Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng lỗi bít của hệ thống thông tin số sử dụng các kỹ thuật mã hóa

HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Giới thiệu chương

Chương 1 khái quát lại những kiến thức cơ bản về hệ thống thông tin số bao gồm khái niệm, lịch sử phát triển của thông tin số, mô hình hệ thống thông tin số, các kênh truyền tin, các tín hiệu cơ sở và tín hiệu băng thông dải trong hệ thống thông tin số… Bên cạnh đó, trong chương này cũng trình bày thêm ƣu và nhƣợc điểm của hệ thống thông tin số.

Khái niệm thông tin số

Thông tin không có hình thức vật chất nên không thể được bảo vệ trực tiếp; vì vậy, việc bảo vệ thông tin cần thực hiện gián tiếp bằng cách bảo vệ các vật mang tin và các thành phần trong hệ thống xử lý thông tin Để bảo vệ thông tin trong một hệ thống, cần chú ý đến việc bảo vệ đồng thời các phần cứng, phần mềm, mạng vật lý và nguồn nhân lực Nếu thông tin được lưu trữ trên giấy, việc bảo vệ cũng cần tập trung vào các phương tiện lưu trữ và bảo quản thông tin đó.

Thông tin số là những dữ liệu được tạo ra thông qua các phương pháp sử dụng tín hiệu số hoặc được xử lý trên các hệ thống thông tin số.

Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin số

Điện báo là hệ thống thông tin liên lạc bằng điện tín, đánh dấu bước phát triển đầu tiên của truyền thông điện Được khởi xướng bởi Samuel Morse và công bố vào năm 1837, hệ thống này sử dụng mã nhị phân với các dấu chấm (∙) và dấu gạch (-) để biểu diễn các mẫu tự trong bảng chữ cái tiếng Anh Mã Morse cho phép các mẫu tự xuất hiện thường xuyên hơn được biểu diễn bằng các từ mã ngắn, trong khi các mẫu tự ít xuất hiện sẽ có từ mã dài hơn Chính vì vậy, mã Morse được coi là nền tảng cho các phương pháp mã hóa nguồn với chiều dài từ mã thay đổi.

Hình 1.1 Hệ thống thông tin Telegraph sử dụng dây dẫn [1]

Năm 1875, gần 40 năm sau thời kỳ của Morse, Emile Baudot đã giới thiệu một loại mã cho truyền thông điện tín, trong đó các chữ cái trong bảng chữ cái tiếng Anh được mã hóa bằng các từ mã nhị phân có chiều dài cố định là 5 Mã Baudot sử dụng các bit dấu “1” và bit trống “0” để tạo thành các thành phần của từ mã nhị phân này.

Bảng 1.1 Minh họa mã Baudot [1]

Binary Decimal Hex Octal Letter U.S CCITT

Samuel Morse đã khởi xướng sự phát triển của hệ thống truyền thông số bằng điện đầu tiên, đó là hệ thống điện tín (Telegraphy), được coi là hình thức truyền thông số hiện đại vào thời điểm đó.

Năm 1924, Nyquist đã nghiên cứu để xác định tốc độ truyền tín hiệu tối đa qua một kênh truyền điện tín với băng thông cố định, đồng thời tránh hiện tượng nhiễu liên ký hiệu (ISI) Ông đã phát triển một mô hình toán học cho hệ thống truyền thông điện tín (Telegraph), trong đó tín hiệu phát đi được biểu diễn dưới dạng tổng quát.

Tốc độ truyền dữ liệu tối đa được xác định bởi Nyquist là 2W xung/giây, với W là băng tần giới hạn tới WHz Chuỗi dữ liệu nhị phân {±1} được truyền với tốc độ 1/Tb bit/s, và dạng xung tối ưu g(t) = (sin2πWt)/2πWt cho phép khôi phục dữ liệu mà không gây ra nhiễu tín hiệu (ISI) tại các thời điểm lấy mẫu k/T, với k = 0, ±1, ±2, Nghiên cứu này chỉ ra rằng tốc độ Nyquist có thể đạt được mà không làm giảm chất lượng tín hiệu.

Nghiên cứu của Nyquist phù hợp với lý thuyết lấy mẫu của Shannon về tín hiệu hạn băng, góp phần quan trọng vào sự phát triển của các hệ thống thông tin số hiện đại.

Mô hình hệ thống thông tin số

Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin tổng quát bao gồm ba thành phần chính: nguồn tin, kênh tin, và điểm nhận tin, như được thể hiện trong hình 1.2.

Hình 1.2 Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát

Nguồn tin là nơi sản sinh hoặc chứa thông tin cần truyền đi Khi thiết lập một đường truyền tin từ nguồn đến người nhận, một dãy các tin từ nguồn sẽ được truyền đi theo một phân bố xác suất nhất định Dãy tin này được gọi là bản tin (message) Do đó, nguồn tin có thể được định nghĩa là tập hợp các tin mà hệ thống thông tin sử dụng để tạo ra các bản tin khác nhau cho việc truyền tải Số lượng tin trong nguồn có thể là hữu hạn hoặc vô hạn.

