mô phỏng hệ thống truyền thông

H C VI N CÔNG NGH B U CHệNH VI N THÔNG BÀI GI NG MÔ PH NG H TH NG TRUY N THÔNG KHOA VI N THÔNG Tác gi : TS Nguy n c Nhân HÀ N I 07-2014 ι L IM U Trong s phát tri n nhanh chóng h th ng vi n thơng v i s phát tri n m nh m c a h th ng máy tính, ngày mơ ph ng đư tr thành m t công c không th thi u trình nghiên c u phát tri n h th ng c ng nh trình thi t k tri n khai h th ng Do v y cu n gi ng ắMô ph ng h th ng truy n thông” đ c vi t nh m cung c p cho sinh viên nh ng ki n th c b ích liên quan đ n môn h c Tài li u g m ch ng v i n i dung c b n nh sau:  Ch ng 1: Trình bày t ng quan v k thu t mô ph ng bao g m ph ng pháp lu n, v n đ v mơ hình hóa vai trò c a mô ph ng thi t k h th ng  Ch ng 2: Gi i thi u v MATLAB giúp sinh viên n m đ c v n đ c b n vi c s d ng MATLAB làm cơng c tính tốn k thu t nói chung mơ ph ng h th ng truy n thông ch ng sau  Ch ng 3: Gi i thi u v Simulink, m t công c MATLAB đ c s d ng đ mô ph ng d a mơ hình hay s đ kh i, thu n ti n cho vi c mô ph ng h th ng  Ch ng 4: Mô ph ng q trình thu phát tín hi u bao g m v n đ c b n v tín hi u mơ ph ng, mơ ph ng trình c b n th c hi n t i b phát b thu m t h th ng truy n thông  Ch ng 5: Mô ph ng kênh thông tin bao g m ph ng pháp th c hi n đ mô ph ng kênh c b n nói chung đ n kênh thông tin c th nh kênh h u n kênh vô n  Ch ng 6: đ c b nv c tính tham s hi u n ng h th ng giúp sinh viên n m đ c v n c tính th ng kê, đ c bi t đánh giá hi u n ng h th ng Chúng hy v ng r ng cu n gi ng s tài li u tham kh o h u ích cho sinh viên chuyên ngành vi n thông nh ng ng i quan tâm Tuy nhiên đ giúp sinh viên n m b t nh ng v n đ c b n nh t c a k thu t mơ ph ng h th ng truy n thơng đòi h i ng i h c ph i có nh ng ki n th c t ng h p c a môn h c c s khác mà không ph i thu c m c tiêu n i dung c a mơn h c ây c ng phiên b n đ u tiên đ c vi t th i gian ng n v y s khơng tránh kh i nh ng sai sót Chúng r t mong nh n đ c ý ki n đóng góp c a q th y cô, b n sinh viên nh ng ng i quan tâm đ hoàn thi n h n cu n tài li u Tác gi TS Nguy n c Nhân ιι M CL C Ch ng T ng quan v k thu t mô ph ng 1.1 Gi i thi u chung 1.2 Ph ng pháp lu n mơ ph ng 1.2.1 Mơ hình hóa tốn 1.2.2 Tính đa m t mô ph ng 1.3 Các khái ni m c b n v mơ hình hóa 1.3.1 Mơ hình hóa h th ng 10 1.3.2 Mơ hình hóa thành ph n ch c n ng 11 1.3.3 Mơ hình hóa q trình ng u nhiên 11 1.3.4 Mơ hình hóa h th ng gi đ nh 12 1.4 K thu t đánh giá hi u n ng 13 1.5 Sai s mô ph ng 14 1.5.1 Sai s mơ hình hóa h th ng 14 1.5.2 Sai s mơ hình hóa linh ki n 15 1.5.3 Sai s mơ hình hóa q trình ng u nhiên 16 1.5.4 Sai s x lý 17 1.6 Vai trò mơ ph ng thi t k h th ng truy n thông 17 1.7 T ng k t ch 21 ng Câu h i/bài t p ch Ch ng ng Gi i thi u v MATLAB 21 22 2.1 Gi i thi u chung 22 2.2 Các c u trúc c b n MATLAB 23 2.2.1 Các bi n MATLAB 23 2.2.2 Các phép tính s h c 27 2.2.3 Các phép tính logic quan h 31 2.2.4 Các hàm toán h c 33 2.2.5 Các hàm đ h a 35 ιιι 2.2.6 Các ho t đ ng I/O 43 2.3 Thao tác ma tr n vect 44 2.4 L p trình MATLAB 47 2.4.1 Các th t c MATLAB 47 2.4.2 Các hàm MATLAB 49 2.4.3 C u trúc ngôn ng MATLAB 50 2.4.4 Hàm eval 54 2.4.5 i u n hàm 55 2.5 MATLAB Editor Debugger 56 2.5.1 Các ch c n ng Editor 56 2.5.2 Các ch c n ng Debugger 57 2.6 M t s ph 58 ng pháp s s d ng MATLAB 2.6.1 Ph ng pháp tìm nghi m 58 2.6.2 Ph ng pháp tích phân 59 2.6.3 Ph ng pháp gi i ph 2.7 T ng k t ch ng Câu h i/bài t p ch Ch ng trình vi phân 61 68 ng ng Gi i thi u v Simulink 69 72 3.1 Gi i thi u chung 72 3.2 Nguyên lý ho t đ ng c a Simulink 73 3.2.1 Xây d ng s đ kh i Simulink 73 3.2.2 Tham s hóa kh i Simulink 74 3.2.3 Mô ph ng b ng Simulink 76 3.3 Gi i ph 77 3.4 3.5 T ng trình vi phân b ng Simulink n gi n hóa h th ng Simulink ng tác v i MATLAB 81 83 3.5.1 Truy n bi n gi a Simulink MATLAB 83 3.5.2 L p l i mô ph ng Simulink MATLAB 83 3.5.3 Truy n bi n thông qua bi n toàn c c 85 3.6 T ng k t ch 85 ng ιϖ Câu h i/bài t p ch Ch ng ng Mô ph ng tín hi u q trình thu phát 86 87 4.1 Gi i thi u 87 4.1.1 Mơ hình mơ ph ng tín hi u b ng g c thơng d i 88 4.1.2 Q trình l y m u n i suy 91 4.1.3 Khai tri n Fourier 96 4.2 Mơ ph ng ngu n tín hi u 98 4.2.1 Ngu n tín hi u t 98 ng t 4.2.2 Ngu n tín hi u s 100 4.2.3 Ngu n tín hi u ng u nhiên 101 4.3 Mã hóa 106 4.3.1 Mã hóa ngu n 106 4.3.2 Mư đ 109 ng truy n 4.3.3 Mã hóa kênh 113 4.4 i u ch gi i u ch 116 4.4.1 i u ch tín hi u t 116 ng t 4.4.2 i u ch tín hi u s 119 4.4.3 Quá trình thu gi i u ch 122 4.5 Quá trình l c 127 4.5.1 L c t o d ng ph 127 4.5.2 L c t o d ng xung 129 4.5.3 Các b l c ph i h p 132 4.6 Quá trình đ ng b 136 4.6.1 Quá trình đ ng b mô ph ng 136 4.6.2 Mô ph ng m ch vòng khóa pha (PLL) 140 4.7 T ng k t ch 142 Ch ng ng Mô ph ng kênh thông tin 145 5.1 Gi i thi u chung 145 5.2 Mơ hình kênh AWGN 148 5.3 Các mơ hình kênh thơng tin c th 152 ϖ 5.3.1 Kênh h u n ng d n sóng 152 5.3.2 Kênh vơ n 153 5.3.3 Kênh pha đinh đa đ ng 5.3.4 Kênh r i r c 5.4 T ng k t ch 162 ng Câu h i/bài t p ch Ch 6.1 ng 157 168 ng c tính tham s đánh giá hi u n ng c tính tham s 168 170 170 6.1.1 c tính m c sóng trung bình 170 6.1.2 c tính cơng su t trung bình 171 6.1.3 c tính ph 172 6.2 c tính t s SNR 174 6.3 ánh giá hi u n ng h th ng 176 6.3.1 Ph ng pháp Monte-Carlo 177 6.3.2 Ph ng pháp bán gi i tích 182 6.3.3 Các ph ng pháp khác 183 6.3.4 M t s ví d mơ ph ng h th ng vi n thông 184 6.4 T ng k t ch 187 ng Câu h i/bài t p ch ng 187 Tài li u tham kh o 188 Ph l c A 189 ϖι DANH SÁCH THU T NG VI T T T Thu t ng ti ng Anh A ADC AM AMI ASK AWGN B BER D DFT DPSK DSB DSP E erp F FIR FM FSK H HDL HMM I I/O IDFT IIR IS ISI N NRZ O OFDM Thu t ng ti ng Vi t Amplitude Modulation Alternate Mark Inversion Amplitude Shift Keying Additive White Gaussian Noise Chuy n đ i tín hi u t ng t sang s i u ch biên đ o d u mã Khóa d ch biên đ Nhi u Gauss tr ng c ng Bit Errors Rate T cđ l i Discrete Fourier Transform Differential Phase Shift Keying Double Side Band Digital Signal Processing Khai tri n Fourier r i r c Khóa d ch pha vi sai i u ch biên kép X lý tín hi u s equivalent random process Quá trình ng u nhiên t đ ng Finite Impulse Response Frequency Modulation Frequency Shift Keying áp ng xung h u h n i u ch t n s Khóa d ch t n Hardware Description Language Hiden Markov Model Ngôn ng đ c t ph n c ng Mơ hình Markov n Input/Output Inverse Discrete Fourier Transform Infinite Impulse Response Important Sampling Inter-Symbol Interference Vào/Ra Khai tri n Fourier r i r c đ o áp ng xung vô h n L y m u quan tr ng Giao thoa gi a ký hi u Non-Return-to-Zero Không tr v không Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo t n Analog to Digital Conversion ng ϖιι P PCM PET PLL PM PSD PSK Q QA QAM QPSK R RNG RZ S SER SNR SSB T TDL V VSB Multiplexing s tr c giao Pulse Code Modulation Performance Evaluation Technique Phase Locked Loop Phase Modulation Power Spectral Density Phase Shift Keying i u ch xung mã K thu t c tính hi u n ng M ch vòng khóa pha i u ch pha M t đ ph công su t Khóa d ch pha Quasi-Analytical Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Bán gi i tích i u ch biên đ c u ph ng Khóa d ch pha c u ph ng Random Number Generator Return-to-Zero B t o s ng u nhiên Tr v không Symbol Error Rate Signal to Noise Ratio Single Side Band T c đ l i ký hi u T s tín hi u nhi u i u ch đ n biên Tributary Delay Line Vestigial Side Band ng tr nhánh i u ch r t biên ϖιιι Ch ng T ng quan v k thu t mô ph ng Mô ph ng ngày có m t nhi u l nh v c khoa h c k thu t đ c bi t thi t k h th ng truy n thông N i dung ch ng s trình bày nh ng v n đ t ng quan c b n nh t k thu t mơ ph ng nói chung mơ ph ng h th ng truy n thơng nói riêng 1.1 Gi i thi u chung Trong nh ng th p k qua h th ng truy n thông k thu t x lý tín hi u ngày t ng nhanh chóng v m c đ ph c t p Trong su t th i gian s n i lên lo i công ngh m i liên quan đ n ph n c ng t c đ cao chi phí r h n x lý tín hi u s , cơng ngh quang s i, linh ki n m ch tích h p đư có tác đ ng m nh m đ n vi c tri n khai h th ng truy n thông Trong s phát tri n v m c đ ph c t p c a h th ng truy n thông t ng lên theo th i gian n l c đòi h i cho trình phân tích thi t k , s c n thi t đ đ a công ngh m i vào s n ph m th ng m i nhanh chóng c ng đòi h i r ng thi t k đ c hoàn thành th i gian, hi u qu v chi phí khơng m t nhi u công s c Các nhu c u có th đ c đáp ng ch b ng cách s d ng công c thi t k phân tích m nh m đ c tr giúp b i máy tính M t lo t k thu t tr giúp b i máy tính đư đ c phát tri n nhi u n m qua đ h tr q trình mơ hình hóa, phân tích thi t k h th ng truy n thông Các k thu t đ c tr giúp b i máy tính n m hai lo i c b n: ti p c n d a cơng th c mà máy tính đ c s d ng đ c tính cơng th c ph c t p ti p c n d a mơ ph ng mà máy tính đ c s d ng đ mô ph ng d ng sóng ho c tín hi u truy n qua h th ng Hi u n ng c a h th ng truy n thơng có th đ c đánh giá b ng vi c s d ng tính tốn d a cơng th c, mơ ph ng d ng sóng ho c b ng đo ki m ch t o m u th Các k thu t d a công th c d a vào mơ hình đ c đ n gi n hóa cung c p nhìn sâu v m i quan h gi a tham s thi t k hi u n ng h th ng chúng r t h u ích giai đo n đ u c a trình thi t k cho vi c khám phá không gian thi t k m r ng Tuy nhiên ngo i tr tr ng h p đ n gi n lý t ng hóa r t khó đ đánh giá hi u n ng c a h th ng truy n thông ph c t p ch b ng k thu t gi i tích v i đ xác c n cho q trình thi t k chi ti t h n ánh giá hi u n ng d a phép đo ki m thu đ c t m u thi t k th ph n c ng t t nhiên m t ph ng pháp xác đáng tin c y, h u ích giai đo n sau c a thi t k l a ch n thi t k đ c gi i h n m t t p nh Ti p c n nhìn chung r t t n m t nhi u th i gian khơng linh ho t Nó rõ ràng khơng kh thi đ s d ng ti p c n giai đo n đ u chu trình thi t k s l ng l a ch n thi t k l n B ng ti p c n d a mô ph ng đ đánh giá hi u n ng, h th ng có th đ c mơ hình hóa g n nh b t k m c chi ti t mong mu n khơng gian thi t k có th đ c khai thác c th chi ti t h n b ng ti p c n d a công th c ho c đo ki m D a mơ ph ng ta c ng có th k t h p mơ hình th c nghi m toán h c m t cách d dàng k t h p đ c tính đo đ c c a linh ki n tín hi u th c vào phân tích thi t k Các d ng sóng đ c mơ ph ng c ng có th đ c s d ng nh tín hi u đo th cho vi c ki m tra ch c n ng ho t đ ng c a ph n c ng Th c s , m t ti p c n d a mơ ph ng có th đ c s d ng đ t o m t môi tr ng ch t o m u th nhanh chóng cho vi c phân tích thi t k h th ng x lý tín hi u truy n thơng, m t mơi tr ng mơ hình ph n m m có th đ c k t h p v i d li u ph n c ng tín hi u th c đ t o m u thi t k không l i ti t ki m chi phí th i gian Nh đ c m c b n c a ti p c n mô ph ng t i tính tốn l n có th c gi m thi u b ng s l a ch n c n th n k thu t mơ hình hóa mơ ph ng 1.2 Ph ng pháp lu n mơ ph ng 1.2.1 Mơ hình hóa tốn M c đích cu i c a mơ ph ng ph ng t o l i đ c tính c a m t h th ng v t lý th c t thơng qua tính tốn d a máy tính M t tốn mơ ph ng đ n gi n nh t th ng bao g m b n b c c b n sau: