0.4 Mô hình hệ thống viễn thông

Mục tiêu

Bài thí nghiệm này tìm hiểu phương pháp mô hình hóa một hệ thống thông tin đơn giản như hình 4.1:

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Hình 4.1 - Một mô hình truyền tin tiêu biểu

Chúng ta sẽ xử lý tín hiệu nguồn (mã hóa, kiểm soát lỗi, điều chế) và truyền qua một kênh truyền có nhiễu sau đó khôi phục tín hiệu nhận được (giải điều chế, giải mã) và xác định xác suất lỗi tín hiệu.

Tham khảo

[1].The Mathworks Inc., Matlab User’s Guide – Communications Toolbox, 2003.

[2].Nguyễn Hữu Tình - Lê Tấn Hùng - Phạm Thị Ngọc Yến - Nguyễn Thị Lan Hương, Cơ sở Matlab&ứng dụng, NXB KH và Kỹ thuật, 1999.

[3]. (External Link)

Thực hành

Để có thể thực tập tốt bài thí nghiệm, sinh viên cần có kiến thức về Xử lý số tín hiệu (Digital Signal Processing), Truyền dữ liệu (Data transmittion) và Cơ sở Viễn thông. Do đó, bài thí nghiệm này không bắt buộc đối với sinh viên chuyên ngành Tin học (nếu có) và sinh viên Điện tử hướng ĐKTĐ. Trong trường hợp đó, sinh viên có thể chọn bài 5 hoặc bài 7 để thực tập.

Xây dựng mô hình hệ thống thông tin nói chung là một việc rất lớn, với nhiều vấn đề cần giải quyết. Do đó trong phạm vi bài thí nghiệm này chúng ta chỉ có thể khảo sát một số khâu trong tổng thể của một hệ thống truyền thông.

Hệ thống thông tin liên tục (analog communications)

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu các phương pháp điều chế và giải điều chế tín hiệu liên tục (Analog Modulation and Demodulation).

Điều chế biên độ sóng mang bị nén hai băng cạnh (Double-Sideband Suppressed Carrier Amplitude Modulation – DSB-SC): Phương pháp điều chế này dựa theo công thức sau:

y(t) = m(t)cos(2fct+c)

Trong đó: m(t) là tín hiệu hạ tần (thông tin) dùng để điều chế sóng mang tần số cao c(t) = cos(2fct+c) để thu được tín hiệu điều chế y(t).

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Hình 4.2 – Nguyên tắc điều chế biên độ

Ta có thể thực hiện phương pháp điều chế này trong Matlab như sau (sinh viên nên ghi trong file .m để thuận tiện cho việc sử dụng lại ở các câu sau):

>>Fc=10;% tần số sóng mang [Hz]

>>Fs=60;% tần số lấy mẫu để mô phỏng

>>Fm=1; % tần số tín hiệu hạ tần

>>t=[0:1/Fs:3];% time window

>>c=cos(2*pi*Fc*t);% tín hiệu sóng mang

>>m=sin(2*pi*Fm*t);% tin hiệu hạ tần 1Hz

>>subplot(311), plot(t,m)% vẽ tín hiệu hạ tần

>>subplot(312), plot(t,c)% vẽ sóng mang

>>y=m.*c;% điều chế

>>subplot(312), plot(t,y)% vẽ tín hiệu điều chế

>>z=abs(fft(y));% phổ tín hiệu điều chế

>>z=z(1:length(z)/2+1);% lấy 1/2

>>frq=[0:length(z)-1]*Fs/length(z)/2;% frequency window

>>figure% new figure

>>plot(frq,z);% vẽ phổ

 Sinh viên hãy quan sát phổ tín hiệu điều chế, và hãy so sánh với tần số sóng mang.

 Thử dùng hàm amod của Communications toolbox thực hiện công việc trên.

>>help amod

>>Y=amod(m, Fc, Fs, 'amdsb-sc');% điều chế

>>subplot(313),plot(t,Y)

Hình 4.3 – Tín hiệu điều chế biên độ

 Tương tự như trên, sinh viên hãy thực hiện điều chế biên độ sóng mang bị nén đơn băng cạnh (Single-Sideband Suppressed Carrier Amplitude Modu-lation – SSB-SC). So sánh với phương pháp điều chế biên độ DSB-SC.

Giải điều chế biên độ: Có nhiều phương pháp giải điều chế biên độ. Ở đây ta xét phương pháp giải điều chế đồng bộ (Synchronous Demodulation), áp dụng cho phương pháp điều chế biên độ với sóng mang bị nén SC (Suppressed Carrier) và phương pháp điều chế biên độ với sóng mang được truyền TC (Transmission Carrier), theo mô hình sau:

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Hình 4.4 – Nguyên tắc giải điều chế biên độ

Thực hiện giải điều chế như sau (phải đảm bảo rằng tín hiệu điều chế y còn trong WorkSpace của Matlab):

>>y_mix=y.*c;                              % trộn tín hiệu điều chế với sóng mang

>>[num,den]=butter(3, (Fc/2)/(Fs/2));  % low-pass filter tần số cắt Fc/2

>>m_r=filter(num,den,y_mix);              % cho tín hiệu đã trộn qua bộ lọc

>>close all%

>>plot(t,m)% vẽ tín hiệu hạ tần ban đầu

>>hold on%

>>plot(t,m_r,'r')% vẽ tín hiệu hạ tần vừa hồi phục

 Giải thích vì sao ta dùng bộ lọc thông thấp với tần số cắt Fc/2.

 Sinh viên hãy quan sát và so sánh sự khác biệt giữa tín hiệu giải điều chế và tín hiệu hạ tần ban đầu. Giải thích.

 Thử dùng hàm ademod của Communications toolbox để giải điều chế:

>>help ademod

>>M_R=ademod(y,Fc,Fs,'amdsb-sc');% giải điều chế

>>plot(t,M_R,'g')

Hệ thống thông tin rời rạc (digital communications)

Trong phần này, chúng ta sẽ thực hiện mô hình một hệ thống truyền thông rời rạc như sơ đồ sau:

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Hình 4.5 – Mô hình một hệ thống truyền tin rời rạc

Sinh viên cần đọc phần help của từng lệnh hiểu và biết cách sử dụng.

Tạo tín hiệu nguồn:

>>clear

>>close all

>>K=11;% chiều dài từ tin (message length)

>>msg=randint(K*2,1);% tạo tín hiệu nguồn (digital message)

>>subplot(411),stem(msg,’.’)% vẽ tín hiệu nguồn

>>ylabel(‘digital message’)

Mã hóa BCH:

>>N=15;%chiều dài từ mã (codeword length)

>>code = encode(msg,N,K,'bch');%mã hóa BCH

>>subplot(412), stem(code,’.’)

>>ylabel(‘BCH’)

Điều chế QASK: Sử dụng bộ điều chế số M-QASK với M=16 (sinh viên cần xem lại lý thuyết về bộ điều chế này)

>>M=16;% multiple number

>>Fd=1;% tốc độ nguồn tin

>>Fc=10;% tần số sóng mang

>>Fs=30;% tần số lấy mẫu

>>modu = dmod(code,Fc,Fd,Fs,'qask',M);% điều chế M-QASK

>>subplot(413),plot(modu)% vẽ tín hiệu điều chế

>>ylabel(‘QASK’)

Kênh truyền có nhiễu: Tín hiệu sau khi điều chế được truyền trên kênh truyền có nhiễu trắng Gaussian công suất 0.1W.

>>std_value=0.1;% cong suat nhieu

>>modu_noise = modu+randn(length(modu),1)std_value; % add noise

Giải điều chế QASK:

>>demo = ddemod(modu_noise,Fc,Fd,Fs,'qask', M);% giải điều chế

Giải mã BCH:

>>msg_r = decode(demo,N,K,'bch');% tín hiệu thu

>>subplot(414), stem(msg_r,’.’)% vẽ tín hiệu số thu được

>>ylabel(‘received message’)

Hình 4.6 – So sánh tín hiệu truyền/nhận

Xác định lỗi:

>>rate=biterr(msg,msg_r,M)

Sinh viên hãy dùng hàm channel của Communications toolbox để mô hình hóa kênh truyền ở bước . Lặp lại các quá trình giải điều chế và giải mã, so sánh kết quả (lưu ý: băng thông của kênh truyền phải đủ lớn).

Tự chọn

Thực hiện điều chế và giải điều chế tần số FM với Fm, Fc, Fs ở câu III.1..

Thực hiện mô hình Digital Communications như hình sau: