MATLAB va ung dung trong vien thong
TS. PHẠM HỒNG LIÊN ĐẶNG NGỌC KHOA - TRẦN THANH PHƯƠNG MATLAB VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỄN THÔNG Tháng 11/2005 LÔØI NOÙI ÑAÀU ii iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC iii 1. MỞ ĐẦU . 3 1.1. NHẬP MỘT DÒNG LỆNH 3 1.2. CÔNG CỤ GIÚP ĐỢ 5 1.3. DỪNG MỘT LỆNH HAY CHƯƠNG TRÌNH 6 1.4. ĐƯỜNG DẪN .6 1.5. KHÔNG GIAN LÀM VIỆC (WORKSPACE) . 6 1.6. SAVE VÀ LOAD DỮ LIỆU 7 2. CƠ BẢN VỀ CÚ PHÁP VÀ BIẾN . 9 2.1. MATLAB NHƯ LÀ MỘT CÔNG CỤ TÍNH TOÁN . 9 2.2. PHÉP GÁN VÀ BIẾN 10 3. PHÉP TOÁN VỚI VECTOR VÀ MA TRẬN 14 3.1. VECTOR . 14 3.1.1. DẤU ‘:’ VÀ PHẦN TRÍCH RA TỪ VECTOR . 15 3.1.2. VECTOR CỘT VÀ PHÉP CHUYỂN VỊ 16 3.1.3. NHÂN, CHIA VÀ SỐ MŨ CỦA VECTƠ . 17 3.2. MA TRẬN . 19 3.2.1. NHỮNG MA TRẬN ĐẶC BIỆT 21 3.2.2. XÂY DỰNG MA TRẬN VÀ TRÍCH RA MỘT MA TRẬN CON TỪ MỘT MA TRẬN LỚN HƠN 23 3.2.3. TÍNH TOÁN VỚI MA TRẬN 27 4. ĐỒ THỊ 2D VÀ 3D 32 4.1. NHỮNG ĐỒ THỊ ĐƠN GIẢN 32 4.2. MỘT SỐ HÀM ĐƯC SỬ DỤNG TRONG VẼ ĐỒ THỊ . 34 4.3. CÁC THUỘC TÍNH KHÁC CỦA ĐƯỜNG CONG 2D . 37 4.4. IN ẤN .38 4.5. ĐỒ THỊ 3D 39 iv 4.6. BỀ MẶT ĐỒ THỊ .40 4.7. HÌNH ĐỘNG .46 5. BIỂU THỨC RẼ NHÁNH 49 5.1. CÁC TOÁN TỬ LOGIC VÀ BIỂU THỨC QUAN HỆ .49 5.2. BIỂU THỨC ĐIỀU KIỆN .53 5.3. VÒNG LẶP .56 6. TẬP LỆNH VÀ HÀM . 60 6.1. TẬP LỆNH M-FILE .60 6.2. HÀM M-FILE 61 6.2.1. NHỮNG BIẾN ĐẶC BIỆT TRONG HÀM .63 6.2.2. BIẾN TOÀN CỤC VÀ BIẾN CỤC BỘ .64 6.2.3. CÁCH GỌI HÀM GIÁN TIẾP .65 6.3. TẬP TIN VÀ HÀM .66 7. VĂN BẢN 69 7.1. CHUỖI KÝ TỰ 69 7.2. XUẤT VÀ NHẬP VĂN BẢN .71 8. GIAO DIỆN NGƯỜI SỬ DỤNG (GUI) . 77 8.1. CÁCH LÀM VIỆC CỦA MỘT GUI 77 8.2. TẠO VÀ HIỂN THỊ MỘT GUI .79 8.3. THUỘC TÍNH CỦA CÁC ĐỐI TƯNG 85 8.4. CÁC THÀNH PHẦN TẠO NÊN GUI .86 8.4.1. Text Fields .87 8.4.2. Edit Boxes .87 8.4.3. Frames .88 8.4.4. Pushbuttons 89 8.4.5. Toggle Buttons .89 8.4.6. Checkboxes và Radio Buttons .90 8.4.7. Popup Menus 91 8.4.8. List Boxes 93 8.4.9. Sliders .95 9. TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG 91 v 9.1. BIỂU DIỄN MỘT TÍN HIỆU TRONG MATLAB .91 9.2. TẠO TÍN HIỆU: VECTOR THỜI GIAN 91 9.3. LÀM VIỆC VỚI CÁC FILE DỮ LIỆU . 94 9.4. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC 94 9.5. CÁC HÀM KHÁC ĐỂ THỰC HIỆN LỌC 97 9.5.1. THỰC HIỆN BĂNG LỌC ĐA TỐC ĐỘ (MULTIRATE FILTER BANK) 97 9.5.2. KHỬ MÉO PHA CHO BỘ LỌC IIR 98 9.5.3. THỰC HIỆN BỘ LỌC TRONG MIỀN TẦN SỐ 99 9.6. ĐÁP ỨNG XUNG 100 9.7. ĐÁP ỨNG TẦN SỐ 100 9.7.1. TRONG MIỀN SỐ . 100 9.7.2. TRONG MIỀN ANALOG 101 9.7.3. ĐÁP ỨNG BIÊN ĐỘ VÀ ĐÁP ỨNG PHA . 101 9.7.4. THỜI GIAN TRỄ 102 9.8. GIẢN ĐỒ CỰC – ZERO 103 9.9. CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG TUYẾN TÍNH 104 9.9.1. CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG RỜI RẠC THEO THỜI GIAN . 104 9.9.2. CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG LIÊN TỤC THEO THỜI GIAN .108 9.9.3. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HỆ THỐNG TUYẾN TÍNH . 108 9.10. BIẾN ĐỔI FOURIER RỜI RẠC . 109 10. THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC . 117 10.1. CÁC CHỈ TIÊU THIẾT KẾ BỘ LỌC 117 10.2. THIẾT KẾ BỘ LỌC IIR . 118 10.2.1. THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC IIR CỔ ĐIỂN DỰA TRÊN CÁC NGUYÊN MẪU ANALOG . 119 10.2.2. THIẾT KẾ TRỰC TIẾP CÁC BỘ LỌC IIR TRONG MIỀN SỐ . 126 10.2.3. THIẾT KẾ BỘ LỌC BUTTERWORTH TỔNG QUÁT . 127 10.2.4. PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH THÔNG SỐ .128 10.3. THIẾT KẾ BỘ LỌC FIR 129 10.3.1. CÁC BỘ LỌC CÓ PHA TUYẾN TÍNH . 129 10.3.2. PHƯƠNG PHÁP CỬA SỔ (WINDOWING) .130 vi 10.3.3. THIẾT KẾ BỘ LỌC FIR NHIỀU DẢI TẦN VỚI CÁC DẢI CHUYỂN TIẾP 133 10.3.4. THIÊÁT KẾ BỘ LỌC FIR VỚI GIẢI THUẬT BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU CÓ GIỚI HẠN (CLS – CONSTRAINED LEAST SQUARE) 136 10.3.5. THIẾT KẾ BỘ LỌC FIR CÓ ĐÁP ỨNG TẦN SỐ TÙY CHỌN .139 10.4. THỰC HIỆN BỘ LỌC 141 11. CƠ BẢN VỀ XỬ LÝ ẢNH SỐ . 147 11.1. BIỂU DIỄN ẢNH VÀ XUẤT NHẬP ẢNH .147 11.1.1. CÁC KIỂU HÌNH ẢNH TRONG MATLAB .147 11.1.2. ĐỌC VÀ GHI CÁC DỮ LIỆU ẢNH 150 11.1.3. CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC KIỂU DỮ LIỆU 151 11.1.4. CÁC PHÉP TOÁN SỐ HỌC CƠ BẢN ĐỐI VỚI DỮ LIỆU ẢNH 152 11.1.5. CÁC HÀM HIỂN THỊ HÌNH ẢNH TRONG MATLAB 155 11.2. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC .156 11.2.1. PHÉP NỘI SUY ẢNH .156 11.2.2. THAY ĐỔI KÍCH THƯỚC ẢNH 156 11.2.3. PHÉP QUAY ẢNH .157 11.2.4. TRÍCH XUẤT ẢNH 158 11.2.5. THỰC HIỆN PHÉP BIẾN ĐỔI HÌNH HỌC TỔNG QUÁT .158 11.3. CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI ẢNH .160 11.3.1. BIẾN ĐỔI FOURIER .160 11.3.2. BIẾN ĐỔI COSINE RỜI RẠC .163 11.3.3. BIẾN ĐỔI RADON .165 11.3.4. PHÉP BIẾN ĐỔI FAN-BEAM .168 12. NÂNG CAO CHẤT LƯNG ẢNH . 176 12.1. PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI MỨC XÁM .176 12.2. CÂN BẰNG HISTOGRAM 180 12.2.1. TẠO VÀ VẼ BIỂU ĐỒ HISTOGRAM 180 12.2.2. CÂN BẰNG HISTOGRAM .181 12.3. LỌC ẢNH 186 12.3.1. LỌC TUYẾN TÍNH 187 12.3.2. LỌC PHI TUYẾN .191 vii 12.3.3. LỌC THÍCH NGHI . 194 13. NÉN ẢNH SỐ . 199 13.1. PHƯƠNG PHÁP MÃ HOÁ XỬ LÝ KHỐI BTC (BLOCK TRUNCATING CODING) 199 13.2. NÉN TỔN HAO DỰA VÀO DCT . 201 13.3. NÉN ẢNH BẰNG GIẢI THUẬT PHÂN TÍCH TRỊ RIÊNG (SVD) 205 13.3.1. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP SVD 205 13.3.2. ỨNG DỤNG SVD ĐỂ NÉN ẢNH SỐ . 206 14. MÃ HÓA NGUỒN . 203 14.1. TẠO MỘT NGUỒN TÍN HIỆU 203 14.2. LƯNG TỬ HÓA TÍN HIỆU . 206 14.3. TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH LƯNG TỬ . 208 14.4. ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG VI SAI DPCM (DIFFERENTIAL PULSE CODE MODULATION) . 209 14.5. TỐI ƯU HOÁ CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH MÃ HÓA DPCM . 210 14.6. NÉN VÀ GIÃN TÍN HIỆU 211 14.7. MÃ HÓA HUFFMAN 213 14.8. MÃ HÓA SỐ HỌC (ARITHMETIC CODING) . 215 15. TRUYỀN DẪN BASEBAND VÀ PASSBAND 219 15.1. ĐIỀU CHẾ TƯƠNG TỰ . 219 15.2. ĐIỀU CHẾ SỐ . 221 16. KÊNH TRUYỀN VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯNG KÊNH TRUYỀN . 231 16.1. KÊNH TRUYỀN AWGN (ADDITIVE WHITE GAUSSIAN NOISE) .231 16.2. KÊNH TRUYỀN FADING . 235 16.3. KÊNH TRUYỀN ĐẢO BIT NHỊ PHÂN 239 16.4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯNG THÔNG QUA MÔ PHỎNG (PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO) 240 16.5. TÍNH XÁC SUẤT LỖI TRÊN LÝ THUYẾT . 243 16.6. MỘT SỐ CÔNG CỤ HỖ TR ĐỂ VẼ ĐỒ THỊ BER 245 16.7. GIẢN ĐỒ MẮT (EYE DIAGRAM) . 247 16.8. ĐỒ THỊ PHÂN BỐ (SCATTER PLOT) 249 viii 16.9. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯNG DÙNG KỸ THUẬT SEMIANALYTIC (BÁN PHÂN TÍCH) 250 17. MÃ HÓA KÊNH TRUYỀN 256 17.1. MÃ KHỐI .256 17.1.1. BIỂU DIỄN MỘT PHẦN TỬ TRONG TRƯỜNG GALOIS 257 17.1.2. MÃ REED-SOLOMON 258 17.1.3. MÃ BCH .262 17.1.4. MÃ KHỐI TUYẾN TÍNH .264 17.2. MÃ CHẬP .269 17.2.1. DẠNG ĐA THỨC CỦA BỘ MÃ HOÁ CHẬP .270 17.2.2. DẠNG CẤU TRÚC TRELLIS CỦA BỘ MÃ HÓA CHẬP .271 17.2.3. MÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ MÃ CHẬP 273 18. CÁC BỘ CÂN BẰNG . 281 18.1. CÁC BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI .281 18.1.1. BỘ CÂN BẰNG KHOẢNG CÁCH KÝ HIỆU .281 18.1.2. BỘ CÂN BẰNG ĐỊNH KHOẢNG TỶ LỆ 282 18.1.3. BỘ CÂN BẰNG HỒI TIẾP QUYẾT ĐỊNH .283 18.2. CÁC GIẢI THUẬT CÂN BẰNG THÍCH NGHI 284 18.2.1. GIẢI THUẬT BÌNH PHƯƠNG TRUNG BÌNH CỰC TIỂU (LMS – LEAST MEAN SQUARE) .284 18.2.2. GIẢI THUẬT LMS CÓ DẤU (SIGN LMS) 285 18.2.3. GIẢI THUẬT LMS CHUẨN HÓA (NORMALIZED LMS) 285 18.2.4. GIẢI THUẬT LMS CÓ BƯỚC NHẢY THAY ĐỔI (VARIABLE-STEP- SIZE LMS) .285 18.2.5. GIẢI THUẬT BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU HỒI QUY (RLS – RECURSIVE LEAST SQUARE) 285 18.2.6. GIẢI THUẬT MODULUS HẰNG SỐ (CONSTANT MODULUS ALGORITHM) .286 18.3. SỬ DỤNG CÁC BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI TRONG MATLAB 286 18.3.1. XÁC ĐỊNH GIẢI THUẬT THÍCH NGHI 286 18.3.2. XÂY DỰNG ĐỐI TƯNG MÔ TẢ BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI .288 18.3.3. TRUY XUẤT VÀ HIỆU CHỈNH CÁC ĐẶC TÍNH CỦA BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI .289 ix 18.3.4. SỬ DỤNG BỘ CÂN BẰNG THÍCH NGHI .289 18.4. CÁC BỘ CÂN BẰNG MLSE . 295 PHỤ LỤC . 303 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 324