Xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống thông tin thực hiện truyền dẫn số thông qua điều chế cầu phương QAM

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm tiểu luận chúng em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp
ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của Cô Nguyễn Thị Diệu Linh.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Thị Diệu Linh, đã tận tình
hướng dẫn, chỉ dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình để em thực hiện
được tiểu luận.
Hà Nội, ngày 27 tháng 06 năm 2019
Học viên thực hiện

1


LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, xu thế chung của viễn thông toàn cầu là sự thay thế toàn bộ
hệ thống thông tin tương tự bằng hệ thống thông tin số. Vì vậy, việc nghiên cứu các hệ
thống thông tin số nói chung đã trở thành nội dung quan trọng trong chương trình đào tạo
đối với sinh viên đang theo học ngành điện tử viễn thông. Và có rất nhiều tài liệu đề cập
về những vấn đề liên quan, điều đó giúp chúng ta nắm bắt được từng phần kiến thức và
hình thành nên một cái nhìn tổng quan, từ đó chúng ta có thể đi sâu vào nghiên cứu một
vấn đề cụ thể, làm tăng tính chuyên môn của mình.
Là não bộ của hệ thống, điều chế và giải điều chế được hầu hết các giáo trình thông
tin số giành một thời lượng khá lớn, phản ánh mức độ ưu tiên cao của khối này trong toàn
bộ hệ thống. Tuy nhiên, ở phần lớn các giáo trình, lý thuyết căn bản vẫn được chú trọng
hơn. Dù rằng chuyển biến mới trong kế hoạch giáo dục đào tạo của nước ta trong những
năm gần đây cho thấy những cố gắng cải thiện nhằm nâng cao sự tìm tòi, sáng tạo của sinh
viên, lôi cuốn sinh viên học tập bằng chính niềm đam mê của mình, cập nhật với sự phát
triển nhanh chóng của công nghệ mới. Với xu hướng đó, em lựa chọn đề tài: “Xây dựng
chương trình mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống thông tin thực hiện truyền dẫn số
thông qua điều chế cầu phương QAM với M = 4”. Mô phỏng Monte-Carlo là một ứng dụng

nằm trong chương trình phần mềm Matlab, ứng dụng này làm công cụ khai thác thay thế
các hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan, sâu hơn về những vấn đề kỹ
thuật phức tạp. Hy vọng tính chuyên biệt của tài liệu, kết hợp dùng hỗ trọ cảu máy tính
trong việc nghiên cứu lý thuyết căn bản nói trên sẽ nâng cao hiệu quả tiếp thu cho bản thân
em và sinh viên khóa sau lượng kiến thức quan trọng này.
Đề tài gồm ba phần như sau:
Phần 1: Tổng quan về hệ thống thông tin số
Phần 2: Các phương pháp điều chế sử dụng trong truyền dẫn
Phần 3: Đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số thông qua mô phỏng
Monte-Carlo

2


Phần 1. Tổng quan về hệ thống thông tin số
1.1 Tổng quan
Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đến nơi khác.
Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới bộ nhận tin (là đích mà tin
tức cần truyền tới) dưới dạng các văn bản. Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng
thông tin nào đó. Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc. Đối
với nguồn tin liên tục, tập các bản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc tập
các bản tin có thể có một tập hữu hạn.
Biểu diễn vật lý của một bản tin gọi là tín hiệu. Có nhiều loại tín hiệu khác nhau tùy
theo đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu, như cường độ dòng điện, điện áp,
cường độ ánh sáng … Tùy theo dạng cảu các tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số
(digital) và tương ứng sẽ có các hệ thống thông tin tương tự hay hệ thống thông tin số. Hình
vẽ sau đây trình bày sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin nói chung.

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin nói chung

Thông tin vào được nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào, sau đó chúng được đưa tới
thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát thích hợp với môi trường truyền. Như vậy trong sơ
đồ hình 1.1, thông tin được hiểu là nội dung cần trao đổi, còn bản tin là phương tiện để
biểu diễn, mô tả thông tin ở một dạng thích hợp cho việc trao đổi, xử lý, cảm nhận... bởi
con người hay máy móc.
Do ảnh hưởng của môi trường truyền như nhiễu tạp, suy hao... nên ở đầu thu ta nhận
được tín hiệu thu có thể khác biệt so với với tín hiệu phát. Sau khi được giải điều chế ở
thiết bị thu, dữ liệu hay tín hiệu ra sẽ được đưa tới thiết bị ra để lấy thông tin có ích.

3


1.1.1 Lịch sử phát triển của thông tin điện tử
Trong suốt quá trình phát triển của loài người việc phát minh ra ngôn ngữ là cuộc
cách mạng truyền thông lớn nhất. Sau đó ít lâu việc phát minh ra tín hiệu băng lửa có khả
năng truyền đạt thông tin và nhanh chóng đến vùng xa.
Cuộc phát minh lớn nhất nữa là con người biết được làm thế nào để ghi lại suy nghĩ
và tư tưởng của mình bằng cách dùng chữ viết. Với khả năng này con người có thể truyền
thông tin mà không bị giới hạn bởi không gian và thời gian. Đồng thời đã đưa ra các dịch
vụ đưa thư và điện báo. Bảng 1.1 giới thiệu về các sự kiện quan trọng trong lịch sử phát
triển của thông tin điện tử.
Bảng 1.1 Các sự kiện quan trọng trong lịch sử của thông tin điện tử

