Chuong 3 cac van de co ban phan 1

Các vấn đề cơ bản của
truyền số liệu

bvhieu@dit.hcmut.edu.vn
bvhieu@cse.hcmut.edu.vn 1

Nội dung
Dữ liệu và tín hiệu
Truyền dẫn dữ liệu
Kỹ thuật mã hóa tín hiệu
Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)
Cấu trúc truyền (bất đồng bộ và đồng bộ)
Lỗi và phát hiện, sữa lỗi
Cấu hình
Giao tiếp V.24/EIA-232-F
Nén thông tin
Phân hợp kênh
ADSL

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 2

Nội dung
Cấu hình
Nén thông tin
Phân hợp kênh
ADSL


Tín hiệu số (digital)
Tín hiệu số có thể được biểu diễn như sau
x = f + f3 + f5 +f7 +f9 +f11 +f13 ....f∞
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), …
Gọi biên độ của tần số f, f3, f5,… là a, a3, a5, … thì
a = 3a3 = 5a5 …
Yêu cầu: băng thông của kênh truyền phải
cho phép tần số cơ bản f, tần số 3f và tần
số 5f đi qua mà không ảnh hưởng nhiều
đến các tần số này

Tín hiệu số (tt)

Có thể truyền tín hiệu số tốc độ 2400bps qua kênh
truyền băng thông 3.1kHz ?


Thường dùng tín hiệu số truyền dữ liệu số
Thường dùng tín hiệu tương tự truyền dữ liệu tương
tự
Có thể dùng tín hiệu tương tự mang dữ liệu số
Modem
Có thể dùng tín hiệu số
để mang dữ liệu tương tự
Compact Disc audio


Nội dung
Cấu hình
Nén thông tin
Phân hợp kênh
ADSL


Truyền dẫn
Truyền dẫn tương tự
Không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền
Suy giảm khi truyền xa
Dùng bộ khuếch đại (amplifier) để truyền dữ liệu đi xa
Khuếch đại cả tín hiệu lẫn nhiễu

m(t) s(t) m(t)
Digital/Analog
Modulator analog
Demodulator

fc S(f)

f
fc


Truyền dẫn (tt)
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.
g(t) x(t) g(t)
Encoder Decoder
Digital/Analog digital

x(t)

t


Dữ liệu, tín hiệu và truyền dẫn
Analog data/Analog Signal Analog and digital
transmission
Gởi bình thường
Analog Analog Digital
Mã hóa vào phần phổ khác data signal signal
Analog data/Digital Signal Digital Analog Digital
data signal signal
Dùng bộ codec để tạo ra chuỗi bit số
Digital Data/Analog Signal
Được mã hóa dùng modem để tạo ra tín hiệu tương tự
Digital Data/Digital Signal
Gởi bình thường
Mã hóa để tạo ra tín hiệu số có đặc tính mong muốn


Dữ liệu, tín hiệu và truyền dẫn (tt)
Analog Signal/Analog Transmission
Lan truyền thông qua các bộ khuếch đại, xử lý tín hiệu như nhau
bất kể dữ liệu là số hoặc tương tự
Analog Signal/Digital Transmission
Xem tín hiệu biểu diễn dữ liệu số, lan truyền qua các bộ repeater
Digital Signal/Analog Transmission
Không dùng
Digital Signal/Digital Data
Tín hiệu là chuỗi nhị phân lan truyền qua các bộ repeater


Truyền dẫn số
Ưu điểm
Công nghệ LSI/VLSI làm giảm giá thành
Toàn vẹn dữ liệu
Nhiễu và suy giảm tín hiệu không bị tích lũy bởi các repeater
Truyền khoảng cách xa hơn trên các đường truyền kém chất lượng
Hiệu quả kênh truyền
Có thể truyền nhiều kênh hơn trên cùng một đường truyền
Bảo mật
Các kỹ thuật mã hóa để bảo mật dữ liệu dễ áp dụng
Tích hợp
Dữ liệu số và analog được xử lý tương tự nhau