Nguồn tin Kênh tin Nhận tin vơi nguồn tin rời rạc hay liên tục

Kênh tin là môi trường truyền tải thông tin, nơi thông tin được chuyển đổi thành tín hiệu phù hợp với môi trường vật lý Đây là nơi hình thành và truyền tín hiệu mang thông tin, đồng thời cũng phát sinh nhiễu (noise) có thể phá hủy thông tin Trong thực tế, kênh tin có nhiều dạng khác nhau như dây song hành, cáp đồng trục, cáp sợi quang và truyền thông vô tuyến.

Nhận tin là cơ cấu, khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ở đầu ra của kênh tin

Mô hình hệ thống thông tin số nhƣ hình vẽ:

Hình 1.3 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số

Khối định dạng chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dãy từ mã số, với các từ mã được biểu diễn bằng bit nhị phân Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các bit hoặc nhóm bit sẽ được thể hiện ở dạng phù hợp Quá trình chuyển đổi từ tương tự sang số trong hệ thống thông tin số thường sử dụng phương pháp điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation).

Khối giải định dạng thực hiện công việc chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự Việc số hóa tín hiệu tương tự không chỉ tăng băng thông truyền dẫn mà còn giúp bộ thu hoạt động hiệu quả hơn ở tỷ số trên nhiễu thấp.

Ghép kênh Điều chế Đa truy cập

Tách kênh là một ví dụ về mâu thuẫn giữa băng thông và băng truyền Việc sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số để chuyển đổi giữa tín hiệu tương tự và số giúp mã hóa hiệu quả tín hiệu trước khi truyền đi Quá trình này cũng cho phép giải mã tín hiệu bên thu, mặc dù chúng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu, méo và giao thoa Mặc dù điều này làm cho bộ thu phát trở nên phức tạp hơn, nhưng nó đảm bảo việc truyền dẫn chính xác và không có lỗi.

Khối mã hóa nguồn giúp giảm số bit nhị phân cần thiết để truyền tải bản tin, tương tự như việc loại bỏ các bit dư thừa không cần thiết Điều này tối ưu hóa việc sử dụng băng thông đường truyền, mang lại hiệu quả cao hơn trong quá trình truyền tải dữ liệu.

Khối mật mã hóa có vai trò quan trọng trong việc bảo mật thông tin bằng cách mã hóa bản tin gốc Nó không chỉ đảm bảo tính riêng tư, cho phép chỉ người phát có quyền truy cập vào thông tin đang truyền, mà còn xác thực, đảm bảo rằng chỉ những người thu được ủy quyền mới có thể nhận tin.

Khối mã hóa kênh thêm các bit vào tín hiệu số theo quy luật nhất định, giúp bên thu phát hiện và sửa lỗi trên kênh truyền Đây là quá trình mã hóa điều khiển lỗi, nhằm tăng cường độ dư cho thông tin.

Mã hóa điều khiển lỗi và mã hóa nguồn loại bỏ độ dư là hai quá trình trái ngược nhau trong cùng một hệ thống Trong khi mã hóa điều khiển lỗi thêm độ dư để hỗ trợ phát hiện và sửa lỗi, thì mã hóa nguồn lại loại bỏ những độ dư không cần thiết Đặc biệt, kiểu dư xuất hiện tự nhiên trong tin truyền không phải là loại dư phù hợp cho bên thu để có thể phát hiện và sửa lỗi hiệu quả.

Giải mã nguồn, giải mật mã và giải mã hóa kênh đƣợc thực hiện ở bộ thu Các quá trình này ngƣợc với quá trình mã hóa bên bộ phát

Khối ghép kênh cho phép nhiều tuyến thông tin chia sẻ một đường truyền vật lý chung như cáp hoặc đường truyền vô tuyến Trong thông tin số, phương pháp ghép kênh phổ biến là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), trong đó các từ mã PCM được sắp xếp vào một khung TDM Tốc độ bít của tín hiệu ghép kênh sẽ gấp N lần tốc độ bit của tín hiệu PCM nhánh.

Số tín hiệu PCM (N) được ghép vào một khung TDM sẽ làm tăng băng thông yêu cầu Khối tách kênh bên thu sẽ phân chia dòng bit thu thành các tín hiệu PCM nhánh.

Khối điều chế cho phép tín hiệu số truyền qua phương tiện vật lý với tốc độ xác định và mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu băng thông tần số phù hợp Nó có khả năng thay đổi dạng xung và dịch chuyển phổ tần của tín hiệu đến băng thông khác Đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu băng gốc, trong khi đầu ra là tín hiệu thông dải Khối giải điều chế ở phía thu chuyển đổi dạng sóng thu được trở lại thành tín hiệu băng gốc.

Khối đa truy cập đề cập đến các kỹ thuật cho phép nhiều cặp thu phát chia sẻ một phương tiện vật lý chung, như sợi quang hoặc bộ phát đáp vệ tinh Đây là phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn Có nhiều kiểu đa truy cập, mỗi kiểu mang lại những ưu điểm và khuyết điểm riêng.

Mục tiêu chính trong thiết kế hệ thống thông tin là tối ưu hóa giá cả, độ phức tạp và công suất tiêu thụ, đồng thời giảm thiểu băng thông và thời gian truyền Băng thông, biểu thị tốc độ truyền tin, là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống thông tin và có thể thay đổi Việc sử dụng hiệu quả băng thông và thời gian truyền giúp phục vụ nhiều thuê bao trong một khoảng thời gian và băng thông hạn chế.

