Cursos de Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB

• Resultados desta unidade curricular Após a conclusão desta unidade curricular, o aluno deverá ser capaz de atacar muitos dos problemas de investigação actualmente em aberto no campo da engenharia de comunicações, uma vez que deverá ter adquirido pelo menos as seguintes competências:

• Mapear e manipular expressões matemáticas complicadas que aparecem frequentemente na literatura de engenharia de comunicações. • Capacidade de usar as capacidades de programação oferecidas por MATLAB para reproduzir os resultados de simulação de outros artigos ou pelo menos aproximar-se desses resultados.

• Criar modelos de simulação de ideias autopropostas.

• Empregue as habilidades de simulação adquiridas de forma eficiente em conjunto com os poderosos recursos MATLAB para projetar códigos otimizados MATLAB em termos de tempo de execução de código enquanto economiza espaço de memória.

• Identificar os principais parâmetros de simulação de um determinado sistema de comunicação, extraí-los do modelo do sistema e estudar o impacto destes parâmetros no desempenho do sistema considerado.

• Estrutura do curso

O material fornecido neste curso é extremamente correlacionado. Não é recomendado que um aluno frequente um nível a menos que frequente e compreenda profundamente o seu nível anterior, de forma a garantir a continuidade dos conhecimentos adquiridos. O curso está estruturado em três níveis, começando com uma introdução à programação MATLAB até o nível de simulação completa do sistema, conforme segue.

Nível 1: Matemática das 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 no domínio do tempo e da frequência; BER traça padrões de radiação de antenas…etc.

Conceitos fundamentais

1. O conceito de simulação 2. A importância da simulação na engenharia de comunicações 3. MATLAB como ambiente de simulação 4. Sobre representação matricial e vetorial de sinais escalares em matemática de comunicações 5. Matrix e representações vetoriais de sinais complexos de banda base em MATLAB

MATLAB Área de Trabalho

6. Barra de ferramentas 7. Janela de comando 8. Espaço de trabalho 9. Histórico de comandos

Declaração de variáveis, vetores e matrizes

10. MATLAB constantes predefinidas 11. Variáveis definidas pelo usuário 12. Matrizes, vetores e matrizes 13. Entrada manual de matrizes 14. Definição de intervalo 15. Espaço linear 16. Espaço logarítmico 17. Regras de nomenclatura de variáveis

Matrizes especiais

18. A matriz das unidades 19. A matriz dos zeros 20. A matriz identidade

Element manipulação por matriz e por matriz

21. Acessando elementos específicos 22. Modificando elementos 23. Eliminação seletiva de elementos (Matrix truncamento) 24. Adicionando elementos, vetores ou matrizes (Matrix concatenação) 25. Encontrando o índice de um elemento dentro de um vetor ou matriz 26 Matrix remodelagem 27. Matrix truncamento 28. Matrix concatenação 29. Inversão da esquerda para a direita e da direita para a esquerda

Operadores de matriz unária

30. O operador Sum 31. O operador de expectativa 32. Operador Min 33. Operador Max 34. O operador trace 35. Matrix determinante |.| 36. Matrix inverso 37. Matrix transposto 38. Matrix Hermitiano 39.… etc.

Operações de matriz binária

40. Operações aritméticas 41. Operações relacionais 42. Operações lógicas

Números complexos em MATLAB

43. Representação complexa de banda base de sinais de banda passante e conversão ascendente de RF, uma revisão matemática 44. Formação de variáveis, vetores e matrizes complexas 45. Exponenciais complexas 46. O operador da parte real 47. O operador da parte imaginária 48. O operador conjugado (.) * 49. O operador absoluto |.| 50. O argumento ou operador de fase

MATLAB funções integradas

51. Vetores de vetores e matriz de matriz 52. A função de raiz quadrada 53. A função de sinal 54. A função "arredondar para número inteiro" 55. A "função de número inteiro inferior mais próximo" 56. A "função de número inteiro superior mais próximo" 57. A função fatorial 58. Funções logarítmicas (exp, ln,log10,log2) 59. Funções trigonométricas 60. Funções hiperbólicas 61. A função Q(.) 62. A função erfc(.) 63. Funções de Bessel Jo (.) 64. A Função gama 65. Diff, comandos mod

Polinômios em MATLAB

66. Polinômios em MATLAB 67. Funções racionais 68. Derivadas polinomiais 69. Integração polinomial 70. Multiplicação polinomial

Gráficos em escala linear

71. Representações visuais de sinais de amplitude contínua no tempo contínuo 72. Representações visuais de sinais aproximados de escadas 73. Representações visuais de tempo discreto - sinais de amplitude discreta

Gráficos de escala logarítmica 74. Gráficos de dB-década (BER) 75. Gráficos de década-dB (gráficos de Bode, resposta de frequência, espectro de sinal) 76. Gráficos de década-década 77. Gráficos lineares de dB

Gráficos polares 2D 78. (padrões de radiação de antenas planas)

Gráficos 3D

79. Padrões de radiação 3D 80. Gráficos paramétricos cartesianos

Seção Opcional (fornecida mediante solicitação dos alunos)

81. Diferenciação simbólica e diferenciação numérica em MATLAB 82. Integração simbólica e numérica em MATLAB 83. MATLAB ajuda e documentação

MATLAB arquivos

84. MATLAB arquivos de script 85. MATLAB arquivos de função 86. MATLAB arquivos de dados 87. Variáveis locais e globais

Loops, condições de controle de fluxo e tomada de decisão em MATLAB

88. O loop for end 89. O loop while end 90. A condição if end 91. As condições if else end 92. A instrução switch case end 93. Iterações, erros convergentes, operadores de soma multidimensionais

Comandos de exibição de entrada e saída

94. O comando input(' ') 95. comando disp 96. comando fprintf 97. Caixa de mensagem msgbox

Nível 2: Sinais e Operações de Sistemas (24 horas) Sessões 07-14

Os principais objetivos desta parte são os seguintes

• Gerar sinais de teste aleatórios que são 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, randomizadores, intercaladores, geradores de código de espalhamento, etc. no transmissor, bem como suas contrapartes no terminal receptor.

• Interconecte esses blocos adequadamente para alcançar uma função de comunicação

• Simulação de modelos determinísticos, estatísticos e semi-aleatórios de canais de banda estreita internos e externos

Geração de sinais de teste de comunicações

98. Geração de uma sequência binária aleatória 99. Geração de um número inteiro aleatório Sequências 100. Importação e leitura de arquivos de texto 101. Leitura e reprodução de arquivos de áudio 102. Importação e exportação de imagens 103. Imagem como matriz 3D 104. RGB para escala de cinza transformação 105. Fluxo de bits serial de uma imagem 2D em escala de cinza 106. Subenquadramento de sinais de imagem e reconstrução

Condicionamento e Manipulação de Sinais

107. Escala de amplitude (ganho, atenuação, normalização de amplitude... etc.) 108. Mudança de nível DC 109. Escala de tempo (compressão de tempo, rarefação) 110. Mudança de tempo (atraso de tempo, avanço de tempo, mudança de tempo circular esquerda e direita) 111. Medindo a energia do sinal 112. Normalização de energia e potência 113. Escalonamento de energia e potência 114. Conversão serial para paralelo e paralelo para serial 115. Multiplexação e demultiplexação

Digitalização de Sinais Analógicos

116. Amostragem no domínio do tempo de sinais de banda base de tempo contínuo em MATLAB 117. Quantização de amplitude de sinais analógicos 118. Codificação PCM de sinais analógicos quantizados 119. Conversão de decimal para binário e de binário para decimal 120. Modelagem de pulso 121. Cálculo da largura de pulso adequada 122. Seleção do número de amostras por pulso

123. Convolução usando os comandos conv e filter 124. A autocorrelação e correlação cruzada de sinais limitados no tempo 125. As operações Fast Fourier Transform (FFT) e IFFT 126. Visualizando um espectro de sinal de banda base 127. Efeito da taxa de amostragem e da frequência adequada janela 128. Relação entre a convolução, correlação e as operações FFT 129. Filtragem no domínio da frequência, apenas filtragem passa-baixo

Funções auxiliares Communications

130. Randomizadores e desrandomizadores 131. Puncionadores e despuncionadores 132. Codificadores e decodificadores 133. Intercaladores e desintercaladores

Moduladores e demoduladores

134. Esquemas de modulação de banda base digital em MATLAB 135. Representação visual de sinais modulados digitalmente

Modelagem e Simulação de Canais

136. Mathematical modelagem do efeito do canal no sinal transmitido

• Adição – canais de ruído gaussiano branco aditivo (AWGN) • Multiplicação no domínio do tempo – canais com desvanecimento lento, deslocamento Doppler em canais veiculares • Multiplicação no domínio da frequência – canais com desvanecimento seletivo em frequência • Convolução no domínio do tempo – resposta ao impulso do canal

Exemplos de modelos de canais determinísticos

137. Perda de caminho de espaço livre e perda de caminho dependente do ambiente 138. Bloqueio periódico de canais

Caracterização estatística de canais de desvanecimento multipercurso estacionários e quase estacionários comuns

139. Geração de um RV distribuído uniformemente distribuído 140. Geração de um RV distribuído gaussiano com valor real 141. Geração de um RV distribuído gaussiano complexo 142. Geração de um RV distribuído Rayleigh 143. Geração de um RV distribuído Ricean 144. Geração de um Lognormalmente distribuído RV 145. Geração de um RV distribuído arbitrariamente 146. Aproximação de uma função de densidade de probabilidade desconhecida (PDF) de um RV por um histograma 147. Cálculo numérico da função de distribuição cumulativa (CDF) de um RV 148. Gaussiano branco aditivo real e complexo Canais de ruído (AWGN)

Caracterização do Canal pelo seu Perfil de Power Delay

149. Caracterização do canal pelo seu perfil de atraso de potência 150. Normalização de potência do PDP 151. Extração da resposta ao impulso do canal do PDP 152. Amostragem da resposta ao impulso do canal por uma taxa de amostragem arbitrária, amostragem incompatível e quantização de atraso 153. O problema da incompatibilidade amostragem da resposta ao impulso do canal de canais de banda estreita 154. Amostragem de um PDP por uma taxa de amostragem arbitrária e compensação de atraso fracionária 155. Implementação de vários modelos de canais internos e externos padronizados IEEE 156. (COST - SUI - Modelos de canal de banda ultra larga... etc. .)

Nível 3: Simulação em nível de link de comunicação prática. Sistemas (30 horas) Sessões 15-24

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

Desempenho da taxa de erro de bits de esquemas de modulação digital de banda base

1. Comparação de desempenho de diferentes esquemas de modulação digital em banda base em canais AWGN (Estudo comparativo abrangente via simulação para verificação de expressões teóricas); gráficos de dispersão, taxa de erro de bits

2. Comparação de desempenho de diferentes esquemas de modulação digital de banda base em diferentes canais de desvanecimento estacionários e quase estacionários; gráficos de dispersão, taxa de erro de bits (estudo comparativo abrangente via simulação para verificar expressões teóricas)

3. Impacto dos canais Doppler shift no desempenho de esquemas de modulação digital em banda base; gráficos de dispersão, taxa de erro de bits

Helicóptero para satélite Communications

4. Artigo (1): Sistema de voz e dados em tempo real de baixo custo para serviço móvel aeronáutico por satélite (AMSS) - Declaração e análise do problema 5. Artigo (2): Diversidade de tempo de pré-detecção combinada com AFC preciso para satélite de helicóptero [ 1]s – A primeira solução proposta 6. Artigo (3): Um esquema de modulação adaptativa para helicóptero-satélite Communications – Uma abordagem de melhoria de desempenho

