Trong xã hội ngày nay, các sinh viên khi tốt nghiệp không chỉ cần nắm chắc các kiến thức được học về mặt lý thuyết mà còn cần có khả năng sáng tạo, độc lập trong nghiên cứu và thực hành. Trong quá trình giảng dạy, nhóm nghiên cứu thấy rõ sự cần thiết khi đưa nội dung mô plỗi đánh giá chất lượng của Hệ thống thông tin (HTTT) vào chương trình giảng dạy chính khóa cho sinh viên chuyên ngành Điện tửtruyền thông.
THIẾT KẾ XÂY DỰNG BÀI THỰC HÀNH MÔ PHỎNG HTTT SỐ TRÊN MATLAB Đặt vấn đề Trong xã hội ngày nay, sinh viên tốt nghiệp không cần nắm kiến thức học mặt lý thuyết mà cần có khả sáng tạo, độc lập nghiên cứu thực hành Trong trình giảng dạy, nhóm nghiên cứu thấy rõ cần thiết đưa nội dung mô plỗi đánh giá chất lượng Hệ thống thơng tin (HTTT) vào chương trình giảng dạy khóa cho sinh viên chun ngành Điện tử-truyền thông Việc đưa nội dung mô plỗi HTTT phần mềm Matlab giúp sinh viên : - Sử dụng phần mềm Matlab- Simulink với tư cách ngơn ngữ lập trình bậc cao để mơ plỗi đánh giá chất lượng HTTT kênh AWGN fading đa đường Qua sinh viên nắm nguyên lý hoạt động HTTT số - Thông qua trình mơ plỗi , sinh viên nắm kỹ thuật công nghệ ứng dụng HTTT số xáo trộn, điều chế băng gốc, mã hóa, OFDM… làm sở để nghiên cứu mở rộng ứng dụng, giải pháp KT sử dụng HT Viễn thơng - Có thể sử dụng Matlab- Simulink thục cơng cụ hữu ích để nghiên cứu mở rộng giải pháp KT, ứng dụng HT Viễn thông bậc đào tạo sau Đại học Module thực hành dựa tài liệu Matlab nước kinh nghiệm thực tiễn nhóm nghiên cứu nhằm đạt hiệu cao giảng dạy Nội dung thực hành Phần thực hành Mô plỗi HTVT số Matlab cho môn HTVT chia thành 03 bài, có hướng dẫn với yêu cầu cụ thể cho sinh viên Yêu cầu thực hành học sinh – sinh viên phải nắm nội dung thực hành , sở nắm kỹ thuật sử dụng HTTT Cụ thể sau: - Bài 1: Tìm hiểu phần mềm Matlab-Simulink, phân tích khối thông dụng - Bài : Xây dựng mơ hình Hệ thống TT - Bài 3: Khảo sát, đánh giá chất lượng lỗi bít HTTT m.file BÀI TÌM HIỂU PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK, PHÂN TÍCH CÁC KHỐI THƠNG DỤNG Mục tiêu - Củng cố kiến thức Matlab học môn học trước - Nắm công cụ phần mềm Matlab-Simulink - Biết cách phân tích chức cấu trúc khối phần mềm Matlab-Simulink - Hình thành kỹ nghiên cứu, sáng tạo cho sinh viên trình học tập làm việc Kiến thức chuyên môn cho thực hành - Kiến thức Matlab, bao gồm: Khái niệm, phương pháp cài đặt, hệ thống công cụ, cách thực phép tính tốn thuật tốn bản… - Kiến thức Matlab- Simulink , bao gồm: Hệ thống Simulink, khối bản, thư viện ứng dụng… - Kiến thức kỹ thuật sử dụng HTTT số, bao gồm: tạo bít, xáo trộn, mã hóa, OFDM… Thực hành A Điều kiện thực - Máy tính (máy để bàn xách tay) có cấu hình tối thiểu Dual core 2.0, RAM 2Gb, HDD 120 Gb - Đĩa USB chứa phần mềm Matlab - Thời gian thực : B Trình tự thực - Kiểm tra hệ thống máy tính, đĩa cài - Giới thiệu phần mềm Matlab-simulink - Hướng dẫn phương pháp cài đặt Matlab - Hướng dẫn công cụ phần mềm Matlab-Simulink - Hướng dẫn sinh viên phương pháp phân tích chức nguyên lý làm việc khối Matlab-Simulink - Cho tập nhà TT Tên công việc Phương pháp cài đặt Matlab Thiết bị - Dụng cụ - Máy tính (máy để bàn xách tay) có cấu hình tối thiểu Dual core 2.0, RAM 2Gb, HDD Các công cụ 120 Gb - Đĩa USB chứa phần mềm MatlabMatlab Simulink Yêu cầu kỹ thuật - Cài đặt đúng, đủ thành phần Matlab - Nắm công cụ phần mềm MatlabSimulink Phương pháp phân tích chức cấu trúc khối MatlabSimulink Cho tập nhà - Nắm phương pháp phân tích chức cấu trúc khối Matlab-Simulink Sinh viên xây dựng hệ thống đúng, đảm bảo chức hoạt động không lỗi C Hướng dẫn thực T Tên công việc T Phương pháp cài đặt Matlab Hướng dẫn - Chuẩn bị máy tính, - Yêu cầu dung lượng ổ C yêu cầu trống 2Gb - Cách lấy key - Chú ý Copy hết số liệu Key Màn hình tạo Key - - Thứ tự cài đĩa 1, 2, - Chú ý hỏi lấy tiếp đĩa cài, chọn brow rõ vị trí đĩa 2, ( khơng chọn skip) - Màn hình hỏi đĩa - Màn hình Matlab sau cài xong Các công cụ phần mềm Matlab-Simulink 2.1 Cây thư mục simulink /commonly 2.2 - Phân tích thư mục: - simulink /commonly - Chú ý khối : - Sources - Sinks - Signal Routing - Phân tích thư mục: - simulink/blockset - Chú ý khối phần: - Channels - Comm Sources - Comm Sinks Cây thư mục simulink/blockset Phân tích chức nguyên lý làm việc khối Matlab-Simulink 3.1 Chức khối Tuyến phát Hướng dẫn phương pháp phân tích chức cấu trúc khối Matlab- Bộ tạo bít (Bernoulli Binary Generator) Đường dẫn Communication blockset/Radom data source : khối có nhiệm vụ tạo chuỗi bit ngẫu nhiên 0, theo phân bố Bernoulli Bít có xác suất p, bít có xác xuất 1-p Bộ điều chế đa mức M-QAM (Regtangular QAM Modulator) Đường dẫn: Communication blockset/Modulation/Digital baseband Modulation/AM/Regtangular QAM Modulator điều chế băng gốc bậc cao (M-QAM) nhằm tăng hiệu sử dụng phổ cơng suất điều chế tín hiệu Bộ điều chế đa mức PSK (M-PSK Modulator) Đường dẫn: Communication blockset/ Modulation/Digital baseband Modulation/PM/MPSK Modulator Kênh AWGN Đường dẫn: Communication blockset/Channels/ AWGN channel Tạo mẫu tạp âm có phân bố Gauss Kênh fading đa đường Rice Simulink Đường dẫn: Communication blockset/Channels/Rician fading channel - Tạo kênh fading đa đường có phân bố Rice Kênh Rayleigh Đường dẫn: Communication blockset/Channels/Multipath Rayleigh Channel - Tạo kênh fading đa đường có phân bố Rayleigh Tuyến thu Các khối giải điều chê cặp đôi với khối điều chế - Regtangular QAM de modulator - M-PSK demodulator Khối tính lỗi Đường dẫn: Communication blockset/comm sinks/Error Rate Caculation Khối hiển thị lỗi Đường dẫn :Simulink/sink/Display Khối hiển thị tín hiệu Đường dẫn: Communication blockset/Discret time Scatter plot 10 Khối Chuyển mạch Đường dẫn :Simulink/ Signal Routing/Selector 11 Khối Lưu trữ liệu Đường dẫn :Simulink/sink/to workspce 3.2 Chọn tham số cho khối Khối tạo bít Bernoulli Binary Chọn tham số cho tạo bit ngẫu nhiên: - Xác suất bit (Probability of a zero): Xác suất xuất số bit đầu ra, chọn 0.5 - Hạt giống ban đầu (Initial seed): Tạo bit ngẫu nhiên (chọn số bất kỳ) - Thời gian lấy mẫu (Sample time): Chọn phù hợp với hệ thống, thuận tiện để lấy mẫu theo cấu trúc khung liệu (chọn 4.10-6/4 hay /48; /92 ) - Mẫu khung (Samples per frame): lấy tương ứng giá trị 4, 48 hay 92… Khối điều chế đa mức M-QAM Các tham số: - M-ary number: phụ thuộc vào loại điều chế lựa