Chương 3 - Mã hóa và điều chế dữ liệu- Phần 1

Truyền số liệuData Communication

Lê Đắc Nhường

Khoa Toán Tin - Trường Đại học Hải Phòng

E-mail: [email protected]

Cell Phone: 0987.394.900

Nội dung2/48

3.1 Dữ liệu số Tín hiệu số

3.2 Dữ liệu số tín hiệu tương tự

3.3 Dữ liệu tương tự Tín hiệu số

3.4 Dữ liệu tương tự Tín hiệu tương tự

3.5 Trải phổ (Spread Spectrum)

Đặt vấn đề

3/48

Input/ Output:

Lựa chọn phương thức:

Các yêu cầu cụ thể: độ rộng giải tần, cực tiểu lỗi

Các phương tiện truyền thông được sử dụng

3/48

Điều chế và giải điều chế

4/48

4/48

3.1 Dữ liệu số Tín hiệu số (DIGITAL DATA – DIGITAL SIGNAL)

5/48


6/48

Tín hiệu số

Dãy các xung điện áp rời rạc, gián đoạn,

Mỗi xung là một phần tử tín hiệu

Mã hoá số-số

Mỗi bit dữ liệu nhị phân các phần tử tín hiệu

các mức điện áp thấp/ cao.

Các khái niệm:

Tốc độ mã hoá dữ liệu: tốc độ dữ liệu được mã hoá (bps)

Độ dài bit: thời gian để máy phát phát tín hiệu ứng với 1 bit. (1/R)


7/48

Signal element versus data element


8/48

Biên dịch tín hiệu đến tại thiết bị nhận: các nhân tố quyết định:

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm - SNR (Signal to Noise Ratio)

Tốc độ số liệu (data rate)

Dải tần (bandwidth)

Tác động lẫn nhau giữa các nhân tố:

Tăng Data rate tăng tỷ lệ lỗi bit

Tăng SNR giảm tỷ lệ lỗi bit

Sự tăng bandwidth cho phép tăng data rate

3.1 Dữ liệu số Tín hiệu số9/48

Cơ sở đánh giá, so sánh các kỹ thuật mã hoá khác nhau:

Phổ của tín hiệu (Signal spectrum):

Loại bớt các thành phần cao tầngiảm dải tần

Loại bỏ thành phần một chiều – DC (Direct Current)

Ảnh hưởng của suy giảm tín hiệu và nhiễu: năng lượng cần tập trung

khoảng giữa của băng thông.



Nhịp đồng hồ (Clocking):

Xác định điểm bắt đầu/ kết thúc của 1 bit.

Đồng bộ máy phát và máy thu theo một đồng hồ riêng

chi phí cao + khó thực hiện.

Cơ chế đồng bộ dựa trên tín hiệu được truyền đi


Figure: Effect of lack of synchronization

12/48


Khả năng phát hiện lỗi (Error detection):

Chủ yếu được thực hiện ở tầng Data link

Mã hoá phát hiện lỗi ở mức vật lý : nhanh hơn

Nhiễu và sự miễn nhiễm tiếng ồn:

Kỹ thuật tốt có hiệu suất truyền cao hơn trong điều kiện truyền có

nhiễu

Biểu diễn bằng BER = Bit Error Rate


13/48


Chi phí và độ phức tạp:

Chi phí tỷ lệ nghịch với tốc độ dữ liệu

Một vài loại mã đòi hỏi tốc độ truyền tín hiệu lớn hơn tốc độ số liệu

thực tế


14/48

Các phương pháp mã hoá số-số

Nonreturn to Zero: NRZ

NRZ-L: Nonreturn to Zero Level

NRZI: Nonreturn to Zero Inverted

Bipolar -AMI

Pseudoternary

Manchester

Differential Manchester

B8ZS

HDB3


NRZ (Nonreturn to Zero)

0,1 hai mức điện áp khác nhau.

Trong mỗi độ dài bit: mức điện áp không đổi.

Không có điện áp: bit 0

Điện áp dương không đổi: bit 1

15/48

3.1.1 Nonreturn to Zero

NRZ-L: Không trở về mức 0

0,1 hai mức điện áp khác nhau.

Không có điện áp: bit 1

Điện áp dương không đổi: bit 0

16/48


17/48

NRZ-I: Không trở về mức 0, đảo mức 1

Xung điện áp chỉ thay đổi khi có sự thay đổi của bit 1.

Chuyển mức điện áp nếu gặp bit 1

Không chuyển mức điện áp nếu gặp bit 0

Là ví dụ của mã hoá vi sai: dữ liệu được biểu diễn bằng sự thay

đổi mức tín hiệu.


18/48


Figure: Polar NRZ-L and NRZ-I schemes

19/48

So sánh giữa NRZ-L và NRZ-I:

NRZ-L cần phân biệt cực tính của tín hiệu, ngược lại với NRZ-I

NRZ-I tin cậy hơn: trong môi trường truyền có tạp âm, phát

hiện sự chuyển mức tín hiệu là dễ dàng hơn việc so sánh mức

tín hiệu với một giá trị ngưỡng (NRZ-L).


20/48

Đánh giá NRZ:

Ưu điểm

Dễ thiết kế nhất

Sử dụng tối ưu dải tần (dải tần thấp)

Nhược điểm

Có thành phần một chiều.

Dễ mất đồng bộ:

Với một dãy dài các bit 1 hoặc 0 đối với NRZ-L hoặc một dãy dài các bit 0

đối với NRZI, đầu ra của coder có điện áp không đổi trong một thời gian

dài mất đồng bộ khi giữa đầu phát và đầu thu có chênh lệch thời gian.

Ít được sử dụng cho việc truyền tín hiệu

Chỉ sử dụng cho việc truyền ở khoảng cách ngắn


21/48


Figure: Polar RZ scheme

3.1.2 Multilevel Binary

22/48

Multilevel Binary

Khắc phục một số nhược điểm của NRZ sử dụng hơn hai mức

tín hiệu.

Bipolar-AMI (Alternate mark inversion): Mã đảo dấu luân phiên

lưỡng cực

Pseudoternary: Giả mã bậc 3.


23/48

Bipolar-AMI:

Bit 0: mức điện áp 0

Bit 1:

Xung dương hoặc âm

Các giá trị 1 liên tiếp: các xung thay đổi cực tính luân phiên nhau

24/48

Đánh giá Bipolar-AMI:

Ưu điểm:

Không mất đồng bộ nếu một chuỗi dài các bit 1

Độ rộng dải tần nhỏ hơn đáng kể so với NRZ

Dễ phát hiện lỗi nhờ sự thay đổi luân phiên cực tính tín hiệu

Nhược

Có thể mất đồng bộ khi có dãy dài các bit 0



25/48

Pseudoternary

Bit 1: biểu diễn bằng điện áp 0.

Bit 0:

Biểu diễn bởi một xung âm hoặc dương.

Các giá trị 0 liên tiếp: biểu diễn bằng các xung thay đổi cực tính luân phiên.

The 0s are positive and negative alternately

Amplitude

Time

0 1 00 1 1 01

26/48


Figure : Bipolar schemes: AMI and pseudoternary

27/48

Khắc phục nhược điểm của Multilevel Binary

Chèn thêm các bit làm cho tín hiệu phải chuyển mức. (trong ISDN -tốc

độ truyền số liệu thấp).

Trộn các bit số liệu trước khi coding. (truyền số liệu tốc độ cao)

So sánh Multilevel Binary và NRZ.

Multilevel binary không hiệu quả bằng NRZ: Mỗi phần tử tín hiệu chỉ

biểu diễn cho 1 bit thông tin, (lý thuyết: log23 bits = 1.58 bits)

Multilevel binary đòi hỏi thiết bị nhận phải phân biệt giữa ba mức, ở

NRZ là 2 mức tín hiệu Multilevel binary cần có công suất lớn hơn


3.1.2 Multilevel Binary: 2B1Q scheme

3.1.2 Multilevel Binary: 8B6T scheme

3.1.2 Multilevel Binary: 4D-PAM5 scheme

3.1.2 Multilevel Binary: Multitransition: MLT-3 scheme

4.32

3.1.2 Multilevel Binary: Summary of line coding schemes

3.1.3 Biphase33/48

Biphase:

Gồm một nhóm các kỹ thuật mã hoá khắc phục được các nhược

điểm của các mã NRZ.

Hai kỹ thuật biphase được sử dụng phổ biến là:

Manchester (Mã báo hiệu tách pha)

Differential Manchester (Mã báo hiệu tách pha vi sai)

3.1.3 Biphase

34/48

Manchester: Mã báo hiệu tách pha

Có sự chuyển mức tín hiệu ở giữa mỗi khoảng bit làm 2 vai trò:

Cung cấp một cơ chế đồng hồ

Biểu diễn số liệu

Bit 1: Tín hiệu chuyển từ thấp tới cao

Bit 0: Tín hiệu chuyển từ cao xuống thấp

Được Sử dụng chuẩn bởi IEE802.3

3.1.3 Biphase

35/48

Differential Manchester: mã báo hiệu tách pha vi sai

Tín hiệu đồng hồ: sự chuyển mức tín hiệu ở giữa khoảng bit.

Biểu diễn:

Bit 0: Có chuyển mức tín hiệu ở đầu khoảng bit

Bit 1: Không có chuyển mức tín hiệu ở đầu khoảng bit

Manchester code là một mã vi sai (differential encoding scheme)

Được sử dụng bởi chuẩn IEEE 802.5

3.1.3 Biphase

36/48

Figure : Polar biphase: Manchester and differential Manchester schemes

3.1.3 Biphase

37/48

So sánh Biphase với NRZ

Ưu

Đồng bộ hoá tốt hơn: Trong 1 khoảng bit, tín hiệu chuyển mức1-

2 lần Biphase codes còn được gọi là Self-clocking codes

Có thể phát hiện lỗi dựa vào việc thiếu sự chuyển mức tín hiệu.

Nhược

Tốc độ tín hiệu lớn nhất gấp hai lần NRZ yêu cầu độ rộng giải

tần lớn gấp 2 Ít được sử dụng trong các ứng dụng truyền

thông cự ly lớn (thường sử dụng trong mạng LAN <=10Mbps.

3.1.4 Scrambling techniques38/48

Các kỹ thuật trộn/ đổi tần (Scrambling techniques)

Khắc phục tính dễ bị mất đồng bộ:

Thay thế các dãy bit có thể sinh ra mức điện áp tín hiệu không đổi

kéo dài bằng một dãy bit sẽ sinh ra sự chuyển mức tín hiệu đủ nhanh

duy trì sự đồng bộ của đồng hồ bên nhận.

Dãy thay thế phải nhận ra được bởi bên nhận và thay lại bằng dãy số

liệu ban đầu.

Không làm tăng data rate


Mục tiêu thiết kế các kỹ thuật Scrambling:

Không có thành phần một chiều

Không có các chuỗi dài tín hiệu ở đường là mức 0

Không làm tăng tốc độ số liệu

Có khả năng phát hiện lỗi

Hai kỹ thuật scrambling:

B8ZS

HDB3


Figure : AMI used with scrambling


B8ZS: Bipolar with 8-zero substitution

Mã lưỡng cực với 8 bit 0 thay thế.

Nếu có 8 bit 0 liên tiếp và:

nếu xung điện áp ứng với bit cuối cùng trước đó là dương, thì

8 bit 0 đó sẽ được mã hoá thành 000+-0-+.

nếu xung điện áp ứng với bit cuối cùng trước đó là âm, thì 8

bit 0 đó sẽ được mã hoá thành 000-+0+-.





Luật trên vi phạm luật mã hoá Bipolar-AMI, đó là sự kiện không thể

xảy ra do noise hoặc các hư hỏng do truyền bên nhận có thể

nhận ra và sẽ thay bằng 8 bit 0.


HDB3: High-Density Bipolar-3 zero

Mã lưỡng cực mật độ dày 3 bit 0, dựa trên mã đảo dấu luân

phiên lưỡng cực Bipolar-AMI

Nếu có 4 bit 0 liên tiếp, không giống Bipolar-AMI mà tạo ra một

dãy gồm từ 1 đến 2 xung, theo cách sau:

Xung ứng với bit 0 thứ tư bị thay thế bằng 1 xung gây ra sự vi phạm

luật mã hoá Bipolar.

Các xung gây ra sự vi phạm luật mã hoá bipolar sẽ luân phiên đảo

cực tính để tránh sinh ra thành phần DC.



HDB3 substitutes four consecutive zeros with 000V or B00V depending

on the number of nonzero pulses after the last substitution.



3.1.4 Scrambling techniques

47/48

3.1.4 Scrambling techniques

48/48

Bài tập

Bài tập

Bài tập

0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0

1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0

0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0

0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0

0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0

1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0

Bài tập

NRZ-L

NRZ-I

AMI

Pseudo-Ternary

Manchester

Differential

Manchester

Bài tập

0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0

1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0

0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0

0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0

0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0

1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0

NRZ-L

NRZ-I

AMI

Pseudo-Ternary

Manchester

Differential

Manchester

Bài tập

Bài tập

Documents

Chương 3 - Mã hóa và điều chế dữ liệu- Phần 1