Chương 1. Hệ thông tin số hiện đại 1. Đại cương về hệ thông tin số hiện đại Trong các hệ thông tin hiện đại, dữ liệu được truyền theo đơn vị bit. Trước khi truyền, mỗi bít điều chế một sóng con sine động.
Các sóng con, sau khi đã điều chế, được tổ hợp lại thành khối rất lớn (hàng trăm sóng) rồi mới truyền trên đường truyền. Tại nơi thu, tổ hợp các sóng con này được đưa qua bộ giải điều chế kết hợp để khôi phục lạ các bít thông tin gốc (thông tin nơi phát đã phát). Nguyên tắc này là cơ sở để phát triển kỹ thuật điều chế trong hệ thông tin đa sóng mang sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao cho các ứng dụng hiện đại. Hai ỹ thuật kđiều chế đa sóng mang đã được nghiên cứu thực thi thành công trên các hệ thống thực tế là Điều ch ế phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM)/Điều chế đa tần rời rạc (Discrete multitone - DMT) và điều chế đa sóng mang dãy trải phổ trực tiếp truy cập theo mã (Multicarrier Direct Sequence Code Division Multiple Access – MC DS CDMA).
Hai kỹ thuật điều chế này được sử dụng rộng rãi vì nó không những có thể truyền thông tin với độ an toàn cao qua kênh phẳng mà còn cho phép truyền thông tin qua kênh không phẳng. Trong hệ thống thông tin đa sóng mang, các bộ điều chế và giải điều chế được thực thi rất đơn giản bằng các bộ biến đổi Fourier rời rạc (discrete Fourier transform - DFT) hay hiệu quả hơn là các thuật toán nhanh của biến đổi này (Fourier transform - FFT). Vì thời gian có hạn nên luận văn chỉ nghiên cứu hệ thống thông tin áp dụng kỹ thuật điều chế OFDM/DMT, và thực chất hai kỹ thuật điều chế này có những điểm rất giống nhau nên để tránh viết dài từ đây về sau cụm từ OFDM sẽ được dùng thay cho hệ thống đa sóng mang OFDM/DMT. ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thông tin số Chức năng của một hệ thông tin bất kỳ là truyền thông tin của người sử dụng từ nguồn đến đích. Nguồn và đích là hai thực thể quan trọng nhất của hệ thống nhưng một phần nữa không thể thiếu của hệ thống này là môi trường truyền hay con gọi là đường truyền. Đường truyền của hệ thông tin có thể là không dây (thông tin vệ tinh, thông tin qua sóng viba,.) hoặc có dây (cáp quang, cáp đồng trục, cáp xoắn,. Như vậy, ta có thể mô hình một hệ thông tin gồm 3 phần là: Phần phát: có chức năng xử lý thông tin của người sử dụng thành một dạng tín hiệu có thể truyền trên đường truyền vật lý.
Kênh truyền: Cầu nối giữa nơi phát và nơi thu. Phần thu: Tiếp nhận và biến đổi các thông tin nhận được thành dạng thông tin gốc để trả lại người sử dụng. Thông tin của người sử dụng thường được biểu diễn dưới dạng các bit nhị phân để xử lý ở phần phát thành một dạng có thể truyền được trên đường truyền vật lý. Đến nơi thu, quá trình xử lý ngược lại so với nơi phát được thực hiện để khôi phục lại thông tin ban đầu.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thông tin số ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 5 1. Mã hoá và giải mã Thông tin nhị phân không thể truyền trực tiếp trên kênh truyền do nhiều yếu tố như: nơi thu khó đồng bộ, suy giảm mạnh,.vì vậy, trước khi truyền thông tin cần được đưa qua một bộ chuyển đổi. Bộ chuyển đổi này có nhiệm vụ xử lý như thế nào đó để các thông tin sau khi xử lý có thể truyền trên kênh truyền một cách rễ ràng thuận tiện. Ngoài ra, thông tin sau xử lý còn có thêm một số đặc điểm như chống nhiễu, bảo mật,.
Việc mã hoá thường được tiến hành theo 3 công đoạn • Mã nguồn • Mã phát hiện lỗi và sửa lỗi • Mã bảo mật ¾ Mã nguồn: Nếu thông tin của người sử dụng là một tín hiệu tương tự thì trước hết ta cần biểu diển lại chúng bằng một dãy số nhưng trước khi biểu diễn cần xem xét đến hiệu suất, chất lượng của quá trình biểu diễn và xử lý. Khi yêu cầu về chất lượng không cao thì có thể tăng hiệu suất bằng cách giảm các mức biểu diển (giảm độ phân giải) và ngược lại. Đối với thông tin là tín hiệu số tự nhiên (các tín hiệu do máy tính cung cấp) quá trình mã hoá cần loại bỏ những thông tin “dư thừa” để tăng hiệu suất. Các phương pháp mã nguồn thường gặp là phương pháp shannon-Fano và Huffmann ¾ Mã phát hiện lỗi và sửa lỗi: Quá trình thông tin không tránh khỏi lỗi.
Lỗi thông tin có thể do nhiều tác nhân như: nhiễu; tính toán khôi phục sai,. Vì vậy cần có công cụ kiểm soát được các lỗi xảy ra khi truyền. Công cụ kiểm soát lỗi đơn giản nhất là dùng mã. Mã dùng để kiểm soát lỗi có đặc điểm: chèn một số bít xác định vào khung thông tin.
Các bít này cho phép nơi thu kiểm tra và hiệu chỉnh các bit lỗi nếu có. Nói ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 6 chung càng nhiều bit kiểm tra thì càng tốt, nhưng phải trả giá bằng việc giảm tốc độ truyền. ¾ Mã bảo mật: Thông tin ngày nay được coi là một trong những tài nguyên quý giá nên có những thông tin cần được đảm bảo an toàn tuyệt đối. Để truyền an toàn những thông tin này, máy phát cần thực hiện mã hoá bảo mật.
Việc này thực hiện được bằng cách thêm vào thông tin truyền đi một khoá bảo mật. Nơi thu căn cứ vào khoá bảo mật để giải mã và khôi phục lại thông tin ban đầu. Điều chế và giải điều chế số Quá trình điều chế số thực chất là quá trình gán các nhóm bit thông tin vào các đối tượng mà ta gọi là ký hiệu. Mỗi ký hiệu này có nhiệm vụ “chuyên chở” các bít thông tin từ nguồn đến đích.
Tổ hợp nhóm n bit sẽ tạo ra N giá trị số. Khi điều chế, mỗi giá trị này được biểu diễn là một tổ hợp của các tham số sóng mang (biên độ, tần số, pha hay kết hợp của các tham số đó). Thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu được tính bằng công thức ln x Ts=Tb-log2N ( log 2 x = ). ln 2 Quá trình điều chế sẽ biến đổi tần số của thông tin (tần số thấp) lên vùng tần số của sóng mang (tần cao).
Chính sóng mang tần số cao làm nhiệm vụ “mang” các sóng tần số thấp này đến máy thu. Có nhiều kỹ thuật điều chế được sử dụng nhưng thông dụng hơn cả là các loại điều chế sau, hình 1. • Điều chế biên độ vuông góc (QAM): Các nhóm bít thông tin được điều chế bằng cách thay đổi hai tham số là pha và biên độ của sóng mang. • Điều chế khoá dịch tần (Frequency Shift Keing - FSK): Phương pháp này sử dụng m sóng mang.
Mỗi nhóm bít thực hiện điều chế một sóng mang. Nếu nhóm bít lớn cần nhiều sóng mang hay sử dụng dải tần ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 7 rộng. Ví dụ, với m=2: f - Δf và f + Δf, trong đó, f là tâm của sóng mang cao tần khi không có dữ liệu. • Điều chế khoá dịch pha (Phase Shift Keing - PSK): Phương pháp này sử dụng m giá trị pha khác nhau để điều chế các nhóm bít.
m giá trị pha 2π này cách đều nhau một khoảng. Ưu việt của phương pháp này là tín m hiệu điều chế có hình bao không đổi nên có thể giải điều chế không kết hợp. Giản đồ chòm sao Tín hiệu QAM Tín hiệu PSK Tín hiệu FSK Hình 1. Giản đồ chòm sao và dạng tín hiệu của điều chế số ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 8 1.
Kênh truyền Như ta đã biết kênh truyển là một phần không thể thiếu trong hệ thông tin không chỉ vì kênh là đối tượng kết nối giữa nơi phát va nơi thu mà nó còn là một trong những đối tượng chịu tác động của nhiễu làm giảm chất lượng thông tin. Việc nghiên cứu các đặc điểm của kênh truyền rất quan trọng vì nếu biết được các tham số của kênh mới có được phương pháp thiết kế hệ thống cho phù hợp và hiệu quả. Căn cứ vào các đặc điểm của kênh người ta chia chúng thành 3 loại. • Kênh nhiễu cộng trắng (Additive white Gaussian noise - AWGN).
Kênh này có đặc điểm là tín hiệu truyền qua sẽ bị cộng thêm một dạng nhiễu trắng Gaussian. Nghĩa là đáp ứng biên độ - tần số có dạng phẳng còn đáp ứng pha - tần số tuyến tính. Giả sử tín hiệu vào kênh là s(t) còn tín hiệu ra là r(t) thì r(t) = s(t) + n(t) (1) trong đó n(t) là nhiễu cộng trắng Gaussian. • Kênh có giới hạn băng thông (Bandlimited Channel).
Kênh này có đặc điểm là dải thông của kênh nhỏ hơn giải thông của tín hiệu. Giới hạn của băng thông thường gây ra tác động nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu (intersymbol interference - ISI). Nghĩa là xung số kéo dài hơn chu kỳ ký hiệu Ts và giao thoa với xung bên cạnh hay các xung khác. ISI sẽ làm tăng xác xuất lỗi bít hay tốc độ lỗi bít (bit error rate - BER).
Fading là hiện tượng xảy ra khi biên độ và pha của tín hiệu vô tuyến (radio signal) thay đổi quá nhanh trong một chu kỳ nhỏ hay khoảng truyền ngắn. Thực chất Fading là sự giao thoa giữa hai hay nhiều phiên bản của tín hiệu tới máy thu ở những khoảng thời gian khác nhau rất nhỏ. ---------------------------------------------------------------------------------------------- Lê Thành Quế Luận văn Cao học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, thực thi hệ thống xử lý thông tin số với TMS320C6711DSK ---------------------------------------------------------------------------------------------- 9 1. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM/DMT Nguyên lý của hệ OFDM/DMT là chia dải tần rộng sử dụng thành các kênh con có dải tần nhỏ hơn[6,9], như biểu diễn trên hình 1.
Dữ liệu được chia nhỏ và truyền song song trên những kênh con này.