8 1.2. TIN TỨC VÀ TÍN HIỆU Tin t ứ c và tín hi ệ u là hai khái ni ệ m c ơ b ả n c ủ a k ĩ thu ậ t đ i ệ n t ử tin h ọ c, là đố i t ượ ng mà các h ệ th ố ng m ạ ch đ i ệ n t ử có ch ứ c n ă ng nh ư m ộ t công c ụ v ậ t ch ấ t k ĩ thu ậ t nh ằ m t ạ o ra, gia công x ử lí hay nói chung nh ằ m chuy ể n đổ i gi ữ a các d ạ ng n ă ng l ượ ng để gi ả i quy ế t m ộ t m ụ c tiêu k ĩ thu ậ t nh ấ t đị nh nào đ ó. 1.2.2. Tin tức đượ c hi ể u là n ộ i dung ch ứ a đự ng bên trong m ộ t s ự ki ệ n, m ộ t bi ế n c ố hay m ộ t quá trình nào đ ó (g ọ i là ngu ồ n tin). Trong ho ạ t độ ng đ a d ạ ng c ủ a con ng ườ i, đ ã t ừ lâu hình thành nhu c ấ u trao đồ i tin t ứ c theo hai chiêu: v ề không gian bi ế n c ố x ả y ra t ạ i n ơ i A thì c ầ n nhanh chóng đượ c bi ế t ở nh ữ ng n ơ i ngoài A và v ề th ờ i gian: bi ế n c ố x ả y ra vào lúc t o c ầ n đượ c l ư u gi ữ l ạ i để có th ể bi ế t vào lúc t o + T v ớ i kh ả n ă ng T ∞ , nhu c ầ u này đ ã đượ c th ỏ a mãn và phát tri ể n d ướ i nhi ề u hình th ứ c và b ằ ng m ọ i ph ươ ng ti ệ n v ậ t ch ấ t phù h ợ p v ớ i trình độ phát tri ể n c ủ a xã h ộ i (kí hi ệ u, ti ế ng nói, ch ữ vi ế t hay b ằ ng các ph ươ ng ti ệ n t ả i tin khác nhau). G ầ n đ ây, do s ự phát tri ể n và ti ế n b ộ nhanh chóng c ủ a k ĩ thu ậ t đ i ệ n t ử , nhu c ầ u này ngày càng đượ c th ỏ a mãn sâu s ắ c trong đ i ề u ki ệ n bùng n ổ thông tin c ủ a xã h ộ i hi ệ n đạ i. Tính ch ấ t quan tr ọ ng nh ấ t c ủ a tin t ứ c là nó mang ý ngh ĩ a xác suất thống kê , th ể hi ệ n ở các m ặ t sau: a) N ộ i dung ch ứ a trong m ộ t s ự ki ệ n càng có ý ngh ĩ a l ớ n (ta nói s ự ki ệ n có l ượ ng tin t ứ c cao) khi nó x ả y ra càng bầt ngờ, càng ít đượ c ch ờ đợ i. Ngh ĩ a là l ượ ng tin có độ l ớ n t ỉ l ệ v ớ i độ b ấ t ng ờ hay tỉ lệ nghịch với xác suất xu ấ t hi ệ n c ủ a s ự ki ệ n và có th ể dùng xác su ấ t là m ứ c đ o l ượ ng tin t ứ c. b) M ặ c đ ù đ ã nh ậ n đượ c "n ộ i dung" c ủ a m ộ t s ự ki ệ n nào đ ó, trong h ầ u h ế t m ọ i tr ườ ng h ợ p, ng ườ i ta ch ỉ kh ẳ ng đ inh đượ c tính ch ắ c ch ắ n, xác th ự c c ủ a nó v ớ i m ộ t độ tin c ậ y nào đ ó. M ứ c độ ch ắ c ch ắ n càng cao khi cùng m ộ t n ộ i dung đượ c l ặ p l ạ i (v ề c ơ b ả n) nhi ề u l ầ n, ngh ĩ a là tin t ứ c còn có tính ch ấ t trung bình th ố ng kê ph ụ thu ộ c vào m ứ c độ h ỗ n lo ạ n c ủ a ngu ồ n tin, c ủ a môi tr ườ ng (kênh) truy ề n tin và c ả vào n ơ i nh ậ n tin, vào t ấ t c ả kh ả n ă ng gây sai l ầ m có th ể c ủ a m ộ t h ệ th ố ng thông tin. Ng ườ i ta có th ể dùng Entropy để đ ánh giá l ượ ng tin thông qua các giá tr ị entropy riêng r ẽ c ủ a ngu ồ n tin, kênh truy ề n tin và n ơ i nh ậ n tin. c) Tin t ứ c không t ự nhiên sinh ra ho ặ c m ấ t đ i mà ch ỉ là m ộ t bi ể u hi ệ n c ủ a các quá trình chuy ể n hóa n ă ng l ượ ng hay quá trình trao đổ i n ă ng l ượ ng gi ữ a hai d ạ ng v ậ t ch ấ t và tr ườ ng. Ph ầ n l ớ n các quá trình này là mang tính ng ẫ u nhiên tuân theo các quy lu ậ t phân b ố c ủ a lí thuy ế t xác su ấ t th ố ng kê. Tuy nhiên có th ể th ấ y r ằ ng, n ế u m ộ t h ệ th ố ng có n ă ng l ượ ng ổ n đị nh, m ứ c độ tr ậ t t ự cao thì càng khó thu th ậ p đượ c tin t ứ c t ừ nó và ng ượ c l ạ i. C ơ s ở toán h ọ c để đ ánh giá đị nh l ượ ng các nh ậ n xét trên đượ c trình bày trong các giáo trình chuyên ngành v ề lí thuy ế t thông tin. 1.2.3. Tín hiệu là khái ni ệ m để mô t ả các biểu hiện vật lý c ủ a tin t ứ c. Các bi ể u hi ệ n này đ a d ạ ng và th ườ ng đượ c phân chia thành hai nhóm: có b ả n ch ấ t đ i ệ n t ừ và không có b ả n ch ấ t đ i ệ n t ừ . Tuy nhiên, d ạ ng cu ố i cùng th ườ ng g ặ p trong các h ệ th ố ng đ i ệ n t ử , th ể hi ệ n qua thông s ố tr ạ ng thái đ i ệ n áp hay đ òng đ i ệ n, là có b ả n ch ấ t đ i ệ n t ừ . 9 • Có th ể coi tín hi ệ u nói chung (dù d ướ i d ạ ng nào) là m ộ t đạ i l ượ ng v ậ t lý bi ế n thiên theo th ờ i gian và bi ể u di ễ n nó d ướ i d ạ ng m ộ t hàm s ố hay đồ th ị theo th ờ i gian là thích h ợ p h ơ n c ả . • N ế u bi ể u th ứ c theo th ờ i gian c ủ a m ộ t tín hi ệ u là s(t) th ỏ a mãn đ i ề u ki ệ n: s(t) = s(t + T) (1- 10) V ớ i m ọ i t và ở đ ây T là m ộ t h ằ ng s ố thì s(t) đượ c g ọ i là m ộ t tín hi ệ u tu ầ n hoàn theo th ờ i gian. Giá tr ị nh ỏ nh ấ t trong t ậ p {T} th ỏ a mãn (1-10) g ọ i là chu k ỳ c ủ a s(t). N ế u không t ồ n t ạ i m ộ t giá tr ị h ữ u h ạ n c ủ a T th ỏ a mãn (1-10) thì ta có s(t) là m ộ t tín hi ệ u không tu ầ n hoàn. Dao độ ng hình sin (h.1.5) là d ạ ng đặ c tr ư ng nh ấ t c ủ a các tín hi ệ u tu ầ n hoàn, có bi ể u th ứ c d ạ ng s(t) = Acos( ω t- φ ) (1-11) Hình 1.5. Tín hiệu hình sin và các tham số trong (1-11) A, ω , φ là các h ằ ng s ố và l ầ n l ượ t đượ c g ọ i là biên độ , t ầ n s ố góc và góc pha ban đầ u c ủ a s(t), có các m ố i liên h ệ gi ữ a ω , T và f nh ư sau : ω = T 1 f ; T 2 π = (1-12) • C ũ ng có th ể chia tín hi ệ u theo cách