UỶ BAN NHÂN DÂN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

MÔ PHỎNG KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ BẰNG MATLAB
Mã số đề tài: SV2016-38

THUỘC NHÓM NGÀNH KHOA HỌC: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TRƯƠNG THÙY DUNG
THÀNH VIÊN THAM GIA:
1.NGUYỄN TIẾN QUANG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS. NGUYỄN THỊ THU HẰNG

TP Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2017


UỶ BAN NHÂN DÂN
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

MÔ PHỎNG KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ BẰNG MATLAB

Mã số đề tài: SV2016-38


1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
1.2.5.

Giới thiệu chung ...........................................................................................10
Nguyên lý hoạt động của Simulink ..............................................................11
Xây dựng sơ đồ khối Simulink .....................................................................11
Tham số hóa các khối Simulink....................................................................12
Mô phỏng bằng Simulink .............................................................................14

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU KÊNH THÔNG TIN ....................................................15
2.1. Giới thiệu tổng quan hệ thống viễn thông .......................................................15
2.2.

Kênh truyền vô tuyến ........................................................................................15

2.3.

Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền ...............................17

2.3.1. Hiện tượng pha đinh đa đường (Multipath)..................................................17
2.3.2. Hiệu ứng Doppler .........................................................................................18
2.3.3. Suy hao trên đường truyền ...........................................................................20
2.3.4. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) .................................................................20
2.4. Các dạng kênh truyền .......................................................................................20
2.4.1. Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số ............20
2.4.2. Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian ..21
2.5. Các mô hình kênh cơ bản .................................................................................21


3.3.1.4.

Điều chế đơn biên SSB( Single Side Band ) ......................................46

3.3.2. Điều chế số ...................................................................................................49
3.3.2.1. Khóa dịch biên độ ( ASK – Amplitude Shift Keying) .......................49

3.4.

3.3.2.2.

Điều chế pha số PSK( Phase Shift Keying) .......................................51

3.3.2.3.

Điều chế pha số nhị phân BPSK ........................................................53

3.3.2.4.

Điều chế pha số cầu phương 4PSK ....................................................55

3.3.2.5.

Điều chế tần số FSK ..........................................................................57

3.3.2.6.

Điều chế QAM ...................................................................................59



Nhiễu trong OFDM và cách khắc phục ...........................................................79

4.3.1. ISI và ICI (intersymbol & intercarrier interference) ....................................79
4.3.2. Chống nhiều liên ký tự ISI bằng cách chèn Guard Time. ............................80
4.4. Ưu, nhược điểm của OFDM .............................................................................82


4.4.1. Ưu điểm ........................................................................................................82
4.4.2. Nhược điểm ..................................................................................................83
4.5. Kết luận ..............................................................................................................83
4.6. Mô phỏng ofdm .....................................................................................................84
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................88
1.1. Kết quả đạt được ...............................................................................................88
1.2.

Kiến nghị ............................................................................................................90

1.2.1.
1.2.2.

Áp dụng thực tế ............................................................................................90
Hướng phát triển ...........................................................................................90

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................91


BẢN TÓM TẮT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN
MÔ PHỎNG KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN SỐ BẰNG MATLAB

1


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Cửa sổ Giao Diện MATLAB

9

Hình 1.2. Mô tả một hệ thống động bằng sơ đồ khối

10

Hình 1.3. Cửa sổ giao diện trình duyệt thư viện các khối chức năng của Simulink 11
Hình 1.4. Mô hình ví dụ hệ thống tích phân test1.mdl

12

Hình 1.5. Các cửa sổ thiết lập tham số cho các khối chức năng trong mô hình

13

Hình 1.6. Cửa sổ thiết lập tham số trên khối Scope

13

Hình 1.7. Cửa sổ thiết lập tham số mô phỏng của mô hình

14


24
Hình 2.10. Mô hình kênh AWGN

25

HÌnh 2.11. Mô hình kênh rời rạc trong hệ thống thông tin

26

Hình 2.12. Mô hình kênh nhị phân

28

Hình 3.1. ví dụ về tạo tín hiệu đa tần

30

Hình 3.2. Biểu đồ phân bố xác xuất phân bố đều của 100 mẫu

32

Hình 3.3. Biểu đồ phân bố chuẩn của 100 mẫu

33

Hình 3.4. Mật độ phân bố xác xuất hàm phân bố Rayleigh

34

Hình 3.5. Quá trình chuyển đổi tín hiệu từ tương tự qua số (ADC)


36

Hình 3.13. Điều chế SSB

48

Hình 3.14. Điều chế biên độ nhị phân 10111001

50

Hình 3.15. Điều chế ASK

51

Hình 3.16. Điều chế PSK

52

Hình 3.17. Điều chế BPSK

55

Hình 3.18. Điều chế QPSK

56

Hình 3.19. Sơ đồ khối mạch điều chế FSK

57

67
67

Hình 3.29. Vẽ BER bằng Bertool

68

Hình 3.30: BER của BPSK trên AWGN và Rayleigh

71

Hình 3.31. BER của MQAM Trên kênh Rayleigh

72

Hình 3.33. BER QPSK- RAY-AWGN

74

Hình 4.1. Mô Hình OFDM

75

Hình 4.2. Sơ đồ khối trong OFDM

76

Hình 4.3. Máy thu-phát trong OFDM

7

87

Hình 4.11: Tính hiệu OFDM sau khi truyền

87

Hình 4.12: Tín hiêu thu được sau khi truyền qua kênh so với dữ liệu gốc

87

Hình 5.1. Vẽ điều chế ASK và BER của BPSK- AWGN

88

Hình 5.2: Vẽ điều chế QPSK và BER Của QPSK trên 2 kênh AWGN và RAY

89

Hình 5.3: Tính hiệu thu-phát trong OFDM

89

Hình 5.4: Vẽ điều chế Am và BER của M-QAM trên kênh AWGN

90

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AWGN

Additive White Gaussian Noise Nhiễu cộng

BER

Bit Errors Rate

Tốc độ lỗi

DSB

Double Side Band

Điều biên kép

FSK

Frequency Shift Keying

Khóa dịch tần

FM

Frequency Modulation

Điều tần`

PCM


BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

SSB

Single Side Band

Điều chế đơn biên

OFDM

Orthogonal frequencydivision multiplexing

Điều chế đa sóng mang

5


THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Chương 1: Nghiên cứu phần mềm matlab và các toolbox, cho chúng ta một
cách nhìn tổng quan về việc sử dụng một toolbox cụ thể là Simulink trong việc mô
phỏng tín hiệu trong kênh truyền
Chương 2: Xây dựng mô hình kênh truyền, các dạng kênh truyền, yếu tố ảnh
hưởng. Giúp sinh viên có cách nhìn tổng quan , hiểu rỏ về kênh truyền
Chương 3: Lập trình ứng dụng, mô phỏng kênh truyền, các điều chế trong
kênh truyền, so sánh, đánh giá chất lượng kênh truyền qua BER
Chương 4: Tổng quan về OFDM và mô phỏng tín hiệu khi truyền qua kênh

Một trong những thách thức trong mô hình hóa kênh thông tin là sự chuyển đổi
một mô hình truyền sóng chi tiết thành một dạng phù hợp trong mô phỏng.
Chính vì những lý do trên đồng thời cũng muốn áp dụng kiến thức kiến thức
chuyên ngành đã học vào thực tiễn. Do đó, nhóm chúng em chọn đề tài “mô phỏng
kênh truyền bằng matlab” với mục đích chính là lựa chọn kênh truyền có hiệu quả
nhất trong hệ thống viễn thông và Giúp sinh viên vận dụng kiến thức đã được học áp
ụng vào việc mô phỏng hệ thống viễn thông bằng phần mềm matlab.
2. Tính cấp thiết của đề tài.
Nghiên cứu những vấn đề khoa học trong nội dung nghiên cứu, áp dụng các
kiến thức đã học vào thực tiễn, giúp cũng cố kiến thức phục vụ cho quá trình phát triển
đề tài tốt nghiệp sau này.

7


3. Mục tiêu đề tài
Xây dựng Guide mô phỏng các dạng điều chế số và điều chế tương tự ,OFDM.
Vẽ BER trên các kênh khác nhau.
4. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục đích: Đề tài đã nghiên cứu đánh giá hiệu năng của kênh truyền bằng việc
sử dụng tính toán trên công thức, mô phỏng các dạng sóng điều chế,OFDM. đánh giá
tỉ số BER.
Nhiệm vụ:
Thứ nhất: Nghiên cứu matlab và toobox
Thứ hai: Tìm tài liên liên quan và Nghiên cứu lý thuyết liên quan tới kênh truyền
Thứ ba. Lập tình mô phỏng, sửa lỗi và nhận xét.
5. Đối tượng và phạm vị nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu những lý thuyết liên quan tới kênh truyền
Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng các dạng điều chế và vẽ BER trên cách kênh.
6. Phương pháp nghiên cứu

Trong Windows, sau khi cài MATLAB biểu tượng của nó sẽ xuất hiện trên màn
hình máy tính, chúng ta có thể khởi động bằng cách double click vào biểu tượng của
nó sẽ ra giao diện.

Hình 1.1. Cửa sổ Giao Diện MATLAB
9


1.2. Giới thiệu về Simulink
Với sự phát triển mạnh trong lĩnh vực mô phỏng hệ thống, MATLAB đã đưa ra
một bộ công cụ mô phỏng Simulink thuận tiện cho việc mô phỏng các hệ thống động.
Chương này sẽ giới thiệu những đặc điểm cơ bản nhất của Simulink giúp sinh viên
hiểu và áp dụng vào mô phỏng các hệ thống đơn giản từ đó có thể phát triển mô
phỏng cho các hệ thống phức tạp hơn.
1.2.1. Giới thiệu chung
Simulink là một công cụ để mô phỏng các hệ thống động với giao diện đồ họa
trực quan được phát triển đặc biệt cho mục đích này. Trong môi trường MATLAB,
Simulink là một bộ công cụ MATLAB nhưng khác với các bộ công cụ khác cả về giao
diện và kỹ thuật lập trình liên quan đến nó.
Trong các hệ thống động, các quá trình phụ thuộc thời gian tuyến tính hoặc phi
tuyến đều có thể được mô tả bằng các phương trình vi phân. Bên cạnh đó các hệ thống
này cũng được mô tả qua sơ đồ khối như ví dụ cho trong hình 1.2. Simulink dựa trên
kiểu mô tả này và một giao diện đồ họa được sử dụng để chuyển đổi một sơ đồ khối
thành mô hình Simulink và mô phỏng hoạt động của hệ thống. Do vậy để sử dụng
hiệu quả Simulink đòi hỏi người dùng có kiến thức tốt về công nghệ điều khiển và lý
thuyết hệ thống.

Hình 1.2. Mô tả một hệ thống động bằng sơ đồ khối
Simulink cho phép mô phỏng hệ thống dựa trên sơ đồ khối để tìm nghiệm
phương trình vi phân mô tả nó. Nói cách khác một phương trình vi phân có thể được

tín hiệu, lấy khối Integrator từ thư viện Continuous, sau đó kết nối đầu ra của khối
nguồn với đầu vào khối tích phân bằng sử dụng chuột.
Hầu hết các khối chức năng tuyến tính được mô tả bởi khai triển Laplace hoặc
khai triển z (đối với tín hiệu rời rạc). Để hiển thị tín hiệu và kết quả tích phân trên
cùng một cửa sổ, khối ghép kênh Mux từ thư viện Signal Routing được sử dụng và
khối Scope từ thư viện Sinks được lựa chọn để hiển thị. Tín hiệu nguồn và đầu ra khối
tích phân được kết nối với 2 đầu vào khối ghép kênh và đầu ra sau đó nối với đầu vào
khối Scope. Mô hình sau khi kết nối có giao diện như trong hình 1.4.

Hình 1.4. Mô hình ví dụ hệ thống tích phân test1.mdl
1.2.4. Tham số hóa các khối Simulink
Để thực hiện chạy mô hình mô phỏng Simulink trước hết các tham số của các
khối sử dụng trong mô hình cần được thiết lập chính xác. Để thực hiện tốt bước này
đòi hỏi người sử dụng phải hiểu rõ hệ thống đang mô phỏng và các tham số liên quan.
Thiết lập tham số cho khối chức năng được thực hiện bằng việc kích đúp khối
chức năng đó và giao diện thiết lập tham số sẽ được hiện ra như cho thấy ví dụ trong
hình 15. Các giá trị phù hợp của các tham số sẽ được nhập vào trực tiếp hoặc lựa chọn
các thuộc tính phù hợp sẵn có trong giao diện thiết lập của khối.
Lấy ví dụ mô hình test1.mdl, các tham số khối nguồn sine có thể được thiết lập
gồm tần số, biên độ và pha ban đầu của tín hiệu sine. Tuy nhiên có một lựa chọn quan
trọng cần chú ý là kiểu tín hiệu Time based hoặc Sample based. Vì hệ thống tích phân
xây dựng cho tín hiệu liên tục nên cần lựa chọn Time based cho phù hợp.

12


Riêng đối với khối Scope để thiết lập tham số cần lựa chọn biểu tượng
Parameters trên cửa số hiển thị để mở giao diện thiết lập như cho thấy trong hình 1.5.
Tại cửa sổ này số lượng đồ thị hiển thị và lưu dữ liệu kết quả dễ dàng được thiết lập.



CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU KÊNH THÔNG TIN
2.1. Giới thiệu tổng quan hệ thống viễn thông
Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin
cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến ngày
nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại.

Hình 2.1. Mô hình tổng quát hệ thống viễn thông
Một hệ thống thông tin đơn giản gồm 3 thành phần:
Khối phát tín hiệu: Thực hiện xử lý tín hiêu đầu vào để tạo ra một tín hiệu truyền dẫn
phù hợp với đặc tính của kênh truyền. Một số chức năng xử lý quan trọng là mã hóa và
điều chế...
Kênh thông tin: Là mô trường để truyền dẫn từ nguồn tới đích. Có nhiều loại kênh với
đặc tính khác nhau. Các kênh có thể gây ra suy hao và méo tín hiệu làm tín hiệu bị giảm
khi tới đầu thu
Khối thu tín hiệu: Tiếp nhận tín hiệu từ kênh truyền và khôi phục lại tín hiệu được phát
đi. Các chức năng xử lí ở phía thu thường thực hiện ngược lại ở đầu máy phát gồm giải
điều chế, giải mã và lọc tín hiệu
Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là một trong
ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp. Nó là môi trường để truyền
thông tin từ máy phát đến máy thu. Vì thế chương này tìm hiểu các thông tin về kênh
truyền:
• Các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền.
• Các dạng kênh truyền.
• Các mô hình kênh truyền cơ bản.
2.2. Kênh truyền vô tuyến
Hình 2.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến.
Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được mã
hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được
điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của

về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm
của khoảng cách.
• Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này
xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa
phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (timespreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh
truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di
chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di
động:
1. Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước
rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.
2. Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một
nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện
tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến
phía thu mà không cần đường truyền thẳng. Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn
(shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật
cản không thể truyền xuyên qua.
3. Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho
năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Trong môi
trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tán lá.
2.3. Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
2.3.1. Hiện tượng pha đinh đa đường (Multipath)
Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không
bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi
thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được
chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ,
tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền
sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là
tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh
hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể

v
f 0 cosα n 
c

(2.2)

Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động
tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì tần số
Doppler lớn nhất sẽ là:

v
f D,max  f 0 
c

(2.3)
18


Hình 2.4. Hiện tượng Doppler
Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độ ngang
hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần số Doppler
được biểu diễn như sau


 1

 yy  j 2 f    

 0
Trong đó:  yy  j 2 f  


2.3.3. Suy hao trên đường truyền
Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến
máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng
các phương pháp điều khiển công suất.
2.3.4. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)
Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao
tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiện tượng
này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. Vì vậy, hiệu ứng
này được gọi là fading chậm.
2.4. Các dạng kênh truyền
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có.
➢ Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.
➢ Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian.
2.4.1. Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số
Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số
của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này
được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 2.6 là f0.

Hình 2.6. Kênh chọn lọc tần số ( f0< W)
Trên hình 2.6, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của
tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi
qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm
và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần
số.

20