Tín hiệu và phổ của tín hiệu

Mục tiêu của học phần  Sau khi hoàn tất môn học sinh viên phải:  Hiểu được chức năng và nguyên lí hoạt động của các modun trong hệ thống thông tin... Như vậy HTTQ và mật độ phổ CS là

BỘ MÔN VIỄN THÔNG

 Cơ sở viễn thông là môn học cơ sở bắt

buộc của chuyên ngành Điện tử viễn

thông

 Cung cấp nền tảng cở sở về kiến thức

cho các môn học thuộc hệ thống viễn thông, hệ thống thông tin

Mục tiêu của học phần

 Sau khi hoàn tất môn học sinh viên

phải:

 Hiểu được chức năng và nguyên lí hoạt động

của các modun trong hệ thống thông tin.

 Nắm được các kĩ thuật biến đổi tương tự - số:

điều chế PCM, Delta; kĩ thuật điều chế số:

ASK, PSK, FSK; điều chế tương tự: AM, FM;

kĩ thuật ghép kênh: TDM, FDM

Nhiệm vụ của sinh viên:

 Dự lớp: trên 75%

 Bài tập: trên lớp và ở nhà

 Khác: theo yêu cầu của giảng viên

Phân bố thời gian

 Lên lớp: 45 tiết

 TT phòng thí nghiệm: 0 tiết

 Thực hành: 0 tiết

 Tự học: 90 tiết

 Dự lớp: trên 75%

 Thảo luận theo nhóm

 Tiểu luận: không

 Kiểm tra thường xuyên

 Thi giữa môn học

 Thi kết thúc môn học

 Khác: theo yêu cầu của giảng viên

[2] Herbert Taub, Donald L Schilling,

Principles of Communication Systems, 2nd Edition, Mc Graw Hill, 1987

 Chương 1: Tín hiệu và phổ

 Chương 2: Điều chế và giải điều chế tương tự

 Chương 3: Điều chế và giải điều chế số

 Chương 4: Mã hóa kênh truyền

 Chương 5: Đồng bộ kênh truyền

 Chương 6: Ghép kênh và đa truy cập

 Chương 7: Kĩ thuật trải phổ

 Chương 8: Mã hóa nguồn

 Chương 9: Kỹ thuật mã hóa và giải mã dữ liệu

 Chương 10: Khảo sát kênh truyền Fading

Nôi dung môn học(tt)

 1.1 Lý thuyết tín hiệu

 1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu

 Chương 2 Điều chế và giải điều chế tương tự

 Chương 3 Điều chế và giải điều chế số

 3.1 Điều chế dịch biên ASK.

 3.2 Điều chế dịch tần FSK.

