Bài giảng Lý thuyết thông tin - Nguyễn Bình
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
- - - - - - -
- - - - - - -
BÀI GIẢNG
LÝ THUYẾT THÔNG TIN
Biên soạn : PGS.Ts. NGUYỄN BÌNH
Lưu hành nội bộ
HÀ NỘI - 2006
LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình Lý thuyết thông tin là một giáo trình cơ sở dùng cho sinh viên chuyên ngành
Điện tử – Viễn thông và Công nghệ thông tin của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
Đây cũng là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các sinh viên chuyên ngành Điện - Điện tử.
Giáo trình này nhằm chuẩn bị tốt kiến thức cơ sở cho sinh viên để học tập và nắm vững các
môn kỹ thuật chuyên ngành, đảm bảo cho sinh viên có thể đánh giá các chỉ tiêu chất lượng cơ bản
của một hệ thống truyền tin một cách có căn cứ khoa học.
Giáo trình gồm 6 chương, ngoài chương I có tính chất giới thiệu chung, các chương còn lại
được chia thành 4 phần chính:
Phần I: Lý thuyết tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu (Chương 2)
Phần II: Lý thuyết thông tin và mã hóa (Chương 3 và Chương 4)
Phần III: Lý thuyết thu tối ưu (Chương 5)
Phần IV: Mật mã (Chương 6)
Phần I: (Chương II). Nhằm cung cấp các công cụ toán học cần thiết cho các chương sau.
Phần II: Gồm hai chương với các nội dungchủ yếu sau:
- Chương III: Cung cấp những khái niệm cơ bản của lý thuyết thông tin Shannon trong hệ
truyền tin rời rạc và mở rộng cho các hệ truyền tin liên tục.
- Chương IV: Trình bày hai hướng kiến thiết cho hai định lý mã hóa của Shannon. Vì
khuôn khổ có hạn của giáo trình, các hướng này (mã nguồn và mã kênh) chỉ được trình bày ở mức
độ các hiểu biết cơ bản. Để có thể tìm hiểu sâu hơn những kết quả mới và các ứng dụng cụ thể
sinh viên cần phải xem thêm trong các tài liệu tham khảo.
Phần III: (Chương V) Trình bày vấn đề xây dựng các hệ thống thu tối ưu đảm bảo tốc độ
truyền tin và độ chính xác đạt được các giá trị giới hạn. Theo truyền thống bao trùm lên toàn bộ
giáo trình là việc trình bày hai bài toán phân tích và tổng hợp. Các ví dụ trong giáo trình được
chọn lọc kỹ nhằm giúp cho sinh viên hiểu được các khái niệm một cách sâu sắc hơn. Các hình vẽ,
bảng biểu nhằm mô tả một cách trực quan nhất các khái niệm và hoạt động của sơ đồ khối chức
năng của các thiết bị cụ thể
Phần VI: (Chương VI) Trình bày cơ sở lý thuyết các hệ mật bao gồm các hệ mật khóa bí
mật và các hệ mật khóa công khai. Do khuôn khổ có hạn của giáo trình, một số vấn đề quan trọng
còn chưa được đề cập tới (như trao đổi và phân phối khóa, xác thực, đảm bảo tính toàn vẹn …)
Sau mỗi chương đều có các câu hỏi và bài tập nhằm giúp cho sinh viên củng cố được các kỹ
năng tính toán cần thiết và hiểu sâu sắc hơn các khái niệm và các thuật toán quan trọng.
Phần phụ lục cung cấp một số kiến thức bổ xung cần thiết đối với một số khái niệm quan
trọng về một số số liệu cần thiết giúp cho sinh viên làm được các bài tập được ra ở các chương.
Giáo trình được viết dựa trên cơ sở đề cương môn học Lỹ thuyết thông tin do Bộ Giáo dục
và Đào tạo và được đúc kết sau nhiều năm giảng dạy và nghiên cứu của tác giả. Rất mong được
sự đóng góp của bạn đọc.
Các đóng góp ý kiến xin gửi về
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 - HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KM 10. ĐƯỜNG NGUYỄN TRÃI - THỊ XÃ HÀ ĐÔNG
Email:
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn GS. Huỳnh Hữu Tuệ đã cho tôi nhiều ý kiến quý báu
trong các trao đổi học thuật có liên quan tới một số nội dung quan trọng trong giáo trình này.
NGƯỜI BIÊN SOẠN
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
CHƯƠNG I: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VÀ NHỮNG KHÁI
NIỆM CƠ BẢN
1.1. VỊ TRÍ, VAI TRÒ VÀ SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA “LÝ THUYẾT
THÔNG TIN”
1.1.1. Vị trí, vai trò của Lý thuyết thông tin
Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật tính toán và các hệ tự động, một ngành khoa học
mới ra đời và phát triển nhanh chóng, đó là: “Lý thuyết thông tin”. Là một ngành khoa học nhưng
nó không ngừng phát triển và thâm nhập vào nhiều ngành khoa học khác như: Toán; triết; hoá;
Xibecnetic; lý thuyết hệ thống; lý thuyết và kỹ thuật thông tin liên lạc… và đã đạt được nhiều kết
quả. Tuy vậy nó cũng còn nhiều vấn đề cần được giải quyết hoặc giải quyết hoàn chỉnh hơn.
Giáo trình “ Lý thuyết thông tin” này (còn được gọi là “Cơ sở lý thuyết truyền tin”) chỉ là
một bộ phận của lý thuyết thông tin chung – Nó là phần áp dụng của “Lý thuyết thông tin” vào kỹ
thuật thông tin liên lạc.