Xuất xứ

Kiều

1837 Hoàn thiện dạng điện báo bằng dây

Morse

tin
Số

1875 Phát minh điện thoại

Bell

Năm

Sự kiện

thông

Tương tự

1897 Chuyển mạch trao đổi tự động theo từng nấc Stronger
1901 Điện báo không dây

Marconi

1905 Giới thiệu về điện thoại không dây

Fessenden

Số
Tương tự

1907 Truyền thanh vô tuyến dạng chuẩn đầu tiên USA

Tương tự

1918 Phát minh ra máy thu vô tuyến đổi tần

Amstrong

Tương tự

1921 Xuất hiện di động cá nhẵn

Detroit police

Tương tự

1928 Giới thiệu các dạng truyền hĩnh điện tử

Farnsworth

Tương tự

1928 Lý thuyết truyền tin điện báo

Nyquist

Số

1928 Truyền dẫn thông tin

Harley

Số

1931 Điện báo

Số

1933 Giới thiệu điều chế tần số

Amstrong

1934 Giới thiệu ra-đa (vô tuyến định vị)

Kuhnold

1937 Đưa ra PCM

Reeves

1939 Thương mại hóa dịch vụ truyền hình quảng bá BBC
1943 Phát minh ra bộ lọc thích ứng

North

1945 Phát minh vệ tinh địa tĩnh

Clarke

1946 Phát triển các hệ thống ARQ

Duuren

Tương tự
Số
Tương tự
Số
Số

4


Năm Sự kiện

Xuất xứ

1948 Lý thuyết toán học cho thông tin

Shannon

1955 Chuyển tiếp viba mặt đất

RCA

1960 Giới thiệu đầu tiên về laze

Maim an

1962 Triển khai thông tin vệ tỉnh

TELSTAR 1

1966 Phát minh cáp quang

Kao & Hockman

1966 Chuyển mạch gói
1970 Mạng truyền dữ liệu cỡ trung bĩnh

Kiều
tin

thông

Tương tự
Tương tự
Số

ARPA/TYMNET Số

1970 LAN, MAN và WAN

Số

1971 ISDN

CCITT

Số

1974 Internet

Cerf & Kahn

Số

1978 Vô tuyến tế bào

Tương tự

1978 Bắt đầu nghiên cứu về GPS Navstar

Global

Số

1980 Mô hĩnh tham chiếu 7 lớp OSI

ISO

Số

1981 Giới thiệu truyền hĩnh độ phân giải cao

NHK, Nhật Bản

Số

1985 Truy nhập tốc độ cơ sở ở UK

BT

Số

1986 Giới thiệu SONET/SDH

USA

Số

1991 Hệ thống tế bào GSM

Châu Âu

Số

1993 Đưa ra khái niệm PCN

Toàn cầu

Số

1994 Phát minh CDMA IS-95

Quanlcom

Số

5


1.1.2 Thông tin tương tự và thông tin số

Tín hiệu tương tự là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, có thời gian tồn tại không xác
định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồn tin sinh ra. Tín hiệu analog
có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy theo tín hiệu là một hàm liên tục hay rời rạc của
biến thời gian. Thí dụ: tín hiệu điện thoại ở lối ra của micro là tín hiệu tương tự liên tục,
tín hiệu điều chế xung PAM của chính tín hiệu lối ra micro nói trên là tín hiệu analog rời
rạc.
Tín hiệu số là tín hiệu được biểu diễn bằng các con số (các ký hiệu - gọi là các
symbol). Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn (M) các giá trị và có thời gian tồn tại xác
định, thường là một hằng số ký hiệu là Ts.
So với các hệ thống thông tin tương tự, các hệ thống thông tin số có một số ưu điểm
cơ bản sau:
Do có khả năng tái sinh tín hiệu theo ngưỡng qua sau từng cự ly nhất định nên tạp
âm tích lũy có thể loại trừ được, tức là các tín hiệu số khỏe hơn đối với tạp âm so với tín
hiệu tương tự.
Tái sinh là quá trình trong đó một tín hiệu bị méo và suy hao được tái tạo lại thành
biên độ và dạng sóng như ban đầu.Quá trình được thể hiện qua bộ lặp số.

Hình 1.2 Kênh thông tin số gồm nhiều trạm lặp

Do sử dụng tín hiệu số, tương thích với các hệ thống điều khiển và xử lý hiện đại,
nên có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì một cách tự động cao độ.

6


Tín số có thể sử dụng được để truyền đưa khá dễ dàng một loại bản tin, rời rạc hay
liên tục, tạo tiền đề cho việc họp nhất các mạng thông tin truyền đưa các loại dịch vụ hay
số liệu thành một mạng duy nhất.
Nhược điểm căn bản của hệ thống thông tin số so với hệ thống thông tin tương tự
trước là phổ chiếm của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên tục tương đối lớn so với phổ

của tín hiệu analog. Tuy nhiên trong tương lai khi các kỹ thuật số hóa tín hiệu liên tục tiên
tiến hơn được áp dụng thì phổ của tin hiệu số có thể so sánh được với phổ của tin hiệu liên
tục.

