Hệ thống viễn thông 1 - Chuong 1 Co Ban He Thong Vien Thong

Trước hết ta xét sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin ở hình 1.1 Khối Source nguồn tin: biểu diễn thông tin được gởi đi như tín hiệu tiếng nói, tín hiệu phát ra từ máy phát hình,

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG VIỄN THÔNG

I.Tổng quan hệ thống Viễn thông

1 Các khái niệm

Hệ thống thông tin là tên gọi chung cho cả phương tiện công cộng và văn chương kỹ thuật ngày nay để liên hệ đến nhiều lĩnh vực công nghệ thông tin, dịch vụ thông tin, hệ thống thông tin như các công nghệ viễn thông, dịch vụ viễn thông và cả hệ thống viễn thông

Trước hết ta xét sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin ở hình 1.1

Khối Source (nguồn tin): biểu diễn thông tin được gởi đi như tín hiệu tiếng nói, tín hiệu phát

ra từ máy phát hình, các chuỗi nhị phân [0] và [1] từ máy tính, hoặc tín hiệu điện tâm đồ… Ta giả sử rằng ngõ ra của nguồn tin là một tín hiệu điện nào đó thì trong khối nguồn tin này đã có một bộ phận chuyển đổi tín hiệu cần truyền đi thành tín hiệu sóng điện Như vậy, khối nguồn tin gồm có nguồn phát tin và bộ chuyển đổi tín hiệu ở nguồn phát tin thành tín hiệu sóng điện Khối Transmitter (khối phát tin): xử lý thông tin từ nguồn tin và đưa lên kênh truyền Trong khối này gồm cả quá trình mã hóa thông tin

Khối Channel (khối kênh truyền): kênh truyền có thể là dây song hành, cáp đồng trục, sợi quang, vô tuyến

Khối Receiver (khối nhận tin): thực hiện nhận tin tức từ kênh truyền và phục hồi lại tin tức đã được mã hóa ở khối phát tin Sau đó gởi tín hiệu sau khi phục hồi đến khối người dùng

Khối User (khối người dùng): khối này có chức năng biến đổi tín hiệu điện từ khối nhận tin thành tín hiệu tin tức ban đầu Bộ phận chuyển đổi có thể là loa hoặc màn hình Khối sử dụng

có thể là tai hoặc mắt của con người, thiết bị điều khiển từ xa, hoặc là một máy vi tính

Các kỹ sư thông tin thường có nhiều cách tác động trên các khối Transmitter và Receiver, còn các khối Source, Channel và User thì có rất ít hoặc là không có cách tác động đến nó Yếu tố cần thiết của hệ thống thông tin là sự lựa chọn thích hợp giữa các khối Transmitter và Receiver theo một cách nào đó để tác động làm sao có độ tin cậy và độ trung thực cao trong quá trình truyền thông tin từ nguồn tin đến nơi nhận tin

TRANSMITTER

(Phát tin)

USER (Người dùng)

SOURCE

(Kênh truyền)

RECEIVER (Nhận tin)

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin

2 Sơ đồ khối hệ thống phát/thu (Transmitter/Receiver)

Ta có thể mở rộng sơ đồ hình 1.1 thành sơ đồ khối hình 1.2 Mỗi khối có thể thực hiện nhiều hoạt động và mỗi hệ thống thông tin không nhất thiết phải đầy đủ các khối Tuy nhiên các khối Source, Channel, User thì luôn luôn phải tồn tại

Hầu hết những hệ thống thông tin thường gặp đều chứa các khối điều chế (Modulator) và khối giải điều chế (Demodulator) nhưng có thể có hoặc không các khối mã hóa nguồn (Source encoder), mã hóa kênh truyền (Channel encoder), giải mã kênh truyền (Channel decoder), giải

mã nguồn (Source decoder) Khối điều chế của khối phát chuyển tín hiệu băng cơ sở sang một băng tần số thích hợp để truyền qua một môi trường truyền dẫn của kênh, khối giải điều chế sẽ làm công việc ngược lại Ví dụ một hệ thống truyền thông thương mại AM, trong đó tín hiệu

âm thanh là tiếng nói hoặc tín hiệu nhạc nền được đưa lên tần số cao bởi việc điều chế, vì vậy

nó sẽ được lan truyền qua không gian mà không gây trở ngại đối với những tín hiệu của các tần số khác Hoặc một ví dụ khác là nếu kênh truyền là đường dây điện thoại xoắn đôi thì phổ của s(t) sẽ nằm trong khoảng âm thanh từ 300Hz đến 4000 Hz, nhưng nếu kênh truyền là sợi quang thì phổ của tín hiệu truyền phải nằm ở dải tần số ánh sáng

Nếu kênh truyền các tín hiệu băng tần cơ sở (phổ của tín hiệu tập trung quanh tần số f=0 được gọi là băng tần cơ sở) thì không cần các mạch sóng mang để điều chế và giải điều chế Các mạch sóng mang chỉ cần thiết khi kênh chỉ có thể truyền các tần số nằm trong một băng tần xung quanh tần số sóng mang fc, trong đó fc >> 0, trong trường hợp này s(t) được gọi là tín hiệu dải thông vì nó được thiết kế để các tần số nằm trong một băng tần bao quanh fc

Bộ mã hóa (Coder) ở khối phát và Giải mã (Decoder) ở phía thu gồm một loạt các quá trình xử

lí tín hiệu để nâng cao hiệu suất truyền Ví dụ trong một hệ thống số, bộ xử lí tín hiệu có thể gồm một máy tính nhỏ hoặc một bộ vi xử lí để làm giảm độ dư thừa của nguồn vào Bộ xử lí tín hiệu cũng có thể cung cấp mã kênh truyền, ví dụ mã phát hiện lỗi hoặc sửa lỗi nhằm giảm bớt sai số của đọan tin ở đầu thu do tạp nhiễu của kênh truyền gây nên Trong hệ thống thông tin tương tự thì các bộ xử lí tín hiệu có thể là các bộ lọc dải thông Các quá trình xử lí đó là:

Người

sử dụng (User)

Hình 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống thu phát

Điều Chế (Modulator)

Giải mã (Decoder)

Mã hóa

(Kênh truyền)

Giải Điều Chế (DeModulator)

Nguồn tin

(Source)

Tạp nhiễu (Noise)

Formatting : Biến đổi tin tức từ dạng nguyên thủy của nguồn tin thành một định dạng khác tốt hơn như dạng số, dạng chuẩn nào đó… Ví dụ PCM sẽ được trình bày trong chương 2

Source Coding: Giúp loại bỏ các thông tin dư thừa trong nguồn tin để tăng hiệu suất truyền

Encryption: Giúp bảo mật thông tin bằng cách mã hóa tin tức truyền với các khóa mã

Error Control Coding: Giúp phía thu phát hiện và sửa lỗi các tín tức nhận được

Line Coding/Pulse Shaping: Đảm bảo dạng sóng tín hiệu truyền thích ứng với đặc tính kênh truyền

3 Nguồn của hệ thống số và tương tự Mặc dù các hệ thống thông tin có thể phân loại theo nhiều cách nhưng một cách phân loại chung nhất là phân loại theo hệ thống tương tự hoặc là hệ thống số Một tín hiệu tương tự có thể nhận một số lượng vô hạn của giá trị biên độ tín hiệu mà nó có thể có trong một khoảng cho phép nào đó, trong khi tín hiệu rời rạc chỉ có thể nhận một số lượng hữu hạn của giá trị biên độ trong một khoảng xác định nào đó Một hệ thống thông tin thường được phân loại là tương tự hay số phụ thuộc vào tín hiệu được truyền trên đường truyền là tương tự hay số Sự phân biệt này sẽ không còn chính xác cho những hệ thống thông tin mà truyền tín hiệu có biên

độ rời rạc mà dùng phương pháp điều chế tương tự

Nguồn tin số tạo ra một tập hữu hạn các đọan tin có thể có Máy đánh chữ là một ví dụ điển hình về nguồn số Có một số hữu hạn các kí tự (đoạn tin) được tạo ra từ nguồn này

Nguồn tin tương tự tạo ra các đoạn tin được xác định trên một dãy liên tục Một Microphone

là một ví dụ điển hình Điện áp đầu ra mô tả tin tức âm thanh và nó được phân bố trên một khoảng liên tục các giá trị

Hệ thống truyền tin số sẽ truyền tin tức từ một nguồn số tới bộ thu Hệ thống truyền tương tự truyền tin tức từ một nguồn tương tự tới bộ thu

4 Sự phân bố dải tần số vô tuyến trong hệ thống viễn thông

Trong hệ thống thông tin vô tuyến thì bầu khí quyển được sử dụng làm kênh truyền dẫn, nhiễu

và các điều kiện lan truyền phụ thuộc rất nhiều vào tần số truyền dẫn Theo lí thuyết, bất kì kiểu điều chế nào cũng có thể dùng được tại bất kì tần số truyền dẫn nào Tuy nhiên để có hệ thống và vì các lí do khác, mỗi quốc gia đều xác định kiểu điều chế, dải thông và loại tin tức

có thể được truyền trên bằng tần phân định của mình Trên nền tảng quốc tế, các phân định tân

số và các tiêu chuẩn kĩ thuật được thiết lập bởi 2 ủy ban: Ủy ban tư vấn điện thoại điện báo quốc tế(CCITT) và Ủy ban tư vấn vô tuyến quốc tế (CCIR) Các Ủy ban này họat động dưới

sự bảo trợ cuả Hiệp hội Viễn thông quốc tế (ITU)

Tên băng tần Viết

tắt

ITU band Tần số/ Bước sóng Ghi chú Extremely low

frequency ELF 1

3–30 Hz 100,000 km – 10,000 km Thông tin hàng hải Super low

frequency SLF 2

30–300 Hz 10,000 km – 1000 km Thông tin hàng hải

Ultra low

frequency ULF 3

300–3000 Hz

1000 km – 100 km

Dãi tần này bao gồm những tần số thông thường và cả tiếng nói của con người

Very low

frequency VLF 4

3–30 kHz

100 km – 10 km

Thông tin hàng hải, ví dụ như thông tin giữa các tàu ngầm, thông tin di động hàng hải

Low frequency LF 5 30–300 kHz

10 km – 1 km

Quảng bá AM sóng dài, dùng trong thông tin di động hàng hải phương pháp định vị vô tuyến, đèn hiệu hàng không

Medium

frequency MF 6

300–3000 kHz

1 km – 100 m

Quảng bá AM sóng trung, dùng trong các đài phát thanh vô tuyến điều biên

từ 535KHz đến 1605KHz, hoặc phát các thông tin khẩn cấp

High frequency HF 7 3–30 MHz

100 m – 10 m

Quảng bá AM sóng ngắn và ứng dụng cho các dịch vụ vô tuyến truyền thanh nghiệp dư

Very high

frequency VHF 8

30–300 MHz

10 m – 1 m

Quảng bá truyền hình và FM như đài phát FM thương mại (88MHz đến 108MHz), vô tuyến truyền hình từ kênh

2  13 (56MHz đến 216MHz)

Ultra high

frequency UHF 9

300–3000 MHz

1 m – 100 mm

Quảng bá vô tuyến truyền hình từ kênh

14 đến 83, thông tin vô tuyến cá nhân, thông tin vũ trụ, trợ giúp cho thông tin khí tượng (máy thăm dò), mobile phones, wireless LAN

Super high

frequency SHF 10

3–30 GHz

100 mm – 10 mm

Ứng dụng cho thông tin qua vệ tinh, rađa, khí tượng, chuyển tiếp các chương trình truyền hình, thông tin vô tuyến hàng không

Tên gọi cho mỗi dải:

2 ÷ 4GHz dải S

4 ÷ 8GHz dải C

8 ÷ 12GHz dải X

12 ÷ 18GHz dải Ku

18 ÷ 27GHz dải K

27 ÷ 40GHz dải Kd

26,5 ÷ 40GHz dải R

Extremely High

Frequency EHF 11

30–300 GHz

10 mm – 1 mm

Thiên văn học vơ tuyến, Chuyển tiếp vi

ba tốc độ cao (high-speed microwave radio relay)

Above 300 GHz

< 1 mm

Dải từ 300GHz đến 3T gọi là sóng siêu mili dùng trong xử lý tia Lazer

Dải hồng ngoại: sĩng ở vùng hồng ngoại cĩ tần số từ 0,3T đến 300T Tia hồng ngoại khơng được sử dụng rộng rải như sĩng vơ tuyến Tia hồng ngoại kết hợp với bức xạ của nam châm tạo

ra sức nĩng

Vùng ánh sáng nhìn thấy được cĩ tần

số từ 0,3PHz đến 3PHz dùng sĩng bức

xạ cĩ thể nhìn thấy được bên trong cơ thể con người, đo thị giác

Tia tử ngoại, tia cực tím, tia X, tia gamma, rất ít sử dụng trong ngành thơng tin vì nĩ khơng được ứng dụng nhiều

II.Tin tức và phép đo tin tức của một nguồn số

1 Lượng tin và Entropy:

Nhắc lại các khái niệm:

Symbol : là một kí hiệu trong nguồn tin Ví dụ nguồn nhị phân BPSK cĩ 2 symbol là: symbol; nguồn 4-PSK cĩ 4 symbol; nguồn mã ASCII cĩ 128 symbol chính là các kí tự Baud : là tốc độ truyền symbol hay số symbol truyền trong một đơn vị thời gian (1 giây)

Ví dụ 100 baud =100 symbol/s

Bit : là đơn vị thơng tin, nĩ cĩ thể nhận 2 giá trị là 0 hoặc 1 Là lượng tin được mang bởi một symbol Ví dụ trong nguồn tin 4-PSK, một symbol sẽ mang được 2 bit

Bit rate : Là tốc độ truyền tin (bit/s ; bps) hay chính là số lượng bit truyền trong một đơn

vị thời gian là s

Message : là một chuỗi symbol tạo nên lượng tin cĩ nghĩa

Lượng tin

Nguồn A có m symbols đẳng xác xuất, một thông điệp (message) do nguồn A hình thành là một dãy n ký hiệu (symbol) ai (i =1,2, ,n) bất kỳ (ai ∈ A)

– Lượng tin chứa trong một kí hiệu ai bất kỳ:

m a

I ( i) = log

- Lượng tin chứa trong một thông điệp (message) x gồm n ký hiệu (symbol):

m n

x

I ( ) = log

Đơn vị đo lượng thông tin thường được chọn là cơ số 2, lúc đó ta có đơn vị đo lượng tin là bit Nếu chọn là cơ số 10 thì đơn vị đo lượng tin là dit Và Nếu chọn

là cơ số e thì đơn vị đo lượng tin là nat hoặc Hartley

- Khi m symbol của nguồn tin có xác xuất khác nhau và không độc lập thống kê với nhau thì lượng tin chứa trong một symbol ai có xác suất p(ai) là:

Vậy với đoạn tin thứ j gồm n kí hiệu của một nguồn số được truyền đi với xác suất Pj Lượng tin Ij của nó là:

) ( , log 2 log

1 1

10

P

j













Từ đó ta thấy rằng, mẫu tin nào càng ít xuất hiện thì thông tin nó chứa đựng càng nhiều

Entropy

Lượng tin tức trung bình trên một symbol của một nguồn số được gọi là Entropy:

) /

(

;

1 log

1

2 1

symbol bit

P P

I P H

k

j k

j j

∑

=













=

=

Trong đó k là số đoạn tin khác nhau của nguồn có thể có ( k là một số hữu hạn vì nguồn số là giả định) Chúng ta thấy rằng các đoạn tin ít có khả năng xảy ra (giá trị Pj nhỏ hơn ) lại mang nhiều tin tức hơn (Ij lớn hơn) Và phép đo tin tức này chỉ phụ thuộc vào khả năng gửi đoạn tin

mà không phụ thuộc vào việc giải thích nội dung đoạn tin là có nghĩa hay không có nghĩa

Ví dụ 1:

Tính Entropy cho một nguồn mã ASCII gồm 128 symbol Giả sử xác suất xuất hiện của các symbol này là bằng nhau và độc lập thống kê với nhau

)) ( / 1 log(

) ( ai P ai

I =

symbol bit

P P

H

j

j j

j

/ 7 ) 128 ( log 128 1

) / 1 ( log

2 128

1

2 128

1

=

=

=

∑

∑

=

=

Trong thực tế thì H sẽ nhỏ hơn 7 bit/symbol vì các symbol này không phải có xác suất xuất hiện trong đoạn tin là giống nhau và người ta thường tính lượng bit trung bình trên một chuỗi các symbol

Độ dư của nguồn:

Dùng phương pháp mã hóa tối ưu để giảm độ dư của nguồn đến không hoặc sử dụng độ dư của nguồn để xây dựng mã chống nhiễu

Tốc độ nguồn tin

Trong đó H là entropy và RSlà tốc độ symbol

Ví dụ: Tìm entropy, độ dư nguồn và tốc độ nguồn cho một nguồn tin gồm có 4 symbol (A, B,

C, D) phát ra với tốc độ symbol là 1024 baud Biết xác suất xuất hiện các symbol như sau :

Trong điều kiện nguồn không có nhớ (memoryless) nghĩa là các symbol xuất hiện độc lập không phụ thuộc

Giải

symbol bit

P P

j j

/ 761 , 1 ) 1 0 / 1 ( log 1 0

1 ) 2 0 / 1 ( log 2 0

1 2 ) 5 0 / 1 ( log 5 0 1

) / 1 ( log

2 2

2

2 4

1

= +

+

=

=∑

=

symbol bit

H M

H H

r

/ 239

0 761 1 4 log

log

2 2 max

=

−

=

−

=

−

=

Symbol Probability

) / ( H bit s R

R = S

) ( )

( X max H X H

Kbps H

R

R= S =1024×1.761=1.803

2 Dung lượng kênh truyền

Dung lượng kênh C là lượng thông tin cực đại có thể truyền được trên kênh truyền có

độ rộng băng tần B (Hz) trong một đơn vị thời gian

Công thức Nyquist:(chỉ áp dụng khi kênh truyền không có nhiễu)

M: là số lượng kí hiệu (symbol) của nguồn tin

M

2

log : là số lượng bit trên một symbol ( bit)

BT: băng thông kênh truyền (Hz)

Ví dụ: Dung lượng kênh truyền là bao nhiêu nếu băng thông cuả kênh truyền là 1000Hz và

có 8 kí hiệu có thể truyền vào kênh truyền đó?

M=8 (symbol)

BT=1000Hz

) ( 6000 8

log 1000 2 log

Công thức Shannon_Hartley:

Mặt khác, dung lượng kênh C của kênh truyền dẫn có độ rộng băng tần BT và tạp âm trắng băng tần hữu hạn Gauss được biểu thị qua công thức Shannon_Hartley:

Với S và N là công suất trung bình của tín hiệu và tạp âm tương ứng ở đầu ra của kênh

Chú ý:

T o

b b

B N

E R N

S

2 ).

2 / (

=

Rb: tốc độ bit (bps)= 1/Tb :Tb là khoảng thời gian gửi đi 1 bit

Eb: năng lượng bit = Ps.Tb

Ps :là công suất cuả tín hiệu truyền (W/s)

N0/2 hay η là mật độ phổ công suất hai biên của tạp âm (W/Hz)

) ( log

.

C = T

( )bits N

S B







 +

Dựa vào định lý Shannon-Hartley chúng ta rút ra hai vấn đề quan trọng liên quan đến thiết

kế hệ thống thông tin:

•••• Giới hạn trên có thể đạt được đối với tốc độ truyền số liệu trên kênh Gauss

•••• Quan hệ giữa tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu với độ rộng băng tần rằng :

Giảm tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) cần phải tăng độ rộng băng tần và ngược lại

Do đó ta nhận xét rằng có thể truyền một tín hiệu tương tự có băng tần từ 0 đến tần số cắt fm qua kênh có dãy thông nhỏ hơn fm nếu sử dụng mã hóa thích hợp Ví dụ giả sử tín hiệu tương

tự đã được lượng tử thành Q mức sau lúc lấy mẫu x lần với tần số Nyquist 2fm Sau đó số bit nhị phân được mã hóa là log2Q và tốc độ bit là 2 xfmlog2Q bit/s , đó chính là dung lượng cần được truyền qua kênh Trong khi đó dung lượng của kênh lí thuyết C có thể lớn hơn so với dung lượng theo yêu cầu đối với độ rộng băng tần hữu hạn của tín hiệu tương tự, ví dụ khi đến

fm/2 bằng cách tăng tỷ số S/N hoặc tăng mức công suất của tín hiệu

Ví du1: Một tín hiệu tương tự có băng thông 4 KHz; yêu cầu truyền qua kênh có độ rộng băng thông BT=1 KHz Coi rằng tín hiệu được lượng tử 256 mức, tần số lấy mẫu 8 KHz

Suy ra tốc độ dữ liệu cần truyền 64 kbps Với BT= 1KHz ta tìm được

dB N

S hay N

S

6 , 192 1

2

1

0 64

0

=













−

=













Để kênh truyền có độ rộng bằng tần 1 KHz có thể truyền được tín hiệu tương tự này thì yêu

N

S

6 , 192

0

=













Điều đó chứng minh được rằng với tín hiệu tượng tự có độ rộng băng tần từ 0 đến fm có thể truyền qua được kênh truyền có độ rộng băng tần nhỏ hơn fm nếu sử dụng mã hoá thích hợp và SNR thích hợp

Chú ý: (SNR)dB = 10 log10( SNR )

Ví dụ 2: Phổ cuả kênh thông tin có độ rộng từ 3 Mhz đến 4 MHz Biết rằng kênh thông tin có nhiễu phân bố Gauss (nhiễu nhiệt do chuyển động cuả các điện tử) với SNR = 24 dB

a Tìm dung lượng kênh truyền C?

b Nếu kênh truyền không có nhiễu, số lượng mức tín hiệu có thể truyền được trên kênh này là bao nhiêu nếu dung lượng kênh truyền là 8Mbps?

Giải:

a BT=1 MHz

SNR=24 dB nên SNR=251

Dựa vào Shannon-Hartley ta có:

N

S B

2 log

252 log 10 251 1 log 10 1

log

10

10 6 2

6 0





















 +

=

b Nếu không có nhiễu chúng ta dùng công thức Nyquist:

16 2

log 10 2 810

) ( log

2

4

2 6 6

2

=

=

⇒

=

⇔

=

M

M

bps M B

C

Vậy 16 mức tín hiệu cần được sử dụng

Giới hạn Shanon

Bây giờ chúng ta tìm

o

b

N

E để cho Pe → 0 với mã tối ưu Tín hiệu được mã hoá tối ưu không bị giới hạn trong dải thông

Ta có:

T o

b b

B N

E R

N S =

thay vào công thức Shannon_Hartley ta được:























 +

=

o T

b b b

b

o T o

b b

N B

E R E

R

N B N

E R

Chú ý: limlog2(1+1/ ) =1/ln2

∞

x

x

o

b b

E R C

1 lim =

⇒

∞

→

vì Rb luôn nhỏ hơn C

T

Blim→ ∞

dB N

E

N

E R R

o b

o

b b b

6 1 063 , 0

2 ln 1

−

=

≥

⇒

≤

⇒

gọi là giới hạn Shannon

Mã hóa kênh truyền (Mã phát hiện và sửa sai)