BÀI DỊCH TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG

Một hệ thống điển hình liên quan đến nhiều thành phần chạy âm giai của mạch kỹ thuật điện, điện tử, xử lý tín hiệu, vi xử lý, và các mạng lưới truyền thông và đến một vài các lĩnh vực

CHƯƠNG 1

GIỚI THIÊU

• TÓM TẮT CHƯƠNG

1.1 Những phần tử và giới hạn của hệ thống

truyền thông

Các yếu tố nền tảng của một hệ thống truyền

thông cơ bản: thông tin, tin nhắn, và tín hiệu 1.2 Điều chế và mã hoá

mã hóa và lợi ích

1.3 Lịch sử phát triển và những tác động xã hội

đến sự phát triển

• 1.4 Prospectus

• “ By kingdoms, right wheel!” Đây là những cụm từ đầu tiên đại diện cho các tin nhắn điện báo đầu tiên được ghi nhận Samuel F B Morse gửi nó trên một quãng đường 16 km năm

1838 Vì vậy, một kỷ nguyên mới đã được sinh ra: thời đại của

điện truyền thông Bây giờ, hơn một thế kỷ rưỡi sau đó, thông tin liên lạc kỹ thuật đã tiến đến điểm mà khán giả truyền hình

ở Trái đất có thể xem các phi hành gia làm việc trong không gian Điện thoại, đài phát thanh và truyền hình là một phần

không thể tách rời của cuộc sống hiện đại.Hệ thống giờ đã

mở rộng toàn cầu mang văn bản, dữ liệu, thoại, và hình ảnh

• Máy tính kết nối với máy tính thông qua mạng lưới liên lục địa, và kiểm soát hầu như tất cả các thiết bị điện trong nhà của chúng ta Thiết bị không dây thông tin liên lạc cá nhân tiếp tục được kết nối ở bất cứ nơi nào chúng tôi đi Chắc chắn

những bước tiến lớn đã được thực hiện kể từ những ngày của Morse Tương tự, nhất định thập kỷ tới sẽ mở ra được nhiều thành tựu mới của kỹ thuật truyền thông

• Giáo trình này giới thiệu hệ thống thông tin liên lạc điện, bao gồm các phương pháp phân tích, nguyên tắc thiết kế, và về phần cứng Chúng tôi bắt đầu với một cách nhìn,mô tả tổng quan để thiết lập những quan điểm cho các chương tiếp theo.

1.1 YẾU TỐ VÀ HẠN CHẾ CỦA HỆ

THỐNG TRUYỀN THÔNG

• Một hệ thống thông tin liên lạc truyền tải thông tin từ

nguồn của nó đến một địa điểm cách đó không xa Hiện có rất nhiều ứng dụng khác nhau của hệ thống thông tin liên lạc mà chúng ta không thể đề cập được hết tất cả các loại

• Chúng ta cũng không thể thảo luận chi tiết tất cả các

bộ phận riêng lẻ tạo nên một hệ thống cụ thể Một hệ

thống điển hình liên quan đến nhiều thành phần chạy âm giai của mạch kỹ thuật điện, điện tử, xử lý tín hiệu, vi xử

lý, và các mạng lưới truyền thông và đến một vài các lĩnh vực có liên quan Hơn nữa, việc thảo về từng phần sẽ làm

mờ đi đặc điểm cần thiết của một hệ thống thông tin liên lạc là một bộ tích hợp của các bộ phận của nó.

• Do đó, chúng tôi tiếp cận chủ đề từ một quan điểm tổng

quát hơn.Thừa nhận rằng tất cả các hệ thống thông tin liên lạc

có cùng chức năng cơ bản chuyển giao thông tin, chúng tôi sẽ tìm ra và thiết lập các nguyên tắc và các vấn đề về truyền đạt thông tin dưới dạng điện Điều này sẽ được phân tích ở chiều sâu đủ để phát triển các phương pháp phân tích và thiết kế phù hợp với một phạm vi rộng các ứng dụng.Trong thời gian

ngắn, giáo trình này là có liên quan với các hệ thống thông tin liên lạc như các hệ thống

Thông tin, tin nhắn, và tín hiệu

• Rõ ràng, khái niệm của thông tin là trung tâm thông tin liên lạc.Nhưng khái niệm thông tin là một từ mang ngụ ý ngữ

nghĩa và triết học ,không được định nghĩa chính xác Để tránh những khó khăn này bằng cách thay vì có trong thông báo

được định nghĩa như là sự biểu hiện vật lý của thông tin được

tạo lập bởi nguồn.Bất cứ hình thức tin nhắn nào, mục tiêu của một hệ thống thông tin liên lạc là để tái lập tại điểm đến một bản sao chấp nhận được của các thông báo nguồn

• Có nhiều nguồn thông tin, bao gồm máy móc cũng như con người, và các tin nhắn xuất hiện trong các hình thức khác nhau Tuy nhiên, chúng ta có thể xác định hai loại tín hiệu

riêng biệt:tương tự và số Sự phân biệt giữa 2 tín hiệu này dữa vào cách thức truyền tính hiệu.

• Một tín hiệu tương tự là một đại lượng vật lý mà thay đổi theo thời gian, thường là một cách trơn tru và liên tục.Ví dụ các tín hiệu tương tự như :công suất âm hình thành khi bạn nói, vị trí góc của một con quay hồi chuyển của máy bay, hoặc cường độ ánh sáng tại một số điểm trong một màn ảnh truyền hình Kể từ khi thông tin tồn tại trong một dạng sóng thời gian khác nhau, một hệ thống thông tin liên lạc tín hiệu tương tự nên cung cấp dạng sóng này với một mức độ quy định của âm thanh có độ chính xác.

• Một tín hiệu số là một chuỗi các lệnh của các kí tự được lựa chọn từ một tập hữu hạn các yếu tố rời rạc Ví dụ tín hiệu

số là các chữ in trên trang này, một danh sách các bài đọc

nhiệt độ theo giờ, hoặc các phím bạn bấm vào bàn phím máy tính.Kể từ khi thông tin nằm trong các kí tự rời rạc, một hệ thống truyền thông kỹ thuật số cung cấp các kí tự này với một mức độ quy định cụ thể chính xác trong một khoảng thời gian

đã định

• Cho dù là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số, các nguồn tin

số vốn điện.Do đó, hầu hết các hệ thống thông tin liên lạc có đầu vào và đầu ra như thể hiện trong hình 1,1-1.Đầu vào

chuyển đổi các tín hiệu thành một tín hiệu điện,điện áp rồi qua

hệ thống thông tin và tới một bộ chuyển đổi khác tại điểm đến chuyển đổi tín hiệu đầu ra dưới hình thức tín hiệu mong muốn

Ví dụ, các đầu dò trong một hệ thống thông tin liên lạc bằng giọng nói có thể là một microphone ở đầu vào và một loa ở

đầu ra Chúng tôi sẽ giả định sau đây rằng các đầu dò thích

hợp tồn tại, và chúng tôi sẽ tập trung chủ yếu vào nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu.Trong bối cảnh này, các tín hiệu điều kiện

và thông tin sẽ được sử dụng thay thế cho nhau Tín hiệu, như

là một phương án vật lý của thông tin

Các yếu tố của một hệ thống truyền thông

• Hình 1,1-2 mô tả các yếu tố của một hệ thống thông tin liên lạc, trong đó bỏ qua những nhiễu không mong muốn.Có ba phần thiết yếu của bất kỳ hệ thống thông tin liên lạc, máy phát,

thiết bị truyền dẫn và thiết bị nhận Mỗi phần đóng một vai trò đặc biệt trong việc truyền tín hiệu, như sau

• Máy phát xử lý tín hiệu đầu vào để phát đi một tín hiệu truyền phù hợp với đặc điểm của kênh truyền dẫn.Cần phải

xử lý tín hiệu trước khi truyền dẫn, đó là các công đoạn

điều chế và mã hóa tín hiệu.

• Các kênh truyền dẫn là cầu nối đưa tín hiệu từ nguồn tới đích Nó có thể là một cặp dây, cáp đồng trục, sóng vô tuyến hoặc chùm tia laser.Mỗi kênh truyền dẫn thì đều có sự suy giảm tín hiệu khi truyền tải, do đó,độ lớn tín hiệu giảm dần khi khoảng cách ngày càng tăng.

• Máy thu có chức năng nhận các tín hiệu đầu ra từ các

kênh truyền dẫn để chuẩn bị cung cấp tín hiệu tới điểm

đến.Máy thu thực hiện khuếch đại tín hiệu để bù đắp cho tổn thất do truyền tải, và giải điều chế và giải mã để khôi phục tín hiệu ở máy phát Lọc tín hiệu là một chức năng quan trọng

khác ở máy thu

• Có nhiều tác dụng không mong muốn khác nhau nảy sinh trong quá trình truyền tín hiệu Sự suy giảm là không mong muốn vì nó làm giảm cường độ tín hiệu tại máy thu.Nghiêm trọng hơn là sự bóp méo, nhiễu, và tiếng ồn do chúng xuất hiện làm thay đổi của hình dạng tín hiệu Mặc dù nhiễu tín hiệu có thể xảy ra tại bất kỳ điểm nào,nhưng quy định là

hoàn toàn chỉ xảy ra trên kênh truyền dẫn.

• Tình trạng méo dạng sóng là do những nhiễu không

mong muốn của hệ thống tín hiệu Không giống như tiếng ồn

và nhiễu, méo biến mất khi tín hiệu được tắt Nếu kênh bị

méo tín hiệu, méo tín hiệu có thể được sửa chữa, hoặc ít

nhất là giảm, với sự giúp đỡ của các bộ lọc đặc biệt gọi là bộ cân bằng

• Nhiễu là do tác động của các tín hiệu không liên quan từ

các thiết bị phát khác,vi dụ: đường dây điện và máy móc,

mạch chuyển đổi Nhiễu sóng thường xuyên xảy ra nhất trong các hệ thống vô tuyến do ăng-ten thường thu nhận một số tín hiệu khác nhau cùng một lúc Nhiễu tần số vô tuyến (RFI) cũng xuất hiện trong hệ thống cáp dây truyền hoặc mạch nhận tín hiệu bức xạ từ các nguồn lân cận.Các bộ giúp lọc loại bỏ các tín hiệu can thiệp ,chúng chiếm dải tần số khá so với tín hiệu mong muốn.

• Bộ lọc làm giảm bớt ô nhiễm tiếng ồn, nhưng có chắc chắn vẫn còn một số lượng tiếng ồn mà không thể được loại

bỏ.những tiếng ồn này là một trong những hạn chế hệ thống

cơ bản.

• Tiếng ồn là ngẫu nhiên và không thể đoán trước các tín hiệu điện có bị nhiễm truyền hay không

• Truyền dẫn theo cả hai chiều, tất nhiên, đòi hỏi một máy phát và nhận ở cuối mỗi Full-duplex (FDX) hệ thống có một kênh cho phép đồng thời-

neous truyền theo cả hai hướng

Những hạn chế cơ bản

• Một kỹ sư phải đối mặt với hai yêu cầu ràng buộc khi thiết

kế một hệ thống thông tin liên lạc.Một mặt là những vấn đề

công nghệ, bao gồm những cân nhắc khác nhau như phần cứng

có sẵn, các yếu tố kinh tế, quy định của nhà nước Đây là

những vấn đề về tính khả thi có thể được giải quyết trong lý thuyết, mặc dù giải pháp đó không được hoàn hảo trong thực tế.Mặt khác tồn tại những hạn chế vật lý cơ bản, các quy luật

tự nhiên khi liên quan đến yêu cầu trong công việc Những hạn chế cơ bản của truyền tải thông tin bằng phương tiện điện

là băng thông và tiếng ồn.

• Khái niệm về băng thông áp dụng cho cả hai tín hiệu

và hệ thống như là một thước đo của tốc độ.Khi một tín hiệu thay đổi nhanh chóng theo thời gian, tần số của nó, hoặc quang phổ, kéo dài trên một phạm vi rộng và chúng

ta nói rằng tín hiệu có một băng thông lớn Tương tự như vậy, khả năng của một hệ thống để theo dõi biến đổi tín hiệu được phản ánh trong đáp ứng tần số có thể sử dụng băng thông truyền tải Bây giờ tất cả các hệ thống điện có chứa các thành phần lưu trữ năng lượng, và năng lượng lưu trữ không thể thay đổi ngay lập tức Do đó, tất cả các

hệ thống thông tin liên lạc có một băng thông hữu hạn giới hạn tỷ lệ biến đổi tín hiệu.

• Truyền thông theo điều kiện thời gian thực đòi hỏi băng

thông truyền tải đủ để thích ứng với phổ tín hiệu, nếu không, biến dạng nghiêm trọng sẽ dẫn đến Như vậy, ví dụ, một băng thông của một số megahertz là cần thiết cho một tín hiệu video truyền hình, trong khi chậm hơn nhiều các biến thể của một sự phù hợp tín hiệu thoại thành các kHz ~ 3 B Đối với một tín hiệu kỹ thuật số với biểu tượng mỗi giây, băng thông phải là B> r / 2 Trong trường hợp truyền tải thông tin mà không có một hạn chế thời gian thực, băng thông có sẵn quyết định tốc

độ tín hiệu tối đa Thời gian cần thiết để truyền tải một lượng thông tin do đó tỉ lệ nghịch với B

• Tiếng ồn yêu cầu điều kiện thứ hai trên truyền tải thông tin Tại sao là tiếng ồn không thể tránh khỏi? Thay vì tò

mò, câu trả lời đến từ lý thuyết động học.Tại bất kỳ nhiệt

độ trên không độ tuyệt đối, nhiệt năng gây ra các vi hạt chuyển động ngẫu nhiên Sự chuyển động ngẫu nhiên của các hạt tích điện như electron tạo ra dòng điện hoặc điện

áp ngẫu nhiên được gọi là tiếng ồn nhiệt Ngoài ra còn có các loại tiếng ồn, nhưng tiếng ồn nhiệt xuất hiện trong tất

cả các hệ thống thông tin liên lạc

• Chúng tôi đo tiếng ồn liên quan đến một tín hiệu thông tin

về SIN tiếng ồn tín hiệu để tỷ lệ công suất Tiếng ồn nhiệt điện thông thường là khá nhỏ, và SIN có thể là quá lớn nên tiếng ồn không được chú ý.Tuy nhiên, tại các giá trị thấp hơn của SIN, tiếng ồn làm giảm âm thanh có độ trung thực trong giao tiếp

và hình thành lỗi trong truyền thông kỹ thuật số Những vấn

đề này trở nên nghiêm trọng nhất trên đường dài liên kết khi tổn thất truyền tải làm giảm cường độ tín hiệu nhận được

xuống đến mức độ tiếng ồn.Khuếch đại ở máy thu sẽ gây ra lỗi, bởi vì tiếng ồn sẽ được khuếch đại cùng với tín hiệu

• Kết hợp cả hai hạn chế trên, Shannon (1948) nói rằng tốc

độ truyền tải thông tin không thể vượt quá công suất kênh

C = B log (1 + S / N)

Mối quan hệ này, được gọi là định luật Hartley-Shannon, thiết lập một giới hạn đối với một hệ thống thông tin liên lạc với một băng thông và tín hiệu để tỷ lệ tiếng ồn cho phép.

1.2 Điều chế và mã hóa

•- Điều chế và mã hóa là hoạt động thực hiện ở máy phát để đạt được truyền tải thông tin hiệu quả và đáng tin cậy.

a, Phương pháp điều chế

•Điều chế tín hiệu là quá trình biến đổi một hay nhiều thông số của một tín

hiệu theo sóng mang.

• Điều chế liên quan đến hai dạng sóng: tín hiệu điều biến biểu diễn cho tín hiệu, và một làn sóng nhà cung cấp dịch vụ phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

•- Một hệ thống điều biến làm thay đổi làn sóng truyền tải tương ứng với sự biến đổi của tín hiệu điều chỉnh Do đó các sóng điều chế kết quả "mang" các thông tin thông báo.

•-Tin tức có thể được lấy ra bởi quá trình bổ sung của giải điều chế.

• - Hình 1,2-1 mô tả một phần của một tín hiệu điều biến tương

tự (a) được điều chế thành dạng sóng hình sin (b):

• -Các hệ thống truyền dẫn đường dài sử dụng CW điều chế với tần số sóng mang cao hơn nhiều so với các thành phần tần số cao nhất của tín hiệu điều chỉnh

Mục đích và ứng dụng của điều chế:

•Mục đích : tạo ra một tín hiệu điều chế phù hợp với đặc điểm của kênh

truyền dẫn.

•Ứng dụng: +Hiệu quả cao khi truyền1 khoảng cách xa.

•+Tín hiệu cần truyền có thể gắn vào một sóng mang có tần số lựa chọn với phương pháp truyền mong muốn.

•VD sự truyền dẫn tín hiệu hiệu quả đòi hỏi phải có kích thươc ăng ten có kích thước vật lý ít nhất 1/10 bước sóng của tín hiệu Truyền dẫn tín hiệu âm thanh không điều chế có chứa các thành phần tần số xuống 100 Hz do đó sẽ gọi cho ăng-ten dài khoảng 300 km Truyền dẫn điều chế ở 100 MHz , trong phát

thanh truyền hình FM , cho phép kích thước ăng ten thực tế khoảng một mét

•+ Điều chế để khắc phục những hạn chế phần cứng thiết kế của một hệ thống thông tin liên lạc.

•+ Giảm nhiễu.

b Mã hóa:

•Là một công đoạn xử lí biểu tượng để cải thiện truyền thông khi thông tin là tín hiệu số hoặc có thể đươc làm xấp xỉ trong tín hiệu rời rạc

•Các hoạt động của mã hóa biến đổi một thông điệp kỹ thuật số thành một chuỗi mới của các biểu tượng

•Mã hóa nguồn là phương pháp mã hóa tín hiệu thành các bít

thông tin, với mục đích là lấy dữ liệu nguồn và thu nhỏ chúng, loại bỏ dữ liêu k cần thiết, bao gồm M các bước sóng khác nhau dưới dạng nhị phân có hai thuận lợi:

•+ cần phần cứng ít phức tạp để xử lý tín hiệu chỉ bao gồm hai dạng sóng

•+ sẽ giảm thiểu lỗi do tiếng ồn do ô nhiễm tiếng ồn ít tác dụng lên tín hiệu nhị phân hơn

• Mã hóa kênh là một kỹ thuật được sử dụng để xử lí phần dư

thừa để nâng cao độ tin cậy của một kênh bị nhiễu

• Lỗi điều khiển mã hóa gia tăng hơn theo hướng giảm độ nhiễu của băng rộng

• Bằng cách chèn thêm bit kiểm tra vào mỗi mã nhị phân, ta có thể phát hiện, hoặc thậm chí chính xác, hầu hết các lỗi xảy ra

• Kiểm soát lỗi mã hóa làm tăng băng thông và phức tạp phần cứng, nhưng làm giảm các lỗi của hệ thống truyền thông số dù tín hiệu thấp tới mức độ nhiễu

• Mã nguồn có thể được xem như là kép của mã hóa kênh trong

đó nó làm giảm sự dư thừa để đạt được hiệu quả mong muốn

• Những lợi ích của kỹ thuật mã hóa số có thể được kết hợp

trong truyền dẫn tương tự với sự giúp đỡ của phương pháp

chuyển đổi kỹ thuật số như biến điệu mã xung (PCM)

