INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI

ZAKŁAD RADIOKOMUNIKACJI

Instrukcja laboratoryjna z przedmiotu

Podstawy Telekomunikacji

Podstawowe modele kanałów telekomunikacyjnych

Przepustowości kanałów ciągłych i dyskretnych

Warszawa 2010r.

1. Cel ćwiczeń:

Celem ćwiczeń jest :

– zapoznać studentów ze strukturą łańcucha telekomunikacyjnego realizującego transmisję

informacji analogowych i cyfrowych,

– zapoznać z modelami kanałów radiowych,

– przypomnieć informacje z zakresu miar subiektywnych i obiektywnych oceny informacji,

– nauczyć wykorzystania miary oczkowej do oceny jakości transmitowanych sygnałów,

– pokazać wpływ zakłóceń kanałowych (szum addytywny) na jakość odbioru sygnałów,

– nauczyć praktycznej miary oceny jakości transmisji informacji (wyrażenie stosunku mocy

sygnał/szum poprzez rozpiętość wykresu oczkowego uzyskiwanego za pomocą oscyloskopu –

tylko modulacje fazy),

– pokazać zależność przepustowości kanału w funkcji rozpiętości oczka,

– pokazać wpływ zjawiska wielopromieniowości na stopień degradacji sygnału na wyjściu kanału,

– zapoznać studentów z wpływem kształtowania charakterystyk widmowych sygnału za pomocą

filtrów.

2. Aplikacja WinIQSIM

W trakcie ćwiczenia wykorzystany będzie komputer osobisty typu PC wraz z zainstalowanym

oprogramowaniem symulacyjnym WinIQSIM firmy Rohde&Schwarz w wersji 4.30 07.06.2005.

(rys. 1). Oprogramowanie to umożliwia przeprowadzanie badań symulacyjnych transmisji danych

przez łańcuch telekomunikacyjny z uwzględnieniem różnych zjawisk występujących w nadajniku,

kanale radiowym oraz odbiorniku.

Rys. 1. Okienko informacyjne programu WinIQSIM firmy Rohde&Schwarz

Analiza transmisji danych realizowana jest w oparciu o sygnał analityczny, który można

przedstawić w postaci ogólnej:

( ) ( )

( )

t

jQ

t

I

t

x

+

=

. (1)

gdzie:

( )

t

I

– część rzeczywista sygnału zwana składową kwadraturową,

( )

t

Q

– część urojona

sygnału zwana składową symfazową.

Po uruchomieniu aplikacji pojawia się okno główne programu (rys. 2). Z menu File wybieramy

opcję New [ Ctrl+N ], która powoduje pojawienie się okna przedstawionego na rysunku 3.

Z dostępnych opcji wybieramy Single Carrier i naciskamy przycisk OK, które spowoduje

pojawienie się w oknie głównym (rys. 1) programu okna Block Diagram – Single Carrier (rys. 4).

Rys. 2. Okno główne programu WinIQSIM

Rys. 3. Dostępne opcje menu File/New

Schemat blokowy na rysunku 4 ilustruje poszczególne elementy łańcucha telekomunikacyjnego

do transmisji sygnałów cyfrowych (dyskretnych) oraz zjawiska występujące w kanałach radiowych:

– Data Source – źródło sygnału (danych),

– Modulation Settings – ustawienia modulacji,

– IQ Impairments – błędy kwadratury (zniekształcenia sygnałów I Q),

– Phase Distortion – zniekształcenia fazy, podzielona na dwa bloczki:

–

Phase Noise – szum fazowy,

–

Sidebands – niesymetryczność wstęg bocznych,

– Bandpass – zniekształcenia charakterystyk widmowych

– Amplifier Dist. (Distortion) – zniekształcenia wzmacniacza związane z przekroczeniem zakresu

dynamiki sygnału,

– Power Ramping – zniekształcenia związane z nieliniowością charakterystyki wzmacniacza,

– Multipath – wielodrogowość (zjawisko wielopromieniowości),

– Offset – skutki rozstrojenia,

– Interferer – zakłócenia addytywne (interferencyjne), w ramach których można wyróżnić:

–

Noise – szumy addytywne,

–

CW Interferer – nośna interferencyjna (addytywny sygnał monochromatyczny),

–

Add Signal – inny sygnał addytywny,

– Receiver Filter – filtr odbiornika,

– Quantization – kwantyzacja (sygnału dyskretnego),

– Smoothing – wygładzanie,

– IF Generation – generator sygnału częstotliwości pośredniej.

Rys. 4. Okno ‘Block Diagram – Single Carrier’

Bloczki: IQ Impairments, Phase Distortion, Bandpass, Amplifier Dist., Power Ramping,

Multipath, Offset odpowiadają za tak zwane zniekształcenia multiplikatywne, czyli zniekształcenia

czasowo-częstoltiwościowe sygnału wynikające z jego transmisji przez kanał.

Wszystkie bloczki w diagramie, oprócz Data Source i Modulation Settings, posiadają

przełączniki Off / On, za pomocą których są wyłączane lub włączane. Bloczki odpowiedzialne za

źródło danych oraz ustawienia modulacji są zawsze aktywne (kolor zielony). Włączenie któregoś z

obligatoryjnych elementów łańcucha telekomunikacyjnego, w wyniku zmiany przełącznika z

pozycji On na Off, powoduje zmianę koloru bloczka z szarego (nieaktywny) na zielony (aktywny).

Dostęp do możliwych opcji dla każdego bloczka odbywa się poprzez najechanie kursorem na

bloczek i kliknięcie lewym przyciskiem myszy.

W ćwiczeniu laboratoryjnym wykorzystane zostaną tylko pewne elementy diagramu: Data

Source, Modulation Settings, Multipath, Interferer / Noise.

W programie WinIQSIM dostępne są następujące cyfrowe źródła danych (rys. 5):

– All 0 – sygnał składa się z samych ‘0’ (bitów 0),

– All 1 – sygnał składa się z samych ‘1’ (bitów 1),

– PRBS – pseudolosowe sekwencje bitów (PRBS – ang.: Pseudo Random Bit Sequence,

– Pattern – zadany przez użytkownika wzorzec ciągu bitów,

– File – sygnał zdefiniowany w pliku.

Rys. 5. Okno ‘Data Source’

W ćwiczeniu jako źródło sygnału wykorzystany zostanie generator sygnałów pseudolosowych

PRBS 9, którego opis można znaleźć na stronie:

http://pl.wikipedia.org/wiki/PRBS

. W oknie

Modulation Settings (rys. 6) ustawiane będą następujące parametry:

– Modulation Type – typ modulacji; w ćwiczeniu należy ustawić BPSK – ang. Binary Phase Shift

Keying – czyli najprostszą z modulacji fazy, zwaną binarnym kluczowanie fazy,

– Symbol Rate – szybkość symbolowa

m

F ; wartość zadana przez prowadzącego ćwiczenie,

– Sequence Length – długość sekwencji bitów – liczba symboli w analizowanym sygnale; wartość

zadana przez prowadzącego ćwiczenie,

– Filter Function – funkcja filtru nadajnika; w ćwiczeniu wykorzystane będą dwa filtry:

prostokątny (Rect) oraz gaussowski (Gauss).

Pozostałe z opcji w oknie Modulation Settings powinny być niezmienione, tzn. ich wartości

powinny być identyczne jak w oknie przedstawionym na rysunku 6.

Rys. 6. Okno ‘Modulation Settings’

W ćwiczeniu symulowane będą dwa typy kanałów radiowych: liniowy z addytywnym szumem

oraz kanał dyspersyjny (wielodrogowy) [

patrz wykłady – Modele kanałów radiowych!

]. Kanał

linowy (rys. 7) uwzględniał będzie addytywne zakłócenia o charakterze szumowym – włączony

bloczek Interferer / Noise, natomiast kanał dyspersyjny (rys. 8) wymagał będzie dodatkowo

włączenia bloczka Multipath.

Rys. 7. Elementy uwzględniane w kanale liniowym z addytywnym szumem

Rys. 8. Elementy uwzględniane w kanale dyspersyjnym

Bloczek Interferer (rys. 9) zawiera ustawienia wszystkich sygnałów addytywnych. W ramce

Noise można ustawiać wartości dwóch parametrów:

– Eb/No – stosunek energii

b

E przypadającej na jeden bit do gęstości widmowej mocy szumu

0

N ,

w programie wyrażany w dB (decybelach); parametr ten będzie przestrajany w zakresie

określonym przez prowadzącego ćwiczenie, z krokiem 1dB; miara

0

N

E

b

zostanie opisana w

dalszej części instrukcji,

– Bandwidth – szerokość pasma sygnału; w programie wyrażana w fsym (fsym=1/Tsym; Tsym –

czas trwania pojedynczego symbolu); w ćwiczeniu parametr ten powinien mieć ustawioną

wartość 0.5 fsym.

