Измерение вектора ошибки для системы стандарта ZIGBEE

В этом разделе описывается разработка программы для вычисления.

Система 802.15.4 для полосы 868 МГц применяет технику расширения спектра методом прямой последовательности (direct sequence spread spectrum, DSSS) и двоичную фазовую манипуляцию (BPSK) для модуляции последовательности чипов.

Измерения проводятся для 1000 отсчетов синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих сигнала в основной полосе. Для учета задержки, вносимой фильтром, при симуляции передаваемых символов мы добавили 1 дополнительный бит. Передаваемый сигнал интерполируется с коэффициентом интерполяции равным 4.

Мы можем получить символы с BPSK модуляцией применив простое преобразование: 0 --> +1 и 1 --> -1. Если мы выполним такое же преобразование для последовательности чипов, то получим модулированный сигнал еще до преобразования битов в чипы. В этом случае появляется возможность использовать матричную математику и за счет этого получить эффективный код MATLAB. Спецификация ZigBee также определяет характеристики формирующего импульсы фильтра. Это должен быть фильтр типа приподнятого косинуса с коэффициентом сглаживания (roll-of factor) равным 1.

Расширение Communications System Toolbox™ предоставляет системный объект COMM.EVM для расчета среднеквадратического, максимального и процентного значения EVM. Стандарт ZIGBEE определяет метод расчета EVM, при котором средняя ошибка по I и Q отсчетам нормируется к мощности символа. Для сигнала с BPSK мощности символом сигнального созвездия совпадают, поэтому мы можем использовать опцию нормировки 'Peak constellation power' (пиковая мощность сигнального созвездия). Доступные также и другие опции нормировки, которые могут использоваться в других стандартах систем связи. Это средняя мощность сигнального созвездия и средняя мощность эталонного сигнала.

Первым делом генерируется последовательность случайных бит, затем выполняется дифференциальное кодирование с помощью системного объекта DifferentialEncoder и модуляция BPSK. Расширение спектра модулированных символов осуществляется путем матричного умножения на вектор содержащий последовательность чипов. Затем символы расширенной последовательности проходят через фильтр типа приподнятого косинуса. Объект EVM предполагает, что принятые символы (rd) и идеальные символы (с) синхронизированы и имеют одинаковую частоту дискретизации, поэтому мы понижаем частоту дискретизации принятого сигнала и синхронизируем его с идеальным сигналом.

Стандарт требует, чтобы для расчета одного значения среднеквадратической EVM использовалось 1000 символов. Чтобы получить точные результаты мы выполняем симуляцию 100 фреймов, каждый из которых содержит 1000 символов, и выбираем максимальное значение из 100 полученных измерений EVM. Можно заметить, что разработанный передатчик удовлетворяет требованиям.

На рисунке 3.2.1 показано сигнальное созвездие BPSK модуляции при помехах в канале связи.

Рисунок 3.2.1

Из данного рисунка можно сделать вывод, что при воздействии помех на канал связи, происходит отклонение от эталонного созвездия сигнала со значениями (0;-1),(-1;0).

В результате исследования были получены данные, которые приведены в таблице 3.2.1.

EVM	SNR
53,68%
50,12%	0,5
46,68%
44,98%	1,5
42,00%
39,44%	2,5
36,95%
35,46%	3,5
32,73%
31,74%	4,5
29,85%
28,38%	5,5
26,89%
25,00%	6,5
23,39%
22,19%	7,5
21,26%
19,68%	8,5
18,49%
17,73%	9,5
16,52%

Таблица 3.2.1

По полученным значениям был построен график зависимости процентного значения наихудшей величины вектора ошибки от отношения сигнал/шум. Данный график приведен на рисунке 3.2.2.

Рисунок 3.2.2

Здесь рассмотрена программа для тестирования передатчика ZIGBEE, в соответствии с указаниями стандарта по расчету EVM. В данном примере использовалась грубая модель, учитывающая аддитивный белый шум Гаусса, которая показала, что при увеличении отношения сигнал/шум значение EVM уменьшается и при значениях менее 3.5 dB. При менее 35% значения вектора ошибки необходимо для передачи по стандарту ZIGBEE.

Технологическая часть

Тестирование модели

Тестирование на основе модели — это тестирование программного обеспечения, в котором варианты тестирования частично или целиком получаются из модели, описывающей некоторые аспекты тестируемой. Модели могут отображать желаемое поведение системы или использоваться для создания тестовых стратегий или среды тестирования.

Основное тестирование системы приведено в прошлой части, в котором было приведено сравнение графиков теоретических расчетов и полученных с помощью модели.

При изменении параметров генератора случайной последовательности, имитирующего посылаемое сообщение, а именно при изменении типа данных посылаемого сообщения выдается ошибка о несоответствии входных параметров блока преобразователя из однополярного в биполярный сигнал. При изменении частоты выдаваемых битов модель канала связи выдает неверные данные величины ошибочных бит в канале связи, ошибок в канале при любом изменении отношения сигнал/шум выдает ошибки порядка половины количества неверных бит в канале связи, что является неверной работой модели. Похожие результаты модели получаются при изменении величины кодирующей последовательности. При изменении параметров приемника, символы декодируются неверно, что приводит к неправильным данным. При недостаточном времени моделирования системы, получаются результаты сильно отличные от теоретических и экспериментальных данных, полученных при достаточном времени моделирования.

По итогам теста, можно заключить, что при неправильной настройки модели, результаты моделирования являются несостоятельными.

Тестирование модели

Разрабатываемая модель канала связи беспроводных локальных сетей должна работать на электронно-вычислительных машинах разной производительности. Оценкой возможностей масштабируемости разрабатываемой модели выбрана зависимость производительности программы от аппаратных возможностей электронно-вычислительной машины. Под производительностью программы понимается время выполнение программного кода.

Для оценки производительности необходимо запустить реализацию модели на электронно-вычислительных машинах: с различным характеристиками такими, как объем оперативной памяти и число ядер процессора. Данный опыт позволит осуществить анализ зависимости производительности программной модели и вычислительных возможностей электронно-вычислительной машины. На графиках 4.2.1 и 4.2.2 показаны результаты производительности.

Рисунок 4.2.1 – Зависимость времени выполнения программного кода от числа ядер процессора

Рис.93. Зависимость времени выполнения программного кода от объёма оперативной памяти

Данные графики нам указывают на то, что основное влияние на производительность оказывает число ядер процессора. Объём оперативной памяти имеет мало заметное влияние на производительность кода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В выпускной квалификационной работе были рассмотрены существующие стандарты беспроводной связи, изучены принципы моделирования беспроводных каналов связи и методы распространения сигналов в пространстве, а также модели помех.

В результате данных исследований, была построена модель, благодаря которой возможно изучение помехоустойчивости канала связи стандарта ZIGBEE. Еще было проведено исследование способности модулятора справляться с помехами вызванные в канале связи. Было проведено сравнение полученных программных моделей с экспериментальными данными. Также был сформирован программный код модели канала связи ZIGBEE. Были проведены тесты полученной программной модели.