Formation Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata)

- Résultats de ce cours
A l'issue de ce cours, l'étudiant devrait être en mesure de s'attaquer à de nombreux problèmes de recherche actuellement ouverts dans le domaine de l'ingénierie des communications, car il devrait avoir acquis au moins les compétences suivantes :

- Cartographier et manipuler des expressions mathématiques compliquées qui apparaissent fréquemment dans la littérature de l'ingénierie des communications.

- Capacité à utiliser les capacités de programmation offertes par MATLAB afin de reproduire les résultats de simulation d'autres articles ou au moins de s'en approcher.

- Créer les modèles de simulation des idées que l'on propose soi-même.

- Utiliser efficacement les compétences de simulation acquises en conjonction avec les puissantes capacités de MATLAB pour concevoir des codes MATLAB optimisés en termes de temps d'exécution du code tout en économisant l'espace mémoire.

- Identifier les paramètres de simulation clés d'un système de communication donné, les extraire du modèle du système et étudier l'impact de ces paramètres sur la performance du système considéré.

- Structure du cours

Le matériel fourni dans ce cours est extrêmement corrélé. 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, de l'introduction à la programmation MATLAB jusqu'à la simulation d'un système complet, comme suit.

Niveau 1 : Communications Mathématiques avec MATLAB
Sessions 01-06

Après avoir terminé cette partie, l'étudiant sera capable d'évaluer des expressions mathématiques compliquées 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, les diagrammes de rayonnement d'antenne, etc.

Concepts fondamentaux

1. Le concept de simulation
2. L'importance de la simulation dans l'ingénierie des communications
3. MATLAB en tant qu'environnement de simulation
4. La représentation matricielle et vectorielle des signaux scalaires en mathématiques des communications
5. Les représentations matricielles Matrix et vectorielles des signaux complexes en bande de base en MATLAB

MATLAB Desktop

6. Barre d'outils
7. Fenêtre de commande
8. Espace de travail
9. Historique des commandes

Déclaration de variables, de vecteurs et de matrices

10. MATLAB constantes prédéfinies
11. Variables définies par l'utilisateur
12. Tableaux, vecteurs et matrices
13. Saisie manuelle d'une matrice
14. Définition des intervalles
15. Espace linéaire
16. Espace logarithmique
17. Règles de désignation des variables

Matrices spéciales

18. La matrice des uns
19. La matrice des zéros
20. La matrice identité

Manipulation dans le sens Element et dans le sens de la matrice

21. Éléments spécifiques de la matrice Access
22. Modifier des éléments
23. Élimination sélective d'éléments (Matrix troncature)
24. Addition d'éléments, de vecteurs ou de matrices (Matrix concaténation)
25. Recherche de l'indice d'un élément à l'intérieur d'un vecteur ou d'une matrice
26. Remodelage Matrix
27. Matrix troncature
28. Matrix concaténation
29. Retournement de gauche à droite et de droite à gauche

Opérateurs matriciels unaires

30. L'opérateur Somme
31. L'opérateur d'espérance
32. L'opérateur Min
33. Opérateur Max
34. L'opérateur trace
35. Déterminant Matrix |.|
36. Matrix inverse
37. Matrix transposition
38. Matrix Hermitien
39. ...etc

Opérations sur les matrices binaires

40. Opérations arithmétiques
41. Opérations relationnelles
42. Opérations logiques

Nombres complexes dans MATLAB

43. Représentation complexe en bande de base des signaux en bande passante et conversion ascendante RF, un examen mathématique
44. Formation de variables, vecteurs et matrices complexes
45. Exponentielles complexes
46. L'opérateur de partie réelle
47. L'opérateur de la partie imaginaire
48. L'opérateur conjugué (.)*
49. L'opérateur absolu |.|
50. L'opérateur d'argument ou de phase

MATLAB fonctions intégrées

51. Vecteurs de vecteurs et matrices de matrices
52. La fonction racine carrée
53. La fonction signe
54. La fonction "arrondir à un entier
55. La fonction "entier inférieur le plus proche"
56. La "fonction de l'entier supérieur le plus proche"
57. La fonction factorielle
58. Fonctions logarithmiques (exp, ln, log10, log2)
59. Fonctions trigonométriques
60. Fonctions hyperboliques
61. La fonction Q(.)
62. La fonction erfc(.)
63. Fonctions de Bessel Jo (.)
64. La fonction Gamma
65. Commandes Diff, mod

