Bài giảng Truyền dữ liệu - Chương 5: Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

Nội dung text: Bài giảng Truyền dữ liệu - Chương 5: Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

1. TRUYỀN DỮ LIỆU CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT MÃ HÓA TÍN HIỆU Khoa Mạng máy tính và Truyền thông Trường Đại học Công nghệ Thông tin 1
2. Nội dung ◼ Các kỹ thuật mã hóa tín hiệu ◼ Mã hóa dữ liệu số sang tín hiệu số ◼ Mã hóa dữ liệu số sang tín hiệu tuần tự ◼ Mã hóa dữ liệu tuần tự sang tín hiệu số ◼ Mã hóa dữ liệu tuần tự sang tín hiệu tuần tự 2
3. Các kỹ thuật mã hóa tín hiệu ◼ Mã hóa dữ liệu số sang tín hiệu số ◼ Mã hóa dữ liệu tuần tự sang tín hiệu số ◼ Mã hóa dữ liệu số sang tín hiệu tuần tự ◼ Mã hóa dữ liệu tuần tự sang tín hiệu tuần tự 3
4. Mã hóa dữ liệu số sang tín hiệu số Digital Data, Digital Signal ◼ Tín hiệu số ❑ Các 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 4
5. Các thuật ngữ ◼ Unipolar ❑ Tất cả các phần tử tín hiệu 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 (data rate) ❑ Tốc độ truyền dẫn dữ liệu theo bps (bit per second) ◼ Khoảng rộng hoặc chiều dài 1 bit ❑ Thời gian (thiết bị phát) dùng để truyền 1 bit 5
6. Các thuật ngữ (tiếp) ◼ Tốc độ điều chế (modulation) ❑ Tốc độ mức tín hiệu thay đổi ❑ Đơn vị là baud = số phần tử tín hiệu trong 1 giây ◼ Mark và Space ❑ Tương ứng với 1 và 0 nhị phân 6
7. Diễn giải các tín hiệu ◼ Cần biết ❑ Thời gian của các bit (khi nào chúng bắt đầu và kết thúc) ❑ Mức tín hiệu ◼ Yếu tố ảnh hưởng đến việc diễn giải tín hiệu ❑ Tỉ số SNR ❑ Tốc độ dữ liệu ❑ Băng thông 7
8. So sánh các phương thức mã hóa ◼ Phổ tín hiệu ❑ Giảm thiểu tần số cao sẽ giảm đòi hỏi băng thông ❑ Giảm thiểu thành phần DC cho phép cho dòng soay chiều kết hợp qua biến thế đưa tới sự cách ly. ❑ Mức độ tập trung năng lượng tại trung tâm của băng thông ◼ Thời gian ❑ Đồng bộ giữa thiết bị gửi và nhận ❑ Đồng hồ ngoài ❑ Cơ chế đông bộ dự trên tín hiệu 8
9. So sánh các phương thức mã hóa (2) ◼ Định lỗi ❑ Có thể đưa vào trong khi mã hoá tín hiệu ◼ Giảm thiểu giao thoa tín hiệu và nhiễu ❑ Một số phương thức mã hóa tốt hơn các tphương thức khác ◼ Phí tổn và độ phức tạp ❑ Tốc độ tín hiệu cao (cùng với tốc độ dữ liệu cao) dẫn đến phí tổn cao ❑ Một số phương thức đòi hỏi tốc độ tín hiệu cao hơn tốc độ dữ liệu 9
10. Các phương thức mã hóa ◼ Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) ◼ Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) ◼ Bipolar -AMI ◼ Pseudoternary ◼ Manchester ◼ Differential Manchester ◼ B8ZS ◼ HDB3 10
11. Nonreturn to zero (NRZ-L) ◼ 2 mức điện áp khác nhau cho bit 1 và bit 0, ◼ Điện áp không thay đổi (không có transition) khi không có sự thay đổi tín hiệu ◼ Ví dụ: khi không có điện áp của bít 0, sẽ có một mức điện áp không đổi cho các bít 1 ◼ Điện áp thay đổi (có transition) khi có sự thay đổi tín hiệu (từ 0→1 hoặc từ 1→0) ◼ Thông thường, có mức điện áp âm và mức điện áo dương 11
12. Nonreturn to zero Inverted (NRZI) ◼ Nonreturn to zero Inverted với các bit 1 ◼ Dữ liệu được mã hóa căn cứ vào việc có hay không sự thay đổi tín hiệu ở đầu thời khoảng bit. ◼ Bit 1: được mã hóa bằng sự thay đổi điện áp (có transition) ◼ Bit 0: được mã hóa bằng sự không thay đổi điện áp (không có transition) 12
13. Nonreturn to zero 13
14. Mã hóa sai phân ◼ Dữ liệu được biểu diễn bằng việc thay đổi hơn là mức tín hiệu) ◼ 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 14
15. Ưu và nhược điểm của mã hóa NRZ ◼ Ưu ❑ Dễ dàng nắm bắt với các kỹ sư ❑ Sử dụng hiệu quả băng thông ◼ Nhược ❑ Có thành phần một chiều ❑ Thiếu khả năng đồng bộ ◼ Dùng trong việc ghi băng từ ◼ Ít dùng trong việc truyền tín hiệu 15
16. Multilevel Binary ◼ Dùng nhiều hơn 2 mức điện áp ◼ Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion) ❑ Bit-0 được biểu diễn bằng không có tín hiệu ❑ Bit-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 16
17. Pseudoternary ◼ 1 được biểu diễn bằng không có tín hiệu ◼ 0 được biểu diễn bằng xung dương âm xen kẽ nhau ◼ Không có ưu điểm và nhược điểm so với bipolar-AMI 17
18. Bipolar-AMI and Pseudoternary 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 18
19. Hạn chế của Multilevel Binary ◼ Không hiệu quả bằng NRZ ❑ Mỗi phần tử tín hiệu 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 điện áp (+A, -A, 0) ◼ Cần thêm khoảng 3dB công suất để đạt được cùng xác suất bit lỗi 19
20. Biphase ◼ Manchester ❑ Thay đổi ở giữa thời khoảng bit ❑ Thay đổi được dùng như tín hiệu đồng bộ dữ liệu ❑ L→H biểu diễn 1 ❑ H→L biểu diễn 0 ❑ Dùng trong IEEE 802.3 ◼ 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 20
21. Manchester Encoding 21
22. Differential Manchester Encoding 22
23. Ưu và nhược điểm của Biphase ◼ Nhược điểm ❑ Tối thiểu có 1 thay đổi trong thời khoảng 1 bit và có thể có tới 2 ❑ Tốc độ điều chế tối đa bằng 2 lần NRZ ❑ Cần nhiều băng thông hơn ◼ Ưu điểm ❑ 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 23
24. So sánh tốc độ điều biến 24
25. 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 tín hiệu, 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 tín hiệu mức 0 ◼ Không giảm tốc độ dữ liệu ◼ Có khả năng phát hiện lỗi 25
26. B8ZS ◼ B8ZS (Bipolar With 8 Zeros Substitution) ◼ Dựa trên bipolar-AMI ◼ Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là dương, mã thành 000+–0–+ ◼ Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là âm, mã thành 000–+0+– ◼ Gây ra 2 vi phạm mã AMI ◼ Khó có thể xuất hiện với tác động bởi nhiễu ◼ Bộ thu phát hiện và diễn giải chúng thành 8 số 0 liên tiếp 26
27. B8ZS 27
28. HDB3 ◼ HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros) ◼ Dựa trên bipolar-AMI ◼ Chuỗi 4 số 0 liên tiếp được thay thế bởi một hoặc hai xung 28
29. HDB3 29
30. B8ZS and HDB3 30
31. Mã hóa dữ liệu số sang tín hiệu tuần tự ◼ Dùng để truyền dữ liệu số trên mạng điện thoại công cộng ❑ 300Hz → 3400Hz ❑ Sử dụng thiết bị MODEM (MOdulator-DEMulator) ◼ Điều biên: Amplitude-Shift Keying (ASK) ◼ Điều tần: Frequency-Shift Keying (FSK) ◼ Điều pha: Phase-Shift Keying (PSK) 31
32. Các kỹ thuật điều chế 32
33. Điều biên (ASK) ◼ Các giá trị thể hiện bằng các biên độ khác nhau của sóng mang ◼ Thông thường một biên độ bằng 0 ◼ Dễ bị ảnh hưởng khi có sự thay đổi nhiễu điện áp ◼ Phương pháp này chỉ phù hợp trong truyền số liệu tốc độ thấp (~1200bps trên kênh truyền thoại) ◼ Tần số của tín hiệu sóng mang được dùng phụ thuộc vào chuẩn giao tiếp đang được sử dụng ◼ Kỹ thuật được dùng trong cáp quang 33
34. Điều biên (ASK) 34
35. Amplitude-Shift Keying A1 sin(2 fct) binary 1 s(t) = A2 sin(2 fct) binary 0 ◼ Với một biên độ bằng 0 A1 sin(2 fct) binary 1 s(t) = 0 binary 0 35
36. Điều biên (ASK) với một biên độ bằng 0 36
37. Binary Frequency-Shift Keying (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 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 37
38. Binary Frequency-Shift Keying (BFSK) Asin(2 f1t) binary 1 s(t) = Asin(2 f2t) binary 0 38
