Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin ppsx

Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 3 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Lời nói đầu Ngay nay, các lĩnh vực khoa học máy tính và truyền thông đã thâm nhập lẫn nhau và gắn kết dẫn đến làm thay đổi rất nhiều lĩnh vực công nghệ và sản xuất. Chính điều này đã làm cho rất nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ có những điều kiện cơ sở để phát triển mạnh mẽ. Trong hoàn cảnh đó, việc nghiên cứu tìm hiểu về lý thuyết tín hiệu và truyền tin ngày càng trở nên quan trọng và cần được đặt trong một tình hình mới. Với yêu cầu cần có một giáo trình cho sinh viên ngành Điện tử - Viễn thông, giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin đã được biên soạn. Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi thiếu sót mong đọc giả góp ý để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn. ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 4 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Chương 1 Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tín hiệu và truyền tin 1.1. Vị trí, vai trò và lịch sử phát triển 1.1.1. Vị trí, vai trò của lý thuyết thông tin Trong cuộc sống con người luôn có nhu cầu trao đổi, giao tiếp với nhau, cái mà mỗi người trao đổi với nhau gọi là thông tin. Nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ, con người cũng có thể nhận thông tin từ đài, báo, mạng internet, truyền hình v.v. Hay đơn giản như các bạn sinh viên nhận thông tin từ giảng viên và phức tạp hơn nữa là sự liên lạc, thông tin giữa các mạng máy tính với nhau. Điều đó có nghĩa là thông tin là cái gì đó được truyền từ đối tượng này tới đối ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 5 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin tượng khác để chuyển, thông báo một điều gì đó. Thông tin sẽ chỉ có ý nghĩa khi điều gì đó mà bên nhận chưa biết. Như những ví dụ trên trình bày, thông tin có thể được chứa trong nhiều dạng như hình ảnh, âm thanh, văn bản. Những dạng này là vỏ bọc vật chất của thông tin. Vở bọc có thể hiểu là phần xác, thông tin là phần hồn. Một trong những phương tiện để diễn đạt thông tin là ngôn ngữ, thông tin chỉ có thể được truyền đạt, hiểu nếu cả hai bên truyền và nhận hiểu được ngữ nghĩa của nhau. Thông tin có thể được truyền hoặc lưu trữ. Môi trường thực hiện việc đó được gọi là môi trường chứa tin hay kênh tin. Các đối tượng sống luôn có nhu cầu tìm hiểu về thế giới xung quang để thích nghi tồn tại và phát triển. Thông tin trở thành một nhu cầu cơ bản, một điều kiện cần cho sự tồn tại và phát triển. Ngày nay, khi khoa học phát triển mạnh mẽ thì thông tin ngày càng trở nên quan trọng đối với mỗi con người. Mỗi hành động của con người đều xuất phát từ những suy nghĩ của người đó. Mỗi suy nghĩ đó lại chịu sự ảnh hưởng của những thông tin mà người đó có được, do vậy hành động của con người chịu sự ảnh hưởng của thông tin. Đứng về khía cạnh khoa học lý thuyết tín hiệu và truyền tin nghiên cứu nhằm tạo ra một điều kiện tốt cho việc xử lý phân tích tín hiệu và truyền tin nhanh chóng, an toàn và lưu trữ hiệu quả. Một cách tổng quát lý thuyết tín hiệu và truyền tin nghiên cứu các vấn đề về xử lý thông tin. Một số lĩnh vực nghiên cứu của môn học: - Phân tích, tổng hợp tín hiệu - Mã hoá chống nhiễu - Nén dữ liệu - Mật mã hoá ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 6 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Lý thuyết thông tin đã có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và khoa học kỹ thuật. Sự bùng nổ về thông tin đang làm thay đổi diện mạo cuộc sống của con người, tạo ra sự phát triển mạnh mẽ của các phương thức truyền thông, truyền tin và lưu trữ thông tin. Cũng chính nhờ thông tin mà con người được cung cấp những cơ sở lý thuyết và cái nhìn triết học sâu sắc hơn về các vấn đề con người gặp phải hôm nay và trong tương lai. Lý thuyết thông tin đã được áp dụng trong hầu hết các lĩnh vực công nghệ như truyền thông, nén, bảo mật, đặc biệt đã được áp dụng vào trong lĩnh vực giáo dục ở nhiều khía cạnh như đào tạo, nghiên cứu và phát triển công nghệ. Vậy lý thuyết tín hiệu và thông tin đã có lịch sử hình thành phát triển như thế nào? 1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển Người đặt viên gạch đầu tiên để xây dựng lý thuyết thông tin là Hartley R.V.L. Năm 1928, ông đã đưa ra số đo lượng thông tin là một khái niệm trung tâm của lý thuyết thông tin. Dựa vào khái niệm này, ta có thể so sánh định lượng các hệ truyền tin với nhau. Năm 1933, V.A Kachenhicov chứng minh một loạt những luận điểm quan trọng của lý thuyết thông tin trong bài báo “Về khả năng thông qua của không trung và dây dẫn trong hệ thống liên lạc điện”. Năm 1935, D.V Ageev đưa ra công trình “Lý thuyết tách tuyến tính”, trong đó ông phát biểu những nguyên tắc cơ bản về lý thuyết tách các tín hiệu. Năm 1946, V.A Kachenhicov thông báo công trình “Lý thuyết thế chống nhiễu’ đánh dấu một bước phát triển rất quan trọng của lý thuyết thông tin. Trong hai năm 1948 – 1949, Shanon C.E công bố một loạt các công trình vĩ đại, đưa sự phát triển của lý thuyết thông tin lên một bước tiến mới chưa từng có. Trong các công trình này, nhờ việc đưa vào khái niệm lượng thông tin và tính đến cấu trúc thống kê của tin, ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 7 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin ông đã chứng minh một loạt định lý về khả năng thông qua của kênh truyền tin khi có nhiễu và các định lý mã hoá. Những công trình này là nền tảng vững chắc của lý thuyết thông tin. Ngày nay, lý thuyết thông tin phát triển theo hai hướng chủ yếu sau: Lý thuyết thông tin toán học: Xây dựng những luận điểm thuần tuý toán học và những cơ sở toán học chặt chẽ của lý thuyết thông tin. Cống hiến chủ yếu trong lĩnh vực này thuộc về các nhà bác học lỗi lạc như: N.Wiener, A. Feinstain, C.E Shanon, A.N. Kanmôgorov, A.JA Khintrin. Lý thuyết thông tin ứng dụng: (lý thuyết truyền tin) Chuyên nghiên cứu các bài toán thực tế quan trọng do kỹ thuật liên lạc đặt ra có liên quan đến vấn đề chống nhiễu và nâng cao độ tin cậy của việc truyền tin. Các bác học C.E Shanon, S.O RiCe, D. Midleton, W. Peterson, A.A Khakevich, V. Kachenhicov đã có những công trình quý báu trong lĩnh vực này. 1.2. Tin tức và các khái niệm cơ bản 1.2.1. Các định nghĩa 1.2.1.1. Thông tin Thông tin là một khái niệm trừu tượng, phi vật chất và rất khó định nghĩa. Có nhiều cách định nghĩa về thông tin. Dưới đây là một số định nghĩa: Thông tin là sự cảm hiểu của con người về thế giới xung quanh thông qua việc tiếp xúc với nó. Thông tin là một hệ thống những tin báo và mệnh lệnh giúp loại trừ sự không chắc chắn của nơi nhận tin. Nói một cách ngắn gọn, thông tin là cái mà loại trừ sự không chắc chắn. ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 8 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Định nghĩa đầu tiên chưa nêu rõ bản chất của thông tin, định nghĩa thứ hai nói rõ hơn về bản chất của thông tin và được dùng để định lượng thông tin trong kỹ thuật. Ngoài ra có người còn định nghĩa thông tin là những tính chất xác định của vật chất mà con người (hoặc hệ thống kỹ thuật) nhận được từ thế giới vật chất bên ngoài hoặc từ những quá trình xảy ra trong bản thân nó. Với định nghĩa này, mọi ngành khoa học là khám phá ra các cấu trúc thông qua việc thu thập, chế biến, xử lý thông tin. Ở đây “thông tin” là một danh từ chứ không phải là động từ để chỉ một hành vi tác động giữa hai đối tượng (người, máy) liên lạc với nhau. Theo quan điểm triết học, thông tin là một quảng tính của thế giới vật chất (tương tự như năng lượng, khối lượng). Thông tin không được tạo ra mà chỉ được sử dụng bởi hệ thụ cảm. Thông tin tồn tại một cách khách quan, không phụ thuộc vào hệ thụ cảm. Trong nghĩa khái quát nhất, thông tin là sự đa dạng. Sự đa dạng ở đây có thể hiểu theo nhiều nghĩa khác nhau: Tính ngẫu nhiên, trình độ tổ chức,… 1.2.1.2. Tin Tin là dạng vật chất cụ thể để biểu diễn hoặc thể hiện thông tin. Có hai dạng là tin rời rạc và tin liên tục. Ví dụ các bức ảnh, bản nhạc, bài nói, bảng số liệu, v.v là các tin. 1.2.1.3. Tín hiệu Thông tin là một hiện tượng vật lý, nó thường tồn tại và được truyền đi dưới dạng vật chất nào đó. Những dạng vật chất để mang thông tin được gọi là tín hiệu. ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 9 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Trong kỹ thuật có thể hiểu, tín hiệu là các đại lượng vật lý biến thiên, phản ánh tin cần truyền. Cần chú ý rằng không phải bản thân quá trình vật lý là tín hiệu mà sự biến đổi các tham số riêng của quá trình vật lý mới là tín hiệu. Các đặc trưng vật lý có thể là dòng điện, điện áp, ánh sáng, âm thanh, v.v. 1.2.2. Sơ đồ khối hệ thống thông tin Ngay nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử viễn thông, có rất nhiều các hệ thống thông tin khác nhau đã được hình thành và phát triển. Khi đó việc phân loại các hệ thống thông tin có thể được dựa trên nhiều cơ sở khác nhau. Ví dụ như dựa trên cơ sở về năng lượng mang tin có thể chia các hệ thống truyền tin thành các loại như: - Hệ thống thông tin vô tuyến dùng sóng điện từ - Hệ thống thông tin quang hữu tuyến dùng ánh sáng - Hệ thống thông tin dùng sóng âm, siêu âm (năng lượng cơ học) Hay dựa vào các biểu hiện bên ngoài mà ta chia thành các hệ thống như: - Hệ thống truyền số liệu - Hệ thống truyền hình - Hệ thống điện thoại cố định công cộng - Hệ thống thông tin di động, v.v. Chúng ta cũng có thể chia hệ thống thông tin thành hai loại hệ thống: - Hệ thống truyền tin rời rạc - Hệ thống truyền tin liên tục Tuy nhiên, một cách tổng quát hệ thống thông tin có thể được biểu diễn bởi sơ đồ khối sau: ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 10 Nguồn tin Kênh tin Nhận tin Nhiễu Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống thông tin Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin 1.2.2.1. Nguồn tin Nguồn tin là nơi sản sinh ra hay chứa các tin cần truyền đi. Khi một đường truyền tin được thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến nơi nhận tin, một dãy các phần tử cơ sở (các tin) của nguồn sẽ được truyền đi với một phân bố xác suất nào đó. Dãy này được gọi là một bản tin. Do đó có thể định nghĩa: Nguồn tin là tập hợp các tin mà hệ thống truyền tin dùng để lập các bản tin khác nhau để truyền tin. Nếu tập tin là hữu hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn rời rạc. Nếu tập tin là vô hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn liên tục. Nguồn tin có hai tính chất: Tính thống kê và tính hàm ý. Với nguồn rời rạc, tính thống kê biểu hiện ở chỗ xác suất xuất hiện các tin là khác nhau. Tính hàm ý biểu hiện ở chỗ xác suất xuất hiện của một tin nào đó sau một dãy tin khác nhau nào đó là khác nhau. Ví dụ: P(x/ta) ≠ P(x/ba) Thông tin trước khi truyền đi có thể được xử lý mã hoá để nén, chống nhiễu và bảo mật. 1.2.2.2. Kênh tin Kênh tin là nơi hình thành, truyền hay lưu trữ tín hiệu mang tin đồng thời ở đó xảy ra các tạp nhiễu phá huỷ tin tức. ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 11 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Trong lý thuyết tín hiệu và truyền tin, kênh tin là một khái niệm trừu tượng đại biểu cho hỗn hợp tín hiệu và tạp nhiễu. Để truyền tin, ta thường sử dụng một môi trường nào đó để truyền. Môi trường truyền tin thường rất đa dạng. Môi trường không khí, ta có thể truyền tin dưới dạng âm thanh, tiếng nói hay bằng lửa (ánh sáng). Môi trường tầng điện ly thường là nơi xảy ra sự truyền tin giữa các vệ tinh nhân tạo và các trạm rada ở mặt đất. Hay có thể truyền tin bằng ánh sáng qua các môi trường truyền là sợi dẫn quang trong đó tín hiệu mang tin được truyền dưới dạng ánh sáng, v.v. Cho dù truyền tin dưới bất kỳ môi trường nào cũng đều bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Nhiễu rất phong phú và đa dạng, phụ thuộc vào bản chất của môi trường truyền tin. Ví dụ khi truyền tin bằng âm thanh thì những tiếng ồn xung quanh chính là nhiễu hay khi truyền bằng sóng điện từ qua những nơi có điện từ trường mạnh thì cũng sẽ bị ảnh hưởng. Nhiễu có nhiều loại như nhiễu cộng tính hay nhiễu nhân. 1.2.2.3. Nhận tin Nơi nhận tin là nơi tiếp nhận thông tin từ kênh truyền và khôi phục lại thông tin ban đầu như nguồn tin đã phát đi. Tin đến được nơi nhận tin thường không thu được như tin ban đầu truyền đi vì đã chịu sự tác động của nhiễu. Vì thế, nơi nhận phải thực hiện việc phát hiện sai và sửa sai. Hơn thế nữa, nếu nguồn tin được thực hiện mã hoá nén hay bảo mật thì nơi nhận tin cũng phải thực hiện việc giải nén hay giải mã bảo mật để nhận lại tin. Nơi nhận tin thường có ba chức năng cơ bản: - Lưu giữ tin, ví dụ như bộ nhớ máy tính, băng ghi âm, ghi hình, - Biểu thị tin làm cho các giác quan của con người hay các bộ cảm biến cảm thụ được để xử lý tin, ví dụ như băng ghi âm, hình ảnh, ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 12 [...]... loại tín hiệu: ThS Đoàn Hữu Chức 24 b 0 a Re Hình 1.7 Hệ tọa độ cực Bộ môn Kỹ thuật Điện tử Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin - Tín hiệu liên tục - Tín hiệu gián đoạn Chúng ta cũng có thể phân tín hiệu thành hai loại là tín hiệu tuần hoàn và không tuần hoàn Theo dạng vật lý thì ta có loại tín hiệu ngẫu nhiên và tiền định Trong thực tế kỹ thuật điện tử viễn thông ta còn chia các tín hiệu thành... thuật Điện tử Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin 1.7 Các đặc trưng cơ bản của tín hiệu 1.7.1 Các thông số và đặc trưng của tín hiệu S(t) Smax a Độ dài của tín hiệu Smin Độ dài của tín hiệu là τ khoảng thời gian tồn tại của Hình 1.12 Các thông số của tín hiệu tín hiệu từ khi xuất hiện đến khi kết thúc b Khoảng biến thiên của tín hiệu: ∆ = Smax - Smin c Trị trung bình của tín hiệu: 1 stb = τ... Kỹ thuật Điện tử Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Nguồn tin này không diễn tả mối quan hệ giữa các tin trước và tin sau nên được gọi là nguồn tin không nhớ rời rạc Có nhiều phương pháp biến đổi trong hệ thống thông tin số như dưới đây minh hoạ ThS Đoàn Hữu Chức 15 Bộ môn Kỹ thuật Điện tử Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Hình 1.4 Các phương pháp biến đổi