Rys. 9. Okno ‘Interferer’

Modelowanie kanałów dyspersyjnych sprowadza się do symulowania propagacji sygnału

radiowego po kilku promieniach o różnych drogach propagacji (i różnym czasie przebycia tej drogi)

pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Bloczek Multipath umożliwia określenie nastawę

parametrów, istotnych z punktu widzenia modelowania zjawiska dyspersji, dla kilku (maksymalnie

6) takich promieni. W ramce Defie path definiowane są promienie (ścieżki) poprzez ustawienia

wartości parametrów:

– Delay / Tsym – opóźnienie sygnału (symbolu) w danym promieniu w stosunku do sygnału w

pierwszym promieniu, w programie wielkość ta wyrażana jest w Tsym, czyli czasie trwania

pojedynczego symbolu,

– Level – tłumienie sygnału w danym promieniu w stosunku sygnału w pierwszym promieniu,

wyrażana w mierze logarytmicznej (dB – decybelach),

– Phase – przesunięcie fazowe promienia, wyrażane w stopniach (º).

W ramce Defined Paths (ścieżki zdefiniowane) zestawione są parametry już zdefiniowanych

promieni. Jeżeli prowadzący nie określi inaczej, należy uwzględnić ustawione w programie

wartości parametrów dla poszczególnych promieni.

Rys. 10. Okno ‘Multipath’

W aplikacji WinIQSIM, oprócz omówionych elementów struktury łańcucha

telekomunikacyjnego, wykorzystane będą również następujące opcje programu:

– z menu Graphics polecenie Settings… – umożliwiające wybranie, w oknie prezentowanym na

rysunku 11, typu analizowanego wykresu,

– z menu Graphics polecenie Show Graphic… – wyświetla analizowany wykresu.

W oknie Graphics Setting (rys. 11), za pomocą ustawienia parametru Format można wybrać typ

analizowanego wykresu. W ćwiczeniu wykorzystane będą dwa typy wykresów:

– Eye diagram i (lub q) – wykres (diagram) oczkowy składowej I (lub Q) sygnału (rys. 12),

– FFT MAG – widmo amplitudowe sygnału (rys. 13).

Dla wykresu oczkowego istotnym parametrem ustawianym w oknie Graphics Setting jest Eye

Length – długość oczka, która określa liczbę wyświetlanych na wykresie oczek. Wartość ta

powinna wynosić 4 lub 3. Analizowany wykres można wyświetlić poleceniem Show Graphic… z

menu Graphics albo za pomocą przycisku Plot Graph w oknie Graphics Setting (rys. 11).

Rys. 11. Okno ‘Graphics Setting’

Rys. 12. Okno ‘Graphics: Eye Diagram I’

Rys. 13. Okno ‘Graphics: FFT Magnitude’

3. Miary i wielkości wykorzystywane w ćwiczeniu

Podstawową miarą jakości transmisji wykorzystywaną w ćwiczeniu laboratoryjnym będzie

miara oczkowa

M (miara rozpiętości oczka). W mierze liniowej M definiuje się jako stosunek

wysokości oczka

A do wysokości obwiedni oczka

0

A w wykresie oczkowym:

0

A

A

M

=

. (2)

Ponieważ

A i

0

A traktowane są jako wielkości o charakterze amplitudowym, M w mierze

logarytmicznej (wyrażana w decybelach) definiowana jest jako:

[ ]

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅

=

0

0

10

log

20

log

20

dB

A

A

A

A

M

. (3)

Wielkości

A i

0

A , niezbędne do wyznaczenia miary oczkowej M , wyznaczane są z wykresu

oczkowego. Sposób wyznaczania wartości wysokości oczka

A przedstawiono na rysunku 14,

natomiast wysokość obwiedni dokonywana jest w podobny sposób. Do wyznaczenia wartości

A i

0

A należy wykorzystać dostępne w programie kursory, których pozycje ustawia się poprzez

przeciągnięcie ich za pomocą kursora myszki, przy wciśniętym lewym przycisku. Poniżej wykresu

w ramce opcję

Cursor State należy ustawić na wartość Delta: X-O. Opcja ta umożliwi pomiar

odległości pomiędzy dwoma kursorami, czyli wartości

A lub

0

A , który wyświetlany jest w

sąsiedniej ramce

I (rys. 14).

