TP1-ADS

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/2012CAO de Systèmes de CommunicationsHP Advanced Design System - PtolemySoftwareLe but principal des logiciels de simulation système est d’apporter une aide à la conception etoptimisation de chaîne de transmission du signal « end –to-end » en tenant compte del’ensemble des problèmes liés à l’environnement Radio-Fréquence (distorsion,évanouissement, non-linéarités, désadaptation…) et au Traitement Numérique du Signal.« The ADS Ptolemy software provides the simulation tools you need to evaluate and designmodern communication systems products. Today's designs call for implementing DSPalgorithms in an increasing number of portions in the total communications system path, frombaseband processing to adaptive equalizers and phase-locked loops in the RF chain.Cosimulation with ADS RF and analog simulators can be performed from the sameschematic.Using the ADS Ptolemy simulator you can:• Find the best design topology using state-of-the-art technology with more than 500behavioral DSP and communication systems models.• Co-simulate with RF and analog simulators.• Integrate intellectual property from previous designs.• Reduce the time-to-market for your products.Ptolemy simulator along with Analog and EM simulation provides the capability to simulatethe entire high speed serial link consisting of analog, DSP, and physical components …»Lancer : « ads06 »• Création d’un nouveau projet : File>New Project• La fenêtre Schematic doit être configurée pour un projet DSP (DigitalSignal Processing) et non pas Analog/RF (TOOLS > ADS Setup ChoisirDSP au lieu d’Analog RF) : la librairie par défaut est CommonComponents1

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/20121. Modulateurs BPSK et QPSK avec mise en forme idéaleOn rappelle qu’un modulateur numérique sur fréquence porteuse peut se décomposer en 3blocs fonctionnels:Un bloc de codage du signal (bande de base)Un bloc de filtrage (bande de base)Un bloc de modulation (fréquence porteuse)a) Codage du signal en bande de base QPSKDans le cas d’une QPSK, M=4.A partir de la source binaire, on forme 2 voies (I et Q) de symboles NRZ tels que: ∈ ∓1et ∈ ∓1.La fonction codage (NRZ) sera réalisée avec 4 éléments connectés en série :o Bloc de conversion : LogicToNRZ ( librairie Signal Converters )Ce bloc convertit un flux aléatoire d’entrée de 0 et 1 en un flux aléatoire de sortie de –1 et +1Remarque : les flêches oranges = integer ; les flêches bleues = floating pointo Bloc FloatToTimed (librairie Signal Converters)2

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/2012Les niveaux logiques +1 et –1 sont affectés d’une durée temporelle définie par Tstep. Affecterune variable à Tstep : BitTime en µs.Insérer un bloc VAR (librairie Common Components) pour définir les valeurs des paramètres.Ici : BitTime = 20 µso Bloc UsampleRF (librairie Timed linear)Le bloc introduit un suréchantillonnage tel que Tstepout =Tstepin/ratio ; Sitype=SampleandHold l’entrée est répétée ratio fois à la sortie.Choisir Ratio=8 (8 échantillons par bit) et ExcessBW=1 .o Le bloc SymbolSplitter (librairie Timed Data Processing)Il transforme un train de bits en 2 trains de bits (voies I et Q).Affecter une variable à SymbolTime=BitTime en µs pour une BPSK etSymbolTime=SymTime en µs pour une QPSK.En sortie de ce bloc on a donc 2 voies : I et QRemarque : Pour réaliser une modulation à 2 états (BPSK), seule la voie I est nécessaire alorsque pour une modulation à 4 états on a les 2 voies I et Q.b) Création d’un bloc Symbole Modulateur (subnetwork)A la sortie du bloc précédent (SymbolSplitter), on place le bloc réalisant la transposition surfréquence porteuse :o Le modulateur permettant de générer une modulation à 4 états QPSK est un blocQAM_Mod (librairie Timed Modem) à 2 entrées et 1 sortie :La fréquence porteuse est Fcarrier=70 MHZLa puissance de sortie du modulateur est Power=dbmtow (0)dbmtow convertit les dbm en Watts donc ici : 0 dbm correspond à 1mWPour réaliser la modulation BPSK à 2 états, on ne connecte pas la voie Q du splitter et onapplique à la place sur la voie Q du bloc QAM une constante nulle (CONST dans TimedSources avec 0 pour Tstep, Fcarrier et Value)o Terminer le schéma en insérant 2 ports à l’entrée et à la sortie.o Dans la fenêtre Schematic choisir View>Create/Edit Schematic SymbolLa page Symbole s’affiche et le symbole est créé automatiquement.o View>Create/Edit Schematic Symbol pour revenir au schéma.Créer les symboles des 2 modulateurs étudiés : BPSK, QPSK3

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/2012c) Schéma de SimulationFile>New pour créer un nouveau schéma destiné au test du modulateur.Remarque : Ne pas oublier le Default (DF common component)Insérer :o un bloc Bits (librairie Common Components) pour réaliser la source binaire aléatoire.o Le symbole créé du modulateur (Component>Component Librairie ou bouton librairiedans la barre d’outils)o Bloc TimedToCx (librairie Signal Converters) qui permet de convertir la sortie dumodulateur en complexe.o Bloc CxToRect (librairie Signal Converters) sépare le signal complexe en parties réelles etimaginaires.o Les blocs d’affichage (librairie Interactive controls and displays) sont de plusieurs types:TkPlotHistogrammeTkXYPlotTkConstellationTkeyeLancer la simulation pour les deux modulateurs et vérifier leurfonctionnement en examinant les voies I et Q ainsi que la constellation.2. Modulateur QPSK avec mise en forme de NyquistLe filtrage doit réduire la bande nécessaire du signal sans introduire d’Interférences entreSymboles (Nyquist).Les filtres de Nyquist sont placés sur les voies I et Q en sortie du SymbolSplitter et avant lemodulateur QAM_Mod.On utilise des filtres Passe-Bas en racine de cosinus surélevé : LPF_RaisedCosineTimed(librairie Timed Filters).Les paramètres à choisir sont :CornerFreq=CornerFreq MHZExcessBW=0.35Type=Model with pulse equalizationSquare Root = YesDelay = (4*SymTime) µsecWindowType=Hanningo SymTime représente le temps symbole.Quelle est la valeur à donner à SymTime pour les modulations BPSK et QPSK?o CornerFreq représente la fréquence de coupure du filtre.4

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/2012- Dans un premier temps, on donnera à CornerFreq différentes valeurs numériques en MHz(de 0.1 à 10 Mhz).Simuler le modulateur et vérifier son fonctionnement en TkXY etTkConstellation (avec l’option « dot ») pour différentes valeurs deCornerFreq.Afin de bien interpréter les résultats, et vu le suréchantillonnage réalisé, on utilisera un blocde décimation DownSample entre TimedToCx et CxToRect.Pour cela il faut régler les paramètres Factor et Phase de telle sorte qu’en sortie dudécimateur on obtienne un seul échantillon par symbole.- Calculer la valeur limite de CornerFreq, c'est-à-dire la fréquence de Nyquistet vérifier les signaux obtenus.3. Influence d’un Composant RF non linéaireCette partie permet d’étudier l’impact d’un composant analogique et de ses imperfections(non linéarités) sur la qualité de la transmission de la modulation numérique.On choisit un amplificateur qui est un élément essentiel de la chaîne de communication.Dans le cas par exemple d’une transmission par satellite, l’amplificateur présente de fortesnon-linéarités.Reprendre le schéma de simulation des modulateurs BPSK, QPSK et insérer le bloc GainRF(librairie Timed Non linear) en sortie du modulateur.L’amplificateur est caractérisé par la courbe :a) Amplificateur IdéalOn teste dans un premier temps l’effet de l’amplification linéaire.Pour cela, les spécifications de l’amplificateur sont :Gain = essayer différentes valeursNoiseFigure=0GCType=Gain Compression data points vs input power5

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/2012Tolout=3WDBc1out=1WPsat=1WGcsat=1Gcomp=”0 0 0 0 0 0 0 0 0”“When GCType=Gain compression data points vs input power, then the g comp factor isdue only to the data in the GComp array. This nonlinear model has a data set thatdefines input power (in dBm) and gain change, amplitude change (in dB) and phasechange (in degrees), from the small signal gain. Gain and phase change between thegiven points is found using linear interpolation.”Simuler la chaîne et étudier l’influence de l’amplificateur idéal linéaire.En fixant Gcomp à 0 0 0 on annule la non linéarité.b) Amplificateur Non-linéaireLa non-linéarité de l’amplificateur est décrite par le paramètre Gcomp qui permet de spécifierle gain de compression et le changement de phase (conversion AM/PM).Gcomp = “input Power in dBm, Gain change from small signal in dB, and Phase changefrom small signal in degree”L’amplificateur utilisé est décrit par le tableau suivant :Pin dBm -10 0 5 7.5 10 12 15Gc dB 0 -0.5 -1 -2.3 -4 -5.5 -7PC° 0 3 6 7.5 10 15 21Simuler la chaîne et étudier l’effet de la non-linéarité sur la constellation.Conclusion.6

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/20124. Modélisation d’un canal RFOn utilise dans cette partie un modulateur BPSK construit de manière quasimentidentique à celui de la partie I (voir figure suivante):- Le signal d’entrée est un train NRZ à 1 Mbit/s généré par une séquence aléatoire fourniepar le bloc Data de la librairie Timed Sources.- La séquence est filtrée par un filtre en racine de cosinus surélevé (LPF_raised Cosineddans la librairie Timed Filters). On considère que le filtre introduit un retard de 4 fois letemps bit. Le type de filtre sera fixé à : « model with pulse equalization » afin de corrigerl’interférence entre symbole due au canal.- Le signal filtré est envoyé sur l’entrée I d’un modulateur QAM dont l’entrée Q est mise àzéro (voir Partie I).La fréquence porteuse est prise à 170.4 Mhz et la puissance de la porteuse est fixée à0,01W.En sortie du modulateur on place un bloc Interpolator (librairie Timed Data processing)pour corriger le choix de l’instant d’échantillonnage.a) EmissionSéparer les parties réelles et imaginaires à l’aide du bloc ComplexToRect etvisualiser le diagramme de constellation afin de vérifier l’intégrité du signalmodulé.b) Impact du canalOn applique la sortie du modulateur à l’entrée d’un canal RF. Le canal constitue le milieuséparant l’émetteur du récepteur. On distingue :o La voie montante, voie aller « uplink » : terminal vers station de base.o La voie descendante, voie retour « downlink » : station de base vers terminal.7

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/2012On peut modéliser le canal de différentes manières :- En ce qui concerne le bruit, il est généralement modélisé par un processus aléatoireà statistique gaussienne centrée appelé : Bruit Additif Blanc Gaussien (BABG ou« AWGN » pour Additive White Gaussian Noise).- En ce qui concerne l’impact de la propagation sur le signal, un modèle simple estcelui qui tient compte uniquement de l’atténuation en espace libre (« PathLoss ») :La propagation est simplifiée et caractérisée par un terme d’atténuation fonction de la2( 4πd)distance d entre émetteur et récepteur et de la longueur d’onde λ(=c/f): L =2Par exemple, pour un GSM à 900MHz, l’atténuation entre la station de base et leportable situé à 100m est de 70dB.- La propagation réelle correspond à des modèles de canaux plus complexes :λLe modèle espace libre est inapproprié, car il existe des phénomènes de multi-trajets(« multipath ») c'est-à-dire plusieurs chemins entre émetteur et récepteur et desphénomènes d’évanouissements (« fading »).Dans ce cas le signal reçu r(t) est une somme de N répliques retardées déphasées etatténuées du signal émis s(t). En radiocommunications mobiles, les modèles sont baséssur des distributions statistiques du signal (Rayleigh ou Rice).On considère ici un cas simple (bruit et 1 retard) où le signal modulé est appliqué à l’entréed’un canal RF, modélisé par :o Le bloc AddNDensity librairie Timed RF Subsytems qui ajoute au signalun bruit blanc gaussien de densité spectrale de puissance égale à No (Noreprésentée par NDensity en dBm/Hz)o Le bloc DelayRF (librairie Timed linear) qui est utilisé pour modéliser leretard du canal.Séparer les parties réelles et imaginaires et visualiser le diagramme deconstellation avant et après le canal en faisant varier les paramètresséparément : la puissance de bruit No et le retard.8

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/20125. Simulation : Calcul de Taux d’Erreur sur canal BABG enfonction de Eb/NoIl s’agit dans cette partie de calculer le Taux d’Erreur Binaire (TEB) en fonction du rapportsignal à bruit Eb/No, du signal modulé BPSK précédent transmis dans un canal RF (bruitadditif gaussien et retard).o Pour une valeur donnée de Eb/No il faut calculer la valeur de la densité spectrale de bruità paramétrer dans le bloc AddNDensity (NDensity en dBm/Hz) ; Ndensity s’exprime enfonction de Eb/No par la relation suivante :Ndensity = 10 log 10 (Eb=P*BitTime) – (Eb/N0) dB +30o La modulation BPSK nécessite une démodulation cohérente avec oscillateur local pourassurer la synchronisation. On utilise pour cela les blocs : QAM-demod (librairie TimedModem) et N-tones (librairie Timed Sources).Le paramètre Phase1 est mis à la valeur : -360* Fcarrier* DelayDelay représente le retard entre modulateur et démodulateur. Ce retard ne dépend quedu retard introduit par le canal. On a donc compensé cet effet et la seule limitationimpactant sur les performances est le bruit.o A la sortie I du démodulateur on place un filtre en racine de cosinus surélevé comme àl’émission (mais sans inclure d’égalisation puisqu’elle est déjà incluse à l’émission).o Connecter le bloc de calcul d’erreur par la méthode de Monte-Carlo : BerMC dans lalibrairie Sinks sans oublier de déterminer le retard appelé Ref-Delay entre le signal testé etle signal de référence (à placer dans un bloc DelayRF)On prendra les paramètres suivants :EstRlvariance = 0.01;Start = 5*BitTime+int((nombre d’échantillons par bit-1)/2)*Tstep + Ref-Delay ;Stop=Start+1. e06 *BitTime- Calculer le TEB pour Eb/No=0 dB et comparer à la valeur théoriquede la probabilité d’erreur.- Faire varier Eb/No de 0 dB à 10 dB et comparer le TEB et laprobabilité d’erreur théorique. Conclusion.- Que se passe-t-il si on utilise en réception un démodulateur sanssynchronisation ?9

ENSIL- spécialité ELT 3 ème année 2011/2012ANNEXERappel sur les performances théoriques de la BPSK:Eb/No (dB) Probabilité d’erreur0 7.86 e *-021 5.63 e *-022 3.75 e *-023 2.29 e *-024 1.25 e *-025 5.95 e *-036 2.39 e *-037 7.73 e *-048 1.91 e *-049 3.36 e *-0510 3.87 e *-0610