XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ SỬ DỤNG 8 SÓNG MANG TRỰC GIAO (M=8)

LỜI CẢM ƠN
Sau khoảng 2 tháng nghiên cứu và tìm hiểu em đã hoàn thành xong đồ án
tốt nghiệp của mình. Đây là những kiến thức em đã học hỏi và tích lũy trong
những năm học trên Đại học Hàng Hải Việt Nam. Qua đây em xin chân thành
cảm ơn các thầy – cô giáo trong trường tử nói chung và các thầy – cô trong bộ
môn Điện tử viễn thông nói riêng, những người đã tận tâm, nhiệt tình giảng dạy
kiến thức cho em trong những năm học vừa qua và tạo điều kiện cho em để em
có thể hoàn thành được quyển đồ án này.
Qua đây em cũng gửi lời cảm ơn đến thầy giáo LÊ QUỐC VƯỢNG,
người đã trực tiếp hướng dẫn em làm đồ án tốt nghiệp này.
Cuối cùng là lời cảm ơn của em đến gia đình, tất cả các bạn bè trong lớp
ĐTV52 - ĐH1 cũng như các anh chị đã giúp đỡ, chia sẻ và động viên em trong
suốt quá trình học tập tại trường.

Hải Phòng, ngày 27 tháng 11 năm 2015
Sinh viên
Hoàng Hà Thu

1


LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi: Hội đồng bảo vệ bộ môn Điện tử - Viễn thông, trường Đại học
Hàng Hải Việt Nam
Em tên là

: Hoàng Hà Thu

Sinh viên lớp

: ĐTV52 – ĐH1

Mã sinh viên

: 42103

Đồ án tốt nghiệp em đã làm có tên như sau:
“Xây dựng chương trình mô phỏng Monte-Carlo để đánh giá chất
lượng hệ thống thông tin số sử dụng 8 sóng mang trực giao (M=8)”.
Em xin cam đoan đồ án này không giống hoàn toàn với các đồ án hoặc
công trình trước đây đã có.

Hải Phòng, ngày 27 tháng 11 năm 2015
Sinh viên
Hoàng Hà Thu

2


MỤC LỤC

3


MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN/KHÓA LUẬN

PCM

Pulse Code Modulator – Điều chế xung mã

ASK

Amplitude Shift Keying – Khóa dịch biên độ

FSK

Frequency Shift Keying – Khóa dịch tần số

PSK

Phase Shift Keying – Khóa dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude Modulation – Điều chế biên độ vuông góc

TDMA

Time Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo thời gian

FDMA

Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân chia theo tần
số

CDMA

Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theoo mã

DTE

Data Terminal Equipment – Thiết bị đầu cuối dữ liệu

DCE

Data Circuit terminating Equipment – Thiết bị kết thúc mạch dữ liệu

NMC

Network Management Centre - Trung tâm quản lý mạng

PSE

Packet Switching Exchange – Tổng đài chuyển mạch gói

TDM

Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gian

FDM

Frequency Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo tần số

CDM

Code Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo mã

AM

Amplitude Modulation – Điều chế biên độ

FM

Frequency Modulation – Điều chế tần số

PM

Phase Modulation – Điều chế pha

CCIR

Consultative Committee on International Radio - Ủy ban tư vấn quốc tế

ITU

International Telecommunication Union – Liên minh viễn thông quốc tế

CCITT

Consultative Committee for International Telephone and Telegraph –
Hội đồng tư vấn điện thoại và điện báo quốc tế

BER
4


NRZ

Bit – Error Ratio – Tỷ lệ lỗi bit
Non – Return to Zero – Mức điện áp tín hiệu không trở về 0V

DANH MỤC CÁC BẢNG
5


Số bảng
Bảng 1.1
Bảng 1.2

Tên bảng
Quá trình phát triển hệ thống truyền tin
So sánh sự khác nhau giữa BER và PE

Trang
6
16

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình

Tên hình

Trang
6


Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin số tổng
quát
Hình 1.2 Sơ đồ khối tiểu biểu của hệ thống thông tin số
Hình 2.1 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điều chế ASK
Hình 2.2 Mật độ phổ công suất của tín hiệu ASK 2 trạng thái

Hình 2.3 Sơ đồ dạng sóng tín hiệu điều chế FSK
Hình 2.4 Băng thông của tín hiệu FSK
Hình 2.5 Dạng sóng tín hiệu PSK
Hình 2.6 Băng thông tín hiệu PSK
Hình 3.1 Tích của 2 vecto trực giao
Một thí dụ về 4 dạng sóng tín hiệu trực giao cùng năng
Hình 3.2
lượng
Các biểu đồ sao tín hiệu đối với các tín hiệu trực giao với
Hình 3.3
M=2 và M=3
Hình 3.4 Máy thu tối ưu đối với các tín hiệu trực giao nhiều chiều
Hình 3.5 Xác suất lỗi bit đối với các tín hiệu trực giao
Sơ đồ khối của hệ thống với M=4 tín hiệu trực giao dùng
Hình 3.6
cho mô phỏng Monte – Carlo
Sơ đồ khối của hệ thống với M=8 tín hiệu trực giao dùng
Hình 3.7
cho mô phỏng Monte-Carlo
Xác suất lỗi bit đối với M=4 tín hiệu trực giao nhận được từ
Hình 3.8 mô phỏng Monte-Carlo, so sánh với xác suất lỗi lý thuyết
Xác suất lỗi bit đối với M=8 tín hiệu trực giao nhận được từ
Hình 3.9 mô phỏng Monte-Carlo, so sánh với xác suất lỗi lý thuyết
Hình 3.10 So sánh giữa trường hợp M=4 và M=8 trên cùng 1 đồ thị
Hình 3.11 Kết quả sau khi thay đổi bước nhảy của SNR là 1 (M=8)
Hình 3.12 Kết quả sau khi thay đổi bước nhảy của SNR là 0.5 (M=8)
Hình 1.1

7

9
11
18
19
21
22
25
26
28
30
31
31
35
36
43
49
50
51
52
52


8


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, các hệ thống thông tin liên lạc đang phát triển rất mạnh mẽ.
Không chỉ riêng ở thế giới mà ngay cả ở Việt Nam chúng ta cũng thấy được sự
thay đổi đáng kể các hệ thống thông tin liên lạc nên nó sẽ đóng vai trò chủ yếu
cho việc phát triển tương lai của xã hội thông tin trên toàn các châu lục. Với sự

tiến bộ trong công nghệ đã hình thành nên hệ thống thông tin số để đáp ứng
được nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người. Hệ thống thông tin số đã
trở nên thông dụng ở mọi quốc gia với nhiều ưu điểm và ứng dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực thông tin, trong cuộc sống hàng ngày v.v... thay cho hệ thống
thông tin tương tự cổ điển và phức tạp trước đây. Ở nước ta hiện nay các cơ cấu
chuyển mạch cũng như các hệ thống truyền dẫn trong một số ngành như bưu
điện, di động... cũng đã được số hóa một cách hiện đại hơn. Hệ thống thông tin
số đã đáp ứng được khá nhiều mặt hạn chế của hệ thống thông tin tương tự. Việc
nghiên cứu về các hệ thống thông tin số đã trở thành nội dung cơ bản trong việc
đào tạo các kỹ sư trẻ.
Nhận thấy được sự nổi trội của hệ thống thông tin số nên em đã thực hiện
đồ án “ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MONTE–CARLO ĐỂ
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ SỬ DỤNG 8
SÓNG MANG TRỰC GIAO (M=8)” dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
LÊ QUỐC VƯỢNG. Trong đồ án em chỉ tập trung vào việc khảo sát xác suất
lỗi bit xảy ra so với xác suất lỗi lý thuyết trong trường hợp M=8 sóng mang trực
giao trên phần mềm mô phỏng Matlab chứ không làm thêm các trường hợp có
nhiều sóng mang trực giao hơn như M=16, M=32, M=64…

9


CHƯƠNG I
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
1.1. Giới thiệu về hệ thống viễn thông
Các hệ thống viễn thông (Telecommunication Systems) được tạo ra để
truyền thông tin như dữ liệu, tiếng nói, âm thanh hoặc tin tức, hình ảnh, văn bản
qua một cự ly nào đó. Các dịch vụ điện báo và điện thoại chưa được cải tiến từ
những năm trước đây sau này được phát triển dần thành các hệ thống viễn thông
ngày nay. Hiện tại, hệ thống này rất tiện ích và đa dạng, phong phú, nhằm đáp

ứng cho nhu cầu truyền dữ liệu và trao đổi thông tin ngày càng cao của con
người.
Hệ thống điện thoại là hệ thống mạng có tuổi đời lâu nhất và lớn nhất
trong các loại mạng viễn thông. Trước đây, mạng điện thoại được thiết kế chỉ để
tạo lại được tín hiệu bằng tiếng nói được phát từ một nguồn ở nơi xa. Ngày nay,
hệ thống điện thoại đã trở nên đa dạng và hiện đại hơn rất nhiều để bắt kịp xu
hướng phát triển trong thời đại công nghệ. Chúng sử dụng các máy tính số lớn
tại trung tâm (CO – Central Office) để chuyển mạch các cuộc gọi và kiểm tra
chất lượng của hệ thống điện thoại. Mạng điện thoại được hình thành trước tiên
là để cung cấp dịch vụ truyền tín hiệu thoại, nhưng ngày nay vai trò của nó ngày
càng được phát triển rộng rãi hơn từ dịch vụ gọi điện thoại thông thường cho
đến dịch vụ fax, truyền số liệu, điện thoại di động,..
Mạng số liệu chuyển mạch công cộng CSPDN (Circuit Switching Public
Data Network) ra đời từ những năm 1980 tại các quốc gia Scandinavia. Những
năm gần đây số lượng thuê bao đang ngày càng tăng lên theo cấp số nhân.
CSPDN đã gây được sự chú ý của rất nhiều khách hàng tiềm năng. CSPDN là
mạng chuyển mạch kênh, nghĩa là giữa bên gửi và bên nhận kết nối với nhau

11


trực tiếp và phải có cùng tốc độ hoạt động. Chế độ truyền trong CSPDN là song
song.
Mạng số liệu chuyển mạch gói PSPDN (Packet Switching Public Data
Network) chủ yếu cung cấp các dịch vụ số liệu, được giới thiệu rộng rãi trên thế
giới từ 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 Canada, USA,
Tây Âu, Nhật và một vài nước khác. Khách hàng ở đây rất đa dạng, từ các viện
nghiên cứu, các công ty, các trường đại học cho đến các nhà kinh doanh cũng sử
dụng. Điểm hấp dẫn của PSPDN là có thể giúp con người truy nhập được các cơ

sở dữ liệu trên toàn thế giới và trao đổi thông tin một cách tiện lợi giữa các máy
tính với nhau...với mức giá cả vừa phải. Trong PSPDN bản tin được chia thành
các gói tin (packet) và được gửi đi ngay khi có một kết nối rỗi. Các gói từ các
thuê bao khác nhau có thể truyền đi trên cùng một kết nối đơn., theo cách này,
có thể có nhiều cuộc gọi thực hiện một kết nối ảo (virtual connection). Để các
gói tin đi đến đúng đích thì nó phải mang theo địa chỉ nhận, khi đến địa chỉ đó
các gói cần phải được kết hợp lại thành bản tin gốc bên phát. Vì thế điểm khác
nhau cơ bản của chuyển mạch gói so với chuyển mạch kênh là ở đây không tồn
tại kết nối trực tiếp giữa các thuê bao. Với chuyển mạch kênh thì mỗi cuộc gọi
thoại giữa hai thuê bao với nhau sẽ chiếm giữ một kênh nhất định trong thời
gian thực hiện cuộc gọi, kênh này sẽ chỉ biến mất khi cuộc gọi thoại kết thúc.
Điều này gây lãng phí vì kênh đó chỉ sử dụng 40% thời gian để truyền tín hiệu
thoại, số còn lại là thời gian trống, ngắt quãng giữa các câu chữ trong cuộc gọi
thoại. Chính vì thế mà hiện nay chủ yếu sử dụng mạng chuyển mạch gói. Mạng
chuyển mạch gói bao gồm các thành phần sau: DTE (thiết bị cuối xử lý số liệu
hoặc một máy tính mô phỏng thiết bị đầu cuối), DCE (là thiết bị thực hiện trao
đổi dữ liệu với các DTE, nó có thể là Modem, Card mạng, Multiplexer...), PSE
(Tổng đài chuyển mạch gói), NMC (trung tâm quản lý mạng).

13


Truyền số liệu trong mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN là
dịch vụ số liệu trong PSTN dùng modem. Kết nối được thực hiện giống như một
cuộc gọi điện thoại thông thường đến thuê bao yêu cầu.
Ngoài ra còn rất nhiều mạng và các dịch vụ viễn thông khác nhau như
mạng cục bộ LAN, mạng băng rộng, mạng cảnh báo...
1.2. Các thành phần chính của mạng viễn thông
Tất cả các trang thiết bị trong mạng viễn thông thường được chia làm 4
nhóm chính như sau

Nhóm 1 là thiết bị đầu cuối (Terminal equipment) hay còn gọi là thuê bao
(Subcriber), có nhiệm vụ đưa tin tức vào mạng và lấy tin tức từ mạng. Tại điểm
phát biến đổi tin tức thành tín hiệu phù hợp để truyền qua mạng, còn tại điểm
thu chuyển tín hiệu thành tin tức để có thể hiểu được.
Nhóm 2 là trung tâm (Center) hay còn gọi là tổng đài (exchange), là nút
mạng (Node) thực hiện những chức năng sau: thu thập nhu cầu của các đối
tượng, thực hiện các chức năng biến đổi, tách hoặc ghép các tín hiệu, xử lý
thông tin, kết nối cuộc gọi giữa các thuê bao với nhau, cung cấp các loại mạch
giao tiếp thuê bao nhằm giúp các đối tượng thực hiện được việc trao đổi tin tức
với nhau.
Nhóm 3 là mạng truyền dẫn (Transmission Network) có nhiệm vụ kết nối
nhóm 1 và nhóm 2 gọi là đường dây thuê bao và kết nối nhóm 2 với nhóm 2 gọi
là đường dây trung kế, phục vụ các lưu lượng liên tổng đài.
Nhóm 4 là phần mềm (Software) của mạng có nhiệm vụ kết hợp hoạt động
của 3 nhóm trên sao cho có hiệu quả
1.3. Quá trình phát triển của hệ thống truyền tin
Trong quá trình phát triển của con người, việc tìm ra ngôn ngữ là một
bước tiến trong cuộc cách mạng truyền thông. Sau đó, việc tìm ra cách làm như
thế nào để thông tin có thể truyền đi được nhanh nhất và chính xác nhất đến các
15


vùng trở thành chủ đề cho nhiều nhà khoa học tìm tòi và nghiên cứu. Với những
nghiên cứu này, con người có thể truyền thông tin đến khắp mọi nơi mà không
bị giới hạn về không gian và thời gian, đồng thời cũng tạo nên các loại hình dịch
vụ đa dạng về việc chuyển tiếp thư từ, tin tức, điện báo. Sau đây, ta đưa ra bảng
giới thiệu về các sự kiện quan trọng trong quá trình phát triển của hệ thống
truyền tin
Bảng 1.1: Quá trình phát triển hệ thống truyền tin
Năm

