Các phương pháp đa hợp

Trong chương này chúng ta sẽ xét qua các phương pháp đa hợp đểtruyền dữliệu và/hoặc âm hiệu bằng sóng mang tương tựhoặc số

CHƯƠNG 8

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA HỢP

“ ĐA HỢP TẦN SỐ (FDM)

Š Tạo sóng mang Š Điều chỉnh biên độ

Š Truyền sóng vi ba

“ ĐA HỢP THỜI GIAN (TDM)

Š Đồng bộ Š Không đồng bộ

Như chúng ta đã biết, để truyền đồng thời nhiều kênh thông tin trên một đường truyền

người ta có thể dùng một trong hai phương pháp đa hợp: đa hợp phân thời gian và đa hợp

phân tần số

Phương pháp đa hợp phân thời gian phù hợp với việc truyền tín hiệu số, được dùng phổ biến trong các hệ thống điện thoại số

Phương pháp đa hợp phân tần số phù hợp với việc truyền tín hiệu tương tự, được dùng rộng rãi trong các phương tiện thông tin khác như truyền thanh, truyền hình

Trong chương này chúng ta sẽ xét qua các phương pháp đa hợp để truyền dữ liệu và/hoặc âm hiệu bằng sóng mang tương tự hoặc số

8.1 đa hợp tần số (frequency division multiplexing, FDM)

Trong truyền dữ liệu dùng sóng mang tương tự, người ta đã khai thác triệt để phương pháp này để có thể truyền, trong một khoảng thời gian, càng nhiều thông tin càng tốt Hiện nay khả năng truyền 10.800 kênh âm thanh (VB, Voice Band) đồng thời trên sóng mang tương tự đã là hiện thực

Trong dải tần của đường truyền dùng FDM, mỗi nguồn thông tin chiếm một khoảng tần số xác định và các nguồn khác nhau sẽ chia sẻ dải tần này

Thí dụ, trong điều chế AM, các nguồn thông tin khác nhau nhưng chiếm cùng một dải tần số (gọi là dải nền, base band) sẽ điều chế các tần số sóng mang khác nhau để dời phổ tần của chúng lên các vùng khác nhau và do đó có thể đa hợp để truyền cùng lúc (H 8.1)

(H 8.1) Ứng với mỗi tín hiệu điều chế sẽ xuất hiện hai băng cạnh trên và dưới, chứa cùng nguồn thông tin và bản thân sóng mang thì không chứa thông tin trong đó, như vậy một phương pháp truyền hữu hiệu là chỉ truyền một băng cạnh và loại bỏ sóng mang (SSBSC, Single Side Band Suppressed Carrier)

Trong hệ thống của AT&T, một kênh thông tin bao gồm 12 kênh âm thanh (VB), mỗi kênh (gồm tín hiệu tiếng nói hoặc dữ liệu từ một modem) sẽ điều chế một tần số sóng mang khác nhau và người ta chọn băng cạnh thấp (LSB) để phát đi Do mỗi kênh âm thanh chiếm khoảng tần số từ 300 đến 3000 Hz, nên người ta chọn băng thông 4 kHz cho mỗi kênh truyền

và như vậy, 1,3 kHz được xem như khoảng cách an toàn (H 8.2)

(a) Phổ tần AM (b) Phổ tần SSBSC

(H 8.2)

12 kênh âm thanh như thế hợp thành một nhóm (Group) chiếm băng thông 48 kHz, từ

60 đến 108 kHz (H 8.3)

(H 8.3)

Để đa hợp mức cao hơn, 5 nhóm tương tự như thế hợp thành một Super group (SG), băng thông của một SG, có được từ việc tổ hợp các băng cạnh thấp LSB của mỗi quá trình điều chế, là 240 kHz và chiếm dải tần từ 312 kHz đến 552 kHz (H 8.4)

(H 8.4) Đến lượt 10 SG được đa hợp để thành một Master Group (MG), như vậy, một MG chứa thông tin của 600 kênh âm thanh (H 8.5) minh họa một U600 MG

(H 8.5) Trong (H 8.5) ta thấy khoảng cách an toàn cho hai SG kề nhau là 8 kHz và giữa hai

