Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen - IEM

Einführung in den Kurs
Aug-02
Wahlpflichtfach im Fachbereich IEM:
Simulation und Analyse von
Kommunikationssystemen
Prof. Dr.-Ing. J. Habermann, Raum 110 und 111
e-mail: joachim.habermann@iem.fh-friedberg.de
Tel. 06031/604-220 (243,222)
Einführung in den Kurs
Vorwort
Die Entwicklung von Kommunikationssystemen ist heute nur unter Verwendung von modernen
und effizienten Softwaretools möglich. Auch die modernen Systeme verfügen sowohl
über analoge als auch digitale Komponenten. Für die analogen und digitalen Komponenten
gibt es unterschiedliche Entwicklungskonzepte und -werkzeuge. Die Signalverarbeitung wird
aber in heutigen Systemen zum großen Teil digital realisiert; die analoge Technik beschränkt
sich im wesentlichen auf die Komponenten der Hoch- und Höchstfrequenztechnik.
Im Rahmen dieses Kurses soll die Entwicklung und Simulation von digitalen Komponenten
für Kommunikationssysteme mit Hilfe eines effizienten und modernen Softwaretools
erlernt werden. Der in diesem Kurs realisierte Entwicklungsansatz wird von allen Firmen bei
der Entwicklung größerer Systeme verwendet und kann als top down Ansatz bezeichnet werden.
Dazu wird in einem ersten Schritt ein Blockdiagramm des Systems entworfen. Jeder
Block repräsentiert einen logischen Teilaspekt des Kommunikationssystems und wird zunächst
durch ein Programm z.B. in C repräsentiert. Diese Blöcke lassen sich dann zu dem
gewünschten Gesamtsystem zusammenfügen, das dann hinsichtlich bestimmter Gütekriterien
simuliert und danach optimiert wird. In diesem Kurs wird das moderne und effiziente Simulationstool
COSSAP ® verwendet, das auch von den meisten Firmen z.B. bei der Entwicklung
der GSM-Handys eingesetzt wurde. Eine Entwicklung mit COSSAP hat den Vorteil, daß
schon sehr viele Komponenten (Module) in einer Bibliothek vorhanden sind, nur die spezifischen
Komponenten sind neu zu entwickeln.
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Aug-02
In einer zweiten Realisierungsphase lassen sich aus den einzelnen Modulen mit Hilfe automatisierter
Werkzeuge Vorlagen für ASICs erzeugen. Diese Werkzeuge sind zwar im Labor
für Telekommunikation verfügbar, die zweite Realisierungsphase ist aber nicht Inhalt des
Kurses.
Modellbildung und Simulation in der Informationstechnik
In der Nachrichten- und Informationstechnik steht man bei Planungs- und Entwicklungsvorhaben
vor der Aufgabe, das Verhalten von realen Systemen erklären oder vorhersagen zu
müssen. Mögliche Problemstellungen sind hierbei:
- Es stehen mehrere Varianten eines Systems zur Auswahl; aus Kosten -aber noch
wichtiger aus Zeitgründen- ist es nicht möglich, alle Varianten aufzubauen. Eine
Abhilfe ist die Modellbildung und Simulation der Systeme. Die Ergebnisse der
Simulation dienen dann zur Entscheidungsfindung bei der Auswahl eines Systems.
- Der optimale oder auch nur ein günstiger Parametersatz für ein System, wie z.B.
die Sendeleistung und die Kanalbitrate, kann nur durch eine Simulation ermittelt
werden.
- Die im Empfänger des Kommunikationssystems für die unterschiedlichsten Applikationen
verwendeten Algorithmen (wie z.B. Sprachdecoder) können nur unter
Berücksichtigung des kompletten Systems untersucht werden. Eine Optimierung
einer Komponente ist nur per Simulation des Gesamtsystems möglich.
