Hệ thống viễn thông 1 - Chuong 1 Co Ban He Thong Vien Thong

Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang1


CHƯƠNG 1
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG VIỄN THÔNG


I.Tổng quan hệ thống Viễn thông.
1. Các khái niệm
Hệ thống thông tin là tên gọi chung cho cả phương tiện công cộng và văn chương kỹ thuật
ngày nay để liên hệ đến nhiều lĩnh vực công nghệ thông tin, dịch vụ thông tin, hệ thống thông
tin như các công nghệ viễn thông, dịch vụ viễn thông và cả hệ thống viễn thông.
Trước hết ta xét sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin ở hình 1.1
Khối Source (nguồn tin): biểu diễn thông tin được gởi đi như tín hiệu tiếng nói, tín hiệu phát
ra từ máy phát hình, các chuỗi nhị phân [0] và [1] từ máy tính, hoặc tín hiệu điện tâm đồ… Ta
giả sử rằng ngõ ra của nguồn tin là một tín hiệu điện nào đó thì trong khối nguồn tin này đã có
một bộ phận chuyển đổi tín hiệu cần truyền đi thành tín hiệu sóng điện. Như vậy, khối nguồn
tin gồm có nguồn phát tin và bộ chuyển đổi tín hiệu ở nguồn phát tin thành tín hiệu sóng điện.
Khối Transmitter (khối phát tin): xử lý thông tin từ nguồn tin và đưa lên kênh truyền. Trong
khối này gồm cả quá trình mã hóa thông tin.
Khối Channel (khối kênh truyền): kênh truyền có thể là dây song hành, cáp đồng trục, sợi
quang, vô tuyến
Khối Receiver (khối nhận tin): thực hiện nhận tin tức từ kênh truyền và phục hồi lại tin tức đã
được mã hóa ở khối phát tin. Sau đó gởi tín hiệu sau khi phục hồi đến khối người dùng.
Khối User (khối người dùng): khối này có chức năng biến đổi tín hiệu điện từ khối nhận tin
thành tín hiệu tin tức ban đầu. Bộ phận chuyển đổi có thể là loa hoặc màn hình. Khối sử dụng
có thể là tai hoặc mắt của con người, thiết bị điều khiển từ xa, hoặc là một máy vi tính.
Các kỹ sư thông tin thường có nhiều cách tác động trên các khối Transmitter và Receiver, còn

các khối Source, Channel và User thì có rất ít hoặc là không có cách tác động đến nó. Yếu tố
cần thiết của hệ thống thông tin là sự lựa chọn thích hợp giữa các khối Transmitter và Receiver
theo một cách nào đó để tác động làm sao có độ tin cậy và độ trung thực cao trong quá trình
truyền thông tin từ nguồn tin đến nơi nhận tin.







TRANSMITTER

(Phát tin)
USER
(Người
dùng)
SOURCE
(Nguồn tin)

CHANNEL
(Kênh truyền)


RECEIVER
(Nhận tin)

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin

Chương I: KHÁI NIỆM

CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang2


2. Sơ đồ khối hệ thống phát/thu (Transmitter/Receiver)












Ta có thể mở rộng sơ đồ hình 1.1 thành sơ đồ khối hình 1.2. Mỗi khối có thể thực hiện nhiều
hoạt động và mỗi hệ thống thông tin không nhất thiết phải đầy đủ các khối. Tuy nhiên các khối
Source, Channel, User thì luôn luôn phải tồn tại.

Hầu hết những hệ thống thông tin thường gặp đều chứa các khối điều chế (Modulator) và khối
giải điều chế (Demodulator) nhưng có thể có hoặc không các khối mã hóa nguồn (Source
encoder), mã hóa kênh truyền (Channel encoder), giải mã kênh truyền (Channel decoder), giải
mã nguồn (Source decoder). Khối điều chế của khối phát chuyển tín hiệu băng cơ sở sang một
băng tần số thích hợp để truyền qua một môi trường truyền dẫn của kênh, khối giải điều chế sẽ
làm công việc ngược lại. Ví dụ một hệ thống truyền thông thương mại AM, trong đó tín hiệu
âm thanh là tiếng nói hoặc tín hiệu nhạc nền được đưa lên tần số cao bởi việc điều chế, vì vậy
nó sẽ được lan truyền qua không gian mà không gây trở ngại đối với những tín hiệu của các

tần số khác. Hoặc một ví dụ khác là nếu kênh truyền là đường dây điện thoại xoắn đôi thì phổ
của s(t) sẽ nằm trong khoảng âm thanh từ 300Hz đến 4000 Hz, nhưng nếu kênh truyền là sợi
quang thì phổ của tín hiệu truyền phải nằm ở dải tần số ánh sáng.

Nếu kênh truyền các tín hiệu băng tần cơ sở (phổ của tín hiệu tập trung quanh tần số f=0 được
gọi là băng tần cơ sở) thì không cần các mạch sóng mang để điều chế và giải điều chế. Các
mạch sóng mang chỉ cần thiết khi kênh chỉ có thể truyền các tần số nằm trong một băng tần
xung quanh tần số sóng mang f
c
, trong đó f
c
>> 0, trong trường hợp này s(t) được gọi là tín
hiệu dải thông vì nó được thiết kế để các tần số nằm trong một băng tần bao quanh f
c
.

