Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu - Chương 3: Các kỹ thuật cơ bản trong truyền dữ liệu

Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu - Chương 3: Các kỹ thuật cơ bản trong truyền dữ liệu trình bày các nội dung chính sau: Các mã truyền, cấu hình kết nối cơ bản, kỹ thuật mã hóa và điều chế, kỹ thuật đồng bộ, kỹ thuật truy nhập đường truyền, kỹ thuật phát hiện sai và sửa lỗi, kỹ thuật nén dữ liệu.

Chương 3 Các kỹ thuật cơ bản trong truyền dữ liệu

 Các mã truyền

 Cấu hình kết nối cơ bản

 Kỹ thuật mã hóa và điều chế

 Kỹ thuật đồng bộ

 Kỹ thuật truy nhập đường truyền

 Kỹ thuật phát hiện sai và sửa lỗi

 Kỹ thuật nén dữ liệu

 Mã Moore là tập hợp các chuỗi chấm và gạch biểu diễn các ký tự và chứ số

 Baudot (Emile Baudot)

 5 bit (32 mã)

 dùng 2 mã 5 bit (letter & figure) để mã hết các ký tự, chữ số và dấu

 ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

 7 bit (128 mã), bao gồm các ký tự chữ thường và hoa, các ký tự chữ số, các ký

tự dấu chấm câu và các ký tự đặc biệt

 Phổ biến nhất hiện nay được sử dụng trong giao tiếp dữ liệu tuần tự

 EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code)

Mã Baudot

Mã ASCII

Cấu hình kết nối cơ bản

 P2p – point to point – điểm điểm

 Cung cấp liên kết dành riêng cho 2 T/B

 Dùng cáp đồng, cáp quang, vô tuyến

 Đa điểm – multi point

 Nhiều hơn hai thiết bị nối kết với nhau

 Mô hình

 Hình cây, hình lưới, hình sao, hình vòng…

Kết nối hình cây

SERVER

Kết nối hình sao

HUB

Chế độ truyền

 Không dùng rộng rãi vì không

thể gởi ngược lại lỗi hoặc tín

hiệu điều khiển cho bên phát

 Television, teletext, radio

Kỹ thuật mã hóa và điều chế

 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

 Compact Disc audio

 Truyền dẫn analog

 Không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền (số hoặc tương tự)

 Suy giảm khi truyền xa

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

 Khuếch đại cả tín hiệu lẫn nhiễu

 Truyền dẫn số

 Quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền

 Nhiễu và sự suy giảm tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến sự tích hợp

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

 Không khuếch đại nhiễu

 Analog data/Analog Signal

 Gởi bình thường hoặc mã hóa vào phần phổ khác

 Analog data/Digital Signal

 Mã hóa dùng bộ codec để tạo ra chuỗi bit số

 Digital Data/Analog Signal

 Được mã hóa dùng modem để tạo ra t/h tương tự

 Digital Data/Digital Signal

 Biểu diễn trực tiếp dữ liệu hoặc mã hóa để tạo ra t/h số có đặc tính mong muốn

 Analog Signal/Analog Transmission

 Lan truyền thông qua các bộ khuếch đại, xử lý t/h như nhau bất kể dữ liệu là số hoặc tương tự

 Analog Signal/Digital Transmission

 Giả sử t/h biểu diễn dữ liệu số, lan truyền qua các bộ repeater

Digital Signal/Analog Transmission

Analog and digital transmission Analog

data

Analog signal

Digital signal

Digital data

Analog signal

Digital signal

Digital  Digital

 Tín hiệu số

 Xung điện áp rời rạc, không liên tục

 Mỗi xung là một phần tử tín hiệu

 Dữ liệu nhị phân được mã hóa thành

các phần tử tín hiệu

Unipolar

dương hoặc âm nào đó

Unipolar

0 1 0 0 1 1 1 0

Mã hóa Unipolar

Polar

sai thì thành phần DC hoàn toàn bằng 0 vì:

 Một bit được mã hóa bởi 2 mức điện áp ngược

nhau trong 1/ 2 chu kỳ của bit đó

Polar

Nonreturn to zero (NRZ)

 Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

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

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

 Nonreturn to Zero Inverted (NRZ-I)

 NRZ-I 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)

Nonreturn to Zero (NRZ)

 Mã hóa sai phân

 Dữ liệu được biểu diễn bằng việc thay đổi tín hiệu (thay vì bằng mức tín hiệu)

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

 Trong các hệ thống truyền dẫn phức tạp, cảm giác cực tính dễ dàng bị mất

RZ

 Return to zero

 Dùng 3 mức điện áp: dương, âm, zero

 Tín hiệu thay đổi trong khoảng mỗi bit

 Tín hiệu thay đổi trong khoảng mỗi bit

 Bit 0: thay đổi từ âm đến zero

 Bit 1: thay đổi từ dương xuống zero

 Đồng bộ bit hiệu quả

 Đòi hỏi băng thông rộng

Return to Zero (RZ)

Time Value

0 1 0 0 1 1 1 0

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

Biphase

 Differential 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

Biphase

 Ưu và nhược điểm

 Nhược điểm

 Tối thiểu có 1 thay đổi trong

thời khoảng 1 bit và có thể có

 Đồng bộ dựa vào sự thay đổi

ở giữa thời khoảng bit (self clocking)

Biphase

AMI

 AMI: Alternate Mark Inversion

 Bit 0: điện áp mức Zero

 Bit 1: thay đổi mức dương âm cho hai bit 1

kế cận

 Không đảm bảo đồng bộ bit khi có nhiều bit 0 kéo dài

AMI

0 0 1 0 0 1 1 0

t

B8ZS

 Dựa trên bipolar-AMI

 Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối

B8ZS

Ví dụ

Amplitude

Time

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

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:

 Làm những sai phạm khi gặp 4 bit 0 liên tiếp

 Dựa vào số bit 1 suất hiện từ lần thay thế cuối cùng

 Chẵn: Bit 0 thứ nhất và thứ tư được mã hóa thành bit vi phạm

 Lẽ: Bit 0 thứ tư được mã hóa thành bit vi phạm

HDB3

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

Amplitude

Time

So sánh các phương pháp mã hóa

 Phổ tín hiệu

 Việc thiếu thành phần tần số cao làm giảm yêu cầu về băng thông

 Tập trung công suất ở giữa băng thông

 Đồng bộ

 Đồng bộ bộ thu và bộ phát

 Tín hiệu đồng bộ ngoại vi

 Cơ chế đồng bộ dựa trên tín hiệu

 Khả năng phát hiện lỗi

 Có thể được tích hợp trong cơ chế mã hóa

 Nhiễu và khả năng miễn nhiễm

 Vài mã tốt hơn các mã khác

Độ phức tạp và chi phí

Digital  Analog

Digital/Analog modulation

Digital  Analog

FSK PSK ASK

QAM

 Ứng dụng

 Dùng để truyền dữ liệu số trên mạng

điện thoại công cộng

Các yếu tố của digital  Analog

 Tốc độ bit và tốc độ baud

 Tốc độ bit là số bit được truyền trong một giây

 Tốc độ baud là số đơn vị tín hiệu trong một giây cần có để biểu diễn số bit được truyền

 Tín hiệu sóng mang

 Trong truyền dẫn analog thì thiết bị phát tạo ra tần số sóng cao tần làm nền cho tín hiệu thông tin được gọi là tần số sóng mang (sóng mang)

 Thiết bị thu được chỉ định để thu tần số sóng mang trong

đó có tín hiệu số được điều chế và tín hiệu mang thông tin được gọi là tín hiệu điều chế

Ví dụ 1

 Một tín hiệu analog mang 4 bit trong mỗi

phần tử tín hiệu Nếu 1000 phần tử tín hiệu được gởi trong một giây, xác định tốc độ

Ví dụ 2

 Tốc độ bit của tín hiệu là 3000 Nếu mỗi phần

tử tín hiệu mang 6 bit, cho biết tốc độ baud?

 Giải

 Tốc độ baud = tốc độ bit/ số bit trong mỗi

phần tử tín hiệu = 3000/6 =500 baud/giây

Điều biên (ASK)

 Dùng 2 biên độ khác nhau của sóng mang để biểu diễn 0 và 1 (thông thường một biên độ bằng 0)

1 )

f

A t

Điều biên (ASK)

Điều biên (ASK)

Băng thông dùng cho ASK

 Khi phân tích phổ tín hiệu điều chế ASK, ta

có giá trị phổ trong đó có các yếu tố quan

trọng là sóng mang fc ở giữa, các giá trị f c –

N baud /2 và f c + N baud /2 ở hai biên

 Băng thông cần thiết cho ASK được tính theo:

BW = (1+d).N baud = (1+d).R baud ≈ R baud

 BW: băng thông

 R baud , N baud : tốc độ baud

 d: là thừa số liên quan đến điều kiện đường dây

(có giá trị bé nhất là 0)

