Hệ thống thông tin có th ể được thực hiện giữa một hay nhiều nguồn p h á t tin đồng thời đến một hay nhiều nơi n h ậ n tin, do đó ta có kiểu thông tin một đường, đa đường, phương thức th
ĐẠI HỌC QUỐC G ĨA T P H C H Í M INH TRƯỜNG ĐẠ I HỌC B Á C H K H O A Vữ Đ inh T hành GIÁO TRÌNH NGUN LÝ THƠNG TIN TƯƠNG T ự - SỐ (Tái lầỉUthứ ìiai) NHẢ XUẤT BẢ N P Ạ I H Ọ C Q tlổ C G IA TP HÔ CH Í M IN H - 2012 • • -• I GT.03.TH(V) -J55-2012/CXB/150-08 TH.GT.286-12(lf ĐHQG.HCM-12 - - r-—— - :-y MỤC LỤC Lời n ó i đ ầ u C hư ơng T Ổ N G Q U Á T V Ề H Ệ T H Ố N G T H Ô N G T I N 1.1 Các yếu tố tủa hệ thống th ô n g t i n 1.2 Điều chế m ã h ó a 12 C hương T Í N H I Ệ U V À P H Ổ 17 2.1 Phổ tuyến tín h chuỗi F ourier 17 2.2 Tích phân fourier phổ liên t ụ c 22 2.3 Khối lọc tín hiệu tuyến tín h b ấ t b i ế n 25 2.4 Hàm tương quan m ậ t độ p h ổ 27 2.5 Biến ngẫu nhiên h àm xác s u ấ t 31 2.6 Giá trị thống k ê 33 2.7 Mơ hình xác s u ấ t 36 2.7 Tín hiệu ngẫu n hiên n h i ễ u 39 Bài tập chựơng Tín hiệu p h ổ 47 C hương T H Ô N G T I N T Ư Ơ N G T ự 51 3.1 Điều chế tuyến t í n h 51 3.2 Điều chế hàm m ũ .75 3.3 Hệ thống thông tin tương tự .' 92 Bài tập chương Thông tin tương t ự 106 C hương X Ử L Ý T R U Y Ề N T H Ô N G T Ư Ơ N G T ự - s ố 108 4.1 Lấy mẫu tín hiệu có băng tầ n giới h n 108 4.2 Điều bìẽn xung ghép kênh th i g i a n 111 • 4.3 Băng thơng tín hiệu ghép k ên h T D M 113 4.4 Phổ tín hiệu lấy m ẫ u 115 4.5 Lượng tử hóa tín h iệ u 122 4.6 Hệ thống điều chế xung mà (PCM) 124 4.7 Hệ thống ghép kênh PC M 128 4.8 Điềư chế xung mã vi sai (DPCM) 134 4.9 Điều chế Delta (AM) 136 Chương T H Ô N G T I N s ố .138 5.1 Điều chế dịch biên A SK 139 5.2 Điều chế dịchpha P S K 142 5.3 Điều chế dịchtần FSK 167 5.4 Điều biên trực pha QAM 177 5.5 Điều chế dịchpha tối thiểu M SK 181 5.6 Kỹ thuật điềuchế OFDM 189 Bài tập chương Thông tin s ố 218 Chương K Ỹ T ắ V Ậ T T R Ả I P H Ổ 220 6.1 Chuỗi tín hiệu nhị Ỹ>hân giả ngẫu nhiên (PR BS) 221 6.2 Kỹ thuật trải phổ cách phân tá n phổ trực tiếp 225 6.3 Kỹ thuật trải phổ phương ph^p nhảy tần số .239 6.4 Hệ thống thông tin MC-CDMA 244 Giải tậ p c h n g T Í N H IỆ U VÀ P H Ổ 255 Giải tậ p c h n g TH Ô N G T I N TƯƠNG T ự 268 Giải tậ p c h n g 5: T H Ô N G T I N S Ô 272 T i liệu t h a m k h ả o 277 Lời nói đầu Trong n h ữ n g n ă m qua, kỹ thuật ưiễn thơng có n h ữ n g bước tiến không n g n g với tốc cĩộ cực nhanh N hiều kỹ th u ậ t v c ô n g nghệ mói đà r a đời sau dó nhanh chóng trở nên lạc h ậ u khir kỹ thuật tiến hơn, có nhiều ưu điểm lại p h t minh sau Đơn cử ví d ụ ưề hệ thống diện thoại d i đ ộ n g GSM, phát m in h vù sử dụng vòng chục n ă m trở lại đ y, lại trở n ê n n h a n h chóng lạc hậu so ƯỞỈ hệ th ố n g d i đ ộ n g CDMA số vừa có s ố k ê n h liên lạc lớn, chất lượng tốt vả k è m theo nhiều dịch vụ hấp dẫn người sử dụng Trong lĩnh vực đào tạo điện tử viển thông, song song với : nguyên lý thông tin tương tự số cổ điển dà dược khai thác nghiên cửu n h iề u giáo trình kinh điển, tài liệu k ỹ th u ậ t phải luôn cập nliật nguyôn lý đ iề u c h ế \ truyền số, chẳng h n k ỹ thu ật QAM, OFDM, kỹ thuật tr ả i phổ, Giáo trìn h " N g u y ê n l ý t h ô n g t i n t n g t ự • số* b iê n so n nhầm mục đích cung cấp kiến thức sở tín hiệu - p h ổ phương thức đ i ề u c h ế cổ điển (điêu ch ế tương tự A M , F M , P M điều chế sổ A S K , F S K , PSK) phương thức đ iề u c h ế I (đ iều chịỊ g h é p k ê n h PCM, đ iều c h ế QAM, M S K ) N ộ i d u n g giáo trình k h ô n g n h m phân tích kỹ thuật điều ch ế q u a n I điềm m ạch điện oà th iế t k ế chi tiết>m có đ ịn h hướng t ì m r a mô h ìn h toán học tổ n g q u t cho loại tín hiệu p h ổ trước sau điều chế, ảnh hướng nhiễu lên chất lượng thông tin, m ố i liên Ị quan xác suất th u sai tín hiệu với tỉ số tín hiệulnhiễu M h ìn h có t h ể dược sứ d ụ n g cho nhiều kiểu điều chế giải d iề u c h ế khác mà không làm thay đổi tính chất tổng quát phư ơng ! pháp ỉ Giáo trình có t h ề sử dụng làm tài liệu học tập, g iả n g d y chuyên ngành viễn thông làm tài liệu sở cho nghièìì cứu f chuyên sâu Giáo trình xuất lần đầu tiẽn, có s ự th a m ị khảo từ nhiều ĩXRiLồ n tài l i ệu k hác n h a u , chắn k h ô ng t r n h k h ô i » thiếu sót Tác g iả lu n m ong m uốn tiếp nhận n h ữ n g p h ả n hồi từ nhà chuyên m ôn, nhà nghiên cứu, từ g iảng viên ị sinh viên, nội d u n g hình thức giáo trình đ ể có t h ể h iệ u H chỉnh hoàn thiện lần xuất bần sau íỊy • Tác giở c h â n th n h cảtn ơn thầy cô cán giảng dạy Bộ môn Viễn T hông, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa - I ĐHQG T P H C M , trợ giúp nhiều tài liệu đóng góp cơng sức cho việc ỉìồtì th n h giáo trình Địa c h ỉ liên hệ: Bộ mơn Viễn Thơng, Khoa Điện • Điện Từ, : Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TPHCM, số 269 Lý Thường Kiệt Q.10, ĐT: 08.8657296, Email: vdthanh@licmut.èdu.vn s Ị Ị Tác giả • PGS-TS Vũ Đình T hành ! Ị Chương TÔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hệ thống thông tin định nghĩa hệ thống chuyển tải tin tức từ nguồn p h t tin đến nơi nhận tin m ột khoảng cách Nếu khoảng cách thơng tin lớn so với kích thước cưa th iết bị (cự ly thơng tin xa), ta có hệ thống viễn thơng Hệ thống thơng tin có th ể thực hay nhiều nguồn phát tin đồng thời đến hay nhiều nơi n h ận tin, ta có kiểu thơng tin đường, đa đường, phương thức thông tin chiều, hai chiều nhiều chiều Mơi trường thồng tin có th ể dạng hữu tuyến vô tuyến, chẳng hạn dùng dây truyền sóng, cable truyền tin sóng điện từ vơ tuyến *4 1.1 CÁC YẾU TỐ CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN 2- T in tứ c v tín h iệ u Tin tức yếu tô trung tâm m ột hệ thống thông tin Mục tiêu hệ thống lả chuyển tải tái lập lại tin tức nơi nhận tin cho nội dung cùa tin tức không đổi so với nơi ph át có th ể hiểu được, chấp n h ận Tin tức xuất nhiều dạng khác nhau, chia thành hai loại: dạng tương tự dạng số Tin tức dạng tương tự th ể đại lượng vật lý biên thiên liên tục đặn theo thời gian, chẳng hạn tín hiệu âm thanh, hình ảnh, tín hiệu đo lường nhiệt độ, áp suất, Tiêu chí quan trọng hệ thống thông tin tương tự trung thực tín hiệu nơi nhận tin so với nơi phát tin Tin tức dạng số th ế d ạn ,' li.Ịt chuỗi ký hiệu ítược chọn từ tập hợp hữu hạn ký hiệu rời rạc, h n ; CHƯƠNG lai&ầg -■• -■ -L chuỗi ký Ví chừ sơ xt m ột văn bán, chuổi bit luận lý đọc từ file dừ liệu Tiêu chí quan trọng hệ thông thông tin số độ chinh xác cùa chuỗi ký tự nhận (hoặc tị số lỗi bit nhận được) tín h m ột khoảng thời gian nhất_định cua q t rình thơng tin. Về m ặt vật lý, tin tức xuất dạng tín hiệu, thơng thường tín hiệu điện Trong mơ hình hệ thống thơng tin hình 1.1, tin tức chuyển đổi thành tín hiệu điện ngược lại nhờ cảm biến phát cám biến thu H ìn h 1.1 Mơ hình hệ thống thông tin Như hệ thông thơng tin, tín hiệu vật lý chuyển Ị tải tín hiệu ,điện, xử lý trê n sở khối mạch điện tử Các cảm biến pí&t thu, phần tử chuyển đổi dạng thức v ậ t lý cưa tin tứ£, ảnh hưởng r ấ t lớn đến độ trung thực hoăc độ tin cậy hệ thống th ông tin Việc kháo sát đặc tính phi tuyến giới hạn dải động, dái tầ n số hoạt động, cám biến không nằm nội dung trình bày mơn học 2- S đồ kh ố i tổng q u t h ệ th ố n g th ô n g tin Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng qt hệ thống thơng tin Hình 1.2 giđi thiệu sơ đồ khối tổng quát hệ thốngii thơng tin, tín hiệu p h t thu lan truyền trQng môi* trường xem dạng tín hiệu điện (các khối cảm biếạl t ố n g q u a T v ế H Ệ THỐNG THÔNG TIN p h t v cảm b iế n thu h ìn h 1.1 xem th ậc nguồn p h t tin hoăc nơi n h ận tin) Sơ đồ khôi gồm ba p h ầ n chính: • K p h t có chức xử lý tín hiệu tin tức cung cấp vào môi trư n g th ô n g tin m ột tín hiệu có dạng thức phù h ợ p với đác tín h cua m i trư n g ,"v i đỉều kiệrrtA-nội đũiYg tín tứ c tru y ề n k h ô n g t h a y đ Ả’i Khối p h t có thế’ gồm p h ần m h ó a , điều c h ế ị khuếch đại pháv • M trư n g thông tin m ột môi trường v ậ t lý cụ th ể, cho phép ch u y ển tả i tín hiệu từ nơi p h át đến nơi thu M ôi trường th ô n g tin có t h ể dạng hữu tuyến (dây dẫn điện song h n h , dây cable • tín h iệ u , sợi q uang, ) có th ể dạng vơ tu y ế n (k h ô n g g ia n tự do, c h â n k h ô n g , môi trường chất lỏng, ) Môi trư n g th n g tin có ị đặc tín h gây suy hao cơng suất tín hiệu gây trễ p h a tín hiệu tru y ền tin Cự ly thông tin lđn độ suy hao trề ph a nhiều • K th u có chức thu n h ận tín hiệu tin tứ c từ môi trư n g thông tin , tá i tạo lại tin tức để cung cấp đến nơi n h ậ n tin Khơi th u có th ể gồm phần khuếch đại tín hiệu điện (để bù trừ độ suy hao m ôi trường thơng tin), giải điều chế giải m ã hóa (để khôi phục lại tin tức gốc ban đầu nơi phát), khối chọn lọc k ênh thông tin (để chọn* lựa tín hiệu từ nguồn tin m ta muôn thu nhận, tro n g k h i m trư n g thơng tin có th ể sử d ụ n g tru y ề n tin đồn g thời cho nhiều nguồn tin khác nhaũ) • M ột loại tín hiệu phụ luôn xuất tồn b ấ t kỳ h ệ thống thông tin th ể h iệ n khôi nhiều, can nhiễu tác nhân gây méo dạng Đây tín hiệu m chúng t a k h ô n g mong muôn nhận nơi th u tro n g trìn h tru y ề n tin C h ú n g có th ể xuất môi tr n g th ô n g tin dưđi d ạn g n h iễ u cộ n g nhiễu n h ân Do tín h c h ấ t su y hao môi trường th ô n g tin , tín hiệu tin tức m ta mn tru y ề n có th ể bị suy hao công suâ't đến mức bị xen lần với tin hiệu n h iều tro n g môi trường tạ i nơi thu Lúc này, q trình thơng tin th ấ t'b i, nơi ^“ n h ậrt t i n k h ô n g t h ể tá i tạo lại tin tức từ nguồn p h t t ĩ n - N hiễu tín hiệu khơng mong muốn, x u â t m ột cách gfrigau n h iên tro n g môi trường thông tin từ phần tử, linh t h i ế t bị Nhiễu cộng có t h ể loại bỏ h o ặ c giảm th iể u h n g n h lọc tầ n sô", xử lý n g ỡ n g tạ i nơi thu