comm.ThermalNoise

信号への熱ノイズの付加

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説明

comm.ThermalNoise System object™ オブジェクトは、複素ベースバンド信号の熱ノイズの影響をシミュレートします。詳細については、アルゴリズムを参照してください。

熱ノイズを複素ベースバンド信号に付加するには、次のようにします。

comm.ThermalNoise 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

noise = comm.ThermalNoise

noise = comm.ThermalNoise(Name=Value)

説明

noise = comm.ThermalNoise は受信機の熱ノイズ System object を作成します。このオブジェクトは、複素ベースバンド入力信号に熱ノイズを付加します。

noise = comm.ThermalNoise(Name=Value) は、名前と値の引数を 1 つ以上使用してプロパティを設定します。たとえば、SampleRate=2 は入力信号のサンプルレートを 2 に設定します。

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。

`NoiseMethod` — ノイズパワーを設定するメソッド
`'Noise temperature'` (既定値) | `'Noise figure'` | `'Noise factor'`

ノイズパワーを設定するメソッド。'Noise temperature'、'Noise figure' または 'Noise factor' で指定します。

`NoiseTemperature` — 受信機のノイズ温度
`290` (既定値) | 非負のスカラー

受信機のノイズ温度。ケルビン単位で非負のスカラーとして指定します。ノイズ温度は通常、受信機を特徴付けるために使用されます。これは、入力ノイズ温度が変化する場合があり、290 K より低いことがよくあるためです。

調整可能: Yes

依存関係

このプロパティは NoiseMethod を 'Noise temperature' に設定した場合に適用されます。

データ型: double | single

`NoiseFigure` — Noise figure
`3.01` (既定値) | 非負のスカラー

ノイズ指数 (dB 単位)。非負のスカラーとして指定します。ノイズ指数は受信機のパフォーマンスを示し、アンテナの影響は含まれません。入力ノイズ温度 290 K に対してのみ定義されます。ノイズ指数はノイズファクターの dB に相当します。

調整可能: Yes

依存関係

このプロパティは NoiseMethod を 'Noise figure' に設定した場合に適用されます。

データ型: double | single

`NoiseFactor` — Noise factor
`2` (既定値) | 1 以上のスカラー

ノイズファクター。1 以上のスカラーとして指定します。ノイズファクターは受信機のパフォーマンスを示し、アンテナの影響は含まれません。入力ノイズ温度 290 K に対してのみ定義されます。ノイズファクターはノイズ指数の線形等価です。

調整可能: Yes

依存関係

このプロパティは NoiseMethod を 'Noise factor' に設定した場合に適用されます。

データ型: double | single

`ReferenceLoad` — 参照負荷
`1` (既定値) | 正のスカラー

参照負荷 (オーム単位)。正のスカラーとして指定します。参照負荷の値は、信号レベルおよびノイズパワーレベルに基づいて電圧レベルを計算するのに使用されます。

調整可能: Yes

データ型: double | single

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

サンプルレート (Hz 単位)。正のスカラーとして指定します。オブジェクトは、入力信号に付加されるノイズの分散を kT×SampleRate×ReferenceLoad として計算します。値 k はボルツマン定数で、T は、いずれかのノイズメソッドによって明示的または黙示的に指定されるノイズ温度です。

データ型: double | single

`Add290KAntennaNoise` — 290 K のアンテナノイズを付加するオプション
`false` または `0` (既定値) | `true` または `1`

290 K のアンテナノイズを入力信号に付加するオプション。logical 0 (false) または logical 1 (true) として指定します。290 K のアンテナノイズを付加するには、このプロパティを true に設定します。入力信号に適用される全ノイズは、回路ノイズとアンテナノイズの和です。

依存関係

このプロパティを有効にするには、NoiseMethod プロパティを 'Noise factor' または 'Noise figure' に設定します。

データ型: logical

使用法

構文

outsignal = noise(insignal)

説明

outsignal = noise(insignal) は、熱ノイズを複素ベースバンド入力信号 insignal に付加し、結果を outsignal で返します。

入力引数

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`insignal` — ベースバンド信号
スカラー | 列ベクトル | 行列

ベースバンド信号。複素数値のスカラー、N_S 要素の列ベクトル、または N_S 行 N_C 列の行列として指定します。N_S は、サンプルの数です。N_C 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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`outsignal` — 出力信号
スカラー | 列ベクトル | 行列

出力信号。入力信号と同じ長さとデータ型で、複素数値のスカラー、列ベクトル、または行列として返されます。

データ型: double | single
複素数のサポート: あり

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)

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`comm.ThermalNoise` に固有

info Characteristic information about thermal noise object

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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QPSK 信号への熱ノイズの付加

ライブスクリプトを開く

ノイズ温度 290 K、サンプルレート 5 MHz で熱ノイズオブジェクトを作成します。

thNoise = comm.ThermalNoise('NoiseTemperature',290,'SampleRate',5e6);

20 dBm の出力パワーで QPSK 変調データを生成します。

data = randi([0 3],1000,1);
modData = (10^((20-30)/20)) * pskmod(data,4,pi/4);

1000 m のリンク距離と 2 GHz の搬送波周波数を想定した自由空間パス損失で信号を減衰させます。

d = 1000;                    % m  
f = 2e9;                     % Hz
c = 3e8;                     % m/s 
fsl = (4*pi*d*f/c)^2;
rxData = modData/sqrt(fsl);

信号に熱ノイズを付加します。ノイズの多いコンスタレーションをプロットします。

noisyData = thNoise(rxData);
scatterplot(noisyData)

アンテナおよび受信側の熱ノイズの 16-QAM 信号への追加

ライブスクリプトを開く

ノイズ指数 5 dB、サンプルレート 10 MHz で熱ノイズオブジェクトを作成します。290 K のアンテナノイズを含めます。

thermalNoise = comm.ThermalNoise('NoiseMethod','Noise figure', ...
    'NoiseFigure',5, ...
    'SampleRate',10e6, ...
    'Add290KAntennaNoise',true);

1 W の出力パワーで QPSK 変調データを生成します。

data = randi([0 15],1000,1);
modSig = qammod(data,16,'UnitAveragePower',true);

1 km のリンク距離と 5 GHz の搬送波周波数を想定した自由空間パス損失で信号を減衰させます。

d = 1000;                   % m
f = 5e9;                    % Hz
c = 3e8;                    % m/s
fsl = (4*pi*d*f/c)^2;
rxSig = modSig/sqrt(fsl);

信号に熱ノイズを追加し、そのコンスタレーションをプロットします。

noisySig = thermalNoise(rxSig);
scatterplot(noisySig)

SNR を推定します。

mer = comm.MER;
snrEst1 = mer(rxSig,noisySig)

snrEst1 = 22.6611

ノイズ指数を 0 dB に減らして、結果の受信信号をプロットします。アンテナノイズが含まれているため、信号は完全にノイズなしにはなりません。

thermalNoise.NoiseFigure = 0;
noisySig = thermalNoise(rxSig);
scatterplot(noisySig)

SNR を推定します。SNR は最初のケースより 5 dB 高くなりますが、これはノイズ指数の 5 dB の低下から予想されます。

snrEst2 = mer(rxSig,noisySig)

snrEst2 = 27.8658

snrEst2 - snrEst1

ans = 5.2047

マルチチャネル信号への熱ノイズの適用

ライブスクリプトを開く

マルチチャネル信号に熱ノイズを適用し、各チャネルのノイズフロアがオブジェクト関数 info によって返されるノイズフロアと同じであることを確認します。

comm.ThermalNoiseオブジェクトを作成します。

tn = comm.ThermalNoise

tn = 
  comm.ThermalNoise with properties:

         NoiseMethod: 'Noise temperature'
    NoiseTemperature: 290
       ReferenceLoad: 1
          SampleRate: 1

マルチチャネル信号に熱ノイズを適用し、各チャネルの信号の分散を計算します。

x = tn(zeros(100000,3,'like',1i)); 
10*log10(var(x))

ans = 1×3

 -203.9973 -203.9684 -203.9802

オブジェクト関数infoを使用して、受信機の熱ノイズフロアを返します。

info(tn)

ans = struct with fields:
    NoiseFloor: -203.9752

アルゴリズム

無線受信機のパフォーマンスは、しばしばノイズファクターまたはノイズ指数で表されます。ノイズファクター F は入力の S/N 比 S_i/N_i と出力の S/N 比 S_o/N_o の比率として定義され、次のようになります。

