Giáo trình thông tin dữ liệu

Giáo trình gồm 7 ch-ơng: Ch-ơng 1: Tổng quan Ch-ơng 2: Tín hiệu và đ-ờng truyền Ch-ơng 3: Biến đổi dữ liệu thành tín hiệu Ch-ơng 4: Các kỹ thuật cơ bản trong thông tin số liệu Ch-ơng 5:

Ch-ơng 3: Biến đổi dữ liệu thành tín hiệu 37

Ch-¬ng 5: §iÒu khiÓn liªn kÕt d÷ liÖu 101

6.1.2 Chøc n¨ng c¸c líp trong m« h×nh OSI 130 6.1.3 T-¬ng t¸c gi÷a c¸c líp trong m« h×nh 133

7.1.1 Líp m¹ng trong m« h×nh 7 líp OSI 141 7.1.2 C¸c nguyªn hµm dÞch vô m¹ng 142 7.1.3 C¸c tham sè vÒ chÊt l-îng dÞch vô QoS 143

7.3 M¹ng qu¶ng b¸ 158

7.3.3 C¸c kü thuËt ®iÒu khiÓn truy nhËp 163

Lời nói đầu

Thế kỷ 20 đánh dáu sự phát triển vô cùng nhanh chóng của thông tin liên lạc, Ngày nay, mọi dạng tin tức nh- tiếng nói, hình ảnh, chữ viết, các số liệu đo đạc

đều có thể trao đổi đ-ợc qua hệ thống thông tin dữ liệu Thông tin dữ liệu vì vậy cung cấp một cách nhìn tổng quát nhất

Tài liệu "Thông tin dữ liệu" đ-ợc biên soạn làm giáo trình cho đào tạo đại học, cao học chuyên ngành vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc Trong mối t-ơng quan với các giáo trình khác (Kỹ thuật truyền dẫn, Mạng thông tin, Kỹ thuật chuyển mạch ) , tài liệu này chỉ trình bầy một cách tổng quan về kỹ thuật truyền và lý thuyết mạng, để tập trung vào nội dung điều khiển liên kết dữ liệu Giáo trình gồm 7 ch-ơng:

Ch-ơng 1: Tổng quan

Ch-ơng 2: Tín hiệu và đ-ờng truyền

Ch-ơng 3: Biến đổi dữ liệu thành tín hiệu

Ch-ơng 4: Các kỹ thuật cơ bản trong thông tin số liệu

Ch-ơng 5: Điều khiển liên kết dữ liệu

Ch-ơng 6: Mô hình 7 lớp OSI

Ch-ơng 7: Lớp mạng

Với lần biên soạn đầu tiên, tài liệu này không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận đ-ợc sự đóng góp, góp ý của các đồng nghiệp và bạn đọc, giúp cho tài liệu ngày càng hoàn thiện hơn

Ch-ơng 1

Tổng quan 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin

Mục đích cơ bản của hệ thống thông tin liên lạc là trao đổi thông tin giữa hai

đối t-ợng Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin ở dạng đơn giản đ-ợc

mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin

Thông tin vào (ký hiệu m) đ-ợc nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào

thành dữ liệu vào g hay có thể ở dạng một hàm của thời gian là tín hiệu vào g(t)

Tiếp tục, chúng đ-ợc đ-a qua thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát s(t) thích

hợp với môi tr-ờng truyền

Do ảnh h-ởng của môi tr-ờng truyền (ví dụ do nhiễu tạp), ở đầu thu chúng ta

nhận đ-ợc tín hiệu thu r(t) có thể khác biệt so với tín hiệu phát s(t) Sau khi đ-ợc

giải điều chế tại thiết bị thu, dữ liệu ra g' hay tín hiệu ra g'(t) sẽ đ-a tới thiết bị ra

để lấy ra thông tin có ích m' Kí hiệu ' nhằm chỉ rõ sự sai khác không mong

muốn giữa các cặp g - g', g(t) - g'(t), m - m'(t) do sai lỗi trong hệ thống truyền

Trong sơ đồ trên, thông tin đ-ợc hiểu theo nghĩa tổng quát là nội dung cần

trao đổi, còn dữ liệu (hay tin tức) là ph-ơng tiện để biểu diễn, mô tả thông tin ở

một dạng thích hợp cho việc trao đổi, biểu diễn, xử lý, cảm nhận bởi con ng-ời

hay máy móc

Thiết bị phát

Thiết bị thu

Thông

tin vào

m

Dữ liệu g hay tín hiệu g(t)

đầu ra

Thông tin ra

m'

Trong tr-ờng hợp trao đổi th- điện tử, thiết bị vào và thiết bị phát là máy tính

PC của ng-ời gửi Giả sử ng-ời gửi cần gửi đi một bản tin Nội dung của bản tin

chính là thông tin vào m trong sơ đồ hình 1.1 Ng-ời gửi kích hoạt ch-ơng trình

th- điện tử trên máy tính, dùng bàn phím (thiết bị vào) gõ vào bản tin muốn gửi

Dẫy ký tự vào sẽ đ-ợc l-u giữ trong bộ nhớ của máy tính Bất kỳ lúc nào, chúng

ta có thể xem lại dẫy ký tự g này, hay t-ơng ứng là dẫy bit ghi trong bộ nhớ

Máy PC đ-ợc nối với một môi tr-ờng truyền nào đó (có thể là mạng LAN

hay đ-ờng dây điện thoại) thông qua các thiết bị vào ra I/O (thiết bị phát) nh- bộ

thu phát mạng nội hạt hay modem Dữ liệu đầu vào đ-ợc đ-a tới thiết bị thu phát

ở dạng dẫy bít g(t) - dẫy xung điện áp g(t) - trên các đ-ờng cáp hay bus thông tin

Thiết bị thu phát này nối trực tiếp với môi tr-ờng và biến đổi dãy bit đầu vào g(t)

thành tín hiệu s(t) thích hợp với môi tr-ờng truyền

Tín hiệu phát s(t) khi truyền trên môi tr-ờng sẽ bị một số tác động mà ta sẽ

xem xét kỹ trong ch-ơng 2 Tín hiệu thu đ-ợc r(t) có thể sai lệch so với s(t) Thiết

bị thu sẽ căn cứ vào bản chất của s(t), tín hiệu thu đ-ợc r(t) và các hiểu biết về

môi tr-ờng truyền để tách ra dẫy bít g'(t) Dẫy bít này đ-ợc đ-a tới máy tính PC

đầu ra, l-u giữ vào bộ nhớ máy tính nh- một khối các bit hay khối ký tự g' Trong

nhiều tr-ờng hợp, trạm nhận sẽ cố gắng xác định sai lỗi và nếu có thể, sẽ cùng

phối hợp với trạm nguồn (nh- yêu cầu phát lại đoạn sai ) để có thể có đ-ợc khối

dữ liệu không sai Các dữ liệu này đ-ợc đ-a tới ng-ời dùng qua thiết bị ra, ví dụ

nh- máy in hay màn hình máy tính Thông tin m' vì vậy sẽ đến đ-ợc tới ng-ời

dùng và th-ờng th-ờng là đúng nh- thông tin gốc m

Trong tr-ờng hợp trên, tại hai đầu cuối không nhất thiết phải là con ng-ời, mà

có thể là thiết bị nào đó Tại đầu phát, một thông báo đã ghi trên đĩa hay băng có

thể tự động phát đi trong những điều kiện nhất định (ví dụ nh- vào buổi tối, khi

l-u l-ợng điện thoại ít và c-ớc phí điện thoại rẻ) Tại đầu thu khi ng-ời dùng

không có mặt, thông báo có thể tự ghi vào đĩa hay băng để xem lại khi thích hợp

Ta xem xét tr-ờng hợp thứ hai, khi trao đổi một cuộc điện thoại qua hệ thống

thông tin Các đối t-ợng liên lạc trong tr-ờng hợp này là con ng-ời, tạo ra thông

tin m bằng cách nói ra các âm thanh Sóng âm nhờ micro (thiết bị vào) của tổ hợp

điện thoại biến thành tín hiệu điện cùng tần số nh- vậy Tín hiệu này không cần

phát s(t) trong tr-ờng hợp này là nh- nhau Do sự méo dạng trên đ-ờng truyền,

tín hiệu thu r(t) không hoàn toàn giống s(t), đ-ợc biến trở lại thành âm thanh mà

không có hiệu chỉnh hay cải thiện chất l-ợng gì đáng kể m' vì vậy không hoàn

toàn chính xác với m, song nói chung ng-ời nhận có thể lĩnh hội đ-ợc các thông

tin qua âm thanh mà mình nghe đ-ợc

Có sự khác biệt khi thông tin thoại qua mạng số Tín hiệu vào g(t) khi này

đ-ợc số hoá, nghĩa là biến đổi thành dẫy bit Dẫy bít này d-ới dạng các xung điện

áp sẽ đ-ợc phát đi nh- tín hiệu s(t)

