Cursuri de pregatire Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB

• Rezultatele acestui curs După finalizarea acestui curs, studentul ar trebui să fie capabil să atace multe dintre problemele de cercetare deschise în prezent în domeniul ingineriei comunicațiilor, deoarece ar fi trebuit să dobândească cel puțin următoarele abilități:

• Cartografierea și manipularea expresiilor matematice complicate care apar frecvent în literatura de inginerie a comunicațiilor • Capacitatea de a utiliza capabilitățile de programare oferite de MATLAB pentru a reproduce rezultatele simulării altor lucrări sau cel puțin abordarea acestor rezultate.

• Crearea modelelor de simulare a ideilor autopropuse.

• Folosiți eficient abilitățile de simulare dobândite în combinație cu capabilitățile puternice MATLAB pentru a proiecta coduri optimizate MATLAB în ceea ce privește timpul de rulare a codului, economisind în același timp spațiul de memorie.

• Identificați parametrii cheie de simulare ai unui sistem de comunicații dat, extrageți-i din modelul de sistem și studiați impactul acestor parametri asupra performanței sistemului considerat.

• Structura cursului

Materialul oferit în acest curs este extrem de corelat. Nu este recomandat ca un student să urmeze un nivel decât dacă urmează și înțelege profund nivelul anterior al acestuia pentru a asigura continuitatea cunoștințelor dobândite. Cursul este structurat pe trei niveluri, pornind de la o introducere în MATLAB programare până la nivelul de simulare completă a sistemului, după cum urmează.

Nivelul 1: Comunicare Matematică cu MATLAB Sesiunile 01-06

După finalizarea acestei părți, studentul va fi capabil să evalueze expresii matematice complicate și să construiască cu ușurință graficele adecvate pentru diferite reprezentări de date, cum ar fi diagrame în domeniul timpului și al frecvenței; BER trasează modelele de radiație ale antenei... etc.

Concepte fundamentale

1. Conceptul de simulare 2. Importanța simulării în ingineria comunicațiilor 3. MATLAB ca mediu de simulare 4. Despre reprezentarea matriceală și vectorială a semnalelor scalare în matematica comunicațiilor 5. Matrix și reprezentări vectoriale ale semnalelor complexe de bandă de bază în MATLAB

MATLAB Desktop

6. Bara de instrumente 7. Fereastra de comandă 8. Spațiu de lucru 9. Istoricul comenzilor

Declarație variabilă, vectorială și matrice

10. MATLAB constante predefinite 11. Variabile definite de utilizator 12. Matrice, vectori și matrice 13. Introducerea manuală a matricei 14. Definirea intervalului 15. Spațiu liniar 16. Spațiu logaritmic 17. Reguli de denumire a variabilelor

Matrici speciale

18. Matricea celor 19. Matricea zerourilor 20. Matricea identității

Element manipulare înțeleaptă și matriceală

21. Accesarea elementelor specifice 22. Modificarea elementelor 23. Eliminarea selectivă a elementelor (Matrix trunchiere) 24. Adăugarea de elemente, vectori sau matrice (Matrix concatenare) 25. Găsirea indicelui unui element în interiorul unui vector sau unei matrice 26. Matrix remodelare 27. Matrix trunchiere 28. Matrix concatenare 29. Întoarcere de la stânga la dreapta și de la dreapta la stânga

Operatori matrici unare

30. Operatorul Sum 31. Operatorul așteptare 32. Operatorul min 33. Operatorul maxim 34. Operatorul urmări 35. Matrix determinant |.| 36. Matrix invers 37. Matrix transpune 38. Matrix Hermitian 39. …etc

Operații cu matrice binară

40. Operații aritmetice 41. Operații relaționale 42. Operații logice

Numere complexe în MATLAB

43. Reprezentarea complexă în bandă de bază a semnalelor în bandă de trecere și conversia ascendentă RF, o trecere în revistă matematică 44. Formarea variabilelor complexe, vectorilor și matricelor 45. Exponențiale complexe 46. Operatorul părții reale 47. Operatorul părții imaginare 48. Operatorul conjugat (.) * 49. Operatorul absolut |.| 50. Argumentul sau operatorul de fază

MATLAB funcții încorporate

51. Vectorii vectorilor și matricea matricei 52. Funcția rădăcină pătrată 53. Funcția semn 54. Funcția „rotunjire la un întreg” 55. „Cea mai apropiată funcție număr întreg inferior” 56. „Cea mai apropiată funcție număr întreg superior” 57. funcția factorială 58. Funcții logaritmice (exp, ln,log10,log2) 59. Funcții trigonometrice 60. Funcții hiperbolice 61. Funcția Q(.) 62. Funcția erfc(.) 63. Funcțiile Bessel Jo (.) 64. Funcția Funcția Gamma 65. Diff, comenzi mod

Polinoame în MATLAB

66. Polinoame în MATLAB 67. Funcții raționale 68. Derivate polinomiale 69. Integrare polinoală 70. Înmulțire polinomială

Grafice la scară liniară

71. Reprezentări vizuale ale semnalelor continue de amplitudine în timp-continuă 72. Reprezentări vizuale ale semnalelor aproximate de case de scări 73. Reprezentări vizuale ale semnalelor de timp discret – semnale de amplitudine discretă

Diagrame la scară logaritmică 74. Diagrame dB-deceniu (BER) 75. Diagrame deceniu-dB (diagrame Bode, răspuns în frecvență, spectru de semnal) 76. Diagrame deceniu-deceniu 77. Diagrame dB-liniare

Grafice polare 2D 78. (modele de radiație ale antenei plane)

Slocuri 3D

79. Modele de radiații 3D 80. Diagrame parametrice carteziene

Secțiunea opțională (dată la cererea cursanților)

81. Diferențierea simbolică și diferențierea numerică în MATLAB 82. Integrarea simbolică și numerică în MATLAB 83. MATLAB ajutor și documentare

MATLAB fișiere

84. MATLAB fișiere de script 85. MATLAB fișiere de funcție 86. MATLAB fișiere de date 87. Variabile locale și globale

Bucle, condiții de control al fluxului și luarea deciziilor în MATLAB

88. Bucla for end 89. Bucla while end 90. Condiția if end 91. Condițiile if else end 92. Instrucțiunea switch case end 93. Iterații, erori convergente, operatori de sumă multidimensională

Comenzi de afișare de intrare și ieșire

94. Comanda input(' ') 95. Comanda disp 96. Comanda fprintf 97. Caseta mesaj msgbox

Nivelul 2: Semnale și operațiuni ale sistemelor (24 de ore) Sesiunile 07-14

Obiectivele principale ale acestei părți sunt următoarele

• Generați semnale de testare aleatorii care sunt necesare pentru a testa performanța diferitelor sisteme de comunicații

• Integrarea multor operațiuni elementare de semnal pot fi integrate pentru a implementa o singură funcție de procesare a comunicațiilor, cum ar fi codificatoare, randomizatoare, intercalatoare, generatoare de cod de răspândire etc. la emiţător precum şi omologii acestora la terminalul de recepţie.

• Interconectați corect aceste blocuri pentru a realiza o funcție de comunicație

• Simularea modelelor de canale de bandă îngustă interioare și exterioare deterministe, statistice și semi-aleatorie

Generarea semnalelor de testare a comunicațiilor

98. Generarea unei secvențe binare aleatoare 99. Generarea unui număr întreg aleatoriu Secvențe 100. Importul și citirea fișierelor text 101. Citirea și redarea fișierelor audio 102. Importul și exportul imaginilor 103. Imagine ca matrice 3D 104. RGB la scară de gri transformare 105. Flux de biți serial al unei imagini 2D în scară de gri 106. Sub-încadrare a semnalelor de imagine și reconstrucție

Condiționarea și manipularea semnalului

107. Scalarea amplitudinii (câștig, atenuare, normalizarea amplitudinii...etc.) 108. Schimbarea nivelului DC 109. Scalare în timp (comprimare în timp, rarefacție) 110. Decalare în timp (întârziere, avans în timp, deplasare în timp circular la stânga și la dreapta) 111. Măsurarea energiei semnalului 112. Normalizarea energiei și a puterii 113. Scalarea energiei și a puterii 114. Conversie serie-paralel și paralel-serial 115. Multiplexare și demultiplexare

Digitalizarea semnalelor analogice

116. Eșantionarea în domeniul timpului a semnalelor de bandă de bază de timp continuu în MATLAB 117. Cuantificarea amplitudinii semnalelor analogice 118. Codificarea PCM a semnalelor analogice cuantificate 119. Conversie zecimal-în-binară și binar-zecimală 120. Modelarea pulsului 121. Calcul a lăţimii adecvate a impulsului 122. Selectarea numărului de probe pe impuls

123. Convoluția folosind comenzile conv și filter 124. Autocorelarea și corelarea încrucișată a semnalelor limitate în timp 125. Operațiile cu transformată Fourier rapidă (FFT) și IFFT 126. Vizualizarea unui spectru de semnal în bandă de bază 127. Efectul ratei de eșantionare și al frecvenței adecvate fereastra 128. Relația dintre operațiile de convoluție, corelare și FFT 129. Filtrare în domeniul frecvenței, numai filtrare trece-jos

