Truyền dẫn số

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Giảng viên:

Cao Hồng Sơn - Email:

Bộ môn:

Tín hiệu & Hệ thống - Khoa VT1

Học kỳ/Năm biên soạn: I/2018

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Giới Thiệu Môn Học

 Thời lượng môn học:
 3TC (34LT + 8BT + 2TH+1TH)
 Mục tiêu:
 Kiến thức: Sinh viên được học các kiến thức cơ bản về các kỹ thuật
truyền dẫn số làm cơ sở cho các môn học chuyên ngành như thông tin
di động, mô phỏng hệ thống truyền thông, công nghệ truyền tải quang,
các mạng truyền thông vô tuyến…
 Kỹ năng: Sinh viên nắm được kỹ năng nghiên cứu, phân tích, đánh giá
về các kỹ thuật truyền dẫn số.
 Thái độ, chuyên cần: Tập cho sinh viên khả năng nghiên cứu độc lập,
trách nhiệm và tính xây dựng trong hoạt động nhóm.

 Nội dung:
 Chương 1: Giới thiệu chung
 Chương 2: Mã hóa nguồn
 Chương 3: Mã hóa kênh
 Chương 4: Kỹ thuật ghép kênh số
 Chương 5: Mã đường truyền
 Chương 6: Điều chế và giải điều chế
 Chương 7: Đồng bộ
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 2

1


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Giới Thiệu Môn Học
 Tài liệu tham khảo:
 A. Học liệu bắt buộc:
1- Bài giảng “Truyền dẫn số”. Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông,
2013.
 B- Học liệu tham khảo:
[1] John G. P., Digital Communications, McGraw Hill, 4th edition 2007.
[2] A. B. Carlson, P. B. Crilly and J. C. Rutledge, Communication Systems: An
Introduction to Signals and Noise in Electrical Communication, McGraw Hill,
2002, 4th Edition.

[3] Alberto Leon-Garcia and Indra Widjaja, Communication Networks:
Fundamental Concepts and Key Architectures, McGraw Hill, 2001.
[4] John Bellamy, Digital Telephony, John Wiley &Sons, Inc., 2nd edition 1991.
[5] Bernard Sklar, Digital Communications: Fundamentals and Applications,
Prentice Hall, 4th edition 2000.
[6] Simon Haykin, Communication Systems, John Wiley &Sons, Inc., 4th
edition 2004.
[7] Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, Macmilan
Inc., 6th Editions, 2001.
[8] William Stalling, Data and Computer Communications, Macmilan Inc., Fifth
Editions, 2003.
www.ptit.edu.vn

Trang 3

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Giới Thiệu Môn Học
 Đánh giá:
Hình thức kiểm tra

Trọng số đánh giá

Đối tượng đánh giá

Tham gia học tập trên lớp (đi học đầy
đủ, chú ý nghe giảng; tích cực tham

gia thảo luận)

10%

Cá nhân

Bài tập /Thảo luận

10%

Nhóm

Kiểm tra giữa kì

20%

Cá nhân

Thực hành

5%

Cá nhân

Kiểm tra cuối kì

55%

Cá nhân

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 4

2


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Nội dung
Chương 1- Giới thiệu chung.
Chương 2- Mã hóa nguồn.
Chương 3- Mã hóa kênh.
Chương 4- Kỹ thuật ghép kênh số.
Chương 5- Mã đường truyền.
Chương 6- Điều chế và giải điều chế số.
Chương 7- Đồng bộ.
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 5

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung.



Đặc điểm của thông tin số



Quá trình phát triển của truyền dẫn số



Một số khái niệm cơ bản



Sơ đồ khối chung và các phần tử cơ bản của hệ thống
truyền dẫn số



Các kênh truyền dẫn và đặc tính



Các mô hình toán học cho các kênh truyền dẫn

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 6

3


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.1 Đặc điểm của thông tin số:
• HHTT sử dụng để truyền thông tin (dạng bản tin,..) từ nơi này đến nơi khác (từ nguồn tin 
nơi nhận tin).
• Các bản tin: ở dạng liên tục (nguồn có tập các bản tin vô hạn)/ rời rạc (nguồn có tập các bản
tin hữu hạn).
• Biểu diễn vật lý của một bản tin: tín hiệu (đại lượng vlý: dòng, áp, cường độ ánh sáng...).
• Tùy theo dạng tín hiệu: tương tự/ số  hệ thống thông tin tương tự/ hệ thống thông tin số.
• Tín hiệu tương tự:
- Đặc điểm cơ bản: nhận vô số giá trị, lấp đầy liên tục một dải nào đó (thời gian tồn tại là một giá trị
không xác định:  (t) tồn tại của bản tin.
- Phân loại: tín hiệu liên tục (voice đầu vào các Micro); tín hiệu rời rạc (t/h PAM của chính t/h đầu ra
micro)

• Tín hiệu số: Nguồn tin chỉ gồm một số hữu hạn (M) các bản tin: bản tin có thể được đánh số 
thay vì truyền đi bản tin: chuyển các kí hiệu (symbol) là các con số tương ứng. Tín hiệu chỉ được
biểu diễn bằng các con số (các kí hiệu) và được gọi là t/h số.
- Đặc điểm cơ bản: chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị; có thời gian tồn tại xđịnh, Ts (khoảng thời gian
của một kí hiệu).
- Phân loại: M=2 (nhị phân); M>2: nhiều mức

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 7

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.1 Đặc điểm của thông tin số: (Cont.)
• Ưu điểm HTTT số:
- Các mạch số hoạt động ổn định, tin cậy
- Có khả năng tái tạo sau từng khoảng truyền nhất định nên loại bỏ nhiễu tích lũy
Tăng khả năng truyền dẫn.
- Có khả năng tương thích với các hệ thống điều khiển & xử lí hiện đại: có khả năng
vận hành, quản lí & bảo dưỡng (OA&M) tự động.
- T/h số dễ truyền mọi loại bản tin liên tục/ rời rạc  hợp nhất các mạng thông tin
thành một mạng duy nhất.
• Hạn chế HTTT số:
- Phổ tín hiệu số tương đối lớn so với phổ tín hiệu tương tự.
Tương lai: áp dụng các kỹ thuật số hóa tín hiệu liên tục tiên tiến: phổ t/h số có thể so
sánh được với phổ t/h tương tự.
- Vấn đề đồng bộ
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 8

4

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.2 Vài nét về lịch sử của các hệ thống truyền dẫn số:
• Điện báo (telegraph) của Samuel Morse 1838-1866
• Điện thoại (telephone) 1876-1899
- Alexander Graham Bell phát minh ra điện thoại 1876
- Xuất hiện tổng đài đầu tiên với 08 đường dây
- Almond Strowger sáng chế ra tổng đài cơ điện kiểu từng nấc
(Step-by-step 1887)
• Truyền hình (Television) 1923-1938
• Radar và vi ba 1938-1945
• Truyền thông vệ tinh (satellite) 1955
• Internet 1980-1983
• Di động tế bào 1980-1985
• Truyền hình số 2001-2005
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 9

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.3 Một số khái niệm cơ bản:
+ Tín hiệu (signal):

 Khái niệm: “Tín hiệu là hàm của một hay nhiều biến độc lập, mang thông tin
về bản chất của hiện tượng nào đó” / (đại lượng vật lý trung gian do thông
tin biến đổi thành).
Trong viễn thông: một dạng năng lượng mang theo thông tin tách ra được
và truyền từ nguồn đến nơi nhận.
 Phân loại:
- Theo không gian trạng thái: t/h một chiều, t/h nhiều chiều
- Theo đặc tính hàm số: tín hiệu tương tự/tín hiệu số.
- Theo thông tin (nguồn tin): tín hiệu âm thanh (trong đó có tín hiệu thoại, tín
hiệu ca nhạc …); tín hiệu hình ảnh (hình ảnh tĩnh, hình ảnh động …); tín
hiệu dữ liệu.
- Theo năng lượng mang: tín hiệu điện, tín hiệu quang …
- Theo vùng tần số: tín hiệu âm tần, tín hiệu cao tần, tín hiệu siêu cao tần.
- Theo kênh: t/h đơn kênh, t/h đa kênh
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 10

5


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.3 Một số khái niệm cơ bản:
+ Hệ thống (system):
 Khái niệm: “Hệ thống là một thực thể có khả năng thay đổi để thực hiện một

chức năng nào đó, trong quá trình đó tạo ra tín hiệu mới”.
 Đặc điểm:
- Thay đổi tín hiệu
- Đầu vào (Input), đầu ra (Output).
- Thuật toán.

Tín hiệu đầu vào
(Input)

www.ptit.edu.vn

Tín hiệu đầu ra

Hệ thống

(Output)

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 11

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.3 Một số khái niệm cơ bản:
+ Hệ thống Truyền thông (Communication System):
 Khái niệm: mô tả quá trình trao đổi thông tin hoặc là sự trao đổi thông tin
qua lại giữa hai hoặc nhiều bên. Bao gồm: truyền thông cơ học (bưu chính)
và truyền thông điện (viễn thông).

 Mục đích chính của truyền thông là truyền tải thông tin từ nguồn tới nơi
nhận (đích) thông qua một kênh truyền (channel)/ môi trường truyền.
 Sơ đồ khối HTTT:
Nguồn

Máy phát

Kênh

Máy thu

Đích

(Source)

(Transmitter)

(Channel)

(Receiver)

(Recipient)

- Source: analog or digital
- Transmitter: transducer, amplifier, modulator, oscillator, power amp., antenna.
- Channel: e.g. cable, optical fibre, free space, underwater acoustic, Storage…
- Receiver: antenna, amplifier, demodulator, oscillator, power amplifier, transducer
- Recipient: e.g. person, (loud) speaker, computer
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 12

6


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.3 Một số khái niệm cơ bản:

+ Hệ thống Truyền thông (Communication System):
 Một số loại HTTT:
- PSTN (Public Switched Telephone Network ): voice, fax,
modem.
- Satellite systems
- Radio,TV broadcasting
- Cellular phones
- Computer networks (LANs, WANs, WLANs)

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 13

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.3 Một số khái niệm cơ bản:

+ Chế độ truyền:
 Truyền dẫn: quá trình truyền thông tin giữa các điểm kết cuối trong
một hệ thống hay trong mạng viễn thông.
 Trong HT TT: thực hiện truyền dẫn thông tin theo một chiều hoặc
theo hai chiều.
- Các HT TT theo một chiều duy nhất: được gọi là thông tin đơn
công (Simplex mode).
- Các HT TT theo hai chiều: được gọi là hệ thống thông tin song
công. Hệ thống thông tin song công (duplex mode): bán song công
(Half-duplex mode) và song công hoàn toàn (Full-duplex mode).
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 14

7


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.3 Một số khái niệm cơ bản:
+ Chế độ truyền:
 Simplex mode:

- Tín hiệu được truyền dẫn chỉ theo một hướng.
- Không dùng rộng rãi vì không thể gửi ngược lại lỗi
hoặc tín hiệu điều khiển cho bên phát.
- Television, teletext, radio
 Half-duplex mode:
- Tín hiệu được truyền dẫn theo hai hướng, nhưng
việc truyền tin trên mỗi hướng chỉ được thực hiện
tại một thời điểm.
- Bộ đàm: người nói phải xác nhận bằng nút chuyển
sang chế độ nghe thì bên kia mới được nói
 Full-duplex mode:
- Tín hiệu được truyền dẫn theo hai hướng trong
cùng một thời gian.
- Hầu hết các hệ thống viễn thông hiện đại sử dụng
nguyên lý song công hoàn toàn.
www.ptit.edu.vn

Nguồn tin

Đích

Nguồn

Đích

Nguồn

Đích

Trang 15

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống số:
Từ các nguồn khác

+ Sơ đồ HT TDS:
Nguồn thông tin
& bộ chuyển đổi
đầu vào

Bộ mã
hóa nguồn

Bộ mã
hóa kênh

Bộ ghép
kênh

Bộ điều
chế số

Đồng bộ

Bộ chuyển đổi

đầu ra và nơi
nhận thông tin

Bộ giải mã
nguồn

Bộ giải
mã kênh

Bộ tách
kênh

Kênh

Bộ giải
điều chế
số

Tới các đích khác
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 16

8


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống số:
+ Chức năng các khối:
 Nguồn tin (Information Source):
- Dạng tương tự (tiếng nói, âm thanh, video) hay dạng số (dữ liệu máy tính).
 Bộ chuyển đổi (Định dạng dữ liệu -Format):
- Chuyển đổi dạng dữ liệu của nguồn tin thành các bit dữ liệu nhị phân.

 Bộ mã hóa nguồn (Source Encoder):
- Loại bỏ thông tin dư thừa biểu diễn thông tin truyền đi càng ít bit dữ liệu
càng tốt (quá trình nén dữ liệu).
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 17

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống số:
+ Chức năng các khối:
 Bộ mã hóa kênh (Channel Encoder):
- Quá trình đưa thêm vào các bit dư mà nhờ đó máy thu có thể thực hiện
việc phát hiện lỗi và sửa lỗi.
 Bộ ghép kênh (Multiplexer):
- Kết hợp nhiều tín hiệu vào (có tốc độ bit thấp) tạo nên một tín hiệu đầu ra
(có tốc độ bit cao hơn).

 Bộ điều chế số (Digital Modulator):
- Ánh xạ chuỗi thông tin nhị phân thành các dạng sóng tín hiệu. Nghĩa là:
chuỗi thông tin được mã hóa sẽ phát một bit tại một thời điểm (với tốc độ R
bitps); DM sẽ ánh xạ bit 0 thành dạng sóng S0(t) và bit 1 thành S1(t): mỗi bit
được phát riêng biệt  quá trình này gọi là điều chế nhị phân.
 Kênh (Channel):
- Môi trường vật lí để gửi tín hiệu từ máy phát đến máy thu.
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 18

9


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống số:

+ Các tham số cơ bản:
 Tốc độ truyền dẫn, tốc độ bit (bps hoặc bit/s)
 Tỉ số lỗi bit (BER)/ Tỉ số Eb/N0
 Trễ (do truyền và xử lí tín hiệu)
 “Rung pha định thời” trong luồng bit từ bộ giải mã kênh

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 19

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.5 Các kênh truyền dẫn và đặc tính:
+ Cung cấp kết nối giữa máy phát & máy thu: kênh vật lí là một đôi dây
mang t/h điện hoặc sợi quang mang thông tin về một chùm ánh sáng được
điều chế hoặc một kênh dưới nước hoặc không gian mà tín hiệu mang
thông tin bức xạ.
 Kênh dây dẫn kim loại: (Dải tần của kênh)

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 20

10


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.5 Các kênh truyền dẫn và đặc tính:
 Kênh sợi quang: (Dải tần của kênh)

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 21

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.5 Các kênh truyền dẫn và đặc tính:
 Kênh vô tuyến: (Dải tần của kênh)

Ground-wave propagation
(MF band)

Sky-wave propagation
(HF band)

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 22

11


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.5 Các kênh truyền dẫn và đặc tính:
 Kênh vô tuyến: Dải tần của kênh)

Line-Of-Sight (LOS) propagation
(VHF band and higher)

www.ptit.edu.vn

Trang 23

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.6 Các mô hình toán học cho kênh truyền dẫn:
Có 3 mô hình thông dụng:
Tín hiệu phát

s(t)

Mô hình kênh
truyền

Tín hiệu thu

a- Mô hình kênh nhiễu cộng:
s(t)

+

r(t)
Hệ số suy hao

r(t)

n(t)

Ví dụ: Tín hiệu truyền trong không gian chỉ có tổn hao không gian tự do và ở
máy thu chỉ có ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt.
b. Mô hình kênh lọc tuyến tính:
Đáp ứng xung của kênh
s(t)

Bộ lọc
tuyến tính
c(t)

+

r(t)

n(t)

Ví dụ: Tín hiệu truyền trên kênh thoại truyền thống
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 24

12


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
1.6 Các mô hình toán học cho kênh truyền dẫn:
c. Mô hình kênh thời gian biến đổi tuyến tính:
Đáp ứng xung của kênh,
thay đổi theo thời gian
s(t)

Kênh lọc
thời gian
biến đổi
tuyến tính
c(t)

+

r(t)

n(t)

Ví dụ: Kênh âm dưới nước hoặc kênh vô tuyến truyền tầng điện li, kênh
truyền đa đường trong di động
(underwater acoustic channels or ionospheric radio channels, time-variant
multipath propagation channel in mobile communication environment)

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 25

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 1- Giới thiệu chung
Câu hỏi & bài tập chương 1:
1. Trình bày quá trình phát triển của hệ thống truyền dẫn số
2. Trình bày các phần tử cơ bản của hệ thống truyền thông số.
3. Phân tích các tham số hiệu năng của hệ thống truyền dẫn số.
4. Trình bày các mô hình kênh truyền trong hệ thống truyền dẫn số

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 26

13

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
NỘI DUNG
Chương 1- Giới thiệu chung.
Chương 2- Mã hóa nguồn.
Chương 3- Mã hóa kênh.
Chương 4- Kỹ thuật ghép kênh số.
Chương 5- Mã đường truyền.
Chương 6- Điều chế và giải điều chế số.
Chương 7- Đồng bộ.
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 27

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
NỘI DUNG
Chương 2- Mã hóa nguồn.


Các mô hình toán học cho các nguồn thông tin



Đo thông tin



Mã hóa cho các nguồn thông tin rời rạc



Mã hóa cho các nguồn thông tin tương tự:
•

Mã hóa dạng sóng thời gian: PCM, DPCM, ADPCM, DM

•

Mã hóa dạng sóng trong miền tần số.