thông tin số trong các... max (1-13) 1.5 Tín hiệu, biểu diễn và phân loại Tín hiệu là sự biến đổi của một hay nhiều thông số của một quá trình vật lý nào đó theo qui luật của tin tức Như vậy để truyền tin ta sử dụng các dạng vật chất nào đó để truyền Cần chú ý rằng chính sự biến đổi của tham số của quá trình vật lý mới là tín hiệu ThS Đoàn Hữu Chức 23 Bộ môn Kỹ thuật Điện tử Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Trong phạm... Chức 28 Bộ môn Kỹ thuật Điện tử Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Mở đầu Để có thể phân tích tín hiệu thành dạng tổng của các tín hiệu thành phần, các tín hiệu đơn vị thành phần phải trực giao với nhau từng đôi một Vì vậy khi dùng một công cụ toán học để phân tích tín hiệu thì tín hiệu đơn vị phải có dạng hàm e mũ ( hoặc tổng của cos và sin.) Hai tín hiệu f(t) và g(t) được gọi là trực giao... định năng lượng của tín hiệu Biểu thức (2-17) được gọi là định lý Parseval Như vậy năng lượng tín hiệu trong miền thời gian bằng năng lượng tín hiệu tính trong miền tần số Các tính chất của biến đổi Fourier a Tính tuyến tính Nếu s(t) là tổng của hai thành phần tín hiệu s 1(t) và s2(t) thì ta có: ThS Đoàn Hữu Chức 36 Bộ môn Kỹ thuật Điện tử Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin s( t ) = as1( t... Trị hiệu dụng s hd = t 0 +τ ∫s 2 ( t )dt t0 e Công suất của tín hiệu Công suất tức thời của tín hiệu s(t) được tính bởi: p( t ) = s ( t ) 2 Công suất trung bình được tín bởi: 1 P= τ t 0 +τ ∫ p( t )dt t0 f Năng lượng của tín hiệu E = τ P = ∞ ∫ s( t ) 2 dt −∞ ThS Đoàn Hữu Chức 27 Bộ môn Kỹ thuật Điện tử t Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin 1.7.2 Các thành phần đặc trưng của tín hiệu Một tín hiệu. .. m kí hiệu của nguồn có những xác suất khác nhau và không độc lập thống kê với ThS Đoàn Hữu Chức 18 Bộ môn Kỹ thuật Điện tử Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin nhau thì lượng tin riêng từng kí hiệu phụ thuộc vào xác suất xuất hiện p(ai) của nó: I(ai) = log 1/p(ai) Và lượng tin chứa trong một dãy kí hiệu của nguồn không những phụ thuộc vào xác suất xuất hiện từng kí hiệu mà còn phụ thuộc vào xác... Bộ môn Kỹ thuật Điện tử Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin 1.3.3.2 Entropy của nguồn Như trên đã trình bày, lượng tin trung bình là lượng tin trung bình chứa trong một kí hiệu bất kỳ của một nguồn tin đã cho Khi ta nhận được tin đồng thời nhận được một lượng tin trung bình nghĩa là độ bất ngờ về tin đó cũng được giải thoát Vì vậy độ bất ngờ và lượng tin có ý nghĩa vật lý trái ngược nhau nhưng... còn chia các tín hiệu thành các loại tín hiệu: tín hiệu lượng tử, rời rạc, số và tương tự 1.6 Một số dạng tín hiệu cơ bản Dưới đây giới thiệu một số dạng tín hiệu thường gặp khi phân tích hệ thống truyền tin a Tín hiệu dạng hàm e mũ Tín hiệu hàm e mũ thường được biểu diễn dưới dạng biểu thức sau v(t ) = Ke σt (1-15) Trong đó K, σ là các hệ số Dạng tín hiệu phụ thuộc vào các giá trị trên được minh hoạ . Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin ThS. Đoàn Hữu Chức Bộ môn Kỹ thuật Điện tử 3 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Lời. Điện tử 11 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Trong lý thuyết tín hiệu và truyền tin, kênh tin là một khái niệm trừu tượng đại biểu cho hỗn hợp tín hiệu và tạp nhiễu. Để truyền tin, ta. tử 4 Giáo trình Lý thuyết tín hiệu và truyền tin Chương 1 Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tín hiệu và truyền tin 1.1. Vị trí, vai trò và lịch sử phát triển 1.1.1. Vị trí, vai trò của lý thuyết