Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu " Cơ sở lý thuyết truyền tin " được chia làm 2 tập, Sau khi trình bày chung về hệ thống truyền tin và khai niệm liên quan đến nó, tài liệu sẽ trình bày theo trật tự là các vấn đề chung trước, các vấn đề cụ thể sau, nguồn tin trước, kênh tin sau, các vấn đề phối hợp giữa nguồn và kênh sẽ được xét sau khi đã có những hiểu biết về nguồn và kênh
Co so ly thuyet TAP MOT DANG_VAN CHUYET NGUYEN TUAN ANH NHA XUAT BAN GIAO DUC DANG VAN CHUYSIT (cha bién) - NGUYEN TUẤN ANH CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN Tập (Tái lần thứ ba) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC Tời nói đầu Kể từ năm 1970, thâm nhập lẫn hai lĩnh vực khoa học may tinh va truyền thông làm thay đổi sâu sắc lĩnh vực công nghệ sản xuất, kết tất yếu ngành cơng nghiệp máy tính-truyển thơng (Computer-Communication) đồi, Chính “nhờ hịa trộn mang tính cách mạng này, nhiều lĩnh vực khoa học, cơng nghệ có sở để phát triển mạnh mẽ Trong bối cảnh phát triển bùng nổ này, hiểu biết ily thuyết thông tin (Information Theory), vé truyén théng ngày quan trọng cần xem xét hoàn cảnh Qua nhiều năm làm công tác giảng dạy, với tham vọng có tài liệu làm giáo trình cho sinh viên chuyên ngành Điện tử-Viễn thông Công nghệ Thơng tìn, tài liệu tham khảo cho kỹ sư thuộc chuyên ngành trên, cố gắng biên soạn sách Chúng giả thiết độc giả xem sách người có sở định Giải tích, Đại số tuyến tính Xác suất Những sở Tốn học theo chúng tơi quan trọng dùng có tính xun suốt sách phần chúng tơi trình bày sách Cở sở Toán học sách Xác suất Quá trình Ngẫu nhiên với luật phân bố xác suất quan trọng việc trình bày vấn để sách Cuốn sách chia thành bai tập Sau trình bày chung hệ thống truyền tin khái niệm chung liên quan đến nó, chúng tơi trình bày phan sách theo trật tự vấn để chung trước, vấn đề cụ thể sau Khi trình bày vấn đề chung, theo trật tự: nguồn tin trước, kênh tin sau Các vấn dé phối hợp nguồn kênh xét sau có hiểu biết nguén kênh Cấu trúc tập sau: Chương 1: Những khái niệm chung Chương giới thiệu khái niệm vấn để lý thuyết truyền tin Chương 2: Xác suất trình ngẫu nhiên, chương ¡a xây dựng sở Toán học cần thiết cho việc khảo sát hệ thống truyền tin tin Chương 3: Thông tin lượng tin, trình bày vấn để định lượng thông tin nguồn Chương 4: Mã hiệu Trong chương ta tập trung vào khái niệm định nghĩa mã, điểu kiện yêu cầu mã hiệu Chương 5: Mã hóa nguồn, nghiên cứu vấn để mã hóa nguồn sở mơ hình tốn học nguồn khái niệm lượng tin xét chương Chương 6: Tín hiệu hệ thống truyền tin Chương trình bày tín hiệu hệ thống thường gặp truyền thông tin qua kênh truyền thông việc biểu diễn tín hiệu điều chế đặc tính phổ chúng Chương 7: Cấu trúc thu tối ưu cho kênh có nhiễu cộng gaussian, nghiền cứu việc thiết kế đánh giá độ hiệu thu tối ưu cho phương pháp điều chế kênh có nhiễu cộng gaussian Chương 8: Đồng Chương nghiên cứu phương pháp đồng vật mang va đồng ký hiệu đầu thu Trong tap chúng tơi trình bày mã hóa kênh, hệ thống truyền tin với kênh có băng tần hạn chế, hệ thống truyền tin nhiều kênh, nhiều vật mang va nhiều người sử dụng, vấn để trải phổ, hệ thống truyền tin có fađing cuối giới thiệu mã mật xem loại mã hệ thống truyền tìn Do hạn chế thời gian, lần đầu biên soạn sách này, chúng tơi khơng tránh khổi thiếu sót, mong độc giả thơng cảm góp ¥ lần biên soạn sau tốt Cuối cùng, xin lưu ý độc giả cách đánh số tiêu để để tiện cho việc tra cứu Trong ˆ chương, mục lớn đánh số ï hai số, ví dụ 3-2 mục lớn hai chương 3; 3-2-4 mục bốn mục lớn hai chương Các cơng thức hình vẽ đánh số š ba số, số đầu chương, số thứ bai mục lớn, số thứ ba thứ tự cơng thức hay hình vẽ , mục lớn Chúng tơi chân thành cám ơn ông Nguyễn Thúc Hải, bà Hồ Anh.Túy dành thời gian đóng góp ý kiến quý báu cho biên soạn sách Các tác giả NHUNG KHAI NIEM CHUNG CHUONG NHUNG KHAI NIEM CHUNG gia Thông tin (tiếng Anh "Information", cén duge dịch tin tức) vật liệu tích cho công hệ thống truyền tin Hiện chưa có định nghĩa đầy đủ súc thơng tin : Thông khái niệm thông tin Chúng ta tạm sử dụng khái niệm sau làm định nghĩa nó) Như tin cảm hiểu người uê giới xung quanh (thong qua tiếp xúc với người quanh xung trường môi với thông tin hiểu biết người tiếp xúc hiểu biết làm tăng lượng thông tin thu nhận có nhu Trong sống, người ln có cầu trao đổi thơng tin với nhau, có nghĩa mang truyền cầu truyền tin (Communication) với Những thông tin dạng lượng khác âm điện, sóng điện lượng dùng để mang tin gọi uột mang thể Vật mang chứa thơng tin đại hiệu (Sìgnal) Cho nên trước khái niệm "thơng từ, sóng ánh sáng Những dạng (Carrier) Nó q trình vật diện thơng tỉn gọi tin" chưa xác định cụ thể lý cụ tín thực nay, người ta nghiên cứu định lượng hệ thống truyền tin cách tính tốn Trên quan điểm nghiệm biến đổi lượng mang tỉn hệ thống quát phân lượng, lý thuyết mạch điện, lý thuyết tín hiệu giải vấn để tổng bước tiến có tin tích tổng hợp mạch tín hiệu, nhờ kỹ thuật truyền dài truyền tin làm Nhưng đồng thời với phát triển mạnh mẽ mình, ngành kỹ thuật khơng giải thích sinh nhiều vấn lý thuyết xây dựng quan điểm lượng dụng sử tin trọn vẹn, vấn để mối liên hệ co hệ thống truyền trụ vũ tin thông lượng khác nhau, vấn để bảo tên thông tin hệ thống xác nhanh tin lượng tải tìn nhỏ bé, vấn để đảm bảo tốc độ truyền Nói khiển điểu tốn tính bị hệ thống truyền số liệu, gia cơng thơng tìn thiết giá so sánh hệ cách khác phải xây dựng tiêu chuẩn chung để đánh độ truyền tin khả thống truyền tin, giải vấn để truyền tin là: tốc tin thực, truyền chống nhiễu hệ thống, thiết lập mơ hình hệ thống phương hướng cải tiến có hiệu lý thuyết xây dựng Để trả lời điểu nói cách rõ ràng ngắn gọn, thuyết xây dựng quan quan điểm lượng cần phải bổ sung lý quát hệ thống truyền tín, điểm thơng tin Trong chương giới thiệu mơ hình tổng hệ khâu vấn để lý thuyết mà hệ thống để chức nắng thống truyền tin 1-1 HỆ THỐNG TRUYEN TIN thác có rất, nhiều dạng, Những hệ thống truyền tin cụ thể mà người sử dụng khai Ví dụ sở khác sở nhiều phân loại chúng, người ta dựa : loại thành tin lượng mang tin người ta phân hệ thống truyền - Hệ thống điện tín đùng lượng điện chiều ~ Hệ thống thông tỉn vô tuyến điện dùng lượng sóng điện từ NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG ngoại, laser, gấp -Hệ thống thông tin quang (hệ thống báo hiệu, thông tin hồng quang ) -Hệ thống thông tin dùng sóng âm, siêu Âm, (năng lượng cở học) sở biểu biện bên Chúng ta phân Joại hệ thống: truyện tn đựa cở xử thơng tìn như: -Hệ thống truyền số liệu -Hệ thống truyền hình , "Hệ thống thơng tin thoại giúp cán kỹ thuật „ Những phường pháp phân loại đựa theo nhu cầu kỹ thuật, đễ dàng Sự phân thống hệ loại thác nhận thức vấn để cách cụ thể tìm hiểu khai kỹ tài liệu sách loại ứng dụng rộng rãi gần thống ta đặc điểm chúng bày, trình để vấn logic thuật Nhưng để dâm bảo tính phân làm thông tin đưa vào kênh để phân loại hệ thống truyền tin bai loại hệ thống truyền tin: -Hệ thống truyền tin rời rac -Hệ thống truyền tin liên tục tin từ điểm Chúng ta định nghĩa: Truyền tin (Transmission) dịch chuyển thông nguồn tin điểm gọi điểm Hai định xác trường đến điểm khác môi (Information Source) va điểm nhận tin (nformation (Transmission Media) gọi kênh tin (Channel) Destination), Méi trường truyền tín nguồn Sơ đồ khối chức hệ thống truyền tin tổng qt gồm có ba khâu chính: tin, kênh tin nhận tin (hình 1-1-1) Nguồn tin | Kénh tin ————| Nhận tin Hình 1-1-1: Sơ đề khối chức hệ thống truyền tin "Trong sơ dé nay: Nguồn tin nơi sẵn sinh hay chứa tin cần truyền dãy Khi đường truyền tin thiết lập để truyền tỉn từ nguồn tin đến nhận tin, Dãy xuất xác phần tử sở (các tin) nguồn truyển với phân bố hệ mà tin hợp tập tin gọi tín (Message) Vậy ta định nghĩa: Nguồn tin thống truyén tin dùng để lập tin khác để truyền Kênh tin môi trường lan trun thơng tin Để lan truyền thơng tín hợp với mơi trường mơi trường vật lý xác định, thơng tin phải chuyển thành tín hiệu thích sinh truyền lan Vậy kênh tìn nơi hình thành truyền tín hiệu mang tín đơng thời niệm tạp nhiễu phá hủy thông tin Trong lý thuyết truyền tin kênh khái trừu tượng hơn, đại biểu cho hỗn hợp tín hiệu 0ị tạp nhiễu Từ khái niệm này, phân loại kênh dễ dàng thực tế kênh tin có nhiều đạng khác nhau, ví dụ : -Truyền tín biệu theo song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng -Tin hiệu truyền lan qua tầng điện ly, khơng có phan xa NHUNG KHAI NIEM CHUNG ~ Tín hiệu truyền lan qua tầng đối lưu, khơng có phản xạ khúc xạ ~ Tín hiệu truyền lan mặt đất, dat — Tín hiệu truyền lan nước Thu tin cấu khôi phục thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy đầu kênh Để tìm hiểu tiết sâu vào khối chức sơ đồ xét đến nhiệm vụ khối, 1-1-1 Nguồn tin nguyên thủy Nguồn tin nguyên thủy tập hợp tìn nguyên thủy (chưa qua phóp biến đổi nhân tgo nào) ví dụ tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh, biến đổi khí tượng Các tin nguyên thủy phần nhiều hàm liên tục theo thời gian Ø#) hàm biến đổi theo thời gian nhiều thơng số khác hình ảnh đen trắng hứ, y, #), z, y tọa độ khơng gian hình, thơng tin khí tượng: g(4,, £) 4,, @ = 1, 2, m) thơng số khí tượng nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió "Thơng tin nguyên thủy hệ hàm theo thời gian thông số trường hợp thơng tin hình ảnh màu: f(x.y,z) #(x.y,2) A(x,y,z) Thơng thường tin nguyên thủy mang tính chất liên tục theo thời gian mức; nghĩa biểu điễn thơng tin dạng hàm s() tổn quãng thời gian lấy trị bat ky pham vi (Sminr Smax) (Ainh 1-1-2) sứ) Smin Hình 1-1-9: Ví dụ tín hiệu nguyên thủy Những tin nguyên thủy đưa trực tiếp vào kênh để truyền Cũng phép biến đổi nhân tạo rời rạc hóa theo thời gian theo mức réi đưa vào kênh truyền Lúc tin trước vào kênh trở thành tin rời rạc Nguồn tin lúc gọi nguồn tục tin rời rạc kênh tin gọi kênh tin rời rac để phân biệt với trường hợp đưa tìn liên vào kênh gọi nguồn liên tục kênh liên tục Bảng chữ ngôn ngữ, tin hệ thống điều khiển tin ngun thủy có tính Sự phân biệt chất nguồn rời rạc với rời rạc hữu hạn số lượng tin nguồn thống điện tín, lệnh điều khiển hệ chất rời rac nguồn liên tục số lượng tin nguồn liên tục không đếm NHUNG KHAI NIEM CHUNG Nói chung tin rời rạc, nguyên thủy rời rạc, nguyên thủy liên tục rời rạc hóa, trước đưa vào kênh thơng thường qua thiết bị mã hóa Thiết bị mã hóa biến đổi tập hợp tin nguyên thủy thành tập hợp tin thích hợp với đặc điểm kênh khả cho qua (thơng lượng), tính chất tín hiệu (dạng, cấu trúc phổ, tính thống kê ) tạp nhiễu Tóm lại mã hóa phép biến đổi tính thống kê tính chống nhiễu nguồn tin Với khái niệm định nghĩa trên, xây dựng mơ hình tốn học chơ nguồn rời rạc, ˆ Một bảng tín xuất phát từ nguồn tin phản ánh tính chất thống kê nguồn Bảng tin dài phản ánh trung thực Chúng ta xem tin cụ thể thể nguồn Vì thời điểm xác định nguồn tạo tin tigẫu nhiên người quan sát, nên theo quan điểm tốn học xem nguồn tin (nguôn tạo bảng tin) cấu trúc thống kê trình ngẫu nhiên Như để xác định nguồn tin, hay nói cách khác để xác định cấu trúc thống kê trình ngẫu nhiên, cần phải biết quy luật thống kê trình Trường hợp nguồn rời rac, bang tin dãy ký hiệu chữ (bộ ký hiệu) gồm sốm ký hiệu hữu hạn gọi chữ Á: A= {a} véii=1, 2, , m Bảng tin dãy ký hiệu vô hạn hay hữu bạn hai phía: + = „#2 tụy Eg, hạn ( #.2X xo Xe ) Xoxrxz ký hiệu œ, ¡ = 1, 2, , m bất ky chit A duge phát di thời diém ty, £.;, to, Trong thực tế bảng tin có bất đầu kết thúc bảng tin dãy ký hiệu bữu X= (KjXp Xp) x” duge gọi mét khéi n chiéu, tập hợp khối ø chiều với đặc tính thống kê chúng xác định cấu trúc thống kê nguồn tin Nói cách khác biết tập hợp z` ký hiệu X xác suất xuất bang tin p(x’) định tính chất thống kê nguồn Do trường hợp nguồn tín trường xác suất hữu hạn {X, p(x`)) Trong trường hợp hẹp hơn, xác suất xuất ký hiệu bảng tin độc lập với nhau, cần biết chữ A xác suất xuất ký hiệu p(@j, ø; e Á đủ để xác định tính chất thống kê nguồn, lúc nguền trường xác suất hữu hạn (4, p}, (p viết tắt cho pla), a, ¢A,i=1, 2, ,m) Khi rạc hóa mét nguén lién tuc, ching ta thay thể xí) nguồn (một bảng tin liên tục) dãy khối ø chiều z” thời gian quan sát hữu hạn 'Trong cha A khối tập hợp giá trị lượng tử hóa cua x(t) Nhu rời rạc hóa thực thơng qua hai khâu: gián đoạn hóa theo thời gian lượng tử hóa theo mức Theo điều trình bày nguén tin có cấu trúc thống kê q trình ngẫu nhiên Mỗi nguồn tin (quá trình