Die Simulation eines Kommunikationssystem enthält Komponenten wie Sender und Empfänger,
die nach abgeschlossener Optimierung direkt mit einem ASIC oder DSP realisiert
werden können, da diese Bausteine im Prinzip auch nur eine „Echtzeitsimulation“ von Modulen
durchführen. Damit ist das Simulationstool auch ein wichtiges Entwicklungswerkzeug.
Modelle wie ein Übertragungskanal, der gerade im Mobilfunk sehr komplex sein kann, werden
nur zur Simulation benötigt. Hier ist die Beschreibung der relevanten physikalischen Effekte
von besonderer Bedeutung.
Die mit COSSAP realisierte Simulation erlaubt eine beliebige Beschreibung der Komponenten
des System, d.h. es kann eine Gleichung wie die Übertragungsfunktion im Frequenzbereich
oder ein Differenzengleichungssystem benutzt werden. Dort wo die Aufstellung eines
Gleichungssystems nicht mehr möglich ist, können Tabellen oder andere Relationen zwischen
Aus- und Eingang eines Blocks verwendet werden. Somit ist die Simulation beliebiger nicht-
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linearer, zeitvarianter Systeme möglich. Diese Systeme sind in der Regel nicht mehr analytisch
beschreibbar und entziehen sich jeder Untersuchung auf dem Papier.
Strukturierung des Kurses und allgemeine Hinweise
Der Kurs strukturiert sich in einen theoretischen und praktischen Teil. Im Vorlesungsteil
(Theorie) werden jeweils in einer Woche die Grundlagen erarbeitet, die dann in der darauffolgenden
Woche im Praxisteil mit dem Simulationstool umgesetzt und vertieft werden.
Folgender Ablauf ist geplant (Stunde = 4SWS):
1. Stunde (Vorlesung): Einführung in die Simulationstechniken und Betrachtung von
Tools zur Simulation und Implementierung von Kommunikationssystemen.
2. Stunde (Praxis): Einführung in COSSAP.
3. Stunde (Vorlesung): Grundlagen zur digitalen Modulation.
4. Stunde (Vorlesung): Grundlagen zur digitalen Filterung.
5. Stunde (Praxis): Realisierung eines einfachen 16-QAM Modems, Teil 1.
6. Stunde (Praxis): Realisierung eines einfachen 16-QAM Modems, Teil 2.
7. Stunde (Praxis): Realisierung von Transversalfiltern und hierarchischen Modulen.
8. Stunde (Vorlesung): Modellierung von Übertragungskanälen mit Schwerpunkt auf
Mobilfunkkanäle.
9. Stunde (Praxis): Erstellung eines Mobilfunkkanals unter Verwendung eines eigenen
Primitivmodells in C.
10. Stunde (Vorlesung): Grundlagen der Spreizbandcodierung.
11. Stunde (Praxis): Erweiterung des 16-QAM Modems mit der Spreizbandcodierung.
12. Stunde (Vorlesung): Zellulare Netzplanung und Interferenzen im Mobilfunk.
13. Stunde (Praxis): Durchführung eines Projekts, Teil1.
14. Stunde (Praxis): Durchführung eines Projekts, Teil 2.
Die Versuchsdurchführungen der Praxisstunden werden in den davor liegenden Vorlesungsstunden
verteilt. Für eine sinnvolle Vorbereitung der praktischen Übungen ist ein Durcharbeiten
der Übungsanleitungen erforderlich.
Einführung in COSSAP
Das Communication System Simulation and Analysis Package (COSSAP) ist eine integrierte
Umgebung zur Entwicklung, Simulation und Implementierung von Signalverarbeitungs- und
Kommunikationssystemen. Es besitzt eine optionale VHDL-(Very High Description Langua-
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ge)-Codegenerierung zur Erzeugung von ASICs, sowie die Möglichkeit zur Erzeugung von
Programmcode für digitale Signalprozessoren.
Der Simulator arbeitet blockorientiert, d.h. die Simulationserstellung erfolgt interaktiv auf
einer grafischen Oberfläche, dem COSSAP Block Diagram Editor (CBDE). Hinter den Blöcken
bzw. Modulen verbergen sich Funktionen, die entweder als C- oder Fortran-Code implementiert
sein können (sogenannte primitive Module), oder selbst wieder aus solchen Modulen
aufgebaut sind (sogenannte hierarchische Module). Bezüglich der Handhabung bzw. dem
Einsatz in Simulationen ist für den Anwender jedoch kein Unterschied sichtbar. In den Übungen
drei und vier werden die hierarchischen bzw. primitiven Module näher erläutert.
Die Verarbeitung im Simulator erfolgt ereignisgetrieben (stream driven) und nicht zeitgesteuert
(time driven). Ein Modul wird also nur dann aufgerufen, wenn am Eingang eine für die
Bearbeitung erforderliche Mindestzahl an Abtastwerten anliegt. Der Anwender kann deshalb
in einer Simulation mit verschiedenen Abtastraten arbeiten, muß sich aber stets im Klaren
über das momentan gültige Zeitraster sein.
Im Gegensatz dazu werden bei zeitgesteuerten Simulatoren die Module innerhalb eines festen
Zeitrasters aufgerufen, unabhängig davon, ob Abtastwerte am Eingang anliegen oder nicht.
Dieses Prinzip läßt sich einfach realisieren und wird deshalb in einfacheren Simulationsprogrammen
verwendet. Jedoch verlängert dies im allgemeinen die Simulationszeiten von zeitgesteuerten
gegenüber ereignisgetriebenen Simulatoren.
Ein weiterer Vorteil des COSSAP-Programmpaket im Gegensatz zu einfacheren Simulationstools
ist die umfangreiche Modulbibliothek. Sie beinhaltet über 1200 Blöcke aus verschiedenen
Bereichen der Signalverarbeitung. Aus der Mobilkommunikation sind z.B. Blöcke des
GSM und des DECT Standards enthalten. Viele namhafte Firmen wie z.B. Nokia, Ericsson,
NEC, Nortel Dasa oder auch ASCOM verwenden COSSAP für die Entwicklung in den Bereichen
Mobilkommunikation, Satellitennetzwerke, DVB (digital video broadcast) und Wireless
Lans. Dadurch wächst die Modulbibliothek ständig weiter und ermöglicht es einem Entwickler
auf getestete oder sogar standardisierte Blöcke zurückzugreifen.
Die Dateistruktur von COSSAP
Im folgenden soll die Dateistruktur von COSSAP am Beispiel eines Teams erläutert werden.
Der Pfad für das aktuelle COSSAP-Projekt (SAK) vom Hauptverzeichnis ausgehend lautet:
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/home/simlab/team1/cossap/SAK
Im Verzeichnis SAK befinden sich drei Unterverzeichnisse:
- c- (Configuration-) Verzeichnis
Wird für die Erstellung von Simulationen verwendet.
- d- (Development-) Verzeichnis
Steht für die Erzeugung von neuen primitiven oder hierarchischen Modulen zur
Verfügung (siehe Übungen drei und vier).
- v- (Viewing-) Verzeichnis
Hier werden die Ergebnisse der Simulationen gespeichert.
Im c- und v-Verzeichnis existieren noch die Unterverzeichnisse schematic und symbol:
schematic:
Dieses Verzeichnis enthält die erzeugten schematics (Layouts) die
der Benutzer erstellt hat.
symbol:
In diesem Verzeichnis werden die Symbole (Grafik) der vom Benutzer
erstellten primitiven oder hierarchischen Module bzw. eines schematics
(Layouts) gespeichert.
Für das Projekt SAK können verschiedene Modulbibliotheken angelegt werden, die sich in
einem Unterverzeichnis für Bibliotheken im d-Verzeichnis befinden. Dieses Thema wird
ebenfalls in den Übungen drei und vier eingehend erläutert.
Der COSSAP Block Diagram Editor (CBDE)
Der COSSAP Block Diagram Editor dient der Erstellung von Blockdiagrammen (schematics),
zur Verwaltung von primitiven und hierarchischen Modulen, dem Compilieren und der
Durchführung von Simulationen sowie zum Speichern und Laden von Konfigurationen. In der
ersten Übung erhalten Sie eine Einführung in die Benutzungsweise des CBDE. Der Block
Diagram Editor wird in einer Shell durch das Kommando cbde aufgerufen.
Das Data Visualization Tool DAVIS
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Mit DAVIS können die Simulationsergebnisse grafisch dargestellt, nachbearbeitet und gespeichert
werden. Es wird im Block Diagram Editor mit im Menüpunkt aufgerufen.
Die verschiedenen Funktionen dieses Tools werden in den Übungen näher erläutert.
Weitere Tools
In COSSAP stehen noch weitere Tools wie z.B. der Library Manager oder der Model Maker
zur Verfügung, deren Anwendung und Eigenschaften Sie im Verlaufe des Praktikums kennenlernen
werden.
COSSAP-Dateien
COSSAP vergibt den verschiedenen Dateitypen entsprechende Endungen:
- *.sch
enhält Informationen speziell für das Blockdiagramm einschließlich der Information
über Grafik (Symbol), Netzverbindungen, Parameter und Wertzuweisungen
- *.sym
enthält die grafischen Eigenschaften sowie Informationen über Parameter und
Eigenschaften von Modulen
- *.dsh und *.dwb
kennzeichnen Dateien, die mit dem DAVIS-Tool erzeugt wurde
Die weiteren existierenden Dateiendungen *.asn, *.mdef, *.attr, *.v_arc,
*.v_ent, *.gc, *.c und weitere werden in den entsprechenden Übungen näher erläutert.
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Einführung in UNIX
Das auf den Sun-Workstations eingesetzte Betriebssystem ist Solaris 2.5.1. Es handelt sich
hierbei um ein UNIX Betriebssystem. Der Zugriff auf die Rechnerhardware und die angeschlossene
Peripherie erfolgt durch die Eingabe von Kommandos in einem eigens dafür vorgesehenen
Fenster (der sogenannten Shell) auf der grafischen Oberfläche.
Zunächst müssen Sie sich jedoch als Benutzer an diesem System anmelden. Dies geschieht
am Login-Bildschirm. Dort geben Sie zuerst Ihren Benutzernamen (z.B. team1) und anschließend
Ihr Paßwort ein.
Die Benutzer sind so eingerichtet, daß nach einem kurzem Moment die grafische Oberfläche
OpenWindows mit einer Reihe von Voreinstellungen, wie zum Beispiel einer Korn-Shell und
der Uhrzeit erscheint. Damit jedes Team immer die gleiche Systemumgebung vorfindet sollten
keine Änderungen am Login-Bildschirm von Ihnen durchgeführt werden.
Um Befehle in einer Shell eingeben zu können, müssen Sie den Mauszeiger auf diese Shell
führen.
Im Rahmen des Laborpraktikums „Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen“
(SAK) werden Sie gelegentlich auf Betriebssystemebene arbeiten müssen. Es folgt deshalb
eine Auflistung der wichtigsten Befehle und ihrer Wirkung:
- cd
Wechselt in das Verzeichnis mit dem angegebenen Namen.
- ls
Auflistung aller Dateien bzw. Unterverzeichnisse des aktuellen Verzeichnisses.
Verzeichnisse sind durch einen ‘/’ hinter dem Verzeichnisnamen gekennzeichnet.
- Pwd
Ausgabe des Pfades ausgehend vom Hauptverzeichnis (/) bis zum aktuellen Ver
zeichnis, in dem Sie sich befinden.
- cdir
Wechsel in das c-Unterverzeichnis des aktuellen COSSAP-Projektes (SAK). In
diesem Verzeichnis werden die von Ihnen erstellte Konfigurationen und Charts gespeichert.
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- ps
Auflistung aller Prozesse, die von Ihnen gestartet wurden. Jeder Prozeß besitzt eine
PID(Process-ID)-Nummer, die beim Start vom Betriebssystem vergeben wurde.
- cbde
Startet den COSSAP Block Diagram Editor (CBDE).
- exit
Dieses Kommando beendet die aktuelle Shell.
Um sich am Ende der Sitzung vom Rechner abzumelden, klicken Sie mit der rechten Maustaste
auf eine freie Fläche in der Oberfläche und wählen Exit. Bestätigen Sie anschließend
diesen Befehl durch nochmaliges Anklicken von Exit. Nach einem Moment wird wieder
der Login Bildschirm angezeigt.
Der Texteditor vi
Sie werden verschiedene Dateien, wie z.B. das Assignment-File oder das Model Definition
File (*.mdef) mit dem bildschirmorientierten Texteditor vi bearbeiten müssen.
Der vi-Editor arbeitet in zwei Modi, dem Kommandomodus und dem Eingabemodus. Sobald
Sie eine Datei öffnen, um sie mit dem vi-Editor zu bearbeiten, befinden Sie sich zunächst im
Kommandomodus. Die wichtigsten Editierbefehle sind an dieser Stelle aufgeführt:
Kommandomodus:
Pfeiltasten in der Datei bewegen
:q! Datei verlassen ohne abzuspeichern
:w Änderungen speichern
:wq Änderungen speichern und Datei verlassen
dd Zeile löschen
dw Wort löschen
x
Zeichen löschen
Eingabemodus:
i
a
Esc
fügt Text vor dem Cursor ein
fügt Text nach dem Cursor ein
Zurückwechseln in den Kommandomodus
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Ausgewählte Blöcke von COSSAP mit Parametern und deren Funktion
Model Name Parameter Name
Funktion der Parameter
und
Prinzipielle
Funktion
APLC_QC SignalPower
Mittlere Signalleistung am Ausgang
(Verstärker mit
geregelter Ausgangsleistung)
AWGNQC SNR Signal-zu-Rauschsignalabstand in dB
(Kanal mit additivem
Gaußschen
SIGNAL_POWER
Eingabe der bekannten Signalleistung
(nicht in dB), wenn keine
Messung erfolgen soll.
Rauschsignal) FACTOR Anzahl der Abtastwerte pro Symbol;
wird zur Normierung benötigt.
SIGNAL_POWER_KNOWN Hier wird festgelegt, ob die Signalleistung
von dem Block selbst gemessen
wird;
1: es wird die eingegebene
Signalleistung verwendet
0: die Signalleistung wird gemessen;
der Wert von SIGNAL_POWER ist
ohne Bedeutung.
RANDOM_SEED
Startwert für den Rauschgenerator
BITS2SYM
(Bits auf Symbol
Umsetzer)
COUNTP
(Zähler: zählt
die Einsen in
einem binären
Datenstrom und
gibt die Rate
aus)
NumberOfBits
MAX_NUM_ONES
MAX_NUM_ITEMS
X_VALUE
Bildet NumberofBits Bits auf ein
Symbol ab.
Positiver Integer Wert: Maximale
Anzahl der Einsen, die gezählt werden
sollen.
-1: der Eins - Zähler zählt bis zum
Ende der Simulation.
Positiver Integer Wert: Maximale
Anzahl der Werte, die gezählt werden
sollen.
-1: der Item – Zähler zählt bis zum
Ende der Simulation.
Abszisse, über der die Anzahl der
Fehler aufgetragen werden soll, z.B.
über dem Signal-zu-Rauschsignalabstand.
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DMPNI
(Anzeige eines
FIRST_ITEM
Erster Wert zur Anzeige des Datenstroms
eines Integer - NUM_ITEMS Anzahl der Werte für die Anzeige
Datenstroms) SAMPLING_TIME Zeitbasis (siehe IMPMOD): kann
prinzipiell beliebig gewählt werden
DELAY_QC
(Verzögerungselement
für
komplexe Signale)
DELI
(Element zum
Ausschneiden
von Werten aus
einem Integer
Datenstrom)
Delay
NUM_ITEMS
Anzahl der Abtastwerte, um die das
komplexe Eingangssignal verzögert
wird.
Anzahl der ersten Werte, die aus einem
diskreten Integer Datenstrom
ausgeschnitten werden sollen.
EYE
(Darstellung des
FIRST_ITEM
Erster Wert für die Anzeige des Augendiagramms
Augen- NUM_ITEMS Anzahl Werte des Augendiagramms
Diagramms) NUM_ITEMS_IN_PERIOD Anzahl Werte pro Periode des Auges
SAMPLING_TIME
Zeitbasis für die Darstellung des Augendiagramms
(siehe IMPMOD)
IMPMOD
(Impulsmodulator)
RATE_FACTOR
SAMPLING_TIME
M_RAYLEIGH VELOCITY_KM_H
(Rayleigh-
Schwundkanal)
PSD_QC
(Spektrumanalysator
für
komplexe Zeitsignale)
POWER_DB
SEED
SEGMENT_LENGTH
OVERLAP_LENGTH
Gibt an, wieviel Abtastwerte auf ein
Symbol kommen.
Für RATE_FACTOR=8 werden z.B.
auf einen Abtastwert des Symbols 7
zusätzliche Nullen eingefügt, so daß
8 Abtastwerte pro Symbol entstehen.
Ist die Zeitbasis für eine Simulation.
Wenn z.B. ein Symbol eine Rate von
1 [Symbol/s] haben soll, dann gilt:
SAMPLING_TIME = 1/RATE_FACTOR
Geschwindigkeit des Fahrzeuges in
km/h.
Zur Eingangssignalleistung relative
Ausgangssignalleistung in dB.
Startwert des Zufallsgenerators, der
das multiplikative Rayleigh-Signal
erzeugt.
Anzahl der Abtastwerte zur Berechnung
der spektralen Leistungsdichte
(Zweierpotenz)
Anzahl der Abtastwerte, die die
Segmente überlappen.
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RANDOM_
BITS
(binärer Zufallsgenerator)
FFT_LENGTH
DATA_WINDOW_INDEX
FIRST_ITEM
NUMBER_OF_SEGMENTS
SAMPLING_TIME
Seed
Anzahl der Abtastwerte, die für die
FFT verwendet werden. Muß größer
oder gleich SEGMENT_LENGTH
sein. Dient zur Verbesserung der
Auflösung bei der FFT.
Legt die Fensterfunktion des Zeitsignals
fest.
Erster Wert des komplexen Datenstroms,
der zur Spektrumberechnung
verwendet wird.
Anzahl der Segmente
Zeitbasis (siehe IMPMOD)
Startwert des Zufallsgenerators. Der
Zufallsgenerator wird z.B. durch ein
rückgekoppeltes Schieberegister realisiert.
RCRFQC SAMPLING_TIME Siehe IMPMOD
(Root Raised CUTOFF_FREQUENCY_3DB 3 dB Grenzfrequenz
Cosine Filter ROLLOFF Roll-off Faktor
für komplexe GAIN Verstärkungsfaktor des Filters
Ein- und Ausgangssignale)
SCAT
(Scatterplot)
SRDR
(Dezimator)
SYM2BITS
(Symbol auf
Bits Umsetzer)
FFT_LENGTH
ATTENUATION_ISI
ATTENUATION_NCD
FIRST_ITEM
NUM_ITEMS
SAMPLING_TIME
DECIMATION_FACTOR
NumberOfBits
Anzahl Werte, die für eine Zeitsegment
zur Filterung im Frequenzbereich
nach der add and overlap Methode
verwendet werden.
Wird nicht verwendet
Wird nicht verwendet
Erster Wert für die Anzeige des Scatterplots
Anzahl Werte des Scatterblocks
Zeitbasis für die Darstellung des
Scatterplots
Nur jeder DECIMATI-
ON_FACTOR´te Wert wird weiter
verwendet
Bildet ein Symbol auf NumberofBits
Bits ab.
TRANS NSPS Anzahl der Abtastwerte pro Symbol
(Transversalfilter)
NumFIRCoeff
Anzahl der Koeffizienten des Transversalfilters
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