Cursuri de pregatire Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata)

- Rezultatele acestui curs
După finalizarea acestui curs, studentul ar trebui să fie capabil să atace multe dintre problemele de cercetare deschise în prezent în domeniul ingineriei comunicațiilor, deoarece ar trebui să fi dobândit cel puțin următoarele competențe:

- Maparea și manipularea expresiilor matematice complicate care apar frecvent în literatura de specialitate din domeniul ingineriei comunicațiilor

- Abilitatea de a utiliza capacitățile de programare oferite de MATLAB pentru a reproduce rezultatele simulării din alte lucrări sau cel puțin a se apropia de aceste rezultate.

- Crearea modelelor de simulare ale ideilor autopropuse.

- Angajarea eficientă a abilităților de simulare dobândite împreună cu capacitățile puternice ale MATLAB pentru a proiecta coduri MATLAB optimizate în ceea ce privește timpul de execuție al codului, economisind în același timp spațiul de memorie.

- Identificarea parametrilor cheie de simulare ai unui anumit sistem de comunicații, extragerea lor din modelul sistemului și studierea impactului acestor parametri asupra performanței sistemului considerat.

- Structura cursului

Materialul furnizat în cadrul acestui curs este extrem de corelat. Nu este recomandat ca un cursant să participe la un nivel dacă nu participă și nu înțelege în profunzime nivelul anterior, pentru a asigura continuitatea cunoștințelor dobândite. Cursul este structurat pe trei niveluri, pornind de la o introducere în programarea MATLAB până la nivelul simulării sistemului complet, după cum urmează.

Nivelul 1: Communications Matematică cu MATLAB
Sesiunile 01-06

După finalizarea acestei părți, studentul va fi capabil să evalueze expresii matematice complicate și să construiască cu ușurință grafice adecvate pentru diferite reprezentări de date, cum ar fi diagrame în domeniul timpului și al frecvenței; diagrame BER diagrame de radiație de antenă...etc.

Concepte fundamentale

1. Conceptul de simulare
2. Importanța simulării în ingineria comunicațiilor
3. MATLAB ca mediu de simulare
4. Despre reprezentarea matriceală și vectorială a semnalelor scalare în matematica comunicațiilor
5. Matrix și reprezentări vectoriale ale semnalelor complexe în bandă de bază în MATLAB

MATLAB Desktop

6. Bara de instrumente
7. Fereastra de comandă
8. Spațiul de lucru
9. Istoricul comenzilor

Declararea variabilelor, vectorilor și matricelor

10. MATLAB constante predefinite
11. Variabile definite de utilizator
12. Array-uri, vectori și matrici
13. Introducerea manuală a matricei
14. Definirea intervalului
15. Spațiul liniar
16. Spațiul logaritmic
17. Reguli de numire a variabilelor

Matrici speciale

18. Matricea ones
19. Matricea zerourilor
20. Matricea identitate

Manipularea în sens Element și în sens matriceal

21. Elemente specifice Accessing
22. Modificarea elementelor
23. Eliminarea selectivă a elementelor (Matrix trunchiere)
24. Adăugarea de elemente, vectori sau matrici (Matrix concatenare)
25. Găsirea indicelui unui element în interiorul unui vector sau al unei matrice
26. Matrix Remodelare
27. Matrix trunchiere
28. Matrix concatenare
29. Întoarcerea de la stânga la dreapta și de la dreapta la stânga

Operatori unari de matrice

30. Operatorul Sum
31. Operatorul de așteptare
32. Operatorul Min
33. Operatorul Max
34. Operatorul trace
35. Matrix determinant |.|
36. Matrix invers
37. Matrix transpunere
38. Matrix hermitian
39. ...etc

Operații cu matrice binare

40. Operații aritmetice
41. Operații relaționale
42. Operații logice

Numere complexe în MATLAB

43. Reprezentarea complexă în bandă de bază a semnalelor în bandă de trecere și up-conversia RF, o analiză matematică
44. Formarea variabilelor, vectorilor și matricelor complexe
45. Exponențiale complexe
46. Operatorul părții reale
47. Operatorul părții imaginare
48. Operatorul conjugat (.)*
49. Operatorul absolut |.|
50. Argumentul sau operatorul de fază

MATLAB funcții încorporate

51. Vectori de vectori și matrice de matrice
52. Funcția rădăcină pătrată
53. Funcția semn
54. Funcția "rotunjire la număr întreg"
55. Funcția "cel mai apropiat număr întreg inferior"
56. Funcția "cel mai apropiat număr întreg superior"
57. Funcția factorială
58. Funcțiile logaritmice (exp, ln,log10,log2)
59. Funcții trigonometrice
60. Funcții hiperbolice
61. Funcția Q(.)
62. Funcția erfc(.)
63. Funcțiile Bessel Jo (.)
64. Funcția Gamma
65. Comenzi dif, mod

Polinoame în MATLAB

66. Polinoame în MATLAB
67. Funcții raționale
68. Derivate polinomiale
69. Integrarea polinomială
70. Înmulțirea polinomială

Diagrame cu scară liniară

71. Reprezentări vizuale ale semnalelor cu amplitudine continuă în timp-continuu
72. Reprezentări vizuale ale semnalelor aproximate în trepte
73. Reprezentări vizuale ale semnalelor în timp discret - amplitudine discretă

71. Reprezentări grafice pe scară logaritmică

74. Diagrame dB-decadă (BER)
75. diagrame decadă-dB (diagrame Bode, răspuns în frecvență, spectru de semnal)
76. diagrame decadă-decadă
77. Diagrame dB-lineare

diagrame polare 2D
78. (diagrame de radiație ale antenelor plane)

Parcele 3D

79. Modele de radiație 3D
80. Diagrame parametrice carteziene

Secțiunea opțională (dată la cererea cursanților)

81. Diferențierea simbolică și diferențierea numerică în MATLAB
82. Integrarea simbolică și numerică în MATLAB
83. MATLAB ajutor și documentație

MATLAB fișiere

84. MATLAB fișiere de script
85. MATLAB fișiere de funcții
86. MATLAB fișiere de date
87. Variabile locale și globale

Bucle, controlul fluxului de condiții și luarea deciziilor în MATLAB

88. Bucla for end
89. Bucla finală while
90. Condiția finală if
91. Condițiile finale if else
92. Instrucțiunea finală switch case
93. Iterații, erori de convergență, operatori de sumă multidimensională

Comenzi de afișare a intrărilor și ieșirilor

94. Comanda input(' ')
95. Comanda disp
96. Comanda fprintf
97. Caseta de mesaje msgbox

Nivelul 2: Operațiuni de semnalizare și sisteme (24 ore)
Sesiunile 07-14

Obiectivele principale ale acestei părți sunt următoarele

- Generarea de semnale de test aleatorii care sunt necesare pentru a testa performanța diferitelor sisteme de comunicații

- Integrarea multor operații elementare de semnal poate fi integrată pentru a implementa o singură funcție de procesare a comunicațiilor, cum ar fi codificatoare, randomizatoare, intercalatoare, generatoare de coduri de împrăștiere ...etc. la emițător, precum și omologii lor la terminalul de recepție.

- Interconectarea corectă a acestor blocuri pentru a realiza o funcție de comunicare

- Simularea modelelor de canale în bandă îngustă de interior și de exterior deterministe, statistice și semi-aleatorii

Generarea semnalelor de testare a comunicațiilor

98. Generarea unei secvențe binare aleatorii
99. Generarea unei secvențe întregi aleatorii
100. Importul și citirea fișierelor text
101. Citirea și redarea fișierelor audio
102. Importul și exportul de imagini
103. Imaginea ca matrice 3D
104. Transformarea de la RGB la scara de gri
105. Flux serial de biți al unei imagini 2D cu scară de gri
106. Subîncadrare a semnalelor de imagine și reconstrucție

Condiționarea și manipularea semnalelor

107. Scalarea amplitudinii (câștig, atenuare, normalizare a amplitudinii...etc.)
108. Schimbarea nivelului de curent continuu
109. Scalarea timpului (comprimarea timpului, rarefierea)
110. Decalarea timpului (întârzierea timpului, avansul timpului, deplasarea circulară a timpului la stânga și la dreapta)
111. Măsurarea energiei semnalului
112. Normalizarea energiei și a puterii
113. Scalarea energiei și a puterii
114. Conversia serie-paralel și paralel-serie
115. Multiplexarea și de-multiplexarea

Digitizarea semnalelor analogice

116. Eșantionarea în domeniul timpului a semnalelor în bandă de bază în timp continuu în MATLAB
117. Cuantizarea amplitudinii semnalelor analogice
118. Codificarea PCM a semnalelor analogice cuantificate
119. Conversia zecimal-binar și binar-decimal
120. Modelarea impulsurilor
121. Calcularea lățimii adecvate a impulsului
122. Selectarea numărului de eșantioane per impuls

123. Convoluția utilizând comenzile conv și filter
124. Autocorelația și corelația încrucișată a semnalelor limitate în timp
125. Operațiile de transformare Fourier rapidă (FFT) și IFFT
126. Vizualizarea spectrului unui semnal în bandă de bază
127. Efectul ratei de eșantionare și al ferestrei de frecvență corespunzătoare
128. Relația dintre operațiile de convoluție, corelație și FFT
129. Filtrarea în domeniul frecvenței, numai filtrarea trece jos

