Accelerating the pace of engineering and science

Communications System Toolbox

Hauptmerkmale

  • Algorithmen zur Entwicklung der Bitübertragungsschicht von Kommunikationssystemen, darunter Kanalcodierung, Modulation, OFDM, MIMO, Entzerrung und Synchronisation
  • Analyse- und Visualisierungstools, einschließlich einer Bitfehlerraten-App, Konstellationsdiagrammen und Augendiagrammen
  • Kanalmodelle wie AWGN, Mehrwege-Rayleigh-Fading, Rice-Fading, MIMO-Mehrwege-Fading und LTE-MIMO-Mehrwege-Fading
  • Typische HF-Störungsmodelle wie Nichtlinearitäten, Phasenrauschen, thermisches Rauschen und Phasen- sowie Frequenzoffsets
  • Hardware-Support-Pakete zur Verbindung von Wellenformen mit Funkmodulen und zur Verifizierung von Designs mit Over-the-Air-Tests
  • GPU-fähige Algorithmen für berechnungsintensive Algorithmen wie Turbo-, LDPC- und Viterbi-Decoder
  • Unterstützung für die Festkommamodellierung sowie die automatische Generierung von C- und HDL-Code

End-to-End-Simulation

Mit Communications System Toolbox können Sie Modelle von Kommunikationssystemen auf der Verbindungsebene simulieren. Durch Simulation können Sie die Systemreaktion auf Rauschen und Störungen in den Kommunikationskanälen analysieren, Was-wäre-wenn-Szenarien untersuchen und die Abwägungen zwischen miteinander konkurrierenden Systemarchitekturen und Parametern beurteilen. Außerdem erhalten Sie Referenzwerte für die Kenngrößen des Systems, welche die Bewertung der realen Implementierungen Ihrer Entwürfe ermöglichen.

Die Bitübertragungsschicht von Kommunikationssystemen bietet Transportunterstützung für die Daten, die auf höheren Kommunikationsschichten erzeugt werden. Modelle der Bitübertragungsschicht enthalten drei Komponenten:

  • Funktionen des Senders und Empfängers im Basisbandbereich
  • Kanalmodelle und HF-Störungen
  • Messungen und Methoden zur Charakterisierung des Systemverhaltens

Communications System Toolbox bietet einen umfassenden Satz von Algorithmen und Tools, um die drei Komponenten von Modellen der Bitübertragungsschicht abzubilden. Die System Toolbox enthält außerdem Beispiele für viele Kommunikationsstandards wie 802.11 (Wi-Fi), 802.16 (WiMAX), DVB.S2, Bluetooth und Advanced Television Systems Committee (ATSC) für Digitalfernsehen. Diese Beispiele für Standards veranschaulichen, wie Algorithmen und Tools der System Toolbox verwendet werden, um reale Kommunikationssysteme effizient zu modellieren und zu simulieren.

Communications standards featuring end-to-end simulation of physical layer models of systems.

Kommunikationsstandards mit End-to-End-Simulation von Bitübertragungsschicht-Modellen von Systemen Von oben nach unten: Bluetooth, DVB.S2, 802.11a.

Zu den Simulationen auf Verbindungsebene zählen Sender- und Empfängeroperationen im Basisband. Communications System Toolbox bietet eine umfassende Sammlung von Algorithmen für Sender- und Empfängerkomponenten, mit denen Sie Ihr System anpassen können und keine Algorithmusbausteine mehr ganz neu erstellen müssen. Die Algorithmen umfassen:

Jeder Algorithmus in der Communications System Toolbox enthält einen wohldefinierten Parametersatz. Mit diesen Parametern können Sie Ihre Modelle der Bitübertragungsschicht anpassen, ihr Verhalten mit dem in verschiedenen Standards angegebenen Verhalten abgleichen oder sie als Bausteine für neue und innovative Systeme verwenden.

Die in der System Toolbox enthaltenen Algorithmen sind als MATLAB-Funktionen, System Objects und Simulink-Blöcke verfügbar. Ein OFDM-Modulator-Algorithmus kann z. B. mithilfe eines System Objects oder eines Simulink-Blocks modelliert werden. Diese beiden Darstellungen desselben Algorithmus haben identische Parametersätze, erzeugen also numerisch identische Ergebnisse, wenn sie mit derselben Eingangsgröße ausgeführt werden.

OFDM modulator and algorithms available as MATLAB System objects or Simulink blocks.

OFDM-Modulator und die meisten Algorithmen der Communications System Toolbox sind als MATLAB System Objects (links) oder Simulink-Blöcke (rechts) verfügbar.

