BÀI GIẢNG KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU

Bài giảng:
KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU

Vo Thanh Tu


Nội dung


Khái niệm: Hệ thống truyền tin, rời rạc hoá một
nguồn tin liên tục, Độ đo thông tin, Mã hóa, Điều
chế

 Mã hiệu, phương pháp biểu diễn mã


Kênh tin và giao tiếp truyền dữ liệu



Kỹ thuật truyền dữ liệu, Mô hình hệ thống

truyền dữ liệu, Mạng truyền số liệu
 Dồn kênh, phân kênh và chuyển mạch


Chương 1: Những khái niệm chung
1. HTTT
Trong cuộc sống -> có nhu cầu tđtt (Communication): âm điệu, sóng
điện từ, sóng ánh sáng… -> vật mang tin (carrier) chứa TT trong nó ->
tín hiệu (signal).


Truyền tin giữa các năng lượng khác nhau -> XD chuẩn -> đánh giá ->
thiết lập mô hình, đb tốc độ, chính xác…
1.
HTTT:
Dựa trên cs năng lượng mang tin:
HT điện tín -> dùng điện 1 chiều
HT TT vô tuyến -> dùng nlượng sóng điện từ
HT TT quang -> báo hiệu, ttin hồng ngoại, lazer.
HT TT dufng sóng âm, siêu âm.
Dựa trên cs biểu diễn bên ngoài của TT:
HT truyền số liệu
HT truyền hình
HT TT thoaji
Để đảm bảo tính logic: HT TT rời rạc và liên tục



Định nghĩa:
Truyền tin (transmission) là dịch chuyển thông tin từ điểm này -> đ
khác (IS -> ID).
 Môi trường truyền tin (transmission media)-> gọi là kênh tin
(Channel).
 Sơ đồ khối: IS -> Channel -> ID.
 Kênh tin là môi trường lan truyền TT: Truyền tín hiệu theo dây, qua các
tầng điện ly, lan truyền trong đất, nước…
Môi trường lan truyền bao gồm:
- MT trong đó tác động nhiễu cộng là chủ yếu -> do nguồn công nghiệp
vũ trụ
- MT trong đó tác động nhiễu nhân là chủ yếu -> tác động nhân và t/h.

- Cả hai
Sv(t) -> Kênh -> Sr(t) , Nn(t): nhiễu nhân, Nc(t) : nhiễu cộng
Sr(t) = Nn(t). Sv(t) + Nc(t) : lý tưởng
Thực tế: Sr(t) = Nn(t). Sv(t). H(t)+ Nv(t) , H(t): đặc tính xung của kênh
Chú ý: Hiệu suất TT là tốc độ truyền của ht
Độ chính xác TT là khả năng chống nhiễu của HT.



Nguồn tin nguyên thủy (NTNT)

•

•

NTNT là tập hợp những tin nguyên thủy:
Tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh, các biến đổi khí
tượng.
NTNT là một hàm liên tục theo t/g f(t)
Hình ảnh đen trắng h(x,y,t): x,y là tọa độ kg hình
Những IS có thể được đưa trực tiếp hoặc bằng
những phép biến đổi như rời rạc hóa theo t/g và
theo mức rồi đưa vào kênh-> IS rời rạc (NTRR).
Trước khi truyền -> mã hóa thông tin
Mã hóa là phép biến đổi thống kê và chống nhiễu
của IS.


Các quá trình
Để n/c định lượng NT cũng như HTTT, c/ta mô hình hóa

toán học NT bằng 4 quá trình:
- QT ngẫu nhiên liên tục: Nguồn tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh
trong httt thoại, truyền hình với FM, AM
- QT ngẫu nhiên rời rạc: là qt nn l/tục sau khi được lượng tử hóa.
VD: 1 ngôn ngữ, t/h điện tín, các lệnh đkhiển.
- Dãy ngẫu nhiên liên tục: là nguồn lt đã được gián đoạn hóa
theo t/g. VD: Hệ TT xung điều biên xung (PAM: Pulse
Amplitude Modulation), điều pha xung (PPM), điều tần
xung (PFM)… không bị lượng tử hóa.
- Dãy ngẫu nhiên rời rạc: Các httt xung có lượng tử hóa như
FM, AM, điều biên xung lượng tử hóa, điều xung mã (PCM)



VD: Sơ đồ truyền số liệu
Destination System

Source System

Source

Transmitter

Transmission
System

Receiver

Sơ đồ khối tổng quát (mô hình Shannon)




Ứng dụng dữ liệu
Ứng dụng âm thanh, tiếng nói.




Ví dụ

Ứng dụng video
Ứng dụng thời gian thực

Destination


VD: Quá trình biến đổi tín hiệu
 Dữ

liệu: biểu diễn số liệu, khái niệm, … dưới
dạng thích hợp cho việc giao tiếp, xử lý, diễn giải
 Thông tin: ý nghĩa được gán cho dữ liệu
 Tập hợp các thiết bị được kết nối thông qua một
môi trường truyền dẫn


2. Rời rạc hóa một nguồn tin liên tục (NTLT)
Phép biến đổi NTLT –> RR gồm 2 bước:
b1: Khâu rr hóa theo tg gọi là khâu lấy mẫu
b2: Khâu lượng tử hóa theo mức

+ Lấy mẫu: là một hàm tin là tính mẫu tại thời điểm nhất định.
Định lý: Một hàm s(t) có phổ hữu hạn, không có thành phần
tần số lớn hơn ωmax có thể được thay thế bằng các mẫu của nó
lấy tại những điểm cách nhau 1 khoảng Δt ≤  /ωmax
+ Lượng tử hóa: Hàm S(t) thể hiện NT lt, bđổi lt trong phạm vi
(Smin, Smax), ta phân chia phạm vi đó thành một số mức nhất
định, đánh số các mức từ Smin S0 S1 S2…, Smax. Việc biến dạng hóa
sự biến đổi biên độ của S(t) là cho biên độ lấy mức Si nhất
định khi nó tăng hoặc giảm gần đến mức đó.
Như vậy S(t) sẽ trở thành hàm biến đổi theo bậc thang gọi là
hàm lượng tử hóa S’(t)
Một NTLT sau khi lấy mẫu và lượng tử hóa -> NTRR


3. Độ đo thông tin (Metric)
Độ đo của một đại lượng là cách ta xác định độ lớn của đại
lượng đó. Mỗi M phải thỏa mãn 3 tính chất sau:
- M phải cho phép ta xđ được độ lớn của đlượng
- M phải không âm
- M phải tuyến tính, tức là gtrij tự đo được của đlượng tổng
cộng phải bằng tổng g trị của các đl riêng phần.
• M là hàm tỷ lệ nghịch với xsxh của tin f(1/p(x i)) cho tin xi có
xsxh p(xi) (khi p=1 -> một tin không cho ta lượng tin)
• Khi 2 tin đồng thời xh: f(1/p(xi,xj)) = f(1/p(xi)) +f(1/p(xj))
Vì 2 tin là độc lập thống kê nên: p(xi,xj) = p(xi).p(xj)
⇒ F là một làm log. Vậy lượng đo TT của 1 tin xi là:
I(xi) = logb(1/ p(xi))
(Hiện nay thường dùng các độ đo b=2, b=e, b= 10)


4. Mã hóa:
Mã hóa là phép biến đổi cấu trúc thống kê của nguồn. Phép
bđổi ấy tương đương trên quan điểm TT và nhằm cải tiến
các chỉ tiêu kỷ thuật của httt.
VD: Cho nguồn tin A có 4 tin đẳng xác suất với sơ đồ thống
kê:
A= a1 a2 a3 a4
¼ ¼ ¼ ¼
Lượng tin I(ai) = 1. (log21/4) = 2 bit
Bằng một phép mã hóa như sau:
a1-> b1b1 , a2-> b1b2 , a3-> b2b1 , a4-> b2b2
Chúng ta biến đổi thành 1 nguồn tin mới gồm có 2 ký hiệu
đẳng xác suất:
B = b1 b2
½ ½
Lượng tin chứa trong 1 tin của B cũng bằng lượng tin chứa
trong tin tương ứng của A.
VD: tin b b <-> a1 trong A: I(b ,b )=2.log (2)=2(bit)



5. Điều chế và giải điều chế
Trong hhttlt, các tin hình thành từ NTLT được bđổi thành đại lượng
điện (áp, dòng) và chuyển vào kênh.
VD: Điện thoại -> khi truyền qua k/c lớn -> điều chế(I, F, P) -> tức là
chuyển TT thành một dạng năng lượng thích hợp với môi trường.
• Đối với htttrr, qui luật mã hiệu điều khiển 1 hoặc nhiều thông số của
năng lượng được dùng để mang tin.
• VD: Điện báo -> qui luật mã hiệu điều khiển biên độ dòng 1 chiều.

• Các pp đchế cao tần cũng giống như trường hợp ttlt, nhưng làm việc
gián đoạn theo tg gọi là khóa lịch.
• VD: PP khóa lịch biên độ (ASK: Amplitude Shift Key), PSK, FSK.
• Giải điều chế là phép biến đổi ngược lại của phép đchế, điều khác là t/h
đầu vào của t/ bị giải điều chế không phải chỉ là t/ h đầu ra của tbđchế,
mà là một hỗn hợp thđchế và tạp nhiễu .
⇒ Nhiệm vụ của các tb giải đchế là từ trong hỗn hợp đó lọc ra được TT
dượi dạng 1 hàm điện áp liên tục hoặc một dãy xung điện rời rạc giống
như TT ở đầu vào tbđc với sai số trong phạm vi cho phép.
VD: Tách sóng biên độ, tách sóng pha, tách sóng đồng bộ, lọc tin liên kết,
lọc tối ưu…



6. Quá trình truyền từ nguồn đến đích


Mã hóa, Điều chế và giải điều chế, truyền, nhận.
Source System

Source

Coding

Modulating

Transmitter

Media

Destination System

Receive

Demodulating

Decoding

Destination

End


VD1 : Quá trình truyền
Destination System

Source System

Source



Transmitter

Transmission
System

Receiver

Destination

Liên quan đến các vấn đề truyền dữ liệu số dạng
thô

Truyền dẫn dữ liệu (data transmission)
 Mã hóa dữ liệu (data encoding)
 Kỹ thuật trao đổi dữ liệu số (digital data communication)
 Điều khiển liên kết dữ liệu (data link control)
 Phân hợp (multiplexing)


Liên kết (link) hoặc mạch (circuit)
 Kênh (channel)



VD2: Mạng truyền số liệu


Giao tiếp điểm-điểm
thường không thực tế

Wide-Area
Network

Các thiết bị cách xa nhau
 Số kết nối tăng đáng kể
khi số các thiết bị cần
giao tiếp lớn
⇒ mạng truyền số liệu

Switching
node





Phân loại dựa vào
phạm vi hoạt động



Source system

Source

Mạng cục bộ (LocalArea Networks – LAN)
Mạng diện rộng (WideArea Networks – WAN)

Trans
mitter

Destination system

Trans
mission
System

Local-Area

Network

Receiver

Dest
ination


Chương 2: Mã hiệu
Trong các htttrr hoặc lt nhưng đã được rr hóa, bản tin thông
thường thông qua các phép biến đổi.
- Ở bên phát -> đổi thành số (nhị phân), mã hóa..
- Ở bên thu -> đổi ngược lại, giải mã, liên tục hóa…
1.
Định nghĩa:
_ Mã hiệu (code): là nguồn một nguồn tin với sơ đồ thống kê
được xây dựng nhằm thỏa mãn một số yêu cầu do hệ
thống truyền tin đề ra. Mã hiệu chính là tập hữu hạn các
dấu hiệu riêng (symbol), hay bảng chữ riêng có phân phối
xác suất thỏa mãn một số yêu cầu qui định.
VD: -Trong TT điện báo khóa lịch (manip) tần số (FSK, PSK), 2
tần số hoặc 1 góc pha ngược nhau 1800, cơ số mã m=2.
- Điện báo morse: m=3


Định nghĩa và điều kiên thiết lập mã
Quá trình mã hóa (encoding) là việc sử dụng mã hiệu để biểu diễn các
tin của SI.
 Vì số ký hiệu mã < số tin -> phải dùng 1 tổ hợp các ký hiệu mã. -> dãy
này gọi là từ mã (codeword).

 Từ mã là 1 dãy liên tục các ký hiệu mã được dùng để mã hóa SI-> tập từ
mã -> mã khối.
 ĐK t/lập mã chung cho các loại mã hiệu: có q/luật đảm bảo sự phân
tách ra được 1 cách duy nhất các từ mã.
VD: SI: a,b,c,d được mã hóa theo qui luật a->00, b->01, c->10, d->11.
aabcdb ->000001101101
Khi giải mã tách từng nhóm 2 ký hiệu mã tương ứng
Nếu đem nguồn trên với bộ mã khác sẽ cho kq khác.
ĐK riêng cho mỗi loại mã: Đ/v bộ mã còn tồn tại đk riêng phải được thõa
mãn khi thiết lập mã.
VD: Mã thống kê tối ưu phải đạt được độ dài trung bình của các từ mã tối
thiểu, mã chống nhiễu phải cho phép phát hiện sai càng nhiều càng tốt.



n −1

∑a m
k =0

k

2. Phương pháp biểu diễn mã
k

2.1 Các bảng mã:
- Bảng đối chiếu mã: liệt kê tin của nguồn kèm theo từ mã.
Nếu bộ mã lớn -> cồng kềnh.
VD: Tin
a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 a10

Từ mã 00 01 100 1010 1001
- Mặt toạ độ của mã: là 1 biểu diễn dựa trên 2 thông số của từ
mã, là độ dài n và trọng số b để lập một mặt phẳng có 2toạ
độ, trên đó mỗi từ mã được bd bằng 1 điểm.
n −1






b =

∑a m
k =0

k

k

ak: giá trị riêng của ký hiệu thứ k trong từ mã kể từ trái sang
phải với mã nhị phân.
k: là số thứ tự, m: là cơ số của mã


VD:
Trọng số của từ mã nhị phân có 4 ký hiệu 1011 bằng:
b = 1.20+0.21+1.22+1.23 = 13
Mỗi từ mã sẽ hoàn toàn xác định khi ta xác định được
(n,b) của nó.

Định lý: Không có 2 từ mã mã hoá 2 tin khác nhau
của cùng một bộ mã thoã mãn đồng thời :
ni =nj , bi=bj


2.2 Đồ hình mã
Cây mã là một đồ hình gồm các nút và các nhánh. Gốc của
cây gọi là nút gốc.
Từ nút gốc phân ra m nhánh, mỗi nhánh đại biểu 1 trị. Mỗi
nhánh kết thúc tại 1 nút ở cấp cao hơn nút xuất phát -> tiếp
tục phân ra.
VD: Cây mã cho bộ mã 00, 01, 100, 1010, 1011


0

0

00

1

1

mức gốc (0)
mức 1 (m=1)

0

mức 2 (m=2)

01

1

mức 3 (m=3)

100

1

0
1010

1011

mức 4 (m=4)


Đồ hình kết cấu
Gồm những nút và những nhánh có hướng đây là
cách biểu diễn cây mã rút gọn
 Một từ mã được biểu diễn bằng một vòng kín xuất
phát từ nút gốc theo các nhánh có hướng qua các
nút trung gian rồi về nút gốc.
 Mỗi nút đại diện cho một trị của ký hiệu mã.


1

1
01

0v1


2.3 Hàm cấu trúc của mã


Hàm cấu trúc của mã cho ta đặc tính quan trọng
của mã là sự phân bố của các từ mã theo độ dài, ký
hiệu G (n1).
Ví dụ: Bộ mã 00, 01, 100, 1010, 1011 có hàm G(n)
dưới dạng sau:
G(ni) = 2, khi ni= 2.
G(ni) = 1, khi ni= 3.
G(ni) = 2, khi ni= 4.

Từ hàm cấu trúc có thể phân biệt được mã đều hay
không đều.


3. Điều kiện phân tách các mã hiệu
3.1 Độ chậm giải mã
Bất kỳ dãy các từ mã nào của bộ mã cũng không được trùng
với một dãy từ mã khác của cùng bộ mã.
Lấy bộ mã 00, 01, 100, 1010, 1011 khi nhận được
1000101001011101101 chỉ có thể phân tách một cách duy nhất
thành dãy các từ mã:
100_01_01_00-1011_1011_01

Như vậy bộ mã đang xét thuộc loại mã phân tách được gọi là
độ chậm giải mã là số ký hiệu cần phải nhận đủ để có thể
phân tách được từ mã.
3.2 Điều kiện để tách được mã
Định lý1: Điều kiện cần và đủ để mã có tính phân tách là
không có 1 tổ hợp mã nào trong các cột từ j>=2 trùng với 1
từ mã trong cột 1.


Ví dụ:
Xét tính phân tách của bộ mã 10, 100, 01, 011
1
2
3
4
5
...
10
0
1
0
1
...
100
1
11
00
11
...
01

0
1
0
...
011
00
11
00
...
Trong các cột từ 2, 3,... Các bảng thứ này không có tổ
hợp mã nào trùng với các từ mã trong cột 1, nhưng
có thể điền các cột j đến vô hạn mà không gặp cột
trống. Bộ mã này phân tách được nhưng độ chậm
giải mã là vô hạn.



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