Accelerating the pace of engineering and science

Communications System Toolbox

Principales fonctionnalités

  • Algorithmes pour la conception de la couche physique des systèmes de communications (codage canal, modulation, OFDM, MIMO, égalisation, synchronisation, etc.).
  • Outils d’analyse et oscilloscopes de mesures (application d’analyse du taux d’erreur binaire, diagrammes de constellation, diagrammes de l’œil, etc.)
  • Modèles de canaux (AWGN [bruit blanc gaussien additif], évanouissement de Rayleigh dû à la propagation par trajets multiples, évanouissement de Rice, évanouissements MIMO et LTE MIMO dus à la propagation par trajets multiples, etc.)
  • Modèles d’imperfections RF élémentaires (non-linéarité, bruit de phase, bruit thermique, décalages de phase et de fréquence, etc.)
  • Support Packages matériel pour connecter les formes d’onde à des dispositifs radio et vérifier les designs à l’aide de tests OTA (over-the-air)
  • Algorithmes compatibles GPU pour des algorithmes comportant des calculs intensifs tels que les décodeurs Turbo, LDPC et Viterbi
  • Support de la modélisation virgule fixe et de la génération de code C et HDL

Simulation de la chaine complète

Communications System Toolbox vous permet de réaliser des simulations de modèles de systèmes de communications au niveau liaison. Par le biais de simulations, vous pouvez analyser la réponse d’un système vis-à-vis du bruit et des interférences inhérents aux canaux de communication, tester des scénarios hypothétiques et étudier les compromis entre différents paramètres et architectures système. Vous pouvez également afficher les mesures de performance attendues afin d’évaluer des implémentations réelles de vos designs.

La couche physique des systèmes de communications est un support pour le transport des données générées par les couches de communication supérieures. Les modèles de couche physique se décomposent en trois parties :

  • Opérations d’émission et de réception en bande de base
  • Modèles de canaux et imperfections RF
  • Mesures et méthodes de caractérisation des performances système

Communications System Toolbox vous propose un ensemble complet d’algorithmes et d’outils permettant de définir les trois composantes des modèles de couche physique. Vous avez également accès à de nombreux exemples liés aux normes de communications, notamment la norme 802.11 (Wi-Fi), la norme 802.16 (WiMAX), la norme DVB.S2, la norme Bluetooth et les normes liées à la TV numérique (Advanced Television Systems Committee - ATSC). Ces exemples illustrent l’efficacité des algorithmes et des outils de Communications System Toolbox pour la modélisation et la simulation de systèmes de communications réels.

Communications standards featuring end-to-end simulation of physical layer models of systems.
Normes de communications et simulation complète de modèles de couche physique De haut en bas : Bluetooth, DVB.S2, 802.11a.

Les simulations au niveau de la liaison incluent les opérations d’émission et de réception en bande de base. Communications System Toolbox propose une suite complète d’algorithmes pour les opérations d’émission et de réception, ce qui vous permet de personnaliser votre système et vous évite d’avoir à programmer vos propres modules. Voici la liste des algorithmes proposés :

Chaque algorithme proposé dans Communications System Toolbox est accompagné d’un ensemble bien défini de paramètres. Ces paramètres vous permettent de personnaliser vos modèles de couche physique et de mesurer leurs performances par rapport aux différentes normes. Vous pouvez également les utiliser comme modules pour construire des systèmes novateurs.

Les algorithmes proposés dans Communications System Toolbox sont disponibles sous forme de fonctions MATLAB, d’objets système (System Objects) et de blocs Simulink. Par exemple, vous pouvez définir un algorithme de modulation OFDM à l’aide d’un objet système ou d’un bloc Simulink. Dans les deux cas, les paramètres utilisés sont les mêmes. Par conséquent, si vous introduisez les mêmes variables en entrée, vous obtiendrez des résultats identiques.

OFDM modulator and algorithms available as MATLAB System objects or Simulink blocks.
Le modulateur OFDM, de même que la plupart des algorithmes proposés dans Communications System Toolbox, sont disponibles sous forme d’objets système MATLAB (à gauche) ou de blocs Simulink (à droite).

Modélisation du canal et imperfections RF

Modélisation du canal

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

Communications System Toolbox inclut également des spécifications de canaux standards, comme les canaux LTE MIMO et les modèles de canaux COST 207, 3GPP, ITU-R 3G, ITU-R HF et GSM/EDGE. Les modèles de canaux de Communications System Toolbox, dotés d’un ensemble de paramètres concis et configurables, vous permettent de modéliser avec précision la plupart des canaux de communications.

Les canaux à évanouissement MIMO, de Rayleigh et de Rice comportent des outils de visualisation intégrés pour afficher des données telles que la réponse impulsionnelle, la réponse en fréquence et le spectre Doppler. À l’aide de ces outils, vous pouvez, au cours d’une simulation, observer les effets d’un certain nombre de phénomènes de propagation sans fil tels que les effets de diffusion en trajets multiples, la dispersion temporelle et les effets Doppler découlant du mouvement relatif de l’émetteur par rapport au récepteur.

