3 truyền dữ liệu chương 3 tín hiệu

+ Dữ liệu và thông tin là cái chúng ta có và ta muốn được truyền đi nhưng tín hiệu là thứ chúng ta thực sự truyền đi.+ Cả dữ liệu và tín hiệu đều có thể ở dạng tương tự hoặc kỹ thuật số.

Giảng viên: Lê Văn Dũng

 Tín hiệu analog (tương tự)

+ Tín hiệu: Vật mang đã chứa thông tin hay dữ liệu trong nó,

là hàm đơn trị, biến thiên theo thời gian hoặc tần số.

+ Dữ liệu và thông tin là cái chúng ta có và ta muốn được truyền đi nhưng tín hiệu là thứ chúng ta thực sự truyền đi.

+ Cả dữ liệu và tín hiệu đều có thể ở dạng tương tự hoặc kỹ

thuật số.

+ Dữ liệu tương tự là dữ liệu liên tục theo thời gian và có

các giá trị liên tục; dữ liệu số không liên tục theo thời gian và

có giá trị rời rạc.

+ Tín hiệu tương tự là tín hiệu có vô số các giá trị liên tục

theo thời gian Tín hiệu số là tín hiệu có hữu hạn các giá trị

rời rạc theo thời gian.

+ Trong truyền dữ liệu, ta thường dùng tín hiệu tương tự có chu kỳ (tuần hoàn) và các tín hiệu số không có chu kỳ (không tuần hoàn).

Đồ thị so sánh giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Tín hiệu tương tự gồm tín hiệu tương tự tuần hoàn và tín hiệutương tự không tuần hoàn

Tín hiệu tương tự tuần hoàn gồm tín hiệu đơn (điều hòa) và tín hiệu hỗn hợp (tổng hợp nhiều tín hiệu điều hòa)

1 Tín hiệu tương tự tuần hoàn

Tín hiệu đơn (điều hòa): Là tín hiệu tương tự có chu kỳ đơn

giản Ví dụ: Sóng sin Đặc điểm của tín hiệu đơn là không thể phân tích thành các thành phần đơn giản hơn nữa.

Tín hiệu hỗn hợp: Là tổ hợp nhiều sóng sin đơn giản.

 Đặc điểm của tín hiệu đơn tuần hoàn

Một sóng sin có thể được thể hiện bởi 3 thành phần: Biên độ đỉnh (peak amplitude); tần số (frequency) và pha (phase)

a Biên độ đỉnh: Là giá trị tuyệt đối của cường độ cao nhất của nó,

tỷ lệ với năng lượng mà nó mang theo Đối với tín hiệu điện, biên

độ đỉnh thường được đo bằng vôn

 Đặc điểm của tín hiệu đơn tuần hoàn

b Tần số và chu kỳ

Tần số (f): Là số tín hiệu truyền đi trong một đơn vị thời giây Đơn

vị là Hertz (Hz)

Chu kỳ là nghịch đảo của tần số và ngược lại:

Chu kỳ (T): Là thời gian mà một tín hiệu được truyền đi Đơn vị là

giây (s)

1 f

 Đặc điểm của tín hiệu đơn tuần hoàn

b Tần số và chu kỳ

 Đặc điểm của tín hiệu đơn tuần hoàn

+ Tần số là tốc độ thay đổi theo thời gian Thay đổi trong mộtkhoảng thời gian ngắn có nghĩa là tần số cao Thay đổi trong mộtkhoảng thời gian dài có nghĩa là tần số thấp

 Đặc điểm của tín hiệu đơn tuần hoàn

 Đặc điểm của tín hiệu đơn tuần hoàn

c Pha

Pha mô tả vị trí tương đối

của tín hiệu so với giá trị 0

Pha được đo bằng độ hoặc

radian (3600 là 2π rad; 10 là

2π/360 rad) Sự dịch chuyển

pha 360o tương ứng với sự

thay đổi của một chu kỳ; sự

dịch chuyển pha 180o tương

ứng với sự dịch chuyển của

(1/2)T; và sự dịch chuyển

pha 90º tương ứng với sự

dịch chuyển của (1/4)T Các tín hiệu cùng tần số, biên độ nhưng khác pha

 Đặc điểm của tín hiệu đơn tuần hoàn

d Bước sóng (Wavelength)

Ta biết một chu kỳ là 2π radian hay 3600 nên (1/6)T là:

e Miền thời gian và tần số (Time and Frequency Domains)

Miền thời gian: Được sử dụng để biểu diễn một tín hiệu sóng sin đơn.

Biểu đồ miền thời gian biểu diễn sự thay đổi của biên độ theo thời gian.

Pha không được thể hiện rõ trong miền thời gian

Miền tần số: Biểu diễn quan hệ giữa biên độ và tần số Biểu đồ miền tần

số chỉ quan tâm đến giá trị đỉnh và tần số Các thay đổi của biên độ theo thời gian không được hiển thị.

e Miền thời gian và tần số (Time and Frequency Domains)

Chú ý: Một sóng hoàn toàn sin trong miền thời gian có thể đượcbiểu diễn bởi một gai đơn trong miền tần số

Nếu có nhiều sóng sin thì biểu diễn trong miền tần số sẽ hiệu quảhơn

Tín hiệu sóng sin chỉ dùng một tần số thì không hữu dụng trongthông tin số vì ta cần gửi đi các tín hiệu hỗn hợp nên ta cần tạo ratín hiệu gồm nhiều tần số sóng sin.

 Đặc điểm của tín hiệu tổng hợp (Composite Signals)

Theo phân tích Fourier, ta có thể triển khai tín hiệu hỗn hợp thànhnhiều sóng sin có tần số, biên độ và pha khác nhau

+ Nếu tín hiệu tổng hợp tuần hoàn, khi phân tích sẽ có cácthành phần tần số rời rạc

+ Nếu tín hiệu tổng hợp không tuần hoàn, khi phân tích sẽ cócác thành phần tần số liên tục

Ví dụ: Tín hiệu tổng hợp tuần hoàn trong miền thời gian.

 Đặc điểm của tín hiệu tổng hợp (Composite Signals)

Ví dụ: Tín hiệu tổng hợp tuần hoàn trong miền thời gian.

 Đặc điểm của tín hiệu tổng hợp (Composite Signals)

Sau khi khai triển tín hiệu tổng hợp tuần hoàn trong miền thời gian

và miền tần số

Tín hiệu tổng hợp không tuần hoàn có thể là dạng tín hiệu từ microhay điện thoại tạo ra khi phát âm một hoặc hai từ Trong trườnghợp này, tín hiệu không phải là tuần hoàn do ta không thể phát âmnhiều lần 1 từ với cùng âm sắc như nhau.

2 Tín hiệu tương tự không tuần hoàn

Băng thông của tín hiệu tổng hợp là sự sai khác (hiệu số) giữa tần

số cao nhất và tần số thấp nhất có trong tín hiệu đó

 Băng thông (Bandwidth)

Ví dụ 1: Nếu một tín hiệu tuần hoàn được phân tích thành nămsóng sin có tần số 100, 300, 500, 700 và 900 Hz thì băng thôngcủa nó là bao nhiêu? Vẽ quang phổ, giả sử tất cả các thành phầnđều có biên độ cực đại là 10 V.

 Băng thông (Bandwidth)

high low

B  f  f  900 100  800 (Hz)

Ví dụ 2: Nếu một tín hiệu tuần hoàn có băng thông là 20 Hz Tần sốcao nhất là 60 Hz Tìm tần số thấp nhất Vẽ phổ tín hiệu nếu tín hiệu chứacác tần số có biên độ như nhau.

 Băng thông (Bandwidth)

high low low high

B  f  f  f  f  B 60 20  40 (Hz)

Phổ bao gồm tất cả các tần số nguyên được thể hiện như hình dưới:

Ví dụ 3: Một tín hiệu tổng hợp không tuần hoàn có băng thông 200 kHz

có tần số trung tâm 140 kHz, và biên độ đỉnh là 20V Giá trị biên độ tại haitần số cực = 0 Vẽ tín hiệu trong miền tần số

 Băng thông (Bandwidth)

Từ (1) và (2) ta có:

high low high low

B  f f  f f  B 200 (kHz) (1)

high low center high low center

Bên cạnh biểu diễn qua tín hiệu tương tự, ta cũng có thể biểu diễnthông tin qua tín hiệu kỹ thuật số.

Đa số tín hiệu số là không tuần hoàn nên chu kỳ và tần số là đặc

trưng không thích hợp mà ta dùng Tốc độ bit.

