Các kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu số băng gốc và thực nghiệm trên module MCM33EV

Chức năng truyền dẫn của 1 môi trường truyền đơn là 1 trong những đường truyền có thể là môi trường truyền dân định hướng như dây xoắn đôi,cáp đồng trục,dây song hành hoặc môi trường khô

CHƯƠNG 1 : KHÁI QUÁT CHUNG MẠNG VIỄN THÔNG VÀ HỆ

THỐNG THÔNG TIN SỐ

1.1 Tổng quan mạng,dịch vụ và kênh truyền thông trong viễn thông

1.1.1 Mạng viễn thông (Telecommunications Networks)

Mạng viễn thông được hiểu đơn giản là phương tiện truyền dẫn thông tin số liệu từ phía phát tơi đầu thu,có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ thông tin, phục

vụ các yêu cầu trao đổi thông tin của khách hàng hay các đối tượng thông tin khác Mạng viễn thông bao gồm các trang thiết bị viễn thông và các phương thức được thực hiện để truyền dẫn thông tin số liệu giữa người dùng khi sử dụng các dịch vụ tương ứng,gồm các dịch vụ như thoại số liệu,truyền hình,v.v Để đảm bảo cung cấp phục vụ các yêu cầu cho việc trao đổi thông tin liên lạc giữa các thành phần thì yêu cầu đầu tiên là cần thiết phải cung cấp các liên kết với nhau từng đôi một của tất cả các đối tượng.Khi phạm vi trao đổi được mở rộng

và số lượng các thành phần tham gia trao đổi thông tin tăng lên thì khi đó việc phân chia phạm vi đó thành các vùng thông tin nhỏ hơn là cần thiết.Các trung tâm thông tin của khu vực nào thì sẽ phục vụ các đối tượng trong khu vực đó,sau

đó tấ cả các trung tâm này được liên kết lại với nhau Các trang thiết bị cấu thành mạng viễn thông có thể chia thành các nhóm chính sau:

 Nhóm thiết bị đầu cuối thuê bao (Terminal Equipment) và người dùng :

là nhóm đưa thông tin vào và lấy thông tin ra từ mạng viễn thông Tiến hành thực hiện trao đổi thông tin điều khiển từ người sử dụng và mạng viễn thông

 Nhóm tổng đài (Exchange) là các nút mạng nhận yêu cầu của đối tượng ,xử

lý thông tin,chuyển mạch tiến hành trao đổi thông tin giữa các đối tượng

 Nhóm mạng truyền dẫn (Tranmission network) gồm đường dây thuê bao (liên kết nhóm 1 và 2) và đường dây trung kế ( liên kết nhóm 2 với nhóm 2)

 Nhóm phần mềm phối hợp hiệu quả hoạt động của 3 nhóm trên

1.1.2 Dịch vụ viễn thông

Là hình thức thông tin liên lạc giữa các đối tượng được cung cấp bởi nhà mạng Các dịch vụ được cung cấp rất phong phú,đa dạng,đảm bảo đáp ứng các yêu cầu khắt khe trong trao đổi thông tin giữa các đối tượng sử dụng một cách hiệu quả

Trong mạng viễn thông mạng điện thoại được thiết kế để cung cấp các dịch

vụ thoại,truyền âm.Hiện nay trong mạng điện thoại các lĩnh vực ứng dụng từ dịch

vụ thoại truyền thông,các dịch vụ thoại di động,fax không ngừng được mở rộng Mạng CSPDN (Circuit Switching public Data Network) là mạng dữ liệu công cộng chuyển mạch kênh Trong toàn bộ thời gian thông tin giữa người gửi

và người nhận được kết nối trực tiếp với nhau và hoạt động với tốc độ như nhau.Trong CSPDN truyền thông tin số liệu ở chế độ song công đồng thời theo

cả 2 hướng

Mạng PSPDN (Packet Switching Public Data Network ) là mạng dữ liệu chuyển mạch gói.Phát triển trên thế giới từ những năm 1970.Hiện này hầu như các mạng truyền dẫn số liệu trên thế giới là các mạng chuyển mạch gói.Đối tượng khách hàng phong phú và đa dạng có thể là các trường đại học,các công ty,doanh nghiệp.Khách hành được PSPDN trợ giúp trao đổi thông tin giữa các máy tinh, truy cập vào các cơ sở dữ liệu rộng lớn trên thế giới với giá cả phù hợp Các bản tin trong PSPDN được chia thành các gói tin ,khi có kết nối rỗi chúng sẽ được gửi đi Các gỏi tin trong các thuê bao khác nhau được truyên đi trên cùng 1 kết nối đơn,một kết nối ảo có thể được chia sẻ với 1 vài cuộc gọi Ngoài ra còn có rất nhiều các dịch vụ viễn thông khác nhau như: Mạng cảnh báo,Mạng Lan,Mạng WAN …

1.1.3 Kênh thông tin

Máy thu và phát được cung cấp kết nối bởi các kênh thông tin.Kênh thông tin vật lý có thể là môi trường không gian tự do hoặc cáp xoắn đôi, đồng trục,cáp quang

Thành phần kiểm soát khó khăn nhất của 1 hệ thống thông tin số là kênh truyền và môi trường truyền lan có thể là yếu tố khách quan tác động lên tín hiệu và ảnh hưởng tới chất lượng của thông tin Kênh vật lý là môi trường truyền lan tín hiệu mà ở đó các xung tín hiệu truyền qua kênh vật lý bị chịu những tác động tiêu cực như méo, tạp âm , bị suy giảm sẽ thay đổi cấu trúc của chúng như bị biến đổi chức năng tần số của chúng cũng như biến đổi về biên độ

và pha Chức năng truyền dẫn của 1 môi trường truyền đơn là 1 trong những đường truyền có thể là môi trường truyền dân định hướng như dây xoắn đôi,cáp đồng trục,dây song hành hoặc môi trường không gian tự do vô hướng như các loại kênh vô tuyến, truyền dẫn vi ba, thông tin di động hay thông tin vệ tinh,tùy thuộc vào hoàn cảnh và không thể thay đổi , phổ của tín hiệu truyền qua có thể

bị thay đổi điều này làm xuất hiện suy giảm biên độ,sai lệch khoảng thời gian của dòng tín hiệu ra (cho nên cần khôi phục xung nhịp)

