Bài giảng Kỹ thuật thông tin số

KHỐI LƯỢNG: 3 tín chỉ Giờ lý thuyết + bài tập: 43 tiết Giờ ôn tập + sửa bài kiểm tra: 2 tiết Sinh viên tự học: 120+ tiết MỤC TIÊU MÔN HỌC Mục tiêu chung: Trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản về kỹ thuật thông tin số, bao gồm các kỹ thuật xử lý khác nhau để truyền thành công tín hiệu từ một điểm này đến một điểm khác MỤC TIÊU MÔN HỌC Mục tiêu cụ thể: sau khi học xong môn học, sinh viên có thể: - Hiểu rõ các kỹ thuật sử dụng trong một hệ thống thông tin số điển hình, bao gồm: kỹ thuật số hóa tín hiệu, kỹ thuật mã hóa đường dây, kỹ thuật mã hóa nguồn, kỹ thuật mã hóa kênh, kỹ thuật ghép kênh, kỹ thuật điều chế, kỹ thuật đa truy cập - Tự nghiên cứu một hệ thống thông tin số cụ thể TÀI LIỆU HỌC TẬP [1] Bài giảng môn học Kỹ thuật Thông tin số [2] Bưu điện Việt Nam, Điện thoại số tập 1 và 2 - Ban thông tin kinh tế kỹ thuật Bưu điện-Hà Nội 1991 [3] Leon W.Couch, Digital & analog communications systems - Macmillan publishing company, New York 1996 [4] Ian Glover & Peter Grant, Digital communications - Prentice Hall Europe 1998 [5] Bernard Sklar, Digital communications – Prentice-Hall International, Inc- 2002 NHIỆM VỤ CỦA SINH VIÊN Ôn hoặc tự tìm hiểu về Tín hiệu & Phổ Đến lớp nghe giảng + ghi chép + trao đổi (11 buổi) Làm bài tập về nhà (chương 1-5) Nộp bài tập về nhà đúng thời gian quy định Dự kiểm tra giữa kỳ (chương 1-3) Dự thi kết thúc môn học (chương 1-6) ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC Bài tập về nhà: 20%, gồm chương 1 - 5 Kiểm tra giữa kỳ: 30%, gồm chương 1 - 3 Hình thức: tự luận, có sử dụng tài liệu Thời gian: 45 phút Đề gồm: 3 câu phân đều vào 3 chương Thi kết thúc môn học: 50%, gồm chương 1 - 6 Hình thức: trắc nghiệm + tự luận, có sử dụng tài liệu Thời gian: 60 phút Đề gồm 2 phần: trắc nghiệm 24 câu và tự luận 4 câu Trong phòng thi hoặc kiểm tra, đối với tài liệu viết tay, chỉ được sử dụng bản gốc (tuyệt đối không sử dụng bản photocopy) Thời gian nộp bài tập về nhà: vào buổi học cuối cùng (mọi sự chậm trễ vì bất cứ lý do gì đều không được chấp nhận) Lưu ý!!! ĐỀ CƯƠNG MÔN HỌC (45 tiết) Chương 1: Mở đầu (5 tiết/1 buổi) Chương 2: Kỹ thuật số hóa và mã hóa đường (8 tiết/2 buổi) Chương 3: Kỹ thuật mã hóa nguồn (8 tiết/2 buổi) Kiểm tra giữa kỳ Chương 4: Kỹ thuật mã hóa kênh (8 tiết/2 buổi) Chương 5: Kỹ thuật ghép kênh và đa truy cập (8 tiết/2 buổi) Chương 6: Kỹ thuật điều chế (8 tiết/2 buổi) ÔN TẬP VỀTÍN HIỆU & PHỔ Tín hiệu & Hệ thống Hệ thống: tập hợp các đối tượng vật lý có quan hệ nào đó với nhau Hệ thống: toàn bộ thiết bị hoặc một phần thiết bị hoặc một chương trình phần mềm Tín hiệu: đại lượng vật lý biến thiên có mặt trong hệ thống Trong một hệ thống có tín hiệu vào, tín hiệu nội bộ (trung gian) và tín hiệu ra Các tín hiệu trong hệ thống có quan hệ với nhau Tín hiệu bị thay đổi khi đi qua hệ thống Mô hình toán học biểu diễn tín hiệu & hệ thống Là phương trình toán biểu diễn tín hiệu & hệ thống Các phương trình toán chỉ là mô hình, không phải là tín hiệu & hệ thống thực sự Có nhiều loại mô hình toán khác nhau. Mỗi loại đều có các ưu khuyết điểm riêng Ý nghĩa của mô hình toán: - Giúp phân tích tín hiệu & hệ thống một cách định lượng, từ đó so sánh, đánh giá hệ thống Giúp thiết kế tín hiệu & hệ thống đạt các yêu cầu đề ra Phân loại tín hiệu Tín hiệu xác định & ngẫu nhiên Tín hiệu tuần hoàn & không tuần hoàn Tín hiệu liên tục & rời rạc Tín hiệu năng lượng & công suất Tín hiệu xác định & ngẫu nhiên Tín hiệu xác định - Biết rõ sự biến thiên của tín hiệu theo thời gian - Biết rõ giá trị của tín hiệu tại tất cả các thời điểm - Mô hình toán học: biểu diễn bằng hàm theo biến t hoặc đồ thị Tín hiệu ngẫu nhiên - Không biết chắc chắn về sự biến thiên của tín hiệu - Không biết chắc giá trị của tín hiệu trước khi nó xuất hiện - Mô hình toán học: biểu diễn bằng xác suất hoặc các trị trung bình thống kê Tín hiệu tuần hoàn & không tuần hoàn Tín hiệu tuần hoàn: Lặp lại theo một chu kỳ nào đó Tín hiệu không tuần hoàn: Không có sự lặp lại Tín hiệu liên tục & rời rạc Tín hiệu liên tục: Xác định tại tất cả các thời điểm Biểu diễn bằng hàm x(t) Tín hiệu rời rạc: Chỉ xác định tại một tập hữu hạn các thời điểm Biểu diễn bằng hàm x(nT), với n nguyên và T: khoảng thời gian cố định Tín hiệu năng lượng & công suất Công suất tức thời của tín hiệu điện áp v(t) hay dòng điện i(t) qua điện trở R: Trong các hệ thống thông tin, thường chuẩn hóa công suất bằng cách giả sử R = 1 ohm. Công suất tức thời: x(t) là tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Tín hiệu năng lượng & công suất Tín hiệu năng lượng: năng lượng dương hữu hạn Tín hiệu công suất: năng lượng vô hạn và công suất dương hữu hạn Quy ước: - T.h tuần hoàn và t.h ngẫu nhiên: tín hiệu công suất - T.h xác định không tuần hoàn: tín hiệu năng lượng Phổ của tín hiệu thực Tín hiệu tuần hoàn chu kỳ T0: Tín hiệu năng lượng: Mật độ phổ Mật độ phổ năng lượng (ESD): Mật độ phổ công suất (PSD): Băng thông của tín hiệu số f0 PSD Băng thông -3dB Băng thông null-to-null Băng thông -35dB Băng thông -50dB Tự tương quan (autocorrelation) Tín hiệu năng lượng & thực: Hàm tự tương quan chỉ ra sự tương quan nhiều hay ít giữa một tín hiệu với bản copy của chính nó bị dịch chuyển Tự tương quan (autocorrelation) Tín hiệu thực tuần hoàn: Tín hiệu công suất: Hàm tự tương quan của tín hiệu thực tuần hoàn có các tính chất tương tự như các tính chất của hàm tự tương quan của tín hiệu năng lượng Truyền tín hiệu qua hệ thống Hệ thống truyền dẫn lý tưởng Định nghĩa hệ thống truyền dẫn lý tưởng: cho tín hiệu đi qua mà không làm méo dạng tín hiệu, ngoại trừ suy giảm biên độ và trễ thời gian Tín hiệu ra: Đáp ứng tần số: Đáp ứng biên độ là hằng số, đáp ứng pha tuyến tính Đáp ứng biên độ và pha Sự truyền dẫn không méo chỉ xuất hiện nếu tín hiệu vào có tần số thấp hơn f1(Hz) Tín hiệu có tần số lớn hơn f1(Hz) sẽ bị méo biên độ và méo pha Tín hiệu ngẫu nhiên Nhiệm vụ chính của hệ thống thông tin là truyền tin tức qua kênh Tất cả các tín hiệu mang tin tức và nhiễu tác động vào hệ thống thông tin đều xuất hiện ngẫu nhiên Nếu biết trước tín hiệu thì về mặt ý nghĩa tin tức, việc truyền tín hiệu là không cần thiết. Tuy nhiên nếu hoàn toàn không biết gì về tín hiệu thông tin hay nhiễu thì sẽ không thể tách tín hiệu thông tin ra khỏi nhiễu Cần phải biết các đặc tính thống kê của tín hiệu và diễn tả trên cơ sở lý thuyết xác suất Quá trình nhiễu ngẫu nhiên Nguồn nhiễu Thể hiện Quá trình ngẫu nhiên t1 Định nghĩa quá trình ngẫu nhiên Quá trình ngẫu nhiên là một tập hợp các hàm theo thời gian liên hệ với nhau bởi những quy luật thống kê Biến ngẫu nhiên Tại thời điểm t1, các giá trị của tín hiệu ngẫu nhiên là các biến ngẫu nhiên có thể lấy một trong các giá trị sau: Hàm phân bố cấp 1: Hàm mật độ xác suất (pdf) cấp 1: Đặc điểm của hàm phân bố và pdf Hàm phân bố: Đồng biến theo x Nằm trong dải (0,1) pdf: Không âm Phần diện tích giới hạn bởi đường cong pdf và trục hoành là 1 Trị trung bình theo tập hợp Giá trị kỳ vọng: Trị trung bình bình phương: Phương sai: Độ lệch chuẩn: căn bậc 2 của phương sai Moment hỗn hợp cấp 2: Trị trung bình theo thời gian Giá trị trung bình: Trị trung bình bình phương (quân phương): Giá trị quân phương gốc (trị hiệu dụng): Hàm tự tương quan: Căn bậc hai của quân phương Tín hiệu ngẫu nhiên dừng Định nghĩa: Các hàm phân bố xác suất không thay đổi đối với sự dịch chuyển thời gian Dừng bậc N: pdf cấp 1 là hằng số pdf cấp 2 là hàm một biến Tín hiệu ngẫu nhiên dừng ergodic Định nghĩa: Là tín hiệu ngẫu nhiên dừng có tất cả các trị trung bình thời gian của một thể hiện bất kỳ bằng với trị trung bình tập hợp tương ứng Chỉ cần chọn 1 thể hiện bất kỳ Đồng nhất trị trung bình thời gian với trị trung bình tập hợp Tính chất của hàm tương quan Là hàm chẵn Đạt cực đại tại gốc Mật độ phổ công suất Đối với quá trình ngẫu nhiên dừng theo nghĩa rộng (dừng cấp 2) S(f): mật độ phổ công suất Nhiễu trong hệ thống thông tin Nhiễu: tín hiệu không mong muốn có mặt trong hệ thống Nguyên nhân sinh ra nhiễu: nhân tạo và tự nhiên Nhiễu nhiệt: do chuyển động hỗn loạn của các e- trong các vật dẫn Mô tả nhiễu nhiệt: Phân bố Gausse Nhiễu trắng Nhiễu trắng: nhiễu nhiệt có PSD như nhau tại tất cả các tần số (khoảng từ DC đến 1012 Hz) f Sn(f) Nhiễu Gauss trắng cộng AWGN: nhiễu phân bố Gauss, nhiễu ảnh hưởng đến mỗi ký tự truyền một cách độc lập nhau, nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu bằng cách cộng vào tín hiệu