Truyền dữ liệu tương tự

Một mạng máy tính được thiết kế để gửi thông tin từ một điểm này tới điểm khác, thông tin này cần được chuyển đổi thành tín hiệu số hay tín hiệu tương tự. Thông tin này được chuyển thành tín hiệu như thế nào phụ thuộc vào khuôn dạng dữ liệu gốc và khuôn dạng được sử dụng bởi phần cứng. Bản thân một tín hiệu không chứa thông tin. Tín hiệu phải được xử lí để có thể biểu diễn được những thông tin cần thiết. Cùng với quá trình biến đổi tín hiệu số thì biến đổi tín hiệu tương tự là hai khía cạnh quan trọng trong xử lý tín hiệu

1 Table of Contents Lời mở đầu Một mạng máy tính được thiết kế để gửi thông tin từ một điểm này tới điểm khác, thông tin này cần được chuyển đổi thành tín hiệu số hay tín hiệu tương tự. Thông tin này được chuyển thành tín hiệu như thế nào phụ thuộc vào khuôn dạng dữ liệu gốc và khuôn dạng được sử dụng bởi phần cứng. Bản thân một tín hiệu không chứa thông tin. Tín hiệu phải được xử lí để có thể biểu diễn được những thông tin cần thiết. Cùng với quá trình biến đổi tín hiệu số thì biến đổi tín hiệu tương tự là hai khía cạnh quan trọng trong xử lý tín hiệu. Dữ liệu được lưu trữ trong máy tính dưới dạng các mã nhị phân 0 và 1. Để chuyển dữ liệu từ nơi này sang nơi khác trong và ngoài máy tính, dữ liệu thường được chuyển thành tín hiệu số. Quá trình này được gọi là biến đổi số sang số 2 hoặc mã hoá dữ liệu số thành tín hiệu số. Tuy nhiên, có nhũng lúc chúng ta lại cần gửi tín hiệu số ra khỏi máy tính thông qua đường truyền được thiết kế để truyền tín hiệu tương tự. Ví dụ khi ta gửi dữ liệu từ địa chỉ này sang địa chỉ khác sử dụng đường dây điện thoại tín hiệu số được tạo ra bởi máy tính phải được chuyển thành tín hiệu tương tự, quá trình này được gọi là biến đổi số sang tương tự hoặc điều chế một tín hiệu số Thông thường tín hiệu tương tự được truyền qua khoảng cách xa sử dụng đường truyền tương tự. Ví dụ như tín hiệu tiếng nói và nhạc từ phòng thu được truyền qua không gian. Tuy nhiên tần số của âm thanh và nhạc không phù hợp để truyền. Tín hiệu phải được mang bởi một tín hiệu có tần số cao hơn. Quá trình này được gọi là biến đổi tương tự sang tương tự hoặc điều chế một tín hiệu tương tự. Trong bài tiểu luận này, chúng em xin đưa ra một số nghiên cứu về biến đổi tín hiệu tương tự( Analog Transmistion). Nội dung nghiên cứu gồm 4 phần: I. Chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự II. Chuyển đổi tương tự sang tương tự III. Tóm tắt IV. câu hỏi và bài tập I. Chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Quá trình chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự là quá trình thu nhận lại từng đặc tính của một tín hiệu tương tự dựa vào thông tin có trong tín hiệu số (các bít 0 và 1). Ví dụ khi ta truyền dữ liệu từ máy tính này sang máy tính khác thông qua đường điện thoại, dữ liệu ban đầu là dữ liệu số, nhưng đường truyền chỉ truyền được tín hiệu tương tự, thì dữ liệu phải được chuyển đổi trước khi truyền. 3 Chúng ta chỉ nghiên cứu một phương pháp hiệu quả nhất đối với truyền thông dữ liệu. Như đã biết ở chương 4, một tín hiệu hình sin được xác định bởi 3 giá trị biên độ, tần số, pha. Khi chúng ta thay đổi bất kỳ giá trị nào trong 3 giá trị đó, chúng ta tạo ra một tín hiệu mới. Do vậy nếu chúng ta nói rằng tín hiệu gốc mà biểu diễn giá trị 1, tín hiệu mới có thể biểu diễn giá trị 0 và ngược lại. Vì vậy bằng việc thay đổi một trong những thuộc tính của tín hiệu hình sin chúng ta có thể sử dụng nó để biểu diễn dữ liệu số. Bất kỳ thuộc tính nào trong 3 thuộc tính trên đều có thể được thay đổi theo cách này. Vì vậy chúng ta có ít nhất 3 cách để chuyển tín hiệu số sang tín hiệu tương tự: Điều biên, điều tần, điều pha. Hơn nữa bằng việc kết hợp giữa thay đổi cả biên độ và pha ta có phương pháp thứ 4 điều chế biên độ góc (QAM). QAM hiệu quả nhất trong tất cả các phương pháp trên và được sử dụng trong tất cả các modem hiện đại. 4 1. Hai vấn để của việc chuyển đổi một tín hiệu số sang tín hiệu tương tự Trước khi chúng ta xem xét các phương pháp để điều chế tín hiệu số sang tín hiệu tương tự, chúng ta cần xem xét hai vấn đề sau: Tốc độ bít, tốc độ baud và tín hiệu sóng mang. • Tốc độ Bit và tốc độ Baud - Đơn vị dữ liệu là phần nhỏ nhất của thông tin để trao đổi ( bit) - Đơn vị tín hiệu là đơn vị nhỏ nhất của tín hiệu - Tốc độ bit là số bit được truyền đi trong 1 giây (N - bps) - Tốc độ baud thể hiện số đơn vị tín hiệu trong mỗi giây cần thiết để biểu diễn các bit đó. (S - baud) - Tốc độ bit và tốc độ baud có mối quan hệ như sau: S = N * N = S * r N là tốc độ bít (bps) S là tốc độ tín hiệu( baud) r là số đơn vị dữ liệu trên một đơn vị tín hiệu, r = log 2 L L là kiểu của đơn vị tín hiệu (không phải mức) Trong máy tính thì tốc độ bit quan trọng hơn vì chung ta chỉ cần quan tâm là cần bao nhiêu thời gian để xử lý một lượng thông tin nào đó. Tuy nhiên trong truyền dữ liệu chúng ta thường quan tâm tới làm thế nào để truyền dữ liệu từ nơi này sang nơi khác một cách hiệu quả nhất. Càng ít đơn vị tín hiệu cần thiết, hệ thống làm việc càng hiệu quả và giải thông yêu cầu càng ít. Vì vậy chúng ta quan tâm đến tốc độ BAUD hơn. Tốc độ BAUD cũng được dùng để xác định giải thông cần thiết để truyền tín hiệu. 5 Một ví dụ tương tự để ta có thể thấy rõ về tốc độ Bit và tốc độ BAUD là: Trong giao thông một BAUD tương tự như chiếc xe hơi, một Bit tương tự như một hành khách. Một xe hơi có thể chở một hoặc nhiều hành khách. Nếu một nghìn xe hơi đi từ điểm này đến điểm khác mỗi xe hơi chỉ chở một hành khách đó là lái xe khi đó một nghìn hành khách sẽ được vận chuyển. Tuy nhiên nếu mỗi xe hơi chở 4 hành khách thì 4 nghìn hành khách sẽ được vận chuyển. Chú ý rằng số xe hơi sẽ xác định lưu lượng giao thông. Và vì vậy nhu cầu về việc mở rộng đường phụ thuộc vào số xe hơi chứ không phải số hành khách. Tương tự như vậy số BAUD xác định giải thông cần thiết của đường truyền chứ không phải số bít. • Tín hiệu sóng mang Trong truyền tín hiệu tương tự, thiết bị truyền tạo ra một tín hiệu có tần số cao để mang tín hiệu có chứa thông tin cần truyền. Tín hiệu có tần số cao này được gọi là tín hiệu sóng mang. Thiết bị nhận sẽ tách tín hiệu sóng mang ra khỏi tín hiệu cần truyền. Thông tin số được điều chế vào tín hiệu sóng mang bằng cách thay đổi một hoặc nhiều đặc tính(amplitude, frequency, or phase). Các kiểu thay đổi này được gọi là điều chế. 2. Kỹ thuật điều biên (ASK) Trong kỹ thuật dời biên, biên độ của tín hiệu sóng mang được sử dụng để thay đổi giá trị, cả tần số và pha đều được giữ nguyên. Mức điện áp để biểu diễn 1 và mức điện áp dùng để biểu diễn 0 tuỳ thuộc vào người thiết kế. Thời gian tồn tại của một bit là khoảng thời gian để xác định một bit. Biên độ tối đa của tín hiệu trong mỗi bit là hằng số và phụ thuộc vào giá trị của bit đó là 0 hay là 1. Tốc độ truyền sử dụng phương pháp điều biên này phụ thuộc vào tính vật lí của đường truyền. 