Cơ sở lý thuyết truyền tin tập 1

ĐẶNG VẢN c H U Y Ế T (chủ bién) - N G U Y Ễ N TU Ấ N ANH sở LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN Tập ( T i b n n t h ứ n a m ) NHÀ X U Ấ T BẢN G IÁ O DỤC Lời nói đầu Kê từ n h ữ n g n ăm 1970, th â m n h ậ p lẫ n n h a u hai lĩnh vực khoa học máy t ín h tru y ề n thông đả làm th ay đổi sâu sắc lĩnh vực công n g hệ sản x u ất, m ột k ế t tấ t yêu n g n h cơng nghiệp m áy t í n h - t r u y ề n th ô n g (C o m p u ter-C o m m n icatio n ) đời C h ín h nhị hịa trộ n m an g tín h cách m n g này, r ấ t n h iều lĩnh vực kh o a học, cơng n g h ệ có n h ữ n g sở đế p h át triể n m ạn h mẽ T ro ng bổi n h củ a p h t triể n b ù n g nổ này, n h ữ n g hiếu b iết vê lý th u y ế t th n g tin (In íbrm ation Theory), tru y ề n thông n g àv c àn g q u a n trọ n g cần xem xét tron g ho àn cản h Q ua nhiều n ă m làm công tác g iảng dạy, với t h a m vọng có m ột tài liệu làm giáo t r ìn h cho s in h viên chu yên n g n h Điện tử -V iễn th ô n g Công n g h ệ T hông tin, tài liệu th a m k h ảo cho kỹ sư thuộc n h ữ n g chuyên n g n h trê n , c h ú n g cố gắng biên soạn sách C h ủng giả th iế t rà n g độc giả xem sách n ày n h ữ n g người đ ã có sở n h ấ t đ ịn h vể Giải tích, Đại số tu y ên tín h Xác s u ấ t N h ữ n g sỏ T oán học th eo c h ú n g h ế t sức 311an trọng dùng có tín h x u n su ố t sách từ n g p h ầ n c h ú n g tơi tr ìn h bày sách Cở sỏ T oán học sách Xác s u ấ t Q u trìn h N g ẫu nhiên với n h ữ n g lu ậ t p h â n b ố xác s u ấ t h ết sức q u a n trọ n g tro n g việc t r ì n h bày vấn đề :uon sách V Cu ôn sách n ày ch ia t h n h h tập S a u t r ì n h b ày c h u n g hệ th ố n g tru y ề n tin :áe khái niệm c h u n g liên q u a n đ ến nó, c h ú n g tơi tr ìn h bày p h ầ n củ a cu ôn sách theo t r ậ t tự vấn đề ch u n g trước, v ấ n đề cụ t h ể sau Khi trìn h bày v ấ n đ ề ch un g , ch ú n g theo tr ậ t tự: nguồn tin trước, k ê n h tin sau Các v ân đ ề phôi hợp n g u n k ê n h xét sau có n h ữ n g hiểu b iết ng u n k ên h Cấu trú c tập n h sau: Chương : N h ữ n g k h i n i ệ m c h u n g C hư ng n y giói th iệ u n h ữ n g kltói niệm v ân iề tro ng lý th u y ế t tr u y ề n tin Chương : X c s ụ ấ t v q u t r ì n h n g ẫ u n h i ê n , tro n g chương n y ta xây d ự n g n h ữ n g sỏ Toán học Gần th iế t cho việc k h ảo s t hệ th õ n g tr u y ề n tin Chương 3: T h ô n g t i n v l ợ n g t i n , tr ìn h bày v ấ n đ ề đ ịnh lượng th ô n g tin n g u n in Chương 4: M ã h i ệ u T ro ng chương n ày ta tậ p t r u n g vào k h n iệm đ in h n g hía mã, :ác điều kiện yêu cầu m ã hiệu Chương 5: M ã h ó a n g u n , n g h iê n cứu v ấn đề m hóa ngu ồn tr ê n cd sở mơ h ìn h to án học củ a Ìguồn k h niệm lượng tin đ ã xét tro n g chương Chương : T í n h i ệ u v h ệ t h ô n g t r u y ề n t i n Chương n y t r ì n h bày tín hiệu hệ hông thường gặp tru y ề n th ô n g tin q u a k ê n h tr u y ề n th ô n g cù n g việc biểu diễn tín hiệu liều chế đặc tính p h ổ chúng Chương 7: C â u t r ú c t h u t ô i u c h o k ê n h c ó n h i ễ u c ộ n g g a u s s i a n , n g h iê n cứu việc th iế t ;ẽ đ n h giá độ hiệu th u ưu cho p hư ơng p h p điều chê tro n g kỏnh có ìhiẻu cộng g aussian