Các vấn đề cơ bản của truyền số liệu pps

Truyền dẫnƒ Truyền dẫn tương tự ƒ Không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền ƒ Suy giảm khi truyền xa ƒ Dùng bộ khuếch đại amplifier để truyền dữ liệu đi xa ƒ Khuếch đại cả tín hiệ

Các vấn đề cơ bản của

truyền số liệu

bvhieu@dit.hcmut.edu.vn

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

Tín hiệu số (digital)

ƒ Tín hiệu số có thể được biểu diễn như sau

x = f + f3 + f5 +f7 +f9 +f11 +f13 f∞

ƒ 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), …

ƒ Gọi biên độ của tần số f, f3, f5,… là a, a3, a5, … thì

Tín hiệu số (tt)

ƒ Có thể truyền tín hiệu số tốc độ 2400bps qua kênh

truyền băng thông 3.1kHz ?

Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Thường dùng tín hiệu số truyền dữ liệu số

ƒ Thường dùng tín hiệu tương tự truyền dữ liệu tương tự

ƒ Có thể dùng tín hiệu tương tự mang dữ liệu số

ƒ Modem

ƒ Có thể dùng tín hiệu số

để mang dữ liệu tương tự

ƒ Compact Disc audio

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

Truyền dẫn

ƒ Truyền dẫn tương tự

ƒ Không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền

ƒ Suy giảm khi truyền xa

ƒ Dùng bộ khuếch đại (amplifier) để truyền dữ liệu đi xa

ƒ Khuếch đại cả tín hiệu lẫn nhiễu

S(f)

Modulator analogs(t) Demodulator

m(t) Digital/Analog

m(t)

fc

Truyền dẫn (tt)

ƒ Truyền dẫn số

ƒ Quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền

ƒ Nhiễu và sự suy giảm tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến sựtích hợp

ƒ Dùng bộ lặp (repeater) để truyền dữ liệu đi xa

ƒ Không khuếch đại nhiễu.

Encoder digitalx(t) Decoder

g(t) Digital/Analog

g(t)

x(t)

Dữ liệu, tín hiệu và truyền dẫn

ƒ Analog data/Analog Signal

ƒ Gởi bình thường

ƒ Mã hóa vào phần phổ khác

ƒ Analog data/Digital Signal

ƒ Dùng bộ codec để tạo ra chuỗi bit số

ƒ Digital Data/Analog Signal

ƒ Được mã hóa dùng modem để tạo ra tín hiệu tương tự

ƒ Digital Data/Digital Signal

ƒ Gởi bình thường

ƒ Mã hóa để tạo ra tín hiệu số có đặc tính mong muốn

Digital signal

Analog signal

Digital data

Digital signal

Analog signal

Analog data Analog and digital transmission

Dữ liệu, tín hiệu và truyền dẫn (tt)

ƒ Analog Signal/Analog Transmission

ƒ Lan truyền thông qua các bộ khuếch đại, xử lý tín hiệu như nhau bất kể dữ liệu là số hoặc tương tự

ƒ Analog Signal/Digital Transmission

ƒ Xem tín hiệu biểu diễn dữ liệu số, lan truyền qua các bộ repeater

ƒ Digital Signal/Analog Transmission

ƒ Không dùng

ƒ Digital Signal/Digital Data

ƒ Tín hiệu là chuỗi nhị phân lan truyền qua các bộ repeater

Truyền dẫn số

ƒ Ưu điểm

ƒ Công nghệ LSI/VLSI làm giảm giá thành

ƒ Toàn vẹn dữ liệu

ƒ Nhiễu và suy giảm tín hiệu không bị tích lũy bởi các repeater

ƒ Truyền khoảng cách xa hơn trên các đường truyền kém chất lượng

ƒ Hiệu quả kênh truyền

ƒ Có thể truyền nhiều kênh hơn trên cùng một đường truyền

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

Tiêu chí so sánh các phương pháp mã hóa

Tiêu chí so sánh các phương pháp mã hóa(tt)

ƒ Khả năng phát hiện lỗi

ƒ Nhiễu và khả năng miễn nhiễm

ƒ Độ phức tạp và chi phí

Dữ liệu số - Tín hiệu số

ƒ Tín hiệu số

ƒ Xung điện áp rời rạc, không liên tục

ƒ Mỗi xung là một phần tử tín hiệu

ƒ Dữ liệu nhị phân được mã hóa thành các phần tử tín hiệu

Thuật ngữ

ƒ Unipolar

ƒ Tất cả các phần tử tín hiệu có cùng dấu

ƒ Polar

ƒ Một trạng thái được biểu diễn bằng mức điện áp dương

ƒ Một trạng thái được biểu diễn bằng mức điện áp âm

ƒ Độ rộng (chiều dài 1 bit)

ƒ Thời gian thiết bị phát dùng để truyền 1 bit

Diễn giải tín hiệu

Nonreturn to zero (NRZ)

ƒ Điện áp không thay đổi trong thời khoảng bit

ƒ Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

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

ƒ Thông thường, điện áp dương dùng cho bit 0 và điện áp âm dùng cho bit 1

ƒ Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)

ƒ Có thay đổi tín hiệu mã hóa 1

Ưu và nhược điểm của NRZ

ƒ Ưu điểm của NRZI so với NRZL

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

ƒ Nhận biết sự thay đổi dễ dàng hơn so với nhận biết mức

ƒ Trong các hệ thống truyền dẫn phức tạp, mức dễ dàng bị mất

ƒ Ưu điểm của NRZ

ƒ Dễ dàng nắm bắt

ƒ Băng thông dùng hiệu quả

ƒ Nhược điểm của NRZ

ƒ Có thành phần một chiều

ƒ Thiếu khả năng đồng bộ

ƒ Dùng trong việc ghi băng từ

ƒ Ít dùng trong việc truyền t/h

Multilevel Binary

ƒ Dùng nhiều hơn 2 mức tín hiệu

ƒ Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)

ƒ Sử dụng 3 mức tín hiệu

ƒ 0 được biểu diễn bằng mức điện áp giữa

ƒ 1 được biểu diễn bằng xung dương hay xung âm

ƒ Các xung thay đổi cực tính xen kẻ nhau

ƒ Pseudoternary: ngược lại Bipolar AMI

Ưu và nhược điểm

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

ƒ Cần thêm gần 3dB công suất để đạt được cùng xác suất bit lỗi

Biphase - Manchester

ƒ Thay đổi ở giữa thời khoảng bit

ƒ Thay đổi vừa là tín hiệu đồng bộ vừa là dữ liệu

ƒ L→H biểu diễn 1

ƒ H→L biểu diễn 0

ƒ Dùng trong IEEE 802.3 (CSMA/CD Ethernet)

Biphase - Differential Manchester

ƒ Thay đổi giữa thời khoảng bit chỉ dùng đồng bộ

ƒ Dữ liệu được biểu diễn bằng việc có hay không

có thay đổi ở đầu thời khoản bit

ƒ Thay đổi : biểu diễn 0

ƒ Không thay đổi : biểu diễn 1

ƒ Dùng trong IEEE 802.5 (Token ring LAN)

Ưu và nhược điểm của Biphase

ƒ Nhược điểm

ƒ Tốc độ điều chế tối đa bằng 2 lần NRZ

ƒ Cần băng thông rộng hơn

ƒ Ưu điểm

ƒ Đồng bộ dựa vào sự thay đổi ở giữa thời

khoảng bit (self clocking)

ƒ Không có thành phần một chiều

ƒ Phát hiện lỗi

ƒ Khi thiếu sự thay đổi mong đợi

Bài tập

Bài tập – Giải

ƒ Dùng kỹ thuật scrambling để thay thế một chuỗi điện áp

ƒ Chuỗi thay thế

ƒ Phải tạo ra đủ sự thay đổi tín hiệu, dùng cho việc đồng bộ hóa

ƒ Có thể thay thế trở lại chuỗi ban đầu

ƒ Cùng độ dài như chuỗi ban đầu

ƒ Không có thành phần một chiều

ƒ Không có chuỗi dài các tín hiệu không thay đổi điện áp

ƒ Không giảm tốc độ dữ liệu

ƒ Có khả năng phát hiện lỗi

Scrambling (xáo trộn)

Scrambling – HDB3

ƒ Dựa trên bipolar-AMI

ƒ Chuỗi 4 số 0 được thay thế theo quy tắc

Dữ liệu số - Tín hiệu tương tự

ƒ Điều biên: Amplitude-Shift Keying (ASK)

ƒ Điều tần: Frequency-Shift Keying (FSK)

ƒ Điều pha: Phase-Shift Keying (PSK)

Điều biên (ASK)

ƒ Dùng 2 biên độ khác nhau của sóng mang để biểu

diễn 0 và 1 (thông thường một biên độ bằng 0)

ƒ Sử dụng một tần số sóng mang duy nhất

ƒ Chỉ phù hợp trong truyền số liệu tốc độ thấp

(~1200bps trên kênh truyền thoại)

ƒ Tần số của tín hiệu mang được dùng phụ thuộc vào

chuẩn giao tiếp đang được sử dụng

ƒ Kỹ thuật được dùng trong cáp quang

cos(2 ) 1 ( )

Điều biên (tt)

Điều tần (FSK) – Binary FSK (BFSK)

ƒ Sử dụng hai tần số sóng mang: tần số cao tương ứng mức 1, tần số thấp tương ứng mức 0

ƒ Ít lỗi hơn so với ASK

ƒ Được sử dụng truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp hơn trên mạng điện thoại

ƒ Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền trên

Điều tần (tt)

Điều tần (FSK) – Multiple FSK (MFSK)

ƒ Dùng nhiều hơn 2 tần số

ƒ Băng thông được dùng hiệu quả hơn

ƒ Khả năng lỗi nhiều hơn

ƒ Mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn nhiều hơn 1 bit dữ liệu

Điều pha (PSK)

ƒ Sử dụng một tần số sóng mang

ƒ Thay đổi pha để biểu diễn các giá trị

ƒ PSK vi phân (differential PSK) – thay đổi pha tương đối so với sóng trước đó (thay vì so với sóng tham chiếu cố định)

ƒ Cho phép mã hóa nhiều bit trên mỗi thay đổi tín hiệu sóng mang (Phase Amplitude Modulation)

ƒ Thường được dùng trong truyền dữ liệu ở tốc độ 2400bps (2

bits per phase change - CCITT V.26) hoặc 4800bps (3 bits

encoding per phase change - CCITT V.27) hoặc 9600bps (4 bits encoding per phase/amplitude change)

Điều pha (tt)

Điều pha - Quadrature PSK (QPSK)

ƒ Sử dụng bốn giá trị lệch pha

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

ƒ QAM được dùng trong ADSL và một số hệ thống wireless

ƒ Kết hợp giữa ASK và PSK

ƒ Gởi đồng thời 2 tín hiệu khác nhau cùng tần số mang

ƒ Dùng 2 bản sao của sóng mang, một cái được dịch đi 90

ƒ Mỗi sóng mang là ASK đã được điều chế

ƒ 2 tín hiệu độc lập trên cùng môi trường

Tín hiệu tương tự - Dữ liệu số

ƒ Điều chế xung mã: Pulse Code Modulation (PCM)

ƒ Điều chế Delta: Delta Modulation (DM)

Điều chế xung mã (PCM)

ƒ 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”

ƒ Công thức Nyquist: N >= 2f

ƒ N: tốc độ lấy mẫu

ƒ f: tần số của tín hiệu được lấy mẫu

Tiếng nói truyền qua điện thoại giới hạn tần số

<4000Hz Tần số lấy mẫu bằng bao nhiêu?

Điều chế xung mã (tt)

ƒ PAM (Pulse Amplitude Modulation)

ƒ Các xung được lấy mẫu ở tần số R=2B

ƒ Lượng tử hóa (Quantizer) các xung PAM

ƒ Giá trị của điểm được lấy mẫu, rơi vào khoảng nào thì lấy giá trị khoảng đó

ƒ Số mức lượng tử là 2 n (n là số bit dùng số hóa một xung)

ƒ Mã hóa dữ liệu

Input

continuous amplitude signal

Discrete time, discrete amplitude signal

Digital bit stream output signal

Điều chế xung mã (tt)

PCM - Non-linear coding

ƒ Mức lượng tử không đều

ƒ Giảm méo tín hiệu

ƒ Companding (compressing-expanding)

Output signal magnitude

Input signal magnitude

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

tại mỗi thời

khoảng lấy mẫu

Điều chế Delta (tt)

Tín hiệu tương tự - Dữ liệu số

ƒ Ứng dụng

ƒ Điều chế dữ liệu tương tự: thay đổi tần số truyền

ƒ Dùng cho dồn kênh FDM

ƒ Kỹ thuật

ƒ Điều chế biên: Amplitude Modulation (AM)

ƒ Điều chế góc (Angle Modulation)

ƒ Điều chế tần số: Frequency Modulation (FM)

ƒ Điều chế pha: Phase Modulation (PM)

Điều chế biên (AM)

ƒ Biên độ của sóng mang được thay đổi bởi biên độ của tín hiệu được truyền đi

s(t) = [1+nax(t)]cos(2πfct)

ƒ Tạo ra tín hiệu 2 bên (DSBTC)

ƒ SSB và DSBSC

ƒ Ưu điểm

ƒ Dễ hiện thực (điều chế và giải điều chế)

ƒ Dễ biến đổi tín hiệu sang các giải băng tần khác nhau

ƒ Khuyết điểm

ƒ Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu

ƒ Không sử dụng hiệu quả năng lượng

Điều chế biên

Điều chế góc

ƒ Phương pháp điều tần số (FM)

ƒ Tín hiệu phát thay đổi thành phần tần số tỷ lệ với biên độ

và tần số của tín hiệu truyền đi

ƒ Ưu điểm

ƒ Khó bị ảnh hưởng của nhiễu

ƒ Sử dụng hiệu quả năng lượng

Điều chế góc

ƒ Phương pháp điều chế pha (PM)

Φ(t) = npm(t)

ƒ Tín hiệu truyền đi làm thay đổi pha của sóng mang

ƒ Phổ của tín hiệu được điều chế theo phương pháp điều pha tương

tự như phương pháp điều tần

→ phương pháp điều pha cũng có các đặc điểm tương tự phương pháp điều tần

ƒ Ưu điểm của điều chế pha

ƒ Tần số của tín hiệu là cố định, pha thay đổi Chỉ cần thiết kế bộ lọc tần số cho một tần số duy nhất thay vì nhiều tần số như trong phương pháp điều tần ?

ƒ Trong trường hợp tín hiệu điều chế chỉ nhận một số giá trị (như tín hiệu số), mạch điều chế và giải điều chế hiện thực theo phương pháp điều pha được đơn giản rất nhiều