Những khái niệm cơ bản truyền dữ liệu

khái niệm về truyền dữ liệu, hệ thống truyền tương, hệ thống truyền số, hệ thống mô hình osi

Z CHƯƠNG 1

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

– HỆ THỐNG MỞ VÀ MÔ HÌNH OSI

_

1.1 VÀI DÒNG LỊCH SỬ

Thông tin dữ liệu là phương pháp truyền thông dùng mã nhị phân thay cho tín hiệu

Có thể coi lịch sử thông tin dữ liệu bắt đầu vào năm 1837 với sự phát minh điện tín

của Samuel F B Morse Đó là hệ thống truyền các xung điện biểu diễn cho các dấu chấm,

vạch (tương đương với các số nhị phân 1, 0) trên các đường dây đồng nhờ các máy cơ điện

Các tổ hợp khác nhau của các mã này thay cho các chữ, số, dấu được gọi là mã Morse Bản

điện tín đầu tiên được phát hiện ở Anh do Charles Wheatstone và William Cooke thực hiện

nhưng hệ thống của họ phải dùng 6 đường dây

Năm 1840, Morse đăng ký sáng kiến về điện tín ở Mỹ và đến năm 1844 thì đường

dây điện tín đầu tiên được thiết lập giữa Baltimore và Washington D.C

Năm 1849, bản tin đầu tiên được in nhưng với vận tốc rất chậm, cho đến năm 1860

vận tốc in đạt được là 15 bps

1850 ở Rochester, New York cho phép thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các cá nhân

Năm 1874, Emile Baudot thiết kế được máy phát dùng phương pháp đa hợp, có thể

truyền cùng lúc 6 bản tin trên cùng một đường dây

Năm 1876, Alexander Graham Bell đã đưa điện tín lên một bước phát triển mới: sự ra

đời của điện thoại Thay vì chuyển bản tin thành các chuỗi mã Morse, Bell đã cho thấy rằng

người ta có thể truyền thẳng tín hiệu điện đặc trưng cho tiếng nói trên các đường dây Những

hệ thống điện thoại đầu tiên cần các cặp đường dây khác nhau cho hai người muốn trao đổi

thông tin với nhau, một người phải nối điện thoại của mình vào đúng đường dây nối với điện

thoại của người mà mình muốn liên lạc Dần dần sự kết nối được thực hiện bởi các tổng đài

cơ khí rồi tổng đài điện tử, số Người ta không còn biết hệ thống hoạt động thế nào, chỉ

cần quay (bây giờ thì bấm) số và được kết nối

Năm 1899, Marconi thành công trong việc phát tin bằng vô tuyến

1920, lúc đài phát thanh thương mại đầu tiên ra đời

Năm 1945, đánh dấu một sự kiện quan trọng đó là việc phát minh ra chiếc máy tính

điện tử đầu tiên: chiếc ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) Được thiết

kế để tính đạn đạo phục vụ cho Thế chiến thứ II, ENIAC là thiết bị đầu tiên có thể xử lý thông

tin dưới dạng điện Mặc dù ENIAC không giữ một vai trò trực tiếp trong việc thông tin dữ

liệu nhưng nó cho thấy rằng các tính toán và quyết định chính xác có thể thực hiện được nhờ

tín hiệu điện, một khả năng quan trọng trong hệ thống thông tin hiện nay

Comment [c1]: Page: 1

_

Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu

Sau đó Đại học Harvard liên kết với công ty IBM (International Business Machines Corporation) đã cho ra đời những chiếc máy tính đa dụng, điều khiển tự động đầu tiên

Đến năm 1951 thì số lượng các chủng loại máy tính gia tăng rất nhiều (người ta đánh giá sự gia tăng này có tốc độ tỉ lệ với hàm mũ) và nhu cầu trao đổi thông tin trong mọi người cũng gia tăng với mức độ tương tự

