Giáo trình nguyên lý thông tin tương tự số (tái bản lần thứ hai) phần 1

ĐẠI HỌC QUỐC G ĨA T P H ồ C H Í M INH
TRƯỜNG ĐẠ I HỌC B Á C H K H O A
Vữ Đ inh T hành

GIÁO TRÌNH

NGUYÊN LÝ THÔNG TIN
TƯƠNG T ự - SỐ

(Tái bản lầỉUthứ ìiai)

NHẢ XUẤT BẢ N P Ạ I H Ọ C Q tlổ C G IA
TP HƠ CH Í M IN H - 2012


• • -• .I

GT.03.TH(V) -J55-2012/CXB/150-08 TH.GT.286-12(lf

ĐHQG.HCM-12--------- --------- r-——------------------------------------------- :-y

MỤC LỤC

Lời n ó i đ ầ u ............................................................................................................5

C hư ơng 1. T Ổ N G Q U Á T V Ề H Ệ T H Ố N G T H Ô N G T I N ---------------- 7
1.1 Các yếu tố tủa một hệ thống th ô n g t i n .................................................7
1.2 Điều chế và m ã h ó a ..................................................................................12

C hương 2. T Í N H I Ệ U V À P H Ổ ............. ...................................................... 17
2.1 Phổ tuyến tín h và chuỗi F ourier............................................................ 17

2.2 Tích phân fourier và phổ liên t ụ c .........................................................22
2.3 Khối lọc tín hiệu tuyến tín h b ấ t b i ế n .................................................25
2.4 Hàm tương quan và m ậ t độ p h ổ ............................................................27
2.5 Biến ngẫu nhiên và h àm xác s u ấ t ........................................................ 31
2.6 Giá trị thống k ê .............................. ...........................................................33
2.7 Mơ hình xác s u ấ t.................. ..... .............................................................. 36
2.7 Tín hiệu ngẫu n hiên và n h i ễ u ............................................................... 39
Bài tập chựơng 2. Tín hiệu và p h ổ ..............................................................47

C hương 3. T H Ô N G T I N T Ư Ơ N G T ự ........................................................51
3.1 Điều chế tuyến t í n h .................................................................................. 51
3.2 Điều chế hàm m ũ ........ ............................................................................. .75
3.3 Hệ thống thông tin tương tự .............................................................'....92
Bài tập chương 3. Thông tin tương t ự ....................................... ............. 106

C hương 4. X Ử L Ý T R U Y Ề N T H Ô N G T Ư Ơ N G T ự - s ố . ................ 108
4.1 Lấy mẫu tín hiệu có băng tầ n giới h ạ n ........................................... 108
4.2 Điều bìẽn xung và ghép kênh th ờ i g i a n ........................................ 111

• 4.3 Băng thơng tín hiệu ghép k ên h T D 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 chế xung mà (PCM).................................................. 124
4.7 Hệ thống ghép kênh PC M ................................................................. 128
4.8 Điềư chế xung mã vi sai (DPCM)..................................................... 134
4.9 Điều chế Delta (AM)............................................................................136

Chương 5. T H Ô N G T I N s ố .....................................................................138
5.1 Điều chế dịch biên A SK ..................................................................... 139

5.2 Điều chế dịchpha P S K ...................................................................... 142
5.3 Điều chế dịchtần FSK ...................................................................... 167
5.4 Điều biên trực pha QAM.................................................................... 177
5.5 Điều chế dịchpha tối thiểu M SK.....................................................181
5.6 Kỹ thuật điềuchế OFDM..................................................................189
Bài tập chương 5. Thông tin s ố .............................................................. 218

Chương 6. K Ỹ T ắ V Ậ T T R Ả I P H Ổ ........................................................ 220
6.1 Chuỗi tín hiệu nhị Ỹ>hân giả ngẫu nhiên (PR BS)......................... 221
6.2 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tá n phổ trực tiếp ..................225
6.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương ph^p nhảy tần số.......................239
6.4 Hệ thống thông tin MC-CDMA........................................................ 244

Giải bài tậ p c h ư ơ n g 2. T Í N H IỆ U VÀ P H Ổ ......................................255

Giải bài tậ p c h ư ơ n g 3. TH Ô N G T I N TƯƠNG T ự .......................... 268

Giải bài tậ p c h ư ơ n g 5: T H Ô N G T I N S Ô ............................................272

T à i liệu t h a m k h ả o ................................................................................... 277

Lời nói đầu

Trong n h ữ n g n ă m qua, kỹ thuật ưiễn thông đã có n h ữ n g

bước tiến không n g ừ n g với tốc cĩộ cực nhanh. N hiều kỹ th u ậ t v à c ô n g

nghệ mói đà r a đời và sau dó nhanh chóng trở nên lạc h ậ u khir

những kỹ thuật tiến bộ hơn, có nhiều ưu điểm hơn lại được p h á t

minh ra ngay sau đó. Đơn cử ví d ụ ưề hệ thống diện thoại d i đ ộ n g

GSM, được phát m in h vù sử dụng chỉ trong vòng một chục n ă m trở

lại đ á y, nay lại trở n ê n n h a n h chóng lạc hậu so ƯỞỈ hệ th ố n g d i đ ộ n g

CDMA số vừa có s ố k ê n h liên lạc lớn, chất lượng tốt hơn vả k è m theo

nhiều dịch vụ hấp dẫn người sử dụng...

