Các vần đề cơ bản về viễn thông I. Định lý dung lượng Shannon: Các mã sửa lỗi có thể giúp giảm bớt một số lỗi , nhưng không thể phát hiện ra tất cả lỗi đã được phát hiện bởi kênh trong hệ thống truyền kĩ thuật số. Lý thuyết của Shannon xác định rằng việc truyền không lỗi là có thể xảy ra miễn là thiết bị truyền không vượt quá dung lượng của kênh truyền. N bits t ạo thành một khối các bit thông tin trong đó sẽ có k bit sửa lỗi đư ợc bõ sẵn trong đó. Lúc đó, xác xuất xảy ra lỗi có thể tiến đến 0 khi N lớn xảy ra nếu các điều kiện sau xảy ra: Tỉ số: N/(N+K)=R, và tỉ số R được giữ là hằng số. R nhỏ hơn dung lượng C của kênh truyền. C= 1 + plog2p + (1 - p)log2(1 - p). Do đó, nếu một mã sao có tỉ số là 1/3, và n ếu bạn sử dụng nhiếu bit dữ liệu hơn và lập lại chúng 2 lần, thì bạn có thể truyền chúng trên một kênh truyền không có lỗi, nếu xác suất lỗi nhỏ hơn 2(1-R). Dung lượng thiết lập một giới hạn trên khả năng truyền thông tin kỹ thật số qua một kênh truyền. Định lý đảo của thuyết dung lượng là nếu R>C, thì xác xuất của 1 từ có lỗi sẽ tiến tới 1 khi N đủ lớn. Thuyết dung lượng cũng có thể được phát biểu ở dạng tốc độ truyền, bằng cách chia tỉ lệ mã (và dung lượng) cho độ dài của khoảng bit. Shannon chỉ ra rằng dung lượng của một kênh truyền có nhiễu được cho bởi công thức sau: C=BWlog2(1+S/N) C-Dung lượng của kênh truyền(Kbps) BW-băng thông S-biên độ của tín hiệu ở thiết bị phát N -biên độ của nhiễu nhận ở đích Do đó, kênh điện thoại với băng thông BW=3 kHz và S/N=1000có dung lượng khoảng 30000 bps. Băng thông của một cặp dây xoắn là 4 kHz, gồm phổ tần số cho thoại. Giả sử 1 tỉ số signal-to-noise(SNR) của P0/Pn l à 1000,(30dB), dung lượng của kênh truyền theo Shannon sẽ là: C = 4000 × Log 2 (1 + 1000) = 40 kbps II. Kỹ thuật điều chế và line-code: Điều chế và giải điều chế là các quá trình chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu digital và ngược lại. Sự chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang dạng digital dựa trên các bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC), digital- to-analog(DAC), coder-decoders(codecs), và DSU/CSUs. Các hệ thống analog vẫn có thể mang âm thanh, dữ liệu, và hình ảnh, nhưng chủ yếu chỉ cón được thiết kế cho việc truyền thông thoại(voice). Kỹ thuật phổ biến cho việc số hoá voice là pulse code modulation(PCM). Trong PCM thì có ít nhất 8000 mẫu voice để có thể phân biệt âm thanh con người. Yêu cầu trên dựa trên 2 định lý sau: Một là, định lý của Nyquyst, đưa ra luật sau: C=2.BW C-dung lượng kênh truyền(bps) BW-băng thông của kênh truyền không nhiễu(bps) Hai là, định lý lấy mẫu của Nyquyst: fs>=2fa fa-tần số lấy mẫu fs-tần số cao nhất của tín hiệu analog Định lý lấy mẫu của Nyquyst chỉ ra rằng các mẫu digital phải xấp xỉ gấp 2 lần tần số cao nhất để xây dựng lại tín hiệu analog. Kết quả là, định lý lấy mẫu yêu cầu, cho fa=4KHz, fs>=2.4000=8000Hz. Để chuyển analog sang digital, một mã nhị phân cần phải được gán cho mỗi mẫu analog. Một mã 8bit cung cấp 256 mức, và cho phép chất lượng của tín hiệu đư ợc phục hồi tương đương với tín hiệu analog. 8000 mẫu/giây nhân với 8bit/mẫu tạo thành 64kbps cho một kênh truyền thoại. Ta cũng có thể sử dụng mã 7bit/mẫu, và kênh truyền thoại sinh ra là 8000mẫu/giây nhân với 7bit/mẫu tạo thành 56kbps. Việc tái sinh tín hiệu cơ bản phụ thuộc việc sử ụng repeater vì sự suy giảm tín hiệu. III. Điều chế biên độ, tần số và pha: Việc điều chế và giải điều chế luôn liên hệ với 3 đặc tính của tín hiệu: bi ên độ, tần số và pha, hay sự kết hợp của tất cả hay 1 vài thành phần đó. Điều chế bất kỳ đặc tính nào đều tạo ra một trạng thái có thể nhận ra của tín hiệu, dịch những trạng thái này như 0 hay 1, và số hoá chúng. Trong điều chế biên độ(ASK-amplitude shift keying) , 1 và 0 đại diện cho 2 biên độ khác nhau, trong một số trường hợp thì thay vì sử dụng 2 biên độ thì ta sử dụng: 1 biên độ và 1 không có tín hiệu. ASK có thể được sử dụng để mã hoá 1 hay nhiều bit. Trong trường hợp 2 biên độ có thể nhận ra được sinh ra, thì kỹ thuật có thể mã hoá và giải mã 2 bit với 4 trạng thái: 00,01,10,11. Tuy nhiên, kỹ thuật này không đủ vì biên độ thay đổi có thể sinh ra lỗi. Trong cáp quang, khi độ sụt giảm tín hiệu ít, thì 1 được xem như ánh sáng biên độ cao, và 0 là ánh sáng biên độ thấp hay không có ánh sáng. Error! Frequency-shift keying(FSK) sử dụng ít nhất 2 tần số khác nhau để đại diện cho 1 và 0, kỹ thuật này ít lỗi hơn ASK, và thường được sử dụng cho truyền dữ liệu ở tốc độ thấp. Error! Phase-shift keying(PSK), 1 và 0 được mã hoá sử dụng 2 pha tín hiệu khác nhau. Việc lên xuống tín hiệu của 2 pha giống nhau đại diện cho 0 và Vi ệc lên xuống tín hiệu của 2 pha nghịch đảo nhau đại diện cho 1. Kỹ thuật này chịu được lỗi hơn ASK và FSK, nhưng vẫn chỉ được sử dụng cho truyền dữ liệu ở tốc độ thấp. Error! IV. Quadrature Amplitude Modulation QAM là một kỹ thuật line-code được sử dụng trong các modem từ hơn 20 năm nay. Kỹ thuật này cũng được gọi là 16QAM hay 4/4QAM. QAM có ích lợi là nếu 2 tín hiệu đư ợc dịch chuyển lệch khỏi nhau những góc 90 độ, thì chúng có thể cùng gửi qua cùng một tần số. Hai tín hiệu được điều chế theo ASK, nhưng ở bên nhận chúng được dịch chuyển lại và mã nhị phân ban đầu được phục hồi. Tín hiệu được chia cho 2 và tín hiệu thu được S(t) có thể được biểu diễn như sau: S(t)=d1(t)cos(wct) + d2sin(wct) Một cách đơn giản, QAM điều chế các biên độ của 2 sóng, và thay vì sử dụng +-1, QAM sử dụng 4 biên độ khác nhau cho mỗi sóng. Kết quả l à thu được 4 thay vì chỉ có 2 biên độ: A1, A2,A3,A4. Sự kết hợp của các điều chế biên độ và S(t) cung cấp 16 kết hợp mỗi Hertz, hay còn gọi là 4 baud. V.Kỹ thuật mã hoá xDSL: Sự nổi lên của kỹ thuật DSL tăng sự cần thiết cho các kỹ thuật điều chế hơn nữa. Không giống với các kỹ thuật khác, DSL sử dụng một tập hợp các giao thức phù h ợp với các loại kỹ thuật DSL. ADSL đề cập đến một họ các loại mã hoá khi các kỹ thuật internet nổi lên thường yêu cầu băng thông theo huớng của luồng xuống(downstream) cao hơn hư ớng của luồng lên. Thực tế này cung cấp sự cần thiết để chia băng thông sẵn có một cách bất đối xứng và để cung cấp các tốc độ truyền khác nhau cho mỗi hướng. Theo Cisco, các giải pháp ADSL của Cisco hỗ trợ các tr ạng thái hoạt động của DSL như sau: ansi-dmt, auto detect, itu-dmt, và trạng thái không tách (splitterless)(G.lite). Discrete Multi-Tone DMT s ử dụng nhiều tín hiệu sóng mang ở các tần số khác nhau, gửi một số bit trên mỗi kênh. Từ DMT xuất phát từ thực tế là mỗi kênh rời rạc ở một tần số khác nhau. Băng thông truyền sẵn có được chia thành nhiều sóng mang ở dải tần cơ sở (baseband), đôi khi được gọi là subchannel. Trong pha khởi tạo, bộ điều chế DMT gửi ra một tín hiệu kiểm tra trên mỗi subchannel để tìm ra tỉ số signal-to-noise. Bộ điều chế sau đó sẽ gán nhiều bit hơn cho các kênh có chất lượng truyền tín hiệu tốt h ơn và ít bit hơn cho các kênh có chất lượng truyền kém hơn. Sự điều chế DMT thực ra là một dạng frequency-division multiplexing(FDM). Luồng dữ liệu đầu vào được tách thành 256 kênh có cùng băng thông, nhưng một tần số trung tâm khác, được gọi là channel number. Cisco sử dụng những chuẩn điều chế DMT trong các sản phẩm của nó-ITU-DMT(G.992.1 TU G.DMT), ITU-T G.992.2(G-lite), ANSI-DMT(ANSI Standard T1.413) và các trạng thái ADSL tự động nhận dạng. DMT thường được chấp nhận là có sự tự điều chỉnh tốc độ tốt hơn (thay đổi tốc độ vì điều kiện của đường truyền), các điều kiện lặp khác nhau( bridge taps, mixed gauge), xử lý nhiễu tốt hơn và nếu sử dụng cho voice thì tốt hơn. 2. Carrierless Amplitude/Phase Modulation Carrierless amplitude/phase modulation (CAP) (cũng được gọi là ATR- R) cung cấp ít delay(khoảng 25% so sánh với DMT), và cung cấp sự đơn gi ản (vì nó dựa vào QAM). CAP có thể được đề cập đến như là một sự cải tiến cho QAM vì không giống như QAM CAP không gửi sóng mang ra liên k ết vì song mang không mang theo thông tin. Nếu bạn them sự xoay vòng ở bên nhận và chăn sóng mang khỏi bên nhận thì bạn có thể lấy CAP từ QAM. Kỹ thuật dựa trên sự chuyển dịch pha, nhưng pha của sóng thay đổi dười một góc xác định và được tính dựa trên pha hiện tại của sóng mang, chứ không phải từ một pha tham khảo cố định. Vì nó không phải là sự chuyển dịch pha tuyệt đối, nên nó có sự phân biệt. Trong trường hợp đơn giản nhất, với 2 pha, 1 là pha dịch(quay) 180 độ, và 0 là pha dịch 0 độ hay ngược lại. Vì sự dịch pha theo một góc cầu phương(QPSK), nên tín hiệu được gửi là một sự kết hợp của các sóng dạng hình sin và cos ở tần số sóng mang, và chúng đã được dịch đi một góc 90 độ. QPSK là một kỹ thuật mã hoá. Tuy nhiên, không có sự chuyển dịch pha vì 2 sóng đã được chuyển dịch rồi và CAP chỉ điều chế lại 2 biên độ này.Gần đây, CAP đư ợc xem như là một tùy chọn của DMT. VI Kỹ thuật Điều chế và line-code trong wireless LAN: Sự nổi lên của các kỹ thuật WLAN yêu cầu các kỹ thuật điều chế,mã hoá ở phạm vi rộng hơn. WLAN cho phép truy cập vào mạng mà không có giới hạn vật lý như trong những mạng có dây. Trong WLAN, người dùng có thể di chuyển một cách tự do trong văn phòng của họ hay truy cập vào tài nguyên của mạng từ bất kỳ đâu. WLAN sử dụng tần số sóng radio (RF) thay vì kiến trúc cáp, bảo đảm sự di động, giảm chi phí cài đặt mạng trên mỗi người dùng. Sóng hồng ngoại: Các kênh hồng ngoại thuộc tần số của sóng nhìn thấy được, thuộc vào cận dưới của phổ nhìn thấy được. Đây là giải pháp hiệu quả nhất chó những nơi mà giữa bên nhận và bên thu không bị che chắn. Kỹ thuật này có hai giải pháp sẵn có: tia khuếch tán và tia trực tiếp. Tia trực tiếp thì có tốc độ truyền cao hơn tia khuyếch tán. IR có tốc độ truyền nhận khoảng 1-2 Mbps. Các tín hiệu quang IR thường được sử dụng trong những ứng dụng điều khiển thiết bị từ xa. Wireless lượng tử: chỉ những thực thi của các mạng WLAN lượng tử sử dụng ánh sáng hồng ngoại có bước sóng khoảng 850-950 Nm. Lớp vật lý hỗ trợ tốc độ truyền từ 1-2Mbps. Mặc dù các hệ thống không dây lượng tử cho tốc độ cao hơn các hệ thống dực trên RF, nhưng chúng cũng có một số giới hạn sau: Ánh sáng hồng ngoại giới hạn các tác vụ trong đường nhìn, tuy nhiên việc sử dụng sự truyền khuyếch tán có thể giảm được giới hạn này bằng cách cho phép các tia phản xạ trên các bề mặt. Cường độ đầu ra(2watts)là thấp giúp giảm khả năng làm hư mắt, tuy nhi ên nó giới hạn khoảng cách truyền trong khoảng 25 mét. Các bộ cảm biến(đầu nhận) cần được đặt một cách chính xác nếu không tín hiệu sẽ không nhận được. Các WLAN dựa trên lượng tử khá là bảo mật và không bị ảnh huởng bởi nhiễu điện từ như cáp và các hệ thống dựa trên RF. 3.Tia hồng ngoại khuyếch tán: các tín hiệu hồng ngoại khuyếch tán được phát ra từ nguồn phát, và phủ một vùng giống như ánh sáng. Vi ệc thay đổi vị trí của đầu nhận không ảnh hưởng đến tín hiệu. Nhiều sản phẩm thuộc loại này cho phép khả năng roaming, cho phép bạn kết nối nhiều access point vào mạng, và k ết nối các máy tính xách tay vào bất cứ access point nào hay di chuyển giữa các AP này mà không làm mất kết nối mạng của bạn. Giải pháp này cung cấp tốc độ từ 1-2Mbps. VII. Các kỹ thuật băng hẹp tần số cao(UHF) và WLAN: Thuật ngữ băng hẹp mô tả một kỹ thuật mà trong đó tín hiệu RF được gửi trong một băng thông hẹp, thường là từ 12.5 kHz hay 25 kHz. Cư ờng độ từ 1-2 watts cho các các hệ thíông dữ liệu băng hẹp RF. Băng thông hẹp này kết hợp với cường độ lớn kết quả là khoảng cách truyền lớn hơn . Các hệ thống UHF đã được phát triển từ những năm 80. Những hệ thống này thường truyền ở dải tần số 430-470 MHz. Phần dười của dải tần số này(430-450 MHz) thường được gọi là giải tần unprotected(unlicensed) v à 450-470 MHz thì được gọi là giải tần protected(licensed). Trong giải tần unprotected, RF licenses không được ưu tiên cho những tần số đó và bất cứ ai cũng có thể sử dụng các tần số trong dãi tần này. Trong frame xử lý các chức năng như M-frame alignment, M-subframe alignment, kiểm soát hiệu suất, và các kênh ứng dụng nguồn. XIII. PRI—1.544-Mbps Interface: ITU-T I.431 định nghĩa giao thức ở tầng vật lý của PRI cho cả 2 tốc độ 1.544 và 2.048 Mbps. Các đặc tính về điện được định nghĩa trong G.703 và G.704. Ứng dụng chính của các PRI là làm trunk và các trunk group, chứ không phải là TE. Thường thì các LEC có các service group riêng cho BRI và PRI. Error! PRI không giống với BRI, không hỗ trợ các cấu hình P2MP mà chỉ P2P. Trong ISDN, thường thì nó được định nghĩa ở T reference point, một digital PBX hay thiết bị kết nối LAN kiểm soát nhiều ISDN TE và cung cấp việc multiplex cho chúng. PRI dựa trên cấu trúc truyền DS1 và các dịch vụ T1. PRI multiplex 24 kênh, mỗi kênh 64 kbps. Khi được cấu hình như các kênh 23 B+D, kênh D được sử dụng cho signaling và khi nó được cấu h ình như 24 kênh B thì kênh D khác được dùng để làm tín hiệu. Tín hiệu out-of-band sử dụng các tần số ngoài vùng tín hiệu bình thường để signalling; đây là thành phần cơ bản của SS7. Ngược lại, in-band signalling dựa trên những bit xác định ngoài định dạng frame của dải tần, và thường được gọi là bit robbing signalling. Khi PRI được cấu hình cho 24 kênh B, PRI frame chứa một framing bit cùng với 1 mẫu PCM(pulse code modulation) 8bit từ mỗi cái trong 24 kênh. 193 bit này nhân với 8000 frame/giây, tạo thành tốc độ tổng cộng là 1.544 Mbps. 24 frame sẽ được nhóm lại với nhau tạo thành một multiframe được mô tả trong định dạng frame của ESF. Một multiframe là 24 bit và có những chức năng sau: Frame alignment sequence(FAS)-FAS bảo đảm rằng việc đồng bộ frame được mô tả bằng một mẫu 001011 lặp lại. Trong trường hợp mất sự đồng bộ, bên nhận cần phải lắng nghe 5 SF kề nhau và tìm chuỗi đúng để đồng bộ. Flow Sequence Control(FCS)- FCS bảo đảm rằng không có bit lỗi xảy ra trong multiframe trước. Chuỗi sẽ detect và báo cáo lỗi nhưng không sửa lỗi. Duy trì kênh(M)-việc sử dụng M vẫn còn nhưng hiện nay PRI không còn sử dụng nữa. Trong I.431, một bit của mỗi octet được yêu cầu phải thoả mãn một yêu cầu về độ dày đặc, kết quả là tốc độ của kênh là 56kbps. Để khắc phục nhược điểm này, B8ZS được sử dụng và tất cả các octet toàn 0 được thay thế bởi 000110011, trong đó BPV xảy ra ở bit thứ 4 và 7. Nếu số 1 cuối là số 1 dương, thì việc thay thế phải là 000pn0np, trong đó n và p đại diện cho cực âm và dương. Nếu sự xuất hiện lần trước của 1 là âm thì mẫu là 000np0pn và n và p là các cực âm và dương. XIII PRI—2.048-Mbps Interface Tương tự như PRI 1.544Mbps được sử dụng ở Mỹ và dựa trên T1 carrier, PRI 2.048 Mbps thường được sử dụng ở châu Âu và dựa trên Computer Emergency Response Team(CERT) 1, hay E1 carrier. E1, trong cấu hình 30B+D, là giải pháp phổ biến nhất cho các dịch vụ truy cập ISDN. 30 kênh B và cấu hình như 30B+D thường được sử dụng cho các giải pháp remote access ở nhà. Số lượng kênh khác với thiết kế trước. Kênh 1 đến 15 của các kênh B được theo sau bởi 1 kênh D (kênh thứ 16) và một sau đó là 15 kênh B khác. Mọi frame gồm 31 slot, mỗi slot là một mẫu 8bit. 8000 frame/giây với 256 bit mỗi frame, cộng thêm các framing bit, tạo thành 2.048 Mbps với 1.9984 Mbps cho tốc độ của dữ liệu. Không giống với AMI như trong thiết kế trước, kỹ thuật chặn các số 0 gần nhau được gọi là HDB3. HDB3 thay thế một chuỗi 4 số 0 liên ti ếp bằng mẫu x00V, trong đó V là violation bit, và x có thể là 0 hay 1 tùy thuộc vào yêu cầu giữ mã DC cân bằng