1837
1875
1897

Sự kiện
Xuất xứ
Hoàn thiện dạng điện báo bằng dây
Morse
Phát minh ra điện thoại
Bell
Chuyển mạch trao đổi tự động theo Stronger

1901
1905

từng nấc
Điện báo không dây
Marconi
Giới thiệu về loại điện thoại không Fessenden

Số
Tương tự

1907

dây
Truyền thanh vô tuyến dạng chuẩn USA

Tương tự

1918

đầu tiên
Phát minh ra máy thu vô tuyến đổi Amstrong

Tương tự

1921
1928

tần
Xuất hiện di động cá nhân
Detroit police
Giới thiệu các dạng truyền hình điện Farnsworth

Tương tự
Tương tự

1928
1928
1931
1933
1934
1937
1939

tử
Lý thuyết truyền tin điện báo
Truyền dẫn thông tin
Điện báo

Giới thiệu điều chế tần số
Giới thiệu Radar (vô tuyến định vị)
Phát minh ra PCM
Thương mại hóa dịch vụ truyền hình

1943
1945

quảng cáo
Đưa ra bộ lọc thích ứng
Phát minh vệ tinh địa tĩnh

Nyquist
Harley
Amstrong
Kuhnold
Reeves
BBC
North
Clarke

17

Kiểu thông tin
Số
Tương tự

Số
Số
Số

Tương tự
Số
Tương tự
Số


1946
1948
1955
1960
1962
1966

Phát triển các hệ thống ARQ
Lý thuyết toán học cho thông tin
Chuyển tiếp viba mặt đất
Phát triển đầu tiên về laze
Giới thiệu thông tin vệ tinh
Chế tạo ra cáp quang

Duuren
Shannon
RCA
Maiman
TELSTAR 1
Kao
&

Số
Tương tự

Tương tự

Hockman
1966
1970

Chuyển mạch gói
Mạng truyền dữ liệu cỡ trung bình

ARPA/TYM

Số
Số

NET
1970
1971
1974
1978
1978
1980
1981

Mạng LAN, MAN và WAN
Giới thiệu về ISDN
Giới thiệu về Internet
Vô tuyến tế bào
Nghiên cứu về GPS Navstar
Mô hình tham chiếu 7 lớp OSI
Phát minh ra truyền hình có độ phân

1985
1986
1991
1993
1994

giải cao
Truy nhập tốc độ cơ sở ở UK
Phát triển SONET/SDH
Hệ thống tế bào GMS
Đưa ra định nghĩa PCM
Phát minh ra CDMA IS-95

CCITT
Cerf & Kahn
Global
ISO
NHK,

Nhật

Bản
BT
USA
Châu Âu
Toàn cầu
Quanlcom

Số

Số
Số
Tương tự
Số
Số
Số
Số
Số
Số
Số
Số

1.4. Kênh thông tin và đặc tính của kênh
Kênh thông tin là môi trường vật lý để cung cấp kết nối giữa bên thu và
bên phát. Nó sẽ xác định được lượng dữ liệu và chất lượng của thông tin cần
truyền đi. Kênh thông tin có thể lá cáp quang, cáp xoắn đôi hoặc một số thiết bị
lưu trữ như băng từ, đĩa từ, đĩa quang...
Dưới đây ta sẽ mô tả đặc tính của một vài kênh truyền thông dụng
• Dây cáp:Tiêu biểu cho kênh truyền dạng dây cáp là cáp xoắn đôi và cáp
đồng trục. Cáp xoắn đôi để truyền các loại thông tin, số liệu như hình ảnh, âm
thanh đến tổng đài hoặc để truyền các tín hiệu thoại trong mạng điện thoại. Cáp
19


xoắn đôi có độ rộng băng thông khoảng vài trăm kHz. Trong khi đó, băng thông
của cáp đồng trục lớn hơn, lên đến vài MHz. Cáp đồng trục có lõi bên trong
cách điện và bên ngoài vỏ là lớp dẫn điện. Ngoài ưu điểm là băng thông rông,
cáp đồng trục còn làm giảm khả năng can nhiễu từ bên ngoài. Nhưng cáp đồng
trục cần những bộ phát lặp lại ở vị trí gần nhau do độ suy giảm tăng nhanh.
• Cáp quang: được cấu tạo gồm dây dẫn ở giữa bằng thủy tinh hoặc nhựa

đã được chế tạo, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu.Dựa vào ưu điểm cung cấp
băng thông lớn hơn so với loại cáp đồng trục cùng với việc suy hao cũng như
nhiễu tín hiệu tương đối thấp nên cáp quang được sử dụng rất phổ biến và rộng
rãi trong viễn thông không chỉ ở một quốc gia riêng lẻ nào mà còn sử dụng trong
phạm vi toàn thế giới. Do có băng thông rộng nên cáp quang đã hỗ trợ rất nhiều
cho các nhà cung cấp dịch vụ trong việc truyền số liệu, thoại, cũng như hình
ảnh... Bộ phát trong cáp quang là nguồn sáng từ LED hoặc laser. Thông tin, dữ
liệu được truyền đi dưới dạng điều chế cường độ ánh sáng.
• Sóng điện từ:Trong hệ thống thông tin không dây, năng lượng của điện
từ trường sẽ được bức xạ vào trong môi trường truyền dần nhờ anten. Kích
thước và hình dạng của anten sẽ phụ thuộc vào tần số. Kích thước của anten phải
dài hơn 1/10 bước sóng thì mới đạt hiệu quả trong việc bức xạ năng lượng điện
từ trường. Đặc điểm của loại kênh truyền này chịu ảnh hưởng của nhiều nguồn
gây nhiễu, tạp âm. Ngoài ra, trong hệ thống thông tin không dây còn dễ chịu tác
động bởi hiện tượng Pha-ding, hiện tượng đa đường, suy hao gây ra do mưa, khí
quyển...
1.5. Những nét cơ bản về hệ thống thông tin số
Các hệ thống thông tin được dùng để truyền thông tin từ nơi này đến nơi
khác. Tin tức sẽ được truyền đi từ nguồn tin cho đến nơi mà tin tức cần được
chuyển đến hay còn gọi là đích, là bộ nhận tin dưới dạng các bản tin. Bản tin
bao gồm một lượng thông tin nào đó. Các bản tin được tạo ra từ các nguồn tin.
Nguồn tin có thể ở dạng lien tục hoặc rời rạc. Tín hiệu là dạng biểu diễn vật lý
21


của một bản tin nào đó. Có rất nhiều loại tín hiệu khác nhau như cường độ dòng
điện, điện áp, cường độ ánh sáng…
Như chúng ta đã biết, đối với nguồn tin liên tục thì tâp các bản tin là một
tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc thì tập các bản tin có thể là một tập hữu
hạn. Nhưng trong trường hợp nguồn tin chỉ có một số hữu hạn các tin thì các

bản tin này cũng đánh số được. Do đó, thay vì truyền đi cả bản tin thì ta chỉ cần
truyền đi các ký hiệu (symbol) là các con số tương ứng với bản tin đó. Tín hiệu
lúc này chỉ biểu diễn các con số nên được gọi là tín hiệu số. Tín hiệu số có các
đặc điểm cơ bản sau:
● Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị
● Tín hiệu số sẽ có thời gian tồn tại xác định, thường là một hằng số ký
hiệu là Ts
Một số ưu điểm cơ bản của hệ thống thông tin số so với hệ thống thông
tin tương tự là:
-

Do có khả năng tái sinh lại tín hiệu theo ngưỡng qua từng cự ly nhất
định nên tín hiệu số khỏe hơn đối với tạp âm so với tín hiệu tương tự

-

Kỹ thuật mới, điều chế và giải điều chế theo phương thức cải tiến tương
thích với các hệ thống điều khiển và xử lý hiện đại nên có khả năng
khai thác, quản lý và bảo trì hệ thống một cách tự động

-

Có khả năng chống nhiễu cao

-

Tín hiệu số dễ dàng sửa được khi có lỗi xảy ra

-

Thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, không có nhiều bộ lọc cồng kềnh

-

Giá cả của các mạch số tương đối phải chăng do sử dụng các mạch tích
hợp nhiều tính năng

-

Tín hiệu số có thể truyền đi dễ dàng mọi loại bản tin

-

Thông tin được bảo mật an toàn do sử dụng các loại mã mật
Tuy nhiên nhược điểm của các hệ thống thông tin số là:
23


-

Băng thông của nó rộng hơn so với các hệ thống thông tin tương tự
trước đây. Vì thế cần phải dùng các biện pháp nén bang tần thể thu hẹp

-

phổ lại.
Việc đồng bộ trong thông tin số thực hiện khó khăn
Những nhược điểm của hệ thống thông tin số là không đáng kể so với

nhiều ưu điểm quan trọng của nó vì vậy trong một thời gian tới, mạng viễn

thông sẽ trở nên số hóa hoàn toàn
1.6. Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số điển hình
Trước tiên ta xét đến sơ đồ khối của một hệ thống thông tin số tổng quát.
Hệ thống tổng quát gồm có 3 phần chính là: Nguồn tin, kênh tin và nhận tin
Nguồn tin

Kênh tin

Nhận tin

Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin số tổng quát
-

Nguồn tin là nơi chứa hay sản sinh ra các tin truyền đi, vì thế nguồn tin có thể là
con người hay các thiết bị thu phát tiếng nói, âm thanh, hình ảnh, các thiết bị lưu
trữ và thu nhận thông tin để truyền đi. Hay nói cách khác, nguồn tin là tập hợp
các tin tạo thành bản tin mà hệ thống thông tin truyền đi. Nếu các tin tức là vô
hạn thì nguồn tin sinh ra nó là nguồn rời rạc, nếu các tin tức là hữu hạn thì

nguồn sinh ra nó là nguồn liên tục.
- Kênh tin là môi trường truyền dẫn vật lý từ nơi phát tín hiệu đến nơi thu tín
hiệu. Để có thể truyền được trong một môi trường vật lý xác định thì thông tin
cần phải được biến đổi thành dạng tín hiệu thích hợp với môi trường truyền đó.
Hay nói cách khác kênh tin vừa là nơi hình thành cũng đồng thời là nơi truyền
tín hiệu mang tin và nó cũng có thể sinh ra nhiễu trong quá trình truyền tin nhằm
phá hủy thông tin hoặc làm cho thông tin bị mất năng lượng, không được chuẩn
xác như từ nguồn tin phát đi.

25

-

Nhận tin là nơi lưu trữ tin, khôi phục lại thông tin ban đầu giống như ở nguồn
tin từ đầu ra của tín hiệu ở kênh tin
Dưới đây là Sơ đồ khối tiêu biểu cho các hệ thống thông tin số, trong thực
tế có thể có nhiều hơn hoặc ít hơn hoặc có thể được thay thế bởi một vài khối
khác, nhưng nhìn chung vẫn thực hiện được các nhiệm vụ của hệ thống thông
tin.

27


Từ các nguồn khác

Mã hóa mật
Mã hóa kênh
Mã hóa nguồn
Từ Tạo khuôn
ghép kênh
Điều chếTrải phổ
Đa truy nhập
Máy phát
nguồn tin

Đồng
bộ

Kênh truyền

+

Giải mã
Tới bộGiải
tin Tạo khuôn
nguồn

Giải
mã mật

Giải Phân kênh Giải
GiảiĐa truy nhập
Máy thu
mã kênh
điều chếtrải phổ

Hình 1.2: Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số
Hầu hết các tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (hình ảnh, âm thanh,
tiếng nói...) là tín hiệu tương tự Analog
Khối tạo khuôn thực hiện biến đổi tín hiệu đưa vào ở dạng tương tự thành
tín hiệu dạng số. Việc chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số được thực
hiện bởi phương pháp điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulator)
Khối giải tạo khuôn thực hiện biến đổi ngược lại đó là chuyển đổi tín
hiệu số sang tín hiệu tương tự giống như dạng tín hiệu đưa vào ban đầu

29


Khối mã hóa nguồn làm nhiệm vụ giảm số bit dư không cần thiết để
giảm phổ chiếm của tín hiệu số làm cho việc truyền và lưu trữ thông tin được

hiệu quả hơn
Khối mã hóa mật nhằm mật mã hóa bản tin gốc ban đầu bằng một thuật
toán cho phép làm mờ đi nội dung của tin để phục vụ cho việc giữ bí mật thông
tin. Nếu các đối tượng không có mã giải thuật toán đó thì sẽ không thể xem
được nội dung thông tin
Khối mã hóa kênh để đưa thêm vào tín hiệu số một số bit dư theo một
quy luật nhất định giúp cho bên thu có thể dễ dàng phát hiện và có thể sửa được
lỗi xảy ra trên kênh truyền, ngoài ra còn để chống nhiễu và các tác động xấu của
đường truyền dẫn
Giải mã nguồn, giải mã mật và giải mã kênh được thực hiện ở bên thu
và các quá trình này sẽ ngược lại với các quá trình mã hóa tương ứng
Khối ghép kênh nhằm giúp tăng dung lượng cho hệ thống thông tin,
nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ một đường truyền vật lý chung, làm
cho việc truyền tin trên nhiều nguồn tin khác nhau có thể đến các đích nhận tin
khác nhau trên cùng một tuyến truyền dẫn. Các phương pháp ghép kênh là TDM
(ghép kênh phân chia theo thời gian), FDM (ghép kênh phân chia theo tần số),
CDM (ghép kênh phân chia theo mã). Trong thông tin số thường dùng kiểu ghép
kênh phân chia theo thời gian TDM là chủ yếu.
Khối điều chế làm nhiệm vụ biến đổi đặc tính của tín hiệu sang dạng
khác. Khối điều chế có thể làm thay đổi tần số và hình dạng xung của tín hiệu.
Điều chế có xu hướng làm cho tín hiệu có tần số cao hơn để có thể truyền đi xa.
Đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu băng gốc, còn đầu ra là tín hiệu thông dải.
Các dạng điều chế là: Điều chế tương tự (AM, FM, PM), Điều chế số (ASK,
FSK, PSK), Điều chế xung (PCM, PAM, PWM)
Khối giải điều chế bên thu là quá trình ngược lại so với điều chế. Nó sẽ
chuyển tín hiệu thu được thành tín hiệu băng gốc ban đầu.
31