Trong lĩnh vực đào tạo về điện tử viển thông, song song với các

: nguyên lý thông tin tương tự hoặc số cổ điển dà dược khai thác và

nghiên cửu trong n h iề u giáo trình kinh điển, các tài liệu k ỹ th u ậ t

vẫn phải luôn luôn được cập nliật bởi các nguyôn lý mới về đ iề u c h ế

\ và truyền số, chẳng h ạ n k ỹ thu ật QAM, OFDM, kỹ thuật tr ả i phổ,...

Giáo trìn h " N g u y ê n l ý t h ô n g t i n t ư ơ n g t ự • số* được b iê n so ạ n

nhầm mục đích cung cấp các kiến thức cơ sở về tín hiệu - p h ổ của

các phương thức đ i ề u c h ế cổ điển (điêu ch ế tương tự A M , F M , P M

hoặc điều chế sổ A S K , F S K , PSK) và của các phương thức đ iề u c h ế

I mới (đ iều chịỊ và g h é p k ê n h PCM, đ iều c h ế QAM, M S K ...). N ộ i d u n g

của giáo trình k h ơ n g n h à m phân tích kỹ thuật điều ch ế dưới q u a n

I điềm m ạch điện oà các th iế t k ế chi tiết>m à có đ ịn h hướng t ì m r a các

mơ h ìn h toán học tổ n g q u á t cho các loại tín hiệu và p h ổ trước và sau

điều chế, các ảnh hướng của nhiễu lên chất lượng thông tin, m ố i liên

Ị . quan giữa xác suất th u sai tín hiệu với tỉ số tín hiệulnhiễu. M ơ h ìn h

này có t h ể dược sứ d ụ n g cho nhiều kiểu điều chế và giải d iề u c h ế

khác nhau mà không làm thay đổi tính chất tổng quát của phư ơng

! pháp.

ỉ Giáo trình có t h ề được sử dụng làm tài liệu học tập, g iả n g d ạ y

chuyên ngành viễn thông hoặc làm tài liệu cơ sở cho các nghièìì cứu

f chuyên sâu hơn. Giáo trình được xuất bản lần đầu tiẽn, có s ự th a m

ị khảo từ nhiều ĩXRiLồ n tài l i ệu k hác n h a u , chắc chắn k h ô ng t r á n h k h ô i

» các thiếu sót. Tác g iả lu ơ n m ong m uốn tiếp nhận được n h ữ n g p h ả n

hồi từ các nhà chuyên m ôn, nhà nghiên cứu, từ các g iảng viên và

ị sinh viên, về nội d u n g và hình thức của giáo trình đ ể có t h ể h iệ u

H chỉnh hoàn thiện hơn trong các lần xuất bần sau.

íỊy •

Tác giở c h â n th à n h cảtn ơn các thầy cô cán bộ giảng dạy Bộ

môn Viễn T hông, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa - I

ĐHQG T P H C M , đã trợ giúp nhiều tài liệu và đóng góp cơng sức cho

việc ỉìồtì th à n h giáo trình này.

Địa c h ỉ liên hệ: Bộ môn Viễn Thông, Khoa Điện • Điện Từ, :

Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TPHCM, số 269 Lý Thường Kiệt

Q.10, ĐT: 08.8657296, Email: vdthanh@licmut.èdu.vn. s

Ị
Ị

Tác giả •

PGS-TS Vũ Đình T hành !
Ị

Chương 1

TÔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

Hệ thống thông tin được định nghĩa là hệ thống chuyển tải tin
tức từ nguồn p h á t tin đến nơi nhận tin ở m ột khoảng cách nào đó.
Nếu khoảng cách thơng tin này là lớn so với kích thước cưa th iết bị
(cự ly thơng tin xa), ta có một hệ thống viễn thơng. Hệ thống thơng
tin có th ể được thực hiện giữa một hay nhiều nguồn phát tin đồng
thời đến một hay nhiều nơi n h ận tin, do đó ta có kiểu thông tin một
đường, đa đường, phương thức thông tin một chiều, hai chiều hoặc
nhiều chiều. Môi trường thồng tin có th ể ở dạng hữu tuyến hoặc vơ
tuyến, chẳng hạn dùng dây truyền sóng, cable truyền tin hoặc sóng
điện từ vô tuyến.

*4

1.1 CÁC YẾU TỐ CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN

2- T in tứ c v à tín h iệ u
Tin tức là yếu tô trung tâm của m ột hệ thống thông tin. Mục
tiêu của hệ thống lả chuyển tải và tái lập lại tin tức tại nơi nhận tin
sao cho nội dung cùa tin tức là không đổi so với nơi ph át hoặc có th ể
hiểu được, chấp n h ận được.
Tin tức xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau, có thể được chia
thành hai loại: dạng tương tự và dạng số.
Tin tức dạng tương tự được th ể hiện bằng các đại lượng vật lý
biên thiên liên tục và đều đặn theo thời gian, chẳng hạn tín hiệu âm
thanh, hình ảnh, tín hiệu đo lường về nhiệt độ, áp suất,... Tiêu chí
quan trọng của hệ thống thơng tin tương tự là sự trung thực của tín
hiệu tại nơi nhận tin so với nơi phát tin.
Tin tức dạng số được th ế hiện dưới d ạn ,' li.Ịt chuỗi các ký hiệu
ítược chọn từ một tập hợp hữu hạn các ký hiệu rời rạc, chăng h ạ n ;

8 ________________________________________________________ CHƯƠNG 1 lai&ầaìg -■• -■. .. -L

chuỗi các ký Ví chừ hoặc sơ xuât hiện trên m ột văn bán, chuổi các
bit luận lý được đọc ra từ một file dừ liệu... Tiêu chí quan trọng của
hệ thơng thơng tin số là độ chinh xác cùa chuỗi ký tự nhận được
(hoặc là tị số lỗi bit nhận được) tín h trong m ột khoảng thời gian
nhất_định cua q t rình thơng tin.------------------------------------------------

Về m ặt vật lý, tin tức xuất hiện dưới dạng các tín hiệu, thơng
thường là tín hiệu điện. Trong mơ hình hệ thống thơng tin ở hình
1.1, tin tức được chuyển đổi thành tín hiệu điện hoặc ngược lại nhờ
các cảm biến phát và cám biến thu.

H ìn h 1.1 Mơ hình hệ thống thông tin
Như vậy đối với hệ thơng thơng tin, tín hiệu vật lý được chuyển Ị
tải đi là tín hiệu. ,điện, được xử lý trê n cơ sở các khối mạch điện tử.
Các cảm biến pí&t và thu, mặc dù chỉ là phần tử chuyển đổi dạng
thức v ậ t lý cưa tin tứ£, nhưng ảnh hưởng r ấ t lớn đến độ trung thực
hoăc độ tin cậy của hệ thống th ông tin. Việc kháo sát các đặc tính
phi tuyến hoặc các giới hạn về dải động, dái tầ n số hoạt động,... của
các cám biến không nằm trong nội dung trình bày của mơn học này.
2- S ơ đồ kh ố i tổng q u á t của h ệ th ố n g th ô n g tin

Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin
Hình 1.2 giđi thiệu một sơ đồ khối tổng qt của một hệ thốngii
thơng tin, trong đó các tín hiệu p h á t và thu lan truyền trQng mơi*
trường đều được xem là ở dưới dạng tín hiệu điện (các khối cảm biếạl

t ố n g q u a T v ế H Ệ THỐNG THÔNG TIN 9

p h á t v à cảm b iế n thu như ớ h ìn h 1.1 được xem là th ư ậc về nguồn
p h á t tin hoăc nơi n h ận tin). Sơ đồ khôi gồm ba p h ầ n chính:

• K hơi p h á t có chức năng xử lý tín hiệu tin tức và cung cấp vào
môi trư ờ n g th ơ n g tin m ột tín hiệu có dạng thức phù h ợ p với đác tín h
7 cua m ô i trư ờ n g ,"v ớ i đỉều kiệrrtA-nội đũiYg của tín tứ c được tru y ề n đi
k h ô n g t h a y đ Ả’i Khối p h á t có thế’ gồm các p h ần m á h ó a , điều c h ế và
ị khuếch đại pháv.

• M ơi trư ờ n g thông tin là m ột môi trường v ậ t lý cụ th ể, cho
phép ch u y ển tả i tín hiệu từ nơi p h át đến nơi thu. M ôi trường th ô n g
tin có t h ể dưới dạng hữu tuyến (dây dẫn điện song h à n h , dây cable
• tín h iệ u , sợi q uang,...) hoặc có th ể dưới dạng vơ tu y ế n (k h ô n g g ia n tự
do, c h â n k h ô n g , môi trường chất lỏng,...). Môi trư ờ n g th ô n g tin có
ị đặc tín h gây suy hao cơng suất tín hiệu và gây trễ p h a tín hiệu khi
tru y ền tin . Cự ly thơng tin càng lđn thì độ suy hao và trề ph a càng
nhiều.

• K hơi th u có chức năng thu n h ận tín hiệu tin tứ c từ môi trư ờ n g
thông tin , tá i tạo lại tin tức để cung cấp đến nơi n h ậ n tin. Khơi th u
có th ể gồm các phần khuếch đại tín hiệu điện (để bù trừ độ suy hao
trên m ôi trường thông tin), giải điều chế và giải m ã hóa (để khơi
phục lại tin tức gốc ban đầu ở nơi phát), khối chọn lọc k ênh thơng
tin (để chọn* lựa đúng tín hiệu từ nguồn tin m à ta muôn thu nhận,
tro n g k h i m ôi trư ờ n g thông tin có th ể được sử d ụ n g tru y ề n tin đồn g
thời cho nhiều nguồn tin khác nhaũ).

• M ột loại tín hiệu phụ nhưng luôn luôn xuất hiện và tồn tại
trong b ấ t kỳ h ệ thống thông tin nào được th ể h iệ n bởi khôi nhiều,

can nhiễu và các tác nhân gây méo dạng. Đây là các tín hiệu m à
chúng t a k h ô n g mong muôn nhận được tại nơi th u tro n g quá trìn h
tru y ề n tin . C h ú n g có th ể xuất hiện trong môi tr ư ờ n g th ô n g tin dưđi
d ạn g n h iễ u cộ n g hoặc nhiễu n h ân . Do tín h c h ấ t su y hao của môi
trường th ô n g tin , tín hiệu tin tức m à ta mn tru y ề n đi có th ể bị suy
hao công suâ't đến mức bị xen lần với các tin hiệu n h iều tro n g môi
trường hoặc tạ i nơi thu. Lúc này, q trình thơng tin là th ấ t'b ạ i, nơi
^“ n h ậrt t i n k h ô n g t h ể tá i tạo lại tin tức từ nguồn p h á t t ĩ n nữa.

- N hiễu là các tín hiệu khơng mong muốn, x u â t hiện m ột cách

gfrigau n h iên tro n g môi trường thông tin hoặc từ các phần tử, linh

t h i ế t bị. Nhiễu cộng có t h ể được loại bỏ h o ặ c giảm th iể u

h ư ở n g n h ờ các bộ lọc tầ n sô", các bộ xử lý n g ư ỡ n g tạ i nơi thu.

10 CHƯƠNG 1

ĐỸÌ với nhiễu n h â n , q u á t r ì n h xử lý phức tạp hơn nhiều, thường phái
sử (lụng các th u ậ t to á n th ứ -v à -s a i (ch ẳ n g hạn, th u ật toán logic mờ,
n*ạng neural, chuổi M arkov,...)

- Can n h iẻu là n h iễ u g â y r a b ở i các tác nhân chủ quan của con
người, chăng h ạn , n h iề u do t í n h i ệ u từ nguồn p h á t khác, nhiễu do
nguồn cung cấp công su ấ t, n h iễ u do các thiết bị phụ trợ,... Can nhiều
xu ất hiện ở các dải t ầ n sỏ* k h á c với d ả i.tầ n số muốn thu, có th ể được
loại bỏ dễ dàng nhờ các p h é p lọc t ầ n sô thông thường. Tuy nhiên,
can nhiễu cùng dải t ầ n r ấ t k h ó được loại trừ, người ta phải dùng các
phép mà hóa nguồn phù hợp.

- Tác n h â n gây m éo d ạ n g t í n h iệ u thường xảy ra do các phần tử,
linv kiộn trong th iê t bị k h ô n g có đặc tính tuyến tính. Tuy nhiên,
điểm khác biệt giừa tá c n h â n m éo d ạ n g này với nhiều, can'nhiễu là
sư méo dạng chi x ảy r a k h i có t í n hiệu phát. Sự méo dạng có thể
được khắc phục nhờ các bộ sứa d ạ n g (equalizer) trong hệ thống thông tin.

Trong mơ h ìn h h ộ th ố n g t h ị n g tin ỏ hình 1.2, tin tức luôn được
truyền đi theo m ột chieu duy n h ỉít từ ngn phrit tin đến nơi nhận
tin , ta có hệ thqtfg th ị n g t i n đ ư n c ù n g thông tin cho phép tru y ền till tức thuo hai chiều đồng thời (mồi bên
vừa là nguồn p h ấ t t i n , vừa là n ơ i n h ạ n tin) dược gọi lã hộ thống
song công (full-duplex). Hệ th ô n g cho phép thông tin hai chiẻu tuần
tự nhau (tại m ộ t th ờ i đ iểm , c h í có m ộ t bơn ph át và một bèn thu) gọi
là hộ thông bán song cồng (half-duplex).

3- Các giới h ạ n đ ặ c tr ư n g c ủ a hệ thống, thông tin

Địì với b ấ t kỳ h ệ th ị n g t h ô n g ti n nào, dù là hửu tun hoặc vơ
tu vỏn, (1Ù có điều c h ế h ay k h ô n g điều chế, dù ở tẩn số th ấp hay
cao,... đều có hai giới h ạ n đặc tr ư n g về điện: băng thông (bandwidth)
và nhiều (ỉioisc) tro n g h ệ th ô n g th ô n g tin.

* DAi.g th ô n g lả đ ạ i lượng đo lư ờ n g về tốc độ truyền tin. Đơì với
thơng tin tương tự (analog), b ă n g t h ô n g được th ể hiện qua dải tầ n số
của tín hiệu hoặc d ái t ầ n sô c ủ a k ê n h . Đôi với thông tin số (digital),
bãng thông được t h ể h iệ n q u a tố c độ b it tối đa của chuỗi sô' được
truyền đi. B ất k>r h ệ th ô n g t h ô n g t i n nào cũng bị giới hạn về băng
thòng khi truyền tr o n g th ờ i g ia n th ự c . Nếu dùng kênh thông tin cỏ
bang thông nhỏ đé tru y ề n t í n h iệ u có dái tần sơ rộng thì sẽ gây ra

méo clạng tín hiệu t ạ i nưi th u . C h ă n g hạn, với tín hiệu âm thanh

yổhg q u à ĩ v ế h ệ thô ng thơ ng tin 11

thoại, bảng thịng kênh truyền chi cần khống 'MỉHz đến 4kHz, trong
khi (tế truyền tín hiệu video dộng, báng thòng kênh truyền phái
rộng từ '\MHz đến 6MỈỈZ. Băng thịng kỏnh truyền càng rộng thì tốc
độ truvền tin cảng cao, chất lượng truyền tin tức càng tốt nhưng lại
gặp các vấn đề sau:

- Băng thơng q rộng sè làm hao phí dai tầ n sị có sẩn của
kênh truyền, do đó, số lượng luồng thông tin truyền đồng thời trên
kênh sè giảm, và hiệu suất sừ (lụng kênh truyền thấp.

