Chương 4 - Tín hiệu. Chương này cung cấp cho người học những nội dung kiến thức về đặc điểm của tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Mời các bạn tham khảo!
Bài giảng: Truyền số liệu Chương 4: Tín hiệu CHƯƠNG 4: TÍN 4.1 HIỆU TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Tín hiệu có dạng tương tự (analog) hay số (digital) Thuật ngữ liệu tương tự cho biết thông tin liên tục, cịn liệu số cho biết thơng tin có trạng thái rời rạc Dữ liệu tương tự có giá trị liên tục hay có vô hạn giá trị tầm hoạt động Dữ liệu số có giá trị rời rạc, hay có số hữu hạn giá trị Trong truyền số liệu, ta thường dùng tín hiệu tương tự có chu kỳ tín hiệu số khơng có chu kỳ Hình 4.1 So sánh tín hiệu tương tự tín hiệu số Phân loại: Tín hiệu tương tự có chu kỳ khơng có chu kỳ 4.1.1 Tín hiệu tương tự có chu kỳ Có thể chia thành tín hiệu đơn (điều hồ) tín hiệu hỗn hợp(tổng hợp nhiều tín hiệu điều hồ) Xét tín hiệu tương tự có chu kỳ đơn giản, thí dụ sóng sin; ta thấy khơng thể phân tích tín hiệu thành thành phần đơn giản Tín hiệu tương tự có chu kỳ tín hiệu hỗn hợp tổ hợp nhiều sóng sin đơn giản Thí dụ, hình 4.2 vẽ sóng sin : Hình 4.2 Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 29 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Chương 4: Tín hiệu Thí dụ 1: Nguồn điện khu vực biểu diễn sóng sin có biên độ đỉnh từ 155 đến 170 V Tuy nhiên, nguồn Mỹ từ 110 V đến 120 V Khác biệt tùy thuộc vào giá trị hiệu dụng RMS Trong đó, trị đỉnh -đỉnh 2 trị RMS Hình 4.3 vẽ hai tín hiệu có tần số trị đỉnh khác Hình 4.3 Thí dụ 2: Nguồn áp từ pin khơng đổi, thí dụ, trị đỉnh pin AA thường 1,5 V Tần số chu kỳ Tần số chu kỳ nghịch đảo nhau: f = T T = ; f có thứ ngun Hz T có thứ nguyên giây f Bảng 1: Đơn vị chu kỳ tần số Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 30 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Chương 4: Tín hiệu Thí dụ 3: Nguồn điện khu vực có tần số 60 Hz Chu kỳ sóng sin xác định sau: T= 1 = = 0,0166 x10 ms = 16,6ms f 60 Thí dụ 4: Viết giá trị chu kỳ 100 ms sang đơn vị μs 100 ms = 100 x103μs = 105 μs Thí dụ 5: Chu kỳ tín hiệu 100 ms Tính tần số tín hiệu theo KHz f = 1 1000 = = = 10 Hz = 10 x10 −3 KHz = 10 −2 KHz −3 100 T 100 x10 Pha: Pha mơ tả vị trí tương đối tín hiệu so với trị Hình 4.4 Mơ tả tín hiệu có tần số, biên độ, khác pha Thí dụ 6: Một sóng sin lệch 1/6 chu kỳ theo gốc thời gian Tính góc pha theo độ theo radian Giải: Một chu kỳ 3600, 1/6 chu kỳ là: (1/6)x3600=600= 60x(2π/360)rad=(π/3) rad = 1,046 rad Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 31 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Hình 4.5 Hình 4.6 Chương 4: Tín hiệu Vẽ quan độ dài sóng chu kỳ Vẽ cách biểu diễn tín hiệu miền thời gian miền tần số Chú ý: Một sóng hồn tồn sin biểu diễn gai đơn miền tần số Thí dụ 7: Cách biểu diễn miền tần số hữu hiệu kh dùng với nhiều sóng sin Thí dụ hình 4.8 minh họa dạng sóng sin, biểu diễn gai nhọn miền tần số Ghi chú: Tín hiệu sóng sin dùng tần số khơng hữu dụng thơng tin số ta cần gởi tín hiệu hỗn hợp, nên cần tạo tín hiệu gồm nhiều tần số sóng sin Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 32 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Chương 4: Tín hiệu Theo dùng phân tích Fourier, khai triển tín hiệu hỗn hợp thành nhiều tín hiệu sóng sin có tần số, biên độ pha khác Nếu tín hiệu hỗn hợp tuần hồn, phân tích cho chuỗi tín hiệu có tần số rời rạc, cịn tín hiệu khơng có chu kỳ, phân tích cho tổ hợp sóng sin có tần số liên tục Thí dụ 8: Hình vẽ sóng hỗn hợp có chu kỳ f Dạng tín hiệu khơng tiêu biễu kỹ thuật truyền số liệu Xét tín hiệu cảnh báo, có tần số khác Việc phân tích tín hiệu này, giúp ta hiểu rõ phương thức khai triển tín hiệu hỗn hợp Hình 4.7 Hình 4.8 Một tín hiệu hỗn hợp tuần hồn Khai triển tín hiệu hỗn hợp có tuần hoàn, miền thời gian miền tần số 4.1.2 Tín hiệu tương tự khơng tuần hồn: Thí dụ 9: Hình 11 vẽ tín hiệu hỗn hợp khơng tuần hồn Đó dạng tín hiệu rừ micrô hay từ điện thoại phát ân từ two Trong trường hợp tín hiệu hỗn hợp khơng thể tuần hồn được, ta khơng thể phát âm nhiều lần từ với âm sắc Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 33 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Hình 4.9 Chương 4: Tín hiệu Biểu diễn tín hiệu khơng tuần hồn miền thời gian miền tần số Ghi chú: Băng thơng (băng thơng) tín hiệu hỗn hợp sai biệt tần số cao thấp có tín hiệu Hình 4.10 Băng thơngcủa tín hiệu hỗn hợp tuần hồn khơng tuần hồn Thí dụ 10: Nếu phân tích tín hiệu tuần hồn thành sóng hài sin có tần số 100, 300, 500, 700 900 Hz Cho biết băng thông tín hiệu? Vẽ phổ với giả sử tất sóng hài có giá trị lớn 10V Giải: Gọi fh tần số cao nhất, fl thấp nhất, B khỗ sóng, Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 34 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Chương 4: Tín hiệu B = fh - fl = 900 – 100 = 800 Hz Phổ gồm gai nhọn xuất tần số 100, 300, 500, 700 900 Hz vễ hình 13 Hình 4.11 Khỗ sónng dùng thí dụ 10 Thí dụ 11: Tín hiệu tuần hồn có băng thông 20 Hz Tần số cao 60 Hz, tìm tần số thấp nhất? Vẽ phỗ tín hiệu sóng hài chứa có biên độ giống Giải: Gọi fh tần số cao nhất, fl thấp nhất, B khỗ sóng, B = fh - fl ⇒ 20 = 60 – fl ⇒ fl =60 – 20 = 40 Hz Phổ chứa tất tần số có giá trị nguyên, vẽ hình 11 Hình 4.12 Băng thơngcủa thí dụ 11 Thí dụ 12: Một tín hiệu hỗn hợp khơng tuần hồn có băng thơng 200 kHz, có tần số trung tâm 140 kHz, biên độ đỉnh 20 V Hai giá trị biên độ hai tần số cực trị Vẽ tín hiệu miền tần số Giải: Tần số thấp phải 40 kHz tần số cao 240 kHz Hình 15 vẽ tín hiệu miền tần số Băng thơng Thí dụ 13: Băng thơng từ thí dụ 12 Hình 4.13 Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 35 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Chương 4: Tín hiệu Thí dụ 14: Một thí dụ tín hiệu hỗn hợp khơng tuần hồn tín hiệu lan truyền sóng AM Tại Mỹ, sóng AM có băng thơng 10 KHz Băng thơng chung dùng cho phát sóng AM từ 530 KHz đến 1700 KHz Thí dụ 15: Một thí dụ tín hiệu hỗn hợp khơng tuần hồn sóng FM Tại Mỹ, sóng FM có băng thơng 200 KHz băng thơng chung dùng cho phát sóng FM từ 88 đến 108 MHz Thí dụ 16: Một thí dụ khác tín hiệu hỗn hợp dùng tuyền tín hiệu truyền hình đen trắng Màn hình TV đươc tạo nên từ nhiều điểm ảnh (pixel) Giả sử độ phân giải 525 x 700, ta có 367.500 pixel hình Nếu qt 30 dịng giây, ta có 367.500 