Toàn bộ môi trường truyền dẫn (được gọi là kênh), đối với tín hiệu analog đều có những hạn chế nhất định, thông thường về dải thông, tạp âm, không ổn định về
thời gian gốc và đặc tuyến biên độ phi tuyến. Sự suy giảm analog này có thể gây ra lỗi trong truyền dẫn số vì vậy nó phá vỡ ưu điểm cơ bản của kĩ thuật số, một công nghệ khá hoàn hảo. Phần này bàn đến một vài công nghệ dùng để xử lý các vấn đề
gặp phải của môi trường analog trong truyền dẫn số.
Hình 3.1. là sơ đồ khối một hệ thống truyền dẫn số tiêu biểu bao gồm tất cả các phần tử có thể có trong hệ thống, mặc dù không phải tất cả mọi hệ thống đều có.
3.2.1. Mã hóa
Trong hầu hết các truờng hợp dữ liệu nhị phân gốc tạo bởi ADC không phù hợp cho truyền dẫn, vì vậy nó phải được định dạng trước khi truyền dẫn. Quá trình này được gọi là mã hóa (encoding hay coding), đây là quá trình biến đổi hoặc bổ
sung vào dữ liệu mà không làm tổn hao bất cứ nội dung thông tin nào của dữ liệu. Mã hóa có thểđược thực hiện và phá bỏ (giải mã) bằng một vài cách khác nhau để tín hiệu số truyền qua hệ thống. Kỹ thuật mã hóa trình bày ở đây chỉ sử dụng cho truyền dẫn, quá trình mã hóa bổ sung có thểđược áp dụng. Ví dụ, để thực hiện nén dữ liệu có thể làm mất lượng thông tin không quan trọng để quá trình nén đạt hiệu quả tốt hơn.
Trong ngành công nghiệp viễn thông, người ta có thể quan sát các bước của quá trình xử lý thông tin như một chuỗi các lớp của giao thức. Năm 1984 tổ chức
tiêu chuẩn quốc tế ISO phát triển mô hình liên kết các hệ thống mở (OSI) thành tiêu chuẩn IS7498. Mô hình trên xác định có bảy lớp giữa người dùng và mạch vật lí.
Đây là tiêu chuẩn được sử dụng rất rộng rãi ở Châu Âu để kết nối máy tính trên các kênh thông tin ở Mỹ, mô hình OSI cũng được sử dụng nhưng tiêu chuẩn TCP/IP lại thông dụng hơn (là cơ sở cho mạng Internet). Các lớp OSI được minh họa trong hình 3.2. Các lớp được trình bày ngắn gọn dưới đây:
Mã hóa Mã hóa Mã hóa Mã sửa lỗi Mã sửa lỗi Mã sửa lỗi
Đóng gói Điều chế Kênh truyền Khôi phục clock Giải điều chế Phân tích gói EADC Giải mã EADC EADC Giải mã Giải mã Ngỏ ra dữ liệu A Ngỏ ra dữ liệu B Ngỏ ra dữ liệu C Ngỏ vào dữ liệu A ỏ vào dữ liệu B ỏ vào dữ liệu C Ng Ng Hình 3.1. Sơđồ khối hệ thống truyền dẫn số
1. Lớp vật lí: lớp này bao gồm phần cứng vật lí thực, phần mềm liên lạc và mọi thứ cần thiết để thiết lập một kết nối vật lí và truyền dòng bit trên nó.
2. Lớp liên kết dữ liệu: lớp này điều khiển mối liên kết vật lí thực và có thể
cung cấp các chức năng xử lí lỗi.
3. Lớp mạng: lớp này xử lí phân tuyến liên lạc thông qua một mạng.
4. Lớp giao vận: lớp này là cầu nối giữa các chức năng ứng dụng và thông tin. Nó cũng thực hiện việc sửa lỗi, điều khiển luồng và chức năng ghép kênh. 5. Lớp phiên: lớp này thiết lập, xử lí và giải phóng sự kết nối thông tin.
7. Lớp ứng dụng: lớp cao nhất này là một giao diện với người sử dụng giữa dịch vụ thông tin dữ liệu và người dùng.
Các hệ thống đơn giản không dùng tất cả các lớp này. Mô hình OSI sẽđược sử
dụng trong phần dưới đây.
Lớp ứng dụng Lớp trình diễn Lớp phiên Lớp giao vận Lớp mạng Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lý Người sử dụng Phần cứng
Hình 3.2. Các giao thức của mô hình ISO tiêu chuẩn
Đầu ra của quá trình mã hóa vẫn là dòng bit nhị phân. Mặc dù một dòng bit như thế này đôi khi có thể được truyền trực tiếp tới kênh truyền analog, song việc thực hiện thêm quá trình xử lý tương tự hoặc số nhằm tạo ra tín hiệu phù hợp hơn cho kênh truyền là hoàn toàn thỏa mãn. Đầu ra của những quá trình này không còn là tín hiệu số nhị phân nữa, nó có thể có các đặc tính analog. Trong chương này, quá trình xử lý đặc trưng của kênh như trên được gọi là điều chế hoặc mã hóa kênh. Cần chú ý rằng, một vài bước mã hóa nhưđịnh nghĩa ở đây trong công nghiệp thường có ý nghĩa nhưđiều chế.
3.2.2. Dạng nối tiếp và song song
Dữ liệu số cho audio và video thường có cấu trúc dạng nhóm bit, các nhóm này trình bày một đoạn thông tin, ví dụ như pixel cho video hoặc một mẫu cho audio. Nhiều khi phần cứng tạo thông tin cung cấp dữ liệu trên một số mạch song song, trên cơ sở cấu trúc dữ liệu một mạch trên mẫu. Vì vậy, 1 bộ ADC 8 bit có thể có 8 dây đầu ra. Cấu trúc song song như vậy rất phù hợp cho việc truyền dữ liệu ở những
khoảng cách ngắn, với ưu thế tốc độ dữ liệu trên dây thấp hơn tổng tốc độ dữ liệu là số n tương ứng với số dây song song.
Tuy nhiên, việc xử lý các dây tín hiệu song sẽ gặp khó khăn nếu dữ liệu truyền dẫn nằm ngoài một box đơn, và sẽ hoàn toàn không thực hiện được nếu khoảng cách quá xa hay khi cần thiết phải sử dụng truyền dẫn vô tuyến. Trong trường hợp này dữ
liệu phải được kết thành dạng chuỗi để có thể truyền được trên một kênh đơn.
3.2.3. Đồng bộ hóa
Có hai phần cần phải đồng bộ hóa dữ liệu: (1) trích một đồng hồ giúp cho việc
đọc cũng như chốt dòng dữ liệu trở nên đáng tin cậy hơn, (2) đồng bộ hóa định dạng dữ liệu để nội dung có thểđược nhận dạng và giải mã.
3.2.3.1. Trích đồng hồ
Trong một hệ thống dữ liệu song song, một dây riêng biệt được dành riêng cho
đồng hồ tạo xung đồng bộ, vì vậy không có khó khăn gì khi trích đồng hồ. Tuy nhiên, các hệ thống nối tiếp phải chứa sẵn tín hiệu đồng hồ trong dữ liệu để thiết bị
thu có thể xác định được số bit dữ liệu một cách đáng tin cậy. Đây được gọi là tự tạo xung đồng bộ.
Một dòng dữ liệu nối tiếp có các đặc tính như một chuỗi ngẫu nhiên của các số
“1” và “0”. Điển hình là sẽ có các thành phần tín hiệu có giá trị cao ở tần số dữ liệu lập lại, thành phần này có thểđược trích bởi một vòng khóa pha (PLL) hoạt động tại tần số đó. Mục đích của việc mã hóa và điều chế là đảm bảo việc trích đồng hồ có thểđược hoàn tất với bất cứ mô hình bit dữ liệu nào.
Bộ lọc
thông thấp VCO ở tần số clock
Dạng sóng dốc thoải Dữ liệu Ngỏ ra xung clock Dạng sóng VCO dốc thoải Xung lấy mẫu Dạng sóng dữ liệu
Hình 3.3 là sơ đồ khối của một vòng khóa pha. Một bộ tạo sóng điều khiển
điện áp (VCO) hoạt động với tần số xấp xỉ bằng tần sốđồng hồ. Nó được điều khiển bởi đầu ra của bộ tách sóng pha tạo bởi quá trình lấy mẫu và lưu trữ dạng sóng thoải
ở VCO với các xung nhận được từ các biên chính của tín hiệu dữ liệu. Đầu ra của bộ
phận trích mẫu và lưu trữ có điện áp có thể làm thay đổi tần số của VCO theo hướng
đồng hồ. Tại đồng hồ, bộ phân tích sẽ kết thúc quá trình lấy mẫu tín hiệu VCO ở
gần trung tâm của mỗi bước chuyển tích cực. Do có thể có sự trượt về thời gian của tín hiệu đầu vào và đối với một vài định dạng có thể sẽ không có bước chuyển tích cực ở mọi chu kỳđồng hồ cho nên bộ lọc thông thấp ở PLL sẽ làm chậm hoạt động lại, vì vậy đồng hồđược trích vẫn ổn định.
Đầu ra ở VCO của PLL trở thành đồng hồ dữ liệu. Tuy nhiên, dữ liệu được tạo ra không đáng tin cậy bởi vì có những đoạn được mở rộng của tất cả các số “1” hoặc tất cả các số “0”, trong giai đoạn này không có thành phần tần số đồng hồ, và PLL sẽ trượt khỏi đồng hồ.
Để quá trình trích đồng hồ hoạt động một cách đáng tin cậy, phải đặt ra những
điều kiện cho dữ liệu trong quá trình mã hóa để đảm bảo là các đoạn có cùng giá trị
không quá dài. Đặc tính của dòng dữ liệu được gọi là độ dài thay đổi và kỹ thuật
điều khiển nó là giới hạn độ dài thay đổi (RLL). RLL được lượng tử hóa bằng cách xác định thời gian tối thiểu (Tmin) và tối đa (Tmax) giữa các bước chuyển của trạng thái dữ liệu trong kênh truyền. Giá trị Tmin tương ứng với thành phần tần số tối đa của dòng dữ liệu (xấp xỉ bằng 1,5 chu kỳ của tần số tối đa) và giá trị Tmax tương ứng với thời gian dài nhất mà mạch khôi phục đồng hồ phải giữ mà không có bất cứđầu vào nào.
Một thông số nữa là tỉ lệ mật độ của dữ liệu (DR), là tỉ lệ Tmin trên T, trong đó T là thời gian tối thiểu giữa các bước chuyển của dòng dữ liệu đầu vào trước khi mã hóa. DR càng lớn, thông tin được truyền bởi kênh xác định càng nhiều.
3.2.3.2. Thành phần DC
Một đặc điểm quan trọng khác của dòng dữ liệu là thành phần dc, là số trung bình dài hạn của các giá trị bit trong dòng bit. Nó quan trọng bởi vì hầu hết các phương tiện truyền dẫn không thể truyền được giá trị dc. Mất thành phần dc của dòng dữ liệu sẽ gây ra lỗi hoặc ít nhất cũng sẽ làm giảm biên của hệ thống. Một sơ đồ mã hóa tốt phải loại bỏ hoặc giảm thiểu thành phần dc.
Bảng 3.1 đưa ra danh sách một vài quá trình mã hóa và các đặc tính của nó.
Đầu vào thứ nhất trong bảng, dạng xung không trở về 0 (NRZ) là khi các số “1” và “0” của tín hiệu được truyền trực tiếp lần lượt. Đây chính là cách thức mà chúng ta thường gán cho dòng bit. Trong NRZ, bước chuyển đi tới cực dương được ấn định là “1” và bước chuyển đi tới âm được ấn định là “0”. Các chuỗi của các số “1” và
“0” lặp lại sẽ không tạo ra các bước chuyển tiếp. NRZ đơn giản nhưng không sử
dụng được bởi vì Tmax không xác định và thành phần dc lớn làm cho quá trình trích
đồng hồ không thể thực hiện được. Tên ký hiệu Tmin Tmax DR Thành phần DC Tựđồng bộ NRZI T ∞ 1 lớn không FM T/2 T 0,5 không có PE T/2 T 0,5 không có MFM T 2T 1 không có EFM 1,41T 5,18T 1,41 không có Dạng sóng 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0
Bảng 3.1. Thông số của một vài quá trình mã hóa
Một biến thể của NRZ là NRZI (NRZ- inverted). Ở xung NRZI có một bước chuyển tiếp (ở cả hai hướng) cho mọi bit “1” nhưng lại không có bước chuyển cho số “0”. Mã này vô cực nhưng lại giống với NRZ là Tmin = T và Tmax = ∞.
Sơ đồ mã hóa FM (còn được gọi là mã đánh dấu lưỡng pha) truyền hai bước chuyển kênh cho “1” và một bước chuyển cho “0”. Nó loại bỏ thành phần dc nhưng lại giảm Tmin đi một nữa, vì vậy DR chỉ còn 0,5. Nó tự tạo xung đồng hồ.
Mã PE hoặc Manchester có bước chuyển tiếp cho mọi bit, đặt ở trung tâm của ô bit. Bit “0” có bước chuyển dương và “1” có bước chuyển âm. Khi các giá trị liên tiếp là như nhau, các bước chuyển phụ có hướng đối lập được thêm vào giữa các ô bit, nó sẽ cho ra cùng một kết quả như mã hóa FM: không có DC và DR = 0,5.
Ở mã MFM, hay còn gọi là điều chế trễ hoặc mã Miller, “1” được mã hóa bởi bước chuyển của cả hai hướng trị trung tâm của khoảng bit, trong khi không có bước chuyển nào ở vị trí này cho số “0”. Một chuỗi các số “0” sẽ có bước chuyển
đơn cuối mỗi khoảng bit. Nó cho DR=1 với thành phần DC nhỏ.
3.2.3.3. Mã hóa nhóm
Có thể thực hiện được nhiều mã trên các nhóm bit dữ liệu, cách này được sử
dụng rất rộng rãi. Nó thường có dạng cộng thêm một số bit phụ nào đó với dữ liệu
để cho phép kiểm soát được các đặc tính của dòng dữ liệu độc lập với dữ liệu vào bộ
mã hóa. Ví dụ, một phương pháp thông dụng điều chế 8 thành 14 (EFM) chia các bit dữ liệu thành các nhóm 8 bit và cộng thêm 6 bit bổ sung cho mỗi nhóm có nghĩa là sẽ có 14 bit thực sựđược truyền cho 8 bit dữ liệu.
Việc chèn các bit phụ trong EFM được thực hiện bằng cách sử dụng bảng tra cứu cung cấp 14 bit cho mỗi giá trị 8 bit đầu vào (nội dung của bảng mã hóa như thế
này được gọi là bảng mã) bảng có 256 đầu vào 14 bit. Do một từ 14 bit có thể biểu thị tới 16384 giá trị và chỉ có 256 là cần thiết, cho nên giá trị 14 bit thực sự cần sử
dụng phải được chọn lọc cẩn thận để kiểm soát Tmin, Tmax và thành phần DC. Các cách lựa chọn khác nhau này dẫn đến các hệ thống điều chế khác nhau. Tất nhiên phương pháp phải được tiêu chuẫn hóa, bởi vì bộ giải mã phải biết nội dung chính xác của bảng mã được sử dụng.
Để EFM chọn các giá trị 14 bit, sẽ có khả năng hai hay nhiều bit được chọn cặp với nhau. Khi hai bit đầu ra ứng với (2x8)/14 = 1,14 bit đầu vào, Tmin = 1,14 (Tmin được tính theo số bit đầu vào). DR có cùng giá trị, do vậy bằng cách cộng 6 bit vào 8 bit chúng ta có thể truyền được hơn 14% dữ liệu. Điều này xảy ra bởi vì sự
lựa chọn các giá trị EFM 14 bit tránh được tất cả cách bước chuyển tiếp bit đơn bằng cách giảm một nửa độ rộng của kênh truyền như yêu cầu. Quá trình mã hóa EFM giới hạn số bit đầu ra theo đoạn tối đa là 7, vì vậy tính theo số bit đầu vào Tmax=(7x8)/14=4.
Trên thực tế, quá trình EFM phức tạp hơn quá trình được miêu tả trên đây rất nhiều do không đủ các giá trị 14 bit tương ứng đầy đủ mọi điều kiện khi xem xét một chuỗi mã 14 bit kề nhau. Đểđảm bảo các mô hình bit được tạo ra tại quá trình ghép các đoạn mã 14 bit không vi phạm các điều kiện của hệ thống đặc ra cho Tmin, Tmax và thành phần DC, bộ mã hóa EFM cũng phải kiểm tra tình trạng này và chọn 1 trong 4 giá trị 14 bit xen kẽ phù hợp. Vì vậy, bảng tra cứu sự thực phải lưu trữ được 1024 giá trị bit. Danh sách trong bảng 3.1 cũng đưa ra các thông số cho mã EFM đặc biệt sử dụng cho máy ghi hình từ tính D-3.
3.2.3.4. Mô hình dạng mắt
Tín hiệu số tiêu biểu trong một kênh truyền dẫn sẽ bị lẫn tạp âm như mô tả
trong hình 3.4(a). Một đồng hồ được trích từ tính hiệu này cũng có thể có sự dịch chuyển thời gian tương đối so với tín hiệu. Để kiểm tra hệ thống, hai trong những
đặc tính này có thể quan sát thấy trên máy hiện sóng bằng cách hiển thị tín hiệu với các xung răng cưa quét dòng đồng bộ với xung đồng hồ được trích. Đây gọi là mô hình dạng mắt và được mô tả trên hình 3.4(b). Mô hình này chỉ ra tín hiệu dịch chuyển xung quanh một vùng mở (dạng mắt), trung tâm của nó có thể biểu thị điểm lấy mẫu lý tưởng của tín hiệu, tức là tại đó có thể nhận được sự phân tách dữ liệu
đáng tin cậy nhất. Khi chỉ tiêu truyền dẫn không đặt lên hàng đầu, mắt sẽ nhỏ hơn và việc xác định điểm lấy mẫu càng phải được giới hạn để duy trì tỉ lệ lỗi thấp. Như đã minh họa trên hình, độ cao và độ rộng của mắt theo thứ tự biểu thị biên của biên
3.2.3.5. Nhận dạng định dạng dữ liệu
Khả năng phát hiện các số “1” và “0” của dữ liệu được mã hóa chỉ là một phần