Kỹ thuật truyền số liệu

0 NUL DLE DS blanc & - 0Bảng 1.4 Mã EBCDIC Cho dù trong khi truyền ta dùng loại mã nào, truyền đồng bộ hay không đồng bộ, thông tin truyền trên đường dây phải tuân theo những quy luật sa

Chương I

THÔNG TIN

và SỰ TRAO ĐỔI THÔNG TIN

1.1 Sự phát triển và yêu cầu

Hình 1.1 Sự phát triển công nghệ và tốc độ truyền.

Hình 1.1 và 1.2 cho ta sự phát triển về công nghệ và tốc độ truyền

1.1.1.1 Mạng cục bộ (LAN):

Hơn 90% mạng LAN dựa trên chuẩn được định nghĩa của Ethernet/ IEEE 802-3 năm 1982 và Token Ring/ IEEE năm 1985 với tốc độ truyền đạt được 10 và 16 (hoặc 4) Mbps Chỉ riêng về mặt số lượng người sử dụng trong mạng có bị giảm đi Chỉ trong vài năm số lượng người sử dụng trong mạng Ethernet từ hơn 300 giảm xuống còn khoảng 30-40 và có xu hướng đứng lại ở đó

Cuối những năm 80, một tiêu chuẩn LAN mới được thiết lập: mạng FDDI (Fibre Distributed Digital Interface), cơ sở trên đồ hình vòng sợi quang với tốc độ truyền 100Mbps

Hình 1.2 Sự phát triển tốc độ truyền.

Tuy nhiên FDDI không dễ dàng thiết lập vì các phần tử phần cứng giá thành đắt Hơn nữa với băng thông 100 Mbps sẽ thường sử dụng cho một phần ứng dụng mạng Như vậy cũng chưa đủ thật sự cho ứng dụng đa phương tiện (Băng thông tối thiểu 1node trong mạng đa phương tiện là 10 Mbps như vậy nó chỉ cho phép mạng tối đa là 10 thuê bao đồng thời dùng) Chuẩn IEEE 802.12 LAN (Fast Ethernet, Fast Token Ring) được đưa vào sử dụng từ năm 1994, nó cho phép mạng Ethernet hoặc Token Ring truyền với tốc độ 100 Mbps

1.1.1.2 Truyền dữ liệu ở cự ly xa (WAN):

Trong WAN không giống như trong LAN, tốc độ truyền không ngừng tăng theo thời gian Mười năm về trước, nó được bắt đầu với đường nối Datex-P có tốc độ 2,4Kbp; 4,8Kbps Ngày nay với mạng chuyển mạch gói có thể cung cấp cho ta tốc độ truyền 64Kbps và 2Mbps

Hình 1.3 Sự phát triển của tốc độ truyền dữ liệu mạng diện rộng.

Những năm cuối của thập niên 80 bắt đầu sự truyền phân phối giữa tín hiệu liên tục (analog) và tín

hiệu số trên cơ sở rộng hơn: ISND (Intergrated Service Digital Network) Một đường cơ sở ISDN cho băng thông 64*2Kbps có nghĩa là 128Kbps (2 kênh rộng 64Kbps đó có thể dùng cho 1 kênh 128Kbps) Ở bộ phân kênh (multiplexer) sơ cấp S2M liên kết 30 kênh sử dụng, một số kênh băng rộng người sử dụng có thể liên kết thành 1 kênh dữ liệu chung (Hyper-ISND).

Hình 1.4 Cuộc cách mạng truyền dữ liệu xa.

Như vậy đường dây S2M có thể chia thành 2 kênh dữ liệu có 896Kbps cho mỗi kênh và theo đó mỗi kênh có 2 đường nối tiếng nói với mỗi đường có 64Kbps Ở giai đoạn bắt đầu chuẩn hóa ISDN, một đường truyền có 64Kbps là thích hợp, nhưng suốt thời gian dài chuẩn hóa vấn đề trở nên phức tạp vì chúng ta thấy rõ rằng làm việc trên cơ sở băng thông 64Kbps không đáp ứng được yêu cầu điều khiển đang ngày càng phát triển của hệ thống liên lạc Do đó bước tiếp theo là phát triển hệ thống truyền băng rộng Những hệ thống với băng thông hơn 2Mbps được biết đến như: hệ thống chuyển tiếp frame (Frame Relay), hệ thống mạng cho thành phố lớn (MAN: metropolital area network), mạng B-ISDN/ATM, kênh cáp quang (F) (Frame Relay, MAN: metropolital area network, B-ISDN/ATM, Fiber Channel…) Năm 1988 CCITT đã chọn ATM (Asynchronnous Tranfer Mode) là phương pháp truyền chính cho mạng B-ISDN Sự phát triển ATM và B-ISDN qua

2 năm đạt được nhiều hứa hẹn trong truyền thông, như vậy nó đã trở thành 1 dạng hiện tại để truyền thông tin trong thời gian tới

1.1.2 Băng thông trong thông tin liên lạc ngày nay:

Hàng chục năm, quá trình ứng dụng dữ liệu chủ yếu giữ trong dạng thông tin ký tự, chỉ mãi đến đầu những năm 90, khả năng ứng dụng đa phương tiện được đưa vào trong các hệ thống máy tính Thông tin bây giờ ở trong dạnh hình ảnh, văn bản, video và âm thanh, tiếng nói, tài liệu (cơ sở dữ liệu cho đa phương tiện) Thêm vào đó công nghệ thông tin mới được dùng vào thông tin liên lạc (như video hội nghị) Mạng phải đáp ứng những yêu cầu mới đó

1.1.2.1 Truyền tiếng nói:

Nếu sự truyền tiếng nói chỉ giới hạn ở băng tần 4KHz phù hợp với băng thông trong đường điện thoại (vì tiếng nói có tần số 200 – 3800Hz) Khi đổi sang tín hiệu số (PCM) băng thông yêu cầu truyền được với dung lượng 64Kbps Phù hợp với định luật lấy mẫu (fs > 2fmax) với fmax = 4000

Hz cần có 4000 * 2 = 8000 lần lấy mẫu trong 1 giây Ta dùng mã PCM với n=8 ta có được 256 giá trị biểu diễn Kết quả dòng các bit cần truyền sẽ là 8000 * 8 bit = 64Kbps

1.1.2.2 Truyền ký tự:

Trong các hệ thống máy vi tính, màn hình của nó biểu diễn 40 dòng và mỗi dòng có 80 ký tự Mỗi ký tự được mã hóa với 8 bits Như vậy toàn màn hình có 25,6Kbits dữ liệu Để truyền dữ liệu đó qua đường nối 9,6Kbps cần có 2,6 giây Tuy nhiên đó chỉ là trường hợp đặc biệt khi cần truyền toàn bộ màn hình Nếu như dữ liệu chỉ là 1 phần màn hình thì tốc độ chỉ cần 2,4Kbps đến 4,8Kbps là đủ

1.1.2.3 Liên mạng LANs:

Ứng dụng thông tin liên mạng trong những năm qua được tăng đáng kể, yêu cầu băng thông truyền để nối giữa 2 mạng LAN có thể rất lớn Sự đo đạt trên đường nối liên mạng cho thấy rằng tải của mạng tại lúc cao điểm có thể 25 lần lớn hơn so với thời điểm bình thường có tải thấp Trong nhiều trường hợp, tỉ lệ phần trăm của tổng lưu thông cần thiết trên đường nối liên mạng là 10% có nghĩa

là băng thông yêu cầu truyền khoảng 1-10Mbps, (nó phụ thuộc vào đồ hình của mạng: Ethernet, Token Ring hoặc FDDI) là đủ cho đường nối liên mạng.

1.1.2.4 Yêu cầu băng thông cho dịch vụ đa phương tiện:

Yêu cầu băng thông cho ứng dụng đa phương tiện ngày nay thay đổi trong khoảng 10Mbps đến 900Mbps (HDTV- High Definition Television - video)

Ở đây việc sử dụng quá trình nén và tối ưu hóa đóùng một vai trò quan trọng Ví dụ: để truyền tín hiệu video ta có thể thu nhỏ để chỉ truyền những phần thay đổi của ảnh mà thôi

Hình 1.5aHình 1.5b Thông tin liên lạc trong mạng LAN; sơ lược sự lưu thông.

Thông tin phục vụ Băng thông Loại ứng dụng

1.1.2.4.1 Truyền thông tin video:

Trên màn hình có khoảng 1 triệu phần tử (điểm) và với mỗi điểm thường dùng 3 bytes (24 bit) để biểu thị (trong trường hợp ảnh màu) Điều đó có nghĩa là cần truyền 24Mbit Dùng đường nối 64Kbps thì phải truyền trong 6 phút Nếu dùng đường nối có tốc độ 155Mbps thì chỉ tốn 0,15 giây

Hình 1.6 Sự phát hình và băng thông.

1.1.2.4.2 Truyền video:

Theo qui ước với màn hình 500 dòng có thể truyền với băng thông giữa 10 đến 90 Mbps, phụ thuộc vào giải thuật nén thông tin HDTV với màn hình 1000-1200 dòng thì yêu cầu 90 – 900Mbps Bảng sau cho ta quan hệ giữa băng thông yêu cầu và mục đích sử dụng

Thông tin phục vụ Băng thông Loại ứng dụng

- Hình ảnh: taking header cửa sổ

- Hình ảnh cửa sổ nhỏ, ảnh chất lượng cao.

Trong tương lai sự quyết định băng thông truyền là do những yêu cầu mức độ thời gian thực (real time) Hình vẽ 1-7 cho ta tốc độ truyền dữ liệu cho một hình ảnh động có thể biến đổi lớn

Hình 1.7 Tốc độ truyền theo tỉ lệ thay đổi của hình.

1.3 Những nhóm sử dụng mới:

Sự kết hợp của môi trường thông tin hiện đại với quá trình số hóa tạo ra một nhóm người sử dụng

mới cho quá trình dữ liệu và cũng tạo ra yêu cầu mới cho thông tin dữ liệu Trong lĩnh vực đào tạo và kinh doanh cũng làm tăng sự sử dụng thông tin đa phương tiện trên máy tính hiện nay

Ví dụ: "Tele-teamwork" cho 1 số người sử dụng nối mạng với nhau cùng đồng thời làm việc trên 1 văn bản thông qua terminal của họ hoặc trao đổi cùng một vấn đề Điều đó dẫn đến yêu cầu về giá thành hội nghị và lưu lại thời gian thông qua Đó là suy nghĩ ốt để có thể tham dự mà không cần rời khỏi bàn In từ xa, chữa bệnh từ xa và những bức fax màu chất lượng cao là những dạng khác

Hình 1.8 Những nhóm ứng dụng trong thông tin dữ liệu.

1.2 Thông tin - Mã hóa thông tin

Tất cả các thông tin đều ở trong dạng ký hiệu Ý nghĩa chính xác của các ký hiệu đó là cơ bản nhưng nó là phần thuần túy thỏa ước (quy ước) giữa bộ phận phát và bộ phận thu Mọi trường hợp trên thực tế, một thiết bị được đưa vào truyền tức là có sự liên hệ với những thiết bị khác; mặt khác sự thông báo trước hết cần thiết có là một tác động "vật lý" (ngay cả khi nó được thực hiện bằng phần mềm) Người ta đưa vào một bảng tương ứng để định nghĩa những ý nghĩa của ký hiệu (symbol) đó và gọi là mã Trong trường hợp chúng ta quan tâm, thông tin được phát và nhận qua một thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu ETTD (Equipement Terminal de Traitement de Données) và ta gọi là thiết bị đầu cuối (terminal), nó có thể là một máy tính hoặc một terminal thông minh, một terminal ở phần cuối mà không có chức năng xử lý Trong thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu, chúng ta chia chúng ra làm hai phần thực hiện các chức năng khác nhau: máy xử lý (thông thường nó là nguồn hoặc bộ phận thu dữ liệu) và bộ kiểm tra sự liên lạc (tổ hợp các bộ phận thực hiện chức năng liên lạc) Phần đặc biệt được thực hiện ở đây là sự bảo vệ chống sai số và sự tạo ra các ký tự phục vụ cho phép sự đối thoại giữa hai thiết bị đầu cuối Những thiết bị kiểm tra liên lạc có thể có hoặc không có bộ phận lọc (làm sạch thông tin) Nguyên lý của các terminal như chúng ta đã biết Thiết bị đầu cuối của mạch dữ liệu (ETCD) là thiết bị có nhiệm vụ đáp ứng những tín hiệu điện được cung cấp từ các thiết bị đầu cuối để truyền đi Chức năng đó thông thường được thực hiện bằng cách điều chế và giải điều chế một sóng mang trong hệ thống truyền có điều chế Người ta dùng một thiết bị đó là modem (modulation et demodulation) Thiết bị đầu cuối của mạch dữ liệu (ETCD) còn có chức năng thiết lập và giải phóng mạch

Hình 1.9 Mạch truyền dữ liệu từ A - B.