Chương : D n g C hương n y n g h iê n cứu phương p h p đồng v ậ t m a n g v dồng :ý hiệu ỏ đ ầu thu Trong tập chúng tỏi trình bày vê mã hóa kênh, hệ thơng truyền tin vói kênh có băng lẩn hạn chế, hệ thông truyền tin nhiều kênh, nhiều vật m ang n hiều người sứ dụng, vân để trải phố, hệ thơng truyền tin có iầđing cuối giới thiệu mủ m ật xem n h loại mã hệ thơng truyền tin Do hạn ch ế vê thịi gian, lần đầu biên soạn sách này, không trá n h khỏi thiếu sót, mong độc giả thơng cảm góp ý dể cho nhữ ng lần biên soạn sau sè tốt Cuối cùng, xin lưu ý dộc giả vê cách đ n h sô tiêu đề để tiện cho việc tra cứu Trong chương, mục lớn đánh số hai sơ, ví dụ 3-2 mục lốn hai chương 3; 3-2-4 chí mục bơn mục lổn hai chương Các cơng thức hình vẽ dược đ n h sô bàng ba sô, số đầu chương, số thứ hai mục lớn, số thứ ba thứ tự cơng thức hay hình vẽ mục lớn C húng tơi chân th n h cám ơn ông Nguyễn Thúc Hải, bà Hồ Anh Túy d n h thời gian đóng góp ý kiến q báu cho chúng tơi biên soạn sách C c t c g iả t -1 N H Ử N G KHÁI N I Ệ M C H U N G CHƯƠNG NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG T h ô n g tin (tiêng Anh " In íb rm a tio n ”, dịch tin tức) v ậ t liệu gia cóng tro ng hệ th ô n g t ru y ề n tin Hiện chưa có định ngh ĩa đầy đủ súc tích cho khai niệm th ô n g tin C h ú n g ta tạ m sử d ụ n g khái niệm sau làm định nghía thơ ng tin : Thơng tin s ự cảm hiếu người t h ế giới x u n g q u a n h (thơng qua tiếp xúc với nó) N hư th ôn g tin h iểu biết ngưịi tiếp xúc VỚI mơi trư ờng xung q u a n h người hiểu biết làm tă n g lượng th ô n g tin th u n h ậ n Trong sơng, người ln có n h u cầu trao đổi thông tin với n h a u , có n g h ĩa có nhu cầu tru y ề n tin (C om m u nication ) với N h ữ n g th ôn g tin tru y ề n m ang n h ữ n g c'ạng n ă n g lượng khác n h a u n h âm điện, sóng điện từ, sóng n h sáng N h ữ n g d ạng n ăn g lượng dược d ù n g đê m a n g tin n y gọi vật m a n g (Carrier) Nó trìn h vật lý cụ Vật m a n g a th ô n g tin tro n g đại diện thơng tin gọi tín hiệu (Signal) Cho nên trưốc k h i k h niệm "thông t i n ” chưa xác định cụ th ể n hư nay, người ta v ẫn n g h iên cứu đ ịn h lương hệ th ôn g tru y ề n tin b ằn g cách tín h tốn thực nghiệm trê n biến đổi n n g lượng m an g tin tro n g hệ thơng T rên q u an điểm n ăn g lượng lý t h u y ế t m ạch điện, lý th u y ế t tín hiệu giải n h ữ n g vấn đề tổng q u t ph ân Lích tổng hợp m ạch v tín h iệu , nhị kỹ t h u ậ t tru y ề n tin có n h ữ n g bước tiến dài N h n g đồng thời với p h t t r iể n m n h mẽ m ình, n g àn h kỹ t h u ậ t tru ý ể n tin làm nảy sinh n h iều v ấ n để m n h ữ n g lý th u y ế t xây dựng trê n q uan điểm n ă n g lượng khơng giải thích trọn vẹn, n h vấn đề mối liên hệ b ản hệ thông tru y ề n tin sử d ụ n g n h ữ n g n ăn g lượng k h ác n h a u , n h v ấ n để bảo tồn thô ng tin tro n g hệ th ôn g th ôn g tin vũ trụ l ã n g lương tải tin r ấ t n hỏ bé, n h v ấn đề đ ảm bảo tốc độ tru y ề n tin n h a n h chín h xác :ầc hệ th n g tr u y ề n s ố liệu, n h gia công thông tin tro ng th iế t bị tín h tốn điều khiển Nói u ộ t cách khác p h ải xây d ự n g n h ữ n g tiêu ch u ẩ n ch u n g để có th ể đ n h giá so s n h hệ -hông tru y ề n tin, giải quy ết n h ữ n g v ấn đề b ản tru y ề n tin là: tốc độ tru y ề n tin k lã n g chông n h iễ u hệ thông, th i ế t lập n h ữ n g mơ h ìn h hệ th ố n g tru y ề n tin thực, phương hướng cải tiến có hiệu ỉ)ể tr ả lời n h ữ n g điểu nói trê n cách rõ rà n g ngắn gọn, lý th u y ế t xây dựng ,rên q u an điểm n ă n g lượng cần p h ải bổ su n g b ằng nh ữ ng lý th u y ế t xây dựng trê n qu an ìiểm th n g tin T ro n g chương n y sẻ giối th iệu mơ h ìn h tống q u t m ột hệ thô n g tru y ề n tin, 'ác vấn đê lý t h u vết cd b ản m hệ th ô n g đề chức n ă n g k h â u ch ính hệ hỏng tru y ề n tin 1-1 HỆ THỐNG TRUYỀN TIN N hững hệ th ô n g tru y ề n tin cụ t h ể m ngưòi sử d ụ ng k h th ác có r ấ t nhiều dạng, 'à p h â n loại chúng, người ta cũ ng có th ể dựa trê n nhiều sở khác n h au , Vídụ trê n sở lảng lượng m a n g tin người ta có t h ể p h â n hệ th ôn g tru y ề n tin t h n h loại : - Hệ th ôn g đ iện tín d ù n g n ă n g lượng điện chiều - Hệ th ô n g th ô n g tin vô tu y ế n điện d ùn g n ăn g lượng sóng điện từ NHỮNG KHÁI NI ỆM C HUNG -Hệ thông t hông tin quang n ăng (hệ thống báo hiệu, thông tin hồng ngcại, l a s e r , ‘áp quang ) -Hệ thơng thơng tin dùng sóng âm, siêu âm, (năng lượng học) C húng ta p h ân loại hệ thơng truyền tin dựa sở biêu bên ngoàù Ún thông tin như: -Hệ thông tru yền sô liệu -Hệ thơng tru yền hình -H ệ thơng thơng tin thoại N hững phương pháp p h ân loại trê n dựa theo nhu cầu kỹ th u ật, giúp cán kỹ tlu ậ t n h ận thức vấn đề cách cụ th ể tìm hiểu khai thác loại hệ thơng dê dàng Sự [hân loại n h ứng dụng rộng rãi gần thông n h ấ t tài liệu sáicl kỹ thuật N hưng dây để đảm bảo tính logic vấn đề trìn h bày, đặc đêm thông tin đưa vào kênh để p hân loại hệ thông tru yền tin n h p hâm iàm hai loại hệ thông tru y ền tin: -Hệ thông tru y ền tin rịi rạc -Hệ thơng truy ền tin liên tục C húng ta có th ể định nghĩa: Truyền tin (Transmission) dịch chuyển thông tin từ điếnnnày đến điểm khác môi trường xác định Hai điểm gọi điếm ngin tin (Iníbrm ation Source) điểm nhận tin (Iníorm ation Destination) Mơi trường tru yểm tin (Transmission Media) gọi kênh tin (Channel) Sơ dồ khôi chức n ă n g hệ thông truy ền tin tổng quát gồm có ba k h âu chính: mguồn tin, kênh tin n h ận tin (hình - - ) H ìn h 1-1-1: Sơ đồ khối chức n ăng hộ thông tru y ề n tin Trong sơ đồ này: Nguồn tin nơi sản sinh hay chứa tin cần truyền Khi đường truyền tin th iết lập để truyền tin từ nguồn tin đến n h ậ n tin, dỗãy cá< phần tử sở (các tin) nguồn truyền với phân bô xác x u ấ t Dã\y nà; gọi tin (Message) Vậy ta có th ể định nghĩa: Nguồn tin tập hợp tin Wĩà hy thống truyền tin d ù n g đ ể lập bán tin khác đê truyền tin Kênh tin mơi trường lan truyền thơng tin Để có th ể lan truyền thông tin trorụg mộ môi trường v ật lý xác định, thông tin phải chuyển th n h tín hiệu thích hợp với mơi tirưịn; truyền lan Vậy kênh tin nơi hình th n h tru y ề n tín hiệu m ang tin đồng thòi ỏ siinh r; tạp nhiều phá hủy thông tin Trong lý th u y ế t truyền tin kênh khái niệm trừ u ìtượn đại biểu cho hổn hợp tín hiệu tạp nhiễu Từ khái niệm này, phân loại kênh dễ dàn^g hơr thực tế kênh tin có r ấ t nhiều dạng khác nhau, ví dụ : -Truyền tín hiệu theo dây song hành, cáp đồng trục, ơng dẫn sóng -Tín hiệu tru y ề n lan qua tầng điện ly, phản xạ N H Ử N G KHÁI N I Ệ M CHƯNG - Tín hiệu tru y ề n lan qua tầ n g đốì lưu, khơng có p h ả n xạ khúc xạ ~ Tín hiệu tru y ề n lan trê n m ặ t đất, tron g đất ~ Tín hiệu tru y ề n lan tro n g nưốc T h u tin cảu khôi p h ụ c thông tin ban đ ầ u t tín hiệu lấy đ ầ u k ê n h Đe tìm hiểu chi tiết ch ún g ta sâu vào khôi chức n ăn g sơ đồ trê n xét đến nh iệm vụ từ n g khôi 1-1-1 Nguốn tin nguyên thủy N g u n tin nguyên th ủ y tập hợp n h ữ n g tin n guyên th ủ y (chưa qua phép biến đổi n h ân tạo nào) ví dụ n h tiếng nói, âm nhạc, h ìn h ảnh, biến đổi k hí tượng Các tin nguyên th ủy p h ần n h iề u n h ữ n g h àm liên tục theo thòi gian f(t) n h ữ n g h àm biến đối theo thời gian n hiều th ôn g sô" khác n h h ìn h ả n h đen trắ n g h(x, y, t), tro ng X, y tọa độ không g ia n hình, n h th ơn g tin khí tượng: g(Ảt , t) , (i = , , n) th ôn g sơ' k h í tượng n h n h iệ t độ, độ ẩm, tốc độ gió T h ô n g tin n g u yên th ủ y có th ể hệ h àm theo thời gian thông sô" n hư trưịng hợp th n g tin h ìn h ả n h màu: f( x ,y ,z ) • g(x,y.z) h(x,y,z) T hơ ng thvíịng tin ng uyên th ủ y m an g tín h c h ấ t liên tục theo thời gian mức; ng hĩa có thê biểu diễn th n g tin đưối d ạng h m s(t) tồn tro ng q u ãn g thời gian T lấy trị b ất kỳ tro n g p h m vi (smin, smax) (hình - 1- ) sít) H ì n h 1-1-2: Ví dụ tín hiệu nguyên thủ y N h n g tin n g u yên th ủ y đưa trực tiếp vào kênh để tru y ề n C ũng nhừng ph ép biển đối n h â n tạo n hư rịi rạc hóa theo thời gian theo mức đưa vào kênh truyền Lúc tin trước vào k ên h trở th n h tin ròi rạc N guồn tin lúc gọi nguồn tin rời rạc k ê n h tin gọi kênh tin rời rạc đê p h ân biệt với trường hợp đưa tin liên tục vào k ên h gọi nguồn liên tục kênh liên tục Bảng chữ m ột ngôn ngữ, tin tro ng hệ thông điện tín, lệnh điều kh iển hệ thống điều khiển n h ữ n g tin nguyên th ủ y có tín h ch ất rời rạc Sự p h â n biệt b ản c h ấ t nguồn rời rạc với nguồn liên tục số" lượng tin nguồn rời rạc h ữ u h n số" lượng tin nguồn liên tục không đếm NHỬNG KHẢI NIỆM CHƯNG Nói chung tin rời rạc, n guyên th ủ y rời rạc, n gu yên th ủ y liên tục đả rời rạ hóa, trước dưa vào kênh thơng thường qu a th iế t bị m ã hóa Thiết bị má hóa biến đối tập hợp tin n g u y ên th ủ y th n h tậ p hợp n h ữ n g tin thích hợp với đặ điểm kênh nh k h ả n n g cho q ua (thơng lượng), tính ch ất tín hiệu (dạng, cấu trú phổ, tính thơng kê ) tạp nhiễu Tóm lại m ã hóa p hép biến đổi tín h thơng kê tính chơn nhiễu nguồn tin Với nhữ ng khái niệm định n gh ĩa trê n , ch ú n g ta có th ể xây dựng mơ hình tốn học ch nguồn rời rạc Một bảng tin x u ấ t p h t từ ng uồ n tin p h ả n án h tín h ch ất thơng kê củ nguồn Bảng tin dài p h ản n h càn g t r u n g thực C h ú n g ta có th ể xem bảng tin c thể thể nguồn Vì m ột thời điểm xác địn h nguồn có thê tạo ti ngẫu nhiên đôi với người quan sát, n ê n theo q u a n điểm to án học xem nguồn tin (nguồ tạo bảng tin) cấu trúc thông kê q uá trìn h n gẫu nhiên N h đê xác địn nguồn tin, hay nói cách khác để xác đ ịn h cấu trú c th ô n g kê q u trìn h ngẫu nhiêỉ cần phải biết quy lu ậ t th ô n g kê củ a trìn h Trường hợp nguồn rời rạc, b ản g tin m ột dãy ký hiệu k ế tiếp chữ (bộ k hiệu) gồm sô' m ký hiệu hữu h ạn gọi chừ A: A = {a,} với / = ,2 , m Bảng tin dãy ký hiệu vô h n h ay hữ u h n hai phía: X = ( X.2X ịXoXịX^ ) —x ịíX.