Tài liệu Bài giảng truyền số liệu

Mục lục Mục lục Mục lục .......................................................................................................................... 3 Chương 1- Mở đầu ....................................................................................................... 6 I- Lịch sử .................................................................................................................... 6 II- Khái quát chung về mạng viễn thông.................................................................... 6 1- Các dịch vụ viễn thông ...................................................................................... 6 2- Mạng viễn thông ................................................................................................ 6 III- Ưu điểm của thông tin số ..................................................................................... 7 Câu hỏi cuối chương .................................................................................................. 8 Chương 2- Những khái niệm cơ bản .......................................................................... 9 I- Khái niệm chung..................................................................................................... 9 1- Tin tức, dữ liệu, tín hiệu..................................................................................... 9 2- Băng thông : .................................................................................................... 10 3- Topology và các phương thức liên lạc........................................................... 11 4- Các phương pháp truyền .................................................................................. 11 II- Hệ thống truyền tương tự .................................................................................... 12 III- Hệ thống truyền số ............................................................................................. 12 1- Sơ đồ khối ........................................................................................................ 12 2- Vận tốc truyền tín hiệu..................................................................................... 12 3- Truyền nối tiếp và song song ........................................................................... 13 4- Truyền đồng bộ và bất đồng bộ ....................................................................... 13 IV- Hệ thống mở và mô hình OSI............................................................................ 13 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 14 Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số ........................................................................ 15 I- Kỹ thuật điều xung mã (PCM) ............................................................................. 15 1- Lấy mẫu (Sampling) ........................................................................................ 15 2- Lượng tử hoá (Quantizing) .............................................................................. 15 3- Mã hóa (Encoding)........................................................................................... 17 II- Điều chế Delta (DM - Delta Modulation) ........................................................... 17 III- DPCM và ADPCM ............................................................................................ 17 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 19 Chương 4- Giao tiếp vật lý......................................................................................... 20 I- Môi trường truyền dẫn.......................................................................................... 20 1- Cáp đồng .......................................................................................................... 20 2- Cáp quang (Optical Fiber, Fiber Optic Cable)................................................. 21 3- Môi trường vô tuyến ........................................................................................ 23 II- Sự suy giảm và biến dạng tín hiệu (Attenuation & Distortion) .......................... 