Hai ví dụ trên, tuy đơn giản nh-ng phần nào đã cho ta thấy sự phong phú của

các dạng thông tin Chúng có thể là thông tin giữa con ng-ời với con ng-ời, giữa

máy với máy hay giữa ng-ời với máy, dữ liệu có thể là liên tục (nh- âm thanh)

hay gián đoạn (nh- dẫy ký tự) và hoàn toàn có thể có biến đổi linh hoạt, mềm dẻo

giữa các dạng (nh- ví dụ với thoại số) Trao đổi thông tin có thể diễn ra tức thời

theo thời gian thực, hay có thể l-u giữ chọn thời gian thích hợp Các dịch vụ

thông tin cũng ngày càng phong phú nh- thoại, số liệu, video Quá trình thông

tin còn phức tạp hơn nữa khi các đối t-ợng liên lạc thông qua một mạng thông tin

nhiều ng-ời dùng

Bản chất và những vấn đề trong hệ thống thông tin liên lạc sẽ đ-ợc chúng ta

dần tìm hiểu trong các phần sau

1.2 Các chức năng cơ bản của hệ thống thông tin liên lạc

Sơ đồ hình 1.1 đã giới thiệu một cách tổng quan quá trình trao đổi thông tin

Một cách tiếp cận khác là xem xét hệ thống thông tin d-ới các chức năng cơ bản

của nó Các chức năng cơ bản này có thể kể tới:

• Các tiện ích hệ thống truyền tin

• Phối ghép, giao diện

• Tạo tín hiệu

• Đồng bộ

• Quản lý trao đổi

• Phát hiện và hiệu chỉnh lỗi

Các tiện ích truyền tin của hệ thống nhằm sử dụng một cách có hiệu quả

các ph-ơng tiện truyền tin, bằng cách cho phép nhiều ng-ời dùng, nhiều thiết bị

thông tin cùng sử dụng chung môi tr-ờng truyền Chức năng này bao gồm các kỹ

thuật nh- ghép kênh (Multiplexing), điều khiển tắc nghẽn

Để thông tin, các thiết bị buộc phải phối ghép (Interfacing) với hệ thống

truyền Toàn bộ các dạng thông tin đều phải thông qua việc dùng tín hiệu điện từ

lan truyền đ-ợc qua môi tr-ờng truyền Bởi vậy việc tạo tín hiệu là một đòi hỏi

tất yếu của thông tin

Không chỉ có tín hiệu, hệ thống thông tin còn yêu cầu sự đồng bộ giữa máy

phát và máy thu Máy thu cần phải có thể xác định đ-ợc, khi nào tín hiệu bắt đầu

tới và khi nào kết thúc Máy thu cũng cần biết khoảng thời gian tồn tại của mỗi

phần tử tín hiệu

Ngoài dữ liệu có ích và định thời (đồng bộ), các yêu cầu cần thiết phục vụ

cho việc thông tin giữa hai đối t-ợng tập hợp lại thành một thuật ngữ chung gọi

là quản lý trao đổi Để thực hiện đ-ợc việc thông tin liên lạc, hai đối t-ợng cần

phải hợp tác với nhau một cách chặt chẽ Ví dụ nh- để liên lạc điện thoại, một

bên phải quay số, kết quả tạo ra chuông gọi máy bạn Ng-ời bị gọi phải nhấc

máy, khi này cuộc nối mới đ-ợc thực hiện Với các thiết bị xử lý dữ liệu, yêu cầu

về hợp tác còn phong phú hơn, không chỉ dừng ở việc thiết lập cuộc nối

Hai chức năng tiếp theo: Phát hiện, hiệu chỉnh lỗi và điều khiển luồng cũng

có thể nhóm vào chức năng quản lý trao đổi, song do ý nghĩa quan trọng của

chúng nên đ-ợc phân ra thành các chức năng tách biệt Phát hiện và hiệu chỉnh

lỗi là đòi hỏi trong những tr-ờng hợp không cho phép thông tin sai lạc, th-ờng là

trong các hệ thống xử lý dữ liệu, ví dụ nh- khi truyền File giữa các máy tính

dữ liệu quá nhanh mà trạm nhận không thể xử lý kịp, dẫn tới việc bỏ qua, mất dữ

liệu

Khi các ph-ơng tiện truyền đ-ợc dùng chung bởi nhiều đối t-ợng, nhiều

ng-ời dùng, việc đánh địa chỉ là cần thiết để trạm gửi có thể thông tin đúng với

trạm nhận mà mình mong muốn Khi này hệ thống truyền thực tế đã tạo thành

một mạng, với nhiều đ-ờng truyền có thể nối giữa hai trạm Cần thiết phải chọn

đ-ờng để xác định một đ-ờng cụ thể xuyên qua mạng này cho mỗi cuộc nối

Hồi phục là một kỹ thuật khác so với phát hiện và hiệu chỉnh lỗi Kỹ thuật

hồi phục là cần thiết, nh- trong tr-ờng hợp quá trình truyền file dữ liệu bị ngắt do

sự cố nào đó của hệ thống Các đối t-ợng phải có khả năng kích hoạt trở lại tại

điểm bị ngắt hoặc ít nhất cũng phải hồi phục lại trạng thái của hệ thống về trạng

thái khởi thủy để bắt đầu trao đổi

Hai đối t-ợng liên lạc với nhau phải có cùng dạng dữ liệu cần trao đổi Thỏa

thuận về điều này đ-ợc hiểu nh- định dạng bản tin Ví dụ, hai bên phải dùng

cùng một mã mô tả ký tự chẳng hạn

Các chức năng bảo vệ cũng rất cần thiết cho hệ thống thông tin liên lạc

Ng-ời gửi muốn bảo đảm rằng, chỉ có ng-ời nhận hợp lệ mới thu nhận đ-ợc dữ

liệu Còn ng-ời thu muốn đ-ợc đảm bảo rằng, dữ liệu không bị thay đổi trong quá

trình trung chuyển và bảo đảm là đ-ợc gửi từ đúng đối t-ợng

Cuối cùng, các ph-ơng tiện thông tin tạo thành một hệ thống phức tạp không

thể tự thiết lập và tự hoạt động Khả năng quản lý hệ thống là cần thiết để cấu

hình hệ thống, giám sát các trạng thái của nó, phản ứng với các h- hỏng hay quá

tải, lập kế hoạch cho phát triển trong t-ơng lai

1.3 Mô hình 7 lớp OSI

Hệ thống thông tin là một hệ thống rộng khắp, với rất nhiều ng-ời dùng và

cũng rất nhiều các nhà cung cấp các sản phảm thông tin cả về phần cứng và phần

mềm Yêu cầu về tính t-ơng thích đ-ợc đặt ra gay gắt và đ-ợc thực hiện bằng

cách xây dựng các chuẩn mà khi đáp ứng chúng, các sản phẩm thông tin tuy

không cùng một nhà sản xuất cũng sẽ kết nối đ-ợc với nhau Công việc cần thiết

dựng nên các chuẩn, phục vụ cho mục đích kết nối các hệ thống thông tin khác

nhau

Tháng 3 năm 1977 tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế (International Ogranization

For Standardization - ISO) bắt đầu nghiên cứu việc xây dựng một khung chung

nh- vậy, với mục tiêu:

• Liên kết các hệ thống, các sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau

• Phối hợp các hoạt động chuẩn hoá trong lĩnh vực viễn thông và các hệ

thống thông tin

Năm 1984 Mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở (OSI) ra

đời, đ-ợc CCITT chấp nhận và coi là tiêu chuẩn chung cho các nhà nghiên cứu,

thiết kế, chế tạo và sản xuất các thiết bị thông tin trên toàn cầu Từ “ mở” trong

tên gọi mô hình nhằm chỉ rõ: các hệ thống khác nhau song vẫn có thể nối kết để

trao đổi thông tin với nhau nếu chúng tuân thủ mô hình tham chiếu và các chuẩn

Liên kết Dữ LIệU Vật lý

Bảng 1.1 Chức năng các lớp trong mô hình OSI

1 Lớp vật lý Liên quan tới việc truyền luồng bít trên môi tr-ờng vật lý, quy

điều khiển luồng

3 Lớp mạng Nhằm truyền tải dử liệu một cách trong suốt giữa các đơn vị

truyền tải Giải phóng các lớp trên khỏi cần biết về việc truyền dữ liệu và công nghệ chuyển mạch dùng để nối hệ thống Đáp ứng yêu cầu thiết lập, duy trì và kết thúc cuộc nối

4 Lớp vận

chuyển

Nhằm vận chuyển dữ liệu trong suốt và tin cậy giữa các đầu cuối Thực hiện hồi phục lỗi đầu cuối tới đầu cuối và điều khiển luồng

5 Lớp phiên Điều khiển cấu trúc liên lạc giữa các ứng dụng: Thiết lập,

quản lý và kết thúc cuộc nối (phiên liên lạc) giữa các ứng dụng cùng làm việc

6 Lớp trình bầy Đảm bảo sự độc lập cho các ứng dụng xử lý khỏi sự khác biệt

trong trình bầy dữ liệu (Cú pháp)

7.Lớp ứng dụng Cho phép ng-ời dùng truy nhập vào môi tr-ờng OSI và cung

cấp các dịch vụ thông tin phân bố

Mô hình đ-ợc xây dựng theo nguyên tắc phân lớp Theo đó, mỗi hệ thống

thành phần đ-ợc xem nh- một cấu trúc đa lớp, mỗi lớp đ-ợc xây dựng trên lớp

d-ới của nó, và chức năng chính của mỗi lớp là cung cấp các dịch vụ cho lớp cao

hơn Các hệ thống thành phần trong một mạng đều có cấu trúc lớp nh- nhau

Quan hệ giữa hai lớp kề nhau và quan hệ giữa hai lớp đồng mức của hai hệ thống

nối với nhau đ-ợc định nghĩa một cách chặt chẽ Dữ liệu không đ-ợc truyền trực

vật lý) Dữ liệu từ bên hệ thống gửi sang hệ thống nhận phải đi bằng đ-ờng truyền

vật lý, và sau đó đi ng-ợc từ lớp thấp lên lớp trên Nh- vậy, giữa hai hệ thống kết

nối với nhau chỉ có lớp thấp nhất mới có liên kết vật lý, còn ở các lớp cao hơn chỉ

có liên kết logíc hay còn gọi là liên kết ảo

Với cấu trúc đa lớp nh- vậy, hệ thống thông tin phức tạp đã đ-ợc chia thành

Trong nội dung của giáo trình này chúng ta sẽ xem xét chủ yếu các quá trình

trao đổi dữ liệu t-ơng ứng với 3 lớp d-ới trong mô hình trên

Ch-ơng 2

Tín hiệu và đ-ờng truyền 2.1.Khái niệm chung về môi tr-ờng truyền và tín hiệu

2.1.1 Môi tr-ờng truyền

Dữ liệu đ-ợc truyền từ đầu phát tới đầu thu thông qua môi tr-ờng truyền Môi

tr-ờng truyền có thể là môi tr-ờng định tuyến hay không định tuyến Trong cả hai

tr-ờng hợp, thông tin đều đ-ợc thực hiện thông qua sự truyền lan của sóng điện

từ Với môi tr-ờng có định tuyến, đ-ờng đi của sóng điện từ đ-ợc định sẵn theo

một đ-ờng vật lý nh- cặp đôi dây xoắn, cáp đồng trục, cáp quang Còn trong

môi tr-ờng không định tuyến, môi tr-ờng truyền chỉ cung cấp một ph-ơng tiện

truyền lan sóng điện từ, mà không ràng buộc chúng theo một đ-ờng, một tuyến

nhất định, ví dụ nh- sự truyền lan của sóng điện từ trong không khí, trong chân

không hay qua n-ớc biển

Khái niệm đ-ờng trực tiếp dùng để mô tả đ-ờng truyền giữa hai thiết bị mà

trong đó tín hiệu đ-ợc truyền từ đầu phát tới đầu thu không qua một thiết bị trung

gian nào ngoại trừ các bộ khuyếch đại hay bộ lặp (đ-ợc dùng để tăng c-ờng độ

tín hiệu) Khái niệm đ-ờng trực tiếp đ-ợc dùng cho cả môi tr-ờng định tuyến và

không định tuyến

Môi tr-ờng truyền định tuyến đ-ợc gọi là điểm nối điểm nếu nó cung cấp một

đ-ờng trực tiếp giữa hai thiết bị và chỉ hai thiết bị này đ-ợc dùng môi tr-ờng đó

Trong cấu hình đa điểm, môi tr-ờng truyền đ-ợc sử dụng chung bởi nhiều hơn

hai thiết bị

Truyền tin có thể là đơn công, bán song công hay song công hoàn toàn Trong

truyền đơn công, việc truyền chỉ đ-ợc truyền theo một chiều từ trạm phát tới trạm

thu Với truyền bán song công, việc truyền tin có thể đ-ợc thực hiện theo hai

chiều song không đồng thời, khi trạm này phát thì trạm kia thu và ng-ợc lại

Trong truyền song công, cả hai trạm đều có thể đồng thời thu và phát, thông tin

có thể thực hiện theo cả hai chiều một cách đồng thời

Hình 2.1 Ví dụ về cấu hình đ-ờng truyền định tuyến

2.1.2 Tín hiệu

Tín hiệu đ-ợc dùng để mang tin tức (dữ liệu) từ thiết bị phát tới thiết bị thu

thông qua môi tr-ờng truyền (từ điểm 3 tới điểm 4 trong sơ đồ khối tổng quát)

Tín hiệu là một hàm của thời gian, song cũng có thể biểu diễn nh- một hàm của

tần số Chúng ta có thể xem xét tín hiệu theo quan điểm thời gian hay theo quan

điểm tần số

Theo quan điểm thời gian, tín hiệu có thể chia thành tín hiệu liên tục và tín

hiệu rời rạc

Tín hiệu đ-ợc gọi là liên tục nếu:

lim s(t) = s(a) với mọi a

t → a

Nói cách khác, là không có sự ngắt hay sự không liên tục trong tín hiệu Tín

hiệu gọi là rời rạc khi chỉ có một số hữu hạn các giá trị Hình 2.2 mô tả các loại

tín hiệu: rời rạc và liên tục Điển hình cho tín hiệu liên tục là tiếng nói, còn cho

Bộ

Thu/Phát

Bộ Thu/Phát

Bộ

Thu/Phát

Bộ Thu/Phát

Bộ Thu/Phát

Bộ Thu/Phát

Môi tr-ờng ruyền

Môi tr-ờng truyền

Khuyếch đại hay bộ lặp

Khuyếch đại hay bộ lặp

không hoặc nhiều đoạn

không hoặc nhiều đoạn

a Điểm - Điểm

b Đa điểm

Hình 2.2 Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc

Một tín hiệu gọi là tuần hoàn nếu:

s(t+T) = s(t) ; -  < t < +  Hằng số T nhỏ nhất thoả mãn điều kiện trên đ-ợc gọi là chu kỳ của tín hiệu

Hình 2.3a và 2.3b mô tả hai tín hiệu tuần hoàn điển hình là tín hiệu điều hoà

hình sin và tín hiệu dạng xung vuông Các tham số đặc tr-ng của chúng là biên

độ A, tần số f và góc pha , trong đó tần số là giá trị nghịch đảo của chu kỳ

f=1/T

Tín hiệu điều hoà hình sin có thể mô tả

s(t) = A sin(2f t + ) Xem xét tín hiệu trên quan điểm tần số có một ý nghiã quan trọng trong

thông tin Một tín hiệu điều hoà hình sin đ-ợc biểu diễn trên đồ thị phổ bằng một

vạch phổ tại tần số f và độ lớn bằng biên độ A của nó Mọi tín hiệu (tuần hoàn

hay không tuần hoàn) đều có thể biểu diễn d-ới dạng tổng (hữu hạn hay vô hạn)

của các tín hiệu điều hoà hình sin Tổng quát, mọi tín hiệu s(t) đều có một phổ

tuần hoàn hay là một dải phổ đặc nếu là tín hiệu không tuần hoàn bất kỳ Trên

hình 2.3 cũng trình bầy một số ví dụ về phổ tần tín hiệu

Bề rộng tuyệt đối của phổ tần của một tín hiệu là dải tần số mà nó có Rất

nhiều tín hiệu có bề rộng phổ tần là vô hạn Tuy nhiên, phần lớn năng l-ợng của

chúng th-ờng chỉ tập trung trong một giải tần nhất định hữu hạn, gọi là giải phổ

hiệu dụng, hay gọi tắt luôn là giải phổ của tín hiệu

A/3 A/5

c Dạng xung vuông tuần hoàn bị méo do chỉ lấy 3 thành phần tần số đầu

s(t) = A Sin (2ft) + A/3 Sin 3(2ft) + A/5 Sin 5(2ft)

A/3 A/5 A/7

Một thuật ngữ nữa cần định nghĩa là thành phần một chiều dòng trực tiếp dc

(direct current) Đây là thành phần tại tần số bằng không nên gọi là thành phần

một chiều Khi không có thành phần một chiều, giá trị trung bình của tín hiệu

theo thời gian sẽ bằng không Việc tín hiệu có thành phần dc làm phức tạp hơn

cho quá trình truyền tin vì đòi hỏi nối trực tiếp giữa hai thiết bị

Quan hệ giữa tốc độ số liệu và băng thông cần thiết

Hình 2.4 ảnh h-ởng của giải thông kênh truyền lên tín hiệu số

Qua một số ví dụ trên, ta cũng thấy rõ, tốc độ số liệu có quan hệ chặt chẽ với

bề rộng phổ của tín hiệu số liệu đó Khi tốc độ càng cao, tốc độ biến thiên f càng

lớn và bề rộng phổ càng rộng

Song băng thông của một kênh truyền (đ-ờng truyền) là hữu hạn và là một tài

nguyên cần tiết kiệm để chia sẻ cho nhiều ng-ời dùng Rõ ràng, khi chỉ dành một

băng thông nhất định cho một tín hiệu số liệu cụ thể, nếu băng thông càng rộng

sẽ càng cho qua nhiều thành phần tần số trong phổ của tín hiệu đó, tín hiệu thu vì

vậy càng giống tín hiệu phát Ng-ợc lại, khi bề rộng băng thông kênh truyền

giảm đi sẽ làm méo tín hiệu, nh- chỉ ra trên ví dụ hình 2.4

Có thể -ớc l-ợng một cách gần đúng Với tốc độ số liệu trung bình là W bit/s,

và coi tốc độ này là tần số trung tâm của giải phổ tín hiệu, thì băng thông cần để

truyền số liệu đảm bảo chất l-ợng cao sẽ là 2W Hz Ví dụ với W = 2000 b/s, thì

bề rộng băng thông 4000 Hz sẽ không làm méo nhiều tín hiệu nh- mô tả trên

hình 2.4

2.2 Tác động của môi tr-ờng truyền tới việc truyền tín hiệu

Khi tín hiệu truyền qua môi tr-ờng ít nhiều sẽ bị các tác động làm sai lạc

C-òng độ của tín hiệu trên bất cứ một môi tr-ờng truyền nào đều bị suy giảm

theo khoảng cách Sự suy giảm này th-ờng theo quy luật hàm logarit trong các

đ-ờng truyền có định tuyến, hay theo một hàm phức tạp trong các môi tr-ờng

không định tuyến tuỳ thuộc vào khoảng cách và áp suất không khí Tín hiệu bị

suy giảm tác động đến các yếu tố sau:

• Tín hiệu nhận đ-ợc tại điểm thu phải đủ lớn để máy thu có thể phát

hiện và khôi phục tín hiệu

• Tín hiệu nhận đ-ợc tại điểm thu phải đủ lớn hơn nhiễu một mức nhất

định (đảm bảo tỷ số S/N) để máy thu có thể phát hiện và khôi phục tín

hiệu không bị sai lỗi

• Độ suy giảm th-ờng là một hàm tăng theo tần số

Hai tác động đầu có thể khắc phục khi dùng các bộ khuyếch đại hay bộ lặp

lại

Tác động thứ ba cần đặc biệt chú ý với tín hiệu analog Do độ suy giảm thay

đổi nh- một hàm của tần số nên tín hiệu tại điểm thu sẽ bị méo, khó khôi phục

toàn vẹn Để giảm ảnh h-ởng của vấn đề này, ng-ời ta dùng bộ san bằng để làm

đồng đều độ suy giảm trong toàn dải băng Điều này th-ờng đ-ợc sử dụng trong

các đ-ờng điện thoại khi dùng các cuộn dây tải để thay đổi đặc tính điện của

đ-ờng dây, làm giảm ảnh h-ởng do suy giảm không đồng đều Một ph-ơng thức

khác là dùng các bộ khuyếch đại có độ khuyếch đại ở tần số cao là lớn hơn so

với ở tần số thấp

Đ-ờng liền nét trên hình 2.5a là dạng đặc tính phổ biến cho đ-ờng thoại dành

riêng Trên hình vẽ, độ suy giảm đ-ợc biểu diễn d-ới dạng t-ơng đối so với độ

suy giảm tại tần số 1000 Hz tính theo đơn vị dềxiben db Cụ thể

Nf = - 10 log10

1000

1

P P

Đ-ờng đứt nét trên hình này mô tả hiệu quả của bộ san bằng Sự đồng đều sẽ

làm tăng chất l-ợng của tín hiệu thoại cũng nh- cho phép tăng tốc độ truyền dữ

liệu số khi truyền qua chúng dùng modem

2.2.2 Méo do giữ chậm

Méo do giữ chậm th-ờng đáng kể hơn trong môi tr-ờng truyền có định tuyến

Méo là do tốc độ truyền tín hiệu qua đ-ờng truyền bị biến đổi theo tần số Với tín

hiệu bị hạn chế băng tần, tốc độ tín hiệu cao nhất th-ờng ở gần tần số trung tâm

của giải băng, và giảm dần khi tần số dịch dần ra hai biên Bởi vậy, các thành

phần tần số khác nhau của tín hiệu sẽ tới đầu thu không cùng nhau, làm méo tín

hiệu tổng cộng

Méo do giữ chậm đặc biệt nguy hại đối với tín hiệu số Trong tr-ờng hợp này,

này sẽ bị dịch đi trùm lên phần của bít khác, gây nên cái gọi là méo giao thoa

giữa các ký tự, đây là nguyên nhân chủ yếu hạn chế tốc độ cực đại trên một

Kỹ thuật san bằng cũng đ-ợc sử dụng để hạn chế méo do giữ chậm Hình

2.5b mô tả đặc tuyến đ-ờng dành riêng và hiệu quả khi dùng bộ san bằng

2.2.3 Nhiễu tạp

Với môi tr-ờng truyền bất kỳ, tín hiệu thu đ-ợc là một tổ hợp của tín hiệu

phát và một thành phần không mong muốn gây ra do hệ thống truyền Thành

phần này ta gọi là nhiễu tạp, một nhân tố chính hạn chế chất l-ợng hệ thống

Tạp âm nhiệt tạo ra do sự chuyển động của Electron trong vật dẫn Nó tồn tại

trong mọi thiết bị điện tử và môi tr-ờng truyền, và là một hàm của nhiệt độ Tạp

âm nhiệt có phân bố đều trong toàn bộ phổ tần và đ-ợc xem nh- là tạp âm trắng

Tạp âm nhiệt không thể loại bỏ và vì vậy nó xác định một giới hạn trên cho đặc

tính của hệ thống thông tin Tạp âm nhiệt trong giải băng 1 Hz đ-ợc tính:

