HỆ THỐNG THÔNG TIN DỮ LIỆU - Full 10 điểm

HỌC VIỆN K Ỹ THUẬT Q U Â N s ự TS V Ũ THANH H ẢI (CHỦ BIÊN), T h.s NGUYỄN VĂN GIÁO 7 K THÔNG TIN Dữ LIỆU (Tài liệu dùng cho đào tạo Cao học chuyên ngành Kỹ thuật Vồ tuyến Điện tử và Thông tín Liên lạc) LUƯ HÀNH N Ộ I BỘ NHÀ XUẤT BẢN QUÂN ĐỘI NHÂN DÂN HÀ N Ộ I-2001 NHÀ XUẤT BẢN M ỒNG BẠN ĐỌC GÓP Ỷ KIẾN, PHÊ BÌNH Chỉ đạo nội dung: BAN CHỈ ĐẠO NGHIÊN cứu, BIÊN SOẠN, HOÀN THIỆN HỆ THỐNG TÀI LIỆU HUAN LUỸỆN, g iá o TRÌNH, GIÁO KHOA, HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUẰN s ự Trưởng ban: Thiếu tướng, PGS-TS Nguyễn Đức Luyện Phó trưcmg ban: Đại tá, PGS-TS Phạm Huy Chương Thư ký: Thượng tá, Th.s Nguyễn Văn Thàng Biên soạn: Chủ biên: TS Vũ Thanh Hải Tham gia biên soạn: Th.s Nguyễn Văn Giáo Quyết định ban hành SỐ: 1374/QĐ-HV Ngày 10 tháng 8 năm 2000 355 - 355.7 -------- ----------- 1412 - 2000 QĐND - 2001 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU MỤC LỤC MỤC LỤC - 5 LỞI NỠI ĐẦU " ; ! : ‘ '''' ; 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin ỉ ỉ 1.2 Các chức năng cơ bản của hệ thống thông tin liên lạc 13 1.3 Mộ hình 7 lớp OSI 15 CHƯƠNG 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRƯYỂN 19 2.1 Khái niệm chung về môi trường truyền và tín hiệu 19 2.1.1 M ôi trường truyền 19 2.1.2 Tín hiộu. 1 20 2.2 Tác động của môi trường truyền tới việc truyền tín hiệu 24 2.2.1 Suy giảm 24 2.2.2 M éo đo giữ chậm 25 2.2.3 Nhiễu tạp 27 2.3 Một số môi trường truyền cơ bản 28 2.3.1 Cáp đôi đây xoắn 29 2 3.2 Cáp đồng trục 31 2.3.3 Cáp sợi quang ì 31 2.3.4 V iba i 33 2.3.5 Thồng tin vệ tinh 35 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU CHƯƠNG 3: BIÊN Đ ổ i ĐỮLIỆU THÀNH TÍN HIỆU 37 3.1 Biến đổi dữ liệu số thành tín hiệu ở dạng số 37 3.2 Biến đổi dữ liệu số thành tín hiệu tương tự 44 3.2.1 Phương pháp điều chế ASK 45 3.2.2 Phương pháp điều chế dịch tần FSK , , , r , 47 3.2.3 Phương pháp điều chế dịch pha PSK ... 49 3.2.4 Điều chế pha tương đối DPSK 51 ______ •;■ ■■ , •■■■■". v.''''.: Bib tliif í T>a .''''.H'''' '''' : 3.2.5 Điều chế nhiều mức 53 _ '''' ĩ ?í } í.''''-,’ : 3.3 Biến đổi dữ liệu tương tự thành tín hiệu số 59 3.3.1 Điều chế xung mã PCM 59 3.3.2 Điều chế Delta DM ■J: ■''''J i / J ^ ÌH '''' " 63 - :• ■! ''''!5 )v* i ịârrí hy (V;. Chương 4: CÁC KỸ THUẬT c ơ BẠN TRONG THÔNG TIN s ố LIỆU Jỉờ'''':r i 4.1 Truyềr.không động bộ ỵà d i(.(! 67 4.1.1 Phương thức truyền không đồng bộ. 67 4.1.2 Phương thức truyền đồng bộ „A v.( 69 4.2 Mã giám sát lỗi 75 4.2.1 Đặc tính sai lỗi trên kênh thông tin, , . 75 4.2.2 M ã khối ’ '''' . '''' .... 77 4.2.3 M axoan n* " ^ B4 4.3 Phối ghép Interfacing , 90 4.3.1 Khái niệm 90 4.3.2 Chuẩn EIA 232D . r 92 4.3.3 Đấu nối vật lý cho ISDN 99 6 MỤC LỤC VũThanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆƯ Chương 5: ĐIỂU KHIỂN LIÊN KẾT D ữ LIỆU 101 5.1 Cấu hinh đường liên kết dữ liệu 101 5.2 Điều khiển luồng 108 5.3 Kiểm soát lỗi Ễ 112 5.4 Điều khiển liên kết dữ liệu dùng giao thức HDLC 116 Chương 6: MÔ HÌNH 7 LỚP OSI 127 6.1 Mô hình OSI 127 6.1.1 Nguyên tắc xây dựng „ 127 6.1.2 Chức năng các lớp trong mô hình OSI 130 6.1.3 Tương tác giữa các lớp trong mô hình 133 6.2 Vài nét về bộ giao thức TCP/IP 137 Chương 7: LỚP MẠNG 141 7.1 Giới thiệu chung 141 7.1.1 Lóp mạng trong mô hình 7 lớp OSI 141 7.1.2 Các nguyên hàm dịch vụ mạng 142 7.1.3 Các tham số về chất lượng dịch vụ QoS 143 7.1.4 Phân loại mạng 145 7.2 Mạng chuyển mạch 148 7.2.1 M ạng chuyển mạch kênh 148 7.2.2 M ạng chuyển mạch tin 150 7.2.3 M ạng chuyển mạch gói 153 MỤC LỤC 7 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU 7.3 M ạng q u ản g bá 158 7.3.1 Giới thiệu chung 158 7.3.2 Công nghệ mạng LAN 159 7.3.3 Các kỹ thuật điều khiển truy nhập. 163 TÀ I L IỆ U T H A M K H Ả O 167 * 8 MỤC LỤC Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU LỜI NÓI ĐẦU Tài liệu "Thông tin dữ liệu" được biên soạn làmgiáo tìn h cho đào tạo đại học, cao học chuyên ngành vô tuyến điện tử và thôngtin liên lạc. Trongmối tương quan với các giáo trình khác (Kỹ thuật truyền dẫn, Mạng thông tin, Kỹ thuật chuyển mạch ...) , tài liệu này trình bầy những nét chung nhất về kỹ thuật truyền dữ liệu, tập trung sâu vào nội dung điều khiển liên kết dữ liệu và giới thiệu về mạng số liệu. Giáo trình gồm 7 chương: '''' Chương 1: Tổng quan Chương 2: Tín hiệu và đường truyền Chương 3: Biến đổi dữ liệu thành tín hiệu Chương 4: Các kỹ thuật cơ bản trong thông tin số liệu Chương 5: Điều khiển liên kết dữ liệu Chương 6: Mô hình 7 lóp OSI Chương 7: Lớp mạng Với lần biên soạn đầu tiên, tài liệu này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp, góp ý của các đổng nghiệp và bạn đọc, giúp cho tài liệu ngày càng hoàn thiện hơn. TS Vũ Thanh Hải 9 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU CHƯƠNG 1 T Ổ N G QUAN 1.1. Sơ đồ tổng q u á t hệ thống thông tin Mục đích cơ bản của hệ thống thông tin liên lạc là trao đổi thông tin giữa hai đối tượng. Sơ đổ khối tổng quát của một hê thống thông tin ở dạng đơn giản dược mô tả trên hình 1.1 Thông tin vào m Dữ liệu g hay tín hiệu g(t) đầu vào Tín hiệu phát s(t) Tín hiệu thu rịt) Dữ liệu g'''' hay tín hiệu g''''(t) đầu ra m Thông tin ra f 2 3 4 5 Hình 1.1. Sơ đổ tổng quát hệ thống thông tin Thông tin vào (ký hiệu m ) được nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào thành dữ liệu vào g hay có thể ở dạng một hàm của thòi gian là tín hiệu vào g(t). Tiếp tục, chúng được dưa qua thiết bị phát dể tạo thành tín hiệu phát sịt) thích hợp với môi trường truyền. Do ảnh hưởng của môi trường truyền (ví dụ do nhiễu tạp), ở đầu thu chúng ta nhận được tín hiệu thu r(t) có thể khác biệt so với tín hiệu phát s(t). Sau khi được giải điều chế tại thiết bị thu, dữ liệu ra g '''' hay tín hiệu ra g''''(t) sẽ đưa tới thiết bị ra để lấy ra thông tin có ích m \ Kí hiệu '''' nhằm chỉ rõ sự sai khác không mong muốn giữa các cặp g - g'''', ''''g(t) - g ’(t), m - m''''(t) do sai lỗi trong hệ thống truyền. Trong sơ đồ trên, thông tin được hiểu theo nghĩa tổng quát là nội dung cần trao đổi, còn dữ liệu (hay tin tức) là phương tiện để biểu diễn, mô tả thông tin ở một dạng thích hợp cho việc trao đổi, biểu diễn, xử lý, cảm nhận ... bởi con người hay máy móc. Chúng ta xem xét một vài ví dụ minh họa hoạt dộng của hệ thống thông tin. Chương 1: TỔNG QUAN 11 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU Trong trường hợp trao đổi thư điện tử, thiết bị vào và thiết bị phát là máy tính PC của người gửi. Giả sử người gửi cần gửi đi một bản tin. Nội đung của bản tin chính là thông tin vào m trong sơ đồ hình 1.1. Ngưòi gửi kích hoạt chương trình thư điện tử trên máy tính, đùng bàn phím (thiết bị vào) gõ vào bản tin muốn gửi. Dẫy ký tự vào sẽ được lưu giữ trong bộ nhớ của máy tính. Bất kỳ lúc nào, chúng ta có thể xem lại đẫy ký tự g này, hay tương ứng là đẫy bit ghi trong bộ nhớ. Máy PC được nối với một môi trường truyền nào đó (có thể là mạng LAN hay đường đây điện thoại) thông qua các thiết bị vào ra I/O (thiết bị phát) như bộ thu phát mạng nội hạt hay mođem. Dữ liệu đầu vào được đưa tói thiết bị thu phát ở đạng đẫy bít g(t) - đẫy xung điện áp gịt) - trên các đường cáp hay bus thông tin. Thiết bị thu phát này nối trực tiếp với môi trường và biến đổi đãy bit đầu vào g(t) thành tín hiệu sịt) thích hợp với môi trường truyền. Tín hiệu phát sịt) khi truyền trên môi trường sẽ bị một số tác động mà ta sẽ xem xét kỹ trong chương 2. TÚI hiệu thu được rịt) có thể sai lệch so với sịt). Thiết bị thu sẽ căn cứ vào bản chất của s(í), tín hiệu thu được rịt) và các hiểu biết về môi trường truyền để tách ra đẫy bít g ’(t). Dẫy bít này được đưa tới máy tính PC đầu ra, lưu giữ vào bộ nhớ máy tính như BỊiột khối các bit hay khối ký tự g \ Trong nhiều trường hợp, trạm nhận sẽ cố gắng xác định sai lỗi và nếu có thể, sẽ cùng phối hợp với trạm nguồn (như yêu cắu phốt lại đoạn sai...) để có thể có được khối đữ liệu không sai. Các đữ liệu này được đưa tiới người đùng qua thiết bị ra, ví đụ như máy in hay màn hình máy tính. ỈEhộngí tin m '''' vì vậy sẽ đến được tới người đùng và thường thường là đúng như thông tin gốc m. Trong trường hợp trên, tại hai đầu cuối kkông nh&t thiết phải Là con người, mà có thể là thiết bị nào đó. Tại đầu phát, một thộxig báo đã ghi trên đĩa hay t?ăng có thể tự động phát đi trong những điều kiện nhất định (ví d,ạ như vàộ buổi tối, khi lưu lượng điện thoại ít và cước phí điện thóại Fẻ); sĩại đầu .thp khi người đùng không có mặt, thông báo có thể tự ghi vào đĩạhay băng để xem ỉạị khi thích hợp. Ta xem xét trường hợp thứ hai, khi trao đổi mộ^cụộp điện thoại qua hệ thống thông tin. Các đổi tượng liên lạc trong trường hợp này là con ogười, tạo ra thông tin m bằng cách nói ra các âm thanh. Sóng âm nhờ micro (thiết bị vào) của tổ hợp điện thoại biến thành tín hiệu điện cùng tần số như vậy. Tín hiệu này không cần biến đổi được phát luôn vào đường điện thoại. Vì thế tín hiệu vào g(t) và tín hiệu 12 Chương 1: TổN G QUAN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU ■phát sịt) trong trường hợp này là như nhau. Do sự méo dạng trên dường truyền, tín hiệu thu rịt) không hoàn toàn giống sịt), dược biến trở lại thành âm thanh mà không có hiệu chỉnh hay cải thiện chất lượng gì dáng kể. m ’ vì vậy không hoàn toàn chính xác với m, song nói chung ngưòi nhận có thể lĩnh hội được các thông tin qua âm thanh mà mình nghe dược. Có sự khác biệt khi thông tin thoại qua mạng số. Tín hiệu vào g(ị) khi này được số hoá, nghĩa là biến đổi thành dẫy bit. Dẫy bít này dưới dạng các xung điện áp sẽ được phát di như tín hiệu sịt). Hai ví dụ trên,rtuy đơn giản nhưng phần nào dã cho ta thấy sự phong phú của các dạng thông tin. Chúng có thể là thông tin giữa con người vói con người, giữa máy với máy hay giữa người với máy, dữ.liệu có thể là liên tục (như âm thanh) hay gián đoạn (như dẫy ký tự) và hoàn toàn có thể có biến dổi linh hoạt, mềm dẻo giữa các dạng (như ví dụ với thoại số). Trao dổi thông tin có thể diễn ra tức thời theo thời gian thực, hay có thể lưu giữ chọn thời gian thích hợp. Các dịch vụ thông tin cũng ngày càng phong phú như thoại, số liệu, video... Quá trình thông tin còn phức tạp hơn nữa khi các dối tượng liên lạc thông qua một mạng thông tin nhiều người dùng. Bản chất và những vấn đề trong hệ thống thông tin liên lạc sẽ dược chúng ta dần tìm hiểu trong các phần sau. 1.2. Các chức năng cơ bản của hệ thống thông tin liên lạc Sơ dồ hình 1.1 đã''''giới thiệu một cách tổng quan quá trình trao dổi thông tin. Một cách tiếp cận khác là xem xét hệ thống thông tin dưới các chức năng cơ bản của nó. Các chức năng cơ bản này có thể kể tới: • Gác tiện ích hệ thống truyền tin • Phối ghép, giao diện ■ • Tạo tín hiệu • Đồng bộ • Quản lý trao đổi • Phát hiện và hiệu chỉnh lỗi • Điều khiển luồng - . Chương 1: TỎNG QUAN 13 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU • Địa chỉ • Tìm dường '''' • Hổi phục • Tạo dạng thông báo • Bảo vệ • Quản lý hệ thống : .1 ; Các tiện ích truyền tin của hệ thống nhằm sử dựng một cách có hiệu quả các phương tiện truyền tin, bằng cách cho phép nhiều người dùng, nhiều thiết bị thông tin cùng sử dụng chung môi trường truyền. Chứ- ựí;/ Không chỉ có tín hiệu, hệ thống thông tin còn yêu cầu sự đồng bộ giữa máy phát và máy thu. Máy thu cần phải có thể xác định được, khi nào tín hiệu bắt đầu tới và khi nào kết thúc. Máy thu cũng cần biết khoảng; thòi gian tồn tại của mỗi phần tử tín hiệu. : . '''' Ngoài dữ liệu có ích và định thời (đồng bộ), các yêu cầu cần thiết phục vụ cho việc thông tin giữa hai đối tượng tập hợp lại thành jfS0t thuật ágữ chung gọi là quản lý trao đổi. Để thực hiện được việc thông tin liên lạc, hai đối tượng cần phải hợp tác với nhau một cách chặt chẽ. Ví dụ rihư đé liên ỉạc điện thoại, một bên phải quáy số, kết quả tạo ra chuông gọi máy bạni Người bị gọi phải nhấc máy, khi này cuộc nối mới được thực hiện. Với các thiết i>Ị xử lý dữ liệu, yêu cầu vể hợp tác còn phong phú hơn, không chỉ dừng ở việc thiết lập cuộc nối. Hai chức năng tiếp theo: Phát hiện, hiệu chỉnh lỗi và ;điều khiển luồng cũng có thể nhóm vào chức năng quản lý ữao đổi, song do ý nghĩa quan trọng của chúng nên được phân ra thành các chức năng tách biệt. Phát hiện và hiệu chỉnh lối là đòi hỏi trong những trường hợp không cho phép thông tin sai lạc, thường là trong các hệ thống xử lý dữ liệu, ví dụ như khi truyền Fiỉe giữa các máy tính. Điều khiển luồng nhằm đảm bảo cho trạm gửi không làm tràn trạm nhận khi gửi 14 Chương 1: TỔNG QUAN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN ĐỮLIỆU dữ liệu quá nhanh mà trạm nhận không thể xử lý kịp, dẫn tới việc bỏ qua, mất dữ liệu. , Khi các phương tiện truyền dược dùng chung