1.1.3 Truyền tin số
Truyền tin số có nhiều ưu điểm hơn kỹ thuật tương tự, trong đó chỉ sử dung một số
hữu hạn dạng sóng (ký hiệu truyền tách biệt nhau) để truyền tin. Mỗi dạng sóng truyền
trong một khoảng thời gian xác định gọi là chu kỳ kỷ hiệu và là đại diện truyền của một dữ
liệu tin (hay một tổ họp bit) còn gọi là báo hiệu (Signalings). Kỹ thuật này có ưu điểm nổi
bật là: chống nhiễu ưên đường truyền tốt (vĩ nếu nhiễu không đủ mạnh sẽ không thể làm
méo dạng sóng này thành dạng sóng kia, gây nên nhằm lẫn ở nơi thu), song đòi hỏi bản tin
nguồn cũng phải được số hóa (biểu diễn chỉ bằng một số hữu hạn ký hiệu). Ví dụ vãn bản
tiếng Việt dùng 24 chữ cái, bộ đếm dùng 10 số, bản nhạc dùng 7 nốt và vài ký hiệu bổ
sung...
Việc số hóa một bản tin tương tự phải trả giá bằng một sai số nào đó ( Gọi là sai số
lượng tử, tuy nhiên sai số này lại có thể điều khiển được). So sánh với kỹ thuật truyền tin
tương tự, ở đó bản tin không mắc sai số khi số hóa, song do dùng vô số dạng sóng (tín hiệu
liên tục) trên đường truyền nên can nhiễu sẽ làm thay đổi dạng sóng, gây nên sai số khi
quyết định tại nơi thu mà ở góc độ nào đó khó điều khiển được. Ngoài ra, việc số hóa kỹ
thuật truyền tin còn tạo nên những tiêu chuẩn có thể thay đổi linh hoạt bằng chương trình
phần mềm và tạo ra những dịch vụ chưa từng có trong truyền tin tương tự. Nói như vậy ta
cũng không quên rằng, kỹ thuật truyền tin tương tự đã có những đỉnh cao vĩ đại như tạo ra
truyền hĩnh màu hay điều khiển đưa người lên mặt trăng và hiện nay trong một số kỹ thuật
điều khiển tốc độ cực nhanh vẫn dùng đến kỹ thuật tương tự.

7


Khi vận dụng lý thuyết thông tin vào kỹ thuật truyền tin số thường có những vấn đề
sau đây đặt ra:

Bản tin phải được biểu diễn (mã nguồn) với một so it ký hiệu nhất, theo mã nhị phân
thi tức là cần ít bit nhất. Lý thuyết thông tin cho một giới hạn dưới về sổ bít tối thiểu cần
để biểu diễn. Tức là nếu ít hơn số bít tối thiểu không thể biểu diễn đầy đủ bản tin (làm méo
bản tin).
Khi truyền tin mã nguồn cần được bổ sung thêm các bit (dư thừa), mà điều này làm
tăng tốc độ bit, để có thể giảm được lỗi truyền bản tin (gọi là kỹ thuật mã kênh điều khiển
lỗi), song có một giới hạn trên về tốc độ truyền mà vượt qua nó không thể điều khiển lỗi
được, đó là dung năng kênh qui định bởi độ rộng băng tần kênh truyền và tỷ số tín hiệu
/tạp âm.
C = Blog2(l + %) (bit/s)

(1.1)

Trong đó: B là độ rông băng tần kênh truyền
SNR là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất ồn c là giới hạn trên đối với tốc độ
truyền tin cậy tính bằng b/s
Công thức (1.1) cho thấy có sự chuyển đổi giữa B và SNR. Đồng thời cả 3 yếu tố:
công suất, độ rộng băng tần và ồn kênh cùng tham gia qui định mức độ “nhanh” của truyền
tin. Công suất phát tin càng lớn, thi càng truyền tin đi xa. Băng tần truyền dẫn càng rộng
thi tốc độ thông tin càng nhanh và cuối cùng càng ít can nhiễu càng ít lỗi truyền tin xảy ra.
Đây là công thức rất điển hĩnh (do Shannon tổng kết từ năm 1948) đặc trưng cho một hệ
thống truyền tin số.

1.1.4. Kênh truyền tin
Kênh truyền tin ta nói đến ở đây là môi trường vật lý để truyền sóng điện từ mang
tin, là vấn đề trung tâm của một hệ truyền tin. Nó xác định dung lượng truyền thông tin của
hệ cũng như chất lượng dịch vụ truyền tin.

8

Có 6 loại kênh tiêu biểu trên thực tế: Đường điện thoại - Cáp đồng trục - Sợi quang
- Kênh viba - Kênh vô tuyến di động - Kênh vệ tinh.
1) Đường điện thoại: Là đường truyền tín hiệu điện, tuyến tính, băng giới hạn, thích hợp

cho truyền tiếng nói băng cơ sở hoặc thông dải (độ rộng từ 300-3100Hz) có tỷ số tín
hiệu/ ồn cao ~30dB. Kênh truyền này có đáp ứng độ lớn theo tần số bằng phẳng, không
chú ý đến đáp pha theo tần số (do tai người không nhạy với trễ pha), song khi truyền
ảnh hay dữ liệu thi phải chú ý đến điều này và cần dùng bộ cân bằng thích nghi kết
họp phương pháp điều chế có hiệu suất phổ cao.
2) Cáp đồng trục: Có sợi dẫn ở trung tâm cách điện với vỏ xung quanh; vỏ cũng là vật

liệu dẫn điện. Cáp đồng trục có 2 ưu điểm lớn là độ rộng băng tần lớn và chống được
can nhiễu từ bên ngoài. Song cáp đồng trục cần những bộ phát lặp gần nhau vĩ suy
giảm nhanh (Ở tốc độ khoảng 274Mb/s thì khoảng cách phát lặp là lkm).

3) Sợi quang: Gồm lõi là thủy tinh, lớp vỏ xung quanh cũng là thủy tinh đồng tâm có hệ

số phản xạ nhỏ hơn 1 chút. Tính chất cơ bản của sợi quang là khi tia sáng đi từ môi
trường có hệ số phản xạ cao sang môi trường có hệ số phản xạ thấp thì sẽ bị uốn về
phía môi trường hệ số phản xạ cao, nên xung ánh sáng được “dẫn đi” trong sợi quang.
Sợi quang là vật liệu cách điện, chỉ truyền dẫn ánh sáng. Dùng tần số mang ánh sáng
cỡ 2x10 Hz sẽ cho độ rộng băng tần cỡ 10%=2xl0 Hz. Mất mát trong sợi quang nhỏ:
0.2dB/km và không chịu ảnh hưởng của giao thoa sóng điện từ ( vĩ có bản chất ống
dẫn tĩnh điện).
4) Kênh vi ba: Hoạt động ở dải tần 1-30GHZ cho 2 anten nhìn thấy nhau. Anten phải đặt

trên tháp đủ cao, điều kiện kênh có thể coi là tĩnh, kênh truyền này tin cậy. Tuy nhiên
khi điều kiện khí tượng thay đổi có thể làm giảm cấp chất lượng đường truyền.

5) Kênh di động: Đây là kênh kết nối với người dùng di động. Kênh có tính chất tuyến

tính thay đổi theo thời gian cùng hiệu ứng đa đường gây nên sự đồng pha, hoặc ngược
pha của các tín hiệu thành phần làm tín hiệu tổng cộng thăng giáng {padỉng). Đây là
loại kênh phức tạp nhất trong truyền thông vô tuyến.

9


6) Kênh vệ tinh: Đô cao vệ tinh địa tĩnh 22 300 dặm (30 nghìn Km). Tần số thường dùng

cho phát lên là 6GHZ và cho phát xuống là 4 GHZ. Độ rộng băng tần của kênh truyền
lớn cỡ 500MHz chia thành các dải do 12 bộ phát đáp trong vệ tinh đảm nhiệm, mỗi
bộ phát đáp dùng 36MHz truyền được ít nhất một chương trình truyền hĩnh màu, 1200
mạch thoại, tốc độ dữ liệu it nhất 50Mbit.
 Ngoài cách phân loại cụ thể trên có thể phân loại kênh truyền theo tính chất như sau:
-

Kênh tuyến tính hay phi tuyến: Kênh điện thoại là tuyến tính trong khi kênh vệ
tinh thường là phi tuyến (nhưng không phải luôn luôn như vậy).

-

Kênh bất biến hay thay đổi theo thời gian: Sợi quang bất biến trong khi kênh di
động là thay đổi theo thời gian

-

Kênh băng tần giới hạn hay công suất giới hạn: Đường điện thoại là kênh băng
tần giới hạn trong khi cáp quang và vệ tinh là công suất giới hạn.

1.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông tin số

Trong thực tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần
số công tác, môi trường truyền dẫn ...Tùy theo loại hệ thống thông tin số thực tế, hàng loạt
các chức năng xử lỷ tín hiệu số khác nhau có thể được sử dụng nhằm truyền đưa các tm
hiệu số một cách có hiệu quả. Các chức năng xử lý tm hiệu như thế được mô tả bởi các
khối trong sơ đồ khối hệ thống. Mỗi một khối mô tả một thuật toán xử lý tín hiệu. Sơ đồ
khối tiêu biểu của một hệ thống thông tin số được mô tả trên hình 1.3, trong đó thể hiện tất
cả các chức năng xử lý tín hiệu chính nhất có thể có của hệ thống thông tín số hiện nay.

10


Đầu vào số

Từ các nguồn khác

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống truyền tin số
Chức năng các thành phần và các khối trong hệ thống:
1. Nguồn tin
Nguồn tin là nơi sản sinh ra tin:
Nếu tin tức là hữu hạn thi nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn rời rạc.
Nếu tin tức là vô hạn thi nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn liên tục.
Ví dụ: thoại, audio, video, dữ liệu...

11


2. Máy phát

Là thiết bị biến đổi tin tức thành tập tín hiệu tương ứng.
Chuyển phổ tin hiệu từ trung tần lên cao tần.
Lọc để loại bỏ nhiễu.
Khuếch đại tín hiệu để bù trừ suy hao.
Bức xạ tín hiệu vào môi trường truyền.
3. Đường truyền tin
Là môi trường vật lý, trong đó tín hiệu truyền đi từ máy phát sang máy thu. Trên
đường truyền có những tác động làm mất năng lượng, thông tin của tín hiệu.
4. Máy thu
Máy thu thực hiện phép biến đổi ngược lại với máy phát, biến đổi tín hiệu thu được
thành tín hiệu tin tức tương ứng.
Lọc để loại bỏ nhiễu.
Khuếch đại tín hiệu.
5. Nhận tin
Có 3 chức năng:
Ghi giữ tin (ví dụ như bộ nhớ máy tính, băng ghi âm, ghi hĩnh...)
Biểu thị tin: làm cho các giác quan của con người hoặc các bộ cảm biến của máy
thu cảm thụ được để xử lý tin (ví dụ băng ghi âm, chữ số, hĩnh ảnh...).
Xử lý tin: biến đổi tin để đưa nó về dạng dễ sử dụng. Chức năng này có thể được
thực hiện bởi con người hoặc máy.
6. Kênh truyền tin
Là tập hợp các thiết bị kỳ thuật phục vụ cho việc truyền tin từ nguồn đến nơi nhận
tin {mục 1.1.4).
7. Nhiễu
Là mọi yếu tố ngẫu nhiên có ảnh hưởng xấu đến việc thu tin. Những yếu tố này tác
động xấu đến tin truyền đi từ bên phát đến bên thu.

