Formation Simulation des systèmes de communication sans fil à l'aide de MATLAB (Dr Shehata)

Résultats de ce cours

À l'issue de ce cours, l'étudiant doit être capable d'aborder de nombreux problèmes de recherche ouverts actuels dans le domaine de l'ingénierie des télécommunications, car il/elle aura acquis au moins les compétences suivantes :

• Cartographier et manipuler des expressions mathématiques complexes fréquemment rencontrées dans la littérature en ingénierie des télécommunications.
• Utiliser les capacités de programmation de MATLAB pour reproduire les résultats de simulation d'autres articles ou du moins s'en approcher.
• Créer des modèles de simulation pour des idées auto-proposées.
• Utiliser efficacement les compétences de simulation acquises en conjonction avec les puissantes fonctionnalités de MATLAB pour concevoir des codes MATLAB optimisés en termes de temps d'exécution tout en économisant l'espace mémoire.
• Identifier les paramètres de simulation clés d'un système de communication donné, les extraire du modèle système et étudier l'impact de ces paramètres sur les performances du système considéré.

Structure du cours

Le matériel fourni dans ce cours est extrêmement interconnecté. Il n'est pas recommandé qu'un étudiant suive un niveau sans avoir suivi et compris en profondeur le niveau précédent, afin d'assurer la continuité des connaissances acquises. Le cours est structuré en trois niveaux, allant de l'introduction à la programmation MATLAB jusqu'au niveau de simulation complète de système, comme suit.

Mathématiques des communications avec MATLAB
Séances 01-06

À la fin de cette partie, l'étudiant sera en mesure d'évaluer des expressions mathématiques complexes et de construire facilement les graphiques appropriés pour différentes représentations de données, telles que les tracés dans le domaine temporel et fréquentiel, les tracés BER (taux d'erreur binaire), les diagrammes de rayonnement des antennes, etc.

Concepts fondamentaux

• Le concept de simulation
• L'importance de la simulation en ingénierie des télécommunications
• MATLAB en tant qu'environnement de simulation
• Sur la représentation matricielle et vectorielle des signaux scalaires en mathématiques des communications
• Représentations matricielle et vectorielle des signaux en bande de base complexe dans MATLAB

Bureau MATLAB

• Barre d'outils
• Fenêtre de commandes
• Espace de travail
• Historique des commandes

Déclaration de variables, vecteurs et matrices

• Constantes prédéfinies de MATLAB
• Variables définies par l'utilisateur
• Tableaux, vecteurs et matrices
• Saisie manuelle de matrices
• Définition d'intervalles
• Espace linéaire
• Espace logarithmique
• Règles de nommage des variables

Matrices spéciales

• La matrice de uns
• La matrice de zéros
• La matrice identité

Manipulation élément par élément et matricielle

• Accès à des éléments spécifiques
• Modification d'éléments
• Élimination sélective d'éléments (troncation de matrice)
• Ajout d'éléments, de vecteurs ou de matrices (concaténation de matrices)
• Recherche de l'index d'un élément dans un vecteur ou une matrice
• Redimensionnement de matrices
• Troncature de matrices
• Concaténation de matrices
• Retournement de gauche à droite et de droite à gauche

Opérateurs matriciels unaires

• L'opérateur Somme
• L'opérateur d'espérance mathématique
• Opérateur Min
• Opérateur Max
• L'opérateur Trace
• Déterminant de matrice |.|
• Inversé de matrice
• Transposée de matrice
• Conjuguée hermitienne de matrice

Opérations matricielles binaires

• Opérations arithmétiques
• Opérations relationnelles
• Opérations logiques

Complexes dans MATLAB

• Représentation en bande de base complexe des signaux passband et conversion ascendante RF, révision mathématique
• Formation de variables, vecteurs et matrices complexes
• Exponentielles complexes
• L'opérateur de partie réelle
• L'opérateur de partie imaginaire
• L'opérateur conjugué (.)*
• L'opérateur absolu |.|
• L'opérateur d'argument ou de phase

Fonctions intégrées de MATLAB

• Vecteurs de vecteurs et matrice de matrice
• La fonction racine carrée
• La fonction signe
• La fonction « arrondi à l'entier »
• La fonction « entier inférieur le plus proche »
• La fonction « entier supérieur le plus proche »
• La fonction factorielle
• Fonctions logarithmiques (exp, ln, log10, log2)
• Fonctions trigonométriques
• Fonctions hyperboliques
• La fonction Q(.)
• La fonction erfc(.)
• Fonctions de Bessel Jo (.)
• La fonction Gamma
• Commandes diff et mod

Polynômes dans MATLAB

• Polynômes dans MATLAB
• Fonctions rationnelles
• Dérivées de polynômes
• Intégration de polynômes
• Multiplication de polynômes

Tracés à échelle linéaire

• Représentations visuelles de signaux à temps continu et amplitude continue
• Représentations visuelles de signaux approximatifs en escalier
• Représentations visuelles de signaux à temps discret et amplitude discrète

Tracés à échelle logarithmique

• Tracés dB-décade (BER)
• Tracés décade-dB (tracés de Bode, réponse en fréquence, spectre du signal)
• Tracés décade-décade
• Tracés dB-linéaire

Tracés polaires 2D

• (diagrammes de rayonnement planaire d'antennes)

Tracés 3D

• Diagrammes de rayonnement 3D
• Tracés paramétriques cartésiens

Section optionnelle (donnée sur demande des apprenants)

• Différenciation symbolique et différence numérique dans MATLAB
• Intégration symbolique et numérique dans MATLAB
• Aide et documentation MATLAB

Fichiers MATLAB

• Fichiers scripts MATLAB
• Fichiers fonctions MATLAB
• Fichiers de données MATLAB
• Variables locales et globales

Boucles, contrôle du flux et prise de décision dans MATLAB

• Boucle for end
• Boucle while end
• Condition if end
• Conditions if else end
• Instruction switch case end
• Itérations, erreurs convergentes, opérateurs de somme multidimensionnelle

Commandes d'affichage d'entrée et de sortie

• La commande input(' ')
• La commande disp
• La commande fprintf
• Boîte de message msgbox

Opérations sur les signaux et les systèmes
Séances 07-14

Les principaux objectifs de cette partie sont les suivants :

• Générer des signaux de test aléatoires nécessaires pour tester les performances de différents systèmes de communication.
• Intégrer de nombreuses opérations élémentaires de signal qui peuvent être combinées pour implémenter une fonction unique de traitement des communications, telle que les codeurs, les randomiseurs, les entrelaceurs, les générateurs de codes d'étalement... etc., à l'émetteur ainsi que leurs équivalents au récepteur.
• Interconnecter correctement ces blocs afin de réaliser une fonction de communication.
• Simulation de modèles de canaux intérieurs et extérieurs étroits déterministes, statistiques et semi-aléatoires.

Génération de signaux de test de communication

• Génération d'une séquence binaire aléatoire
• Génération de séquences d'entiers aléatoires
• Importation et lecture de fichiers texte
• Lecture et lecture des fichiers audio
• Importation et exportation d'images
• Image en tant que matrice 3D
• Transformation de RGB en niveaux de gris
• Flux de bits sériel d'une image en niveaux de gris 2D
• Sub-framing de signaux d'image et reconstruction

Conditionnement et manipulation de signaux

• Mise à l'échelle d'amplitude (gain, atténuation, normalisation d'amplitude... etc.)
• Décalage du niveau continu
• Mise à l'échelle du temps (compression temporelle, raréfaction)
• Décalage temporel (retard, anticipation, décalage circulaire temporel gauche et droite)
• Mesure de l'énergie du signal
• Normalisation de l'énergie et de la puissance
• Mise à l'échelle de l'énergie et de la puissance
• Conversion série-parallèle et parallèle-série
• Multiplexage et démultiplexage

Numérisation de signaux analogiques

• Échantillonnage du domaine temporel de signaux en bande de base à temps continu dans MATLAB
• Quantification d'amplitude des signaux analogiques
• Encodage PCM de signaux analogiques quantifiés
• Conversion décimal-binaire et binaire-décimal
• Formage d'impulsions
• Calcul de la largeur d'impulsion adéquate
• Sélection du nombre d'échantillons par impulsion
• Convolution à l'aide des commandes conv et filter
• L'auto-corrélation et la corrélation croisée de signaux à durée finie
• Les opérations de Transformée de Fourier Rapide (FFT) et IFFT
• Visualisation du spectre d'un signal en bande de base
• Effet du taux d'échantillonnage et de la fenêtre fréquentielle adéquate
• Relation entre la convolution, la corrélation et les opérations FFT
• Filtrage du domaine fréquentiel, filtrage passe-bas uniquement

Fonctions auxiliaires de communication

• Randomiseurs et dé-randomiseurs
• Perforateurs et dé-perforateurs
• Codeurs et décodeurs
• Entrelaceurs et dé-entrelaceurs

Modulateurs et démodulateurs

• Schémas de modulation numérique en bande de base dans MATLAB
• Représentation visuelle de signaux modulés numériquement

Modélisation et simulation de canal

• Modélisation mathématique de l'effet du canal sur le signal émis
  • Addition – canaux de bruit gaussien blanc additif (AWGN)
  • Multiplication du domaine temporel – canaux à fondu lents, décalage de Doppler dans les canaux de véhicules
  • Multiplication du domaine fréquentiel – canaux à fondu sélectif en fréquence
  • Convolution du domaine temporel – réponse impulsionnelle du canal

Exemples de modèles de canal déterministes

• Perte de propagation en espace libre et perte de propagation dépendante de l'environnement
• Canaux à obstruction périodique

Caractérisation statistique des canaux multipath à fondu stationnaires et quasi-stationnaires courants

• Génération d'une RV (variable aléatoire) uniformément distribuée
• Génération d'une RV réelle distribuée selon une loi gaussienne
• Génération d'une RV complexe distribuée selon une loi gaussienne
• Génération d'une RV distribuée selon une loi de Rayleigh
• Génération d'une RV distribuée selon une loi de Rice
• Génération d'une RV distribuée selon une loi lognormale
• Génération d'une RV de distribution arbitraire
• Approximation d'une fonction de densité de probabilité (PDF) inconnue d'une RV par un histogramme
• Calcul numérique de la fonction de distribution cumulative (CDF) d'une RV
• Canaux de bruit gaussien blanc additif (AWGN) réel et complexe

Caractérisation du canal par son profil de délai de puissance

• Caractérisation du canal par son profil de délai de puissance
• Normalisation de la puissance du profil PDP
• Extraction de la réponse impulsionnelle du canal à partir du profil PDP
• Échantillonnage de la réponse impulsionnelle du canal par un taux d'échantillonnage arbitraire, échantillonnage non conforme et retard
• Quantification
• Le problème de l'échantillonnage non conforme de la réponse impulsionnelle du canal des canaux étroits
• Échantillonnage d'un profil PDP par un taux d'échantillonnage arbitraire et compensation de retard fractionnaire
• Implémentation de plusieurs modèles de canal intérieurs et extérieurs normalisés par l'IEEE
• (COST – SUI – Modèles de canal Ultra Large Bande... etc.)

Simulation au niveau de liaison de systèmes de comm. pratiques
Séances 15-24

Cette partie du cours traite de la question la plus importante pour les étudiants en recherche, à savoir comment reproduire par simulation les résultats de simulation d'autres articles publiés.

Performances du taux d'erreur binaire des schémas de modulation numérique en bande de base

• Comparaison des performances de différents schémas de modulation numérique en bande de base dans les canaux AWGN (étude comparative exhaustive via simulation pour vérifier les expressions théoriques) ; nuages de points, taux d'erreur binaire
• Comparaison des performances de différents schémas de modulation numérique en bande de base dans différents canaux à fondu stationnaires et quasi-stationnaires ; nuages de points, taux d'erreur binaire (étude comparative exhaustive via simulation pour vérifier les expressions théoriques)
• Impact des canaux à décalage de Doppler sur les performances des schémas de modulation numérique en bande de base ; nuages de points, taux d'erreur binaire
• Communications Hélicoptère-Satellite
  • Article (1) : Système vocal et de données temps réel à bas coût pour le service mobile satellite aéronautique (AMSS) – Énoncé du problème et analyse
  • Article (2) : Combinaison de diversité temporelle pré-détection avec AFC précis pour les communications satellite-hélicoptère – La première solution proposée
  • Article (3) : Un schéma de modulation adaptatif pour les communications hélicoptère-satellite – Une approche d'amélioration des performances

Simulation des systèmes à étalement de spectre

• Architecture typique des systèmes basés sur l'étalement de spectre
• Systèmes basés sur l'étalement de spectre à séquence directe
• Générateurs de séquences binaires pseudo-aléatoires (PBRS)
  • Génération de séquences de longueur maximale
  • Génération de codes Gold
  • Génération de codes Walsh
• Systèmes basés sur l'étalement de spectre à saut temporel
• Performances du taux d'erreur binaire des systèmes basés sur l'étalement de spectre dans les canaux AWGN
  • Impact du taux de codage r sur les performances BER
  • Impact de la longueur du code sur les performances BER
• Performances du taux d'erreur binaire des systèmes basés sur l'étalement de spectre dans les canaux à fondu lent de Rayleigh multipath avec décalage de Doppler nul
• Analyse des performances du taux d'erreur binaire des systèmes basés sur l'étalement de spectre dans les environnements à fondu à haute mobilité
• Analyse des performances du taux d'erreur binaire des systèmes basés sur l'étalement de spectre en présence d'interférences multi-utilisateurs
• Transmission d'images RGB via des systèmes à étalement de spectre
• Systèmes CDMA optique (OCDMA)
  • Codes orthogonaux optiques (OOC)
  • Limites de performance des systèmes OCDMA ; performances du taux d'erreur binaire des systèmes OCDMA synchrones et asynchrones

Systèmes SS Ultra Large Bande

Systèmes basés sur OFDM

• Implémentation de systèmes OFDM à l'aide de la Transformée de Fourier Rapide
• Architecture typique des systèmes basés sur OFDM
• Performances du taux d'erreur binaire des systèmes OFDM dans les canaux AWGN
  • Impact du taux de codage r sur les performances BER
  • Impact du préfixe cyclique sur les performances BER
  • Impact de la taille FFT et de l'espacement des sous-porteuses sur les performances BER
• Performances du taux d'erreur binaire des systèmes OFDM dans les canaux à fondu lent de Rayleigh multipath avec décalage de Doppler nul
• Performances du taux d'erreur binaire des systèmes OFDM dans les canaux à fondu lent de Rayleigh multipath avec CFO (désalignement fréquentiel du porteur)
• Estimation du canal dans les systèmes OFDM
• Égalisation du domaine fréquentiel dans les systèmes OFDM
  • Égaliseur à forçage nul
  • Égaliseurs MMSE
• Autres métriques de performance courantes dans les systèmes basés sur OFDM (Rapport Pic-Puissance Moyenne, Rapport Porteur-Interférence... etc.)
• Analyse des performances des systèmes basés sur OFDM dans les environnements à fondu à haute mobilité (en tant que projet de simulation composé de trois articles)
  • Article (1) : Atténuation des interférences inter-porteuses
  • Article (2) : Systèmes MIMO-OFDM

Optimisation d'un projet de simulation MATLAB

L'objectif de cette partie est d'apprendre comment construire et optimiser un projet de simulation MATLAB afin de simplifier et d'organiser le processus global de simulation. De plus, l'espace mémoire et la vitesse de traitement sont également pris en considération afin d'éviter les problèmes de dépassement de mémoire dans les systèmes de stockage limités ou les longs temps d'exécution résultant d'un traitement lent.

• Structure typique de projets de simulation à petite échelle
• Extraction des paramètres de simulation et cartographie de la théorie vers la simulation
• Construction d'un projet de simulation
• Technique de simulation de Monte Carlo
• Une procédure typique pour tester un projet de simulation
• Techniques de gestion de l'espace mémoire et de réduction du temps de simulation
  • Simulation bande de base vs. passband
  • Calcul de la largeur d'impulsion adéquate pour des formes d'impulsion arbitraires tronquées
  • Calcul du nombre adéquat d'échantillons par symbole
  • Calcul du nombre de bits nécessaire et suffisant pour tester un système

Programmation GUI

Avoir un code MATLAB exempt de bugs et fonctionnant correctement pour produire des résultats corrects est un grand accomplissement. Cependant, un ensemble de paramètres clés dans un projet de simulation contrôle la ... Pour cette raison et d'autres, un cours supplémentaire sur la « Programmation d'Interface Utilisateur Graphique (GUI) » est dispensé afin de permettre de contrôler différentes parties de votre projet de simulation sous vos doigts, plutôt que de plonger dans de longs codes source pleins de commandes. De plus, avoir votre code MATLAB masqué par une GUI aide à présenter votre travail d'une manière qui facilite la combinaison de multiples résultats dans une seule fenêtre principale et rend plus facile la comparaison des données.

• Qu'est-ce qu'une GUI MATLAB ?
• Structure du fichier de fonction GUI de MATLAB
• Composants principaux de la GUI (propriétés et valeurs importantes)
• Variables locales et globales

Note : Les sujets couverts à chaque niveau de ce cours incluent, mais ne sont pas limités à, ceux énumérés à chaque niveau. De plus, les éléments de chaque cours particulier sont susceptibles de changer en fonction des besoins des apprenants et de leurs intérêts de recherche.