Tìm hiểu một hệ thống thời gian thực được ứng dụng trong thực tế modem dữ liệu tương thích chuẩn MIL STD 188 100a

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
---------o0o---------

BÁO CÁO
CÁC HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC
ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU MỘT HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC ĐƯỢC
ỨNG DỤNG TRONG THỰC TẾ - MODEM DỮ LIỆU TƯƠNG THÍCH
CHUẨN MIL-STD-188-100A

Giáo

viên

PGS.TS. Đỗ Trọng Tuấn

hướng

dẫn:
Học viên thực hiện:
Mã số học viên:

HÀ NỘI - 2018
1


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG...........................................................................................................2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ...................................................................................3
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC..........................5
1.1 Khái niệm của hệ thống thời gian thực....................................................................5
1.2 Phân loại hệ thống thời gian thực..............................................................................5
CHƯƠNG 2. MODEM DỮ LIỆU SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG LIÊN L ẠC SÓNG
NGẮN........................................................................................................................................................ 8
2.1 Chuẩn quân sự MIL-STD-188-110 của Hoa Kỳ......................................................8
2.2 Yêu cầu kỹ thuật của chuẩn MIL-STD-188-110A.................................................9
2.3 Ràng buộc về thời gian..................................................................................................18
KẾT LUẬN....................................................................................................................................... 20
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................. 21

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 Mã hóa sửa sai với các tốc độ input khác nhau...............................................13
Bảng 2 Kích thước ma trận interleave...............................................................................13
Bảng 3 Số bit trong mỗi ký tự kênh....................................................................................14
Bảng 4 Giải mã Modified Gray ở tốc độ 2400bps và 4800bps.................................15
Bảng 5 Giải mã Modified Gray ở tốc độ 75bps và 1200bps......................................15
Bảng 6 Ánh xạ ký tự kênh ở tốc độ 75bps.......................................................................16
Bảng 7 Bảng giá trị của D1, D2.............................................................................................17

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
2


Hình 1-1 Hệ thống thời gian thực mềm...............................................................................6
Hình 1-2 Hệ thống thời gian thực cứng...............................................................................6
Hình 2-1 Cấu trúc của waveform sau khi điều chế......................................................10
Hình 2-2 Sơ đồ khối dạng sóng (single-tone).......................................................................10
Hình 2-3 Sơ đồ khối bộ mã hóa sửa sai FEC....................................................................12
Hình 2-4 Giản đồ chòm sao điều chế 8PSK và số ba bit tương ứng......................16

MỞ ĐẦU
Hệ thống thời gian thực là một thuật ngữ được sử dụng rất phổ biến. Tuy
nhiên có rất nhiều ý kiến khác nhau về định nghĩa th ế nào là m ột h ệ th ống th ời
gian thực? Những ý kiến khác nhau đó gây ra nhiều sự hi ểu nhầm và không
thống nhất giữa các kỹ sư hệ thống, kỹ sư phần mềm, kỹ sư máy tính và người
sử dụng của những hệ thống thời gian thực đó. Báo cáo này được th ực hi ện v ới
mục tiêu nghiên cứu tổng quan thế nào là một hệ th ống th ời gian th ực và đi sâu
tìm hiểu một hệ thống thời gian thực được áp dụng trong thực tế. Cụ th ể h ơn
báo cáo này đã tìm hiểu vệ các thiết bị modem dữ li ệu truy ền trên kênh sóng
ngắn, tương thích vơi chuẩn quân sự MIL-STD-188-110A của Hoa Kỳ. Toàn bộ
nội dung và kết quả nghiên cứu, tìm hiểu được trình bày trong báo cáo này v ới
bố cục như sau: Chương 1 phân tích tổng quan về định nghĩa, khái ni ệm và phân
loại hệ thống thời gian thực. Chương 2 mô tả, trình bày cụ th ể về các thi ết b ị
modem dữ liệu truyền trên kênh sóng ngắn, tương thích vơi chuẩn quân s ự MILSTD-188-110A của Hoa Kỳ và chỉ ra những ràng buộc về thời gian nhằm làm rõ
tính thời gian thực của chúng. Cuối cùng là phần Kết luận tổng h ợp lại những
kết quả đã thực hiện được.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG THỜI GIAN THỰC
1.1 Khái niệm của hệ thống thời gian thực
3


Hệ thống: Một hệ thống là một ánh xạ từ một tập hợp các đầu vào đ ến m ột
tập hợp các đầu ra. Theo Vernon phát biểu năm 1989, một h ệ th ống th ường có
một số tính chất chung như sau:
-

Hệ thống là một tập hợp các thành phần được liên kết với nhau theo m ột

-

cách tổ chức nhất định.
Hệ thống sẽ thay đổi nếu một trong những thành phần của nó thay đổi.
Một hệ thống phải có mục đích, có tính cố định và một l ợi ích cụ th ể nào
đó.

Trong quá trình hệ thống hoạt động, thời gian tính từ thời điểm các đầu vào
được đưa vào hệ thống đến khi hoàn thành thực hiện các hành vi đ ược yêu c ầu,
đưa ra các đầu ra được gọi là thời gian đáp ứng của hệ th ống đó.
Tùy vào đặc tính va mục đích của mình, mỗi hệ th ống có những điều ki ện yêu
cầu chỉ tiêu kỹ thuật riêng. Nếu hệ thống nào khi hoạt động không thỏa mãn
được dù chỉ là một trong những chỉ tiêu kỹ thuật của chính nó thì h ệ th ống đó b ị
coi là thất bại.
Hệ thống thời gian thực: Hệ thống thười gian thực là hệ thống khi hoạt
động phải thỏa mãn được các ràng buộc có giới hạn của thời gian đáp ứng. N ếu
không, hệ thống đó sẽ phải chịu một số hậu quả bao gồm cả thất bại.
Hay nói cách khác, một hệ thống th ời gian thực là m ột h ệ th ống mà tính đúng
đắn logic của nó phụ thuộc vào không chỉ tính đúng đắn của các đầu ra mà còn
phụ thuộc vào thời điểm mà các đầu ra này được đưa ra.
1.2 Phân loại hệ thống thời gian thực
Trong bất kì trường hợp nào, bằng cách thêm vào một số ch ỉ tiêu kỹ thu ật
không cần thiết về thời gian đáp ứng của hệ thống, mọi hệ th ống đều có th ể coi
là hệ thống thời gian thực.
Các hệ thống thời gian thực có thể được chia thành ba loại:
-

Hệ thống thời gian thực mềm (soft real-time system): là hệ thống mà chất
lượng chỉ bị suy giảm chứ không bị phá hủy hoàn toàn khi không th ỏa mãn
được rang buộc về thời gian đáp ứng. Ví dụ như hệ th ống stream

video/audio, hệ thống mạng, hệ thống kiểm soát đóng mở cửa trên ô tô,
hệ thống điều hòa nhiệt độ dân dụng.
4


Hình 1-1 Hệ thống thời gian thực mềm
-

Hệ thống thời gian thực cứng (hard real-time system): là h ệ th ống mà b ị
coi là thất bại hoàn toàn khi chỉ cần một trong nhiều ràng bu ộc về th ời
gian đáp ứng bị vi phạm. Ví dụ như hệ thống túi khí tự đ ộng bung khi xe ô
tô gặp tai nạn. Nếu như túi khí không kịp th ời bung ra ngay sau khi có va
chạm mạnh thì hệ thống bị coi là thất bại hoàn toàn.

-

Hình 1-2 Hệ thống thời gian thực cứng
Hệ thống thời gian thực vững (firm real-time system): là hệ th ống mà m ột
số trong những ràng buộc về thời gian đáp ứng có th ể được vi ph ạm mà
không ảnh hưởng đến chất lượng. Ví dụ như hệ thống rút tiền tự động,
nếu chỉ xảy ra một trường hợp thời gian rút tiền bị kéo dài, không đ ược
đáp ứng thì sẽ hậu quả không đáng kể, nhưng nếu như xảy ra nhiều
5


trường hợp như vậy, hoặc là thời gian đáp ứng liên tục không được đáp
ứng thì việc kinh doanh sẽ bị khủng hoảng và ngân hàng có thể sụp đổ.
Đồ thị Hình 1 -1 và Hình 1 -2 biểu diễn sự tương quan giữa chất lượng dịch
vụ và thời gian thực thi của một hệ thống thời gian thực mềm và m ột h ệ th ống
thời gian thực cứng với trục tung là chất lượng dịch vụ, trục hoành là th ời gian

thực thi của hệ thống. Có thể thấy đối với hệ th ống th ời gian th ực m ềm Hình 1
-1 nếu thời gian thực thi vượt quá mốc Deadline, thì chất lượng dịch v ụ ch ỉ gi ảm
xuống đến mức nào đấy trong một khoảng thời gian cho phép, ch ứ không th ất
bại ngay từ mốc Deadline. Trong khi đó, đối với hệ thống th ời gian th ực cứng
Hình 1 -2, chất lượng dịch vụ chỉ giảm về không ngay khi quá thời hạn deadline.
Trên thực tế, mọi hệ thống thời gian thực nào cũng có th ể được mô t ả nh ư
một hệ thống mềm, cứng, hoặc vững chắc bằng cách xây dựng một kịch bản nh ẹ
nhàng hoặc khủng hoảng. Vì vậy sự xác định cẩn thận các yêu c ầu của h ệ th ống
là chìa khóa để thiết lập, để đặt ra các khoảng th ời gian kỳ v ọng c ủa đáp ứng.
Trong bất kỳ trường hợp nào, mục tiêu chính của kỹ thuật hệ th ống th ời gian
thực là tìm ra phương pháp để chuyển đổi một deadline cứng thành m ềm, ho ặc
vững chắc.