Bộ mã hóa (Coder) ở khối phát và Giải mã (Decoder) ở phía thu gồm một loạt các quá trình xử
lí tín hiệu để nâng cao hiệu suất truyền. Ví dụ trong một hệ thống số, bộ xử lí tín hiệu có thể
gồm một máy tính nhỏ hoặc một bộ vi xử lí để làm giảm độ dư thừa của nguồn vào. Bộ xử lí
tín hiệu cũng có thể cung cấp mã kênh truyền, ví dụ mã phát hiện lỗi hoặc sửa lỗi nhằm giảm
bớt sai số của đọan tin ở đầu thu do tạp nhiễu của kênh truyền gây nên. Trong hệ thống thông
tin tương tự thì các bộ xử lí tín hiệu có thể là các bộ lọc dải thông. Các quá trình xử lí đó là:
Người
sử
dụng
(User)
Máy phát
Máy thu
Hình 1.2 Sơ đồ khối của hệ thống thu phát

Điều Chế
(Modulator)

Gi
ải mã
(Decoder)
Mã hóa
(Coder)

CHANNEL
(K
ê
nh truy
ền)

Giải Điều Chế
(DeModulator)
Nguồn tin
(Source)

Tạp nhiễu
(Noise)

Transmitter
Receiver
Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang3

 Formatting : Biến đổi tin tức từ dạng nguyên thủy của nguồn tin thành một định dạng
khác tốt hơn như dạng số, dạng chuẩn nào đó… Ví dụ PCM sẽ được trình bày trong
chương 2
 Source Coding: Giúp loại bỏ các thông tin dư thừa trong nguồn tin để tăng hiệu suất
truyền.
 Encryption: Giúp bảo mật thông tin bằng cách mã hóa tin tức truyền với các khóa mã.
 Error Control Coding: Giúp phía thu phát hiện và sửa lỗi các tín tức nhận được.
 Line Coding/Pulse Shaping: Đảm bảo dạng sóng tín hiệu truyền thích ứng với đặc tính
kênh truyền.

3. Nguồn của hệ thống số và tương tự
Mặc dù các hệ thống thông tin có thể phân loại theo nhiều cách nhưng một cách phân loại
chung nhất là phân loại theo
hệ thống tương tự hoặc là hệ thống số. Một tín hiệu tương tự có
thể nhận một số lượng vô hạn của giá trị biên độ tín hiệu mà nó có thể có trong một khoảng
cho phép nào đó, trong khi tín hiệu rời rạc chỉ có thể nhận một số lượng hữu hạn của giá trị
biên độ trong một khoảng xác định nào đó. Một hệ thống thông tin thường được phân loại là
tương tự hay số phụ thuộc vào tín hiệu được truyền trên đường truyền là tương tự hay số. Sự
phân biệt này sẽ không còn chính xác cho những hệ thống thông tin mà truyền tín hiệu có biên
độ rời rạc mà dùng phương pháp điều chế tương tự.

Nguồn tin số tạo ra một tập hữu hạn các đọan tin có thể có. Máy đánh chữ là một ví dụ điển
hình về nguồn số. Có một số hữu hạn các kí tự (đoạn tin) được tạo ra từ nguồn này.

Nguồn tin tương tự tạo ra các đoạn tin được xác định trên một dãy liên tục. Một Microphone
là một ví dụ điển hình. Điện áp đầu ra mô tả tin tức âm thanh và nó được phân bố trên một
khoảng liên tục các giá trị.

Hệ thống truyền tin số sẽ truyền tin tức từ một nguồn số tới bộ thu. Hệ thống truyền tương tự
truyền tin tức từ một nguồn tương tự tới bộ thu.

4. Sự phân bố dải tần số vô tuyến trong hệ thống viễn thông

Trong hệ thống thông tin vô tuyến thì bầu khí quyển được sử dụng làm kênh truyền dẫn, nhiễu
và các điều kiện lan truyền phụ thuộc rất nhiều vào tần số truyền dẫn. Theo lí thuyết, bất kì
kiểu điều chế nào cũng có thể dùng được tại bất kì tần số truyền dẫn nào. Tuy nhiên để có hệ
thống và vì các lí do khác, mỗi quốc gia đều xác định kiểu điều chế, dải thông và loại tin tức
có thể được truyền trên bằng tần phân định của mình. Trên nền tảng quốc tế, các phân định tân
số và các tiêu chuẩn kĩ thuật được thiết lập bởi 2 ủy ban: Ủy ban tư vấn điện thoại điện báo
quốc tế(CCITT) và Ủy ban tư vấn vô tuyến quốc tế (CCIR). Các Ủy ban này họat động dưới
sự bảo trợ cuả Hiệp hội Viễn thông quốc tế (ITU).

Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang4

Tên băng tần
Viết
tắt
ITU
band
Tần số/ Bước sóng Ghi chú
Extremely low
frequency
ELF 1
3–30 Hz
100,000 km – 10,000 km

Thông tin hàng hải

Super low
frequency
SLF 2
30–300 Hz
10,000 km – 1000 km
Thông tin hàng hải.
Ultra low
frequency
ULF 3
300–3000 Hz
1000 km – 100 km
Dãi tần này bao g
ồm những tần số
thông thường và c
ả tiếng nói của con
người.
Very low
frequency
VLF 4
3–30 kHz
100 km – 10 km
Thông tin hàng hải, ví dụ nh
ư thông tin
giữa các tàu ng
ầm, thông tin di động
hàng hải.
Low frequency LF 5
30–300 kHz
10 km – 1 km
Quảng bá AM sóng dài

