HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Bài giảng môn học
TRUYỀN DẪN SỐ
BM: TH & HT KHOA: VT1 Giảng viên: Vũ Thị Thúy Hà
1
Mã đường truyền Nội dung:
Chương4 : 04 lý thuyết/ 01 bài tập/ 0 kiểm tra/ 0 thảo luận 4.1. Tổng quan về mã truyền dẫn 4.2. Các loại mã truyền dẫn 4.2.1. Mã AMI 4.2.2. Mã CMI 4.2.3. Mã HDBn 4.2.4. Mã BnZS 4.3. Kết luận chương 4
Bài tập
4.1 Tổng quan Mã đường truyền hiệu số nhị phân khi rời khỏi một công đoạn xử lý nhất định nào đó đều cần phải cần phải phối hợp với đặc tính của kênh truyền dẫn. Việc truyền các tín hiệu nhị phân trên cự ly lớn bằng các đường dẫn có thể mang vào những méo và suy hao quá lớn dẫn đến lỗi thu (giảm chất lượng liên lạc). Thêm vào đó, trong các tuyến xử lý tín hiệu, nhằm phối nhằm phối hợp mạch điện, tạo phân cách lý tưởng về điện và giảm xuyên nhiễu người ta thường sử dụng các biến áp. Các biến áp cho qua các thành phần xoay chiều cao tần và gạt đi thành phần một chiều có trong tín hiệu. Các tín hiệu số nhị phân đơn cực có dạng NRZ lại chứa trong phổ của chúng thành phần một chiều và các thành phần tần thấp với năng lượng khá cao, do đó khi truyền qua các biến áp như thế sẽ bị sẽ bị méo lớn. Một điểm quan trọng khác nữa trong xử lý tín hiệu băng hiệu băng gốc là vấn đề tách tín hiệu định thời từ chuỗi tín hiệu tới. Tín hiệu định thời thường được tách ra từ các chuyển đổi cực tính xung thành phần. Trong trường hợp sử dụng các tín hiệu NRZ, một khi có nhiều xung cùng cực tính liên tiếp thì việc tách tín hiệu định thời sẽ rất khó khăn. Cuối cùng, các lỗi phát sinh trên các đường truyền tín hiệu số băng số băng gốc cần phải cần phải có thể giám sát được. Các vấn đề trên có thể khắc phục khắc phục hoặc hỗ trợ được trợ được nhờ mã hoá các tín hiệu nhị phân đơn cực trước khi truyền trực tiếp ra đường dây (có thể là đường dây cáp xoắn hay cáp có màn che vẫn thường dùng để truyền các tín hiệu analog , hoặc đoạn nối giữa các bộ phận bộ phận xử lý tín hiệu). Mã hoá tín hiệu như vậy còn có tên gọi là mã hoá đường dây (line (line encoding ). Các tín
(tt) Trong rất nhiều ứng dụng, việc không có hoặc hầu như không có thành phần một chiều (DC: Dir (DC: Direct ect Current Current ) có ý nghĩa đặc biệt đặc biệt. Các hệ thống mã không có thành phần DC được đặc trưng bởi Độ biến thiên tổng digit (DSV: Digital Sum Variation), Variation), là chênh lệch giữa các giá trị tổng digit thấp nhất và cao nhất của một số tuỳ ý các ký hiệu phần hiệu phần tử trong đó N và M là các giới hạn khảo sát tuỳ ý. Hiển nhiên, DSV càng nhỏ mật độ chuyển đổi cực tính xung của chuỗi tín hiệu được mã (càng tốt) và giá trị nhỏ nhất có thể có của DSV là 1.
M M DSV an max an min min n N n N
Mã đường truyền Đầu ra của ADC có thể truyền qua băng tần cơ sở baseband channel. •Dữ liệu số phải chuyển thành tín hi ệu vật lý physical signal. •Tín hiệu physical signal đượ c gọi là mã đườ ng line code.Các bộ mã đườ ng thườ ng biểu diễn mức điện áp cao(+V) cho bít 1 gọi là mark và bít 0 biểu diễn bở i mức 0 gọi là space . Analog Input Signal Sample
X Quantize
ADC
XQ Encode
Xk Line Code x(t)
PCM signal
Line Coder
Digital Data a k
Line Coder
Physical x (t ) Waveform
a
k
p (t kT b )
k
The input to the line encoder is a sequence of values a k that is a function of a data bit or an ADC output bit.
The output of the line encoder is a waveform:
x(t )
a
k
p(t kT b )
k
Where p(t ) is the Pulse Shape and T b is the Bi t Per iod
T b =T s/n for n bit quantizer (and no parity bits).
R b =1/T b=nf s for n bit quantizer (and no parity bits).
The operational details of this function are set by the particular type of line code that is being used.
Các mã đườ ng dây (line codes) thông dụng: cách biểu diễn tín hiệu số 0, 1 bằng dạng sóng tín hiệu sao cho phù hợ p khi truyền dải nền. Phân loại các mã đườ ng dây:
Các loại mã đườ ng dây Đơ n cực (Unipolar)
NRZ
RZ
Cực (Polar)
NRZ
RZ
NRZ: Non Return to Zore RZ: Return to Zero CMI: Coded Mark Inversion
Lưỡ ng cực (Bipolar)
Manchester
NRZ (AMI)
RZ
CMI
HDB3: High Density Bipolar 3 AMI: Alternate Mark Inversion
HDB3
Thuật ng ữ
Unipolar
Polar
Thờ i gian (thiết bị phát) dùng để truyền 1 bit
Tốc độ điều chế
Tốc độ truyền dẫn dữ liệu theo bps (bit per second)
Độ rộng (chiều dài 1 bit)
Một trạng thái logic đượ c biểu diễn bằng mức điện áp dươ ng, trạng thái logic khác đượ c biểu diễn bằng mức điện áp âm
Tốc độ dữ liệu (data rate)
Tất cả các phần tử tín hiệu có cùng dấu
Tốc độ mức tín hiệu thay đổi Đơ n vị là baud = số phần tử tín hiệu trong 1 giây
Mark và Space
Tươ ng ứng vớ i 1 và 0 nhị phân
Các yêu cầu của một mã đườ ng dây:
Thành phần DC: càng gần zero càng tốt Dải thông yêu cầu: càng nhỏ càng tốt Khả năng dể dàng khôi phục đồng bộ: càng cao càng Khả năng tự sửa lỗi: càng cao càng tốt Độ phức tạp mã hóa/ giải mã: càng nhỏ càng tốt Có khả năng định dạng phổ phù hợp với kênh truyền
tốt
Các yêu cầu của một mã đườ ng dây:
Line codes 1
(a) Punched Tape
Mark (hole) Volts
(b) Unipolar NRZ
1
Mark (hole)
0
space
1
0
0
Mark space space (hole)
A
0 Tb
Time
A
(c) Polar NRZ
0
-A
A
(d) Unipolar RZ
0
A
(e) Bipolar RZ
0 -A
A
(f) Manchester NRZ 0 -A
Binary Signaling Formats
1 Mark (hole)
BINARY DATA
Mục đích của mã đường
Mã đường được thiết kế phải đạt được các mục tiêu :
Self-synchronization. • The ability to recover timing from the signal itself. • Long series of ones and zeros could cause a problem. Low probability of bit error. • The receiver needs to be able to distinguish the waveform associated with a mark from the waveform associated with a space, even if there is a considerable amount of noise and distortion in the channel.
Spectrum that is suitable for the channel. • In some cases DC components should be avoided if the channel has a
•
DC blocking capacitance. The transmission bandwidth should be minimized.
4.2 Các kiểu mã đường
Each line code is described by a symbol mappin g fun cti on ak and a pulse shape p(t ):
x(t )
a
k
p(t kT b )
k
Đặc điểm mã đường
Symbol mapping functions (ak ).
• Unipolar -Đơn cực • Polar- Cực • Bipolar – Lưỡng cực (a.k.a. alternate mark inversion, pseudoternary)
Pulse shapes p(t ). • NRZ (Nonreturn-to-zero) • RZ (Return to Zero) • Manchester (split phase)
4.2.1. Mã đơn cực- NRZ Line Code
The unipolar nonr etur n-to-zer o line code is defined by the unipolar mapping: A when X k 1 0 when X k 0
ak
where Xk is the k th data bit.
In addition, the pulse shape for unipolar NRZ is:
t p(t ) NRZ pulse shape T b Where T b is the bit per iod . Hard to recover symbol timing when long string of 0s or 1s.
Note the DC component This means wasted power! 1
0
1
1
0
1
A 0
T
2T
3T
4T
5T
Mã đơn cực- RZ Line Code
The unipolar r etur n-to-zer o line code has the same symbol mapping but a different pulse shape than unipolar NRZ: A when X k 1 0 when X k 0
ak
t p(t ) RZ pulse shape T b / 2 Long strings of 1 ’s no longer a problem.