Simulação de Sistemas Spread Spectrum

1. Arquitetura típica de sistemas baseados em espalhamento espectral 2. Sistemas baseados em espalhamento espectral de sequência direta 3. Geradores de sequência binária pseudo-aleatória (PBRS) • Geração de sequências de comprimento máximo • Geração de códigos de ouro • Geração de códigos de Walsh

4. Sistemas baseados em espalhamento espectral de salto temporal 5. Taxa de erro de bits Desempenho de sistemas baseados em espalhamento espectral em canais AWGN • Impacto da taxa de codificação r no desempenho do BER • Impacto do comprimento do código no desempenho do BER

6. Desempenho da taxa de erro de bit de sistemas baseados em espectro espalhado em canais com desvanecimento Rayleigh lento multipercurso com deslocamento Doppler zero 7. Análise de desempenho da taxa de erro de bit de sistemas baseados em espectro espalhado em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade 8. Análise de desempenho da taxa de erro de bit de sistemas baseados em espectro espalhado na presença de interferência multiusuário 9. Transmissão de imagem RGB em sistemas de espectro espalhado 10. Sistemas ópticos CDMA (OCDMA) • Códigos ópticos ortogonais (OOC) • Limites de desempenho de sistemas OCDMA; desempenho de taxa de erro de bits de sistemas OCDMA síncronos e assíncronos

Sistemas SS de banda ultralarga

Sistemas baseados em OFDM

11. Implementação de sistemas OFDM usando a Transformada Rápida de Fourier 12. Arquitetura Típica de Sistemas baseados em OFDM 13. Taxa de Erro de Bits Desempenho de Sistemas OFDM em canais AWGN • Impacto da taxa de codificação r no desempenho do BER • Impacto do prefixo cíclico no BER desempenho • Impacto do tamanho da FFT e do espaçamento da subportadora no desempenho do BER

14. Desempenho da taxa de erro de bits de sistemas OFDM em canais de desvanecimento Rayleigh lento multipercurso com deslocamento Doppler zero 15. Desempenho da taxa de erro de bits de sistemas OFDM em canais de desvanecimento Rayleigh lento multipercurso com CFO 16. Estimativa de canal em sistemas OFDM 17. Equalização de domínio de frequência em OFDM Sistemas • Equalizador Forçado Zero • Equalizadores MMSE 18. Outras Métricas de Desempenho Comuns em Sistemas Baseados em OFDM (Relação de Potência de Pico para Média, Taxa de Interferência de Portadora...etc.) 19. Análise de desempenho de sistemas baseados em OFDM em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade (como um projeto de simulação que consiste em três artigos) 20. Artigo (1): Mitigação de interferência entre portadoras 21. Artigo (2): Sistemas MIMO-OFDM

Otimização de um MATLAB Projeto de Simulação

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

1. Estrutura típica de projetos de simulação de pequena escala 2. Extração de parâmetros de simulação e mapeamento teórico para simulação 3. Construindo um projeto de simulação 4. Técnica de simulação de Monte Carlo 5. Um procedimento típico para testar um projeto de simulação 6. Espaço de memória Management e técnicas de redução de 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 depuração 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 esse motivo e mais, uma palestra extra sobre "Interface Gráfica do Usuário (GUI) Programming" é ministrada para trazer o controle sobre várias partes do seu projeto de simulação em suas mãos apontam 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 a combinação de vários resultados em uma janela mestre e facilita a comparação de dados.

1. O que é uma MATLAB GUI 2. Estrutura do arquivo de função MATLAB GUI 3. Principais componentes da GUI (propriedades e valores importantes) 4. Variáveis locais e globais

Nota: Os tópicos abordados em cada nível deste curso incluem, mas não se limitam, àqueles indicados em cada nível. Além disso, os itens de cada palestra específica estão sujeitos a alterações dependendo das necessidades dos alunos e de seus interesses de pesquisa.