Trong các quan hệ của Lý thuyết thông tin chung với các ngành khoa học khác nhau, ta phải
đặc biệt kể đến mối quan hệ của nó với ngành Xibecnetic.
Mối quan hệ giữa các hoạt động khoa học của con người và các quảng tính của vật chất
được mô tả trên hình (1.1).
Quảng tính của vật chất
Thông tin
Năng lượng
Khối lượng
Điều khiển học
(Xibecnetic)
Năng lượng học
Công nghệ học
Các lĩnh vực hoạt động khoa học của
con người
Hình 1.1. Quan hệ giữa hoạt động khoa học và quảng tính của vật chất
- Năng lượng học: Là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu các vấn đề liên quan tới các
khái niệm thuộc về năng lượng. Mục đích của năng lượng học là làm giảm sự nặng nhọc của lao
động chân tay và nâng cao hiệu suất lao động chân tay. Nhiệm vụ trung tâm của nó là tạo, truyền,
thụ, biến đổi, tích luỹ và xử lý năng lượng.
3
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
- Xibecnetic: Bao gồm các ngành khoa học chuyên nghiên cứu các vấn đề có liên quan đến
khái niệm thông tin và tín hiệu. Mục đích của Xibecnetic là làm giảm sự nặng nhọc của trí óc và
nâng cao hiệu suất lao động trí óc. Ngoài những vấn đề được xét trong Xibecnetic như đối tượng,
mục đích, tối ưu hoá việc điều khiển, liên hệ ngược. Việc nghiên cứu các quá trình thông tin (như
chọn, truyền, xử lý, lưu trữ và hiển thị thông tin) cũng là một vấn đề trung tâm của Xibecnetic.
Chính vì vậy, lý thuyết và kỹ thuật thông tin chiếm vai trò rất quan trọng trong Xibecnetic.
- Công nghệ học: gồm các ngành khoa học tạo, biến đổi và xử lý các vật liệu mới. Công
nghệ học phục vụ đắc lực cho Xibecnetic và năng lượng học. Không có công nghệ học hiện đại
thì không thể có các ngành khoa học kỹ thuật hiện đại.
1.1.2. Sơ lược lịch sử phát triển
Người đặt viên gạch đầu tiên để xây dựng lý thuyết thông tin là Hartley R.V.L. Năm 1928,
ông đã đưa ra số đo lượng thông tin là một khái niệm trung tâm của lý thuyết thông tin. Dựa vào
khái niệm này, ta có thể so sánh định lượng các hệ truyền tin với nhau.
Năm 1933, V.A Kachenhicov chứng minh một loạt những luận điểm quan trọng của lý
thuyết thông tin trong bài báo “Về khả năng thông qua của không trung và dây dẫn trong hệ thống
liên lạc điện”.
Năm 1935, D.V Ageev đưa ra công trình “Lý thuyết tách tuyến tính”, trong đó ông phát
biểu những nguyên tắc cơ bản về lý thuyết tách các tín hiệu.
Năm 1946, V.A Kachenhicov thông báo công trình “Lý thuyết thế chống nhiễu’ đánh dấu
một bước phát triển rất quan trọng của lý thuyết thông tin.
Trong hai năm 1948 – 1949, Shanon C.E công bố một loạt các công trình vĩ đại, đưa sự
phát triển của lý thuyết thông tin lên một bước tiến mới chưa từng có. Trong các công trình này,
nhờ việc đưa vào khái niệm lượng thông tin và tính đến cấu trúc thống kê của tin, ông đã chứng
minh một loạt định lý về khả năng thông qua của kênh truyền tin khi có nhiễu và các định lý mã
hoá. Những công trình này là nền tảng vững chắc của lý thuyết thông tin.
Ngày nay, lý thuyết thông tin phát triển theo hai hướng chủ yếu sau:
Lý thuyết thông tin toán học: Xây dựng những luận điểm thuần tuý toán học và những cơ
sở toán học chặt chẽ của lý thuyết thông tin. Cống hiến chủ yếu trong lĩnh vực này thuộc về các
nhà bác học lỗi lạc như: N.Wiener, A. Feinstain, C.E Shanon, A.N. Kanmôgorov, A.JA Khintrin.
Lý thuyết thông tin ứng dụng: (lý thuyết truyền tin)
Chuyên nghiên cứu các bài toán thực tế quan trọng do kỹ thuật liên lạc đặt ra có liên quan
đến vấn đề chống nhiễu và nâng cao độ tin cậy của việc truyền tin. Các bác học C.E Shanon, S.O
RiCe, D. Midleton, W. Peterson, A.A Khakevich, V. Kachenhicov đã có những công trình quý
báu trong lĩnh vực này.
4
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
1.2. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN - SƠ ĐỒ HỆ TRUYỀN TIN VÀ NHIỆM VỤ CỦA NÓ
1.2.1. Các định nghĩa cơ bản
1.2.1.1. Thông tin
Định nghĩa: Thông tin là những tính chất xác định của vật chất mà con người (hoặc hệ
thống kỹ thuật) nhận được từ thế giới vật chất bên ngoài hoặc từ những quá trình xảy ra trong bản
thân nó.
Với định nghĩa này, mọi ngành khoa học là khám phá ra các cấu trúc thông qua việc thu
thập, chế biến, xử lý thông tin. ở đây “thông tin” là một danh từ chứ không phải là động từ để chỉ
một hành vi tác động giữa hai đối tượng (người, máy) liên lạc với nhau.
Theo quan điểm triết học, thông tin là một quảng tính của thế giới vật chất (tương tự như
năng lượng, khối lượng). Thông tin không được tạo ra mà chỉ được sử dụng bởi hệ thụ cảm.