27 1- Sự suy giảm...................................................................................................... 27 2- Băng thông giới hạn ......................................................................................... 27 3- Sự biến dạng do trễ pha.................................................................................... 28 4- Nhiễu................................................................................................................ 29 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 29 Chương 5- Mã hóa số liệu.......................................................................................... 30 I- Truyền số liệu ở băng cơ sở.................................................................................. 30 3 Mục lục 1- Khái quát .......................................................................................................... 30 2- Các dạng mã phổ biến...................................................................................... 30 3- Kỹ thuật ngẫu nhiên hóa (Scrambling techniques).......................................... 33 4- Thu ở băng cơ sở.............................................................................................. 34 5- Chuẩn giao tiếp băng cơ sở.............................................................................. 34 II- Truyền số liệu ở băng rộng.................................................................................. 36 1- Ðiều chế biên độ (Amplitude Modulation, AM) ............................................. 36 2- Ðiều chế tần số (Frequency Modulation, FM)................................................. 36 3- Ðiều chế pha (ФM) (để tránh nhầm PM là điều chế xung)............................. 37 III- Kỹ thuật ghép kênh (Multiplexing).................................................................... 37 1- Frequency Division Multiplexing, FDM ......................................................... 37 2- Time Division Multiplexing, TDM.................................................................. 38 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 40 Chương 6- Giao tiếp truyền số liệu........................................................................... 41 I- Hệ thống truyền số liệu......................................................................................... 41 II-Truyền nối tiếp không đồng bộ ............................................................................ 41 1. Nguyên tắc đồng bộ bit .................................................................................... 42 2. Nguyên tắc đồng bộ ký tự ................................................................................ 42 3. Nguyên tắc đồng bộ khung............................................................................... 42 4. Một số vi mạch giao tiếp thông dụng.............................................................. 42 III. Truyền nối tiếp đồng bộ ..................................................................................... 43 1. So sánh truyền đồng bộ và bất đồng bộ ........................................................... 43 2. Giao thức hướng ký tự (điều khiển byte) ......................................................... 43 3. Giao thức hướng bit.......................................................................................... 44 4. Một số vi mạch truyền đồng bộ thông dụng .................................................... 52 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 52 Chương 7- Xử lý số liệu truyền ................................................................................. 53 I- Phát hiện lỗi và sửa sai ......................................................................................... 53 1- Phương pháp kiểm tra chẵn lẻ (parity)............................................................. 54 2- CRC - Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ ............................................................... 55 3- Mã sửa sai Hamming ....................................................................................... 56 II- Nén dữ liệu .......................................................................................................... 56 1- Các loại dư thừa dữ liệu ................................................................................... 57 2- Mã Huffman..................................................................................................... 57 3- Mã Run length.................................................................................................. 58 4- Mã vi phân (Differential encoding) ................................................................. 58 5- Thuật toán nén LZW (Lempel-Ziv-Welch) ..................................................... 59 III- Bảo mật dữ liệu .................................................................................................. 62 1- Tổng quan về các thuật toán mã mật ............................................................... 62 2- Một số thuật toán mã mật với khoá bí mật ...................................................... 65 3- Giao thức mã mật............................................................................................. 66 4- Độ dài khoá ...................................................................................................... 68 5- Quản lý khoá .................................................................................................... 69 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 70 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu....................................................................... 71 I- Đặt vấn đề ............................................................................................................. 71 4 Mục lục II- Kiểm soát lỗi (error control)................................................................................ 71 1- Idle RQ (Stop and wait ARQ) .......................................................................... 72 2- RQ liên tục (continuous RQ) ........................................................................... 74 III- Điều khiển luồng (flow control) ........................................................................ 76 1- Điều khiển luồng dừng và chờ ......................................................................... 76 2- Cửa sổ trượt (sliding window) ......................................................................... 76 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 77 Tài liệu tham khảo...................................................................................................... 78 5 Chương 1- Mở đầu Chương 1- Mở đầu I- Lịch sử Có thể coi lịch sử thông tin dữ liệu bắt đầu vào năm 1837 với sự phát minh điện tín của Samuel F. B. Morse. Ðó là hệ thống truyền các xung điện biểu diễn cho các dấu chấm, vạch (tương đương với các số nhị phân 1, 0) trên các đường dây đồng nhờ các máy cơ điện. Các tổ hợp khác nhau của các mã này thay cho các chữ, số, dấu.... được gọi là mã Morse. Bản điện tín đầu tiên được phát hiện ở Anh do Charles Wheatstone và William Cooke thực hiện nhưng hệ thống của họ phải dùng 6 đường dây. Năm 1874, Emile Baudot thiết kế được máy phát dùng phương pháp dồn kênh, có thể truyền cùng lúc 6 bản tin trên cùng một đường dây. Năm 1876, Alexander Graham Bell đã đưa điện tín lên một bước phát triển mới: sự ra đời của điện thoại. Thay vì chuyển bản tin thành các chuỗi mã Morse, Bell đã cho thấy rằng người ta có thể truyền thẳng tín hiệu điện đặc trưng cho tiếng nói trên các đường dây. Những hệ thống điện thoại đầu tiên cần các cặp đường dây khác nhau cho hai người muốn trao đổi thông tin với nhau, một người phải nối điện thoại của mình vào đúng đường dây nối với điện thoại của người mà mình muốn liên lạc. Dần dần sự kết nối được thực hiện bởi các tổng đài cơ khí rồi tổng đài điện tử số,... Người ta không còn biết hệ thống hoạt động thế nào, chỉ cần quay (bây giờ thì bấm) số và được kết nối. Năm 1899, Marconi thành công trong việc phát tin bằng vô tuyến. Có thể nói điện tín là phương tiện duy nhất được dùng để phát tin đi xa cho đến năm 1920, lúc đài phát thanh thương mại đầu tiên ra đời. II- Khái quát chung về mạng viễn thông 1- Các dịch vụ viễn thông • Thoại (voice, speech): chiếm 60%-70% o Tín hiệu thoại tương tự (analog): băng tần cơ sở 0,3-3,4kHz o Tín hiệu thoại số (digital): tốc độ cơ sở 64kbps ⇒ Mạng điện thoại công cộng PSTN-Public Switched Telephone Network • Âm nhạc (audio) • Video • Fascimile (FAX) • Điện báo (telex, telegraph): Truyền các ký tự dưới dạng các mã như mã Baudot (5 bit), ASCII (7 bit) • Số liệu (data) 2- Mạng viễn thông 6 Chương 1- Mở đầu TE SL TL Ni Nj Nk N (Node): nút mạng • Chuyển mạch (Switching) o Chuyển mạch kênh o Chuyển mạch gói • Bộ tập chung (Concentrator) TL (Transmission Link): Tuyến truyền dẫn SL (Subscriber Line): Đường dây thuê bao TE (Terminal Equipment): Thiết bị đầu cuối Phân loại mạng viễn thông • Theo tín hiệu o Mạng tương tự ƒ Tín hiệu ở {N, TL} là tương tự ƒ TL: Trung kế tương tự, ghép kênh theo tần số (FDM) o Mạng số ƒ {N, TL} là tín hiệu số ƒ Trên {SL} có thể là số hoặc tương tự ƒ TL: Trung kế số, ghép kênh theo thời gian (TDM) • Theo phương thức chuyển mạch o Mạng chuyển mạch kênh: ƒ Được cung cấp một kênh vật lý cố định trong suốt thời gian thông tin o Mạng chuyển mạch gói ƒ Thông tin được chia thành các gói nhỏ, có địa chỉ nguồn và đích. ƒ Liên lạc với nhau qua một kênh logic III- Ưu điểm của thông tin số • Khả năng chịu nhiễu cao 7 Chương 1- Mở đầu • • • • • Không nhạy cảm với sai số linh kiện (do chế tạo, thời gian, nhiệt độ,...) Phần cứng rẻ (khi sản xuất lớn) Tính tương thích và linh hoạt Tính bảo mật cao ... Câu hỏi cuối chương 1. Tại sao cần phải có chuyển mạch? Nếu một mạng có 8 thiết bị truyền thông mà không có chuyển mạch muốn các thiết bị liên lạc được với nhau thì cần bao nhiêu kết nối? 2. Hãy so sánh vắn tắt mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói. 3. Hãy so sánh khả năng chịu nhiễu của tín hiệu số và tín hiệu tượng tự 8 Chương 2- Những khái niệm cơ bản Chương 2- Những khái niệm cơ bản (BASIC CONCEPTS) I- Khái niệm chung 1- Tin tức, dữ liệu, tín hiệu Nhiễu Trạm thu Trạm phát Nguồn tin thiết bị vào Thông tin Môi trường Máy phát Dữ liệu Máy thu thiết bị ra Nhận tin Tín hiệu • Thông tin (Information): thuộc tính của con người với hiểu biết xung quanh (x) • Nguồn tin (Source): tập hợp các tin chứa trong đó X={x} • Dữ liệu (Data): quá trình vật lý chứa thông tin trong đó. Quá trình chuyển từ thông tin sang dữ liệu gọi là mã hoá (encoding) • Tín hiệu (Signal): là quá trình vật lý mang thông tin, nó phải phù hợp với môi trường lan truyền • Môi trường lan truyền (Medium): là tồn tại vật lý mà nó có thể lan truyền đi nơi khác. Môi trường cơ học, môi trường điện. Các tham số của môi trường truyền o Suy giảm o Băng thông o Dải động: truyền sóng, nhiễu, trễ Cường độ tín hiệu: Cường độ của tín hiệu thường được biểu diễn bởi công suất hoặc điện áp trên tổng trở tải của nó. Ta phải nói tín hiệu có công suất 200mW hoặc có biên độ 100mV trên tổng trở 50Ω Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi hoặc độ suy giảm của hệ thống, thường được biểu diễn bằng đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm: Tỉ số tín hiệu = 10log(P2/P1) [dB] Sự tiện lợi của đơn vị dB là người ta có thể xác định độ lợi (hay độ suy giảm) của một hệ thống gồm nhiều tầng nối chuỗi (cascade) bằng cách cộng các độ lợi của các tầng với nhau. Người ta thường biểu thị công suất tuyệt đối của một tín hiệu bằng cách so sánh với một tín hiệu chuẩn có công suất 1W : 9 Chương 2- Những khái niệm cơ bản Công suất tín hiệu = 10log dB Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị dBm để xác định cường độ tín hiệu so với tín hiệu chuẩn có công suất 1mW : Công suất tín hiệu = 10log dBm Một tín hiệu có công suất 1W tương đương với 0 dB và 30dBm. Thí dụ: Tín hiệu có biên độ 100mV ở 50Ω tương đương với 0,2 mW, tính theo dB là: 10log(0,2/1W) = - 7 dB. Dấu trừ cho biết mức tín hiệu là -7 dB dưới 1W. Tính theo dBm 10log(200mW/1mW)=23dBm (-7 + 30dB) Lưu ý, trong chuyển đổi đơn vị phải để ý đến tổng trở tải của tín hiệu. Biểu thức P = ( V2/R ) có thể được dùng để tính điện áp hiệu dụng hoặc tỉ số điện áp. Trong các hệ thống điện thoại