6 Truyền thông bằng kỹ thuật điều biên có khả năng bị nhiễu cao. Nhiễu ở đây là những điện áp của các thiết bị xung quanh gây lên đường truyền chẳng hạn như nhiệt độ hoặc từ tính của các thiết bị. Các điện áp nhiễu này kết hợp với tín hiệu làm thay đổi biên độ. 0 có thể thay đổi thành 1 và 1 có thể biến đổi thành 0. • Giải thông đối với ASK 7 Như đã biết ở chương 4, giải thông của tín hiệu là tổng khoảng tần số có trong tín hiệu khi chúng ta phân tích một tín hiệu được điều biên, chúng ta nhận được phổ của nhiều tần số đơn khác nhau. Tuy nhiên những tín hiệu quan trọng nhất có tần số nằm trong khoảng từ f c -N baud /2 và f c +N baud /2, f c là tần số ở giữa. Giải thông đối với điều biên được tính theo công thức sau: BW=(1+d)S Trong đó: BW - giải thông. S - tốc độ BAUD d- hệ số phụ thuộc vào tốc độ đường truyền. ( 0 < d < 1) Ta có thể thấy rằng giải thông nhỏ nhất cần thiết bằng tốc độ BAUD. Nếu dữ liệu số được biểu diễn như một tín hiệu số đơn cực NRZ với mức cao điện áp 1V và mức thấp điện áp là 0V, sự thi hành có thể được thực hiện bằng cách nhân lên tín hiệu số bằng sóng mang từ một bộ tạo dao động. khi biên độ tín hiệu NRZ là 1, biên độ của tần số sóng mang được nắm giữ, khi biên độ tín hiệu NRZ là 0 thì biên độ tần số sóng mang là 0. Mặc dù chỉ có một tần số của tín hiệu sóng mang, quá trình điều chế đã tạo ra một tín hiệu phức bao gồm nhiều tín hiệu đơn với các tần số khác nhau. • Multilevel ASK Trong nhiều trường hợp thỉ số mức biên độ của tín hiệu có thể là 2,3,4,… hoặc nhiều bit trong một thời điểm, những trường hợp này được thực thi với QAM ( sẽ được thấy trong phần sau). 3. Kỹ thuật dời tần (FSK) Trong kỹ thuật dời tần số, tần số của tín hiệu sóng mang được thay đổi để biểu diễn 0 hoặc 1. Tần số của tín hiệu trong thời gian của mỗi bít là hằng số và 8 giá tị của nó phụ thuộc vào nó là bit 0 hay bit 1. Cả biên độ và pha đều không đổi. FSK giải quyết được hầu hết các hiện tượng nhiễu. Bởi vì thiết bị nhận sẽ tìm các thay đổi tần số qua một số khoảng cho trước, nó sẽ bỏ qua các điện áp nhiễu. Giới hạn của FSK là năng lực vật lý của sóng mang. * Giải thông với FSK: Mặc dù điều chế tần số có sự chuyển đổi giữa hai tần số mang, chúng ta có thể dễ dàng phân tích thành hai thành phần cùng tồn tại. Chúng ta có thể nói rằng phổ của điều chế tần số là sự kết hợp của 2 phổ với các giá trị f c0 và f c1 . Giải thông cần thiết cho việc truyền đi tín hiệu tương đương với tốc độ BAUD của tín hiệu cộng với độ dịch chuyển của tần số, ta có công thức: BW=(f c1 -f c0 )+N baud . B = ( 1 + d ) S + 2∆ f // BW = (1+d)S +2∆ f Trong đó: 2∆ f là sự sai khác giữa 2 dải băng ứng với tần số f c0 và f c1 ; Mặc dù chỉ có 2 tần số của tín hiệu sóng mang. Quá trình điều chế tần số tạo ra tín hiệu tổng hợp gồm rất nhiều tín hiệu đơn với những tần số khác nhau. 9 * multilevel