•

Mã hóa nguồn dựa trên mô hình.

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 28

14


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 2- Mã hóa nguồn
Từ các nguồn khác

+ Sơ đồ HT TDS:
Nguồn thông tin
& bộ chuyển đổi
đầu vào

Bộ mã
hóa nguồn

Bộ mã
hóa kênh

Bộ ghép
kênh

Bộ điều
chế số

Đồng bộ

Bộ chuyển đổi
đầu ra và nơi
nhận thông tin

Bộ giải mã
nguồn

Bộ giải
mã kênh

Bộ tách
kênh

Kênh

Bộ giải
điều chế
số

Tới các đích khác
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 29

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 2- Mã hóa nguồn
2.1 Mô hình toán học của nguồn tin:
 Nguồn tin:

Nguồn tương tự: tín hiệu đầu ra có dạng liên tục
Nguồn rời rạc: tín hiệu đầu ra có dạng rời rạc

 Nguồn tin tạo ra các bản tin một cách ngẫu nhiên. Với nguồn rời rạc (Discrete

source), đầu ra là chuỗi các biến ngẫu nhiên rời rạc.
 Mô hình cho nguồn rời rạc:
Giả sử nguồn rời rạc gồm L ký hiệu :{x1, x2,…, xL}, với xác suất tương ứng là
{p1,p2,…,pL}. Lúc đó:
(2.1)
Ví dụ: Nguồn rời rạc nhị phân X sẽ gồm hai ký hiệu: {0,1} và P(X=0)+ P(X=1)=1.
 Nguồn rời rạc không nhớ DMS (Discrete Memoryless Source): phát ra chuỗi ký
hiệu là độc lập thống kê, nghĩa là:
(2.2)
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 30

15


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 2- Mã hóa nguồn
2.2 Đo lượng tin của nguồn tin:
2.2.1 Lượng tin của nguồn rời rạc:
 Tin tức liên quan đến sự ngạc nhiên mà chúng ta cảm nhận khi nhận được
bản tin. Bản tin ít có khả năng xảy ra sẽ mang nhiều tin tức hơn. Từ đó, người ta
đưa ra khái niệm lượng tin.
 Lượng tin:
 Lượng tin riêng: có được khi xuất hiện bản tin xi (xảy ra sự kiện X= xi )
(2.3)

• Đơn vị của lượng tin: Tùy vào cơ số hàm logarit (cơ số 2: đơn vị là bit, cơ số
e: đơn vị là nat, cơ số 10: Hartley)
• Tính chất: i/
ii/
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 31

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 2- Mã hóa nguồn
2.2 Đo lượng tin của nguồn tin (tt):
 Lượng tin có điều kiện:
 lượng tin có được khi sự kiện X = xi xảy ra sau khi quan sát sự kiện Y = yj đã
xảy ra.
(2.4)
 Lượng tin tương hỗ:
 lượng tin có được về sự kiện X =xi từ việc xảy ra sự kiện Y=yi.
(2.5)
 Nhận xét: i/
ii/

www.ptit.edu.vn

Khi X, Y độc lập thống kê: I(xi,yj) = 0
I(xi,yj) = I(yj,xi)  lượng tin về sự kiện X = xi có được từ việc xảy
ra sự kiện Y = yj giống với lượng tin về sự kiện Y = yj có được

từ việc xảy ra sự kiện X = xi.
BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 32

16


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 2- Mã hóa nguồn
2.2 Đo lượng tin của nguồn tin (tt):
 Lượng tin trung bình:
 lượng tin trung bình chứa trong một ký hiệu bất kỳ của nguồn
(2.6)
 Nhận xét: lượng tin trung bình phản ánh được giá trị tin tức của cả nguồn tin.
Ví dụ 1: Một nguồn DMS gồm 2 ký hiệu {x0,x1} với xác suất xuất hiện các ký hiệu
tương ứng là 0.99 và 0.01.
Lượng tin riêng của x1:
Lượng tin trung bình của nguồn:
 Lượng tin tương hỗ trung bình:
(2.7)
www.ptit.edu.vn

Trang 33

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 2- Mã hóa nguồn
2.2 Đo lượng tin của nguồn tin (tt):
X

Ví dụ 2: Cho mô hình như sau. Trong đó:
X, Y là các nguồn rời rạc nhị phân.
0

với: P(X=1)=P(X=0)=1/2

1- p0

0
p1

Xác định: I(Y=0,X=0); I(Y=1,X=0).
Lời giải:

Y

Channel

p0
1

Ta có:

1- p1

1

với:

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 34

17


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Chương 2- Mã hóa nguồn
2.2.2 Entropy của nguồn rời rạc:
 Giả sử nguồn rời rạc X gồm L ký hiệu {x1, x2,…, xL}, Entropy của nguồn X được
định nghĩa là:
(2.8)
 Nhận xét:
• Entropy của nguồn chính là lượng tin trung bình của nguồn đó.
•
.Nếu các ký hiệu của nguồn có xác suất xuất hiện
bằng nhau thì Entropy sẽ đạt giá trị cực đại.

•
. Dấu = xảy ra khi một ký hiệu có xác suất xuất hiện bằng 1,

còn xác suất xuất hiện của các ký hiệu còn lại là 0.
www.ptit.edu.vn

Trang 35

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3 Các phương pháp mã hóa nguồn rời rạc (Nén dữ liệu)
 Giả sử nguồn rời rạc X gồm L ký hiệu {x1, x2,…, xL}, với xác suất các ký hiệu
tương ứng là {p1,p2,…,pL}. Mã hóa nguồn X là quá trình biểu diễn các ký hiệu xi
của nguồn bởi các chuỗi bi có chiều dài Ri. (bi = [b1,b2,…,bRi], bi = 0/1)
Nguồn rời
rạc X

{xi}

Mã hóa
nguồn

{bi}: 0/1

 Yêu cầu của bộ mã hóa nguồn:
• Các từ mã biểu diễn ở dạng nhị phân.
• Quá trình mã hóa sao cho việc giải mã là duy nhất.
 Đánh giá hiệu quả của bộ mã hóa nguồn:
• Thông qua việc so sánh số lượng bit trung bình dùng để biểu diễn từ mã.
• Hiệu suất mã hóa:

H(X): entropy của nguồn X.

𝑅=

𝑝𝑅

: chiều dài trung bình của từ mã.
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 36

18


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3 Các phương pháp mã hóa nguồn rời rạc (tt)
2.3.1 Phương pháp mã hóa với từ mã có chiều dài bằng nhau:
 Tất cả các ký hiệu của nguồn được mã hóa bằng các từ mã có chiều dài bằng
nhau [từ mã R bit].
 Quá trình mã hóa không tổn hao, và việc giải mã là dể dàng và duy nhất.
 Ví dụ: mã ASCII, mã EBCDIC, mã Baudot,vv…
 Quá trình mã hóa:
• Giả sử nguồn gồm L ký hiệu đồng xác suất. Ta muốn mã hóa dùng R bit ?
• Chọn giá trị của R:
• Lúc đó, hiệu suất mã hóa:
o Khi L lũy thừa của 2:

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 37

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3.1 Phương pháp mã hóa với từ mã có chiều dài bằng nhau (tt):
o Khi L không phải là lũy thừa của 2:

Khi L lớn thì log2L lớn hiệu suất cao. Ngược lại, khi L nhỏ, hiệu suất
sẽ rất thấp  mã hóa từng khối J ký hiệu một lúc.
 Quá trình mã hóa J ký hiệu cùng một lúc:
• Số ký hiệu có thể có của nguồn: LJ .
• Chọn chiều dài từ mã mã hóa: N. Yêu cầu giá trị của N phải thỏa:
2N  LJ  N  log2LJ = Jlog2L
Do N phải là số nguyên, nên:
• Hiệu suất mã hóa:
 chọn J lớn thì hiệu suất
sẽ cao (dù cho L nhỏ)
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 38

19

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3.1 Phương pháp mã hóa với từ mã có chiều dài bằng nhau (tt)

Bài tập 1: Cho nguồn DMS có 100 ký hiệu đồng xác suất.
a. Khi mỗi một ký hiệu được mã hóa tại một thời điểm. Tìm
R=?  =?
b. Khi 3 ký hiệu được mã hóa cùng một lúc. Tìm N=?  =?

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 39

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3.1 Phương pháp mã hóa với từ mã có chiều dài bằng nhau (tt)
Bài tập 1: Cho nguồn DMS có 100 ký hiệu đồng xác suất.
a. Khi mỗi một ký hiệu được mã hóa tại một thời điểm. Tìm R=?  =?
•

Chiều dài của từ mã:

 Mỗi ký hiệu được biểu diễn bằng từ mã có chiều dài 7 bit.
•

Hiệu suất mã hóa:

b. Khi 3 ký hiệu được mã hóa cùng một lúc. Tìm N=?  =?
•

Chiều dài của từ mã:

•

Hiệu suất mã hóa:

Nhận xét: khi xác suất xuất hiện các ký hiệu không bằng nhau, hiệu suất sẽ thấp
hơn (do lúc đó H(X) < log2L)  dùng phương pháp mã hóa khác
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 40

20


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3.2 Phương pháp mã hóa với từ mã có chiều dài thay đổi (còn gọi là
phương pháp mã hóa thống kê tối ưu hay mã hóa entropy)
 Các ký hiệu của nguồn được mã hóa bằng các từ mã có chiều dài thay đổi.
 Các ký hiệu có xác suất xuất hiện lớn sẽ được mã hóa bằng từ mã có chiều dài
nhỏ, và ngược lại. Kết quả là, chiều dài trung bình của từ mã sẽ nhỏ   cao.

 Ví dụ: mã Morse, mã Huffman, mã Shannon-Fano,vv…
 Vấn đề giải mã khi từ mã có chiều dài thay đổi:
Ví dụ: Nguồn DMS có 4 ký hiệu, được mã hóa theo bảng sau:
Ký hiệu ai

Xác suất pi

Tập mã 1

Tập mã 2

a1
a2
a3
a4

1/2
1/4
1/8
1/8

1
00
01
10

0
10
110
111

Giả sử chuỗi thu được: 001001…. Xác định ký hiệu đã mã hóa ?????
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 41

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Ví dụ (tt):
 Theo tập mã 1: 00 1 00 1  a2a1a2a1
00 10 01  a2a4a3

 quá trình giải mã là không duy nhất
 Theo tập mã 2: 0 0 10 0 1  a1a1a2a1

 giải mã duy nhất
 Để giải mã duy nhất  mã phân tách được  mã có tính prefix  mã phải thỏa
bất đẳng thức Kraft:
Mã có tính prefix: không có từ mã nào có chiều dài n giống với n bit đầu tiên
của từ mã có chiều dài m (m>n).
Ví dụ:

Tập mã 1: {1,00,01,10}: không có tính prefix
Tập mã 1: {0,10,110,111}: có tính prefix

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 42

21


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3.2 Phương pháp mã hóa với từ mã có chiều dài thay đổi (tt)
a. Phương pháp mã hóa Shannon-Fano:
 Các bước thực hiện:
 Liệt kê các ký hiệu theo thứ tự xác suất giảm dần
 Chia các ký hiệu làm 2 nhóm sao cho tổng xác suất của mỗi nhóm
là gần bằng nhau nhất. Ký hiệu nhóm đầu là 0, nhóm sau là 1.
 Trong mỗi nhóm lại lại chia thành hai nhóm nhỏ có xác suất gần
bằng nhau nhất. Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chỉ còn một ký
hiệu thì kết thúc.
 Bài tập 2: Nguồn DMS có 7 ký hiệu với xác suất xuất hiện như sau:
ui

u1

u2

u3

u4

u5

u6

u7

pi

0,34

0,23

0,19

0,1

0,07

0,06

0,01

www.ptit.edu.vn
Hãy thực hiện

TH & HT
KHOA
VT1suất mã hóa?
quá trình BỘ
mãMÔN:

hóa Fano
và- tính
hiệu

Trang 43

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3.2 Phương pháp mã hóa với từ mã có chiều dài thay đổi (tt)
b. Phương pháp mã hóa Huffman:
 Các bước thực hiện:

 Liệt kê các ký hiệu theo thứ tự xác suất giảm dần
 Hai ký hiệu cuối có xác suất bé nhất được hợp thành ký hiệu mới
có xác suất mới bằng tổng hai xác suất.
 Các ký hiệu còn lại cùng với ký hiệu mới lại được liệt kê theo thứ tự
xác suất giảm dần.
 Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi hợp thành một ký hiệu mới có xác
suất xuất hiện bằng 1.
 Bài tập 3: Nguồn DMS có 7 ký hiệu với xác suất xuất hiện như sau:

ui

u1

u2

u3

u4

u5

u6

u7

pi

0,34

0,23

0,19

0,1

0,07

0,06

0,01

Hãy thực hiện quá trình mãBỘ
hóa
Huffman
và tính
hiệuVT1
suất mã hóa?

www.ptit.edu.vn
MÔN:
TH & HT
- KHOA

Trang 44

22


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3.2 Phương pháp mã hóa với từ mã có chiều dài thay đổi (tt)
c. Phương pháp mã hóa Lempel-Zip :
 Thuật toán LZ (Lempel-Zip): nén dữ liệu theo từ điển cơ sở.
 Sử dụng một bảng chứa tất cả các chuỗi ký tự con có thể xuất hiện trong
văn bản và được chứa trên cả bộ mã hóa và giải mã.
 Bộ mã hóa thay vì gửi các từ riêng lẻ, nó chỉ gửi chỉ số của từ được lưu
trong bảng. Bộ giải mã sẽ truy cập vào bảng xử lý để tái tạo lại văn bản đó.
 Được Jacob Braham Ziv đưa ra lần đầu tiên năm 1977, sau đó phát triển
thành một họ giải thuật nén từ điển là LZ.
 Dùng để giảm dư thừa trong pixel (không cần biết trước xác suất phân bố
của các pixel)
 Được ứng dụng rộng rãi trong nén số liệu các file máy tính, các tiện ích
nén/ giãn trong UNIX.
 Thường được dùng để nén các loại văn bản, ảnh đen trắng, ảnh màu, ảnh
đa mức xám... Và là chuẩn nén cho các dạng ảnh GIF và TIFF.

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 45

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.3.2 Phương pháp mã hóa với từ mã có chiều dài thay đổi (tt)
c. Phương pháp mã hóa Lempel-Zip:
 Các bước thực hiện:


Chia dữ liệu đầu vào thành các cụm (chuỗi con: không trùng lặp), Y<=2x.



Xây dựng bảng từ điển (Lập bảng mã hóa ):
+ Bảng có 4 cột: Thứ tự, Vị trí trong từ điển, Nội dung từ điển và Từ mã
+ Cột vị trí: điền giá trị nhị phân từ mã x bit tăng dần, loại trừ 00...0.
+ Cột nội dung: điền vào giá trị các cụm, mỗi cụm trên một hàng.

 Mã hóa các chuỗi con:
+ Khởi đầu cột từ mã, vị trí 00..0 được sử dụng để mã hóa một chuỗi
chưa xuất hiện trước đó.
+ Các từ mã được xác định qua việc liệt kê vị trí từ điển (ở dạng nhị
phân) của chuỗi trước đó giống hệt với chuỗi mới chỉ khác vị trí cuối
cùng + mã hóa ký tự sai khác .
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 46

23


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
c. Lempel-Zip Coding

Phương pháp: Xây dựng 1 từ điển

Cấu trúc từ điển

- Từ điển được xây dựng đồng thời với quá
trình đọc dữ liệu. Sự có mặt của một chuỗi
con trong từ điển khẳng định rằng chuỗi đó
đã từng xuất hiện trong phần dữ liệu đã đọc.
- Thuật toán liên tục “tra cứu” và cập nhật từ
điển sau mỗi lần đọc một kí tự ở dữ liệu đầu
vào.
- Do kích thước bộ nhớ không phải vô hạn
và để đảm bảo tốc độ tìm kiếm, từ điển chỉ
giới hạn 4096 ở phần tử dùng để lưu lớn
nhất là 4096 giá trị của các từ mã. Như vậy
độ dài lớn nhất của mã là 12 bít (4096= 212).

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 47

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
Mã hóa LZW ( Lempel-Ziv-Welch )
Bài tập 4: Nguồn DMS phát ra chuỗi dữ liệu nhị phân như sau:
10101101001001110101000011001110101100011011
Hãy thực hiện quá trình mã hóa LZW?

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 48

24


BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.4 Các phương pháp mã hóa nguồn tương tự:
2.4.1 Phương pháp mã hóa miền thời gian:


Phương pháp mã hóa PCM



Phương pháp mã hóa PCM vi sai (DPCM)



Phương pháp mã hóa PCM vi sai thích nghi (ADPCM)



Phương pháp mã hóa delta DM

2.4.2 Phương pháp mã hóa miền tần số:
 Phương pháp mã hóa băng con SBC (Sub- Band Coding)
 Tín hiệu được lọc vào một số dải tần con dùng giàn lọc, hay FFT,…
 Tín hiệu trong mỗi dải con sẽ được mã hóa một cách độc lập.
 Sau đó dữ liệu ở tất cả các băng con sẽ được đóng gói lại.
 Dùng trong mã hóa thoại, mã hóa audio (ví dụ định dạng nén MP3), vv…
www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 49

BÀI GIẢNG MÔN

TRUYỀN DẪN SỐ
2.4.1 Số hóa tín hiệu tương tự
 Sơ đồ khối hệ thống PCM

www.ptit.edu.vn

BỘ MÔN: TH & HT - KHOA VT1

Trang 50

25