3.2.4.1. Mã hóa
Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cách đơn giản là gán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một trị khác cho mức logic còn lại. Tuy nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo mã phải dựa vào một số tính chất sau:
-Phổ tần c tín hiệu:
Nếu tín hiệu có chứa tần số cao thì băng thông c ủa tín hiệu và của hệ thống phải rộng Nếu tín hiệu có thành phần DC có thể gây khó khăn trong ghép nối, thí dụ không thể ghép tín hiệu có thành phần DC qua biến thế và kết quả là không cách ly điện được.Trong thực tế, sự truyền thông xấu nhất ở các cạnh của băng thông.Vì các lý do trên, một tín hiệu tốt phải có phổ tần tập trung ở giữa một băng thông không quá rộng và không nên chứa thành phần DC.
- Sự đồng bộ
Thường máy thu phải có khả nă ng nhậ n ra điểm bắ t đầu và kết thúc của một bit để thực hiện sự đồng bộ vớ i máy phát. Nên nhớ là trong chế độ truyền đồng bộ, máy phát và thu không tạo ra xung đồng hồ riêng rẻ mà máy thu phải phục hồi xung này từ chuỗi dữ liệu phát để sử dụng. Nh ư vậy tín hi ệu truy ền phải tạo điều kiện cho máy thu phụ c hồi xung đồng hồ ẩn trong chuỗi dữ liệu, cụ thể là phải thường xuyên có sự biến đổi giữa các mức của tín hiệu.
- hả năng d s i
Độ tin cậy trong một hệ thống thông tin s ố là rất cần thiết do đó máy thu phải có khả năng dò sai để sửa chữa mà việc này có thực hiện dễ dàng hay không cũng tùy vào dạng mã.
Các dạng mã khác nhau cho khả năng miễn nhiễu khác nhau. Thí dụ mã Bipolar-AMI là loại mã có khả năng phát hiện được nhiễu.
- Mức độ phức tạp v giá th nh c hệ thống
Các đặc tính này của hệ thống cũng tùy thuộc vào dạng mã rất nhiều
a- Các dạng mã phổ biến
Dưới đây giới thiệ u một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục đích khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất nói trên (Hình 3.6)
Nonreturn - to - zero - Level (NRZ - L)
0 = mức cao 1 = mức thấp
Đây là dạng mã đơn giản nhất, hai trị điên thế cùng dấu (đơn cực) biểu diễn hai trạngthái logic. Loại mã này thường được dùng trong việc ghi dữ liệu lên băng từ, đĩa từ . . . .
Nonreturn - to - zero inverted (NRZI)
0 = chuyển mức điện thế ở đầu bit
Hình 3.7: Nonreturn - to - zero inverted
NRZI là một thí dụ của mã vi phân: sự mã hóa tùy vào sự thay đổi trạng thái của các bit liên tiếp chứ không tùy thuộc vào bản thân bit đó. Loại mã này có lợi điể m là khi giải mã máy thu chỉ cần dò sự thay đổi trạng thái của tín hiệu thì có thể phục hồi dữ liệu thay vì phải so sánh tín hiệu với một tr ị ngưỡng để xác định trạng thái logic của tín hiệu đó. Kết quả là các loại mã vi phân cho độ tin cậy cao hơn.
- Bipolar - AMI
0 = không tín hiệu (hiệu thế = 0)
1 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 1 liên tiếp
- Pseudoternary
0 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 0 liên tiếp 1 = không tín hiệu (hiệu thế = 0)
Hai loại mã có cùng tính chất là sử dụng nhiều mức điện thế để tạo mã (Multilevel Binary), cụ thể là 3 mức: âm, dương và không. Lợi điểm của loại mã này là:
- Dễ tạo đồng bộ ở máy thu do có sự thay đổi trạng thái của tín hiệu điện mặc dù các trạng thái logic không đổi (tuy nhiên điều này chỉ thực hiện đối với một loại bit, còn loại bit thứ hai sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật
ngẫu nhiên hó )
- Có điều kiện tốt để dò sai do sự thay đổi mức điện thế của các bit liên tiếp giống nhau nên khi có nhiễu xâm nhập sẽ tạo ra một sự vi phạm mà máy thu có thể phát hiện dễ dàng.
Một khuyết điểm của loại mã này là hiệu suất truyền tin kém do phải sử dụng 3 mức điện thế .
- Manchester
0 = Chuyển từ cao xuống thấp ở giữa bit 1 = Chuyển từ thấp lên cao ở giữa bit
- Differential Manchester Luôn có chuyển mức ở giữa bit 0 = chuyển
mức ở đầu bit 1 = không chuyển mức ở đầu bit
Hai mã Manchester và Differential Manchester có cùng tính chất : mỗi bit được đặc trưng bởi hai pha điện thế (Biphase) nên luôn có sự thay đổi mức điện thế ở từng bit do đó tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng bộ. Do có khả năng tự thực hiện đồng bộ nên loại mã này có tên Self Clocking Codes. Do mỗi bit được mã bởi 2 pha điện thế nên vận tốc điều chế (Modulation rate) của loại mã này tăng gấp đôi so với các loại mã khác, cụ thể , giả sử thời gian của 1 bit là T thì vận tốc điều chế tối đa (ứng với chuỗi xung 1 hoặc 0 liên tiếp) là 2/T
b- ỹ thuật ngẫu nhiên hó (Scr mbling techniques)
Để khắc phục khuyết điểm của loại mã AMI là cho một mức điện thế không đổi khi có một chuỗi nhiều bit 0 liên tiếp, người ta dùng kỹ thuật ngẫu
nhiên hóa. Nguyên tắc của kỹ thuật này là tạo ra một sự thay đổi điện thế giã
bằng cách thay thế một chuỗi bit 0 bởi một chuỗi tín hiệu có mức điện thế thay đổi, dĩ nhiên sự thay thế này sẽ đưa đến các vi phạm luật biến đổi của bit 1, nhưng chính nhờ các bit vi phạm này mà máy thu nhận ra để có biện pháp giả i mã thích hợp. Dưới đây giới thiệu hai dạng mã đã đượ c ngẫu nhiên hóa và được dùng rất nhiều trong các hệ thông tin với khoảng cách rất xa và vận tốc bit khá lớn:
- B8ZS : là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 8 bit 0 liên tục được thay
bởi một chuỗi 8 bit có cả bit 0 và 1 với 2 mã vi phạm luật đảo bit 1 - Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung dương, các bit 0 này được thay thế bởi 000 + - 0 - +
- Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung âm, các bit 0 này 000 được thay thế bởi - + 0 + -
Nhận xét bảng mã thay thế ta thấy có sự vi phạm luật đảo bit ở 2 vị trí thư 4 và thứ 7 của chuỗi 8 bit.
- HDB3 : là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 4 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 4 bit có cả bit 0 và 1 với 1 mã vi phạm luật đảo bit 1
Sự thay thế chuỗi 4 bít của mã HDB3 còn theo qui tắc sau: Cực tính của xung trước đó Số bít 1 từ lần thay thế cuối cùng
Lẻ chẵn
- 000- +00+
+ 000+ -00-
Sự vi phạm luật đảo bit xảy ra ở bit thứ 4 trong chuỗi 4 bit. Ngoài ra hệ thống Telco còn có hai loại mã là B6ZS và B3ZS dựa theo qui luật sau:
- B6ZS: Thay chuỗi 6 bit 0 bởi 0 - + 0 + - hay 0 + - 0 - + sao cho sự vi phạm xảy ra ở bit thứ 2 và thứ 5
- B3ZS: Thay chuỗi 3 bit 0 bởi một trong các chuỗi: 00 +, 00 -, - 0 - hay + 0 +, tùy theo cực tính và số bit 1 trước đó (tưong tự như HDB3).
Lưu ý là kỹ thuật ngẫu nhiên hóa không làm gia tăng lượng tín hiệu vì chuỗi thay thế có cùng số bit với chuỗi được thay thế.
(Hình 3.7) là một thí dụ của mã B8ZS và HBD3.
Hình 3.7. 3 2 4 2 Điều chế
Biến điệu hay điều chế là quá trình chuyển đổi phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi; mục đích của việc làm này là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền.
Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi một thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha....). Tùy theo thông số được lựa chọn mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha ΦM, điều chế xung PM . . . ..
a- Điều chế biên độ ( Amplitude Modul tion, AM )
e(t) = Ac cos(ωct + θ) (1)
Tín hiệu AM có được bằng cách dùng tín hiệu g(t) làm biến đổi biên độ của e(t). Biểu thức của tín hiệu AM là:
eAM(t) = [(Ac +g(t)]cosωct (2)
Để đơn giản, ta bỏ qua θ là lượng không đổi trong AM. Những tính chất cơ bản của AM dễ dàng được xác định nếu ta biết tín hiệu g(t). Xét g(t) là tín hiệu hạ tần:
g(t) = Em cosωmt (3) Như vậy:
eAM(t) = (Ac +Em cosωmt)cosωct = Ac[ 1 + (Em/Ac) cosωmt]cosωct
= Ac[ 1 + ma cosωmt] cosωct (4) Trong đó ma = Em/Ac gọi là chỉ số biến điệu vẽ dạng sóng và phổ tần
của tín hiệu AM.
Hình 3.8: Chỉ số biến điệu
Để thấy được phổ tần ta triển khai hệ thức (4):
eAM(t) = Ac cosωct + (maAc/2)cos(ωc + ωm)t + (maAc/2)cos(ωc - ωm)t (5) Từ (Hình 3.8) ta thấy băng thông của tín hiệu đã điều chế bằng hai lần tần số của tín hiệu hạ tần và được chia ra làm hai băng cạnh. Điều chế biên độ là một quá trình tuyến tính nên mỗi tầ n số của tín hiệu hạ tần tạo ra một băng
thông và trong trường hợp tín hiệu hạ tần gồm nhiều tần số khác nhau thì băng thông của tín hiệu biến điệu là:
BW = 2fm(max) fm (max) là tần số hạ tần cao nhất.
