Truyền số liệu

Truyền số liệu Biên tập bởi: Nguyễn Trung Lập Truyền số liệu Biên tập bởi: Nguyễn Trung Lập Các tác giả: Nguyễn Trung Lập Nguyễn Trung Tập Phiên trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/3d5132e3 MỤC LỤC Phần mở đầu giáo trình truyền số liệu Những khái niệm truyền số liệu Mã hoá điều chế tín hiệu 3.1 Phổ tầng tín hiệu 3.2 Kỹ thuật mã hoá tín hiệu 3.3 Điều chế tín hiệu Truyền nối tiếp bất đồng 4.1 Hệ thống tuyền liệu mẫu tín hiệu truyền liệu 4.2 KT truyền bất đồng Các chuẩn giao tiếp truyền tín hiệu Truyền nối tiếp đồng 6.1 Giao tiếp DTE DCE đồng 6.2 Các loại giao thức đồng 6.3 Một số IC truyền đồng Truyền tín hiệu sóng mang 7.1 Các sở kỹ thuật liên quan 7.2 Modem đồng bất đồng Các phương pháp đa hợp Truyền tín hiệu tương tự sóng mang 9.1 Hệ thống truyền số 9.2 Điều chế Vi phân Delta 9.3 Cơ chế vận hành Combo Chip 9.4 Độ tin cậy vận tốc Combo ship 10 Phụ lục giáo trình truyền số liệu 11 Tài liệu tham khào truyền số liệu Tham gia đóng góp 1/223 Phần mở đầu giáo trình truyền số liệu Lời nói đầu Giáo trình biên soạn nhằm phục vụ cho sinh viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông Nội dung gồm chín chương, trọng tâm vào phần cứng đồng thời có giới thiệu số giao thức hệ thống truyền liệu - Chương ôn tập số kiến thức có bổ sung số khái niệm chuẩn bị cho chương - Chương tập trung vấn đề mã hóa, phân tích tính chất khả loại mã, thiết kế loại mạch tạo mã - Chương 4, tìm hiểu IC giao thức truyền đồng bộ, bất đồng đồng thời khảo sát chuẩn giao tiếp dùng truyền liệu - Chương bàn biện pháp truyền liệu nhờ đường dây điện thoại, kỹ thuật dùng modem - Chương trình bày phương pháp đa hợp - Chương đề cập đến kỹ thuật truyền tín hiệu số hệ thống thông tin Tìm hiểu hoạt động IC CODEC Theo chủ quan tác giả, xếp chương với thứ tự hợp lý Để học tốt môn học, SV cần số kiến thức môn học sau xem điều kiện tiên quyết: - Kỹ thuật số - Cơ sở Viễn thông - Kỹ thuật Vi xử lý Như biết, vấn đề truyền thông phát triển nhanh với kỹ thuật ngày hoàn hảo nên viết ngày hôm không hoàn toàn thích hợp tương lai Tuy nhiên phần kiến thức hàm chứa giáo trình luôn tảng cho phát triển sau Đây mong muốn mà người viết hy vọng mang đến cho em sinh viên 2/223 Mặc dù giáo trình viết cho đối tượng sinh viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông, với có quan tâm tới phần cứng hệ thống truyền liệu tìm thấy đôi điều bổ ích Cuối tác giả xin chân thành cám ơn quan tâm giúp đở Bộ môn Viễn Thông Tự động hóa tác giả để giáo trình hoàn thành Cần thơ, tháng năm 2003 Người viết Nguyễn trung Lập 3/223 Những khái niệm truyền số liệu VÀI DÒNG LỊCH SỬ Thông tin liệu phương pháp truyền thông dùng mã nhị phân thay cho tín hiệu Có thể coi lịch sử thông tin liệu bắt đầu vào năm 1837 với phát minh điện tín Samuel F B Morse Đó hệ thống truyền xung điện biểu diễn cho dấu chấm, vạch (tương đương với số nhị phân 1, 0) đường dây đồng nhờ máy điện Các tổ hợp khác mã thay cho chữ, số, dấu gọi mã Morse Bản điện tín phát Anh Charles Wheatstone William Cooke thực hệ thống họ phải dùng đường dây Năm 1840, Morse đăng ký sáng kiến điện tín Mỹ đến năm 1844 đường dây điện tín thiết lập Baltimore Washington D.C Năm 1849, tin in với vận tốc chậm, năm 1860 vận tốc in đạt 15 bps Công ty Điện tín Miền Tây (Western Union Telegraph Company) thiết lập năm 1850 Rochester, New York cho phép thực việc trao đổi thông tin cá nhân Năm 1874, Emile Baudot thiết kế máy phát dùng phương pháp đa hợp, truyền lúc tin đường dây Năm 1876, Alexander Graham Bell đưa điện tín lên bước phát triển mới: đời điện thoại Thay chuyển tin thành chuỗi mã Morse, Bell cho thấy người ta truyền thẳng tín hiệu điện đặc trưng cho tiếng nói đường dây Những hệ thống điện thoại cần cặp đường dây khác cho hai người muốn trao đổi thông tin với nhau, người phải nối điện thoại vào đường dây nối với điện thoại người mà muốn liên lạc Dần dần kết nối thực tổng đài khí tổng đài điện tử, số Người ta hệ thống hoạt động nào, cần quay (bây bấm) số kết nối Năm 1899, Marconi thành công việc phát tin vô tuyến Có thể nói điện tín phương tiện dùng để phát tin xa năm 1920, lúc đài phát thương mại đời Năm 1945, đánh dấu kiện quan trọng việc phát minh máy tính điện tử đầu tiên: ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) Được thiết 4/223 kế để tính đạn đạo phục vụ cho Thế chiến thứ II, ENIAC thiết bị xử lý thông tin dạng điện Mặc dù ENIAC không giữ vai trò trực tiếp việc thông tin liệu cho thấy tính toán định xác thực nhờ tín hiệu điện, khả quan trọng hệ thống thông tin Sau Đại học Harvard liên kết với công ty IBM (International Business Machines Corporation) cho đời máy tính đa dụng, điều khiển tự động Đến năm 1951 số lượng chủng loại máy tính gia tăng nhiều (người ta đánh giá gia tăng có tốc độ tỉ lệ với hàm mũ) nhu cầu trao đổi thông tin người gia tăng với mức độ tương tự Nhưng năm 1968 công ty AT & T xem độc quyền: thiết bị công ty sản xuất nối vào hệ thống thông tin quốc gia Vào thời điểm này, Hiệp hội thông tin liên bang (FCC : Federal Communication Commission) Mỹ, thông qua Tòa án tối cao ký định Carterfone, cho phép thiết bị nhà chế tạo khác nối vào hệ thống, định tác động thật đến đời kỹ nghệ mới: kỹ nghệ thông tin liệu Theo thời gian phát triển kỹ nghệ đưa đến hệ thống thông tin liệu số thực khoảng cách đáng kể Và bây giờ, với phát triển vũ bảo máy tính , công nghệ chế tạo IC đa chức năng, khả to lớn cáp quang hệ thống vệ tinh địa tĩnh, thông tin liệu số trở thành phổ biến có sức mạnh đến kỳ lạ, thỏa mãn nhiều yêu cầu thông tin liên lạc người toàn cầu khoảng thời gian ngắn Chương đề cập đến số khái niệm chung tìm hiểu cách sơ lược hệ thống truyền tương tự, hệ thống truyền số số tính chất chúng NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG Tin tức, Dữ liệu Tín hiệu (Information, Data & Signal) Dữ liệu: bao gồm kiện, khái niệm hay thị diễn tả hình thức thích hợp cho việc thông tin, thông dịch hay xử lý người hay máy móc Tin tức: Ý nghĩa mà người qui cho liệu theo qui ước cụ thể Tin tức biểu thị tiếng nói, hình ảnh, văn bản, tập hợp số, ký hiệu, thông qua người hiểu Trong hệ thống truyền thông, thường người ta không phân biệt liệu tin tức 5/223 Tín hiệu: tin tức, liệu chuyển đổi, xử lý (bởi phận mã hóa /hoặc chuyển đổi) cho phù hợp với môi trường truyền thông Có hai loại tín hiệu: tín hiệu tương tự tín hiệu số - Tín hiệu tương tự: có dạng sóng (H.1.1a), đại lượng điện có giá trị khoảng thời gian xác định Tín hiệu tương tự quen thuộc có dạng