x 30 = 11.025.000 pixel giây Tình xấu tín hiệu liên tiếp đen trắng Ta gởi pixel cho chu kỳ Như thế, cần có 11.025.000/2 = 5.521.500 chu kỳ giây (Hz) Vậy, băng thơng cần thiết 5,5125 MHz 4.2 TÍN HIỆU SỐ Thay dùng tín hiệu tương tự, ta có dùng tín hiệu số để biểu diễn thơng tin Thí dụ, dùng mức điện áp dương để mã hóa dùng điện áp khơng cho Một tín hiệu số cịn có nhiều hai mức, điều cho phép gởi nhiều bit cho mức Hình 4.14 Hai dạng tín hiệu số: dùng hai mức dùng bốn mức Thí dụ 17: Một tín hiệu số có mức Cho biết truyền bit cho mức? Giải: Ta tính số bit theo cơng thức sau: Số bit mức = log2 = Như mức tín hiệu truyền được bit Thí dụ 18: Một tín hiệu số có mức Cho biết truyền bit cho mức? Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 36 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Chương 4: Tín hiệu Giải: Tính số bit theo cơng thức vừa trình bày thí dụ 17: Mỗi mức tín hiệu truyền log2 9= 3,17 bit Rõ ràng kết không thực Số bit cần truyền cần số nguyên tương đương với số mũ Trong trường hợp nên dùng bit cho mức tín hiêu truyền Thí dụ 19: Giả sử ta cần tải tài liệu văn với tốc độ 100 trang giây, trang trung bình có 24 dịng dịng có 80 ký tự, ký tự có bit Tìm số bit cần truyền 1s? Giải: Một trang trung bình có 24 dịng 80 ký tự dòng, giả sử cần bit để biểu diễn ký tự thì, tốc độ bit (bit rate) là: 100 x 24 x 80 x = 1.636.000 bps = 1,636 Mbps Thí dụ 20: Một kênh thoại rời rạc hóa, cấu tạo từ tín hiệu tương tự có băng thơng tín hiệu thoại KHz ta cần lấy mẫu tín hiệu với hai lần tần số cao Với giả sử mẫu cần bit, hỏi tốc độ bit (bit rate) bao nhiêu? Giải: Tốc độ bit tính theo: x 4.000 x = 64.000 bps = 64 Kbps Thí dụ 21: Cho biết tốc độ bit (bit rate) truyền hình độ phân giải cao (HDTV)? Giải: HDTV dùng tín hiệu số để truyền tín hiệu hình chất lượng cao Mán hình HDTV thuờng có tỉ lệ 16:9 Như có 1.920 x 1080 pixel cho hình, với tốc độ qt dịng 30 lần giây Mỗi pixel màu cần biểu diễn 24 bit 1.920 x 1.080 x 30 x 24 = 1.492.992.000 hay 1,5 bps Các đài phát hình dùng phương pháp nén tín hiệu xuống cịn từ 20 đến 40 Mbps/ Ghi chú: Tín hiệu số dạng tín hiệu hỗn hợp tương tự có băng thơng vơ Hình 4.15 Tín hiệu số tuần hồn khơng tuần hồn đươc biểu diễn miền thời gian miền tần số Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 37 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Hình 4.16 Truyền dẫn dải tần sở (Baseband transmission) Hình 4.17 Hình 4.18 Chương 4: Tín hiệu Băng thơng hai kênh thông tần số thấp Truyền dẫn dải tần sở dEùng môi trường chuyên dụng Ghi chú: Truyền dẫn tín hiệu số dải tần sơ sở trì dạng tín hiệu số ta dùng kênh truyền thông tần số thấp có băng thơng lớn hay băng thơng vơ hạn Thí dụ 22: Một thí dụ kênh chuyên dụng tồn băng thơng mơi trường dùng truyền kênh mạng LAN Hầu hết mạng LAN dùng dây dẫn dùng kênh chuyên dụng cho hai trạm thông tin lẫn Trong cấu hình mạng dạng bus với dùng kết nối nhiều điểm, thời điểm, có hai trạm thông tin với (chia thời gian: timesharing), trạm khác phải đợi Trong cấu hìn mạng LAN hình sao, tồn mạng hub dùng để thông tin hai đối tượng Phần trình bày chi tiết chuơng mạng LAN Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 38 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Hình 4.19 Chương 4: Tín hiệu Xấp xỉ thơ tín hiệu số dùng sóng hai (trong trườnghợp xấu nhất: (worst case) Hình 4.20 Mơ tín hiệu số dùng sóng hài bậc ba Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 39 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Chương 4: Tín hiệu Ghi chú: Khi truyền dẫn dải tần sở băng thơng cần thiết tỉ lệ với tốc độ bit (bit rate); ta muốn truyền bit nhanh hơn, cần phải có băng thơng rộng Bảng 2: Băng thơngcần có Thí dụ 23: Tìm băng thơng cần có kênh truyền thông tần số thấp cần gởi với tốc độ Mbps dùng phương pháp truyền dải tần sở Giải: Lời giải cịn tùy theo mức xác cần có: a Băng thơng tối thiểu, B = (tốc độ bit)/2, tức 500 KHz b Tốt dùng hài bậc bậc ba, tức B = x 500KHz = 1,5 MHz c Tốt hài bậc một, bậc ba bậc năm, B = x 500 KHz = 2,5 MHz Thí dụ 24: Ta dùng hai kênh thơng tần số thấp có băng thơng 100 KHz, cho biết tốc độ truyền bit tối đa bao nhiêu? Giải: Tốc độ truyền bit tối đa đạt ta dùng sóng hài bậc Tốc độ bit x (băng thơng có), tức 200 Kbps Hình 4.21 Băng thơngcủa kênh dải thơng Ghi chú: Nếu kênh truyền kênh thông dải, ta truyền tín hiệu số qua kênh trực tiếp được, mà cần chuyển đổi sang tín hiệu tương tự trước truyền Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 40 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Hình 4.22 Chương 4: Tín hiệu Điều chế tín hiệu số để truyền dẫn kênh truyền thơng dải Thí dụ 25: Một thí dụ truyền dẫn băng rộng dùng phương pháp điều chế trường hợp gởi tín hiệu từ máy tín qua dây thuê bao điện thoại, đường nối từ máy thuê bao đến tổng đài Các dây thiết kế dùng cho truyền thoại với băng thôngrất hạn chế Kênh truyền xem kênh truyền thông dải Ta cần chuyển đổi tín hiệu số từ máy tính thành tín hiệu tương tự, gởi tín hiệu âm tần Ta cần thiết lập hai chuyển đổi để chuyển tín hiệu số sang tương tư gởi ngược lại đầu thu Bộ chuyển đổi gọi modem nghiên cứu kỹ chương modem Thí dụ 26: Thí dụ thứ hai hệ thống đện thoại số di động (digital cellular telephone) Để nhận tốt, điện thoại di động số chuyển tín hiệu thoại tương tự thành tín hiệu số Mặc dù băng thôngđược qui hoạch cho điện thoại di động rộng, ta gởi trực tiếp tín hiệu số mà khơng chuyển đổi Lý kênh truyền người gọi người gọi lại có dạng kênh thơng dải, nên thiết phải chuyển đổi tín hiệu thoại dạng số sang tín hiệu tương tự dạng hỗn hợp trước gởi Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 41 https://fb.com/tailieudientucntt ... dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 40 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Hình 4. 22 Chương 4: Tín hiệu Điều chế tín hiệu số để truyền dẫn kênh truyền thơng... 4. 20 Mơ tín hiệu số dùng sóng hài bậc ba Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 39 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Chương 4: Tín hiệu Ghi chú: Khi truyền. .. 60x(2π/360)rad=(π/3) rad = 1, 046 rad Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng CuuDuongThanCong.com Trang 31 https://fb.com/tailieudientucntt Bài giảng: Truyền số liệu Hình 4. 5 Hình 4. 6 Chương 4: Tín hiệu Vẽ quan độ