Truyền số liệu

hiệu có tần số thấp khi có một chuỗi liên tiếp các bit 1 hay 0. Chính vì lí do này mà không thể đặt 2 mức điện áp từ DTE trực tiếp lên đường dây. Thay vì vậy, cần phải chuyển đôỉ dữ liệu nhị phân sang một dạng tương thích với tín hiệu thoại tại DTE phát và chuyển đổi trở lại thành dạng nhị phân tại đầu thu. Mạch điện thực hiện hoạt động chuyển đổi thuận ban đầu gọi là bộ điều chế (modulator), và mạch thực hiện chuyển đổi ngược lại được gọi là bộ giải điều chế (demodulator). Vì mỗi đầu liên kết đều cần cả hai mạch, chúng kết hợp lại thành một thiết bị gọi chung là modem.

Hình 2.4. Các thành phân tần số sóng âm

Điều chế

Có ba phương pháp điều chế cơ bản để chuyển tín hiệu nhị phân sang dạng thích hợp để truyền qua mạng điện thoại công cộng PSTN, bao gồm: phương pháp điều chế biên độ, phương pháp điều chế tần số và phương pháp điều chế pha (phase). Dữ liệu nhị phân được truyền chỉ yêu cầu hai mức tín hiệu. Sự chuyển mạch tín hiệu giữa hai mức mang ý nghĩa khoá (key). Vì vậy, ba loại điều chế trên lần lượt được gọi là ASK (Amplitude - Shift - Keying), FSK (Frequency - Shift - Keying) và PSK (Phase - Shift - Keying).

a. ASK (Amlitude - Shift - Keying)

Nguyên lý hoạt động cơ bản của ASK được minh hoạ trong hình 2.5(a), sóng dạng đơn giản ở hình 2.5(b).

Bản chất của phương pháp là biên độ của sóng âm đơn tần được chuyển đổi giữa hai mức với tốc độ được xác định bởi tốc độ bit của tín hiệu nhị phân được truyền. Sóng âm tần hay còn gọi là sóng mang có tần số thuộc băng thông PSTN. Kích thước băng thông yêu cầu được xác định bởi tốc độ bit của tín hiệu, tốc độ bit càng cao thì kích thước băng thông yêu cầu càng lớn. Trong thực tế các phương pháp điều chế khác nhau đòi hỏi độ rộng băng thông khác nhau, nên việc đánh giá mức băng thông yêu cầu ứng với mỗi phương pháp là rất cần thiết.

Về mặt toán học,hoạt động điều chế ASK, FSK và PSK tương đương với việc nhận tín hiệu sóng mang với tín hiệu dữ liệu nhị phân. Sóng mang có tần số riêng C và biên độ không đổi có thể biểu diễn dưới dạng biểu thức điện áp.

VC (t) = cos C t (2.1)

C : radian / second

Ở phần trước , ta đã biểu diễn tín hiệu số liệu tuần hoàn đơn cực với biên độ không đổi và tần số cơ bản 0 theo chuỗi fourier như sau:

Vd (t) = 1 / 2 + 2 /  (cos 0 t - 1/ 3 cos 30 t + 1/ 5 cos 5 0 t - ...)

Suy ra ASK có thể biểu diễn :

V ASK (t) = Vc (t) x V d (t) (2.2)

Do đó: V ASK (t) = 1/2 cos c t + 2/  (cos c t . cos 0 t - 1/ 3 cos c t cos30 t + ...) Suy ra :

VASK (t) = 1/2 cos c t + 1/ [cos(c - 0) t +cos(c + 0) t - 1/ 3cos(c -30)t - 1/ 3 cos (c + 30)t + ...] (2.3)

Chúng ta thấy tín hiệu ASK tương đương với tín hiệu số liệu nguồn chuyển dịch sang dạng tần số của sóng mang, bên cạnh đó còn có hai thành phần tần số cơ bản (c

- 0) và (c +0) và hai thành phần hài bậc cao (c -30) và (c +30) . Tất cả hình

thành nên biên tần cơ bản, do đó băng thông của ASK được trình bày trên hình 2.5(c) .

