Curso de Simulação de Sistemas de Comunicação Sem Fio usando MATLAB (Dr. Shehata)

Resultados deste curso

Após a conclusão deste curso, o aluno deverá ser capaz de enfrentar muitos dos problemas de pesquisa atuais no campo da engenharia de comunicações, pois deverá ter adquirido pelo menos as seguintes habilidades:

• Mapear e manipular expressões matemáticas complicadas que aparecem frequentemente na literatura de engenharia de comunicações
• Habilidade de usar as capacidades de programação oferecidas pelo MATLAB para reproduzir os resultados de simulação de outros artigos ou, pelo menos, aproximar-se desses resultados.
• Criar modelos de simulação para ideias propostas pelo próprio aluno.
• Empregar as habilidades de simulação adquiridas eficientemente, em conjunto com as poderosas capacidades do MATLAB, para projetar códigos MATLAB otimizados em termos de tempo de execução, economizando espaço em memória.
• Identificar os parâmetros-chave de simulação de um dado sistema de comunicações, extraí-los do modelo do sistema e estudar o impacto desses parâmetros no desempenho do sistema considerado.

Estrutura do Curso

O material fornecido neste curso é extremamente correlacionado. Não é recomendado que um aluno assista a um nível a menos que ele assista e entenda profundamente seu nível anterior, a fim de garantir a continuidade do conhecimento adquirido. O curso é estruturado em três níveis, começando com uma introdução à programação em MATLAB até o nível de simulação de sistema completo, da seguinte forma.

Matemática de Comunicações com MATLAB
Sessões 01-06

Após a conclusão desta parte, o aluno será capaz de avaliar expressões matemáticas complicadas e construir facilmente os gráficos adequados para diferentes representações de dados, como gráficos em domínio do tempo e frequência; gráficos de BER, padrões de radiação de antenas…etc.

Conceitos fundamentais

• O conceito de simulação
• A importância da simulação na engenharia de comunicações
• MATLAB como ambiente de simulação
• Sobre a representação de matrizes e vetores de sinais escalares na matemática de comunicações
• Representações de matrizes e vetores de sinais de banda básica complexos no MATLAB

Área de Trabalho do MATLAB

• Barra de ferramentas
• Janela de comandos
• Área de trabalho
• Histórico de comandos

Declaração de variáveis, vetores e matrizes

• Constantes predefinidas do MATLAB
• Variáveis definidas pelo usuário
• Arrays, vetores e matrizes
• Entrada manual de matrizes
• Definição de intervalos
• Espaço linear
• Espaço logarítmico
• Regras de nomenclatura de variáveis

Matrizes especiais

• A matriz uns
• A matriz zeros
• A matriz identidade

Manipulação elemento a elemento e em nível de matriz

• Acessando elementos específicos
• Modificando elementos
• Eliminação seletiva de elementos (Truncamento de matriz)
• Adicionando elementos, vetores ou matrizes (Concatenação de matrizes)
• Encontrando o índice de um elemento dentro de um vetor ou matriz
• Redimensionamento de matrizes
• Truncamento de matrizes
• Concatenação de matrizes
• Inversão da esquerda para a direita e da direita para a esquerda

Operadores unários de matriz

• O operador Soma
• O operador de expectativa
• Operador Min
• Operador Max
• O operador traço
• Deteminante de matriz |.|
• Inversa de matriz
• Transposta de matriz
• Hermitiana de matriz

Operações binárias de matriz

• Operações aritméticas
• Operações relacionais
• Operações lógicas

Números complexos no MATLAB

• Representação de banda básica complexa de sinais de banda passante e conversão para RF, uma revisão matemática
• Formação de variáveis, vetores e matrizes complexos
• Exponenciais complexos
• O operador de parte real
• O operador de parte imaginária
• O operador conjugado (.)*
• O operador absoluto |.|
• O operador de argumento ou fase

Funções embutidas do MATLAB

• Vetores de vetores e matriz de matrizes
• A função raiz quadrada
• A função sinal
• A função de "arredondamento para inteiro"
• A função de "inteiro inferior mais próximo"
• A função de "inteiro superior mais próximo"
• A função fatorial
• Funções logarítmicas (exp, ln, log10, log2)
• Funções trigonométricas
• Funções hiperbólicas
• A função Q(.)
• A função erfc(.)
• Funções de Bessel Jo (.)
• A função Gama
• Comandos diff, mod