Nhưng cho đến năm 1968 công ty AT & T xem như độc quyền: chỉ các thiết bị do chính công ty sản xuất mới được nối vào hệ thống thông tin quốc gia Vào thời điểm này, Hiệp hội thông tin liên bang (FCC : Federal Communication Commission) của Mỹ, thông qua Tòa án tối cao đã ký quyết định Carterfone, cho phép các thiết bị của các nhà chế tạo khác được nối vào hệ thống, quyết định này đã tác động thật sự đến sự ra đời của một kỹ nghệ mới: kỹ nghệ thông tin dữ liệu Theo thời gian sự phát triển của kỹ nghệ này đã đưa đến những hệ thống thông tin dữ liệu số được thực hiện ở những khoảng cách đáng kể

Và bây giờ, với sự phát triển vũ bảo của máy tính , công nghệ chế tạo IC đa chức năng, khả năng to lớn của cáp quang và hệ thống vệ tinh địa tĩnh, thông tin dữ liệu số đã trở thành phổ biến và có một sức mạnh đến kỳ lạ, nó có thể thỏa mãn nhiều yêu cầu về thông tin liên lạc của mọi người trên toàn cầu trong một khoảng thời gian rất ngắn

Chương này đề cập đến một số khái niệm chung và tìm hiểu một cách sơ lược các hệ thống truyền tương tự, hệ thống truyền số cùng một số tính chất cơ bản của chúng

1.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

1.2.1 Tin tức, Dữ liệu và Tín hiệu (Information, Data & Signal)

Dữ liệu: bao gồm các sự kiện, khái niệm hay các chỉ thị được diễn tả dưới một hình

thức thích hợp cho việc thông tin, thông dịch hay xử lý bởi con người hay máy móc

Tin tức: Ý nghĩa mà con người qui cho dữ liệu theo các qui ước cụ thể

Tin tức có thể biểu thị bởi tiếng nói, hình ảnh, các văn bản, tập hợp các con số, các ký hiệu, thông qua nó con người hiểu nhau

Trong hệ thống truyền thông, thường người ta không phân biệt dữ liệu và tin tức

Tín hiệu: là tin tức, dữ liệu đã được chuyển đổi, xử lý (bởi các bộ phận mã hóa và

/hoặc chuyển đổi) cho phù hợp với môi trường truyền thông

Có hai loại tín hiệu: tín hiệu tương tự và tín hiệu số

- Tín hiệu tương tự: có dạng sóng như (H.1.1a), đó là các đại lượng điện có bất cứ giá

trị nào trong một khoảng thời gian xác định Tín hiệu tương tự quen thuộc có dạng hình sin Một tín hiệu tương tự có thể được số hóa để trở thành tín hiệu số

- Tín hiệu số: có dạng sóng như (H.1.1b), đó là tín hiệu mà biên độ chỉ có một trong

hai giá trị duy nhất, tương ứng với hai trạng thái logic đặc trưng bởi hai số 0 và 1 trong hệ nhị phân Hệ thống truyền tín hiệu này là hệ thống truyền nhị phân

là tín hiệu số nhưng nó cũng chỉ có các giá trị nhất định mà người ta có thể số hóa bằng các số nhị phân nhiều bit hơn Trong trường hợp của (H 1.1c) tín hiệu có thể có một trong bốn giá trị

0, 1, 2, 3; để có thể mã hóa tín hiệu này cần các số nhị phân hai bit, hệ thống truyền tín hiệu này là hệ thống truyền nhị phân hai bit

(a) (b) (c)

(H 1.1)

dùng để truyền dữ liệu tương tự hay dữ liệu số Thí dụ: Tiếng nói là loại dữ liệu tương tự và được truyền trên hệ thống điện thoại bởi tín hiệu tương tự (H 1.2a); những dữ liệu có nguồn gốc là số, thí dụ như mã ASCII của các ký tự được biểu diễn dưới dạng những xung điện nhị phân được truyền bởi tín hiệu tương tự nhờ MODEM (Modulator/Demodulator) (H 1.2b) Tín hiệu tương tự sẽ qua mạch CODEC (Coder/Decoder) để được số hóa (H 1.2c) và dữ liệu số có thể được truyền thẳng qua hệ thống số (H 1.2d)

ĐIỆN THOẠI

(a)

MODEM

(b)

CODEC

(c)

H T SỐ

(d)

(H 1.2)

- Nhiễu: là các tín hiệu ngoài ý muốn, xuất hiện trong hệ thống hoặc trên đường

truyền Dưới ảnh hưởng của nhiễu, tín hiệu tương tự bị biến dạng và tín hiệu số có thể bị lỗi

- Cường độ tín hiệu: Cường độ của tín hiệu thường được biểu diễn bởi công suất

hoặc điện áp trên tổng trở tải của nó Ta phải nói tín hiệu có công suất 0,133mW hoặc có biên

độ 100mV trên tổng trở 75Ω

thường được biểu diễn bằng đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm:

Tỉ số tín hiệu = 10log P2

1

P dB

Sự tiện lợi của đơn vị dB là người ta có thể xác định độ lợi (hay độ suy giảm) của một

hệ thống gồm nhiều tầng nối chuỗi (cascade) bằng cách cộng các độ lợi của các tầng với nhau

Người ta thường biểu thị công suất tuyệt đối của một tín hiệu bằng cách so sánh với một tín hiệu chuẩn có công suất 1W :

Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu

_

1W

P

dB

Công suất tín hiệu = 10log

1mW

P dBm

Một tín hiệu có công suất 1W tương đương với 0 dB và 30dBm

dBm là: 10log(0,133/1mW) = - 8,76 dBm Dấu trừ cho biết mức tín hiệu là 8,76 dBm dưới 1mW

Lưu ý, trong chuyển đổi đơn vị phải để ý đến tổng trở tải của tín hiệu

Trong các hệ thống điện thoại tổng trở tải thường dùng là 600Ω

Thật vậy, ở 600Ω, điện áp của tín hiệu xác định bởi :

V2 = P.R = 0,133.10-3.600 = 0,079

V = 0,079 = 0,282 V = 282 mV Nếu các tín hiệu có chung tổng trở tải thì :

1

2 V

V

dB

- Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio)

Để đánh giá chất lượng của tín hiệu và cũng là chất lượng của hệ thống truyền tín hiệu

đó người ta dùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR Đây là tỉ số công suất tín hiệu có ích trên công suất tín hiệu nhiễu, thường tính bằng dB (hoặc dBm)

Nếu tín hiệu 2 dBm có mức nhiễu là -20 dBm, thì tỉ số SNR là 22 dBm Nói cách khác mức tín hiệu lớn hơn mức nhiễu 22 dBm

Thí dụ: Với tín hiệu số như (H.1.1b), SNR tối thiểu phải là bao nhiêu để có thể phân

biệt được tín hiệu một cách rõ ràng (ảnh hưởng của nhiễu còn chấp nhận được)?

Đối với tín hiệu như (H.1.1b), giả sử biên độ ứng với mức 1 là 1 V và 0 V cho mức 0, một lỗi sẽ phát sinh nếu mức 0 được phát đi mà nhiễu có giá trị dương lớn hơn 0,5 V và nếu mức 1 phát đi mà nhiễu có biên độ âm và trị tuyệt đối lớn hơn 0,5 V Như vậy giá trị tối đa cho phép của nhiễu là 0,5 V so với trị tối đa của tín hiệu là 1 V và tỉ số SNR tối thiểu là:

0,5

1 20log N

S

Một hệ thống hay mạch tốt khi có khả năng nâng cao tỉ số tín hiệu nhiễu SNR theo yêu cầu

1.2.2 Băng thông

- Băng thông của tín hiệu là dải tần số trong đó chứa hầu hết công suất của tín hiệu Khái niệm này cho ta xác định phổ tần hữu ích của tín hiệu nếu tín hiệu đó chứa một phổ tần quá rộng

(thường là 3 dB) so với giá trị cực đại khi tín hiệu đó truyền qua hệ thống Độ suy giảm 3 dB tương ứng với điểm nửa công suất

Một kênh truyền tốt phải có băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu, điều này khiến cho tín hiệu được tái tạo không bị méo dạng và suy giảm đáng kể trong quá trình truyền

1.2.3 Hình trạng hệ thống và các phương thức liên lạc

Về hình trạng, hệ thống thông tin có thể có dạng:

- Điểm - điểm (Point to point): Thí dụ liên lạc giữa máy tính và máy in

- Nhiều điểm (Multipoint): Hệ thống nhiều điểm có thể có một trong các dạng: sao

(star), vòng (ring) và multidrop

* Mạng hình sao (H 1.3a): Thuận lợi trong liên lạc vì đài thứ cấp truy xuất trực

tiếp đài sơ cấp nhưng giá thành cao vì phải sử dụng đường dây riêng

* Mạng vòng (H 1.3b): Thông tin phải đi theo vòng từ đài sơ cấp đến đài thứ cấp

Nếu có một đài hỏng, hệ thống ngưng làm việc

* Mạng multidrop (H 1.3c): Các đài thứ cấp nối chung một đường dây vào trạm

sơ cấp

Về phương thức thức liên lạc, giữa các máy phát và thu trong một hệ thống thông tin

có thể thực hiện theo 1 trong 4 phương thức:

- Đơn công (Simplex transmission, SX): thông tin chỉ truyền theo một chiều Nếu lỗi

xảy ra máy thu không có cách nào yêu cầu máy phát phát lại Trong hệ thống này thường máy thu có trang bị thêm bộ ROP (Read Only Printer) để hiển thị thông tin nhận được

- Bán song công (Half duplex transmission, HDX): tín hiệu truyền theo hai hướng

nhưng không đồng thời Hệ thống thông tin dùng Walkie - Talkie là một thí dụ của phương thức liên lạc bán song công Các máy truyền bán song công có một nút ấn để phát (push to send), khi ở chế độ phát thì phần thu bị vô hiệu hóa và ngược lại

- Song công (full duplex transmission, FDX): tín hiệu truyền theo hai chiều đồng

thời Hệ thống này thường có 4 đường dây, 2 dây cho mỗi chiều truyền Phương thức này được dùng trong hệ thống điểm - điểm (point to point)

- Song công toàn phần (Full/Full-duplex, F/FDX): Đài sơ cấp có khả năng phát tín

hiệu tới một đài thứ cấp đồng thời nhận thông tin từ một đài thứ cấp khác Phương thức này giới hạn trong hệ thống nhiều điểm (multipoint)

(H 1.3)

1.2.4 Các phương pháp truyền

Để truyền tín hiệu người ta có thể dùng một trong hai phương pháp: phương pháp truyền dải nền và phương pháp điều chế

- Phương pháp truyền dải nền : Tín hiệu được truyền có cùng dải tần với tín hiệu

nguồn Thí dụ trong điện thoại, tín hiệu âm thanh hữu ích có tần số trong khoảng 300-3000

Hz được truyền đi mà không có sự biến đổi nào về phổ tần của nó

- Phương pháp điều chế : Đây là phương pháp cho phép dời phổ tần của tín hiệu

nguồn đến một khoảng tần số khác phù hợp với kênh truyền và tránh được nhiễu do giao thoa (nghĩa là các phổ tần cách nhau một khoảng đủ để không chồng lên nhau)

1.2.5 Các phương pháp dồn kênh

Để có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng dải nền (nhiều kênh) trên một 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 và 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

_

Truyền dữ li

(H 1.5)

truyền trong một khoảng thời gian nhất định Dĩ nhiên các khóa chuyển mạch ở máy phát (dồn kênh) và máy thu (phân kênh) phải hoạt động đồng bộ để các máy thu thu đúng tín hiệu của nó

- Dồn kênh theo phương pháp đa hợp phân tần số (FDM: Frequency Division

Multiplexing)

(H 1.6) minh họa phương pháp FDM cho 3 kênh truyền (3 tín hiệu tương tự) Tần số sóng mang của mỗi bộ điều chế của mỗi kênh được chọn lựa sao cho mỗi tín hiệu đã được điều chế chiếm một dải tần riêng trong cả phổ tần của đường truyền và phải được cách ly theo qui định Để thực hiện được việc này người ta dùng các mạch cộng hưởng LC có tần số cộng hưởng khác nhau cho mỗi kênh truyền

(H 1.6)

1.3 HỆ THỐNG TRUYỀN TƯƠNG TỰ

(H 1.7) mô tả một hệ thống truyền tương tự dùng phương pháp điều chế (nếu truyền dải nền thì không cần bộ điều chế và giải điều chế) Trong hệ thống này tín hiệu trên đường truyền là tín hiệu tương tự

Bộ phận chuyển đổi ở máy phát biến tin tức thành tín hiệu tương tự, sau khi được xử

lý (như lọc, khuếch đại, phối hợp trở kháng ) sẽ qua bộ phận điều chế để dời phổ tần; cuối

cùng bộ phận giao tiếp chuẩn bị tín hiệu phát tương thích với môi trường truyền hay kênh truyền

(H 1.7)

1.4 HỆ THỐNG TRUYỀN SỐ

1.4.1 Sơ đồ khối

(H 1.8) mô tả một hệ thống truyền số Tín hiệu trên đường truyền của hệ thống là tín hiệu số, tức các điện áp tương ứng cho các mức 0 và 1 của các mã nhị phân biểu thị cho tin tức

Bộ phận chính của hệ thống là bộ phận biến đổi A→D (Analog to Digital Converter, ADC) ở máy phát (biến tín hiệu tương tự thành tín hiệu số) và biến đổi D→A (Digital to Analog Converter, DAC) ở máy thu (biến tín hiệu số thành tín hiệu tương tự)

Việc truyền tín hiệu số được thực hiện bằng cách phát tuần tự các mã nhị phân này

(H 1.8)

1.4.2 Vận tốc truyền tín hiệu (Baud rate)

Một trong những đặc trưng quan trọng để đánh giá chất lượng một hệ thống truyền số

là vận tốc truyền tín hiệu, được tính bằng baud

giây) còn gọi là vận tốc điều chế (baud rate)

Trong thực tế người ta hay dùng đơn vị bit/s (bps) là vận tốc truyền bit (bit rate), tức

số bit mà hệ thống truyền trong một giây

được điều chế bởi một trong hai trạng thái của tín hiệu, vận tốc bit và vận tốc tín hiệu bằng nhau (số bit/s = số baud)

hiệu có dạng (H 1.1c)), số lượng bit sẽ gấp đôi số tín hiệu (vận tốc thay đổi bit nhanh gấp đôi vận tốc thay đổi sóng mang), như vậy số bit/s gấp đôi số baud

_

Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu

Thí dụ : Tính vận tốc truyền tín hiệu (H 1.1c), nếu thời gian tương ứng với một giá trị

của tín hiệu là 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 và song song

Tùy theo cách thức đưa tín hiệu ra đường truyền mà ta có hai cách truyền: song song

và nối tiếp (H.1.8) mô tả hai cách truyền

- Truyền nối tiếp: tín hiệu lần lượt được phát đi từng bit trên cùng một đường dây

Tốc độ truyền chậm nhưng ít tốn kém hơn so với cách truyền song song

- Truyền song song: mã ký tự được gửi đi dưới dạng song song, nghĩa là các bit được

phát đi đồng thời trên các đường truyền Tốc độ truyền song song khá nhanh nhưng phải tốn nhiều đường dây Do đó, cách truyền này được dùng trong thực tế khi phần phát và thu ở gần nhau

b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0 ⎯⎯⎯⎯→

(a)

(b)

1.4.4 Truyền đồng bộ và bất đồng bộ

Trong các hệ thống truyền số các tín hiệu có thể truyền theo chế độ đồng bộ và bất đồng bộ Hai chế độ truyền này khác nhau chủ yếu ở việc thực hiện sự đồng bộ và do đó đưa tới cách định dạng tín hiệu truyền khác nhau

- Truyền đồng bộ: Trong chế độ đồng bộ dữ liệu truyền được hình thành theo các

dạng cố định Thí dụ các ký tự được mã hóa bằng mã ASCII và bản tin được truyền thành từng khối (block), sự đồng bộ được thực hiện ở những khoảng thời gian giữa các khối của bản tin

bps cho đến hằng Mbps

Một bất lợi của cách truyền đồng bộ là máy phát phải gửi tín hiệu xung đồng hồ để đồng bộ máy thu Nếu việc này không thực hiện được thì ở máy thu phải thiết kế một vòng khóa pha (PLL) để phục hồi xung đồng bộ từ dòng dữ liệu

- Truyền bất đồng bộ: Trong chế độ bất đồng bộ dạng của dữ liệu truyền không cố

định (H 1.10) cho ta 3 dạng của tín hiệu thường gặp trong cách truyền bất đồng bộ

(H 1.10a) là 3 bản tin a,b,c được truyền tuần tự Các bản tin dài ngắn khác nhau và

cách nhau không đều

(H 1.10b) là trường hợp thời gian T của các bản tin giống nhau nhưng khoảng cách

các bản tin thì bất kỳ, không phải là bội số của T

phương pháp quét (thí dụ trong các máy FAX) Trong trường hợp này băng thông của hệ

thống tùy thuộc vào độ phân giải tín hiệu chứ không tùy thuộc vào dữ liệu

bộ ở đầu và cuối mỗi ký tự (trong (H 1.10a) đó là các xung S hoặc T )

1.5 HÊ THỐNG MỞ VÀ MÔ HÌNH OSI

Sự phát triển của lãnh vực thông tin liên lạc với kỹ thuật truyền số liệu đã trở nên phổ

biến trên toàn cầu Việc thông tin ngày càng nhiều, yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy

ngày càng cao Để bảo đảm điều này các hệ thống thông tin phải tuân thủ một số qui định về

tất cả các khía cạnh như tốc độ truyền, phương pháp mã hóa, qui tắc gán địa chỉ, các biện

pháp thực hiện khi có lỗi v v Tập hợp tất cả các qui định mà các hệ thống thông tin phải

tuân theo gọi là các giao thức (protocols)

Nhờ có giao thức, các hệ thống không tương thích nhau có thể liên lạc với nhau Đối

với một hệ thống chỉ có hai phần tử thì giao thức rất đơn giản Vấn đề trở nên phức tạp và khó

khăn khi chủng loại các hệ thống và các phần tử của hệ thống tăng lên

Một tập hợp các giao thức cho phép hai hệ thống bất kỳ nào cũng có thể liên lạc

với nhau bất chấp cấu trúc bên trong của nó, gọi là một HỆ THỐNG MỞ

Tổ chức định chuẩn quốc tế (International Standards Organization, ISO) đã quan tâm

tới vấn đề kết nối các thiết bị khác nhau từ năm 1977 và đến năm 1984 thì mô hình tham

chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở ra đời, gọi tắt là mô hình OSI (Reference Model for

Open Systems Interconnection)

Mô hình OSI là mô hình phân tầng được xây dựng dựa trên các nguyên tắc chủ yếu

sau đây:

- Số tầng càng hạn chế càng tốt

- Ranh giới giữa các tầng bảo đảm việc tương tác và mô tả các dịch vụ là tối thiểu

và có thể chuẩn hóa giao diện tương ứng

_

Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu