v ũ ĐÌNH THÀNH TƯƠNG Tự - SỐ NHÀ XUẤT ĐẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP Hố CHÍ MINH ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA V ũ Đ ìn h T h n h GIAO TRINH NGUYÊN LÝ THÔNG TIN TƯƠNG Tự - SÔ (Tái NIÀ XUẤT BẲN ĐẠI HỌC Q ưốc GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2012 GT.03.TH(V) ĐHQG.HCM-12 155-2012/CXB/150-08 TH.GT.286-121 MỤC LỤC L ời n ó i đ ầ u Chương 1.T Ổ N G Q U Á T VỀ H Ệ TH ỐNG 1.1 Các yếu tô tủa hệ thống thông tin Điều chế m ã h ó a 12 Chương 2.T ÍN H IỆ U VÀ P H Ổ .17 2.1 P hổ tuyến tín h chuỗi F ourier 17 2.2 Tích p h ân fourier phổ liên tụ c 22 2.3 Khối lọc tín hiệu tuyến tín h b ất b i ế n 25 2.4 H àm tương quan m ật độ p h ổ 27 2.5 B iến ngẫu n h iên hàm xác s u ấ t .31 2.6 Giá trị thống k ê 33 2.7 Mô h ìn h xác s u ấ t 36 2.7 T ín hiệu ngẫu nhiên n h iễ u 39 Bài tậ p chương Tín hiệu p h ố 47 Chương 3.T H Ô N G TIN TƯƠNG T ự 51 3.1 Điều chế tuyến t í n h 51 3.2 Điều chế hàm m ũ 75 3.3 Hệ thông thông tin tương tự 92 Bài tập chương Thông tin tương t ự 106 C h ơn g 4.X Ử L Ý T R U Y Ề N TH ÔNG TƯƠNG s ố .108 4.1 Lấy mẫu tín hiệu có băng tần giới h n 108 4.2 Điều biên xung ghép kênh thời g ian 111 4.3 B ăng thông tín hiệu ghép kênh TD 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 chê xung mã (PC M ) 124 4.7 Hệ thông ghép kênh P C M 128 4.8 Điều chế xung mã vi sai (D PC M ) 134 4.9 Điều chế D elta (AM) 136 C hương 5.T H ÔNG TIN s ố 138 5.1 Điều chế dịch biên A S K 139 5.2 Điều chế dịch pha P S K .; 142 5.3 Điều chế dịch tần F S K .167 5.4 Điều biên trực pha QAM 177 5.5 Điều chế dịch pha tối thiểu M S K 181 5.6 Kỹ th u ật điều chế OFDM 189 Bài tập chương Thông tin s ố .218 C hương K Ỹ TH U ẬT TRẢI P H Ổ 6.1 Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên ÍP R B S ) 221 6.2 Kỹ th u ật trả i phố cách phân tá n phổ trực tiế p 225 6.3 Kỹ th u ật trả i phổ phương pháp nhảy tần sô 239 6.4 Hệ thống thông tin MC-CDMA .244 G iả i b i tậ p ch ơn g T ÍN H IỆU VÀ P H Ổ 255 G iả i b i tậ p ch ơn g 3.T HÔNG T IN TƯƠNG T ự 268 G iả i b i tậ p ch ơn g 5: THÔNG T IN S Ô 272 T ài liệu th a m k h ả o 7 L ời n ó i đ ầ u Trong năm qua, kỹ thuật viễn thông có bước tiến không ngừng vói tốc độ cực nhanh N hiều kỹ thuật công nghệ cỉã đời sau nhanh chóng trở nên lạc hậu kỹ thuật tiến hơn, có nhiều ưu điểm lại p hát minh sau Đơn cử ví dụ hệ thống diện thoại di động G S M , dược phát nành vả sử d ụ n g chí vòng chục năm trở lại đ â y , lại trở nên nhanh chóng lac hậu so với hệ thống di động CDMA số vừa có số kênh liên lạc lớn, chất lượng tốt kèm theo nhiều clịch vụ hấp dẫn người sử dụng Trong lĩnh vực đào tạo điện tử viễn thông, song song với nguyên lý thông tin tương tự số cổ điển khai thác nghiên cứu nhiều giáo trình kinh điển, tài liệu kỹ thuật vấn p h ả i luôn dược cập nhật nguyên lý điều chế truyền số, chẳng hạn kỹ thuật QAM, OFDM, kỹ thuật