주요 특징

  • 채널 코딩, 변조, OFDM, MIMO, 등화기 및 동기화 등을 비롯하여 통신 시스템의 물리 계층을 설계하기 위한 알고리즘
  • 비트 오류율 앱, 성상도 및 아이 다이어그램을 포함한 분석 툴 및 측정 범위
  • AWGN, 다중경로 레일리 페이딩, 라이시안 페이딩, MIMO 다중경로 페이딩 및 LTE MIMO 다중경로 페이딩을 포함한 채널 모델
  • 비선형, 위상 잡음, 열잡음, 위상 및 주파수 오프셋을 포함한 기본적인 RF 손상 모델
  • 파형을 무선 장치로 연결하고 설계를 무선 테스트로 검증하기 위한 하드웨어 패키지 지원
  • Turbo, LDPC 및 비터비 디코더와 같은 연산량이 많은 알고리즘을 위한 GPU 지원 알고리즘
  • 고정 소수점 모델링과 C 및 HDL 코드 생성 지원

종단 간 시뮬레이션

Communications System Toolbox를 통해 통신 시스템의 링크 수준 모델을 시뮬레이션할 수 있습니다. 시뮬레이션을 통해 통신 채널에 내재한 노이즈와 간섭에 대한 시스템 응답을 분석하고 가상 시나리오를 알아보고 시스템 아키텍처와 파라미터 의 경쟁요소들간의 트레이드 오프를 평가하며 예상 성능 측정값을 얻어 설계에 대한 실제 구현을 평가할 수 있습니다.

통신 시스템의 물리 계층은 더 높은 통신 계층에서 생성된 데이터에 대한 전송 지원을 제공합니다. 물리 계층 모델은 3가지 컴포넌트를 포함합니다.

  • 기저대역 송신기 및 수신기 동작
  • 채널 모델 및 RF 손상
  • 시스템 성능 분류를 위한 측정 및 메서드

Communications System Toolbox는 물리 계층 모델의 3가지 컴포넌트를 지정하기 위한 포괄적인 알고리즘 및 툴 세트를 제공합니다. System Toolbox는 802.11(Wi-Fi), 802.16(WiMAX), DVB.S2, Bluetooth 및 ATSC(Advanced Television Systems Committee) 디지털 텔레비전과 같은 여러 통신 표준을 위한 예제도 포함합니다. 이와 같은 표준 예제는 System Toolbox의 알고리즘과 툴을 사용하여 실제 통신 시스템을 효율적으로 모델링 및 시뮬레이션하는 방법을 보여줍니다.

링크 수준 시뮬레이션은 기저대역 송신기 및 수신기 작동을 포함합니다. Communications System Toolbox는 시스템을 사용자 지정하고 빌딩 블록을 처음부터 만들 필요가 없도록 송신기 및 수신기 컴포넌트를 위한 포괄적인 알고리즘 모음을 제공합니다. 알고리즘은 다음을 포함합니다.

Communications System Toolbox의 각 알고리즘은 잘 정의된 파라미터 세트와 함께 제공됩니다. 이 파라미터를 사용하여 물리 계층 모델을 사용자 지정하고 다양한 표준에 성능을 맞추거나 새로운 혁신적인 시스템을 위한 빌딩 블록으로 사용할 수도 있습니다.

System Toolbox에서 제공되는 알고리즘은 MATLAB 함수, System Object 및 Simulink 블록으로 사용할 수 있습니다. 예를 들어 OFDM 변조기 알고리즘을 System Object 또는 Simulink 블록으로 지정할 수 있습니다. 이 둘은 같은 알고리즘에 대한 두 가지 표현 방식으로 파라미터 세트가 동일하므로 같은 입력 변수로 실행되고 수치적으로 동일한 결과를 생산합니다.

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채널 모델링 및 RF 손상


채널 모델링

Communications System Toolbox는 통신 채널에서 일반적으로 발생하는 잡음, 페이딩, 간섭 및 기타 왜곡을 모델링하기 위한 알고리즘과 툴을 제공합니다. 다음 유형의 채널을 지원합니다.

