Truyền số liệu

Chu kú tÝn hiÖu T

Thêi bit Tb

1 0 1 0 1

-T -3T/2 -T/2

-T/4

T/4

T/2

3T/4

-T -3T/2

T/4

-T/2 -T/4

T/2 3T/4

TÝn hiÖu ®¬n cùc 0 t

TÝn hiÖu ®¬n cùc 0

TÝn hiÖu l•ìng cùc

-V

3T/4

7T/4

T/4

5 T/2

b) +V

TÝn hiÖu truyÒn 0 t

-V

C¸c thµnh phÇn

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 210 trang tài liệu này.

W0 0 t

TÇn sè -V

+V/3 t

-3W00

-V/3

+V/5 t

+5W00

-V/5

VÝ dô c¸c tÝn hiÖu thu

W0 – 3W0

W0 – 3W0 + 5W0

B¨ng th«ng

N¨mg l•îng

tÝn hiÖu t

Hình 1.13. Ảnh hưởng do giới hạn băng thông: a) Tín hiệu nhị phân luân phiên b) Các thành phần tần số của tín hiệu nhị phân c) Tín hiệu thu d) Biểu diễn băng thông

Có hai dạng tín hiệu nhị phân cơ bản: đơn cực (unipolar) và lưỡng cực (bipolar). Với tín hiệu đơn cực biên độ thay đổi giữa điện thế +V và mức 0. Thường gọi là tín hiệu quay về zero (RZ). Với Tín hiệu lưỡng cực biên độ điện áp thay đổi giữa +V và - V, các tín hiệu này gọi là không quay về zero (NRZ). Với tín hiệu đơn cực thì mức tín hiệu trung bình là V/2 trong khi tín hiệu lưỡng cực thì mức tín hiệu trung bình là không (0). Chuỗi Fourier cho hai tín hiệu nay là:

Đơn cực :

V(t) = V/2 + 2V/ (cos 0 t - 1/3cos3 0 t + 1/5cos5 0 t-...) (1.6) Lưỡng cực:

V(t) = 4V/ (cos 0 t – 1/3cos30 t + 1/5cos5 0 t -....). (1.7)

Từ biểu thức trên chúng ta có thể suy ra: bất cứ chuỗi bit nhị phân tuần hoàn nào đều được tạo nên từ dãy các tín hiệu riêng biệt bao gồm thành phần tần số cơ bản f0 thành phần hài bậc 3, 3f0 thành phần hài bậc 5, 5f 0 .v.v. Lưu ý rằng chỉ có các hài bậc lẻ tồn tại và biên độ sẽ yếu dần theo chiều gia tăng tần số. Tham khảo hình 1.13(c).

Vì các kênh thông tin có băng thông giới hạn, nên khi tín hiệu nhị phân truyền qua kênh, chỉ một số thành phần tần phù hợp được qua kênh và sẽ được nhận bởi máy thu.

Khi băng thông của kênh được đo lường bằng đơn vị Hertz thường được biểu diễn dưới dạng hàm của tần số và được mô tả như hình 1.13.(c).

Ví dụ 1.3:

Một tín hiệu nhị phân được truyền với tốc độ 500bps qua kênh thông tin. Suy ra băng thông tối thiểu theo yêu cầu, giả sử:

a) Chỉ có tần số cơ bản.

b) Tần số cơ bản và hài bậc 3.

c) Tần số cơ bản, hài bậc 3, và bậc 5. Xét trường hợp xấu nhất.

Trường hợp xấu nhất của tín hiệu là dạng 101010... tại 500bps sẽ có tần số cơ bản là 250Hz, do đó hài bậc 3 là 750Hz và hài bậc 5 là 1250Hz. Vậy băng thông yêu cầu trong mỗi trường hợp là:

a) 0 - 250 Hz

b) 0 - 750 Hz

c) 0 - 1250 Hz

Như ta đã nói ở phần trước, có thể truyền nhiều hơn một bit với mỗi lần thay đổi trạng thái của tín hiệu nhờ đó có thể gia tăng tốc độ bit. Tuy nhiên băng thông của kênh luôn luôn là yếu tố hạn chế tốc độ tối đa có thể đạt được. Tiếp tục xem xét ta có công thức Nyquist xác định tốc độ tối đa của kênh không nhiễu được trình bày như sau :

C = 2Wlog 2 M (1.8)

Trong đó W là băng thông của kênh tính bằng Hz và M là số trạng thái tín hiệu. Trong thực tế vì các bit mở rộng được thêm vào cho mục đích điều khiển truyền (overhead) nên tốc độ hiệu dụng thường nhỏ hơn tốc độ bit thực tế. Do dố, khi truyền thông tin qua kênh chúng ta có 3 mức độ được liên hệ: tốc độ phát tín hiệu; tốc độ bit và tốc độ dữ liệu. Tất cả chúng có thể giống hay khác nhau.

