92-Lữ Huỳnh Minh Trung-k2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN LỮ HUỲNH MINH TRUNG – MSSV: 18200272 TÓM TẮT NỘI DUNG MÔN HỌC TIỂU LUẬN MÔN TRUYỀN THÔNG SỐ CƠ SỞ NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN MÔN HỌC: ThS TRƯƠNG TẤN QUANG TP Hồ Chí Minh – Năm 2021 Trang Tiểu luận môn học Truyền Thông Số MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH CÓ TRONG BÀI BÀI 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Giới thiệu Sơ đồ tổng quát Tín hiệu phân tích tín hiệu Tín hiệu ngẫu nhiên BÀI 2: SỐ HÓA VÀ ĐỊNH DẠNG Kỹ thuật điều chế xung mã PCM Mã hóa đường truyền (Line Coding) Băng thông Điều chế PAM – M mức: BÀI 3: THÔNG TIN TRÊN BĂNG CƠ SỞ (BASEBAND) Can nhiễu liên ký hiệu ISI Lọc tạo dạng xung: Bộ cân bằng: Bộ lọc phối hợp Tỷ lệ lỗi 10 BÀI 4: KHƠNG GIAN TÍN HIỆU – BỢ THU TỚI ƯU 10 Biểu diễn tín hiệu hình học 10 Tách sóng cho kênh truyền AWGN 10 Bộ thu tương quan 11 Xác suất lỗi 11 BÀI 5: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ 11 Tách sóng cho kênh AWGN 11 Điều chế tách sóng đồng 12 Điều chế tách sóng khơng đồng bộ: 13 Đánh giá chất lượng: 13 BÀI 6: MÃ HÓA KÊNH 13 Các phương pháp mã hóa kiểm sốt lỗi: 13 Mã hóa khối tuyến tính: 13 Phương pháp mã hóa: 13 Mã Hamming 14 Mã hóa chập: 14 Giải mã chập 14 Mã Turbo: 14 Trang Tiểu luận môn học Truyền Thông Số LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta sống giới công nghệ công nghệ 4.0, đòi hỏi phải biết thứ cơng nghệ để thích nghi tạo giá trị sống Hơn nữa, chúng ta, người thuộc lĩnh vực công nghệ, nghiên cứu kỹ thuật, việc tìm hiểu lại vấn đề quan trọng Thông tin số phần quan trọng công nghệ, hệ thống truyền thơng thơng tin hoạt động để thơng tin truyền đến chủ thể xác định mà đảm bảo thơng tin truyền nhanh xác với độ tin cậy cao Trong tiểu luận này, em xin gửi đến thầy Trương Tấn Quang nội dung tóm tắt kiến thức tổng qt mơn học Truyền thông số bao gồm kiến thức số hóa tín hiệu, mã đường truyền, mã hóa kênh, điều chế giải điều chế thông dụng Qua kiến thức kỹ thuật truyền thông số, giải thích phân tích thành phần hệ thống truyền thông số Ứng dụng kiến thức để giải vấn đề truyền thơng thực tế, có khả diễn giải thành ý tưởng, thiết kế, thực vận hành hệ thống truyền thông phù hợp theo hướng đại Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy thầy hướng dẫn truyền tải kiến thức hữu ích Qua tiểu luận em gặt hái Mặc dù em cố gắng nhiều việc biên soạn, khó tránh khỏi sai sót, em mong nhận lời nhận xét từ thầy Em xin trân trọng cảm ơn./ Trang Tiểu luận môn học Truyền Thơng Số DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH CĨ TRONG BÀI Hình Hàm sincx Hình CDF - PDF Hình Hàm Q erfc Hình Các loại mã đường truyền Hình Băng thơng loại mã Hình Hệ thống truyền baseband Hình Nyquist lý tưởng Hình SinC Hình Zero Forcing Hình 10 Lọc phối hợp Hình 11 Sơ đồ điều chế bên phát giải điều chế bên thu 10 Hình 12 Mơ hình tách sóng 10 Hình 13 Sơ đồ khối tách sóng dùng quy tắc định ML 11 Hình 14 Bộ thu tương quan 11 Hình 16 Bộ thu tương quan loại 12 Hình 17 Bộ thu tương quan loại 12 Hình 18 Điều chế QPSK 12 Hình 19 Bộ thu QPSK 12 Hình 20 Tách sóng M-QAM 13 Hình 21 Mã