Polynômes dans MATLAB

66. Polynômes dans MATLAB
67. Fonctions rationnelles
68. Dérivées polynomiales
69. Intégration polynomiale
70. Multiplication polynomiale

Graphiques linéaires

71. Représentations visuelles de signaux d'amplitude continue dans le temps
72. Représentations visuelles de signaux approximés en escalier
73. Représentations visuelles de signaux à temps discret et à amplitude discrète

Tracés à l'échelle logarithmique

74. tracés dB-décade (BER)
75. tracés en décades de dB (tracés de Bode, réponse en fréquence, spectre du signal)
76. tracés en décades
77. tracés dB-linéaires

Tracés polaires 2D
78. (diagrammes de rayonnement d'antennes planaires)

Diagrammes 3D

79. Diagrammes de rayonnement 3D
80. Tracés paramétriques cartésiens

Section optionnelle (donnée à la demande des apprenants)

81. Différenciation symbolique et différentielle numérique dans MATLAB
82. Intégration symbolique et numérique en MATLAB
83. Aide et documentation MATLAB

Fichiers MATLAB

84. MATLAB fichiers de script
85. MATLAB fichiers de fonctions
86. MATLAB fichiers de données
87. Variables locales et globales

Boucles, conditions, contrôle du flux et prise de décision dans MATLAB

88. La boucle for end
89. La boucle while
90. La condition de fin if
91. Les conditions de fin if else
92. L'instruction de fin switch case
93. Itérations, erreurs de convergence, opérateurs de somme multidimensionnelle

Commandes d'affichage d'entrée et de sortie

94. La commande input(' ')
95. La commande disp
96. La commande fprintf
97. La boîte à messages msgbox

Niveau 2 : Exploitation des signaux et des systèmes (24 heures)
Séances 07-14

Les principaux objectifs de cette partie sont les suivants

- Générer des signaux d'essai aléatoires qui sont nécessaires pour tester les performances de différents systèmes de communication

- Intégrer de nombreuses opérations élémentaires sur les signaux pour mettre en œuvre une fonction unique de traitement des communications, telles que les codeurs, les randomiseurs, les entrelaceurs, les générateurs de code d'étalement, etc. au niveau de l'émetteur ainsi que leurs homologues au niveau du terminal de réception.

- Interconnecter correctement ces blocs afin de réaliser une fonction de communication.

- Simulation de modèles de canaux à bande étroite déterministes, statistiques et semi-aléatoires en intérieur et en extérieur

Génération de signaux d'essai de communications

98. Génération d'une séquence binaire aléatoire
99. Génération de séquences entières aléatoires
100. Importation et lecture de fichiers texte
101. Lecture de fichiers audio
102. Importation et exportation d'images
103. Image en tant que matrice 3D
104. Transformation de RVB en niveaux de gris
105. Flux de bits en série d'une image 2D en niveaux de gris
106. Sous-cadrage des signaux d'image et reconstruction

Conditionnement et manipulation des signaux

107. Mise à l'échelle de l'amplitude (gain, atténuation, normalisation de l'amplitude, etc.)
108. Décalage du niveau de courant continu
109. Mise à l'échelle du temps (compression du temps, raréfaction)
110. Décalage temporel (retard temporel, avance temporelle, décalage temporel circulaire vers la gauche et vers la droite)
111. Mesure de l'énergie du signal
112. Normalisation de l'énergie et de la puissance
113. Mise à l'échelle de l'énergie et de la puissance
114. Conversion série-parallèle et parallèle-série
115. Multiplexage et démultiplexage

Numérisation des signaux analogiques

116. Échantillonnage dans le domaine temporel de signaux en bande de base à temps continu en MATLAB
117. Quantification de l'amplitude des signaux analogiques
118. Codage PCM de signaux analogiques quantifiés
119. Conversion décimal-binaire et binaire-décimal
120. Mise en forme des impulsions
121. Calcul de la largeur d'impulsion adéquate
122. Sélection du nombre d'échantillons par impulsion

123. Convolution à l'aide des commandes conv et filter
124. Autocorrélation et corrélation croisée de signaux limités dans le temps
125. Transformée de Fourier rapide (FFT) et opérations IFFT
126. Visualisation du spectre d'un signal en bande de base
127. Effet du taux d'échantillonnage et de la fenêtre de fréquence appropriée
128. Relation entre les opérations de convolution, de corrélation et de FFT
129. Filtrage dans le domaine des fréquences, filtrage passe-bas uniquement

Fonctions auxiliaires Communications

130. Randomiseurs et dé-randomiseurs
131. Ponctuateurs et déponctuateurs
132. Codeurs et décodeurs
133. Entrelaceurs et désentrelaceurs

Modulateurs et démodulateurs

134. Schémas de modulation numérique en bande de base dans MATLAB
135. Représentation visuelle des signaux modulés numériquement

Modélisation et simulation des canaux

136. Modélisation de l'effet du canal sur le signal transmis Mathematica.

- Addition - canaux à bruit blanc gaussien additif (AWGN)
- Multiplication dans le domaine temporel - canaux à évanouissement lent, décalage Doppler dans les canaux pour véhicules
- Multiplication dans le domaine des fréquences - canaux à évanouissement sélectif de fréquence
- Convolution dans le domaine temporel - réponse impulsionnelle du canal

Exemples de modèles de canaux déterministes

137. Perte sur le trajet en espace libre et perte sur le trajet en fonction de l'environnement
138. Canaux à blocage périodique

Caractérisation statistique des canaux d'évanouissement multi-trajets stationnaires et quasi-stationnaires courants

139. Génération d'un RV uniformément distribué
140. Génération d'un RV gaussien distribué à valeur réelle
141. Génération d'une VR gaussienne distribuée complexe
142. Génération d'une VR distribuée de Rayleigh
143. Génération d'un RV distribué de Ricean
144. Génération d'une VR distribuée de façon lognormale
145. Génération d'une VR distribuée arbitrairement
146. Approximation d'une fonction de densité de probabilité (PDF) inconnue d'une VR par un histogramme
147. Calcul numérique de la fonction de distribution cumulative (CDF) d'une VR
148. Canaux à bruit blanc additif gaussien (AWGN) réel et complexe

Caractérisation du canal par son profil puissance-délai

149. Caractérisation d'un canal par son profil de retard de puissance
150. Normalisation de la puissance du PDP
151. Extraction de la réponse impulsionnelle du canal à partir du PDP
152. Échantillonnage de la réponse impulsionnelle du canal par une fréquence d'échantillonnage arbitraire, un échantillonnage inadapté et une quantification du retard
153. Le problème de l'échantillonnage inadapté de la réponse impulsionnelle du canal pour les canaux à bande étroite
154. Echantillonnage d'un PDP par un taux d'échantillonnage arbitraire et compensation du retard fractionnaire
155. Mise en oeuvre de plusieurs modèles de canaux intérieurs et extérieurs normalisés par l'IEEE
156. (COST - SUI - modèles de canaux à bande ultra-large...etc.)

Niveau 3 : Simulation au niveau de la liaison de systèmes pratiques de comm. pratiques (30 heures)
Séances 15-24

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

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

1. Comparaison des performances de différents schémas de modulation numérique en bande de base dans les canaux AWGN (étude comparative complète par simulation pour vérifier les expressions théoriques) ; diagrammes de dispersion, taux d'erreur binaire.

2. Comparaison des performances de différents schémas de modulation numérique en bande de base dans différents canaux d'évanouissement stationnaires et quasi-stationnaires ; diagrammes de dispersion, taux d'erreur binaire (étude comparative complète par simulation pour vérifier les expressions théoriques).

3. Impact des canaux à décalage Doppler sur la performance des schémas de modulation numérique en bande de base ; diagrammes de dispersion, taux d'erreur sur les bits.

De l'hélicoptère au satellite Communications

4. Article (1) : Système de voix et de données en temps réel à faible coût pour le service mobile aéronautique par satellite (AMSS) - Énoncé du problème et analyse
5. Document (2) : Pre-Detection Time Diversity Combining with Accurate AFC for Helicopter Satellite Communications - La première solution proposée
6. Document (3) : An Adaptive Modulation Scheme for Helicopter-Satellite Communications - Une approche d'amélioration des performances

Simulation de systèmes à étalement de spectre

1. Architecture typique des systèmes à étalement de spectre
2. Systèmes à étalement de spectre à séquence directe
3. Générateurs de séquences binaires pseudo-aléatoires (PBRS)
- Génération de séquences de longueur maximale
- Génération de codes d'or
- Génération de codes de Walsh

4. Systèmes basés sur l'étalement du spectre à sauts temporels
5. Performance en termes de taux d'erreur sur les bits des systèmes à étalement de spectre dans les canaux AWGN
- Impact du taux de codage r sur la performance du TEB
- Impact de la longueur du code sur la performance du TEB

6. Performance du taux d'erreur binaire des systèmes à étalement de spectre dans les canaux d'évanouissement lent de Rayleigh à trajets multiples avec décalage Doppler nul
7. Analyse des performances en matière de taux d'erreur binaire des systèmes à étalement de spectre dans des environnements d'évanouissement à haute mobilité
8. Analyse des performances en matière de taux d'erreur binaire des systèmes à étalement de spectre en présence d'interférences multi-utilisateurs
9. Transmission d'images RVB sur des systèmes à étalement de spectre
10. Systèmes CDMA optiques (OCDMA)
- Codes orthogonaux optiques (OOC)
- Limites de performance des systèmes OCDMA ; performance du taux d'erreur binaire des systèmes OCDMA synchrones et asynchrones

Systèmes SS à bande ultra-large

Systèmes basés sur l'OFDM

11. Mise en œuvre des systèmes OFDM à l'aide de la transformée de Fourier rapide
12. Architecture typique des systèmes basés sur l'OFDM
13. Performance des systèmes OFDM en matière de taux d'erreur sur les bits dans les canaux AWGN
- Impact du taux de codage r sur la performance du TEB
- Impact du préfixe cyclique sur le TEB
- Impact de la taille de la FFT et de l'espacement des sous-porteuses sur le TEB

14. Performance en termes de taux d'erreur binaire des systèmes OFDM dans les canaux à évanouissement lent de Rayleigh à trajets multiples avec décalage Doppler nul
15. Performance du taux d'erreur binaire des systèmes OFDM dans les canaux d'évanouissement lent de Rayleigh à trajets multiples avec CFO
16. Estimation du canal dans les systèmes OFDM
17. Égalisation dans le domaine des fréquences dans les systèmes OFDM
- Egaliseur à forçage de zéro
- Équaliseurs MMSE
18. Autres mesures de performance courantes dans les systèmes OFDM (rapport entre la puissance de crête et la puissance moyenne, rapport entre la porteuse et les interférences, etc.)
19. Analyse des performances des systèmes basés sur l'OFDM dans des environnements d'évanouissement à haute mobilité (sous forme de projet de simulation comprenant trois articles).
20. Article (1) : Atténuation des interférences entre les porteuses
21. Document (2) : Systèmes MIMO-OFDM

Optimisation d'un projet de simulation MATLAB

L'objectif de cette partie est d'apprendre à construire et à optimiser un projet de simulation MATLAB afin de simplifier et d'organiser l'ensemble du processus de simulation. En outre, l'espace mémoire et la vitesse de traitement sont également pris en compte afin d'éviter les problèmes de débordement de la mémoire dans les systèmes de stockage limités ou les longues durées d'exécution résultant d'un traitement lent.

1. Structure typique d'un projet de simulation à petite échelle
2. Extraction des paramètres de simulation et correspondance entre théorie et simulation
3. Construction d'un projet de simulation
4. Technique de simulation de Monte Carlo
5. Procédure type de test d'un projet de simulation
6. Espace mémoire Management et techniques de réduction du temps de simulation
- Simulation en bande de base ou en bande passante
- Calcul de la largeur d'impulsion adéquate pour les formes d'impulsion arbitraires tronquées
- Calcul du nombre adéquat d'échantillons par symbole
- Calcul du nombre nécessaire et suffisant de bits pour tester un système

Programmation de l'interface graphique

Disposer d'un code MATLAB exempt de débogage et fonctionnant correctement pour produire des résultats exacts est une grande réussite. Pour cette raison et d'autres encore, un cours supplémentaire sur l'"interface utilisateur graphique (GUI) Programming" est donné afin de vous permettre de contrôler les différentes parties de votre projet de simulation plutôt que de vous plonger dans un long code source rempli de commandes. De plus, le fait que votre code MATLAB soit masqué par une interface graphique permet de présenter votre travail d'une manière qui facilite la combinaison de plusieurs résultats dans une seule fenêtre principale et facilite la comparaison des données.

1. Qu'est-ce qu'une interface graphique MATLAB ?
2. Structure du fichier de fonction de l'interface graphique MATLAB
3. Principaux composants de l'interface graphique (propriétés et valeurs importantes)
4. Variables locales et globales

Note : Les sujets couverts dans chaque niveau de ce cours incluent, mais ne sont pas limités à ceux énoncés dans chaque niveau. En outre, les points de chaque cours sont susceptibles d'être modifiés en fonction des besoins des apprenants et de leurs intérêts de recherche.