Phân tích Hệ thống Truyền thông Không dây sử dụng MATLAB (TS Shehata) Khóa Học Đào Tạo

• Kết quả của khoá học
Sau khi hoàn thành khoá học này, sinh viên sẽ có khả năng giải quyết nhiều vấn đề nghiên cứu hiện đang mở trong lĩnh vực kỹ thuật truyền thông, vì họ đã tích lũy ít nhất các kỹ năng sau:

• Biểu diễn và thao tác với các biểu thức toán học phức tạp thường xuất hiện trong văn献 của kỹ thuật truyền thông

• Khả năng sử dụng các khả năng lập trình do MATLAB cung cấp để tái tạo kết quả mô phỏng từ các bài báo khác hoặc ít nhất là tiếp cận những kết quả đó.

• Tạo ra các mô hình mô phỏng cho các ý tưởng tự đề xuất.

• Sử dụng hiệu quả các kỹ năng mô phỏng đã học cùng với khả năng mạnh mẽ của MATLAB để thiết kế mã MATLAB tối ưu về thời gian chạy mã và tiết kiệm không gian bộ nhớ.

• Xác định các tham số mô phỏng chính của một hệ thống truyền thông, trích xuất chúng từ mô hình hệ thống và nghiên cứu tác động của những tham số này đối với hiệu suất của hệ thống được xem xét.

• Cấu trúc khoá học

Nội dung cung cấp trong khoá học này có mối liên quan cực kỳ chặt chẽ. Không khuyến nghị sinh viên tham gia một cấp độ nếu chưa tham gia và hiểu sâu về cấp độ trước đó để đảm bảo sự liên tục của kiến thức đã thu được. Khoá học được cấu trúc thành ba mức, từ giới thiệu về lập trình MATLAB đến mức mô phỏng hệ thống đầy đủ như sau.

Cấp 1: Toán học Truyền thông với MATLAB
Bài giảng 01-06

Sau khi hoàn thành phần này, sinh viên sẽ có khả năng đánh giá các biểu thức toán học phức tạp và dễ dàng tạo ra các đồ thị phù hợp cho việc biểu diễn dữ liệu khác nhau như biểu đồ miền thời gian và tần số; biểu đồ BER; mẫu tia bức xạ anten...

Các khái niệm cơ bản

1. Khái niệm về mô phỏng
2. Tầm quan trọng của mô phỏng trong kỹ thuật truyền thông
3. MATLAB như một môi trường mô phỏng
4. Về biểu diễn ma trận và vector của các tín hiệu scalar trong toán học truyền thông
5. Biểu diễn ma trận và vector của các tín hiệu baseband phức tạp trong MATLAB

Môi trường làm việc của MATLAB

6. Thanh công cụ
7. Cửa sổ lệnh
8. Không gian làm việc
9. Lịch sử lệnh

Tuyên bố biến, vector và ma trận

10. Các hằng số đã định nghĩa sẵn trong MATLAB
11. Biến do người dùng định nghĩa
12. Mảng, vector và ma trận
13. Nhập ma trận thủ công
14. Định nghĩa khoảng cách
15. Không gian tuyến tính
16. Không gian logarithmic
17. Quy tắc đặt tên biến

Các ma trận đặc biệt

18. Ma trận ones
19. Ma trận zeros
20. Ma trận đơn vị

Thao tác trên từng phần tử và thao tác trên ma trận

21. Truy cập các phần tử cụ thể
22. Sửa đổi phần tử
23. Loại bỏ có chọn lọc các phần tử (rút gọn ma trận)
24. Thêm phần tử, vector hoặc ma trận (nối ma trận)
25. Tìm chỉ số của một phần tử trong vector hoặc ma trận
26. Đổi hình dạng ma trận
27. Rút gọn ma trận
28. Nối ma trận
29. Lật từ trái sang phải và từ phải sang trái

Các toán tử unary trên ma trận

30. Toán tử tổng
31. Toán tử kỳ vọng
32. Toán tử min
33. Toán tử max
34. Toán tử dấu vết
35. Xác định của ma trận |.|
36. Ma trận nghịch đảo
37. Ma trận chuyển vị
38. Ma trận Hermitian
39. …v.v

