Curso de Simulação de Sistemas de Comunicações Sem Fio utilizando MATLAB (Dr Shehata)

Resultados deste curso

Após a conclusão deste curso, o estudante deve ser capaz de abordar muitos dos problemas de pesquisa atuais na área de engenharia de comunicações, devendo ter adquirido pelo menos as seguintes competências:

• Mapear e manipular expressões matemáticas complexas que aparecem frequentemente na literatura de engenharia de comunicações
• Capacidade de utilizar as funcionalidades de programação oferecidas pelo MATLAB para reproduzir resultados de simulação de outros artigos ou, pelo menos, aproximar-se desses resultados.
• Criar modelos de simulação para ideias auto-propostas.
• Empregar eficientemente as habilidades de simulação adquiridas em conjunto com as poderosas capacidades do MATLAB para projetar códigos MATLAB otimizados em termos de tempo de execução, enquanto economiza espaço de memória.
• Identificar os parâmetros de simulação-chave 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 se recomenda que um estudante frequente um nível sem frequentar e compreender profundamente o nível anterior, a fim de garantir a continuidade do conhecimento adquirido. O curso está estruturado em três níveis, começando pela introdução à programação MATLAB até o nível de simulação de sistemas completos, da seguinte forma.

Matemática de Comunicações com MATLAB
Sessões 01-06

Após a conclusão desta parte, o estudante será capaz de avaliar expressões matemáticas complexas e construir facilmente os gráficos apropriados para diferentes representações de dados, como plotagens no domínio do tempo e da frequência; gráficos de BER, padrões de radiação de antenas... etc.

Conceitos Fundamentais

• O conceito de simulação
• A importância da simulação na engenharia de comunicações
• O MATLAB como ambiente de simulação
• Sobre a representação matricial e vetorial de sinais escalares na matemática das comunicações
• Representações matriciais e vetoriais de sinais de banda base complexos no MATLAB

Área de Trabalho do MATLAB

• Barra de ferramentas
• Janela de comandos
• Área de trabalho (Workspace)
• Histórico de comandos

Declaração de variáveis, vetores e matrizes

• Constantes pré-definidas do MATLAB
• Variáveis definidas pelo utilizador
• Arrays, vetores e matrizes
• Inserção manual de matrizes
• Definição de intervalos
• Espaço linear
• Espaço logarítmico
• Regras de nomenclatura de variáveis

Matrizes Especiais

• A matriz de uns (ones matrix)
• A matriz de zeros (zeros matrix)
• A matriz identidade

Manipulação elemento a elemento e matricial

• Acesso a elementos específicos
• Modificação de elementos
• Eliminação seletiva de elementos (Truncamento de matriz)
• Adição de elementos, vetores ou matrizes (Concatenação de matrizes)
• Encontrar o índice de um elemento dentro de um vetor ou matriz
• Redimensionamento de matrizes (Reshaping)
• Truncamento de matrizes
• Concatenação de matrizes
• Inversão da esquerda para a direita e da direita para a esquerda (Flipping)

Operadores matriciais unários

• O operador de soma
• O operador de expectativa
• Operador Mínimo
• Operador Máximo
• O operador traço
• Determinante da matriz |.|
• Inversa da matriz
• Transposta da matriz
• Hermitiana da matriz

Operações matriciais binárias

• Operações aritméticas
• Operações relacionais
• Operações lógicas

Números Complexos no MATLAB

• Representação de banda base complexa de sinais de banda passante e conversão de frequência para RF (up-conversion), uma revisão matemática
• Formação de variáveis, vetores e matrizes complexos
• Exponenciais complexas
• 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 matrizes de matrizes
• A função raiz quadrada
• A função sinal (sign)
• A função "arredondar para inteiro"
• A função "inteiro inferior mais próximo"
• A função "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 Gamma
• Comandos diff, mod

Polinómios no MATLAB

• Polinómios no MATLAB
• Funções racionais
• Derivadas de polinómios
• Integração de polinómios
• Multiplicação de polinómios

Plotagens em escala linear

• Representações visuais de sinais contínuos em tempo-amplitude contínuos
• Representações visuais de sinais aproximados em degraus (stair case)
• Representações visuais de sinais discretos em tempo-amplitude discretos

Plotagens em escala logarítmica

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

Plotagens Polares 2D

• (padrões de radiação de antenas planares)

Plotagens 3D

• Padrões de radiação 3D
• Plotagens paramétricas cartesianas

Secção Opcional (fornecida mediante solicitação dos formandos)

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

Arquivos MATLAB

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

Laços, controlo 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 comunicações
• Integrar muitas operações elementares de sinais que podem ser integradas para implementar uma única função de processamento de comunicações, como codificadores, randomizadores, entrelaçadores, geradores de códigos de espalhamento... etc. no transmissor, bem como seus equivalentes no terminal de receção.
• Interligar devidamente estes blocos para alcançar uma função de comunicações
• Simulação de modelos de canal de banda estreita internos e externos, determinísticos, estatísticos e semialéatórios

Geração de sinais de teste de comunicações

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

Condicional e Manipulação de Sinais

• Escala de amplitude (ganho, atenuação, normalização de amplitude...etc.)
• Deslocamento de nível de CC
• Escala de tempo (compressão do tempo, rarefação)
• Deslocamento de tempo (atraso de tempo, avanço de tempo, deslocamento de tempo circular à esquerda e à direita)
• Medição da energia do sinal
• Normalização de energia e potência
• Escala de energia e potência
• Conversão serial-para-paralelo e paralelo-para-serial
• Multiplexagem e desmultiplexagem

Digitalização de Sinais Analógicos

• Amostragem no domínio do tempo de sinais de banda base contínuos no tempo no MATLAB
• Quantização de amplitude de sinais analógicos
• Codificação PCM de sinais analógicos quantizados
• Conversão decimal-para-binário e binário-para-decimal
• Moldagem de pulsos (Pulse shaping)
• Cálculo da largura de pulso adequada
• Seleção do número de amostras por pulso
• Convolução utilizando os comandos conv e filter
• A autocorrelação e correlação cruzada de sinais temporalmente limitados
• Operações de Transformada Rápida de Fourier (FFT) e IFFT
• Visualização do espectro de um sinal de banda base
• Efeito da taxa de amostragem e da janela de frequência apropriada
• Relação entre as operações de convolução, correlação e FFT
• Filtragem no domínio da frequência, apenas filtragem passa-baixo

Funções Auxiliares de Comunicações

• Randomizadores e desrandomizadores
• Perfuradores (Puncturers) e desperfuradores (de-puncturers)
• Codificadores e decodificadores
• Entrelaçadores e desembaralhadores

Moduladores e demoduladores

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

Modelação e Simulação de Canal

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

Exemplos de modelos de canal determinísticos

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

Caracterização Estatística de Canais de Desvanecimento Multi-caminho Estacionários e Quase-Estacionários Comuns

• Geração de uma RV distribuída uniformemente
• Geração de uma RV gaussiana com valor real
• Geração de uma RV gaussiana complexa
• Geração de uma RV distribuída Rayleigh
• Geração de uma RV distribuída Ricean
• Geração de uma RV distribuída Log-normalmente
• Geração de uma RV de distribuição arbitrária
• Aproximação de uma função de densidade de probabilidade (PDF) desconhecida de uma RV por um histograma
• Cálculo numérico da função de distribuição acumulada (CDF) de uma RV
• Canais de ruído branco gaussiano aditivo (AWGN) reais e complexos

Caracterização do Canal pelo seu Perfil de Potência vs Atraso

• Caracterização do canal pelo seu perfil de potência vs atraso
• Normalização de potência do PDP
• Extração da resposta em impulso do canal a partir do PDP
• Amostragem da resposta em impulso do canal a uma taxa de amostragem arbitrária, amostragem dessincronizada e atraso
• quantização
• O problema da amostragem dessincronizada da resposta em impulso do canal de canais de banda estreita
• Amostragem de um PDP a 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 Ultralarga...etc.)

Simulação a Nível de Ligação de Sistemas de Com. Práticos
Sessões 15-24

Esta parte do curso trata da questão mais importante para estudantes de investigação, ou seja, como reproduzir os resultados de simulação de outros artigos publicados através de simulação.

Desempenho da Taxa de Erro de Bits (BER) de Esquemas de Modulação Digital de Banda Base

• Comparação de desempenho de diferentes esquemas de modulação digital de banda base em canais AWGN (Estudo comparativo abrangente via simulação para verificar expressões teóricas); plotagens espalhadas, taxa de erro de bits
• Comparação de desempenho de diferentes esquemas de modulação digital de banda base em diferentes canais de desvanecimento estacionários e quase-estacionários; plotagens espalhadas, taxa de erro de bits (Estudo comparativo abrangente via simulação para verificar expressões teóricas)
• Impacto dos canais de desvio Doppler no desempenho de esquemas de modulação digital de banda base; plotagens espalhadas, taxa de erro de bits
• Comunicações Heliport-Para-Satélite
  • Papel (1): Sistema de Voz e Dados em Tempo Real de Baixo Custo para Serviço Móvel Satelital Aeroviário (AMSS) – Enunciado e análise do problema
  • Papel (2): Combinação de Diversidade Temporal Pré-Detecção com AFC Preciso para Comunicações Satelitais de Heliporto – A primeira solução proposta
  • Papel (3): Um Esquema de Modulação Adaptativa para Comunicações Heliporto-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 no Tempo (Time Hopping)
• Desempenho da Taxa de Erro de Bits de sistemas baseados em espectro espalhado em canais AWGN
  
  • Impacto da taxa de codificação r no desempenho da BER
  • Impacto do comprimento do código no desempenho da BER
• Desempenho da Taxa de Erro de Bits de sistemas baseados em espectro espalhado em Canais de Desvanecimento Rayleigh Lento Multi-caminho com Desvio Doppler Zero
• Análise de desempenho da taxa de erro de bits de sistemas baseados em espectro espalhado em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade
• Análise de desempenho da taxa de erro de bits de sistemas baseados em espectro espalhado na presença de interferência multi-utilizador
• Transmissão de imagens RGB através de sistemas de espectro espalhado
• Sistemas de CDMA Óptico (OCDMA)
  
  • Códigos ortogonais ópticos (OOC)
  • Limites de desempenho de sistemas OCDMA; desempenho da taxa de erro de bits de sistemas OCDMA síncronos e assíncronos

Sistemas SS de Banda Ultralarga

Sistemas Baseados em OFDM

• Implementação de sistemas OFDM utilizando a Transformada Rápida de Fourier
• Arquitetura Típica de Sistemas baseados em OFDM
• Desempenho da Taxa de Erro de Bits de Sistemas OFDM em canais AWGN
  
  • Impacto da taxa de codificação r no desempenho da BER
  • Impacto do prefixo cíclico no desempenho da BER
  • Impacto do tamanho da FFT e espaçamento de sub-portadoras no desempenho da BER
• Desempenho da Taxa de Erro de Bits de Sistemas OFDM em Canais de Desvanecimento Rayleigh Lento Multi-caminho com Desvio Doppler Zero
• Desempenho da Taxa de Erro de Bits de Sistemas OFDM em Canais de Desvanecimento Rayleigh Lento Multi-caminho com CFO (Erro de Frequência de Carrier)
• Estimação de Canal em Sistemas OFDM
• Equalização no Domínio da Frequência em Sistemas OFDM
  
  • Equalizador Zero Forcing
  • Equalizadores MMSE
• Outras Métricas Comuns de Desempenho em Sistemas Baseados em OFDM (Razão de Potência de Pico – a – Média, Razão Portadora – a – Interferência...etc.)
• Análise de desempenho de sistemas baseados em OFDM em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade (como um projeto de simulação consisting of 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 como construir e otimizar um projeto de simulação MATLAB para simplificar e organizar o processo global de simulação. Além disso, o espaço de memória e a velocidade de processamento são também considerados para evitar problemas de transbordo de memória em sistemas de armazenamento limitado ou tempos de execução longos resultantes de processamento lento.

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

Programação GUI

Ter um código MATLAB livre de erros 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 palestra extra sobre "Programação de Interface Gráfica do Utilizador (GUI)" é dada para trazer o controlo sobre várias partes do seu projeto de simulação à sua disposição, em vez de mergulhar em longos códigos-fonte cheios de comandos. Além disso, ter o seu código MATLAB mascarado por uma GUI ajuda a apresentar o seu trabalho de uma forma que facilita a combinação de múltiplos resultados em uma janela mestre e torna mais fácil comparar dados.

• O que é uma GUI do 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 abordados em cada nível deste curso incluem, mas não se limitam a, aqueles stated em cada nível. Além disso, os itens de cada palestra em particular estão sujeitos a alteração dependendo das necessidades dos formandos e dos seus interesses de investigação.