Xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống thông tin thực hiện truyền dẫn số thông qua điều chế pha sóng mang PSK

Như chúng ta đã biết, xu thế chung của viễn thông toàn cầu là sự thay thế toàn bộ hệ thống thông tin tương tự bằng hệ thống thông tin số. Vì vậy, việc nghiên cứu các hệ thống thông tin số nói chung đã trở thành nội dung quan trọng trong chương trình đào tạo đối với sinh viên đang theo học ngành điện tử viễn thông. Và có rất nhiều tài liệu đề cập về những vấn đề liên quan, điều đó giúp chúng ta nắm bắt được từng phần kiến thức và hình thành nên một cái nhìn tổng quan, từ đó chúng ta có thể đi sâu vào nghiên cứu một vấn đề cụ thể, làm tăng tính chuyên môn của mình. Là não bộ của hệ thống, điều chế và giải điều chế được hầu hết các giáo trình thông tin số giành một thời lượng khá lớn, phản ánh mức độ ưu tiên cao của khối này trong toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên, ở phần lớn các giáo trình, lý thuyết căn bản vẫn được chú trọng hơn. Dù rằng chuyển biến mới trong kế hoạch giáo dục đào tạo của nước ta trong những năm gần đây cho thấy những cố gắng cải thiện nhằm nâng cao sự tìm tòi, sáng tạo của sinh viên, lôi cuốn sinh viên học tập bằng chính niềm đam mê của mình, cập nhật với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mới. Với xu hướng đó, em lựa chọn đề tài: “Xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống thông tin thực hiện truyền dẫn số thông qua điều chế cầu phương QAM với M = 4”. Mô phỏng MonteCarlo là một ứng dụng nằm trong chương trình phần mềm Matlab, ứng dụng này làm công cụ khai thác thay thế các hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan, sâu hơn về những vấn đề kỹ thuật phức tạp. Hy vọng tính chuyên biệt của tài liệu, kết hợp dùng hỗ trọ cảu máy tính trong việc nghiên cứu lý thuyết căn bản nói trên sẽ nâng cao hiệu quả tiếp thu cho bản thân em và sinh viên khóa sau lượng kiến thức quan trọng này. Đề tài gồm ba phần như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin số Chương 2: Các phương pháp điều chế sử dụng trong truyền dẫn Chương 3: Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số thông qua mô phỏng MonteCarlo   Chương 1. Tổng quan về hệ thống thông tin số 1.1 Tổng quan Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đến nơi khác. Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới bộ nhận tin (là đích mà tin tức cần truyền tới) dưới dạng các văn bản. Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin nào đó. Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc. Đối với nguồn tin liên tục, tập các bản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc tập các bản tin có thể có một tập hữu hạn. Biểu diễn vật lý của một bản tin gọi là tín hiệu. Có nhiều loại tín hiệu khác nhau tùy theo đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu, như cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng … Tùy theo dạng cảu các tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) và tương ứng sẽ có các hệ thống thông tin tương tự hay hệ thống thông tin số. Hình vẽ sau đây trình bày sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin nói chung. Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin nói chung Thông tin vào được nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào, sau đó chúng được đưa tới thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát thích hợp với môi trường truyền. Như vậy trong sơ đồ hình 1.1, thông tin được hiểu là nội dung cần trao đổi, còn bản tin là phương tiện để biểu diễn, mô tả thông tin ở một dạng thích hợp cho việc trao đổi, xử lý, cảm nhận... bởi con người hay máy móc. Do ảnh hưởng của môi trường truyền như nhiễu tạp, suy hao... nên ở đầu thu ta nhận được tín hiệu thu có thể khác biệt so với với tín hiệu phát. Sau khi được giải điều chế ở thiết bị thu, dữ liệu hay tín hiệu ra sẽ được đưa tới thiết bị ra để lấy thông tin có ích.   1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin điện tử Trong suốt quá trình phát triển của loài người việc phát minh ra ngôn ngữ là cuộc cách mạng truyền thông lớn nhất. Sau đó ít lâu việc phát minh ra tín hiệu băng lửa có khả năng truyền đạt thông tin và nhanh chóng đến vùng xa. Cuộc phát minh lớn nhất nữa là con người biết được làm thế nào để ghi lại suy nghĩ và tư tưởng của mình bằng cách dùng chữ viết. Với khả năng này con người có thể truyền thông tin mà không bị giới hạn bởi không gian và thời gian. Đồng thời đã đưa ra các dịch vụ đưa thư và điện báo. Bảng 1.1 giới thiệu về các sự kiện quan trọng trong lịch sử phát triển của thông tin điện tử. Bảng 1.1 Các sự kiện quan trọng trong lịch sử của thông tin điện tử Năm Sự kiện Xuất xứ Kiều thông tin 1837 Hoàn thiện dạng điện báo bằng dây Morse Số 1875 Phát minh điện thoại Bell Tương tự 1897 Chuyển mạch trao đổi tự động theo từng nấc Stronger 1901 Điện báo không dây Marconi Số 1905 Giới thiệu về điện thoại không dây Fessenden Tương tự 1907 Truyền thanh vô tuyến dạng chuẩn đầu tiên USA Tương tự 1918 Phát minh ra máy thu vô tuyến đổi tần Amstrong Tương tự 1921 Xuất hiện di động cá nhẵn Detroit police Tương tự 1928 Giới thiệu các dạng truyền hĩnh điện tử Farnsworth Tương tự 1928 Lý thuyết truyền tin điện báo Nyquist Số 1928 Truyền dẫn thông tin Harley Số 1931 Điện báo Số 1933 Giới thiệu điều chế tần số Amstrong Tương tự 1934 Giới thiệu rađa (vô tuyến định vị) Kuhnold 1937 Đưa ra PCM Reeves Số 1939 Thương mại hóa dịch vụ truyền hình quảng bá BBC Tương tự 1943 Phát minh ra bộ lọc thích ứng North Số 1945 Phát minh vệ tinh địa tĩnh Clarke 1946 Phát triển các hệ thống ARQ Duuren Số Năm Sự kiện Xuất xứ Kiều thông tin 1948 Lý thuyết toán học cho thông tin Shannon 1955 Chuyển tiếp viba mặt đất RCA Tương tự 1960 Giới thiệu đầu tiên về laze Maim an 1962 Triển khai thông tin vệ tỉnh TELSTAR 1 Tương tự 1966 Phát minh cáp quang Kao Hockman 1966 Chuyển mạch gói Số 1970 Mạng truyền dữ liệu cỡ trung bĩnh ARPATYMNET Số 1970 LAN, MAN và WAN Số 1971 ISDN CCITT Số 1974 Internet Cerf Kahn Số 1978 Vô tuyến tế bào Tương tự 1978 Bắt đầu nghiên cứu về GPS Navstar Global Số 1980 Mô hĩnh tham chiếu 7 lớp OSI ISO Số 1981 Giới thiệu truyền hĩnh độ phân giải cao NHK, Nhật Bản Số 1985 Truy nhập tốc độ cơ sở ở UK BT Số 1986 Giới thiệu SONETSDH USA Số 1991 Hệ thống tế bào GSM Châu Âu Số 1993 Đưa ra khái niệm PCN Toàn cầu Số 1994 Phát minh CDMA IS95 Quanlcom Số   1.1.2 Thông tin tương tự và thông tin số Tín hiệu tương tự là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, có thời gian tồn tại không xác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồn tin sinh ra. Tín hiệu analog có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy theo tín hiệu là một hàm liên tục hay rời rạc của biến thời gian. Thí dụ: tín hiệu điện thoại ở lối ra của micro là tín hiệu tương tự liên tục, tín hiệu điều chế xung PAM của chính tín hiệu lối ra micro nói trên là tín hiệu analog rời rạc. Tín hiệu số là tín hiệu được biểu diễn bằng các con số (các ký hiệu gọi là các symbol). Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn (M) các giá trị và có thời gian tồn tại xác định, thường là một hằng số ký hiệu là Ts. So với các hệ thống thông tin tương tự, các hệ thống thông tin số có một số ưu điểm cơ bản sau: Do có khả năng tái sinh tín hiệu theo ngưỡng qua sau từng cự ly nhất định nên tạp âm tích lũy có thể loại trừ được, tức là các tín hiệu số khỏe hơn đối với tạp âm so với tín hiệu tương tự. Tái sinh là quá trình trong đó một tín hiệu bị méo và suy hao được tái tạo lại thành biên độ và dạng sóng như ban đầu.Quá trình được thể hiện qua bộ lặp số. Hình 1.2 Kênh thông tin số gồm nhiều trạm lặp Do sử dụng tín hiệu số, tương thích với các hệ thống điều khiển và xử lý hiện đại, nên có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì một cách tự động cao độ. Tín số có thể sử dụng được để truyền đưa khá dễ dàng một loại bản tin, rời rạc hay liên tục, tạo tiền đề cho việc họp nhất các mạng thông tin truyền đưa các loại dịch vụ hay số liệu thành một mạng duy nhất. Nhược điểm căn bản của hệ thống thông tin số so với hệ thống thông tin tương tự trước là phổ chiếm của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên tục tương đối lớn so với phổ của tín hiệu analog. Tuy nhiên trong tương lai khi các kỹ thuật số hóa tín hiệu liên tục tiên tiến hơn được áp dụng thì phổ của tin hiệu số có thể so sánh được với phổ của tin hiệu liên tục. 1.1.3 Truyền tin số Truyền tin số có nhiều ưu điểm hơn kỹ thuật tương tự, trong đó chỉ sử dung một số hữu hạn dạng sóng (ký hiệu truyền tách biệt nhau) để truyền tin. Mỗi dạng sóng truyền trong một khoảng thời gian xác định gọi là chu kỳ kỷ hiệu và là đại diện truyền của một dữ liệu tin (hay một tổ họp bit) còn gọi là báo hiệu (Signalings). Kỹ thuật này có ưu điểm nổi bật là: chống nhiễu ưên đường truyền tốt (vĩ nếu nhiễu không đủ mạnh sẽ không thể làm méo dạng sóng này thành dạng sóng kia, gây nên nhằm lẫn ở nơi thu), song đòi hỏi bản tin nguồn cũng phải được số hóa (biểu diễn chỉ bằng một số hữu hạn ký hiệu). Ví dụ vãn bản tiếng Việt dùng 24 chữ cái, bộ đếm dùng 10 số, bản nhạc dùng 7 nốt và vài ký hiệu bổ sung... Việc số hóa một bản tin tương tự phải trả giá bằng một sai số nào đó ( Gọi là sai số lượng tử, tuy nhiên sai số này lại có thể điều khiển được). So sánh với kỹ thuật truyền tin tương tự, ở đó bản tin không mắc sai số khi số hóa, song do dùng vô số dạng sóng (tín hiệu liên tục) trên đường truyền nên can nhiễu sẽ làm thay đổi dạng sóng, gây nên sai số khi quyết định tại nơi thu mà ở góc độ nào đó khó điều khiển được. Ngoài ra, việc số hóa kỹ thuật truyền tin còn tạo nên những tiêu chuẩn có thể thay đổi linh hoạt bằng chương trình phần mềm và tạo ra những dịch vụ chưa từng có trong truyền tin tương tự. Nói như vậy ta cũng không quên rằng, kỹ thuật truyền tin tương tự đã có những đỉnh cao vĩ đại như tạo ra truyền hĩnh màu hay điều khiển đưa người lên mặt trăng và hiện nay trong một số kỹ thuật điều khiển tốc độ cực nhanh vẫn dùng đến kỹ thuật tương tự. Khi vận dụng lý thuyết thông tin vào kỹ thuật truyền tin số thường có những vấn đề sau đây đặt ra: Bản tin phải được biểu diễn (mã nguồn) với một so it ký hiệu nhất, theo mã nhị phân thi tức là cần ít bit nhất. Lý thuyết thông tin cho một giới hạn dưới về sổ bít tối thiểu cần để biểu diễn. Tức là nếu ít hơn số bít tối thiểu không thể biểu diễn đầy đủ bản tin (làm méo bản tin). Khi truyền tin mã nguồn cần được bổ sung thêm các bit (dư thừa), mà điều này làm tăng tốc độ bit, để có thể giảm được lỗi truyền bản tin (gọi là kỹ thuật mã kênh điều khiển lỗi), song có một giới hạn trên về tốc độ truyền mà vượt qua nó không thể điều khiển lỗi được, đó là dung năng kênh qui định bởi độ rộng băng tần kênh truyền và tỷ số tín hiệu tạp âm. C = Blog2(l + %) (bits) (1.1) Trong đó: B là độ rông băng tần kênh truyền SNR là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất ồn c là giới hạn trên đối với tốc độ truyền tin cậy tính bằng bs Công thức (1.1) cho thấy có sự chuyển đổi giữa B và SNR. Đồng thời cả 3 yếu tố: công suất, độ rộng băng tần và ồn kênh cùng tham gia qui định mức độ “nhanh” của truyền tin. Công suất phát tin càng lớn, thi càng truyền tin đi xa. Băng tần truyền dẫn càng rộng thi tốc độ thông tin càng nhanh và cuối cùng càng ít can nhiễu càng ít lỗi truyền tin xảy ra. Đây là công thức rất điển hĩnh (do Shannon tổng kết từ năm 1948) đặc trưng cho một hệ thống truyền tin số. Chương trình Matlab điều chế PSK: function DieuchePSK echo on SNR_theo_dB1=0:1:10; SNR_theo_dB2=0:0.1:10; for i=1:length(SNR_theo_dB1), pb=Tinh_loiPSK(SNR_theo_dB1(i)) Ty_le_loi_bit(i)=pb echo off; end; echo on; for i=1:length(SNR_theo_dB2) SNR=exp(SNR_theo_dB2(i)log(10)10); Xac_suat_loi_ly_thuyet(i) = 0.5erfc(sqrt(SNR)); echo off; end; echo on; semilogy(SNR_theo_dB1,ty_le_loi_bit,); hold semilogy(SNR_theo_dB2,Xac_suat_loi_ly_thuyet,r); xlabel(EbNo dB); ylabel(BER); legend(ty_le_loi_bit,Xac_suat_loi_ly_thuyet) title(chat luong hoat dong cua he thong PSK)