TP Winiqsim

RESEAUX & TELECOMMUNICA TELECOMMUNICATIONS TIONS

RT2A

TP4a TP WINIQSIM

2012-13

Module TR1 1

But du TP

Le but du TP est de découvrir l'outil de simulation des modulations numériques "WinIQsim"qui est disponible sur le site http://www2.rohde-schwarz.com http://www2.rohde-schwarz.com.

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Rappels théoriques 2.1 Paramètres I-Q - L'expression du symbole I est le paramètre en phase avec la porteuse, Q le paramètre paramètre en quadrature.

 

m ( t ) = I . cos (ω0t ) + Q. cos  ω 0 t +

π   2

- La représentation graphique du symbole dans le plan complexe est la suivante :

2.2 Constellation C'est la représentation graphique graphique de l'ensemble l 'ensemble des symboles. Quelques exemples de constellation :

IUT de Grenoble - RT

TP-winiqsim 12.doc - 1

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2.3 Spectre - En bande de base (pour uns signal NRZ): Le spectre est autour de 0. L'encombrement est 1/TB = D

- En modulation numérique : C'est la durée du symbole T S ( = 1/R) qui importe - R étant la rapidité de modulation.. On rappelle que TS = n TB , n étant le nombre de bits par symbole Le spectre est transposé autour de la fréquence porteuse. L'encombrement est 2 × 1/TS = 2 × R

2.4 Valence – Rapidité de modulation - Débit La rapidité de modulation est limitée par la bande passante du canal (R MAX = BP). Pour augmenter le débit on est alors obligé d'augmenter la valence en construisant chaque symbole sur n bits : 1 - Si n = 1  Valence V = 2 = 2  D = n × R = 1 × R = R 2 - Si n = 2  Valence V = 2 = 4  D = n × R = 2 × R … 4 - Si n = 4  Valence V = 2 = 16  D = n × R = 4 × R Remarquons que l'augmentation de la valence nous permet à la fois d'augmenter le débit et à la fois de diminuer l'encombrement spectral : - Si n = 1 - Si n = 2 …. - Si n = 4

1



Valence V = 2 = 2  R = D / 1 = D 2  Valence V = 2 = 4  R = D / 2 = D 

4

Valence V = 2 = 16  R = D / 4 = D

BP = 2 × R = 2 × D  BP = 2 × R = 2 × D / 2 = D 



BP = 2 × R = 2 × D / 4 = D / 2

2.5 Diagramme de l'œil Le premier étage en réception est de démoduler le signal afin de régénérer les paramètres I et Q. Le diagramme de l'œil de I (puis de Q) vont nous permettre de qualifier la transmission (œil ouvert  pas d'erreurs), de mesurer la rapidité de modulation (TS = temps entre 2 instants de décision), de calculer le ou les comparateurs permettant de régénérer les signaux I et Q (seuils de détection). Par exemple, pour ASK4, le diagramme de l'œil peut avoir l'allure ci-contre. On voit apparaître les 4 niveaux (puisqu'il y a 4 valeurs de I possibles) et la durée du symbole TS.


TP-winiqsim12.doc - 2

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2.6 Filtre d'égalisation - Suppression des Interférences Entre Symboles - En bande de base (I ou Q): La première source d'erreurs est l'interférence entre symboles à cause de laquelle un symbole déborde sur le précédant et le suivant  fermeture du diagramme de l'œil (I ou Q)  erreurs. La solution idéale est le filtre de Nyquist (appelé aussi filtre idéal) qui est une porte de largeur F S (= R), dont la réponse temporelle est un sinus cardinal passant par 0 aux instants + T S ou –TS, c'est à dire aux instants ou il y aura lecture du symbole suivant ou du symbole précédant : on annule ainsi son interférence sur ces 2 symboles.

Contrainte : Le canal (en bande de base) doit "laisser passer ce filtre" supérieure à R/2  Théorème de Nyquist : R MAX = 2 × BP



Sa bande passante BP doit être

- En modulation : Il y a transposition autour de la porteuse :

La contrainte devient : Le canal (en modulation) doit "laisser passer ce filtre" être supérieure à R  Théorème de Nyquist : R MAX = W



Sa bande passante W doit

- Réalisation pratique : la méthode du cosinus surélevé. Le filtre de Nyquist (dit filtre idéal) ne peut pas être construit, on le remplace, pratiquement par un filtre dit du cosinus surélevé caractérisé par un coefficient de retombée (roll-off factor).

