 |
Упражнение. Демонстрация
|
|
|
|
Упражнение
В следующем упражнении мы создадим ВП для выполнения модуляции случайного потока бит по схеме 16-QAM. Кроме того, мы исследуем влияние таких параметров, как скорость передачи символов и частота несущей, и проанализируем результаты в частотной области.
1) Откройте ВП channel_width_QAM. Лицевая панель и часть блок-диаграммы уже созданы.
2) Выберите меню Window> > Show Block diagram (CTRL-E) (Окно> > Показать Блок-диаграмму) для переключения на блок-диаграмму, которая показана на следующем рисунке:
Как видим, часть блок-диаграммы уже создана. Оставшиеся шаги заключаются в добавлении функциональных блоков.
3) Добавьте ВП Generate System Parameters («Сгенерировать Системные Параметры»), для чего перейдите в палитру All Functions> > Modulation> > Digital> > Utility. В меню конфигуратора ВП выберите опцию QAM (M). В результате ВП должен соответствовать рисунку справа. Наконец, подсоедините входы “Samples per Symbol” («Число выборок на Символ») и “M-QAM (16)” к соответствующим элементам управления.
4) Добавьте ВП “Bit Generation” («Генерация Битов»), для чего перейдите в палитру All Functions> > Modulation> > Digital. Присоедините входы “error in” 
(«вход ошибки») и “bits to generate” («кол-во бит для генерации»). Затем, выход логической функции «ИЛИ» присоедините к входу “reset” («сброс»).
5) Добавьте ВП “Generate Filter Coefficients” («Сгенерировать Коэффициенты Фильтра») из палитры All Functions > > Modulation > > Digital > > Utility. Присоедините входы “error in”, “filter parameter”(«параметр фильтра»), “filter length” («длина фильтра»), “pulse shaping” фильтр, “modulation type” («тип модуляции») и оба входа “samples per symbol” к соответствующим элементам управления.
6) Добавьте ВП “Modulate QAM” («Выполнить модуляцию QAM») из палитры All Functions> > Modulation> > Digital> > Modulation. Присоедините вход “Symbol Rate” («Скорость передачи символов») к соответствующему элементу управления. Значения для входов “Filter Parameters” и “Bitstream” («Поток данных») должны поступать от ВП “Generate System Parameters” и “Bit Generation” соответственно. Наконец, подсоедините вход “pulse shaping filter coefficients” («Коэффициенты формирующего фильтра») от предыдущего ВП.
|
|
|
7) Добавьте ВП “Upconversion” («Обратное преобразование») из меню All Functions> > Modulation> > Digital. Присоедините вход “carrier frequency” («частота несущей») к соответствующему элементу управления. Вход “reset” должен быть присоединён к выходу логической функции «ИЛИ». Наконец, на вход “complex waveform” («комплексный сигнал») необходимо подать данные с выхода ВП “Modulate QAM”. Кроме того, присоедините выход “Waveform” («Сигнал») к графическому индикатору “Upconverted Waveform” («Сигнал, преобразованный с повышением частоты»).
8) Затем добавьте экспресс-ВП “Spectral Measurements” («Спектральные измерения») из палитры Express> > Signal Analysis. Мы будем использовать установки по умолчанию, поэтому выберите “OK”, чтобы закрыть диалоговое окно. Для того чтобы сохранить место на блок-диаграмме, щелкните правой кнопкой мыши по ВП и выберите в контекстном меню опцию «View as Icon».
Соедините вход “Signals” с выходом “Waveform” предыдущего ВП. Потом соедините выход “FFT (RMS)” с терминалом “FFT - (RMS)” графического индикатора на блок-диаграмме.
9) Добавьте ВП “Format Constellation Graph” («Сформировать данные для графика Созвездие») из меню All Functions> > Modulation> > Digital> > Visualization. Присоедините входы “samples per symbol”, “autoscale” и “constellation reference” к соответствующим элементам управления. Присоедините линию ошибок. На вход “waveform” подайте значение с выхода ВП “Modulate QAM”. Наконец, выход ВП присоедините к графическому индикатору “Constellation Plot” («Схема Созвездие»). Теперь блок-диаграмма полностью создана и должна совпадать с показанной ниже:
|
|
|
Демонстрация
Чтобы показать факторы, влияющие на ширину канала, мы запустим ВП и будем изменять различные параметры.
1) Запустите ВП и переключитесь на вкладку “Spectral Analysis (FFT)” («Спектральный Анализ (БПФ)»). По умолчанию ВП использует частоту несущей 1 ГГц и скорость передачи символов 500 МГц. Кроме того, в качестве формирующего фильтра выбран “Raised Cosine”. Благодаря этим установкам, вы увидите относительно широкий канал (с шириной 1 ГГц) с центральной частотой 1 ГГц.
2) Чтобы увидеть влияние фильтрации на ширину канала, установите для элемента управления “pulse shaping” значение “none” и понаблюдайте за результатами. Вы заметите (на вкладке “Spectral Analysis”), что резкие переходы в несущей являются причиной множества высокочастотных пиков.
3) Теперь, измените фильтр обратно на Raised Cosine, чтобы высокочастотные пики отфильтровались. Затем измените символьную скорость с 500 МГц до 100 МГц. Видно, что ширина полосы модулированной несущей уменьшилась приблизительно до 150 МГц. Обратите внимание, что скорости передачи символов, использованные здесь, крайне высоки по сравнению со скоростями, используемыми в общепринятых стандартах. Это сделано специально, чтобы сократить время обработки.
Заключение:
Таким образом, взаимосвязь между скоростью передачи символов и шириной полосы канала можно увидеть в частотной области несущего сигнала. Несмотря на то, что более высокие скорости передачи символов означают более высокие скорости передачи данных, они в то же время требуют более широкой полосы частот, ограничивая полное число каналов.
2. 9 Влияние Шума Канала на М-арность
Введение:
Эта демонстрационная программа предназначена для того, чтобы проиллюстрировать влияние шума в канале на M-арность в схемах QAM модуляции. Пользователь может ввести ASCII текст в поле “Message to Send”. Программа преобразует этот текст в поток битов, произведет модуляцию несущей волны с использованием схемы QAM модуляции, добавит сымитированный шум в канале, а затем выполнит процесс демодуляции и восстановит исходный ASCII текст. Кроме того, пользователь может выбрать M-арность QAM модуляции и установить уровень шума в физическом канале. В результате эффективность восстановления может быть оценена наблюдением за символами в созвездии и точностью демодулированной строки. С помощью этой программы, пользователи могут выбрать QAM модуляцию с M, равным 4, 8, 16, 32, 64, 128 и 256. Лицевая панель программы показана ниже:
|
|
|
QAM в Промышленности:
Так как при использовании QAM модуляции возможно кодирование большого количества символов, становятся доступны более быстрые потоки данных, чем при других схемах модуляции, таких как PSK, ASK и OOK. Поэтому различные протоколы связи используют QAM модуляцию. К таким протоколам относятся, например, 802. 11b (WiFI) и DVB. Кроме того, новые беспроводные технологии, такие как WiMAX, 802. 11n и HSDPA/HSUPA (новый стандарт сотовой связи) применяют QAM. Таким образом, понимание QAM модуляции важно из-за её широкого применения в существующих и возникающих технологиях.
Основы QAM Модуляции:
Каждый символ на символьной карте QAM или точечном графике имеет отличную от других фазу и амплитуду. Кроме того, M-арность схемы модуляции задает количество символов на символьной карте. Например, 4-QAM имеет на символьной карте 4 символа, а 256-QAM – 256 символов. На созвездии справа находятся 4 символа. Здесь белые точки отображают позиции символов, а красные линии отображают переход фазы и амплитуды от одного символа к другому. Обратите внимание на битовое выражение для каждого символа. Как видим, каждый символ может быть представлен уникальной фазой (Θ ) и амплитудой (A). Более того, цифровая модуляция включает в себя передачу цифровой информации с помощью постоянного изменения фазы и амплитуды несущей синусоидальной волны.
 |
Когда QAM модуляция используется передатчиком, фаза и амплитуда несущей волны изменяются во времени, осуществляя передачу цифровых данных. Предположим, мы используем 4-QAM модуляцию, чтобы передать поток битов: (1, 0, 0, 1, 1, 1). Поскольку существует ровно 4 комбинации фазы и амплитуды несущей волны, каждый символ представляет 2 бита информации. Таким образом, биты сгруппированы парами, так что они могут отображаться соответствующими символами. Начальный битовый поток, (1, 0, 0, 1, 1, 1), сгруппирован в три символа (10, 01, 11). Ниже показана модулированная волна (без формирующей импульсы фильтрации), каждый символ представлен одним периодом модулированного носителя. Видно, что цифровая информация передается путем изменения фазы и амплитуды несущего сигнала.
|
|
|
|
|
|
Влияние Шума в канале связи:
Очевидно, чем больше символов используется в схеме модуляции (больше M), тем больше битов определяют каждый символ. Таким образом, большее значение M увеличивает скорость потока данных. Тем не менее, при повышении M возникают значительные проблемы. Вспомните, что приемник должен обнаруживать каждое изменение в фазе и амплитуде несущей. Таким образом, при увеличении шума в канале, обнаружение точной фазы и амплитуды носителя становится более затруднительным. С небольшим количеством символов точное отображение фазы и амплитуды символов не так важно. А при большой M разница в фазе и амплитуде между символами становится все меньше и меньше. Таким образом, влияние такого фактора, как соотношение сигнал-шум, становится более значительным. В текущей демонстрации мы оценим приемлемое соотношение между M-арностью и канальным шумом.
Демонстрация:
Для просмотра демонстрации следуйте перечисленным ниже указаниям:
1) Запустите демонстрационную версию QAM модуляции и выберите схему модуляции 64-QAM
2) Установите “Symbol to Noise Ratio” равным 100 (нет шума). На рисунке ниже созвездие показывает, что каждый символ расположен точно на соответствующей позиции. Кроме того, даже через несколько итераций процесса модуляции/демодуляции каждый символ остается в приблизительно том же месте на графике. Оба эти фактора говорят о том, что система имеет сравнительно низкий канальный шум. В результате текст, введенный в поле“Message to Send”, точно отображается в поле “Demodulated String”. Если эти строки неодинаковы, нажмите на кнопку “Reset”, чтобы перезагрузить параметры формирующего фильтра.
|
|
|
|
|
4) Далее увеличивайте уровень шума до тех пор, пока демодулированная строка не станет пустой. В этом случае мы можем сказать, что демодулированный поток битов не соответствует начальному. Кроме того, вы увидите, что созвездие (показано справа) оказывается повернутым. Это происходит потому, что информацию о фазе несущего сигнала невозможно определить правильно из-за фазового шума. Таким образом, можно видеть, что значительный канальный шум препятствует алгоритмам демодуляции для правильного отображения IQ данных.
Решением этой проблемы может быть использование символьной карты с меньшим количеством символов. И хотя это уменьшает производительность канала, зато делает системы связи более устойчивыми к шуму. Используя меньшее количество символов, проще делать различия между ними даже при значительном фазовом шуме.
5) Напоследок изменим схему модуляции на 4-QAM и нажмем на кнопку Reset для перезапуска фильтра. Как можно видеть на графике справа, каждое измерение все еще подвержено канальному шуму. Тем не менее, поскольку различия фазы между каждыми символами значительны, каждое измерение может быть точно преобразовано в соответствующий символ. В результате, начальная и демодулированная строки одинаковы.
|
|
|