Funcții auxiliare Communications

130. Randomizoare și de-randomizatoare 131. Punctoare și de-puncturatoare 132. Codificatoare și decodificatoare 133. Interleavers și de-interleavers

Modulatoare și demodulatoare

134. Scheme de modulație digitală în bandă de bază în MATLAB 135. Reprezentare vizuală a semnalelor modulate digital

Modelarea și simularea canalelor

136. Mathematical modelarea efectului canalului asupra semnalului transmis

• Adăugare – canale aditive de zgomot alb Gaussian (AWGN) • Înmulțire în domeniul timpului – canale cu decolorare lentă, deplasare Doppler în canalele vehiculelor • Înmulțire în domeniul frecvenței – canale cu decolorare selectivă în frecvență • Convoluție în domeniul timpului – răspuns la impulsul canalului

Exemple de modele de canale deterministe

137. Pierderea traseului în spațiul liber și pierderea traseului dependentă de mediu 138. Canale de blocare periodică

Caracterizarea statistică a canalelor de fading cu mai multe căi staționare și cvasi-staționare comune

139. Generarea unui RV distribuit uniform 140. Generarea unui RV distribuit gaussian cu valoare reală 141. Generarea unui RV distribuit Gaussian complex 142. Generarea unui RV distribuit Rayleigh 143. Generarea unui RV distribuit ricean 144. Generarea unui RV distribuit normal RV 145. Generarea unui RV distribuit arbitrar 146. Aproximarea unei funcții de densitate de probabilitate necunoscută (PDF) a unui RV printr-o histogramă 147. Calculul numeric al funcției de distribuție cumulativă (CDF) a unui RV 148. Gaussian alb aditiv real și complex Canale de zgomot (AWGN).

Caracterizarea canalului prin profilul său de întârziere a puterii

149. Caracterizarea canalului prin profilul său de întârziere a puterii 150. Normalizarea puterii PDP 151. Extragerea răspunsului la impulsul canalului din PDP 152. Eșantionarea răspunsului la impulsul canalului printr-o rată de eșantionare arbitrară, eșantionare nepotrivită și cuantificare a întârzierii 153. Problema nepotrivirii eșantionarea răspunsului la impuls de canal al canalelor de bandă îngustă 154. Eșantionarea unui PDP printr-o rată de eșantionare arbitrară și compensare fracțională a întârzierii 155. Implementarea mai multor modele de canale de interior și exterior standardizate IEEE 156. (COST – SUI - Modele de canale cu bandă ultralargă…etc. .)

Nivelul 3: Simularea la nivel de legătură a comunicațiilor practice. Sisteme (30 ore) Sesiunile 15-24

Această parte a cursului se referă la problema cea mai importantă pentru studenții cercetători, și anume cum să reproducă rezultatele simulării altor lucrări publicate prin simulare.

Performanța ratei de eroare de biți a schemelor de modulație digitală în bandă de bază

1. Compararea performanțelor diferitelor scheme de modulație digitală în bandă de bază în canalele AWGN (Studiu comparativ complet prin simulare pentru verificarea expresiilor teoretice); diagrame de dispersie, rata de eroare de biți

2. Compararea performanțelor diferitelor scheme de modulație digitală în bandă de bază în diferite canale de fading staționare și cvasi-staționare; diagrame de dispersie, rata de eroare de biți (studiu comparativ cuprinzător prin simulare pentru a verifica expresiile teoretice)

3. Impactul canalelor de deplasare Doppler asupra performanței schemelor de modulație digitală în bandă de bază; diagrame de dispersie, rata de eroare pe biți

Elicopter la satelit Communications

4. Lucrare (1): Sistem de voce și date în timp real cu cost redus pentru serviciul de satelit mobil aeronautic (AMSS) – Declarație și analiză a problemei 5. Lucrarea (2): Diversitatea timpului de pre-detecție combinată cu AFC precisă pentru satelitul de elicopter [ 1]s – Prima soluție propusă 6. Lucrarea (3): O schemă de modulație adaptivă pentru elicopter-satelit Communications – O abordare de îmbunătățire a performanței

Simularea sistemelor cu spectru extins

1. Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat 2. Sisteme bazate pe spectru împrăștiat cu secvență directă 3. Generatoare de secvențe binare pseudoaleatoare (PBRS) • Generarea de secvențe de lungime maximă • Generarea de coduri de aur • Generarea de coduri Walsh

