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.
Trang 1THIẾT KẾ XÂY DỰNG BÀI THỰC HÀNH
MÔ PHỎNG HTTT SỐ TRÊN MATLAB
1 Đặt vấn đề
Trong xã hội ngày nay, các sinh viên khi tốt nghiệp không chỉ cần nắmchắc 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 nghiêncứu thấy rõ sự cần thiết khi đưa nội dung mô plỗi đánh giá chất lượng của Hệthống thông tin (HTTT) vào chương trình giảng dạy chính khóa cho sinh viênchuyên ngành Điện tử-truyền thông Việc đưa nội dung mô plỗi HTTT trênphần mềm Matlab sẽ giúp sinh viên :
- Sử dụng phần mềm Matlab- Simulink với tư cách là một ngôn ngữ lập trình bậc cao
để mô plỗi đánh giá chất lượng HTTT trên các kênh AWGN và fading đa đường Qua đó sinh viên sẽ nắm chắc nguyên lý hoạt động của HTTT số.
- Thông qua quá trình mô plỗi , các sinh viên nắm chắc hơn các kỹ thuật và công nghệ ứng dụng trong HTTT số như xáo trộn, điều chế băng gốc, mã hóa, OFDM… làm cơ sở để nghiên cứu mở rộng các ứng dụng, các giải pháp KT sử dụng trong HT Viễn thông.
- Có thể sử dụng Matlab- Simulink thuần thục như một công cụ hữu ích để nghiên cứu
mở rộng các giải pháp KT, các ứng dụng trong HT Viễn thông tại các bậc đào tạo sau Đại học Module các bài thực hành cơ bản dựa trên các tài liệu về Matlab trong và ngoài nước cũng như kinh nghiệm thực tiễn của nhóm nghiên cứu nhằm đạt hiệu quả cao nhất trong giảng dạy.
2 Nội dung các bài thực hành.
Phần thực hành cơ bản về Mô plỗi HTVT số trên Matlab cho môn HTVTđược chia thành 03 bài, mỗi bài có hướng dẫn với các yêu cầu cụ thể cho cácsinh viên Yêu cầu của mỗi bài thực hành là học sinh – sinh viên phải nắm đượcnội dung bài thực hành , trên cơ sở đó nắm chắc các kỹ thuật được sử dụng trongHTTT Cụ thể như sau:
- Bài 1: Tìm hiểu phần mềm Matlab-Simulink, phân tích các khối thông dụng
- Bài 2 : Xây dựng mô hình các Hệ thống TT cơ bản
- Bài 3: Khảo sát, đánh giá chất lượng lỗi bít của HTTT bằng m.file
BÀI 1
TÌM HIỂU PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK, PHÂN TÍCH CÁC KHỐI THÔNG DỤNG
1 Mục tiêu
- Củng cố kiến thức cơ bản về Matlab đã được học trong các môn học trước
- Nắm chắc các công cụ cơ bản của phần mềm Matlab-Simulink
Trang 2- Biết cách phân tích chức năng và cấu trúc của các khối cơ bản trong phầnmềm Matlab-Simulink
- Hình thành kỹ năng nghiên cứu, sáng tạo cho sinh viên trong quá trình học tập
và làm việc
2 Kiến thức chuyên môn cho bài thực hành
- Kiến thức cơ bản về Matlab, bao gồm: Khái niệm, phương pháp cài đặt, hệ
thống thanh công cụ, cách thực hiện các phép tính toán và thuật toán cơ bản…
- Kiến thức cơ bản về Matlab- Simulink , bao gồm: Hệ thống Simulink, các khối
cơ bản, các thư viện ứng dụng…
- Kiến thức về các kỹ thuật sử dụng trong HTTT số, bao gồm: tạo bít, xáo trộn,
mã hóa, OFDM…
3 Thực hành
A Điều kiện thực hiện
- Máy tính (máy để bàn hoặc xách tay) có cấu hình tối thiểu là Dual core 2.0,RAM 2Gb, HDD 120 Gb
- Đĩa hoặc USB chứa phần mềm Matlab
- Thời gian thực hiện : 5 giờ
B Trình tự thực hiện
- Kiểm tra hệ thống máy tính, đĩa cài
- Giới thiệu phần mềm Matlab-simulink
- Hướng dẫn phương pháp cài đặt Matlab
- Hướng dẫn các công cụ cơ bản của phần mềm Matlab-Simulink
- Hướng dẫn sinh viên phương pháp phân tích chức năng và nguyên lý làm việccủa các khối cơ bản trong Matlab-Simulink
- Cho bài tập về nhà
Trang 34 4 Cho bài tập
về nhà
Sinh viên xây dựng
hệ thống đúng, đảmbảo chức năng vàhoạt động không lỗi
C Hướng dẫn thực hiện
T
T
1 Phương pháp cài đặt Matlab
- Màn hình khi tạo Key
- Màn hình khi hỏi đĩa tiếp theo
- Màn hình cơ bản của Matlab sau khi cài xong
- Chuẩn bị máy tính,
- Yêu cầu dung lượng
ổ C yêu cầu trống ít nhất 2Gb.
- Cách lấy key
- Chú ý Copy hết số liệu của Key
- Thứ tự cài các đĩa 1,
2, 3
- Chú ý khi hỏi lấy tiếp đĩa cài, chọn brow và chỉ rõ vị trí của đĩa 2, 3 ( không chọn skip)
Trang 52 Các công cụ cơ bản của phần mềm Matlab-Simulink
2.1 Cây thư mục simulink /commonly
2.2 Cây thư mục simulink/blockset
- Phân tích cây thư mục:
- simulink /commonly
- Chú ý các khối trong :
- Channels
- Comm Sources
- Comm Sinks
3 Phân tích chức năng và nguyên lý làm việc của các
khối cơ bản trong Matlab-Simulink
3.1 Chức năng các khối cơ bản
Tuyến phát
Hướng dẫn phương pháp phân tích chức năng và cấu trúc của các khối cơ bản trong Matlab-
Trang 61 Bộ tạo bít (Bernoulli Binary Generator)
Đường dẫn Communication blockset/Radom data
source :
khối có nhiệm vụ tạo ra chuỗi các bit ngẫu nhiên 0,
1 theo phân bố Bernoulli Bít 0 có xác suất p, bít 1
Modulation/AM/Regtangular QAM Modulator
là các bộ điều chế băng gốc bậc cao (M-QAM)
nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ công suất khi điều
chế tín hiệu
3 Bộ điều chế đa mức PSK (M-PSK Modulator)
Đường dẫn: Communication blockset/
Modulation/Digital baseband
Modulation/PM/M-PSK Modulator
Simulink
Trang 7Đường dẫn: Communication blockset/Channels/Rician fading channel
- Tạo ra kênh fading đa đường có phân bố Rice
6 Kênh Rayleigh
Đường dẫn: Communication
blockset/Channels/Multipath Rayleigh Channel
- Tạo ra kênh fading đa đường có phân bố Rayleigh
9 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 dữ liệu
Đường dẫn :Simulink/sink/to workspce
3.2 Chọn tham số cho các khối
1 Khối tạo bít Bernoulli Binary
Trang 8Chọn tham số cho bộ tạo bit ngẫu nhiên:
-Xác suất của bit 0 (Probability of a zero): Xác suất
xuất hiện số bit 0 đầu ra, chọn là 0.5
-Hạt giống ban đầu (Initial seed): Tạo các 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 dữ liệu (chọn 4.10 -6 /4 hay /48; /92 )
-Mẫu trên mỗi khung (Samples per frame): lấy tương
ứng giá trị 4, 48 hay 92…
2 Khối điều chế đa mức M-QAM
Trang 9Các tham số:
- M-ary number: phụ thuộc vào loại điều chế lựa chọn
để điền tương ứng (4QAM, 16QAM, 64QAM) là có số mũ bội của 2 (2 k với k là số nguyên và min k = 2).
- Dạng bit đầu vào (Input type): chọn dạng bit đầu vào,
với dạng đầu vào là bit nhị phân 0,1.
- Công suất trung bình (Average power _watt): là công
suất trung bình của các sybol trong mảng Trường này chỉ
xuất hiện khi “Normalization method” được cài đặt chọn theo “Average Power” Trong thí nghiệm ta lựa chọn giá trị
công suất trung bình là 1 watt để tiện so sánh các bộ điều chế (giữa M-QAM với các bộ điều chế M-PSK).
- Phase offset (rad): là độ lệch pha ban đầu của bộ
điều chế; chọn bằng 0.
3 Khối điều chế M-PSK
- Chọn tương tự khối M-QAM
- Chú ý Phase offset (rad): là độ lệch pha ban đầu của
bộ điều chế; ta chọn bằng 0.
Tuyến thu:
Bao gồm các khối: khối giải điều chế đa mức,
- Tiến hành tương tự, chọn tham số tương ứng với khối phát
Trang 104 Kênh AWGN
Kênh AWGN có 3 tham số quan trọng: Mode, SNR
và input signal power.
Với khoảng SNR đặt theo hàm “snr_dB” để khảo sát nhiều giá trị
•Mode: là các dạng tính tỷ lệ tín trên tạp như Signal to
noise ratio (Eb/No), Signal to noise ratio (Es/No), Signal to noise ratio (SNR), Variance from mask, Variance from port Ở
đây chọn SNR.
• Input signal power(watts):Lựa chọn 1W nếu được
đưa vào từ M-PSK hay M-QAM chuẩn hóa
5 Kênh Rice
Trang 11- Kênh Rice có 3 tham số quan trọng: Tham số K_rice,
hệ số Doppler, thời gian lấy mẫu trên khung tin 4e-6 (là giá trị tính toán cho phù hợp từ khi tiếp nhận cấu trúc khung dữ
liệu của các bít đầu vào lựa chọn tại khối Bernoulli Binary)
• K-factor: Lựa chọn giá trị tham số K_rice là một biến
để khảo sát với các giá trị đặc trưng, thuận tiện cho sự khảo sát và thao dõi kết quả Trong thí nghiệm lựa chọn K_rice=[5
30 100] là ba mốc gắn với thực tế khi D là hằng số, K_rice =
20 khi D là một biến.
• Maximum Doppler shift (Hz): Lựa chọn giá trị tham số
Doppler là một biến để khảo sát với các giá trị đặc trưng Trong thí nghiệm lựa chọn Doppler=[ 10 50 100] khi K cố định và Doppler = 30 khi K là một biến số.
Tương tự như trên, các tham số của tuyến thu được lựa chọn phù hợp với tuyến phát
Lưu ý : khối giải mã Viterbi” có đặt độ sâu “Traceback= 34” Vì vậy khối tính lỗi (Erro rate caculation) cũng đặt độ trễ
Receive delay =34.
6 Khối Tính lỗi
Trang 127 Khối Hiển thị lỗi
8 Khối Hiển thị tín hiệu
Trang 139 Khối chuyển mạch (Selector)
10 Khối lưu trữ dữ liệu To Workspace
Trang 144 Bài tập về nhà:
Xây dựng sơ đồ khối HTTT đơn giản (Mô hình 1)
Trang 15- Cài thiếu chức năng
help hoặc chức năng thư
viện.
- Xây dựng mô hình bị
lỗi.
- Chưa insert đủ các đĩa.
- Không tìm được khối cần thiết.
- Chưa khai đúng tham số của khối.
- Insert đúng đĩa hoặc đường dẫn trong quá trình cài đặt.
- Hiểu rõ cây thư mục
- Đọc kỹ phần Help trong các khối
E Kiểm tra đánh giá:
Các cấp độ đánh giá (Xuất sắc, giỏi, khá, trung bình, yếu, kém)
Xác định nhanh và đúng các khối chức năng
Hiểu nguyên lý làm việc của các khối
Hiểu cách khai tham số các khối
Đảm bảo thời gian
BÀI 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN CƠ BẢN
1 Mục tiêu
- Củng cố kiến thức về các khối và các kỹ thuật ứng dụng trong Hệ thống thông tin số, bao gồm: Tạo tín hiệu rời rạc, điều chế đa mức, Interleaver, Puncture, mã hóa, các kênh thông tin…
- Hình thành kỹ năng xây dựng và tính toán, thiết kế hệ thống
Trang 16- Rèn luyện kỹ năng nghiên cứu, sáng tạo cho sinh viên
2 Kiến thức chuyên môn cho bài thực hành
A Điều kiện thực hiện
- Máy tính (máy để bàn hoặc xách tay) có cấu hình tối thiểu là Dual core 2.0, RAM 2Gb, HDD 120 Gb đã được cài đủ phần mềm Matlab
- Thời gian thực hiện : 5 giờ
B Trình tự thực hiện
- Giảng viên kiểm tra và chữa bài tập về nhà
- Hướng dẫn sinh viên phương pháp xây dựng hệ thống thông tin theo 2 phương pháp
- Cho sinh viên thực hành bài tập 2 và 3 theo hai phương pháp trên
- Cho bài tập về nhà
TT Tên công việc Thiết bị - Dụng cụ Yêu cầu kỹ thuật
1 Giảng viên kiểm
tra và chữa bài
tập về nhà - Máy tính (máy để bàn hoặc
xách tay) có cấu hình tối thiểu là Dual core 2.0, RAM2Gb, HDD 120 Gb đã được cài đủ phần mềm Matlab
- Sinh viên xây dựng
hệ thống đúng, đảm bảo chức năng và hoạt động không lỗi
Trang 17Đảm bảo thời gian thựchiện (tối đa 20
phút/khối)
C Hướng dẫn thực hiện
1 Kiểm tra và chữa Bài tập về nhà:
Xây dựng sơ đồ khối HTTT đơn giản (Mô hình
1)
- Thống nhất cách tìm các khối theo đường dẫn
- Thống nhất cách khai tham số các khối
1
Trang 182 Hướng thực hành xây dựng mô hình hệ thống thông tin
điển hình (mô hình 2) theo phương pháp lấy từ thư viện
ứng dụng.
Cách tìm các mô hình theo đường
dẫn: Đường dẫn : Demos/Block sets/Communicatio n/Specific
Application
2
Hướng dẫn bổ sung chức năng các khối đặc biệt
1 Convolutional Encoder:
Trang 19Cấu trúc bộ mã :
Trellis structure = poly2trellis(k[g1.g2].g1)
Với k là chiều dài ràng buộc,
g1 và g2 là các đa thức sinh quyết định cấu trúc
bộ mã
Tham số k, g1, g2 sẽ được gán với giá trị thực khi hệ thống mô plỗi chạy Trong thí nghiệm này k,g1,g2 được gán là: k=7, g1=133, g2=171 Đây là
bộ mã thường dùng trong hệ thống thông tin số như HIPERLAN II, LTE,…
2 Bộ giải mã Viterbi
3 Bộ xáo trộn theo ma trận (Matrix
Interleaver)
Trang 20Khối Matrix interleaver thực hiện xáo trộn khối
bằng cách đọc các bít vào theo một ma trận theotừng hàng và sau đó lấy các giá trị đầu ra theo từngcột
Các tham số:
Number of rows: là số hàng của ma trận.
Number of column: là số của 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).
Trang 21Hình 4.13: Tham số bộ đục lỗ
Chọn tham số cho vecto Puncture là: [1 1 1 1
1 1] Vecto Puncture được viết dưới dạng mảng hoặc
ma trận, nếu muốn xóa bỏ bớt một số bit thì tại đó thay các bit 1= bit 0 Trong thí nghiệm, bộ Puncture được chọn có tỷ lệ 4/6tức vecto Puncture là: [1 110
0 1]
5 Bộ chèn bít 0 (Insert zero)
Bộ này có nhiệm vụ ngược lại so với bộ Puncture Nếu bên phát có bộ Puncture thì bên thu có bộ giải
Puncture (Insert zero) để chèn giá trị 0 vào đúng vị
trí tương ứng đã bị loại bỏ ở đầu phát, vecto giải Puncture giống như bộ đục lỗ
Trang 223 Thực hành tính thêm bớt các khối và tính toán các
tham số theo yêu cầu:
- Yêu cầu lược bỏ khối Block Interleaver để đơn giản
4 - Cho bài tập về nhà : Yêu cầu sinh viên xây dựng
sơ đồ HPL2 với các bậc điều chế khác nhau:
4QAM, 8PSK, 32 QAM
4
Trang 231 - Không xây dựng được
Hệ thống
- Hệ thống chạy bị lỗi
-Không tìm đúng đườngdẫn
- Không khai đúng cáctham số
- Không tính toán đúng
số bít
- Đọc kỹ hướngdẫn về đường dẫnSimulink
- Đọc kỹ ý nghĩacác tham số ( phầnhelp ở mỗi khối)
- Đọc kỹ cách tínhtoán số bít
E Kiểm tra đánh giá:
Các cấp độ đánh giá (Xuất sắc, giỏi, khá, trung bình, yếu, kém)
1
2
3
Xây dựng được và hiểu cấu trúc HTTT
Hiểu chức năng và cách tính toán tham số các
Trang 24- Củng cố kiến thức cơ bản về Matlab đã được học trong các môn học trước
- Nắm chắc nguyên lý làm việc và chức năng các khối trong của HT thông tin
- Hiểu rõ phương pháp đánh giá chất lượng lỗi bit cho HT thông tin bằng m.filetrong Matlab
- Biết cách Edit cho hình vẽ và nhận xét kết quả
- Hình thành kỹ năng nghiên cứu, sáng tạo cho sinh viên trong quá trình học tập
và làm việc
2 Kiến thức chuyên môn cho bài thực hành
- Kiến thức cơ bản về phần mềm m.file trong Matlab, bao gồm các phép tính
toán và thuật toán cơ bản…
- Kiến thức cơ bản về Matlab- Simulink , bao gồm: Hệ thống Simulink, các khối
cơ bản, các thư viện ứng dụng…
- Kiến thức về các kỹ thuật sử dụng trong HTTT số, bao gồm: tạo bít, xáo trộn,
mã hóa, OFDM…
- Phương pháp Edit cho hình vẽ và nhận xét kết quả
3 Thực hành
A Điều kiện thực hiện
- Máy tính (máy để bàn hoặc xách tay) có cấu hình tối thiểu là Dual core 2.0,RAM 2Gb, HDD 120 Gb
- Đĩa hoặc USB chứa phần mềm Matlab
- Thời gian thực hiện : 5 giờ
B Trình tự thực hiện
- Kiểm tra và chữa bài tập
- Giới thiệu phần mềm mô phỏng và đánh giá tỷ lệ lỗi bít bằng m.file trongMatlab
- Hướng dẫn các lệnh cơ bản để đánh giá kết quả BER của HT TT
- Hướng dẫn phương pháp cho hình vẽ và nhận xét kết quả
Trang 25tham số cho các khối
cách xây dựng mô hình
và tính toán tham số
2 Giới thiệu phần mềm mô plỗi trên m.file trong
Matlab
1 Hướng dẫn cách tạo m.file
2 Hướng dẫn các lệnh cơ bản trong Matlab
- Chú ý cách khai biến và các hàm:
- Hàm For
- Hàm Semilogy
- Hàm Draw…
Trang 263 Hướng dẫn các lệnh cơ bản để đánh giá kết quả
Chạy ra kết quả BER cho HT 4QAM
Hướng dẫn cho sinh viên ý nghĩa, chức năng của các hàm
- Hàm For
- Hàm Semilogy
- Hàm Draw…
Trang 27và nhận xét kết quả
- Chú ý các lệnh Edit/Axes Properties (Tính chất các trục đồ thị)
- Lệnh Insert ( chèn Tên đồ thị và các trục đồ thị)
- Lệnh Legend (Chú thích các đường cong)
Nhận xét kết quả:
1 So sánh chất lượng BER của HT TT sử dụng các bộ điều chế đa mức khác nhau
2 So sánh chất lượng BER các HTTT có và không sử dụng mã Convolutional code Từ đó
có các kết luận:
3 mã Convolution cải thiện đáng kể chất lượng đặc tính BER của HTTT đa mức.
4. Hệ thống TT OFDM dùng mã Convolution : Chỉ dùng đượcc trong điều kiện kênh có tính chất Gauss (k>16), tương đối tĩnh (d<100), với số bậc điều chế thấp (<64)
5 Thông lượng HTTT bị hạn chế tới giới hạn SNR mà ở đó các bộ giải mã có thể làm việc tốt
6 OFDM là một giải pháp hữu hiệu chống Pha đinh
đa đường và tiết kiệm băng tần
7 Để tăng thông lượng hoặc cải tiến đặc tính lỗi bít cần có các giải pháp KT hoặc mã hóa mới.( TCM, Turbo, BICM-ID)
D Các dạng lỗi và cách phòng ngừa