ịXịPCịXị : ký hiệu a n ỉ = 1, 2, , m b ấ t kỳ củ a chữ A p h t ỏ thịi điểm t.2, t.Ị, t í/ t2,ĩ Trong thực t ế bảng tin có b đầu kết th ú c cho n ên b ả n g tin dây ký h iệ u h í hạn X = (XjX2 x n) X gọi khối n chiều, tập hợp khối n chiều với đặc tín h thống kê chúi xác định cấu trúc thông kê ng uồ n tin Nói cách khác biết tậ p hợp X (ký hi( X*) xác s u ấ t x u ấ t b ả n g tin p(X ) q u y ế t định dược tín h ch ât thông k ê CI nguồn Do trường hợp nguồn tin trư ờng xác s u â t hữu h n (a , p(x )} Troi trường hợp hẹp hơn, xác s u ấ t x u ấ t ký hiệu tron g b ản g tin dộc lập với nhatu, c cần biết chữ A xác s u ấ t x u ất ký hiệu p ( a j , a, e A đủ đê xác địnhi tíi chất thơng kê nguồn, lúc nguồn trư ờng xác su ấ t h ữ u h ạn {A, p}, (p viêt t ắ t cho p(a dị e A, i — 1, 2, , m) Khi rịi rạc hóa nguồn liên tục, ch ú n g ta th a y th ể x(t) nguồn (m bảng tin liên tục) b ằng dàv khơi ìĩ chiều X n ê u thời gian q u a n sá t hữ u hạ Trong chữ A khơi tập hợp giá trị lượng tử hóa x(t) N hư nịi r hóa thực thơng qua hai khâu: gián đ c n hóa theo thời gian lượng tử hóa theo nnứ( Theo nhữ ng điều trìn h bày tr ê n ng uồ n tin có cấu trú c thơ ng kê trìn h ng; nhiên Mỗi nguồn tin (quá trìn h ngẫu n hiên) xác đ ịn h cập tập giá trị X cấiu tr thống kê chúng p(x*) Những nguồn tin thư n g gặp thư ờng có tín h chất trì] ngẫu nhiên dừng nhiều lại có tín h ergodic Đơi với nguồn tin ergodic thêĩ hi (mỗi bảng tin) ghi n h ậ n m ột thời gian đủ dài có th ê tiêu biểu cho nguồn chủing có th ể cản vào th ể để xác đ ịn h cấu trúc th ô n g kê nguồn Điểu có mộ nghĩa quan trọng thực tiễn N H Ữ N G KHÁ ĩ N I Ệ M C HƯ N G í)ể nghiên cứu định lưựng ngu ồn tin cũn g n h hệ thống tru y ề n tin, mơ hình hóa tốn học nguồn tin b an g bơn q u trìn h s a u : Q trình nqẫỉí nhiên liên t ụ c : N guồn tiến g nói, âm nhạc, hình ản h lả tiêu biếu cho trìn h Trong hộ th ôn g th ô n g tin thoại, tru y ề n th a n h , tru y ề n hình với tin hiệu điểu biên, diều tán th ô n g thường c h ú n g ta gặp n g u n n h Qua trinh ngẫu nhiên rời r ạc: Một q u trìn h n g ẫu nhiên liên tục sau dược lượng tử hóa th eo mức sỗ trỏ th n h q trìn h Một n gân ngừ, tín hiệu điện tín, lệnh điểu khiến ng 11 rời rạc loại Dãy ngảu nhiên liên tụ c : Đảy trư n g hợp nguồn liên tục dã gián đoạn hóa theo thoi gian, nhu thường gặp tro n g hệ th ò n g tin xung diều biên xung (PAM -Pulse A m plituđe M ođulaUon), đieu plìíì xuiì.^ (F*P]V1), cỉiGH t ũ 11 xmiị£ (I^I4j\'l) kỊioii§, ỈD1 liĩờ iì^ til hOcì Dãy ngẫu nhiên rời rạc: T ro n g hệ th ô n g th ô n g tin xung có lượng tử hóa n h điều biên (pha tần) xung lượng tử hóa, điều x u n g m ã (PCM) 1-1-2 K ê n h tin C h ú n g ta đểu biết ràng, cho đ ến n a y khoa học th a n h ậ n ràng: vật c h ấ t có th ể dịch ch uy ển từ điểm n ày đến điểm khác tro n g m ột mơi trường thích hợp tác động lực thích hợp T ron g q trìn h dịch c h u y ể n "hạt" v ậ t chất, n h ữ n g th ôn g tin vê hay a tro n g Ĩ1Ó