ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRUYỀN DỮ LIỆU Nguyễn Trung Tập Năm 2007 Chương Những -1 khái niệm I Z CHƯƠNG NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN – VÀI DÒNG LỊCH SỬ – NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG – HỆ THỐNG TRUYỀN TƯƠNG – HỆ THỐNG TRUYỀN SỐ TỰ – HỆ THỐNG MỞ VÀ MƠ HÌNH OSI _ Comment [c1]: Page: 1.1 VÀI DÒNG LỊCH SỬ Thông tin liệu phương pháp truyền thông dùng mã nhị phân thay cho tín hiệu Có thể coi lịch sử thông tin liệu bắt đầu vào năm 1837 với phát minh điện tín Samuel F B Morse Đó hệ thống truyền xung điện biểu diễn cho dấu chấm, vạch (tương đương với số nhị phân 1, 0) đường dây đồng nhờ máy điện Các tổ hợp khác mã thay cho chữ, số, dấu gọi mã Morse Bản điện tín phát Anh Charles Wheatstone William Cooke thực hệ thống họ phải dùng đường dây Năm 1840, Morse đăng ký sáng kiến điện tín Mỹ đến năm 1844 đường dây điện tín thiết lập Baltimore Washington D.C Năm 1849, tin in với vận tốc chậm, năm 1860 vận tốc in đạt 15 bps Cơng ty Điện tín Miền Tây (Western Union Telegraph Company) thiết lập năm 1850 Rochester, New York cho phép thực việc trao đổi thông tin cá nhân Năm 1874, Emile Baudot thiết kế máy phát dùng phương pháp đa hợp, truyền lúc tin đường dây Năm 1876, Alexander Graham Bell đưa điện tín lên bước phát triển mới: đời điện thoại Thay chuyển tin thành chuỗi mã Morse, Bell cho thấy người ta truyền thẳng tín hiệu điện đặc trưng cho tiếng nói đường dây Những hệ thống điện thoại cần cặp đường dây khác cho hai người muốn trao đổi thông tin với nhau, người phải nối điện thoại vào đường dây nối với điện thoại người mà muốn liên lạc Dần dần kết nối thực tổng đài khí tổng đài điện tử, số Người ta khơng cịn biết hệ thống hoạt động nào, cần quay (bây bấm) số kết nối Năm 1899, Marconi thành công việc phát tin vô tuyến Có thể nói điện tín phương tiện dùng để phát tin xa năm 1920, lúc đài phát thương mại đời Năm 1945, đánh dấu kiện quan trọng việc phát minh máy tính điện tử đầu tiên: ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) Được thiết kế để tính đạn đạo phục vụ cho Thế chiến thứ II, ENIAC thiết bị xử lý thơng tin dạng điện Mặc dù ENIAC khơng giữ vai trị trực tiếp việc thơng tin liệu cho thấy tính tốn định xác thực nhờ tín hiệu điện, khả quan trọng hệ thống thông tin _ Nguyễn Trung Lập Truyền liệu Chương Những -2 khái niệm I Sau Đại học Harvard liên kết với công ty IBM (International Business Machines Corporation) cho đời máy tính đa dụng, điều khiển tự động Đến năm 1951 số lượng chủng loại máy tính gia tăng nhiều (người ta đánh giá gia tăng có tốc độ tỉ lệ với hàm mũ) nhu cầu trao đổi thông tin người gia tăng với mức độ tương tự Nhưng năm 1968 công ty AT & T xem độc quyền: thiết bị cơng ty sản xuất nối vào hệ thống thông tin quốc gia Vào thời điểm này, Hiệp hội thông tin liên bang (FCC : Federal Communication Commission) Mỹ, thơng qua Tịa án tối cao ký định Carterfone, cho phép thiết bị nhà chế tạo khác nối vào hệ thống, định tác động thật đến đời kỹ nghệ mới: kỹ nghệ thông tin liệu Theo thời gian phát triển kỹ nghệ đưa đến hệ thống thông tin liệu số thực khoảng cách đáng kể Và bây giờ, với phát triển vũ bảo máy tính , cơng nghệ chế tạo IC đa chức năng, khả to lớn cáp quang hệ thống vệ tinh địa tĩnh, thông tin liệu số trở thành phổ biến có sức mạnh đến kỳ lạ, thỏa mãn nhiều yêu cầu thông tin liên lạc người toàn cầu khoảng thời gian ngắn Chương đề cập đến số khái niệm chung tìm hiểu cách sơ lược hệ thống truyền tương tự, hệ thống truyền số số tính chất chúng 1.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG 1.2.1 Tin tức, Dữ liệu Tín hiệu (Information, Data & Signal) Dữ liệu: bao gồm kiện, khái niệm hay thị diễn tả hình thức thích hợp cho việc thơng tin, thông dịch hay xử lý người hay máy móc Tin tức: Ý nghĩa mà người qui cho liệu theo qui ước cụ thể Tin tức biểu thị tiếng nói, hình ảnh, văn bản, tập hợp số, ký hiệu, thơng qua người hiểu Trong hệ thống truyền thông, thường người ta không phân biệt liệu tin tức Tín hiệu: tin tức, liệu chuyển đổi, xử lý (bởi phận mã hóa /hoặc chuyển đổi) cho phù hợp với mơi trường truyền thơng Có hai loại tín hiệu: tín hiệu tương tự tín hiệu số - Tín hiệu tương tự: có dạng sóng (H.1.1a), đại lượng điện có giá trị khoảng thời gian xác định Tín hiệu tương tự quen thuộc có dạng hình sin Một tín hiệu tương tự số hóa để trở thành tín hiệu số - Tín hiệu số: có dạng sóng (H.1.1b), tín hiệu mà biên độ có hai giá trị nhất, tương ứng với hai trạng thái logic đặc trưng hai số hệ nhị phân Hệ thống truyền tín hiệu hệ thống truyền nhị phân Trong hệ thống truyền số, ta cịn gặp tín hiệu có dạng (H.1.1c) Đây chưa phải tín hiệu số có giá trị định mà người ta số hóa số nhị phân nhiều bit Trong trường hợp (H 1.1c) tín hiệu có bốn giá trị 0, 1, 2, 3; để mã hóa tín hiệu cần số nhị phân hai bit, hệ thống truyền tín hiệu hệ thống truyền nhị phân hai bit _ Nguyễn Trung Lập Truyền liệu Chương Những -3 (a) (b) (H 1.1) khái niệm I (c) Tín hiệu đường truyền, gọi sóng mang, loại tương tự hay số dùng để truyền liệu tương tự hay liệu số Thí dụ: Tiếng nói loại liệu tương tự truyền hệ thống điện thoại tín hiệu tương tự (H 1.2a); liệu có nguồn gốc số, thí dụ mã ASCII ký tự biểu diễn dạng xung điện nhị phân truyền tín hiệu tương tự nhờ MODEM (Modulator/Demodulator) (H 1.2b) Tín hiệu tương tự qua mạch CODEC (Coder/Decoder) để số hóa (H 1.2c) liệu số truyền thẳng qua hệ thống số (H 1.2d) Nguồn Tiếng nói ⎯→ ĐIỆN THOẠI Tín hiệu truyền ⎯→ Tín hiệu tương tự (a) Tín hiệu số ⎯→ MODEM ⎯→ Tín hiệu tương tự (b) Tín hiệu tương tự ⎯→ CODEC ⎯→ Tín hiệu số (c) Dữ liệu số ⎯→ H T SỐ ⎯→ Tín hiệu số (d) (H 1.2) - Nhiễu: tín hiệu ngồi ý muốn, xuất hệ thống đường truyền Dưới ảnh hưởng nhiễu, tín hiệu tương tự bị biến dạng tín hiệu số bị lỗi - Cường độ tín hiệu: Cường độ tín hiệu thường biểu diễn công suất điện áp tổng trở tải Ta phải nói tín hiệu có cơng suất 0,133mW có biên độ 100mV tổng trở 75Ω - Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi độ suy giảm hệ thống, thường biểu diễn đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm: Tỉ số tín hiệu = 10log P2 P1 dB Sự tiện lợi đơn vị dB người ta xác định độ lợi (hay độ suy giảm) hệ thống gồm nhiều tầng nối chuỗi (cascade) cách cộng độ lợi tầng với _ Nguyễn Trung Lập Truyền liệu Chương Những -4 khái niệm I Người ta thường biểu thị cơng suất tuyệt đối tín hiệu cách so sánh với