Thông tin tồn tại một cách khách quan, không phụ thuộc vào hệ thụ cảm. Trong nghĩa khái quát
nhất, thông tin là sự đa dạng. Sự đa dạng ở đây có thể hiểu theo nhiều nghĩa khác nhau: Tính ngẫu
nhiên, trình độ tổ chức,…
1.2.1.2. Tin
Tin là dạng vật chất cụ thể để biểu diễn hoặc thể hiện thông tin. Có hai dạng: tin rời rạc và
tin liên tục.
Ví dụ: Tấm ảnh, bản nhạc, bảng số liệu, bài nói,… là các tin.
1.2.1.3. Tín hiệu
Tín hiệu là các đại lượng vật lý biến thiên, phản ánh tin cần truyền.
Chú ý: Không phải bản thân quá trình vật lý là tín hiệu, mà sự biến đổi các tham số riêng
của quá trình vật lý mới là tín hiệu.
Các đặc trưng vật lý có thể là dòng điện, điện áp, ánh sáng, âm thanh, trường điện từ
1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống truyền tin số (Hình 1.2)
5
Từ các nguồn khác
Đầu vào số
Nguồn
tin
Định khuôn
Mã
nguồn
Mã bảo
mật
Mã
kênh
Dồn
kênh
Trải
phổ
Đa truy
nhập
Máy
Phát
m1
S1(t)
Điều chế
dạng
(XMT)
K
Ê
N
H
Hệ thống đồng bộ
( Synchronization )
Dòng bit
Dạng sóng số
Đầu ra số
Nhận
tin
Giải mã
nguồn
MáY
THU
(RCV)
Chia
kênh
Giải điều
chế
Ép
phổ
Đa truy
nhập
Định khuôn
dạng
Giải mã
mật
Giải mã
kênh
m1
Tới các bộ nhận tin khác
Khối cơ bản
Khối tuỳ chọn
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống truyền tin số.
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
1.2.2.1. Nguồn tin
Nơi sản ra tin:
- Nếu tập tin là hữu hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn rời rạc.
- Nếu tập tin là vô hạn thì nguồn sinh ra nó được gọi là nguồn liên tục.
Nguồn tin có hai tính chất: Tính thống kê và tính hàm ý.
Với nguồn rời rạc, tính thống kê biểu hiện ở chỗ xác suất xuất hiện các tin là khác nhau.
Tính hàm ý biểu hiện ở chỗ xác suất xuất hiện của một tin nào đó sau một dãy tin khác nhau
nào đó là khác nhau.
Ví dụ: P(y/ta) ≠ P(y/ba)
1.2.2.2. Máy phát
Là thiết bị biến đổi tập tin thành tập tín hiệu tương ứng. Phép biến đổi này phải là đơn trị
hai chiều (thì bên thu mới có thể “sao lại” được đúng tin gửi đi). Trong trường hợp tổng quát, máy
phát gồm hai khối chính.
- Thiết bị mã hoá: Làm ứng mỗi tin với một tổ hợp các ký hiệu đã chọn nhằm tăng mật độ,
tăng khả năng chống nhiễu, tăng tốc độ truyền tin.
- Khối điều chế: Là thiết bị biến tập tin (đã hoặc không mã hoá) thành các tín hiệu để bức xạ
vào không gian dưới dạng sóng điện từ cao tần. Về nguyên tắc, bất kỳ một máy phát nào cũng có
khối này.
1.2.2.3. Đường truyền tin
Là môi trường vật lý, trong đó tín hiệu truyền đi từ máy phát sang máy thu. Trên đường
truyền có những tác động làm mất năng lượng, làm mất thông tin của tín hiệu.
1.2.2.4. Máy thu
Là thiết bị lập lại (sao lại) thông tin từ tín hiệu nhận được. Máy thu thực hiện phép biến đổi
ngược lại với phép biến đổi ở máy phát: Biến tập tín hiệu thu được thành tập tin tương ứng.
Máy thu gồm hai khối:
- Giải điều chế: Biến đổi tín hiệu nhận được thành tin đã mã hoá.
- Giải mã: Biến đổi các tin đã mã hoá thành các tin tương ứng ban đầu (các tin của nguồn
gửi đi).
1.2.2.5. Nhận tin
Có ba chức năng:
- Ghi giữ tin (ví dụ bộ nhớ của máy tính, băng ghi âm, ghi hình,…)
- Biểu thị tin: Làm cho các giác quan của con người hoặc các bộ cảm biến của máy thụ cảm
được để xử lý tin (ví dụ băng âm thanh, chữ số, hình ảnh,…)
7
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
- Xử lý tin: Biến đổi tin để đưa nó về dạng dễ sử dụng. Chức năng này có thể thực hiện
bằng con người hoặc bằng máy.
1.2.2.6. Kênh truyền tin
Là tập hợp các thiết bị kỹ thuật phục vụ cho việc truyền tin từ nguồn đến nơi nhận tin.
1.2.2.7. Nhiễu
Là mọi yếu tố ngẫu nhiên có ảnh hưởng xấu đến việc thu tin. Những yếu tố này tác động
xấu đến tin truyền đi từ bên phát đến bên thu. Để cho gọn, ta gộp các yếu tố tác động đó vào một
ô trên hình 1.2.
Hình 1.2 là sơ đồ khối tổng quát nhất của một hệ truyền tin số. Nó có thể là: hệ thống vô
tuyến điện thoại, vô tuyến điện báo, rađa, vô tuyến truyền hình, hệ thống thông tin truyền số liệu,
vô tuyến điều khiển từ xa.
