Entwerfen von drahtlosen Kommunikationssystemen mit MATLAB und USRP Software Defined Radios

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Aufbau eines störungsfreien Kommunikationskanals

Ziel: Entwerfen eines idealen Kommunikationssystems und das Anwenden der System-Objekte.

• Abtasttheorem und Aliasing
• Komplexes Basisband versus reale Passband-Simulation
• Erstellen eines zufälligen Bitstroms
• Untersuchung von System-Objekten und deren Vorteile
• Modulation eines Bitstroms mit QPSK
• Anwendung des Pulsformungsfilters auf das übertragene Signal
• Benutzung von Augendiagrammen und Spektralanalysen
• Modellierung eines QPSK-Empfängers für einen störungsfreien Kanal
• Berechnung der Bitfehlerrate

Verrauschte Kanäle, Kanalcodierung und Fehlerrate

Ziel: Modellierung eines AWGN-Kanals. Verwenden von Faltungs-, LDPC- und Turbo-Codes, um die Bitfehlerrate zu reduzieren. Als Beispiel werden Fehlerkorrekturcodes von DVB-S.2 und LTE-Systemen verwendet. Beschleunigung von Simulationen mit Hilfe von mehreren Kernen.

• Modellierung eines AWGN-Kanals
• Verwenden von Kanalcodierung und Decodierung: Faltungs-, LDPC- und Turbo-Codes
• Decodierung mit Trellis-Diagrammen und Viterbi Algorithmen
• Verwenden der Parallel Computing Toolbox zur Beschleunigung der Monte-Carlo Simulationen
• Diskussion alternativer Beschleunigungsmethoden: GPUs, MATLAB Parallel Server™, Cloud Center

Zeit- und Frequenzfehler und Mehrwegempfang

Ziel: Modellieren von Frequenz-Offset, Timing-Jitter Fehler und Ausgleichen mittels Frequenz und Timing-Synchronisationsmethoden. Modellieren von Fading-, Mehrwegkanälen und Ausgleichen mittels Equalizer.

• Modellierung von Phasen- und Zeit-Offsets
• Ausgleichung von Frequenz-Offset mit einer PLL
• Ausgleichung von Timing-Jitter mit Gardner Timing-Synchronisation
• Modellierung von Flat-Fading Kanälen
• Kanalschätzung mittels Trainingssequenzen
• Modellierung frequenzselektiver Fading-Kanäle
• Verwendung von Viterbi- Equalizer für zeitinvariante Kanäle und LMS-Linear-Equalizer für zeitvariable Kanäle
• Demonstration einer Echtzeit-Demodulation von Single-Carrier Sendung mit RTL-SDR

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Multiträger-Kommunikationssysteme für Mehrwegkanäle

Ziel: Grundlegendes zur Motivation für Multiträger -Kommunikationssysteme für frequenzselektive Kanäle. Modellierung eines OFDM-Transceivers mit zyklischem Präfix und Fensterung. Dabei werden Systemparameterwerte von IEEE 802.11ac und LTE verwendet.

• Motivation für Multiträge-Kommunikation
• Einführung in die Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)
• Erzeugen von OFDM-Symbolen mit dem IFFT
• Vermeidung von Interblock-Interferenzen mit einem zyklischen Präfix
• Reduzierung von Außerbandaussendungen mittels Fensterung
• Vor- und Nachteile von OFDM
• Zeit- und Frequenzwiederherstellungsmethoden für OFDM
• Kanalschätzung mit Pilotsymbolen
• Frequenzbereichsausgleich

Verwenden mehrerer Antennen für Robustheit und Kapazitätsgewinne

Ziel: Verstehen eines alternativen Mehrantennen-Kommunikationssystems. Modellierung von Beamforming-, Diversity- und räumlichen Multiplex-Systemen. Aufbau eines MIMO-OFDM-Systems für Breitbandkommunikation. MIMO Modi von IEEE 802.11ac und LTE werden diskutiert.

• Vorteile und Typen von Mehrantennen-Systemen
• Senden und Empfangen von Beamforming
• Diversity-Methoden beim Empfangen
• Erreichen der Sende-Diversity mit orthogonalen Raum-Zeit-Block-Codes
• Schmalband Multiple Input Multiple Output (MIMO) Kanal Modell
• MIMO-Kanalschätzung
• Räumliches Multiplexing mit ZF- und MMSE-Equalization
• Breitbandkommunikation mit einem MIMO-OFDM-System

Aufbau eines Radio-in-the-Loop Systems

Ziel: Verständnis des Radio-in-the-Loop Entwicklungsworkflows. Verwenden von RTL-SDRs und USRPs als Radio-in-the-Loop Entwicklungsplattformen.

• Überblick über den Radio-in-the-Loop Workflow
• MathWorks Communications Hardware Support (RTL-SDR, USRP, Zynq^®-Based Radio)
• Hardware-Alternativvergleich (Pros / Cons-Tabelle)
• Verschiedene RIL-Sende- und Empfangsmodi (Single-Burst, Looped, Streaming)
• Aufbau eines End-to-End Einzelantenne Multiträger-Kommunikationssystems mit einem USRP
• Demonstration eines 2x2 OFDM-MIMO Systems für die Übertragung über die Luft mit USRPs