Bài giảng thông tin số

Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Bài 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Nội dung:
1. Quá trình phát triển
2. Hệ thống thông tin số
3. Tín hiệu và phân tích tín hiệu
4. Tín hiệu ngẫu nhiên
Nội dung:
1. Quá trình phát triển
2. Hệ thống thông tin số
3. Tín hiệu và phân tích tín hiệu
4. Tín hiệu ngẫu nhiên
1
1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN
Sơ lược quá trình phát triển các hệ thống thông tin số:
- Năm 1837: Samuel Morse (1791-1872, American): phát triển hệ thống điện báo
Hệ thống này sử dụng các chấm (dot) và gạch (dash) để biểu diển các ký tự. Đây
được xem là hệ thống liên lạc số ra đời sớm nhất.
- Năm 1875: Emile Baudot (1845 -1903, French): đưa ra hệ thống mã mới, mã
Baudot, sử dụng các từ mã có chiều dài bằng 5 để mã hóa các ký tự.
- Năm 1940 -> nay: Nền tảng bắt đầu hệ thống thông tin số hiện đại khi Nyquist
xác định tốc độ tín hiệu tối đa khi truyền qua kênh truyền. Sau đó, Nyquist &
Hartley đưa ra kết luận: tồn tại tốc độ dữ liệu tối đa để truyền thông qua kênh có
độ tin cậy xác định. Shannon đưa ra những giới hạn cơ bản của hệ thống và
công thức về dung lượng kênh truyền. Shannon & Hamming xây dựng các mã
phát hiện lỗi và sửa lỗi -> kích thích việc nghiên cứu và có rất nhiều phương
pháp mã hóa ra đời, ……
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông

Thông Tin Số
Sơ lược quá trình phát triển các hệ thống thông tin số:
- Năm 1837: Samuel Morse (1791-1872, American): phát triển hệ thống điện báo
Hệ thống này sử dụng các chấm (dot) và gạch (dash) để biểu diển các ký tự. Đây
được xem là hệ thống liên lạc số ra đời sớm nhất.
- Năm 1875: Emile Baudot (1845 -1903, French): đưa ra hệ thống mã mới, mã
Baudot, sử dụng các từ mã có chiều dài bằng 5 để mã hóa các ký tự.
- Năm 1940 -> nay: Nền tảng bắt đầu hệ thống thông tin số hiện đại khi Nyquist
xác định tốc độ tín hiệu tối đa khi truyền qua kênh truyền. Sau đó, Nyquist &
Hartley đưa ra kết luận: tồn tại tốc độ dữ liệu tối đa để truyền thông qua kênh có
độ tin cậy xác định. Shannon đưa ra những giới hạn cơ bản của hệ thống và
công thức về dung lượng kênh truyền. Shannon & Hamming xây dựng các mã
phát hiện lỗi và sửa lỗi -> kích thích việc nghiên cứu và có rất nhiều phương
pháp mã hóa ra đời, ……
2
2. HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
3
Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin số:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
2. HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
4
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Định nghĩa tín hiệu:
Tín hiệu là một biểu diễn vật lý của thông tin, biến thiên

theo thời gian, không gian hay các biến độc lập khác.
Ví dụ:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
5
2
( ) 10
( , ) 3 2 5
s t t
s x y x xy y

  
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Phân loại tín hiệu:
- Tín hiệu đa kênh: được tạo từ nhiều nguồn tin khác nhau
- Tín hiệu một chiều: tín hiệu là hàm theo một biến đơn
- Tín hiệu M chiều: tín hiệu là hàm theo M biến
- Tín hiệu thực hay phức
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Phân loại tín hiệu:
- Tín hiệu đa kênh: được tạo từ nhiều nguồn tin khác nhau
- Tín hiệu một chiều: tín hiệu là hàm theo một biến đơn
- Tín hiệu M chiều: tín hiệu là hàm theo M biến
- Tín hiệu thực hay phức
6
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên

Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Tín hiệu xác định
- Biết rõ sự biến thiên của tín
hiệu theo thời gian
- Biết rõ giá trị của tín hiệu tại
tất cả các thời điểm
- Mô hình toán học: biểu diễn
bằng hàm theo biến t hoặc đồ
thị
Tín hiệu ngẫu nhiên
- Không biết chắc chắn về sự
biến thiên của tín hiệu
- Không biết chắc giá trị của tín
hiệu trước khi nó xuất hiện
- Mô hình toán học: biểu diễn
bằng xác suất hoặc các trị trung
bình thống kê
7
Tín hiệu xác định
- Biết rõ sự biến thiên của tín
hiệu theo thời gian
- Biết rõ giá trị của tín hiệu tại
tất cả các thời điểm
- Mô hình toán học: biểu diễn
bằng hàm theo biến t hoặc đồ
thị
Tín hiệu ngẫu nhiên
- Không biết chắc chắn về sự
biến thiên của tín hiệu

- Không biết chắc giá trị của tín
hiệu trước khi nó xuất hiện
- Mô hình toán học: biểu diễn
bằng xác suất hoặc các trị trung
bình thống kê
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
• Tín hiệu tuần hoàn:
- Lặp lại theo một chu kỳ nào đó
• Tín hiệu không tuần hoàn:
- Không có sự lặp lại
0
s(t) = s(t + T ) for - < t < 
8
• Tín hiệu tuần hoàn:
- Lặp lại theo một chu kỳ nào đó
• Tín hiệu không tuần hoàn:
- Không có sự lặp lại
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Tín hiệu vật lý và tín hiệu toán học:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
9
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Tín hiệu liên tục, rời rạc, lượng tử và số
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông

Thông Tin Số
10
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Các đại lượng đặc trưng:
- Độ dài
- Trị trung bình của một tín hiệu:
- Trị trung bình của tín hiệu tuần hoàn:
- Trị trung bình của một tín hiệu vật lý:
- Thành phần DC
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Các đại lượng đặc trưng:
- Độ dài
- Trị trung bình của một tín hiệu:
- Trị trung bình của tín hiệu tuần hoàn:
- Trị trung bình của một tín hiệu vật lý:
- Thành phần DC
11
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Tín hiệu năng lượng: năng lượng dương hữu hạn, công suất TB=0
Tín hiệu công suất: năng lượng vô hạn và công suất dương hữu hạn
Trị hiệu dụng RMS (root mean square):





x
2
x
0,|)(|lim EdttsE
T
T
T




x
2/
2/
2
x
0,|)(|
1
lim Pdtts
T
P
T
T
T
12
Tín hiệu năng lượng: năng lượng dương hữu hạn, công suất TB=0
Tín hiệu công suất: năng lượng vô hạn và công suất dương hữu hạn
Trị hiệu dụng RMS (root mean square):





x
2/
2/
2
x
0,|)(|
1
lim Pdtts
T
P
T
T
T
xrms
PV 
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Phổ của tín hiệu tuần hoàn – Chuỗi Fourier:
Tín hiệu tuần hoàn s(t) chu kỳ T
0
:
n
Aj
n
T
T

Ttnj
n
Ttnj
n
n
eAdtets
T
A
eAts









2/
2/
/2
0
/2
0
0
0
0
)(
1
)(



13
n
Aj
n
T
T
Ttnj
n
Ttnj
n
n
eAdtets
T
A
eAts









2/
2/
/2
0

/2
0
0
0
0
)(
1
)(


)(2
)()()(
fSjftj
efSdtetsfS






Phổ biên độ: chẵn
Phổ pha: lẻ
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Mật độ phổ:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Mật độ phổ năng lượng ESD (Energy Spectral Density):
)/()()(
2

HzJfXfG 
dffGdffGdttxE
x






0
2
)(2)()(
Mật độ phổ công suất PSD (Power Spectral Density):
14
dffGdffGdttxE
x






0
2
)(2)()(
Mật độ phổ công suất PSD (Power Spectral Density):
 
000
2
2/

2/
/1)()()(
)/()()(
1
lim)()(
fTperiodwithsignalperiodicaistsifnffAfS
HzWdttsts
T
FTRFTfS
n
n
T
T
T























0
2/
2/
2
)(2)()(
1
lim dffSdffSdtts
T
P
T
T
T
s
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Băng thông của tín hiệu:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
- 5 0 - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0
0
0 . 1
0 . 2
0 . 3
0 . 4

0 . 5
0 . 6
0 . 7
0 . 8
0 . 9
1
PSD
Băng thông -3dB
Băng thông null-to-null
Băng thông -35dB
15
- 5 0 - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0
0
0 . 1
0 . 2
0 . 3
0 . 4
0 . 5
0 . 6
0 . 7
0 . 8
0 . 9
1
f
0
Băng thông -50dB
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Tự tương quan (Autocorrelation):
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông

Thông Tin Số



 dt)t(x)t(x)(R
• Tín hiệu năng lượng & thực:
16







)t(x)0(R.4
)f(G)(R.3
)0(R)(R.2
)(R)(R.1
2
F
3. TÍN HiỆU VÀ PHÂN TÍCH TÍN HiỆU
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Tự tương quan (Autocorrelation):




2/T

2/T
T
dt)t(x)t(x
T
1
lim)(R
Tín hiệu thực tuần hoàn:
Tín hiệu công suất:
17
Tín hiệu thực tuần hoàn:



2/T
2/T
0
0
0
dt)t(x)t(x
T
1
)(R
4. TÍN HiỆU NGẪU NHIÊN (RANDOM SIGNAL)
Các hàm phân bố và mật độ xác suất:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Tại thời điểm t
1
, các giá trị của tín hiệu ngẫu nhiên là các biến

ngẫu nhiên có thể lấy một trong các giá trị sau:
Hàm phân bố xác suất CDF (cumulative distribution func.)
cấp 1:
)t(), ,t(),t(
1i1211

)t(
1

18
Tại thời điểm t
1
, các giá trị của tín hiệu ngẫu nhiên là các biến
ngẫu nhiên có thể lấy một trong các giá trị sau:
Hàm phân bố xác suất CDF (cumulative distribution func.)
cấp 1:
 
x)t(p)t,x(F
111

Hàm mật độ xác suất PDF (probability density func.) cấp 1:
x
)t,x(F
)t,x(f
11
11



4. TÍN HiỆU NGẪU NHIÊN (RANDOM SIGNAL)

Trị trung bình theo tập hợp:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
• Giá trị kỳ vọng:
• Trị trung bình bình phương:
• Phương sai:
• Độ lệch chuẩn: căn bậc 2 của phương sai
• Moment hỗn hợp cấp 2:



 dx)t,x(xf)t(m
11



 dx)t,x(fx)t(m
1
2
2
19
• Giá trị kỳ vọng:
• Trị trung bình bình phương:
• Phương sai:
• Độ lệch chuẩn: căn bậc 2 của phương sai
• Moment hỗn hợp cấp 2:




 dx)t,x(fx)t(m
1
2
2
 
)t(m)t(mdx)t,x(f)t(mx)t(
2
121
2
1
2




212211221212
dxdx)t,x,t,x(fxx)t,t(m
 





4. TÍN HiỆU NGẪU NHIÊN (RANDOM SIGNAL)
Nhiễu trong hệ thống thông tin :
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
• Nhiễu: tín hiệu không mong muốn có mặt trong hệ thống
• Nguyên nhân sinh ra nhiễu: nhân tạo và tự nhiên

• Nhiễu nhiệt: do chuyển động hỗn loạn của các e
-
trong các vật
dẫn
• Mô tả nhiễu nhiệt:
20
• Nhiễu: tín hiệu không mong muốn có mặt trong hệ thống
• Nguyên nhân sinh ra nhiễu: nhân tạo và tự nhiên
• Nhiễu nhiệt: do chuyển động hỗn loạn của các e
-
trong các vật
dẫn
• Mô tả nhiễu nhiệt:



















2
x
2
1
exp
2
1
)x(f
Phân bố Gausse
4. TÍN HiỆU NGẪU NHIÊN (RANDOM SIGNAL)
Nhiễu trắng & AWGN:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
• Nhiễu trắng: nhiễu nhiệt có PSD như nhau tại tất cả các tần số
(khoảng từ DC đến 10
12
Hz)
S
n
(f)
)(R
n

21
2
N
)f(S
0

n

f

)(R
n

• Nhiễu Gauss trắng cộng - AWGN: nhiễu phân bố Gauss, nhiễu
ảnh hưởng đến mỗi ký tự truyền một cách độc lập nhau, nhiễu ảnh
hưởng đến tín hiệu bằng cách cộng vào tín hiệu
2/
0
N
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
Bài 1 SỐ HÓA VÀ ĐỊNH DẠNG
Nội dung:
1. Giới thiệu
2. Kỹ thuật điều chế xung mã PCM
3. Đặc điểm tín hiệu PCM
4. Lượng tử hóa và mã hóa không đều
5. Định dạng tín hiệu số
Nội dung:
1. Giới thiệu
2. Kỹ thuật điều chế xung mã PCM
3. Đặc điểm tín hiệu PCM
4. Lượng tử hóa và mã hóa không đều
5. Định dạng tín hiệu số
1

1. GiỚI THIỆU
-Số hóa tín hiệu tương tự (Digitalize)
- Định dạng tín hiệu số (Format)
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
-Số hóa tín hiệu tương tự (Digitalize)
- Định dạng tín hiệu số (Format)
2
 Tín hiệu điều chế biên độ xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) có
dạng đỉnh phẳng (flat top)
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
KHỐI LẤY MẪU (SAMPLER)
2. KỸ THUẬT ĐiỀU CHẾ XUNG MÃ PCM
3
 Định lý lấy mẫu:
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Khoa Điện tử - viễn thông
Thông Tin Số
KHỐI LƯỢNG TỬ HÓA (QUANTIZER)
Minh họa hoạt động lượng tử hóa
4