sỗ dỊch ch u y ển theo Đ ây chín h ch ất lan tru y ề n thông tin Vậy c h ú n g ta nói r n g việc tr u y ề n tin ch ín h dịch chuyển dòng " h t” vật chất m an g tin (tín hiệu) mõi trư n g tru y ề n tin Trong trìn h tru y ề n tin, hệ thông tru y ề n tin phải g án thơ ng tin lên dịng v ậ t c h ấ t tạo th n h tín hiệu lan tru y ề n Việc tín hiệu lan tru y ề n tro n g m ột môi trư n g xác đ ịn h dịng "hạt" v ậ t chất, chịu tác động lực, lan tru y ề n tro n g m ột cấu trú c xác đ ịn h môi trư ờng (một m ạn g h t đặc tru n g cho môi trương) Dòng v ật c h ấ t m a n g tin này, ngo ài tác động để dịch chuyển, cịn chịu tác động lực khơng m ong m u ốn s ẵ n có tro n g củ n g n h ngồi mơi trư ờng chiu va dập với "hạt" mơi trương Đ ây c h ín h n h ữ n g n g u y ên n h â n làm biến đổi dòng v ậ t ch ất không mong muôn n g uy ên n h â n gây n h iễ u (noise) trìn h tru y ế n tin Kõnh tin có t h ể hiểu m ột mơi trư n g để h ìn h t h n h tín hiệu m an g tin lan tru y ề n tín hiệu m an g tin T ro ng kênh diễn r a t ru y ề n lan tín hiệu m ang tin chịu tác động tạp nhiễu Đê mô tả kênh ch ún g ta cần d ự a vào đặc diêm tín hiệu tro n g k ê n h tạp nhiễu tiêu biếu cho môi trư ng tru y ề n lan k ê n h dó Các mơi trư ng tru y ề n lan tín hiệu rát khác V ấn đổ đ ặt từ d n g k h ác n h a u tìm n h ữ n g điểm c h u n g để có thê tơng q u át hóa dược kênh Ta biết rà n g tín hiệu có th ể t r u y ề n lan tro n g n h iề u mơi trường khác Khi tín hiệu qua môi trư ng n h ngồi biên đơi n ă n g lượng, d ạn g tín hiệu củng bị th a y dôi tác động tạp nhiễu tồn tro n g môi trư n g vật ]ý phương thức tru y ề n lan, biên dổi th ô n g số vặt ỉý củ a môi trư ng gây điểu c h ế tín hiệu khơng cần thiết Rõ ràng í ác dộng nhiễu lên tín hiệu tiêu biểu cho môi trư ờng tru y ề n la n tín hiệu Vậy lấy tạp n h iễu làm đặc tín h c h u n g môi trư n g tru y ề n lan lấy p h ân tích, p h ân loại tạp nhiễu để p h a n tích p hân loại mơi trường T u y r ằ n g thực t ế môi trư ng truy ền lan rấ t khác n h au , ch ú n g ta có th ể q uy n p d n g sau: -Mỏi trường tro n g dó tác động n h iễ u cộng chủ yếu; -Mỏi trường tro n g đỏ tác động n h iễ u n h â n ch ủ yếu; -Môi trường gồm n h iễu cộng n h iễ u n h â n a sơ LTTT/1 A N H Ữ NG KHÁI NIỆM C H U N G Ngoài trường hợp truyền tin xảy hai vật di động so với nhau, tín hiệu bị điều tầ n phụ hiệu ứng Doppler gây nên, chủng ta xếp riêng loại gọi kênh có hiệu ứng Doppler Tóm lại đê mơ tả kênh dùng m ạng hai cửa q u an hệ tín hiệu đầu với tín hiệu đầu vào trê n hình 1-1-3 S J t ) -► Kênh -► S r(t) H ì n h 1-1-3: Mơ hìn h kênh với tín hiệu vào tín hiệu Với giả thiết rằn g m ạng hai cửa có hàm tru y ề n đơn vị (bằng 1) trê n tần sơ" tồn miền thịi gian, có: S r(t)=Nn(t)Sv(t) + N c(t) N n(t) ký hiệu cho nhiễu n h ân N c(t) ký hiệu cho nhiễu cộng N hiễu cộng sinh tín hiệu n gẫu nhiên khơng mong mn tác động cộng thêm vào tín hiệu đầu Nhiễu cộng nguồn nhiễu công nghiệp vũ trụ tạo ra, luôn tồn tro ng môi trường tru y ề n lan tín hiệu Dải phổ nhiễu cộng r ấ t rộng, với b ất kỳ tín hiệu có phơ ỏ đoạn tầ n sơ' nào, chúng tạo th n h trù m lên tín hiệu N h iều nhân, tác động n h â n vào tín hiệu, gây phương thức tru y ề n lan tín hiệu, th a y đổi thông sổ' v ật lý phận môi trường truyền lan tín hiệu qua Trong trư ng hợp đầu nhiễu tác động n h a n h lên tín hiệu, tác động chậm trường hợp thứ hai biến động mơi trường thường xảy với chu kỳ vài p h ú t đên vài giò Hiện tượng thường gặp th u tín hiệu vơ tuyến dải sóng ngắn, nhiều đường tru y ề n lan khác nhau, tùy theo sai trìn h (dài ngán khác n h au ) đưòng th a y đổi làm cho tổng cường độ điện trường đầu th u biến đổi, gây biên độ tín hiệu thu lớn bé m ất hẳn, gọi tượng pha đing (fading) • Các k ên h tin thực tê khơng đảm bảo đặc tín h xung đặc tính tầ n sơ đơn vị nêr cơng thức tính tín hiệu : S r(t)=Nn(t)Sv(t)'H(t) + N c(t) H(t) đặc tín h xung kênh Đặc tính kênh khơng lý tưởng gây SỊ biến d ạn g tín hiệu so vối tín hiệu vào, gọi méo tín hiệu, méo lại nguồn nhiêi tron g q trình tru y ề n tin Tín hiệu đầu vào kênh truy ền dao dộng cao số biến đổi theo quy lu ật thơng tin Các thơng số có thê biên độ, tần động liên tục gián đoạn, gián đoạn có nhữ ng dãy thông sô xung thay đổi theo thông tin biên độ xung, tần số lặp lại, thời tầ n với nhữ ng thơn* sơ' góc pha Da< xung cao tần VỚI điểm xuảt Trường hợp dao động liên tục biểu thức tổng q u át tín hiệu có dạng sau : S v(t) - a(t) cos[(Át) - ữt)] Các thông số biên độ a(t), tầ n sơ' cư(t), hay góc pha ữt) biến đối theo quy lu ậ t thông tin đ m ang tin nhiễu tác động làm thay đơì thông số làm sai lạc thông tin Theo mơ hình m ạng cửa kênh tin, nếti đầu vào đưa vào tin x(t) với xác suá x u ấ t píx) nh ận đầu tin y(t) VÓI xác s u ấ t x u ấ t pịy) đại diệ: cho x(t) VỚI yêu cầu tru y ề n tin ch ính xác, ch ún g ta cần y(t) phải đại diện xịt), hay xá< 10 2cơ Sd L T T l N H Ữ N G KHÁI N I Ệ M C H Ư N G suất n h ậ n y(t) đại diện xịt) tru y ề n X(t) p(y Ix) = Điều vónh khơn g có nhiễu Khi k ên h có nhiễu, có th ể trê n đầu kênh ch ún g ta in khác vói tin p h át, có nghĩa xác s u ấ t dê n h ậ n dược y(t) dại diện p(yixr /, liêu nhiễu càn g lớn, xác s u ấ t nhỏ Vậy có th ể sử dụ n g le dạc trư n g cho đặc tín h tru y ề n tin kênh có n h ậ n xịt) p(y ỉ x), xác suất p( y \x) 1-1-3 Nhận tin N hận tin đ ầ u cuôi hệ thông tru y ề n tin N h ậ n tin thương gồm có n h ậ n biết thông tin lược ph át xử lý th ôn g tin Bộ xử lý thông tin người, củng có th ể th iế t bị (th iêt bị ;h\ giữ, m áy tín h diện tử) N ếu p h ậ n xử lý thông tin th iết bị tự dộng ch úng ta có m ột h ệ hống tru y ề n tin t ự động Vì tín hiệu n h ậ n đ ầu kên h hỗn hợp tín hiệu tạ p n h iễu sảy tro n g íỗnh, nên nói ch u n g tín hiệu khơng giống vói tín hiệu đưa vào kênh N hiệm vụ ch ín h cần hực n h ậ n tin từ tín hiệu n h ậ n ditợcy(t) phải xác định xịt) đưa vào đ ầu rào kênh Bài toán n ày gọi toán th u hay phục hồi tín hiệu điểm thu 1-1-4 Những vấn để hệ thống truyển tỉn Trong p h ầ n tr ê n ch ú n g ta đâ p h â n loại hệ thông tru y ề n tin làm hai nhóm chính, ìhỏm hệ th ố n g tru y ề n tin rời rạc hai nhóm hệ thơng tru y ề n tin liên tục Khi nói lên sơ đồ khối chức n ă n g hệ thống tru y ề n tin có đề cập đến biểu thức S r( t ) - N n(t)S'Jt) +Ni,(t) q u t mô tả k ên h tin T rong biểu thức tù y theo dạng S J t ) , ch ú n g ta có k ên h tin rịi •ạc liên tục S au đây, c h ú n g ta dựa trê n p h ân loại n h dể p h â n tích vấn để cờ >ản hệ th ô n g tru y ề n tin Trước hết, ch ú n g ta liệt kê vấn đề liên q u an đến q u rình tru y ề n tin Các vấn đê hệ thơng tru y ề n tin gồm có : (!) Hiệu s uất truyền t i n , tốc độ tru y ề n tin hệ thống Đó lượng thơng tin hệ th n g ho phép (hay có thê) tru y ề n tro ng đơn vị thòi gian, (2) Độ chinh xác truyền t i n , nói cách khác khả n ăn g chống n h iễ u hệ thông Yêu cầu tối đa với hộ thông tru y ề n tin thực đưực tru y ề n tin n h a n h hóng xác N h ữ ng sở lý th u y ế t nối p h ần sau giải đáp n h ữ n g vấn đề síhững khái niệm lý th u y ế t thông tin cho biết giới h ạn tốc độ tru y ề n tin kên h tin, Ighĩa khôi lượng th ô n g tin lớn n h ấ t mà k ên h cho tru y ền qua VỚI m ột độ sa i n h ầ m n h ỏ tù y ý Khi tru y ề n tin t-iến h n h trê n nh ữ n g cự ly lớn, người ta thường d ù n g n ăn g lượng m a n g in sóng điện từ Trong trường hợp cồng suất máy p h t bí h n chế, nàng Uíọng tín liệu va tạp n h iễu đầu th u xấp xỉ bàng nh au , vân để lý th u y ế t đ ặt xác dinh cấu rúc thiết bị th u tín hiệu lý tưởng, ng hĩa có th ể p h t tách tín hiệu tạ p m lỏn Đó nội d u n g lớn lý th u y ế t chông nhiễu Trong n h ữ n g m ục sau giới th iệu chức n â n g khôi liên q u an đến nguồn Un kó'ih tin: hối mả hóa giải mâ nguồn kênh, khơi diều chê giải điểu chê kênh Trong n h iều trư ng hợp nguồn tin ngu yên th ủy liên tục n h n g cỉùng kênh rơi rạc để ruyển tin Vậy nguồn liên tục trước mã hóa phải rịi rạc hóa Đe xác minh phóp biên ối nguồn liên tục th n h nguồn ròi rạc phép biến đối tương dương 1-1 vê m ặt thò ng tin, rước tiên chưng ta khảo sát sơ lý th u y ế t phép rời rạc hóa gồm định lý lấy m ẩu quy liật lượng tử hóa Sự xác m inh tín h đủ ng đắn vê phương diện lý th u y ế t phép rời rạc hóa phép b en đơi ương dương kh ô n g n h ữ n g có ý nghĩa to lớn thực nghiệm , mà m ặt lý thu yết t ù n g có 11 ĐĨN G BỘ V ị n g lặ p b ì n h p h n g Vịng lặp bình phương vịng lặp xác định gián tiếp sử dụng rộng rãi thực tế để ước lượng pha vật m ang tín hiệu hai biên khơng có v ậ t m ang tín hiệu PAM Để mơ tả hoạt động, xét việc ước lượng pha vật m ang tín hiệu PAM điều chế sõ: s(t) = A(t)cos(2nfct + ệ) (8-2-50) A(t) m ang thông tin số Chú ý E[s(t)] = E[A(t)] = với tín hiệu đổi xứng qua mức Giá trị tru n g bình s(t) không tạo th n h p hần pha liên kết tầ n số kể tần số mang Một phương pháp để tạo vật m ang từ tín hiệu n h ận bình phương tín hiệu để tạo th n h p hần tần số 2f c Sơ đồ khối phương pháp trìn h bày hình 8-2-12 Đầu bình phương là: s \ t ) = A ĩ ( t ) c o s 2( r f c.t + ộ) = - A 2(t) + - A 2( t ) c o s ( r f Lt + ệ ) * lặp thông dải chọn hài cos(2/rA#'c/ + Mộ) đê điều kh iển bô PLL T hàn h ph ần — ( m - 1) M - 27ĩịm - ) = (mod 2n) m = , 2, , M th n h M phán m an g thông tin bị loại bỏ Tín hiệu đầu v c o úĩ\{2xMfct + Mộ) chia tần cho M tạo tín hiệu sin\2nfLt + ộ ) Độ b ất định p h a trường hợp 360° /M n ên cần mã hóa giải mà vi sai Đ ầ u H ì n h 8-2-14: Khơi phục v ật m ang cho tín hiệu PSK M mức 6cơ sở L T T T /1 A 281 ĐỔNG BỘ Khi có nhiễu, tín hiệu nhân tần (bộ mủ hóa) y(t) = ịs(t) + n(t)]M , sai phương sai lệch pha là: 0-1