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RF 損失

信号を歪める RF 損失の表示

この節では、RF Impairments ライブラリのブロックが 16 配列の直交振幅変調 (QAM) によって変調される信号をどのように歪めるかを散布図で示します。以下の図は、歪みのない通常の 16 配列 QAM コンスタレーションを示しています。

散布図に示すように、最初の 2 つのブロックはコンスタレーション内の点の大きさと角度の両方を歪め、最後の 2 つのブロックは角度のみを変えます。

これらの散布図は次のような Memoryless Nonlinearity ブロックの配布図を生成するモデルを使って作成できます。

16 配列 QAM モデル

このモデルでは、Modulation ライブラリの Digital Baseband Modulation サブライブラリの AM の Rectangular QAM Modulator Baseband ブロックを使用します。ブロックの出力信号の強度は、[Normalization method] パラメーターで制御できます。open this modelには、MATLAB® コマンド ラインに doc_16qam_plot と入力します。

I/Q Imbalance ブロック

次の散布図を生成するには、16 配列 QAM モデル内の Memoryless Nonlinearity ブロックを I/Q Imbalance ブロックに置き換えます。ブロックの [I/Q amplitude imbalance (dB)] パラメーターを 10 に設定し、[I/Q phase imbalance (deg)] パラメーターを 30 に設定します。

このブロックを使用して生成した散布図の他の例は、I/Q Imbalance ブロックのリファレンス ページを参照してください。

Phase/Frequency Offset ブロック

次の散布図を生成するには、16 配列 QAM モデル内の Memoryless Nonlinearity ブロックを Phase/Frequency Offset ブロックに置き換えます。ブロックの [Frequency offset (Hz)] パラメーターを 0 に設定し、[Phase offset (deg)] パラメーターを 70 に設定します。

[Frequency offset (Hz)] パラメーターは、定数を信号の位相に追加します。散布図は、70 度の固定角度だけ回転させた標準コンスタレーションに対応します。

[Frequency offset (Hz)] パラメーターは、信号の位相の変更率を指定します。この例では、[Frequency offset (Hz)]0 に設定されているため、散布図は前の図に示したグリッド上に常に配置されます。[Frequency offset (Hz)] を正の数に設定すると、散布図の点は回転グリッド上に配置され、標準のコンスタレーションに対応し、反時計回りに一定の率で回転します。例については、Phase/Frequency Offset ブロックのリファレンス ページを参照してください。

Phase Noise ブロック

次の散布図を生成するには、16 配列 QAM モデル内の Memoryless Nonlinearity ブロックを Phase Noise ブロックに置き換えます。[Phase noise level (dBc/Hz)] パラメーターを -60 に設定し、[Frequency offset (Hz)] パラメーターを 100 に設定します。

位相ノイズは確率的誤差を信号の位相に追加するため、散布図の点はコンスタレーション点の周囲に放射状に広がります。

位相/周波数オフセットと位相ノイズ

RF Impairments ライブラリには、位相/周波数オフセットと位相ノイズをシミュレートする 2 つのブロックがあります。

  • Phase/Frequency Offset ブロックは位相と周波数オフセットを信号に適用します。

  • Phase Noise ブロックは位相ノイズを信号に適用します。

Phase/Frequency Offset ブロックと Phase Noise ブロックは、信号の位相と周波数のみを変更します。

受信側の熱ノイズと自由空間パス損失

RF Impairments ライブラリには、熱ノイズによる信号損失と送信側から受信側までの距離による信号の減衰量をシミュレートする 2 つのブロックがあります。

  • Receiver Thermal Noise ブロックは複雑なベースバンド信号で熱ノイズの効果をシミュレートします。

  • Free Space Path Loss ブロックは送信側からの距離と信号周波数による信号強度の損失をシミュレートします。

非線形性と I/Q 不均衡

次の 2 つのブロックは非線形デバイスまたは変調信号の同相成分と直交成分との間の不平衡により発生する信号損失のモデルを作成します。

  • Memoryless Nonlinearity ブロックは非線形増幅器で AM-to-AM および AM-to-PM の歪みのモデルを作成します。

  • I/Q Imbalance ブロックは異なる成分をもつ物理チャネル内の違いにより発生する信号の同相成分と直交成分との間の不平衡のモデルを作成します。

これらのブロックは信号の位相と振幅の両方を歪めます。

入力信号への非線形歪みの適用

Memoryless Nonlinearity ブロックは非線形歪みを入力信号に適用します。この歪みは、非線形増幅器で AM-to-AM 変換および AM-to-PM 変換のモデルを作成します。このブロックにはいくつかのメソッドが用意されており、[Method] パラメーターで指定し、増幅器の非線形特性のモデルを作成します。

  • 3 次多項式

  • 双曲線正接

  • Saleh モデル

  • Ghorbani モデル

  • Rapp モデル

前の図に示したモデルでは、[Method] パラメーターは [Ghorbani model] に設定されています。次の図は、モデルによって生成される散布図を示します。

このブロックを使用して生成した散布図の別の例は、Memoryless Nonlinearity ブロックのリファレンス ページを参照してください。

信号スペクトルへの位相ノイズの影響の表示

この例では、スペクトルおよび位相ノイズが 100 kHz 正弦波に与える影響について説明します。

モデル例を開きその内容を調べる

モデル例 slex_phasenoise を開きます。

Sine Waveブロックは 100 kHz のトーンを生成します。Phase Noiseブロックは、次の位相ノイズを追加します。

  • 1e3 Hz の周波数オフセットで -85 dBc/Hz

  • 9.5e3 Hz の周波数オフセットで -118 dBc/Hz

  • 19.5e3 Hz の周波数オフセットで -125 dBc/Hz

  • 195e3 Hz の周波数オフセットで -145 dBc/Hz

スペクトルと位相ノイズを解析するため、モデルに 3 つのSpectrum Analyzerブロックが含まれています。Spectrum Analyzer ブロックは、既定の Hann ウィンドウ処理設定を使用し、単位は dBW/Hz に設定され、スペクトル平均の数は 10 に設定されます。

さらに、モデルには RMS 位相ノイズを計算および表示するブロックが含まれています。RMS 位相ノイズを計算するサブシステムは、純粋正弦波とノイズのある正弦波との間の位相誤差を検出します。その後 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、このモデルでは正弦波の周期性によりこの手順が不要です。

モデルを実行して結果を生成する

Simulink エディターで、[実行] をクリックしてモデルをシミュレーションします。

分解能帯域幅が 1 Hz の場合、スペクトル アナライザーの dBW/Hz の表示は 0 dBW/Hz におけるトーンを示します。Spectrum Analyzer ブロックは、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は、Phase Noise ブロックで定義されたスペクトルに達します。

分解能帯域幅が 10 Hz の場合、スペクトル アナライザーの dBW/Hz の表示は -10 dBW/Hz におけるトーンを示します。同じトーン エネルギーは、ここで 1 Hz の代わりに 10 Hz に広がり、そのため正弦波 PSD レベルは 10 dB 減少します。10 Hz の分解能帯域幅でも、まだ位相ノイズの外観上の平均は Phase Noise ブロックで定義された位相ノイズに達します。

Spectrum Analyzer ブロックは、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。詳細は、ウィンドウを使用する理由 (Signal Processing Toolbox)を参照してください。

その他の調査

Phase Noise ブロックで、[Phase noise level (dBc/Hz)] パラメーターを変更し、モデルを再実行して、スペクトル形状がどのように変化するかに注目します。ノイズが増えるほどサイド ローブの振幅が増加します。位相ノイズが増えるにつれて、100 Hz 信号は不明確になり、測定される RMS 位相ノイズが増加します。

DQPSK 信号への RF 損失の追加

このモデルでは、差動直交位相シフト キーイング (DQPSK) によって変調された信号に RF 損失を適用します。RF 損失を実証および可視化するには、このモデルで適用されたレベルは過大であり、最新の無線の典型的なレベルを代表するものではありません。

ランダムな信号は DQPSK 変調されており、さまざまな RF 損失が信号に適用されます。モデルでは、RF Impairments ライブラリから損失ブロックを使用します。損失ブロックの後、信号は 2 つのパスに分岐します。1 つのパスは、復調の前に信号に DC ブロッキング、自動ゲイン制御 (AGC)、および I/Q 不均衡補正を適用します。信号は DQPSK 変調されているため、搬送波同期は必要ありません。2 番目のパスは、復調に直接進みます。復調後、両方の信号で誤り率の計算が行われます。コンスタレーションを解析するため、モデルには変調の後、補正の前、および補正の後にConstellation Diagramブロックが含まれています。

AGC を使用しない復調済み信号の誤り率は主に自由空間パス損失と I/Q 不均衡によって発生します。QPSK 変調は他の損失の影響を最小限に抑えます。

モデル例を開きその内容を調べる

モデル例 slex_rcvrimpairments_dqpsk を開きます。

After Modulation ダイアグラムは、きれいな基準 DQPSK 変調コンスタレーションを示しています。

送信された信号は、さまざまな RF 損失によって歪みが生じます。Before Correction ダイアグラムは、減衰および歪んだコンスタレーションを示しています。

補正パス上の信号は、DC BlockerAGC Block、およびI/Q Imbalance Compensatorブロックによって調整されます。After Correction ダイアグラムは、補正ブロック後の増幅および改善されたコンスタレーションを示します。

補正がある場合とない場合の信号の BER を表示します。

Error rate for corrected signal:   0.000
Error rate for uncorrected signal: 0.042

その他の調査

モデルを自分で実行するには、表示されているボタンを使用するか、MATLAB® コマンド プロンプトで open slex_rcvrimpairments_dqpsk と入力することによって例を開きます。RF 損失を調整し、モデルを再実行して、コンスタレーション ダイアグラムと誤り率の変化に注目します。復調の前にイコライザー段階を追加するためにモデルの変更を検討します。イコライズには、損失によって発生する歪みの一部を低減するための固有の機能があります。詳細は、イコライズを参照してください。

チャネル モデリングに関する参考文献

[1] Simon, M. K., and Alouini, M. S., Digital Communication over Fading Channels – A Unified Approach to Performance Analysis, 1st Ed., Wiley, 2000.

[2] 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), Base Station (BS) radio transmission and reception, Release 10, 3GPP TS 36.104, v10.0.0, 2010-09.

[3] 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access Network, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA), User Equipment (UE) radio transmission and reception, Release 10, 3GPP TS 36.101, v10.0.0, 2010-10.