Nội dung
Cấu hình
Nén thông tin
Phân hợp kênh
ADSL


Tiêu chí so sánh các phương pháp mã hóa
Phổ tín hiệu
Việc thiếu thành phần tần số cao làm giảm yêu cầu về
băng thông
Thiếu thành phần một chiều cho phép “ac coupling” thông
qua bộ biến đổi, cho phép các thiết bị tách rời vật lý
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


Tiêu chí so sánh các phương pháp mã hóa(tt)
Khả năng phát hiện lỗi
Nhiễu và khả năng miễn nhiễm
Độ phức tạp và chi phí


Dữ liệu số - Tín hiệu số
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


Thuật ngữ
Unipolar
Tất cả các phần tử tín hiệu có cùng dấu
Polar
Một trạng thái được biểu diễn bằng mức điện áp dương
Một trạng thái được biểu diễn bằng mức điện áp âm
Độ rộng (chiều dài 1 bit)
Thời gian thiết bị phát dùng để truyền 1 bit
Tốc độ điều chế
Tốc độ mức tín hiệu thay đổi (baud rate)
Mark và Space
Tương ứng với 1 và 0 nhị phân

Diễn giải tín hiệu
Cần biết
Định thời của các bit (khi nào chúng bắt đầu và kết
thúc)
Mức tín hiệu
Yếu tố ảnh hưởng đến việc diễn giải t/h
Tỉ số SNR
Tốc độ dữ liệu
Băng thông


Nonreturn to zero (NRZ)

Điện áp không thay đổi trong thời khoảng bit
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 (NRZI)
Có thay đổi tín hiệu mã hóa 1
Không có thay đổi tín hiệu mã hóa 0

Ưu và nhược điểm của NRZ
Ưu điểm của NRZI so với NRZL
Dữ liệu được biểu diễn bằng việc thay đổi tín hiệu
Nhận biết sự thay đổi dễ dàng hơn so với nhận biết mức
Trong các hệ thống truyền dẫn phức tạp, mức dễ dàng bị mất
Ưu điểm của NRZ
Dễ dàng nắm bắt
Băng thông dùng hiệu quả
Nhược điểm của NRZ
Có thành phần một chiều
Thiếu khả năng đồng bộ
Dùng trong việc ghi băng từ
Ít dùng trong việc truyền t/h


Multilevel Binary

Dùng nhiều hơn 2 mức tín hiệu
Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)
Sử dụng 3 mức tín hiệu
0 được biểu diễn bằng mức điện áp giữa
1 được biểu diễn bằng xung dương hay xung âm
Các xung thay đổi cực tính xen kẻ nhau
Pseudoternary: ngược lại Bipolar AMI

Ưu và nhược điểm
Ưu điểm
Không mất đồng bộ khi dữ liệu là một dãy 1 dài (dãy
0 vẫn bị vấn đề đồng bộ)
Phát hiện lỗi dễ dàng
Không có thành phần một chiều
Nhược điểm
Băng thông thấp
Bộ thu phải có khả năng phân biệt 3 mức (+A, -A, 0)
Cần thêm gần 3dB công suất để đạt được cùng xác
suất bit lỗi


Biphase - Manchester

Thay đổi ở giữa thời khoảng bit
Thay đổi vừa là tín hiệu đồng bộ vừa là dữ liệu
L→H biểu diễn 1
H→L biểu diễn 0
Dùng trong IEEE 802.3 (CSMA/CD Ethernet)


Biphase - Differential Manchester

Thay đổi giữa thời khoảng bit chỉ dùng đồng bộ
Dữ liệu được biểu diễn bằng việc có hay không
có thay đổi ở đầu thời khoản bit
Thay đổi : biểu diễn 0
Không thay đổi : biểu diễn 1
Dùng trong IEEE 802.5 (Token ring LAN)


Ưu và nhược điểm của Biphase
Nhược điểm
Tốc độ điều chế tối đa bằng 2 lần NRZ
Cần băng thông rộng hơn