Hình 2.5. ASK: (a) Lược đồ mạch (b) Dạng sóng hoạt động (c) Băng thông

Băng thông càng lớn thì tín hiệu thu càng trung thực. Tuy nhiên , tổng quát mà nói thì hiệu quả hoạt động có thể đạt được nếu băng thông của kênh đủ chỗ để cho qua thành phần tần số cơ bản của tần dữ liệu 101010… vì băng thông yêu cầu trong các dòng dữ liệu có thứ tự khác đều nhỏ hơn. Gọi tần số f0 là tần số cơ bản của tín hiệu dữ liệu theo tuần tự 101010…f0 bằng nửa tốc độ bit (bps) suy ra băng thông tối thiểu của ASK thì bằng với tốc độ bit tính sang đơn vị Hz, 2f0, hoặc để thu được thành phần hài bậc 3 thì phải gấp 3 lần tốc độ bit tính sang Hz, 6f0 .

Từ hình 2.5 có thể thấy rằng đối với ASK tín hiệu sóng mang hiện diện trong tín hiệu thu ngay cả khi không có tín hiệu thông tin f0 ,3f0. v.v. trong đó. Từ công thức

Nyquist ở trên ta suy ra với tín hiệu nhị phân thì tốc độ số liệu tối đa đạt được bằng hai lần băng thông. Vì thế, giả sử băng thông 2f0 tốc độ Nyquist sẽ gấp hai lần. Lý do chính ở đây là vì cả hai biên tần đều được dùng để xác định băng thông tối thiểu. Trên hình 2.5(c) cả hai biên đều chứa tín hiệu yêu cầu f0. Để dùng băng thông hiệu quả hơn có thể dùng bộ lọc thông như trong lược đồ hình 2.5(a) để giới hạn băng tần đến fc+(fc

+ f0) do đó loại bỏ biên thấp, fc - f0. Điều đó làm giảm băng thông yêu cầu đến f0 và có thể đạt được tốc độ Nyquist. Tuy nhiên điều này sẽ cắt đôi năng lượng của tín hiệu biên tần chính liên hệ đến tín hiệu sóng mang, mà năng lượng giảm dẫn đến giảm SNR và do đó làm tăng tốc độ lỗi bit (BER) .

Giải điều chế ASK

Việc khôi phục lại tín hiệu số ở máy thu được thực hiện bằng giải điều chế ASK. Về mặt toán học tín hiệu giải điều chế chính là tín hiệu thu được nhân với sóng mang rồi đưa qua bộ lọc

V d (t) = V ASK (t) x Vc (t) (2.4)

V (t) 1 cos2 (t) 1 cos(t)cos()t  cos()t

d 2 c c c 1 c 1

 cos(t)cos(

3c

 31 )t  cos(c

 31 )t

 cos(t)cos(

5c

 51 )t  cos(c

 51 )t

(2.5)

V (t) 1 



1cos(2

2c

1cos(2

1 )t  cos(2c

 3)t  cos(2

1 )t

 3)t

6c 1 c 1

 1 10

cos(2c

 51 )t  cos(2c

 51 )t

1 1 2 cos(t) 1 cos(3t) 1 cos(5t) 

(2.6)





2 2

1 3 1 5

1

Đưa qua bộ lọc thông thấp ta lấy được Vd (t) .

Mặc dù ASK là phương pháp thực hiện đơn giản, tuy nhiên không được dùng trong các modem tốc độ thấp thế hệ đầu. Vào thời điểm đó hệ thống truyền tin hầu hết dùng kỹ thuật tương tự (analog) vì vậy dẫn đến suy giảm tín hiệu trong nhiều mức khác nhau. Gần đây tất cả hệ thống truyền dẫn và chuyển mạch đều được thực hiện bởi kỹ thuật số (digital) và ASK có cơ hội tham gia, thường được dùng kết hợp với PSK để thiết kế các modem tốc độ cao .

Ví dụ 2.1: Giả sử dùng ASK để điều chế, hãy ước lượng băng thông yêu cầu của kênh truyền ở hai trường hợp: thành phần tần số cơ bản của chuỗi dữ liệu 101010… được nhận và thành phần tần số cơ bản cộng với hài bậc 3. Xét ở 3 tốc độ 300 bps, 1200 bps và 4800 bps

Tốc độ bit

300 bps	1200 bps	4800 bps
Thành phần tần số cơ bản	150 Hz	600 Hz	2400 Hz
Thành phần hài bậc 3	450 Hz	1800 Hz	7200 Hz
Băng thông với tần số cơ bản	300 Hz	1200 Hz	4800 Hz
Băng thông với tần số cơ bản và hài bậc 3	900 Hz	3600 Hz	14400 Hz

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 210 trang tài liệu này.

Chú ý rằng băng thông hữu dụng của mạng PSTN là 3000 Hz. Suy ra chỉ 300 bps có thể đạt được với hài bậc 3. Tốc độ 1200 chỉ đạt được với thành phần cơ bản. Tốc độ 4800 không thể truyền nếu chỉ dùng phương pháp ASK .

Điều biên còn gọi là on- off keying

b. FSK (frequency-shift keying)

FSK là phương pháp điều chế được dùng trong tất cả các modem tốc độ thấp thế hệ đầu. Nguyên lý hoạt động cơ bản được minh hoạ trong hình 2.6. Để tránh vấn đề thay đổi biên độ, với FSK dùng hai tín hiệu sóng mang có cùng biên độ và cố định, một cho bit nhị phân 0 và một cho bit nhị phân 1.

Sự khác biệt là sóng mang hai tần số. Như trình bày trên hình vẽ, hoạt động điều chế tương đương với sự tổng hợp của các ngò ra của hai bộ điều chế ASK riêng biệt: Một thực hiện trên sóng mang thứ nhất dùng phần gốc của tín hiệu (mức cao) và một thực hiện trên sóng mang thứ hai dùng phần bù của tín hiệu dữ liệu (mức 0).

Hình 2.6. FSK(a) nguyên lý hoạt động ;(b) băng thông

Về mặt toán học có thể suy ra băng thông yêu cầu với phương pháp FSK thông qua biểu thức sau:

V (t)  cost.V (t)  cos

t.V ' d (t)

(2.7)

FSK 1 d 2

Trong đó 1 và 2

là tần số gốc của hai sóng mang

Vd‟(t) là phần bù của tín hiệu gốc Vd(t).

Ta có V ' d (t)  1Vd (t) .Vì vậy ta giả sử tín hiệu dữ liệu tuần hoàn với tần số cơ bản 0 thì:

VFSK (t)  cos1t1/ 2  2 /(cos0t 1/ 3cos 30t  ...)

 cost1/ 2  2 /(cost 1/ 3cos 3t  .....)

(2.8)

2 0 0

Do đó :

VFSK (t)  1/ 2 cos 1t  1/ cos10t  cos10t  1/ 3cos(1 30)t  1/ 3cos1 30t  ...

 1/ 2 cos 2t  1/ cos20t  cos20t  1/ 3cos2 30t  1/ 3cos2 30t  ...

Có thể suy ra băng thông của FSK một cách đơn giản là tổng hai sóng mang điều chế ASK riêng biệt ở tần số góc 1 và 2 . Băng thông của FSK như hình 2.6(b).

Như đã đề cập ở phần trước, tín hiệu có tần số cao nhất tạo ra từ dãy bit 101010…. Với FSK vì tín hiệu nhị phân 0 và 1 điều chế nên các sóng mang riêng rẽ nên băng thông tối thiểu cho mỗi sóng mang bằng nửa tốc độ bit, nghĩa là thành phần tần số cơ bản lớn nhất cho mỗi sóng mang, f0, bằng nửa so với ASK. Do đó nếu giả sử chỉ thu thành phần tần số cơ bản thì băng thông tổng bằng 4 f0 cộng với khoảng dịch tần fs. Tuy nhiên vì f0bằng nửa so với ở ASK nên băng thông tổng bằng với băng thông tổng cho ASK cộng với khoảng dịch tần. Tương tự nếu cặp hài bậc 3 được thu thì băng thông bằng 6 f0 cộng với khoảng dịch tần.

Ví dụ, nếu tốc độ bit lớn nhất là 600bps thì tốc độ lớn nhất trên mỗi sóng mang là 300bps, có thành phần tần số cơ bản là 150Hz trên mỗi biên của hai sóng mang. Do đó, phổ tần sẽ chứa các biên tần chính cách nhau 150Hz trên mỗi biên của hai sóng mang. Do đó nếu chúng ta chọn khoảng dịch tần (fs) là 400Hz thì sẽ tạo ra khoảng 100Hz giữa hai bên tần chính của cả hai sóng mang. Điều này có nghĩa băng thông tổng là 700Hz. Rò ràng vì băng thông của PSTN là 3000Hz do đó có thể lấy ra hai kênh như vậy từ một cuộc nối đơn qua PSNT - một cho mỗi hướng truyền.

c. PSK (Phase- shift keying)

Trong phương pháp điều chế PSK tần số và biên độ của sóng mang được giữ không đổi trong pha của nó được dịch theo mỗi bit của dòng dữ liệu truyền. Nguyên lí hoạt động được trình bày ở hình 2.7 (a). Có hai loại PSK được dùng, loại thứ nhất dùng hai tín hiệu sóng mang cố định đại diện cho bit 0 và 1, hai sóng mang khác pha nhau 180o. Vì tín hiệu này chỉ là nghịch đảo của tín hiệu kia nên loại này còn được gọi

là Phase- coherent PSK (PSK phối hợp với Phase). Điều bất tiện của loại này là tại máy thu đòi hỏi thu phải có sóng mang tham chiếu để so phase với tín hiệu thu, do đó cần thực hiện đồng bộ pha giữa các máy thu và phát. Kết quả dẫn đến mạch giải điều chế phức tạp hơn.

Loại PSK thứ hai gọi PSK vi phân (differential PSK). Với loại này sự dịch pha xảy ra tại mỗi bit không cần quan tâm tới chuỗi bit 0 hay bit 1 đang được truyền. Một sự dịch pha 900 tương ứng với tín hiệu hiện hành chỉ định 0 là tín hiệu kế tiếp trong sự dịch pha 2700 chỉ bit 1. Như vậy mạch giải điều chế chỉ cần xác định độ lớn của sự

dịch pha thay vì xác định giá trị tuyệt đối của từng pha. Ở mạch điều chế chỉ khi nào thay đổi trạng thái của dữ liệu mới đổi pha của sóng mang.

Về mặt toán học ta có thể xác định bằng thông của PSK. Ở đây chúng ta trình bày tín hiệu số liệu nhị phân dưới dạng lưỡng cực vì mức tín hiệu âm sẽ là kết quả đổi pha 1800 của sóng mang. Như trình bày ở phần trước tín hiệu số liệu tuần hoàn có biên

độ tổng hợp và thành phần tần số cơ bản là t

được biểu diễn dưới dạng chuỗi Fourier

VPSK

Vd(t)  4 / cos 0t 1/ 3cos 30t 1/ 5cos 50t....

Suy ra:

 4 / cos ct.cos 0t 1/ 3cos ct.cos 30t  ...

 2 / [cos(c 0 )t  cos(c 0 )t 1/ 3cos(c  30 )t

 cos(c  30 )t  ....]

1 0 1 1 0 0 1





18001	800	00 180	0 00 1	800

9002	70027	00 90	0 900	2700

(a)

-1

Vpsk(t)

(2.9)