12

8. Định dạng số : thực hiện biến đổi tin tức cần truyền thể hiện ở dạng tín hiệu liên
tục hay số thành chuỗi các bít nhị phân.
9. Mã hóa nguồn và giải mã nguồn
Tin tức có thể được đưa trực tiếp vào kênh để truyền đi, nhung trong thực tế, tin
này thường được biến đổi rồi đưa vào kênh truyền. Ví dụ như tin là vãn bản tiếng
Anh, nguồn tin có khoảng 40 ký tự {symboỉ) khác nhau, gồm các mẫu tự alphabet,
con số, dấu chấm câu...về nguyên tắc ta có thể dùng 40 dạng sóng điện áp khác
nhau để biểu thị 40 ký tự này. Tuy nhiên, phương pháp này quá khó thực hiện hay
thậm chí không thể được, vĩ:
Kênh truyền không phù hợp về mặt vật lý để có thể mang kí tự khác nhau như vậy.
Dải tần đòi hỏi sẽ rất rộng.
Việc lưu trữ hay xử lý tín hiệu trước khi truyền rất khó, trong khi nếu chuyển sang
nhị phân thì mọi việc sẽ dễ dàng hơn nhiều.
Vậy ta thấy cần phải thay đổi dạng của tin khác đi so với dạng ban đầu do nguồn
cung cấp. Công việc thay đổi dạng này được gọi là mã hóa (encoding).
Mã hóa nguồn nhằm loại bỏ độ dư trong các ký tự dùng để mã hóa, làm cho việc
truyền và lưu trừ thông tin trở nên hiệu quả hơn.
10. Mã hóa mật và giải mã mật: thực hiện mã và giải mã chuỗi bít theo một khóa xác
định nhằm bảo mật tin tức.
11. Mã hóa kênh và giải mã kênh: nhằm chống nhiễu và các tác động xấu khác của
đường truyền dẫn.

12.

Ghép kênh và phân kênh', tập hợp các tín hiệu từ băng gốc số và phân chia tín
hiệu số từ tín hiệu băng gốc số. Thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác
nhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn.
Có hai kĩ thuật ghép kênh chính: FDM, TDM.

13. Điều chế và giải điều chế (thường gọi là MODEM)', tác động lên các dòng xung

nhị phân để thông tin nó mang có thể truyền qua một thiết bị vật lý nào đó, ở một

13


tốc độ nào đó, với một độ méo có thể chấp nhận, trong dải tần xác định hay được
phân bổ.
Bộ Bộ điều chế có thể thay đổi các mức điện áp riêng lẻ, các bit, sửa dạng
xung tín hiệu hay lọc để giới hạn đọ rộng dải thông và cần thay đổi phù họp với
băng tần cho phép. Vĩ vậy đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu số ở dải gốc trong
khi đầu ra thường là dạng sóng thông dải.
Bộ giải điều chế bên thu chuyển đổi từ dạng sóng thu được thành tín hiệu ở
dải gốc.
14. Trải phổ
Cơ sở của kỹ thuật trải phổ cũng dựa trên định lý về thông lượng kênh của
Shannon- Hartley, theo công thức (1.1).
Khi phổ rất lớn với cùng một dung lượng kênh (C), người ta có thể truyền tín
hiệu với tỷ lệ lỗi rất thấp. Nhờ kỹ thuật trải phổ ta có thể phát tín hiệu với công
suất nhỏ nhằm mục đích che giấu tín hiệu vào trong nhiễu, nhờ đó đối phương
không phát hiện được khi nào thì truyền tin. Kỹ thuật này dùng mã ngẫu nhiên để
trải phổ nên rất khó để giải mã thông tin.
*

Đặc điểm của hệ thống thông tin trải phổ:

-

Phổ rộng.

-

Độ bảo mật thông tin cao, có khả năng chống nhiễu.

-

Cho phép chống pha-dinh đa đường rất tốt.

15. Đa truy nhập: cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử
dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu.
16. Lọc để hạn phổ: loại bỏ năng lượng thấp để chống nhiễu cho hệ thống bên cạnh
và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi đường truyền.
- Trộn để đưa tín hiệu lên tần số công tác.
- Khuếch đại công suất để bù đắp tổn hao của môi trường.
- Bức xạ ra môi trường.
17. Đồng bộ: bao gồm đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ thống
thông tin liên kết (coherent).

14


Các khối tương ứng ở phía thu thực hiện ngược lại các khối ở phía phát.
Đối với hệ thống thông tin số thi MODEM đóng vai trò như một bộ não của con
người. Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc đối với mọi hệ thống
thông tin.

1.3 Các tham sổ đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống thông tin số

Trong viễn thông, khi truyền thông tin theo phương pháp điện có hai hạn chế: hạn
chế về mặt dải thông và hạn chế về tạp âm. Phải có một dải thông đủ rộng để truyền được
thông tin trong thời gian ngắn, đặc biệt là các hệ thống thông tin trong thời gian thực. Tuy