4. Sisteme bazate pe spectru împrăștiat cu salt în timp 5. Rata de eroare a biților Performanța sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în canalele AWGN • Impactul ratei de codare r asupra performanței BER • Impactul lungimii codului asupra performanței BER

6. Performanța ratei de eroare de biți a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în canale de decolorare Rayleigh lentă cu mai multe căi cu deplasare Doppler zero 7. Analiza performanței ratei de eroare a biților a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în medii cu decolorare cu mobilitate ridicată 8. Analiza performanței ratei de eroare a biților a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în prezența interferențelor multi-utilizator 9. Transmiterea imaginii RGB prin sisteme cu spectru împrăștiat 10. Sisteme CDMA optice (OCDMA) • Coduri optice ortogonale (OOC) • Limitele de performanță ale sistemelor OCDMA ;performanța ratei de eroare a biților a sistemelor OCDMA sincrone și asincrone

Sisteme SS cu bandă ultra largă

Sisteme bazate pe OFDM

11. Implementarea sistemelor OFDM folosind transformata Fourier rapidă 12. Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe OFDM 13. Performanța ratei de eroare de biți a sistemelor OFDM pe canalele AWGN • Impactul ratei de codare r asupra performanței BER • Impactul prefixului ciclic asupra BER performanță • Impactul dimensiunii FFT și al distanței subpurtătorilor asupra performanței BER

14. Performanța ratei de eroare de biți a sistemelor OFDM în canale de decolorare Rayleigh lentă cu mai multe căi cu deplasare Doppler zero 15. Performanța ratei de eroare de biți a sistemelor OFDM în canale de atenuare Rayleigh lentă cu mai multe căi cu CFO 16. Estimarea canalului în sistemele OFDM 17. Egalizarea domeniului de frecvență în OFDM Sisteme • Egalizator cu forțare zero • Egalizatoare MMSE 18. Alte metrici comune de performanță în sistemele bazate pe OFDM (raportul de putere maximă – la – mediu, raportul de interferență purtător – la – etc.) 19. Analiza performanței sistemelor bazate pe OFDM în medii cu mobilitate ridicată. (ca un proiect de simulare constând din trei lucrări) 20. Lucrare (1): Reducerea interferențelor între purtători 21. Lucrare (2): Sisteme MIMO-OFDM

Optimizarea unui proiect de simulare MATLAB.

Scopul acestei părți este de a învăța cum să construiți și să optimizați un proiect de simulare MATLAB pentru a simplifica și organiza procesul general de simulare. Mai mult decât atât, spațiul de memorie și viteza de procesare sunt, de asemenea, luate în considerare pentru a evita problemele de supraîncărcare a memoriei în sistemele de stocare limitate sau timpii lungi de funcționare care decurg din procesarea lentă.

1. Structura tipică a proiectelor de simulare la scară mică 2. Extragerea parametrilor de simulare și cartografierea teoretică la simulare 3. Construirea unui proiect de simulare 4. Tehnica de simulare Monte Carlo 5. O procedură tipică pentru testarea unui proiect de simulare 6. Spațiul de memorie Management și Tehnici de reducere a timpului de simulare • Simulare în bandă de bază vs. bandă de trecere • Calcularea lățimii adecvate a impulsului pentru formele de impuls trunchiate arbitrare • Calcularea numărului adecvat de mostre per simbol • Calcularea numărului necesar și suficient de biți pentru a testa un sistem

Programare GUI

A avea un cod MATLAB fără depanări și a funcționa 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 mai mult, o prelegere suplimentară despre „Interfața grafică cu utilizatorul (GUI) Programming” este oferită pentru a aduce controlul asupra diferitelor părți ale proiectului dumneavoastră de simulare la mâna vă sfătuiește mai degrabă decât să vă scufundați într-un cod sursă lung plin de comenzi. Mai mult, ca codul dvs. MATLAB să fie mascat cu o interfață grafică vă ajută să vă prezentați munca într-un mod care facilitează combinarea mai multor rezultate într-o singură fereastră principală și facilitează compararea datelor.

1. Ce este un MATLAB GUI 2. Structura fișierului MATLAB GUI 3. Principalele componente GUI (proprietăți și valori importante) 4. Variabile locale și globale

Notă: Subiectele abordate în fiecare nivel al acestui curs includ, dar fără a se limita la, cele menționate la fiecare nivel. Mai mult, articolele fiecărei prelegeri pot fi modificate în funcție de nevoile cursanților și de interesele lor de cercetare.