hóa DBPSK 13 Hình 22 Tách sóng DBPSK 13 Hình 23 Bộ giải mã Syndrome 14 Hình 24 Turbo kết nối nối tiếp 14 Hình 25 Turbo kết nối song song 14 Hình 26 Bộ giải mã SISO 14 Trang Tiểu luận môn học Truyền Thông Số BÀI 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ -1 Giới thiệu Hệ thống thông tin hình thành từ sớm, với mốc thời gian bước ngoặc cho phát triển sau này, cụ thể: năm 1837 hệ thống điện báo phát triển ông Samuel More – nhà phát minh nhà họa sĩ người Mỹ, năm 1875 ông Emile Baudot tạo mã Baudot, từ năm 1940 đến nhiều tảng thơng tin hình thành với định lý đời như: Nyquist, Nyquist Harley, Shannon, Hamming Sơ đồ tổng quát Trong hệ thống truyền thơng số khảo sát với mơ hình tổng quát là: nguồn thông tin → kênh truyền → nhận tin Trong trình giai đoạn thơng tin có đặc trưng riêng, nguồn thơng tin có xuất xác suất tiền nhiệm nguồn truyền có tính chất rời rạc liên tục Tại kênh truyền lại có thêm xuất nhiễu can nhiễu Tại nhận có xác suất hậu nghiệm, khơi phục tín hiệu đánh giá chất lượng (S/N, Pe, BER) Mục tiêu thiết kế hệ thống thông tin mong muốn thông tin truyền xa hơn, truyền nhanh kết chuẩn chuẩn xác Mơ hình kênh truyền: Trong hệ thống thơng tin số việc xây dựng mơ hình truyền quan trọng, mơ hình truyền xây dựng tốn học, … mục đích để thí nghiệm mơ tín hiệu truyền để đạt chất lượng cao - Kênh nhiễu cộng (AWGN): mơ hình nhiễu ngẫu nhiên, có phân bố Gauss, nhiễu tồn tại máy thu Kênh lọc tuyến tính: nhiễu chập, nhiễu nhân, cho kênh truyền hữu tuyến có dây Kênh lọc khả biến tuyến tính: dành cho kênh vơ tuyến có đáp ứng xung kênh truyền thay đổi theo thời gian - Kênh vô tuyến di động: kênh truyền phức tạp tất kênh truyền thay đổi theo thời gian, theo tần số, … Tín hiệu phân tích tín hiệu Tín hiệu biểu diễn vật lý thơng tin, biến thiên theo thời gian, không gian hay biến độc lập khác Để biểu diễn tín hiệu ta dùng cơng cụ tốn học để biểu diễn Phân tích tín hiệu rút đặc trưng thích hợp tín hiệu Phân tích tín hiệu ta có hướng để phân tích tín hiệu: Phân tích thời gian (biên độ, pha, tần số); Phân tích tần số (phổ lượng, phổ cơng suất); Phân tích thống kê (kỳ vọng, phương sai, độ lệch chuẩn, CDF, PDF, ) Tín hiệu phân làm loại: tín hiệu đơn kênh hay đa kênh, tín hiệu chiều hay đa chiều, tín hiệu thực hay phức, tín hiệu cố định hay tín hiệu ngẫu nhiên, tín hiệu tuần hồn hay khơng tuần hồn, tín hiệu vật lý tín hiệu tốn học, tín hiệu liên tục hay rời rạc, tín hiệu lượng tử, tín hiệu số Ở tín hiệu lượng: lượng chuẩn hóa tồn thể tín hiệu xác định theo cơng thức: 𝑻/𝟐 Es = 𝐥𝐢𝐦 ∫−𝑻/𝟐 |𝒔(𝒕)|𝟐 𝒅𝒕 , < Es < ∞ , lương Es dương hữu hạn, Ps 𝑻→∞ Ở tín hiệu cơng suất: cơng suất chuẩn hóa trung bình tín hiệu xác định theo công thức: 𝟏 𝑻/𝟐 Ps = 𝐥𝐢𝐦 𝑻 ∫−𝑻/𝟐 |𝒔(𝒕)|𝟐 𝒅𝒕 , < Ps < ∞ , công suất Ps dương vô hạn, Es vô hạn 𝑻→∞ Trị hiệu dụng tín hiệu RMS: Trang Vrms = √𝑷𝒔 Vpp = 2√𝟐 Vrms Tiểu luận môn học Truyền Thơng Số Nếu tín hiệu loại tín hiệu lượng cơng suất chuẩn hóa 0, ngược lại tín hiệu loại cơng suất lượng chuẩn hóa * Hàm sinx (Sincx, Sa(x)): đường biểu diễn dạng tắt dần: Ta có: 𝑆𝑖𝑛𝑥 𝑥 = → Sinx = → x = ±𝒏𝝅 , n = 1, 2, 3, … x = 0, suy ra: 𝑺𝒊𝒏𝒙 𝒙 đạt max Các điểm cực trị hàm Sinx = ±1 Băng thông, dải thông: dựa vào hàm Sincx hình ta dễ dàng hình dung loại băng thông: a/ băng thông nửa công suất b/ băng thông tương đương c/ Null-to-null bandwidth d/ băng thông công suất e/ băng thông PSD f/ băng thông tuyệt đối Hình Hàm sincx Tín hiệu ngẫu nhiên Quá trình ngẫu nhiên tập hợp hàm theo thời gian liên hệ với theo quy luật thống kê (được xác định dựa toán thống kê) Phân bố lũy thừa CDF tích lũy xác suất xảy từ giá trị nhỏ đến giá trị xét Mật độ xác suất PDF biến thiên xác suất xảy giá trị biến ngẫu nhiên khác Hình CDF - PDF Giá trị kỳ vọng hay gọi trị trung bình (trị DC) biến ngẫu nhiên Trị trung bình bình phương biến ngẫu nhiên với cơng suất chuẩn hóa Phương sai (chỉ xét đến tín hiệu AC túy) mức phân tán xung quanh trị trung bình bình phương, bình phương độ lệch chuẩn Hàm PDF phân bố Gaussian Hàm CDF phân bố Gaussian Hàm Q erfc (error function complement) : Hàm lỗi Vùng Gauss chuẩn Hình Hàm Q erfc Trang Tiểu luận môn học Truyền Thơng Số BÀI 2: SỚ HÓA VÀ ĐỊNH DẠNG -Để thông tin truyền cách hiệu tối ưu kênh truyền ta cần phải xử lý tín hiệu trước truyền cách: Số hóa tín hiệu tương tự Định dạng tín hiệu số Kỹ thuật điều chế xung mã PCM Quá trình điều chế xung mã trải qua khối chức chính: Khối lọc, khối lấy mẫu, khối lượng tử khối mã hóa Đầu tiên, khảo sát khối lọc: Thơng tin trước xử lý cần phải lọc bỏ thành phần tín hiệu dư thừa, hạn chế phổ tới tần số cực đại Sau qua lọc tín hiệu đưa vào khối lấy mẫu, nhiệm vụ khối biến thơng tin từ liên tục thành rời rạc miền thời gian (việc lấy mẫu phải tuân theo định lý lấy mẫu) Tín hiệu sau qua khối lấy mẫu, đảm bảo thông tin rời rạc ta thu dãy xung có biên độ thay đổi liên tục Sau để chống nhiễu tích lũy, tín hiệu đưa qua khối lượng hóa để rời rạc mặt biên độ tạo tín hiệu PAM lượng tử Và, cuối tín hiệu PAM lượng tử qua khối mã hóa để mã hóa thành từ mã PCM có số bit định Sau khối tín hiệu sẵn sàng để truyền *Đối với tín hiệu PCM, nhiễu xảy làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu: Nhiễu lượng tử hóa gây lượng tử hóa M mức Lỗi bit Pe gây nhiễu kênh truyền AWGN Mã hóa đường truyền (Line Coding) Đây q trình chuyển đổi ánh xạ chuỗi số hiệu nhị phân thành tín hiệu số (dữ liệu số, tín hiệu số) Xét loại mã đường truyền ta thấy có loại mã đây: Hình Các loại mã đường truyền Tại mã đơn cực (Unipolar): mã biểu diễn mức điện áp dấu Ưu điểm mã đơn giản, chi phí thấp lại tồn thành phần DC khả đồng Unipolar -RZ có nhược điểm chiếm băng thơng gấp đơi mã Unipolar-NRZ, lại dễ dàng việc khôi phục đồng hồ Tại mã cực (Polar): mã biểu diễn hai mức điện áp đối xứng âm dương, tức trạng thái logic biểu diễn mức điện áp dương, trạng thái logic khác biểu diễn mức điện áp âm Tại mã lưỡng cực (Bipolar): mã biểu diễn luân phiên mức âm dương mức Ưu điểm mã khơng có thành phần DC, tín hiệu khơng droop, có khả tự phát lỗi triển khai chi phí cao khôi phục clock Nguyên lý vài loại mã thuộc mã Unipolar, Polar, Bipolar: - - Mã NRZ: mức điện áp giữ nguyên chu kỳ bit → chu kỳ xung = chu kỳ bit Có loại NRZ-L NRZ-I Mã NRZ-I tin cậy mơi trường truyền có tạp âm, phát chuyển mức tín hiệu dễ dàng so với mức tín hiệu với giá trị ngưỡng Mã RZ: mức điện áp giữ chu kỳ bit → chu kỳ xung = ½ chu kỳ bit Manchester G.E Thomas: Mức điện áp thay đổi khoảng chu kỳ bit Trang Tiểu luận môn học Truyền Thông Số + Bit 1: Biểu diễn +V khoảng chu kỳ đầu, -V khoảng chu kỳ sau + Bit 0: Biểu diễn -V khoảng chu kỳ đầu, +V khoảng chu kỳ sau - Manchester IEEE 802.3: Mức điện áp thay đổi khoảng chu kỳ bit + Bit 0: Biểu diễn +V khoảng chu kỳ đầu, -V khoảng chu kỳ sau + Bit 1: Biểu diễn -V khoảng chu kỳ đầu, +V khoảng chu kỳ sau - Mã AMI: mã lưỡng cực đối dấu luân phiên, chu kỳ xung = ½ chu kỳ bit (do mã RZ) - Mã CMI: kết hợp mã Manchester cho bit mã Polar-NRZ cho bit - Mã HDB3: dựa Bipolar – AMI: chuỗi 4-bit thay chuỗi có xung theo quy tắc: + Nếu số bit kể từ lần thay cuối lẻ: ‘0000’ → ‘000V’ + Nếu số bit kể từ lần thay cuối chẳn: ‘0000’ → ‘B00V’ Băng thơng Hình Băng thơng loại mã →Các mã có sử dụng luân phiên điện áp âm dương giúp tiết kiệm băng thông hơn, phát lỗi dễ hơn, dễ tín hiệu clock có dãy số dài Điều chế PAM – M mức: có ưu điểm tốc độ truyền cao, băng thông tốt nhược điểm lớn dễ nhiễu BÀI 3: THÔNG TIN TRÊN BĂNG CƠ SỞ (BASEBAND) -• Nhiều ISI: tượng xung tín hiệu bị trải chèn lấn vào khe thời gian tín hiệu kế cận • Ngun nhân nhiễu ISI băng thơng truyền ngồi bị giới hạn → nhiễu ISI làm giảm tốc độ truyền • Nguồn gây lỗi chủ yếu can nhiễu ISI AWGN Để xử lý ta xem xét tách hai nguồn gây lỗi Tạo lọc dạng xung phát cân thu để chống nhiễu ISI Lọc phối hợp thích ứng máy thu để xử lý AWGN Can nhiễu liên ký hiệu ISI Trong mơ hình truyền thơng nhị phân baseband có xuất lọc phát lọc thu nhằm để giảm hiệu ứng nhiễu AWGN ISI Hình Hệ thống truyền baseband Trang Tiểu luận môn học Truyền Thông Số Lọc tạo dạng xung: phải tuân thủ theo tiêu chuẩn Nyquist Để thỏa mãn ISI = nói hàm P(f) có dạng chữ nhật (lý tưởng) → dạng sóng xung truyền miền thời gian làm hàm Sinc Can nhiễu giãn cách điểm cách Nyquist Filter Hình SinC Hình Nyquist lý tưởng Đối với kênh truyền cố định → giới hạn ISI tùy ý → cần có lọc tạo dạng xung Đối với kênh truyền thay đổi → có lượng ISI định → cần có cân thu Bộ cân bằng: đặt sau lấy mẫu Bộ thu cân ép không (zero Forcing) Hình Zero Forcing Bộ lọc phối hợp Lọc tách sóng lọc phối hợp kết hợp với lọc định Bộ lọc đứng trước mạch định thu gọi phối hợp với xung làm cho tỷ số SNR đạt giá trị lớn thời điểm lấy mẫu xung vào lọc Hình 10 Lọc phối hợp Mục đích là: Tăng SNR giảm AWGN Cực đại tỷ số cơng thức tức thời tín hiệu ngõ so với cơng suất trung bình AWGN Trang Tiểu luận môn học Truyền Thông Số Tỷ lệ lỗi Xác suất lỗi trung bình (BER) thu BER = Pe = p(0) x Pe0 + p(1) x Pe1 𝑬 BER = Pe = ½ erfc (√𝑵𝒃 ) Ở kênh truyền nhị phân đối xứng: 𝟎 →Xác suất trung bình thu phụ thuộc vào EbNo BÀI 4: KHƠNG GIAN TÍN HIỆU – BỢ THU TỚI ƯU -1 Biểu diễn tín hiệu hình học N Tổng hợp tín hiệu: Si (t ) =  Sij j (t ) i = 1, …, M 0t T j =1 Phân tách tín hiệu: Si = ( Si1 , Si , , SiN ) Hình 11 Sơ đồ điều chế bên phát giải điều chế bên thu Quy trình trực giao hóa Gram – Shmidt:  i (t ) = di (t ) = || di (t ) || di (t ) T d i i = 1, 2, 3, …, N (t )dt Khi Si(t) tập M tín hiệu độc lập tuyến tính → M=N Khi Si(t) tập M tín hiệu khơng độc lập tuyến tính → N