Giáo trình thông tin số (full)

1.1.2 Giới thiệu nội dung môn học Môn học này nhằm trang bị các kiến thức cơ bản về hệ thống thông tin số và các quá trình biến đổi tín hiệu diễn ra trong đó, như: quá trình biến đổi tư

Trang 1

Cung Quang Khang (Bộ môn Kỹ thuật Điện-Điện tử)

Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THÔNG TIN

Trong cuộc sống, chúng ta luôn có nhu cầu trao đổi với nhau những hiểu biết

về sự vật, hiện tượng, các quá trình diễn ra trong tự nhiên, trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày Việc trao đổi đó được hiểu là trao đổi thông tin với nhau hay còn

được gọi truyền tin (communication) Cho tới nay, chưa có một định nghĩa đầy đủ cho khái niệm thông tin (information), có thể được hiểu đó là những tính chất xác

định của vật chất mà con người (hoặc hệ thống kỹ thuật) nhận được từ thế giới vật chất bên ngoài hoặc từ những quá trình xảy ra bên trong nó Thuật ngữ truyền tin

và thông tin đôi khi được sử dụng không có sự phân biệt

Chương này sẽ giới thiệu một cách chung nhất về những vấn đề liên quan đến các hệ thống truyền thông tin, thường được gọi là hệ thống thông tin Các khái niệm

về thông tin, tin tức, dữ liệu, tín hiệu cũng được đề cập ngắn gọn Hơn nữa, ở đây cũng giới thiệu mô hình tổng quát về hệ thống thông tin và chức năng của các khâu chính trong hệ thống thông tin, đặc biệt nêu sơ đồ khối chức năng đầy đủ của một

hệ thống thông tin số làm cơ sở khảo sát sâu hơn trong các chương tiếp theo sau

1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG

1.1.1 Các khái niệm thông dụng trong hệ thống thông tin số

Thông tin (information) là những tính chất xác định của vật chất mà con người

(hoặc hệ thống kỹ thuật) nhận được từ thế giới vật chất bên ngoài hoặc từ những quá trình xảy ra trong bản thân nó

Theo quan điểm triết học, thông tin là một thuộc tính phổ biến của thế giới vật chất (tương tự như năng lượng, khối lượng) Thông tin không được tạo ra mà chỉ được sử dụng bởi hệ thụ cảm Thông tin tồn tại một cách khách quan, không phụ thuộc vào hệ thụ cảm

Một định nghĩa khác, thông tin là tập các chỉ báo, mệnh lệnh giúp loại trừ sự không chắc chắn ở trạng thái nơi nhận tin hay nó chính là sự loại trừ bất định Định nghĩa này trong lý thuyết thông tin nhằm đưa ra độ đo lượng tin Thông tin là đại lượng ngẫu nhiên, mang tính thống kê

Dữ liệu là dạng biểu diễn thông tin dưới dạng số

Trang 2

Tín hiệu là các đại lượng vật lý biến thiên, phản ánh tin cần truyền Do đó, có

thể nói tín hiệu là biểu hiện vật lý của tin tức Vì tin tức là ngẫu nhiên nên tín hiệu cũng là ngẫu nhiên Cần chú ý, không phải bản thân quá trình vật lý là tín hiệu, mà tín hiệu là sự biến đổi các tham số riêng của quá trình vật lý đó Các đặc trưng vật

lý có thể là dòng điện, điện áp, ánh sáng, âm thanh, trường điện từ

Truyền tin (communications) là sự trao đổi thông tin (information) giữa các

đối tượng có nhu cầu bằng một công cụ nào đó

Viễn thông (telecommunications) là hệ thống truyền thông tin với khoảng cách

xa Khoảng cách này hàm ý từ vài m đến hàng ngàn km Để trao đổi thông tin từ xa,

người ta phải xây dựng hệ thống truyền thông tin phức tạp được gọi là mạng viễn thông (telecommunications network)

Dịch vụ viễn thông (telecommunications services) là hình thái trao đổi thông

tin mà mạng viễn thông cung cấp Các dịch vụ viễn thông rất phong phú và đa dạng, phục vụ cho nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao của người dùng

Thông tin số (Digital communications) là hệ thống thông tin mà các tin tức

được biểu diễn dạng số và truyền thông tin bằng một tập hợp hữu hạn các ký hiệu, không phụ thuộc vào kiểu nguồn tin Thông tin số cung cấp khả năng xây dựng mạng viễn thông đa dịch vụ như mạng internet, mạng điện thoại, điện báo và mạng truyền thông đa phương tiện

1.1.2 Giới thiệu nội dung môn học

Môn học này nhằm trang bị các kiến thức cơ bản về hệ thống thông tin số và các quá trình biến đổi tín hiệu diễn ra trong đó, như: quá trình biến đổi tương tự - số; mã hóa nguồn, mã bảo mật; các ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng đối với chất lượng tín hiệu; các quá trình xử lý và khôi phục thông tin tại đầu thu; việc truyền tin trên băng tần cơ sở và mã đường truyền; truyền tín hiệu trên băng tần thông dải và các phương pháp điều chế số cũng như ghép kênh

Với mục đích như trên, giáo trình sẽ đề cập các vấn đề chính sau đây:

1 Những khái niệm chung về hệ thống thông tin

Trang 3

Để nghiên cứu môn học này, người đọc cần quan tâm các kiến thức về: Xác suất thống kê, Toán kỹ thuật, Lý thuyết thông tin, Xử lý số tín hiệu

1.1.3 Tài liệu tham khảo

1 Digital Communications, John G Proakis, McGraw-Hill International

Editions, Third Edition, 1995

2 Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, Athanasios

Papoulis, McGraw-Hill International Editions, Third Edition, 1991

3 Nachrichtenuebertragung, 2 Auflage, Kammeyer K D., Stuttgart, B.G

Teubner,1996

4 Adaptive Filter Theory, Simon Hayking, Prentice Hall, 1986

5 Priciples of Mobile Communication, Gordon L Stueber, Kluwer

Academic Publishers, Second Eddition, 2000

6 Digital Communications; Ian Glover, Peter Grant, Prentice Hall 2000

7 Digital Communication Systems, Peyton Z Peebles, Prentice Hall 1987

8 Principles of Digital and Analog Communications, Jerry D Gibson,

MacMillan Publishing Company, 1990

9 Digital Communications, Design for the Real World; Andy Bateman,

Năm 1641 John Wilkins dùng phối hợp 2, 3, 5 chữ để biểu diễn chữ cái làm

Năm 1875 Emile Baudot đề xướng độ dài mã cố định (gồm 5 phần tử mã)

3 Điện thoại

Trang 4

Năm 1884, điện thoại đã được đề xướng bởi A.G Bell

Năm1897 Strowge đề xướng chuyển mạch tự động

Với sự phát minh ra transistor 1948, hệ thống tổng đài lập trình sẵn đã được chế tạo năm 1958 Điện thoại thương mại với chuyển mạch số xuất hiện từ 1960 Năm 1937 Alec Reeves phát minh ra điều chế xung mã, để mã hóa tiếng nói Năm 1945 DeLoraine phát minh ra hợp kênh theo thời gian Được ứng dụng trong mạng điện thoại quân sự

Năm 1950 khái niệm truyền số và chuyển mạch số được đề xướng

Năm 1974 Mở rộng mạng điện thoại số, và mạng băng rộng ISDN số

4 Radio

Năm 1873 Maxwell nêu lý thuyết trường điện từ, dự đoán sự tồn tại nhiễu của sóng radio

Năm 1901 Marconi thực hiện thu phát tín hiệu radio xa nhau 3000 km

5 Thông tin vệ tinh

Năm 1945 Arthur C.Clarke đề xuất ý tưởng dùng vệ tinh như trạm chuyển tiếp

2 trạm mặt đất

Năm 1957 Vệ tinh Sputnik của Nga đã phát tín hiệu 21 ngày

Năm 1958 Mỹ phóng tầu thám hiểm phát tín hiệu kéo dài trong 5 tháng Năm 1962 về tinh Telstar (do phòng thí nghiêm Bell chế tạo theo công trình của John R.Pierce) chuyển tiếp được chương trình TV qua đại tây dương (dùng bộ thu maser và anten lớn)

Năm 1964 INTERSAT thành lập, phóng vệ tính địa tĩnh (INTERSAT-1 dung lượng 240 kênh thoại và 1 kênh TV), 1965 và trong 7 năm tiếp theo 4 thế hệ vệ tinh thương mại được phóng tiếp có 6000 kênh thoại và 12 kênh TV (INTERSAT-4) INTERSAT-5 dùng TDMA kỹ thuật số

6 Thông tin quang

Năm 1966 Kao và Hockham đề nghị dùng sợi thủy tinh làm ống dẫn sóng Laser được phát minh từ 1959 và 1960

Năm 1970 Kapron Keck đã chế tạo được sợi pha silic cho suy giảm truyền dẫn ánh sáng 20dB/km, hiện nay chỉ còn 0.2dB/km

7 Truyền thông máy tính

Từ năm 1950 đã có thể liên lạc cự ly xa đầu tiên dùng kênh điện thoại với tốc

độ 3001200bps Hiện nay, tốc độ đã nâng lên rất nhiều do nhiều đóng góp trong đó

Trang 5

có cân bằng thích nghi (Lucky 1965) và kỹ thuật điều chế có mật độ phổ cao

Từ năm 1950-1970 mạng máy tính được phát triển mạnh Ảnh hưởng quan trọng là mạng ARPANET (được tài trợ của bộ quốc phòng Mỹ với chuyển mạch gói Đây là một ví dụ điển hình của mạng điểm-điểm, thu nhận, giữ và chuyền) Một mạng truyền gói khác là mạng đa truy cập (single-hop) được minh họa là mạng ALOHA do Abramson đề xướng từ năm 1970

Loại thứ 3 tổ hợp cả 3 loại trên (Multiple-hop) Ví dụ về loại này là mạng gói radio PRNET (được tài trợ bởi ARPA)

8 Lý thuyết thông tin

Năm 1928 Harry Nyquist Công bố các bài báo về lý thuyết truyền tín hiệu trên telegraf Đặc biệt là phát triển lý thuyết thu chính xác tín hiệu telegraf trên kênh phân tán, có nhiễu

Năm 1943 North đề xuất bộ lọc phù hợp cho tách tối ưu tín hiệu trên nền nhiễu

Lý thuyết tách dựa trên lý thuyết quyết định thống kê được phát triển bởi Neumann

Năm 1948 Cơ sở lý thuyết truyền thông số tương đối hoàn chỉnh được Claude Shannon trình bày trong các bài báo về lý thuyết toán cho truyền thông

Trang 6

1.2 HỆ THÔNG TIN, MÔI TRƯỜNG TRUYỀN TIN VÀ CÁC YÊU CẦU CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN

Kênh truyền

Mạch sóng mang Kênh tin

truyền tin luôn là kênh có nhiễu tác động làm thông tin S(t) truyền đi từ nguồn tới

đầu thu nhận (t) có sự sai lệch Nhiệm vụ của hệ thống thông tin đảm bảo sự sai lệch có thể giám sát và điều khiển được

1.2.2 Nguồn tin

Nguồn tin là nơi sản sinh ra tập tin dùng để tạo ra các bản tin (thông báo) cần truyền đi Nếu tập tin là hữu hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn rời rạc Ngược lại, nếu tập tin là vô hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn liên tục

Nguồn tin liên tục, tạo ra thông tin liên tục và theo đó, kênh truyền tin cũng

là kênh liên tục Các hệ thống liên tục có nhược điểm cồng kềnh, chi phí cao, tin cậy thấp Nguồn tin rời rạc, tạo ra tin rời rạc, do đó kênh truyền tin cũng là kênh rời rạc Hệ thống rời rạc khắc phục các nhược điểm của hệ liên tục, nên được áp dụng rộng rãi Nguồn tin liên tục sau khi thực hiện lấy mẫu (rời rạc hóa) và lượng tử hóa

sẽ được nguồn rời rạc

Nguồn tin có tính chất thống kê, với nguồn rời rạc, tính thống kê biểu hiện ở chỗ xác suất xuất hiện các tin là khác nhau Ví dụ, cho nguồn tin rời rạc là bảng chữ

cái m ký tự A={a1, a2, , am} sẽ có xác suất xuất hiện tương ứng là: p(a i ), i =1,2, ,m

Một nguồn tin rời rạc, các tin trước và sau không có mối quan hệ thì được gọi là nguồn rời rạc không nhớ

Trang 7

Bản tin là tập (có thể là vô hạn) các ký hiệu liên tiếp từ bảng các ký hiệu cơ

sở (bảng chữ cái) của nguồn tin Trong thực tế, bản tin có khởi đầu và kết thúc nên

nó là dãy hữu hạn các ký hiệu

Vậy có thể định nghĩa: nguồn tin là tập hợp các tin mà hệ thống thông tin dùng lập các bản tin khác nhau để truyền đi

1.2.3 Máy phát

Máy phát là thiết bị biến đổi tập tin thành tập tín hiệu tương ứng Phép biến đổi này phải là đơn trị hai chiều để đảm bảo bên thu nhận chính xác thông tin được truyền đi Trong trường hợp tổng quát, máy phát gồm hai khối chính

- Thiết bị mã hoá: Làm ứng mỗi tin với một tổ hợp các ký hiệu đã chọn nhằm tăng mật độ, tăng khả năng chống nhiễu, tăng tốc độ truyền tin

- Khối điều chế: Là thiết bị biến tập tin (đã hoặc không mã hoá) thành các tín hiệu để bức xạ vào không gian dưới dạng sóng điện từ cao tần Về nguyên tắc, bất

kỳ một máy phát nào cũng có khối này

1.2.4 Môi trường truyền tin

Môi trường truyền tin là môi trường vật lý, trong đó tín hiệu truyền đi từ máy phát sang máy thu Trên đường truyền có những tác động làm tổn hao năng lượng, làm mất mát thông tin của tín hiệu Trong Lý thuyết thông tin, kênh truyền là khái niệm trừu tượng bao hàm tín hiệu và nhiễu Trong kỹ thuật thông tin số môi trường

truyền tin thường được đánh giá bởi các yếu tố: tốc độ truyền, băng thông, khoảng cách truyền (hay liên quan tới suy hao tín hiệu)

Những đặc tính và chất lượng của dữ liệu truyền được quyết định bởi tính chất tín hiệu và môi trường truyền Trong trường hợp sử dụng môi trường truyền định hướng, bản thân môi trường truyền là nhân tố quan trọng quyết định giới hạn

sự truyền Bảng 2.1 cho ta đặc tính cơ bản tốc độ truyền, băng thông và khoảng cách tối đa yêu cầu lặp lại với tín hiệu số cho các môi trường truyền định hướng

Bảng 1.1 Đặc tính đường truyền với môi trường định hướng điểm-điểm

Môi trường truyền Tốc độ

truyền

Băng thông

Trang 8

Với môi trường truyền không định hướng, phổ và băng tần số của tín hiệu

do ăng ten phát quan trọng hơn môi trường truyền Như đã biết, tần số trung tâm của tín hiệu là yếu tố tạo ra băng thông và tốc độ truyền Mặt khác, khi dùng ăng ten truyền tín hiệu phụ thuộc vào hướng của ăng ten Thường tần số thấp được bức

xạ về mọi hướng của ăng ten, tần số cao là yếu tố định hướng chùm tia về hướng cần thiết Trong môi trường không định hướng, sóng vi ba có phạm vi từ 2 - 40 G(Hz), có khả năng định hướng chùm tia, thường dùng cho điểm - điểm

Có 6 loại kênh tiêu biểu trên thực tế: Đường điện thoại; Cáp đồng trục; Sợi quang; Kênh viba; Kênh vô tuyến di động; Kênh vệ tinh

- Đường điện thoại: Là đường truyền tín hiệu điện, tuyến tính, băng thông giới hạn, thích hợp cho truyền tiếng nói băng cơ sở hoặc thông dải (độ rộng từ 300-

3100(Hz)) có tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao cỡ 30dB Kênh truyền này có đáp ứng độ lớn theo tần số bằng phẳng, không chú ý đến đáp pha theo tần số (do tai người không nhạy với trễ pha), song khi truyền ảnh hay dữ liệu thì phải chú ý đến điều này và cần dùng bộ cân bằng thích nghi kết hợp phương pháp điều chế có hiệu suất phổ cao

- Cáp đồng trục: Có sợi dẫn ở trung tâm cách điện với vỏ xung quanh; vỏ cũng là vật liệu dẫn điện Cáp đồng trục có 2 ưu điểm lớn là độ rộng băng tần lớn

và chống được nhiễu từ bên ngoài Song cáp đồng trục cần những bộ phát lặp gần

nhau vì suy giảm nhanh (ở tốc độ khoảng 274Mbps, khoảng cách phát lặp là 1km)

- Sợi quang: Gồm lõi là thủy tinh, lớp vỏ xung quanh cũng là thủy tinh đồng

tâm có hệ số phản xạ nhỏ hơn Tính chất cơ bản của sợi quang là khi tia sáng đi từ môi trường có hệ số phản xạ cao sang môi trường có hệ số phản xạ thấp thì sẽ bị uốn về phía môi trường hệ số phản xạ cao, nên xung ánh sáng được “dẫn đi” trong

sợi quang Sợi quang là vật liệu cách điện, chỉ truyền dẫn ánh sáng Dùng tần số

mang ánh sáng cỡ 2x1014(Hz) sẽ cho độ rộng băng tần cỡ 10% = 2x1013(Hz) Tổn thất trong sợi quang nhỏ: 0.2dB/km và không chịu ảnh hưởng của giao thoa sóng điện từ (vì có bản chất ống dẫn tĩnh điện)

- Kênh vi ba: Hoạt động ở dải tần 1-30G(Hz) cho 2 anten nhìn thấy nhau

Anten phải đặt trên tháp đủ cao, điều kiện kênh có thể coi là tĩnh, kênh truyền này tin cậy Tuy nhiên khi điều kiện khí tượng thay đổi có thể làm giảm cấp chất lượng đường truyền

- Kênh di động: Đây là kênh kết nối với người dùng di động Kênh có tính chất tuyến tính thay đổi theo thời gian cùng hiệu ứng đa đường gây nên sự đnhiễug

Trang 9

pha, hoặc ngược pha của các tín hiệu thành phần làm tín hiệu tổng cộng thăng giáng (fading) Đây là loại kênh phức tạp nhất trong truyền thông vô tuyến

- Kênh vệ tinh: Đô cao vệ tinh địa tĩnh 22 300 dặm (30 nghìn Km) Tần số

thường dùng cho phát lên là 6G(Hz) và cho phát xuống là 4 G(Hz) Độ rộng băng tần của kênh truyền lớn cỡ 500M(Hz) chia thành các dải do 12 bộ phát đáp trong vệ tinh đảm nhiệm, mỗi bộ phát đáp dùng 36M(Hz) truyền được ít nhất một chương trình truyền hình màu, 1200 mạch thoại, tốc độ dữ liệu ít nhất 50Mbps

Ngoài cách phân loại cụ thể trên có thể phân loại kênh truyền theo tính chất như sau:

- Kênh tuyến tính hay phi tuyến: Kênh điện thoại là tuyến tính trong khi kênh vệ tinh thường là phi tuyến (nhưng không phải luôn luôn như vậy)

- Kênh bất biến hay thay đổi theo thời gian: Sợi quang bất biến trong khi kênh di động là thay đổi theo thời gian

- Kênh băng tần giới hạn hay công suất giới hạn: Đường điện thoại là kênh băng tần giới hạn trong khi cáp quang và vệ tinh là công suất giới hạn

1.2.5 Máy thu

Máy thu là thiết bị thực hiện việc tạo lập lại thông tin nơi phát từ tín hiệu nhận được Máy thu thực hiện phép biến đổi ngược lại với phép biến đổi ở máy phát: Biến tập tín hiệu thu được thành tập tin tương ứng Do tín hiệu truyền trên kênh có nhiễu nên để khôi phục thông tin nơi gửi, bên nhận phải có cơ chế phát hiện lỗi và sửa sai

Máy thu gồm hai khối:

- Giải điều chế: Biến đổi tín hiệu nhận được thành tin đã mã hoá

- Giải mã: Biến đổi các tin đã mã hoá thành các tin tương ứng ban đầu (các tin của nguồn gửi đi)

1.2.6 Nhận tin

Bộ phận nhận tin thực hiện các chức năng sau:

- Ghi giữ tin (ví dụ bộ nhớ của máy tính, băng ghi âm, ghi hình,…)

- Biểu thị tin làm cho các giác quan của con người hoặc các bộ cảm biến của máy thụ cảm được để xử lý tin (ví dụ băng âm thanh, chữ số, hình ảnh,…)

- Xử lý tin: Biến đổi tin để đưa nó về dạng dễ sử dụng Chức năng này có thể

thực hiện bằng con người hoặc bằng máy

Trang 10

1.2.7 Các yêu cầu khi truyền tin qua hệ thống viễn thông

Khi truyền tin qua hệ thống viễn thông, thường phải đảm bảo các yêu cầu sau:

1.2.7.1 Hiệu suất

Thể hiện trên các mặt sau:

- Tốc độ truyền tin cao

- Truyền được đồng thời nhiều tin khác nhau

- Chi phí cho một bit thông tin thấp

1.2.7.2 Độ tin cậy

Đảm bảo độ chính xác của việc thu nhận tin cao, tỷ số lỗi (BER) thấp Hai chỉ tiêu này luôn mâu thuẫn nhau Giải quyết mâu thuẫn trên là nhiệm vụ của lý thuyết thông tin

1.2.7.3 An toàn

- Bí mật:

+ Không thể khai thác thông tin một cách trái phép

+ Chỉ có người nhận hợp lệ mới hiểu được thông tin của người gửi

- Xác thực: Gắn trách nhiệm của bên gửi – bên nhận với bản tin (chữ ký số)

- Toàn vẹn:

+ Thông tin không bị bóp méo (cắt xén, xuyên tạc, sửa đổi)

+ Thông tin được nhận phải nguyên vẹn cả về nội dung và hình thức

- Khả dụng: Mọi tài nguyên và dịch vụ của hệ thống phải được cung cấp đầy

đủ cho người dùng hợp pháp

1.2.7.4 Đảm bảo chất lượng dịch vụ

Đây là một chỉ tiêu rất quan trọng đặc biệt là đối với các dịch vụ thời gian thực, nhạy cảm với độ trễ (truyền tiếng nói, hình ảnh, …)

Trang 11

1.3 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

1.3.1 Ưu nhược điểm hệ thống thông tin số so với tương tự

Có thể thấy hệ thống thông tin số phức tạp hơn hệ thống thông tin tương tự

vì cần phải bổ sung thêm vào các khâu chuyển đổi tương tự số và ngược lại Tuy nhiên, hệ thống thông tin số có nhiều điểm nổi trội và là xu thế phát triển để tích hợp thành hệ thống mạng đa dịch vụ

Truyền tin số có nhiều ưu điểm hơn kỹ thuật tương tự, trong đó chỉ sử dung

một số hữu hạn dạng sóng (ký hiệu truyền tách biệt nhau) để truyền tin Mỗi dạng sóng truyền trong một khoảng thời gian xác định gọi là chu kỳ ký hiệu và là đại diện

truyền của một dữ liệu tin (hay một tổ hợp bit) còn gọi là báo hiệu (Signalings) Do

là tập hữu hạn ký hiệu nên việc lưu trữ và truyền thông sẽ thuận lợi

Khả năng chống nhiễu trên đường truyền tốt (vì nếu nhiễu không đủ mạnh

sẽ không thể làm méo dạng sóng), song đòi hỏi bản tin nguồn cũng phải được số hóa (biểu diễn chỉ bằng một số hữu hạn ký hiệu) Ví dụ văn bản tiếng Việt dùng 24 chữ cái, bộ đếm dùng 10 số, bản nhạc dùng 7 nốt và vài ký hiệu bổ sung…Trong giáo trình này ta coi rằng bản tin nguồn đã được số hóa và ta chỉ nghiên cứu kỹ thuật truyền số qua kênh

Sai số có thể điều khiển được: Việc số hóa một bản tin tương gặp phải sai số

(gọi là sai số lượng tử, tuy nhiên sai số này lại có thể điều khiển được) So sánh với

kỹ thuật truyền tin tương tự, ở đó bản tin không mắc sai số khi số hóa, song do dùng

vô số dạng sóng (tín hiệu liên tục) trên đường truyền nên can nhiễu sẽ làm thay đổi

dạng sóng, gây nên sai số khi quyết định tại nơi thu khó điều khiển được

Ngoài ra, việc số hóa kỹ thuật truyền tin còn tạo nên những tiêu chuẩn có thể thay đổi linh hoạt bằng chương trình phần mềm và tạo ra những dịch vụ khó có thể

có trong truyền tin tương tự Tuy nhiên, kỹ thuật truyền tin tương tự đã có nhiều thành tựu như tạo ra truyền hình màu hay điều khiển đưa người lên mặt trăng và hiện nay trong một số kỹ thuật điều khiển tốc độ cực nhanh vẫn dùng đến kỹ thuật tương tự

Khi vận dụng lý thuyết thông tin vào kỹ thuật truyền tin số thường có những vấn đề sau đây đặt ra:

- Bản tin phải được biểu diễn (mã nguồn) với tập ít nhất các ký hiệu, theo

mã nhị phân thì tức là cần ít bit nhất Lý thuyết thông tin cho một giới hạn dưới về

số bit tối thiểu cần để biểu diễn Tức là nếu ít hơn số bit tối thiểu không thể biểu

Trang 12

diễn đầy đủ bản tin (làm méo, sai lệch bản tin)

- Khi truyền tin mã nguồn cần được bổ sung thêm các bit (phần dư thừa), mà điều này làm tăng tốc độ bit, để có thể giảm được lỗi truyền bản tin (gọi là kỹ thuật

mã kênh điều khiển lỗi), song có một giới hạn trên về tốc độ truyền mà vượt qua nó không thể điều khiển lỗi được, đó là dung lượng kênh qui định bởi độ rộng băng tần

kênh truyền và tỷ số tín hiệu trên nhiễu Theo Shannon, dung lượng kênh được tính:

trong đó, B là độ rộng băng tần kênh truyền, SNR là tỷ số công suất tín hiệu trên

công suất nhiễu, C chính là giới hạn trên đối với tốc độ truyền tin cậy tính bằng bps Công thức này cho thấy có sự chuyển đổi giữa B và SNR

Ba yếu tố gồm công suất, độ rộng băng tần và nhiễu kênh quyết định tốc độ

truyền của kênh

Từ những phân tích trên có thể tóm lược các ưu điểm của hệ thông tin số như sau:

(1) Tăng được khả năng truyền dẫn dữ liệu

(2) Tăng khả năng tích hợp, độ phức tạp và sự tin cậy của các hệ thống điện

tử số trong việc xử lý tín hiệu, đồng thời với giá thành giảm

(3) Dễ dàng trong việc mã hóa để nén dữ liệu

(4) Khả năng mã hóa kênh để tối thiểu hóa các ảnh hưởng của nhiễu (5) Dễ dàng cân đối công suất, thời gian và độ rộng dải thông để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên có hạn này

(6) Dễ dàng chuẩn hóa các tín hiệu, bất kể kiểu, nguồn gốc và dịch vụ mà chúng cung cấp dẫn tới việc thiết lập một mạng số liên kết đa dịch vụ

Tuy nhiên, cũng có thể thấy các nhược điểm của thông tin số là:

(1) Hệ thống thông tin số thường phức tạp hơn một hệ thống tương tự tương đương

(2) Chi phí lắp đặt lớn hơn so với thông tin tương tự do trong thông tin số bao gồm nhiều thành phần hơn

(3) Yêu cầu độ chính xác cao đặc biệt trong các hệ thống đồng bộ số

1.3.2 Các phương thức liên lạc

Về phương thức liên lạc, giữa các máy phát và thu trong một hệ thống thông tin có thể thực hiện theo một trong những phương thức sau:

Trang 13

Đơn công

Bán song công t1 t2≠t1

t2=t1 t1 Song công

Hình 1.2 Các phương thức truyền thông tin

Ðơn công (Simplex transmission, SX): thông tin chỉ truyền theo một chiều

t.ừ máy phát đến máy thu Nếu lỗi xảy ra máy thu sẽ không thể yêu cầu máy phát phát lại Trong hệ thống này thường máy thu có trang bị thêm bộ ROP (Read Only Printer) để hiển thị thông tin nhận được

Bán song công (Half duplex transmission, HDX): Tín hiệu truyền theo hai

hướng nhưng không đồng thời Hệ thống thông tin dùng Walkie - Talkie là một thí

dụ của phương thức liên lạc bán song công Các máy truyền bán song công có một nút ấn để phát (push to send), khi ở chế độ phát thì phần thu bị vô hiệu hóa và ngược lại

Song công (Full duplex transmission, FDX): Tín hiệu truyền theo hai chiều

đồng thời Hệ thống này thường có 4 đường dây, 2 dây cho mỗi chiều truyền Phương thức này được dùng trong hệ thống điểm - điểm (point to point)

Trang 14

8 Đa truy nhập

1.3.3.1 Định dạng

Hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh ) là

tín hiệu tương tự Khối định dạng làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự

sang dãy từ mã số Các từ mã này được biểu diễn bằng các bit nhị phân, rồi tuỳ ứng dụng cụ thể mà biểu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thức thích hợp Việc chuyển

đổi tương tự sang số trong hệ thống thông tin số thường theo phương pháp điều xung mã PCM (Pulse Code Modulation) Khối giải định dạng thực hiện công việc

ngược lại, 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 Đây là một ví dụ về sự mâu thuẫn giữa tài nguyên này (băng thông) so với tài nguyên khác (công suất truyền) Việc chuyển đổi tương tự/số và số/tương tự dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số giúp cho tín hiệu được mã hóa hiệu quả trước khi truyền đi và giải mã bên thu khi chúng bị ảnh hưởng bởi nhiễu, méo và giao thoa Điều này khiến cho bộ thu phát phức tạp hơn nhưng cho phép truyền dẫn chính xác và không có lỗi

1.3.3.2 Khối mã hóa nguồn

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 truyền được sử dụng hiệu quả hơn

1.3.3.3 Khối mật mã hóa

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

Nó bao gồm cả sự riêng tư (đảm bảo chỉ người phát có quyền với tin đang truyền mới được nhận nó) và xác thực (đảm bảo chỉ người thu nào mà người phát yêu cầu thì mới được nhận tin)

Trang 15

Trải phổ

Đa truy nhập

Giải Định dạng

Giải

Mã nguồn

Giải Mã bảo mật

Từ

nguồn

tin khác

Đến nơi nhận tin khác

Hình 1.2 Hệ thống thông tin số

Trang 16

1.3.3.4 Khối mã hóa kênh

Mã hóa kênh làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào tín hiệu số theo một quy luật nào đấy, nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa được cả lỗi xảy ra trên kênh truyền Việc này chính là mã hóa điều khiển lỗi, về quan điểm tin tức, là tăng thêm độ dư

Như vậy, có thể nói mã hóa điều khiển lỗi đưa thêm độ dư là mâu thuẫn với

mã hóa nguồn loại bỏ độ dư Cả hai quá trình đều được thực hiện trong cùng hệ thống, tuy nhiên, kiểu dư xuất hiện tự nhiên trong tin truyền là không cần thiết, không phải là kiểu dư phù hợp cho bên thu có thể phát hiện và sửa lỗi

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

1.3.3.5 Khối ghép kênh

Ghép kênh giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ một đường truyền vật lý chung như là cáp, đường truyền vô tuyến Trong thông tin số, kiểu ghép kênh thường là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM – Time Division Multiplexing), sắp xếp các từ mã PCM( Pules Code Modulation) nhánh vào trong một khung TDM Tốc độ bit của tín hiệu ghép kênh sẽ gấp N lần tốc độ bit của tín hiệu PCM nhánh (N là số tín hiệu PCM nhánh ghép vào một khung TDM) và băng thông yêu cầu sẽ tăng lên

Khối tách kênh bên thu phân chia dòng bit thu thành các tín hiệu PCM nhánh Ngoài ra, còn có thể ghép kênh theo phân chia tần số FDM(Frequency Division Multiplexing) hay bước sóng WDM(Wave Division Multiplexing) hoặc DWDM(

DensityWave Division Multiplexing) trong đường truyền cáp quang

1.3.3.6 Khối điều chế

Điều chế đảm bảo cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật lý cụ thể theo một tốc độ cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu một băng thông tần số cho phép Khối điều chế có thể thay đổi dạng xung, dịch chuyển phổ tần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp Đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu băng gốc trong khi đầu ra của bộ điều chế là tín hiệu thông dải Khối giải điều chế bên thu chuyển dạng sóng thu được ngược lại thành tín hiệu băng gốc

1.3.3.7 Trải phổ

Trải phổ là một kỹ thuật truyền thông được đặc trưng bởi băng thông rộng

và công suất thấp Truyền thông trải phổ sử dụng các kỹ thuật điều chế làm cho tín

Trang 17

hiệu trải phổ trông giống như nhiễu, khó phát hiện và thậm chí khó để chặn đứng hay giải điều chế nếu không có các thiết bị thích hợp Kỹ thuật trải phổ giúp tránh tắc nghẽn và chống nhiễu tốt hơn so với truyền thông băng hẹp

1.3.3.8 Khối đa truy cập

Đa truy nhập liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó, cho phép nhiều cặp thu phát cùng chia sẻ một phương tiện vật lý chung (như một sợi quang, một bộ phát đáp của vệ tinh ) Đây là biện pháp hữu hiệu và hợp lý để chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn Có một số kiểu đa truy cập, mỗi kiểu có những ưu điểm và khuyết điểm riêng như: FDMA – Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân chia theo tần số, TDMA- Time Division Multiple Access - Đa truy nhập phân chia theo thời gian, CDMA - Code Division Multiple Access - Đa truy nhập phân chia theo mã, SDMA- Space Multiple Access - Đa truy nhập phân chia theo không gian

Trang 18

Chương 2

LẤY MẪU VÀ PCM

Hầu hết các tín hiệu cần truyền qua hệ thống truyền tin số đều là tín hiệu

tương tự Vì thế vấn đề đầu tiên cần qua tâm trong truyền thông số là việc số hoá tín hiệu tương tự Lĩnh vực số hoá tín hiệu tương tự đã được nghiên cứu mạnh trong

vài chục năm gần đây Kết quả nghiên cứu đó đã tạo ra rất nhiều kiểu biến đổi khác nhau và trong mỗi kiểu lại có rất nhiều biến thể Việc chọn kiểu cụ thể nào là phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng và chất lượng truyền dẫn mà ta mong muốn đạt được

Một trong những phương pháp biến đổi tín hiệu tương tự sang số phổ biến

hơn cả sẽ được trình bày kỹ trong chương này là điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation) PCM cho chất lượng đảm bảo với giá thành tương đối thấp PCM có những phương pháp biến thể thông dụng là PCM delta, điều chế xung mã

vi sai DPCM (Differential Pulse Code Modulation), điều chế delta DM (Delta Modulation), DM thích nghi ADM (Adaptive DM) Các phương pháp sau cho tốc độ

tín hiệu số thấp hơn so với PCM, dẫn đến sử dụng băng thông tiết kiệm hơn

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ XUNG

Điều chế là sử dụng tín hiệu cần truyền s(t) làm thay đổi một thông số nào

đó của một tín hiệu khác, gọi là tín hiệu mang hay sóng mang (carrier wave), thực hiện nhiệm vụ mang tín hiệu cần truyền đến nơi thu Mục đích của sự điều chế là dời phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác thích hợp với tính chất của đường truyền và nhất là có thể truyền đồng thời nhiều tín hiệu trên một kênh thông tin (đa hợp phân tần số) Trong truyền thông kỹ thuật số, điều chế xung

là một kỹ thuật được áp dụng rộng rãi và hiệu quả Đây là phương pháp dùng tín hiệu tần số thấp điều chế sóng mang là tín hiệu xung (có tần số cao hơn), còn gọi là phương pháp lấy mẫu tín hiệu tần số thấp

Tùy theo thông số nào của xung thay đổi theo tín hiệu tần số thấp, sẽ có: điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation, PAM), điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation, PWM), điều chế vị trí xung (Pulse Position Modulation, PPM)

Trang 19

Hình 2.1 Các dạng điều chế tín hiệu xung

2.1.1 PAM (Pulse Amplitude Modulation)

Điều chế biên độ xung PAM của tín hiệu tương tự s(t) là quá trình rời rạc hóa theo thời gian với chu kỳ rời rạc T, tạo ra dãy xung rời rạc PAM có biên độ phụ thuộc vào biên độ của s(t) Nếu trong khoảng thời gian tồn tại xung rời rạc hóa, biên

độ xung biến đổi theo biên độ tín hiệu s(t) thì được gọi là PAM tự nhiên, còn nếu biên độ xung không thay đổi thì gọi là PAM đỉnh phẳng Nếu gọi p(t) xung mẫu chu

kỳ T có độ rộng xác định, ta có:

2.1.2 PWM (Pulse Wide Modulation)

Điều chế độ rộng xung PWM là sử dụng chuỗi xung điều biến p(t) có chu kỳ

T với biên độ không đổi, độ rộng xung D tỷ lệ với giá trị trung bình của tín hiệu s(t)

tại thời điểm rời rạc hóa

Trang 20

Xung PWM p(t)



0

dt t

p

T

1

t

p( ) ( ) Vì p(t) là sóng xung với độ rộng DT, biến thiên từ giá trị với pmax

khi 0 < t < D.T và pmin khi D.T < t < T, do đó:

max

min max

0

min max

1

)

(

p D p

D

T

p D T p T D dt p dt p T t

Nếu lấy pmin 0, thì giá trị trung bình sẽ tỷ lệ với độ rộng xung D: p(t) D.pmax

Để có được sóng PWM, một cách đơn giản sử dụng khối so sánh giữa hàm

xung tam giác với tín hiệu s(t) Theo phương pháp so sánh như vậy ta sẽ được giá trị tức thời tại điểm lấy mẫu s(t) tỷ lệ với độ rộng xung D, tức là tỷ lệ với giá trị

trung bình của xung PWM

Các kỹ thuật tạo PWM khác như Delta PWM: Trong điều chế Delta PWM, tín hiệu đầu ra được so sánh với các giới hạn trên và dưới của tín hiệu tham chiếu, tương ứng với mốc cố định Mỗi tín hiệu đầu ra đạt đến một trong những giới hạn, các tín hiệu PWM đầu ra sẽ thay đổi trạng thái

Tạo PWM bằng kỹ thuật số: Nhiều mạch kỹ thuật số có thể tạo ra tín hiệu PWM (ví dụ như vi điều khiển thường có rất nhiều đầu ra xung PWM) Sử dụng các bộ đếm tiến theo chu kỳ (sử dụng lấy xung đồng bộ trực tiếp hoặc gián tiếp) và được thiết lập lại sau mỗi chu kỳ xung PWM Khi giá trị đếm lớn hơn giá trị tham chiếu, các đầu ra PWM chuyển trạng thái từ cao đến thấp (hoặc thấp đến cao)

Trang 21

2.1.3 PPM (Pulse Position Modulation)

Một phương pháp khác trong kỹ thuật điều chế xung là điều chế theo vị trí xung PPM Phương pháp này với việc sử dụng rời rạc hóa theo thời gian với chu kỳ lấy mẫu T, biên độ tín hiệu được mã hóa theo vị trí xung Trong khoảng thời gian chu kỳ T, chia thành các khe thời gian Nếu biên độ được lượng tử hóa M mức, thì

số khe thời gian sẽ là 2M Kết quả, sóng xung PPM có biên độ và độ rộng không đổi, tuy nhiên vị trí xung được dịch chuyển theo mức biên độ tín hiệu cần điều chế

2.2 QUÁ TRÌNH LẤY MẪU

Để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bước đầu tiên là thực hiện lấy mẫu (sampling) Mục đích của bước lấy mẫu là từ tín hiệu tương tự, tạo nên một

dãy xung rời rạc tuần hoàn độ rộng bằng nhau, biên độ xung bằng với giá trị của tín hiệu tương tự tại thời điểm lấy mẫu Dãy xung rời rạc đó còn được gọi là tín hiệu

điều chế biên độ xung PAM (Pulse Amplitude Modulation)

Theo Lý thuyết thông tin, định lý Shannon chhir ra tần số lấy mẫuf S(hoặc

S

 ) phải thỏa mãn: f S 2 Fmaxhoặc S 2max, trong đó:Fmax,maxlà tần số lớn nhất

của phổ tín hiệu tương tự s(t) Chẳng hạn, để lấy mẫu tín hiệu thoại tương tự có phổ

từ: 0.3 - 3.4 k(Hz) thì tần số lấy mẫu fs ≥ 6.8 k(Hz) Thực tế, CCITT quy định fs =

8 k(Hz)

s(t)

xung PAM

t

Hình 2.4 Tín hiệu flat-top PAM

Trang 22

Nói chung, quá trình điều chế xung và quá trình lấy mẫu là giống nhau Đặc biệt, trong trường hợp độ rộng tín hiệu xung PAM rất hẹp dạng xung Đirac Tuy

nhiên, cần phải phân biệt hai quá trình lấy mẫu khác nhau là quá trình lấy mẫu tự nhiên (natural sampling) và lấy mẫu đỉnh phẳng (flat topped sampling)

2.2.1 Lấy mẫu tự nhiên (natural sampling) và lấy mẫu đỉnh phẳng (flat-top PAM)

2.2.1.1 Lấy mẫu tự nhiên

Việc tạo ra tín hiệu PAM có đỉnh bám theo biên độ của tín hiệu được gọi lấy

mẫu tự nhiên, nó chính là quá trình nhân tín hiệu tương tự s(t) với dãy xung lấy mẫu

p T (t) Dãy xung lấy mẫu p T (t) là dãy xung chữ nhật tuần hoàn với chu kỳ

S

f

1

T với điều kiện: f S 2 Fmax, độ rộng xung là: , chiều cao xung là: h = 1

Có thể khai triển Fourier cho dãy xung lấy mẫu như sau:

t T 2 jk

k

e T k T k T

1 t p

Tín hiệu lấy mẫu có dạng: s S t  s(t).p T(t)

Mật độ phổ của tín hiệu lấy mẫu là:

)

2 (

sin )

(

* ) ( 2

1 ) (

T k F T k T k T P

S S

k S

số của 1/T s và với biên độ phổ bằng biên độ phổ xung lấy mẫu (hình 2.5f)

Rõ ràng để khôi phục lại tín hiệu một cách trung thực (không méo) chúng ta chỉ cần thành phần phổ cơ bản từ f h đến f h trong Hình 2.5 f Trong trường hợp này ta cần một bộ lọc thông thấp, được gọi là bộ lọc khôi phục

Mặt khác, trong quá trình lấy mẫu đã trình bày ở trên, nếu xung đầu ra được làm bằng ở đỉnh thì chúng ta sẽ được dạng xung PAM hoặc xung đỉnh phẳng Trong miền thời gian, quá trình lấy mẫu đỉnh phẳng có thể được minh hoạ như sau: đầu tiên, xung đầu vào sẽ được nhân với chuỗi các xung Dirac (có độ rộng rất bé), ta sẽ được chuỗi xung Dirac với biên độ thay đổi, kết quả được tích chập với xung vuông

Trang 23

Hình 2.6 Mạch tạo tín hiệu PAM lấy mẫu tự nhiên

Trang 24

Việc thực hiện lấy mẫu tự nhiên khá dễ dàng, chỉ cần một chuyển mạch hai

đầu vào một đầu ra tương tự (analog bilateral switch) như chỉ ra trong hình 2.6

Một ví dụ của loại chuyển mạch này là HA 2420

2.2.1.2 Lấy mẫu đỉnh phẳng

Ngoài cách lấy mẫu tự nhiên, ta còn có thể tạo ra tín hiệu flat-top PAM như

hình 2.9 Việc lấy mẫu kiểu này còn được gọi là lấy mẫu tức thời, ý muốn nói giá

trị của tín hiệu flat-top PAM bằng với giá trị của tín hiệu tương tự ở ngay thời điểm lấy mẫu và giữ nguyên như vậy trong suốt thời gian bằng độ rộng xung lấy mẫu

Để tạo ra tín hiệu flat-top PAM, ta sử dụng bộ lấy mẫu và giữ mẫu

Điều kiện: rC<< và RC>>Tr

RC

Vào thời điểm lấy mẫu, khóa đóng lại Tụ C được nạp rất nhanh do (rC) rất nhỏ Tụ C nạp đến điện áp bằng với giá trị điện áp của tín hiệu tương tự vào Quá trình này chính là lấy mẫu Sau đó khóa mở ra, vì (RC) rất lớn nên điện áp trên tụ

C gần như không thay đổi Đây chính là giai đoạn giữ mẫu

Trong thực tế người ta rất quan tâm đến kiểu lấy mẫu tức thời Lý do là chúng

ta không cần dùng hình dạng của xung để chứa thông tin truyền đi và dễ tạo ra dạng xung chữ nhật Thông tin ở đây chỉ chứa trong biên độ của xung ngay tại thời điểm

lấy mẫu Khi truyền tín hiệu qua khoảng cách xa, ta cần dùng các bộ lặp (repeater)

để lọc và khuếch đại tín hiệu trước khi truyền tiếp đến bộ lặp kế tiếp hay bộ thu Ở đây, bộ lặp chỉ cần tái tạo xung chứ không cần khuếch đại xung (khác cơ bản với thông tin tương tự)

2.2.2 Lấy mẫu băng tần cơ sở và định lý Nyquist

Phổ ảnh của tín hiệu sau khi lấy mẫu được phân bố đều với chu kỳ 1 /T s (hình 2.5f) Như vậy, tín hiệu có thể được khôi phục lại bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp với điều kiện phổ ảnh đó không nằm chồng lên nhau, có nghĩa là:

2

Trang 25

Phương trình trên chính là định lý Nyquist, trong đó f H là tần số phổ cực đại của tín hiệu, f s là tần số lấy mẫu Ngược lại, nếu tần số lấy mẫu không thoả mãn (2.5) thì phổ ảnh và phổ cơ sở tín hiệu lấy mẫu sẽ bị chồng lên nhau, do đó sẽ không khôi phục lại được tín hiệu

Định lý Nyquist(Harry Nyquist): nếu một tín hiệu có thành phần phổ không

lớn hơn f H thì tín hiệu đó có thể được mô tả bằng những xung rời rạc có chu kỳ: T

≤1/ (2f H) Hoặc có thể phát biểu cách khác là bất kỳ một tín hiệu nào cũng có thể biểu diễn bằng những xung rời rạc có tần số không nhỏ hơn 2 lần băng thông tín hiệu

2.2.3 Hiện tượng nhiễu chồng phổ

Hiện tượng chồng phổ là hiện tượng các tín hiệu khác nhau hoàn toàn có bộ mẫu giống nhau Điều này dẫn đến sai lệch thông tin nhận được khi khôi phục từ

bộ mẫu đã nhận được Hiện tượng chồng phổ gây ra méo tín hiệu thu được khi khôi phục nếu không sử dụng bộ lọc thông thấp Sử dụng bộ lọc thông thấp sẽ có khả năng loại được hiện tượng này

Thời gian: t (s)

Hình 2.8 Nhiễu chồng phổ, tín hiệu 10(Hz) và 90 (Hz) có mẫu như nhau

Hình 2.8 minh hoạ hiện tượng nhiễu chồng phổ, với 2 tín hiệu 10(Hz) và 90(Hz) lấy mẫu ở tần số 100(Hz) sẽ có bộ mẫu như nhau Hiện tượng này xảy ra khi: f s  2f H

Trang 26

Bộ lọc lý

tưởng H(f)

Bộ lấy mẫu lý tưởng H(f)

Hình 2.9 Quá trình lấy mẫu Khi sử dụng một bộ lọc thông thấp lý tưởng có tần số cắt: f c = fs/2 = f H cũng không khôi phục lại được tín hiệu Bởi vì, tín hiệu được khôi phục có tần số là:

f a = f mod f s = f±mf s với m=±0, ±1, ±2… sao cho: –f s /2 ≤ f a ≤ f s /2

Với ví dụ trên, nếu sử dụng bộ lọc ta sẽ chỉ còn tín hiệu ở tần số: fa1= 10mod100

=10(Hz), fa2= 90mod100= -10(Hz) Việc xây dựng đặc tính lọc cũng cần lưu ý đảm bảo méo là nhỏ nhất

2.2.4 Quá trình lấy mẫu trong thực tế, khôi phục tín hiệu và tỷ lệ tín hiệu trên méo(SDR)

Khi xác định tần số lấy mẫu trong thực tế, cần chú ý một số điểm:

Do tín hiệu thường giới hạn theo thời gian nên phổ của nó là vô hạn, vì vậy tần số f H thông thường là tần số lớn nhất mà phổ có biên độ đáng kể Ví dụ trong trường hợp tiếng nói, f H= 3.4 K(Hz) theo chuẩn châu Âu Thứ hai, một bộ lọc thông thấp để khôi phục tín hiệu ở đầu thu với đặc tuyến hàm truyền đạt hình chữ nhật, sườn dốc đứng không có trong thực tế

0

Bộ lọc lý tưởng

H(f)

Vùng chuyển tiếp

-f pass f pass

Dải thông (Pass Band)

Dải chặn (Stop Band)

Hình 2.11 Hàm truyền đạt của bộ lọc khôi phục lý tưởng và không lý tưởng

Trang 27

Như vậy, điều kiện lấy mẫu của tín hiệu băng tần cơ sở trong thực tế vùng

dải thông hẹp hơn nên cần tăng f s và do đó thường lấy:

2, 2

Méo chồng phổ được định nghĩa là tỷ số giữa công suất phần tín hiệu không

bị chồng phổ với công suất phần bị chồng phổ

Trong trường hợp bộ lọc khôi phục tín hiệu lý tưởng như hình 2.11, ta có tỉ

số tín hiệu trên méo SDR (Signal to Distortion Ratio) được tính như sau:

/2

0

/2

( )( )

2 0

( ) ( )( ) ( )

G f H f df SDR

Chú ý rằng trong bộ lọc không lý tưởng, tần số giới hạn:

2

S g

2.2.5 Lấy mẫu thông dải

Tín hiệu băng tần cơ bản và tín hiệu băng tần thông dải

Tín hiệu băng tần cơ bản và tín hiệu băng tần thông dải được phân biệt phụ thuộc quan hệ giữa tần số thấp nhất của tín hiệu so với dải thông của chúng

Tín hiệu băng tần thông dải: B f Hz L( ) (2.9)

Trang 28

trong đó, B là độ rộng băng tần của tín hiệu, f L là thành phần tần số thấp nhất của phổ tín hiệu:

Hình 2.12 Tín hiệu băng thông B

Lấy mẫu tín hiệu băng tần thông dải

Các mẫu tín hiệu vừa xét ở phần trước là các tín hiệu ở băng tần cơ sở Trong thực tế, chúng ta còn cần phải lấy mẫu các tín hiệu có tần số trung tâm:

Khi lấy mẫu tín hiệu thông dải, tần số lấy mẫu sẽ có giới hạn dưới Định lý lấy mẫu tín hiệu thông dải được phát biểu như sau:

Trang 29

- Nếu Q f H

B

 là số nguyên, do n Q ta có thể chọn n Q Trong trường hợp này có: f S  2B

- Nếu: Q không phải là số nguyên , có thể chọn nint( )Q , có nghĩa

là giá trị nguyên gần Q nhất Với giá trị n càng bé thì tần số lấy mẫu

Hình 2.13 So sánh lấy mẫu tín hiệu thông dải theo Nyquist

Hình 2.13 so sánh tần số lấy mẫu tín hiệu thông dải và tần số lấy mẫu theo định lý Nyquist cho băng tần cơ sở Trong đó: f BP là tần số lấy mẫu thông dải, f NQ

là tần số lấy mẫu theo Shannon - Nyquist (2.5) cho băng tần cơ sở

2.3 QUÁ TRÌNH LƯỢNG TỬ HÓA

2.3.1 Lượng tử hóa xung PAM

Sau bước lấy mẫu, về mặt thời gian, tín hiệu liên tục đã trở thành xung mẫu rời rạc Tuy nhiên về mặt biên độ, các xung PAM vẫn có tính liên tục, nghĩa là mật

độ xác suất của biên độ xung PAM vẫn phân bố liên tục trong một khoảng cho phép nào đó

Trang 30

Lấy mẫu

Mã hóa nhị phân n bit

Hình 2.14 Khâu lượng tử hóa trong bộ chuyển đổi ADC tạo mã PCM

Hàm mật độ xác suất (Probability Density Fuction) của biên độ xung PAM trước lượng tử hoá (hình 2.15) là p v( ), nghĩa là:

0

là hàm liên tục đối với các giá trị của v

(a) Minh họa hoạt động lượng tử

Hàm mật độ xác suất của xung PAM với biến đổi liên tục

Hình 2.15 Bước lượng tử và hàm mật độ xác suất

Trong quá trình lượng tử hoá, xung PAM sẽ được xử lý theo các bước sau: Bước 1: được làm tròn và quy vào một mức biên độ trong một tập hợp các mức biên

Trang 31

Hình 2.16 Hàm mật độ xác suất của tín hiệu sau lượng tử hoá

2.3.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử hoá

Lượng tử hoá là một bước cơ bản trong quá trình điều chế xung mã PCM, tuy nhiên bản thân nó cũng làm giảm chất lượng của tín hiệu Tín hiệu sau lượng tử hoá không còn thể hiện một cách chính xác biên độ của tín hiệu đầu vào như xung tương tự và chỉ là dạng xấp xỉ của tín hiệu đó Thực tế, tín hiệu lượng tử hoá là tổng của hai thành phần: tín hiệu tương tự đầu vào và phần sai số q( )t g t q( ) g t( ) giữa tín hiệu lượng tử hoá và tín hiệu tương tự q( )t là tín hiệu ngẫu nhiên và có thể coi

là một dạng nhiễu q( )t được gọi là nhiễu lượng tử hoá Từ đó ta có tỷ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử hoá SN R q (Signal to Quantisation Noise Rate) được tính theo công thức:

2 2

q q

v

SN R



Trang 32

trong đó: v2 là bình phương trung bình của biên độ tín hiệu đầu vào, 2

q

 là bình phương trung bình của nhiễu lượng tử hoá

Nếu ký hiệup x( ) là hàm mật độ xác suất của x thì hàm bình phương trung bình được tính:

q q

( )

th dB

Trang 33

Quá trình biến đổi từ biên độ thành từ mã được gọi là quá trình điều chế xung mã hay PCM

(a)

(b) Hình 2.16 Sơ đồ tạo tín hiệu điều chế PCM theo phương pháp nối tiếp (a)

và song song (b)

Nhược điểm của tín hiệu PCM là nó làm tăng độ rộng băng tần cần thiết để truyền tín hiệu

Thật vậy, nếu gọi n là số bit từ mã, f s =2B là tần số mẫu (b là băng tần tín

hiệu vào), R số bit cần truyền đi trong 1s, ta có R=n f s (bps) Ở băng tần cơ sở, nếu truyền tín hiệu PCM rõ ràng cần băng thông cho tín hiệu PCM là BPCM > R=n f s

Rõ ràng, BPCM >nB

Trang 34

2.4.1 SN R q của phương pháp PCM tuyến tính

Ở đây ta chỉ xét tỷ số tín hiệu trên nhiễu của phương pháp lượng tử hoá tuyến tính Giả sử số mức lượng tử hoá là M, số bit yêu cầu trong một từ mã là: n log2M

Do đó, tỷ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu (theo 2.19) được tính như sau:

peak v v

2.4.2 SNR sau giải mã PCM tại đầu thu

Tại đầu thu, nếu không có lỗi xuất hiện trên đường truyền thì tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của tín hiệu sau khi giải mã PCM sẽ chính là tỷ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử hoá theo phương trình (2.22) – (2.24) Tuy nhiên trong quá trình truyền, nếu trên đường truyền hoặc tại đầu thu xuất hiện nhiễu thì có khả năng sự thay đổi biên độ xung trong một tử mã nào đó sẽ đủ lớn để khôi phục nhầm tín hiệu (từ 1 thành 0 hoặc ngược lại) Hệ quả là lỗi này sẽ ảnh hưởng tới tỷ số SNR tại đầu thu, mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào vị trí của bit lỗi trong từ mã:

(a) Nếu bit bị lỗi là bit ít quan trọng nhất (LSB) thì sai số sẽ là một mức lượng

Gọi n là sai số biên độ khi bit n bị lỗi (n càng lớn thì bit ở vị trí càng quan trọng):

Trang 35

1 2

1

2

2n n

q q q

2.4.3 Mã hoá PCM phi tuyến

Trong phương pháp mã hoá tuyến tính, người ta giải thiết rằng xác suất biên

độ xung PAM rơi vào một mức lượng tử hoá nào đó là bằng nhau Trong thực tế giải thiết này không đụng

Trang 36

Hình 2.17 Mã hoá PCM tuyến tính(đêuf) và phi tuyến (không đều)

Trong trường hợp hàm PDF của biên độ tín hiệu lấy mẫu phân bố không đồng đều và có tính chất không đổi theo thời gian, ta có thể thấy rằng để cải thiện

tỷ số SN R q mức biên độ nào đó có xác suất xảy ra lớn nhất cần có nhiễu lượng tử hoá bé nhất Một phương pháp để thực hiện mục điêu đó là mã hoá PCM phi tuyến (companded PCM) Nếu xác suất tín hiệu có biên độ bé hay xảy ra, xác suất tín hiệu

có biên độ lớn ít xảy ra thì cần phải thiết kế hệ thống sao cho mức lượng tử hoá bé

có biên độ lượng tử hoá q bé, mức lượng tử hoá lớn có biên độ lượng tử hoá q lớn (Hình 2.17) Ngoài phương pháp mã hoá PCM phi tuyến, ta cũng có thể nến tín hiệu trước khi mã hoá tuyến tính, tại đầu thu sẽ diễn ra quá trình dãn tín hiệu sau khi giải

mã PCM (Hình 2.18)

Ra (output)

Vào (input)

Ra (output) nén

Dừng dãn

(b) (a)

Hình 2.18 Đặc tính nén và dãn nén

Thông thường đặc tính của đường nén tín hiệu tuân theo hàm logarit (hình 2.18 a) Tín hiệu đầu vào lấy cả giá trị âm và dương, do đó đường đặc tính nén cần

Trang 37

phải là một hàm lẻ (hình 2.19b) Hơn nữa, đặc tính này cần phải là hàm liên tục đi qua gốc toạ độ, do đó đoạn đặc tuyến gần điểm 0 sẽ được thay thế bằng một đường thẳng

Trong hệ thống điện thoại số đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, đặc tuyến nén của tín hiệu thoại châu Âu tuân theo luận A, hay còn gọi là A – law được thể hiện bằng hàm F(x):

 là giá trị biên độ chuẩn hoá đầu vào

A là một hằng số định nghĩa độ cong của hàm logarit Với A=1 đặc tuyến là tuyến tính Giá trị thông thường của A là A=87,6 tương tứng với tỷ số SN R q tăng thêm được 24 dB cho tín hiệu biên độ thấp x  1/A và 38 dB cho tín hiệu có biên

độ lớn x  1/A Có thể nhận thấy phần trên của (2.31) có dạng logarit, phần dưới

là dạng tuyến tính (hình 2.19) Trong A – law, tín hiệu PCM 11 bit tuyến tính (2048 mức) được nén xuống còn 8 bit phi tuyến (256 mức) Do đó tín hiệu thoại 3,6 k(Hz) với tần số lấy mẫu 8 k(Hz) (theo Nyquist) sẽ có tốc độ 64 kbps thay vì 88 kbps

Hình 2.19 Đặc tính A-law với các hệ số A khác nhau

Trang 38

Thông thường (2.30) của hàm A-law được xấp xỉ bằng 16 hàm tuyến tính với 16 đoạn như trên hình 2.20 Trong mẫu 8bit PCM, 1 bit sẽ thể hiện cực (dương hoặc âm), 3 bit định vị segment và 4 bit thể hiện vị trí của biên độ tín hiệu trên segment đó

Hình 2.20 Trị tuyệt đối của hàm A-law xấp xỉ

Tại Nhật Bản và Mỹ, luật nén logarit tương tự như ở châu Âu cũng được sử dụng, tuy nhiên với một vài khác biệt Phương trình sau đây thể hiện luật nén  -law của Mỹ và Nhật:

Trang 39

Chương 3: MÃ ĐƯỜNG TRUYỀN

Các chương trước đã xét đến quá trình chuyển đổi tín hiệu từ tương tự qua số Đây chính là vấn đề định dạng tín hiệu số (digital signal format). Chương này sẽ bàn đến vấn đề biểu diễn tín hiệu số đó như thế nào cho phù hợp để truyền qua kênh thông tin Các bit nhị phân 0 và 1 có thể được biểu diễn dưới nhiều dạng khác nhau gọi là mã đường truyền (line code).

Khi truyền tín hiệu số trên băng tần cơ sở, để đảm bảo phù hợp với kênh truyền dãy bit sẽ được biến đổi (mã hóa) sao cho đảm bảo tối đa các điều kiện như chiếm dụng băng thông nhỏ nhất, thành phần một chiều của tín hiệu thấp nhất, tỷ lệ lỗi bit thấp nhất, dễ tạo đồng bộ thu phát, có khả năng khác phục lỗi, tính bình đẳng các bit và đơn giản hóa trong việc mã hóa và giải mã Sau đây giới thiệu các mã đường truyền thông dụng nhất có xem xét ưu nhược điểm và ứng dụng của chúng

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÃ ĐƯỜNG TRUYỀN

cơ sở là quá trình mã hóa đường truyền Mã hóa đường truyền phổ biến nhất được

áp dụng cho dữ liệu số, với tập ký tự đó là {0,1}, do vậy ở đây chỉ đề cập mã hóa đường cho dữ liệu nhị phân

3.1.2 Các yêu cầu với mã đường truyền

Việc lựa chọn loại mã đường truyền được dựa vào một hoặc nhiều các yêu cầu dưới đây:

- Thành phần một chiều DC: Đối với các đường truyền kết nối AC như dùng tụ điện, biến áp , nếu trong thành phần của mã đường có chứa thành phần DC thì thành phần này sẽ bị ngăn lại gây méo tín hiệu thu Hơn nữa, trong nhiều trường

Trang 40

hợp người ta tải nguồn cung cấp DC thông qua kênh truyền cùng tín hiệu mã, do vậy bộ mã với mức DC càng nhỏ càng tốt

- Băng thông: Băng thông của mã đường càng nhỏ càng tốt, vì sẽ giúp tiết kiệm được băng thông

- Tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate): BER được định nghĩa là số bit thu bị lỗi trên tổng số bit truyền đi trong một đơn vị thời gian Rõ ràng BER càng nhỏ càng tốt

- Tính trong suốt (transparancy): Đó là đặc tính một ký tự, một bit, một nhóm bit nào đó có thể truyền đi và nhận lại được mà không bị phân biệt đối xử Nếu mã không có tính trong suốt thì có khả năng một nhóm bit hay một ký tự nào đó bị chặn lại tại một trạm thu trên đường truyền và không đến được đích cuối cùng, hoặc có thể một dòng bit nào đó bị mất tín hiệu đồng hồ

- Khả năng dễ dàng khôi phục đồng hồ: Một ưu điểm nổi bật của thông tin số so với thông tin tương tự là khả năng khôi phục tín hiệu tại các trạm lặp trên đường truyền, làm cho chất lượng tín hiệu số không bị suy giảm theo khoảng cách Hai công việc chính của trạm lặp là khuếch đại biên độ của tín hiệu và khôi phục tín hiệu đồng hồ ở tại tốc độ bit để tín hiệu đến trạm lặp có thể được lấy mẫu vào thời điểm thích hợp

- Khả năng tự phát hiện lỗi: Ở đây hiểu khả năng tự phát hiện lỗi là căn cứ vào quy

luật mã hóa để phát hiện lỗi chứ không phải đưa thêm độ dư vào mã

- Đơn giản trong việc thực hiện mã hoá và giải mã

3.1.3 Các định dạng mã đường truyền

Mã hóa đường cho dữ liệu nhị phân có thể thực hiện theo hai cách sau:

- mã hóa theo mức tín hiệu;

- mã hóa theo sự chuyển đổi tín hiệu

Mã đường truyền

Hình 3.1 Phân loại mã đường truyền

Định dạng
Số trang	123
Dung lượng	2,85 MB