slide hương 1 những khái niệm cơ bản bùi văn thành

LÝ THUYẾT THÔNG TIN
Bùi Văn Thành

Tháng 7 năm 2013
1
Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin
KHOA MẠNG & TRUYỀN THÔNG
Thông tin chung v mô n h cề ọ

Tên môn học: LÝ THUYẾT THÔNG TIN
(Fundamental of information theory)

Số đvht: 4 đvht

Loại môn học: bắt buộc

Các môn học tiên quyết: Lý thuyết xác suất, Kỹ thuật
số, Kỹ thuật truyền số liệu, Hệ điều hành, Mạng máy
tính.

Phân bổ giờ: Lý thuyết + bài tập:

45 tiết (Hệ Chính quy)

24 tiết (Hệ TXQM)
2
M c tiêu c a môn h cụ ủ ọ

Hiểu các khái niệm về về thông tin, Entropy, Entropy có điều
kiện, Độ đo lượng tin. Vận dụng giải quyết các bài toán về xác
định lượng tin.


Biết khái niệm về mã tách được, mã không tách được, mã hóa
tối ưu Huffman. Hiểu định lý mã hóa Shannon (1948). Vận dụng
lý thuyết mã hóa để hiểu thiết bị mã hóa và giải mã.

Từ đây, các sinh viên có thể tự nghiên cứu các mã khác để vận
dụng cho việc mã hóa và bảo mật thông tin một cách hiệu quả.

Lý thuyết thông tin cũng là một trong các môn học khó vì nó đòi
hỏi người học phải có kiến thức cơ bản về toán và xác suất thống
kê. Do đó, đòi hỏi người học phải tham gia lớp học đầy đủ và
làm các bài tập theo yêu cầu của môn học thì mới tiếp thu kiến
thức môn học một cách hiệu quả.
3
N I DUNG M N H CỘ Ô Ọ

Chương 1: Những khái niệm cơ bản

Chương 2: Tín hiệu

Chương 3: Lượng tin, Entropi nguồn rời rạc

Chương 4: Lý thuyết mã – Mã hóa nguồn

Chương 5: Mã hóa kênh truyền

Chương 6: Mã vòng
4
T I LI U THAM KH OÀ Ệ Ả


[1] Adamek, J.Foundations of Coding: Theory and
Application of Error–Correcting Codes with an
Introduction to Cryptography and Information
Theory, John Wiley and Sons, New York 1991.

[2] Nguyễn Bình, Lý thuyết thông tin, NXB Bưu
điện , năm 2007.

[3] Nguyễn Thúy Vân, Lý thuyết mã, NXB KHKT,
năm 2006.
5
T I LI U THAM KH OÀ Ệ Ả

[4] Vũ Ngọc Phàn, Lý thuyết thông tin và mã hóa,
NXB Bưu điện, năm 2006.

[5] Đặng Văn Chuyết, Cơ sở lý thuyết tryền tin,
NXB Giáo dục, năm 2001.

[6] Trần Trung Dũng, Lý thyết truyền tin, NXB KH
& KT, năm 2007.
6
Chương 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Giới thiệu về Lý thuyết thông tin
(Information theory)

Thông tin?
◦

Hai người nói chuyện với nhau. Cái mà trao đổi giữa
họ gọi là thông tin.
◦
Một người đang xem tivi/nghe đài/đọc báo, người đó
đang nhận thông tin từ đài phát/báo.
◦
Các máy tính nối mạng và trao đổi dữ liệu với nhau.
◦
Máy tính nạp chương trình, dữ liệu từ đĩa cứng vào
RAM để thực thi.
7
Thông tin

Nhận xét
◦
Thông tin là cái được truyền từ đối tượng này đến đối tượng khác để báo
một “điều” gì đó.
◦
Thông tin chỉ có ý nghĩa khi “điều” đó bên nhận chưa biết.
◦
Thông tin xuất hiện dưới nhiều dạng âm thanh, hình ảnh, …
◦
Ngữ nghĩa của thông tin chỉ có thể hiểu được khi bên nhận hiểu được cách
biểu diễn ngữ nghĩa của bên phát.
◦
Có hai trạng thái của thông tin: truyền và lưu trữ. Môi trường truyền/lưu
trữ được gọi chung là môi trường chứa tin hay kênh tin.
8
CÁC Loại thông tin


Thông tin có th thu c nhi u lo i nh :ể ộ ề ạ ư
1. Một dãy kí tự như trong điện tín (telegraph) của các hệ
thống gởi điện tín (teletype system);
2. Một hàm theo chỉ một biến thời gian f(t) như trong radio
và điện thoại;
3. Một hàm của thời gian và các biến khác như trong tivi
trắng đen – ở đây thông tin có thể được nghĩ như là một
hàm f(x, y, t) của toạ độ hai chiều và thời gian biểu diễn
cường độ ánh sáng tại điểm (x, y) trên màn hình và thời
gian t;
4. Một vài hàm của một vài biến như trong trường hợp tivi
màu – ở đây thông tin bao gồm ba hàm f(x, y, t), g(x, y, t),
h(x, y, t) biểu diễn cường độ ánh sáng của các ba thành
phần màu cơ bản (xanh lá cây, đỏ, xanh dương).
9
Lịch sử hình thành

Cuộc cách mạng lớn nhất về cách nhìn thế giới khoa học là
chuyển hướng từ thuyết quyết định Laplacian đến bức tranh
xác suất của tự nhiên.

Thế giới chúng ta đang sống trong đó chủ yếu là xác suất.
Kiến thức của chúng ta cũng là một dạng xác suất.

LTTT nổi lên sau khi cơ học thống kê và lượng tử đã phát
triển, và nó chia xẻ với vật lý thống kê các khái niệm cơ bản
về entropy.

Theo lịch sử, các khái niệm cơ bản của LTTT như entropy,
thông tin tương hỗ được hình thành từ việc nghiên cứu các hệ

thống mật mã hơn là từ việc nghiên cứu các kênh truyền
thông.

Về mặt toán học, LTTT là một nhánh của lý thuyết xác suất và
các quá trình ngẫu nhiên (stochastical process).
Lịch sử hình thành (tt)

Quan trọng và có ý nghĩa nhất là quan hệ liên kết
giữa LTTT và vật lý thống kê.

Trong một thời gian dài trước khi LTTT được hình
thành, L. Boltzman và sau đó là L.Szilard đã đánh
đồng ý nghĩa của thông tin với khái niệm nhiệt
động học của entropy. Một mặt khác, D. Gabor chỉ
ra rằng “lý thuyết truyền thông phải được xem như
một nhánh của vật lý”.

C. E. Shannon là cha đẻ của LTTT.
Vai trò cỦa lý thuyẾt thông tin

Thông tin là một nhu cầu cơ bản, một điều kiện
cần cho sự tồn tại và phát triển.

Trong khoa học kỹ thuật, LTTT nghiên cứu nhằm tạo ra
một “cơ sở hạ tầng” tốt cho việc truyền thông tin chính
xác, nhanh chóng và an toàn; lưu trữ thông tin một cách
hiệu quả.

Ở các góc độ nghiên cứu khác, LTTT nghiên cứu các
vấn đề về cách tổ chức, biểu diễn, truyền đạt thông tin,

và tổng quát là các vấn đề về xử lý thông tin.
12
Ứng dỤng cỦa lý thuyẾt thông tin

LTTT ứng dụng trong truyền thông và xử lý thông tin:
truyền thông, nén, bảo mật, lưu trữ,

LTTT đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác: vật
lý, ngôn ngữ học, Kinh tế, khoa học máy tính, tâm lý
học, hóa học,…

Mối quan hệ giữa LTTT và thống kê đã được tìm thấy,
các phương pháp mới về phân tích thống kê dựa trên
LTTT đã được đề nghị.

Ứng dụng vào quản lý kinh tế. Ví dụ, lý thuyết đầu tư
tối ưu xuất hiện đồng thời với lý thuyết mã hóa nguồn
tối ưu.

Ứng dụng vào ngôn ngữ học.
13
CÁC lĩnh vực nghiên cứu cơ bản

Ba lĩnh vực nghiên cứu cơ bản của môn học:

Mã hoá chống nhiễu.

Mã hoá tối ưu (hay nén dữ liệu).

Mật mã hoá.

14
CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LTTT
1. Bản chất thông tin.
2. Bản chất của quá trình truyền tin theo quan
điểm toán học.
3. Cấu trúc vật lý của môi trường truyền tin.
4. Các vấn đề liên quan đến tính chất bảo mật, tối
ưu hóa quá trình.
5. Các vấn đề đó thường được gọi là các lý thuyết
thông tin, lý thuyết năng lượng.
15
CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LTTT

Lý thuyết về năng lượng:

Giải quyết vấn đề xây dựng mạch, tín hiệu.

Tuy nhiên chưa giải quyết được vấn đề: tốc độ,
hiện tượng nhiễu, mối liên hệ giữa các dạng năng
lượng khác nhau của thông tin… .
=> Lý thuyết thông tin nhằm giải quyết vấn đề:

Rời rạc hóa nguồn, mô hình phân phối xác suất của
nguồn và đích, các vấn đề về mã hóa và giải mã,
khả năng chống nhiễu của hệ thống
16
CÁC ĐỊNH NGHĨA

Thông tin: là tập hợp các tri thức mà con người
thu được qua các con đường tiếp nhận khác nhau.


Thông tin được mang dưới dạng năng lượng khác
nhau gọi là vật mang: điện, điện từ, sóng âm,
sóng ánh sáng….

Vật mang có chứa thông tin gọi là tín hiệu.

Tin là dạng vật chất cụ thể biểu diễn hoặc thể
hiện thông tin: bản nhạc, bảng số liệu, bài nói…
17
1.2 hỆ thỐng truyỀn tin

1.2.1 Phân loại hệ thống truyền tin

Theo quan điểm năng lượng :

Năng lượng một chiều (điện tín)

Vô tuyến điện (sóng điện từ)

Quang năng (cáp quang)

Sóng siêu âm (la-de)
18
1.2.1 Phân loẠi hỆ thỐng truyỀn tin

Theo biểu hiện bên ngoài:

Hệ thống truyền số liệu


Hệ thống truyền hình phát thanh

Hệ thống thông tin thoại

Theo dạng tín hiệu:

Hệ thống truyền tin rời rạc

Hệ thống truyền tin liên tục
19
TruyỀn tin (transmission)

Định nghĩa: Là quá trình dịch chuyển thông tin từ
điểm này sang điểm khác trong một môi trường xác
định.

Hai điểm này sẽ được gọi là điểm nguồn tin (information
source) và điểm nhận tin (information destination).

Môi trường truyền tin còn được gọi là kênh tin (chanel).
20
Sơ đỒ khỐi chỨc năng
cỦa hỆ thỐng truyỀn tin
Nguồn phát
Kênh truyền Nguồn nhận
Nhiễu
21
22
23
24

nguỒn tin

là nơi sản sinh ra hay chứa các tin,

là tập hợp các tin mà hệ thống truyền tin dùng để lập
các bảng tin hay thông báo (message) khác nhau để
truyền tin.

Bảng tin chính là dãy tin được bên phát truyền đi.
25