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

Table of Contents

Lời mở đầu

Một mạng máy tính được thiết kế để gửi thông tin từ một điểm này tới điểmkhác, 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 khuôndạng 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 cóthể 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 Đểchuyển 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

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 đểtruyền 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 dụngđường truyền tương tự Ví dụ như tín hiệu tiếng nói và nhạc từ phòng thu đượctruyền qua không gian Tuy nhiên tần số của âm thanh và nhạc không phù hợp đểtruyền 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 đổitín 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 thunhận lại từng đặc tính của một tín hiệu tương tự dựa vào thông tin có trong tínhiệu số (các bít 0 và 1) Ví dụ khi ta truyền dữ liệu từ máy tính này sang máytính khác thông qua đường điện thoại, dữ liệu ban đầu là dữ liệu số, nhưngđường truyền chỉ truyền được tín hiệu tương tự, thì dữ liệu phải được chuyển đổitrước khi truyền

Chúng ta chỉ nghiên cứu một phương pháp hiệu quả nhất đối với truyềnthông dữ liệu

Như đã biết ở chương 4, một tín hiệu hình sin được xác định bởi 3 giá trịbiên 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 màbiểu diễn giá trị 1, tín hiệu mới có thể biểu diễn giá trị 0 và ngược lại Vì vậybằng việc thay đổi một trong những thuộc tính của tín hiệu hình sin chúng ta cóthể sử dụng nó để biểu diễn dữ liệu số Bất kỳ thuộc tính nào trong 3 thuộc tínhtrên đều có thể được thay đổi theo cách này Vì vậy chúng ta có ít nhất 3 cách đểchuyển tín hiệu số sang tín hiệu tương tự: Điều biên, điều tần, điều pha Hơn nữabằng việc kết hợp giữa thay đổi cả biên độ và pha ta có phương pháp thứ 4 điềuchế 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

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 sangtín 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 biểudiễn các bit đó (S - baud)

- Tốc độ bit và tốc độ baud có mối quan hệ như sau:

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 nhưmột hành khách Một xe hơi có thể chở một hoặc nhiều hành khách Nếu mộtnghìn 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 nếumỗi xe hơi chở 4 hành khách thì 4 nghìn hành khách sẽ được vận chuyển Chú ýrằng số xe hơi sẽ xác định lưu lượng giao thông Và vì vậy nhu cầu về việc mởrộng đường phụ thuộc vào số xe hơi chứ không phải số hành khách Tương tựnhư vậy số BAUD xác định giải thông cần thiết của đường truyền chứ khôngphải số bít

• Tín hiệu sóng mang

Trong truyền tín hiệu tương tự, thiết bị truyền tạo ra một tín hiệu có tần sốcao để mang tín hiệu có chứa thông tin cần truyền Tín hiệu có tần số cao nàyđược gọi là tín hiệu sóng mang Thiết bị nhận sẽ tách tín hiệu sóng mang ra khỏitín hiệu cần truyền Thông tin số được điều chế vào tín hiệu sóng mang bằngcách thay đổi một hoặc nhiều đặc tính(amplitude, frequency, or phase) Các kiểuthay 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 đểthay 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 tồntại của một bit là khoảng thời gian để xác định một bit Biên độ tối đa của tínhiệu 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 củađường truyền

Truyền thông bằng kỹ thuật điều biên có khả năng bị nhiễu cao Nhiễu ởđây là những điện áp của các thiết bị xung quanh gây lên đường truyền chẳnghạn như nhiệt độ hoặc từ tính của các thiết bị Các điện áp nhiễu này kết hợp vớitín hiệu làm thay đổi biên độ 0 có thể thay đổi thành 1 và 1 có thể biến đổi thành0.

• Giải thông đối với ASK

Như đã biết ở chương 4, giải thông của tín hiệu là tổng khoảng tần số cótrong tín hiệu khi chúng ta phân tích một tín hiệu được điều biên, chúng ta nhậnđược phổ của nhiều tần số đơn khác nhau Tuy nhiên những tín hiệu quan trọngnhất có tần số nằm trong khoảng từ fc-Nbaud/2 và fc+Nbaud/2, fc 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 BAUDd- 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 mứccao điện áp 1V và mức thấp điện áp là 0V, sự thi hành có thể được thực hiệnbằng 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 độtín 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 vớiQAM ( 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 đểbiểu diễn 0 hoặc 1 Tần số của tín hiệu trong thời gian của mỗi bít là hằng số và

giá tị của nó phụ thuộc vào nó là bit 0 hay bit 1 Cả biên độ và pha đều khôngđổi.

FSK giải quyết được hầu hết các hiện tượng nhiễu Bởi vì thiết bị nhận sẽtìm các thay đổi tần số qua một số khoảng cho trước, nó sẽ bỏ qua các điện ápnhiễu 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 cóthể dễ dàng phân tích thành hai thành phần cùng tồn tại Chúng ta có thể nói rằngphổ của điều chế tần số là sự kết hợp của 2 phổ với các giá trị fc0 và fc1 Giảithông cần thiết cho việc truyền đi tín hiệu tương đương với tốc độ BAUD của tínhiệu cộng với độ dịch chuyển của tần số, ta có công thức:

BW=(fc1-fc0)+Nbaud

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 fc0 và fc1;

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

* multilevel FSK

Biến điệu nhiều mức (MFSK) không phải là hiếm đối với phương phápFSK, chúng ta có thể sử dụng nhiều hơn 2 tần số như f1, f2, f3, f4 để gửi 2 bittrong 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 giátrị 0 hoặc 1 Cả biên độ và tần số đều không đổi, ví dụ nếu ta bắt đầu với phabằng 0 biểu diễn giá trị 0, khi ta thay đổi pha thành 180o 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 trịcủa bit đó Ngày nay, PSK thông dụng hơn ASK và FSK Tuy nhiên, QAM là sựkết hợp giữa ASK và PSK là phương pháp trội hơn cả trong biến điệu tương tự

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 đổinhỏ của tín hiệu cũng có thể phát hiện bởi trạm nhận Vì vậy thay vì chỉ sử dụnghai 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 900 chúng

ta có thể thay đổi tín hiệu bằng cách dịch chuyển 450 Với 8 pha khác nhau, mỗilần 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 điềuchế biên độ Như chúng ta đã thấy, tốc độ bit cực đại trong điều chế tần số có thểlớn hơn trong điều chế biên bộ rất nhiều Trong khi tốc độ BAUD của điều chếpha và điều chế biên độ là bằng nhau, tốc độ bit trong điều chế pha có thể lớngấp 2 đến 3 lần trong điều chế biên độ

Binary PSK(BPSK) cũng tương tự như BASK nhưng có một ưu điểm vượt

trội là nó ít ảnh hưởng bởi nhiễu hơn ASK Trong ASK tiêu chuẩn để tìm ra tínhiệu là biên độ của tín hiệu còn trong PSK là pha, nhiễu có thể ảnh hưởng dễdàng hơn với biên độ PSK cũng tốt hơn FSK vì nó không cần tới hai tín hiệumang như ở FSK

Quadrature PSK(QPSK)

QPSK sử dụng 2 bit trong môt thời điểm cho mỗi đơn vị tín hiệu, nó sửdụng 2 biến điệu BPSK riêng rẽ,một cho Pha (I) và một cho thành phần cầuphương(Q)

Constellation Diagram Lược đồ hình sao

Lược đồ hình sao có thể giúp xác định biên độ và pha của đơn vị tín hiệu.đặc biệt khi sử dụng 2 sóng mang(1 cho Pha và một cho tín hiệu cầu phương.Trong lược đồ hình sao, một đơn vị tín hiệu được biểu diễn như một dấu chấm.mỗi dấu chấm trên lược đồ có 4 thành phàn có thể suy ra được: đỉnh biên độ củathành phần pha, đỉnh biên độ của thành phần cầu phương, độ lớn của biên độ tínhiệu đơn vị, pha của tín hiệu.

5. Điều chế biên độ góc (QAM)

PSK bị giới hạn bởi khả năng của thiết bị để phân biệt sự khác nhau nhỏ củacác pha Điều này ảnh hưởng tới tốc độ bit

Trong các phương pháp trước chúng ta chỉ dùng 1 trong 3 đặc trưng của tínhiệu hình Sin trong một thời điểm, nhưng nếu chúng ta sử dụng 2 đặc tính thìsao? Sự giới hạn về giải thông tạo ra sự kết hợp của điều chế pha với các thayđổi không thiết thực khác Nhưng tại sao chúng ta không kết hợp điều chế biên

độ với điều chế pha? Khi đó chúng ta có thể có x trong thay đổi điều chế pha, ygiá trị trong điều chế biên độ và vì vậy ta có được x*y giá trị có thể, tương ứngvới nó là số bit cho mỗi giá trị Điều chế biên độ góc thực hiện như vậy Thuậtngữ góc ở đây xuất hiện từ hình học

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 độpha

II. Chuyển đổi tương tự sang tương tự:

Chuyển đổi tương tự sang tương tự là sự biểu diễn của thông tin tương tựbởi 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 cáchsau: điều biên, điều tần và điều pha

1. Điều chế biên độ:(AM)

Trong truyền tín hiệu AM, tín hiệu sóng mang được điều chế để biên độ của

nó thay đổi cùng với sự thay đổi biên độ được điều chế Tần số và pha của tínhiệu sóng mang được giữ nguyên, chỉ có biên độ là thay đổi theo sự biến đổi củathông tin

Giải thông AM:

Giải thông của một tín hiệu AM bằng hai lần giải thông của tín hiệu đượcđiều chế, và bao quanh khoảng giữa của tần số mang

Ví dụ giải thông của tín hiệu audio thường là 5 kHz, vì vậy giải thông củaradio cần thiết tối thiểu phải là 10 kHz

Quy định do FCC đưa ra về băng tần của các trạm phát sóng AM:

• Ủy ban truyền thông Liên bang Mỹ FCC cho phép 10 KHz cho mỗi trạmphát sóng AM (một AM bandwidth)

• Fc của các trạm phát AM [530, 1700 KHz]

• Fc của các trạm phải cách nhau ít nhất 10 KHz tránh nhiễu

• VD: 1 trạm phát có Fc = 1100 KHz thì trạm tiếp theo phải >= 1110 KHzhoặc <= 1090 KHz

2. Điều chế tần số(FM):

Trong truyền tín hiệu FM, tần số của tín hiệu sóng mang được điều chế theo

sự thay đổi của tín hiệu điều chế, cả biên độ và pha của tín hiệu không đổi.Nhưng mỗi khi biên độ của tín hiệu thông tin thay đổi, tần số của tín hiệu sóngmang cũng thay đổi theo

Giải thông của FM:

Giải thông của 1 tín hiệu điều chế tần số gấp 10 lần giải thông của tín hiệuđiều chế Cũng như là giải thông của AM, nó bao quanh khoảng giữa của tần sốsóng mang

• Băng thông: BWt = 10 * BWm và bao phủ quanh tần số sóng mang.

• VD: băng tần của tín hiệu âm thanh nổi phát quảng bá với băng tần 15KHz Do vậy 1 trạm phát sóng FM cần băng tần ít nhất là 150 KHz

Băng thông của tín hiệu âm thanh phát sóng với tần số 15 kHz

FCC cho phép phát sóng 200kHz mỗi trạm Đài FM được phép tần số sóngmang bất cứ nơi nào giữa 88 và 108 MHz Trạm phải cách nhau ít nhất là 200kHz(0.2 MHz) để giữ cho băng rộng của họ tránh chồng chéo

Để tạo sự riêng tư nhiều hơn, FCC yêu cầu trong một khu vực nhất định,chỉ phân bổ băng thông khác nhau có thể được sử dụng Những băng thông kháckhông được sử dụng trước bất kỳ khả năng hai trạm can thiệp với nhau Cho 88-

108 MHz như một phạm vi, có 100 tiềm năng băng thông PM trong một khuvực, trong đó 50 có thể hoạt động ở bất cứ thời gian

3. Điều chế pha:

Bởi vì phần cứng yêu cầu có thể đơn giản hơn, điều chế pha được thay chođiều chế tần số Trong truyền tín hiệu điều chế pha, pha của tín hiệu được điềuchế để thay đổi theo mức điện áp của tín hiệu điều chế Cả biên độ và tần số củatín hiệu sóng mang đều không đổi Nhưng bất cứ khi nào biên độ của tín hiệuthông 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 đốivới FM thì sự thay đổi của tấn số sóng mang diễn ra tức thì tỷ lệ với biên độ tínhiệu điều chế, trong PM thì sự thay đổi của tấn số sóng mang diễn ra tức thì tỷ lệđối vơi đạo hàm biên độ ( sự biến thiên biên độ) tín hiệu điều chế