6


CHƯƠNG 2. MODEM DỮ LIỆU SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG LIÊN

LẠC SÓNG NGẮN
Sau khi tìm hiểu tổng quan định nghĩa, khái niệm về các h ệ th ống th ời gian
thực, với mục tiêu tìm hiểu cụ thể về một hệ thống thời gian thực được ứng
dụng trong thực tế, báo cáo này sẽ nghiên cứu tìm hi ểu về nh ững modem d ữ li ệu
được sử dụng trong các hệ thống liên lạc sóng ngắn, đặc bi ệt là trong nh ững h ệ
thống quân sự, liên lạc đường dài và có tính chiến thuật.
Trên thực tế có rất nhiều chủng loại modem dữ liệu được sử dụng trong các
hệ thống liên lạc sóng ngắn. Tuy nhiên, trong phạm vi của m ột bài tập l ớn môn
học, báo cáo này tập trung vào tìm hi ểu các modem d ữ li ệu đ ược thi ết k ế t ương
thích với chuẩn quân sự MIL-STD-188-110A. Đây là chuẩn quân s ự c ủa B ộ qu ốc
phòng Hoa Kỳ quy định về các chỉ tiêu kỹ thuật dành cho các modem d ữ li ệu s ử
dụng dải tần số tiếng nói trong các hệ thống liên lạc sóng ngắn. Mục đích c ủa

chuẩn modem này là nhằm đảm bảo yêu cầu hiệu năng hoạt động t ối thi ểu và
tối đa khả năng tương thích của các modem đã và sẽ được thi ết k ế trong tương
lai.
Trong Chương 2 này, báo cáo sẽ trình bày s ơ qua những yêu c ầu kỹ thu ật c ủa
chuẩn sự MIL-STD-188-110A đối với các modem dữ liệu sóng ngắn và ch ỉ ra
những ràng buộc về thời gian để làm rõ tính thời gian thực của những bộ modem
dữ liệu sóng ngắn này.
2.1 Chuẩn quân sự MIL-STD-188-110 của Hoa Kỳ
Chuẩn MIL-STD-188-110 được công bố lần đầu tiên vào 30 tháng 9 năm 1991.
Văn bản này đã thiết lập những tiêu chuẩn kỹ thuật bắt bu ộc và nh ững mục
tiêu thiết kế (Design objectives-DO) cần thiết để đảm bảo khả năng tương thích
và nâng cao chất lượng của các modem sử dụng tần s ố thoại trong các h ệ th ống
liên lạc quân sự đường dài. Văn bản này cũng cung cấp h ướng d ẫn cho nh ững
người thiết kế modem mới phương hướng để thống nhất những tính chất, đặc
điểm chưa được chuẩn hóa bằng cách đưa ra cụ thể hóa những tính ch ất đó c ủa
những modem có sẵn. Mục đích của sự hướng dẫn này là nhằm đảm bảo đạt
được mức chất lượng tối thiểu có thể chấp nhận được và tối đa khả năng tương
thích, hoạt động cùng nhau giữa những modem data hiện có và trong tương lai.
7


Ở phiên bản đầu tiên, MIL-STD-188-110A cung cấp những tiêu chuẩn kỹ
thuật cần thiết đối với các tốc độ dữ liệu bao gồm 75bps, 150bps, 300bps,
600bps, 1200bps, 2400bps với băng thông của tín hiệu điều chế là 3kHz.
Theo thời gian, với tiến bộ của khoa học kỹ thuật cùng v ới yêu c ầu truy ền d ữ
liệu tốc độ cao tăng lên nhanh chóng, ngày 27 tháng 4 năm 2000, phiên b ản th ứ
hai MIL-STD-188-110B được công bố. Chuẩn MIL-TD-188-110B bao gồm tất cả
những yêu cầu, tiêu chuẩn kỹ thuật của chuẩn MIL-STD-188-110A và bổ sung
thêm chế độ dữ liệu tốc độ 3200bps, 4800bps, 6400bps, 8000bps , 9600bps ở
băng thông 3kHz và tốc độ 9600bps, 12800bps, 16000bps, 19200bps ở băng

thông 6kHz.
Trong cả hai chuẩn MIL-STD-188-110A và MIL-STD-188-110B, có hai ch ế đ ộ
điều chế các tốc độ dữ liệu từ 75 đến 2400bps là chế độ liên tiếp (single tone
serial mode) sử dụng một tần số điều chế và chế độ song song sử dung 39 tần
số điều chế (39- tone parallel mode).
Gần đây nhất, vào 23 tháng 9 năm 2011, phiên bản MIL-STD-188-110C được
công bố, bổ sung thêm chế độ HF băng thông rộng mới, nâng cao t ốc đ ộ d ữ li ệu
hơn nữa và sử dụng tín hiệu điều chế ở các tiêu chuẩn băng thông r ộng h ơn, c ụ
thể như sau:
-

75 – 16000 bps ở băng thông 3kHz
150 – 32000 bps ở băng thông 6kHz
300 – 48000 bps ở băng thông 9kHz
300 – 64000 bps ở băng thông 12kHz
300 – 76800 bps ở băng thông 15kHz
600 – 90000 bps ở băng thông 18kHz
300 – 115200 bps ở băng thông 21kHz
600 – 120000 bps ở băng thông 24kHz

2.2 Yêu cầu kỹ thuật của chuẩn MIL-STD-188-110A
Ở tốc độ từ 75bps đến 2400bps, dữ liệu được điều chế bằng kỹ thuật điều chế dịch
pha PSK (Phase-shift keying) trên một tần số mang. Chuỗi dữ liệu nhị phân đầu vào
được chuyển đổi thành sóng đầu ra đã được điều chế PSK 8 pha. Tốc độ ký tự (baud
rate) của sóng mang đầu ra luôn là 2400 symbols/s đối với tất cả các tốc độ dữ liệu đầu
vào khác nhau. Tín hiệu waveform sau khi điều chế có cấu trúc chia thành bốn pha
tuần tự như sau:
8

-

Pha preamble đồng bộ
Pha Data
Pha End-of-message
Pha xả bộ mã hóa và bộ interleave

Hình 2-3 Cấu trúc của waveform sau khi điều chế

Hình 2-4 Sơ đồ khối dạng sóng (single-tone)
Hình 2 -4 mô tả các khối chức năng thực hiện của modem khi đi ều ch ế
waveform đơn âm (áp dụng cho cả chế độ nhảy tần và không nh ảy t ần c ủa máy
thông tin). Nói chung, khi thực hiện điều chế, cần thực hiện các bước lần lượt là:
1. Mã hóa FEC (Forward error correction) dữ liệu thô ban đầu (chèn mã s ửa
2.
3.
4.
5.
6.

sai)
Interleave (xáo trộn) dòng dữ liệu đã mã hóa FEC.
Giải mã Modified Gray
Tách bit thành chuỗi các ký tự
Trộn với chuỗi ký tự ngẫu nhiên
Điều chế 8-PSK

Waveform sinh ra của tín hiệu ở các pha khác nhau được thay đổi bằng cách
thay đổi vị trí các chuyển mạch S1, S2, S3, S4. Cụ th ể cấu hình v ị trí chuy ển m ạch
ở từng pha được xác định như sau:

9


a. Pha preamble đồng bộ
Trong pha này, mục tiêu là modem phát sẽ phát đi chuỗi preamble đồng bộ. Thời
lượng của pha preamble đồng bộ tương ứng với thời gian chính xác để nạp đầy ma trận
interleave bằng một khối dữ liệu, khi chức năng interleave được sử dụng. Khi ở pha
này, chuyển mạch S1 sẽ ở vị trí UNKNOWN DATA (như Hình 2 -4). Bộ mã hóa FEC
và chức năng nạp dữ liệu vào ma trận xáo trộn interleave sẽ được kích hoạt ngay khi
bộ modem bắt đầu nhận được dữ liệu thô cần điều chế. Chuyển mạch S2 và S3 giữ
nguyên ở vị trí SYNC. Độ dài của chuỗi sync preamble là 0.6s đối với cấu hình Short
Interleave, Zero Interleave và 4.8s đối với cấu hình Long Interleave. Chuyển mạch S4
chỉ thay đổi vị trí khi hoạt động với chế độ nhảy tần của máy thông tin. Trong chế độ
tần số cố định, chuyển mạch S4 cần giữ nguyên ở vị trí output.
b. Pha Data
Trong pha data, waveform tín hiệu điều chế sẽ chứa thông tin bản tin cần gửi (gọi là
Unknown data) và dữ liệu mẫu (channel probes – gọi là Known data). Dữ liệu mẫu
Known data là các bít huấn luyện sẽ được sử dụng bởi các bộ cân bằng kênh trong các
modem thu. Chuyển mạch S1, S3 lần lượt giữ nguyên ở vị trí Unknown data và Data.
Chuyển mạch S2 sẽ chuyển đổi qua lại giữa vị trí Unknown data (đầu ra của bộ giải
mã modified gray) và Known data. Thời gian chu kỳ chuyển mạch S2 dừng ở mỗi vị
trí sẽ phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu thô đầu vào. Với 2400bps, thời gian ở vị trí
Unknown Data và Known Data lần lượt tương đương với khoảng thời gian của 32 ký
tự và 16 ký tự. Đối với các tốc độ 150bps, 300bps, 600bps, 1200bps thời gian ở hai vị
trí là bằng nhau và bằng 20 ký tự. Cuối cùng, với tốc độ 75bps, S2 sẽ giữ nguyên ở vị
trí Unknown data.
Trong tất cả các trường hợp, Switch S2 luôn bắt đầu ở vị trí Unknown data trước.
Các dữ liệu mẫu Known data cần phải bao gồm 0, D1, D2 (D1, D2 được định nghĩa
riêng đối với mỗi tốc độ dữ liệu đầu vào khác nhau).
c. Pha End-of-message

Ngay khi bit dữ liệu thô Unknown Data cuối cùng được đưa vào bộ mã hóa sửa sai
(FEC), Chuyển mạch S1 chuyển đến vị trí EOM. Lúc này chuỗi dữ liệu kết thúc bản
tin gồm 32 bit được đưac vào bộ mã hóa FEC. Chuyển mạch S2, S3, S4 giữ nguyên
hoạt động như trong pha data.
10


Chuỗi dữ liệu kết thúc bản tin biểu diễn dưới dạng cơ số 16, 8 chữ số là:
4B65A5B2. Chuỗi này được truyền đi theo thứ tự bit có trọng số cao gửi trước, trọng
số thấp gửi sau. Do đó, ví dụ 8 bit đầu tiên được gửi đi có thứ tự lần lượt (từ trái sang
phải) là 0100 1011.
d. Pha xả bộ mã hóa và bộ interleave
Sau khi hoàn thành pha End-of-message, chuyển mạch S1 chuyển về vị trí Flush,
đưa các bit flush vào bộ FEC.
Các bit flush nên đặt là “0”. Thời lượng của pha xả này bao gồm ít nhất 144bits và
cộng thêm đủ bít để hoàn tất việc truyền phần còn lại của khối dữ liệu trong ma trận
xáo trộn (interleaved matrix).
Mục đích của pha xả này là để xả sạch, đưa hết dữ liệu thu được ra khỏi bộ giải mã
FEC và ma trận đảo ngược xáo trộn ở modem phía thu. Lúc này bộ giải mã FEC và ma
trận đảo xáo trộn chỉ còn lại toàn bit “0”
Cấu hình chuyển mạch của modem theo chuẩn MIL-STD-188-110 đ ược mô tả
như trên. Ngoài ra đối với mỗi khối chức năng xử lý, cũng có một s ố khác bi ệt đ ối
với các tốc độ dữ liệu khác nhau. Cụ thể như sau:
a. Bộ mã hóa sửa sai FEC
Bộ mã hóa sửa sai FEC thực hiện bởi bộ mã hóa xoắn (convolutional coder)
tốc độ 1/2 có sơ đồ khối như Hình 2 -5. Dòng dữ liệu đầu vào được đưa vào một
dãy 7 thanh ghi dịch. Đầu ra là kết quả tính toán dựa trên hai đa thức sinh v ới các
giá trị chứa trong các thanh ghi tương ứng.

11

Hình 2-5 Sơ đồ khối bộ mã hóa sửa sai FEC
Hai đa thức sinh là:

Chuyển mạch ở đầu ra sẽ có tốc độ chuyển bằng hai lần tốc độ dữ li ệu đưa
vào. Do vậy cứ mỗi bit đầu vào sẽ có hai bit đầu ra.
Các dòng bit 2400bps, 1200bps, 600bps, 75bps đầu vào sau khi được mã hóa
sửa sai sẽ có tốc độ tương ứng là 4800bps, 2400bps, 1200bps và 150bps. Đối v ới
trường hợp tốc độ đầu vào là 300bps và 150bps, hai bit đầu ra của hai đa th ức
đó được lặp lại nhiều lần để tạo ra dòng bit đầu ra 1200bps. Bảng 1 tổng hợp
các trường hợp tốc độ đầu vào khác nhau:
Bảng 1 Mã hóa sửa sai với các tốc độ input khác nhau
Tốc độ input
Tỉ lệ mã hóa
Phương pháp để đạt
(bps)
2400
1200
600
300
150
75

input/output
1/2
1/2
1/2
1/4
1/8

1/2

được tỉ lệ mã hóa
mã xoắn tốc độ 1/2
mã xoắn tốc độ 1/2
mã xoắn tốc độ 1/2
mã xoắn tốc độ 1/2 lặp lại 2 lần
mã xoắn tốc độ 1/2 lặp lại 4 lần
mã xoắn tốc độ 1/2