Bảng 1.2 Băng thông danh định của một số tín hiệu [1]

Thoại 4 kHz Âm thanh quảng bá 15 kHz

Hầu hết tín hiệu đƣa vào hệ thống thông tin số nhƣ tiếng nói, hình ảnh, âm thanh là tín hiệu tương tự.

Các kênh truyền tin trong thông tin số

Kênh thông tin là môi trường truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu, trong đó kênh vô tuyến sử dụng áp suất khí quyển, còn kênh thoại hữu tuyến thường dựa vào các vật liệu như dây dẫn kim loại hoặc cáp sợi quang.

1.5.1 Kênh sử dụng dây dẫn (wireline)

Mạng điện thoại sử dụng đường dây dẫn để truyền tín hiệu thoại, dữ liệu và video, kết nối từ tổng đài đến khách hàng với băng thông khoảng vài trăm KHz Trong khi đó, cáp đồng trục cung cấp băng thông khả dụng lên tới vài MHz.

Tín hiệu truyền qua các dây dẫn có thể bị méo cả về biên độ và pha hơn nữa còn chịu ảnh hưởng của ồn cộng tính

1.5.2 Kênh sử dụng sợi quang (Fiber Optic Channels)

Sợi quang sử dụng thủy tinh làm lớp lõi để truyền ánh sáng dựa trên nguyên lý phản xạ Khi tia sáng di chuyển từ môi trường có hệ số phản xạ cao sang môi trường thấp, nó sẽ bị uốn về phía môi trường có hệ số phản xạ cao hơn, cho phép xung ánh sáng được truyền trong sợi quang Là vật liệu cách điện, sợi quang chỉ truyền ánh sáng với suy hao tín hiệu rất nhỏ, khoảng 0.2 dB/km, và không bị ảnh hưởng bởi giao thoa sóng điện từ.

1.5.3 Kênh vô tuyến (Wireless Channels)

Kênh vô tuyến truyền tải thông tin qua sóng điện từ trong không gian tự do, bao gồm ba loại chính: kênh viba, kênh di động và kênh vệ tinh.

Kênh viba hoạt động trong dải tần từ 1GHz đến 30GHz và yêu cầu tầm nhìn thẳng (LOS - Line Of Sight) Chất lượng đường truyền của kênh này có thể bị ảnh hưởng bởi các điều kiện khí hậu.

Kênh di động là phương thức kết nối với người dùng di động, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ hiệu ứng đa đường Loại kênh này có tính phức tạp cao trong lĩnh vực thông tin vô tuyến.

Vệ tinh địa tĩnh hoạt động ở độ cao khoảng 30.000 km, với tần số phổ biến cho tuyến lên là 6 GHz và tuyến xuống là 4 GHz Băng tần của kênh truyền có độ rộng lớn, khoảng 500 MHz.

Khi tia sóng lan truyền trong không gian, có thể đi theo các hướng khác nhau phụ thuộc vào điều kiện môi trường và tần số

Ngoài các kênh thông tin truyền thống, còn có các kênh thông tin đặc biệt như kênh truyền tín hiệu âm thanh dưới nước, ví dụ như tín hiệu từ cá voi lan truyền trong môi trường nước Bên cạnh đó, kênh lưu trữ cũng đóng vai trò quan trọng, cho phép thông tin được lưu trữ vào các thiết bị như đĩa quang và đĩa từ, sau đó được vận chuyển bởi các phương tiện vận tải.

Tín hiệu cơ sở và tín hiệu băng thông dải

1.6.1 Tín hiệu băng cơ sở

Băng cơ sở là thuật ngữ chỉ miền tần số của tín hiệu bản tin, thường là tín hiệu băng thông thấp Tín hiệu băng cơ sở có thể tồn tại dưới dạng số hoặc tương tự Đối với tín hiệu tương tự, cả thời gian và biên độ đều liên tục, trong khi đối với tín hiệu số, thời gian và biên độ (dạng sóng) là rời rạc; ví dụ, đầu ra của máy tính có thể được coi là tín hiệu số băng cơ sở.

1.6.2 Tín hiệu băng thông dải Để truyền dẫn, tín hiệu bản tin phải đƣợc chuyển thành tín hiệu phát 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 trực tiếp tín hiệu bản tin Trong truyền dẫn băng thông dải: Băng tần của kênh có tần số trung tâm lớn hơn nhiều tần số cao nhất của tín hiệu bản tin Khi đó tín hiệu đƣợc phát đi là tín hiệu băng thông dải (phù hợp với kênh truyền) mang thông tin của tín hiệu bản tin Việc tạo ra tín hiệu băng thông dải này gọi là điều chế

Khi nghiên cứu tín hiệu băng thông dải, người ta thường dùng phương pháp đưa về tín hiệu băng cơ sở tương đương

Liên hệ nghịch đảo giữa thời gian và tần số:

Theo những tính chất của biến đồi Fourier trong lý thuyết xử lý tín hiệu có thể rút ra những tính chất căn bản sau:

Miền thời gian của một tín hiệu có mối quan hệ ngược chiều với miền tần số của nó; cụ thể, khi chu kỳ của tín hiệu tăng, tần số sẽ giảm Hơn nữa, khi xung trở nên hẹp hơn, phổ tần số của tín hiệu sẽ mở rộng.

