Разработка модели и моделирование радиотехнической

Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов):1.Произвести расчет бюджета радиоканала согласно индивидуальному варианту.2.Выбрать требуемый вид модуляции и определить энергетический резерв линии связи.3.Разработать модель РТСПИ в Matlab/Simulink и произвести моделирование.5.Определить пик-фактор сигнала.Перечень графического материала с указанием основных чертежей и (или) иллюстрационного материала:Структурная схема модели РТСПИМетодическая литература и иные информационные источники:Курсовое проектирование для обучающихся по образовательным программам бакалавриата : метод.указания / Минобрнауки России, ОмГТУ ; [сост.: В. А. Аржанов и др.]. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2017.Радиотехнические устройства передачи информации : метод.указания к лаб. работам / Минобрнауки России, ОмГТУ ; [сост.: П. И. Пузырев, А. Н. Ляшук]. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2017.Скляр Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение / Б. Скляр. – Изд. 2-е, испр. – Издательский дом «Вильямс», 2004. – 1104 с.Дата выдачи задания «_____» ___________________ 2021 г.Руководительк.т.н., Пузырёв П. И.подписьученая степень, звание, ФИОдатаЗав. кафедрой РТУ и СДподписьученая степень, звание, ФИОдатаЗадание принял (а) к исполнению студент (ка)«_____» ___________________ 2021 г.подписьОглавление TOC \o "1-3" \h \z \u ВВЕДЕНИЕ PAGEREF _Toc91120816 \h 3Исходные данные PAGEREF _Toc91120817 \h 4Расчет бюджета радиоканала PAGEREF _Toc91120818 \h 5Выбор типа модуляции PAGEREF _Toc91120819 \h 7Разработка модели РТСП PAGEREF _Toc91120820 \h 13ЗАКЛЮЧЕНИЕ PAGEREF _Toc91120821 \h 22СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ PAGEREF _Toc91120822 \h 23Приложения A PAGEREF _Toc91120823 \h 24Приложения B PAGEREF _Toc91120824 \h 26ВВЕДЕНИЕЦелью работы является произвести расчет бюджета спутникового канала связи и разработать модель радиотехнической системы передачи информации.Задачи 1. Произвести расчет бюджета радиоканала согласно исходным данным таблицы 1; 2. Выбрать требуемый вид модуляции и определить энергетический резерв линии связи;3. Разработать модель РТСПИ в Matlab/Simulink с учетом заданной скорости передачи данных R и выбранного вида модуляции;4. Произвести моделирование и привести следующие графики и рисунки: разработанную модель, спектр сигнала на выходе модулятора, звездную диаграмму, график зависимости вероятности битовой ошибки от Eb/No;5. Определить пик-фактор сигнала.Исходные данныеТаблица SEQ Таблица \* ARABIC 1 – Исходные данные для выполнения проектаВариантR, кбит/сW, кГцPbmaxPT, Втf, ГГцLT, дБGT, дБGR, дБLR, дБLO, дБd, кмNOCh, дБм/ГцNOR, дБм/Гц1028.810.810-5406.223823385500-167-153где R – Информационная (битовая) скорость; W–максимально допустимая ширина спектра сигнала уровню – 30  дБ; Pbmax– максимально допустимая вероятность битовой ошибки; PT– мощность сигнала на выходе усилителя мощности; f– частота несущей в ГГц.LT– потери в фидере передающего устройства; GT– коэффициент усиления передающей антенны; LR– потери в трактах приемного устройства; GR– коэффициент усиления приемной антенны; LO– прочие потери распространения: отклонение от максимума диаграммы направленности антенны, затухание в атмосфере, и т.п;d– расстояние между приемником и передатчиком в км; NOCh– спектральная плотность мощности шума в канале связи; NOR -спектральная плотность мощности собственных шумов приемника.Расчет бюджета радиоканалаФормулы для перевода единиц:PдБ=10∙log10PвхВтPвыхВт ,PВт=100,1∙PдБВт,PВт=10P(дБм)101000.2.1 Определим эквивалентную изотропно-излучаемую мощность EIRP передающей антенны по формуле 1:EIRPдБВт=PTдБВт-LTдБ+GTдБ.(1)PTдБВт=10∙log1040≈16 дБВт.EIRPдБВт=16-2+38=52 дБВт.2.2 Найдем потери распространения радиоволны в свободном пространстве по формуле 2:LdдБ=92.45+20log10(f∙d).(2)LdдБ=92.45+20log106.2∙5500≈183.1 дБ.2.3 Найдем принятую изотропную мощность по формуле 3:PRiдБВт=EIRPдБВт-LdдБ-LOдБ.(3)PRiдБВт=52 -183.1-8=-139.1 дБВт.2.4 Найдем мощность принятого сигнала (перед демодулятором) по формуле 4:PRдБВт=PRiдБВт+GRдБ-LRдБ.(4)PRдБВт=-139.1+23-3=-119.1 дБВт.2.5 Найдем спектральную плотность мощности шума на входе демодулятора по формуле 5:NOВт/Гц=NOChВт/Гц+NORВт/Гц.(5)NO=2∙10-20+50∙10-20=52∙10-20ВтГц.2.6 Вычислим отношение сигнал/шум на бит на входе демодулятора по формуле 6:EbNOдБ=PRдБВт-NOдБВт-10log10(R).(6)EbNO=-119.1+183-10log1028800=19.3 дБ.Выбор типа модуляцииОпределить энергетический резерв линии связи. Энергетический резерв линии связи определяется по формуле D = [Eb/No (дБ)]расч – [Eb/No (дБ)]треб.Требуемое отношение сигнал/шум [Eb/No (дБ)]треб определяется по графику зависимости вероятности битовой ошибки для конкретного вида модуляции при заданной вероятности битовой ошибки по таблице 1. Для этого в программе Matlab применяется инструмент BERTool. На рисунке 1 представлены графики вероятности битовой ошибки для модуляций 2-ФМн (BPSK), 4-ФМн (QPSK), 8-ФМн (8-PSK), 16-КАМ (16-QAM), 64-КАМ (64- QAM)8-PSK16-QAM64-QAM8-PSK16-QAM64-QAMРисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 1 – График зависимости Pb от Eb/No для разных видов модуляцииПостроим модели для анализа модуляций и построим их спектры Для определения вида модуляции необходимо исследовать спектры сигнала при использовании разных блоков модуляции в программе Matlab SimulinkПример модели, применяемой для измерения ширины спектра. На рисунке 2.Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 2 – Пример модели, используемый для анализа спектра с модуляцией QPSKПример настройки блока Random Integer для модели QPSK.Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 3 – Настройка блока генератора сигнала для QPSKРисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 4 – Параметры настройки блока Digital Filter DesignИз рисунка 5 видно, что по уровню -30 дБ ширина спектра равняется 20.63 кГц, что превышает допустимую ширину спектра.Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 5 – Ширина спектра QPSKИз рисунка 6 видно, что по уровню -30 дБ ширина спектра равняется 13.6 кГц, что превышает значения максимально допустимой ширины. Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 6 – Ширина спектра 8-PSKИз рисунка 7 видно, что по уровню -30 дБ ширина спектра равняется 10.2 кГц, что не превышает значения максимально допустимой ширины. Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 7 – Ширина спектра 16-QAMИз рисунка 8 видно, что по уровню -30 дБ ширина спектра равняется 6.8 кГц, что не превышает значения максимально допустимой ширины. Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 8 – Ширина спектра 64-QAMИз рисунка 9 видно, что по уровню -30 дБ ширина спектра равняется 39 кГц, что превышает допустимую ширину спектра.Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 9 – Ширина спектра BPSKРассчитаем резерв линии связи, для этого воспользуемся инструментом Bertool. Построим графики вероятности битовой ошибки при оптимальном приеме.Сравним все виды модуляции при помощи таблицы 2Таблица SEQ Таблица \* ARABIC 2 – Сравнительная таблицаПо ширинеПо бюджетуQPSK20.63 кГц9.7BPSK39 кГц9.88-PSK13.6 кГц6.816-QAM10.2 кГц664-QAM6.8 кГц1.7Модуляции BPSK, QPSK, 8-PSK не подходят, т.к превышают максимально допустимую ширину спектра.Заданным требованиям соответствует 16-QAM, т.к. обладает максимальным резервом линии связи. Соберем и настроим модель.Разработка модели РТСПНа рисунке 10 представлена модель РТСПИ, содержащая передающее устройство, канал связи, приемное устройство, блок вычисления и отображения вероятности битовой ошибки и пик-фактора сигналаРисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 10 – Собранная модельИсточник сообщений, формирующий псевдослучайную двоичную последовательность. На рисунке 7 изображена настройка блока Random Integer Generator. Set Size = 16, битовая скорость Sample Time = 4/(28.8e3), Samples per frame = 1 Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 11 – Настройка блока Random Integer GeneratorРисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 12 – Параметры настройки блока Digital Filter DesignСочетание блоков Upsample и Gain повышает частоту дискретизации и формирует импульсы длительностью в одну выборку – цифровой аналог дельта-импульса. Данные импульсы необходимы для корректного формирования сигнала с помощью формирующего фильтра. Отклик фильтра на единичный импульс должен повторять импульсную характеристику фильтра «корень из приподнятого косинуса»Канал связи включает в себя только один блок – AWGN Channel. Блок AWGN Chanel добавляет к сигналу аддитивный белый гауссовский шум с заданным соотношением Eb/No рисунок 13.Рисунок 11 – Параметры настройки блока AWGN CHannelУстройство выборки, состоящее из двух блоков: блока задержки Delay и блока Zero-Order Hold Задача устройства выборки заключается в том, чтобы в оптимальный момент времени произвести выборку сигнала. После устройства выборки сигнал имеет одну выборку на символ. В данном конкретном случае необходимая задержка в блоке оказалась Delay равна двумРисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 13 – Устройство выборкиНастройка блока Zero-Order Hold показана на рисунке 14Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 14 – Настройка блокаНастройка блока Delay показана на рисунке 15Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 15 – параметры настройки блокаУстановливаем в блоке Error Rate Calculation параметр Receive delay, равный величине задержки сигнала на выходе приемника относительно передающего устройстваРисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 16 – Параметры настройки блока Error Rate CalculationРисунок 17 – Звездная диаграммаПосле того как все блоки модели были настроены, для корректной работы модели необходимо настроить начальный сдвиг времени в устройстве выборки. Для этого ненадолго запускается симуляция модели и останавливается. После чего открывается осциллограф Scope и анализируется осциллограмма. Момент выборки символа должен точно совпадать с максимумом сигналаРисунок 18 – Осциллограмма начального сдвигаОпределить, на сколько символов задержан сигнал на выходе приемника относительно сигнала с передающего устройства. Для этого необходимо запустить моделирование и открыть осциллограф Scope2, подключенный к выходу источника сообщений и к выходу демодулятора. Выбрать участок осциллограммы и визуально определить, на сколько символов осциллограммы сдвинуты относительно друг другаРисунок 19 – Осциллограмма определение задержки сигналаОсциллограммы не сдвинуты друг относительно друга.При Receive delay = 10 в блоке Error Rate Calculation количество ошибок равно нулюРисунок 20 – Результат симуляции по количеству ошибочно принятыхМодель настроена корректно.Пик-фактор – это отношение пиковой и средней мощностей сигнала. Для определения пик-фактора построена модель, изображенная на рисунке 22.Рисунок 21 – Модель определения пик-фактора сигналаНа рисунке 23 представлен график зависимости вероятности битовой ошибки от Eb/No в сравнении с идеальной кривой для 16-КАМ.Рисунок 22 – График зависимости вероятности битовой ошибки от Eb/NoЗАКЛЮЧЕНИЕВ ходе выполнения курсовой работы, был выбран тип модуляции соответствующий исходным данным. Собрана модель с модуляцией 16-QAM с последующей настройкой. Проведено сравнение расчетных значений с результатом моделирования.Собранная в Simulink радиотехническая система передачи информации, показанная на рисунке 22 позволяет измерить максимальную и среднюю мощность, а также пик-фактор, который составляет 5.4 дБ.В ходе работы над данным курсовым проектом был произведен расчет бюджета радиоканала, который составил 6 дБ. Также были рассмотрены пять видов модуляции, это 2-ФМн, 4-ФМн, 8-ФМн, 16-QAM, 64-QAM, и для того, чтобы радиоканал удовлетворял заданным требованиям и условиям, был произведен анализ каждого из них, в результате которого определили, что наиболее подходящими видами модуляции являются 64-QAM, 16-QAM. В данном проекте было принято решение разработать модель радиотехнической системы передачи информации, используя 16-QAM модуляцию. Этот вид позволил обеспечить максимальный энергетический резерв лини, а ширина спектра сигнала по уровню -30 дБ не превышала максимального значения.Разработана модель РТСПИ в Matlab/Simulink с учетом исходной скорости передачи данных и выбранного вида модуляции, которая позволила определить вероятность битовой ошибки.Ошибки от соотношения сигнал/шум (Eb/No), который совпал с оптимальным (теоретическим) графиком 16-QAM. С помощью программного кода, были построены два графика 16-QAM: теоретический из системы Bertool и полученный из из модели, собранной в Simulink.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВКурсовое проектирование для обучающихся по образовательным программам бакалавриата: метод. указания / Минобрнауки России, ОмГТУ; [сост.: В. А. Аржанов и др.]. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2017.Радиотехнические устройства передачи информации: метод. указания к лаб. работам / Минобрнауки России, ОмГТУ ; [сост.: П. И. Пузырев, А. Н. Ляшук]. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2017.Скляр Б. Цифровая связь: Теоретические основы и практическое применение / Б. Скляр. – Изд. 2-е, испр. – Издательский дом «Вильямс», 2004. – 1104 с.Приложение AСкрипт расчетов в программе Matlab. R=28.8*10^3 %кбит\cW=10.8*10^3; %кГцPbmax=10^(-5);Pt=40; %Втf=6.2; %ГГцLt=2; %дБGt=38; %дБGr=23; %дБLr=3; %дБL0=8; %дБd=5500; %кмN0ch=-167; %дБм\ГцN0r=-157; %дБм\Гц%Расчет эквивалентной изотропно-излучаемой мощности EIRP передающей антенны%Перевод P из дБ в дБВтPw=10*log10(Pt);EIRP=Pw-Lt+Gt;%Расчет потери распространения мощности радиоволны в свободном пространствеLd=92.45+20*log10(f*d);%Расчет принятой изотропной мощностиPri=EIRP-Ld-L0;%Расчет принятого сигнала (перед демодулятором)PR=Pri+Gr-Lr;%Вычисление спектральной плотности мощности шума на выходе демодулятора%перевод N0ch и N0r из дБм\Гц в Вт\ГцN0chdB=(10^((N0ch)/10))/1000;N0rdB=(10^((N0r)/10))/1000;%N0chdD=2^(-20);%N0rdB=52^(-20);N0sum= N0chdB+N0rdB;%перевод из дБ\Гц в Вт\ГцN0_dB_Vt=10*log10(N0sum);%Вычисление отношения сигнал\шум на бит на входе демодулятораEN = PR-N0_dB_Vt-10*log10(R);k=4;EsN0=6;i=1;while EsN0<=18; sim('modelmodmod'); SER1(i)=ErrorVec(1); EsN01(i)=EsN0; EsN0=EsN0+2; i=i+1;endber0=ber0;ebno0=ebno0;EbN0=EsN01-10*log10(k);BER=SER1/k;semilogy(EbN0, BER, ebno0, ber0, 'LineWidth', 2);grid onПриложение BРисунок 23 – Результат расчета MatLab