Communications System Toolbox는 LTE MIMO 채널, COST 207, 3GPP, ITU-R 3G, TU-R HF 및 GSM/EDGE 채널 모델과 같은 표준 채널 사양도 포함합니다. System Toolbox의 채널 모델은 간결하고 구성 가능한 파라미터 세트를 통해 대부분의 통신 채널을 정확히 모델링할 수 있도록 돕습니다.

Communications System Toolbox의 MIMO, 레일리 및 라이시안 페이딩 채널에는 기본 시각화 툴이 내장되어 있어 채널 임펄스 응답, 주파수 응답 또는 도플러 스펙트럼을 보여줍니다. 이와 같은 툴을 사용하면 시뮬레이션 중에 송신기와 수신기 사이의 상대적인 움직임에서 발생하는 다중 경로 스캐터링효과, 시간영역에서의 신호 퍼짐, 도플러 시프트를 포함한 다양한 무선 전파 현상의 효과를 관찰할 수 있습니다.

Communications System Toolbox 페이딩 채널이 제공하는 기본 시각화 채널 임펄스 응답(왼쪽), 주파수 응답(중앙), 도플러 스펙트럼(오른쪽)

RF 손상

통신 시스템의 실제 성능을 특징지으려면 정확한 채널 모델링뿐 아니라 통신 디바이스로 인한 손상 효과도 중요합니다. Communications System Toolbox는 다음을 포함한 다양한 RF 손상 모델을 제공합니다.

예를 들어 메모리가 없는 비선형 알고리즘은 몇 가지 비선형 메서드(3차 다항식, 쌍곡탄젠트, Saleh, Ghorbani 및 Rapp)를 사용합니다. 이 알고리즘을 통해 변조된 신호가 송신을 위해 안테나로 전달되기 전에 이를 증폭하는 송신기 측 고출력 증폭기(HPA)를 모델링할 수 있습니다. SimRF를 사용하여 설계에 더 복잡한 RF 손상과 RF 회로 모델을 포함시킬 수 있습니다.

RF 손상 효과의 시각화 각각 하단 왼쪽 및 오른쪽 플롯: 비선형 증폭을 도입하기 전과 후의 고출력 증폭기(HPA) 입력 및 출력 신호 왼쪽 상단: I/Q 불균형이 보정되지 않고 수신된 신호 오른쪽 상단: 송신 및 수신된 스펙트럼

하드웨어 연결 및 소프트웨어 정의 라디오

Communications System Toolbox 하드웨어 지원 패키지를 사용하여 송신기와 수신기 모델을 외부 라디오 디바이스에 연결할 수 있습니다. 이 기능을 통해 종단 간 모델에서 시뮬레이션된 채널과 손상을 라이브 라디오 신호로 대체한 다음 무선 테스트 및 소프트웨어 정의 라디오(SDR) 실험을 통해 설계를 검증할 수 있습니다.

A) 기저대역 송신기 모델에서 사용자 지정 파형을 생성하고 b) SDR 디바이스 또는 기기를 사용하여 파형을 전송하고 c) 수신된 샘플을 SDR 디바이스 또는 기기로 캡처하고 d) 수신된 샘플을 기저대역 수신기 모델에서 처리함으로써 radio-in-the-loop 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.

지원되는 하드웨어를 제공된 비트스트림과 함께 라디오 주변 장치로 사용하고 HDL Coder를 사용하여 자동화된 타겟 워크플로로 FPGA에서 설계를 실행할 수 있습니다. Communications System Toolbox는 다음 라디오 디바이스를 지원합니다.

Radio-in-the-loop 시뮬레이션: 하드웨어/기기 연결 및 Communications System Toolbox 하드웨어 지원 패키지 기저대역 파형을 생성하고 RF 기기와 지원되는 SDR 디바이스에서 라이브 라디오 신호를 주고 받으며 무선 테스트로 통신 시스템 설계를 검증할 수 있습니다.

측정, 분석 및 검증

통신 시스템을 설계하고 시뮬레이션할 때는 실제 환경에 내재하는 잡음 및 간섭에 대한 시스템의 반응을 분석해야 하므로, 그래픽 및 정량적인 수단을 사용하여 시스템의 동작을 연구하고 성능 결과가 허용 기준에 부합하는지 여부를 결정합니다.

Communications System Toolbox는 시스템 성능을 정량적으로 특성화하기 위해 다음과 같은 표준 측정을 제공합니다.

  • 비트 오류율(BER)
  • 인접 채널 전력비(ACPR)
  • 오류 벡터 크기(EVM)
  • 변조 오류율(MER)
  • 상보 누적 분포 함수(CCDF)

이 시스템 툴박스는 다음을 포함하는 가상화 범위도 제공합니다.

  • System Toolbox는 타이밍 지터 및 심볼 간 간섭과 같은 다양한 왜곡이 시스템 성능에 주는 영향에 대한 정성적 지표와 시각적 지표를 제공하는 아이 다이어그램
  • 시뮬레이션 루프 내에서 EVM 및 MER 측정 스트리밍을 수행할 수 있도록 신호 성상 플롯을 제공하는 성상도

BER 계산은 모든 통신 시스템의 특성화에 기본이 되기 때문에, Communications System Toolbox는 통신 시스템의 BER 성능을 테스트하고 분석할 수 있는 BER Tool 앱을 제공합니다. EVM과 MER은 수신된 신호와 전송 채널의 품질에 대한 중요한 척도이므로 측정값이 System Toolbox의 성상도 범위에 통합되었습니다. ACPR 및 CCDF 측정값 또한 DSP System Toolbox의 스펙트럼 분석기 범위에 통합됩니다.

성상도 범위에는 프레임별 EVM과 MER 측정값이 포함됩니다. 스펙트럼 분석기 범위(왼쪽), 프레임별 ACPR 및 CCDF 측정값(오른쪽)

기화 및 수신기 설계

신호가 바르게 복원되려면 무선 수신기가 타이밍 복원, 반송파 보상 및 위상 오프셋, 동기화, 시간 도메인 및 주파수 도메인 등화와 같은 문제를 해결해야 합니다. Communications System Toolbox는 일반적으로 적응성을 갖는 동기화와 RF 보상 알고리즘을 제공하여 RF 수신기 프런트 엔드 설계에서 채널 및 RF 손상 효과에 대한 보상을 할 수 있습니다. 동기화 알고리즘은 다음을 포함합니다.

Communications System Toolbox는 OFDM 동기화, RF 위성 링크종단 간 QAM 시뮬레이션, QPSK 송신기 및 수신기 예제와 같은 수신기 프런트 엔드 참조 설계를 제공합니다. 다음 예제는 도플러 시프트, 위상 잡음, DC 오프셋 및 I/Q 위상 불균형과 같은 RF 손상을 수신기 처리보다 먼저 도입하는 방법을 보여줍니다. 그런 다음 수신기 처리의 일부로서 DC 차단, AGC, IQ 불균형 보상기, 주파수 및 위상 오프셋 보상기와 같은 보상 기술을 적용하여 수신기에서 전송된 신호에 대한 최적의 추정치를 회복할 수 있습니다.

반송파 주파수 및 위상 오프셋(왼쪽), 타이밍 복원(중앙) 및 프레임 동기화(오른쪽)와 같은 실제 설계 문제를 위한 QPSK 송신기 및 수신기 메서드

가속

MATLAB에서 C 코드 생성, 병렬 처리, GPU에 최적화된 알고리즘과 같은 기술을 통해 통신 모델의 시뮬레이션을 크게 가속할 수 있습니다. 이러한 가속 메서드 사용의 효과가 결합되면 일반적인 시뮬레이션이 크게 가속되고 밤새 걸리던 시뮬레이션 실행 시간이 단 몇 시간으로 단축되기도 합니다.

GPU 가속 컴퓨터의 그래픽 처리 장치(GPU) 하드웨어를 사용하여 시뮬레이션 성능을 가속할 수 있는 Parallel Computing Toolbox가 제공하는 기능 Communications System Toolbox에서 GPU 최적화된 System Object를 사용할 때는 CPU가 아닌 GPU에서 알고리즘을 실행합니다. 이 프로세스로 시뮬레이션을 가속할 수 있습니다.

병렬 컴퓨팅 및 클라우드 컴퓨팅 지원 사용 가능한 여러 MATLAB 워커에서 동시에 알고리즘에 대한 서로 다른 반복을 계산함으로써 서버 팜과 Amazon EC2 웹 서비스의 연산 능력을 활용할 수 있는 Parallel Computing Toolbox 및 MATLAB Distributed Computing Server가 제공하는 기능

MATLAB에서 C 코드 생성 시뮬레이션 중에 MATLAB 변수의 데이터 유형과 크기를 고정하고 코드의 모든 행에서 변수의 크기와 데이터 유형을 확인하는 대화형 프로그래밍의 오버헤드를 줄임으로써 시뮬레이션을 가속하는 MATLAB Coder에서 제공하는 기능

통신 시스템 모델링을 위한 3가지 시뮬레이션 가속 기술: MATLAB에서 C 코드 생성, 병렬 컴퓨팅 및 GPU 처리

코드 생성 및 구현


고정소수점 모델링

많은 통신 시스템들은 설계를 고정 소수점으로 표현해야 하는 하드웨어를 사용합니다. Communications System Toolbox는 고정 소수점 특성을 구성하는데 유용한 툴을 통해 모든 관련 블록 및 System Object의 고정 소수점 모델링을 지원합니다.

System Toolbox의 고정 소수점 지원은 1~128비트의 단어 크기, 임의의 바이너리 포인트 배치, 오버플로 처리 메서드(래핑 또는 포화), 라운딩 메서드(ceiling, convergent, floor, nearest, round, simplest 및 zero)를 포함합니다. Fixed-Point Designer의 고정 소수점 툴은 부동 소수점 데이터 유형을 고정 소수점으로 변환하도록 돕습니다. 이 툴은 고정 소수점 속성 구성을 위해 오버플로우와 최대 및 최소를 추적합니다.


코드 생성

알고리즘 또는 통신 시스템을 개발하고 나면 검증, 빠른 프로토타이핑(rapid prototyping) 및 구현을 위해 C 코드를 자동으로 생성할 수 있습니다. Communications System Toolbox의 대부분 System Object, 함수 및 블록은 MATLAB Coder, Simulink Coder 또는 Embedded Coder®를 사용하여 ANSI/ISO C 코드를 생성할 수 있습니다. System Object와 Simulink 블록의 서브셋도 HDL 코드를 생성할 수 있습니다. 기존의 IP(intellectual property)를 활용하기 위해 특정 프로세서 아키텍처에 대한 최적화를 선택하고 기존 C 코드를 새로이 생성된 코드와 통합할 수 있습니다. 또한 부동 소수점과 고정 소수점 데이터 유형에 대해 C 코드를 생성할 수 있습니다.


DSP 프로토타이핑

검증, 빠른 프로토타이핑 또는 최종 하드웨어 구현을 위해 DSP를 통신 시스템 구현에 사용합니다. Embedded Coder에 있는 PIL(Processor-in-the-Loop) 시뮬레이션 기능을 이용하면 지원되는 타겟 프로세서에서 생성된 소스 코드를 검증하고 알고리즘을 실행할 수 있습니다.


FPGA 프로토타이핑

고속 신호 처리 알고리즘 구현을 위해 통신 시스템에서 FPGA가 사용됩니다. HDL Verifier의 FIL(FPGA-in-the-loop)을 사용하여 실제 하드웨어에서 기존 HDL 코드에 대해 RTL 코드를 테스트할 수 있습니다. 타겟 프로세서에서 알고리즘 구현 코드를 실행하여 수동으로 생성된 코드 또는 자동으로 생성된 코드를 통해 테스트할 수 있습니다.