La contrainte devient : -En bande de base : le canal doit "laisser passer ce filtre"  Sa bande passante BP doit être supérieure = R  Théorème de Nyquist : R MAX = 2×BP×(1+β ) 2(1+ β ) -En modulation : le canal doit "laisser passer ce filtre"  Sa bande passante W doit être supérieure = R  Théorème de Nyquist : R MAX = W×(1+β) (1+ β ) IUT de Grenoble - RT


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WinIQsim en bref Le logiciel WinIQsim comporte les différents éléments de la chaîne de transmission en cascade : - Data source : élaboration de la trame numérique à transmettre : des 1, des 0, séquences aléatoire PRBS, une suite définie par l’utilisateur, ou un fichier). - Modulations : choix de la modulation (FSK, PSK, etc…), du codage, du type de filtre, etc.. - IQ impairement : déséquilibrage des signaux I et Q - Phase Noise : effet du bruit des oscillateurs, PLL et mélangeurs - Bandpass Filter : Effet des filtres anti-repliement qui limitent la bande du canal - Amplifier dist : effet des non linéarités des amplificateurs sur l’étalement de spectre et parasitage des canaux adjacent (ACPR) - Power ramping : pour certaines normes la gestion de la puissance suit un schéma très précis. - Multipath et Offset : il est possible de simuler l’interférence entre 6 trajets, chacun défini par son délai, son atténuation, etc… Et prendre en compte une variation parasite de porteuse en fréquence et phase - Noise & cw interf. : cet élément permet de prendre en compte l’effet d’un bruit blanc de niveau donnée, ainsi que qu’une émission parasite à une fréquence particulière. - Rec. Filter, oversampling, smoothing : prise en compte du filtre en réception, d’un suréchantillonnage et lissage éventuels.

La forme de la trame et le schéma de modulation peuvent être imposés par la norme choisie dans le menu System : monoporteuse, multiporteuse, 3GPP, IS95, Wlan 802.11, etc… Le choix du paramètre à tracer est fait dans le menu « graphics/settings, et graphics/show-graphics». Il est possible de représenter I(t), Q(t), la constellation, le diagramme de l’œil, FFT(I), FFT(t), etc… Guide de référence : Winiqsim_10_L : disponible sur l'intranet, rubrique "TP / RT2A / Cycle 1"

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Préparation 4.1 Modulation BPSK

 Dessiner sa constellation La vitesse des symboles ou rapidité de modulation est de 1000 bauds .  Quel est le débit D ?  Quel est son encombrement spectral ?

4.2 Modulation QPSK

 Dessiner sa constellation ? La vitesse des symboles ou rapidité de modulation est de 1000 bauds .  Quel est le débit D ?  Quel est son encombrement spectral ?

4.3 Modulation MAQ16

 Dessiner sa constellation ? La vitesse des symboles ou rapidité de modulation est de 1000 bauds .  Quel est le débit D ?  Quel est son encombrement spectral ?



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Manipulation 5.1 Modulation BPSK (ou PSK-2 ou ASK-2). 5.1.1 Théorie Constellation

•

Remplir le tableau suivant (en fonction de a)

Sans codage I Q

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

5.1.2 Simulation avec WinIQsim Configurer ainsi l'application : Menu : System!  Vérifier que l’option system est sur Monoporteuses Data Source : Envoyer les 16 bits : Pattern : 0100110000101111 Modulation settings: Modulation type BPSK Coding : None Symbol rates : 1000 Hz Séquence length : 16 symboles Filtre fonction : Sans Window fonction : Hamming Bb Impulse : Dirac Tous les autres blocs sont inactifs

• • •

Tracer et relever les signaux I(t) et Q(t)

•

Tracer et relever le signal réel I(t) (et non plus sa valeur en Dirac) en changeant, dans Modulation settings, Bb Impulse : Rect au lieu de Dirac

•

Tracer et relever la constellation Est-ce celle de la BPSK ?

L'échelle des abscisses est normalisée. A quoi correspond l'abscisse 1 ? Quel est le premier symbole ? Donner ses valeurs de I et Q Quel est le deuxième symbole ? Donner ses valeurs de I et Q

0bserver le diagramme de l'œil de I . Placer les 2 curseurs sur 2 instants de décisions consécutifs. Pour déplacer le curseur 1 (vert) pointer le "X"en bas dur curseur , le trait vert s'épaissit et vous pouvez le déplacer. Pour déplacer le curseur 2 (rouge) pointer le "O" en bas du curseur, le trait rouge s'épaissit et vous pouvez le déplacer. Ouvrir la fenêtre en affichant la tension entre +1 et -1 au lieu du mode auto.

•

Relever ainsi le diagramme de l'œil.



