Kỹ thuật truyền số liệu đề tài multiplexing

GIỚI THIỆU Ghép kênh là kỹ thuật rất quan trọng trong các hệ thống thông tin hiện đại.. Tùy dạng thông tin gốc, môi trường truyền, quy mô của hệ thống thông tin người ta có thể sử dụng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:

Mai Văn Hà

MỤC LỤC C LỤC

1 GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 4

1.1 Giới thi ệu 4

1.2 C ấu tạo 4

1.2.1 Các b l c trong thi t b WDM .4 ộ ọ ế ị 1.2.2 B ộ tách hai bướ c sóng .5

1.2.3 B tách l ộ ớn hơn hai bước sóng .6

1.3 Nguyên lý .7

1.3.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán sắc góc .7

1.3.2 Dùng cách t m ph n t tán s c góc .8 ử là ầ ử ắ 1.4 Phân loại 9

1.4.1 Truy n d n hai chi u trên hai s ề ẫ ề ợi: 9

1.4.2 Truy n d n hai chi u trên m ề ẫ ề ột sợi: 10

1.5 Mục đích .11

1.6 Ưu và nhược điểm .11

2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN 12

2.1 Khái niệm 12

2.2 Phân loại 12

2.2.1 TDM đồng bộ 13

2.2.2 TDM không đồng bộ: 16

2.3 Ứng dụng .20

2.4 Ưu/nhược điểm .20

2.4.1 Ưu điểm: .20

2.4.2 Nhược điểm: .20

3 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ 20

3.1 Khái niệm .20

3.2 Nguyên lý 21

3.2.1 Ghép kênh 21

3.2.2 Phân kênh 23

3.3 Ứng dụng 23

3.4 Ưu nhược điểm 24

3.4.1 Ưu điểm .24

3.4.2 Nhược điểm .24

3.5 So sánh FDM và TDM 24

GIỚI THIỆU

Ghép kênh là kỹ thuật rất quan trọng trong các hệ thống thông tin hiện đại Có nhiều phương pháp ghép kênh được phát minh và đưa vào ứng dụng Tùy dạng thông tin gốc, môi trường truyền, quy mô của hệ thống thông tin người ta có thể sử dụng một trong nhiều phương pháp ghép kênh hoặc có thể sử dụng phối hợp các phương pháp ghép kênh để truyền thông tin từ nguồn đến đích Báo cáo này trình bày một cách ngắn gọn lý thuyết về kỹ thuật ghép kênh, phân tích các hệ thống ghép kênh

Hệ thống truyền thông gồm ba thành phần cơ bản không thể thiếu đó là nguồn tin, đường truyền và đích đến Bộ ghép kênh đóng vai trò là nơi tập trung các nguồn tin sau khi được xử lý để truyền trên đường truyền Như vậy, ghép kênh là kỹ thuật cho phép ta

sử dụng một đường truyền chung để truyền nhiều kênh thông tin trên đó Tóm lại:

- Ghép kênh: Là các kỹ thuật cho phép ghép nhiều luồng tín hiệu của các nguồn

tốc độ thấp vào truyền chung trên một đường truyền tốc độ cao => Truyền đi xa nhằm tiết kiệm tài nguyên

- Phân kênh: Là kỹ thuật xử lý ở đầu ra nhằm tách riêng ra từng luồng thông tin

được ghép để chuyển đến cho các nơi nhận

Hình minh họa quá trình ghép kênh/phân kênh

- Ứng dụng thực tế của kỹ thuật ghép kênh như: Kỹ thuật PCM trong thông tin thoại, đường dây thuê bao số sử dụng chung đường truyền của thoại truyền thống cho thoại và truyền số liệu trong ADSL, kỹ thuật FTTH trong truyền hình cáp và thoại, sử dụng băng

tần UHF của truyền hình mặt đất

- Có 3 phương pháp ghép kênh là:

+ Ghép kênh quang theo bước sóng (WDM)

+ Ghép kênh theo tần số (FDM)

+ Ghép kênh theo thời gian (TDM)

1 GHÉP KÊNH QUANG THEO BƯỚC SÓNG (WDM)

1.1 Giới thiệu

- Đặc điểm n i b t c a h ổ ậ ủ ệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là t n dậ ụng hữu hi u nguệ ồn tài nguyên băng rộng trong khu v c t n hao th p c a sự ổ ấ ủ ợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truy n d n cề ẫ ủa hệ thống đồng thời h giá thành cạ ủa kênh d ch v ị ụ xuống m c th p nh t ứ ấ ấ