 Tốc độ bit (bit rate)

Tốc độ bit: Là số bit được truyền đi trong 1 giây Đơn vị: Bit per

second (bps)

Ví dụ 1: Ta cần download tài liệu văn bản với tốc độ 100 trang mỗi giây Cho biết một trang có 24 dòng, mỗi dòng có 80 ký tự, một ký tự có 8 bit Vậy tốc độ bit là bao nhiêu?

bit

R  100 24 80 8    1536 000 (bps) 1.536 (Mbps)

Ví dụ 2: Tính tốc độ bit của truyền hình độ phân giải cao HDTV

HDTV dùng tín hiệu số để truyền tín hiệu hình ảnh chất lượng cao Màn hình HDTV thường dùng có tỉ lệ 16:9 Như thế thì mỗi màn hình có 1920x1080 pixel Với tốc độ quét là 30 lần trong 1 giây Mỗi pixel màu cần được biểu diễn bằng 24 bit.

bit

R  1920 1080 30 24    1492 992 000 (bps)  1.5 (Gbps)

Trong tín hiệu tương tự tuần hoàn ta có khái niệm bước sóng thìtrong tín hiệu số ta có khái niệm độ dài bit.

 Độ dài bit (Bit length)

Độ dài bit: Là khoảng cách một bit chiếm khi truyền dẫn trong môi

trường Đơn vị là đơn vị độ dài

Dựa vào phép phân tích chuỗi Fourier ta thấy rằng, tín hiệu số làtín hiệu tương tự tổng hợp với băng thông là vô hạn.

 Tín hiệu số - Tín hiệu tương tự tổng hợp

Trong truyền dữ liệu, tín hiệu truyền đi thường là tín hiệu số khôngtuần hoàn Vậy tín hiệu số không tuần hoàn được truyền như nào

từ điểm A đến B?

 Truyền tín hiệu số (Transmission of Digital Signals)

Hai cách truyền tín hiệu số:

Truyền dẫn băng tần cơ sở có nghĩa là gửi tín hiệu kỹ thuật số quamột kênh mà không thay đổi tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệutương tự.

Truyền dẫn băng tần cơ sở yêu cầu một kênh thông thấp (Lowpass channel), là một kênh có băng thông bắt đầu từ không.

Kênh thông thấp chia ra làm hai loại: Kênh băng thông hẹp và

kênh băng thông rộng

1 Truyền dẫn băng tần cơ sở

 TH1: Kênh thông thấp với băng thông rộng

Để bảo toàn dạng của tín hiệu số không tuần hoàn, ta cần gửi toàn

bộ phổ (dải tần số liên tục từ 0 đến vô cùng) Điều này có thể thựchiện được nếu chúng ta có một phương tiện chuyên dụng với băngthông vô hạn giữa người gửi và người nhận

Như vậy: Truyền dẫn tín hiệu số trên dải tần cơ sở có thể duy trì

dạng tín hiệu nếu ta dùng kênh truyền thông thấp có băng thôngrất lớn hoặc vô hạn

+ Để truyền dẫn qua một kênh có băng thông hẹp thì tín hiệu

số phải được xấp xỉ thành tín hiệu tương tự tổng hợp để có băng thông phù hợp với kênh truyền.

 TH2: Kênh thông thấp với băng thông hẹp

+ Mức độ xấp xỉ tín hiệu số tùy thuộc vào băng thông của kênh truyền.

+ Theo phân tích Fourier, tín hiệu số là tín hiệu tương tự tổng hợp có thành phần tần số cơ bản và các hài bậc cao; quá trình xấp xỉ tín hiệu số được thực hiện bằng cách chỉ giữ lại tần số cơ bản và một số hài bậc cao.

 TH2: Kênh thông thấp với băng thông hẹp

+ Giả sử dòng tín hiệu số có tốc độ bit N (bps), tín hiệu số đượcxấp xỉ thô (ít chính xác nhất) thành tín hiệu tương tự có tần số caonhất là N/2 (Hz) Điều này xảy ra khi tín hiệu mang chuỗi 010101 hoặc dãy số 101010

a Xấp xỉ thô (Rough approximation)

có băng thông tối thiểu N/2 (Hz)

để truyền đi được

 TH2: Kênh thông thấp với băng thông hẹp

a Xấp xỉ thô (Rough approximation)

Xấp xỉ thô tín hiệu số chỉ dùng một sóng hài

 TH2: Kênh thông thấp với băng thông hẹp

+ Để hình dạng của tín hiệu tương tự giống tín hiệu kỹ thuật sốhơn, chúng ta cần thêm nhiều sóng hài của các tần số Chúng tacần tăng băng thông Ta có thể tăng băng thông lên 3N/2, 5N/2,7N/2,…

b Xấp xỉ tốt hơn (Better approximation)