1.2.2.8. Các phương pháp biến đổi thông tin số trong các khối chức năng của hệ thống
8
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
Điều chế
Định dạng/ Mã nguồn
Kết hợp
Không kết hợp
Mã hoá ký tự
Lấy mẫu
Lượng tử hoá
Điều chế mã xung
(PCM)
- PCM vi phân
- Điều chế Delta (DM)
- DM có tốc độ biến đổi
liên tục (CVSD)
- Mã hoá dự đoán tuyến
tính (LPC)
- PSK: Manip pha
- FSK: Manip tần số
- ASK: Manip biên độ
- Hỗn hợp
- PSK vi phân
- FSK
- ASK
- Hỗn hợp
- OQPSK: Manip pha
tương đối 4 mức
- MSK
- Các phương pháp nén:
Mã Huffman, mã số học,
thuật toán Ziv_Lempel
Trải phổ
Dồn kênh/ Đa truy cập
Mã kênh
- Phân chia tần số:
FDM/ FDMA
- Phân chia thời gian:
TDM/ TDMA
- Phân chia mã:
CDM/ CDMA
- Phân chia không gian:
SDMA
Dãy trực tiếp (DS)
Nhảy tần (FH)
Nhảy thời gian (TH)
Các phương pháp hỗn
hợp
Dạng sóng
Các dãy có cấu trúc
Tín hiệu M_trị
Tín hiệu trực giao
Tín hiệu song trực
giao
- Mã khối
- Mã liên tục
- Phân chia cực tính:
PDMA
- OFDM
- Hoán vị
- Thay thế
- Xử lý bit
Mã bảo mật
- Các phương pháp hỗn hợp
Mã hoá theo khối
Mật mã cổ điển
Mã hoá dòng số liệu
Mật mã khoá công khai
- Thuật toán RSA
- Thuật toán logarit rời rạc
- Thuật toán McElice
Đồng bộ
- Thuật toán Merkle-Hellman
- Thuật toán sử dụng đường
cong Elliptic
- Đồng bộ sóng mang
- Đồng bộ dấu
- Đồng bộ khung
- Đồng bộ mạng
9
Chương 1: Những vấn đề chung và những khái niệm cơ bản
1.2.3. Những chỉ tiêu chất lượng cơ bản của một hệ truyền tin
1.2.3.1. Tính hữu hiệu
Thể hiện trên các mặt sau:
- Tốc độ truyền tin cao.
- Truyền được đồng thời nhiều tin khác nhau.
- Chi phí cho một bit thông tin thấp.
1.2.3.2. Độ tin cậy
Đảm bảo độ chính xác của việc thu nhận tin cao, xác suất thu sai (BER) thấp.
Hai chỉ tiêu trên mâu thuẫn nhau. Giải quyết mâu thuẫn trên là nhiệm vụ của lý thuyết thông
tin.
1.2.3.3. An toàn
- Bí mật:
+ Không thể khai thác thông tin trái phép.
+ Chỉ có người nhận hợp lệ mới hiểu được thông tin.
- Xác thực: Gắn trách nhiệm của bên gửi – bên nhận với bản tin (chữ ký số).
- Toàn vẹn:
+ Thông tin không bị bóp méo (cắt xén, xuyên tạc, sửa đổi).
+ Thông tin được nhận phải nguyên vẹn cả về nội dung và hình thức.
- Khả dụng: Mọi tài nguyên và dịch vụ của hệ thống phải được cung cấp đầy đủ cho người
dùng hợp pháp.
1.2.3.4. Đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS)
Đây là một chỉ tiêu rất quan trọng đặc biệt là đối với các dịch vụ thời gian thực, nhậy cảm
với độ trễ (truyền tiếng nói, hình ảnh, ….)
10
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
CHƯƠNG II: TÍN HIỆU VÀ NHIỄU
2.1. TÍN HIỆU XÁC ĐỊNH VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA CHÚNG
Tín hiệu xác định thường được xem là một hàm xác định của biến thời gian t (s(t)). Hàm
này có thể được mô tả bằng một biểu thức giải tích hoặc được mô tả bằng đồ thị. Một trong các
•
đặc trưng vật lý quan trọng của tín hiệu là hàm mật độ phổ biên độ phức S(ω) . Với tín hiệu s(t)
khả tích tuyệt đối, ta có cặp biến đổi Fourier sau:
∞
•
S(ω) = s(t)e−jωt dt
(2.1)
(2.2)
∫
−∞
∞
•
1
s(t) =
S(ω)ejωt dω
∫
2π
−∞
Sau đây là một số đặc trưng vật lý quen thuộc của tín hiệu:
- Thời hạn của tín hiệu (T): Thời hạn của tín hiệu là khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu,
trong khoảng này giá trị của tín hiệu không đồng nhất bằng 0.
- Bề rộng phổ của tín hiệu (F): Đây là miền xác định bởi tần số khác không cao nhất của tín
hiệu.
- Năng lượng của tín hiệu (E): Năng lượng của tín hiệu có thể tính theo miền thời gian hay
miền tần số.
2
∞
∞
•
1
E = s2(t)dt =
S(ω) dω
[J]
(2.3)
∫
∫
2π −∞
−∞
(Định lý Parseval)
- Công suất của tín hiệu (P):
E
P =
[W]
T
2.2. TÍN HIỆU VÀ NHIỄU LÀ CÁC QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN
2.2.1. Bản chất ngẫu nhiên của tín hiệu và nhiễu
Như đã xét ở trên, chúng ta coi tín hiệu là biểu hiện vật lý của tin (trong thông tin vô tuyến:
dạng vật lý cuối cùng của tin là sóng điện từ). Quá trình vật lý mang tin diễn ra theo thời gian, do
đó về mặt toán học thì khi có thể được, cách biểu diễn trực tiếp nhất cho tín hiệu là viết biểu thức
của nó theo thời gian hay vẽ đồ thị thời gian của nó.
11
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
Trong lý thuyết cổ điển, dù tín hiệu tuần hoàn hoặc không tuần hoàn nhưng ta đều coi là đã
biết trước và biểu diễn nó bằng một hàm tiền định của thời gian. Đó là quan niệm xác định về tín
hiệu (tín hiệu tiền định). Tuy vậy, quan niệm này không phù hợp với thực tế. Thật vậy, tín hiệu
tiền định không thể dùng vào việc truyền tin tức được. Với cách coi tín hiệu là biểu hiện vật lý của
tin, nếu chúng ta hoàn toàn biết trước nó thì về mặt thông tin, việc nhận tín hiệu đó không có ý
nghĩa gì. Nhưng nếu ta hoàn toàn không biết gì về tín hiệu truyền đi, thì ta không thể thực hiện
nhận tin được. Bởi vì khi đó không có cái gì làm căn cứ để phân biệt tín hiệu với những cái không
phải nó, đặc biệt là với các nhiễu. Như vậy, quan niệm hợp lý nhất là phải kể đến các đặc tính
thống kê của tín hiệu, tức là phải coi tín hiệu là một quá trình ngẫu nhiên. Chúng ta sẽ gọi các tín
hiệu xét theo quan điểm thống kê này là các tín hiệu ngẫu nhiên.
2.2.2. Định nghĩa và phân loại nhiễu
Trong quá trình truyền tin, tín hiệu luôn luôn bị nhiều yếu tố ngẫu nhiên tác động vào, làm
mất mát một phần hoặc thậm chí có thể mất toàn bộ thông tin chứa trong nó. Những yếu tố ngẫu
nhiên đó rất đa dạng, chúng có thể là những thay đổi ngẫu nhiên của các hằng số vật lý của môi
trường truyền qua hoặc những loại trường điện từ cảm ứng trong công nghiệp, y học…vv…
Trong vô tuyến điện, người ta gọi tất cả những yếu tố ngẫu nhiên ấy là các can nhiễu (hay nhiễu).
Tóm lại, ta có thể coi nhiễu là tất cả những tín hiệu vô ích (tất nhiên là đối với hệ truyền tin ta xét)
có ảnh hưởng xấu đến việc thu tin. Nguồn nhiễu có thể ở ngoài hoặc trong hệ. Nếu nhiễu xác định
thì việc chống nó không có khó khăn gì về mặt nguyên tắc. Ví dụ như người ta đã có những biện
pháp để chống ồn do dòng xoay chiều gây ra trong các máy khuếch đại âm tần, người ta cũng biết
rõ những cách chống sự nhiễu lẫn nhau giữa các điện đài vô tuyến điện cùng làm việc mà chúng
có phổ tín hiệu trùm nhau…vv… Các loại nhiễu này không đáng ngại.
Chú ý:
Cần phân biệt nhiễu với sự méo gây ra bởi đặc tính tần số và đặc tính thời gian của các thiết
bị, kênh truyền… (méo tuyến tính và méo phi tuyến). Về mặt nguyên tắc, ta có thể khắc phục
được chúng bằng cách hiệu chỉnh.
Nhiễu đáng lo ngại nhất vẫn là các nhiễu ngẫu nhiên. Cho đến nay, việc chống các nhiễu
ngẫu nhiên vẫn gặp những khó khăn lớn cả về mặt lý luận lẫn về mặt thực hiện kỹ thuật. Do đó,
trong giáo trình này ta chỉ đề cập đến một dạng nào đó (sau này sẽ thấy ở đây thường xét nhất là
nhiễu cộng, chuẩn) của nhiễu ngẫu nhiên.
Việc chia thành các loại (dạng) nhiễu khác nhau có thể làm theo các dấu hiệu sau:
1. Theo bề rộng phổ của nhiễu: có nhiễu giải rộng (phổ rộng như phổ của ánh sáng trắng gọi
là tạp âm trắng), nhiễu giải hẹp (gọi là tạp âm màu).
2. Theo quy luật biến thiên thời gian của nhiễu: có nhiễu rời rạc và nhiễu liên tục.
3. Theo phương thức mà nhiễu tác động lên tín hiệu: có nhiễu cộng và nhiễu nhân.
4. Theo cách bức xạ của nhiễu: có nhiễu thụ động và nhiễu tích cực.
Nhiễu thụ động là các tia phản xạ từ các mục tiêu giả hoặc từ địa vật trở về đài ta xét khi
các tia sóng của nó đập vào chúng. Nhiễu tích cực (chủ động) do một nguồn bức xạ năng lượng
(các đài hoặc các hệ thống lân cận) hoặc máy phát nhiễu của đối phương chĩa vào đài hoặc hệ
thống đang xét.
12
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
5. Theo nguồn gốc phát sinh: có nhiễu công nghiệp, nhiễu khí quyển, nhiễu vũ trụ…vv…
Trong giáo trình này khi nói về nhiễu, ta chỉ nói theo phương thức tác động của nhiễu lên
tín hiệu, tức là chỉ nói đến nhiễu nhân hoặc nhiễu cộng.
Về mặt toán học, tác động của nhiễu cộng lên tín hiệu được biểu diễn bởi hệ thức sau:
u(t) = s(t) + n(t)
s(t) là tín hiệu gửi đi
u(t) là tín hiệu thu được
n(t) là nhiễu cộng
(2.4)
Còn nhiễu nhân được biểu diễn bởi:
u(t) = μ(t).s(t)
(2.5)
μ(t): nhiễu nhân, là một quá trình ngẫu nhiên. Hiện tượng gây nên bởi nhiễu nhân gọi là
suy lạc (fading).
