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256-QAM mithilfe von Simulink untersuchen

Dieses Beispiel veranschaulicht, wie Sie mithilfe von Simulink® ein Kommunikationssystem mit Quadraturamplitudenmodulation (QAM), AWGN-Kanal (Additive White Gaussian Noise – additives weißes Gaußsches Rauschen) und Phasenrauschen modellieren können. Das Modell zeigt Anordnungsdiagramme des 256-QAM-Signals an und führt Berechnungen der Fehlerrate durch.

Überblick

Das Modell cm_commphasenoise simuliert den Effekt von AWGN und Phasenrauschen an einem 256-QAM-Signal. Das Simulink-Modell ist eine grafische Darstellung des mathematischen Modells eines Kommunikationssystems, das ein Zufallssignal generiert, dieses Signal mit QAM moduliert, ihm AWGN und Phasenrauschen hinzufügt und es demoduliert. Das Modell enthält auch Blöcke zur Darstellung der Bitfehlerrate und Anordnungsdiagramme des modulierten Signals.

  • Der Generator-Block „Bernoulli Binary“ generiert ein Signal, das aus einer Folge von 8-Bit-Binärwerten im Bereich [0, 255] besteht.

  • Der rechteckige Block mit dem Basisband-QAM-Modulator moduliert das Signal mithilfe von 256-Bit-Basisband-QAM.

  • Der Block mit dem AWGN-Kanal modelliert ein mit Rauschen behaftetes Signal, indem dem modulierten Signal weißes Gaußsches Rauschen hinzugefügt wird.

  • Der Block „Phase Noise“ fügt im Winkel seines komplexen Eingangssignals ein Rauschen hinzu.

  • Der rechteckige Block mit dem Basisband-QAM-Demodulator demoduliert das Signal.

Die zusätzlichen Blöcke im Modell können Ihnen bei der Interpretation der Simulation helfen.

  • Der quadratische Block mit dem Konstellationsdiagramm zeigt Konstellationsdiagramme des Signals an, dem AWGN und Phasenrauschen hinzugefügt wurde.

  • Der Block „Error Rate Calculation“ zählt die Bits, die im empfangenen Signal vom übertragenen Signal abweichen.

  • Der Block „To Workspace“ mit der Beschriftung outputErr gibt die Ergebnisse an den Arbeitsbereich aus, damit sie beim Darstellen der Ergebnisse in Diagrammen verwendet werden können. Der Block „Display BER Plot“ öffnet ein Diagramm für die Bitfehlerrate (Bit Error Rate, BER), in dem die Eb/N0-Leistungskurven für 256-QAM-Übertragung und -Empfang bei verschiedenen Pegeln des Phasenrauschens angezeigt werden.

Digitale Modulation

Dieses Model simuliert QAM, eine Methode zum Konvertieren eines digitalen Signals in ein komplexes Signal. Das Modell moduliert das Signal auf eine Folge komplexer Zahlen, die auf einem Gitter aus Punkten in der komplexen Ebene liegen. Dies wird auch als Konstellation des Signals bezeichnet. Ein Diagramm dieser Punkte wird als Streudiagramm oder Konstellationsdiagramm des Signals bezeichnet.

Das hier dargestellte Konstellationsdiagramm zeigt die 256-Bit-Basisband-QAM, nachdem AWGN hinzugefügt wurde und nachdem AWGN und Phasenrauschen hinzugefügt wurde. Wegen des hinzugefügten Rauschens liegen die Punkte im Konstellationsdiagramm nicht exakt auf der Anordnung in der Abbildung. Das Phasenrauschen verändert den Winkel des komplexen modulierten Signals, was zu einer radialen Versetzung von Konstellationspunkten führt.

Die Simulation ausführen

In der Standardmodellkonfiguration ist die Ausführungsdauer auf inf festgelegt. Der Block „Error Rate Calculation“ ist so konfiguriert, dass die Ausführung beendet wird, wenn 100 Fehler aufgetreten sind. Wenn die Simulation beendet werden soll, bevor 100 Fehler aufgetreten sind, klicken Sie auf Beenden auf der Registerkarte Simulation.

Die Fehlerrate anzeigen

Im Anzeige-Block wird die Anzahl der Fehler, die durch den AWGN und das Phasenrauschen entstanden sind, angezeigt. Wenn Sie die Simulation ausführen, erscheinen in diesem Block drei kleine Felder, in denen die Vektorausgabe des Blocks „Error Rate Calculation“ angezeigt wird.

  • Der erste Eintrag ist die BER.

  • Der zweite Eintrag ist die Gesamtzahl der Fehler.

  • Der dritte Eintrag ist die Gesamtzahl der durchgeführten Vergleiche.

Ein Diagramm des Phasenrauschens anzeigen

Wenn ein Diagramm mit den Simulationsergebnissen der Kurven von BER im Vergleich zu Eb/N0 für einen Bereich verschiedener Einstellungen für das Phasenrauschen angezeigt werden soll, doppelklicken Sie auf den Block „Display BER Plot“ im Modell.

Weitere Erkundung

Die Funktionsweise eines Simulink-Blocks können Sie über seine Parameter steuern. Wenn Sie Simulationsparameter anzeigen oder ändern möchten, doppelklicken Sie auf einen Block, um dessen Blockmaske zu öffnen.

Um das Ausmaß des Phasenrauschens zu ändern, öffnen Sie die Maske des Blocks „Phase Noise“ und geben einen neuen Wert für den Parameter Phase noise level (dBc/Hz) ein. Klicken Sie auf OK, um die neue Einstellung zu übernehmen.

Um das Ausmaß des Rauschens zu ändern, öffnen Sie die Maske des Blocks mit dem AWGN-Kanal und geben einen neuen Wert für den Parameter Eb/No (dB) ein. Wenn dieser Parameterwert verringert wird, erhöht sich der Rauschpegel. Klicken Sie auf OK, um die neue Einstellung zu übernehmen.

Wenn der Rauschpegel verringert und das Eb/N0 erhöht wird, wird das Rauschen aus dem Modell entfernt. Da das Modell so konfiguriert ist, dass die Ausführung beendet wird, wenn 100 Fehler aufgetreten sind, dauert die Ausführung der Simulation umso länger, je weniger Rauschen im Modell simuliert wird. Um die maximale Ausführungszeit der Simulation zu begrenzen, können Sie die auf inf festgelegte Ausführungsdauer auf einen kleinen Wert, wie zum Beispiel 10, verringern.

Um neue Ergebnisse zu generieren, führen Sie die Simulation mit den geänderten Einstellungen aus.

Sie können aber auch einen Variablennamen in einem Parameter eingeben. Danach müssen Sie auf der MATLAB®-Befehlszeile den Wert für diese Variable im Arbeitsbereich festlegen. Das Festlegen der Parameter im Befehlsfenster ist eine bequeme Möglichkeit, wenn Sie mehrere Simulationen mit unterschiedlichen Parameterwerten ausführen müssen.

Sie können auch Rückruffunktionen zum Konfigurieren Ihrer Simulation verwenden. Die Standardeinstellung für mehrere Parameter in diesem Modell wird mit der Rückruffunktion PreLoadFcn festgelegt. Um auf die Rückruffunktionen zuzugreifen, wählen Sie Model Settings > Model Properties auf der Registerkarte Modeling aus. Wählen Sie im Dialogfeld Model Properties die Registerkarte Callbacks aus. Weitere Informationen zu Modelleigenschaften und Rückruffunktionen finden Sie unter Model Callbacks (Simulink).

BER bei unterschiedlichen Rauschpegeln im Diagramm darstellen

Die MATLAB®-Programmdatei plot_256qam_ber_curves.m hat dieses BER-Diagramm durch Ausführung mehrerer Simulationen mit unterschiedlichen Werten für die Parameter Phase noise level (dBc/Hz) und Eb/No (dB) generiert. Jede Kurve zeigt die BER als Funktion des Signal-Rausch-Verhältnisses für ein festes Ausmaß des Phasenrauschens. Für jeden dargestellten BER-Punkt wurde die Simulation beendet, nachdem 1000 Bitfehler erreicht oder 1e8 Bits verglichen wurden. Die Abweichungen zwischen den Ergebnissen der einzelnen Ausführungen sind auf die zufällige Natur des Eingangssignals und der Beeinflussung der Simulation zurückzuführen.

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