khác: thành hai d ạ ng c ơ b ả n là bi ế n thiên liên t ụ c theo th ờ i gian (tín hi ệ u t ươ ng t ự - analog) hay bi ế n thiên không liên t ụ c theo th ờ i gian (tín hi ệ u xung s ố - digital). Theo đ ó, s ẽ có hai d ạ ng m ạ ch đ i ệ n t ử c ơ b ả n làm vi ệ c (gia công x ử lí) v ớ i t ừ ng lo ạ i trên. Các d ạ ng tín hi ệ u v ừ a nêu trên, n ế u có bi ế u th ứ c s(t) hay đồ th ị bi ể u di ễ n xác đị nh, đượ c g ọ i là lo ạ i tín hi ệ u xác đị nh rõ ràng. Ngoài ra, còn m ộ t l ớ p các tín hi ệ u mang tính ng ẫ u nhiên và ch ỉ xác đị nh đượ c chúng qua các phép l ấ y m ẫ u nhi ề u l ầ n và nh ờ các quy lu ậ t c ủ a phân b ố xác su ấ t th ố ng kê, đượ c g ọ i là các tín hi ệ u ng ẫ u nhiên. 10 Hình 1.6. Các dạng xung thường gặp 1.2.4. Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian t a) Độ dài và trị trung bình của một tín hiệu Độ dài c ủ a tín hi ệ u là kho ả ng th ờ i gian t ồ n t ạ i c ủ a nó (t ừ lúc b ắ t đầ u xu ấ t hi ệ n đế n lúc m ấ t đ i). Độ dài mang ý ngh ĩ a là kho ả ng th ờ i gian m ắ c b ậ n v ớ i tín hi ệ u c ủ a m ộ t m ạ ch hay h ệ th ố ng đ i ệ n t ử . N ế u thi ệ u s(t) xu ấ t hi ệ n lúc t o có độ dài là τ thì giá tr ị trung bình c ủ a s(t), ký hi ệ u là s(t) đượ c xác đị nh b ở i: ∫ + = τ τ to to s(t)dt 1 s(t) (1-13) b) Năng lượng, công suất và trị hiệu dụng N ă ng l ượ ng E s c ủ a tín hi ệ u s(t) đượ c xác đị nh b ở i E s = ∫ + τ to to S 2 (t)dt = ∫ ∞ ∞− S 2 (t)dt (1-14) Công su ấ t trung bình c ủ a s(t) trong th ờ i gian t ồ n t ạ i c ủ a nó đượ c đị nh ngh ĩ a b ở i: ( ) ττ τ s tο tο 22 Ε dttS 1 (t)S ∫ + = (1-15) Giá tr ị hi ệ u d ụ ng c ủ a s(t) đượ c đị nh ngh ĩ a là: 11 S hd= ττ τ s 2 t t 2 E (t)S(t)dts 1 o o == + ∫ (1-16) c) Dải động c ủ a tín hi ệ u là t ỷ s ố gi ữ a các giá tr ị l ớ n nh ấ t và nh ỏ nh ấ t c ủ a công su ấ t t ứ c th ờ i c ủ a tín hi ệ u. N ế u tính theo đơ n v ị logarit (dexibel), d ả i độ ng đượ c đị nh ngh ĩ a là: D dB = 10lg s(t) min s(t)max 20lg (t)}min{s (t)}max{s 2 2 = (1-17) thông s ố này đặ c tr ư ng cho kho ả ng c ườ ng độ hay kho ả ng độ l ớ n c ủ a tín hi ệ u tác độ ng lên m ạ ch ho ặ c h ệ th ố ng đ i ệ n t ử . d) Thành phần một chiều và xoay chiều c ủ a tín hii ệ u: M ộ t tín hi ệ u s(t) luôn có th ể phân tích thành hai thành ph ầ n m ộ t chi ề u và xoay chi ề u sao cho: s(t) = s ~ + s = (1-18) v ớ i s ~ là thành ph ầ n bi ế n thiên theo th ờ i gian c ủ a s(t) và có giá tr ị trung bình theo th ờ i gian b ằ ng 0 và s = là thành ph ầ n c ố đị nh theo th ờ i gian (thành ph ầ n 1 chi ề u). Theo các h ệ th ứ c(1-13) van (1-18) có : τ 1 ss(t) == = ∫ + τ o o t t s(t)dt (1-19) lúc đ ó : s - = s(t) - s(t) và 0s(t)s(t)s ~ == - (1-20) e) Các thành phần chẵn và lẻ c ủ a tín hi ệ u M ộ t tín hi ệ u s(t) c ũ ng luôn có th ể phân tích cách khác thành hai thành ph ầ n ch ẵ n và l ẻ đượ c xác đị nh nh ư sau s ch (t) = s ch (-t) = 2 1 [ s(t) + s(-t)] (1-21) s lẻ (t) = -s lẻ (-t) = 2 1 [ s(t) - s(-t)] t ừ đ ó suy ra: s ch (t) + s lẻ (t) = s(t) 12 0s ;s(t)(t)s lech == (1-22) f) Thành phần thực và ảo c ủ a tín hi ệ u hay bi ể u di ễ n ph ứ c c ủ a m ộ t tín hi ệ u M ộ t tín hi ệ u s(t) b ấ t kì có th ể bi ể u di ễ n t ổ ng quát d ướ i d ạ ng m ộ t s ố ph ứ c : s(t)jIms(t)Res(t) −= (1-23) Ở đ ây Res(t) là ph ầ n th ự c và Ims(t) là ph ầ n ả o c ủ a s(t) là: Theo đị nh ngh ĩ a, l ượ ng liên h ợ p ph ứ c c ủ a s(t) là: s(t)jIms(t)Re(t)s * −= (1-24) Khi đ ó các thành ph ầ n th ự c và ả o c ủ a s(t) theo (l-23) và (l-24) đượ c xác đị nh b ở i: Re (t)ss(t)[ 2 1 s(t) * += ] Im ](t)ss(t)[ 2 1 s(t) * −= (1-25) 1.3. CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỂN HÌNH H ệ th ố ng đ i ệ n t ử là m ộ t t ậ p h ợ p các thi ế t b ị đ i ệ n t ử nh ằ m th ự c hi ệ n m ộ t nhi ệ m v ụ k ỹ thu ậ t nh ấ t đị nh nh ư gia công x ử lý tin t ứ c, truy ề n thông tin d ữ li ệ u, đ o l ườ ng thông s ố đ i ề u khi ể n t ự ch ỉ nh V ề c ấ u trúc m ộ t h ệ th ố ng đ i ệ n t ử có hai d ạ ng c ơ b ả n: d ạ ng h ệ kín, ở đ ó thông tin đượ c gia công x ử lý theo c ả hai chi ề u nh ằ m đạ t t ớ i m ộ t đ i ề u ki ệ n t ố i ư u đị nh tr ướ c hay h ệ h ở ở đ ó thông tin đượ c truy ề n ch ỉ theo m ộ t h ướ ng t ừ ngu ồ n tin t ớ i n ơ i nh ậ n tin. 1.3.2. Hệ thống thông tin thu - phát Có nhi ệ m v ụ truy ề n m ộ t tin t ứ c d ữ li ệ u theo không gian (trên m ộ t kho ả ng cách nh ấ t đị nh) t ừ ngu ồ n tin t ớ i n ơ i nh ậ n tin. 1.C ấ u trúc s ơ đồ kh ố i: Hình 1.7 2. Các đặ c đ i ể m ch ủ y ế u a) Là d ạ ng h ệ th ố ng h ở . b) Bao g ồ m 2 quá trình c ơ b ả n. 13 Hình 1.7. Sơ đồ khối hệ thống thông tin dân dụng Quá trình g ắ n tin t ứ c c ầ n g ử i đ i vào m ộ t t ả i tin t ầ n s ố cao b ằ ng cách b ắ t dao độ ng t ả i tin có m ộ t thông s ố bi ế n thiên theo quy lu ậ t c ủ a tin t ứ c g ọ i là quá trình đ i ề u chế t ạ i thi ế t b ị phát. Quá trình tách tin t ứ c kh ỏ i t ả i tin để l ấ y l ạ i n ộ i dung tin t ứ c t ầ n s ố th ấ p t ạ i thi ế t b ị thu g ọ i là quá trình dải điều chế . c) Ch ấ t l ượ ng và hi ệ u qu ả c ũ ng nh ư các đặ c đ i ể m c ủ a h ệ do 3 y ế u t ố quy đị nh: Đặ c đ i ể m c ủ a thi ế t b ị phát, đặ c đ i ể m c ủ a thi ế t b ị thu và môi tr ườ ng th ự c hi ệ n quá trình truy ề n tin ( đị a hình, th ờ i ti ế t, nhi ễ u ) Ba y ế u t ố này đượ c đả m b ả o nâng cao ch ấ t l ượ ng m ộ t cách riêng r ẽ để đạ t hi ệ u qu ả thông tin cao, trong đ ó t ạ i ngu ồ n tin là các đ i ề u ki ệ n ch ủ độ ng, hai y ế u t ố còn l ạ i là y ế u t ố b ị độ ng. d) Các ch ỉ tiêu quan tr ọ ng nh ấ t c ủ a h ệ : D ạ ng đ i ề u ch ế (AM, FM, analog, digital), công su ấ t b ứ c x ạ c ủ a thi ế t b ị phát, kho ả ng cách và đ i ề u ki ệ n môi tr ườ ng truy ề n, độ nh ạ y và độ ch ọ n l ọ c c ủ a thi ế t b ị thu. 1.3.3. Hệ đo lường điện tử H ệ lo ạ i này có nhi ệ m v ụ thu th ậ p tin t ứ c d ữ li ệ u v ề m ộ t đố i t ượ ng hay quá trình nào đ ó để đ ánh giá thông s ố ho ặ c tr ạ ng thái c ủ a chúng. 1. C ấ u trúc kh ố i: Hình 1.8 Hình 1.8. Hệ thống đo lường 2. Các đặ c đ i ể m c ơ b ả n: a) Là h ệ c ấ u trúc d ạ ng h ở 14 b) Có hai ph ươ ng pháp c ơ b ả n th ự c hi ệ n quá trình đ o: ph ươ ng pháp ti ế p xúc (thi ế t b ị đầ u vào ti ế p xúc tr ự c ti ế p v ớ i đố i t ượ ng đ o là ngu ồ n tin) và ph ươ ng pháp không ti ế p xúc. B ộ bi ế n đổ i đầ u vào là quan tr ọ ng nh ấ t, có nhi ệ m v ụ bi ế n đổ i thông s ố đạ i l ượ ng c ầ n đ o (th ườ ng ở d ạ ng m ộ t đạ i l ượ ng v ậ t lý) v ề d ạ ng tín hi ệ u đ i ệ n t ử có tham s ố t ỷ l ệ v ớ i đạ i l ượ ng c ầ n đ o. (Ví d ụ : áp su ấ t bi ế n đổ i thành đ i ệ n áp, nhi ệ t độ ho ặ c độ ẩ m hay v ậ n t ố c bi ế n đổ i thành đ i ệ n áp ho ặ c dòng đ i ệ n ). c) S ự can thi ệ p c ủ a b ấ t k ỳ thi ế t b ị đ o nào vào đố i t ượ ng đ o d ẫ n t ớ i h ệ qu ả là đố i t ượ ng đ o không còn đứ ng độ c l ậ p và do đ ó x ả y ra quá trình m ấ t thông tin t ự nhiên d ẫ n đế n sai s ố đ o. d) M ọ i c ố g ắ ng nh ằ m nâng cao độ chính xác c ủ a phép đ o đề u làm t ă ng tính ph ứ c t ạ p; t ă ng chi phí k ỹ thu ậ t và làm xu ấ t hi ệ n các nguyên nhân gây sai s ố m ớ i và đ ôi khi làm gi ả m độ tin c ậ y c ủ a phép đ o. e) V ề nguyên t ắ c có th ể th ự c hi ệ n gia công tin t ứ c đ o liên t ụ c theo th ờ i gian (ph ươ ng pháp analog) hay gia công r ờ i r ạ c theo th ờ i gian (ph ươ ng pháp digital). Y ế u t ố này quy đị nh các đặ c đ i ể