Các vấn đề cơ bản của truyền số liệu pot

ƒ Một kênh truyền riêng được dùng để thông báo cho bên nhận biết khi nào có dữ liệu clock signal ƒ Có thể có thêm kênh truyền báo bên nhận sẵn sàng nhận dữ liệu mới... Truyền đồng bộƒ Tr

Các vấn đề cơ bản của

truyền số liệu

bvhieu@dit.hcmut.edu.vn

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

ƒ Cấu trúc truyền (bất đồng bộ và đồng bộ)

ƒ Lỗi và phát hiện, sữa lỗi

ƒ Giao tiếp V.24/EIA-232-F

ƒ Nén thông tin

ƒ Phân hợp kênh

Mã dữ liệu

ƒ Baudot (Emile Baudot)

ƒ 5 bit (32 mã)

ƒ Dùng 2 mã 5 bit (letter & figure) để mã hết các ký tự, chữ số và dấu

ƒ ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

ƒ 7 bit (128 mã), bao gồm các ký tự chữ thường và hoa, các ký tự chữ số, các

ký tự dấu chấm câu và các ký tự đặc biệt.

ƒ Phổ biến nhất hiện nay được sử dụng trong giao tiếp dữ liệu tuần tự.

ƒ EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code)

Mã Baudot

Mã ASCII

Cấu trúc kênh truyền

ƒ Song song (Parallel)

ƒ Mỗi bit dùng một đường truyền riêng

ƒ Một kênh truyền riêng được dùng để thông báo cho bên nhận biết khi nào có dữ liệu (clock signal)

ƒ Có thể có thêm kênh truyền báo bên nhận sẵn sàng nhận dữ liệu mới

Cấu trúc kênh truyền

ƒ Bất đồng bộ: mỗi ký tự được đồng bộ bởi start và stop bit

ƒ Đồng bộ: mỗi khối ký tự được đồng bộ dùng cờ

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

ƒ Ở trạng thái rảnh, bộ thu phát hiện sự chuyển 1 → 0

ƒ Lấy mẫu 5->8 khoảng kế tiếp (chiều dài ký tự)

ƒ Đợi việc chuyển 1 → 0 cho ký tự kế tiếp

Truyền bất đồng bộ

Truyền bất đồng bộ

Truyền bất đồng bộ

Tryền bất đồng bộ

Truyền bất đồng bộ

Truyền bất đồng bộ

ƒ Đồng bộ ký tự (character synchronization): dùng

start và stop bit

Truyền bất đồng bộ

ƒ Đồng bộ khung (frame synchronization): dùng các ký

tự điều khiển (STX, ETX, DLE)

Truyền đồng bộ

ƒ Truyền không cần start/stop

ƒ Phải có tín hiệu đồng bộ

ƒ Đồng bộ bit (bit synchronization):

ƒ Clock encoding and extraction (Timestamp)

ƒ Tích hợp thông tin đồng bộ (clock) vào trong dữ liệu truyền

ƒ Đầu nhận sẽ tách thông tin đồng bộ dựa vào dữ liệu nhận được

ƒ RZ, Manchester (NRZ signaling), differential Manchester

ƒ Digital Phase-Lock-Loop

ƒ Dùng một đường tín hiệu đồng bộ riêng biệt

ƒ Tín hiệu đồng bộ dễ bị suy giảm trên đường truyền

Mã hóa và tách dữ liệu đồng bộ

Truyền đồng bộ

ƒ Đồng bộ khung (frame synchronization):

ƒ Character-oriented synchronous transmission

ƒ Dùng các ký tự điều khiển : SYN, STX, ETX, DLE.

ƒ Bit-orienter synchronous transmission

ƒ Dùng các mẫu bit điều khiển (flag byte or flag pattern)

→ bit stuffing problem

ƒ Hiệu quả: phí tổn thấp hơn so với truyền bất

đồng bộ

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

Điều khiển lỗi

ƒ Dữ liệu nhận có lỗi

ƒ 2 cách khắc phục khi phát hiện có lỗi

ƒ Forward error control: bên nhận có thể phát hiện vàsửa lỗi

ƒ Feedback (backward) error control:

ƒ Bên nhận có thể phát hiện lỗi.

