- Miêu tả các nguồn dữ liệu có trong module.
- Miêu tả quá trình mã hóa.
- Miêu tả việc phân chia bit sang Dibít và Tribít.
- Miêu tả mã hóa Manchester.
Dông cô:
- Bộ nguồn PS1-PSU/EV.
- Module thí nghiệm: MCM31.
- Dao động ký.
2.1. Lý thuyÕt
2.1.1. Khối phát chuỗi dữ liệu
Đồng hồ phát
Các bit dữ liệu đ−ợc tuần tự phát ra tại tốc độ cho bởi đồng hồ phát (Transmission Clock) (TXCK, tại chốt 3). Đây là xung vuông,
đồng bộ với tín hiệu dữ liệu, và có sườn âm của xung tại chính giữa của khoảng bit (hình 2.1). Tốc độ dữ liệu phụ thuộc vào phương pháp điều chế (Manchester, Bit, Dibít, Tribít), đ−ợc lựa chọn bởi jump J1. 300 bit/s cho mã Manchester, 600 bit/s trong mode Bit, 1200 bit/s trong mode Dibít, 1800 bit/s trong mode TriBít. Tốc độ bit đ−ợc thay đổi để giữ cùng tốc độ Baud (600 Baud).
Hình 2.1- Xung đồng hồ và chuỗi dữ liệu
Chuỗi dữ liệu 24 bit
Khối phát cung cấp chuỗi dữ liệu 24 bit NRZ (chốt 4) (dạng tín hiệu trên hình 2.1). Dữ liệu này đ−ợc đồng bộ với đồng hồ (chốt 3). Các bit cũng có thể lập trình từng bit một nhờ các khóa từ 1-24. Chuỗi bắt đầu khi nhấn START, và thực hiện lặp đi lặp lại.
Chuỗi 64 bit giả ngẫu nhiên (Pseudocasual)
Khối phát cung cấp chuỗi NRZ gọi là “giả ngẫu nhiên”, chứa
đựng 32 bit “0” và 32 bit “1”. Dạng sóng của chuỗi 64 bit chỉ ra trên hình 2.1. Các bit đ−ợc đồng bộ với đồng hồ truyền. Chuỗi dữ liệu
đ−ợc bắt đầu bằng nhấn START, và thực hiện lặp đi lặp lại.
Dữ liệu ngoài
Có thể lựa chọn nguồn dữ liệu ngoài:
- Đồng bộ: dữ liệu vào chốt 2, dạng TTL, chúng phải đ−ợc
đồng bộ hóa với đồng hồ Clock từ chốt 1.
- Dị bộ: dữ liệu vào chốt 2, dạng TTL, hoặc qua đầu nối RS232 (dạng V24/RS232C).
2.1.2. Mã hóa dữ liệu
Trong hệ thống truyền thông số chuẩn, dữ liệu (thông tin) từ nguồn cung cấp có thể phải qua một số xử lý (mã hóa) tr−ớc khi
đ−a vào bộ điều chế và truyền đi (hình 2.2). Lí do để phải điều chế tín hiệu dữ liệu là:
- Dễ dàng cho việc giải điều chế, đặc biệt là PSK và QAM.
- Phân tách dòng dữ liệu thành các nhóm nhiều bit (Dibít, Tribít...) tr−ớc khi thực hiện việc điều chế nhiều mức (PSK có ít nhÊt 4 pha, QAM).
- Đảm bảo việc khôi phục bit thời gian tại nơi nhận.
- Đ−a vào thuật toán nén dữ liệu và kiểm tra lỗi.
- Khai thác băng thông kênh truyền một cách tốt nhất.
Chúng ta sẽ xem xét một số tr−ờng hợp sau:
- Mã hóa 1 bit vi sai, thuận tiện cho giải điều chế tín hiệu PSK.
- Chia nhỏ dòng dữ liệu thành nhóm 2 bit (Dibít), và 3 bit (Tribít), thực hiện 4-PSK và 8- mức-QAM, ở dạng tuyệt đối hay vi sai.
- Mã hóa Manchester: là một trong các dạng mã hóa đ−ợc sử dụng để đảm bảo việc hồi phục của tín hiệu clock nhận.
Hình 2.2- Hệ thống truyền thông số chuẩn
2.1.3. Mã hóa 1 bit vi sai
Trong hệ thống PSK, việc giải điều chế đ−ợc thực hiện bằng cách so sánh pha tức thời của tín hiệu PSK với một pha tham chiếu tuyệt đối đã khôi phục trong khối thu nhận. Cách điều chế này
đ−ợc gọi là PSK tuyệt đối (Absolutely PSK). Khó khăn lớn nhất trong hệ thống này nằm ở chỗ cần phải giữ pha đã khôi phục (pha tuyệt đối) hoàn toàn không thay đổi. Vấn đề đ−ợc giải quyết bằng việc sử dụng ph−ơng pháp điều chế PSK vi sai (Differential PSK), vì thông tin không nằm trong pha tuyệt đối của sóng mang đã
điều chế mà trong sự sai khác về pha giữa hai khoảng điều chế kế tiếp. Tr−ớc khi vào bộ điều chế PSK, các bit dữ liệu đ−ợc mã hóa nh− sau:
Bit lối vào = “1” → đầu ra đổi mức.
Bit lối vào = “0” → giữ nguyên mức lối ra.
Nói cách khác, bit “1” đ−ợc mã hóa bằng sự biến đổi của dữ
liệu lối ra. Ví dụ đ−ợc chỉ ra trên hình 2.3.
Hình 2.3- Mã hóa 1 bit vi sai
2.1.4. Phân chia thành Dibít và Tribít
Dibít. Trong các hệ thống 4-PSK, sóng mang sin có 4 giá trị pha, cách nhau 900 và xác định bằng tổ hợp các cặp bit nhị phân (DibÝt) (h×nh 2.4).
- Tín hiệu dữ liệu I (Đồng pha, In-phase): các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit đầu tiên trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thời gian của cả 2 bit.
- Tín hiệu dữ liệu Q (Vuông góc, In-quadrature): các mức
điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit thứ hai trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thời gian 2 bit.
H×nh 2.4- DibÝt
Tribít. Trong các hệ thống 8-QAM, sóng mang sin có 4 giá
trị pha và 2 giá trị biên độ, tổ hợp nên các nhóm 3 bit (Tribít) (h×nh 2.5).
- Tín hiệu dữ liệu I: các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị bit
đầu tiên trong nhóm 3 bit, kéo dài trong thời khoảng 3 bit.
- Tín hiệu dữ liệu Q: các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị bit thứ hai trong nhóm 3 bit, kéo dài trong thời khoảng 3 bit.
- Tín hiệu dữ liệu C (Điều khiển - Control): các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị bit thứ ba trong nhóm 3 bit, kéo dài trong thời khoảng 3 bit.
H×nh 2.5- TribÝt
Tín hiệu “I” và “Q” xác định pha của sóng mang, tín hiệu “C” xác định biên độ.
DibÝt vi sai
Trong các hệ thống 4-PSK, pha của sóng mang sin đ−ợc thay
đổi 00, 900, 1800, 2700 nh− là hàm của các cặp bit dữ liệu (Dibít). Bộ
điều chế đ−ợc sử dụng cho loại mã hóa này cũng gọi là 4-PSK tuyệt đối. Trước khi đi vào điều chế, dữ liệu được mã hóa, sẽ phát ra hai tín hiệu vi sai là ID và QD.
2.1.5. Mã hóa Manchester
Trong hệ thống truyền thông số, các bit dữ liệu th−ờng có dạng NRZ. Tại nơi nhận, tín hiệu đ−ợc nhận diện để xem dữ liệu
đến là “0” hay “1”. Việc đọc, lấy mẫu phải đ−ợc thực hiện trong khoảng thời gian của mỗi bit, và phải đ−ợc đồng bộ với tín hiệu dữ liệu. Tín hiệu đồng bộ đ−ợc truyền độc lập với dữ liệu, trong hầu hết các tr−ờng hợp nó đ−ợc tách ra từ cùng một tín hiệu dữ
liệu khi sử dụng mạch điện khôi phục nhịp clock (chẳng hạn thực hiện với vòng khóa pha PLL - Phasse Locked Loop).
Nếu dữ liệu truyền đi chứa những chuỗi dài “0” và “1” liên tiếp, sẽ rất khó khăn, gần nh− không thể khôi phục xung nhịp vì
rằng các thành phần phổ khởi động PLL không có trong tín hiệu dữ liệu (hình 2.6a). Để khắc phục, dữ liệu NRZ phải đ−ợc mã hóa trước khi truyền đi, mục đích là tạo ra sự thay đổi trong dạng sóng của tín hiệu (hình 2.6b).
Hình 2.6- a) Dữ liệu NRZ, b) Dữ liệu mã hóa của Khối phát / Khối thu
Một trong các mã đ−ợc sử dụng cho mục đích này là mã
Manchester. Mã này sẽ chèn một sự chuyển mức vào chính giữa mỗi khoảng bit.
Chuyển mức từ (H) → (L): đại diện cho bit “1”
Chuyển mức từ (L) → (H): đại diện cho bit “0” (hình 2.7)
Hình 2.7- Mã Manchester
2.1.6. Khôi phục nhịp (Clock Extraction) - Đồng bộ lại thời gian (Retiming) - Giải mã (Decode)
Tách Clock
Tại nơi nhận, nhịp clock sử dụng để định lại thời gian (đồng bộ thời gian) cho tín hiệu dữ liệu đã giải điều chế đ−ợc lấy từ mạch hồi phục nhịp (hình 2.8). Tùy theo loại điều chế và tốc độ truyÒn bit, phÇn Clock Recovery cung cÊp ba tÇn sè:
- 600 Hz (CK600, chèt 32) - 1200Hz (CK1200, chèt 33) - 1800Hz (CK1800, chèt 34)
Hình 2.8- Hồi phục nhịp và đồng bộ thời gian dữ liệu
Retiming
Nhịp 600 Hz lấy từ mạch hồi phục nhịp đ−ợc sử dụng để chỉnh lại thời gian cho các đơn vị tín hiệu nhận (“I”, “Q”, “C”, tùy theo loại điều chế). Trong module này, tốc độ đ−ợc giữ cố định là 600 Baud. Trong trường hợp truyền không đồng bộ, dữ liệu nhận không đ−ợc đồng bộ mà chỉ đ−ợc làm cho phù hợp bởi mạch điện ng−ỡng (chốt 29, trong bài số 3 và 4).
Decoding
Giải mã dữ liệu, quá trình ng−ợc với mã hóa nơi phát, đ−ợc thực hiện trong phần Giải mã dữ liệu. Dữ liệu sau khi giải mã qua chốt 9, với clock t−ơng ứng ở chốt 10.
2.2. Thực nghiệm 2.2.1. Các chuỗi dữ liệu
- Cấp nguồn cho module.
- Thiết lập mạch điện: J1 = c, SW2 = Normal, SW3 = 24bit.
- Đặt chuỗi dữ liệu tuần hoàn 11001000 (lặp lại trên cả 3 Dip Switch) và ấn START.
- Nối dao động ký vào chốt 4 (chuỗi dữ liệu) và chốt 3 (xung
đồng hồ).
- Kiểm tra dạng sóng chuỗi dữ liệu và tín hiệu đồng hồ.
Q1 Bạn nhận thấy cái gì?
a. Dữ liệu đ−ợc đồng bộ với Clock; có 2 chu kỳ xung nhịp cho mỗi bit; các bit đ−ợc tách rời bởi các khoảng thời gian rất ngắn có mức điện áp 0.
b. Dữ liệu không đồng bộ với xung nhịp Clock; có 1 chu kỳ clock cho mỗi bit; không có sự tách rời giữa các bit kế tiÕp nhau.
c. Dữ liệu đ−ợc đồng bộ với Clock; có 1 chu kỳ clock cho mỗi bit; s−ờn xuống của clock ở giữa mỗi khoảng bit;
không có sự tách rời giữa các bit kế tiếp nhau.
d. Dữ liệu đ−ợc đồng bộ với Clock; có 1 chu kỳ clock cho mỗi bit; s−ờn lên của clock ở giữa mỗi khoảng bit; không có sự tách rời giữa các bit kế tiếp nhau.
Q2 Tốc độ dòng dữ liệu là bao nhiêu?
a. 1.2kbit/s, t−ơng ứng với khoảng bit là 1667às b. 9600bit/s, t−ơng ứng với khoảng bit là 104às c. 19200bit/s, t−ơng ứng với khoảng bit là 52às d. 60000bit/s, t−ơng ứng với khoảng bit là 16às e. 64kbit/s, t−ơng ứng với khoảng bit là 16às f. 600bit/s, t−ơng ứng với khoảng bit là 1667às 2.2.2. Khối mã hóa Manchester
- Thiết lập mạch điện cho mode Manchester: J1 = d, SW2 = Normal, SW3 = 24bit.
- Đặt chuỗi dữ liệu tuần hoàn 11000000 (lặp lại trên cả 3 Dip Switch) và ấn START.
- Kiểm tra dạng sóng của xung nhịp clock (tại chốt 3), chuỗi dữ liệu (chốt 4), và tín hiệu mã hóa (chốt 6).
Q3 Từ những quan sát trên, chúng ta có thể chỉ ra rằng:
a. Bit “0” đ−ợc mã hóa với 1 chu kỳ xung nhịp trực tiếp, bit
“1” đ−ợc mã hóa với một xung nhịp âm.
b. Bit “0” đ−ợc mã hóa với 1 chu kỳ xung nhịp (trực tiếp hoặc âm), bit “1” đ−ợc mã hóa bằng sự chuyển đổi cao thấp trong khoảng thời gian bit.
c. Bit “1” đ−ợc mã hóa với 1 chu kỳ xung nhịp (trực tiếp hoặc âm), bit “0” đ−ợc mã hóa bằng sự chuyển đổi cao thấp trong khoảng thời gian bit.
d. Bit “1” đ−ợc mã hóa với 1 chu kỳ xung nhịp trực tiếp, bit
“0” đ−ợc mã hóa với một xung nhịp âm.
2.2.3. Khối mã hóa vi sai 1 bit
- Thiết lập mạch điện cho mode Bit and Difference: J1 = d, SW2 = Differential, SW3 = 24bit.
- Đặt chuỗi dữ liệu tất cả “0” và ấn START. Kiểm tra dạng sóng của xung nhịp clock (tại chốt 3), chuỗi dữ liệu (chốt 4), và tín hiệu mã hóa (chốt 6).
- Tiếp theo thay đổi chuỗi dữ liệu tất cả “1”, ấn xung START.
Kiểm tra dạng sóng của xung nhịp clock (tại chốt 3), chuỗi dữ liệu (chốt 4), và tín hiệu mã hóa (chốt 6).
Q4 Từ những quan sát trên, chúng ta có thể chỉ ra rằng:
a. Bit “1” đ−ợc mã hóa với 1 chu kỳ xung nhịp trực tiếp, bit
“0” đ−ợc mã hóa với một xung nhịp âm.
b. Bit “0” đ−ợc mã hóa với 1 chu kỳ xung nhịp, bit “1” đ−ợc mã hóa bằng sự chuyển đổi cao thấp trong khoảng thời gian bit.
c. Bit “0” đ−ợc mã hóa với 1 mức thấp, bit “1” đ−ợc mã hóa bằng sự chuyển đổi cao thấp trong khoảng thời gian bit.
d. Bit “1” đ−ợc mã hóa với 1 mức cao, bit “0” đ−ợc mã hóa bằng sự chuyển đổi cao thấp trong khoảng thời gian bit.
2.2.4. Khối mã hóa Dibít
- Thiết lập mạch điện cho mode Dibít and Normal: J1 = b, SW2 = Normal, SW3 = 24bit.
- Đặt chuỗi dữ liệu tuần hoàn 10101010 (lặp lại trên cả 3 Dip Switch) và ấn START.
- Kiểm tra dạng sóng của xung nhịp clock (tại chốt 3), chuỗi dữ liệu (chốt 4), tín hiệu “I” (chốt 6), tín hiệu “Q” (chốt 7). Tín hiệu
“I” luôn mức cao và tín hiệu “Q” luôn mức thấp.
- Tiếp theo đặt chuỗi dữ liệu: 10010000.00000000.00000000, ấn xung START. Kiểm tra dạng sóng của xung nhịp clock (tại chốt 3), chuỗi dữ liệu (chốt 4), tín hiệu “I” (chốt 6), tín hiệu “Q” (chốt 7). Tín hiệu “I” và “Q” bị trễ 3,5 xung nhịp so với tín hiệu dữ liệu.
Q5 Từ những quan sát trên, chúng ta có thể chỉ ra rằng:
a. Tín hiệu “I” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit đầu tiên trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thời gian 2 bit. Tín hiệu “Q” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá
trị của bit thứ hai trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thêi gian 2 bit.
b. Bit “0” đ−ợc mã hóa với một xung nhịp (trực tiếp hoặc
âm), bit “1” đ−ợc mã hóa bằng sự chuyển đổi cao thấp trong khoảng thời gian bit.
c. Tín hiệu “Q” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit đầu tiên trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thời gian 2 bit. Tín hiệu “I” có các mức điện thế t−ơng ứng với
giá trị của bit thứ hai trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thêi gian 2 bit.
d. Tín hiệu “I” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit đầu tiên trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thời gian 3 bit. Tín hiệu “Q” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá
trị của bit thứ hai trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thêi gian 3 bit.
2.2.5. Khối mã hóa Tribít
- Thiết lập mạch điện cho mode Tribít and Normal: J1 = a, SW2 = Normal, SW3 = 24bit.
- Đặt chuỗi dữ liệu tuần hoàn 101.101.101.101.101.101.101.101 và ấn START.
- Kiểm tra dạng sóng của xung nhịp clock (tại chốt 3), chuỗi dữ liệu (chốt 4), tín hiệu “I” (chốt 6), tín hiệu “Q” (chốt 7) và tín hiệu
“C” (chốt 8). Tín hiệu “I” và “C” luôn mức cao và tín hiệu “Q” luôn mức thấp.
- Tiếp theo đặt chuỗi dữ liệu: 10101000.00000000.00000000, ấn xung START. Kiểm tra dạng sóng của xung nhịp clock (tại chốt 3), chuỗi dữ liệu (chốt 4), tín hiệu “I” (chốt 6), tín hiệu “Q” (chốt 7) và tín hiệu “C” (chốt 8). Tín hiệu “I”, “Q” và “C” bị trễ 5,5 xung nhịp so với tín hiệu dữ liệu.
Q6 Từ những quan sát trên, chúng ta có thể chỉ ra rằng:
a. Tín hiệu “I” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit đầu tiên trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thời gian 2 bit. Tín hiệu “C” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá
trị của bit thứ hai trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thêi gian 2 bit.
b. Tín hiệu “I” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit đầu tiên trong nhóm 3 bit, kéo dài trong khoảng thời gian 2 bit. Tín hiệu “Q” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit thứ hai trong nhóm 3 bit, kéo dài trong khoảng thời gian 2 bit. Tín hiệu “C” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit thứ ba trong nhóm 3 bit, kéo dài trong khoảng thời gian 2 bit.
c. Tín hiệu “Q” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit đầu tiên trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thời
gian 2 bit. Tín hiệu “I” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit thứ hai trong cặp bit, kéo dài trong khoảng thêi gian 2 bit.
d. Tín hiệu “I” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit đầu tiên trong nhóm 3 bit, kéo dài trong khoảng thời gian 3 bit. Tín hiệu “C” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit thứ hai, kéo dài trong khoảng thời gian 3 bit.
e. Tín hiệu “I” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit đầu tiên trong nhóm 3 bit, kéo dài trong khoảng thời gian 3 bit. Tín hiệu “Q” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit thứ hai trong nhóm 3 bit, kéo dài trong khoảng thời gian 3 bit. Tín hiệu “C” có các mức điện thế t−ơng ứng với giá trị của bit thứ ba trong nhóm 3 bit, kéo dài trong khoảng thời gian 3 bit.
Q7 Điều chế nào có dữ liệu có thể đ−ợc chia thành Dibít và Tribít?
a. FSK
b. 16-QAM (TribÝt) and 2-PSK (DibÝt) c. 8-QAM (TribÝt) and 2-PSK (DibÝt) d. ASK
e. 8-QAM hoặc 8-PSK (Tribít); 4-PSK (Dibít) f. 8-QAM hoặc 8-PSK (Dibít); 4-PSK (Tribít)
Q8 Đâu là điều khác biệt giữa PSK vi sai và PSK tuyệt đối?
a. Trong điều chế PSK tuyệt đối, thông tin đ−ợc truyền đi với sự biến đổi pha của sóng mang đ−ợc so sánh với một pha tham chiếu tuyệt đối. Trong PSK vi sai, thông tin
đ−ợc truyền đi có sự biến đổi pha đ−ợc so sánh với pha kÕ tiÕp.
b. Không có sự khác biệt.
c. Trong PSK tuyệt đối, các bit dữ liệu đ−ợc chia thành Dibít, trong PSK vi sai, chúng đ−ợc chia thành Tribít.
d. Trong điều chế PSK tuyệt đối, thông tin đ−ợc truyền đi với sự biến đổi pha của sóng mang đ−ợc so sánh với một pha tham chiếu tuyệt đối. Trong PSK vi sai, thông tin
đ−ợc truyền đi có sự biến đổi pha đ−ợc so sánh với pha trước đó.
Q9 Dạng sóng nào d−ới đây là mã Manchester của dữ liệu 00110110?
a. a) b. b) c. c) d. d)