Bài giảng chi tiết kỹ thuật thông tin số

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI
KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN
BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG








BÀI GIẢNG
KỸ THUẬT THÔNG TIN SỐ
TÊN HỌC PHẦN : KỸ THUẬT THÔNG TIN SỐ
MÃ HỌC PHẦN : 13214
TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
DÙNG CHO SV NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG




HẢI PHÒNG – 2010
YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT
Tên học phần: Kỹ thuật thông tin số Loại học phần : IV
Bộ môn phụ trách giảng dạy:Điện tử-Viễn thông Khoa phụ trách: Điện-Điện tử TB
Mã học phần: 13214 Tổng số TC: 4

TS tiết Lý thuyết Thực hành/ Xemina Tự học Bài tập lớn Đồ án môn học
75 60 15 có

Điều kiện tiên quyết:
Sinh viên phải học và thi đạt các học phần sau mới được đăng ký học học phần này: Lý thuyết mạch, Cơ
sở kỹ thuật mạch điện tử, Lý thuyết truyền tin, xử lý số tín hiệu, Điện tử tương tự.
Mục tiêu của học phần:
Cung cấp cho sinh viên những kiến thức về biến đổi tín hiệu, xử lý tín hiệu băng gốc, kỹ thuật ghép kênh
số, mã hoá kênh, truyền tín hiệu số trên băng tần liên tục và băng tần hạn chế, đồng bộ trong thông tin số.
Nội dung chủ yếu:
Chương 1: Tổng quan về thông tin số.
Chương 2: Số hoá tín hiệu liên tục
Chương 3: Xử lý tín hiệu băng gốc
Chương 4: Ghép kênh trong truyền dẫn số
Chương 5: Truyền tín hiệu số trên băng tần liên tục.
Chương 6: Mã hóa kênh
Chương 7: Đồng bộ trong truyền dẫn số.
Nội dung chi tiết:
TÊN CHƯƠNG MỤC
PHÂN PHỐI SỐ TIẾT
TS LT Xemina BT KT
Chương 1. Tổng quan về thông tin số 02 02
1.1 Khái quát về dịch vụ viễn thông, mạng viễn thông

1.2 Các đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin số

1.3 Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số

1.4 Tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số

1.5 Mô hình toán học của kênh thông tin

Chương 2. Số hoá tín hiệu liên tục. 08 08
2.1 Khái quát

2.2 Điều chế xung mã PCM

2.3 Điều chế xung mã vi sai

Chương 3: Xử lý tín hiệu băng gốc 08 07 01
3.1 Khái quát

3.2 Mã hóa tín hiệu băng gốc

3.3 Kỹ thuật xáo trộn bit

3.4 Nhiễu xuyên symbol ISI và biểu đồ mắt

Chương 4: Ghép kênh trong truyền dẫn số.

10 10
4.1 Nguyên lý ghép kênh theo thời gian

4.2 Ghép kênh đồng bộ và cận đồng bộ

4.3 Ghép kênh sơ cấp

4.4 Ghép kênh cận đồng bộ và hệ thống phân cấp số cận
đồng bộ PDH

4.5 Hệ thống phân cấp số đồng bộ SDH

Chương 5: Truyền dẫn số trên kênh liên tục 08 08
5.1 Mở đầu

5.2 Cấu trúc thu tối ưu tín hiệu

5.3 Lựa chọn tối ưu tập tín hiệu

5.4 Tổng hợp các tín hiệu dạng sóng – Một số sơ đồ điều
chế nhiều mức thường gặp

Chương 6: Mã hóa kênh
6.1 Mã hóa khối

6.2 Mã hóa xoắn

Chương 7: Đồng bộ trong truyền dẫn tín hiệu số. 06 06
7.1 Mở đầu

7.2 Các mạch vòng khoá pha (PLL).

7.3 Các mạch vòng khoá pha số.

7.4 Truyền dẫn thông tin về pha: Khôi phục sóng mang.

7.5 Truyền dẫn thông tin định thời: Khôi phục đồng hồ.


Nhiệm vụ của sinh viên: Lên lớp đầy đủ và chấp hành mọi quy định của Nhà trường.

Tài liệu học tập:

Kỹ thuật truyền dẫn số của Nguyễn Quốc Bình - Học viện kỹ thuật Quân sự.
Viba số - Nhà xuất bản Bưu điện.
Kỹ thuật mạch điện tử của Phạm Minh Hà.
Digital Transmission Engineering.
Digital Communication.
Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên:
- Thi viết hoặc thi vấn đáp.
- Sinh viên phải bảo đảm các điều kiện theo Quy chế của Nhà trường và của Bộ.
Thang điểm : Thang điểm chữ A,B,C,D,F.
Điểm đánh giá học phần: Z=0,4X+0,6Y.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
-o0o-
ThS. PHẠM VIỆT HƯNG








KỸ THUẬT THÔNG TIN SỐ

Hải Phòng, tháng 6 năm 2010
i

MỤC LỤC
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 1
1.1. KHÁI QUÁT VỀ DỊCH VỤ VIỄN THÔNG, MẠNG VIỄN THÔNG VÀ KÊNH TRUYỀN
THÔNG 1
1.1.1 Dịch vụ viễn thông 1
1.1.2 Các thành phần chính của mạng viễn thông 2
1.1.3 Kênh thông tin và các đặc tính của kênh 2
1.2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 3
1.3. SƠ ĐỒ KHỐI TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 5
1.4. THAM SỐ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 7
1.5. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA KÊNH THÔNG TIN 8
Chương 2 SỐ HÓA TÍN HIỆU LIÊN TỤC 10
2.1. KHÁI QUÁT 10
2.2. ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG – PCM 10
2.2.1 Nguyên tắc 10
2.2.2 Lọc hạn băng 11
2.2.3 Lấy mẫu 11
2.2.4 Lượng tử hóa 12
2.2.5 Mã hóa 14
2.2.6 Một số đặc điểm của tín hiệu PCM 17
2.3. ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ VI SAI 18
2.3.1 Nguyên tắc 18

2.3.2 Điều chế xung mã vi sai với bộ dự đoán 18
2.3.3 Hiện tượng quá tải sườn 20
2.3.4 Điều chế xung mã vi sai tự thích nghi 21
Chương 3 XỬ LÝ TÍN HIỆU BĂNG GỐC 22
3.1. KHÁI QUÁT 22
3.2. MÃ HÓA TÍN HIỆU BĂNG GỐC 23
3.2.1 Chức năng, phân loại và tham số 23
3.2.2 Các loại mã đường dây thông dụng 26
3.3. KỸ THUẬT XÁO TRỘN BIT 39
3.4. NHIỄU XUYÊN SYMBOL ISI VÀ BIỂU ĐỒ MẮT 40
3.4.1 Nhiễu xuyên symbol ISI 40
3.4.2 Biểu đồ mắt (Eye diagram) 42
ii

Chương 4 GHÉP KÊNH TRONG TRUYỀN DẪN SỐ 44
4.1. NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO THỜI GIAN 44
4.2. GHÉP KÊNH ĐỒNG BỘ VÀ CẬN ĐỒNG BỘ 45
4.2.1 Ghép kênh đồng bộ 45
4.2.2 Ghép kênh không đồng bộ 46
4.3. GHÉP KÊNH SƠ CẤP 47
4.3.1 Khái quát 47
4.3.2 Ghép kênh PCM sơ cấp hệ Nhật – Mỹ 48
4.3.3 Ghép kênh PCM sơ cấp hệ Châu Âu 50
4.4. GHÉP KÊNH BẬC CAO CẬN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC HỆ THỐNG PHÂN CẤP SỐ CẬN ĐỒNG
BỘ PDH 51
4.5. HỆ THỐNG PHÂN CẤP SỐ ĐỒNG BỘ SDH 52
4.5.1 Giao diện nút mạng đối với SDH 52
4.5.2 Cấu trúc ghép kênh đối với SDH 55
Chương 5 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ TRÊN KÊNH LIÊN TỤC 56
5.1. MỞ ĐẦU 56

5.1.1 Khái quát chung 56
5.1.2 Mô hình kênh liên tục truyền tín hiệu số 57
5.1.3 Các bài toán tối ưu đối với hệ thống truyền dẫn số 58
5.2. CẤU TRÚC THU TỐI ƯU TÍN HIỆU SỐ. 59
5.2.2 Biểu diễn véc-tơ tín hiệu số 60
5.2.3 Cấu trúc thu tối ưu 61
5.2.4 Máy thu tương quan 63
5.2.5 Máy thu lọc phối hợp 64
5.2.6 Xác suất thu lỗi với máy thu tối ưu 64
5.3. LỰA CHỌN TỐI ƯU TẬP TÍN HIỆU 65
5.3.1 Bài toán tối ưu hoá tập tín hiệu. 65
5.3.2 Lựa chọn tập tín hiệu với công suất hạn chế 66
5.3.3 Điều chế tín hiệu nhiều mức nhằm nâng cao hiệu quả phổ 67
5.3.4 Lựa chọn tối ưu tập tín hiệu 68
5.3.5 Xác suất lỗi bit và xác suất lỗi symbol 70
5.4. TỔNG HỢP CÁC TÍN HIỆU DẠNG SÓNG - MỘT SỐ SƠ ĐỒ ĐIỀU CHẾ NHIỀU MỨC
THƯỜNG GẶP 70
5.4.1 Điều chế tần số FSK 70
iii

