Đang tải... (xem toàn văn)
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)” XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)” XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)” XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)” XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM 8 MỨC (M=8)”
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em nhận nhiều giúp đỡ , đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy , cô , bạn bè Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo : PGS.TS:Lê Quốc Vượng giới thiệu, cung cấp tài liệu tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Hàng Hải Việt Nam thầy cô khoa Điện- Điện tử dạy dỗ em thời gian học tập trường giúp em có sở lý thuyết tạo điều kiện giúp đỡ em trình học tập Cuối em xin cảm ơn gia đình, bạn bè ,đã tạo điều kiện quan tâm ,giúp đỡ , động viên em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực PGS.TS:Lê Quốc Vượng Ngô Thị Hồng Nhung Em xin chân thành cảm ơn LỜI CAM ĐOAN Em xin cam kết đồ án độc lập riêng em.Các số liệu sử dụng phân tích đồ án có nguồn gốc rõ ràng ,đã công bố theo quy định Các kết qủa đồ án phân tích trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn DANH MỤC HÌNH VẼ Số hình 1.1 Tên Hình Sơ đồ khối chức hệ thống thông tin số Trang 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 tổng quát Sơ đồ khối tiểu biểu hệ thống thông tin số Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điều chế ASK Mật độ phổ công suất tín hiệu ASK trạng thái Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điều chế FSK Băng thông tín hiệu FSK Dạng sóng tín hiệu PSK Băng thông tín hiệu PSK Lấy mẫu tự nhiên lấy mẫu Điều chế theo phương pháp lấy mẫu tự nhiên Điều chế lấy mẫu Lấy mẫu Quá trình khôi phục lại tín hiệu tương tự Sơ đồ giải điều chế tín hiệu PAM Hệ truyền thông PAM với đường dây nhiễu Các ví dụ cặp tín hiệu đối cực Máy thu tối tư tín hiệu cực Hàm mật độ xác suất tín hiệu lối vào tách tín hiệu Sơ đồ khối PAM mức để mô Monte- Carlo Chất lượng hệ thống PAM với M=4 thu từ mô Monter-Carlo Chất lượng hệ thống PAM với M=16 thu từ mô Monter-Carlo Chất lượng hệ thống PAM với M=8 thu từ mô Monter-Carlo 11 12 14 15 17 18 20 21 22 23 24 25 26 28 29 30 38 40 41 47 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, hệ thống thông tin liên lạc phát triển chóng mặt Không giới mà Việt Nam thấy thay đổi đáng kể hệ thống thông tin liên lạc nên đóng vai trò chủ yếu cho việc phát triển tương lai xã hội thông tin Với tiến công nghệ hình thành nên hệ thống thông tin số để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày cao người Hệ thống thông tin số trở nên phổ biến quốc gia với nhiều ưu điểm ứng dụng rộng rãi lĩnh vực thông tin, sống hàng ngày v.v thay cho hệ thống thông tin tương tự cổ điển phức tạp trước Ở nước ta cấu chuyển mạch hệ thống truyền dẫn số ngành bưu điện, di động số hóa cách đại Hệ thống thông tin số đáp ứng nhiều mặt hạn chế hệ thống thông tin tương tự Việc nghiên cứu hệ thống thông tin số trở thành nội dung việc đào tạo kỹ sư trẻ Nhận thấy trội hệ thống thông tin số nên em thực đồ án “ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN PAM MỨC (M=8)” hướng dẫn tận tình thầy giáo LÊ QUỐC VƯỢNG Do hạn chế mặt kiến thức nên tránh sai sót nhầm lẫn nên em mong muốn nhận ý kiến đóng góp thầy/cô môn Điện Tử Viễn Thông thầy/cô khoa Điện - Điện Tử trường Đại học Hàng Hải Việt Nam để giúp em hoàn thiện kiến thức thân Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2015 Sinh viên Ngô Thị Hồng Nhung CHƯƠNG 1:KHÁI QUÁT 1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 1.1.1 Các đặc trưng thông tin số Các hệ thống thông tin dùng để truyền thông tin từ nơi đến nơi khác Tin tức truyền từ nguồn tin nơi mà tin tức cần chuyển đến hay gọi đích, nhận tin dạng tin Bản tin chứa đựng lượng thông tin Các tin tạo từ nguồn tin Nguồn tin dạng lien tục rời rạc Tín hiệu dạng biểu diễn vật lý tin Có nhiều loại tín hiệu khác cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng… Như biết, nguồn tin liên tục tâp tin tập vô hạn, nguồn tin rời rạc tập tin tập hữu hạn Nhưng trường hợp nguồn tin có số hữu hạn tin tin đánh số Do đó, thay truyền tin ta cần truyền ký hiệu (symbol) số tương ứng với tin Tín hiệu lúc biểu diễn số nên gọi tín hiệu số Tín hiệu số có đặc điểm sau: ● Tín hiệu số nhận số hữu hạn giá trị ● Tín hiệu số có thời gian tồn xác định, thường số ký hiệu Ts Một số ưu điểm hệ thống thông tin số so với hệ thống thông tin tương tự là: -Do có khả tái sinh lại tín hiệu theo ngưỡng qua cự ly định nên tín hiệu số khỏe tạp âm so với tín hiệu tương tự -Kỹ thuật mới, điều chế giải điều chế theo phương thức cải tiến tương thích với hệ thống xử lý điều khiển đại nên có khả quản lý, khai thác bảo trì hệ thống cách tự động -Có khả chống nhiễu cao -Tín hiệu số dễ dàng sửa có lỗi xảy -Thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, nhiều lọc cồng kềnh -Giá mạch số tương đối phải sử dụng mạch tích hợp nhiều tính -Tín hiệu số truyền dễ dàng loại tin -Thông tin bảo mật an toàn sử dụng loại mã mật Tuy nhiên nhược điểm hệ thống thông tin số là: - Băng thông rộng so với hệ thống thông tin tương tự trước Vì cần phải dùng biện pháp nén bang tần thể thu hẹp phổ lại - Việc đồng thông tin số thực khó khăn Những nhược điểm hệ thống thông tin số không đáng kể so với nhiều ưu điểm quan trọng thời gian tới, mạng viễn thông trở nên số hóa hoàn toàn 1.1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số điển hình Trước tiên ta xét đến sơ đồ khối hệ thống thông tin số tổng quát Hệ thống tổng quát gồm có phần là: Nguồn tin, kênh tin nhận tin Hình 1.1: Sơ đồ khối chức hệ thống thông tin số tổng quát Nguồn tin nơi chứa hay sản sinh tin truyền đi, nguồn tin người hay thiết bị thu phát tiếng nói, hình ảnh, âm thanh, thiết bị lưu trữ thu nhận thông tin để truyền Hay nói cách khác, nguồn tin tập hợp tin tạo thành tin mà hệ thống thông tin truyền Nếu tin tức vô hạn nguồn tin sinh nguồn rời rạc, tin tức hữu hạn nguồn sinh nguồn liên tục Kênh tin môi trường truyền dẫn vật lý từ nơi phát đến nơi thu tín hiệu Để truyền môi trường vật lý xác định thông tin cần phải biến đổi thành dạng tín hiệu thích hợp với môi trường truyền Hay nói cách khác kênh tin vừa nơi hình thành đồng thời nơi truyền tín hiệu mang tin sinh nhiễu trình truyền tin nhằm phá hủy thông tin làm cho thông tin bị lượng, không chuẩn xác từ nguồn tin phát Nhận tin nơi lưu trữ tin, khôi phục lại thông tin ban đầu giống nguồn tin từ đầu tín hiệu kênh tin Dưới Sơ đồ khối tiêu biểu cho hệ thống thông tin số, thực tế có nhiều thay vài khối khác, nhìn chung thực chức hệ thống thông tin số Hình 1.2: Sơ đồ khối tiểu biểu hệ thống thông tin số Hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (hình ảnh, âm thanh, tiếng nói ) tín hiệu tương tự Analog Khối định dạng (Format) thực biến đổi tín hiệu đưa vào dạng tương tự thành tín hiệu dạng số Việc chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số thực phương pháp điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulator) Khối giải định dạng (De-format) thực biến đổi ngược lại chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự dạng tín hiệu ban đầu Khối mã hóa nguồn (Source Encode) làm nhiệm vụ giảm số bit dư không cần thiết để giảm phổ chiếm tín hiệu