Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu – Chương 2: Truyền dẫn số

Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu – Chương 2: Truyền dẫn số trình bày sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ; chức năng của các khối; các tham số cơ bản của mã hóa; các phương pháp biểu diễn mã; mục đích của mã hóa; định dạng tín hiệu số; một số loại mã đường phổ biến.

Chương 2

Truyền dẫn số

Sơ đồ khối chức năng của hệ thống thông tin số đầy đủ

Chức năng của các khối

• Khối định dạng: làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu

tương tự sang dãy từ mã số

• Khối mã hóa: nguồn làm giảm số bit nhị phân yêu

cầu để truyền bản tin

• Khối mật mã hóa: làm nhiệm vụ mật mã hóa bản tin

gốc nhằm mục đích an ninh

• Khối mã hóa kênh: làm nhiệm vụ đưa them các bit

dư vào tín hiệu số theo một quy luật nào đấy

• Giải mã nguồn,giải mật mã và giải mã hóa kênh

được thực hiện ở bộ thu ,các quá trình này ngược với quá trình mã hóa bên bộ phát.

• Khối ghép kênh: giúp cho tuyến truyền thông tin có

thể cùng chia sẻ một đường truyền vật lý chung như

là cáp,đường truyền vô tuyến…

• Khối điều chế: giúp cho dòng tín hiệu số có thể

truyền qua một phương tiện vật lý cụ thể theo một

tốc độ cho trước,với mức độ méo chấp nhận

được,yêu cầu một băng thông tần số cho phép.

• Khối đa truy cập: liên quan đến các kỹ thuật hoặc

nguyên tắc nào đó,cho phép nhiều cặp thu phát cùng chia sẻ một phương tiện vật lý chung

Khái niệm mã hóa

• Cho nguồn tin rời rạc X sinh ra N tin hay ký tựđộc lập (x 1,x 2,.,x i,…,x N).Xét một tập hợp M

có M phần tử hữu hạn (m 1,m 2,…,m q)

• Mã hóa (encoding) nguồn tin X bằng tập M cónghĩa là biến đổi mỗi tin x của nguồn tin Xthành một tập các phần tử thuộc M nhằmthỏa mãn một yêu cầu nào đó của hệ thốngthông tin:

• Phép biến đổi ngược lại được gọi là giải mã(decoding)

→

Các tham số cơ bản của mã hóa:

• Tập M được gọi là mã hiệu(code),các phần

tử m gọi là ký hiệu mã (symbol),số ký hiệu

mã khác nhau trong mã gọi là cơ số của mã

• Dãy liên tục các ký hiệu mã dùng để mã hóa một tin của nguồn được gọi là từ mã

(codeword)

• Số ký hiệu mã có trong một từ mã được gọi

là độ dài của từ mã (codeword length)

• Khoảng cách mã (distance),ký hiệu là d,là số

ký hiệu cùng vị trí khác nhau giữa hai từ mã dài bằng nhau

Các phương pháp biểu diễn mã

a/Phương pháp liệt kê:

• Chỉ cần liệt kê các tin của nguồn và các từ

mã tương ứng

• Ví dụ: nguồn tin có 8 tin (ký tự),các tin được

mã hóa như bảng dưới đây:

Các phương pháp biểu diễn mã(tt)

b/Phương pháp ma trận:

• Từ ví dụ trên,ta thấy:có những từ mã là tổhợp tuyến tính của các từ mã khác.Chẳnghạn:

• Ví dụ ma trân sinh tương ứng với bảng mãtrên là :

Các phương pháp biểu diễn mã(tt)

• Từ mỗi nút nhánh phân ra tối đa q nhánh.

• Từ mã bao gồm các ký hiệu mã là giá trị của các nhánh theo thứ tự đi từ nút gốc qua các nút nhánh đến nút lá.

0 1

Ví dụ

• Hình dưới đây là ví dụ về cây mã cho bộ mãgồm các từ mã là 00, 01, 10, 1101, 11001

Các phương pháp biểu diễn mã(tt)

Mục đích của mã hóa

• Định dạng: để chuyển tin từ dạng gốc tự nhiên sang

dạng chuẩn ví dụ sang dạng số PCM.

• Mã hóa đường: để đảm bảo dạng song của ký tự

truyền đi phù hợp với các đặc điểm của kênh truyền.

• Mã hóa nguồn (source encoding): nhằm giảm số

ký tự trung bình yêu cầu để truyền bản tin.

• Mật mã hóa (encryption): để mã hóa bản tin bằng

một khóa mật mã nhằm tránh sự thâm nhập trái phép,đảm bảo độ an toàn cho thông tin.

• Mã hóa kênh truyền (channel encoding): cho phép

bên thu có thể phát hiện,kể cả sửa được các lỗi trong bản tin thu để tăng độ tin cậy của thông tin.Do những đặc điểm riêng,phần mất mã hóa sẽ không được đề cập trong môn học này.

Điều mã xung (Pulse code modulation- PCM)

• Mã hóa: là một phương pháp biến đổi tín

hiệu tương tự sang tín hiệu số trong đó thôngtin đầu vào biến đổi theo mã tín hiệu thànhcác tổ hợp bit nối tiếp ở đầu ra

a/ Lấy mẫu và giữ mẫu

• Rời rạc hóa tín hiệu theo thời gian, thay vìtruyền tín hiệu f(t) liên tục theo thời gian thì tachỉ phải truyền tín hiệu tại các thời điểm f(Ts),f(2Ts), f(3Ts)…

• Chức năng của bộ lấy mẫu trong bộ phátPCM là lấy mẫu một cách chu kỳ

• Có hai kiểu lấy

mẫu tuỳ theo dạng của đỉnh độ rộng xung

• + Lấy mẫu tự nhiên

• + Lấy mẫu đỉnh

phẳng.

b/ Lượng tử hóa

• Lượng tử hóa biên độ: là các ánh xạ các

mẫu tín hiệu vào có biên độ liên tục trên mộttập hữu hạn các mức biên độ

• Đặc điểm:

+ Rời rạc hóa tín hiệu

+ Ép thang đo vào dải tín hiệu

+ Đo biên độ mẫu tín hiệu và làm tròn tín hiệu

đó, thành một mức biên độ chuẩn đã đượcđịnh nghĩa sẵn trong một dải biên độ tín hiệucho trước

• : Bước lượng tử hóa

tt

c/ Mã hóa

• Mã hoá là một quá trình so các giá trị rời rạcnhận được bởi quá trình lượng tử hoá vớicác xung mã

• Thông thường các mã nhị phân được sửdụng cho việc mã hoá là các mã nhị phân tựnhiên, các mã Gray (các mã nhị phân phảnxạ), và các mã nhị phân kép

a/ Tín hiệu tương tự liên tục

b/ Xung PAM sau lấy mẫu

c/ Tín hiệu thu được sau khi lượng tử

Định dạng tín hiệu số

• 1/Các yếu tố cần xem xét khi chọn mã đường

• 2/Một số loại mã đường phổ biến

1/Các yếu tố cần xem xét khi chọn

mã đường:

• Thành phần một chiều DC : Nếu trong thành phần

của mã đường có chứa thành phần DC thì thành phần này sẽ bị ngăn lại gây méo tín hiệu thu khi đường truyền kết nối AC như dùng tụ điện,biến áp.

• Băng thông : Băng thông của mã đường càng nhỏ

sẽ càng tiết kiệm được băng thông

• Tỷ lệ lỗi bit BER : càng nhỏ càng tốt

• Tính trong suốt (transparancy) : phải bảo đảm tính

trong suốt có thể truyền chính xác tới bên thu.

• Khả năng dễ dàng khôi phục đồng hồ

• Khả năng tự phát hiện lỗi : Căn cứ vào quy luật mã

hóa để phát hiện lỗi.

• Đơn giản trong việc thực hiện mã hóa và giải mã.

Định dạng tín hiệu số

• 1/Các yếu tố cần xem xét khi chọn mã đường

• 2/Một số loại mã đường phổ biến

2/Một số loại mã đường phổ biến:

2/Một số loại mã đường phổ biến:

a/Mã Unipolar :

• Bit 1 biểu diễn bởi mức điện áp cap (+V),

• Bit 0 biểu diễn bởi mức 0 gọi là space.

b/Mã Polar :

• Bit 1 biểu diễn bởi mức cao (+V),

• Bit 0 biểu diễn bởi mức thấp (-V)

c/Mã Bipolar :

• Dùng 3 mức điện áp để biểu diễn hai loại bit nhị phân

• +Dòng bit 1 biểu diễn bởi sự thay đổi mức luân phiên (+V,-V)

• +Dòng bit 0 biểu diễn bởi mức 0

d/Mã Manchester :

• Bit 1 biểu diễn bởi mức +V trong một nửa

đầu và –V trong một nửa sau

• Bit 0 biểu diễn bởi mức –V trong một nửa đầu

và +V trong một nửa sau

e/Mã HDB3 :

• Là một loại mã Bipolar nhưng khi trong dòng bit PCM có xuất hiện 4 bit 0 liên tiếp thì thay 4 bit 0 đó bằng một cụm 4 bit đặc biêt.Cụm 4

bit đặc biệt đó là 000V hay B000V trong đó B

là bit tuân theo luật bipolar,V là bit trái luật

bipolar(+V,+V hoặc –V,-V)

-000- +00+

000+

-00-tt

tt

Mã hóa nguồn

• Nguồn tin có 2 loại chính :

+nguồn liên tục(continuos source) như nguồn

âm thanh,nguồn video…

+nguồn rời rạc (discrete source) như nguồn dữ liệu từ máy tính…

• Do đó có hai kỹ thuật mã hóa nguồn chính là

+mã hóa nguồn liên tục +mã hóa nguồn rời rạc.

• Nguyên tắc của mã hóa nguồn rời rạc là mã hóa các

ký tự có xác suất sinh ra lớn bằng các từ mã ngắn và

mã hóa các ký tự có xác suất sinh ra bé bằng các từ

mã dài.Loại mã này gọi là mã hóa thống kê(statistical encoding)

• P(bản tin)=1 : không mang tin

• P(bản tin)=0 : mang một lượng tin vô hạn

• Hàm loga(1/p(i)) được chọn để đánh giá định lượng cho tin.Lượng tin của một tin i là :

• Đơn vị đo của lượng tin phụ thuộc vào cơ số của loga

• Đơn vị của lượng tin là bit, nat hay harley khi

cơ số của loga lần lượt là 2,e,10

• Khi chọn cơ số 2 thì lượng tin của i là :

Entropy của nguồn tin

• Entropy H được định nghĩa là giá trị trungbình thống kê của lượng tin

• Xét một nguồn tin sinh ra M ký tự độc lậpthống kê.Entropy của nguồn này là:

• Trong đó p(m) là xác suất chon ký tự thứ m

• Lý thuyết tin đã chứng minh giá trị lớn nhấtcủa Entropy là:

• Đối với nguồn tin ASCII có M=128 thì entropy cực đại là :

• Thực tế điều này khó xảy ra

• Đối với nguồn tin nhị phân có M=2, nếu

của nguồn là :

cao vì chúng được truyền đi thường xuyên

hơn và ngược lại, nhiều bit hơn cho các ký tự

có xác suất xuất hiện thấp nên có thể tăng

được hiệu suất

Thuật toán Huffman gồm các bước sau :

• Sắp xếp các ký tự theo xác suất giảm

dần.Gán cho hai ký tự có xác suất xuất hiệnthấp nhất với hai nhánh (0) và (1) của câymã.Từ hai ký tự có xác suất thấp nhất giảmcòn một ký tự với xác suất bằng tổng củahai xác suất

• Lặp lại từ bước 1 cho đến khi chỉ còn lại

một ký tự duy nhất với xác suất là 1

• Duyệt cây mã để tìm ra từ mã tương ứng

với từng ký tự của nguồn

B1: Sắp xếp ký tự theo thứ tự xs

B1: Sắp xếp ký tự theo thứ tự xs

B2: Gán 2 ký tự có xs thấp nhất thành một ký

tự có xs bằng tổng của 2 xs đó rồi làm lại B1

0,13

0,10,10,09

0,40,180,10,1

0,09

0,070,06

0,4

0,19

0,180,130,1

0,4

0,23

0,190,18

B3: Gán cho hai nhánh có xs thấp

nhất giá trị 0 và 1

0,40,180,10,10,090,070,06

0,40,190,180,130,1

0,40,230,190,18

0,40,370,23

0,60,4 1

1 0

1 0

1 0

1 0

1 0

1 0

1 0

B4: Duyệt cây mã

0,40,180,10,10,090,070,06

0,40,190,180,130,1

0,40,230,190,18

0,40,370,23

0,60,4 1

1 0

1 0

1 0

1 0

1 0

1 0

1 0

C(0) B(110) A(100) F(1111) G(1011)

Cây mã

• Nhìn vào cây mã ta thấy kết quả mã hóa Huffman của nguồn tin trên như sau:

• Độ dài từ mã trung bình bây giờ là :

• Vậy độ lợi mã hóa là :

• Vậy hiệu suất của đường truyền đã tăng từ 85% lên 97,7%

Mã hóa nguồn Huffman

Mã hóa nguồn Shanon_Fano

• B1 : Sắp xếp tất cả các tin của nguồn tin X

theo thứ tự xs xuất hiện tăng dần (giảm dần)

• B2 : Chia toàn bộ các tin của nguồn tin thành

2 nhóm có tổng xs xấp xỉ nhau

• B3 : Gán cho mỗi nhóm một chữ mã nhị phân

(0,1)

• B4 : Lặp lại các bước 2,3 cho đến khi mỗi

nhóm còn lại một ký hiệu

• B5 : Duyệt từ mã từ gốc đến ngọn