%--------------------------------------------------------------------------
%           Výuková podpora přemětu Modulované signály
%--------------------------------------------------------------------------
%                       Program OFDM MODULACE  
%--------------------------------------------------------------------------
% 
% Výpočet a grafické vykreslení modulovaného vysokofrekvenčního signálu 
% pomocí digitální OFDM modulace (Orthogonal Frequency Dimension Multiplexing)
% Digitální OFDM Modulace je aplikována na již modulovaný signál, resp.
% komplexní obálku signálu modulovanou QPSK digitální modulací.
%
% Volitelný modulační (informační) signál a vysokofrekvenční nosná
% 
% Počet možných stavů zvolené modulace QPSK m(t) je 4
% Počet subnosných OFDM modulace je 4
%
% VŠB - Technická univerzita Ostrava
% Fakulta elektrotechniky a informatiky
% Katedra měřicí a řídicí techniky
% 17.listopadu 15
% Ostrava - Poruba
% 708 33
%
% Vypracoval Zdeněk Macháček 2010
%--------------------------------------------------------------------------

%--------------------------------------------------------------------------
% Vyčištění všech proměnných paměti a uzavření všech grafických oken
clear all;
close all;

%--------------------------------------------------------------------------
% Specifikace časového průběhu-čas t[s] a nosné frekvence fc[Hz]RF signálu
f_c=500; % nosná frekvence vysokofrekvenčního RF signálu
cas = 0.5; % čas průběhu simulace 
pocet_bodu=10; %počet bodů v čase během jedné periody fc
deltat=1/(f_c*pocet_bodu); % zanedbatelný časový okamžik
t=0:deltat:cas-deltat; % časový průběh
T_m = 0.1; % perioda informačního signálu m(t)

%--------------------------------------------------------------------------
% Definování a výpočet digitálního modulačního signálu m(t)
% v daném časovém okamžiku periody dvoubitové číslo reprezentující m(t) 

data = zeros(1,5);
t1=0:deltat:T_m-deltat;
data(1) = 0;
m1(1:length(t1))=data(1);

t2=T_m:deltat:2*T_m-deltat;
data(2) = 1;
m2(1:length(t2))=data(2);

t3=2*T_m:deltat:3*T_m-deltat;
data(3) = 2;
m3(1:length(t3))=data(3);

t4=3*T_m:deltat:4*T_m-deltat;
data(4) = 3;
m4(1:length(t4))=data(4);

t5=4*T_m:deltat:cas-deltat;
data(5) = 0;
m5(1:length(t5))=data(5);

m_t = [m1 m2 m3 m4 m5]; % modulační signál m(t)

%--------------------------------------------------------------------------
% QPSK modulace - definování a výpočet modulovaného signálu resp. komplexní obálky g(t)
% amplitudova modulacni slozka R_t = konstanta
% fazova modulacni slozka Theta_t = změna stavu - posun o pi/2

R_t=0.2; % Amplitudová modulační složka

for i=1:length(m_t)
    if m_t(i)==0
        Theta_t(i) = pi/4;       % Fázová modulační složka 45 stupnu   
    elseif m_t(i)==1 
        Theta_t(i) = 3*pi/(4);   % Fázová modulační složka 135 stupnu   
    elseif m_t(i)==2 
        Theta_t(i) = 5*pi/(4);   % Fázová modulační složka 225 stupnu   
    elseif m_t(i)==3
        Theta_t(i) = 7*pi/(4);   % Fázová modulační složka 315 stupnu   
    end;
    R(i) = R_t;
end;

%--------------------------------------------------------------------------
% OFDM modulace - definování a výpočet pásmového signálu v(t)
% Postupně je načteno 5 period resp. stavů, dat informačního signálu ve
% formě komplexní obálky již modulovaného signálu QPSK modulací v základním
% frekvenčním pásmu. Takto načtený modulovaný signál je dále modulován
% rozložením jednotlivých dat do 5 subnosných frekvenčních pásem, které
% jsou vzájemně ortogonální.

% Načtená fázová modulační složka Theta(t) resp. hodnota komplexní obálky g(t)
% modulovaného QPSK signálu n-tého přijatého stavu, hodnoty informačního signálu
% v definované periodě T_m.  

Theta_t_OFDM = zeros(1,5); % inicializace pole fázové modulační složky Theta(t)
Theta_t_last = 0; % minulá hodnota fázové modulační složky Theta(t) 
i2 = 1; % index přijatého stavu, hodnoty informačního signálu
for i1=1:length(m_t)
    if (Theta_t(i1)~=Theta_t_last)
        Theta_t_OFDM(i2) = Theta_t(i1);     % načtení hodnoty fázové modulační složky modulovaného QPSK signálu
        Theta_t_last = Theta_t(i1)          % uložení minulé hodnoty fázové modulační složky Theta(t)
        i2 = i2 + 1;                        % zvýšení pořadí načítaného stavu, hodnoty informačního signálu    
    end;
end;

N_subnosna = 5; % počet subnosných (stavů zasílaných v jednom časovém okamžiku (periodě T_m))
Ts = T_m;       % perioda načítaných hodnot, stavů informačního signálu m(t)
f_1=1/(N_subnosna*Ts);  % frekvence 1.subnosné na kterou se posune zasílaný modulovaný signál g(t)
f_2=2/(N_subnosna*Ts);  % frekvence 2.subnosné na kterou se posune zasílaný modulovaný signál g(t)
f_3=3/(N_subnosna*Ts);  % frekvence 3.subnosné na kterou se posune zasílaný modulovaný signál g(t)
f_4=4/(N_subnosna*Ts);  % frekvence 4.subnosné na kterou se posune zasílaný modulovaný signál g(t)
f_5=5/(N_subnosna*Ts);  % frekvence 5.subnosné na kterou se posune zasílaný modulovaný signál g(t)

% Modulovany pásmový signál OFDM modulací z modulovaného QPSK signalu g(t) v zakladnim pasmu
v_t=R_t.*cos(2*pi*(f_c+f_1)*t+Theta_t_OFDM(1))+R_t.*cos(2*pi*(f_c+f_2)*t+Theta_t_OFDM(2))+R_t.*cos(2*pi*(f_c+f_3)*t+Theta_t_OFDM(3))+R_t.*cos(2*pi*(f_c+f_4)*t+Theta_t_OFDM(4))+R_t.*cos(2*pi*(f_c+f_5)*t+Theta_t_OFDM(5));

%--------------------------------------------------------------------------
%Výpočet frekvenčního spektra pásmového signálu pomocí funkce algoritmu FFT
N=length(v_t); % počet hodnot pásmového signálu v(t) 
v_f = (fftshift(fft(v_t)))./N; % komplexní vektor frekvenčního spektra v(t) 
k=-N/2:N/2-1; % pomocný výpočet symetrického pole osy x
f = k.*pocet_bodu*f_c./N; % výpočet x-ové osy - frekvence f[Hz]

V_amp = abs(v_f);           %amplitudové frekvenční spektrum v(t)
V_vykon = V_amp.^2;         %výkonové frekvenční spektrum v(t)

% Je-li nulová hodnota amplitudy na dané frekvenci je také fáze = 0
for q=1:N
    if ((abs(real(v_f(q))) < 1e-3) && (abs(imag(v_f(q))) < 1e-3)) 
        v_f(q)=0;   
    end;
end;
V_faze = angle(v_f);        %fázové frekvenční spektrum v(t)

%--------------------------------------------------------------------------
% GRAFY - ZOBRAZENÍ SIGNÁLŮ V ČASOVÉ OBLASTI - OFDM modulace a QPSK modulace
%--------------------------------------------------------------------------
% Vykreslení grafického časového průběhu modulačního signálu
figure;
subplot(4,1,1);
plot(t,m_t);
title('Modulacní digitální signál m(t)');
ylabel('m(t)');
xlabel('t[s]');
grid on;
 
