Chương 6: Ghép kênh và truyền dẫn tín hiệu số

Chương 6Ghép kênh và truyền dẫn tín hiệu số Trong nhiều ứng dụng thông tin, các tín hiệu mang tin khác nhau phải được truyền đi trên một kênh vật lý chung.. Để có thể tách lại được các

Chương 6

Ghép kênh và truyền dẫn tín hiệu số

Trong nhiều ứng dụng thông tin, các tín hiệu mang tin khác nhau phải được truyền đi trên một kênh vật lý chung Kênh này có thể là một cáp đơn, một sợi quang hay trong trường hợp

vô tuyến là khoảng không tự do giữa hai antenna Kỹ thuật chia sẻ kênh vật lý chung này được gọi là ghép kênh (multiplexing) Để có thể tách lại được các tín hiệu sau khi ghép kênh, các tín hiệu đó phải "đủ phân biệt được với nhau" theo một cách nào đó, hay thường được gọi là trực giao nhau

Phần đầu của chương trình bày hai phương pháp ghép kênh chính là ghép kênh phân chia

theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing) và ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) Trong phần ghép kênh phân chia theo thời gian sẽ đi vào

chi tiết hai kiểu phân cấp hệ thống TDM là phân cấp cận đồng bộ PDH (Plessiochronous Digital Hierarchy) và phân cấp đồng bộ SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

Một kỹ thuật khác tương tự như ghép kênh sẽ được trình bày tiếp theo Đó là kỹ thuật đa truy

cập (multiple accessing) - cho phép nhiều cặp thu - phát cùng chia sẻ một đường truyền dẫn

chung Vấn đề thiết yếu của đa truy cập chính là chia sẻ tài nguyên hạn chế một cách hiệu quả và hợp lý

Trong nội dung đa truy cập, sẽ bàn về ba kỹ thuật đa truy cập phổ biến là đa truy cập phân

chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Accessing), đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Accessing) và đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Accessing)

Nộ dung chính cuối cùng trong chương là truyền dẫn tín hiệu số Phần này liên quan đến kỹ thuật khôi phục đồng hồ, khôi phục tín hiệu số và các vấn đề thường nảy sinh khi truyền thông tin qua một số môi trường truyền

6.1 Ghép kênh phân chia theo tần số ( FDM )

FDM là kỹ thuật ghép kênh truyền thống đối với thoại và các ứng dụng quảng bá FDM thực hiện truyền đồng thời các tín hiệu khác nhau qua cùng một kênh băng rộng bằng cách sử dụng các sóng mang tần số khác nhau Sự trực giao giữa các tín hiệu ở đây chính là trực giao về tần số Phổ của các tín hiệu này không bị chồng lên nhau Do các tín hiệu này lệch tần với nhau nên bằng các bộ lọc bên thu, ta có thể tách riêng các tín hiệu ra

6.1.1 Nguyên lý ghép và tách kênh FDM

Hình 6.1 là sơ đồ khối của bộ ghép kênh FDM bên phát Trước tiên, N tín hiệu khác nhau được điều chế với N sóng mang phụ có tần số khác nhau, rồi cộng tất cả các sóng mang phụ

đã điều chế lại, tạo thành tín hiệu tổng hợp băng cơ sở Có thể sau đó tín hiệu tổng hợp này được điều chế với một sóng mang chính, hình thành tín hiệu FDM để truyền qua kênh băng rộng Kiểu điều chế dùng trong điều chế sóng mang phụ và điều chế sóng mang chính có

- 127 -

Tín hiệu FDM

Tín hiệu tổng hợp băng cơ sở

Điều chế sóng mang phụ

thể khác nhau Tất cả các kiểu điều chế đều có thể dùng được, ví dụ như AM, DSB, SSB,

PM, FM Hình 6.2 là phổ của tín hiệu FDM, bao gồm tất cả các tín hiệu điều chế không bị

chồng phổ, nếu không thì xuyên âm giữa các tín hiệu sẽ xuất hiện tại đầu ra của bộ thu Bên thu, tín hiệu FDM trước hết được giải điều chế để tạo lại tín hiệu tổng hợp băng cơ sở, sau đó qua các bộ lọc để phân chia các sóng mang phụ ra Cuối cùng, các sóng mang phụ

được giải điều chế để tạo lại các tín hiệu ban đầu Hình 6.3 là sơ đồ bộ tách kênh FDM bên

thu

6.1.2 Phân cấp hệ thống điện thoại FDM điển hình

Hình 6.4 minh họa sự phân cấp của hệ thống điện thoại FDM theo Công ty điện thoại và điện

báo Hoa Kỳ (AT&T)

Tín hiệu FDM nhóm cơ sở

Tín hiệu FDM nhóm chủ

FDM mức 3 FDM mức 2

FDM mức 1

Hình 6.4 Phân cấp FDM theo AT&T (f SC tính bằng kHz)

- 129 -

Ở đây, 12 tín hiệu thoại tương tự (còn gọi là 12 kênh thoại) được ghép kênh phân tần số sử dụng kiểu điều chế SSB, tạo thành FDM nhóm cơ bản (basic group) Băng thông của tín hiệu FDM nhóm cơ bản là 48 kHz, chiểm dải tần số từ 60 - 108 kHz Vậy mỗi tín hiệu FDM nhóm

cơ bản có thể thay bằng một tín hiệu có băng thông rộng 48 kHz Mỗi kênh thoại tương tự có băng thông từ 0.3 - 3.4 kHz được sắp xếp cho chiếm một dải tần số 4 kHz Khoảng tần số dành thêm này gọi là dải phòng vệ (guard band) Ý nghĩa của chúng là dành một khoảng

cách giữa các kênh lân cận để bộ tách kênh FDM có thể tách riêng các kênh ra bằng các bộ lọc thực tế

Cấp ghép cao hơn trong hệ thống điện thoại FDM là siêu nhóm (super group), ghép từ 5 tín hiệu FDM nhóm cơ bản, kiểu điều chế là SSB, băng thông là 240 kHz, bao gồm 60 kênh thoại Tương tự như trên, mỗi tín hiệu FDM siêu nhóm có thể xem tương đương với một tín hiệu có băng thông rộng 240 kHz

Tiếp theo, 10 tín hiệu FDM siêu nhóm có thể ghép kênh phân tần số dùng kiểu điều chế SSB để tạo thành một tín hiệu FDM nhóm chủ (master group) có băng thông là 2.52 MHz chứa

600 kênh thoại

Kỹ thuật FDM đầu tiên là được dùng cho thông tin tương tự và ngày nay đang được dùng lại trong các hệ thống thông tin sợi quang Ở đó, các bước sóng khác nhau được dùng để truyền đồng thời các tín hiệu khác nhau trên một sợi quang Lúc này, thuật ngữ ghép kênh phân chia

theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) thường được dùng nhiều hơn thuật

ngữ FDM

6.2 Ghép kênh phân chia theo thời gian ( TDM )

TDM là kỹ thuật ghép kênh cho cả tín hiệu tương tự và số Tuy nhiên về nguyên tắc, tín hiệu tương tự phải được số hóa trước khi ghép Cũng có thể thực hiện lấy mẫu kết hợp với ghép kênh TDM như đã trình bày trong chương 3 TDM thực hiện truyền các tín hiệu khác nhau qua cùng một kênh băng rộng với cùng tần số nhưng vào các thời điểm khác nhau Sự trực giao giữa các tín hiệu ở đây chính là trực giao về thời gian

Trong khối ghép kênh bên phát, thời gian được phân thành các khe thời gian, ấn định mỗi khe cho một dòng số đến từ một kênh khác nhau theo cách xoay vòng Việc tách kênh được thực hiện bên thu bằng cách chuyển mạch tín hiệu thu vào các thời điểm thích hợp Khác với FDM, trong hệ thống TDM, yêu cầu tất cả các bộ phát và thu phải tuân theo một đồng hồ chung

6.2.1 Nguyên lý ghép và tách kênh TDM

Để minh họa cho nguyên lý ghép và tách kênh TDM, ta xét ví dụ đơn giản là ghép TDM cho

3 tín hiệu tương tự x1(t), x2(t) và x3(t) , sau đó truyền qua hệ thống PCM như hình 6.5

Bộ lấy mẫu kết hợp với ghép kênh có thể xem như một bộ chuyển mạch 3 đầu vào, lần lượt lấy mẫu các tín hiệu tương tự trong 3 kênh Như vậy đầu ra của bộ lấy mẫu chính là dãy xung PAM được lấy mẫu lần lượt từ ba tín hiệu tương tự vào Tần số lấy mẫu được xác định theo

định lý lấy mẫu như trường hợp không ghép kênh Gọi tần số lấy mẫu là f S, chu kỳ lấy mẫu là

T S = 1/ f S , khoảng cách giữa hai xung PAM cạnh nhau trong dãy xung TDM-PAM là T S / 3 Bộ chuyển mạch bên thu phải đồng bộ hoàn toàn với bộ chuyển mạch bên phát để các xung

PAM xuất hiện chính xác trong kênh tương ứng Điều này được gọi là đồng bộ khung (frame

synchronization) Bộ lọc thông thấp (LPF) được sử dụng để tái tạo tín hiệu tương tự từ các

xung PAM Nếu băng thông của kênh truyền không đủ rộng thì có thể xảy ra giao thoa liên ký tự ISI dù cho đồng bộ trong hệ thống vẫn được duy trì tốt Tín hiệu trong kênh này có thể xuất hiện trong kênh khác và gọi hiện tượng này là xuyên âm (crosstalk)

Hình 6.6 minh họa dạng sóng tín hiệu tương tự vào và dãy xung TDM-PAM cho hệ thống

ghép 3 kênh trên hình 6.5 Để đơn giản, giả sử bề rộng các xung PAM là 0

6.2.2 Đồng bộ khung (frame synchronisation) trong hệ thống TDM

Từ phân tích trên về hoạt động ghép/ tách kênh TDM, ta thấy đồng bộ khung là cần thiết để bên thu có thể phân biệt chính xác dữ liệu trong kênh này với dữ liệu trong kênh khác, từ đó dữ liệu được đưa đến kênh đầu ra thích hợp

Có thể cung cấp đồng bộ khung cho mạch tách kênh bên thu bằng hai cách: gởi tín hiệu đồng bộ khung từ bộ phát trên một kênh riêng hoặc chèn tín hiệu đồng bộ khung vào chính tín hiệu TDM Cách thứ hai kinh tế hơn do không cần một kênh đồng bộ riêng Như minh họa trên

hình 6.7, tín hiệu đồng bộ khung (còn gọi là từ mã đồng bộ khung) có thể được ghép kênh

- 131 -

cùng với các từ mã mang tin trong hệ thống TDM-N kênh bằng cách truyền từ mã đồng bộ

khung K bit vào đầu của mỗi khung

Hình 6.7 Khuôn dạng của một khung TDM

Hình 6.8 là mạch khôi phục đồng bộ khung từ dòng tín hiệu TDM thu Về nguyên tắc, mạch

đồng bộ khung tính tương quan chéo giữa tín hiệu TDM khôi phục với từ mã đồng bộ khung

được xác định bằng các hệ số nhân cố định là Giả sử các bit đồng bộ được định dạng là

) s , ,

K 2

i = ± Theo nhịp đồìng hồ thu, các bit trong tín hiệu TDM

lần lượt được dịch vào thanh ghi K ô Nội dung thanh ghi chính là K bit gần nhất Các bit này

được nhân với các bit của từ mã đồng bộ khung ( , sau đó được cộng lại rồi đưa

đến đầu vào dương của mạch so sánh Khi K bit của từ mã đồng bộ khung xuất hiện trong dòng tín hiệu TDM và được đưa vào thanh ghi thì bit s

) s , , s , s

K 2 1

1 ở trong ô s 1 , bit s 2 ở trong ô s 2, Lúc này điện áp vào bộ so sánh là:

K s

s s

K

2 2

2 1

K là điện áp lớn nhất có thể có đối với dãy dữ liệu bất kỳ trong thanh ghi Đặt ngưỡng của bộ

so sánh nhỏ hơn K một ít, là v K 1

T = − , thì đầu ra của bộ so sánh sẽ ở mức cao chỉ trong

khoảng T b giây khi từ mã đồng bộ khung hoàn toàn sắp xếp trong thanh ghi Như vậy, tín hiệu đồng bộ khung đã được khôi phục

Hình 6.8 Mạch đồng bộ khung

Khả năng khôi phục nhầm có thể xảy ra khi các bit tin liên tiếp giống như từ mã đồng bộ khung Rõ ràng xác suất khôi phục nhầm sẽ giảm xuống nếu ta tăng chiều dài từ mã đồng bộ

khung lên Cũng có thể mã hóa từ mã đồng bộ khung theo một cách riêng sao cho khó trùng với dòng bit tin

Thực tế thường dùng dãy giả ngẫu nhiên PN (Pseudorandom Noise) để làm từ mã đồng bộ

6.2.3 Các phương pháp ghép kênh TDM

Xét về phương diện truyền dẫn, có hai chế độ truyền nối tiếp là truyền nối tiếp đồng bộ và truyền nối tiếp không đồng bộ Hệ thống số phải được thiết kế để có thể hoạt động được trong cả đường truyền nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ

Trong hệ thống đồng bộ (synchronous system), đồng hồ nội của mỗi thiết bị được thiết kế để hoạt động ổn định lâu dài và đồng bộ với đồng hồ chủ của hệ thống Mỗi bit trong dữ liệu được khoá pha với đồng hồ chủ Tín hiệu đồng bộ được phát cho bên thu trên một đường đồng hồ riêng hoặc "nhúng" vào trong dòng dữ liệu (như mã đường Manchester)

Trong hệ thống không đồng bộ (asynchronous system), đồng hồ nội của thiết bị thu chạy tự

do, không cần đồng bộ với đồng hồ nội của thiết bị phát, yêu cầu chỉ cần đạt được đồng bộ bên trong mỗi ký tự Khởi đầu mỗi ký tự là bit "start" để kích khởi đồng hồ thu và kết thúc là một hoặc hai bit "stop" để kết thúc đồng hồ thu Thường dùng hai bit "stop" đối với tốc độ nhỏ hơn 300 bps và một bit "stop" với tốc độ trên 300 bps Hệ thống này thích hợp trong trường hợp dữ liệu xuất hiện trên đường truyền không thường xuyên

Trong hệ thống TDM không đồng bộ, các nguồn khác nhau được ghép kênh với nhau theo nguyên tắc ký tự xen ký tự (character-by-character) Hệ thống TDM đồng bộ hiệu quả hơn do không cần bit "start" và các bit "stop"

Trong hệ thống TDM thông minh (intelligent TDM), dữ liệu từ nhiều loại nguồn khác nhau có thể ghép kênh với nhau Hệ thống này có khả năng cung cấp các chuyển đổi về tốc độ, về mã, về giao thức Phần cứng của hệ thống TDM thông minh có các bộ vi xử lý hoặc máy vi tính Thường thì chúng kết nối đến các đường có dữ liệu vào và huỷ kết nối tạm thời đến các đường không có dữ liệu vào Do đó, tốc độ dữ liệu ra của bộ ghép kênh nhỏ hơn tổng dung lượng dữ liệu của các đường vào bộ ghép kênh Kỹ thuật ghép kênh này được gọi là ghép kênh thống kê (statistical multiplexing) Nó cho phép tăng số lượng nguồn ghép vào một

đường truyền chung của hệ thống

Có thể phân bộ ghép kênh ra làm ba loại chính Kiểu TDM thứ nhất để kết nối đến đường truyền đồng bộ Trong kiểu này, kỹ thuật ghép kênh được dùng là bit xen bit (bit-by-bit)

Kiểu TDM thứ hai để kết nối đến đường truyền cận đồng bộ Trong trường hợp này, đồng hồ riêng của các nguồn dữ liệu vào không đồng bộ chính xác về tần số Do đó sẽ có sai khác về tốc độ bit giữa các dòng dữ liệu đến từ nhiều nguồn khác nhau Để hiệu chỉnh sự sai khác đó, người ta chèn thêm một số bit vào dòng dữ liệu ra của bộ ghép kênh, làm cho tốc độ bit tăng lên đôi chút Kỹ thuật này được gọi là chèn bit (bit stuffing) Kiểu TDM thứ ba có thể ghép các nguồn không đồng bộ và tạo ra tín hiệu tốc độ cao không đồng bộ (không có chèn bit) hoặc tín hiệu tốc độ cao đồng bộ (có chèn bit)

Hình 6.9 là cấu trúc của một bộ ghép kênh TDM được thiết kế để ghép tín hiệu từ 11 nguồn,

- 133 -

trong đó nguồn 1 là tương tự băng thông 2 kHz, nguồn 2 là tương tự băng thông 4 kHz, nguồn 3 là tương tự băng thông 2 kHz, nguồn 4-11 là số, đồng bộ tại tốc độ 7200 bps Để

đơn giản, giả sử dùng đường truyền TDM đồng bộ và dùng đường truyền riêng để cấp tín hiệu đồng bộ khung cho bên thu

Trước hết cần phải số hóa các nguồn tương tự Tần số lấy mẫu các nguồn tương tự theo

Nyquist lần lượt là 4 kHz, 8 kHz và 4 kHz Bộ chuyển mạch ghép kênh giống như hình 6.5,

sẽ lần lượt lấy mẫu nguồn 1, nguồn 2, nguồn 3 rồi nguồn 2 (nguồn 2 được lấy mẫu hai lần do tần số lấy mẫu gấp đôi so với nguồn 1 và 3) Vậy bộ chuyển mạch này có bốn đầu vào và một

đầu ra, tần số chuyển mạch là f 1 = 8 kHz Việc lấy mẫu này tạo ra tín hiệu TDM PAM 16000 mẫu trong một giây Giả sử mỗi mẫu được chuyển sang từ mã PCM 4 bit Như vậy tín hiệu TDM PCM ở đầu ra ADC có tốc độ là 64 kbps

Tín hiệu từ 8 nguồn số được chèn thêm bit để tạo thành các dòng số tốc độ 8 kbps

Tín hiệu số TDM PCM sẽ được kết hợp với dữ liệu từ các dòng số 8 kbps bằng cách sử dụng

một bộ chuyển mạch ghép kênh thứ hai Bộ chuyển mạch này hoạt động theo kiểu xoay vòng

lần lượt lấy mẫu dòng TDM PCM 64 kbps, dòng số 8 kbps từ nguồn 4, dòng TDM PCM 64 kbps, dòng số 8 kbps từ nguồn 5, và cứ như thế Vậy, bộ chuyển mạch thứ hai là bộ chuyển mạch 16 đầu vào và 1 đầu ra, tần số chuyển mạch là f 2 = 8 kHz

8 kbps

8 kbps

8 kbps

Tín hiệu TDM PAM 16 kHz

Tín hiệu TDM PCM 64 kbps

Tín hiệu TDM PCM 128 kbps

Ví dụ này cho thấy ưu điểm chính của TDM là có thể sắp xếp để ghép kênh cho cả nguồn tương tự và số

6.2.4 Phân cấp cận đồng bộ PDH (Plessiochronous Digital Hierarchy)

Trong thực tế, có thể chia TDM cận đồng bộ ra làm hai loại chính Loại thứ nhất bao gồm các bộ ghép kênh sử dụng để kết nối với các hệ thống máy tính số Loại này ghép tín hiệu số từ nhiều nguồn khác nhau để truyền qua một đường truyền tốc độ cao đến một máy tính số Tốc

độ ra của bộ ghép kênh được tiêu chuẩn hóa ở 1.2, 2.4, 3.6, 4.8, 7.2, 9.6 và 19.2 kbps

Loại thứ hai bao gồm các bộ ghép kênh sử dụng trong các mạng công cộng Có hai chuẩn chính là chuẩn Bắc Mỹ và Nhật được AT & T (American Telephone & Telegraph company) đề xuất và chuẩn thứ hai do ITU-T đề xuất

Chúng ta đã biết rằng với TDM, mỗi tín hiệu số từ một nguồn khác nhau được sắp xếp vào một khe thời gian riêng trong một luồng tín hiệu tổng có tốc độ bit cao hơn Vì mỗi tín hiệu

tương tự được lấy mẫu với tần số 8 kHz nên tạo ra một mẫu 8 bit trong mỗi khung 125µ s

Do đó, tốc độ luồng tổng phụ thuộc vào số kênh ghép Theo chuẩn Bắc Mỹ/ Nhật, cấp 1 ghép

24 kênh thoại/ dữ liệu trong khi theo chuẩn CCITT, cấp 1 ghép 30 kênh thoại/ dữ liệu Ngoài

tín hiệu thoại/ dữ liệu, chúng ta phải ghép thêm các bit khác nhằm các mục đích khác nhau,

ví dụ các bit chỉ thị đầu khung cho mục đích đồng bộ khung và các bit thiết lập cuộc gọi cho

mục đích báo hiệu Trong hệ thống TDM Bắc Mỹ/ Nhật, dùng 1 bit đơn ở đầu mỗi khung thay đổi luân phiên giữa 0 và 1 đối với các khung liên tiếp Thông tin báo hiệu chứa trong bit đầu của khe 6 và 12, vậy trong hai khe này chỉ có 7 bit tin Như vậy tốc độ luồng tổng là:

Mbps 544 1 s 125 / bit ) 1 8 x 24

Luồng này được gọi là DS1 hay T1

Trong hệ thống theo ITU-T, khe 0 được dùng cho mục đích đồng bộ khung vì nó cho phép bộ thu phân biệt khung này vớikhung khác Thông tin báo hiệu mang trong khe 16 Như vậy, tốc

độ luồng tổng là:

Mbps 048 2 s 125 / bit ) 8 x 32

Luồng này được gọi là E1

Hình 6.10 trình bày cấu trúc khung của luồng T1 và E1

Để đạt được tốc độ luồng tổng cao hơn, ta có thể ghép nhiều luồng T1 hoặc E1 Bảng 6.1

trình bày các tốc độ bit, số kênh thoại/ dữ liệu cùng với tên của luồng tổng tương ứng đối với hai hệ thống phân cấp TDM theo chuẩn Bắc Mỹ và ITU-T Thực tế thì đầu vào của các bộ ghép kênh cấp cao hơn không phải luôn luôn là đầu ra của các bộ ghép kênh cấp thấp hơn Ví

dụ, tín hiệu video phone số có thể chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu E1 hoặc tín hiệu video số có thể chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu E3 Các luồng tổng tốc độ cao hơn cũng yêu cầu

các bit thêm vào để đồng bộ khung và điều khiển Ví dụ, ghép 4 luồng E1 cần 0.256 Mbps cho các chức năng điều khiển, tạo thành luồng E2 có tốc độ là:

Mbps 448 8 256 0 048 2 x

- 135 -

Phân cấp theo chuẩn của Nhật có khác một ít so với chuẩn Bắc Mỹ Các cấp ghép là cấp 1 và

cấp 2 giống DS1 và DS2, cấp 3 (32.064 Mbps - 480 kênh thoại/dữ liệu), cấp 4 (97.728 Mbps

- 1440 kênh thoại/dữ liệu) và cấp 5 (397.200 Mbps - 5760 kênh thoại/dữ liệu)

Hình 6.10 Cấu trúc khung T1/ E1

Ký hiệu Tốc độ bit (Mbps) Số kênh thoại/dữ liệu

8 bit tin (khe 1-15, 17-31)

1 khung T1 = 125 µ s = 24 khe + 1 bit đầu

7 bit tin + 1 bit báo hiệu

24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2

1 bit

đầu khung

1 bit đầu khung

1 khung E1 = 125 µ s = 32 khe

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Đồng bộ

Bảng 6.1 Phân cấp TDM theo chuẩn của Bắc Mỹ và CCITT

Tuy việc tạo ra các luồng bậc cao rất đơn giản nhưng phức tạp lại nảy sinh khi cần cung cấp các luồng bậc thấp cho khách hàng từ các luồng bậc cao Hầu hết các hệ thống số trước đây được cải tạo từ các hệ thống tương tự Mỗi dòng tín hiệu TDM sử dụng một nguồn đồng hồ riêng Do đó, khi kết hợp hai hay nhiều luồng bậc thấp, ta phải từng bước thực hiện bù sai khác về tốc độ đồng hồ bằng các bit làm đầy, còn gọi là bit đệm (justification bit), làm cho

tốc độ luồng tín hiệu ra bộ ghép cao hơn một chút so với tổng các tốc độ của các luồng vào Kiểu ghép kênh này được gọi là cận đồng bô (plesiochronous)ü, nghĩa là gần đồng bộ và kiểu phân cấp như trên gọi là phân cấp cận đồng bộ PDH

Việc sử dụng bit đệm tại mỗi mức phân cấp cho thấy ta không thể xác định chính xác thời điểm bắt đầu của dòng bit tốc độ thấp trong một dòng bit tốc độ cao hơn Điều này làm cho

việc ghép/ xen rẽ kênh khi cần phải qua nhiều công đoạn phức tạp Ví dụ, ba tổng đài A, B và

C đặt tại ba thành phố xa nhau kết nối với nhau bằng trung kế E4 139.264 Mbps (nói gọn là

140 Mbps) Một khách hàng với các site đặt giữa các tổng đài có nhu cầu thuê đường truyền E1 2.048 Mbps (nói gọn là 2 Mbps) cho mạng riêng Vì không thể xác định chính xác luồng

2 Mbps trong luồng 140 Mbps nên người vận hành phải lần lượt tách kênh từ 140 Mbps xuống 34 Mbps, từ 34 Mbps xuống 8 Mbps, từ 8 Mbps xuống 2 Mbps rồi ghép trở lại từ 2 Mbps lên 8 Mbps, từ 8 Mbps lên 34 Mbps, từ 34 Mbps lên 140 Mbps Việc tách/ ghép này

được thực hiện trong một thiết bị gọi là bộ ghép xen rẽ ADM (Add-Drop Multiplexer) Rõ

ràng, thiết bị yêu cầu rất phức tạp Hình 6.11 chỉ ra vị trí các ADM, các site khách hàng và

tổng đài trong ví dụ này

140 Mbps

2 Mbps

Mạng đang tồn tại

Mạng riêng

Hình 6.11 Cung cấp mạng riêng trong PDH

Rõ ràng là nhu cầu thuê đường truyền tốc độ cao như trong ví dụ trên đây sẽ ngày càng tăng lên Do vậy, cần phải có một mạng truyền dẫn mềm dẻo, linh hoạt hơn cũng như nhiều dịch vụ mới được khai thác hơn Để đáp ứng yêu cầu này, một kiểu hệ thống truyền dẫn hoàn toàn mới được đưa ra để khắc phục tất cả các hạn chế của PDH - gọi là hệ thống phân cấp đồng bộ SDH

- 137 -

6.2.5 Phân cấp đồng bộ SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

SDH được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1986 bởi hãng Bellcore (Hoa Kỳ) dưới tên gọi là

mạng quang đồng bộ SONET (Synchronous Optical NETwork) Mục đích là thiết lập một

chuẩn truyền dẫn băng rộng, đồng bộ tất cả các thiết bị theo một đồng hồ chủ, sao cho tất cả các thiết bị trên thế giới có thể kết nối với nhau dùng các giao thức báo hiệu và định dạng khung chuẩn

Năm 1988, ITU và ETSI (European Telecom Standards Institute) đã chấp nhận SONET và đổi tên thành SDH với mục đích là đưa ra một chuẩn toàn cầu về truyền dẫn quang, điều

khiển, thiết bị, báo hiệu Tốc độ truyền cơ sở trong SDH là 155.52 Mbps (viết gọn là 155 Mbps) - và được gọi là module truyền đồng bộ cấp 1 (Synchronous Transport Module level

1) hay đơn giản là STM-1 Các tốc độ cao hơn là STM-4 (622 Mbps), STM-16 (2.5 Gbps),

STM-64 (10 Gbps), STM-128 (20 Gbps) Trong phân cấp SONET, dùng khái niệm OC (Optical Signal) thay cho STM

Cũng như PDH, tín hiệu STM-1 bao gồm một tập các khung lặp lại với chu kỳ 125µ s Nội

dung của mỗi khung mang các dòng tín hiệu PDH tốc độ khác nhau 1.5/ 2/ 6/ 34/ 45 hay 140Mbps Mỗi dòng này chứa trong một container khác nhau Ngoài các bit tin, container

còn chứa các bit chèn thêm để cân chỉnh tốc độ Một số thông tin điều khiển được thêm vào container gọi là mào đầu đường POH (Path OverHead) Chức năng của POH là mang thông tin hỗ trợ thông báo vị trí nơi mà container sẽ được truyền đến, mang các thông tin về giám sát và bảo trì đường truyền, ví dụ như tỷ số BER của container liên quan Sự kết hợp của container với POH tạo nên container ảo VC (Virtual Container).ì

Một khung STM-1 có thể chứa nhiều VC cùng loại hoặc khác loại Do độû trễ truyền dẫn có thể thay đổi nên vị trí của container trong một khung STM-1 có thể không cố định Để sắp xếp các thay đổi này, một con trỏ (pointer) đặt ở đầu mỗi VC và liên kết với VC tạo ra đơn vị

nhánh TU (Tribitary Unit) Nhiều TU ghép lại với nhau tạo thành TUG (Tribitary Unit Group) VC cấp cao nhất trong khung STM-1 gọi là đơn vị điều khiển AU (Administrative Unit) Nhiều AU ghép lại thành AUG (Administrative Unit Group) Cấu trúc khung STM-1

gồm AUG và mào đầu đoạn SOH (Section OverHead) SOH chứa các thông tin cần htiết cho bảo trì, bảo dưỡng trên đoạn mà SOH đó liên quan đến Ở đây cần phân biệt rõ hai khái niệm

path và section Path là đường truyền từ đầu cuối đến đầu cuối qua một hệ thống truyền dẫn

hoàn chỉnh, trong khi đó section chỉ là chiều dài của một đoạn cáp giữa hai trạm lặp

Khi cần tốc độ truyền dẫn cao hơn 155 Mbps của STM-1, người ta ghép N cấp STM-1 để

được các cấp STM-N Hình 6.12 là một số ví dụ ghép kênh trong SDH theo ITU và ETSI

Có thể nói SDH có rất nhiều ưu điểm và hoàn toàn thích ứng với việc ứng dụng các loại dịch vụ mới như trong ISDN Qua phân tích trên đây ta thấy việc triển khai SDH không dẫn đến loại bỏ các thiết bị PDH đang tồn tại Kỹ thuật tách ghép kênh trong SDH đơn giản hơn trong PDH, cho phép tách ghép nhiều luồng số dung lượng khác nhau chỉ qua một tầng, do đó có thể phục vụ được khách hàng với một dung lượng bất kỳ theo nhu cầu Việc tách ghép một tầng dẫn đến tinh giảm thiết bị, giảm mặt bằng đặt thiết bị, giảm giá thành khai thác

Tất cả các thiết bị trong SDH đều có phần mềm liên quan gọi là phần quản lý mạng, giúp cho quản lý mạng được mềm dẻo hơn Ngoài chức năng quản lý thông thường, các phần mềm quản lý mạng còn đảm bảo nhiều chức năng khác như giám sát chất lượng, quản lý cấu hình, quản lý kiểm kê, bảo vệ mạng Nhờ quản lý mạng bằng phần mềm nên có thể tiến hành giám sát từ xa, bảo dưỡng tập trung, từ đó cho phép giảm chi phí Ví dụ như, ta có thể thiết lập cấu hình cho ADM và cấu hình lại từ xa để cung cấp một băng thông bất kỳ theo yêu cầu của khách hàng mà không cần thực hiện tách kênh

x7 x3

x4 x3

TU-2

C-12 VC-12

TU-12

C-11 VC-11

TU-11

AUG

P D H

C-11 (1.5 Mbps); C-12 (2 Mbps); C-2 (6 Mbps); C-3 (34 Mbps và 45 Mbps); C-4 (140 Mbps)

Hình 6.12 Phân cấp ghép kênh SDH (theo ITU và ETSI)

6.3 Đa truy cập

Đa truy cập là kỹ thuật cho phép nhiều cặp thu-phát cùng chia sẻ một kênh vật lý chung Ý

tưởng sử dụng một kênh chung cho phép nhiều bộ phát phát tin đồng thời thực ra đã có từ thời của Thomas Edison 1873 Hệ thống đa truy cập lúc đó chính là hệ thống điện báo, cho phép truyền hai bản tin điện báo qua cùng dây đến cùng hướng, trong đó một bản tin được gởi bằng cách thay đổi cực tính và bản tin kia được gởi bằng cách thay đổi trị tuyệt đối

Ngày nay, đa truy cập được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống thông tin Ví dụ nhiều thuê bao truy cập đến cùng trạm gốc trong hệ thống thông tin di động, hoặc là nhiều trạm mặt đất liên lạc đến cùng vệ tinh trong trong hệ thống thông tin vệ tinh

Đôi khi rất dễ lẫn lộn giữa thuật ngữ "ghép kênh" và "đa truy cập" Đa truy cập muốn nói

đến trường hợp các nguồn tin không được sắp đặt lại với nhau và hoạt động độc lập với nhau Nguồn tin thường được gọi là user

Khái quát về mô hình thông tin số nhiều user đã có từ những năm 1960 nhưng mãi đến năm

1980 mới phát triển khi đã mô tả được đặc trưng riêng của kênh nhiều user Từ đó, số lượng các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này tăng lên nhanh chóng và tạo thành một nhánh nghiên cứu năng động nhất trong thông tin số

- 139 -

Hình 6.13 trình bày mô hình hệ thống thông tin đa truy cập với hai trường hợp là một bộ thu

và nhiều bộ thu

Nhiễu

Hình 6.13Mô hình hệ thống đa truy cập (a) Hệ thống một bộ thu (b) Hệ thống nhiều bộ thu

Như đã giới thiệu ở đầu chương, các phương pháp đa truy cập được chia thành ba loại chính Đó là đa truy cập phân chia theo tần số FDMA, đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy cập phân chia theo mã CDMA Các phương pháp cơ bản này có thể kết hợp với nhau để tạo thành một phương pháp đa truy cập mới Nguyên tắc cơ bản của tất cả các phương pháp đa truy cập dựa vào việc phân chia tài nguyên thông tin hữu hạn cho các user khác nhau một cách hợp lý và hiệu quả

6.3.1 Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA

Trong phương pháp đa truy cập này, độ rộng băng thông cấp phát cho hệ thống là B Hz được chia thành n băng con, mỗi băng con có độ rộng băng là B/n Hz được ấn định cho mỗi user

Tất cả các user này phát tín hiệu cùng lúc, tín hiệu được mã hóa cùng cách Có thể minh họa

nguyên lý FDMA như hình 6.14 Hình hộp chữ nhật trong không gian 3 chiều mã- thời gian-

tần số biểu diễn cho tài nguyên phân chia cho mỗi user Bề rộng của hình hộp thể hiện độ rộng của băng con dành cho một user, bề dài thể hiện thời gian hoạt động của user, bề cao thể hiện cho mã sử dụng

Trong hệ thống FDMA, các user phát liên tục các sóng mang đồng thời trên các tần số khác nhau Cần đảm bảo khoảng cách đủ lớn giữa từng kênh bị sóng mang chiếm để đề phòng các bộ lọc không hoàn hảo sẽ gây ra nhiều giao thoa kênh lân cận Khoảng tần số này được gọi là

băng bảo vệ (guard band) Bộ thu phân loại tín hiệu FDMA bằng cách lọc ra sóng mang

riêng tương ứng với user Việc lọc sẽ được thực hiện dễ dàng hơn khi băng bảo vệ rộng Tuy nhiên, việc sử dụng băng bảo vệ rộng sẽ dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng băng thông của hệ thống Vì vậy cần phải dung hòa giữa kỹ thuật và tiết kiệm băng thông Để đảm bảo FDMA hoạt động tốt, cần phải phân chia và quy hoạch tần số thống nhất trên toàn thế giới

Hình 6.14 Nguyên lý FDMA

User 1 User 2 User N

(Time Division Duplex) Trong hệ thống FDMA/ TDD, cả máy thu và phát sử dụng chung

một sóng mang (chung băng con) nhưng phân chia theo thời gian, nghĩa là thu phát luân phiên

Phương pháp FDMA ít nhạy cảm với sự phân tán thời gian do truyền lan sóng, không cần đồng bộ thời gian và ít trễ do không cần xử lý tín hiệu nhiều

6.3.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

Hình 6.15 minh họa nguyên lý của TDMA Để biểu diễn tài nguyên của mỗi kênh, ta cũng

dùng hình hộp chữ nhật tương tự như trong FDMA Tuy nhiên, ở đây bề rộng của hình hộp thể hiện khe thời gian dành cho một user, bề dài thể hiện băng thông toàn bộ của hệ thống, bề cao thể hiện cho mã sử dụng Như vậy, trong phương pháp đa truy cập này, tín hiệu của mỗi user chỉ được phát theo cụm (burst) rời rạc chứ không liên tục Các cụm tuần tự được sắp xếp lại thành một cấu trúc thời gian dài hơn gọi là khung (frame) Tất cả các user trong hệ thống TDMA phải phát theo cấu trúc khung này Mỗi sóng mang mang một cụm sẽ chiếm toàn bộ băng thông cấp phát cho hệ thống

Phần thu sẽ điều khiển mở cổng cho cụm cần thu trong khe thời gian dành cho máy thu phù hợp Qua đây ta thấy khác với FDMA, ở TDMA, vấn đề đồng bộ là vô cùng quan trọng Đồng bộ cho phép ta xác định đúng vị trí của cụm cần lấy ra ở máy thu hay cụm cần phát đi ở máy phát tương ứng Một vấn đề quan trọng nữa là ở trong cụm, ngoài thông tin của user còn cần nhiều thông tin bổ sung như: thông tin để khôi phục sóng mang, để đồng bộ bit, để cho phép máy thu xác định được điểm bắt đầu cụm Ngoài ra, bên thu cần phát hiện chính xác thời điểm bắt đầu của một khung, do vậy, trong một khung, thường đầu khung là các cụm

- 141 -

tham chiếu rồi mới đến các cụm lưu lượng như hình 6.16 Để đồng bộ tốt, giữa các cụm cần

có khoảng thời gian trống để tránh cho các cụm khỏi chồng lấn lên nhau Khoảng thời gian này gọi là khoảng bảo vệ (guard time)

Ngoài vấn đề đồng bộ, so với FDMA, thiết bị trong hệ thống TDMA phức tạp hơn khi cần dung lượng cao Hơn nữa, do đòi hỏi xử lý số tín hiệu phức tạp nên xảy ra trễ lớn

Ưu điểm nổi bật của TDMA so với FDMA là tiết kiệm tần số hơn Tuy nhiên, nếu dùng một cặp tần số cho một cặp thu-phát thì sẽ không đủ đảm bảo dung lượng của mạng Vì vậy, TDMA thường được sử dụng kết hợp với FDMA cho các mạng đòi hỏi dung lượng cao Một ứng dụng phổ biến là kết hợp FDMA/ TDMA trong hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM

(Global System Mobile)

Hình 6.15 Nguyên lý TDMA

User N

User 2

User 1 Khung

Hình 6.16 Cấu trúc khung TDMA

6.3.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

CDMA là phương thức đa truy cập mới, cho phép nhiều user phát tin đồng thời và sử dụng toàn bộ băng thông của kênh chung Tuy nhiên, tín hiệu từ mỗi user được mã hóa theo một cách riêng sao cho bộ thu có thể tách riêng các tín hiệu đó ra dù chúng trùng nhau về thời

gian và tần số Hình 6.17 minh họa nguyên lý của CDMA Như FDMA và TDMA, ta cũng