N = 10 lg k + 10 lg T + 10 lg W = -228,6 +10 lg T + 10 lg W

Nhiễu do điều chế t-ơng hỗ

Khi các tín hiệu có tần số khác nhau truyền chung trên một môi tr-ờng

truyền sẽ sinh ra nhiễu do điều chế t-ơng hỗ Nhiễu này là thành phần có tần số

là tổ hợp (tổng hay hiệu) của các tần số gốc hay hài bậc cao của nó Ví dụ việc

trộn hai tín hiệu gốc có tần số t-ơng ứng là f1 và f2 sẽ sinh ra các sản phẩm nhiễu

t-ơng hỗ n.f1  m.f2, và sẽ gây nhiễu cho những tín hiệu có tần số gần các thành

phần này

Nhiễu do điều chế t-ơng hỗ sinh ra tại các phần tử phi tuyến trong máy phát,

máy thu cũng nh- trong hệ thống truyền

Nhiễu xuyên âm là nhiễu sinh ra do sự ghép nối không mong muốn giữa các

đ-ờng tín hiệu khác nhau, nh- sự ghép điện từ giữa các cặp đ-ờng dây song hành

kề cạnh, hay giữa các đôi cáp cùng trong một ruột cáp nhiều lõi, giữa các cặp

anten vi ba Thông th-ờng, nhiễu xuyên âm cỡ cùng bậc hay nhỏ hơn so với tạp

âm nhiệt

Ba loại nhiễu kể trên đều là nhiễu định tr-ớc và có biên độ hầu nh- hằng số

Vì vậy có thể tăng năng l-ợng của hệ thống truyền để chế áp chúng Nhiễu xung,

trái lại, là dạng nhiễu không liên tục, chứa các xung nhiễu không theo quy luật

hay các đột biến xung với thời gian tồn tại ngắn song biên độ th-ờng khá lớn

Nhiễu xung tạo ra từ nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó có cả những nguyên

nhân bên ngoài nh- đột biến điện từ tr-ờng (ví dụ do sét), khi tắt bật máy hay sự

cố trong hệ thống thông tin

Nhiễu xung nói chung ít ảnh h-ởng tới hệ thống thông tin analog Ví dụ nó

chỉ gây nên những tiếng sột xoạt ngắn trong thông tin thoại và không làm mất

tính toàn vẹn của tin tức cần trao đổi Song nó là một trong các nguyên nhân

chính gây sai số trong hệ thống truyền tin số Ví dụ, một xung nhiễu với độ dài

0.01 s sẽ không ảnh h-ởng đáng kể tới tín hiệu thoại, song đã làm mất 50 bit dữ

liệu khi truyền dữ liệu số với tốc độ 4800 b/s

2.3 Một số môi tr-ờng truyền cơ bản

Môi tr-ờng truyền là đ-ờng vật lý nối thiết bị phát và thiết bị thu trong hệ

thống truyền dữ liệu Chất l-ợng và đặc tính của việc truyền dữ liệu phụ thuộc

Bảng 2.1 chỉ rõ mối quan hệ giữa các đặc tính cơ bản: tốc độ truyền, băng

thông và khoảng cách tối đa giữa các bộ lặp lại (Repeater) với tín hiệu số cho các

môi tr-ờng truyền định tuyến

Dải tần các môi tr-ờng truyền và cho các ứng dụng và đ-ợc chỉ ra trên hình

2.3.1 Cáp đôi dây xoắn (Dây song hành - Twisted Pair):

Một cặp dây xoắn gồm 2 sợi cách điện với nhau và đ-ợc xoắn theo một quy

luật đều đặn Mỗi cặp dây tạo thành một đ-ờng liên lạc đơn Nhiều cặp dây nh-

vậy th-ờng đ-ợc đặt chung trong một cáp có vỏ bọc Những cáp dài có thể chứa

hàng trăm cặp Việc xoắn nhằm giảm nhiễu điện từ giữa các cặp với nhau Lõi

dây th-ờng từ 0,016 - 0,036 inches

Cáp đôi dây xoắn dùng truyền tín hiệu analog cũng nh- tín hiệu số Trong hệ

thống điện thoại, cáp đôi dây xoắn th-ờng dùng nối thiết bị thuê bao tới hệ thống

tổng đài hay tới tổng đài nội bộ PBX (Private Branch exchange) Cáp đôi dây

xoắn cũng dùng để truyền dữ liệu qua khoảng cách ngắn Với các PBX số hiện

đại, tốc độ truyền cực đại khoảng 64 Kbps Tuy nhiên cáp đôi dây xoắn cũng có

thể dùng cho các đ-ờng trung kế có khoảng cách xa với tốc độ truyền lên tới 4

Mbps Mạng máy tính cục bộ LAN cũng th-ờng dùng cáp đôi dây xoắn do giá

thành rẻ

Độ suy giảm tín hiệu trên cáp đôi dây xoắn phụ thuộc rất mạnh theo tần số

(hình 2,7) Cáp đôi dây xoắn cũng dễ bị ảnh h-ởng điện từ tr-ờng Nếu đ-ờng

dây song song với đ-ờng điện lực xoay chiều có thể tạo ra đỉnh nhiễu 50 Hz

Nhiễu xung cũng dễ sinh ra trong cáp đôi dây xoắn

Khi truyền thoại trong mạch điểm - điểm với băng thông đến 250 Khz , độ

suy hao là khoảng 1dB/1Km Trong hệ thống điện thoại, độ suy giảm cho phép là

6 dB do đó 6Km là khoảng cách tối đa đ-ợc dùng Với tín hiệu số, yêu cầu

khoảng 2-3 Km phải có Repeater

Hình 2.7 Độ suy giảm trong các môi tr-ờng truyền định tuyến

1 kHz 1 MHz 1 GHz 1 THz 1000 THz

Cáp dây xoắn

Cáp

đồng trục 3/8”

Cáp quang

100

10

1

0.1 Suy giảm dB/Km

Tần số

2.3.2 Cáp đồng trục:

Cũng nh- cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục gồm có 2 phần, bao gồm ống trục

bên ngoài và một dây lõi bên trong Dây lõi và ống trục bên ngoài đ-ợc đặt cách

đều nhau và cách ly bởi phần cách điện Trục bên ngoài đ-ợc bao bởi một lớp áo

hoặc vỏ bọc Cáp đồng trục th-ờng có độ lớn từ 0,4  1 inches

Cáp đồng trục đ-ợc dùng t-ơng đối rộng rãi trong các ứng dụng:

- Đ-ờng truyền thoại với khoảng cách xa, đ-ờng truyền hình

- Mạng truyền hình cáp

- Mạng cục bộ ( LAN)

- Đ-ờng nối các hệ thống

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

qua nó dễ dàng nối đến cáp quang, mạng viba và mạng vệ tinh Một đ-ờng cáp

đồng trục dùng phân đ-ờng theo tần số (FDM) có thể truyền trên 10.000 kênh

tiếng nói đồng thời

Cáp đồng trục đ-ợc dùng để truyền cả 2 loại tín hiệu: analog và digital ở

khoảng cách gần hoặc xa Đặc tuyến tần số của cáp đồng trục tốt hơn nhiều so

với cáp đôi dây xoắn Khi dùng cáp đồng trục để truyền tín hiệu analog với

khoảng cách vài Km, tần số cực đại có thể đạt đ-ợc 400 Mhz Khi truyền tín hiệu

số, có thể đạt đ-ợc tốc độ truyền 500 Mbps cho khoảng cách tối đa 1,6Km

2.3.3 Cáp sợi quang:

Cáp quang gồm những sợi nhỏ, mỏng (khoảng 2-125 m) và dẻo có khả năng

truyền dẫn ánh sáng Một cáp sợi quang có hình trụ gồm 3 phần đồng tâm: lõi,

lớp áo bao và vỏ bảo vệ ngoài Lớp vỏ bảo vệ ngoài là chất dẻo hoặc các vật liệu

mềm có độ tổn thất quang lớn, dùng để chống ẩm và ăn mòn, chống ảnh h-ởng

của môi tr-ờng, đồng thời chống xuyên âm với các sợi kề cạnh

Cáp sợi quang có những -u điểm cơ bản:

- Băng thông rộng:

- Kích th-ớc nhỏ, trọng l-ợng nhẹ:

- Suy hao truyền dẫn thấp, nên khoảng cách giữa các bộ lặp lại

(Repeater) lớn

- Cách ly điện từ: sợi quang không bị ảnh h-ởng bởi tr-ờng điện từ, do

đó không bị nhiễu xuyên âm, nhiễu xung

Cáp sợi quang có 5 phạm vi ứng dụng quan trọng:

- Các trung kế đ-ờng dài

- Các trung kế đ-ờng trục

- Các trung kế tổng đài nông thôn

- Vòng nội hạt

- LAN

ánh sáng sau khi đ-ợc điều chế bởi dữ liệu đ-ợc truyền đi trong sợi quang

nhờ phản xạ bên trong hoàn toàn, do lõi có hệ số khúc xạ lớn hơn vỏ bọc bên

ngoài Kết quả sợi quang trở thành môi tr-ờng truyền định tuyến trong khoảng

dải tần 1014  1015 Hz

Hình 2.8 Các dạng truyền ánh sáng của sợi quang

Hình 2.8 cho ta một số nguyên tắc truyền của sợi quang Trong sợi quang

đa mode chỉ số b-ớc, ánh sáng đ-ợc phản xạ hoàn toàn từ bề mặt của lõi và áo,

nhờ vậy nó đ-ợc truyền qua lõi d-ới dạng đ-ờng dic-dắc Trong sợi quang đa

Phân bố chiết suất

b Sợi quang đa mode chỉ số lớp

a Sợi quang đa mode chỉ số b-ớc

c Sợi quang đơn mode

sóng hình sin, Trong cả hai loại sợi quang trên, các sóng ánh sáng đ-a vào sợi

quang d-ới các góc khác nhau sẽ đi theo con đ-ờng khác nhau và tới đầu thu tại

các thời điểm khác nhau, đây là nguyên nhân hạn chế tốc độ truyền cực đại Với

sợi quang đơn mode, đ-ờng kính của lõi đ-ợc giảm xuống, đồng thời độ chênh

lệch về hệ số khúc xạ của lõi và áo đã giảm đi tới mức chỉ có tia đi thẳng mới lan

truyền đ-ợc, nhờ vậy đạt đ-ợc giải thông truyền dẫn lớn hơn đáng kể

Có nhiều loại nguồn sáng đ-ợc dùng với sợi quang Hai loại chính là diod

phát quang LED và Laser diod ILD LED có giá thành thấp hơn, giải nhiệt độ

rộng hơn và tuổi thọ dài hơn ILD thì hiệu quả hơn và có thể tăng tốc độ truyền

ở đầu thu, diot quang (photo diod) thu nhận tín hiệu ánh sáng và biến đổi

thành tín hiệu điện Hai loại chính là diod quang điểm PIN và diod quang thác

APD

B-ớc sóng sử dụng có quan hệ nhiều với loại truyền và tốc độ ánh sáng

truyền lan tốt nhất trong sợi quang với 3 b-ớc sóng 850, 1300, 1500 nm

(nanomet) Hầu hết các ứng dụng hiện nay đều dùng nguồn sáng LED hoặc Laser

có b-ớc sóng 850 nm vì nó không đắt lắm và có tốc độ truyền khoảng 100 Mbps,

trong khoảng cách xa hơn ng-ời ta dùng LED hoặc laser với b-ớc sóng 1300 nm,

nếu cần tốc độ cao và khoảng cách xa hơn nữa thì dùng laser có b-ớc sóng

1500 nm

Khi truyền số liệu qua cáp sợi quang, một ph-ơng pháp đơn giản phổ biến là

điều biên (ASK), còn gọi là điều chế c-ờng độ sáng Trong máy phát dùng LED,

ứng với logic 1, LED làm việc phát ra xung ánh sáng ngắn, còn ứng với logic 0

thì không phát ra ánh sáng Còn trong máy phát laser, một “ thiên áp” dòng cố

định đ-ợc đặt để phát ra c-ờng độ thấp ứng với mức 0 Nh- vậy nguồn sáng có

mức thấp biểu thị giá trị 0 và mức cao biểu thị giá trị 1

2.3.4 Vi ba

T-ơng tự nh- cáp đồng trục, một kết nối vi ba có thể mang hàng nghìn kênh

thoại và đ-ợc sử dụng rộng rãi để truyền tín hiệu thoại, tín hiệu truyền hình,

truyền số liệu tốc độ cao trên khoảng cách xa Liên lạc đ-ợc thực hiện qua sóng

vô tuyến trong dải cực ngắn (dải tần số trong khoảng 1 - 40 GHz) và đòi hỏi phải

Các trạm dùng ăng ten định h-ớng, phổ biến nhất là dạng parabol đ-ờng kính

khoảng 10 feet Anten ten vi ba đ-ợc gắn trên cao để giữa 2 anten không bị vật

cản Khi không có vật cản khoảng cách tối đa giữa 2 anten đ-ợc tính:

D = 7,14 (K.h)1/2Trong đó: d: khoảng cách giữa 2 anten đ-ợc tính bằng Km

h: độ cao của anten đ-ợc tính bằng m K: là hệ số phụ kể thêm tính phản xạ hoặc hấp thụ của bề mặt cong trái đất Giá trị K th-ờng chọn là K= 4/3

Nh- vậy nếu nh- 2 anten vi ba đặt ở độ cao 100 m có thể đặt xa nhau:

d= 7.14 (4 100 / 3)1/2 = 82 Km

Thông th-ờng, cự ly giữa các trạm khoảng 30-50 Km

Nh- hình 2.6 đã chỉ, phổ tần số dùng trong vi ba rất rộng Tần số cao, băng

Băng tần cho các hệ thống vi ba do FCC qui định Băng 4 GHz và băng 6

GHz th-ờng đ-ợc sử dụng cho thông tin liên lạc khoảng cách xa Do mật độ sử

dụng quá nhiều, hiện tại ng-ời ta sử dụng thêm băng 11 GHz cho mục đích này

Băng 12 GHz dùng cho truyền hình cáp FCC quy định băng 10 GHz dự trữ cho

việc cung cấp số liệu cục bộ gọi là dịch vụ đầu cuối kỹ thuật số Các đ-ờng nối

điểm - điểm khoảng cách ngắn th-ờng dùng dải tần 22 GHz

2.3.5 Thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh là dạng thông tin mà trong đó vệ tinh đóng vai trò nh- một

trạm chuyển tiếp thông tin Vệ tinh dùng để kết nối hai hoặc nhiều trạm ng-ời

dùng, còn gọi là trạm mặt đất Bộ thu của vệ tinh nhận tín hiệu trên một băng tần

(đ-ờng lên), thực hiện khuyếch đại (với tín hiệu analog) hay tái tạo (với tín hiệu

số), và phát xuống trên băng tần khác (đ-ờng xuống) Một vệ tinh thông tin nh-

vậy gồm nhiều bộ phát đáp (Transponder), mỗi bộ làm việc trên một giải tần nhất

định

Để một vệ tinh liên lạc làm việc có hiệu quả, thông th-ờng yêu cầu nó phải

đứng yên t-ơng đối so với trái đất Loại vệ tinh này gọi là vệ tinh địa tĩnh, nằm ở

độ cao 35.784 Km và có tốc độ quay bằng tốc độ quay của trái đất

Đ-ờng truyền vệ tinh có một số đặc điểm sau:

• Độ giữ chậm truyền là 257 ms trong mỗi h-ớng truyền

• Có thể có một số l-ợng lớn các Terminal dùng chung trong hệ thống

• Các terminal có thể trải rộng trên toàn cầu không cần lắp đặt thêm

các hệ thống truyền dẫn phụ

• Kênh vệ tinh là kênh quảng bá

• Trạm phát vệ tinh tự nó có thể giám sát việc truyền của mình nhờ theo

dõi việc truyền của vệ tinh chuyển tiếp

Do bản chất phát quảng bá nên vệ tinh sử dụng tốt để phân phối ch-ơng trình

truyền hình, truyền thanh từ trung tâm gốc tới các trung tâm thành phần, sau đó

cung cấp tiếp tới các hộ gia đình Gần đây công nghệ vệ tinh đã cho phép phát

triển hệ thống truyền hình trực tiếp dùng vệ tinh DBS (Direct Broadcast

Satellite), trong đó tín hiệu truyền hình qua vệ tinh rồi chuyển trực tiếp đến các

gia đình sử dụng, không qua các trạm trung gian

Đ-ờng truyền vệ tinh đ-ợc sử dụng hiệu quả để kết nối trung kế điểm - điểm

giữa các tổng đài điện thoại Nó là giải pháp tối -u cho các đ-ờng trung kế quốc

tế nhất là trên những đ-ờng nối quốc tế khoảng cách xa

Thông tin vệ tinh còn có hàng loạt các ứng dụng trong truyền số liệu

th-ơng mại Vệ tinh có thể chia tổng dung l-ợng của nó cho các kênh và cung

cấp các kênh đó cho ng-ời dùng, tuy những ứng dụng nh- vậy hiện tại có giá

thành còn cao Trong thời gian gần đây, các hệ thống VSAT (dùng các Terminal

với anten góc mở rất nhỏ, giá thành thấp) đ-ợc phát triển mạnh mẽ

Dải tần số tốt nhất cho thông tin vệ tinh trong khoảng 1-10 GHz Hầu hết các

vệ tinh điểm - điểm hiện tại dùng băng tần số khoảng 5,926 - 6,425 GHz để

truyền từ mặt đất lên (đ-ờng lên) và băng tần 3,7 - 4,2 GHz để truyền từ vệ tinh

xuống(đ-ờng xuống) Ta gọi băng đó là băng 4/6 GHz hay băng C

Do bão hoà trong băng C, băng 12/14 GHz (băng Ku) cũng đ-ợc dùng rộng

rãi (đ-ờng lên 14 - 14,5 GHz và đ-ờng xuống 11,7 - 12,2 GHz) Trong băng tần

này cần phải xử lý vấn đề suy giảm tín hiệu Tuy nhiên trong băng Ku, những

trạm thu mặt đất sẽ nhỏ và rẻ hơn Một phát triển mới là dùng vệ tinh cho thông

tin di động Trong dịch vụ này ng-ời ta sử dụng băng L có dải tần từ 1,6465 -

1,66 GHz (đ-ờng lên 1,545 GHz và đ-ờng xuống 1,5585 GHz)

Ch-ơng 3

Biến đổi dữ liệu thành tín hiệu

Trong sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền tin, dữ liệu đầu vào dù ở dạng rời rạc hay liên tục song th-ờng ch-a thể truyền trực tiếp qua môi tr-ờng truyền Trong ch-ơng này, chúng ta sẽ xem xét chức năng cơ bản của thiết bị phát là biến

đổi dữ liệu đầu vào ở một dạng bất kỳ thành tín hiệu thích hợp để có thể truyền trên môi tr-ờng truyền

Căn cứ vào tính chất của dữ liệu đầu vào và tín hiệu đầu ra, có thể có 4 tổ hợp:

• Dữ liệu vào ở dạng analog, tín hiệu ra ở dạng analog

• Dữ liệu vào ở dạng số, tín hiệu ra ở dạng analog

• Dữ liệu vào ở dạng analog, tín hiệu ra ở dạng số

• Dữ liệu vào ở dạng số, tín hiệu ra ở dạng số

Quá trình biến đổi ở thiết bị phát khi tín hiệu ra là tín hiệu analog đ-ợc gọi là

quá trình điều chế, còn khi tín hiệu ra ở dạng số đ-ợc gọi là quá trình mã hoá Các quá trình ở bên thu sẽ là giải điều chế hay giải mã t-ơng ứng

Ngoài tr-ờng hợp đầu tiên gắn hoàn toàn với thông tin t-ơng tự, chúng ta sẽ xem xét ba tr-ờng hợp còn lại trong nội dung của ch-ơng này

3.1 Biến đổi dữ liệu số thành tín hiệu ở dạng số

Tín hiệu số là dẫy xung điện áp rời rạc Mỗi xung là một tín hiệu phần tử Dữ liệu nhị phân đ-ợc phát bằng cách mã hoá các bit dữ liệu thành các tín hiệu phần

tử Cách đơn giản nhất là biến đổi một - một giữa bit và tín hiệu phần tử Nh- ví

dụ trên hình 3.1, bit 0 ứng với mức điện áp thấp và bit 1 t-ơng ứng với mức điện

• Phổ tần: Một số đặc tính của phổ tần đóng vai trò rất quan trọng

Phổ tần không có thành phần tần số cao cho phép giảm độ rộng băng truyền

Đặc biệt, ta mong muốn không có thành phần một chiều, vì điều này không

đòi hỏi có một đ-ờng truyền vật lý trực tiếp, mà có thể ghép gián tiếp ví dụ nh- qua biến áp Khả năng này cho phép cách ly hai đối t-ợng liên lạc về mặt tĩnh điện, giảm đáng kể nhiễu Ngoài ra, mức độ méo tín hiệu và nhiễu phụ thuộc vào đặc tính của phổ tần tín hiệu đ-ợc phát đi Trong thực tế, hàm truyền của kênh bị xấu nhiều nhất tại gần hai đầu giải băng của kênh Vì vậy, tín hiệu tốt là tín hiệu có công suất tập trung tại giữa băng thông truyền Trong tr-ờng hợp này, tín hiệu sẽ ít bị méo

• Clocking: Đồng bộ là một yêu cầu đối với tín hiệu số Có thể thực hiện yêu cầu này bằng cách dùng kênh riêng truyền thông tin về đồng bộ Song cách thức thích hợp hơn là xây dựng cơ chế đồng bộ dựa trên bản thân tín hiệu đ-ợc phát đi Điều này đ-ợc thực hiện khi dùng các cách mã hoá thích hợp

• Phát hiện lỗi: Nh- đã nhắc tới trong ch-ơng 1, phát hiện lỗi (và sau

đó sửa lỗi) là một việc làm cần thiết trong thông tin số để đảm bảo tính trung thực của thông tin đ-ợc truyền Nhiệm vụ này đ-ợc thực hiện chủ yếu bởi chức năng của lớp điều khiển liên kết Tuy nhiên, ng-ời ta vẫn mong muốn có thể phát hiện đ-ợc lỗi ngay trong cách thức mã hoá tín hiệu một cách vật lý Khả năng này cho phép phát hiện lỗi nhanh hơn đáng kể

• Khả năng miễn dịch với nhiễu tạp: Một số loại mã vẫn đảm bảo hiệu suất tốt ngay khi có nhiễu tạp

• Giá thành và độ phức tạp: Trong thực tế, tốc độ tín hiệu càng cao càng đòi hỏi giá thành cao Một số loại mã đòi hỏi tốc độ tín hiệu lớn hơn so với tốc độ thực của nó

Chúng ta sẽ xem xét một vài loại mã điển hình

Mã NRZ (Mã không trở về không – Non Return to Zero)

Cách thức chung và đơn giản nhất để phát tín hiệu số là dùng hai mức điện áp phân biệt để mô tả hai dighit nhị phân Dạng hay dùng là các mức điện áp này giữ không đổi trong suốt thời gian tồn tại của bit, nghiã là không có chuyển đổi trong thời gian đó (vì thế ng-ời ta gọi là "không trở về không") Một ví dụ cho loại này đ-ợc chỉ ra trên hình 3.1 gọi là mã NRZ-L (L là viết tắt của Level - mức) NRZ-L là loại mã đ-ợc dùng phổ biến bởi các thiết bị và terminal

Dòng thứ hai của hình trên mô tả một ph-ơng án khác của mã NRZ gọi là NRZ-I (NRZ Invert on one) Xung điện áp chỉ thay đổi mức mỗi khi có bit 1 xuất hiện Mã này có thêm -u điểm chung của mọi loại mã phân biệt: Tín hiệu sẽ đ-ợc giải mã khi so sánh cực tính với phần tử kề tr-ớc chứ không phải căn cứ vào chính giá trị tuyệt đối của nó Ưu điểm của ph-ơng pháp này là có thể phát hiện chuyển đổi một cách tin cậy hơn ph-ơng pháp so sánh giá trị tuyệt đối với một

mức ng-ỡng trong tr-ờng hợp có nhiễu tạp Ngoài ra, trong các hệ thống phức tạp th-ờng dễ đấu nhầm cực tính tín hiệu, ví dụ nh- đảo nhầm chiều cực của cáp đôi dây xoắn, khi này với mã NRZ thì 1 sẽ nhầm thành 0 và ng-ợc lại Điều này không xẩy ra với mã NRZ-I