Trong truyền dẫn tín hiệu băng gốc môi trường truyền là kênh vật lý có thể

là những loại dây cáp được chế tạo bằng kim loại như cáp xoắn đôi,đồng trục,dây song hành truyền dẫn tín hiệu điện… hoặc thậm chí cũng có thể sử dụng cáp quang mang thông tin dưới dạng chùm ánh sáng được điều chế nếu tần

số sóng mang của ánh sáng được bỏ qua.Tốc độ truyền dẫn phụ thuốc vào băng thông của đường truyền Các đặc tính quan trọng của 1 vài kênh truyền truyền dẫn sẽ được mô tả dưới đây

Dây cáp xoắn đôi (Twisted Pair) có băng thông vào khoảng vài trăm kHz được sử dụng để thông tin số liệu,tín hiệu thoại hoặc tín hiệu hình ảnh từ người dùng đến tổng đài là một phát minh của Alexander Graham Bell Được dùng rộng rãi trong mạng điện thoại,LAN,…để truyền dẫn tín hiệu thoại cũng như thông tin số liệu.Cáp xoắn đôi là 1 loại hệ thống dây điện trong đó gồm 2 dây dẫn bằng đồng bọc cách ly (dây dẫn đơn) xoắn lại với nhau với mục đích để giảm xuyên âm, triệt tiêu nhiễu điện từ (EMI: Electromagnetic Interference) Có

2 loại cáp xoắn đôi được sử dụng phổ biến là loại có vỏ bọc STP và loại không

có vỏ chống nhiễu UTP

Hình 1 1 Dây cáp xoắn đôi

Chất lượng tín hiệu sẽ được đảm bảo và gần như không bị ảnh hưởng khi kích thước và tỷ lệ xoắn của 2 dây dẫn trong cáp xoắn đôi được tính toán 1 cách thích hợp

Khả năng chống nhiễu và suy giảm của cáp xoắn đôi được nâng cao khi được bọc kim ở ngoài Cáp xoắn đôi có vỏ bọc STP là 1 biện pháp nỗ lực để ngăn chặn và hạn chế nhiễu điện từ.Vỏ bọc tạo nên một hàng rào dẫn điện để làm suy giảm sóng điện từ bên ngoài vào lớp chắn, và nối đất thoát nhiễu nhiễu

từ bên trong khi có 1 dòng điện cảm ứng sinh ra bởi các từ trường của các sóng điện này.Loại có vỏ bọc STP vì kahr năng chống nhiễu tốt cho nên tốc độ truyền dẫn cao hơn loại và có giá thành đắt hơn loại không có vỏ bọc UTP.Bù lại loại UTP lại có giá thành rẻ,dễ đấu nối, lắp đặt,có độ bền và tính linh hoạt trong sử dụng cao

Băng thông của cáp đồng trục rộng hơn cáp xoắn đôi khoảng vài Mhz

Hình 1 2 Dây cáp đồng trục

Trong đó A là lớp vỏ bọc bên ngoài,B là lớp lưới kim loại,C lớp bọc cách điện,nhiệt,D là lớp lõi đồng

Là một loại cáp có cấu tạo một lõi dây dẫn bên trong cùng (thường là lõi đồng đặc hoặc dây thép mạ đồng) được bao bọc bởi một lớp cách nhiệt ,điện dạng ống bên ngoài và tất cả được bao bọc bởi 1 tấm chắn,hay lưới kim loại thường có 1-4 lớp lưới kim loại Cáp được bảo vệ bởi một vỏ bọc ống PVC ngoài cùng Thuật ngữ đồng trục được hiểu là các dây dẫn bằng đồng bên trong

và hợp với vỏ hình trụ bảo bên ngoài các hình trụ hình học đồng trục.Cáp đồng trục được phát minh bởi kỹ sư và nhà toán học người Anh Oliver Heaviside, được cấp bằng sáng chế vào năm 1880 Trong việc sử dụng cáp đồng trục như kênh truyền dẫn, kích thước của cáp được kiểm soát chính xác , khoảng cách giữa các dây dẫn không đổi, điều này cần thiết để cho cáp đồng

trục hoạt động hiệu quả

Suy hao do các ảnh hưởng của nhiễu và bức bên ngoài được hạn chế do cấu tạo với nhiều lớp cách điện,nhiệt và các lớp lưới dẫn nối đất bao bọc lõi dẫn tín hiệu ở trong cùng mà trong giới hạn lớp giữa vỏ và lõi năng lượng trường điện

từ sóng hầu hết được giữ lại và hạn chế được sự rò rỉ năng lượng ra bên ngoài Kích thước của cáp cũng ảnh hưởng đến sự rò rỉ năng lượng,Cáp có đường kính lớn hơn và có nhiều lớp kim loại thì ít bị rò rỉ hơn

Do cấu tạo của cáp đồng trục nên tốc độ truyền dẫn lớn,có khả năng lên đến 1 đến 2Gbps Khoảng cách truyền tối đa có thể lên tới vài nghìn mét nếu ở tốc độ thấp

Cáp quang được sử dụng rộng rái trong truyền thông với phạm vi rộng lớn cung cấp 1 băng thông lớn hơn nhiều so với cáp đồng trục với tín hiệu suy hao thấp

Nhiễu cộng (tạp âm nhiệt) cũng là vấn đề chung của các phương tiện khi truyền dẫn tín hiệu,được tạo ra từ bên trong các thành phần linh kiện điện tử như điện trở và các thiết bị được sử dụng để thực hiện hệ thống thông tin

Những loại suy giảm tín hiệu có thể gặp khi truyền tín hiệu trên kênh là suy giảm tín hiệu ,méo pha,biên độ,

1.2 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin số

Hình 1 3 Sơ đồ khối hệ thống thông tin tổng quát

Trong sơ đồ khối bao gồm:

 Định dạng tín hiệu : Hay còn gọi là khối tạo khuôn dạng tín hiệu thực

hiện việc biến đổi tín hiệu cần truyền ở dạng tín hiệu liên tục hay số thành dãy các dãy từ mã số được biểu diễn bằng các dãy bit nhị phân 0,1 Có thể biểu diễn các dãy bit hoặc nhóm bit ở dạng thích hợp Nếu nguồn tin là đã là nguồn số thì không cần thực hiện số hóa Nếu nguồn tin là nguồn tương tự thì khối tạo khuôn

sẽ tiến hành việc số hóa tạo ra các chuỗi bit nhị phân.Phương pháp điều chế mã xung PCM thường được dùng cho việc chuyển đổi tương tự sang số trong các hệ thống thông tin số