hình sin Một tín hiệu tương tự số hóa để trở thành tín hiệu số - Tín hiệu số: có dạng sóng (H.1.1b), tín hiệu mà biên độ có hai giá trị nhất, tương ứng với hai trạng thái logic đặc trưng hai số hệ nhị phân Hệ thống truyền tín hiệu hệ thống truyền nhị phân Trong hệ thống truyền số, ta gặp tín hiệu có dạng (H.1.1c) Đây chưa phải tín hiệu số có giá trị định mà người ta số hóa số nhị phân nhiều bit Trong trường hợp (H 1.1c) tín hiệu có bốn giá trị 0, 1, 2, 3; để mã hóa tín hiệu cần số nhị phân hai bit, hệ thống truyền tín hiệu hệ thống truyền nhị phân hai bit (a) (b) (c) (H 1.1) Tín hiệu đường truyền, gọi sóng mang, loại tương tự hay số dùng để truyền liệu tương tự hay liệu số Thí dụ: Tiếng nói loại liệu tương tự truyền hệ thống điện thoại tín hiệu tương tự (H 1.2a); liệu có nguồn gốc số, thí dụ mã ASCII ký tự biểu diễn dạng xung điện nhị phân truyền tín hiệu tương tự nhờ MODEM (Modulator/ Demodulator) (H 1.2b) Tín hiệu tương tự qua mạch CODEC (Coder/Decoder) để số hóa (H 1.2c) liệu số truyền thẳng qua hệ thống số (H 1.2d) 6/223 (H 1.2) - Nhiễu: tín hiệu ý muốn, xuất hệ thống đường truyền Dưới ảnh hưởng nhiễu, tín hiệu tương tự bị biến dạng tín hiệu số bị lỗi - Cường độ tín hiệu: Cường độ tín hiệu thường biểu diễn công suất điện áp tổng trở tải Ta phải nói tín hiệu có công suất 0,133mW có biên độ 100mV tổng trở 75 Ω - Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi độ suy giảm hệ thống, thường biểu diễn đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm: Tỉ số tín hiệu = 10log P2 P1 dB Sự tiện lợi đơn vị dB người ta xác định độ lợi (hay độ suy giảm) hệ thống gồm nhiều tầng nối chuỗi (cascade) cách cộng độ lợi tầng với Người ta thường biểu thị công suất tuyệt đối tín hiệu cách so sánh với P tín hiệu chuẩn có công suất 1W : Công suất tín hiệu = 10log 1W dB Ngoài ra, người ta dùng đơn vị dBm để xác định cường độ tín hiệu so với tín hiệu chuẩn có công suất 1mW Công suất tín hiệu = 10log P 1mW dBm Một tín hiệu có công suất 1W tương đương với dB 30dBm 7/223 Thí dụ : Tín hiệu có biên độ 100mV 75 Ω tương đương với 0,133 mW, tính theo dBm là: 10log(0,133/1mW) = - 8,76 dBm Dấu trừ cho biết mức tín hiệu 8,76 dBm 1mW Lưu ý, chuyển đổi đơn vị phải để ý đến tổng trở tải tín hiệu Biểu thức P = ( V2/R ) dùng để tính điện áp hiệu dụng tỉ số điện áp Trong hệ thống điện thoại tổng trở tải thường dùng 600 Ω Thí dụ: Tín hiệu 100mV tải 75 Ω tương đương với 282mV, tải 600 Ω Thật vậy, 600 Ω , điện áp tín hiệu xác định : V2 = P.R = 0,133.10-3.600 = 0,079 V = √0,079 = 0,282 V = 282 mV Nếu tín hiệu có chung tổng trở tải : Tỉ số tín hiệu = 20log V2 V1 dB - Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) Để đánh giá chất lượng tín hiệu chất lượng hệ thống truyền tín hiệu người ta dùng tỉ số tín hiệu nhiễu SNR Đây tỉ số công suất tín hiệu có ích công suất tín hiệu nhiễu, thường tính dB (hoặc dBm) Nếu tín hiệu dBm có mức nhiễu -20 dBm, tỉ số SNR 22 dBm Nói cách khác mức tín hiệu lớn mức nhiễu 22 dBm Thí dụ: Với tín hiệu số (H.1.1b), SNR tối thiểu phải để phân biệt tín hiệu cách rõ ràng (ảnh hưởng nhiễu chấp nhận được)? Đối với tín hiệu (H.1.1b), giả sử biên độ ứng với mức V V cho mức 0, lỗi phát sinh mức phát mà nhiễu có giá trị dương lớn 0,5 V mức phát mà nhiễu có biên độ âm trị tuyệt đối lớn 0,5 V Như giá trị tối đa cho phép nhiễu 0,5 V so với trị tối đa tín hiệu V tỉ số SNR tối thiểu là: = 6db SNRMIN = 20log NS = 20log 0,5 Một hệ thống hay mạch tốt có khả nâng cao tỉ số tín hiệu nhiễu SNR theo yêu cầu 8/223 Chế độ vận tốc cố định Chế độ vận tốc cố định xảy nối DCLKR với VBB, lúc này, mạch đồng hồ thu phát thực chức năng: - Cung cấp xung đồng hồ cho mạch lọc - Cung cấp xung đồng hồ cho mạch đổi tương tự - số ngược lại - Xác định vận tốc bit vào codec xa lộ PCM Trong chế độ vận tốc cố định, vận tốc bit thu phát với tần số xung đồng hồ có giá trị 1,536, 1,544, hay 2,048 Mbps Xung đồng thu phát (FSX FSR) KHz dùng xác định tần số lấy mẫu độ rộng cho phép phân biệt khung có tín hiệu báo khung không tín hiệu báo, xung có độ rộng bit dùng cho khung tín hiệu báo xung có độ rộng bit dùng ¯ cho khung có tín hiệu báo Ngã timeslot strobe buffer enableTSX dùng để đưa từ mã PCM lên xa lộ PCM mạch đệm bên dùng để thúc đường ¯ TSX dùng xung cổng bên cho mạch đa hợp thời gian (H 9.15) Dữ liệu phát xa lộ PCM từ ngã DX ứng với cạnh lên (?) xung đồng hồ CLKX theo sau cạnh lên FSX Tương tự, phần thu, liệu thu từ xa lộ PCM vào ngã DR ứng với cạnh xuống xung đồng hồ CLKR Các xung đồng hồ CLKX CLKR chọn chân CLKSEL có giá trị 1,536; 1,544 hay 2,048 MHz Khi sử dụng nhiều kênh (mỗi IC sử dụng cho kênh), tín hiệu FSX FSR phải thực đồng IC hệ thống để bảo đảm có IC phát hay thu thời điểm (H 9.15) sơ đồ khối giản đồ thời gian cho hệ thống gồm có kênh PCM dùng 2914 chế độ vận tốc cố định hoạt động với tần số đồng hồ 1,536 MHz Trong chế độ này, liệu truyền dạng xung ngắn (burst mode) Với kênh xa lộ PCM tác động khoảng 1/24 thời gian khung Từ (H 9.15) có nhận xét sau đây: - Vận tốc bit ra/vào tần số xung đồng hồ 1,536 Mbps - Tín hiệu vào/ra codec 64 kbps (=1.536KHz/24) PCM 209/223 - Chân DX DR tác động khoảng 1/24 thời gian khung (125 μs) (H 9.16) sơ đồ khối giản đồ thời gian cho 24 kênh PCM - TDM vận hành với xung đồng hồ 1,536 MHz Chế độ vận tốc thay đổi Chế độ cho phép vận tốc liệu vào /ra thay đổi Các xung đồng hồ có giá tri 1,536; 1,544 hay 2,048 MHz , dùng cho mạch lọc mạch biến đổi tương-tự-số, số-tương tự Tuy nhiên, vận tốc tín hiệu thu/phát xa lộ PCM tùy vào DCLKX DCLKR Khi FSX mức cao, liệu phát xa lộ PCM từ ngã DX ứng với cạnh lên (?) xung đồng hồ DCLKX Tương tự, FSR mức cao, liệu xa lộ PCM vào chân DR ứng với cạnh xuống xung đồng hồ DCLKR Chế độ hoạt động gọi chế độ ghi dịch (Shift register mode) Trên phần phát, từ PCM cuối lặp lại khe thời gian thừa khung thời gian 125 μs chân DCLKX cấp xung FSX lên mức cao Điều cho phép từ PCM phát xa lộ nhiều lần cho khung Tín hiệu báo không cần thiết chế độ hoạt động không cung cấp phương tiện để nhận dạng khung báo hiệu (H 9.17) sơ đồ khối giản đồ thời gian cho hệ thống gồm kênh PCM -TDM dùng 2914 chế độ vận tốc thay đổi hoạt động với tần số đồng hồ 1,536 MHz, tần số lấy mẫu kHz vận tốc liệu thu/phát 128 kbps Với tần số lấy mẫu kHz, thời gian khung 125 μs Mỗi từ PCM bit kênh phát hay thu 125 μs Cho 16 bit xảy 125 μs, cần đồng hồ phát thu có tần số 128 kHz 1kenh 1khung 125μs 8bit x 2kenh x khung = 125μs 16bit = 8,7125μs bit Bitrate = 1/ to = 1/7,8125 μs/ = 128 kbps Tín hiệu