Rys. 14. Sposób wyznaczania wielkości A i A

0

W ćwiczeniu laboratoryjnym, obserwowana będzie zmiana miary oczkowej

M w funkcji miary

SNR

, która jest jedną z podstawowych, obiektywnych miar jakości transmisji sygnałów.

SNR

(ang.

Signal to Noise Ratio) jest to stosunek mocy sygnału użytecznego

S

P do mocy szumów

N

P .

W mierze liniowej

SNR

definiuje się wzorem:

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

=

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

W

W

W

W

N

S

P

P

SNR

. (4)

Ponieważ

S

P i

N

P są wielkościami o charakterze energetycznym, dlatego też w mierze

logarytmicznej

SNR

definiowany jest jako:

[ ]

[

]

(

)

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

⋅

=

⋅

=

W

W

log

10

W

W

log

10

dB

N

S

P

P

SNR

SNR

. (5)

W aplikacji

WinIQSIM nie ma możliwości bezpośredniego pomiaru wartości

SNR

. Można

natomiast określić wartość parametru

0

N

E

b

. Pomiędzy

SNR

a

0

N

E

b

zachodzi następująca

relacja:

[ ]

[ ]

K

N

E

SNR

b

log

10

dB

dB

0

⋅

+

=

. (6)

gdzie:

D

G

K

2

log

⋅

=

. (7)

G

– zysk kodowania (ang. Code Rate), D – wartościowość modulacji.

W trakcie ćwiczenia przeprowadzane są symulacje dla modulacji BPSK bez zastosowania

kodowania nadmiarowego i wówczas:

1

1

2

=

⇒

⎭

⎬

⎫

=

=

K

G

D

, (8)

zatem dla analizowanego przypadku zachodzi równość

[ ]

[ ]

dB

dB

0

N

E

SNR

b

=

. (9)

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie zmian przepustowości

C

kanału analogowego w funkcji

miary oczkowej M . Wykonane to zostanie metodą graficzną. Niezbędne będzie wykorzystanie do

tego celu zależności Shanona na przepustowość kanału liniowego:

[

] [ ]

[ ]

[

]

(

)

W

W

1

log

Hz

s

b

s

bit

2

SNR

F

C

C

m

+

⋅

=

=

, (10)

gdzie:

m

F

– szerokość pasma zajmowana przez sygnał użyteczny, w analizowanym przypadku

odpowiada ona szybkości symbolowej (ang. Symbol Rate) ustalonej w oknie Modulation Settings

(rys. 6).

Należy zwrócić uwagę, że do wzoru (10) podstawiana jest wartość

SNR

w mierze liniowej,

wymaga to zatem przeliczenia

SNR

z miary logarytmicznej. W tym celu należy przekształcić

zależność (5):

[

]

[ ]

10

dB

10

W

W

SNR

SNR

=

. (11)

4. Realizacja ćwiczenia

4.1. Ocena jakości transmisji sygnałów w kanale liniowym

Dla zadanych przez prowadzącego ćwiczenie wartości parametrów (zapisać w tabeli 1),

dokonać pomiaru wysokości oczka A oraz wysokości obwiedni

0

A

w funkcji miary

SNR

(

0

N

E

b

). Pomiary zapisać w tabeli 2. Następnie:

– dokonać przeliczenia

SNR

z miary logarytmicznej na miarę liniową,

– wyznaczyć miarę oczkową M dla kanału liniowego w mierze liniowej i logarytmicznej,

– wyznaczyć przepustowość

C

kanału linowego, korzystając z zależności (9) Shanona,

– uzyskane wyniki wpisać do tabeli 2,

– sporządzić wykres

[ ]

[ ]

(

)

dB

f

dB

SNR

M

=

dla kanału liniowego na [Rys. W1],

– sporządzić wykres

[ ]

[ ]

(

)

dB

f

kb/s

M

C

=

dla kanału liniowego na [Rys. W2].

