Nguyên lý truyền thông

NGUYÊN LÝ TRUYỀN THÔNG Thạc sĩ. VÕ KHIẾM TRUNG TÂM ỨNG DỤNG KHOA HỌC, CÔNG NGHỆ & TIN HỌC LÂM ĐỒNG Email: vokhiemkh@yahoo.com Phone: 063. 501778 - 0913173367 Khái quát môn học Môn học liên quan: Lý thuyết thông tin Kỹ thuật thông tin Thông tin tương tự Thông tin số Thông tin di động. Hệ thống viễn thông Điện tử thông tin. Mạch điện tử. Toán cao cấp… Nguyên lý truyền thông: Gồm các phần: Khái quát về hệ thống thông tin. Điều chế, giải điều chế tín hiệu tương tự. Hệ thống phát – thu tín hiệu. Truyền thông tương tự-số Khái quát về thông tin số. Kỹ thuật trải phổ TÀI LIỆU, GIÁO TRÌNH THAM KHẢO Nguyên lý thông tin tương tự - số, Vũ Đình Thành, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh; Cơ sở lý thuyết truyền tin, Nguyễn Văn Hậu, Nguyễn Hiếu MInh, Nhà xuất bản KHKT, 2008; Lý thuyết thông tin, Hồ văn Quân, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh; Mạch điện tử thông tin, Hoàng Đình Chiến, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh; Điện tử thông tin, Phạm Hồng Liên, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh;….. Chương 1:KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN Hệ thống thông tin được sử dụng trên nhiều lĩnh vực nhằm chuyển tải tin tức từ nguồn phát tin đến nơi nhận tin ở một khoảng cách nào đó. Hệ thống thông tin có thể chuyển một hay nhiều nguồn phát tin đồng thời đến một hay nhiều nơi nhận tin, Phương thức thông tin một chiều, hai chiều hoặc nhiều chiều, Trong môi trường thông tin hữu tuyến hoặc vô tuyến. Tin tức là gì ? Tin tức, hay thông tin khá trừu tượng, phi vật chất, khó định nghĩa chính xác. Tin tức tồn tại khá phổ biến trong cuộc sống: A hỏi B trả lời: cung cấp thông tin ( 1 chiều) Hai người nói chuyện với nhau: trao đổi thông tin ( 2 chiều) Một người đang xem TV, nghe đài: nhận thông tin HS lắng nghe GV giảng bài: nhận tri thức Máy tính nối mạng: trao đổi dữ liệu Tàu vũ trụ, vệ tinh: nhận lệnh điều khiển, truyền hình ảnh.. Hai con kiến dùng râu để truyền tin cho nhau.. Những hiện tương tự nhiên, cho thông tin về môi trường, tai biến… Thông tin hay tin tức Tồn tại trong quá trình truyền từ một đối tượng này đến một đối tượng khác. Xuất phát từ một đối tượng này và báo cho một đối tượng khác biết 1 điều nào đó. Có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau: âm thanh, hình ảnh, cử chỉ… Có thể rút ra một số định nghĩa về thông tin: Thông tin là sự cảm nhận và hiểu biết của con người về thế giới xung quanh thông qua sự tiếp xúc với nó. Thông tin là một hệ thống những tin báo và mệnh lệnh giúp loại trừ sự không chắc chắn trong trạng thái của nơi nhận tin Thông tin là một hiện tượng vật lý, tồn tại, được truyền đi dưới một dạng nào đó như: hình ảnh, âm thanh, dòng điện, sóng điện từ, sóng ánh sáng… Tin tức và Tín hiệu Dạng vật chất hay đại lượng vật lý dùng để mang thông tin, được gọi là tín hiệu. Tín hiệu là biểu hiện vật lý của tin tức, là vật mang thông tin từ nơi này đến nơi khác. Nói một cách khác: Tin tức: chính là nội dung, là phần hồn, là một dạng phi vật chất, nó có mục đích báo cho bên nhận biết một điều nào đó. (Lý thuyết thông tin sẽ nghiên cứu sâu) Tín hiệu: chính là vỏ bọc, là phần xác, là dạng vật chất: sóng điện từ, dòng điện, sóng ánh sáng… Lý thuyết tín hiệu sẽ nghiên cứu sâu , đây là đối tượng của môn học nguyên lý truyền thông Tin tức tương tự Các đại lượng vật lý biến thiên liên tục, đều đặn theo thời gian: tín hiệu âm thanh, hình ảnh, tín hiệu đo lường về nhiệt độ, áp suất… Tiêu chí quan trọng của thông tin tương tự là sự trung thực của tín hiệu tại nơi nhận tin so với nơi phát tin. Tin tức dạng số Thể hiện dưới dạng một chuỗi các ký hiệu từ một tập hợp hữu hạn các ký hiệu rời rạc: chuỗi các ký tự chữ hoặc số xuất hiện trên một văn bản, chuỗi các bit luận lý được đọc ra từ một file dữ liệu… Tiêu chí quan trọng của thông tin số là sự chính xác của chuỗi ký tự nhận được (hoặc tỉ số lỗi bit nhận được) trong một khoảng thời gian nhất định của qúa trình thông tin. Tin tức trong truyền thông Tin tức là yếu tố chính, hệ thống thông tin có nhiệm vụ chuyển tải và tái lập lại tin tức tại nơi nhận tin sao cho nội dung của tin tức là không đổi hoặc ít nhất cũng có thể hiểu được, chấp nhận được. Tín hiệu vật lý được chuyển tải là tín hiệu điện, do cảm biến phát tạo ra được xử lý bằng các khối mạch điện tử. Các cảm biến phát và cảm biến thu, là phần tử chuyển đổi dạng thức vật lý của tin tức, luôn ảnh hưởng đến độ trung thực hoặc độ tin cậy của hệ thống thông tin HỆ THỐNG THÔNG TIN Khối phát Xử lý tin tức, cung cấp vào môi trường thông tin một tín hiệu có dạng thức phù hợp Nội dung của tin tức được truyền đi là không thay đổi. Khối phát có thể gồm các phần: Mã hóa hoặc điều chế tín hiệu Khuếch đại tín hiệu phát. Môi trường thông tin Là một môi trường vật lý cụ thể, cho phép chuyển tải tín hiệu từ nơi phát đến nơi thu. Môi trường thông tin có thể dưới dạng hữu tuyến (dây dẫn điện song hành, dây cable tín hiệu, sợi quang…) Có thể dưới dạng vô tuyến (không gian tự do, chân không, môi trường chất lỏng…). Môi trường thông tin thường gây suy hao công suất tín hiệu và gây trễ pha tín hiệu khi truyền tin. Cự ly thông tin càng lớn thì độ suy hao và trễ pha càng nhiều. Khối thu Thu nhận tín hiệu tin tức từ môi trường thông tin, tái tạo lại tin tức để cung cấp đến nơi nhận tin. Khối thu có thể gồm các phần: Chọn lọc kênh thông tin (để chọn lựa đúng tín hiệu từ nguồn tin mà ta muốn thu nhận, trong khi môi trường thông tin có thể được sử dụng truyền tin đồng thời cho nhiều nguồn tin khác nhau). Khuếch đại tín hiệu điện (để bù trừ độ suy hao trên môi trường thông tin), Giải điều chế hoặc giải mã hóa (để khôi phục lại tin tức gốc ban đầu ở nơi phát), Nhiễu Nhiễu là các tín hiệu không mong muốn, xuất hiện ngẫu nhiên trong môi trường thông tin hoặc từ các phần tử, linh kiện của thiết bị. Nhiễu có thể được loại bỏ hoặc giảm thiểu nhờ các bộ lọc tần số, các bộ xử lý ngưỡng tại nơi thu. Can nhiễu gây ra bởi các tác nhân chủ quan: - Nhiễu do tín hiệu từ nguồn phát khác, - Nhiễu do nguồn cung cấp công suất, - Nhiễu do các thiết bị phụ trợ,… - Can nhiễu ở các dải tần số khác với dải tần số muốn thu, có thể được loại bỏ dễ dàng nhờ các phép lọc tần số thông thường. - Can nhiễu cùng dải tần tín hiệu thì rất khó được loại trừ, người ta phải dùng các phép mã hóa nguồn phù hợp. Băng thông Băng thông là đại lượng đo lường về tốc độ truyền tin. + Thông tin tương tự (analog), băng thông được thể hiện qua dải tần số của tín hiệu hoặc dải tần số của kênh. + Thông tin số (digital), băng thông được thể hiện qua tốc độ bit tối đa của chuỗi số được truyền đi. Kênh thông tin có băng thông nhỏ truyền tín hiệu có dải tần số rộng thì sẽ gây ra méo dạng tín hiệu tại nơi thu. Băng thông kênh truyền càng rộng thì tốc độ truyền tin càng cao, chất lượng truyền tin tức càng tốt nhưng lại gặp các vấn đề sau: + Hao phí dải tần số của kênh truyền, số lượng luồng thông tin truyền đồng thời trên kênh giảm, hiệu suất sử dụng kênh truyền thấp. + Băng thông rộng kéo theo sự ảnh hưởng của nhiễu môi trường và các can nhiễu từ kênh truyền lân cận lên kênh thông tin. Giới hạn băng thông của kênh cho phép tăng tỉ số S/N, nghĩa là chất lượng thông tin của kênh tăng do băng thông bị hạn chế (nếu không gây méo dạng đến tín hiệu). Điều chế tín hiệu Sóng mang (carrier) thường là tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu xung tần, có tần số cố định và cao hơn nhiều lần so với tần số tín hiệu điều chế (modulating signal). Tín hiệu điều chế là tín hiệu gốc từ nguồn tin, hoặc tín hiệu đã được biến đổi từ tín hiệu gốc bởi các phép lọc, mã hóa, trộn kênh,…thường ở dải tần số thấp, được gọi là tín hiệu dải nền (baseband). Điều chế tín hiệu là làm thay đổi thông số của sóng mang như biên độ, pha, tần số,… theo sự biến thiên của tín hiệu điều chế. Để thu nhận trở lại tín hiệu điều chế từ sóng mang đã điều chế, cần phải giải điều chế (demodulating). Lợi điểm của điều chế: Tăng hiệu suất thông tin: sóng mang tần số cao, tín hiệu dễ truyền đi xa hơn, các anten phát và thu có kích thước nhỏ hơn. Tăng băng thông: tần số sóng mang rất cao nên dải băng thông có thể rộng hơn nhiều lần so với dải tần số của tín hiệu điều chế. Giảm nhiễu và can nhiễu: tăng công suất phát tín hiệu sao tỉ số S/N chấp nhận được. Thực tế không cho phép tăng công suất phát lên quá, thì điều chế sóng mang cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu mà không tăng công suất phát. Cho phép gán tần số phát: các kênh thông tin có nội dung như nhau có thể sử dụng các dải tần số phát khác nhau. ở nơi thu, có thể tách biệt tín hiệu muốn thu trong số nhiều tín hiệu từ các đài phát khác nhau thông qua phép lọc tần số. Cho phép ghép kênh (multiplexing): muốn truyền đi nhiều tín hiệu khác nhau, từ nhiều nguồn phát tin đến nhiều nơi nhận tin. Ghép kênh có thể dưới dạng ghép tần số (FDM: Frequency – Division Multiplexing) hoặc ghép kênh thời gian (TDM: Time – Division Multiplexing). Mã hóa Mã hóa (coding), được áp dụng cho các nguồn tin tức số, được biểu diễn bằng các ký hiệu rời rạc. Mã hóa gồm hai quá trình: - Mã hóa (encoding) chuyển tin tức số từ nguồn tin thành một chuỗi các ký hiệu theo một quy luật nào đó. - Giải mã (decoding) chuyển đổi ngược lại từ các ký hiệu trở về tin tức số theo quy luật ngược lại với quy luật mã hóa. Nguồn tin tức số ở dưới dạng nhị phân ( 0 và 1) và ký hiệu mã hóa cũng dưới dạng nhị phân. Mã hóa chuyển đổi từ chuỗi số nhị phân này thành ra một chuỗi số nhị phân khác. Đối với nguồn tin liên tục muốn chuyển đổi sang dạng số (rời rạc) cần phải thực hiện quá trình rời rạc hóa Lấy mẫu Rời rạc hóa theo thời gian, hay lấy mẫu: Là trích từ hàm ban đầu thành các mẫu được lấy tại các thời điểm xác định. Việc lấy mẫu là để thay thế hàm ban đầu bằng các mẫu tương đương mà các mẫu được lấy có thể khôi phục được hàm gốc ban đầu. Lượng tử hóa Rời rạc hóa theo biên độ, được gọi là lượng tử hóa: Phân chia biên độ của tín hiệu mang tin trong miền liên tục thành các mức nhất định Quy các giá trị biên độ không trùng với các mức này về mức nhỏ hơn mà gần với nó nhất. Lợi điểm của mã hóa Mã hóa, cho phép xử lý tín hiệu ở các mức rời rạc (hai mức cao và thấp đối với nhị phân), do đó, mạch điện xử lý đơn giản hơn và độ tin cậy cao hơn. Mã hóa cho phép tăng khả năng chống nhiễu của tín hiệu. Tùy theo nguyên lý mã hóa ta có thể có các bộ mã phát hiện sai hoặc tự sửa sai khi có nhiễu trên kênh truyền làm sai lệch tin tức. Mã hóa cho phép nén số liệu phát ra từ nguồn, loại bỏ các trạng thái dư thừa, tăng hiệu suất truyền tin. Như vậy có thể truyền được nhiều kênh hơn trong cùng môi trường hoặc truyền tin với tốc độ cao hơn. Mã hóa có thể cho phép bảo mật thông tin (mật mã hóa).