Các phép toán nhị phân trên ma trận

40. Phép toán số học
41. Phép toán quan hệ
42. Phép toán logic

Số phức trong MATLAB

43. Biểu diễn baseband phức tạp của tín hiệu passband và RF up-conversion, một bài toán học tổng quát
44. Tạo biến, vector và ma trận phức tạp
45. Số mũ phức tạp
46. Toán tử phần thực
47. Toán tử phần ảo
48. Toán tử liên hợp (.)*
49. Toán tử tuyệt đối |.|
50. Toán tử pha hoặc argument

Các hàm tích hợp của MATLAB

51. Vector của vector và ma trận của ma trận
52. Hàm căn bậc hai
53. Hàm dấu
54. Hàm làm tròn đến số nguyên
55. Hàm lấy số nguyên gần nhất nhỏ hơn
56. Hàm lấy số nguyên gần nhất lớn hơn
57. Hàm giai thừa
58. Các hàm logarithmic (exp, ln, log10, log2)
59. Các hàm lượng giác
60. Các hàm hyperbolic
61. Hàm Q(.).
62. Hàm erfc(.)
63. Hàm Bessel Jo (.)
64. Hàm Gamma
65. Các lệnh diff, mod

Đa thức trong MATLAB

66. Đa thức trong MATLAB
67. Hàm hữu tỉ
68. Đạo hàm của đa thức
69. Tích phân của đa thức
70. Nhân đa thức

Biểu đồ theo thang tuyến tính

71. Biểu diễn trực quan của tín hiệu liên tục thời gian - liên tục biên độ
72. Biểu diễn trực quan của tín hiệu xấp xỉ dạng bậc thang
73. Biểu diễn trực quan của tín hiệu rời rạc thời gian - rời rạc biên độ

Biểu đồ theo thang logarithmic

74. Biểu đồ dB-decade (BER)
75. Biểu đồ decade-dB (biểu đồ Bode, đáp ứng tần số, phổ tín hiệu)
76. Biểu đồ decade-decade
77. Biểu đồ dB-linear

Biểu đồ polar 2D
78. (mẫu tia bức xạ anten phẳng)

Biểu đồ 3D

79. Mẫu tia bức xạ 3D
80. Biểu đồ tham số Cartesian

Phần tự chọn (được cung cấp theo yêu cầu của người học)

81. Phân biệt biểu tượng và phân biệt số học trong MATLAB
82. Tích phân biểu tượng và số học trong MATLAB
83. Trợ giúp và tài liệu của MATLAB

Các file của MATLAB

84. Các file script của MATLAB
85. Các file hàm của MATLAB
86. Các file dữ liệu của MATLAB
87. Biến cục bộ và biến toàn cục

Vòng lặp, điều kiện kiểm soát luồng và quyết định trong MATLAB

88. Vòng lặp for end
89. Vòng lặp while end
90. Điều kiện if end
91. Điều kiện if else end
92. Câu lệnh switch case end
93. Các vòng lặp, lỗi hội tụ, toán tử tổng đa chiều

Các lệnh hiển thị đầu vào và đầu ra

94. Lệnh input(' ')
95. Lệnh disp
96. Lệnh fprintf
97. Hộp tin nhắn msgbox

Cấp 2: Các phép toán Tín hiệu và Hệ thống (24 giờ)
Bài giảng 07-14

Mục tiêu chính của phần này như sau

• Sinh tín hiệu kiểm thử ngẫu nhiên cần thiết để kiểm tra hiệu suất của các hệ thống truyền thông khác nhau

• Tích hợp nhiều phép toán tín hiệu cơ bản có thể được tích hợp để triển khai một chức năng xử lý truyền thông đơn lẻ như mã hóa, randomizer, interleaver, generator mã spread...

• Kết nối các khối này đúng cách để đạt được chức năng truyền thông

• Mô phỏng các mô hình kênh xác định, thống kê và bán ngẫu nhiên trong nhà và ngoài trời

Sinh tín hiệu kiểm thử truyền thông

98. Sinh chuỗi nhị phân ngẫu nhiên
99. Sinh các chuỗi số nguyên ngẫu nhiên
100. Nhập và đọc tệp văn bản
101. Đọc và phát lại tệp âm thanh
102. Nhập và xuất hình ảnh
103. Hình ảnh như một ma trận 3D
104. Chuyển đổi từ RGB sang thang xám
105. Dòng bit nối tiếp của hình ảnh thang xám 2D
106. Chia nhỏ và tái tạo tín hiệu hình ảnh

Xử lý và thao tác tín hiệu

107. Tăng cường biên độ (tăng, giảm, chuẩn hóa biên độ...)
108. Dịch chuyển mức DC
109. Thay đổi thời gian (nén thời gian, giãn nở thời gian)
110. Dịch chuyển thời gian (trễ, tiến, dịch chuyển vòng trái và phải)
111. Đo năng lượng tín hiệu
112. Chuẩn hóa năng lượng và công suất
113. Tăng cường năng lượng và công suất
114. Chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và ngược lại
115. Muxing và demuxing

Số hóa tín hiệu tương tự

116. Lấy mẫu miền thời gian của tín hiệu baseband liên tục trong MATLAB
117. Quá trình lượng tử hóa biên độ của tín hiệu tương tự
118. Mã hóa PCM của tín hiệu đã lượng tử hóa
119. Chuyển đổi từ thập phân sang nhị phân và ngược lại
120. Hình dạng xung
121. Tính toán chiều rộng xung phù hợp
122. Lựa chọn số mẫu mỗi xung

123. Convolution sử dụng các lệnh conv và filter
124. Tự tương quan và chéo tương quan của tín hiệu giới hạn thời gian
125. Biến đổi Fourier nhanh (FFT) và IFFT
126. Xem phổ tín hiệu baseband
127. Tác động của tốc độ lấy mẫu và cửa sổ tần số phù hợp
128. Mối quan hệ giữa convolution, tương quan và các phép toán FFT
129. Lọc miền tần số, chỉ lọc thông thấp

Các hàm truyền thông phụ trợ

130. Randomizer và derandomizer
131. Puncturer và depuncturer
132. Encoder và decoder
133. Interleaver và deinterleaver

Bộ điều chế và giải điều chế

134. Các phương pháp điều chế baseband số trong MATLAB
135. Biểu diễn trực quan của tín hiệu đã được điều chế số

Mô hình hóa và mô phỏng kênh truyền thông

136. Mô hình toán học về tác động của kênh lên tín hiệu truyền đi

• Cộng - kênh nhiễu trắng Gaussian cộng thêm (AWGN)
• Nhân miền thời gian - kênh phai chậm, dịch Doppler trong kênh di động
• Nhân miền tần số - kênh phai chọn lọc theo tần số
• Convolution miền thời gian - phản hồi xung của kênh

Các ví dụ về mô hình kênh xác định

137. Mất mát đường truyền không gian tự do và mất mát đường truyền phụ thuộc môi trường
138. Kênh chặn chu kỳ

Tính chất thống kê của các kênh phai đa đường tĩnh và bán tĩnh thông dụng

139. Sinh biến đổi ngẫu nhiên phân bố đều
140. Sinh biến đổi ngẫu nhiên giá trị thực theo phân bố Gaussian
141. Sinh biến đổi ngẫu nhiên phức tạp theo phân bố Gaussian
142. Sinh biến đổi ngẫu nhiên theo phân bố Rayleigh
143. Sinh biến đổi ngẫu nhiên theo phân bố Ricean
144. Sinh biến đổi ngẫu nhiên theo phân bố Lognormal
145. Sinh biến đổi ngẫu nhiên theo phân bố tùy ý
146. Xấp xỉ hàm mật độ xác suất (PDF) không xác định của một biến đổi ngẫu nhiên bằng biểu đồ tần số
147. Tính toán số học của hàm phân phối tích lũy (CDF) của một biến đổi ngẫu nhiên
148. Kênh nhiễu trắng Gaussian cộng thêm (AWGN) thực và phức tạp

Tính chất kênh theo hồ sơ chậm độ trễ

149. Tính chất kênh theo hồ sơ chậm độ trễ
150. Chuẩn hóa năng lượng của hồ sơ chậm độ trễ (PDP)
151. Trích xuất phản hồi xung của kênh từ PDP
152. Lấy mẫu phản hồi xung của kênh bằng tốc độ lấy mẫu tùy ý, lấy mẫu không phù hợp và lượng tử hóa độ trễ
153. Vấn đề lấy mẫu không phù hợp của phản hồi xung của kênh băng hẹp
154. Lấy mẫu PDP bằng tốc độ lấy mẫu tùy ý và bù đắp độ trễ phân số
155. Triển khai các mô hình kênh chuẩn hóa IEEE trong nhà và ngoài trời
156. (Mô hình kênh COST - SUI - Ultra Wide Band...)

