Bô sách Kỹ thuật thông tin số Tậpl Digital C om m unication Technique Band Digital Communication Technique Band Matlab Exercises for Wireless Communications K H K T-05 6-355-04 SC IENC E A ND T EC H N ICS PUBLISH IN G H O U S E HANOI ChenỊỊ-XianịỊ W a n g and N g u y e n Văn Đức B ộ SÁCH KỸ THUẬT THƠNG TIN SĨ TẬP • CÁC BÀI TẠP MATLAB VÈ THƠNG TÌN v TUN NHÀ XT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI Bộ sách Kỹ thuật thông tin số Chịu trách nhiệm thảo: Nguyễn Vãn Đức Tập 1: Các tập Matlab Thông tin vô tuyến Tác giả: Cheng-Xiang Wang and Nguyễn Văn Đức LỜI GIỚI THIỆU « 1'rọng việc thiết kế hệ thống thơng tin di động, việc phân tích hệ thơng thơng qua mơ phóng giúp nhà thiêt kê tơi ưu thư nghiệm hệ thông với chi phi nhó trước đưa hệ thống thứ nghiệm thể giới thực Một công cụ hữu hiệu cho việc phân tích mơ phong hệ thơng sừ dụng rộng rãi giới phần mềm Matlab Lý Matlab lại tìm ứng dụng rộng rãi \ ậ y Matlab cơng cụ mạnh đê thực phép biển đơi tốn học Bênh cạnh nhiều chương trình xư lý tín hiệu số tích hợp phiên bán cúa Matlab Matlab dùng đê điêu khiên vi mạch điện tư thiết bị đo Có thể nói ngày nay, Mallab công cụ không thiếu cho sinh viên, kỹ sư sứ dụng đề mơ phóng phân tích hệ thống phục vụ cho mục đích nghiên cứu khoa học tron^ cơng nghiệp Với mục đích giúp sinh viên, kỹ sư nhà khoa học tự học Matlab việc tự nghiên cứu vấn đề bán thông tin vô tuyến, tiến sĩ Cheng-X iang Wang (tốt nghiệp Tnrờng ĐH Tổng hợp Aalborg, Đan Mạch) tiến sĩ Nguyễn Văn Đức (tốt nghiệp Trường ĐH Tông hợp Hannover, CHLB Đức) giới thiệu cách có hộ thơng lập bán vấn đề thông tin vô tuyến Một phân tập sứ dụng cho sinh viên khóa cao học Trường Đại học Agder, Nauy Trong tập tài liệu này, tập vê m ô p h ó n g k ê n h v tu y ế n s d ụ n g p h m m g p h p R icc v p h n g pháp Monlc Carlo đề cập Các hệ thống thông tin sử dụng phương pháp điều chế O F D M trình bày cách ngắn gọn Lời giai kết quà tập thực chưong trình Matlab Sau giải hết tập tập tài liệu này, người học trang bị kiến thức c sở thông tin vơ tuyến, kỹ lập trình mơi trường Matlab phục vụ cho mục đích mơ hệ thống Tiến sĩ Phạm Minh Việt Chù nhiệm Khoa Điện tử Viễn thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TOM TẢT NỘI DUNG CÁC BÀI TẠI’ Nội duntĩ tập tập tài liệu dược trình bày cách vắn tát sau: Bài tập I: Tính tốn mô phong hàm phân bố xác suất Gauss Hàm phân bổ xác suất Gauss hàm phân bố ban lý thuyết thơng tin Nó biểu thị phân bổ xác suất cua mức can nhiều trắng Ọ u a tập n y n g i lập trìn h b iết tạo m ộ t n m iồ n n h iễ u trẩnsì tính tốn phân bố xác suất Bài tậ p 2: Tính tốn biêu diễn hàm tự tương quan cua kênh (Autocorrelation function) theo mơ hình hàm Besscl Tính ln biêu diễn hàm mật độ phố cúa tín hiệu thu bị anh hương bơi hiệu ứníz Doppler Tính tốn biêu diễn hàm phân bố Rice Hàm phân bố Rice mô ta hàm phân bố xác suất kênh vô tuyến có có mặt cua hướng truyền thẳng LOS (Line O f Siưht) Bài tậ p : Tính toán biếu diễn tý suất nhảy (Level-Crossing Rate) cua biến ngẫu n h iê n tuân theo phân bố Rice Tính tốn biếu diễn khoảng suy hao trung bình {average fading duration) biên ngầu nhiên tuân theo phân bố Rice Tính tốn biểu diễn hàm phân bố Nakagami Bài tâ p 4: Mơ phịng kênh vơ tuycn tviân theo phân hố Rayleigli sử dụng phirơníỊ pháp cúa Rice Phương pháp inơ phóng cua Ricc phương pliáp mô kênh vô tuyến dựa vào hàm tuần hoàn cos() sin() Phần thực phần cùa kênh mơ phịng tống cua hàm cosO sin() với tham số hàm xác địnli Irước Bài tập 5: Điều chế giãi điều chế sứ dụniĩ ỌPSK Mô phong hệ thống thông tin sử dụng Ọ P S K với kênh truyền kênh nhiều trắnii (AWGN channel) Bài tập 6: Đánh giá tý lệ lồi bít cùa hệ thống lập So sánh kết q mơ phịng với lý thuyết Mơ phong lại hệ thốnií thơng tin sứ dụng phương pháp điều chế Q P S K , kênh truyền kênh phàn tập da đường tuân theo phân bố Rayleigh có can nhiễu trắng, i^ánh giá ty lệ lỗi bít cua hệ thống, sau so sánh kết mơ phóng \(Vi ket qua lý thuyết Bài tập 7: Mô p h o im hệ t h ố n g thông tin sư dụng mã kênh mã cuộn (convolutional coding) kếl hợp với phương pháp điều chế QPSK Phía thu su dụng phương pháp giai mã cùa Viterbi (Viterbi decoding) t)ánh giá tý lệ lỗi bít hệ th ống so sánh với trường hợp khơng dùníỉ inã kênh Bài tập 8: Mô phong hệ thống sứ dụng phương pháp điều chế OFDM, trona tham số hộ thống trọn từ hệ thống liên lạc máy lính khơng dây HiperLAN/2, kênh truyền trọn phù họp với kênh mòi trường nhà (Indoor channel) Kênh phụ thuộc thời gian (time variant channels) mô phong theo phương pháp Monte Carlo Đánh giá tý lệ lỗi mẫu tín hiệu SER (Symbol Error Rate) hệ thống sử dụng phương pháp điều chế 16-ỌAM sóng mang phụ điều kiện kênh truyền khác Đánh giá chất lượng c u a hệ t h ố n g t h e o tiêu c h ầ n tỳ lệ lỗi m ẫ u tín h iệu S E R độ dài cúa chuồi báo vệ lớn nhỏ độ dài kVn trề triiycn dần Contents I n tr o d u c tio n 11 Descriptions of Exercises 11 References 11 Excrcise 13 Exercise 14 Exercise 16 Exercise 18 Exercise 24 Excrcise 26 Exercise 29 Exercises 31 Solution 33 Solution 37 Sulution 45 Solution 54 Solution 66 Solution 70 Solution 79 Solution 83 86 rs = conv(OF'I)M_signal_tem, h); % Additive noise is added rs = avvgn(rs.snr,’measured','dB'); rs_ fra m e = [rs_frame; rs|; clear O FD M _signal_tem ; end; % % Receiver % Receiver_Data = []; % Prepare a matrix for received data symbols d = []; % D em odulated symbols data_symbol = []; for i=l :NofOFDM Symbol; if(N_P>G+l)&0>l) % if it is nol the first symbol and the length o f C I R is longer than % the gaurd interval length, then the IS! term must be taken into % account previous_symbol = rs_frame(i-l,:); % previous O FD M symbol IS iJ c r m = previous_sym bol(N FFT+2*G +l :N FF T +G +N _P-1); % the position from N F F T + G + : N FFT+G+N_P-1 is IS! ttrm ISỈ = [ISI_term,zeros(l Jength(previoiis_svmbo!)-lcngih(ISI_term))]; rs_i " rs_frame(i,:) + ISl; % the IS! term is added to the current O FD M symbol else r s j = rs_frame(!,:); 87 end; %• % O FD M deniodiilator % l)em odulated_signal_i = O FD M _D em odulator(rs_i,N FFT,N FFT,G ); %■ % O F D M i:quaiization % - - d = Demodulated_signai i./H; d e m o d u l a l e d s y m b o l j = ddemodce(d, lJ,'Q A M ',M _ a ry ); data_svmboi = [data symbol, demodulated_svmbol_iJ; end; d a t a _ s v m b o ! = d a ta _ s v m b o l'; ^ C a lc u la tio n o f error symbols I number, ratio] = symerr(symbols,data_symbol); ser = [ser, ratio]; end; snr = snr min:stcp:snr max; scinilouyisiir, ser,'bo'); ylabeiCSER’); xIaheK’SNR in ciB'); 88 Result SER o f an O F D M svstem over a multi-path channel 89 Exercise 8.2 R e s u lt s o • G =9 G=0 o 10' 10' 10 10 SNR in dB 15 20 25 Comparison o f S E R o f an O F D M system with and without guard interval 90 Exercise 8.3 M a tla b p ro g m s % Monte Carlo method for a time-variant channel modelliiiu % save ihis program io a file name "MCM_cỉìannc! model, m " % for use in the main function function [h.t_next] = MCM_channeljTiodcl(Li inilial_tinic number_of_summations symbol_duration, f_dmax channcl coefilcients); t = initialjim e; Channe!_Lcimth = lenuth(channel_coefncients); h_vector “ []; for k=l :Channel_Lcngtii; Ii_k = u(k,:); % A randt')m variable phi = * pi * u_k; % Phase coefficients are created f_d - f_dmax * sin(2*pi*u_k); % Doppler frequency after Monte Carlo method is created h_lem^channel_coefficients(k)* ỉ/(sqrt(number_of_summations))*suin(exp(j *phi).*exp0*2*pi*f_d*t)); h _ v e c t o r = [h _ v c c to r , h j e m j ; end; h “ h_vccu>r; Ijie x t = initialjim c + symbol_duration; %Coherent time for the next syinboi % Main function: Of'DM system over a time-variant channel clear all; NFFT = 64; % FFT length 91 (i - 9: M_ar\ =16; % Guard intervai iengtli % Multilevel o f M-ary symbol I a = 50* % Sampling duration o f I ỉiperLAN/2 load rho.am -ascii; % load discrete miilti-palh channel profile N_p = ienuth(rho); % Leni;th oi'channel impulse response (CỈR) ‘'o% Parameters for Monte Carlo channel symbol_duration = N FF T * t_a; % OFDM symbol duration niimber_of_summalions = 40; % N um ber o f summations for Monte-Carlo method fjd m ax = 50.0; % Maximum Doppler frequency in Hz N olO i DMSvmboi = 1000; % Number o f O FD M symbols lcngth_data = (Nol'OF[)MSymbol) * NFFT; % The total data length %• % Source bites % source data = randintiicnglh_data,sqrt(M_ary)); %■ % bit to symbol coder % — symbols = bi2de(soLirce_data); % — - ” ^0 Ọ A M modulator in base band % 92 QAM_Symbol = dmodce( symbols, lJ ,'q a m ’,M_ary); % - .- % Preparing data pattern % ^ - Dala_Pattern = []; % Transmitted Signal before IFFT for i=0:NofOFDMSymbol-l; QAM_tem = []; for n=l:NFFT; QAM_tem = [ỌAM_tem,ỌAM_Symboỉ(i*NFFT+n) end; Data_Pattern = [Data_Pattern;QAM J e m ] ; clear Q A M je m ; end; Number_Relz = 50; ser_relz = []; for number_of_relialization“ I : Number_Relz; u = rand(N_P,number_of_summations); % A random variable for Monte-Carlo method ser = []; % Set the counter o f symbol error ratio to be a empty vector snr_min =0; % minimum o f SNR in dB snr_max =25;% maximum o f SNR in dR step = 1; for snr = snr_min:step:snr_ma\; s n r - s n r - 10*logl0((NFFT-G)/NFFT); %Miss matching effect caused by using guard interval rs_frame = []; % A matrix o f received signal h_frame = []; % A matrix o f the Cl R initial_time = 0; % initial time for time-variant channel modelling for i =0:NofOFDMSymboI-l; 93 % ()F-'Ị)M m odulator O F[)M _signaỉ_tem = O FD M _M odulator(D ata_Pattern(i+l,:).N FFT,G ); [h, I] = M CM _channel_m odel(u, initial_time, number of_summations, Hnibol_cỉuration f_dmax rho); % M onto-Carlo channel modelling h frame = [h_frame; h]; % The received signal over multhipath channel is created by a % c o n v o ỉ u t i o n a ỉ o p e r a tio n rs = conv(O FD M _signal_tem , h); % Additive noise is added rs = a\vgn(rs,snr,'measurecl','dB'); rs_frame - [rs_frame; rs]; in itia ljim e = t; clear O M )M _signal_tein; end; % Receiver 0/ /0 keceiver_D ata = []; % Prepare a matrix for reveived data symbols d = []; % Equalized symbols data_symbol = [|; % a vector o f demodulated symbols lor :Not'OFDMSymbol; if(N_P>G+])&(i>l) % if it is not the first symbol and the length o f CỈR is longer than % the gaurd interval leniỉth, then the ISỈ term must be taken into 94 % account previous_symbol = rs_frame(i-l,:); % previous OFDM symbol IS!_terni = previous_symboi(NFFT+2*G+ 1:NI'[T+G^ N _ P -1); % the position from NFFT+2G + 1: NFFT+G+N_P-1 is !SI term ỈSI = [ISI_term,zeros{ ],length(previous_symbol)-lentith(lSI term))]; r s j = rs_frame{i,:) + IS!; % the IS! term is added lo the current OFDM symbo! else rs_i = rs_frame(i,:); end; % % OFDM demodulator % - - Demodulated_signal_i = Oi*DM_Demodulator(rs_i,NFF” r , N i 'F l ’,G); % % O F D M Equalization % - h ~ h _ fr a m e ii,:); % C IR c o r r e s p o n d s to i-th O F i^ M s y m b o l fl - fft([h,zeros(l,N FFT-N _P)]); % correspondini> channel transfer function d = Demodulaled_signalj./H; % equalized symbol demodiilated_symbol_i = ddemodce(d, 1,1 ,’Ọ A M \M _ary); data_symbol = [clata_svmbol, demodulated_svmbol j ] ; end; 95 J a ta _ s y m b ()l “ d a t a _ s y m b o r ; %Calculation of error symbols [number, ratio] = symerr(symbols,data_symbol); ser = [ser, ratio]; end; ser_relz - (ser relz;ser]; end; ser = sum(ser_relz)/Number_Relz; snr = snrjiiin:slep :sn r_ m ax ; semilogv(snr, ser,’bo'); ylabel('SER’); xlabelCSNR in dB'); 96 R esults 10 o • o 10' i ’o-’ 10' 10 ' o Time-invariant channel L = « Time-variant channel,’ Om «x= 50 Hz 10 SNR In dB 15 20 25 C om parison o f SE R o f an O FD M system over a tim e-invariant channel with that over a time-variant channel 97 Các tác giá có nhận tồ chức khố học theo chương trình trình bày sách cho viện, trilờng đại học tổ chức khác Do lần xuất bán đầu, sách không tránh khỏi thiếu sót, Các tác giá xin chân thành cám ơn ỷ kiến đón g góp cho sách để chất luợng sách tái lần sau tốt hơn, Thư liên lạc với tác giả xin gửi về: van_duc_nguyen@yahoo.com 98 Digital Communication Technique Band Matlab Exercises for Wireless Communications Responsible for Publishing: Publishing Editor: Cover design: Prof Dr T O D A N G HAI MSc N G U Y E N HUY TIEN N G U Y E N H U O N G LAN Science and Technics Publishing House 70, Tran Hung Dao Str., H anoi, Vietnam Publishing Licence No: 6-355, dated 30/12/2004 Quantity: 700 PCs, Size 16x24 cm Printed at 19/8 Printing Company Printing finished and copyright deposited in January 2005 99 Bộ sách Kỹ thuật thông tỉn số T ập l Các tập Matlab Thông tin vô tuyến Tác giả: Cheng - Xiang Wang, Nguyễn Văn Đức Chịu trách nhiệm xuất bản; PGS TS Tô Đảng Hài Biên lập sửa bài: ThS Nguyễn Huy Tiến Ngọc Linh Trình bày bìa; Nguyễn Hương Lan KM) N H À X U Á T BẢN KHO A HỌC VÀ KỸ THUAT 70 T R À N H U N G Đ Ạ O HÀ NOI In 700 cuốn, khổ x c m , Xí n g h iộ p in Giấy phép xuất bán sổ: 6-355- 30' 12/2004 In xong nộp lưu chiểu tháng năm 2005 ... Exercise 18 Exercise 24 Excrcise 26 Exercise 29 Exercises 31 Solution 33 Solution 37 Sulution 45 Solution 54 Solution 66 Solution 70 Solution 79 Solution 83 10 Abbreviations ACF autocorrelation function... THÔNG TIN SĨ TẬP • CÁC BÀI TẠP MATLAB VÈ THƠNG TÌN v TUN NHÀ XT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI Bộ sách Kỹ thuật thông tin số Chịu trách nhiệm thảo: Nguyễn Vãn Đức Tập 1: Các tập Matlab Thông tin. .. of th e Q P S K signal a n d th e w h ite G au ssiati noiso Finst, g e n e te a coniplex-valuod w h ito G a u s sia n uoiso vector, whoso len g th is identical w ith th a t of th e Q P S K signal