Tài liệu Giáo trình nguyên lý thông tin tương tự số vũ đình thàn

v ũ ĐÌNH THÀNH TƯƠNG Tự - SỐ NHÀ XUẤT ĐẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. Hố CHÍ MINH ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H ồ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA V ũ Đ ìn h T h à n h GIAO TRINH NGUYÊN LÝ THÔNG TIN TƯƠNG Tự - SÔ (Tái bản 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 ....................................................................................................5 Chương 1.T Ổ N G Q U Á T VỀ H Ệ TH ỐNG 1.1 Các yếu tô tủa một hệ thống thông tin ............................................... 7 1 .2 Điều chế và 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 và chuỗi F ourier.......................................................... 17 2.2 Tích p h ân fourier và 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 và m ật độ p h ổ .......................................................... 27 2.5 B iến ngẫu n h iên và 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 và n h iễ u ............................................................. 39 Bài tậ p chương 2. Tín hiệu và 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 3. Thông tin tương t ự ....................................................106 C h ư 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 ạ n ............................................108 4.2 Điều biên xung và ghép kênh thời g ian ...........................................111 4.3 B ăng thông tín hiệu ghép kênh TD M ..............................................113 4.4 Phổ của tín hiệu đã 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 5. Thông tin s ố .............................................................218 C hương 6. 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 bằng cách phân tá n phổ trực tiế p ..................225 6.3 Kỹ th u ật trả i phổ bằng phương pháp nhảy tần sô ................... ...239 6.4 Hệ thống thông tin MC-CDMA.......................................................244 G iả i b à i tậ p ch ư ơn g 2. T ÍN H IỆU VÀ P H Ổ .................................... 255 G iả i b à i tậ p ch ư ơn g 3.T HÔNG T IN TƯƠNG T ự .268 G iả i b à i tậ p ch ư ơn g 5: THÔNG T IN S Ô .......................................... 272 T ài liệu th a m k h ả o ............................................................................ 2 7 7 L ời n ó i đ ầ u Trong những năm qua, kỹ thuật viễn thông đã có những bước tiến không ngừng vói tốc độ cực nhanh. N hiều kỹ thuật và công nghệ mới cỉã ra đời và sau đó nhanh chóng trở nên lạc hậu khi những kỹ thuật tiến bộ hơn, có nhiều ưu điểm hơn lại được p hát minh ra ngay sau đó. Đơn cử ví dụ về hệ thống diện thoại di động G S M , dược phát nành vả sử d ụ n g chí trong vòng một chục năm trở lại đ â y , nay 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 hơn và kèm theo nhiều clịch vụ hấp dẫn người sử dụng... Trong lĩnh vực đào tạo về điện tử viễn thông, song song với các nguyên lý thông tin tương tự hoặc số cổ điển đã được khai thác và nghiên cứu trong nhiều giáo trình kinh