Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1
MỞ ĐẦU

Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn số hiện đại yêu cầu truyền được nhiều luồng
tín hiệu số trên một tuyến truyền dẫn, tốc độ cao, dung lượng lớn, do vậy thường dẫn
tới sự chia sẻ băng tần sử dụng. Truyền dẫn số trên kênh có băng tần hạn chế đặt ra hai
vấn đề, thứ nhất là nâng cao hiệu quả sử dụng phổ để tiết kiệm băng thông, có thể giải
quyết được vấn đề này bằng điều chế bậc cao đa mức với nhiều bit tin trên một
symbol, thứ hai là các tác động xấu trên kênh truyền như can nhiễu, suy hao, pha-đinh,
méo tín hiệu, hiệu ứng Doppler ảnh hưởng lớn đến thông tin thu được gây ra sai lệch
so với thông tin gốc được phát đi. Để đảm bảo chất lượng truyền tin khắc phục các ảnh
hưởng xấu trên kênh có rất nhiều biện pháp như sử dụng bộ lọc san bằng, tăng công
suất, thực hiện phân tập, OFDM. Tuy nhiên, đối với kênh pha-đinh Rician thì việc tăng
công suất bao nhiêu đi chăng nữa thì chất lượng của tín hiệu trên kênh truyền vẫn
không được cải thiện. Do đó, việc sử dụng mã hoá kênh chống nhiễu càng đặc biệt
quan trọng đối với việc khắc phục tác động của pha-đinh đa đường xuất hiện ngày
càng nhiều trong các hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn.
Tuy nhiên khi sử dụng mã kênh sửa lỗi thì việc mở rộng phổ chiếm của tín hiệu
không thể tránh khỏi, để tiết kiệm băng thông phải nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần
số bằng điều chế đa mức nhưng phải trả giá là tăng công suất tín hiệu. Do đó, việc kết
hợp giữa mã hoá chống nhiễu và điều chế đa mức là rất cần thiết trong các hệ thống
thông tin số hiện nay. Và mã BICM-ID là một trong các mã kênh sửa lỗi kết hợp được
những ưu điểm đó.
Trên kênh Gauss trắng cộng tính AWGN, kỹ thuật điều chế mã lưới TCM
(Trellis Code Modulation) tỏ ra rất hiệu quả để ánh xạ các bit được mã hoá vào tập tín
hiệu, sao cho khoảng cách Euclid tối thiểu giữa các từ mã là đủ lớn. Tuy nhiên, trên
kênh pha-đinh Rician thì hoạt động của TCM lại bị hạn chế. Để cải thiện hoạt động
của TCM trên kênh pha-đinh, Zehavi đã đề xuất một sơ đồ khối gọi là điều chế mã có
xáo trộn bit BICM (Bit Interleaved Coded Modulation). BICM do được trộn bit một

cách ngẫu nhiên trước khi ánh xạ vào tập tín hiệu nên đạt được khoảng cách Hamming
lớn hơn, có bậc phân tập cao hơn, một điều kiện tiên quyết khi truyền tin trên kênh
pha-đinh Rician. Nhưng do xáo trộn ở mức bit chứ không phải là ở mức tín hiệu, các
sơ đồ BICM lại hoạt động kém trên kênh Gauss. Lý do là quy luật ánh xạ lên tập tín
Đồ án tốt nghiệp

1


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

hiệu của BICM không thể tối ưu hoá theo tiêu chuẩn cực đại khoảng cách Euclid tối
thiểu giữa các chuỗi tín hiệu. Từ đó dẫn tới sự ra đời của sơ đồ kết hợp BICM với giải
mã lặp ID (Iterative Decoding) được ký hiệu là BICM-ID. Mã BICM-ID không chỉ kết
hợp được ưu điểm của điều chế đa mức mà còn sử dụng hiệu quả giải mã lặp có xáo
trộn bit. Chính vì vậy, mã BICM-ID không những cải thiện tốt chất lượng của hệ
thống trên kênh pha-đinh mà còn cho chất lượng tốt trên kênh Gauss.
Nội dung của đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan Hệ thống thông tin số và mã.
Chương 2: Tìm hiểu về mã kênh sửa lỗi và một số mã kênh.
Chương 3: Tìm hiểu nguyên lý, cấu trúc Điều chế mã có xáo trộn bit và giải lặp
BICM-ID.
Chương 4: Xây dựng mô hình và khảo sát đặc tuyến lỗi bít của Hệ thống thông
tin sử dụng mã BICM-ID, so sánh với việc sử dụng mã xoắn truyền thống.
Để thực hiện và hoàn thành đồ án, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới
Thầy giáo TS. Đỗ Công Hùng, người đã luôn theo sát, định hướng và tạo điều kiện về
mọi mặt cho em trong suốt quá trình làm đồ án. Em cũng xin chân thành cảm ơn các
thầy cô giáo trong Khoa CNKT Điện Tử -Viễn Thông vì những kiến thức và ý kiến

góp ý quý báu.

Đồ án tốt nghiệp

2


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1
Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ VÀ MÃ HOÁ
Chương 1 trình bày một số kiến thức cần thiết về lý thuyết thông tin, mã hoá
trong hệ thống thông tin băng rộng. Những kiến thức này là cơ sở để có thể tìm hiểu
sâu hơn về mã kênh.
Nội dung của chương bao gồm:
-

Hiểu biết về lý thuyết thông tin, hệ thống thông tín số.

-

Các loại mã hoá trong hệ thống thông tin số.

-

Ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu.

1.1. Giới thiệu

1.1.2. Tổng quan Hệ thống thông tin
Hệ thống thông tin là hệ thống các kỹ thuật và thiết bị dùng để truyền tin tức từ
nguồn tin (nơi sinh ra tin tức) đến bộ nhận tin (đích).
Máy
phát

Môi trường

Máy
thu

Hình 1.1: Mô hình tổng quan hệ thống thông tin
Máy phát thực hiện phát tín hiệu (gồm dữ liệu và báo hiệu) ra môi trường
truyền. Nguồn tin bao gồm thông tin cần truyền đi, các tín hiệu tin tức như là âm
thanh, hình ảnh, dữ liệu…Máy phát là khối bao gồm các chức năng biến đổi tín hiệu
điện thành dạng sóng vô tuyến hoặc quang học cho việc truyền đi xa, có khả năng
chống nhiễu cao và không làm méo tín hiệu thông qua việc điều chế tín hiệu.
Môi trường truyền có thể hữu tuyến hoặc môi trường vô tuyến. Môi trường hữu
tuyến như cáp kim loại (cáp đồng trục, cáp xoắn đôi, cáp UTP, cáp quang...). Môi
trường vô tuyến thông qua sóng vô tuyến truyền trong không khí.
Máy thu: Bộ phận cơ bản của máy thu là anten, bộ khuếch đại và giải điều chế,
tín hiệu thu được sau đó qua bộ biến đổi tín hiệu đưa về dạng tín hiệu ban đầu (DAC).

Đồ án tốt nghiệp

3


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông


Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Hệ thống thông tin được chia thành hệ thống thông tin tương tự và hệ thống
thông tin số ứng với tín hiệu tương tự hay tín hiệu số.
Tín hiệu tương tự là đại lượng vật lý được sử dụng làm tín hiệu có quy luật biến
thiên. Tín hiệu tương tự có thể là liên tục (tín hiệu thoại ở lối ra Micro) hoặc tín hiệu
rời rạc (Tín hiệu điều mã xung PCM).
Tín hiệu số biểu diễn các con số tương ứng với bản tin và có các đặc trưng: Chỉ
nhận một số hữu hạn các giá trị (M=2: Hệ thống thông tin số nhị phân, M>2: Hệ
thống thông tin số đa mức). Tín hiệu số có thời gian tồn tại xác định: Ts (Time interval
symbol).
Ưu điểm của Hệ thống thông tin số:
-

Tiết kiệm năng lượng.

-

Có khả năng tái sinh tín hiệu nếu vượt qua ngưỡng .

-

Có khả năng loại trừ tạp âm tích lũy sau từng cự ly nhất định. (Tín hiệu

số khỏe hơn tín hiệu tương tự).
-

Có khả năng điều khiển, xử lý, khai thác, quản trị và bảo trì (OA&M).

-


Cô đọng tín hiệu, triệt để tín hiệu.

-

Nhược điểm: Phổ rộng hơn tín hiệu hệ thống thông tin tương tự.

1.1.3. Mô hình, vai trò chức năng các khối trong hệ thống thông tin số

Đồ án tốt nghiệp

4


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Tín hiệu băng gốc (tín hiệu số)
Tạo
dạng

Mã
nguồn

Mã
mật

Mã
kênh


Nguồn
tin

Tín hiệu băng thông (tín hiệu dạng sóng)

Ghép
kênh

Điều
chế

Trải
phổ

Phát

Nguồn
khác
Đồng
bộ

Đích
nhận

Tạo
dạng

Đa
truy nhập


Nhiễu

Đích
khác

Giải
Mã nguồn

Giải

Giải

Mã mật

Mã kênh

Phân
kênh

Giải

Giải

Giải đa

Điều chế

trải phổ


truy nhập

K
Ê
N
H

Thu

Hình 1.2: Mô hình hệ thống thông tin số
- Hệ thống thông tin số: Tập hợp các thiết bị và giải pháp kỹ thuật được thực
hiện để truyền dẫn tín hiệu từ khối tạo dạng tín hiệu từ đầu phát tới khối tái tạo tín hiệu
tại đầu thu. Trong hệ thống thông tin số các yếu tố dung lượng kênh, độ chính xác và
tốc độ truyền tin mâu thuẫn nhau. Chính sự mâu thuẫn này mà hệ thống thông tin số
ngày càng được nghiên cứu sâu và cải thiện đặc tính để hoàn thiện hơn, đảm bảo đưa
các kỹ thuật mới nhằm vẫn có thể truyền đi với tốc độ lớn mà độ chính xác vẫn đảm
bảo. Tham số đánh giá độ chính xác truyền tin BER (tỷ lệ tín trên tạp), SER (tỷ lệ
symbol trên tạp). Đối với các hệ thống được chấp nhận thì yêu cầu tỉ lệ lỗi bit tối thiểu
BER<10-4.
Các khối trong hệ thống thông tin số bao gồm:
- Khối nguồn tin là nơi tạo ra các bản tin chứa đựng những thông tin cần phát
đi, các bản tin này có thể là các từ, các ký hiệu mã, âm thanh, hình ảnh, dữ liệu...
- Khối tạo dạng thực hiện tạo dạng tín hiệu, biến đổi tin tức cần truyền. Đây là
quá trình xử lý tín hiệu tương tự sang tín hiệu số bao gồm các quá trình lọc tín hiệu,
lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hoá nén ban đầu, hầu hết các tín hiệu đưa vào hệ thống
thông tin số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh ...) đều ở dạng tương tự, khối định dạng
làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu dạng analog sang dạng số, việc này thường được
Đồ án tốt nghiệp

5



Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

thực hiện bởi bộ điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation). Khối giải định
dạng thực hiện công việc ngược lại chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự (DAC) trả
về dạng tín hiệu ban đầu.
- Mã hóa nguồn-giải mã nguồn là quá trình nhằm nén và giải nén tin, giảm tốc
độ bít, giảm phổ chiếm của tín hiệu (∆f= ). Mục đích của mã hóa nguồn là biến đổi
một tập đại lượng nguồn này thành một tập đại lượng nguồn khác để tiện lợi cho việc
lưu trữ và bảo mật. Nó làm giảm số bit của nguồn thông tin (nén tín hiệu) bằng cách
loại bỏ một số bit không quan trọng, giúp sử dụng băng thông đường truyền hiệu quả
hơn.
- Mã hóa mật-giải mã mật: Mã hóa-giải mã chuỗi bít theo 1 khóa nhằm bảo mật
tin tức. Mã mật là hình thức mã hóa bằng một thuật toán cho phép làm mờ đi nội dung
nguồn tin để khi truyền tin, đối tượng nhận nếu không có thuật toán giải mã sẽ không
đọc được nội dung. Mã hoá mật nhằm tránh xâm nhập trái phép, đảm bảo độ an toàn
cho thông tin.
- Mã hóa kênh-giải mã kênh: Thực hiện sửa lỗi hướng đi FEC, hạn chế các tác
động xấu khác của kênh truyền. Đây là phương thức biến đổi tín hiệu sao cho có dạng
phù hợp với đặc tính kênh truyền, do đó có khả năng chống nhiễu cho tín hiệu. Ngoài
ra mã hoá kênh còn cho phép phát hiện và sửa sai.
- Ghép-Phân kênh: Thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới
các đích khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn nhằm giúp tăng dung lượng cho
hệ thống thông tin, có thể truyền nhiều kênh thông tin trên cùng một đường truyền
dẫn, nhằm tăng hiệu quả sử dụng kênh truyền. Các phương pháp ghép kênh như ghép
kênh phân chia theo thời gian TDM, ghép kênh phân chia theo tần số FDM, ghép kênh
phân chia theo mã CDM...

- Điều chế-Giải điều chế số: Biến đổi chuỗi tín hiệu số thành các tín hiệu liên
tục phù hợp (điều chế băng gốc) và điều chế RF (Trộn tần, lọc, khuếch đại và phát xạ
vào môi trường). Điều chế tức là biến đổi các đặc tính của tín hiệu theo một tín hiệu
khác. Tín hiệu bị biến đổi gọi là sóng mang, tín hiệu gây ra sự biến đổi đó gọi là tín
hiệu thông tin. Điều chế đưa tín hiệu lên vùng tần số cao để truyền tín hiệu đi xa, góp
phần tăng khả năng chống nhiễu cho hệ thống thông tin.
Các dạng điều chế :
Đồ án tốt nghiệp

6


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

+ Điều chế tương tự : AM, FM, PM.
+ Điều chế số : ASK, FSK, PSK...
+ Điều chế xung: PCM, PWM
- Trải phổ-Giải trải phổ: Chống nhiễu cố ý và bảo mật tin tức. Do ngày càng có
nhiều công nghệ và dịch vụ ứng dụng trên hệ thống thông tin vô tuyến dẫn đến việc
quản lý tài nguyên vô tuyến trở nên phức tạp. Trước đây tài nguyên vô tuyến được
phân chia cụ thể cho từng ứng dụng nên chưa sử dụng triệt để phổ tần số. Hiện nay kỹ
thuật trải phổ được ứng dụng để tận dụng một cách có hiệu quả nhất phổ tần số của tài
nguyên vô tuyến. Trải phổ góp phần làm giảm ảnh hưởng của nhiễu.
- Đa truy nhập-Giải đa truy nhập: Cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập
mạng thông tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo yêu cầu. Là kỹ thuật cho phép
nhiều cặp thu phát cùng chia sẻ một phương tiện vật lý chung, đây là biện pháp hợp lý
dùng để chia sẻ nguồn tài nguyên hạn chế của nguồn thông tin. Có một số kiểu đa truy
cập như :

+ FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số.
+ TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian.
+ CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã.
- Đồng bộ: Đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng mang đối với hệ thống thông tin
liên kết.
1.2. Ảnh hưởng của tạp âm và nhiễu trên kênh truyền lên chất lượng truyền tín
hiệu
Khi tín hiệu truyền qua môi trường (vô tuyến hay hữu tuyến) phương thức
truyền đơn công (simplex), bán song công (half duplex), song công (duplex) thì ít
nhiều sẽ bị các tác động làm sai lạc. Kênh truyền ảnh hưởng lớn nhất đối với tín hiệu.
Các yếu tố ảnh hưởng gây ra sự suy giảm chất lượng của tín hiệu truyền thường do:
− Gây méo tín hiệu (distortion).
− Nhiễu (Interference).
− Suy hao.
Đồ án tốt nghiệp

7


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

− Suy yếu và dẫn đến méo dạng.
− Bị làm trễ.
1.2.1. Suy hao
Cường độ của tín hiệu trên bất cứ một môi trường truyền nào đều bị suy giảm
theo khoảng cách. Sự suy giảm này thường theo quy luật hàm logarit trong các đường
truyền có định tuyến, hay theo một hàm phức tạp trong các môi trường không định
tuyến tùy thuộc vào khoảng cách và áp suất không khí và cả các yếu tố mưa mù, khí

hậu nữa. Tín hiệu suy giảm tác động đến các yếu tố sau:
•

Tín hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và

khôi phục không bị sai lỗi.
•

Độ suy giảm thường là một hàm tăng theo tần số. Thường để phát đi xa thì

cần các bộ khuếch đại lại tín hiệu và chuyển tiếp, với tần số càng cao thì thường bộ
khuếch đại càng phải gần lại. Trên hình vẽ 1.3 độ suy giảm do mưa ở các đường a, b,
c. Suy hao do hấp thụ của không khí gồm các đường d, e. Suy hao do sương mù gồm
các đường f, g.

Hình 1.3: Độ suy hao do yếu tố thời tiết
1.2.2 Méo tín hiệu

Đồ án tốt nghiệp

8


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông
•

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Méo tín hiệu gây ra cho tín hiệu sự sai khác giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu.


Méo tín hiệu có thể gây ISI. Gây biến dạng trên biểu đồ chòm sao tín hiệu. Mở rộng
phổ tần và gây tạp âm.
Méo tín hiệu có nguyên nhân:
•

Các mạch lọc chế tạo không hoàn hảo.

•

Do môi trường truyền gặp vật cản, truyền lan đa đường.

•

Các mạch khuếch đại công suất nhỏ.

•

Các mạch khuếch đại công suất lớn (HPA).

•

Mạch trộn (mixer) sử dụng diode.

•

Mạch hạn biên.

Khắc phục:
•


Sử dụng mạch san bằng thích nghi.

•

Phân tập.

•

Mã chống nhiễu (mã kênh: các mã phát hiện, mã sửa lỗi)

•

Truyền dẫn đa sóng mang OFDM.

•

Trải phổ.

1.2.3 Tạp âm nhiệt
Đây là tạp âm không mong muốn xảy ra ở bất kỳ hệ thống nào. Tạp âm nhiệt
sinh ra do các tác động của chuyển động nhiệt của các hạt mang điện trong mạch điện
(các điện tử) gây ra. Khi đo mật độ phổ công suất của tạp âm nhiệt N(f), tạp âm gần
như là hằng số trong một dải tần Wn rất rộng. Tạp âm này ảnh hưởng đều trên toàn bộ
băng tần. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng lên tín hiệu không lớn.

Hình 1.4: Một tín hiệu nhiễu trắng
Đồ án tốt nghiệp

9



Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Trong hệ thống truyền dẫn tạp âm Gaussian trắng cộng tính AWGN (additive
white Gaussian noise) là tạp âm phổ biến nhất và tồn tại ở bất kì hệ thống nào vì loại
tạp âm này dễ tạo ra nhất.
1.3.4 Các loại nhiễu
Nhiễu giữa các symbol ISI (Inter symbol interference):
Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu giữa các symbol (ISI) gây bởi tín
hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều
không thể tránh khỏi. Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến
bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu. Các kỹ thuật sử dụng trải
phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa
đường vì thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự (symbol).
OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời
gian truyền một symbol lên nhiều lần. Ngoài ra, OFDM còn chèn thêm một khoảng
bảo vệ (guard interval - GI), thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền, giữa
hai ký tự nên nhiễu ISI có thể bị loại bỏ hoàn toàn.
Nhiễu xuyên kênh ICI (Interchannel interference):
Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền nhau. Nhiễu
liên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây can nhiễu
sang các kênh kề nó. Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảng bảo vệ
(guard band) giữa các dải tần, kéo dài thời gian chu kì của tín hiệu.

Hình 1.5: Nhiễu xuyên kênh giữa hai sóng mang kề nhau
Nhiễu đồng kênh (Co-Channal interference):
Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên
cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường

độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát. Nhiễu đồng kênh thường gặp
Đồ án tốt nghiệp

10


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

trong hệ thống thông tin số cellular (mạng tế bào), trong đó để tăng hiệu suất sử dụng
phổ bằng cách sử dụng lại tần số. Như vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống
cellular là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số.
Nhiễu đồng kênh liên quan tới việc sử tái dụng tần số. Có thể ví dụ trong mạng
GSM: Trong mạng GSM, mỗi trạm BTS được cấp phát một nhóm tần số vô tuyến. Các
trạm thu phát gốc BTS lân cận được cấp phát các nhóm kênh vô tuyến không trùng với
các kênh của BTS liền kề.
Đặc trưng cho loại nhiễu này là tỉ số sóng mang trên nhiễu (C/I). Tỉ số này được
định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao
tần và nó thể hiện mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng
kênh từ các BTS khác.
Một số giải pháp để hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular
như sau:
•

Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này do các máy phát sử dụng cùng

một tần số.
•


Chỉ có thể tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù

•

Tức là thiết kế sao cho các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm tần số

hợp.

không ảnh hưởng tới nhau => khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn.

Hình 1.6: Nhiễu đồng kênh trong hệ thống cellular
Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access interference):
Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau, là
yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống.
Đồ án tốt nghiệp

11


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

1.2.5 Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler làm cho tần số tín hiệu tại máy thu thay đổi do máy phát và
máy thu dịch chuyển. Tại máy thu, tần số tín hiệu nhận được theo tia sóng thứ i là:
f= fc+fd.cos фi
Với:
fc: tần số sóng mang.
Фi: góc tới của tia sóng thứ i so với hướng chuyển động của máy thu.

fd: Độ dịch tần Doppler: fd= = v (c: vận tốc ánh sáng).
•

Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến một đầu thu cố định thì tần

số thu bằng tần số phát.
•

Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong khoảng thời gian

thu sóng (thời gian sóng truyền đến đầu thu) thì bước sóng sẽ dài ra hoặc ngắn lại,
ngắn lại trong trường hợp đầu thu và phát lại gần nhau và dài ra trong trường hợp ra xa
nhau.
Hiện tượng Doppler hay hiệu ứng Doppler này là một yếu tố ảnh hưởng đến
việc truyền tín hiệu vì khi người dùng di chuyển (gần hoặc xa) trạm BTS thì tần số
sóng tới máy thu sẽ thay đổi => tần số kênh truyền đến thiết bị bị thay đổi => ảnh
hưởng đến việc tiếp nhận thông tin.
Trễ (delay) là thời gian tính từ khi bắt đầu truyền cho tới khi nhận xong một tin
hay một tín hiệu. Delay spread là lượng tăng của trễ truyền do tín hiệu truyền đi theo
nhiều đường khác nhau, thí dụ như trong thông tin di động, tín hiệu lan truyền tới điểm
thu theo nhiều đường khác nhau do phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ tại các chướng ngại. Giả
sử đầu phát phát đi một xung cực hẹp, tại đầu thu khi đó không chỉ nhận được một
xung mà là một cụm (nhóm) xung. Lượng trải trễ là deltaD như trong hình vẽ dưới:

Đồ án tốt nghiệp

12


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông


Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Hình 1.7 Trễ tín hiệu
Trải trễ không chỉ có trong thông tin di động mà có trong mọi hệ thống vô
tuyến điện, chỉ có điều trong nhiều trường hợp nó quá nhỏ. Trải trễ gây bởi các tia
phản xạ từ các chướng ngại khác nhau trong truyền hình tương tự là nguyên nhân gây
nên hiện tượng hình có "bóng", có đường viền làm nhoè hình, thiếu sắc nét. Trong
thông tin quang, do tia sáng trong sợi đa mode được truyền đi theo nhiều tia khác nhau
sẽ làm xung lối ra giãn ra, về bản chất cũng là hiện tượng trải trễ song người ta lại hay
gọi đó là hiện tượng tán sắc.
1.2.6 Pha-đinh
- Các cơ chế gây ra pha-đinh trong truyền dẫn vô tuyến điện được nghiên cứu
từ những năm 1950, lý thuyết và các mô hình về kênh pha-đinh không ngừng được
phát triển và hoàn thiện.
- Môi trường truyền sóng vô tuyến được coi là môi trường tự do, đồng đều và
không hấp thụ. Khoảng cách từ đường truyền dẫn tới mặt đất được xem là xa vô cùng
và sự phản xạ từ mặt đất coi như không đáng kể.
- Trong thực tế, việc truyền dẫn tín hiệu hầu hết diễn ra trong tầng khí quyển và
gần với mặt đất. Mẫu giả thiết truyền dẫn trong không gian tự do trên là không thoả
đáng để mô tả đặc tính của kênh cũng như để đánh giá chất lượng của hệ thống. Tín
hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu theo nhiều đường khác nhau (gọi là truyền
dẫn đa đường) gây ra hiện tượng thăng giáng ngẫu nhiên về biên độ, pha và góc tới
của tín hiệu thu, được gọi là pha-đinh đa đường.
Multipath-Pha-đinh là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông không
dây gây ra do hiện tượng truyền lan đa đường (Multipath) dẫn tới suy giảm cường độ
và xoay pha tín hiệu (pha-đinh) không giống nhau tại các thời điểm và tại các tần số
khác nhau. Tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian,
Đồ án tốt nghiệp


13


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

va chạm vào các vật cản phân tán rải rác trên đường truyền như xe cộ, nhà cửa, công
viên, sông, núi, biển… gây ra các hiện tượng sau đây:
• Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng.
• Tán xạ (scaterring): khi sóng đập vào các vật có bề mặt không bằng phẳng và
các vật này có chiều dài so sánh được với chiều dài bước sóng.
• Nhiễu xạ (diffraction): khi sóng va chạm với các vật có kích thước lớn hơn
nhiều chiều dài bước sóng. Khi sóng va chạm vào các vật cản sẽ tạo ra vô số bản sao
tín hiệu, một số bản sao này sẽ tới được máy thu. Do các bản sao này phản xạ, tán xạ,
nhiễu xạ trên các vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên:
- Thời điểm các bản sao này tới máy thu cũng khác nhau, tức là độ trễ pha giữa
các thành phần này là khác nhau.
- Các bản sao sẽ suy hao khác nhau, tức là biên độ giữa các thành phần này là
khác nhau.
Tín hiệu tại máy thu là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và
pha của các bản sao:
• Tín hiệu thu được tăng cường hay cộng tích cực (constructive addition) khi
các bản sao đồng pha.
• Tín hiệu thu bị triệt tiêu hay cộng tiêu cực (destructive addition) khi các bản
sao ngược pha.
Tuỳ theo mức độ của multipath-pha-đinh ảnh hưởng tới đáp ứng tần số của mỗi
kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective pha-đinh
channel) hay kênh truyền phẳng (frequency nonselective pha-đinh channel), kênh
truyền biến đổi nhanh (fast pha-đinh channel) hay kênh truyền biến đổi chậm (slow

pha-đinh channel). Tuỳ theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân
bố xắc suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay
Rice.
Multipath pha-đinh luôn làm cho việc dự đoán đường truyền trở nên phức tạp
và gây suy giảm chất lượng tín hiệu.

Đồ án tốt nghiệp

14


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Ảnh hưởng của pha-đinh đa đường tới chất lượng tín hiệu truyền lớn hơn rất
nhiều so với ảnh hưởng của AWGN.
Các yếu tố truyền dẫn đa đường là phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ, được mô tả tại
hình 1.8:

Hình 1.8 Truyền lan đa đường
- Cơ chế gây ra pha-đinh: pha-đinh phạm vi rộng đặc trưng cho sự suy giảm

công suất trung bình của tín hiệu do sự thay đổi vị trí trên khoảng cách lớn, bị ảnh
hưởng của địa hình và các vật chắn che khuất giữa máy phát và máy thu. Các số liệu
thống kê về pha-đinh trên phạm vi rộng được cộng vào lượng suy hao đường truyền và
thường được đánh giá bởi các giá trị trung bình của tín hiệu thu qua các khoảng cách
10-30 lần chiều dài bước sóng λ.
- Pha-đinh trên phạm vi hẹp đặc trưng cho các biến đổi nhanh về biên độ và


pha của tín hiệu, được khảo sát trên các thay đổi nhỏ theo vị trí không gian giữa máy
phát và máy thu (cỡ 1/2 bước sóng λ).
Khi ước lượng tổn hao đường truyền để dự trữ năng lượng tín hiệu, cần quan
tâm tới các thành phần:
•

Tổn hao đường truyền trung bình, là một hàm theo khoảng cách.

•

Dự trữ pha-đinh trên phạm vi rộng.

•

Dự trữ pha-đinh trên phạm vi hẹp.

- Khi tín hiệu thu được tạo thành bởi thành phần tín hiệu trội (điển hình là tia
truyền thẳng LOS) cộng với vô số các tín hiệu phản xạ, biên độ đường bao được mô tả
bằng hàm mật độ xắc suất Rice.

Đồ án tốt nghiệp

15


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Phân bố Rice thường được đặc trưng bởi tham số k, là tỉ số giữa công suất tia

trội đối với công suất tín hiệu đa đường và được xác định bởi: k=A2/(2σ2)
- σ2: Công suất trung bình trước tách sóng của tín hiệu đa đường.
- A: Biên độ đỉnh của thành phần tín hiệu không bị pha-đinh.
- Khi biên độ của tia trội tiến đến 0, hàm mật độ xắc suất Rice tiệm cận tới hàm

mật độ Rician:
- Với một đường truyền đơn, hàm mật độ xắc suất Rician biểu diễn hàm mật độ
xắc suất của công suất tín hiệu nhận được trong trường hợp pha-đinh xấu nhất.
- Có nhiều cách phân loại pha-đinh, thường pha-đinh được chia làm 4 loại là
pha-đinh chọn lọc tần số, pha-đinh nhanh, pha-đinh chậm, pha-đinh phẳng. Trong đó
pha-đinh chọn lọc tần số ảnh hưởng lớn nhất đến tín hiệu. Để giảm ảnh hưởng của
pha-đinh thường sử dụng phương pháp MIMO, phương pháp OFDM kết hợp với mã
hoá kênh truyền.
1.3 Mã hoá và phân loại mã hoá
1.3.1. Khái niệm mã hoá
Với sự phát triển của các hệ thống thông tin hiện đại, nhu cầu truyền thông tin
ngày càng trở nên quan trọng, cũng từ đó mà các hình thức mã hoá khác nhau được
hình thành để thích ứng với sự phát triển đó.
Lý thuyết mã hóa (coding theory) là một ngành của toán học và khoa học điện
toán (computer science) nhằm giảm mật độ phổ chiếm dụng của tín hiệu, bảo mật tín
hiệu và giải quyết tình trạng lỗi dễ xảy ra trong quá trình truyền thông số liệu trên các
kênh truyền có độ nhiễu cao (noisy channels), dùng những phương pháp khiến phần
lớn các lỗi xảy ra có thể được chỉnh sửa. Nó còn xử lý những đặc tính của mã (codes),
và do vậy giúp phù hợp với những ứng dụng cụ thể.
Mã hoá làm nhiệm vụ chuyển đổi các phần tử của một tập đại lượng này thành
một tập các đại lượng khác (theo mối quan hệ 1-1), giúp cho việc lưu trữ và trao đổi
thông tin.

Đồ án tốt nghiệp


16


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Mã thực hiện biến đổi cấu trúc tin tại nơi phát nhằm mục đích nhận được tin tại
nơi thu trung thực hơn, có độ tin cậy cao hơn, khả năng chống nhiễu tốt hơn, truyền đi
xa hơn …
Việc chọn (thiết lập) bộ mã hoá phải thoả mãn nguyên tắc là có thể giải mã ra
duy nhất 1 kết quả tại nơi thu tin.
Phân loại các hình thức mã: Có 3 loại mã

Mã

Mã nguồn

Mã mật

Mã kênh

Hình 1.9 Phân loại mã
Đây là 3 khối trong hệ thống thông tin số rất quan trọng. Mặc dù, 3 khối mã này
không bắt buộc phải có trong hệ thống thông tin nhưng đối với hệ thống thông tin số
hiện đại thì 3 khối này lại trở lên quan trọng trong việc đảm bảo tín hiệu truyền đi an
toàn, bảo mật và hạn chế nhiễu đảm bảo độ tin cậy của tín hiệu truyền đi.
1.3.2 Mã nguồn
Mục đích của mã hoá nguồn là biến đổi một tập đại lượng nguồn này thành một
tập đại lượng nguồn khác nhằm mục đích lưu trữ, nén dữ liệu. Ý định của phương

pháp này là nén dữ liệu từ chính nguồn của nó, trước khi truyền đi, giúp cho việc
truyền thông có hiệu quả hơn. Mã hoá nguồn thực hiện việc nén dữ liệu ví dụ cách
dùng "zip" nén dữ liệu để giảm lượng dữ liệu phải truyền, giảm phổ tần chiếm cho
mạng lưới truyền thông, đồng thời thu nhỏ cỡ tập tin.
Về cơ bản, mã hoá nguồn được dùng để loại bỏ những bit thông tin không quan
trọng mà khi giải mã vẫn đảm bảo phục hồi như tín hiệu ban đầu, khi nén bằng mã
nguồn thì các bit thông tin không quan trọng này sẽ được lược bỏ trong nguồn tin, để
lại phần nguồn tin với số lượng bit ít hơn, nhưng với nhiều tin tức hơn.
Dựa vào các ứng dụng thực tế ta có một số loại mã hoá nguồn:
- Mã hoá để thể hiện (mã hoá ASCII).
Đồ án tốt nghiệp

17


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

- Mã hoá nén (mã nén Winzip, MP3, JPEG, MPEG…)
Mã hoá để biểu hiện sự vật hiện tượng:
Mã hoá này nhằm mục đích mô tả sự vật hiện tượng bằng các ngôn ngữ của chủ
thể. Mã hoá ASCII dùng để mô tả sự vật dưới dạng văn bản để con người có thể hiểu
được. Mã hoá nhị phân được sử dụng để mô tả sự vật bằng ngôn ngữ của của máy tính.
Mã hoá nén dữ liệu:
Đặc điểm:
• Sử dụng các thuật toán loại bỏ các thông tin không quan trọng.
• Thông tin không quan trọng thể hiện qua sự lặp đi lặp lại các đoạn thông điệp
trong tập nguồn tin.
Quá trình này nhằm nén và giải nén tin, giảm tốc độ bít, giảm phổ chiếm của tín

hiệu (∆f= khi ∆T tăng thì ∆f giảm).
Phương pháp mã hoá Shanon-Fano:
Độc lập với nhau, Shannon và Fano cùng xây dựng phương pháp thống kê tối
ưu dựa trên cùng 1 cơ sở: Độ dài từ mã tỉ lệ nghịch với xắc suất xuất hiện.
Đây chính là bước khởi đầu cho sự phát triển của các kỹ thuật mã hoá nén dữ
liệu phát triển sau này.
Các bước lập mã:
1. Sắp xếp nguồn tin theo thứ tự giảm dần của xắc suất xuất hiện.
2. Chia nguồn tin thành 2 nhóm sao cho xắc suất xuất hiện mỗi nhóm xấp xỉ
bằng nhau.
3. Gán cho mỗi nhóm ký mã 0 hay 1.
4. Coi mỗi nhóm như nguồn tin mới, quay trở lại làm bước 2, cho đến khi mỗi
nhóm chỉ còn chứa duy nhất 1 tin.
5. Từ mã ứng với mỗi lớp tin là tổ hợp các ký mã của các nhóm, lấy tương ứng
từ nhóm lớn đến nhóm nhỏ (từ trái sang phải).
♦ Phương pháp chung để thực hiện:

Đồ án tốt nghiệp

18


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Bước1: Xác định các ký hiệu (symbols, characters cơ sở có trong tập mã
nguồn, và xắc suất xuất hiện của nó).
Bước 2: Lập bảng mã cơ sở, các ký hiệu cơ sở được sắp theo thứ tự xắc suất
giảm dần. Dùng thuật toán chia đôi xắc suất để viết từ mã cơ sở.

1.3.3 Mã mật
Mã mật là hình thức biến đổi trên tập dữ liệu nguồn bằng một thuật toán, nhằm
bảo mật thông tin. Thuật toán mã mật sẽ làm mờ đi dữ liệu, tín hiệu có thể bị thu trộm
nhưng sẽ không thể hiện thị. Chỉ khi có thuật toán giải mã mật tương ứng mà bên thu
và phát đã thoả thuận trùng khớp, khi đó tín hiệu sẽ được hiện thị. Mã hóa mật-giải mã
mật thực hiện chuỗi bit theo 1 khóa nhằm bảo mật tin tức.
Năm 1972, Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Hoa kỳ (National Institute
of Standards and Technology-NIST) đặt ra yêu cầu xây dựng một thuật toán mã hoá
bảo mật thông tin với yêu cầu là dễ thực hiện, sử dụng được rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực và mức độ bảo mật cao. Năm 1974, IBM giới thiệu thuật toán Lucifer, thuật toán
này đáp ứng hầu hết các yêu cầu. Sau một số sửa đổi, năm 1976, Lucifer được NIST
công nhận là chuẩn quốc gia Hoa kỳ và được đổi tên thành Data Encryption Standard
(DES).
DES là thuật toán mã hoá bảo mật được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới,
thậm chí, đối với nhiều ngưòi DES và mã hoá bảo mật là đồng nghĩa với nhau. Ở thời
điểm DES ra đời, những tính toán thực nghiệm cho rằng việc phá được khoá mã DES
là rất khó khăn, nó đòi hỏi chi phí hàng chục triệu USD và tiêu tốn khoảng thời gian
rất nhiều năm. Cùng với sự phát triển của các loại máy tính và mạng máy tính có tốc
độ tính toán rất cao, khoá mã DES có thể bị phá trong khoảng thời gian ngày càng
ngắn với chi phí ngày càng thấp. Dù vậy, việc này vẫn vượt xa khả năng của các tin
tặc thông thường và mã hoá DES vẫn tiếp tục tồn tại trong nhiều lĩnh vực như ngân
hàng, thương mại, thông tin… nhiều năm nữa đặc biệt với sự ra đời của thế hệ DES
mới “Triple DES”.
Kể từ khi DES ra đời, nhiều thuật toán mã hoá bảo mật khác cũng được phát
triển tương tự DES hoặc dựa trên DES.

Đồ án tốt nghiệp

19



Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Yêu cầu đặt ra nếu muốn bảo mật tốt hơn là phải tìm được một thuật toán sao
cho việc thực hiện không quá phức tạp nhưng xắc suất tìm ra chìa khoá bằng cách thử
tất cả các trường hợp là rất nhỏ (số lần thử phải rất lớn).
Về mặt khái niệm, thông thường thuật toán mã hoá DES là thuật toán mở. Điều
quan trọng nhất là chìa khoá của DES có độ dài tới 56 bit, nghĩa là số lần thử tối đa để
tìm

được

chìa

khoá

lên

đến

2^56,

trung

bình

là


2^55

=36.028.797.018.963.968 lần, một con số rất lớn.
DES được thực hiện nhờ các phép dịch, hoán vị và các phép toán logic trên các
bit. Mỗi ký tự bản tin cần mã hoá được biểu diễn bởi 2 số hexa hay 8 bít. DES mã hoá
từng khối 64 bít tương đương 16 số hexa. Để thực hiện việc mã hoá DES sử dụng một
chìa khoá cũng dưới dạng 16 số hexa hay 64 bít tức 8 byte, nhưng các bít thứ 8 trong
các byte này bị bỏ qua trong khi mã hoá vì vậy độ lớn thực tế của chìa khoá là 56 bit.
DES bao gồm 16 vòng, nghĩa là thuật toán chính được lặp lại 16 lần để tạo ra
bản tin được mã hoá.
Triple DES:
Triple-DES chính là DES với hai chìa khoá 56 bit. Cho một bản tin cần mã hoá,
chìa khoá đầu tiên được dùng để mã hoá DES bản tin đó, kết quả thu được lại được
cho qua quá trình giải mã DES nhưng với chìa khoá là chìa khoá thứ hai, bản tin sau
đã được biến đổi bằng thuật toán DES hai lần như vậy lại được mã hoá DES với một
lần nữa với chìa khoá đầu tiên để ra được bản tin mã hoá cuối cùng. Quá trình mã hoá
DES ba bước này được gọi là Triple-DES.
Ứng dụng của DES:
DES thường được dùng để mã hoá bảo mật các thông tin trong quá trình truyền
tin cũng như lưu trữ thông tin. Một ứng dụng quan trọng khác của DES là kiểm tra tính
xác thực của mật khẩu truy nhập vào một hệ thống (hệ thống quản lý bán hàng, quản
lý thiết bị viễn thông…), hay tạo mã và kiểm tra tính hợp lệ của một mã số bí mật (thẻ
internet, thẻ điện thoại di động trả trước), hoặc của một thẻ thông minh (thẻ tín dụng,
thẻ payphone...).
Việc phá khóa Triple DES là điều rất khó khăn, và gần như không thể, một
chuyên gia về bảo mật đã cho rằng “Không có đủ silic trong giải ngân hà (để chế tạo
Đồ án tốt nghiệp

20



Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

chip) cũng như không đủ thời gian trước khi mặt trời bị phá huỷ để phá khoá Triple
DES”.
1.3.4 Mã kênh
Mã kênh là mã hóa trên kênh truyền. Mã kênh thực hiện việc cộng thêm những
bit mã vào trong dữ liệu được truyền, các bit mã được đưa thêm vào nhằm xác định sự
ràng buộc giữa các bit tin có khả năng phát hiện lỗi và sửa lỗi tức là tránh lỗi xảy ra
hoặc phát hiện các lỗi xảy với các bit tin khi nhiễu tác động từ kênh truyền như các bit
chẵn lẻ (parity bits), kỹ thuật này giúp cho việc truyền thông tín hiệu chính xác hơn
trong môi trường nhiễu loạn của kênh truyền thông.
Mục đích của lý thuyết mã hóa trên kênh truyền (channel encoding theory) là
tìm những mã có thể truyền thông nhanh chóng, chứa đựng nhiều từ mã (code word)
hợp lệ và có thể sửa lỗi (error correction) hoặc ít nhất phát hiện các lỗi xảy ra (error
detection). Các mục đích trên không phụ thuộc vào nhau, và mỗi loại mã có công dụng
tối ưu cho một ứng dụng riêng biệt. Những đặc tính mà mỗi loại mã này cần, còn tuỳ
thuộc nhiều vào xắc suất lỗi xảy ra trong quá trình truyền thông.
Mỗi mã thường chỉ thích hợp cho một ứng dụng nhất định. Trong viễn thông
trong vũ trụ bị giới hạn bởi nhiễu nhiệt (thermal noise) trong thiết bị thu. Hiện trạng
này không xảy ra một cách đột phát bất thường, song xảy ra theo một chu trình tiếp
diễn. Tương tự như vậy, modem với dải tần hẹp bị hạn chế vì nhiễu âm tồn tại trong
mạng lưới điện thoại. Những nhiễu âm này có thể được biểu hiện rõ hơn bằng một mô
hình tạp âm tiếp diễn. Điện thoại di động "Cell phones" hay có vấn đề do sự suy sóng
nhanh chóng xảy ra. Tần số cao được dùng có thể gây ra sự suy sóng tín hiệu một cách
nhanh chóng. Chính vì vậy mã hoá trên kênh truyền được thiết kế để khắc phục lỗi do
các yếu tố từ kênh truyền gây nên.
Ba đặc tính sau của mã kênh nói chung là:

•

Chiều dài của mã (code word length).

•

Tổng số các từ mã hợp lệ (total number of valid code words).

•

Khoảng cách Hamming tối thiểu giữa hai từ mã hợp lệ (the minimum

Hamming distance between two valid code words).

Đồ án tốt nghiệp

21


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1
Chương 2

MÃ KÊNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Để làm rõ nguyên lý của mã BICM-ID, ở chương này Đồ án trình bày các nội
dung về mã kênh. Vai trò, chức năng của mã kênh trong hệ thống thông tin băng rộng.
Từ đó tìm hiểu mã BICM - ID.
Nội dung của chương 2 bao gồm:
-


Tìm hiểu cơ sở khoa học của mã kênh định lý Shannon.

-

Vai trò, nguyên lý của mã kênh trong Hệ thống thông tin số.

-

Tìm hiểu các loại mã kênh thông dụng.

2.1 Cơ sở lý thuyết mã kênh, định lý Shannon
Trong lý thuyết thông tin, định lý mã hóa trên kênh nhiễu (noisy-channel
coding theorem) đề xuất rằng, cho dù một kênh truyền thông có bị ảnh hưởng xấu bởi
nhiễu âm bao nhiêu đi chăng nữa, cũng vẫn có thể truyền thông dữ liệu số không lỗi
(error-free) tới một tỷ lệ tối đa nhất định qua một kênh truyền. Kết quả đáng ngạc
nhiên này, đôi khi được gọi là định lý nền tảng của lý thuyết thông tin (fundamental
theorem of information theory), hay chỉ đơn giản là Định lý Shannon, được giới thiệu
lần đầu tiên bởi C.E Shannon vào năm 1948 [4].
Giới hạn Shannon hoặc Dung lượng Shannon của một kênh truyền thông là tỷ
lệ tối đa trên lý thuyết về lượng thông tin một kênh truyền thông có thể truyền tải, đối
với một độ nhiễu nhất định.
Định lý được Shannon chứng minh vào năm 1948, diễn tả hiệu quả tối đa mà
các phương pháp sửa lỗi (error-correcting methods) có thể đạt được, ngược lại mức độ
nhiễu và mức độ sai của dữ liệu (data corruption). Nghĩa là, đây là lý thuyết đầu tiên
cho ra đời về mã sửa lỗi, và để đạt được tới ngưỡng mà theo Shannon là sửa lỗi đạt
đến lý tưởng. Lý thuyết không diễn tả cách tạo ra một phương pháp sửa lỗi, song nó
chỉ ra mức độ hiệu quả có thể đạt được đối với một phương pháp. Định lý Shannon có
nhiều ứng dụng trên phạm vi rộng lớn, cả trong các ứng dụng truyền thông lẫn các ứng
dụng về lưu trữ dữ liệu (data storage applications). Định lý này là nền tảng quan trọng

đối với ngành lý thuyết thông tin hiện đại.
Đồ án tốt nghiệp

22


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

Định lý Shannon chỉ ra rằng đối với một kênh nhiễu có một dung lượng thông
tin C và một tỷ lệ truyền thông tin R nào đấy, thì nếu: Rlượng cho phép) sẽ có tồn tại một kỹ thuật mã hóa cho phép xắc xuất lỗi bên máy thu
được giảm đi. Điều này có nghĩa là trên lý thuyết, có thể truyền tải thông tin không bị
lỗi tới một tỷ lệ giới hạn cao nhất bằng dung lượng cho phép C.
Ngược lại, điều đối lập với quan điểm trên cũng quan trọng. Nếu: R>C (tỷ lệ
truyền thông>dung lượng cho phép) thì xắc xuất lỗi nhỏ trên không thể đạt được. Như
vậy, thông tin không thể truyền tải một cách đảm bảo trên một kênh với tỷ lệ lớn hơn
dung lượng của kênh truyền. Định lý không nói đến một trường hợp hiếm thấy, là
trường hợp khi tỷ lệ và dung lượng bằng nhau.
Với mỗi kênh truyền thông không nhớ rời rạc (discrete memoryless channel),
khái niệm truyền rời rạc ở đây là truyền tuần tự các ký tự độc lập nhau (hay truyền
từng ký tự một), còn khái niệm không nhớ ở đây là chỉ xét mối quan hệ giữa ký tự
truyền và ký tự nhận được tương ứng, không xét đến mối quan hệ giữa ký tự nhận
được với ký tự nhận được trước đó.
Nếu khả năng phát H’(A) của nguồn tin rời rạc A bé hơn khả năng thông qua
của kênh C: (H’(A) < C’) thì tồn tại một phép mã hoá và giải mã sao cho việc truyền
tin có xắc suất gặp lỗi bé tuỳ ý (nếu H’(A)>C’ thì không tồn tại phép mã hoá và giải
mã như vậy) khi độ dài từ mã đủ lớn.
Đây là một định lý tồn tại vì nó cho ta cách thiết lập một mã cụ thể.

Kênh Gausse không đổi là một kênh liên tục có tập tin lối vào và tập tin lối ra
liên hệ với nhau theo công thức:
u(t)= µ .s(t) + n(t)

(2.1)

Trong đó μ = const, (∉ t), n(t): tạp âm trắng phân bố chuẩn.
Đối với kênh liên tục, định lý mã hoá thứ hai của Shannon được phát biểu như
sau:
Các nguồn tin rời rạc có thể mã hoá và truyền theo kênh liên tục với xắc suất sai
bé tuỳ ý khi giải mã các tín hiệu nhận được nếu khả năng phát của nguồn nhỏ hơn khả
năng thông qua của kênh. Nếu khả năng phát của nguồn lớn hơn khả năng thông qua
Đồ án tốt nghiệp

23


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

của kênh thì không thể thực hiện được mã hoá và giải mã với xắc suất sai bé tuỳ ý
được.
Shannon đã chứng minh rằng tồn tại các mã đạt được giới hạn Shannon (thỏa
mãn định lý mã hóa thứ hai) trong các mã tuyến tính ngẫu nhiên [4].
Đối với một hệ thống thông tin số có tốc độ r b (tốc độ bit) khi bị giới hạn về độ
rộng băng tần W thì được đánh giá qua hiệu quả sử dụng phổ η và được ký hiệu là:
η= (bit/giây/Hz)

(2.2)

Khi độ rộng băng tần yêu cầu tối thiểu cho tín hiệu sau khi điều chế là r s (tốc độ
symbol) thì hiệu quả sử dụng phổ đạt cực đại và được ký hiệu là ηmax.
Để đạt được hiệu quả sử dụng công suất thì yêu cầu tỷ số E b/No (Eb là năng
lượng trung bình thu được trên bit thông tin, N o là mật độ phổ công suất tạp âm đơn
biên) phải đạt được xắc suất lỗi bit theo lý thuyết và có quan hệ với tỷ số tín hiệu trên
tạp âm như sau: = nR

(2.3)

Như vậy, giới hạn trên của tốc độ truyền dữ liệu trên kênh có liên quan tới tỷ số
tín hiệu trên tạp âm và độ rộng băng tần hệ thống. Theo khái niệm về dung lượng kênh
ký hiệu là C, được Shannon - Hartley đưa ra năm 1948, đó là tốc độ cực đại mà thông
tin có thể truyền qua trên kênh có tạp âm và được định nghĩa là lượng thông tin tương
hỗ cực đại trên tất cả các phân bố đầu vào kênh có thể xảy ra.
C= I (X,Y)

(2.4)

Trong đó I(X,Y) là thông tin tương hỗ giữa X (đầu vào kênh) và Y (đầu ra
kênh) được định nghĩa cho kênh rời rạc là:
I(X,Y)=ΣxΣyP(x,y)log2 (2.5)
Trong đó: P(x) và P(y) là hàm mật độ xắc suất của X và Y, P(x,y) là hàm mật
độ xắc suất liên hợp X và Y.
Trong kênh truyền, tạp âm quan trọng nhất là tạp âm nhiệt, được quy thành một
nguồn tạp âm cộng tính tại đầu vào máy thu. Tạp âm này được giả định là tạp âm cộng
trắng chuẩn AWGN (Additive White Gaussian Noise), tức là tạp âm có mật phổ công
suất đều trong suốt trục tần số và có biên độ tạp âm tuân theo phân bố Gauss (chuẩn),
kỳ vọng bằng không. Khi đó, dung lượng kênh được xác định là:
Đồ án tốt nghiệp

24


Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: ĐH-ĐT1-K1

C=W log2(1+ ) (bit/giây) (2.6)
Trong đó:
- C là dung lượng trên kênh.
- Eb/No năng lượng trung bình tín hiệu trên mật độ phổ công suất tạp âm.
- W là độ rộng băng thông.
Khi độ rộng băng tần W bị giới hạn thì dung lượng C có thể tăng lên khi ta tăng
công suất tín hiệu truyền qua kênh. Mặt khác, nếu công suất tín hiệu không đổi thì
dung lượng C có thể tăng lên khi ta tăng độ rộng băng tần W.
2.2 Khái niệm và phân loại mã kênh
2.2.1 Khái niệm mã kênh
Mã hoá kênh kiểm soát lỗi là quá trình xử lý tín hiệu số được thực hiện ngay
sau nguồn tin số trước điều chế nhằm đạt được truyền tin số tin cậy bằng việc bổ xung
có hệ thống, các bit dư vào luồng tin phát để phát hiện lỗi và sửa lỗi.
Thực sự trong hệ thống truyền thông thì để đạt độ lợi mã hoá khi thêm các bit
dư thì sẽ làm tăng băng thông. Khi sử dụng mã kênh thì số bit trong từ mã được truyền
đi sẽ tăng lên. Đối với các hệ thống thời gian thực thì để đảm bảo yêu cầu về độ trễ ta
phải tăng tốc độ truyền symbol do đó băng thông truyền tải sẽ tăng lên. Nhưng với các
hệ thống hiện đại thì khả năng phần cứng đáp ứng được khả năng tính toán, xử lý rất
lớn. Các yếu tố về băng thông vẫn đảm bảo. Mà khả năng truyền tốc độ cao, số lỗi hạn
chế và chất lượng tín hiệu an toàn, tin cậy. Mã kênh đưa thêm các bit dư vào tín hiệu
theo một quy luật, nhằm giúp bên thu có thể phát hiện và sửa được cả lỗi xảy ra trên
kênh truyền.

Về mặt bản chất, mã kênh là một trong những ứng dụng của sự phát triển của
toán học trong thông tin. Mã kênh là những thuật toán phức tạp cần tính toán xử lý. Và
điều quan trọng là có những cách giải mã ra một kết quả duy nhất và được quy định để
có thể biến đổi và phục hồi thông tin, đảm bảo độ tin cậy của tín hiệu.
Mã kênh được sử dụng để nâng cao chất lượng của các hệ thống thông tin.
Người đặt nền móng cho các nghiên cứu về mã kênh, C.E. Shannon, đã đưa ra các cơ
sở toán học là các cận lý thuyết cho việc xây dựng các bộ mã kênh. Tuy nhiên, lý
Đồ án tốt nghiệp

25