CHƯƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG TRUYỀN SỐ LIỆU

1. CHƯƠNG 3CÁC KỸ THUẬT CƠ BẢN TRONG TRUYỀN SỐ LIỆU • Giảng viên: Trịnh Huy Hoàng Email:hoangth@hcmup.edu.vn

2. Nội dung • Tín hiệu và dữ liệu • Truyền dẫn dữ liệu • Cấu trúc kênh truyền • Tuần tự • Song song • Cấu trúc truyền • Bất đồng bộ • Đồng bộ • Các phương kiểm tra và phát hiện lỗi • Cấu hình • Giao tiếp V.24/EIA-232-F • Nén thông tin • Phân hợp kênh (Multiplexing) • ADSL

3. Thuật ngữ • Thành phần trong mô hình truyền dữ liệu (dưới góc độ vật lý) • Thiết bị • Thiết bị phát (Transmitter) • Thiết bị thu (Receiver) • Môi trường truyền (Medium) • Kết nối • Kết nối trực tiếp (Direct link) • Không cần các thiết bị trung gian • Kết nối điểm-điểm (Point-to-point) • Kết nối trực tiếp • Chỉ có 2 thiết bị dùng chung kết nối • Kết nối nhiều điểm (Multi-point) • ≥ 2 thiết bị dùng chung kết nối

4. One-way only Half-duplex operation Full-duplex operation Simplex operation Two-way but not at the same time Both-way at the same time Chế độ truyền • Simplex mode • Không dùng rộng rãi vì không thể gởi ngược lại lỗi hoặc tín hiệu điều khiển cho bên phát • Television, teletext, radio • Half-duplex mode • Bộ đàm • Full-duplex mode • Điện thoại

5. Truyền dẫn dữ liệu • Dữ liệu • Thực thể mang thông tin • Analog • Các giá trị liên tục trong một vài thời khoảng • e.g. âm thanh, video • Digital • Các giá trị rời rạc • e.g. văn bản, số nguyên • Tín hiệu • Biểu diễn điện hoặc điện từ của dữ liệu • Analog • Biến liên tục • Môi trường liên tục (wire, fiber optic, space) • Băng thông tiếng nói 100Hz tới 7kHz • Băng thông điện thoại 300Hz tới 3400Hz • Digital • Dùng 2 thành phần một chiều • Truyền dẫn • Trao đổi dữ liệu thông qua việc xử lý và lan truyền tín hiệu

6. Tín hiệu – miền thời gian • Tín hiệu liên tục • Thay đổi liên tục theo thời gian • Tín hiệu rời rạc • Thay đổi từng mức theo thời gian • Tín hiệu chu kỳ • Mẫu lặp lại theo thời gian • Tín hiệu không tuần hoàn • Mẫu không lặp lại theo thời gian

7. Tín hiệu analog • Ba đặc điểm chính của tín hiệu analog bao gồm • Biên độ (Amplitute) • Tần số (Frequency) • Pha (Phase) • Biên độ của tín hiệu analog • Đo độ mạnh của tín hiệu, đơn vị: decibel (dB) hay volts. • Biên độ càng lớn, tín hiệu càng có cường độ mạnh. • Tín hiệu tiếng nói - từ “hello”. • Tiếng nói (speech) là một tín hiệu rất phức tạp. • Tiếng nói chứa hàng ngàn tổ hợp khác nhau của nhiều tín hiệu.

8. Tần số của tín hiệu analog • Tốc độ thay đổi của tín hiệu trong một giây, đơn vị Hz hay số chu kỳ trong một giây (cycles per second) • Tín hiệu có tần số 30Hz ~ thay đổi 30 lần trong một giây. • Một chu kỳ là sự di chuyển sóng của tín hiệu từ điểm nguồn bắt đầu cho đến khi quay trở về lại điểm nguồn đó.

9. Pha của tín hiệu analog • Tốc độ thay đổi quan hệ của tín hiệu đối với thời gian, được mô tả theo độ (degree) • Sự dịch pha xảy ra khi chu kỳ của tín hiệu chưa kết thúc, và một chu kỳ mới của tín hiệu bắt đầu trước khi chu kỳ trước đó chưa hoàn tất • Tai người không cảm nhận được sự dịch pha • Tín hiệu mang dữ liệu bị ảnh hưởng bởi sự dịch pha • Ví dụ các mối nối không hoàn hảo sẽ gây ra dịch pha

10. Tín hiệu – miền tần số

11. Thành phần của tiếng nói • Tầm tần số có khả năng nghe 20Hz – 20kHz • Tiếng nói 100Hz – 7kHz • Dễ dàng chuyển sang dạng tín hiệu điện từ để truyền dẫn • Các tần số với âm lượng khác nhau được chuyển thành tần số điện từ với điện áp khác nhau • Tầm tần số giới hạn cho kênh thoại • 300 – 3400Hz

12. Tín hiệu số (digital) • Tín hiệu số bao gồm chỉ hai trạng thái, được diễn tả với hai trạng thái ON hay OFF hoặc là 0 hay 1 • Tín hiệu số yêu cầu khả năng băng thông lớn hơn tín hiệu analog.

13. Tín hiệu số (digital) • Các vấn đề khi sử dụng kênh thoại (voice channel) trong việc truyền tín hiệu số • Một tín hiệu số là một tổ hợp của các tín hiệu khác. Đặc biệt, tín hiệu số có thể được biểu diễn như sau Signal = f + f3 + f5 +f7 +f9 +f11 +f13 ....f • Do đó một tín hiệu số gồm 1 tần số cơ bản (f), cộng thêm tần số 3f (hài tần bậc 3), cộng thêm tần số 5f (hài tần bậc 5), … • Nếu biên độ của tần số f, f3, f5, … là a, a3, a5, … thì a = 3a3 = 5a5 … • Để gởi tín hiệu số qua kênh truyền thoại, băng thông của kênh truyền phải cho phép tần số cơ bản f, tần số 3f và tần số 5f đi qua mà không ảnh hưởng nhiều đến các tần số này • Đây là yêu cầu tối thiểu để bên nhận nhận đúng được tín hiệu số

14. Tín hiệu số (digital) • Truyền 1 tín hiệu số nhị phân tốc độ 2400bps trên kênh thoại có băng thông 3.1kHz • Tần số cơ bản: 1200Hz (thông thường bằng ½ tốc độ bit) • Chỉ có tần số cơ bản đi qua mà không bị thay đổi

15. Dữ liệu và tín hiệu • Thường dùng tín hiệu số cho dữ liệu số và tín hiệu analog cho dữ liệu analog • Có thể dùng tín hiệu analog để mang dữ liệu số • Modem • Có thể dùng tín hiệu số để mang dữ liệu analog • Compact Disc audio

16. Truyền dẫn • Truyền dẫn analog • Không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền (số hoặc tương tự) • Suy giảm khi truyền xa • Dùng bộ khuếch đại (amplifier) để truyền dữ liệu đi xa • Khuếch đại cả tín hiệu lẫn nhiễu • Truyền dẫn số • Quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền. • Nhiễu và sự suy giảm tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến sự tích hợp. • Dùng bộ lặp (repeater) để truyền dữ liệu đi xa. • Không khuếch đại nhiễu.

17. Dữ liệu, tín hiệu và truyền dẫn • Analog data/Analog Signal • Gởi bình thường hoặc mã hóa vào phần phổ khác • Analog data/Digital Signal • Mã hóa dùng bộ codec để tạo ra chuỗi bit số • Digital Data/Analog Signal • Được mã hóa dùng modem để tạo ra t/h tương tự • Digital Data/Digital Signal • Biểu diễn trực tiếp dữ liệu hoặc mã hóa để tạo ra t/h số có đặc tính mong muốn • Analog Signal/Analog Transmission • Lan truyền thông qua các bộ khuếch đại, xử lý t/h như nhau bất kể dữ liệu là số hoặc tương tự • Analog Signal/Digital Transmission • Giả sử t/h biểu diễn dữ liệu số, lan truyền qua các bộ repeater • Digital Signal/Analog Transmission • Không dùng • Digital Signal/Digital Data • T/h là chuỗi nhị phân lan truyền qua các bộ repeater

18. Truyền dẫn số • Ưu điểm • Công nghệ số • Công nghệ LSI/VLSI làm giảm giá thành • Toàn vẹn dữ liệu • Nhiễu và suy giảm tín hiệu không bị tích lũy bởi các repeater • Truyền khoảng cách xa hơn trên các đường truyền kém chất lượng • Hiệu quả kênh truyền • TDM > FDM • Bảo mật • Các kỹ thuật mã hóa để bảo mật dữ liệu dễ áp dụng • Tích hợp • Dữ liệu số và analog được xử lý tương tự nhau

19. Digital  Digital • Tín hiệu số • 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

20. 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) • Độ rộng (chiều dài 1 bit) • Thời gian (thiết bị phát) dùng để truyền 1 bit • Tốc độ điều chế • 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

21. Diễn giải tín hiệu • Cần biết • Định thời 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

22. Polar Encoding

23. Nonreturn to zero (NRZ) • Nonreturn to Zero-Level (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 • Điện áp thay đổi (có transition) khi có sự thay đổi tín hiệu (từ 01 hoặc từ 10) • Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) • NRZI cho 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)

24. Nonreturn to Zero (NRZ) • Mã hóa sai phân • Dữ liệu được biểu diễn bằng việc thay đổi tín hiệu (thay vì bằng 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 • Ưu và nhược điểm của mã hóa NRZ • Ưu • Dễ dàng nắm bắt • Băng thông dùng hiệu quả • Nhược • Có thành phần một chiều • Thiếu khả năng đồng bộ • Dùng trong việc ghi băng từ • Ít dùng trong việc truyền tín hiệu

25. Amplitude 0 0 0 1 1 0 1 1 Time The 0s are positive and negative alternately Multilevel Binary • Dùng nhiều hơn 2 mức • 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 • 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

26. Multilevel Binary • Trade Off • Không hiệu quả bằng NRZ • Mỗi phần tử t/h 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 (+A, -A, 0) • Cần thêm khoảng 3dB công suất để đạt được cùng xác suất bit lỗi 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1

27. 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

28. Biphase • 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

29. Biphase • Ưu và nhược điểm • Nhược điểm • Tối thiểu có 1 thay đổi trong thời khoảng 1 bit và có thể có 2 • Tốc độ điều chế tối đa bằng 2 lần NRZ • Cần băng thông rộng 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

30. Biphase

31. Polar Encoding

32. Bài tập

33. Bài tập

34. 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

35. Bài tập NRZ-L NRZ-I AMI Pseudo-Ternary Manchester Differential Manchester

36. 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

37. 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 • Có thể lầm lẫn với tác động gây ra bởi nhiễu • Bộ thu phát hiện và diễn giải chúng thành 8 số 0 liên tiếp

38. B8ZS

39. HDB3 HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros) • Dựa trên bipolar-AMI • Chuỗi 4 số 0 liên tiếp được thay thế theo quy luật như sau

40. HDB3

41. Bài tập

42. Bài tập

43. So sánh các phương pháp mã hóa • Phổ tín hiệu • Việc thiếu thành phần tần số cao làm giảm yêu cầu về băng thông • Tập trung công suất ở giữa băng thông • Đồng bộ • Đồng bộ bộ thu và bộ phát • Tín hiệu đồng bộ ngoại vi • Cơ chế đồng bộ dựa trên tín hiệu • Khả năng phát hiện lỗi • Có thể được tích hợp trong cơ chế mã hóa • Nhiễu và khả năng miễn nhiễm • Vài mã tốt hơn các mã khác • Độ phức tạp và chi phí • Tốc độ tín hiệu cao hơn (và do đó tốc độ dữ liệu cao hơn) dẫn tới chi phí cao • Vài mã đòi hỏi tốc độ tín hiệu cao hơn tốc độ dữ liệu

44. Digital  Analog ASK FSK PSK QAM Digital  Analog • Ứng dụng • Dùng để truyền dữ liệu số trên mạng điện thoại công cộng • 300Hz  3400Hz • Thiết bị • MODEM (MOdulator-DEMulator) • Kỹ thuật • Điều biên: Amplitude-Shift Keying (ASK) • Điều tần: Frequency-Shift Keying (FSK) • Điều pha: Phase-Shift Keying (PSK)

45. Điều biên (ASK) • Dùng 2 biên độ khác nhau của sóng mang để biểu diễn 0 và 1 (thông thường một biên độ bằng 0) • Sử dụng một tần số sóng mang duy nhất • 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

46. Điều biên (ASK)

47. Điều biên (ASK)

48. Điều tần (FSK) – Binary FSK (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

49. Điều tần (FSK) – Binary FSK (BFSK)

50. Điều tần (FSK) – Multiple (FSK) • 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