bởi nhiều dối tượng, nhiều người dùng, việc đánh địa chỉ là cần thiết để trạm gửi có thể thông tin đúng với trạm nhận mà mình mong muốn. Khi này. hệ thống truyển thực tế đã tạo thành một mạng, với nhiều đường truyền có thể nối giữa hai trạm. Cần thiết phải chọn đường để xác định một đường cụ thể xuyên qua mạng này cho mỗi cuộc nối. Hồi phục là một kỹ thuật khác so với phát hiện và hiệu chỉnh lỗi. Kỹ thuật Ịiồi phục là cần thiết, như trong trường hợp quá trình truyền file dữ liệu bị ngắt do sự cố nào đó của hệ thống. Các đối tượng phải có khả năng kích hoạt trở lại tại điểm bị ngắt hoặc ít nhất cũng phải hồi phục lại trạng thái của hệ thống về tĩạng thái khỏi thủy để bắt đầu trao đổi. Hai đối tượng liên lạc với nhau phải có cùng dạng dữ liệu cần trao đổi. Thỏa thuận về điều này được hiểu như định đạng bản tin. Ví dụ, hai bên phải dùng cùng một mã mô tả ký tự chẳng hạn. Các chức năng bảo vệ cũng rất cần thiết cho hệ thống thông tin liên lạc. Người gửi muốn bảo đảm rằng, chỉ có người nhận hợp lệ mói thu nhận được dữ liệu. Còn người thu muốn được đảm bảo rằng, dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình trung chuyển và bảo đảm là được gửi từ đúng đối tượng. Cuối cùng, các phương tiện thông tin tạo thành một hệ thống phức tạp không thể tự thiết lập và tự hoạt động. Khả năng quản lý hệ thống là cần thiết để cấu hinh hệ thống, giám sát các trạng thái của nó, phản ứng với các hư hỏng hay quá tải, lập kế hoạch cho phát triển trong tương lai. 1.3. Mô hình 7 lớp OSI Hệ thống thông tin là một hệ thống rộng khắp, với rất nhiệu người dùng và , cũng rất nhiều các nhà cung cấp các sản phảm thông tin cả về phần cứng và phần 1mềm. Yêu cầu về tính tương thích được đặt ra gay gắt và được thực hiện bằng 1cách xây dựng các chuẩn mà khi đáp ứng chúng, các sản phẩm thông tin tuy không cùng một nhà sản xuất cũng sẽ kết nối dược vói nhau. Công việc cấn thiết đầu tiên là tạo một khung chung (hay một cấu trúc, một kiến trúc chung) để xây «Gkương ỉ : TỔNG QUAN 15 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU dựng nên qác chuẩn, phục vụ chớ mục đíớh kết nốỉ các hẻ thống thông tín khác nhau. Tháng 3 năm 1977 tổ chức tiêu chuẩn hoá quốe lế (International Ogranization For Standardization - ISO) bắt đầu nghiên cứu việc xâỷ^dtỊtìg^inồt khung chung như vậy, với mục tiêu: V ; • '''' Liên kết các hệ thống, các sản phẩm của các''''liăríg sẳrí xuất khác nhau. • Phối hởp các hoạt độrig chuẩn hóá ừơrig thởng và các hệ thống thông tin. /i; X 1 Năm 1984 Mô hình tham chiếu cho việc kết nối ''''tảú ếệ thống m ở(O SI) rá đời, đữợc CCTTT chấỊ> nhận và coi là tiêữ òhuẩn^hàng^&ó èác nhà nghiên cứu, thiết kế, chế tạó và sản xuất các ửìiết bị thông tíntrétatéầii òầư. Từ “mở” trõng tên gọi mô hình nhằm chỉ rõ: các hệ thống kháGtftảtao: VẫiV có thể nối kết để traổ đổi thôiig tin với nhau nếu chúng tuâri thủẨ iríô hìtìỊhtìiaBỈ chiếu và các chuẩn cé lìẻnquan. '''' ■■ '''' '''' - ■ '''' J'''' - ‘>ầtd "xy.ỳ. - . ■ Hệ thống A í vj Hệ thống B 7 APPLICATION PRESENTATION SESSION TRANSPORT NETWORK DATA LINK PHYSICAL ■■■• : i ỉ u r r ! i v i f c i ÚNG DỰNG TRÌNHBẦY PHIÊN - TRUYỀN TẢI MẠNG LIÊN KẾT DỮ LIỆU í'''' VẬT LÝ ■ V ■— 1:. M i ‘r • "ý Đường truyền vật lýTWịfỉ "Jr''''W ''''.r Hình 1.2. Mô hình 7 fớp OSI 1m-l I 16 Chương 1: TỔNG QUAN VũThanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU Bảng 1.1 Chức năng các lớp trong mô hình OSI 1. Lớp vật lý. Liên quan tới việc truyền luồng bít trên môi trường vật lý, quy định các đặc tính về Cơ khí, Điện khí, Chức năng và Thủ tục để truy nhập môi trường vật lý 2. Lớp liên kết sô liệu Nhằm truyền tin cậy thông tin qua liên kết vật lý; Gửi đi các khối đữ liệu (các khung) cùng với đỗng bộ, điều khiển lỗi và điều khiển luồng 3. Lớp mạng Nhằm truyền tải đử liệu một cách trong suốt giữa các đơn vị truyền tải. Giải phóng các lớp trên khỏi cần biết về việc truyền đữ liệu và công nghệ chuyển mạch đùng để nối hệ thống. Đáp ứng yêu cầu thiết lập, duy trì và kết thúc cuộc nối 4. Lớp vận chuyển Nhằm vận chuyển đữ liệu trong suốt và tin cậy giữa các đầu cuối. Thực hiện hồi phục lỗi đầu cuối tới đầu cuối và điều khiển luồng. 5. Lớp phiên. Điều khiển cấu trúc liên lạc giữa các ứng đụng: Thiết lập, quản lý và kết thúc cuộc nối (phiên liên lạc) giữa các ứng dụng cùng làm việc. 6. Lớp trình bầy Đảm bảo sự độc lập cho các ứng đụng xử lý khỏi sự khác biệt trong trình bầy đữ liệu (Cú pháp) 7.LỚP ứng dụng Cho phép người đùng truy nhập vào môi trường OSI và cung cấp các dich vu thông tin phân bố. Mô hình được xây đựng theo nguyên tắc phân lớp. Theo đó, mỗi hệ thống thành phần được xem như một cấu trúc đa lớp, mỗi lớp được xây đựng trên lớp dưới của nó, và chữc năng chính của mỗi lớp là cung cấp các địch vụ cho lớp cao hơn. Các hệ thống thành phần trong một mạng đều có cấu trúc lớp như nhau. Quan hệ giữa hai lớp kề nhau và quan hệ giữa hai lớp đồng mức của hai hệ thống nối với nhau được định nghĩa một cách chặt chẽ. Dữ liệu không được truyền trực tiếp từ lớp thứ i của hệ thống này sang lórpÁbiãt ị iaậạkạag (trữ đối v ớ i lớp -----------------------3----------------- :------------------- ------- ---------- |f N >m ậ n tnC Viỉ n K¥ THItM «úil»» ■— — ------------------------- - Cềứơttg l i TỐNG QUAN p----- - ■■ ---- ------- 1 17 Vũ Thanh Hải THÔNG U N ĐỮ LỈỆƯ vật lý). Dữ liệu từ bên hệ thống gửi sang hệ thống nhận phải đi bằng đường truyền vật lý, và sau đó đi ngược ỉừ lớp thấp lêiỉ lớpỉ trêĩtì''''Như*Ụậy/ giữa hai hệ thống kết nối vói nhau chỉ có lớp thấp nhất mới có liên kết vật lý, còn ở các lớp cao hơn chỉ có liên kết logíc hay cồn gọi là ỉiên kết ảo. ''''ir.ii ;nỵj£. 1 Với cấu trúc đa lớp như vậỹi hệ thốrig thống tiri phàíc tạp đã được chia thành các lớp chức năng đơn giản hơn cõ thể quảní lý. đttqgỀ". !■ \ Cụ thể, mô hình OSI được xây dựng gồm 7 lớpyGấ«r#úfc cỊia O S tìượe mô tả trênMnh 1.2. vàỉcbức năng các lớp được tóm tắt ỉrong bản g L Ỉ. i Các lớp từ 4 đến 7 được gọi là các lớp trên, pẳé Iổptừ4lô4ến 3 được gọi là các lớp dưới. Các lớp trên thực hiện chức năng của ngựfóiJ&t&Ịàãg,* các lớp dưới thực hiện chứơ năng của mạng. / .IÍ>J .rtl/ựí:: ; ; ■ ! i . - '''' ; : ■ '''' 1 ;. ''''í i ú b ; 0 % Ị í '''' n Ị Trong nôi dùng của giáo trình này chúng ta sẽ ^Ềáà 3 ịteehủ yếu các quá trình trao đổi dữ liệu tương ứng với 3 lớp dưới trong mô hình tiíệai ; .