Lịch sử truyền thông và tác động xã hội

• Trong cuộc sống hàng ngày , chúng ta thường có sẵn các công nghệ tiên tiến cho phép chúng ta giao tiếp gần như ngay lập

tức với mọi người xung quanh trên thế giới

• Bây giờ, đa số mọi người có nhiều số điện thoại để quản lý

gia đình, kinh doanh điện thoại, máy fax, modems và các thiết

bị truyền thông không dây cá nhân

• Chúng ta gửi văn bản, video, và âm nhạc thông qua thư điện

tử và chúng ta "lướt Net" để đọc thông tin và giải trí Chúng

ta có nhiều đài phát thanh truyền hình hơn để xem và các "thiết

bị điện tử thông minh" cho phép các thiết bị gia đình của

chúng ta có thể tăng được tuổi thọ lâu hơn

• Thật khó để tin rằng hầu hết các công nghệ này đã được phát triển trong 50 năm qua

Lich sử của truyền thông điện

• 1800-1837 Sơ bộ sự phát triển : Volta phát hiện ra pin tiểu , toán học luận bởi Fourier, Cauchy và Laplace

Thí nghiệm về điện và từ Oersted, Ampere, Faraday, và Henry, định

luật Ohm (1826), hệ thống điện tín bắt đầu bởi Gauss, Weber và Wheatstone.

• 1838-1866 Điện báo: Morse hoàn thiện hệ thống của mình

• 1844 Đã phát minh ra kỹ thuật ghép kênh; William Thomson (Lord Kelvin) tính toán đáp ứng xung

của một đường dây điện báo (1855), cáp xuyên cài đặt Cyrus trường và liên kết.

• 1845 Luật Kirchhoff đề ra.

• 1864 Phương trình Maxwell cho bức xạ điện từ

• 1876—1899 Bộ chuyển đổi điện thoại: Acoustic hoàn thiện bởi Alexander Graham Bell, sau khi trước đó là nỗ lực của Reis, trao đổi qua điện thoại 1, ở New Haven, với tám dây chuyền

Lý thuyết tải cáp ra đời bởi Heaviside, Pupin, và Campbell.

• 1887—1907 Điện báo không giây : Heinrich Hertz xác minh lý thuyết của Maxell của Marconi và Popov, Marconi bằng sáng chế không dây hoàn chỉnh hệ thống điện báo (1897), lý thuyết của các mạch điều chỉnh được phát triển bởi Sir Oliver Lodge, dịch vụ thương mại bắt đầu, bao gồm cả tàu bờ và các hệ thống xuyên Đại Tây Dương

Loại bộ lọc cơ bản ra bởi GA Campbell và những người khác

Thí nghiệm AM đài phát thanh phát sóng;

• 1915

Đường dây điện thoại xuyên lục địa với các bộ lặp điện tử hoàn thành hệ thống Bell,

EH Armstrong hoàn thiện máy thu radio (1918),

Đài truyền hình đầu tiên thương mại, KDKA, Pittsburgh

• 1920-1928

Lý thuyết truyền tải : Landmark lý thuyết truyền tín hiệu và tiếng ồn JR Carson,

H Nyquist, JB Johnson, và RV L Hartley.

• 1923-1938

Hệ thống truyền hình bằng hình ảnh được hình thành bởi Baird và Jenkins :lý

thuyết phân tích các yêu cầu băng thông , Farnsworth và Zworykin đề xuất hệ thống điện tử, chân không ống cathode-ray hoàn thiện của Dumont và những người khác, thử nghiệm và phát sóng thử nghiệm bắt đầu.

• 1944-1947

Lý thuyết truyền thông của Rice thống kê phát triển một đại diện toán học của tiếng ồn, Weiner, Kolmogoroff, và Kotel'nikov áp dụng các phương pháp thống kê để báo hiệu phát hiện.