ƒ Yêu cầu truyền lại ký tự/frame sai

ƒ Phân loại lỗi

ƒ Single-bit error – nhiễu trắng

Quá trình phát hiện sai

E, E’: mã phát hiện sai f: hàm phát hiện mã sai

ƒ Bit parity

ƒ Parity chẵn: (N + P) phải là một số chẵn

ƒ Parity lẻ: (N + P) phải là một số lẻ

ƒ N: tổng số bit 1 có trong dữ liệu cần kiểm tra lỗi

ƒ P: giá trị của bit parity

D a t a

D a t a

( ASCI I ) B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7

Parity bit (odd )

ƒ Đặc điểm

ƒ Chỉ dò được lỗi sai một số lẻ bit

ƒ Không sửa được lỗi

ƒ Hiệu suất truyền thông tin kém

Mạch tạo Parity

Block Sum Check

ƒ Block Sum Check (BSC): sử dụng parity hàng và cột

ƒ Chỉ sửa được sai khi số bit sai là một

ƒ Dò tìm được tất cả các lỗi sai một số lẻ bit và hầu hết các lỗi sai một số chẵn bit.

ƒ Không dò được lỗi sai một số chẵn bit xảy ra đồng thời trên

cả hàng và cột.

D a t a Start D a t a

B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7

Parity (even)

Block Sum Check

ƒ Biến thể

ƒ Dùng tổng bù 1 (1’s-complement sum) thay cho tổng modulo 2 (2-modulo sum)

ƒ Các ký tự trong block được truyền được coi như các số nhị

phân không dấu

ƒ Tốt hơn phương pháp modulo 2

0 1 1 1 1 1 1 1

0 1 0 0 1 1 0

1 1 0 0 0 0 0

0 0 1 1 0 1 1

1 1 0 1 1 0 1

0 1 0 0 0 0 0

0 1 1 1 1 1 1 1

0 1 0 0 1 1 0

1 1 0 0 0 0 0

0 0 1 1 0 1 1

1 1 0 1 1 0 1

0 1 0 0 0 0 0

1

0 0 1 1 0 0 1 1

1 1 0 0 0 0 0

0 0 1 1 0 1 1

1 1 0 1 1 0 1

0 1 0 0 0 0 0

1

0 0 1 1 0 0 1 1

1 1 0 0 0 0 0

0 0 1 1 0 1 1

1 1 0 1 1 0 1

0 1 0 0 0 0 0

Cyclic Redundancy Check

0 1 0 1 +

1 1 1 1

1 0 0 1 1

1 0 0 1 1

1 1 x

1 0 0 1 1

Cyclic Redundancy Check

ƒ Xác định FCS

ƒ T: frame được truyền (k+n bit)

ƒ M: message dữ liệu cần truyền (k bit đầu của T)

ƒ F: FCS (n bit sau của T)

ƒ P: số chia được xác định trước (n+1 bit)

ƒ Kiểm tra

P

R Q P

M

n

F M

n 2

R

F =

n

Cyclic Redundancy Check

ƒ Xác định FCS:

ƒ Biểu diễn dạng đa thức: 110011 →X 5 + X 4 + X + 1

ƒ Chia đa thức (trong Module 2)

ƒ Ví dụ

ƒ Dữ liệu cần truyền: 1001001 (k = 7 bits) → đa thức biễu diễn:

M(x) = X6 + X3 + 1

ƒ Cho số chia 1001: đa thức sinh P(x) =X 3 + 1 (n = 3 bits)

ƒ Dữ liệu dịch trái n bits:

2nM(x) = X9 + X6 + X3

ƒ Chia dư 1 FCS = 001

Cyclic Redundancy Check

ƒ Số chia P

ƒ Dài hơn 1 bit so với FCS mong muốn

ƒ Được chọn tùy thuộc vào loại lỗi mong muốn phát hiện

ƒ Yêu cầu tối thiểu: msb và lsb phải là 1

ƒ Khả năng phát hiện lỗi

ƒ Tr = T + E

ƒ T: frame được truyền

ƒ Tr: frame nhận được

ƒ E: error pattern

ƒ Error không bị phát hiện iff Tr chia hết cho P (i.e iff E chia hết cho P)

ƒ Các lỗi được phát hiện

ƒ Tất cả các lỗi bit đơn

ƒ Tất cả các lỗi kép nếu P có ít nhất 3 toán hạng

Cyclic Redundancy Check

Cyclic Redundancy Check

0 0

1 1

0 1

Step 12

0 1

1 0

1 0

Step 11

1 1

1 1

1 1

Step 10

0 1

1 1

1 0

Step 9

1 1

0 1

1 1

Step 8

1 0

1 1

1 0

Step 7

0 1

0 1

1 1

Step 6

0 0

0 1

0 1

Step 5

0 0

1 0

1 0

Step 4

1 1

0 1

0 0

Step 3

0 0

1 0

0 0

Step 2

1 1

0 0

0 0

Step 1

0 0

0 0

0 Initial

Input E

D C

B A

Sửa lỗi

ƒ Cách sửa lỗi thông thường yêu cầu truyền lại khối

dữ liệu

ƒ Không thích hợp cho các ứng dụng trao đổi dữ

liệu không dây

ƒ Xác suất lỗi cao, truyền lại nhiều

ƒ Thời gian trễ truyền lớn hơn nhiều thời gian truyền dữliệu

ƒ Khối dữ liệu được truyền lại bị lỗi và nhiều khối dữ liệu khác tiếp theo

ƒ Cần thiết sửa lỗi dựa vào các dữ liệu nhận được

Quá trình sửa sai

Quá trính sửa sai

ƒ Mỗi khối dữ liệu k bit được ánh xạ vào khối n bit (n>k)

ƒ Từ mã – Codeword

ƒ Forward error correction (FEC) encoder

ƒ Codeword được truyền đi

ƒ Chuỗi bit nhận được tương tự như chuỗi được truyền đi, nhưng có chứa lỗi

ƒ Codeword được gởi tới bộ giải mã FEC

ƒ Nếu không có lỗi, trích xuất khối dữ liệu ban đầu

ƒ Một vài mẫu lỗi có thể được phát hiện và sửa lỗi

ƒ Một vài mẫu lỗi có thể được phát hiện nhưng không sửa được

ƒ Một vài mẫu lỗi có thể không được phát hiện (ít xảy ra)

ƒ FEC trích xuất khối dữ liệu sai

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

ƒ Cấu trúc truyền (bất đồng bộ và đồng bộ)

ƒ Lỗi và phát hiện, sữa lỗi

ƒ Giao tiếp V.24/EIA-232-F

ƒ Nén thông tin

ƒ Phân hợp kênh

Cấu hình đường truyền

ƒ Topology

ƒ Sắp xếp vật lý các trạm

trên môi trường tryền

Point-to-point

Giao tiếp (interface)

ƒ Quá trình giao tiếp

ƒ Thiết bị xử lý dữ liệu (DTE) thường không có các phương tiện phát dữ liệu

ƒ Cần một thiết bị giao tiếp (DCE) – ví dụ: modem, NIC, …

ƒ DCE phát các bit dữ liệu trên môi trường truyền dẫn

ƒ DCE trao đổi dữ liệu và thông tin điều khiển với DTE

ƒ Được thực hiện thông qua mạch trao đổi

ƒ Cần một chuẩn giao tiếp rõ ràng

Đặc tính cơ khí

DB-25

female

114

Clocking signal DCE

Transmitter sig elm timing DA

125

DTE is ready to operate DCE

DTE ready CD

108.2

DCE is ready to operate DTE

DCE ready CC

107

DCE is ready to receive, response to RTS DTE

Clear to send CB

106

DTE wishes to transmit DCE

Request to send CA

105

Control signals

Received by DTE DTE

Received data BB

104

Transmitted by DTE DCE

Transmitted data BA

103

Data signals

Function Direction to

Name EIA-232

V.24

Loopback testing

ƒ Cấm chế độ nhận dữ liệu (nếu trong chế độ truyền half-duplex)

ƒ Modem đáp lại sẵn sàng bằng tín hiệu “Clear To Send”

ƒ DTE gởi dữ liệu

ƒ Dữ liệu truyền qua môi trường truyền đến DCE nhận

ƒ Khi dữ liệu đến, DCE gắn vào DTE nhận sẽ bật tín hiệu

“Line Signal Detector” và gởi dữ liệu cho DTE

Hoạt động quay số (1)

Hoạt động quay số (2)

Hoạt động quay số (3)

Chuẩn giao tiếp EIA RS–232C

connection setup & clear, data transfer

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

ƒ Cấu trúc truyền (bất đồng bộ và đồng bộ)

ƒ Lỗi và phát hiện, sữa lỗi

ƒ Giao tiếp V.24/EIA-232-F

ƒ Nén thông tin

ƒ Phân hợp kênh

ƒ ADSL

Closing flag

Nén dữ liệu

ƒ Differenial encoding (relative encoding)

ƒ Chỉ gửi phần thay đổi so với giá trị cũ

All difference values binary-encoded

in a single (signed) byte

Nén dữ liệu

ƒ Character suppresion

ƒ Mã hóa nếu có 3 hoặc nhiều hơn kí tự giống nhau

Ctrl STX ’9‘ length ‘A’ ‘B’ Ctrl ‘.’ length … ETX BCC

Single (uncompressed) character Number of characters in run

Character type (’9‘=space/blank) Control character = compressed

string follows

Mã hóa Huffman (tt)

ƒ Giải thuật

ƒ Sắp xếp các nguồn tin có xác suất giảm dần

ƒ Một cặp bit 0-1 được gán cho 2 nguồn tin xác suất nhỏ nhất

ƒ 2 nguồn tin này được kết hợp, tạo thành nguồn tin mới có xác suất bằng tổng xác suất của 2 nguồn tin thành phần

ƒ Sắp xếp lại các nguồn tin

ƒ Lặp lại đến khi 2 nguồn tin cuối cùng được kết hợp

ƒ Từ mã cho mỗi nguồn tin được viết theo thứ tự từ gốc đến ngọn

ƒ Chiều dài từ mã trung bình Lavg = Σli x pi

Mã hóa Huffman (tt)

ƒ Sắp xếp các nguồn tin có xác suất giảm dần

ƒ Chia các nguồn tin thành hai phần có xác suất xấp xỉnhau và gán 0 cho phần trên, gán 1 cho phần dưới

ƒ Lặp lại bước trên cho mỗi phần cho đến khi chỉ còn

Shannon – Fano

ƒ Các nguồn tin và xác suất xuất hiện của các nguồn tin tương ứng

ƒ X1 (30%), X2 (20%), X3 (10%), X4 (10%), X5 (20%), X6 (5%), X7 (3%), X8 (2%)

ƒ Lavg = 2.0,3+2.0,2+3.0,2+3.0,1+3.0,1+4.0,05+5.0,03+5.0,02 = 2,65 bits

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

ƒ Cấu trúc truyền (bất đồng bộ và đồng bộ)

ƒ Lỗi và phát hiện, sữa lỗi

ƒ Giao tiếp V.24/EIA-232-F

ƒ Nén thông tin

ƒ Phân hợp kênh

Phân hợp kênh (Multiplexing)

Multiplexing

Frequency-Division

Frequency – Division Multiplexing (FDM)

