POLITECHNIKA OPOLSKA
KATEDRA AUTOMATYKI, ELEKTRONIKI I INFORMATYKI
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
Projektowanie i Symulacja
Systemów Telekomunikacyjnych
COMMSIM 2001
Wprowadzenie
Laboratorium Elektroniki Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001
Program CommSim 2001
Commsim jest programem komputerowym pozwalającym projektować i symulować
analogowe i cyfrowe połączenia komunikacyjne. Biblioteki programu zawierają
analogowe i cyfrowe modulatory, modele kanałów transmisyjnych, demodulatory, bloki
pętli fazowej, kody korekcji błędów oraz analizatory błędnych bitów. Symulacje mogą
być prowadzone zarówno w dziedzinie rzeczywistej jak i zespolonej. Dzięki temu mo\
na
symulować bardzo skomplikowane systemy komunikacyjne przy zdecydowanie
mniejszych obcią\
eniach obliczeniowych.
Wprowadzenie
Typowe połączenie telekomunikacyjne składa się z minimum trzech podstawowych
elementów: nadajnika, kanału transmisyjnego i odbiornika. Aby w zadawalający sposób
modelować cały system telekomunikacyjny, narzędzie musi mieć mo\
liwość symulacji
tych trzech podstawowych elementów.
Nadajnik i odbiornik mogą być dodatkowo podzielona na dalsze podsystemy, tak jak
pokazano to na rysunku poni\
ej. Zawiera on z
ródło danych (analogowe lub cyfrowe),
opcjonalnie koder, modulator, demodulator, opcjonalnie dekoder oraz wyjście danych.
Rysunek 1. Elementy systemu telekomunikacyjnego
y
ródło danych generuje sygnał informacyjny, który jest przeznaczony do wysłania do
odbiornika. Sygnałem tym mo\
e być zarówno sygnał analogowy, np. mowa jak i sygnał
cyfrowy, np. binarna sekwencja danych. Sygnał taki jest typowym sygnałem zawartym w
pewnym paśmie częstotliwościowym i reprezentowanym poprzez poziomy napięcia.
Dla sygnału analogowego, często przed wysłaniem, po\
ądane jest jego kodowanie do
postaci cyfrowej poprzez przejście przez proces kwantyzacji. Krok ten przekształca
sygnał analogowy do postaci cyfrowej. Jeśli część informacji zostaje wycięta podczas
tego procesu, końcowy sygnał cyfrowy jest często du\
o bardziej odporny na
oddziaływanie zakłóceń w kanale transmisyjnym.
Politechnika Opolska
2
Laboratorium Elektroniki Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001
Koder zapewnia równie\
dodanie redundancji do cyfrowego ciągu danych, czyli
pewnych dodatkowych danych bitowych, w taki sposób, aby zapewnić w odbiorniku
zdolność korekcji błędu powstałego podczas transmisji. Proces taki nazywany jest
Początkowa Korekcja Błędu (Forward Error Correction FEC). Wśród najbardziej
popularnych schematów FEC znajdują się: kodowanie splotowe, kodowanie blokowe,
kodowanie kratowe. Nale\
y zwrócić uwagę, \
e często szybkość bitowa na wyjściu
kodera nie jest równa szybkości bitowej sygnału wejściowego. Aby właściwie rozró\
nić
te dwie szybkości, szybkość bitowa na wejściu nadajnika nazywana jest szybkością
danych informacyjnych, podczas gdy szybkość wyjściową z nadajnika nazywamy
szybkością danych w kanale.
W zale\
ności od typu sygnału informacyjnego oraz dla poszczególnego medium
transmisyjnego, stosowane są ró\
ne techniki modulacji. Modulacja korzysta ze
specyficznych technik, pozwalających na przedstawienie sygnału informacyjnego w taki
sposób, jak fizycznie będzie przesyłany do odbiornika. Na przykład w modulacji
amplitudy, informacja jest reprezentowana poprzez zmianę amplitudy sygnału nośnego.
Kiedy sygnał zostanie zmodulowany wysyłany jest poprzez medium transmisyjne, znane
równie\
jako kanał, do odbiornika. Medium tym mo\
e być: \
yła miedziana, kabel
ekranowany lub atmosfera, w przypadku, gdy korzystamy z transmisji radiowej.
