[1] Tạo ma trận A bất kì sau đó trả về kích thước của ma trận A A=rand(2,3) sizeA=size(A) disp(sizeA) Kết quả: Ma trận A: Kích thước của ma trận A: [2] Tạo ma trận A có kích thước là (axb) sau đó chuyển thành B là vecto hàng a= b= A=rand(9,2) B=reshape(A,1,a*b) Kết quả: Ma trận A: Ma trận B: [3] Tạo ma trận A có kích thước là (axb) sau đó tạo ma trận B là đường chéo của ma trận A A=rand(9,2) B=diag(A) [5] Tạo ma trận A có kích thước (axb) có giá trị tăng từ 1 đến axb sau đó tính tổng và trung bình của các phần tử trong ma trận a= b= A=reshape(1:a*b,a,b) sumA=sum(A(:)) meanA=mean(A(:)) [6] Tạo ma trận A là ma trận đơn vị có kích thước là a và ma trận B có kích thước phù hợp và có giá trị toàn b, sau đó ghép 2 ma trận đó với nhau a= b= A=eye(a) B = ones(a) * b C=vertcat(A,B) % Ghép ma trận A và B với nhau theo chiều dọc i, ii, iii: [8] Tạo ma trận A (3x5) có giá trị nằm trong khoảng từ -2 đến 12 trích xuất ra: i) các phần tử lớn hơn a và gán vào B ii) các phần tử nhỏ hơn hoặc bằng b và gán vào C Nội dung Text: Bài giảng Mô phỏng hệ thống truyền thông khoa viễn thông 1 - TS. Nguyễn Đức Nhân - 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 i
- 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 ii
- 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 iii
- 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 iv
- 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 v
- 5.3.1 Kênh hữu tuyến và ống dẫn sóng 152 5.3.2 Kênh vô tuyến 153 5.3.3 Kênh pha đinh đa đường 157 5.3.4 Kênh rời rạc 162 5.4 Tổng kết chương 168 Câu hỏi/bài tập chương 5 168 Chương 6 Ước tính các tham số và đánh giá hiệu năng 170 6.1 Ước tính các tham số 170 6.1.1 Ước tính mức sóng trung bình 170 6.1.2 Ước tính công suất trung bình 171 6.1.3 Ước tính phổ 172 6.2 Ước tính tỉ số SNR 174 6.3 Đánh giá hiệu năng hệ thống 176 6.3.1 Phương pháp Monte-Carlo 177 6.3.2 Phương pháp bán giải tích 182 6.3.3 Các phương pháp khác 183 6.3.4 Một số ví dụ mô phỏng hệ thống viễn thông 184 6.4 Tổng kết chương 187 Câu hỏi/bài tập chương 6 187 Tài liệu tham khảo 188 Phụ lục A 189 vi
- DANH SÁCH THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt A ADC Analog to Digital Conversion Chuyển đối tín hiệu tương tự sang số AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ AMI Alternate Mark Inversion Đảo dấu mã ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng B BER Bit Errors Rate Tốc độ lỗi D DFT Discrete Fourier Transform Khai triển Fourier rời rạc DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi sai DSB Double Side Band Điều chế biên kép DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số E erp equivalent random process Quá trình ngẫu nhiên tương đương F FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn FM Frequency Modulation Điều chế tần số FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần H HDL Hardware Description Language Ngôn ngữ đặc tả phần cứng HMM Hiden Markov Model Mô hình Markov ẩn I I/O Input/Output Vào/Ra IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Khai triển Fourier rời rạc đảo IIR Infinite Impulse Response Đáp ứng xung vô hạn IS Important Sampling Lấy mẫu quan trọng ISI Inter-Symbol Interference Giao thoa giữa các ký hiệu N NRZ Non-Return-to-Zero Không trở về không O OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần vii
