Bài giảng Thông tin dữ liệu và mạng máy tính - Chương 1 trình bày những nội dung cơ bản sau: Tổng quan về thông tin số liệu, mô hình của một hệ thống truyền dữ liệu, môi trường truyền dẫn, suy hao và méo dạng, thông tin số liệu, các loại tín hiệu, tín hiệu dữ liệu truyền qua mạng PSTN (Public Switch Telephone Network),... Mời các bạn cùng tham khảo.
Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu Chương 1: THÔNG TIN SỐ LIỆU 1.1 Tổng quan: - Thông tin (information -> gọi tin tức): chưa có định nghóa đày đủ cho khái niệm thông tin Tuy nhiên, tạm sử dụng khái niệm sau để định nghóa thông tin: o Thông tin hiểu biết người giới xung quanh (thông qua tiếp xúc với nó) tiếp xúc với môi trường xung quanh người hiểu biết làm tăng lượng thông tin thu nhận o Thông tin truyền xử lý hệ thống truyền tin biểu thị dạng tín hiệu - Tín hiệu: đại lượng vật lý mang thông tin thường biểu thị dạng: tín hiệu tương tự tín hiệu số o Tín hiệu tương tự: tín hiệu mà biểu diễn tóan học hàm liên tục theo thời gian o Tín hiệu số: tín hiệu mà biểu diễn tóan học hàm gián đọan theo thời gian tập hợp giá trị hữu hạn u(t) u(t) t a./ Tín hiệu tương tự u(t) t b./ Tín hiệu rời rạc (số) t c./ Tín hiệu số nhị phân biểu thị dạng tín hiệu tương tự - - Hình 1.1: Mô tả dạng tín hiệu tương tự số Một hệ thống thông tin dùng để truyền nhận thông tin từ nơi sang nơi khác Tuỳ theo dạng thông tin cần truyền, cách xử lý thông tin trình truyền nhận cự ly truyền phân thành nhiều loại hệ thống khác Nếu vào dạng tín hiệu truyền tạm phân làm loại thông tin chủ yếu là: thông tin tương tự (analog communication), thông tin số (digital communication) thông tin số liệu (data communication) Thông tin truyền xử lý hệ thống truyền tin biểu thị dạng tín hiệu Hệ thống truyền tin truyền tín hiệu tương tự gọi hệ thống truyền tin tương tự Hệ thống truyền tin truyền tín hiệu số gọi hệ thống truyền tin số ĐH Kỹ thuật Công nghệ Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu - Trong hệ thống truyền tin có tham gia máy tính, tin tức thông tin biểu thị dạng liệu, hệ thống mạng truyền tin gọi hệ thống mạng truyền liệu - Dữ liệu khái niệm rộng, thuật ngữ liệu (data) hiểu thông tin biểu thị, lưu trữ dạng số nhị phân việc truyền thực thông qua việc xử lý máy tính số - Dữ liệu hai phiùa truyền tin nhận tin liệu số trình truyền dẫn liệu liệu dạng số dạng tương tự 1.2 Mô hình hệ thống truyền liệu: gồm thành phần Hình 1.2: Mô hình tổng quát hệ thống truyền liệu - Thông điệp: tin hay liệu thông tin Nó văn bản, hình ảnh, âm kết hợp chúng - Bộ gởi: thiết bị gởi thông điệp liệu Nó máy tính, trạm làm việc, máy điện thoại, camera… - Bộ nhận: thiết bị nhận thông điệp liệu Nó máy tính, trạm làm việc, máy điện thoại, máy thu hình… - Môi trường truyền dẫn (hoặc kênh truyền dẫn): phương tiện để mang thông điệp từ máy phát đến máy thu Có nhiều môi trường truyền dẫn khác như: đường dây điện thoại xoắn đôi, cáp song hành, cáp đồng trục, cáp quang, môi trường vô tuyến viba, radio, vệ tinh… - Nghi thức: nghi thức tập hợp quy luật dùng điều hành thông tin liệu Nó tiêu biểu cho thỏa ước thiết bị truyền thông Không có nghi thức, hai thiết bị kết nối thông tin 1.3 Môi trường truyền dẫn 1.3.1 Môi trường hữu tuyến: a Dây song hành: Hình 1.3: Dây song hành - Là phương tiện truyền dẫn đơn giản nhất, dây dẫn cách ly xuyên tự môi trường không khí - Loại đường truyền thích hợp cho kết nối thiết bị cách xa tối đa 50m, tốc độ bit khoảng 19kbps - Hạn chế: + Do tụ ghép ký sinh đường dây Ỉ gây nhiễu xuyên kênh ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu + Chống nhiễu lớp cách ly điện môi trường bên Ỉ xác suất lỗi cao + Băng thông hẹp Ỉ tốc độ thấp + Không truyền xa - Ưu điểm: đơn giản, rẻ tiền b Cáp xoắn: Bước xoắn Hình 1.4: Cáp xoắn - Gồm sợi dây đồng cách điện xoắn lại với Khoảng cách nút liên tiếp gọi bước xoắn, bước xoắn ngắn làm giảm ảnh hưởng tụ ký sinh đường dây - Khoảng cách kết nối thiết bị lên tới 100m, tốc độ khoảng 100Mbps - Có loại cáp xoắn: + Cáp xoắn lớp bảo vệ (UTP - Unshield Twisted Pair): bọc giáp bên Ỉ dùng mạng LAN mạng điện thoại + Cáp xoắn có lớp bảo vệ (STP - Shield Twisted Pair): có bọc lớp giáp cách ly bên để hạn chế ảnh hưởng nhiễu c Cáp đồng trục: Hình 1.5: Cáp đồng trục - Cáp đồng trục cải tiến hạn chế lớn cáp song hành cáp xoắn: hiệu ứng da tiêu hao lượng tín hiệu xạ tần số cao • Hiệu ứng da: tốc độ bit tăng Ỉ tần số tín hiệu tăng Ỉ dòng điện tập trung chảy bề mặt dây dẫn Ỉ điện trở dây dẫn tăng Do đó, tần số tín hiệu tăng suy hao tín hiệu nhiều Nhờ có lớp bọc giáp cách điện kim loại mà tín hiệu bị xạ Ỉ đưa xuống mass Ỉ giảm bớt suy hao - Nhờ ưu điểm mà khoảng cách kết nối thiết bị tăng lên khoảng vài trăm mét, tốc độ khoảng 10Mbps d Cáp quang: - Cấu tạo: gồm lõi cáp để truyền tín hiệu vỏ cáp Trong chiết suất vỏ nhỏ chiết suất lõi ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính - 1.3.2 - - a Chương Thông tin số liệu Hình 1.6: Cáp quang Về chất, cáp quang truyền tải thông tin dạng tia sáng bên sợi thủy tinh Sóng ánh sáng có băng thông rộng sóng điện từ Ỉ điều cho phép cáp quang đạt tốc độ truyền cao, lên đến hàng trăm Mbps Sóng ánh sáng kháng nhiễu điện từ nhiễu xuyên âm Cáp quang hữu dụng việc truyền tín hiệu tốc độ thấp môi trường xuyên nhiễu nặng ví dụ điện cao thế, chuyển mạch Ngoài ra, cáp quang dùng nơi có nhu cầu bảo mật cao khó mắc xen rẽ (câu trộm) mặt vật lý Quá trình truyền nhận tín hiệu thực sau: + Tại nơi phát: sử dụng thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ điện sang quang sử dụng LED, tín hiệu quang truyền cáp quang + Tại nơi thu: tín hiệu thu chuyển đổi ngược lại từ quang sang điện cách sử dụng photo-diode hay photo-transistor Môi trường vô tuyến Sử dụng phương thức lan truyền sóng điện từ không gian Ỉ sử dụng anten Để xạ tín hiệu vào không gian dạng sóng điện từ đầu máy phát phải có anten phát Theo lý thuyết trường điện từ, kích thước anten phát không nhỏ 1/10 độ dài bước sóng phát xạ Ví dụ: muốn truyền tín hiệu âm khoảng cách lớn sóng điện từ Phổ tín hiệu tiếng nói thường vào khoảng 200Hz – 20kHz Như vậy, kích thước anten phát phải lớn cỡ vài chục km, điều thực thực tế Do vậy, phải thực điều chế tín hiệu để chuyển phổ tín hiệu lên phạm vi tần số lớn, đó, ta có kích thước hợp lý anten Một số loại điều chế bản: o Điều chế tương tự: AM, PM, FM o Điều chế số: ASK, PSK, FSK, QAM Đường truyền viba: Hình 1.7: Mô hình đường truyền viba ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu - Tuyến liên lạc viba có đặc điểm anten phát anten thu phải tầm nhìn thẳng, phải có tính định hướng cao - Sóng viba sử dụng trường hợp cung cấp tuyến thông tin có hạn chế địa hình, không cho phép xây dựng đường cáp nối Ví dụ: vượt sông, sa mạc, đồi núi hiểm trở - Ưu điểm: tần số cao, băng thông rộng Ỉ biên độ truyền cao, khoảng cách lên tới 50km - Nhược điểm: nhạy với thời tiết b Radio: - Sử dụng trường hợp trạm thông tin phân bố thưa rộng Ỉ việc kết nối đường truyền vật lý (cáp) không hiệu (về kinh tế) - Dãy tần số radio từ 30MHz – 1GHz, tốc độ bit tối đa vài chục đến vài trăm kbps - Ưu điểm: cự ly thông tin xa nhạy với thời tiết so với viba c Vệ tinh - Là thiết bị thu phát phóng lên từ mặt đất cho chuyển động so với mặt đất đứng yên (tức vệ tinh quay với chu kỳ 24giờ đồng với hướng quay trái đất) Vì thế, vệ tinh có tên gọi vệ tinh địa tónh - Vị trí đặt vệ tinh trạm mặt đất chọn cho vệ tinh liên lạc trực tiếp với trạm thu phát Tần số dùng cho vệ tinh dải GHz, vệ tinh truyền nhận tần số khác - Hình 1.8õ: Mô hình truyền dẫn vệ tinh Vệ tinh đóng vai trò chuyển đổi trung gian phát thu Tại trạm phát, liệu điều chế truyền lên vệ tinh với tần số fuplink Vệ tinh thu sóng truyền lại tới trạm thu mặt đất xác định trước nhờ dùng anten hướng tính chuyển đổi với tần số fdownlink Băng tần số vệ tinh nhö sau: Bank C Ku Ka Downlink (GHz) 3.7 – 4.2 11.7 – 12.2 17.7 – 21 Uplink (GHz) 5.925 – 6.425 14 – 14.5 27.5 - 31 - Ứùng dụng: dùng để truyền liệu mạng xuyên quốc gia hay tuyến thông tin tốc độ cao quốc gia 1.4 Suy hao méo dạng: Bất kỳ tín hiệu truyền đường truyền bị ảnh hưởng do: - Suy hao ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu - Sự giới hạn băng thông - Méo trễ - Nhiễu 1.4.1 Suy hao - Giả sử cần truyền tín hiệu sóng vuông có biên độ V đường truyền hữu tuyến Tại nơi thu, ta nhận tín hiệu có biên độ V’ (nhỏ V) Như vậy, tín hiệu bị suy hao do: o Điện trở vật dẫn tăng (hiệu ứng da) toả nhiệt đường dây o Sự suy hao xạ Nếu đường truyền vượt khoảng cách cho phép tín hiệu bị hết Trạm phát Môi trường truyền cáp V Trạm thu V’ L = 1km Hình 1.9 - Trường hợp môi trường truyền sóng vô tuyến suy hao yếu tố môi trường tác động vào Ví dụ, độ ẩm tăng trời mưa, tùy vào tần số mà mức độ suy hao khác Theo thống kê: tần số 6GHz mức độ suy hao 0,1dB/km tần số 12GHz mức độ suy hao 1dB/km Ta có công thức tính độ suy hao sau: L(dB) = 20lg4πd/λ = 92,4 + 20lgf + 20lgd Trong đó: λ bước sóng d(km) khoảng cách trạm phát thu f(GHz) tần số Ví dụ: xét trường hợp môi trường chân không, tức tác động nhiễu Trạm thu Trạm phát 90% lượng tập trung Hình 1.10 Muốn thu toàn lượng tín hiệu từ trạm phát phải cần anten có đường kính khoảng vài trăm mét Ỉ điều phi thực tế Thực tế, ta dựng lên anten có đường kính khoảng từ - mét Do vậy, thu phần lượng tín hiệu phát, phần lại bị suy hao - Khắc phục suy hao cách: o Sử dụng khuếch đại có độ khuếch đại khác ứng với tần số khác (vì mức độ suy hao tín hiệu hàm tần số) ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu o Sử dụng cân (equalizer) để làm cân suy hao tín hiệu đường truyền 1.4.2 Sự giới hạn băng thông - Băng thông gì? Băng thông kênh truyền dẫn khoảng tần số mà tín hiệu truyền qua bị suy hao Hay nói cách khác, băng thông kênh truyền dẫn thành phần tần số tín hiệu truyền qua kênh mà không bị suy giảm - Băng thông kênh truyền dẫn có dạng sau: P 3dB fL f fH BW3dB P 3dB Giả sử tín hiệu đến cuối BW3dB f BWnull to null BWA(absolute) - Hình 1.11: Băng thông kênh truyền dẫn Nếu băng thông (BW) kênh truyền dẫn nhỏ băng thông tín hiệu Ỉ tín hiệu thu bị méo dạng Băng thông kênh truyền dẫn lớn BWnull to null thu tín hiệu tốt BWnull to null xem lớn Nếu tín hiệu thu có BW nhỏ BW3dB khôi phục lại * Công thức Nyquist: tốc độ truyền liệu tối đa môi trường truyền dẫn hàm băng thông môi trường truyền dẫn Cụ thể, tín hiệu truyền môi trường truyền có băng thông B (Hz), tín hiệu mã hoá M mức, tốc độ truyền tin cực đại môi trường truyền là: C = 2Blog2M (bps) Trong trường hợp tín hiệu truyền qua môi trường truyền có băng thông B, tín hiệu mã hoá mức tốc độ truyền tin cực đại là: C = 2B (bps) 1.4.3 Méo trễ ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu - Thời gian lan truyền sóng sin đường truyền phụ thuộc vào tần số tín hiệu - Tín hiệu số bao gồm tổng thành phần tín hiệu sin Các thành phần tần số khác truyền đến phía thu thời điểm khác Ỉ gây méo dạng, nguyên nhân trễ 1.4.4 Nhiễu - Một kênh truyền hay đường truyền chưa truyền tín hiệu có mức điện - Trên thực tế, đường truyền luôn có tác động nhiễu, nghóa chưa truyền tín hiệu đường truyền có mức nhiễu ngẫu nhiên Mức nhiễu gọi nhiễu đường dây hay nhiễu Một thông số quan trọng môi trường truyền tỷ số tín hiệu nhiễu SNR S P SNR = = S N PN Trong đó: PS: công suất tín hiệu thu (W) công suất nhiễu (W) PN : Nếu biễu diễn theo hàm logarit có đơn vị đo dB thì: ⎛P ⎞ S [ dB ] = 10 lg ⎜ S ⎟ N ⎝ PN ⎠ Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR biểu thị dạng điện áp điện trở: ⎡ U S2 / Rvao ⎤ S [ dB ] = 10 lg ⎢ ⎥ N ⎣ U N / Rra ⎦ Rvào: điện trở vào (Ω) Rra: điện trở (Ω) US: điện áp tín hiệu UN: điện áp nhiễu Nhận xét: S/N tăng công suất tín hiệu tăng tương đối so với công suất nhiễu Ỉ chất lượng tín hiệu thu tốt Ngược lại, S/N giảm Ỉ S giảm tương đối so với N Ỉ chất lượng tín hiệu thu không tốt (xác suất lỗi cao) - Một nguyên nhân gây nhiễu nhiễu xuyên âm: gây ghép tín hiệu không mong muốn đường truyền kế cận Ỉ tín hiệu truyền đường truyền thu nhận đường truyền kế cận với Ví dụ: nhiễu xuyên kênh tín hiệu đường dây điện thoại Khi ta nói chuyện điện thoại nghe tiếng nói người khác xen vào ta không đàm thoại với - Nhiễu xung điện: gây bắt nguồn từ tác nhân bên nguồn điện năng, thiết bị điện hoạt động (Hệ thống thông tin gần với hệ thống điện lực Ỉ tác động gây nhiễu xung điện) - Nhiễu nhiệt: gây chuyển động ngẫu nhiên điện tử bên vật dẫn tác động nhiệt Trong đó: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu + Công suất nhiễu nhiệt gây phụ thuộc vào nhiệt độ vật dẫn độ rộng dải tần tín hiệu xác định công thức: N = k.T.B (*) Trong đó: k = 3,18.10-23(J.K-1): số Boltzman T: nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin - oK) (T= oC + 273o) B: độ rộng (băng thông) dải tần N: công suất nhiễu (W) Nhiễu nhiệt nhiễu ngẫu nhiên, liên tục xuất tất tần số, tất thiết bị Nguồn nhiễu UN/2 Rt R UN/2 UN Hình 1.12: Mạch điện tương đương nguồn nhiễu nhiệt Hình vẽ 1.12 mô tả mạch điện tương đương nguồn nhiễu nhiệt điện trởû nguồn (Rt) mắc nối tiếp với điện áp hiệu dụng nhiễu (UN) Trong trường hợp xấu truyền tải công suất nhiễu lớn tức trường hợp điện trở tải (R) có giá trị Rt Khi đó, điện áp nhiễu rơi tải R có giá trị nửa nguồn nhiễu (tức UR = UN/2) từ biểu thức (*), xác định điện áp nhiễu sau: (U / 2) U N2 N = k T B = N = R 4.R Ruùt ra: U N2 = 4.R.k T B ⇒ U N = R.k T B + Hệ số nhiễu: F = (S/N)in/ (S/N)out F nhỏ thiết bị tốt - Xét máy thu có độ lợi công suất G, hệ số nhiễu F, băng thông B Sin Nin Gọi G F B Sout Nout Hình vẽ 1.13 Sin công suất tín hiệu ngõ vào Sout công suất tín hiệu ngõ Nin công suất nhiễu ngõ vào Nout công suất nhiễu ngõ ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Khi đó, ta coù: S N F = in out N in Sout Mà: Chương Thông tin số liệu Sout = G.Sin N out = G.N in + N R NR: công suất nhiễu máy thu tạo đặc trưng ngõ vào Đặt: N R = G.N Ri Ỉ N out = G ( N in + N Ri ) Nếu ta thay máy thu khảo sát phần máy thu lý tưởng (tức hệ số nhiễu) Sin (Nin + NRi) G B Sout Nout Hình vẽ 1.14 Khi ñoù, ta coù: S N S G ( Nin + N Ri ) F = in out = in N in Sout N in G.Sin N + N Ri N F = in = + Ri N in N in - Nhiệt độ nhiễu: Trong máy thu, nhiễu nhiệt sinh tác động nhiệt có giá trị tỉ lệ thuận với nhiệt độ Do vậy, NRi xác định bằng: N Ri = k TR B Trong đó: TR: nhiệt độ nhiễu tín hiệu qua máy thu; đại lượng giả định đo lường trực tiếp thông số thường sử dụng để tính toán nhiễu mạch, thiết bị VHF, UHF, viba, thông tin vệ tinh có yêu cầu hệ số nhiễu bé N Ri = k TR B N in = k Tin B Với: Tin: nhiệt độ gây nhiễu ngõ vào Từ đó, ta có công thức: k T B F = 1+ R k Tin B ⇒ TR = ( F − 1).Tin Điều kiện nhiệt độ ngõ vào nhiệt độ chuẩn thì: Tin=290oK ⇒ TR = ( F − 1).290o Lưu ý: Trong máy thu không cho thông số hệ số nhiễu nhà sản xuất quy định điều kiện nhiệt độ nhiễu ngõ vào 290oK o Giả sử, cho Tin=400oK không áp dụng công thức TR = ( F − 1).290o mà phải sử dụng công thức sau để suy TR: N out = G (k Tin B + k TR B ) ÑH Kỹ thuật Công nghệ Trang 10 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Phổ tín hiệu Chương Thông tin số liệu Hình 1.28 BW = f1 + f − ( f − f ) = f1 − f + f = f1 − f + Rb Ta coù: f1 = f c + Δf ⇒ Δf = f1 − f c (1) f = f c − Δf ⇒ Δf = f c − f (2) (1)+(2): 2Δf = f1 − f ⇒ BW = 2Δf + Rb = 2(Δf + Rb ) Δf : độ lệch tần Rb: tốc độ truyền bit c Điều chế PSK (Phase Shift Keying) - Tần số biên độ sóng mang giữ không đổi pha dịch theo bit dòng liệu truyền - Pha tín hiệu thay đổi biễu diễn bit Ví dụ: bắt đầu pha gốc 00 để biễu diễn bit ta thay đổi pha 1800 để phát bit Phương pháp điều chế gọi điều chế pha 2-PSK hay binary PSK (BPSK) Binary data in Balanced Mod BPF PSK output OSC Hình 1.29 - - Phương trình điều cheá BPSK BPSK (t ) = Vd (t ) cos 2π f c t + Vd (t ) cos(2π f c t + π ) → "1" ⎧ A cos 2π f c t BPSK (t ) = ⎨ ⎩ A cos(2π f c t + π ) → "0" Dạng tín hiệu: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 18 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Vd(t) Chương Thông tin số liệu 1 0 1 00 1800 00 Vc(t) BPSK(t) 1800 00 1800 1s 90 Logic 0 cos wc t − sin wc t 180 sin wc t 00 Logic − 90 − cos wc t - Hình 1.30: dạng sóng giản đồ pha tín hiệu BPSK Phổ tín hiệu BPSK(t) không tồn thành phần sóng mang (giống phổ tín hiệu ASK) BWnull to null = Rb ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 19 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu 1.7.2 Các loại tín hiệu điều chế nhiều mức a Điều chế nhiều mức QPSK - Trong phương pháp điều chế số tốc độ bit tốc độ baud Tuy nhiên, thực tốc độ bit cao nhiều so với tốc độ baud Có nghóa phần tử tín hiệu đại diện cho bit (4 giá trị) hay bit (8 giá trị) thông tin Và đó, tốc độ bit gấp hay lần tốc độ baud - Thay vì, thực thay đổi theo pha (0o, 1800) ta thực thay đổi theo pha khác ((0o, 900, 1800, 2700) Khi đó, thay đổi pha mang thông tin bit Vì dùng pha nên phương pháp điều chế gọi phương pháp điều chế QPSK hay 4-PSK - Sơ đồ mạch điều chế 4-PSK - - Hình 1.31: sơ đồ khối điều chế QPSK Chuỗi bit ngõ vào tách thành chuỗi bit song song Nếu bit vào kênh I, bit khác vào kênh Q Các bit kênh I điều chế pha với dao động nội (I nghóa In phase) Các bit kênh Q điều chế sóng mang dịch pha 900 so với dao động nội (Q nghóa Quarature) QPSK gồm BPSK mắc tổ hợp song song Hai trạng thái pha ngõ điều chế cân I ( ± sinwct) trạng thái pha ngõ điều chế cân Q( ± coswct) đến cộng tuyến tính, tạo nên tổ hợp pha ngõ tương ứng với trạng thái (+ sinwct + coswct), (+ sinwct - coswct), (- sinwct + coswct), (- sinwct - coswct) Caùc pha dịch pha 900 o Bảng thật QPSK giản đồ pha QPSK Binary input ĐH Kỹ thuật Công ngheä QPSK output phase Q I 0 - 1350 - 450 + 1350 1 + 450 Trang 20 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu Hình 1.32: Giản đồ pha tín hiệu QPSK Hình 1.33: Dạng sóng tín hiệu QPSK Giả sử Q=0, I=0, ta có ngõ điều chế cân I=(-1).(sinwct)=-sinwct Ngõ điều chế cân Q=(-1).(coswct)=-coswct Ngõ cộng tuyến tính = -1.coswct –1.sinwct = 1,414.sin(wct-1350) Tương tự với cặp bit 01, 10, 11 có trạng thái pha tương ứng Từ giản đồ pha QPSK, ta thấy trạng thái pha ngõ QPSK có biên độ Tín hiệu nhị phân ngõ vào mã hóa (điều chế) hoàn toàn pha sóng mang cao tần Đây phân biệt quan trọng PSK QAM o Băng thông QPSK Trong QPSK, liệu nhị phân ngõ vào tách làm hai kênh song song I Q với tốc độ Rb/2, độ dài bit I Q gấp đôi độ dài bit vào, tần số liệu kênh I Q Rb/4, độ rộng băng thông Nyquist tối thiểu Rb/2 Như băng thông QPSK Rb/2 (trong BPSK Rb) ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 21 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu Hình 1.34: Độ rộng dải tần điều chế QPSK b Điều chế nhiều mức 8-PSK - Hình 1.35: Sơ đồ khối điều chế 8-PSK Các bit kênh I C tới đổi DAC (Digital to Analog Converters) Với bit vào, có mức điện áp (PAM – Pulse Amplitude Modulation) Tương tự đổi DAC kênh Q C Các mức logic kênh I Q xác định cực tính ngõ tín hiệu tương tự (logic = +V, logic = -V) Trong bit kênh C C xác định biên độ (logic = 1,307 V, logic = 0,541V) Nhö với biên độ, hai cực tính, có trạng thái ngõ ra: I C Output Q C 0 - 0,541 V 0 - 1,307 V 1 + 0,541 V 1 + 1,307 V 1 +1,307V Output - 1,307 V - 0,541 V +1,307 V + 0,541 V +0,541V 0V -0,541V -1,307V ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 22 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu Ví dụ: Ba bit ngõ vào Q = 0; I = 0; C = (0,0,0) Xác định pha ngõ điều chế 8-PSK Ngõ điều chế cân kênh: I = (-0,541).(sinwct) = -0,541.sinwct Tương tự kênh Q có ngõ = -1,307.coswct Ngõ cộng tuyến tính: = -0,541.sinwct –1,307coswct =1,41.sin(wct-112,50) Ta có bảng thật 8-PSK Binary input Q I C 0 0 1 0 1 0 1 1 1 8-PSK out phase - 112,50 - 157,50 - 67,50 - 22,50 + 112,50 + 157,50 + 67,50 + 22,50 cos wc t − 0,541sin wc t + 1,307 cos wc t Q I C 0 − 1,307 sin wc t + 0,541cos wc t Q I C 1 − sin wc t − 1,307 sin wc t − 0,541cos wc t Q I C 0 + 0,541sin wc t + 1,307 cos wc t Q I C 1 + 1,307 sin wc t + 0,541cos wc t Q I C 1 sin wc t + 1,307 sin wc t − 0,541cos wc t Q I C 1 − 0,541sin wc t − 1,307 cos wc t + 0,541sin wc t − 1,307 cos wc t Q I C Q I C − cos wc t 0 0 Hình 1.36: giản đồ pha tín hiệu 8-PSK Tốc độ bit kênh I, Q, C Rb/3 Băng thông tối thiểu 8-PSK Rb/3 c Điều chế nhiều mức 16-PSK Tương tự 8-PSK, nhóm bit (quadbits) tín hiệu số ngõ vào điều chế 16PSK tương ứng với 16 trạng thái ngõ Tốc độ bit kênh Rb/4 băng thông tối thiểu 16-PSK Độ sai biệt trạng thái pha ngõ 22,50 Bảng chân lý đồ thị pha 16-PSK: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 23 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Bit code Phase 0000 11,250 0001 33,750 0010 56,250 0011 78,750 0100 101,250 0101 123,750 0110 146,250 0111 168,750 Chương Thông tin số liệu Phase 191,250 213,750 236,250 258,750 281,250 303,750 326,250 348,750 Bit code 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 cos wc t 0100 0011 0010 0001 0101 0110 0000 sin wc t 0111 − sin wc t 1000 1111 1001 1110 1010 1101 1011 1100 − cos wc t Hình 1.37: giản đồ không gian trạng thái 16-PSK d Điều chế nhiều mức QAM Quadrature Amplitude Modulation (QAM) – phương thức điều chế kết hợp ASK PSK o 8-QAM 8-QAM – kỹ thuật mã hóa M=8, khác với 8-PSK Ở tín hiệu ngõ điều chế 8-QAM có biên độ số, có mức pha mức biên độ ngõ Sơ đồ khối điều chế 8-QAM Hình 1.38: Sơ đồ khối điều chế 8-QAM ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 24 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu Sự khác biệt 8-QAM so với 8-PSK chỗ kênh C đảo C điều chế 8-PSK, liệu vào tốc độ fb tách làm kênh Q, I, C từ nhóm bits Tốc độ kênh Rb/3 Các bit kênh I, Q xác định cực tín hiệu PAM ngõ chuyển đổi thành mức, kênh C xác định biên độ điều chế 8-QAM, bit C cung cấp đồng thời không đảo cho chuyển đổi thành mức kênh I kênh Q, nên biên độ tín hiệu PAM nhau, cực tính chúng phụ thuộc mức logic kênh I Q Bảng thật: I/Q 0 1 C 1 Output - 0,541 V - 1,307 V + 0,541 V +1,307 V Ví dụ: Cho nhóm bit Q=0; I=0; C=0 (000) Xác định biên độ pha 8-QAM Khi I=0; C=0, ngõ DAC có biên độ –0,541 V Tương tự kênh Q=0, C=0 có điện áp ngõ DAC –0,541 V Ngõ điều chế kênh I = -0,541.sinwct Ngõ điều chế kênh Q = -0,541.coswct Ngõ cộng tuyến tính: = -0,541.sinwct-0,541coswct =0,765sin(wct-1350) Tương tự có bảng thật 8-QAM đồ thị pha: Binary input 8-QAM Q I C Biên độ Pha 0 0,765 V - 1350 0 1,848 V - 1350 0,765 V - 450 1 1,848 V - 450 0 0,765 V + 1350 1 1,848 V + 1350 1 0,765 V + 450 1 1,848 V + 450 ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 25 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu Hình 1.39: giản đồ pha tín hiệu 8-QAM Băng thông 8-QAM: Ở 8-QAM, tốc độ bit kênh I Q Rb/3 tương tự 8-PSK, băng thông tối thiểu 8-QAM băng thông 8-PSK o 16-QAM Tương tự 16-PSK, 16-QAM có 24=16 Bốn bit vào tạo thành nhóm làm thay đổi biên độ pha tín hiệu 16-QAM Hình 1.40: Sơ đồ khối điều chế 16-QAM Các bit kênh I, Q xác định cực tính ngõ DAC (logic – cực tính dương, logic – cực tính âm) Kênh I’, Q’ xác định biên độ ngõ DAC (logic = 0,821V, logic = 0,22V) Hai cực tính, hai biên độ tạo nên trạng thái ngõ DAC ± 0,22V ± 0,821V Tín hiệu PAM điều chế pha dịch 90 pha sóng mang Ngõ điều chế cân nhánh I có trạng thái ± 0,84.sinwct ± 0,22.sinwct.tương tự ngõ điều chế nhánh Q có trạng thái ± 0,821.coswct ± 0,22.coswct Ngõ cộng tuyến tính tín hiệu 16-QAM với bảng chân lý vào giản đồ pha sau: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 26 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính I I’ Output 0 - 0,22V -0,821V + 0,22V 1 + 0,821V Chương Thông tin số liệu Q Q’ Output 0 - 0,22V -0,821V + 0,22V 1 + 0,821V 16-QAM output Binary input Q Q’ I I’ 0 0 0,311 V -1350 0 0,850 V -1650 0 0,311 V -450 0 1 0,850 V -150 0 0,850 V -1050 1 1,161 V -1350 1 0,850 V -750 1 1,161 V -450 0 0,311 V 1350 0 0,850 V 1750 1 0,850 V 450 1 0,850 V 150 1 0 0,850 V 1050 1 1,161 V 1350 ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 27 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu 1 0,850 V 750 1 1 1,161 V 450 Hình 1.41: giản đồ pha tín hiệu 16-QAM R R R R R Băng thông 16-QAM = bI = bI ' = bQ = bQ ' = b 4 4 Hiệu băng thông (hay gọi mật độ liệu) dùng để so sánh tiêu kiểu điều chế số so với kiểu điều chế số khác Đó tỷ số tốc độ bit truyền băng thông điều chế tối thiểu B efficiency = Tốc độ truyền (bps) bits = Băng thông tối thiểu (Hz) Cycle 1.8 Modem 1.8.1 Sơ đồ khối RxD RS-232C Giao tiếp EIA Giải điều chế Điều khiển bắt tay TxD Bộ lọc thu Phân nhánh Mạng PSTN Giao tiếp đường dây Tách ngưỡng Điều chế Bộ lọc phát Hình 1.42: Sơ đồ khối modem a Khối giao tiếp đường dây: dùng để phối hợp với trở kháng đường dây chuyển đổi tín hiệu mạch đường dây cân không cân modem ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 28 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu b Bộ phân nhánh: dùng để phân nhánh tín hiệu thu phát Trừơng hợp phát qua lọc phát ghép qua đường dây mà ko quay mạch thu Trường hợp thu tín hiệu đưa vào lọc thu gồm lọc băng thông phù hợp với tần số thu c Bộ lọc thu: dùng để tăng độ nhạy cho modem qua mạch khuếch đại độ chọn lọc tín hiệu thông qua mạch lọc thông dải, đồng thời loại bỏ tín hiệu băng tần không cần thiết, loại bỏ tín hiệu nhiễu d Bộ lọc phát: giới hạn băng thông tín hiệu phát, đồng thời loại bỏ tín hiệu sai tạp hài tạo mạch điều chế Ỉ tiết kiệm công suất truyền e Mạch tách ngưỡng: - Dùng để ngăn chặn tình trạng tiếp nhận tín hiệu liên tục tín hiệu nhiễu, tín hiệu liệu yếu giải điều chế dùng - Sử dụng so sách có ngõ mức điện áp high low tuỳ thuộc vào mức tín hiệu thu Khi mức tín hiệu thu vào yếu, đường RxD ghim mức high đường CD giữ mức false f Bộ điều chế (FSK modulator): - Dùng để điều chế tín hiệu liệu lên sóng mang âm tần phù hợp với băng thông đường điện thoại - Bộ điều chế sử dụng dao động điều khiển điện áp (VCO) với tín hiệu TxD điện áp điều khiển để tạo tần số Mark Space tương ứng với bit liệu - Mạch điều chế FSK dùng tần số Mark Space modem khởi gọi 1270Hz 1070Hz, modem trả lời 2225Hz 2025Hz g Bộ giải điều chế (FSK demodulator): - Là tách sóng FM đơn giản dùng kiểu tách sóng phân biệt tần số hay mạch vòng khoá pha (PLL – Phase Lock Loop) để cung cấp dịch mức điện áp ngõ tương ứng với dịch tần số tín hiệu ngõ vào Ngõ tín hiệu RxD - Bộ giải điều chế có tần số Mark Space modem khởi gọi 2225Hz 2025Hz, modem trả lời 1270Hz 1070Hz h Bộ điều khiển bắt tay: Điều khiển hoạt động modem chuyển trạng thái modem từ tới DTE cách dùng đường tín hiệu RTS, CTS, DTR, DSR, CD chuẩn giao tiếp EIA-232 1.8.2 Các chế độ hoạt động modem Thông thường modem có chế độ hoạt động bản: - Chế độ lệnh (command mode): cho phép người dùng gởi lệnh từ bàn phím vào modem để yêu cầu modem thực công việc chế độ này, người dùng thực cấu hình hoạt động cho modem, thực việc kiểm thử bảo trì hệ thống - Chế độ liệu (data mode): cho phép người dùng trao đổi liệu xuyên qua đường truyền đến đầu xa Trong chế độ này, modem có chế độ làm việc là: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 29 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu o Chế độ hội thoại: cho phép thiết bị đầu cuối liệu đầu cầu nối đàm thoại qua hình, chế độ song công hoàn toàn (giống trừơng hợp dùng điện thoại nói chuyện với nhau) o Chế độ truyền nhận tập tin: cho phép đầu cuối truyền nhận tập tin với nhau, phải sử dụng giao thức truyền sử dụng phần mềm truyền số liệu cài đặt thiết bị đầu cuối liệu hay máy tính Chế độ thông tin truyền nhận tập tin song công hay bán song công tuỳ thuộc vào loại giao thức sử dụng 1.8.3 Các lệnh modem - Mỗi dòng lệnh modem bắt đầu ký tự AT (rút gọn Attention), ngoại trừ lệnh A/ +++ - Dòng lệnh chứa nhiều lệnh với số ký tự cục đại 40 (kể tiếp đầu ngữ AT khoảng trắng) o A (Answer command): Lệnh cho phép kết nối mạng(off-hook) phát tín hiệu sóng mang Modem báo tín hiệu CONNECT thu tín hiêu sóng mang từ modem đầu cuối Nếu không thu sóng mang, modem gác máy thông báo NO CARRIER, quay trở kiểu lệnh o B : cho phép chọn chuẩn CCITT hay BELL • B0 : yêu cầu modem thực kiểu V.21 V.22, tuỳ thuộc vào chức modem đầu cuối (300bps cho V.21 hoaởc 1200bps cho V.22) ặCCITT ã B1 : yêu cầu modem lựa chọn kiểu BELL 103 với 300bps Bell 212A với 1200bps Giá trị mặc định B1 o C (carrier Control): điều khiển sóng mang C0: ngắt sóng mang truyền C1: nối sóng mang truyền (default) Lệnh C0 điều khiển modem thu nhận không cần có sóng mang Sóng mang truyền không nối lại có lệnh C1 reset modem Lệnh C1 điều khiển modem tạo sóng mang sau quay số, trả lời nối với modem đầu cuối Nêáu khác đi, tín hiệu bị ngắt o D (Dial): lệnh quay số điện thoại o T : Lệnh quay số kiểu Tone(DTMF) o P : Lệnh quay số kiểu xung(Pulse) ATD XXX ATDP XXX ATDT XXX ATD X, XXX: quay số theo chế độ mặc định, dùng cho điện thoại qua tổng đài nội Trong đó, XXX số điện thoại cần quay Ví dụ: ATD 9, XXX (số số tổng đài nội bộ) ATDP T XXX: điều khiển modem quay số kiểu pulse cho điện thoại số 9, sau quay số kiểu tone cho mã số điện thoại XXX Lưu ý: ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 30 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu • Lệnh thích hợp modem mắc tổng đài nội làm việc kiểu pulse tổng đài kiểu tone • Nếu quay số mà không rõ kiểu T hay P, hệ nhận giá trị trước o E (Echo): lệnh bật tắt echo (lệnh dội ký tự), cho phép hay tắt chế độ dội ký tự lên hình • E0 - Echo off: không cho phép dội ký tự lên hình • E1-Echo on: cho phép dội ký tự lên hình o H (On/off hook): yêu cầu modem nhấc hay gác máy • H0: gác máy (on hook) • H1: nhấc máy (off hook) Lưu ý: lệnh quay số lệnh trả lời gọi bao hàm lệnh nhấc máy, lệnh thực đèn OH modem external sáng tắt o Ln (với n=0,1,2,3) lệnh điều khiển volume loa • n=0: tắt loa • n=1: mức thấp • n=2: mức trung bình • n=3: mức cao o Mn (với n=0,1,2,3): lệnh điều khiển modem đóng/mở loa theo trình • n=0: tắt loa tất trình • n=1: loa mở kết nối thành công • n=2: loa mở tất trình • n=3: lao mở từ lúc kết nối o O : Lệnh chuyển từ Offline sang Online o Sr = n : Lệnh đặt giá trị n vào ghi Sr Trong modem có 13 ghi o Sr? : Lệnh đọc giá trị ghi Sr o V : Lệnh đổi kiểu phản ảnh kết • V0 : Phản ảnh kết số • V1 : Phản ảnh kết chữ (default) o Z : Reset modem giá trị mặc định Trong modem sử dụng profile profile profile để lưu trữ cấu hình modem Profile xem mặc định • Profile 0: S0 = 0; S1 = 0; S6 = • Profile 0: S1 = 1; S1 = 0; S6 = o &W: löu trữ cấu hình hành • W0: Lưu trữ cấu hình hành ghi số (profile 0) - Default • W1: Lưu trữ cấu hình hành ghi số (profile 1) o &F: Khôi phục lại thông số mặc định cho profile • &F0: Khôi phục lại thông số mặc định cho profile • &F1: Khôi phục lại thông số mặc định cho profile o &M: chọn chế độ hoạt động đồng hay bất đồng bộ, tham số chọn tuỳ theo modem - Các ghi modem: 13 ghi ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 31 Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu o Thanh ghi S0: có giá trị từ – 255, giá trị mặc định Thanh ghi chứa số hồi chuông mà modem phải đợi trước tự động trả lời gọi Ví dụ: ATS0=2 Ỉ modem đợi hồi chuông tự động trả lời Nếu S0=0 modem không tự động trả lời Nếu S00 neon AA modem external sáng o Thanh ghi S1: đếm số hồi chuông thu được, có giá trị từ – 255, giá trị mặc định o Thanh ghi S2: xác định giá trị thập phân ký tự mã ASCII dùng làm ký tự thoát, có giá trị từ – 127, giá trị mặc định 43 o Thanh ghi S3: có giá trị từ – 127, giá trị mặc định 13, chứa ký tự chấp nhận lệnh enter o Thanh ghi S4: xác định ký tự xuống dòng sau ký tự kết thúc o Thanh ghi S5: xác định phím xoá lui (BackSpace) giá trị mặc định o Thanh ghi S6: có giá trị từ – 255, giá trị mặc định 2s, khoảng thời gian mà modem phải đợi kể từ lúc nhấc máy đến quay số o Thanh ghi S7: xác định thời gian mà modem đợi tín hiệu sóng mang trước gác máy, gía trị mặc định 30s, có thời gian từ - 60s o Thanh ghi S8: có giá trị từ - 255, giá trị mặc định 2s, khoảng thời gian modem dừng lại gặp dấu “,” chuỗi lệnh quay số o Thanh ghi S9: đơn vị ms, giá trị mặc định 600ms, thời gian mà tín hiệu sóng mang phải diện để modem nhận biết o Thanh ghi S10: có giá trị khoảng 100 – 25500ms, giá trị mặc định 700ms, tuỳ vào khả chống nhiễu modem, thời gian cho phép tín hiệu sóng mang biến chốc lát mà không ngắt kết nối o Thanh ghi S11: xác định tốc độ quay số sử dụng phương pháp quay số tone, giá trị mặc định tùy vào modem, thường vào hkoảng 70ms o Thanh ghi S12: có giá trị từ – 255, đơn vị ms, giá trị mặc định 5ms, khoảng thời gian an toàn kể từ lúc ký tự cuối gởi lúc nhập vào ký tự thoát (+++) (chuyển offline) ĐH Kỹ thuật Công nghệ Trang 32 .. .Bài giảng thơng tin liệu mạng máy tính Chương Thông tin số liệu - Trong hệ thống truyền tin có tham gia máy tính, tin tức thông tin biểu thị dạng liệu, hệ thống mạng truyền tin gọi hệ thống mạng. .. hình ảnh, liệu số thông tin khác 1.5.1 Kỹ thuật truyền số liệu - Truyền số liệu mang số liệu từ nơi đến nơi khác Để trình truyền có độ xác 100% số liệu liệu có số liệu điều khiển Số liệu điều... truyền liệu - Dữ liệu khái niệm rộng, thuật ngữ liệu (data) hiểu thông tin biểu thị, lưu trữ dạng số nhị phân việc truyền thực thông qua việc xử lý máy tính số - Dữ liệu hai phiùa truyền tin nhận tin