kyõ thuaät truyeàn soá lieäudulieu.tailieuhoctap.vn/books/cong-nghe-thong-tin/... · nonreturn...

BKTP.HCM

2008dce

Chương 3Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

Dữ liệu số, tín hiệu sốDữ liệu số, tín hiệu tương tựDữ liệu tương tự, tín hiệu sốDữ liệu tương tự, tín hiệu tương tự

2008dce

©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 2Data Communication and Computer Networks

Tín hiệu analog• Ba đặc điểm chính của tín hiệu

analog bao gồm– Biên độ (Amplitute)– Tần số (Frequency)– Pha (Phase)

• Biên độ của tín hiệu analog– Đo độ mạnh của tín hiệu, đơn vị: decibel

(dB) hay volts– Biên độ càng lớn, tín hiệu càng có cường độ mạnh

– Tín hiệu tiếng nói - từ “hello”• Tiếng nói (speech) là một tín hiệu rất

phức tạp• Tiếng nói chứa hàng ngàn tổ hợp khác

nhau của nhiều tín hiệu

2008dce


Tần số của tín hiệu analog• Tốc độ thay đổi của tín hiệu

trong một giây, đơn vị Hz hay số chu kỳ trong một giây (cycles per second)– T/h 30Hz thay đổi 30 lần trong

một giây

• Một chu kỳ là sự di chuyển sóng của tín hiệu từ điểm nguồn bắt đầu cho đến khi quay trở về lại điểm nguồn đó.

2008dce


Pha của tín hiệu analog• Tốc độ thay đổi quan hệ của

tín hiệu đối với thời gian, được mô tả theo độ(degree)

• Sự dịch pha xảy ra khi chu kỳ của tín hiệu chưa kết thúc, và một chu kỳ mới của tín hiệu bắt đầu trước khi chu kỳ trước đó chưa hoàn tất– Tai người không cảm nhận được sự dịch pha

– T/h mang dữ liệu bị ảnh hưởng bởi sự dịch pha

• Ví dụ các mối nối không hoàn hảo sẽ gây ra dịch pha

2008dce


Tín hiệu digital• Tín hiệu số bao gồm chỉ hai trạng thái, được diễn tả

với hai trạng thái ON hay OFF hoặc là 0 hay 1• Tín hiệu số yêu cầu khả năng băng thông lớn hơn tín

hiệu analog.

2008dce


Tín hiệu digital• Các vấn đề khi sử dụng kênh thoại (voice channel) trong việc

truyền tín hiệu số– Một tín hiệu số là một tổ hợp của các tín hiệu khác. Đặc biệt, tín

hiệu số có thể được biểu diễn như sau Signal = f + f3 + f5 +f7 +f9 +f11 +f13 ....f∞

– Do đó một 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), …

– Nếu biên độ của tần số f, f3, f5, … là a, a3, a5, … thì a = 3a3 = 5a5 …– Để gởi tín hiệu số qua kênh truyền thoại, 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

– Đây là yêu cầu tối thiểu để bên nhận nhận đúng được tín hiệu số

2008dce


Tín hiệu digital

• Truyền 1 tín hiệu số nhị phân tốc độ 2400bps trên kênh thoại có băng thông 3.1kHz– Tần số cơ bản: 1200Hz (thông thường bằng ½ tốc độ bit)– Chỉ có tần số cơ bản đi qua mà không bị thay đổi

2008dce


Dữ liệu, tín hiệu và truyền dẫn• Analog data/Analog Signal

– Gởi bình thường hoặc mã hóa vào phần phổ khác• Analog data/Digital Signal

– Mã hóa dùng bộ codec để tạo ra chuỗi bit số• Digital Data/Analog Signal

– Được mã hóa dùng modem để tạo ra t/h tương tự• Digital Data/Digital Signal

– Biểu diễn trực tiếp dữ liệu hoặc mã hóa để tạo ra t/h số có đặc tính mong muốn

• Analog Signal/Analog Transmission– Lan truyền thông qua các bộ khuếch đại, xử lý t/h như

nhau bất kể dữ liệu là số hoặc tương tự• Analog Signal/Digital Transmission

– Giả sử t/h biểu diễn dữ liệu số, lan truyền qua các bộrepeater

• Digital Signal/Analog Transmission– Không dùng

• Digital Signal/Digital Transmission– T/h là chuỗi nhị phân lan truyền qua các bộ repeater

Analog and digital transmission

Analog data

Analog signal

Digital signal

Digital data

Analog signal

Digital signal

2008dce


Dữ liệu số, tín hiệu sốAnalog and digital

transmissionAnalog

dataAnalog Analog Analog signalsignalsignal

Digital Digital Digital signalsignalsignal

Digital data

Analog Analog Analog signalsignalsignal

Digital Digital signalsignal

• 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

2008dce


Thuật ngữ• Unipolar

– Tất cả các phần tử t/h có cùng dấu• Polar

– Một trạng thái logic được biểu diễn bằng mức điện áp dương, trạng thái logic khác được biểu diễn bằng mức điện áp âm

• Tốc độ dữ liệu– Tốc độ truyền dẫn dữ liệu theo bps (bit per second)

• Độ rộng (chiều dài 1 bit)– Thời gian thiết bị phát dùng để truyền 1 bit

• Tốc độ điều chế (tốc độ tín hiệu)– Tốc độ mức t/h thay đổi– Đơn vị là baud = số phần tử t/h trong 1 giây

• Mark và Space– Tương ứng với 1 và 0 nhị phân

2008dce


Diễn giải tín hiệu• Cần biết

– Định thời của các bit (khi nào chúng bắt đầu vàkết thúc)

– Mức tín hiệu tương ứng với bit 0, 1• Yếu tố ảnh hưởng đến việc diễn giải t/h

– Tỉ số SNR: càng lớn thì BER càng giảm– Tốc độ dữ liệu (bps): càng tăng thì BER càng tăng– Băng thông: càng lớn thì tốc độ dữ liệu càng tăng

2008dce


Nonreturn to Zero (NRZ)• Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

– 2 mức điện áp khác nhau cho bit 1 và bit 0– Điện áp không thay đổi trong thời khoảng bit

• Không có transition (no return to 0V level)– Bit 0 – không có điện áp; bit 1 – điện áp dương– Thông thường, điện áp âm dùng cho bit 0 và điện áp dương dùng cho bit 1

• Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)– NRZI cho các bit 1– Xung điện áp hằng số suốt thời khoảng bit– Dữ liệu được mã căn cứ vào việc có hay không sự thay đổi t/h ở đầu thời khoảng bit– Thay đổi t/h (L→H hoặc H→L) mã hóa nhị phân 1– Không có thay đổi t/h mã hóa nhị phân 0– Một ví dụ cho mã hóa sai phân (differential encoding)

2008dce


Nonreturn to Zero (NRZ)• Mã hóa sai phân

– Dữ liệu được biểu diễn bằng sự thay đổi mức t/h (thay vìbằng mức t/h)

– Nhận biết sự thay đổi dễ dàng hơn so với nhận biết mức– Trong các hệ thống truyền dẫn phức tạp, cảm giác cực

tính dễ dàng bị mất• Ưu và nhược điểm của mã hóa NRZ

– Ưu• Dễ dàng nắm bắt• Băng thông dùng hiệu quả

– Nhược • Có thành phần một chiều• Thiếu khả năng đồng bộ

– Dùng trong việc ghi băng từ, USB– Ít dùng trong việc truyền t/h

2008dce


Multilevel Binary• Dùng nhiều hơn 2 mức tín hiệu• Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)

– 0 được biểu diễn bằng không có t/h– 1 được biểu diễn bằng xung dương hay xung âm– Các xung 1 thay đổi cực tính xen kẽ– Không mất đồng bộ khi dữ liệu là một dãy 1 dài (dãy 0 vẫn bị vấn đề đồng bộ)

– Không có thành phần một chiều– Băng thông thấp– Phát hiện lỗi dễ dàng

• Pseudoternary– 1 được biểu diễn bằng không có t/h– 0 được biểu diễn bằng xung dương âm xen kẽ nhau– Không có ưu điểm và nhược điểm so với bipolar-AMI

2008dce


Multilevel Binary• Trade Off

– Không hiệu quả bằng NRZ– Mỗi phần tử t/h chỉ biểu diễn 1 bit

• Hệ thống 3 mức có thể biểu diễn log23 = 1.58 bit

– Bộ thu phải có khả năng phân biệt 3 mức (+A, -A, 0)– Cần thêm khoảng 3dB công suất để đạt được cùng xác

suất bit lỗi của binary code

2008dce


Biphase: Manchester• Manchester

– Thay đổi ở giữa thời khoảng bit– Thay đổi được dùng như t/h đồng bộ (clock) và dữ liệu– L→H biểu diễn 1– H→L biểu diễn 0– Dùng trong IEEE 802.3 (ethernet)

2008dce


Biphase: Differential Manchester• Differential Manchester

– Thay đổi giữa thời khoảng bit chỉ dùng cho đồng bộ– Thay đổi đầu thời khoảng biểu diễn 0– Không có thay đổi ở đầu thời khoảng biểu diễn 1– Dùng trong IEEE 802.5 (token ring)

2008dce


Biphase• Ưu và nhược điểm

– Nhược• Tối thiểu có 1 thay đổi trong thời khoảng 1 bit và có thể có 2• Tốc độ điều chế tối đa bằng 2 lần NRZ• Cần băng thông rộng hơn

– Ưu• Đồng bộ dựa vào sự thay đổi ở giữa

thời khoảng bit (self clocking)• Không có thành phần một chiều• Phát hiện lỗi

– Khi thiếu sự thay đổi mong đợi

2008dce


Bài tập

2008dce


Scrambling• Dùng kỹ thuật scrambling để thay thế các chuỗi tạo

ra hằng số điện áp• Chuỗi thay thế

– Phải tạo ra đủ sự thay đổi t/h, dùng cho việc đồng bộ hóa– Phải được nhận diện bởi bộ thu và thay thế trở lại chuỗi

ban đầu– Cùng độ dài như chuỗi ban đầu

• Không có thành phần một chiều• Không tạo ra chuỗi dài các t/h mức 0• Không giảm tốc độ dữ liệu• Có khả năng phát hiện lỗi

2008dce


B8ZS và HDB3• B8ZS (Bipolar With 8 Zeros Substitution)

– Dựa trên bipolar-AMI– Nếu có 8 số 0 và xung điện áp cuối cùng trước đó là

dương, mã thành 000+–0–+– Nếu có 8 số 0 và xung điện áp cuối cùng trước đó là âm,

mã thành 000–+0+–– Gây ra 2 vi phạm mã AMI– Không thể lầm lẫn với tác động gây ra bởi nhiễu– Bộ thu phát hiện và diễn giải chúng như 8 số 0

• HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)– Dựa trên bipolar-AMI– Chuỗi 4 số 0 được thay thế bằng chuỗi có 1 hoặc 2 xung

theo quy tắc:• Nếu số bit 1 kể từ lần thay thế cuối cùng là lẻ: “ 0000” -> “000V”• Nếu số bit 1 kể từ lần thay thế cuối cùng là chẵn: “ 0000” -> “B00V”

2008dce


B8ZS và HDB3

2008dce


Bài tập

2008dce


So sánh các pp mã hóa• Phổ t/h

– 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 sự tách rời

– Tập trung công suất ở giữa băng thông• Đồng bộ

– Đồng bộ bộ thu và bộ phát– T/h đồng bộ ngoại vi– Cơ chế đồng bộ dựa trên t/h

• Khả năng phát hiện lỗi– Có thể được tích hợp trong cơ chế mã hóa

• Nhiễu và khả năng miễn nhiễm– Vài mã tốt hơn các mã khác

• Độ phức tạp và chi phí– Tốc độ t/h cao hơn (và do đó tốc độ dữ liệu cao hơn) dẫn tới chi phí

cao– Vài mã đòi hỏi tốc độ t/h cao hơn tốc độ dữ liệu

2008dce


Dữ liệu số, tín hiệu tương tự• Ứng dụng

– Dùng để truyền dữ liệu số trên mạng điện thoại công cộng

• 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)

Digital → Analog

FSK PSKASK

QAM


Analog data



Digital data

Analog Analog signalsignal


2008dce


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 nhất• Phương pháp này 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

– LED: sáng, không sáng– ILD: 2 mức sáng khác nhau

⎩⎨⎧ +

=001)2cos(

)(binarybinarytfA

ts cc θπ

2008dce


Điều biên (ASK)

2008dce


Điều biên (ASK)

Ta có

Do đó,

2008dce


Điều tần (FSK)• 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 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

⎩⎨⎧

++

=0)2cos(1)2cos(

)(2

1

binarytfAbinarytfA

tsc

c

θπθπ

2008dce


Điều tần (FSK)

2008dce


Điều tần (FSK)

Với

Do đó,

2008dce


Điều pha (PSK)• Sử dụng một tần số sóng mang và thay đổi pha của sóng mang này

• PSK sai 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)

• Phương pháp này thường được dùng trong truyền dữ liệu ở tốc độ2400bps (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)– Tổng quát cho mã hóa NRZ-L

⎩⎨⎧ +

=0)2cos(1)2cos(

)(binarytfAbinarytfA

tsc

c

πππ

elements signaldifferent ofnumber :Lelement signalper bits ofnumber :

(bps) rate data :R(bauds) rate modulation :D

LlogRRD

2 ll==

2008dce


Điều pha (PSK)

2008dce


Điều pha (PSK)

Dùng

Ta có,

2008dce


Điều pha (PSK)• Quadrature PSK (QPSK)

• Multilevel PSK– Hệ thống 64 và 256 trạng thái– Cải thiện tốc độ dữ liệu với băng thông không đổi

• Tăng khả năng tiềm ẩn lỗi

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

++++

=

11)2702cos(10)1802cos(01)902cos(00)02cos(

)(

o

o

o

o

tfAtfAtfAtfA

ts

c

c

c

c

ππππ

2008dce


Hiệu suất• Băng thông

– Băng thông ASK và PSK liên quan trực tiếp với tốc độ bitBT = (1+r)R

– Băng thông FSK có quan hệ với tốc độ dữ liệu đối với các tần số thấp, có quan hệ với độ sai lệch của các tần số điều chế đối với tần số cao

BT = 2∆F + (1+r)R– Tín hiệu nhiều mức

BT = (1+r)R/l = (1+r)R/log2L

• Trong trường hợp có lỗi, tốc độ lỗi của PSK và QPSK cao hơn khoảng 3dB so với ASK và FSK

2008dce


Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

• QAM được dùng trong ADSL và một số hệ thống wireless• Kết hợp giữa ASK và PSK• Mở rộng logic của QPSK• 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 độ– Mỗi sóng mang đã được điều chế ASK– 2 tín hiệu độc lập trên cùng môi trường– Giải điều chế và kết hợp cho dữ liệu nhị phân ban đầu

2008dce


Dữ liệu tương tự, tín hiệu số• Ứng dụng

– Dùng để truyền dữ liệu tương tự trên mạng truyền dữ liệu số

• Tận dụng các ưu điểm của truyền dẫn số(thiết bị rẻ, dùng repeater, TDM, …)

– Số hóa• Dữ liệu số có thể truyền dùng NRZ-L hay

các loại mã khác• Thiết bị

– CODEC (COder-DECoder)• Kỹ thuật

– Điều chế xung mã: Pulse Code Modulation (PCM)

– Điều chế Delta: Delta Modulation (DM)

Analog → Digital

DMPCM


Analog data


Digital Digital signalsignal

Digital data



2008dce


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 cao nhất của tín hiệu, thì các mẫu thu được chứa đủ thông tin của tín hiệu ban đầu. T/h f(t) có thể được tái tạo, dùng bộ lọc thông thấp”

– Công thức Nyquist: N >= 2f• N: tốc độ lấy mẫu• f: tần số của tín hiệu được lấy mẫu

– Dữ liệu tiếng nói• Giới hạn tần số <4000Hz• Tốc độ lấy mẫu cần thiết

8000 mẫu/giây

2008dce


Điều chế xung mã (PCM)

2008dce



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

• Lượng tử hóa các xung PAM– Xác định giá trị của điểm được lấy mẫu, rơi vào khoảng nào thì lấy giá trị

khoảng đó– Tùy thuộc vào các mức lượng tử 2n (n là số bit cần thiết để số hóa 1 xung)

• Mã hóa dữ liệu– Thực hiện các thao tác mã hóa thông tin trước khi truyền đi

• Nhiễu lượng tử (quantizing noise)– SNR = 6.02n + 1.76 (dB)– Mỗi bit dùng thêm cho lượng tử hóa sẽ tăng SNR 6dB

2008dce



2008dce


Non-Linear encoding• Mức lượng tử không đều• Giảm méo tín hiệu• Companding (compressing-expanding)

2008dce


Companding

2008dce


Điều chế Delta (DM)• Tín hiệu tương tự được xấp xỉ bởi hàm cầu thang

(staircase)• Hành vi nhị phân

– Đi lên hay xuống 1 mức (δ) tại mỗi thời khoảng lấy mẫu• Hiệu suất

– Để tái tạo tiếng nói tốt• PCM - 128 mức (7 bit)• Băng thông thoại 4khz• Cần 8000 x 7 = 56kbps đối với PCM

– Kỹ thuật nén dữ liệu có thể làm giảm tốc độ bit• Ví dụ: kỹ thuật mã xen khung (interframe coding) cho video làm

giảm tốc độ bit từ 92Mbps xuống 15Mbps

2008dce


Điều chế Delta (DM)• Hoạt động

2008dce


Điều chế Delta (DM)

2008dce


Dữ liệu tương tự, tín hiệu tương tự• Ứng dụng

– Dùng để điều chế dữ liệu tương tự: thay đổi tần số truyền (tần số cao hơn truyền dẫn tốt hơn)

– Dùng cho 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)

Analog → Analog

AngleAM

PMFM


Analog data

Analog Analog signalsignal


Digital data



2008dce


Điều chế biên (AM)• Biên độ của sóng mang được thay đổi bởi biên độ của tín hiệu được

truyền đis(t) = [1+nax(t)]cos(2πfct)– Tạo ra t/h 2 bên (DSBTC), trong đó chỉ cần có một bên– na<1 – t/h bao là bản sao của t/h ban đầu– na>1 – t/h bao cắt trục thời gian (thông tin bị mất)– Pt = Pc(1+na

2/2)• Pt và Pc – công suất t/h được truyền đi và t/h sóng mang• na –chỉ số điều chế, tỉ số biên độ t/h được truyền và sóng mang

• Single sideband (SSB) và double sideband suppress carier (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

2008dce


Điều chế biên (AM)

M(f)

fB

M(f)

ffc – B fc + Bfc

Upper sideband

Lower sideband

Discrete carrierterm

2008dce


Điều chế góc• s(t) = Accos[2πfct + φ(t)]• Phương pháp điều tần số (FM)

– Đạo hàm của pha φ(t) tỉ lệ thuận với tín hiệu được truyền đi

– φ’(t) = nfm(t) • 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)– Hiện thực mạch điều chế và giải điều chế phức tạp hơn so với phương

pháp điều biên

)('21)( tftf ci φπ

+=

2008dce


Điều chế góc

2008dce


Điều chế góc• Phương pháp điều chế pha (PM)

– φ(t) = npm(t) – Tín hiệu truyền đi không ảnh hưởng đến thành phần biên độ và tần số

mà chỉ làm thay đổi pha của sóng mang– Phổ tần số 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

– Tuy nhiên, có hai lý do phương pháp điều pha được dễ chấp nhận hơn

• Đối với bên nhận: tần số của tín hiệu nhận được là cố định, chỉ có pha thay đổi nên chỉ cần thiết kế bộ lọc tần số chỉ cho một tần số duy nhất thay vì nhiều tần số như trong phương pháp điều tần → giảm chi phí thiết kế vàhiện thực mạch

• 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

2008dce


Hiệu suất• Băng thông

– AM• BT = 2B

– FM&PM• BT = 2(β+1)B

– FM&PM cần băng thông lớn hơn so với AM

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=∆=

FMBAn

BF

PMAn

mf

mp

π

β

2

2008dce


Đọc thêm• W. Stallings, Data and Computer

Communications (7th edition), Prentice Hall 2004, chapters 5

kyõ thuaät truyeàn soá lieäudulieu.tailieuhoctap.vn/books/cong-nghe-thong-tin/... · nonreturn...

Documents