- Multiplexing số trực giao P PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PET Performance Evaluation Technique Kỹ thuật ước tính hiệu năng PLL Phase Locked Loop Mạch vòng khóa pha PM Phase Modulation Điều chế pha PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha Q QA Quasi-Analytical Bán giải tích QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương R RNG Random Number Generator Bộ tạo số ngẫu nhiên RZ Return-to-Zero Trở về không S SER Symbol Error Rate Tốc độ lỗi ký hiệu SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SSB Single Side Band Điều chế đơn biên T TDL Tributary Delay Line Đường trễ nhánh V VSB Vestigial Side Band Điều chế rớt biên viii
- Chương 1 Tổng quan về kỹ thuật mô phỏng Mô phỏng ngày này có mặt trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật đặc biệt trong thiết kế hệ thống truyền thông. Nội dung chương này sẽ trình bày những vấn đề tổng quan và cơ bản nhất trong kỹ thuật mô phỏng nói chung và trong mô phỏng hệ thống truyền thông nói riêng. 1.1 Giới thiệu chung Trong những thập kỷ qua các hệ thống truyền thông và kỹ thuật xử lý tín hiệu ngày càng tăng nhanh chóng về mức độ phức tạp. Trong suốt thời gian này sự nổi lên các loại công nghệ mới liên quan đến phần cứng tốc độ cao và chi phí rẻ hơn trong xử lý tín hiệu số, công nghệ quang sợi, các linh kiện mạch tích hợp đã có tác động mạnh mẽ đến việc triển khai các hệ thống truyền thông. Trong khi sự phát triển về mức độ phức tạp của hệ thống truyền thông tăng lên theo thời gian và nỗ lực đòi hỏi cho quá trình phân tích và thiết kế, thì sự cần thiết để đưa các công nghệ mới vào các sản phẩm thương mại nhanh chóng cũng đòi hỏi rằng thiết kế được hoàn thành đúng thời gian, hiệu quả về chi phí và không mất nhiều công sức. Các nhu cầu này có thể được đáp ứng chỉ bằng cách sử dụng các công cụ thiết kế và phân tích mạnh mẽ được trợ giúp bởi máy tính. Một loạt các kỹ thuật trợ giúp bởi máy tính đã được phát triển trong nhiều năm qua để hỗ trợ trong quá trình mô hình hóa, phân tích và thiết kế các hệ thống truyền thông. Các kỹ thuật được trợ giúp bởi máy tính này nằm ở hai loại cơ bản: tiếp cận dựa trên công thức mà ở đó máy tính được sử dụng để ước tính các công thức phức tạp và tiếp cận dựa trên mô phỏng mà ở đó máy tính được sử dụng để mô phỏng các dạng sóng hoặc tín hiệu truyền qua hệ thống. Hiệu năng của các hệ thống truyền thông có thể được đánh giá bằng việc sử dụng các tính toán dựa trên công thức, mô phỏng dạng sóng hoặc bằng đo kiểm và chế tạo mẫu thử. Các kỹ thuật dựa trên công thức dựa vào các mô hình được đơn giản hóa cung cấp cái nhìn sâu về mối quan hệ giữa các tham số thiết kế và hiệu năng hệ 1
- thống và chúng rất hữu ích trong các giai đoạn đầu của quá trình thiết kế cho việc khám phá không gian thiết kế mở rộng. Tuy nhiên ngoại trừ các trường hợp quá đơn giản và lý tưởng hóa thì nó rất khó để đánh giá hiệu năng của các hệ thống truyền thông phức tạp chỉ bằng các kỹ thuật giải tích với độ chính xác cần cho quá trình thiết kế chi tiết hơn. Đánh giá hiệu năng dựa trên các phép đo kiểm thu được từ các mẫu thiết kế thử phần cứng tất nhiên là một phương pháp chính xác và đáng tin cậy, hữu ích trong các giai đoạn sau của thiết kế khi các lựa chọn thiết kế được giới hạn trong một tập nhỏ. Tiếp cận này nhìn chung là rất tốn kém và mất nhiều thời gian và không linh hoạt. Nó rõ ràng là không khả thi để sử dụng tiếp cận này trong giai đoạn đầu chu trình thiết kế khi số lượng các lựa chọn thiết kế lớn. Băng tiếp cận dựa trên mô phỏng để đánh giá hiệu năng, các hệ thống có thể được mô hình hóa gần như ở bất kỳ mức chi tiết mong muốn nào và không gian thiết kế có thể được khai thác cụ thể và chi tiết hơn bằng các tiếp cận dựa trên công thức hoặc đo kiểm. Dựa trên mô phỏng ta cũng có thể kết hợp các mô hình thực nghiệm và toán học một cách dễ dàng và kết hợp các đặc tính đo được của các linh kiện và các tín hiệu thực vào trong phân tích và thiết kế. Các dạng sóng được mô phỏng cũng có thể được sử dụng như là tín hiệu đo thử cho việc kiểm tra chức năng hoạt động của phần cứng. Thực sự, một tiếp cận dựa trên mô phỏng có thể được sử dụng để tạo ra một môi trường chế tạo mẫu thử nhanh chóng cho việc phân tích và thiết kế các hệ thống xử lý tín hiệu và truyền thông, một môi trường trong đó các mô hình phần mềm có thể được kết hợp với dữ liệu phần cứng và các tín hiệu thực để tạo ra các mẫu thiết kế không lỗi tiết kiệm chi phí và thời gian. Nhược điểm cơ bản của tiếp cận mô phỏng là tải tính toán lớn cái có thể được giảm thiểu bằng sự lựa chọn cẩn thận các kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng. 1.2 Phương pháp luận mô phỏng 1.2.1 Mô hình hóa bài toán Mục đích cuối cùng của mô phỏng là phỏng tạo lại các đặc tính của một hệ thống vật lý thực tế thông qua tính toán dựa trên máy tính. Một bài toán mô phỏng đơn giản nhất thường bao gồm bốn bước cơ bản sau: 2
- - Ánh xạ một bài toán đã cho thành một mô hình mô phỏng, đâycũng là bước quan trọng nhất của bài toán mô phỏng. Bước này có thể được xem là bước mô hình hóa để chuyển một mô hình vật lý thực thành mô hình toán học. - Phân giải bài toán tổng thể thành một tập các bài toán nhỏ hơn. Việc phân chia này cũng là cách để đơn giản hóa bài toán xây dựng đảm bảo tính khả thi trong tính toán. - Lựa chọn một tập các kỹ thuật phù hợp về mô hình hóa, mô phỏng và ước tính và áp dụng chúng để giải các bài toán con đã được phân chia. Các kỹ thuật giải được sử dụng để tính toán tìm nghiệm thông qua hệ thống máy tính. - Kết hợp các kết quả của các bài toán con để cung cấp nghiệm cho bài toán tổng thể xác định ban đầu. Một hệ thống truyền thông thực tế nhìn chung quá phức tạp để có thể mô tả và mô phỏng nó một cách toàn bộ. Do vậy nó rất cần thiết để đơn giản hóa một số mặt của bài toán mô phỏng giúp dễ dàng hơn cho việc tính toán. Ngoài việc phân chia bài toán tổng thể thành các bài toán nhỏ hơn, thì việc chuyển từ bài toán lớn hơn thành dạng đơn giản hơn được xem như là thực hiện thí nghiệm có điều kiện là cũng cần thiết. Xét dạng sóng đầu ra Vt của một hệ thống tại thời điểm rời rạc t theo dạng Vt = g(), trong đó g là hàm truyền của hệ thống và = (z1, z2, …, zK) là tập các quá trình đầu vào (rời rạc thời gian). Chức năng của một mô phỏng nói chung là để tạo ra một chuỗi giá trị {Vt} đối với t = kTs, k = 1, 2,…, với Ts là chu kỳ lấy mẫu. Chuỗi này sẽ được xử lý theo kiểu để thu được đại lượng hiệu năng hoặc thông tin phù hợp khác. Một thí nghiệm có điều kiện sẽ tạo ra Vt = g(’) trong đó ’ = (z1, …, zk, zk+1 = k+1, …, zK = K). Đó là k quá trình đầu tiên được mô phỏng trong khi các quá trình còn lại được duy trì tại các giá trị cố định để tạo ra thí nghiệm đơn giản hơn. Các giá trị này có thể được đặt bằng 0 tương đương với việc bỏ qua các quá trình này. Một dạng điều kiện khác là đơn giản hóa bản thân hệ thống. Sự đơn giản hóa này có thể bao gồm một sự mô tả một hoạt động với độ phức tạp được rút gọn hoặc bỏ quả hoàn toàn một hoặc nhiều hoạt động. Kết hợp đặt điều kiện lên hệ thống và lên các quá trình đầu vào, hệ thống được đơn giản hóa bởi g’, thí nghiệm mô phỏng được mô tả bởi Vt = g’(’). Mục đích cuối cùng của quá trình đơn giản hóa là đảm bảo khả năng tính toán trong quá trình mô phỏng. 3
- Tuy nhiên quá trình này được thực hiện bằng các phép gần đúng cũng có nghĩa rằng có sự sai lệch giữa mô hình và hệ thống thực tế. Hình 1-1 (a) Thiết bị vật lý và các mô hình, (b) Các ảnh hưởng độ phức tạp của mô hình. Có hai kiểu mô hình mà ta cần xem xét: mô hình giải tích và mô hình mô phỏng và cả hai đều là sự trừu tượng của một linh kiện hay hệ thống vật lý như cho thấy trong hình 1-1a. Linh kiện vật lý có thể là một phần tử mạch như một điện trở hoặc một phân hệ như một mạch vòng khóa pha, mà nó cũng có thể là một hệ thống truyền thông. Bước đầu tiên và cũng là quan trọng nhất trong quá trình mô hình hóa là nhận ra được các thuộc tính và các đặc tính hoạt động của thiết bị vật lý được mô tả trong mô hình. Các mô hình giải tích điển hình thuộc các dạng phương trình hoặc hệ phương trình xác định quan hệ đầu vào – đầu ra của thiết bị vật lý. Các phương trình này chỉ là sự mô tả một phần của thiết bị được mô hình hóa vì chỉ một số mặt xác định của thiết bị được mô hình hóa. Thêm nữa các phương trình định nghĩa thiết bị thường chỉ chính xác trên một dải giới hạn các tham số (điện áp, dòng, tần số). Mô hình mô phỏng luôn là một tập các giải thuật thực hiện tính toán nghiệm số của các phương trình định nghĩa mô hình giải tích. Các kỹ thuật phân tích số và xử lý tín hiệu số là những công cụ được sử dụng để phát triển các giải thuật này. Các mô hình có các mức trừu tượng khác nhau và tăng lên khi dịch chuyển từ thiết bị vật lý tới mô hình giải tích và cuối cùng là mô hình mô phỏng. Sự tăng mức trừu tượng là kết quả của các giả định và các gần đúng được đưa ra khi đi từ thiết bị vật lý lên mô hình giải tích và mô hình mô phỏng. Một vấn đề cần lưu ý trong bài toán mô phỏng là sử ảnh hưởng của mức độ phức tạp của mô hình. Các mô hình đơn giản cho phép thực hiện nhanh hơn các mô hình phức tạp hơn. Tuy nhiên các mô hình đơn giản có thể không mô tả một cách đày đủ các thuộc tính quan trọng của thiết bị do đó mô phỏng có thể thu được kết quả có sai số lớn. Như vậy có sự bù trừ giữa độ chính xác của mô hình và thời gian 4
- chạy mô phỏng như cho thấy trong hình 1-1b. Một mô phỏng trong thực tế được thiết kế tốt đảm bảo vùng hoạt động tối ưu cung cấp độ chính xác và tốc độ thực hiện hợp lý. Tuy nhiên tùy thuộc vào mục đích mô phỏng mà trong một số trường hợp đòi hỏi mức độ chính xác cao, nói cách khác mức độ phức tạp mô hình phải đủ để đáp ứng yêu cầu, do vậy thời gian chay mô phỏng lâu là khó tránh khỏi. 1.2.2 Tính đa mặt trong mô phỏng Trước những năm 1970 bài toán mô phỏng thường được giải quyết theo cách thiên về dạng đặc biệt. Phương pháp luận để phát triển mô phỏng và các nguồn lỗi xuất hiện trong mọi chương trình mô phỏng không được hiểu một cách đầy đủ. Hơn 20 năm qua, cộng đồng nghiên cứu đã tạo ra một khối lượng lớn kiến thức, tạo ra phương pháp luận để phát triển mô phỏng cũng như việc thống nhất về lý thuyết để giải quyết nhiều vấn đề nảy sinh trong quá trình triển khai chương trình mô phỏng. Theo đó, việc dùng mô phỏng như là công cụ phân tích cần thiết để hiểu và hiểu sâu sắc nhằm triển khai mô phỏng có độ tin cậy. Xây dựng lớn khối lượng kiến thức này đòi hỏi phải tích hợp từ nhiều kiến thức trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Mặc dù chưa được thấu đáo nhưng 9 lĩnh vực nghiên cứu quan trọng ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu về mô phỏng được mô tả ở hình 1-2. Ta xét ngắn gọn 9 lĩnh vực này nhằm rõ hơn về mối quan hệ của chúng với khoa học mô phỏng. Hình 1-2 Các lĩnh vực ảnh hưởng lên nghiên cứu mô phỏng các hệ thống truyền thông Các khái niệm về lý thuyết hệ thống tuyến tính cho ta các kỹ thuật để xác định các quan hệ vào/ ra của hệ thống tuyến tính, cho phép trình bày mô hình hệ 5
- thống trong miền thời gian ở dạng hàm đáp ứng xung kim hệ thống và miền tần số ở dạng hàm truyền đạt hệ thống cũng như việc xây dựng nền tảng cho nhiều vấn đề. Hiển nhiên, kiến thức lý thuyết truyền thông là rất quan trọng. Cấu trúc hệ thống, đặc tính hoạt động của các phân hệ (bộ giải điều chế, bộ cân bằng, chi tiết hóa các mô hình kênh…) phải được hiểu rõ trước khi triển khai mô phỏng. Khi sử dụng mô phỏng để xác định các giá trị của tham số hệ thống, cần phải lưu ý đến dải giá trị của nó có ý nghĩa thực tế trước khi triển khai mô phỏng. Cần phải có những hiểu biết sâu sắc về đặc tính hệ thống để đảm bảo hoạt động mô phỏng chính xác và kết quả hợp lý. Các công cụ của xử lý tín hiệu số (DSP) được dùng để triển khai các giải thuật, từ đó xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền thông. Mô hình mô phỏng này thường bao gồm một số phép lấy xấp xỉ rời rạc của các phần tử hệ thống liên tục, do vậy cần có kiến thức về xử lý tín hiệu số để hiểu và đánh giá bản chất của các phép lấy xấp xỉ này. Thực tế, mỗi khối chức năng trong mô hình mô phỏng là một hoạt động DSP, vì vậy các công cụ của DSP cho ta các kỹ thuật thực hiện mô phỏng. Giải tích số có quan hệ chặt chẽ với DSP, nhưng được đề cập tách biệt vì nó là phần kiến thức cũ hơn. Nhiều kỹ thuật kinh điển như phân tích số, nội suy đa thức, kỹ thuật fit đồ thị đều có nguồn gốc trong giải tích số. Các khái niệm về xác suất cũng là nền tảng căn bản cho mô phỏng. Việc đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông thường được biểu diễn trong các thuật ngữ xác suất. Ví dụ khi đề cập xác suất lỗi bit hay xác suất lỗi ký hiệu trong hệ thống truyền thông số; khi xét bài toán đồng bộ, ta quan tâm xác suất lỗi pha vượt quá một mức cho trước. Lý thuyết xác suất cơ bản cho ta khái niệm về biến ngẫu nhiên và hàm mật độ xác suất. Kiến thức về hàm mật độ xác suất cho phép tính toán các đại lượng như đã đề cập phần trên. Kết quả của mô phỏng thường là một biến ngẫu nhiên và phương sai của biến ngẫu nhiên đó là một đại lượng đo độ chính xác thống kê của mô phỏng. Trong nhiều trường hợp, các dạng sóng tín hiệu và tạp âm được xử lý bởi mô phỏng được coi là các hàm mẫu của một quá trình ngẫu nhiên. Sự phát triển các thuật toán để tạo dạng sóng có các thuộc tính thống kê phù hợp sẽ đòi hỏi kiến thức quá trình ngẫu nhiên cơ bản. Lý thuyết quá trình ngẫu nhiên cho ta các công cụ để mô tả các quá trình này trong miền thời gian (hàm tự tương quan), và trong miền tần 6
- số (mật đổ phổ công suất). Nhiều ứng dụng khác của lý thuyết quá trình ngẫu nhiên cũng sẽ được đề cập trong nội dung bài giảng. Một vài khái niệm cơ bản về lý thuyết số cung cấp các công cụ để triển khai các bộ tạo số ngẫu nhiên. Các bộ tạo số ngẫu nhiên này là các khối cơ bản của bộ tạo dạng sóng để biểu diễn các chuỗi số, dạng sóng tạp âm, pha đinh tín hiệu, nhiễu ngẫu nhiên. Khái niệm cơ bản về khoa học máy tính cũng sẽ có ích trong mô phỏng. Ví dụ như độ dài từ mã, định dạng từ mã được dùng để biểu diễn các mẫu tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến tính chính xác của mô phỏng. Việc chọn ngôn ngữ lập trình cũng quan trọng khi triển khai các bộ mô phỏng thương mại. Bộ nhớ khả dụng, tổ chức bộ nhớ sẽ ảnh hưởng cách thức dữ liệu và các lệnh được chuyển qua giữa các phần tử của mô phỏng. Các yêu cầu và năng lực về đồ họa sẽ xác định dạng sóng được hiển thị như thế nào và sẽ ảnh hưởng quá trình truyền tải mã chương trình mô phỏng từ máy tính này đến máy tính khác. Các công cụ và khái niệm về lý thuyết ước tính cho phép định lượng tính hiệu quả của kết quả mô phỏng. Như đã đề cập, kết quả mô phỏng ngẫu nhiên là một biến ngẫu nhiên. Mỗi khi thực hiện mô phỏng sẽ tạo ra một giá trị của biến ngẫu nhiên đó và biến ngẫu nhiên này tạo thành bộ ước tính cho đại lượng cần được ước tính. Một cách tổng quát, lý thuyết ước tính cho ta các công cụ giải tích cần thiết để đánh giá mức độ khả tin của các kết quả mô phỏng. 1.3 Các khái niệm cơ bản về mô hình hóa Theo nghĩa rộng, thuật ngữ “hệ thống truyền thông” ám chỉ đến một mạng truyền thông toàn cầu, hệ thống vệ tinh địa tĩnh, hệ thống truyền dẫn quang hoặc một modem tích hợp sẵn trong một máy tính cá nhân. Một cách nhìn phân cấp thường được sử dụng để mô tả các hệ thống truyền thông như cho thấy trong hình 1-3. Mức đỉnh trong mô tả này là một mạng truyền thông được tạo bởi các nút mạng kết nối với nhau qua các tuyến thông tin hoặc các hệ thống truyền dẫn như được mô tả trong lớp dưới. Một tuyến truyền dẫn lại được hình thành từ các phần tử như các bộ điều chế, các bộ mã hóa, các bộ lọc, các bộ khuyếch đại và các thành phần khác thực hiện các hoạt động xử lý tín hiệu. Các phần tử này có thể là các mạch điện tương tự, các mạch số hoặc một thuật toán thực thi trên một bộ xử lý tín hiệu số (DSP) khả lập trình. Chi tiết của các phần tử này được mô tả ở lớp dưới cùng của phân cấp. 7
- Hình 1-3 Cấu trúc phân cấp trong mô phỏng Một loạt các kỹ thuật mô phỏng khác nhau được sử dụng để đánh giá hiệu năng của các lớp khác nhau. Tại mức mạng, luồng các gói và các bản tin trên mạng được mô phỏng bằng việc sử dụng một bộ mô phỏng các sự kiện rời rạc và các đại lượng hiệu năng như thông lượng mạng, thời gian đáp ứng và hiệu suất sử dụng tài nguyên được ước tính như là một hàm của các tham số mạng như tốc độ xử lý, kích cỡ bộ đệm tại nút mạng và dung lượng tuyến. Các mô phỏng mạng được sử dụng để thiết lập các đặc tính cho các bộ xử lý, các giao thức và các tuyến truyền dẫn. Các hệ thống truyền thông giải quyết việc truyền dẫn các dạng sóng mang thông tin trên các kiểu kênh thông tin khác nhau (không gian tự do, cáp đồng, sợi quang,,..). Đối với các hệ thống truyền dẫn số, hiệu năng của tuyến thông tin được đo theo đặc tính lỗi bít, và hiệu năng tốc độ lỗi thường được ước tính bằng kỹ thuật mô phỏng dạng sóng qua mô hình của các khối chức năng. Khác với mô phỏng mạng được sử dụng để thiết lập các đặc tính của tuyến, thì mô phỏng mức hệ thống được sử dụng để kiểm tra rằng thiết kế tuyến đáp ứng được các đặc tính này. Các tham số thu được từ mô phỏng mức hệ thống được chuyển sang cho bộ mô phỏng mức mạng để kiểm tra hiệu năng mạng. Lớp dưới cùng trong hình 1-3 liên quan đến hoạt động của các thành phần như các bộ lọc và các bộ cân bằng sử dụng hoặc công nghệ tương tự hoặc công nghệ số. Các bộ mô phỏng mạch như Spice hoặc bộ mô phỏng số như HDL (Hardware Description Language) được sử dụng để mô phỏng, kiểm tra chức năng 8
- hoạt động và đặc tính của các thành phần linh kiện. Mô phỏng mức hệ thống thiết lập các đặc tính cho việc thực thi hoàn tất và mô phỏng ở mức mạch thực thi được sử dụng để cung cấp các mô hình đặc tính (ví dụ: hàm truyền đạt của một bộ lọc) cho mức hệ thống. Trong phạm vi giới hạn nội dung, bài giảng này sẽ tập trung vào mô phỏng hệ thống truyền thông sử dụng kỹ thuật mô phỏng dạng sóng. Nhìn chung về bản chất để mô hình càng chính xác thì mức độ mô tả nó càng chi tiết. Sự mô tả hệ thống được phân chia theo mức độ chi tiết khác nhau. Cách mô tả hệ thống một cách trực quan thường được thực hiện thông qua một sơ đồ khối. Mỗi khối trong sơ đồ có thể được triển khai và được mô tả bởi một sơ đồ các khối con khác kết nối với nhau trong bản thân khối đó. Quá trình này có thể tiếp tục được thực hiện cho đến khi không thể rút gọn xuống thành các khối con được nữa. Kết quả của việc khai triển sơ đồ khối có thể được biểu diễn trực quan qua sơ đồ dạng cây với các nhánh liên tiếp đặc trưng cho các mức độ chi tiết tăng dần lên như cho thấy trong hình 1-4. Cấu trúc này cũng cho thấy tính phân cấp trong việc thực thi phần mềm và cho cả việc quản lý mức độ phức tạp của mô hình hóa. Cây phân cấp tăng dần theo dạng lộn ngược với phía trên là các mô hình mức cao và đi dần xuống là các mô hình mức thấp. Mức độ chi tiết sẽ tăng dần từ trên xuống dưới. Một mô hình mức thấp được xem như là một phần được phân chia ra từ mô hình mức cao hơn bao hàm một sự mô tả sát hơn với mức vật lý. Hình 1-4 Cấu trúc phân cấp trong mô hình hóa 9
- Hình 1-5 Mô tả mô hình hóa phân cấp hệ thống truyền thông. Sự phân cấp có thể được minh chứng rõ như mô tả hệ thống truyền thông cho trong hình 1-5. Nó cũng cho thấy rõ rằng mức độ phức tạp tồn tại cả hai chiều: theo mức phân cấp (chiều dọc) và tại mỗi mức (chiều ngang). Mức trên cùng được xem là mức hệ thống gồm các khối chức năng thực hiện một xử lý xác định trong hệ thống. Mỗi khối chức năng ở mức hệ thống cũng có thể được mô tả chi tiết hơn ở mức dưới gọi là mức phân hệ. Quá trình phân chia chi tiết có thể tiếp tục xuống mức các thành phần linh kiện. Tương ứng với cấu trúc phân cấp này bài toán mô hình hóa cũng được phân chia thành ba kiểu mô hình hóa đó là: mô hình hóa hệ thống, mô hình hóa các thành phần linh kiện và mô hình hóa quá trình. 1.3.1 Mô hình hóa hệ thống Một hệ thống ở đây là một tuyến truyền dẫn được mô tả ở mức cao nhất bằng sơ đồ khối kết nối các phân hệ hay hệ thống con. Vấn đề mô hình hóa hệ thống là một vấn đề về cấu hình theo nghĩa sơ đồ khối mô phỏng và càng sát với thực tế thì mô hình hệ thống càng chính xác. Như đã đề cập, mô hình mức cao nhất có thể cần được sử dụng cho mô phỏng để giảm tải tính toán. Tuy nhiên, ở bất kỳ mức nào trong cây phân cấp đều có thể giảm mức độ phức tạp mô hình hóa bằng cách chỉ sử 10
- dụng một tập con các khối tại mức đó. Đây là dạng rút gọn mức độ phức tạp thường được sử dụng ở mức mô hình hóa hệ thống, điều này muốn nói rằng một số các phân hệ có thể được bỏ qua khỏi mô phỏng hoặc được mô tả theo kiểu đơn giản hóa. Ví dụ trong một số trường hợp mô phỏng hệ thống như mô tả trong hình 1-5 các khối mã hóa nguồn thực hiện chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) có thể được bỏ qua mà sử dụng luôn nguồn tín hiệu số đầu vào. Như vậy nói chung điều đáng mong muốn là mô phỏng sơ đồ khối được rút gọn nhiều nhất có thể từ quan điểm tính toán hiệu quả và việc rút gọn như vậy có thể hoàn toàn chấp nhận được trong nhiều trường hợp. Nói cách khác mức độ gần đúng trong một số trường hợp mô phỏng là không thể tránh khỏi. 1.3.2 Mô hình hóa thành phần chức năng Một thành phần linh kiện ở đây đơn giản là một khối chức năng ở mức phân hệ có những tính chất mà nhà thiết kế hệ thống mong muốn. Từ quan điểm tính toán, mô hình linh kiện lý tưởng có thể diễn tả duy nhất ở mức phân hệ của cây cấu trúc mô hình hóa. Kiểu mô tả mô hình các thành phần linh kiện có thể được thể hiện qua một phương trình, một tập phương trình, một thuật toán hoặc một bảng tra cứu dữ liệu (lookup table). Tuy nhiên trong mô phỏng mức hệ thống, các khối thành phần có thể được mô tả đơn giản bằng một hàm truyền đạt. Có thể ví dụ như mạch vòng khóa pha (PLL) trong khối khôi phục sóng mang có thể được mô tả bằng một phương trình vi phân bậc hai. Một ví dụ khác như nguồn laser trong bộ phát quang có thể được đặc trưng bởi các phương trình tốc độ là một hệ phương trình vi phân. Một mô hình các thành phần linh kiện tốt cho phép khảo sát chi tiết các đặc tính của các thành phần linh kiện phụ thuộc vào tất cả các tham số ảnh hưởng. Kết quả khảo sát có thể sẽ được sử dụng để xem xét các ảnh hưởng của các thành phần linh kiện trong mô phỏng mức hệ thống. 1.3.3 Mô hình hóa quá trình ngẫu nhiên Một điều rõ ràng rằng các tín hiệu đầu vào và đầu ra của các hệ thống và các phân hệ là các quá trình ngẫu nhiên mong muốn (thông tin) và không mong muốn (nhiễu và giao thoa) và mục đích cơ bản của mô phỏng là để tính toán mức độ đảm bảo chất lượng tín hiệu mong muốn. Do vậy mức độ trung thực của tính toán này phụ thuộc vào mức độ các quá trình mô phỏng có thể sao chép các tính chất của các quá trình thực. Nhiệm vụ mô hình hóa nhìn chung là để bắt chước một quá trình ngẫu nhiên tại nguồn sinh ra nó, nên nếu ta có các mô hình các khối chức năng tốt 11
- thì các quá trình này sẽ tác động lên tín hiệu đầu vào để sinh ra tín hiệu đầu ra chính xác và hợp lý. Việc sao chép quá trình ngẫu nhiên được thực hiện bởi một bộ tạo số ngẫu nhiên trong quá trình mô phỏng. Mặc dù các nguồn tin và các nguồn nhiễu cả hai đều là các quá trình ngẫu nhiên trong vận hành, trong thiết kế và đo kiểm hệ thống các nguồn tín hiệu thường được sử dụng hoặc giả định là các tín hiệu đo thử thường có tính xác định. Ví dụ như một tín hiệu đo thử có thể là tín hiệu hình sin hoặc một chuỗi số có cấu trúc sẵn được tạo ra bởi thanh ghi dịch trong một kết nối cụ thể. Các chuỗi số này thường được gọi là các chuỗi giả ngẫu nhiên. Có một kiểu quá trình ngẫu nhiên khác mà ta cần mô hình hóa nhưng không mô tả quá trình nhiễu hay thông tin, đó là một kênh ngẫu nhiên như kênh pha đinh. Ở đây bài toán mô hình hóa là đáp ứng xung của kênh thường được giả định biến đổi ngẫu nhiên theo thời gian. Một dạng cấu trúc mô hình hóa khác là mô hình quá trình ngẫu nhiên tương đương (erp). Ý tưởng mô hình này như sau: giả sử rằng quá trình ngẫu nhiên đầu vào x(t) đi qua n các khối hay phân hệ nối tiếp nhau và xuất hiện tại đầu ra là quá trình y(t). Nếu bằng một số công cụ ta có thể suy ra một số đặc tính của quá trình ngẫu nhiên y(t) thì toàn bộ quá trình xử lý xảy ra có thể được rút gọn hay đơn giản hóa bằng cách tìm và tạo ra một chuỗi ngẫu nhiên sao chép y(t) mà không cần phải xử lý x(t) qua n khối. Như vậy mô hình erp có thể giúp đơn giản hóa quá trình tính toán. Một ví dụ ứng dụng mô hình này là mô phỏng nhiễu pha trong hệ thống truyền thông. 1.3.4 Mô hình hóa hệ thống giả định Trong một số trường hợp không phải tất cả các thực thể được mô hình hóa đều đã được xác định rõ ràng trước. Có thể hầu hết các hoạt động mô phỏng được thực hiện để trợ giúp quá trình thiết kế một hệ thống mà các đặc tính riêng biệt của hệ thống ban đầu không được biết và chỉ dần dần được xác định một cách rõ ràng hơn theo quá trình. Một hệ thống mới được thiết kế được xem như là một hệ thống giả định. Một trong các mặt hữu ích của mô phỏng là khả năng ước tính hiệu năng của một hệ thống một cách chân thực trước khi nó được xây dựng trên thực tế. Do vậy điều mong muốn là có thể định hướng quá trình phát triển phần cứng đảm bảo một hiệu năng xác định. Vấn đề then chốt đối với quá trình này là hiện thực hóa sự ảnh 12
 |
