Podstawowe modele kanałów telekomunikacyjnych. Przepustowości kanałów ciągłych i dyskretnych

Transkrypt

1 INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI ZAKŁAD RADIOKOMUNIKACJI Instrukcja laboratoryjna z przedmiotu Podstawy Telekomunikacji Podstawowe modele kanałów telekomunikacyjnych Przepustowości kanałów ciągłych i dyskretnych Warszawa 21r.

2

3 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 (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

4 Analiza transmisji danych realizowana jest w oparciu o sygnał analityczny, który można przedstawić w postaci ogólnej: gdzie: () t ( t) I( t) jq( t) x = +. (1) I część rzeczywista sygnału zwana składową kwadraturową, Q () t 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

5 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

6 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 sygnał składa się z samych (bitów ), 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: 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 F m ; wartość zadana przez prowadzącego ćwiczenie,

7 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

8 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 E b przypadającej na jeden bit do gęstości widmowej mocy szumu N, w programie wyrażany w db (decybelach); parametr ten będzie przestrajany w zakresie określonym przez prowadzącego ćwiczenie, z krokiem 1dB; miara E b N 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.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)

9 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. 1. 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).

10 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

11 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 A w wykresie oczkowym: A M =. (2) A Ponieważ A i A traktowane są jako wielkości o charakterze amplitudowym, M w mierze logarytmicznej (wyrażana w decybelach) definiowana jest jako: A A [ ] M db = 2 log = 1 2 log. (3) A A Wielkości A i 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 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 A, który wyświetlany jest w sąsiedniej ramce I (rys. 14).

12 Rys. 14. Sposób wyznaczania wielkości A i A 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 P S do mocy szumów P N. W mierze liniowej SNR definiuje się wzorem: W PS W SNR = W P W. (4) Ponieważ N P S i P N są wielkościami o charakterze energetycznym, dlatego też w mierze logarytmicznej SNR definiowany jest jako: P W SNR. (5) [ ] ( [ ] ) S db = 1 log SNR W W = 1 log PN W W aplikacji WinIQSIM nie ma możliwości bezpośredniego pomiaru wartości SNR. Można natomiast określić wartość parametru E b N. Pomiędzy SNR a E b N zachodzi następująca relacja:

13 gdzie: Eb SNR[ db] = [ db] + 1 log K. (6) N = G log D. (7) K 2 G zysk kodowania (ang. Code Rate), D wartościowość modulacji. W trakcie ćwiczenia przeprowadzane są symulacje dla modulacji BPSK bez zastosowania kodowania nadmiarowego i wówczas: D = 2 K = 1, (8) G = 1 zatem dla analizowanego przypadku zachodzi równość SNR E =. (9) b [ db] [ db] N 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: gdzie: [ bit s] C[ b s] = F [ Hz] log 2 ( 1 SNR[ W W] ) C = m +, (1) F m 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 (1) podstawiana jest wartość SNR w mierze liniowej, wymaga to zatem przeliczenia SNR z miary logarytmicznej. W tym celu należy przekształcić zależność (5): [ W W] SNR 1 [ db] SNR = 1. (11)

14 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 A w funkcji miary SNR ( E b N ). 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 ( SNR[ db] ) sporządzić wykres [ kb/s] f ( M[ db] ) M = dla kanału liniowego na [Rys. W1], 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

15 Lp Tab. 2. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń dla kanału liniowego Kanał liniowy SNR A A M C [db] [W/W] [ ] [ ] [1] [db] [kb/s] 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 A w funkcji miary SNR ( E b N ). 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 ( SNR[ db] ) 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,

16 sporządzić wykres [ kb/s] f ( M[ db] ) Lp C = dla kanału dyspersyjnego na [Rys. W2]. Tab. 3. Parametry promieni dla modelu kanału dyspersyjnego Opóźnienie τ [Tsym] Tłumienie L [db] Faza Φ [º] Delay [Tsym] Level [db] Phase [º] Lp Tab. 4. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń dla kanału dyspersyjnego Kanał dyspersyjny SNR A A M C [db] [W/W] [ ] [ ] [1] [db] [kb/s] 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

17 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 ( SNR[ db] ) 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. Lp Tab. 5. Wpływu kształtowania struktury widmowej sygnału na jakość transmisji w kanałach liniowych Kanał liniowy Filtr prostokątny Filtr gaussowski Filtr gaussowski BT =. BT =. SNR A A M SNR A A M SNR A A M [db] [ ] [ ] [db] [db] [ ] [ ] [db] [db] [ ] [ ] [db] B = B = B =

18 5. Wnioski