Chương 1: tổng quan hệ thống thông tin số doc

Chương 1TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống tin số Định dạng Mật mã hóa Mã hóa kênh Điều chế Mã hóa nguồn Ghép kên

Chương 1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ

1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số

1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống tin số

Định

dạng

Mật

mã hóa

Mã hóa kênh

Điều chế

Mã hóa nguồn

Ghép kênh

Giải

đa truy cập

Đa truy cập

Giải điều chế

Tách kênh

Giải

mã

kênh

Giải mật mã

Giải

mã kênh

Giải

mã nguồn

Kênh thông tin

Hình 1.1Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số

Khối định dạng: hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói, hình ảnh,

âm thanh…) là tín hiệu tương tự nên ta cần có khối định dạng để chuyển đổi tín hiệu

từ tương tự sang dãy từ mã số các từ mã này được biểu diễn bằng các bit nhị phân, rồitùy ứng dụng cụ thể mà biễu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thức thích hợp

Khối giải định dạng: có nhiệm vụ là chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự Việc

số hóa tín hiệu tương tự làm tăng băng thông truyền dẫn của tín hiệu nhưng cho phép

bộ thu hoạt động ở tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn

Khối mã hóa nguồn: làm giảm số bit nhị phân yêu cầu để truyền bản tin Việc này

có thể xem như là loại bỏ các bit dư không cần thiết, giúp cho băng thông đường truyềnđược sử dụng hiệu quả hơn

Khối mật mã hóa: làm nhiệm vụ mật mã hóa bản tin gốc nhằm mục đích an ninh

Nó bao gồm cả sư riêng tư (đảm bảo chỉ người phát có quyền với tin đang truyền) vàxác thực (đảm bảo chỉ người thu nào mà người phát yêu cầu thì mới được nhận tin).Khối mã hóa kênh: làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào tín hiệu số theo một quyluật nào đấy, nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa được cả lỗi xảy

ra trên kênh truyền

Giải mã nguồn, giải mật mã và giải mã hóa kênh được thực hiện ở bộ thu, các quátrình này ngược với các quá trình mã hóa bên bộ phát

Khối ghép kênh: giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ môt đườngtruyền vật lý chung như là cáp, đường truyên vô tuyến… Trong thông tin số, kiểu ghépkênh thường là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM).

Khối điều chế: giúp cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật

lý cụ thể theo một tốc độc cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu mộtbăng thông tần số cho phép Khối điều chế có thể thay đổi dạng xung, dịch chuyển phổtần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp Đầu vào của bộ điều chế là tínhiệu băng gốc trong khi đầu ra của bộ điều chế là tín hiệu thông dải Khối giải điều chếbên thu chuyển dạng sóng thu được ngược lại thành tín hiệu băng gốc

Khối đa truy cập: liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó Cho phépnhiều cặp thu phát cùng chia sẽ một phương tiện vật lý chung (như là một sơi quang,một bộ phát đáp của vệ tinh…) Đây là biện pháp hữu hiệu và hợp lý để chia sẻ tàinguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn Có một số kiểu đa truy cập,mỗi kiểu có nhưng ưu điểm và khuyết điểm riêng

1.1.2 Mã hóa nguồn:

Mã hóa nguồn là quá trình xử lý dữ liệu để giảm bớt dư thừa của nguồn tín

Nguồn tin trong hệ thống thông tin số được chia làm hai loại là nguồn liên tục vànguồn rời rạc Cho nên có hai loại mã hóa nguồn là mã hóa nguồn liên tục và mã hóanguồn rời rạc

Mã hóa nguồn liên tục chính là quá trình số hóa tín hiệu liên tục

Mã hóa nguồn rời rạc là làm cho cấu trúc thống kê của nguồn trở nên hợp lý bằngcách tăng entropy của các ký tự dùng để mã hóa nguồn

Nguyên tắc của mã hóa nguồn rời rạc là mã hóa các ký tự có xác suất sinh ra lớnbằng các từ mã ngắn và mã hóa các ký tự có xác suất sinh ra bé bằng các từ mã dài.Loại mã này gọi là mã hóa thông kê Kỹ thuật mã thống kê có độ dài trung bình của từ

mã là nhỏ nhất thì được gọi là mã thống kê tối ưu

Để có thể giải mã duy nhất và tức thời thì mã phải có tính prefix tức là trong bộ mãkhông có từ mã hoàn thành nào là phần đầu của từ mã khác dài hơn nó

1.1.3 Mã hóa kênh

Mã hóa kênh là quá trình mã hóa dữ liệu phát bằng cách đưa thêm độ dư vào dữliệu nhằm để đạt được một tốc độ truyền tin theo yều cầu của hệ thống với một tỷ sốBER và thời gian trễ chấp nhận được Mã hóa kênh bao gồm hai loại chính là mã khối

và mã chập

1.1.4 Mật mã thông tin

Mật mã thông tin là việc biến đổi một thông báo sao cho nó không thể hiểu nổi đốivới bất kỳ một ai ngoại trừ người nhận được mong muốn dễ hiểu hơn mật mã thông tin

là việc ngụy trang hay che giấu thông tin, văn bản dưới một dạng khác để cho nhữngngười ngoài cuộc không thể xác định được thông tin hay văn bản gốc Phép mật mãthông tin thường được ký hiệu là e(m), với m là thông tin cần mật mã hóa Mật mã hóa

có thể thuộc dạng bí mật hoặc công khai

Hệ mật mã hóa bí mật: hay còn gọi là hệ mã đối xứng là hệ mã mà trong đó việcgiải mã và mã hóa dùng chung một khóa bí mật

Hệ mật mã hóa công khai: hay còn gọi là hệ mã bất đối xứng, hệ mã trong đó việcgiải mã và mã hóa sử dụng hai khóa khác nhau, từ khóa này không thể tìm ra khóa kiamột cách dễ dàng Khóa dùng để mã hóa thường được thông báo công khai và được gọi

là khóa công khai (public key), còn khóa dùng để giả mã được giữ bí mật gọi là khóa bímật hay khóa riêng tư (private key)

1.2 Các loại điều chế và giải điều chế số

Điều chế và giải điều chế số là các phương pháp kỹ thuật để chuyển đổi tín hiệu sốthành các tín hiệu sóng mang băng hẹp, có thể được truyền trên các kênh có băng thônghạn chế Tín hiệu băng hẹp được xem là tín hiệu có dải băng tần rất hẹp so với tần sốsóng mang cơ bản của nó Ta có các kiểu điều chế số cơ bản sau:

 Điều chế dịch biên ASK

 Điều chế dịch pha PSK

 Điều chế dịch tần FSK

1.2.1 Điều chế và giải điều chế ASK

Trong điều chế số dịch biên ASK, biên độ của sóng mang hình sin tần số cao sẽ bịbiến thiên theo mức luận lý của chuỗi tín hiệu số

Biểu thức của tín hiệu ASK

Trong đó: Ao và ω O là biên độ và tần số của sóng mang

d(t) = ± 1 tùy theo mức luận lý của chuỗi số là cao hay hoặc thấp

∆ A ≤ A o là độ dịch biên độ

Dạng sóng theo thời gian của tín hiệu điều chế số dịch biên nhị phân ASK

Hình 1.2 Dạng sóng của tín hiệu điều chế số ASK

Phổ của tín hiệu ASK

Mật độ phổ công suất của tín hiệu VASK(t) theo biểu thức (1.1), với ∆ A= A o:

o là chu kỳ bit của chuỗi số

Khi cho tín hiệu trên đi qua mạch lọc thông dải tại tần số fo, mật độ phổ công suất là

2 2 2

2

sin sin16

f2

o b

f T

o b f T

o b

f T

 2

o b

f T



2 16

o

A

Hình 1.3 Phổ mật đô công suất của tín hiệu điều chế ASK nhị phân

Trong mật độ phổ của tín hiệu ASK, năng lượng các dải phổ bên chủ yếu tập trungquanh vùng fo ±1/Tb Do đó dải tần của tín hiệu ASK gần đúng là:

Trong biểu thức (1.1) của tín hiệu ASK, nếu ΔA=Ao thì tín hiệu ASK sẽ có hai mứcbiên độ 2Ao ứng với d(t) = +1 và mức 0 ứng với d(t) = -1 Lúc này dạng sóng vASK(t) códạng biên độ “tắt – mở”, đó là kiểu điều chế OOK (On-Off key).

Chuỗi nhị phân

Lọc thông dải BPF

 

OOK

Sóng mang sine

Hình 1.4Mô hình mạch điều chế tín hiệu OOK

Trong cách giải điều chế ASK kiểu kết hợp, tần số của sóng mang tái tạo tại máythu được đồng bộ với tần số tại nơi phát

Lọc thông dải

o

Hình 1.5 Mô hình mạch giải điều chế ASK kết hợp

1.2.2 Điều chế và giải điều chế FSK

Trong điều chế số dịch tần FSK, chuỗi dư liệu nhị phân được dùng để thay đổi dịchchuyển tần số của sóng mang hình sin Với phương thức truyền từng bit nhị phân một,

ta có hai tần số sóng mang, được gọi là điều chế dịch tần nhị phân BFSK

Biểu thức của BFSK

Giả sử hai tần số sóng mang được chọn ωH và ωL tương ứng với chuỗi bit b(t) nhưsau:

ω = ωH khi b(t) = logic 1 (hoặc d(t) = +1)

ω = ωL khi b(t) = logic 0 (hoặc d(t) = -1)

Biểu thức của BFSK có thể được viết dưới dạng:

H L o

 t 2P p t cos p t cos ωS H  H  H 2P p t cos p t cos ωS L  L  L

BFSK

(1.7) Trong đó hàm pH(t) và pH(t) có giá trị được cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Giá trị của hàm pH(t) và pL(t) tương ứng với các trạng thái nhị phân

2fb4fb

Mạch điều chế và giải điều chế tín hiệu BFSK:

Từ biểu thức (1.7) của tín hiệu vBFSK(t) suy ra sơ đồ khối của khối điều chế BFSK như sau

Hình 1.8 Sơ đồ khối điều chế BFSK

Tín hiệu VBFSK(t) có thể được xem như tổng hợp của hai tín hiệu ASK ở hai sóng mang ωH và ωL khác nhau, do đó, có thể dùng phương pháp tách sóng nhân kết hợp để giải điều chế

× Lọc thông thấp LPF

V BFSK (t)

Nhân

d'(t) cosw tH

× Lọc thông thấp LPF

Nhân

cosw t L

Quyết định mức logic

Hình 1.9 Sơ đồ khối bộ giải điều chế BFSK kiểu kết hợp 1.2.3 Điều chế và giải điều chế PSK

Trong điều chế số dịch pha PSK, pha của sóng mang hình sin tần số cao sẽ biến thiên theo mức logic 0 hoặc 1 của chuỗi số Với phương thức truyền từng bit nhị phân một, người ta thường chọn hai trạng thái pha ngược nhau (dịch pha 180o) của sóng mang sin tương ứng với 0 và 1, do đó có kiểu điều chế số BPSK, còn gọi là điều chế dịch pha hai trạng thái

và d(t) = -1 nếu bit có mức luận lý 0

Mối quan hệ giữa biên độ A của sóng mang với công suất phát của sóng mang PSlà:

Từ biểu thức (1.11) thì tín hiệu vBPSK(t) có thể được xem là tích số của tín hiệu xung

√P S d (t) với sóng mang √2 cosω o t Do đó khi gọi G(f) là hàm mật độ phổ công suất của

√P S d (t)

Do phổ của vBPSK(t) trải rộng về hai phía đến vô tận chung quanh tần số sóng mang

±fo Trong thực tế, hơn 90% công suất tín hiệu tập trung trong búp phổ chính do đó cóthể xem dải tần phổ của BPSK là B = 2 fb

Mạch điều chế và giải điều chế BPSK

Mạch điều chế BPSK dựa trên nguyên tắc mạch nhân giữa một sóng mang Acosωotvới chuỗi số d(t) đặc trưng cho tín hiệu nhị phân (d(t) = ±1)

× v BFSK t

cos o

Dao động sóng mang

Chuỗi số d(t)

v (t)2cosw tBPSK o

Hình 1.12 Mạch giải điều chế BPSK 1.3 Kênh truyền

Đặc tính kênh đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu, lựa chọn và thiết kếcác trình tự điều chế Các trình tự điều chế được nghiên cứu cho các kênh khác nhau đểbiết chất lượng của chúng trong các kênh này Các trình tự điều chế được lựa chọnhoặc thiết kế tương ứng với đặc tính kênh để tối ưu chất lượng của chúng

1.3.1 Kênh nhiễu trắng Gauss cộng (Additive White Gaussian Noise

Với n(t) là nhiễu AWGN

Tính “trắng” của n(t) nhấn mạnh rằng có một quá trình ngẫu nhiên tĩnh với mật độphổ công suất phẳng (PSD) cho tất cả các tần số Có một quy ước giả thiết rằng PSDcủa nó bằng

22

là độ lệch của quá trình ngẫu nhiên Có một điểm thú vị cần lưu ý là 2  với quátrình AWGN do 2 là công suất của nhiễu, là bất định do tính “trắng” của nó

Tuy nhiên, khi r(t) được lấy tương quan với hàm trực giao (t), thì nhiễu trong đầu

2 0 0

1

p n

N N



(1.22)Nói một cách khác, kênh AWGN không hề tồn tại do không hề có kênh truyền nào

có thể có băng thông là vô định Tuy nhiên, khi băng thông tín hiệu là nhỏ hơn so vớibăng thông kênh, một số kênh thực tế có thể xấp xỉ với kênh AWGN Chẳng hạn, cáckênh vô tuyến thẳng tuyến LOS (line of sight), bao gồm các kết nối sóng cực ngắn mặtđất cố định và các kết nối vệ tinh cố định, xấp xỉ với các kênh AWGN khi thời tiết tốt.Các cáp đồng trục băng rộng cũng xấp xỉ kênh AWGN do đó không tồn tại nhiễu nàokhác ngoài nhiễu Gauss

1.3.2 Kênh giới hạn băng thông

Khi băng thông kênh nhỏ hơn băng thông tín hiệu, kênh gọi là có băng thông hạnchế Sự giới hạn băng thông phục vụ gây nên nhiễu liên kí hiệu ISI (chẳng hạn, các

xung số sẽ mở rộng thời gian truyền (chu kỳ kí hiệu T S)) và gây nhiễu lên kí hiệu tiếptheo, hay thậm chí là cả kí hiệu tiếp theo nữa ISI gây tăng xác suất lỗi bit (P b) hay tỉ lệlỗi bit BER, như nó vẫn được gọi Khi việc tăng băng thông kênh truyền là điều khôngthể hoặc không hiệu quả kinh tế, các kĩ thuật cân bằng kênh được sử dụng để chống lạiISI

1.3.3 Kênh pha đinh

Pha đinh là một hiện tượng xảy ra khi biên độ và pha của tín hiệu vô tuyến biến đổinhanh trong một khoảng thời gian ngắn hay khoảng lan truyền ngắn Pha đinh đượctạo nên bởi nhiễu giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu phát khi chúng tới máy thu

ở những thời điểm khác nhau một chút Các sóng này, gọi là các sóng đa đường, kếthợp với nhau tại anten cho một tín hiệu tổng mà có thể biến đổi rất rộng về cả biên độ

và tần số Nếu các thời gian trễ của các tín hiệu đa đường dài hơn chu kì kí hiệu, các tínhiệu đa đường đó phải được xem như tín hiệu khác Trong trường hợp này, ta có các tínhiệu đa đường độc lập

