giáo trình mô phỏng hệ thống thông tin

MƠN HỌC:

MƠ PHỎNG HỆ THỐNG THƠNG TIN
(Mã mơn học: ĐV6312 - 75 tiết - 4 ĐVHT)

Department of Radio Communication Engineering
9/9/2017
Faculty of Telecommunication Engineering

1


MÔN HỌC: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN -6312

I. MỤC ĐÍCH
Người học được trang bị những kiến thức cơ bản về vai trị của các
phương pháp mơ phỏng HTTT, các tập lệnh cơ bản của Matlab và các mơ
hình mơ phỏng cơ bản của HTTT, vận dụng Matlab để mô phỏng một số mơ
hình HTTT và phân tích kết quả mô phỏng; kiến thức được trang bị sẽ được
vận dụng trong học tập các nội dung liên quan và trong thực tế công việc.
II. YÊU CẦU
Người học được yêu cầu:
- Biết được vai trị của mơ phỏng, một số kiến thức cơ bản về phần mềm
mô phỏng Matlab;
- Xây dựng và mơ phỏng được một số mơ hình HTTT đơn giản;
- Phân tích, nhận xét kết quả mơ phỏng;
- Tích cực, tự giác; có kỹ năng làm việc nhóm.
III. NỘI DUNG
- Các mơ hình và phương pháp mơ phỏng;
- Phần mềm mô phỏng Matlab;
- Mô phỏng kênh thông tin.

9/9/2017

2


IV. THỜI GIAN: 75 tiết
(LT = 32, TH = 35, KT = 2, Thi kết thúc = 6).
V. ĐỊA ĐIỂM: Giảng đường phổ thơng, phịng thực hành.
VI. TỔ CHỨC: Lên lớp theo đội hình lớp học.
VII. PHƢƠNG PHÁP
1. Giảng viên: Thuyết trình, phân tích, nêu vấn đề, hướng dẫn thực hành.
2. Sinh viên: Nghe ghi, thảo luận, thực hành theo hướng dẫn.
VIII. VẬT CHẤT BẢO ĐẢM
1. Giảng viên: Bài giảng, KH giảng bài, tài liệu, máy tính, máy chiếu.
2. Sinh viên: Vở ghi, tài liệu, máy tính.
Giảng viên: Nguyễn Anh Đức

Email:

TÀI LIỆU
[1]. Nguyễn Quốc Bình, Các hệ thống thơng tin hiện nay trình bày qua sử dụng Matlab, HVKTQS, 2003.
[2]. Trần Xuân Nam, Mô phỏng các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng Matlab, HVKTQS, 2012.
[3]. Yong Soo Cho, MIMO-OFDM Wireless Communications With Matlab, John Wiley & Sons Pte
Ltd, 2010.
[4]. John G. Proakis, Masoud Salehi, Contemporary Communication Systems Using Matlab, PWS
Publishing Company, 1998
[5]. Mathuranathan V., Simulation of digital communication systems using Matlab, 2002.
9/9/2017

3

I. CÁC MƠ HÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP MƠ PHỎNG

1. Khái niệm và vai trị của mơ phỏng

Mơ phỏng máy tính là gì?




Mơ phỏng máy tính là phương pháp‰
:


Thiết kế mơ hình của một hệ thống THỰC hoặc LÝ THUYẾT;



Tiến hành thực nghiệm với mơ hình đó trên máy tính;



Phân tích kết quả thực hiện để hiểu biết về hoạt động của hệ
thống hoặc các chiến lược (thuật toán).

Thể hiện phương pháp “học đi đôi với hành” (learning by doing).

9/9/2017

4


Nhiệm vụ của mô phỏng

9/9/2017

5


Tại sao lại phải sử dụng mô phỏng?

 Cần

thiết sử dụng mơ phỏng trong các trường hợp sau:

hình q phức tạp với nhiều biến số và các phần tử tương
tác với nhau;
 Mô

‰
Quan

9/9/2017

hệ giữa các biến cơ bản là phi tuyến;

‰
Mơ

hình có chứa các biến số ngẫu nhiên;

‰
Kết

quả mơ hình cần hiển thị trên đồ họa 3D;

‰
Hệ

thống chưa tồn tại;

‰
Phi

thực tiễn (quá nguy hiểm)‰
;

6


Ƣu điểm của mơ phỏng
•
Mơ

hình có thể cấu hình lại và thực nghiệm lại

thể thực hiện với hệ thống thực tế do chi phí q cao
hoặc phi thực tế.
 Khơng

phép nghiên cứu hoạt động của hệ thống, rút ra kết luận về
các đặc tính liên quan đến thao tác của hệ thống thực và các hệ
thống con.

•
Cho

⇒ Mơ phỏng là công cụ đánh giá phẩm chất của một hệ thống
ĐANG TỒN TẠI hoặc đang được ĐỀ XUẤT dưới các cấu hình
quan tâm khác nhau, qua các chu kỳ thời gian thực

9/9/2017

7


Nhƣợc điểm của mơ phỏng
•
Cơng

cụ mơ phỏng (máy tính) đắt tiền, phần mềm chun dụng;

•
Để

thành lập được mơ hình địi hỏi phải được huấn luyện đặc
biệt (nghệ thuật và khoa học);

 Cần

 Có

9/9/2017

có cơng cụ thống kê để xử lý rất nhiều kết quả mô phỏng;

thể tốn thời gian và chi phí;

8


Ví dụ mơ phỏng
 Ví

dụ: Sử dụng Matlab mơ phỏng

‰
Newell


9/9/2017

teapot: teapotdemo.m

Traveling salesman: travel.m

9


Vị trí của mơ phỏng

9/9/2017

10


Tại sao lại sử dụng mô phỏng trong các HTTT
Các hệ thống truyền dẫn hiện đại yêu cầu truyền dẫn tin cậy, tốc
độ cao.
 Hạn chế:
- Công suất: Yêu cầu thiết bị gọn nhẹ, ảnh hưởng tới sức khỏe;
- Băng tần: Phổ tần gần cạn kiệt, nhà cung cấp dịch vụ tăng;
 Yêu cầu sử dụng các phương pháp xử lý phức tạp
- Điều chế bậc cao: Tăng hiệu suất sử dụng băng tần;
- Sử dụng mã sửa sai: Truyền dẫn tin cậy;
- San bằng kênh: Tránh ảnh hưởng của pha-đinh;
- Tách tín hiệu, triệt nhiễu: Tránh các nguồn nhiễu CCI, ACI


9/9/2017

11


Phương pháp đánh giá phẩm chất truyền thống là giải tích toán
học không hữu hiệu cho các hệ thống truyền dẫn hiện đại.
 Máy tính có thể sử dụng để mơ phỏng:
- Các chức năng phát: Điều chế, mã hóa (mã nguồn, mã
đường dây),…
- Các chức năng thu: Giải mã, san bằng, tách tín hiệu, triệt

nhiễu,…
- Ảnh hưởng của kênh truyền: Tạp âm, pha-đinh, nhiễu,…


9/9/2017

12


Động cơ cho mô phỏng
Công cụ:
- Sự phổ biến của máy tính do giá thành rẻ, tính năng cao;
- Sự phát triển của các kỹ thuật thiết kế và phân tích sử dụng
máy tính;
- Sự phát triển của các cơng cụ mơ phỏng có tính năng cao,
dễ dàng sử dụng.
 Tính tiện dụng:
- Cơng cụ mơ phỏng hoàn chỉnh đóng vai trị như một phịng
thí nghiệm cho phép kiểm tra tại các vị trí mong muốn;
- Cho phép thay đổi các tham số như băng tần, tham số bộ
lọc, hay SNR một cách dễ dàng;
- Quan sát hiệu quả của các phép thử dễ dàng bằng máy tính:
dạng sóng, phở tín hiệu, sơ đờ mẫu mắt, chịm sao tín hiệu,
BER,...


9/9/2017

13

Mơ phỏng vs. Giải tích (Ví dụ 1)
• Trùn dẫn qua kênh AWGN

Tuyến
tính

 Hệ thống tuyến tính
 Xác suất lỡi:
9/9/2017

14


Mơ phỏng vs. Giải tích (Ví dụ 1)
• Các lý do cho phép phân tích hệ thống VD1 dễ dàng
Thống kê quyết định trở thành
- Kênh truyền AWGN;
biến Gauss ngẫu nhiên
- Máy thu tuyến tính;
- Nguồn dữ liệu khơng nhớ;
- Giả thiết đồng bộ dấu (symbol) lý tưởng.
• Có cần xây dựng chương trình mơ phỏng cho hệ thống VD1
khơng? Có!
- Hệ thống cơ bản làm cơ sở mở rộng sang các hệ thống phức
tạp khác (Ví dụ: Thay Gauss bằng Rayleigh);
- Xây dựng chương trình từ đơn giản đến phức tạp cho phép
kiểm tra tính chính xác của chương trình xây dựng được.

9/9/2017

15


Mơ phỏng vs. Giải tích (Ví dụ 2)
• Hệ thống trùn dẫn qua kênh ISI

Tuyến
tính

• KĐCS phi tuyến gây méo hài và méo điều chế lẫn nhau, làm cho phổ
đầu ra rộng hơn;
• Bợ lọc băng thơng đầu ra suy giảm méo hài và méo điều chế lẫn nhau,
tuy nhiên lại gây cho tín hiệu bị phân tán theo thời gian, tạo nên ISI .
9/9/2017

16


Mơ phỏng vs. Giải tích (Ví dụ 2)
• Hệ quả của hiện tượng ISI
- Tách một dấu phụ thuộc vào k dấu trước đó
- Nếu tín hiệu nhị phân có 2k trường hợp

• Do kênh AWGN nên mỡi xác suất là hàm Q(.), nên có thể tính
được, tuy nhiên, phép tốn tương đối phức tạp và nhàm chán.
• Mơ phỏng thường được sử dụng thay cho giải tích.

9/9/2017

17


Mơ phỏng vs. Giải tích (Ví dụ 2)
• Các lý do cho phép hệ thống ở VD 2 có thể phân tích được:
- Do hệ thống từ đầu vào máy thu (điểm xuất hiện tạp âm cho
đến khi xuất hiện thống kê quyết định
là tuyến tính;
- Thống kê quyết định
• Do tạp âm là AWGN nên Nk cũng là AWGN do phép biến đổi
tuyến tính.
• Kết quả là
cũng là một biến Gauss với cùng phương sai như
Nk và giá trị trung bình
• Có thể tính được pdf của
và từ đó tính được xác suất lỡi.

9/9/2017

18


Mơ phỏng vs. Giải tích (Ví dụ 3)
• Hệ thống thông tin vệ tinh

Tạp âm
không phải
AWGN

9/9/2017

19


Mơ phỏng vs. Giải tích (Ví dụ 3)
• Lý do hệ thống ở VD 3 khơng thể phân tích được:
- Có hai nguồn tạp âm (UL và DL);
- Tuy nhiên tạp âm UL đi qua bộ KĐ phi tuyến nên khó xác định.
• Mơ phỏng được sử dụng thay thế.

9/9/2017

20


2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng
• Là bước đầu trong phát triển chương trình mơ phỏng
• Mơ hình thường được biểu diễn ở dạng toán học và thuật toán
mô tả mối quan hệ vào/ra của hệ thống;
• Yêu cầu: Xây dựng được chương trình mơ hình đầy đủ các tính
năng cần thiết nhưng khơng q phức tạp để thực hiện bằng máy
tính thơng dụng  cần có sự thỏa hiệp:
- Tính chính xác;
- Đợ phức tạp;
- Và u cầu tính tốn của mơ hình.

9/9/2017

21

Các loại mơ hình
• Hai loại mơ hình:
- Mơ hình giải tích: Hệ phương trình tốn học xác định mối quan
hệ vào ra (phương trình hệ thống). Các cơng thức có độ chính
xác trong một phạm vi nhất định;
- Mơ hình mơ phỏng: Tập hợp các thuật tốn thực hiện các giải
pháp tính tốn bằng sớ (numerical) của các cơng thức xác định
mơ hình giải tích.

Hình: Lược đồ xây dựng mơ hình mơ phỏng
9/9/2017

22


Quan hệ giữa đợ phức tạp và sai số

Có thể thấy rằng một mơ hình có độ phức tạp thấp có sai số mơ
hình hóa lớn, nhưng lại u cầu thời gian chạy mơ phỏng ngắn.
Ngược lại, mơ hình có độ phức tạp lớn có sai số nhỏ nhưng lại yêu
cầu thời gian mô phỏng dài.
9/9/2017

23


3. Các phƣơng pháp mơ phỏng
• Hai phương pháp mơ phỏng cơ bản:
- Mô phỏng xác định;

- Mô phỏng ngẫu nhiên.
• Mơ phỏng xác định:
- Sử dụng ở trong thiết kế mạch điện như SPICE (tạo ra một
mạch điện và cấp dòng đầu vào);
- Do mạch điện và nguồn đầu vào cố định nên kết quả mỗi lần
chạy mô phỏng là xác định và có thể tính bằng tay;
- Mơ phỏng được sử dụng để tiết kiệm thời gian và tránh các
sai số do tính tốn.
• Mơ phỏng ngẫu nhiên
- Khi kết quả chạy mô phỏng là ngẫu nhiên;
- VD: Nguồn đầu vào là mẫu (sample của quá trình ngẫu
nhiên) hay kênh truyền ngẫu nhiên  thường xuất hiện
trong các hệ thống thông tin.
9/9/2017

24


Các tham sớ đánh giá phẩm chất
• Đối với các hệ thống tương tự: Thường là SNR hay CNR (Carrierto-Noise Ratio):

• Đối với các hệ thống thơng tin sớ: BER (Tỉ lệ lỗi bit), SER
(Symbol Error Rate) hay FER (Frame Error Rate), thường được
xác định bằng mô phỏng Monte-Carlo:
N: bit được truyền đi, Ne: bit lỗi ở đầu ra

Nfe: số khung thu lỗi; Nf: tổng số khung gửi đi

9/9/2017

25