CHƯƠng 1 TỔng quan về KỸ thuật truyền số liệU

B = Valid bipolar signal; V = Bipolar violation

(H 2.7)

2.3 ÐIỀU 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 FM, điều chế xung PM . . . ..

                    2.3.1  Điều chế biên độ                                                                           

                    2.3.2  Điều chế góc .

                    2.3.3  Điều chế xung .
2.3.1 Ðiều chế biên độ ( Amplitude Modulation, AM ) :

Xét tín hiệu cao tần

e(t)=A_c cos(_ct +q) (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:

e_AM(t) = [A_c +g(t)] cos_ct (2)

Ðể đơn giản, ta bỏ qua q 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)= E_m cos_mt (3)

Như vậy:

e_AM(t)=(A_c + E_m cos_mt )cos_ct = A_c [1+ (E_m /A_c )cos_mt ]cos_ct

                                                                                    =A_c [1+m_a cos_mt] cos_ct          (4)

Trong đó m_a = E_m/A_c gọi là chỉ số biến điệu

(H 2.8) vẽ dạng sóng và phổ tần của tín hiệu AM.



(a) (H 2.8) (b)

Ðể thấy được phổ tần ta triển khai hệ thức (4)

e_AM(t) = A_ccos_ct + (m_aA_c/2)cos(_c+_m)t + (m_aA_c /2)cos(_c-_m)t                         (5)

Từ (H 2.8b) 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. Ðiều chế biên độ là một quá trình tuyến tính nên mỗi tần 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 = 2f_m(max)

f_m (max) là tần số hạ tần cao nhất.

Dữ liệu số có thể được truyền bằng phương pháp điều chế AM, trong trường hợp này gọi là kỹ thuật dời biên (ASK, Amplitude- Shift Keying). Bit 1 được truyền đi bởi sóng mang có biên độ E₁ và bít 0 bởi sóng mang biên độ E₂. (H 2.9) minh họa tín hiệu ASK

(H 2.9)

2.3.2 Ðiều chế góc (Angle modulation) :

e(t)= A_ccos(_ct + f)= A_ccos(t) (6)

Nếu _c thay đổi tương ứng với nguồn thông tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM) và nếu (t) thay đổi ta có tín hiệu điều chế pha (M).

Hai kỹ thuật điều chế này cơ bản giống nhau và được gọi chung là điều chế góc.

   2.3.2.1 Ðiều chế tần số .

(t) =

(7)

(t) =

(8)

Giả sử tín hiệu điều chế là g(t), theo định nghĩa của phép điều chế tần số, tần số tức thời của sóng mang là: (t)=_c [1+ g(t) ] (9)

(t) =

(10)

eFM(t) =

(11)

Xét trường hợp g(t) là tín hiệu hạ tần có dạng hình sin:

g(t) =

cosm(t) (12)

Ф(t)  =

Ðể thấy phổ tần của sóng FM ta triển khai biểu thức (13):

                       e_FM (t) = A_cJ₀(m_f) cosω_ct + A_cJ_2n(m_f) [ cos(ω_ct + 2ncosω_mt) + cos(ω_ct - 2ncosω_mt)]

A_cJ_2n+1(m_f) { cos[ω_c t + (2n+1)cosω_mt] - cos[ω_ct - (2n+1)cosω_mt]} (14)

J là hàm Bessel theo m_f 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(m_f) , và các băng cạnh cho bởi các số hạng còn lại.

Vì n lấy mọi giá trị từ 0 đến ∞ 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 xỉ bằng:

BW = 2(m_f ω_m + ω_m ) = 2(ω + ω_m ) rad/s

(H 2.10) cho dạng sóng và phổ tần của sóng FM

(H2.10)

Cũng như trong trường hợp AM, tín hiệu dữ liệu số cũng được truyền bằng phương pháp FM. Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật dời tần (FSK: Frequency- Shift Keying).

FSK được dùng rộng rãi trong truyền số liệu. Trong FSK bít 1 được truyền đi bởi tần số f_m và bít 0 bởi tần số f_s ví dụ, trong hệ thống truyền sử dụng tiêu chuẩn của hảng Bell bít 1 được truyền bởi tần số 1070 Hz (f_m) và bít 0 bởi tần số 1270 Hz (f_s). (H 2.11) minh họa tín hiệu điều chế FSK

(H 2.11)
2.3.2.2 Ðiều chế pha (ФM ) :

Từ phương trình (6) nếu góc pha Ф(t) thay đổi theo tín hiệu thông tin ta có điều chế pha.      

                    Vậy:       e_PM (t) = A_c cos[ω _ct + m_p g(t)] (15)

Trong đó m_p là độ dời pha cực đại

Tần số tức thời cho bởi:

ω _i(t) = dФ(t)/dt

= ω c + mp

Nếu g(t) có dạng cos ω_mt  thì:

ω_i(t) = ω_c - m_pω_msin ω _mt (16)

e_PM (t) = A_c cos[ω_ct - m_p ω_msin ω _mt ] (17)

So sánh (17) và (13), xem m_p là chỉ số điều chế pha, tương đương với m_f trong FM, ta có thể xác định được băng thông của tín hiệu ФM

BW = 2(ω _m+ m_pω _m) rad/s (18)

m_pω_m = ω_ep là độ di tần tương đương của ФM

So sánh (11) và (15) ta thấy kỹ thuật của FM và ФM có cùng cơ sở. Ðiểm khác biệt là trong FM ta lấy tích phân của tín hiệu hạ tần trước khi điều chế còn trong ФM

thì không.

Ðiều chế pha là kỹ thuật rất tốt để truyền số liệu. Trong kỹ thuật dời pha, PSK (Phase-Shift Keying), các bít 1 và 0 được biểu diễn bởi các tín hiệu có cùng tần số nhưng có pha trái ngược nhau.

(H 2.12) mô tả một tín hiệu FSK.

(H 2.12)
2.3.3 ÐiỀu chẾ xung ( Pulse modulation) :

Ðây là phương pháp dùng tín hiệu hạ tần điều chế sóng mang là tín hiệu xung (có tần số cao hơn), còn gọi là phương pháp lấy mẫu tín hiệu hạ tần. Mặc dù các tín hiệu tương tự được lấy mẫu bởi các giá trị rời rạc, nhưng các mẫu này có thể có bất cứ giá trị nào trong khoảng biến đổi của tín hiệu hạ tần nên hệ thống truyền tín hiệu này là hệ thống truyền tương tự chứ không phải hệ thống truyền số.

Tùy theo thông số nào của xung thay đổi theo tín hiệu hạ tần, ta có : Ðiều chế biên độ xung (pulse amplitude modulation, PAM), điều chế vị trí xung (pulse position modulation, PPM), điều chế độ rộng xung (pulse width modulation, PWM).

                     2.3.3.1 Ðiều chế biên độ xung .                                  

                    2.3.3.2 Ðiều chế thời gian xung .

2.3.3.1 Ðiều chế biên độ xung ( PAM) :

                 a. Mẫu PAM tự nhiên .

                 b. Mẫu PAM đỉnh phẳng.

Khi biên độ xung đã điều chế có đỉnh theo dạng của tín hiệu m(t), ta có mẫu PAM tự nhiên (H 2.13).

Kết quả của phần 2.1.1 cho thấy tín hiệu p(t) có thể phân tích thành các thành phần:

V_o +  V_n.cos(nω_st)

với V₀ = V / T_s là thành phần DC và ω_s = 2 / T_s là tần số của p(t).

Như vậy, m(t).p(t) bao gồm:

m(t).V_o = m(t).V / T_s và m(t).V_n.cos(n_st)

Tóm lại, tích m(t).p(t) có chứa dạng sóng của tín hiệu điều chế (tín hiệu cần truyền) trong thành phần tần số thấp m(t).V₀ và có thể phục hồi bằng cách cho sóng mang đã điều chế qua một mạch lọc hạ thông.

Thành phần họa tần có dạng V_nm(t)cos(n_st) tương tự như tín hiệu điều chế 2 băng cạnh triệt sóng mang (Double Sideband Suppressed Carrier, DSBSC).

Phổ tần của tín hiệu PAM với hạ tần là m(t) = sin_mt có dạng như (H 2.14)

Trong (H 2.14) M(f) là phổ tần của tín hiệu dải nền và fm là tần số cao nhất của tín hiệu này. Từ (H 2.14) ta cũng thấy tại sao tần số xung lấy mẫu fs phải ít nhất hai lần lớn hơn f_m . Nếu M(f) được phục hồi từ mạch lọc hạ thông, độ phân cách từ M(f) tới dải tần kế cận phải lớn hơn 0, nghĩa là W > 0

b-/ Mẫu PAM đỉnh phẳng (Flat-top PAM) :

Ðây là mẫu PAM được dùng rộng rãi do dễ tạo ra sóng điều chế. Dạng sóng cho ở (H 2.15) các xung sau khi điều chế có đỉnh phẳng chứ không theo dạng của hạ tần.

(H 2.15)

Mặc dù khi phục hồi tín hiệu từ mạch lọc hạ thông sẽ có biến dạng do đoạn đỉnh phẳng nhưng vì bề rộng xung thường rất nhỏ so với chu kỳ T_s nên biến dạng không đáng kể. Nếu sự biến dạng là đáng kể thì cũng có thể loại bỏ bằng cách cho tín hiệu đi qua một mạch bù trừ.

Tín hiệu PAM ít được dùng để phát trực tiếp do lượng thông tin cần truyền chứa trong biên độ của xung nên dễ bị ảnh hưởng của nhiễu. PAM thường được dùng như là một bước trung gian trong một phương pháp điều chế khác, gọi là điều mã xung (pulse code modulation, PCM) và được dùng trong đa hợp thời gian để truyền (TDM).

Ðiều 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) (H 2.16g).

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. (H 2.16) minh họa cho các cách điều chế này.

Lưu ý là kỹ thuật PTM tưong tự với điều chế FM và FM , 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 tần 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).

CHƯƠNG 3

            Tin tức bao gồm các văn bản, số liệu, hình ảnh . . . . cần được mã hóa bằng tập hợp các số nhị phân trước khi được chuyển đổi thành các tín hiệu số để truyền đi

Một yếu tố quan trọng trong hệ thống thông tin là độ chính xác, thiếu yếu tố này hệ thống xem như không có giá trị sử dụng, nên kèm theo bản tin thường phải thêm vào các từ mã có khả năng phát hiện lỗi và thậm chí sửa được lỗi.

Ngoài ra, nếu số lượng bít dùng để mã hóa cùng một đối tượng càng ít thì với cùng vận tốc truyền, lượng thông tin truyền của hệ thống càng lớn mà lại hạn chế được khả năng xảy ra lỗi. Do đó việc giảm số lượng bít dùng mã hóa cũng là một vấn đề cần được quan tâm.

Chương này bàn đến một số phương pháp mã hóa dữ liệu phổ biến để tạo các loại mã có khả năng phát hiện lỗi, phát hiện và sửa lỗi, các loại mã nén.

3.1 MÃ NHỊ PHÂN CỦA CÁC CHỮ SỐ :

                                                                                       

Ðể biểu diễn các chữ và số người ta dùng các mã nhị phân. Một số nhị phân n bít biểu thị được 2ⁿ ký tự (chữ, số, các dấu hiệu ....)

Các bộ mã phổ biến trong truyền dữ liệu là : mã Baudot, mã ASCII và mã EBCDIC

              3.1.1  Mã Baudot.                                                                                                                      

              3.1.2  Mã ASCII.

              3.1.3  Mã EBCDIC.

3.1.1 Mã Baudot :

Mã	Chữ	Dấu/Số	Mã	Chữ	Dấu/Số
11000 10011 01110 10010 10000 10110 01011 00101 01100 11010 11110 01001 00111 00110 00011 01101	A B C D E F G H I J K L M N O P	- ? : $ 3 ! & # 8 ' ( ) . , 9 0	11101 01010 10100 00001 11100 01111 11001 10111 10101 10001 11111 11011 00100 00010 01000 00000	Q R S T U V W X Y Z LTRS FIGS SPC CR LF NULL	1 4 BELL 5 7 ; 2 / 6 " LTRS FIGS SPC CR LF NULL

Thí dụ: mã của đoạn văn NO. 27 có dạng như sau :

LTRS N O FIGS . SPC 2 7

11111 00110 00011 11011 00111 00100 11001 11100

Khi dùng mã Baudot để truyền bất đồng bộ, số bít stop luôn luôn là 1,5

3.1.2 Mã ASCII :

Khi truyền bất đồng bộ dùng mã ASCII số bít stop là 1 hoặc 2.

Bảng 3.2 trình bày mã ASCII cùng các từ điều khiển.

* Từ điều khiển trong văn bản:

BS (Back space): chỉ cơ chế in hay con trỏ được dời lui một vị trí. Nó có thể được dùng để in 2 ký tự ở một vị trí (thường dùng để gạch dưới) hay để in đậm một ký tự (in 1 ký tự 2 lần ở cùng vị trí). Trên màn hình (CRT) chữ sau sẽ thay cho chữ trước.

HT (Horizontal Tab): chỉ cơ chế in hay con trỏ được dời tới vị trí tab kế cận hay vị trí dừng.

LF (Line Feed): chỉ cơ chế in hay con trỏ được dời xuống đầu dòng kế.

VT (Vertical Tab): chỉ cơ chế in hay con trỏ được dời đến dòng kế của chuỗi dòng đã đánh dấu.

FF (Form Feed): chỉ cơ chế in hay con trỏ được dời đến điểm bắt đầu của trang (màn ảnh) sau

CR (Cariage Return): chỉ cơ chế in hay con trỏ được dời đến điểm bắt đầu trên cùng một dòng

Bảng 3.2 Mã ASCII

Bit	765®	000	001	010	011	100	101	110	111
Bit	4321¯	0	1	2	3	4	5	6	7
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F	NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SI	DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS RS US	SP ! " # $ % & ` ( ) * + , - . /	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; < = > ?	@ A B C D E F G H I J K L M N O	P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^() _(¬)	' a b c d e f g h i j k l m n o	p q r s t u v w x y z { | } ~ DEL

Thí dụ: ký tự D là 1000100 = 44H

Ý nghĩa các từ trong bảng mã ASCII

* Từ điều khiển trong truyền thông