CHƢƠNG 4 KỸ THUẬT GH P KấNH VÀ ĐA TRUY CẬP
4.3. GH P KấNH P HN CHIA THEO THỜI GIAN TDM
TDM là kỹ thuật gh p kờnh cho cả tớn hiệu tƣơng tự và số. Tuy nhiờn về nguyờn tắc, tớn hiệu tƣơng tự phải đƣợc số húa trƣớc khi gh p. Cũng cú thể thực hiện lấy mẫu kết hợp với gh p kờnh TDM nhƣ đó trỡnh bày trong chƣơng 3. TDM thực hiện truyền cỏc tớn hiệu khỏc nhau qua cựng một kờnh b ng rộng với cựng tần số nhƣng vào cỏc thời điểm khỏc nhau. Sự trực giao giữa cỏc tớn hiệu ở đõy chớnh là trực giao về thời gian.
78
Trong khối gh p kờnh bờn phỏt, thời gian đƣợc phõn thành cỏc khe thời gian, ấn định mỗi khe cho một dũng số đến từ một kờnh khỏc nhau theo cỏch xoay vũng. Việc tỏch kờnh đƣợc thực hiện bờn thu bằng cỏch chuyển mạch tớn hiệu thu vào cỏc thời điểm thớch hợp. Khỏc với FDM, trong hệ thống TDM, yờu cầu tất cả cỏc bộ phỏt và thu phải tuõn theo một đồng hồ chung.
Để minh họa cho nguyờn lý gh p và tỏch kờnh TDM, ta x t vớ dụ đơn giản là gh p TDM cho 3 tớn hiệu tƣơng tự x1(t), x2(t) và x3(t) , sau đú truyền qua hệ thống PCM nhƣ Hỡnh 4-4.
Bộ lấy mẫu kết hợp với gh p kờnh cú thể xem nhƣ một bộ chuyển mạch 3 đầu vào, lần lƣợt lấy mẫu cỏc tớn hiệu tƣơng tự trong 3 kờnh. Nhƣ vậy đầu ra của bộ lấy mẫu chớnh là dóy xung PAM đƣợc lấy mẫu lần lƣợt từ ba tớn hiệu tƣơng tự vào. Tần số lấy mẫu đƣợc xỏc định theo định lý lấy mẫu nhƣ trƣờng hợp khụng gh p kờnh. Gọi tần số lấy mẫu là fS, chu kỳ lấy mẫu là TS = 1/ fS, khoảng cỏch giữa hai xung PAM cạnh nhau trong dóy xung TDM-PAM là
TS/ 3. Bộ chuyển mạch bờn thu phải đồng bộ hoàn toàn với bộ chuyển mạch bờn phỏt để cỏc
xung PAM xuất hiện chớnh xỏc trong kờnh tƣơng ứng. Hỡnh 4-5 minh họa dạng súng tớn hiệu tƣơng tự vào và dóy xung TDM-PAM cho hệ thống gh p 3 kờnh.
Hỡnh 4-4. Hệ thống TDM - PCM 3 kờnh
Hỡnh 4-5. Minh họa dạng súng tớn hiệu tƣơng tự vào và tớn hiệu TDM-PAM
của hệ thống TDM-PCM 3 kờnh 4.4. ĐA TRUY CẬP
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
79
cho ph p truyền hai bản tin điện bỏo qua cựng dõy đến cựng hƣớng, trong đú một bản 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 ấn định 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 súng mang 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 kờnh lƣu 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, tƣợng trƣng cho cỏc tớn hiệu trong cỏc user chiếm toàn bộ b ng
rộng của hệ thống và đƣợc phỏt đi cựng lỳc. 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, đú là 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 dũng bit 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