cho phép phát /thu (FSX FSR) cho codec tác động nửa thời gian khung Do đó, để hai IC thay phiên làm việc, tín hiệu FSX FSR có tần số kHz với chu kỳ thao tác 50% cấp thẳng cho IC lệch pha 180o cho IC Để mở rộng hệ thống lên kênh, cần tăng tần số xung đồng hồ lên 256 kHz tín hiệu FSX FSR có tần số kHz chu kỳ thao tác 25% 210/223 Tín hiệu báo (signaling) Tín hiệu báo thực chế độ vận tốc cố định (DCLKR=VBB) Các khung báo hiệu phần thu phát độc lập với nhận diện tín hiệu đồng khung có độ rộng tăng gấp đôi so với tín hiệu đồng khung thường Trong thời gian khung báo hiệu phần phát, IC mã hóa tín hiệu tương tự tới bit LSB từ mã PCM thay tín hiệu chân SIGX Tương tự, khung báo hiệu phần thu IC giải mã bit cao, bit LSB xuất chân SIGR giữ khung báo khác tới Vận hành bất đồng 2914 vận hành theo phương thức đồng bất đồng hai chế độ vận tốc cố định vận tốc thay đổi Theo phương thức bất đồng bộ, xung đồng hồ thu phát cấp từ nguồn riêng biệt Và để phần thu phát hoạt động hoàn toàn độc lập với nhau, 2914 có mạch biến đổi số-tương tự nguồn tham chiếu riêng cho phần phát thu Trong hai phương thức vận hành, tín hiệu đồng hồ chính, đồng hồ vận tốc bit chốt khe thời gian phải đồng đầu khung Trong chế độ vận tốc thay đổi, CLKX DCLKX phải đồng khung có tần số khác Phần thu hoạt động tương tự độc lập với phần phát Vòng tương tự (analog loopback) Một đặc trưng 2914 có khả thực vòng tương tự bên IC cho phép người sử dụng gửi tín hiệu kiểm tra vào mạch nhận tín hiệu ngã (H 9.18) cho thấy cách nối để thực vòng tương tự : ngã PWRO+ nối vào ngã VFXI+, GSR nối với PWRO- VFXI- nối với GSX Với mạch người sử dụng thực việc thử mạch đường dây từ xa cách so sánh tín hiệu số đưa vào phần thu (DR) với tín hiệu số tạo phần phát (DX) Một tín hiệu số dBm đưa vào ngã DR nhận ngã DX tín hiệu có giá trị +3 dBm 211/223 (H 9.18) Điện tham chiếu xác 2914 có mạch tạo điện tham chiếu bên riêng cho phần phát thu điều chỉnh trước xuất xưởng Các trị tham chiếu xác định độ lợi đặc tính IC Do thực bên IC nên có độ xác cao Mạch lọc phát (transmit filter) Ngã vào phần phát OP-AMP có độ lợi điện vòng hở 5000 độ lợi đơn vị cho băng thông MHz , mạch cho phép điều chỉnh độ lợi dải thông cách thay đổi R1 R2 (H 9.19) (H 9.19) Để bảo đảm chất lượng tín hiệu hệ thống, IC có mạch lọc phát dùng tụ khóa (switched capacitor) sau đây: - Một mạch lọc hạ thông với độ suy giãm 35 dB tần số lấy mẫu 212/223 - Một mạch lọc dải thông có đặc tuyến phẳng phù hợp với dải tần kênh D AT&T chuẩn CCITT - Một mạch lọc thượng thông có đặc tuyến dốc đứng 200 Hz để loại bỏ tần số 50 Hz (60Hz) đường dây điện nhiễu có số thấp khác Mạch khuếch đại công suất thu 2914 có mạch khuếch đại công suất cân cho hai ngã riêng biệt để dùng cho chế độ vi sai chế độ đơn Điện trở tải cho chế độ đơn 300? cho chế độ vi sai 600? Công suất tín hiệu thu điều chỉnh điện áp chân GSR Khi nối GSR với PWRO- công suất tối đa nối với PWRO+ công suất tối thiểu Công suất thay đổi từ dB đến -12 dB điều chỉnh GSR PWRO+ PWRO- Mạch (H 9.20) cho thấy cách thiết lập độ lợi mạch chế độ vi sai (H 9.20) Trong (H 9.20) giá trị điện áp chân: Vo+ PWRO+ Vo- PWROVo = (Vo+) - (Vo-) R1 R2 điện trở điều chỉnh độ lợi có mối nối với GSR, chọn thỏa điều kiện: R1 R2 >10 k? R1 // R2