Cấp 3: Mô phỏng mức liên kết của hệ thống truyền thông thực tế (30 giờ)
Bài giảng 15-24

Phần này của khoá học tập trung vào vấn đề quan trọng nhất đối với sinh viên nghiên cứu, đó là cách tái tạo kết quả mô phỏng từ các bài báo đã công bố bằng mô phỏng.

Tỷ lệ lỗi bit (BER) của các phương pháp điều chế baseband số

1. So sánh hiệu suất của các phương pháp điều chế baseband số khác nhau trong kênh AWGN (nghiên cứu so sánh toàn diện thông qua mô phỏng để xác minh các biểu thức lý thuyết); biểu đồ phân tán, tỷ lệ lỗi bit
2. So sánh hiệu suất của các phương pháp điều chế baseband số khác nhau trong các kênh phai tĩnh và bán tĩnh; biểu đồ phân tán, tỷ lệ lỗi bit (nghiên cứu so sánh toàn diện thông qua mô phỏng để xác minh các biểu thức lý thuyết)
3. Tác động của kênh dịch Doppler lên hiệu suất của các phương pháp điều chế baseband số; biểu đồ phân tán, tỷ lệ lỗi bit

Giao tiếp từ trực thăng đến vệ tinh

4. Bài báo (1): Hệ thống âm thanh và dữ liệu thời gian thực giá rẻ cho dịch vụ vệ tinh di động hàng không (AMSS) - Mô tả vấn đề và phân tích
5. Bài báo (2): Kết hợp đa kiểu trước khi phát hiện với AFC chính xác cho giao tiếp vệ tinh trực thăng - Giải pháp được đề xuất đầu tiên
6. Bài báo (3): Phương pháp điều chế thích ứng cho giao tiếp vệ tinh trực thăng - Cách tiếp cận cải thiện hiệu suất

Mô phỏng hệ thống phổ rộng

1. Kiến trúc điển hình của các hệ thống dựa trên phổ rộng
2. Hệ thống dựa trên phổ rộng theo dãy số ngẫu nhiên trực tiếp
3. Bộ tạo chuỗi nhị phân ngẫu nhiên (PBRS)
• Sinh các chuỗi độ dài tối đa
• Sinh các mã Gold
• Sinh các mã Walsh

4. Hệ thống dựa trên phổ rộng theo dải thời gian
5. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của các hệ thống dựa trên phổ rộng trong kênh AWGN
• Tác động của tốc độ mã hóa r đối với hiệu suất BER
• Tác động của chiều dài mã đối với hiệu suất BER

6. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của các hệ thống dựa trên phổ rộng trong kênh phai chậm Rayleigh đa đường với không có dịch Doppler
7. Phân tích tỷ lệ lỗi bit của các hệ thống dựa trên phổ rộng trong môi trường phai nhanh di động
8. Phân tích hiệu suất tỷ lệ lỗi bit của các hệ thống dựa trên phổ rộng trong môi trường nhiễu giữa nhiều người dùng
9. Truyền hình ảnh RGB qua các hệ thống phổ rộng
10. Hệ thống CDMA quang học (OCDMA)
• Mã quang học trực giao (OOC)
• Giới hạn hiệu suất của hệ thống OCDMA; tỷ lệ lỗi bit của hệ thống OCDMA đồng bộ và không đồng bộ

Hệ thống phổ rộng SS siêu rộng

Hệ thống dựa trên OFDM

11. Triển khai các hệ thống OFDM sử dụng Biến đổi Fourier nhanh
12. Kiến trúc điển hình của các hệ thống dựa trên OFDM
13. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của các hệ thống OFDM trong kênh AWGN
• Tác động của tốc độ mã hóa r đối với hiệu suất BER
• Tác động của tiền tố vòng lặp đối với hiệu suất BER
• Tác động của kích thước FFT và khoảng cách subcarrier đối với hiệu suất BER

14. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của các hệ thống OFDM trong kênh phai chậm Rayleigh đa đường không có dịch Doppler
15. Tỷ lệ lỗi bit (BER) của các hệ thống OFDM trong kênh phai chậm Rayleigh đa đường với độ lệch tần số mang (CFO)
16. Ước lượng kênh trong các hệ thống OFDM
17. Bằng phẳng hóa miền tần số trong các hệ thống OFDM
• Bộ bằng phẳng hóa không lực
• Bộ bằng phẳng hóa MMSE

18. Các chỉ số hiệu suất thông dụng khác trong các hệ thống dựa trên OFDM (Tỷ lệ đỉnh - trung bình, Tỷ lệ mang - nhiễu...)

19. Phân tích hiệu suất của các hệ thống dựa trên OFDM trong môi trường phai nhanh di động (như một dự án mô phỏng bao gồm ba bài báo)
20. Bài báo (1): Giảm nhiễu giữa các kênh mang
21. Bài báo (2): Hệ thống MIMO-OFDM

Tối ưu hóa dự án mô phỏng MATLAB

Mục tiêu của phần này là học cách xây dựng và tối ưu hóa một dự án mô phỏng MATLAB để đơn giản hóa và tổ chức quy trình mô phỏng tổng thể. Ngoài ra, không gian bộ nhớ và tốc độ xử lý cũng được xem xét để tránh các vấn đề tràn bộ nhớ trong hệ thống lưu trữ giới hạn hoặc thời gian chạy lâu do xử lý chậm.

1. Cấu trúc điển hình của các dự án mô phỏng quy mô nhỏ
2. Trích xuất tham số mô phỏng và ánh xạ từ lý thuyết đến mô phỏng
3. Xây dựng một Dự án Mô phỏng
4. Kỹ thuật Mô phỏng Monte Carlo
5. Quy trình tiêu chuẩn để kiểm tra một Dự án Mô phỏng
6. Quản lý không gian bộ nhớ và kỹ thuật giảm thời gian mô phỏng
• Baseband vs Passband Mô phỏng
• Tính toán chiều rộng xung phù hợp cho các hình dạng xung tùy ý bị cắt ngắn
• Tính toán số mẫu mỗi ký tự phù hợp
• Tính toán số bit cần thiết và đủ để kiểm tra một hệ thống

Lập trình giao diện người dùng đồ họa (GUI)

Có một mã MATLAB không có lỗi và hoạt động đúng đắn để tạo ra kết quả chính xác là thành công lớn. Tuy nhiên, một tập hợp các tham số quan trọng trong một dự án mô phỏng kiểm soát việc này. Vì lý do này và nhiều hơn nữa, một bài giảng bổ sung về "Lập trình Giao diện Người dùng Đồ họa (GUI)" được cung cấp để đưa sự kiểm soát đối với các phần khác nhau của dự án mô phỏng của bạn vào tay bạn thay vì chìm sâu trong các đoạn mã nguồn dài đầy lệnh. Ngoài ra, việc che đậy mã MATLAB của bạn bằng một GUI giúp trình bày công việc của bạn theo cách tiện lợi hơn để kết hợp nhiều kết quả trong một cửa sổ chính và dễ dàng so sánh dữ liệu.

1. Giao diện người dùng đồ họa (GUI) của MATLAB là gì
2. Cấu trúc của file hàm GUI trong MATLAB
3. Các thành phần chính của GUI (các thuộc tính quan trọng và giá trị)
4. Biến cục bộ và biến toàn cục

Lưu ý: Các chủ đề được bao gồm trong mỗi cấp độ của khoá học này bao gồm, nhưng không giới hạn ở, những nội dung được nêu trong từng cấp độ. Ngoài ra, các mục của mỗi bài giảng cụ thể có thể thay đổi tùy theo nhu cầu của người học và sự quan tâm nghiên cứu của họ.