Hình 1.9 cho ta sự liên hệ tổng quát một mạch truyền số liệu từ terminal A (nguồn) đến terminal B (bộ thu) Sự truyền có thể thực hiện qua đường dây dẫn, sóng VTD, Viba, vệ tinh

Trong sự trao đổi thông tin giữa A và B, điều quan trọng là những ký hiệu được đọc và dịch thông qua một mạch điện tử và được biểu hiện với logic 2 trạng thái, gọi là nhị phân Thông tin này được giữ bằng những phần tử mang có 2 trạng thái: băng hoặc bìa đục lỗ thì biểu hiện trạng thái có hay không có, còn trong phần tử nhớ là một mạch dao động 2 trạng thái Thông thường ta biểu diễn nó bằng phần tử 2 trạng thái 0 hoặc 1 và mỗi cột nó được gọi là bit (một cột nhị phân) Như vậy để truyền thông tin từ A sang B ta truyền các phần tử nhị phân nhờ kỹ thuật mã

1.2.1 Mã và bảng chữ

Người ta định nghĩa: mã là luật để nhận biết thông tin cần phải biểu diễn với dạng tồn tại nhị phân Mỗi một thông tin tương ứng với chỉ một dạng nhị phân, (nếu như tất cả các cấu hình (dạng) mà mã cung cấp không được sử dụng hết người ta gọi mã đó là dư Sự mã hóa là thao tác để thực hiện sự tương thích đó

• Nếu người ta bắt buộc phải chuyển từ một loại mã này sang một loại mã khác cho một thông tin nào đó, người ta gọi thao tác đó là: chuyển mã Thường người ta không muốn làm việc này nhưng phải làm trong trường hợp phải chuyển phần tử mang (ví dụ từ băng đục lỗ sang băng từ, từ đĩa lên bìa )

• Độ dài của mã phụ thuộc vào giá trị số cột nhị phân của ký tự mà ta muốn biểu diễn Ta biết rằng với hai phần tử nhị phân ta có thể nhận được 4 tổ hợp (00, 01, 10, 11) ứng với mã có 4 ký hiệu Tổng quát nếu có n cột nhị phân ta có thể biểu diễn 2n ký hiệu

• Để biểu diễn cho mã có N ký hiệu ta cần có n bit sao cho: 2n-1 < N £ 2n Hầu hết các mã hiện nay dùng đều có giá trị n trong khoảng 5 đến 8

• Những thông tin cần được truyền đã được mã hóa trên thực tế là một tập hợp các phần tử như thế mà ta gọi là ký tự (hay tổ hợp các phần tử) Nó gồm có:

• chữ số của hệ đếm 10

• chữ cái của bảng chữ (nếu dùng chữ in và chữ thường ta có 52)

• một số ký hiệu chỉ ra các thao tác cần thực hiện (+, *, ?, / $ )

• một tập hợp các ký tự điều khiển

• Tập hợp các ký tự cần biểu diễn: { C1, Ci, .CN } tạo thành bảng chữ

• Sự biểu diễn nhị phân các ký tự đó (d1

i dn

i) Ỵ {0,1} của ký tự Ci gọi là một từ mã Tập các từ mã gọi là bảng mã

Có rất nhiều cách để định nghĩa một mã, một tổ hợp của n bit thành một ký tự dữ liệu về nguyên tắc hoàn toàn không có gì khác nhau Người ta tạo cho nó một quy luật đơn giản dựa theo những tiêu chuẩn sau:

• Mã cần phải tận dụng mọi khả năng của n cột Có nghĩa là 2n không nên quá lớn so với giá trị N đã có

• Sự biểu diễn cần đạt được khi biểu diễn số trong hệ thập phân đơn giản, có thể dễ nhận biết và có thể xử lý toán học được

• Sự biểu diễn các chữ cần phải thuận tiện để ta làm các phép sắp xếp

• Mã được sử dụng cần phải trong suốt Mặc dù mã được định nghĩa cho phép ta dùng từng nhóm n bit để biểu diễn các ký tự, nhưng người ta còn mong muốn khác là sử dụng từng

phần, nhận biết từng phần để sử dụng trong phương pháp dấu phẩy động, trong chương trình dùng ngôn ngữ máy v.v

• Người ta cũng mong muốn mã bảo vệ thông tin từng bước truyền đi cho phép bảo vệ hoặc sửa sai

Chúng ta chỉ xét trong một số các ví dụ với các mã thường được sử dụng Chúng ta có thể tìm được trong những sách chuyên môn nhiều sự phát triển và giới thiệu nhiều loại mã tồn tại trong máy Ở đây ta chỉ giới thiệu một số loại mã thường hay gặp mà thôi

"số" các mã biểu diễn là số Như vậy với 5 cột biểu diễn ta có được 30 x 2 = 60 tổ hợp

Bảng 1.1 cho ta luật của mã Quy luật chủ yếu của mã này được xây dựng trên cơ sở tần số xuất hiện của các ký tự mà không theo nguyên tắc nào cả Do đó nó không theo thứ tự tăng giảm của giá trị các cột nhị phân và cũng không thuận tiện khi sử dụng

12 L ) 0 1 0 0 1

13 M . 0 0 1 1 1

14 N , 0 0 1 1 0

15 O 9 0 0 0 1 1

16 P 0 0 1 1 0 1

17 Q 1 1 1 1 0 1

18 R 4 0 1 0 1 0

19 S " 1 0 1 0 0

20 T 5 0 0 0 0 1

21 U 7 1 1 1 0 0

22 V = 0 1 1 1 1

Bảng 1.1 Bảng mã Baudot

Mã BCD (Decimal Codé Binaire)

Như ta thấy ở trên, mã Baudot được sử dụng 5 cột để biểu diễn, do không đủ tổ hợp nên người ta phải dùng 2 ký tự để thay đổi chữ và số Trong khi truyền nếu sự thay đổi giữa chữ và số không nhiều thì hiệu quả trong khi truyền tốt hơn, nhưng dù sao nó cũng còn những nhược điểm như đã nói

Người ta dùng 6 cột (6 bit) để biểu diễn mã BCD là một trong những mã đó Trong mã BCD người

ta dùng 6 cột để biểu diễn mã và một cột để kiểm tra

Dựa vào hệ thống mã, tất cả các ký tự đều có 6 cột và đương nhiên nó có một số chẳn hoặc lẻ cột có giá trị "1" và do đó theo quy định ta có thể tìm được sai của mã Tất cả các ký tự của mã đều có dạng sau:

Bit kiểm tra Vị trí vùng Vị trí số

Giữa 26 = 64 tổ hợp có thể được, người ta dùng 10 giá trị đầu để biểu diễn 10 số theo quy luật tự nhiên, điều đó có nghĩa là dùng 4 cột còn A và B bằng 0

Bảng 1.3 đã cho ta toàn bộ 64 tổ hợp của mã; bit C dễ dàng tính được (thường gọi là bit chẳn lẻ)

Ví dụ: với qui ước kiểm tra chẵn

c = 0 với ký tự b ® 000110: Số bit 1 trong ký tự là 2 ® chẳn

c = 1 với ký tự A ® 110001: Số bit 1 trong ký tự là 3 ® lẻ

Mã này được sử dụng nhiều trong các máy tính ở thế hệ thứ 2

Sự không đầy đủ của loại mã 6 cột làm cho người ta nghĩ đến loại mã giàu hơn có thể biểu diễn được những ký tự cần thiết như: ký tự điều khiển hoặc chữ lớn, chữ nhỏ chẳng hạn.

Năm 1963, phương án đầu tiên được đưa ra từ Mỹ và người ta nhận biết với tên ASCII (American Standard Code for Information Interchange) Tổ chức tiêu chuẩn thế giới chấp nhận loại mã này và cho phép sử dụng rộng rãi và gọi là mã no5 của CCITT

Mã ASCII sử dụng 7 cột (7 bit) có thể biểu diễn 128 ký tự Tất nhiên nó gồm thêm một cột để kiểm tra chẳn lẻ Bảng 1.3 chỉ cho ta các tổ hợp của mã ASCII

Người ta dùng 2 cột đầu tiên để mã hóa những ký tự điều khiển Ý nghĩa của các ký tự điều khiển được ta sẽ làm quen sau

0 NUL DLE DS blanc & - 0

Bảng 1.4 Mã EBCDIC

Cho dù trong khi truyền ta dùng loại mã nào, truyền đồng bộ hay không đồng bộ, thông tin truyền trên đường dây phải tuân theo những quy luật sau:

• Các bit của nó phải được truyền liên tiếp theo thứ tự tăng dần (có nghĩa là theo thứ tự b1, b2,

b3 ) như mã CCITT đã viết Chú ý rằng khi viết các ký tự bao giờ cũng ngược lại từ lớn đến nhỏ (bn b1)

• Bit kiểm tra là bit thứ 8 của tổ hợp Có nghĩa là bit kiểm tra được truyền sau cùng

• Những ký tự được truyền theo Start - Stop hoặc theo cách ngắt quảng cần phải có thêm tín hiệu Start ở đầu và tín hiệu Stop ở cuối Độ dài của Start là 1 bit, độ dài của Stop thông

thường là 1 bit (có khi là 2 bit hoặc 1,5 bit tùy trường hợp quy định cụ thể).

• Bit kiểm tra có thể chẳn và lẻ, thông thường người ta hay dùng kiểm tra chẳn cho những phép truyền không đồng bộ, nhất là cho các trường hợp bìa đục lỗ Kiểm tra lẻ dùng cho truyền đồng bộ

1.3 Cách truyền

Giả sử rằng terminal nguồn A cần chuyển sang terminal nguồn B một tập hợp các ký tự

{ , Ci, Ci-1, }

Mỗi một ký tự Ci được tạo thành do n cột nhị phân dưới dạng mã: Ci = (di, din) Ỵ {0,1}

Sau khi chuyển các ký tự dạng song song sang dạng nối tiếp ta có: … di-1, di, di+1 …

Các ký tự sẽ là: … Ci-1 Ci Ci+1 …

Nếu biểu diễn bằng tín hiệu điện dạng nhị phân ta có dạng:

Hình 1.10 Dãy dữ liệu dạng nhị phân.

Tín hiệu biểu diễn dạng nhị phân ta gọi là thông báo dữ liệu và ký hiệu d(t)

Nếu ta truyền dãy dữ liệu, các ký tự được truyền liên tiếp nhau không có start và stop gọi là truyền đồng bộ

Hình 1.11 Tín hiệu đồng bộ.

