Bài giảng: Kỹ thuật truyền số liệu - Chương 1: Những khái niệm chung

Bài giảng:  KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU Vo Thanh Tu Nội dung  Khái niệm: Hệ thống truyền tin, rời rạc hoá một nguồn  tin liên tục, Độ đo thông tin, Mã hóa, Điều chế Mã hiệu, phương pháp biểu diễn mã  Kênh tin và giao tiếp truyền dữ liệu  Kỹ thuật truyền dữ liệu, Mô hình hệ thống truyền  dữ liệu, Mạng truyền số liệu Dồn kênh, phân kênh và chuyển mạch Chương 1: Những khái niệm chung 1. HTTT  Trong cuộc sống ­> có nhu cầu tđtt (Communication): âm điệu, sóng điện từ,  sóng ánh sáng ­>  vật mang tin (carrier) chứa TT trong nó ­> tín hiệu  (signal).  Truyền tin giữa các năng lượng khác nhau ­> XD chuẩn ­> đánh giá ­> thiết  lập mô hình, đb tốc độ, chính xác 1. HTTT:  Dựa trên cs năng lượng mang tin:  ­ HT điện tín ­> dùng điện 1 chiều ­ HT TT vô tuyến ­> dùng nlượng sóng điện từ ­ HT TT quang ­> báo hiệu, ttin hồng ngoại, lazer. ­ HT TT dufng sóng âm, siêu âm. Dựa trên cs biểu diễn bên ngoài của TT: ­ HT truyền số liệu ­ HT truyền hình ­ HT TT thoaji Để đảm bảo tính logic: HT TT rời rạc và liên tục Định nghĩa:  Truyền tin (transmission) là dịch chuyển thông tin từ điểm này ­> đ khác (IS  ­> ID).  Môi trường truyền tin (transmission media)­> gọi là kênh tin (Channel).  Sơ đồ khối:  IS ­> Channel ­> ID.  Kênh tin là môi trường lan truyền TT: Truyền tín hiệu theo dây, qua các tầng  điện ly, lan truyền trong đất, nước Môi trường lan truyền bao gồm:  ­ MT trong đó tác động nhiễu cộng là chủ yếu ­> do nguồn công nghiệp vũ trụ ­ MT trong đó tác động nhiễu nhân là chủ yếu ­> tác động nhân và t/h. ­ Cả hai       Sv(t) ­> Kênh ­>  Sr(t)   , Nn(t): nhiễu nhân, Nc(t) : nhiễu cộng   Sr(t) = Nn(t). Sv(t)  + Nc(t)   : lý tưởng Thực tế: Sr(t) = Nn(t). Sv(t). H(t)+ Nv(t)  , H(t): đặc tính xung của kênh Chú ý: Hiệu suất TT là tốc độ truyền của ht Độ chính xác TT là khả năng chống nhiễu của HT. Nguồn tin nguyên thủy (NTNT)  NTNT là tập hợp những tin nguyên thủy: ­ Tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh, các biến đổi khí tượng. ­ NTNT là một hàm liên tục theo t/g  f(t) ­ Hình ảnh đen trắng  h(x,y,t): x,y là tọa độ kg hình • Những IS có thể được đưa trực tiếp hoặc bằng những  phép biến đổi như rời rạc hóa theo t/g và theo mức rồi  đưa vào kênh­> IS rời rạc (NTRR). Trước khi truyền ­>  mã hóa thông tin • Mã hóa là phép biến đổi thống kê và chống nhiễu của IS. Các quá trình  Để n/c định lượng NT cũng như HTTT, c/ta mô hình hóa toán học  NT bằng 4 quá trình: ­ QT ngẫu nhiên liên tục: Nguồn tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh trong  httt thoại, truyền hình với FM, AM ­ QT ngẫu nhiên rời rạc: là qt nn l/tục sau khi được lượng tử hóa.  VD: 1 ngôn ngữ, t/h điện tín, các lệnh đkhiển. ­ Dãy ngẫu nhiên liên tục: là nguồn lt đã được gián đoạn hóa theo  t/g. VD: Hệ TT xung điều biên xung (PAM: Pulse Amplitude  Modulation), điều pha xung (PPM), điều tần xung (PFM) không  bị lượng tử hóa. ­ Dãy ngẫu nhiên rời rạc: Các httt xung có lượng tử hóa như FM,  AM, điều biên xung lượng tử hóa, điều xung mã (PCM) VD: Sơ đồ truyền số liệu  Ứng dụng dữ liệu  Ứng dụng âm thanh, tiếng nói. Sơ đ kh i t ng quát (mô hình Shannon)ồ ố ổ Source Trans­mitter Trans­ mission System Receiver Des­tination Source System Destination System Ví dụ  Ứng dụng video  Ứng dụng thời gian thực VD: Quá trình biến đổi tín hiệu Dữ liệu: biểu diễn số liệu, khái niệm,  dưới dạng  thích hợp cho việc giao tiếp, xử lý, diễn giải Thông tin: ý nghĩa được gán cho dữ liệu Tập hợp các thiết bị được kết nối thông qua một môi  trường truyền dẫn 2. Rời rạc hóa một nguồn tin liên tục (NTLT) Phép biến đổi NTLT –> RR gồm 2 bước:   b1: Khâu rr hóa theo tg gọi là khâu lấy mẫu   b2: Khâu lượng tử hóa theo mức  + Lấy mẫu: là một hàm tin là tính mẫu tại thời điểm nhất định. Định lý: Một hàm s(t) có phổ hữu hạn, không có thành phần tần số  lớn hơn ωmax  có thể được thay thế bằng các mẫu của nó lấy tại  những điểm cách nhau 1 khoảng Δt ≤  / ωmax + Lượng tử hóa: Hàm S(t) thể hiện NT lt, bđổi lt trong phạm vi (Smin,  Smax), ta phân chia phạm vi đó thành một số mức nhất định, đánh  số các mức từ Smin S0 S1 S2, Smax. Việc biến dạng hóa sự biến đổi  biên độ của S(t) là cho biên độ lấy mức Si nhất định khi nó tăng  hoặc giảm gần đến mức đó. Như vậy S(t) sẽ trở thành hàm biến đổi theo bậc thang gọi là hàm  lượng tử hóa S’(t) Một NTLT sau khi lấy mẫu và lượng tử hóa ­> NTRR 3. Độ đo thông tin (Metric)  Độ đo của một đại lượng là cách ta xác định độ lớn của đại lượng  đó. Mỗi M phải thỏa mãn 3 tính chất sau:  ­ M phải cho phép ta xđ được độ lớn của đlượng  ­ M phải không âm ­ M phải tuyến tính, tức là gtrij tự đo được của đlượng tổng cộng  phải bằng tổng g trị của các đl riêng phần. • M là hàm tỷ lệ nghịch với xsxh của tin f(1/p(xi)) cho tin xi có xsxh  p(xi) (khi p=1 ­> một tin không cho ta lượng tin) • Khi 2 tin đồng thời xh: f(1/p(xi,xj)) = f(1/p(xi)) +f(1/p(xj))  Vì 2 tin là độc lập thống kê nên: p(xi,xj) = p(xi).p(xj) ⇒ F là một làm log. Vậy lượng đo TT của 1 tin xi là:   I(xi) = logb(1/ p(xi)) (Hiện nay thường dùng các độ đo b=2, b=e, b= 10) 4. Mã hóa:  Mã hóa là phép biến đổi cấu trúc thống kê của nguồn. Phép bđổi  ấy tương đương trên quan điểm TT và nhằm cải tiến các chỉ tiêu  kỷ thuật của httt. VD:  Cho nguồn tin A có 4 tin đẳng xác suất với sơ đồ thống kê: A=  a1 a2 a3 a4           ¼  ¼  ¼  ¼  Lượng tin   I(ai) = 1. (log21/4) = 2 bit Bằng một phép mã hóa như sau: a1­> b1b1 , a2­> b1b2  ,  a3­> b2b1   ,  a4­> b2b2  Chúng ta biến đổi thành 1 nguồn tin mới gồm có 2 ký hiệu đẳng xác  suất: B = b1  b2        ½  ½  Lượng tin chứa trong 1 tin của B cũng bằng lượng tin chứa trong tin  tương ứng của A. VD: tin b1b2  a1 trong A: I(b1,b1)=2.log2(2)=2(bit)  5. Điều chế và giải điều chế   Trong hhttlt, các tin hình thành từ NTLT được bđổi thành đại lượng điện  (áp,  dòng) và chuyển vào kênh. VD: Điện thoại ­> khi truyền qua k/c lớn ­> điều chế(I, F, P)  ­> tức là chuyển  TT thành một dạng năng lượng thích hợp với môi trường. • Đối với htttrr, qui luật mã hiệu điều khiển 1 hoặc nhiều thông số của năng  lượng được dùng để mang tin. • VD: Điện báo ­> qui luật mã hiệu điều khiển biên độ dòng 1 chiều. • Các pp đchế cao tần cũng giống như trường hợp ttlt, nhưng làm việc gián đoạn  theo tg gọi là khóa lịch. • VD: PP khóa lịch biên độ (ASK: Amplitude Shift Key), PSK, FSK. • Giải điều chế là phép biến đổi ngược lại của phép đchế, điều khác là t/h đầu  vào của t/ bị giải điều chế không phải chỉ là t/ h đầu ra của tbđchế, mà là một  hỗn hợp thđchế và tạp nhiễu . ⇒ Nhiệm vụ của các tb giải đchế là từ trong hỗn hợp đó lọc ra được TT dượi dạng  1 hàm điện áp liên tục hoặc một dãy xung điện rời rạc giống như TT ở đầu vào  tbđc với sai số trong phạm vi cho phép. VD: Tách sóng biên độ, tách sóng pha, tách sóng đồng bộ, lọc tin liên kết, lọc tối  ưu 6. Quá trình truyền từ nguồn đến đích  Mã hóa, Điều chế và giải điều chế, truyền, nhận. Source Coding  Modulating Trans­ mitter Media Source System Receive Demodulating  Decoding Destination End Destination System VD1 : Quá trình truyền  Liên quan đến các vấn đề truyền dữ liệu số dạng thô  Truyền dẫn dữ liệu (data transmission) Mã hóa dữ liệu (data encoding)  Kỹ thuật trao đổi dữ liệu số (digital data communication)  Điều khiển liên kết dữ liệu (data link control)  Phân hợp (multiplexing) Liên kết (link) hoặc mạch (circuit) Kênh (channel) Source Trans­mitter Trans­ mission System Receiver Des­tination Source System Destination System VD2: Mạng truyền số liệu  Giao tiếp điểm­điểm  thường không thực tế  Các thiết bị cách xa nhau  Số kết nối tăng đáng kể khi  số các thiết bị cần giao tiếp  lớn ⇒ mạng truyền số liệu  Phân loại dựa vào phạm  vi hoạt động  Mạng cục bộ (Local­Area  Networks – LAN)  Mạng diện rộng (Wide­ Area Networks – WAN) Switching node Wide­Area Network Destination systemSource system Source Transmitter Trans mission System Receiver Dest ination Local­Area Network Chương 2: Mã hiệu Trong các htttrr hoặc lt nhưng đã được rr hóa, bản tin thông thường  thông qua các phép biến đổi.  ­ Ở bên phát ­> đổi thành số (nhị phân), mã hóa..  ­ Ở bên thu ­> đổi ngược lại, giải mã, liên tục hóa 1. Định nghĩa: _ Mã hiệu (code): là nguồn một nguồn tin với sơ đồ thống kê được  xây dựng nhằm thỏa mãn một số yêu cầu do hệ thống truyền tin  đề ra. Mã hiệu chính là tập hữu hạn các dấu hiệu riêng (symbol),  hay bảng chữ riêng có phân phối xác suất thỏa mãn một số yêu  cầu qui định. VD: ­Trong TT điện báo khóa lịch (manip) tần số (FSK, PSK), 2 tần  số hoặc 1 góc pha ngược nhau 1800, cơ số mã   m=2. ­ Điện báo morse: m=3 Định nghĩa và điều kiên thiết lập mã  Quá trình mã hóa (encoding) là việc sử dụng mã hiệu để biểu diễn các tin của  SI.  Vì số ký hiệu mã  phải dùng 1 tổ hợp các ký hiệu mã. ­> dãy này gọi  là từ mã (codeword).  Từ mã là 1 dãy liên tục các ký hiệu mã được dùng để mã hóa SI­> tập từ mã ­>  mã khối.  ĐK t/lập mã chung cho các loại mã hiệu: có q/luật đảm bảo sự phân tách ra  được 1 cách duy nhất các từ mã. VD: SI: a,b,c,d được mã hóa theo qui luật a­>00, b­>01, c­>10, d­>11.   aabcdb  ­>000001101101 Khi giải mã tách từng nhóm 2 ký hiệu mã tương ứng Nếu đem nguồn trên với bộ mã khác sẽ cho kq khác. ĐK riêng cho mỗi loại mã: Đ/v bộ mã còn tồn tại đk riêng phải được thõa mãn  khi thiết lập mã. VD: Mã thống kê tối ưu phải đạt được độ dài trung bình của các từ mã tối thiểu, mã  chống nhiễu phải cho phép phát hiện sai càng nhiều càng tốt. 2. Phương pháp biểu diễn mã 2.1 Các bảng mã: ­ Bảng đối chiếu mã: liệt kê tin của nguồn kèm theo từ mã. Nếu bộ  mã lớn ­> cồng kềnh. VD: Tin       a1 a2  a3    a4     a5     a6 a7 a8 a9 a10         Từ mã  00 01 100 1010  1001 ­ Mặt toạ độ của mã: là 1 biểu diễn dựa trên 2 thông số của từ mã, là  độ dài n và trọng số b để lập một mặt phẳng có 2toạ độ, trên đó  mỗi từ mã được bd bằng 1 điểm.      b  =   ak:  giá trị riêng của ký hiệu thứ k trong từ mã kể từ trái sang phải  với mã nhị phân.  k: là số thứ tự,  m: là cơ số của mã k n k kma∑− = 1 0 k n k kma∑− = 1 0 VD: Trọng số của từ mã nhị phân có 4 ký hiệu 1011 bằng: b = 1.20+0.21+1.22+1.23 = 13 Mỗi từ mã sẽ hoàn toàn xác định khi ta xác định được (n,b)  của nó. Định lý: Không có 2 từ mã mã hoá 2 tin khác nhau của  cùng một bộ mã thoã mãn đồng thời :  ni =nj  , bi=bj 2.2 Đồ hình mã  Cây mã là một đồ hình gồm các nút và các nhánh. Gốc của cây  gọi là nút gốc. Từ nút gốc phân ra m nhánh, mỗi nhánh đại biểu 1 trị. Mỗi nhánh  kết thúc tại 1 nút ở cấp cao hơn nút xuất phát ­> tiếp tục phân ra. VD: Cây mã cho bộ mã 00, 01, 100, 1010, 1011 0 1 0 0 1 1 1 00 100 01 1010 1011 mức gốc (0) mức 1 (m=1) mức 2 (m=2) mức 3 (m=3) mức 4 (m=4) 0