Ví dụ

 Tìm băng thông của tín hiệu ASK truyền với tốc độ bit 2 kbps Chế độ truyền bán song công

Ví dụ

 Cho băng thông hệ thống truyền ASK 10 kHz (1

kHz đến 11 kHz), vẽ phổ ASK song công của

hệ thống Tìm tần số sóng mang và băng thông

của mỗi hướng, giả sử không có khoảng trống tần số giữa hai hướng

Điều tần (FSK) – Binary FSK (BFSK)

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

 Ít lỗi hơn so với ASK

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

 Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền trên sóng radio hoặc cáp đồng trục

2 cos(

1 )

2

cos(

) (

2

1

binary t

f A

binary t

f

A t

Điều tần (FSK) – Binary FSK (BFSK)

Điều tần (FSK) – Multiple (FSK)

 Dùng nhiều hơn 2 tần số

 Khả năng lỗi nhiều hơn

 Mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn nhiều hơn 1 bit

dữ liệu

Băng thông của FSK

Ví dụ

 Tìm băng thông tối thiểu của tín hiệu FSK truyền

với tốc độ bit 2kbps Chế độ truyền dẫn bán song

Ví dụ

 Tìm tốc độ bit lớn nhất của tín hiệu FSK nếu băng

thông của môi trường là 12khz và sai biệt giữa hai

sóng mang ít nhất là 2kHz, chế độ truyền song công

 Giải: Với chế độ truyền song công, thì chỉ có 6.000 Hz

là được truyền theo mỗi hướng (thu hay phát) Đối với

FSK, khi có f C1 và f C0 là tần số sóng mang

BW = (f C1 - f C0 )+ Tốc độ baud

→ Tốc độ baud = BW - (f C1 - f C0 )

= 6.000 – 2.000 = 4.000 baud/s

Điều pha (PSK)

 Sử dụng một tần số sóng mang và thay đổi pha của sóng mang này

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

 Cho phép mã hóa nhiều bit trên mỗi thay đổi tín hiệu sóng mang

(Phase Amplitude Modulation)

 Phương pháp này 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)

 Tổng quát cho mã hóa NRZ-L

2 cos(

1 )

f A

binary t

f

A t

different of

number :

L

element signal

per bits of number :

l

(bps) rate

data : R

(bauds) rate

modulation :

D

L log

R l

R D

2





Điều pha (PSK)

Điều pha (PSK)

 Quadrature PSK (QPSK)

 M-ary PSK

 Hệ thống 64 và 256 trạng thái

 Cải thiện tốc độ dữ liệu với băng thông không đổi

 Tăng khả năng tiềm ẩn lỗi

270 2

cos(

10 )

180 2

cos(

01 )

90 2

cos(

00 )

0 2

t f A

t f A

t f A

t

s

c c c c









theo đó quan hệ giữa số

bit tạo thay đổi với góc

pha là lũy thừa của hai

Băng thông cho PSK

 Băng thông tối thiểu dùng cho truyền dẫn PSK thì tương tự như của ASK

 Tốc độ bit tối đa thì lớn hơn nhiều lần

Ví dụ

 Tìm băng thông của tín hiệu QPSK, với tốc

độ 2kbps theo chế độ bán song công

 Giải: Trong phương pháp 4 – PSK thì tốc độ baud bằng nửa tốc độ bit = 1.000bps Trong tín hiệu PSK thì tín hiệu có băng thông bằng tốc độ baud, nên băng thông là 1.000 Hz

Ví dụ

 Cho tín hiệu 8–PSK có băng thông 5.000 Hz, tìm tốc độ bit và tốc độ baud?

 Giải: Trong PSK thì tốc độ baud bằng với

băng thông, tức là tốc độ baud bằng 5.000, còn tốc độ bit bằng ba lần tốc độ baud tức là 15.000 bps

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

 QAM được dùng trong ADSL và một số hệ

2 amplitude, 4 phases

011

110 100

111

010

101

000 001 00

Băng thông của QAM

 Băng thông tối thiểu cần cho truyền dẫn QAM thì giống như của ASK và PSK, đồng thời

QAM cũng thừa hưởng ưu điểm của PSK so với ASK

Tốc độ bit / tốc độ baud

 Giả sử tín hiệu FSK được dùng truyền tín

hiệu qua đường thoại có thể gởi đến 1200 bit trong một giây, tức có tốc độ bit là 1200 bps Mỗi tần số thay đổi biểu diễn một bit; như thế thì cần có 1200 phần tử tín hiệu để truyền

1200 bit Trong tốc độ baud, cũng là 1200

bps Mỗi thay đổi của tín hiệu trong hệ thống

8 – QAM, được biểu diễn dùng ba bit, như

thế với tốc độ bit là 1200 bps, thì tốc độ baud

0 0 0 1 0 1 0

8N

Ví dụ

 Tìm tốc độ baud của tín hiệu 64 –QAM có tốc

độ bit 72.000 bps?

 Giải: Trong hệ 64-QAM , truyền 6 bit trong

mỗi phần tử tín hiệu (do 2 6 = 64)

Vậy tốc độ baud là 72.000/6 = 12.000 baud

Analog  Digital

 Trong quá trình truyền tín hiệu, ta cũng cần rời rạc hóa tín hiệu tương tự

 Ví dụ khi gởi tín hiệu thoại qua đường dây dài, do tín hiệu

số có tính chống nhiễu tốt hơn so với tín hiệu analog được gọi là quá trình số hóa tín hiệu analog

 Giảm thiểu khối lượng lớn các giá trị trong thông tin của tín hiệu analog để có thể được biểu diễn thành luồng tín hiệu

số mà không bị thất thoát thông tin

Analog/Digital

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

Điều chế xung mã (PCM)

 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 2 n (n là số bit cần thiết để số

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

Digital bit stream output signal

Điều chế xung mã (PCM)

PAM (Pulse Amplitude Modulation

 Bước đầu tiên trong chuyển đổi tương tự - số là điều chế biên độ

b PAM signal

Time

+77 +25

+50 +75 +100

+024 00011000 015 10001111 125 01111101

+038 00100110 080 11010000 110 01101110

+048 00110000 050 10110010 090 01011010

+039 00100111 +052 00110110 +088 01011000 +026 00011010 +127 01111111 +077 01001101

Sign bit + is 0  is 1

Hình 19

0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0

+024 +038 +048

Direction of transfer

Tốc độ lấy mẫu

 Theo định lý Nyquist, để bảo đảm độ chính xác khi khôi phục tín hiệu tín hiệu analog nguyên thủy dùng phương pháp PAM thì tốc độ lấy mẫu phải ít nhất hai lần tần số cao nhất của tín hiệu gốc

 Ví dụ: để có thể lấy mẫu tín hiệu thoại có tần số cao nhất 4000Hz, ta cần có tốc độ lấy mẫu là 8000 mẫu/ giây

hơn hoặc bằng hai lần tần số cao nhất của tín

Time

Highest frequency = x Hz Sampling rate = 2x samples/second

sampling interval = 1/2x

Ví dụ

 Hãy cho biết tốc độ lấy mẫu của tín hiệu có băng thông 10kHz ( từ 1khz đến 11khz)?

 Giải:Tốc độ lấy mẫu phải là hai lần tần số

cao nhất của tín hiệu

= 22.000 mẫu/ giây

Số bit trong mỗi mẫu

 Sau khi tìm được tốc độ lấy mẫu, ta cần xác định số bit cần truyền trong mỗi mẫu

 Điều này tùy thuộc vào mức chính xác cần thiết Số bit được chọn sao cho tín hiệu gốc

có thể được tái tạo biên độ với độ chính xác cần thiết

Ví dụ

chính xác (+0 đến +5 và –0 đến –5) Hỏi cần bao nhiêu bit cần truyền trong mỗi mẫu?

 Giải: Cần bốn bit, 1 bit dùng biểu diễn dấu,

và 3 bit cho giá trị Với 3 bit ta có thể biểu

diễn được 2 3 =8 mức (000 đến 111), nhiều

Ví dụ

 Cần số hóa tín hiệu thoại, tìm tốc độ bit với giả sử

có 8 bit trong mỗi mẫu?

 Giải

Tiếng nói con người thường tồn tại trong vùng tần

số từ 0 đến 4000 Hz, như thế tốc độ lấy mẫu là: Tốc độ lấy mẫu = 4000 x 2 = 8000 mẫu/giây

Vậy tốc độ bit được tính theo:

Tốc độ bit = Tốc độ lấy mẫu x số bit trong mỗi mẫu

 Kỹ thuật nén dữ liệu có thể cải thiện thêm

 Ví dụ: kỹ thuật mã xen khung (interframe coding) cho video

Điều chế Delta (DM)