Preview text:
Bộ môn Tín hiệu và Hệ thống 2/02/2023 1 • Thời lượng môn học:
– 2TC (20LT + 6BT + 4TH + 15 Tự Học) • Mục tiêu:
– Kiến thức: Cung cấp cho người học những khái niệm và kiến thức cơ bản về
mô hình hóa và mô phỏng. Nội dung của môn học sẽ tập trung vào phương
pháp luận cũng như công cụ mô phỏng hệ thống truyền thông làm cơ sở cho
các môn học chuyên sâu khác và hỗ trợ cho làm đồ án tốt nghiệp.
– Kỹ năng: Rèn cho sinh viên có kỹ năng sử dụng bộ công cụ chương trình
MATLAB và Simulink, và các phương pháp cơ bản áp dụng cho việc mô phỏng
các hệ thống truyền thông. • Đánh giá:
− Tham gia học tập trên lớp: 10% − Thực hành-Thí nghiệm 10% − Bài tập/Thảo luận: 20 % − Kiểm tra giữa kỳ: 10% − Kiểm tra cuối kỳ: 50% 2 Đánh giá Tư cách •
10% (Đánh giá dựa trên số
giờ đi học, ý thức chuẩn bị
bài và tinh thần tích cực thảo luận) Bài tập •
20% (Bài tập chương và các bài tập lớn môn học) Thực hành • 10% Kiểm tra • 10% Bài thi cuối kỳ •
50% (Sinh viên đi học đủ
thời gian 80% lý thuyết, làm
đủ bài kiểm tra, bài tập và
thực hành sẽ có quyền dự thi cuối kỳ) • Nội dung:
– Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật mô phỏng
– Chương 2: Giới thiệu về MATLAB
– Chương 3: Giới thiệu về Simulink
– Chương 4: Mô phỏng tín hiệu và quá trình thu phát
– Chương 5: Mô phỏng kênh thông tin
– Chương 6: Ước tính tham số và đánh giá hiệu năng 4 • Giới thiệu chung
• Phương pháp luận mô phỏng
• Các khái niệm cơ bản về mô hình hóa
• Kỹ thuật đánh giá hiệu năng
• Các nguồn lỗi trong mô phỏng
• Vai trò mô phỏng trong thiết kế hệ thống truyền thông 5
• Bài toán mô phỏng: gồm 4 bước cơ bản
1. Ánh xạ bài toán đã cho thành mô hình mô phỏng
2. Phân giải bài toán tổng thể thành một tập các bài toán nhỏ hơn
3. Lựa chọn các kỹ thuật mô hình hóa, mô phỏng, ước
tính phù hợp và áp dụng chúng để giải quyết các bài toán nhỏ của chúng
4. Kết hợp các kết quả của các bài toán con → xử lý
tạo ra nghiệm cho bài toán tổng thể. 6
• Gần đúng bài toán → dễ dàng cho phân tích: – Phân tích – Mô phỏng • Phân tích
– Tính toán một số đặc trưng cho một đại lượng quan tâm • Mô phỏng
– Sao chép hệ thống quan tâm: xử lý một đại lượng động → giám
sát hệ thống tại các điểm khác nhau
– Sử dụng mô hình thực
– Có thể thay đổi mô tả của bất kỳ một phần tử trong hệ thống (tính module)
• Hệ thống thông tin thực:
– Quá phức tạp để đặc trưng và mô phỏng → Đơn giản hóa một
số mặt của bài toán (Giảm độ phức tạp) → dễ dàng hơn cho việc tính toán 7 • Ví dụ:
– Dạng sóng đầu ra V của hệ thống: V = g() t t
• g – đặc tính truyền đạt hệ thống; = (z , z ,..., z ) – tập các quá 1 2 K
trình đầu vào (rời rạc thời gian) – Chức năng mô phỏng:
• Tạo ra chuỗi giá trị {V } tại t = kT , k = 1, 2,...; T – chu kỳ lấy t s s mẫu
• Chuỗi được xử lý → thu được đại lượng hiệu năng hoặc thông tin phù hợp
– Thí nghiệm điều kiện:
• Tạo ra V = g(’) với ’ = (z ,..., z ,... , z = ,.., z = ) t 1 k k+1 k+1 K K
• k quá trình đầu tiên được mô phỏng, còn lại được giữ tại giá trị cố định
• Thí nghiệm lặp lại cho một tập các điều kiện – Thí nghiệm mô phỏng:
• Tạo ra V = g’(’), g’ - đặc tính truyền đạt hệ thống được đơn t giản hóa 8 Xử lý tín hiệu số Lý thuyết Lý thuyết truyền thông xác suất Mô phỏng các Lý thuyết hệ hệ thống Lý thuyết thống tuyến tính ước tính truyền thông Khoa học Phân tích số máy tính Lý thuyết quá Lý thuyết số trình ngẫu nhiên
Các lĩnh vực ảnh hưởng lên nghiên cứu mô phỏng các hệ thống truyền thông 9 • Các mặt ảnh hưởng:
– Lý thuyết truyền thông:
• Cấu trúc hệ thống, hoạt động của các phân hệ (bộ điều chế, bộ cân bằng, ...) – Xử lý tín hiệu số:
• Lấy mẫu, kỹ thuật khai triển tín hiệu, lọc ... – Phương pháp số:
• Kỹ thuật tích phân, nội suy, tính gần đúng ... – Lý thuyết xác suất:
• Biến ngẫu nhiên, hàm mật độ xác suất, ... – Lý thuyết số:
• Chuỗi số, chuỗi ngẫu nhiên, ... 10 • Các mặt ảnh hưởng: – Khoa học máy tính:
• Kỹ thuật lập trình, đồ họa, ... – Lý thuyết ước tính:
• Ước tính các tham số kết hợp thống kê và xử lý tín hiệu
– Lý thuyết quá trình ngẫu nhiên:
• Hàm phân bố, hàm tương quan, ... – Lý thuyết hệ thống:
• Quan hệ vào/ra, đáp ứng xung, hàm truyền đạt ... 11 • Giới thiệu chung
• Phương pháp luận mô phỏng
• Các khái niệm cơ bản về mô hình hóa
• Kỹ thuật đánh giá hiệu năng
• Các nguồn lỗi trong mô phỏng
• Vai trò mô phỏng trong thiết kế hệ thống truyền thông 12 Lỗi theo độ Thời gian chạy phức tạp chương trình Dài Cao theo độ phức tạp T Mô hình h ờ mô phỏng igian hóa Mã máy tính ch h nì ạ y Mô hình h Vùng hoạt mô giải tích mô động thực tế phỏng Các phương Lỗi trình Thiết bị vật lý Phần cứng Thấp Ngắn Thấp Độ phức tạp mô hình Cao
Thiết bị và các mô hình
Ảnh hưởng của độ phức tạp mô hình 13 Simulate the flow of Event driven packets, messages, etc. simulations Networks Specifications Interface Simulate waveform Time driven, distortion effects; noise waveform level Links and interference simulations Interface Performance Data Time driven Signal finite-precision processing RF simulations Circuit Algorithm analysis Circuit Circuit RF simulations implementation implementation simulations details details
Tính phân cấp trong các hệ thống truyền thông 14 Level 0 Level 1 Level 1 Level 1 To level 2 To level 2 Level 2 Level 2 Level 2 To level 3 To level 3 Level 3 Level 3 Level 3
Cấu trúc phân cấp trong mô hình hóa 15 Partitioning Information Source Channel Baseband Transmit RF Higher source encoder encoder modulator filter modulator abstraction Noise Comm. (a) System Level Model channel Interference Info. Source Channel Baseband Receive RF Equalizer sink decoder decoder demodulator filter demodulator Timing Carrier recovery recovery Bandpass Bandpass (b) Subsystem Model PLL @ fc (.)4 filter @ 4fc filter Loop Phase filter detector More details (c) Component Model VCO 16
• Mô hình hóa hệ thống:
– Hệ thống: mức cao nhất của mô tả, đặc trưng bởi sơ đồ khối các phân hệ
– Vấn đề mô hình hóa hệ thống: vấn đề cấu hình
• Sơ đồ khối mô phỏng càng sát với hệ thống thực → Mô hình hệ thống càng chính xác
– Giảm mức độ phức tạp mô hình hóa → sử dụng tập con
các khối ở cùng mức phân cấp
• Mô hình hóa thành phần linh kiện
– Linh kiện: một khối tại mức phân hệ chứa những đặc điểm
mà nhà thiết kế hệ thống mong muốn
– Kiểu mô tả: một phương trình, một tập phương trình, một
thuật toán, hoặc một lookup table
– Mô hình phân hệ tốt: có các tham số đầu vào có thể biến
đổi → phản ánh cư xử thực của linh kiện 17
• Mô hình hóa quá trình ngẫu nhiên:
– Đầu vào và đầu ra của hệ thống và các phân hệ: các quá
trình ngẫu nhiên mong muốn (thông tin) và không mong muốn (nhiễu và giao thoa)
– Các quá trình được mô phỏng: sao chép các tính chất của các quá trình thực
• Nhiệm vụ mô hình hóa: Sao chép quá trình ngẫu nhiên → tạo ra
đặc tính đầu ra chính xác
– Mô hình quá trình ngẫu nhiên tương đương: tiết kiệm thời gian tính toán
• Mô hình hóa hệ thống giả định
– Trong thiết kế hệ thống: Đặc tính kỹ thuật của hệ thống
chưa được biết → hệ thống giả định
– Giả sử một số lượng nhỏ nhất các thành phần mà vẫn thu
được một hệ thống hợp lý 18 • Giới thiệu chung
• Phương pháp luận mô phỏng
• Các khái niệm cơ bản về mô hình hóa
• Kỹ thuật đánh giá hiệu năng
• Các nguồn lỗi trong mô phỏng
• Vai trò mô phỏng trong thiết kế hệ thống truyền thông 19
• Kỹ thuật đánh giá hiệu năng:
– Tập hợp các công cụ giải tích và các giả định → ước
tính hiệu quả đại lượng hiệu năng • Mô phỏng Monte Carlo
– Tỉ số lỗi bit BER được ước tính: cho N bit qua hệ thống và đếm lỗi
– Đảm bảo độ tin cậy: Số bit cần để quan sát trong
phạm vi 10/p đến 100/p, p = BER thực.
• Một số kỹ thuật PET thay thế
– Kỹ thuật bán giải tích (quasianalytical estimation)
– Kỹ thuật lấy mẫu quan trọng (Importance sampling)
– Kỹ thuật ngoại suy (Extrapolation) 20