 Khối giải đinh dạng : ở phần thucó chức năng ngược với khối định

dạng tín hiệu ở phần phát tức là nó sẽ làm nhiệm vụ biến đổi thông tin số sang tương tự

Việc Dùng các biện pháp xử lý tín hiệu số trong chuyển đổi A/D và D/A làm cho thông tin được trước khi truyền đi mã hóa và giải mã hiệu quả tại bên thu khi chúng phải chịu những tác động tiêu cực méo ,nhiễu,v.v

 Mã hóa nguồn và Giải mã nguồn: Thay đổi cấu trúc thông kê của

nguồn tin, tăng tính ngẫu nhiên trong cấu trúc thống kê của nguồn tin Nén và Giải nén tín hiệu giảm tốc độ bit,đảm bảo tốc độ bit đầu ra nhỏ nhất có thể giảm phổ chiếm của tín hiệu số vậy kênh có thể được chia sẻ cho nhiều user hơn

 Mã hóa mật và Giải mã mật: Mã hóa và giải mã chuổi bit theo 1 thuật

toán xác định nhằm bảo mật tin tức.Có ý nghĩa ứng dụng đặc biệt trong lĩnh vực quân sự,ngân hàng

 Mã hóa kênhThêm các bit dư vào tín hiệu sô theo một quy luật hoặc 1

thuật toán nào đó với mục đích tạo điều kiện cho bên thu dễ dàng trong việc phát hiện và sửa lỗi

 Giải mã kênh : ở bên thuLàm nhiệm vụ ngược lại với bên phát

 Ghép – Phân kênh:Có chức năng trợ giúp nhiều tuyến thiing tin có thể

chia sẻ một đường truyền vật lý chúng như cáp,đường truyền vô hướng Thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng 1 hệ thống truyền dẫn Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM là kiểu ghép kênh thường được dùng trong thông tin số

 Điều chế: Tiến hành chuyển đổi tín hiệu từ băng tần cơ sở sang dạng

sóng phù hợp với kênh truyền dẫn.Giúp cho tín hiệu với một tốc độ cho trước có khả năng truyền dẫn qua một môi trường cụ thể trong giới hạn méo có thể chấp nhận ,yêu cầu một băng thông tần số cho phép.Có khả năng thay đổi dạng xung,chuyển tần số của tín hiêu đến băng thông khác phù hợp Với điều chế xung trên kênh có đặc tính thông thấp,trong hệ thống truyền dẫn tín hiệu số băng gốc tiến hànhchuyển sangthành dạng xung phù hợp từ các bit nhị phân 0,1

 Giải điều chế (DEMO)có chức năng ngược lại so với Điều chế

 Trải phổ - Giải trải phổ: Nhằm chống nhiễu và bảo mật tin tức.Hiện

nay, kỹ thuật trải phổ được ứng dụng một cách phổ biến trong hệ thống thông tin

thương mại, Hiện nay kỹ thuật DS-SS (Direct Sequence Spectrum Spread:Trải phổ chuỗi trực tiếp) được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin thuong

mại,di động,…

 Đa truy nhập: Có sự liên hệ với nguyên tắc hoặc cã biện pháp kỹ thuật

nào đó cho phép nhiều đối tượng có thể cùng chia sẻ vào mạng thông tin,trên một phương tiện vật lý chung để dùng hệ thống truyền dẫn tùy vào mục đích và nhu cầu sử dụng.Có 1 số kiểu đa truy nhập để chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế 1 cách hợp lý

 Đồng bộ: Đồng bộ là đặc trưng cơ bản cũng là yếu tố hạn chế nhất của

thông tin số Các mức đồng bộ cơ bản trong một hệ thống thông tin số bao gồm đồng bộ bit (xung nhịp) và đồng bộ tần số sóng mang

 Máy thu-Máy phát: Làm nhiệm vụ phát và thu tín hiệu với tần số ,công

suất,độ định hướng anten nhất định

 Kênh truyền:Môi trường truyền dẫn tín hiệu,trong môi trường này xảy

ra các tác động lên tín hiệu truyền như nhiễu,suy giảm,v.v làm cho tín hiệu bị biến đổi nên kênh truyền là khâu rất khó kiểm soát

Đây là sơ đồ mô tả quá trình xử lý tín hiệu trong hệ thống thông tin số tổng quát trong đó các khối phía phần thu thực hiện các thuật toán xử lý ngược với các khối tương ứng ở phần phát

Một hệ thống thông tin số có thể không cần thiết phải có đầy đủ các khối chức năng trên(Các khối tùy chọn) Tuy nhiên trong đó các chức năng tạo khuôn tín hiệu số, điều chế và giải điều chế số là không thể thiếu đối với mọi loại hệ thống thông tin số (Các khối cơ bản)

Trong sơ đồ hệ thống thông tin số trên thuật toán xử lý tín hiệu có thể phân làm 2 nhóm chính:

 Xử lý tín hiệu băng gốcbao gồm các khối từ tạo khuôn dạng đến điều

chế số (tương ứng khối ở phía thu là giải điều chế), các khối này đều xử lý tín hiệu ở dạng sóng băng gốc

+ Xử lý tín hiệu tần số cao hay tín hiệu thông dải (basepass): liên quan

tới đa truy nhập,trải phổ,và thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tần số cao Tùy thuật toán xử lý tín hiệu và các khối chức năng mà đóng vai trò quyết định đến hoạt động của một Hệ thống thông tin số Theo đặc điểm hoạt động và chức năng xử lý tín hiệu cũng như đặc tính của kênh truyền dẫn mà 1 Hệ thống thông tin số có thể được chia làm 2 loại phổ biến là Hệ thống truyền dẫn số băng gốc và Hệ thống truyền dẫn số thông dải

Đặc tính kỹ thuật của kênh truyền dẫn chính là khác biệt lớn nhất giữa truyền dẫn thông dải và truyền dẫn tín hiệu băng gốc Trong hệ thống truyền dẫn

số thông dải kênh truyền dẫn có đặc tính thông dải khác với đặc tính thông thấp trong kênh truyền của hệ thống truyền dẫn băng gốc Hai hệ thống còn có những khác biệt về phương pháp điều chế, điều khiển lỗi, lọc,…Mã hóa đường dây là đặc trưng kỹ thuật của truyền dẫn băng gốc.Điều chế số là đặc trưng của truyền dẫn thông dải

1.3 Các đặc điểm hệ thống thông tin số

Đặc điểm cơ bản của hệ thông thông tin số là nó chỉ làm việc với tín hiệu

số tức là các tín hiệu truyền dẫn hay xử lý trong hệ thống là tín hiệu số.Tín hiệu

số chỉ nhận giá trị từ 1 tập hữu hạn các giá trị điều này khác với tín hiệu tương

tự là có thể nhận vô số giá trị Thời gian tồn tại của tín hiệu số được xác định bởi hằng số ký hiệu là Ts (Symbol Time Interval : khoảng thời gian của ký hiệu ) Trong thực tế tùy theo loại hệ thống thông tin số,phân biệt theo dạng môi trường truyền,tần số làm việc, v.v mà các chức năng xử lý số khác nhau được sử dụng với mục đích truyền dẫn tín hiệu số 1 cách hiệu quả về phương diện công suất tín hiệu cũng như băng tần chiếm

Ví dụ điển hình của tín hiệu số là tín hiệu lối ra của máy tính đó là các bit nhị phân 0 và 1

Thông tin số có những ưu điểm hơn so với thông tin tương tự đó là:

 Trong thông tin sốtạp âm tích lũy có thể triệt tiêu được,có khả năng chống nhiễu ,sửa lỗi hiệu quả

 Có khả năng khai thác , quản trị và bảo trì tự động và hiệu suất cao vì tín hiệu số phù hợp với các hệ thống xử lý,điều khiển hiện đại

 Trong hệ thống thông tin số mức độ bảo mật cũng như độ an toàn của thông tin cao

 Các hệ thống thông tin số có khả năng khai thác,sử dụng đường truyền 1 cách hiệu quả và tối ưu nhờ có dung lượng lớn

 Có thể dễ dàng truyền dẫn mọi loại bản tin liên tục hay rời rạc

 Do sự phát triển vượt trội công nghệ kỹ thuật về chức năng nhiệm vụ và giá thành hợp lý nên các mạch số điện tử và các mạch tích hợp được ứng dụng

rộng rãi hơn nhiều so với các mạch tương tự ,

H ệ thống thông tin số cũng có nhƣợc điểm sau:

 Trong hoạt động của hệ thống thông tin sô việc yêu cầu đồng bộ rất khó

khăn đó là đồngđồng hồ, khung,sóng mang…

 Phổ chiếm của tín hiệu số khi truyền dẫn bản tin lớn hơn so với truyền dẫn phổ tín hiệu tương tự vì vậy yêu cầu đối với băng thông truyền lớn hơn

Vì những ưu điểm quan trọng hệ thống thông tin số nên các hệ thống thông tin số ngày càng trở nên phổ biến và thông dụng.Các mạng viễn thông trong tương lai sẽ hoàn toàn số hóa

1.4 Các chỉ tiêu của hệ thống thông tin số

Các tham số chất lượng chủ yếu đối với hệ thống thông tin số là độ chính xác và tốc độ truyền tin.Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống thông tin số là chính xác và nhanh chóng.Thực tế 2 yêu cầu này luôn mâu thuẫn với nhau.Chẳng hạn muốn truyền tin nhanh thì lỗi truyền tin càng dày.Ngược lại muốn truyền chính xác thì tốc độ truyền giảm

 Yếu tố độ chính xác truyền tin chủ yếu được đánh giá qua tỷ lệ BER (Bit Error Ratio:Tỷ lệ lỗi bit) được hiểu là tỷ lệ giữa số bit nhận bị lỗi và tổng số bit

đã truyền trong 1 khoảng thời gian quan sát nào đó

BER = Bit lỗi

Tổng số bit truyền

Khi thời gian quan sát rất lớn gần vô hạn thì tỷ số tiến tới xác xuất lỗi bit Thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỉ lệ lỗi bít BER chỉ gần bằng với xác xuất lỗi bit Tuy nhiên trong nhiều trường hợp ta vẫn thường xem

và gọi BER là xác xuất lỗi bit

Độ chính xác truyền tin còn thể hiện ở chất lượng dịch vụ

 Khả năng truyền tin nhanh chóng được đánh giá qua dung lượng tổng cộng của hệ thống,là tốc độ truyền thông tin(có đơn vị là b/s) Dung lượng của một hệ thống tuỳ thuộc vào băng tần truyền dẫn, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu,…

 Ngoài các yêu cầu và các tham số nói trên thì hệ thống thông tin số còn

có thêm yêu cầu về tính bảo mật, độ tin cậy, tính kinh tế

1.5 Đa truy nhập trong hệ thống thông tin số

Tùy vào việc phân chia tài nguyên vô tuyến và mục đích sử dụng để cung cấp cho các thuê bao đầu cuối và người sử dụng mà các công nghệ đa truy nhập này được phân thành:

 FDMA : (Frequency Division Multiple Access: ) : “Đa truy nhập phân chia theo tần số” : Người dùng hoặc mỗi thiết bị truy nhập mạng bằng 1 tần số,băng tần chung được chia thành N kênh vô tuyến.Mỗi thiết bị truy nhập và liên lạc trên kênh con trong suốt thời gian liên lạc.Đặc điểm:

 Thiết bị đơn giản,yêu cầu đồng bộ không quá cao

 Cồng kềnh do có bao nhiêu kênh phải có bấy nhiêu máy phát

 CDMA : (Code Division Multiple Access) : “Đa truy nhập phân chia theo mã”: Có thể tiến hành sử dụng đồng thời và tín hiệu được truyền đi trên cùng một giải tần Các kênh thuê bao được phân biệt nhờ sử dụng mã trải phổ ngẫu nhiên,nhờ đó không gây nhiêu lẫn nhau Các tín hiệu riêng biệt được mã hóa bằng các mã ngẫu nhiên riêng biệt,sau đó tổ hợp trộn lẫn và được truyền đi với cùng một giải tần Đặc điềm :

