comm.PhaseNoise

位相ノイズをベースバンド信号に適用する

説明

comm.PhaseNoiseSystem object™ は位相ノイズを複素信号に追加します。このオブジェクトは無線通信の送信機または受信機のローカルの発振器によって生じた劣化要因をエミュレートします。オブジェクトは、指定されたスペクトルマスクに従ってフィルター処理された位相ノイズを生成し、それらを入力信号に追加します。位相ノイズモデリングについては、アルゴリズムを参照してください。

comm.PhaseNoise オブジェクトを使用して位相ノイズを追加するには、以下を行います。

comm.PhaseNoise オブジェクトを作成し、そのプロパティを設定します。
関数と同様に、引数を指定してオブジェクトを呼び出します。

System object の機能の詳細については、System object とはを参照してください。

作成

構文

phznoise = comm.PhaseNoise

phznoise = comm.PhaseNoise(level,offset,samplerate)

phznoise = comm.PhaseNoise(___,Name=Value)

説明

phznoise = comm.PhaseNoise は、既定のプロパティ値で位相ノイズ System object を作成します。

phznoise = comm.PhaseNoise(level,offset,samplerate) は、値のみの引数として指定された、位相ノイズレベル、周波数のオフセット、およびサンプルレートのプロパティを使用して位相ノイズオブジェクトを作成します。値のみの引数を指定するときは、先行する値のみの引数をすべて指定しなければなりません。

phznoise = comm.PhaseNoise(___,Name=Value) は、前の構文の入力引数に加えて、名前と値の引数を 1 つ以上使用してオプションを指定します。たとえば、comm.PhaseNoise(RandomStream="mt19937ar with seed") は、メルセンヌ・ツイスター乱数発生器を使用するように乱数ストリームが設定された位相ノイズオブジェクトを作成します。

例

プロパティ

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特に指定がない限り、プロパティは "調整不可能" です。つまり、オブジェクトの呼び出し後に値を変更することはできません。オブジェクトは呼び出すとロックされ、ロックを解除するには関数 release を使用します。

プロパティが "調整可能" の場合、その値をいつでも変更できます。

プロパティ値の変更の詳細については、System object を使用した MATLAB でのシステム設計を参照してください。

`Level` — 位相ノイズレベル
`[-80 -100]` (既定値) | 負のスカラーのベクトル

ヘルツあたりの搬送波に対するデシベル単位の位相ノイズレベル (dBc/Hz)。負のスカラーのベクトルとして指定します。Level プロパティおよび FrequencyOffset プロパティの長さは同じでなければなりません。

データ型: double

`FrequencyOffset` — Frequency offset
`[2000 20000]` (既定値) | 正の増加する値のベクトル

Hz 単位の周波数オフセット。正の増加する値のベクトルとして指定します。最大周波数オフセット値は F_S/ 2 未満でなければなりません。ここで、F_S は SampleRate プロパティの値を表します。

Level プロパティおよび FrequencyOffset プロパティの長さは同じでなければなりません。

データ型: double

`SampleRate` — サンプルレート
`1e6` (既定値) | 正のスカラー

サンプルレート (Hz 単位)。FrequencyOffset プロパティで指定した最大値の 2 倍より大きい正のスカラーとして指定します。

データ型: double

`RandomStream` — 乱数ストリームのソース
`'Global stream'` (既定値) | `'mt19937ar with seed'`

乱数ストリームのソース。'Global stream' または 'mt19937ar with seed' として指定します。RandomStream が 'mt19937ar with seed' に設定されている場合は、正規分布の乱数発生に mt19937ar アルゴリズムが使用されます。この場合、リセットメソッドが乱数ストリームを Seed プロパティの値に再初期化します。

データ型: char | string

`Seed` — 初期シード
`2137` (既定値) | 2³² 未満の正のスカラー

RandomStream の初期シード。2³² 未満の正のスカラーとして指定します。

依存関係

このプロパティを有効にするには、RandomStream を 'mt19937ar with seed' に設定します。

データ型: double

使用法

構文

out = phznoise(in)

説明

out = phznoise(in) は、phznoise System object によって指定された位相ノイズを入力信号に追加します。結果は、out に返されます。

例

入力引数

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`in` — 入力信号
ベクトル | 行列

入力信号。N_S 行 1 列の数値ベクトルとして指定するか、または N_S 行 M 列の数値行として指定します。N_S は、サンプルの数です。M は、チャネルの数です。

このオブジェクトは可変サイズの入力を受け入れます。オブジェクトがロックされると、各入力チャネルのサイズは変更できますが、チャネルの数は変更できません。詳細については、Variable-Size Signal Support with System Objectsを参照してください。

データ型: double | single
複素数のサポート: あり

出力引数

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`out` — 出力信号
ベクトル | 行列

出力信号は複素数値信号として返され、データ型とサイズは入力信号と同じです。

オブジェクト関数

オブジェクト関数を使用するには、System object を最初の入力引数として指定します。たとえば、obj という名前の System object のシステムリソースを解放するには、次の構文を使用します。

release(obj)

すべて展開する

comm.PhaseNoise に固有

visualize 位相ノイズのスペクトルマスクの可視化

すべての System object に共通

`step`	System object のアルゴリズムの実行
`release`	リソースを解放し、System object のプロパティ値と入力特性の変更を可能にします。
`reset`	System object の内部状態のリセット

例

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16-QAM 信号への位相ノイズの影響

ライブスクリプトを開く

16-QAM 信号に位相ノイズベクトルと周波数オフセットベクトルを追加します。次に、信号をプロットします。

位相ノイズ System object を作成します。

pnoise = comm.PhaseNoise('Level',-50,'FrequencyOffset',20);

変調されたシンボルを生成します。

M = 16; % From 16-QAM
data = randi([0 M-1],1000,1);
modData = qammod(data,M);

pnoise を使用して位相ノイズを適用します。劣化したデータをプロットします。

y = pnoise(modData);
scatterplot(y)

信号スペクトルへの位相ノイズの影響の表示

ライブスクリプトを開く

スペクトルアナライザーを使用して、10 MHz の正弦波への位相ノイズの影響を表示します。スペクトルアナライザーの分解能帯域幅を調整して、可視化されたスペクトルノイズへの影響を確認します。

シミュレーションの変数を初期化します。

fc = 1e6; % Carrier frequency in Hz
fs = 4e6; % Sample rate in Hz.
phNzLevel = [-85 -118 -125 -145]; % in dBc/Hz
phNzFreqOff = [1e3 9.5e3 19.5e3 195e3]; % in Hz
Nspf = 6e6; % Number of Samples per frame
freqSpan = 400e3; % in Hz, for spectrum computation

正弦波、位相ノイズ、およびスペクトルアナライザーのオブジェクトを作成します。

sinewave = dsp.SineWave( ...
    Amplitude=1, ...
    Frequency=fc, ...
    SampleRate=fs, ...
    SamplesPerFrame=Nspf, ...
    ComplexOutput=true);
pnoise = comm.PhaseNoise( ...
    Level=phNzLevel, ...
    FrequencyOffset=phNzFreqOff, ...
    SampleRate=fs);
sascopeRBW100 = spectrumAnalyzer( ...
    SampleRate=fs, ...
    Method="welch", ...
    FrequencySpan="Span and center frequency", ...
    CenterFrequency=fc, ...
    Span=freqSpan, ...
    RBWSource="Property", ...
    RBW=100, ...
    SpectrumType="Power density", ...
    SpectralAverages=10, ...
    SpectrumUnits="dBW", ...
    YLimits=[-150 10], ...
    Title="Resolution Bandwidth 100 Hz", ...
    ChannelNames={'signal','signal with phase noise'}, ...
    Position=[79 147 605 374]);
sascopeRBW1k = spectrumAnalyzer( ...
    SampleRate=fs, ...
    Method="welch", ...
    FrequencySpan="Span and center frequency", ...
    CenterFrequency=fc, ...
    Span=freqSpan, ...
    RBWSource="Property", ...
    RBW=1000, ...
    SpectrumType="Power density", ...
    SpectralAverages=10, ...
    SpectrumUnits="dBW", ...
    YLimits=[-150 10], ...
    Title="Resolution Bandwidth 1 kHz", ...
    ChannelNames={'signal','signal with phase noise'}, ...
    Position=[685 146 605 376]);

スペクトルと位相ノイズを解析するために、この例には、それぞれ 100 Hz および 1 kHz の分解能帯域幅をもつ 2 つのスペクトルアナライザーオブジェクトが含まれています。スペクトルアナライザーオブジェクトは、既定の Hann ウィンドウ処理設定を使用し、スペクトル単位は dBW に設定され、スペクトル平均の数は 10 に設定されます。

x = sinewave();
y = pnoise(x);

分解能帯域幅が 100 Hz の場合、スペクトルアナライザーの dBW/Hz の表示は -20 dBW/Hz におけるトーンを示します。スペクトルアナライザーオブジェクトは、ハンウィンドウ処理の電力の拡散効果を補正します。位相ノイズの外観上の平均を示す結果は、指定の位相ノイズスペクトルに一致します。

sascopeRBW100(x,y)

分解能帯域幅が 1 kHz の場合、スペクトルアナライザーの dBW/Hz の表示は -30 dBW/Hz におけるトーンを示します。正弦波のトーンエネルギーは、ここで 100 Hz の代わりに 1 kHz に広がり、そのため正弦波 PSD レベルは 10 dB 減少します。1 kHz の分解能帯域幅でも、位相ノイズの外観上の平均は、依然として位相ノイズオブジェクトで定義された位相ノイズに達します。

分解能帯域幅が 100 Hz から 1 kHz に増えても、スペクトルアナライザーオブジェクトは、依然としてハンウィンドウの電力の拡散効果を補正し、より広い分解能帯域幅でより優れたスペクトル平均化を達成します。詳細については、ウィンドウを使用する理由を参照してください。

sascopeRBW1k(x,y)

純粋正弦波とノイズのある正弦波との間の RMS 位相ノイズを度単位で計算します。一般に、位相誤差を正確に求めるには、純粋な信号がノイズ信号と時間で整列されなければなりません。しかし、この場合は、正弦波の周期性によりこの手順が不要です。

ph_err = unwrap(angle(y) - angle(x));
rms_ph_nz_deg = rms(ph_err)*180/pi();
sprintf('The computed RMS phase noise is %3.2f degrees.', ...
    rms_ph_nz_deg)

ans = 
'The computed RMS phase noise is 0.37 degrees.'

アルゴリズム

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出力信号 y_k は、y_k=x_ke^jφ_k により入力シーケンス x_k に関連付けられています。ここで、φ_k は位相ノイズです。位相ノイズはフィルター処理されたガウスノイズで、次のようになります。φ_k=f(n_k)。ここで、n_k はノイズシーケンスで、f はフィルター処理操作を表します。

Diagram showing phase noise applied to input signal

位相ノイズをモデル化するには、周波数オフセットと位相ノイズレベルのスカラーまたはベクトルの値を指定することで、パワースペクトル密度 (PSD) マスクの特性を定義します。

スカラー周波数オフセットと位相ノイズレベルの仕様では、IIR デジタルフィルターがスペクトルマスクを計算します。スペクトルマスクは、指定された点を通過する 1 / f の特性をもちます。詳細については、IIR デジタルフィルターを参照してください。
ベクトル周波数オフセットと位相ノイズレベルの仕様では、FIR フィルターがスペクトルマスクを計算します。スペクトルマスクは、log10(f) にわたって内挿されます。詳細については、FIR フィルターを参照してください。

IIR デジタルフィルター

IIR デジタルフィルターでは、分子係数は次のようになります。

$λ = \sqrt{2 π f_{o f f s e t} 10^{L / 10}},$

ここで、f_offset は周波数オフセット (Hz) で、L は位相ノイズレベル (dBc/Hz) です。分母係数 γ_i は次のように再帰的に決定されます。

$γ_{i} = (i - 2.5) \frac{γ_{i - 1}}{i - 1},$

ここで、γ₁ = 1、i = {1, 2,..., N_t} であり、N_t はフィルター係数の数です。N_t は範囲 [2⁷, 2¹⁹] 内の 2 のべき乗です。N_t の値は、位相ノイズオフセットが 0 Hz まで減少するにつれて増加します。

FIR フィルター

FIR フィルターでは、位相ノイズレベルは、[df, f_s / 2] の範囲にある周波数オフセットに対する log10(f) 内挿により決定されます。ここで、df は周波数分解能で、f_s はサンプルレートです。位相ノイズは、[0, df] Hz の範囲と、最大周波数オフセットから f_s / 2 までフラットです。位相ノイズは、df から最小周波数オフセットまで、1 / f³ の特性をもちます。位相ノイズは、最小周波数オフセットと最大周波数オフセットの間で線形内挿されます。周波数分解能は、(f_s / 2)(1 / N_t) と等しくなります。ここで、N_t は係数の数であり、2¹⁶ 以下の 2 のべき乗です。

結果のフィルターのタップ数 N_t が 2⁸ より小さい場合は、時間領域 FIR フィルターを使用します。2⁸ <= N_t <= 2¹⁶ である場合は、周波数領域 FIR フィルターを使用します。N_t > 2¹⁶ である場合は、フィルターとシンセサイザーがカスケード接続されたシステムを使用します。[0, f_s/2] の周波数範囲を 2 等分します。各サブバンドで位相ノイズを形成するフィルターを設計します。[0, f_s/2] の範囲で目的の位相ノイズ特性を得られるよう、シンセサイザーを使用して 2 つのサブバンドを結合します。各フィルターのタップ数が 2¹⁶ 以下になるまで、各サブバンドに対してこの処理を繰り返します。

単一フィルターまたはカスケード接続されたフィルターのシンセサイザーシステムでは、フィルターのレイテンシを除去するための準備が初期化中に行われます。

参照

[1] Kasdin, N. J., "Discrete Simulation of Colored Noise and Stochastic Processes and 1/(f^alpha); Power Law Noise Generation." The Proceedings of the IEEE. Vol. 83, No. 5, May, 1995, pp 802–827.

拡張機能

C/C++ コード生成
MATLAB® Coder™ を使用して C および C++ コードを生成します。

使用上の注意および制限:

MATLAB コード生成における System object (MATLAB Coder)を参照してください。

バージョン履歴

R2012a で導入

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R2024a: 可変サイズのサポート

このサポートによって、オブジェクトを呼び出すたびに入力信号の長さを変えられるようになりました。

R2024a: 高周波数の位相ノイズによる劣化のモデル化

より周波数が高い信号の位相ノイズを正確にモデル化するには、comm.PhaseNoise System object を使用します。comm.PhaseNoise System object の関数 visualize を使用します。詳細については、comm.PhaseNoise System object のアルゴリズムを参照してください。

参考

comm.PhaseNoise

説明

作成

構文

説明

プロパティ

Level — 位相ノイズ レベル [-80 -100] (既定値) | 負のスカラーのベクトル

FrequencyOffset — Frequency offset [2000 20000] (既定値) | 正の増加する値のベクトル

SampleRate — サンプル レート 1e6 (既定値) | 正のスカラー

RandomStream — 乱数ストリームのソース 'Global stream' (既定値) | 'mt19937ar with seed'

Seed — 初期シード 2137 (既定値) | 232 未満の正のスカラー

依存関係

使用法

構文

説明

入力引数

in — 入力信号 ベクトル | 行列

出力引数

out — 出力信号 ベクトル | 行列

オブジェクト関数

comm.PhaseNoise に固有

すべての System object に共通

例

16-QAM 信号への位相ノイズの影響

信号スペクトルへの位相ノイズの影響の表示

アルゴリズム

IIR デジタル フィルター

FIR フィルター

参照

拡張機能

C/C++ コード生成 MATLAB® Coder™ を使用して C および C++ コードを生成します。

バージョン履歴

R2024a: 可変サイズのサポート

R2024a: 高周波数の位相ノイズによる劣化のモデル化

参考

オブジェクト

ブロック

トピック

`Level` — 位相ノイズレベル
`[-80 -100]` (既定値) | 負のスカラーのベクトル

`FrequencyOffset` — Frequency offset
`[2000 20000]` (既定値) | 正の増加する値のベクトル

`SampleRate` — サンプルレート
`1e6` (既定値) | 正のスカラー

`RandomStream` — 乱数ストリームのソース
`'Global stream'` (既定値) | `'mt19937ar with seed'`

`Seed` — 初期シード
`2137` (既定値) | 2³² 未満の正のスカラー

`in` — 入力信号
ベクトル | 行列

`out` — 出力信号
ベクトル | 行列

IIR デジタルフィルター

C/C++ コード生成
MATLAB® Coder™ を使用して C および C++ コードを生成します。