Nếu tín hiệu bị giới hạn trong miền tần số, mô tả trên miền thời gian sẽ kéo dài vô hạn, như trường hợp của xung sinc(t) với biên độ ngày càng nhỏ Ngược lại, nếu tín hiệu bị giới hạn trong miền thời gian, thì phổ tần số của nó sẽ mở rộng vô hạn Cần lưu ý rằng không có tín hiệu nào có thể bị giới hạn đồng thời trong cả hai miền tần số và thời gian, nhưng có thể tồn tại tín hiệu vô hạn cả về tần số lẫn thời gian.

1.7 Ƣu và nhƣợc điểm của hệ thống thông tin số

Hệ thống thông tin số phức tạp hơn hệ thống thông tin tương tự, nhưng ngày càng được ưa chuộng trong các hệ thống thông tin hiện đại Trong tương lai, nó sẽ dần thay thế các hệ thống thông tin tương tự hiện có Hệ thống thông tin số mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.

Tăng khả năng truyền dẫn dữ liệu

Tăng cường khả năng tích hợp và độ phức tạp của hệ thống điện tử số trong xử lý tín hiệu, đồng thời nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí.

Dễ dàng trong việc mã hóa để nén dữ liệu

Khả năng mã hóa kênh để tối thiểu hóa các ảnh hưởng của tạp và nhiễu

Dễ dàng cân đối công suất, thời gian về độ rộng dải thông để tối ƣu hóa việc sử dụng tài nguyên có hạn này

Dễ dàng chuẩn hóa các tín hiệu từ nhiều kiểu và nguồn gốc khác nhau, phục vụ cho việc thiết lập các mạng liên kết đa dịch vụ hiệu quả.

1.7.2 Một số nhược điểm của thông tin số

Bên cạnh những ƣu điểm nhƣ trên, hệ thống thông tin số cũng có những nhƣợc điểm nhƣ:

Hệ thống thông tin thường phức tạp hơn một hệ thống tương tự tương đương

Chi phí lắp đặt lớn hơn so với thông tin tương tự do trong thông tin số bao gồm nhiều thành phần hơn

Yêu cầu độ chính xác cao đặc biệt trong các hệ thống đồng bộ số

Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin sử dụng sóng điện từ và đã trải qua quá trình phát triển lâu dài Nghiên cứu các lý thuyết mới vẫn đang tiếp diễn nhằm phát triển các cấu trúc lọc nhỏ gọn với khả năng chọn lọc tần số tối ưu Chi tiết về các lý thuyết này sẽ được trình bày trong các chương sau.

Tổng kết chương

Bộ lọc tần số đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông tin bằng sóng điện từ, với quá trình phát triển lâu dài và hoàn thiện Nghiên cứu các lý thuyết mới vẫn đang được tiếp tục, nhằm tạo ra các cấu trúc lọc gọn nhẹ và có khả năng chọn lọc tần số tối ưu Các lý thuyết này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong các chương sau.

CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ MÃ HÓA TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Giới thiệu

Chương 2 trình bày khái niệm và phân loại các kỹ thuật điều chế số và các kỹ thuật mã hóa trong hệ thống thông tin số Điều chế số nhị phân và điều chế số nhiều mức với các kỹ thuật nhƣ khóa dịch biên, khóa dịch tần và khoa dịch pha Chương này cũng trình bày đặc tính BER, phổ công suất và hiệu suất độ rộng băng của các tín hiệu điều chế khi sử dụng các loại mã hóa khác nhau.

Khái niệm và phân loại các kỹ thuật điều chế số

Do tín hiệu băng cơ sở có công suất lớn ở tần số thấp, chúng chỉ phù hợp cho việc truyền dẫn qua cáp hai sợi, cáp đồng trục hoặc sợi quang Tuy nhiên, tín hiệu băng cơ sở không thể truyền dẫn trực tiếp qua đường vô tuyến hay giữa các vệ tinh, vì việc này đòi hỏi phải sử dụng anten kích thước lớn để phát xạ tín hiệu tần thấp.

Để phù hợp với tần số hoạt động, tín hiệu băng cơ sở cần được dịch chuyển phổ tần số bằng kỹ thuật điều chế sóng mang cao tần, sử dụng dạng sóng sine: cos(ωc(t)).

Việc chọn phương pháp điều chế ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc, tính dung sai tạp âm và băng tần kênh Điều chế số là quá trình sử dụng tín hiệu số để thay đổi các thông số của sóng mang cao tần như biên độ, tần số và pha Khi dữ liệu làm thay đổi biên độ, ta có khóa dịch biên độ (ASK); khi thay đổi tần số, ta có khóa dịch tần (FSK); và khi thay đổi pha, ta có khóa dịch pha (PSK) Theo trạng thái mã hóa, điều chế số được chia thành hai loại: điều chế nhị phân và điều chế hạng M.

2.2.1 Điều chế số nhị phân a Khóa dịch biên ASK (Amplitude Shift Keying)

Dạng sóng điều chế đơn giản nhất trong điều chế dữ liệu băng thông là khóa dịch biên (ASK) Ký hiệu được thể hiện bằng các giá trị biên độ rời rạc của sóng mang dao động với tần số cố định.

