SYMULACJA KOMPUTEROWA SYSTEMÓW ZASADY ZALICZENIA I TEMATY PROJEKTÓW Rok akademicki 2015 / 2016 Spośród zaproponowanych poniżej tematów projektowych należy wybrać jeden i zrealizować go korzystając albo ze środowiska MATLAB, albo z języka Python. Dwie osoby nie mogą realizować tego samego tematu korzystając z tej samej technologii. Istnieje możliwość zaproponowania swojego własnego wymyślonego tematu, ale należy go wcześniej skonsultować z nauczycielem prowadzącym daną grupę projektową. Projekt obejmuje dwie części: A) wygenerowanie sygnału dyskretnego określonego w projekcie, obliczenie jego widma i przedstawienie wyników w formie graficznej, B) dokonanie demodulacji lub detekcji sygnału wygenerowanego w części A (metodę detekcji i demodulacji należy dobrać zgodnie ze specyfikacją projektu) wraz z prezentacją graficzną uzyskanych przebiegów i widm sygnałów. Szczegółowe wymagania (gwiazdka oznacza zadania nieobowiązkowe): Kody źródłowe powinny być czytelne, logicznie zorganizowane oraz zaopatrzone w komentarze. Zakres wprowadzanych danych przez użytkownika powinien być każdorazowo sprawdzany, tak by nie spowodować przekroczenia parametrów narzuconych w projekcie. Symulacja powinna być przeprowadzona w kanale: AWGN lub z użyciem innego typu szumu (np. kolorowy) dla zadanego SNR; w sprawozdaniu należy analitycznie wyznaczyć wariancję szumu oraz zamieścić numerycznie obliczony wejściowy stosunek sygnału do szumu, z propagacją wielodrogową z przynajmniej dwiema drogami propagacji (bezpośrednio i po odbiciu od jednej przeszkody). Dla obliczenia charakterystyk należy wprowadzić losową wartość opóźnienia i tłumienia sygnału odbitego z odpowiednio zadanym prawdopodobieństwem. Należy dokonać filtracji sygnału z szumem w paśmie częstotliwości zajmowanym przez sygnał użyteczny (filtracji należy dokonać w dziedzinie czasu). Symulację demodulacji wykonują studenci, którzy wygenerowali sygnał zmodulowanym sygnałem ciągłym. Symulację detekcji wykonują studenci, którzy wygenerowali sygnały cyfrowe w systemach komunikacyjnych i sygnały w systemach echolokacyjnych. Jeżeli wygenerowane sygnały są wąskopasmowe, można dodatkowo zasymulować działanie odbiornika z przemianą częstotliwości. W każdym wypadku należy wyznaczyć wyjściowy stosunek sygnału do szumu. Należy dodatkowo obliczyć rozkłady gęstości prawdopodobieństwa szumu i sygnału z szumem na wyjściu odbiornika. Studenci, którzy stosują detekcję progową, umożliwiają zmianę progu detekcji. Wyznaczyć prawdopodobieństwo błędów transmisji w funkcji wejściowego stosunku sygnału do szumu, a dla systemów echolokacyjnych prawdopodobieństwo detekcji i fałszywego alarmu. Sprawozdanie powinno być wykonane z najwyższą starannością. Sprawozdanie winno zawierać analityczny zapis sygnału, jego formę dyskretną, przykładowe dane, odpowiednie zobrazowania dla tych danych. 1
Sprawozdanie winno zawierać analityczny opis operacji na sygnale oraz zobrazowania po poszczególnych krokach przetwarzania sygnału. Wydruk wszystkich skryptów należy także załączyć do sprawozdania. Wyniki powinny być przedstawione w formie graficznej: przebieg sygnału w funkcji czasu (wybrany fragment): transmitowanego do kanału, odbieranego z kanału, modulującego, po demodulacji. Dla sygnałów zespolonych oddzielnie wykresy części urojonej, rzeczywistej, modułu oraz fazy chwilowej. widmo amplitudowe sygnału w funkcji częstotliwości, spektrogramy w złączonej dziedzinie czas-częstotliwość, histogramy wybranych rozkładów oraz wybrane korelogramy, wykresy oczkowe i diagramy konstelacji dla symulacji komunikacji cyfrowej, wykres częstotliwości chwilowej dla sygnałów monokomponentowych. Wykresy powinny zawierać tytuły, opisy osi, zaznaczone jednostki, a osie powinny być wyskalowane w odpowiednich jednostkach. Dla projektów realizowanych w Pythonie należy sporządzić diagram klas, jeżeli kod zawiera ich opis i implementacje. Podczas odbioru projektu oceniane będą takie elementy, jak: złożoność wybranego projektu, stopień spełnienia wyszczególnionych wymagań, GUI dla projektów realizowanych w MATLABie, zastosowanie programowania obiektowe w Pythonie (implementacja własnych klas). Lista tematów projektowych, na którą powinni się wpisywać studenci, znajduje się w sekretariacie Katedry Systemów Elektroniki Morskiej w sali 747 na siódmym piętrze starego gmachu Wydziału ETI. Wpisywać się można w godzinach pracy sekretariatu 8.00 15.00 w dni robocze. 1 SYSTEMY KOMUNIKACYJNE 1.1 Transmisja w paśmie podstawowym - wynikiem przetwarzania sygnałów na wyjściu odbiornika są transmitowane dane cyfrowe (zadania na zaliczenie, wymagane GUI MATLAB albo programowanie obiektowe Python) PROJ 1: Impulsowy sygnał unipolarny z kontrolą parzystości. (dane nadajnika: czas trwania pojedynczego PROJ 2: Impulsowy, unipolarny sygnał siedmiobitowy z kodem Hamminga. (dane nadajnika: czas trwania pojedynczego impulsu, całkowita liczba dziesiętna). 2
PROJ 3: Impulsowy sygnał bipolarny z kontrolą parzystości. (dane nadajnika: czas trwania pojedynczego PROJ 4: Impulsowy, bipolarny sygnał siedmiobitowy z kodem Hamminga. (dane nadajnika: czas pojedynczego trwania impulsu, całkowita liczby dziesiętna). 1.2 Transmisja w ograniczonym paśmie częstotliwościowym - zwykłe próbkowanie w odbiorniku 1.2.1 Sygnały z modulacją cyfrową - wynikiem przetwarzania sygnałów na wyjściu odbiornika są transmitowane dane cyfrowe PROJ 5: Ciąg impulsów sinusoidalnych z kluczowaniem amplitudy. (dane: częstotliwość nośna, czas trwania PROJ 6: Ciąg impulsów sinusoidalnych z kluczowaniem amplitudy i kontrolą parzystości. (dane: częstotliwość, czas trwania PROJ 7: Siedmiobitowy ciąg impulsów sinusoidalnych, z kodem Hamminga i kluczowaniem amplitudy. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, cztery liczby dziesiętne. PROJ 8: Ciąg impulsów sinusoidalnych z kluczowaniem częstotliwości. (dane: częstotliwość nośna, czas trwania PROJ 9: Ciąg impulsów sinusoidalnych z kluczowaniem częstotliwości i kontrolą parzystości. (dane: częstotliwość, czas trwania 3
PROJ 10: Siedmiobitowy ciąg impulsów sinusoidalnych z kodem Hamminga i kluczowaniem częstotliwości. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, cztery liczby dziesiętne). PROJ 11: Ciąg impulsów sinusoidalnych z kluczowaniem fazy. (dane: częstotliwość nośna, czas trwania impulsu, wyraz pięcioliterowy). PROJ 12: Ciąg impulsów sinusoidalnych z kluczowaniem fazy i kontrolą parzystości. czas trwania (dane: częstotliwość, PROJ 13: Siedmiobitowy ciąg impulsów sinusoidalnych z kodem Hamminga i kluczowaniem fazy. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, cztery liczby dziesiętne). PROJ 14: Ciąg impulsów sinusoidalnych MFSK. (dane: częstotliwość nośna, czas trwania impulsu, wyraz pięcioliterowy). PROJ 15: Ciąg impulsów MFSK i kontrolą parzystości. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, wyraz pięcioliterowy). PROJ 16: Ciąg impulsów siedmiobitowch MFSK z kodem Hamminga. impulsu, cztery liczby dziesiętne). (dane: częstotliwość, czas trwania PROJ 17: System QAM (kwadraturowa modulacja amplitudowo-fazowa) (dane według wymagań systemowych). 4
1.2.2 Sygnały z modulacją ciągłą - wynikiem przetwarzania sygnałów na wyjściu odbiornika jest dyskretny sygnał modulujący PROJ 18: Sygnał z sinusoidalną modulacją amplitudy AM. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego, głębokość modulacji). PROJ 19: Sygnał z sinusoidalną dwuwstęgową modulacją amplitudy DSB. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego). PROJ 20: Sygnał z sinusoidalną jednowstęgową modulacją amplitudy SSB. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego). PROJ 21: Sygnał z sinusoidalną modulacją częstotliwości FM. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego, dewiacja częstotliwości). PROJ 22: Sygnał z sinusoidalną modulacją fazy PM. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego, dewiacja fazy). PROJ 23: Sygnał z kwadraturową modulacją amplitudy. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwości sygnałów modulujących, amplitudy sygnałów modulujących). 1.3 Transmisja w ograniczonym paśmie częstotliwościowym - próbkowanie kwadraturowe w odbiorniku 1.3.1 Sygnały z modulacją cyfrową - wynikiem przetwarzania sygnałów na wyjściu odbiornika są transmitowane dane cyfrowe PROJ 24: Ciąg impulsów sinusoidalnych z kluczowaniem amplitudy. (dane: częstotliwość nośna, czas trwania 5
PROJ 25: Ciąg impulsów z kluczowaniem amplitudy i kontrolą parzystości. (dane: częstotliwość, czas trwania PROJ 26: Ciąg impulsów siedmiobitowch z kodem Hamminga i kluczowaniem amplitudy. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, cztery liczby dziesiętne). PROJ 27: Ciąg impulsów sinusoidalnych z kluczowaniem częstotliwości. (dane: częstotliwość nośna, czas trwania PROJ 28: Ciąg impulsów z kluczowaniem częstotliwości i kontrolą parzystości. trwania (dane: częstotliwość, czas PROJ 29: Ciąg impulsów siedmiobitowch z kodem Hamminga i kluczowaniem częstotliwości. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, cztery liczby dziesiętne). PROJ 30: Ciąg impulsów sinusoidalnych z kluczowaniem fazy. (dane: częstotliwość nośna, czas trwania impulsu, wyraz pięcioliterowy). PROJ 31: Ciąg impulsów z kluczowaniem fazy i kontrolą parzystości. (dane: częstotliwość, czas trwania PROJ 32: Ciąg impulsów siedmiobitowch z kodem Hamminga i kluczowaniem fazy. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, cztery liczby dziesiętne). 6
PROJ 33: Ciąg impulsów sinusoidalnych MFSK. (dane: częstotliwość nośna, czas trwania impulsu, wyraz pięcioliterowy). PROJ 34: Ciąg impulsów MFSK i kontrolą parzystości. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, wyraz pięcioliterowy). PROJ 35: Ciąg impulsów siedmiobitowch MFSK z kodem Hamminga. impulsu, cztery liczby dziesiętne). (dane: częstotliwość, czas trwania 1.3.2 Sygnały z modulacją ciągłą - wynikiem przetwarzania sygnałów na wyjściu odbiornika jest dyskretny sygnał modulujący PROJ 36: Sygnał z sinusoidalną modulacją amplitudy AM. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego, głębokość modulacji). PROJ 37: Sygnał z sinusoidalną dwuwstęgową modulacją amplitudy DSB. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego). PROJ 38: Sygnał z sinusoidalną jednowstęgową modulacją amplitudy SSB. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego). PROJ 39: Sygnał z sinusoidalną modulacją częstotliwości FM. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego, dewiacja częstotliwości). 7
PROJ 40: Sygnał z sinusoidalną modulacją fazy PM. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwość sygnału modulującego, amplituda sygnału modulującego, dewiacja fazy). PROJ 41: Sygnał z kwadraturową modulacją amplitudy. (dane: częstotliwość nośna, częstotliwości sygnałów modulujących, amplitudy sygnałów modulujących). 2 SYSTEMY ECHOLOKACYJNE 2.1 Impulsowe sygnały sondujące - próbkowanie zwykłe PROJ 42: Impuls sinusoidalny o obwiedni prostokątnej. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu, zasięg). PROJ 43: Sygnał impulsowy z liniową modulacją częstotliwości. Odbiornik korelacyjny. (dane: częstotliwość środkowa, szerokość widma, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu zasięg). PROJ 44: Sygnał impulsowy z liniową modulacją częstotliwości. Odbiornik dopasowany w dziedzinie częstotliwości. (dane: częstotliwość środkowa, szerokość widma, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu zasięg). PROJ 45: Sygnał impulsowy z hiperboliczną modulacją częstotliwości. Odbiornik korelacyjny (dane: częstotliwość środkowa, szerokość widma, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu zasięg). PROJ 46: Sygnał impulsowy z hiperboliczną modulacją częstotliwości. Odbiornik dopasowany w dziedzinie częstotliwości. (dane: częstotliwość środkowa, szerokość widma, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu zasięg). 8
2.2 Impulsowe sygnały sondujące - próbkowanie kwadraturowe PROJ 47: Impuls sinusoidalny o obwiedni prostokątnej. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu, zasięg; wyniki na wyjściu odbiornika: obwiednia sygnału, opóźnienie). PROJ 48: Sygnał impulsowy z liniową modulacją częstotliwości. Odbiornik korelacyjny. (dane: częstotliwość środkowa, szerokość widma, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu zasięg). PROJ 49: Sygnał impulsowy z liniową modulacją częstotliwości. Odbiornik dopasowany w dziedzinie częstotliwości. (dane: częstotliwość środkowa, szerokość widma, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu zasięg). PROJ 50: Sygnał impulsowy z hiperboliczną modulacją częstotliwości. Odbiornik korelacyjny. (dane: częstotliwość środkowa, szerokość widma, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu zasięg). PROJ 51: Sygnał impulsowy z hiperboliczną modulacją częstotliwości. Odbiornik dopasowany w dziedzinie częstotliwości. (dane: częstotliwość środkowa, szerokość widma, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu zasięg). 2.3 Systemy echolokacyjne z pomiarem prędkości celu PROJ 52: System z sinusoidalną falą ciągłą. (dane: częstotliwość, odległość celu, siła celu, prędkość; wynik na wyjściu odbiornika: prędkość celu). PROJ 53: System z impulsem sinusoidalnym o obwiedni prostokątnej. (dane: częstotliwość, czas trwania impulsu, odległość celu, siła celu, prędkość celu, zasięg; wyniki na wyjściu odbiornika: obwiednia sygnału, prędkość celu). 9
PROJ 54: System z okresową falą ciągłą i liniową modulacją częstotliwości (piłowową). Metoda detekcji: mnożenie sygnału sondującego, transformacja Fouriera. (dane: częstotliwość nośna, szerokość widma, czas trwania okresu, odległość celu, siła celu, prędkość celu, zasięg; wyniki na wyjściu odbiornika: odległość celu, prędkość celu). PROJ 55: System z okresową falą ciągłą i liniową modulacją częstotliwości (trójkątną). Metoda detekcji: mnożenie sygnału sondującego, transformacja Fouriera. (dane: częstotliwość nośna, szerokość widma, czas trwania okresu, odległość celu, siła celu, prędkość celu, zasięg; wyniki na wyjściu odbiornika: odległość celu, prędkość celu). Studenci mogą zaproponować własne tematy, o stopniu złożoności podobnym do podanych wyżej. Tematy nie mogą się dublować z programami opracowanymi w ramach innych przedmiotów. Propozycje własnych tematów proszę składać w terminie wyboru tematów. Niniejszy opis został wygenerowany przy pomocy skryptu Pythonowego. 10