 Hiệu quả sử dụng phổ ,khả năng chống nhiễu và bảo mật cao

 Yêu cầu về đồng bộ và điều khiển công suất rất cao

 TDMA : (Time Division Multiple Access) “Đa truy nhập phân chia

theo thời gian” : Các thiết bị dùng chung 1 tần số song luân phiên về thời gian

CHƯƠNG 2 : HỆ THỐNG VÀ CÁC KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN BĂNG

GỐC 2.1 Hệ Thống Truyền Dẫn Tín Hiệu Số Băng Gốc

Sơ đồ khối của một hệ thống truyền dẫn số được hiển thị trong hình 2.1 Lưu ý rằng hệ thống này không yêu cầu điều chế

Hình 2 1 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn tín hiệu số băng gốc

Tín hiệu băng gốc Baseband là tín hiệu có dải tần số rất hẹp,có phổ tập trung quanh gốc 0 (f=0) của trục tần số.Trong hệ thống truyền dẫn số băng gốc,tín hiệu BaseBand được truyền đi mà không cần điều chế có nghĩa là không

có bất kỳ sự thay đổi nào trong dải tần số của tín hiệu và là tần số thấp có dải tần

số từ gần 0 Hz tới 1 tần số cắt cao hơn hay 1 tần số cực dại nào đó Kênh truyền dẫn tín hiệu số băng gốc là các kênh truyền có hướng bằng dây cáp và có đặc tính thông thấp (Low pass)

Trong hệ thống truyền dẫn Băng gốc,thực hiện các biện pháp mã hóa qua các khối chức năng để đảm bảo chất lượng thông tin ,có khả năng phối hợp với

đặc tính kênh truyền khí tín hiệu mang thông tin số qua môi trường truyền dẫn (Transmission medium)

Chức năng các khối cơ bản trong hệ thống truyền dẫn băng gốc

 Khối mã hóa chống nhiễu hay còn gọi là mã hóa kênh (Channel

coding):Đối với các hệ thống có chất lượng thấp do các yếu tố gây bởi đường truyền như các loại méo,nhiễu hoặc đòi hỏi rất cao về tỷ ệ lỗi bit (BER) các tín hiệu băng gốc sẽ được mã hóa chống nhiễu.Khối mã hóa chống nhiễu sẽthực hiện chèn thêm các bit dư vào tín hiêu số theo 1 thuật toán các định để có khả năng kiểm soát lỗi (thuận lợi cho bên thu có phát hiện và sửa lỗi)

 Khối xáo trộn bit (Scrambler) có chức năng nâng cao tính ngẫu nhiên

của chuỗi bit bằng thuật toán nào đó mà ở bên thu đòi hỏi ở bên thu phải có thuật toán ngược lại là bộ giải xáo trộn (DeScambler) chống lại các tác động xấu của kênh truyền lên chuối thông tin như gây ra lỗi hoặc làm mất từ mã

Mã hóa đường (line-coding) thực hiện mã hóa các tín hiệu nhị phân trước

khi truyền trực tiếp ra đường dây (có thể là cáp xoắn hay cáp có màn che vẫn thường dùng để truyền tín hiệu analog) có thể hạn chế méo ,suy hao lớnvà lỗi thu khi truyền các tín hiệu nhị phân với khoảng cách lớn bằng đường dây,có thể giám sát được các lỗi phát sinh trên đường truyền tín hiệu số băng gốc.Ngoài ra còn có khả năng phối hợp với đặc tính của kênh truyền và dễ dàng trong việc khôi phục xung nhịp

 Lọc phát và lọc thu (Tx /Rx Filter)Các symbol chồng lấn lên nhau gây ra

nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol Interference) để khắc phục , các bộ lọc phát và lọc thu được thiết kế và phối hợp với đặc tính đường truyền có thể giảm được sự tác động của ISI

 Tạo và khôi phục xung nhịp : Việc đinh thời các mạch xử lý tín hiệu

băng gốc được điểu khiển bởi tín hiệu đồng hồ được cấp từ khối tạo xung nhịp.Tại phần thu tín hiệu được tách ra từ chuối tín hiệu từ phần phát

Kết luận:

 Các kỹ thuật truyền dẫn băng gốc: Mã hóa kênh (Channel coding) ,Xáo

trộn bit , mã hóa đường (Line coding) ,khôi phục xung nhịp và dữ liệu

 Môi trường truyền dẫn có tính thông thấp

 Phạm vi ứng dụng: tuyến dung lượng nhỏ hoặc giữa các khâu xử lý đặt

xa nhau

2.2 Kỹ thuật truyền dẫn số băng gốc

Hình 2 2 Quá trình mã hóa và truyền dữ liệu số

2.2.1 Mã hóa kênh (Channel coding):

Là 1 loại mã hóacó chức năngchống nhiễu, kiểm soát lỗi phát sinh trong quá trình truyền dẫnbằng việc kiểm soát sử dụng thêm các bit dư (hoặc chữ số trong trường hợp phi nhị phân) vào tín hiệu theo 1 thuật toán nào đó (tăng độ dư)để truyền đi các bit là 1 từ mã gồm các bit dữ liệu và các bit kiểm tra là các bit dư thêm vào như đã nói ở trên.Bit kiểm tra được tạo từ các bit tin theo 1 quy luật xác định để thỏa mãn yêu cầu duy nhất của phép biến đổi Cho phép các bộ giải mã bên thu phát hiện và sửa lỗi có trong các bit mang thông tin hoặc phát lại

từ mã

Mã hóa cho phép tăng tỷ lệ truyền dẫn thông tin ở 1 tỷ lệ lỗi cố định hoặc giảm tỷ lệ lỗi để cố định tốc độ truyền tải

Có 2 phương pháp chính để kiểm soát lỗi là:

 Phương thức ARQ(Automatic repeat request ) :Tự động phát lại khi có yêu cầu ) máy thu phát hiện lỗi trong một khối dữ liệu và tự động phát lại khối

dữ liệu đó khi thu lỗi.Các loại mã trong phương thức ARQ chỉ là các loại mã có

chức năng phát hiện có lỗi hay không mà không có khả năng xác định vị trí lỗi

và sửa lỗi như các loại mà CRC, mã kiểm tra chẵn lẻ,v.v.Máy thu sẽ xác định bit

1 hay bit 0 nếu tổ hợp nhận được tương ứng là 111 hay 000.Nếu tổ hợp 3 bit

phát đi cùng bị lỗi thì máy thu sẽ sửa lỗi

 Phương thức FEC (Forward error correction) : Phức tạp hơn so với

phương thức ARQ chỉ có khả năng phát hiện lỗi.Trong phương thức nàyDữ liệu truyền được mã hóa để có thể thực hiện 2 chức năng phát hiện và sửa lỗi gây ra bởi nhiểu kênh Cho phép bên thu có thể phát hiện1 số lượng hạn chế các sai sót

có thể xảy ra bất cứ chỗ nào trong khối tin (có khả năng định vị) và có khả năng

sửa lỗi mà không cần phải phát lại khi truyền lỗi như Phương Thức ARQ

Vì phương thức FEC gồm cả bit kiểm tra và sửa lỗi nhiều hơn các bít trong phương thức ARQ chỉ có mục đích phát hiện lỗi nên phương thức FEC có nhược điểm là sử dụng băng thông một cách không hiệu quả khi sử dung phương thức ARQ như vậy dữ liệu các bit truyền của phương thức ARQ cũng nhiều hơn số các bit nếu sử dụng FEC trong điều kiện phát tin trên kênh truyền với một tốc độ như nhau.Và như vây tốc độ bit trong phương thức FEC cũng cần phải lớn hơn tốc độ bit trong phương thức ARQ.Ngoài ra trên 1 bit đơn ARQ cũng có xác xuất lỗi nhỏ hơn so với FEC nên việc tự lỗi ở phía thu trong phương thức FEC không hiệu quả và an toàn bằng việc tự động phát lại như phương thức ARQ.Tuy vậy trong nhiều trường hợp FEC trong các tình huống mà việc truyền lại rất tốn kém hoặc không thể thực hiện,chẳng hạn như trong các liên kết (links) truyền thông 1 chiểu (one-way ) và truyền tải đến nhiều người nhận trong thông tin đa hướngmulticast sẽ tiết kiệm băng thông đáng kể.Thông tin FEC cũng thường được thêm vào các thiết bị lưu trữ cho phép hồi phục dữ liệu bị hỏng,được sử dụng rộng rãi trong các modem

Trong phương thức FEC để truyền tải từng bit dữ liệu 3 lần ở đầu ra máy thu có thể nhận được 8 tổ hợp như trong bảng sau

Trường hợp xảy ra 2 bit hoặc cả 3 bit của tổ hợp phát đi bị lỗi thì không thể tiến hành phát hiện ,sửa lỗi được

Xác xuất lỗi bit của phương thức ARQ cũng nhỏ hơn nhiều so với phương thức FEC vì vậy phương thức ARQ an toàn hơn,nhưng vì thời gian đợi phát lại,xác báo nên thời gian truyền tin yêu cầu trong phương thức ARQ dài điều này gây ra trễ làm hiệu suất trong sử dụng kênh giảm trong quá trình truyền tin trên đường truyền dài

Mã hóa kênh gồm có 2 loại chính:Mã hóa khối và Mã hóa xoắn

 Mã hóa khối là loại mã trong đo dữ liệu được phát thành từng khối ,mỗi

khối là 1 từ mã gồm n bit,trong có k bit mang thông tin (k<n) có chiều dài cố định vậy có r=n-k bit kiểm tra ,các bit này dùng để phát hiện và sửa lỗiCấu trúc của mãkhối tuyến tính như sau:

Bảng 2 2 Cấu trúc mã khối truyến tính

Các bit thông tin Các bit kiểm tra

Mã khối nhị phân là mã tuyến tính khi và chỉ khi kết quả cộng module -2 của 2 từ mã cũng là 1 từ mã

 Mã hóa xoắn là loại mã dược ứng dụng truyền số liệu qua kênh thông tin

và được sử dụng rộng rãi trong công nghệ viễn thông.Mã hóa xoắn được mô tả bởi 3 số nguyên (n,k,m).trong đó k là số bit được dịch vào thanh ghi dịch tại mỗi thời điểm ,n là tổng số bit trong 1 từ mã ở lối ra của bộ lập mã,m gọi là độ dài

hạn chế (ràng buộc) than số này mô tả số tầng thanh ghi dịch

Một đặc điểm quan trọng của mã xoắn là bộ lập mã có nhớ nên quá trình tạo ra n phần tử đầu ra của bộ lập mã không những phụ thuộc vào k đầu mà còn phụ thuộc m khối tin trước đó.Mã xoắn (n,k,m) được xây dựng bởi mạch dãy.Mạch này dùng thanh ghi dịch m bit làm bộ nhớ

2.2.2 Xáo trộn bit

Bộ xáo trộn bít (Scrambler) chức năng điều khiển thao túng luồng dữ liệu trước khi truyền, nâng cao tính ngẫu nhiên của chuỗi bit bằng thuật toán xác định nào đó.Các thao tác được làm ngược lại bởi 1 bộ Giải xáo trộn Descrambler bên phía thu.Được sử dụng rộng rãi trong truyền hình vệ tinh,trạm vô tuyến thông tin liên lạc, PSTN

Có nhiều tác động tiêu cực ảnh hưởng cho quá trình truyền dẫn thông tin và

xử lý tín hiệu thu bởi sự xuất hiện của dãy bit dài như: dòng DC, vì dãy bit 0 dài liên tục nên khó khăn trong việc khôi phục định thời, khối dữ liệu bị lỗi hoặc mất hẳn

Kỹ thuật xáo trộn tiến hành trộn các các dãy bit 0 và 1 có thể giải quyết được các khó khăn này cho phía thu,đây cũng có thể được hiểu như một phương pháp mã hóa.Bên phía thu có máy thu đặc biệt có thuật toán ngược lại mới có thể khôi phục chuỗi bit ban đầu.Việc xáo trộncòn có có thể thực hiện việc khôi

phục thời gian (đinh thời) chính xác trên các thiết bị ở máy thu,tạo điều kiện cho công việc cho mạch khôi phục đồng hồ ,mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại AGC và các mạch tương thích khác của bên thu.Đáp ứng yêu cầu mật độ phổ công suất tối đa

Xáo trộn còn gọi là Randomizer:Bộ ngẫu nhiên hóa có thể thực hiện việc ngẫu nhiên hóa dãy bit nhị phân hoặc thay thế dãy bit này bằng dãy bit khác (làm trắng phổ) thay đổi xác xuất xảy ra của dãy không mong muốn, dòng dữ liệu được ghi vào một bộ đệm phát theo các hàng, còn khi đọc ra theo cột bên thu làm ngược lại Đây là phương pháp này đơn giản không chèn thêm các bit thông tin phụ do vậy có thế làm tăng tốc độ bit , tuy nhiên thành phần 1 chiều dòng DC vẫn không được giải quyết vì tỷ lệ tổng số các bit 1 và các bit 0 vẫn không thay đổi Vì vậy để xử lýtốt hơn vấn đề dòng 1 chiều, phảichèn thêm các bit vào dãy bit ban đầu ở những vị trí xác định nào đó,các dãy bit thêm vào này được goi là các dãy bit gải ngẫu nhiên có thể tạo đặc tính ngẫu nhiên cho dòng tín hiệu Từ chuỗi bit ban đầu tiến hành tạo ra các dãy bit giả ngẫu nhiên sau đó chèn thêm vào, bên phíathu sẽthực hiện việc tách bỏ các dãy bit giải ngẫu nhiên này để có được chuỗi bit dữ liệu Để tạo ra được dãy bit thêm vào này sử dụng 1 mạch ghi dịch

Hình 2 3 Mạch ghi dịch hồi tiếp

Mỗi khối a1, a2, an, giữ chậm một symbol theo nhịp đồng hồ ,tạo thành mạch ghi dịch có độ dài m Các chỉ số đường nối ci nhận giá trị 1 (có đường nối) hoặc 0 (không có đường nối) Mạng hồi tiếp đóng vai trò mạng tổng module 2 Chuỗi PN được tạo ra theo cách trên có một số tính chất cơ bản sau:

+ Chênh lệch giữa số bit 1 và số bit 0 trong một chuỗi nhiều nhất là 1

+ So sánh các bit tương ứng của một chuỗi giả ngẫu nhiên và chuỗi đó dịch

đi một số bit tùy ý khác không thì số các bit không đổi giá trị khác với số các bit đổi giá trị không quá 1

+ Tổng mod-2 của một chuỗi với chuỗi đó dịch đi một số bit n, được một chuỗi mới là chuỗi ban đầu dịch đi m bit, với n ≠ m

+ Độ dài đoạn không chuyển đổi cực tính: một đoạn không chuyển đổi cực tính của một chuỗi PN gọi là một loạt kéo dài – run Trong bất kỳ một đoạn nào của một chuỗi PN, một nửa số loạt dài có độ dài bằng 1, một phần tư số loạt dài

có độ dài bằng 2, một phần tám số loạt dài có độ dài bằng 3… phân bố thống kê của chuỗi bit do đó được xác định một cách duy nhất

2.2.3 Mã hóa đường (Line coding):

Quá trình biến đổi dãy nhị phân 0 và 1 thành tín hiệu kỹ thuật số(có thể có nhiều dạng xung khác nhau) để phù hợp với đặc tính kênh truyền được gọi là Mã hóa đường (Line coding)

Chẳng hạn mã NRZ cực các bít 1 được chỉ ra bởi 1 xung có biên độ +V,Và các bit 0 là 1 xung có biên độ -V

Mã hóa đường được sử dụng để truyền dẫn dữ liệu kỹ thuật số Mã hóa đường được coi là biện pháp điều chế băng gốc (không điều chế sóng mang) để truyền dẫn dưới dạng sóng truyền dẫn liên tục được điều chỉnh để tối ưu phù hợp với với đặc điểm cụ thểcủa các kênh vật lý có hướng dùng cáp trong truyền dẫn băng gốc.Các loại mã đường phổ biến là cực,đơn cực,lưỡng cực ,Manchester,v.vv

Hình 2 4 Quá trìnhmã hóa đường

2.2.3.1 Phân loại mã đường dây

Đặc điểm cơ bản của truyền dẫn băng gốc là quá trình sử dụng mã đường - line coding còn có thể hiểu là điều chế băng gốc (Baseband modulation) thay vì điều chế cao tần sóng mang như trong các hệ thống truyền dân băng kênh Có nhiều loại mã đường được sử dụng trong các hệ thống khác nhau với các mô trường truyền cụ thể có những tính chất và yêu cầu rất khác nhau nên tùy theo đặc điểm ,ứng dụng tên gọi và cách phân loại các loại mã đường dây là không

giống nhau

Có thể chia làm 3 loại cơ bản sau: Cực (Polar NRZ,Polar RZ,Manchester ),lưỡng cực (Bipolar-NRZ,AMI,CMI,HDB3) và Đơn cực (UnipolarNRZ,RZ).Ngoài ra còn có một số loại mã dòngđặc biệt khác như mã dòng mở rộng (4B3T,4B5B,2B1Q ,MLT-3, mã cải tiến AMI,….),mã cáp quang

và các loại mã dòng nhiều mức ,vi sai khác

Các loại mã khác nhau sẽ được dùng vào các mục đích tùy vào từng đặc điểm và trường hợp cụ thể để phù hợp với yêu cầu sử dụng

Hình 2 5 Bảng phân loại mã đường

Mỗi loại mã đường đều có những ưu nhược điểm nhất định, chẳng hạn mã Uni- NRZ chỉ yêu cầu 1 nguồn điện áp dương cung cấp nhưng lại cần phải ghép thành phần 1 chiều DC; mã polar NRZ không cần ghép DC và thuận lợi cho việc khôi phục định thời nhưng lại yêu cầu sử dụng 2 nguồn điện áp đối xứng –V và +V; mã Manchester thuận lợi cho khôi phục định thời và không cần ghép DC nhưng lại yêu cầu băng thông truyền dẫn gấp 2 lần so với NRZ vì xung của nó chỉ hẹp bằng 1/2 xung NRZ

2.2.3.2 Một số loại mã đường cơ bản

a) Tín hiệu đơn cực- Unipolar encoding

Là một loại mã đường mà trong đó 1xung điện áp dương +V (+5V) biểu diễn các bit nhị phân 1 và điện áp 0 V sẽ biểu diễn cho các bit 0,hay nói cách khác Mã đơn cực chỉ mã hóa 1 mức điện áp.Đây là dòng mã đơn giản,trực tiếp

mã hóa dòng bit.Được mô tả bởi hình như sau

Hình 2 6 Mô tả mã hóa đơn cực

Mã đơn cực cũng có nhược điểm là tồn tại thành phần 1 chiều DC nên không thể đi qua môi trường truyềncó tính AC gây nên méo ở dạng sóng, không

có khả năng sửa lỗi,và thực hiện đồng bộ khó khăn Một số loại mã đơn cực phổ biến là Uni-NRZ,Uni-RZ

 Mã đơn cực Uni-NRZ(On-off keying)

Hình 2 7 Mô tả mã Uni-URZ

Mã hóa đơn cực loại NRZ (Non-Return Zero:không trở về không) có nghĩa

là các mức điện áp +Vxác định các bit 1cố định trong suốt chu kỳ bit,được dùng biểu thị bit dữ liệu (data) và mức điện áp 0 xác định bit 0 Loại mã hóa này được

sử dụng rộng rãi,không yêu cầu cao về dải thông tuy vậy có tồn tại thành phần 1 chiều làm dạng sóng bị méo

o Mật độ phổ công suất (PSD- Power Spectrum Density) của

Unipolar-NRZ :

PSDUnipolar −NRZ f = V42T sin πfTπfT 2 + V42 δ(f) (2.1)

+V là điện áp xác định bit 1

+T là độ rộng bit

Hình 2 8 Mô tả PSD của tín hiệu Uni-NRZ

Tồn tại thành phần 1 chiều(hiển thị ở quang phổ ở tần số 0 Hz)gây tổn hao công suất,không thích hợp cho việc nối tầng,chứa các thành phần tần số thấp,sẽ làm biến dạng dạng xung tín hiệu truyền đi khi ghép AC hiện tượng này được gọi là Signal Droop

o Xác suất lỗi của Uni NRZ

Eb/No là tỷ số tín hiệu/tạp âm (SNR :Signal-to-Noise Ratio)

Xác xuất lỗi sẽ giảm theo hàm mũ khi SNR tăng SNR trên 1 bit( snr_dB)

được biểu diễn trên thang logarit 10.log(Eb/N0)

Hình 2 9Mô tả Q-function

 Mã Uni-RZ :

Cũng tượng tự Uni-NRZ nhưng trong loại mã này mức điện áp +V chỉ xác đinh bít 1 cố định trong 1 nửa của chu kỳ bit trước có nghĩa là độ rộng xung T của mã Uni- RZ chỉ bằng 1/2 độ rộng xung mã Uni-NRZ(T=1/2 To) cho nên Mã Uni-NRZ chỉ chiếm băng thông bằng 1nửa của Uni-RZ vì vậy Uni-RZ có thể khôi phục dễ dàng xung nhịpvà mức điện áp 0 vẫn biểu diễn bit 0

Từ (2.2) và (2.5) xác xuất lỗi của Uni-RZ giống với của Uni-NRZ

b) Mã hóa cực – Polar Encoding:Với loại mã này sử dụng 2 mức biên độ

điện áp bit 1 được biểu diễn bởi mức điện áp +V,bit 0 được biểu diễn bởi mức điện áp –V.Vì đặc điểm này nên có thể hạn chế được thành phần DC.Loại này gồm có các loại mã NRZ (L,I),RZ ,Biphase (Manchester, Manchester visai)

Hình 2 12 Mô tả mã hóa cực

 Mã Polar-NRZ :Mức điện áp (+V) biểu diễn cho bit 1 và mức điện áp

(-V) biểu diễn cho bit 0 trong cả chu kỳ bit

 Mã Polar-RZ

Giống trong mã Polar-RZ mức điện áp xác định bit 1 trong nửa chu kỳ

trước vẫn được cố định nửa chu kỳ sao biểu diễn bởi 0 V,chỉ khác là các bit 0 sẽ

được biểu diễn bởi mức điện áp -V trong nửa chu kỳ trước.Mã polar-RZ nói

chung đơn giản dễ thực hiện,không còn tồn tại thành phần 1 chiều do sử dụng 2

mức điện áp đối xứng để biểu diễn các bit nhị phân 1,0.Tuy nhiên mã này cũng

không có thể sửa được lỗi,khó khăn trong việc đồng bộ hóa và chiếm dụng dải

thông gấp 2 lần so với tín hiệu Polar NRZ

Được ứng dụng rộng rãi trong truyền thông và mạng LAN có khoảng cách

πfT2

2

(2.9)

dữ liệu số.Tuy nhiên Mã Manchester chiếm dụng băng thông gấp 2 so với NRZ.Trong mã hóa Manchester,sự chuyển đổi mức sẽ xuất hiện ở điểm giữa khoảng bit.Với bit 1 sẽ chuyển từ mức cao về mức thấp tương ứng với mức điện

áp chuyển từ mức điện áp dương về mức điện áp âm +V->-V ,còn bit 0 sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao tức là –V -> +V.Trong hệ thống thực tế nếu là bit 1sẽ truyền dẫn chính tín hiệu xung nhịp,bit 0 truyền dẫn tín hiệu đảo của

xung nhịp.Nhờ đó tín hiệu PLL luôn có sự thay đổi vì vậy thuận lợi hơn trong việc khôi phục xung nhịp

Hình 2 17 Mô tả mã Manchester

o Mật độ phổ công suất của tín hiệu Manchester

PSDManchester f = V2T sin πf

T 2

Từ các công thức xác xuất lỗi Pe các loại tín hiệucực và đơn cực ta vẽ được

đồ thị mô tả xác xuất lỗi của các tín hiệu bằng Matlab :

 Mô tả xác xuất lỗi của Uni-NRZ và Polar-NRZ :

Ta thấy Pe của Uni-NRZ lớn hơn Pe của Polar-NRZ.Do còn tồn tại thành phần 1 chiều DC nên tín hiệu đơn cực NRZ gây ra sự lãng phí năng lượng và công suất