Built-in visualizations offered by Communications System Toolbox fading channels.
Visualisations intégrées aux canaux à évanouissement dans Communications System Toolbox. Réponse impulsionnelle du canal (à gauche), réponse en fréquence (au milieu) et spectre Doppler (à droite).

Imperfections RF

Pour déterminer les performances réelles d’un système de communications, vous devez non seulement modéliser avec précision votre canal, mais il vous faut également tenir compte des effets des imperfections introduites par les dispositifs de communications. Plusieurs modèles avec imperfections RF sont compris dans Communications System Toolbox :

Par exemple, l’algorithme de non-linéarité sans mémoire propose différentes méthodes de non-linéarité (cubique polynomiale, tangente hyperbolique, Saleh, Ghorbani et Rapp). Cet algorithme vous permet de modéliser un amplificateur d’émission à haute puissance (HPA), qui amplifie le signal modulé avant que ce dernier soit envoyé à l’antenne pour émission. Vous pouvez inclure des imperfections et des modèles de circuit RF plus complexes dans votre design à l'aide de SimRF.

Visualization of RF impairments effects.
Visualisation des effets des altérations RF. En bas à gauche et en bas à droite, respectivement : signaux d’entrée et de sortie de l’amplificateur à haute puissance (HPA) avant et après l’introduction de l’amplification non linéaire. En haut à gauche : signal reçu sans compensation des déséquilibres I/Q. En haut à droite : spectre émis et reçu.

Connectivité matérielle et radio logicielle

Grâce aux Support Packages matériel Communications System Toolbox, vous pouvez connecter vos modèles d’émetteur et de récepteur à des dispositifs radio externes. Cette fonctionnalité vous permet de remplacer les canaux et imperfections faisant l’objet de la simulation dans votre modèle de chaine complète par des signaux radio réels, puis de valider votre design en effectuant des tests OTA (over-the-air) et de radio logicielle (software-defined radio - SDR).

Vous pouvez effectuer des simulations radio-in-the-loop a) en générant des formes d’onde personnalisées dans vos modèles d’émission en bande de base, b) en émettant votre forme d’onde à l’aide de dispositifs ou d’instruments de type radio logicielle, c) en capturant les échantillons reçus à l’aide de tels dispositifs ou instruments, et d) en traitant les échantillons reçus dans vos modèles de récepteur en bande de base.

Radio-in-the-loop simulations.
Simulations radio-in-the-loop : Connectivité matériel/instrument et Support Packages matériel Communications System Toolbox. Vous pouvez générer des formes d’onde en bande de base, émettre et recevoir des signaux radio en temps réel depuis/vers des instruments RF et radios logicielles compatibles, et valider votre design de système de communications grâce à des tests OTA (over-the-air).

Vous avez la possibilité d’utiliser du matériel compatible en tant que périphérique radio avec le flux binaire fourni, et vous pouvez également exécuter votre propre design sur un FPGA avec un ciblage automatisé via HDL Coder. Les dispositifs radio suivants sont compatibles avec Communications System Toolbox :

Mesure, analyse et vérification

La conception et la simulation d’un système de communications nécessite d’analyser la réponse de celui-ci vis-à-vis du bruit et des 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 propose différentes méthodes de mesure pour quantifier les performances d’un système :

Communications System Toolbox propose également des écrans de visualisation, qui comprennent notamment :

  • un diagramme de l’œil qui fournit des indications qualitatives et visuelles relatives à l’impact que les différents types de distorsions (jitter, interférences entre symboles, etc.) ont sur les performances système ;
  • un diagramme de constellation des signaux, grâce auquel vous pouvez effectuer des mesures EVM et MER en continu pendant la boucle de simulation.

Les calculs du taux d’erreur binaire (BER) sont fondamentaux pour l’étude des systèmes de communications. À cet effet, Communications System Toolbox propose une application, BERTool, pour analyser les performances de tels systèmes en termes de taux d’erreur binaire. De même, les mesures EVM et MER, très importantes pour évaluer la qualité du signal reçu et du canal d’émission, sont intégrées à l’écran du diagramme de constellation de Communications System Toolbox. Les mesures ACPR et CCDF sont quant à elles intégrées à l’écran de l’analyseur de spectre dans DSP System Toolbox.

Constellation diagram scope.
L’écran du diagramme de constellation intègre les outils de mesure EVM et MER image par image. Écran de l’analyseur de spectre (à gauche), et outils de mesure ACPR et CCDF trame par trame (à droite).

Synchronisation et conception d’émetteur

Pour récupérer correctement les signaux, les récepteurs sans fil doivent faire face à certains problèmes, comme la récupération du rythme, la compensation du décalage de la fréquence de la porteuse et de phase, la synchronisation, et l’égalisation dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Communications System Toolbox propose des algorithmes de synchronisation et de compensation RF, que vous pouvez adapter et utiliser afin de compenser les effets des imperfections RF et du canal à l’entrée de votre récepteur. Les algorithmes de synchronisation comprennent les éléments suivants :

Communications System Toolbox fournit des conceptions de référence pour l’entrée des récepteurs comme la synchronisation OFDM, la liaison satellite RF et la simulation complète QAM, ainsi que des exemples d’émetteur et de récepteur QPSK. Ces exemples illustrent l’introduction d’imperfections RF comme l’effet Doppler, le bruit de phase, le décalage DC et les déséquilibres de phase I/Q avant le traitement du signal par le récepteur. Vous pouvez ensuite appliquer des techniques de compensation, comme le blocage DC, la commande automatique de gain (AGC), le compensateur de déséquilibre I/Q, et les compensateurs de décalage de fréquence et de phase, afin d’obtenir la meilleure estimation possible du signal récupéré au niveau du récepteur.

QPSK transmitter and receiver methods.
Méthodes d’émission et de réception QPSK permettant de résoudre les problèmes rencontrés dans des designs réels de récepteur, comme le décalage de la fréquence porteuse et de phase (à gauche), récupération du rythme (au milieu) et synchronisation de la trame (à droite).

Accélération

Certaines techniques comme la génération de code C depuis MATLAB, le traitement en parallèle et les algorithmes optimisés sur GPU vous permettent d’accélérer de manière significative les simulations de vos modèles de communications. Les effets combinés de ces méthodes d’accélération peuvent permettre d’accélérer une simulation donnée par un certain ordre de grandeur : ainsi, au lieu de faire tourner votre simulation toute la nuit, vous pourrez la terminer en quelques heures.

MATLAB to C code generation, parallel computing, and GPU processing acceleration techniques.
Trois techniques permettant d’accélérer les simulations dans le cadre de la modélisation de systèmes de communications : génération de code C depuis MATLAB, calcul parallèle et traitement GPU.

Accélération GPU : incluse dans Parallel Computing Toolbox, cette technique permet d’accélérer les simulations en faisant appel au processeur graphique (GPU) de votre ordinateur. Le fait d’utiliser des objets système optimisés pour GPU via Communications System Toolbox vous permet d’exécuter vos algorithmes sur votre processeur GPU plutôt que sur le CPU, afin d’accélérer une simulation.

Calcul parallèle et cloud computing : grâce à Parallel Computing Toolbox et à MATLAB Distributed Computing Server, vous pouvez mettre à profit la puissance de calcul de vos batteries de serveurs et du service Web Amazon EC2 pour exécuter différentes boucles de votre algorithme en parallèle sur une multitude de moteurs de calcul MATLAB.

Génération de code C depuis MATLAB : avec MATLAB Coder, accélérez le temps de vos simulations en verrouillant le type et la taille de vos variables MATLAB, afin de réduire le traitement du programme interactif qui vérifie la taille et le type de ces variables à chaque ligne de code.

Génération de code et implémentation

Modélisation virgule fixe

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

La taille des mots en virgule fixe peut varier de 1 à 128 bits, avec un placement arbitraire de la virgule. Des méthodes pour traiter les dépassements de capacité ont également été mises en place (wrap ou saturation), de même que des méthodes d’arrondi (plafond, convergent, plancher, le plus proche, arrondi, le plus simple ou zéro). L’outil Fixed-Point Tool de Fixed-Point Designer facilite la conversion des données de type virgule flottante en données de type virgule fixe. Pour la configuration des propriétés en virgule fixe, cet outil effectue le suivi des dépassements ainsi que 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 l’implémentation de votre système. Vous pouvez utiliser la plupart des objets système, fonctions et blocs de Communications System Toolbox pour générer du code C ANSI/ISO via MATLAB Coder, Simulink Coder ou Embedded Coder®. De même, vous pouvez utiliser un sous-ensemble d’objets système et de blocs Simulink pour 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 au code ainsi généré. Il est également possible de générer du code C pour les données de type virgule flottante et virgule fixe.

Prototypage sur DSP

Les DSP sont utilisés dans les systèmes de communications à des fins de vérification, de prototypage rapide ou pour l’implémentation matérielle finale. La simulation processor-in-the-loop (PIL) disponible dans Embedded Coder permet de vérifier le code source généré et d’exécuter votre algorithme sur un processeur cible compatible.

Prototypage FPGA

Les FPGA sont utilisés dans les systèmes de communications pour l’implémentation d’algorithmes de traitement du signal extrêmement rapides. 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, en exécutant votre implémentation algorithmique sur un processeur cible.

Génération et test de formes d’onde pour les SDR...

Visionner le webinar