MG là 80 kHz Khoảng cách này cho phép mạch lọc ở máy thu có thể tách riêng các SG và

MG ở kề nhau

MG L600 đa hợp SG1 tới SG10 bằng một phương pháp hơi khác với phương pháp đa hợp của MG U600 và chiếm khoảng tần số từ 60 đến 2788 kHz

Các MG chứa 600 kênh âm thanh có thể được truyền trực tiếp trên cáp

Để tạo một kênh truyền vi ba (microwave radio channel) người ta có thể đa hợp 3 MG (H 8.6)

(H 8.6) Ngoài ra, một Jumbo Group (JG) là một tổ hợp 6 MG, gồm 3600 VB và 3 JG được đa hợp để được một kênh truyền gồm 10.800 VB Tất cả có thể được truyền trên cáp

8.1.1 Tạo sóng mang

Một máy thu FDM thực hiện việc giải điều chế bằng cách trộn liên tục tín hiệu dao động giảm dần tần số cho tới lúc phục hồi được tín hiệu trong khoảng tần số của VB Điều kiện cần thiết là sóng mang giữa máy phát và thu phải đồng nhất, nếu không tín hiệu phục hồi được sẽ bị lệch tần số ra khỏi phổ tần gốc

Với mục đích sử dụng hiệu quả công suất, máy phát FDM đã dùng phương pháp triệt sóng mang, vì vậy sóng mang phát không thể phục hồi trực tiếp từ tín hiệu dải nền mà máy thu nhận được

Nếu để ý các tần số sóng mang từ các Group cho đến JG, ta thấy đều là bội của 4 kHz, như vậy trong một hệ thống thông tin, một trạm có thể được thiết kế như một trạm chủ, ở đây

sẽ thực hiện mạch dao động 4 kHz mà tất cả các trạm trong hệ thống phải đồng bộ với nó

Một cách tổng quát, tần số 4 kHz được nhân lên cho tới tần số hướng dẫn (pilot) cao hơn (64.312 hoặc 552 kHz) rồi cho trộn với dải tần của tín hiệu Mỗi trạm thứ cấp (máy thu) giải điều chế tần số hướng dẫn rồi phục hồi và tạo tần số 4 kHz Như vậy tất cả trạm trong hệ thống tạo sóng mang từ tần số 4 kHz này

Trong những hệ thống lớn như hệ thống Bell hay General Telephone, thật là không thực tế nếu trạm chủ phát tín hiệu 4 kHz trực tiếp đến các trạm con Thay vào đó, một số trạm con sẽ được dùng như những repeaters cho các trạm con khác về tín hiệu hướng dẫn này

Để có được các tần số sóng mang cao hơn người ta cho tín hiệu 4 kHz qua một mạch phi tuyến rồi lấy ra các họa tần Nếu tần số 4 kHz này bị trôi dạt một ít về pha và tần số sẽ đưa đến một sự thay đổi đáng kể của các họa tần

Thí dụ 1:

Xác định tần số phát của kênh vi ba dùng để phát kênh âm thanh VB 10, group 4, super group 17, master group 3

at GP

GP 4

at SG

SG 17

at MG

MG 3

at radio ch

fc

LSB

72 kHz 68-72 kHz

564 kHz 492-496 kHz

2108 kHz 1612-1616 kHz

8848 kHz 7232-7236 kHz

Qua thí dụ 1, ta thấy mặc dù tần số của kênh VB tăng lên nhưng nó vẫn chiếm băng thông gốc là 4 kHz

Thí dụ 2:

Nếu tín hiệu dao động 4 kHz bị trôi 10 Hz thì tần số âm thanh 1 kHz ở channel VB 3, group 2, SG 17, MG 2 sẽ trôi bao nhiêu? Giả sử tần số sóng mang được điều chế biên độ và dẫn xuất từ tần số 4 kHz

Cho kênh VB 3

fc lý tưởng : 100 kHz

fc thực tế : 4,01 kHz * (100/4) = 100,25 kHz LSF lý tưởng : 100 kHz - 1 kHz = 99 kHz

LSF thực tế : 100,25 kHz - 1 kHz = 99,25 kHz

Cho Group 2

fc lý tưởng : 468 kHz

fc thực tế : 4,01 kHz * (468/4) = 469,17 kHz LSF lý tưởng : 468 kHz - 99 kHz = 369 kHz

LSF thực tế : 469,17 kHz - 99,25 kHz = 369,92 kHz

Cho SG 17

fc lý tưởng : 2108 kHz

fc thực tế : 4,01 kHz * (2108/4) = 2113,27 kHz LSF lý tưởng : 2108 kHz - 369 = 1739 kHz

LSF thực tế : 2113,27 kHz - 369,92 kHz =1743,35 kHz

Cho MG 2

fc lý tưởng : 6248 kHz

fc thực tế : 4,01 kHz * (6248/4) = 6263,62 kHz LSF lý tưởng : 6248kHz - 1739 kHz = 4509 kHz

LSF thực tế : 6263,62 kHz - 1743,35 kHz =4520,27 kHz

Như vậy một sự thay đổi 10 Hz ở tần số dao động đã dẫn tới một thay đổi khoảng 11 kHz ở ngã ra của kênh vi ba Vì mỗi kênh VB rộng 4 kHz nên sự trôi dạt này tương đương với

3 kênh VB

Trong (H 8.5) các SG từ 25 tới 28 có thêm chữ D trong số chỉ SG điều này chỉ rằng tần số sóng mang của các SG này được dẫn xuất không phải từ họa tần của 4 kHz Sóng mang của các SG từ 15 đến 18 được trộn với một họa tần thấp hơn (1040 kHz) và băng cạnh trên được lọc lấy để dùng như sóng mang của các DSG, điều này làm giảm sự sai pha của các sóng mang SG có tần số cao

8.1.2 Điều chỉnh biên độ

Trong quá trình truyền, sự thay đổi biên độ tín hiệu có thể xảy ra Sự thay đổi này cần phải được xác định để có biện pháp bù trừ Để thực hiện việc điều chỉnh biên độ tự động, một tín hiệu hoa tiêu tần số 104,08 kHz có biên độ chuẩn, dùng để tham khảo, được đưa vào Group Tín hiệu này được dẫn xuất từ tín hiệu 4 kHz bằng phương pháp như sơ đồ (H 8.7)

Do mỗi SG gồm 5 Group nên có 5 tần số hoa tiêu khác nhau (H 8.8) Biên độ của tín hiệu hoa tiêu đã được xác định trước nên mọi sự thay đổi của biên độ tín hiệu này được tham khảo để thực hiện việc điều chỉnh một cách tự động biên độ của tín hiệu nhận được

Nhóm (H 8.9) minh họa việc điều chỉnh biên độ được thực hiện trong từng tầng (H 8.9a) cho thấy đặc tuyến truyền lý tưởng, các biên độ của các tín hiệu trong các

MG là như nhau nhưng trong thực tế thì biên độ này thay đổi theo các tần số khác nhau (H 8.9b)

Việc điều chỉnh độ lợi tự động để bù vào sự biến dạng biên độ do các môi trường truyền khác nhau được thực hiện trong mỗi tầng Đầu tiên, biên độ của mỗi kênh MG được điều chỉnh (H 8.9c), kế đến là biên độ của tín hiệu trong mỗi kênh SG (H 8.9d) và cuối cùng việc điều chỉnh được thực hiện ở các GP (H 8.9e)

(H 8.9)

(H 8.10) cho thấy cách lồng tín hiệu hoa tiêu vào tín hiệu dải nền phức hợp như thế nào Mỗi nhóm có tín hiệu 104,08 KHz đưa vào ở mạch tổ hợp kênh (channel combining network) Kết quả là mỗi SG có 5 tín hiệu hoa tiêu của nhóm (đó là các tín hiệu 315,92 KHz, 363,92 KHz, 411,92 KHz, 459,92 KHz và 507,92 KHz) Tín hiệu hoa tiêu của nhóm 1 cũng là tín hiệu hoa tiêu của super group (315,92 KHz) Đây là tín hiệu dùng tham khảo để hiệu chỉnh tín hiệu ra ở mạch phân cách SG Vậy mỗi MG có 50 tín hiệu hoa tiêu của Group, trong đó có

10 tín hiệu đồng thời là tín hiệu hoa tiêu của SG Đó là các tín hiệu có được do các tín hiệu fc

của SG trộn với tín hiệu 315,92 KHz (Thí dụ: với SG13, fc=1116 KHz thì tín hiệu hoa tiêu là 1116-315,92=800,08 KHz) Một tín hiệu hoa tiêu của MG có tần số 2480 KHz được thêm vào mỗi MG ở mạch tổ hợp SG, tạo thành tổng số là 51 tín hiệu hoa tiêu của MG

(H 8.10)

(H 8.11) là sơ đồ khối một mạch giải đa hợp FDM, cho thấy tín hiệu hoa tiêu được tham khảo như thế nào và được dùng để phân cách sự hiệu chính ở các MG, SG và GP

Tín hiệu phức hợp FDM tới mạch phân cách MG, cụ thể là các mạch lọc dải thông BPF để tách riêng các tín hiệu MG1 (564 - 3084 kHz), MG2 (3164 - 5684 kHz) và MG3 (5764 - 8284 kHz), các tín hiệu này cùng các tín hiệu hoa tiêu tương ứng ra khỏi mạch phân cách MG theo 3 đường khác nhau

Tín hiệu MG1 chia làm hai nhánh, một đưa thẳng vào mạch khuếch đại AGC và một vào mạch tách tín hiệu hoa tiêu 2840 kHz trước khi vào mạch khuếch đại AGC để so sánh và điều chỉnh độ lợi tín hiệu MG1 Tín hiệu ra từ mạch khuếch đại AGC được đưa vào mạch phân cách SG để cho ra tín hiệu của SG13 đến SGD 28

Riêng hai đường tín hiệu MG2 và MG3 được đưa vào mạch điều chế cân bằng và lọc BPF để phục hồi dải tần tương ứng với các SG trước khi đưa vào mạch khuếch đại AGC Công việc tương tự được thực hiện ở các tầng hiệu chính SG và GP Ở ngã ra tầng

hiệu chính GP ta được tín hiệu của 12 kênh VB (60 - 108 kHz) đã được điều chỉnh biên độ

(H 8.11)

8.1.3 Truyền sóng vi ba

Một kênh vô tuyến bao gồm 3 kênh MG chiếm dải tần từ 564 kHz đến khoảng 8,3 MHz Để được phát đi như một sóng vi ba (>1GHz), tín hiệu này phải được nâng tần số lên bằng cách điều chế FM một sóng mang trung tần 70 MHz, với chỉ số điều chế nhỏ - khoảng 0,4 - ta được kết quả gần giống như điều chế AM, nghĩa là phổ tần chỉ gồm một cặp băng cạnh trên và dưới Tín hiệu này lại được dùng để điều chế AM một sóng mang 6 GHz và băng cạnh trên được lọc lấy để phát đi (H 8.12)

Để phát 1800 kênh VB cần một băng thông là 16,6 MHz, mà tiêu chuẩn FCC cho phép băng thông rộng 29 MHz, như vậy tiêu chuẩn FCC có thừa để phát một kênh vô tuyến chứa 1800 VB bằng phương tiện vi ba

(H 8.12)

8.2 ĐA HợP THờI GIAN (Time-division multiplexing ,TDM)

Đa hợp phân thời gian có hai dạng : đồng bộ và không đồng bộ

Đa hợp thời gian đồng bộ thực hiện được khi dung lượng của đường truyền vượt nhiều lần vận tốc bit của tín hiệu cần truyền Nhiều tín hiệu số (hay tín hiệu tương tự được số hóa) có thể truyền trên một đường truyền ở những thời điểm khác nhau Sự phân chia thời gian có thể thực hiện cho từng bit, từng khối nhiều ký tự hay từng khối lớn dữ liệu (H 8.13) cho thấy một số tín hiệu [mi(t), i = 1, 2, 3, n) được đa hợp trên một đường truyền, mỗi tín hiệu được đưa vào vùng đệm trước khi đa hợp, vùng đệm có chiều dài chuẩn là một bit hay một ký tự, các vùng đệm được quét tuần tự đê tạo tín hiệu đa hợp mc(t) Tốc độ quét phải đủ nhanh sao cho các vùng đệm rổng trước khi dữ liệu mới đến do đó vận tốc bit của mc(t) ít nhất phải là tổng của các mi(t) mc(t) là tín hiệu số, có thể phát trực tiếp hay qua modem

(H 8.13 ) (H 8.13b) cho dạng thông thường của tín hiệu đa hợp trên đường truyền, tín hiệu này

có cấu trúc khung (frame), mỗi khung chứa một số khe thời gian (timeslot) Trong mỗi khung, một hoặc nhiều khe thời gian được dành cho mỗi nguồn dữ liệu Chuỗi các khe dành cho một nguồn dữ liệu trong các khung khác nhau hình thành một kênh (channel) Chiều dài mỗi khe bằng chiều dài của thanh ghi đệm phát, cụ thể là 1 bit hoặc chiều dài 1 ký tự

Trên đường truyền TDM , dữ liệu được xuất ra theo một trong hai kỹ thuật :

- Kỹ thuật xen ký tự (word or character-interleaving) được dùng cho các nguồn bất đồng bộ, mỗi khe thời gian chứa một ký tự dữ liệu

- Kỹ thuật xen bit (bit-interleaving) được dùng cho nguồn đồng bộ và không đồng bộ, mỗi khe thời gian chỉ chứa một bit

(H 8.14) là một thí dụ cho thấy sự khác nhau của 2 kỹ thuật xen ký tự và xen bit Trong thí dụ, để đơn giản ta chỉ vẽ các mẫu bit của 2 kênh thay vì 24 kênh như trong thực tế

(a) xen bit

(b) xen ký tự (H 8.14)

Ở máy thu, dữ liệu được giải đa hợp và đưa đến các đích tương ứng

Ta gọi TDM đồng bộ không chỉ vì lý do phát đồng bộ mà còn bởi một lý do quan trọng hơn là các khe thời gian dành cho các nguồn dữ liệu được giữ cố định, nghĩa là dù một kênh nào đó trong hệ thống không có dữ liệu để truyền, khe thời gian dành cho nó vẫn được phát đi

Mặc dù các khe thời gian đã được ấn định, nhưng các thiết bị TDM đồng bộ vẫn có thể làm việc với những nguồn dữ liệu có vận tốc bit khác nhau Thí dụ, trong một chu kỳ những thiết bị có vận tốc thấp nhất có thể sử dụng một khe thời gian trong khi các thiết bị có vận tốc cao hơn dùng nhiều khe thời gian hơn

8.2.1.1 Điều khiển đường truyền TDM

Trong mô hình của các khung thông tin TDM giới thiệu ở (H 8.13) ta không thấy các chi tiết đầu khung (header) và cuối khung (trailer) là những chi tiết phải có trong kỹ thuật truyền đồng bộ Thật ra điều này cũng không cần thiết Chúng ta có thể xem qua hai cơ chế của giao thức điều khiển liên kết dữ liệu: kiểm soát dòng dữ liệu (flow control) và kiểm soát lỗi (error control)

- Kiểm soát dòng dữ liệu: vì vận tốc bit trên đường truyền thì cố định và các bộ đa

hợp và giải đa hợp được thiết kế vận hành với vận tốc này nên việc kiểm soát không cần thiết Nhưng, giả sử có một kênh trong đường truyền không có khả năng nhận dữ liệu thì việc truyền các khung khác có dừng lại không? Rõ ràng câu trả lời là không, vì các kênh khác vẫn mong nhận dữ liệu ở những thời điểm đã định, vậy trong khoảng thời gian này kênh có vấn đề

sẽ truyền các khe thời gian rỗng

- Kiểm soát lỗi: Tương tự, việc kiểm soát lỗi sẽ được thực hiện cho từng kênh riêng

biệt vì người ta không thể yêu cầu phát lại tất cả các kênh khi có một kênh bị lỗi

Tóm lại, trong TDM các giao thức (thí dụ SDLC, HDLC) sẽ được áp dụng cho từng kênh và giả sử dùng phương pháp xen ký tự, hai kênh truyền cho hai nguồn dữ liệu d1 và d2

với các trường cờ (F) và điều khiển (C), địa chỉ (A) và trường FCS (f) sẽ được sắp đặt như sau:

Ngã vào 1:

F1 A1 C1 d1 d1 d1 f1 f1 F1 A1 C1 d1 d1 d1 f1 f1 F1 Ngã vào 2:

F2 A2 C2 d2 d2 d2 d2 f2 f2 F2 A2 C2 d2 d2 d2 d2 f2 f2 F2 Dòng dữ liệu đa hợp:

F F A A C C d d d d d d1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 f1 d2 f1 f2 F1 f2 A1 F2 C1 A2 d1 C2 d1 d2 d1 d2 f1 d2 f1 d2 F1 f2

(H 8.15)

Nhìn dòng dữ liệu đa hợp chúng ta cảm thấy dường như không có tính nhất quán ở các khung SDLC (HDLC), do chiều dài khung dữ liệu khác nhau, tuy nhiên các mẫu dữ liệu sẽ được tách ra và tái hợp một cách chính xác ở các ngã ra của bộ phận thu

8.2.1.2 Đồng bộ khung

Mặc dù giao thức điều khiển liên kết dữ liệu không được dùng để quản lý toàn bộ đường truyền TDM nhưng việc đồng bộ khung rất cần thiết để máy thu nhận dạng và thực hiện nhiệm vụ phân bố dữ liệu của mình

Hệ thống Telco sử dụng 24 khe thời gian (n= 24) cho một khung, mỗi khe thời gian dành cho một kênh âm thanh (voice band), các tín hiệu âm thanh được lấy mẫu với vận tốc

8000 mẫu/sec và được mã hóa với 8 bit Như vậy, một khung dữ liệu chứa :

24 kênh x 8 bit/kênh = 192 bit Cuối mỗi khung, người ta thêm vào 1 bit dùng cho đồng bộ khung (framing bit) do đó mỗi khung chứa 193 bit, mẫu của chuỗi bit đồng bộ khung tùy thuộc đường truyền

- Đường truyền D1 dùng kỹ thuật nén tín hiệu tương tự với hệ số µ = 100 và dùng từ

mã 7 bit nên chỉ cần thêm bit thứ 193, là các bit 0/1 luân phiên, vào cuối khung (hiện nay đường truyền này không còn sử dụng)

- Các đường truyền D2 và D3 ngoài các bit đồng bộ khung còn có thêm các bit báo hiệu (signaling bit), được thực hiện như sau:

Các khung thông tin được nhóm thành từng nhóm 12 khung, gọi là một super frame Ở khung thứ sáu và mười hai, các bit LSB của nhóm 8 bit của mỗi từ mã PCM trong tất cả 24 kênh được thay bởi bit báo hiệu (signaling bit), dùng cho tín hiệu báo on-hook/off-hook Bit

LSB trong các kênh của khung thứ 6 gọi là bit - A và của khung thứ 12 gọi là bit - B

Và máy thu nhận diện khung thứ 6 và 12 nhờ chuỗi bit đồng bộ khung sắp xếp theo qui luật cụ thể như sau:

Khung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Bit đồng bộ khung 1 0 1 0 1 0

Bit báo hiệu 0 0 → 1 1 1 → 0

Ta thấy, các bit thứ 193 của các khung lẻ được dùng cho sự đồng bộ và của các khung chẵn dùng nhận dạng khung thứ 6 và 12 là các khung có chứa bit báo hiệu Máy thu nhận ra khung thứ 6 do sự biến đổi từ 0 lên 1 (001) và khung 12 do biến đổi từ 1 xuống 0 của các bit báo hiệu (110)

Lưu ý là việc thay thế bit LSB trong các kênh âm thanh bởi bit báo hiệu làm ảnh hưởng đến tín hiệu âm thanh khi giải mã nhưng sự ảnh hưởng này là không đáng kể (điều này không thực hiện trên tín hiệu có nguồn gốc là tín hiệu số)