điển, các tài liệu kỹ thuật vấn p h ả i luôn luôn dược cập nhật bởi các nguyên lý mới về điều chế và 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 ơ n g tự - s ố " được biến soạn nhằm mục đích cung cấp các kiến thức cơ sỏ về tin hiệu - p h ổ của các phương thức điều chế cổ điển (điều chế tương tự AM, FM, P M hoặc điều chế số ASK, FSK, PSK) và của các phương thức điều ché mới (điều chế và ghép kênh PGM, điều chế QAM, MSK...). Nội dung của giáo trình không nhằm p h â n tích kỹ thuật điều c h ế dưới quan điểm mạch diện và các thiết k ế chi tiết, mà có định hướng tìm ra các mô hình toan học tổng quát cho các loại tín hiệu và p h ổ trước và sau điều chế, các ảnh hưởng của nhiều lèn chất lượng thông tin, mối liên quan giữa xác suất thu sai tín hiệu với tỉ số tín hiệu!nhiễu. Mô hình này có th ể dược sử dụng cho nhiều kiểu điều chế và giải điều chế khúc nhau mà không làm thay dổi tính chất tổng quát của phương pháp. Giáo trình có th ể dược sử d ụ n g làm tài liệu học tập, giảng dạy chuyên ngành viễn thông hoặc làm tài liệu cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn. Giáo trình được xuất bản lần đẩu tiên, có sự tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau, chắc chắn không tránh khỏi các thiếu sót. Tác giả luôn mong muốn tiếp nhận dược những phản hồi từ các nhủ chuyên m ô n , nhà nghiền cứu, từ các giảng viên và sinh viên, về nội dung và hình thức của giáo trình đ ể có th ể hiệu chính hoàn thiện hơn trong các lần xuất bần sau. .© ^ Nặ Tác già chân thành cảm ơn các cô bộ môn Viễn Thòng, Khoa Điện - Điện Trường Đại. họ ĐHQG TPHCM, đã trợ giúp nhiề việc hoàn thành giáo trình này. Địa chỉ 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 á c giả PG S-TS Vũ Đ ìn h T h à n h Chương TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hệ thống thông tin được định nghĩa là hệ thống chuyển tải tin tức từ nguồn p h át tin đến nơi n h ận tin ở m ột khoảng cách nào đó. Nếu khoảng cách thông tin này là lớn so với kích thước của th iế t bị (cự ly thông tin xa), ta có một hệ thống viễn thông. Hệ thống thông tin có thế được thực hiện giữa một hay nhiều nguồn p h á t tin đồng thời đến một hay nhiều nơi nhận tin, do đó ta có kiểu thông tin m ột đường, đa đường, phương thức thông tin m ột chiều, hai chiều hoặc nhiều chiều. Môi trường thông tin có th ế ở dạng hữu tuyến hoặc vô tuyên, chẳng h ạn dùng dây truyền sóng, cable truyền tin hoặc sóng điện từ vô tuyên. 1.1 CÁC YẾU TỐ CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN 1- Tin tứ c và tín h iệu Tin tức là yếu tô trung tâm của m ột hệ thống thông tin . Mục tiêu cua hộ thống là chuyên tải và tá i lập lại tin tức tại nơi n h ận tin sao cho nội dung của tin tức là không dối so với nơi p h át hoặc có th ể hiếu dược, chấp nhận dược. Tin tức xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau, có thể được chia th àn h hai loại: dạng tương tự và dạng số. Tin tức dạng tương tự dược thế hiện bằng các đại lượng v ật lý biên th iên liên tục và đều đặn theo thời gian, chẳng h ạn tín hiệu âm th an h , hình ảnh, tín hiệu do lường về n h iệ t độ, áp suất,... Tiêu chí quan trọng của hộ thống thông tin tương tự là sự trung thực của tín hiệu tại nơi n h ận tin so với nơi p h át tin. Tin tức dạng số được th ể hiện dưới dạng ri.*t chuỗi các ký hiệu lược chọn từ một tập hợp hữu hạn các ký hiệu rời rạc, chang h ạn , 8 C H U lN G 1 •chuỗi các ký t í chữ hoặc sô xuất hiện trê n m ột văn bản, chuỗi các b ít luận lý được đọc ra từ m ột file dữ liệu... Tiêu chí quan trọng của hệ th ông thông tin sô lả độ chính xác cùa chuỗi ký tự n h ận được (hoặc là tỉ sô lỗi bít n h ận được) tín h trong m ột khoáng thời gian n h ấ t định của quá trìn h th ô n g tin. Về m ặt vật lý, tin tức xuất h iện dưới dạng các tín hiệu, thông thường là tín hiệu điện. T rong mô hình hệ th ô n g thông tin ở hình 1.1, tin tức được chuyến đối th à n h tín hiệu điện hoặc ngược lại nhờ các cảm biến p h á t và cảm biến thu. 1.1Mô H ình hình hệ thống thông Như vậy đôi với hệ th ô n g thông tin , tín hiệu v ậ t lý được chuyển tải đi là tín hiệu điện, được xử lý trê n cơ sở các khối m ạch điện tử. Các cảm biến p h á t vả thu, m ặc dù chỉ là p h ần tử chuyển đổi dạng thức v ật lý của tin tức, nhưng ản h hưởng r ấ t lớn đến độ trung thực hoặc độ tin cậy của hệ th ô n g thông tin. Việc k h ảo s á t các đặc tính phi tuyến hoặc các giới h ạ n về dải động, dải tầ n sô" h o ạt động,... của các cảm biến không nằm tro n g nội dung trìn h bày của môn học này. 2-S ơ đ ồ k h ô i tổ n g q u á t c ủ a hệ th ố n g th ô n g H ình 1.2S ơ đồ khối tổng quát của H ình 1.2 giới thiệu m ột sơ đồ khôi tổng q uát của một hệ thông thông tin , trong đó các tín hiệu p h á t và thu lan truyền trong môi trường đều được xem là ơ dưới dạng tín hiệu điện (các khối cảm biến TỔNG QUÁT VỄ HÊTHỐNG THÕNG TIN 9 p h át và cảm biến thu như ở hình 1.1 được xem lả thuộ.c về nguồn p h á t tin hoặc 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 và cung câp vào môi trường thông tin m ột tín hiệu có dạng thức phù hợp với đặc tính của môi trường, với điều kiện là nội dung của tin tức được truyền đi không th ay dpi Khôi p h á t có thế gồm các ph ần mã hóa, điều chế và khuếch đại pinh. • Môi trường thông tin là một 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 dưới dạng hữu tuyến (dây dẫn điện song h àn h , dây cable tín hiệu, sợi quang,...) hoặc có thế dưới 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 và gây trễ pha tín hiệu khi tru y ền tin. Cự ly thông tin càng lớn thì độ suy hao vả trễ pha càng 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 các phần khuếch đại tín hiệu điện (để bù trừ độ suy hao trê n môi trường thông tin), giải điều chế và giải m ã hóa (đề khôi phục lại tin tức gốc ban đầu ở nơi phát), khôi chọn lọc k ên h thông tin (đế chọn lựa đúng tín hiệu từ nguồn tin m à ta muốn thu n hận, trong khi môi trường thông tin có th ể được sử dụng truyền tin đồng thời cho nhiều nguồn tin khác nhau). • Một loại tín hiệu phụ nhưng luôn luôn xuât hiện và tồn tại trong b ất kỳ hệ thống thông tin nào được th ế hiện bởi khôi nhiễu, can nhiều và các tác n h ân gây méo dạng. Đầy là các tín hiệu m à chúng ta không mong muốn nh ận được tại nơi thu trong quá trìn h truyền tin. Chúng có th ể xuât h iện trong môi trường thông tin dưới dạng nhiễu cộng hoặc nhiễu nhân. Do tín h châd suy hao của môi trường thông tin, tín hiệu tin tức mà ta muôn truvền đi có th ể bị suy hao công su ât đến mức bị xen lẫn với các tín hiệu nhiều tro n g môi trường hoặc tại nơi thu. Lúc này, quá trìn h th ô n g tin là th ấ t bại, nơi n h ận tin không thế tái tạo lại tin tức từ nguồn p h á t tin nữa. - Nhiễu là các tín hiệu không mong muốn, xuất h iện m ột cách ngầu n h iên trong môi trường thông tin hoặc từ các ph ần tử, linh k iện của th iế t bị. Nhiễu cộng có thê được loại bỏ hoặc giảm thiếu ản h hưởng nhờ các bộ lọc tầ n số, các bộ xử lý ngưỡng tạ i nơi thu. 10 CHƯƠNG 1 Đối với nhiễu n h ân , quá trìn h xử lý phức tạp hơn nhiều, thường phải sử dụng các th u ậ t toán thử-và-sai (chẳng hạn, th u ật toán logic mờ, m ạng neural, chuỗi M arkov,...) - C an nhiều là nhiễu gây ra bơi các tác nhân chủ quan của con người, chắng hạn , nhiễu do tín hiệu từ nguồn p h á t khác, nhiễu do nguồn cung cấp công suất, nhiễu do các th iế t bị phụ trợ,... Can nhiễu xuất h iện ở các dải tầ n sô khác với dải tầ n sô muôn thu, có th ể được loại bỏ dễ dàng nhờ các phép lọc tẳ n sô thông thường. Tuy n h iên , can nhiễu cùng dải tẩn rấ t khó được loại trừ, người ta phải dùng các phép mã hóa nguồn phù hợp. - Tác n h â n gây méo dạng tín hiệu thường xảy ra do các p h ần tử, linh kiện tro n g th iê t bị không có đặc tín h tuyến tín h . Tuy n h iên , điểm khác b iệt giữa tác n h ân méo dạng này vđi nhiễu, can nhiễu là sư méo dạng chi xảy ra khi có tín hiệu p h át. Sự méo dạng có th ế được khắc phục nhờ các bộ sửa dạng (trong hệ T rong mô hinh hệ th ống th õ n g tin 0 hình 1.2, tin tức luôn được truyền di theo m ột chiều duy n h á t từ nguồn p h át tin đến nơi n h ậ n tin, ta có hệ thống thông tin don cùng Ngược lại, hệ th ố n g th ông tin cho phép truyền till tức theo hai chiều đồng thời (mồi bên vừa là nguồn p h á t tin, vừa là noi n h ậ n tin) dược gụi là hộ th ông song công (full-duplex). Hệ thông cho phép thông tin hai chiều tu ần tự nhau (tại m ột thời điểm , chi có một b èn p h át và m ột bẽn thu) gọi là hộ th ô n g bán song công (half-duplex). 3- C ác g iớ i h ạ n đ ặ c tr ư n g c ủ a hệ th ố n g th ô n g tin Đối với b â t kỳ hệ thòng thông tin nào, dù là hữu tuyên hoặc vô tuyến, dù có điều chế hay không điều chế, dù ở tầ n sô th á p hay cao,... đều có hai giđi h ạn đặc trư ng về điện: băng thông (bandw idth) và nhiễu (noise)trong hệ th ố n g thông tin. * B ăi.g thông là đại lượng đo lường về tốc độ truyền tin. Đối với thông tin tương tự (anlog),băng thông được thê hiện qua dải tầ n cüa tín hiệu hoặc dải tầ n sô cùa kênh. Đôi với thông tin sô (digital), bâng thông được th ế h iện qua tốc độ b it tôi đa của chuỗi sô được tru y ền đi. B ất kỳ hệ thông thông tin nào cũng bị giới hạn về b ă n g thòng khi truyền trong thời gian thực. Nếu dùng kênh thông tin có băng th ô n g nhỏ đế truyền tín hiộu có dai tầ n số rộng thì sẽ gây ra méo dạng tín hiệu tại nơi thu. C hẳng h ạn , với tín hiệu âm th a n h TỒNG OUAT vế HỄ THÕNG THÒNG TIN 11 thoại, băng thòng kônlì truyền chi cần khoáng ‘.MiHz đôn trong khi dế truyền tín hiệu vidoo dộng, băng thông kênh truyền phải rộng từ 4M H z đế n GMHz.Băng thòng kênh truyền càng rộn độ truyền tin càng cao, chát lượng truyền tin tức càng tôt nhưng lại gặp các vấn để sau: - Băng thông quá rộng sẽ làm hao phí dái tầ n sô có sẩn của kênh truyền, do đó, sỏ lượng luồng thông tin truyền dồng thời trê n kênh sẽ giám , và hiệu suất sử dụng kênh truyền thấp. - Băng thông rộng kéo theo sự ảnh hưởng của nhiều môi trường và các can nhiễu từ kênh truyền lân cận lên kênh thông tin m ong muôn. Do đó, trong thực tê, tín hiệu dái nền trước khi được đưa vào điều chê hoặc mã hóa, thưừng phai dược lọc thông th ấ p hoặc lọc thông dải đê giới hạn lại dái tầ n sô cua tín hiệu. Như vậy, ỏ nơi thu, ta cũng dùng các bộ lọc thông thiíp hoác thông dải để chọn lọc lấy riêng tín hiệu mong muốn (ơ dái tần số định trước), trá n h các can nhiễu từ kênh khác và giảm thiếu ảnh hướng của nhiễu nền môi trường. * Nhiễu là ảnh hương cô hữu, tồn tạ i trong b ấ t kỳ hệ thống thông tin thực tê nào. Bản th â n vật liệu môi trường, các phần tử hoẠc nguyên tử của vật liệu đều tạo các dao động ngẫu nhiên hỗn loạn sinh ra nhiều, ta thường gọi là nhiễu n h iệt. Các nguồn can nhiễu từ các tác nhân do con người (các đài p h át lân cận, các th iế t bị khác dặt trong môi trưừng thông tin,...) cũng là nguồn nhiễu cho kênh thông tin. Anh hương của nhiễu lên tín hiệu tin tức được đ án h giá thông qua tĩ sô tín hiệu trôn nhiễu S / N ,là đại lượng su ât tín hiệu mong mutin với công suất nhiều. Khi cự ly thông tin càng lớn, công suât tín hiệu tin tức càng bị suy giảm khi lan truyền trong môi trường thông tin, có thê giám đôn mức ngang bằng công suất nhiễu môi trường. Lúc này, tin tức bị lẫn với nền nhiễu và chúng ta không th ể khôi phục lại thông tin bằng các phương pháp thông thường. Giới h ạn bcăng thông của kênh cho phép tăn g ti sô nghĩa là chất lượng thông tin cua kênh tăn g clo băng thông bị hạn chê (nếu không gây méo dạng đến tín hiệu). Định lý S hannon xác định môi liên quan giừa băng thông B của kênh với ti sô S/N thông qua một CHƯƠNG 1 12 hằn g sô thông sô của kênh, gọi là thông lượng kênh capacity): c với c là = B log 1 + sì ( — N 1. 1 ) hằng số, khi B tăn g thì S/N giảm và ngược lại. 1.2 ĐIỂU CHẾ VÀ MÃ HÓA Điều chế ( m odulatin )vả m ã hóa ( ) là hai phương thức căn bản để nâng cao ch ất lượng và độ tin cậy của quá trìn h thông tin . Đây cũng là vân đề chính của tà i liệu này: phương thức xử lý, điều chế tín hiệu tương tự, tín hiệu số và các đánh giá về ưu nhược điếm của mỗi phương thức. 1-N g u yên lý đ iề u c h ế Trong quá trìn h điều chế, cần có m ột sóng m ang ( ) (thường là tín hiệu hìn h sin hoặc tín hiệu xung tầ n sô" cao) có tầ n số cô định và cao hơn nhiều lần so với tầ n sô" tín hiệu điều chế (.modulating signal). Tín hiệu điều chê này có th ể là tín hiệu gốc p h á t ra từ nguồn tin , hoặc có thế là tín hiệu đã được biến đổi từ tín hiệu gốc bởi các phép lọc, mã hóa, trộ n kênh,... thường được xem là ở dải tầ n số th ấp , do đó còn được gọi là tín hiệu dải nền (baseband). Tín hiệu điều chế (Tín hiệu dải nền) Sóng mang đã điều chế Mạch điểu chế (Phát) Sóng mang H ình 1.3Mô và khối Tín hiệu đã điếu chế Mạch giải diều chế (Thu) Tín hiệu tin tức (Tín hiệu dải nến) Tái tạo sóng rnang (thu kết hợp) hình khối giai chế (nơi phát) điều chế (nơi thu) Điều chế là thực hiện sự th ay đổi thông số của sóng m ang như biên độ, pha, tần số,... theo sự biến th iên của tín hiệu điều chế (H.1.3). D ạng sóng các loại tín hiệu và mối liên quan giữa chúng trong điều ch ế biên độ 0 h ình 1.4 là m ột ví dụ. 13 TổNG QUAT VẾ HÈ THÔNG THÔNG TIN ,1 : c) __________ '■ 'U I . / t l í H ìn h 1.4D ạng sóng và sóng mang xung sau điều chế biên độ tín hiệu sóng mang sin Quá trìn h điều chế phải là quá trìn h có th ể đảo ngược được, có nghĩa là tồn tại quá trìn h khôi phục trở lại tín hiệu diều ch ế từ sóng m ang đã điều chế, đế được tín hiệu dải nền chứa th ô n g tin. Ta gọi đó là quá trìn h giải điều chế (dc,có mô h ìn h đ ở h ình 1.3. Có hai kiểu giải điều chế: giải điều ch ế k ết hợp ( coherent) và giải điều ch ế không k ết hợp ( ) . Chi tiế t về các phương pháp giải điều chế sẽ được trìn h bày ở các chương sau. Quá trìn h điều chê và giải điều chế cũng gây ra sự dịch chuyển phổ tín hiệu trên th an g tầ n số. Thông thường, khi tầ n sô sóng m ang lớn hơn nhiều lần so với tầ n sô tín hiệu điều chế, quá trìn h điều chê sẽ dịch phổ tần lên cao và quá trìn h giái điều chế sẽ dịch phổ tầ n xuống thấp. 2- Các lợi đ i ể m c ủ a đ i ề u c h ê * Điểu chế cho phép tăng hiệu suất thông chuyến phô tần số lên cao, tín hiệu sóng m ang đã điều chê dễ dàng được truyền đi xa hơn, các an ten p h á t và thu có kích thước nhỏ hơn. C hẳng hạn, nếu sóng m ang có tầ n số 100 th ì an ten phải có kích thước 300km (!) trong khi sóng m ang ở tầ n số 100A///z, an ten chi có kích thước dưới lm . N * Điều chế cho phép tăng băng thông thông Vì tầ n số sóng m ang thường rấ t cao n ên tín hiệu sóng m ang đã điều ch ế có dải băng thông có thế rộng hơn nhiều lần so với dải tần sô của tín hiệu CHƯƠNG 1 14 điều chế, với cùng một hệ sô chọn lọc mong muốn. N hư vậy, m ột kênh thông tin ở dái tầ n số siêu cao (vài GHz) có th ế tru y ền tải được nhiều kênh truyền h ìn h đồng thời là tín hiệu dái n ền có băng th ông rộng n h ất, th ậm chí m ột kênh thông tin la se r quang có th ể tru y ền tả i từ h àn g nghìn đến h àn g triệu kênh truyền hình. * Điều ch ế cho p hép g iả m nhi và hưởng của nhiễu hoặc can nhiễu lên tín hiệu tin tức, m ột k h ả năng đơn giản là tăn g th ậ t lớn công su ất p h á t tín hiệu sao cho chúng có th ế vượt qua được mức công su ất nhiễu tro n g môi trường đê truyền đến được nơi thu (với m ột tỉ số SIN chấp n h ậ n được). Tuy nhiên, thực t ế không cho phép tă n g công suất p h á t lên quá lđn (do khả n ăn g chịu đựng công su ấ t của lin h kiện th iế t bị, do hiệu s u ấ t công su ất đài p h á t quá th ấp , do sự an toàn,...). Trong trường hợp này, điều ch ế sóng m ang cho phép giảm thiểu ản h hưdng của n h iễu mà không tă n g công su ất p h á t. Bù lại, tín