bài tập bài giảng kỹ thuật truyền dẫn kỹ thuật số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG ThS. HOÀNG QUANG TRUNG KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN SỐ TẬP BÀI GIẢNG (Lưu hành nội bộ) THÁI NGUYÊN - 2011 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN SỐ 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN Mạng điện thoại được xây dựng dựa trên cơ chế truyền tiếng nói giữa các má y điện thoại. Đến những năm 1970, mạng này đã hoàn thiện bằng việc thực hiệ n truyền tín hiệu tương tự trong cáp đồng xoắn đôi và ghép kênh phân chia tần s ố (FDM-Frequency Division Multiplexing) dùng trong các tuyến đường dài để k ết hợp truyền nhiều kênh thoại trong một cáp đồng trục. Thiết bị truyền dẫn loại nà y rất đắt so với giá của một tổng đài điện thoại, vì vậy, chuyển mạch được xem nh ư một thiết bị nhằm tiết kiệm sử dụng tài nguyên khan hiếm lúc bấy giờ là băng thôn g truyền dẫn. Vào đầu những năm 1970, các hệ thống truyền dẫn số bắt đầu xuất hiện, s ử dụng phương pháp điều chế xung mã (PCM-Pulse Code Modulation) do Al ec Reeves nêu ra lần đầu tiên vào năm 1937. PCM cho phép truyền tín hiệu tương t ự (như tiếng nói của con người) ở dạng nhị phân. Sử dụng phương thức này, tín hiệ u thoại tương tự chuẩn 4 kHz có thể truyền dưới dạng luồng tín hiệu số 64 kbit/s. Các nhà kỹ thuật đã nhận thấy khả năng hạ giá thành sản xuất các hệ thốn g truyền dẫn bằng cách kết hợp một số kênh PCM và truyền chúng trong một đôi cá p đồng xoắn mà trước đây chỉ dùng để truyền một tín hiệu tương tự duy nhất. Hiệ n tượng này được gọi là lợi dây. Do giá thành thiết bị điện tử số bắt đầu giảm nên s ử dụng các công nghệ này đã tiết kiệm được rất nhiều chi phí. Phương thức ghép kênh 64 kbit/s thành môt luồng bit tốc độ cao duy nhất cò n được gọi là Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Divisio n Multiplexing). Một cách đơn giản, mỗi byte của mỗi kênh đầu vào theo thứ tự đượ c đưa vào kênh tốc độ cao ở đầu ra. Quá trình xử lý này còn được gọi là "chèn byt e tuần tự". Ở châu Âu và sau đó là rất nhiều nơi trên thế giới, sở đồ TDM chuẩn được á p dụng để ghép kênh 64 kbit/s, cùng với hai kênh thông tin điều khiển kết hợp tạ o thành một kênh có tốc độ 2,048 Mbit/s. Do nhu cầu sử dụng điện thoại tăng lên, lư u lượng trên mạng tăng, kênh chuẩn tốc độ 2 Mbit/s không đủ đáp ứng cho lưu lượn g tải trên mạng trung kế. Để tránh không phải sử dụng quá nhiều kết nối 2 Mbit/s t hì cần tạo ra môt mức ghép kênh cao hơn. Châu Âu đưa ra chuẩn ghép 4 kênh 2 Mbit /s thành một kênh 8 Mbit/s. Mức ghép kênh này không khác bao nhiêu so với m ức ghép kênh mà các tín hiệu đầu vào được kết hợp từng bit chứ không phải từng byt e, nói cách khác là mới áp dụng chèn bit chứ chưa thực hiện chèn byte. Tiếp đó, d o H.Q.Trung.ĐTTT 3 nhu cầu ngày càng tăng, các mức ghép kênh cao hơn nữa được xây dựng thàn h chuẩn, tạo ra môt phân cấp đầy đủ các tốc độ bit là 34 Mbit/s, 140 Mbit/s và 56 5 Mbit/s. 1.2. HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ 1.2.1. Các thành phần cơ bản Truyền dẫn là chức năng truyền một tín hiệu từ một nơi này đến một nơi khá c. Hệ thống truyền dẫn gồm các thiết bị phát và nhận, và phương tiện truyền cùng b ộ lặp lại giữa chúng như hình 1.1. Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống truyền dẫn. Những phương tiện phát sẽ truyền và phát đi những tín hiệu đầu vào (tín hiệ u gốc) để truyền chúng một cách hiệu quả qua phương tiện, thiết bị nhận tách ra những tín hiệu gốc trong những tín hiệu thu được. Đồng thời bộ lặp lại xử lý việ c bù lại trong quá trình truyền. Các phương tiện truyền bao gồm dây dẫn kim loại, cá p đồng trục, radio, ống dẫn sóng và cáp sợi quang. Truyền dẫn bao gồm phần truyền dẫn thuê bao nối liền máy thuê bao với tổn g đài và phần truyền dẫn tổng đài nối tổng đài với tổng đài. Truyền dẫn gồm truyề n bằng cáp, truyền radio, liên lạc vệ tinh, truyền TV, liên lạc sợi quang, ống dẫn són g, liên lạc dưới đất cùng bộ chuyển tiếp phục hồi sử dụng các phương tiện truyền dẫ n, kết cấu kết hợp và mạng đồng bộ hóa của các thiết bị này, việc bảo dưỡng và phầ n quản lý của mạng truyền dẫn v.v * Truyền dẫn sử dụng sợi quang (fiber) Môi trường quang sợi có độ rộng băng gần như không giới hạn. Đặc điểm của nó là suy hao không đáng kể, chỉ vào cỡ 0,25 Db/Km. Đây chính là ưu điểm vượt trội củ a sợi quang so với cáp đồng trục. Ngoài ra truyền dẫn trên sợi quang còn có các ư u điểm khác nữa là: Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trường, an toàn, kíc h thước nhỏ và nhẹ, … Giải tần số được sử dụng trong truyền dẫn sợi quang được mô tả như hình dưới: H.Q.Trung.ĐTTT 4 Cấu trúc của sợi quang: 1.2.2. Các nguồn ảnh hưởng tới tín hiệu truyền dẫn 1.2.2.1. Méo tín hiệu qua kênh (distortion) Kênh truyền thực tế là không lý tưởng, do đó tín hiệu đi qua kênh ít hay nhiề u cũng bị ảnh hưởng đến dạng tín hiệu, có nghĩa là bị méo so với tín hiệu gốc. Ngoài ra, sẽ không thể tránh khỏi méo phi tuyến đối với những tín hiệu là m việc tại các tần số cao. Điều này xuất phát từ một thực tế rằng với các tần số cao s ẽ bị ảnh hưởng do sự xáo động của các điều kiện khí quyển, bởi vậy gây ra sự tha y đổi về tần số. Chẳng hạn với các hệ thống radar doppler sử dụng trong việc giám s át thời tiết là một trường hợp cụ thể. Méo tuyến tính có thể gây ra các ảnh hưởng trong các hệ thống truyền d ẫn xung. Loại méo này được đặc trưng bởi sự phân tán thời gian (làm kéo dài xung ), dẫn tới hiệu ứng đa đường. H.Q.Trung.ĐTTT 5 1.2.2.2. Tạp âm (noise) Thuật ngữ tập âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiệ n trong hệ thống. Sự xuất hiện của tập âm làm giảm khả năng tách chính xác các tí n hiệu phát, và, vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin. Tạp âm được tạo ra t ừ các nguồn khác nhau nhưng có thể được phân ra thành hai loại chính đó là nguồ n tạp âm nhân tạo và tạp âm tự nhiên. Tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồn đán h lửa, chuyển mạch hay phát xạ điện từ. Tạp âm tự nhiên xuất hiện trong các mạc h hay linh kiện điện tử. 1.2.2.3. Nhiễu Nhiễu được hiểu là các thành phần tín hiệu không mong muốn được thêm và o tín hiệu bản tin khi nó được truyền từ máy phát đến máy thu. Trong thực tế, việ c truyền tin có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu khác nhau: nhiễu điều ch ế, nhiễu xuyên kênh (Crosstalk), nhiễu xung (ISI), 1.2.3. Các kênh truyền dẫn Kênh truyền dẫn là môi trường kết lối giữa bộ phát và bộ thu, ở đó có thể l à các sợi dây dẫn kim loại, cáp đồng trục, cáp sợi quang, ống dẫn sóng, bầu không k hí H.Q.Trung.ĐTTT 6 hay sự kết hợp giữa các môi trường trên. Tất cả các kênh đều có một băng tần gi ới hạn cho phép tín hiệu có thể đi qua. Do các đặc tính vật lý mà mỗi kênh có thể c ó tần số cắt ở giới hạn trên (tần số cao) hay giới hạn dưới (tần số thấp). Trong trườn g hợp kênh bị chặn dưới (tần số cắt ở giới hạn dưới của băng kênh) thì kênh được m ô tả như là một bộ lọc thông dải. Còn nếu băng thông của kênh không bị chặn dưới t hì kênh được mô tả như là một bộ lọc thông thấp. Kênh truyền dẫn được phân loại theo độ rộng băng. Có 3 loại kênh phổ biế n là: Kênh băng hẹp (narrow band), băng thoại (voiceband) và băng rộng (wideband) . Các kênh băng hẹp : Đối với những kênh có độ rộng băng lên tới 300 Hz th ì được gọi là băng hẹp, và thuộc vào loại truyền điện tín. Những kênh như thế đượ c sử dụng cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ chậm ở mức là 600 bit trên giây (bps). Nhữn g kênh băng hẹp không đủ độ tin cậy để sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu thoại. Các kênh thoại có độ rộng băng giới hạn trong khoảng từ 300 Hz đến 4 kHz . Thiết kế ban đầu của kênh thoại là để phục vụ cho mục đích truyền dẫn tương t ự (analog) tín hiệu thoại (voice), mặc dù vậy các kênh này thường được sử dụng đ ể truyền dữ liệu ở tốc độ 10 kilô bits trên giây (kbps). Mộ số dạng tín hiệu video né n cũng có thể được truyền trên các kênh thoại. Các mạch vòng khép kín thuê ba o trong hệ thống điện thoại công công truyền thống sử dụng băng thoại. Các kênh băng rộng có độ rộng băng lớn hơn 4 kHz. Các kênh này có th ể được dành cho một đơn vị truyền thông (chẳng hạn một công ty điện thoại) và c ó thể sử dụng cho mục đích truyền dữ liệu tốc độ cao, video, hay các kênh thoại hợ p nhất. Băng tần hoạt động của tín hiệu được phân bổ theo các dải tần số như sau: H.Q.Trung.ĐTTT 7 1.2.3. Tham số chất lượng của hệ thống truyền dẫn số Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống truyền dẫn số được đánh g iá thông qua tỷ lệ lỗi bit (BER) và dung lượng truyền dẫn. Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị tron g một tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn. Khi tập các gi á trị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phâ n và tín hiệu khi đó được gọi là bit. Khi số giá trị có thể có của tín hiệu khác 2, tổn g quát là M thì hệ thống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệu được gọi là ký hiệ u (symbol). Gọi giá trị của symbol thứ k là D k và thời gian tồn tại của nó là T k (đ ối     với các hệ thống thông thường hiện nay, T k = T và là hằng số với mọi k). Ở đầu t hu tín hiệu khôi phục lại là D k và có độ rộng là T k , nếu D k ≠ D k thì tín hiệu thứ k được gọi là bị lỗi, nếu T k ≠ T k thì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter. Các tham số kỹ thuật chung nhất đối với các loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau, thể hiện chỉ tiê u chất lượng cơ bản của hệ thống, là tỷ lệ lỗi bit BER và jitter (rung pha). Đối với h ệ thống nhị phân, xác suất lỗi BER được định nghĩa là: BER = P { D k = D k } Khi T k = T + δ T thì δ được gọi là jitter, tính theo phần trăm. H.Q.Trung.ĐTTT Trong trường hợp hệ thống nhiều mức thì P { D k = D k 8 } được gọi là tỷ lệ lỗi symbol (SER) và có quan hệ chặt chẽ với BER. 1.3. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3.1. Tím hiệu truyền dẫn a) Tín hiệu tương tự (analog signal) Tín hiệu tương tự có thể được xem như là một dạng sóng có tính chất liên tụ c về thời gian trong phạm vi tín hiệu tồn tại.   ˆ [...]... sang số (ADC) 1.3.2 Các phương pháp truyền thông tin a) Truyền tin nhị phân - Truyền tin nhị phân dùng cáp đơn Tốc độ truyền dẫn phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của điện áp (hay các kiểu ký hiệ u khác) trên kênh truyền trước khi thành phần tần số là quá lớn để có thể lọc suy ha o kênh truyền và dẫn đến méo tín hiệu Nói theo cách khác, tốc độ truyền dẫn bị gi ới hạn bởi băng thông của tuyến truyền - Truyền. .. lý, và truyền dẫn tí n hiệu Vì ta có thể chuyển tín hiệu liên tục theo thời gian thành chuỗi rời rạc các s ố Xử lý tín hiệu thời gian liên tục bởi vậy được chuyển về xử lý chuỗi rời rạc các s ố Và cũng vì thế mà có thể sử dụng các bộ lọc số Trong lĩnh vực truyền thông, truyề n dẫn bản tin tương tự được giảm bớt thành truyền dẫn một chuỗi các số Điều nà y làm xuất hiệu nhiều kỹ thuật mới cho truyền. .. tham số được chọn là: A=87,6 v à µ = 255 Đối với hệ Mỹ, µ = 100 cũng được sử dụng trong một số hệ thống, t uy nhiên đó không phải là giá trị mà CCITT chọn làm giá trị tiêu chuẩn Trong thực tế hay sử dụng kỹ thuật lượng tử hóa phi tuyến để đạt được hiệ u quả cao về tỷ số tín trên tạp Đặc biệt trong hệ thống truyền dẫn số còn áp dụng k ỹ thuật nén-giãn số dựa trên các đặc trưng nén-giãn tương tự Thuật. .. cáp, tín hiệu truyền qua kênh có thể sẽ tăng tỷ lệ với s ố cáp (kênh) sử dụng Tín hiệu truyền qua có thể duy trì như ở tuyến truyền nhị phâ n đơn, cho phép thay thế bởi các tuyến có băng thông nhỏ hơn (dẫn tới chi phí thấ p hơn) b) Truyền tin đa mức - Truyền tin đa mức sử dụng cáp đơn Truyền dẫn dữ liệu không bắt buộc phải giới hạn ở cơ số hai (nhị phân), theo l ý thuyết có thể sử dụng một số mức điện... H.Q.Trung.ĐTTT 1 1 R= = 1000bits s 1.3.3 Tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền thông tin của một kênh truyền dẫn thường được xác định the o lượng thông tin nhị phân (bit) Có nghĩa là tốc độ truyền dẫn được đo theo đơn vị bit/giây (bps) Ví dụ: nếu như có 6 bit thông tin được truyền đi sau mỗi khoảng th ời gian 6 giây, thì tốc độ truyền tin sẽ là 6 bits 6 ms Ngoài ra tốc độ truyền dẫn còn được xác định thông qua tốc... 12 (2.4) Từ (2.4) chúng ta có thể thấy khi tăng số mức lượng tử Q thì công suất tạp â m lượng tử giảm Chẳng hạn, khi tăng số mức lượng tử lên hai lần, công suất tạp â m lượng tử giảm 4 lần, tức là khoảng 6 Db Tuy nhiên, việc tăng quá mức số m ức lượng tử dẫn đến hai hệ quả: a) Số mức lượng tử lớn dẫn đến số bit dùng để mã cá c mức lượng tử tăng (cứ tăng số mức lượng tử lên hai lần thì phải thêm 1 bit... tín hiệu tương tự c) Tín hiệu số (Digital signal) Tín hiệu số là một dạng của tín hiệu mẫu hay tín hiệu rời rạc trong đó mỗi m ột con số trong chuỗi tín hiệu tương ứng với một giá trị xác định Tín hiệu số có thể c ó được từ lối ra của nhiều thiết bị Ví dụ, khi ta quay số máy điện thoại thì sẽ tạo r a H.Q.Trung.ĐTTT 9 các tín hiệu số phụ thuộc vào nút được nhấn, tín hiệu số có được từ đầu ra của bà n... hiệu số; b) V ới cùng một dải động tín hiệu, việc tăng quá mức số mức lượng tử sẽ có thể dẫn đế n mức lượng tử khôi phục lại ở phần thu bị nhận nhầm dưới tác động của tạp âm nhi ệt trong các mạch điện tử Thêm vào đó, nếu lượng tử hóa đều thì việc chia các mứ c với số mức tối thiểu (nhằm giảm số bit mã cần dùng) xác định theo độ chính xác đã cho đối với các mức cao của tín hiệu lại dẫn đến sai số phạm... trị mẫu xác định gọi là c ác mức lượng tử (có số lượng hữu hạn) và quá trình này được gọi là lượng tử hóa - Mã hóa: Các giá trị mức lượng tử ứng với các xung PAM được mã hóa bằn g các tổ hợp mã nhị phân để truyền đi trên hệ thống truyền dẫn số Sơ đồ mô tả công đoạn điều chế xung mã được thể hiện như hình dưới đây: H.Q.Trung.ĐTTT 1 9 Hình 2.5: Hệ thống truyền dẫn PCM Quá trình khôi phục ở phần thu được... khuyến nghị của CCITT cho các mạch thoại) có tần số cắt rất sát với 4 kHz 2.2.3 Lấy mẫu Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thoại liên tục v ới một chuỗi xung nhịp có tần số fs ≥ 2W Việc chọn tần số nhịp lớn hơn hai lần W sẽ làm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, do vậy tần số nhịp phải chọn nhỏ nh ất mà không gây méo tín hiệu Sai số lấy mẫu gây bởi việc không thể lấy mẫu tron . NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG ThS. HOÀNG QUANG TRUNG KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN SỐ TẬP BÀI GIẢNG (Lưu hành nội bộ) THÁI . dải tần số như sau: H.Q.Trung.ĐTTT 7 1.2.3. Tham số chất lượng của hệ thống truyền dẫn số Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống truyền dẫn số được . việ c bù lại trong quá trình truyền. Các phương tiện truyền bao gồm dây dẫn kim loại, cá p đồng trục, radio, ống dẫn sóng và cáp sợi quang. Truyền dẫn bao gồm phần truyền dẫn thuê bao nối liền máy