 3.3 Điều chế dịch pha PSK

 3.4 Điều chế dịch biên trực pha QAM

 3.5 Điều chế dịch pha tối thiểu MSK

 3.6 Giải điều chế số

 Chương 4 Mã hóa kênh truyền

 4.1 Mã kiểm tra chẵn lẻ (Parity Check Codes)

 4.2 Mã khối tuyến tính (Linear Block Codes)

 Chương 5: Đồng bộ kênh truyền

 6 Ghép kênh và đa truy nhập

 6.1 Các kỹ thuật đa truy cập/ghép kênh

 6.1.1 Đa truy cập, ghép kênh theo tần số FDMA

 6.1.2 Đa truy cập, ghép kênh theo thời gian TDMA

 6.1.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

 6.1.4 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA

 6.1.5 Thuật toán đa truy cập

 6.5.1 ALOHA thuần

 6.5.2 ALOHA chia khe

 6.5.3 Kỹ thuật polling

 6.5 Đa truy cập trong thông tin vệ tinh

 6.6 Kỹ thuật đa truy cập cho mạng cục bộ (LAN)

 6.6.1 CSMA/CD

 6.6.2 Mạng Token-Ring

 Chương 7: Kỹ thuật trải phổ

 7.1 Giới thiệu

 7.2 Trải phổ trực tiếp (Direct spread)

 7.3 Trải phổ bằng phương pháp nhảy

 Chương 8: Mã hóa nguồn

 8.1 Lượng tử hóa

 8.2 Điều chế xung mã

 8.3 Mã hóa khối (Block coding)

 8.4 Mã hóa nguồn cho dữ liệu số

 8.4.1 Giới thiệu

 8.4.2 Mã hóa Huffman

 8.4.3 Mã hóa run-length

 Chương 9: Kĩ thuật mã hóa và giải mã

 9.1 Giới thiệu về hệ thống mật mã hóa

 9.2 Cơ bản về mã hóa

 9.3 Khả năng giấu thông tin của hệ thống

mã hóa

 9.4 Các phương pháp mã hóa

 9.5 Mã hóa chuỗi dữ liệu

 9.6 Hệ thống mã hóa sử dụng khóa công

cộng

Nôi dung môn học(tt)

 Chương 10: Kênh truyền fading

 10.1 Thách thức của hệ thống thông tin trên

kênh truyền fading

 10.2 Đặc tính truyền của sóng di động

 10.3 Fading phẳng và Fading chọn lọc tần số

 10.4 Biến thiện theo thời gian của kênh truyền

do chuyển động

 10.5 Các phương pháp làm giảm ảnh hưởng

của kênh truyền fading

Chương 1: Tín hiệu và phổ

 Chương 1: Tín hiệu và phổ

 Chương 2: Điều chế và giải điều chế tương tự

 Chương 3: Điều chế và giải điều chế số

 Chương 4: Mã hóa kênh truyền

 Chương 5: Đồng bộ kênh truyền

 Chương 6: Ghép kênh và đa truy cập

 Chương 7: Kĩ thuật trải phổ

 Chương 8: Mã hóa nguồn

 Chương 9: Kỹ thuật mã hóa và giải mã dữ liệu

 Chương 10: Khảo sát kênh truyền Fading

 1.1 Lý thuyết tín hiệu

 1.1.2 Tín hiệu và thông tin

 1.1.2 Năng lượng và công suất tín hiệu

 1.1.3 Mật độ phổ tín hiệu

 1.1.4 Tự tương quan

 1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu

 1.2.1 Quá trình ngẫu nhiên

 1.2.2 Tín hiệu ngẫu nhiên

 1.2.3 Nhiễu

 1.2.4 Mật độ phổ công suất của các tín hiệu ngẫu nhiên

 1.2.5 Nhiễu trong các hệ thống viễn thông

1.1.1 Tín hiệu và thơng tin

 Khái niệm tín hiệu : là sự biểu hiện vật lý

của tin tức mà nĩ mang từ nguồn tin đến

 Khái niệm thơng tin:

 Thơng tin là nội dung mà tín hiệu thơng tin thể hiện:

Đó là tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh, số liệu,… Thơng tin có tính bất ngờ đối với người nhận tin do không được biết trước

1.1 Lý thuyết tín hiệu

1.1.2 Năng lượng và công suất tín hiệu

 Năng lượng của tín hiệu E x :

 Với tín hiệu có thời hạn vô hạn:

tín hiệu x là tín hiệu năng lượng

0 < E x < ∞ ⇒

Nếu

1.1.2 Tín hiệu năng lượng có thời hạn hữu hạn

b Xung tam giác Λ ( ) t

1.1.2 Tín hiệu năng lượng có thời hạn hữu hạn (tt)

T t

x X tdt

πω

πω

1.1.2 Tín hiệu năng lượng có thời hạn vô hạn

b Tín hiệu sin suy giảm theo hàm mũ

ω ω ω

sin

0 ( )

t

t t

0 0

sin

t 0 ( )

1.1.2 Năng lượng và công suất tín hiệu

 Công suất trung bình của tín hiệu

x t dt P

 Với tín hiệu có thời hạn vô hạn:

 Với tín hiệu tuần hòan:

2 0

1

( )

T x

1.1.2.1 Tín hiệu CS không tuần hòan 1.1.2.2 Tín hiệu tuần hòan

1.1.2 Năng lượng và công suất tín hiệu

a Bước nhảy đơn vị 1(t)

0 t < 0

x t t

1 2

0 t < 0

t

X e

x t

a Tín hiệu điều hòa

 1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu

1.2.1 Quá trình ngẫu nhiên 1.2.2 Tín hiệu ngẫu nhiên 1.2.3 Nhiễu

1.2.4 Mật độ phổ công suất của các tín hiệu ngẫu nhiên 1.2.5 Nhiễu trong các hệ thống viễn thông

Phổ của tín hiệu năng lượng được xác định bởi biến đổi thuận Fourier Biến đổi Fourier là một công cụ tóan được định nghĩa

là một cặp biến đổi thuận – ngược như sau:

Định nghĩa

[ ] ( ) ( ) ( ). j t

x t t − ↔ X ω e − ω

( ) 00

7 Tính chất dịch chuyển trong miền tần số (điều chế)

9 Vi phân trong miền thời gian

( )

n

n n

2 2

Các tính chất của phổ(tt)

1.1 Lý thuyết tín hiệu(tt)

 1.1.3 Mật độ phổ tín hiệu(tt)

11 Tích chập trong miền thời gian

13 Phổ của hàm tương quan và tự tương quan

ω ϕ

ω ω   ω  ÷

 

↔ Λ

2 0

1.1.3.1 Mật độ phổ năng lượng

1.1.3.2 Mật độ phổ công suất

a Tín hiệu công suất không tuần hòan

b Tín hiệu tuần hòan

Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu năng lượng là đại lượng φ ω ( ) = X ( ) ω 2

Như vậy năng lượng của TH có thể được xác định theo 3 cách sau:

Khi thay τ = 0 vào HTTQ ta có:

Năng lượng một dải tần ∆ω = ω2- ω1

Ví dụ: Tìm mật độ phổ năng lượng và năng lượng của tín hiệu x(t) = e-αt1(t) ( α >0)

1.1.3.1 Mật độ phổ năng lượng

1.1.3.2 Mật độ phổ công suất

a Tín hiệu công suất không tuần hòan

b Tín hiệu tuần hòan

1.1 Lý thuyết tín hiệu(tt)

 1.1.3 Mật độ phổ tín hiệu(tt)

a Tín hiệu công suất không tuần hòan

Ta có HTTQ của THCS x(t):

/ 2

1 lim

T

T

T

x t x t dt T

j T

T

j t T

T T

j T

T T

x t x t dt e d T

1.1.3.2 Mật độ phổ công suất

Như vậy HTTQ và mật độ phổ CS là cặp biến đổi Fourier giới hạn

ϕ τ ↔ ψ ω

trong đó φT( ω ) là mật độ phổ năng lượng của tín hiệu

xT(t) = x(t) Π (t/T) tức x(t) được xét trong khỏang thời

 Công suất của TH

Như vậy CS của tín hiệu có thể được xác định theo các cách sau: (1) Tính trực tiếp từ trị trung bình bình phương tín hiệu Px = <x2> (2) Tính từ hàm tự tương quan Px= ψ (0).

1.1.3.1 Mật độ phổ năng lượng

1.1.3.2 Mật độ phổ công suất

a Tín hiệu công suất không tuần hòan

b Tín hiệu tuần hòan

ψn = Xn 2 là hệ số khai triển Fourier của HTTQ

Mật độ phổ công suất của THTH là phổ của HTTQ

b Tín hiệu tuần hòan

1.1 Lý thuyết tín hiệu(tt)

 1.1.3 Mật độ phổ tín hiệu(tt)

1.1.3.2 Mật độ phổ công suất(tt)

Công suất được xác định từ mật độ phổ công suất :

Với tín hiệu thực, phổ biên độ là hàm chẵn, do đó

b Tín hiệu tuần hòan(tt)

1.1.3.2 Mật độ phổ công suất(tt)

 1.1 Lý thuyết tín hiệu

1.1.2 Tín hiệu và thông tin 1.1.2 Năng lượng và công suất tín hiệu 1.1.3 Mật độ phổ tín hiệu

1.1.4 Tự tương quan

 1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu

1.2.1 Quá trình ngẫu nhiên 1.2.2 Tín hiệu ngẫu nhiên 1.2.3 Nhiễu

1.2.4 Mật độ phổ công suất của các tín hiệu ngẫu nhiên 1.2.5 Nhiễu trong các hệ thống viễn thông

Chương 1 Tín hiệu và phổ

a Hệ số tương quan

b Hàm tương quan

a Hệ số tương quan

Hệ số tương quan giữa hai tín hiệu được định nghĩa như sau:

( ) ( )

2

( ) ( )

, , ( )

, , , ,

1.1 Lý thuyết tín hiệu(tt)

1.1.4 Tự tương quan

 HTQ tín hiệu năng lượng

 HTQ tín hiệu công suất

a Hàm tương quan

⇒ Hàm tự tương quan của tín hiệu thực là hàm chẵn

⇒ Năng lương của tín hiệu = giá trị HTTQ khi τ = 0

a Hàm tương quan(tt)

 HTQ tín hiệu năng lượng

• Ví dụ 1: Tìm hàm tương quan của hai tín hiệu sau:

Hàm tương quan THCS không tuần hòan

• Ví dụ 1: Tìm hàm tự tương quan của x(t) = X1(t)

Hàm tương quan tín hiệu tuần hòan

 1.1 Lý thuyết tín hiệu

 1.1.2 Tín hiệu và thông tin

 1.1.2 Năng lượng và công suất tín hiệu

 1.1.3 Mật độ phổ tín hiệu

 1.1.4 Tự tương quan

 1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu

 1.2.1 Quá trình ngẫu nhiên

 1.2.2 Tín hiệu ngẫu nhiên

 1.2.3 Nhiễu

 1.2.4 Mật độ phổ công suất của các tín hiệu ngẫu nhiên

 1.2.5 Nhiễu trong các hệ thống viễn thông

1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu

Ví dụ Hệ thống thông tin cơ bản

 Quá trình ngẫu nhiên là quá trình xảy

ra không theo quy tắc nhất định

 Quá trình ngẫu nhiên tuân theo các

quy luật sác xuất thống kế như: trung bình thống kê, hệ số tương quan, tự

tương quan, tương quan chéo

1.2.1 Quá trình ngẫu nhiên

 Nhắc lại:

 Tín hiệu là biễu diễn vật lý của thông tin.

 Nếu biết được thông tin luôn biểu diễn toán

học tín hiệu theo thời gian thông tin không có

ý nghĩa

 Thực tế: không biết trước thông tin Tin tức

là một quá trình truyền tín hiệu ngẫu nhiên (đặc điểm thống kê của tín hiệu)

1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu

1.2.2 Tín hiệu ngẫu nhiên

Tín hiệu ngẫu nhiên là tín hiệu tuân theo quá trình ngẫu nhiên không biết trước

 Trong quá trình truyền tin, tín hiệu luôn luôn bị

nhiều yếu tố ngẫu nhiên tác động vào, làm mất

mát một phần hoặc thậm chí có thể mất toàn bộ

thông tin chứa trong nó

 Những yếu tố ngẫu nhiên đó rất đa dạng, chúng có

thể là những thay đổi ngẫu nhiên của các hằng số vật lý của môi trường truyền qua hoặc những loại trường điện từ cảm ứng trong công nghiệp, y

học…vv…

 Trong vô tuyến điện, người ta gọi tất cả những yếu

tố ngẫu nhiên ấy là các can nhiễu (hay nhiễu)

1.2.3 Nhiễu

Theo quan điểm thống kê, tín hiệu và nhiễu được coi là các quá trình ngẫu nhiên Đặc trưng cho các quá trình ngẫu nhiên chính là các quy luật thống

kê (các hàm phân bố và mật độ phân bố) và các đặc trưng thống kê (kỳ vọng, phương sai, hàm tự tương quan, hàm tương quan)

1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu

1.2.4 Mật độ phổ công suất của các

tín hiệu ngẫu nhiên

Xem lại phần Mật độ phổ tín hiệu- Lý thuyết tín hiệu

1.2.5 Nhiễu trong các hệ thống viễn thông

1.2 Tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu

Nhiễu trong hệ thống

Nhiễu ngoài hệ thống

Nhiễu ngẫu nhiên

 Chương này giới thiệu tổng quát các

khái niệm về tín hiệu, thông tin và

nhiễu trong hệ thống viễn thông, phần quan trọng nhất là các đặc tính của tín hiệu và phân tích phổ tín hiệu