trải phổ, Giáo trình 'N g u y ê n lỷ th ô n g tin tư n g tự - s ố " biến soạn nhằm mục đích cung cấp kiến thức sỏ tin hiệu - p h ổ phương thức điều chế cổ điển (điều chế tương tự AM, FM, P M điều chế số ASK, FSK, PSK) phương thức điều ché (điều chế ghép kênh PGM, điều chế QAM, MSK ) Nội dung giáo trình không nhằm p h â n tích kỹ thuật điều c h ế quan điểm mạch diện thiết k ế chi tiết, mà có định hướng tìm mô hình toan học tổng quát cho loại tín hiệu p h ổ trước sau điều chế, ảnh hưởng nhiều lèn chất lượng thông tin, mối liên quan xác suất thu sai tín hiệu với tỉ số tín hiệu!nhiễu Mô hình có th ể dược sử dụng cho nhiều kiểu điều chế giải điều chế khúc mà không làm thay dổi tính chất tổng quát phương pháp Giáo trình có th ể dược sử d ụ n g làm tài liệu học tập, giảng dạy chuyên ngành viễn thông làm tài liệu sở cho nghiên cứu chuyên sâu Giáo trình xuất lần đẩu tiên, có tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau, chắn không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong muốn tiếp nhận dược phản hồi từ nhủ chuyên m ô n , nhà nghiền cứu, từ giảng viên sinh viên, nội dung hình thức giáo trình đ ể có th ể hiệu hoàn thiện lần xuất bần sau © ^ Nặ Tác già chân thành cảm ơn cô môn Viễn Thòng, Khoa Điện - Điện Trường Đại họ ĐHQG TPHCM, trợ giúp nhiề việc hoàn thành giáo trình Địa liên hệ:Bộ môn Viễn Thông, Khoa •ườngĐại học Bách Khoa - ĐHQG TPHCM, s ố 269 Thường Kiệt 10, ĐT: 08.8657296, Email: vdthanh@ T c giả PG S-TS Vũ Đ ìn h T h n h Chương TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hệ thống thông tin định nghĩa hệ thống chuyển tải tin tức từ nguồn p h át tin đến nơi n h ận tin m ột khoảng cách Nếu khoảng cách thông tin lớn so với kích thước th iế t bị (cự ly thông tin xa), ta có hệ thống viễn thông Hệ thống thông tin thực hay nhiều nguồn p h t tin đồng thời đến hay nhiều nơi nhận tin, ta có kiểu thông tin m ột đường, đa đường, phương thức thông tin m ột chiều, hai chiều nhiều chiều Môi trường thông tin có th ế dạng hữu tuyến vô tuyên, chẳng h ạn dùng dây truyền sóng, cable truyền tin sóng điện từ vô tuyên 1.1 CÁC YẾU TỐ CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN 1- Tin tứ c tín h iệu Tin tức yếu tô trung tâm m ột hệ thống thông tin Mục tiêu cua hộ thống chuyên tải tá i lập lại tin tức nơi n h ận tin cho nội dung tin tức không dối so với nơi p h át có th ể hiếu dược, chấp nhận dược Tin tức xuất nhiều dạng khác nhau, chia th àn h hai loại: dạng tương tự dạng số Tin tức dạng tương tự dược đại lượng v ật lý biên th iên liên tục đặn theo thời gian, chẳng h ạn tín hiệu âm th an h , hình ảnh, tín hiệu lường n h iệ t độ, áp suất, Tiêu chí quan trọng hộ thống thông tin tương tự trung thực tín hiệu nơi n h ận tin so với nơi p h át tin Tin tức dạng số th ể dạng ri.*t chuỗi ký hiệu lược chọn từ tập hợp hữu hạn ký hiệu rời rạc, chang h ạn , C H U lN G •chuỗi ký t í chữ sô xuất trê n m ột văn bản, chuỗi b luận lý đọc từ m ột file liệu Tiêu chí quan trọng hệ th ông thông tin sô lả độ xác cùa chuỗi ký tự n h ận (hoặc tỉ sô lỗi bít n h ận được) tín h m ột khoáng thời gian n h ấ t định trìn h th ô n g tin Về m ặt vật lý, tin tức xuất h iện dạng tín hiệu, thông thường tín hiệu điện T rong mô hình hệ th ô n g thông tin hình 1.1, tin tức chuyến đối th n h tín hiệu điện ngược lại nhờ cảm biến p h t cảm biến thu 1.1Mô H ình hình hệ thống thông Như đôi với hệ th ô n g thông tin , tín hiệu v ậ t lý chuyển tải tín hiệu điện, xử lý trê n sở khối m ạch điện tử Các cảm biến p h t vả thu, m ặc dù p h ần tử chuyển đổi dạng thức v ật lý tin tức, ản h hưởng r ấ t lớn đến độ trung thực độ tin cậy hệ th ô n g thông tin Việc k h ảo s t đặc tính phi tuyến giới h n dải động, dải tầ n sô" h o ạt động, cảm biến không nằm tro n g nội dung trìn h bày môn học 2-S đ k h ô i tổ n g q u t c ủ a hệ th ố n g th ô n g H ình 1.2S đồ khối tổng quát H ình 1.2 giới thiệu m ột sơ đồ khôi tổng q uát hệ thông thông tin , tín hiệu p h t thu lan truyền môi trường xem dạng tín hiệu điện (các khối cảm biến TỔNG QUÁT VỄ HÊTHỐNG THÕNG TIN p h át cảm biến thu hình 1.1 xem lả thuộ.c nguồn p h t tin nơi n hận tin) Sơ đồ khối gồm ba ph ần chính: • Khôi p h át có chức n ăn g xử lý tín hiệu tin tức cung câp vào môi trường thông tin m ột tín hiệu có dạng thức phù hợp với đặc tính môi trường, với điều kiện nội dung tin tức truyền không th ay dpi Khôi p h t gồm ph ần mã hóa, điều chế khuếch đại pinh • Môi trường thông tin môi trường v ật lý cụ th ể , cho phép chuyền tả i tín hiệu từ nơi p h át đến nơi thu Môi trường thông tin có th ế dạng hữu tuyến (dây dẫn điện song h àn h , dây cable tín hiệu, sợi quang, ) dạng vô tuyến (không gian tự do, chân không, môi trường ch ất lỏng, ) Môi trường thông tin có đặc tín h gây suy hao công suất tín hiệu gây trễ pha tín hiệu tru y ền tin Cự ly thông tin lớn độ suy hao vả trễ pha nhiều • Khôi thu có chức n ăn g thu nhận tín hiệu tin tức từ môi trường thông tin, tái tạo lại tin tức để cung câ’p đến nơi n h ận tin Khen thu có th ế gồm phần khuếch đại tín hiệu điện (để bù trừ độ suy hao trê n môi trường thông tin), giải điều chế giải m ã hóa (đề khôi phục lại tin tức gốc ban đầu nơi phát), khôi chọn lọc k ên h thông tin (đế chọn lựa tín hiệu từ nguồn tin m ta muốn thu n hận, môi trường thông tin có th ể sử dụng truyền tin đồng thời cho nhiều nguồn tin khác nhau) • Một loại tín hiệu phụ luôn xuât tồn b ất kỳ hệ thống thông tin th ế khôi nhiễu, can nhiều tác n h ân gây méo dạng Đầy tín hiệu m không mong muốn nh ận nơi thu trìn h truyền tin Chúng có th ể xuât h iện môi trường thông tin dạng nhiễu cộng nhiễu nhân Do tín h châd suy hao môi trường thông tin, tín hiệu tin tức mà ta muôn truvền có th ể bị suy hao công su ât đến mức bị xen lẫn với tín hiệu nhiều tro n g môi trường nơi thu Lúc này, trìn h th ô n g tin th ấ t bại, nơi n h ận tin không tái tạo lại tin tức từ nguồn p h t tin - Nhiễu tín hiệu không mong muốn, xuất h iện m ột cách ngầu n h iên môi trường thông tin từ ph ần tử, linh k iện th iế t bị Nhiễu cộng có thê loại bỏ giảm thiếu ản h hưởng nhờ lọc tầ n số, xử lý ngưỡng tạ i nơi thu 264 cik = (] T ) ị x { t ) ẽ jk"ũt d t =(1/4) r = Ị le"-'*"’0' -1 ( - l/j/e o ) o ) e = ( \/jk2ĩĩ.) -jkn0l -1 e = sin(/e(0o)//ỉ7t = sin(/ỉ7t/2)//íJi -e xít) -6 -5 -4 -3 -2 -1 I0 ì b/ Chu kỳ y{t)àl T , tầ n số co0 = 2n/2 Các hệ số chuỗi Fourier: bo = (1 /T) U f)()0) = - [ l + 2e-jú) = -[1 + 2e'J(2,~]/[l - e'j(2te/4/4l = -2,8235 + 7'0,7059 6-2 = a -2 m e j(-2)°)= -[1 + 2e~j'~2,']/[l - e“J,~2W4/41 = -2,8235 - 0,7059 63 , = Ta n h ận th hệ sô' F ourier bk liên hiệp phức đôi m ột (6 -k= 6**), y[/?l chuỗi tín hiệu thực Điều hoàn toàn hợp lý với hệ thông LTI n h ân quả, chuỗi vào a[ỉi I thực th ì chuỗi y[/ỉ | thực B i t ậ p 9: a/ X(7V0 ) = ý[ỗ(o> + ) - 5(ü) - )] - [S((0 Bởi vì: COSÍO0/ o 71 [ồ((0 - co0) + S((0 + (0 0)l sino)o/ O' 7i[ổ( ( — (0q) —6((0 + (00)1/7 6((0 + 7t)l 267 Do đó: x ( t ) = sirư /n - 3cosnt/n b/ X(j(ữ) = 2sin(2co - nỉ2) = 2[ei‘2M"*/2,/2j = ei2"’ e~irJ2/j -e"j2w ei*'2// = - e j2"’ - e_j2" Do đó: jc(í ) +2) - 5(í - 2) = —ỗ(t Ta có th ể giải cách viết lại X(j(o) dạng: X(j(ứ)= 2sin(2co - n/2) = -2cos(2co) Bỏi vì: [8(í - ío) + S(í + f0)]/2 o cosco/o Do đó: x(f) = -2[8(í - 2)/2 + 6« + 2)/21 = -S (í - 2) - Ô(t + 2) 268 G iả i b i tậ p ch ơn g THÕNG TIN TƯƠNG T ự B i t ậ p 1: y(t) = x(t) + = m ( t ) + cos(2 t = ỉn(t)+ cos(2ti/(^) + 0,5 Y f/) = M + x 2(t)/2 i f ct ) + , [ / n 2(£) + C0S2(27X 0,5[5 [...]... (trong h T rong mụ hinh h th ng th ừ n g tin 0 hỡnh 1.2, tin tc luụn c truyn di theo m t chiu duy n h ỏ t t ngun p h ỏt tin n ni n h n tin, ta cú h thng thụng tin don cựng Ngc li, h th n g th ụng tin cho phộp truyn till tc theo hai chiu ng thi (mi bờn va l ngun p h ỏ t tin, va l noi n h n tin) dc gi l h th ụng song cụng (full-duplex) H thụng cho phộp thụng tin hai chiu tu n t nhau (ti m t thi im... siờu cao (thụng tin v tinh, ra d a r, truyn s liu tc cao, ) ng thi, h ỡn h 1.5 cng lit kờ cỏc mụi trng v t lý k h ỏc nhau phự hp vi cỏc di t n s thụng tin khỏc nhau TNG UAT V H THễNG Mũi trỳũng thụng tin Kiu truyn song Bỳúc súng Di tn s 15 TIN H ỡnh 1.5 Phõn b cỏc ph tn s (hoc bc súng) s dng trong thụng tin 16 CHNG I 4- M ó h úa v cỏ c c i m Mó húa (coding),c ỏp (lng cho cỏc ngun tin tc sụ, biu... i lng su õt tớn hiu mong mutin vi cụng sut nhiu Khi c ly thụng tin cng ln, cụng suõt tớn hiu tin tc cng b suy gim khi lan truyn trong mụi trng thụng tin, cú thờ giỏm ụn mc ngang bng cụng sut nhiu mụi trng Lỳc ny, tin tc b ln vi nn nhiu v chỳng ta khụng th khụi phc li thụng tin bng cỏc phng phỏp thụng thng Gii h n bcng thụng ca kờnh cho phộp tn g ti sụ ngha l cht lng thụng tin cua kờnh tn g clo bng... phộp x lý tớn hiu cỏc mc ri rc (hai mc cao v th p ụi vi nh phõn), do ú, mch in x lý n gin hn v tin cy cao hn - Mó húa cho phộp t n g k h n n g chng nhiu ca tớn hiu Tựy theo nguyờn lý m ó húa ta cú th cú cỏc b m ó p h ỏ t hin sai hocc t sa sai khi cú nhiu trờ n k ờn h truyn lm sai lch tin tc - Mó húa cho phộp n ộn s liu p h ỏt ra t ngun, loi b cỏc tr n g th ỏ i d tha, tn g hiu su õt truyn tin Nh... th n g th ụ n g tin i vi b õ t k h thũng thụng tin no, dự l hu tuyờn hoc vụ tuyn, dự cú iu ch hay khụng iu ch, dự t n sụ th ỏ p hay cao, u cú hai gii h n c tr ng v in: bng thụng (bandw idth) v nhiu (noise)trong h th n g thụng tin * B i.g thụng l i lng o lng v tc truyn tin i vi thụng tin tng t (anlog),bng thụng c thờ hin qua di t n cỹa tớn hiu hoc di t n sụ cựa kờnh ụi vi thụng tin sụ (digital),... nh lý S hannon xỏc nh mụi liờn quan gia bng thụng B ca kờnh vi ti sụ S/N thụng qua mt CHNG 1 12 hn g sụ thụng sụ ca kờnh, gi l thụng lng kờnh capacity): c vi c l = B log 1 + sỡ ( N 1 1 ) hng s, khi B tn g thỡ S/N gim v ngc li 1.2 IU CH V M HểA iu ch ( m odulatin )v m ó húa ( ) l hai phng thc cn bn nõng cao ch t lng v tin cy ca quỏ trỡn h thụng tin õy cng l võn chớnh ca t i liu ny: phng thc x lý, ... tin tc khỏc nhau, t nhiu ngun p h ỏ t tin khỏc nhau ụn nhiu ni n h n tin khỏc nhau, s dng cựng m t mụi trng truyn G hộp k ờn h cú th di dng ghộp t n sụ (FDM: Frequency Multiplexing) hoc ghộp kờnh thi gian (TDM: T im e - Division Multiplexing) 3-C ỏc d i t n s th ụ n g tin H ỡnh 1.5 gii thiu cỏc ph t n s hoc ph bc súng h i n ang c s dng cho cỏc h ỡn h thc thụng tin khỏc nhau, t vựng t n sụ th p (in... GMHz.Bng thũng kờnh truyn cng rn truyn tin cng cao, chỏt lng truyn tin tc cng tụt nhng li gp cỏc vn sau: - Bng thụng quỏ rng s lm hao phớ dỏi t n sụ cú sn ca kờnh truyn, do ú, s lng lung thụng tin truyn dng thi trờ n kờnh s giỏm , v hiu sut s dng kờnh truyn thp - Bng thụng rng kộo theo s nh hng ca nhiu mụi trng v cỏc can nhiu t kờnh truyn lõn cn lờn kờnh thụng tin m ong muụn Do ú, trong thc tờ, tớn... tin tc sụ, biu d itn bng cỏc ký hiu ri rc Mó húa gm hai quỏ trỡn h : quỏ trỡn h mó húa (encodig)chuyn i tin tc sụ t ngun tin thnh m t chui cỏc ký hiu theo m t quy lut no ú; quỏ trỡn h giỏi mó (decoding) chuyn i ngc li t cỏc ký hiu tr v tin tc sụ' theo quy lut ngc vi quy lu t m ó húa Thụng thng, ngun tin tc s di dng nh p h õn (bit 0 v b it 1) v ký hiu m ó húa cng di dng nh phõn Núi cỏch khỏc, m ó húa... cụ hu, tn t i trong b t k h thng thụng tin thc tờ no Bn th õ n vt liu mụi trng, cỏc phn t hoc nguyờn t ca vt liu u to cỏc dao ng ngu nhiờn hn lon sinh ra nhiu, ta thng gi l nhiu n h it Cỏc ngun can nhiu t cỏc tỏc nhõn do con ngi (cỏc i p h ỏt lõn cn, cỏc th i t b khỏc dt trong mụi trng thụng tin, ) cng l ngun nhiu cho kờnh thụng tin Anh hng ca nhiu lờn tớn hiu tin tc c ỏn h giỏ thụng qua t sụ tớn hiu