主要内容

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射频損失と補正によるエンドツーエンドのQAMシミュレーション

この例では,衛星ダウンリンクの射频損失と補正の効果を表示する可視化機能を説明します。このリンクは,AWGNがある場合は16-QAM変調を利用し,ハイパワーアンプ(HPA)を使用して衛星通信に伴う損失を克服します。HPAは非線形動作を取り入れていますが,これは他の射频損失が重なったときは,軽減手法を使用する必要があります。

この例には以下が含まれます。

  • MATLABベースのシミュレーター関数QAMwithRFImpairmentsSim.m。この関数はGUIから入力パラメーターを受け取ります。

キーワード:QAM,射频損失,I / Q不均衡,非線形性,射频補正。

はじめに

シミュレーションは,GUIで表示されたパラメーターから設定できます。

GUIを開き,次を行います。

  • パラメーターの変更

  • MATLABによるシミュレーションの実行

  • コンスタレーションとスペクトルの可視化

  • 元となるMATLABコードの表示

  • Cコードの生成とシミュレーションの実行(有効なMATLAB编码器™のライセンスが必要)

QAMwithRFImpairmentsExample

模拟]ボタンは構成されたリンクを,インタープリター型MATLABコードを使用してシミュレートします。シミュレーションの実行中に,GUIを使用して一部のシミュレーションパラメーターを変更できます。パラメーター設定の更新による影響は,ただちに[结果]パネルまたはプロットで観察できます。シミュレーションの実行中に調整できないパラメーターはグレー表示されます。調整不可能なパラメーターを変更するには,シミュレーションを停止しなければなりません。

(视图MATLAB代码)ボタンは,エディターでシミュレーターのコードを開きます。これによって,視覚的な検証とシミュレーションで使用される基になる関数に関するより詳しい調査を行うことができます。

(运行生成的代码)ボタンをクリックすると,MATLAB関数が実行可能な墨西哥人ファイルにコンパイルされ,コンパイル処理の終了後にシミュレーションが実行されます。墨西哥人バージョンのシミュレーションは,コンパイル処理自体からの時間ペナルティはありますが,かなり高速に実行できます。シミュレーションがインタープリターモードまたは墨西哥人ファイルのどちらから実行されていても,同じパラメーターを変更できます。

(停止仿真)ボタンは実行中のシミュレーションを停止させます。これはインタープリター型MATLABと墨西哥人ファイルの両方で機能します。このボタンは,シミュレーションの実行中のみアクティブです。

(帮助)ボタンをクリックすると,このHTMLページが表示されます。

シミュレーションの概要

シミュレーションでは,以下のステップが実行されます。

  • ランダムな整数の生成

  • 16-QAMによる変調

  • ルートレイズドコサイン(RRC)送信フィルター

  • HPAの経由

  • 送信アンテナゲインの適用

  • 大気条件に基づくパス損失の適用

  • 射频損失を伴うAWGNチャネル経由の信号の受け渡し

  • 受信アンテナゲインの適用

  • 直流オフセットの削除

  • 自動ゲイン制御の適用

  • RRC受信フィルター

  • ADC効果の適用

  • I / Q振幅と位相の不平衡の補正

  • ドップラーシフトの補正

  • 16-QAMの復調

  • ビット誤り率の計算

次のブロック線図は,システムのアーキテクチャを示しています。

次の信号損失を指定できます。

  • 受信機のノイズ温度。[0, 600] K の範囲

  • ドップラー誤差。[-3, 3] Hz の範囲

  • 直流オフセット。[0, 20] の範囲で最大信号電圧の割合として表現

  • 位相ノイズ。[-100,-48] dBc/Hz の範囲

  • I / Q振幅の不均衡。[-5, 5] dB の範囲

  • I / Q位相の不均衡。[-30, 30] 度の範囲

  • HPAバックオフレベル。[1, 30] dBの範囲

  • 16[2]ビット範囲内でADCのビット数を変更することで生じる量子化誤差

  • (0.1 - 2)振幅単位(AU)の範囲内でのADCのフルスケール電圧による飽和

増幅器がその線形領域で動作するため,30 dBのHPAバックオフはわずかな歪みに相当し,1 dBのバックオフは著しい歪みに相当します。萨利赫モデルを使用してHPAの動作をシミュレートします。詳細情報は,comm.MemorylessNonlinearityのページに記載されています。

このGUIから,ドップラー誤差,I / Q不均衡および直流オフセットの補正を有効化または無効化できます。これらの補正は3つの系统对象によって行われます。comm.CarrierSynchronizerはドップラーによる周波数オフセットを補正し,comm.IQImbalanceCompensatorは振幅および位相の不均衡を補正し,dsp。DCBlockerは直流オフセットを補正します。

結果と表示

GUIコントロールを使用して以下を表示できます。

  • 送信RRCフィルターの出力で測定された送信信号のスペクトル。

  • 受信RRCフィルターの入力で測定された受信信号のスペクトル。

  • 受信信号のコンスタレーションダイアグラム。

  • HPA入力信号のコンスタレーションダイアグラム。

  • HPA出力信号のコンスタレーションダイアグラム。

既定のパラメーターを使用した標準的なスペクトルプロットを以下に示します。AWGNの効果は帯域外信号のスペクトルで最も容易に見ることができます。この場合,受信信号のノイズフロアは送信信号のスペクトルより20分贝高くなります。受信信号スペクトルは,チャネルを介した伝播損失の影響も示しています。

I / Q不均衡の補正が無効になっている場合のコンスタレーションダイアグラムのプロットを示します。赤い+記号は,16-QAM基準コンスタレーションを表します。コンスタレーションは未補正の不平衡によってスケーリングされ,回転されています。

非線形HPAの動作の効果は,同じコンスタレーションダイアグラムプロットを使用して,下丘脑-垂体-肾上腺轴的输入および下丘脑-垂体-肾上腺轴的输出として表示されます。これらのダイアグラムは,増幅器が飽和より7 dB低い出力で動作している場合のAM / AM歪みおよびAM / PM歪みの効果を示します。AM / AM歪みがHPA出力信号コンスタレーションの“丸みがかった”外観の原因になり,他方,AM / PMはコンスタレーションの回転の原因になります。

ビット誤り率,誤り数,送信されたシンボルの総数,パス損失およびEb /不は,GUIの[结果]パネルに直接表示されます。

その他の調査

GUIを使用して,以下のパラメーターを変更します。

  • リンクのゲインと損失:ノイズ温度を0から290 K(標準)の間で変更し,受信信号のスペクトルアナライザープロットに効果を表示します。同様に,リンク距離,大気条件および搬送周波数を変更し,受信信号のスペクトルへの影響を表示します。リンクマージンにおける変更も,計算後のパス損失とEb /不に反映されています。

  • HPA AM-to-AMおよびAM-to-PM変換:HPA倒扣]を30 dB(わずかな非線形性)から1 dB(著しい非線形性)の間で変更します。値7 dBは中程度の非線形性を表します。スペクトルプロット,HPA出力コンスタレーション,受信信号コンスタレーションダイアグラムに効果を表示し,さらにビット誤り率への効果も確認します。非線形性を増加させるとスペクトル再成長が増加し,HPA出力コンスタレーションが”より丸く”なり回転する原因となります。“HPA倒扣”パラメーターは,シミュレーションの実行中に調整可能です。

  • 位相ノイズ:【相位噪声]を-48 dBc /赫兹(高)に設定し,受信信号のコンスタレーションダイアグラムで接線方向の分散増分を観察します。このレベルの位相ノイズは,誤差が発生しそうにないチャネルでも誤差を引き起こすのに十分です。相位噪声を-55 dBc /赫兹(低)に設定し,接線方向の分散が減少していることを観察します。このレベルの位相ノイズは,誤り率を大きく増加させることはありません。次に,HPA倒扣レベルパラメーターを7 dB(中程度の非線形性)に設定します。適度なレベルのHPA非線形性や,適度なレベルの位相ノイズは,それぞれが個別に適用される場合はそれほど多くのビット誤りを生じませんが,一緒に適用されると,発生するビット誤りが大幅に増えることに注意してください。相位噪声パラメーターは,シミュレーションが停止しているときのみ調整可能です。

  • 直流直流オフセットおよびオフセット補正:【直流偏置]を10に設定し,(直流偏置]チェックボックスをオフにして直流オフセット補正を無効にします。コンスタレーションダイアグラムが大きく変化します。直流偏置補正を再度有効にし,受信信号コンスタレーションダイアグラムと信号スペクトルを表示して直流オフセットが削除されていることを確認します。直流偏置パラメーターと直流偏置補正パラメーターは,いずれもシミュレーションの実行中に変更可能です。

  • I / Q不均衡:振幅和相位不平衡]チェックボックスをオフにし,I / Q不均衡の効果を受信コンスタレーションダイアグラムに表示します。振幅と位相の不平衡のフィールドを変更して,受信信号コンスタレーションダイアグラム上で異なる値による効果を観察します。I / Q不均衡補正を再度有効にし,受信したコンスタレーションがそのコンスタレーションの基準点と一致していることを確認します。これらのパラメーターは実行中に変更できます。

  • ドップラーおよびドップラー補正:多普勒误差]を0.7赫兹に設定し,“ドップラー誤差”の補正を無効にして,受信した信号の未補正のドップラーの効果を表示します。0.5比特がに近いことに注意してください。“ドップラー誤差”の補正を再度有効にしてドップラー誤差を補正します。误码率が減少していることを確認します。これらのパラメーターは,シミュレーションが停止しているときのみ使用できます。

  • ADC効果:受信信号で増加する量子化誤差の効果を確認するには,ADCのビット数を減らします。受信信号に飽和を課して,システムパフォーマンスへの効果を確認するには,ADCのフルスケール電圧を減らします。

  • コード生成:【运行生成的代码]ボタンをクリックすると,シミュレーションが実行されます。初回の実行時には,シミュレーションの実行前にコンパイルが行われるため,インタープリター型MATLABでシミュレーションを実行する場合よりも処理に時間がかかります。HPA倒扣のレベルを変更し,シミュレーションを再実行します。[Results] パネルがすぐに更新されることがわかります。次に、相位噪声を変更し,(运行生成的代码]ボタンをクリックします。位相ノイズは調整不可能なパラメーターであるため、コードは再コンパイルされます。“Rx星座”オプションを有効にしてシミュレーションを再実行します。スコープがアクティブな場合,ビットの誤りの結果はよりゆっくり蓄積されますが,スコープは,インタープリター型MATLABでシミュレーションを実行する際よりもかなり速く更新されることがわかります。

  • 误码率推定:既定では,損失と補正の効果をスコープ上で容易に可視化できるように,(位错误数]パラメーターはに設定されています。误码率推定では,通常50 ~ 200の誤りを収集すれば十分なため,スコープを無効にして,(位错误数]パラメーターを100年からに変更します。シミュレーションを実行して有効な误码率推定を入手する際は,変更可能なパラメーターでも変更しないことが重要です。

参考文献

[1] Saleh, Adel上午,“频率无关和频率相关的行波管放大器非线性模型”,IEEE通信学报,COM-29卷,第11期,1981年11月。

[2] Kasdin, N.J,“有色噪声和随机过程的离散模拟和1/(f^alpha);幂律噪声的产生,《IEEE论文集》,第83卷,第5期,1995年5月。

[3] Kasdin, N. Jeremy和Todd Walter,“幂律噪声的离散模拟”,1992年IEEE频率控制研讨会。

[4] Sklar,伯纳德,数字通信:基础与应用, Englewood Cliffs, n.j., Prentice Hall, 1988。