Dữ liệu số có thể được truyền bằng phương pháp điều chế AM, trong trường hợ p này gọi là kỹ thuật dời biên ( ASK, Amplitude- Shift Keying). Bit 1 được truyền đi bởi sóng mang có biên độ E1 và bit 0 bởi sóng mang biên độ E2. (Hình 3.9) minh họa tín hiệu ASK
Hình 3.9: Tín hiệu ASK b- Điều chế góc (Angle modul tion)
Ta cũng bắt đầu với sóng mang chưa điều chế: e(t) = Ac cos(ωct + θ) = Ac cosΦ(t) (6)
Nếu ωc thay đổi tương ứng với nguồn thông tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM) và nếu Φ(t) thay đổi ta có tín hiệu điều chế pha (ΦM).
Hai kỹ thuật điều chế này cơ bản giống nhau và được gọi chung là điều chế góc.
* Điều chế tần số (FM)
Tần số ω(t) là giá trị biến đổi theo thời gian của Φ(t), nghĩa là:
d t t
dt
(7) Vậy tần số của tín hiệu chưa điều chế là:
t d ct c
dt
Giả sử tín hiệu điều chế là g(t), theo định nghĩa của phép điếu chế tần số, tần số tức thời của sóng mang là:
ω(t) = ωc [1 + g(t) ] (9) Thay (9) vào (7):
Φ(t) = ∫ωc[1 + g(t)].dt = ωc t + ∫g(t).dt (10) Thay vào pt (6):
eFM(t) = Ac cos{ωc t + ωc ∫g(t).dt} (11)
Biểu thức (11) cho thấy tín hiệu g(t) được lấy tích phân trước khi được điều chế.
Xét trường hợp g(t) là tín hiệu hạ tần có dạng hình sin:
cos m g t t c (12) ∆ω là độ di tần và ωm là tần số của tín hiệu hạ tần Φ(t) = ωc t + ωc ∫ ∆ωω cosωm t.dt = ωct + mf sinωmt
với mf = ∆ω / ωm là chỉ số điều chế. Đó là tỉ số của độ di tần và tần số của tín hiệu điều chế (hạ tần).
eFM (t) = Ac cos{ ωct + mf sinωmt} (13) Để thấy phổ tần của sóng FM ta triển khai biểu thức (13): eFM (t) = AcJ0(mf) cosωct + AcJ2n(mf) [ cos(ωct +2ncosωmt) + cos(ωct -2ncosωmt)]
= AcJ2n+1(mf) { cos[ωc t + (2n+1)cosωmt] - cos[ωct - (2n+1)cosωmt]} (14)
J là hàm Bessel theo mf và n có mọi trị nguyên từ 0 đến ∞.
Từ (14) ta thấy sóng FM gồm thành phần cơ bản có tần số của sóng mang và biên độ cho bởi số hạng thứ I , J0(mf) , và các băng cạnh cho bởi các số hạng còn lại.
Vì nó lấy mọi giá trị từ 0 đế ∞ nên phổ tần của sóng FM rộng vô hạn, tuy nhiên do năng lượng tín hiệu giảm rất nhanh với tần số cao nên người ta xem băng thông trong FM xấp xĩ bằng:
BW = 2(mf .ωm + ωm ) = 2( ∆ω + ωm )
* Điều chế thời gi n xung (Pulse -time Modulation, PTM)
Điều chế thời gian xung bao gồm bốn phương pháp (H 2.16). Ba phương pháp đầu tập trung trong một nhóm gọi là điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation, PWM) (H 2.16d, e, f), phương pháp thứ tư là điều chế vị trí xung (Pulse-position modulation, PPM) (H2.16g).
Ba phương pháp điều chế độ rộng xung khác nhau ở điểm cạnh lên, cạnh xuống hay điểm giữa xung được giữ cố định trong khi độ rộng xung thay đổi theo tín hiệu điều chế.
Phương pháp thứ tư, PPM là thay đổi vị trí xung theo tín hiệu điều chế trong khi bề rộng xung không đổi. Lưu ý là kỹ thuật PTM tương tự với điều chế FM và ΦM, tín hiệu có biên độ không đổi nên ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
Phổ tần của tín hiệu đã điều chế bằng phương pháp PWM, PPM giống như phổ tầ n của tín hiệu điều chế FM (H 2.16h), nghĩa là có nhiều họa tần nên khi sử dụng PWM và PPM người ta phải gia tăng tần số xung lấy mẫu hoặc giảm độ di tần (để giới hạn băng thông của tín hiệu và tăng số kênh truyền).