2. Cấu trúc hệ thống điện thoại
2.2 Mạch đường dài và ghép kênh
+ Tín hiệu analog: tín hiệu analog (tương tự) là loại tín hiệu có các giá trị biên độ liên tục theo thời gian, thí dụ tín hiệu thoại analog
+ Tín hiệu xung: tín hiệu xung là loại tín hiệu có các giá trị biên độ là hàm rời rạc của thời gian. Điển hình của tín hiệu xung là tín hiệu xung lấy mẫu tín hiệu analog dựa vào định lý lấy mẫu
+ Tín hiệu số: đây cũng là loại tín hiệu có các giá trị biên độ là hàm rời rạc của thời gian như tín hiệu xung. Tuy nhiên, khác với tín hiệu xung ở chỗ biên độ của các xung bằng 0 hoặc 1, mặt khác tập hợp của một nhóm xung đại diện cho một chữ số, hoặc một ký tự nào đó. Mỗi một xung được gọi là một bit. Một vài loại tín hiệu số điển hình như: tín hiệu 2 mức (0 và 1), còn có tên là tín hiệu xung nhị phân hay tín hiệu xung đơn cực; và tín hiệu ba mức (-1, 0 và +1), còn được gọi là tín hiệu xung tam phân hay tín hiệu xung lưỡng cực.
+ Tín hiệu điều biên xung, điều tần xung hoặc điều pha xung: đây là trường hợp mà sóng mang xung chữ nhật có biên độ, hoặc tần số, hoặc pha biến đổi theo quy luật biến đổi của biên độ tín hiệu điều chế. Ba dạng tín hiệu này thường được sử dụng trong mạng thông tin analog.
.
Trình độ của các nền kinh tế đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống điện thoại. Về cơ bản hệ thống đòi hỏi một lượng tiền như nhau để thiết lập và bảo trì một trunk băng thông rộng cũng như một trunk băng thông thấp giữa hai tổng đài chuyển mạch (chẳng hạn giá cả xuất phát từ việc đào rãnh để đặt cáp và không xuất phát từ đây đồng hoặc sợi quang) . Do đó các Công ty điện thoại đã khai thác các sơ đồ phức tạp để ghép kênh nhiều cuộc đàm thoại trên một trunk vật lý. Các sơ đồ ghép kênh này có thể được chia thành hai loại cơ bản : ghép kênh phân chia theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) và ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division
Multiplexing). Trong FDM, phổ tần số được chia thành các dải tần số, mỗi người sử dụng có thể sở hữu riêng một dải nào đó. Trong TDM, những người sử dụng lần lượt theo thứ tự (kiểu vòng tròn), từng người sử dụng một cách định kỳ chiếm chọn băng thông trong một khoảng nhỏ thời gian (burst of time).
2.2.1 Ghép kênh theo tần số(FDM)
Ghép kênh theo tần số là tần số (hoặc băng tần) của các kênh khác nhau, nhưng được truyền đồng thời qua môi trường truyền dẫn. Muốn vậy phải sử dụng bộ điều chế, giải điều chế và bộ lọc băng( viết tắt của bô ̣ lo ̣c băng tần :Bộ Lọc Băng tần là một mạch điện tử có điện ổn không đổi theo tần số trên một dải tần hay Băng Tần . Bộ Lọc Băng tần được tạo từ mắc nối Bộ Lọc Tần Số Thấp với Bộ Lọc Tần Số Cao)
Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh và tách kênh theo tần số như hình 1.13. Sơ đồ có N nhánh, mỗi nhánh dành cho một kênh. Sơ đồ chỉ có một cấp điều chế, nhưng trong thực tế có nhiều cấp điều chế. Tuỳ thuộc môi trường truyền dẫn là vô tuyến, dây trần, cáp đối xứng hay cáp đồng trục mà sử dụng một số cấp điều chế cho thích hợp.
Phía phát: tín hiệu tiếng nói qua bộ lọc thấp để hạn chế băng tần từ 0,3 đến 3,4 kHz. Băng tần này được điều chế theo phương thức điều biên với sóng mang fN để được hai băng bên. Trong ghép kênh theo tần số chỉ truyền một băng bên, loại bỏ băng bên thứ hai và sóng mang nhờ bộ lọc băng, như biễu diễn trên hình 1.14. Trong hình 1.14 thí dụ truyền băng dưới. Tại cấp điều chế kênh, khoảng cách giữa hai sóng mang kề nhau là 4 kHz.
Cấp điều chế kênh hình thành băng tần cơ sở 60 ÷ 108 kHz. Từ băng tần cơ sở tạo ra băng tần nhóm trung gian nhờ sóng mang nhóm trung gian. Từ băng tần nhóm trung gian tạo ra băng tần đường truyền nhờ một sóng mang thích hợp. N bộ lọc băng tại đầu ra nhánh phát nối song song với nhau.
Phía thu: các bộ lọc băng tại nhánh phát và nhánh thu của mỗi kênh có băng tần như nhau. Đầu vào nhánh thu có N bộ lọc băng nối song song và đóng vai trò tách kênh. Bộ điều chế tại nhánh phát sử dụng sóng mang nào thì bộ giải điều chế của kênh ấy cũng sử dụng sóng mang như vậy. Tín hiệu kênh được giải điều chế với sóng mang và đầu ra bộ giải điều chế ngoài băng âm tần còn có các thành phần tần số cao. Bộ lọc thấp loại bỏ các thành phần tần số cao, chỉ giữ lại băng âm tần.
Ghép kênh theo tần số có ưu điểm là các bộ điều chế và giải điều chế có cấu tạo đơn giản (sử dụng các diode bán dẫn), băng tần mỗi kênh chỉ bằng 4 kHz nên có thể ghép được nhiều kênh. Chẳng hạn, máy ghép kênh cáp đồng trục có thể ghép tới 1920 kênh. Tuy nhiên do sử dụng điều biên nên khả năng chống nhiễu kém.
Hình 1.15 trình bày cách thức ba kênh điện thoại được ghép kênh sử dụng FDM. Các bộ lọc giới hạn băng thông có ích khoảng 3100 Hz cho mỗi kênh thoại. Khi có nhiều kênh được ghép kênh với nhau, 4000 Hz được cấp phát cho mỗi kênh để giữ cho các kênh có sự tách biệt tốt. Trước tiên các kênh thoại được nâng tần số, mỗi kênh có lượng nâng khác nhau. Bây giờ các kênh có thể được kết hợp do không có hai kênh nào cùng chiếm phần phổ giống nhau. Lưu ý rằng cho dù có các khoảng hở (gap) hay còn gọi là các dải bảo vệ (guard band) giữa các kênh, vẫn có một chồng lấp nào đó giữa các kênh kề nhau do các bộ lọc không thể có các cạnh thẳng đứng. Sự chồng lấp này có nghĩa là một đột biến mạnh ở cạnh của một kênh sẽ được cảm nhận trong kênh kế cận như là nhiễu (không phải do nhiệt).
Hình 1.15: Ghép kênh phân chia theo tần số (a) Băng thông gốc
(b) Các băng thông đươc nâng tần số (c) Kênh sau khi ghép
Các sơ đồ FDM được sử dụng trên khắp thế giới được tiêu chuẩn hóa trong
chừng mực nào đó. Một tiêu chuẩn phổ biến là 12 kênh thoại 4000 Hz được ghép vào trong một dải tần số từ 60 đến 108 KHz . Đơn vị này được gọi là một nhóm (group) . Dải từ 12 KHz đến 60 KHz thỉnh thoảng được sử dụng cho nhóm khác. Nhiều công ty cung cấp dich vụ đường thuê bao 48 đến 56 KHz cho các khách hàng, dựa trên nhóm này. Năm nhóm (60 kênh thoại) có thể được ghép kênh để tạo thành một siêu nhóm (supergroup). Đơn vị tiếp theo là nhóm chủ (mastergroup) có 5 siêu nhóm (chuẩn CCITT) hoặc 10 siêu nhóm (chuẩn Bell). Các chuẩn khác có đến 230000 kênh thoại cũng đang hiện hữu.
2.2.2 Ghép kênh phân chia theo bước sóng ( WDM )
Với các kênh truyền sử dụng sợi quang (fiber optic channel), một biến thể của ghép kênh phân chia theo tần số được sử dụng. Biến thể này được gọi là ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing). Nguyên tắc cơ bản của WDM trên sợi quang được mô tả ở hình 1.16. Ở hình này 4 sợi quang cùng đi đến bộ kết hợp quang (optical combiner), mỗi sợi quang có năng lượng hiện diện tại
hiệu sau khi lọc có thể được định tuyến đến đích của chúng hoặc được tái kết hợp theo cách khác cho một truyền tải ghép kênh khác.
Hình 1.16 : Ghép kênh phân chia theo bước sóng
Thật ra đây chỉ là ghép kênh phân chia theo tần số ở các tần số rất cao. Ta chỉ cần mỗi kênh có một tầm tần số (nghĩa là bước sóng) riêng và tất cả các tầm được tách rời nhau, các kênh có thể được ghép với nhau trên sợi quang truyền tải đường dài. Sự khác biệt duy nhất so với FDM tín hiệu điện là hệ thống quang sử dụng con cách nhiễu xạ hoàn toàn thụ động và do vậy có độ tin cậy cao.
Công nghệ WDM đã được phát triển với tốc độ hơn hẳn công nghệ máy tính. WDM được phát minh khoảng năm 1990. Hệ thống thương mại đầu tiên có 8 kênh với 2.5 Gbps cho mỗi kênh. Vào năm 1998, các hệ thống có 40 kênh với 2.5 Gbps cho mỗi kênh đã xuất hiện trên thị trường. Vào năm 2001, đã có các sản phẩm có 96 kênh với 10 Gbps cho mỗi kênh, tổng cộng 960 Gbps. Ta có đủ băng thông để truyền 30 bộ phim trong 1 sec (theo MPEG 2). Các hệ thống có 200 kênh đang sẵn sàng hoạt động trong phòng thí nghiệm. Khi số kênh trở nên rất lớn và các bước sóng ở gần nhau, thí dụ 0.1 nm, hệ thống thường được xem như là WDM dày đặc DWDM (Dense WDM).
WDM trở nên thông dụng là năng lượng trên 1 sợi quang, điển hình chỉ rộng vài GHz do bởi hiện nay ta không thể chuyển đổi giữa môi trường quang và điện nhanh hơn. Bằng cách vận hành nhiều kênh song song trên các bước sóng khác nhau, băng thông kết hợp sẽ tăng tuyến tính theo số kênh. Vì băng thông của một dải sợi quang đơn chiếc khoảng 25000 GHz , về lý thuyết ta có đủ chỗ cho 2500 kênh 10 GHz ngay cả ở 1 bit/Hz (và các tốc độ cao hơn).
Một phát triển mới khác là các bộ khuếch đại quang hoàn toàn. Trước đây cứ mỗi 10km ta cần phải chia tách tất cả các kênh ra, và biến đổi từng kênh thành tín hiệu điện để khuếch đại riêng rẽ trước khi biến đổi lại thành tín hiệu quang và kết hợp
chúng. Ngày nay, tất cả các bộ khuếch đại quang hoàn toàn có thể tái tạo toàn vẹn tín hiệu cứ mỗi 1000 km mà không cần đến nhiều lần biến đổi quang - điện .
2.2.3 Ghép kênh phân chia theo thời gian ( TDM )
Công nghệ WDM vẫn còn tồn tại một số dây đồng trong hệ thống điện thoại. Mặc dù FDM vẫn còn được sử dụng trên các dây đồng hay các kênh viba, FDM đòi hỏi mạch tương tự và không tuân theo những điều được thực hiện bởi máy tính. Ngược lại, TDM có thể được quản lý hoàn toàn bởi các thiết bị điện tử số, do vậy TDM đã trở nên phổ biến rộng rãi hơn trong những năm gần đây. Thật không may, TDM chỉ có thể được sử dụng cho dữ liệu số. Vì các vòng nội bộ tạo ra các tín hiệu tương tự, một biến đổi từ tương tự sang số được cần đến ở tổng đài đầu cuối, trong đó mọi vòng nội bộ riêng rẽ cùng đi đến để được kết hợp trên các trunk ra (outgoing trunk).
Cách thức các tín hiệu thoại tương tự được số hoá và được kết hợp trên một trunk ra số (outgoing digital trunk). Dữ liệu của máy tính được gởi đi thông qua một modem trở thành dữ liệu tương tự, do vậy mô tả sau cũng áp dụng cho dữ liệu số. Tín hiệu tương tự được số hóa ở tổng đài đầu cuối bằng một dụng cụ gọi là bộ mã hóa - giải mã codec (Coder- Decoder) tạo ra một chuỗi các số 8 bít. Codec tạo 8000 mẫu mỗi sec (125 µsec/mẫu) do định lý Nyquist phát biểu rằng điều này đủ để ta nhận lại toàn
bộ thông tin kênh điện thoại có băng thông 4 KHz. Ở tốc độ lấy mẫu thấp hơn, thông tin sẽ bị mất mát, ở tốc độ lấy mẫu cao hơn, không có thêm thông tin nào đạt được. Kỹ thuật này được gọi là điều chế mã xung PCM (Pulse Code Modulation). PCM tạo thành trái tim của hệ thống điện thoại hiện đại. Kết quả là, hầu như mọi khoảng thời gian trong hệ thống điện thoại này là bội số của 125 µsec.
Khi truyền dẫn số đã trở nên nổi bật thành một công nghệ khả thi, CCITT đã không thể đạt đến thoả thuận cho một chuẩn quốc tế với PCM. Do vậy, hiện nay có nhiều sơ đồ không tương thích đang được sử dụng ở nhiều quốc gia khác nhau trên thế giới.
Phương pháp được sử dụng ở Bắc Mỹ và Nhật là carrier T1,(hình 1.17). Carrier T1 bao gồm 24 kênh thoại được ghép kênh với nhau. Thông thường các tín hiệu tương tự được lấy mẫu một cách tuần tự xoay vòng, chuỗi tín hiệu tương tự sau khi lấy mẫu được đưa đến bộ codec hơn là sử dụng 24 bộ codec riêng rẽ và rồi kết hợp ở ngõ ra số. Mỗi kênh trong 24 kênh này lần lượt chèn 8 bit vào dòng dữ liệu ra. Bảy bit là dữ liệu và một bit dành cho điều khiển, tạo ra tốc độ 7 x 8000 = 56000 bps cho dữ liệu và tốc độ thông tin báo hiệu (signaling information) là 1 x 8000 = 8000 bps cho mỗi kênh.
Một frame (khung) gồm có 24 kênh x 8 bit = 192 bit cộng thêm 1 bit phụ cho
bỏ. Các khách hàng số có thể tạo ra mẫu này, nhưng sự chống đối mạnh mẽ sẽ hiện diện khi frame bị trôi. Khi một hệ thống T1 đang được sử dụng toàn bộ cho dữ liệu, chỉ có 23 kênh được dùng cho dữ liệu. Kênh 24 được sử dụng làm mẫu đồng bộ đặc biệt,cho phép ta khôi phục lại đồng bộ nhanh hơn trong trường hợp xảy ra hiện tượng frame bị trôi.
Hình 1.17 : Carrier T1 (1.544 Mbps)
Sau cùng khi CCITT đã đạt được sự thoả thuận, họ thấy rằng tốc độ 8000 bps cho thông tin báo hiệu là quá nhiều, do vậy chuẩn 1.544 Mbps dựa trên một dữ liệu 8 bit thay vì là 7 bit, nghĩa là tín hiệu tương tự được lượng tử hoá thành 256 mức rời rạc thay vì là 128 mức. Hai biến thể (không tương thích) được cung cấp. Trong báo hiệu kênh chung, bit thêm vào (bit này được gắn ở phía sau thay vì ở phía trước của frame 193 bit) tạo thành các giá trị 10101010….trong các frame lẻ và chứa thông tin báo hiệu đối với tất cả các kênh trong frame chẵn.
Trong dạng biến thể khác, báo hiệu kết hợp kênh, mỗi kênh có kênh con báo hiệu riêng. Một kênh con riêng được sắp xếp bởi sự cấp phát một trong 8 bit của người sử dụng trong mỗi frame thứ sáu cho các mục đích báo hiệu, do vậy 5 trong 6 mẫu rộng 8 bit và mẫu còn lại chỉ rộng 7 bit. CCITT cũng khuyến cáo một carrier PCM ở 2.048 Mbps gọi là E1 . Carrier này có 32 mẫu dữ liệu 8 bit được gói trong frame cơ bản 125
µsec. 30 trong số 32 kênh được dùng cho thông tin còn hai kênh còn lại được dùng để
báo hiệu. Mỗi một nhóm 4 frame cung cấp 64 bit báo hiệu. phân nửa được sử dụng cho báo hiệu kết hợp kênh và phân nửa được sử dụng cho đồng bộ frame hoặc được dự trữ cho mỗi một quốc gia để sử dụng khi muốn. Bên ngoài Bắc Mỹ và Nhật, carrier 2.048 Mbps E1 được sử dụng thay vì T1.
Một khi tín hiệu thoại đã được số hóa, ta cần thử sử dụng các kỹ thuật thống kê để giảm số bit cần cho mỗi một kênh. Các kỹ thuật này không những thích hợp cho sự mã hóa tiếng nói mà còn cho việc số hóa một tín hiệu tương tự bất kỳ. Mọi phương pháp chặt chẽ đều dựa trên nguyên tắc tín hiệu thay đổi tương đối chậm so với tần số lấy mẫu, đến nỗi mà nhiều thông tin trong mức số 7 bit hoặc 8 bit là dư thừa.
Một phương pháp, được gọi là điều chế mã xung vi phân, bao gồm việc cung cấp không phải là biên độ được số hóa mà là sai biệt giữa giá trị hiện hành và giá trị trước đó. Vì các bước nhảy là + 16 hoặc hơn trên thang 128 bước là không chắc chắn, 5 bit có thể đáp ứng thay vì là 7 bit. Nếu thỉnh thoảng tín hiệu nhảy xa hơn, logic mã hóa có thể yêu cầu vài chu kỳ lấy mẫu để bắt kịp. Với tiếng nói, lỗi phát sinh có thể bỏ qua.
Một biến thể của phương pháp chặt chẽ này yêu cầu mỗi một giá trị được lấy mẫu sẽ sai biệt với giá trị được lấy mẫu trước đó bằng + 1. Dưới các điều kiện này, một bit đơn có thể được truyền, báo cho biết hoặc mẫu mới là trên hoặc dưới mẫu trước đó. Kỹ thuật này được gọi là điều chế denlta, hình 1.18. Cũng giống như các kỹ thuật chặt chẽ giả sử các thay đổi mức nhỏ giữa các mẫu liên tiếp,mã hóa delta có thể mắc phải