hiệu đã điều c h ế cần m ột b ăn g th ông k ên h truyền lớn hơn, như đã nói ở p h ần trê n . Đ ây là sự tương nhượng giữa độ rộng b ăn g thông sử dụng với k h ả n ă n g chống nhiễu của tín hiệu. * Điều c h ế cho p h ép gán tần phát: Trong cùng m ộ t trường truyền tin , các k ê n h th ô n g tin có nội dung như n h au có th ể sử dụng các dải tầ n sô p h á t khác nhau. Điều chế, với chức năn g tương đương như đổi tầ n số, cho phép xác định tầ n số p h á t cho mỗi kênh. N hư vậy ở nơi thu, có th ể tách b iệt tín hiệu muốn th u tro n g sô nhiều tín hiệu từ các đài p h á t khác nhau th ô n g qua phép lọc tầ n số. * Điều ch ế cho p h cp thực hiện k ên h được thực h iện k h i ta m uốn truyền đi nhiều tín hiệu tin tức khác nhau, từ nhiều nguồn p h á t tin khác nhau đôn nhiều nơi n h ậ n tin khác nhau, sử dụng cùng m ột môi trường truyền. G hép k ên h có th ế dưới dạng ghép tầ n sô (FDM: Frequency Multiplexing) hoặc ghép kênh thời gian (TDM: T im e - Division Multiplexing). 3-C ác d ả i tầ n s ố th ô n g tin H ình 1.5 giới thiệu các phổ tầ n số hoặc phố bước sóng h iệ n đang được sử dụng cho các h ìn h thức thông tin khác nhau, từ vùng tầ n sô th ấp (điện thoại, điện tín) cho đến tần số cao (phát th an h , p h á t hình) và đến tầ n số siêu cao (thông tin vệ tinh, ra d a r, truyền số liệu tốc độ cao,...). Đồng thời, h ìn h 1.5 cũng liệt kê các môi trường v ậ t lý k h ác nhau phù hợp với các dải tầ n số thông tin khác nhau. TỐNG ŨUAT VỂ HẺ THÔNG Mòi trúòng thông tin Kiểu truyển song Búóc sóng Dài tần số 15 TIN H ình 1.5 Phân bố các phố tần số (hoặc bước sóng) sứ dụng trong thông tin 16 CHƯƠNG I 4- M ã h óa v à cá c đ ặ c đ iể m Mã hóa (coding),được áp (lụng cho các nguồn tin tức sô, đượ biểu d itn bằng các ký hiệu rời rạc. Mã hóa gồm hai quá trìn h : quá trìn h mã hóa (encodig)chuyến đối tin tức sô từ nguồn tin thành m ột chuỗi các ký hiệu theo m ột quy luật nào đó; quá trìn h giái mã (decoding) chuyến đổi ngược lại từ các ký hiệu trở về tin tức sô' theo quy luật ngược với quy lu ật m ã hóa. Thông thường, nguồn tin tức số dưới dạng nhị p h ân (bit 0 và b it 1) và ký hiệu m ã hóa cũng dưới dạng nhị phân. Nói cách khác, m ã hóa chuyển đổi từ chuỗi số nhị p h ân này th à n h ra m ột chuỗi số nhị phân khác. Nếu nguồn tín hiệu có M mức rời rạc, th ì mỗi trạ n g th á i của nguồn có th ể được m ã hóa bằng K b its nhị phân sao cho: K > log2 M (1.2) Vậy, nếu tốc độ xuất h iện các trạ n g th á i của nguồn là r (r trạ n g th á i xuất hiện trong m ột đơn vị thời gian), th ì tốc độ b it n h ị ph ân của m ã là K.r;nói cách khác, m ã hóa cần m ột băng th ô n g kên tru y ền lớn gâ'p K lần băng th ô n g cần th iế t để tru y ền tín hiệu nguyên thủy b an đầu. Mã hóa có các lợi điểm sau: - Mã hóa, cụ th ể là m ã hóa nhị phân, cho phép xử lý tín hiệu ở các mức rời rạc (hai mức cao và th ấ p đôi với nhị phân), do đó, mạch điện xử lý đơn giản hơn và độ tin cậy cao hơn. - Mã hóa cho phép tă n g k h ả n ăn g chống nhiễu của tín hiệu. Tùy theo nguyên lý m ã hóa ta có th ể có các bộ m ã p h á t hiện sai hocặc tự sửa sai khi có nhiễu trê n k ên h truyền làm sai lệch tin tức. - Mã hóa cho phép n én số liệu p h át ra từ nguồn, loại bỏ các trạ n g th á i dư thừa, tăn g hiệu su ât truyền tin. Như vậy có thế truyền được nhiều k ên h hơn tro n g cùng môi trường hoặc truyền tin với tốc độ cao hơn. - Mã hóa có th ể cho phép bảo m ật thông tin (m ật m ã hóa). Chương TÍN HIỆU VÀ PHỔ Các tín hiệu điện tro n g thực tế thường được quan sá t và biểu diễn ở dạng thời gian, chẳng h ạn điện áp hoặc dòng điện theo thời gian. Ngoài ra, tín hiệu điện còn có thế được biểu diễn ở dạng tầ n số, mà ta gọi là phô của tín hiệu. Trong chương này, để khảo sá t các đặc tính của tín hiệu biểu diễn ở m iền tầ n số, phép p h ân tích chuỗi Fourier hoặc phép tích p h ân Fourier là các công cụ căn bản. 2.1 PHỔ TUYẾN TÍNH VÀ CHUÕl FOURIER 1-V ector p h a và p h ổ tuyến tính Xét một tín hiệu điện áp v{t) là m ột hình sin th u ần túy, biên độ A, tầ n số góc w0 và góc pha ban đầu O: v(t) = Acos Tín hiệu H ình )t{v đươc vẽ ở hình 2.1. 2.1Tín hiệu hình sin thuần túy v(t) (w0t+ ) 18 CHƯƠNG 2 Biên độ a A *• f b) H ìnk 2.2 )a b)Phổ Giản đổ vector pha cứa biên độ của sin sin Ta có th ể biểu diễn tín hiệu v(t) bằng m ột vector pha trong m ặt ph ẳn g phức (H.2.2a), tro n g đó: (2 .2 ) Acos(w0t + ) = ReỊ^Ac^1’. eJW°l v{t) = Vector pha được đặc trư ng bằng số phức AeJ,{'. eJW"t , vector có module A và quay quanh gốc tọa độ với vận tốc góc ban đầu ® . và góc pha Tín hiệu v(t) ở (2.1) còn có th ế được biểu diễn dưới dạng m ột cặp vector pha liên hiệp phức: v(t) = Acos[w0t + ) = 2 2 G iản đồ vector pha và phổ biên độ, phổ pha của ư(t) được vẽ ở h ìn h 2.3a và h ìn h 2.3b. a Biên độ í H ình 2,3 a) Vector pha liên hiệp phức; b) Phổ biên độ và p h ổ pha 2 - T ín h iệu tu ầ n h o à n và cô n g su ấ t tru n g b ìn h Một tín hiệu v(t) được gọi là tUcần hoàn khi: v(t±ĩ?iT0) = v(t) t rong đó với - co < t < +CO ml à một số nguyên và To là chu kỳ của (2.4) 19 TiN HIỆU VÀ PHỐ G 'á trị trung bình của m ột tín hiệu b ấ t kỳ được định nghĩa: (2.5) j v{t)dt (t,(í)) = ị im Ậ -772 Nếu ư(t) là tu ần hoàn, giá trị trung bình trở th àn h : T0/2 1 (v(t)) = ~ tị +T0 \ v{t)dt = Y L°-Tố/2 ( 2 .6 ) l ° <1 Nếu điện áp vịt) tuần hoàn được đ ặt tê n m ột điện trơ chuẩn R=1Q, thì công su ất trung bình của tín hiệu là: +T0 p =(|u(f)f T. I \v(t)ị dt (2.7) Khi đó ta gọi v(t) là tín hiệu công suất. 3- C huỗi F o u rie r c ủ a tín h iệu tu ầ n h o à n Cho vit) là tín hiệu tu ần hoàn chu kỳ T ữ với tầ n số cơ bản *fn ơ =/p— ■P hân tích chuỗi Fourier của ư(t) là: v(t) = Cnej2Knf°‘= ...-2 , - 1 , 0, X n~-x) tro n g đó hệ số Cn là sô" phức được tính bởi: cn 1 h +T° = [~ v(t) (.e-2.9) 0 ứ Ta nói c„ là th à n h p hần hài bậc cüa tương ứng vđi thành phần tần số nfa.Các đại lượng |C„ I biểu diễn phô’ biên độ và argC„ biểu diễn phổ pha theo tầ n sô" của v(t). Phổ Fourier của m ột tín hiệu thực ư{t) có các đặc tín h sau: • Các th à n h p hần tầ n sô" đều là các hài tầ n của tầ n số cơ b ản f0. •T hành p h ần phổ DC (rc=0) tượng trưng cho giá trị trung bình của tín hiệu v(t).Th ậ t vạy: 2 0ft , h +î0 c n=0 = 0 T \ h 1 v (t).e 'j ° h dtY = (v(t)) (