5.4.2 Điều chế M-PSK 71
5.4.3 Điều chế biên độ vuông góc M-QAM 72
Chương 6 MÃ HÓA KÊNH 74
6.1. MÃ HÓA KHỐI 74
6.1.1 Giới thiệu 74
6.1.2 Định nghĩa mã khối tuyến tính 74
6.1.3 Ma trận sinh 74
6.1.4 Ma trận kiểm tra 76
6.1.5 Syndrome và phát hiện sai 76
6.1.6 Khoảng cách tối thiểu của mã khối 79

6.1.7 Mối liên hệ giữa n và k trong mã tuyến tính 80
6.1.8 Khả năng phát hiện và sửa sai của mã tuyến tính 82
6.1.9 Dãy tiêu chuẩn và giải mã syndrome 82
6.2. MÃ HÓA XOẮN 85
6.2.1 Giới thiệu 85
6.2.2 Cách tạo mã xoắn 86
6.2.3 Giải mã xoắn 92
Chương 7 ĐỒNG BỘ TRONG TRUYỀN DẪN SÔ 98
7.1. MỞ ĐẦU 98
7.2. CÁC MẠCH VÒNG KHÓA PHA PLL 98
7.3. CÁC PLL SỐ 107
7.3.1 Các phần tử mạch 107
7.3.2 Hoạt động của một DPLL 108
7.3.3 Các đặc trưng chủ yếu 111
7.3.4 Các loại mạch vòng 113
7.3.5 So sánh với PLL tương tự 113
7.3.6 Cải thiện hoạt động DPLL bằng bộ lọc dãy 114
7.4. TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỀ PHA (KHÔI PHỤC SÓNG MANG) 118
7.4.1 Các hệ thống với tín hiệu tham chiếu được truyền 118
7.4.2 Khôi phục sóng mang từ một tín hiệu có sóng mang bị nén 121
7.5. TRUYỀN DẪN THÔNG TIN ĐỊNH THỜI (KHÔI PHỤC XUNG NHỊP) 122
7.5.1 Các phương pháp khôi phục tín hiệu xung nhịp 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO 125
iv


MỤC LỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ
Hình1.1 Sơ đồ khối chức năng của 1 hệ thống thông tin tổng quát 5
Hình1.2 Sơ đối khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số 5
Hình1.3 Kênh có bộ lọc tuyến tính và nhiễu cộng 8

Hình1.4 Kênh có bộ lọc tuyến tính biến thiên theo thời gian và nhiễu cộng 9
Hình2.1 Sơ đồ thực hiện PCM 11
Hình2.2 Lấy mẫu tín hiệu liên tục 12
Hình2.3 Tuyến tính hoá bằng 15 đoạn thẳng 14
Hình2.4 Tuyến tính hoá bằng 13 đoạn thẳng 14
Hình2.5 Tốc độ bit tối đa của tín hiệu PCM 17
Hình2.6 Cấu trúc mã hoá và giải mã DPCM 18
Hình2.7 Cấu trúc mã hoá và giải mã DPCM 19
Hình2.8 Bộ lọc giàn dung làm mạch dự đoán 20
Hình2.9 Điều chế và giải điều chế Delta 20
Hình2.10 Hiện tượng sườn quá tải 21
Hình3.1 Các khối xử lý tín hiệu băng gốc tiêu biểu 23
Hình3.2 Phân loại các mã đường dây 25
Hình3.3 Tín hiệu NRZ 27
Hình3.4 PSD của tín hiệu NRZ 28
Hình3.5 Xác suất lỗi của tín hiệu NRZ 29
Hình3.6 Tín hiệu RZ đơn cực, cực và lưỡng 30
Hình3.7 PSD của tín hiệu RZ 31
Hình3.8 Xác suất lỗi của tín hiệu RZ 32
Hình3.9 Mã Manchester 33
Hình3.10 PSD của tín hiệu Manchester 33
Hình3.11 Mã hóa AMI 34
Hình3.12 PSD của tín hiệu AMI 35
Hình3.13 Xác suất lỗi của tín hiệu AMI 36
Hình3.14 Mã hóa CMI 37
Hình3.15 PSD của tín hiệu CMI 37
Hình3.16 Mã hóa HDB3 39
Hình3.17 Bộ tạo chuỗi PN cấu hình Fibonacci 40
Hình3.18 Nhiễu xuyên symbol ISI 41
Hình3.19 Biểu đồ mắt với tín hiệu và ảnh hưởng của nhiễu 42

Hình4.1 Nguyên lý ghép kênh theo thời gian 45
Hình4.2 Chèn dương 46
Hình4.3 Ghép kênh PCM sơ cấp 48
Hình4.4 Cấu trúc mạng SDH dạng đoạn, tuyến, đường 53
Hình4.5 Cấu trúc khung SDH ứng với STM-n (n=1, 4, 16) 53
Hình4.6 Cấu trúc 1 khung SDH 54
Hình4.7 Nội dung của SOH 54
Hình4.8 Cấu trúc ghép cơ bản trong hệ thống SDH 55
v

Hình5.1 Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống truyền dẫn số 57
Hình5.2 Mô hình kênh liên tục 58
Hình5.3 Sơ đồ khối tối giản hệ thống truyền dẫn số 59
Hình5.4 Dạng véc-tơ của cấu trúc thu tối ưu 63
Hình5.5 Máy thu tương quan 63
Hình5.6 Máy thu lọc phối hợp 64
Hình5.7 Tín hiệu đối cực (M = 2) 66
Hình5.8 Constellation của một số tập tín hiệu tiêu biểu 67
Hình5.9 Sơ đồ điều chế (a) và giải điều chế (b) 4 - FSK 71
Hình5.10 Sơ đồ điều chế (a) và giải điều chế (b) 4 - PSK 72
Hình5.11 Sơ đồ khối bộ điều chế M - QAM 72
Hình5.12 Sơ đồ khối bộ giải điều chế QAM 73
Hình6.1 Mạch mã hoá khối tuyến tính (n, k) 76
Hình6.2 Mạch tạo Syndrome của mã khối tuyến tính 78
Hình6.3 Sơ đồ giải mã tổng quát của bộ giải mã khối tuyến tính 84
Hình6.4 Sự bố trí bộ lập/giải mã xoắn trên một kênh thông tin 85
Hình6.5 Sơ đồ tạo mã xoắn (2, 1, 5) 86
Hình6.6 Đồ hình trạng thái của mã CC (2,1,3). 90
Hình6.7 Đồ hình cây mã của mã xoắn 91
Hình6.8 Đồ hình cây mã của mã CC(1,2,3). 91

Hình6.9 Đồ hình lưới của mã CC (2,2,3) 92
Hình6.10 Đồ hình mã hoá mã CC (2,1,3) 94
Hình6.11 : Đồ hình giả mã sau thời điểm T
3
95
Hình6.12 Đồ hình giả mã sau thời điểm T4 95
Hình6.13 Đồ hình giải mã sau thời điểm T
5
96
Hình6.14 Đồ hình giải mã sau thời điểm T
6
96
Hình6.15 Đồ hình giải mã sau thời điểm T
7
96
Hình6.16 Đồ hình kết quả mã hoá CC(2,1,3) 97
Hình7.1 Truyền dẫn tín hiệu số 98
Hình7.2 Sơ đồ khối một PLL 99
Hình7.3 Sơ đồ tương đương băng gốc của một PLL 100
Hình7.4 Mạch lọc vòng tích phân không lý tưởng 100
Hình7.5 Quỹ đạo hoạt động của PLL bậc 2 trên mặt phẳng pha 103
Hình7.6 Các phương án của một DCO. a) Bộ dao động với bộ chia tần điều kiển được; b) Bộ dao động với
bộ chia tần cố định; c) Bộ chia tần với một mạng chia pha 108
Hình7.7 Cấu trúc của một DPLL 109
Hình7.8 Các đặc tính so pha. a) Không có vùng chết; b) Có vùng chết 110
Hình7.9 Bộ lọc N trước M; a) Trường hợp thường; b) Trường hợp cạnh tranh 116
Hình7.10 ĐỒ hình hoạt động của bộ lọc với N = 3, M = 4 117
Hình7.11 Bộ lọc đi lại ngẫu nhiên 117
Hình7.12 Đồ hình hoạt động của một bộ lọc đi lại ngẫu nhiên với N = 2 117
Hình7.13 a) Đường bao phổ của một hệ thống PSK có sóng mang được ghép thep tần số; b) Bộ giải điều

chế PSK của hệ thống có sóng mang được ghép như mục a) c) Mạch khôi phục sóng mang được ghép thep
vi

thời gian; d) Mạch khôi phục sóng mang được ghép theo tần số; e) Mạch khôi phục sóng mang ghép trục
giao 120
Hình7.14 Mạch khôi phục sóng mang luỹ thừa bốn dùng cho QPSK 122
Hình7.15 Các vòng khôi phục tín hiệu đồng hồ: a) Sử dụng độ phi tuyến chẵn; b) và c) sử dụng các dạng
thuật toán phi tuyến khác. 123
Hình7.16 Mạch khôi phục đồng hồ "cổng sớm muộn" 124


1

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
1.1. KHÁI QUÁT VỀ DỊCH VỤ VIỄN THÔNG, MẠNG VIỄN THÔNG VÀ KÊNH
TRUYỀN THÔNG
1.1.1 Dịch vụ viễn thông
Dịch vụ viễn thông là hình thái trao đổi trao đổi thông tin mà mạng viễn thông cung cấp. Các dịch
vụ viễn thông ngày nay rất phong phú và đa dạng, phục vụ cho nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao
của người sử dụng
Mạng điện thoại là mạng lâu đời nhất và lớn nhất trong các loại mạng viễn thông. Mạng điện
thoại được xây dựng lên trước hết là để cung cấp dịch vụ truyền âm thoại, tuy nhiên ngày nay phạm vi
ứng dụng của mạng điện thoại ngày càng được mở rộng; từ dịch vụ thoại truyền thống cho đến dịch vụ
thoại di động, truyền số liệu, fax,…
Mạng số liệu chuyển mạng công cộng CSPDN (Circuit Switching Public Data Network) ra đời
những năm 1980 tại các quốc gia Scandinavia. Số lượng thuê bao tăng vọt lên vượt trội trong vài năm gần
đây. CSPDN đã lôi cuốn được số lượng khách hàng rất lớn gồm ngân hàng (các dịch vụ tự động trong
ngân hàng), công ty xăng dầu (các trạm xăng), các đại lý du lịch (hệ thống đặt vé),… Đây là mạng hoàn
toàn số, được thiết kế cho mục đích truyền số liệu với bốn tốc độ 600, 2400, 4800 và 9600pbs. CSPDN là

mạng chuyển mạch kênh (circuit – switching), nghĩa là người gửi và người nhận kết nối trực tiếp với nhau
trong suốt thời gian truyền dẫn và phải hoạt động ở cùng tốc độ. Chế độ truyền trong CSPDN là song công
(full duplex), nghĩa là số liệu truyền đồng thời theo cả 2 hướng.
Mạng số liệu chuyển mạch gói PSPDN (Packet Switching Public Data Network) được giới thiệu
rộng rãi trên toàn thế giới từ giữa những năm 1970. Hầu hết các mạng truyền số liệu trên thế giới hiện nay
là mạng chuyển mạch gói như mạng số liệu chuyển mạch gói ở Tây Âu, USA, Canada, Nhật và nhiều
nước khác. Khách hàng là các trường đại học, viện nghiên cứu, các công ty, các nhà kinh doanh. Điểm
hấp dẫn của PSPDN là giúp khách hàng có thể truy cập đến các cơ sở dữ liệu rộng lớn trên toàn thế giới,
trao đổi thông tin giữa các máy tính,… với giá cả dễ chấp nhận. Trong PSPDN, các bản tin được chia ra
thành các gói tin và được gửi đi ngay khi có kết nối rỗi. Các gói từ các thuê bao khác nhau có thể truyền đi
trên cùng một kết nối đơn, theo cách này, một vài cuộc gọi có thể cùng chia sẻ một kết nối ảo (virtual
connection). Để các gói đi đến đúng địch, các gói cần phải mang địa chỉ nhận. Khi đến nơi các gói cần
phải được kết hợp lại thành bản tin gốc bên phát. Vậy điểm khác biệt cơ bản so với mạng chuyển mạch
kênh là ở đây không tồn tại kết nối trực tiếp giữa các thuê bao.
Truyền số liệu trong mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN là dịch vụ số liệu trong PSTN
dùng modem. Với sự trợ giúp của điện thoại, kết nối được thực hiện giống như một cuộc gọi điện thoại
thông thường đến thuê bao yêu cầu. Modem đảm bảo cho các máy tính có thể kết nối với nhau thông qua
đường dây điện thoại hoặc đường thuê riêng (leased line).
Ngoài ra, có thể kể thêm rất nhiều mạng và các dịch vụ viễn thông khác nhau. Ví dụ như, mạng
cảnh báo, mạng băng rộng, mạng cục bộ LAN,… Dịch vụ cảnh báo được khai thác trên mạng điện thoại,
2

khách hàng thuê một đường dây đặc biệt, kết nối đến 1 màn hình giám sát đặt tại cơ quan an ninh để tình
trạng an ninh được giám sát, theo dõi thường xuyên. Mạng băng rộng cung cấp những dịch vụ băng rộng
mà mạng điện thoại không thể đáp ứng được. Nó đòi hỏi môi trường truyền phải là cáp đồng trục (coaxial
cable) hoặc cáp sợi quang (fiber cable0.
1.1.2 Các thành phần chính của mạng viễn thông
Để xây dựng mạng viễn thông phục vụ cho nhu cầu trao đổi thông tin của các đối tượng, ý tưởng
đầu tiên là cần phải cung cấp các kết nối nối tất cả các đối tượng với nhau từng đôi một. Tuy nhiên, khi số
lượng đối tượng tăng lên và phạm vi rộng hơn lên thì cần phải phân chia phạm vi đó ra làm nhiều khu vực

nhỏ hơn. Các đối tượng thuộc khu vực nào sẽ được trung tâm của khu vực đó phục vụ. Sau đó đấu nối tất
cả các trung tâm này lại với nhau. Tất cả các trang thiết bị trong mạng viễn thông có thể chia thành bốn
nhóm chính:
Nhóm 1 là thiết bị đầu cuối (terminal equipment) hay còn gọi là thuê bao (subcriber), là người sử
dụng (end user), có nhiệm vụ đưa tin tức vào mạng và lấy tin tức từ mạng
Nhóm 2 là trung tâm (center) hay còn gọi là tổng đài (exchange), là nút mạng (node), có nhiệm vụ
thu thập tất cả nhu cầu của các đối tượng, xử lý tin tức, chuyển mạch để tổ chức việc trao đổi tin tức giữa
các đối tượng.
Nhóm 3 là mạng truyền dẫn (transmission network) có nhiệm vụ kết nối nhóm 1 và nhóm 2 gọi là
đường dây thuê bao (subcriber line) và kết nối nhóm 2 với nhóm 2 gọi là đường dây trung kế (trunk line).
Nhóm 4 là phần mềm (software) của mạng, có nhiệm vụ phối hợp hoạt động của ba nhóm trên sao
cho có hiệu quả
1.1.3 Kênh thông tin và các đặc tính của kênh
Như đã nêu, kênh thông tin cung cấp kết nối giữa máy thu và máy phát. Kênh vật lý có thể là cáp
xoắn đôi mang tín hiệu điện hoặc cáp quang mang thông tin dưới dạng chùm sáng được điều chế, hoặc
cũng có thể là không gian tự do khi tín hiệu mang thông tin được bức xạ từ anten phát. Các phương tiện
khác cũng có thể được coi là kênh thông tin như thiết bị lưu trữ số liệu như băng từ, đĩa từ hoặc đĩa quang.
Vấn đề chung của các phương tiện khi truyền dẫn tín hiệu là vấn đề nhiễu cộng. Nói chung, nhiễu
cộng được tạo ra từ bên trong bởi các thành phần như điện trở và các thiết bị được sử dụng để thực hiện hệ
thống thông tin. Loại nhiễu (tạp âm) này được gọi là tạp âm nhiệt. Các nguồn khác của tạp âm và nhiễu có
thể là xuất phát từ bên ngoài ảnh hưởng lên hệ thống như nhiều từ những người sử dụng khác cùng chia sẻ
kênh truyền. Khi những tạp âm và nhiễu như vậy chiếm cùng băng tần với tín hiệu mong muốn, ảnh
hưởng của nó có thể được giảm thiểu bằng thiết kế đặc tính của tín hiệu được truyền hoặc thiết kế đặc tính
của bộ giải điều chế tại phía thu. Những loại suy giảm tín hiệu khác có thể gặp khi truyền dẫn tín hiệu trên
kênh là suy giảm tín hiệu, méo pha hoặc méo biên độ, méo do đa đường.
Những ảnh hưởng của tạp âm có thể được giảm thiễu bằng cách tăng công suất của tín hiệu phát.
Tuy nhiên, các trang thiết bị và các thành phần khác trong hệ thống luôn có một giới hạn làm hạn chế
mức công suất tín hiệu được phát. Một giới hạn nữa đó là băng tần kênh sẵn có. Giới hạn băng tần luôn có
nguyên nhân là những giới hạn vật lý của môi trường truyền cũng như các thành phần điện tử được sử
dụng trong máy phát và máy thu. Hai hạn chế này sẽ dẫn đến giới hạn số lượng dữ liệu có thể được truyền

3

một cách tin cậy trên bất kỳ kênh thông tin nào. Dưới đây sẽ mô tả một vài đặc tính quan trọng của một số
kênh truyền thông tiêu biểu
 Dây cáp: Tiêu biểu cho kênh truyền dạng dây cáp đó là cáp xoắn đôi và cáp đồng trục. Cáp
xoắn đôi được dùng trong mạng điện thoại để truyền tín hiệu thoại cũng như tín hiệu số liệu
hoặc tín hiệu hình ảnh từ người sử dụng đến tổng đài. Băng thông của cáp xoắn đôi vào khoảng
vài trăm kHz. Trong khi đó, cáp đồng trục có băng thông khả dụng rộng hơn, khoảng vài MHz.
Tín hiệu truyền qua dây cáp xoắn đôi hoặc cáp đồng trục hoặc các loại kênh truyền định hướng
khác như ống dẫn sóng thường bị méo về pha hoặc biên độ hoặc cả biên độ và pha. Đây là loại
kênh truyền vẫn đang được sử dụng rất nhiều trong truyền thông tin nên nhiều nghiên cứu đã
và đang được tiến hành nhằm thiết kế tối ưu tín hiệu cũng như bộ giải điều chế để có thể loại
bỏ méo pha và biên độ tín hiệu trong quá trình truyền dẫn
 Cáp quang: Với đặc điểm cung cấp một băng thông lớn hơn nhiều lần băng thông của cáp
đồng trục cùng với việc suy hao tín hiệu tương đối thấp, cáp quang đang ngày càng được sử
dụng rộng rãi trong truyền thông đi khắp nơi không chỉ trong phạm vi 1 quốc gia mà còn sử
dụng liên châu lục, xuyên các đại dương lớn. Nhờ băng thông rộng lớn này, cáp quang là giải
pháp hữu ích giúp cho các nhà cung cấp dịch vụ triển khai cung cấp tới các thuê bao nhiều dịch
vụ tiện ích cả về thoại, số liệu cũng như hình ảnh. Bộ phát trong hệ thống thông tin quang đó là
các nguồn sáng như LED hoặc laser. Thông tin được truyền dưới dạng điều chế cường độ sóng
ánh sáng. Ánh sáng được điều chế này sẽ truyền đi dưới dạng sóng ánh sáng và được khuếch
đại tại các trạm lặp để bù lại độ suy hao ánh sáng. Tại phía thu, cường độ ánh sáng sẽ được thu
nhận bởi các photodiode cho ra tín hiệu điện tỉ lệ với công suất của ánh sáng được thu nhận.
 Sóng điện từ trường: Trong các hệ thống thông tin không dây, năng lượng điện từ trường được
bức xạ vào trong môi trường truyền dẫn nhờ anten. Kích thước và cấu hình của anten sẽ phụ
thuộc vào tần số được sử dụng. Để đạt được sự bức xạ hiệu quả sóng điện từ trường, kích
thước của anten phải dài hơn 1/10 bước sóng. Nói chung, toàn bộ dải tần số của sóng điện từ sẽ
được chia thành các dải tần khác nhau và được đặt tên cũng như phương thức truyền sóng điện
từ trên dải đó như truyền sóng trời, truyền sóng đất, truyền sóng theo tầm nhìn thẳng (LOS:
Line of Sight). Đặc điểm của dạng kênh truyền này đó là do sử dụng môi trường tự do để

truyền sóng nên tín hiệu truyền dẫn sẽ chịu ảnh hưởng rất nhiều của nhiễu, tạp âm với rất nhiều
nguồn gây nhiễu. Ngoài việc ảnh hướng của nhiễu, trong mạng truyền thông không dây, các tín
hiệu được truyền còn chịu ảnh hưởng của hiện tượng pha-đinh, hiện tượng đa đường, suy hao
tín hiệu gây ra do mưa, do bầu khí quyển,….Tất cả những ảnh hưởng này đều sẽ được nghiên
cứu, phân tích kỹ lưỡng để từ đó có những giải pháp thiết kế tín hiệu, thiết kế bộ phát, bộ điều
chế, anten tại phía phát cũng như anten thu, bộ giải điều chế, bộ cân bằng kênh để giảm ảnh
hưởng đến chất lượng tín hiệu thu.
1.2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đến nơi khác. Tin tức được
truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới bộ nhận tin (là đích mà tin tức cần được chuyển tới)
dưới dạng các bản tin. Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin nào đó. Các bản tin được
tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc, tương ứng chúng ta có các nguồn tin liên tục hay rời rạc.
Đối với nguồn tin liên tục, tập các bản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc, tập các bản tin
có thể là một tập hữu hạn.
4

Biểu diễn vật lý của một bản tin được gọi là tín hiệu. Có rất nhiều loại tín hiệu khác nhau tùy theo
đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu thí dụ như cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh
sáng… Tùy theo dạng của các tín hiệu được sử dụng để truyền tải tín t ức trong cá hệ thống truyền tin là
tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) và tương ứng sẽ có các hệ thống thông tin analog hay hệ
thống thông tin số
Đặc điểm cẳn bản của 1 tín hiệu tương tự (đại lượng vật lý được sử dụng làm tín hiệu có quy luật
biến thiên tương tự với bản tin như nó đã được sản sinh ra từ nguồn tin) là tín hiệu có thể nhận vô số giá
trị, lấp đầy liên tục 1 dải nào đó. Thêm vào đó, thời gian tồn tại của các tín hiệu tương tự là 1 giá trị không
xác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồn tin sinh ra. Tín hiệu analog có thể là
tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy thèo tín hiệu là một hàm liên tục hay rời rạc của biến thời gian. Tín hiệu
điện thoại của lối ra của micro là một thí dụ tiêu biểu về tín hiệu tương tự liên tục, trong khi đó tín hiệu
điều chế biên xung (PAM: Pulse Amplitude Modulation) của chính tín hiệu lối ra micro nói trên là một tín
hiệu tương tự rời rạc
Trong trường hợp nguồn tin chỉ gồm một số hữu hạn (M) các tin thì các bản tin này có thể đánh số

được và do vậy thay vì truyền đi các bản tin ta chỉ cần chuyển đi các ký hiệu (symbol) là các con số tương
ứng với các bản tin đó. Tín hiệu khi đó chỉ biểu diễn các con số (các ký hiệu) và được gọi là tín hiệu số.
Đặc trưng cơ bản của tín hiệu số là:
i) Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị
ii) Tín hiệu số có thời gian tồn tại xác định, thường là một hằng số ký hiệu là T
s
(viết tắt của
Symbol Time – Interval – Thời gian của một ký hiệu)
Tín hiệu số có thể nhận M giá trị khác nhau. Trong trường hợp M=2, chúng ta có hệ thống thông
tin số nhị phân còn trong trường hợp tổng quát chúng ta có hệ thống M mức
So với các hệ thống thông tin tương tự, các hệ thống thông tin số có một số ưu điểm cơ bản sau:
 Thứ nhất, do có khả năng tái sinh tín hiệu theo ngưỡng qua sau từng cự ly nhất định nên tạp
âm tích lũy có thể loại trừ được, tức là các tín hiệu số khỏe hơn đối với tạp âm so với tín hiệu
analog
 Thứ hai, do sử dụng tín hiệu số, tương thích với các hệ thống điều khiển và xử lý hiện đại, nên
có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì hệ thống một cách tự động cao độ
 Thứ ba, tín hiệu số có thể sử dụng được để truyền đưa khá dễ dàng mọi loại bản tin, rời rạc hay
liên tục, tạo tiền đề cho việc hợp nhất các mạng thông tin truyền đưa các dịch vụ thoại hay số
liệu thành một mạng duy nhất. Nhược điểm căn bản của các hệ thống thông tin số so với các hệ
thống thông tin tương tực trước đây là phổ chiếm của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên tục
tương đối lớn hơn so với phổ của tín hiệu analog. Do các hạn chế về kỹ thuật hiện nay, phổ
chiếm của các tín hiệu số còn tương đối lớn hơn phổ chiếm của tín hiệu analog khi truyền các
bản tin tục, tuy nhiên trong tương lại khi các kỹ thuật số hóa tín hiệu liên tục tiên tiến hơn được
áp dụng thì phổ của tín hiệu số có thể so sánh được với phổ của tín hiệu liên tục.
5