$F = \frac{S_{i} / N_{i}}{S_{o} / N_{o}} .$

受信機のゲイン G、受信機のノイズパワー N_ckt が与えられると、ノイズファクターは次のように表現できます。

$\begin{matrix} F = \frac{S_{i} / N_{i}}{G S_{i} / (N_{c k t} + G N_{i})} \\ = \frac{N_{c k t} + G N_{i}}{G N_{i}} . \end{matrix}$

IEEE^® はノイズファクターを定義する際に、入力のノイズ温度が T₀ であると仮定しています。ここで、T₀ = 290 K です。このとき、ノイズファクターは次のようになります。

$\begin{matrix} F = \frac{N_{c k t} + G N_{i}}{G N_{i}} \\ = \frac{G k B T_{c k t} + G k B T_{0}}{G k B T_{0}} \\ = \frac{T_{c k t} + T_{0}}{T_{0}} . \end{matrix}$

k はボルツマン定数です。B は信号帯域幅です。T_ckt は受信機の等価入力ノイズ温度で、次のように表されます。

$T_{c k t} = T_{0} (F - 1) .$

アンテナと受信機の全体的なノイズ温度 T_sys は次のようになります。

$T_{s y s} = T_{a n t} + T_{c k t},$

ここで、T_ant はアンテナのノイズ温度です。

ノイズ指数 NF はノイズファクターの dB 換算と等価であり、次のように表現できます。

$N F = 10 \log_{10} (F) .$

ノイズパワーは次のように表現できます。

$N = k T B = V^{2} / R,$

ここで、V は次のように表現されるノイズ電圧です。

$V^{2} = k T B R,$

また、R は参照負荷です。

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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R2023b: マルチチャネル入力のサポート

comm.ThermalNoise System object は、行列の入力ベースバンド信号を受け入れます。この行列の各列は、マルチアンテナシステムの 1 つのチャネルからのベースバンド信号を表しています。

R2023b: ノイズフロア情報

オブジェクト関数 info を使用して、comm.ThermalNoise System object のノイズフロアを返すことができます。

R2023b: single データ型のサポート

入力信号が single 型だった場合、オブジェクトによる計算は単精度でネイティブに行われ、返される出力も single 型になります。

参考

comm.ThermalNoise

説明

作成

構文

説明

プロパティ

NoiseMethod — ノイズ パワーを設定するメソッド 'Noise temperature' (既定値) | 'Noise figure' | 'Noise factor'

NoiseTemperature — 受信機のノイズ温度 290 (既定値) | 非負のスカラー

依存関係

NoiseFigure — Noise figure 3.01 (既定値) | 非負のスカラー

依存関係

NoiseFactor — Noise factor 2 (既定値) | 1 以上のスカラー

依存関係

ReferenceLoad — 参照負荷 1 (既定値) | 正のスカラー

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

Add290KAntennaNoise — 290 K のアンテナ ノイズを付加するオプション false または 0 (既定値) | true または 1

依存関係

使用法

構文

説明

入力引数

insignal — ベースバンド信号 スカラー | 列ベクトル | 行列

出力引数

outsignal — 出力信号 スカラー | 列ベクトル | 行列

オブジェクト関数

comm.ThermalNoise に固有

すべての System object に共通

例

QPSK 信号への熱ノイズの付加

アンテナおよび受信側の熱ノイズの 16-QAM 信号への追加

マルチチャネル信号への熱ノイズの適用

アルゴリズム

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

R2023b: マルチチャネル入力のサポート

R2023b: ノイズ フロア情報

R2023b: single データ型のサポート

参考

オブジェクト

関数

ブロック

`NoiseMethod` — ノイズパワーを設定するメソッド
`'Noise temperature'` (既定値) | `'Noise figure'` | `'Noise factor'`

`NoiseTemperature` — 受信機のノイズ温度
`290` (既定値) | 非負のスカラー

`NoiseFigure` — Noise figure
`3.01` (既定値) | 非負のスカラー

`NoiseFactor` — Noise factor
`2` (既定値) | 1 以上のスカラー

`ReferenceLoad` — 参照負荷
`1` (既定値) | 正のスカラー

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

`Add290KAntennaNoise` — 290 K のアンテナノイズを付加するオプション
`false` または `0` (既定値) | `true` または `1`

`insignal` — ベースバンド信号
スカラー | 列ベクトル | 行列

`outsignal` — 出力信号
スカラー | 列ベクトル | 行列

`comm.ThermalNoise` に固有

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。

R2023b: ノイズフロア情報