Hình 2.2 Tín hiệu tương tự đổi sang số và ngược lại Dữ liệu số có thể được biểu diễn băng các tín hiệu tương tự khi sử dụng các modem Modulation - DeModulation Các Modem này biến đổi c
Trang 1Chương 2 truyền dẫn số
Trong chương này tổng quan về một vài vấn đề mấu chốt liên quan đến truyền dẫn
số Phần một làm rõ về kĩ thuật truyền dẫn số , tương tự Rồi thì việc mã hoá tín hiệu tương tự thành tín hiệu số được kiểm tra Phần tiếp theo thảo luận về việc phân kênh Chương này còn bao gồm việc thảo luận hệ thống sóng mang số mà nó tạo thành hệ xương sống của mạng số , diện rộng
2.1 Truyền dữ liệu số và tương tự
Khái niệm tuơng tự và số tương ứng với sự liên tục và rời rạc Hai thuật ngữ này sử dụng một cách liên tục khi nói truyền dữ liệu trong 3 nội dung : dữ liệu , báo hiệu và truyền dẫn
Ta coi dữ liệu là cái truyền đạt một ý nghĩa nào đó Hoàn toàn có thể nhận ra dữ liệu ở 1 dạng nhất định Tin tức phải trong nội dung hoặc biên dịch của dữ liệu này Báo hiệu là hoạt dộng truyền tín hiệu trong môi trường ổn định Cuối cùng sự truyền là sự thông tin của dữ liệu bằng cách truyền và sử lí các tín hiệu
Dữ liệu tương tự và số
Dữ liệu tương tự nhận các giá trị liên tục trong các khoảng thời gian Ví dụ : Tiếng nói và hình ảnh biến đổi liên tục về cường độ Hỗu hết các dữ liệu nhận được từ các đầu
đo như nhiêth độ , áp suất là các giá trị liên tục Dữ liệu số nhận các giá trị gián đoạn Ví
dụ như các kí tự chữ , các số nguyên
Tín hiệu tương tự và số
Trong hệ thống thông tin , các dữ liệu được truyền từ điểm này tới điểm kia bằng các tín hiệu điên (?) Tín hiệu tương tự là các sóng điện từ thay đổi liên tục có thể được truyền nhiều môi trường tuỳ thuộc vào tần số Ví dụ môi trường có thể là dây đồng ( cáp xoắn đôi hay cáp đồng trục ) hoặc là cáp quang hay khí quyển ( vô tuyến ) Trong khi
đó tín hiệu số là chuỗi các xung điện thế có thể được truyền qua dây đồng ( Một mức
Trang 2điện áp không đổi này có thể đặc trưng cho mức “1” còn một mức điện áp khác không
đổi có thể đặc trưng cho mức “0” )
Việc truyền tín hiệu số rẻ hơn truyền tín hiệu tương tự và ít bị ảnh hưởng của nhiễu hơn Nhưng tín hiệu số suy giảm nhiều hơn Hình 2.1 biểu diễn chuỗi các xung điện áp
được phát ra từ một nguồn có 2 mức điện áp và điện áp thu nhận được tại một khoảng cách khác qua môi trường dẫn các xung trở nên tròn đầu và bé đi Rõ ràng là độ suy hao đã làm mát thông tin khi truyền
Hình 2.1 Sự suy giảm tín hiệu số
Các dữ liệu số hay dữ liệu tương tự đều có thể được biểu diễn hay truyền bởi hoặc tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự Điều này minh hoạ trong hình 2.2 Nói chung tín hiệu tương tự là một hàm theo thời gian và chiếm một giải tần số giới hạn Một ví dụ điển hình
là dữ liệu tiếng nói, sóng âm hay dữ liệu tiếng nói có các thành phần tần số trong khoảng
từ 20Hz tới 20KHz Tuy nhiên năng lượng thoại chỉ tập trong trong khoảng tần số hẹp Phổ của tiếng nói chuẩn hoá trong khoảng 300Hz tới 3400Hz và trong khoảng đó tiếng nói truyền nghe rất rõ ràng Các thiết bị thoại sử dụng dải tần số sóng điện từ 300Hz – 3400Hx để chuyển đổi từ sóng điện từ sang sóng âm và ngược lại
Trang 3Hình 2.2 Tín hiệu tương tự đổi sang số và ngược lại
Dữ liệu số có thể được biểu diễn băng các tín hiệu tương tự khi sử dụng các
modem ( Modulation - DeModulation ) Các Modem này biến đổi các chuỗi nhị phân (
Hai giá trị ) thành các tín hiệu tương tự bằng cách điều chế tần số sóng mang Tín hiệu thu được có phổ tần số trung tâm tại tần số sóng mang và có thể được truyền qua môi trường Hầu hết các modem đều biến đổi các dữ liệu số thành phổ tiếng nói để cho phép các dữ liệu số này có thể được truyền qua tuyến thoại Đầu kia của tuyến thoại , một modem giải điều ché tín hiệu , trả lại dữ liệu số
Một cách tương tự , dữ liệu tương tự có thể biểu diễn thành các tín hiệu số Các thiết bị thực hiện các chức năng này cho dữ liệi tiếng nói được gọi là codec ( Code – DeCode ) Trong đó Code codec láy một tín hiệu tương tự biểu diễn một dữ liệu tiếng tương ứng biến đổi thành các tín hiệu với một chuỗi bít Đầu kia , chuỗi bit được sử dụng
để khôi phục lại dữ liệi tương tự Điều này sẽ được nói trong phần 2.2
Cuối cùng dữ liệu số có thể biểu diễn trực tiếp thành dạng nhị phân với hai mức
điện áp Để nâng cao đặc tính truyền dẫn , các dữ liệu nhị phân thường được mã hoá thành các dạng phức tạp hơn của tín hiệu số Điều này sé nói đến trong chương 3
Sự truyền tín hiệu tương tự và số
Tín hiệu sô và tương tự có thể được truyền tại các môi trường thích hợp Cái cách
mà các tín hiệu này được sử lí là một chức năng của hệ thống truyền dẫn Bảng 2.1 tổng kết các phương pháp truyền dữ liệu Sự truyền tương tự nghĩa là truyền tín hiệu tương tự
mà không quan tâm đến nội dung của nó : Tín hiệu tương tự này có thể thể hiện dữ liệu tương tự ( như tiếng nói ) hoặc dữ liệu số ( như dữ liệu được chuyển qua modem ) Trong mọi trường hợp sự suy hao tín hiệu tương tự đã giới hạn khoảng cách truyền dẫn
Trang 4Để truyền đi xa ta phải dùng các bộ khuếch đại để bù đắp năng lượng bị mất mát Nhưng
nó khuếch đại cả thành phần nhiễu, trên khoảng cách xa thì ta phải chồng thêm các bộ khuyếch đại và do vậy làm tín hiệu méo lại càng thêm méo Đối với dữ liệu tương tự ( như tiếng nói ) việc méo một tí có thể được tích luỹ và do vậy dữ liệu trở nên khó chấp nhận
a) Dữ liệu và tín hiệu
Tín hiệu tương tự Tín hiệu số
Dữ liệu tương tự (1) Tín hiệu chiếm cùng tần
số với dữ liệu tương tự (2) Dứ liệu tương tự được
điều chế chiếm vùng tần
số khác
Dứ liệu tương tự được mã hoá
khi dùng codec tạo ta chuỗi bít số
Dữ liệu số Dữ liệu số được mã khi sử
dụng modem để tạo ra tine hiệu tương tự
(1) tín hiệu gồm 2 mức điẹn
áp biẻu diễn 2 giá trị nhị phân
(2) dữ liệu số so thể được mã
hoa sinh ra tín hiệu số với
đậc tính phù hợp
b) Phương pháp sử lí tín hiệu Truyền tương tự Truyền số
Dữ liệu tương tự Được truyền qua bộ khuyếch
đại, tín hiệu có cùng cách biểu diễn dữ liệu tương tự hay dữ liệu số
Giả sử rằng tín hiệu tương tự biểu diễn dữ liệu số , dữ liệu truyền qua các bộ lặp Tại mỗi bộ lặp dữ liệu số được khôi phục
Dữ liệu số Không sử dụng Tín hiệu số biểu diễn chuỗi
bit “1” và “0”, được truyền qua các bộ lặp tại mỗi bộ lặp các bit “1”,”0” được khôi phục
Bảng 2.1 Truyền tín hiệu số , tương tự
Trang 5Truyền số, ngược lại, cần biết nội dung của tín hiệu Chúng ta lưu ý rằng một tín hiệu số có thể được truyền chỉ trong 1 khoảng cách nhất định trước khi độ suy hao làm hỏng sự toàn vẹn của dữ liệu Để truyền tín hiệu số đi xa, các bộ lặp ( repeater ) được đặt trên đường truyền Các bộ lặp thu tín hiệu số khôi phục lại dạng của tín hiệu và lại tiếp tục phát tín hiệu số mới Vì thế dộ suy hao được giải quyết
Kỹ thuật tương tự có thể được sử dụng với tín hiệu tương tự nếu tín hiệu mang dữ liệu số, tại một vị trí tương ứng hệ thống truyền dẫn có thiết bị phát lại chứ không chỉ dể khuyếch đại Các thiết bị phát lại này sẽ khôi phục dữ liệu số từ ácc tín hiệu tương tự sau
đó truyền đi tín hiệu mới sạch Vì thế ồn không được tính đén
Một câu hỏi tự nhiên đặt ra là phương pháp truyền dẫn nào được lựa chọn Câu trả lời từ phia các nhà công nghiệp viễn thông và người dùng là truyền số là phương pháp tối
ưu hơn Các nguyên nhân quan trọng là do :
• Giá : Công nghệ VLSI ( Very-large-scale-integration ) làm giá thành và kích thước
của các mạch số liên tục giảm Trong khi giá bảo trì các thiết bị số là nhỏ so với các thiết bị tương tự
• Tính toàn vẹn của tín hiệu số : Dùng các bộ lặp số thay vì các bộ khuếch đại tương
tự hiệu lực của ồn và sự suy giảm tín hiệu không được tích luỹ vì thế nó cho phép tín hiệu số được truyền đi xa hơn , và qua đường truyền kém chất lượng hơn bởi phương tiện số bảo trì tính toàn vẹn dữ liệu
• Khả năng sử dụng : Đây là tính kinh tế khi xây dựng đường truyền với băng thông
rất cao – bao gồm các kênh vệ tinh và cáp quang Khả năng hợp kênh cao (Multiplex)
là cần thiêt cho phép các tín hiệu số có hiệu suất , dễ dàng và rẻ tiền khi phân chia thời
gian ( TDM-Time devision Multiplex), còn tín hiệu tương tự phân chia theo tần số (FDM-Frequency devision Multiplex)
• Sự riêng tư và an ninh : Kỹ thuật mã hoá đã ứng dụng nhanh chóng cho dữ liệu số
và cho cả tín hiệu tương tự đã được số hoá
• Sự tích hợp : Với cả thông tin tương tự và số phải được số hoá , tất cả các tín hiệu có
cùng dạng có thể được sử lí như nhau Vì vậy mức độ kinh tế và sự thuận tiên có thể
đạt được bằng cách tích hợp tiếng nói , hình ảnh , truyền hình và dữ liệu số
2.2 Sự m∙ hoá số tín hiệu tương tự
Trang 6Sự phát triển của mạng viễn thông công cộng ( PSTN ) muốn truyền dẫn số đòi hỏi dữ liệu tiếng nói phải được biểu diễn dưới dạng số Hình 2.3 minh hoạ một hình ảnh chung : tín hiệu tiếng nói tương tự được số hoá tạo ra các mẫu “1” và “0” , cũng như các tín hiệu số với các mẫu “1” và “0” được đặt vào một modem sao cho một tín hiệu tương tự
có thể được truyền Tuy nhiên tín hiệu tương tự mới này khác xa với tín hiệu tiếng nói nguyên gốc Các thiết bị phát lại chỉ là các bộ khuyếch đại được sử dụng để cho phép kéo dài độ dài truyền dãn Tất nhiên tín hiệu tương tự mới phải được biến đổi ngược lại thành dữ liệu tương tự tương ứng với lối vào tiếng nói nguyên gốc
Hình 2.3 : Số hoá dữ liệu tương tự
Điều chế xung m∙ ( PCM - Pulse code Modulation )
Một kĩ thuật tốt nhất được biết đến để số hoá tiếng nói là PCM PCM dựa trên lý thuyết lấy mẫu mà nó được phát biểu như sau :
Nếu một tín hiệu s(t) đựơc lấy mẫu tại các khoảng thời gian ổn định và tại tốc độ lớn hơn hai lần tần số tín hiệu có giá trị lớn nhất thì các mẫu chứa tât cả các thông tin của tín hiệu nguyên gốc Hàm s(t) có thể được khôi phục từ ácc mẫu này bằng cách sử dụng các bộ lọc thông thấp
Nếu dữ liệu tiếng nói được giới hạn tần số dưới 4000Hz thì 8000 mẫu trong 1 giây sẽ được sử dụng để lấy mẫu tín hiệu tiếng nói tương tự Chú ý rằng đây là các mẫu tương tự Để biến đổi thành số mỗi một mẫu tương tự phải được thay bằng một mã nhị phân Hình 2.4 chỉ ra một ví dụ mà mỗi một mẫu tương ứng ( lượng tử hoá ) với một trong 16 mức – mỗi mẫu biểu diễn thành 4 bit ( Giá trị lượng tử hoá chỉ là xấp xỉ , điều quan trọng là khi khôi phục phải trả lại chính xác tín hiệu nguyên gốc) Bằng cách dùng mẫu 8 bit cho phép có tới 256 mức lượng tử chất lượng của tiếng nói được khôi phục là có thể so sánh được với chất lượng tiếng truyền tương tự Chú ý rằng tốc độ dữ liệu 8000 mẫu/giẫy x 8 bit/mẫu = 64k bit/giây là cần thiết cho tín hiệu tiếng nói
Trang 7Hình 2.4 : Điều chế xung mã
Nó chung , PCM sử dụng kĩ thuật mã hoá phi tuyến , có nghĩa là 256 mức l−ợng tử
là không bằng nhau, giải quyết vấn đề sai số tuyệt đói trung bình của mỗi một mẫu là phải nh− nhau Bằng cách dùng một số lớn các mức l−ợng tử hoá cho các tín hiệu có biên
độ thấp và một số ít các mức l−ợng tử hoá cho các tín hiệu có biên độ cao Điều này làm méo giảm đi
Trang 8PCM tất nhiên có thể được sử dụng cho cả tín hiệu tiếng nói khác Ví dụ tín hiệu của TV mầu sử dụng băng thông 4.6MHz có thể cho phép chất lượng đạt 10 bit/mẫu với tốc độ dữ liệu là 92Mbit/giây
Tính hoàn thiện
Chất lượng tiếng nói đủ tốt với 128 mức lượng tử khi mã hoa 7 bit ( 27 = 128) Tín hiệu thoại chiếm băng thông 4KHz vì vậy phù hợp với lí thuyết lấy mẫu , các mẫu có tốc
độ 8000 mẫu/giây Sử dụng điều này cho phép tốc độ dữ liệu đạt tới 8000 x 7 = 56 Kb/s
để dữ liệu số mã hoa PCM
Cái cần xem xét là băng thông cần thiết Tín hiệu tiếng nói tương tự có băng thông 4KHz Tín hiệu số 56Kb/s cần băng thông tối thiểu 28KHz Thậm chí một số khác cần cao hơn ví dụ như TV mầu mã hoa 10 bit có tốc độ 92Mb/s với băng thông 4.6MHz
Tuy nhiên kĩ thuật phát triển để cho phép mã hoá có hiệu quả hơn Trong trường hợp của tiếng nói , đích phải đạt tới là băng thông lân cận 4KHz Với truyền hình , hình
ảnh xác định theo các khung liên tiếp , các điểm ảnh tương ứng các khung sẽ không thay
đổi , Kĩ thuật mã hoá xuyên khung cho phép giảm băng thông xuống còn 15Mhz và các cảnh thay đổi một cách chậm chạp Như vậy với hình ảnh hội thảo từ xa cho phép giảm xuống 64KB/s hay thấp hơn
2.3 Hợp kênh
Trong cả hai thông tin nội hạt và diện rộng , thường thì khả năng truyền dẫn của
đương truyền vượt quá yêu cầu truyền dẫn của một tín hiệu đơn lẻ Để nâng cao hiệu suât truyền dẫn của hệ thống , nó được thiét kế sao cho có thể mang nhiều tín hiệu trên
một đường truyền Điều này gọi là hợp kênh ( Multiplexing )
Hình 2.5 đưa ra multiplexing phân biệt theo hình dạng đơn giản nhất Có n lối vào
tới bộ hợp kênh ( Multiplexer ) Bộ hợp kênh được nối bằng 1 đường nối tới bộ phân kênh ( DeMultiplexer ) Đường nối này có khả năng mang n kênh dữ liệu riêng biệt Bộ
hợp kênh ( Multiplexer ) tổ hợp dữ liệu từ n đường lối vào và truyền dẫn với tốc độ cao
Trang 9Bộ phân kênh nhận dữ liệu đã được hợp kênh và tách dữ liệu ( DeMultiplexer ) phù hợp theo các kênh và phát đi theo các đường tương ứng
Hình 2.5 Bộ hợp kênh
Sự đa dạng của bộ hợp kênh để truyền dẫn số liệu có thể được giải thích như sau :
1 Tốc độ truyền dẫn dữ liệu càng cao thì thiết bịi truyền dẫn càng có hiệu quả kinh tế tức là đói với một ứng dụng cho trước với một khảng cách cho trước , chi phí cho một kb/s sẽ giảm khi tốc độ truyền dẫn dữ liệu tăng lên Tương tự : chi phí cho mỗi kb/s của thiết bị thu/phát sẽ giảm xuống khi tốc đọ dữ liệu tăng
2 Hầu hết các thiết bị truyền dữ liệu riêng lẻ ít nhiều đều cần phải có hỗ trợ về tốc độ dữ liệu Ví dụ với hầu hết các ứng dụng client/server , tốc độ dữ liệu 64 kb/s được coi là thừa
Do các thiết bị truyền thông cá nhân yêu cầu tốc độ dữ liệu vừa phải và khả năng truyền của phương tiện lớn hơn nhiều dung lượng yêu cầu do đó để giảm giá thành và nâng cao hiệu qủa các hệ thống được thiết kế để mang nhiều tín hiệu riêng trên cùng một
đường truyền vật lý: hợp kênh
Hình 2.6 FDM và TDM
Trang 10Có 2 phương pháp hợp kênh được dùng rộng rãi : Hợp kênh chia theo miền tần só FDM ( Frequency-Division Multiplexing ) và hợp kênh theo miền thời gian TDM ( Time-Division Multiplexing ) :
• FDM : Được dùng khi độ rộng băng của đường truyền lớn hơn độ rộng băng yêu cầu cho 1 tín hiệu đã cho Một số tín hiệu có thể được truyền dẫn đồng thời mỗi tín hiệu
được đièu chế bằng 1 tần số khác nhau sao cho băng thông của mỗi tín hiệu không chồng lấp nhau Trên hình 2.6a đưa ra trường hợp đơn giản của FDM Sáu nguồn tín hiệu được đưa vào một bộ hợp kênh sao cho điều chế mỗi một tín hiệu thành một tần
số khác nhau ( f1 , f2 , , f6 ) Mỗi một tín hiệu đòi hỏi một độ rộng băng thông nào
đó xung quanh tần số sóng mang được coi như là một kênh Để tránh ảnh hưởng lẫn nhau các kênh được tách biệt nhau bởi dải bờ ( Guard bands )
Ví dụ để hợp kênh các tín hiệu tiếng nói mà phổ của chúng trong khoảng 300Hz – 3400Hz vì thế một băng thông rộng 4KHz được sử dụng để mang các tín hiệu tiếng nói và cho giải bờ Cả Nam Mỹ và Quốc tế sử dụng 12 kênh thoại 4KHz để truyền trong khoảng tần số 60KHz – 108KHz Khi đường truyền tốc độ cao hơn câng các kênh > 4KHz
• TDM : Có ưu điểm khi dùng tốc độ bit ( đôi khi - không phải là tất cả - được gọi là băng thông ) của đương truyền có thể đạt lớn hơn nhiều tốc độ dữ liệu yêu cầu của tín hiệu số Các tín hiệu số hợp kênh có thể được mang chỉ trên một đường truyền bằng cách xen kẽ theo thời gian các cửa của mỗi một tín hiệu Có thể là chèn xen kẽ từng bit hoặc từng khối tám bít hoặc số lượng nhiều hơn thế Ví dụ bộ hợp kênh trong hình 2.6b có 6 lối vào , mỗi một lối vào có tốc độ 9.6 Kb/s Một đường truyền có dung lượng truyền đẫn 56.7 Kb/s có khả năng tải tất cả 6 tín hiệu trên Tương tự như FDM , các khe thời gian tuần tự được gọi là các kênh Một chu kì của các khe thời gian được gọi là một khung ( Frame )
Phương pháp TDM như trong hình 2.6b được gọi là TDM đồng bộ ( Synchronous TDM ) tức là các khe thời gian là quy định trước và cố định cho mỗi một tín hiệu lối vào khi mà nhịp truyền cho tất cả nguồn tín hiệu được đồng bộ Ngược lại TDM không đồng bộ ( Async TDM ) cho phép nhịp truyền được định xứ động Những hệ tín hiệu mang số sẽ miêu tả chương sau, còn SONET/SDH trình bày tại phần 4 sẽ là
ví dụ tốt cho Async TAM
