco per aprire la maschera relativa.

Per modificare la quantità di rumore di fase, aprire la maschera del blocco Phase Noise e immettere un nuovo valore per il parametro Phase noise level (dBc/Hz) (Livello rumore di fase ((dBc/Hz)). Fare clic su OK per applicare la nuova impostazione.

Per modificare la quantità di rumore, aprire la maschera del blocco AWGN Channel e immettere un nuovo valore per il parametro Eb/No (dB). Diminuendo il valore di questo parametro si aumenta il livello di rumore. Fare clic su OK per applicare la nuova impostazione.

Riducendo il rumore di fase e aumentando l’Eb/N0 si rimuove il rumore dal modello. Poiché il modello è configurato per essere eseguito fino a quando non si verificano 100 errori, eseguendo la simulazione con poco rumore nel modello si avrà un lungo tempo di esecuzione della simulazione. Per limitare il tempo massimo di esecuzione della simulazione, è possibile ridurre la durata di esecuzione da inf a un valore minore, come 10.

Per produrre nuovi risultati, eseguire la simulazione utilizzando le impostazioni modificate.

In alternativa, è possibile immettere un nome di variabile in un parametro. Quindi, nella linea di comando MATLAB®, impostare il valore di tale variabile nell’area di lavoro. Impostare i parametri nella finestra di comando può essere utile se è necessario eseguire più simulazioni con valori di parametro diversi.

È inoltre possibile utilizzare le funzioni di richiamo per configurare la simulazione. L’impostazione predefinita per diversi parametri di questo modello è impostata utilizzando la funzione di richiamata PreLoadFcn. Per accedere alle funzioni di richiamata, selezionare Model Settings (Impostazioni modello) > Model Properties (Proprietà modello) nella scheda Modeling (Modellazione). Selezionare la scheda Callbacks nel dialogo Model Properties. Per ulteriori informazioni sulle proprietà del modello e sulle funzioni di richiamata, vedere Model Callbacks (Simulink).

Plottaggio del BER a diversi livelli di rumore

Il file di programma MATLAB® plot_256qam_ber_curves.m genera questo grafico del BER eseguendo più simulazioni con valori diversi per i parametri Phase noise level (dBc/Hz) e Eb/No (dB). Ogni curva è un grafico del BER in funzione del rapporto segnale/rumore per una quantità fissa di rumore di base. Per ogni punto del BER tracciato, la simulazione si arresta quando si raggiungono 1000 bit di errori o sono stati confrontati 1e8 bit. I risultati variano da esecuzione a esecuzione per via della natura casuale del segnale in entrata e delle alterazioni della simulazione.

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