Tab. 1 Wartości parametrów dla badań symulacyjnych

Lp. Parametr

Wartość

1. Typ źródła danych (data source) PRBS

9

2. Rodzaj modulacja (modulation type) BPSK

3. Szybkość symbolowa (symbol rate) F

m

[ ]

4. Długość sekwencji bitów (sequence length)

5. Rodzaj filtru (filter function) Rect

Tab. 2. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń dla kanału liniowego

Kanał liniowy

SNR

A

A

0

M

C

Lp.

[dB]

[W/W]

[–]

[–]

[1]

[dB]

[kb/s]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

4.2. Ocena jakości transmisji sygnałów w kanale dyspersyjnym

Uwzględniając zjawisko wielopromieniowości (dołączenie dodatkowego bloku Multipath w

programie) należy wykonać pomiary podobnie jak w punkcie 3.2. Dla zadanych przez

prowadzącego ćwiczenie wartości parametrów dla poszczególnych promieni modelu kanału

dyspersyjnego (zapisać w tabeli 3), dokonać pomiaru wysokości oczka A oraz wysokości obwiedni

0

A

w funkcji miary

SNR

(

0

N

E

b

). Pomiary zapisać w tabeli 4. Następnie:

– dokonać przeliczenia

SNR

z miary logarytmicznej na miarę liniową,

– wyznaczyć miarę oczkową M dla kanału dyspersyjnego w mierze liniowej i logarytmicznej,

– uzyskane wyniki wpisać do tabeli 4,

– sporządzić wykres

[ ]

[ ]

(

)

dB

f

dB

SNR

M

=

dla kanału dyspersyjnego na [Rys. W1],

– korzystając z wykresy [Rys. W2] odczytać wartości przepustowości

C

odpowiadające rozpiętości

oczka M dla kanału dyspersyjnego – uzupełnić tabelę wyników 4,

– sporządzić wykres

[ ]

[ ]

(

)

dB

f

kb/s

M

C

=

dla kanału dyspersyjnego na [Rys. W2].

Tab. 3. Parametry promieni dla modelu kanału dyspersyjnego

Opóźnienie τ [Tsym]

Tłumienie L [dB]

Faza Φ [º]

Lp.

Delay

[Tsym]

Level

[dB]

Phase

[º]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Tab. 4. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń dla kanału dyspersyjnego

Kanał dyspersyjny

SNR

A

A

0

M

C

Lp.

[dB]

[W/W]

[–]

[–]

[1]

[dB]

[kb/s]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

4.3. Badanie wpływu kształtowania struktury widmowej sygnału na wejściu układu

demodulacji na jakość transmisji sygnałów w kanale liniowym

Wybrać gaussowski filtr (Filter Function – Gauss) kształtujący strukturę sygnału na wejściu

układu modulacji (w bloczku Modulation Settings) i ustawić jego parametr BT. Parametr

BT jest to

iloczyn szerokości pasma B sygnału użytecznego (ang. bandwidth) oraz czasu T trwania

pojedynczego symbolu (bitu). Dla kanału liniowego z zakłóceniem addytywnym (wyłączony

bloczek Multipath !) dokonać pomiaru rozpiętości oczka M jako funkcji stosunku sygnał/szum –

wyniki umieścić w tabeli 5. Sporządzić wykres

[ ]

[ ]

(

)

dB

f

dB

SNR

M

=

na [Rys. W1]. Zmieniając

parametr BT filtru powtórzyć pomiary, a uzyskane wyniki zobrazować we wspólnym układzie

współrzędnych [Rys. W1]. Na podstawie widm amplitudowych (rys. 13) wyznaczyć stromość

opadania zboczy dla każdego z trzech analizowanych przypadków (moduł zakłóceń kanałowych

wyłączony – Interferer / Noise: Off ). Dane do pierwszej części (filtr prostokątny) tabeli 5 należy

przepisać z tabeli 2.

Tab. 5. Wpływu kształtowania struktury widmowej sygnału

na jakość transmisji w kanałach liniowych

Kanał liniowy

Filtr prostokątny

Filtr gaussowski

BT

=

.

Filtr gaussowski

BT

=

.

SNR

A

A

0

M

SNR

A

A

0

M

SNR

A

A

0

M

Lp.

[dB]

[–]

[–]

[dB]

[dB]

[–]

[–]

[dB]

[dB]

[–]

[–]

[dB]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

B

=

B

=

B

=

5. Wnioski