主要特性

  • 用于设计通信系统物理层(包括信道编码、调制、OFDM、MIMO、均衡和同步)的算法
  • 分析工具和测量示波器,包括误码率应用、星座图和眼图
  • 信道模型,包括 AWGN、多径瑞利衰落、赖斯衰落、MIMO 多径衰落以及 LTE MIMO 多径衰落
  • 基本 RF 损伤模型,包括非线性、相位噪音、热噪音以及相位和频率偏移
  • 用于连接波形与无线电设备和通过无线传播测试验证设计的硬件支持包
  • 用于计算密集型算法(如 Turbo、LDPC 和 Viterbi 解码器)的支持 GPU 的算法
  • 对定点建模以及 C 和 HDL 代码生成的支持

端到端仿真

Communications System Toolbox 支持对通信系统的链路级模型进行仿真。通过仿真,您可以分析系统对通信信道中固有的噪音和干扰的响应情况,探索假设场景,评估相互竞争的系统架构和参数之间的权衡,以及获取预期的性能度量用以评估设计的实际实现情况。

通信系统的物理层为更高通信层生成的数据提供传输支持。物理层模型由三部分组成:

  • 基带发射机和接收机运算
  • 信道模型和 RF 损伤
  • 特征化系统性能的度量和方法

Communications System Toolbox 为细化物理层模型的三个组成部分提供了一整套算法和工具。该系统工具箱还包括众多通信标准示例,如 802.11 (Wi-Fi)、802.16 (WiMAX)、DVB.S2、蓝牙和 ATSC 数字电视。这些标准示例阐明了如何使用该系统工具箱的算法和工具有效地对真实通信系统进行建模和仿真。

Communications System Toolbox 中的每种算法都带有一个明确定义的参数集。您可以使用这些参数自定义物理层模型、将它们的性能与各种标准中指定模型的性能进行匹配,或将它们用作新系统和创新型系统的构建基块。

该系统工具箱中提供的算法可作为 MATLAB 函数、系统对象和 Simulink 模块。例如,一种 OFDM 调制器算法可指定为一个系统对象或一个 Simulink 模块。同一算法的这两种表示形式具有相同的参数集,因此,使用相同输入变量执行它们时,它们会得出相同的数值结果。

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信道建模和 RF 损伤


信道建模

Communications System Toolbox 提供了用于对通信信道中通常存在的噪音、衰落、干扰和其他失真进行建模的算法和工具。该系统工具箱支持以下类型的信道:

Communications System Toolbox 还包括标准信道规格,如 LTE MIMO 信道COST 207、3GPP、ITU-R 3G、TU-R HF 和 GSM/EDGE 信道模型。该系统工具箱具有简明、可配置的参数集和信道模型,您可以对大多数通信信道进行准确的建模。

Communications System Toolbox 的 MIMO、瑞利和莱斯衰落信道内置有可视化工具,可显示信道脉冲响应、频率响应或多普勒频谱。借助这些工具,您可以在仿真期间观察大量无线传播现象的效应,包括多径散射效应、时间弥散以及发射机和接收机之间相对运动引起的多普勒频移。

Communications System Toolbox 衰落信道提供的内置可视化功能。信道脉冲响应(左)、频率响应(中)、多普勒频谱(右)。

RF 损伤

特征化通信系统的真实性能不仅要依赖准确的信道建模,还要依赖通信设备引入的损失效应。Communications System Toolbox 提供了许多 RF 损伤模型,其中包括:

例如,无记忆非线性算法具有多种非线性方法(三次多项式、双曲正切、Saleh、Ghorbani 和 Rapp)。通过使用该算法,您可以对传输端高功率放大器 (HPA)(用于在将调制信号传送到天线进行发射之前放大信号)进行建模。可以使用 SimRF 在设计中加入更复杂的 RF 损伤和 RF 电路模型。

RF 损伤效应可视化。左下和右下绘图分别为:引入非线性放大前后传输到高功率放大器 (HPA) 的输入和输出信号。左上:接收到的 I/Q 不平衡未得到补偿的信号。右上:已传输的和已接收的频谱。

硬件连接和软件定义无线电

通过使用 Communications System Toolbox 硬件支持包,您可以将发射机和接收机模型连接到外部无线电设备。此功能使您可以用实时无线电信号替换您的端到端模型中的仿真信道和损失,然后可以使用无线传播测试和软件定义无线电 (SDR) 实验来验证设计。

您可以通过以下方式执行无线电在环仿真:a) 在您的基带发射机模型中生成自定义波形,b) 使用 SDR 设备或仪器传输您的波形,c) 使用 SDR 设备或仪器捕获接收到的样本,以及 d) 在基带接收机模型内部处理接收到的样本。

您可以将支持的硬件用作所生成的比特流的无线电外设,还可以使用 HDL Coder 的自动化工作流程将自己的设计部署到 FPGA 中。Communications System Toolbox 支持以下无线电设备:

无线电在环仿真:硬件/仪器连接和 Communications System Toolbox 硬件支持包。您可以生成基带波形,向 RF 仪器和支持的 SDR 设备传输和从其接收实时无线电信号,以及使用无线传播测试来验证通信系统设计。

测量、分析和验证

通信系统的设计和仿真需要分析其对真实环境中不可避免的噪音和干扰的响应、使用图形和数量方法研究其行为并确定结果性能是否满足可接受的标准。

Communications System Toolbox 提供了几个以定量方式特征化系统性能的标准测量方法:

该系统工具箱还提供了可视化示波器,其中包括:

  • 用于提供各种失真(如定时抖动和码间串扰)如何影响系统性能的定性和视觉指示的眼图
  • 用于提供可用于在仿真环内执行流式 EVM 和 MER 测量的信号星座绘图的星座图

因为 BER 计算是任何通信系统特征化的基础,所以,Communications System Toolbox 提供了用于分析通信系统的 BER 性能的 BERTool 应用。 由于 EVM 和 MER 是接收信号和传输信道的重要质量指标,因此,它们的测量已整合在该系统工具箱的星座图示波器中。此外,ACPR 和 CCDF 测量也整合在 DSP System Toolbox 的频谱分析仪示波器中。

星座图示波器包括逐帧 EVM 和 MER 测量。 频谱分析仪示波器(左)、逐帧 ACPR 和 CCDF 测量(右)。

同步和接收机设计

为了实现信号正确恢复,无线接收机必须解决定时恢复、载波频率和相位偏移补偿、同步以及时域和频域均衡等问题。Communications System Toolbox 提供了本质上一般为自适应的同步和 RF 补偿算法,用于补偿 RF 接收机前端设计中的信道和 RF 损伤效应。同步算法包括:

Communications System Toolbox 提供了接收机前端参考设计,如 OFDM 同步RF 卫星链路端到端 QAM 仿真以及 QPSK 发射机和接收机 示例。这些示例展示了我们如何在接收机处理之前引入 RF 损伤,如多普勒频移、相位噪音、直流偏移和 I/Q 相位不平衡。作为接收机处理的一部分,之后您可以采用补偿技术(包括直流阻隔、AGC、IQ 不平衡补偿器以及频率和相位偏移补偿器)在接收机端来恢复出传输信号的最佳估算。

用于解决真实接收机设计问题的 QPSK 发射机和接收机方法,问题包括载波频率和相位偏移(左)、定时恢复(中)和帧同步(右)。

加速

MATLAB 转换为 C 代码、并行处理和 GPU 优化算法等技术使您能够显著加快通信模型的仿真速度。使用这些加速方法的综合效果可以将典型仿真加快一个数量级,同时还可以将运行仿真所需的时间从一整夜缩短至几小时。

GPU 加速 由 Parallel Computing Toolbox 提供的一种功能,使您可以使用计算机中的图形处理单元 (GPU) 硬件来加速仿真性能。使用 Communications System Toolbox 中 GPU 优化的系统对象时,您是在 GPU 上执行算法,而非 CPU。这种处理可加速仿真。

并行计算和云计算支持 由 Parallel Computing Toolbox 和 MATLAB Distributed Computing Server 提供的一种功能,使您可以通过同时用大量可用的 MATLAB 工作进程计算不同的算法迭代来利用服务器群和 Amazon EC2 Web 服务的计算能力。

MATLAB 转换为 C 代码MATLAB Coder 提供的一种可以加速仿真的功能,方法是在仿真期间锁定 MATLAB 变量的数据类型和大小并减少用于检查每行代码中的变量的大小和数据类型的交互式编程开销。

通信系统建模的三种仿真加速技术:MATLAB 转换为 C 代码、并行计算和 GPU 处理。

代码生成和实现


定点建模

许多通信系统使用的硬件需要设计的定点表示形式。Communications System Toolbox 通过可帮助您配置定点属性的工具,支持在所有相关模块和系统对象中进行定点建模。

该系统工具箱中的定点支持包括 1 到 128 位的字大小、任意放置二进制小数点、溢出处理方法(循环或饱和)和取整方法(ceiling、onvergent、floor、nearest、round、simplest 和 zero)。Fixed-Point Designer 中的定点工具简化了从浮点数据类型向定点数据类型转换的过程。对于定点属性的配置,该工具可跟踪溢出以及最大和最小值。


代码生成

一旦开发出算法或通信系统,即可由其自动生成 C 代码以用于验证、快速原型和实现。Communications System Toolbox 中的大多数系统对象、函数和模块可以使用 MATLAB Coder、Simulink CoderEmbedded Coder® 生成 ANSI/ISO C 代码。一部分系统对象和 Simulink 模块还可以生成 HDL 代码。若要利用现有的知识产权,可选择针对特定处理器体系结构进行优化并将已有的 C 代码与生成的代码合并起来。还可以生成浮点和定点两种数据类型的 C 代码。


DSP 原型建立

DSP 在通信系统实现中用于验证、快速原型或最终硬件实现。使用 Embedded Coder 中提供的处理器在环 (PIL) 仿真功能,可以验证生成的源代码并在支持的目标处理器上运行算法。


FPGA 原型建立

FPGA 在通信系统中用于实现高速信号处理算法。通过使用 HDL Verifier 中提供的 FPGA 在环 (FIL) 功能,可以在真实硬件中针对任何现有 HDL 代码测试 RTL 代码。可以通过在目标处理器上运行算法的实现代码,来测试手动编写的代码或自动生成的代码。