viễn thông mã hóa( coded communication)
Ta đã thấy, một tín hiệu digital bao gồm một danh mục các số, trong đó mỗi số có thể lấy chỉ một số hữu hạn của các trị giá. Danh mục các số không chính xác bằng với các trị mẫu gốc, mà chỉ là những phiên bản làm tròn của các trị này. Như ...
Ta đã thấy, một tín hiệu digital bao gồm một danh mục các số, trong đó mỗi số có thể lấy chỉ một số hữu hạn của các trị giá. Danh mục các số không chính xác bằng với các trị mẫu gốc, mà chỉ là những phiên bản làm tròn của các trị này. Như vậy, khi chuyển đổi từ analog thành digital, tín hiệu kết quả không thể dùng để tái tạo một cách hoàn toàn tín hiệu analog nguyên thủy. Vậy tại sao ta muốn đổi một tín hiệu analog thành digital ? Phần sau đây sẽ trả lời vấn đề quan trọng này.
Tiếng trống hay khói của thổ dân Châu Mỹ là một trong nhiều thí dụ về viễn thông digtal. Tín hiệu trống truyền đi xa hơn tiếng nói vì nơi tiếp nhận chỉ cần phân biệt một loại âm thanh trên nhiều nền ( background noise ). Những tín hiệu audio phức tạp sẽ khó phân biệt hơn trên mỗi nền nhiễu dọc theo đường truyền. Điện tín với những chuỗi chấm và gạch để đánh vần cho một từ được truyền, là một dạng viễn thông digital. Máy thu dễ phân biệt những thời khoảng ( Duration ) dài ngắn khác nhau của tín hiệu. Điện tín hiện nay dùng kỹ thuật mã hoá và giãi mã tín hiệu, nhờ một Operator. Operator đọc ( hay nghe ) bản tin và đổi mỗi chữ thành mã Morse. Ở máy thu, khi nhận một bản tin, operator sẽ thực hiện ngược lại. Vận tốc truyền được kiểm soát cẩn thận để không vượt quá vận tốc giới hạn của keyer.
Có 3 lý do chính cần phải mã hoá thông tin :
Kênh truyền ( thường là không khí ) bị ô nhiễm bởi quá nhiều tín hiệu điện, khiến cho sự thông tin " tự do nhiễu " ( noise - free ) trở nên rất khó khăn. Tín hiệu luôn bị làm sai lạc do nhiễu và các dạng giao thoa khác. Những kỹ thuật sửa sai sự méo do nhiễu thường không hiệu quả nhiều. Vậy khi thu được một tín hiệu bị làm thay đổi bởi nhiễu và các tín hiệu khác, phải có những biện pháp tách nhiễu ra khỏi tín hiệu. Điều này cần đến việc tín hiệu phải có những dạng đặc trưng để phân biệt. Nhưng hầu hết tín hiệu Analog không có dạng như thế.
Lý do thứ hai cho sự nhấn mạnh lần nữa về viễn thông mã hoá digital là sự thay đổi qui cách của các tín hiệu thông tin. Nhiều năm trước đây, tín hiệu tín hiệu thông tin chiếm ưu thế là tín hiệu audio ( có tần số bị giới hạn trong dãi tần thính cảm của tai người ). Nhưng ngày nay, ta có thể thấy những thiết bị truyền dữ liệu từ nơi này đến nơi khác với những thông tin khác biệt xa với sóng audio. Nên những yêu cầu đặt ra cho 1 hệ thống viễn thông hiện nay thì phức tạp hơn rất nhiều so với hệ viễn thông truyền tín hiệu tiếng nói.
Mặc dù việc xây dựng một mạch Analog thì dễ hơn so với một mạch digital, nhưng so với tiến bộ của ngành điện tử bán dẫn và công nghệ IC đã làm đảo ngược lại. Lý do thứ ba, không chỉ vì các mạch digital thì đáng tin cậy hơn mà trong nhiều trường hợp rất rõ hơn. Việc chế tạo dễ dàng các IC digital cho các mạch phức tạp đã mở ra những khả năng bao quát hơn.
Trong một hệ thống viễn thông mã hoá, ta truyền một "từ" từ một từ vựng ( dictionary ) của các từ bản tin có thể chấp nhận được. Từ ( word ) thu được không chính xác giống như từ trong từ vựng, vì khi truyền nó bị tác động bởi sự méo và nhiễu. Nếu sự sai lạc không lớn lắm, ta thử phỏng định với từ mà từ vựng đã gửi. Đó là điểm căn bản của thông tin mã hoá.
Tiếng nói con người có nhiều tính chất giống một hệ thông tin digital. Khi ta nói, mỗi gói năng lượng ( giữa những lần tạm dừng ) trình bày một tín hiệu lấy ra từ một từ vựng khoảng 25.000 từ ( tuỳ vào số từ trong vốn ngữ vựng của từng người ). Giả sử ta truyền một từ đến một người khác, cái mà kia nhận được không phải là một bản sao hoàn hảo của từ trong từ vựng. Tín hiệu có thể bị méo, bi sai lệch do nhiễu chen vào. Người nhận sẽ nhanh chóng so sánh nó với 25.000 từ trong từ vựng và chọn một từ gần giống với nó nhất. Bằng cách đó, nhiều sai sót có thể được sửa. ( Ta đã đơn giản hoá khả năng của " máy tính người ". Thực ra không chỉ có thế, ta còn xem xét tín hiệu nhận được trong mạch văn của những thông tin nhận được trước đó ).
Loại mã hoá thông tin thông dụng nhất là nhị phân. Ta đổi tín hiệu chứa tin Analog thành một chuỗi các bit 1 và 0 ( mà ta đã biết cách thực hiện ở phần trước ).
Xem kênh mà ngõ vô của nó là hoặc 0 hoặc 1 và ngõ ra là 0 hoặc 1 ( Hình 7.14 ). Bên trái là ngõ vô. Bên phải, ngõ ra. Những đường ngang chỉ sự thu đúng bit, còn những đường chéo chỉ bit - error.
Hình 7.14:Kênh nhị phân
Trên mỗi đường ta chỉ một xác xuất. Pij là xác xuất của sự thu nhận i khi j được gửi đi. Thí dụ, P10 là xác xuất khi một 0 được truyền và nhận sai ở máy thu là 1.
Nếu ta gửi một 1, máy thu phải nhận hoặc 0 hoặc 1. Tương tự như vậy nếu ta gửi một 0. Vậy:
P10 + P00 = P01 + P11 = 1.
Dĩ nhiên ta sẽ thích có một kênh mà P10 = P01 = 0 ( Và hậu quả là P11 = P00 = 1 ).
Phần lớn các hệ viễn thông digital đều có tính chất là P10 = P01 ( và hậu quả, P11 = P00 ). Điều này chỉ rằng xác xuất của sự truyền 1 được nhận sai là 0 thì bằng với xác xuất của sự truyền 0 và được nhận sai là 1. Một kênh có tính chất đó được gọi là kênh đối xứng nhị phân. ( Binary Symetric Channel - BSC ). Hình 7.14b chỉ đặt P10 = P01 = P rồi, P00 = P11 = 1 - P.
Giả sử ta muốn truyền một tín hiệu đến một khoảng cách xa. Trong viễn thông Analog, ta sẽ đặt nhiều mạch khuếch đại dọc theo đường truyền. Tỷ số S/N tại ngõ ra của mỗi mạch khuếch đại thì không lớn hơn tại ngõ vô (thực tế, nó nhỏ hơn là do nhiễu cộng thêm vào). Vậy, nhiễu ngày càng lớn hơn khi khoảng cách gia tăng.
Bây giờ, ta giả sử đổi tín hiệu Analog thành digital gồm một chuỗi bit gồm 0 và 1. Hơn nữa, giả sử rằng ta có thể mô hình hóa kênh như là BSC. Ta tìm xác xuất toàn thể của error ( còn gọi là nhịp độ sai bit ):
Pe = P [ PR(1) ] + P [ PR(0) ] (7.1)
PR(1) là khoảng thời gian khi gửi 1. Số hạng thứ nhất của phương trình là khoảng thời gian mà ta gửi 1 và nhận 0. Số hạng thứ hai là khoảng thời gian truyền khi ta gửi 0 và nhận 1. Đó chỉ là 2 cách xử lý bit error. Vì PR(1) + PR(0) = 1.
Ta có:
Pe = P [ PR1(1) ] + P [ PR(0) ] = P (7.2)
Bây giờ giả sử P không được cao. Một cách để cải thiện là làm giảm khoảng cách giữa đài phát và máy thu. Giả sử ta đặt một trạm giữa hai trạm gốc. Ta sẽ có một vị trí như hình 7.15.
Hình 7.15:Nối tiếp đôi 2 BSC
P' là xác xuất error cho mỗi BSC mới. Vì khoảng cách là phân nữa, P' sẽ nhỏ hơn P. Liên hệ giữa khoảng cách và bit error thì phi tuyến, nên sự cắt khoảng cách làm hai sẽ cắt bit error bởi một hệ số lớn hơn 2. Trạm ở giữa gọi là một Repeater.
Xác xuất toàn thể của bit error của hệ thống " hai bước nhảy " là tổng của xác xuất của một error trên bước thứ nhất và error trên bước thứ nhì. Nếu ta làm hai error ( một error cho mỗi bước ) thì bit error được cho bởi :
Pe = 2p' ( 1 - p' ) (7.3)
Xác suất error đối với một bước nhảy duy nhất thì thường bé. Những số tiêu biểu từ p' = 10- 3 đến p' = 10-10. Phương trình (7.3) thì được tính xấp xĩ:
Pe = 2P' (7.4)
Vì P' thường nhỏ hơn p2 ta đã cải thiện bit error bằng cách cộng thêm Repeater.
Phương trình (7.4) có thể tổng quát hoá cho số bước nhảy (hop) bất kỳ, và các bước không cần có nhịp error bằng nhau. Một cách tổng quát, error toàn thể trong 1 hệ nhiều bước thì xấp xĩ bằng với tổng của các error thành phần. Khái niệm về repeater là sự phân biệt lớn nhất giữa viễn thông analog và viễn thông digital.
