Chuong 4. Ma Duong Truyen

CSE 501035 – Data Communication 1

1

TRUY N D N SỀ Ẫ Ố

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Bài giảng môn học

BM: TH & HTKHOA: VT1Giảng viên: Vũ Thị Thúy Hà

1


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

204/17/2023

2

Mã đường truyền

CSE 501035 – Data Communication 3304/17/2023

3

4.1 Tổng quan Mã đường truyền Các tín hiệu số nhị phân khi rời khỏi một công đoạn xử lý nhất định nào đó đều 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 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 méo lớn. Một điểm quan trọng khác nữa trong xử lý tín 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 gốc cần phải có thể giám sát được.Các vấn đề trên có thể khắc phục hoặc hỗ 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 xử lý tín hiệu). Mã hoá tín hiệu như vậy còn có tên gọi là mã hoá đường dây (line encoding).


4

(tt)Trong rất nhiều ứng dụng, việc không có hoặc hầu như không có thành phần một chiều (DC: Direct Current) có ý nghĩa đặc biệt. Các hệ thống mã không có thành phần DC được đặc trưng bởi Độ biến thiên tổng digit (DSV: Digital Sum Variation), là chênh lệch giữa các giá trị tổng digit thấp nhất và cao nhất của một số tuỳ ý các ký 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.

minmax

M

Nnn

M

Nnn aaDSV


Mã đường truyền

504/17/2023

5

ADC

PCM signal

Sample

Quantize

AnalogInputSignal

Encode

LineCode

X

XQ

Xk

x(t)

Đầu ra của ADC có thể truyền qua băng tần cơ sở baseband channel.• Dữ liệu số phải chuyển thành tín hiệu vật lý physical signal.• Tín hiệu physical signal được gọi là mã đường line code.Các bộ mã

đường thường biểu diễn mức điện áp cao(+V) cho bít 1 gọi là mark và bít 0 biểu diễn bởi mức 0 gọi là space .

Eeng 360 6

Line Coder

The input to the line encoder is a sequence of values ak that is a function of a data bit or an ADC output bit.

The output of the line encoder is a waveform:

Where p(t) is the Pulse Shape and Tb is the Bit Period Tb =Ts/n for n bit quantizer (and no parity bits). Rb =1/Tb=nfs 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.

( ) ( )k bk

x t a p t kT

Line Coderka

DigitalData

PhysicalWaveform

( ) ( )k bk

x t a p t kT


Các mã đường dây (line codes) thông dụng:

cách biểu diễn tín hiệu số 0, 1 bằng dạng sóng tín hiệu sao cho phù hợp khi truyền dải nền. Phân loại các mã đường dây:

NRZ: Non Return to Zore RZ: Return to Zero HDB3: High Density Bipolar 3 CMI: Coded Mark Inversion AMI: Alternate Mark Inversion

704/17/2023

7

Các loại mã đường dây

Đơn cực(Unipolar)

Cực(Polar)

Lưỡng cực(Bipolar)

CMIRZ HDB3ManchesterRZNRZ NRZ(AMI)

NRZ RZ


Thuật ngữ Unipolar-

Tất cả các phần tử tín hiệu có cùng dấu Polar

Một trạng thái logic được biểu diễn bằng mức điện áp dương, trạng thái logic khác được biểu diễn bằng mức điện áp âm

Tốc độ dữ liệu (data rate) Tốc độ truyền dẫn dữ liệu theo bps (bit per second)

Độ rộng (chiều dài 1 bit) Thời gian (thiết bị phát) dùng để truyền 1 bit

Tốc độ điều chế Tốc độ mức tín hiệu thay đổi Đơn vị là baud = số phần tử tín hiệu trong 1 giây

Mark và Space Tương ứng với 1 và 0 nhị phân


Các yêu cầu của một mã đường 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 tốt 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

904/17/2023

9


10

Các yêu cầu của một mã đường dây:

EEE 360 11

(a) Punched Tape

A

-A0(c) Polar NRZ

A

0(d) Unipolar RZ

A

-A0(e) Bipolar RZ

BINARY DATA1 1 0 1 0 0 1

Mark (hole)

Mark (hole)

Mark (hole)

Mark (hole)

space space space

A

-A

0(f) Manchester NRZ

Binary Signaling Formats

VoltsA

Time

0(b) Unipolar NRZTb

Line codes

Eeng 360 12

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.

Eeng 360 13

4.2 Các kiểu mã đường Each line code is described by a symbol mapping function ak

and a pulse shape p(t):

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)

( ) ( )k bk

x t a p t kT

Eeng 360 14

4.2.1. Mã đơn cực- NRZ Line Code The unipolar nonreturn-to-zero line code is defined by the

unipolar mapping:

where Xk is the kth data bit. In addition, the pulse shape for unipolar NRZ is:

Where Tb is the bit period.

0when

1 when

0

k

kk X

XAa

( ) NRZ pulse shapeb

tp t

T

1 1110 0

bT bT2 bT3 bT40 bT5

A

Note the DC component

This means wasted power!

Hard to recover symbol timing

when long string of 0s or 1s.

Eeng 360 15

Mã đơn cực- RZ Line Code

The unipolar return-to-zero line code has the same symbol mapping but a different pulse shape than unipolar NRZ:

0when

1 when

0

k

kk X

XAa

( ) RZ pulse shape/ 2b

tp t

T

1 1110 0

bT bT2 bT3 bT40 bT5

A

Long strings of 1’s no longer a problem.

However strings of 0’s still problem.Pulse of half the duration of NRZ

requires twice the bandwidth!

4.2.2.Mã cực-Polar Encoding

a. Mã cực- Polar Line Codes Polar line codes use the antipodal mapping:

Polar NRZ uses NRZ pulse shape. Polar RZ uses RZ pulse shape.

0when

1 when

k

kk X

X

A

Aa

1 1110 0A

A

A

Polar NRZ

Polar RZ

No DC component,

so more energy efficient.

Now we can handle

long strings of 0’s, too.

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 01 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

Eeng 360 20

Manchester Line Codes Manchester line codes use the antipodal mapping

and the following split-phase pulse shape:

/ 4 / 4( )

/ 2 / 2b b

b b

t T t Tp t

T T

)(tp

1 111 0

A

0

• 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 tập0 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

Bài tập0 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

DifferentialManchester

Eeng 360 31

4.2.3. Mã lưỡng cực- Bipolar Line Codes With bipolar line codes a space is mapped to zero and a mark

is alternately mapped to -A and +A:

• Also called pseudoternary signalling and alternate mark inversion (AMI).

• Either RZ or NRZ pulse shape can be used.

A

Bipolar (RZ)

1 111 00A

0 when 0

when 1 and last mark A

when 1 and last mark A

k

k k

k

X

a A X

A X

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

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-AMIThe 0s are positive and negative alternately

Amplitude

Time

0 1 00 1 1 01

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

Multilevel Binary

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 HDB3HDB3 (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

Eeng 360 43

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 ...

Eeng 360 44

Power Spectra for Binary Line Codes

2

2

1

( )( ) ( ) Where { ( )} ( )

( ) ( ) The autocorrelation function of

and are levels of the data pulses at the ' th and ( )'th symbol positions

Pro

data

ba

sj kfTs

ks

I

n n k

k

i ii

n n

i

F fP f R k e f t F f

T

R k a a P

a a n n k

P

bility of having the th product n n ka ai

PSD can be calculated using the autocorrelation function:

A digital signal is represented by

f(t) - Symbol Pulse shape; Ts - Duration of one symbol; Binary signaling : Ts= Tb , Multilevel signaling: Ts= lTb

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:

( ) ( ) ; ( ) for unipolar NRZn sn s

ts t a f t nT f t

T

Eeng 360 45

PSD for Polar NRZ Signaling

Possible levels for the a’s : +A and -A

22 2 2

1

42 2

1

2

2

s

2

1 1(0) ( ) ( )

2 2

For 0, ( ) ( ) 1/ 4 ( )( )1/ 4 ( )( )1/ 4 ( ) 1/ 4 0

, 0 ( )

0, 0

sin( ) ( / ) ( ) P

n n i ii

n n k ii

polar

bb b

kb s

kfTs

R a a P A A A

k R k a a P A A A A A A

A kR k

k

F ffTf t t T F f T f R k e

fT T

2

2Polar NRZ

sin( ) b

bb

fTP f A T

fT

1

and are the level of the pulses at the th and ( )th( ) ( sy) mbolsI

n n k i i n n ki

n nR k a a P a ka

Eeng 360 46

PSD for line codes

Unipolar NRZ

Polar NRZ

22

Uni. NRZ

sin 1( ) 1 ( )

4b b

b b

A T fTP f f

fT T

2

2Polar NRZ

sin( ) b

bb

fTP f A T

fT

Bit rate: R=1/Tb

Eeng 360 47

PSD for line codesUnipolar RZ

Bipolar RZ

ManchesterNRZ

Uni. R

2

Z

2sin / 2 1

( ) 1 ( )16 / 2

b b

nb b b

A T fT nP f f

fT T T

Bipolar

2

RZ

2

2sin( ) sin

4b b

bb

A T fTP f fT

fT

Manch. NR

2

Z2 2sin / 2

( ) sin / 2/ 2b

b bb

fTP f A T fT

fT

Bit rate: R=1/Tb


Diễn giải tín hiệu Cần biết

Định thời của các bit (khi nào chúng bắt đầu và kết thúc)

Mức tín hiệu Yếu tố ảnh hưởng đến việc diễn giải tín hiệu

Tỉ số SNR Tốc độ dữ liệu Băng thông

Documents

Chuong 4. Ma Duong Truyen