Giáo trình Mô phỏng hệ thống viễn thông

Chia sẻ: Vu Son | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung giáo trình gồm bốn chương chính: tổng quan về các hệ thống thông tin, các yếu tố tác động, các thông số cần đánh giá và khái quát chung về kĩ thuật mô phỏng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Mô phỏng hệ thống viễn thông

MỤC LỤC Lời nói đầu 2 Chương I:MỞ ĐẦU VỀ MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN 4 1.1.Khái quát về mô phỏng các hệ thống thông tin 4 1.1.1.Hệ thống thông tin,các vấn đề trong thiết kế và đánh giá 4 1.1.2.Áp dụng mô phỏng trong thiết kế và đánh giá hệ thống 6 Chương II:BIỂU DIỄN TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG 8 2.1.Biểu diễn tín hiệu 8 2.1.1.Các loại tín hiệu 8 2.1.2.Biểu diễn tín hiệu trên miền tần số 12 2.2.Biểu diễn hệ thống 16 2.2.1.Khái quát chung 16 2.2.2.Các tính chất của hệ thống 18 2.2.3.Phân loại các hệ thống 20
2 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 2.2.4.Hệ thống tuyến tính không biến đổi theo thời gian 21 2.2.5.Biểu diễn tương đương thông thấp các hệ thống và tín hiệu 25 2.2.6.Hệ thống tuyến tính biến đổi theo thời gian 33 2.2.7.Các hệ thống phi tuyến 38 Chương III:MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 45 3.1.Mở đầu 45 3.2.Mô hình hóa một số bộ phận chủ yếu 48 3.2.1.Nguồn symbol 48 3.2.2. Điều chế và giải điều chế số 58 3.2.3.Các mạch lọc 64 3.2.4.Các thiết bị phụ trợ 70 3.2.5.Tạp âm và can nhiễu 74 3.2.6.Phần tử phi tuyến 75 3.2.7. Đường truyền dẫn 79 Chương IV:CÁC KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ XÁC XUẤT LỖI TRONG 2
3 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÔNG TIN 86 4.1.Mở đầu 86 4.1.1. Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin bằng mô phỏng 86 4.1.2.Các kỹ thuật đánh giá BER thông thường 87 4.2.Phương pháp Monte-Carlo 92 4.2.1.Nguyên tắc cơ bản 92 4.2.2.Kỳ vọng và phương sai của ước lượng theo phương pháp Monte-Carlo 96 4.2.3.Các lưu ý và nhận xét 98 4.3.Phương pháp tựa giải tích 99 4.3.1.Nguyên tắc cơ bản 99 4.3.2.Thủ tục tính toán 103 4.3.3.Thí dụ áp dụng phương pháp tựa giaỉ tích 106 LỜI NÓI ĐẦU 3
4 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Mô phỏng bằng máy tính là một công cụ hết sức mềm dẻo,hiệu quả và khá kinh tế trong phân tích đánh giá các hệ thống thông tin.Hiện nay,tại các trung tâm đào tạo và nghiên cứu lớn trên thế giới,mô phỏng máy tính là một trong những công cụ nghiên cứu chủ yếu và là một công cụ hỗ trợ giảng dạy hết sức hữu hiệu.Trong hầu hết các trường hợp nghiên cứu phát triển các hệ thống thông tin hiện đại,mô phỏng máy tính là công cụ đắc lực nhất cho phép người thiết kế kiểm tra những phương án thiết kế của mình,xác định những yếu tố và các thông số quan trọng nhất của hệ thống cần phát triển trước khi đưa vào chế tạo thử nghiệm. Đối với giảng dạy về thông tin liên lạc,mô phỏng máy tính cho phép người học có được cái nhìn sâu sắc và trực quan vào những khía cạnh kĩ thuật hết sức phức tạp của các hệ thống thông tin,những cái mà nếu chỉ nghiên cứu thuần túy lý thuyết thì vừa khó hiểu vừa tẻ nhạt. Đối với huấn luyện thực hành,mô phỏng máy tính là phương tiện vừa mềm dẻo,vừa mạng tính tổng quát và khá kinh tế,những điều mà việc thực hành trên một vài loại thiết bị thực tế hay trên các mô hình đơn giản hóa trong phòng thí nghiệm không thể đáp ứng đầy đủ được. Cuốn sách này được biên soạn trước hết nhằm giúp các học viên cao học ngành thông tin liên lạc trong việc nghiên cứu môn học “Kỹ thuật mô phỏng các hệ thống thông tin”.Mục đích của chương trình môn này là cung cấp