- Băng thơng rộng kóo theo sự ảnh hường cứa nlìỉễu mơi trường
và các can nhiễu từ kênh truyền ỉân cạn lên kênh thông tin mong
muốn. Do đó, trong thực tế, tín hiệu dái nền trưđc khi được đưa vào
điều chế hoặc má hóa, thường phái được lọc thông tháp hoặc lọc
thông dải dể giới hạn lại dải tầ n số của tín hiệu. Như vậy, ờ nơi thu,
ta củng (lùng các bộ lọc thông th ấp hoặc thơng dái đổ chọn lọc lấy
riêng tín hiệu mong muốn (ở dái tần số định trước), trán h các can
nhiễu từ kênh khác và giảm thiểu ảnh hường cùa nhiễu nền môi
trường.

. * Nhiỗu là ảnh hưởng cố hừu, tồn tại trong bất kỳ hệ thống
thông tin thực tế nào. Bản th ân vạt liệu môi trường, các phần tử
hoặc nguyên tử của vật liộu đều tạo các dao clộng ngầu n h iên hỗn
loạn sinh tà nhiễu, ta thường gọi lả nhiễu nhiệt. Các nguồn can
nhiễu từ các tác nhân do con người (các đài phát lân cận, các th iế t bị
khác đặt trong môi trường thông tin,...) củng là nguồn nhiều cho kênh

thông tin.

Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiộu tin tức được đánh giá thơng
qua ti sơ' tín hiệu trê n nhiễu s / N t là đại lượng so sánh giữa cơng
suảt tín hiệu mong muốn với công suất nhiẻu. Khi cự ly thông tin
càng lớn, cơng suất tín hiệu tin tức càng bị suy giảm khi lan truyền
trong mơi trường thơng tin, có th ể giảm đến mức ngang bằng công
suất nhiều môi trường. Lúc này, tin tức bị lẫn với nền nhiều và
chúng ta không thể khôi phục lại thông tin bằng các phương pháp
thông thường.

Giới h ạn băng thông của kênh cho phép tăng ti sô' S/N, nghĩa là
chât lượng thông tin của kênh tổng do băng thơng bị hạn chế (nếu
khơng gây móo dạng đến tín hiệu). Định lý Shannon xác định mối
liên quan giửa báng thông B của kônh với tỉ sô S/N thông qua một

12 CHƯƠNG 1

hằng số thông số của kênh, i{v)i lả thông lượng kênh c (channel

capacity):

c = ổ log ' l +Ẽ -ì ( 1. 1)
N)

với c là hằng số, khi B tăng thì S/N giảm và ngược lại.

1.2 ĐIỂU C H Ế VÀ MÃ HÓA

Điều chế (modulation) và mà hóa (coding) là hai phương thức

căn bản để nâng cao chất lượng và độ tin cậy của q trình thơng
tin. Đây cũng là vân đề chính của tài liệu này: phương thức xử lý,
điều chế tín hiệu tương tự, tín hiệu số và các đánh giá về ưu nhược
điểm của mỗi phương thức.

2- N g u y ê n lý đ iề u c h ế

Trong quá trình điều chế, cần có một sóng mang (carrier)
(thường là tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu xung tầ n số cao) có tần số
cơ định và cao JỊiơn nhiều lần so với tầ n sơ" tín hiệu điều chế
(modulating signal). Tín hiệu điều chế này có th ể là tín hiệu gốc
ph át ra từ nguồn tín, hoặc có th ể là tín hiệu đả được biến đổi từ tín
hiệu gốc bởi các phép lọc, mã hóa, trộn kênh,... thường được xem là
ỏ dải tầ n sơ thâp, do đó cịn được gọi là tín hiệu đâì nền [baseband).

Tín híộu Mạch Sóng mn:vj Tín hiệu Mạch giải Tín hiệu
diốu chố diéu chế đã điổu chế đả điéu chế diéu chế tin tức

(Tin hiệu ĩSõng mang (Phải) (Thu) (Tín hiệu
dải nén) dải nển)

Tái tạo sóng mang
(thu kết hợp)

H ìn h 1.3 Mơ hình khối điều chế (nơi phát)
và khối giỏi điều chế (nơi thu)

Điều chê là thực hiện sự thay đối thông sỏ' của sổng mang như I

biên độ, pha, tần số,... theo sự biến thiên của tín hiệu điều chế (H.1.3).

Dạng sóng các loại tín hiệu và mối liên quan giữa chúng trong điều í-
chế biên độ ơ hình 1.4 là một ví dụ.

■

Ầ

JONG QUÀ T VẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN 13

a)

^ — 11hí\ /ĩìr-----ltĩ\ú1íI Ỉlìỉỉíí
b) «1«11
P

-ir"'ir>NMJ I;I / ỵ"ị\ Tf'"ir

c)

H ìn h 1.4 Dạng sóng tín hiệu điều chế, sóng mang sin
ồ sóng mang xung sau khi điều ch ế biên độ

Quá trìn h điều c h ế phải là q trìn h có th ể đảo ngược được, có
nghĩa là tồn tại q trình khơi phục trỏ lại tín hiệu điều chế từ
sóng m ang đã điều chế, để được tín hiệu dải nền chứa thơng tin. Ta
gọi đó là q trìn h giải điều chế (dem odulating), có mơ h ìn h được vẽ
ở hình 1.3. Có hai kiểu giải điều chế: giải điều chế k ế t hợp
{coherent) và giải điều chế không kết hợp (non-coherent). Chi tiết về
các phương pháp giải điều chế sè được trìn h bày ở các chương sau.

Quá trình điều chế và giải điều chế cũng gây ra sự dịch chuyển
phổ tín hiệu tr ê n th a n g tầ n số. Thông thường, khi tầ n sô' sóng m ang
lớn hơn nhiều lần so với tần sơ tín hiệu điều chế, q trìn h điều chê
sè dịch phổ tầ n lên cao và quá trìn h giải điều chế sê dịch phổ tầ n
xuống thấp.

2- Các lợi đ i ể m c ủ a đ iề u c h ế

* Điều chế cho phép tăng hiệu suất thơng tin: Nhờ đặc tính dịch
chuyển phổ tầ n số lên cao, tín hiệu sóng mang đả điều chế .dễ dàng
được tru y ền đi xa hơn, các an ten p h á t và thu có kích thước nhỏ hơn.
ị7~ Chẳng h ạn , nêu sóng m ang có tầ n số 100Hz th ì a n te n p h ả i có kích
I— thưđc 300km (!) t r ong khi sóng Tnaiĩg~ử tần 5Ố~100M H z;antẽn~chỉ~ẽfr
ị i . kích thước dưới lm .

* Điểu c h ế cho p h ép tăng băng thơng thơng tin: Vì tầ n sơ" sóng
niang thường r ấ t cao n ên tín hiệu sóng m ang đã điều c h ế có dải
băng thơng có th ể rộng hơn nhiều lần so với dải tầ n sơ" của tín hiệu

12 CHƯƠNG 1

hằng số thông số của kênh, i{v)i lả thông lượng kênh c (channel

capacity):

c = ổ log ' l +Ẽ -ì ( 1. 1)
N)

với c là hằng số, khi B tăng thì S/N giảm và ngược lại.

1.2 ĐIỂU C H Ế VÀ MÃ HÓA

Điều chế (modulation) và mà hóa (coding) là hai phương thức
căn bản để nâng cao chất lượng và độ tin cậy của q trình thơng
tin. Đây cũng là vân đề chính của tài liệu này: phương thức xử lý,
điều chế tín hiệu tương tự, tín hiệu số và các đánh giá về ưu nhược
điểm của mỗi phương thức.

2- N g u y ê n lý đ iề u c h ế

Trong quá trình điều chế, cần có một sóng mang (carrier)
(thường là tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu xung tầ n số cao) có tần số
cơ định và cao JỊiơn nhiều lần so với tầ n sơ" tín hiệu điều chế
(modulating signal). Tín hiệu điều chế này có th ể là tín hiệu gốc
ph át ra từ nguồn tín, hoặc có th ể là tín hiệu đả được biến đổi từ tín
hiệu gốc bởi các phép lọc, mã hóa, trộn kênh,... thường được xem là
ỏ dải tầ n sơ thâp, do đó cịn được gọi là tín hiệu đâì nền [baseband).

Tín híộu Mạch Sóng mn:vj Tín hiệu Mạch giải Tín hiệu
diốu chố diéu chế đã điổu chế đả điéu chế diéu chế tin tức

(Tin hiệu ĩSõng mang (Phải) (Thu) (Tín hiệu
dải nén) dải nển)

Tái tạo sóng mang
(thu kết hợp)

H ìn h 1.3 Mơ hình khối điều chế (nơi phát)
và khối giỏi điều chế (nơi thu)

Điều chê là thực hiện sự thay đối thông sỏ' của sổng mang như I

biên độ, pha, tần số,... theo sự biến thiên của tín hiệu điều chế (H.1.3).
Dạng sóng các loại tín hiệu và mối liên quan giữa chúng trong điều í-
chế biên độ ơ hình 1.4 là một ví dụ.

■

Ầ

JONG QUÀ T VẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN 13

a)

^ —

1h úí Ỉlìỉỉíí
11í\ /ĩìr----- ltĩ\ 1 I
P
b) «1«11

-ir"'ir> N ; ỵ "ị\ T f'"ir
MJ II /

c)

H ìn h 1.4 Dạng sóng tín hiệu điều chế, sóng mang sin
ồ sóng mang xung sau khi điều ch ế biên độ

Quá trìn h điều c h ế phải là q trìn h có th ể đảo ngược được, có

nghĩa là tồn tại q trình khơi phục trỏ lại tín hiệu điều chế từ
sóng m ang đã điều chế, để được tín hiệu dải nền chứa thơng tin. Ta
gọi đó là q trìn h giải điều chế (dem odulating), có mơ h ìn h được vẽ
ở hình 1.3. Có hai kiểu giải điều chế: giải điều chế k ế t hợp
{coherent) và giải điều chế không kết hợp (non-coherent). Chi tiết về
các phương pháp giải điều chế sè được trìn h bày ở các chương sau.

Quá trình điều chế và giải điều chế cũng gây ra sự dịch chuyển
phổ tín hiệu tr ê n th a n g tầ n số. Thơng thường, khi tầ n sơ' sóng m ang
lớn hơn nhiều lần so với tần sô tín hiệu điều chế, q trìn h điều chê
sè dịch phổ tầ n lên cao và quá trìn h giải điều chế sê dịch phổ tầ n
xuống thấp.

2- Các lợi đ i ể m c ủ a đ iề u c h ế

* Điều chế cho phép tăng hiệu suất thông tin: Nhờ đặc tính dịch
chuyển phổ tầ n số lên cao, tín hiệu sóng mang đả điều chế .dễ dàng
được tru y ền đi xa hơn, các an ten p h á t và thu có kích thước nhỏ hơn.
ị7~ Chẳng h ạn , nêu sóng m ang có tầ n số 100Hz th ì a n te n p h ả i có kích
I— thưđc 300km (!) t r ong khi sóng Tnaiĩg~ử tầ n 5Ố~10 0 M H z;antẽn~chỉ~ẽfr
ị i . kích thước dưới lm .

* Điểu c h ế cho p h ép tăng băng thơng thơng tin: Vì tầ n sơ" sóng
niang thường r ấ t cao n ên tín hiệu sóng m ang đã điều c h ế có dải
băng thơng có th ể rộng hơn nhiều lần so với dải tầ n sơ" của tín hiệu

14________________________ CHƯƠNG 1 I

điều chế, với cùng m ột hộ số chọn lọc f j s f mong muôn. Như vậy,

m ột k ên h th ô n g tin ơ dái tầ n số siêu cao (vải GHz) có th ế truyền tải .

được nhiều kênh tru y ền h ìn h (tổng thời là tín hiệu dải nền có băng -

thơng rộng n h ấ t, th ậ m chí m ột kênh thơng tin laser quang có thể »

truyền tải từ hàng nghìn đến hảng triệu kênh truyền hình. ị

* Điều ch ế cho phép giảm nhiễu và can nhiễu. Để giảm ảnh !
hưởng của nhiễu hoặc can nhiễu lên tín hiệu tin tức, một khả năng Ị
đơn giản là tă n g t h ậ t lớn công su ết p h át tín hiệu sao cho chúng có i
th ể vượt qua được mức công suất nhiễu trong môi trường để truyền I
đến được nơi thu (với m ột tỉ số S/N chấp nhận dược). Tuy nhiên,i
thực t ế không cho phép tă n g công suất ph át lên quá lớn (do khả
năng chịu đựng công su ấ t của lin h kiện thiết bị, do hiệu suất công ;
suất đài p h á t quá th ấ p , do sự an toàn,...). Trong trường hợp này, i
điều c h ế sóng m an g cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu mà
không tă n g công su ấ t p h át. Bù lại, tín hiệu đã điều chê cần một
băng thông k ên h truyền lớn hơn, như đã nói ỏ phần trên. Đây là sự
tương nhượng giữa độ rộng băng thông sử dụng với khả năng chống.
nhiễu của tín lỳ-ệu.

* Điều die. cho p h é p g á n tần số phát: Trong cùng m ột môi
trường truyền tin , các k ê n h thơng tin có nội dung như nhau có thể
sử dụng các dải tầ n số p h á t khác nhau. Điều chế, với chức năng-
tương đương như đổi tầ n số’, cho phép xác định tầ n số p h át cho mỗi
kênh. Như vậy ở nơi thu, có t h ể tácl} biột tín hiệu muốn thu trong số,
nhiều tín hiệu từ các dài p h á t khác nhau thông qua phép lọc tầ n số.

* Điều c h ế cho p h cp thực hiện ghép kênh (multiplexing): Ghép

kênh được thực h iện khi t a m uôn truyền đi nhiều tín hiệu tin tức ị

khác nhau, từ nhiều nguồn p h á t tin khác nhau đến nhiều nơi nhận

tin khác nhau, sử dụng cùng m ột môi trường truyền. Ghép kênh có ‘

th ể dưới dạng ghép tầ n số (FDM: Frequency - Division Multiplexing)-

hoặc ghép kênh thời gian (TDM: Time - Division Multiplexing).

• • • .1
3-Các dải tần 8ố thông tin f!

H ình 1.5 giới th iệu các phổ tầ n số' hoặc phổ bước sóng hiện đang,
được sử dụng cho các h ìn h thức thông tin khác nhau, từ vùng tần số;
thấp (điện thoại, điện tín) cho đến tầ n số cao (phát thanh, phát hình)*
và đến tầ n số siêu cao (thơng tin vệ tinh, radar, truyền số liệu tốc độị
cao,.:.). Đồng thời, hình 1.5 cũng liệt kê các mơi trường vật lý khác|
nhau phù hợp với các dải tần số thông tin khác nhau.

r/f/VGQUÁT VỄ HỆ THỚNG ĩHuNG TIN 15

Dải MỎI tnố ng Kiểu ửng dụng
tán sò thỏng !m truyén song

1 cm- DỒI EH F Thông tin vè tinh -100 GHz
Dải SHF Dân đưởng - 10 GHz
Óng dản sổng Vi ba
Vộ bnh mốl dấl

Sóng Radar
trực tuyến
10 cnv Dài UHF - 1 GHz
10 m. Sóng Irịỉ - 1 0 0 MHz
UHFTV - 10 MHz
Bưđc sổng Dải VHF l Di dộng, Hồng không
Dải HF
10 m- Cáp Sông V H F TV v à FM
đóng trục măt đát Dí động

Phát thanh
Thương moi
Nghíộp dư

100 m-

Dải tán Phát thanh AM - 1 MHz
trung binh MF

1 km-

Dải tán Ihấp Hàng khồng - 100 kH2
LF Hàng hòi

10 km- Oải tổn
rấl tháp V LF
Dỏy 10 kHz
song hành 1 kHz

100 km- Điện thooi. điỏn tín

Ảm tán

H ìn h 1.5 Phân bố các phổ tần số (hoặc bước sóng)
sử dụng trong thông tin

16 CHƯƠNG 1

4- Mã hóa và các dặc điếm

Mã hóa (coding), được áp dụng cho các nguồn tin tức số, được
biểu dien bằng các ký hiệu rời rạc. Mã hóa gồm hai q trình: q
trìn h mả hóa (encoding) chuyến đổi tin tức số từ nguồn tin thành
một chuỗi các ký hiệu theo một quy luật nào đó; q trìn h giãi mà Ị
(dccoding) chuyển đổi ngược lại từ các ký hiệu trô về tin tức số theo :
quy luật ngược với quy luật mả hóa. Thơng thường, nguồn tin tức số \
dưới dạng nhị phân (bit 0 và bit 1) và ký hiệu mã hóa cũng dưới
dạng nhị phân. Nói cách khác, mả hóa chuyển đổi từ chuỗi số nhị ;
phân này thành ra một chuồi số nhị phân khác.

Nếu nguồn tín hiệu có M mức rời rạc, thì mỗi trạng thái của j
nguồn có th ể được mã hóa bằng K bits nhị phân sao cho:

K ì log2 M (1.2)

Vậy, nếu tốc độ xuất hiện các trạn g thái của nguồn là r (r trạng

thái xuất hiện trong m ột đơn vị thời gian), thì tốc độ bit nhị phân ị

của mã là K.r; nói cách khác, mã hóa cần một băng thơng kênh V

truyền lớn gấp íỹ lần băng thồng cần thiết để truyền tín hiệu nguyên {

thủy ban đầu. yf,Ạ. I

Mã hóa có cấc lợf 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 t h í p đối với nhị phân), do đó, mạch
điện xử lý đơn giỏn hơn và độ tin c ầ ỷ cao hơn. ---------------------------Ị

- Mã hóa cho phép tăn g k hả năng chơng nhiễu của tín hiệu. Tùy
theo ngun lý mã hóa ta có th ể có các bộ mã ph át hiện sai hoặc tự
sửa sai khi có nhiều trên k ên h truyền làm sai lệch tin tức.

- Mă hóa cho phép n én số liệu ph át ra từ nguồn, loại bỏ các
trạ n g thái dư thừa, tăng hiệu suất truyền tin. Như vậy có th ể truyền ị
được nhiều kênh hơn trong cùng môi trường hoặc truyền tin với tốc ị
độ cao hơn.

- Mã hóa có th ể cho phép bảo m ậ t thông tin (m ật mã hóa).

Ghửi

TÍN HIỆU VÀ PHỔ

ỉ

Các tín hiệu điện trong thực tế thường được quan sá t và biểu
diễn ở dạng thời gian, chẳng h ạn điện áp hoặc dịng điện theo thời

gian. Ngồi ra, tín hiệu điện cịn có th ể được biểu diễn ở dạng tầ n
số, mà ta gọi là phố của tín hiệu. T rong chương này, để khảo sát các
đặc tính của tín hiệu biểu diễn ở m iền tầ n sốy phép p h â n tích chuỗi
Fourier hoặc phép tích p h ân Fourier là các cơng cụ căn bản.

2.1 PHỔ TUYẾN TÍNH VÀ CHUỖI FOURIER

2- V e c t o r p h a v à p h ổ t u y ế n t í n h

Xét một tín hiệu điện áp v(t) là một hình sin thuần túy, biênđộ
Ay tần số góc w0 và góc p h a b a n đầu O: •

v(t) = A c o s (w0t + a>) (2.1)

Tín hiệu u(t) được vẽ ở h ìn h 2.1.

-------- A

H ì n h 2.1 Tín hiiệiuịí hình *•)

1 -----