Pulse of half the duration of NRZ
However strings of 0 ’s still problem.
requires twice the bandwidth! 1
0
1
1
0
1
A 0
T b
2T b
3T b
4T b
5T b
4.2.2.Mã cực-Polar Encoding
a. Mã cực- Polar Line Codes
Polar line codes use the antipodal mapping: A when X k 1 ak A when X k 0
Polar NRZ uses NRZ pulse shape. Polar RZ uses RZ pulse shape.
No DC component, so more energy efficient. 1
0
1
1
0
1
A Polar NRZ
Now we can handle long strings of 0 ’s, too.
A Polar RZ
b. Nonreturn to zero (NRZ)
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
2 mức điện áp khác nhau cho bit 1 và bit 0 Điện áp không thay đổi (không có transition) khi không có sự thay đổi tín hiệu Điện áp thay đổi (có transition) khi có sự thay đổi tín hiệu (từ 0 1 hoặc từ 10)
Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)
NRZI cho các bit 1
Dữ liệu được mã hóa căn cứ vào việc có hay không sự thay đổi tín hiệu ở đầu thời khoảng bit. Bit 1: được mã hóa bằng sự thay đổi điện áp (có transition) Bit 0: được mã hóa bằng sự không thay đổi điện áp (không có transition)
c. Biphase
Manchester Thay đổi ở giữa thời khoảng bit Thay đổi được dùng như tín hiệu đồng bộ dữ liệu LH biểu diễn 1 HL biểu diễn 0
Dùng trong IEEE 802.3
Manchester Line Codes
M anchester line codes use the antipodal mapping and the following split-phase pulse shape: p (t )
t Tb / 4 t Tb / 4 T / 2 T / 2 b b
p(t )
1
0
1
1
0
1
A
•
Easy synchronization and better spectral characteristics than polar RZ.
Biphase
Differential Manchester Thay đổi giữa thời khoảng bit chỉ dùng cho đồng bộ Thay đổi đầu thời khoảng biểu diễn 0 Không có thay đổi ở đầu thời khoảng biểu diễn 1
Dùng trong IEEE 802.5
Biphase
Ưu và nhược điểm
Nhược điểm • Tối thiểu có 1 thay đổi trong thời khoảng 1 bit và có thể có 2 • Tốc độ điều chế tối đa bằng 2 lần NRZ • Cần băng thông rộng hơn
Ưu điểm • Đồng bộ dựa vào sự thay đổi ở giữa thời khoảng bit (self clocking)
• Không có thành phần một chiều • Phát hiện lỗi
Khi thiếu sự thay đổi mong đợi
Biphase
Polar Encoding
Bài tập
Bài tập
Bài tập 0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
NRZ-L
NRZ-I
AMI
Pseudo-Ternary
Manchester
Differential Manchester
4.2.3. Mã lưỡng cực- Bipolar Line Codes
With bipolar li ne codes a space is mapped to zero and a mark is alternately mapped to -A and +A: 0 ak A A
when X k 0 when X k 1 and last mark A when X k 1 and last mark A
• Also called pseudoternary signalling and alter nate mark . in ver sion (AM I ) • Either RZ or NRZ pulse shape can be used. A
1
0
1
1
0
1
Bipolar (RZ)
A
a. Multilevel Binary
Dùng nhiều hơn 2 mức Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)
Bit-0 được biểu diễn bằng không có tín hiệu Bit-1 được biểu diễn bằng xung dương hay xung âm Các xung 1 thay đổi cực tính xen kẽ Không mất đồng bộ khi dữ liệu là một dãy 1 dài (dãy 0 vẫn bị vấn đề đồng bộ) Không có thành phần một chiều Băng thông thấp Phát hiện lỗi dễ dàng
Amplitude
0
1
0
0
1
1
1
0
Pseudoternary
1 được biểu diễn bằng không có tín
hiệu 0 được biểu diễn bằng xung dương âm xen kẽ nhau Không có ưu điểm và nhược điểm so với bipolar-AMI
Time
The 0s are positive and negative alternately
Multilevel Binary
Trade Off
Không hiệu quả bằng NRZ • Mỗi phần tử t/h chỉ biểu diễn 1 bit
Hệ thống 3 mức có thể biểu diễn log23 = 1.58 bit