Khi truyền đồng bộ để nhận biết giá trị các thời điểm là 0 hay 1 cần phải có tín hiệu clock gọi là tín hiệu đồng bộ Tín hiệu đồng bộ cũng có chu kỳ là T

Mỗi giây nguồn sẽ cung cấp 1/T bit

Dãy như vậy người ta gọi là dãy đồng bộ

Đồng thời ta cũng có thể cung cấp dãy tín hiệu trong dạng khác Người ta phát từ nguồn từng ký hiệu riêng lẽ, cách biệt nhau Cách phát như vậy người ta gọi là không đồng bộ để phân biệt giữa các ký tự, thông thường người ta thêm tín hiệu đầu và cuối ký tự Tín hiệu khởi đầu gọi là tín hiệu Start độ dài của Start là 1 bit của ký tự Tín hiệu cuối cùng của ký tự là Stop Độ dài của Stop là 1; 1,5; 1 bit tùy trường hợp quy định cụ thể

Hình 1.12 Thông báo dữ liệu không đồng bộ.

Ta giả thiết có 2 terminal A và B đồng thời có thể là nguồn hoặc thu Mạch dữ liệu A-B là tổ hợp của các cách cho phép trao đổi thông báo dữ liệu giữa 2 terminal Mạch như vậy bao gồm cả các đường vận chuyển và các mạch đầu cuối (modem)

Trong khi truyền dữ liệu người ta chia đường truyền thành 2 loại: đường truyền nguyên lý (đường truyền chính) và đường truyền thứ cấp (đường truyền phụ) Thông thường đường truyền chính có lưu lượng thông tin lớn gấp nhiều lần đường truyền thứ cấp.

Dựa vào cách cho phép truyền, người ta chia mạch dữ liệu thành 3 loại:

• Mạch một chiều - mạch đơn giản

Trong mạch một chiều đơn giản thông tin chỉ có thể truyền từ nguồn sang thiết bị thu mà chiều ngược lại không thể thực hiện được Dữ liệu được truyền từ CPU sang máy in là ví dụ điển hình

• Mạch 2 chiều ngắt quảng - semiduplex (half duplex)

Trong mạch 2 chiều ngắt quảng dữ liệu từ hai thiết bị đầu cuối có thể truyền cho nhau nhưng không đồng thời Có nghĩa là nếu A truyền sang B thì B nhận mà không được phát và ngược lại

• Mạch 2 chiều hoàn toàn - full duplex

Với mạch hai chiều toàn phần thì A và B đều đồng thời có thể phát và thu để thực hiện được điều đó yêu cầu thiết bị phải phức tạp hơn

Hình 1.13 Các cách truyền:

a - Mạch 1 chiều (đơn giản)

b - Mạch 2 chiều gián đoạn (half duplex)

c - Mạch 2 chiều (duplex)

A Đồng bộ

Vấn đề đồng bộ là vấn đề quan trọng đảm bảo cho ta truyền và nhận đúng thông tin cần thiết Dù là truyền đồng bộ hay không đồng bộ cũng cần phải có sự đồng bộ khi nhận thông tin

Với mạch truyền đồng bộ : mạch clock luôn có với sự tồn tại với chu kỳ T

Với mạch không đồng bộ sự đồng bộ được thực hiện nhờ tín hiệu Start của đầu từng ký tự và tín hiệu Stop ở cuối ký tự Sự đồng bộ các bit được thực hiện nhờ clock địa phương có cùng tần số gốc.Trong bộ thu tín hiệu START báo hiệu sự bắt đầu của ký tự và cho phép những mẫu của tín hiệu nhị phân trong ký tự

B Lưu lượng nhị phân, tốc độ điều chế, nhịp độ truyền

Với sự truyền đồng bộ, lưu lượng nhị phân D của một đường dữ liệu là số lượng cực đại ký hiệu nhị phân di chuyển qua đường truyền trong 1 giây

Với sự truyền không đồng bộ, người ta dùng đại lượng: tốc độ điều chế, biểu diễn bằng Bauds và ký hiệu R Nếu D là độ dài biểu diễn theo thời gian độ rộng 1 bit thông tin

Giữa nguồn và bộ phận thu, lưu lượng thông tin có thể biểu diễn bằng ký tự/giây cho máy in, băng đục lỗ , số lượng ký tự/phút cho máy đọc bìa: dòng/phút cho máy in nhanh

C Chất lượng của sự truyền

Trong trường hợp lý tưởng một tín hiệu truyền hoàn hảo, tín hiệu của ETCD ở bộ thu nhận được hoàn toàn như nhứ từ terminal nguồn Trên thực tế điều kiện lý tưởng đó khó đạt được vì vậy cần phải đo chất lượng của sự truyền số liệu Có nhiều chỉ tiêu để đánh giá nó:

• Chỉ số sai: trên bit của ký tự là chất lượng của sự truyền đồng bộ đó là số lượng các bit sai trong khoảng thời gian nhất định biểu diễn bằng số bit nhận được Để đặc trưng thời gian đo cần đủ lớn - cho nhiều lần đo - theo quy định của CCITT, thời gian là 15 phút

Trong trường hợp đó, người ta có thể định nghĩa chỉ số sai trên một ký tự hoặc một khối Sự tương đối giữa việc phân chia các khối lớn hay nhỏ CCITT quy định một khối là 511 bit.Chỉ số sai được biến đổi trong khoảng từ 10-4 đến 10-7 tùy theo đường dây và lưu lượng truyền v.v

Trong các hệ thống truyền có bảo vệ và sửa sai chỉ số sai được tính bằng các bit không được sửa trong suốt cả thời gian

Do đó, chỉ số sai được dùng trong hệ thống truyền không đồng bộ với điều kiện tác dụng đó với một tín hiệu chuẩn đồng bộ

• Độ sai nhị phân: đặc trưng cho sai số tương đối đến sự truyền 0 - 1 và 1 - 0 có tác dụng trong thời gian khác nhau Nếu to và t1 là đại lượng trung bình của khoảng thời gian đó T là chu kỳ bé nhất giữa 2 sự di chuyển (trên thực tế là độ dài 1 bit) Độ sai nhị phân được biểu hiện:

Thông thường người ta sử dụng số bit sai trong một đơn vị thời gian để đánh giá đường truyền

Chương II

TÍN HIỆU - ĐƯỜNG TRUYỀN

2.1 Những khái niệm chung về tín hiệu - đường truyền

Dữ liệu được truyền giữa thiết bị phát và thiết bị thu thông qua môi trường truyền Môi trường truyền có thể truyền dẫn định hướng hoặc không định hướng Trong cả 2 trường hợp sự liên lạc đều dùng sóng điện từ Trong trường hợp truyền có định hướng (có dây dẫn) sóng điện từ sẽ theo một con đường vật lý như: đôi dây song hành, cáp đồng trục, sợi quang Trường hợp truyền không định hướng có nghĩa là sóng điện từ không theo vật dẫn nào: ví dụ như sóng

điện từ truyền lan trong không khí, trong chân không hoặc qua nước biển.

Trong khi xét việc truyền tín hiệu ta sẽ sử dụng khái niệm sau: đường dây nối trực tiếp (direct line)

Đường nối trực tiếp được dùng cho đường truyền giữa hai thiết bị truyền mà trong đó tín hiệu được truyền lan trực tiếp từ bộ phát đến bộ thu không qua thiết bị trung gian nào trừ những bộ khuếch đại hoặc repeater dùng để tăng độ mạnh của tín hiệu Chú ý rằng khái niệm này được dùng cho cả môi trường dẫn định hướng và không định hướng

Các khái niệm: điểm - điểm, nhiều điểm, đường truyền đơn giản (simplex), gián đoạn toàn phần (half duplex), toàn phần (duplex) đã được định nghĩa trong chương I

Hình 2.1 Đường nối trực tiếp.

Tín hiệu được phát từ bộ phận phát và truyền qua môi trường truyền dẫn để đến bộ phận thu Tín hiệu là một hàm của thời gian nhưng nó cũng có thể biểu diễn là một hàm của tần số, có nghĩa là tín hiệu bao gồm nhiều thành phần tần số khác nhau Người ta có thể khảo sát tín hiệu theo quan điểm thời gian và cũng có thể khảo sát theo quan điểm tần số

Theo quan điểm thời gian: tín hiệu có thể chia làm 2 loại: tín hiệu liên tục và tín hiệu gián đoạn (rời rạc)

Một tín hiệu là liên tục nếu: với tất cả giá trị a Nếu điều kiện trên

không đảm bảo (có nghĩa là chỉ thỏa mãn với một số hữu hạn giá trị a) ta gọi nó là tín hiệu rời rạc Hình 2.2 chỉ cho ta 2 loại tín hiệu đó

Hình 2.2a Tín hiệu liên tục.

Hình 2.2b Tín hiệu liên tục.

Hình 2.2 Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc.

Một tín hiệu s(t) được gọi là tuần hoàn khi và chỉ khi:

s(t + T) = s(t) ¥ < t < +¥

Ở đây T ta gọi là chu kỳ của tín hiệu Nếu không thỏa mãn điều kiện trên thì tín hiệu đó không phải là tín hiệu tuần hoàn

Hình 2.3 chỉ cho ta 2 loại tín hiệu tuần hoàn: tín hiệu hình sin và xung vuông

Hình 2.3a Sóng Sin.

Hình 2.3b Sóng Vuông.

Hình 2.3 Tín hiệu có chu kỳ.

Một tín hiệu điều hòa có 3 tham số đặc trưng: biên độ (A), tần số (f) và góc pha (q)

Biên độ là giá trị tức thời của tín hiệu tại thời gian nào đó Chúng ta thường khảo sát là tín hiệu điện hoặc điện từ nên biên độ thường được tính là volt (v)

Tần số là số chu kỳ của tín hiệu xảy ra trong 1 giây Nó là giá trị đảo của chu kỳ T Người ta tính theo đơn vị Hz.

Pha: giá trị đo vị trí tương đối theo thời gian trong của chu kỳ tín hiệu Một chu kỳ tín hiệu có 2p radians = 360o

Ta có thể biểu diễn tín hiệu sin trong dạng:

s(t) = Asin(2p f - t + q)

A giá trị biên độ cực đại, f tần số, q góc pha

Với tín hiệu ở hình 2.3 ta có thể biểu diễn:

hoặc

Theo quan điểm tần số: Phần trên ta đã xem tín hiệu là một hàm của thời gian Chúng ta cũng có thể xem tín hiệu là một hàm tần số Như hình 2.4 đã chỉ ra, ta có 3 tín hiệu với 3 tần số f, 3f và 5f Ta có thể tạo thành tín hiệu cho hàm:

Hình 2.4a Tín hiệu thành phần

Hình 2.4b Tín hiệu thành phần

Hình 2.4c Tín hiệu thành phần

Hình 2.4d Tín hiệu

Hình 2.4 Tín hiệu có 3 thành phần tần số và s(f).

Và chúng ta đã biết với bất kỳ tín hiệu nào cũng bao gồm nhiều tín hiệu thành phần hình sin có tần số thay đổi Như vậy mỗi tín hiệu ta có thể biểu diễn theo thời gian s(t) và cũng có thể biểu diễn theo tần số s(f) Cho tín hiệu ở hình 2.4 ta có thể biểu diễn s(f) như hình 2.5:

Hình 2.5 Phổ của tín hiệu liên tục.

Ta thấy rằng s(f) là một hàm rời rạc

Đối với tín hiệu xung vuông được xác định trong khoảng đến ta có biểu diễn S(f) của nó như hình 2.6 Ta thấy rằng S(f) là một hàm liên tục khi f ® ¥

Các cách biểu diễn các hàm S(f) cho tín hiệu theo tần số như vậy người ta gọi là biểu diễn phổ của tín hiệu Khi hàm S(f) biểu diễn rời rạc ta gọi là phổ vạch Khi s(f) là hàm liên tục ta gọi tín hiệu đó có phổ đặc

Hình 2.6 Phổ của xung vuông.