, dùng trong
thông tin di động hàng hải ph
ương
pháp định vị vô tuyến, đèn hiệu h
àng
không.
Medium
frequency
MF 6
300–3000 kHz
1 km – 100 m
Quảng bá AM sóng trung, dùng tr
ong
các đài phát thanh vô tuyến điều bi
ên
t
ừ 535KHz đến 1605KHz, hoặc phát
các thông tin khẩn cấp.
High frequency HF 7
3–30 MHz
100 m – 10 m
Quảng bá AM sóng ngắn và
ứng dụng
cho các d
ịch vụ vô tuyến truyền thanh
nghiệp dư.
Very high
frequency
VHF 8
30–300 MHz

10 m – 1 m
Quảng bá truyền hình và FM như
đài
phát FM thương m
ại (88MHz đến
108MHz), vô tuyến truyền hình từ k
ênh
2  13 (56MHz đến 216MHz).
Ultra high
frequency
UHF 9
300–3000 MHz
1 m – 100 mm
Quảng bá vô tuyến truyền hình từ k
ênh
14 đ
ến 83, thông tin vô tuyến cá nhân,
thông tin v
ũ trụ, trợ giúp cho thông tin
khí tượng (máy thăm dò),
mobile
phones, wireless LAN.
Super high
frequency
SHF 10
3–30 GHz
100 mm – 10 mm
Ứng dụng cho thông tin qua v
ệ tinh,
rađa, khí tượng, chuy

ển tiếp các
chương trình truyền h
ình, thông tin vô
tuyến hàng không.
Tên gọi cho mỗi dải:
2 ÷ 4GHz dải S.
4 ÷ 8GHz dải C.
Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Bài giảng Hệ thống Viễn thơng 1 Trang5

8 ÷ 12GHz dải X.
12 ÷ 18GHz dải Ku.
18 ÷ 27GHz dải K.
27 ÷ 40GHz dải Kd.
26,5 ÷ 40GHz dải R.
Extremely High
Frequency
EHF 11
30–300 GHz
10 mm – 1 mm
Thiên văn h
ọc vơ tuyến, Chuyển tiếp vi
ba tốc độ cao (high-speed
microwave
radio relay)

Above 300 GHz
< 1 mm

Dải từ 300GHz đến 3T gọi là sóng siêu
mili dùng trong xử lý tia Lazer.
Dải hồng ngoại: sóng ở vùng h
ồng
ngo
ại có tần số từ 0,3T đến 300T. Tia
hồng ngoại khơng đư
ợc sử dụng rộng
rải như sóng vơ tuy
ến. Tia hồng ngoại
k
ết hợp với bức xạ của nam châm tạo
ra sức nóng.
Vùng ánh sáng nhìn thấy đư
ợc có tần
số từ 0,3PHz đến 3PHz dùng sóng b
ức
xạ có thể nhìn thấy được b
ên trong cơ
thể con người, đo thị giác.
Tia t
ử ngoại, tia cực tím, tia X, tia
gamma, . . . rất ít sử dụ
ng trong ngành
thơng tin vì nó khơng đư
ợc ứng dụng
nhiều.

II.Tin tức và phép đo tin tức của một nguồn số.
1. Lượng tin và Entropy:

Nhắc lại các khái niệm:
Symbol : là một kí hiệu trong nguồn tin. Ví dụ nguồn nhị phân BPSK có 2 symbol là:
symbol; nguồn 4-PSK có 4 symbol; nguồn mã ASCII có 128 symbol chính là các kí tự.
Baud : là tốc độ truyền symbol hay số symbol truyền trong một đơn vị thời gian (1 giây).
Ví dụ 100 baud =100 symbol/s
Bit : là đơn vị thơng tin, nó có thể nhận 2 giá trị là 0 hoặc 1. Là lượng tin được mang bởi
một symbol. Ví dụ trong nguồn tin 4-PSK, một symbol sẽ mang được 2 bit.
Bit rate : Là tốc độ truyền tin (bit/s ; bps) hay chính là số lượng bit truyền trong một đơn
vị thời gian là s.
Message : là một chuỗi symbol tạo nên lượng tin có nghĩa.

Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang6

Lượng tin

Nguồn A có m symbols đẳng xác xuất, một thông điệp (message) do nguồn A hình thành là
một dãy n ký hiệu (symbol) a
i

)
,
,
2
,
1
(
n

i
=
bất kỳ (a
i
∈ A).
– Lượng tin chứa trong một kí hiệu a
i
bất kỳ:
maI
i
log)(
=

- Lượng tin chứa trong một thông điệp (message) x gồm n ký hiệu (symbol):
mnxI log.)(
=

Đơn vị đo lượng thông tin thường được chọn là cơ số 2, lúc đó ta có đơn vị đo
lượng tin là bit. Nếu chọn là cơ số 10 thì đơn vị đo lượng tin là dit. Và Nếu chọn
là cơ số e thì đơn vị đo lượng tin là nat hoặc Hartley.


- Khi m symbol của nguồn tin có xác xuất khác nhau và không độc lập thống kê với
nhau thì lượng tin chứa trong một symbol a
i
có xác suất p(a
i
) là:

Vậy với đoạn tin thứ j gồm n kí hiệu của một nguồn số được truyền đi với xác suất
j
P
. Lượng
tin I
j
của nó là:

)(,log.
2log
11
log
10
10
2
bitP
P
I
j
j
j
−=









=

Từ đó ta thấy rằng, mẫu tin nào càng ít xuất hiện thì thông tin nó chứa đựng càng nhiều.

Entropy

Lượng tin tức trung bình trên một symbol của một nguồn số được gọi là Entropy:
)/(;
1
log
1
2
1
symbolbit
P
PIPH
k
j
j
j
k
j
jj
∑∑
==









==

Trong đó k là số đoạn tin khác nhau của nguồn có thể có ( k là một số hữu hạn vì nguồn số là
giả định). Chúng ta thấy rằng các đoạn tin ít có khả năng xảy ra (giá trị P
j
nhỏ hơn ) lại mang
nhiều tin tức hơn (I
j
lớn hơn). Và phép đo tin tức này chỉ phụ thuộc vào khả năng gửi đoạn tin
mà không phụ thuộc vào việc giải thích nội dung đoạn tin là có nghĩa hay không có nghĩa.
Ví dụ 1:
Tính Entropy cho một nguồn mã ASCII gồm 128 symbol. Giả sử xác suất xuất hiện của các
symbol này là bằng nhau và độc lập thống kê với nhau.
))(/1log()(
ii
aPaI
=
Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang7

symbolbit
PPH
j
j

j
j
/7)128(log
128
1
)/1(log
2
128
1
2
128
1
==
=
∑
∑
=
=

Trong thực tế thì H sẽ nhỏ hơn 7 bit/symbol vì các symbol này không phải có xác suất xuất
hiện trong đoạn tin là giống nhau và người ta thường tính lượng bit trung bình trên một chuỗi
các symbol.

Độ dư của nguồn:


Dùng phương pháp mã hóa tối ưu để giảm độ dư của nguồn đến không hoặc sử dụng độ dư của
nguồn để xây dựng mã chống nhiễu.

Tốc độ nguồn tin


Trong đó H là entropy và
S
R
là tốc độ symbol.
Ví dụ: Tìm entropy, độ dư nguồn và tốc độ nguồn cho một nguồn tin gồm có 4 symbol (A, B,
C, D) phát ra với tốc độ symbol là 1024 baud. Biết xác suất xuất hiện các symbol như sau :








Trong điều kiện nguồn không có nhớ (memoryless) nghĩa là các symbol xuất hiện độc lập
không phụ thuộc.

Giải
symbolbit
PPH
j
j
j
/761,1)1.0/1(log
1
.
0

1
)2.0/1(log
2
.
0
1
.2)5.0/1(log
5
.
0
1
)/1(log
222
2
4
1
=++=
=
∑
=

symbolbit
HM
HHr
/239.0761.14log
log
2
2
max
=−=

−=
−
=

Symbol

Probability

A 0.5
B 0.2
C 0.2
D 0.1
)/(. sbitHRR
S
=
)()(
max
XHXHr
−
=
Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang8

KbpsHRR
S
803.1761.11024.
=
×

=
=

2. Dung lượng kênh truyền
Dung lượng kênh C là lượng thông tin cực đại có thể truyền được trên kênh truyền có
độ rộng băng tần B (Hz) trong một đơn vị thời gian .
Công thức Nyquist:(chỉ áp dụng khi kênh truyền không có nhiễu)



M: là số lượng kí hiệu (symbol) của nguồn tin.
M
2
log
: là số lượng bit trên một symbol ( bit)
B
T
: băng thông kênh truyền (Hz)
Ví dụ: Dung lượng kênh truyền là bao nhiêu nếu băng thông cuả kênh truyền là 1000Hz và
có 8 kí hiệu có thể truyền vào kênh truyền đó?
M=8 (symbol)
B
T
=1000Hz
)(60008log.1000.2log 2
22
bpsMBC ===


Công thức Shannon_Hartley:

Mặt khác, dung lượng kênh C của kênh truyền dẫn có độ rộng băng tần B
T
và tạp âm trắng
băng tần hữu hạn Gauss được biểu thị qua công thức Shannon_Hartley:



Với S và N là công suất trung bình của tín hiệu và tạp âm tương ứng ở đầu ra của kênh.
Chú ý:
To
bb
BN
ER
N
S
2).2/(
=

R
b
: tốc độ bit (bps)= 1/T
b :
T
b
là khoảng thời gian gửi đi 1 bit.
E
b
: năng lượng bit = P
s
.T

b

P
s
:là công suất cuả tín hiệu truyền. (W/s)
N
0
/2 hay
η
là mật độ phổ công suất hai biên của tạp âm (W/Hz).
)(log 2
2
bpsMBC
T
=
(
)
s
bit
N
S
BC
T






+= 1log

2
Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang9

Dựa vào định lý Shannon-Hartley chúng ta rút ra hai vấn đề quan trọng liên quan đến thiết
kế hệ thống thông tin:
•
••
• Giới hạn trên có thể đạt được đối với tốc độ truyền số liệu trên kênh Gauss.
•
••
• Quan hệ giữa tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu với độ rộng băng tần rằng :

Giảm tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) cần phải tăng độ rộng băng tần và ngược lại.
Do đó ta nhận xét rằng có thể truyền một tín hiệu tương tự có băng tần từ 0 đến tần số cắt f
m

qua kênh có dãy thông nhỏ hơn f
m
nếu sử dụng mã hóa thích hợp. Ví dụ giả sử tín hiệu tương
tự đã được lượng tử thành Q mức sau lúc lấy mẫu x lần với tần số Nyquist 2f
m
. Sau đó số bit
nhị phân được mã hóa là
Q
2
log
và tốc độ bit là

Qxf
m
2
log2
bit/s , đó chính là dung lượng cần
được truyền qua kênh. Trong khi đó dung lượng của kênh lí thuyết C có thể lớn hơn so với
dung lượng theo yêu cầu đối với độ rộng băng tần hữu hạn của tín hiệu tương tự, ví dụ khi đến
f
m
/2 bằng cách tăng tỷ số S/N hoặc tăng mức công suất của tín hiệu.

Ví du1
: Một tín hiệu tương tự có băng thông 4 KHz; yêu cầu truyền qua kênh có độ rộng băng
thông B
T
=1 KHz. Coi rằng tín hiệu được lượng tử 256 mức, tần số lấy mẫu 8 KHz.
Suy ra tốc độ dữ liệu cần truyền 64 kbps. Với B
T
= 1KHz ta tìm được
dB
N
S
hay
N
S
6,192121
0
64
0
=







−=






+
đối với kênh không có lỗi.

Để kênh truyền có độ rộng bằng tần 1 KHz có thể truyền được tín hiệu tương tự này thì yêu
cầu
dB
N
S
6,192
0
=







Điều đó chứng minh được rằng với tín hiệu tượng tự có độ rộng băng tần từ 0 đến f
m
có thể
truyền qua được kênh truyền có độ rộng băng tần nhỏ hơn f
m
nếu sử dụng mã hoá thích hợp và
SNR thích hợp.
Chú ý:
(
)
)(log10
10
SNRSNR
dB
=


Ví dụ 2
: Phổ cuả kênh thông tin có độ rộng từ 3 Mhz đến 4 MHz. Biết rằng kênh thông tin có
nhiễu phân bố Gauss (nhiễu nhiệt do chuyển động cuả các điện tử) với SNR = 24 dB.
a. Tìm dung lượng kênh truyền C?
b. Nếu kênh truyền không có nhiễu, số lượng mức tín hiệu có thể truyền được trên kênh
này là bao nhiêu nếu dung lượng kênh truyền là 8Mbps?
Giải:
a. B
T
=1 MHz
SNR=24 dB nên SNR=251
Chương I: KHÁI NIỆM

CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang10

Dựa vào Shannon-Hartley ta có:
[ ]
Mbps
N
S
BC 8
2log
252log
.102511log.101log
10
10
6
2
6
0
2
==+=













+=

b. Nếu không có nhiễu chúng ta dùng công thức Nyquist:
16
2
log.10.2810
)(log 2
4
2
66
2
=
=
⇒
=⇔
=
M
M
bpsMBC

Vậy 16 mức tín hiệu cần được sử dụng.

Giới hạn Shanon
Bây giờ chúng ta tìm
o
b
N

E
để cho
0
→
e
P
với mã tối ưu. Tín hiệu được mã hoá tối ưu không bị
giới hạn trong dải thông.
Ta có:
To
bb
BN
ER
N
S
=

thay vào công thức Shannon_Hartley ta được:
















+=
oT
bb
bb
oT
o
b
b
NB
ER
ER
NB
N
E
RC
1log
2

Chú ý:
2ln/1
)/11(log
lim
2
=
+
∞→
x

x
x


o
b
b
B
N
E
RC
T
2ln
1
lim =⇒
∞→

vì R
b
luôn nhỏ hơn
C
T
B
∞→
lim


dB
N
E

N
E
RR
o
b
o
b
bb
6.1063,0
2ln
1
−=≥⇒
≤⇒

gọi là giới hạn Shannon.
3.
Mã hóa kênh truyền (Mã phát hiện và sửa sai)

Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Bài giảng Hệ thống Viễn thơng 1 Trang11


Mã hóa kênh truyền cho phép tăng tốc độ truyền trong cùng điều kiện truyền mà vẫn giữ
ngun xác suất lỗi bit (BER), nói cách khác mã hóa có thể được dùng để giảm BER trong khi
vẫn giữ ngun tốc độ truyền. Do đó, mã hóa là phương pháp thường được sử dụng trong
thơng tin vệ tinh để giảm BER. Khơng giống như mã hóa nguồn mà dữ liệu truyền được nén
lại, thì ở đây các bit phải gắn thêm vào để phát hiện và sửa lỗi. Đặc điểm của các mã sửa lỗi là
chèn vào chuỗi dữ liệu một số bit khơng mang thơng tin tại các vị trí xác định tùy thuộc vào

loại mã.

Trong các ứng dụng với truyền thơng tin bằng vi ba, mã hố được sử dụng như là phương pháp
phát hiện sai và sửa sai tại phía thu mà khơng cần phải liên hệ gì với phía phát. Dạng mã hố
này được gọi là forward error coding (FEC). Trong một vài các ứng dụng khác, việc sửa lỗi
được thực hiện bằng cách phản hồi tới phía phát u cầu truyền lại các bit bị ảnh hưởng của
nhiễu, dạng mã hố này được gọi là automatic repeat request (ARQ ).

Sự lựa chọn giữa việc dùng kĩ thuật ARQ hay FEC tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. ARQ
thường được dùng trong các hệ thống thơng tin máy tính bởi vì nó tương đối rẻ, dễ cài đặt và
thường cho một kênh song cơng(hai đường) để có thể nhận và truyền lại một tín hiệu báo nhận
ACK cho tín hiệu nhận được là đúng và NAC khi số liệu nhận được là sai.

Nếu một kênh truyền thỏa mãn giới hạn Shannon thì chúng ta có thể sử dụng một loại mã hóa
thích hợp để giới hạn BER tại mức bất kỳ. Có 2 họ mã được sử dụng trong thơng tin là block
code và convolution code .
1. Mã khối(Block Code)
Một mã khối là một ánh xạ của k ký hiệu nhị phân đầu vào thành n ký hiệu nhị phân đầu ra.
Bởi vậy bộ mã hóa khối là một thiết bị khơng nhớ. Vì n>k nên có thể chọn mã sao cho độ dư
thừa thích hợp. Ví dụ như dùng các bit kiểm tra chẵn lẻ và được bộ giải mã sử dụng để tìm và
sử một lỗi nào đó. Tỷ lệ mã được định nghĩa bằng
n
k
/
. Các giá trị hữu ích của tỉ lệ mã nằm
trong khoảng 1/4 đến 7/8 còn k nằm trong khoảng 3 đến vài trăm.

Trước khi phân tích về các mã khối chúng ta cần xem xét một số khái niệm cơ bản. Trọng
lượng Hamming của một từ mã là số bit nhị phân 1 trong từ mã đó. Ví dụ từ mã 110101 có
trọng lượng Hamming là 4.

Ví dụ: Mã khối tuyến tính với k = 4 và n = 7


Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang12


Để không thay đổi tốc độ dữ liệu khi nó được mã hóa, tốc độ bit của luồng dữ liệu sau khi
được mã hóa là:
bc
R
k
n
R =

khi đó, năng lượng bit của dữ liệu được mã hóa là:
bbbs
c
sc
E
n
k
ER
n
k
P
R
PE

<===
1

Khoảng cách giữa hai từ mã của cùng loại mã ( khoảng cách Hamming) được định nghĩa là
số vị trí bit mà tại đó chúng khác nhau, kí hiệu d

. Ví dụ ta có 2 từ mã 10001001 và 01001001,
ta thấy chúng khác nhau tại 2 vị trí, do đó, d = 2. Từ mã nhận được có thể được kiểm tra để tìm
lỗi. Khoảng cách Hamming của một loại mã sẽ quyết định khả năng phát hiện và sửa sai của
loại mã đó như sau :
• Có khả năng phát hiện e
d
bit sai, với

)1(
−
=
de
d

• Có khả năng phát hiện và sửa e
dc
bit sai, với

2/)1(
−
=
de
dc

ví dụ mã có d = 4, theo các công thức trên, ta thấy nó có khả năng phát hiện 3 lỗi và sửa được
một lỗi.
Nếu một mã có khả năng sửa t lỗi và phát hiện s lỗi
)
(
t
s
≥
, khoảng cách Hamming của nó là:
1
+
+
≥
t
s
d

Một từ mã tổng quát có thể biểu diễn dưới dạng:
rk
ppppiiii

321321

trong đó k là số bit tin tức, r là số bit kiểm tra và n là chiều dài tổng cộng của mã khối (n, k)
trong đó
r
k
n
+
=

. Sự sắp xếp các bit tin tức tại đầu từ mã, theo sau là các bit kiểm tra là kiểu
sắp xếp thông dụng nhất. Một mã khối như vậy gọi là mã có hệ thống( Systemetic).

Có nhiều phương pháp để tạo mã. Một là sử dụng phương pháp tra bảng, nhưng rất phức tạp
khi số lượng từ mã lớn. Một phương pháp khác là sử dụng mã tuyến tính ( linear codes), trong
đó r bit mã hóa được tính toán từ k bit thông tin, phương pháp này làm công việc giải mã trở
nên đơn giản hơn.

Tuy nhiên, để công việc giải mã được thực hiện hiệu quả hơn nữa, người ta sử dụng mã vòng
(cyclics code). Mã vòng được thực hiện bằng các thanh ghi dịch. Chúng có thuận lợi là dễ mã
Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang13

hóa đoạn tin truyền đi bằng cách sử dụng các thanh ghi dịch tuyến tính rẻ tiền có hồi tiếp. Cấ
trúc này cũng cho phép các mã vòng được giải mã dễ dàng.

Một từ mã được thực hiện bằng cách thêm (n
−
k) bit parity vào sau k-bit khối dữ liệu, và (n
−

k) bit thêm vào này được xác định một cách cụ thể tùy thuộc vào k-bit khối dữ liệu đó và cách
thức thực hiện mã hóa (được chuẩn hóa). Cyclic code còn có thể được biểu diễn dưới dạng đa
thức, khi đó, cách thức mã hóa được gọi là đa thức sinh , ký hiệu g(X).
a.Mã Hamming:
Mã Hamming có dạng
(n,k) = (2
m

−
1,2
m
−
(m+1));
m là số nguyên dương.
mã này có d
min
=3, do đó loại mã này có khả năng phát hiện được 2 lỗi và sửa được 1 lỗi.
b.Mã Golay:
Có dạng (23,12), khoảng cách nhỏ nhất d
min
=7, nó có khả năng phát hiện được 6 lỗi và sửa
được 3 lỗi.
Mã Golay mở rộng (24,12) thường được sử dụng nhiều hơn với d
min
= 8 bằng cách thêm một
bit nữa vào từ mã. Do đó, nó có R
c
= ½. Mã Golay mở rộng có khả năng phát hiện 7 lỗi và sửa
được 3 lỗi.
c. BCH code:
Là chữ viết tắt tên của ba nhà toán học : Bose, Chaudhuri và Hocquenghem.
Loại mã này có khả năng sửa được nhiều lỗi và không có dạng cố định. Với bất kì số nguyên
dương thỏa m > 3 và t < 2
m
-1, mã BCH sẽ tồn tại với các thông số sau:
Chiều dài từ mã : n = 2
m

-1
Chiều dài khối mang thông tin : k
≥
n-mt
Khoảng cách nhỏ nhất :d
min

≥
2t+1
Khả năng sửa lỗi : t bits
Hệ thống Inmarsat-A sử dụng mã BCH(63,57), có đa thức sinh là 1+x+x
5

Hệ thống Intelsat 120Mbps sử dụng mã BCH (127,113) có khả năng sửa 2 lỗi.
d. Reed-Solomon code:
Mã RS là mã sửa lỗi burst, do đó, người ta định nghĩa khoảng cách giữa 2 codeword là sự khác
nhau giữa hai symbols.
d
min
= n
−
k +1
Chng I: KHI NIM
C BN V H THNG THễNG TIN
ThS. Nguyn Vn Mựi
Baứi giaỷng H thng Vin thụng 1 Trang14

Vi n :tng s symbols trờn block
k : s symbols data c mó húa.
Mó ny cú kh nng sa c e li vi

e = ẵ (d
min


1)
hay e = (n

k) / 2


2. Mó xon(Convolutional Codes)

B mó húa xon gm k bit (mt khung u vo) c dch vo mi ln v ng thi n bit (
mt khung u ra) c dch ra, trong ú n > k. Nh vy mi khung k bit u vo to ra mt
khung n bit u ra.

d tha c cung cp u ra. Ngoi ra cũn s dng b nh trong b mó hoỏ vỡ khung
u ra ph thuc K khung u vo trc ú. T l mó hoỏ (tc ) k/n. Chiu di hn ch K l
s khung u vo c gi trong thanh ghi dch kK bit. Tu vo mó xon c th c to ra
m s liu t K tng cu thanh ghi dch c cng Modulo 2 v c dựng thit lp cỏc bit
trong thanh ghi u ra n tng( hoc s bit u ra).

Vớ d hỡnh 1.4 l b mó xon k=1 (khung u vo), n=2 (tng u ra), K=3 (thanh ghi dch 3
tng) v mt b chuyn mch cú hai u vo thc hin chc nng cu mt thanh ghi dch u
ra hai tng. Mó xon c to ra bng cỏch a vo mt bit s liu v cho b chuyn mch
S1

S2

S3

Thanh ghi d
ch 3 tng
S
liu
vo

B
cng
Modulo 2

B

chuyn
m
ch

Mó xon u ra
Hỡnh 1.3 B
mó hoỏ xon K=3, tc 1/2
Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang15

quay hết một vòng. Quá trình này được lặp lại cho các bit đầu vào liên tiếp để đầu ra được mã
hoá xoắn. Trong ví dụ này mỗi k=1 bit đầu vào tạo ra n=2 bit đầu ra, bởi vậy tỷ lệ mã (tốc độ)
k/n =1/2.
0000
1
=
x
0001
2
=
x
0010
3
=
x
0011
4
=

x
0100
5
=
x
0101
6
=
x
0110
7
=
x
0111
8
=
x
0000000
1
=
y
00110000
2
=
y
10110000
3
=
y
11010000

4
=
y
11010011
5
=
y
01000011
6
=
y
10100011
7
=
y
10010011
8
=
y
0
0
1
)
00
(
0
)
00
(
0

)
00
(
0
)
00
(
1
)
11
(
1
)
11
(
0
)
01
(
1
)
10
(
1
)
11
(
1
)
11

(
0
)
01
(
0
)
01
(
1
)
10
(
1
)
10
(
0
)
00
(
1000
9
=
x
1001
10
=
x
1010

11
=
x
1011
12
=
x
1100
13
=
x
0101
14
=
x
1110
15
=
x
1111
16
=
x
11001101
9
=
y
11111101
10
=

y
00011101
11
=
y
00101101
12
=
y
10111110
13
=
y
10001110
14
=
y
01101110
15
=
y
01011110
16
=
y
1
)
11
(
0

)
01
(
0
)
00
(
0
)
00
(
1
)
11
(
1
)
10
(
0
)
01
(
1
)
10
(
1
)
11

(
1
)
11
(
0
)
01
(
0
)
01
(
1
)
10
(
1
)
10
(
0
)
00
(

Hình 1.4 Cây mã của bộ mã hóa xoắn.

Chng I: KHI NIM
C BN V H THNG THễNG TIN

ThS. Nguyn Vn Mựi
Baứi giaỷng H thng Vin thụng 1 Trang16


Vớ d nu chui u vo l
1010
11
=
x
c a vo u vo (bit u vo mi nht nm bờn
phi) thỡ chui u ra c mó hoỏ tng ng l
00011101
11
=
y
theo ng A.

Mt tớn hiu mó hoỏ xon c gii mó bng cỏch so d liu mó hoỏ nhn c vi mu bit
tng ng trong cõy mó vi mt ng i ngc phự hp nht. Nu tp nhiu xut hin trờn
kờnh truyn thỡ s bit mó hoỏ nhn c cú th b li v lỳc ú cỏc ng i ngc s khụng
phự hp hon ton. Trong trng hp ny, tỡm s phự hp bng cỏch chn mt ng m s
gim ti mc ti a khong cỏch Hamming gia chui ng c chn v chui mó hoỏ
nhn c. Mt gii thut gii mó ti u cú tờn gi l thut gii mó Viterbi. Nú kim tra cỏc
ng i cú th cú v chn ng i tt nht da trờn mt s xỏc sut cú iu kin.

3. Xen k mó
Khi mó hoỏ d liu vo, d tha mó cho phộp b gii mó cu mỏy thu sa cỏc li u ra
b gii mó hu nh khụng cũn li. Tuy nhiờn trong mt s cỏc ng dng, vic xut hin cỏc
xung cú rng ln cu tp nhiu kờnh truyn- chng hn nh nhiu xung hoc trong cỏc
kờnh in thoi cú tp nhiu chuyn mch. Nu cỏc k thut mó hoỏ thụng thng s dng

trong cỏc tỡnh hung ny thỡ cỏc chựm li s xut hin ti u ra cu b gii mó vỡ cỏc chựm
tp nhiu rng hn thi gian d tha cu mó. Tỡnh hung ny cú th c ci thin bng
cỏch s dng xen k mó.

Ti u phỏt , d liu mó hoỏ c xen k nhau bng cỏch o ( nghió l ging nh vic xỏo
mt b bi )cỏc bit mó hoỏ trờn mt khong thi gian vi chiu di khi ( i vi cỏc mó khi)
hoc mt vi chiu di hn ch (i vi cỏc mó xon ). Khong thi gian yờu cu bng vi ln
khong thi gian cu chựm tp nhiu.
Ti mỏy thu trc khi gii mó, d liu cú cỏc chựm li c gii xen k to ra d liu mó
hoỏ cú cỏc li bit lp. Cỏc li bit lp uc sa bng cỏch truyn s liu mó hoỏ sang mt b
gii mó. Cỏc th tc ny hu nh cho u ra khụng li ngay c khi chựm tp nhiu xut hin
ti u vo cu mỏy thu.

4.Cht lng mó
Vic ci thin cht lng mó cu mt h thng truyn tin s cú th t c bng vic s dng
mó hoỏ. õy gi thit rng mt tớn hiu s cng vi tp nhiu kờnh truyn s xut hin ti
u vo cu mỏy thu.

Cht lng cu mt h thng s dng tớn hiu BPSK c trỡnh by cho c hai trng hp s
dng mó hoỏ v khụng s dng mó hoỏ hỡnh 1.5. i vi trng hp mó hoỏ Golay(23,12)
vi P
e
l xỏc sut li bit (cng c gi l BER-t l li bit) c o ti u ra mỏy thu.
o
b
N
E
l
t s nng lng bit/mt tp õm hai biờn ti u vo mỏy thu.

Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang17


-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
BPSK
Không có mã hóa
Độ lợi mã hóa =1.33dB
BPSK có mã hóa
Golay(23,12)
)(/
0
dBNE
b
6
10
−
5
10
−
4
10
−
3
10
−
2

10
−
1
10
−
e
P
Độ lợi mã hóa =2.15dB
Hệ thống lí tưởng của
Shannon có mã hóa
dB
6
.
1
−



Độ lợi mã hoá được định nghĩa là độ giảm cuả
o
b
N
E
đạt được khi sử dụng mã hóa so với
o
b
N
E

yêu cầu đối với trường hợp không mã hoá tại các giá trị P

e
xác định nào đó(được chọn để xem
xét).

Đối với trường hợp mã hoá tối ưu, định lí dung lượng kênh truyền cuả Shanon đưa ra tỉ số
o
b
N
E
cực tiểu trong đó đã tính đến tín hiệu tạp âm tại đầu vào máy thu để cho dữ liệu có thể
được giải mã không có lỗi. Giá trị cực tiểu này là -1,6dB và được gọi là giới hạn Shanon.
Hình 1.5 Chất lượng của các hệ thống số có và không có mã hóa

Chương I: KHÁI NIỆM
CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
ThS. Nguyễn Văn Mùi
Baøi giaûng Hệ thống Viễn thông 1 Trang18

Nghĩa là nếu sử dụng mã hóa/giải mã tối ưu tại máy phát và máy thu thì dữ liệu không lỗi sẽ
được khôi phục tại đầu ra cuả máy thu nào có
o
b
N
E
tại đầu vào lớn hơn -1,6dB
Nhưng bất kì một hệ thống thực tế nào cũng sẽ thực hiện kém hơn hệ thống lí tưởng được mô
tả bởi giơi hạn Shanon này. Do đó mục đích cuả người thiết kế hệ thống số là tìm ra các mã
thiết thực mà có thể tiến gần tới chất lượng của mã lí tưởng Shanon.

Bài tập chương 1:

1. Một nguồn số phát ra các mức -1V và 0V với xác suất mỗi mức là 0,2 và các mức +3V
và +4 V với xác suất mỗi mức là 0,3. Tính lượng entropy cuả nguồn?[1,91bit/symbol]
2. Cho một nguồn nhị phân. Chứng minh rằng entropy cực đại khi xác suất gửi số nhị
phân 1 bằng xác suất gửi số nhị phân 0. Tìm giá trị entopy cực đại đó?
3. Một chữ đơn cuả màn hình tinh thể lỏng bảy đoạn phát ra số 0 với xác suất 0,25; số 1
và 2 với xác suất mỗi số là 0,15; 3, 4, 5, 6, 7, 8 với xác suất mỗi số là 0.07 và 9 với xác
suất là 0,03. Tìm lượng tin tức trung bình cho nguồn này?[3,08bit/symbol]
4. Tính dung lượng kênh truyền cho một kênh thông tin có dải thông 300Hz và tỷ số tín
hiệu trên tạp âm là 30dB?[2990bps]
5. Một nguồn có 3 symbol
321
;; XXX
có xác suất tương ứng 1/2; 1/4; 1/4 và độc lập
thống kê với nhau. Hãy tính lượng tin cho mỗi symbol và Entropy nguồn.[Đ/S: 1bit;
2bit; 1.5 bit/symbol]
6. Hãy tính entropy và độ dư nguồn cho nguồn tin có 8 symbol. Biết xác suất xuất hiện lần
lượt là
2/1)(
1
=
XP
;
4,3,2;8/1)(
=
=
iXP
i
;
8,7,6,5;32/1)(
=

=
iXP
i
.
[3bit/symbol; 2.25 bit/symbol]