ngẫu nhiên) xác định cặp tập giá tri x" va cấu trúc thống kê chúng p(+) Những nguền tin thường gặp thường có tính chất q trình ngẫu nhiên dừng nhiều lại có tính ergodic Đối với nguồn tin ergodic thể (mỗi bang tin) ghi nhận thời gian đủ dài tiêu biểu cho nguồn vào thể để xác định cấu trúc thống kê nguồn Điều có ý nghĩa quan trọng thực tiễn NHUNG KHAI NIEM CHUNG Để nghiên cứu định lượng nguồn tin hệ thống truyền tin, mơ hình hóa tốn học nguồn tin bốn trình sau : - Quá trinh ngẫu nhiên liên tục: Nguồn tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh tiêu biểu cho q trình này, Trong hệ thống thơng tìn thoại, truyền thanh, truyền hình với tín hiệu điều biên, điều tần thông thường gặp nguồn - Quá trình ngẫu nhiên rời rạc: Một trình ngẫu nhiên liên tục sau lượng tử hóa theo mức trổ thành q trình Một ngồn ngữ, tín hiệu điện tín, lệnh điều khiển nguồn rời rạc loại - Dãy ngẫu nhiên liên tục: Đây trường hợp nguồn liên tục gián đoạn hóa theo biên xung (PAM-Pulse Amplitude thời gian, thường gặp hệ thơng tin xung g bj lugng tử hóa (PFM) khén xung tần điều PM), xung pha :Modulation), điểu - Dãy ngẫu nhiên rời rạc: Trong hệ thống thông tin xung có lượng tử hóa điều biên (pha, tần) xung lượng tử hóa, điều xung mã (PCM) 1-1-2 Kênh tin Chúng ta biết rằng, khoa học thừa nhận rằng: vật chất địch chuyển từ điểm đến điểm khác mơi trường thích hợp tác động lực thích hợp Trong q trình dịch chuyển "hạt" vật chất, thơng tia hay chứa dịch chuyển theo Đây chất lan truyền thông tin Vậy nói việc truyền tin dịch chuyển dòng "hạt" vật chất mang tin (tín hiệu) mơi trường truyền tin Trong q trình truyền tin, hệ thống truyền tin phải gắn thơng tin lên dịng vật chất tạo thành tín hiệu lan truyền Việc tín hiệu lan truyền mơi trường xác định dịng "hạt" vật chất, chịu tác động lực, lan truyền cấu trúc xác định môi trường (một mạng hạt đặc trưng cho mơi trường) Dịng vật chất mang tin này, tác động để dịch chuyển, cịn chịu tác động lực khơng mong muốn sẵn có ngồi mơi trường chịu va đập 'với "hạt" môi trường Đây ngun nhân làm biến đổi dịng vật chất không mong muốn nguyên nhân gây nhiễu (noise) trình truyền tin Kênh tin hiểu mơi trường để hình thành tín hiệu mang tin lan truyền tín hiéu mang tin Trong kênh diễn truyền lan tín hiệu mang tin chịu tác động tạp nhiễu Để mô tả kênh cần dựa vào đặc điểm tín hiệu kênh tạp nhiễu tiêu biểu cho mơi trường truyền lan kênh Các mơi trường truyền lan tín hiệu khác Vấn để đặt từ đạng khác tìm điểm chung để tổng quát hóa kênh Ta biết tín hiệu truyền lan nhiều mơi trường khác Khi tín hiệu qua mơi trường biến đổi lượng, dạng tín hiệu bị thay đổi tác động tạp nhiễu tổn môi trường vật lý phương thức truyền lan, biến đổi thông số vật lý môi trường gây điều chế tín hiệu khơng cần thiết Rõ rang tác động nhiễu lên tín hiệu tiêu biểu cho mơi trường truyền lan tín hiệu Vậy lấy tạp nhiễu làm đặc tính chung mơi trường truyền lan lấy phân tích, phân loại tạp nhiễu để phân tích phân loại mơi trường Tuy thực tế môi trường truyền lan khác nhau, quy nạp dạng cd sau: -Mơi trường tác động nhiễu cộng chủ yếu; ~Mơi trường tác động nhiễu nhân chủ yếu; -M6i trường gồm nhiễu cộng nhiễu nhân NHUNG KHAI NIEM CHUNG Ngoài trường hợp truyền tin xảy hai vat di động so với nhau, tín hiệu bị điểu tần phụ hiệu ứng Doppler gây nên, xếp riêng loại gọi kênh có hiệu ứng Doppler Tóm lại để mơ tả kênh dùng mạng bai cửa quan hệ tín hiệu đầu với tín hiệu đầu vào hình 1-1-8 S,()—> Kénh F——Y 8) Hình 1-1-3: Mơ hình kênh với tín hiệu vào tín hiệu Với giả thiết mạng hai cửa có hàm truyền đơn vị (bằng 1) tần số toàn miển thời gian, có: Su)=N,(S,(0 + N.(@0) N„(¿) ký hiệu cho nhiễu nhân Ä,() ký hiệu cho nhiễu cộng Nhiễu cộng sinh tín hiệu ngẫu nhiên khơng mong muốn tác động cộng thêm vào tín hiệu đầu Nhiễu cộng nguồn nhiễn công nghiệp vũ trụ tạo ra, luôn tổn mơi trường trun lan tín hiệu Dải phổ nhiễu cộng rộng, với tín hiệu có phổ đoạn tần số nào, chúng tạo thành trùm lên tín hiệu Nhiễu nhân, tác động nhân vào tín hiệu, gây phương thức truyền lan tín hiệu, thay đổi thông số vật lý phận mơi trường trun lan tín hiệu qua Trong trường hợp đầu nhiễu tác động nhanh lên tín hiệu, tác động chậm trường hợp thứ hai biến động mơi trường thường xảy với chu kỳ vài phút đến vài gis Hiện tượng thường gặp thu tín hiệu vơ tuyến dai song ngắn, nhiều đường truyền lan khác nhau, tùy theo sai trình (đài ngắn khác nhau) đường thay đổi làm cho tổng cường độ điện trường đầu thu biến đổi, gây biên độ tín hiệu thu lớn bé hẳn, gọi tung pha ding (fading) Các kênh tin thực tế khơng đấm bảo đặc tính xung đặc tính tần số đơn vị nên cơng thức tính tín hiệu : SHEN (OS (YH +N day Hw đặc tính xung kênh Đặc tính kênh khơng lý tưởng gây biến dạng tín hiệu so với tín hiệu vào, gọi méo tín hiệu, méo lại nguồn nhiễu q trình truyền tin Tín hiệu đầu vào kênh truyền đao động số biến đối theo quy luật thơng tin Các thơng số biên độ, động liên tục gián đoạn, gián đoạn có thơng số xung thay đổi theo thông tin biên độ xung, tần số lặp lại, cao tần đãy thời tần với thông số góc pha Dao xung cao tần với điểm xuất "Trường hợp dao động liên tục biểu thức tổng qt tín hiệu có đạng sau : 8,0) = a(1) cos[aXt) - &t)} Các thông số biên độ ø), tần số ø/), hay góc pha Ø7) biến đổi theo quy luật thông tin để mang tin nhiễu tác động làm thay đổi thống số làm sai lạc thông tin Theo mô hình mạng cửa kênh tin, đầu vào đưa vào tỉn z) với xác suất xuất p(x) nhận đầu tin y(/) với xác suất xuất p(y) đại diện cho z() Với u cầu truyền tìn xác, cần y() phải đại điện cha x(t), hay xác 10 ... Nhận tin Hình 1- 1 -1: Sơ đề khối chức hệ thống truyền tin "Trong sơ dé nay: Nguồn tin nơi sẵn sinh hay chứa tin cần truyền dãy Khi đường truyền tin thiết lập để truyền tỉn từ nguồn tin đến nhận tin, ... đặc trưng cho đặc tính truyền tin kênh 1- 1-3 Nhận tin Nhận tin đầu cuối hệ thống truyền tin Nhận tin thường gồm có nhận biết thơng tin phát xử lý thông tin Bộ xử lý thông tin người, thiết bị (thiết... chất lan truyền thơng tin Vậy nói việc truyền tin dịch chuyển dịng "hạt" vật chất mang tin (tín hiệu) mơi trường truyền tin Trong trình truyền tin, hệ thống truyền tin phải gắn thơng tin lên dịng