670_Maglitskij_B.N._Otsenka_vlijanija_iskazhenij_i_pomekh_

Рисунок 7.9. – Окно параметров блока Multipath Rician Fading Channel

Блок Multipath Rician Fading Channel так же можно использовать для моделирования мобильных систем, когда передатчик перемещается относительно приемника. При этом линия прямой видимости является доминирующей.

Относительное движение передатчика и приемника приводит к появлению Доплеровского сдвига частоты сигнала.

Максимальный Доплеровский сдвиг частоты вычисляется как:

∆fmax = V*f /c

(7.1)

гдеV – скорость передвижения; f – несущая частота;

с – скорость света.

Например, максимальный Доплеровский сдвиг частоты, равный 200 Гц, соответствует скорости передвижения 65 миль/час (30 м/с) и несущей частоте 2 ГГц.

В блоке можно задать тип Доплеровского спектра, используя окно пара-

метров блока Doppler spectrum type.

101

Регулируемыми параметрами блока Multipath Rician Fading Channel являются :

–Maximum Doppler shift (Hz) – максимальное значение доплеровского

сдвига;

–Doppler Spectrum type – модель допплеровского спектра;

–Discrete path delay vector (s) – значение задержки запаздывающего сиг-

нала;

–Average path gain vector – коэффициент усиления задержанного сигнала;

–K –factor – отношение мощности сигнала, приходящего по прямому пути, к мощности рассеянного (отраженного сигнала); По умолчанию, в блоке установлены следующие параметры:

maxDopplerShift = 200 delayVector: [0 0.0400 0.0800 0.1200]

gainVector: [0 -3 -6 -9]

Доплеровский сдвиг компоненты линии прямой видимости, как правило, меньше, чем максимальный доплеровский сдвиг и зависит от направления пути мобильного телефона. В модели установлены следующие параметры:

LOSDopplerShift = 100

K-Factor = 10

ВАЖНО! Установленные по умолчанию параметры соответствуют режиму работы модели в канале с частотно – селективными замираниями для случая 4-х путей распространения радиоволн.

1.3.3.Установите длительность процесса симуляции: Simulation Configuration

Parametrs → Start time = 0.0 → Stop time = inf. Запустите модель.

1.3.4.Откройте окно блока Multipath Rician Fading Channel.

1.3.5.Пронаблюдайте импульсную характеристику канала с частотноселективными замираниями.

1.3.6.Оцените соответствие задержек лучей параметрам модели и зарисуйте импульсную характеристику (IR) в отчет по работе. Для удобства наблюдения характеристик (в статическом режиме) щелкните кнопку «Pause».

1.3.7.Пронаблюдайте частотную характеристику канала с замираниями. Зарисуйте характеристику в отчет по работе;

1.3.8.Пронаблюдайте фазовую траекторию сигнала, выбрав в окне визуализа-

ции «Phasor Tragjectory»

ВАЖНО! В анализируемой модели замирания моделируются как изменение комплексного коэффициента передачи канала, который характеризует как затухание сигнала, так и фазовый сдвиг. «Фазовая траектория» показывает, как изменяются эти па-

102

раметры. При этом синяя линия соответствует изменению фазы, зеленая – изменению затухания.

1.3.9.Зарисуйте фазовую траекторию в отчет по работе.

1.3.10.Пронаблюдайте характер доплеровского спектра, выбрав в окне визуализации блока режим Doppler Spectrum

1.3.11.Оцените соответствие максимального доплеровского сдвига частоты параметрам модели

1.3.12.Выберите режим визуализации IR и FR (импульсная и частотная характеристика канала) и пронаблюдайте эти характеристики

1.3.13.Выберите вкладку IR Waterfall и оцените число фреймов, используемых в процессе моделирования

1.3.14.Пронаблюдайте все выше рассмотренные характеристики в динамическом режиме, щелкнув кнопку Resume

1.3.15.Закройте все окна и остановите работу модели. Закройте модель.

1.4. Анализ искажений в многолучевом канале в статическом режиме

1.4.1.Установите режим работы модели с замираниями;

1.4.2.Внесите изменения в настройки блоков модели в соответствии с таблицей 7.2. Эти настройки соответствуют малым межсимвольным искажениям;

Таблица 7.2. – Параметры модели

Блок Bernoulli Binary Generator

Sample Time		1/100
Frame-based outputs		Флажок
Samples per frame		4
Блок AWGN Channel
Mode		Signal to noise ratio
		(Eb/N0)
Eb/N0, дБ		100
Number bits per symbol		1
Input Signal power…		1
Symbol period		1/100
Блок Multipath Rician Fading Channel
K-factor		4
Doppler schift (s) of line –of-sight component(s)		0.0001
Maximum diffuse Doppler shift		0.0000001
Discrete path delay vector		[0 0.02 0.04]
Average path gain vector		[0 -15 -20]
103

Normalise average path gain vector to 0 dB		Галочка
gain
Параметры модели

Start	0.0
Stop	inf

1.4.3.Установите блок Multipath Rician Fading Channel в режим Открытия при запуске модели. Запустите модель.

1.4.4.Пронаблюдайте импульсную характеристику многолучевого канала.

1.4.5.Проверьте соответствие импульсной характеристики заданным параметрам модели.

1.4.6.Определите расширение задержки.

1.4.7.Пронаблюдайте частотную характеристику многолучевого канала

1.4.8.Определите ширину полосы частот канала и объясните полученный результат.

1.4.9.Пронаблюдайте характер доплеровского спектра и оцените расширение спектра.

1.4.10.Зарисуйте в отчет по работе импульсную и частотную характеристики

канала.

1.4.11.Пронаблюдайте фазовую траекторию сигнала

1.4.12.Пронаблюдайте сигнальное созвездие и глаз-диаграмму на выходе модулятора.

1.4.13.Пронаблюдайте сигнальное созвездие и глаз-диаграмму на выходе кана-

ла.

1.4.14.Оцените значение коэффициента ошибок .

1.4.15.Объясните все полученные результаты.

1.4.16.Закройте все окна и остановите работу модели.

1.4.17.Внесите изменения в настройках блока Multipath Rician Fading Channel (таблица 7.3).

Таблица 7.3. – Изменения настроек блока Multipath Rician Fading Channel

Блок Multipath Rician Fading Channel

K-factor	4
Doppler schift (s) of line –of-sight component(s)	0.0001
Maximum diffuse Doppler shift	0.0000001
Discrete path delay vector	[0 0.02	0.04]
Average path gain vector	[0 -5	-5]
Normalise average path gain vector to 0 dB gain	Галочка

1.4.18.Запустите модель. Пронаблюдайте импульсную характеристику многолучевого канала

1.4.19.Пронаблюдайте частотную характеристику канала

1.4.20.Сравните полученную характеристику с характеристикой по п. 1.4.8

104

1.4.21.Пронаблюдайте сигнальное созвездие и глаз-диаграмму на выходе кана-

ла

1.4.22.Оцените значение коэффициента ошибок

1.4.23.Проанализируйте все полученные результаты и сформулируйте выводы

1.4.25.Закройте все окна и остановите работу модели.

1.5. Исследование помехоустойчивости ЦСРС с BPSK в канале с частотноселективными замираниями

1.5.1.Измените настройки блока Multipath Rician Fading Channel на следую-

щие:

K-factor = 4

Doppler schift (s) of line –of-sight component(s) = 0.0001

Maximum diffuse Doppler shift = 0.1

Discrete path delay vector : [0 0.02 ]

Average path gain vector: [0 -15]

Normalise average path gain vector to 0 dB gain - галочка

1.5.2.Установите режим работы модели с замираниями.

1.5.3.Запустите модель

1.5.4.Проанализируйте импульсную характеристику

1.5.5.Проанализируйте частотную характеристику канала

1.5.6.Пронаблюдайте сигнальное созвездие и глаз-диаграмму на выходе канала

1.5.7.Проанализируйте фазовую траекторию сигнала

1.5.8.Закройте все окна модели, кроме анализатора сигнального созвездия на выходе канала

1.5.9.В течении 3-4 минут одновременно проанализируйте изменения сигнального созвездия на выходе канала и значения коэффициента ошибок;

1.5.10.Объясните полученные результаты;

1.5.11.Повторите измерения по п.п. 1.5.8 – 1.5.9 при значении параметра K- factor = 50;

1.5.12.Объясните полученные результаты;

1.5.13.Повторите измерения п. 1.5.8 – 1.5.9 при отношении Eb/N0 =15 дБ в канале AWGN. Проанализируйте сигнальное созвездие на выходе канала

1.5.14.Проанализируйте полученные результаты

1.5.15.Остановите работу и закройте модель.

1.6. Исследование помехоустойчивости ЦСРС с BPSK в канале с «плоскими» замираниями 1.6.1. Установите параметры модели (таблица 7.4)

105

Таблица 7.4. – Параметры модели

Блок Bernoulli Binary Generator

Sample Time	1/100
Frame-based outputs	Флажок
Samples per frame	4
Output data type	double
Блок BPSK Modulator Baseband
Phase offset (rad)	pi
Output data type	double
Блок BPSK Demodulator Baseband
Phase offset (rad)	pi
Output data type	double
Блок AWGN Channel
Mode	Signal to noise ratio (Eb/N0)
Eb/N0	100
Number bits per symbol	1
Input Signal power…	1
Symbol period	0.01
Блок Multipath Rician Fading Channel
K- factor	10
Doppler schift (s) of line……	0.001
Initial phase (s)……	0
Maximum diffuse Doppler schift (Hz)	5
Doppler spectrum type	Jaces
Average path gain vector (s)	[0]
Normalise average path gain…..	[0]
Блок Discrete-Time Eye Diagram Scope
Samples per symbol	2
Offset (samples)	0
Symbol per trace	1
Traces displayed	400
New points per display	10
Блок Discrete-Time Scatter PlotScope
Samples per symbol	4
Offset (samples)	0
Points displayded	400
New points per display	10
106

Блок Error Rate Calculation

Receive delay	0
Computation delay	0
Computation mode	Entre frame
Output data	Port
Параметры модели
Start	0.0
Stop	inf

1.6.2.Запустите модель;

1.6.3.Пронаблюдайте импульсную и частотную характеристики канала.

1.6.4.Проанализируйте фазовую характеристику сигнала.

1.6.5.Определите максимальное расширение доплеровского спектра.

1.6.6.Проанализируйте изменения сигнального созвездия и глаз-диаграммы на выходе канала.

1.6.7.Проведите оценку изменений коэффициента ошибок в процессе работы модели (в течение 4 -5 минут);

1.6.8.Пронаблюдайте сигнальное созвездие при отношении сигнал/шум в канале AWGN, равном 10 дБ.

1.6.9.Остановите работу модели;

1.6.10.Объясните полученные результаты.

2. Содержание отчета по лабораторной работе

1.Схемы исследуемых моделей ЦСРС;

2.Результаты исследований в виде таблиц и графиков;

3.Выводы по результатам исследований.

3. Контрольные вопросы

1.Поясните особенности моделирования телекоммуникационных устройств в

MATLAB/Simulink.

2.Какие замирания называются плоскими?

3.Какие замирания называются частотно – селективными?

4.При каких значениях параметров ЦСРС и канала наблюдаются плоские замирания?

5.При каких значениях параметров ЦСРС и канала наблюдаются частотно - селективные замирания?

6.Поясните физическую суть эффекта Доплера.

7.Каким соотношением связаны скорость передвижения и максимальный Допплеровский сдвиг частоты?

