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 abordar muitos dos problemas de pesquisa atualmente em aberto na área de engenharia de comunicações, uma vez que deverá ter adquirido pelo menos as seguintes habilidades:

• Mapear e manipular expressões matemáticas complicadas que aparecem frequentemente na literatura de engenharia de comunicações
• Capacidade de usar as funcionalidades de programação oferecidas pelo MATLAB para reproduzir os resultados de simulação de outros artigos ou, pelo menos, se aproximar desses resultados.
• Criar modelos de simulação para ideias propostas pelo próprio aluno.
• Utilizar 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, economizando o espaço de memória.
• Identificar os principais parâmetros de simulação de um determinado 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 participe de um nível sem ter participado e compreendido profundamente o 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 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 apropriados 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 matricial e vetorial de sinais escalares na matemática das comunicações
• Representações matriciais e vetoriais de sinais em banda base complexos no MATLAB

Desktop do MATLAB

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

Declaração de variáveis, vetores e matrizes

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

Matrizes especiais

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

Manipulação elemento a elemento e matricial

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

Operadores unários de matriz

• O operador 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 binárias de matriz

• Operações aritméticas
• Operações relacionais
• Operações lógicas

Números complexos no MATLAB

• Representação em banda base complexa de sinais em banda passante e conversão para RF, uma revisão matemática
• Formando 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 matriz
•  A função raiz quadrada
• A função sinal
• 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

Polinômios no MATLAB

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

Gráficos em escala linear

• Representações visuais de sinais contínuos no tempo e amplitude contínuos
• Representações visuais de sinais aproximados por degraus
• Representações visuais de sinais discretos no tempo e amplitude discretos

Gráficos em escala logarítmica

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

Gráficos polares 2D

• (padrões de radiação de antenas planares)

Gráficos 3D

• Padrões de radiação 3D
• Gráficos paramétricos cartesianos

Seção Opcional (fornecida sob demanda dos alunos)

• 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 e tomada de decisão no MATLAB

• O laço for end
• O laço while end
• A condição if end
• As condições if else end
• A instrução switch case end
• Iterações, erros de convergência, 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, randomizadores, emalhadores, geradores de códigos de espalhamento... etc. no transmissor, bem como seus equivalentes no terminal receptor.
• Interconectar estes blocos apropriadamente para alcançar uma função de comunicações
• Simulação de modelos de canal de banda estreita internos e externos, determinísticos, estatísticos e semialeatórios

Geração de sinais de teste de comunicações

• Geração de uma sequência binária aleatória
• Geração de sequências de inteiros 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 RGB para escala de cinza
• Stream de bits serial de uma imagem em escala de cinza 2D
• Subfotogramas de sinais de imagem e reconstrução

Condicionamento e Manipulação de Sinais

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

Digitização de Sinais Analógicos

• Amostragem no domínio do tempo de sinais em 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
• Formatação 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 de tempo limitado
• Operações de Transformada Rápida de Fourier (FFT) e IFFT
• Visualização do espectro de um sinal em 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-baixa

Funções Auxiliares de Comunicações

• Randomizadores e desrandomizadores
•  Perfuradores e desperfuradores
• Codificadores e decodificadores
• Emalhadores e desemalhadores

Moduladores e demoduladores

• Esquemas de modulação digital em banda base 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 no domínio do tempo – canais de desvanecimento lento, deslocamento Doppler em canais veiculares
  • Multiplicação no domínio da frequência – canais de desvanecimento seletivo em frequência
  • Convolução no domínio do tempo – resposta impulsiva do canal

Exemplos de modelos de canal determinísticos

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

Caracterização Estatística de Canais de Desvanecimento Multipath Estacionários e Quasi-Estacionários Comuns

• Geração de uma RV uniformemente distribuída
• Geração de uma RV gaussiana real distribuída
• Geração de uma RV gaussiana complexa distribuída
• Geração de uma RV rayleigh distribuída
• Geração de uma RV ricean distribuída
• Geração de uma RV lognormalmente distribuída
• Geração de uma RV arbitrariamente distribuída
• Aproximação de uma função 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 gaussiano branco aditivo (AWGN) reais e complexos

Caracterização de Canal por seu Perfil de Potência de Atraso

• Caracterização do canal por seu perfil de potência de atraso
• Normalização de potência do PDP
• Extração da resposta impulsiva do canal do PDP
• Amostragem da resposta impulsiva do canal por uma taxa de amostragem arbitrária, amostragem e atraso desalinhados
• quantização
• O problema de amostragem desalinhada da resposta impulsiva 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 pela IEEE
• (COST – SUI - Modelos de Canal Ultra Wide Band... etc.)

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

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

Desempenho de Taxa de Erro de Bit (BER) de Esquemas de Modulação Digital em Banda Base

•  Comparação de desempenho de diferentes esquemas de modulação digital em banda base 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 em banda base em diferentes canais de desvanecimento estacionários e quasi-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 em banda base; gráficos de dispersão, taxa de erro de bit
• Comunicações de Helicóptero-para-Satélite
  • Artigo (1): Sistema de Voz e Dados em Tempo Real de Baixo Custo para Serviço Móvel de Satélite Aeronáutico (AMSS) – Enunciado e análise do problema
  • Artigo (2): Combinação de Diversidade Temporal Pré-Detecção com AFC Preciso para Comunicações de Satélite de Helicóptero – A primeira solução proposta
  • Artigo (3): Um Esquema de Modulação Adaptativa para Comunicações de Helicóptero-Satélite – Uma abordagem de melhoria de desempenho

Simulação de Sistemas de Espalhamento Espectral

• Arquitetura típica de sistemas baseados em espalhamento espectral
• Sistemas baseados em espalhamento espectral de sequência direta
• Geradores de sequência binária pseudoaleatória (PBRS)
  
  • Geração de sequências de comprimento máximo
  • Geração de códigos Gold
  • Geração de códigos Walsh
• Sistemas baseados em espalhamento espectral de salto temporal
• Desempenho de Taxa de Erro de Bit (BER) de sistemas baseados em espalhamento espectral em canais AWGN
  
  • Impacto da taxa de codificação r no desempenho de BER
  • Impacto do comprimento do código no desempenho de BER
• Desempenho de Taxa de Erro de Bit (BER) de sistemas baseados em espalhamento espectral em Canais de Desvanecimento Rayleigh Lento Multipath com Deslocamento Doppler Zero
• Análise de desempenho de taxa de erro de bit de sistemas baseados em espalhamento espectral em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade
• Análise de desempenho de taxa de erro de bit de sistemas baseados em espalhamento espectral na presença de interferência multiusuário
• Transmissão de imagens RGB em sistemas de espalhamento espectral
• Sistemas Ópticos CDMA (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 (BER) de Sistemas OFDM em canais AWGN
  
  • Impacto da taxa de codificação r no desempenho de BER
  • Impacto do prefixo cíclico no desempenho de BER
  • Impacto do tamanho da FFT e do espaçamento de subportadoras no desempenho de BER
• Desempenho de Taxa de Erro de Bit (BER) de Sistemas OFDM em Canais de Desvanecimento Rayleigh Lento Multipath com Deslocamento Doppler Zero
• Desempenho de Taxa de Erro de Bit (BER) de Sistemas OFDM em Canais de Desvanecimento Rayleigh Lento Multipath com CFO
• Estimação de Canal em Sistemas OFDM
• Igualização no Domínio da Frequência em Sistemas OFDM
  
  • Equalizador Zero Forcing
  • Equalizadores MMSE
• Outras Métricas de Desempenho Comuns em Sistemas Baseados em OFDM (Razão de Potência de Pico – a – Média, Razão de Portadora – a – Interferência... etc.)
• Análise de desempenho de sistemas baseados em OFDM em ambientes de desvanecimento de alta mobilidade (como um projeto de simulação consistindo em três artigos)
  
  • Artigo (1): Mitigação de interferência entre portadoras
  • Artigo (2): Sistemas MIMO-OFDM

Otimização de um Projeto de Simulação do MATLAB

O objetivo desta parte é aprender como construir e otimizar um projeto de simulação do MATLAB para 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 tempos de execução longos devido ao processamento lento.

• Estrutura típica de projetos de simulação em pequena escala
• Extração de parâmetros de simulação e mapeamento de teórico para simulação
• Construção de um Projeto de Simulação
• Técnica de Simulação Monte Carlo
• Um Procedimento Típico para Testar um Projeto de Simulação
• Técnicas de Gerenciamento de Espaço de Memória e Redução de Tempo de Simulação
  
  • Simulação em 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 de GUI

Ter um código MATLAB livre de erros 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 fluxo. Por este e outros motivos, uma aula extra sobre "Programação de Interface Gráfica do Usuário (GUI)" é fornecida para trazer o controle sobre as várias partes do seu projeto de simulação ao alcance das suas mãos, em vez de mergulhar em códigos-fonte longos cheios de comandos. Além disso, ter seu código MATLAB mascarado por uma GUI ajuda a apresentar 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 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 estabelecidos em cada nível. Além disso, os itens de cada aula em particular estão sujeitos a mudanças dependendo das necessidades dos alunos e de seus interesses de pesquisa.