Polinômios no MATLAB

• Polinômios no MATLAB
• Funções racionais
• Derivadas de polinômios
• Integração de polinômios
• Multiplicação de polinômios

Gráficos de escala linear

• Representações visuais de sinais de tempo contínuo-amplitude contínua
• Representações visuais de sinais aproximados em degraus
• Representações visuais de sinais de tempo discreto – amplitude discreta

Gráficos de escala logarítmica

• Gráficos de dB-década (BER)
• Gráficos de década-dB (Gráficos de Bode, resposta em frequência, espectro de sinal)
• Gráficos de década-década
• Gráficos de dB-linear

Gráficos Polares 2D

• (padrões de radiação de antenas planares)

Gráficos 3D

• Padrões de radiação 3D
• Gráficos paramétricos cartesianos

Seção Opcional (dada sob a demanda dos aprendizes)

• Diferenciação simbólica e numérica no MATLAB
• Integração simbólica e numérica no MATLAB
• Ajuda e documentação do MATLAB

Arquivos do MATLAB

• Arquivos de script do MATLAB
• Arquivos de função do MATLAB
• Arquivos de dados do MATLAB
• Variáveis locais e globais

Laços, controle de fluxo de condições e tomada de decisão no MATLAB

• O laço for end
• O laço while end
• A condição if end
• As condições if else end
• A declaração switch case end
• Iterações, erros convergentes, operadores de soma multidimensionais

Comandos de exibição de entrada e saída

• O comando input(' ')
• Comando disp
• Comando fprintf
• Caixa de mensagem msgbox

Operações de Sinais e Sistemas
Sessões 07-14

Os principais objetivos desta parte são os seguintes

• Gerar sinais de teste aleatórios necessários para testar o desempenho de diferentes sistemas de comunicação
• Integrar muitas operações elementares de sinal que podem ser integradas para implementar uma única função de processamento de comunicação, como codificadores, aleatorizadores, entrelaçadores, geradores de códigos de espalhamento…etc., no transmissor bem como seus correspondentes no terminal receptor.
• Interligar corretamente esses blocos para alcançar uma função de comunicações
• Simulação de modelos de canal de banda estreita internos e externos determinísticos, estatísticos e semi-aleatórios

Geração de sinais de teste de comunicações

• Geração de uma sequência binária aleatória
• Geração de Sequências inteiras aleatórias
• Importação e leitura de arquivos de texto
• Leitura e reprodução de arquivos de áudio
• Importação e exportação de imagens
• Imagem como uma matriz 3D
• Transformação de RGB para escala de cinza
• Fluxo serial de bits de uma imagem em escala de cinza 2D
• Sub-emolduramento de sinais de imagem e reconstrução

Condicional e Manipulação de Sinais

• Escala de amplitude (ganho, atenuação, normalização de amplitude…etc.)
• Deslocamento de nível DC
• Escala de tempo (compressão de tempo, rarefação)
• Deslocamento de tempo (atraso de tempo, avanço de tempo, deslocamento circular de tempo para a esquerda e direita)
• Medição da energia do sinal
• Normalização de energia e potência
• Escala de energia e potência
• Conversão série-para-paralelo e paralelo-para-série
• Multiplexação e desmultiplexação

Digitização de Sinais Analógicos

• Amostragem em domínio do tempo de sinais de banda básica de tempo contínuo no MATLAB
• Quantização de amplitude de sinais analógicos
• Codificação PCM de sinais analógicos quantizados
• Conversão de decimal-para-binário e binário-para-decimal
• Formação de pulsos
• Cálculo da largura de pulso adequada
• Seleção do número de amostras por pulso
• Convolução usando os comandos conv e filter
• A autocorrelação e correlação cruzada de sinais com limite de tempo
• Operações de Transformada Rápida de Fourier (FFT) e IFFT
• Visualização de um espectro de sinal de banda básica
• Efeito da taxa de amostragem e a janela de frequência adequada
• Relação entre as operações de convolução, correlação e FFT
• Filtragem em domínio de frequência, apenas filtragem passa-baixa

Funções Auxiliares de Comunicações

• Aleatorizadores e des-aleatorizadores
• Perfuradores e des-perfuradores
• Codificadores e decodificadores
• Entrelaçadores e des-entrelaçadores

Moduladores e demoduladores

• Esquemas de modulação digital de banda básica no MATLAB
• Representação visual de sinais digitalmente modulados

Modelagem e Simulação de Canal

• Modelagem matemática do efeito do canal no sinal transmitido
  • Adição – canais de ruído gaussiano branco aditivo (AWGN)
  • Multiplicação em domínio do tempo – canais de desvanecimento lento, deslocamento Doppler em canais veiculares
  • Multiplicação em domínio de frequência – canais de desvanecimento seletivo em frequência
  • Convolution em domínio do tempo – resposta ao impulso do canal

Exemplos de modelos de canal determinísticos

• Perda de caminho no espaço livre e perda de caminho dependente do ambiente
• Canais de Bloqueio Periódico

Caracterização Estatística de Canais de Desvanecimento Multipath Estacionários e Quase Estacionários Comuns

• Geração de uma RV uniformemente distribuída
• Geração de uma RV gaussiana distribuída com valor real
• Geração de uma RV gaussiana distribuída complexa
• Geração de uma RV distribuída Rayleigh
• Geração de uma RV distribuída Rice
• Geração de uma RV distribuída Lognormalmente
• Geração de uma RV distribuída arbitrariamente
• Aproximação de uma função de densidade de probabilidade (PDF) desconhecida de uma RV por um histograma
• Cálculo numérico da função de distribuição cumulativa (CDF) de uma RV
• Canais de ruído gaussiano branco aditivo (AWGN) reais e complexos

Caracterização do Canal por seu Perfil de Retardo de Potência

• Caracterização do canal por seu perfil de retardo de potência
• Normalização de potência do PDP
• Extração da resposta ao impulso do canal do PDP
• Amostragem da resposta ao impulso do canal por uma taxa de amostragem arbitrária, amostragem desajustada e atraso
• quantização
• O problema de amostragem desajustada da resposta ao impulso do canal de canais de banda estreita
• Amostragem de um PDP por uma taxa de amostragem arbitrária e compensação de atraso fracionário
• Implementação de vários modelos de canal internos e externos padronizados pelo IEEE
• (COST – SUI - Modelos de Canal de Banda Ultra Larga…etc.)

Simulação de Nível de Enlace de Sistemas de Com. Práticos
Sessões 15-24

Esta parte do curso trata da questão mais importante para estudantes de pesquisa, que é, como reproduzir os resultados de simulação de outros artigos publicados por simulação.

Desempenho de Taxa de Erro de Bit de Esquemas de Modulação Digital de Banda Básica

• Comparação de desempenho de diferentes esquemas de modulação digital de banda básica em canais AWGN (Estudo comparativo abrangente via simulação para verificar expressões teóricas); gráficos de dispersão, taxa de erro de bit
• Comparação de desempenho de diferentes esquemas de modulação digital de banda básica em diferentes canais de desvanecimento estacionários e quase estacionários; gráficos de dispersão, taxa de erro de bit (Estudo comparativo abrangente via simulação para verificar expressões teóricas)
• Impacto de canais de deslocamento Doppler no desempenho de esquemas de modulação digital de banda básica; gráficos de dispersão, taxa de erro de bit
• Comunicações de Helicóptero para Satélite
  • Papel (1): Sistema de Voz e Dados em Tempo Real de Baixo Custo para Serviço Móvel de Satélite Aeronáutico (AMSS) – Enunciado do problema e análise
  • Papel (2): Combinação de Diversidade Temporal Pré-Detecção com AFC Preciso para Comunicações de Satélite de Helicóptero – A primeira solução proposta
  • Papel (3): Um Esquema de Modulação Adaptativa para Comunicações de Helicóptero-Satélite – Uma abordagem de melhoria de desempenho

Simulação de Sistemas de Espectro Espalhado

• Arquitetura típica de Sistemas baseados em espectro espalhado
• Sistemas baseados em espectro espalhado de sequência direta
• Geradores de sequência binária pseudo aleatória (PBRS)
  
  • Geração de sequências de comprimento máximo
  • Geração de códigos gold
  • Geração de códigos Walsh
• Sistemas baseados em espectro espalhado de salto de tempo
• Desempenho de Taxa de Erro de Bit de sistemas baseados em espectro espalhado em canais AWGN
  
  • Impacto da taxa de codificação r no desempenho BER
  • Impacto do comprimento do código no desempenho BER
• Desempenho de Taxa de Erro de Bit de sistemas baseados em espectro espalhado em Canais de Desvanecimento Rayleigh Lento Multipath com Zero Deslocamento Doppler
• Análise de desempenho de taxa de erro de bit de sistemas baseados em espectro espalhado em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade
• Análise de desempenho de taxa de erro de bit de sistemas baseados em espectro espalhado na presença de interferência multiusuário
• Transmissão de imagens RGB sobre sistemas de espectro espalhado
• Sistemas CDMA ópticos (OCDMA)
  
  • Códigos ópticos ortogonais (OOC)
  • Limites de desempenho de sistemas OCDMA; desempenho de taxa de erro de bit de sistemas OCDMA síncronos e assíncronos

Sistemas SS de banda ultra larga

Sistemas Baseados em OFDM

• Implementação de sistemas OFDM usando a Transformada Rápida de Fourier
• Arquitetura típica de Sistemas baseados em OFDM
• Desempenho de Taxa de Erro de Bit de Sistemas OFDM em canais AWGN
  
  • Impacto da taxa de codificação r no desempenho BER
  • Impacto do prefixo cíclico no desempenho BER
  • Impacto do tamanho da FFT e espaçamento de subportadoras no desempenho BER
• Desempenho de Taxa de Erro de Bit de Sistemas OFDM em Canais de Desvanecimento Rayleigh Lento Multipath com Zero Deslocamento Doppler
• Desempenho de Taxa de Erro de Bit de Sistemas OFDM em Canais de Desvanecimento Rayleigh Lento Multipath com CFO
• Estimação de Canal em Sistemas OFDM
• Igualização em Domínio de Frequência em Sistemas OFDM
  
  • Igualizador Zero Forcing
  • Igualizadores MMSE
• Outras Métricas de Desempenho Comuns em Sistemas Baseados em OFDM (Relação de Potência de Pico a Média, Relação Carrier a Interferência…etc.)
• Análise de desempenho de sistemas baseados em OFDM em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade (como um projeto de simulação consistindo de três artigos)
  
  • Papel (1): Mitigação de interferência entre portadoras
  • Papel (2): Sistemas MIMO-OFDM

Otimização de um Projeto de Simulação MATLAB

O objetivo desta parte é aprender a construir e otimizar um projeto de simulação em MATLAB para simplificar e organizar o processo geral de simulação. Além disso, o espaço em memória e a velocidade de processamento também são considerados para evitar problemas de estouro de memória em sistemas de armazenamento limitado ou tempos de execução longos resultantes de processamento lento.

• Estrutura típica de projetos de simulação de pequena escala
• Extração de parâmetros de simulação e mapeamento de teórico para simulação
• Construção de um Projeto de Simulação
• Técnica de Simulação de Monte Carlo
• Um Procedimento Típico para Testar um Projeto de Simulação
• Gestão de Espaço em Memória e Técnicas de Redução de Tempo de Simulação
  
  • Simulação de Banda Básica vs. Banda Passante
  • Cálculo da largura de pulso adequada para formas de pulso arbitrários truncados
  • Cálculo do número adequado de amostras por símbolo
  • Cálculo do Número Necessário e Suficiente de Bits para Testar um Sistema

Programação de GUI

Ter um código MATLAB livre de depurações e funcionando corretamente para produzir resultados corretos é uma grande conquista. No entanto, um conjunto de parâmetros-chave em um projeto de simulação controla o Por esta razão e outras, uma aula extra sobre "Programação de Interface Gráfica do Usuário (GUI)" é dada para trazer o controle sobre várias partes do seu projeto de simulação ao alcance das mãos, em vez de mergulhar em longos códigos-fonte cheios de comandos. Além disso, ter seu código MATLAB mascarado com uma GUI ajuda a apresentar seu trabalho de uma forma que facilita combinar múltiplos resultados em uma janela mestre e torna mais fácil comparar dados.

• O que é uma GUI MATLAB
• Estrutura do arquivo de função de GUI do MATLAB
• Componentes principais da GUI (propriedades e valores importantes)
• Variáveis locais e globais

Nota: Os tópicos cobertos em cada nível deste curso incluem, mas não se limitam a, aqueles declarados em cada nível. Além disso, os itens de cada palestra específica estão sujeitos a mudanças, dependendo das necessidades dos aprendizes e de seus interesses de pesquisa.