• Bộ thu phải có khả năng phân biệt 3 mức (+A, -A, 0) Cần thêm khoảng 3dB công suất để đạt được cùng xác suất bit lỗi 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1
b. Mã B8ZS
B8ZS (Bipolar With 8 Zeros Substitution) Dựa trên bipolar-AMI Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là dương, mã thành 000+ – 0 – + Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là âm, mã thành 000 – +0+ – Gây ra 2 vi phạm mã AMI Có thể lầm lẫn với tác động gây ra bởi nhiễu Bộ thu phát hiện và diễn giải chúng thành 8 số 0 liên tiếp
B8ZS
c.Mã HDB3 HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros) Dựa trên bipolar-AMI Chuỗi 4 số 0 liên tiếp được thay thế theo quy luật như sau
HDB3
Bài tập
Bài tập
4.2.4 So sánh các phương pháp mã hóa
Phổ tín hiệu
Việc thiếu thành phần tần số cao làm giảm yêu cầu về băng thông Tập trung công suất ở giữa băng thông
Đồng bộ
Đồng bộ bộ thu và bộ phát Tín hiệu đồng bộ ngoại vi Cơ chế đồng bộ dựa trên tín hiệu Khả năng phát hiện lỗi Có thể được tích hợp trong cơ chế mã hóa Nhiễu và khả năng miễn nhiễm Vài mã tốt hơn các mã khác Độ phức tạp và chi phí Tốc độ tín hiệu cao hơn (và do đó tốc độ dữ liệu cao hơn) dẫn tới chi phí
cao Vài mã đòi hỏi tốc độ tín hiệu cao hơn tốc độ dữ liệu
Comparison of Line Codes Self-synchronization:
Manchester codes have built in timing information because they always have a zero crossing in the center of the pulse. Polar RZ codes tend to be good because the signal level always goes to zero for the second half of the pulse. NRZ signals are not good for self-synchronization.
Error
probability:
Polar codes perform better (are more energy efficient) than Unipolar or Bipolar codes.
Channel
characteristics:
We need to find the PSD of the line codes to answer this ...
Power Spectra for Binary Line Codes
PSD can be calculated using the autocorrelation function:
A
digital signal is represented by
s(t )
an f (t nTs ) ;
n
f (t ) - Symbol Pulse shape; Binary signaling : T s= T b ,
t for unipolar NRZ T s
f (t )
T s - Duration of one symbol; Multilevel signaling: T s= lT b
PSD depends on: (1) The pulse shape used (2) Statistical properties of data expressed by the autocorrelation function
The PSD of a digital signal is given by:
P s ( f ) R ( k )
F ( f ) T s
2
R (k )e j 2 kfT s
Where { f (t )} F ( f )
k
I
(a a
) P i The autocorrelation function of data
n n k i
i 1
an and an k are levels of the data pulses at the n ' th and ( n k )'th symbol positions P i Pro ba bility of having the ith an an k product
PSD for Polar NRZ Signaling Possible levels for the a’s : +A and -A R( k )
I
(a a n
) Pi
n k i
an and an k are the level of the pulses at the nth and ( n k )th symbols
i 1
R(0)
2
(an an )i Pi A2
i 1
For k 0, R(k )
1 2
( A) 2
4
(a a
n n k ) Pi
1 2
A2
A21/ 4 ( A)( A)1/ 4 ( A)( A)1/ 4 ( A) 21/ 4 0
i 1
A2 , k 0 R polar (k ) 0, k 0 f (t ) (t / Tb ) F ( f ) Tb
sin fT b
Ps f
fTb
F f T s
sin fT b PPolar NRZ ( f ) A T b fT b 2
2
k
2
Rke
2 kfT s
PSD for line codes Unipolar NRZ 2
A2Tb sin fT b 1 PUni. NRZ ( f ) 1 ( f ) 4 fTb T b
Polar NRZ
sin fT b PPolar NRZ ( f ) A T b fT b 2
Bit rate: R=1/T b
2
PSD for line codes Unipolar RZ
2
2 A Tb sin fT b / 2 1 PUni. R Z ( f ) 1 16 fTb / 2 Tb
Bipolar RZ
PBipolar RZ ( f )
A Tb sin fT b 2
n
( f T )
n
b
2
2 sin fT b fT b
4
Manchester NRZ 2
sin fT b / 2 2 sin fT b / 2 fT b / 2
PManch. NR Z ( f ) A2Tb Bit rate: R=1/T b
