3 truyền dữ liệu chương 3 tín hiệu

Giảng viên: Lê Văn Dũng  Tổng quan tín hiệu  Mối quan hệ liệu tín hiệu  Tín hiệu analog (tương tự)  Tín hiệu digital (số)  Sự suy hao tín hiệu  Giới hạn tốc độ liệu  Khái niệm + Chức lớp vật lý di chuyển liệu dạng tín hiệu điện từ mơi trường truyền dẫn Như vậy: Để truyền liệu (data) ta phải chuyển thành tín hiệu (signal) + Tín hiệu: Vật mang chứa thông tin hay liệu nó, hàm đơn trị, biến thiên theo thời gian tần số + Tín hiệu gồm tín hiệu tương tự (liên tục) tín hiệu kỹ thuật số (rời rạc) + Dữ liệu thông tin có ta muốn truyền tín hiệu thứ thực truyền + Cả liệu tín hiệu dạng tương tự kỹ thuật số + Dữ liệu tương tự liệu liên tục theo thời gian có giá trị liên tục; liệu số khơng liên tục theo thời gian có giá trị rời rạc + Tín hiệu tương tự tín hiệu có vơ số giá trị liên tục theo thời gian Tín hiệu số tín hiệu có hữu hạn giá trị rời rạc theo thời gian + Trong truyền liệu, ta thường dùng tín hiệu tương tự có chu kỳ (tuần hồn) tín hiệu số khơng có chu kỳ (khơng tuần hồn) Đồ thị so sánh tín hiệu tương tự tín hiệu số Tín hiệu tương tự gồm tín hiệu tương tự tuần hồn tín hiệu tương tự khơng tuần hồn Tín hiệu tương tự tuần hồn Tín hiệu tương tự tuần hồn gồm tín hiệu đơn (điều hịa) tín hiệu hỗn hợp (tổng hợp nhiều tín hiệu điều hịa) Tín hiệu đơn (điều hịa): Là tín hiệu tương tự có chu kỳ đơn giản Ví dụ: Sóng sin Đặc điểm tín hiệu đơn khơng thể phân tích thành thành phần đơn giản Tín hiệu hỗn hợp: Là tổ hợp nhiều sóng sin đơn giản  Đặc điểm tín hiệu đơn tuần hồn Một sóng sin thể thành phần: Biên độ đỉnh (peak amplitude); tần số (frequency) pha (phase) a Biên độ đỉnh: Là giá trị tuyệt đối cường độ cao nó, tỷ lệ với lượng mà mang theo Đối với tín hiệu điện, biên độ đỉnh thường đo vơn  Đặc điểm tín hiệu đơn tuần hoàn b Tần số chu kỳ Chu kỳ (T): Là thời gian mà tín hiệu truyền Đơn vị giây (s) Tần số (f): Là số tín hiệu truyền đơn vị thời giây Đơn vị Hertz (Hz) ; T Chu kỳ nghịch đảo tần số ngược lại: f  f T  Đặc điểm tín hiệu đơn tuần hồn b Tần số chu kỳ  Đặc điểm tín hiệu đơn tuần hồn b Tần số chu kỳ Nhận xét + Tần số tốc độ thay đổi theo thời gian Thay đổi khoảng thời gian ngắn có nghĩa tần số cao Thay đổi khoảng thời gian dài có nghĩa tần số thấp + Nếu tín hiệu khơng thay đổi tức trì mức điện áp khơng đổi tồn thời gian hoạt động Khi đó, tần số f=0 tín hiệu khơng thay đổi, khơng hồn thành chu kỳ, tần số Hz + Nếu tín hiệu thay đổi lập tức, f=∞ Nói cách khác, tín hiệu thay đổi tức thời, chu kỳ 0; tần số nghịch đảo chu kỳ, nên tần số = vô hạn  Nguyên nhân suy hao truyền dẫn (Transmission impairment) Do tín hiệu thực tế truyền qua mơi trường khơng hồn hảo dẫn đến suy hao tín hiệu Hay tín hiệu nơi nhận khơng giống với tín hiệu nơi phát Ba nguyên nhân gây suy hao tín hiệu: suy giảm (Attenuation); méo (Distortion); nhiễu (Noise) Impairment causes Attenuation Distortion Noise Sự suy hao (Attenuation) Suy giảm tín hiệu bị lượng (do chuyển hóa thành nhiệt), hay nói cách khác bị yếu truyền qua kênh truyền Để bù vào lượng bị đi, ta phải dùng khuếch khuếch đại tín hiệu Sự suy hao (Attenuation) Đơn vị đo suy hao: Để đo mức độ suy hao tín hiệu ta sử dụng đơn vị decibel (dB) Decibel đo cường độ tương đối hai tín hiệu tín hiệu hai thời điểm khác Chú ý: Decibel âm tín hiệu bị suy hao, dương tín hiệu khuếch đại Cơng thức: Trong đó: P2 dB  10 log10 P1 + P1 công suất phát + P2 công suất thu Sự suy hao (Attenuation) Ví dụ 1: Giả sử tín hiệu truyền qua môi trường truyền dẫn công suất giảm nửa Khi suy hao tín hiệu xác định: dB  10 log10 P2 0.5P1  10 log10  10 log10 0.5  10.( 0.3)  3(dB) P1 P1 Ví dụ 2: Giá trị decibel:  P P4 P P P P P   10 log10  10  log10  log 10  log 10  P1 P1 P2 P3 P1 P2 P3   P  P  P   dB  10 log10    10 log10    10 log 10    3    1  P1   P2   P3  dB  10 log10 Như vậy: Tín hiệu khuếch đại Méo dạng tín hiệu (Distortion) Méo dạng tín hiệu tín hiệu bị thay đổi hình dạng truyền qua đường truyền Méo dạng tín hiệu xuất tín hiệu tổng hợp, có nhiều thành phần tần số, tần số có vận tốc khác nhau; dẫn đến trễ pha phía thu khác làm tín hiệu khác với phía phát Nhiễu (Noise) Nhiễu tín hiệu tín hiệu khơng mong muốn lẫn vào tín hiệu có ích  Các loại nhiễu + Nhiễu nhiệt (Thermal noise): chuyển động ngẫu nhiên electron dây dẫn, tạo tín hiệu phụ khơng phải máy phát gửi ban đầu + Nhiễu cảm ứng (Induced noise): Do thiết bị khác tác động vào tín hiệu + Nhiễu xuyên âm (Crosstalk noise): Do tín hiệu từ kênh khác tác động vào + Nhiễu xung (Impulse noise): Là xung đột biến (tín hiệu có lượng cao thời gian ngắn) phát từ đường dây điện, sét,… Nhiễu (Noise)  SNR (Signal to Noise Ratio) + Để đánh giá nhiễu, ta thường sử dụng tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) SNR thường tính theo dB SNR = Cơng suất tín hiệu tb / Công suất nhiễu tb  SNR (Signal to Noise Ratio) + Có hai trường hợp với SNR: Nếu SNR cao tức tín hiệu bị ảnh hưởng nhiễu Ngược lại SNR thấp tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều nhiễu  Khái niệm + Trong truyền liệu, tốc độ truyền liệu tính bit / giây, qua kênh + Tốc độ liệu phụ thuộc vào ba yếu tố: - Băng thơng có sẵn - Số mức tín hiệu sử dụng - Chất lượng kênh (Mức độ nhiễu) + Công thức lý thuyết phát triển để tính tốc độ liệu: - Kênh khơng có nhiễu: Cơng thức Nyquist - Kênh có nhiễu: Cơng thức Shannon  Kênh khơng nhiễu: Tốc độ bit Nyquist + Cơng thức tính tốc độ truyền liệu: Bitrate   Bandwidth  log L Trong đó: Bandwidth băng thơng kênh L số mức tín hiệu để biểu diễn liệu Bitrate tốc độ liệu tính bit/s Như vậy: Về lý thuyết, với băng thông sẵn có ta có tốc độ bit mong muốn cách tăng số mức tín hiệu L Tuy nhiên, thực tế cho thấy việc tăng L làm giảm độ tin cậy hệ thống  Kênh không nhiễu: Tốc độ bit Nyquist Ví dụ 1: Xét kênh khơng nhiễu có băng thơng 3000Hz truyền tín hiệu với hai mức tín hiệu, bốn mức tín hiệu Tốc độ bit tối đa tính trường hợp: Bitrate   3000  log 2  6000bps Bitrate   3000  log  12000bps Ví dụ 2: Chúng ta cần gửi 265kbps qua kênh không nhiễu với băng thông 20KHz Vậy cần mức tín hiệu? 265000   20000  log L  log L  6.625  L  26.625  98.7 Ta thấy kết lũy thừa nên ta phải tăng số mức giảm tốc độ bit Cụ thể ta có 128 mức tốc độ bit 280kbps, có 64 mức tốc độ bit 240kbps  Kênh nhiễu: Cơng thức Shannon Trong thực tế ln tồn nhiễu kênh truyền Do vậy, năm 1944, Claude Shannon đưa công thức gọi Dung lượng Shannon (Shannon Capacity) để xác định tốc độ liệu lớn theo lý thuyết kênh nhiễu Capacity(C)  B  log (1  SNR) Trong công thức này, B băng thông kênh SNR tỉ lệ nhiễu Capacity dung lượng tính bits/giây Cơng thức Shannon rằng, dù có mức tín hiệu ta khơng thể đạt tốc độ liệu cao dung lượng kênh Hay công thức xác định tính chất kênh khơng phải phương thức truyền  Kênh nhiễu: Cơng thức Shannon Ví dụ: Ta tính tốc độ bit lớn theo lý thuyết đường dây điện thoại thông thường Đường dây điện thoại thường có băng thơng 3000Hz (300 đến 3300Hz) định cho truyền liệu SNR 3162 Với kênh dung lượng kênh là: Capacity(C)  3000  log (1  3162)  34860(bps) Như vậy, tốc độ bit cao cho đường dây điện thoại 34.860 kbps Nếu muốn gửi liệu nhanh mức này, tăng băng thông đường truyền cải thiện tỷ lệ tín hiệu nhiễu  Kết hợp Công thức Nyquist Công thức Shannon Trong thực tế ta phải kết hợp hai cơng thức để tìm giới hạn mức tín hiệu Ví dụ, Ta có kênh với băng thơng MHz SNR cho kênh 63 Vậy tốc độ bit mức tín hiệu thích hợp bao nhiêu? Trước tiên dùng cơng thức Shannon để tìm giới hạn trên: C  B  log (1  SNR)  106  log (1  63)  6(Mbps) Với giới hạn Mbps, ta chọn Mbps để hiệu suất tốt Khi số mức tín hiệu là:  106 log L  Bitrate / (2  B)    L  4  10 ... gồm tín hiệu tương tự (liên tục) tín hiệu kỹ thuật số (rời rạc) + Dữ liệu thơng tin có ta muốn truyền tín hiệu thứ thực truyền + Cả liệu tín hiệu dạng tương tự kỹ thuật số + Dữ liệu tương tự liệu. .. quan tín hiệu  Mối quan hệ liệu tín hiệu  Tín hiệu analog (tương tự)  Tín hiệu digital (số)  Sự suy hao tín hiệu  Giới hạn tốc độ liệu  Khái niệm + Chức lớp vật lý di chuyển liệu dạng tín hiệu. .. Signals) Trong truyền liệu, tín hiệu truyền thường tín hiệu số khơng tuần hồn Vậy tín hiệu số khơng tuần hồn truyền từ điểm A đến B? Hai cách truyền tín hiệu số: + Truyền dẫn băng tần sở + Truyền tải