8.Поясните, каким образом изменяются сигнальные созвездия и глаз – диаграммы при наличии замираний в радиоканале?

107

9.Поясните, что понимается под импульсной характеристикой канала с замираниями?

10.Поясните закон распределения Райса

11.При каких условиях возникают замирания Райса?

12.Поясните закон распределения Райса.

13.Какие числовые характеристики многолучевых каналов с замираниями Вы знаете?

14.Поясните модель Кларка для эффекта Доплера.

2.8.Лабораторная работа № 8 «Исследование влияния эффекта Доплера на помехоустойчивость ЦСРС в каналах с замираниями»

Цель работы:

1.Изучение явления эффекта Доплера;

2.Исследование влияния эффекта Доплера на помехоустойчивость ЦСРС в канале с «плоскими» замираниями;

3.Исследование влияния эффекта Доплера на помехоустойчивость ЦСРС в канале с «частотно-селективными» замираниями

Подготовка к работе:

1.По указанной литературе изучить принципы построения современных цифровых систем радиосвязи;

2.Подготовить бланк отчета по лабораторной работе;

3.Подготовить ответы на контрольные вопросы.

1. Теоретические сведения. Эффект Доплера

Доплер Кристиан (1803–1853),

австрийский физик и астроном, член Венской АН (1848 г.). Профессор политехнического института и университета в Вене. В 1842 г. теоретически обосновал зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения наблюдателя относительно источника колебаний.

Эффект Доплера описывает сдвиг частоты сигнала в зависимости от относительного движения источника и приемника. Так волна, посланная источ-

108

ником, который удаляется от приемника, будет приниматься им на меньшей частоте по сравнению с волной от неподвижного источника или от источника, приближающегося к приемнику.

Если же приемник приближается к неподвижному источнику, то частота принимаемой им волны будет больше по сравнению с неподвижным приемником или приемником, удаляющимся от источника, что наглядно поясняется рисунком 8.1.

Рисунок 8.1. – К объяснению эффекта Доплера

Источник волн перемещается налево. Тогда слева частота становится больше, а справа – меньше. Другими словами, если источник волн догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется – длина волны увеличивается.

ВАЖНО! Наличие эффекта Доплера в системах сотовой связи приводит к искажениям сигнала и ограничению скорости передвижения мобильного терминала.

Благодаря эффекту Доплера, астрономы установили, что вселенная расширяется – звёзды разбегаются друг от друга. С его помощью определяются параметры движения планет и космических аппаратов. Эффект Доплера лежит в основе радаров, с помощью которых гаишники определяют скорость автомобиля. Медики используют этот эффект для того, чтобы с помощью ультразвукового прибора отличить вены от артерий при проведении инъекций. Суть эффекта Доплера поясняется рисунками 8.2 и 8.3.

109

Сущность явления

Рисунок	8.2.	3	К и НСРС (Б.Н.Маглицкий)	4
			Рисунок 8.3.
К и НСРС (Б.Н.Маглиц ий)
Сущность эффекта Доплера			Сущность эффекта Доплера

В общем случае

ω = ω0 [(1 ± (u /c))/(1 ± v/c)]

(8.1)

2. Выполнение лабораторной работы

2.1. Проведите оценку влияния эффекта Доплера на помехоустойчивость системы связи с BFSK, собрав модель, приведенную на рисунке 8.4

M-FSK

	Modulator	Manual
	Baseband	Switch
Bernoulli			AWGN
Binary	2 - FSK
			Channel
Generator
	M-FSK		M-FSK
	Modulator
			Demodulator
	Baseband
			Baseband
		Multipath
	2 - FSK	Rayleigh	2 - FSK
		Fading
		Channel
		1	2
		Zero-Order	Matrix
			Concatenate
		Hold
	Tx Rx		B-FFT
	Error
	Rate	Display	Spectrum
	Calculation
			Scope

Рисунок 8.4. – Модель системы связи с BFSK

110

Zero-Order

Hold