%--------------------------------------------------------------------------
% Vykreslení grafického časového průběhu pásmového (modulovaného) signálu
subplot(4,1,2);
plot(t,v_t);
title('OFDM modulace - Pásmový signál v(t) vytvořený z modulovaného QPSK signálu - komplexní obálky g(t)');
ylabel('v(t)');
xlabel('t[s]');
grid on;

%--------------------------------------------------------------------------
% Vykreslení grafického časového průběhu amplitudové modulacní slozky R(t)
subplot(4,1,3);
plot(t,R)            
xlabel('t[s]')          % Popis x-ove osy
ylabel('R(t)')          % Popis y-ove osy
title('QPSK modulace - Amplitudová modulacní slozka R(t)')    % Popis grafu
grid on;

%--------------------------------------------------------------------------
% Vykreslení grafického časového průběhu fázové modulacní slozky Theta(t)
subplot(4,1,4);
plot(t,Theta_t)            
xlabel('t[s]')          % Popis x-ove osy
ylabel('\Theta(t)')          % Popis y-ove osy
title('QPSK modulace - Fázová modulacní slozka \Theta(t)')    % Popis grafu
grid on;

%--------------------------------------------------------------------------
% GRAFY - ZOBRAZENÍ SIGNÁLŮ VE FREKVENČNÍ OBLASTI - OFDM modulace
%--------------------------------------------------------------------------
%vykresleni amplitudového frekvenčního spektra 
figure;
subplot(3,1,1);
stem(f,V_amp)
xlabel('f[Hz]')
ylabel('^F^R|W_m|')
grid on;
title('OFDM modulace - Amplitudové frekvencni spektrum pasmoveho (modulovaneho)signalu v(t)')
%--------------------------------------------------------------------------
%vykresleni fázového frekvenčního spektra
subplot(3,1,2);
stem(f,V_faze)
xlabel('f[Hz]')
ylabel('\Theta_m')
grid on
title('OFDM modulace - Fazove frekvencni spektrum pasmoveho (modulovaneho)signalu v(t)')
%--------------------------------------------------------------------------
%vykresleni výkonového frekvenčního spektra
subplot(3,1,3);
stem(f,V_vykon)
xlabel('f[Hz]')
ylabel('^F^R|P_m|') 
grid on
title('OFDM modulace - Vykonove frekvencni spektrum pasmoveho (modulovaneho)signalu v(t)')

%--------------------------------------------------------------------------
% GRAFY - ZOBRAZENÍ KONSTELACE MODULACE - IQ DIAGRAM pro QPSK modulaci
%--------------------------------------------------------------------------

%Výpočet a vykreslení konstelace modulace pásmového signálu
figure;
m_t_last = -1;
for i=1:length(m_t)
    if (m_t(i) ~= m_t_last)
        x = R.*cos(Theta_t);       	% soufázová modulační složka   
        y = R.*sin(Theta_t);       	% kvadraturní modulační složka   
        osax=[0,x(i)];
        osay=[0,y(i)];
        plot(osax,osay)
        hold on
        stem(x(i),y(i),'-wo','LineWidth',0.1,'MarkerEdgeColor','b','MarkerFaceColor','w','MarkerSize',8)
        m_t_last = m_t(i);
        if m_t(i)==0
            text(x(i),y(i),'  data m(t)=0')
        elseif m_t(i)==1 
            text(x(i),y(i),'  data m(t)=1')
        elseif m_t(i)==2 
            text(x(i),y(i),'  data m(t)=2')
        elseif m_t(i)==3 
            text(x(i),y(i),'  data m(t)=3')
        end; 
    end;
end;

xlabel('x soufázová modulacní slozka (in-phase axis)')
ylabel('y kvadraturní modulacni slozka (quadrature axis)') 
grid on
title('Konstelacní diagram (IQ diagram) - QPSK modulovaná komplexní obálka g(t)')