ASK nhị phân là phương pháp truyền thông sử dụng hai trạng thái ký hiệu: có sóng mang và không có sóng mang Quá trình này còn được gọi là quá trình khóa đóng mở (ON-OFF-Keying – OOK).

Hình 2.1 Sơ đồ khối điều chế ASK [4]

Hình 2.2 Dạng sóng điều chế ASK [4]

Nếu gộp tất cả các thành phần trong chuỗi dữ liệu ký hiệu băng tần cơ bản với sóng mang, ta sẽ nhận được tổng và một thành phần khác Phổ kết quả sẽ đối xứng qua tần số sóng mang, với giá trị dương, và đồ thị sẽ là hình sin nghịch đảo của tín hiệu băng tần cơ bản đối với dạng dữ liệu nhị phân không lọc.

Phổ ASK, hay còn gọi là phổ song biên, bao gồm một biên trên và một biên dưới của sóng mang Điều này cho thấy rằng băng thông chiếm dụng của tín hiệu điều chế ASK gấp đôi băng tần của tín hiệu cơ bản, với hiệu suất sử dụng băng tần tối đa đạt 1 bit/s/Hz.

Điều chế tín hiệu ASK có thể thực hiện bằng cách sử dụng một bộ trộn để nhân luồng tín hiệu băng tần cơ sở với sóng mang, và quá trình này thường được gọi là điều chế tuyến tính.

Một lựa chọn đơn giản để điều chế ASK nhị phân là sử dụng chuyển mạch cổng có và không có sóng mang, được điều khiển bởi chuỗi dữ liệu đầu vào Để giảm băng chiếm dụng của tín hiệu ASK, cần có bộ lọc hoặc bộ tạo xung ở phía trước hoặc sau quá trình điều chế Tuy nhiên, phương pháp chuyển mạch này không cho phép lọc trước tín hiệu băng tần cơ sở do tính chất không tuyến tính của nó, không truyền tải thông tin dạng xung trên sóng mang Do đó, mọi quá trình lọc nhằm tập trung độ rộng băng phải được thực hiện trong băng thông tín hiệu đã được điều chế.

Hình 2.3 Giải điều chế ASK [3]

Thí dụ: Nếu muốn lọc tín hiệu điều chế ở độ rộng 30 Khz, sóng mang có tần số 900 MHz, sẽ phải dùng bộ lọc có hệ số chất lƣợng

Hệ số chất lượng Q hiện nay chỉ đạt được khi sử dụng bộ lọc tinh thể, với biên độ gợn sóng không phẳng và méo trễ nhóm kém trong băng thông Điều này hạn chế khả năng của nhà thiết kế trong việc đạt được băng thông bộ lọc cosin tăng nghiệm, dẫn đến giao thoa ký hiệu bằng 0.

Các vấn đề trong việc lọc băng thông tín hiệu dữ liệu điều chế cao tần có thể được khắc phục bằng cách sửa xung chuỗi dữ liệu đầu vào ở băng tần cơ sở, đồng thời thực hiện quá trình tuyến tính để duy trì biên độ tín hiệu Phương pháp trộn cho phép lọc luồng dữ liệu cơ sở trước bằng bộ lọc thông thấp, với thông tin sửa dạng xung được đặt lên đường bao của sóng mang Nhiều bộ trộn tích hợp tuyến tính hiện nay có khả năng hoạt động với tần số sóng mang lên tới vài GHz.

Phương pháp FSK là một kỹ thuật hiệu quả trong việc tạo và tách tín hiệu, với ưu điểm nổi bật là không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi biên độ tín hiệu Kỹ thuật này điều tần biến đổi tần số của sóng mang theo các trạng thái ký hiệu khác nhau, trong khi biên độ của sóng đã được điều chế vẫn giữ nguyên.

Trước tiên, chúng ta sẽ phân tích tín hiệu nhị phân FSK chưa qua lọc Dạng sóng này có thể được biểu diễn dưới dạng hai luồng dữ liệu riêng biệt của ASK trước khi được truyền tải.

Hình 2.4 Dạng sóng điều chế FSK [3]

Sóng điều chế FSK được tạo ra bằng cách chuyển mạch giữa các nguồn tín hiệu có tần số khác nhau, nhưng có bước nhảy pha rời rạc giữa các trạng thái ký hiệu Các giá trị pha rời rạc tại ranh giới ký hiệu dẫn đến phổ cao hơn ở tần số cao và độ rộng băng truyền dẫn rộng hơn FSK cũng có thể thực hiện bằng cách ghép vào tín hiệu dữ liệu, như điều khiển điện áp của bộ dao động nội (VCO), cho phép chuyển đổi pha giữa các trạng thái liên tiếp trở nên liên tục Tín hiệu FSK với pha chuyển đổi không gián đoạn giữa các trạng thái ký hiệu được gọi là Khóa dịch tần số pha liên tục (CPFSK).

Một trong những cách đơn giản để tách tín hiệu FSK nhị phân là sử dụng hai bộ lọc thông dải được hiệu chỉnh cho hai tần số khác nhau và lấy tín hiệu lớn hơn trung bình sau mỗi chu kỳ ký hiệu Phương pháp này tương đương với bộ tách đường bao không kết hợp, hoạt động như hai luồng dữ liệu ASK với bộ so sánh ở đầu ra Tuy nhiên, do không xét đến pha của các ký hiệu, phương pháp này không có nhiều ưu điểm so với các hệ thống tách kết hợp FSK mà chúng ta đã thảo luận trước đó.