Tổng quát, khi tín hiệu chịu tác động đồng thời của cả nhiễu cộng và nhiễu nhân thì:
(2.6)
u(t) = μ(t).s(t) + n(t)
Ở đây, ta đã coi hệ số truyền của kênh bằng đơn vị và bỏ qua thời gian giữ chậm tín hiệu
của kênh truyền. Nếu kể đến thời gian giữ chậm τ của kênh truyền thì (2.6) có dạng:
u(t) = μ(t).s(t −τ) + n(t)
(2.7)
2.3. CÁC ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA TÍN HIỆU NGẪU NHIÊN VÀ NHIỄU
2.3.1. Các đặc trưng thống kê
Theo quan điểm thống kê, tín hiệu và nhiễu được coi là các quá trình ngẫu nhiên. Đặc trưng
cho các quá trình ngẫu nhiên chính là các quy luật thống kê (các hàm phân bố và mật độ phân bố)
và các đặc trưng thống kê (kỳ vọng, phương sai, hàm tự tương quan, hàm tương quan). Các quy
luật thống kê và các đặc trưng thống kê đã được nghiên cứu trong lý thuyết hàm ngẫu nhiên, vì
vậy ở đây ta sẽ không nhắc lại.
Trong lớp các quá trình ngẫu nhiên, đặc biệt quan trọng là các quá trình ngẫu nhiên sau:
- Quá trình ngẫu nhiên dừng (theo nghĩa hẹp và theo nghĩa rộng) và quá trình ngẫu nhiên
chuẩn dừng.
- Quá trình ngẫu nhiên ergodic
Ta minh hoạ chúng theo lược đồ sau:
13
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
QTNN
dừng
rộng
QTNN
dừng
hẹp
QTNN
chuẩn
QTNN chuẩn dừng
QTNN
QTNN ergodic
Hình 2.1
Trong những đặc trưng thống kê của các quá trình ngẫu nhiên, hàm tự tương quan và hàm
tương quan là những đặc trưng quan trọng nhất. Theo định nghĩa, hàm tự tương quan sẽ bằng:
Δ
⎡
⎤ ⎡
⎤
2
R (t ,t ) = M X(t ) − m (t ) . X(t ) − m (t )
{
x
1 2
1
x
1
2
x
⎣
⎦ ⎣
⎦
(2.8)
∞ ∞
=
x(t ) − m (t ) . x(t ) − m (t ) .W (x ,x ,t ,t )dx dx
] [
[
]
1
x
1
2
x
2
2
1
2 1 2
1
2
∫ ∫
−∞ −∞
Rx (t1,t2)đặc trưng cho sự phụ thuộc thống kê giữa hai giá trị ở hai thời điểm thuộc cùng
một thể hiện của quá trình ngẫu nhiên.
W x ,x ,t ,t là hàm mật độ phân bố xác suất hai chiều của hai giá trị của quá trình
(
2
1
2 1 2
ngẫu nhiên ở hai thời điểm t1 và t2 .
Khi t1 = t 2 thì (2.8) trở thành:
2
R (t ,t ) = M X(t) − m (t) = Dx (t)
(2.9)
[
{
]
x
1 2
x
Như vậy, phương sai là trường hợp riêng của hàm tự tương quan khi hai thời điểm xét trùng
nhau.
Đôi khi để tiện tính toán và so sánh, người ta dùng hàm tự tương quan chuẩn hoá được định
nghĩa bởi công thức:
Δ
Rx (t1,t2)
Rx (t1,t2)
τx (t1,t2) =
=
Rx (t1,t1).Rx (t2 ,t2)
Dx (t1).Dx (t2)
(2.10)
Rx (t1,t2)
=
τx (t1).τx (t2)
Dễ dàng thấy rằng: τx (t1,t2) ≤ 1 .
14
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
2.3.2. Khoảng tương quan
Khoảng tương quan cũng là một đặc trưng khá quan trọng. Ta thấy rằng hai giá trị của một
quá trình ngẫu nhiên ξ(t) chỉ tương quan với nhau khi khoảng cách τ giữa hai thời điểm xét là
hữu hạn. Khi τ → ∞ , thì coi như hai giá trị ấy không tương quan với nhau nữa. Tuy vậy, trong
thực tế, đối với hầu hết các quá trình ngẫu nhiên chỉ cần τ đủ lớn thì sự tương quan giữa hai giá
trị của quá trình đã mất. Do đó, đối với tính toán thực tế người ta định nghĩa khoảng (thời gian)
tương quan như sau:
Định nghĩa 1:
1
τξ (τ)
Khoảng tương quan τK là khoảng
thời gian trong đó τξ(τ) không nhỏ hơn
0,05. (hình vẽ 2.2). Như vậy, ∀τ > τK thì
xem như hết tương quan.
Nếu cho biểu thức giải tích của τξ(τ)
0,05
thì τK được tính như sau:
∞
1
τK =
τξ(τ) dτ
(2.11)
0
τk
τ
t
∫
2 −∞
Hình 2.2
Ý nghĩa hình học:
τK là nửa cạnh đáy của hình chữ nhật có chiều cao bằng đơn vị K, có diện tích bằng diện
tích của miền giới hạn bởi trục hoành và đường biểu diễn τξ(τ).
Trong thực tế, ta thường gặp những quá trình ngẫu nhiên ergodic. Ví dụ: tạp âm của các
máy thu vô tuyến điện,… Đối với các quá trình ngẫu nhiên ergodic, ta có thể xác định các đặc
trưng thống kê của chúng bằng thực nghiệm một cách dễ dàng.
Ta đã biết rằng, nếu X(t) – ergodic và với T đủ lớn thì ta có thể viết:
R (τ) = M X(t)−m . X(t −τ)−m
[
{
x
]
x
x
1 T
(2.12)
≈
x(t)−m . x(t+τ)−m dt
x ] [
[
]
x
∫
T 0
Trung bình thống kê = trung bình theo thời gian
15
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
2.4. CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA TÍN HIỆU NGẪU NHIÊN VÀ NHIỄU. BIẾN
ĐỔI WIENER – KHINCHIN
2.4.1. Những khái niệm xây dựng lý thuyết phổ của quá trình ngẫu nhiên - mật độ phổ
công suất
Mục trước ta mới chỉ đưa ra một số đặc trưng thống kê của các quá trình ngẫu nhiên (tín
hiệu, nhiễu) mà chưa đưa ra các đặc trưng vật lý của chúng. Về mặt lý thuyết cũng như thực tế,
các đặc trưng vật lý của tín hiệu ngẫu nhiên (quá trình ngẫu nhiên) đóng một vai trò rất quan trọng
ở những chương sau khi nói đến cơ sở lý thuyết chống nhiễu cũng như xét các biện pháp thực tế
và các thiết bị chống nhiễu ta không thể không dùng đến những đặc trưng vật lý của tín hiệu ngẫu
nhiên và nhiễu. Khi xét các loại tín hiệu xác định trong giáo trình “Lý thuyết mạch”, chúng ta đã
làm quen với các đặc trưng vật lý của chúng như: năng lượng, công suất, thời hạn của tín hiệu,
phổ biên độ phức, mật độ phổ, bề rộng phổ, … Cơ sở để hình thành các đặc trưng vật lý này là
chuỗi và tích phân Fourier.
Đối với các tín hiệu ngẫu nhiên và nhiễu, ta không thể dùng trực tiếp các biến đổi Fourier
để xây dựng các đặc trưng vật lý của chúng được vì những lý do sau:
- Tập các thể hiện x (t) , i=1,2,...,∞ của quá trình ngẫu nhiên X(t) cho trên khoảng T
i
thường là một tập vô hạn (thậm chí nó cũng không phải là một tập đếm được).
- Nếu tín hiệu ngẫu nhiên là dừng chặt thì tập vô hạn các thể hiện theo thời gian của nó
thường sẽ không khả tích tuyệt đối. Tức là:
T 2
lim
x(t) dt = ∞
∫
T→∞
−T 2
Để tránh khỏi những khó khăn trên, ta làm như sau:
Lấy hàm xT (t) trùng với một thể hiện của quá trình ngẫu nhiên trung tâm X(t) (QTNN trung
T T
⎡
⎣
⎤
tâm là QTNN có kỳ vọng không) ở trong đoạn − ,
và nó bằng không ở ngoài đoạn đó:
⎢
⎥
⎦
2 2
⎧x(t)
t ≤ T 2
t > T 2
⎪
x (t) =
(2.13)
⎨
T
0
⎪
⎩
Từ (2.13), ta thấy xT (t) thoả mãn điều kiện khả tích tuyệt đối nên có thể dùng biến đổi
ꢀ
Fourier cho nó được. Ta đã biết rằng phổ biên độ phức S ω của x (t) được xác định bởi
tích phân thuận Fourier sau:
T
T
T 2
ꢀ
S ω =
T ( )
x t e− jωtdt
(2.14)
T ( )
∫
−T 2
Theo định lý Parseval, ta có biểu thức tính năng lượng của xT (t) như sau:
16
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
2
∞
∞
•
1
2
ET = xT (t)dt =
ST (ω) dω
(2.15)
∫
∫
2π −∞
−∞
Công suất của thể hiện xT (t) sẽ bằng:
2
•
ST(ω)
2
∞
•
∞
ET
T
1
1
PT =
=
ST(ω) dω =
dω
(2.16)
∫
∫
2πT −∞
2π
T
−∞
Ta thấy vế trái của (2.16) là công suất của thể hiện xT (t) trong khoảng thời gian tồn tại hữu
2
⎧
⎫
•
⎪
⎪
hạn T, còn vế phải là một tổng liên tục của các đại lượng ST(ω)
T dω. Rõ ràng là để đảm
⎬
⎨
⎪
⎪
⎩
⎭
2
•
ST (ω)
bảo sự bình đẳng về thứ nguyên giữa hai vế của (2.16) thì lượng
dω phải biểu thị công
T
2
•
ST (ω)
suất trong giải tần vô cùng bé dω. Như vậy,
sẽ biểu thị công suất của thể hiện xT (t)
T
trong một đơn vị tần số [W/Hz] tức là mật độ phổ công suất của thể hiện xT (t). Đến đây ta đặt:
2
•
ST (ω)
= GT (ω)
(2.17)
T
và gọi GT (ω) là mật độ phổ công suất của thể hiện xT (t) trong khoảng T hữu hạn.
GT(ω) đặc trưng cho sự phân bố công suất của một thể hiện xT (t) trên thang tần số. Khi cho
T → ∞ ta sẽ tìm được mật độ phổ công suất của một thể hiện duy nhất xT (t) của quá trình
ngẫu nhiên:
2
•
ST (ω)
Gx (ω) = lim GT (ω) = lim
(2.18)
T→∞
T→∞
T
Gx (ω) cũng có ý nghĩa tương tự như GT(ω).
Từ (2.18) ta thấy rằng để xác định mật độ phổ công suất của cả quá trình ngẫu nhiên (tức là
tập các thể hiện ngẫu nhiên) thì phải lấy trung bình thống kê đại lượng Gx (ω) , tức là:
17
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
2
•
ST (ω)
G(ω) = M G (ω) = M lim
(2.19)
{
}
x
T→∞
T
(2.19) là công thức xác định mật độ phổ công suất của các quá trình ngẫu nhiên.
2.4.2. Cặp biến đổi Wiener – Khinchin
Để thấy được mối quan hệ giữa các đặc trưng thống kê (nói riêng là hàm tự tương quan) và các
đặc trưng vật lý (nói riêng là mật độ phổ công suất) ta viết lại và thực hiện biến đổi (2.19) như sau:
2
2
•
•
ST(ω)
M ST(ω)
G(ω) = M lim
= lim
=
T→∞
T→∞
T
T
*
⎧
⎫
•
•
1
⎪
⎪
= lim M ST (ω)ST (ω) do (2.14)
⎨
⎬
T→∞
T
⎪
⎩
⎪
⎭
T 2
T 2
⎧
⎫
1
⎪
⎨
⎪
1
2
= lim M
xT(t1)e−jωt dt1.
xT (t2)e−jωt dt =
⎬
2
∫
∫
T→∞
T
⎪
⎪
⎭
−T 2
−T 2
⎩
T / 2 T / 2
1
1
2
= lim
M x (t ).x (t ) e−jω(t −t )dt1dt2
T 1 T 2
{
}
∫ ∫
T→∞
T −T / 2 −T / 2
Nhưng theo định nghĩa (2.8), ta thấy ngay M x (t ).x (t ) là hàm tự tương quan của
T
1
T
2
quá trình ngẫu nhiên trung tâm (có mx = 0) nên ta có thể viết:
M x (t ).x (t ) = R (t ,t )
{
T
1
T
2
T
1 2
Nếu τ = −t2 + t1 thì đối với những quá trình dừng, ta có:
M x (t ).x (t ) = R (τ)
{
T
1
T
2
T
Ta có thể viết lại biểu thức cho G ω :
T
+ t2
⎧
⎫
⎪
⎬
T / 2
2
1
⎪
⎨
G(ω) = lim
RT (τ)e−jωτdτ
dt2
∫
∫
T→∞
T
⎪
⎪
T
−T / 2
−
−t2
⎩
2
⎭
T
+ t2
T / 2
2
1
= lim
RT (τ)e−jωτdτ. lim
dt2
∫
∫
T→∞
T→∞
T −T / 2
T
−
−t2
2
18
Chương 2: Tín hiệu và nhiễu
∞
G(ω) = R(τ)e−jωτdτ
(2.20)
∫
−∞
Tất nhiên ở đây phải giả sử tích phân ở vế phải của (2.20) tồn tại. Điều này luôn luôn đúng
nếu hàm tự tương quan R(τ) khả tích tuyệt đối, tức là:
∞
R(τ)dτ < ∞
∫
−∞
(2.20) là mật độ phổ công suất của quá trình ngẫu nhiên dừng. Nó biểu diễn một cách trung
bình (thống kê) sự phân bố công suất của quá trình ngẫu nhiên theo tần số của các thành phần dao
động điều hoà nguyên tố (tức là những thành phần dao động điều hoà vô cùng bé).
Như vậy, từ (2.20) ta có thể kết luận rằng phổ công suất G(ω) của quá trình ngẫu nhiên
dừng là biến đổi thuận Fourier của hàm tự tương quan R(τ) . Hiển nhiên rằng khi đã tồn tại biến
đổi thuận Fourier thì cũng tồn tại biến đổi ngược Fourier sau:
∞
1
R(τ) =
G(ω)ejωτdω
(2.21)
∫
2π −∞
Cặp công thức (2.20) và (2.21) gọi là cặp biến đổi Wiener – Khinchin, đó là sự mở rộng cặp
biến đổi Fourier sang các tín hiệu ngẫu nhiên dừng (ít nhất là theo nghĩa rộng).
Rõ ràng từ định nghĩa (2.17) của mật độ phổ công suất, ta thấy hàm G(ω) là hàm chẵn
của đối số ω. Do đó sau khi dùng công thức Euler (e± jωτ = cosωτ ± jsinωτ ) để biến đổi
(2.20) và (2.21), ta được:
∞
G(ω) = 2 R(τ)cosωτdτ
∫
0
(2.22)
1 ∞
R(τ) =
G(ω)cosωτdω
∫
π 0
Chú ý 1: Từ mật độ phổ công suất của tín hiệu ngẫu nhiên, không thể sao lại bất cứ một thể
hiện nào (là hàm của thời gian t) của nó, vì G(ω) không chứa những thông tin (những hiểu biết)
về pha của các thành phần phổ riêng lẻ. Đối với tín hiệu xác định thì từ mật độ phổ hoàn toàn có
thể sao lại chính tín hiệu đó nhờ tích phân ngược Fourier. Đó là chỗ khác nhau về bản chất giữa
biến đổi Fourier và biến đổi Wiener – Khinchin.
Chú ý 2: Nếu phải xét đồng thời hai quá trình ngẫu nhiên thì người ta cũng đưa ra khái
niệm mật độ phổ chéo. Mật độ phổ chéo và hàm tương quan chéo của hai quá trình ngẫu nhiên có
liên hệ dừng cũng thoả mãn cặp biến đổi Wiener – Khinchi.
2.4.3. Bề rộng phổ công suất
19
Tải về để xem bản đầy đủ
227 trang
29820
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Lý thuyết thông tin - Nguyễn Bình", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_ly_thuyet_thong_tin_nguyen_binh.pdf
