Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu

Những khái niệm cơ bản về tín hiệuTin tức, dữ liệu và tín hiệu • Dữ liệu: bao gồm các sự kiện, khái niệm hay các chỉ thị được diễn tả dưới một hình thức thích hợp cho viêc truyền thông t

hoantq@hnue.edu.vn

1.Tên học phần: Truyền số liệu

2.Số đơn vị học trình:

3.Mục tiêu học phần:

Học phần cung cấp các kiến thức cơ sở về kỹ thuật truyền dữ liệu,cơ sở cho mạng truyền tin nói chung và mạng máy tính nói riêng.

4.Mô tả vắn tắt nội dung học phần:

Học phần Truyền dữ liệu: cung cấp nguyên lý truyền tín hiệu,truyền dữ liệu,công nghệ mạng.

5.Nhiệm vụ của sinh viên:

Dự lớp theo quy chế.

[5] Nguyễn Hồng Sơn.Kỹ thuật truyền dữliệu.NXB Lao Động-Xã Hội,HN 2002

CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG

THÔNG TIN

Hệ thống thông tin

• Phân loại :

– Theo cơ sở năng lượng mang tin

– Theo biểu hiện bên ngoài

– Theo đặc điểm của tín hiệu đưa vào kênhtruyền

Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát

Các tác vụ truyền thông

• Sử dụng hệ thống truyền

• Ghép nối

• Phát sinh tín hiệu

• Đồng bộ hóa

• Quản lý trao đổi

• Phát hiện và sửa lỗi

• Điều khiển luồng

• Đánh địa chỉ và định tuyến

Phân loại theo cấu hình mạng

Dạng sao (Star):

• Tất cả các trạm nối về một trung tâm chuyển mạch chung gọi là HUB Trong trường hợp cáp hỏng thì chỉ riêng một trạm không hoạt động

• Nhược điểm: Nếu trung tâm chuyển mạch hỏng thì toàn bộ mạng hỏng

Dạng vòng (Ring):

• Các trạm nối với nhau thành một vòng tròn khép kín Thông tin truyền trong mạng đi theo một hướng đi qua tất cả các thiết bị.

• Đầu phát của trạm này sẽ

là đầu thu của trạm tiếp theo

• Trong trường hợp cáp đứt hoặc một thiết bị hỏng, toàn bộ mạng sẽ ngừng làm việc

Nghi thức (protocol)

• Vấn đề: Hai máy tính khác nhau muốn truyền dữ

liệu.Làm thế nào đề hai máy tính có thể truyền dữliệu

• Nghi thức: Các quy định cách thức để hai máy

tính có thể truyền dữ liệu cho nhau gọi là nghithức(giao thức)

Bộ môn kỹ thuật máy tính-Trường

.Thông tin điều khiển

• Thời gian (timing)

.Đồng bộ

.Trình tự

Hệ thống: tập các đối tượng chứa một hoặc nhiều thực thể

.Máy tính Thiết bị đầu cuối Cảm biến…

Kiến trúc nghi thức

• Chia một tác vụ lớn thành nhiều tác vụ nhỏ

• Các tác vụ được thực hiện riêng lẻ

• Cách chia thành các tác vụ nhỏ,vai trò củachúng,cách kết nối giữa các tác vụ gọi là kiến trúcnghi thức

Bộ môn kỹ thuật máy tính-Trường

Bộ môn kỹ thuật máy tính-Trường

Tiêu chuẩn (standard)

• Cần thiết để giao tiếp giữa các thiết bị khác nhau, của các nhà sản xuất khác nhau

Giới thiệu về mạng thông tin

Mạng thông tin là sự kết nối giữa các máy tính vớinhau nhằm mục đích trao đổi dữ liệu Các dữ liệutrao đổi là tất cả những gì người sử dụng yêu cầunhư:

• Thoại (voice)

• Hình ảnh (video)

• Văn bản (text)

Dữ liệu,tín hiệu và truyền dẫn

Những khái niệm cơ bản về tín hiệu

Tin tức, dữ liệu và tín hiệu

• Dữ liệu: bao gồm các sự kiện, khái niệm hay các chỉ thị được diễn tả dưới một hình thức thích hợp cho viêc truyền thông tin thông dịch hay xử lý bởi con người hay máy móc

• Tin tức: ý nghĩa mà con người quy cho dữ liệu theo các quy ước cụ thể Tin tức có thể biểu thị bởi tiếng nói, hình ảnh các văn bản, tập hợp các con số, các ký hiệu thông qua

nó con người có thể hiểu nhau Trong hệ thống truyền thông thường người ta không phân biệt dữ liệu và tinh tức.

• Tín hiệu: là tin tức, dữ liệu đã được chuyển đổi xử lý (bởi các bộ phận mã hóa hoặc chuyển đổi) cho phù hợp với môi trường truyền thông.

Tín hiệu tương tự

• Tín hiệu có mức biên độ thay đổi liên tục theo thời gian.

• Đặc trưng bởi hai thông số

• + Biên độ của tín hiệu

Tín hiệu tương tự (tt)

Tín hiệu số

• Tín hiệu có mức biên độ biến đổi rời rạc theo thời gian

• Thông số đặc trưng

• + Số mức tín hiệu truyền đi

• + Tốc độ bit (baud) chỉ ra số lượng thông tin mà tín hiệu mang

Tín hiệu số (tt)

+4V=11 -2V=01 -4V=10

Sự sai khác tín hiệu

• Tín hiệu nhận được khác với tín hiệu truyền

• Ảnh hưởng :

– Truyền dẫn số : lỗi trên bit

– Truyền dẫn tương tự : Suy giảm chất lượng tín hiệu

• Nguyên nhân :

– Sự suy giảm tín hiệu (attenuation)

– Méo trễ lan truyền (delay distortion)

– Nhiễu (noise)

Các tham số ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu số trong mạng thông tin

a/ Nhiễu:

• Là các tín hiệu ngoài ý muốn xuất hiện trong hệthống hoặc trên đường truyền Dưới ảnh hưởngcủa nhiễu, tín hiệu có thể bị biến dạng hoặc lỗi

• Các loại nhiễu:

• + Nhiễu xuyên âm (crosstalk)

• + Nhiễu xung (impulse noise)

• + Nhiễu nhiệt (thermal noise)

• + Nhiễu điều chế (intermodulation noise)

• Nhiễu xuyên kênh :

– Tín hiệu từ đường truyền này ảnh hưởng sangđường truyền khác

– Thường cùng độ lớn (hoặc nhỏ hơn nhiễu nhiệt)

b/ Cường độ tín hiệu:

• Cường độ tín hiệu thường được biểu diễn bởi côngsuất hoặc điện áp trên tổng trở tải của nó

c/ Tỷ số cường độ hai tín hiệu

• Dùng để mô tả độ lợi hoặc độ suy giảm của hệthống

d/ Băng thông

• Băng thông của tín hiệu là dải tần số trong đó chứahầu hết công suất của tín hiệu B=fmax-fmin

e/ Tỷ số tín hiệu SNR (Signal to Noise Ratio)

• Tỷ số công suất tín hiệu có ích trên công suất tínhiệu nhiễu thường tính bằng (dB)

• Vd: Tín hiệu có công suất là 2dBm

• Mức nhiễu là -22dBm

• SNR=2dBm-(-22dBm)=24dBm

g/ Tỷ lệ lỗi bit (BER-Bit Error Ratio)

• Ví dụ: Với điện thoại BER <10-e3 Tuy nhiên đốivới thông tin truyền số liệu BER < 10-e5

• BER=tổng số bít lỗi/tổng số bít truyền

• Trễ mã hóa dữ liệu (trễ mã hóa nguồn): Loại trễ này

thường có khi tín hiệu được biến đổi từ dạng này sang dạng khác ví dụ từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số hoặc ngược lại.

• Trễ đóng gói: Phụ thuộc vào loại thông tin được đóng gói

để truyền đi là dòng thoại hay số liệu và thứ hai là tốc độ

• Trễ truyền dẫn: Đây là loại trễ không thể tránh khỏi trong

truyền thông tin Phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điểm

và tốc độ truyền lan của tín hiệu. ttrễ=khoảng cách /tốc

độ truyền lan

Bài tập

• Trạm A có 10 gói tin truyền cho B

• Trạm B có 12 gói tin truyền cho A

• Một gói có dung lượng là 300 Byte, biếtVphát=33600b/s (tốc độ phát dữ liệu của máytính)

• Trễ xử lý khi thu phát 1 gói là: Txl=2ms

• Tính tổng thời gian truyền để A, B trao đổi xong

dữ liệu

Sơ đồ trao đổi thông tin của A-B

Các phương thức liên lạc

• Đơn công:

– Nghĩa là dữ liệu chỉ truyền đi theo một hướng.Ví dụ :

Sử dụng trong phát thanh, truyền hình

Các hình thức truyền

• Song song (Parallel)

– Truyền nhiều bit một lúc

– Mỗi bit dùng một đường truyền riêng

– Một kênh truyền riêng dùng để thông báo cho bên nhận biết khi nào có dữ liệu (clock signal)

– Có thể có thêm kênh truyền bên nhận sẵn sàng nhận dữ liệu mới

– Thường chỉ để truyền dữ liệu khoảng cách ngắn

Truyền BĐB

• Thời gian giữa các khối dữ liệu không ấn định

• Thường được truyền theo ký tự (5-8 bit)

• Chỉ cần giữ đồng bộ cho một ký tự

• Tái đồng bộ cho mỗi ký tự mới.

Truyền BĐB (tt)

Truyền ĐB

Cấu trúc đồng bộ khung

Bài tập

• Ví dụ: Tính số lượng thông tin cần truyền 100.000

byte theo phương pháp truyền đồng bộ và dị bộ.Nếu truyền đồng bộ có: sync=2 byte,DATA=200byte, SF=2byte, EF=2byte

Có 1 Message có kích thước 1Mb cần truyền từ A đến B qua 5 hops (cổng chặng).Liên kết các hops có

độ dài như nhau và bằng 25 km.Tốc độ phát dữ liệu

là 100kb/s

Tính thời gian để Message nhận được hết ở B

a) Nếu thiết bị nối trung gian là Repeater

b) Nếu thiết bị nối trung gian là Router

c) Nếu thiết bị nối trung gian là Repeater và gói dữ liệu ban đầu được chia làm 10 gói

d) Nếu thiết bị nối trung gian là Router và gói dữ liệu ban đầu được chia làm 10 gói

e) Giả sử mỗi gói được đóng gói với thông tin điều khiển là 50 bit.Tính lại câu d.

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 tự

• 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

• Dãy liên tục các ký hiệu mã dùng để mã hóa

(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 mã

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 thông

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 phát

• 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)

Cực tính của xung

trước đó Số bít 1 từ lần thay thế cuối cùng

+

-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 trung

• 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 p(1)=p; p(0)=1-p thì entropy cực đại 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 :

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

một ký tự duy nhất với xác suất là 1

với từng ký tự của nguồn

B1: Sắp xếp ký tự theo thứ tự xs

giảm dần

Từ

mã 000 001 010 011 100 101 110 111Xác

suất 0,1 0,18 0,4 0,05 0,06 0,1 0,07 0,04

B1: Sắp xếp ký tự theo thứ tự xs