ƒ Phương pháp này chỉ hiện thực

được khi băng thông môi

trường truyền lớn hơn băng

thông mà tín hiệu được truyền

yêu cầu

ƒ Nhiều tín hiệu có thể được

truyền đồng thời nếu mỗi tín

hiệu được điều chế trên một tần

số sóng mang

ƒ Các tần số sóng mang khác

nhau sao cho băng thông của

các tín hiệu được điều chế

không trùng lấp nhau (guard

bands)

FDM

FDM

FDM của 3 kênh thoại

FDM mạng AT&T

Wavelength Division Multiplexing

ƒ Một dạng của FDM

ƒ Nhiều chùm ánh sáng với tần số khác nhau

ƒ Truyền trong cáp quang

ƒ Mỗi kênh dữ liệu được truyền bằng ánh sáng màu khác nhau

ƒ 1997 tại Bell Labs

Hoạt động WDM

ƒ Cùng kiến trúc tổng quát như các FDM khác

ƒ Nguồn sáng tạo ra các chùm laser với tần số khác nhau

ƒ Nhiều chùm sáng kết hợp với nhau để lan truyền trêncùng một cáp quang

ƒ Bộ khuếch đại quang học

ƒ Khuếch đại tất cả chiều dài sóng khác nhau

ƒ Thông thường khoảng cách ~10km

ƒ Phân kênh tại đích đến

ƒ Thông thường tầm chiều dài sóng 1550nm

ƒ Mỗi kênh 200MHz

Dense Wavelength Division Multiplexing

ƒ DWDM

ƒ Chưa có định nghĩa chính thức (chưa chuẩn hóa)

ƒ Các kênh sít nhau hơn WDM

ƒ 200GHz

Time – Division Multiplexing (TDM)

ƒ Synchronous TDM

ƒ Phương pháp này chỉ hiện thực được khi tốc độ dữ liệu môi trường truyền lớn hơn tốc độ dữ liệu mà tín hiệu được truyền yêu cầu

ƒ Nhiều tín hiệu (cả analog và digital) có thể được truyền đồng thời trên cùng một đường truyền

TDM

TDM và FDM

Hoạt động TDM

Hoạt động TDM (tt)

Đặc điểm TDM (tt)

ƒ Không cần header và tailer cho toàn bộ đường truyền

ƒ Tốc độ dữ liệu của đường truyền phân/hợp cố định

ƒ Nếu có một kênh không thể nhận dữ liệu, các kênh khácvẫn tiếp tục

ƒ Lỗi được phát hiện và xử lý bởi từng kênh riêng biệt

TDM – Ví dụ

ƒ Một bit điều khiển được thêm vào mỗi bó TDM

ƒ Các bit điều khiển này tạo thành một kênh khác – “kênh điều khiển”

ƒ Dùng mẫu bit định dạng trên kênh điều khiển

ƒ Ví dụ mẫu 01010101, khác với kênh dữ liệu

ƒ So sánh mẫu bit đến trên từng kênh với mẫu bit đồng bộ

TDM – pulse stuffing

ƒ Vấn đề: đồng bộ các nguồn dữ liệu khác nhau

ƒ Tín hiệu clock trên các nguồn dữ liệu khác nhau bị “trôi” (drift)

ƒ Tốc độ dữ liệu của các nguồn dữ liệu khác nhau không quan hệ theo một tỉ lệ đơn giản

ƒ Giải pháp – Pulse Stuffing

ƒ Tốc độ dữ liệu đầu ra (không tính các bit khung) cao hơn tổng các tốc độ đầu vào

ƒ Chèn thêm các bit/xung không có ý nghĩa vào mỗi tín hiệu đầu vào cho đến khi nó bằng với clock cục bộ

ƒ Các bit/xung được thêm vào tại những vị trí cố định và sẽ bị

TDM – nguồn tương tự và nguồn số

TDM – hệ thống truyền mang

ƒ Phân cấp TDM

ƒ USA/Canada/Japan dùng một hệ thống

ƒ ITU-T (châu Au) dùng một hệ thống khác tương tự

ƒ Hệ thống Mỹ xây dựng dựa trên định dạng DS-1

ƒ 24 kênh được phân hợp

ƒ Mỗi khung có 8 bit/kênh và 1 bit khung

→ 193 bit/khung

ƒ Đối với truyền thoại, mỗi kênh chứa một từ của dữ liệu được số hóa (PCM, 8000

mẫu/giây)

ƒ Tốc độ dữ liệu 8000 x 193 = 1.544Mbps

ƒ 5 trong số 6 khung có các mẫu PCM 8 bit

ƒ Khung thứ 6 chứa một từ PCM 7 bit và một bit tín hiệu

ƒ Các bit tín hiệu tạo thành một dòng (stream) cho mỗi kênh để điều khiển và chứa thông tin tìm đường

ƒ Định dạng tương tự cho dữ liệu số

ƒ 23 kênh dữ liệu (7 bit/khung và 1 bit chỉ thị cho dữ liệu hoặc điều khiển hệ thống)

ƒ Kênh thứ 24 dùng để đồng bộ

TDM – đường truyền E1

ƒ Dùng ở châu Âu, tương tự như T1 (dùng ở Mỹ)

ƒ Có 32 bytes trong một khung dài 125µs = 2048 Mbps

ƒ 30 kênh được dùng cho dữ liệu

ƒ 1 kênh dùng để đồng bộ

ƒ 1 kênh dùng để báo hiệu (điều khiển)

Đường truyền T1 và E1

TDM – phân cấp

TDM – bất đồng bộ

ƒ TDM đồng bộ, nhiều

slot có thể bị bỏ trống

ƒ TDM bất đồng bộ cấp

phát time slot động tùy

theo nhu cầu

ƒ Bộ phân hợp kênh quét

Kích thước bộ đệm và thời gian trễ

TDM – Nguyên tắc 80%

ƒ Σpimi < mc

Bao nhiêu terminal tốc độ 9600bps có thể dùng chung đường truyền 56Kbps khi dùng kỹ thuật TDM hoặc STDM (pi là 75%) ?

TDM bất đồng bộ - định dạng khung

Overall frame

Subframe with one source per frame

Nội dung

ƒ Dữ liệu và tín hiệu

ƒ Truyền dẫn dữ liệu

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Cấu trúc kênh truyền (tuần tự và song song)

ƒ Cấu trúc truyền (bất đồng bộ và đồng bộ)

ƒ Lỗi và phát hiện, sữa lỗi

ƒ Giao tiếp V.24/EIA-232-F

ƒ Nén thông tin

ƒ Phân hợp kênh

ƒ ADSL

Asymmetrical Digital Subscriber Line

ƒ ADSL

ƒ xDSL

ƒ High data rate DSL

ƒ Single line DSL

ƒ Very high data rate DSL

ƒ Liên kết giữa thuê bao và mạng

ƒ Đường thuê bao

ƒ Hiện tại dùng cáp twisted pair

ƒ Có thể có băng thông lớn hơn

Cấu hình kênh truyền ADSL

Discrete Multitone

ƒ DMT

ƒ Nhiều tín hiệu sóng mang ở các tần số khác nhau

ƒ Vài bit trên mỗi kênh

ƒ Kênh phụ 4kHz

ƒ Gởi tín hiệu test và dùng kênh phụ với tỉ số SNR tốt hơn

ƒ 256 kênh phụ downstream mỗi kênh 4kHz (60kbps)

ƒ 15.36MHz

ƒ Impairments bring this down to 1.5Mbps to 9Mbps

DMT Transmitter

Tổng kết

ƒ Mối quan hệ dữ liệu và tín hiệu số

ƒ Kỹ thuật mã hóa tín hiệu

ƒ Truyền tuần tự và song song

ƒ Truyền bất đồng bộ và truyền đồng bộ

ƒ Lỗi và phát hiện, sữa lỗi

ƒ Giao tiếp V.24/EIA-232-F

ƒ Nén thông tin

ƒ Phân hợp kênh