số làm cho việc truyền lưu trữ thông tin hiệu Khối mật mã hóa (Encryption) nhằm mật mã hóa tin gốc ban đầu thuật toán cho phép làm mờ nội dung tin để phục vụ cho việc bảo mật thông tin Nếu đối tượng mã giải thuật toán xem nội dung thông tin Khối mã hóa kênh (Channel Encode) để đưa thêm vào tín hiệu số số bit dư theo quy luật định giúp cho bên thu dễ dàng phát sửa lỗi xảy kênh truyền, để chống nhiễu tác động xấu đường truyền dẫn Giải mã nguồn, giải mật mã giải mã kênh thực bên thu trình ngược lại với trình mã hóa tương ứng Khối ghép kênh (Multiplex) nhằm giúp tăng dung lượng cho hệ thống thông tin, nhiều tuyến thông tin chia sẻ đường truyền vật lý chung, làm cho việc truyền tin nhiều nguồn tin khác đến đích nhận tin khác tuyến truyền dẫn Các phương pháp ghép kênh TDM (ghép kênh phân chia theo thời gian), FDM (ghép kênh phân chia theo tần số), CDM (ghép kênh phân chia theo mã) Trong thông tin số thường dùng kiểu ghép kênh phân chia theo thời gian TDM chủ yếu Khối điều chế (Digital Modulation) làm nhiệm vụ biến đổi đặc tính tín hiệu sang tín hiệu khác Khối điều chế làm thay đổi tần số hình dạng xung tín hiệu Điều chế có xu hướng làm cho tín hiệu có tần số cao để truyền xa Đầu vào điều chế tín hiệu băng gốc, đầu tín hiệu thông dải Các dạng điều chế là: Điều chế tương tự (AM, FM, PM), Điều chế số (ASK, FSK, PSK), Điều chế xung (PCM, PAM, PWM) Khối giải điều chế (Digital Demodulator) bên thu trình ngược lại so với điều chế Nó chuyển tín hiệu thu thành tín hiệu băng gốc ban đầu Khối đa truy nhập (Multiple Access) cho phép nhiều đối tượng sử dụng phương tiện vật lý chung để chia sẻ thông tin với theo nhu cầu giúp hạn chế việc sử dụng nhiều phương tiện truyền dẫn khác Một số dạng đa truy nhập là: TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian), FDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số), CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) 1.1.3 Các tham số chất lượng hệ thống thông tin số Trong hệ thống thông tin số, truyền thông tin có hạn chế Thứ cần phải có băng thông đủ rộng để truyền nhiều thông tin thời gian ngắn Tuy nhiên, dải thông lớn gây lãng phí, tốn băng tần Ngoài ra, yếu tố tác động đến đường truyền nhiễu, méo, suy hao xảy kênh truyền Các tham số chất lượng hệ thống thông tin số tốc độ truyền tin độ xác việc truyền tin Hệ thống thông tin số có yêu cầu việc truyền tin nhanh chóng xác Tuy nhiên, yêu cầu thực tế lại mâu thuẫn với muốn đạt độ xác cao thông tin cần phải giảm tốc độ truyền, ngược lại, tốc độ truyền tin nhanh độ xác kém, khả xảy lỗi nhiều Trong hệ thống thông tin số, tham số dùng để đánh giá độ xác việc truyền tin tỉ lệ lỗi bit (BER: Bit – Error Ratio) thường hiểu tỷ lệ số bit nhận bị lỗi so với tổng số bit truyền khoảng thời gian quan sát Khi thời gian tiến đến vô hạn thì tỷ lệ tiến tới xác suất lỗi bit PE Trong thực tế, thời gian quan sát vô hạn nên tỷ lệ lỗi bit 10 52 Kết mô Với thay đổi phù hợp ta có kết mô Monte Carlo với M=8 Hình 3.7 Chất lượng hệ thống PAM với M=8 thu từ mô Monter-Carlo 53 3.4 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Từ kết chương trình mô Monte Carlo với M=4,M=8 ,M=16 rút số nhận xét đánh giá sau Khi ta thay đổi M lớn xác suất lỗi bit lớn Chương trình mô với M=4 đơn giản M=16 phức tạp Chương trình mô với M=8 phức tạp so với M=4 54 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu ,nghiên cứu lý thuyết mô trình điều chế sóng mang đặc biệt điều chế PAM giúp em hiểu chất phương pháp điều chế biên độ xung Do giới hạn thời gian kiến thức nên đồ án em nhiều thiếu sót Vì em mong thầy cô bạn đóng góp ý kiến để đề tài hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng , tháng 12 năm 2015 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.TS.Nguyễn Quốc Bình KS Nguyễn Huy Quân "Các hệ thống thông tin trình bày thông qua sử dụng Matlab", Hà Nội, năm 2003 2.TS.Nguyễn Quốc Bình ,"Kỹ thuật truyền dẫn số" ,NXB quân đội nhân dân Hà Nội,năm 2001 3.Ths.Nguyễn Hoàng Hải Ths.Nguyễn Việt Anh ,"Lập trình Matlab ứng dụng",Đại học Bách Khoa Hà Nội 56 PHỤ LỤC Chương trình Mattlab cho mô Monte-Carlo với M=4 trình bày đây: m-file echo off; clc; clear all; SNRindB1=0:1:12; SNRindB2=0:0.1:12; for i=1:length(SNRindB1), % mo phong xac suat loi smld_err_prb(i)=smldpe58(SNRindB1(i)); echo off; end; % echo on; for i=1:length(SNRindB2), % Ty so tin hieu tren tap am SNR_per_bit=exp(SNRindB2(i)*log(10)/10); % xac suat loi ly thuyet theo_err_prb(i)=(3/2)*qfunct(sqrt((4/5)*SNR_per_bit)); echo off; end; % echo on; % Phan lenh ve thi kem theo semilogy(SNRindB1,smld_err_prb,'*'); hold semilogy(SNRindB2,theo_err_prb); 57 m-file function [p]=smldpe58(snr_in_dB) % [p]=smldpe58(snr_in_dB) % SMLDPE58 simulates the probability of error for the given % snr_in_dB, signal to noise ratio in dB d=1; SNR=exp(snr_in_dB*log(10)/10); sgma=sqrt((5*d^2)/(4*SNR)); N=10000; % signal to noise ratio per bit % sigma, standard deviation of noise % number of symbols being simulated % Generation of the quaternary data source follows for i=1:N, temp=rand; % a uniform random variable over (0,1) if (temp(M-12)*d), decis=2; elseif (r>(M-14)*d), decis=1; else decis=0; end; if (decis~=dsource(i)), % If it is an error, increase the error counter numoferr=numoferr+1; end; end; p=numoferr/N; % probability of error estim Chương trình Mattlab cho mô Monte-Carlo với M=16 trình bày đây: m-file echo on SNRindB1=5:1:25; SNRindB2=5:0.1:25; M=16; for i=1:length(SNRindB1), % mo phong xac suat loi smld_err_prb(i)=smldpe59(SNRindB1(i)); 62 echo off; end; echo on ; for i=1:length(SNRindB2), SNR_per_bit=exp(SNRindB2(i)*log(10)/10); % xac suat loi ly thuyet theo_err_prb(i)=(2*(M-1)/M)*qfunct(sqrt((6*log2(M)/(M^2-1))*SNR_per_bit)); echo off; end; echo on; % Phan lenh ve thi kem theo semilogy(SNRindB1,smld_err_prb,'*'); hold semilogy(SNRindB2,theo_err_prb); m-file function [p]=smldpe59(snr_in_dB) % [p]=smldpe59(snr_in_dB) % SMLDPE59 simulates the error probability for the given % snr_in_dB, signal-to-noise ratio in dB M=16; % 16-ary PAM d=1; SNR=exp(snr_in_dB*log(10)/10); sgma=sqrt((85*d^2)/(8*SNR)); N=10000; % signal-to-noise ratio per bit % sigma, standard deviation of noise % number of symbols being simulated % generation of the data source for i=1:N, temp=rand; % a uniform random variable over (0,1) 63 index=floor(M*temp); % The index is an integer from to M-1, where % all the possible values are equally likely dsource(i)=index; end; % detection, and probability of error calculation numoferr=0; for i=1:N, % matched filter outputs % (2*dsource(i)-M+1)*d is the mapping to the 16-ary constellation r=(2*dsource(i)-M+1)*d+gngauss(sgma); % the detector if (r>(M-2)*d), decis=15; elseif (r>(M-4)*d), decis=14; elseif (r>(M-6)*d), decis=13; elseif (r>(M-8)*d), decis=12; elseif (r>(M-10)*d), decis=11; elseif (r>(M-12)*d), decis=10; elseif (r>(M-14)*d), decis=9; elseif (r>(M-16)*d), decis=8; 64 elseif (r>(M-18)*d), decis=7; elseif (r>(M-20)*d), decis=6; elseif (r>(M-22)*d), decis=5; elseif (r>(M-24)*d), decis=4; elseif (r>(M-26)*d), decis=3; elseif (r>(M-28)*d), decis=2; elseif (r>(M-30)*d), decis=1; else decis=0; end; if (decis~=dsource(i)), % If it is an error, increase the error counter numoferr=numoferr+1; end; end; p=numoferr/N; % probability of error estim 65 66