FSK Biến điệu nhiều mức (MFSK) không phải là hiếm đối với phương pháp FSK, chúng ta có thể sử dụng nhiều hơn 2 tần số như f1, f2, f3, f4 để gửi 2 bit trong một thời điểm, để gửi 3 bit trong một thời điềm cần 8 tấn số. B = ( 1 + d )S + (L - 1 ) 2∆ f => B = L* S 4. Kỹ thuật dời pha (PSK) Trong PSK, pha của tín hiệu sóng mang được thay đổi để biểu diễn các giá trị 0 hoặc 1. Cả biên độ và tần số đều không đổi, ví dụ nếu ta bắt đầu với pha bằng 0 biểu diễn giá trị 0, khi ta thay đổi pha thành 180 o ta sẽ thay đổi giá trị 1. Pha của tín hiệu tồn tại trong thời gian của mỗi bit và giá trị phụ thuộc vào giá trị của bit đó. Ngày nay, PSK thông dụng hơn ASK và FSK. Tuy nhiên, QAM là sự kết hợp giữa ASK và PSK là phương pháp trội hơn cả trong biến điệu tương tự. 10 Điều chế pha không ảnh hưởng bởi nhiễu như điều chế biên độ, cũng không bị giới hạn bởi giải thông như điều chế tần số. Điều này có nghĩa là một thay đổi nhỏ của tín hiệu cũng có thể phát hiện bởi trạm nhận. Vì vậy thay vì chỉ sử dụng hai độ dịch pha của 1 tín hiệu mỗi cái biểu diễn 1 bit. Chúng ta có thể sử dụng 4 độ dịch pha và mỗi cái biểu diễn 2 bits. Chúng ta có thể mở rộng ý tưởng này tới 8 độ dịch pha. Thay vì 90 0 chúng ta có thể thay đổi tín hiệu bằng cách dịch chuyển 45 0 . Với 8 pha khác nhau, mỗi lần dịch có thể biểu diễn được 3 bits. Giải thông trong điều chế pha. Giải thông cực tiểu cần thíêt trong điều chế pha tương đương với trong điều chế biên độ. Như chúng ta đã thấy, tốc độ bit cực đại trong điều chế tần số có thể lớn hơn trong điều chế biên bộ rất nhiều. Trong khi tốc độ BAUD của điều chế pha và điều chế biên độ là bằng nhau, tốc độ bit trong điều chế pha có thể lớn gấp 2 đến 3 lần trong điều chế biên độ. [...]... tương tự sang tương tự: Chuyển đổi tương tự sang tương tự là sự biểu diễn của thông tin tương tự bởi một tín hiệu tương tự Ví dụ radio, một thiết bị quen thuộc đối với mọi người là một ví dụ về chuyển đổi tương tự sang tương tự Chuyển đổi tương tự sang tương tự có thể thực hiện bằng 1 trong 3 cách sau: điều biên, điều tần và điều pha 15 1 Điều chế biên độ:(AM) Trong truyền tín hiệu AM, tín hiệu sóng... được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự phức tạp hơn với dải tần phù hợp với kênh truyền Câu 2: Tín hiệu số, tương tự thông dải được chuyển đổi thành một phức tạp tín hiệu tương tự với một loạt các tần số thích hợp cho các kênh Câu 3: Define digital-to-analog conversion Quá trình thay đổi một trong các đặc tính của một tín hiệu tương tự dựa trên các thông tin trong dữ liệu số được gọi là chuyển đổi... trục thẳng đứng Câu 8: Define analog-to-analog conversion? Sự biến đổi analog-to-analog hay biến điệu tương tự là sự biểu diễn thông tin tương tự bằng một tín hiệu tương tự Biến điệu tương tự là cần thiết nếu đường 24 truyền là kênh thông dải Ví dụ như radio là một ví dụ thực tế cho biến điệu tương tự chính phủ phấn định một kênh thông dải hẹp cho mỗi trạm radio Câu 9: Which characteristics of an analog... chuyển đổi digital-to-analog Nó được gọi là sự biến điệu của tín hiệu số Tín hiệu số băng cơ sở biểu diễn dữ liệu số điều biến sóng mang để tạo ra tín hiệu tương tự có dải sóng rộng Câu 4: Thành phần nào của tín hiệu tương tự được biến đổi để biểu diễn tín hiệu số trong mỗi sự biến đổi số - tương tự sau: a ASK : biến đổi biên độ sóng mang b FSK : biên đổi tần số sóng mang c PSK: biến đổi pha sóng mang... tương ứng với nó là số bit cho mỗi giá trị Điều chế biên độ góc thực hiện như vậy Thuật ngữ góc ở đây xuất hiện từ hình học 14 Hình 1 mô tả 4-QAM sử dụng polar NRZ( giống với QPSK ) Time domain for an 8-QAM signal Giải thông đối với điều chế biên độ góc tương đương với điều chế biên độ và điều chế pha Điều chế biên độ góc cũng có ưu điểm như điều chế biên độ pha II Chuyển đổi tương tự sang tương tự: ... tiến trình biến đổi những đặc tính của một tín hiệu tương tự cơ bản trên thông tin của dữ liệu số Digital to analog được thực hiện theo những cách sau: ASK, FSK, PSK, QAM (tổng hợp của ASK và PSK) Trong ASK biên độ sóng mang bị thay đổi để mang phần tử tín hiệu cả tần số và pha không đổi Trong FSK tần số của sóng mang được thay đổi để biểu diễn dữ liệu/ tần số của tín hiệu bị biến điệu là hằng số trong... thay đổi tương ứng Trong biến đổi PM pha của tín hiệu mang bị thay đổi theo mức biến đổi của mức điện áp của tín hiệu biến điệu tần số và đỉnh biên độ của tín hiệu mang không đổi, nhưng biên độ của tín hiệu thông tin biến đổi, pha của tín hiệu mang cũng biến đổi theo IV Câu hỏi: Câu 1: Analog transmission là quá trình truyền dẫn tín hiệu tương tự sử dụng băng thông dải tín hiệu số hoặc tương tự gốc được... mang, một cho pha và một cho phép cầu phương với mức biên độ khác nhau cho mỗi sóng mang Analong to analog là quá trình biểu diễn của thông tin tín hiệu tương tụ bởi một tín hiệu tương tự phép biến đổi là cần thiết nếu điều kiện biến đổi là thông dải trong tự nhiên hoặc băng thông dải Analog to analog có thể được thực hiện theo 3 cách: AM, FM, PM Trong biến đổi AM Tín hiệu mang bị biến điệu sao cho biên... chế pha được thay cho điều chế tần số Trong truyền tín hiệu điều chế pha, pha của tín hiệu được điều chế để thay đổi theo mức điện áp của tín hiệu điều chế Cả biên độ và tần số của tín hiệu sóng mang đều không đổi Nhưng bất cứ khi nào biên độ của tín hiệu thông tin thay đổi, pha của tín hiệu thông tin cũng thay đổi theo Sự phân tích kết quả đạt được cũng tương tự như điều chế tần số nhưng đối với FM thì... FSK tần số của sóng mang được thay đổi để biểu diễn dữ liệu/ tần số của tín hiệu bị biến điệu là hằng số trong khoảng thời gian của một tín hiệu đơn vị nhưng thay đổi cho đơn vị tín hiệu kế tiếp nếu dữ liệu đơn vị thay đổi Đỉnh của biên độ và pha là hằng số cho toàn bộ tín hiệu Trong PSK, pha của tín hiệu mang thay đổi để biểu diễn 2 hay nhiều đơn vị tín hiệu khách nhau Đỉnh biên độ và tần số không . thông tin tương tự bởi một tín hiệu tương tự. Ví dụ radio, một thiết bị quen thuộc đối với mọi người là một ví dụ về chuyển đổi tương tự sang tương tự. Chuyển đổi tương tự sang tương tự có thể. khác thông qua đường điện thoại, dữ liệu ban đầu là dữ liệu số, nhưng đường truyền chỉ truyền được tín hiệu tương tự, thì dữ liệu phải được chuyển đổi trước khi truyền. 3 Chúng ta chỉ nghiên cứu. hiệu tương tự, quá trình này được gọi là biến đổi số sang tương tự hoặc điều chế một tín hiệu số Thông thường tín hiệu tương tự được truyền qua khoảng cách xa sử dụng đường truyền tương tự. Ví