Técnicas de simulación en comunicaciones

1. Técnicas de Simulación en Comunicaciones

1. Introducción

Los sistemas de comunicación transmiten información de una fuente o transmisor a un sumidero o receptor a través de un canal. Los sistemas comunicación modernos a menudo trasmiten en presencia de ruido añadido y de no linealidades del sistema (que pueden variar de leves a severas) los cuales tienden a corromper la transmisión de información. Examinar el rendimiento de un sistema de comunicación como un conjunto de expresiones analíticas, incluso si el ruido aleatorio y las no linealidades del sistema son descritos adecuadamente, parece proporcionar poca visión o motivación a los estudiantes.

Los sistemas de comunicación han sido diseñados tradicionalmente con software de análisis para las ecuaciones analíticas del procesamiento de la señal inherente y por métodos empíricos utilizando tableros de prueba (protoboard) de hardware en el laboratorio. Debido a la mayor complejidad evidente en la modulación y demodulación de señales, el software de simulación es ahora un tablero de prueba que permite el diseño y la construcción virtual de sistemas de comunicación complejos sin poseer una comprensión analítica completa del proceso subyacente. Aunque los simuladores de sistemas de comunicación exhiben algunas limitaciones, su alcance por lo general puede ser compensado en la medición del desempeño del sistema que está siendo modelado.

MATLAB® y Simulink® de TheMathWorks™ (www.mathworks.com) son algunas de tales herramienta útiles de simulación de sistemas de comunicación. En el presente capítulo se introduce a modo de inicio rápido MATLAB y Simulink con énfasis en el análisis y diseño de entornos de comunicación, así como también los bloques disponibles en las cajas de herramientas de Simulink, Communications y Signal Processing. También se proporcionan en este capítulo ejemplos del uso de MATLAB y Simulink para la simulación de señales analógicas y sistemas comunicación familiares a modo de introducir las técnicas de simulación en comunicaciones.

1. Capacidades y Limitaciones of Simulación

Los sistemas de comunicación transmiten información de una fuente o transmisor a un sumidero o receptor a través de un canal. Los sistemas comunicación modernos a menudo trasmiten en presencia de ruido añadido y de no linealidades del sistema (que pueden variar de leves a severas) los cuales tienden a corromper la transmisión de información. Examinar el rendimiento de un sistema de comunicación como un conjunto de expresiones analíticas, incluso si el ruido aleatorio y las no linealidades del sistema son descritos adecuadamente, parece proporcionar poca visión o motivación a los estudiantes.

Los sistemas de comunicación han sido diseñados tradicionalmente con software de análisis para las ecuaciones analíticas del procesamiento de la señal inherente y por métodos empíricos utilizando tableros de prueba (protoboard) de hardware en el laboratorio. Debido a la mayor complejidad evidente en la modulación y demodulación de señales, el software de simulación es ahora un tablero de prueba que permite el diseño y la construcción virtual de sistemas de comunicación complejos sin poseer una comprensión analítica completa del proceso subyacente. Aunque los simuladores de sistemas de comunicación exhiben algunas limitaciones, su alcance por lo general puede ser compensado en la medición del desempeño del sistema que está siendo modelado.

MATLAB® y Simulink® de TheMathWorks™ (www.mathworks.com) son algunas de tales herramienta útiles de simulación de sistemas de comunicación. En el presente capítulo se introduce a modo de inicio rápido MATLAB y Simulink con énfasis en el análisis y diseño de entornos de comunicación, así como también los bloques disponibles en las cajas de herramientas de Simulink, Communications y Signal Processing. También se proporcionan en este capítulo ejemplos del uso de MATLAB y Simulink para la simulación de señales analógicas y sistemas comunicación familiares a modo de introducir las técnicas de simulación en comunicaciones.

1. Capacidades y Limitaciones of Simulación

Los softwares de simulación de sistemas de comunicación a menudo proporcionan una biblioteca de subrutinas modulares, cada una de las cuales es un módulo o unidad de procesamiento completa. Los módulos se interconectan cómodamente ya sea por una lista de conexiones basada en texto primitivo o a través de una interfaz gráfica de usuario (GUI por sus siglas en Ingles). Los módulos se especifican por su tipo y parámetros y realizan las tareas de procesamiento integral de la señal en la simulación de un sistema de comunicación analógico o digital. Estas tareas incluyen la simple adición y la multiplicación aritmética de señales para la rotación de fase y traslación de frecuencia, los retrasos temporales, el filtrado de banda base y de paso de banda, el procesamiento no lineal, generación de señales de datos determinísticas y pseudoaleatorias, generadores de ruido, y los módulos de medición, tales como pantallas temporales y espectrales.

Los módulos conectados por una interfaz gráfica de usuario son bloques. El software de simulación permite la colección de bloques de GUI como subsistemas para la simplicidad de la prestación del modelo del sistema de comunicación digital a niveles superiores. La simulación de un sistema de comunicación digital también requiere la visualización de los resultados. Las formas de onda temporales, de amplitud, de fase y de espectros de potencia, las correlaciones de señal, los diagramas de ojo, los gráficos de constelación de señal y la de tasa de error de bit (BER) muestran los resultados de la simulación del diseño y proporcionan la evaluación del rendimiento.

Sin embargo, la simulación de un sistema de comunicación no es un sustituto de los tableros de prueba de hardware en el laboratorio. La simulación es un modelo aproximado y no puede replicar el rendimiento de los componentes de hardware exactamente. Una simulación también se ejecuta más lento que prácticamente cualquier sistema de tableros de prueba de hardware y se requieren largos tiempos de simulación para evaluar el rendimiento en presencia de datos de entrada pseudoaleatorios y de ruido. Independientemente, la simulación proporciona los medios para comprender y examinar el funcionamiento del diseño del sistema de comunicación sin recurrir a la construcción de tableros de prueba de hardware ni al uso de equipos complejos de instrumentación y medición.

1. Introducción a Matlab® y Simulink®

MATLAB® es un lenguaje de alto nivel y un entorno interactivo para el cálculo numérico, visualización y programación. Usando MATLAB, se pueden analizar datos, desarrollar algoritmos, y crear modelos y aplicaciones. El lenguaje, las herramientas y funciones integradas de matemáticas permiten explorar múltiples enfoques y llegar a una solución más rápida que con hojas de cálculo o lenguajes de programación tradicionales, como C/C++ o Java®. MATLAB es una abreviatura de "matrix laboratory" (en español laboratorio de matrices). Mientras que otros lenguajes de programación trabajan principalmente con los números de uno en uno, MATLAB está diseñado para funcionar principalmente con en matrices y arreglos de números.

Simulink® es un entorno de diagrama de bloques para la simulación en múltiples dominios y para el diseño basado en modelos. Es compatible con el diseño a nivel de sistema, la simulación, la generación automática de código, y la prueba continua y verificación de sistemas embebidos. Simulink ofrece un editor gráfico, bibliotecas de bloques personalizables y solucionadores para el modelado y simulación de sistemas dinámicos. Se integra con MATLAB, lo que le permite incorporar algoritmos de MATLAB en los modelos de simulación y exportar los resultados a MATLAB para su posterior análisis.

Aunque MATLAB y Simulink se pueden utilizar en una variedad de áreas técnicas, también es un entorno para el análisis de los sistemas de comunicación analógicos y digitales de banda base y paso de banda. MATLAB y Simulink se pueden utilizar para simular las representaciones de diagrama de bloques típicos previstos para describir los fundamentos de los sistemas de comunicación.

Las visualizaciones de señal, temporal y espectral pueden ilustrar tanto el rendimiento ideal y el degradado debido al ruido aditivo y a las no linealidades del sistema. El entorno de simulación MATLAB y Simulink se presenta aquí en forma de inicio rápido para empezar la investigación de diseño de sistemas de comunicación digital. Los detalles de las operaciones necesarias para configurar y ejecutar una simulación no se proporcionan en gran detalle ahora. Sin embargo, cada uno de los modelos en Simulink de sistemas de comunicación digital que se presenta en este y los siguientes capítulos tienen una extensa discusión de la metodología de diseño, los bloques utilizados y sus parámetros.

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