 TH2: Kênh thông thấp với băng thông hẹp

b Xấp xỉ tốt hơn (Better approximation)

Xấp xỉ tín hiệu số tốt hơn khi dùng sóng hài bậc ba

Kết luận: Khi truyền dẫn trên dải tần cơ sở thì băng thông cần thiết

tỉ lệ với tốc độ bit (bit rate) Nếu ta muốn truyền bit nhanh hơn tacần băng thông rộng hơn

1 Truyền dẫn băng tần cơ sở

Bảng dưới cho thấy băng thông cần thiết và độ chính xác mongmuốn khi biết tốc độ bit

Ví dụ 1: Tính băng thông cần thiết của kênh truyền thông tần số thấp nếu cần gửi với tốc độ 1Mbps dùng phương pháp truyền trên dải tần

cơ sở.

1 Truyền dẫn băng tần cơ sở

Băng thông cần thiết tùy thuộc mức độ chính xác cần có:

+ Băng thông tối thiểu: B = (Tốc độ bit)/2 = 500 KHz

+ Băng thông tốt hơn dùng hài bậc 1 và bậc 3: B = 3x500 = 1,5MHz.

+ Băng thông tốt hơn dùng hài bậc 1, 3, 5: B = 5x500 = 2,5MHz.

Ví dụ 2: Dùng hai kênh thông tần số thấp có băng thông là 100KHz Cho biết tốc độ truyền bit tối đa là bao nhiêu?

Tốc độ truyền bit tối đa có thể đạt được nếu dùng sóng hài bậc một.

+ Tốc độ bit = 2x(băng thông hiện có) = 200 Kbps

+ Để truyền hoặc điều chế băng thông rộng ta phải thay đổi tínhiệu số thành tín hiệu tương tự để truyền Điều chế cho phép ta

sử dụng kênh thông dải Kênh thông dải là kênh có tần số từ f1đến f2 (f1, f2>>0) Kênh thông dải khả dụng hơn kênh thông thấp

2 Truyền dẫn trên băng tần thông dải (Broadband Transmission)

+ Bình thường, nếu kênh khả dụng là kênh thông dải ta không thểgửi trực tiếp tín hiệu số mà phải chuyển đổi thành tín hiệu tương tự

có tần số cao Quá trình này gọi là điều chế (modulation)

2 Truyền dẫn trên băng tần thông dải

Điều chế tín hiệu số để truyền trên kênh thông dải

 Nguyên nhân suy hao truyền dẫn (Transmission impairment)

Do tín hiệu trong thực tế được truyền qua môi trường không hoànhảo dẫn đến sự suy hao tín hiệu Hay tín hiệu ở nơi nhận khônggiống với tín hiệu nơi phát

Ba nguyên nhân gây ra suy hao tín hiệu: suy giảm (Attenuation);

méo (Distortion); nhiễu (Noise)

Impairment causes

Attenuation Distortion Noise

1 Sự suy hao (Attenuation)

Suy giảm là tín hiệu bị mất đi năng lượng (do chuyển hóa thành

nhiệt), hay nói cách khác nó bị yếu đi khi truyền qua kênh truyền

Để bù vào năng lượng bị mất đi, ta phải dùng bộ khuếch đại đểkhuếch đại tín hiệu

1 Sự suy hao (Attenuation)

Đơn vị đo sự suy hao: Để đo mức độ suy hao tín hiệu ta sử dụng

Trong đó: + P1 là công suất phát đi

+ P2 là công suất thu được

được khuếch đại

1 Sự suy hao (Attenuation)

Ví dụ 1: Giả sử một tín hiệu truyền qua môi trường truyền dẫncông suất giảm một nửa Khi đó sự suy hao tín hiệu được xácđịnh:

2 Méo dạng tín hiệu (Distortion)

Méo dạng tín hiệu là tín hiệu bị thay đổi hình dạng khi truyền qua

đường truyền

Méo dạng tín hiệu xuất hiện ở tín hiệu tổng hợp, do có nhiều

thành phần tần số, mỗi tần số có vận tốc khác nhau; dẫn đến trễpha tại phía thu khác nhau làm tín hiệu khác với phía phát

3 Nhiễu (Noise)

Nhiễu tín hiệu là tín hiệu không mong muốn lẫn vào tín hiệu có

ích

+ Nhiễu nhiệt (Thermal noise): là chuyển động ngẫu nhiên của

các electron trong dây dẫn, tạo ra một tín hiệu phụ không phải domáy phát gửi ban đầu

+ Nhiễu cảm ứng (Induced noise): Do các thiết bị khác tác động

vào tín hiệu

+ Nhiễu xuyên âm (Crosstalk noise): Do tín hiệu từ kênh khác

tác động vào

+ Nhiễu xung (Impulse noise): Là xung đột biến (tín hiệu có năng

lượng cao trong thời gian ngắn) phát ra từ đường dây điện, sét,…

3 Nhiễu (Noise)

 SNR (Signal to Noise Ratio)

+ Để đánh giá nhiễu, ta thường sử dụng tỷ số tín hiệu trên nhiễu

(SNR) SNR thường tính theo dB

SNR = Công suất tín hiệu tb / Công suất nhiễu tb

 SNR (Signal to Noise Ratio)

+ Có hai trường hợp với SNR: Nếu SNR cao tức là tín hiệu ít bịảnh hưởng bởi nhiễu Ngược lại SNR thấp thì tín hiệu bị ảnhhưởng nhiều bởi nhiễu

+ Trong truyền dữ liệu, tốc độ truyền dữ liệu được tính bằng bit /giây, qua một kênh.

 Khái niệm

+ Tốc độ dữ liệu phụ thuộc vào ba yếu tố:

+ Công thức lý thuyết được phát triển để tính tốc độ dữ liệu:

- Kênh không có nhiễu: Công thức Nyquist

- Băng thông có sẵn

- Số mức tín hiệu sử dụng

- Chất lượng kênh (Mức độ nhiễu)

- Kênh có nhiễu: Công thức Shannon

+ Công thức tính tốc độ truyền dữ liệu:

 Kênh không nhiễu: Tốc độ bit Nyquist

2

Bitrate   2 Bandwidth log L 

Trong đó: Bandwidth là băng thông của kênh L là số mức tínhiệu để biểu diễn dữ liệu Bitrate là tốc độ dữ liệu tính bằng bit/s

Như vậy: Về lý thuyết, với băng thông sẵn có ta có thể có tốc độ

bit mong muốn bằng cách tăng số mức tín hiệu L Tuy nhiên, thực

tế cho thấy việc tăng L sẽ làm giảm độ tin cậy của hệ thống

 Kênh không nhiễu: Tốc độ bit Nyquist

Ví dụ 1: Xét kênh không nhiễu có băng thông là 3000Hz truyền tínhiệu với hai mức tín hiệu, bốn mức tín hiệu Tốc độ bit tối đa có thểđược tính trong mỗi trường hợp:

Ta thấy kết quả này không phải là lũy thừa của 2 nên ta phải tăng

số mức hoặc giảm tốc độ bit Cụ thể nếu ta có 128 mức thì tốc độbit là 280kbps, nếu có 64 mức thì tốc độ bit là 240kbps

 Kênh nhiễu: Công thức Shannon

Trong thực tế thì luôn tồn tại nhiễu trên kênh truyền Do vậy, năm

1944, Claude Shannon đưa ra công thức gọi là Dung lượng

Shannon (Shannon Capacity) để xác định tốc độ dữ liệu lớn nhấttheo lý thuyết đối với kênh nhiễu

Ví dụ: Ta có thể tính tốc độ bit lớn nhất theo lý thuyết của đườngdây điện thoại thông thường Đường dây điện thoại thường cóbăng thông 3000Hz (300 đến 3300Hz) được chỉ định cho truyền dữliệu SNR là 3162 Với kênh này thì dung lượng kênh là:

Như vậy, tốc độ bit cao nhất cho đường dây điện thoại là 34.860

kbps Nếu chúng ta muốn gửi dữ liệu nhanh hơn mức này, chúng

ta có thể tăng băng thông của đường truyền hoặc cải thiện tỷ lệ tínhiệu trên nhiễu

 Kênh nhiễu: Công thức Shannon

2

Capacity(C)  3000 log (1 3162)    34860 (bps)

Trong thực tế ta phải kết hợp cả hai công thức để tìm giới hạn vàcác mức tín hiệu.

Ví dụ, Ta có một kênh với băng thông là 1 MHz SNR cho kênh này

là 63 Vậy tốc độ bit và mức tín hiệu thích hợp là bao nhiêu?

 Kết hợp Công thức Nyquist và Công thức Shannon

6

C   B log (1 SNR)   10  log (1 63)   6 (Mbps)

Trước tiên dùng công thức Shannon để tìm giới hạn trên:

Với giới hạn trên là 6 Mbps, ta chọn là 4 Mbps để hiệu suất tốthơn Khi đó số mức tín hiệu là: