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

1 
CHƯƠNG 5 KỸ THUẬT MÃ HÓA TÍN HIỆU 
TRUYỀN DỮ LIỆU 
Khoa Mạng máy tính và Truyền thông 
Trường Đại học Công nghệ Thông tin 
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 
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 
Các kỹ thuật mã hóa tín hiệu 
4 
Mã hóa dữ liệu số sang tín hiệu sốDigital 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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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 
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) 
13 
Nonreturn to zero 
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 
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 
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 
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 
18 
Bipolar-AMI and Pseudoternary 
0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 
19 
Không hiệu quả bằng NRZ 
Mỗi phần tử tín hiệu chỉ biểu diễn 1 bit 
Hệ thống 3 mức có thể biểu diễn log 2 3 = 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 
Hạn chế của Multilevel Binary 
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 
21 
Manchester Encoding 
22 
Differential Manchester Encoding 
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 
24 
So sánh tốc độ điều biến 
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 
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 
27 
B8ZS 
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 
29 
HDB3 
30 
B8ZS and HDB3 
31 
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) 
Mã hóa dữ liệu số sang tín hiệu tuần tự 
32 
Các kỹ thuật điều chế 
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 
34 
Điều biên (ASK) 
35 
Amplitude-Shift Keying 
Với một biên độ bằng 0 
36 
Điều biên (ASK) với một biên độ bằng 0 
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 
38 
Binary Frequency-Shift Keying (BFSK) 
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 
40 
Điều tần trên đường truyền mức âm thanh 
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) 
42 
Điều pha hai pha ( Binary PSK ) 
43 
Điều pha biến pha (Differential PSK) 
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 
Chuyển π /2 (90 O ) 
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 
45 
Điều pha 4 pha (PSK) 
46 
Quadrature PSK - QPSK 
47 
QPSK and OQPSK Modulators 
48 
Hiệu suất của điều biến Digital-Analog 
Băng thông 
Băng thông ASK và PSK liên quan trực tiếp với tốc độ bit 
Băng thông FSK có quan hệ với tốc độ dữ liệu đối với các tần số thấp, có quan hệ với độ dịch chuyển của các tần số điều chế đối với tần số cao 
Trong trường hợp có lỗi, tốc độ lỗi của PSK và QPSK cao hơn khoảng 3dB so với ASK và FSK 
49 
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 
50 
Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 
51 
QAM Modulator 
52 
Dữ liệu số tín hiệu tuần tự 
53 
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) 
54 
Số hóa dữ liệu tuần tự 
55 
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 
56 
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 
Tùy thuộc vào các mức lượng tử 2 n (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 
57 
Mô hình điều chế xung mã PCM 
58 
Điều chế xung mã 
59 
Non-linear coding 
Mức lượng tử không đều 
Giảm méo tín hiệu 
Companding (compressing-expanding) 
60 
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 
61 
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 
62 
Điều chế Delta (DM) 
63 
Điều chế Delta (DM) 
64 
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) 
65 
Điều chế biên (AM) 
M(f) 
f 
B 
M(f) 
f 
f c – B 
f c + B 
f c 
Upper sideband 
Lower sideband 
Discrete carrierterm 
66 
Điều chế tần số (FM) 
67 
Kỹ thuật điều chế tuần tự 
Tài liệu tham khảo 
William Stallings (2010), Data and Computer Communications (9th Edition), Prentice Hall 
69 
HẾT CHƯƠNG 5