■''''■;ỉíiT ,Ị..;r ị y n ồ i i ỉ (ĩ bi r è:< '''' ■>rM Ằ liếiCỶ- Ỵi ì‘ĩấí!\i ị ’ .’■/< ú í | . ứ ''''> J ị M f / b : ■■ • f"j ■>Í>Ónif;CÌ : cinnì 200", 2 ‘prỉq ud:> ’ iDtr oồọ - ■’ỏrrr ''''Ưf> rữimo gi: = >f- : /¡ú'''':rfq rír;.''''.!Ì'''' í-:;:: '''' ỉ;íì;’ Ííỉ :í; ;ì Ị''''í;''''*^n fsí 18 Chương 1: TổN G QUAN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU I CHƯƠNG 2. TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỂN 2.1.Khái niệm chung về môi trường truyền và tín hiệu 2.1.1 Môi trường truyền 1 Dữ liệu được truyền từ đầu phát tới đầu thu thông qua môi trường truyền. Môi trưòng truyền có thể là môi trường định tuyến hay không định tuyến. Trong cả hai trường hợp, thông tin đều được thực hiện thông qua sự truyền lan của sóng điện từ. Với môi trường có dịnh tuyến, đường đi của sóng điện từ được định sẵn theo một đường vật lý như cặp đôi dây xoắn, cáp đồng trục, cáp quang ... Còn trong môi trường không định tuyến, môi trưòng truyền chỉ cung cấp một phương tiện truyền lan sóng điện từ, mà không ràng buộc chúng theo một đường, một tuyến nhất định, ví dụ như sự truyền lan của sóng điện từ trong không khí, trong chân không hay qua nước biển... Khái niệm đường trực tiếp dùng để mô tả đường truyền giữa hai thiết bị mà ữong đó tín hiệu được truyền từ đầu phát tới đầu thu không qua một thiết bị trung gian năo ngoại trừ các bộ khuyếch đại hay bộ lặp (được dùng để tăng cường độ tín hiệu). Khái niệm đường trực tiếp được dùng cho cả môi trường định tuyến và không định tuyến. Môi trường truyền định tuyến được gọi là điểm nối điểm nếu nó cung cấp một đường trực tiếp giữa hai thiết bị và chỉ hai thiết bị nắy được dùng môi trường đó. Trong cấu hình đa điểm, môi trường truyền được sử dụng chung bởi nhiều hơn hai thiết bị. Truyền tin có thể là đơn công, bán song công hay song công hoàn toàn. Trong truyền đơn công, việc truyền chỉ được truyền theo một chiều từ trạm phát tới trạm thu. Với truyền bán song công, việc truyền tin có thể được thực hiện theo hai chiều song không đổng thòi, khi trạm này phát thì trạm kia thu và ngược lại. Trong truyền song công, cả hai trạm đều có thể đồng thời thu và phát, thông tin cổ thể thực hiện theo cả hai chiều một cách đồng thời. t* Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN 19 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU a. Điểm • Điểm không hoặc nhiều đoan J í Bô Bô Thu/Phát ••• Thu/Phát í Môi trường truýén 4 Khuyếch đại; hay bộ lặp ../■ Bộ Bô Thu/Phát Thu/Phát i L i i yr " ■ '''' ■ ì r Môi trường truyền V Tchông hoặc nhiều đoạn b. Đa điểm Hình 2.1 Ví dụ về cấu hình đường truyền định tuyến 2.1.2 Tín hiệu. Tín hiệụ được dùng để man''''; tin tức (dữ liệu) từ thiết bị phát tới thiết bị thu thông qua môi trường truyền (từ điểm 3 tới điểm 4 trọng sợ đồ Jkhối tổng quát). Tín hiệu là một hàm của thời gian, song cũng có thể biéịụ diễix như một hàm của tần số. Chúng ta có thể xem xét tín hiệu theo quan điểm thời gian hay theo quan điểm tần số. „ị . Theo quan điểm thòi gian, tín hiệu có thể chia ứiànlỊ tín hiệu liên tục và tín hiệu ròi rạc. ... V i , Tín hiệu được gọi là liên tục nếu: . lim s(t) = s(a) vóimọịụạ t —> a Nói cách khác, là không có sự ngắt hay sự không liên tục trong tín hiệu. Tín hiệu gọi là ròi rạc khi chỉ có một số hữu hạn các giá trị. Hình 2.2 mô tả các loại tín hiệu: rcri rạc và liên tục. Ẹ)iển hình cho tín hiệu liên tục là tiếng nói, còn cho tín hiệu rời rạc là tín hiệu số nhị phân chỉ nhận hai giá trị đại diện cho 0 và 1. 20 Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU A Biên độ (V) --------- ------------- ------------ ------------------------- ------------ ------------ ----------- ------------- --------- ^ b. Tín hiệu rời rạc Thời gian Hình 2.2 Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc Một tín hiệu gọi là tuần hoàn nếu: s(t+T) = s(t) ; - co < t < + 00 Hằng số T nhỏ nhất thoả mãn điều kiện trên được gọi là chu kỳ của tín hiệu. Hình 2.3a và 2.3b mô tả hai tín hiệu tuần hoàn điển hình là tín hiệu điều hoà — * hình sin và tín hiệu dạng xung vuông. Các tham số đặc trưng của chúng là biên độ A, tần số f và góc pha 0, trong đó tần số là giá trị nghịch đảo của chu kỳ f=ỉ/T. Tín hiệu điều hoà hình sin có thể mô tả s(t) = A sin(27ĩf t + 0) Xem xét tín hiệu trên quan điểm tần số có một ý nghiã quan trọng trong thông tin. Một tín hiệu điều hoà hình sin được biểu diền trên đồ thị phổ bằng một ^vạch phổ tại tần số f và độ lớn bằng biên độ A của nó. Mọi tín hiệu (tuần hoàn hay không tuần hoàn) đều có thể biểu diền dưới dạng tổng (hữu hạn hay vô hạn) của các tín hiệu điều hoà hình sin. Tổng quát, mọi tín hiệu s(t) đều có một phổ tần số S(f) là tập hợp của các vạch phổ thành phần. Phổ tần này có một vạch phổ nếu là tín hiệu điều hoà hình sin, có dạng một tập các vạch phổ nếu là tín hiệu 72 Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYEN 21 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆƯ tuần hoàn hay là một dải phổ dặc nếu là tín hiệu không tuần hoàn bất kỳ. Trên hình 2.3 cũng trình bầy một số ví dụ về phổ tần tín hiệu. Bề rộng tuyệt dối của phổ tần của một tín hiệu là dải tần số mà nó có. Rất nhiều tín hiệu có bể rộng phổ tần là vô hạn. Tuy nhiên, phần lớn năng lượng của chúng thường chỉ tập trung trong một giải tần nhất định hữu hạn, gọi là giải phổ hiệu dụng, hay gọi tẳt luôn là giải phổ của tín hiệu. ............... . ỉ ''''Vi!.-ỉ ■■ ■ , . a. Dạng hình sin s(t) =&A. ỉfiÉilệ27ĩft) A . A/3 ii !. , 0. ,, n ỏííp *'''' ■ ........ .... 1 — ► • ''''v 5f 7f b. Dạng xung vuông tuần hoàn s(t) = A. 2 [Sin (27ĩkft)] /k ( k l ẻ v à k = 1 -ỉ-oo) A ............... '''' tỉ ị '''' ■ -■: ỉ ríìt ú...'''';; '''' A/3 A/5 *:1lảÚ j .L ....... —H—M— T rd ---------- 1------------ ■? .. V ulu 3f 5f c. Dạng xung vuông tuần hoàn bị méo do chỉ lấy-3ỉthàíỊỊỉ''''phần tần Số đầu s(t) = A. Sin (2nỉt) + A/3. Sin 3(27ĩft) + A/5. Sin 5(27ĩft) ■ ■■■■■•ì :'''' - ỉ '''' í H ìn h 2.3 ■ ; -V . ; 22 Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN D ữ LIỆU Một thuật ngữ nữa cần định nghĩa là thành phần một chiều dòng trực tiếp dc (direct current). Đây là thành phần tại tần số bằng không nên gọi là thành phần một chiều. Khi không có thành phần một chiều, giá trị trung bình của tín hiệu theo thời gian sẽ bằng không. Việc tín hiệu có thành phần dc làm phức tạp hơn cho quá trình truyền tin vì đòi hỏi nối trực tiếp giữa hai thiết bị. Quan hệ giữa tốe độ sô liệu và băng thông cần thiết 0 I Luồng bit Xung trước khi truyền • Tốc độ 2000 bit/s Xung sau khi truyền • Giải thông 500 Hz Giải thông 900 Hz Giải thông 1300 Hz Giải thông 1700 Hz Giải thông 2500 Hz Giải thông 4000 Hz Hình 2.4 Ảnh hưởng của giải thông kênh truyền lên tín hiệu sô Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN 23 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU Qua một số ví đụ trên, ta cũng thấy rõ, tốc độ số liệu có quan hệ chặt chẽ vói bề rộng phổ của tín hiệu số liệu đó. Khi tốc độ càng cao, tốc độ biến thiên f càng lớn và bề rộng phổ càng rộng. Song băng thông của một kênh truyền (đường truyền).là hữu hạn và là một tài nguyên cần tiết kiệm để chia sẻ cho nhiều người dùng. Rõ ràng, khi chỉ dành một băng thông nhất định cho một tín hiệu số liệu cụ thể, nếu băng thông càng rộng sẽ càng cho qua nhiều thành phần tần số ữong phổ của tín hiệu đó, tín hiệu thu vì vậy càng giống tín hiệu phát. Ngược lại, khi bề rộng băng thông kênh truyền giảm đi sẽ làm méo tín hiệu, như chỉ ra trên ví đụ hình 2.4. Có thể ước lượng một cách gần đúng. Vói tốc độ số liệu trung bình là w bit/s, và coi tốc độ này là tần số trung tâm của giải phổ tín hiệu, thì băng thông cần để truyền số liệu đảm bảo chất lượng cao sẽ là 2W Hz. Ví đụ với w = 2000 b/s, thì bề rộng băng thông 4000 Hz sẽ không làm méo nhiều tín hiệu như mô tả trên hình 2.4 r ị l 2.2 Tác động của môi trường truyền tới việc truyền tín hiệu Khi tín hiệu truyền qua môi trường *ít nhiều sẽ bị các tác động làm sai lạc. Các ảnh hưởng chính có thể kể tới là: • Suy giảm và méo tín hiệu do suy giảm • Méo do trễ • Nhiễu tạp 2.2.1. Suy giảm Cưòng độ của tín hiệu trên bất cứ một môi trườngtruyền nào đểu bị suygiảm theo khoảng cách. Sự suy giảm này thường theo quy luậthàm logarittrong các đường truyền có định tuyến, hay theo một hàm phức tạp trong các môi trường không định tuyến tuỳ thuộc vào khoảng cách và áp suất không khí. Tín hiệu bị suy giảm tác động đến các yếu tố sau: • Tín hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát hiện và khôi phục tín hiệu. 24 Chương 2 : TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU • Tín hiệu nhận được tại điểm thu phải đủ lớn hơn nhiễu một mức nhất định (đảm bảo tỷ số S/N) để máy thu có thể phát hiện và khôi phục tín hiệu không bị sai lỗi. • Độ suy giảm thường là một hàm tăng theo tần số. Hai tác động đầu có thể khắc phục khi đùng các bộ khuyếch đại hay bộ lặp lại. Tác động thứ ba cần đặc biệt chú ý với tín hiệu analog. Do độ suy giảm thay đổi như một hàm của tần số nên tín hiệu tại điểm thu sẽ bị méo, khó khôi phục toàn vẹn. Để giảm ảnh hưởng của vấn đề này, người ta dùng bộ san bằng để làm đồng đều độ suy giảm trong toàn dải băng. Điều này thường được sử dụng trong các đường điện thoại khi dùng các cuộn dây tải để thay đổi đặc tính điện của đường dây, làm giảm ảnh hưởng do suy giảm không đồng đều. Một phương thức khác là dùng các bộ khuyếch đại có độ khuyếch đại ở tần số cao là lớn hơn so với ở tần số thấp. Đường liền nét trên hình 2.5a là dạng đặc tính phổ biến cho đường thoại dành riêng. Trên hình vẽ, độ suy giảm được biểu diễn dưới dạng tương đối so với độ suy giảm tại tần số 1000 Hz tính theo đơn vị dềxiben db. Cụ thể Nf = -10 log,0 1000 Đường đứt nét trên hình này mô tả hiệu quả của bộ san bằng. Sự đổng đều sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu thoại cũng như cho phép tăng tốc độ truyền dữ liệu số khi truyền qua chúng dùng modem. 2.2.2 Méo do giữ chậm. Méo do giữ chậm thường đáng kể hơn trong môi trường truyền có định tuyến. Méo là do tốc độ truyền tín hiệu qua đường truyền bị biến đổi theo tần số. Với tín hiệu bị hạn chế băng tần, tốc độ tín hiệu cao nhất thường ở gần tần số trung tâm của giải băng, và giảm dần khi tần số dịch dần ra hai biên. Bởi vậy, các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu sẽ tới đầu thu không cùng nhau, làm méo tín hiệu tổng cộng. Méo do giữ chậm đặc biệt nguy hại đối với tín hiệu số. Trong trường hợp này, bản tin được phát dưới dạng đẫy liên tục các bít, một vài thành phần tần số của bít Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYEN 25 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU này sẽ bị dịch đi trùm lên phần của bít khác, gây nên cái gọi là méo giao thoa giữa các ký tự, đây là nguyên nhân chủ yếu hạn chế tốc độ cực đại trên một đường truyền. Độ suy giảm tương đối (dB) (so với tại tần số 1000 Hz) 1) 500 ÍÍKHI (50(J :000 ;5ílíl ífM)0 35ÍKI Tần số (Hz) Độ giữ chậm đường bao (ms) Tần số (Hz) Hình 2.5 Quan hệ giữa độ suy giảm và giữ chậm theo tần sô trên một kênh thoại 26 Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN D ữ LIỆU Kỹ thuật san bằng cũng được sử đụng để hạn chế méo đo giữ chậm. Hình 2.5b mô tả đặc tuyến đường đành riêng và hiệu quả khi đùng bộ san bằng. 2.2.3. Nhiễu tạp. Vói môi trưòng truyền bất kỳ, tín hiệu thu được là một tổ hợp của tín hiệu phát và một thành phần không mong muốn gây ra do hệ thống truyền. Thành phần này ta gọi là nhiễu tạp, một nhân tố chính hạn chế chất lượng hệ thống thông tin. Nhiễu tạp được chia thành 4 loại chính: • Tạp âm nhiệt. • Tạp âm điều chế chéo • Xuyên âm • Nhiễu xung Tạp âm nhiệt tạo ra đo sự chuyển động của Electron trong vật đẫn. Nó tổn tại trong mọi thiết bị điện tử và môi trường truyền, và là một hàm của nhiệt độ. Tạp âm nhiệt có phân bố đều trong toàn bộ phổ tần và được xem như là tạp âm trắng. Tạp âm nhiệt không thể loại bỏ và vì vậy nó xác định một giói hạn trên cho đặc tính của hệ thống thông tin. Tạp âm nhiệt trong giải băng 1 Hz được tính: N0 = k.T ở đây: - N0 = Mật độ công suất tạp âm, Wats/Hertz k = Hằng số Boltzman = 1.3803 X 10~23 J/ °K T = nhiệt độ Kelvin Tạp âm nhiệt không phụ thuộc vào tần số, bởi vậy tạp âm nhiệt trong toàn giải băng w Hz sẽ là: N = k.T. w Hoặc tính theo decibel-Watts N = 10 lg k + 10 lg T + 10 lg w = -228,6+10 l g T + 101gW Nhiễu do điều chế tương hỗ. Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYEN 27 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU Khi các tín hiệu có tần số khác nhau truyền chưng trên một môi trường truyễn sẽ sinh ra nhiễu đo điều chế tương hỗ. Nhiễu này là thành phần có tần số là tổ hợp (tổng hay hiệu) của các tần số gốc hay hài bậc cao của nó. Ví dụ việc trộn hai tín hiệu gốc có tần số tương ứng là fị và f2 sẽ sinh ra các sản phẩm nhiễu tương hỗ n.f! ± m.f2, và sẽ gây nhiễu cho những tín hiệu có tần số gần các thành phần này. Nhiễu do điều chế tương hỗ sinh ra tại các phần tử phi tuyến trong máy phát, máy thu cũng như trong hệ thống truyền. Nhiễu xuyên âm là nhiễu sinh ra do sự ghép nối không mong muốn giữa các đường tín hiệu khác nhau, như sự ghép điện từ giữa các cập đường''''dây song hành kề cạnh, hay giữa các đôi cáp cùng trong một ruột cáp nhiều lội, giữa các cặp anten vi ba... Thông thường, nhiều xuyên âm cỡ cùng bậc hay nhỏ hơn so vói tạp âm nhiệt. Ba loại nhiễu kể trên đều là nhiễu định trước và có biên độ hầu như hằng số. Vì vậy có thể tăng năng lượng của hệ thống truyền để chế áp chúng. Nhiễu xung, trái lại, là dạng nhiễu không liên tục, chứa các xung nhiễu không theo quy luật hay các đột biến xung với thời gian tồn tại ngắn song biên độ thường khá lớn. Nhiều xung tạo ra từ nhiều nguyên nhân-khác nhau, trong đó có cả những nguyên nhân bên ngoài như đột biến điện từ trường (ví dụ đo sét), khi tắt bật máy hay sự cố trong hệ thống thông tin. Nhiễu xung nói chung ít ảnh hưởng tới hệ thống thông tin analog. Ví dụ nó chỉ gây nên những tiếng sột xoạt ngắn trong thông tin thoại và không làm mất tính toàn vẹn của tin tức cần trao đổi. Song nó là một ừong các nguyên nhân chính gây sai số trong hệ thống truyền tin số. Ví dụ, một xung nhiễu với độ dài 0.01 s sẽ không ảnh hưởng đáng kể tói tín hiệu thoại, song đã làm mất 50 bit dữ liệu khi truyền đữ liệu số với tốc độ 4800 b/s. 2.3. Một số môi trường truyền cơ bản. Môi trường truyền là đường vật lý nối thiết bị phát và thiết bị thu trong hệ thống truyền dữ liệu. Chất lượng và đặc tính của việc truyễn dữ liệu phụ thuộc vào cả tính chất của tín hiệu và cả vào môi trường truyền 28 Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆƯ Bảng 2.1 chỉ rõ mối quan hệ giữa các dặc tính cơ bản: tốc độ truyền, băng thồng và khoảng cách tối đa giữa các bộ lặp lại (Repeater) với tín hiệu số cho các môi trường truyển định tuyến. Dải tần các môi trường truyền và cho các ứng dụng và được chỉ ra trên hình 2.6. Bảng 2.1. Môi trường truyền Tốc độ truyền Băng thông Khoảng cách giữa các bộ lặp Cáp đôi dây xoắn (dây song hành) 4Mbps 250 KHz 2-10 Km Cáp đống trụớ 500 Mbps 350 KHz 1-10 Km Cáp sợi quang 2Gbps . 2GHz 10-100 Km ftz 102 103 104 105 106 107 108 109 ÌO10 10“ 1012 1013 1014 101 5 10''''6 1------ 1------ 1—---- r Dây song hành Điện thoại Radio FM +TV Radio AM Viba Vệ tinh +-\— ị Cáp quang o —Pị Hình 2.6 Phân bô phổ tần số. 2.3.1 Cáp đôi dây xoắn (Dây song hành - Twisted Pair): Một cặp dây xoắn gồm 2 sợi cách điện với nhau và được xoắn theo một quy luật đều đặn. Mỗi cặp dây tạo thành một đường liên lạc đơn. Nhiều cặp dây như Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN 29 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN D ữ LIỆU vậy thường được đặt chung trong một cáp có vỏ bọc. Những cáp dài có thể chứa hàng trăm cặp. Việc xoắn nhằm giảm nhiễu điện từ gỉữa các cặp với nhau. Lõi dây thưcmg từ 0,016 - 0,036 inches. Cáp đôi dây xoắn dùng truyền tín hiệu analog cũng như tín hiệu số. Trong hệ thống điện thoại, cáp đôi dây xoắn thường dùng nối thiết bị thuê bao tới hệ thống tổng đài hay tới tổng đài nội bộ PBX (Private Branch exchange). Cáp đôi dây xoắn cũng dùng để truyền dữ liệu qua khoảhg cách ngắn. Với các PBX số hiện đại, tốc độ truyền cực dại khoảng 64 Kbps. Tuy nhiên cáp đôi dây xoắn cũng có thể dùng cho các đường trung kế có khoảng cách xa với tốc độ truyền lên tới 4 Mbps.. Mạng máy tính cục bộ LAN cũng thường dùng cáp đôi dây xoắn do giá thành rẻ. Độ suy giảm tín hiệu trên cáp đôi dây xoắn phụ thuộc rất manh theo tần số (hình 2,7). Cáp đôi dây xoắn cũng dễ bị ảnh hưởng điện từ trường. Nếu đường dây song song vói đường điện lực xoay chiều có thể tạo ra đỉnh nhiễu 50 Hz. Nhiễu xung cũng dễ sinh ra trong cáp đôi dây xoắn. Khi truyền thoại ữong mạch điểm - điểm với băng thông đến 250 Khz , độ suy hao là khoảng ldB/lKm. Trong hệ thống điện thoại, độ suy giảm cho phép là 6 dB do đó 6Km là khoảng cách tối đa được dùng. Với tín hiệu số, yêu cầu khoảng 2-3 Km phải có Repeater. , Suy giảm dB/Km Hình 2.7 Độ suy giảm trong các môi trường truyền định tuyến 30 Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU 2.3.2. Cáp đồng trục: Cũng như cáp đôi đây xoắn, cáp đồng trục gồm có 2 phần, bao gồm ống trục bên ngoài và một đây lõi bên trong. Đây lõi và ống trục bên ngoài được đạt cách đều nhau và cách ly bởi phần cách điện. Trục bên ngoài được bao bởi một lớp áo hoặc vỏ bọc. Cáp đồng trục thường có độ lớn từ 0,4 -ỉ-1 inches. Cáp đồng trục được dùng tương đối rộng rãi trong các ứng dụng: - Đường truyền thoại với khoảng cách xa, đường truyền hình. - Mạng truyền hình cáp - Mạng cục bộ ( LAN) - Đường nối các hệ thống» Trong các hệ thống điện thoại, cáp đồng trục là phần tử quan trọng để nối xa, qua nó dễ dàng nối đến cáp quang, mạng viba và mạng vệ tinh. Một đường cáp đồng trục dùng phân đường theo tần số (FDM) có thể truyền trên 10.000 kênh tiếng nói đồng thời. Cáp đồng trục được dùng để truyền cả 2 loại tín hiệu: analog và digital ở khoảng cách gần hoặc xa. Đặc tuyến tần số của cáp đồng trục tốt hơn nhiều so với cáp đôi đây xoắn. Khi dùng cáp đồng trục để trụyền tín hiệu analog với khoảng cách vài Km, tần số cực đại có thể đạt được 400 Mhz. Khi truyền tín hiệu Số, có thể đạt được tốc độ truyền 500 Mbps cho khoảng cách tối đa 1,6Km. 2.3.3. Cáp sợi quang: Cáp quang gồm những sợi nhỏ, mỏng (khoảng 2-125 |im) và dẻo có khả năng truyền đẫn ánh sáng. Một cáp sợi quang có hình trụ gồm 3 phần đồng tâm: lõi, lớp áo bao và vỏ bảo vệ ngoài. Lớp vỏ bảo vệ ngoài là chất đẻo hoặc các vật liệu mềm có độ tổn thất quang lớn, đùng để chống ẩm và ăn mòn, chống ảnh hưởng của môi trường, đồng thời chống xuyên âm với các sợi kề cạnh. Cáp sợi quang có những ưu điểm cơ bản: - Băng thông rộng: - Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ: - Suy hao truyền dẫn thấp, nên khoảng cách giữa các bộ lặp lại (Repeater) lớn. Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYEN 31 Vũ Thanh Hái THÔNG TIN DỮLIỆU - Cách ly điện từ: sợi quang không bị ảnh hưởng bởi trường diện từ, do đó khồng bị nhiễu xuyên âm, nhiễu xung. '''' Cáp sợi quang có 5 phạm vi ứng dụng quan trọng: - Các trung kế đường dài - '''' -: ■ - Các trung kế đường trục - Các trung kế tổng đài nông thồn -Vòng nội hạt ; -LA N Ánh sáng sau khi dược diểu chế bởi dữ liệu được truyền đi trong sợi quang nhờ phản xạ bên trong hoàn toàn, do lõi có hệ số khúc xạ ‘ lớn hơn vỏ bọc bên ngoài. Kết quả sợi quang trở thành môi trường truyền đỊnli tuyến trong khoảng dải tần 1014 * ÌO15 Hz. ^ a. Sọi quang đa mode chỉ số bựớc L b. Sợi quang đa mode chỉ số láp C D Phân bố chiết suất e .!íc. Sợi quang đơn mode Hình 2.8. Các dạng truyền ánh sáng của sợi quang Hình 2.8 cho ta một số nguyên tắc truyền của scri ỈỊủaììg. Trong sợi quang đa mode chỉ số bước, ánh sáng dược phản xậ hoàti ỉoàrt từ bề mặt của lõi và áo, nhờ vậy nó được truyền qua lõi dưới dạng dường dic-dắc. Trong sợi quang da mode chỉ số lớp, ánh sáng liên tục bị khúc xạ và vì vậy truyền qua lõi theo dạng 32 Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU sóng hình sin, Trong cả hai loại sợi quang trên, các sóng ánh sáng đưa vào sợi quang dưới các góc khác nhau sẽ đi theo con đường khác nhau và tới đầu thu tại các then điểm khác nhau, đây là nguyên nhân hạn chế tốc độ truyền cực đại. Với sợi quang đom mođe, đường kính của lõi được giảm xuống, đồng thời độ chênh lệch về hệ số khúc xạ của lõi và áo đã giảm đi tới mức chỉ có tia đi thẳng mới lan truyền được, nhờ vậy đạt được giải thông truyền dẫn lớn hom đáng kể Có nhiều loại nguồn sáng được dùng với sợi quang. Hai loại chính là diod phát quang LED và Laser diod ILD. LED có giá thành thấp hơn, giải nhiệt độ rộng hơn và tuổi thọ dài hom. ILD thì hiệu quả hơn và có thể tăng tốc độ truyền. Ở đầu thu, diot quang (photo diod) thu nhận tín hiệu ánh sáng và biến đổi thành tín hiệu điện. Hai loại chính là diod quang điểm PIN và diod quang thác APD. Bưốc sóng sử dụng có quan hệ nhiều với loại truyền và tốc độ. Ánh sáng truyền lan tốt nhất trong sợi quang với 3 bước sóng 850, 1300, 1500 nm (nanomet). Hầu hết các ứng dụng hiện nay đểu dùng nguồn sáng LED hoặc Laser có bước sóng 850 nm vì nó không dắt lắm và có tốc độ truyền khoảng 100 Mbps, trong khoảng cách xa hơn người ta dùng LED hoặc laser với bước sóng 1300 nm, nếu cần tốc độ cao và khoảng cách xa hơn nữa thì dùng laser có bước sóng 1500 nm. Khi truyền số liệu qua cáp sợi quang, một phương pháp đơn giản phổ biến là điều biên (ASK), còn gọi là điều chế cường độ sáng. Trong máy phát dùng LED, ứng với logic 1, LED làm việc phát ra xung ánh sáng ngắn, cõn ứng với logic 0 thì không phát ra ánh sáng. Còn trong máy phát laser, một “thiên áp” dòng cố định được đặt để phát ra cường độ thấp ứng với mức 0. Như vậy nguồn sáng có mức thấp biểu thị giá trị 0 và mức cao biểu thị giá trị 1. 2.3.4 Vi ba Tương tự như cáp đồng trục, một kết nối vi ba cỗ thể mang hàng nghìn kênh Ihoại và được sử dụng rộng rãi để truyền tín hiệu thoại, tín hiệu truyền hình, truyền số liệu tốc độ cao trên khoảng cách xa. Liên lạc được thực hiện qua sóng vô tuyến trong dải cực ngắn (dải tần số trong khoảng 1 -4 0 GHz) và đòi hỏi phải liên lạc trực tiếp theo tầm nhìn thẳng. Vì vậy cần tổ chức các trạm chuyển tiếp. Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYEN 33 Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU Các trạm đùng ăng ten định hướng, phổ biến nhất là đạng parabol đường kính khoảng 10 feet. Anten ten vi ba được gắn trên cao để giữa 2 anten không bị vật cản. Khi không có vật cản khoảng cách tối đa giữa 2 íantèn được tính: D = 7,14. (K.h)1/2 ■ ; Trong đó: đ: khoảng cách giữa 2 anten.được tính bằng Km h: độ cao của anten được tính bằng mr ở đây: • d: khoảng cách O i í 5 Ằ : bước sóng V í * :k-\ 34 Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN VũThanh Hải THÔNG TIN DỮ LIỆU Băng tần cho các hệ thống vi ba do FCC qui định. Băng 4 GHz và băng 6 GHz thường được sử dụng cho thông tin liên lạc khoảng cách xa. Do mật độ sử dụng quá nhiều, hiện tại người ta sử dụng thêm băng 11 GHz cho mục đích này. Băng 12 GHz dùng cho truyền hình cáp. FCC quy định băng 10 GHz dự trữ cho việc cung cấp số liệu cục bộ gọi là dịch vụ đầu cuối kỹ thuật số. Các đường nối điểm - điểm khoảng cách ngắn thường dùng dải tần 22 GHz. 2.3.5. Thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh là dạng thông tin mà trong đó vệ tinh đóng vai trò như một ứạm chuyển tiếp thông tin. Vệ tinh dùng để kết nối hai hoặc nhiều trạm người dùng, còn gọi là trạm mặt đất. Bộ thu của vệ tinh nhận tín hiệu trên một băng tần (đường lên), thực hiện khuyếch đại (vói tín hiệu analog) hay tái tạo (với tín hiệu số), và phát xuống trên băng tần khác (đường xuống). Một vệ tinh thông tin như vậy gồm nhiều bộ phát đáp (Transponder), mỗi bộ làm việc trên một giải tần nhất định. Để một vệ tinh liên lạc làm việc có hiệu quả, thông thường yêu cầu nó phải đứng yên tương đối so vỡi trái đất. Loại vệ tinh này gọi là vệ tinh địa tĩnh, nằm ở độ cao 35.784 Km và có tốc độ quay bằng tốc độ quay của trái đất. Đường truyền vệ tinh có một số đặc điểm sau: • Độ giữ chậm truyền là 257 ms trong mỗi hưóng truyền • Có thể có một số lượng lớn các Terminal dùng chung trong hệ thống • Các terminal có thể trải rộng trên toàn cầu không cần lắp đặt thêm các hệ thống truyền dẫn phụ • Kênh vệ tinh là kênh quảng bá. • Trạm phát vệ tinh tự nó có thể giám sát việc truyền của mình nhỡ theo dõi việc truyền của vệ tinh chuyển tiếp. Do bản chất phát quảng bá nên vệ tinh sử dụng tốt để phân phối chương trình truyền hình, truyền thanh từ trung tâm gốc tới các trung tâm thành phần, sau đó cung cấp tiếp tới các hộ gia đình. Gần đây công nghệ vệ tinh đã cho phép phát triển hệ thống truyền hình trực tiếp dùng vệ tinh DBS (Direct Broadcast Chương 2: TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN 35 Vũ Thanh Hải THỐNG t in DỮLIỆU Satellite), trong đó tín hiệu truyền hình qua vệ tinh rồi chuyển trực tiếp dến các gia đình sử dụng, không qua cấc tram trung gian. Đường truyền vệ tinh được sử dụng hiệu quả để kết nối trung kế điểm - điểm giữa các tổng đài điện thoại. Nó là giải pháp tối ưu cho các dường trung kế quốc tế nhất là trên những đường nối quốc tế khoảng cách xa. Thông tin vệ tinh còn có hàng loạt các ứng dụng trong truyền số liệu thương mại. Vệ tinh có thể chia tổng dung lượng của nó cho các kênh và cung cấp các kênh đó cho người dùng, tuy những ứng dụng như vậy hiện tại có giá thành còn cao. Trong thòi gian gần dây, các hệ thống VSAT (dùng các Terminal với anten góc mở rất nhỏ, giá thành thấp) được phát triển mạnh mẽ. Dải tần số tốt nhất cho thông tin vệ tinh trong khoảng 1-10 GHz. Hầu hết các vệ tinh điểm - điểm hiện tại dùng băng tần số khoảng 5,926 - 6,425 GHz để truyền, từ mặt đất lên (dường lên) và băng tần 3,7 - 4,2 GHz để truyền từ vệ tinh xuống(dường xuống). Ta gọi băng đó là băng 4/6 GHz hay băng c Do bão hoà trong băng c, băng 12/14 GHz (băng Ku) cũng được đùng rộng rãi (dường lên 14 - 14,5 GHz và đường xuống 1.1,7 - 12,2 GHz). Trong băng tần này cần phải xử. lý vấn dề suy giảm tín hiệu. Tuy nhiên trong băng Ku, những trạm thu mặt dất sẽ nhỏ và rẻ hơn. Một phát triển mới là dùng vệ tinh cho thông tin di động. Trong dịch vụ này người ta sử dụng băng L có dải tần từ 1,6465 - 1,66 GHz (dường lên 1,545 GHz và đường xuống 1,5585 GHz). 36 Chương 2 : TÍN HIỆU VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN VũThanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU CHƯƠNG 3. BIẾN ĐỔI D ữ LIỆU THÀNH TÍN HIỆU. Trong sơ đổ tổng quát của hệ thống truyền tin, dữ liêu đầu vào đù ở đạng rời rạc hay liên tục song thường chưa thể truyền trực tiếp qua môi trường truyền. Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét chức năng cơ bản của thiết bị phát là biến đổi dữ liệu đầu vào ở một dạng bất kỳ thành tín hiệu thích hợp dể có thể truyền trên môi trường truyền. Căn cứ vào tính chất của dữ liệu dầu vào và tín hiệu đầu ra, có thể có 4 tổ hợp: • Dữ liệu vào ở dạng analog, tín hiệu ra ở dạng analog • Dữ liệu vào ở dạng số, tín hiệu ra ở dạng analog • Dữ liệu vào ở dạng analog, tín hiệu ra ở dạng số • Dữ liệu vào ở dạng số, tín hiệu ra ở dạng số Quá trình biến đổi ở thiết bị phát khi tín hiệu ra là tín hiệu analog được gọi là quá trình điều chế, còn khi tín hiệu ra ở dạng số được gọi là quá trình m ã hoá. Các quá trình ở bên thu sẽ là giải điều chê hay giải mã tương ứng. Ngoài trường hợp đầu tiên gắn hoàn toàn với thông tin tương tự, chúng ta sẽ xem xét ba trường hợp cón lại trong nội dung của chương này. 3.1. Biến đổi dữ liệu số thành tín hiệu ở dạng số. Tín hiệu số là dẫy xung điện áp rời rạc. Mỗi xung là một tín hiệu phần tử. Dữ liêu nhị phân được phát bằng cách mã hoá các bit dữ liệu thành các tín hiệu phần tử. Cách dơn giản nhất là biến dổi một - một giữa bit và tín hiệu phần tử. Như ví dụ trên hình 3.1, bit 0 ứng với mức điện áp thấp và bit 1 tương ứng với mức điện áp cao. Tín hiệu số được gọi là đơn cực (unipolar) nếu các tín hiệu phần tử có cùng một dấu đại số, như cùng dương hay cùng âm. Ngược lại, nếu một trạng thái logic được đặc trưng bằng mức điện áp dương, còn trạng thái kia được đặc trưng bằng mức điện áp ãm thì tín hiệu số được gọi là lưỡng cực (bipolar). Chương 3: BIÊN Đ ổ i DỮLIỆU t h à n h t í n h i ệ u 37 VũThanhH ải THÔNG TIN DỮ LIỆU Dữ liệu số 0 1 - 0 0 1 1 0 0 0 1 1 NRZ-L NRZI AMI Pseudo- temary Man- ehester Hình 3.1 Một sô loại mã thông dụng Các kỹ thuật mã hoá khác nhau được đánh giá và so sánh dựa trên 5 yếu tố chính sau: '''' i í •. Phổ tần: Một số đặc tính của phổ tần đóng vai trò rất quan ứọng. Phổ tần không có thành phần tần số cao Qho.pbép giảm độ rộtig băng truyền. Đặc bịệt, tạ mong mụốn không có thành phần một chiền, y ĩ 4ỉềụ này -không đòi hỏi ọó ỊỊỊỘt đựờng truyền vật lý trực tịếp, ìnà ộó thể ghép gián tiếp ví dụ như qua biến áp. Kỉìả năng này cho phép cách ly hai đối tượng liên lạc về mặt tĩnh điện, giảm đáng kể nhiễu. Ngoài ra, mức độ méo tín hiệu và nhiều phụ thuộc vào đặc tính của phổ tần tín hiệu đượe phát đi. Trong thực tế, hàm truyền của kênh bị xấu nhiều nhất tại gần hai đầu giải băng của kênh. Vì vậy, tín hiộttỉtốt là túi hiệii có công suất tập trung tại giữa báng thông truyền. Trong trường hợp này, tin hiệu sẽ ít bị méo. 38 Chưởng 3: BIẾN Đ ổ i ĐỮLIỆƯ THÀNH: TÍN HIỆU Vũ Thanh Hải THÔNG TIN DỮLIỆU • Clocking: Đổng bộ là một yêu cẩu đối với tín hiệu số. Có thể thực hiện yêu cầu này bằng cách dùng kênh riêng truyền thông tin về đổng bộ. Song cách thức thích hợp hơn là xây dựng cơ chế đỗng bộ dựa trên bản thân tín hiệu được phát đi. Điều này được thực hiện khi dùng các cách mã hoá thích hợp. • Phát hiện lỗi: Như đã nhắc tới trong chương 1, phát hiện lỗi (và sau đó sửa lỗi) là một việc làm cần thiết trong thông tin số để đảm bảo tính ưung thực của thông tin được ưuyền. Nhiệm vụ này được thực hiện chủ yếu bởi chức năng của lớp điều khiển liên kết. Tuy nhiên, người ta vẫn mong muốn có thể phát hiện được lỗi ngay trong cách thức mã hoá tín hiệu một cách vật lý. Khả năng này cho phép phát hiện lỗi nhanh hơn đáng kể. , • Khả năng miễn dịch với nhiễu tạp: Một số loại mã vẫn đảm bảo hiệu suất tốt ngay khi có nhiễu tạp. • Giá thành và độ phức tạp: Trong thực tế, tốc độ tín hiệu càng cao càng đòi hỏi giá thành cao. Một số loại mã đồi hỏi tốc độ tín hiệu lớn hơn so vối tốc độ thực của nó. Chúng ta sẽ xem xét một vài loại mã điển hình. Mã NRZ (Mã không trở về không -—:Non Return to Zero), Cách thức chung và đơn giản nhất để phát tín hiệu số là dùng hai mức điện áp phân biệt để mô tả hai dighit nhị phân. Dạng hay dùng là các mức điện áp này giữ không đổi ứong suốt thời gian tồn tại của bit, nghiã là khỏng có chuyển đổi trong thờL-gian đò (vì thế ngơời ta gọi là "không trở về không"). Một ví dụ cho loại này được chỉ ra trên hình 3.1 gọi là mã NRZ-L (L là viết tắt của Level - mức). NRZ-L là loại mã được dùng phổ biến bởi các thiết bị và terminal. Dòng thứ hai của hình trên mô tả một phương án khác của mã NRZ gọi là NRZ-I (NRZ Invert on one). Xung điện áp chỉ thay đổi mức mỗi khi có bit 1 xuất hiện. Mã này có thêm ưu điểm chung của mọi loại mã phân biệt: Tín hiệu sẽ được giải mã khi so sánh cực tính với phần tử kề trước chứ không phải căn cứ yào chính giá trị tuyệt đối của nó. Ưu điểm của phương pháp này là có thể phát hiện chuyển đổi một cách tin cậy hơn phương pháp so sánh giá trị tuyệt đối với m

Tiêu đề	Hệ thống thông tin dữ liệu
Tác giả	TS Vũ Thanh Hải, Th.s Nguyễn Văn Giáo
Người hướng dẫn	Thiếu tướng, PGS-TS Nguyễn Đức Luyện, Đại tá, PGS-TS Phạm Huy Chương, Thượng tá, Th.s Nguyễn Văn Thàng
Trường học	Học viện Kỹ thuật Quân sự
Chuyên ngành	Thông tin dữ liệu
Thể loại	tài liệu
Năm xuất bản	2001
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	162
Dung lượng	3,86 MB