Tài liệu Truyền thông số

Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số Bài 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Nội dung: 1. Quá trình phát triển 2. Hệ thống thông tin số 3. Tín hiệu và phân tích tín hiệu 4. Tín hiệu ngẫu nhiên 1 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN Sơ lược quá trình phát triển các hệ thống thông tin số: - 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, …… 2 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 2. HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát: 3 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 2. HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin số: 4 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Định nghĩa tín hiệu: Tín hiệu là một biểu diễn vật lý của thông tin, biến thiên theo thời gian, không gian hay các biến độc lập khác. Ví dụ: s (t )  10t s ( x, y )  3x  2 xy  5 y 2 5 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Phân loại tín hiệu: - Tín hiệu đa kênh: được tạo từ nhiều nguồn tin khác nhau - Tín hiệu một chiều: tín hiệu là hàm theo một biến đơn - Tín hiệu M chiều: tín hiệu là hàm theo M biến - Tín hiệu thực hay phức 6 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Tín hiệu xác định Tín hiệu ngẫu nhiên - Biết rõ sự biến thiên của tín hiệu theo thời gian - Không biết chắc chắn về sự biến thiên của tín hiệu - Biết rõ giá trị của tín hiệu tại tất cả các thời điểm - Không biết chắc giá trị của tín hiệu trước khi nó xuất hiện - Mô hình toán học: biểu diễn bằng hàm theo biến t hoặc đồ thị - Mô hình toán học: biểu diễn bằng xác suất hoặc các trị trung bình thống kê 7 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU • Tín hiệu tuần hoàn: - Lặp lại theo một chu kỳ nào đó s(t) = s(t + T0 ) for • Tín hiệu không tuần hoàn: - Không có sự lặp lại - < t <  8 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Tín hiệu vật lý và tín hiệu toán học: 9 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Tín hiệu liên tục, rời rạc, lượng tử và số 10 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Các đại lượng đặc trưng: - Độ dài - Trị trung bình của một tín hiệu: - Trị trung bình của tín hiệu tuần hoàn: - Trị trung bình của một tín hiệu vật lý: - Thành phần DC 11 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Tín hiệu năng lượng: năng lượng dương hữu hạn, công suất TB=0 T Ex  lim  | s (t ) |2 dt , 0  Ex   T  T Tín hiệu công suất: năng lượng vô hạn và công suất dương hữu hạn T /2 1 2 Px  lim | s ( t ) | dt , 0  Px    T  T T / 2 Trị hiệu dụng RMS (root mean square): Vrms  Px 12 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Phổ của tín hiệu tuần hoàn – Chuỗi Fourier: Tín hiệu tuần hoàn s(t) chu kỳ T0: s(t )   j 2 n t / T0 A e  n n  T0 / 2 1  j 2 n t / T0 jAn An  s ( t ) e dt  A e n T0 T0 / 2  S ( f )   s(t )e j 2ft dt  S ( f ) e jS ( f )  Phổ biên độ: chẵn Phổ pha: lẻ 13 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Mật độ phổ: Mật độ phổ năng lượng ESD (Energy Spectral Density): G( f )  X ( f ) (J / Hz) 2  Ex   x(t )  2    0 dt   G ( f )df  2  G ( f )df Mật độ phổ công suất PSD (Power Spectral Density): T /2   1  S ( f )  FT R ( ) FT  lim s (t ) s (t   )dt  (W / Hz ) T  T  T / 2   S( f )    n   An  ( f  nf 0 ) if s (t ) is a periodic signal with period T0  1 / f 0 2 T /2   1 2 Ps  lim s (t ) dt   S ( f )df  2  S ( f )df T  T  T / 2  0 14 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Băng thông của tín hiệu: 1 Băng thông -3dB 0 .9 PSD 0 .8 Băng thông null-to-null 0 .7 0 .6 Băng thông -35dB 0 .5 0 .4 Băng thông -50dB 0 .3 0 .2 0 .1 0 -5 0 f0 -4 0 -3 0 -2 0 -1 0 0 10 20 30 40 50 15 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Tự tương quan (Autocorrelation): • Tín hiệu năng lượng & thực:  R ()   x ( t ) x ( t  )dt  1. R ()  R ( ) 2. 3. R ()  R (0) R () F  G (f )  4. R ( 0)  2 x  (t)  16 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU Tự tương quan (Autocorrelation): Tín hiệu công suất: T/2 1 R ()  lim x ( t ) x ( t  )dt  T  T T / 2 Tín hiệu thực tuần hoàn: 1 T /2 R ()  x(t )x(t  )dt  T0 T / 2 0 0 17 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 4. TÍN HiỆU NGẪU NHIÊN (RANDOM SIGNAL) Các hàm phân bố và mật độ xác suất: Tại thời điểm t1, các giá trị của tín hiệu ngẫu nhiên là các biến ngẫu nhiên ( t ) có thể lấy một trong các giá trị sau: 1 1 ( t 1 ),  2 ( t 1 ),...,  i ( t 1 ) Hàm phân bố xác suất CDF (cumulative distribution func.) cấp 1: F ( x , t )  p ( t )  x 1 1  1  Hàm mật độ xác suất PDF (probability density func.) cấp 1: f1 ( x, t 1 )  F1 ( x , t 1 ) x 18 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 4. TÍN HiỆU NGẪU NHIÊN (RANDOM SIGNAL) Trị trung bình theo tập hợp:  • Giá trị kỳ vọng: m1 ( t )  xf1 ( x, t )dx • Trị trung bình bình phương: • Phương sai:  m 2 (t)   2  (t)  x 2 f1 ( x , t )dx x  m1 ( t ) f1 ( x, t )dx  m 2 ( t )  m1 ( t ) 2 2 • Độ lệch chuẩn: căn bậc 2 của phương sai • Moment hỗn hợp cấp 2: m 2 (t1 , t 2 )     x x 1    f ( x 1 , t 1 , x 2 , t 2 )dx 1dx 2 2 2 19 Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Khoa Điện tử - viễn thông Thông Tin Số 4. TÍN HiỆU NGẪU NHIÊN (RANDOM SIGNAL) 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: 2  1 1x  f (x)  exp      2  2     Phân bố Gausse 20