BÀI GIẢNG KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU

Nội dungnguồn tin liên tục, Độ đo thông tin, Mã hóa, Điều chế truyền dữ liệu, Mạng truyền số liệu... Định lý: Một hàm st có phổ hữu hạn, không có thành phần tần số lớn hơn ωmax có thể đư

Bài giảng:

KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU

Vo Thanh Tu

Nội dung

nguồn tin liên tục, Độ đo thông tin, Mã hóa, Điều chế

truyền dữ liệu, Mạng truyền số liệu

Chương 1: Những khái niệm chung

1 HTTT

 Trong cuộc sống -> có nhu cầu tđtt (Communication): âm điệu, sóng

điện từ, sóng ánh sáng… -> vật mang tin (carrier) chứa TT trong nó -> tín hiệu (signal)

 Truyền tin giữa các năng lượng khác nhau -> XD chuẩn -> đánh giá ->

thiết lập mô hình, đb tốc độ, chính xác…

1. HTTT:

Dựa trên cs năng lượng mang tin:

- HT điện tín -> dùng điện 1 chiều

- HT TT vô tuyến -> dùng nlượng sóng điện từ

- HT TT quang -> báo hiệu, ttin hồng ngoại, lazer

- HT TT dufng sóng âm, siêu âm

Dựa trên cs biểu diễn bên ngoài của TT:

 Sơ đồ khối: IS -> Channel -> ID.

 Kênh tin là môi trường lan truyền TT: Truyền tín hiệu theo dây, qua các

tầng điện ly, lan truyền trong đất, nước…

Môi trường lan truyền bao gồm:

- MT trong đó tác động nhiễu cộng là chủ yếu -> do nguồn công nghiệp

Thực tế: Sr(t) = Nn(t) Sv(t) H(t)+ Nv(t) , H(t): đặc tính xung của kênh

Chú ý: Hiệu suất TT là tốc độ truyền của ht

Độ chính xác TT là khả năng chống nhiễu của HT.

Nguồn tin nguyên thủy (NTNT)

tượng.

những phép biến đổi như rời rạc hóa theo t/g và theo mức rồi đưa vào kênh-> IS rời rạc (NTRR) Trước khi truyền -> mã hóa thông tin

của IS.

Các quá trình

toán học NT bằng 4 quá trình:

- QT ngẫu nhiên liên tục: Nguồn tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh

trong httt thoại, truyền hình với FM, AM

- QT ngẫu nhiên rời rạc: là qt nn l/tục sau khi được lượng tử hóa

VD: 1 ngôn ngữ, t/h điện tín, các lệnh đkhiển.

- Dãy ngẫu nhiên liên tục: là nguồn lt đã được gián đoạn hóa theo t/g VD: Hệ TT xung điều biên xung (PAM: Pulse

Amplitude Modulation), điều pha xung (PPM), điều tần

xung (PFM)… không bị lượng tử hóa.

- Dãy ngẫu nhiên rời rạc: Các httt xung có lượng tử hóa như

FM, AM, điều biên xung lượng tử hóa, điều xung mã (PCM)

VD: Sơ đồ truyền số liệu

 Ứng dụng dữ liệu

 Ứng dụng âm thanh, tiếng nĩi

Sơ đồ khối tổng quát (mô hình Shannon)

tination

Ví dụ

 Ứng dụng video

 Ứng dụng thời gian thực

VD: Quá trình biến đổi tín hiệu

dạng thích hợp cho việc giao tiếp, xử lý, diễn giải

môi trường truyền dẫn

2 Rời rạc hóa một nguồn tin liên tục (NTLT)

Phép biến đổi NTLT –> RR gồm 2 bước:

b1: Khâu rr hóa theo tg gọi là khâu lấy mẫu

b2: Khâu lượng tử hóa theo mức

+ Lấy mẫu: là một hàm tin là tính mẫu tại thời điểm nhất định Định lý: Một hàm s(t) có phổ hữu hạn, không có thành phần tần số lớn hơn ωmax có thể được thay thế bằng các mẫu của nó lấy tại những điểm cách nhau 1 khoảng Δt ≤  /ωmax

+ Lượng tử hóa: Hàm S(t) thể hiện NT lt, bđổi lt trong phạm vi (Smin, Smax), ta phân chia phạm vi đó thành một số mức nhất

định, đánh số các mức từ Smin S0 S1 S2…, Smax Việc biến dạng hóa

sự biến đổi biên độ của S(t) là cho biên độ lấy mức Si nhất

định khi nó tăng hoặc giảm gần đến mức đó.

Như vậy S(t) sẽ trở thành hàm biến đổi theo bậc thang gọi là hàm lượng tử hóa S’(t)

Một NTLT sau khi lấy mẫu và lượng tử hóa -> NTRR

3 Độ đo thông tin (Metric)

 Độ đo của một đại lượng là cách ta xác định độ lớn của đại lượng đó Mỗi M phải thỏa mãn 3 tính chất sau:

- M phải cho phép ta xđ được độ lớn của đlượng

- M phải không âm

- M phải tuyến tính, tức là gtrij tự đo được của đlượng tổng cộng phải bằng tổng g trị của các đl riêng phần.

• M là hàm tỷ lệ nghịch với xsxh của tin f(1/p(xi)) cho tin xi có xsxh p(xi) (khi p=1 -> một tin không cho ta lượng tin)

• Khi 2 tin đồng thời xh: f(1/p(xi,xj)) = f(1/p(xi)) +f(1/p(xj))

Vì 2 tin là độc lập thống kê nên: p(xi,xj) = p(xi).p(xj)

⇒ F là một làm log Vậy lượng đo TT của 1 tin xi là:

I(xi) = logb(1/ p(xi)) (Hiện nay thường dùng các độ đo b=2, b=e, b= 10)

4 Mã hóa:

 Mã hóa là phép biến đổi cấu trúc thống kê của nguồn Phép bđổi ấy tương đương trên quan điểm TT và nhằm cải tiến các chỉ tiêu kỷ thuật của httt.

VD: Cho nguồn tin A có 4 tin đẳng xác suất với sơ đồ thống kê:

A= a1 a2 a3 a4 ¼ ¼ ¼ ¼ Lượng tin I(ai) = 1 (log21/4) = 2 bit

Bằng một phép mã hóa như sau:

a1-> b1b1 , a2-> b1b2 , a3-> b2b1 , a4-> b2b2

Chúng ta biến đổi thành 1 nguồn tin mới gồm có 2 ký hiệu

đẳng xác suất:

B = b1 b2 ½ ½ Lượng tin chứa trong 1 tin của B cũng bằng lượng tin chứa

trong tin tương ứng của A.

VD: tin b1b2 <-> a1 trong A: I(b1,b1)=2.log2(2)=2(bit)

5 Điều chế và giải điều chế

 Trong hhttlt, các tin hình thành từ NTLT được bđổi thành đại lượng

điện (áp, dòng) và chuyển vào kênh

VD: Điện thoại -> khi truyền qua k/c lớn -> điều chế(I, F, P) -> tức là

chuyển TT thành một dạng năng lượng thích hợp với môi trường

• Đối với htttrr, qui luật mã hiệu điều khiển 1 hoặc nhiều thông số của

năng lượng được dùng để mang tin

• VD: Điện báo -> qui luật mã hiệu điều khiển biên độ dòng 1 chiều.

• Các pp đchế cao tần cũng giống như trường hợp ttlt, nhưng làm việc

gián đoạn theo tg gọi là khóa lịch

• VD: PP khóa lịch biên độ (ASK: Amplitude Shift Key), PSK, FSK.

• Giải điều chế là phép biến đổi ngược lại của phép đchế, điều khác là t/h

đầu vào của t/ bị giải điều chế không phải chỉ là t/ h đầu ra của tbđchế,

mà là một hỗn hợp thđchế và tạp nhiễu

⇒ Nhiệm vụ của các tb giải đchế là từ trong hỗn hợp đó lọc ra được TT dượi dạng 1 hàm điện áp liên tục hoặc một dãy xung điện rời rạc giống như TT ở đầu vào tbđc với sai số trong phạm vi cho phép

VD: Tách sóng biên độ, tách sóng pha, tách sóng đồng bộ, lọc tin liên kết, lọc tối ưu…

6 Quá trình truyền từ nguồn đến đích

Trans-mitter Media

Source System

Destination System

VD1 : Quá trình truyền

thô

 Truyền dẫn dữ liệu (data transmission)

 Mã hóa dữ liệu (data encoding)

 Kỹ thuật trao đổi dữ liệu số (digital data communication)

 Điều khiển liên kết dữ liệu (data link control)

Wide-Area Network

Destination system Source system

Source mitterTrans missionTrans

System Receiver

Dest ination

Local-Area Network

Chương 2: Mã hiệu

Trong các htttrr hoặc lt nhưng đã được rr hóa, bản tin thông

thường thông qua các phép biến đổi.

- Ở bên phát -> đổi thành số (nhị phân), mã hóa

- Ở bên thu -> đổi ngược lại, giải mã, liên tục hóa…

1. Định nghĩa:

_ Mã hiệu (code): là nguồn một nguồn tin với sơ đồ thống kê

được xây dựng nhằm thỏa mãn một số yêu cầu do hệ

thống truyền tin đề ra Mã hiệu chính là tập hữu hạn các dấu hiệu riêng (symbol), hay bảng chữ riêng có phân phối xác suất thỏa mãn một số yêu cầu qui định.

VD: -Trong TT điện báo khóa lịch (manip) tần số (FSK, PSK), 2

tần số hoặc 1 góc pha ngược nhau 1800, cơ số mã m=2.

- Điện báo morse: m=3

Định nghĩa và điều kiên thiết lập mã

 Quá trình mã hóa (encoding) là việc sử dụng mã hiệu để biểu diễn các

tin của SI

 Vì số ký hiệu mã < số tin -> phải dùng 1 tổ hợp các ký hiệu mã -> dãy này gọi là từ mã (codeword)

 Từ mã là 1 dãy liên tục các ký hiệu mã được dùng để mã hóa SI-> tập từ

Khi giải mã tách từng nhóm 2 ký hiệu mã tương ứng

Nếu đem nguồn trên với bộ mã khác sẽ cho kq khác

ĐK riêng cho mỗi loại mã: Đ/v bộ mã còn tồn tại đk riêng phải được thõa

mãn khi thiết lập mã

VD: Mã thống kê tối ưu phải đạt được độ dài trung bình của các từ mã tối thiểu, mã chống nhiễu phải cho phép phát hiện sai càng nhiều càng tốt

2 Phương pháp biểu diễn mã

k

k m a

∑−

= 1 0

Định lý: Không có 2 từ mã mã hoá 2 tin khác nhau

của cùng một bộ mã thoã mãn đồng thời :

ni =nj , bi=bj

VD: Cây mã cho bộ mã 00, 01, 100, 1010, 1011

0

0 1

1

1

00

100 01

mức gốc (0) mức 1 ( m=1 ) mức 2 ( m=2 ) mức 3 ( m=3 ) mức 4 ( m=4 )

0

Đồ hình kết cấu

cách biểu diễn cây mã rút gọn

phát từ nút gốc theo các nhánh có hướng qua các nút trung gian rồi về nút gốc.

1 1

01 0v1

2.3 Hàm cấu trúc của mã

của mã là sự phân bố của các từ mã theo độ dài, ký hiệu G (n1).

3 Điều kiện phân tách các mã hiệu

100_01_01_00-1011_1011_01

Như vậy bộ mã đang xét thuộc loại mã phân tách được gọi là

độ chậm giải mã là số ký hiệu cần phải nhận đủ để có thể phân tách được từ mã.

3.2 Điều kiện để tách được mã

Định lý1: Điều kiện cần và đủ để mã có tính phân tách là

không có 1 tổ hợp mã nào trong các cột từ j>=2 trùng với 1

từ mã trong cột 1.

 Giả sử khi nhận được dãy ký hiệu:

10010101010101 ->vô hạn

Nhưng nếu 100101010101010011 ->phân tích duy nhất thành: 100_10_10_10_10_10_011

Định lý 2: Điều kiện cần và đủ để mã có tính phân

tách được là không có bất kỳ từ mã nào trùng với phần đầu của từ mã khác của cùng bộ mã -> mã có tính prefix

VD: từ mã: 011001110 ->01100111, 0110011, 011001,

01100, 0110,011,01,0.

3.3 Mã có dấu phân tách

các thiết bị đối với loại mã đó phức tạp-> xây dựng những loại mã có dấu phân tách.

thúc 1 từ mã -> dấu hiệu phân tách.

Chương 3: Kênh tin và giao tiếp truyền tin

truyền -> phải biến đổi thành -> t/h điện.

VD: 1 -> +V, 0 -> -V gửi đến đường truyền -> bên nhận +V -> 1, -V -> 0.

Thực tế những t/h điện bị giảm và méo do môi trường, tốc

độ bit của số liệu được truyền, khoảng cách giữa 2 tbị

thông tin.

2 Môi trường truyền dẫn: Đường truyền -> quyết định tốc độ bps

 Hữu tuyến (guided media – wire)

 Cáp đồng

 Cáp quang

 Vô tuyến (unguided media – wireless)

 Vệ tinh

 Hệ thống sóng radio: troposcatter, microwave,

 Đặc tính và chất lượng được xác định bởi môi trường và tín hiệu

 Đối với hữu tuyến, môi trường ảnh hưởng lớn hơn

 Đối với vô tuyến, băng thông tạo ra bởi anten ảnh hưởng lớn hơn

 Yếu tố ảnh hưởng trong việc thiết kế: tốc độ dữ liệu và khoảng cách

 Băng thông

 Băng thông cao thì tốc độ dữ liệu cao

 Suy yếu truyền dẫn

 Nhiễu (nhiễu nhiệt, nhiễu điều chế, nhiễu xuyên kênh, nhiễu xung)

 Số thiết bị nhận (receiver)

 Môi trường hữu tuyến

 Càng nhiều thiết bị nhận, tín hiệu truyền càng mau suy giảm

Môi trường truyền dẫn

Các đặc tính cáp

Frequency Range Attenuation Typical Typical Delay Repeater Spacing

Cáp đồng: twisted-pair

 Được dùng trong liên lạc thoại ở hầu hết các văn phòng

 Chiều dài xoắn (twist length): 7.5cm tới 10cm

 Thích hợp cho tốc độ truyền lên đến 100.106 bits/second

 STP Cat 3: thích hợp cho tốc độ truyền lên đến 10.106

bits/second

Cáp quang: mang thông tin truyền đi dưới dạng chùm ánh sáng dao động trong sợi thuỷ tinh

Single core

Multicore

Plastic coating

Single core

Multicore

Plastic coating

Truyền dẫn vô tuyến

 Truyền và nhận thông qua anten

 Có hướng

 Chùm định hướng (focused beam)

 Đòi hỏi sự canh chỉnh hướng cẩn

thận

 Vô hướng

 Tín hiệu lan truyền theo mọi hướng

 Có thể được nhận bởi nhiều anten

 Tỷ lệ bit lỗi trên đường truyền (BER) thay đổi tùy theo hệ thống được triển khai Ví dụ: BER của

vệ tinh ~ 10-10

 Tốc độ truyền thông tin đạt được thay đổi, từ vài Mbps đến hàng trăm Mbps

 Phạm vi triển khai đa dạng:

LAN (vài km), WAN (hàng chục km)

 Chi phí để triển khai hệ thống ban đầu rất cao

Vô tuyến: sóng viba mặt đất

 Chảo parabol (thường 10 inch)

 Chùm sóng định hướng theo đường ngắm (line of sight)

 Khoảng cách max giữa các anten

 h: chiều cao của anten

 k: hằng số hiệu chỉnh độ gấp khúc của sóng (k=4/3)

 Ví dụ: tháp anten cao 100m cách xa 82km

 Chuỗi tháp anten: điểm-điểm

 Độ suy giảm t/h

 d: khoảng cách – λ: chiều dài sóng

 Độ suy giảm tỉ lệ thuận bình phương khoảng cách → cần

amp/repeater mỗi 10-100km

 Độ suy giảm thay đổi theo môi trường (càng tăng khi có mưa)

 Viễn thông khoảng cách xa

 Thay thế cho cáp đồng trục (cần ít bộ amp/repeater, nhưng phải nằm trên đường thẳng)

 Tần số càng cao thì tốc độ dữ liệu càng cao

Vô tuyến: sóng vệ tinh

 Vệ tinh là trạm trung chuyển

 Vệ tinh nhận trên một tần số, khuyếch đại (lặp lại tín hiệu) và phát trên một tần số khác

 Cần quĩ đạo địa tĩnh

 Thường trong khoảng tần số 1-10 GHz

 < 1 GHz: quá nhiều nhiễu

 >10 GHz: hấp thụ bởi tầng khí quyển

 Cặp tần số thu/phát

 (3.7-4.2 downlink, 5.925-6.425 uplink) 4/6 GHz band

 (11.7-12.2 downlink, 14-14.5 uplink) 12/14 GHz band

 Tần số cao hơn đòi hỏi tín hiệu phải mạnh để không bị suy giảm

 Trễ 240-300ms, đáng chú ý trong viễn thông

Vô tuyến: vệ tinh

Vô tuyến: sóng radio

Vô tuyến: sóng hồng ngoại

(hoặc phản xạ)

 Bộ điều khiển TV từ xa, cổng điều khiển bằng hồng ngoại (IRD port)

3 Các nguồn suy giảm và méo dạng

dạng có thể làm mất tín hiệu trong suốt thời gian truyền.

Sự suy giảm

T/h nhận được khác với t/h truyền đi Analog – suy giảm chất lượng t/h Digital – lỗi trên bit

Nguyên nhân: Suy yếu và méo do suy yếu trên đường truyền

Méo do trễ truyền, Nhiễu

Độ suy giảm tín hiệu

 Định nghĩa (signal attenuation)

 Khi một tín hiệu lan truyền qua một môi trường truyền, cường độ (biên độ) của tín hiệu bị suy giảm (theo khoảng cách)

 Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn

 Đối với môi trường vô tuyến, suy giảm cường độ t/h là một hàm phức tạp theo khoảng cách và thành phần khí quyển

 Cường độ t/h nhận phải

 Đủ mạnh để thiết bị nhận nhận biết được

 Đủ cao so với nhiễu để t/h không bị lỗi

 Suy yếu là một hàm tăng theo tần số

 Kỹ thuật cân bằng độ suy yếu trên dải tần số

 Dùng bộ khuyếch đai (khuyếch đại ở tần số cao nhiều hơn)

 Đo bằng đơn vị decibel (dB)

 Cường độ t/h suy giảm theo hàm logarit

 Độ lợi/độ hao hụt của các tầng nối tiếp có thể được tính bằng phép toán đơn giản (+/-)

Độ suy giảm tín hiệu

 Độ lợi/độ hao hụt của các tầng nối tiếp có thể được tính bằng phép toán đơn giản (+/-)

 Attenuation = 10log10(P1/P2) (dB)

P1: công suất của tín hiệu nhận (W)

P2: công suất của tín hiệu truyền (W)

 Decibel (dB) là giá trị sai biệt tương đối

Công suất suy giảm ½ → độ hao hụt là 3dB

Công suất tăng gấp đôi → độ lợi là 3dB

Trễ lan truyền tín hiệu

 Méo trễ truyền

 Chỉ xảy ra trong môi trường truyền dẫn hữu tuyến

 Vận tốc lan truyền thay đổi theo tần số

 Vận tốc cao nhất ở gần tần số trung tâm

 Các thành phần tần số khác nhau sẽ đến đích ở các thời điểm khác nhau

 N : khối lượng dữ liệu truyền (bit)

 R : tốc độ truyền bit trên đường truyền

Nhiễu

Tốc độ kênh truyền (khả năng kênh)

 Nếu tốc độ truyền tín hiệu là 2W thì tín hiệu với tần số nhỏ hơn

(hoặc bằng) W là đủ; ngược lại nếu băng thông là W thì tốc độ tín hiệu cao nhất là 2W

 C = 2W x log2M

 C : tốc độ truyền t/h cực đại (bps) khi kênh truyền không có nhiễu

 W : băng thông của kênh truyền (Hz)

 M : số mức thay đổi tín hiệu trên đường truyền

 Độ hữu hiệu băng thông: B = R/W (bps HZ-1)

Tốc độ dữ liệu

 Baud rate (baud/s)

 Nghịch đảo của phần tử dữ liệu ngắn nhất (số lần thay đổi tín hiệu đường truyền mỗi giây)

 Tín hiệu nhị phân tốc độ 20Hz: 20 baud (20 thay đổi mỗi giây)

 Bit rate (bps hoặc bit/s)

 Đặc trưng cho khả năng của kênh truyền

 Tốc độ truyền dữ liệu cực đại trong trường hợp không có nhiễu

 Bằng baud rate trong trường hợp tín hiệu nhị phân

 Khi mỗi thay đổi đường truyền được biểu diễn bằng 2 hay nhiều bit, tốc độ bit khác với tốc độ baud

 Quan hệ giữa Baud rate và Bit rate

R = Rs x log2M = Rs x m

 R : tốc độ bit (bit/s)

 Rs : tốc độ baud (baud/s)

 M : số mức thay đổi tín hiệu trên đường truyền

 m : số bit mã hóa cho một tín hiệu

Tỉ lệ tín hiệu so với nhiễu

SNR = 10 x log10 (S/N) (dB)

C = W x log2 (1 + S/N) (bps)

có nhiễu

Chương 4: Mạng truyền số liệu

 Khác như thế nào so với mạng LAN?

 Triển khai theo diện rộng

 Dựa vào các mạch truyền dẫn công cộng

 Công nghệ

 Chuyển mạch mạch (circuit-switching)

 Đường truyền dẫn dành riêng giữa 2 node mạng

 Chuyển mạch gói (packet-switching)

 Không được dành riêng đường truyền dẫn

 Mỗi gói đi theo đường khác nhau

 Chi phí đường truyền cao để khắc phục các lỗi truyền dẫn

 Frame Relay

 Được dùng trong chuyển mạch gói có xác suất lỗi thấp

 Chế độ truyền bất đồng bộ (Asynchronous Transfer Mode)

 Dùng các gói có kích thước cố định (gọi là cell)

 Mạng số các dịch vụ tích hợp (Integrated Services Digital Network)