những kiến thức thiết yếu nhất về những nội dung hết sức đặc thù của kỹ thuật mô phỏng các hệ thống thông tin,tạo những cơ sở ban đầu giúp các học viên biết cách tạo được công cụ thích hợp cho các nghiên cứu sau này, đặc biệt trong những điều kiện nghiên cứu khá thiếu thốn ở nước ta. Đối với các cán bộ nghiên cứu trong ngành thông tin liên lạc,cuốn sách cũng có thể bổ ích về nhiều phương diện. Do khuôn khổ chương trình đào tạo có hạn,cuốn sách này hạn chế trong các nội dung thiết yếu nhất đối với mô phỏng các hệ thống truyền dẫn tín hiệu số.Một số vấn đề liên quan cũng sẽ không được trình bày trong tài liệu này mà người đọc cần phải tham khảo thêm khi tiến hành xây dựng công cụ nghiên cứu cho mình,chẳng hạn những vấn đề chi tiết hơn trong biểu diễn các tín hiệu được rời rạc hóa,các phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT (Fast Fourier Transform và 4
5 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Inverse Fast Fourier Transform,các biến đổi z và Laplace,mô hình hóa một số thiết bị,hay như các phương pháp đánh giá xác xuất lỗi theo lý thuyết giá trị cực (Extreme Value Theory),phương pháp ngoại suy đuôi,phương pháp lấy mẫu quan trọng… Hiện tại,các thuật ngữ kĩ thuật trong các tài liệu ấn hành ở nước ta còn chưa thống nhất.Trong quá trình biên soạn,tác giả đã cố gắng tham khảo cách sử dụng các thuật ngữ kĩ thuật trong các tài liệu tiếng Việt khác và trong những trường hợp còn chưa hoàn toàn thống nhất,một số thuật ngữ kỹ thuật xuất xứ từ tiếng nước ngoài sử dụng trong cuốn sách này được chuyển nghĩa sang tiếng Việt theo các tự điển phổ thông và chuyên ngành đang được lưu hành rộng rãi trong nước. Để người đọc tuận tiện tra cứu,trong những trường hợp này các thuật ngữ kĩ thuật được chữa thống nhất bằng tiếng Anh.Một số thuật ngữ đã Việt hóa rộng rãi được dùng ở dạng phiên âm (như các từ bit,pha-đing…) hoặc gần như đã Việt hóa thì được để nguyên thể tiếng Anh và in nghiêng (như symbol,menu,constellation…). Nội dung cuốn sách gồm bốn chương chính,ngoài chương một được dành để trình bày một cách tổng quan về các hệ thống thông tin,các yếu tố tác động,các thông số cần đánh giá và khái quát chung về kĩ thuật mô phỏng.Vấn đề biểu diễn các tín hiệu và các hệ thống được trình bày ở chương hai trong đó phương pháp biểu diễn các tín hiệu và hệ thống tương đương thông thấp đặc biệt hữu dụng trong mô phỏng hệ thống thông tin là một nội dung trọng tâm.Chương ba được sử dụng để trình bày thuật toán mô hình hóa các khối chức năng cơ bản của hệ thống thông tin số,hạn chế chủ yếu vào các khối chức năng của hệ thống truyền dẫn.Các kỹ thuật đánh giá xác xuất lỗi – thông số chất lượng chủ yếu của hệ thống thông tin số - được trình bày trong chương bốn,nhấn mạnh tới hai phương pháp thông dụng nhất là phương pháp Monte-Carlo và phương pháp tựa giải tích (Quasi-analytica).Như là một ví dụ và là một cơ hội tập dượt ứng dụng kĩ thuật mô phỏng,chương năm giới thiệu một gói chương trình mô phỏng – gói phần mềm ASTRAS (Analog Simulation of Transmission System) – và gợi ý các ứng dụng 5
