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Communications System Toolbox

主な機能

  • チャネル符号化、変調、OFDM、MIMO、等化、同期などの通信システム物理層を設計するためのアルゴリズム
  • ビット誤り率アプリ、コンスタレーション ダイアグラム、アイ ダイアグラムなどの解析ツールおよび測定スコープ
  • AWGN、マルチパス レイリー フェージング、ライス フェージング、MIMO マルチパス フェージング、LTE MIMO マルチパス フェージングなどのチャネル モデル
  • 非線形性、位相ノイズ、熱ノイズ、位相と周波数のオフセットなどの基本的な RF 損失モデル
  • 波形を無線デバイスに接続したり無線通信によるテストで設計を検証したりするためのハードウェア サポート パッケージ
  • ターボ、LDPC、ビタビ復号器など、計算集中型アルゴリズムのための GPU 対応アルゴリズム
  • 固定小数点モデリングと、C コードおよび HDL コードの生成をサポート。

エンドツーエンドのシミュレーション

Communications System Toolbox では、通信システムのリンクレベルのモデルをシミュレーションできます。シミュレーションを行うと、通信チャネルに内在するノイズや干渉に対するシステム応答を解析したり、What-if シナリオを調べて相反するシステム アーキテクチャやパラメーターの間でのトレードオフを評価したり、期待されるパフォーマンス測定値を取得して設計の実際の実装を評価したりできます。

通信システム内の物理層は、上位の通信層で生成されたデータに対して転送サポートを提供します。物理層モデルには、次の 3 つのコンポーネントが含まれます。

  • ベースバンド送信機および受信機の操作
  • チャネル モデルと RF 損失
  • システム パフォーマンスの特性評価のための測定および手法

Communications System Toolbox には、物理層モデルにおける 3 つのコンポーネントを指定するための一連の包括的なアルゴリズムおよびツールが用意されています。また、802.11 (Wi-Fi)、802.16 (WiMAX)、DVB.S2、Bluetooth、ATSC (高度テレビジョン システムズ委員会、Advanced Television Systems Committee) デジタル テレビなどのさまざまな通信業界標準の例も用意されています。これらの標準規格の例は、このシステム ツールボックスのアルゴリズムとツールを使用して実際の通信システムのモデル化とシミュレーションを効率的に行う方法を示しています。

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

システムの物理層モデルのエンドツーエンドのシミュレーションに特化した通信規格。上から順に、Bluetooth、DVB.S2、802.11a。

リンクレベルのシミュレーションには、ベースバンド送信機および受信機の操作が含まれます。Communications System Toolbox には、送信機および受信機コンポーネントのための一連の包括的なアルゴリズムが用意されています。これら一連のアルゴリズムはシステムのカスタマイズを支援します。また基本要素となるアルゴリズムについて、ゼロから作成する必要がありません。このアルゴリズムには以下のようなものがあります。

Communications System Toolbox の各アルゴリズムには、よく定義されたパラメーター セットが用意されています。これらのパラメーターを使用して、ユーザー自身の物理層モデルをカスタマイズしたり、それらモデルのパフォーマンスをさまざまな標準規格で定められるパラメーターで適合させたり、そのモデルを新しい革新的なシステムの基本要素として使用することができます。

このシステム ツールボックスのアルゴリズムは、MATLAB 関数、System object および Simulink ブロックとして提供されます。たとえば、OFDM 変調器アルゴリズムを System object または Simulink ブロックとして指定できます。同じアルゴリズムのこれら 2 つの表現は同じパラメーター セットをもつため、同じ入力変数で実行すると、数値の等しい結果が得られます。

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

OFDM 変調器や、多くのCommunications System Toolbox のアルゴリズムは、MATLAB System object (左) または Simulink ブロック (右) として提供されます。

チャネル モデリングと RF損失

チャネル モデリング

Communications System Toolbox には、ノイズ、フェージング、干渉といった、通信チャネルで一般的に発生する歪みをモデリングするためのアルゴリズムやツールが用意されています。この Toolbox では、以下のチャネルがサポートされています。

Communications System Toolbox には、LTE MIMO チャネルCOST 207、3GPP、ITU-R 3G、TU-R HF、GSM/EDGE チャネル モデルなどの標準規格に沿ったチャネルの仕様も用意されています。このツールボックスで提供されるチャネル モデルでは、簡潔で設定変更可能なパラメーター セットを利用できるため、多くの通信チャネルを正確にモデル化できます。

Communications System Toolbox の MIMO、レイリーおよびライス フェージング チャネルには、チャネルのインパルス応答、周波数応答、ドップラー スペクトルを表示する組み込みの可視化ツールが用意されています。これらのツールを使用すると、シミュレーション中に、送信機と受信機の間の相対的な動きによって生じる多重散乱の影響、時間でのばらつき、ドップラー シフトなどのさまざまな電波伝搬の現象の影響を観測できます。

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

Communications System Toolbox フェージング チャネルが組み込みで提供する可視化。チャネルのインパルス応答 (左)、周波数応答 (中央)、ドップラー スペクトル (右)。

RF 損失

通信システムの実際のパフォーマンスの特性評価は、チャネルの正確なモデリングだけでなく、通信機器内で生じる損失の影響にも左右されます。Communications System Toolbox には、以下のさまざまな RF 損失モデルが用意されています。

たとえば、メモリレス非線形性アルゴリズムは、いくつかの非線形モデル (3 次多項式、双曲線正接、Saleh、Ghorbani、Rapp) を備えています。このアルゴリズムを使用すると、変調信号をアンテナへ送出する前に増幅する、送信側の HPA (ハイパワー アンプ) をモデル化できます。また、SimRF™ を使用すれば、より複雑な RF 損失や RF 回路のモデルを設計に取り入れることができます。

Visualization of RF impairments effects.

RF 損失の影響の可視化。左下と右下のプロット: 非線形増幅が発生する前後で動作する HPA (ハイパワー アンプ) の入力信号と出力信号。左上:I/Q インバランスが補正されていない受信信号。右上: 送信スペクトルおよび受信スペクトル。

ハードウェア接続とソフトウェア無線

Communications System Toolbox のハードウェア サポート パッケージを使用すると、送信機モデルおよび受信機モデルを外部の無線デバイスに接続できます。この機能を使用すると、エンドツーエンドのモデル中のシミュレーションチャネルおよび損失を生の無線信号に置き換えて、無線通信によるテストや SDR (ソフトウェア無線) 実験で設計を検証することができます。

Radio-in-the-loop シミュレーションは、a) ベースバンド送信機モデルでカスタム波形を生成し、b) SDR デバイスまたは機器を使用して波形を送信し、c) SDR デバイスまたは機器で受信したサンプルをキャプチャし、d) 受信したサンプルをベースバンド受信機モデル内で処理することで、実行できます。

Radio-in-the-loop simulations.

Radio-in-the-loop シミュレーション: ハードウェア/機器の接続と Communications System Toolbox のハードウェア サポート パッケージ。ベースバンド波形を生成し、RF 機器やサポートされる SDR デバイスとの間で生の無線信号を送受信して、無線通信によるテストで通信システムの設計を検証することができます。

サポートされるハードウェアを供給ビットストリームと共に無線周辺機器として使用できるほか、HDL Coder™ を使用して、自動化されたターゲット指定ワークフローにより FPGA で独自の設計を実行することもできます。Communications System Toolbox は、次の無線デバイスをサポートします。

測定、解析、検証

通信システムの設計とシミュレーションでは、実際の環境に内在するノイズや干渉に対する応答を解析し、グラフィカルな手法や定量的な手法を使用してシステムの挙動を検討したうえ、結果として得られるパフォーマンスが許容可能な基準を満たすかどうかを判断することが必要になります。

Communications System Toolbox では、システムのパフォーマンスを定量的に特性評価するために、次のような標準的な測定が提供されています。

また、このシステム ツールボックスには、次のような可視化スコープも用意されています。

  • タイミング ジッターや符号間干渉などのさまざまな種類の歪みがシステムのパフォーマンスに与える影響を定性的、視覚的に示すためのアイ ダイアグラム
  • 繰り返しシミュレーションで EVM および MER のストリーミング測定を可能とするコンスタレーション 信号描画用のコンスタレーション ダイアグラム

BER の計算はあらゆる通信システムの特性評価において基本となるため、Communications System Toolbox には、通信システムの BER 性能を解析できる BERTool アプリが用意されています。EVM および MER は受信信号および送信チャネルの品質の重要な評価基準であるため、これらの測定はこのシステム ツールボックスのコンスタレーション ダイアグラム スコープに統合されました。ACPR および CCDF 測定も、DSP System Toolbox™ のスペクトル アナライザー スコープに統合されています。

Constellation diagram scope.

コンスタレーション ダイアグラム スコープには、フレーム単位の EVM および MER 測定が含まれています。スペクトル アナライザー スコープ (左) とフレーム単位の ACPR および CCDF 測定 (右)。

同期および受信機の設計

信号を適切に復調するには、無線受信機で、タイミング回復、搬送周波数と位相のオフセットの補償、同期、時間領域と周波数領域の等化などの問題に対処しなければなりません。Communications System Toolbox には、適応的に振る舞う同期アルゴリズムおよび RF 補償アルゴリズムが用意されており、RF 受信機のフロントエンドの設計でチャネルと RF 損失の影響を補正するために使用できます。同期アルゴリズムには次のようなものがあります。

等化

Communications System Toolbox には、OFDM 同期RF 衛星リンクとエンドツーエンドの QAM シミュレーションQPSK 送信機および受信機の例などの受信機のフロントエンドの基準設計が用意されています。これらの例では、受信機処理の前に、ドップラー シフト、位相ノイズ、DC オフセット、I/Q 位相インバランスなどの RF 損失をどのようにして組み込めるかを先ず示します。受信機処理部として、DC ブロック、AGC、IQ インバランス補償器、周波数と位相のオフセット補償器などの補償手法を適用して、受信機で送信信号の最良推定値を再生することができます。

QPSK transmitter and receiver methods.

搬送周波数と位相のオフセット (左)、タイミング回復 (中央)、フレーム同期 (右) などの実際の受信機設計上の問題に対処するための、QPSK 送信機および受信機の手法。

高速化

MATLAB からの C コードの生成、並列処理、GPU に最適化されたアルゴリズムなどの手法により、通信モデルのシミュレーションにかかる時間を大幅に短縮できます。これらの高速化手法を使用することによる複合効果で、一般的なシミュレーションを 10 倍程度高速化でき、シミュレーションの実行に要する時間を 1 晩からたった数時間に短縮することもできます。

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

通信システムのモデル化に関する 3 つのシミュレーション高速化手法: MATLAB からの C コードの生成、並列計算、GPU 処理。

GPU 高速化 — ご使用のコンピューターでグラフィックス処理装置(GPU)を使用してシミュレーション性能を高速化する、Parallel Computing Toolbox™ の機能。Communications System Toolbox の GPU に最適化された System object を使用するときは、CPU ではなく GPU でアルゴリズムを実行します。このプロセスにより、シミュレーションにかかる時間を短縮できます。

並列計算とクラウド コンピューティングへの対応 — 多数の使用可能な MATLAB ワーカーでアルゴリズムの異なる反復を同時に計算することで、サーバー ファームや Amazon EC2 Web サービスの演算能力を活用するための、Parallel Computing Toolbox と MATLAB Distributed Computing Server™ の機能。

MATLAB からの C コードの生成 — シミュレーション中に MATLAB 変数のデータ型およびサイズを固定し、変数のサイズおよびデータ型をコードの各行でチェックする対話型プログラミングのオーバーヘッドを削減することでシミュレーションにかかる時間を短縮できる、MATLAB Coder™ の機能。

コードの生成と実装

固定小数点モデリング

多くの通信システムでは、設計を固定小数点で表現する必要のあるハードウェアを使用しています。Communications System Toolbox は、固定小数点属性の設定を手助けするツールと共に、関連するすべてのブロックと System object で固定小数点モデリングをサポートしています。

このシステム ツールボックスでサポートされている固定小数点には、1 ~ 128 ビットまでのワード サイズ、任意の二進小数点の配置、オーバーフロー処理手法 (ラップまたは飽和)、丸め関数 (ceil、convergent、floor、nearest、round、simplest、zero) などがあります。Fixed-Point Designer™ の Fixed-Point Tool を使用することで、より簡単に浮動小数点データ型を固定小数点データ型に変換することができます。このツールでは、固定小数点の属性を設定するために、最大値および最小値だけでなくオーバーフローも追跡されます。

コードの生成

アルゴリズムまたは通信システムの開発が完了したら、C コードを自動生成して、検証、ラピッド プロトタイピング、および実装を行うことができます。Communications System Toolbox のほとんどの System object、関数およびブロックから、MATLAB Coder、Simulink Coder™ または Embedded Coder® を使用して ANSI/ISO C コードを生成できます。また、System object と Simulink ブロックの一部には、HDL コード生成に対応したものもあります。既存の IP を有効に活用するために、特定のプロセッサ アーキテクチャに最適なものを選択し、生成されたコードに既存の C コードを統合することができます。また、浮動小数点および固定小数点のデータ型から C コードを生成することが可能です。

DSP プロトタイピング

DSP は、通信システムの実装において、検証、ラピッド プロトタイピングまたは最終的なハードウェア実装に使用されます。Embedded Coder の PIL (プロセッサインザループ) シミュレーション機能を使用すると、生成されたソース コードを検証し、アルゴリズムをサポートされるターゲット プロセッサで実行することができます。

FPGA プロトタイピング

FPGA は、通信システムにおいて、高速信号処理アルゴリズムの実装に使用されます。HDL Verifier™ の FIL (FPGA インザループ) 機能を使用すれば、任意の既存 HDL コードに対し、実際のハードウェアで RTL コードをテストできます。このためには、手作業で作成したコードまたは自動生成したコードを用い、アルゴリズムの実装コードをターゲットFPGAで実行します。

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