1.3. SƠ ĐỒ KHỐI TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Trước khi đến với sơ đồ khối của hệ thống thông tin số, cùng nhìn lại cấu trúc tiêu biểu của một hệ
thống thông tin tổng quát. Hình 1.1 là sơ đồ khối của một hệ thống thông tin tổng quát. Hệ thống gồm 3
khâu chính: nguồn tin, kênh tin và nhận tin:

Hình1.1 Sơ đồ khối chức năng của 1 hệ thống thông tin tổng quát
 Nguồn tin là nơi sản sinh hay chứa các tin truyền đi. Khi một đường truyền tin được thiết lập
để truyền tin từ nguồn tin đến nơi nhận tin, một dãy các tin của nguồn sẽ được truyền đi với
một phân bố xác xuất nào đó. Dãy này được gọi là một bản tin (message). Vậy có thể định
nghĩa: nguồn tin là tập hợp các tin mà hệ thống thông tin dùng để lập các bản tin khác nhau để
truyền đi. Số lượng các tin trong nguồn có thể hữu hạn hay vô hạn tương ứng với nguồn tin rời
rạc hay liên tục.
 Kênh tin là môi trường truyền lan thông tin. Để có thể truyền lại trong một môi trường vật lý
xác đinh, thông tin phải được chuyển thành dạng tín hiệu thích hợp với môi trường truyền lan.
Vậy kênh tin là nơi hình thành và truyền tín hiệu mang tin đồng thời ở đấy cũng sản sinh ra các
nhiễu (noise) phá hủy thông tin. Trong thực tế, kênh tin có rất nhiều dạng khác nhau, ví dụ dây
song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, cáp sợi quang, vô tuyến,…
 Nhận tin là cơ cấu khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ở đầu ra của kênh tin
Đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin số là: các tín hiệu được truyền đưa và xử lý bởi hệ thống
là các tín hiệu số, nhận các giá trị từ một tập hữu hạn các phần tử, thường được gọi là bảng chữ cái
(alphabet). Các phần tử tín hiệu này có độ dài hữu hạn xác định T
S
là như nhau đối với mọi phần tử tín
hiệu. Trong thực tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần số công tác, dạng
loại môi trường truyền dẫn… Tùy theo loại hệ thống thông tin số thực tế, hàng loạt chức năng xử lý tín
hiệu số khác nhau có thể được sử dụng nhằm thực hiện việc truyền đưa các tín hiệu số một cách có hiệu
quả về phương diện băng tần chieém cũng như công suất tín hiệu. Các chức năng xử lý tín hiệu như thế
được mô tả bởi các khối trong sơ đồ khối của hệ thống. Mỗi một khối mô tả thuật toán xử lý tín hiệu. Sơ
đồ khối tiêu biểu của một hệ thống thông tin số được mô tả trên hình 1.2
Source
Encode
Encryption
Channel

Encode
Multiplex
Digital
Modulation
Multiple
Access
Format
Source
Decode
De-
encryption
Channel
Decode
De-multiplex
Digital
Demodulatio
n
Multiple
Access
De-format
Channel
Interference + Noise

Hình1.2 Sơ đối khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số
Ngu
ồ
n tin

Kênh tin

Nh
ậ
n tin

6

Hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh,…) là tìn hiệu tương
tự.
Khối định dạng làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang dạy từ mã số. Các từ mã này
được biểu diễn bằng các bit, rồi tùy theo ứng dụng cụ thể mà biểu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thức
thích hợp. Việc chuyển đổi tương tự sang số trong hệ thống thông tin số thường được làm theo phương
pháp điều chế mã xung PCM (Pulse Code Modulation).
Khối giải định dạng thực hiện công việc ngược lại, chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự. Việc
số hóa tín hiệu tương tự làm tăng băng thông truyền dẫn của tín hiệu nhưng cho phép bộ thu hoạt động ở
tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn. Đây là một ví dụ về sự mâu thuẫn giữa tài nguyên này so với tài nguyên
khác. Việc chuyển đổi A/D và D/A dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số giúp cho tín hiệu được mã hóa hiệu
quả trước khi truyền đi và giải mã bên thu khi chúng bị ảnh hưởng của nhiễu, méo, giao thoa. Điều này
khiến bộ thu phức tạp hơn nhưng cho phép truyền dẫn chính xác và không có lỗi.
Khối mã hóa nguồn làm nhiệm vụ giảm số bit yêu cầu để truyền bản tin. Việc này có thể xem như
loại bỏ các bit dư không cần thiết, giúp cho băng thông đường truyền được sử dụng hiệu quả hơn.
Khối mật mã hóa làm nhiệm vụ mật mã hóa bản tin gốc nhằm mục đích an ninh. Nó bao gồm cả
sự riêng tư (đảm bảo chỉ người phát có quyền với tin đang truyền mới được nhận nó) và xác thực (đảm
bảo chỉ người thu nào mà người phát yêu cầu thì mới được nhận tin)
Khối mã hóa kênh làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào tín hiệu số theo một quy luật nào đó,
nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa được lỗi xảy ra trên kênh truyền. Việc này chính
là mã hóa điều khiển lỗi, về quan điểm tin tức, là tăng thêm độ dư.
Như vậy có thể nói mã hóa điều khiển lỗi đưa thêm độ dư là mâu thuẫn với mã hóa nguồn loại độ
dư. Cả hai quá trình đều được thực hiện trong cùng hệ thống, tuy nhiên, kiểu dư xuất hiện tự nhiên trong
tin truyền là không cần thiết, không phải là kiểu dư phù hợp cho bên thu có thể phát hiện và sửa lỗi.
Giải mã nguồn, giải mật mã và giải mã kênh được thực hiện ở bộ thu, các quá trình này ngược lại

với các quá trình mã hóa ở bên phát.
Khối ghép kênh giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ một đường truyền vật lý chung
như cáp, đường truyền vô tuyến,… Trong thông tin số, kiểu ghép kênh thường dùng là ghép kênh phân
chia theo thời gian (TDM), sắp xếp các từ mã PCM nhánh vào trong một khung TDM. Tốc độ bit của tín
hiệu ghép kênh sẽ gấp N lần tốc độ bit của tín hiệu PCM nhánh (N là số tín hiệu PCM nhánh ghép vào 1
khung TDM0 và băng thông yêu cầu sẽ tăng lên. Khối tách kênh bên thu phân chia dòng bit thu thành các
tín hiệu PCM nhánh
Khối điều chế giúp cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật lý cụ thể theo
một tốc độ cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu một băng thông tần số cho phép. Khối
điều chế có thể thay đổi dạng xung, dịch chuyển tần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp.
Đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu băng gốc trong khi đầu ra của bộ điều chế là tín hiệu thông dải. Khối
giải điều chế bên thu chuyển dạng sóng thu được ngược lại thành tín hiệu băng gốc
7

Khối đa truy cập liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó, cho phép nhiều cặp thu phát
cùng chia sẻ một phương tiện vật lý chung (như một sợi quang, một bộ phát đáp của vệ tinh,…). Đây là
biện pháp hữu hiệu và hợp lý để chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn. Có
một số kiểu đa truy cập, mỗi kiểu có những ưu điểm và khuyết điểm riêng.
1.4. THAM SỐ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Các tham số chất lượng chủ yếu đối với các hệ thống thông tin số là độ chính xác truyền tin và tốc
độ truyền tin. Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ thống thông tin số cũng là nhanh chóng và chính xác.
Cần nói thêm ở đây rằng, hai yêu cầu này nói chung luôn mâu thuẫn nhau. Về nguyên tắc, muốn truyền tin
thật chính xác thì phải chấp nhận giảm tốc độ truyền và ngược lại, truyền tin càng nhanh thì lỗi truyền tin
xảy ra càng dày hơn.
Đối với thông tin số, tham số độ chính xác truyền tin thường được đánh giá qua tỉ lệ lỗi bit (BER:
Bit – Error Ratio) thường được hiểu là tỉ lệ giữa số bit nhận bị lỗi và tổng số bit đã truyền trong một
khoảng thời gian quan sát nào đó. Khi thời gian quan sát tiến đến vô hạn thì tỉ lệ này tiến tới xác suất lỗi
bit. Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỉ lệ lỗi bit chỉ gần bằng với xác xuất lỗi bit.
Bảng 1.1 đưa ra sự so sánh giữa BER và xác xuất lỗi bit P
E

Trong nhiều trường hợp ứng với các dịch vụ
nhất định, các tham số phái sinh về độ chính xác truyền tin thường được xét đến là các giây bị lỗi trầm
trọng (SES: Severely Errored Seconds), các giây bị lỗi (ES: Errored Seconds), các phút suy giảm chất
lượng (DM: Degraded Minutes)… Trong một số hệ thống thông tin số sử dụng các biện pháp mã hóa hiệu
quả tiếng nói như đối với điện thoại di động chẳng hạn, thì độ chính xác truyền tin cũng còn được thể hiện
qua tham số chất lượng tiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ.
Bảng1.1So sánh sự khác nhau giữa BER và xác xuất lỗi bit P
E
Tỉ lệ lỗi bit BER Xác suất lỗi bit P
E

BER dựa vào việc thực hiện K lần thí nghiệm: mỗi lần
truyền qua kênh N ký hiệu, mỗi lần đếm được N
E
lỗi trong
số N ký hiệu được phát, giá trị của N
E
tại mỗi lần trong số
K lần thực hiện thí nghiệm thường khác nhau (do tính ngẫu
nhiên của kênh gây ra)
Hay nói cách khác, tái tạo lại thí nghiệm ngẫu nhiên bằng
cách phát N ký hiệu qua kênh tạp âm (ngẫu nhiên) K lần,
thường nhận được K kết quả đếm lỗi N
E
khác nhau
Xác suất lỗi bit là dựa vào việc
truyền vô hạn các ký hiệu qua hệ
thống:



= lim
→




Phát hữu hạn các ký hiệu qua hệ thống (N hữu hạn) Phát vô hạn các ký hiệu qua hệ
thống (N∞
Tỉ số lỗi bit BER là một biến ngẫu nhiên (ngẫu nhiên là do
giá trị N
E
tại mỗi lần đếm lỗi khacu nhau
Tỉ số lỗi bit:


=



=




=

ố


ý



ệ



ỗ


ố


ý



ệ


đ
ượ




á




à


ộ



ỉ


ố

Xác suất lỗi bit P
E
là một con số
xác định
BER là một ước tính của xác suất lỗi bit

Khả năng truyền tin nhanh chóng của 1 hệ thống thông tin số thường được đánh giá qua dung
lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin (có đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống
với một độ chính xác đã cho. Nhìn chung, dung lượng của 1 hệ thống tùy thuộc vào băng tần truyền dẫn
của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu,….
8

1.5. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA KÊNH THÔNG TIN
Trong thiết kế hệ thống thông tin nhằm mục đích truyền tải thông tin qua các kênh vật lý, chúng ta
thườn có xu hướng tìm ra những đặc trưng cơ bản của kênh để xây dựng các mô hình toán học cho kênh.
Do đó, mô hình toán học của kênh sẽ được sử dụng để thiết kế bộ mã hóa kênh, bộ điều chế kênh tại phía
phát cũng như bộ giải mã và bộ giải điều chế kênh tại phía thu. Dưới đây sẽ mô tả ngắn gọn một vài mô
hình kênh thường được sử dụng để đặc đính hóa kênh truyền vật lý phổ biến.

Kênh tạp âm cộng (Additive Noise Channel) Đây là mô hình toán học đơn giản nhất cho 1 kênh
thông tin. Trong mô hình này, tín hiệu được truyền s(t) bị ảnh hưởng bởi quá trình nhiễu ngẫu nhiên có
tính cộng n(t). Thực tế, nhiễu cộng có thể xuất phát từ các thành phần điện tử cũng như các bộ khuếch đại
tại khối thu của hệ thống thông tin hoặc từ các nguồn nhiễu trong quá trình truyền dẫn.
Nếu nhiễu từ các thành phần điện tử của khối thu, nó có thể được gọi là tạp âm nhiệt. Loại tạp âm
này có đặc tính thống kê là quá trình Gaussian. Do đó, mô hình toán học nhận được cho loại kênh này
được gọi là kênh nhiễu cộng Gaussian (AGN: Additive Gaussian Noise Channel). Do mô hình kênh này
thường áp dụng cho rất nhiều kênh truyền vật lý nên kênh này thường được sử dụng trong việc phân tích
cũng như thiết kế các hệ thống thông tin. Khi tín hiệu bị suy hao trong quá trình truyền dẫn qua kênh
truyền, tín hiệu nhận được sẽ là:
( ) ( ) ( )
r t s t n t

 
(1-1)
Trong đó  là hệ số suy hao
Kênh bộ lọc tuyến tính (Linear Filter Channel) Một vài kênh vật lý như đường dây điện thoại,
các bộ lọc thường được sử dụng để hạn chế tín hiệu được truyền không vượt quá băng tần cho phép để
không ảnh hưởng đến các thành phần tín hiệu khác. Những kênh truyền như vậy được được mô hình hóa
bởi kênh lọc tuyến tính với nhiễu cộng. Do đó, nếu tín hiệu vào kênh là s(t) thì tín hiệu ra khỏi kênh sẽ là:
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
r t s t c t n t
c s t d n t
  


  
  


(1-2)
Trong đó: c(t) là đáp ứng xung của bộ lọc

Hình1.3 Kênh có bộ lọc tuyến tính và nhiễu cộng
Kênh bộ lọc tuyến tính biến đổi theo thời gian (Linear Time – Variant Filter Channel) Các
kênh vật lý này như kênh vô tuyến gây ra truyền dẫn đa đường biến thiên của tín hiệu được truyền thường
được mô hình hóa là các bộ lọc tuyến tính biến thiên theo thời gian. Những bộ lọc này có đáp ứng xung
9

biến thiên theo thời gian
( , )
c t

; trong đó
( , )
c t

được gọi là đáp ứng của kênh tại thời điểm t do xung tác
động tại thời điểm
t


. Do đó,

được coi là biến khoảng thời gian. Kênh truyền bộ lọc tuyến tính biến
thiên theo thời gian với nhiễu cộng với đáp ừng đầu vào s(t) có đáp ứng đầu ra là:
( ) ( ) ( , ) ( )
( , ) ( ) ( )
r t s t c t n t
c t s t d n t


  


  
  

(1-3)

Hình1.4 Kênh có bộ lọc tuyến tính biến thiên theo thời gian và nhiễu cộng
Mô hình cho truyền dẫn đa đường qua kênh vật lý như kênh vô tuyến của mạng di động tế bào là một
trường hợp đặc biệt của công thức (1-3) với đáp ứng xung của kênh có dạng
1
( ) ( ) ( )
L
k k
k
c t a t
   

  

(1-4)
Với


( )
k
a t
là tập hệ số suy hao có thể có biến thiên theo thời gian cho L tuyến truyền dẫn đa đường và



k

là tập các khoảng trễ thời gian tương ứng. Nếu áp dụng công thức (1-4) vào công thức (1-3) tín hiệu
nhận được sẽ là:
1
( ) ( ) ( ) ( )
L
k k
k
r t a t s n t
 

  

(1-5)
Do đó, tín hiệu nhận được sẽ bao gồm L thành phần đa đường, mỗi thành phần bị suy hao bởi


( )
k
a t
và bị trễ là


k


Ba mô hình toán học mô tả ở trên được đặc tính hóa một cách thích hợp với phần lớn các kênh

truyền vật lý trong thực tế. Do vậy, ba mô hình này sẽ dược sử dụng để phân tích và thiết kế các hệ thống
truyền thông.

10

Chương 2
SỐ HÓA TÍN HIỆU LIÊN TỤC
2.1. KHÁI QUÁT
Hầu hết các tín hiệu cần truyền qua hệ thống thông tin số đều là tín hiệu tương tự. Vì thế, nhiệm vụ
đầu tiên của hệ thống thông tin số đó là số hóa tín hiệu liên tục. Lĩnh vực số hóa tín hiệu liên tục đã được
nghiên cứu mạnh trong vài chục năm trở lại đây. Sự nghiên cứu đó đã tạo ra rất nhiều kiểu biến đổi khác
nhau và trong mỗi kiểu lại có các biến thể. Việc chọn lựa phương pháp nào còn phụ thuộc vào lĩnh vực áp
dụng và chất lượng truyền dẫn mà ta mong muốn đạt được.
Một trong những phương pháp biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu số phổ biến hơn cả là điều
chế mã xung (PCM: Pulse Code Modulation). PCM cho chất lượng đảm bảo với giá thành tương đối. Từ
PCM có những phương pháp biến thể cũng được áp dụng như PCM delta, điều chế xung mã vi sai DPCM
(Differential Pulse Code Modulation), điều chế delta DM (Delta Modulation), DM thích nghi ADM
(Adaptive DM). Các phương pháp sau cho tốc độ tín hiệu số thấp hơn so với PCM, dẫn đến sử dụng băng
thông tiết kiệm hơn.
2.2. ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG – PCM
Dạng tiêu biểu của mã hóa dạng sóng là điều chế mã xung (PCM) thường gặp nhất trong các hệ
thống truyền dẫn tín hiệu số, áp dụng cho cả tín hiệu thoại, nhóm kênh thoại ghép kênh theo tần số, tín
hiệu video
2.2.1 Nguyên tắc
Điều chế xung mã PCM được thực hiện theo một quy trình bốn bước có tính nguyên tắc như sau:
 Lọc nhằm hạn chế phổ tần của tín hiệu liên tục cần truyền: Biến đổi Fourier của các tín hiệu liên
tục thực tế là vô hạn theo biến tần số, chí ít cũng do thời gian tồn tại của chúng hữu hạn. Chính vì
vậy, các tín hiệu liên tục cần truyền nhất thiết phải được lọc nhằm hạn chế tới tần số cực đại W nào
đó nhằm thoả mãn tiền đề về băng tần hạn chế của định lý lấy mẫu.
 Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc được rời rạc hoá nhờ lấy mẫu tín hiệu liên tục bằng chuỗi xung

nhịp có tần số
s
f theo định lý lấy mẫu để có được các tín hiệu điều biên xung (PAM: Pulse
Amplitude Modulation).
 Lượng tử hoá: Số giá trị có thể có của tín hiệu PAM sau lấy mẫu là vô hạn, do vậy số bit cần thiết
để mã các giá trị của các xung PAM là vô hạn và điều này không thể thực hiện được. Để hạn chế
số bit mã cần sử dụng, giá trị của từng xung PAM cần được làm tròn thành một trong các giá trị
mẫu xác định gọi là các mức lượng tử (có số lượng hữu hạn) và quá trình này được gọi là lượng tử
hoá.
 Mã hoá: Các giá trị mức lượng tử ứng với các xung PAM được mã hóa bằng các tổ hợp mã nhị
phân để truyền đi trên hệ thống truyền dẫn số.
Sơ đồ mô tả các công đoạn điều chế mã xung được thể hiện trên hình 2.1


11






Hình2.1 Sơ đồ thực hiện PCM
Quá trình khôi phục ở phần thu được thực hiện như sau: Giải mã để được chuỗi xung PAM lượng
tử hoá rồi cho qua lọc thông thấp có tần số cắt bằng một nửa tần số lấy mẫu.
Như đã nói ở trên, thực tế các tín hiệu lối vào điều chế mã xung là các tín hiệu có phổ trải rộng vô
hạn. Sau lọc hạn chế phổ tần tín hiệu, tín hiệu có phổ hạn chế và do vậy có thời gian tồn tại trải rộng tới vô
hạn, nghĩa là về lý thuyết việc lấy mẫu phải được thực hiện với vô hạn mẫu theo (2.1). Từ đó chúng ta có
thể thấy rằng tín hiệu liên tục khôi phục lại được ở phần thu, ngay cả trong trường hợp không tính đến
méo và tạp nhiễu trên đường truyền, cũng chỉ là một phiên bản gần đúng của tín hiệu liên tục cần truyền đi
ở phía phát mà thôi. Sai số giữa các tín hiệu phiên bản và nguyên bản gây bởi các nguyên nhân sau: a)

Việc lấy mẫu không thể tiến hành trong thời gian dài vô hạn được; b) Sai số do làm tròn ( lượng tử hoá),
gọi là sai số lượng tử; c) Các đặc tính lọc không hoàn toàn lý tưởng; d) Phiên bản là một tín hiệu có phổ
hạn chế, không như tín hiệu nguyên bản. Ngoài ra, các sai lệch quá đáng về đồng bộ cũng có thể dẫn đến
sắp xếp sai các tổ hợp mã thu được và điều này dẫn đến các sai lạc vô cùng trầm trọng. Các chi tiết về các
công đoạn trong quy trình PCM và các biện pháp khắc phục sai số sẽ được trình bày dưới đây, xét làm ví
dụ với quá trình số hoá tín hiệu điện thoại.
2.2.2 Lọc hạn băng
Phổ của tín hiệu điện thoại tập trung trong giải từ 0,3 đến 3,4 kHz. Việc cắt bỏ các tần số ngoài
giải nói trên không gây ra những méo thụ cảm được quá lớn, tức là không gây nên những trở ngại đặc biệt
đối với quá trình thông thoại. Để hạn chế phổ tín hiệu có thể tiến hành loại bỏ các thành phần tần số lớn
hơn 3,4 kHz trong tín hiệu điện thoại bằng mạch lọc thông thấp, tức là có thể chọn tần số cực đại W của
tín hiệu thoại là 3,4 kHz. Trong trường hợp này, sai số do hạn chế băng gây ra chủ yếu là bởi không thể
chế tạo được mạch lọc thông thấp lý tưởng mà chỉ có thể chế tạo được các mạch lọc với đặc tính lọc
không dốc đứng tại tần số cắt. Để không gây ra những méo có thể thụ cảm rõ rệt được, tần số cắt của
mạch lọc hạn băng phải chọn cao hơn 3,4 kHz. Các mạch lọc tiêu chuẩn trong thực tế (có đặc tính thoả
mãn các khuyến nghị của CCITT cho các mạch thoại) có tần số cắt rất sát với 4 kHz.
2.2.3 Lấy mẫu
Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thoại liên tục với một chuỗi xung nhịp có
tần số Wf
s
2 . Việc chọn tần số nhịp lớn hơn hai lần W sẽ làm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số,
do vậy tần số nhịp phải chọn nhỏ nhất mà không gây méo tín hiệu. Sai số lấy mẫu gây bởi việc không thể
lấy mẫu trọn một thời gian dài vô hạn thường không đáng kể và có thể bù đắp bằng việc chọn
s
f lớn hơn
2W một chút. Kết hợp với thực tế phát sinh do lọc hạn băng như đã nói trên đây, tần số lấy mẫu tiêu chuẩn
cho tín hiệu thoại được chọn là 8 kHz. Quá trình lấy mẫu tín hiệu điện thoại được mô tả trên hình 2.2
L
ấ
y m

ẫ
u

Lư
ợ
ng t
ử

Mã hoá

L
ọ
c

Tín hiệu
liên tục

f
S

Tín hiệu có
băng hạn chế

Các xung
PAM

Các xung PAM
lượng tử hoá

Tín hiệu

PCM

12


Hình2.2 Lấy mẫu tín hiệu liên tục
2.2.4 Lượng tử hóa
Lượng tử hoá được thực hiện đơn giản nhất bằng cách chia giải động tín hiệu


aa  ,
thành Q
mức cách đều nhau, được gọi là lượng tử hoá đều. Khoảng cách giữa các mức lượng tử Qa /2


. Các
giá trị của các mẫu tín hiệu (các xung PAM) được làm tròn thành các giá trị mức lượng tử gần nhất. Sai
số lượng tử của các giá trị mẫu là một biến ngẫu nhiên
q
e , nhận các giá trị trong khoảng


QaQa /,/ 
,
có thể xem như một lượng tạp âm gọi là tạp âm lượng tử và có thể đánh giá được thông qua công suất tạp
âm lượng tử:
 
q
Qa
Qa

qqqeq
deepdfeeP




/
/
22
. (2-1)
Trong đó


.pdf
là mật độ xác suất (probality density function).
Do không biết được phân bố thực sự của biên độ tín hiệu điện thoại trong khoảng giữa hai mức
lượng tử sát nhau, người ta buộc phải gia thiết rằng tín hiệu điện thoại nhận các giá trị biên độ trong
khoảng giữa hai mức lượng tử sát nhau với xác suất như nhau. Do đó tạp âm lượng tử được xem là biến
ngẫu nhiên phân bố đều, tức là


aQepdf
q
2/ .
Thay vào (2-1), chúng ta được
12/3/
222
 QaP
eq
(2-2)

Từ (2-2) chúng ta có thể thấy khi tăng số mức lượng tửQ thì công suất tạp âm lượng tử giảm. Chẳng
hạn, khi tăng số mức lượng tử lên hai lần, công suất tạp âm lượng tử giảm 4 lần, tức vào khoảng 6 dB.
Tuy nhiên, việc tăng quá mức số mức lượng tử dẫn đến hai hệ quả: a) Số mức lượng tử lớn dẫn đến số bit
dùng để mã các mức lượng tử tăng (cứ tăng số mức lượng tử lên hai lần thì phải thêm một bit trong tổ hợp
mã) làm tăng tốc độ bit và do vậy tăng phổ chiếm của tín hiệu số; b) Với cùng một giải động tín hiệu việc
tăng quá mức số mức lượng tử sẽ có thể dẫn đến mức lượng tử khôi phục lại ở phần thu bị nhân nhầm
dưới tác động của tạp âm nhiệt trong các mạch điện tử. Thêm vào đó, nếu lượng tử hoá đều thì việc chia
các mức với số mức tối thiểu (nhằm giảm số bit mã cần dùng) xác định theo độ chính xác đã cho đối với
các mức cao của tín hiệu lại dẫn đến sai số phạm phải lại lớn đối với các mức thấp. Điều này dẫn tới sai số
t
c¸c xung PAM
M¹ch
nh©n
tÝn hiÖu
PAM
s(t)
t
t
xung
nhÞp
tÝn hiÖu xung nhÞp
tÝn hiÖu liªn tôc s(t)
13

tổng cộng lớn do trong thực tế các mức tín hiệu thấp của tín hiệu thoại thường xảy ra nhiều hơn so với các
mức cao. Các mâu thuẫn nói trên trong thực tế được khắc phục nhờ áp dụng lượng tử hoá không đều,
trong đó khoảng cách giữa các mức lượng tử được chọn lớn với các mức tín hiệu lớn còn với các mức tín
hiệu nhỏ thì khoảng cách giữa các mức lượng tử chọn nhỏ. giải pháp này là khá tự nhiên do đối với mức
tín hiệu lớn thì tỷ số tín hiệu trên sai số (tín/tạp âm lượng tử) vẫn khá nhỏ dù sai số lượng tử tuyệt đối có
lớn. việc chia các mức lượng tử không đều như thế tuy vậy lại khá khó thực hiện trong thực tế và một giải

pháp tương đương thường được áp dụng là thực hiện lượng tử hóa đều các tín hiệu được nén. luật nén
được áp dụng trong điều chế mã xung tín hiệu điện thoại là luật logarit, trong đó tín hiệu lối ra y của mạch
nén biến thiên theo luật logarit của tín hiệu lối vào x. ở phần thu, tín hiệu được giãn trở lại. việc duy trì
nén-giãn chính xác là một yêu cầu rất ngặt nghèo nhằm tránh các méo tín hiệu mang vào do quá trình nén-
giãn.
Các luật nén logarit được áp dụng trong hệ Châu Âu và hệ Mỹ khá khác nhau, điều này là do lịch sử
quá trình phát triển viễn thông trước đây trên các khu vực khác nhau để lại. luật nén được áp dụng là luật

đối với hệ Mỹ, trong khi đó hệ Châu Âu sử dụng luật nén A. biểu thức giải tích xác định các luật nén

và A là:
Luật nén

(Hệ Mỹ):
 


 
11,
1ln
1ln



 x
x
xsigny


(2-3)

Luật nén A (Hệ Châu Âu):
 
 













1/1,
ln1
ln1
/10,
ln1
xA
A
xA
xsign
Ax
A
xA
xsign
y

(2-4)
Trong các biểu thức (2-3) và (2-4), x và y lần lượt là các giá trị của tín hiệu lối vào và lối ra bộ nén
được chuẩn hoá theo giá trị cực đại của chúng. Theo khuyến nghị G.711 của CCITT, các giá trị của các
tham số được chọn là: A=87,6 và 255


. Đối với hệ Mỹ, 100


cũng được sử dụng trong một số hệ
thống, tuy nhiên đó không phải là giá trị mà CCITT chọn làm giá trị tiêu chuẩn.
Để phối hợp chặt chẽ nén và giãn, các bộ nén-giãn số được áp dụng cả trong hệ Mỹ lẫn hệ Châu Âu
dựa trên việc xấp xỉ các đường cong (2-3) bằng 15 đoạn thẳng (7 đoạn dương, 7 đoạn âm, một đoạn qua
gốc) và (2-4) bằng 13 đoạn thẳng (6 đoạn dương, 6 đoạn âm và một đoạn qua gốc được chia thành 4 phân
đoạn). các hình 1.3 và 1.4 mô tả việc tuyến tính hoá đó (chỉ vẽ với phần tín hiệu vào dương cho đơn giản).
phần tín hiệu âm đối xứng với phần dương qua gốc toạ độ do các biểu thức (2-3) và (2-4) là các hàm lẻ.
trục hoành của các đồ thị là giá trị chuẩn hoá của biên độ lối vào x.
14


Hình2.3 Tuyến tính hoá bằng 15 đoạn thẳng

Hình2.4 Tuyến tính hoá bằng 13 đoạn thẳng
2.2.5 Mã hóa
Trong hầu hết các trường hợp, tuyến truyền PCM là một bộ phận của một kết nối quốc tế. yêu cầu
đặt ra là việc xen một tuyến truyền dẫn số như vậy vào kết nối quốc tế dài nhất không được dẫn đến suy
giảm chất lượng so với tuyến truyền dẫn thuần tuý analog. Các yêu cầu về tạp âm đối với một kết nối
đường dài quốc tế được xác định theo các quan hệ áp dụng đối với mạng tham chiếu qui định trong
x
1

y
15
14
13
12
11
10
9
8
0
1/8 1/4 1/2 3/4
1
1/8
1/4
3/8
1/2
5/8
6/8
7/8
7/8
6/8
5/8
1/2
3/8
1/4
1/8
13/41/21/41/80
7
8
9

10
11
12
13
y
1
x
15

khuyến nghị G.103 của CCITT. để thoả mãn các yêu cầu đó, tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử của một
chặng đơn có mã và giải mã PCM cần phải không nhỏ hơn 22 dB, tính tại giải mức tiếng nói trung bình tại
đầu vào bộ mã không nhỏ hơn 22dB, tính tại giải mức tiếng nói trung bình tại đầu vào bộ mã hóa (-5 đến -
25 dBm). ở các mức tiếng nói thấp hơn, yêu cầu về tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử đó sẽ nhỏ hơn
nhiều. đối với mạng tham chiếu trong khuyến nghị G.103, số đoạn mã và giải mã PCM mắc nối tiếp
không vượt quá 14. nghĩa là đòi hỏi về tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử của mỗi đoạn thành phần còn
cao hơn, thêm 10lg14 dB nữa, tức là với mỗi đoạn tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử phải

33.46 dB. yêu
cầu này vừa đúng đạt được bằng việc sử dụng bộ mã hóa với các từ mã 7 bit. Khi tính đến cả tham số suy
giảm chất lượng khác của PCM, bộ mã hóa 8 bit thường áp dụng nhất.
Biên độ tín hiệu lối ra bộ nén được lượng tử hoá đều thành 16 mức với mỗi đoạn hay phân đoạn.
việc mã hóa các mức lượng tử đều (sau nén) để tạo thành tín hiệu PCM được thực hiện bằng các tổ hợp 8
bit đối với cả hệ Mỹ lẫn Châu Âu và cùng có dạng PXYZABCD. Bit P chỉ thị cực tính giá trị của mẫu tín
hiệu: P=1 với tín hiệu dương và P=0 với tín hiệu âm. Ba bit XYZ dùng để mã các đoạn thẳng (hoặc phân
đoạn) làm gần đúng tuyến tính các luật nén (µ hay A), bốn bit ABCD dùng để mã 16 mức lượng tử đều
trong từng đoạn.
Do được tuyến tính hoá theo số đoạn khác nhau, cách nhận được các mã tám bit đối với hệ Mỹ và
hệ Châu Âu cũng khác nhau. đối với hệ Châu Âu trước tiên việc mã 12 bit được thực hiện, chia giải biên
độ tín hiệu và một cách tuyến tính thành 4096 bước. các mạch logic sau đó được sử dụng để tạo ra các từ
mã 8 bit theo quy tắc mã được mô tả trong bảng 2.1. trong khi đó trước tiên việc mã 13 bit được thực hiện

đối với hệ Mỹ, chia tuyến tính giải biên độ tín hiệu vào thành 8192 bước, sau đó mã thành các từ mã 8 bit
theo quy tắc mô tả trong bảng 2.2.

Bảng2.1 Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật A bằng 13 đoạn thẳng (G.711) và mã
Đoạn thứ Giới hạn dưới
của đoạn (tính
theo bước biên
độ vào)
Giới hạn trên
của đoạn (tính
theo bước biên
độ vào)
Từ mã PXYZABCD Độ lớn của mỗi bước
lượng tử đều (tính
theo bước biên độ lối
vào)
1
2
3
4
5
6

7


8
9
10
11

12
13
2048
1024
512
256
128
64
32
0
-32
-64
-128
-256
-512
-1024
-2048
-4096
4096
2048
1024
512
256
128
64
32
0
-32
-64
-128

-256
-512
-1024
-2048
1111ABCD
1110 ABCD
1101 ABCD
1100 ABCD
1011 ABCD
1010 ABCD
1001 ABCD
1000 ABCD
0000 ABCD
0001 ABCD
0010 ABCD
0011 ABCD
0100 ABCD
0101 ABCD
0110 ABCD
0111 ABCD
128
64
32
16
8
4
2
2
2
2

4
8
16
32
64
128