Wszystkie kanały wprowadzają, do pewnego stopnia, pewne zniekształcenia sygnału
oryginalnego. Aby symulować takie zniekształcenia, stworzono rozbudowane modele
matematyczne ró\
nych kanałów. Najbardziej znanym modelem kanału jest kanał
dodający szum biały (Additive White Gaussian Noise AWGN). W kanale tym zało\
ono
dodawanie do sygnału informacyjnego szumów, których spektralna gęstość mocy jest
stała. Inne typy modeli kanałów: kanał tłumiący (fading channels) oraz kanał wielodro\
ny
(multipath channel).
Jeśli zmodulowany sygnał transmitowany osiągnie odbiornik, przechodzi przez proces
demodulacji. Jest to krok odwrotny do modulacji i ma za zadanie wydobyć oryginalny
sygnał informacyjny ze sygnału zmodulowanego. W czasie demodulacji dokonuje się
równie\
proces synchronizacji sygnału, np. przy pomocy pętli fazowej, w celu
wychwycenia spójnej fazy pomiędzy sygnałem przychodzącym a sygnałem lokalnego
oscylatora.
W przypadku, gdy w nadajniku zastosowano proces kodowania, zanim będzie mo\
na
odzyskać poprawne dane z sygnału oryginalnego, nale\
y w odbiorniku wykonać proces
dekodowania. Proces dekodowania sygnału zwykle jest bardziej kłopotliwy ni\
proces
kodowania i mo\
e być bardziej zło\
ony obliczeniowo. Schematy skutecznego
dekodowania są przez cały czas rozwijane.
Ostatecznie na wyjściu odbiornika otrzymujemy oszacowanie sygnału oryginalnego. Z
punktu widzenia symulacji, interesuje nas sposób oceny, jak dobrze informacja z
ródłowa
została odtworzona na wyjściu odbiornika. Stosuje się kilka metod oceny. Najbardziej
popularną miarą, w przypadku sygnału cyfrowego, jest Elementarna Stopa Błędu BER
(Bit Error Rate). Inne metody, to określenie stosunku sygnału do szumu, wykres
oczkowy, czy wykres przesunięcia fazy.
Politechnika Opolska
3
Laboratorium Elektroniki Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001
y
ródła sygnału
Pakiet VisSim/Comm posiada z
ródła sygnału analogowego jak i cyfrowego. Poprzez
kombinację sygnałów z bloków podstawowych, u\
ytkownik mo\
e wygenerować sygnał o
dowolnym kształcie. Bloki podstawowe zawierają min. z
ródła sygnału sinusoidalnego,
stałego, narastającego, funkcje krokowe lub impulsy. U\
ytkownik mo\
e równie\

dołączyć sygnał zapisany w postaci pliku wav.
y
ródła sygnałów cyfrowych zawierają bloki generatorów losowych bitów lub symboli.
Jako bit rozumie się informację przybierającą wartość "0" lub "1" , a symbol jest
definiowany jako wartość całkowitą z zakresu od 0 do M . Symboli u\
ywa się
najczęściej z modulacjami wy\
szych rzędów. Parametry z
ródła danych są łatwo
definiowane poprzez dostęp do poszczególnych bloków ustawień.
W przypadku pracy z z
ródłami sygnałów cyfrowych, częstotliwość próbkująca symulacji
musi być ustawiona jako co najmniej 8 do 10 próbek na symbol. Takie ustawienie
zapewni, \
e w przypadku operacji filtrowania model będzie poprawnie symulowany.
Oczywiście w przypadku występowania nośnej sygnału modulowanego, uwaga ta
dotyczy nośnej.
Kodowanie sygnały
Kodowanie sygnału jest stosowane w celu zwiększenia pewności przesyłu informacji.
Kodowanie mo\
e przybierać kilka ró\
nych form jak np. kwantowanie sygnału
analogowego lub dodanie bitów nadmiarowych do ciągu cyfrowego.
Kwantowanie sygnału analogowego w celu otrzymania ciągu danych cyfrowych
realizowane jest przy pomocy przetwornika analogowo cyfrowego. Środowisko
VisSim/Comm zawiera kilka podstawowych bloków do tego celu takich jak bloki
przetworników AC lub bloki kompanderów. Kompander jest nieliniowym procesem
u\
ywanym przed procesem kwantowania w celu uzyskania większej rozdzielczości dla
bardzo słabych sygnałów.
W przypadku pracy z sygnałami cyfrowymi, środowisko VisSim/Comm zawiera bloki
realizujące kilka metod Wstępnej Korekcji Błędów (FEC). Jest to realizowane przy
pomocy kodów splotowych lub kratowych. Dostępne są równie\
bloki realizujące
przeplot danych.
Modulacja
W celu przesłania informacji z jednego punktu do drugiego, sygnał musi być przed
wysłaniem, często zmieniony. Proces ten nazywany jest Modulacją. Jest kilka powodów
dla których tworzy się nowy sygnał, który ma reprezentować sygnał oryginalny.
Podstawowe przyczyny związane są z zajmowanym pasmem i sposobem odtworzenia.
Proces modulacji pozwala np. przenieś pasmo zajmowane przez informację w
dziedzinie częstotliwości tak, \
e kilka sygnałów mo\
e współistnieć bez interferencji
Politechnika Opolska
4
Laboratorium Elektroniki Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001
pomiędzy nimi. Osiąga się to poprzez umieszczenie ka\
dego modulowanego sygnału w
innych regionach dostępnego zakresu częstotliwości.
Wiele technik modulacji zostało stworzonych tak, aby reprezentować sygnał
informacyjny tak jak wygląda przed wysłaniem. Ogólnie, wszystkie schematy modulacji
polegają na zmianie amplitudy, fazy lub częstotliwości nośnej sygnału. Najogólniej
technika modulacji mo\
e zostać podzielona na dwie grupy: modulacja analogowa oraz
modulacja cyfrowa.
W grupie modulacji analogowych dostępne są bloki modulacji AM i FM, a w grupie
modulacji cyfrowej bloki modulacji: FSK i MSK, PSK, QAM, PAM i inne.
Kanał transmisyjny
W celu przesłania informacji z jednego punktu do innego, emitowany sygnał musi
przebyć pewne medium transmisyjne zanim osiągnie odbiornik. Droga z nadajnika do
odbiornika ogólnie nazywana jest kanałem. Modele kanałów transmisyjnych zawierają
takie media jak: przewody miedziane, kable światłowodowe lub wolna przestrzeń. Do
przesyłanego sygnału mogą być dodawane właściwości charakterystyczne dla danego
medium transmisyjnego takie jak propagacja czy inne zaburzenia.
VisSim/Comm zawiera modele ró\
nych kanałów transmisyjnych zarówno dla połączeń
stałych jak i ruchomych. Uwzględnia zaniki sygnału, rozchodzenie się sygnałów ró\
nymi
drogami na skutek odbić ograniczenie pasma czy szum gaussowski. W ka\
dym
przypadku mo\
na modyfikować kluczowe parametry modelu aby spełniały specyficzne
wymagania projektanta.
W pakiecie VisSim/Comm dostępne są bloki modulujące ró\
ne kanały transmisyjne.
Podstawowym kanałem jest kanał dodający szum biały. Dostępne są równie\
modele
symulujące systemy komunikacji ruchomej, odbicia od troposfery i jonosfery, modele
symulujące zwielokratnianie sygnału na skutek odbić. W przypadku przesyłania
informacji cyfrowej dostępny jest model symetrycznego kanału binarnego, powodujący
przekłamanie przesyłanych bitów z zadanym prawdopodobieństwem. Model takiego
kanału u\
yteczny jest szczególnie w przypadku badania właściwości ró\
nych kodów, a
nie samego kanału.
Demodulatory
Kiedy sygnał dotrze do odbiornika, wymagane jest wykonanie kilku czynności zanim
sygnał będzie mógł być odtworzony. Odebrany sygnał zwykle jest najpierw filtrowany i
wzmacniany, tak aby pobrać część spektrum zawierającą \
ądaną informację. Często w
celu uzyskania odpowiedniego poziomu napięcia stosowany jest układ automatycznego
wzmocnienia. Proces demodulacji zale\
y od sposobu modulacji w nadajniku i często
składa się z kilku kroków.
Politechnika Opolska
5
Laboratorium Elektroniki Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001
W większości przypadków modulacji analogowej, sygnał nadawczy mo\
e być
odtworzony w pojedynczym kroku. Przykładem mo\
e być sygnał zmodulowany w AM
gdzie demodulatorem jest prosty układ detekcji obwiedni lub modulacja FM gdzie do
demodulacji mo\
na u\
yć układu pętli fazowej. W przypadku modulacji cyfrowej, zwykle
wymaga się kilku kroków. W minimalnym przypadku wymaga się trzech kroków:
odtworzenia nośnej, odtworzenia czasu trwania symbolu oraz detekcja symbolu (układ
do detekcji symbolu często określany jest jako slicer). Bardziej rozbudowane systemy
mogą równie\
zawierać korektory adaptacyjne lub redukcję echa.
VisSim/Comm zawiera wszystkie niezbędne bloki umo\
liwiające zbudowanie
odpowiedniego odbiornika dla ró\
nych sposobów modulacji. Znajdują się tutaj bloki
łączące i rozdzielające, elementy pętli fazowej, korektory, bloki detektorów dla ka\
dego
typu modulacji cyfrowej, bloki przetworników A/D oraz bloki ró\
nych filtrów w celu
implementacji odbiorników filtrowych.
Ogólnie, tak jak dokonano podziału na modulację analogową i cyfrową, demodulację
mo\
na podzielić na demodulację koherentną i niekoherentną. Demodulacja koherentna
wymaga aby odbiornik otrzymał synchronizację od fazy nośnej z nadawaną nośną.
Detekcja niekoherentna nie wymaga synchronizacji. Detekcja koherentna wykazuje 3dB
przewagę w stosunku do demodulacji niekoherentnej osiągniętej przy bardziej
skomplikowanym odbiorniku.
Dekodowanie sygnału
Jeśli w nadajniku sygnał był kodowany, w odbiorniku zanim uda się odtworzyć
oryginalną informację nale\
y dodatkowo wykonać proces dekodowania. Proces
dekodowania wymaga znajomości procesu kodowania zastosowanego w nadajniku.
Proces dekodowania sygnału jest zwykle bardziej skomplikowany ni\
proces kodowania
i z tego powodu wymaga większych nakładów obliczeniowych. Środowisko
VisSim/Comm zawiera dekodery kodów splotowych i kratowych oraz bloki odwrotne do
przeplotu danych.
Prezentacja wyników
Wyniki symulacji mogą być łatwo przedstawione w sposób graficzny przy pomocy bloku
rysującego. W podstawowym trybie blok ten mo\
e kreślić cztery przebiegi w dziedzinie
czasu. Odpowiednia konfiguracja bloku rysującego umo\
liwia przedstawienie wyników w
charakterystycznych dla telekomunikacji trybach. Jest więc mo\
liwość przedstawienia
krzywej BER, wykresów oczkowych, analiza widma i innych.
System odpowiedników nisko pasmowych
Wymagania co do częstotliwości próbkowania mogą być zmniejszone w przypadku
zastosowania tzw. techniki zespolonej. Kiedy modulujemy sygnał danych, częstotliwość
Politechnika Opolska
6
Laboratorium Elektroniki Projektowanie i Symulacja Systemów Telekomunikacyjnych COMMSIM 2001
symulacji musi być co najmniej 8 razy większa od częstotliwości nośnej. Oznacza to, \
e
krok symulacji jest określany nie przez częstotliwość sygnału badanego, ale przez
częstotliwość nośną, która zwykle jest kilkanaście razy większa.
W przypadku gdy symulacja zostanie przeniesiona do modelów nisko pasmowych (lub
do pasma podstawowego) częstotliwość nośnej zostanie usunięta (sprowadzona do
zera), co umo\
liwi dobranie częstotliwości próbkującej w stosunku do częstotliwości
badanego sygnału, a nie nośnej. W wyniku mo\
liwa jest redukcja czasu symulacji bez
straty dokładności obliczeń. W technice zespolonej wykorzystuje się zarówno część
rzeczywistą i urojoną, które zwykle odpowiadają składowej: fazy (I) i kwadratury (Q)
sygnału. Większość modulatorów i kanałów dostępnych w środowisku VisSim/Comm
umo\
liwiają pracę w dziedzinie zespolonej.
Politechnika Opolska
7