nhiên nếu dải thông quá lớn sẽ gây lãng phí băng tần mà băng tần là một nguồn tài nguyên
quý giá và vô hạn. Mặt khác các yếu tố cơ bản tác động tới quá trình truyền dẫn tín hiệu số
trên các loại kênh truyền dẫn (bao gồm cả máy thu phát đầu cuối và môi trường truyền) là
luôn xảy ra như: xuyên nhiễu giữa các dấu (757), méo tín hiệu, sai pha đồng hồ, sai pha
sóng mang, can nhiễu, hiệu ứng poppler do các máy đầu cuối thu, phát di động so với nhau
và sự biến đổi theo thời gian của kênh truyền, nhiễu kênh lân cận...
Đối với hệ thống thông tin số, chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống là xác suất
lỗi bit (BEK) và Jitter (rung pha hay trôi pha). Tùy thuộc và từng loại hình dịch vụ mà các
hệ thống viba có những đòi hỏi khác nhau về BER và Jitter.
BER ((Bit Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ giữa so bit nhận bị lỗi trên tổng số
bít đã truyền trong một khoảng thời gian quan sát nào đó. Khi thời gian quan sát tiến đến
vô hạn thì tỷ lệ này tiến đến xác suất lỗi bít.
Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ lệ lỗi bit chỉ gần bằng
với xác suất lỗi bit, tuy nhiên trong nhiều trường hợp thực tế người ta cũng xem BER là
xác suất lỗi bit. Trong nhiều trường họp, ứng với các loại dịch vụ nhất định, các tham số
phát sinh về độ chính xác truyền tin thường được xét đến là các giây bị lỗi trầm trọng (SES:
Severely Errored Seconds), các giây bị loi (ES: Errored Seconds), các phút suy giảm chất
lượng (DM: Degraded Minutes)...Trong một số hệ thống thông tin số sử dụng các biện
pháp mã hóa hiệu quả tiếng nói như đối với điện thoại di động, thi độ chính xác truyền tin
cũng được thể hiện qua tham số chất lượng tiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ.

15


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 b/s) tổng
cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho. Dung lượng của hệ thống tùy thuộc vào
băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu...

Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị trong một

tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn. Khi tập các giá trị có thể
có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phân và tín hiệu khi
đó được gọi là bit. Khi số giá trị có thể có của tín hiệu là M (M ≠ 2) thì hệ thống được gọi
là hệ thống M mức và tín hiệu được gọi là ký hiệu (symbol).
Gọi giá trị của symbol thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk.
(đối với các hệ thống thông thường hiện nay Tk = T = const với mọi k).
Ở đầu thu tín hiệu khôi phục lại là
Nếu là
Nếu

và có độ rộng là

≠ Dk thì tín hiệu thứ k được gọi là bị lỗi.
≠ Tk thì tín hiệu thứ k được gọi là có Jitter.

Đối với hệ thống nhị phân, BER được định nghĩa là:
BER = P{
Khi

≠ Dk } với P{} là xác xuất

(1.2)

=T + T thì | | được gọi là Jitter tình theo phần trăm. (1.3)

Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn nhiều mức thì P{

≠ Dk } được gọi là tỷ lệ

lỗi symbol (SER: Symbol-Error Ratio).

-

Đối với các hệ thống truyền tín hiệu thoại, yêu cầu BER < 10-6 và do thoại ít
nhạy với Jitter nên có thể cho phép Jitter khá cao.

- Đối với tín hiệu truyền hình, nếu sử dụng điều xung mã thường PCM thi BER
đòi hỏi cũng như tín hiệu thoại song cần lưu ý tốc độ của truyền hĩnh là khá
cao. Khi sử dụng ADPCM {Adaptive Differential Pulse Coded duỉation: điều
chế xung mã vi sai tự thích nghi) để truyền tín hiệu truyền hĩnh thi yêu cầu BER
< 10-9, thậm chí yêu cầu BER < 10-12. Nói chung các tín hiệu truyền hĩnh rất
nhạy cảm với Jitter.

16


- Đối với truyền số liệu thi BER từ 10-11 ÷ 10-13
Khi BER > 10-3 thì hệ thống xem như là gián đoạn vì khó ngay cả khi dịch vụ telex
là loại dịch vụ cho phép chất lượng truyền dẫn tồi nhất cũng không thể truyền được. Jitter
được xem là lớn nếu lớn hơn 0.05T ( giá trị đỉnh đỉnh – peak to peak).

Ta có:

≤

≤

(1.4)

Trên thực tế người ta còn sử dụng một số thông số như các chỉ tiêu về xác suất gián
đoạn thông tin, các chi tiêu tỷ số lỗi thấp, chỉ số lỗi cao, các chi tiêu các giây không lỗi

trong một thời gian dài, các chi tiêu đột biến, tính khả dụng của hệ thống... để đánh chất
lượng của hệ thống.

17


Phần 2. Các phương pháp điều chế sử dụng trong truyền dẫn số

2.1. Truyễn dẫn tín hiệu số trên kênh thông tin dải thông qua điều chế sóng mang.
Thuật ngữ băng cơ sở chỉ miền tần số của tín hiệu bản tin và thường đó là tín hiệu
băng thông thấp. Tín hiêu băng cơ sở có thể ở dạng số hay tương tự.
Ví dụ tín hiệu ở lối ra của máy tính có thể coi là tín hiệu số băng cơ sở.
Để truyền dẫn, tín hiệu bản tin phải được chuyển thành tín hiệu có tính chất phù hợp
với kênh truyền.
Trong truyền dẫn băng cơ sở: băng tần kênh hỗ trợ phù hợp với băng tần tín hiệu
bản tin, nên có thể truyền trực tiếp tin hiệu bản tin.
Trong truyền dẫn băng thông dài: băng tân của kênh có tần số trung tâm lớn hơn
nhiều tần số cao nhất của tín hiệu bản tin. Khi đó tín hiệu được phát đi là tín hiệu băng
thông dài (phù hợp với kênh truyền) mang thông tin của tín hiệu bản tin. Việc tạo ra tín
hiệu băng thông dài gọi là điều chế.
Sóng mang tần số thích hợp có thể truyền đi xa trong môi trường truyền dẫn (như
dây đồng, cáp đồng trục, khoang không,…). Dựa trên việc biến đổi các tham số của sóng
mang (biên độ, tần số hay pha) mà thông tin có thể truyền đi xa theo yêu cầu truyền tin gọi
là kỹ thuật điều chế sóng mang.Sau khi điều chế tín hiệu tin tức ở vùng tân số thấp sẽ được
truyền lên vùng tần số cao để truyền đi xa. Hình vẽ sau sẽ minh họa cho điều này.

18


Khi truyền tín hiệu đi xa, do ảnh hưởng đường truyền và các tác động không mong

muốn tham gia vào quá trình xử lý và truyền dẫn tín hiệu nên cần phải tốn một năng lượng
nhất định. Để xây dựng một hệ thống số với xác suất nhất định cho trước với dung lượng
truyền dẫn theo yêu cầu nào đó thì cần lưu ý rằng độ rọng băng tần sử dụng và công suất
tín hiệu luôn luôn là hai tham số ngược nhau. Nếu sử dụng băng tần nhỏ để tăng dung
lượng của hệ thống thì phải tăng công suất tín hiệu, ngược lại nếu công suất tín hiệu nhỏ
thì băng tần truyền dẫn phải lớn. Công suất tín hiệu phải nhỏ nhất là một trong những tiêu
chí của hệ thống truyền dẫn. Mặt khác, băng tần truyền dẫn lại là một tài nguyên quý hiếm
cần phải chia sẻ cho nhiều người dùng cùng sử dụng nên hạn chế băng tần tối thiểu cho
mỗi hệ thống cũng là một tiêu chí tối ưu. Bài toán tối ưu của hệ thống truyền dẫn số xác
định những nguyên lý căn bản trong kỹ thuật truyền dẫn số về cơ bản xoay quanh các bài
toán xác định cấu trúc hệ thống. Thực tế của bài toán là việc lựa chọn tập tín hiệu hay
phương thức điều chế nhằm đạt được hiệu quả sử dụng phổ theo yêu cầu với công suất tín
hiệu nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được xác suất thu lỗi đã cho.
Việc xử lý tín hiệu băng gốc số thành dạng tích hợp để truyền trên kênh thông tin
phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn, do các loại kênh thông tin có đặc tính và hạn chế
riêng. Muốn xác định sơ đồ điều chế thích hợp cần xem xét tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm ứng
với tỷ lệ lỗi bít cho trước, hiệu suất sử dụng đo bằng b/sHz và tính phức tạp của hệ thống
cũng như giá thiết bị.
2.2. Các khuôn dạng điều chế
Điều chế sóng mang là quá trình gắn tin tức lên một tải tin (sóng mang) có tần số
phù hợp với môi trường truyền. Tải tin là sóng mang hình sin tham số có thể thay đổi được
theo quy luật của tín hiệu là biên độ, tần số và góc pha.
Biểu diễn tín hiệu điều chế:
( )=
Trong đó:

(2

+

)

(2.1)

A: là biên độ sóng mang
: là tần số sóng mang
: là pha sóng mang

19


Nếu tín hiệu đưa đến điều chế các thông số nói trên là tín hiệu liên tục thì ta có điều
chế tương tự. Nếu tín hiệu đưa đến điều chế các thông số nói trên là tín hiệu số thì ta có
điều chế số.
Trong thông tin số, tín hiệu đưa đến điều chế là tín hiệu nhị phân dạng mã hóa M
mức của luồng tín hiệu nhị phân này. Trong trường hợp điều chế số thì tín hiệu điều chế
cũng làm thay đổi biên độ, pha và tần số của sóng mang. Tương ứng ta có các phương pháp
điều chế khác nhau.
Các kỹ thuật điều chế sóng mang số được phân loại cơ bản như sau:
+ Điều chế đồng bộ gồm:
- Đồng bộ nhị phân: ASK, FSK, PSK.
- Đồng bộ hạng M: ASK hạng M, FSK hạng M, PSK hạng M như QPSK,
QAM.
+ Điều chế không đồng bộ gồm:
- Không đồng bộ nhị phân: ASK không đồng bộ, FSK không đồng bộ. Với
PSK không có không đồng bộ (vì không đồng bộ nghĩa là không có thông
tin về pha), nhưng thay vào đó có DPSK không đồng bộ.
- Không đồng bộ hạng M cũng có ASK, FSK, DPSK nhưng phức tạp.
Trong máy phát, tín hiệu tin tức điều chế tín hiệu sóng mang. Tín hiệu sóng mang
sau khi được điều chế sẽ được gửi đến máy thu nơi giải điều chế sóng mang xảy ra để khôi

phục tin tức tín hiệu. Thực hiện giải điều chế ở máy thu có thể dùng tách sóng kết hợp hoặc
không kết hợp. Tồn tại nhiều sơ đồ tách sóng dành cho người thiết kế hệ thống thông tin
số để truyền trên kênh thông dài. Mỗi sơ đồ có những ưu nhược điểm riêng nên việc chọn
ưu tiên sơ đồ có tốc độ số liệu cực đại, xác suất lỗi symbol cực tiểu, công suất phát cực tiểu,
độ rộng kênh cực tiểu, khả năng chống nhiễu cực đại, mức độ phức tạp của thiết bị cực
tiểu,… Tuy nhiên cần lưu ý là một số tiêu chuẩn trên đối lập nhau chẳng hạn tốc độ số liệu
yêu cầu lựa chọn cực đại nhưng như vậy sơ đồ sẽ có xác suất lỗi ký hiệu cực đại. Vì vậy
phải lựa chọn một giải pháp dung hòa để thỏa mãn càng nhiều tiêu chí trên càng tốt.