Các kỹ thuật mã hóa trong hệ thống thông tin số

Trong lý thuyết mã hóa, mã khối là tập hợp các mã sửa lỗi cho dữ liệu theo từng khối và được ứng dụng rộng rãi Sự hữu ích của mã khối đến từ khả năng áp dụng các phương pháp lý thuyết mã hóa, toán học và khoa học máy tính để nghiên cứu giới hạn của chúng Những giới hạn này thường được thể hiện qua các bất đẳng thức liên quan đến các tham số của mã, như tỉ lệ và khả năng phát hiện, sửa lỗi.

Một số ví dụ tiêu biểu về mã khối tuyến tính bao gồm mã Reed-Solomon, mã Hamming, mã Hadamard, mã đồ thị giãn nở, mã Golay, mã Reed-Muller và mã BCH Tất cả các mã này đều thuộc loại mã tuyến tính, do đó chúng thường được gọi là mã khối tuyến tính.

Mã BCH là một loại mã sửa lỗi vòng được phát triển từ trường hữu hạn, được phát minh vào năm 1959 bởi Hocquenghem và độc lập vào năm 1960 bởi Bose và Ray-Chaudhuri Tên gọi BCH được hình thành từ chữ cái đầu của những người sáng tạo ra mã này.

Mã BCH nổi bật với khả năng điều chỉnh số lỗi có thể sửa chữa trong thiết kế, cho phép sửa nhiều lỗi bit trong mã nhị phân Một ưu điểm khác của mã BCH là quá trình giải mã dễ dàng thông qua phương pháp đại số gọi là giải mã hội chứng, giúp đơn giản hóa thiết kế bộ giải mã bằng phần cứng điện tử và tiết kiệm năng lượng.

Mã BCH đƣợc dùng trong nhiều ứng dụng nhƣ liên lạc vệ tinh, máy nghe CD, DVD, ổ đĩa, SSD và mã vạch hai chiều

Mã Hamming, được phát minh bởi Richard Hamming, là một mã sửa lỗi tuyến tính trong viễn thông, có khả năng phát hiện và sửa lỗi cho một hoặc hai bit Khác với mã chẵn lẻ, mã Hamming có thể phát hiện lỗi do hai bit hoán vị và sửa lỗi do một bit sai, trong khi mã chẵn lẻ không thể thực hiện điều này Trước khi mã Hamming ra đời, nhiều mã phát hiện lỗi đơn giản đã được sử dụng, nhưng không có mã nào hiệu quả bằng mã Hamming với chi phí tương đương.

Hiện thời, khi nói đến mã Hamming chúng ta thực ra là muốn nói đến mã (7,4) mà Hamming công bố năm 1950 Với mỗi nhóm 4 bit dữ liệu, mã

Thuật toán Hamming (7,4) bổ sung 3 bit kiểm tra, cho phép sửa chữa bất kỳ lỗi nào của một bit và phát hiện tất cả các lỗi của một bit cũng như các lỗi do 2 bit gây ra Điều này cho thấy mã Hamming (7,4) rất hiệu quả trong việc xử lý các phương tiện truyền thông không gặp phải lỗi đột phát, trừ khi môi trường có độ nhiễu cao khiến 2 trong số 7 bit truyền bị đảo lộn.

Bổ sung một bit vào mã Hamming cho phép phát hiện lỗi do hai bit bị lỗi mà không làm cản trở việc sửa lỗi do một bit Nếu không có bit bổ sung, mã Hamming chỉ có thể phát hiện lỗi do một, hai hoặc ba bit nhưng sẽ gây khó khăn trong việc sửa lỗi một bit bị đảo lộn Bit bổ sung này được áp dụng cho tất cả các bit sau khi các bit kiểm tra đã được thêm vào mã Hamming.

Khi sử dụng mã Hamming để sửa lỗi, nếu phát hiện lỗi ở bit chẵn lẻ và mã báo hiệu có lỗi, chúng ta có thể sửa chữa lỗi đó Tuy nhiên, nếu không phát hiện lỗi trong bit chẵn lẻ nhưng mã Hamming vẫn báo lỗi, điều này cho thấy có thể đã xảy ra lỗi do hai bit bị thay đổi cùng lúc Mặc dù lỗi được phát hiện, nhưng không thể sửa chữa.

Mã Golay nhị phân là một loại mã sửa lỗi tuyến tính quan trọng trong truyền thông số, có liên quan chặt chẽ với lý thuyết nhóm kín có giới hạn trong toán học Cùng với mã thứ ba Golay, chúng tạo thành một mối quan hệ đặc biệt và thú vị Được đặt theo tên Marcel J.Ealayay, mã Golay nhị phân đã được giới thiệu trong một bài báo năm 1949, được E R Berlekamp ca ngợi là "trang xuất bản duy nhất xuất sắc nhất" trong lĩnh vực lý thuyết mã hóa.

Có hai mã Golay nhị phân chính, bao gồm mã Golay mở rộng G24 và mã Golay hoàn hảo G23 Mã G24 mã hóa 12 bit dữ liệu thành một từ 24 bit, cho phép sửa lỗi 3-bit và phát hiện lỗi 7-bit Ngược lại, mã G23 có độ dài 23 bit và được tạo ra từ mã G24 bằng cách xóa một vị trí tọa độ Trong ký pháp mã chuẩn, mã G24 có các tham số [24, 12, 8] và mã G23 có các tham số [23, 12, 7], tương ứng với độ dài từ mã, kích thước mã và khoảng cách Hamming tối thiểu giữa các từ mã.

Đoạn mã mở rộng Golay G24 là một không gian 12 chiều trong V = F224, bao gồm các từ 24 bit, với đặc điểm là bất kỳ hai phần tử khác nhau trong W đều khác nhau ở ít nhất 8 tọa độ W được coi là mã tuyến tính vì nó tạo thành một không gian véc tơ.

4096 = 212 phần tử, được gọi là các từ mã trong tập W Các từ mã này có thể được xem là các tập con của một tập hợp gồm 24 phần tử, trong đó bổ sung được định nghĩa là sự khác biệt đối xứng giữa các tập con.

Mã mở rộng nhị phân Golay bao gồm các từ mã có trọng lượng Hamming là 0, 8, 12, 16 hoặc 24 Trong đó, các từ mã có trọng lượng 8 được gọi là octad, còn các từ mã có trọng lượng 12 được gọi là dodecad.

Octads của mã G24 là các phần tử của hệ thống S (5,8,24) Steiner Có 759=3*11*23 octad và 759 bổ sung của nó Sau đó có 2576 = 24 * 7 * 23 dodecads

Hai octabs giao nhau tại 0, 2 hoặc 4 tọa độ trong biểu diễn véc tơ nhị phân, tương ứng với các giao điểm có thể có trong đại diện tập hợp con Mỗi byte bát phân và các dấu ngoặc đơn ở hai, 4, hoặc nhiều hơn đều ảnh hưởng đến việc xác định các giao điểm này.

6 tọa độ, W là duy nhất

Mã Golay nhị phân G23 được coi là một mã hoàn hảo, với khả năng tạo ra các quả cầu bán kính ba xung quanh các từ mã, từ đó hình thành một phân vùng trong không gian véc tơ G23 hoạt động trong không gian 12 chiều của F223.

Nhóm automorphism của mã Golay hoàn hảo nhị phân, G23, là nhóm Mathieu {\displaystyle M_ {23}} M_ {23} Nhóm automorphism của mã

Mô hình Kênh AWGN

Nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN) là một mô hình nhiễu quan trọng trong hệ thống thông tin, dùng để mô tả các quá trình ngẫu nhiên trong kênh truyền Các đặc tính cơ bản của nhiễu AWGN bao gồm sự phân bố Gaussian và tính chất không tương quan giữa các giá trị nhiễu tại các thời điểm khác nhau.

Nhiễu có tính cộng là hiện tượng khi nhiễu trong kênh truyền được cộng vào tín hiệu phát đi, và nhiễu này có tính độc lập thống kê với tín hiệu.

Nhiễu trắng có đặc điểm là mật độ phổ công suất nhiễu đồng nhất, dẫn đến tự tương quan của nhiễu trong miền thời gian bằng không cho mọi độ lệch thời gian khác nhau.

Nhiễu có phân bố Gauss hoặc phân bố chuẩn

Hình 2.22 Mô hình kênh AWGN

Mô hình kênh AWGN được xem là cơ bản nhất trong việc mô tả ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống, do hầu hết các nhiễu phát sinh đều có các đặc tính tương tự Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của kênh AWGN có thể được biểu diễn đơn giản bằng phương trình: r(t) = s(t) + n(t).

Trong bài viết này, n(t) đại diện cho thành phần nhiễu trắng có phân bố Gauss với giá trị trung bình bằng 0, được cộng thêm vào tín hiệu đầu vào của kênh truyền s(t), như được minh họa trong hình 2.22.

Trong mô phỏng hệ thống thông tin, đặc tính của thành phần nhiễu n(t) phụ thuộc vào loại mô hình và tín hiệu đầu vào Đối với mô hình dải thông, khi tín hiệu đầu vào s(t) là tín hiệu thực, thành phần nhiễu AWGN n(t) cũng sẽ là tín hiệu thực và có hàm tự tương quan tương ứng.

Mật độ phổ công suất của nhiễu n(t) có thể được xác định thông qua phép tính kỳ vọng E[(n(t) * n(t + τ))] Việc này được thực hiện bằng cách khai triển Fourier từ công thức (5.1).

Trong mô phỏng tương đương băng gốc, tín hiệu đầu vào s(t) là tín hiệu phức, dẫn đến việc thành phần nhiễu AWGN n(t) cũng trở thành tín hiệu phức với hai thành phần thực và ảo Mỗi thành phần này có hàm tương tự tương quan là N0/2 δ(τ), và các thành phần đồng pha và vuông pha đều tuân theo phân bố Gauss, đồng thời là các quá trình độc lập Mật độ phổ công suất N0 xác định mức công suất của nhiễu AWGN, tương ứng với phương sai của hàm phân bố nhiễu Gauss Đây là tham số đặc trưng cho kênh AWGN và ảnh hưởng đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của kênh truyền.