tổng trở tải thường dùng là 600Ω. Nếu các tín hiệu có chung tổng trở tải thì : Tỉ số tín hiệu = 20log DB Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) Ðể đánh giá chất lượng của tín hiệu và cũng là chất lượng của hệ thống truyền tín hiệu đó người ta dùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Ðây là tỉ số công suất tín hiệu có ích trên công suất tín hiệu nhiễu, thường tính bằng dB. Nếu tín hiệu 2 dBm có mức nhiễu là -20 dBm, thì tỉ số SNR là 22 dB. Nói cách khác mức tín hiệu lớn hơn mức nhiễu 22 dB. Ví dụ: Với tín hiệu số đơn cực, SNR tối thiểu phải là bao nhiêu để có thể phân biệt được tín hiệu một cách rõ ràng (ảnh hưởng của nhiễu còn chấp nhận được)? Giả sử biên độ ứng với mức 1 là 1 V và 0 V cho mức 0, một lỗi sẽ phát sinh nếu mức 0 được phát đi mà nhiễu có giá trị dương lớn hơn 0,5 V và nếu mức 1 phát đi mà nhiễu có biên độ âm và trị tuyệt đối lớn hơn 0,5 V. Như vậy giá trị tối đa cho phép của nhiễu là 0,5 V so với trị tối đa của tín hiệu là 1 V và tỉ số SNR tối thiểu là: SNRMIN = Một hệ thống hay mạch tốt khi có khả năng nâng cao tỉ số tín hiệu nhiễu SNR theo yêu cầu. 2- Băng thông : Băng thông của tín hiệu là dải tần số trong đó chứa hầu hết công suất của tín hiệu. Khái niệm này cho ta xác định phổ tần hữu ích của tín hiệu nếu tín hiệu đó chứa một phổ tần quá rộng. 10 Chương 2- Những khái niệm cơ bản Băng thông của kênh truyền là dải tần số của tín hiệu mà độ suy giảm khoảng vài dB (thường là 3 dB) so với giá trị cực đại khi tín hiệu đó truyền qua hệ thống. Ðộ suy giảm 3 dB tương ứng với điểm nửa công suất. Một kênh truyền tốt phải có băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu, điều này khiến cho tín hiệu được tái tạo không bị méo dạng và suy giảm đáng kể trong quá trình truyền. P 3dB f B 3- Topology và các phương thức liên lạc a. Topology Ðiểm - điểm (Point to point): Thí dụ liên lạc giữa máy tính và máy in Đa điểm (Multipoint): Hệ thống nhiều điểm có thể có một trong các dạng: sao (star), vòng (ring) và multidrop b. Phương thức thức liên lạc Giữa các máy phát và thu trong một hệ thống thông tin có thể thực hiện theo 1 trong 4 phương thức: • Ðơn công (Simplex transmission, SX): thông tin chỉ truyền theo một chiều. Nếu lỗi xảy ra máy thu không có cách nào yêu cầu máy phát phát lại. Trong hệ thống này thường máy thu có trang bị thêm bộ ROP (Read Only Printer) để hiển thị thông tin nhận được. • Bán song công (Half duplex transmission, HDX): Tín hiệu truyền theo hai hướng nhưng không đồng thời. Hệ thống thông tin dùng Walkie - Talkie là một thí dụ của phương thức liên lạc bán song công. Các máy truyền bán song công có một nút ấn để phát (push to send), khi ở chế độ phát thì phần thu bị vô hiệu hóa và ngược lại. • Song công (full duplex transmission, FDX): Tín hiệu truyền theo hai chiều đồng thời. Hệ thống này thường có 4 đường dây, 2 dây cho mỗi chiều truyền. Phương thức này được dùng trong hệ thống điểm - điểm (point to point) • Song công toàn phần (Full/Full-duplex, F/FDX): Ðài sơ cấp có khả năng phát tín hiệu tới một đài thứ cấp đồng thời nhận thông tin từ một đài thứ cấp khác. Phương thức này giới hạn trong hệ thống nhiều điểm (multipoint) 4- Các phương pháp truyền Ðể truyền tín hiệu người ta có thể dùng một trong hai phương pháp: • Phương pháp truyền dải nền (Base band): Tín hiệu được truyền có cùng dải tần với tín hiệu nguồn. Thí dụ trong điện thoại, tín hiệu âm thanh hữu ích có tần 11 Chương 2- Những khái niệm cơ bản số trong khoảng 300-3000 Hz được truyền đi mà không có sự biến đổi nào về phổ tần của nó. • Phương pháp điều chế (Broad band): Ðây là phương pháp cho phép dời phổ tần của tín hiệu nguồn đến một khoảng tần số khác phù hợp với kênh truyền và tránh được nhiễu do giao thoa (nghĩa là các phổ tần cách nhau một khoảng đủ để không chồng lên nhau). II- Hệ thống truyền tương tự Hệ thống truyền tương tự dùng phương pháp điều chế III- Hệ thống truyền số 1- Sơ đồ khối 2- Vận tốc truyền tín hiệu Một trong những đặc trưng quan trọng để đánh giá chất lượng một hệ thống truyền số là vận tốc truyền tín hiệu (baud rate), được tính bằng baud. Định nghĩa: Baud là vận tốc thay đổi trạng thái sóng mang (số lần thay đổi sóng mang trong một giây) còn gọi là vận tốc điều chế (baud rate). Trong thực tế người ta hay dùng đơn vị bit/s (bps) là vận tốc truyền bit (bit rate), tức số bit mà hệ thống truyền trong một giây. Trong hệ thống truyền nhị phân, sóng mang chỉ được điều chế bởi một trong hai trạng thái của tín hiệu, vận tốc bit và vận tốc tín hiệu bằng nhau (số bit/s = số baud). Trong hệ thống truyền nhị phân hai bit, số lượng bit sẽ gấp đôi số tín hiệu (vận tốc thay đổi bit nhanh gấp đôi vận tốc thay đổi sóng mang), như vậy số bit/s gấp đôi số baud. 12 Chương 2- Những khái niệm cơ bản Bài tập: Cho dãy bit 100110101110010101 hãy vẽ tín hiệu truyền dòng bit trên trong trường hợp truyền nhị phân hai bit. 3- Truyền nối tiếp và song song Tùy theo cách thức đưa tín hiệu ra đường truyền mà ta có hai cách truyền: song song và nối tiếp. • Truyền nối tiếp: tín hiệu lần lượt được phát đi từng bít trên cùng một đường dây. Tốc độ truyền chậm nhưng ít tốn kém hơn so với cách truyền song song. • Truyền song song: mã ký tự được gửi đi dưới dạng song song, nghĩa là các bít được phát đi đồng thời trên các đường truyền. Tốc độ truyền song song khá nhanh nhưng phải tốn nhiều đường dây. Do đó, cách truyền này được dùng trong thực tế khi phần phát và thu ở gần nhau. 4- Truyền đồng bộ và bất đồng bộ IV- Hệ thống mở và mô hình OSI Tập hợp tất cả các qui định mà các hệ thống thông tin phải tuân theo gọi là các giao thức (protocols) (độ truyền, phương pháp mã hóa, qui tắc gán địa chỉ, các biện pháp thực hiện khi có lỗi . . .). Nhờ có giao thức, các hệ thống khác nhau có thể liên lạc với nhau. Một tập hợp các giao thức cho phép hai hệ thống bất kỳ nào cũng có thể liên lạc với nhau bất chấp cấu trúc bên trong của nó, gọi là một HỆ THỐNG MỞ. 13 Chương 2- Những khái niệm cơ bản Tổ chức định chuẩn quốc tế (International Standards Organization, ISO) đã quan tâm tới vấn đề kết nối các thiết bị khác nhau từ năm 1977 và đến năm 1984 thì mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở ra đời, gọi tắt là mô hình OSI (Reference Model for Open Systems Interconnection). Câu hỏi cuối chương 1. Tỉ số cường độ hai tín hiệu được tín bằng Decibel (dB) như thế nào? Ưu điểm của cách tính này. 2. Một hệ thống truyền dẫn có công suất vào máy phát là 150mW, hệ số khuếch đại của máy phát là 30dB, suy giảm trên đường truyền là 70dB, hệ số khuếch đại máy thu là 20dB. Hỏi công suất ra máy thu là bao nhiêu mW? 3. Tín hiệu có công suất 6W truyền qua môi trường có độ suy giảm là 20dB. Hãy xác định công suất thu được. 4. Trong hệ thống truyền số 8 mức, hãy cho biết mối quan hệ giữa tốc độ truyền bit và vận tốc truyền tín hiệu 5. Trình bày mối quan hệ giữa số trạng thái tín hiệu và chất lượng kênh truyền. Giải thích. 14 Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số (ANALOG TO DIGITAL CONVERSION) I- Kỹ thuật điều xung mã (PCM) Điều xung mã (Pulse Code Modulation) thực chất là một dạng biến đổi tương tự-số trong đó thông tin trong các mẫu tức thời của tín hiệu tương tự được biểu diễn bằng các từ mã. Kỹ thuật PCM đặc chưng bởi 3 quá trình: • Lấy mẫu • Lượng tử hoá • Mã hoá 1- Lấy mẫu (Sampling) Tức là rời rạc hoá tín hiệu theo thời gian Ts <= 1/(2fmax) Ý nghĩa: • Là cơ sở để biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc và tín hiệu số • Khi truyền tin tức trong một tín hiệu x(t) liên tục thay vì truyền đi toàn bộ tín hiệu x(t) ta chỉ truyền đi một số các giá trị tức thời của nó • Điều kiện của các điểm lấy mẫu để tái tạo lại tín hiệu x(t) liên tục từ các mẫu rời rạc mà không bị méo 2- Lượng tử hoá (Quantizing) Chuyển tín hiệu vô hạn mức x(t) thành hữu hạn mức x*(t) Với N mức cần n bit để mã hoá: 2n >= N => Có sai số lượng tử hoá: δx = x(t) – x*(t) a- Lượng tử hoá tuyến tính • Giả sử x(t) thay đổi trong 0-Xmax • Chia 0-Xmax thành N mức từ 0 -> N-1 • N=2n mỗi mức ứng với 1 tổ hợp nhị phân (n bit) • Bước lượng tử hóa Δx = X max X = n max = const N −1 2 −1 15 Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số ⇒ S/N không đồng đều • S/N lớn khi x lớn • S/N giảm khi x nhỏ • Muốn tăng S/N cần giảm Δx -> tăng N -> tăng n ⇒ Thường sử dụng trong đo lường b- Lượng tử hóa phi tuyến • Khắc phục những nhược điểm của lượng tử hóa tuyến tính • Bước lượng tử thay đổi giả sử Δx =k.x • Xác định Δx bằng cách tìm hàm y=y(x) sao cho lượng tử hóa phi tuyến với x tương ứng với lượng tử hóa tuyến tính với y (Δx thay đổi - Δy không đổi) Tính được y = 1 (ln x + C 0) C1 ⇒ Sai số δx tỉ lệ với x • Tỉ số S/N đồng đều trong dải động • Ứng dụng trong thông tin Luật μ (Mỹ) y = sig ( x) ln(1 + μ x ) 1+ μ Thông tin thoại μ=255 Luật A (Châu Âu-Việt Nam) y = sig ( x) 1 + ln A x 1 + ln A Chọn A=87,6 y 1 A=87,6 μ=255 -Xmax Xmax x -1 Luật nén - giãn (Companding = Compressing + Expanding) • Phát: Nén, khuếch đại tín hiệu nhỏ + lượng tử hóa tuyến tính 16 Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số • Thu: Giãn, khôi phục mức tín hiệu gần đúng 3- Mã hóa (Encoding) Quá trình chuyển các mức lượng tử thành từ mã nhị phân. II- Điều chế Delta (DM - Delta Modulation) Một loạt các kỹ thuật được sử dụng để cải tiến điều chế PCM hoặc để giảm sự phức tạp. Một trong những sự thay thế PCM phổ biến nhất là điều chế delta (DM). Với điều chế delta, một tín hiệu tương tự vào xấp xỉ bằng các bậc cầu thang lên hoặc xuống bởi một mức lượng tử hoá (d) ở giữa mỗi khoảng thời gian lấy mẫu (Ts). Một ví dụ được chỉ ra ở hình vẽ, nơi mà mỗi chức năng cầu thang được che phủ trong hình dạng sóng tương tự gốc. Một đặc tính cơ bản của chức năng bậc cầu thang là nhị phân, ở mỗi thời gian lấy mẫu, chức năng dịch lên hoặc dịch xuống 1 khoảng cách d. Vì vậy, lối ra của quá trình điều chế delta có thể được biểu diễn bằng một ký số nhị phân đơn cho mỗi mẫu. • Một mẫu - một bit • fs-DM >> fs-PCM III- DPCM và ADPCM 17 Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số Sự nén - giãn theo các quy luật A và μ ở trên thường gọi là nén - giãn tức thời. Một biện pháp khác để giảm nhỏ độ dư thừa truyền dẫn là truyền các tín hiệu PCM tương ứng với hiệu số của các mẫu kề cận nhau. Đó là phương pháp điều xung mã vi sai DPCM (Differential PCM: Điều xung mã vi sai). Tại đầu thu, vị trí mẫu hiện tại được tái tạo lại bằng đúng trị số mẫu vừa truyền đến cộng với hiệu số nhận được trên bộ so sánh. Các bộ mã hoá và giải mã DPCM có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp (nhiều loại mạch điện) tuỳ thuộc vào sự phân chia chức năng xử lý tín hiệu giữa các phần tử analog và digital. Trên sơ đồ ví dụ hình dưới toàn bộ việc xử lý tín hiệu được thực hiện nhờ các mạch logic số. Tín hiệu analog qua bộ lọc thông thấp đưa đến bộ điều chế PCM (ký hiệu A/D) trở thành dãy tín hiệu digital. Sau đó dãy tín hiệu này đưa qua mạch “trừ” (tại 2 lối vào có dấu cộng (+) và trừ (-) khác nhau). Tại bộ “trừ” này có sự trừ giữa tín hiệu vào ở thời điểm “hiện tại” t với tín hiệu “quá khứ” t-TS. Các tín hiệu này lấy qua bộ lọc dự đoán. Sai số giữa tổ hợp mã lấy ra chính là tín hiệu điều xung mã DPCM. Tại đầu chuỗi xung DPCM được tạo dạng lại rồi đưa vào bộ “cộng”. Lối vào thứ 2 của bộ “cộng” lấy từ tín hiệu sau khi qua bộ lọc dự đoán chính là các tín hiệu quá khứ. Kết quả ta lấy được tín hiệu điều xung mã PCM thông thường tại đầu ra bộ “cộng”. Sau khi qua bộ biến đổi digital - analog D/A, ta lấy được dãy xung PAM (điều biên xung). Qua bộ lọc thông thường, tín hiệu analog được khôi phục đồng dạng so với tín hiệu đầu vào. Trong các sơ đồ của hệ thống DPCM trên ta thấy vai trò của bộ lọc dự đoán rất quan trọng. Thực chất bộ lọc dự đoán gồm nhiều mặt trễ nối tiếp nhau như sơ đồ hình dưới. Thời gian trễ TS của mỗi mặt bằng chu kỳ lấy mẫu. Với quan điểm tổng quát hơn, bộ lập mã DPCM là một dạng đặc biệt của bộ lọc dự đoán tuyến tính. Nếu bộ lọc dự đoán chỉ dùng 1 mặt trễ thì sự dự đoán là bậc 1. Nếu dùng 3 mặt trễ liên tiếp như hình dưới (hệ thống DPCM dùng sự dự đoán bậc 3). Qua tính toán và thực nghiệm cho thấy dự đoán bậc 3 cho sự đánh giá tốt hơn bậc 1, tạo ra khả năng mã hoá và số bit ít hơn. 18 Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số Dưới đây chúng ta xét tới phương pháp mã hoá dùng dự đoán thích nghi. Đây là phương pháp biến đổi số cho phép tín hiệu thoại được mã hoá với tốc độ truyền dẫn thấp hơn. Trong phần trên ta đã mở rộng khái niệm DPCM từ bậc 1 tới bậc 3: sử dụng vài phần tử rời rạc quá khứ để dự đoán phần tử rời rạc hiện tại, chất lượng của DPCM bậc cao tốt hơn DPCM bậc 1. Trong bộ lập mã dùng dự đoán thích nghi, khái niệm này được mở rộng để dự đoán chu kỳ tiếp sau của tín hiệu thoại (chính xác là của âm cơ sở) dựa trên cơ sở của các chu kỳ trước. Do vậy thời gian trễ của tín hiệu trong mạch hồi tiếp của bộ lập mã (cũng như trong bộ giải mã, phải tăng lên đáng kể, tới 20ms). ADPCM (Adaptive Differential PCM: Điều xung mã vi sai thích nghi) đưa các mạch dự đoán thích nghi vào thay thế cho các mạch có hệ số dự đoán cố định. Để điều chỉnh các mạch dự đoán thích ứng ta cần xác định thời gian trễ để dự đoán (chu kỳ âm cơ bản) sau đó xác định các hệ số đánh giá đối với các giá trị của các phần tử rời rạc bị giữ lại. Khuyến nghị G.712 của ITU-T đã ghi rõ ADPCM 32kbit/s là một phương pháp mã hoá dự đoán tín hiệu thoại. Phương pháp ADPCM 32kbit/s được chấp nhận vào tháng 10 năm 1984, dùng để chuyển đổi các tín hiệu PCM 64kbit/s theo luật A hay luật μ thành tín hiệu ADPCM. Câu hỏi cuối chương 1. Trình bày ngắn gọn định lý nào là cơ sở để biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc, tín hiệu số. 2. Trong kỹ thuật điều xung mã (PCM) muốn lượng tử hoá 1000 mức. Hãy cho biết độ dài một từ mã. 3. 1 ADC được sử dụng trong đo lường, lượng tử hoá tuyến tính. Dải điện áp vào ADC từ 0-5V. Muốn độ chính xác của phép đo là 5mV thì cần ADC bao nhiêu bit? 19 Chương 4- Giao tiếp vật lý Chương 4- Giao tiếp vật lý (PHYSICAL INTERFACE) I- Môi trường truyền dẫn Môi trường truyền là con đường vật lý nối giữa thiết bị phát và thiết bị thu trong hệ thống truyền số liệu. Những đặc tính và chất lượng của số liệu truyền được quyết định bởi tính chất tín hiệu và môi trường truyền. Trong trường hợp sử dụng môi trường truyền định hướng, bản thân môi trường truyền là nhân tố quan trọng quyết định đến giới hạn của sự truyền. Với môi trường truyền không định hướng, phổ và băng tần số của tín hiệu đường ống anten phát quan trọng hơn môi trường truyền. 1- Cáp đồng a- Cáp không xoắn (two-wire open lines) Đặc điểm: • Tốc độ thấp • Cự ly ngắn • Dễ bị nhiễu thâm nhập b- Cáp xoắn (twisted-pair lines) Để loại bỏ nhiễu các dây dẫn được xoắn vào nhau từng đôi một. Khi tín hiệu nhiễu thâm nhập sẽ vào cả hai dây, ảnh hưởng của chúng sẽ triệt tiêu nhau. UTP là loại cáp thông dụng nhất hiện nay gồm các loại sau: • UTP Cat 1, 2 (Categories 1, 2): tốc thấp < 4Mbps • UTP Cat 3: tốc độ 16Mbps • UTP Cat 4: tốc độ 20Mbps • UTP Cat 5: (thông dụng nhất) tốc độ 100Mbps • UTP Cat 6: 20 Chương 4- Giao tiếp vật lý c- Cáp đồng trục (Coaxial cable) Khi truyền ở tốc độ cao xuất hiện hiệu ứng bề mặt (skin effect). Tức là dòng điện chạy trên đường dây có khuynh hướng chỉ chạy trên bề mặt ngoài của dây dẫn => tăng trở kháng của đường dây với các tín hiệu có tần số cao => suy hao lớn. Cáp đồng trục Mặt khác tần số cao thì năng lượng tín hiệu bị tiêu hao nhiều do bức xạ. 2- Cáp quang (Optical Fiber, Fiber Optic Cable) Được phát minh từ thế kỉ 19. Mãi đến thập kỉ 60 thế kỉ 20 mới ứng dụng thực tế do sự xuất hiện của laser bán dẫn và thuỷ tinh thuần nhất chất lượng cao. Đặc điểm: • Tốc độ cao. Phổ biến 2,5Gbps còn rất nhỏ so với băng thông sợi quang ≈ 200THz • Chống được nhiễu điện từ • Bảo mật tốt • Suy hao thấp • Khoảng cách lặp lại lớn. o Hãng Standard Electrik Lozenz AG (Đức) đã từng thiết lập hệ thống truyền với tốc độ 5Gbps trong khoảng cách 111km • Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ (đường kính lõi từ 2-125μm) (Ở những nước đang phát triển tỷ lệ cáp quang rất cao) Phần điện tử Bộ biến đổi E/O Bộ biến đổi O/E E/O: Laser Diode (LD) LED O/E: Photo diode Photo transisitor 21 Phần điện tử Chương 4- Giao tiếp vật lý Cấu tạo: Khẩu độ số NA (Numerical Aperture): là góc lớn nhất mà ta có thể bơm ánh sáng vào sợi quang θm θc Các chế độ truyền: • Đa mode chiết suất nhảy bậc (multimode stepped index): Chiết suất của lõi không đổi. • Đa mode chiết suất thay đổi từ từ (multimode graded index): tăng được tốc độ truyền 22