Giáo trình thông tin số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

G T ÍÓ Õ Õ Õ O Í/"“ ty' HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYEN t h ố n g

H O À N G Q U A N G TR U N G - P H Ù N G TR U N G N G H ĨA - LÊ H Ù N G LINH

GIÁO TRÌNH

THONG TIN sỗ

NGUYÊN

ỌC LIỆU

N H À X U Ấ T BẢ N Đ Ạ I HỌC TH ÁI NG UYÊN

HOÀNG Q UANG TRUNG

PH ÙNG TR U N G NG H ĨA - LÊ H ÙNG LINH

GIÁO TRÌNH

THÔNG TIN SÓ

NHÀ X U Á T BẢN ĐẠI IIỌC TIIÁI NG UYÊN

NĂM 2016

09 - 55

M Ã SÓ : — -----------

Đ H T N -2016

MỤC LỤC

Chương 1. GIỚI THIỆU VẺ THÔNG TIN SÓ ......................................... 7

1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển thông tin số .................................................1

1.2. Hệ thống thông tin s ố ....................................................................................... 9

1.2.1. Các thành phần cơ bản cùa hệ thống thông tin s ố ..................9

1.2.2. Kênh truyền d ẫn ........................................................................ 12

1.3. Các khái niệm cơ b ả n ................................................................................15

1.3.1. Bàn tin số và bản tin tương t ự .................................................15

1.3.2. Dung lượng kênh truyền cố định............................................ 15

1.3.3. Biểu diễn tín h iệu ..................................................................... 18

1.3.4. Truyền thông đa m ứ c.............................................................. 25

1.4. Ưu điểm và hạn chế của các hệ thống thông tin số ..............................32

1.4.1. Nhũng ưu điểm cùa thông tin s ố ...............................................32

1.4.2. Nhũng hạn chế của thông tin số ............................................. 33

CÂU HÒI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1.......................................................... 33

Chuông 2. TRUYÊN THÔNG BĂNG c o S Ờ ....................................... 35

2.1. Hệ thống truyền thông băng cơ sở..........................................................35

2.1.1. Khái niệm về tín hiệu băng cơ sở ...........................................35

2.1.2. Hệ thống truyền thông băng cơ sở..........................................35

2.2. Tạo dạng thông tin số từ thông tin tương tự ......................................... 36

2.2.1. Lý thuyết về lấy mẫu tín hiệu.................................................37

2.2.2. Hiện tượng chồng phổ (Aliasing).......................................... 46

2.3. Năng lượng và mật độ phổ năng lượng của tín hiệu........................... 49

2.3.1. Định nghĩa năng lượng cùa tín hiệu...................................... 49

2.3.2. Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu...................................... 50

2.3.3. Bề rộng băng tần chù yếu của tín h iệu ..................................52

2.3.4. Hàm tự tương quan theo thời gian và mật độ phổ năng

lượng..................................................................................................... 54

2.4. Công suất và mật độ phổ công suất cùa tín hiệu..................................56

3

2.4.1. Công suất tín hiệu...................................................................56

2.4.2. Mật độ phổ công suất (PSD).................................................57

2.4.3. Hàm tự tương quan của tín hiệu công suất.......................... 58

2.5. Mật độ phổ công suất của mã đường truyền....................................... 59

2.5.1. Mã đường truyền (Line coding)........................................... 59

2.5.2. Công thức chung tính mật độ phổ công suất cùa mã đường ... 61

2.5.3. PSD cùa mã cực (Polar)........................................................ 65

2.5.4. PSD cùa mã đóng-mờ (On-Off)........................................... 68

2.5.5. PSD cùa mã lưỡng cực (Bipolar)......................................... 73

2.6. Nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI)................................................................75

2.6.1. Hiện tượng nhiễu giao thoa ký hiệu..................................... 75

2.6.2. Loại bỏ ISI nhờ dạng xung của bộ lọc kênh Nyquist....... 76

2.6.3. Tiêu chuẩn Nyquist cho truyền tin băng cơ sờ....................78

2.7. Mã tương quan m ứ c.............................................................................. 86

2.7.1. Báo hiệu nhị phân kép...........................................................86

2.7.2. Báo hiệu nhị phân kép sửa đ ổ i............................................. 90

2.7.3. Dạng tổng quát của mã tương quan......................................93

2.8. Bộ san bằng kênh.................................................................................. 95

2.8.1. Đặc tính kênh..........................................................................95

2.8.2. Các kiểu lọc san bằng............................................................96

2.9. Mầu mắt..................................................................................................98

2.10. Mạch lọc phối hợp...........................................................................101

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ....................................................106

Chương 3. KỸ THUẬT ĐIÈU CHÉ SÓ 108

3.1. Khái niệm và phân loại điều chế........................................................ 108

3.2. Điều chế số nhị phân...........................................................................109

3.2.1. Khóa dịch biên độ (ASK)....................................................109

3.2.2. Khóa dịch tần (FSK)............................................................ ] ] 5

3.2.3. Khóa dịch pha (PSK).........................................................121

3.3. Điều chế số đa m ức.............................................................................130

3.3.1. Khóa dịch biên M-ASK.......................................................130

3.3.2. Khóa dịch tần M-FSK.........................................................132

4

3.3.3. Khóa dịch pha M -PSK .......................................................... 136

3.3.4. Khóa dịch pha cầu phương (QPSK).................................... 142

3.3.5. Điều chế biên độ cầu phương (QAM ).................................145

3.3.6. Phổ công suất cùa tín hiệu điều c h ế .................................... 15Ị

3.3.7. Hiệu suất sử dụng băng tần cùa báo hiệu đa m ứ c .............155

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3 ........................................................156

Chuông 4. KỸ THUẬT ĐIÊU CHÉ ĐA SÓNG MANG OFDM 158

4.1. Truyền thông đa sóng m ang................................................................. 158

4.2. Kỹ thuật điều chế OFDM ......................................................................160

4.2.1. Khái niệm về OFDM.............................................................160

4.2.2. Sự phát triển của OFDM ...................................................... 160

4.2.3. Các ưu điểm và hạn chế......................................................... 161

4.2.4. ứ ng dụng cùa OFDM............................................................ 161

4.2.5. Hiệu quả của truyền dẫn đa sóng mang trực g ia o ..... 162

4.2.6. Nguyên lý điều chế OFD M ..................................................166

4.2.7. Thực hiện điều chế OFDM dựa trên thuật toán IF F T.... 169

4.2.8. Nguyên lý giải điều chế O FDM.......................................... 172

4.2.9. Thực hiện giải điều chế dựa trên thuật toán F F T .............. 175

4.2.10. Tín hiệu và phổ tín hiệu OFDM........................................ 177

TÀI LIỆU THAM KHẢO 186

s

LỜI NÓI ĐÀU

Thông tin số là môn học hướng tới những nội dung liên quan đến

truyền dẫn thông tin ờ dạng số (digital), được phát ra từ một nguồn tin

tới một hoặc nhiều nơi nhận tin. Đặc biệt quan trọng trong phân tích và

thiết kế các hệ thống thông tin là các tính chất của các kênh vật lý ờ đó

thông tin được truyền. Các đặc trưng cùa kênh truyền ảnh hưởng chung

đến thiết kế các khối chức năng cơ bản của hệ thống thông tin. Nội

dung của giáo trình đề cập đến những nguyên lý cơ bản liên quan đến

phân tích và thiết kế các hệ thống thông tin số.

Giáo trình này dành cho sinh viên đang theo học các ngành đào

tạo liên quan đến lĩnh vực Điện tử - Viễn thông, sau khi đã có các kiến

thức về Xừ lý tín hiệu số, Xác suất và quá trinh ngẫu nhiên. Giáo trình

được biên soạn dựa trên những bài giảng chọn lọc đã và đang được

giảng dạy nhiều năm tại Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông,

Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông, Đại học Thái

Nguyên. Trong lần xuất bản đầu tiên, giáo trình khó tránh khỏi những

thiếu sót. Các tác giả rất mong nhận được những ý kiến góp ý cùa bạn

đọc. Các góp ý xin được gửi về theo địa chỉ [email protected] hoặc

Nhà xuất bản Đại học Thái Nguyên, Phường Tân Thịnh, Thành Phố

Thái Nguyên. Điện thoại: (0280) 3840023.

Xin chân thành cảm ơn.

CÁC TÁC GIẢ

6

Chuong 1

GIỚI THIỆU VẺ THÔNG TIN SỐ

Trong xu thế phát triển thế giới ngày nay, truyền thông có một vai

trò thiết yếu và được phổ biến rộng rãi. Nhu cầu trao đổi thông tin của

con người ngày càng đa dạng. Mục tiêu hướng tới của các hệ thống thông

tin là đảm bảo khả năng truyền dẫn đồng thời trong một dạng tích hợp

cho nhiều loại hình thông tin khác nhau nhu: thoại (voice), dữ liệu, hình

ảnh, âm nhạc, văn bản, đồ họa và video. Chương này giới thiệu những

nét đặc trưng cơ bản cùa một hệ thống thông tin số điển hình và các khái

niệm liên quan đến thông tin số.

1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển thông tin số

A ■- I» Q -~ _ Y _____ 2 -------

B — J ----- R._. z -----

3-..—

c — ■ K — s — Period'—

D — L'­ T - Comma——" — -

E ■ Il— u — 9 IIHMII 7----

F "— N — U . . I . /------- 8— ••

G —

If....

o --------

p . —

W-------@-----------------

■ X — —

9 — —

Hình 1.1: Minh họa về mã Morse

Hệ thống truyền thông số đầu tiên được phát triển bởi Samuel

Morse xuất hiện vào năm 1837. Đó là hệ thống điện tín (Telegraphy),

đánh dấu sự khởi đầu cùa thông tin số dưới dạng tín hiệu điện. Samuel

Morse đã phát minh ra mã nhị phân có chiều dài từ mã thay đổi bằng

cách sừ dụng chuỗi các dấu chấm (■) và dấu gạch (-) (gọi là các từ mã) để

biểu diễn cho các mẫu tự (Alphabet) tiếng Anh. Với mã này, các mẫu tự

trong bản tin xuất hiện với tần suất nhiều hơn sẽ được biểu diễn bằng các

7

từ mã ngắn còn các mẫu tự xuất hiện với tần suất thấp sẽ được biểu diên

bang các từ mã dài hơn. Cũng chính vì thế mà mã Morse là tiền thân của

các phương pháp mã hóa nguồn có chiều dài từ mã thay đổi.

Gần 40 năm (1875) sau thời kỳ của Morse, Emile Baudot đã đề

xuất một loại mã dành cho truyền thông điện tín trong đó các mâu tự

trong bảng mẫu tự Tiếng Anh được mã hóa bởi các tù mã nhị phân có

chiều dài từ mã cố định bằng 5. Với mã Baudot, các thành phần của từ

mã nhị phân này là các bít dấu “ 1” hoặc bít trống “0”.

Các nghiên cứu của Nyquist (năm 1924) tập trung vào việc giải

quyết bài toán xác định tốc độ báo hiệu cực đại cho một kênh truyền điện

tín, với độ rộng băng thông xác định, mà không có nhiễu liên ký hiệu

(ISI). Ông đã đưa ra mô hình toán học cùa một hệ thống điện tín, trong

đó tín hiệu được truyền có dạng tổng quát nhu sau:

s {‘ ) = ' L a n g ( t - n T ) 0 0

Trong đó, g ( t) biểu diễn dạng xung cơ sở và {«„} là dãy dữ liệu

nhị phân {±l}, được truyền với tốc độ 1/7’(bit/s). Nyquist đã tìm ra

dạng xung tối ưu có băng tần giới hạn w (Hz) cho phép đạt tốc độ bit tối

đa mà không gây ra nhiễu liên lcý hiệu (ISI) tại các thời điểm lấy mẫu

k /T (trong đó k = 0, +1, ± 2 ," ‘ ). Nghiên cứu này đã đưa tới kết luận rằng

tốc độ truyền xung cực đại là 2w xung/giây và được gọi là tốc độ

Nyquist. Hơn nữa, tốc độ này có thể đạt được khi sử dụng các xung

g(t} = ịsm27zWt}Ị27:Wt, vì dạng xung này cho phép khôi phục lại dữ

liệu chính xác mà không có nhiễu ISI tại các thời điểm lấy mẫu.

Từ kết quả nghiên cứu của Nyquist, Hartley (năm 1928) đã giải

quyết được bài toán xác định lượng dữ liệu có thể được truyền dẫn tin

cậy qua một kênh có bề rộng băng thông giới hạn.

Trong quá trinh phát triển truyền thông số, còn phải kể đến những

đóng góp nghiên cứu cùa Kolmogorov (1939) và Wiener (1942). Họ là

những người đã nghiên cứu thành còng bài toán ước lượng dạng sóng tín

8

hiệu mong muốn .v(/) với sự xuất hiện cùa tạp âm « (/), dựa trên quan

sát dạng tín hiệu thu rịt) = 4'(/) + /j( /) . Kết quả này gợi mở cho kỹ thuật

giải điều chế tín hiệu.

Các kết quả nghiên cứu cùa Nyquist và Hartley đã tạo tiền đề cho

nghiên cứu tiếp theo của Shannon. Năm 1948, Shannon đã đưa ra định lý

lấy mẫu tín hiệu, làm cơ sở cho quá trình rời rạc hóa và số hóa tín hiệu

tuơng tự. Các hệ thống số hóa tín hiệu sau này đều dựa trên nền tảng

nghiên cứu lý thuyết của Shannon.

1.2. Hệ thống thông tin sổ

1.2.1. Các thành phần cư bản của hệ thống thông tin sổ

Hình 1.2 dưới đây minh họa các thành phần cơ bản của một hệ

thống thông tin số điển hình.

Nguòn tin

Cóc symbols

bán tin

Các nguồn

tin khác

ị _ l

Thông tin

vào dạng số m,

Thông tin

ra dạng số

Iĩ\

9i(t)

Tạo M A hóa - * MS -*

Mã

- * G hép Đ iều chế Đ ièu ché -► -* Đ a truy

dạng nguồn mật kênh

A

kẻnh

*

xung

A

bãng dải

ầ

4

nhập 1H

S i(t)ị

Lu ò n g

bít Đồng bộ Tín hiệu sò Tin hiệu sổ

bảng gốc bảng dải

Z (T )

Kênh tmyéíì

M t )

r(t)

T ạo 4-

G iả i mả

•4-

G íá i

« -

G iãi

«-

Tách

< -

Tách

« -

G iả i

< -

G iả i trải

«-

Đ a truy

dạng nguồn mật kénh

kênh xung láy mẫu tẳn nhập

T

t í

Các symbols

bản tin

Nơi nhận tin

Tới các đích

khác

Hình 1.2: Các thành phần cơ bàn cùa hệ thống thông tin số.

Trong Hình 1.2, các khối ở nhánh bên trên thực hiện các chúc năng

xử lý để chuyển đổi tín hiệu từ nguồn tin tới máy phát; các khối chức

năng ở nhánh dưới thực hiện chuyển đổi tín hiệu từ máy thu để đưa tớ)

9

đầu ra (nơi nhận tin). Nguồn tin cung cấp các thông tin để đưa tới bộ tạo

dạng tín hiệu, ờ đó, thông tin được chuyển thành các ký số nhị phân (các

bit); các bit thông tin này được nhóm lại để tạo ra các bản tin số hay các

ký hiệu (symbol) bản tin. Mỗi symbol m ,i — , có thể được xem

như là một thành phần của một tập gồm M mẫu tự hữu hạn. Vỉ vậy, với

M = 2 , ký hiệu bản tin m trở thành ký hiệu nhị phân. Đối với các hệ

thống có sử dụng mã kênh (hay mã sửa lỗi), một chuỗi các ký hiệu bản

tin được chuyển đổi thành chuỗi các ký hiệu mã kênh. Do một ký hiệu

bản tin hay ký hiệu mã kênh có thể gồm một bit đơn hay một nhóm các

bit, nên một chuỗi các symbol cũng được hiểu như một luồng bit. Quan

sát Hỉnh 1.2, các khối xử lý tín hiệu chính của một hệ thống thông tin số

bao gồm các khối: tạo dạng, điểu chế, giải điều chế/ tách sóng và khối

dồng bộ. Trong đó, khối tạo dạng có chức năng chuyển đổi thông tin từ

nguồn tin thành các bit thông tin để quá trinh xử lý tín hiệu trong hệ

thống thông tin số được thực hiện dễ dàng. Thông tin được xử lý tại các

khối trước khi đưa vào khối điểu chế xung xuất hiện dưới dạng một luồng

bít. Khối điều chế thực hiện chức năng chuyển đổi các ký hiệu bản tin

hay các ký hiệu mã kênh thành các dạng sóng phù hợp với kênh truyền

dẫn. Điều chế xung là khâu quan trọng, bởi vì mỗi symbol được phát

trước hết cần được chuyển đổi từ dạng thề hiện nhị phân (là các mức điện

áp biểu diễn cho bit “ 1” và bit “0”) sang dạng sóng băng cơ sở

(baseband). Thuật ngữ băng cơ sở (còn được gọi là băng gốc) muốn ngụ

ý rằng tín hiệu có phổ tồn tại trong phạm vi từ (hoặc gần) thành phần một

chiều (DC) tới một giá trị xác định, thường vào cỡ một vài MHz.

Đối với truyền dẫn ờ băng tần số vô tuyến (RF), khâu quan trọng

tiếp theo là điều chế băng thông dải. Lý do là vỉ môi trường truyền dẫn

này không truyền lan các tín hiệu dạng xung. Trong tmờng hợp này, môi

trường truyền dẫn yêu cầu dạng sóng băng thông dải (Bandpass). Thuật

ngữ “băng thông dải” được sử dụng để chi dẫn rằng dạng sóng băng cơ

sờ được chuyển đổi/dịch chuyển về mặt tần số tới một tần số sóng mang

lớn hơn nhiều so với tần số băng cơ sở.

10

Tại mảy thu, bộ giải điểu chế (demodulator) thục hiện chức năng

chuyển đổi (hạ) tần số cho mỗi dạng sóng băng thông dải. Bộ giải điều

chế khôi phục tín hiệu phát để tạo ra các xung băng cơ sờ có dạng tối ưu,

đưa vào bộ tách sóng. Trong thực tế, có thể dùng một số bộ lọc tần sô tại

phía máy thu và lọc giải điều chế để loại bỏ các thành phần tần số cao

không mong muốn, tạo dạng xung phù hợp. Khâu lấy mẫu cho phép

chuyển đổi từ một dạng xung thành một giá trị mẫu của xung, và khâu

tách sóng chuyển đổi giá trị mẫu xung thành một giá trị ước lượng cùa

symbol trên kcnh hay symbol bản tin.

Tạo dạng và mã hóa nguồn: Khối tạo dạng thực hiện chức năng

chuyển đổi tín hiộu từ dạng tương tự (analog) sang dạng so (digital),

được sử dụng đối với trường hợp là nguồn tin tuơng tự. Chúc năng mã

hóa nguồn bao gồm cả khâu tạo dạng (số hóa tín hiệu) và có thể là cả

chức năng nén thông tin nguồn.

M ã mật (encryption). Thực hiện chức năng ngăn chặn quyền sử

dụng không hợp pháp từ các bản tin không xác định và kiểm tra các bản

tin không bị lỗi trong việc đưa vào hệ thống.

M ã kênh (channel coding): Khối chức năng này có vai trò làm giảm

xác suất lỗi, hay giảm yêu cầu về tỉ số công suất tín hiệu trên công suất

tạp âm (SNR). Vì vậy, tín hiệu truyền dẫn trên kênh sẽ được tin cậy hơn.

Ghép kênh (multiplexing) và đa truy nhập (multiple-access)-. Thực

hiện chúc năng kết hợp các tín hiệu mà ở đó phải có đặc trưng khác nhau

hay phải xuất phát từ các nguồn tin khác nhau. Mục đích là để chia sẻ tài

nguyên truyền thông (như phổ tần, thời gian).

Trải íần (frequency spreading). Có chúc năng tạo ra tín hiệu có

dạng phổ trải rộng trên một phạm vi nhất định, giống như một dạng nhiễu

(do tự nhiên xuất hiện hay cố ý tạo ra), và có thể được sử dụng để nâng

cao tính chất bảo mật trong truyền thông. Chức năng này cũng được sử

dụng cho đa truy nhập.

Các khối xử lý trong Hình 1.2 đôi khi cũng có thể được tiến hành ở

các vị tri khác nhau. Ví dụ, khối ghép kênh có thể được ưu tiên thực hiện

11

trước khi mã hóa kênh, hoặc cũng có thể ưu tiên thực hiện trước khi điêu

chế. Tương tự, chức năng trải tần cũng có thể được thực hiện ở một số vị

tri khác nhau tại phía phát. Các vị trí thực hiện chức năng chính xác phụ

thuộc vào kỹ thuật cụ thể được sử dụng. Khối đồng bộ, với thành phân

chính cùa nó là tín hiệu đồng bộ, là cần thiết để điều khiển tất cà các quá

trình xử lý tín hiệu trong một hệ thống truyền thông số.

1.2.2. Kênh truyền dẫn

Kênh truyền dẫn là môi truờng để truyền tín hiệu từ máy phát đến

máy thu. Với truyền dẫn vô tuyến, kênh có thể là áp suất khi quyến

(khoảng không tự do). Với môi trường khác như các kênh thoại (hữu

tuyến), thường là chất liệu vật lý như các dây đẫn kim loại (xoắn đôi),

cáp đồng trục, cáp sợi quang. Hỉnh 1.3 dưới đây minh họa một số dạng

môi trường truyền dẫn hữu tuyến.

/

Từ bộ phát

(HO

Lớp vó

(ii)

Hình 1.3: Minh họa môi trường kênh truyền dẫn hữu luyến,

(i) Dây dẫn xoắn đôi; (ii) Cáp đồng trục; (iii) Cáp sợi quang.

a) Kênh sir dụng dãy dẫn

Mạng điện thoại sử dụng các đường dây dẫn để truyền tín hiệu

thoại cũng như truyền dẫn dữ liệu và video. Đường dây điện thoại được

sử dụng để nối từ tồng đài đến khách hàng, có độ rộng băng tần vào cỡ

vài trăm kHz. Trong khi đó thì cáp đồng trục có độ rộng băng tần khả

dụng vào cỡ vài MHz.

C hiêu dãi b ư ớ c sóng

100 km 10 km 1 km 100 m 10 m Im

D ải tẳn sô

Hình 1.4: Dài lần phân bố cho các kênh sử dụng dây dẫn/cáp đồng.

Tín hiệu truyền qua các dây dẫn có thể bị méo cả về biên độ và

pha, hơn nữa còn chịu ảnh huởng cùa tạp âm AWGN.

b) Kênh sử dụng sợi quang

Sợi quang được tạo thành nhờ sử dụng chất liệu thủy tinh làm lớp

lõi để truyền tín hiệu ánh sáng. Tín hiệu được truyền dẫn trong sợi quang

dựa trên nguyên lý phản xạ của ánh sáng, khi đi từ môi trường này sang

môi trường khác. Khi tia sáng đi từ môi trường có hệ số phản xạ cao hơn

(lớp lõi) sang môi trường có hệ số phản xạ thấp hơn (lớp vỏ lõi) thì tia

sáng sê bị gấp khúc về phía môi trường có hệ số phản xạ cao hơn. Vì vậy,

xung ánh sáng có thể được truyền đi trong sợi quang. Sợi quang là vật

liệu cách điện, chỉ truyền ánh sáng. Suy hao tín hiệu trên sợi quang là rất

nhỏ và tín hiệu không bị ảnh huờng của giao thoa sóng điện từ. Đây cũng

là lợi thế của truyền dẫn trên kênh sợi quang.

13