Bài giảng Truyền số liệu - Điều chế tín hiệu

Chương 2: Điều chế tín hiệu Khái niệm chung Điều chế dữ liệu số thành tín hiệu số Điều chế dữ liệu số thành tín hiệu liên tục Điều chế dữ liệu tương tự thành tín hiệu số Điều chế dữ liệu tương tự thành tín hiệu tương tự Điều chế phổ rộng Khái niệm chung Dữ liệu mã hóa bằng tín hiệu số dạng của x(t) phụ thuộc vào kỹ thuật mã hóa sử dụng tối ưu môi trường truyền tin Dữ liệu mã hóa bằng tín hiệu liên tục Sử dụng sóng mang có tần số phù hợp với môi truờng truyền tin Thay đổi các tính chất dữ liệu theo dữ liệu đầu vào sử dụng tối ưu môi trường truyền tin 4 dạng điều chế Dữ liệu Số- tín hiệu Số Dữ liệu số tín hiệu liên tục Dữ liệu liên tục-tín hiệu số Dữ liệu liên tục-tín hiệu liên tục Dữ liệu số- Tín hiệu số-01 Đơn vị dữ liệu: 1 bít Tín hiệu số là một chuỗi các xung Mỗi xung có thể coi là một đơn vị tín hiệu. Một đơn vị tín hiệu có thể biểu thị 1 bít Tín hiệu có thể là đơn cực hoặc đa cực Tốc độ dữ liệu: tốc độ truyền tin tính theo bít/s Chiều dài của bít: 1/R Tốc độ điều chế: tốc độ thay đổi mức của tín hiệu, tính theo baud= số lượng đơn vị tín hiệu trong 1s Dữ liệu số-tín hiệu số-02 Thiết bị thu Phát hiện điểm đầu và điểm cuối của mỗi bít Phân biệt các mức tín hiệu Tỷ lệ lỗi Tốc độ dữ liệu, tỷ lệ tín hiệu/tiếng ồn, giải thông Tốc độ dữ liệu càng lớn, tỷ lệ lỗi càng lớn Tín hiệu/tiếng ồn càng lớn, tỷ lệ lỗi càng nhỏ Giải thông lớn cho phép tốc độ dữ liệu lớn Phương pháp mã hóa Tiêu chí của một phương pháp mã hóa Giải tần số của tín hiệu: các tần số cao (sóng hài), thành phần một chiều Khả năng đồng bộ: một dây tín hiệu riêng Đồng bộ bằng bản thân tín hiệu mã hóa Khả năng phát hiện lỗi Khả năng chống nhiễu và tiếng ồn Độ phức tạp và giá thành Các phương pháp mã hóa NRZ NRZ-L,NRZI Nhị phân đa mức Đa cực AMI Pseudoternary Hai pha Manchester Manchester vi sai Kỹ thuật xáo trộn B8ZS HDB3 NRZ Non return to zero Trong thời gian của một bít, tín hiệu không trở về mức 0 Không có chuyển mức trong khoảng thời gian của một bít NRZ-L Non return to zero level Bít 1 tương ứng mức tín hiệu cao/thấp Bít 0 tương ứng với mức tín hiệu thấp/cao NRZI Non return to zero invert Bít 0 tương ứng với không chuyển mức ở đầu thời gian bít Bít 1 tương ứng với chuyển mức ở đầu thời gian bít Phương pháp điều chế vi sai: 0 và 1 tương ứng với chuyển mức, không phải với mức giá trị Tin cậy hơn điều chế theo mức Không phụ thuộc vào cực của tín hiệu NRZ Ưu điểm Đơn giản, sử dụng tối đa đường truyền Giải tần số tập trung từ 0 đến ½ tốc độ dữ liệu Vd 9600bps->4800khz Nhược điểm Khó đồng bộ bằng tín hiệu Vd với NRZ-L khi có nhiều 0 hoặc 1 liên tiếp, tín hiệu giữ một mức trong khoảng thời gian dài, dễ mất đồng bộ. Với NRZ-I, một chuỗi 0 cũng gây ra tình trạng như vậy Thành phần một chiều Ứng dụng Lưu trữ dũ liệu trên các vật liệu từ tính Ít dùng trong truyền số liệu Điều chế nhị phân đa mức Sử dụng nhiều hơn 2 mức tín hiệu cho một bít Bipolar alternate mark inversion. Lưỡng cực đảo mức 1 0 Tương ứng với không có tín hiệu 1 tương ứng với có tín hiệu. Tín hiệu đảo cực giữa hai bít 1 liên tiếp Giả tam phân (pseudoternary) 1 Tương ứng với không có tín hiệu 0 tương ứng với có tín hiệu. Tín hiệu đảo cực giữa hai bít 0 liên tiếp Thành phần một chiều=? Có khả năng phát hiện lỗi Đồng bộ khi có nhiều bít 1(0), không đồng bộ khi có nhiều bít 0(1) 3 mức tín hiệu cho một bít: Không sử dụng tối ưu đường truyền Tăng tỉ lệ lỗi (đích cần phân biệt 3 mức tín hiệu) So sánh tỉ lệ lỗi NRZ/nhị phân đa mức Điều chế hai pha: Manchester/ vi sai Luôn luôn có chuyển mức ở giữa thời gian của một bít Thấp lên cao: 1, cao xuống thấp 0 Chuyển mức cung cấp cơ chế đồng bộ Manchester visai 0: có chuyển mức ở đầu bít, 1 không có chuyển mức Chuyển mức ở giữa bít chỉ phục vụ cho đồng bộ Nhược điểm: 2 lần chuyển mức trong một đơn vị tín hiệu Tốc độ điều chế=2 lần tốc độ dữ liệu Ưu điểm Đồng bộ, Không có thành phần một chiếu, Có khả năng phát hiện lỗi Được dùng trong mạng cục bộ, CSMA/CD, Token ring, … Tốc độ điều chế Tốc độ dữ liệu=1/tbit Tốc độ điều chế phụ thuộc vào đơn vị tín hiệu Ví dụ với mã manchester, nếu dữ liệu gồm toàn 1 hoặc 0, tín hiệu sẽ gồm toàn các xung có chiều dài ½ bít, do đó tốc độ điều chế là 2/t bits Tổng quát D: tốc độ điều chế R: tốc độ dữ liệu L số lượng tín hiệu khác nhau trong thời gian 1 bít B số bit cho 1 đơn vị tín hiệu Tốc độ điều chế Số lượng chuyển mức trong thời gian một bit Câu hỏi: có bao nhiêu tín hiệu dùng cho 1 bít trong mã hóa manchester Điều chế xáo trộn (Scrambling) Chuỗi bít gây ra một khoảng tín hiệu đồng mức được mã hóa một cách đặc biệt, cho phép đồng bộ hóa. Đích cần phát hiện chuỗi tín hiệu này và thay bằng chuỗi bít ban đầu B8ZS: Dựa trên phương pháp nhị phân đa mức đảo cực 8 bit 0 liên tiếp được mã hóa phụ thuộc vào bít trước 8 số 0 đó Nếu là +, 8 số 0 được thay bằng 000+-0-+ Nếu là -, 8 số 0 được thay bằng 000-+0+- Phá luật AMI hai lần HDB3 4 bit 0 liên tiếp được thay thế bằng 4 xung, trong đó xung cuối cùng vi phạm luật AMI Để đảm bảo thành phần một chiều=0, hai vi phạm liên tiếp ngược chiều nhau Do đó nếu số bít 1 giữa hai lần thay thế là chẵn, đổi xung 1 theo luật. Xung 1 và 4 khi đó cùng dấu. Nếu lẻ xung 1 bằng 0 + lẻ 000-, chẵn +00+ - lẻ 000+ chẵn -00- Điều chế xáo trộn Chương 2: Điều chế tín hiệu Khái niệm chung Điều chế dữ liệu số thành tín hiệu số Điều chế dữ liệu số thành tín hiệu liên tục Điều chế dữ liệu tương tự thành tín hiệu số Điều chế dữ liệu tương tự thành tín hiệu tương tự Điều chế phổ rộng Điều chế số-liên tục Ví dụ: truyền số liệu thông qua hệ thống điện thoại Hệ thống điện thoại truyền, chuyển tiếp tín hiệu điện có tần số 300Hz đến 3400Hz Tại nguồn và đích, dữ liệu số cần được điều chế thành tín hiệu liên tục để truyền trên đường điện thoại Căn cứ vào tính chất của tín hiệu, chúng ta có 3 kỹ thuật điều chế Điều chế khóa dịch biên độ Điều chế khóa dịch pha Điều chế khóa dịch tần số Điều chế khóa dịch biên độ (ASK) 0 và 1 tương ứng với hai biên độ tín hiệu, thông thường một trong hai biên độ=0 Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu (1200bps cho đường thoại) Khó đồng bộ Thường được dùng trong cáp quang (LED hoặc laser) Điều chế khóa dịch tần số (FSK) Hai giá trị nhị phân được biểu diễn bởi hai tín hiệu tần số khác nhau Ví dụ về điều tần song công Tỷ suất lỗi thấp hơn Dùng trong truyền số liệu qua đường điện thoại (tần số thấp), hoặc trong mạng không dây (tần số cao) Điều chế khóa dịch pha (PSK) 0,1 tương ứng với hai độ lệch pha khác nhau 0,1 tương ứng với chuyển pha (vi sai) Có thể sử dụng giải thông một cách hiệu quả hơn khi mã hóa cùng lúc nhiều bít Có thể kết hợp với điều biên Nếu tốc độ dữ liệu là 9600 bps, tốc độ điều chế là ? Chương 2: Điều chế tín hiệu Khái niệm chung Điều chế dữ liệu số thành tín hiệu số Điều chế dữ liệu số thành tín hiệu liên tục Điều chế dữ liệu tương tự thành tín hiệu số Điều chế dữ liệu tương tự thành tín hiệu tương tự Điều chế phổ rộng Điều chế dữ liệu liên tục-tín hiệu số Điều chế dữ liệu số thành dữ liệu liên tục, sau đó Mã hóa trực tiếp bằng NRZ-L Mã hóa thành tín hiệu số sử dụng phương pháp khác Mã hóa thành tín hiệu liên tục Có hai phương pháp chính Điều chế mã xung Điều chế Delta Điều chế mã xung (PCM) Pulse Code Modulation Lấy mẫu tín hiệu dựa trên định luật lấy mẫu của Shannon Nếu tần số lấy mẫu >= 2 lần tần số (có ý nghĩa) cao nhất của tín hiệu, phép lấy mẫu bảo toàn thông tin của tín hiệu Vd: Tiếng nói tần số tối đa 4300Hz, cần lấy mẫu với tần số min 8600Hz Tiến hành theo hai bước Lấy mẫu (PAM) Lượng tử hóa Lượng tử hóa Làm tròn giá trị tín hiệu Dùng n bít -> có 2n mức Tín hiệu ban đầu được xấp xỉ, do đó bị sai lệch so với tín hiệu ban đầu Sai số này gọi là nhiễu lượng tử Để giảm sai số lượng tử Tăng số bít (tăng độ chính xác) Dùng phép lượng tử không tuyến tính Khoảng cách giữa các mức nhỏ với tín hiệu nhỏ Khoảng cách giữa các mức lớn với tín hiệu lớn Giảm sai số tuyệt đối của tín hiệu Lượng tử hóa không tuyến tính Điều chế delta (Delta Modulation) Sử dụng hàm bậc thang Khi hàm số tăng, xung=1 Khi hàm số giảm, xung=0 Tổng quát Biểu diễn giá trị của đạo hàm theo bít Tham số Bậc thang Tốc độ lấy mẫu Sai số Khi tín hiệu thay đổi chậm: nhiễu lượng tử Khi tín hiệu thay đổi nhanh: nhiễu tràn Truyền thông số vs tương tự Ví dụ: truyền tiếng nói Chất lượng tốt: PCM 7 bít (128 mức) Tần số tiếng nói ~4000Hz-> tần số lấy mẫu 8000Hz PCM-> tốc độ dữ liệu 7x8=56kbps 56kbps đòi hỏi 28kHz giải thông Truyền trực tiếp tín hiệu cần 4kHz giải thông Kết luận: truyền tin số thường dùng PCM Chương 2: Điều chế tín hiệu Khái niệm chung Điều chế dữ liệu số thành tín hiệu số Điều chế dữ liệu số thành tín hiệu liên tục Điều chế dữ liệu tương tự thành tín hiệu số Điều chế dữ liệu tương tự thành tín hiệu tương tự Điều chế phổ rộng Dữ liệu tương tự, tín hiệu tương tự Kết hợp tín hiệu m(t) và sóng mang có tần số Fc thành một tín hiệu tập trung xung quanh Fc Cho phép chuyển tín hiệu trên một tần số khác phù hợp với kênh truyền Cho phép dồn kênh bằng các tần số sóng mang khác nhau 3 phương pháp chính dựa vào đặc điểm của tín hiệu Điều biên Điều tần Điều chế góc pha Điều biên Biến đổi biên độ sóng mang theo đầu vào Nếu đầu vào cũng là hình sin Tín hiệu đầu ra sẽ có hai thành phần lệch với tần số sóng mang một khoảng bằng tần số đầu vào Na1 mất thông tin Giải thông=2 lần giải thông đầu vào Điều biên một chiều: 1 lần giải thông Điều chế góc pha Điều pha Điều tần Tần số là tốc độ thay đổi góc pha Giải tần lý thuyết cho điều tần và điều pha: vô hạn Giải tần thực tế Điều tần 2B+2 ∆F Điều pha 2B+np Am Điều biên 2B Điều chế phổ rộng Dùng tín hiệu tương tự chuyển dữ liệu số hoặc tương tự Sử dụng giải tần số rộng hơn để truyền dữ liệu Giải tần số này lại được chia sẻ bởi nhiều quá trình truyền tin Ví dụ: xem phim lồng tiếng Kỹ thuật thực hiện Kỹ thuật nhảy tần số Kỹ thuật phổ rộng chuỗi trực tiếp Hàm sinh số ngẫu nhiên: tính một chuỗi số giả ngẫu nhiên bằng một thuật toán và một số cơ sở (seed) Chỉ khi biết được thuật toán và seed, thì mới tính được số ngẫu nhiên đó Kỹ thuật nhảy tần số Frequence hopping Dữ liệu được điều chế thành tín hiệu tương tự Một tín hiệu cơ sở được lấy từ một bảng sẵn có Sau một khoảng thời gian nhất định, tần số này thay đổi theo một số ngẫu nhiên, sinh ra bởi bộ sinh số ngẫu nhiên Tín hiệu được điều tần trên tín hiệu cơ sở Chống nghe trộm Chống nhiễu Kỹ thuật chuỗi trực tiếp Một bít được mã hóa mã vụn (chipping code) Thành nhiều bít: chipping bit - bít vụn sử dụng một chuỗi ngẫu nhiên Trải tín hiệu trên giải tần rộng hơn Nguồn Dữ liệu được kết hợp với một chuỗi bít giả ngẫu nhiên thành dữ liệu truyền đi Đích Dữ liệu được tính lại theo chuỗi bít giả ngẫu nhiên Nếu không có chuỗi bít giả ngẫu nhiên, không thể tính lại được dữ liệu Đích căn cứ vào tính hợp lệ của dữ liệu để xác định tín hiệu có dành cho mình hay không Kỹ thuật chuỗi trực tiếp-ví dụ Bài tập-01 Biểu diễn các tín hiệu mã hóa chuỗi dữ liệu sau đây bằng các phương pháp mã hóa đã học 11000000 00000010 11001101 01010101 Bài tập-02 Xét phương pháp mã hóa sau: Chuỗi bít a1,a2,…am,…. Được mã hóa thành c1,c2,….cm Bằng cách tính chuỗi bít mới bm=(am+bm-1) mod 2 Sau đó Cm=bm-bm-1 Tại đích Am được tính lại Am=Cm mod 2 Câu hỏi Kiểm tra tính chính xác của phép mã hóa Đây là phương pháp mã hóa gì? Bài tập-03 Dữ liệu mã hóa bằng mã manchester (không vi sai) cho tín hiệu Xác định thời gian của từng bít Xác định dữ liệu ban đầu Bài tập-04 Điều chế delta với dữ liệu như trong hình vẽ, phía dưới là một phần đầu ra Xác định vùng có nhiễu tràn Xác địn tín hiệu với PCM Bài tập-05 Biểu diễn phương pháp điều chế pha-biên độ sau bằng công thức