BÀI GIẢNG CƠ SỞ THÔNG TIN SỐ

CSE 501035 – Data Communication 51.1 Khái quát về hệ thống truyền tin điện tử  Dữ liệu nguồn :  Là tập hợp các tin tức dùng để lập các bản tin khác nhau để truyền đi  Bộ phát:  Hệ th

Trang 2

CSE 501035 – Data Communication 2

Chương I: Hệ thống truyền tin

điện tử

 Khái quát về hệ thống truyền tin điện tử

 Nguồn tin và tín hiệu nguồn

 Các phương thức truyền tin

Trang 3

1.1 Khái quát về hệ thống truyền tin điện tử

Trang 4

1.1 Khái quát về hệ thống truyền tin điện tử

Trang 5

1.1 Khái quát về hệ thống truyền tin điện tử 

Dữ liệu nguồn :

 Là tập hợp các tin tức dùng để lập các bản tin khác nhau để truyền đi

 Bộ phát:

 Hệ thống các bản tin đến bộ phát sẽ chuyển đổi

thành tín hiệu trước khi được truyền đi.

 Môi trường truyền:

 Là nơi diễn ra sự truyền lan của tín hiệu mang tin

và chịu tác động của nhiễu

 Bộ nhận:

 Tín hiệu sẽ được bộ nhận thu và chuyển đổi thành tin tức ban đầu

Trang 6

1.2 Nguồn tin và tín hiệu nguồn

Trang 7

1.2 Nguồn tin và tín hiệu nguồn

 Thường dùng tín hiệu số cho dữ liệu số và tín

hiệu analog cho dữ liệu analog

 Có thể dùng tín hiệu analog để mang dữ liệu số

 Có thể dùng tín hiệu số để mang dữ liệu analog

Trang 8

1.3 Các phương thức truyền tin

Trang 9

1.3 Các phương thức truyền tin

 Broadcast (quảng bá):

 Là phương thức truyền tin được gửi từ 1

điểm đến tất cả các điểm khác trong cùng một mạng

 Multicast (Đa điểm):

điểm đến 1 tập hợp các điểm khác

 Pear to pear:

điểm đến 1 điểm

Trang 10

1.4 Phân tích tín hiệu

 Dữ liệu: Thực thể mang thông tin

 Analog

 Các giá trị liên tục trong một vài thời khoảng

 e.g âm thanh, video

 Digital

 Các giá trị rời rạc

 e.g văn bản, số nguyên

 Tín hiệu: Biểu diễn điện hoặc điện từ của dữ liệu

 Analog

 Biến liên tục

 Môi trường liên tục (wire, fiber optic, space)

 Băng thông tiếng nói 100Hz tới 7kHz

 Băng thông điện thoại 300Hz tới 3400Hz

 Digital

 Dùng 2 thành phần một chiều

Trang 11

Tín hiệu – miền thời gian

Trang 12

 Biên độ của tín hiệu analog

 Đo độ mạnh của tín hiệu, đơn vị:

decibel (dB) hay volts.

 Biên độ càng lớn, tín hiệu càng có

cường độ mạnh.

 Tín hiệu tiếng nói - từ “hello”.

 Tiếng nói (speech) là một tín hiệu rất phức tạp.

 Tiếng nói chứa hàng ngàn tổ hợp khác nhau của nhiều tín hiệu.

Trang 13

Tần số của tín hiệu analog

 Tốc độ thay đổi của tín

hiệu trong một giây, đơn

vị Hz hay số chu kỳ trong

một giây (cycles per

second)

 Tín hiệu có tần số 30Hz ~ thay

đổi 30 lần trong một giây.

 Một chu kỳ là sự di

chuyển sóng của tín hiệu

từ điểm nguồn bắt đầu

cho đến khi quay trở về

lại điểm nguồn đó.

Trang 14

Pha của tín hiệu analog

 Tốc độ thay đổi quan hệ của tín hiệu đối với

thời gian, được mô tả theo độ (degree)

 Sự dịch pha xảy ra khi chu kỳ của tín hiệu chưa kết thúc, và một chu kỳ mới của tín hiệu bắt

đầu trước khi chu kỳ trước đó chưa hoàn tất

 Tai người không cảm nhận được sự dịch pha

 Tín hiệu mang dữ liệu bị ảnh hưởng bởi sự dịch pha

 Ví dụ các mối nối không hoàn hảo sẽ gây ra dịch pha

Trang 15

Tín hiệu – miền tần số

Trang 16

Thành phần của tiếng nói

 Tiếng nói 100Hz – 7kHz

để truyền dẫn

chuyển thành tần số điện từ với điện áp

khác nhau

 300 – 3400Hz

Trang 17

Tín hiệu số (digital)

được diễn tả với hai trạng thái ON hay OFF hoặc là 0 hay 1

lớn hơn tín hiệu analog.

Trang 18

 Các vấn đề khi sử dụng kênh thoại (voice

channel) trong việc truyền tín hiệu số

 Một tín hiệu số là một tổ hợp của các tín hiệu khác Đặc biệt, tín hiệu số có thể được biểu diễn như sau

Signal = f + f 3 + f 5 +f 7 +f 9 +f 11 +f 13 f ∞

 Do đó một tín hiệu số gồm 1 tần số cơ bản (f), cộng thêm

tần số 3f (hài tần bậc 3), cộng thêm tần số 5f (hài tần bậc 5), …

 Nếu biên độ của tần số f, f 3 , f 5 , … là a, a 3 , a 5 , … thì a = 3a 3 = 5a 5 …

 Để gởi tín hiệu số qua kênh truyền thoại, băng thông của

kênh truyền phải cho phép tần số cơ bản f, tần số 3f và tần

số 5f đi qua mà không ảnh hưởng nhiều đến các tần số này

 Đây là yêu cầu tối thiểu để bên nhận nhận đúng được tín

hiệu số

Trang 19

 Truyền 1 tín hiệu số nhị phân tốc độ 2400bps trên kênh thoại có băng thông 3.1kHz

 Tần số cơ bản: 1200Hz (thông thường bằng ½ tốc độ bit)

 Chỉ có tần số cơ bản đi qua mà không bị thay đổi

Trang 20

1.5 Phân tích tạp âm (nhiễu):

 Nhiễu là các tín hiệu ngẫu nhiên, không mong muốn, có

thể xen lẫn vào tín hiệu thu, làm sai dạng tín hiệu thu dẫn đến giảm chất lượng thông tin.

 Nhiễu ngoài bao gồm các nguồn nhiễu tự nhiên hay nhân tạo xâm nhập vào

hệ thống qua các phương tiện truyền Ví dụ sét, đường dây điện….

 Nhiễu nội bao gồm các nguồn nhiễu do chính máy phát hoặc máy thu tạo ra

Trang 21

 Các loại nhiễu nội

Trang 22

 Phân loại nhiễu:

Trang 23

1.6 Dung lượng thông tin và giới hạn

Shannon:  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 (tốc độ bít) R nào đấy,

Nếu: R<C (tỷ lệ truyền thông < dung lượng cho phép)

Sẽ có tồn tại một kỹ thuật mã hóa cho phép xác suất lỗi bên máy thu được tùy tiện giảm nhỏ đi Điều này có nghĩa là trên lý thuyết, người ta có thể truyền tải thông tin không bị lỗi tới một tỷ lệ giới hạn cao nhất bằng dung lượng cho phép C.

Nếu: R>C (tỷ lệ truyền thông > dung lượng cho phép)

Thì xác suất lỗi nhỏ tùy tiện 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.

Trang 24

1.6 Dung lượng thông tin và giới hạn

với W là băng thông của kênh thông tin, có đơn vị

đo là [Hz], S là công suất của tín hiệu được

truyền đi, có đơn vị [W], N là công suất của nhiễu, cũng có đơn vị đo [W] C và R có thứ nguyên

[bit/giây] hay [b/s].

Trang 25

1.7 Hệ thống truyền tin số :

Trang 26

 Nguồn tin : Nơi sản sinh ra tin

Máy phát : Là thiết bị biến đổi tập tin thành tập tín hiệu tương ứng

Trong truờng 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 tang 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

duới dạng sóng điện từ cao tần.

Trang 27

Máy thu gồm hai khối:

Giải mã: Biến đổi các tin đã mã hoá thành các tin

tương ứng ban đầu (các tin của nguồn gửi di)

Giải điều chế: Biến đổi tín hiệu nhận được thành tin

đã mã hóa

 Ðường truyền tin : Là môi trường vật lý, trong đó tín hiệu truyền đi từ máy phát sang máy thu

Trang 28

Biểu thị tin: Làm cho các giác quan của con nguời

hoặc các bộ cảm biến của máy thụ cảm được để xử lý tin (ví dụ băng âm thanh, chữ số, hình ảnh )

Xử lý tin: Biến đổi tin để đưa nó về dạng dễ sử dụng Chức năng này có thể thực hiện bằng con nguời hoặc bằng máy

Trang 29

Kênh truyền tin

Là tập hợp các thiết bị kỹ thuật phục vụ cho việc truyền tin từ nguồn đến nơi nhận tin

Trang 30

Chương II: Kỹ thuật điều chế xung mã PCM

 Các dạng điều chế xung

 Điều chế xung mã PCM

 Mã đường truyền

Trang 31

2.1 Các dạng điều chế xung

 Các dạng điều chế xung bao gồm:

 Điều chế biên độ xung (PAM)

 Điều chế vị trí xung (PPM)

 Điều chế độ rộng xung (PWM hay

PDM)

Trang 32

 Là tín hiệu được tạo bởi một chuỗi các xung mà biên

độ của chúng tỉ lệ với biên độ của tín hiệu tương tự

Trang 33

 Một tín hiệu PWM có dạng xung mà độ rộng của nó tỷ

lệ với biên độ của tín hiệu tương tự đem điều chế

Trang 34

 Tín hiệu PPM là một xung mà vị trí của nó tỷ lệ với

biên độ của tín hiệu tương tự được điều chế

Trang 35

2.2 Điều chế xung mã PCM

trình điều chế khi các xung mang được điều chế bởi tín hiệu mã

 Sơ đồ khối bộ điều chế và giải điều chế PCM

Trang 36

Trang 37

 Mỗi bit sẽ được biểu thị bằng một kiểu dữ liệu số

NR, có nghia là với một mức thế dương “1” hoặc

“0” Ðộ dài của mỗi bit bằng chu kỳ τ được chia

ra bởi các bit n mà nhờ đó việc chuyển dổi A/D

bộ chuyển đổi tín hiệu từ nối tiếp ra song song

tại nơi thu Sau đó được chuyển dổi thành giá trị Analog nhờ bộ chuyển đổi D/A Ðầu ra của bộ

chuyển đổi là một tín hiệu nhẩy bậc xấp xỉ với tín hiệu Analog ban đầu Tín hiệu được cho qua bộ lọc thông thấp dể tạo ra tín hiệu Analog ban đầu

Trang 38

2.2 Điều chế xung mã (PCM)

 Lý thuyết lấy mẫu

 “Nếu tín hiệu f(t) được lấy mẫu đều với tốc độ lấy mẫu cao hơn tối thiểu 2 lần tần số tín hiệu cao

nhất, thì các mẫu thu được chứa đủ thông tin của tín hiệu ban đầu T/h f(t) có thể được tái tạo,

dùng bộ lọc thông thấp”

 Công thức Nyquist: N >= 2f

 N: tốc độ lấy mẫu

 f: tần số của tín hiệu được lấy mẫu

 Dữ liệu tiếng nói

Trang 39

 PAM (Pulse Amplitude Modulation)

 Các xung được lấy mẫu ở tần số R=2B

 Lượng tử hóa các xung PAM

 Xác định giá trị của điểm được lấy mẫu, rơi vào khoảng nào thì lấy giá trị khoảng đó

 Tùy thuộc vào các mức lượng tử 2n (n là số bit cần thiết để số hóa 1 xung)

Discrete-time, discrete-amplitude signal (PCM pulses)

Digital bit stream output signal

Trang 40

Trang 41

chính xác tín hiệu x(t) bởi các mẫu x(n) thì

 Tín hiệu x(t) phải được giới hạn băng thông nghĩa là tồn tại tần số cực đại f max

 Tần số lấy mẫu f s ≥ 2 f max

 f s = 2f max : là tốc độ Nyquist

 f s /2 : tần số Nyquist

Trang 42

 Quá trình lượng tử :

Trang 43

 Quá trình mã hóa :

Ngày nay các hệ thống thực tế sử dụng mã nhị phân để mã hóa cho các mẫu xung

tiếng nói đã được luợng tử Ví dụ trong kỹ thuật điện thoại, dùng 256 mức luợng tử

nên mỗi mẫu xung được mã hóa bằng 1

nhóm mã hoặc gọi là từ mã PCM, chứa 8

xung nhị phân (8 bit).

Trang 44

trạng thái logic khác được biểu diễn bằng mức điện áp âm

 Tốc độ dữ liệu (data rate)

 Độ rộng (chiều dài 1 bit)

 Tốc độ điều chế

 Mark và Space

Trang 45

Polar Encoding

Trang 46

Nonreturn to zero (NRZ)

 2 mức điện áp khác nhau cho bit 1 và bit 0

 Điện áp không thay đổi (không có transition) khi không có sự thay đổi tín hiệu

 Điện áp thay đổi (có transition) khi có sự thay đổi tín hiệu (từ 0 → 1 hoặc từ

1 → 0)

 NRZI cho các bit 1

 Dữ liệu được mã hóa căn cứ vào việc có hay không sự thay đổi tín hiệu ở đầu thời khoảng bit.

 Bit 1: được mã hóa bằng sự thay đổi điện áp (có transition)

 Bit 0: được mã hóa bằng sự không thay đổi điện áp (không có transition)

Trang 47

Nonreturn to Zero (NRZ)

 Dữ liệu được biểu diễn bằng việc thay đổi tín hiệu

 Dùng trong việc ghi băng từ

 Ít dùng trong việc truyền tín hiệu

Trang 48

 Bit-1 được biểu diễn bằng xung

dương hay xung âm

 Các xung 1 thay đổi cực tính

xen kẽ

 Không mất đồng bộ khi dữ liệu

là một dãy 1 dài (dãy 0 vẫn bị

 0 được biểu diễn bằng xung

dương âm xen kẽ nhau

 Không có ưu điểm và nhược

điểm so với bipolar-AMI The 0s are positive and negative alternately

Amplitude

Time

0 1 0 0 1 1 1 0

Trang 49

 Không hiệu quả bằng NRZ

 Mỗi phần tử t/h chỉ biểu diễn 1 bit

 Hệ thống 3 mức có thể biểu diễn log23 = 1.58 bit

 Bộ thu phải có khả năng phân biệt 3 mức (+A, -A, 0)

 Cần thêm khoảng 3dB công suất để đạt được cùng xác suất bit lỗi

Multilevel Binary

0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1

Trang 50

Biphase

 Manchester

 Thay đổi ở giữa thời khoảng bit

 Thay đổi được dùng như tín hiệu đồng bộ dữ liệu

 L → H biểu diễn 1

 H → L biểu diễn 0

 Dùng trong IEEE 802.3

Trang 51

Biphase

 Diferential Manchester

 Thay đổi giữa thời khoảng bit chỉ dùng cho đồng bộ

 Thay đổi đầu thời khoảng biểu diễn 0

 Không có thay đổi ở đầu thời khoảng biểu diễn 1

 Dùng trong IEEE 802.5

Trang 52

 Ưu điểm

 Đồng bộ dựa vào sự thay đổi ở giữa thời khoảng bit (self clocking)

 Không có thành phần một chiều

 Phát hiện lỗi

 Khi thiếu sự thay đổi mong đợi

Trang 53

Biphase

Trang 54

Polar Encoding

Trang 55

B8ZS

 B8ZS (Bipolar With 8 Zeros Substitution)

 Dựa trên bipolar-AMI

 Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là dương, mã thành 000+–0–+

 Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là

âm, mã thành 000–+0+–

 Gây ra 2 vi phạm mã AMI

 Có thể lầm lẫn với tác động gây ra bởi nhiễu

 Bộ thu phát hiện và diễn giải chúng thành 8 số 0 liên tiếp

Trang 56

B8ZS

Trang 57

HDB3

HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)

 Dựa trên bipolar-AMI

 Chuỗi 4 số 0 liên tiếp được thay thế theo quy luật như sau

Trang 58

HDB3

Trang 59

Chương 3: Mã hóa dữ liệu

 Mã hóa nguồn

 Mã hóa kênh

Trang 60

Trang 61

3.1.1 Lý thuyết thông tin: Đo

thông tin  Để đánh giá định lượng cho tin tức, người ta đưa ra khái niệm lượng tin Lượng tin là khả năng dự

đoán được của tin Do vậy độ lớn của tin tỷ lệ nghịch với xác suất xuất hiện của tin

 Nguồn thông tin tạo ra các symbol ở ngõ ra một cách ngẫu nhiên và được đặc trưng bởi đại luợng thống kê Có hai nguồn thông tin là nguồn rời rạc và nguồn tương tự

 Xét nguồn rời rạc đơn giản nhất là nguồn tạo ra một chuỗi các symbol hữu hạn chẳng hạn như

nguồn nhị phân tạo ra chuỗi 1001101… như vậy nguồn này gồm 2 symbol là {0,1} Tổng quát một nguồn có thể tạo ra L symbol {x1 ,x2 ,…xL }

Trang 62

3.1.1 Lý thuyết thông tin: Đo

thông tin  Nguồn thông tin tạo ra các symbol ở ngõ ra một cách ngẫu nhiên và được đặc

trưng bởi đại luợng thống kê Có hai nguồn thông tin là nguồn rời rạc và nguồn tương tự

 Xét nguồn rời rạc đơn giản nhất là nguồn tạo ra một chuỗi các symbol hữu hạn

chẳng hạn như nguồn nhị phân tạo ra chuỗi 1001101… như vậy nguồn này gồm 2 symbol là {0,1} Tổng quát một nguồn có thể tạo ra L symbol {x1 ,x2 ,…xL }

Định dạng
Số trang	123
Dung lượng	3,47 MB