Thông tin số

Telegraphy: là hệ thống thông tin liên lạc bằng điện tín, đánh dấu sự phát triển đầu tiên của hệ thống truyền thông điện. Đây là một hệ thống truyền thông số. Truyền thông điện báo được khởi xướng bởi Samuel Morse và được công bố vào năm 1837. Morse đã phát minh ra mã nhị phân có chiều dài thay đổi bằng cách sử dụng chuỗi các dấu chấm (∙) và dấu gạch (-) (gọi là các từ mã) để biểu diễn cho các mẫu tự alphabet của Tiếng Anh. Với mã này, các mẫu tự trong bản tin xuất hiện với tần xuất nhiều hơn sẽ được biểu diễn bằng các từ mã ngắn còn cac mẫu tự xuất hiện với tần xuất ít sẽ được biểu diễn bằng các từ mã dài hơn. Cũng chính vì thế mà mã Morse là tiền thân của các phương pháp mã hóa nguồn có chiều dài từ mã thay đổi. Minh họa về mã Morse:

………… o0o………… Thông tin số CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Sơ lược về sự phát triển thông tin số - Telegraphy: là hệ thống thông tin liên lạc bằng điện tín, đánh dấu sự phát triển đầu tiên của hệ thống truyền thông điện. Đây là một hệ thống truyền thông số. Truyền thông điện báo được khởi xướng bởi Samuel Morse và được công bố vào năm 1837. Morse đã phát minh ra mã nhị phân có chiều dài thay đổi bằng cách sử dụng chuỗi các dấu chấm (∙) và dấu gạch (-) (gọi là các từ mã) để biểu diễn cho các mẫu tự alphabet của Tiếng Anh. Với mã này, các mẫu tự trong bản tin xuất hiện với tần xuất nhiều hơn sẽ được biểu diễn bằng các từ mã ngắn còn cac mẫu tự xuất hiện với tần xuất ít sẽ được biểu diễn bằng các từ mã dài hơn. Cũng chính vì thế mà mã Morse là tiền thân của các phương pháp mã hóa nguồn có chiều dài từ mã thay đổi. Minh họa về mã Morse: - Năm 1875: Gần 40 năm, sau thời kỳ của Morse, Emile Baudot đã đề xuất một loại mã dành cho truyền thông điện tín trong đó các mẫu tự trong bảng Alphabet Tiếng Anh được mã hóa bởi các từ mã nhị phân có chiều dài từ mã cố định bằng 5. Với mã Baudot, các thành phần của từ mã nhị phân này là các bit dấu “1” hoặc bit trống “0”. Minh họa mã Baudot: Mặc dù Morse đã khởi xướng cho sự phát triển của hệ thống truyền thông số bằng điện đầu tiên là hệ thống điện tín (Telegraphy), cũng được xem như là truyền thông số hiện đại, đặc biệt là bắt nguồn cho nghiên cứu của Nyquist năm 1924. Nyquist đã tập trung vào việc xác định tốc độ truyền tín hiệu tối đa có thể đạt được qua một kênh truyền điện tín với độ rộng băng kênh cho trước mà không có nhiễu liên ký hiệu (ISI). Ông đã đưa ra được mô hình toán học của một hệ thống truyền thông điện tín (Telegraph) trong đó tín hiệu phát đi có dạng tổng quát: ( ) ( ) n n s t a g t nT= − ∑ Trong đó an là chuỗi dữ liệu nhị phân { } 1± được truyền với tốc độ b 1 T bit s . Nyquist đã xác định được dạng xung tối ưu có băng tần giới hạn tới W Hz đảm bảo tốc độ bit tối đa mà không gây ra nhiễu ký hiệu (ISI). 1.2. Hệ thống thông tin số 1.2.1. Khái niệm về thông tin số Trước hết ta cần hiểu khái niệm “digital” ở đây có nghĩa là giá trị rời rạc và có hàm ý rằng tín hiệu có một biến giá trị nguyên độc lập. Thông tin số bao gồm các con số và các ký hiệu (ví dụ như các ký tự trên bàn phím). Máy tính dựa trên dạng thể hiện số (digital) của thông tin để xử lý. Các ký hiệu (symbols) không có giá trị số và mỗi ký hiệu được máy tính biểu diễn bởi một số duy nhất. Ví dụ như mã ASCII biểu diễn ký tự “a” tương ứng với giá trị số ( ) 10 97 và ký tự “A” tương ứng với giá trị số ( ) 10 65 . 1.2.2. Mô hình hệ truyền tin số nói chung Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống thông tin số Hình 1.1 minh họa sơ đồ chức năng và các thành phần cơ bản của hệ thống truyền thông số. Ở đó, đầu ra của nguồn phát tin cũng có thể là tín hiệu tương tự như tín hiệu audio hay video hoặc tín hiệu số chẳng hạn như đầu ra của máy điện báo đánh chữ (teletype). Trong hệ thống truyền thông số, các bản tin được tạo ra từ các nguồn phát tin được chuyển thành chuỗi ký hiệu nhị phân (binary digits). Một cách lý tưởng là chúng ta mong muốn bản tin ở đầu ra nguồn phát tin là có ít hay không có thành phần dư thừa. Quá trình chuyển đổi hiệu quả các bản tin đầu ra của nguồn phát tin tương tự hay số thành một chuỗi các ký hiệu nhị phân được gọi là mã hóa nguồn hay nén dữ liệu. Chuỗi ký hiệu nhị phân tạo ra bởi bộ mã hóa nguồn mà chúng ta còn gọi là chuỗi thông tin, được đưa qua bộ mã hóa kênh. Chuỗi nhị phân tại đầu ra của bộ mã hóa kênh lại được cho qua bộ điều chế số để tạo dạng thích hợp với kênh truyền thông. 1.2.3. Kênh truyền tin Kênh truyền thông là môi trường để truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu. Với truyền dẫn vô tuyến, kênh có thể là áp suất khí quyển (khoảng không tự do). Với môi trường khác như các kênh thoại hữu tuyến, thường là chất liệu vật lý như các dây dẫn kim loại, cáp sợi quang. - Kênh sử dụng dây dẫn kim loại (wireline) - Kênh sử dụng sợi quang (Fiber Optic Channels) - Kênh vô tuyến sử dụng điện từ trường (Wireless Electromagnetic Channels) Hình 1.2: Đường truyền tin sử dụng sóng trời và sóng đất: - Kênh truyền tín hiệu âm thanh dưới nước (underwater acoustic channels) - Kênh lưu trữ (storage channels). 1.3. Tín hiệu băng cơ sở và tín hiệu băng thông dải 1.3.1. Tín hiệu băng cơ sở Thuật ngữ băng cơ sở chỉ miền tần số của tín hiệu bản tin và thường đó là tin hiệu băng thông thấp. Tín hiệu băng cơ sở có thể ở dạng số hay tương tự. Đối với tín hiệu tương tự: cả thời gian và biên độ là liên tục. Đối với tín hiệu số: Thời gian và biên độ (dạng sóng) đều rời rạc (ví dụ lối ra của máy tính có thể coi là tín hiệu số băng cơ sở). 1.3.2. Tín hiệu băng thông dải Để truyền dẫn, tín hiệu bản tin phải được chuyển thành tín hiệu phát có tính chất phù hợp với kênh truyền. Trong truyền dẫn băng cơ sở: Băng tần kênh hỗ trợ phù hợp với băng tần tín hiệu bản tin nên có thể truyền trực tiếp tín hiệu bản tin. Trong truyền dẫn băng thông dải: Băng tần của kênh có tần số trung tâm lớn hơn nhiều tần số cao nhất của tín hiệu bản tin. Khi đó tín hiệu được phát đi là tin hiệu băng thông dải (phù hợp với kênh truyền) mang thông tin của tín hiệu bản tin. Việc tạo ra tín hiệu băng thông dải này goi là điều chế. Khi nghiên cứu tín hiệu băng thông dải, thường người ta dùng phương pháp đưa về tín hiệu băng cơ sở tương. Liên hệ nghịch đảo giữa thời gian và tần số: Theo những tính chất của biến đổi Fourier trong lý thuyết xử lý tín hiệu có thể rút ra những tính chất căn bản sau: - Mô tả miền thời gian của một tín hiệu thay đổi có chiều ngược với mô tả miền tần số của tín hiệu: ví dụ chu kỳ của tín hiệu tăng thì tần số của nó giảm, xung càng hẹp thì phổ càng rộng… - Nếu tín hiệu là giới hạn trên miền tần số, thì mô tả trên miền thời gian sẽ là vô hạn dù biên độ của nó ngày càng nhỏ (xung sinc(t) là một ví dụ). Ngược lại nếu tín hiệu bị giới hạn trong miền thời gian thì phổ của nó rộng vô cùng. ( chú ý là không có tín hiệu đồng thời giới hạn cả về tần số lẫn thời gian song lại có thể có tín hiệu vô hạn cả về tần số lẫn thời gian). 1.4. Ưu, nhược điểm của hệ thống thông tin số 1.4.1. Những ưu điểm của thông tin số (1). Tăng được khả năng truyền dẫn dữ liệu (2). Tăng khả năng tích hợp, độ phức tạp và sự tin cậy của các hệ thống điện tử số trong việc xử lý tín hiệu, đồng thời với giá thành giảm. (3). Dễ dàng trong việc mã hóa để nén dữ liệu. (4). Khả năng mã hóa kênh để tối thiểu hóa các ảnh hưởng của tạp và nhiễu. (5). Dễ dàng cân đối công suất, thời gian và độ rộng dải thông để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên có hạn này. (6). Dễ dàng chuẩn hóa các tín hiệu, bất kể kiểu, nguồn gốc và dịch vụ mà chúng cung cấp dẫn tới việc thiết lập một mạng số liên kết đa dịch vụ. 1.4.2. Một số nhược điểm của thông tin số (1). Hệ thống thông tin số thường phức tạp hơn một hệ thống tương tự tương đương. (2). Chi phí lắp đặt lớn hơn so với thông tin tương tự do trong thông tin số bao gồm nhiều thành phần hơn. (3). Yêu cầu độ chính xác cao đặc biệt trong các hệ thống đồng bộ số. CHƯƠNG 2. TRUYỀN TIN BĂNG CƠ SỞ 2.1. Nhiễu giao thoa ký hiệu (ISI) 2.1.1. Những vấn đề về nhiễu giao thoa ký hiệu Với bất kỳ kênh thực tế nào, không thể tránh khỏi hiện tượng trải rộng các ký hiệu dữ liệu riêng lẻ khi đi qua kênh. Với các ký hiệu liên tiếp nhau, một phần năng lượng ký hiệu chồng lấn sang các ký hiệu bên cạnh, hiện tượng này được gọi là nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (ISI-Intersymbol Interference). Ngoài ra, quá trình lọc trong máy phát và máy thu cũng có thể tự làm suy giảm ISI. Khi các bước thiết kế được thực hiện thận trọng thì ISI có thể suy giảm đáng kể, bộ tách dữ liệu có khả năng phân biệt được một chuỗi các ký hiệu riêng biệt từ một năng lượng hỗn hợp của các ký hiệu bên cạnh. Thậm chí, nếu tạp âm không tham gia vào kênh thì có thể tách lỗi gọi là tỷ lệ lỗi tối giản và ở đó ít nhất sẽ giảm bớt tỷ số lỗi bit hay lỗi ký hiệu trong trường hợp có tạp âm. Hình 2.1: ISI do bộ lọc kênh. Bằng cách điều chỉnh các đặc tính lọc của kênh (với bất kỳ quá trình thu hay phát thông tin), có thể điều khiển ISI để giảm tỷ lệ lỗi bit trên đường truyền. Những kết quả này thu được bằng cách đảm bảo rằng hàm truyền đạt của bộ lọc kênh tổng thể có hệ số đáp ứng tần số Nyquist. H ình 2.2: Y êu cầu cho đáp ứng xung Nyquist Đáp ứng xung Nyquist được đặc trưng bởi hàm truyền đạt có băng tần chuyển tiếp giữa dải thông và dải chặn là đối xứng tại tần số khoảng 1 0.5 s T × . Đối với loại đáp ứng kênh này thì ký hiệu dữ liệu vẫn bị nhiễu nhưng dạng sóng đầu ra tiến dần tới 0 tại các bội số của chu kỳ ký hiệu. Bằng cách lấy mẫu luồng ký hiệu chính xác tại các điểm mà ISI tiến dần tới 0, năng lượng phổ của các xung bên cạnh không bị ảnh hưởng tới giá trị của các xung đang lấy mẫu tại điểm lấy mẫu. Điều đó chứng tỏ rằng thời gian lấy mẫu phải được tính toán chính xác để giảm tối đa nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu ISI. Khi thiết kế các hệ thống, cần quan tâm đặc biệt đến tạp âm hoặc suy giảm lớn của đường truyền để khôi phục chính xác thông tin định thời ký hiệu. Định thời ký hiệu không chính xác luôn dẫn đến trôi định thời. Hình 2.3: Mạch lọc Nyquist 2.1.2. Đáp ứng kênh Nyquist Ít kênh truyền không có được đặc tính truyền đạt Nyquist, do đó thiết kế hệ thống cần phải đưa thêm bộ lọc bù để thu được đáp ứng mong muốn. . …………..o0o………….. Thông tin số CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Sơ lược về sự phát triển thông tin số - Telegraphy: là hệ thống thông tin liên lạc bằng. dẫn tới việc thiết lập một mạng số liên kết đa dịch vụ. 1.4.2. Một số nhược điểm của thông tin số (1). Hệ thống thông tin số thường phức tạp hơn một hệ thống