TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN CHƯƠNG 2... Shannon đưa ra những giới hạn cơ bản của hệ thống và công thức về dung lượng kênh truyền.. - Hệ thống thông tin quang năng...
Trang 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ khối chức năng 3
Hình 2 Sơ đồ khối tổng quát 3
Hình 3 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ 5
Hình 4 Dạng sóng của từ “away” 9
Hình 5 Tín hiệu digital ON – OFF trong công nghiệp 10
Hình 6 Ứng dụng tín hiệu Digital vào điều khiển bơm 11
Hình 7 Tín hiệu tương tự (analog signals) 11
DANH MỤC BẢNG BIỂU BẢNG 1.1 Băng thông danh định của một số tín hiệu 4
BẢNG 1.2 Sự khác biệt giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu số 13
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN 2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
HỒ VĂN NHẬT 19T1051013
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN
VÀ CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN
THÔNG TIN SỐ
DTV3173 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: HỒ ĐỨC TÂM LINH
HUẾ, THÁNG 12 NĂM 2021
Trang
Trang
Trang 21.1.QUÁT TRÌNH PHÁT TRIỂN 2
1.2.HỆ THỐNG THÔNG TIN 2
1.2.1 Hệ thống thông tin số 4
1.2.2 Ưu điểm của thông tin số 6
1.2.3 Đường truyền tín hiệu 7
CHƯƠNG 2 TÍN HIỆU SỐ – TÍN HIỆU TƯƠNG TƯ 9
2.1 GIỚI THIỆU 9
2.1.1 Định nghĩa tín hiệu 9
2.1.2 Phân loại tín hiệu 10
2.2 TÍN HIỆU SỐ (DIGITAL SIGNALS) 10
2.3 TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ (ANALOG SIGNALS) 11
2.4 SỰ KHÁC BIỆT GIỮA TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ VÀ TÍN HIỆU SỐ: 13
CHƯƠNG 3 TỈ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU 14
3.1 TỈ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU (SNR) 14
3.2 BĂNG THÔNG KÊNH TRUYỀN 14
3.3 TỐC ĐỘ THÔNG TIN 15
CHƯƠNG 4 ĐIỀU CHẾ – NGẪU NHIÊN – DƯ THỪA – MÃ HÓA 16
4.1 ĐIỀU CHÊ 16
4.2 NGẪU NHIÊN 17
4.3 DƯ THỪA 18
4.4 MÃ HÓA 19
TÀI LIỆU THAM KHẢM
PHIẾU ĐÁNH GIÁ TIỂU LUẬN
Trang 3LỜI NÓI ĐẦU
Trong vài thập kỷ qua cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) và các mạch điện tử số tích hợp cỡ lớn (VLSI), kỹ thuật truyền tin số cũng đồng thời phát triển Với nhiều ưu điểm nổi trội về khả năng chống nhiễu, về độ tin cậy cũng như tính mềm dẻo trong thiết kế ứng dụng, truyền tin số đang dần thay thế kỹ thuật truyền tin tương tự đã một thời phát triển rực rỡ
Mặc dù có nhiều tính chất tương đồng như kỹ thuật tương tự, songkỹ thuật truyền tin số vẫn được coi như có cơ sở lý thuyết riêng với những nét đặc thù đặc sắc của nó Bài tiểu luận này cung cấp những kiến thức thiết yếu làm cơ sở cho việc thiết kế xây dựng một hệ truyền tin số, cụ thể là cung cấp thông tin tổng quan về hệ thống thông tin và các khái niệm liên quan như tin nhắn số và tương tự, tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), băng thông kênh truyền, tốc độ thông tin, điều chế, ngẫu nhiên, dữ thừa và mã hóa
Bài tiểu luận được biên soạn trên những bài giảng chọn lọc Bài tiểu luận khó tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn Em xin chân thành cám ơn thầy Hồ Đức Tâm Linh đã tạo những điều kiện tốt nhất để hoàn thành bài tiểu luận môn Thông tin số này
Bài tiểu luận gồm 4 chương:
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN
CHƯƠNG 2 TÍN HIỆU SỐ – TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ
CHƯƠNG 3 TỈ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU – BĂNG THÔNG KÊNH
TRUYỀN – TỐC ĐỘ THÔNG TINCHƯƠNG 4 ĐIỀU CHÊ – NGẪU NHIÊN – DƯ THỪA – MÃ HÓA
Trang 4CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN
1.1 QUÁT TRÌNH PHÁT TRIỂN
Sơ lược quá trình phát triển các hệ thống thông tin:
- Năm 1837: Samuel Morse (1791-1872, American): phát triển hệ
thống điện báo Hệ thống này sử dụng các chấm (dot) và gạch (dash) để biểu diển các ký tự Đây được xem là hệ thống liên lạc số
ra đời sớm nhất
- Năm 1875: Emile Baudot (1845 -1903, French): đưa ra hệ thống mã
mới, mã Baudot, sử dụng các từ mã có chiều dài bằng 5 để mã hóa các ký tự
- Năm 1940 nay: Nền tảng bắt đầu hệ thống thông tin số hiện đại
khi Nyquist xác định tốc độ tín hiệu tối đa khi truyền qua kênh
truyền Sau đó, Nyquist & Hartley đưa ra kết luận: tồn tại tốc độ dữ liệu tối đa để truyền thông qua kênh có độ tin cậy xác định
Shannon đưa ra những giới hạn cơ bản của hệ thống và công thức về dung lượng kênh truyền Shannon & Hamming xây dựng các mã phát hiện lỗi và sửa lỗi kích thích việc nghiên cứu và có rất nhiều phương pháp mã hóa ra đời, ……
1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN
Những hệ thống thông tin (communication system) cụ thể mà conngười đã sử dụng và khai thác rất đa dạng và khi phân loại chúng,người ta có thể dựa trên nhiều cơ sở khác nhau Ví dụ trên cơ sở năng lượng mang tin ta có thể phân loại thành:
- Hệ thống điện tín dùng năng lượng một chiều
- Hệ thống thông tin vô tuyến điện dùng năng lượng sóng điện từ
- Hệ thống thông tin quang năng
- Hệ thống thông tin dùng sóng âm, siêu âm…
Trang 5Trên cơ sở biểu hiện bên ngoài của thông tin ta có thể phân loại thành:
- Hệ thống truyền số liệu
- Hệ thống thông tin thoại
- Hệ thống truyền hình…
Căn cứ vào đặc điểm của tín hiệu đưa vào kênh ta có thể phân loại thành hai loại chinh:
- Hệ thống tương tự
- Hệ thống số
Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát:
Hình 1 Sơ đồ khối chứ c năng
Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin số:
Hình 2 Sơ đồ khối tổng quá t
Nguồn tin là nơi sản sinh ra hay chứa các tin cần truyền đi Khi một
đường truyền tin được thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến nhận tin, một dãy các tin của nguồn sẽ được truyền đi với một phân bố xácsuất nào đó Dãy này được gọi là một bản tin (message) Vậy có thể
định nghĩa: nguồn tin là tập hợp các tin mà hệ thống thông tin
Trang 6dùng để lập các bản tin khác nhau để truyền đi Số lượng các
tin trong nguồn có thể hữu hạn hay vô hạn tương ứng với nguồn tin rời rạc hay liên tục
Kênh tin là môi trường truyền lan thông tin Để có thể truyền lan
trong một môi trường vật lý xác định, thông tin phải được chuyển thành dạng tín hiệu thích hợp với môi trường truyền lan Vậy kênh tinlà nơi hình thành và truyền tín hiệu mang tin đồng thời ở đấy cũng sản sinh ra các nhiễu (noise) phá hủy thông tin Trong thực tế kênh tin có rất nhiều dạng khác nhau, ví dụ dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, cáp sợi quang, vô tuyến…
Nhận tin là cơ cấu khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ở
đầu ra của kênh tin
Một mục tiêu quan trọng trong thiết kế hệ thống thông tin là giá cả, độ phức tạp và công suất tiêu thụ thấp nhất với bang thông truyền dẫn và thời gian truyền thấp nhất Băng thông là số đo tốc độ
truyền tin tức nhanh hay chậm, băng thông có thể thay đổi được và
do đó, nó là một thông số quan trọng trong thiết kế hệ thống thông
tin Bảng 1.1 là băng thông danh định của ba loại tín hiệu phổ biến.
Việc sử dụng băng thông và thời gian truyền hiệu quả đảm bảo cho nhiều thuê bao có thể được phục vụ với một băng thông hạn chế và trong một khoảng thời gian hạn chế
BẢNG 1.1 Băng thông danh định của một số tín hiệu
Thoại
Âm thanh quảng bá
Video
Trang 7 Hình 3 trình bày các thành phần trong một hệ thống thông tin số
đầy đủ Thực tế không phải tất cả các hệ thống thông tin số đều có đầy đủ các thành phần như thế này
Hình 3 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ
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 truyền được 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 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)
Khối mã hóa kênh làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào tín hiệu
số theo một quy luật nào đó, 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 độdư
Khối ghép kênh giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia
sẻ một đường truyền vật lý chung như cáp, đường truyền, vô
tuyến…Trong thông tin số, kiểu ghép kênh thường là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), sắp xếp các từ mã PCM nhánh vào
Trang 8trong 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.
Khối điều chế giúp 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 điềuchế 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 thành 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 phép nhiều cặp thu phát cùng chia sẻ một phương tiện vật lý chung (như là một sợi quang, một bộ phát đáp của vệ tinh…) Đâylà 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
Qua xem xét các khối chức năng trong hệ thống thông tin số ở trên, rõ ràng là hệ thống thông tin số phức tạp hơn so với hệ thống thông tin tương tự Tuy nhiên, thông tin số ngày càng được ưa chuộng hơn trong các hệ thống thông tin hiện đại và tương lai sẽ thay thế dần các hệ thống thông tin tương tự hiện đang tồn tại Có thể kể ra một vài lý do của điều này như sau:
- Thích hợp cho truyền số liệu
- Hạ giá thành
- Thuận lợi cho nén số liệu
Trang 9- Có khả năng mã hóa kênh để giảm ảnh hưởng của nhiễu và giao thoa.
- Dễ cân đối các mâu thuẫn về băng thông, công suất và thời gian truyền để tối ưu hóa việc sử dụng các tài nguyên hạn chế này
- Gia tăng việc sử dụng các mạch tích hợp
- Giúp cho chuẩn hóa tín hiệu bất kể kiểu, nguồn gốc, dịch vụ…
- Là cơ sở để hình thành mạng tích hợp đa dịch vụ ISDN
Sự gia tăng yêu cầu liên kết truyền thoại và số liệu là yếu tố chính thúcđẩy sự phát triển của viễn thông
Đường truyền giữa bộ phát và bộ thu có thể là loại có dây hoặc không dây Loại có dây như là cáp xoắn đôi, cáp đồng trục hoặc cáp sợi quang Dù là loại đường truyền nào, tín hiệu cũng bị suy hao, méo, giaothoa, nhiễu…Có thể khắc phục suy hao bằng các bộ khuếch đại hoặc là bộ lặp, khắc phục méo bằng các bộ cân bằng, khắc phục giao thoa và nhiễu bằng các phương pháp xử lý tín hiệu Bản chất của các đường truyền là ảnh hưởng chính đến việc thiết kế bộ phát, bộ thu và bộ lặp
Truyền tín hiệu bằng dây dẫn có các ưu điểm như sau:
- Ít khi mất tuyến
- Năng lượng tín hiệu không bị mất mát nhiều và giao thoa giữa các hệ thống khác nhau ít khi nghiêm trọng và có thể qua
- Các đặc điểm của đường truyền (suy hao và méo) thường ổn định và đễ dàng bù được
Tuy nhiên, truyền tín hiệu bằng dây dẫn gặp các khuyết điểm như sau:
- Việc lắp đặt cáp ngầm hoặc cáp treo thường đắt tiền và cần phải có kế hoạch lâu dài
- Thông tin quảng bá yêu cầu kết nối vật lý đến thuê bao phức tạp
Trang 10- Không thực hiện được thông tin di động.
- Không dễ cấu hình lại mạng
Truyền tín hiệu không dây có các ưu điểm như sau:
- Rẻ và dễ thực hiện
- Dễ thông tin quảng bá
- Dễ thông tin di động
- Dễ dàng và nhanh chóng cấu hình lại mạng, dễ thêm bớt nút mạng
Tuy nhiên, truyền tín hiệu không dây gặp các khuyết điểm như sau:
- Năng lượng tín hiệu bị mất mát nhiều trong quá trình truyền
- Giao thoa giữa các hệ thống khác nhau là một vấn đề nghiêm trọng
- Dung lượng hạn chế
- Các đặc điểm của đường truyền thường thay đổi không đoán được, do đó khó đảm bảo chất lượng thông tin
- Phải lạp kế hoạch phân bố tần số cẩn thận cho các hệ thống khác nhau
Trang 11CHƯƠNG 2 TÍN HIỆU SỐ – TÍN HIỆU TƯƠNG TƯ
2.1 GIỚI THIỆU
2.1.1 Định nghĩa tín hiệu
Tín hiệu được định nghĩa như là biểu diễn vật lý của tin tức Đó là một
đại lượng vật lý biến thiên theo thời gian, không gian hay các biến độc lập khác Về mặt toán học, có thể xem tín hiệu là hàm theo một hoặc nhiều biến độc lập Ví dụ như, hàm
mô tả tín hiệu thay đổi tuyến tính theo biến thời gian t Hay hàm
mô tả tín hiệu theo hai biến độc lập và biểu diễn cho hai biến không gian trong một mặt phẳng
Một ví dụ khác, tín hiệu tiếng nói là sự thay đổi áp suất không khí theo thời gian Nhưng ta không thể biểu diễn tín hiệu tiếng nói là một hàm
theo thời gian mà tổng quát, ta chỉ có thể biểu diễn một đoạn
(segment) tiếng nói như là tổng của nhiều hàm sin khác biên độ, tần
số và pha như sau:
Hình 4 Dạng sóng của từ “away”
2.1.2 Phân loại tín hiệu
Có nhiều cách khác nhau để phân loại tín hiệu
Trang 12 Trong một vào ứng dụng, tín hiệu có thể được tạo ra từ nhiều nguồn
hoặc từ nhiều bộ cảm biến Những tín hiệu như vậy được gọi là tín hiệu đa kênh (multichannel signals) Ví dụ như, tín hiệu điện
tâm đồ (ECG) 3 kênh hoặc 12 kênh
Xét số biến độc lập, ta thấy có những tín hiệu là hàm theo một biến
đơn, gọi là tín hiệu một hướng (one – dimensional signals), có những tín hiệu là hàm theo M biến (), gọi là tín hiệu M – hướng (M – dimensional signals) Ví dụ như, tín hiệu ảnh tĩnh là tín hiệu 2
hướng vì ảnh là hàm độ sáng theo hai biến không gian
Xét giá trị của hàm, có thể giá trị đó là một giá trị thực hay phức Do
đó ta có thể phân loại tín hiệu thành tín hiệu thực hay phức.
2.2 TÍN HIỆU SỐ (DIGITAL SIGNALS)
Tín hiệu số là tín hiệu thời gian không liên tục và rời rạc Và nó có dạng một làn sóng vuông Nó đại diện cho thông tin ở dạng nhị phân là những cái (1) và số không (0) Số 1 đại diện cho các giá trị cao trong khi số 0 đại diện cho các giá trị thấp Các tín hiệu này không có giá trị
âm như trong tín hiệu tương tự
Hình 5 Tín hiệu digital ON – OFF trong công nghiệp
Sử dụng tín hiệu tương tự trong giao tiếp có thể gây ra sự cố Ví dụ, rất khó thực hiện liên lạc đường dài vì tín hiệu bị méo, nhiễu, vv Tín hiệu kỹ thuật số là một giải pháp tuyệt vời cho vấn đề này Chúng ít bị biến dạng Do đó, các tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số để liên lạc rõ ràng và chính xác Điện thoại kỹ thuật số, máytính và các thiết bị điện tử khác sử dụng tín hiệu kỹ thuật số