m k ỹ thu ậ t và c ấ u trúc. C ụ th ể là ở ph ươ ng pháp analog, đạ i l ượ ng đ o đượ c theo dõi liên t ụ c theo th ờ i gian còn ở ph ươ ng pháp digital đạ i l ượ ng đ o đượ c l ấ y m ẫ u giá tr ị ở nh ữ ng th ờ i đ i ể m xác đị nh và so v ớ i các m ứ c c ườ ng độ chu ẩ n xác đị nh. Ph ươ ng pháp digital cho phép ti ế t ki ệ m n ă ng l ượ ng, nâng cao độ chính xác và kh ả n ă ng ph ố i ghép v ớ i các thi ế t b ị x ử lý tin t ự độ ng. f) Có kh ả n ă ng đ o nhi ề u thông s ố (nhi ề u kênh) hay đ o xa nh ờ k ế t h ợ p thi ế t b ị đ o v ớ i m ộ t h ệ th ố ng thông tin truy ề n d ữ li ệ u, đ o t ự độ ng nh ờ m ộ t ch ươ ng trình v ạ ch s ẵ n ( đ o đ i ề u khi ể n b ằ ng µp) 1.3.4. Hệ tự điều chỉnh H ệ có nhi ệ m v ụ theo dõi kh ố ng ch ế m ộ t ho ặ c vài thông s ố c ủ a m ộ t quá trình sao cho thông s ố này ph ả i có giá tr ị n ằ m trong m ộ t gi ớ i h ạ n đ ã đị nh tr ướ c (ho ặ c ngoài gi ớ i h ạ n này) t ứ c là có nhi ệ m v ụ ổ n đị nh thông s ố (t ự độ ng) ở m ộ t tr ị s ố hay m ộ t d ả i tr ị s ố cho tr ướ c. 1. S ơ đồ c ấ u trúc nh ư Hình 1.9. 2. Các đặ c đ i ể m ch ủ y ế u a) Là h ệ d ạ ng c ấ u trúc kín: thông tin truy ề n theo hai h ướ ng nh ờ các m ạ ch ph ả n h ồ i. b) Thông s ố c ầ n đ o và kh ố ng ch ế đượ c theo dõi liên t ụ c và duy trì ở m ứ c ho ặ c gi ớ i h ạ n đị nh s ẵ n. Ví d ụ : T o (c ầ n theo dõi kh ố ng ch ế ) đượ c bi ế n đổ i tr ướ c tiên thành U x sau đ ó, so sánh U x v ớ i U ch để phát hi ệ n ra d ấ u và độ l ớ n c ủ a sai l ệ ch (U ch t ươ ng ứ ng v ớ i m ứ c chu ẩ n T ch đượ c đị nh s ẵ n mà đố i t ượ ng c ầ n đượ c kh ố ng ch ế ở đ ó). Sau khi đượ c khu ế ch đạ i l ượ ng sai l ệ ch ∆ U = U x - U ch đượ c đư a t ớ i kh ố i ch ấ p hành để đ i ề u khi ể n t ă ng ho ặ c gi ả m T x theo yêu c ầ u tùy d ấ u và độ l ớ n c ủ a ∆ U. S ẽ có 3 khà n ă ng: . s ch (t) = s ch (-t) = 2 1 [ s(t) + s(-t)] ( 1 -2 1) s lẻ (t) = -s lẻ (-t) = 2 1 [ s(t) - s(-t)] t ừ đ ó suy ra: s ch (t) + s lẻ (t) = s(t) 12 0s ;s(t)(t)s lech == ( 1 -2 2) f) Thành. 1 chi ề u). Theo các h ệ th ứ c( 1-1 3) van ( 1-1 8) có : τ 1 ss(t) == = ∫ + τ o o t t s(t)dt ( 1-1 9) lúc đ ó : s - = s(t) - s(t) và 0s(t)s(t)s ~ == - ( 1 -2 0) e) Các thành phần chẵn và lẻ. thành ph ầ n th ự c và ả o c ủ a s(t) theo (l -2 3 ) và (l -2 4 ) đượ c xác đị nh b ở i: Re (t)ss(t)[ 2 1 s(t) * += ] Im ](t)ss(t)[ 2 1 s(t) * −= ( 1 -2 5) 1.3. CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỂN HÌNH H ệ