Mức công suất tín hiệu đầu vào kênh AWGN được ký hiệu là P s, và khi tín hiệu đầu vào mang tính ngẫu nhiên, công suất này có thể ước tính thông qua phương sai của tín hiệu Tham số SNR được sử dụng để đặc trưng cho kênh AWGN thay cho mức công suất nhiễu, từ đó mức công suất hoặc phương sai nhiễu có thể được xác định dựa trên giá trị SNR đã thiết lập và mức công suất tín hiệu đầu vào.

2.5 Ƣớc tính tỉ số SNR

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là phép đo hiệu năng tiêu chuẩn cho tín hiệu tương tự, đồng thời cũng là đại lượng đo chất lượng cho bất kỳ tín hiệu nào Trong một mô hình hệ thống, tín hiệu đầu ra x(t) được xác định từ tín hiệu đầu vào s(t) và hàm nhiễu n(t) Để đơn giản hóa, tất cả các dạng sóng đầu vào và đầu ra được giả định là thực Việc phân tích tín hiệu đầu ra cho phép tách biệt các thành phần "tín hiệu" và "nhiễu".

Có hai phương pháp để ước tính SNR: tiếp cận miền thời gian và miền tần số Mục tiêu chính của việc tính toán ước tính SNR là xác định độ trễ tối ưu  * nhằm đạt được giá trị cực tiểu.

2.6 Đánh giá hiệu năng hệ thống bằng phương pháp Monte-Carlo

Phương pháp Monte-Carlo là một tập hợp các thuật toán tính toán sử dụng mẫu ngẫu nhiên lặp lại để đạt được kết quả số gần đúng Phương pháp này thường bao gồm việc thực hiện nhiều lần mô phỏng nhằm thu thập phân bố của một thực thể xác suất chưa được biết đến.

Trong mô phỏng hệ thống truyền thông, phương pháp Monte-Carlo được sử dụng để ước tính các tham số như tỉ lệ lỗi bit (BER) và tỉ lệ lỗi ký hiệu (SER) Kỹ thuật này dựa trên việc thực hiện các phép thử ngẫu nhiên hoặc thống kê để xác định giá trị của tham số Ý tưởng chính của mô phỏng Monte-Carlo là thực hiện các phép thử ngẫu nhiên để thu thập dữ liệu và từ đó đưa ra ước tính chính xác cho các tham số hệ thống.

Mô phỏng hệ thống lặp lại là quá trình quan trọng nhằm đảm bảo rằng số lượng lỗi xảy ra được đếm chính xác theo yêu cầu Việc lặp lại này giúp nâng cao độ tin cậy của kết quả ước tính, từ đó cung cấp thông tin chính xác hơn cho các quyết định liên quan.

Mỗi lần chạy mô phỏng, cần đếm số lượng ký hiệu phát đi và số lượng lỗi ký hiệu theo sơ đồ khối Các ký hiệu tại đầu ra bộ quyết định sẽ được so sánh với các ký hiệu phát đi để phát hiện lỗi Khối delay được sử dụng để đồng bộ các ký hiệu trước khi tiến hành so sánh.

Đánh giá hiệu năng hệ thống bằng phương pháp Monte-Carlo

Phương pháp Monte-Carlo là một tập hợp các thuật toán tính toán sử dụng việc lấy mẫu ngẫu nhiên lặp lại để đạt được các kết quả số gần đúng Phương pháp này thường được thực hiện bằng cách chạy nhiều mô phỏng để xác định phân bố của một thực thể xác suất chưa được biết đến.

Trong mô phỏng hệ thống truyền thông, phương pháp Monte-Carlo ước lượng các tham số như tỉ lệ lỗi bit (BER) và tỉ lệ lỗi ký hiệu (SER) thông qua việc thực hiện các phép thử ngẫu nhiên Kỹ thuật này cho phép ước tính giá trị của các tham số bằng cách sử dụng các phép thử thống kê, mang lại một cách tiếp cận đơn giản nhưng hiệu quả cho việc mô phỏng.

Mô phỏng hệ thống lặp lại là một phương pháp quan trọng giúp đảm bảo số lượng lỗi được ghi nhận đầy đủ theo yêu cầu, từ đó nâng cao độ tin cậy của kết quả ước tính Việc lặp lại này không chỉ giúp xác định chính xác số lỗi mà còn góp phần cải thiện tính chính xác của dữ liệu thu thập được.

Mỗi lần thực hiện mô phỏng, cần đếm số lượng ký hiệu được phát đi và số lượng lỗi ký hiệu theo sơ đồ khối trong hình 6-4 Các ký hiệu tại đầu ra bộ quyết định sẽ được so sánh với các ký hiệu phát đi nhằm phát hiện lỗi Khối delay được sử dụng để đồng bộ các ký hiệu tương ứng trước khi tiến hành so sánh.

Kết luận chương

Chương này giới thiệu khái niệm và phân loại các kỹ thuật điều chế số và mã hóa trong hệ thống thông tin số, bao gồm điều chế số nhị phân và điều chế số nhiều mức Các kỹ thuật như khóa dịch biên, khóa dịch tần và khóa dịch pha được trình bày chi tiết Ngoài ra, chương cũng phân tích đặc tính BER, phổ công suất và hiệu suất độ rộng băng của các tín hiệu điều chế khi áp dụng các loại mã hóa khác nhau.

ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT LỖI BIT CỦA HỆ THỐNG THÔNG