TU_GT_KTTDL_V1 potx

Bài giảng:
KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU

Nội dung

Khái niệm: Hệ thống truyền tin, rời rạc hoá một nguồn tin liên tục, Độ đo thông tin, Mã hóa,
Điều chế

Mã hiệu, phương pháp biểu diễn mã

Kênh tin và giao tiếp truyền dữ liệu

Kỹ thuật truyền dữ liệu, Mô hình hệ thống truyền dữ
liệu, Mạng truyền số liệu

Dồn kênh, phân kênh và chuyển mạch
Chương 1: Những khái niệm chung
1. HTTT

Trong cuộc sống -> có nhu cầu tđtt (Communication): âm điệu, sóng điện
từ, sóng ánh sáng… -> vật mang tin (carrier) chứa TT trong nó -> tín hiệu
(signal).

Truyền tin giữa các năng lượng khác nhau -> XD chuẩn -> đánh giá ->
thiết lập mô hình, đb tốc độ, chính xác…
1. HTTT:
Dựa trên cs năng lượng mang tin:

HT điện tín -> dùng điện 1 chiều

HT TT vô tuyến -> dùng nlượng sóng điện từ


HT TT quang -> báo hiệu, ttin hồng ngoại, lazer.

HT TT dufng sóng âm, siêu âm.
Dựa trên cs biểu diễn bên ngoài của TT:

HT truyền số liệu

HT truyền hình

HT TT thoaji
Để đảm bảo tính logic: HT TT rời rạc và liên tục
Định nghĩa:

Truyền tin (transmission) là dịch chuyển thông tin từ điểm này -> đ khác (IS
-> ID).

Môi trường truyền tin (transmission media)-> gọi là kênh tin (Channel).

Sơ đồ khối: IS -> Channel -> ID.

Kênh tin là môi trường lan truyền TT: Truyền tín hiệu theo dây, qua các tầng
điện ly, lan truyền trong đất, nước…
Môi trường lan truyền bao gồm:

MT trong đó tác động nhiễu cộng là chủ yếu -> do nguồn công nghiệp vũ trụ

MT trong đó tác động nhiễu nhân là chủ yếu -> tác động nhân và t/h.

Cả hai

S
v
(t) -> Kênh -> S
r
(t) , N
n
(t): nhiễu nhân, N
c
(t) : nhiễu cộng
S
r
(t) = N
n
(t). S
v
(t) + N
c
(t) : lý tưởng
Thực tế: S
r
(t) = N
n
(t). S
v
(t). H(t)+ N
v
(t) , H(t): đặc tính xung của kênh
Chú ý: Hiệu suất TT là tốc độ truyền của ht
Độ chính xác TT là khả năng chống nhiễu của HT.
Nguồn tin nguyên thủy (NTNT)


NTNT là tập hợp những tin nguyên thủy:

Tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh, các biến đổi khí tượng.

NTNT là một hàm liên tục theo t/g f(t)

Hình ảnh đen trắng h(x,y,t): x,y là tọa độ kg hình

Những IS có thể được đưa trực tiếp hoặc bằng những phép biến đổi như rời rạc hóa theo t/g và
theo mức rồi đưa vào kênh-> IS rời rạc (NTRR). Trước khi truyền -> mã hóa thông tin

Mã hóa là phép biến đổi thống kê và chống nhiễu của IS.
Các quá trình

Để n/c định lượng NT cũng như HTTT, c/ta mô hình hóa toán
học NT bằng 4 quá trình:
- QT ngẫu nhiên liên tục: Nguồn tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh
trong httt thoại, truyền hình với FM, AM

QT ngẫu nhiên rời rạc: là qt nn l/tục sau khi được lượng tử hóa.
VD: 1 ngôn ngữ, t/h điện tín, các lệnh đkhiển.

Dãy ngẫu nhiên liên tục: là nguồn lt đã được gián đoạn hóa
theo t/g. VD: Hệ TT xung điều biên xung (PAM: Pulse
Amplitude Modulation), điều pha xung (PPM), điều tần xung
(PFM)… không bị lượng tử hóa.

Dãy ngẫu nhiên rời rạc: Các httt xung có lượng tử hóa như FM,
AM, điều biên xung lượng tử hóa, điều xung mã (PCM)

VD: Sơ đồ truyền số liệu

Ứng dụng dữ liệu

Ứng dụng âm thanh, tiếng nói.
Sơ đồ khối tổng quát (mô hình Shannon)











Ví dụ




VD: Quá trình biến đổi tín hiệu

 !"#$%&'%(
)*+, /.%01
2%#3

4 256)-'


7. '/!86)-&/$49
:4);<
2. Rời rạc hóa một nguồn tin liên tục
(NTLT)
Phép biến đổi NTLT –> RR gồm 2 bước:
b1: Khâu rr hóa theo tg gọi là khâu lấy mẫu
b2: Khâu lượng tử hóa theo mức
+ Lấy mẫu: là một hàm tin là tính mẫu tại thời điểm nhất định.
Định lý: Một hàm s(t) có phổ hữu hạn, không có thành phần tần số
lớn hơn ω
max


có thể được thay thế bằng các mẫu của nó lấy tại
những điểm cách nhau 1 khoảng Δt ≤  /ω
max
+ Lượng tử hóa: Hàm S(t) thể hiện NT lt, bđổi lt trong phạm vi
(S
min
, S
max
), ta phân chia phạm vi đó thành một số mức nhất
định, đánh số các mức từ S
min
S
0
S
1
S
2

…, S
max
. Việc biến dạng hóa
sự biến đổi biên độ của S(t) là cho biên độ lấy mức S
i
nhất định
khi nó tăng hoặc giảm gần đến mức đó.
Như vậy S(t) sẽ trở thành hàm biến đổi theo bậc thang gọi là hàm
lượng tử hóa S’(t)
Một NTLT sau khi lấy mẫu và lượng tử hóa -> NTRR
3. Độ đo thông tin (Metric)

Độ đo của một đại lượng là cách ta xác định độ lớn của đại
lượng đó. Mỗi M phải thỏa mãn 3 tính chất sau:
- M phải cho phép ta xđ được độ lớn của đlượng
- M phải không âm

M phải tuyến tính, tức là gtrij tự đo được của đlượng tổng cộng
phải bằng tổng g trị của các đl riêng phần.

M là hàm tỷ lệ nghịch với xsxh của tin f(1/p(x
i
)) cho tin x
i
có
xsxh p(x
i
) (khi p=1 -> một tin không cho ta lượng tin)

Khi 2 tin đồng thời xh:

f(1/p(x
i
,x
j
)) = f(1/p(x
i
)) +f(1/p(xj))
Vì 2 tin là độc lập thống kê nên: p(x
i
,x
j
) = p(x
i
).p(xj)
⇒
F là một làm log. Vậy lượng đo TT của 1 tin x
i
là:

I(x
i
) = log
b
(1/ p(x
i
))
(Hiện nay thường dùng các độ đo b=2, b=e, b= 10)
4. Mã hóa:


Mã hóa là phép biến đổi cấu trúc thống kê của nguồn. Phép bđổi
ấy tương đương trên quan điểm TT và nhằm cải tiến các chỉ tiêu
kỷ thuật của httt.
VD: Cho nguồn tin A có 4 tin đẳng xác suất với sơ đồ thống kê:
A= a
1
a
2
a
3
a
4

¼ ¼ ¼ ¼
Lượng tin I(a
i
) = 1. (log
2
1/4) = 2 bit
Bằng một phép mã hóa như sau:
a
1->
b
1
b
1
, a
2->
b
1

b
2
,

a
3->
b
2
b
1
, a
4->
b
2
b
2
Chúng ta biến đổi thành 1 nguồn tin mới gồm có 2 ký hiệu đẳng xác
suất:
B = b
1
b
2
½ ½
Lượng tin chứa trong 1 tin của B cũng bằng lượng tin chứa trong
tin tương ứng của A.
VD: tin b
1
b
2
<-> a1 trong A: I(b

1
,b
1
)=2.log
2
(2)=2(bit)
5. Điều chế và giải điều chế

Trong hhttlt, các tin hình thành từ NTLT được bđổi thành đại lượng điện
(áp, dòng) và chuyển vào kênh.
VD: Điện thoại -> khi truyền qua k/c lớn -> điều chế(I, F, P) -> tức là
chuyển TT thành một dạng năng lượng thích hợp với môi trường.

Đối với htttrr, qui luật mã hiệu điều khiển 1 hoặc nhiều thông số của năng
lượng được dùng để mang tin.

VD: Điện báo -> qui luật mã hiệu điều khiển biên độ dòng 1 chiều.

Các pp đchế cao tần cũng giống như trường hợp ttlt, nhưng làm việc gián
đoạn theo tg gọi là khóa lịch.

VD: PP khóa lịch biên độ (ASK: Amplitude Shift Key), PSK, FSK.

Giải điều chế là phép biến đổi ngược lại của phép đchế, điều khác là t/h đầu
vào của t/ bị giải điều chế không phải chỉ là t/ h đầu ra của tbđchế, mà là một
hỗn hợp thđchế và tạp nhiễu .
⇒
Nhiệm vụ của các tb giải đchế là từ trong hỗn hợp đó lọc ra được TT dượi
dạng 1 hàm điện áp liên tục hoặc một dãy xung điện rời rạc giống như TT ở
đầu vào tbđc với sai số trong phạm vi cho phép.

VD: Tách sóng biên độ, tách sóng pha, tách sóng đồng bộ, lọc tin liên kết, lọc tối
ưu…
6. Quá trình truyền từ nguồn đến
đích

Mã hóa, Điều chế và giải điều chế, truyền, nhận.
Source
Coding

Modulating


Media
Source System
Receive Demodulating Decoding

End
Destination System
VD1 : Quá trình truyền

Liên quan đến các vấn đề truyền dữ liệu số dạng thô

;<=>

?@A=>

BC76D$=>

E;&"F&/=&>


GH =.0>

IF&/=&>J+=>

BF=>
Source
Trans-
mitter
Trans-
mission
System
Receiver
Des-
tination
Source System
Destination System
VD2: Mạng truyền số liệu

Giao tiếp điểm-điểm
thường không thực tế

K'/!8'0


$&/$L6'
&"&$'/!8
M/.*
⇒+;$

Phân loại dựa vào phạm

vi hoạt động

?+!:=I
NOP&QINO>

?+:
=RNOP&
QRNO>
Switching
node
Wide-Area
Network
Destination systemSource system
Source
Trans
mitter
Trans
mission
System
Receiver
Dest
ination
Local-Area
Network
Chương 2: Mã hiệu
Trong các htttrr hoặc lt nhưng đã được rr hóa, bản tin thông
thường thông qua các phép biến đổi.
- Ở bên phát -> đổi thành số (nhị phân), mã hóa
- Ở bên thu -> đổi ngược lại, giải mã, liên tục hóa…
1. Định nghĩa:

_ Mã hiệu (code): là nguồn một nguồn tin với sơ đồ thống kê được
xây dựng nhằm thỏa mãn một số yêu cầu do hệ thống truyền
tin đề ra. Mã hiệu chính là tập hữu hạn các dấu hiệu riêng
(symbol), hay bảng chữ riêng có phân phối xác suất thỏa mãn
một số yêu cầu qui định.
VD: -Trong TT điện báo khóa lịch (manip) tần số (FSK, PSK), 2
tần số hoặc 1 góc pha ngược nhau 180
0,
cơ số mã m=2.
- Điện báo morse: m=3
Định nghĩa và điều kiên thiết lập mã

Quá trình mã hóa (encoding) là việc sử dụng mã hiệu để biểu diễn các tin
của SI.

Vì số ký hiệu mã < số tin -> phải dùng 1 tổ hợp các ký hiệu mã. -> dãy này
gọi là từ mã (codeword).

Từ mã là 1 dãy liên tục các ký hiệu mã được dùng để mã hóa SI-> tập từ mã
-> mã khối.

ĐK t/lập mã chung cho các loại mã hiệu: có q/luật đảm bảo sự phân tách ra
được 1 cách duy nhất các từ mã.
VD: SI: a,b,c,d được mã hóa theo qui luật a->00, b->01, c->10, d->11. aabcdb
->000001101101
Khi giải mã tách từng nhóm 2 ký hiệu mã tương ứng
Nếu đem nguồn trên với bộ mã khác sẽ cho kq khác.
ĐK riêng cho mỗi loại mã: Đ/v bộ mã còn tồn tại đk riêng phải được thõa mãn
khi thiết lập mã.
VD: Mã thống kê tối ưu phải đạt được độ dài trung bình của các từ mã tối thiểu,

mã chống nhiễu phải cho phép phát hiện sai càng nhiều càng tốt.
2. Phương pháp biểu diễn mã
2.1 Các bảng mã:

Bảng đối chiếu mã: liệt kê tin của nguồn kèm theo từ mã. Nếu
bộ mã lớn -> cồng kềnh.
VD: Tin a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 a10
Từ mã 00 01 100 1010 1001

Mặt toạ độ của mã: là 1 biểu diễn dựa trên 2 thông số của từ
mã, là độ dài n và trọng số b để lập một mặt phẳng có 2toạ độ,
trên đó mỗi từ mã được bd bằng 1 điểm.

b =

a
k
: giá trị riêng của ký hiệu thứ k trong từ mã kể từ trái sang
phải với mã nhị phân.

k: là số thứ tự, m: là cơ số của mã
k
n
k
k
ma
∑
−
=
1

0
k
n
k
k
ma
∑
−
=
1
0
VD:
Trọng số của từ mã nhị phân có 4 ký hiệu 1011 bằng:
b = 1.2
0
+0.2
1
+1.2
2
+1.2
3
= 13
Mỗi từ mã sẽ hoàn toàn xác định khi ta xác định được (n,b) của nó.
Định lý: Không có 2 từ mã mã hoá 2 tin khác nhau của cùng một bộ mã thoã mãn đồng thời :
n
i
=n
j
, b
i

=b
j
2.2 Đồ hình mã

Cây mã là một đồ hình gồm các nút và các nhánh. Gốc của cây
gọi là nút gốc.
Từ nút gốc phân ra m nhánh, mỗi nhánh đại biểu 1 trị. Mỗi
nhánh kết thúc tại 1 nút ở cấp cao hơn nút xuất phát -> tiếp tục
phân ra.
VD: Cây mã cho bộ mã 00, 01, 100, 1010, 1011
S T
S
S
T
T
T
SS
TSS
ST
TSTS TSTT
U$=S>
UT=VT>
UW=VW>
UX=VX>
UY=VY>
S
Đồ hình kết cấu

Gồm những nút và những nhánh có hướng đây là cách biểu diễn cây mã rút gọn


Một từ mã được biểu diễn bằng một vòng kín xuất phát từ nút gốc theo các nhánh có hướng qua
các nút trung gian rồi về nút gốc.

Mỗi nút đại diện cho một trị của ký hiệu mã.

T
T
ST
ST
2.3 Hàm cấu trúc của mã

Hàm cấu trúc của mã cho ta đặc tính quan trọng của mã là sự phân bố của các từ mã theo độ
dài, ký hiệu G (n
1
).
Ví dụ: Bộ mã 00, 01, 100, 1010, 1011 có hàm G(n) dưới dạng sau:
G(n
i
) = 2, khi n
i
= 2.
G(n
i
) = 1, khi n
i
= 3.
G(n
i
) = 2, khi n
i

= 4.
Từ hàm cấu trúc có thể phân biệt được mã đều hay không đều.
3. Điều kiện phân tách các mã hiệu
3.1 Độ chậm giải mã
Bất kỳ dãy các từ mã nào của bộ mã cũng không được trùng với
một dãy từ mã khác của cùng bộ mã.
Lấy bộ mã 00, 01, 100, 1010, 1011 khi nhận được
1000101001011101101 chỉ có thể phân tách một cách duy nhất
thành dãy các từ mã:
100_01_01_00-1011_1011_01
Như vậy bộ mã đang xét thuộc loại mã phân tách được gọi là độ
chậm giải mã là số ký hiệu cần phải nhận đủ để có thể phân
tách được từ mã.
3.2 Điều kiện để tách được mã
Định lý1: Điều kiện cần và đủ để mã có tính phân tách là không có
1 tổ hợp mã nào trong các cột từ j>=2 trùng với 1 từ mã trong
cột 1.
Ví dụ:

Xét tính phân tách của bộ mã 10, 100, 01, 011
1 2 3 4 5
10 0 1 0 1
100 1 11 00 11
01 0 1 0
011 00 11 00
Trong các cột từ 2, 3, Các bảng thứ này không có tổ hợp mã nào trùng với các từ mã trong cột 1,
nhưng có thể điền các cột j đến vô hạn mà không gặp cột trống. Bộ mã này phân tách được
nhưng độ chậm giải mã là vô hạn.

Giả sử khi nhận được dãy ký hiệu:

10010101010101 >vô hạn
Chỉ với 5 ký hịêu đầu 100_10, 10_01_01
Nhưng nếu 100101010101010011 ->phân tích duy nhất thành: 100_10_10_10_10_10_011
Định lý 2: Điều kiện cần và đủ để mã có tính phân tách được là không có bất kỳ từ mã nào trùng với
phần đầu của từ mã khác của cùng bộ mã -> mã có tính prefix
VD: từ mã: 011001110 ->01100111, 0110011, 011001, 01100, 0110,011,01,0.