tín hiệu chuẩn có cơng suất 1W : P dB Cơng suất tín hiệu = 10log 1W Ngồi ra, người ta cịn dùng đơn vị dBm để xác định cường độ tín hiệu so với tín hiệu chuẩn có cơng suất 1mW P Cơng suất tín hiệu = 10log dBm 1mW Một tín hiệu có cơng suất 1W tương đương với dB 30dBm Thí dụ : Tín hiệu có biên độ 100mV 75Ω tương đương với 0,133 mW, tính theo dBm là: 10log(0,133/1mW) = - 8,76 dBm Dấu trừ cho biết mức tín hiệu 8,76 dBm 1mW Lưu ý, chuyển đổi đơn vị phải để ý đến tổng trở tải tín hiệu Biểu thức P = ( V2/R ) dùng để tính điện áp hiệu dụng tỉ số điện áp Trong hệ thống điện thoại tổng trở tải thường dùng 600Ω Thí dụ: Tín hiệu 100mV tải 75Ω tương đương với 282mV, tải 600Ω Thật vậy, 600Ω, điện áp tín hiệu xác định : V2 = P.R = 0,133.10-3.600 = 0,079 = 282 mV V = 0,079 = 0,282 V Nếu tín hiệu có chung tổng trở tải : V2 dB Tỉ số tín hiệu = 20log V1 - Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) Để đánh giá chất lượng tín hiệu chất lượng hệ thống truyền tín hiệu người ta dùng tỉ số tín hiệu nhiễu SNR Đây tỉ số cơng suất tín hiệu có ích cơng suất tín hiệu nhiễu, thường tính dB (hoặc dBm) Nếu tín hiệu dBm có mức nhiễu -20 dBm, tỉ số SNR 22 dBm Nói cách khác mức tín hiệu lớn mức nhiễu 22 dBm Thí dụ: Với tín hiệu số (H.1.1b), SNR tối thiểu phải để phân biệt tín hiệu cách rõ ràng (ảnh hưởng nhiễu chấp nhận được)? Đối với tín hiệu (H.1.1b), giả sử biên độ ứng với mức V V cho mức 0, lỗi phát sinh mức phát mà nhiễu có giá trị dương lớn 0,5 V mức phát mà nhiễu có biên độ âm trị tuyệt đối lớn 0,5 V Như giá trị tối đa cho phép nhiễu 0,5 V so với trị tối đa tín hiệu V tỉ số SNR tối thiểu là: SNRMIN = 20log S = 20log = 6dB N 0,5 Một hệ thống hay mạch tốt có khả nâng cao tỉ số tín hiệu nhiễu SNR theo yêu cầu 1.2.2 Băng thông _ Nguyễn Trung Lập Truyền liệu Chương Những -5 khái niệm I - Băng thơng tín hiệu dải tần số chứa hầu hết cơng suất tín hiệu Khái niệm cho ta xác định phổ tần hữu ích tín hiệu tín hiệu chứa phổ tần q rộng - Băng thông kênh truyền dải tần số tín hiệu mà độ suy giảm khoảng vài dB (thường dB) so với giá trị cực đại tín hiệu truyền qua hệ thống Độ suy giảm dB tương ứng với điểm nửa công suất Một kênh truyền tốt phải có băng thơng lớn băng thơng tín hiệu, điều khiến cho tín hiệu tái tạo không bị méo dạng suy giảm đáng kể trình truyền 1.2.3 Hình trạng hệ thống phương thức liên lạc Về hình trạng, hệ thống thơng tin có dạng: - Điểm - điểm (Point to point): Thí dụ liên lạc máy tính máy in - Nhiều điểm (Multipoint): Hệ thống nhiều điểm có dạng: (star), vịng (ring) multidrop * Mạng hình (H 1.3a): Thuận lợi liên lạc đài thứ cấp truy xuất trực tiếp đài sơ cấp giá thành cao phải sử dụng đường dây riêng * Mạng vịng (H 1.3b): Thơng tin phải theo vịng từ đài sơ cấp đến đài thứ cấp Nếu có đài hỏng, hệ thống ngưng làm việc * Mạng multidrop (H 1.3c): Các đài thứ cấp nối chung đường dây vào trạm sơ cấp Về phương thức thức liên lạc, máy phát thu hệ thống thơng tin thực theo phương thức: - Đơn công (Simplex transmission, SX): thông tin truyền theo chiều Nếu lỗi xảy máy thu khơng có cách u cầu máy phát phát lại Trong hệ thống thường máy thu có trang bị thêm ROP (Read Only Printer) để hiển thị thông tin nhận - Bán song công (Half duplex transmission, HDX): tín hiệu truyền theo hai hướng không đồng thời Hệ thống thông tin dùng Walkie - Talkie thí dụ phương thức liên lạc bán song công Các máy truyền bán song công có nút ấn để phát (push to send), chế độ phát phần thu bị vơ hiệu hóa ngược lại - Song cơng (full duplex transmission, FDX): tín hiệu truyền theo hai chiều đồng thời Hệ thống thường có đường dây, dây cho chiều truyền Phương thức dùng hệ thống điểm - điểm (point to point) - Song công tồn phần (Full/Full-duplex, F/FDX): Đài sơ cấp có khả phát tín hiệu tới đài thứ cấp đồng thời nhận thông tin từ đài thứ cấp khác Phương thức giới hạn hệ thống nhiều điểm (multipoint) _ Nguyễn Trung Lập Truyền liệu Chương Những -6 khái niệm I (H 1.3) 1.2.4 Các phương pháp truyền Để truyền tín hiệu người ta dùng hai phương pháp: phương pháp truyền dải phương pháp điều chế - Phương pháp truyền dải : Tín hiệu truyền có dải tần với tín hiệu nguồn Thí dụ điện thoại, tín hiệu âm hữu ích có tần số khoảng 300-3000 Hz truyền mà khơng có biến đổi phổ tần - Phương pháp điều chế : Đây phương pháp cho phép dời phổ tần tín hiệu nguồn đến khoảng tần số khác phù hợp với kênh truyền tránh nhiễu giao thoa (nghĩa phổ tần cách khoảng đủ để không chồng lên nhau) 1.2.5 Các phương pháp dồn kênh Để truyền nhiều tín hiệu có dải (nhiều kênh) đường truyền mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau, người ta phải dồn kênh Có hai phương pháp dồn kênh: phương pháp đa hợp phân tần số phương pháp đa hợp phân thời gian (H 1.4) mô tả hai phương pháp dồn kênh (H.1.4) - Dồn kênh theo phương pháp đa hợp phân thời gian (TDM: Time Division Multiplexing) (H 1.5) minh họa phương pháp TDM _ Nguyễn Trung Lập Truyền liệu Chương Những -7 khái niệm I (H 1.5) Khóa chuyển mạch sử dụng để nối tín hiệu cần truyền đến đường truyền khoảng thời gian định Dĩ nhiên khóa chuyển mạch máy phát (dồn kênh) máy thu (phân kênh) phải hoạt động đồng để máy thu thu tín hiệu - Dồn kênh theo phương pháp đa hợp phân tần số (FDM: Frequency Division Multiplexing) (H 1.6) minh họa phương pháp FDM cho kênh truyền (3 tín hiệu tương tự) Tần số sóng mang điều chế kênh chọn lựa cho tín hiệu điều chế chiếm dải tần riêng phổ tần đường truyền phải cách ly theo qui định Để thực việc người ta dùng mạch cộng hưởng LC có tần số cộng hưởng khác cho kênh truyền Các hệ thống truyền truyền hình sử dụng phương pháp dồn kênh (H 1.6) 1.3 HỆ THỐNG TRUYỀN TƯƠNG TỰ (H 1.7) mô tả hệ thống truyền tương tự dùng phương pháp điều chế (nếu truyền dải không cần điều chế giải điều chế) Trong hệ thống tín hiệu đường truyền tín hiệu tương tự Bộ phận chuyển đổi máy phát biến tin tức thành tín hiệu tương tự, sau xử lý (như lọc, khuếch đại, phối hợp trở kháng ) qua phận điều chế để dời phổ tần; cuối _ Nguyễn Trung Lập Truyền liệu Chương Những -8 khái niệm I phận giao tiếp chuẩn bị tín hiệu phát tương thích với mơi trường truyền hay kênh truyền Các công việc thực theo chiều ngược lại máy thu (H 1.7) 1.4 HỆ THỐNG TRUYỀN SỐ 1.4.1 Sơ đồ khối (H 1.8) mơ tả hệ thống truyền số Tín hiệu đường truyền hệ thống tín hiệu số, tức điện áp tương ứng cho mức mã nhị phân biểu thị cho tin tức Bộ phận hệ thống phận biến đổi A→D (Analog to Digital Converter, ADC) máy phát (biến tín hiệu tương tự thành tín hiệu số) biến đổi D→A (Digital to Analog Converter, DAC) máy thu (biến tín hiệu số thành tín hiệu tương tự) Việc truyền tín hiệu số thực cách phát mã nhị phân (H 1.8) 1.4.2 Vận tốc truyền tín hiệu (Baud rate) Một đặc trưng quan trọng để đánh giá chất lượng hệ thống truyền số vận tốc truyền tín hiệu, tính baud Baud vận tốc thay đổi trạng thái sóng mang (số lần thay đổi sóng mang giây) cịn gọi vận tốc điều chế (baud rate) Trong thực tế người ta hay dùng đơn vị bit/s (bps) vận tốc truyền bit (bit rate), tức số bit mà hệ thống truyền giây Trong hệ thống truyền nhị phân (tín hiệu cần truyền có dạng (H 1.1b)), sóng mang điều chế hai trạng thái tín hiệu, vận tốc bit vận tốc tín hiệu (số bit/s = số baud) Trong hệ thống truyền nhị phân hai bit (Thí dụ, dùng số nhị phân hai bit mã hóa tín hiệu có dạng (H 1.1c)), số lượng bit gấp đơi số tín hiệu (vận tốc thay đổi bit nhanh gấp đôi vận tốc thay đổi sóng mang), số bit/s gấp đơi số baud _ Nguyễn Trung Lập Truyền liệu Chương Những -9 khái niệm I Thí dụ : Tính vận tốc truyền tín hiệu (H 1.1c), thời gian tương ứng với giá trị tín hiệu T = 0,0001s Vận tốc truyền tín hiệu = số baud = 1/T = 1/0,0001 = 10.000 baud Vận tốc truyền bit br = 2.baud = 20.000 bit/s 1.4.3 Truyền nối tiếp song song Tùy theo cách thức đưa tín hiệu đường truyền mà ta có hai cách truyền: song song nối tiếp (H.1.8) mô tả hai cách truyền - Truyền nối tiếp: tín hiệu phát bit đường dây Tốc độ truyền chậm tốn so với cách truyền song song - Truyền song song: mã ký tự gửi dạng song song, nghĩa bit phát đồng thời đường truyền Tốc độ truyền song song nhanh phải tốn nhiều đường dây Do đó, cách truyền dùng thực tế phần phát thu gần b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 ⎯⎯⎯⎯→ (a) b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ Tx register Rx register (b) (H 1.9) 1.4.4 Truyền đồng bất đồng Trong hệ thống truyền số tín hiệu truyền theo chế độ đồng bất đồng Hai chế độ truyền khác chủ yếu việc thực đồng đưa tới cách định dạng tín hiệu truyền khác - Truyền đồng bộ: Trong chế độ đồng liệu truyền hình thành theo dạng cố định Thí dụ ký tự mã hóa mã ASCII tin truyền thành khối (block), đồng thực khoảng thời gian khối tin Do truyền lần tin nên vận tốc truyền lớn, từ 2400 bps, 4800 bps, 9600 bps Mbps Một bất lợi cách truyền đồng máy phát phải gửi tín hiệu xung đồng hồ để đồng máy thu Nếu việc không thực máy thu phải thiết kế vịng khóa pha (PLL) để phục hồi xung đồng từ dòng liệu _ Nguyễn Trung Lập Truyền liệu ... hiệu đường truyền, gọi sóng mang, loại tương tự hay số dùng để truyền liệu tương tự hay liệu số Thí dụ: Tiếng nói loại liệu tương tự truyền hệ thống điện thoại tín hiệu tương tự (H 1.2a); liệu có... hiểu cách sơ lược hệ thống truyền tương tự, hệ thống truyền số số tính chất chúng 1.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG 1.2.1 Tin tức, Dữ liệu Tín hiệu (Information, Data & Signal) Dữ liệu: bao gồm kiện, khái... cho kênh truyền Các hệ thống truyền truyền hình sử dụng phương pháp dồn kênh (H 1.6) 1.3 HỆ THỐNG TRUYỀN TƯƠNG TỰ (H 1.7) mô tả hệ thống truyền tương tự dùng phương pháp điều chế (nếu truyền dải