b. Ma trận Interleave
12


Ma trận interleave được dùng để xáo trộn, đảo thứ tự, vị trí các bit trong dòng
bit đã được mã hóa sửa sai. Dòng bít đã được mã hóa sửa sai sẽ được n ạp vào ma
trận rồi lấy ra khỏi ma trận với thứ tự nạp vào và thứ tự lấy ra là khác nhau. M ỗi
phần tử của ma trận chứa 1 bit dữ liệu. Hai ma trận interleave có kích th ước nh ư
nhau sẽ được sử dụng. Trong cùng một thời điểm, một ma trận sẽ được nạp d ữ
liệu vào và ma trận còn lại sẽ được lấy dữ liệu ra. Kích th ước của ma tr ận
interleave phải được lấy một cách tỉ lệ với tốc độ dữ liệu thô đầu vào và m ột ma
trận phải chứa được một khối dữ liệu tương đương với 0.6s hoặc 4.8s.
Bit rate (bps)

Bảng 2 Kích thước ma trận interleave
Long interleaver
Short interleaver

Số hàng
Số cột

2400
40
576
1200
40
288
600
40
144
300
40
144
150
40
144
Quy tắc nạp dữ liệu vào ma trận interleave như sau:

Số hàng
40
40
40
40
40

Số cột
72
36
18
18
18

Bắt đầu từ cột 0 của ma trận, bit đầu tiên nạp vào hàng 0, bit th ứ 2 n ạp vào
hàng 9, bit thứ ba nạp vào hàng 18, bit thứ tư nạp vào hàng 27. Ti ếp tục nh ư v ậy,
số hàng của vị trí nạp các bít tiếp theo được tính bằng cách tăng lên 0 và l ấy
modulo kích thước hàng của ma trận là 40. Quá trình ti ếp tục đ ến khi toàn b ộ
cột 0 được nạp đủ. Rồi tiếp tục nạp sang các cột 1,2,3,... v ới quy tắc nh ư trên
đến khi toàn bộ ma trận được nạp đầy. Đặc biệt, ở tốc độ 75bps, quy t ắc tương
tự như trên nhưng cách tính số vị trí hàng thay bằng tăng 7 và lấy modulo kích
thước hàng của ma trân là 20 đối với cấu hình Long Interleave và 10 v ới c ấu hình
Short interleave.
Quy tắc lấy dữ liệu ra khỏi ma trận interleave:
Dòng bit dữ liệu lấy ra từ ma trận interleave được bắt đầu từ phần tử có vị trí
(0,0). Vị trí bit tiếp theo được tính bừng cách tăng lên 1 đ ối v ới ch ỉ s ố hàng và
giảm đi 17 sau đó lấy modulo số cột của ma trận đối với chỉ s ố cột. Ví d ụ, v ới
tốc độ 2400bps và cấu hình long interleave, vị trí lấy bit th ứ hai là (1, 559) và v ị
trí lấy bit thứ ba là (2, 542).
Quá trình này tiếp tục đến khi chỉ số hàng đạt giá trị tối đa. Lúc này, ch ỉ s ố
hàng được reset về 0, chỉ số cột reset về giá trị lớn hơn 1 so v ới giá tr ị cột l ần
13


cuối cùng trước đó khi chỉ số hàng là 0. Quá trình kết thúc khi tất c ả các bit d ữ
liệu đã được lấy ra. Đối với trường hợp đặc biệt ở tốc độ 75bps, giá trị chỉ số cột
sẽ giảm đi 7 thay vì 17 như trên.
Cuối cùng các bit lấy từ ma trận interleave được nhóm cùng nhau theo b ộ g ọi
là ký tự kênh (channel symbols). Số bit lấy từ ma trận mỗi ký tự kênh đ ối v ới các
tốc độ khác nhau thể hiện trong Bảng 3
Bảng 3 Số bit trong mỗi ký tự kênh

Tốc độ input

(bps)
2400
1200
600
300
150
75

Số bit mỗi ký tự kênh
3
2
1
1
1
2

c. Giải mã Modified Gray
Bộ nhóm bit của từng ký tự kênh được đưa sang bộ giải mã Modified Gray như
mô tả trong Bảng 4 và Bảng 5
Bảng 4 Giải mã Modified Gray ở tốc độ 2400bps và 4800bps
Bit đầu vào
Giá trị giải mã
Bit đầu tiên
bit giữa
Bit cuối cùng
Modified-Gray
0
0
0
0

1
1
1
1

0
0
1
1
0
0
1
1

0
1
0
1
0
1
0
1

000
001
011
010
111
110
100

101

Bảng 5 Giải mã Modified Gray ở tốc độ 75bps và 1200bps

Bit đầu vào
Bit đầu tiên
Bit cuối cùng
0
0
1
1

0
1
0
1
14

Giá trị giải mã
Modified-Gray
00
01
11
01


d. Hình thành ký tự (Symbol formation)
Khối Symbol formation có chức năng ánh xạ bộ 1,2 hoặc 3 bit ký tự kênh đ ầu
ra của bộ giải mã Modified Gray hoặc chuỗi ký tự preamble đồng b ộ thành
những số ba bit (tribit numbers) tương ứng với tám trạng thái pha của đi ều ch ế