chọn để điền tương ứng (4QAM, 16QAM, 64QAM) có số mũ bội (2k với k số nguyên mink = 2) - Dạng bit đầu vào (Input type): chọn dạng bit đầu vào, với dạng đầu vào bit nhị phân 0,1 - Công suất trung bình (Average power _watt): cơng suất trung bình sybol mảng Trường xuất “Normalization method” cài đặt chọn theo “Average Power” Trong thí nghiệm ta lựa chọn giá trị cơng suất trung bình watt để tiện so sánh điều chế (giữa M-QAM với điều chế M-PSK) - Phase offset (rad): độ lệch pha ban đầu điều chế; chọn Khối điều chế M-PSK - Chọn tương tự khối M-QAM - Chú ý Phase offset (rad): độ lệch pha ban đầu điều chế; ta chọn Tuyến thu: Bao gồm khối: khối giải điều chế đa mức, - Tiến hành tương tự, chọn tham số tương ứng với khối phát Kênh AWGN Kênh AWGN có tham số quan trọng: Mode, SNR input signal power Với khoảng SNR đặt theo hàm “snr_dB” để khảo sát nhiều giá trị • Mode: dạng tính tỷ lệ tín tạp Signal to noise ratio (Eb/No), Signal to noise ratio (Es/No), Signal to noise ratio (SNR), Variance from mask, Variance from port Ở chọn SNR • Input signal power(watts):Lựa chọn 1W đưa vào từ M-PSK hay M-QAM chuẩn hóa Kênh Rice 10 Bài tập nhà: Xây dựng sơ đồ khối HTTT đơn giản (Mơ hình 1) D Các dạng lỗi cách phòng ngừa TT Hiện tượng Nguyên nhân 14 Cách phòng ngừa Cài thiếu chức help chức thư viện Xây dựng mơ hình bị lỗi - Chưa insert đủ đĩa - Khơng tìm khối cần thiết - Chưa khai tham số khối - Insert đĩa đường dẫn trình cài đặt - Hiểu rõ thư mục - Đọc kỹ phần Help khối E Kiểm tra đánh giá: TT Nội dung đánh giá Các cấp độ đánh giá (Xuất sắc, giỏi, khá, trung bình, yếu, kém) Cài đặt đủ ứng dụng Xác định nhanh khối chức Hiểu nguyên lý làm việc khối Hiểu cách khai tham số khối Đảm bảo thời gian BÀI 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH CÁC HỆ THỐNG THƠNG TIN CƠ BẢN Mục tiêu - Củng cố kiến thức khối kỹ thuật ứng dụng Hệ thống thơng tin số, bao gồm: Tạo tín hiệu rời rạc, điều chế đa mức, Interleaver, Puncture, mã hóa, kênh thơng tin… - Hình thành kỹ xây dựng tính tốn, thiết kế hệ thống 15 - Rèn luyện kỹ nghiên cứu, sáng tạo cho sinh viên Kiến thức chuyên môn cho thực hành - Sơ đồ khối HTTT số - Các kỹ thuật ứng dụng Hệ thống thông tin số, bao gồm: Tạo tín hiệu rời rạc, điều chế đa mức, Interleaver, Puncture, mã hóa, kênh thơng tin… - Phương pháp phân tích chức cấu trúc khối Matlab-Simulink - Cách chọn tính tốn tham số khối (từ 1) Thực hành A Điều kiện thực - Máy tính (máy để bàn xách tay) có cấu hình tối thiểu Dual core 2.0, RAM 2Gb, HDD 120 Gb cài đủ phần mềm Matlab - Thời gian thực : B Trình tự thực - Giảng viên kiểm tra chữa tập nhà - Hướng dẫn sinh viên phương pháp xây dựng hệ thống thông tin theo phương pháp - Cho sinh viên thực hành tập theo hai phương pháp - Cho tập nhà TT Tên công việc Thiết bị - Dụng cụ Yêu cầu kỹ thuật Sinh viên xây dựng Giảng viên kiểm hệ thống đúng, đảm bảo tra chữa chức hoạt động tập nhà - Máy tính (máy để bàn khơng lỗi xách tay) có cấu hình tối Hướng thực hành thiểu Dual core 2.0, RAM Sinh viên xây dựng xây dựng mơ hình hệ thống đúng, đảm bảo 2Gb, HDD 120 Gb hệ thống thông tin chức hoạt động cài đủ phần mềm Matlab điển hình (mơ hình 2) theo phương pháp lấy từ thư viện ứng dụng không lỗi Đảm bảo thời gian thực (tối đa 30 phút/mơ hình) Sinh viên xây dựng hệ thống đúng, đảm bảo chức hoạt động không lỗi Thực hành tính thêm bớt khối tính tốn tham số theo yêu cầu Đảm bảo thời gian thực (tối đa 20 phút/mơ 16 hình) Sinh viên xây dựng hệ thống đúng, đảm bảo chức hoạt động không lỗi - Cho tập nhà Đảm bảo thời gian thực (tối đa 20 phút/khối) C Hướng dẫn thực TT Tên công việc Kiểm tra chữa Bài tập nhà: Xây dựng sơ đồ khối HTTT đơn giản (Mơ hình 1) 17 Hướng dẫn Thống cách tìm khối theo đường dẫn Thống cách khai tham số khối Hướng thực hành xây dựng mơ hình hệ thống thơng tin điển hình (mơ hình 2) theo phương pháp lấy từ thư viện ứng dụng Hướng dẫn bổ sung chức khối đặc biệt Convolutional Encoder: khối mã xoắn, có nhiệm vụ sửa lỗi FEC, nâng cao chất lượng BER hệ thống Các tham số khai sau: 18 Cách tìm mơ hình theo đường dẫn: Đường dẫn : Demos/Block sets/Communicatio n/Specific Application Cấu trúc mã : Trellis structure = poly2trellis(k[g1.g2].g1) Với k chiều dài ràng buộc, g1 g2 đa thức sinh định cấu trúc mã Tham số k, g1, g2 gán với giá trị thực hệ thống mơ plỗi chạy Trong thí nghiệm k,g1,g2 gán là: k=7, g1=133, g2=171 Đây mã thường dùng hệ thống thông tin số HIPERLAN II, LTE,… Bộ giải mã Viterbi Bộ xáo trộn theo ma trận Interleaver) 19 (Matrix Khối Matrix interleaver thực xáo trộn khối cách đọc bít vào theo ma trận theo hàng sau lấy giá trị đầu theo cột Các tham số: Number of rows: số hàng ma trận Number of column: số ma trận Trong thí nghiệm chọn tương ứng ma trận phù hợp với khối điều chế đa mức - 4QAM, 4PSK: chọn ma trân (16,6) 8PSK: chọn ma trận (16,9) 16QAM: chọn ma trận (16,12) 64QAM: chọn ma trận (16,18) Khối Puncture (Puncture) Có nhiệm vụ bỏ bớt bit mang thông tin cách sử dụng vecto Puncture nhằm tăng tốc độ mã hóa tiết kiệm băng thơng 20 Hình 4.13: Tham số đục lỗ Chọn tham số cho vecto Puncture là: [1 1 1 1] Vecto Puncture viết dạng mảng ma trận, muốn xóa bỏ bớt số bit thay bit 1= bit Trong thí nghiệm, Puncture chọn có tỷ lệ 4/6tức vecto Puncture là: [1 110 1] Bộ chèn bít (Insert zero) Bộ có nhiệm vụ ngược lại so với Puncture Nếu bên phát có Puncture bên thu có giải Puncture (Insert zero) để chèn giá trị vào vị trí tương ứng bị loại bỏ đầu phát, vecto giải Puncture giống đục lỗ 21 Thực hành tính thêm bớt khối tính tốn tham số theo yêu cầu: - Yêu cầu lược bỏ khối Block Interleaver để đơn giản hàm xáo trộn - Yêu cầu bỏ khối Puncture để đảm bảo độ tuyến tính đặc tuyến - Tính tốn lại tham số khối Cách thêm, bớt khối phương pháp tính tốn tham số theo u cầu - Cho tập nhà : Yêu cầu sinh viên xây dựng sơ đồ HPL2 với bậc điều chế khác nhau: 4QAM, 8PSK, 32 QAM D Các dạng sai lỗi cách phòng ngừa TT Hiện tượng Nguyên nhân 22 Cách phòng ngừa - Khơng xây dựng -Khơng tìm đường Hệ thống dẫn - Hệ thống chạy bị lỗi - Không khai tham số - Khơng tính tốn số bít - Đọc kỹ hướng dẫn đường dẫn Simulink - Đọc kỹ ý nghĩa tham số ( phần help khối) - Đọc kỹ cách tính tốn số bít E Kiểm tra đánh giá: TT Nội dung đánh giá Xây dựng hiểu cấu trúc HTTT Hiểu chức cách tính tốn tham số khối HTTT Xây dựng HTTT đảm bảo thời gian Các cấp độ đánh giá (Xuất sắc, giỏi, khá, trung bình, yếu, kém) BÀI KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LỖI BIT CỦA HTTT BẰNG M.FILE Mục tiêu 23 - Củng cố kiến thức Matlab học môn học trước - Nắm nguyên lý làm việc chức khối HT thông tin - Hiểu rõ phương pháp đánh giá chất lượng lỗi bit cho HT thông tin m.file Matlab - Biết cách Edit cho hình vẽ nhận xét kết - Hình thành kỹ nghiên cứu, sáng tạo cho sinh viên trình học tập làm việc Kiến thức chuyên môn cho thực hành - Kiến thức phần mềm m.file Matlab, bao gồm phép tính tốn thuật tốn bản… - Kiến thức Matlab- Simulink , bao gồm: Hệ thống Simulink, khối bản, thư viện ứng dụng… - Kiến thức kỹ thuật sử dụng HTTT số, bao gồm: tạo bít, xáo trộn, mã hóa, OFDM… - Phương pháp Edit cho hình vẽ nhận xét kết Thực hành A Điều kiện thực - Máy tính (máy để bàn xách tay) có cấu hình tối thiểu Dual core 2.0, RAM 2Gb, HDD 120 Gb - Đĩa USB chứa phần mềm Matlab - Thời gian thực : B Trình tự thực - Kiểm tra chữa tập - Giới thiệu phần mềm mô đánh giá tỷ lệ lỗi bít m.file Matlab - Hướng dẫn lệnh để đánh giá kết BER HT TT - Hướng dẫn phương pháp cho hình vẽ nhận xét kết - Cho tập nhà TT Tên công việc Kiểm tra chữa tập Thiết bị - Dụng cụ - Máy tính (máy để bàn xách tay) có cấu hình tối thiểu Dual core 2.0, RAM 2Gb, HDD 120 Gb Đã cài phần mềm Matlab 24 Yêu cầu kỹ thuật -Xây dựng HTTT theo cấu trúc yêu cầu - Hiểu rõ chức khối HTTT - Tính tốn tham số cho khối - Củng cố lại kiến thức Matlab học môn học trước Yêu cầu sinh viên nắm lệnh Matlab Giới thiệu phần mềm mô plỗi m.file Matlab Hướng dẫn cách tạo m.file Hướng dẫn lệnh Hướng dẫn lệnh để đánh giá kết BER HT TT - Hiểu rõ phương pháp đánh giá chất lượng lỗi bit cho HT thông tin m.file Matlab Chạy kết BER cho HT Hướng dẫn phương pháp Edit cho hình vẽ nhận xét kết - Biết cách Edit cho hình vẽ - Hiểu rõ ý nghĩa kỹ thuật HTTT để nhận xét đánh giá kết Cho tập nhà C Hướng dẫn thực T Tên công việc T Kiểm tra chữa tập Hướng dẫn Giới thiệu phần mềm mô plỗi m.file Matlab Hướng dẫn cách tạo m.file Hướng dẫn lệnh Matlab 25 Thống với sinh viên cách xây dựng mơ hình tính toán tham số - Chú ý cách khai biến hàm: - Hàm For - Hàm Semilogy - Hàm Draw… Hướng dẫn lệnh để đánh giá kết BER HT TT %Phan mem mo phong BER cac he thong Dieu che da muc snr_dB=0:2:20 %for K_rice=[4 16 32 100 1000] %for =[ 10 40 100 200] for n=1:length(snr_dB) %sim('HT16QAM') %sim('HT8PSK') %sim('HT8QAM') sim('HTHPL_4QAM') %sim('HT4PSK') ber(n)=(ber_ra); grid on hold on; semilogy(snr_dB(1:n),ber(1:n),'-ro'); drawnow; end %end Chạy kết BER cho HT 4QAM Hướng dẫn phương pháp Edit cho hình vẽ 26 Hướng dẫn cho sinh viên ý nghĩa, chức hàm - Hàm For Hàm Semilogy Hàm Draw… nhận xét kết - Chú ý lệnh Edit/Axes Properties (Tính chất trục đồ thị) Lệnh Insert ( chèn Tên đồ thị trục đồ thị) Lệnh Legend (Chú thích đường cong) Nhận xét kết quả: So sánh chất lượng BER HT TT sử dụng điều chế đa mức khác So sánh chất lượng BER HTTT có khơng sử dụng mã Convolutional code Từ có kết luận: mã Convolution cải thiện đáng kể chất lượng đặc tính BER HTTT đa mức Hệ thống TT OFDM dùng mã Convolution : Chỉ dùng đượcc điều kiện kênh có tính chất Gauss (k>16), tương đối tĩnh (d