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•

• •

Quel est la durée entre ces 2 instants de décision ? A quoi correspond-elle ? Quel est la valeur du ou des seuils de détection ? Observer le spectre (FFT MAG) (sans changer les paramètres proposés) Le spectre est un spectre de raies car la trame répétitive est trop courte. Pour les supprimer il faut changer dans Data Source "Pattern" par "PRBS" : PRBS23, afin de disposer d'une vraie suite numérique aléatoire. S'il y a des bandes grises sur le spectre il faut fermer la fenêtre ACP Measurment dans Graphic/Setting. Placer les 2 curseurs sur l'encombrement de la modulation. Relever ainsi le spectre Quelle est la valeur de la porteuse (Expliquer ce que le graphique vous indique) ? Relever le spectre en positionnant les 2 curseurs sur les extrémités du lobe définissant l'encombrement spectral Mesurer l'encombrement (Expliquer ce que le graphique vous indique) Comparer avec R (rapidité de modulation) puis avec le débit. Cela correspond-il à la théorie ?

5.2 Modulation QPSK (ou PSK-4). 5.2.1 Théorie Constellation  Remplir le tableau suivant en fonction de a.

Attention, le bit de poids faible est toujours le premier envoyé. Dans la suite numérique proposée les deux premiers bits sont 0 (c'est donc le bit faible) puis 1 (c'est donc le bit de poids fort) : on lit 01 mais le symbole est en réalité "10" car le codage du symbole est normalment écrit avec le bit de poids fort à gauche. Sans codage Symbole I Q

01 "10"

00 "00"

11 "11"

00 "00"

00 "00"

10 "01"

5.2.2 Simulation avec WinIQsim Data Source : Envoyer les 16 bits : Pattern : 0100110000101111 Modulation settings: Modulation type QPSK Coding : None Symbol rates : 1000 Hz Séquence length : 16 symboles Filtre fonction : Sans Window fonction : Hamming Bb Impulse : Dirac

• •


•


Quel est le premier symbole ? Donner ses valeurs de I et Q Quel est le deuxième symbole ? Donner ses valeurs de I et Q



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• •

Tracer et relever la constellation Est-ce celle de la BPSK ? Observer le diagramme de l'œil de I . Placer les 2 curseurs sur 2 instants de décisions consécutifs. Ouvrir la fenêtre en affichant la tension entre +1 et -1 au lieu du mode auto. Relever alors le diagramme de l'œil. Quel est la durée entre ces 2 instants de décision ? A quoi correspond-elle ? Quel est la valeur du ou des seuils de détection ? Observer le spectre (FFT MAG) (sans changer les paramètres proposés) Le spectre est un spectre de raies car la trame répétitive est trop courte. Pour les supprimer il faut changer dans Data Source "Pattern" par "PRBS" : PRBS23, afin de disposer d'une vraie suite numérique aléatoire. S'il y a des bandes grises sur le spectre il faut fermer la fenêtre ACP Measurment dans Graphic/Setting. Placer les 2 curseurs sur l'encombrement de la modulation. Relever alors le spectre Mesurer l'encombrement. Comparer avec R (rapidité de modulation) puis avec le débit. Cela correspond-il à la théorie ?

5.3 Modulation MAQ16 5.3.1 Théorie Constellation

•

Remplir le tableau suivant. Sans codage symbole I Q

0100 "0010"

1100 "0011"

0010 "0100"

1111 "1111"

5.3.2 Simulation avec WinIQsim Data Source : Envoyer les 16 bits : Pattern : 0100110000101111 Modulation settings: Modulation type 16QAM Coding : None Symbol rates : 1000 Hz Séquence length : 16 symboles Filtre fonction : Sans Window fonction : Hamming Bb Impulse : Dirac

•




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Quel est le premier symbole ? Donner ses valeurs de I et Q Quel est le deuxième symbole ? Donner ses valeurs de I et Q

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•

• •

• •

Tracer et relever la constellation Est-ce celle de la MAQ16 ? Observer le diagramme de l'œil de I . Placer les 2 curseurs sur 2 instants de décisions consécutifs. Ouvrir la fenêtre en affichant la tension entre +1 et -1 au lieu du mode auto. Relever alors le diagramme de l'œil. Quel est la durée entre ces 2 instants de décision ? A quoi correspond-elle ? Quel est la valeur du ou des seuils de détection ? Observer le spectre (FFT MAG) (sans changer les paramètres proposés) Le spectre est un spectre de raies car la trame répétitive est trop courte. Pour les supprimer il faut changer dans Data Source "Pattern" par "PRBS" : PRBS23, afin de disposer d'une vraie suite numérique aléatoire. S'il y a des bandes grises sur le spectre il faut fermer la fenêtre ACP Measurment dans Graphic/Setting. Placer les 2 curseurs sur l'encombrement de la modulation. Relever alors le spectre Mesurer l'encombrement. Comparer avec R (rapidité de modulation) puis avec le débit. Cela correspond-il à la théorie ?

5.4 Suppression des Interférences Entre Symboles Data Source : PBRS : PRBS23 Modulation settings: Modulation type QPSK Coding : None Symbol rates : 1000 Hz Séquence length : 160 symboles Filtre fonction : Sans Window fonction : Hamming Bb Impulse : rect Ajouter les blocs suivants pour simuler un canal de transmission : Bandpass avec ces paramètres 

•

Tracer et relever la constellation. Quelles sont les effets du canal ?

•

Tracer et relever le diagramme de l'œil de I. Quelles sont les effets du canal ?

Pour améliorer la qualité de la transmission vous allez mettre en œuvre un filtre d'égalisation afin d'éliminer les interférences entre symboles (IES). L'idéal serait le filtre de Nyquist, malheureusement irréalisable. IUT de Grenoble - RT


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En conséquence vous allez mettre en oeuvre un filtre a cosinus surélevé avec un β(ROLL-OFF) de 0.35. Cela peut se faire à l'émission (Modulation settings / Filter function) ou à la réception. Il est plus commode de le faire à la réception en activant le bloc Receiver Filter : Receiver Filter: Filter func : Root Cosine β = 0.35

•

Tracer et relever le diagramme de l'œil du signal réel I Quelles sont les effets du filtre ?

5.5 Débordement sur les canaux adjacents. Dans les modulations multi tones (exemple ADSL), la modulation doit utilisée son canal et ne pas déborder (en fréquences) sur le canal précédant ni le canal suivant. On doit prendre une largeur de canal B = 1000 Hz pour être en accord avec la règle de Nyquist (R MAX = B et sachant que l’on a choisi une vitesse des symboles de 1000 bauds) Nous allons d'abord faire des mesures manuelles et sommaires en mesurant le niveau relatif des amplitudes au centre du canal (fréquence porteuse) et au centre du canal suivant (porteuse suivante à 1000 Hz plus loin) et ce, dans les 2 cas suivants :

5.5.1 Mesures manuelles Sans filtre d'égalisation Désactiver Receiver Filter:

•

Tracer et relever le spectre en positionnant les 2 curseurs sur la porteuse et sur la porteuse du canal suivant

•

Mesurer le rapport (en dB) de chacune des deux mesures. Dans quel sens doit évoluer ce rapport pour que le débordement soit plus faible ?

Avec filtre de gauss (B*T = 0.3) Activer Receiver Filter: Filter funct : Gauss B*T = 0. 3 • Tracer et relever le spectre en positionnant les 2 curseurs sur la porteuse et sur la porteuse du canal suivant • Mesurer le rapport (en dB) de chacun des deux lobes adjacents par rapport au lobe principal Quels sont les effets du filtre ?

5.5.2 Mesures automatiques Ce débordement peut se mesurer de façon plus codifié avec le paramètre ACP (adjacent canal power ratio) qui est le rapport entre les puissances, dans le canal adjacent et dans l e canal actif. Pour les 3 cas précédant, nous allons relever le spectre du signal MAG-FFT en affichant les valeurs des paramètres ACP-low et ACP-up Changer : Graphic settings: Format : FFT-MAG ACP Measurement  Channel Bandwith (largeur du canal): Entrer la largeur du canal principal Adjacent Channel Bandwith (largeur des canaux adjacents) : Entrer la largeur des canaux adjacents Channel spacing (écart entre les porteuses) : Entrer la largeur du canal + une marge de 5%



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Sans filtre • Tracer et relever le spectre avec les limites de canaux que vous avez défini • Lire dans Graphic Settings / ACP Measurement / ACP-Up Comparer avec votre mesure. Avec Filtre Gauss (B*T = 0.3) : • Tracer et relever le spectre avec les limites de canaux que vous avez défini • Lire dans Graphic Settings / ACP Measurement / ACP- Up. Comparer avec votre mesure.

5.6 Effet du bruit Garder BandPass mais désactiver Receiver Filter . Activer le bloc noise : Eb/No : 30dB Bandwith : Full

•

Tracer et relever le diagramme de l’œil de I. Quels sont les effets du bruit ?

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Diminuer le rapport Eb/N0 en le faisant passer à 20 dB. Que se passe-t-il ? Justifier

•

Relever alors ce diagramme de l'œil.

•

Pour la même valeur Eb/N0 = 20 dB, réduire la largeur de bande du bruit (Bandwith) à 2000 Hz (soit 2xR). Que se passe-t-il ? Justifier

•

Relever alors ce diagramme de l'œil.



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