Khối trải phổ và giải trải phổ nhằm chống nhiễu và bảo mật tin tức

Khối đa truy nhập cho phép nhiều đối tượng cùng sử dụng một phương
tiện vật lý chung để cùng chia sẻ thông tin với nhau theo nhu cầu giúp hạn chế
việc sử dụng nhiều phương tiện truyền dẫn khác. Một số dạng đa truy nhập là:
TDMA (đa truy nhập phân chia theo thời gian), FDMA (đa truy nhập phân chia
theo tần số), CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã)
Đồng bộ bao gồm đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ
thống thông tin liên kết.
Lọc được thực hiện tại máy thu, phát đầu cuối, bao gồm lọc cố định nhằm
hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây
bởi đường truyền.
Trong số các chức năng nói trên thì chức năng tạo khuôn tín hiệu số, điều
chế và giải điều chế số là không thể thiếu đối với mọi loại hệ thống thông tin số.
Về mặt thuật toán mà nói, khối điều chế số là một khối giao diện, thực hiện biến
đổi tín hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp với việc truyền đưa tín hiệu đi
xa. Máy phát đầu cuối chỉ thực hiện các thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu
lên tới tần số thích hợp, khuếch đại, lọc và phát xạ tín hiệu vào môi trường
truyền dẫn bằng hệ thống anten và phi-đơ trong các hệ thống vô tuyến. Đối với
một hệ thống thông tin số thì MODEM đóng vai trò là bộ nào, còn máy thu phát
thì chỉ như cơ bắp mà thôi. Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc
đối với tất cả các hệ thống thông tin số mà chỉ có mặt trong từng hệ thống cụ thể
nào đó.
Các thuật toán xử lý tín hiệu trong sơ đồ khối trên có thể phân thành hai
nhóm chính:
-

Các thuật toán xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm các thuật toán từ tạo
khuôn tới điều chế số ( và các khối chức năng ngược lại ở phần thu).

-

Các thuật toán xử lý tín hiệu tần số cao hay tín hiệu thông dải bao gồm
các thuật toán liên quan tới đa truy nhập, trải phổ và thuật toán trộn tần
33


nhằm đưa tín hiệu lên tần số cao. Trong phân tích,đánh giá và thiết kế hệ
thống, các hệ thống hoàn toàn có thể xem xét được ở dạng băng gốc
tương đương trong đó: mọi tín hiệu đều là tín hiệu băng gốc hoặc băng
gốc tương đương nhờ sử dụng tín hiệu đường bao phức hay còn gọi là tín
hiệu thông thấp tương đương.
1.7. Các tham số chất lượng của hệ thống thông tin số
Trong hệ thống thông tin số, khi truyền thông tin đi sẽ có 2 hạn chế. Thứ
nhất là cần phải có băng thông đủ rộng để có thể truyền đi được càng nhiều
thông tin càng tốt trong một thời gian ngắn nhất. Tuy nhiên, nếu dải thông quá
lớn sẽ gây lãng phí, tốn kém băng tần. Ngoài ra, các yếu tố tác động đến đường
truyền như nhiễu, méo, suy hao... cũng luôn xảy ra trên kênh truyền
Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số là tốc độ truyền
tin và độ chính xác của việc truyền tin. Hệ thống thông tin số có 2 yêu cầu cơ
bản trong việc truyền tin là nhanh chóng và chính xác. Tuy nhiên, 2 yêu cầu này
trên thực tế lại mâu thuẫn với nhau vì nếu muốn đạt được độ chính xác cao của
thông tin thì cần phải giảm tốc độ truyền, ngược lại, nếu tốc độ truyền tin càng
nhanh thì độ chính xác kém, khả năng xảy ra lỗi nhiều hơn.
-

Các cơ quan và các tổ chức chính liên quan tới việc xác định các tiêu
chuẩn về chất lượng mạng viễn thông. hệ thống thông tin số nói chung và
hệ thống truyền dẫn nói chung là:

-

Uỷ ban truyền thông liên bang Mỹ (FCC), xác định các tiêu chuẩn cho các
hệ thống theo hệ Bắc Mỹ

-

Hội nghị các cơ quan quản lý bưu chính và viễn thông Châu Âu (CEPT:
European Conference of Post and Telecommunications) và viện tiêu
chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI: European Telecommunicatios
standards Íntitude), xác định các tiêu chuẩn cho các hệ thống theo hệ
Châu Âu;

35


Các nhóm nghiên cứu (SG: stady group) của liên minh viễn thông Quốc tế
(ITU: International Telecommunication Union), trước đây là hội đồng tư vấn
điện thoại và điện báo quốc tế CCITT, và các nhóm nghiên cứu của uỷ ban tư
vấn vô tuyến quốc tế CCIR trước đây , nay là ITU-R. Các nhóm nghiên cứu này
xác lập các tiêuchuẩn dưới hình thức các khuyến ghị cho viễn thông trên toàn
cầu, bao gồm cả hệ thồng Mỹ và Châu Âu.
Trong hệ thống thông tin số, tham số dùng để đánh giá độ chính xác của
việc truyền tin là tỉ lệ lỗi bit (BER: Bit – Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ
giữa số bit nhận bị lỗi so với tổng số bit đã được truyền đi trong một khoảng thời
gian quan sát nào đó. Khi thời gian tiến đến vô hạn thì thì tỷ lệ này tiến tới xác
suất lỗi bit PE. Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ lệ
lỗi bit chỉ xấp xỉ với xác suất lỗi bit. Tuy nhiên, trong một số trường hợp ta cũng
coi như tỷ lệ lỗi bit là xác suất lỗi bit.Ta có bảng so sánh giữa tỷ lệ lỗi bit BER
với xác suất lỗi bit PE
.Bảng 1.2: So sánh sự khác nhau giữa BER và PE
Tỷ lệ lỗi bit BER

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

lim

N →∞

PE =

NE
N

bằng cách phát N ký hiệu qua kênh tạp âm (ngẫu
nhiên) K lần, thường nhận được K kết quả đếm lỗi
NE khác nhau
Phát hữu hạn các ký hiệu qua hệ thống (N hữu hạn)

Phát vô hạn các ký hiệu

qua hệ thống (N→∞)
Tỷ lệ lỗi bit BER là một biến ngẫu nhiên (ngẫu nhiên Xác suất lỗi bit PE là một
là do giá trị NE tại mỗi lần đếm lỗi khác nhau)
37

con số xác định

Tỷ số lỗi bit được xác định như sau:
BER = = = là một tỷ số
BER là một ước tính của xác suất lỗi bit
• Đối với hệ thống truyền tín hiệu thoại thì yêu cầu BER < 10-6
• Đối với tín hiệu truyền hình, nếu sử dụng điều chế xung mã PCM thì
BER cũng đòi hỏi như với hệ thống truyền tín hiệu thoại nhưng cần chú ý là tốc
độ truyền của truyền hình khá cao. Khi sử dụng điều chế ADPCM (điều chế
xung mã vi sai tự thích nghi) thì yêu cầu BER < 10 -9 thậm chí có lúc yêu cầu
BER < 10-12
• Đối với truyền số liệu thì BER trong khoảng từ 10-11 ÷ 10-13
Nếu BER > 10-3 hệ thống coi như bị gián đoạn, không truyền được nữa
Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thường
được đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông
tin (đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho. Nói
chung, dung lượng của một hệ thống tùy thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ
thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu, suy hao...

39


CHƯƠNG II
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ SỐ
2.1. Tổng quan về điều chế số
Trong hệ thống thông tin, tin tức, hình ảnh, dữ liệu, âm thanh và các số
liệu... được đưa từ nguồn tin để phát đi hay nhận được từ bên phía thu. Tín hiệu
là tin tức đã được xử lý để có thể truyền đi từ bên phát sang bên thu trên hệ
thống thông tin. Việc xử lý tin tức thành tín hiệu trải qua quá trình mã hóa, biến
đổi và điều chế. Trong đó, quá trình điều chế cũng là một bước xử lý tín hiệu

quan trọng. Điều chế là dùng tín hiệu cần truyền để làm thay đổi thông số của
một tín hiệu nào đó, tín hiệu này sẽ mang tín hiệu muốn truyền đến nơi thu, nơi
giải điều chế để khôi phục lại tin tức ban đầu. Tín hiệu được nói tới ở đây là
sóng mang (Carrier Wave). Thực hiện gải điều chế ở phía thu co stheer dùng
tách sóng kết hợp hoặc không kết hợp. Trên thực té, tồn tại rất nhiều sơ đồ tách
sóng để phù hợp với việc người dùng hệ thống thông tin số để truyền trên kênh
thông dải. Mỗi sơ đồ sẽ có những mặt tích cực và mặt hạn chế nhưng ta nên
chọn những loại có xác suất lỗi symbol cực tiểu, tốc độ truyền nhanh chóng,
công suất phát nhỏ, băng thông hẹp, khả năng chống nhiễu tốt, mức độ đơn giản
của hệ thống cao.... Tuy nhiên, một số tham số lại đối nghịch nhau nên ta cần
lựa chọn kỹ càng các phương pháp điều chế sao cho phù hợp nhất, thỏa mãn
càng nhiều các yêu cầu trên càng tốt. Mục đích của việc điều chế là di chuyển
phổ tần của tín hiệu cần truyền đến vùng phổ tần khác mà thích hợp với tính
chất đường truyền và đặc biệt là có thể truyền đi được nhiều kênh một lúc.
Điều chế số là quá trình dùng tín hiệu số để làm thay đổi các thông số của
sóng mang, đó là Biên độ, Tần số và Pha thành từng mức gián đoạn. Các dạng
điều chế số đó là:
-

Khóa dịch biên độ (ASK – Amplitude Shift Key)

-

Khóa dịch tần số (FSK – Frequency Shift Key)
41