Dãy tần số chứa phổ của tín hiệu ta gọi là băng thông của tín hiệu đó Trong hình 2.4 băng thông của tín hiệu trải dài từ f1 đến 5f1 , vậy độ rộng băng thông của nó là 4f1 Nhiều tín hiệu có băng thông không giới hạn (như hình 2.6) Tuy nhiên năng lượng của tín hiệu tập trung ở dãy băng tương đối hẹp Người ta gọi đó là băng thông hiệu quả và sau này cũng coi đó như băng thông Điều cuối cùng cần nói là các thành phần của tín hiệu Nếu tín hiệu có thành phần một chiều thì phổ của thành phần một chiều ở góc tọa độ (f=0)

Tương quan giữa tốc độ truyền và băng thông Như ta đã biết với mỗi phần tử mạng ta sử dụng trong khi truyền nó chỉ cho phép một băng thông giới hạn về tần số

Trong trường hợp ta truyền trên nó các xung vuông với các giá trị 1 là xung dương và giá trị 0 là xung âm thì dạng sóng cho dãy 1010 tạo cho ta tần số lớn nhất, độ dài của một xung là

như vậy tốc độ truyền sẽ là 2f.bps

Ta có thể biểu diễn dạng sóng theo tần số:

Như vậy dạng sóng này không có giới hạn về tần số thành phần và đương nhiên băng thông

cũng không giới hạn Tuy nhiên biên độ các xung thành phần thứ k chỉ là như vậy năng lượng chỉ tập trung ở một số các thành phần ban đầu Nhưng giới hạn của các tần số thành phần ban đầu là bao nhiêu?

Người ta đã chứng minh được rằng: nếu tốc độ truyền là w bps thì băng thông yêu cầu là 2w

Hz Ví dụ cần truyền với tốc độ là 2.000 bps thì băng thông cần là 4.000 Hz

Trong các hệ thống liên lạc ta thấy các tín hiệu khi nhận được có sự khác biệt với tín hiệu khi phát Đối với tín hiệu liên tục (analog) sự suy yếu đó dẫn đến giảm chất lượng của tín hiệu, với tín hiệu số, dẫn đến làm sai số về bit Một bit có giá trị 1 có thể trở thành bit giá trị 0 và

ngược lại Một tín hiệu trên đường truyền sẽ chịu các ảnh hưởng sau:

• Bị suy giảm và dẫn đến méo dạng

• Bị làm chậm

• Bị nhiễu

a Sự làm suy giảm và méo dạng Khi truyền trong môi trường, công suất của tín hiệu sẽ suy giảm Đối với môi trường định hướng sự suy giảm đó thông thường theo logarit, thông thường nó là giá trị cố định theo khoảng cách Đối với môi trường không định hướng sự suy giảm đó

là một hàm phức tạp phụ thuộc vào khoảng cách và áp suất không khí Sự suy giảm sẽ dẫn đến:

• Tín hiệu thu được không đủ mạnh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu ở bộ phận thu

• Tín hiệu thu được không đủ lớn để bảo đảm tỉ số (tỉ số tín hiệu trên tạp âm) dễ sinh

ra sai số

Sự suy giảm sẽ là hàm của tần số

Với 2 ảnh hưởng trên ta có thể dùng bộ khuếch đại hoặc các bộ lặp lại tín hiệu (repeater) để khắc phục ảnh hưởng và ta thấy rất rõ trong trường hợp tín hiệu analog Do sự suy giảm là hàm của tần số nên tín hiệu thu được sẽ khác nhiều với tín hiệu phát Hình vẽ cho ta thấy sư suy giảm của tín hiệu âm tần là hàm theo tần số trên đường dây leased line Ở đó cho ta sự so sánh tín hiệu đó so với tín hiệu 1.000 Hz

Hình 2.7 Sự suy giảm tín hiệu âm tần theo tần số.

b Sự làm trễ tín hiệu Tín hiệu truyền lan trên môi trường dẫn bao giờ cũng bị làm trễ Đối với một tín hiệu có băng thông giới hạn, sự làm trễ phụ thuộc vào tần số của tín hiệu Với tín hiệu có tần số khác nhau nó sẽ đến bộ thu thời gian khác nhau Hiện tượng đó ta gọi là tín hiệu bị làm chậm trên đường truyền, đặc biệt với tín hiệu số hiện tượng làm trễ càng rõ ràng hơn Hình 2.8 cho ta giá trị làm trễ tương quan với tần số

Hình 2.8 Sự làm trễ tín hiệu.

c Nhiễu Khi truyền, thông thường tín hiệu nhận được ở bộ thu bao giờ cũng bao gồm tín hiệu phát và một tín hiệu ta không hề mong muốn được thêm vào giữa bộ phát và bộ thu Tín hiệu

ta không mong muốn đó gọi là nhiễu Nhiễu sẽ làm hạn chế kết quả hệ thống liên lạc của ta Nhiễu thường được chia làm 4 loại sau:

• Nhiễu nhiệt độ

• Tạp âm nội bộ

• Xuyên âm

• Nhiễu xung

Nhiễu nhiệt độ tạo ra do sự vận chuyển điện tử trong vật liệu, nó tồn tại trong tấr cả các thiết

bị điện tử, trong môi trường và nó là hàm của nhiệt độ Nhiễu nhiệt có ảnh hưởng trên tất cả dãy tần phổ nên có tên gọi là nhiễu trắng

Nhiễu nhiệt độ không thể tránh được Nó được tính:

No = kT

No : độ nhạy nguồn nhiễu

K : Hằng số Boltzman = 1,3803 x 10-23 J/k

T : Nhiệt độ Kelvin

Nhiễu cũng không phụ thuộc vào tần số Do đó nó được tính bằng watt trong toàn băng thông w.

N = kTW

hoặc tính bằng decibel - watts

N = 10logk + 10 log T + 10logW

Hình 2.9 Ảnh hưởng nhiễu trên tín hiệu số.

Nhiễu xuyên âm Nhiễu xuyên âm là nhiễu ta không mong muốn trong khi truyền Ví dụ trong hệ thống điện thoại ta có thể nghe được cuộc nói chuyện của người khác Nó sinh ra do sự ghép điện từ giữa các cặp đường dây song hành, hay trong cáp đồng trục đồng thời truyền nhiều kênh, cũng có khi do các ăng ten vi ba tạo ra các búp sóng định hướng

Nhiễu xung Nhiễu xung là loại nhiễu không liên tục, không quy luật nhiều khi nó là những đột biến biên độ lớn, trong thời gian nhỏ Nhiễu sinh ra do nhiều nguyên nhân khác nhau như đột biến điện từ trường, ánh sáng, tắt bật hệ thống máy

Tuy nhiên, nhiễu xung là nguyên nhân trước tiên gây sai số trong khi truyền tín hiệu số

Hình vẽ 2.9 cho ta ví dụ cách nhìn tổng quan vì ảnh hưởng của nhiễu đến tín hiệu truyền

Môi trường truyền là con đường vật lý nối giữa thiết bị phát và thiết bị thu trong hệ thống truyền dữ liệu Những đặc tính và chất lượng của dữ liệu truyền được quyết định bởi tính chất tín hiệu và môi trường truyền Trong trường hợp sử dụng môi trường truyền định hướng, bản thân môi trường truyền là nhân tố quan trọng quyết định giới hạn sự truyền Bảng 2.1 cho ta đặc tính cơ bản tốc độ truyền, băng thông và khoảng cách tối đa yêu cầu lặp lại với tín hiệu số cho các môi trường truyền định hướng

Môi trường truyền Tốc độ truyền Băng thông Khoảng cách cần lặp lại

Cáp đồng trục

Bảng 2.1 Đặc tính đường truyền với môi trường định hướng điểm-điểm

Với môi trường truyền không định hướng, phổ và băng tần số của tín hiệu do ăng ten phát quan trọng hơn môi trường truyền Như ta đã biết, tần số trung tâm của tín hiệu là yếu tố tạo ra băng thông và tốc độ truyền Mặt khác khi dùng ăng ten truyền tín hiệu phụ thuộc vào hướng của ăng ten Thường tần số thấp được bức xạ về mọi hướng của ăng ten, còn tần số cao là yếu tố định hướng chùm tia về hướng cần thiết Trong môi trường không định hướng, sóng vi ba có phạm vi từ 2 - 40 Ghz, như vậy nó có khả năng định hướng chùm tia, và ta thường dùng cho điểm - điểm

Người ta chia khoảng tần số 30 MHz - 1 GHz cho radio và các dãy tần số khác như hình vẽ

Hình 2.10 Phổ phân bố trường điện từ.

a Đường dây song hành (Twisted Pair)

Miêu tả vật lý

Đường dây song hành gồm có 2 sợi đặt song hành Cặp dây đó là đường liên lạc đơn Thường nhiều cặp dây như vậy được đặt chung trong một cáp có vỏ bọc Những cáp dài, có thể chứa hàng trăm cặp Các cặp dây được cách ly để tránh ảnh hưởng điện từ với nhau Lõi dây

64 Kbps Những vùng nối nội bộ thường thông qua một modem với tốc độ truyền 9600 bps.Tuy nhiên cặp dây song hành cũng được dùng cho các đường trung kế có khoảng cách xa và tốc độ truyền có thể đến 4 Mbps

Cặp dây song hành cũng được dùng cho mạng máy tính cục bộ trong một dãy nhà vì giá thành rẽ

Đặc tính truyền

Cặp dây song hành được sử dụng truyền tín hiệu analog cũng như tín hiệu số (digital) Với tín hiệu analog thường được dùng ở khoảng 5 - 6 Km Còn với tín hiệu số nó yều cầu khoảng 2 - 3

Km phải có repeater.

Hình 2.11 Sự suy giảm của môi trường truyền định hướng.

Hình 2.11 cho ta thấy sự suy giảm tín hiệu trên đường dây song hành rất mạnh theo tần số Với cặp dây song hành dễ bị nhiễu vì dễ bị ành hưởng điện từ trường Ví dụ nếu đường dây đặt song song với đường dây nguồn một chiều nó có thể tạo ra đỉnh nhiễu 60Hz Nhiễu xung cũng dễ sinh ra trong cặp dây song hành

Khi dùng để truyền tiếng nói trong mạch điểm - điểm với băng thông đến 250 Khz đường dây sẽ tạo suy giảm khoảng 1dB/1Km Ta biết trong hệ thống tiếng nói độ suy giảm cho phép 6 dB như vậy đường dây 6 Km là khoảng cách tối đa được dùng

Hình 2.12 Quan hệ giữa tốc độ truyền và độ dài của cặp dây song hành dùng RS422.

Trong mạch truyền tín hiệu số điểm - điểm có thể truyền đến hàng Mbps và hình 2.12 cho ta quan hệ giữa tốc độ truyền và khoảng cách Khi ta dùng mạch cân bằng với RS422

b Cáp đồng trục

Mô tả vật lý

Cũng như cặp dây song hành, cáp đồng trục gồm có 2 phần nhưng nó cấu trúc khác hơn để cho phép làm việc với dãy tần số rộng hơn

Hình 2.13 Cấu tạo cáp đồng trục.

Như hình vẽ đã chỉ, cáp bao gồm ống trục bên ngoài và một dây dẫn bên trong Giữa trục lõi và ống bên ngoài được đặt 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 - 1 inche

Ứng dụng

Cáp đồng trục được dùng tương đối rộng rãi Thường là:

• Đường truyền điện thoại với khoảng cách xa, đường truyền tivi

• Đường tivi cáp

• Mạng cục bộ (LAN)

• Đường nối hệ thống

Trong các hệ thống điện thoại, cáp đồng trục là phần tử quan trọng để nối trong khoảng cách

xa, qua nó dễ dàng nối đến cáp quang, mạng viba và mạng vệ tinh Nếu dùng cáp đồng trục cho các bộ phân đường tần số (FDM) nó có thể truyền trên 10.000 kênh tiếng nói đồng thời Nó cũng được sử dụng cho tín hiệu tivi ở khoảng cách xa

Trong hệ thống tivi cáp, nó được nối sau khi tín hiệu được thu vào ăng ten nối đến các nhà như là đường điện thoại Cáp có thể cho hàng chục tivi và khoảng cách đến hàng chục Km.Trong mạng cục bộ (LAN) nó có thể dùng để nối với số lượng máy lớn trong phạm vi tòa nhà.Và cuối cùng nó dùng để nối trong khoảng cách ngắn giữa các thiết bị sử dụng cho tín hiệu analog hoặc tín hiệu số

Hình 2.14b Sự phụ thuộc S/N vào khoảng cách của cáp đồng trục.

c Sợi quang

Mô tả vật lý

Sợi quang có độ mỏng khoảng 2 - 125 mm là môi trường dẫn ánh sáng Người ta dùng thủy tinh và chất dẻo (nhựa) để tạo thành sợi quang, sợi tinh khiết khó chế tạo thủ công Sợi quang được dùng do tính kinh tế và hiệu quả cao

Một cáp quang có trục nhỏ bao gồm 3 phần: lõi, lớp bảo vệ và vỏ áo ngoài Lõi là phần quan trọng trong cùng, nó gồm một hoặc nhiều sợi nhỏ xoắn lại hoặc sợi làm bằng thủy tinh hoặc chất dẽo Mỗi sợi được bọc bởi lớp áo bảo vệ Phần cuối cùng bên ngoài được bọc bời một hay nhiều lớp bảo vệ Lớp bảo vệ ngoài là chất dẽo hoặc các vật liệu chống ẩm, va chạm, mài mòn và những ảnh hưởng của môi trường

Với dãy tần rộng lớn của sợi quang, tốc độ dữ liệu » 2 Gbps trên đoạn đường hàng chục

Km đã chứng minh tính ưu việt của nó so với cáp đồng trục và dây song hành

song hành, điều đó rất thuận tiện khi sử dụng trong nhà Trọng lượng nhỏ cũng là điều yêu cầu khi sử dụng

cặp dây song hành và nó là hằng số với khoảng cách xa

nhiễu xuyên âm, nhiễu xung

Đó là ưu điểm rất lớn của sợi quang Hãng Standard Electrik Lorenz AG của đức đã từng thiết lập hệ thống truyền với tốc độ 5 Gbps trong khoảng cách 111 km không cần repeater Điều đó không thể có với cáp đồng trục và cặp dây song hành.

Ta có 5 phạm vi ứng dụng quan trọng của sợi quang:

• Đường nối xa

• Đường nối trong thành phố

• Đường nối tổng đài nông thôn

• Vòng lập địa phương

• LAN

Đường nối xa: Sợi quang để nối những đường điện thoại có khoảng cách lớn hơn 1500 km

hoặc là có dung lượng lớn (thường 20.000 đến 60.000 kênh tiếng nói) Hệ thống như vậy sẽ rẻ hơn khi dùng sóng vi ba hoặc đường cáp đồng trục

Đường nối trong thành phố: thường có khoảng cách 7 - 8 miles và có thể có đến 100.000

kênh thoại Thuận tiện nhất người ta chôn nó xuống đất vá không sử dụng repeater để nối các tổng đài trong thành phố hoặc trong vùng phụ cận

Đường nối nông thôn: thường có khoảng cách từ 25 - 100 miles, nó cũng thường nối nhiều

tổng đài của nhiều hãng khác nhau Hầu hết các hệ thống được dùng ở đây có đến hơn 5000 đường thoại Nếu dùng cáp quang thì dễ dàng hơn vi ba

Mạch nối vòng lập: được nối trực tiếp từ một tổng đài đến các thuê bao Thường người ta

dùng đường dây song hành hoặc tốt hơn thì dùng đường nối các đồng trục

LAN: Cuối cùng là ứng dụng của sợi quang trong LAN Sợi quang có thể dùng để truyền với tốt

độ hàng trăm Mbps và liên kết hàng ngàn máy trong nhiều tòa nhà

Đặc tính truyền

Sợi quang truyền tia ánh sáng tín hiệu mã được phản xạ bên trong hoàn toàn Tia phản xạ hoàn toàn đó được giữ bên trong môi trường truyền với hệ số phản xạ lớn hơn vỏ bọc bên ngoài của môi trường Kết quả sợi quang trở thành vật dẫn định hướng cho phạm vi tần số từ

104 - 1015 hz bao trùm cả dãy phổ nhìn được và không nhìn được

Hình 2.15 cho ta nguyên tắc truyền của sợi quang Nguồn sáng đưa ánh sáng vào ống thủy tinh hoặc chất dẻo Các tia có gốc phản xạ nhỏ đều được phản xạ hoàn toàn khi truyền dọc theo sợi quang Các tia khác bị hấp thụ hoàn toàn ở vỏ bọc Cách truyền như vậy được gọi là

đa cách, tùy theo góc đến khác nhau mà nó phản xạ Nếu như lõi được chế tạo với bán kính giảm đi thì các tia sẽ phản xạ với một số góc nhỏ Nếu bán kính đó giãm như yêu cầu của độ dài bước sóng mong muốn thì chỉ có một góc hoặc một kiểu qua tia trục Tia đó sẽ truyền với hiệu quả cao nhất Với đa cách, tồn tại nhiều đường Mỗi đường có bước sóng riêng thông qua sợi quang dẫn đến các tín hiệu thành phần triệt tiêu nhau theo thời gian, tốc độ truyền bị giảm Do đó chỉ có cách truyền đơn với một đường truyền thì tín hiệu không bị suy giảm

Hình 2.15a Truyền đa cách.

Hình 2.15b Truyền đa cách có nút sóng.

Hình 2.15 Các cách truyền của sợi quang.

Cuối cùng với cách thay đổi hệ số phản xạ cho từng loại lõi ta cũng có thể có cách truyền thứ

3 nó là cách truyền giữa 2 cách trước (hình 2.15b)

Có nhiều loại nguồn sáng được dùng với sợi quang Bộ phát sáng diod (LED) và Laser diod (ILD) Hai loại này sẽ phát ra chùm sáng khi ta đặt vào nó một điện áp Nếu dùng LED thì giá thành thấp hơn, giãi nhiệt độ rộng hơn và tuổi thọ dài hơn Nếu dùng ILD thì hiệu quả hơn và có thể tăng tốc độ truyền

Ïở bộ thu, bộ phận phát hiện tín hiệu sáng và đổi từ nguồn sáng thành tín hiệu điện là 1 diot quang (photo diod) Ta thường dùng 2 loại thiết bị sau: bộ phát hiện PIN và bộ phát hiện APD Bộ PIN rẻ hơn nhưng không nhạy như APD Cả 2 đều dựa trên nguyên tắc đếm các photon Photo diod PIN dựa trên cơ sở mặt ghép giữa P và N của diod còn AID thì tương tự nhưng sử dụng trường mạnh hơn

ứng dụng điển hình đường nối dữ liệu đường dây điện thoại đường liên lạc

máy tính, LAN khoảng cách xa khoảng cách xa

Bảng so sánh giữa 3 loại sợi quang

Bước sóng sử dụng có quan hệ nhiều với loại truyền và tốc độ Trong 3 loại truyền thì truyền đơn và truyền đa cách có thể dùng cho hầu hết các bước sóng ánh sáng và có thể xử dụng laser hoặc LED làm nguồn sáng Trong sợi quang sự truyền lan ánh sáng tốt nhất với 3 bước sóng 850, 1300, 1500nm (nanometer) Hầu hết các ứng dụng hiện nay đều dùng nguồn sáng LED hoặc laser có bước sóng 850nm vì nó không mắc lắm và có tốc độ truyền khoảng 100 Mbps trong khoảng cách vài km để có được tốc độ cao hơn và khoảng cách xa hơn người ta dùng LED hoặc laser với bước sóng 1300nm, nếu cần tốc độ cao và khoảng cách xa hơn nữa thì dùng laser có bước sóng 1500nm

Trong kỹ thuật truyền số liệu dùng sợi quang, người ta dùng phương pháp điều biên (ASK) Để

cho bộ phát LED làm việc với giá trị nhị phân là 1 thì cho ra xung ánh sáng ngắn, và với giá trị nhị phân là 0 thì không có ánh sáng Như vậy nguồn sáng có mức thấp biểu thị giá trị 0 và mức cao biểu thị giá trị 1.

d Vi ba mặt đất:

Mô tả vật lý

Loại ăng-ten thường dùng cho nó thường là đĩa parabol với kích thước khoảng 10 feet Ăng-ten được cố định và hướng chùm tia đến đường dẫn nhìn thấy được đến ăng ten bộ thu Ăng-ten

vi ba được gắn ở độ cao để phạm vi hoạt động giữa 2 ăng-ten không bị vật cản Khi không có vật cản khoảng cách giữa 2 ăng-ten được định nghĩa:

d: khoảng cách giữa 2 ăng-ten được tính bằng Km

h: độ cao của ăng-ten được tính bằng m

K: là yếu tố thêm vào để tính cho sự phản xạ hoặc hấp thụ do bề mặt trái đất cong với sự truyền lan đến điểm thấy được Giá trị K tốt nhất là K=4/3

Như vậy nếu như 2 ăng-ten vi ba đặt ở độ cao 100m có thể đặt xa nhau: d = 7.14 Ư 133 = 82Km Để có thể truyền sóng vi ba ở khoảng cách xa, người ta đặt các tháp tiếp sức liên tiếp, đường nối điểm-điểm liên tiếp đó sẽ thỏa mãn khoảng cách ta mong muốn

Ứng dụng

Công dụng trước tiên của hệ thống vi ba mặt đất là phục vụ cho hệ thống thông tin liên lạc xa trong khoảng cách lớn và chất lượng cao cũng như là thay thế hệ thống cáp đồng trục trong truyền hình cáp và tiếng nói Giống như cáp đồng trục, sóng vi ba có thể yêu cầu khuếch đại hoặc repeater ở khoảng cách xa hơn nhưng yêu cầu phải nhìn thấy nhau Người ta dùng vi ba cho cả hai trường hợp: tiếng nói và hình ảnh

Băng Tín hiệu liên tục Tín hiệu số Ứng dụng

tần Tên Điều chế Băng thông Điều chế Tốc độ

10 – 1000 bps

10 – 3000 bps

To 100

Hàng hải

Thương mại

AM radio Radio sóng ngắn Radio CB Tivi VHF Radio FM

To 100 Mbps

To 750 Mbps

Tivi UHF Viba mặt đất Viba mặt đất Viba trên không Ngắn điểm – điểm

Bảng đặc tính của băng liên lạc không định hướng

Một ứng dụng nữa của vi ba là dùng cho các đường nối điểm-điểm giữa các tòa nhà, nó có thể dùng cho đường dây ti vi khép kín hoặc đường nối dữ liệu giữa các mạng máy tính

Ứng dụng cuối cùng của sóng vi ba mặt đất là để truyền dữ liệu số trong vùng nhỏ (bán kính

<10Km) Dự án đó gọi là "cung cấp dữ liệu địa phương" và nó dự định sẽ thay thế đường dây điện thoại cho mạng kỹ thuật số

Đặc tính truyền

Như bảng đã cho, phổ của sóng mang khi sử dụng vi ba rất rộng Tần số được sử dụng để truyền đều trong phạm vi 2 – 40GHz Tần số cao, băng thông rộng dẫn đến tốc độ truyền lớn Bảng sau cho ta băng thông và tốc độ truyền của một số hệ thống điển hình:

Băng tần (GHz) Băng thông (MHz) Tốc độ (Mbps)

2 6 11 18

7 30 40 220

12 90 90 274

Cũng như bất kỳ hệ thống truyền nào, sự suy giảm của tín hiệu từ nguồn trong vi ba có thể tính:

hành và cáp đồng trục, độ suy giảm của nó chỉ tỷ lệ với d Các bộ repeater hoặc khuếch đại trong hệ thống sử dụng vi ba có thể đặt cách xa nhau từ 10 – 100 Km.

Như bảng trên cho ta phạm vi cho phép của tần số sóng mang ở các băng do FCC qui định Băng thường được sử dụng cho thông tin liên lạc khoảng cách xa, tần số cao là 4GHz –

6GHz Do sự sử dụng quá nhiều dẫn đến nghẽn, hiện tại người ta sử dụng thêm băng 11GHz.Băng 12GHz dùng cho tivi cáp FCC qui định băng 10GHz dự trữ cho việc cung cấp số liệu cục bộ gọi là dịch vụ đầu cuối dùng kỹ thuật số Cuối cùng chúng ta thấy băng tần cao của viba được dùng cho đường nối điểm – điểm khoảng cách ngắn giữa các dãy nhà, điển hình ở đây là tần số 22GHz Những dãy tần số cao đó không được dùng ở khoảng cách xa vì nó bị suy giảm Hơn nữa ở tần số cao ăng ten có kích thước nhỏ và rẻ

e Vi ba vệ tinh:

Mô tả vật lý

Vệ tinh thông tin là một trạm chuyển tiếp Nó dùng để nối hai hoặc nhiều bộ thu phát cơ bản và được coi như là trạm mặt đất hay trạm đất Bộ thu của vệ tinh truyền trên một băng tần (đường lên), khuyếch đại (cho tín hiệu analog), repeater (cho tín hiệu số) và chuyển nó sang băng tần khác (đường xuống) Một vệ tinh quỹ đạo đơn giản có thể tác động trên nhiều băng tần mà ta gọi là kênh, hay đơn giản là cầu truyền thông

Hình 2.15b cho ta một cách tổng quát con đường giữa hai trạm liên lạc qua vệ tinh Hình a cho ta đường nối giữa 2 ăng ten mặt đất và hình b là vệ tinh sử dụng cho một trạm mặt đất truyền và nhiều trạm mặt đất thu

Hình 2.15b1 Đường nối điểm-điểm dùng viba vệ tinh.

Hình 2.15b2 Đường nối vệ tinh.

Hình 2.15b Cấu hình thông tin liên lạc vệ tinh.

Để một vệ tinh liên lạc làm việc có hiệu quả, thông thường yêu cầu nó phải tự quay quanh nó Mặt khác vì lý do phải nhìn thấy nhau nên tốc độ quay của nó phải bằng tốc độ quay của trái đất Tốc độ đó là 35.784 Km

Hai vệ tinh có thể cùng dùng một băng tần số nếu nó cách nhau đủ xa Hiện tại tiêu chuẩn yêu cầu là 40 (đo từ trái đất) cho dãy băng tần 4 – 6GHz và 30 cho dãy băng tần 12/14 GHz Như vậy số lượng vệ tinh có thể sẽ bị hạn chế

Công dụng

Vệ tinh liên lạc là cuộc cách mạng về kỹ thuật Nó quan trọng cũng như sợi quang Sau đây là một số ứng dụng quan trọng của nó:

• phân phối: truyền hình

• truyền điện thoại khoảng cách xa

• mạng thương mại tư nhân

Do sóng truyền lan tự nhiên nên vệ tinh là bộ phận cung cấp tốt cho truyền hình và do đó nó

được dùng rộng rãi trên thế giới Như thông lệ một mạng được chương trình hóa từ một trung tâm Chương trình được truyền lên vệ tinh và nó được phủ xuống nhiều trạm với chương trình đã cung cấp.

Một mạng dịch vụ phát thanh truyền hình công công PBS (Public Broadcasting Service), cung cấp chương trình của nó cho tất cả các máy dùng kênh của nó và hệ thống truyền hình cáp nhận các chương trình từ vệ tinh và cung cấp lại Hầu hết các ứng dụng hiện tại của công nghệ vệ tinh cho hệ thống truyền hình phân bố là vệ tinh phát thanh truyền hình trực tiếp DBS (Direct Broadcast Satellite), trong hệ thống đó được truyền trực tiếp đến các gia đình sử dụng Giá thành và kích thước ăng ten thu giảm dẫn đến hệ DBS sử dụng kinh tế và nhiều kênh được dự kiến đưa vào sử dụng

Sự truyền thông qua vệ tinh dạng điểm – điểm còn được sử dụng cho các trung kế giữa tổng đài điện thoại trong mạng điện thoại công cộng Nó là môi trường tối ưu cho trung kế quốc tế và thích ứng với các hệ thống mặt đất cho những đường nối quốc tế khoảng cách xa

Cuối cùng, hàng loạt các ứng dụng số liệu thương mại ở vệ tinh Vệ tinh có thể chia tổng dung lượng của nó cho các kênh và cung cấp các kênh đó cho người sử dụng Người sử dụng tùy theo ăng ten của mình có thể dùng các kênh của vệ tinh cho mạng riêng Thông thường,

những ứng dụng như vậy có giá thành cao và bị hạn chế do nhiều tổ chức yêu cầu

Hiện tại đã có nhiều hệ thống thiết bị đầu cuối nhỏ (VSAT) giá thành thấp Hình 2.15c cho ta cấu hình của VSAT Nhiều thiết bị đầu cuối được nối vào ăng ten VSAT Theo một số nguyên tắc nhất định, những trạm đó chia dung lượng truyền của nó cho sự truyền của các trạm hub Các trạm HUB có thể trao đổi thông báo với các trạm thuê bao và có thể chuyển tiếp các thông báo giữa các thuê bao

Hình 2.15c Cấu hình của VSAT.

Đặc tính truyền

Phạm vi tần số tốt nhất cho truyền vệ tinh trong khoảng 1 – 10GHz Dưới 1GHz sẽ bị ảnh hưởng nhiễu từ thiên nhiên, mặt trời, khí quyển … Trên 10GHz tín hiệu dễ bị suy giảm trong tần khí quyển

Hầu hết các vệ tinh điểm – điểm hiện tại sử dụng băng thông tần số khoảng 5,926 –

6,425GHz để truyền từ mặt đất (truyền lên) và băng thông 3.7 – 4.2GHz để truyền từ vệ tinh xuống mặt đất (truyền xuống) Ta gọi băng đó là băng 4/6GHz hoặc băng C Chú ý rằng: đường truyền lên và đường truyền xuông có tần số khác nhau Với những tín hiệu liên tục, vệ tinh không thể truyền và nhận cùng tần số Tín hiệu nhận từ mặt đất trên một tần số sẽ phải trở lại với tần số khác

Băng C tốt nhất trong khoảng từ 1GHz đến 10GHz nhưng bị bảo hòa, vì vậy băng 12/14GHz (băng Ku) được dùng (đường lên 14 – 14,5GHz) và đường xuống 11,7 – 12,2GHz) Trong băng tần này vấn đề suy giảm tín hiệu cần phải xử lý Cũng như trong băng C Những hệ thống ở băng Ku yêu cầu tốc độ đường lên và xuống cao và những cầu thu chuyển tiếp phải nhạy Tuy nhiên, những trạm thu mặt đất nhỏ và rẻ có thể dùng được Ku băng được áp dụng tốt trong hệ

thống VSAT sau C băng.

Một phát triển mới là dùng vệ tinh cho thông tin di động Để phục vụ cho mục đích này

những thiết bị thu nhỏ, rẻ được dùng đến và sự truyền là 2 chiều toàn phần giữa người sử dụng và vệ tinh Dịch vụ này như là radio sử dụng trong phạm vi quốc gia để phục vụ dịch vụ này người ta sử dụng băng L có dãy tần từ 1,6465 – 1,66GHz (đường lên 1,545GHz và đường xuống 1,5585GHz)

Cần chú ý rằng trong thông tin vệ tinh do truyền trong khoảng cách xa nên bị chậm khoảng

240 đến 300ms kể từ khi truyền từ một trạm ở mặt đất đến khi thu được ở một trạm mặt đất khác Thời gian chậm đó rất đáng quan tâm trong sự trao đổi giữa điện thoại và máy tính Việc đó cũng tạo ra một số vấn đề khi kiểm tra sai và kiểm tra dòng, chúng ta sẽ thảo luận sau Hơn nữa sóng vi ba vệ tinh là môi trường truyền thông tự nhiên, nhiều trạm có thể truyền đến vệ tinh và sự truyền từ vệ tinh nhiều trạm có thể thu được đồng thời

f Sóng Radio:

Mô tả vật lý

Nguyên lý căn bản để phân biệt giữa radio và sóng viba là: radio thì không định hướng, còn viba là tập trung Như vậy radio không cần ăng ten đĩa và ăng ten của nó cũng không cần đặt

ở trên độ cao và có kích thước chính xác

Ứng dụng

Radio là một cách gọi chung cho người sử dụng băng tần số như trong bảng đã cho ở trên Chúng ta dùng nó với khoảng sử dụng rộng hơn gồm cả VHF và một phân băng UHF: 30MHz – 1GHz Băng này bao gồm cả FM và UHF, VHF cho truyền hình

Một loại thông tin dữ liệu số thường dùng là radio gói Một hệ thống radio gói sử dụng ăng ten mặt đất cho nhiều địa điểm trong mạng truyền dữ liệu

Đặc tính truyền

Phạm vi 30MHz đến 1GHz rất có hiệu quả cho thông tin liên lạc Không giống như sóng điện từ tần số thấp, tầng điện ly là trong suốt cho sóng radio khoảng 30MHz Sự truyền như vậy bị hạn chế bởi tầm nhìn thấy và khoảng cách truyền sẽ không bị ảnh hưởng giữa các trạm với nhau do sự phản xạ của tầng khí quyển Cũng không giống như vùng của sóng viba tần số cao, sóng radio cũng không nhạy với mưa rơi đối với thông tin đó, trở ngại lớn nhất của băng tần này là tốc độ truyền không cao, từ Kbps đến Mbps

Như trong hệ thống truyền lan điểm nhìn thấy được, sóng radio cũng sử dụng biểu thức độ xa cực đại để tính khoảng cách giữa trạm phát và trạm thu:

Và biểu thức suy giảm cũng được tính:

Do bước sóng l của sóng radio không dài lắm nên độ suy giảm ít hơn.

Có nhiều con đường làm ảnh hưởng đến sóng radio: phản xạ mặt đất, nước, các vật cản thiên nhiên giữa các ăng ten Những hiệu ứng đó sẽ làm cho khi nhận tivi tạo thành nhiều ảnh, không nét

Những đặc tính truyền của sự sử dụng sóng radio trong thông tin liên lạc như đã nói ở trên Hệ thống đầu tiên như vậy là hệ thống ALOHA ở Hawaii, hai băng tần số được dùng là

407,35MHz dùng cho thiết bị đầu cuối sử dụng truyền đến trung tâm điều khiển và

413,475MHz để truyền theo hướng vị trí Băng thông cho cả hai kênh là 100KHz và tốc độ truyền là 9.600 bps Sự truyền được thực hiện từng khoảng ngắn dữ liệu gọi là gói Khoảng cách giữa hai điểm khoảng 30Km Người ta sử dụng repeater để tăng khoảng cách lên khoảng 500Km Một hệ thống tương tự ở Montréal, phạm vi tần số được dùng là 220MHz Một hệ thống điện thoại di động được phát triển do hãng Printer Terminal Corp sử dụng tần số

khoảng 450 – 540MHz

2.2 Kỹ thuật số cho tín hiệu analog

Trong lý thuyết tín hiệu cũng như toán đã chứng minh được rằng: một tín hiệu analog nếu ta gián đoạn hóa nó theo quy luật bắt buộc nào đó (lấy mẫu theo thời gian), ta truyền các điểm gián đoạn đó, khi thu lại các giá trị gián đoạn đó ta có thể phục hồi tín hiệu đã cho Từ cách nghĩ đó ta có thể dùng tín hiệu analog điều chế biên độ dãy xung đã cho, ta truyền dãy xung có biên độ bị điều chế đó Khi thu được dãy xung điều chế biên độ ta có thể hồi phục lại tín hiệu analog cần truyền (kỹ thuật PAM) Một cách khác : dựa vào giá trị lấy mẫu tại các thời điểm, ta mã hóa nó thành dãy mã nhị phân (có số cột cố định) gửi đi qua đường dây thông tin đến bộ thu trong dạng tín hiệu số Dựa vào các giá trị thu được ở bộ phận thu ta lập lại tín hiệu analog cần thiết (kỹ thuật PCM)

Trong hệ thống PAM, không có thiết bị mã hóa và giải mã Người ta chỉ truyền một dãy xung có biên độ được điều chế bởi tín hiệu anolog thông tin cần truyền và tần số dãy xung đáp ứng tần số lấy mẫu đến bộ phận thu ở bộ phận thu sẽ phục hồi lại thông tin cần truyền

Hình 2.16 chỉ cho ta quá trình cơ bản của hệ thống PAM đây là quá trình hoàn toàn analog chưa phải là quá trình số hóa, bởi vì các giá trị mẫu có thể là giá trị tức thời của điện áp tại thời điểm đó, biên độ đó chưa được đổi thành giá trị rời rạc (số hóa) và giá trị đó là Va Xung đó được tạo ra có tần số fs bảo đảm luật lấy mẫu

Lý thuyết lấy mẫu

Giả thiết rằng các tín hiệu mẫu ở đầu vào có tần số đủ để có thể tạo lại tín hiệu analog ở bộ phận thu sau khi qua bộ lọc thông thấp (hình 2.16) Toán học đã chứng minh được rằng: tín hiệu analog được tạo lại khi và chỉ khi tần số lấy mẫu (fs) lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số cao nhất của tín hiệu đầu vào.

fs ³2 faVới

fa : tần số cực đại của tín hiệu đầu vào,

fs : tần số lấy mẫu

Phổ PAM

Chúng ta có thể hiểu: tần số lấy mẫu là tần số mang, mà sóng mang đây là xung có tần số fsvà là xung vuông với chu kỳ có 50% trống và biên độ của nó được điều chế bởi tín hiệu đầu vào analog Vậy phổ của tín hiệu PAM tồn tại cao hơn tần số cao nhất của tín hiệu vì fs ³ 2 fa(hình vẽ) Nó gồm có thành phần cơ bản và thành phần bậc cao

Bộ lọc thông thấp ở bộ phận thu chỉ cho qua thành phần thấp (từ 0 - fs), tạo lại tín hiệu

analog

Chú ý rằng: nếu fs < 2 fa phổ của sóng sẽ trùm lên một phần phổ tín hiệu vào làm méo tín hiệu khi thu được

Hình 2.16 Hệ thống thông tin số PAM.

Hình 2.17 cho ta sơ đồ khối của hệ thống thông tin PCM Sự truyền PCM có thể coi là sự truyền mã nhị phân của PAM được số hóa Với n bit của mã nhị phân ta có 2n giá trị khác nhau Vì vậy giá trị biên độ lấy mẫu phải được lượng tử hóa trong phạm vi có thể mã hóa được

Khi truyền trên đường dây các mã nhị phân được truyền nối tiếp, điều đó có nghĩa là mã PCM phải được dịch chuyển ra trên đường dây từng bit theo thời gian ở bộ phận thu cần có sự biến đổi từ nối tiếp về dạng song song Dãy các bit thông thường được truyền đồng bộ trên đường dây

Hình 2.18 cho ta một ví dụ về việc tạo mã PCM với 5 cột nhị phân Tín hiệu ở đầu vào là Va và nó biến đổi trong khoảng 0 - 7,75V Mức lượng tử cho là 0.25V

Hình 2.17 Hệ thống thông tin số PCM.

Hình 2.18 Dạng sóng PCM.

Băng thông PCM

Vấn đề khó khăn nhất cho chúng ta trong khi chuyển từ hệ thông tin analog sang hệ PCM là

băng thông của đường truyền tín hiệu số Nếu trong PAM giữa 2 thời gian lấy mẫu ta chỉ cần truyền một xung lấy mẫu thì trong PCM ta cần truyền n xung Số lượng bit trên đường truyền cao hơn nhiều (n lần) Giả sử sóng được truyền trên đường dây như hình vẽ:

Hình 2.19 Băng thông của PCM.

Đầu ra br của bộ phát có n bit nối tiếp PCM Độ rộng của bit ra Tb là 1/br

Ta có:

br : tính bằng bit/s

Tb : tính bằng giây

Với tín hiệu PCM, băng thông cực đại khi có dãy xung vuông 1-0-1-0-1-0 Trong trường hợp đó ta có 2 bit tạo thành một chu kỳ và tần số cơ bản sẽ là 1/2 số bit và 1/br sẽ là băng thông cực tiểu của đường truyền

Ví dụ: Với PCM 8 bit trong hệ thống điện thoại Chọn fa = 4KHz (cho tiếng nói f - max = 3.4 KHz), vậy fs = 8 KHz

Vậy số bit trên đường truyền br = 64 Kbit/s và băng BW cho hệ thống như vậy là 32 KHz

Sai số lượng tử hóa

Trong hệ PCM, khi ta chọn n (số cột nhị phân cho mã) ta có 2n giá trị để biểu diễn biên độ Như vậy ta cần phải lượng tử hóa giá trị lấy mẫu theo mã Giá trị biểu diễn bây giờ có thể không hoàn toàn chính xác theo giá trị vol khi lấy mẫu, việc làm đó dẫn đến sai số, người ta gọi sai số đó là sai số do lượng tử hóa (hoặc nhiễu lượng tử hóa) Khi ta chọn n đủ lớn thì sai số đó nhỏ có thể chấp nhận được, tuy nhiên việc chọn n còn phụ thuộc vào băng thông nữa

Hình 2.20a Phương pháp lượng tử hóa.

Hình 2.20b Sai số do lượng tử hóa.

Hình 2.20a cho ta giá trị tương ứng giữa điện áp và giá trị mã nhị phân n cột PCM Va nằm trong khoảng +Vm và -Vm Ta có giá trị mỗi nấc là:

Hình 2.20b cho ta thấy nếu chọn n = 8 và Vm = 5.1V Như vậy ta có:

Sai số cực đại cho một lần lấy mẫu bất kỳ là

Nếu gọi q là sai số tương đối khi lấy mẫu ta có:

Nếu tính % ta có:

%Từ đó ta có:

Từ phương trình trên ta có quan hệ giữa %q, Vm và Va như hình vẽ

Ta cũng có thể tính được số n khi cho sai số lượng tử hóa %q, Vm , Va

Ví dụ: Chọn n bảo đảm %q = 10 và Va = 5% Vm

Ta có:

Ta chọn: n = 8

Hình 2.21 Sai số phần trăm.

2.3 PCM trong hệ thống điện thoại

Trong hệ thống điện thoại, PCM không được dùng để truyền trên đường dây từ thuê bao đến tổng đài Nó chỉ được dùng trong tổng đài từ sau mạch thuê bao ở đó người ta dùng các kênh multiplex cho mã sau khi lấy các mẫu của 24 đường tiếng nói

Hình 2.22 Tổng đài điện thoại dùng PCM.

Hình 2.22 cho ta sơ đồ khối của một tổng đài dùng PCM Ở đó các tín hiệu analog từ các thuê bao sau khi qua bộ lọc thông thấp được multiplex từ 24 đường thành một kênh tốc độ cao Bộ biến đổi A - D sẽ biến đổi nó thành tín hiệu PCM và đổi sang dạng truyền nối tiếp

Ngược lại các tín hiệu PCM dạng nối tiếp được chuyển thành song song, sau đó đổi D - A và thông qua bộ demultiplex (analog) đưa đến các thuê bao.

Ngày nay, người ta đã chế tạo những vi mạch chuyên dụng để mã hóa và giải mã cho mã PCM (Coder và Decoder) gọi là CODEC Nhờ vậy ta có thể dùng CODEC kết hợp với các TDM (Time Division Multiplex) tạo thành các tổng đài số có cấu hình như hình 2.23

Ta chọn tần số cực đại cho tiếng nói fa = 4 KHz, vậy tần số lấy mẫu fs = 8 KHz Ta dùng mã PCM với n = 8

Hình 2.23 Tổng đài điện thoại dùng PCM với CODEC.

Khung thời gian cho PCM

Như đã nói ở trên, trong điện thoại người ta sử dụng 24 kênh tốc độ thấp thành một kênh tốc độ cao Mỗi kênh tốc độ thấp có 8 bit Vậy mỗi kênh tốc độ cao (khung thời gian) có 24 x 8 =

192 bit Người ta dùng 1 bit ở đầu khung thời gian để truyền tín hiệu đồng bộ Vậy tổng số bit trên đường tốc độ cao là 193 bit cho một khung

Chu kỳ lập lại của các khung là 12 (1,5 ms) Mỗi từ mã có độ dài 5.18ms và chu kỳ lập lại cho một khung thời gian là 125ms cho 193 bit

Bit đồng bộ được thiết lập 1 hay 0 tùy theo khung thời gian và được quy định như hình vẽ Các bit s của khung lẻ tạo thành 101010 và các s của khung chẳn cho ta 001110

Hình 2.24 Khung thời gian PCM trong điện thoại.

2.4 Máy thông tin PCM-30

Máy thông tin PCM-30 là loại máy thông tin dùng kỹ thuật PCM và có thể sử dụng cho 30 đường đây là thiết bị đầu cuối trước khi đến thuê bao

a Cấu trúc cơ bản

Một hệ thống PCM-30 bao gồm các máy PDM-30 ở đầu cuối và các thiết bị đường dây

KZU : nối giữa mạng liên lạc với thiết bị truyền tin PCM-30, nó có nhiệm vụ phối hợp từ mạch

2 dây hoặc 4 dây với hệ thống truyền Từ nhiệm vụ đó người ta có thể chia KZU thành 2 loại KZU2 và KZU4

Hình 2.25 Sơ đồ khối PCM-30.

Hệ thống PCM-30 là hệ thống dùng 4 dây Qua nó âm thanh sẽ đến các điểm thông tin

Trong thông tin có 2 loại: thông tin đến và thông tin đi Và người ta phân biệt thành KZU.G2 và KZUK2 Tương tự ta có KZUG4 và KZUK4 Những yêu cầu và chỉ tiêu sẽ được trình bày trong khoảng thời gian 16 trong khung thời gian

Þ Multiplex

Multiplex nhận dạng

Multiplex trung tâm giải quyết mã, giải mã và multiplex Trong CODEC biến đổi A

« D, có nghĩa là sau khi lấy mẫu với tần số 8 KHz và được mã hóa thành từ mã 8

bit và cung cấp cho Multiplex ở đây sẽ tạo theo khung thời gian và tạo thành tín

hiệu 2MBit cung cấp cho bộ tạo mã HDB-3 Trong trường hợp thu thì qui trình trên

được tiến hành ngược lại

Hình 2.26 Máy PCM-30.

b Khung thời gian cho máy PCM-30

Chúng ta biết: tần số lấy mẫu là 8 KHz, như vậy khoảng thời gian từ lần lấy mẫu này đến lần sau là 125 ms Trên đường dây có thể truyền cực đại là 2 MBit/s điều đó có nghĩa là thời gian tồn tại 1 bit là

Một từ của PCM có 8 bit, thời gian tồn tại của một từ là: 8 * 0.5 = 4 ms

Như trên đã nói, thời gian lấy mẫu 2 lần cách nhau là 125 ms Vậy số lượng từ có thể truyền là 125/4 = 31.25 từ

Người ta chọn số lượng từ mã truyền trong 125 ms là 32 từ

Vậy thời gian cho 1 từ mã là 125/32 = 4,906 ms

Độ dài của mỗi bit là 4,906/8 = 0,488 ms

Þ Vấn đề đồng bộ và tín hiệu ở kênh 0

Ra)Sự đồng bộ giữa thiết bị phát và thiết bị thu sẽ được thực hiện nhờ tín hiệu ở

kênh 0, ở đó người ta phát các bit 10011011 Thực sự mà nói để đồng bộ ta chỉ

dùng từ bit 2 đến bit 8 Bit 1dùng để dự trữ cho trường hợp thông tin quốc tế Bình

thường nó có giá trị 1

Ma)Trong PCM-30 có thể thông báo lỗi cho trạm đối thoại với mình nhờ Mc Vị trí

của Mc chính ở chỗ Ra trong chu kỳ sau đó Và nó có giá trị : 11DN1111 Với bit

thứ 3 (D) có thể thông báo lỗi khẩn cấp Bình thường nếu không có lỗi D=0 Bit thứ

4 dùng để chỉ lỗi không khẩn cấp N N=1 khi không có lỗi

Như vậy trong trường hợp không có lỗi gì Mc=11011111 Bit thứ 2 luôn bắt buộc là 1 để tránh sự nhầm lẫn với trường hợp đồng bộ Bit thứ 1, cũng như trong đồng bộ, nó dành cho trường hợp truyền thông quốc tế 4 bit sau cùng dành cho trường hợp thông tin quốc nội và nó luôn có giá trị là 1

Quá trình đồng bộ giữa phát và thu diễn ra như sau: trước tiên trạm thu kiểm tra có phải là nhận được Ra đúng hay không Nếu sai thì ngay sau đó Ra2 được đổi bit 2 thành 1 và ngay sau đó Ra3 được kiểm tra lại đồng thời trong quá trình đồng bộ được kết thúc

Þ Truyền tín hiệu nhận dạng ở K16

Ở khung 16 sẽ được truyền tất cả tín hiệu nhận dạng của 30 kênh của thiết bị K16 được sử dụng 8 bit Hệ thống thông tin dùng các tín hiệu này điều khiển đóng hoặc mở mạch thông

thường không được ít hơn 2ms.