Funcții auxiliare Communications

130. Randomizatoare și de-randomizatoare
131. Puncționatoare și de-puncționatoare
132. Codificatoare și decodificatoare
133. Întrepătrunderi și de-întrepătrunderi

Modulatoare și demodulatoare

134. Scheme de modulare digitală în bandă de bază în MATLAB
135. Reprezentarea vizuală a semnalelor modulate digital

Modelarea și simularea canalelor

136. Mathematical modelarea efectului canalului asupra semnalului transmis

- Adunarea - canale cu zgomot gaussian alb aditiv (AWGN)
- Multiplicarea în domeniul timpului - canale cu fading lent, deplasarea Doppler în canalele vehiculate
- Multiplicare în domeniul frecvenței - canale cu fading selectiv în funcție de frecvență
- Convoluție în domeniul timpului - răspuns la impulsul canalului

Exemple de modele de canale deterministe

137. Pierderea de cale în spațiu liber și pierderea de cale dependentă de mediu
138. Canale cu blocare periodică

Caracterizarea statistică a canalelor obișnuite staționare și cvasi-staționare Multipath Fading

139. Generarea unui RV distribuit uniform
140. Generarea unui RV distribuit Gaussian cu valoare reală
141. Generarea unui VR distribuit Gaussian complex
142. Generarea unui RV distribuit Rayleigh
143. Generarea unui RV distribuit Ricean
144. Generarea unui RV distribuit Lognormal
145. Generarea unui VR distribuit arbitrar
146. Aproximarea unei funcții de densitate a probabilității (PDF) necunoscute a unui RV printr-o histogramă
147. Calculul numeric al funcției de distribuție cumulativă (CDF) a unui RV
148. Canale cu zgomot gaussian alb aditiv (AWGN) real și complex

Caracterizarea canalului prin profilul său de întârziere a puterii

149. Caracterizarea canalului prin profilul său de întârziere a puterii
150. Normalizarea puterii PDP
151. Extragerea răspunsului la impuls al canalului din PDP
152. Eșantionarea răspunsului la impulsul canalului printr-o rată de eșantionare arbitrară, eșantionare nepotrivită și cuantificare a întârzierii
153. Problema eșantionării nepotrivite a răspunsului la impuls al canalului în cazul canalelor cu bandă îngustă
154. Eșantionarea unui PDP cu o rată de eșantionare arbitrară și compensarea fracționată a întârzierii
155. Implementarea mai multor modele de canale de interior și exterior standardizate IEEE
156. (COST - SUI - modele de canale de bandă ultra largă...etc.)

Nivelul 3: Simularea la nivel de legătură a sistemelor de comunicații practice practice (30 ore)
Sesiunile 15-24

Această parte a cursului se referă la cea mai importantă problemă pentru studenții cercetători, și anume modul de reproducere prin simulare a rezultatelor simulării din alte lucrări publicate.

Performanța ratei de eroare pe biți a schemelor de modulare digitală în bandă de bază

1. Compararea performanțelor diferitelor scheme de modulare digitală în bandă de bază în canale AWGN (studiu comparativ cuprinzător prin simulare pentru a verifica expresiile teoretice); diagrame scatter, rata de eroare a biților

2. Compararea performanțelor diferitelor scheme de modulare digitală în bandă de bază în diferite canale cu fading staționar și cvasi-staționar; diagrame scatter, rata de eroare a biților (studiu comparativ cuprinzător prin simulare pentru verificarea expresiilor teoretice)

3. Impactul canalelor cu deplasare Doppler asupra performanței schemelor de modulație digitală în bandă de bază; diagrame de dispersie, rata de eroare a biților

De la elicopter la satelit Communications

4. Lucrare (1): Low-Cost Real-Time Voice and Data System for Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS) - Enunțarea problemei și analiză
5. Lucrare (2): Pre-Detection Time Diversity Combining with Accurate AFC for Helicopter Satellite Communications - Prima soluție propusă
6. Lucrare (3): An Adaptive Modulation Scheme for Helicopter-Satellite Communications - O abordare pentru îmbunătățirea performanței

Simulare a sistemelor cu spectru împrăștiat

1. Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat
2. Sisteme bazate pe spectru împrăștiat cu secvență directă
3. Generatoare de secvențe binare pseudoaleatorii (PBRS)
- Generarea de secvențe de lungime maximă
- Generarea codurilor de aur
- Generarea codurilor Walsh

4. Sisteme bazate pe spectru împrăștiat cu salt în timp
5. Performanța ratei de eroare a biților a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în canale AWGN
- Impactul ratei de codare r asupra performanței BER
- Impactul lungimii codului asupra performanței BER

6. Performanța ratei de eroare pe biți a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în canale multitraiectoare cu fading lent Rayleigh cu deplasare Doppler zero
7. Analiza performanței ratei de eroare de biți a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în medii cu fading cu mobilitate ridicată
8. Analiza performanțelor ratei erorilor de biți a sistemelor bazate pe spectru împrăștiat în prezența interferențelor multiutilizator
9. Transmiterea imaginilor RGB prin sisteme cu spectru împrăștiat
10. Sisteme CDMA optice (OCDMA)
- Coduri optice ortogonale (OOC)
- Limitele de performanță ale sistemelor OCDMA ;performanța ratei de eroare pe biți a sistemelor OCDMA sincrone și asincrone

Sisteme SS cu bandă ultra largă

Sisteme bazate pe OFDM

11. Implementarea sistemelor OFDM utilizând transformata Fourier rapidă
12. Arhitectura tipică a sistemelor bazate pe OFDM
13. Performanța ratei de eroare a biților a sistemelor OFDM în canale AWGN
- Impactul ratei de codare r asupra performanței BER
- Impactul prefixului ciclic asupra performanței BER
- Impactul dimensiunii FFT și al distanței dintre subpurtătoare asupra performanței BER

14. Performanța ratei de eroare de biți a sistemelor OFDM în canale multitraiectoare cu fading lent Rayleigh cu deplasare Doppler zero
15. Performanța ratei de eroare de biți a sistemelor OFDM în canale multitraiectoare cu atenuare lentă Rayleigh cu CFO
16. Estimarea canalului în sistemele OFDM
17. Egalizarea în domeniul frecvenței în sistemele OFDM
- Egalizator cu forțare zero
- Egalizatoare MMSE
18. Alți parametri de performanță comuni în sistemele bazate pe OFDM (raportul dintre puterea de vârf și puterea medie, raportul dintre purtătoare și interferență... etc.)
19. Analiza performanței sistemelor bazate pe OFDM în medii cu mobilitate ridicată (ca un proiect de simulare constând în trei lucrări)
20. Lucrare (1): Atenuarea interferențelor între purtătoare
21. Lucrare (2): Sisteme MIMO-OFDM

Optimizarea unui proiect de simulare MATLAB

Scopul acestei părți este de a învăța cum să construim și să optimizăm un proiect de simulare MATLAB pentru a simplifica și organiza întregul proces de simulare. În plus, spațiul de memorie și viteza de procesare sunt, de asemenea, luate în considerare pentru a evita problemele de depășire a memoriei în sistemele de stocare limitate sau timpii lungi de execuție care rezultă din procesarea lentă.

1. Structura tipică a unui proiect de simulare la scară mică
2. Extragerea parametrilor de simulare și maparea teoretică la simulare
3. Construirea unui proiect de simulare
4. Tehnica de simulare Monte Carlo
5. O procedură tipică pentru testarea unui proiect de simulare
6. Tehnici de reducere a spațiului de memorie Management și a timpului de simulare
- Simulare bandă de bază vs. bandă de trecere
- Calcularea lățimii adecvate a impulsului pentru forme de impuls arbitrare trunchiate
- Calcularea numărului adecvat de eșantioane pe simbol
- Calcularea numărului necesar și suficient de biți pentru testarea unui sistem

Programare GUI

A avea un cod MATLAB lipsit de depanări și care funcționează corespunzător pentru a produce rezultate corecte este o mare realizare. Cu toate acestea, un set de parametri cheie dintr-un proiect de simulare controlează "interfața grafică cu utilizatorul (GUI) Programming" pentru a vă pune la îndemână controlul asupra diferitelor părți ale proiectului de simulare, mai degrabă decât să vă scufundați într-un cod sursă lung și plin de comenzi. În plus, mascarea codului dvs. MATLAB cu o interfață grafică ajută la prezentarea muncii dvs. într-un mod care facilitează combinarea mai multor rezultate într-o singură fereastră principală și facilitează compararea datelor.

1. Ce este o MATLAB GUI
2. Structura fișierului de funcții MATLAB GUI
3. Principalele componente GUI (proprietăți și valori importante)
4. Variabile locale și globale

Notă: Subiectele abordate în fiecare nivel al acestui curs includ, dar nu se limitează la cele menționate în fiecare nivel. În plus, elementele fiecărei prelegeri în parte pot fi modificate în funcție de nevoile cursanților și de interesele lor de cercetare.