Bài giảng môn học kỹ thuật thông tin số

Là phương trình toán biểu diễn tín hiệu & hệ thống Các phương trình toán chỉ là mô hình, không phải là tín hiệu & hệ thống thực sự Có nhiều loại mô hình toán khác nhau. Mỗi loại đều có các ưu khuyết điểm riêng Ý nghĩa của mô hình toán: - Giúp phân tích tín hiệu & hệ thống một cách định lượng, từ đó so sánh, đánh giá hệ thống Giúp thiết kế tín hiệu & hệ thống đạt các yêu cầu đề ra

KHỐI LƯỢNG: 3 tín chỉ

• Giờ lý thuyết + bài tập: 43 tiết

• Giờ ôn tập + sửa bài kiểm tra: 2 tiết

• Sinh viên tự học: 120+ tiết

MỤC TIÊU MÔN HỌC

• Mục tiêu chung:

Trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản về kỹ thuật thông tin số, bao gồm các kỹ thuật xử lý khác nhau để truyền thành công tín hiệu từ một điểm này đến một điểm khác

kỹ thuật điều chế, kỹ thuật đa truy cập

- Tự nghiên cứu một hệ thống thông tin số cụ thể

TÀI LIỆU HỌC TẬP

• [1] Bài giảng môn học Kỹ thuật Thông tin số

• [2] Bưu điện Việt Nam, Điện thoại số tập 1 và 2 - Ban thông tin kinh tế kỹ thuật Bưu điện-Hà Nội 1991

• [3] Leon W.Couch, Digital & analog communications systems - Macmillan publishing company, New York 1996

• [4] Ian Glover & Peter Grant, Digital communications - Prentice Hall Europe 1998

• [5] Bernard Sklar, Digital communications – Prentice-Hall

International, Inc- 2002

NHIỆM VỤ CỦA SINH VIÊN

• Ôn hoặc tự tìm hiểu về Tín hiệu & Phổ

• Đến lớp nghe giảng + ghi chép + trao đổi ( 11

buổi)

• Làm bài tập về nhà (chương 1-5 )

• Nộp bài tập về nhà đúng thời gian quy định

• Dự kiểm tra giữa kỳ (chương 1-3 )

• Dự thi kết thúc môn học (chương 1-6 )

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC

• Bài tập về nhà: 20%, gồm chương 1 - 5

• Kiểm tra giữa kỳ: 30%, gồm chương 1 - 3

- Hình thức: tự luận, có sử dụng tài liệu

- Thời gian: 45 phút

- Đề gồm: 3 câu phân đều vào 3 chương

• Thi kết thúc môn học: 50%, gồm chương 1 - 6

- Hình thức: trắc nghiệm + tự luận, có sử dụng tài liệu

- Thời gian: 60 phút

Trong phòng thi hoặc kiểm tra, đối với tài liệu viết tay, chỉ được sử dụng bản gốc (tuyệt đối không sử dụng bản

photocopy)

sự chậm trễ vì bất cứ lý do gì đều không được chấp nhận)

Lưu ý!!!

ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC (45 tiết)

• Chương 1: Mở đầu (5 tiết/1 buổi)

• Chương 2: Kỹ thuật số hóa và mã hóa đường (8 tiết/2 buổi)

• Chương 3: Kỹ thuật mã hóa nguồn (8 tiết/2 buổi)

• Kiểm tra giữa kỳ

• Chương 4: Kỹ thuật mã hóa kênh (8 tiết/2 buổi)

• Chương 5: Kỹ thuật ghép kênh và đa truy cập (8 tiết/2 buổi)

• Chương 6: Kỹ thuật điều chế (8 tiết/2 buổi)

ÔN TẬP VỀ TÍN HIỆU & PHỔ

• Các tín hiệu trong hệ thống có quan hệ với nhau

• Tín hiệu bị thay đổi khi đi qua hệ thống

Mô hình toán học biểu diễn tín hiệu & hệ thống

• Là phương trình toán biểu diễn tín hiệu & hệ thống

• Các phương trình toán chỉ là mô hình, không phải là tín hiệu &

hệ thống thực sự

• Có nhiều loại mô hình toán khác nhau Mỗi loại đều có các ưu khuyết điểm riêng

• Ý nghĩa của mô hình toán:

- Giúp phân tích tín hiệu & hệ thống một cách định lượng, từ đó

so sánh, đánh giá hệ thống

• Giúp thiết kế tín hiệu & hệ thống đạt các yêu cầu đề ra

Phân loại tín hiệu

• Tín hiệu xác định & ngẫu nhiên

• Tín hiệu tuần hoàn & không tuần hoàn

• Tín hiệu liên tục & rời rạc

• Tín hiệu năng lượng & công suất

Tín hiệu xác định & ngẫu nhiên

Tín hiệu xác định

- Biết rõ sự biến thiên của

tín hiệu theo thời gian

- Biết rõ giá trị của tín hiệu

tại tất cả các thời điểm

- Mô hình toán học: biểu

diễn bằng hàm theo biến t

hoặc đồ thị

Tín hiệu ngẫu nhiên

- Không biết chắc chắn về sự biến thiên của tín hiệu

- Không biết chắc giá trị của tín hiệu trước khi nó xuất hiện

- Mô hình toán học: biểu diễn bằng xác suất hoặc các trị trung bình thống kê

Tín hiệu tuần hoàn & không tuần hoàn

- Lặp lại theo một chu kỳ nào đó

- Không có sự lặp lại

Tín hiệu liên tục & rời rạc

- Xác định tại tất cả các thời điểm

- Biểu diễn bằng hàm x(t)

- Chỉ xác định tại một tập hữu hạn các thời điểm

- Biểu diễn bằng hàm x(nT), với n nguyên và T: khoảng thời

gian cố định

Tín hiệu năng lượng & công suất

điện i(t) qua điện trở R:

R ) t ( i )

t ( p

or R

) t (

v )

t (

2

=

=

suất bằng cách giả sử R = 1 ohm Công suất tức thời:

) t ( x )

t (

x(t) là tín hiệu điện áp hoặc dòng điện

Tín hiệu năng lượng & công suất

x lim | x(t) | dtE

x | x ( t ) | dt

T 2

1 lim P

Phổ của tín hiệu thực

n 0

0

n

2 / T

2 / T

T / t n 2 j

2

j dt X ( f ) e e

) t ( x )

f (

Mật độ phổ

df ) f ( G 2 df

) f ( G dt

) t ( x

2 n

T

T T

f/1T

periodwith

signalperiodic

ais)t(xif)

nff

(A

(x)t(

xT2

1limFT

)(RFT

x x ( t ) dt S ( f ) df 2 S ( f ) df

T 2

1 lim P

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 0

Tự tương quan (autocorrelation)

=

( R

- Hàm tự tương quan chỉ ra sự tương quan nhiều hay ít giữa

một tín hiệu với bản copy của chính nó bị dịch chuyển

∫

∞

=

↔ τ

≤ τ

τ

−

= τ

) t ( x )

0 ( R

4

) f ( G )

( R

3

) 0 ( R )

( R

2

) (

R )

( R

1

2 F

Tự tương quan (autocorrelation)

T x ( t ) x ( t ) dt

T

1 lim )

( R

∫

−

τ +

=

τ T /2

2 / T 0

0

0

dt ) t

( x ) t (

x T

1 )

( R

Hàm tự tương quan của tín hiệu thực tuần hoàn có các tính

chất tương tự như các tính chất của hàm tự tương quan của

Truyền tín hiệu qua hệ thống

y(t)

Hệ thống truyền dẫntuyến tính bất biến

x(t)

Y(f) X(f)

h(t) H(f)

) f ( H )

f ( X )

f ( Y

) f ( H ) f ( X )

f ( Y

) f ( H ) f ( X )

f ( Y

) t ( h

* ) t ( x d

) t

( h ) ( x )

t ( y

∠ +

− τ

= ∫−∞∞

Hệ thống truyền dẫn lý tưởng

• Định nghĩa hệ thống truyền dẫn lý tưởng: cho tín hiệu

đi qua mà không làm méo dạng tín hiệu, ngoại trừ suy giảm biên độ và trễ thời gian

• Tín hiệu ra:

• Đáp ứng tần số:

) t

( Kx )

t (

τ π

−

=

) f ( X

) f (

Y )

f ( H

Tín hiệu ngẫu nhiên

• Nhiệm vụ chính của hệ thống thông tin là truyền tin tức qua kênh

• Tất cả các tín hiệu mang tin tức và nhiễu tác động vào hệ thống thông tin đều xuất hiện ngẫu nhiên

• Nếu biết trước tín hiệu thì về mặt ý nghĩa tin tức, việc

truyền tín hiệu là không cần thiết Tuy nhiên nếu hoàn toàn không biết gì về tín hiệu thông tin hay nhiễu thì sẽ không thể tách tín hiệu thông tin ra khỏi nhiễu

Cần phải biết các đặc tính thống kê của tín hiệu và

diễn tả trên cơ sở lý thuyết xác suất

Quá trình nhiễu ngẫu nhiên

t 1

Định nghĩa quá trình ngẫu nhiên

Quá trình ngẫu nhiên là một tập hợp các hàm theo thời gian

liên hệ với nhau bởi những quy luật thống kê

) i

( )

t ( ), ,

t ( ),

t

(

i2

ξ

Biến ngẫu nhiên

• Tại thời điểm t1, các giá trị của tín hiệu ngẫu nhiên là các biến ngẫu nhiên có thể lấy một trong các giá trị sau:

• Hàm phân bố cấp 1:

) t ( ), ,

t ( ),

t

(

1 i

1 2

1

ξ

) t

t , x (

F

1 1

 Hàm mật độ xác suất (pdf) cấp 1:

x

) t , x (

F )

t , x (

Đặc điểm của hàm phân bố và pdf

1 1

1 1

2 1

1 1 1 1

2

1 ( x , t ) F ( x , t ) p ( t ) x p ( t ) x p x ( t ) x f ( x , t ) dx F

t (

m

1 1

t (

m

1

2 2

[x m ( t )] f ( x , t ) dx m ( t ) m ( t ) )

t

1 2

1

2 1

2 2 1

1 2

2 1 2

1

2 ( t , t ) x x f ( x , t , x , t ) dx dx

m = ∞∫ ∫∞

Trị trung bình theo thời gian

2 / T

2 /

T kT

T

1lim)

t(

2 / T

2 / T

2 i T

2

T

1lim)

t(

Căn bậc hai của quân phương

dt ) t

( ) t (

1 lim )

t ( ) t ( )

( R

2 /

T

= τ + ξ

ξ

= τ

Tín hiệu ngẫu nhiên dừng

• Định nghĩa:

Các hàm phân bố xác suất không thay đổi đối với sự dịch

chuyển thời gian

, ,t

t,tt

,x, ,x

,x(f)t, ,t

,t,x, ,x

,x

(

f

N 2

1 N 2

1 N N

2 1 N 2

+

=

) ( m )

t , t ( m ,

) t ( ,

) t ( ,

m )

t ( m ,

m )

t

(

2 2

1

Tín hiệu ngẫu nhiên dừng ergodic

• Định nghĩa:

Là tín hiệu ngẫu nhiên dừng có tất cả các trị trung bình thời gian của một thể hiện bất kỳ bằng với trị trung bình tập hợp tương ứng

2 2

2

m m

) t

ξ

) ( m dx

dx ) , x , x ( f x x )

( R )

(

R τ = τ = ∞∫ ∫∞ τ = τ

Tính chất của hàm tương quan

• Là hàm chẵn

• Đạt cực đại tại gốc

công suất một chiều

công suất xoay chiều

công suất tổng

2 1

m )

(

1

2 2

m )

t ( )

0 (

f (

{ } S ( f ) S ( f ) e df FT

) (

∫

∞

= ξ

S(f): mật độ phổ công suất

Nhiễu trong hệ thống thông tin

• Nhiễu: tín hiệu không mong muốn có mặt trong hệ thống

• Nguyên nhân sinh ra nhiễu: nhân tạo và tự nhiên

• Nhiễu nhiệt: do chuyển động hỗn loạn của các e- trong các vật dẫn

• Mô tả nhiễu nhiệt:

− π

σ

=

2

x 2

1 exp

2

1 )

x

(

f

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

X: 1.99 Y: 0.05508

Phân bố Gausse

f (

• Nhiễu Gauss trắng cộng AWGN: nhiễu phân bố Gauss, nhiễu

ảnh hưởng đến mỗi ký tự truyền một cách độc lập nhau, nhiễu