Bài giảng Truyền số liệu: Phần 1 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LỜI NÓI ĐẦU Hiện lĩnh vực truyền thơng, mức độ kết nối thơng tin tồn cầu gia tăng nhanh kéo theo loại hình dịch vụ liệu phát triển khơng ngừng Dữ liệu tương tự truyền thống khó đáp ứng với yêu cầu ngày đa dạng dịch vụ, tốc độ, chất lượng linh hoạt chuyển tiếp liệu, nên liệu dần số hóa hầu hết ứng dụng cơng nghệ thơng tin hay điện tử viễn thơng Chính thay đổi thúc đẩy cho kỹ thuật truyền số liệu đời từ đến cải tiến không ngừng Kỹ thuật tuyền số liệu mảng kiến thức cần thiết với sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông tảng để nghiên cứu chuyên sâu chuyên ngành Tập giảng Truyền số liệu biên soạn cho đối tượng sinh viên Đại học khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định Tập giảng chia làm chương: Chương 1: Khái niệm chung Chương 2: Mã hóa điều chế Chương 3: Dồn kênh, phân kênh Chương 4: Truyền dẫn đồng bất đồng Chương 5: Điều khiển liên kết liệu Chương 6: Chuyển mạch Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp khoa Công nghệ thông tin, đồng nghiệp trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định giúp chúng tơi hồn thành tài liệu Trong lần biên soạn đầu tiên, tập giảng khơng tránh khỏi sai sót, mong người đọc đóng góp ý kiến để tập giảng hồn thiện Mọi đóng góp ý kiến xin gửi Văn phịng Khoa Cơng nghệ thơng tin, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định Chúng xin chân thành cảm ơn! Nam Định, tháng 11 năm 2014 Nhóm biên soạn Th.s Hồng Thị Hồng Hà Th.s Nguyễn Thị Thu Hằng i MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU I MỤC LỤC II MỤC MỤC HÌNH VẼ V CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Những khái niệm chung 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Mơ hình truyền số liệu 1.2.Hình trạng hệ thống phƣơng thức liên lạc 1.2.1 Hình trạng hệ thống 1.2.2 Phương thức 1.2.3 Các phương pháp truyền 1.3.Mạng truyền số liệu 1.4.Sự chuẩn hóa mơ hình tham chiếu 10 1.4.1 Chuẩn hóa mơ hình truyền số liệu 10 1.4.2 Mơ hình tham chiếu OSI 11 1.5.Sự suy giảm biến dạng tín hiệu 14 1.5.1 Sự suy giảm 14 1.5.2 Sự giới hạn băng thông kênh truyền 16 1.5.3 Sự biến dạng trễ pha tín hiệu 19 1.5.4 Sự can nhiễu 20 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 24 2.1 Các loại tín hiệu 31 2.1.1 Tín hiệu tương tự 31 2.1.2 Tín hiệu số 31 2.2 Kỹ thuật điều chế 32 2.2.1 Điều chế AM, PM, FM, điều chế đa mức 32 2.2.2 Điều chế xung 44 2.3 Mã hóa đƣờng dây 50 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 54 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH, PHÂN KÊNH 62 3.1 Môi trƣờng truyền dẫn 62 3.1.1 Các đường truyền hai dây không xoắn 62 3.1.2 Cáp đôi dây xoắn (Twisted pair) .62 ii 3.1.3 Cáp đồng trục .63 3.1.4 Cáp sợi quang .65 3.1.5 Đường truyền vệ tinh 68 3.1.6 Đường truyền vi ba 70 3.1.7 Đường truyền vô tuyến tần số thấp 70 3.2 Kỹ thuật ghép kênh 72 3.2.1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số FDM 73 3.2.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDM 75 3.2.3 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã CDM 82 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 83 CHƯƠNG 4: TRUYỀN DẪN ĐỒNG BỘ VÀ BẤT ĐỒNG BỘ 90 4.1 Truyền dẫn bất đồng 90 4.1.1 Khái quát .90 4.1.2 Nguyên tắc đồng bit .94 4.1.3 Nguyên tắc đồng ký tự 94 4.1.4 Nguyên tắc đồng frame .95 4.2 Truyền dẫn đồng 97 4.2.1 Khái quát .97 4.2.2 Nguyên tắc đồng bit .98 4.2.3 Truyền đồng thiên hướng ký tự 100 4.2.4 Truyền đồng thiên hướng bit 104 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG .111 CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN LIÊN KẾT DỮ LIỆU 114 5.1 Phát lỗi sửa sai .114 5.1.1 Phương pháp kiểm tra bit chẵn lẻ (parity bit) 116 5.1.2 Kiểm tra tổng BSC (Block Sum Check) 117 5.1.3 Kiểm tra CRC (Cyclic Redundancy Check) .119 5.1.4 Phát sửa sai theo Hamming 123 5.2 Nén liệu 127 5.2.1 Nén nhờ đơn giản mã cho chữ số 128 5.2.2 Nén theo mã hoá quan hệ 128 5.2.3 Nén cách bỏ bớt ký tự giống 128 5.2.4 Nén theo mã hoá Huffman 128 5.3 Điều khiển luồng 133 5.3.1 Tổng quan 133 5.3.2 Các phương pháp điều khiển luồng 133 5.4 Kiểm soát lỗi 136 iii 5.4.1 Idle RQ 137 5.4.2 Continuous RQ 143 5.5 Điều khiển liên kết liệu mức độ cao HDLC 150 5.5.1 Các đặc điểm 150 5.5.2 Cấu trúc khung 152 CHƯƠNG 6: CHUYỂN MẠCH .168 6.1 Mạng chuyển mạch 168 6.2 Mạng chuyển mạch kênh 169 6.2.1 Chuyển mạch không gian 173 6.2.2 Chuyển mạch phân chia thời gian 178 6.3 Mạng chuyển mạch gói 185 6.3.1 Nguyên lý chuyển mạch 185 6.3.2 Kích thước gói 190 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 193 TÀI LIỆU THAM KHẢO IX iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ tổng qt hệ thống thông tin Hình 1.2 Truyền tin qua mạng điện thoại cơng cộng PSTN Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống truyền tương tự có điều chế Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu số Hình 1.5 Hình trạng hệ thống Hình 1.6 Mơ hình mạng chuyển mạch kênh Hình 1.7 Mơ hình mạng chuyển mạch thơng báo Hình 1.8 Mơ hình mạng chuyển mạch gói Hình 1.9 Cấu trúc mạng hình Hình 1.10 Cấu trúc mạng hình tuyến 10 Hình 1.11 Cấu trúc mạng dạng vòng 10 Hình 1.12 Mơ hình kiến trúc phân tầng OSI 12 Hình 1.13 Ảnh hưởng giới hạn băng thơng 177 Hình 1.14 Lược đồ mạch triệt nhiễu 21 Hình 2.1 Tín hiệu tương tự tín hiệu số 31 Hình 2.2 Mơ hình truyền liệu 32 Hình 2.3 Các kỹ thuật mã hố điều chế 32 Hình 2.4 Các thành phân tần số sóng âm 33 Hình 2.5 ASK 35 Hình 2.6 FSK 38 Hình 2.7 PSK 41 Hình 2.8 Dạng sóng tín hiệu điều chế pha 4-PSK 42 Hình 2.9 Giản đồ trạng thái - pha 4-PSK 42 Hình 2.10 Giản đồ trạng thái - pha 8-PSK 42 Hình 2.11 Giản đồ trạng thái - pha dạng sóng điều chế QAM 43 Hình 2.12 Quan hệ hình học QAM 44 Hình 2.13 Điều chế bề rộng xung 44 Hình 2.14 Điều chế độ rộng xung 45 Hình 2.15 Các nguyên lý số hoá 45 Hình 2.16 Tín hiệu mã hoá 46 Hình 2.17 Quá trình lượng tử hoá 47 Hình 2.18 Các nguyên lý companding 49 Hình 2.19 Mơ hình mã hóa đường dây 50 Hình 2.20 Quy tắc mã mã B8ZS 52 v Hình 2.21 Các loại mã hố 53 Hình 2.22 Mã HDB3 B8ZS 53 Hình 3.1 Cáp xoắn 63 Hình 3.2 Cấu tạo cáp đồng trục 64 Hình 3.3 Hiện tượng phản xạ, khúc xạ 65 Hình 3.4 Nguyên lý cáp sợi quang 67 Hình 3.5 Cáp sợi quang 68 Hình 3.6 Hàn cáp sợi quang 68 Hình 3.7 Truyền dẫn vệ tinh 69 Hình 3.8 Truyền dẫn vơ tuyến theo khu vực 72 Hình 3.9 (a) Ghép kênh phân chia tần số; (b) Ghép kênh phân chia thời gian 73 Hình 3.10 Phương pháp ghép kênh FDM 73 Hình 3.11 Xử lý ghép kênh FDM theo thời gian 74 Hình 3.12 Xử lý ghép kênh FDM (biểu diễn theo tần số) 74 Hình 3.13 Xử lý phân kênh FDM (biểu diễn theo thời gian) 75 Hình 3.14 Xử lý phân kênh FDM (biểu diễn theo tần số) 75 Hình 3.15 Phương pháp ghép kênh TDM 75 Hình 3.16 Ghép kênh phân thời đồng TDM 76 Hình 3.17 Đồng TDM, trình dồn kênh 77 Hình 3.18 Đồng TDM, trình phân kênh 77 Hình 3.19 Khung dạng bit 78 Hình 3.20 Tính tốn tốc độ truyền liệu khung 78 Hình 3.21 Khơng đồng TDM 80 Hình 3.22 Ví dụ khung đồng TDM 81 Hình 3.23 Nguyên lý đa truy nhập phân chia theo mã 82 Hình 3.23 Sơ đồ phát CDMA 83 Hình 3.24 Sơ đồ thu CDMA 83 Hình 4.1 Truyền dẫn bất đồng 91 Hình 4.2 Ảnh hưởng lỗi định thời 91 Hình 4.3 Truyền bất đồng 94 Hình 4.4 Đồng khung 96 Hình 4.5 Cơ sở cho truyền đồng 98 Hình 4.6 Mã hố xung đồng hồ 98 Hình 4.7 Mạch mã hóa xung đồng hồ 99 Hình 4.8 Mã hóa dùng mạch DPLL 99 Hình 4.9 Phương pháp Hybrid 100 Hình 4.10 Truyền đồng hướng ký tự 101 vi Hình 4.11 Phương pháp đồng frame định hướng bit dùng cờ 105 Hình 4.12 Chỉ định chiều dài ranh giới bắt đầu khung 106 Hình 4.13 Các vi phạm bit mã hoá 106 Hình 4.14 Các khung HDLC 107 Hình 4.15 Cấu trúc khung HDLC 107 Hình 4.16 Quá trình chèn thêm bit nhồi 108 Hình 4.17 Quá trình nhận dạng loại bỏ bit nhồi 109 Hình 4.18 Mối quan hệ trường địa phần cịn lại khung 110 Hình 4.19 Trường thông tin 110 Hình 4.20 Trường kiểm tra lỗi FCS 110 Hình Các dạng lỗi 114 Hình Lỗi bit 114 Hình 5.3 Lỗi nhiều bit (lỗi cụm) 114 Hình 5.4 Xử lý phát lỗi 115 Hình 5.5 Mạch tạo bit kiểm tra chẵn (VRC) liệu bit: 1100001 116 Hình 5.6 Mạch kiểm tra chẵn (VRC) liệu bit (11000011) 116 Hình 5.7 Ví dụ kiểm tra BSC 118 Hình 5.8 Chức sửa sai 1241 Hình 5.9 Cơ sở mã sửa lỗi Hamming 124 Hình 5.10 Cấu trúc mã Huffman 129 Hình 5.11 Ví dụ mã hố Huffman: 132 Hình 5.12 Hai phương pháp dùng điều khiển lưu lượng 133 Hình 5.13 Phương pháp dừng – – chờ 134 Hình 5.14 Ghép nhiều khung thành cửa sổ 134 Hình 5.15 Cửa sổ phát 134 Hình 5.16 Cửa sổ thu 135 Hình 5.17 Quá trình truyền nhận liệu dùng cửa sổ trượt 135 Hình 5.18 Mơ hình truyền khung 136 Hình 5.19 Truyền liệu giao thức Stop and Wait ARQ lỗi khung 138 Hình 5.20 Truyền liệu giao thức Stop - and - wait ARQ khung 139 Hình 5.21 Truyền liệu giao thức Stop and Wait ARQ 139 Hình 5.22 Các phần tử trễ Stop and Wait ARQ 140 Hình 5.23 Hoạt động Go - back - N lỗi khung liệu 144 Hình 5.24 Hoạt động Go back N khung liệu 145 Hình 5.25 Hoạt động Go back N ACK 146 vii Hình 5.26 Hoạt động Selective - Repeat ARQ lỗi khung liệu 148 Hình 5.27 Các cấu hình trạm sơ cấp, thứ cấp kết hợp 151 Hình 5.28 Các khung HDLC 152 Hình 5.29 Cấu trúc I - frame, S - frame U - frame 153 Hình 5.30 Trường điều khiển chế độ mở rộng 154 Hình 5.31 Trường P/F (Poll/ Final) 154 Hình 5.32 S - frame 155 Hình 5.33 Các dạng S - frame RR RNR 156 Hình 5.34 Cấu trúc U - frame 157 Hình 5.35 Poll/ Responese 160 Hình 5.36 Select/Response 161 Hình 5.37 Peer Devices 162 Hình 5.38 Lỗi truyền ngang hàng (Peer Communication with error) 163 Hình 6.1 Mơ hình mạng chuyển mạch đơn giản 168 Hình 6.2 Ví dụ việc kết nối thông qua mạng điện thoại cơng cộng 170 Hình 6.3 Sơ đồ thiết lập đường truyền 171 Hình 6.4 Mạng chuyển mạch cơng cộng 172 Hình 6.6 Ngun lý chuyển mạch khơng gian S 174 Hình 6.7 Sơ đồ chuyển mạch không gian 177 Hình 6.8 Điều khiển theo đầu 177 Hình 6.9 Điều khiển theo đầu vào 178 Hình 6.10 Phương pháp dùng trễ 178 Hình 6.11 Chuyển mạch hai khe thời gian A B dùng trễ 179 Hình 6.12 Phương pháp dùng nhớ đệm 179 Hình 6.13 Điều khiển ngẫu nhiên 180 Hình 6.14 Ghi tuần tự, đọc ngẫu nhiên 181 Hình 6.15 Ghi ngẫu nhiên, đọc 182 Hình 6.16 Ghi/ đọc song song bit 183 Hình 6.17 Ghép tuyến PCM S/P 183 Hình 6.18 Thâm nhập song song 184 Hình 6.19 Dữ liệu đọc truy cập song song 184 Hình 6.20 Sử dụng gói tin 185 Hình 6.21 Chuyển mạch gói datagram 187 Hình 6.22 Chuyển mạch gói kênh ảo VC 189 Hình 6.23 Ảnh hưởng kích thước gói tin tới thời gian truyền 191 Hình 6.24 So sánh hoạt động truyền liệu chuyển mạch kênh chuyển mạch gói 192 viii ix ... 2: 20 = 10 log 10 P2 /10 ,0475 => P2 =10 04,75mW Phần 3: 10 = 10 log 10 10 04,75/ P2 => P2 =10 0,475mW Vậy mức lượng đầu kênh 10 0,475mW Hoặc: Tổng suy giảm = (16 -2 0) + 10 = 6dB Do đó: = 10 log 10 400/... 10 1. 4 .1 Chuẩn hóa mơ hình truyền số liệu 10 1. 4.2 Mơ hình tham chiếu OSI 11 1. 5.Sự suy giảm biến dạng tín hiệu 14 1. 5 .1 Sự suy giảm 14 1. 5.2... Hình 1. 9 Cấu trúc mạng hình Hình 1. 10 Cấu trúc mạng hình tuyến 10 Hình 1. 11 Cấu trúc mạng dạng vòng 10 Hình 1. 12 Mơ hình kiến trúc phân tầng OSI 12 Hình 1. 13