8PSK.
Đối với dữ liệu unknown data, mỗi bộ 1,2 hoặc 3 bit ký tự kênh được ánh x ạ
trực tiếp đến một trong tám số ba bit như thể hiện trong Hình 2 -6

Hình 2-6 Giản đồ chòm sao điều chế 8PSK và số ba bit tương ứng
Trong đó
00…3150 là các góc pha
0…7 là các số ba bit tương ứng
000…111 là các nhóm ký tự kênh 3 bit
00…11 là các nhóm ký tự kênh 2 bit
0…1 là các nhóm ký tự kênh 1 bit
Riêng với chế độ dữ liệu ở tốc độ 75bps, ký tự kênh sử dụng chỉ gồm 2bit
được điều chế 4PSK. Không giống như các tốc độ cao hơn, tốc độ 75bps không
truyền đi dữ liệu Known data và cũng như không sử dụng việc l ặp lại các bit đ ầu
15


ra bộ mã hóa FEC. Thay vào đó, ở tốc độ này sử dụng bảng ánh xạ mỗi ký tự kênh
thành 32 số ba bit với ngoại lệ ở các ký tự kênh th ứ 45 ho ặc 360 t ương ứng v ới
cấu hình Short là Long Interleave. Bảng ánh xạ của ký tự kênh ở tốc đ ộ 75bps là
Ký tự kênh
00
01
10
11

Bảng 6 Ánh xạ ký tự kênh ở tốc độ 75bps
32 số ba bít
32 số ba bit trường hợp ngoại lệ
(0000) lặp lại 8 lần

(0000 4444) lặp lại 4 lần
(0404) lặp lại 8 lần
(0404 4040) lặp lại 4 lần
(0044) lặp lại 8 lần
(0044 4400) lặp lại 4 lần
(0000) lặp lại 8 lần
(0440 4004) lặp lại 4 lần

Đối với dữ liệu Known Data, các ký tự kênh sẽ là 0 (000) ngoài tr ừ hai ký tự
Known Data trước mỗi khối dữ liệu đã được xáo tr ộn. Hai ký tự này sẽ là c ặp s ố
D1, D2 tương ứng với cấu hình Short hay Long Interleave và tốc độ dữ li ệu.
Bảng 7 Bảng giá trị của D1, D2
Tốc độ bit
Short Interleave
Long Interleave
D1
D2
D1
D2
2400
6
4
4
4
1200
6
5
4
5
600

6
6
4
6
300
6
7
4
7
150
7
4
5
4
75
7
5
5
5
Các ký tự kênh D1, D2 lại được ánh xạ thành các số ba bit như sau:
Ký tự kênh
Số ba bit
000
(0000 0000)
001
(0404 0404)
010
(0044 0044)
011
(0440 0440)

100
(0000 4444)
101
(0404 4040)
110
(0044 4400)
111
(0440 4004)
Đối với Known Data, các số ba bit tương ứng v ới ký tự kênh sẽ đ ược l ặp l ại 2
lần tương đương vơi 16 số ba bit. Trong trường hợp mỗi khoảng Known Data có
độ dài 20 số ba bit, 4 số ba bit (0000) sẽ được thêm vào cuối.
Cuối cùng đối với chuỗi preamble, chuỗi preamble có cấu trúc tương đ ối
giống nhau với tất cả các tốc độ. Nó bao gồm ba hoặc hai tư mảnh có th ời l ượng
0.2s tương ứng với chế độ short interleave 0.6s hoặc Long interleave 4.8s. M ỗi
mảnh gồm 15 số ba bít như sau
16


0, 1, 3, 0, 1, 3, 1, 2, 0, D1, D2, C1, C2, C3
Trong đó D1, D2 được định nghĩa như trên và C1, C2, C3 biểu di ễn s ố thứ tự
của mảnh trong chuỗi preamble. Bộ 3 ký tự C1, C2, C3 sẽ bi ểu di ễn s ố th ứ t ự b ắt
đầu từ 2 xuống 0 hoặc 23 xuống 0.
e. Bộ trộn Scambler
Các số ba bit của chuỗi dữ liệu càn phải được trộn với chuỗi số ba bit ngẫu
nhiên trước khi được điều chế và phát đi. Chuỗi số ngẫu nhiên dành cho Data (cả
Known và Unknown) và chuỗi Preamble là khác nhau.
Chuỗi số ngẫu nhiên dùng cho chuỗi preamble là
7 4 3 0 5 1 5 0 2 2 1 1 5 7 4 3 5 0 2 6 2 1 6 2 0 0 5 0 5 2 6 6.
Chuỗi này được lặp quay vòng liên tục cho đến khi đủ độ dài tương ứng với
chuỗi Preamble

f. Bộ điều chế PSK
Các số ba bit sẽ được điều chế thành sóng sin tần số 1800Hz có góc pha tương
ứng như đã biểu diễn trong Hình 2 -6.
2.3 Ràng buộc về thời gian
Chuẩn MIL-STD-188-110A nêu ra những yêu cầu về cấu trúc waveform sau
khi điều chế cũng như đưa ra khuyến nghị về các thành phần của hệ th ống thi ết
bị modem dữ liệu sóng ngắn. Có thể thấy những modem được thiết kế tương
thích với chuẩn MIL-STD-188-110A sẽ cần phải có một s ố ràng bu ộc th ời gian
như sau:
-

Để đảm bảo tín hiệu waveform sau điều chế là liên tục và đúng v ới c ấu
trúc yêu cầu, các khối con cần phải xử lý dữ liệu một cách liên tục v ới t ốc
độ 2400symbol/s. Do đó thời gian để các khối xử lý một symbol phải luôn
nhỏ hơn hoặc bằng 0,41667 ms. Nếu bất kỳ một khối con nào không đạt
được yêu cầu này, waveform đầu ra sẽ không còn giữ được cấu trúc theo
chuẩn. Ngoài ra, bộ điều khiển các Switch chuyển mạch S1, S2, S3, S4 cũng
phải được căn chỉnh thời gian một cách chính xác theo nh ững yêu c ầu kỹ

-

thuật cụ thể đã được trình bày ở phần 2.2
Đối với modem khi hoạt động ở chế độ giải điều chế, cũng có một s ố ràng
buộc về thời gian. Ví dụ như modem giải điều chế phải sau khi nhận được
waveform tín hiệu từ kênh truyền, trước tiên phải đồng bộ được với pha
17


Preamble tín hiệu, từ đó thu được thông tin về tốc độ dữ li ệu và c ấu hình
interleave của waveform . Điều này có nghĩa là modem gi ải đi ều ch ế ph ải

thực hiện tính toán ra được hai tham số D1, D2 trong khoảng th ời gian của
pha Preamble. Khoảng thời gian này là 0,6s đối v ới cấu hình Short và Zero
Interleave và 4,8s đối với cấu hình Long interleave. N ếu không thành công,
modem sẽ không đồng bộ được và không giải điều chế được tín hi ệu
-

waveform đã nhận được.
Nếu xét hệ thống modem với hai ràng buộc th ời gian như trên, có th ể coi
đây là một hệ thống thời gian thực cứng.

18


KẾT LUẬN
Báo cáo này đã trình bày về tổng quan khái niệm, lý thuy ết v ề các h ệ th ống
thời gian thực và những nghiên cứu, tìm hi ểu v ề một h ệ th ống th ời gian th ực c ụ
thể, đã được áp dụng trong thực tế. Hệ thống thực tế mà báo cáo tìm hi ểu là
những thiết bị modem dữ liệu được sử dụng trong các hệ thống liên lạc sóng
ngắn, tương thích với chuẩn quân sự MIL-STD-188-110A của Hoa Kỳ. Báo cáo đã
trình bày về các yêu cầu kỹ thuật mà chu ẩn này quy đ ịnh đ ối v ới m ột s ản ph ẩm
modem dữ liệu sóng ngắn. Ngoài ra báo cáo cũng đã chỉ ra nh ững ràng bu ộc v ề
thời gian mà những modem này phải tuân thủ, từ đó chỉ ra được tính chất thời
gian thực của thiết bị.
-

19


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Real-Time Systems Design and Analysis: Tools for the Practitioner, Fourth

Edition. Phillip A. Laplante and Seppo J. Ovaska. © 2012 the Institute of Electrical
and Electronics Engineers, Inc. Published 2012 by John Wiley& Sons, Inc
[2] Tài liệu chuẩn quân sự MIL-STD-188-110A: INTEROPERABILITY AND
PERFORMANCE STANDARDS FOR DATA MODEMS, 30/09/1991.
[3] Tài liệu chuẩn quân sự MIL-STD-188-110B: INTEROPERABILITY AND
PERFORMANCE STANDARDS FOR DATA MODEMS, 27/04/2000.
[4] Tài liệu chuẩn quân sự MIL-STD-188-110C: INTEROPERABILITY AND
PERFORMANCE STANDARDS FOR DATA MODEMS, 23/09/2011.
[5] Silde môn học Hệ thống thời gian thực, PGS.TS. Đỗ Trọng Tuấn

20