Ưu điểm
Đồng bộ dựa vào sự thay đổi ở giữa thời
khoảng bit (self clocking)
Phát hiện lỗi
Khi thiếu sự thay đổi mong đợi


Bài tập


Bài tập – Giải


Scrambling (xáo trộn)
Dùng kỹ thuật scrambling để thay thế một chuỗi điện áp
Chuỗi thay thế
Phải tạo ra đủ sự thay đổi tín hiệu, dùng cho việc đồng bộ hóa
Có thể thay thế trở lại chuỗi ban đầu
Cùng độ dài như chuỗi ban đầu
Không có chuỗi dài các tín hiệu không thay đổi điện áp
Không giảm tốc độ dữ liệu
Có khả năng phát hiện lỗi


Scrambling – B8ZS

Dựa trên bipolar-AMI
Có 8 số 0 thì sẽ thay thế
Nếu xung điện áp cuối cùng trước đó là dương, thay thế bằng
000+–0–+
Xung điện áp cuối cùng trước đó là âm, mã thành 000–+0+–
Gây ra 2 vi phạm mã AMI
Bộ thu diễn giải chúng trở lại thành 8 số 0

Scrambling – HDB3

Dựa trên bipolar-AMI
Chuỗi 4 số 0 được thay thế theo quy tắc


Dữ liệu số - Tín hiệu tương tự
Ứng dụng
Truyền dữ liệu số trên mạng điện thoại công cộng
Phổ đường truyền: 300Hz → 3400Hz
Thiết bị
MODEM (MOdulator-DEMulator)
Kỹ thuật
Điều biên: Amplitude-Shift Keying (ASK)
Điều tần: Frequency-Shift Keying (FSK)
Điều pha: Phase-Shift Keying (PSK)


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)
⎧ A cos(2π f c t + θ c ) binary 1
s (t ) = ⎨
⎩ 0 binary 0

Sử dụng một tần số sóng mang duy nhất
Chỉ phù hợp trong truyền số liệu tốc độ thấp
(~1200bps trên kênh truyền thoại)
Tần số của tín hiệu mang được dùng phụ thuộc vào
chuẩn giao tiếp đang được sử dụng
Kỹ thuật được dùng trong cáp quang


Điều biên (tt)


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.
⎧ A cos(2π f1t + θ c ) binary 1
s (t ) = ⎨
⎩ A cos(2π f 2t + θ c ) binary 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


Điều tần (tt)


Điều tần (FSK) – Multiple FSK (MFSK)
Dùng nhiều hơn 2 tần số
Băng thông được dùng hiệu quả hơn
Khả năng lỗi nhiều hơn
Mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn nhiều hơn 1 bit dữ
liệu


Điều pha (PSK)
Sử dụng một tần số sóng mang
Thay đổi pha để biểu diễn các giá trị
⎧ A cos(2π f c t + ϕ ) binary 1
s (t ) = ⎨
⎩ A cos(2π f c t ) binary 0
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)
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)
Sử dụng bốn giá trị lệch pha ⎧ A cos(2π f c t + 0 ) 00
⎪
⎪ A cos(2π f c t + 90 ) 01
s (t ) = ⎨
⎪ A cos(2π f c t + 180 ) 10
⎪ A cos(2π f c t + 270 )
⎩ 11


Hiệu suất
Băng thông
Băng thông ASK và PSK liên quan trực tiếp với tốc độ bit
BT = (1+r)R
Băng thông FSK có quan hệ với tốc độ dữ liệu và độ dịch
chuyển của các tần số điều chế
BT = 2ΔF + (1+r)R
Tín hiệu nhiều mức
BT = (1+r)R/m = (1+r)R/log2M
Trong trường hợp có lỗi, tốc độ lỗi của PSK và QPSK
cao hơn khoảng 3dB so với ASK và FSK


Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
QAM được dùng trong ADSL và một số hệ thống wireless
Kết hợp giữa ASK và PSK
Gởi đồng thời 2 tín hiệu khác nhau cùng tần số mang
Dùng 2 bản sao của sóng mang, một cái được dịch đi 90
Mỗi sóng mang là ASK đã được điều chế
2 tín hiệu độc lập trên cùng môi trường


Tín hiệu tương tự - Dữ liệu số
Ứng dụng
Truyền dữ liệu tương tự trên mạng truyền dữ liệu số
Số hóa
Thiết bị
CODEC (COder-DECoder)
Kỹ thuật
Điều chế xung mã: Pulse Code Modulation (PCM)
Điều chế Delta: Delta Modulation (DM)


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”
Công thức Nyquist: N >= 2f
N: tốc độ lấy mẫu
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)

Input Discrete Discrete Digital bit
signals time, time, stream
continuous discrete output
amplitude amplitude signal
signal signal

PAM (Pulse Amplitude Modulation)
Các xung được lấy mẫu ở tần số R=2B
Lượng tử hóa (Quantizer) các xung PAM
Giá trị của điểm được lấy mẫu, rơi vào khoảng nào thì lấy giá
trị khoảng đó
Số mức lượng tử là 2n (n là số bit dùng số hóa một xung)
Mã hóa dữ liệu
Thực hiện các thao tác mã hóa trước khi truyền đi

Điều chế xung mã (tt)


PCM - Non-linear coding
Mức lượng tử không đều
Giảm méo tín hiệu
Companding (compressing-expanding)


Companding
1.0

0.8
Output signal

0.6
magnitude

0.4

0.2

0.0

Input signal magnitude


Điều chế Delta (DM)
Tín hiệu tương
tự được xấp xỉ
bởi hàm bậc
thang (staircase)
Chỉ đi lên hay
xuống 1 mức (δ)
tại mỗi thời
khoảng lấy mẫu


Điều chế Delta (tt)


Tín hiệu tương tự - Dữ liệu số
Ứng dụng
Điều chế dữ liệu tương tự: thay đổi tần số truyền
Dùng cho dồn kênh FDM
Kỹ thuật
Điều chế biên: Amplitude Modulation (AM)
Điều chế góc (Angle Modulation)
Điều chế tần số: Frequency Modulation (FM)
Điều chế pha: Phase Modulation (PM)


Điều chế biên (AM)
Biên độ của sóng mang được thay đổi bởi biên độ của tín
hiệu được truyền đi
s(t) = [1+nax(t)]cos(2πfct)
Tạo ra tín hiệu 2 bên (DSBTC)
SSB và DSBSC
Ưu điểm
Dễ hiện thực (điều chế và giải điều chế)
Dễ biến đổi tín hiệu sang các giải băng tần khác nhau
Khuyết điểm
Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu
Không sử dụng hiệu quả năng lượng

Điều chế biên


Điều chế góc
s(t) = Accos[2πfct + Φ(t)]
Phương pháp điều tần số (FM)
Tín hiệu phát thay đổi thành phần tần số tỷ lệ với biên độ
và tần số của tín hiệu truyền đi
Ưu điểm
Khó bị ảnh hưởng của nhiễu
Sử dụng hiệu quả năng lượng
Khuyết điểm
Tín hiệu được điều chế yêu cầu băng thông rộng hơn nhiều tín
hiệu truyền đi ban đầu (dữ liệu)
Điều chế và giải điều chế phức tạp hơn so với phương pháp
điều biên


Điều chế góc


Phương pháp điều chế pha (PM)
Φ(t) = npm(t)
Tín hiệu truyền đi làm thay đổi pha của sóng mang
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
Ưu điểm của điều chế pha
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 ?
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


Hiệu suất
Băng thông
AM
BT = 2B
FM&PM
BT = 2(β+1)B

FM và PM cần băng thông lớn hơn so với AM


Chuong 3 cac van de co ban phan 1

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Semelhante a Chuong 3 cac van de co ban phan 1

Semelhante a Chuong 3 cac van de co ban phan 1 (20)

Mais de Dong Pham The

Mais de Dong Pham The (10)

Chuong 3 cac van de co ban phan 1