Tài liệu Bài giảng thông tin số

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN 1.1 Mở đầu. 1.1.1 Định nghĩa. a. Định nghĩa truyền thông (Communication). Là việc truyền một thông tin nào đó từ điểm này tới điểm kia. Ví dụ: - Hai người nói chuyện với nhau để trao đổi thông tin. - Các ám hiệu (gõ cửa…). - Quá trình giảng dạy trong lớp. - Các máy tính nối mạng và trao đổi dữ liệu với nhau. b. Định nghĩa viễn thông (Telecommunication). Là quá trình truyền thông tin từ nguồn phát tới nguồn thu qua một khoảng cách nào đó. Ví dụ: Hai người gọi điện thoại, mạng máy tính trong phòng, wifi, wimax, phát thanh, phát hình, truyền hình qua vệ tinh… c. Định nghĩa thông tin số (Digital Communication). Thông tin được mã hóa dưới dạng số và được truyền đi bằng tập hợp hữu hạn các dãy số không phụ thuộc vào nguồn thông tin. Ví dụ: Máy tính được mã hóa bằng 4bít, 8bít, 16bít, 32bít… 1.1.2 Một số khái niệm trong hệ thống thông tin số. a. Mô hình của hệ thống thông tin nói chung. Ba phần tử cơ bản nhất của bất cứ hệ thống thông tin nào cũng phải có đó là máy phát, máy thu và kênh truyền. Mỗi phần tử có một vai trò nhất định trong việc truyền dẫn tín hiệu. Máy phát xử lý tín hiệu đầu vào và tạo ra tín hiệu có những đặc tính thích hợp với kênh truyền dẫn. Quá trình xử lý tín hiệu để truyền dẫn chủ yếu là điều chế và mã hóa (modulation and coding) 1 Nguồn tin Bộ phát Kênh truyền Bộ thu Người dùng Nhiễu Hình 1.1.2.1: Mô hình của hệ thống thông tin nói chung Kênh truyền là môi trường giữa điểm phát và điểm thu. Kênh truyền có thể là cáp song hành, cáp đồng trục, cáp quang hay môi trường vô tuyến. Mọi kênh truyền đều gây ra độ suy hao hay là độ tổn thất truyền dẫn. Vì thế cường độ tín hiệu bị suy giảm dần theo khoảng cách. Máy thu lấy tín hiệu đầu ra từ kênh truyền để xử lý và tái tạo ngược lại tín hiệu ở đầu phát. Các ho ạt động của máy thu bao gồm khuếch đại để bù vào tổn hao truyền dẫn, và giải điều chế và giải mã tín hiệu đã được điều chế và mã hóa ở máy phát. b. Mô hình chi tiết hệ thống thông tin số. Nguồn Source Bộ lặp Repeater A Nút mạng B Kết nối 1 Nút mạng C Kết nối 2 Đích User Bộ lặp Repeater D E Kết nối 3 Cuộc nối Hình 1.1.2.2: Mô hình chi tiết của hệ thống thông tin. 2  Nguồn: nguồn phát thông tin (sender, transmitter, source). Là nơi sản sinh ra thông tin dưới dạng các bản tin. Tùy theo các bản tin mà nó sinh ra, có thể chia nguồn tin thành các loại rời rạc hay liên tục  Trạm lặp: Khi tín hiệu truyền trên kênh truyền sẽ bị suy giảm và méo nên trạm lặp (Repeater) làm hai nhiệm vụ: Khuếch đại và sửa dạng tín hiệu.  Đầu thu: phần nhận thông tin được gửi từ đầu phát (sink, destination, receiver).  Cuộc nối: là kênh thông tin giữa nguồn và đích.  Đƣờng truyền (line): thường được sử dụng để ám chỉ đường truyền vật lý giữa hai thiết bị trong một hệ thống thông tin.  Kết nối, liên kết (link): là kênh thông tin logic nối giữa hai thiết bị trong một hệ thống thông tin (có thể là đầu cuối hoặc nút mạng)  Kênh truyền (channel): tương tự như kết nối (link)  Nút mạng (network node): là thiết bị có nhiệm vụ thiết lập, duy trì và chuyển mạch các liên kết logic trên các đường truyền vật lý.  Mạng (network): là một tập hợp của nhiều nút mạng được nối với nhau bằng các đường truyền. 1.2. Yêu cầu của hệ thống thông tin. 1.2.1. Nguồn tin.  Thông tin có thể được truyền đi dưới dạng tự nhiên (nguyên bản), không qua biến đổi. Ví dụ: hai người nói chuyện trực tiếp với nhau…  Thông tin có thể được biến đổi để làm cho thích hợp với: + Kênh truyền: Vô tuyến, di động, cáp quang… + Các thiết bị nằm trong mạng. + Làm tương thích giữa đầu phát và đầu thu.  Thông tin có thể được nén trước khi truyền lên kênh truyền. Nén có tác dụng hạn chế lượng thông tin thừa được truyền đi, tuy nhiên vẫn đảm bảo được việc phục hồi thông tin ở đầu thu. Thông tin được biến đổi thông qua mã hóa và điều chế. 3 1.2.2.Môi trƣờng truyền tin. Thông tin có thể được truyền dưới dạng:  Dòng điện.  Sóng điện từ (sóng radio).  Sóng ánh sáng. Vì vậy, môi trường truyền tin thông dụng bao gồm:  Dây đồng, gồm có: + Cáp đồng trục. + Cáp xoắn.  Truyền thông tin qua không gian: sóng siêu cao tần (viba), truyền thông tin qua vệ tinh, trong hệ thống thông tin di động, truyền bằng tia hồng ngoại, tia laser…  Truyền thông tin qua môi trường quang dẫn: cáp sợi quang. Do tính chất của các môi trường truyền dẫn khác nhau nên mỗi môi trường yêu cầu một phương pháp điều chế thông tin khác nhau. Trong thực tế, thông tin có thể được truyền từ nguồn tới đích thông qua nhiều môi trường truyền dẫn khác nhau. *) Bảng tên và phân loại sóng. TT Dải tần số Tên dải tần Bước sóng Tên bước sóng ULF 1 30  300 Hz Ultra Low Frequency 10 7  10 6 m Tần số cực kỳ thấp ELF 2 300  3000 Hz Extreme Low Frequency 10 6  10 5 m Tần số cực thấp VLF 3 3  30 KHz Very Low Frequency 10 5  10 4 m Sóng Mm 10 4  10 6 m Sóng Km Tần số rất thấp 4 30  300 KHz LF 4 Low Fr. Tần số thấp 5 300  3000 KHz 6 3  30 MHz MF Medium Fr. Tần số trung HF High Fr. Tần số cao 10 3  10 2 m Sóng Hectomet 10 2  10 1 m Sóng Decamet 10 1  10 0 m Sóng met 1  10 -1 m Sóng dm 10 -1  10-2 m Sóng cm 10 -2  10-3 m Sóng mm VHF 7 30  300 MHz Very High Frequency Tần số rất cao UHF 8 300  3000 MHz Ultra High Frequency Tần số rất rất cao SHF 9 3  30 GHz Super High Frequency Tần số siêu cao EHF 10 30  300 GHz Extreme High Frequency Tần số cực cao Ngoài ra trong kỹ thuật thông tin người ta còn có cách phân loại dải tần viba (Microwave) có tần số từ: 1GHz đến 40 GHz. Dải tần viba được chia nhỏ như sau: + L Band (băng L): 1  2 GHz. + S Band (băng S): 2  4 GHz. + C Band (băng C): 4  8 GHz. + X Band (băng X): 8  12 GHz. + Ku Band (băng Ku): 12  182 GHz. + K Band (băng K): 18  27 GHz. + Ka Band (băng Ka): 24  40 GHz.  Các yêu cầu khi truyền thông tin qua một hệ thống viễn thông. 5 Quá trình truyền thông tin qua một hệ thống viễn thông cần được thiết lập và duy trì với một chất lượng chấp nhận được. Chất lượng của các dịch vụ viễn thông thể hiện qua một số tiêu chuẩn sau: - Tốc độ của đường truyền: Truyền từ nguồn tới đích. Khả năng truyền tin nhanh chóng c ủa một hệ thống thông tin số thường được đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin (có đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho. Nhìn chung, dung lượng của một hệ thống tùy thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế, mức độ tạp nhiễu… - Tốc độ đáp ứng của hệ thống: Phản ánh tính đáp ứng kịp thời của một hệ thống khi có yêu cầu từ đầu vào (Ví dụ: Tốc độ kết nối của một cuộc điện thoại) - Tính chống lỗi: Phản ánh độ tin cậy của đường truyền qua một hệ thống có tác động từ bên ngoài. Đối với thông tin số, tham số độ chính xác truyền tin thường được đánh giá qua tỷ lệ lỗi bit (BER – Bit Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ giữa số bít nhận bị lỗi và tổng số bít đã truyền trong một khoảng thời gian quan sát nào đó. Khi thời gian quan sát tiến tới vô hạn thì tỷ lệ này tiến tới xác suất lỗi bít. Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ lệ lỗi bít chỉ gần bằng với xác suất lỗi bít, tuy nhiên trong nhiều trường hợp người ta vẫn thường gọi BER là xác suất lỗi bít. Trong một số hệ thống thông tin số sử dụng các biện pháp mã hóa hiệu quả tiếng nói như đối với điện thoại di động chẳng hạn, thì độ chính xác truyền tin cũng còn được thể hiện qua tham số chất lượng tiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ. - Ngoài các tham số có tính nguyên tắc nói trên, các hệ thống thông tin số còn có thêm các yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy (khả năng làm việc của hệ thống với BER không vượt quá giá trị xác định). Các yếu tố về giá thành… cũng có một vai trò to lớn. 1.3 Các dịch vụ viễn thông. 1.3.1. Một số dịch vụ viễn thông cơ bản. Viễn thông là một thuật ngữ liên quan tới việc truyền tin và tín hiệu. Ngay từ ngày xa xưa, những người tiền sử đã biết dùng khói để báo hiệu, những người thổ dân ở những hòn đảo xa xôi dùng các cột khói để liên lạc, báo hiệu và truyền tin. Mai An 6 Tiêm dùng dưa hấu để truyền tin về đất liền,... có thể nói thuật ngữ viễn thông đã có từ xa xưa. Tuy nhiên có thể nói, khái niệm viễn thông được chính thức sử dụng khi cha đẻ của máy điện báo Samuel Finley Breese Morse sau bao ngày đêm nghiên cứu vất vả, ông đã sáng chế chiếc máy điện báo đầu tiên. Bức điện báo đầu tiên dùng mã Morse được truyền đi trên trái đất từ Nhà Quốc Hội Mỹ tới Baltimore cách đó 64 km đã đánh dấu kỷ nguyên mới của viễn thông. Trong bức thông điệp đầu tiên này Morse đã viết "Thượng Đế sáng tạo nên những kỳ tích". Nói đến lịch sử của Viễn thông, không thể không nhắc đến Alexader Graham Bell, ông là người đầu tiên sáng chế ra điện thoại. Trên quy mô xã hội, nếu điện tín (1884), điện thoại (1876), radio (1895) và vô tuyến truyền hình (1925) đã làm thay đổi cách giao tiếp trong quan hệ con người thì sự xuất hiện của vệ tinh viễn thông (1960) sợi quang học (1977), công nghệ không dây đã làm nên một hệ thần kinh thông minh nhạy bén trên trái đ ất. Có thể nói lĩnh vực viễn thông đã làm thay đổi bộ mặt, tính cách của trái đất, đã hiện thực hóa khả năng liên kết của mỗi người của mỗi quốc gia, gắn kết mọi người với nhau nhờ một mạng lưới viễn thông vô hình và hữu hình trên khắp trái đất và vũ trụ. Sự hội tụ trong lĩnh vực viễn thông cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng và truyền dữ liệu của con người cũng tăng lên theo hàm số mũ. Ngành viễn thông đóng góp vai trò lớn lao trong việc vận chuyển đưa tri thức của loài người đến mỗi người, thúc đẩy quá trình sáng tạo đưa thông tin khắp nơi về các ngành lĩnh vực khoa học, các thông tin giải trí cũng như thời sự khác. Viễn thông đem lại sự hội tụ, hay sự thống nhất về các loại hình dịch vụ truyền dữ liệu dịch vụ như thoại, video (truyền hình quảng bá và truyền hình theo yêu c ầu), và dữ liệu Internet băng rộng thúc đẩy ngành công nghệ thông tin phát triển lên một mức cao hơn với đa dạng các loại hình dịch vụ và chi phí rẻ hơn. Mạng viễn thông giúp người sử dụng có thể gọi điện thoại qua mạng Internet, có thể xem hình ảnh của bạn bè trên khắp thế giới, có thể chia sẻ nguồn dữ liệu, có thể thực hiện những giao dịch mua bán tới mọi nơi trên thế giới một cách đơn giản. Viễn thông ngày càng tạo nên một thế giới gần hơn hội tụ cho tất cả mọi người. 1.3.2. Một số tổ chức viễn thông quốc tế. Nhằm xây dựng các chuẩn quốc tế của hệ thống viễn thông toàn cầu thì mới có thể thông tin cho nhau trên mạng toàn cầu. Yêu cầu các thiết bị của các nhà sản xuất 7 khác nhau phải tương thích với nhau và có thể tạo ra một mạng thống nhất. Vì vậy cần phải có một hệ thống chuẩn mà tất cả các nhà sản xuất thiết bị viễn thông, cung c ấp dịch vụ viễn thông phải tuân theo. Một số tổ chức viễn thông quốc tế.  ITU: International Telecommunication Union (Tổ chức viễn thông quốc tế) Đây là tổ chức quan trọng nhất thế giới, tổ chức này đưa ra rất nhiều các khuyến nghị (Rec-s) thực chất là các tiêu chuẩn quốc tế như chuẩn nén tín hiệu MPEG, chuẩn mã hóa tín hiệu... Các khuyến nghị được xuất bản dưới dạng blue book – sách xanh. (Trước năm 1991 tổ chức này có tên là CCITT -International Telegraph and Telephone Consultative Committee: Ủy ban tư vấn quốc tế về điện thoại và điện báo). ITU được chia thành hai nhóm: o ITU-T: ITU Telecommunication (tổ chức viễn thông quốc tế - ban viễn thông). o ITU-R: ITU Radio  ETSI: European Telecommunication Standards Institute (Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu).  IEEE: Institute of Electronics and Electrical Engineering (Viện kỹ thuật điện – điện tử) của Mỹ.  FCC: the Federal Communications Commission: Ủy ban truyền thông liên bang. 1.4. Mạng số (Digital Network). 1.4.1 Ƣu điểm của mạng số so với mạng tƣơng tự. - Thông tin số có thể nén được tín hiệu một cách hiệu quả và dễ dàng, do đó có thể tiết kiệm băng truyền (về mặt băng tần và tốc độ truyền). - Thông tin số có tính chống lỗi cao hơn hẳn hệ thống tương tự (cụ thể là phát hiện lỗi và sửa lỗi). Đó là do tín hiệu số là sự kết hợp của một số hữu hạn các ký hiệu. Mặt khác bộ khôi phục tín hiệu (re-generator) trong thông tin số cho phép khôi phục lại tín hiệu trên đường truyền (do nhiễu và suy giảm) một cách hiệu quả và chính xác hơn so với bộ khuếch đại (amplifier) trong hệ thống tương tự. - Thông tin số có thể ghép kênh TDM nên nâng cao hiệu quả sử dụng. - Rẻ hơn. 8 - Thông tin số sử dụng miền tấn số rời rạc 9 1.4.2 Các phƣơng thức liên lạc của mạng số. a. Đơn công (Simplex). Tuyến thông tin đơn công được định nghĩa là một phương thức truyền thông tin trong đó dòng thông tin chỉ thực hiện theo một hướng từ thiết bị phát tới thiết bị thu. Ví dụ: Phát thanh, phát hình quảng bá…. b. Bán song công (Half Duplex). Là phương thức truyền tin mà thông tin có thể được truyền theo hai hướng, giữa hai thiết bị trao đổi thông tin, tuy nhiên t ại một thời điểm chỉ có một thiết bị phát và một thiết bị nhận. Ví dụ: Hệ thống bộ đàm, máy Fax... c. Song công (Duplex). Là phương thức truyền tin mà thông tin có thể được truyền theo hai hướng tại cùng một thời điểm giữa hai thiết bị trao đổi thông tin. Ví dụ: Điện thoại, truyền hình hội nghị… Đơn công A B Bán song công t1 A t2  t1 B Song công t1 A t2 = t1 B Hình 1.4.2: Các phương thức truyền thông tin 10 1.4.3 Các tham số cơ bản của mạng số. a. Độ rộng băng tần (Bandwidth). Độ rộng băng tần được hiểu là khoảng tần số cần thiết của một kênh truyền để truyền tín hiệu. Bảng 1.4.3.a thể hiện độ rộng băng tần của một số tín hiệu cơ bản như tín hiệu thoại, tín hiệu âm nhạc, MP3… Băng tần cần phải sử dụng một cách hiệu quả nhất để nhiều nguồn có thể truyền trên một băng tần giới hạn. Tín hiệu thông tin Độ rộng băng tần Tín hiệu thoại 4 KHz MP3 22.05 KHz Phát thanh (Audio) 9 KHz Phát hình (video) 6 MHz Bảng 1.4.3.a: Độ rộng băng tần của một số tín hiệu cơ bản. b. Tốc độ truyền. - Tốc độ truyền thông tin trên một kênh dữ liệu được xác định là tốc độ mà ở đó thông tin nhị phân (các bít thông tin) có thể được truyền từ nguồn tới đích. Đơn vị của tốc độ truyền thông tin là bít/s. Là số bit được truyền đi trong một giây. Các bội số của b/s: 1 Kbit/s = 10 6 bit/s. 1 Gbit/s = 10 9 bit/s. 1 Tbit/s = 10 12 bit/s. Ví dụ 1.4.3.1: Tín hiệu tiếng nói có bề rộng phổ Fa = 4 KHz, mỗi mẫu mã hóa bằng 8 bít. Tần số lấy mẫu bằng tần số Nyquist Fsny = 8 KHz. Vậy tốc độ truyền là 64kb/s. 11 Ghép kênh TDM: Luồng E1 ghép kênh PCM 32 kênh có tốc độ 2.048 Mb/s. Mỗi kênh có tốc độ 64 kb/s, 30 kênh thoại và 2 kênh đồng bộ Luồng T1 ghép kênh PCM 24 kênh có tốc độ 1,544 Mb/s. Mỗi kênh có tốc độ 64 kb/s và kênh 8 kb/s cho đồng bộ và bảo trì. - Tốc độ ký hiệu – Tốc độ Baud: Là tốc độ mà ở đó trạng thái tín hiệu thay đổi khi được quan sát trong kênh thông tin. Hay nói cách khác l à số ký hiệu được truyền đi trong một giây. Ví dụ 1.4.3.2: Trong mã 4B3T, 4 bít được mã hóa thành 3 ký hiệu (+, - ,0), như vậy nếu tốc độ baud là 3baud/s thì tốc độ bít là 4 bít/s. Mã 4B3T Tín hiệu nhị phân Từ mã trước có năng lượng âm Từ mã trước có năng lượng dương 0000 +0- +0- 0001 -+0 -+0 0010 0-+ 0-+ 0011 +-0 +-0 0100 0+- 0+- 0101 -0+ -0+ 0110 00+ 00- 0111 0+0 0-0 1000 +00 -00 1001 ++- -+ 1010 +-+ -+- 12 1011 -++ +- 1100 0++ 0- 1101 +0+ -0- 1110 ++0 -0 1111 +++ - Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal Noise Ratio): Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được định nghĩa như là tỷ số của công suất tín hiệu và công suất nhiễu và thường được tính theo thang dexibel: - SNR tính theo công suất: SNR = 10 lg[ PS ] PN (dB) Trong đó: P S: Công suất tín hiệu. P N: Công suất nhiễu. - SNR tính theo biên độ: SNR = 20 lg[ AS AN ] (dB) Trong đó: |AS|: Biên độ tín hiệu. |AN|: Biên độ nhiễu. 13 Ví dụ 1.4.3.3: Cho tín hiệu x(n) như hình 1.4.3.3a: (n) x(n) 2 1 1 0 1 n 2 0 Hình 1.4.3.3a 1 2 n Hình 1.4.3.3b Tín hiệu được truyền trên kênh có nhiễu cộng (n) như trên hình 1.4.3.3b. Tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR? Giải: Năng lượng của tín hiệu: + ES =  x ( n) 2 = 1 2 + 2 2 =5 n   Công suất của tín hiệu: 1 E S =2.5 2 PS = Năng lượng của nhiễu: + EN =   ( n) n   2 = 1 2 + 1 2 =2 Công suất của nhiễu: PS = 1 E S =1 2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu: SNR = 10 log[ PS ] = 10 lg 2.5 = 3.98 (dB) PN 14 1.4.4. Các nguyên nhân gây ra suy gi ảm trên đƣờng truyền Suy hao đường truyền (Attention) Khi truyền tín hiệu trong môi trường truyền dẫn có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới đường truyền gây ra suy hao tín hiệu. Giả sử tại bên phát tín hiệu có công suất là P vào. Sau đó tín hiệu được truyền đi trên đường truyền tới đầu thu. Tại đầu thu tín hiệu có công suất là P ra. A B Pvào Pra Như vậy khi tín hiệu truyền trên đường truyền bị suy hao và được tính theo công thức: A = 10 lg PVào (dB). PRa Nếu P ra > P Vào thì mạch có khuếch đại với lượng tăng G (Gain): G = 10 lg PRa (dB). PVào Chú ý: 1. Suy hao A có thể được tính theo biên độ: A = 20 lg SVào S Ra (dB). Trong đó: Sra là biên độ của tín hiệu tại đầu thu. Svào là biên độ của tín hiệu tại đầu phát. 2. Suy hao của hai mạch nối tiếp bằng tổng các tiêu hao của các mạch thành phần. 15 P1 P2 X (dB) Y (dB) P3 Gọi Z là suy hao của hai mạch nối tiếp ta có: Z  10 lg P 1 [dB] P3 Z  10 lg Z  10 lg P P2 1 . P3 P2 P P 1 + 10 lg 2  X + Y P2 P3 16 BÀI TẬP CHƢƠNG 1 BT 1-1 Cho cáp đồng, công suất vào đoạn cáp là P vào = 500mW, tại đầu ra ta thu được tín hiệu có công suất P ra = 250mW. Hãy tính suy hao A? BT 1-2 Cho đoạn cáp đồng trục có biên độ điện áp vào Uvào = 5V, khi ra khỏi cáp biên độ điện áp còn Ura = 2,5V. Hãy tính suy hao A? BT 1-3 Cho đoạn cáp quang, tín hiệu vào đoạn cáp quang và ra khỏi đoạn cáp này công suất bị giảm đi một phần năm. Hãy tính suy hao A? BT 1-4 Một tín hiệu vào đoạn cáp quang và ra khỏi đoạn cáp này công suất bị giảm đi còn một phần năm. Hãy tính suy hao A? BT 1-5 Cho suy hao của một đoạn cáp quang là A = 20dB. Hãy tính tỷ số P ra/P vào . BT 1-6: Cho đoạn cáp xoắn đôi có công suất ra P ra = 20mW. Hãy tính công suất vào đoạn cáp biết rằng suy hao trên đoạn cáp là A = 5dB. BT 1-7: Cho kênh truyền dẫn vô tuyến RF. Hãy tính suy hao A trên kênh này, biết rằng biên độ tín hiệu ra giảm đi 10lần so với biên độ tín hiệu vào. BT 1-8: Cho đoạn cáp đồng trục dài 500m có công suất vào P vào = 50mW. Hãy tính công suất P ra? Biết rằng suy hao trên đoạn cáp này là A = 10dB. BT 1-9: Cho tín hiệu x(n) như hình BT1-9a. Tín hiệu này truyền trên kênh có nhiễu cộng γ(n) như hình BT1-9b γ(n) x(n) 3 2 1 1 -1 0 1 2 3 4 Hình: BT1-9a n -1 0 1 2 3 4 Hình: BT1-9b n 17 a) Hãy tính SNR? b) Hãy vẽ dạng tín hiệu vào kênh và ra khỏi kênh? BT 1-10 Cho tín hiệu x(n) như sau: 1 n 5 với 0n5 x(n)= 0 với n còn lại Tín hiệu này truyền trên kênh có nhiễu cộng (n) như sau: 0. 1 với n = 0 0. 2 với n = 1 0. 0 với n = 2 (n) = 0.3 với n = 3 0.4 với n = 4 0 với n = 5 và n còn lại Hãy tính SNR? Hãy vẽ tín hiệu ra khỏi kênh y(n)? 18 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ THÔNG TIN SỐ 2.1. Các phƣơng pháp truyền thông tin. 2.1.1. Truyền tin nhị phân. - Truyền tin nhị phân dùng cáp đơn. Tốc độ truyền dẫn được quyết định theo tốc độ thay đổi điện áp trên kênh truyền. Chính vì vậy tốc độ bị giới hạn bởi băng thông của đường truyền. - Truyền tin nhị phân dùng nhiều cáp song song. Tín hiệu truyền qua kênh có thể sẽ tăng lên tỷ lệ với số cáp sử dụng. Tín hiệu truyền qua có thể duy trì như ở tuyến truyền nhị phân cáp đơn. 2.1.2. Truyền tin đa mức Khi sử dụng truyền tin đa mức M-ary làm tăng dòng thông tin truyền qua hoặc có thể giảm băng thông của mỗi kênh theo yêu cầu. Số lượng các trạng thái bị khống ché bởi khả năng của thiết bị thu để có thể nhận dạng chính xác được từng trạng thái riêng biệt. 2.2. Tốc độ truyền thông tin. Trong thực tế độ rộng băng tần của một đường dẫn vật lý luôn luôn bị giới hạn dẫn đến tốc độ truyền tín hiệu cũng bị giới hạn. Vì vậy băng tần của kênh truyền dẫn là một tài nguyên hữu hạn nên ta cần sử dụng sao cho thật hợp lý và hiệu quả. Tốc độ truyền thông trên một kênh dữ liệu được xác định là tốc độ mà thông tin nhị phân được truyền từ nguồn đến đích. Đơn vị của tốc độ truyền thông tin là bít/giây. Ví dụ: có 32 bít thông tin được truyền đi trong 1ms thì tốc độ truyền thông tin là 32000 bít/giây. 2.3. Tốc độ ký hiệu Tốc độ ký hiệu là số trạng thái tín hiệu thay đổi khi được quan sát trong kênh thông tin. Đơn vị của tốc độ ký h iệu là ký hiệu/giây. Tốc độ ký hiệu còn gọi là tốc độ baund. Ví dụ: một hệ thống sử dụng 4 tần số để truyền 2 bít qua kênh và tần số tha y đổi theo mỗi 0.5ms thì tốc độ ký hiệu là 2000 ký h iệu/ giây ( hoặc là 2000 baund). Mỗi ký hiệu truyền 2 bít nên tốc độ thông tin là 4000b/s 2.4. Hiệu suất sử dụng băng thông Hiệu suất sử dụng băng thông là phép đo khuôn thức điều chế thông tin. Đơn vị của hiệu suất sử dụng băng thông là bít/giây/Hz. 19 Ví dụ: Nếu hệ thống yêu cầu băng thông 4 KHz để truyền thông tin liên tục với tốc độ 8000 b/s thì hiệu suất sử dụng băng thông là: 8000b/s/4000Hz = 2b/s/Hz. 2.5. Tính toán dung lƣợng kênh 2.5.1. Những hạn chế do băng thông hữu hạn Để xác định được tốc độ lớn nhất mà dữ liệu có thể truyền qua kênh thì ta phải biết tốc độ ký hiệu lớn nhất và kênh có thể hỗ trợ. Băng thông cần thiết nhỏ nhất để truyền thông không lỗi trên băng tần cơ bản được tính theo công thức sau: Bmin = 0.5 * 1/TS (Hz) Trong đó Ts là chu kỳ ký hiệu. Dung lượng của kênh truyền dẫn băng cơ bản với băng thông B (Hz) là: C = 2B log2M (bít/s) 2.5.2. Giới hạn dung lƣợng kênh do tạp âm Khi các trạng thái ký hiệu tăng lên (M tăng), khả năng phân biệt các ký hiệu của máy thu trong điều kiện có tạp âm giảm. Vì vậy tỷ lệ giữa công suất tín hiệu S và công suất tạp âm N là một yếu tố quan trọng trong việc quyết định có bao nhiêu trạng thái có thể được sử dụng mà vẫn đạt được yêu cấu truyền thông không lỗi. Ảnh hưởng của băng thông hữu hạn B và tín hiệu hạn chế với tỷ số S/N được Shannon đưa ra đ ầu tiên. Biểu thức tính giới hạn dung lượng Shannon – Hartley để truyền thông không lỗi như sau: C = B log2(S/N + 1) (bít/s) Định lý Shannon – Hartley chỉ ra rằng nến thông tin cần truyền nhỏ hơn giới hạn dung lượng Shannon C thì có thể truyền dẫn không lỗi. Nếu truyền thông tin ở tốc độ lớn hơn C thì sẽ luôn xẩy ra lỗi dù thiết bị được thiết kết tốt như thế nào. 2.6. Lấy mẫu  Định nghĩa điều chế: - Điều chế trên băng tần cơ bản: là làm biến thiên tín hiệu từ dạng cơ bản sang một dạng khác nhưng tin tức chứa trong băng tần phải giữ nguyên.  Định nghĩa tần số: Cho một tín hiệu có tần số f = 50Hz nên tần số góc  = 2f = 100 (rad/s) cos   1 j (e + e  j ) 2 20