39. Multiple Frequency-Shift Keying ◼ Dùng nhiều hơn 2 tần số ◼ Băng thông được dùng hiệu quả hơn ◼ Khả năng lỗi nhiều hơn ◼ Mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn nhiều hơn 1 bit dữ liệu 39
40. Điều tần trên đường truyền mức âm thanh 40
41. Điều pha (PSK) ◼ Sử dụng một tần số sóng mang và thay đổi pha của sóng mang này ◼ Điều pha hai pha (Binary PSK): có 2 pha thể hiện 2 số nhị phân ◼ Điều pha biến pha (Differential PSK) – thay đổi pha tương đối so với sóng trước đó (thay vì so với sóng tham chiếu cố định) 41
42. Điều pha hai pha (Binary PSK) Asin(2 fct) Asin(2 fct) binary1 s(t) = = Asin(2 fct + ) − Asin(2 fct) binary0 42
43. Điều pha biến pha (Differential PSK) 43
44. Điều pha 4 pha (Quadrature PSK - QPSK) ◼ Hiệu quả sử dụng cao khi mỗi thành phần tín hiệu thể hiện nhiều hơn 1 bit O ❑ Chuyển π/2 (90 ) ◼ Mỗi thành phần tín hiệu thể hiện 2 bit ◼ Có thể sử dụng tới 8 góc và nhiều hơn 1 biên độ ◼ Modem tốc độ 9600bps sử dụng 12 góc, 4 trong đó có 2 biên độ. ◼ Offset QPSK (orthogonal QPSK) ❑ Chậm lại tại Q stream 44
45. Điều pha 4 pha (PSK) 45
46. Quadrature PSK - QPSK Asin( 2 fct) 00 Asin( 2 f t + ) 01 c s(t) = 2 Asin( 2 f t + ) 10 c 3 Asin( 2 f t + ) 11 c 2 46
47. QPSK and OQPSK Modulators 47
48. 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 ¨ ❑ Mỗi sóng mang là ASK đã được điều chế ❑ 2 tín hiệu độc lập trên cùng môi trường ❑ Giải điều chế và kết hợp cho dữ liệu nhị phân ban đầu 49
49. Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 50
50. QAM Modulator 51
51. Dữ liệu số → tín hiệu tuần tự 52
52. Mã hóa dữ liệu tuần tự sang tín hiệu số ◼ Dùng để truyền dữ liệu tương tự trên mạng truyền dữ liệu số ◼ 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) 53
53. Số hóa dữ liệu tuần tự 54
54. Điều chế xung mã (PCM) ◼ 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. ◼ Dữ liệu tiếng nói có giới hạn tần số <4000Hz ◼ Tốc độ lấy mẫu cần thiết là 8000 mẫu/giây ◼ Analog samples (Pulse Amplitude Modulation, PAM) ◼ Mỗi mẫu sẽ được gán một giá trị số 55
55. Điều chế xung mã (PCM) ◼ 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 n ❑ Tùy thuộc vào các mức lượng tử 2 (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 56
56. Mô hình điều chế xung mã PCM 57
57. Điều chế xung mã 58
58. Non-linear coding ◼ Mức lượng tử không đều ◼ Giảm méo tín hiệu ◼ Companding (compressing-expanding) 59
59. Hiệu suất của điều chế PCM ◼ Điều chế PCM có khả năng 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 cải thiện thêm ❑ Ví dụ: kỹ thuật mã xen khung (interframe coding) cho video 60
60. Điều chế Delta (DM) ◼ Tín hiệu tương tự được xấp xỉ bởi hàm bậc thang (staircase) ◼ Hành vi nhị phân ❑ Đi lên hay xuống 1 mức () tại mỗi thời khoảng lấy mẫu 61
61. Điều chế Delta (DM) 62
62. Điều chế Delta (DM) 63
63. Mã hóa dữ liệu tuần tự sang tín hiệu tuần tự ◼ Lý do điều chế ❑ Dùng để điều chế dữ liệu tương tự: thay đổi tần số truyền (tần số cao hơn truyền dẫn tốt hơn) ❑ Dùng trong công nghệ frequency division multiplexing ◼ Kỹ thuật ❑ Điều chế biên: Amplitude Modulation (AM) ❑ Điều chế tần số: Frequency Modulation (FM) ❑ Điều chế pha: Phase Modulation (PM) 64
64. Điều chế biên (AM) M(f) B f Discrete carrier M(f) term Lower sideband Upper sideband fc – B fc fc + B f 65
65. Điều chế tần số (FM) 66
66. Kỹ thuật điều chế tuần tự 67
67. Tài liệu tham khảo ◼ William Stallings (2010), Data and Computer Communications (9th Edition), Prentice Hall
68. HẾT CHƯƠNG 5 69