Kanalmodellierung und HF-Störungen

Kanalmodellierung

Die Communications System Toolbox enthält Algorithmen und Tools für die Modellierung von Rauschen, Fading, Interferenzen und anderen für Kommunikationskanäle typischen Störungen. Die Toolbox unterstützt folgende Kanalmodelle:

  • Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) -Fading
  • SISO- (Single-Input Single-Output)-, Rayleigh- und Rice-Fading
  • Additives weißes Gaußsches Rauschen (AWGN, Additive White Gaussian Noise)
  • Binär symmetrisch

Die Communications System Toolbox umfasst außerdem Standardkanalspezifikationen, wie die Kanalmodelle für LTE-MIMO-Kanäle, COST 207, 3GPP, ITU-R 3G, TU-R HF und GSM/EDGE. Mit einem kompakten und konfigurierbaren Parametersatz können Sie mit Kanalmodellen der System Toolbox die meisten Kommunikationskanäle präzise modellieren.

Die MIMO-, Rayleigh- und Rice-Fading-Kanäle der Communications System Toolbox verfügen über integrierte Visualisierungstools, um die Kanalimpulsantwort, den Frequenzgang oder das Dopplerspektrum darzustellen. Mithilfe dieser Tools können Sie während der Simulation die Effekte einer Vielzahl von Phänomenen der Funkübertragung beobachten, darunter die Effekte von Mehrwegstreuung, Zeitstreuung und Dopplerverschiebung, die aus der relativen Bewegung zwischen Sender und Empfänger entstehen.

Built-in visualizations offered by Communications System Toolbox fading channels.

Visualisierungen, die durch die Fading-Kanäle der Communications System Toolbox zur Verfügung gestellt werden. Kanalimpulsantwort (links), Frequenzgang (Mitte), Dopplerspektrum (rechts).

HF-Störungen

Die Charakterisierung des echten Verhaltens eines Kommunikationssystems hängt nicht nur von einer genauen Kanalmodellierung ab, sondern auch von den Effekten von Störungen, die durch die Komponenten des Kommunikationssystems entstehen. Die Communications System Toolbox bietet verschiedene Modelle für HF-Störungen, darunter:

Der Algorithmus für gedächtnislose Nichtlinearitäten enthält zum Beispiel mehrere nichtlineare Methoden (kubisches Polynom, Tangens hyperbolicus, Saleh, Ghorbani und Rapp). Mit dem Algorithmus können Sie einen High Power Amplifier (HPA) auf Senderseite modellieren, der das modulierte Signal verstärkt, bevor es zur Übertragung an die Antenne gesendet wird. Mit SimRF lassen sich komplexere HF-Störungen sowie aufwändigere HF-Schaltkreismodelle in Ihre Entwürfe integrieren.

Visualization of RF impairments effects.

Visualisierung von Effekten der HF-Störungen. Diagramme links und rechts unten: Eingangs- bzw. Ausgangssignale an den High Power Amplifier (HPA) vor und nach dem Einführen der nichtlinearen Verstärkung. Oben links: Empfangenes Signal mit nicht kompensierten I/Q-Unsymmetrien. Oben rechts: Gesendete und empfangene Spektren.

Hardwarekonnektivität und Software Defined Radio

Mit den Hardware-Support-Paketen der Communications System Toolbox können Sie Ihre Sender- und Empfängermodelle mit externen Funkmodulen verbinden. Diese Funktion ermöglicht Ihnen, die simulierten Kanäle und Störungen in Ihrem End-to-End-Modell durch Funksignale in Echtzeit zu ersetzen und dann Ihren Entwurf durch Over-the-Air-Tests und Software Defined Radio (SDR)-Versuche zu validieren.

Sie können Radio-in-the-Loop-Simulationen durchführen, indem Sie a) benutzerdefinierte Wellenformen in Ihren Basisbandsendermodellen erzeugen, b) Ihre Wellenform mithilfe von SDR-Geräten und Instrumenten übertragen, c) empfangene Signale mit SDR-Geräten oder Instrumenten erfassen oder d) empfangene Signale innerhalb Ihres Basisbandempfängermodells verarbeiten.

Radio-in-the-loop simulations.

Radio-in-the-Loop-Simulationen: Hardware-/Instrumentenkonnektivität und Hardware-Support-Pakete in der Communications System Toolbox. Sie können Basisband-Wellenformen erzeugen, Funksignale in Echtzeit an HF-Instrumente und unterstützte SDR-Geräte senden und von ihnen empfangen und den Entwurf Ihres Kommunikationssystems durch Over-the-Air-Tests validieren.