Gọi thời gian của mỗi bit la Tb ta có sự tương ứng với tốc độ bit R như sau : R liên hệ với chu kỳ tín hiệu Ts cho bởi :

R = ( log 2 M ) / Ts = m/ Ts (bps) (1.9) Vì Tb có quan hệ hỗ tương với R, do đó :

Tb = 1/ R = Ts /m. (1.10)

Kết hợp hai biểu thức trên suy ra đại lượng B của kênh truyền :

B = R / W = m / W.Ts = 1/ W.Tb (bps Hz-1 ) (1.11)

B là hiệu xuất băng thông của kênh.

Từ biểu thức trên ta suy ra tốc độ bit càng cao, ảnh hưởng của băng thông càng lớn. Giá trị tiêu biểu của B từ 0,25 đến 3 bpsHz-1.

Ví dụ 1.4:

Dữ liệu được truyền qua mang PSTN dùng lược đồ truyền với 8 trạng thái tín hiệu. Nếu băng thông của PSTN là 3000Hz. Hãy suy ra tốc độ Nyquist C và hiệu xuất băng thông B.

C = 2.W.log 2 M

= 2 x 3000 x log 2 8

= 18.000 bps B = 1/ W.Tb

= 18.000/ 3.000 = 6 bps Hz-1

Trong thực tế cả hai giá trị sẽ nhỏ hơn do ảnh hưởng của một số nguyên nhân khác ví dụ như nhiễu.

1.5.3. Sự biến dạng do trễ pha tín hiệu

Méo do trễ là một hiện tượng đặc biệt đối với môi trường truyền hữu tuyến. Tốc độ lan truyền của một tín hiệu thuần nhất dọc theo một đường truyền thay đổi tuỳ tần số. Do đó khi truyền một tín hiệu số, các thành phần tần số khác nhau tạo nên nó sẽ đến máy thu với độ trễ pha khác nhau, dẫn đến biến dạng do trễ của tín hiệu tại máy thu. Tại tần số trung tâm, trễ tín hiệu là nhỏ nhất và tăng dần sang hai bên. Sự biến dạng sẽ gia tăng khi tốc độ bit tăng. Biến dạng trễ làm thay đổi các thời khắc của tín hiệu gây khó khăn trong việc lấy mẫu tín hiệu.

Hiện tượng méo do trễ là một hiện tượng rất nguy hại đối với tín hiệu số. Trong trường hợp này, ta xét một bản tin được phát dưới dạng dãy liên tục các bit, một vài thành phần tần số của bit này sẽ bị dịch đi trùm lên phần của bit khác, gây nên hiện

tượng méo giao thoa giữa các ký tự. Đây chính là nguyên nhân chủ yếu hạn chế tốc độ cực đại trên một đường truyền.

1.5.4. Sự can nhiễu

Nhiễu là các tín hiệu ngoài ý muốn, xuất hiện trong hệ thống hoặc trên đường truyền.

Dưới ảnh hưởng của nhiễu, tín hiệu tương tự bị biến dạng và tín hiệu số có thể bị lỗi.

Khi không có tín hiệu, một đường truyền dẫn hay kênh truyền được xem là lý tưởng nếu mức điện thế trên đó là zero. Trong thực tế có những tác động ngẫu nhiên làm cho tín hiệu điện trên đường truyền vẫn khác zero, cho dù không có tín hiệu số liệu nào được truyền trên đó. Mức tín hiệu này được gọi là mức nhiễu đường dây. Khi một tín hiệu bị suy giảm thì biên độ của nó giảm đến mức nhiễu đường (line noise). Tỉ số năng lượng trung bình của một tín hiệu thu được S so với mức năng lượng của mức nhiễu đường N được gọi là tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR ( Signal_ to_ Noise Ratio), đây là tham số quan trọng liên quan đến đường truyền. Thông thường, SNR được biểu diễn qua đơn vị decibel (dB)

SNR = 10log 10 (S/N) (dB) (1.12)

Rò ràng néu tỉ số SNR cao thì chất lượng tín hiệu thu sẽ cao. Ngược lại nếu SNR thấp có nghĩa là tín hiệu thu thấp.

Tốc độ truyền dẫn tối đa theo lý thuyết của kênh truyền liên hệ chặt chẽ với tỉ số SNR và được xác định theo luật Shannon – Harley :

C = W log 2 (1 + S/N) (dB) (1.13)

Trong đó C là tốc độ tính bằng bps, W là băng thông của đường dây hay kênh truyền tính bằng Hz, S và N tính bằng Watts.

Ví dụ 1.5:

Giả sử một PSTN có băng thông 3000Hz và tỉ số SNR là 20dB. Xác định tốc độ tối đa của thông tin truyền theo lý thuyết.

SNR = 10 log 10 (S/N)

Do đó :

20 = 10. log 10 (S/N)

S/N = 100

Từ đây :C = W log 2 (1 + S/N)

Vậy: C = 3000log 2 (1 + 100) = 19 936 bps

Một nguyên nhân gây nhiễu được biết đến gọi là nhiễu xuyên âm (crosstalk). Nhiễu được hình thành do hai dây dẫn đặt kề nhau. Tín hiệu truyền trên dây này trở thành tín hiệu nhiễu vào dây kia. Ví dụ khi ta đang nói chuyên điện thoại có thể nghe tiếng của người khác xen vào ngay khi ta không đàm thoại với ai cả.

Có nhiều loại nhiễu xuyên âm nhưng trong hầu hết các trường hợp thì đáng quan tâm nhất là xuyên âm đầu cuối kề (near and crosstalk) hay còn gọi là next.

Trường hợp này gọi là tự xuyên âm vì nó phát sinh ở ngò ra của mạch phát mạnh hơn so với tín hiệu thu ở ngò vào mạch thu nội bộ, và tín hiệu phát sẽ gây nhiễu ở ngò vào mạch thu.

Một mạch tích phân đặc biệt gọi là bộ triệt nhiễu thích nghi (adaptive next cancellers) được dùng để khắc phục vấn đề trên.

DTE

(A)

Near – end

crosstalk (NEXT)

(D)

(E)

(C)

(B)

Adaptive NEXT

canceller

Mạch thu

Mạch truyền

Tín hiệu

Tín hiệu thu

Hình 1.14. Lược đồ mạch bộ triệt nhiễu

Một dạng nhiễu khác là nhiễu xung điện, nguyên nhân gây ra bắt nguồn từ các tác nhân bên ngoài như nguồn điện năng, các thiết bị điện đang hoạt động. Cả nhiễu xuyên âm và nhiễu xung điện đều phát sinh từ bên ngoài đường dây và tác động vào việc truyền trên dây.

Loại nhiễu thứ 3 được gọi là nhiễu nhiệt (therm noise), hiện diện trong tất cả các thiết bị điện và các phương tiện truyền bất chấp ảnh hưởng ngoại cảnh. Nó được sinh ra do tác động nhiệt của các electron liên kết với các nguyên tử của vật liệu điện chế tạo đường dây hay thiết bị. Ở mọi nhiệt độ trên mức tuyệt đối zero, tất cả các phương tiện truyền thông đều trải qua nhiễu nhiệt. Nó tạo nên các thành phần tần số ngẫu nhiên xuyên qua phổ tần đã hoàn chỉnh, có biên độ thay đổi liên tục và do đó còn gọi là nhiễu trắng (while noise).

Quay trở lại với luật Shannon – Harley. Khi xem xét ảnh hưởng cuả nhiễu trong thực tế, điều quan trọng là cần xác định cho được mức tín hiệu tối thiểu phải dùng có liên hệ đến mức nhiễu, nhằm đạt được tốc độ lỗi bit ở mức tối thiểu cho phép. Tốc độ lỗi bit qui định khoảng thời gian xác định một bit đơn có thể bị sai tại máy thu. Ví dụ tốc độ bit là 10-4 đều có nghĩa là trung bình 1 bit lỗi trong 104 bit nhận.

Gọi Eb là năng lượng của 1 bit trong tín hiệu, đơn vị đó là joules (watts x seconds) - được tính theo công thức :

Eb = STb ( watt-second) (1.14)

Trong đó S là năng lượng của tín hiệu ( watts) và Tb là thời bit (second). Ta có : Eb = S/R (1.15)

Mức nhiễu trong chiều dài 1hz của băng thông (BW) trong bất kỳ đường truyền nào được cho bởi công thức :

N0 = k.T (watt Hz-1) (1.16)

N0 là mật độ năng lượng nhiễu, k là hằng số Boltzman bằng : 1,3803 x 10 -23 jouleK-1 và T là nhiệt độ Kelvin (0K)

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu người ta dùng tỉ số:

Eb / N0 = (S/R)/ N0 = (S/R)/ kT (1.17)

Hay bằng decibels:

Eb/N0(dB) = 10log 10 (S/R) – 10.log 10 (kT) (1.18)

Có thể rễ ràng suy ra mức năng lượng của tín hiệu S để đạt được một tỉ lệ Eb/N0 có thể chấp nhận được và tốc độ bit lỗi tối thiểu. Hai đại lượng này sẽ gia tăng theo nhiệt độ và tốc độ bit.

Cũng có thể biểu diễn Eb/N0 theo băng thông W. Vì N0 là mật độ năng lượng nhiễu trên băng thông Watts Hz-1, do đó năng lượng nhiễu trên băng thông là:

N = W.N0 (1.19)

Suy ra :

E0/ N0 = SW / NR

Tính theo decibels :

E0/ N0 = 10log 10 (S/N) + 10log 10W – 10log 10 R (1.20)

Để truyền số liệu thông qua mạng điện thoại công cộng cần phải chuyển dữ liệu số sang dạng tương tự (analog) bằng cách biểu diễn lên sóng mang hình sin, và phải thực hiện công việc ngược lại trên máy thu. Trong thực tế có nhiều phương pháp điều chế và giải điều chế (modulation/ demodulation), mỗi phương pháp cho phép tỉ số Eb/N0 khác nhau.

Ví dụ 1.6:

Dữ liệu được chuyền qua PSTN có băng thông 3000Hz. Nếu năng lượng nhiễu trung bình tại mày thu là 12dB, hãy xác định tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt được và hiệu xuất băng thông trong hai trường hợp.

a/. Eb/N0 = 13dB. b/. Eb/N0 = 10dB.

Tóm tắt lời giải:

10log 10 R = S/N (dB) + 10log 10 W – Eb/N0 (dB) Hiệu xuất băng thông B = R/W.

a/. 10log 10 R = 12 +10.log 10 3000 – 13 = 33,77

Suy ra: R = 2382,32 bps và B = 0,79 b/. 10.log 10 R = 12 + 34,77 – 10 = 36,77

Suy ra : R = 4753,35 bps và B = 1,58

Chú ý: Dung lượng của kênh truyền hay đường truyền (Capacity) là tốc độ truyền dẫn của một kênh truyền hoặc một đường truyền (dữ liệu được truyền trong thực tế) dưới các điều kiện cụ thể.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

Câu 1:

a. Trình bày đặc điểm của sự suy giảm đối với tín hiệu truyền dẫn trong các mạng số liệu?

b. Công suất tín hiệu lối vào của một kênh truyền là 200mW. Biết hệ thống gồm hai phần: phần thứ nhất có độ suy giảm là 16dB, phần thứ hai có độ khuếch đại 15dB, xác định công suất của tín hiệu tại đầu ra của kênh truyền?

Câu 2:

a. Trình bày các loại nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu trên đường

truyền?

b. Tín hiệu truyền trên kênh có nhiễu với SNR = 25dB và băng thông kênh

truyền là 2500Mhz. Tính dung lượng của kênh truyền?

Câu 3:

Trình bày đặc điểm của yếu tố băng thông tác động lên tín hiệu trên đường truyền?

Câu 4:

a. Phân biệt tốc độ truyền số liệu với tốc độ truyền tín hiệu? Mối quan hệ giữa hai tốc độ trên?

b. Dữ liệu truyền qua kênh PSTN có băng thông kênh truyền là 3 KHz. Xác định tốc độ tối đa kênh truyền khi SNR = 4 dB?

Câu 5:

a. Trình bày mô hình tổng quát của một hệ thống truyền số liệu?

b. Một kênh truyền PSTN có băng thông 3Khz và tỉ số SNR là 40dB. Xác định tốc độ tối đa của kênh truyền?

Câu 6:

a. Trình bày các phương thức truyền tín hiệu?

b. Dữ liệu được truyền qua PSTN có băng thông 3000Hz. Nếu năng lượng nhiễu trung bình tại máy thu là 15dB, hãy xác định tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt được và hiệu suất băng thông trong hai trường hợp:

1. Eb/N0= 20 dB

2. Eb/N0= 10 dB

Câu 7:

Nêu định nghĩa và phân loại mạng truyền số liệu?

Câu 8: