Bài số 5 Các kỹ thuật mã hoá dữ liệu

Bài số 5 CÁC KỸ THUẬT MÃ HOÁ DỮ LIỆU 1. Dữ liệu số, tín hiệu số - Một tín hiệu số là một chuỗi rời rạc không liên tục của các xung điện áp, mỗi một xung là một phần tử tín hiệu. Các dữ liệu nhị phân được truyền bằng cách mã hóa mỗi bit dữ liệu thành các phần tử tín hiệu; trường hợp đơn giản nhất là mã hóa một bít dữ liệu thành một phần tử tín hiệu, chẳng hạn mã hóa bit 0 bằng một xung điện áp dương và mã hóa bit 1 bằng một xung điện áp âm. Ngoài ra còn có nhiều cách mã hóa khác. - Nếu tất cả các phần tử tín hiệu có cùng dấu (âm hay dương) thì tín hiệu được gọi là đơn cực (unipolar), trường hợp ngược lại tín hiệu được gọi là cực (polar). Trong truyền tín hiệu cực, Các kỹ thuật mã hóa dữ liệu số: + Nonreturn to Zero - Level (NRZ-L) - Đây là kỹ thuật dễ nhất và phổ biến nhất để truyền các tín hiệu số, kỹ thuật này sử dụng 2 mức điện áp khác nhau để biểu diễn các chữ số nhị phân, các mức điện áp này không đổi trong thời gian truyền 1 bit, không có việc chuyển điện áp về mức 0. 11000110010 Giả sử chuỗi bit cần gửi đi là: 01001100011 +Non return to Zero Invert (NRZI) - Kỹ thuật này thay đổi điện áp biểu diễn các bit dữ liệu liên tiếp, cụ thể: - Nếu bit hiện thời là bit 0 thì bit này được mã hóa bằng tín hiệu tương tự như bit trước đó. Nghĩa là: 0= Không thay đổi tại vị trí bắt đầu của bit 1= Đổi tại vị trí bắt đầu của bit Chẳng hạn giả sử bit trước đó là bit 1 có điện áp âm, ta có biểu diễn sau: Giả sử chuỗi bit cần gửi đi là: 01001100011 11000110010 + Kỹ thuật nhị phân nhiều mức: Kỹ thuật này sử dụng nhiều hơn hai mức tín hiệu, bao gồm kỹ thuật bipolar – AMI (Alternate mark inversion – Đánh dấu đảo ngược luôn phiên) và kỹ thuật pseudoternary. Kỹ thuật bipolar –AMI: - Bit 0 được biểu diễn bằng không có điệp áp, các bit 1 được biểu diễn bằng các xung điện áp dương hay âm, và các xung điện áp biểu diễn bit 1 phải thay đổi luân phiên. Chẳng hạn giả sử bit 1 gần đây nhất có điện áp là âm, ta có biểu diễn sau: Giả sử chuỗi bit cần gửi đi là: 01001100011 11000110010 +Kỹ thuật pseudoternary: Bit 1 được biểu diễn bằng không có điệp áp, các bit 0 được biểu diễn bằng các xung điện áp dương hay âm, và các xung điện áp biểu diễn bit 0 phải thay đổi luân phiên. Chẳng hạn giả sử bit 0 gần đây nhất có điện áp là âm, ta có biểu diễn sau: 11000110010 Giả sử chuỗi bit cần gửi đi là: 01001100011, bit 0 gần đây nhất có điện áp là âm + Kỹ thuật Biphase (2 pha) Bao gồm kỹ thuật manchester và differentiall manchester + Manchester: Có sự thay đổi điện áp tại điểm giữa của mỗi bit, cụ thể: Bit 1: Chuyển từ thấp lên cao Bit 0: Chuyển từ cao xuấng thấp Giả sử chuỗi bit cần gửi đi là: 01001100011 Ta có biểu diễn sau: Chuỗi bit cần gửi đi là: 01001100011 11000110010 + Differential manchester: - Có sự thay đổi điện áp tại điểm giữa của mỗi bit, cụ thể: Bit 0: Thay đổi tại vị trí bắt đầu của bit Bit 1: Không thay đổi tại vị trí bắt đầu của bit Giả sử chuỗi bit cần gửi đi là: 01001100011, và giả sử bit 1 trước đó kết thúc ở mức điện áp âm, ta có biểu diễn sau: Chuỗi bit cần gửi đi là: 01001100011 và giả sử bit 1 trước đó kết thúc ở mức điện áp âm 11000110010 2. Dữ liệu số, tín hiệu tương tự - Một trong những ví dụ điển hình là truyền dữ liệu số thông qua mạng điện thoại công công (public telephone network). - Các mạng điện thoại được thiết kế để truyền và nhận các tín hiệu tương tự trong phạm vi của tần số âm thanh từ 300 đến 3400Hz. Các modem được gắn vào các mạng điện thoại để chuyển đổi từ dữ liệu số sang tín hiệu tương tự và ngược lại. - Các kỹ thuật cơ bản để biến đổi dữ liệu số sang tín hiệu tương tự bao gồm: ASK (Amplitude Shift Keying – Khoá dịch chuyển biên độ), FSK (Frequancy Shift Keying – Khoá dịch chuyển tần số) và PSK (Phase Shift Keying – Khoá dịch chuyển pha) a, Kỹ thuật ASK – Khoá dịch chuyển biên độ - Với kỹ thuật này 2 giá trị nhị phân khác nhau (0,1) được biểu diễn bằng 2 biên độ khác nhau của tần số sóng mang. - Thông thường một chữ số nhị phân được biểu diễn bởi sụ tồn tại không đổi về biên độ của sóng mang, chữ số còn lại được biểu diễn bằng không có sóng mang. ASK s(t) = Với sóng mang là Acos(2pifct) ASK dễ bị ảnh hưởng bởi những thay đổi bất ngờ và là một kỹ thuật điều chế không hiệu quả. Với các đường truyền thoại vận tốc truyền dữ liệu tối đa là 1200bps. Kỹ thuật này được sử dụng để truyền dữ liệu số qua cáp quang. cAcos(2 f t) cho 1 0 cho 0 pi   b, Kỹ thuật FSK – Khoá dịch chuyển tần số. Một trong những dạng phổ biến nhất của FSK là binary FSK (BFSK), với kỹ thuật này 2 giá tri nhị phân được biểu diễn bởi 2 tần số khác nhau gần tần số mang. BFSK s(t)= Trong đó f1, f2 thường là phần bù của tần số mang fc, hai tần số này bằng nhau nhưng ngược nhau về giá trị. 1 2 Acos(2 f t) cho 1 Acos(2 f t) cho 0 pi pi    Ví dụ: Trong các đường truyền thoại để đạt được truyền full duplex, băng thông được chia thành 2 phần. Trên 1 hướng (truyền hay nhận) các tần số được sử dụng để biểu diễn 0 và 1 được tập trung tại tần số 1170 Hz với 1 sự dịch chuyển 100 Hz về cả hai phía. Trên hướng còn lại các tần số được sử dụng để biểu diễn 0 và 1 được tập trung tại tần số 2125 Hz với 1 sự dịch chuyển 100 Hz về cả hai phía. - BFSK ít bị lỗi hơn ASK, trong các đường truyền thoại vận tốc truyền dữ liệu tối đa là 1200bps, nó cũng được sử dụng cho các tần số cao hơn chẳng hạn như truyền sóng vô tuyến (3-30MHz), hoặc sử dụng thậm chí cho các tần số cao hơn nữa chẳng hạn các LANs sử dụng cáp đồng trục. Một kỹ thuật khác trong dịch chuyển tần số đó là MFSK–Multiple FSK sử dụng nhiều hơn 2 tần số: MFSK si(t)= Acos(2pifit) 1≤ i ≤ M Trong đó: fi = fc + (2i – 1 – M)fd fc= Tần số sóng mang fd= Sai khác tần số M= Số lượng các phần tử tín hiệu khác nhau = 2L L= Số lượng bit trên một phần tử tín hiệu. - Khi đó tổng số băng thông cần thiết là 2Mfd và tốc độ truyền là 2fd Ví dụ: Cho một kênh điện thoại sử dụng tần số sóng mang là 250KHz, sự sai khác tần số là 25 KHz, số bít được mã hóa trên một phần tử tín hiệu là 3. Hãy tính các tần số được sử dụng để mã hóa dữ liệu, băng thông cần thiết và tốc độ truyền tối đa của đường truyền. Lời giải: Ta có fc= 250 KHz, fd = 25 KHz, L=3 Vì vậy M=8. Sử dụng công thức fi = fc + (2i – 1 – M)fd ta có: f1 = 75KHz biểu diễn 000 f2 = 125 KHz biểu diễn 001 f3 = 175 KHz biểu diễn 010 f4 = 225 KHz biểu diễn 011 f5 = 275 KHz biểu diễn 100 f6 = 325 KHz biểu diễn 101 f7 = 375 KHz biểu diễn 110 f8 = 425 KHz biểu diễn 111 Băng thông cần thiết là 2Mfd = 2x8x25 = 400 KHz Tốc độ truyền tối đa là 2fd= 50 Kbps. Giả sử với M=4, ta có L=2 nghĩa là có 2 bit được mã hóa trong một phần tử tín hiệu, khi đó ta có các tần số là fc + 3fd, fc - 3fd, fc + fd, fc - fd, và giả sử dữ liệu là 01110011110110000011 fc - 3fd fc – fd fc + fd fc + 3fd 11000010011111001101 T ầ n s ố c, Kỹ thuật PSK – Khoá dịch chuyển pha Một giản đồ đơn giản nhất sử dụng 2 pha để biểu diễn các số nhị phân và được gọi là dịch pha nhị phân, kỹ thuật này sử dụng dịch pha pi BPSK s(t) = Ngoài ra còn có thể sử dụng giản đồ 4 pha, dịch pha pi/4 (quadrature) để biểu diễn các số nhị phân: cos(2 ) cho 1 cos(2 ) cho 0 c c A f t A f t pi pi   − QPSK s(t) = Do đó mỗi phần tử tín hiệu biểu diễn 2 bit. 3. Dữ liệu tương tự, tín hiệu số. Nói 1 cách chính xác hơn, đây là quá trình biến đổi từ dữ liệu tương tự sang dữ liệu số. Quá trình này được gọi là số hóa (digitalization) os(2 / 4) 11 os(2 3 / 4) 01 os(2 3 / 4) 00 os(2 / 4) 10 c c c c Ac f t Ac f t Ac f t Ac f t pi pi pi pi pi pi pi pi +  +  −  − - Khi dữ liệu tương tự đã được chuyển đổi thành dữ liệu số, một số các vấn đề có thể sảy ra, đó là: + Dữ liệu số có thể được truyền sử dụng kỹ thuật NRZ - L + Dữ liệu số có thể được mã hóa thành tín hiệu số sử dụng kỹ thuật khác NRZ - L.Khi đó cần có các bước bổ sung vào quá trình biến đổi + Dữ liệu số có thể được chuyển đổi thành một tín hiệu tương tự, sử dụng 1 trong các kỹ thuật điều chế ở phần 2. - Thiết bị dùng để chuyển đổi dữ liệu tương tự thành dạng số để truyền và sau đó khôi phục lại dữ liệu tương tự ban đầu từ dạng số được gọi là codec (coder / decoder) - Có hai kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong codec đó là điều chế mã xung – Pulse Code Modulation – PCM và Delta Modulation a, Kỹ thuật điều chế mã xung - PCM: Kỹ thuật này dựa trên định lý lấy mẫu như sau: “Nếu một tín hiệu f(t) được lấy mẫu trong các khoảng thời gian đều đặn và với một tỷ lệ lấy mẫu lớn hơn hai lần tần số tín hiệu cao nhất thì các mẫu này sẽ bao gồm tất cả các thông tin của tín hiệu ban đầu và hàm f(t) có thể được khôi phục lại từ các mẫu” - Khi lấy mẫu tín hiệu ta được các mẫu tương tự được gọi là pulse amplitude modulation (PAM) để chuyển đôi các mẫu này sang số ta cần gán cho mỗi mẫu 1 mã nhị phân Ví dụ: Giả sử tín hiệu ban đầu có băng thông là B, các mẫu PAM được lấy với tỷ lệ 2B hay nói cách khác mỗi một mẫu được lấy sau mỗi khoảng thời gian Ts = 1/2B (giây). Mỗi một mẫu được biểu diễn bằng 4 bit. Do đó, mỗi một mẫu được xấp xỉ bằng một giá trị trong khoảng từ 0 đến 15 (16 mức) bằng lượng tử hóa (lượng hóa). - Vì các giá trị được lượng hóa chỉ là các giá trị gần đúng nên không thể khôi phục lại được tín hiệu ban đầu từ các mẫu. - Nếu sử dụng 8 bit cho một mẫu (cho phép 256 mức lượng hóa) thì chất lượng của tín hiệu âm thanh sau khi khôi phục từ các mẫu có thể so sánh được với tín hiệu này khi truyền bằng tín hiệu tương tự. - Do tần số âm thanh giới hạn ở mức 4000Hz nên với tốc độ lấy mẫu 8000 mẫu/giây và với mỗi một mẫu yêu cầu 8 bit để mã hoá nên một kênh điện thoại sẽ yêu cầu vân tốc: 8000x8=64000 = 64 kbps 11 1 100110011010011001 6.84.06.23.22.12.71.0PAM T=1/ 2B 0 1 2 3 4 5 6 7 b, Kỹ thuật điều chế Delta – DM: - Trong kỹ thuật này các thông tin vào dưới dạng các dữ liệu số được xấp xỉ hóa bằng 1 hàm bậc thang (Staircase function), hàm này tăng hay giảm một khoảng bằng delta trong mỗi khoảng thời gian lấy mẫu. - Tính chất cơ bản nhất của hàn bậc thang là sự tăng hay giảm của hàm là nhị phân: trong mỗi khoảng thời gian lấy mẫu, hàm tăng hoặc giảm một khoảng bằng delta. - Do đó nếu hàm tăng ta có thể sử dụng giá trị 1 để biểu diễn và dùng giá trị 0 để biểu diễn hàm nếu hàm giảm. - Việc tăng hay giảm của hàm được chọn cầng gần với dữ liệu ban đầu càng tốt. Nếu gía trị lấy mẫu của dữ liệu lớn hơn giá trị gần nhất của hàm thì bit 1 được sinh ra, ngược lại bit 0 được sinh ra. Ví dụ về việc sử dụng hàm bậc thang để lấy mẫu: 100111001101100 Tín hiệu Hàm bậc thang Các giá trị mẫu