TÓM tắt nội DUNG môn học TIỂU LUẬN môn TRUYỀN THÔNG SỐTỔNG QUAN hệ THỐNG THÔNG TIN số

1 Sơ đồ khối chức năng Yêu cầu thiết kế :Công suất / băng thông / chất lượng can nhiễu, Kinh tế / tính hiệu quả / độ phức tạp, Đánh giá chất lượng: analog->S/N; Digital-> Pe, BER Mô hình

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỰ - VIỄN

THÔNG



TÓM TẮT NỘI DUNG MÔN HỌC TIỂU LUẬN MÔN TRUYỀN THÔNG SỐ

CƠ SỞ NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

HỌ VÀ TÊN : BÙI VĂN HẬU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN MÔN HỌC : GV Ths Trương Tấn Quang

TP Hồ Chí Minh – Năm 2021

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 4

1.1 Hệ thống thông tin số: 4

1.2 Tín hiệu và phân tích tính hiệu: 4

1.2.1 Đại lượng đặc trưng trong miền tần số: 4

1.2.2 Băng thông và dải thông: 5

1.3 Tín hiệu ngẫu nhiên( randam signal): 5

1.3.1 Định nghĩa 5

1.3.2 Hàm phân bố tích lũy CDF & mật độ xác suất PDF: 5

1.3.3 Hàm Q và hàm lỗi bù erfc (error funcion complement) 5

Chương 2: SỐ HÓA VÀ ĐỊNH DẠNG 5

2.1Sơ đồ khối điều chế xung mã PCM: 5

2.1.1 Khối lấy mẫu: 6

2.1.2 Khối lượng tử hóa: 6

2.1.3Mã hóa: 6

2.2Đặc điểm của PCM: 7

2.2.1 Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu PCM: 7

2.3 Lượng tử hóa và mã hóa không đều: 7

2.4 Mã hóa đường truyền (line code): 7

Chương 3: THÔNG TIN SỐ TRÊN BĂNG CƠ SỞ (BASEBAND) 8

3.1 Can nhiễu liên ký hiệu ISI : 8

3.2Lọc tạo dạng xung 8

3.3 Bộ cân bằng 9

3.4 Bộ lọc phối hợp 9

3.5 Tỉ lệ lỗi 9

Chương 4: KHÔNG GIAN TÍN HIỆU – BỘ THU TỐI ƯU 9

4.1 Biểu diễn hình học của của tín hiệu 9

4.2 Tách sóng cho kênh truyền AWGN 10

4.3 Bộ thu tương quan: 10

4.4 Xác xuất lỗi 10

Chương 5: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ 11

5.1 Giới thiệu 11

5.2 Tách sóng cho kênh AWGN 11

5.3 Điều chế và tách sóng đồng bộ 11

5.4 Điều chế và tách sóng không đồng bộ(Non-coherent) 11

5.5 Đánh giá chất lượng 12

Chương 6: MÃ HÓA KÊNH 12

6.1 Giới thiệu 12

6.2 Mã khối tuyến tính 12

6.2.1 Định nghĩa 12

6.2.2 Phương pháp mã hóa 12

6.2.3 Phương pháp giải mã 12

6.3 Mã Haming 12

6.4 Mã hóa chập 12

6.4.1 Giới thiệu 12

6.4.2 Sơ đồ mã hóa chập 13

6.4.3 Thuật toán Viterbi 13

6.5 Mã turbo 13

6.5.1 Sự kết nối của mã turbo 13

6.5.2 Giải mã turbo 13

6.5.3 Ưu điểm khuyết điểm 13

6.5.4 Ứng dụng 13

MỤC LỤC Hình 1 1 Sơ đồ khối chức năng 4

Hình 1 2 Sơ đồ khối tổng quát 4

Hình 1 3 Tín hiệu liên tục, rời rạc , lưỡng tử và số 4

Hình 1 4 Băng thông , dải thông 5

Hình 2 1 Sơ đồ khối PCM 5

Hình 2 2 Lấy mẫu 6

Hình 2 3 Lượng tử hóa 6

Hình 2 4 Mã hóa 6

Hình 2 5 Băng thông tín hiệu PCM 7

Hình 2 6 Đồ thị lượng tử hóa không đều 7

2

Hình 2 7 Các dạng mã hóa đường truyền 7

Hình 2 8 Băng thông 7

Hình 3 1 Nhiễu ISI 8

Hình 3 2 Kênh Nyquist lý tưởng 8

Hình 3 3 Kênh Nyquist thực tế 8

Hình 3 4 sơ đồ bộ cân bằng ép về không 9

Hình 4 1 Sơ đồ điều chế và giải điều chế 9

Hình 4 2 Bộ tách sóng , giải điều chế , Bộ giải mã , quyết định 10

Hình 5 1 Điều chế khóa dịch biên ASK 11

Hình 5 2 Sơ đồ tách sóng nhịn phân DPSK 12

Hình 6 1 Sơ đồ mã hóa chập 13

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

1.1 Hệ thống thông tin số:

Hình 1 2 Sơ đồ khối tổng quát

Hình 1 1 Sơ đồ khối chức năng

Yêu cầu thiết kế :Công suất / băng thông / chất lượng (can nhiễu), Kinh tế / tính hiệu quả / độ

phức tạp, Đánh giá chất lượng: analog->S/N; Digital-> Pe, BER

Mô hình kênh truyền: Kênh nhiễu cộng(AWGN), Kênh lọc tuyến tính, Kênh lọc khả biến tuyến tính

1.2 Tín hiệu và phân tích tính hiệu:

Khái niệm tín hiệu: biểu diễn vật lý của thông tin, biến thiên theo thời gian, không gian hay các

biến độc lập khác

Phân loại tín hiệu :

Hình 1 3 Tín hiệu liên tục, rời rạc , lưỡng tử và số

1.2.1 Đại lượng đặc trưng trong miền tần số:

Mật độ phổ:

Mật độ phổ năng lượng ESD: ( ) = | ( )| 2 ( / )

4

=−∞ | | 2 ( − 0 )

1.2.2 Băng thông và dải thông:

Hình 1 4 Băng thông , dải thông

Biểu diễn công suất trong miền tần số

(a) Băng thông nửa công suất (b) Băng thông tương đương (c) Null-to-null bandwidth (d) Băng thông công suất (e) Băng thông PSD (f) Băng thông tuyết đối

1.3 Tín hiệu ngẫu nhiên( randam signal):

1.3.1 Định nghĩa

Không biết chắc về sự biến thiên và giá trị của tín hiệu trước khi nó xuất hiện

1.3.2 Hàm phân bố tích lũy CDF & mật độ xác suất PDF:

Xác suất/khả năng xảy ra ở các biến ngẫu nhiên khác nhau

❖ Hàm phân bố tích lũy CDF: ( , ) = { ( )<x}

❖ CDF là tích lũy xác suấ t xảy ra từ giá trị nhỏ nhất (-∞) đến giá trị đang xét

❖Hàm mật độ xác suất PDF: ( , ) = ( , )

khác nhau

1.3.3 Hàm Q và hàm lỗi bù erfc (error funcion complement)

( ) = ( −

Chương 2: SỐ HÓA VÀ ĐỊNH DẠNG 2.1 Sơ đồ khối điều chế xung mã PCM:

Hình 2 1 Sơ đồ khối PCM

2.1.1 Khối lấy mẫu:

Định lý lấy mẫu Shannon đưa ra giới dưới của tần số đó là ≥ 2 hoặc ≥ trong đó là tần số của tín hiệu PAM và là tần số cực đại của phổ tín hiệu tương tự.

Hình 2 2 Lấy mẫu

2.1.2 Khối lượng tử hóa:

Tích lũy nhiễu khi truyền xa tín hiệu , giải quyết chúng bằng cách thực hiện lượng tử

hóa (quantizing noise)

Hình 2 3 Lượng tử hóa

1

0, ≠

= ∫ /2

2 ( ) =

2

2.1.3 Mã hóa:

Hình 2 4 Mã hóa

Gọi n là số bits cần thiết để mã hóa mỗi từ mã PCM : log 2 ≤ ≤ log 2 + 1

6

2.2 Đặc điểm của PCM:

Hình 2 5 Băng thông tín hiệu PCM

Băng thông: ≥ ( ), ≥ 2 ( ) suy ra băng thông tín hiệu PCM lớn hơn băng thông của tín hiệu tương tự tương ứng , đây là khuyết điểm của hệ thống truyền tin sử dụng

PCM

2.2.1 Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu PCM:

Nhiễu lượng tử hóa gây bởi lượng tử hóa M mức ở bên mã hóa PCM

Lỗi bit gây bởi bởi nhiễu kênh truyền(AWGN)

2.3 Lượng tử hóa và mã hóa không đều:

Hình 2 6 Đồ thị lượng tử hóa không đều

2.4 Mã hóa đường truyền (line code):

Gồm AMI, Manchester, HDB-3, CMI

Hình 2 7 Các dạng mã hóa đường truyền

Băng thông:

Hình 2 8 Băng thông

7

Chương 3: THÔNG TIN SỐ TRÊN BĂNG CƠ SỞ (BASEBAND)

3.1 Can nhiễu liên ký hiệu ISI :

Nhiệm vụ bộ lọc phát và lọc thu: giảm thiểu hiệu ứng nhiễu AWGN và ISI

Giảm thiểu ảnh hưởng ISI: kỹ thuật tạo dạng xung, bộ cân bằng

Hình 3 1 Nhiễu ISI

3.2 Lọc tạo dạng xung

Để thỏa mãn điều kiện ISI = 0 (lt) thì hàm p(t) có dạng hình chữ nhật

Hình 3 2 Kênh Nyquist lý tưởng

- Kênh Nyquist thực tế: Mở rộng độ rộng kênh: từ = 2 đến giữa W và 2W để tạo nên dạng xung thực tế hơn trong miền thời gian

Hình 3 3 Kênh Nyquist thực tế

8

3.3 Bộ cân bằng

Bộ cân băng ép về không

1 = 0

− = ±1,±2,…,±

Hình 3 4 sơ đồ bộ cân bằng ép về không

3.4 Bộ lọc phối hợp

- AWGN: { 2 ( )} = ∫ −∞ ( ) = 2 ∫ −∞ | ( ) 2 |

- Tìm đáp ứng bộ lọc H(f) để cực đại tỉ số h :

3.5 Tỉ lệ lỗi

Hàm lỗi bù: ( ) = √2 ∫ ∞ exp(− 2 )

Xét mã dạng cức NRZ, sau kênh truyền ảnh hưởng bởi nhiễu AWGN:

( ) = { + + ( ), 1 , 0 ≤ ≤

1

2 er (√

0

Chương 4: KHÔNG GIAN TÍN HIỆU – BỘ THU TỐI ƯU 4.1 Biểu diễn hình học của của tín hiệu

Sơ đồ điều chế và giải điều chế :

Hình 4 1 Sơ đồ điều chế và giải điều chế

Quy trình trực giao hóa Gram – Schmidt

9

Giản đồ chòm sao (constellation): tập các vectơ tín hiệu phát đi, hay các điểm trong không gian tín hiệu của bản tin

4.2 Tách sóng cho kênh truyền AWGN

➢ Hàm PDF có điều kiện cho mỗi lần truyền gọi là hàm khả năng/hợp lí(Likelihood function),

Dùng công thức Bayes, qui tắc MAP phát biểu lại:

( )

➢ Quy tắc quyết định cực đại khả năng(maximum likelihood - ML): trong trường hợp mẫu số

là độc lập với tín hiệu phát và xác suất trước là như nhau, quy tắc MAP được đơn giản thành:

̂ = nếu: [ ( | )], là tối đa cho tất cả k = I, Qui tắc ML là tìm điểm tín hiệu gần, đơn giản với điểm vecto quan sát nhất

4.3 Bộ thu tương quan:

Bộ thu tối ưu gồm 2 phần

Hình 4 2 Bộ tách sóng , giải điều chế , Bộ giải mã , quyết định

Sự tương đương bộ thu tương quan và bộ thu phối hợp:

Từ (a) và (b) suy ra: ( ) = ( )′

4.4 Xác xuất lỗi

- Xác suất lỗi trung bình: ( ) = ∑ =1 ( ̂ ≠ ) ( )

10

Biên hợp của xác suất lỗi (Union bound): ≤ ∑ = ∑ = (

≠

Chương 5: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ 5.1 Giới thiệu

Điều chế băng thông dải (bandpass modulation):

Định nghĩa: điều chế là đưa tín hiệu lên sóng mang truyền đi xa.

- Sóng mang:

)

√

( ) = ( ) ( + ( )) = √ 2 ( + ( ))

5.2 Tách sóng cho kênh AWGN

Bộ thu tương quan(Correlation Receiver):

Bước 1(Giải điều chế): tối ưu hóa quá trình biến đổi từ dạng sóng sang biến

ngẫu nhiên

Bước 2(Quyết định): tối ưu hóa tiêu chuẩn quyết định

5.3 Điều chế và tách sóng đồng bộ

Điều chế khóa dịch biên ASK(Amplitude shift Keying): 2 mạch dao động , 2 dạng

sóng:0, 1,

đồng bộ giữa phát và thu có dao động cùng tần số và pha : = √ 2 ( + )

Hình 5 1 Điều chế khóa dịch biên ASK

5.4 Điều chế và tách sóng không đồng bộ(Non-coherent)

Đặc điểm: không cần xác định pha của t/h thu , hệ thống đơn giản , chất lượng

kém , xác suất lỗi tăng

Mã hóa DPSK(Differential PSK): là dạng điều chế mà thông tin được mã

hóa theo sự chênh lệch về pha giữa hai bit kế cận

Sơ đồ tách sóng nhị phân DPSK:

11

Hình 5 2 Sơ đồ tách sóng nhịn phân DPSK

5.5 Đánh giá chất lượng

−1

/2

2

=

−1

−1

1

2

2

kiệm băng thông ít lỗi

Chương 6: MÃ HÓA KÊNH

6.1 Giới thiệu

Các phương pháp mã hóa kiểm soát lỗi

- ARQ: phát hiện lỗi và tự động yêu cầu truyền lại

6.2 Mã khối tuyến tính

6.2.1 Định nghĩa

6.2.2 Phương pháp mã hóa

6.2.3 Phương pháp giải mã

- Dưới dạng cấu trúc hệ thống: , = [ , /Q , ], Ma trận Q gồm = 2 − − 1cột, mỗi cột là vecto m chiều có trọng số ≥ 2

6.4 Mã hóa chập

6.4.1 Giới thiệu

Mã chập là loại mã giúp sửa lỗi thuộc họ mã lưới (Trellis)

Cấu trúc mã hóa: phép chập giữa đa thức sinh và thông tin được mã hóa

12

6.4.2 Sơ đồ mã hóa chập

hóa ở ngõ vào , r/k tốc độ mã hóa

- K là chiều dài giới hạn/ràng buộc/quy định

Hình 6 1 Sơ đồ mã hóa

chập

6.4.3 Thuật toán Viterbi

Thuật toán Viterbi bộ giải mã lân cận gần nhất

Chọn đường có khoảng cách Hamming(metric – số đo) ngắn nhất giữa chuỗi bit truyền với các đường trên giản đồ lưới

Mỗi nút sẽ đi vào từ 2 nút, đường nào có khoảng cách Hamming nhỏ, gọi là đường

sống(surrival path )sẽ được giữ lại và bỏ đường kia

(reliability)= Xác suất hợp lý (likelihood)

6.5 Mã turbo

Là một loại mã hóa sửa sai rất mạnh trong công nghệ truyền thông hiện đại, mã Turbo là họ của mã chập, là sự kết nối song song các bộ mã chập cùng với các bộ ghép xen , giải mã Turbo sử dụng kỹ thuật lặp dựa trên thuật toán MAP hoặc SOVA với bộ giải mã SISO có thể đạt BER rất thấp ở SNR rất gần với giới hạn Shannon

6.5.1 Sự kết nối của mã turbo

Mã turbo gồm hai hay nhiều bộ mã hóa thành phân riêng biệt , kết nối với nhau : kết nối nối tiếp và kết nối song song , với tốc độ mã hóa = 1 2 / 1

2 , xác xuất lỗi giảm theo hàm mũ với tốc độ nhỏ hơn dung lượng kênh , bộ giải mã phức tạp tăng theo hàm đại số, chúng ta phải thêm các bộ ghép xen ở giữa các bộ mã hóa thành phần để cải tiến khả năng sửa sai.

6.5.2 Giải mã turbo

Quá trình giải mã được lặp đi lặp lại , BER đạt giá trị tới hạn shannon nhưng độ phức tạp chỉ tăng tuyến tính , sơ đồ giải mã kết nối nối tiếp có khả năng chia sẻ thông tin mềm giữa các bộ

mã Hai bộ giải mã điển hình là giải mã lặp và giải mã SISO với hai thuật kinh điển là MAP , SOVA

6.5.3 Ưu điểm khuyết điểm

Tăng tốc độ d/liệu không tăng c/suất truyền, giảm công suất , thích hợp môi trường thay đổi , giải mã phức tạp và độ trễ cao , giới hạn thời gian thực

6.5.4 Ứng dụng

Hệ thống lưu trữ dữ liệu, htt cố định, ht vệ tinh, ths DVB, TTDĐ 3G/4G/5G và không dây