Sie können die unterstützte Hardware als Funkperipheriegerät mit dem verfügbaren Bitstrom nutzen und außerdem Ihren eigenen Entwurf im FPGA ausführen. Der hierfür nötige HDL Code wird mit dem HDL Coder und dessen automatisierten Arbeitsablauf für die Zielhardware erzeugt. Die Communications System Toolbox unterstützt folgende Funkmodule:

Messung, Analyse und Verifizierung

für den Entwurf und die Simulation von Kommunikationssystemen ist die Fähigkeit von entscheidender Bedeutung, das Systemverhalten auch unter realistischen Störeinflüssen analysieren und dieses grafisch und quantitativ darstellen zu können. Daneben muss festgestellt werden können, ob das Systemverhalten den jeweils gültigen Standards genügt.

Die Communications System Toolbox bietet mehrere Standardmessungen zur quantitativen Charakterisierung des Systemverhaltens:

Die System Toolbox bietet außerdem folgende Visualisierungsmöglichkeiten:

  • Augendiagramm für qualitative und visuelle Darstellungen davon, wie verschiedene Arten von Verzerrung, z.B. Takt-Jitter und Störung zwischen Symbolen, das Systemverhalten beeinflussen.
  • Konstellationsdiagramm für die Darstellung von Signalkonstellationen, mit denen Sie Streaming-EVM- und MER-Messungen innerhalb der Simulationsschleife vornehmen können.

Weil BER-Berechnungen eine zentrale Rolle bei der Charakterisierung aller Kommunikationssysteme spielen, bietet die Communications System Toolbox eine BERTool-App, mit der Sie das Verhalten bzgl. der Bitfehlerrate (BER) von Kommunikationssystemen analysieren können. Da EVM und MER wichtige Maße für die Qualität des empfangenen Signals und des Übertragungskanals sind, wurde ihre Messung in das Konstellationsdiagramm der System Toolbox aufgenommen. Außerdem sind ACPR- und CCDF-Messungen in dem Spectrum Analyzer Scope-Block der DSP System Toolbox integriert.

Constellation diagram scope.

Der Scope-Block für Konstellationsdiagramme beinhaltet die Messung von EVM und MER auf Basis von Datenblöcken (Frames). Spectrum Analyzer Scope-Block (links) und Frame-basierte Messungen von ACPR und CCDF (rechts).

Synchronisation und Empfängerdesign

Zur richtigen Wiederherstellung von Signalen müssen Funkempfänger Probleme wie Taktwiederherstellung, Kompensierung des Versatzes der Trägerfrequenz und der Phase, Synchronisation sowie Zeit- und Frequenzbereichsentzerrung angehen. Die Communications System Toolbox bietet Algorithmen für Synchronisation und HF-Kompensation, die im Allgemeinen adaptiv sind und mit denen Sie Effekte von Kanal- und HF-Störungen in Front-End-Entwürfen von HF-Empfängern ausgleichen können. Die verfügbaren Synchronisationsalgorithmen umfassen:

Die Communications System Toolbox bietet Referenzdesigns für Empfänger-Front-Ends, wie z. B. OFDM-Synchronisation, HF-Satellitenverbindung und End-to-End-QAM-Simulation sowie Beispiele für QPSK-Sender und Empfänger. Diese Beispiele zeigen, wie HF-Störungen wie Dopplerverschiebung, Phasenrauschen, DC-Versatz und I/Q-Phasenunsymmetrie vor der Verarbeitung im Empfänger berücksichtigt werden können. Als Teil der Empfängerverarbeitung können dann verschiedene Kompensierungstechniken anwendet werden, darunter DC-Blockierung, AGC, Kompensator der I/Q Unsymmetrie sowie Frequenz- und Phasenversatzkompensatoren, um die beste Schätzung des übertragenen Signals am Empfänger wiederherzustellen.

QPSK transmitter and receiver methods.

QPSK-Sender- und Empfänger-Methoden zur Behebung von realen Problemen, die bei dem Entwurf von Empfängern auftreten, wie z. B. Versatz der Trägerfrequenz und der Phase (links), Taktwiederherstellung (Mitte) und Frame-Synchronisation (rechts).

Beschleunigung

Mit Techniken wie z. B. C-Codegenerierung aus MATLAB, paralleler Verarbeitung und GPU-optimierten Algorithmen können Simulationen von Kommunikationsmodellen bedeutend beschleunigt werden. Die Kombination dieser Beschleunigungsmethoden kann eine typische Simulation um eine Größenordnung beschleunigen und eine Simulation, die vorher über Nacht durchgeführt wurde, auf wenige Stunden verkürzen.

MATLAB to C code generation, parallel computing, and GPU processing acceleration techniques.

Drei Techniken zur Simulationsbeschleunigung für Modelle von Kommunikationssystemen: C-Codegenerierung aus MATLAB, paralleles Rechnen und GPU-Verarbeitung.

GPU-Beschleunigung Funktion der Parallel Computing Toolbox, mit der die Simulationsgeschwindigkeit dadurch beschleunigt wird, indem der Grafikprozessor (GPU) des Computers verwendet wird. Bei Verwendung von GPU-optimierten System Objects in der Communications System Toolbox werden die Algorithmen auf einer GPU und nicht auf einer CPU ausgeführt. Dieser Vorgang kann Ihre Simulation beschleunigen.

Unterstützung von Parallel Computing und Cloud Computing Funktion der Parallel Computing Toolbox und des MATLAB Distributed Computing Servers, mit der die Rechenleistung Ihrer Serverfarm und des Amazon-EC2-Webdienstes voll ausgenutzt werden kann, indem verschiedene Iterationen Ihres Algorithmus gleichzeitig auf mehreren verfügbaren MATLAB-Workern berechnet werden.

C-Codegenerierung aus MATLAB Funktion des MATLAB Coders, mit der die Simulation dadurch beschleunigt wird, indem Datentypen und Größen Ihrer MATLAB-Variablen während der Simulation fixiert werden und indem der Aufwand von interaktiver Programmierung reduziert wird, bei der jede Zeile des Codes auf Größe und Datentyp der Variablen geprüft wird.

Codeerzeugung und -implementierung

Modellierung von Festkomma-Arithmetik

Viele Kommunikationssysteme basieren auf Hardware, die eine Darstellung des Designs unter Nutzung von Festkomma-Arithmetik voraussetzt. Die Communications System Toolbox unterstützt die Festkomma-Modellierung für alle relevanten Blöcke und System Objects. Es stehen zusätzliche Werkzeuge zur Verfügung, die Sie bei der Konfiguration der Festkommaattribute unterstützen.

Die Festkomma-Unterstützung in der System Toolbox umfasst Wortlängen von 1 bis 128 Bit, beliebige Positionierung des Binärkommas, Methoden der Überlaufbehandlung (Überlauf oder Sättigung) und Rundungsmethoden (Ceiling, Convergent, Floor, Nearest, Round, Simplest und Zero). Das Fixed-Point Tool im Fixed-Point Designer unterstützt die Konvertierung von Gleitkomma-Datentypen in Festkomma-Datentypen. Dieses Tool konfiguriert die Festkommaeigenschaften durch Protokollierung von Überläufen sowie Maxima und Minima.

Codegenerierung

Nachdem die Algorithmen oder die Kommunikationssysteme entwickelt wurden, kann daraus automatisch C-Code generiert werden und zur Verifikation, zum Rapid Prototyping und zur Implementierung genutzt werden. Die meisten System Objects, Funktionen und Blöcke der Communications System Toolbox unterstützen die Generierung von ANSI/ISO-C-Code mit MATLAB Coder, Simulink Coder oder Embedded Coder®. Aus einer Teilmenge der System Objects und Simulink-Blöcken kann außerdem HDL-Code generiert werden. Um Ihr bereits vorhandenes geistiges Eigentum weiter nutzen zu können, stehen Optimierungen für bestimmte Prozessor-Architekturen zur Verfügung und es besteht die Möglichkeit, Legacy C-Code in generierten Code zu integrieren. C-Code kann außerdem sowohl für Fließkomma- als auch für Festkommadatentypen generiert werden.

DSP-Prototyping

DSPs werden bei der Implementierung von Kommunikationssystemen zur Verifikation, zum Rapid Prototyping und zur abschließenden Hardware-Implementierung verwendet. Mit der PIL- (Processor-in-the-Loop) Simulation im Embedded Coder können Sie den generierten Quellcode verifizieren und Ihren Algorithmus auf einem unterstützten Zielprozessor ausführen.

FPGA-Prototyping

FPGAs werden in Kommunikationssystemen zur Implementierung von Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitungsalgorithmen eingesetzt. Mit der FPGA-in-the-Loop-Funktion (FIL) des HDL Verifier können Sie RTL-Code für jeden vorhandenen HDL-Code auf echter Hardware testen. Dies kann entweder mit manuell verfasstem Code oder automatisch erzeugtem Code geschehen, indem Sie den Implementierungscode des Algorithmus auf einem Ziel-FPGA ausführen.

Entwicklung und Simulation von WLAN-Netzwerken mit MATLAB

Webinar anzeigen