6 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ của nó trong viếc sử dụng kỹ thuật mô phỏng để đánh giá một hệ thống truyền dẫn số cụ thể. Kỹ thuật mô phỏng các hệ thống thông tin là một nội dung tương đối mới mẻ và không kém phần phức tạp,tài liệu chuyên môn về lĩnh vực này lại rất hiếm,thời gian dành cho nghiên cứu môn học này trong chương trình đào tạo cao học lại tương đối ngắn,vì vậy các vấn đề trình bày trong tài liệu này nhất định không thể tránh được đôi chỗ còn khá sơ sài. Do thời gian biên soạn ngắn,việc trình bày các nội dung có thể còn đôi chỗ chưa thật chính xác,tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp.Mọi ý kiến xin vui long gửi tới TS.Nguyễn Quốc Bình ,Bộ môn thông tin – Khoa vô tuyến điện tử,hoặc Phòng đào tạo sau đại học,Học viện kĩ thuật quân sự. Tác giả xin chân thành cám ơn giáo sư,tiến sĩ khoa học Nguyễn Xuân Quỳnh đã đọc hiệu đính và đã góp những ý kiến phê bình và gợi ý quý báu để tài liệu hoàn thiện hơn.Cuối cùng,tác giả xin bày tỏ ở đây lòng biết ơn sâu sắc đối với người thầy lớn của mình – giáo sư,tiến sĩ khoa học Frigyes Istvans thuộc Đại học kĩ thuật Budapet,Hungary – vì những kiến thức về lĩnh vực mô phỏng các hệ thống thông tin số cũng như sẩn phẩm phần mềm nhận được từ ông. Công nghệ thông tin -Đại học Thái Nguyên Tháng 9-2007 CHƯƠNG I 6
7 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ MỞ ĐẦU VỀ MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN 1.1.KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN 1.1.1.HỆ THỐNG THÔNG TIN, CÁC VẤN ĐỀ TRONG THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ a,Các hệ thống thông tin: Các hệ thống thông tin có chức năng truyền đưa thông tin từ nơi này đến nơi khác.Theo các đặc tính của mình,các hệ thống thông tin có thể được phân theo nhiều cách. Theo loại tín hiệu được dùng để truyền tin tức,các hệ thống thông tin được chia thành các hệ thống thông tin tương tự (analog) hay số (digital).Theo các phương tiện truyền dẫn,các hệ thống thông tin cũng có thể được phân loại thành các hệ thống thông tin dùng cáp đồng,các hệ thống thông tin quang sợi (fiber optic) hay các hệ thống thông tin sóng cực ngắn (microware)…,trong đó đến lượt mình các hệ thống thông tin sóng cực ngắn lại có thể phân tiếp thành các hệ thống thông tin vệ tinh,thông tin vô tuyến tiếp sức (mà ở nước ta que gọi là vi ba) và thông tin di động. Các thành phần chủ yếu của hệ thống thông tin gồm: -Các nguồn tín hiệu bao gồm tín hiệu hữu ích,tạp âm và can nhiễu.Mặc dù tạp âm và can nhiễu cũng là các tín hiệu điện song trong chương trình này trong nhiều trường hợp ta sẽ sử dụng từ “tín hiệu” để chỉ riêng thành phần tín hiệu hữu ích. -Các thiết bị truyền dẫn tin tức bao gồm các bộ điều chế và giải điều chế,các bộ lọc,các bộ khuyếch đại,các mạch lọc thích nghi dung làm mạch san bằng đặc tính đường truyền,các mạch duy trì đồng bộ… -Môi trường truyền dẫn hay đôi khi cũng được gọi là kênh truyền. 7
8 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ -Các thiết bị xử lý tin tức và tín hiệu. … Các yếu tố trở ngại chủ yếu nhất trong truyền đưa thông tin gây suy giảm chất lượng hệ thống bao gồm: -Pha-đing gây bởi truyền dẫn đa đường trong thông tin vô tuyến tiếp sức,thông tin di động… -Các méo tín hiệu do đặc tính đường truyền không lý tưởng (bao gồm các méo tuyến tính và méo phi tuyến),do trải giữ chậm (delay spreading) gây bởi truyền dẫn đa dường (multipath). -Các can nhiễu bao gồm can nhiễu khí quyển,can nhiễu từ các hệ thống khác,can nhiễu từ các kênh lân cận cùng hệ thống hay can nhiễu nội tại (can nhiễu gây bởi đặc tính phi tuyến của tuyến truyền dẫn chẳng hạn). -Tạp âm lượng tử và tạp âm nhiệt gây bởi các linh kiện điện tủ. -Tán sắc trong thông tin quang. … Chất lượng của các hệ thống thông tin số nói chung được đánh giá thông qua rất nhiều tham số như mẫu mắt (eye-pattern),mật độ phổ nhiễu, độ nhạy máy thu,xác suất lỗi bit…trong đó chỉ tiêu quan trọng nhất là xác suất lỗi bit của hệ thống. b,Các vấn đề trong thiết kế và đánh giá hệ thống: Trong thiết kế,phân tích và đánh giá các hệ thống thông tin hiện đại có ba phương pháp chủ yếu,không loại trừ lẫn nhau,đó là: -Phương pháp giải tích:Là phương pháp dựa trên các công thức nhằm tính toán các mạch điện,các khối chức năng cấu thành hệ thống và đánh giá chất lượng hệ thống dưới tác động của các yếu tố khác nhau cũng được biểu diễn thông qua các công thức toán học. -Phương pháp chế thử mẫu và đo lường:Là phương pháp trên cơ sở tính toán sơ bộ người thiết kế chế tạo mẫu thử và tiến hành đo kiểm tra các chỉ tiêu chất lượng. Đặc điểm của phương pháp này là mặc dù là phương pháp cho các kết quả 8
9 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ tin cậy nhất song khá cứng nhắc và tốn kém,do vậy chỉ áp dụng trong các bước sau trong quá trình thiết kế và phân tích hệ thống. -Phương pháp mô phỏng. Trong vài thập kỉ gần đây các hệ thống thông tin và xử lí tìn hiệu đã phát triển đặc biệt mạnh mẽ.Trong thời gian này sự ra đời của một loạt các kĩ thuật mới như các phần cứng với giá thành khá rẻ,xử lí nhanh chóng tín hiệu,cáp sợi quang học,các thiết bị quang học tích hợp và các mạch tích hợp sóng cực ngắn…đã có những ảnh hưởng rất quan trọng tới việc thực hiện các hệ thống thông tin liên lạc.Mức độ phức tạp ngày càng tăng của các hệ thống thông tin đòi hỏi những cố gắng và thời gian ngày càng lớn trong thiết kế và phân tích hệ thống với chi phí ngày càng cao.Sự cần thiết phải nhanh chóng đưa các kĩ thuật mới vào các sản phẩm thương mại nhằm cải thiện và phát triển các dịch vụ kĩ thuật,tăng khả năng cạnh tranh của các thiết bị ở dạng thương phẩm đòi hỏi việc thiết kế và đánh giá chất lượng hệ thống thông tin phải được tiến hành theo một cách thức mới,tiết kiệm về thời gian,dễ dàng và rẻ tiền.Các hệ thống thông tin liên lạc hiện đại là các cấu trúc rất phức tạp gồm các phần tử khác nhau mà những phần tử này tự thân cũng có các đặc tính phức tạp.Do độ phức tạp rất cao và ngày một phức tạp hơn của các hệ thống thông tin liên lạc hiện đại,cách đề cập giải tích về các phản ứng của các hệ thống xem ra là một nhiệm vụ không thể thực hiện được.Các thử nghiệm trên các hệ thống thực theo phương pháp chế thử mẫu và đo lường,mặt khác lại quá tốn kém,nhất là trong các giai đoạn đầu của qúa trình thiết kế,phát triển và cải tiến hệ thống.Do vậy,như thực tế cho thấy,các yêu cầu về độ chính xác cũng như hiệu quả về thời gian và chi phí cho quá trình thiết kế,phân tích và đánh giá hệ thống chỉ có thể thỏa mãn được thông qua việc sử dụng các công cụ thiết kế và phân tích có sự trợ giúp của máy tính mạnh. Một số lượng lớn các kĩ thuật được trợ giúp bởi máy tính ()đã được phát triển trong chừng chục năm trở lại đây nhằm hỗ trợ quá trình mô hình hóa,phân tích và thiết kế các hệ thống thông tin liên lạc.Các kĩ thuật này được chia làm hai loại: 9
10 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ -Các giải pháp dựa trên công thức (formula- based techniques),trong đó máy tính được sử dụng để đánh giá và tính toán theo các công thức phức tạp.Kỹ thuật này dựa trên các mô hình được đơn giản hóa,cho phép có được cái nhìn tương đối về tương quan giữa các thông số và các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống cần khảo sát và do vậy chúng có ích trong các giai đoạn đầu của công việc thiết kế.Tuy nhiên,ngoại trừ một số trường hợp tương đối lý tưởng hoặc được đơn giản hóa cao,việc đánh giá chất lượng hệ thống thông tin phức tạp dùng các tính toán giải tích để đạt được độ chính xác mong muốn là hết sức khó khăn. -Các giải pháp dựa trên mô phỏng (simulation- based techniques),trong đó máy tính được sử dụng để mô phỏng các dạng song hay các tín hiệu trong quá trình truyền qua suốt hệ thống. Kỹ thuật mô phỏng các hệ thống thông tin lien lạc,như vậy,là kĩ thuật dùng máy tính với các sản phẩm phần mềm thích hợp để tạo giả và bắt trước hệ thống ở mức dạng sóng tín hiệu nhằm xem xét,phân tích, đánh giá phản ứng của nó.Mô phỏng máy tính,vì vậy,là công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu,đánh giá cũng như thiết kế hệ thống.Mặc dầu các kết quả mô phỏng không thể hoàn toàn chính xác so với các kết quả thử nghiệm trên thực tế (do các phép tính gần đúng,do tính gần đúng của các mô hình sử dụng trong mô phỏng…),song như thực tế đã cho thấy,các kết quả thu được bằng mô phỏng với các phần mềm tốt và được sử dụng đúng đắn thì hoàn toàn có thể tin cậy được.Trong rất nhiều trường hợp các kết quả mô phỏng rất khớp với các số liệu đo kiểm nghiệm.Các ưu điểm nổi bật của mô phỏng bằng máy tính là nhanh chóng,kinh tế,hết sức mềm dẻo trong ứng dụng và trong rất nhiều trường hợp nó cho phép giải cả những bài toán không có khả năng giải quyết bằng thực nghiệm cũng như tính toán một cách giải tích. 1.1.2. ÁP DỤNG MÔ PHỎNG TRONG THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG a,Quá trình mô phỏng hệ thống thông tin: Mục đích của mô phỏng hệ thống thông tin là: 10
11 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ -Cung cấp một cái nhìn toàn diện và sâu sắc đối với các vấn đề kỹ thuật của hệ thống. -Đánh giá phản ứng của hệ thống cần mô phỏng với các tác động khác nhau. -Kiểm tra chất lượng hệ thống và so sánh với các chỉ tiêu. Để hiểu rõ về quá trình mô phỏng hệ thống thông tin ta hãy xét một thí dụ với hệ thống vi ba M-QAM (M-ary Quadrature Amplitude Modulation: điều chế biên độ vuông góc M mức) có sơ đồ khối tương đương băng gốc như trên h.1.1. Mục đích của việc đánh giá thiết kế là: -Đánh giá chất lượng hệ thống thông qua tham số BER (Bit Error Ratio:tỷ lệ lỗi bit).Thông thường,BER là một hàm của tỷ số tín/tạp,cụ thể là một hàm của tỷ số năng lượng một bit Eb với năng lượng N0 của tạp âm (thường được giả thiết là tạp âm trắng chuẩn) tính trên một bit,tức là BER=f(Eb/N0) MOD Tx.P HPA CHAN Rx.F DEM S.S -Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau tới chất lượng của hệ thống. Deciss Chú giải: S.S (Symbol Source):Nguồn ký hiệu. CHAN():Kênh truyền. Tx.P (Transmitter Filter):Bộ lọc phát. Rx.F():Bộ lọc thu. MOD(Modulator):Bộ điều chế. DEM():Bộ giải điều chế. HPA(High Power Amplifier):Bộ khuếch đại công suất n(t):Tạp âm nhiệt Deciss(Decission):Mạch quyết định. Hình 1.1.Sơ đồ khối tương đương băng gốc hệ thống vi ba M-QAM. 11
12 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Giải pháp giải tích là trên cơ sở mô hình hóa hệ thống bằng các công thức toán học,tính toán BER dưới tác động của rất nhiều yếu tố như méo do lọc,méo phi tuyến do khuếch đại công suất,méo do đường truyền,sai pha sóng mang thu,sai lệch tín hiệu đồng hồ…tức là tính toán BER= f(Eb/N0),méo đường truyền,méo phi tuyến,∆φ,∆τ…) trong đó ∆φ,∆τ lần lượt là các sai lệch pha sóng mang và sai lệch tín hiệu đồng hồ giữa phần thu với phần phát.Do có phần tử phi tuyến (bộ khuyếch đại công suất) phương pháp xếp chồng không thể áp dụng được,hơn nữa do băng tần hạn chế nên trong tín hiệu đầu ra tồn tại xuyên nhiễu giữa các dấu ISI (InterSymbol Interference)… nên việc tính toán thao phương pháp giải tích trở nên quá phức tạp đến nỗi có thể xem như không thể thực hiện nổi. Đối với phương pháp mô phỏng,quá trình mô phỏng thực chất là tạo giả hệ thống trên cơ sở mô hình hóa hệ thống bao gồm tạo giả tín hiệu,mô hình hóa các khối chức năng của hệ thống và các tác động khác nhau và cho tín hiệu “chạy” suốt qua hệ thống và đánh giá BER theo một số cách thức khác nhau.Trên cơ sở đó đáp ứng các mục đích đề ra đối với công tác thiết kế và đánh giá hệ thống.Như vậy,quá trình mô phỏng bằng máy tính các hệ thống thông tin bao gồm: -Tạo giả tín hiệu ở dạng xử lý máy tính được (bằng cách tạo mẫu các tín hiệu tới mức dạng sóng trong các miền tần số hay thời gian một cách thích hợp). -Mô hình hóa các khối của hệ thống theo các thuật toán toán học mô tả chức năng của từng khối,liên kết các khối chức năng của hệ thống theo sơ đồ khối dùng để mô phỏng. -Cho các mẫu tín hiệu dạng sóng chạy qua toàn hệ thống,tạo ra các mẫu tín hiệu dạng sóng lối ra hệ thống -Đánh giá BER theo một số phương pháp,chẳng hạn bằng cách so sánh chuỗi ký hiệu nhận được ở lối ra so với chuỗi ký hiệu được tạo ra ở lối vào (phương pháp Mon-te Carlo). b, Áp dụng mô phỏng trong thiết kế và đánh giá hệ thống thông tin: Trong thiết kế hệ thống,mô phỏng hệ thống được tiến hành như sau: -Lập sơ đồ hệ thống giả định (định thiết kế). 12
13 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ -Mô hình hóa các thành phần của hệ thống với các thông số cơ bản. -Mô phỏng hệ thống với các tập thông số khác nhau nhằm tìm phương án thiết kế tối ưu thỏa mãn các chỉ tiêu đã được đề ra đối với hệ thống cần thiết kế. Đánh giá hệ thống trong quá trình phát triển: Để bảo đảm tính xác thực của mô phỏng,kết quả mô phỏng cần phải được kiểm nghiệm bằng cách so sánh với kết quả trên các hệ thống thực hiện có trong quá trình phát triển phần mềm mô phỏng.Với các phần mềm mô phỏng đã được kiểm nghiệm,căn cứ vào các tham số thực của hệ thống cần phát triển,hệ thống cần đánh giá được đưa vào mô phỏng nhằm có được các kết luận về chất lượng hệ thống khi được phát triển. c,Các ứng dụng khác của mô phỏng: Khi đã có hệ thống đang khai thác,việc mô phỏng hệ thống có thể giúp ích cho việc phát hiện và loại bỏ hỏng hóc.Ngoài ra,mô phỏng máy tính còn có thể được sử dụng như một công cụ hữu hiệu và rẻ tiền trong huấn luyện,giảng dạy,nghiên cứu,cho phép giải thích,quan sát một cách sâu sắc và trực quan các khái niệm,các tính chất của hệ thống thông tin.Trong đào tạo tại nhiều trưòng và trung tâm khoa học lớn trên thế giới,mô phỏng máy tính các hệ thống thông tin đang trở thành công nghệ huấn luyện thực hành mới,thay thế cho các công nghệ cứng nhắc,thiếu tính tổng quát và tốn kém trước đây là thực hành trên hệ thống thực hay trên các mô hình đơn giản hóa. CHƯƠNG II BIỂU DIỄN TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG 13
14 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Các khái niệm liên quan tới mô phỏng hệ thống thông tin bao gồm:Kích thước,phản ứng và hệ thống.Tùy theo mục đích của mô phỏng chúng ta sẽ có các nhiệm vụ khác nhau sau đây: -Quá trình thiết kế hệ thống:Tổng hợp hệ thống để với một kích thích đã cho thu đựơc một phản ứng xác định. -Quá trình phân tích hệ thống:Xác định phản ứng của một hệ thống đã cho với một kích thích nhất định nhắm xác định các đặc tính kỹ thuật cũng như bản chất của hệ thống. -Quá trình đánh giá chất lượng hệ thống: Đánh giá chất lượng hệ thống thông qua tính toán các chỉ tiêu chất lượng căn cứ trên phản ứng lối ra. Kích thích và phản ứng của hệ thống được xem là các tín hiệu.Như đã trình baỳ ở chương một,mô phỏng các hệ thống thông tin là việc biểu diễn hệ thống và tín hiệu ở dạng thích hợp xử lý bằng máy tính và cho tín hiệu “đi” qua hệ thống.Do vậy,trong mô phỏng các hệ thống thông tin,biểu diễn hệ thống và tín hiệu ở dạng xử lý được bằng máy tính đóng một vai trò cực kì quan trọng. Trong chương hai này chúng ta sẽ xem xét những vấn đề cơ bản nhất trong biểu diễn hệ thống và tín hiệu,bao gồm việc biểu diễn các tín hiệu (ngẫu nhiên hay tiền định) và các loại hệ thống khác nhau (tuyến tính hay phi tuyến,có hay không có biến đổi theo thời gian….) 2.1.BIỂU DIỄN TÍN HIỆU 2.1.1.CÁC LOẠI TÍN HIỆU Các loại tín hiệu trong hệ thống thông tin bao gồm tín hiệu hữu ích và can nhiễu.Có thể phân chia các tín hiệu thành: -Tín hiệu tát định. -Tín hiệu ngẫu nhiên. Các tín hiệu có thể có dạng liên tục (thực tế) hoặc dạng đã được rời rạc hóa (được sử dụng trong mô phỏng máy tính). a. Tín hiệu tất định:Trong thực tế,tín hiệu tất định xuất hiện dưới dạng các tín hiệu thử (test) đã biết trước ở phần thu.Tín hiệu tất định được biểu diễn bằng các hàm 14
15 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ theo thời gian bao gồm cả hàm thực lẫn hàm phức.Trong quá trình mô phỏng,một số tín hiệu dạng sóng cũng thường được biểu diễn dưới dạng tất định và cũng được biểu diễn bằng các hàm thời gian. Các tín hiệu thường xuất hiện trong các hệ thống thông tin có thể được biểu diễn như là dẫn xuất của một số hữu hạn các tín hiệu cơ sở.Sau đây là một số loại tín hiệu cơ sở đặc biệt quan trọng trong các hệ thống thông tin. -Hàm bậc thang đơn vị: 0, t0 u t    1, t 0 (2.1) -Hàm xung đơn vị (hàm delta): 1, t0  t    0, t  0 (2.2) Định nghĩa:   xt . t .dt  x0  (2.3) -Hàm sinc: sin t sin ct   t (2.4) Đặc điểm của hàm sinc(t) là nó nhận giá trị bằng 0 tại các giá trị của t là các số nguyên khác không và bằng 1 khi t=0. -Tín hiệu mũ phức: 15
16 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ x(t)= exp(j2πft)=cos2πft + j sin2πft (2.5) Chú ý 1:Do là hàm phức nên việc vẽ đồ thị x(t) thường đựơc phân thành vẽ đồ thị phần thực và phần ảo. Để mô phỏng được bằng máy tính số,các tín hiệu trên cần được biểu diễn ở dạng ròi rạc tương đương.Các tín hiệu rời rạc tương ứng nhận được bằng cách lấy mẫu các tín hiệu lien tục với khoảng cách lấy mẫu Ts ,thông thường Ts là một hằng số.Tức là: Tín hiệu rời rạc=Tín hiệu thực ( nT s) (2.6) Khi bỏ qua giá trị thực (là hằng số) của Ts ,ta có thể viết: Tín hiệu rời rạc=Tín hiệu thực ( n) (2.7) Thí dụ: -Hàm bậc thang đơn vị rời rạc: 1, n0 u n    0, n0 (2.8) -Hàm xung đơn vị rời rạc: 1, nk  n  k    0, nk (2.9)  và xn    xk . n  k  k   (2.10) -Hàm mũ phức rời rạc: 16
17 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ e j 2f 0 n  cos 2f 0 n  j sin 2f 0 n (2.11) Với hàm mũ phức rời rạc,ta có các chú ý sau: Chú ý 2:Do exp j 2f 0 n   exp j 2  f 0  1n nên f 0 không duy nhất.Thông thường,để đảm bảo tính duy nhất thì f 0 được chuẩn hóa trong khoảng [0,1]. Điều này liên quan tới tần số lấy mẫu f s =1/T s Vì e j 2ft t  nTs  e j 2fnT , để đảm bảo tính duy nhất thì fЄ[0.1],tức là f.Ts ≤ 1 hay s f ≤ 1/Ts ,tức là giải tín hiệu nghiên cứu nhất thiết phải nhỏ hơn tần số lấy mẫu fs.Thực ra,theo định lý lấy mẫu,yêu cầu về tần số f so với f s còn chặt hơn nữa (f ≤ 1/2Ts). Chú ý 3 (tính chu kỳ): Để đảm bảo tính chuẩn hoàn của tín hiệu mũ phức rời rạc thì số mẫu trong khoảng 1/ f 0 phải nguyên. b. Tín hiệu ngẫu nhiên *Các quá trình ngẫu nhiên: Các tín hiệu ngẫu nhiên được biểu diễn bằng các quá trình nguẫ nhiên.Một quá trình ngẫu nhiên x(t) là một hệ thống gồm không gian lấy mẫu,tập các dạng song và độ đo xác xuất.Một dạng song riêng lẻ của x(t) được gọi là một hàm mẫu. Với một tập hữu hạn tùy ý (t 1 ,t 2 ,…,t k ),bằng cách quan sát x(t) tại mọi t i (i=1,2,3,…,k) ta thu được một tập k biến ngẫu nhiên x(t i ).Một quá trình ngẫu nhiên được xem là xác định khi và chỉ khi ta chỉ ra được quy tắc xác định hàm mật độ xác xuất cùng nhau (joint probability dénity function) p x (t) cho tập hữu hạn bất kỳ {x(t 1 ),x(t 2 ),…,x(t k )}. *Quá trình ngẫu nhiên dừng: Quá trình ngẫu nhiên dừng là quá trình ngẫu nhiên mà với mọi tập hữu hạn {ti} và với mọi hằng số T đều có: 17
18 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ p x (t+T) = p x (t) tức là p x (t) độc lập với gốc thời gian Trong thực tế xem xét các hệ thống thông tin,một quá trình ngẫu nhiên có thể và thường được biểu thị thông qua các biến ngẫu nhiên tại những thời điểm quan trắc và được thể hiện bằng các hàm mật độ xác xuất pdf (probability density function) của các biến ngẫu nhiên đó. Đối với quá trình ngẫu nhiên dừng thì các pdf của các biến ngẫu nhiên thu được nhờ quan trắc tại các thời điểm khác nhau là như nhau và do vậy việc biểu thị quá trình ngẫu nhiên thông qua các biến ngẫu nhiên như thế khá thuận tiện và có thể thể hiện thông qua pdf của các biến ngẫu nhiên đó. *Các giá trị trung bình: -Hàm kì vọng:Hàm kì vọng  x t  của quá trình ngẫu nhiên x(t) là sự phụ thuộc vào thời gian t của giá trị kỳ vọng của các biến ngẫu nhiên thu được nhờ quan trắc quá trình ngẫu nhiên x(t) tại thời điểm t,tức là:   x t   E xt  (2.13) -Hàm tự tương quan:Hàm tự tương quan Rxx t1 ,t 2  của quá trình ngẫu nhiên x(t) được định nghĩa theo:  R xx t1 , t 2   E xt1 .xt 2  (2.14) Với quá trình ngẫu nhiên dừng thì  x t  là hằng số và Rxx t1 ,t 2  = R xx t1  t 2 ,0  hay Rxx t1 ,t 2  = R xx t1  t 2  , tức là hàm tự tương quan chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các thời điểm t1,t2 mà không phụ thuộc gốc thời gian. *Quá trình ngẫu nhiên dừng theo nghĩa rộng: 18
19 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Quá trình ngẫu nhiên x(t) được gọi là dừng theo nghĩa rộng nếu μx(t) là hằng số và Rxx t1 ,t 2  = R xx t1  t 2 ,0  hay R xx t1 ,t 2  = R xx t1  t 2  = R xx   , với   t1  t 2 .Hiển nhiên,một quá trình ngẫu nhiên dừng thì cũng là dừng theo nghĩa rộng. *Quá trình ngẫu nhiên ergodic: Quá trình ngẫu nhiên dừng x t  được gọi là ergodic khi trung bình theo thời gian của xt  hội tụ với  x t  .Ta có thể hiểu điều này như sau. Vì xt  là một quá trình ngẫu nhiên dừng nên hàm mật độ xác xuất của các biến ngẫu nhiên xt i  là như nhau với mọi t i , ký hiệu là f X t  x  .Khi đó:   x t    x. f   x .dx   x t x  const. (2.15)  Quá trình ngẫu nhiên dừng xt  được gọi là ergodic khi: lim  x r  x (2.16) T  Trong đó  x r là trung bình thời gian trong khoảng T của xt  ,được tính theo: T 2 1 x  xt .dt (2.17) T T T 2 *Các hàm mật độ xác xuất thường gặp: Việc nghiên cứu các quá trình ngẫu nhiên,như đã nói ở trên,có thể và thường được thực hiện thông qua các biến ngẫu nhiên.Các biến ngẫu nhiên được xem là đã biết (xác định) khi biết được các hàm phân bố xác xuất cdf(cumulative densty function) hay hàm mật độ xác xuất pdf của nó. Đối với biến ngẫu nhiên X,cdf thường được ký hiệu là Fx x  còn pdf thì thường được ký hiệu là f x x  .Theo định nghĩa,liên hệ giữa cdf và pdf của một biến ngẫu nhiên X được xác định theo 19
20 MÔ PHỎNG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ x Fx  x  =  f x .dx  x (2.18) Và f x  x  = d Fx  x  / dx (2.19) Thực ra,để xác định biến ngẫu nhiên X thì việc biết Fx x  là điều kiện cần thiết còn việc biết f x x  thì rộng hơn và là đủ nhưng không phải là nhất thiết.Tuy nhiên,trong thực tế việc nghiên cứu với f x x  thường thuận tiện hơn.Một số cdf và pdf thường gặp trong khi nghiên cứu các hệ thống thông tin sẽ được liệt kê dưới đây mà không đi vào chứng minh chi tiết. *Biến ngẫu nhiên phân bố đều (uniform): Pdf: f x  x   1 b  a  a