Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
4
- Xibecnetic: Bao gồm các ngành khoa học chuyên nghiên cứu các vấn đề có liên quan đến
khái niệm thông tin và tín hiệu. Mục đích của Xibecnetic là làm giảm sự nặng nhọc của trí óc và
nâng cao hiệu suất lao động trí óc. Ngoài những vấn đề được xét trong Xibecnetic như đối tượng,
mục đích, tối ưu hoá việc điều khiển, liên hệ ngược. Việc nghiên cứu các quá trình thông tin (như
chọn, truyền, xử lý, lưu trữ và hiển thị thông tin) cũ
ng là một vấn đề trung tâm của Xibecnetic.
Chính vì vậy, lý thuyết và kỹ thuật thông tin chiếm vai trò rất quan trọng trong Xibecnetic.
- Công nghệ học: gồm các ngành khoa học tạo, biến đổi và xử lý các vật liệu mới. Công
nghệ học phục vụ đắc lực cho Xibecnetic và năng lượng học. Không có công nghệ học hiện đại
thì không thể có các ngành khoa học kỹ thuật hiện đại.
1.1.2. Sơ lược lịch sử phát triển
Người đặt viên gạch đầu tiên để xây dựng lý thuyết thông tin là Hartley R.V.L. Năm 1928,
ông đã đưa ra số đo lượng thông tin là một khái niệm trung tâm của lý thuyết thông tin. Dựa vào
khái niệm này, ta có thể so sánh định lượng các hệ truyền tin với nhau.
Năm 1933, V.A Kachenhicov chứng minh một loạt những luận điểm quan trọng của lý
thuyết thông tin trong bài báo “Về khả năng thông qua của không trung và dây dẫn trong hệ thống
liên lạc điện”.
Năm 1935, D.V Ageev
đưa ra công trình “Lý thuyết tách tuyến tính”, trong đó ông phát
biểu những nguyên tắc cơ bản về lý thuyết tách các tín hiệu.
Năm 1946, V.A Kachenhicov thông báo công trình “Lý thuyết thế chống nhiễu’ đánh dấu
một bước phát triển rất quan trọng của lý thuyết thông tin.
Trong hai năm 1948 – 1949, Shanon C.E công bố một loạt các công trình vĩ đại, đưa sự
phát triển của lý thuyết thông tin lên một bước tiến mới chưa từng có. Trong các công trình này,
nhờ việc đưa vào khái niệm lượ
ng thông tin và tính đến cấu trúc thống kê của tin, ông đã chứng
minh một loạt định lý về khả năng thông qua của kênh truyền tin khi có nhiễu và các định lý mã
hoá. Những công trình này là nền tảng vững chắc của lý thuyết thông tin.
Ngày nay, lý thuyết thông tin phát triển theo hai hướng chủ yếu sau:
Lý thuyết thông tin toán học: Xây dựng những luận điểm thuần tuý toán học và những cơ
sở toán học chặt chẽ của lý thuyết thông tin. Cống hiến ch
ủ yếu trong lĩnh vực này thuộc về các
nhà bác học lỗi lạc như: N.Wiener, A. Feinstain, C.E Shanon, A.N. Kanmôgorov, A.JA Khintrin.
Lý thuyết thông tin ứng dụng: (lý thuyết truyền tin)
Chuyên nghiên cứu các bài toán thực tế quan trọng do kỹ thuật liên lạc đặt ra có liên quan
đến vấn đề chống nhiễu và nâng cao độ tin cậy của việc truyền tin. Các bác học C.E Shanon, S.O
RiCe, D. Midleton, W. Peterson, A.A Khakevich, V. Kachenhicov đã có những công trình quý
báu trong lĩnh vực này.
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
5
1.2. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN - SƠ ĐỒ HỆ TRUYỀN TIN VÀ NHIỆM VỤ CỦA NÓ
1.2.1. Các định nghĩa cơ bản
1.2.1.1. Thông tin
Định nghĩa: Thông tin là những tính chất xác định của vật chất mà con người (hoặc hệ
thống kỹ thuật) nhận được từ thế giới vật chất bên ngoài hoặc từ những quá trình xảy ra trong bản
thân nó.
Với định nghĩa này, mọi ngành khoa học là khám phá ra các cấu trúc thông qua việc thu
thập, chế biến, xử lý thông tin. ở đây “thông tin” là một danh từ chứ không phải là động từ để chỉ
m
ột hành vi tác động giữa hai đối tượng (người, máy) liên lạc với nhau.
Theo quan điểm triết học, thông tin là một quảng tính của thế giới vật chất (tương tự như
năng lượng, khối lượng). Thông tin không được tạo ra mà chỉ được sử dụng bởi hệ thụ cảm.
Thông tin tồn tại một cách khách quan, không phụ thuộc vào hệ thụ cảm. Trong nghĩa khái quát
nhất, thông tin là sự đa dạ
ng. Sự đa dạng ở đây có thể hiểu theo nhiều nghĩa khác nhau: Tính ngẫu
nhiên, trình độ tổ chức,…
1.2.1.2. Tin
Tin là dạng vật chất cụ thể để biểu diễn hoặc thể hiện thông tin. Có hai dạng: tin rời rạc và
tin liên tục.
Ví dụ: Tấm ảnh, bản nhạc, bảng số liệu, bài nói,… là các tin.
1.2.1.3. Tín hiệu
Tín hiệu là các đại lượng vật lý biến thiên, phản ánh tin cần truyền.
Chú ý: Không ph
ải bản thân quá trình vật lý là tín hiệu, mà sự biến đổi các tham số riêng
của quá trình vật lý mới là tín hiệu.
Các đặc trưng vật lý có thể là dòng điện, điện áp, ánh sáng, âm thanh, trường điện từ
1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống truyền tin số (Hình 1.2)
Mã bảo
mật
Mã
kênh
Dồn
kênh
Trải
phổ
Giải mã
mật
Giải mã
kênh
Chia
kênh
Ép
phổ
Dòng bit
Hệ thống đồng bộ
( Synchronization )
Dạng sóng số
K
Ê
N
H
Nhiễu
Từ các nguồn khác
Tới các bộ nhận tin khác
Định khuôn
dạng
Định khuôn
dạng
Đầu vào số
Đầu ra số
Điều chế
Máy
Phát
(XMT)
Giải điều
chế
MáY
THU
(RCV)
Khối cơ bản
Khối tuỳ chọn
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống truyền tin số.
m
1
S
1
(t)
Nhận
tin
m
1
Nguồn
tin
Mã
nguồn
Giải mã
nguồn
Đa truy
nhập
Đa truy
nhập
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
7
1.2.2.1. Nguồn tin
Nơi sản ra tin:
- Nếu tập tin là hữu hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn rời rạc.
- Nếu tập tin là vô hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn liên tục.
Nguồn tin có hai tính chất: Tính thống kê và tính hàm ý.
Với nguồn rời rạc, tính thống kê biểu hiện ở chỗ xác suất xuất hiện các tin là khác nhau.
Tính hàm ý biểu hiện ở chỗ xác suất xuất hiện của một tin nào đ
ó sau một dãy tin khác nhau
nào đó là khác nhau.
Ví dụ: P(y/ta)
≠
P(y/ba)
1.2.2.2. Máy phát
Là thiết bị biến đổi tập tin thành tập tín hiệu tương ứng. Phép biến đổi này phải là đơn trị
hai chiều (thì bên thu mới có thể “sao lại” được đúng tin gửi đi). Trong trường hợp tổng quát, máy
phát gồm hai khối chính.
- Thiết bị mã hoá: Làm ứng mỗi tin với một tổ hợp các ký hiệu đã chọn nhằm tăng mật độ,
tăng khả năng chống nhiễu, t
ăng tốc độ truyền tin.
- Khối điều chế: Là thiết bị biến tập tin (đã hoặc không mã hoá) thành các tín hiệu để bức xạ
vào không gian dưới dạng sóng điện từ cao tần. Về nguyên tắc, bất kỳ một máy phát nào cũng có
khối này.
1.2.2.3. Đường truyền tin
Là môi trường vật lý, trong đó tín hiệu truyền đi từ máy phát sang máy thu. Trên đường
truyền có những tác động làm mất năng lượng, làm mấ
t thông tin của tín hiệu.
1.2.2.4. Máy thu
Là thiết bị lập lại (sao lại) thông tin từ tín hiệu nhận được. Máy thu thực hiện phép biến đổi
ngược lại với phép biến đổi ở máy phát: Biến tập tín hiệu thu được thành tập tin tương ứng.
Máy thu gồm hai khối:
- Giải điều chế: Biến đổi tín hiệu nhận được thành tin đã mã hoá.
- Giải mã: Biến đổi các tin đã mã hoá thành các tin tương ứng ban đầu (các tin c
ủa nguồn
gửi đi).
1.2.2.5. Nhận tin
Có ba chức năng:
- Ghi giữ tin (ví dụ bộ nhớ của máy tính, băng ghi âm, ghi hình,…)
- Biểu thị tin: Làm cho các giác quan của con người hoặc các bộ cảm biến của máy thụ cảm
được để xử lý tin (ví dụ băng âm thanh, chữ số, hình ảnh,…)
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
8
- Xử lý tin: Biến đổi tin để đưa nó về dạng dễ sử dụng. Chức năng này có thể thực hiện
bằng con người hoặc bằng máy.
1.2.2.6. Kênh truyền tin
Là tập hợp các thiết bị kỹ thuật phục vụ cho việc truyền tin từ nguồn đến nơi nhận tin.
1.2.2.7. Nhiễu
Là mọi yếu tố ngẫu nhiên có ảnh hưởng xấu đến việc thu tin. Những y
ếu tố này tác động
xấu đến tin truyền đi từ bên phát đến bên thu. Để cho gọn, ta gộp các yếu tố tác động đó vào một
ô trên hình 1.2.
Hình 1.2 là sơ đồ khối tổng quát nhất của một hệ truyền tin số. Nó có thể là: hệ thống vô
tuyến điện thoại, vô tuyến điện báo, rađa, vô tuyến truyền hình, hệ thống thông tin truyền số liệu,
vô tuyến điều khi
ển từ xa.
1.2.2.8. Các phương pháp biến đổi thông tin số trong các khối chức năng của hệ thống
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
9
Định dạng/ Mã nguồn
Mã hoá ký tự
Lấy mẫu
Lượng tử hoá
Điều chế mã xung
(PCM)
- PCM vi phân
- Điều chế Delta (DM)
- DM có tốc độ biến đổi
liên tục (CVSD)
- Mã hoá dự đoán tuyến
tính (LPC)
- Các phương pháp nén:
Mã Huffman, mã số học,
thuật toán Ziv_Lempel
Điều chế
Kết hợp
- PSK: Manip pha
- FSK: Manip tần số
- ASK: Manip biên độ
- Hỗn hợp
- OQPSK: Manip pha
tương đối 4 mức
- MSK
Không kết hợp
- PSK vi phân
- FSK
- ASK
- Hỗn hợp
Mã kênh
Dạng sóng
Tín hiệu M_trị
Tín hiệu trực giao
Tín hiệu song trực
giao
Các dãy có cấu trúc
- Mã khối
- Mã liên tục
Dồn kênh/ Đa truy cập
- Phân chia tần số:
FDM/ FDMA
- Phân chia thời gian:
TDM/ TDMA
- Phân chia mã:
CDM/ CDMA
- Phân chia không gian:
SDMA
- Phân chia cực tính:
PDMA
- OFDM
Trải phổ
Dãy trực tiếp (DS)
Nhảy tần (FH)
Nhảy thời gian (TH)
Các phương pháp hỗn
hợp
Đồng bộ
- Đồng bộ sóng mang
- Đồng bộ dấu
- Đồng bộ khung
- Đồng bộ mạng
- Hoán vị
- Thay thế
- Xử lý bit
- Các phương pháp hỗn hợp
- Thuật toán RSA
- Thuật toán logarit rời rạc
- Thuật toán McElice
- Thuật toán Merkle-Hellman
- Thuật toán sử dụng đường
cong Elliptic
Mã bảo mật
Mã hoá theo khối
Mã hoá dòng số liệu
Mật mã cổ điển
Mật mã khoá công khai
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
10
1.2.3. Những chỉ tiêu chất lượng cơ bản của một hệ truyền tin
1.2.3.1. Tính hữu hiệu
Thể hiện trên các mặt sau:
- Tốc độ truyền tin cao.
- Truyền được đồng thời nhiều tin khác nhau.
- Chi phí cho một bit thông tin thấp.
1.2.3.2. Độ tin cậy
Đảm bảo độ chính xác của việc thu nhận tin cao, xác suất thu sai (BER) thấp.
Hai chỉ tiêu trên mâu thuẫn nhau. Giải quyết mâu thuẫn trên là nhiệm vụ của lý thuyết thông
tin.
1.2.3.3. An toàn
- Bí mật:
+ Không thể khai thác thông tin trái phép.
+ Chỉ có người nhận hợp lệ mới hiểu được thông tin.
- Xác th
ực: Gắn trách nhiệm của bên gửi – bên nhận với bản tin (chữ ký số).
- Toàn vẹn:
+ Thông tin không bị bóp méo (cắt xén, xuyên tạc, sửa đổi).
+ Thông tin được nhận phải nguyên vẹn cả về nội dung và hình thức.
- Khả dụng: Mọi tài nguyên và dịch vụ của hệ thống phải được cung cấp đầy đủ cho người
dùng hợp pháp.
1.2.3.4. Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS)
Đây là một chỉ
tiêu rất quan trọng đặc biệt là đối với các dịch vụ thời gian thực, nhậy cảm
với độ trễ (truyền tiếng nói, hình ảnh, ….)
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
11
CHƯƠNG II: TÍN HIỆU VÀ NHIỄU
2.1. TÍN HIỆU XÁC ĐỊNH VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA CHÚNG
Tín hiệu xác định thường được xem là một hàm xác định của biến thời gian t (s(t)). Hàm
này có thể được mô tả bằng một biểu thức giải tích hoặc được mô tả bằng đồ thị. Một trong các
đặc trưng vật lý quan trọng của tín hiệu là hàm mật độ phổ biên độ phức
S( )
•
ω
. Với tín hiệu s(t)
khả tích tuyệt đối, ta có cặp biến đổi Fourier sau:
jt
jt
S( ) s(t)e dt (2.1)
1
s(t) S( )e d (2.2)
2
∞
•
−ω
−∞
∞
•
ω
−∞
ω=
=ωω
π
∫
∫
Sau đây là một số đặc trưng vật lý quen thuộc của tín hiệu:
- Thời hạn của tín hiệu (T): Thời hạn của tín hiệu là khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu,
trong khoảng này giá trị của tín hiệu không đồng nhất bằng 0.
- Bề rộng phổ của tín hiệu (F): Đây là miền xác định bởi tần số khác không cao nhất của tín
hiệu.
- Năng lượng của tín hiệ
u (E): Năng lượng của tín hiệu có thể tính theo miền thời gian hay
miền tần số.
2
2
1
Es(t)dt S()d[J](2.3)
2
∞∞
•
−∞ −∞
==ωω
π
∫∫
(Định lý Parseval)
- Công suất của tín hiệu (P):
E
P[W]
T
=
2.2. TÍN HIỆU VÀ NHIỄU LÀ CÁC QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN
2.2.1. Bản chất ngẫu nhiên của tín hiệu và nhiễu
Như đã xét ở trên, chúng ta coi tín hiệu là biểu hiện vật lý của tin (trong thông tin vô tuyến:
dạng vật lý cuối cùng của tin là sóng điện từ). Quá trình vật lý mang tin diễn ra theo thời gian, do
đó về mặt toán học thì khi có thể được, cách biểu diễn trực tiếp nhất cho tín hiệu là viết biểu thức
của nó theo thời gian hay vẽ đồ thị thời gian của nó.
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
12
Trong lý thuyết cổ điển, dù tín hiệu tuần hoàn hoặc không tuần hoàn nhưng ta đều coi là đã
biết trước và biểu diễn nó bằng một hàm tiền định của thời gian. Đó là quan niệm xác định về tín
hiệu (tín hiệu tiền định). Tuy vậy, quan niệm này không phù hợp với thực tế. Thật vậy, tín hiệu
tiền định không thể dùng vào việc truyền tin tức được. Với cách coi tín hiệu là bi
ểu hiện vật lý của
tin, nếu chúng ta hoàn toàn biết trước nó thì về mặt thông tin, việc nhận tín hiệu đó không có ý
nghĩa gì. Nhưng nếu ta hoàn toàn không biết gì về tín hiệu truyền đi, thì ta không thể thực hiện
nhận tin được. Bởi vì khi đó không có cái gì làm căn cứ để phân biệt tín hiệu với những cái không
phải nó, đặc biệt là với các nhiễu. Như vậy, quan niệm hợp lý nhất là phải kể đến các đặ
c tính
thống kê của tín hiệu, tức là phải coi tín hiệu là một quá trình ngẫu nhiên. Chúng ta sẽ gọi các tín
hiệu xét theo quan điểm thống kê này là các tín hiệu ngẫu nhiên.
2.2.2. Định nghĩa và phân loại nhiễu
Trong quá trình truyền tin, tín hiệu luôn luôn bị nhiều yếu tố ngẫu nhiên tác động vào, làm
mất mát một phần hoặc thậm chí có thể mất toàn bộ thông tin chứa trong nó. Những yếu tố ngẫu
nhiên đó rất đa dạng, chúng có thể là những thay đổi ngẫu nhiên của các hằng số vật lý của môi
trường truyền qua hoặc những loại trường điện từ cảm ứng trong công nghiệp, y học…vv…
Trong vô tuyến
điện, người ta gọi tất cả những yếu tố ngẫu nhiên ấy là các can nhiễu (hay nhiễu).
Tóm lại, ta có thể coi nhiễu là tất cả những tín hiệu vô ích (tất nhiên là đối với hệ truyền tin ta xét)
có ảnh hưởng xấu đến việc thu tin. Nguồn nhiễu có thể ở ngoài hoặc trong hệ. Nếu nhiễu xác định
thì việc chống nó không có khó khăn gì về mặt nguyên tắc. Ví dụ như người ta đã có nh
ững biện
pháp để chống ồn do dòng xoay chiều gây ra trong các máy khuếch đại âm tần, người ta cũng biết
rõ những cách chống sự nhiễu lẫn nhau giữa các điện đài vô tuyến điện cùng làm việc mà chúng
có phổ tín hiệu trùm nhau…vv… Các loại nhiễu này không đáng ngại.
Chú ý:
Cần phân biệt nhiễu với sự méo gây ra bởi đặc tính tần số và đặc tính thời gian của các thiết
bị, kênh truyền… (méo tuyến tính và méo phi tuyế
n). Về mặt nguyên tắc, ta có thể khắc phục
được chúng bằng cách hiệu chỉnh.
Nhiễu đáng lo ngại nhất vẫn là các nhiễu ngẫu nhiên. Cho đến nay, việc chống các nhiễu
ngẫu nhiên vẫn gặp những khó khăn lớn cả về mặt lý luận lẫn về mặt thực hiện kỹ thuật. Do đó,
trong giáo trình này ta chỉ đề cập đến một dạng nào đó (sau này sẽ thấy ở
đây thường xét nhất là
nhiễu cộng, chuẩn) của nhiễu ngẫu nhiên.
Việc chia thành các loại (dạng) nhiễu khác nhau có thể làm theo các dấu hiệu sau:
1. Theo bề rộng phổ của nhiễu: có nhiễu giải rộng (phổ rộng như phổ của ánh sáng trắng gọi
là tạp âm trắng), nhiễu giải hẹp (gọi là tạp âm màu).
2. Theo quy luật biến thiên thời gian của nhiễu: có nhiễu rời rạc và nhiễu liên tụ
c.
3. Theo phương thức mà nhiễu tác động lên tín hiệu: có nhiễu cộng và nhiễu nhân.
4. Theo cách bức xạ của nhiễu: có nhiễu thụ động và nhiễu tích cực.
Nhiễu thụ động là các tia phản xạ từ các mục tiêu giả hoặc từ địa vật trở về đài ta xét khi
các tia sóng của nó đập vào chúng. Nhiễu tích cực (chủ động) do một nguồn bức xạ năng lượng
(các đài hoặc các hệ thố
ng lân cận) hoặc máy phát nhiễu của đối phương chĩa vào đài hoặc hệ
thống đang xét.
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
13
5. Theo nguồn gốc phát sinh: có nhiễu công nghiệp, nhiễu khí quyển, nhiễu vũ trụ…vv…
Trong giáo trình này khi nói về nhiễu, ta chỉ nói theo phương thức tác động của nhiễu lên
tín hiệu, tức là chỉ nói đến nhiễu nhân hoặc nhiễu cộng.
Về mặt toán học, tác động của nhiễu cộng lên tín hiệu được biểu diễn bởi hệ thức sau:
u(t) = s(t) + n(t) (2.4)
s(t) là tín hiệu gửi đi
u(t) là tín hiệu thu được
n(t) là nhiễu cộ
ng
Còn nhiễu nhân được biểu diễn bởi:
u(t) (t).s(t)=μ
(2.5)
μ
(t): nhiễu nhân, là một quá trình ngẫu nhiên. Hiện tượng gây nên bởi nhiễu nhân gọi là
suy lạc (fading).
Tổng quát, khi tín hiệu chịu tác động đồng thời của cả nhiễu cộng và nhiễu nhân thì:
u(t) (t).s(t) n(t)=μ +
(2.6)
Ở đây, ta đã coi hệ số truyền của kênh bằng đơn vị và bỏ qua thời gian giữ chậm tín hiệu
của kênh truyền. Nếu kể đến thời gian giữ chậm
τ
của kênh truyền thì (2.6) có dạng:
u(t) (t).s(t ) n(t)=μ −τ +
(2.7)
2.3. CÁC ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA TÍN HIỆU NGẪU NHIÊN VÀ NHIỄU
2.3.1. Các đặc trưng thống kê
Theo quan điểm thống kê, tín hiệu và nhiễu được coi là các quá trình ngẫu nhiên. Đặc trưng
cho các quá trình ngẫu nhiên chính là các quy luật thống kê (các hàm phân bố và mật độ phân bố)
và các đặc trưng thống kê (kỳ vọng, phương sai, hàm tự tương quan, hàm tương quan). Các quy
luật thống kê và các đặc trưng thống kê đã được nghiên cứu trong lý thuyết hàm ngẫu nhiên, vì
vậy ở đây ta sẽ không nhắc lại.
Trong lớp các quá trình ngẫu nhiên, đặc biệt quan trọng là các quá trình ngẫu nhiên sau:
- Quá trình ng
ẫu nhiên dừng (theo nghĩa hẹp và theo nghĩa rộng) và quá trình ngẫu nhiên
chuẩn dừng.
- Quá trình ngẫu nhiên ergodic
Ta minh hoạ chúng theo lược đồ sau:
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét