data communication and networking

1

Các vấn đề cơ bản của truyền số liệu

[email protected]@cse.hcmut.edu.vn

Bộ môn Kỹ thuật máy tính 2

Nội dungDữ liệu và tín hiệuTruyền dẫn dữ liệuKỹ thuật mã hóa tín hiệuCấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)Cấu trúc truyền (bất đồng bộ và đồng bộ)Lỗi và phát hiện, sữa lỗiCấu hình Giao tiếp V.24/EIA-232-FNén thông tin Phân hợp kênhADSL


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, … thìa = 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 ?


Dữ liệu và tín hiệuThường dùng tín hiệu số truyền dữ liệu sốThường dùng tín hiệu tương tự truyền dữ liệu tương tựCó thể dùng tín hiệu tương tự mang dữ liệu số

Modem

Có thể dùng tín hiệu sốđể mang dữ liệu tương tự

Compact Disc audio


Truyền dẫnTruyền dẫn tương tự

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

Khuếch đại cả tín hiệu lẫn nhiễu

fcf

S(f)

Modulator Demodulators(t)analog

m(t)Digital/Analog

m(t)

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 sựtích hợp.Dùng bộ lặp (repeater) để truyền dữ liệu đi xa.

Không khuếch đại nhiễu.

Encoder Decoderx(t)digital

g(t)Digital/Analog

g(t)

t

x(t)


Dữ liệu, tín hiệu và truyền dẫnAnalog data/Analog Signal

Gởi bình thường Mã hóa vào phần phổ khác

Analog data/Digital SignalDùng bộ codec để tạo ra chuỗi bit số

Digital Data/Analog SignalĐược mã hóa dùng modem để tạo ra tín hiệu tương tự

Digital Data/Digital SignalGởi bình thường Mã hóa để tạo ra tín hiệu số có đặc tính mong muốn

Digital signal

Analog signal

Digital data

Digital signal

Analog signal

Analog data

Analog and digital transmission


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 TransmissionXem tín hiệu biểu diễn dữ liệu số, lan truyền qua các bộ repeater

Digital Signal/Analog TransmissionKhông dùng

Digital Signal/Digital DataTín hiệu là chuỗi nhị phân lan truyền qua các bộ repeater


Truyền dẫn sốƯu điểm

Công nghệ LSI/VLSI làm giảm giá thànhToàn vẹn dữ liệu

Nhiễu và suy giảm tín hiệu không bị tích lũy bởi các repeaterTruyền khoảng cách xa hơn trên các đường truyền kém chất lượng

Hiệu quả kênh truyềnCó thể truyền nhiều kênh hơn trên cùng một đường truyền

Bảo mậtCác kỹ thuật mã hóa để bảo mật dữ liệu dễ áp dụng

Tích hợpDữ liệu số và analog được xử lý tương tự nhau


Tiêu chí so sánh các phương pháp mã hóa

Phổ tín hiệuViệc thiếu thành phần tần số cao làm giảm yêu cầu về băng thôngThiếu thành phần một chiều cho phép “ac coupling” thông qua bộ biến đổi, cho phép các thiết bị tách rời vật lýTập trung công suất ở giữa băng thông

Đồng bộĐồng bộ bộ thu và bộ phátTín hiệu đồng bộ ngoại viCơ chế đồng bộ dựa trên tín hiệu


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

Khả năng phát hiện lỗiNhiễu và khả năng miễn nhiễmĐộ phức tạp và chi phí


Dữ liệu số - Tín hiệu sốTín hiệu số

Xung điện áp rời rạc, không liên tụcMỗi xung là một phần tử tín hiệuDữ liệu nhị phân được mã hóa thành các phần tử tín hiệu


Thuật ngữUnipolar

Tất cả các phần tử tín hiệu có cùng dấuPolar

Một trạng thái được biểu diễn bằng mức điện áp dươngMột 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 chếTốc độ mức tín hiệu thay đổi (baud rate)

Mark và SpaceTương ứng với 1 và 0 nhị phân


Diễn giải tín hiệuCần biếtĐịnh thời của các bit (khi nào chúng bắt đầu và kết thúc)Mức tín hiệu

Yếu tố ảnh hưởng đến việc diễn giải t/hTỉ số SNRTốc độ dữ liệuBăng thông


Nonreturn to zero (NRZ)

Điện áp không thay đổi trong thời khoảng bitNonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

2 mức điện áp khác nhau cho bit 1 và bit 0Thông 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 1Không có thay đổi tín hiệu mã hóa 0


Ưu và nhược điểm của NRZƯu 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 mứcTrong các hệ thống truyền dẫn phức tạp, mức dễ dàng bị mất

Ưu điểm của NRZDễ dàng nắm bắtBăng thông dùng hiệu quả

Nhược điểm của NRZCó thành phần một chiềuThiếu khả năng đồng bộ

Dùng trong việc ghi băng từÍt dùng trong việc truyền t/h


Multilevel Binary

Dùng nhiều hơn 2 mức tín hiệuBipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)

Sử dụng 3 mức tín hiệu0 được biểu diễn bằng mức điện áp giữa1 được biểu diễn bằng xung dương hay xung âmCác 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 dàngKhông có thành phần một chiều

Nhược điểmBăng thông thấpBộ 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 bitThay đổi vừa là tín hiệu đồng bộ vừa là dữ liệuL→H biểu diễn 1H→L biểu diễn 0Dùng trong IEEE 802.3 (CSMA/CD Ethernet)


Biphase - Differential Manchester

Thay đổi giữa thời khoảng bit chỉ dùng đồng bộDữ liệu được biểu diễn bằng việc có hay không có thay đổi ở đầu thời khoản bit

Thay đổi : biểu diễn 0Không thay đổi : biểu diễn 1

Dùng trong IEEE 802.5 (Token ring LAN)


Ưu và nhược điểm của BiphaseNhược điểm

Tốc độ điều chế tối đa bằng 2 lần NRZCần băng thông rộng hơn

Ưu điểmĐồng bộ dựa vào sự thay đổi ở giữa thời khoảng bit (self clocking)Không có thành phần một chiềuPhát hiện lỗi

Khi thiếu sự thay đổi mong đợi


Bài tập


Bài tập – Giải


Dùng kỹ thuật scrambling để thay thế một chuỗi điện ápChuỗi thay thế

Phải tạo ra đủ sự thay đổi tín hiệu, dùng cho việc đồng bộ hóaCó thể thay thế trở lại chuỗi ban đầuCùng độ dài như chuỗi ban đầu

Không có thành phần một chiềuKhông có chuỗi dài các tín hiệu không thay đổi điện ápKhông giảm tốc độ dữ liệuCó khả năng phát hiện lỗi

Scrambling (xáo trộn)


Scrambling – B8ZS

Dựa trên bipolar-AMICó 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 AMIBộ thu diễn giải chúng trở lại thành 8 số 0


Scrambling – HDB3

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


Dữ liệu số - Tín hiệu tương tựỨng dụng

Truyền dữ liệu số trên mạng điện thoại công cộngPhổ đường truyền: 300Hz → 3400HzThiết bị

MODEM (MOdulator-DEMulator)Kỹ thuậtĐiều 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)

Sử dụng một tần số sóng mang duy nhấtChỉ 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 dụngKỹ thuật được dùng trong cáp quang

cos(2 ) 1( )

0 0c cA f t binary

s tbinary

π θ+⎧= ⎨⎩


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.

Ít lỗi hơn so với ASKĐược sử dụng truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp hơn trên mạng điện thoạiCó thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền trên sóng radio hoặc cáp đồng trục

1

2

cos(2 ) 1( )

cos(2 ) 0c

c

A f t binarys t

A f t binaryπ θπ θ

+⎧= ⎨ +⎩


Điều tần (tt)


Điều tần (FSK) – Multiple FSK (MFSK)

Dùng nhiều hơn 2 tần sốBăng thông được dùng hiệu quả hơnKhả năng lỗi nhiều hơnMỗi phần tử tín hiệu biểu diễn nhiều hơn 1 bit dữliệu


Điều pha (PSK)Sử dụng một tần số sóng mangThay đổi pha để biểu diễn các giá trị

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)

cos(2 ) 1( )

cos(2 ) 0c

c

A f t binarys t

A f t binaryπ ϕπ

+⎧= ⎨⎩


Điều pha (tt)


Điều pha - Quadrature PSK (QPSK)cos(2 0 ) 00cos(2 90 ) 01

( )cos(2 180 ) 10cos(2 270 ) 11

c

c

c

c

A f tA f t

s tA f tA f t

ππππ

⎧ +⎪ +⎪= ⎨

+⎪⎪ +⎩

Sử dụng bốn giá trị lệch pha


Hiệu suấtBăng thông

Băng thông ASK và PSK liên quan trực tiếp với tốc độ bit

BT = (1+r)RBăng thông FSK có quan hệ với tốc độ dữ liệu và độ dịch chuyển của các tần số điều chế

BT = 2ΔF + (1+r)RTín hiệu nhiều mức

BT = (1+r)R/m = (1+r)R/log2MTrong 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 wirelessKết hợp giữa ASK và PSKGởi 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 chế2 tín hiệu độc lập trên cùng môi trường


Tín hiệu tương tự - Dữ liệu sốỨng dụng

Truyền dữ liệu tương tự trên mạng truyền dữ liệu sốSố hóa

Thiết bịCODEC (COder-DECoder)

Kỹ thuậtĐiều 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 mẫuf: 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)

PAM (Pulse Amplitude Modulation)Các xung được lấy mẫu ở tần số R=2B

Lượng tử hóa (Quantizer) các xung PAMGiá trị của điểm được lấy mẫu, rơi vào khoảng nào thì lấy giátrị khoảng đóSố mức lượng tử là 2n (n là số bit dùng số hóa một xung)

Mã hóa dữ liệuThực hiện các thao tác mã hóa trước khi truyền đi

Input signals

Discrete time,continuous amplitudesignal

Discrete time,discrete amplitudesignal

Digital bitstream output signal


Điều chế xung mã (tt)


PCM - Non-linear codingMức lượng tử không đềuGiảm méo tín hiệuCompanding (compressing-expanding)


Companding

Outp

ut

signal

m

agnitude

Input signal magnitude

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0


Điều chế Delta (DM)Tín hiệu tương tự được xấp xỉbởi 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 sốỨng dụngĐiều chế dữ liệu tương tự: thay đổi tần số truyềnDùng cho dồn kênh FDM

Kỹ thuậtĐiều 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 điểmDễ hiện thực (điều chế và giải điều chế)Dễ biến đổi tín hiệu sang các giải băng tần khác nhau

Khuyết điểmDễ bị ảnh hưởng của nhiễuKhông sử dụng hiệu quả năng lượng


Điều chế biên


Điều chế gócs(t) = Accos[2πfct + Φ(t)]

Phương pháp điều tần số (FM)Tín hiệu phát thay đổi thành phần tần số tỷ lệ với biên độvà tần số của tín hiệu truyền điƯu điểm

Khó bị ảnh hưởng của nhiễuSử dụng hiệu quả năng lượng

Khuyết điểmTín 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 mangPhổ 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 tầnƯu điểm của điều chế pha

Tần số của tín hiệu là cố định, pha thay đổi. Chỉ cần thiết kế bộ lọc tần sốcho 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 suấtBăng thông

AMBT = 2B

FM&PMBT = 2(β+1)B

FM và PM cần băng thông lớn hơn so với AM

data communication and networking

Documents