Các vấn đề cơ bản của truyền số liệu

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

Nội dung

(cid:131) Dữ liệu và tín hiệu (cid:131) Truyền dẫn dữ liệu (cid:131) Kỹ thuật mã hóa tín hiệu (cid:131) Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song) (cid:131) Cấu trúc truyền (bất đồng bộ và đồng bộ) (cid:131) Lỗi và phát hiện, sữa lỗi (cid:131) Cấu hình (cid:131) Giao tiếp V.24/EIA-232-F (cid:131) Nén thông tin (cid:131) Phân hợp kênh (cid:131) ADSL

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 2

Nội dung

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 3

Tín hiệu số (digital)

(cid:131) Tín hiệu số có thể được biểu diễn như sau x = f + f3 + f5 +f7 +f9 +f11 +f13 ....f∞

(cid:131) 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), …

(cid:131) 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

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 4

Tín hiệu số (tt)

(cid:131) Có thể truyền tín hiệu số tốc độ 2400bps qua kênh

truyền băng thông 3.1kHz ?

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 5

Dữ liệu và tín hiệu

(cid:131) Thường dùng tín hiệu số truyền dữ liệu số (cid:131) Thường dùng tín hiệu tương tự truyền dữ liệu tương

tự

(cid:131) Có thể dùng tín hiệu tương tự mang dữ liệu số

(cid:131) Modem

(cid:131) Có thể dùng tín hiệu số

để mang dữ liệu tương tự (cid:131) Compact Disc audio

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 6

Nội dung

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 7

Truyền dẫn

(cid:131) Truyền dẫn tương tự

(cid:131) Không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền (cid:131) Suy giảm khi truyền xa (cid:131) Dùng bộ khuếch đại (amplifier) để truyền dữ liệu đi xa

(cid:131) Khuếch đại cả tín hiệu lẫn nhiễu

Modulator

Demodulator

m(t)

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

fc S(f)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 8

Truyền dẫn (tt)

(cid:131) Truyền dẫn số

(cid:131) Quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền. (cid:131) Nhiễu và sự suy giảm tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến sự

tích hợp.

(cid:131) Dùng bộ lặp (repeater) để truyền dữ liệu đi xa.

(cid:131) Không khuếch đại nhiễu.

Encoder

Decoder

g(t)

x(t) digital g(t) Digital/Analog

x(t)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 9

Dữ liệu, tín hiệu và truyền dẫn

(cid:131) Analog data/Analog Signal

Analog and digital transmission

Analog data

Analog signal

Digital signal

(cid:131) Gởi bình thường (cid:131) Mã hóa vào phần phổ khác (cid:131) Analog data/Digital Signal

Digital data

Analog signal

Digital signal

(cid:131) Dùng bộ codec để tạo ra chuỗi bit số

(cid:131) Digital Data/Analog Signal

(cid:131) Được mã hóa dùng modem để tạo ra tín hiệu tương tự

(cid:131) Digital Data/Digital Signal

(cid:131) Gởi bình thường (cid:131) Mã hóa để tạo ra tín hiệu số có đặc tính mong muốn

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 10

Dữ liệu, tín hiệu và truyền dẫn (tt)

(cid:131) Analog Signal/Analog Transmission

(cid:131) Lan truyền thông qua các bộ khuếch đại, xử lý tín hiệu như nhau

bất kể dữ liệu là số hoặc tương tự (cid:131) Analog Signal/Digital Transmission

(cid:131) Xem tín hiệu biểu diễn dữ liệu số, lan truyền qua các bộ repeater

(cid:131) Digital Signal/Analog Transmission

(cid:131) Không dùng

(cid:131) Digital Signal/Digital Data

(cid:131) Tín hiệu là chuỗi nhị phân lan truyền qua các bộ repeater

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 11

Truyền dẫn số

(cid:131) Ưu điểm

(cid:131) Công nghệ LSI/VLSI làm giảm giá thành (cid:131) Toàn vẹn dữ liệu

(cid:131) Nhiễu và suy giảm tín hiệu không bị tích lũy bởi các repeater (cid:131) Truyền khoảng cách xa hơn trên các đường truyền kém chất lượng

(cid:131) Hiệu quả kênh truyền

(cid:131) Có thể truyền nhiều kênh hơn trên cùng một đường truyền

(cid:131) Bảo mật

(cid:131) Các kỹ thuật mã hóa để bảo mật dữ liệu dễ áp dụng

(cid:131) Tích hợp

(cid:131) Dữ liệu số và analog được xử lý tương tự nhau

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 12

Nội dung

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 13

Tiêu chí so sánh các phương pháp mã hóa

(cid:131) Phổ tín hiệu

(cid:131) Việc thiếu thành phần tần số cao làm giảm yêu cầu về

băng thông

(cid:131) Thiếu thành phần một chiều cho phép “ac coupling” thông

qua bộ biến đổi, cho phép các thiết bị tách rời vật lý

(cid:131) Tập trung công suất ở giữa băng thông

(cid:131) Đồng bộ

(cid:131) Đồng bộ bộ thu và bộ phát (cid:131) Tín hiệu đồng bộ ngoại vi (cid:131) Cơ chế đồng bộ dựa trên tín hiệu

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 14

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

(cid:131) Khả năng phát hiện lỗi (cid:131) Nhiễu và khả năng miễn nhiễm (cid:131) Độ phức tạp và chi phí

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 15

Dữ liệu số - Tín hiệu số

(cid:131) Tín hiệu số

(cid:131) Xung điện áp rời rạc, không liên tục (cid:131) Mỗi xung là một phần tử tín hiệu (cid:131) Dữ liệu nhị phân được mã hóa thành các phần tử tín hiệu

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 16

Thuật ngữ

(cid:131) Unipolar

(cid:131) Tất cả các phần tử tín hiệu có cùng dấu

(cid:131) Polar

(cid:131) Một trạng thái được biểu diễn bằng mức điện áp dương (cid:131) Một trạng thái được biểu diễn bằng mức điện áp âm

(cid:131) Độ rộng (chiều dài 1 bit)

(cid:131) Thời gian thiết bị phát dùng để truyền 1 bit

(cid:131) Tốc độ điều chế

(cid:131) Tốc độ mức tín hiệu thay đổi (baud rate)

(cid:131) Mark và Space

(cid:131) Tương ứng với 1 và 0 nhị phân

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 17

Diễn giải tín hiệu

(cid:131) Cần biết

(cid:131) Định thời của các bit (khi nào chúng bắt đầu và kết

thúc)

(cid:131) Mức tín hiệu

(cid:131) Yếu tố ảnh hưởng đến việc diễn giải t/h

(cid:131) Tỉ số SNR (cid:131) Tốc độ dữ liệu (cid:131) Băng thông

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 18

Nonreturn to zero (NRZ)

(cid:131) Điện áp không thay đổi trong thời khoảng bit (cid:131) Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

(cid:131) 2 mức điện áp khác nhau cho bit 1 và bit 0 (cid:131) Thông thường, điện áp dương dùng cho bit 0 và điện áp âm

dùng cho bit 1

(cid:131) Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)

(cid:131) Có thay đổi tín hiệu mã hóa 1 (cid:131) Không có thay đổi tín hiệu mã hóa 0

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 19

Ưu và nhược điểm của NRZ

(cid:131) Ưu điểm của NRZI so với NRZL

(cid:131) Dữ liệu được biểu diễn bằng việc thay đổi tín hiệu (cid:131) Nhận biết sự thay đổi dễ dàng hơn so với nhận biết mức (cid:131) Trong các hệ thống truyền dẫn phức tạp, mức dễ dàng bị mất

(cid:131) Ưu điểm của NRZ (cid:131) Dễ dàng nắm bắt (cid:131) Băng thông dùng hiệu quả

(cid:131) Nhược điểm của NRZ

(cid:131) Có thành phần một chiều (cid:131) Thiếu khả năng đồng bộ (cid:131) Dùng trong việc ghi băng từ (cid:131) Ít dùng trong việc truyền t/h

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 20

Multilevel Binary

(cid:131) Dùng nhiều hơn 2 mức tín hiệu (cid:131) Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)

(cid:131) Sử dụng 3 mức tín hiệu (cid:131) 0 được biểu diễn bằng mức điện áp giữa (cid:131) 1 được biểu diễn bằng xung dương hay xung âm (cid:131) Các xung thay đổi cực tính xen kẻ nhau (cid:131) Pseudoternary: ngược lại Bipolar AMI

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 21

Ưu và nhược điểm

(cid:131) Ưu điểm

(cid:131) Không mất đồng bộ khi dữ liệu là một dãy 1 dài (dãy

0 vẫn bị vấn đề đồng bộ)

(cid:131) Phát hiện lỗi dễ dàng (cid:131) Không có thành phần một chiều

(cid:131) Nhược điểm

(cid:131) Băng thông thấp (cid:131) Bộ thu phải có khả năng phân biệt 3 mức (+A, -A, 0) (cid:131) Cần thêm gần 3dB công suất để đạt được cùng xác

suất bit lỗi

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 22

Biphase - Manchester

(cid:131) Thay đổi ở giữa thời khoảng bit (cid:131) Thay đổi vừa là tín hiệu đồng bộ vừa là dữ liệu (cid:131) L→H biểu diễn 1 (cid:131) H→L biểu diễn 0 (cid:131) Dùng trong IEEE 802.3 (CSMA/CD Ethernet)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 23

Biphase - Differential Manchester

(cid:131) Thay đổi giữa thời khoảng bit chỉ dùng đồng bộ (cid:131) Dữ liệu được biểu diễn bằng việc có hay không

có thay đổi ở đầu thời khoản bit (cid:131) Thay đổi : biểu diễn 0 (cid:131) Không thay đổi : biểu diễn 1

(cid:131) Dùng trong IEEE 802.5 (Token ring LAN)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 24

Ưu và nhược điểm của Biphase

(cid:131) Nhược điểm

(cid:131) Tốc độ điều chế tối đa bằng 2 lần NRZ (cid:131) Cần băng thông rộng hơn

(cid:131) Ưu điểm

(cid:131) Đồng bộ dựa vào sự thay đổi ở giữa thời

khoảng bit (self clocking)

(cid:131) Không có thành phần một chiều (cid:131) Phát hiện lỗi

(cid:131) Khi thiếu sự thay đổi mong đợi

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 25

Bài tập

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 26

Bài tập – Giải

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 27

Scrambling (xáo trộn)

(cid:131) Dùng kỹ thuật scrambling để thay thế một chuỗi điện áp (cid:131) Chuỗi thay thế

(cid:131) Phải tạo ra đủ sự thay đổi tín hiệu, dùng cho việc đồng bộ hóa (cid:131) Có thể thay thế trở lại chuỗi ban đầu (cid:131) Cùng độ dài như chuỗi ban đầu (cid:131) Không có thành phần một chiều (cid:131) Không có chuỗi dài các tín hiệu không thay đổi điện áp (cid:131) Không giảm tốc độ dữ liệu (cid:131) Có khả năng phát hiện lỗi

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 28

Scrambling – B8ZS

(cid:131) Dựa trên bipolar-AMI (cid:131) Có 8 số 0 thì sẽ thay thế

(cid:131) Nếu xung điện áp cuối cùng trước đó là dương, thay thế bằng

000+–0–+

(cid:131) Xung điện áp cuối cùng trước đó là âm, mã thành 000–+0+–

(cid:131) Gây ra 2 vi phạm mã AMI (cid:131) Bộ thu diễn giải chúng trở lại thành 8 số 0

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 29

Scrambling – HDB3

(cid:131) Dựa trên bipolar-AMI (cid:131) Chuỗi 4 số 0 được thay thế theo quy tắc

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 30

Dữ liệu số - Tín hiệu tương tự

(cid:131) Ứng dụng

(cid:131) Truyền dữ liệu số trên mạng điện thoại công cộng

(cid:131) Phổ đường truyền: 300Hz → 3400Hz (cid:131) Thiết bị

(cid:131) MODEM (MOdulator-DEMulator)

(cid:131) Kỹ thuật

(cid:131) Điều biên: Amplitude-Shift Keying (ASK) (cid:131) Điều tần: Frequency-Shift Keying (FSK) (cid:131) Điều pha: Phase-Shift Keying (PSK)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 31

Điều biên (ASK)

(cid:131) Dùng 2 biên độ khác nhau của sóng mang để biểu diễn 0 và 1 (thông thường một biên độ bằng 0)

cos(2

)

binary

s t ( )

f t π θ+ c c 0

binary

⎧ = ⎨ ⎩

(cid:131) Sử dụng một tần số sóng mang duy nhất (cid:131) Chỉ phù hợp trong truyền số liệu tốc độ thấp

(~1200bps trên kênh truyền thoại)

(cid:131) Tần số của tín hiệu mang được dùng phụ thuộc vào

chuẩn giao tiếp đang được sử dụng (cid:131) Kỹ thuật được dùng trong cáp quang

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 32

Điều biên (tt)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 33

Điều tần (FSK) – Binary FSK (BFSK)

(cid:131) Sử dụng hai tần số sóng mang: tần số cao tương ứng

mức 1, tần số thấp tương ứng mức 0.

cos(2

)

binary

s t ( )

binary

cos(2

)

f t π θ 1 c f t π θ 2 c

⎧ = ⎨ ⎩

(cid:131) Ít lỗi hơn so với ASK (cid:131) Được sử dụng truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp

hơn trên mạng điện thoại

(cid:131) Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền trên

sóng radio hoặc cáp đồng trục

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 34

Điều tần (tt)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 35

Điều tần (FSK) – Multiple FSK (MFSK)

(cid:131) Dùng nhiều hơn 2 tần số (cid:131) Băng thông được dùng hiệu quả hơn (cid:131) Khả năng lỗi nhiều hơn (cid:131) Mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn nhiều hơn 1 bit dữ

liệu

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 36

Điều pha (PSK)

(cid:131) Sử dụng một tần số sóng mang (cid:131) Thay đổi pha để biểu diễn các giá trị

cos(2

binary

s t ( )

binary

)

cos(2

f t ) + π ϕ c f t π c

⎧ = ⎨ ⎩

(cid:131) PSK vi phân (differential PSK) – thay đổi pha tương đối so với

sóng trước đó (thay vì so với sóng tham chiếu cố định)

(cid:131) Cho phép mã hóa nhiều bit trên mỗi thay đổi tín hiệu sóng mang

(Phase Amplitude Modulation)

(cid:131) 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)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 37

Điều pha (tt)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 38

Điều pha - Quadrature PSK (QPSK)

(cid:131) Sử dụng bốn giá trị lệch pha

s t ( )

A cos(2 A cos(2 A cos(2

π π π

cos(2

(cid:68) 00 0 ) + (cid:68) 90 ) 01 + (cid:68) 180 ) 10 + (cid:68) 270 ) 11

f t c f t c f t c f t c

⎧ ⎪ ⎪ = ⎨ ⎪ ⎪ ⎩

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 39

Hiệu suất

(cid:131) Băng thông

(cid:131) Băng thông ASK và PSK liên quan trực tiếp với tốc độ bit

BT = (1+r)R

(cid:131) 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

(cid:131) Tín hiệu nhiều mức

BT = (1+r)R/m = (1+r)R/log2M

(cid:131) Trong trường hợp có lỗi, tốc độ lỗi của PSK và QPSK

cao hơn khoảng 3dB so với ASK và FSK

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 40

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

(cid:131) QAM được dùng trong ADSL và một số hệ thống wireless (cid:131) Kết hợp giữa ASK và PSK (cid:131) Gởi đồng thời 2 tín hiệu khác nhau cùng tần số mang

(cid:131) Dùng 2 bản sao của sóng mang, một cái được dịch đi 90 (cid:131) Mỗi sóng mang là ASK đã được điều chế (cid:131) 2 tín hiệu độc lập trên cùng môi trường

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 41

Tín hiệu tương tự - Dữ liệu số

(cid:131) Ứng dụng

(cid:131) Truyền dữ liệu tương tự trên mạng truyền dữ liệu số (cid:131) Số hóa (cid:131) Thiết bị

(cid:131) CODEC (COder-DECoder)

(cid:131) Kỹ thuật

(cid:131) Điều chế xung mã: Pulse Code Modulation (PCM) (cid:131) Điều chế Delta: Delta Modulation (DM)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 42

Điều chế xung mã (PCM)

(cid:131) 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”

(cid:131) Công thức Nyquist: N >= 2f

(cid:131) N: tốc độ lấy mẫu (cid:131) 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?

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 43

Điều chế xung mã (tt)

Input signals

Digital bit stream output signal

Discrete time, discrete amplitude signal

Discrete time, continuous amplitude signal

(cid:131) PAM (Pulse Amplitude Modulation) (cid:131) Các xung được lấy mẫu ở tần số R=2B (cid:131) Lượng tử hóa (Quantizer) các xung PAM

(cid:131) Giá trị của điểm được lấy mẫu, rơi vào khoảng nào thì lấy giá

trị khoảng đó

(cid:131) Số mức lượng tử là 2n (n là số bit dùng số hóa một xung)

(cid:131) Mã hóa dữ liệu

(cid:131) Thực hiện các thao tác mã hóa trước khi truyền đi

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 44

Điều chế xung mã (tt)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 45

PCM - Non-linear coding

(cid:131) Mức lượng tử không đều (cid:131) Giảm méo tín hiệu (cid:131) Companding (compressing-expanding)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 46

Companding

1.0

0.8

0.6

0.4

e d u t i n g a m

l a n g i s t u p t u O

0.2

0.0

Input signal magnitude

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 47

Điều chế Delta (DM)

(cid:131) Tín hiệu tương tự được xấp xỉ bởi hàm bậc thang (staircase)

(cid:131) Chỉ đi lên hay

xuống 1 mức (δ) tại mỗi thời khoảng lấy mẫu

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 48

Điều chế Delta (tt)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 49

Tín hiệu tương tự - Dữ liệu số

(cid:131) Ứng dụng

(cid:131) Điều chế dữ liệu tương tự: thay đổi tần số truyền (cid:131) Dùng cho dồn kênh FDM

(cid:131) Kỹ thuật

(cid:131) Điều chế biên: Amplitude Modulation (AM) (cid:131) Điều chế góc (Angle Modulation)

(cid:131) Điều chế tần số: Frequency Modulation (FM) (cid:131) Điều chế pha: Phase Modulation (PM)

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 50

Điều chế biên (AM)

(cid:131) Biên độ của sóng mang được thay đổi bởi biên độ của tín

hiệu được truyền đi

s(t) = [1+nax(t)]cos(2πfct)

(cid:131) Tạo ra tín hiệu 2 bên (DSBTC) (cid:131) SSB và DSBSC

(cid:131) Ưu điểm

(cid:131) Dễ hiện thực (điều chế và giải điều chế) (cid:131) Dễ biến đổi tín hiệu sang các giải băng tần khác nhau

(cid:131) Khuyết điểm

(cid:131) Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu (cid:131) Không sử dụng hiệu quả năng lượng

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 51

Điều chế biên

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 52

Điều chế góc

s(t) = Accos[2πfct + Φ(t)] (cid:131) Phương pháp điều tần số (FM) (cid:131) Tín hiệu phát thay đổi thành phần tần số tỷ lệ với biên độ

và tần số của tín hiệu truyền đi

(cid:131) Ưu điểm

(cid:131) Khó bị ảnh hưởng của nhiễu (cid:131) Sử dụng hiệu quả năng lượng

(cid:131) Khuyết điểm

(cid:131) Tín hiệu được điều chế yêu cầu băng thông rộng hơn nhiều tín

hiệu truyền đi ban đầu (dữ liệu)

(cid:131) Điều chế và giải điều chế phức tạp hơn so với phương pháp

điều biên

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 53

Điều chế góc

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 54

(cid:131) Phương pháp điều chế pha (PM)

Φ(t) = npm(t)

(cid:131) Tín hiệu truyền đi làm thay đổi pha của sóng mang (cid:131) 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

(cid:131) Ưu điểm của điều chế pha

(cid:131) 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 ?

(cid:131) 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

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 55