- Ở đây việc th c hi n ghép kênh s không có quá trình biự ệ ẽ ến đổi điện nào M c tiêu cụ ủa ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truy n dề ẫn Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn t o ra kh ạ ả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ ấ r t cao

- Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó người ta đã thấy được những hạn chế c a các mủ ạch điện trong vi c nâng cao tệ ốc độ truyền dẫn Khi tốc độ đạ ớt t i hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không th m bể đả ảo đáp ứng được xung tín hiệu c c k h p; thêm vào ự ỳ ẹ đó, chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt

động quá ph c tạp đòi hỏi công ngh r t cao Kứ ệ ấ ỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng

ra đời đã khắc phục được những h n ch trên ạ ế

hai gương phản xạ một phần đặt song song cách nhau chỉ bởi một lớp điện môi trong suốt

- Các thi t b ế ị tách bước sóng này có s n trên th ẵ ị trường thương mại và được sử dụng rộng rãi các h ở ệ thống thông tin quang s d ng các ngu n phát LED ử ụ ồ ở bước sóng 850

nm và 1300 nm, hoặc s d ng các ngu n phát ph h p c a các tử ụ ồ ổ ẹ ủ ổ hợp bước sóng như:

800 nm và 830 nm; 800 nm và 890 nm; 1200 nm và 1300 nm; ho c 1300nm và 1550 nm ặvv , v i suy hao xen nh ớ ỏ hơn 3dB (cho mỗ ặp) và suy hao xuyên kênh cao hơn 25dB.i c

1.2.3 B ộ tách lớn hơn hai bước sóng

- Thi t b này s d ng các b l c n i ti p nhau, và mế ị ử ụ ộ ọ ố ế ỗ ội b lọc cho đi qua một bước sóng

và ph n x ả ạ các bước sóng còn lại (xem hình dưới):

- Trong th c t , thi t b tách nhiự ế ế ị ều bước sóng ngoài các b l c còn có th u kính, các sộ ọ ấ ợi quang vv

- Hình sau là b ộ tách 5 bước sóng dùng thấu kính GRIN và kh i thu tinh trong suố ỷ ốt

- Đôi khi có thể thực hi n t o ra b tách kênh mà không c n s dệ ạ ộ ầ ử ụng đến các ph n t ầ ửchuẩn trực Ví d ụ như ở hình dưới, thi t b ế ị không có lăng kính, mà các bộ lọc giao thoa

ở đây được đặt trên từng đoạn một cách thích hợp và đầu sợi được mài nhẵn

1.3 Nguyên lý

Thiết b WDM làm vi c theo nguyên lý tán s c góc ị ệ ắ

- Thi t b WDM s d ng b l c màng m ng không thích h p cho h ế ị ử ụ ộ ọ ỏ ợ ệ thống có quá nhiều bước sóng hoặc khi bước sóng này quá gần nhau Trong trường hợp này ph i s d ng ả ử ụphần t tán sử ắc góc Ưu điểm của ph n t tán s c góc là tán x ầ ử ắ ạ đồng th i t t c ờ ấ ả các bước sóng

1.3.1 Dùng lăng kính làm phần tử tán s c góc ắ

Trong giai đoạn đầu của kỹ thuật WDM người ta thường dùng lăng kính làm phần

tử tán s c góc (hình 2.12) Do hiắ ện tượng chi t su t phế ấ ụ thuộc vào bước sóng ánh sáng tức là n = n( ) nên chùm tia sáng có các bước sóng khác nhau ở đầu vào s b ẽ ị lăng kính phân thành các tia sáng đơn sắc khác nhau theo các hướng khác nhau ở đầu ra theo định luật Sneel (s ự phụ thuộc c a chi t su t v t liủ ế ấ ậ ệu làm lăng kính theo bước sóng)

- Nhược điểm: tán sắc dùng lăng kính có mức độ tán sắc thấp, nên khó tách được các bước sóng g n nhau Vì vầ ậy người ta ch có th ỉ ể dùng lăng kính trong trường hợp tách các bước sóng ở hai cửa sổ truyền d n khác nhau (ví d ẫ ụ bước sóng 1 c a s 1300 ở ử ổnm; bước sóng 2 c a s ở ử ổ 1550 nm) Do nhược điểm không tách được các tia sáng có bước sóng gần nhau nên lăng kính ngày nay không được sử dụng trong công ngh WDM ệnữa, thay vào đó người ta sử dụng cách t nhi u x làm ph n t tán s c góc ử ễ ạ ầ ử ắ

- Cũng giống như lăng kính, ánh sáng không đơn sắc ở đầu vào, sau khi qua cách t s ử ẽđược tách thành các tia sáng đơn sắc ở đầu ra theo các góc khác nhau Khác với lăng kính, cách t nhi u x cho các góc tán x lử ễ ạ ạ ớn hơn

- Khi tách kênh (tách bước sóng) bằng cách t , ngu n sáng t i gử ồ ớ ồm nhiều bước sóng t ừsợi quang s ẽ được tách ra thành các tia đơn sắc tương ứng với các bước sóng được

truyền trên sợi theo các góc khác nhau Ngược lại khi ghép kênh, m t s ộ ố kênh bước sóng , , , đến t ừ các hướng khác nhau có th ể được kết h p thành mợ ột hướng và được đưa tới truyền dẫn trên cùng một sợi quang

1.4 Phân loại

H ệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là vi c truyệ ền đồng th i nhiờ ều bước sóng cùng một lúc này không gây nhi u l n nhau Mễ ẫ ỗi bước sóng đại diện cho m t kênh ộquang trong s i quang Công ngh WDM phát triợ ệ ển theo xu hướng mà s riêng r ự ẽ bước sóng c a kênh có th là m t ph n rủ ể ộ ầ ất nh c a 1 nm hay 10-ỏ ủ 9 m, điều này dẫn đến các h ệthống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) Các thành ph n thi t b ầ ế ị trước kia chỉ có kh ả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng d ữ liệu đồng bộ tốc độ2,5 Gbit/s cho tín hi u m ng quang phân c p s ệ ạ ấ ố đồng b (SDH/SONET) Các nhà cung ộcấp DWDM đã sớm phát tri n các thi t b ể ế ị nhằm h ỗ trợ cho vi c truy n nhiệ ề ều hơn các kênh quang Các h ệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sửdụng, cung c p mấ ột tốc độ ữ liệ d u kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiế ới đạn t t tốc độ Tbit/s truyền trên một s i ợ đơn Có hai hình thức cấu thành h ệ thống WDM đó là:

1.4.1 Truy ền dẫn hai chiều trên hai sợi:

H ệ thống WDM truy n d n hai chi u trên hai s i là: t t c kênh quang cùng trên ề ẫ ề ợ ấ ảmột s i quang truy n d n theo cùng mợ ề ẫ ột chiều (như hình), ở đầu phát các tín hi u có ệbước sóng quang khác nhau và đã được điều chế , , , thông qua b ghép ộkênh t h p l i vổ ợ ạ ới nhau, và truy n d n m t chi u trên mề ẫ ộ ề ột sợi quang Vì các tín hiệu được mang thông qua các bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn l n u thu, bộ Ở đầ ộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác nhau, hoàn thành truy n d n tín ề ẫhiệu quang nhi u kênh chiề Ở ều ngượ ạc l i truy n d n qua mề ẫ ột s i quang khác, nguyên lý ợgiống

như

trên

1.4.2 Truy ền d n hai chi u trên m t sẫ ề ộ ợi:

- H ệ thống WDM truy n d n hai chi u trên m t s i là: ề ẫ ề ộ ợ ở hướng đi, các kênh quang tương ứng với các bước sóng , , , qua b ộ ghép/tách kênh được tổ h p l i vợ ạ ới nhau truy n d n trên mề ẫ ột sợi Cũng sợi quang đó, ở hướng v ề các bước sóng

+1, +2, , *2 được truyền d n theo chiẫ ều ngượ ạc l i (xem hình) Nói cách khác ta dùng các bước sóng tách rời để thông tin hai chi u (song công) ề

- H ệ thống WDM hai chi u trên hai sề ợi được ứng d ng và phát triụ ển tương đối rộng rãi

Hệ thống WDM hai chi u trên m t s i thì yêu c u phát triề ộ ợ ầ ển và ứng dụng cao hơn, đòi hỏi yêu c u k ầ ỹ thuậ ựt c c k nghiêm ng t phía phát, các thi t b ghép kênh ph i có suy ỳ ặ Ở ế ị ảhao nh t mỏ ừ ỗi ngu n quang tồ ới đầu ra c a b ghép kênh phía thu, các b tách sóng ủ ộ Ở ộquang ph i nh y v i d i r ng cả ạ ớ ả ộ ủa các bước sóng quang Khi thực hi n tách kênh cệ ần phải cách ly kênh quang th t t t vậ ố ới các bước sóng khác b ng cách thi t k các b tách ằ ế ế ộkênh th t chính xác, các b l c quang nậ ộ ọ ếu đượ ử ụng phải có bước sóng cắt chính c s dxác, d i làm viả ệc ổn định

- H ệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có th gây ra suy hao ểtruyền d n Ngoài viẫ ệc đảm b o suy hao xen c a các thi t b ả ủ ế ị thấp, c n ph i t i thi u hoá ầ ả ố ểthành ph n công su t có th gây ra ph n x t i các phầ ấ ể ả ạ ạ ần t ghép, ho c tử ặ ại các điểm ghép nối các module, các mối hàn , bởi chúng có th ể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng, dẫn đến làm suy gi m nghiêm tr ng t sả ọ ỉ ố S/N của h ệ thống Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đố ớ ệ thối v i h ng WDM truy n d n hai chi u trên m t s i, do ề ẫ ề ộ ợ

đó hệ thống này có kh ả năng ít được l a ch n khi thi t k tuyự ọ ế ế ến

- m t mỞ ộ ức độ nào đó, để đơn giản ta có th xem xét b ể ộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng ch bỉ ằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng Như vậy hiểu đơn giản, từ “bộghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để xét cho

cả b ghép và b tách; lo i tr ộ ộ ạ ừ trường h p c n thi t ph i phân bi t hai thi t b ợ ầ ế ả ệ ế ị hoặc hai chức năng Người ta chia lo i thi t b OWDM làm ba lo i: Các b ghép (MUX), các b ạ ế ị ạ ộ ộtách (DEMUX) và các b ghép/tách h n hộ ỗ ợp (MUX-DEMUX) Các b MUX và ộDEMUX được sử dụng trong các phương án truyền dẫn theo một hướng, còn lo i thạ ứ ba

MUX-DEMUX được sử dụng cho các phương án truyền dẫn theo hai hướng Hình mô t ảthiết b ị

1.6 Ưu và nhược điểm

- Trải qua quá trình nghiên c u và tri n khai, mứ ể ạng thông tin quang cũng như mạng quang s d ng công ngh ử ụ ệ WDM đã cho thấy những ưu điểm n i trổ ội:

+ Dung lượng truyền d n l ẫ ớn:

* S d ng công ngh ử ụ ệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có th ghép r t nhi u kênh ể ấ ềquang (có bước sóng khác nhau) để truyền đi , mỗi kênh quang lại ứng v i mớ ột tốc độbit nào đó (TDM) Hiện nay đã thử nghiệm thành công h ệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hi u TDM tệ ốc độ 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ là 200Gbit/s Trong khi đó với hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM -256 (dung lượng 40 Gbit/s)

+ Tính trong su t c a m ng WDM: ố ủ ạ

* Do công ngh WDM thu c ki n trúc l p m ng v t lý nên có th h ệ ộ ế ớ ạ ậ ể ỗ trợ các định dạng

số liệu và thư thoại chuyển mạch kênh, ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, IP…

* M ng trong su t: Trong m t dạ ố ộ ải băng thông xác định, mạng có th truyền các d ch v ể ị ụvới b t kì tấ ốc độ nào và với b t k giao thấ ỳ ức nào Như vậy nhà cung c p d ch v có th ấ ị ụ ểđáp ứng nhiều d ch v khác nhau b ng cách s d ng mị ụ ằ ử ụ ột cơ sở hạ tầng duy nhất Như vậy s r t có l i v m t kinh t và v n có th tri n khai các dich v mẽ ấ ợ ề ặ ế ẫ ể ể ụ ới một cách hiệu quả, nhanh chóng mà không làm ảnh hưởng gì đến các d ch v ị ụ trước đó

+ Vi c nâng cệ ấp dung lượng h ệ thống th c hi n d dàng, linh ho ự ệ ễ ạt.

* K ỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng hiện có lên đến hàng Tbps, có th ểđáp ứng nhu cầu mở rộng nhi u cở ề ấp độ khác nhau Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới, đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc sợi hay cáp quang

việc nân c p h ấ ệ thống đơn giản ch là c m thêm các card m i trong khi h ỉ ắ ớ ệ thống vẫn hoạt động (Plug and Play)

+ Quản lý băng tần hiệu quả và c u hình hấ ệ thố ng m m dề ẻo:

Bằng cách thay đổi phương thức đinh tuyến và phân b ổ bước sóng trong mạng WDM, ta có th d dàng qu n lý và c u hình l i h ể ễ ả ấ ạ ệ thống một cách linh ho t tu theo ạ ỳyêu c u th c t Hiầ ự ế ện nay WDM là công nghệ duy nh t cho phép xây d ng mô hình ấ ựmạng truy n tề ải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây d ng mự ạng quang trong suốt

+ S d ng công ngh WDM có th t n dử ụ ệ ể ậ ụng cơ sở ạ ầ h t ng c ủa các mạng quang trước

đó, giảm được chi phí đầu tư mới Do vậy tiết ki m và kinh t ệ ế hơn

2 GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN

2.2.1 TDM đồng bộ

- TDM không đồng bộ còn được gọi là TDM thống kê hoặc tập trung

- TDM đồng bộ được hiểu là bộ ghép kênh:

+ Phân chia các khe cho từng ngõ vào với thời gian bằng nhau (gọi là khe thời gian )

+ Cấp một khe thời gian cố định cho từng ngõ vào, khe thời gian thứ I sẽ chứa dữ liệu của kênh thứ i

+ Ngõ vào nào không có dữ liệu truyền thì khe đó sẽ bị bỏ trống

+ Số khe thời gian bằng số ngõ vào

+ Chiều dài của khung bằng số ngõ vào

+ Các ngõ vào có cùng tốc độ bit

Hình 2.1.1 Mô tả quá trình ghép kênh

- Các đường trung chuyển đượ ử ụng trong các mạng điện thoại bằng cách s c s d ửdụng cơ chế TDM được gọi là đường trung chuyển T1 ho c sóng mang T1 Viặ ệc ghép 24 kênh được gọi là ghép kênh cấp độ 1 Bốn sóng mang T1 -> T2.Bảy sóng mang T2 - T3 và sáu sóng mang T3 ->> T4

Hình 2.1.2

- Frame (Khung): Các khe thời gian (time slot) được nhóm thành khung (frame)

Mỗi khung g m m t chu k ồ ộ ỳ đầy đủ các khe th i gian, bao g m m t hay nhi u slot ờ ồ ộ ềđược gán cho t ng thi t b g i Trong mừ ế ị ở ột hệ thống có n đường dây, m i frame ỗ

có ít nh t là n slot, trong mấ ỗi slot được dùng để mang thông tin c a tủ ừng ngõ vào Khi t t c các thi t b ấ ả ế ị ngõ vào dùng chung đường truyền để gởi với cùng tốc độbit m i ngõ vào có m t slot trong frame th i gian Tuy nhiên, Khi truy n v i hai ỗ ộ ờ ề ớslot trong một frame s ẽ nhanh hơn một khe mỗi frame M i khe th i gian dành ỗ ờcho thi t b ế ị để ạ t o thành kênh truy n cho thi t b này ề ế ị

- Chuyển v :ị Phương pháp TDM đồng bộ có th ể xem như một chuyển mạch xoay rất nhanh Chuyển m ch này di chuy n t thi t b này sang thi t b khác theo th ạ ể ừ ế ị ế ị ứ

tự và tốc độ không đổi Qui trình này được g i là chuy n vọ ể ị (interleaving) + Chuyển vị có thể được thực hiện cho từng bit, từng byte, hay từng đơn

vị dữ liệu Nói khác đi, bộ ghép kênh sẽ lấy một byte của thiết bị này, và byte khác từ thiết bị khác Trong cùng một hệ thống, các đơn vị chuyển vị này thường có cùng kích thước

- Tại máy thu, b phân kênh tách m i frame ra tộ ỗ ừng lượt một Trong phương thức gán cho mỗi kênh một slot, ta th y có nh ng slot tr ng nấ ữ ố ếu các kênh chưa hoàn