Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu - Chương 3: Các kỹ thuật cơ bản trong truyền dữ liệu - Lê Nam Dương

Data Communication Technology 143 Chƣơng 3 Các kỹ thuật cơ bản trong truyền dữ liệu  Các mã truyền  Cấu hình kết nối cơ bản  Kỹ thuật mã hóa và điều chế  Kỹ thuật đồng bộ  Kỹ thuật truy nhập đƣờng truyền  Kỹ thuật phát hiện sai và sửa lỗi  Kỹ thuật nén dữ liệu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 144 Các mã truyền  Mã Morse  Mã Baudot  Mã EBCDIC  Mã ASCII  Mã Unicode CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 145  Mã Moore là tập hợp các chuỗi chấm và gạch biểu diễn các ký tự và chứ số  Baudot (Emile Baudot)  5 bit (32 mã)  dùng 2 mã 5 bit (letter & figure) để mã hết các ký tự, chữ số và dấu  ASCII (American Standard Code for Information Interchange)  7 bit (128 mã), bao gồm các ký tự chữ thƣờng và hoa, các ký tự chữ số, các ký tự dấu chấm câu và các ký tự đặc biệt.  Phổ biến nhất hiện nay đƣợc sử dụng trong giao tiếp dữ liệu tuần tự.  EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code)  8 bit  Đƣợc dùng trong các hệ thống máy tính IBM  Unicode  16 hoặc 32 bit  Hứa hẹn đƣợc sử dụng rộng rãi trong tƣơng lai CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 146 Mã Baudot CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 147 Mã ASCII CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 148 Cấu hình kết nối cơ bản  P2p – point to point – điểm điểm  Cung cấp liên kết dành riêng cho 2 T/B  Dùng cáp đồng, cáp quang, vô tuyến  Đa điểm – multi point  Nhiều hơn hai thiết bị nối kết với nhau  Mô hình  Hình cây, hình lưới, hình sao, hình vòng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 149 Kết nối hình cây PC1 PC2 PC4 PC3 SERVER CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 150 Kết nối hình lƣới PC1 PC2 PC4 PC3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 151 Kết nối hình sao HUB PC1 PC2 PC4 PC3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 152 Kết nối hình vòng PC4 PC1 PC2 PC3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 153 Chế độ truyền  Simplex mode  Không dùng rộng rãi vì không thể gởi ngược lại lỗi hoặc tín hiệu điều khiển cho bên phát  Television, teletext, radio  Half-duplex mode  Bộ đàm  Full-duplex mode  Điện thoại One-way only Simplex operation Half-duplex operation Two-way but not at the same time Full-duplex operation Both-way at the same time CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 154 Kỹ thuật mã hóa và điều chế  Thường dùng tín hiệu số cho dữ liệu số và tín hiệu analog cho dữ liệu analog  Có thể dùng tín hiệu analog để mang dữ liệu số  Modem  Có thể dùng tín hiệu số để mang dữ liệu analog  Compact Disc audio CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 155  Truyền dẫn analog  Không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền (số hoặc tương tự)  Suy giảm khi truyền xa  Dùng bộ khuếch đại (amplifier) để truyền dữ liệu đi xa  Khuếch đại cả tín hiệu lẫn nhiễu  Truyền dẫn số  Quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền.  Nhiễu và sự suy giảm tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến sự tích hợp.  Dùng bộ lặp (repeater) để truyền dữ liệu đi xa.  Không khuếch đại nhiễu. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 156  Analog data/Analog Signal  Gởi bình thường hoặc mã hóa vào phần phổ khác  Analog data/Digital Signal  Mã hóa dùng bộ codec để tạo ra chuỗi bit số  Digital Data/Analog Signal  Được mã hóa dùng modem để tạo ra t/h tương tự  Digital Data/Digital Signal  Biểu diễn trực tiếp dữ liệu hoặc mã hóa để tạo ra t/h số có đặc tính mong muốn  Analog Signal/Analog Transmission  Lan truyền thông qua các bộ khuếch đại, xử lý t/h như nhau bất kể dữ liệu là số hoặc tương tự  Analog Signal/Digital Transmission  Giả sử t/h biểu diễn dữ liệu số, lan truyền qua các bộ repeater  Digital Signal/Analog Transmission  Không dùng  Digital Signal/Digital Data  T/h là chuỗi nhị phân lan truyền qua các bộ repeater Analog and digital transmission Analog data Analog signal Digital signal Digital data Analog signal Digital signal CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 157 Digital  Digital  Tín hiệu số  Xung điện áp rời rạc, không liên tục  Mỗi xung là một phần tử tín hiệu  Dữ liệu nhị phân được mã hóa thành các phần tử tín hiệu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 158 Unipolar  Mức 1 được mã hóa là một mức điện áp dương hoặc âm nào đó  Mức 0 là điện áp 0 v  Mức trung bình DC khác 0  Khó xác định thời điểm xuất hiện bit khi mức tín hiệu ít thay đổi  Đơn giản, ngày nay ít dùng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 159 Unipolar 0 1 0 0 1 1 1 0 Mã hóa Unipolar CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 160 Polar  Dùng 2 mức điện áp âm và dương  Thành phần trung bình giảm đáng kể  Đối với mã hóa Manchester và Manchester vi sai thì thành phần DC hoàn toàn bằng 0 vì:  Một bit được mã hóa bởi 2 mức điện áp ngược nhau trong 1/ 2 chu kỳ của bit đó CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 161 Polar CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 162 Nonreturn to zero (NRZ)  Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)  2 mức điện áp khác nhau cho bit 1 và bit 0  Thông thường điện áp dương dùng cho bit 0 và điện áp âm dùng cho bit 1  Nonreturn to Zero Inverted (NRZ-I)  NRZ-I cho các bit 1  Dữ liệu được mã hóa căn cứ vào việc có hay không sự thay đổi tín hiệu ở đầu thời khoảng bit.  Bit 1: được mã hóa bằng sự thay đổi điện áp (có transition)  Bit 0: được mã hóa bằng sự không thay đổi điện áp (không có transition) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 163 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 164 Nonreturn to Zero (NRZ)  Mã hóa sai phân  Dữ liệu được biểu diễn bằng việc thay đổi tín hiệu (thay vì bằng mức tín hiệu)  Nhận biết sự thay đổi dễ dàng hơn so với nhận biết mức  Trong các hệ thống truyền dẫn phức tạp, cảm giác cực tính dễ dàng bị mất  Ưu và nhược điểm của mã hóa NRZ  Ưu  Dễ dàng nắm bắt  Băng thông dùng hiệu quả  Nhược  Có thành phần một chiều  Thiếu khả năng đồng bộ  Dùng trong việc ghi băng từ  Ít dùng trong việc truyền tín hiệu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 165 RZ  Return to zero  Dùng 3 mức điện áp: dương, âm, zero  Tín hiệu thay đổi trong khoảng mỗi bit  Tín hiệu thay đổi trong khoảng mỗi bit  Bit 0: thay đổi từ âm đến zero  Bit 1: thay đổi từ dương xuống zero  Đồng bộ bit hiệu quả  Đòi hỏi băng thông rộng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 166 Return to Zero (RZ) Time Value 0 1 0 0 1 1 1 0 These transitions can be used for synchronization CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 167 Biphase  Manchester  Thay đổi ở giữa thời khoảng bit  Thay đổi được dùng như tín hiệu đồng bộ dữ liệu  LH biểu diễn 1  HL biểu diễn 0  Dùng trong IEEE 802.3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 168 Biphase  Differential Manchester  Thay đổi giữa thời khoảng bit chỉ dùng cho đồng bộ  Thay đổi đầu thời khoảng biểu diễn 0  Không có thay đổi ở đầu thời khoảng biểu diễn 1  Dùng trong IEEE 802.5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 169 Biphase  Ưu và nhược điểm  Nhược điểm  Tối thiểu có 1 thay đổi trong thời khoảng 1 bit và có thể có 2  Tốc độ điều chế tối đa bằng 2 lần NRZ  Cần băng thông rộng hơn  Ưu điểm  Đồng bộ dựa vào sự thay đổi ở giữa thời khoảng bit (self clocking)  Không có thành phần một chiều  Phát hiện lỗi  Khi thiếu sự thay đổi mong đợi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 170 Biphase CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 171 Bipolar  Có 3 loại chính  AMI  B8ZS  HDB3  Dùng 3 mức điện áp: dương, âm, zero  Bit 0 có điện áp 0  Bit 1 có sự thay đổi mức điện áp dương âm xen kẽ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 172 AMI  AMI: Alternate Mark Inversion  Bit 0: điện áp mức Zero  Bit 1: thay đổi mức dương âm cho hai bit 1 kế cận.  Trung bình DC bằng 0  Không đảm bảo đồng bộ bit khi có nhiều bit 0 kéo dài. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 173 AMI 0 0 1 0 0 1 1 0 t CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 174 B8ZS  B8ZS (Bipolar With 8 Zeros Substitution)  Dựa trên bipolar-AMI  Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là dương, mã thành 000+–0–+  Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là âm, mã thành 000–+0+–  Gây ra 2 vi phạm mã AMI  Có thể lầm lẫn với tác động gây ra bởi nhiễu  Bộ thu phát hiện và diễn giải chúng thành 8 số 0 liên tiếp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 175 B8ZS CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 176 Ví dụ Amplitude Time 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 177 HDB3 HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)  Dựa trên bipolar-AMI  Chuỗi 4 số 0 liên tiếp được thay thế theo quy luật như sau:  Làm những sai phạm khi gặp 4 bit 0 liên tiếp  Dựa vào số bit 1 suất hiện từ lần thay thế cuối cùng  Chẵn: Bit 0 thứ nhất và thứ tư được mã hóa thành bit vi phạm  Lẽ: Bit 0 thứ tư được mã hóa thành bit vi phạm CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 178 HDB3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 179 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 Amplitude Time CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 180 So sánh các phƣơng pháp mã hóa  Phổ tín hiệu  Việc thiếu thành phần tần số cao làm giảm yêu cầu về băng thông  Tập trung công suất ở giữa băng thông  Đồng bộ  Đồng bộ bộ thu và bộ phát  Tín hiệu đồng bộ ngoại vi  Cơ chế đồng bộ dựa trên tín hiệu  Khả năng phát hiện lỗi  Có thể được tích hợp trong cơ chế mã hóa  Nhiễu và khả năng miễn nhiễm  Vài mã tốt hơn các mã khác  Độ phức tạp và chi phí  Tốc độ tín hiệu cao hơn (và do đó tốc độ dữ liệu cao hơn) dẫn tới chi phí cao  Vài mã đòi hỏi tốc độ tín hiệu cao hơn tốc độ dữ liệu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 181 Digital  Analog Digital/Analog modulation Digital  Analog FSK PSK ASK QAM CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 182  Ứng dụng  Dùng để truyền dữ liệu số trên mạng điện thoại công cộng  300Hz  3400Hz  Thiết bị  MODEM (MOdulator-DEMulator)  Kỹ thuật  Điều biên: Amplitude-Shift Keying (ASK)  Điều tần: Frequency-Shift Keying (FSK)  Điều pha: Phase-Shift Keying (PSK) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 183 Các yếu tố của digitalAnalog  Tốc độ bit và tốc độ baud  Tốc độ bit là số bit được truyền trong một giây  Tốc độ baud là số đơn vị tín hiệu trong một giây cần có để biểu diễn số bit được truyền.  Tín hiệu sóng mang  Trong truyền dẫn analog thì thiết bị phát tạo ra tần số sóng cao tần làm nền cho tín hiệu thông tin được gọi là tần số sóng mang (sóng mang)  Thiết bị thu được chỉ định để thu tần số sóng mang trong đó có tín hiệu số được điều chế và tín hiệu mang thông tin được gọi là tín hiệu điều chế. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 184 Ví dụ 1  Một tín hiệu analog mang 4 bit trong mỗi phần tử tín hiệu. Nếu 1000 phần tử tín hiệu được gởi trong một giây, xác định tốc độ baud và tốc độ bit.  Giải:  Tốc độ baud = số đơn vị tín hiệu = 1000 baud/giây  Tốc độ bit = tốc độ baud x số bit trong một đơn vị tín hiệu =1000 x 4 = 4000 bps. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 185 Ví dụ 2  Tốc độ bit của tín hiệu là 3000. Nếu mỗi phần tử tín hiệu mang 6 bit, cho biết tốc độ baud?  Giải  Tốc độ baud = tốc độ bit/ số bit trong mỗi phần tử tín hiệu = 3000/6 =500 baud/giây CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 186 Điều biên (ASK)  Dùng 2 biên độ khác nhau của sóng mang để biểu diễn 0 và 1 (thông thường một biên độ bằng 0)  Sử dụng một tần số sóng mang duy nhất  Phương pháp này chỉ phù hợp trong truyền số liệu tốc độ thấp (~1200bps trên kênh truyền thoại)  Tần số của tín hiệu sóng mang được dùng phụ thuộc vào chuẩn giao tiếp đang được sử dụng  Kỹ thuật được dùng trong cáp quang      00 1)2cos( )( binary binarytfA ts c CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 187 Điều biên (ASK) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 188 Điều biên (ASK) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 189 Băng thông dùng cho ASK  Khi phân tích phổ tín hiệu điều chế ASK, ta có giá trị phổ trong đó có các yếu tố quan trọng là sóng mang fc ở giữa, các giá trị fc – Nbaud/2 và fc + Nbaud/2 ở hai biên. Amplitude Frequency fC Minimum bandwidth = Nbaud fC + Nbaud/2fC – Nbaud/2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 190  Băng thông cần thiết cho ASK được tính theo: BW = (1+d).Nbaud = (1+d).Rbaud ≈ Rbaud  Trong đó:  BW: băng thông  Rbaud, Nbaud: tốc độ baud  d: là thừa số liên quan đến điều kiện đường dây (có giá trị bé nhất là 0) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 191 Ví dụ  Tìm băng thông của tín hiệu ASK truyền với tốc độ bit 2 kbps. Chế độ truyền bán song công.  Giải Trong ASK, tốc độ bit bằng tốc độ baud. Tốc độ baud là 2000, nên tín hiệu ASK cần có băng thông tối thiểu bằng tốc độ baud. Như thế, băng thông tối thiểu là 2000 Hz. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 192 Ví dụ  Tín hiệu ASK có băng thông là 5000 Hz, tìm tốc độ bit và tốc độ baud?  Giải: Trong ASK thì tốc độ baud bằng băng thông, tức là tốc độ baud là 5000, đồng thời do tốc độ bit bằng tốc độ baud nên tốc độ bit là 5000 bps. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 193 Ví dụ  Cho băng thông hệ thống truyền ASK 10 kHz (1 kHz đến 11 kHz), vẽ phổ ASK song công của hệ thống. Tìm tần số sóng mang và băng thông của mỗi hướng, giả sử không có khoảng trống tần số giữa hai hướng.  Giải Do hệ thống ASK song công nên băng thông trong mỗi chiều là BWmỗi hướng = (1/2). BWhệ thống =10khz / 2 = 5khz = 5.000 Hz CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 194 Tần số sóng mang là tần số giữa fc thuận = 1.000 + 5.000/2 = 3500 Hz fc nghịch = 11.000 - 5.000/2 = 8500 Hz Amplitude Frequency 1000 3500 6000 8500 11.000 fC(backward) fC(forward) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 195 Điều tần (FSK) – Binary FSK (BFSK)  Sử dụng hai tần số sóng mang: tần số cao tương ứng mức 1, tần số thấp tương ứng mức 0.  Ít lỗi hơn so với ASK  Được sử dụng truyền dữ liệu tốc độ 1200bps hay thấp hơn trên mạng điện thoại  Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền trên sóng radio hoặc cáp đồng trục       0)2cos( 1)2cos( )( 2 1 binarytfA binarytfA ts c c   CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 196 Điều tần (FSK) – Binary FSK (BFSK) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 197 Điều tần (FSK) – Multiple (FSK)  Dùng nhiều hơn 2 tần số  Băng thông được dùng hiệu quả hơn  Khả năng lỗi nhiều hơn  Mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn nhiều hơn 1 bit dữ liệu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 198 Băng thông của FSK BW = /fC0 - fC1/+ Nbaud = f + Nbaud Amplitude Frequency Nbaud/2 Nbaud/2fC1 – fC0 BW = fC1 – fC0 + Nbaud fC0 fC1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 199 Ví dụ  Tìm băng thông tối thiểu của tín hiệu FSK truyền với tốc độ bit 2kbps. Chế độ truyền dẫn bán song công và các sóng mang cách 3kHz.  Giải: Tín hiệu FSK dùng hai tần số fC0 và fC1, nên; BW = (fC1 - fC0 )+ Tốc độ baud Do trong trường hợp này thì tốc độ bit bằng tốc độ baud, nên: BW = (fC1 - fC0 )+ Tốc độ baud = (3.000) + 2.000 = 5.000 Hz CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 200 Ví dụ  Tìm tốc độ bit lớn nhất của tín hiệu FSK nếu băng thông của môi trường là 12khz và sai biệt giữa hai sóng mang ít nhất là 2kHz, chế độ truyền song công.  Giải: Với chế độ truyền song công, thì chỉ có 6.000 Hz là được truyền theo mỗi hướng (thu hay phát). Đối với FSK, khi có fC1 và fC0 là tần số sóng mang. BW = (fC1 - fC0 )+ Tốc độ baud → Tốc độ baud = BW - (fC1 - fC0 ) = 6.000 – 2.000 = 4.000 baud/s Đồng thời, do tốc độ baud bằng tốc độ bit nên tốc độ bit cũng là 4.000 bps CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 201 Điều pha (PSK)  Sử dụng một tần số sóng mang và thay đổi pha của sóng mang này  PSK vi phân (differential PSK) – thay đổi pha tương đối so với sóng trước đó (thay vì so với sóng tham chiếu cố định)  Cho phép mã hóa nhiều bit trên mỗi thay đổi tín hiệu sóng mang (Phase Amplitude Modulation)  Phương pháp này thường được dùng trong truyền dữ liệu ở tốc độ 2400bps (2 bits per phase change - CCITT V.26) hoặc 4800bps (3 bits encoding per phase change - CCITT V.27) hoặc 9600bps (4 bits encoding per phase/amplitude change)  Tổng quát cho mã hóa NRZ-L      0)2cos( 1)2cos( )( binarytfA binarytfA ts c c   elements signaldifferent ofnumber :L element signalper bits ofnumber :l (bps) rate data :R (bauds) rate modulation :D Llog R l R D 2  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 202 Điều pha (PSK) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Communication Technology 203 Điều pha (PSK)  Quadrature PSK (QPSK)  M-ary PSK  Hệ thống 64 và 256 trạng thái  Cải thiện tốc độ dữ liệu với băng thông không đổi  Tăng khả năng tiềm ẩn lỗi             11)2702cos( 10)1802cos( 01)902cos( 00)02cos( )(     tfA tfA tfA tfA ts c c c c     CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Data Co