Các loại mã NRZ nói chung dễ thiết kế, phổ t-ơng đối tập trung nên sử dụng khá hiệu quả băng truyền Nh- chỉ ra trên hình 3.2, phần lớn năng l-ợng tập trung trong khoảng từ thành phần một chiều tới tần số bằng nửa tốc độ bít Ví dụ, với tốc độ dữ liệu là 9600 bit/giây thì năng l-ợng tập trung từ 0 tới 4800 Hz

Nh-ợc điểm lớn nhất của mã NRZ là tồn tại thành phần một chiều và dễ mất

đồng bộ Giả sử có một dẫy dài số 1 hay số 0 trong NRZ-L, hay dẫy dài số 0 trong NRZ-I, khi này mức điện áp ra sẽ giữ không đổi trong một thời gian dài Do

đó sự lệch tần số giữa đầu phát và thu sẽ không bị phát hiện để điều chỉnh và dẫn tới mất đồng bộ Hai nh-ợc điểm này làm mã NRZ ít đựoc dùng trong các hệ thống truyền

Mã nhiều mức

Một h-ớng khắc phục nh-ợc điểm của mã NRZ là dùng mã nhiều mức Các mã này dùng nhiều hơn hai mức tín hiệu Hai ví dụ minh hoạ trên hình 3.1 là mã AMI (Đổi dấu 1 luân phiên Alternate Mark Inversion) và mã Pseudoternary (đổi dấu 0 luân phiên)

Trong tr-ờng hợp AMI, bit 0 đ-ợc mô tả bằng không có tín hiệu đ-ờng dây, còn bit 1 đ-ợc mô tả bằng xung d-ơng hay xung âm Các xung 1 này bắt buộc phải luân phiên nhau về cực tính Đặc tính này đã loại bỏ đựoc thành phần 1 chiều và thu hẹp bề rộng phổ tần hơn so với mã NRZ (Xem hình 3.2) Đồng thời vấn đề mất đồng bộ khi có một dẫy dài bit 1 cũng đ-ợc khắc phục do đã có chuyển đổi trong mã t-ơng ứng Ngoài ra, có thể phát hiện một số lỗi khi thấy vi phạm quy luật cực tính luân phiên Tuy nhiên, khả năng mất đồng bộ khi gặp một dẫy số 0 dài vẫn còn tồn tại Mã Pseudoternary cũng có -u nh-ợc điểm t-ơng tự nh- AMI Việc sử dụng loại mã nào (AMI hay Pseudotenary) là tuỳ theo ứng dụng cụ thể

đó (xem hình 3.3) Nói các khác, với cùng một tỷ số tín/tạp, tỷ số lỗi bít của NRZ nhỏ hơn đáng kể so với mã nhiều mức

Mã hai pha (Biphase)

Khắc phục các nh-ợc điểm của NRZ còn có một cách thức tiếp cận khác

Điển hình cho cách thức này là mã Manchester Trong mã này, luôn có chuyển

đổi mức tại chính giữa thời gian tồn tại của bit Chuyển đổi này sẽ cho phép khôi phục xung đồng bộ tại đầu thu Trong mã Manchester, chuyển đổi từ thấp lên cao

đại diện cho logic 1 còn chuyển đổi từ cao xuống thấp đại diện cho logic 0

Ưu điểm cơ bản của mã hai pha là đảm bảo đồng bộ vững chắc Phổ tần cũng

không có thành phần một chiều do ta vẫn dùng 2 cực tính khác nhau cho hai mức

Do nhiễu th-ờng làm biến đổi mức tín hiệu theo một chiều nên ta có thể phát hiện một số sai lỗi khi không thấy chuyển đổi mức tại giữa tín hiệu phần tử Tuy nhiên, bề rộng phổ tín hiệu bị tăng lên so với mã nhiều mức (hình 3.2)

Hình 3.3 Xác suất lỗi bit lý thuyết với các loại mã khác nhau

Dẫy mã thay thế cần thoả mãn các điều kiện:

Xác xuất lỗi bit

NRZ

AMI Pseudotenary

Dẫy bit 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0

AMI

0 0 0 V B 0 V B B8ZS

Bảng 3.1 Quy tắc thay thế dẫy 4 số 0 của HDB3

Hai loại mã điển hình sử dụng kỹ thuật này và có ứng dụng rộng rãi trong thực tế là BnZS và HDBn, chúng thực hiện thay dẫy nhiều số 0 liên tiếp trong mã AMI bằng dẫy thích hợp Với B8ZS, dẫy 8 số 0 đ-ợc thay bằng dẫy

“000VB0VB”, trong đó ký hiệu V chỉ xung có cực tính sai phạm (Violation) với quy tắc đổi dấu luân phiên của AMI, còn ký hiệu B chỉ xung tuân thủ đúng theo quy tắc này

Mã HDB3 (n=3) là mã chỉ cho phép dẫy số 0 có độ dài tối đa là 3, vì thế mọi dẫy 4 số 0 liên tiếp đều cần phải thay thế Dẫy này khá ngắn vì thế khó đảm bảo tất cả các yêu cầu đã nêu trên ngay trong một đoạn thay Do đó quy tắc thay thế

có phức tạp hơn nhằm triệt bỏ thành phần một chiều mặc dù xét từng đoạn thay

cụ thể, d-ờng nh- yêu cầu này ch-a đ-ợc thực hiện

Hình 3.2 cũng chỉ ra đặc tính phổ của hai loại mã trên Có thể thấy chúng thoả mãn khá tốt các yêu cầu đòi hỏi, vì thế các loại mã này đ-ợc sử dụng rộng rãi trong thực tế

3.2 Biến đổi dữ liệu số thành tín hiệu t-ơng tự

Mọi tín hiệu số nh- ta thấy trên hình 3.1, vừa có sự biến đổi nhanh từ mức này sang mức khác, vừa dừng rất lâu không biến đổi tại một mức Phổ của tín hiệu số vì vậy th-ờng rộng, bao gồm cả thành phần tần số cao (biến đổi nhanh) và nhiều thành phần tần số thấp (biến đổi chậm) Phổ tần này nói chung không phù hợp với đ-ờng truyền, th-ờng có phổ tần hữu hạn và có đặc tính thông giải không bắt đầu từ gốc tọa độ Điển hình, các đ-ờng truyền thoại thông th-ờng trong mạng điện thoại công cộng PSTN có giải thông từ 0,3 đến 3,4 kHz Các loại mã hoá khác nhau trình bầy ở phần trên chỉ cải thiện phần nào đặc tính phổ tần của tín hiệu cho phù hợp hơn với các đ-ờng truyền để có thể truyền dữ liệu số trên

chúng với một khoảng cách hạn chế Khi muốn truyền đi xa, cần phải có điều chế-giải điều chế thật sự Quá trình biến đổi dữ liệu số thành tín hiệu t-ơng tự

nhờ các ph-ơng pháp điều chế thích hợp sẽ đ-ợc xem xét trong mục này

Điều chế đ-ợc thực hiện bằng cách gắn tin tức lên một tải tin (sóng mang) có tần số phù hợp với môi tr-ờng truyền Tải tin (sóng mang) là sóng hình sin với 3 tham số có thể thay đổi đ-ợc theo quy luật của tín hiệu là biên độ, tần số và góc pha T-ơng ứng ta có các ph-ơng pháp điều chế khác nhau: điều chế dịch biên (Amplitude Shift Keying - ASK), điều chế dịch tần (Frequency Shift Keying - FSK), điều chế dịch pha (Phase Shift Keying- PSK) hay dạng điều chế kết hợp của các tham số đó

Khi này có thể biểu diễn:

fASK(t) = A.Cos(0t + ) khi s(t) = 1 = 0 khi s(t) = 0

Hay tổng quát:

fASK(t) = A.s(t).Cos(0t + )

Điều chế ở phần phát có thể thực hiện một cách đơn giản bằng mạch khoá

điện tử cho phép hay ngăn không cho phép tín hiệu của bộ dao động 0 đ-a ra

đ-ờng truyền Mạch giải điều chế ở đầu thu có thể dùng bộ tách sóng đ-ờng bao, sau đó qua mạch quyết định để nhận lại tín hiệu số liệu