20


2.3. Điều chế biên độ sóng mang ASK
Tín hiệu ASK có thể được xác định bởi công thức:
( )=
Trong đó:

( )

(2.2)

: là biên độ của dạng sóng thứ m.
( ): là một xung mà dạng của nó xác định các đặc tính phổ
của tín hiệu được truyền đi.

Phổ của tín hiệu băng gốc được giả sử là được chứa trong dải tần số | | =
đó W là độ rộng băng của | ( )| như hình minh họa 2.1

Hình 2.1 Mật độ phổ năng lượng của tín hiệu được truyền đi

, trong

( )

Biên độ của tín hiệu nhận các giá trị:
= (2

1

) ;

= 1,2,3, … ,

(2.3)

Trong đó: 2m là khoảng cách Euclide giữa hai điểm tín hiệu lân cận nhau.
Để truyền các dạng sóng tín hiệu số thông qua một kênh thông dải, các dạng sóng tín hiệu
băng gốc Sm(t), m = 1,2,3,…,M được nhân với một sóng mang hìn sin có dạng
2
(hình 2.2), trong đó là tần số sóng mang ( >W) và ứng với tần số trung tâm
trong dải thông của kênh. Do đó, các dạng sóng tín hiệu truyền đi được biểu diễn:
( )=

( )

2

;

= 1,2,3, … ,

(2.4)

21


2.3.1 Khóa dịch tần số ASK
Trong trường hợp đặc biệt, khi dạng xung được truyền lại chữ nhật, nghĩa là:
( )=

0

2/
ớ á

0≤ ≤
á ị ò ạ

ủ

thì tín hiệu sóng mang được điều chế biên độ, thường được gọi là khóa dịch biên độ ASK
(Amplitude-Shift Keying).
Khi M = 2, sóng mang hình sin có hai giá trị biên độ xác định bởi tín hiệu dữ liệu
cơ số hai là ‘0’ và ‘1’. Dạng sóng tín hiệu truyền đi được biểu diễn như sau:
( )=

2/
0

2

ớ á

á

ị ò

0≤ ≤
ạ ủ

(2.5)

Sơ đồ dạng sóng điều chế ASK nhị phân:

Hình 2.2 Sơ đồ và dạng sóng tín hiệu điều chế ASK

22


Việc điều chế biên độ của sóng mang

2

làm dịch phổ của tín hiệu băng gốc một lượng

bằng các dạng sóng băng gốc Sm(t)
và do đó đưa tín hiệu lên dải thông của

kênh.

Ta có biến đổi Fourier:

( )=

( )

(2.6)

Phổ của tín hiệu sau khi điều chế là:
( )=

=

=

( ) cos(2

1
2

1
2

( )[

(

( )

=

( +

2

)

]

+

)

)+

+

2

1
2

( )

(

(

)

)

Do đó, phổ của tín hiệu được điều chế biên độ được xác định theo công thức:

( )=

2

[

(

)+

( + )]

(2.7)

23


Như vậy, việc điều chế biên độ sóng mang bằng dạng sóng băng gốc làm dịch phổ
của tín hiệu gốc một lượng đưa tín hiệu lên dải thông của kênh truyền. Tín hiệu thông dải
là một tín hiệu AM mà trên cả hai băng biên sóng mang bị nén (DSB-SC: Double-Side
Band Suppressed Carier).
Phổ của tín hiệu điều chế ASK được thể hiện trên hình 2.3.
<

Nếu

+

sẽ có hiện tượng chồng phổ giữa hai thành phần của

gây méo tín hiệu. Thực tế, để lọc bỏ cả thành phần

( ) lọt qua trực tiếp bộ điều chế,

=2 ≤ .
2. Tốc độ truyền số liệu cực đại
Vậy tốc độ truyền số liệu cực đại trong trường hợp này rõ ràng phụ thuộc vào băng tần của
đường truyền.
người ta chọn

≥

( )

hay

<

Hình 2.3 Phổ của tín hiệu băng gốc (a) và phổ của tín hiệu đã điều chế (b)

Để tăng tốc độ số liệu, có thể điều chế nhiều mức biên dộ nhưng khả năng chống
nhiễu sẽ rất kém do biên độ tín hiệu bị ảnh hưởng bởi can nhiễu và hiện tượng điều biên
ký sinh gây ra lỗi, mà không thể dùng mạch hạn biên để loại trừ. Đây là một hạn chế của
phương pháp điều chế biên dộ.

24

Ta thấy rằng việc đưa tín hiệu băng gốc Sm(t) lên biên độ tín hiệu sóng mang
2

không làm thay đổi biểu diễn hình học cơ sở của các dạng sóng tín hiệu PAM

số.
Các dạng sóng tín hiệu PAM thông dải có thể biểu diễn được theo:

( )=

( )

(2.8)

( ): là dạng sóng tín hiệu, được xác định như sau:

Trong đó:

( )=

( )

2

(2.9)

: là các điểm tín hiệu nhận M giá trị trên đường thẳng trục thực
(hình 2.4).
=

= 1,2,3, … . ,

(2.10)

Hình 2.4 Biểu đồ sao tín hiệu ASK

Dạng sóng tín hiệu ( ) được chuẩn hóa để có năng lượng bằng đơn vị, tức là:
( )

=1

(2.11)

Hệ quả là:
( )

=

( )

=1 +

1
2

( )

4

=1

25