Communications System Toolbox

Principales fonctionnalités

  • Algorithmes pour la conception de la couche physique des systèmes de communications (codage de la source et du canal, entrelacement, modulation, modèles de canal, MIMO, égalisation, synchronisation, etc.)
  • Objets Système compatibles GPU pour des algorithmes comportant des calculs intensifs tels que les décodeurs Turbo, LDPC et Viterbi
  • Application du périmètre de diagramme de l'œil et fonctions de visualisation pour les constellations et la diffusion du canal
  • Application Bit Error Rate (taux d'erreur binaire) pour comparer le taux d'erreur binaire d'un système avec les résultats de l'analyse
  • Modèles de canal (AWGN, évanouissement de Rayleigh par propagation par trajets multiples, évanouissement Ricien, évanouissement MIMO par propagation par trajets multiples, évanouissement LTE MIMO par propagation par trajets multiples, etc.)
  • Dégradations RF élémentaires (non-linéarité, bruit de phase, bruit thermique, décalages de phase et de fréquence, etc.)
  • Algorithmes disponibles sous forme de fonctions MATLAB, d’objets Système MATLAB et de blocs Simulink
  • Prise en charge de la modélisation en virgule fixe et de la génération de code C et HDL

Conception, caractérisation et visualisation de systèmes

La conception et la simulation d’un système de communications nécessite d’analyser la réponse de celui-ci au bruit et aux interférences inhérents aux environnements réels, en étudiant son comportement à l’aide d’outils graphiques et quantitatifs, et en déterminant si les performances obtenues respectent les normes d’acceptabilité.

Communications System Toolbox met en œuvre un ensemble de tâches pour la conception et la simulation des systèmes de communications. Un grand nombre de fonctions, d'applications, de System objects et de blocs de System Toolbox exécutent des calculs associés à un composant donné d’un système de communications (démodulateur ou égalisateur, par exemple).

Caractérisation de systèmes

System Toolbox offre plusieurs méthodes standard permettant de caractériser la performance des systèmes de manière quantitative :

  • les calculs du taux d’erreur binaire (BER)
  • les mesures du rapport de puissance du canal adjacent (ACPR)
  • les mesures de l’amplitude du vecteur d’erreur (EVM)
  • les mesures du taux d’erreur de modulation (MER)

Comme les calculs du BER jouent un rôle fondamental dans la caractérisation de tout système de communications, Communications System Toolbox fournit les outils et fonctionnalités ci-dessous, destinés à configurer les scénarios des tests BER et à accélérer les simulations BER.

Application Bit Error Rate Analysis (analyse du taux d'erreur binaire) (TEB) : Application permettant d'analyser la performance TEB des systèmes de communication. La performance peut être analysée selon plusieurs méthodes (basée sur la simulation, semi-analytique ou théorique).

Console de test du taux d’erreur : objet MATLAB qui exécute des simulations pour les systèmes de communications afin de mesurer la performance du taux d’erreur. Il prend en charge les points de tests définis par l’utilisateur et la génération de tracés et de surfaces de performance paramétrables. Des performances accélérées peuvent être obtenues lorsqu’il est exécuté sur une plate-forme de calcul multicœur.

Accélération multicœur et GPU : fonctionnalité offerte par Parallel Computing Toolbox qui permet d’accélérer les performances de la simulation à l’aide des composants multicœurs et GPU de votre ordinateur.

Prise en charge du calcul distribué et du cloud computing : fonctionnalités offertes par Parallel Computing Toolbox et MATLAB Distributed Computing Server, qui permettent d’exploiter la puissance de calcul de vos batteries de serveurs et du service Web Amazon EC2.

Visualisation des performances

System Toolbox offre les fonctionnalités suivantes, destinées à visualiser les performances des systèmes :

Outil de visualisation de canal : possibilité de visualiser les caractéristiques d’un canal d’évanouissement

Diagrammes de l’œil et nuages de points des constellations : possibilité d’appréhender de manière qualitative et visuelle le comportement d’un système afin de prendre les décisions initiales en matière de conception

Tracés de trajectoire du signal : représentation continue de la trajectoire du signal entre les points de décision

Tracés BER : visualisation de la performance BER quantitative d’une conception candidate, paramétrée par des métriques telles que le rapport signal/bruit (SNR) et la longueur de mots en virgule fixe

Outils de visualisation dédiés aux communications pour l'affichage et l’analyse des signaux à chaque point ou étape de votre modèle

Outils de visualisation dédiés aux communications pour l'affichage et l’analyse des signaux à chaque point ou étape de votre modèle Les représentations visuelles sont les suivantes (dans le sens des aiguilles d’une montre, depuis le haut à gauche) : Historique de la réponse d'impulsion du canal, diagrammes de l’oeil pour les signaux I/Q, tracé de la performance BER pour les résultats théoriques par rapport aux résultats simulés, nuage de points des signaux reçus

Modulation analogique et numérique

Les techniques de modulation analogique et numérique codent le flux d’informations sous la forme d’un signal adapté à la transmission. Communications System Toolbox fournit un grand nombre de fonctionnalités dédiées aux modulations et aux démodulations correspondantes. Ces fonctionnalités sont disponibles sous la forme de fonctions MATLAB, MATLAB System objects et de blocs Simulink.

Les types de modulation proposées par Communications System Toolbox sont les suivantes :

Modulation analogique : AM, FM, PM, SSB, DSBSC

Modulation numérique : FSK, PSK, BPSK, DPSK, OQPSK, MSK, PAM, QAM, TCM

Fonction MATLAB et modèle Simulink avec nuage de points (simulation de modulation 16 QAM)

Fonction MATLAB (à gauche) et modèle Simulink (à droite) avec nuage de points (simulation de modulation 16 QAM)

Codage de la source et du canal

Communications System Toolbox offre des fonctionnalités de codage de la source et du canal, qui permettent de développer et d’évaluer rapidement les architectures de communications en vue d’analyser des scénarios de simulation sans avoir à créer les fonctionnalités de codage à partir de zéro.

Codage de la source

Le codage de la source, également appelé quantification ou formatage du signal, est une méthode de traitement des données destinée à réduire la redondance ou à les préparer pour un traitement ultérieur. Communications System Toolbox fournit un ensemble de types d’algorithmes destinés à mettre en œuvre le codage et le décodage de la source, en particulier :

  • la
  • compression/expansion quantitative (loi µ et loi A)
  • la modulation de code d’impulsion différentielle (DPCM)
  • le codage Huffman
  • le codage arithmétique

Codage du canal

Pour combattre les effets de la corruption du bruit et du canal, System Toolbox propose des techniques de codage et de décodage convolutif et par blocs pour la mise en œuvre de la détection et de la correction d’erreurs. Pour la simple détection d’erreurs sans correction intrinsèque, une fonctionnalité de vérification de la redondance cyclique est également proposée. Les fonctionnalités de codage du canal proposées par Communications System Toolbox sont les suivantes :

  • codeur et décodeur BCH
  • codeur et décodeur Reed-Solomon
  • codeur et décodeur LDPC
  • codeur convolutif et décodeur de Viterbi
  • code en blocs espace-temps orthogonaux (OSTBC) (codeur et décodeur pour les canaux MIMO)
  • codeur Turbo et démonstrations de décodeur

Communications System Toolbox fournit des utilitaires permettant de créer votre propre codage de canal. Vous pouvez créer des polynômes et des coefficients générateurs, des tables de décodage par syndrome ainsi que des matrices de contrôle de parité et des matrices de générateur.

Communications System Toolbox propose également des fonctions d’entrelacement et de désentrelacement convolutif et par blocs, permettant de réduire les erreurs de données provoquées par les trains d’erreurs dans un système de communications :

Par blocs : entrelaceur général par blocs, algébrique, à balayage hélicoïdal, matriciel et aléatoire

,Convolutif : entrelaceur général multiplexé, convolutif et hélicoïdal

Modélisation du canal et Altérations RF

Modélisation du canal

Communications System Toolbox fournit des algorithmes et des outils pour la modélisation du bruit, de l’évanouissement, des interférences et des autres distorsions habituellement rencontrées dans les canaux de communications. Communications System Toolbox prend en charge les différents types de canaux suivants :

  • le bruit blanc additif gaussien (AWGN)
  • l’évanouissement entrée multiple sortie multiple (MIMO)
  • l’évanouissement entrée simple sortie simple (SISO), l’évanouissement ricien et l’évanouissement de Rayleigh
  • le canal binaire symétrique

Un objet de canal de MATLAB offre une mise en œuvre précise et configurable de modèles de canal permettant de spécifier des paramètres tels que :

  • les délais de chemin
  • les gains de chemin moyens
  • les effets Doppler maximaux
  • le facteur K pour les canaux d’évanouissement ricien
  • les paramètres du spectre Doppler

Pour les systèmes MIMO, l’objet de canal MIMO de MATLAB étend ces paramètres afin de couvrir également :

  • le nombre d’antennes de transmission (jusqu’à 8)
  • le nombre d’antennes de réception (jusqu’à 8)
  • la matrice de corrélation en transmission
  • la matrice de corrélation en réception
Modèle Simulink d’un système MIMO adaptatif avec des codes en blocs espace-temps orthogonaux (OSTBC)

Modèle Simulink d’un système MIMO adaptatif avec des codes en blocs espace-temps orthogonaux (OSTBC)

Altérations RF

Pour modéliser les effets d’un circuit frontal RF non idéal, vous pouvez introduire les altérations RF suivantes dans votre système de communications, de manière à pouvoir analyser et caractériser les performances avec des effets réels :

  • non-linéarité sans mémoire
  • décalage de phase et de fréquence
  • bruit de phase
  • bruit thermique

Vous pouvez inclure des interruptions RF et des modèles de circuit RF plus complexes dans votre conception à l’aide de SimRF.

nuage de points idéal 16 QAM altéré par un décalage de phase et un décalage de fréquence

Nuage de points idéal 16 QAM (à gauche) altéré par un décalage de phase (au centre) et un décalage de fréquence (à droite)

Égalisation et synchronisation

Communications System Toolbox est conçu pour l’analyse des techniques d’égalisation et de synchronisation. Ces techniques sont généralement évolutives par nature et elles sont difficiles à concevoir et à caractériser. Communications System Toolbox fournit des algorithmes et des outils permettant de sélectionner rapidement la technique appropriée à votre système de communications.

Égalisation

Pour évaluer les approches différentes de l’égalisation, Communications System Toolbox propose des algorithmes adaptatifs tels que :

  • le LMS
  • le LMS normalisé
  • le LMS à étapes variables
  • le LMS signé
  • le MLSE (Viterbi)
  • le RLS
  • le CMA

Ces égaliseurs adaptatifs sont fournis sous forme de mises en œuvre d’égaliseurs à retour de décision (DFE) et d’égaliseurs linéaires (espacés fractionnellement ou sur intervalles unitaires).

Nuage de points d’un signal QPSK représentant ce signal avant et après égalisation, ainsi que la constellation de signal idéal

Nuage de points d’un signal QPSK représentant ce signal avant et après égalisation, ainsi que la constellation de signal idéal

Synchronisation

Communications System Toolbox fournit des algorithmes pour la récupération de phase de la porteuse et du rythme.

Pour la récupération de rythme, System Toolbox fournit un objet MATLAB qui propose les mises en œuvre suivantes :

  • récupération de rythme de type early-late gate
  • méthode de Gardner
  • méthode de non-linéarité d’ordre 4
  • méthode de Mueller-Muller
Modèle Simulink de récupération de rythme, fréquence de porteuse et récupération de phase de porteuse pour un récepteur MSK

Modèle Simulink de récupération de rythme, fréquence de porteuse et récupération de phase de porteuse pour un récepteur MSK

Nuage de points du signal reçu, après récupération de fréquence et de phase

Nuage de points du signal reçu (à gauche), après récupération de fréquence (au centre) et de phase (à droite)

Traitement en continu dans MATLAB et Simulink

Les systèmes de communications effectuent normalement des traitements en continu ou à base de trames, en combinant un processus temporel avec un processus multicanal et multifréquence simultanés. Ce type de traitement multidimensionnel continu peut être observé dans des architectures de communication évoluées (OFDM et MIMO, par exemple). Communications System Toolbox permet de simuler les systèmes avancés de communications avec la prise en charge du traitement en continu et de la simulation à base de trames dans MATLAB et Simulink.

Dans MATLAB, le traitement en continu fonctionne grâce aux System objects, qui utilisent les objets MATLAB pour représenter les algorithmes, les sources et les récepteurs variables dans le temps et pilotés par les données. Les System objects gèrent implicitement une grande partie des détails du traitement en continu tels que l’indexation des données, la mise en mémoire tampon et la gestion des états d’algorithmes. Il est possible d’associer les System objects avec les fonctions et opérateurs MATLAB standard. La plupart des System objects correspondent à un bloc Simulink doté des mêmes fonctionnalités.

Simulink gère implicitement le traitement en continu en manipulant le flux de données au moyen des blocs qui constituent un modèle Simulink. Simulink est un environnement graphique interactif qui permet de modéliser et de simuler des systèmes dynamiques en utilisant des diagrammes hiérarchiques pour représenter un modèle de système. Simulink comprend une bibliothèque de blocs prédéfinis d’utilité générale représentant des algorithmes, des sources, des récepteurs et des hiérarchies de systèmes.

Mise en œuvre d’un système de communications

Modélisation en virgule fixe

De nombreux systèmes de communications utilisent des équipements qui nécessitent une représentation en virgule fixe de votre conception. Communications System Toolbox prend en charge la modélisation en virgule fixe dans tous les blocs et System objects appropriés, avec des outils qui permettent de configurer les attributs en virgule fixe.

La prise en charge des données de type virgule fixe dans System Toolbox comprend :

  • les longueurs de mots (de 1 à 128 bits)
  • le placement arbitraire des virgules
  • les méthodes de traitement des dépassements de capacité (overflow ou saturation)
  • les modes d’arrondi : ceiling (plafond), convergent (convergent), floor (plancher), nearest (le plus proche), round (arrondi), simplest (le plus simple) et zero (zéro)

L’outil Fixed-Point Tool de Fixed-Point Designer™ facilite la conversion des données de type virgule flottante en données en données de type virgule fixe. Pour la configuration des propriétés en virgule fixe, cet outil effectue le suivi des dépassements et des maxima et minima.

Génération de code

Après avoir développé votre algorithme ou votre système de communications, vous pouvez générer automatiquement du code C pour la vérification, le prototypage rapide et la mise en œuvre de votre système. La plupart des System objects, fonctions et blocs de Communications System Toolbox peuvent générer du code ANSI/ISO C à l’aide de MATLAB Coder, Simulink Coder ou Embedded Coder. Un sous-ensemble System objects et de blocs Simulink peut également générer du code HDL.

Pour exploiter une propriété intellectuelle existante, vous pouvez sélectionner des optimisations pour des architectures de processeur spécifiques et intégrer du code C existant. Il est également possible de générer du code C pour les données de type virgule flottante et virgule fixe

Prototypage des DSP

Les DSP sont utilisés dans la mise en œuvre de systèmes de communications, à des fins de vérification, de prototypage rapide ou d’implémentation finale sur un équipement. La simulation processor-in-the-loop (PIL) disponible dans Embedded Coder permet de vérifier le code source généré ainsi que le code compilé, en exécutant le code d’implémentation de votre algorithme sur un processeur cible.

Prototypage FPGA

Les FPGA permettent d’implémenter des algorithmes de traitement du signal à haute vitesse dans des systèmes de communications. La fonctionnalité FPGA-in-the-loop (FIL) disponible dans HDL Verifier permet de tester le code RTL sur du matériel réel pour tout type de code HDL existant, qu’il soit écrit à la main ou généré automatiquement.

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