Đa truy cập là kỹ thuật cho ph p nhiều cặp thu-phỏt cựng chia sẻ một kờnh vật lý
chung. í tƣởng sử dụng một kờnh chung cho ph p nhiều bộ phỏt phỏt tin đồng thời thực ra đó cú từ thời của Thomas Edison 1873. Hệ thống đa truy cập lỳc đú chớnh là hệ thống điện bỏo,
79
cho ph p truyền hai bản tin điện bỏo qua cựng dõy đến cựng hƣớng, trong đú mộtbản tin đƣợc gởi bằng cỏch thay đổi cực tớnh và bản tin kia đƣợc gởi bằng cỏch thay đổi trị tuyệt đối.
Ngày nay, đa truy cập đƣợc ứng dụng rộng rói trong nhiều hệ thống thụng tin. Vớ dụ nhiều thuờ bao truy cập đến cựng trạm gốc trong hệ thống thụng tin di động, hoặc là nhiều trạm mặt đất liờn lạc đến cựng vệ tinh trong trong hệ thống thụng tin vệ tinh.
Đụi khi rất dễ lẫn lộn giữa thuật ngữ "ghộp kờnh" và "đa truy cập". Đa truy cập muốn núi đến trƣờng hợp cỏc nguồn tin khụng đƣợc sắp đặt lại với nhau và hoạt động độc lập với nhau. Nguồn tin thƣờng đƣợc gọi là user.
Hỡnh 4-6 trỡnh bày mụ hỡnh hệ thống thụng tin đa truy cập với hai trƣờng hợp là một bộ thu và nhiều bộ thu.
Hỡnh 4-6.M hỡnh hệ thống đa tru cập (a) Hệ thống một bộ thu (b) Hệ thống nhiều bộ thu
Nhƣ đó giới thiệu ở đầu chƣơng, cỏc phƣơng phỏp đa truy cập đƣợc chia thành ba loại chớnh. Đú là đa truy cập phõn chia theo tần số FDMA, đa truy cập phõn chia theo thời gian
TDMA và đa truy cập phõn chia theo mó CDMA. Cỏc phƣơng phỏp cơ bản này cú thể kết hợp với nhau để tạo thành một phƣơng phỏp đa truy cập mới. Nguyờn tắc cơ bản của tất cả cỏc phƣơng phỏp đa truy cập dựa vào việc phõn chia tài nguyờn thụng tin hữu hạn cho cỏc user khỏc nhau một cỏch hợp lý và hiệu quả.
4.4.1.Đa tru cập phõn chia theo tần số FDMA
Trong phƣơng phỏp đa truy cập này, độ rộng b ng thụng cấp phỏt cho hệ thống là B Hz
đƣợc chia thành n b ng con, mỗi b ng con cú độ rộng b ng là B/n Hz đƣợc ấnđịnh cho mỗi user. Tất cả cỏc user này phỏt tớn hiệu cựng lỳc, tớn hiệu đƣợc mó húa cựng cỏch. Cú thể minh họa nguyờn lý FDMA nhƣ Hỡnh 4-7. Hỡnh hộp chữ nhật trong khụng gian 3 chiều mó- thời
gian- tần số biểu diễn cho tài nguyờn phõn chia cho mỗi user. Bề rộng của hỡnh hộp thể hiện độ rộng của b ng con dành cho một user, bề dài thể hiện thời gian hoạt động của user, bề cao thể hiện cho mó sử dụng.
Trong hệ thống FDMA, cỏc user phỏt liờn tục cỏc súng mang đồng thời trờn cỏc tần số khỏc nhau. Cần đảm bảo khoảng cỏch đủ lớn giữa từng kờnh bị súng mang chiếm để đề phũng cỏc bộ lọc khụng hoàn hảo sẽ gõy ra nhiều giao thoa kờnh lõn cận. Khoảng tần số này đƣợc gọi là b ng bảo vệ. Bộ thu phõn loại tớn hiệu FDMA bằng cỏch lọc ra súngmang riờng tƣơng ứng với user. Việc lọc sẽ đƣợc thực hiện dễ dàng hơn khi b ng bảo vệ rộng. Tuy nhiờn, việc sử dụng b ng bảo vệ rộng sẽ dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng b ng thụng của hệ thống. Vỡ vậy
80
cần phải dung hũa giữa kỹ thuật và tiết kiệm b ng thụng. Để đảm bảo FDMA hoạt động tốt, cần phải phõn chia và quy hoạch tần số thống nhất.
Hỡnh 4-7.Nguyờn lý FDMA
Trong thực tế, FDMA đƣợc ứng dụng trong cỏc hệ thống điện thoại khụng dõy, hệ thống thụng tin vệ tinh...
Về mặt kết cấu, FDMA cú nhƣợc điểm là mỗi súng mang chỉ truyền đƣợc một kờnh lƣu lƣợng, vỡ vậy nếu hệ thống cần N kờnhlƣu lƣợng thỡ phải cần N súng mang.
4.4.2. Đa tru cập phõn chia theo thời gian TDMA
Hỡnh 4-8 minh họa nguyờn lý của TDMA. Để biểu diễn tài nguyờn của mỗi kờnh, ta cũng dựng hỡnh hộp chữ nhật tƣơng tự nhƣ trong FDMA. Tuy nhiờn, ở đõy bề rộng của hỡnh hộp thể hiện khe thời gian dành cho một user, bề dài thể hiện b ng thụng toàn bộ của hệ thống, bề cao thể hiện cho mó sử dụng. Nhƣ vậy, trong phƣơng phỏp đa truy cập này, tớn hiệu của mỗi user chỉ đƣợc phỏt theo cụm (burst) rời rạc chứ khụng liờn tục. Cỏc cụm tuần tự đƣợc sắp xếp lại thành một cấu trỳc thời gian dài hơn gọi là khung (frame). Tất cả cỏc user trong hệ thống TDMA phải phỏt theo cấu trỳc khung này. Mỗi súng mang mang một cụm sẽ chiếm toàn bộ b ng thụng cấp phỏt cho hệ thống.
Phần thu sẽ điều khiển mở cổng cho cụm cần thu trong khe thời gian dành cho mỏy thu phự hợp. Qua đõy ta thấy khỏc với FDMA, ở TDMA, đồng bộ là vấn đề quan trọng. Đồng bộ cho ph p ta xỏc định đỳng vị trớ của cụm cần lấy ra ở mỏy thu hay cụm cần phỏt đi ở mỏy phỏt
tƣơng ứng. Một vấn đề quan trọng nữa là ở trong cụm, ngoài thụng tin của user cũn cần nhiều thụng tin bổ sung nhƣ: thụng tin để khụi phục súng mang, để đồng bộ bit, để cho ph p mỏy thu xỏc định đƣợc điểm bắt đầu cụm... Ngoài ra, bờn thu cần phỏt hiện chớnh xỏc thời điểm bắt đầu của một khung, do vậy, trong một khung, thƣờng đầu khung là cỏc cụm tham chiếu rồi mới đến cỏc cụm lƣu lƣợng nhƣ Hỡnh 4-9. Để đồng bộ tốt, giữa cỏc cụm cần cú khoảng thời gian trống để trỏnh cho cỏc cụm khỏi chồng lấn lờn nhau. Khoảng thời gian này gọi là khoảng bảo vệ.
Ngoài vấn đề đồng bộ, so với FDMA, thiết bị trong hệ thống TDMA phức tạp hơn khi cần dung lƣợng cao. Hơn nữa, do đũi hỏi xử lý số tớn hiệu phức tạp nờn xảy ra trễ lớn.
81
Ƣu điểm nổi bật của TDMA so với FDMA là tiết kiệm tần số hơn. Tuy nhiờn, nếu dựng một cặp tần số cho một cặp thu-phỏt thỡ sẽ khụng đủ đảm bảo dung lƣợng của mạng. Vỡ vậy, TDMA thƣờng đƣợc sử dụng kết hợp với FDMA cho cỏc mạng đũi hỏi dung lƣợng cao. Một ứng dụng phổ biến là kết hợp FDMA/ TDMA trong hệ thống thụng tin di động toàn cầu GSM
(Global System Mobile)
Hỡnh 4-8.Nguyờn lý TDMA
Hỡnh 4-9.Cấu trỳc khung TDMA
4.4.3.Đa tru cập phõn chia theo mó CDMA
CDMA là phƣơng thức đa truy cập mới, cho ph p nhiều user phỏt tin đồng thời và sử dụng toàn bộ b ng thụng của kờnh chung. Tuy nhiờn, tớn hiệu từ mỗi user đƣợc mó húa theo một cỏch riờng sao cho bộ thu cú thể tỏch riờng cỏc tớn hiệu đú ra dự chỳng trựng nhau về thời gian và tần số. Hỡnh 4-10 minh họa nguyờn lý của CDMA. Nhƣ FDMA và TDMA, ta cũng dựng hỡnh hộp chữ nhật để biểu diễn tài nguyờn dành cho mỗi user. Cỏc hỡnh hộp chữ nhật
này cú cựng bề dài và bề rộng, tƣợngtrƣng cho cỏc tớn hiệu trong cỏc user chiếm toàn bộ b ng rộng của hệ thống và đƣợc phỏt đi cựnglỳc. Bề cao của cỏc hỡnh hộp này tƣợng trƣng cho loại mó sử dụng, mỗi user đƣợc mó húa theo một cỏch riờng.
82
Hỡnh 4-10.Nguyờn lý CDMA
4.4.4. Đa tru cập phõn chia theo khụng gian SDMA
Tần số vụ tuyến la một nguồn tài nguyờn tự nhiờn, cần phải sử dụng nú sao cho hiệu quả nhất. Cựng một tần số nhƣng đƣợc sử dụng ở cỏc khu vực khỏc nhau, đúlà đa truy cập phõn
chia theo khụng gian SDMA. SDMA đƣợc dựng trong hệ thống thụng tin di động. Cỏc trạm phỏt chuẩn chỉ đƣợc cấp phỏt một vài tần số. Cũng tần số vừa đƣợc cấp phỏt đú cú thể đƣợc cấp lại ở một khu vực khỏc,với điều kiện là cú khoảng cỏch phự hợp giữa hai khu vực đú để trỏnh giao thoa. Khoảng cỏch tối thiểu này đƣợc gọi là khoảng cỏch dựng lại (reuse distance).
Hỡnh 4-11.Nguyờn lý SDMA
C U HỎI CUỐI CHƢƠNG 4
Cõu hỏi 4.1: Hóy nờu khỏi niệm gh p kờnh phõn chia theo tần số FDM
Cõu hỏi 4.2: Hóy nờu khỏi niệm gh p kờnh phõn chia theo thời gian TDM
Cõu hỏi 4.3: Hóy nờu khỏi niệm đa truy cập phõn chia theo tần số FDMA
Cõu hỏi 4.4: Hóy nờu khỏi niệm đa truy cập phõn chia theo thời gian TDMA
Cõu hỏi 4.5: Hóy nờu khỏi niệm đa truy cập phõn chia theo mó CDMA
83
CHƢƠNG 5. CÁC NGUYấN Lí TRUYỀN DỮ LIỆU SỐ
Chƣơng này đề cập đến cỏc vấn đề truyền dữ liệu số trờn kờnh. Do vậy cỏc tin tức ban đầu là ở dạng số. Chỳng ta bắt đầu với trƣờng hợp nhị phõn, tức là dữ liệu chỉ bao gồm 2 kớ hiệu 0 và 1. Chỳng ta sẽ ấn định cỏc xung riờng biệt cho mỗi kớ hiệu. Dóy xung này đƣợc phỏt trờn kờnh truyền. Ở phớa thu chỳng đƣợc tỏch súng và biến đổi trở về dạng dữ liệu nhị phõn.
5.1.MÃ ĐƢỜNG TRUYỀN
5.1.1.Khỏi niệm chung
Do những ƣu điểm của thụng tin số, nờn ngày nay thụng tin số đang nhanh chúng thế chỗ cho cỏc hệ thống thụng tin tƣơng tự. Trong cỏc hệ thống thụng tin số, tớn hiệu đƣợc truyền trờn kờnh là tớn hiệu số, nú cú thể là tớn hiệu ra của cỏc nguồn số nhƣ mỏy tớnh hoặc là tớn hiệu tƣơng tự đƣợc số hoỏ. Đối với cỏc hệ thống thụng tin số thỡ một trong cỏc mối quan tõm của cỏc nhà thiết kế là dải thụng tối thiểu cú thể đạt đƣợc của kờnh truyền, vấn đề chọn dạng xung để tối thiểu hoỏ độ rộng b ng tần và tối thiểu hoỏ m o dạng xung. Vỡ mục đớch đú mà ngƣời ta thực hiện mó hoỏ dữ liệu truyền trờn kờnh. Quỏ trỡnh này đƣợc gọi là mó hoỏ đƣờng truyền hay là mó đƣờng truyền
Cú hai loại mó đƣờng chớnh là RZ và NRZ. Với mó - RZ, dạng súng trở về mức điện ỏp tham chiếu (thƣờng là 0V) trong một nửa ụ bit. Mó NRZ thỡ khụng nhƣ vậy, tức là khụng quay trở về mức điện ỏp tham chiếu.
Trong mỗi loại, mó đƣờng lại đƣợc phõn loại tiếp dựa theo nguyờn tắc đƣợc dựng để ấn định cỏc mức điện ỏp để biểu diễn. Theo đú, cú cỏc loại mó đƣờng phổ biến là: Unipolar NRZ và Unipolar RZ, Polar NRZ và Polar RZ, Bipolar NRZ và Bipolar RZ. Ngoài ra, RZ cũn cỏc
loại nhƣ Manchester, HDB3, NRZ cũn cú loại AMI...
Cỏc ếu tố cần xem xột khi chọn mó đƣờng
Việc lựa chọn loại mó đƣờng nào cho phự hợp phải đƣợc dựa vào một hoặc nhiều cỏc yếu tố dƣới đõy:
Thành phần một chiều DC: Đối với cỏc đƣờng truyền kết nối AC nhƣ dựng tụ điện, biến ỏp..., nếu trong thành phần của mó đƣờng cú chứa thành phần DC thỡ thành phần này sẽ bị ng n lại gõy m o tớn hiệu thu. Hơn nữa, nếu truyền qua đƣờng truyền bằng kim loại, thành phần DC sẽ làm núng dõy khiến cho suy hao t ng lờn.
Băng thụng: B ng thụng của mó đƣờng càng nhỏ càng tốt, vỡ sẽ giỳp tiết kiệm đƣợc b ng thụng.
Tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate): BER đƣợc định nghĩa là số bit thu bị lỗi trờn tổng số bit truyền đi trong một đơn vị thời gian. Rừ ràng BER càng nhỏ càng tốt.
Tớnh trong suốt (transparancy): Đú là đặc tớnh một ký tự, một bit, một nhúm bit nào đú cú thể truyền đi và nhận lại đƣợc. Nếu mó khụng cú tớnh trong suốt thỡ cú khả n ng một nhúm bit hay một ký tự nào đú bị chặn lại tại một trạm thu trờn
84
đƣờng truyền và khụng đến đƣợc đớch cuối cựng, hoặc cú thể một dũngbit nào đú bị mất tớn hiệu đồng hồ.
Khả năng dễ dàng khụi phục đồng hồ: Một ƣu điểm nổi bật của thụng tin số so với thụng tin tƣơng tự là khả n ng khụi phục tớn hiệu tại cỏc trạm lặp trờn đƣờng truyền, làm cho chất lƣợng tớn hiệu số khụng bị suy giảm theo khoảng cỏch. Hai cụng việc chớnh của trạm lặp là khuếch đại biờn độ của tớn hiệu và khụi phục tớn hiệu đồng hồ ở tại tốc độ bit để tớn hiệu đến trạm lặp cú thể đƣợc lấy mẫu vào thời điểm thớch hợp.
Khả năng tự phỏt hiện lỗi: Ở đõy hiểu khả n ng tự phỏt hiện lỗi là c n cứ vào quy luật mó húa để phỏt hiện lỗi chứ khụng phải đƣa thờm độ dƣ vào mó.
Đơn giản trong việc thực hiện mó hoỏ và giải mó.
Tốc độ tru ền tin: là tốc độ truyền thụng tin từ một nơi này đến một nơi khỏc và đƣợc đo bằng bits/s.
Vớ dụ cú một từ mó gồm 6 bit: 1 0 1 0 0 1
đƣợc truyền trong thời gian là 6ms. Vậy ta cú:
6 bits 100 bits/s =1 Kbps 6 b R ms (5.1)
Tốc độ tớn hiệu (tốc độ baud): là tốc độ thay đổi mức tớn hiệu trờn kờnh truyền, đƣợc đo bằng đơn vị baud.
Vớ dụ ta cú một tớn hiệu nhị phõn 1 0 1 0 0 1 (Hỡnh 5-1a).
Trờn hỡnh 5.1a ta thấy rằng chỉ cú một mức (0 hoặc 1) trong 1ms. Tốc độ truyền tin là
Rb 1Kbps và tốc độ tớn hiệu RB 1000 kớ hiệu/s 1Kbaud. Vậy đối với một hệ nhị phõn thuần tuý thỡ tốc độ truyền tin bằng tốc độ tớn hiệu.
Nếu x t một hệ M 4 mức, cỏc mức này đƣợc qui ƣớc nhƣ bảng 5.1. Thực hiện tỏch dóy nhị phõn thành cỏc nhúm gồm 2 bit, nhƣ vậy để truyền một tin tức nhị phõn thỡ trong hệ này chỳng ta sẽ truyền đi bốn mức 0V, 1V, 2V, 3V. Nhƣ chỉ ra trờn Hỡnh 5-1b để truyền tớn hiệu nhị phõn 1 0 1 0 0 1, trong hệ này ta cần truyền đi cỏc mức 2V, 2V, 1V và nếu thời gian truyền chỳng là 3ms thỡ tốc độ tớn hiệu là:
RB= 3 kớ hiệu / 3ms = 1Kbaud
Bảng 5.1.
Cặp nhị phõn 00 01 10 11
85
Hỡnh 5-1.Tốc độ bit và tốc độ baud
5.1.2.Mó RZ và NRZ
a)Mó NRZ (Nonreturn-to-zero)
Trong thực tế ngoài những tớn hiệu số đƣợc biến đổi từ cỏc nguồn tƣơng tự, cũn cú những tớn hiệu đến từ cỏc nguồn rời rạc. Việc sử dụng những dạng súng thớch hợp để biểu diễncỏc dóy dữ liệu số là một trong những phƣơng phỏp hạn chế m o trờn đƣờng truyền. Trờn
hỡnh 5.2 biểu diễn một số dạng súng khỏc nhau để biểu diễn dóy tớn hiệu nhị phõn. Trong trƣờng hợp nhị phõn thỡ mó đƣờng truyền đơn giản nhất là mó đơn cực. Vớ dụ ta cú một dóy
xung p(t), ở đõy kớ hiệu "1" biểu diễn cho trƣờng hợp xung p(t) đƣợc truyền và "0" ứng với trƣờng hợp khụng cú xung truyền (hỡnh 5.2a), gọi là mó chuyển mạch. Một dạng mó đƣờng truyền khỏc cũng đƣợc sử dụng là mó cực, với kớ hiệu "1" ứng với xung p(t)và "0" ứng với - p(t) (hỡnh 5.2b).
Đối với tớn hiệu nhị phõn đƣợc biểu diễn bởi cỏc dạng nhƣ hỡnh 5.2d,e, ta thấy rằng độ rộng xung chớnh bằng thời gian tồn tại của một kớ hiệu (bit) hay là biờn độ xung khụng trở về khụng (bằng hằng số) trƣớc khi xung tiếp theo bắt đầu. Vỡ vậy mó đƣờng truyền này đƣợc gọi
là mó nonreturn-to-zero (NRZ). Mó đƣờng truyền NRZ cũng cú cỏc dạng đơn cực và lƣỡng cực tƣơng ứng (hỡnh 5.2d,e tƣơng ứng).
0 1 2 3 4 5 6 t (ms) Tb V t (ms) 0 1 2 3 4 5 6 V 1 2 3 (a) (b)
86
Hỡnh 5-2.Một số dạng mó đƣờng truyền
Mật độ phổ c ng suất:
Núi chung ta cú thể biểu diễn cỏc dạng tớn hiệu trờn nhƣ cỏc hàm lấy mẫu của một quỏ trỡnh ngẫu nhiờn X(t), đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
k b k x t a p t kT (5.2)
với p t là dạng xung cơ bản, cỏc hệ số ak phụ thuộc vào dữ liệu vào và dạng xung,
x t là dạng súng của quỏ trỡnh ngẫu nhiờn X t , và Tb là độ rộng xung.
Dạng mó cực:ở đõy chỳng ta khụng chứng minh quỏ trỡnh tớnh toỏn phổ của của cỏc loại mó đƣờng truyền, mà chỉ dẫn ra cụng thức tớnh cuối cựng. Mật độ phổ cụng suất của dạng mó cực là: sin 2 2 b x b T S T c