Người ta chia 8 bit của nó thành 2 lần 4 bit

Ta chọn thời gian tối thiểu cho 1 chu trình là 2 ms Vậy ta có được 2ms/125 = 16

Qua 16 lần K16 ta có được 32 lần 4 bit Vậy có thể truyền số nhận dạng cho 30 thiết bị và Ra và Mc 1 (chính bản thân kênh đồng bộ và kênh 16) và tốc độ truyền trên đường dây là D = 1/0.488 = 2,048 MBit/s

Khung thời gian cho một máy PCM-30 được chỉ ra như hình vẽ

Ra từ nhận biết khung

Mc từ thông báo

Kz từ nhận dạng cho các kênh từ 1 – 30 K1-

K30 kênh thông tin

D bit để báo về những báo động khẩn

D = 0 Không có nhiễu

N bit để báo về báo động không khẩn

N = 1 Không có nhiễu

X bit dự trữ cho quốc tế

Y bit dùng cho trong nước

Hình 2.27 Khung thời gian PCM-30

Hệ thống PCM chỉ có thể làm việc khi bộ thu và bộ phát đồng thời làm việc và đồng bộ nhau

Vì vậy bên cạnh việc truyền các bit thông tin cần phải truyền các bit đồng bộ Những bit đồng bộ này được truyền trong khung thời gian 0

Trong một kênh thông tin không chỉ những thông tin dạng analog được lấy mẫu mã còn những thông tin nhận dạng, (những thông tin cần thiết để điều khiển đóng ngắt mạch) Để truyền những tín hiệu đó người ta dùng K16 Như vậy ta còn lại 30 kênh để truyền thông tin và khung thời gian cho một chu kỳ như hình vẽ

2.5 Điều chế Delta và PCM vi phân

Trong thông tin liên lạc, nhiều khi ta chỉ cần truyền đi giá trị thay đổi tuyệt đối của tín hiệu Trong PCM ta lấy mẫu gồm cả thành phần một chiều và xoay chiều Thành phần một chiều xác định tọa độ của tín hiệu gốc, thành phần xoay chiều chỉ sự biến thiên của tín hiệu Nếu dùng PCM, yêu cầu mỗi đoạn thời gian phải truyền một số lượng xung cố định Nếu như ta chỉ truyền sự thay đổi, lưu lượng truyền trên đường dây có thể giảm đi đến 50% Chỉ truyền thành phần thay đổi đó là nguyên tắc cơ bản của điều chế delta và PCM vi phân

Điều đương nhiên khi làm như vậy những yêu cầu về đồng bộ phải tăng lên và vấn đề

multiplex khó khăn hơn

a Điều chế delta

Dựa vào sự khác biệt của tín hiệu cần phải truyền đi tại thời điểm ti và ti+1 mà cho ta tín hiệu phải truyền trên đường dây tại ti+1

Giả thiết rằng ta có nguồn phải truyền là S(t) tại thời điểm t tín hiệu truyền đi là e(t)

Nếu:

S(ti+1) > S’(t) tín hiệu dương đưa vào D của F1

S(ti+1) < S’(t) tín hiệu âm đưa vào D của FF

Hình 2.28a

Hình 2.28b

Hình 2.28 Qui luật điều chế Delta.

Nếu tích phân e(t) ta được S’(t)

Nguyên tắc làm việc và sơ đồ xung được chỉ ra như hình vẽ

Nhiễu khi lượng tử hóa

Dựa vào hình vẽ, ta thấy trong trường hợp S(t) không có thay đổi, S’(t) sẽ thay đổi về 2 phía của S(t) và e(t) sẽ thay đổi giữa giá trị dương và âm Sai số đó gọi là nhiễu do lượng tử hóa

Nhiễu này có thể giới hạn được bằng cách giảm nhỏ h có nghĩa là tăng tần số clock Tuy nhiên làm như vậy sẽ nảy sinh nhiều vấn đề khác.

Quá tải sườn

Nếu như tín hiệu cần truyền có sự thay đổi quá nhanh, tín hiệu đầu ra của bộ phận thu S’(t) sẽ không thay đổi kịp (do tích phân) Người ta gọi đó là hiện tượng quá tải sườn Và như vậy sẽ sinh ra sai số khi nhận tín hiệu

Như hình vẽ cho thấy: bước cực đại của bộ tích phân là h, tần số lấy mẫu là: fs ® Ts = 1/fsNếu S (t) là hình sin có biên độ Vm và tần số là fin ta có thể viết:

S(t) = VmSin(2pfint)và sườn của S(t) sẽ là dS(t)/dt = 2pfin Vm cos(2pfint)

và (dS(t)/dt)max = Vm 2pfin

Ta có: với bước là h và tần số mẫu fs thì sườn của nó là h/Ts = hfs

Để tránh tình trạng quá tải sườn ta cần thỏa mãn Vm 2pfin £ fs.h và fin £ fs.h/2pVm

b Điều chế delta thay đổi sườn

Vấn đề đặt ra cho chúng ta là: trong hệ thống điều chế delta làm thế nào giảm được nhiễu khi lượng tử hóa nhưng cũng tránh được sự quá tải sườn

Một trong các biện pháp là dùng phương pháp điều chế delta thay đổi sườn VSDM (Variable Slope Delta Modulations) Trong VSDM sườn của mạch tích phân được tăng hoặc giảm phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của tín hiệu vào

Người ta dùng bộ phận hổ trợ cho bộ tích phân để giảm nhỏ xu hướng quá tải sườn mà không làm tăng nhiễu do lượng tử hóa

Những IC để điều chế và giải điều chế delta như hình vẽ

Với IC điều chế delta người ta dùng thêm bộ ghi dịch 3 bit và dùng tổ hợp các đầu ra của các

FF để thay đổi độ khuếch đại e(t) trước khi đưa vào tích phân

Nếu như 2 lần trước e(t) đều dương mà lần thứ ba e(t) dương thì sinh ra tín hiệu điều khiển độ khuếch đại Cũng trường hợp như vậy nếu như 3 lần e(t) đều âm

Hình 2.29a Điều chế CVSD.

Hình 2.29b Giải điều chế CVSD.

Hình 2.29 Điều chế Delta thay đổi sườn.

Mạch giải điều chế làm theo nguyên tắc ngược lại (tự giải thích)

Hãng Motorola đã chế tạo IC điều chế và giải điều chế delta MC3417 như hình vẽ

Hình 2.30 Dạng sóng của CVSD.

Hình 2.31 Mạch điều chế delta thay đổi sườn dùng MC 3417.

c PCM vi phân (DPCM)

DPCM là phương pháp điều chế kết hợp giữa điều chế delta và điều chế PCM Người ta dùng mã nhị phân để biểu diễn biên độ (sự thay đổi) của tín hiệu vi phân e(t) Mã của tín hiệu vi phân có thể biểu diễn 2m mức, vậy sẽ truyền m bit cho mỗi lần lấy mẫu của tín hiệu vi phân Nếu như có một sự biến đổi nhỏ giữa hai quá trình lấy mẫu của một tín hiệu vào analog thì sẽ xuất hiện sự thay đổi về mã Ta chỉ truyền đi sự biến đổi đó

Hình vẽ cho ta thấy sơ đồ nguyên lý của hệ thống mã DPCM Như hình vẽ, mã PCM 8 bit được đổi thành mã 4 bit DPCM Sự tích phân được thực hiện số hóa dùng bộ cộng và tín hiệu nhị phân và dùng bộ trừ để tạo DPCM

Ở bộ giải mã, sự tích phân, tín hiệu mã vi phân dùng bộ cộng và ở đó tạo lại mã 8 bit PCM.Như hệ thống đã chỉ trên ta có thể giảm lưu lượng truyền 50% (từ 8 bit thành 4 bit) Quá tải sườn có thể là vấn đề không đáng kể Như hệ thống cho : phạm vi của mã PCM là ±127, còn phạm vi của DPCM là ±7

Vậy tỉ lệ quá tải sườn so với PCM là ±7 / ±254 » ±3%

Hình 2.32a Mã hóa DPCM.

Hình 3.1 Mạch truyền dữ liệu từ A - B.

Thiết bị đầu cuối mạch dữ liệu (ETCD) là thiết bị có nhiệm vụ đáp ứng tín hiệu điện từ thiết bị đầu cuối để truyền đi Chức năng đó được thực hiện bằng cách tạo tín hiệu nhiều mức (để truyền trong khoảng cách không xa lắm) hoặc điều chế hoặc giải điều chế (modem) Thiết bị đầu cuối mạch dữ liệu còn có nhiệm vụ thiết lập và giải phóng mạch.

Sau đây chúng ta sẽ khảo sát kỹ hơn phần ETCD phát, ETCD thu

3.1.1 Đường truyền

Một đường dây truyền cho phép nối về vật lý 2 địa điểm mà ở đó đặt các terminal Chúng ta đã gặp nhiều loại đường dây như:

dây kim loại dùng trong thành phố - đường dây song hành

dây đồng trục dùng cho các hệ multiplex

cáp quang

sóng vô tuyến điện

Ta cần làm sao đó để việc vận chuyển số liệu là đơn giản Chúng ta có 2 cách: truyền số liệu trên băng cơ bản và truyền thông qua điều chế (phần này sẽ nói kỹ ở sau)

3.1.2 ETCD phát

ETCD có nhiệm vụ biến đổi những thông báo dữ liệu thành tín hiệu tương thích mà đường dây truyền sử dụng Sự biến đổi đó có thể phân tích thành 2 sự biến đổi như đã chỉ ra ở hình vẽ: mã hóa và điều chế

a Bộ mã hóa

Bộ này biến đổi dãy tín hiệu nhị phân { dk} thành dãy ký hiệu hữu hạn q mức :

( , ai, aj+1, ) aj Ï (q 1, , q q) (3-1)

Số lượng cuối của dk và ai không giống nhau

Hình 3.2a ETCD phát.

Giá trị q gọi là hóa trị và q luôn là số nguyên.

Chú ý rằng nhận biết ai chưa đủ để nhận biết dj Để nhận biết nó cần phải biết mã khác của dãy

Ví dụ:

Trong trường hợp thông báo dữ liệu đồng bộ thì biểu thức (3-1) được cung cấp qua mã hóa dưới dạng thông báo a(t) cùng dạng thông báo dữ liệu