i
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
BÀI GIẢNG
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG 1
Tác giả: TS. Nguyễn Đức Nhân
HÀ NỘI 07-2014
ii
LỜI MỞ ĐẦU
Trong sự phát triển nhanh chóng các hệ thống viễn thông cùng với sự phát triển mạnh
mẽ của các hệ thống máy tính, ngày nay mô phỏng đã trở thành một công cụ không thể thiếu
trong quá trình nghiên cứu phát triển hệ thống cũng như trong quá trình thiết kế và triển khai
hệ thống. Do vậy cuốn bài giảng “Mô phỏng hệ thống truyền thông” được viết nhằm cung
cấp cho sinh viên những kiến thức bổ ích liên quan đến môn học. Tài liệu gồm 6 chương với
các nội dung cơ bản như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về kỹ thuật mô phỏng bao gồm phương pháp luận,
các vấn đề về mô hình hóa và vai trò của mô phỏng trong thiết kế hệ thống.
Chương 2: Giới thiệu về MATLAB giúp sinh viên nắm được vấn đề cơ bản trong việc
sử dụng MATLAB làm công cụ tính toán trong kỹ thuật nói chung và trong mô phỏng
hệ thống truyền thông ở các chương sau.
Chương 3: Giới thiệu về Simulink, một công cụ trong MATLAB được sử dụng để mô
phỏng dựa trên mô hình hay sơ đồ khối, thuận tiện cho việc mô phỏng hệ thống.
Chương 4: Mô phỏng quá trình thu phát tín hiệu bao gồm các vấn đề cơ bản về tín
hiệu trong mô phỏng, mô phỏng các quá trình cơ bản thực hiện tại bộ phát và bộ thu
trong một hệ thống truyền thông.
Chương 5: Mô phỏng kênh thông tin bao gồm phương pháp thực hiện để mô phỏng
các kênh cơ bản nói chung đến các kênh thông tin cụ thể như kênh hữu tuyến và kênh
vô tuyến.
Chương 6: Ước tính tham số và hiệu năng hệ thống giúp sinh viên nắm được các vấn
đề cơ bản về ước tính trong thống kê, đặc biệt là trong đánh giá hiệu năng hệ thống.
Chúng tôi hy vọng rằng cuốn bài giảng sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên
chuyên ngành viễn thông và những người quan tâm. Tuy nhiên để giúp sinh viên nắm bắt
những vấn đề cơ bản nhất của kỹ thuật mô phỏng hệ thống truyền thông đòi hỏi người học
phải có những kiến thức tổng hợp của các môn học cơ sở khác mà không phải thuộc mục tiêu
và nội dung chính của môn học này. Đây cũng là phiên bản đầu tiên được viết trong thời gian
ngắn do vậy sẽ không tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng
góp của các quí thầy cô, các bạn sinh viên và những người quan tâm để hoàn thiện hơn cuốn
tài liệu này.
Tác giả
TS. Nguyễn Đức Nhân
iii
MỤC LỤC
Chương 1 Tổng quan về kỹ thuật mô phỏng 1
1.1 Giới thiệu chung 1
1.2 Phương pháp luận mô phỏng 2
1.2.1 Mô hình hóa bài toán 2
1.2.2 Tính đa mặt trong mô phỏng 5
1.3 Các khái niệm cơ bản về mô hình hóa 7
1.3.1 Mô hình hóa hệ thống 10
1.3.2 Mô hình hóa thành phần chức năng 11
1.3.3 Mô hình hóa quá trình ngẫu nhiên 11
1.3.4 Mô hình hóa hệ thống giả định 12
1.4 Kỹ thuật đánh giá hiệu năng 13
1.5 Sai số trong mô phỏng 14
1.5.1 Sai số trong mô hình hóa hệ thống 14
1.5.2 Sai số trong mô hình hóa linh kiện 15
1.5.3 Sai số trong mô hình hóa quá trình ngẫu nhiên 16
1.5.4 Sai số xử lý 17
1.6 Vai trò mô phỏng trong thiết kế hệ thống truyền thông 17
1.7 Tổng kết chương 21
Câu hỏi/bài tập chương 1 21
Chương 2 Giới thiệu về MATLAB 22
2.1 Giới thiệu chung 22
2.2 Các cấu trúc cơ bản trong MATLAB 23
2.2.1 Các biến MATLAB 23
2.2.2 Các phép tính số học 27
2.2.3 Các phép tính logic và quan hệ 31
2.2.4 Các hàm toán học 33
2.2.5 Các hàm đồ họa 35
iv
2.2.6 Các hoạt động I/O 43
2.3 Thao tác ma trận và vectơ 44
2.4 Lập trình trong MATLAB 47
2.4.1 Các thủ tục MATLAB 47
2.4.2 Các hàm con MATLAB 49
2.4.3 Cấu trúc ngôn ngữ MATLAB 50
2.4.4 Hàm eval 54
2.4.5 Điều khiển hàm 55
2.5 MATLAB Editor và Debugger 56
2.5.1 Các chức năng Editor 56
2.5.2 Các chức năng Debugger 57
2.6 Một số phương pháp số sử dụng MATLAB 58
2.6.1 Phương pháp tìm nghiệm 58
2.6.2 Phương pháp tích phân 59
2.6.3 Phương pháp giải phương trình vi phân 61
2.7 Tổng kết chương 68
Câu hỏi/bài tập chương 2 69
Chương 3 Giới thiệu về Simulink 72
3.1 Giới thiệu chung 72
3.2 Nguyên lý hoạt động của Simulink 73
3.2.1 Xây dựng sơ đồ khối Simulink 73
3.2.2 Tham số hóa các khối Simulink 74
3.2.3 Mô phỏng bằng Simulink 76
3.3 Giải phương trình vi phân bằng Simulink 77
3.4 Đơn giản hóa hệ thống Simulink 81
3.5 Tương tác với MATLAB 83
3.5.1 Truyền các biến giữa Simulink và MATLAB 83
3.5.2 Lặp lại các mô phỏng Simulink trong MATLAB 83
3.5.3 Truyền các biến thông qua các biến toàn cục 85
3.6 Tổng kết chương 85
v
Câu hỏi/bài tập chương 3 86
Chương 4 Mô phỏng tín hiệu và quá trình thu phát 87
4.1 Giới thiệu 87
4.1.1 Mô hình mô phỏng tín hiệu băng gốc và thông dải 88
4.1.2 Quá trình lấy mẫu và nội suy 91
4.1.3 Khai triển Fourier 96
4.2 Mô phỏng nguồn tín hiệu 98
4.2.1 Nguồn tín hiệu tương tự 98
4.2.2 Nguồn tín hiệu số 100
4.2.3 Nguồn tín hiệu ngẫu nhiên 101
4.3 Mã hóa 106
4.3.1 Mã hóa nguồn 106
4.3.2 Mã đường truyền 109
4.3.3 Mã hóa kênh 113
4.4 Điều chế và giải điều chế 116
4.4.1 Điều chế tín hiệu tương tự 116
4.4.2 Điều chế tín hiệu số 119
4.4.3 Quá trình thu và giải điều chế 122
4.5 Quá trình lọc 127
4.5.1 Lọc tạo dạng phổ 127
4.5.2 Lọc tạo dạng xung 129
4.5.3 Các bộ lọc phối hợp 132
4.6 Quá trình đồng bộ 136
4.6.1 Quá trình đồng bộ trong mô phỏng 136
4.6.2 Mô phỏng mạch vòng khóa pha (PLL) 140
4.7 Tổng kết chương 142
Chương 5 Mô phỏng kênh thông tin 145
5.1 Giới thiệu chung 145
5.2 Mô hình kênh AWGN 148
5.3 Các mô hình kênh thông tin cụ thể 152