Communications System Toolbox 5.0

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1 Communications System Toolbox 5.0 通信システムの物理層の設計とシミュレーション Communications System Toolbox は 通信システムの設計 シミュレーション 解析のためのアルゴリ ズムとツールを提供します これらの機能は MATLAB 関数 MATLAB System object および Simulink ブロックとして提供されています この System Toolbox には 情報源符号化 チャネル符号 化 インターリーブ 変調 等化 同期 チャネルのモデリングのためのアルゴリズムのほか ビッ ト エラーレートの解析 アイ パターンとコンスタレーションの生成 およびチャネル特性の可視化の ためのツールも用意されています さらに OFDM OFDMA および MIMO の各技術を使用する動的な通信システムをモデリングするた めの 適応アルゴリズムも提供されています アルゴリズムでは 固定小数点データの演算と C コ ードおよび HDL コードの生成がサポートされています この System Toolbox には MIMO や OFDM その他の高度な通信システムの実装の出発点となるサン プル モデルが含まれています 主な機能 MATLAB 関数 MATLAB System object および Simulink ブロックとしてアルゴリズムを提供 情報源符号化 チャネル符号化 インターリーブ 変調 チャネルのモデリング 等化 同期とい った 通信システム物理層設計のためのアルゴリズム アイ パターン コンスタレーション チャネル分散機能などの可視化ツール システムのビット エラーレートを理論値と比較する GUI AWGN マルチパス レイリー フェージング ライスフェージング COST 207 GSM/EDGE HF 電離層 MIMO などのチャネル モデル 時間領域でのチャネルの可視化ツール 非線形性 位相ノイズ 熱雑音 および位相と周波数のオフセットなどの基本的な RF 障害 固定小数点モデリングと C コードおよび HDL コードの生成をサポート システム設計 特性評価 および可視化 通信システムの設計とシミュレーションでは 実際の環境では避けられないノイズや干渉に対する応 答を解析し グラフィカルな手法や定量的な手法を使用してシステムの挙動を検討したうえ 結果と して得られるパフォーマンスが許容可能な水準を満たすかどうかを判断することが必要になります Communications System Toolbox では 通信システムの設計やシミュレーションに必要なさまざまなタ スクを実行できます この System Toolbox の多くの関数 System object およびブロックは 復調器や イコライザーなどの 通信システムに特化したコンポーネントに関連する計算を実行します また 可視化や解析を目的とした機能も用意されています システムの特性評価 この System Toolbox では システムのパフォーマンスを定量的に評価するために 次のような標準的 な方法が提供されています ビット エラーレート (BER) の計算 1

2 隣接チャネル電力比 (ACPR) の測定 エラー ベクトル マグニチュード (EVM) の測定 変調誤差比 (MER) の測定 BER の計算はあらゆる通信システムの特性評価において基本となるため この System Toolbox では BER のテスト シナリオの設定 および BER シミュレーションの加速のために 次のツールと機能が提 供されています BERtool 通信システムの BER パフォーマンスを解析するための グラフィカル ユーザー インターフ ェイス シミュレーションに基づく手法 半解析的手法 または理論的手法でパフォーマンスを解析 できます エラーレートテスト コンソール 通信システムのシミュレーションを実行して エラー率のパフォー マンスを測定するための MATLAB オブジェクト ユーザー定義のテストポイントを指定でき 各パラ メーターでのパフォーマンスをプロットしたグラフを生成できます マルチコア プラットフォームで 実行する際には 演算速度を高速化できます マルチコアと GPU による高速化 ご使用のコンピューターでマルチコアと GPU ハードウェアを使用 してシミュレーションの演算を高速化する Parallel Computing Toolbox の機能 分散処理とクラウド コンピューティングへの対応 サーバー ファームや Amazon EC2 Web サービスの 処理能力を活用するための Parallel Computing Toolbox と MATLAB Distributed Computing Server の機 能 パフォーマンスの可視化 この System Toolbox では システムのパフォーマンスを可視化するために次の機能が提供されていま す チャネルの可視化ツール フェージング チャネルの特性を可視化 アイ パターンとコンスタレーション システムの挙動を定性的 視覚的に理解するための 初期設定 が可能 信号の軌跡のプロット 決定ポイント間における信号の軌跡を継続的に可視化 BER のプロット SNR や固定小数点によるワード サイズといった指標によってパラメーター化され た 設計候補の BER パフォーマンスを定量的に可視化 2

3 モデルの任意のポイントやステップで信号を可視化および解析するための 通信に特化した表示機能 表示機能に は 左上から時計回りに チャネルのインパルス応答の履歴 I/Q 信号のアイ パターン 理論的結果とシミュレー ション結果を比較する BER パフォーマンスのプロット 受信信号のコンスタレーションがあります アナログ変調とデジタル変調 アナログ変調とデジタル変調の技法では 情報のストリームが転送に適した信号にエンコードされま す Communications System Toolbox には 多数の変調機能と それに対応する復調機能が用意されて います これらの機能は MATLAB 関数とオブジェクト MATLAB System object および Simulink ブ ロックとして提供されています このツールボックスでは 次の種類の変調が用意されています アナログ アナログ AM FM PM SSB および DSBSC デジタル デジタル FSK PSK BPSK DPSK OQPSK MSK PAM QAM および TCM 3

4 16 QAM シミュレーションのコンスタレーションをもつ MATLAB 関数 (左) と Simulink モデル (右) 情報源符号化とチャネル符号化 Communications System Toolbox には情報源符号化とチャネル符号化の機能が用意されているため 符 号化機能を新たに作成する必要がなく 通信アーキテクチャの開発および評価を迅速に行い さまざ まな仮定に基づいてシステムを検討することができます 情報源符号化 情報源符号化は量子化または信号のフォーマットとも呼ばれ 冗長性を減らし 後続の処理のための 準備を行う データ処理の方法です この System Toolbox では 情報源の符号化と復号化を実行する ために 次のさまざまな種類のアルゴリズムが提供されています 量子化 圧伸 (µ-law および A-law) 差分パルス符号変調 (DPCM) ハフマン符号化 算術符号化 チャネル符号化 この System Toolbox には ノイズやチャネルの影響を防ぐために 誤り検出と訂正を行うためのブロ ックと畳み込み符号器/復号器が提供されています また 本来備わっている誤り訂正をともなわない 単純な誤り検出のために 巡回冗長検査 (CRC) も用意されています この System Toolbox で提供され ているチャネル符号化機能には 次のものがあります BCH エンコーダーとデコーダー リードソロモン エンコーダーとデコーダー LDPC エンコーダーとデコーダー 畳み込みエンコーダーと Viterbi デコーダー 4

5 直交波時空間ブロック符号 (OSTBC) (MIMO チャネル用のエンコーダーとデコーダー) ターボ エンコーダーとデコーダーのデモ この System Toolbox には 独自のチャネル符号化を作成するためのユーティリティ関数が用意されて います 多項式と係数 シンドローム復号テーブルに加え 製品のパリティチェックや生成行列を作 成できます また 通信システムのバースト エラーによって生じるデータ エラーを軽減するために ブロックとコ ンボリューショナル インターリーブ/デインターリーブ機能も提供されています ブロック ブロック 一般的なブロック インターリーバー 代数的インターリーバー ヘリカル スキャン インタ ーリーバー 行列インターリーバー およびランダム インターリーバー 畳み込み 畳み込み 一般的な多重インターリーバー コンボリューショナル インターリーバー およびヘリカ ル インターリーバー チャネルのモデリングと RF 障害 チャネルのモデリング Communications System Toolbox には ノイズ フェージング 干渉といった 通信チャネルで一般的 にみられる歪みをモデリングするためのアルゴリズムやツールが用意されています この System Toolbox では 次の種類のチャネルがサポートされています 加法性白色ガウス雑音 (AWGN) MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) フェージング SISO (Single-Input Single-Output) フェージング レイリー フェージング およびライス フェージン グ 2 元対称 MATLAB チャネル オブジェクトでは 構成可能なチャネルのモデルを簡潔に実装でき 次のようなパ ラメーターを指定できます パスの遅延 平均のパス ゲイン 最大ドップラー シフト ライス フェージング チャネルの K 係数 ドップラー スペクトル パラメーター MIMO システムに対しては MATLAB MIMO チャネル オブジェクトで次のパラメーターも指定できま す 送信アンテナの数 (最大 8) 受信アンテナの数 (最大 8) 送信相関行列 受信相関行列 5

6 直行時空間ブロック符号 (OSTBC) をもつ適応 MIMO システムの Simulink モデル RF 障害 非理想的な RF フロント エンドをモデリングするために 通信システムに次の障害を盛り込み 実際の 影響を考慮しながらパフォーマンスの検討や特性評価を行うことができます メモリレス非線形 位相と周波数のオフセット 位相ノイズ 熱ノイズ また SimRF を使用すれば より複雑な RF 障害や RF 回路のモデルを設計に取り入れることができま す 理想的な 16 QAM のコンスタレーション (左) に位相オフセット (中央) と周波数オフセット (右) による障害を加え たもの 等化と同期 Communications System Toolbox では 等化と同期の技法を活用できます これらの技法は一般的に適 応性をもつため 設計や特性評価が難しくなります この System Toolbox では 通信システムにおい て適切な技法を迅速に選択可能なアルゴリズムとツールが用意されています 6

7 等化 さまざまな等化手法を評価するため この System Toolbox では次のような適応アルゴリズムが提供さ れています LMS 正規化 LMS 可変ステップ LMS 符号付 LMS MLSE (Viterbi) RLS CMA これらの適応イコライザーは 非線形判定帰還型イコライザー (DFE) および線形 (シンボルスペース または分数スペース) イコライザーとして実現されます 等化前後の信号と理想的な信号コンスタレーションを示す QPSK 信号のプロット 同期 この System Toolbox では 搬送波位相同期とタイミング位相同期の両方に対応するアルゴリズムが提 供されています 7

8 タイミング位相同期では MATLAB Timing Phase Synchronizer オブジェクトが用意されており 次の実装 方法を利用できます Early-late gate タイミング法 Gardner 法 第 4 次非線形法 Mueller-Muller 法 MSK 受信機のタイミング キャリア周波数 キャリア位リカバリを含む MSK 受信機 Simulink モデル 周波数リカバリ (中央) および位相リカバリ (右) 後の受信信号のコンスタレーション (左) MATLAB および Simulink でのストリーム処理 ほとんどの通信システムでは 時間処理と 複数の周波数およびチャネルの同時処理を組み合わせ て ストリーミングとフレームベースのデータを処理しています このようなストリーミングの多次 元処理は OFDM や MIMO などの高度な通信アーキテクチャに見ることができます Communications System Toolbox では MATLAB/Simulinkでのストリーム処理とフレーム ベース シミュレーションをサ ポートすることにより 高度な通信システムのシミュレーションが可能です MATLAB では MATLAB オブジェクトを使用して時間ベースおよびデータ駆動型のアルゴリズム ソ ース シンクを表現する System object によって ストリーム処理が可能になり MATLAB オブジェク トを使用して時間ベースおよびデータ駆動型のアルゴリズム ソース シンクを表現します System object は データのインデックス付け バッファリング アルゴリズムの状態管理など ストリーム処 理の詳細の多くを暗黙的に管理します また System object は 標準の MATLAB 関数および演算子と組 み合わせて使用することができます ほとんどの System object には 対応する Simulink ブロックがあ り 同じ機能を持ち合わせています 8

9 Simulink は Simulink モデルを構成するブロックでデータの流れを管理して暗黙的にストリーム処理を 行います Simulink は動的システムのモデリングおよびシミュレーションのための対話型グラフィカ ル環境で 階層的ダイアグラムでシステム モデルを表します また アルゴリズム ソース シン ク およびシステム階層を表す あらかじめ定義された汎用ブロックのライブラリを備えています 通信システムの実装 固定小数点モデリング 多くの通信システムでは 設計を固定小数点で表現することを要求するハードウェアを使用していま す Communications System Toolbox では 関連するすべてのブロックと System object で固定小数点モ デリングをサポートしており 固定小数点属性の設定に役立てることができます この System Toolbox では 次のような固定小数点データ タイプがサポートされています ビットまでのワード サイズ 任意のバイナリ ポイントの配置 オーバーフロー処理手法 (ラップまたは飽和) ceil convergent floor nearest round simplest zero などの丸め関数 Simulink Fixed Point の Fixed-Point Tool を使用することで 簡単に浮動小数点データ タイプを固定小数 点データ タイプに変換することができます このツールでは 固定小数点の属性を設定するために オーバーフロー 最大値および最小値が追跡されます コードの生成 アルゴリズムまたは通信システムの開発が完了したら C コードを自動生成して 検証 ラピッド プ ロトタイピング および実装を行うことができます Communications System Toolbox のほとんどの System object 関数 およびブロックでは MATLAB Coder Simulink Coder または Embedded Coder を使用して ANSI/ISO C コードを生成できます また System object と Simulink ブロックの一部 には HDL コード生成に対応したものもあります 既存の IP を有効に活用するために 特定のプロセッサ アーキテクチャに最適なものを選択し 生成さ れたコードに既存の C コードを統合することができます また 浮動小数点および固定小数点の両方 のデータ タイプから C コードを生成することが可能です DSP プロトタイピング DSP は 通信システムの実装において 検証 ラピッド プロトタイピング または最終的なハードウ ェア実装に使用されます Embedded Coder の Processor-In-the-Loop (PIL) シミュレーション機能を使用 すると アルゴリズムの実装コードをターゲット プロセッサで実行することで 生成されたソース コ ードとコンパイルされたコードを検証することができます FPGA プロトタイピング FPGA は 通信システムにおいて 高速信号処理アルゴリズムの実装に使用されます EDA Simulator Link の FPGA-in-the-loop (FIL) 機能を使用すれば すでにある任意の HDL コード (手作業で作成した HDL コード または自動生成した HDL コード) に対し 実際のハードウェアで RTL コードをテストで きます 9

10 USRP2 SDR デバイス インターフェイス 受信した信号のリアルタイム処理と 送信用波形のリアルタイム生成をサポートするために この System Toolbox では USRP2 (Universal Software Radio Peripheral 2) の SDR (Software Defined Radio) デバイ スに対応する Simulink インターフェイスが提供されています このインターフェイスは USRP2 からデータをストリームするための受信機ブロックと USRP2 へデ ータをストリームするための送信機ブロックという 2 つの Simulink ブロックで構成されています ど ちらのブロックも簡潔な設定機能を提供しており 運用中心周波数 ゲイン および内挿/間引きレー トを指定できます USRP2 Transmitter ブロック (右上) とパラメーター マスク (下) を示す Simulink 送信機テスト ベンチ リソース 製品詳細 デモ 動作環境 オンライン ユーザー コミュニティ 評価版ソフトウェア 技術トレーニング サービス 営業窓口 サードパーティ製品とサービス テクニカル サポート 世界各地のお問い合わせ先 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 10

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