Trong các kênh thông tin di động, như kênh di động mặt đất và kênh di động vệtinh, nhiễu pha đinh và đa đường được tạo nên bởi những phản hồi từ các công trìnhbao quanh và các địa hình Thêm vào đó, sự di chuyển tương đối giữa máy phát và máythu cho kết quả là điều chế tần số ngẫu nhiên trong tín hiệu do mức dịch tần Dopplerkhác nhau trên mỗi thành phần đa đường Sự di động của các đối lượng bao quanh, như

xe tải, cũng tạo nên một mức dịch tần Doppler trên thành phần đa đường Tuy nhiên,nếu các đối tượng bao quanh di chuyển ở tốc độ nhỏ hơn tốc độ của di động, thì hiệuứng của chúng có thể được bỏ qua

Pha đinh tạo nên các biến đổi nhanh về biên độ và những độ lệch pha trong các tínhiệu nhận Đa đường tạo nên nhiễu liên kí hiệu Dịch tần Doppler tạo nên sự trôi tần sốsóng mang và trải băng thông tín hiệu Tất cả điều đó dẫn tới sự suy hao chất lượng củađiều chế

1.4 Các loại đa truy nhập

Mục tiêu chính của truyền thông dữ liệu là khả năng chia sẻ nguồn tài nguyên trênkênh thông tin chung cho nhiều người dùng tại cùng một thời điểm Tài nguyên dùngchung ở đây có thể là các tuyến truyền dẫn tốc độ cao bằng sợi quang ở khoảng cách

xa, phổ tần sử dụng như đối với hệ thống điện thoại tế bào, hay thông tin trên một

Để nhiều người dùng có thể chia sẻ tài nguyên chung một cách hiệu quả và có quản

lý, cần phải có một số dạng giao thức truy nhập để định nghĩa việc thực hiện chia sẻnhư thế nào và biện pháp để các thông điệp từ các người sử dụng riêng biệt có thể đượcnhận dạng ở phía thu Quá trình chia sẻ này được gọi là ghép kênh trong các hệ thốngtruyền thông bằng cáp và đa truy nhập trong truyền thông vô tuyến số

Có ba hình thức đa truy nhập cơ bản là đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA,

đa truy nhập theo thời gian TDMA, đa truy nhập theo mã CDMA

1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

Trong hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật FDMA toàn bộ dải thông của băng tầnđược chia thành 2N dải con, mỗi dải con gọi là một kênh vô tuyến Như vậy sẽ có Nkênh kế tiếp dành cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N kênh kế tiếpdành cho liên lạc hướng xuống Mỗi thuê bao sẽ được cấp phát một cặp kênh trong suốtquá trình liên lạc.Với kiểu truy nhập này các kênh sẽ phát đi liên tục đồng thời một sốsóng mang Do vậy nhất thiết phải cung cấp các khoảng bảo vệ giữa mỗi dải mà mộtsóng mang chiếm, để tính đến sự không hoàn hảo của các bộ tạo dao động và các bộlọc Kỹ thuật FDMA có khả năng sử dụng được với cả hệ thống truyền dẫn số vàtruyền dẫn tương tự

Ưu điểm :

 Đơn giản

 Không cần đồng bộ giữa bên thu và bên phát

Nhược điểm:

 Thiếu linh hoạt trong trường hợp tái cấu hình

 Tổn thất dung lượng khi số các truy nhập tăng lên

 Cần phải điều khiển công suất phát của các trạm

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Trong hệ thống TDMA mỗi kênh vô tuyến được chia thành các khe thời gian Nănglượng của tín hiệu được hạn chế ở một trong các khe thời gian Nhiễu của các kênh kềnhau được giới hạn bởi việc sử dụng khoảng thời gian giữa các kênh Từng cuộc đàmthoại được biến đổi thành tín hiệu số, sau đó được gán cho một trong các khe thời giannày Số lượng các khe thời gian trong một kênh vô tuyến có thể thay đổi tuỳ thuộc vàocách thiết kế hệ thống Có ít nhất là hai khe thời gian cho một kênh, và thường thìnhiều hơn Điều đó có nghĩa là TDMA có khả năng phục vụ số lượng khách hàngnhiều hơn vài lần so với kỹ thuật FDMA với cùng một dải thông như vậy

Ưu điểm: