Tài liệu đề cương bài giảng kỹ thuật truyền tin (tài liệu dùng cho sinh viên đại học, cao đẳng ngành công nghệ thông tin)

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT TRUYỀN TIN (TÀI LIỆU DÙNG CHO SINH VIÊN ĐẠI HỌC, CAO ĐẲNG NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN) Mã số môn học: TI2321 Số tín chỉ: 03 Lý thuyết: 36 tiết Bài tập: 09 tiết 0 MỤC LỤC CHƯƠNG 1 Tổng quan về kĩ thuật truyền dữ liệu................................................................3 1.1. Thông tin và truyền thông.....................................................................................................3 1.2. Các dạng thông tin và xử lý thông tin...................................................................................4 1.3. Khái quát mạng truyền số liệu..............................................................................................5 1.4. Mạng truyền số liệu..............................................................................................................6 1.5. Sự giảm và biến dạng tín hiệu...............................................................................................8 CHƯƠNG 2 Mã hóa và điều chế............................................................................................11 2.1. Phổ tần của tín hiệu.............................................................................................................11 2.2. Mã hóa................................................................................................................................13 2.3. Điều chế..............................................................................................................................17 CHƯƠNG 3 Các kĩ thuật truyền dữ liệu...............................................................................23 3.1. Kĩ thuật truyền đồng bộ và bất đồng bộ..............................................................................23 3.2. Các mã phát hiện lỗi...........................................................................................................30 3.3. Mã nén dữ liệu....................................................................................................................34 3.4. Các giao thức liên kết dữ liệu.............................................................................................36 CHƯƠNG 4 Điều khiển liên kết dữ liệu................................................................................38 4.1. Cấu hình đường truyền tín hiệu..........................................................................................38 4.2. Điều khiển luồng.................................................................................................................38 4.3. Điều khiển lỗi......................................................................................................................39 4.4. Các giao thức điều khiển liên kết số liệu............................................................................40 CHƯƠNG 5 Các kĩ thuật truyền dữ liệu số..........................................................................51 5.1. Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số...........................................................................51 5.2. Ghép kênh phân chia theo thời gian....................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................60 1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt DTE DCE LAN WAN PAM PTM PPM CRC FCS HDLC LAPB LLC FDM TDM Chữ viết đầy đủ Data Terminal Equipment – Thiết bị đầu cuối dữ liệu Data Circuit terminal Equipment – Thiết bị cuối kênh dữ liệu Local Area Network – Mạng cục bộ Wide Area Network – Mạng diện rộng Pulse Amplitude Modulation – Điều chế biên độ xung Pulse Time Modulation – Điều chế thời gian xung Pulse Position Modulation – Điều chế vị trí xung Cyclic Redundancy Check – Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ Frame Check Sequence – Khung kiểm tra High level Data Link Control- Giao thức điều khiển liên kết số liệu mức cao Link Access Procedure version B – Thủ tục truy xuất liên kết phiên bản B Logical Link Control – Điều khiển liên kết logic Frequency Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo tần số Time Division Multiplexing – Ghép kênh phân chia theo thời gian 2 CHƯƠNG 1 Tổng quan về kĩ thuật truyền dữ liệu Số tiết: 08 (Lý thuyết: 08 tiết) A) MỤC TIÊU Ở chương này giới thiệu tổng quan về kỹ thuật truyền dữ liệu. Người học cần đạt được các mục tiêu sau: + Sinh viên hiểu về các khái niệm về thông tin và truyền thông, các dạng thông tin và xử lý thông tin. + Sinh viên biết khái quát về mạng truyền số liệu, biết phân loại mạng truyền số liệu, biết cách khắc phục sự suy giảm và biến dạng tín hiệu. + Sinh viên vận dụng kiến thức đã học để áp dụng vào những bài toán thực tế như: nâng cao chất lượng khi truyền tải tín hiệu. + Sinh viên hứng thú với bài toán về xử lý thông tin và khắc phục sự giảm và biến dạng tín hiệu. B) NỘI DUNG 1.1. Thông tin và truyền thông Thông tin liên lạc đóng vai trò hết sức quan trọng trong cuộc sống, hầu hết chúng ta luôn gắn liền với một vài dạng thông tin nào đó. Các dạng trao đổi tin có thể như: đàm thoại người với người, đọc sách, gửi và nhận thư, nói chuyện qua điện thoại, xem phim hay truyền hình, xem triển lãm tranh, tham dự diễn đàn . . . Có hàng nghìn ví dụ khác nhau về thông tin liên lạc. Trong đó gia công chế biến để truyền đi trong thông tin số liệu là một phần đặc biệt trong lĩnh vực thông tin. Hình 1.1. Một hệ thống thông tin cơ bản 3 Từ các ví dụ trên chúng ta nhận thấy rằng mỗi hệ thống truyền tin đều có các đặc trưng riêng nhưng có một số đặc tính chung cho tất cả các hệ thống. Đặc trưng chung có tính nguyên lý là tất cả các hệ thống truyền tin đều nhằm mục đích chuyển tải thông tin từ điểm này đến điểm khác. Trong các hệ thống truyền số liệu, thường gọi thông tin là dữ liệu hay thông điệp. Thông điệp có nhiều dạng khác nhau, để truyền thông điệp từ một điểm này đến điểm khác cần phải có sự tham gia của 3 thành phần của hệ thống: nguồn tin là nơi phát sinh và chuyển thông điệp lên môi trường truyền, môi trường là phương tiện mang thông điệp tới đích thu. Các phần tử này là yêu cầu tối thiểu trong bất cứ quá trình truyền tin nào. Nếu một trong các thành phần này không tồn tại, truyền tin không thể xảy ra. Một hệ thống truyền tin thông thường được miêu tả trên Hình 1.1 Để truyền tin hiệu qua các chủ thể phải hiểu được thông điệp. Nơi thu nhận thông điệp phải có khả năng dịch thông điệp một cách chính xác. Điều này là hiển nhiên bởi vì trong giao tiếp hàng ngày nếu chúng ta dùng một từ mà người ta không thể hiểu thì hiệu quả thông tin không đạt yêu cầu. Tương tự, nếu máy tính mong muốn thông tin đến với tốc độ chỉ định và ở một dạng mã nào đó nhưng thông tin lại đến với tốc độ khác và với dạng mã khác thì rõ ràng không thể đạt được hiệu quả truyền. Các đặc trưng toàn cục của một hệ thống truyền được xác định và bị giới hạn bởi các thuộc tính riêng của nguồn tin, của môi trường truyền và đích thu. Nhìn chung, dạng thông tin cần truyền quyết định kiểu nguồn tin, môi trường và đích thu . Trong một hệ thống truyền, hiện tượng nhiễu có thề xảy ra trong tiến trình truyền và thông điệp có thể bị ngắt quãng. Bất kỳ sự xâm nhập không mong muốn nào vào tín hiệu đều bị gọi là nhiễu. Có nhiều nguồn nhiễu và nhiều dạng nhiễu khác nhau Hiểu biết được các nguyên tắc căn bản về truyền tin sẽ giúp chúng ta dễ dàng tiếp cận một lĩnh vực đặc biệt hấp dẫn đó là thông tin số liệu. Thông tin số liệu liên quan đến một tổ hợp nguồn tin, môi trường và máy thu trong các kiểu mạng truyền số liệu khác nhau. 1.2. Các dạng thông tin và xử lý thông tin Tất cả những gì mà con người muốn trao đổi với nhau được hiểu là thông tin những thông tin nguyên thuỷ này được gia công chế biến để truyền đi trong không gian được hiểu là tín hiệu. Tuỳ theo việc sử dụng đường truyền, tín hiệu có thể tạm chia tín hiệu thành hai dạng: tín hiệu điện-từ và tín hiệu không phải điện từ. Việc gia công tín hiệu cho phù hợp với mục đích và phù hợp với đường truyền vật lý được gọi là xử lý tín hiệu. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ thông tin đã tạo ra một công nghệ mới về truyền số liệu. Máy tính với những tính năng vô cùng to lớn đã trở thành hạt nhân trong việc xử lý thông tin, điều khiển các quá trình truy nhập số liệu, máy tính và các hệ thống thông tin tạo thành một hệ thống truyền số liệu. Có 2 nguồn thông tin đó là thông tin tương tự và thông tin số. Trong đó nguồn thông tin tương tự liên tục theo sự thay đổi của giá trị vật lý thể hiện thông tin với đặc tính chất lượng như tiếng nói, tín hiệu hình ảnh, còn nguồn thông tin số là tín hiệu gián đoạn thể hiện thông tin bởi nhóm các giá trị gián đoạn xác định đặc tính chất lượng bằng quan hệ với thời gian như tín hiệu số liệu. Thông tin số có nhiều ưu điểm hơn so với thông tin tương tự như: thông tin số có nhiều khả năng chống nhiễu tốt hơn vì nó có các bộ lặp để tái tạo lại tín hiệu, cung cấp chất lượng 4 truyền dẫn tốt hơn với các khoảng cách, nó kết hợp được mọi nguồn dịch vụ hiện đang có, nó tạo ra được một tổ hợp truyền dẫn số và tổng đài số. Những phần tử bán dẫn dùng trong truyền dẫn số là những mạch tổ hợp nó được sản xuất hàng loạt, và mạng liên lạc trở thành mạng thông minh vì dễ chuyển đổi tốc độ cho các loại dịch vụ khác nhau thay đổi thủ tục, xử lý tín hiệu số (DSP) chuyển đổi phương tiện truyền dẫn ... Hệ thống thông tin số cho phép thông tin điều khiển được cài đặt vào và tách dòng thông tin thực hiện một cách độc lập với với bản chất của phương tiện truyền tin (cáp đồng trục, cáp sợi quang, vi ba, vệ tinh..). Vì vậy thiết bị báo hiệu có thể thiết kế riêng biệt với hệ thống truyền dẫn. Chức năng điều khiển có thể thay đổi mà không phụ thuộc vào hệ thống truyền dẫn, ngược lại hệ thống có thể nâng cấp không ảnh hưởng tới các chức năng điều khiển ở cả 2 đầu của đường truyền. 1.3. Khái quát mạng truyền số liệu Ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật và công nghệ đã tạo ra một bước tiến dài trong lĩnh vực truyền số liệu. Sự kết hợp giữa phần cứng, các giao thức truyền thông các thuật toán đã tạo ra các hệ thống truyền số liệu hiện đại, những kỹ thuật cơ sở vẫn được dùng nhưng chúng được xử lý tinh vi hơn. Về cơ bản một hệ thống truyền số liệu hiện đại mô tả như Hình 1.2: Hình 1.2. Mô hình mạng truyền số liệu hiện đại 1.3.1. DTE ( Data Terminal Equipment - Thiết bị đầu cuối dữ liệu) Đây là thiết bị lưu trữ và xử lý thông tin. Trong hệ thống truyền số liệu hiện đại thì DTE thường là máy tính hoặc máy Fax hoặc là trạm cuối ( terminal). Như vậy tất cả các ứng dụng của người sử dụng ( chương trình, dữ liệu ) đều nằm trong DTE Chức năng của DTE thường lưu trữ các phần mềm ứng dụng , đóng gói dữ liệu rồi gửi ra DCE hoặc nhận gói dữ liệu từ DCE theo một giao thức ( protocol) xác định DTE trao đổi với DCE thông qua một chuẩn giao tiếp nào đó . Như vậy mạng truyền số liệu chính là để nối các DTE lại cho phép chúng ta phân chia tài nguyên , trao đổi dữ liệu và lưu trữ thông tin dùng chung 1.3.2. DCE (Data Circuit terminal Equipment- Thiết bị cuối kênh dữ liệu ) Đây là thuật ngữ dùng để chỉ các thiết bị dùng để nối các DTE với các đường ( mạng) truyền thông nó có thể là một Modem, Multiplexer, Card mạng...hoặc một thiết bị số nào đó 5 như một máy tính nào đó trong trường hợp máy tính đó là một nút mạng và DTE được nối với mạng qua nút mạng đó. DCE có thể được cài đặt bên trong DTE hoặc đứng riêng như một thiết bị độc lập. Trong thiết bị DCE thường có các phần mềm được ghi vào bộ nhớ ROM phần mềm và phần cứng kết hợp với nhau để thực hiện nhiệm vụ của nó vẫn là chuyển đổi tín hiệu biểu diễn dữ liệu của người dùng thành dạng chấp nhận được bởi đường truyền. Giữa 2 thiết bị DTE việc trao đổi dữ liệu phải tuân thủ theo chuẩn, dữ liệu phải gửi theo một Format xác định. Thí dụ như chuẩn trao đổi dữ liệu tầng 2 của mô hình 7 lớp là HDLC ( High level Data Link Control) Trong máy Fax thì giao tiếp giữa DTE và DCE đã thiết kế và được tích hợp vào trong một thiết bị, phần mềm điều khiển được cài đặt trong ROM. 1.3.3. Kênh truyền tin Kênh truyền tin là môi trường mà trên đó 2 thiết bị DTE trao đổi dữ liệu với nhau trong phiên làm việc. Hình 1.3. Kênh thông tin Trong môi trường thực này 2 hệ thống được nối với nhau bằng một đoạn cáp đồng trục và một đoạn cáp sợi quang, modem C để chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự để truyền trong cáp đồng trục modem D lại chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu số và qua Tranducer E để chuyển đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu quang để truyền trên cáp sợi quang cuối cùng Tranducer F lại chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện để tới DTE. 1.4. Mạng truyền số liệu Mạng truyền số liệu bao gồm hai hay nhiều hệ thống truyền (nhận) tin như Hình 1.2 được ghép nối với nhau theo nhiều hình thức như phân cấp hoặc phân chia thành các trung tâm xử lý trao đổi tin với các chức năng riêng ... Mạng truyền số liệu là một hệ thống nhằm nối các máy tính lại với nhau, sự thông tin giữa chúng được thực hiện bởi các giao thức đã được chuẩn hoá, có nghĩa các phần mềm trong các máy tính khác nhau có thể cùng nhau giải quyết một công việc hoặc trao đổi thông tin với nhau. Các ứng dụng tin học ngày càng rộng rãi do đó đã đẩy các hướng ứng dụng mạng xử lý số liệu, mạng đấu nối có thể có cấu trúc tuyến tính, cấu trúc vòng, cấu trúc hình sao... Cấu trúc mạng phải có khả năng tiếp nhận các đặc thù khác nhau của các đơn vị tức là mạng phải có tính đa năng, tính tương thích. 6 Mạng số liệu được thiết kế nhằm mục đích có thể nối nhiều thiết bị đầu cuối với nhau. Để truyền số liệu ta có thể dùng mạng điện thoại hoặc dùng đường truyền riêng có tốc độ cao. Dịch vụ truyền số lỉệu trên kênh thoại là một trong các dịch vụ đầu tiên của việc truyền số liệu. Trên mạng này có thể có nhiều máy tính cùng chủng loại hoặc khác loại được ghép nối lại với nhau, khi đó cần giải quyết những vấn đề phân chia tài nguyên. Để các máy tính ở các đầu cuối có thể làm việc được với nhau cần phải có cùng một protocol nhất định . Dạng thức của phương tiện truyền số liệu được qui định bởi bản chất tự nhiên của ứng dụng, bởi số lượng máy tính liên quan và khoảng cách vật lý giữa chúng. Các dạng truyền số liệu trên các dạng sau: Nếu chỉ có hai máy tính và cả hai đều đặt ở một văn phòng, thì phương tiện truyền số liệu có thể chỉ gồm một liên kết điểm nối đơn giản. Tuy nhiên, nếu chúng toạ lạc ở những vị trí khác nhau trong một thành phố hay một quốc gia thì phải cần đến các phương tiện truyền tải công cộng. Mạng điên thoại công cộng được dùng nhiều nhất, trong trường hợp này sẽ cần đến bộ thích nghi gọi là Modem. Sắp xếp truyền theo dạng này được trình bày trên Hình1.4 Hình 1.4. Truyền số liệu nối qua mạng điện thoại công cộng dùng modem Khi cần nhiều máy tính trong một ứng dụng, một mạng chuyển mạch sẽ được dùng phép tất cả các máy tính có thể liên lạc với nhau vào bất cứ thời điểm nào. Nếu tất cả máy đều nằm trong một toà nhà, có thể xây dựng một mạng riêng. Một mạng như vậy được xem mạng cục bộ LAN (Local Area Network). Nhiều chuẩn mạng LAN và các thiết bị liên kết đã tạo ra cho các ứng dụng thực tế. Hai hệ thống mạng LAN cơ bản được trình bày trên Hình 1.5. Khi máy tính được đặt ở nhiều nơi cách xa nhau cần liên lạc với nhau, phải dùng đến phương tiện công cộng. Việc liên kết máy tính này tạo nên một mạng rộng lớn, được gọi là mạng diện rộng WAN (Wide Area Network). 7 Hình 1.5. Các hệ thống LAN cơ bản ( liên kết LAN qua backbone trong một văn phòng ) Các giải pháp thuê kênh chỉ hiệu quả đối với các công ty lớn vì có tải hữu ích để cân đối với giá thuê kênh. Trong hầu hết các trường hợp khác đều cần đến các mạng truyền dẫn công cộng. Bên cạnh việc cung cấp dịch vụ điện thoại công cộng, ngày nay hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ truyền dẫn đều cung cấp một dịch vụ chuyển mạch số liệu mang tính công cộng.  Phân loại mạng truyền số liệu: Mạng truyền số liệu đa dạng về chủng loại cũng như về số lượng, có nhiều cách phân chia mạng số liệu: - Phân loại theo địa lý: Mạng nội bộ Mạng diện rộng Mạng toàn cầu - Phân loại theo tính chất sử dụng mạng: Mạng truyền số liệu ký sinh Mạng truyền số liệu chuyên dụng - Phân loại theo topo mạng: Mạng tuyến tính Mạng hình sao Mạng vòng - Phân loại theo kỹ thuật: Mạng chuyển mạch kênh Mạng chuyển mạch gói Mạng chuyển mạch thông báo 1.5. Sự giảm và biến dạng tín hiệu Ảnh hưởng của suy giảm và biến dạng nói chung có thể làm thoái hoá một tín hiệu trong quá trình truyền. Khi một tín hiệu lan truyền dọc dây dẫn vì lý do nào đó biên độ của nó giảm xuống được gọi là sự suy giảm tín hiệu. 8 Thông thường mức độ suy giảm cho phép được quy định trên chiều dài cáp dẫn để đảm bảo rằng hệ thống nhận có thể phát hiện và dịch được tín hiệu ở máy thu. Nếu trường hợp cáp quá dài thì có một hay nhiều bộ khuếch đại (hay còn gọi là repeater) được chèn vào từng khoảng dọc theo cáp nhằm tiếp nhận và tái sinh dữ liệu. Sự suy giảm tín hiệu gia tăng theo một hàm của tần số trong khi đó tín hiệu lại bao gồm một giải tần vì vậy tín hiệu sẽ bị biến dạng do các thành phần suy giảm không bằng nhau. Để khắc phục vấn đề này, các bộ khuếch đại được thiết kế sao cho khuếch đại các tín hiệu có tần số khác nhau với hệ số khuếch đại khác nhau. Ngoài ra còn có thiết bị cân chỉnh gọi là equalizer được dùng để cân bằng sự suy giảm xuyên qua một băng tần được xác định. Bất kỳ một kênh hay đường truyền nào: cáp xoắn, cáp đồng trục, radio... đều có một băng thông xác định liên hệ với nó, băng thông chia ra các thành phần tần số nào của tín hiệu sẽ được truyền qua kênh mà không bị suy giảm. Do đó khi truyền dữ liệu qua một kênh cần phải đánh giá ảnh hưởng của băng thông của kênh đổi với tín hiệu số được truyền. Thông thường phải dùng phương pháp toán học để đánh giá. Công cụ thường được dùng nhất là phương pháp phân tích Fourier. Phân tích Fourier cho rằng bất kỳ tín hiệu tuần hoàn nào đều được hình thành từ một dãy xác định các thành phần tần số riêng biệt. Chu kỳ của tín hiệu xác định thành phần tần số cơ bản. Các thành phần tần số khác có tần số là bội số của tần số cơ bản. Vì các kênh thông tin có băng thông bị giới hạn nên khi tín hiệu nhị phân truyền qua kênh, chỉ những thành phần tần số trong dải thông sẽ được nhận bởi máy thu. Tốc độ lan truyền của tín hiệu thuần nhất dọc theo một đường truyền thay đổi tuỳ tần số. Do đó khi truyền một tín hiệu số, các thành phần tần số khác nhau tạo nên nó sẽ đến máy thu với độ trễ pha khác nhau, dẫn đến biến dạng do trễ của tín hiệu tại máy thu. Sự biến dạng trễ tăng khi tốc độ bit tăng. Biến dạng trễ làm thay đổi các thời khắc của tín hiệu gây khó khăn trong việc lấy mẫu tín hiệu. Khi không có tín hiệu một đường truyền dẫn kênh truyền được xem là lý tưởng nếu mức điện thế trên đó là zero. Trong thực tế có nhiều tác động ngẫu nhiên làm cho tín hiệu trên đường truyền vẫn khác zero, cho dù không có tín hiệu số nào được truyền trên đó. Mức tín hiệu này đuợc gọi là mức nhiễu đường dây. Khi một tín hiệu bị suy giảm thì biên độ của nó giảm đến mức nhiễu đường (line noise). Tỉ số năng lượng trung bình của một tín hiệu thu được so với năng lượng của mức nhiễu đường dây N được gọi là tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal _to_noise Ratio), đây là tham số quan trọng liên quan đến đường truyền thông thường SNR được biểu diễu qua đơn vị decibel (dB) SNR= 10 log 10 (S/N) (dB) Rõ ràng nếu tỉ số SNR càng cao thì chất lượng tín hiệu thu càng cao. Ngược lại nếu SNR thấp có nghĩa là chất lượng tín hiệu thu thấp. 9 C) TÀI LIỆU HỌC TẬP 1. Nguyễn Hồng Sơn (2009), Kỹ thuật truyền số liệu , NXB Lao động xã hội 2. Trần Văn Sư (2005), Truyền số liệu và mạng thông tin số , NXB ĐH Quốc Gia TP.HCM D) CÂU HỎI, BÀI TẬP, NỘI DUNG ÔN TẬP VÀ THẢO LUẬN Câu 1: Nêu khái quát mạng truyền số liệu? Mạng truyền số liệu được thiết kế nhằm mục đích chính là gì? Câu 2: Hãy trình bày mô hình tổng quát của một hệ thống truyền số liệu? Anh (Chị) hãy nêu lên một mô hình của hệ thống truyền số liệu mà anh (chị) biết? Câu 3: Trong mạng truyền số liệu, việc trao đổi dữ liệu giữa DTE và DCE phải chú ý những đặc điểm nào? Câu 4: Nêu các chức năng cần có trong các hệ thống truyền tin ngày nay? Câu 5: Nêu ảnh hưởng của sự giảm và biến dạng tín hiệu? Mức độ suy giảm cho phép là như thế nào? 10 CHƯƠNG 2 Mã hóa và điều chế Số tiết: 09 (Lý thuyết: 07 tiết; Bài tập: 02 tiết) A) MỤC TIÊU Ở chương này giới thiệu về mã hóa và điều chế. Người học cần đạt được các mục tiêu sau: + Sinh viên hiểu về các phổ tần của tín hiệu, gồm phổ tần gián đoạn và phổ tần liên tục. Nắm được các dạng mã hóa phổ biến và khái niệm về phương pháp điều chế biên độ, điều chế góc và điều chế xung. + Sinh viên biết kỹ thuật ngẫu nhiên hóa, các công thức điều chế tín hiệu. + Sinh viên vận dụng kiến thức đã học để áp dụng trong mã hóa và điều chế tín hiệu. + Sinh viên hứng thú khi học và làm quen với mã hóa và điều chế tín hiệu, có nền tảng cơ bản về mã hóa và giải mã thông tin. B) NỘI DUNG 2.1. Phổ tần của tín hiệu Trong một hệ thống thông tin tồn tại 3 dạng tín hiệu với phổ tần khác nhau: Loại thứ nhất là các tín hiệu có tính tuần hoàn có dạng hình sin hoặc không. Một tín hiệu không sin là tổng hợp của nhiều tín hiệu hình sin có tần số khác nhau. Kết quả này có được bằng cách dùng chuỗi Fourier để phân tích tín hiệu. Loại thứ hai là các tín hiệu không có tính tuần hoàn mà có tính nhất thời (Ví dụ: như các xung lực), loại tín hiệu này được khảo sát nhờ biến đổi Fourier. Loại thứ ba là tín hiệu có tính ngẫu nhiên, không được diễn tả bởi một hàm toán học nào. Ví dụ như các loại nhiễu, được khảo sát nhờ phương tiện xác suất thống kê. Các loại tín hiệu, nói chung, có thể được xét đến dưới một trong hai lĩnh vực: Lĩnh vực thời gian: Trong lĩnh vực này tín hiệu được diễn tả bởi một hàm theo thời gian, hàm này cho phép xác định biên độ của tín hiệu tại mỗi thời điểm. Lĩnh vực tần số: Trong lãnh vực này người ta quan tâm tới sự phân bố năng lượng của tín hiệu theo các thành phần tần số của chúng và được diễn tả bởi phổ tần. Trong giới hạn của môn học, chúng ta chỉ đề cập đến hai loại tín hiệu đầu. 2.1.1. Phổ tần gián đoạn Tín hiệu có tính tuần hoàn đơn giản nhất là tín hiệu hình sin v(t)=Vm sin(t+) = Vmsin(2ft+) Tín hiệu này có phổ tần là một vạch duy nhất có biên độ Vm tại tần số f (Hình 2.1) Hình 2.1. Tín hiệu hình sin 11 Các dạng tín hiệu tuần hoàn khác có thể phân tích thành tổng các tín hiệu hình sin, như vậy phổ tần của chúng phức tạp hơn, gồm nhiều vạch ở các tần số khác nhau. Tín hiệu thường gặp có dạng hình chữ nhật mà bởi phép phân tích thành chuỗi Fourier ta thấy phổ tần bao gồm nhiều vạch ở các tần số cơ bản f và các họa tần 3f, 5f, 7f .... Hình 2.2). (a) (b) Hình 2.2.Tín hiệu hình chữ nhật Tín hiệu Hình 2.2 a phân tích thành chuỗi Fourier: v= Với  = 2 / T = 2f T & f lần lượt là chu kỳ và tần số của tín hiệu chữ nhật. Lưu ý, nếu rời tín hiệu Hình 2.2.a lên một khoảng V theo trục tung thì phổ tần có thêm thành phần một chiều Hình 2.3 (b) (a) Hình 2.3. Tín hiệu hình chữ nhật khi rời tín hiệu hình 2.2. a lên một khoảng V theo trục tung v=V+ Xét trường hợp chuỗi xung chữ nhật với độ rộng  << T , ta có tín hiệu và phổ ở Hình 2.4 v= với x =  / T 12 ( b) (a) Hình 2.4. Tín hiệu và phổ với trường hợp chuỗi xung chữ nhật có độ rộng  << T Nhận thấy biên độ của họa tần thứ n xác định bởi: Vn= Hình 2.4.a là phổ tần của tín hiệu, Hình 2.4.b cho trường hợp  = 0.1 T. Trong trường hợp này tần số đầu tiên của tín hiệu có biên độ đạt trị 0 là 10f. Nếu xem băng thông BW của tín hiệu là khoảng tần số mà biên độ tín hiệu đạt giá trị 0 đầu tiên (vì năng lượng tín hiệu tập trung trong khoảng tần số này) ta có: BW xác định bởi: sin(nx) = 0 nx =  n / T =  n / T =1/ hay BW=nf = n / T =1/ 2.1.2. Phổ tần liên tục Ðối với chuỗi xung ở trên khi T càng lớn khoảng cách phổ vạch càng thu hẹp lại và khi T , chuỗi xung trở thành một xung duy nhất và phổ vạch trở thành một đường cong liên tục có dạng bao hình của biên độ phổ trước đây Hình 2.5. Ðường cong xác định bởi: V(f) = V  (a)  (b) Hình 2.5. Chuỗi xung và phổ vạch khi T  2.2. Mã hóa Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cách đơn giản là gán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một trị khác cho mức logic còn lại. Tuy nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo mã phải dựa vào một số tính chất sau: Phổ tần của tín hiệu: Nếu tín hiệu có chứa tần số cao thì băng thông của tín hiệu và của hệ thống phải rộng. Nếu tín hiệu có thành phần DC có thể gây khó khăn trong ghép nối. 13 Ví dụ: không thể ghép tín hiệu có thành phần DC qua biến thế và kết quả là không cách ly điện được. Trong thực tế, sự truyền thông xấu nhất ở các cạnh của băng thông. Vì các lý do trên, một tín hiệu tốt phải có phổ tần tập trung ở giữa một băng thông không quá rộng và không nên chứa thành phần DC. Sự đồng bộ Thường máy thu phải có khả năng nhận ra điểm bắt đầu và kết thúc của một bit để thực hiện sự đồng bộ với máy phát. Nên nhớ là trong chế độ truyền đồng bộ, máy phát và thu không tạo ra xung đồng hồ riêng lẻ mà máy thu phải phục hồi xung này từ chuỗi dữ liệu phát để sử dụng. Như vậy tín hiệu truyền phải tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ ẩn trong chuỗi dữ liệu, cụ thể là phải có sự biến đổi giữa các mức thường xuyên. Khả năng dò sai Ðộ tin cậy trong một hệ thống thông tin là rất cần thiết do đó máy thu phải có khả năng dò sai để sửa chữa mà việc này có thực hiện dễ dàng hay không cũng tùy vào dạng mã. - Tính miễn nhiễu và giao thoa: Các dạng mã khác nhau cho khả năng miễn nhiễu khác nhau. - Mức độ phức tạp và giá thành của hệ thống: Các đặc tính này của hệ thống cũng tùy thuộc vào dạng mã rất nhiều. 2.2.1. Các dạng mã phổ biến Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục đích khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất nói trên Hình 2.6 Nonreturn - to - zero - Level (NRZ - L) 0 = mức cao 1 = mức thấp Ðây là dạng mã đơn giản nhất, hai trị điên thế cùng dấu (đơn cực) biểu diễn hai trạng thái logic. Loại mã này thường được dùng trong việc ghi dữ liệu lên băng từ. Nonreturn - to - zero inverted (NRZI) 0 = chuyển mức điện thế ở đầu bit 1 = không chuyển mức điện thế ở đầu bit NRZI là một Ví dụ của mã vi phân: Sự mã hóa tùy vào sự thay đổi trạng thái của các bit liên tiếp chứ không tùy thuộc vào bản thân bit đó. Loại mã này có lợi điểm là khi giải mã máy thu dò sự thay đổi trạng thái của tín hiệu thay vì so sánh tín hiệu với một trị ngưỡng để xác định trạng thái logic của tín hiệu đó và kết quả cho độ tin cậy cao hơn. Bipolar - AMI 0 = không tín hiệu (hiệu thế = 0) 1 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 1 liên tiếp Pseudoternary 0 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 0 liên tiếp 1 = không tín hiệu (hiệu thế = 0) Hai loại mã có cùng tính chất là sử dụng nhiều mức điện thế để tạo mã (Multilevel Binary), cụ thể là 3 mức: âm, dương và không. Ưu điểm của loại mã này là: 14 - Dễ tạo đồng bộ ở máy thu do có sự thay đổi trạng thái của tín hiệu điện mặc dù các trạng thái logic không đổi (tuy nhiên điều này chỉ thực hiện đối với một loại bit, còn loại bit thứ hai sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật ngẫu nhiên hóa) - Có điều kiện tốt để dò sai do sự thay đổi mức điện thế của các bit liên tiếp giống nhau nên khi có nhiễu xâm nhập sẽ tạo ra một sự vi phạm mà máy thu có thể phát hiện dễ dàng. Một khuyết điểm của loại mã này là hiệu suất truyền tin kém do phải sử dụng 3 mức điện thế Manchester 0 = Chuyển từ cao xuống thấp ở giữa bit 1 = Chuyển từ thấp lên cao ở giữa bit Differential Manchester Luôn có chuyển mức ở giữa bit 0 = chuyển mức ở đầu bit 1 = không chuyển mức ở đầu bit Hai mã Manchester và Differential Manchester có cùng tính chất: mỗi bit được đặc trưng bởi hai pha điện thế (Biphase) nên luôn có sự thay đổi mức điện thế ở từng bit do đó tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng bộ. Do có khả năng tự thực hiện đồng bộ nên loại mã này có tên Self Clocking Codes. Do mỗi bit được mã bởi 2 pha điện thế nên vận tốc điều chế (Modulation rate) của loại mã này tăng gấp đôi so với các loại mã khác, cụ thể , giả sử thời gian của 1 bit là T thì vận tốc điều chế tối đa (ứng với chuỗi xung 1 hoặc 0 liên tiếp) là 2/T. Hình 2.6. Một số dạng mã phổ biến 2.2.2. Kỹ thuật ngẫu nhiên hóa (Scrambling techniques) Ðể khắc phục khuyết điểm của loại mã AMI là cho một mức điện thế không đổi khi có một chuỗi nhiều bit 0 liên tiếp, người ta dùng kỹ thuật ngẫu nhiên hóa. Nguyên tắc của kỹ thuật này là tạo ra một sự thay đổi điện thế giả bằng cách thay thế một chuỗi bit 0 bởi một chuỗi tín hiệu có mức điện thế thay đổi, dĩ nhiên sự thay thế này sẽ đưa đến các vi phạm luật 15 biến đổi của bit 1, nhưng chính nhờ các bit vi phạm này mà máy thu nhận ra để có biện pháp giải mã thích hợp. Dưới đây giới thiệu hai dạng mã đã được ngẫu nhiên hóa và được dùng rất nhiều trong các hệ thông tin với khoảng cách rất xa và vận tốc bit khá lớn: B8ZS: là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 8 bit liên tục được thay bởi một chuỗi với 2 mã vi phạm luật đảo bit 1 - Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung dương, các bit 0 này được thay thế bởi 000 + - 0 - + - Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung âm, các bit 0 này được thay thế bởi 000 - + 0 + HDB3: là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 4 bit liên tục được thay bởi một chuỗi với 1 mã vi phạm luật đảo bit 1 Sự thay thế chuỗi 4 bit của mã HDB3 còn theo qui tắc sau: Bảng 2.1. Qui tắc thay thế chuỗi 4 bit của mã HDB3 Cực tính của xung trước đó Số bit 1 từ lần thay thế cuối cùng Lẻ chẵn 000+00+ + 000+ -00Ngoài ra hệ thống Telco còn có hai loại mã là B6ZS và B3ZS dựa theo qui luật sau: B6ZS: Thay chuỗi 6 bit 0 bởi 0 - + 0 + - hay 0 + - 0 - + sao cho sự vi phạm xảy ra ở bit thứ 2 và thứ 5 B3ZS: Thay chuỗi 3 bit 0 bởi một trong các chuỗi: 00 +, 00 -, - 0 - hay + 0 +, tùy theo cực tính và số bit 1 trước đó (tưong tự như HDB3). Lưu ý là kỹ thuật ngẫu nhiên hóa không làm gia tăng lượng tín hiệu vì chuỗi thay thế có cùng số bit với chuỗi được thay thế. B = Valid bipolar signal; V = Bipolar violation Hình 2.7. Ví dụ về mã B8ZS và HBD3 2.3. Điều chế Biến điều chế là quá trình chuyển đổi phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi. Mục đích của việc làm này là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền. 16 Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi một thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha....). Tùy theo thông số được lựa chọn mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha FM, điều chế xung PM . . . .. 2.3.1. Ðiều chế biên độ ( Amplitude Modulation, AM ) Xét tín hiệu cao tần e(t)=Ac cos(ct +q) (1) Tín hiệu AM có được bằng cách dùng tín hiệu g(t) làm biến đổi biên độ của e(t). Biểu thức của tín hiệu AM là: eAM(t) = [Ac +g(t)] cosct (2) Ðể đơn giản, ta bỏ qua q là lượng không đổi trong AM. Những tính chất cơ bản của AM dễ dàng được xác định nếu ta biết tín hiệu g(t). Xét g(t) là tín hiệu hạ tần: g(t)= Em cosmt (3) Như vậy: eAM(t)=(Ac + Em cosmt )cosct =Ac [1+ (Em /Ac )cosmt ]cosct=Ac [1+ma cosmt] cosct (4) Trong đó ma = Em/Ac gọi là chỉ số biến điệu (a) (b) Hình 2.8. Dạng sóng và phổ tần của tín hiệu AM Ðể thấy được phổ tần ta triển khai hệ thức (4) eAM(t) = Accosct + (maAc/2)cos(c+m)t + (maAc /2)cos(c-m)t (5) Từ Hình 2.8.b ta thấy băng thông của tín hiệu đã điều chế bằng hai lần tần số của tín hiệu hạ tần và được chia ra làm hai băng cạnh. Ðiều chế biên độ là một quá trình tuyến tính nên mỗi tần số của tín hiệu hạ tần tạo ra một băng thông và trong trường hợp tín hiệu hạ tần gồm nhiều tần số khác nhau thì băng thông của tín hiệu biến điệu là: BW = 2fm(max) Trong đó fm (max) là tần số hạ tần cao nhất. Dữ liệu số có thể được truyền bằng phương pháp điều chế AM, trong trường hợp này gọi là kỹ thuật dời biên (ASK, Amplitude- Shift Keying). Bit 1 được truyền đi bởi sóng mang có biên độ E1 và bit 0 bởi sóng mang biên độ E2. 17 Hình 2.9. Minh họa tín hiệu ASK 2.3.2. Ðiều chế góc (Angle modulation) Ta cũng bắt đầu với sóng mang chưa điều chế: e(t)= Accos(ct + f)= AccosF(t) (6) Nếu c thay đổi tương ứng với nguồn thông tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM) và nếu F(t) thay đổi ta có tín hiệu điều chế pha (FM). Hai kỹ thuật điều chế này cơ bản giống nhau và được gọi chung là điều chế góc. 2.3.2.1. Ðiều chế tần số (FM) Tần số (t) là giá trị biến đổi theo thời gian của F(t), nghĩa là: (t) = (7) Vậy tần số của tín hiệu chưa điều chế là: (t) = (8) Giả sử tín hiệu điều chế là g(t), theo định nghĩa của phép điều chế tần số, tần số tức thời của sóng mang là: (t)=c [1+ g(t) ] (9) Thay (9) vào (7): F(t) = (10) Thay vào pt (6): eFM(t) = (11) Biểu thức (11) cho thấy tín hiệu g(t) được lấy tích phân trước khi được điều chế. Xét trường hợp g(t) là tín hiệu hạ tần có dạng hình sin: g(t) = cosm(t) (12)  là độ di tần và m là tần số của tín hiệu hạ tần Ф(t) = = ωct + mf sinωmt Với mf =  /ωm là chỉ số điều chế. Ðó là tỉ số của độ di tần và tần số của tín hiệu điều chế (hạ tần). eFM (t) = Ac cos{ ωct + mf sinωmt} (13) Ðể thấy phổ tần của sóng FM ta triển khai biểu thức (13): 18 eFM (t) = AcJ0(mf) cosωct + AcJ2n(mf) [ cos(ωct + 2ncosωmt) + cos(ωct - 2ncosωmt)] AcJ2n+1(mf) { cos[ωc t + (2n+1)cosωmt] - cos[ωct - (2n+1)cosωmt]} (14) J là hàm Bessel theo mf và n có mọi trị nguyên từ 0 đến ∞. Từ (14) ta thấy sóng FM gồm thành phần cơ bản có tần số của sóng mang và biên độ cho bởi số hạng thứ I , J0(mf) , và các băng cạnh cho bởi các số hạng còn lại. Vì n lấy mọi giá trị từ 0 đến ∞ nên phổ tần của sóng FM rộng vô hạn, tuy nhiên do năng lượng tín hiệu giảm rất nhanh với tần số cao nên người ta xem băng thông trong FM xấp xỉ bằng: BW = 2(mf ωm + ωm ) = 2(ω + ωm ) rad/s Hình 2.10. Dạng sóng và phổ tần của sóng FM Cũng như trong trường hợp AM, tín hiệu dữ liệu số cũng được truyền bằng phương pháp FM. Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật dời tần (FSK: Frequency- Shift Keying). FSK được dùng rộng rãi trong truyền tin. Trong FSK bit 1 được truyền đi bởi tần số f m và bit 0 bởi tần số fs . Ví dụ: trong hệ thống truyền sử dụng tiêu chuẩn của hãng Bell, bit 1 được truyền bởi tần số 1070 Hz (fm) và bit 0 bởi tần số 1270 Hz (fs). Hình 2.11. Tín hiệu điều chế FSK 2.3.2.2. Ðiều chế pha (ФM ) Từ phương trình (6) nếu góc pha Ф(t) thay đổi theo tín hiệu thông tin ta có điều chế pha. Vậy: ePM (t) = Ac cos[ω ct + mp g(t)] (15) Trong đó mp là độ dời pha cực đại Tần số tức thời cho bởi: ω i(t) = dФ(t)/dt = ω c + mp Nếu g(t) có dạng cos ωmt thì: ωi(t) = ωc - mpωmsin ω mt (16) ePM (t) = Ac cos[ωct - mp ωmsin ω mt ] (17) So sánh (17) và (13), xem mp là chỉ số điều chế pha, tương đương với m f trong FM, ta có thể xác định được băng thông của tín hiệu ФM 19