________________________________________________________________
____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 1
$ CHƯƠNG 2
MÃ HÓA VÀ ĐIỀU CHẾ
PHỔ TẦN CỦA TÍN HIỆU
Phổ tần gián đoạn
Phổ tần liên tục
MÃ HÓA
Các dạng mã phổ biến
Kỹ thuật ngẫu nhiên hóa
ĐIỀU CHẾ
Biên độ
Góc
Xung
Trong truyền thông, tin tức và dữ liệu là tất cả những gì cần trao đổi, chúng có thể là
tiếng nói, hình ảnh, tập hợp các con số, các ký hiệu, các đại lượng đo lường . . . được đưa vào
máy phát để phát đi hay nhận được ở máy thu.
Tín hiệu chính là tin tức đã được xử lý để có thể truyền đi trên hệ thống thông tin.
Việc xử lý bao gồm chuyển đổi, mã hóa và điều chế.
Chuyển đổi là biến các tin tức dưới dạng không điện thành ra tín hiệu điện.
Mã hóa là gán cho tín hiệu một giá trị nhị phân và đặc trưng bởi các mức điện áp cụ
thể để có thể truyền trên kênh truyền và phục hồi ở máy thu.
Điều chế là dùng tín hiệu cần truyền để làm thay đổi một thông số nào đó của một tín
hiệu khác, tín hiệu này thực hiện nhiệm vụ mang tín hiệu cần truyền đến nơi thu nên được gọi
là sóng mang (carrier wave). Mục đích của sự điều chế là dời phổ tần của tín hiệu cần truyền
đến một vùng phổ tần khác thích hợp với tính chất của đường truyền và nhất là có thể truyền
đồng thời nhiều kênh cùng một lúc (đa hợp phân tần số).
Chương này đề cập đến sự điều chế và mã hóa. Nhưng trước tiên, chúng ta cần nhắc
lại một số tính chất của tín hiệu qua việc phân tích tín hiệu không sin thành tổng của các tín
hiệu hình sin và lưu ý đến mối quan hệ tần số-thời gian của tín hiệu.
2 . 1 phổ tần của tín hiệu
Trong một hệ thống thông tin tồn tại 3 dạng tín hiệu với phổ tần khác nhau:
- Loại thứ nhất là các tín hiệu có tính tuần hoàn có dạng hình sin hoặc không. Một tín
hiệu không sin là tổng hợp của nhiều tín hiệu hình sin có tần số khác nhau. Kết quả này có
được bằng cách dùng chuỗi Fourier để phân tích tín hiệu.
- Loại thứ hai là các tín hiệu không có tính tuần hoàn mà có tính nhất thời (thí dụ như
các xung lực), loại tín hiệu này được khảo sát nhờ biến đổi Fourier.
- Loại thứ ba là tín hiệu có tính ngẫu nhiên, không được diễn tả bởi một hàm toán học
nào. Thí dụ như các loại nhiễu, được khảo sát nhờ phương tiện xác suất thống kê.
Các loại tín hiệu, nói chung, có thể được xét đến dưới một trong hai lãnh vực :
- Lãnh vực thời gian: Trong lãnh vực này tín hiệu được diễn tả bởi một hàm theo thời
gian, hàm này cho phép xác định biên độ của tín hiệu tại mỗi thời điểm.
- Lãnh vực tần số : Trong lãnh vực này người ta quan tâm tới sự phân bố năng lượng
của tín hiệu theo các thành phần tần số của chúng và được diễn tả bởi phổ tần.
Trong giới hạn của môn học, chúng ta chỉ đề cập đến hai loại tín hiệu đầu.
__________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
________________________________________________________________
____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 2
2.1.1 Phổ tần gián đoạn
Tín hiệu có tính tuần hoàn đơn giản nhất là tín hiệu hình sin
v(t) = Vm sin ( ωt + φ ) = Vmsin ( 2πft + φ )
Tín hiệu này có phổ tần là một vạch duy nhất có biên độ Vm tại tần số f (H 2.1)
(H 2.1)
Các dạng tín hiệu tuần hoàn khác có thể phân tích thành tổng các tín hiệu hình sin, như
vậy phổ tần của chúng phức tạp hơn, gồm nhiều vạch ở các tần số khác nhau.
Tín hiệu thường gặp có dạng hình chữ nhựt mà bởi phép phân tích thành chuỗi Fourier
ta thấy phổ tần bao gồm nhiều vạch ở các tần số cơ bản f và các họa tần 3f, 5f, 7f .... (H 2.2).
(a) (b)
(H 2.2)
Tín hiệu (H 2.2.a) phân tích thành chuỗi Fourier:
v = .....)cos7ω
7
1
cos5ω
5
1
cos3ω
3
1
(cosω
4V tttt −+−
π.
Với ω = 2π / T = 2π f
T & f lần lượt là chu kỳ và tần số của tín hiệu chữ nhựt.
Lưu ý , nếu dời tín hiệu (H 2.2.a) lên một khoảng V theo trục tung thì phổ tần có
thêm thành phần một chiều (H 2.3)
(a) (H 2.3) (b)
v = V + .....)t7
7
1
t5
5
1
t3
3
1
t(
4ω−ω+ω−ω
π
coscoscoscos
V
Xét trường hợp chuỗi xung chữ nhựt với độ rộng τ << T , ta có tín hiệu và phổ ở
(H 2.4).
__________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
________________________________________________________________
____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 3
v= .....)cos3ω
3x
sin3x
cos2ω
2x
sin2x
cosω
x
sinx
(
T
2V
T
Vttt
ττ +++
với x = πτ / T
(a) (H 2.4) (b) Phổ tần trong trường hợp τ = 0,1T
Nhận thấy biên độ của họa tần thứ n xác định bởi Vn = nx
sinnx
T
2Vτ
(H 2.4.b) là phổ tần của tín hiệu (H 2.4.a) cho trường hợp τ = 0,1 T. Trong trường hợp
này tần số đầu tiên của tín hiệu có biên độ đạt trị 0 là 10f.
Nếu xem băng thông BW của tín hiệu là khoảng tần số mà biên độ tín hiệu đạt giá trị
0 đầu tiên (vì năng lượng tín hiệu tập trung trong khoảng tần số này) ta có:
BW xác định bởi:
sin(nx) = 0
nx = π ⇒ nπτ / T = π ⇒ n / T = 1/τ
hay BW = nf = n/T = 1/τ
2.1.2 Phổ tần liên tục
Đối với chuỗi xung ở trên khi T càng lớn khoảng cách phổ vạch càng thu hẹp lại và
khi T → ∞, chuỗi xung trở thành một xung duy nhất và phổ vạch trở thành một đường cong
liên tục có dạng bao hình của biên độ phổ trước đây (H 2.5).
Đường cong xác định bởi:
V(f) = Vτ ⏐πfτ
πfτsin ⏐
(a) (b)
(H 2.5)
2.2. Mã hóa
Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cách đơn giản là
gán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một trị khác cho mức logic còn lại. Tuy
nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo mã phải dựa vào một số tính chất sau:
__________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
________________________________________________________________
____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 4
- Phổ tần của tín hiệu:
Nếu tín hiệu có chứa tần số cao thì băng thông của tín hiệu và của hệ thống phải rộng
Nếu tín hiệu có thành phần DC có thể gây khó khăn trong ghép nối, thí dụ không thể
ghép tín hiệu có thành phần DC qua biến thế và kết quả là không cách ly điện được.
Trong thực tế, sự truyền thông xấu nhất ở các cạnh của băng thông.
Vì các lý do trên, một tín hiệu tốt phải có phổ tần tập trung ở giữa một băng thông
không quá rộng và không nên chứa thành phần DC.
- Sự đồng bộ
Thường máy thu phải có khả năng nhận ra điểm bắt đầu và kết thúc của một bit để
thực hiện sự đồng bộ với máy phát. Nên nhớ là trong chế độ truyền đồng bộ, máy phát và thu
không tạo ra xung đồng hồ riêng rẻ mà máy thu phải phục hồi xung này từ chuỗi dữ liệu phát
để sử dụng. Như vậy tín hiệu truyền phải tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ ẩn
trong chuỗi dữ liệu, cụ thể là phải thường xuyên có sự biến đổi giữa các mức của tín hiệu.
- Khả năng dò sai
Độ tin cậy trong một hệ thống thông tin số là rất cần thiết do đó máy thu phải có khả
năng dò sai để sửa chữa mà việc này có thực hiện dễ dàng hay không cũng tùy vào dạng mã.
- Tính miễn nhiễu và giao thoa
Các dạng mã khác nhau cho khả năng miễn nhiễu khác nhau. Thí dụ mã Bipolar-AMI
là loại mã có khả năng phát hiện được nhiễu.
- Mức độ phức tạp và giá thành của hệ thống
Các đặc tính này của hệ thống cũng tùy thuộc vào dạng mã rất nhiều
2.2.1 Các dạng mã phổ biến
Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục đích
khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất nói trên (H 2.6)
- Nonreturn - to - zero - Level (NRZ - L)
0 = mức cao
1 = mức thấp
Đây là dạng mã đơn giản nhất, hai trị điên thế cùng dấu (đơn cực) biểu diễn hai trạng
thái logic. Loại mã này thường được dùng trong việc ghi dữ liệu lên băng từ, đĩa từ . . . .
- Nonreturn - to - zero inverted (NRZI)
0 = chuyển mức điện thế ở đầu bit
1 = không chuyển mức điện thế ở đầu bit
__________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
________________________________________________________________
____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 5
(H 2.6)
NRZI là một thí dụ của mã vi phân: sự mã hóa tùy vào sự thay đổi trạng thái của các
bit liên tiếp chứ không tùy thuộc vào bản thân bit đó. Loại mã này có lợi điểm là khi giải mã
máy thu chỉ cần dò sự thay đổi trạng thái của tín hiệu thì có thể phục hồi dữ liệu thay vì phải
so sánh tín hiệu với một trị ngưỡng để xác định trạng thái logic của tín hiệu đó. Kết quả là các
loại mã vi phân cho độ tin cậy cao hơn.
- Bipolar - AMI
0 = không tín hiệu (hiệu thế = 0)
1 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 1 liên tiếp
- Pseudoternary
0 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 0 liên tiếp
1 = không tín hiệu (hiệu thế = 0)
Hai loại mã có cùng tính chất là sử dụng nhiều mức điện thế để tạo mã (Multilevel
Binary), cụ thể là 3 mức: âm, dương và không. Lợi điểm của loại mã này là:
- Dễ tạo đồng bộ ở máy thu do có sự thay đổi trạng thái của tín hiệu điện mặc dù các
trạng thái logic không đổi (tuy nhiên điều này chỉ thực hiện đối với một loại bit, còn loại bit
thứ hai sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật ngẫu nhiên hóa)
- Có điều kiện tốt để dò sai do sự thay đổi mức điện thế của các bit liên tiếp giống
nhau nên khi có nhiễu xâm nhập sẽ tạo ra một sự vi phạm mà máy thu có thể phát hiện dễ
dàng.
Một khuyết điểm của loại mã này là hiệu suất truyền tin kém do phải sử dụng 3 mức
điện thế .
- Manchester
0 = Chuyển từ cao xuống thấp ở giữa bit
1 = Chuyển từ thấp lên cao ở giữa bit
- Differential Manchester
Luôn có chuyển mức ở giữa bit
0 = chuyển mức ở đầu bit
1 = không chuyển mức ở đầu bit
Hai mã Manchester và Differential Manchester có cùng tính chất : mỗi bit được đặc
trưng bởi hai pha điện thế (Biphase) nên luôn có sự thay đổi mức điện thế ở từng bit do đó tạo
__________________________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu