MATLABמערכות תקשורת באמצעות MATLAB

כיום מערכות תקשורת הן מערכות משולבות: רכיבים אנלוגיים העובדים בתדר גבוה בשילוב אלגוריתמיקה דיגיטלית מהירה. למערכות כאלו קיימות דרישות חומרתיות גבוהות, במיוחד כשלוקחים בחשבון דרישה לדיוק גבוה של המערכת.

בין הדרישות קיים הצורך במערכת אדפטיבית וחכמה כך שתוכל להשתלב עם מערכות אחרות, הפרעות שונות וכך שהמערכת תוכל לעבוד עם דרישות כמו:

  • שימוש יעיל בספקטרום
  • סטנדרטים הדורשים קצב מידע גבוה עם latency נמוך
  • צריכת הספק נמוכה

באמצעות MATLAB ניתן להקטין את זמן הפיתוח – מהאלגוריתם דרך סימולציה מלאה ועד מימוש באמצעות חומרה. את זמן הפיתוח ניתן לחסוך באמצעות:

  • שימוש באלגוריתמים מוכנים לבדיקת קונספטים.
  • שימוש בחומרה לבדיקת סימולציה ודגימת אותות מהאוויר.
  • אופטימיזציה של מערכת על ידי שילוב רכיבים נוספים כמו: אלמנטי RF, התנהגות אנטנה, ואלמנטים אנלוגיים.
  • מציאת בעיות בתכן המערכת לפני שלב ההוצאה לפועל.
  • ייעול שלב הבדיקות והווריפיקציה באמצעות בדיקות אוטומטיות ב MATLAB ו-Simulink.
  • ייצור אוטומטי של קוד HDL ו-C .
  • שימוש חוזר במודלים ישנים לפרויקטים חדשים.

תמיכה בתקנים WLAN/LTE

תצוגה של מסגרת LTE (מימין) ו-WLAN באמצעות MATLAB (משמאל) .

באמצעות הקובץ הבא ניתן ללמוד על יצירת סיגנלים תואמים לדור חמש בסלולר.

ניתן כיום באמצעות MATLAB לייצר ולפענח סיגנלים בתקן LTE או WLAN. הכלים הקיימים היום הם Standard Compliant, כלומר מאושרים על ידי גופי התקינה הבינלאומיים.

כאשר השימושים העיקריים בכלים אלו הם:

  • ניתן להשתמש בכלים של MATLAB כ-Golden Reference עבור וריפיקציה של האלגוריתם שלכם. מכיוון שהכלי הוא Standard Compliant אפשר להשוות את האלגוריתם למערכת שהיא תומכת תקן וכך לוודא פעולה תקינה של האלגוריתם.
  • יצירת סיגנלי LTE או WLAN בצורה פשוטה ועם גרנולריות דקה. בשיתוף כלים נוספים של MATLAB ניתן בעזרת signal generators ו- vector generators לייצר סיגנלים לשידור ע"ג האוויר או לשם בדיקה של רכיבים שונים. לאחר מכן אפשר לדגום את הסיגנלים חזרה ל-MATLAB ולמדוד פרמטרים שונים כמו EVM או SNR.
  • באמצעות הכלים של MATLAB ניתן לבצע סימולציה מערכתית מלאה בצורה מהירה ופשוטה. כמובן השלב הבא יהיה לשלב את האלגוריתם שלך בסימולציה וכך לבדוק פרמטרים כמו throughput או ניצול ספקטראלי.
  • שחזור אותות מהאוויר. באמצעות הכלים של MATLAB ניתן לפענח בקלות סיגנלים שנלקחו מאוויר.
  • הכלים של MATLAB כוללים בנוסף פתרונות למידול ערוצים ובניית סיגנלים עבור טכנולוגית (Next Radio (5G. וכמובן התעוד המעולה שמאפשרת ללמוד על התקנה בצורה פשוטה ונוחה.

ניתן באמצעות הקובץ הבא ללמוד על יצירת סיגנלים תואמים לדור חמש בסלולר.

מידול RF באמצעות MATLAB

באמצעות המדריך הבא ניתן לראות כיצד למדל RF באמצעות MATLAB.

מידול מערכת RF הינו תהליך מסובך. באמצעות הפתרונות לתקצוב רכיבי RF, והאפשרות לבנות סימולציה מערכתית בזמן קצר יותר, ניתן להקל ולקצר את זמן הפיתוח למערכות RF.

בניית מודל RF באמצעות RF Blockset

לאחר שבנינו את מערכת הRF נוכל לייצא אותה לSimulink כחלק ממערכת מלאה הכוללת גם את עיבוד הBaseband. לשם כך נשתמש בכלי הנקרא RF Blockset המאפשר:

  • תכנון ארכיטקטורת RF
  • שילוב אלגוריתמים אדפטיביים כמו DPD ו-AGC
  • בדיקה של האימפלמנטציה בסימולציה לפני שמגיעים למעבדה
  • יצירת מודל לעמיתים או לקוחות

כל זאת באמצעות ספריה עשירה באלמנטים ומערכות.

צפו בסרטון המאפשר לבנות מודל DPD באמצעות MATLAB ו-Simulink וכולל הסברים נוספים.

תקצוב רכיבי (RF (RF Budget Analysis

היום כשמהנדסי מערכת RF מתקצבים את מערכת הRF שלהם הם בדרך כלל נעזרים בכלים ישנים. אפליקציה חדשה בMATLAB יכולה להקל על המצב. באמצעות אפליקציית 'RF Budget Analyzer' ניתן לתקצב מערך RF בצורה קלה. ניתן להוסיף רכיבים שונים לקסקדה של רכיבים ולראות את ביצועי המערכת הכלליים. ניתן לשלב במערכת כזו גם
קבצי S-Parameters בכדי להשתמש במדידות שכבר בוצעו. בהמשך, ניתן לייצר קוד בצורה פשוטה ולבצע בדיקה ע"ג מספר תדרים שונים בכדי לראות את ביצועי המערכת על גבי מרחב תדרים.

דוגמא לשימוש ב-'RF Budget Analyzer'

מידול מערכת בעלת מספר אלמנטים

מערכת Hybrid Beamforming באמצעות MATLAB

לאחר שיש לנו את מערך האנטנות, נרצה לשלב מערך זה בסימולציה. ב-whitepaper המצורף, נראה כיצד ניתן באמצעות MATLAB ו-Simulink לתכנן מערכת המכילה רכיבים אנלוגים, רכיבי RF ורכיבים דיגיטאלים בסימולציה אחת: נבנה מערך אנטנות 8X8, נראה כיצד השפעות של צימוד משפיעות על ביצועי המערך, נתכנן חלוקה של תתי-מערכים בתוך המערך ובסוף נשלב הכל יחד בכדי למדל מערכת זו.

כיום, באמצעות MATLAB ניתן בקלות למדל מערכות בעלות מספר רב של אלמנטים. לאחר מכן לקחת מערך אנטנות זה ולשלב אותו במודל של מערכת תקשורת, לבחון אלגוריתמי beamforming או לבחון מערכת בקרה למערך.

במידה ונרצה למדל מערכת בעלת מספר אלמנטים, נתחיל במידול של אנטנה בודדת. באמצעות MATLAB ניתן להגדיר את הצורה של האנטנה הבודדת, להגדיר פרמטרים נוספים כמו: חומר דיאלקטרי, אימפדנס הכניסה וכו'. בנוסף, בזכות האפליקציה המובנית 'Antenna Designer', ניתן להגדיר פרמטרים כמו רוחב סרט וכיווניות של האנטנה והאפליקציה תגדיר את הפרמטרים הנוספים בצורה אוטומטית. לאחר שהגדרנו את התצורה של האנטנה נרצה להסתכל על תכונותיה, ואכן זה אפשרי.
ב-MATLAB ניתן לצפות בs-parameters או בכיווניות של האנטנה בצורה נוחה וכמובן לבחון את ה-mesh של האנטנה וכו'

מידול אנטנטות

מערך אנטנות שלם (ימין), אלמנט אנטנה במערך (אמצע), מידול אלמנט אנטנה (שמאל), באמצעות MATLAB.

לאחר שבנינו אלמנט אחד, נרצה לראות את הביצועים שלו עבור מערך אלמנטים. עבור זה קיימות שתי אפשרויות:

  • חישוב משוואות מקסוול – לשם כך נפנה לכלי Antenna Toolbox של MATLAB. באמצעות שיטת method of moments יחושבו משוואות מקסוול במרחב ונראה אפקטים של mutual coupling או השפעות edge לכל המערך וגם לאלמנט בודד.
  • חישוב באמצעות שיטת סופרפוזיציה – הפעם נשתמש בכלי Phased Array System Toolbox של MATLAB. יתרון שיטה זו הוא שזהו קירוב טוב (לפעמים מספיק) המאפשר לקבל תוצאות בזמן חישוב קצר יותר.

עבודה עם חומרה

ניתן לראות רשימת החומרות הנתמכות בכפתור הבא:

במידה ונרצה לוודא את הפעילות הנכונה של המערכת שלנו, לא תהיה לנו ברירה אלא לעבור לחומרה. ניתן היום להקל על העבודה הזאת באמצעות MATLAB. באמצעות ממשק ישיר נוכל לשלוח פקודות לחומרה, ולקבל את האותות ישירות ל MATLAB.

בין השאר קיימת תמיכה ל:

  • RDL-SDR – חומרה זולה ביותר, ניתן להשתמש בה רק כמקלט עם רוחב סרט קטן. היתרון הוא המחיר וטווח התדרים הגדול יחסית.
  • USRP- מאפשר להגדיר בצורה נוחה את הRF-Front End.
  • Xilinx FPGA-based Radio – שילוב של לוח של Xilinx עם כרטיס של Analog Devices כמו הAD9361 מאפשר שליטה גם על הFPGA וגם על הARM בשביל פעולות יצירת הסיגנלים ועיבודם.
  • Spectrum Analyzer – שהם כוללים את הRF Front End בנוסף לרוחב סרט גדול יחסית בתדרים גבוהים, החיסרון הוא כמובן המחיר הגבוה.