Bài giảng Truyền số liệu: Phần 1 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bài giảng Truyền số liệu: Phần 1 của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định biên soạn cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm chung; Mã hóa và điều chế; Dồn kênh, phân kênh; Truyền dẫn đồng bộ và bất đồng bộ. Mời các bạn cùng tham khảo!

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trong các lĩnh vực truyền thông, mức độ kết nối thông tin toàn cầu

đang gia tăng rất nhanh kéo theo đó là các loại hình dịch vụ dữ liệu cũng phát triển

không ngừng Dữ liệu tương tự truyền thống khó có thể đáp ứng được với yêu cầu

ngày càng đa dạng về dịch vụ, tốc độ, chất lượng cũng như sự linh hoạt trong chuyển

tiếp dữ liệu, nên dữ liệu đã dần được số hóa trong hầu hết các ứng dụng công nghệ

thông tin hay điện tử viễn thông Chính sự thay đổi này đã thúc đẩy cho các kỹ thuật

truyền số liệu ra đời và từ đó đến nay đã được cải tiến không ngừng Kỹ thuật tuyền số

liệu là một mảng kiến thức cần thiết với sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin,

Điện tử viễn thông và cũng là nền tảng để nghiên cứu chuyên sâu trong các chuyên

ngành này

Tập bài giảng Truyền số liệu được biên soạn cho đối tượng sinh viên Đại học

khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định Tập bài giảng

được chia làm 6 chương:

Chương 1: Khái niệm chung

Chương 2: Mã hóa và điều chế

Chương 3: Dồn kênh, phân kênh

Chương 4: Truyền dẫn đồng bộ và bất đồng bộ

Chương 5: Điều khiển liên kết dữ liệu

Chương 6: Chuyển mạch

Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp khoa Công nghệ thông

tin, cùng các đồng nghiệp trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã giúp

chúng tôi hoàn thành tài liệu này

Trong lần biên soạn đầu tiên, tập bài giảng không tránh khỏi những sai sót, rất

mong người đọc đóng góp ý kiến để tập bài giảng được hoàn thiện hơn Mọi sự đóng

góp ý kiến xin gửi về Văn phòng Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU I MỤC LỤC II MỤC MỤC HÌNH VẼ V

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1

1.1 Những khái niệm chung 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Mô hình truyền số liệu 2

1.2.Hình trạng hệ thống và các phương thức liên lạc 5

1.2.1 Hình trạng hệ thống 5

1.2.2 Phương thức 6

1.2.3 Các phương pháp truyền 6

1.3.Mạng truyền số liệu 6

1.4.Sự chuẩn hóa và mô hình tham chiếu 10

1.4.1 Chuẩn hóa các mô hình truyền số liệu 10

1.4.2 Mô hình tham chiếu OSI 11

1.5.Sự suy giảm và biến dạng của tín hiệu 14

1.5.1 Sự suy giảm 14

1.5.2 Sự giới hạn băng thông của kênh truyền 16

1.5.3 Sự biến dạng do trễ pha tín hiệu 19

1.5.4 Sự can nhiễu 20

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 24

2.1 Các loại tín hiệu 31

2.1.1 Tín hiệu tương tự 31

2.1.2 Tín hiệu số 31

2.2 Kỹ thuật điều chế 32

2.2.1 Điều chế AM, PM, FM, điều chế đa mức 32

2.2.2 Điều chế xung 44

2.3 Mã hóa đường dây 50

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 54

CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH, PHÂN KÊNH 62

3.1 Môi trường truyền dẫn 62

3.1.1 Các đường truyền hai dây không xoắn 62

3.1.2 Cáp đôi dây xoắn (Twisted pair) 62

3.1.3 Cáp đồng trục 63

3.1.4 Cáp sợi quang 65

3.1.5 Đường truyền vệ tinh 68

3.1.6 Đường truyền vi ba 70

3.1.7 Đường truyền vô tuyến tần số thấp 70

3.2 Kỹ thuật ghép kênh 72

3.2.1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số FDM 73

3.2.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDM 75

3.2.3 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã CDM 82

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3 83

CHƯƠNG 4: TRUYỀN DẪN ĐỒNG BỘ VÀ BẤT ĐỒNG BỘ 90

4.1 Truyền dẫn bất đồng bộ 90

4.1.1 Khái quát 90

4.1.2 Nguyên tắc đồng bộ bit 94

4.1.3 Nguyên tắc đồng bộ ký tự 94

4.1.4 Nguyên tắc đồng bộ frame 95

4.2 Truyền dẫn đồng bộ 97

4.2.1 Khái quát 97

4.2.2 Nguyên tắc đồng bộ bit 98

4.2.3 Truyền đồng bộ thiên hướng ký tự 100

4.2.4 Truyền đồng bộ thiên hướng bit 104

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 4 111

CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN LIÊN KẾT DỮ LIỆU 114

5.1 Phát hiện lỗi và sửa sai 114

5.1.1 Phương pháp kiểm tra bit chẵn lẻ (parity bit) 116

5.1.2 Kiểm tra tổng BSC (Block Sum Check) 117

5.1.3 Kiểm tra CRC (Cyclic Redundancy Check) 119

5.1.4 Phát hiện và sửa sai theo Hamming 123

5.2 Nén dữ liệu 127

5.2.1 Nén nhờ đơn giản mã cho các chữ số 128

5.2.2 Nén theo mã hoá quan hệ 128

5.2.3 Nén bằng cách bỏ bớt các ký tự giống nhau 128

5.2.4 Nén theo mã hoá Huffman 128

5.3 Điều khiển luồng 133

5.3.1 Tổng quan 133

5.3.2 Các phương pháp điều khiển luồng 133

5.4 Kiểm soát lỗi 136

5.4.1 Idle RQ 137

5.4.2 Continuous RQ 143

5.5 Điều khiển liên kết dữ liệu mức độ cao HDLC 150

5.5.1 Các đặc điểm cơ bản 150

5.5.2 Cấu trúc khung 152

CHƯƠNG 6: CHUYỂN MẠCH 168

6.1 Mạng chuyển mạch 168

6.2 Mạng chuyển mạch kênh 169

6.2.1 Chuyển mạch không gian 173

6.2.2 Chuyển mạch phân chia thời gian 178

6.3 Mạng chuyển mạch gói 185

6.3.1 Nguyên lý chuyển mạch 185

6.3.2 Kích thước gói 190

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 6 193 TÀI LIỆU THAM KHẢO IX

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin 2

Hình 1.2 Truyền tin qua mạng điện thoại công cộng PSTN 3

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống truyền tương tự có điều chế 3

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu số 4

Hình 1.5 Hình trạng hệ thống 5

Hình 1.6 Mô hình mạng chuyển mạch kênh 8

Hình 1.7 Mô hình mạng chuyển mạch thông báo 8

Hình 1.8 Mô hình mạng chuyển mạch gói 9

Hình 1.9 Cấu trúc mạng hình sao 9

Hình 1.10 Cấu trúc mạng hình tuyến 10

Hình 1.11 Cấu trúc mạng dạng vòng 10

Hình 1.12 Mô hình kiến trúc phân tầng OSI 12

Hình 1.13 Ảnh hưởng do giới hạn băng thông 177 Hình 1.14 Lược đồ mạch bộ triệt nhiễu 21

Hình 2.1 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số 31

Hình 2.2 Mô hình truyền dữ liệu 32

Hình 2.3 Các kỹ thuật mã hoá và điều chế 32

Hình 2.4 Các thành phân tần số sóng âm 33

Hình 2.5 ASK 35

Hình 2.6 FSK 38

Hình 2.7 PSK 41

Hình 2.8 Dạng sóng tín hiệu điều chế pha 4-PSK 42

Hình 2.9 Giản đồ trạng thái - pha 4-PSK 42

Hình 2.10 Giản đồ trạng thái - pha 8-PSK 42

Hình 2.11 Giản đồ trạng thái - pha và dạng sóng điều chế QAM 43

Hình 2.12 Quan hệ hình học của các QAM 44

Hình 2.13 Điều chế bề rộng xung 44

Hình 2.14 Điều chế độ rộng xung 45

Hình 2.15 Các nguyên lý số hoá 45

Hình 2.16 Tín hiệu mã hoá 46

Hình 2.17 Quá trình lượng tử hoá 47

Hình 2.18 Các nguyên lý companding 49

Hình 2.19 Mô hình mã hóa đường dây 50

Hình 2.20 Quy tắc mã của mã B8ZS 52

Hình 2.21 Các loại mã hoá 53

Hình 2.22 Mã HDB3 và B8ZS 53

Hình 3.1 Cáp xoắn 63

Hình 3.2 Cấu tạo của cáp đồng trục 64

Hình 3.3 Hiện tượng phản xạ, khúc xạ 65

Hình 3.4 Nguyên lý cáp sợi quang 67

Hình 3.5 Cáp sợi quang 68

Hình 3.6 Hàn cáp sợi quang 68

Hình 3.7 Truyền dẫn vệ tinh 69

Hình 3.8 Truyền dẫn vô tuyến theo khu vực 72

Hình 3.9 (a) Ghép kênh phân chia tần số; (b) Ghép kênh phân chia thời gian 73

Hình 3.10 Phương pháp ghép kênh FDM 73

Hình 3.11 Xử lý ghép kênh FDM theo thời gian 74

Hình 3.12 Xử lý ghép kênh FDM (biểu diễn theo tần số) 74

Hình 3.13 Xử lý phân kênh FDM (biểu diễn theo thời gian) 75

Hình 3.14 Xử lý phân kênh FDM (biểu diễn theo tần số) 75

Hình 3.15 Phương pháp ghép kênh TDM 75

Hình 3.16 Ghép kênh phân thời đồng bộ TDM 76

Hình 3.17 Đồng bộ TDM, quá trình dồn kênh 77

Hình 3.18 Đồng bộ TDM, quá trình phân kênh 77

Hình 3.19 Khung dạng bit 78

Hình 3.20 Tính toán tốc độ truyền dữ liệu trong khung 78

Hình 3.21 Không đồng bộ TDM 80

Hình 3.22 Ví dụ về khung đồng bộ TDM 81

Hình 3.23 Nguyên lý đa truy nhập phân chia theo mã 82

Hình 3.23 Sơ đồ bộ phát CDMA 83

Hình 3.24 Sơ đồ bộ thu CDMA 83

Hình 4.1 Truyền dẫn bất đồng bộ 91

Hình 4.2 Ảnh hưởng của lỗi định thời 91

Hình 4.3 Truyền bất đồng bộ 94

Hình 4.4 Đồng bộ khung 96

Hình 4.5 Cơ sở cho truyền đồng bộ 98

Hình 4.6 Mã hoá xung đồng hồ 98

Hình 4.7 Mạch mã hóa xung đồng hồ 99

Hình 4.8 Mã hóa dùng mạch DPLL 99

Hình 4.9 Phương pháp Hybrid 100

Hình 4.10 Truyền đồng bộ hướng ký tự 101

Hình 4.11 Phương pháp đồng bộ frame định hướng bit dùng cờ 105

Hình 4.12 Chỉ định chiều dài và ranh giới bắt đầu khung 106

Hình 4.13 Các vi phạm bit mã hoá 106

Hình 4.14 Các khung trong HDLC 107

Hình 4.15 Cấu trúc khung HDLC 107

Hình 4.16 Quá trình chèn thêm bit nhồi 108

Hình 4.17 Quá trình nhận dạng và loại bỏ bit nhồi 109

Hình 4.18 Mối quan hệ trường địa chỉ và các phần còn lại của khung 110

Hình 4.19 Trường thông tin 110

Hình 4.20 Trường kiểm tra lỗi FCS 110

Hình 5 1 Các dạng lỗi 114

Hình 5 2 Lỗi một bit 114

Hình 5.3 Lỗi nhiều bit (lỗi cụm) 114

Hình 5.4 Xử lý phát hiện lỗi 115

Hình 5.5 Mạch tạo bit kiểm tra chẵn (VRC) của một dữ liệu 7 bit: 1100001 116

Hình 5.6 Mạch kiểm tra chẵn (VRC) của một dữ liệu 8 bit (11000011) 116

Hình 5.7 Ví dụ kiểm tra BSC 118

Hình 5.8 Chức năng sửa sai 1241 8 Hình 5.9 Cơ sở của mã sửa lỗi Hamming 124

Hình 5.10 Cấu trúc cây mã Huffman 129

Hình 5.11 Ví dụ mã hoá Huffman: 132

Hình 5.12 Hai phương pháp dùng trong điều khiển lưu lượng 133

Hình 5.13 Phương pháp dừng – và – chờ 134

Hình 5.14 Ghép nhiều khung thành một cửa sổ 134

Hình 5.15 Cửa sổ phát 134

Hình 5.16 Cửa sổ thu 135

Hình 5.17 Quá trình truyền nhận dữ liệu dùng cửa sổ trượt 135

Hình 5.18 Mô hình truyền khung 136

Hình 5.19 Truyền dữ liệu trong giao thức Stop and Wait ARQ khi lỗi khung 138

Hình 5.20 Truyền dữ liệu trong giao thức Stop - and - wait ARQkhi mất khung 139 Hình 5.21 Truyền dữ liệu trong giao thức Stop and Wait ARQkhi mất 139

Hình 5.22 Các phần tử trễ trong Stop and Wait ARQ 140

Hình 5.23 Hoạt động của Go - back - N khi lỗi khung dữ liệu 144

Hình 5.24 Hoạt động của Go back N khi mất khung dữ liệu 145

Hình 5.25 Hoạt động của Go back N khi mất ACK 146

Hình 5.26 Hoạt động của Selective - Repeat ARQ khi lỗi khung dữ liệu 148

Hình 5.27 Các cấu hình của các trạm sơ cấp, thứ cấp và kết hợp 151

Hình 5.28 Các khung trong HDLC 152

Hình 5.29 Cấu trúc I - frame, S - frame và U - frame 153

Hình 5.30 Trường điều khiển trong chế độ mở rộng 154

Hình 5.31 Trường P/F (Poll/ Final) 154

Hình 5.32 S - frame 155

Hình 5.33 Các dạng S - frame RR và RNR 156

Hình 5.34 Cấu trúc U - frame 157

Hình 5.35 Poll/ Responese 160

Hình 5.36 Select/Response 161

Hình 5.37 Peer Devices 162

Hình 5.38 Lỗi khi truyền ngang hàng (Peer Communication with error) 163

Hình 6.1 Mô hình mạng chuyển mạch đơn giản 168

Hình 6.2 Ví dụ về việc kết nối thông qua mạng điện thoại công cộng 170

Hình 6.3 Sơ đồ thiết lập đường truyền 171

Hình 6.4 Mạng chuyển mạch công cộng 172

Hình 6.6 Nguyên lý chuyển mạch không gian S 174

Hình 6.7 Sơ đồ chuyển mạch không gian 177

Hình 6.8 Điều khiển theo đầu ra 177

Hình 6.9 Điều khiển theo đầu vào 178

Hình 6.10 Phương pháp dùng bộ trễ 178

Hình 6.11 Chuyển mạch giữa hai khe thời gian A và B dùng bộ trễ 179

Hình 6.12 Phương pháp dùng bộ nhớ đệm 179

Hình 6.13 Điều khiển tuần tự và ngẫu nhiên 180

Hình 6.14 Ghi tuần tự, đọc ngẫu nhiên 181

Hình 6.15 Ghi ngẫu nhiên, đọc ra tuần tự 182

Hình 6.16 Ghi/ đọc song song 8 bit 183

Hình 6.17 Ghép 3 tuyến PCM S/P 183

Hình 6.18 Thâm nhập song song 184

Hình 6.19 Dữ liệu đọc ra trong truy cập song song 184

Hình 6.20 Sử dụng các gói tin 185

Hình 6.21 Chuyển mạch gói datagram 187

Hình 6.22 Chuyển mạch gói kênh ảo VC 189

Hình 6.23 Ảnh hưởng của kích thước gói tin tới thời gian truyền 191

Hình 6.24 So sánh hoạt động truyền dữ liệu giữa chuyểnmạch kênh và chuyển mạch gói 192

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Những khái niệm chung

1.1.1 Khái niệm

Dữ liệu (Data): bao gồm các sự kiện, khái niệm hay các chỉ thị được diễn tả

dưới một hình thức thích hợp cho việc thông tin, thông dịch hay xử lý bởi con người hay máy móc

Tin tức (Information): ý nghĩa mà con người qui cho dữ liệu theo các qui ước

cụ thể Tin tức có thể biểu thị bởi tiếng nói, hình ảnh, các văn bản, tập hợp các con số, các ký hiệu, thông qua nó con người hiểu nhau

Trong hệ thống truyền thông, thường người ta không phân biệt dữ liệu và tin tức

Tín hiệu (Signal): là tin tức, dữ liệu đã được chuyển đổi, xử lý (bởi các bộ phận

mã hóa và /hoặc chuyển đổi) cho phù hợp với môi trường truyền thông

Nhiễu (Noise): là các tín hiệu ngoài ý muốn, xuất hiện trong hệ thống hoặc trên

đường truyền Dưới ảnh hưởng của nhiễu, tín hiệu tương tự bị biến dạng và tín hiệu số

có thể bị lỗi

Cường độ tín hiệu: Cường độ của tín hiệu thường được biểu diễn bởi công suất

hoặc điện áp trên tổng trở tải của nó Ta phải nói tín hiệu có công suất 0,133mW hoặc

có biên độ 100mV trên tổng trở 75

Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi hoặc độ suy giảm của hệ thống,

thường được biểu diễn bằng đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm:

Tỉ số tín hiệu = 10log P2 /P1

Sự tiện lợi của đơn vị dB là người ta có thể xác định độ lợi (hay độ suy giảm) của một hệ thống gồm nhiều tầng nối chuỗi (cascade) bằng cách cộng các độ lợi của các tầng với nhau Người ta thường biểu thị công suất tuyệt đối của một tín hiệu bằng cách so sánh với một tín hiệu chuẩn có công suất 1W:

Công suất tín hiệu = 10log P2 /W dB

Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị dBm để xác định cường độ tín hiệu so với tín hiệu chuẩn có công suất 1mW

Công suất tín hiệu = 10log P2 /1mW dBm

Một tín hiệu có công suất 1W tương đương với 0 dB và 30dBm

dBm là: 10log(0,133/1mW) = - 8,76 dBm Dấu trừ cho biết mức tín hiệu là 8,76 dBm dưới 1mW

Chú ý: Trong chuyển đổi đơn vị phải để ý đến tổng trở tải của tín hiệu

Biểu thức P = (V2/R ) có thể được dùng để tính điện áp hiệu dụng hoặc tỉ số điện áp Trong các hệ thống điện thoại tổng trở tải thường dùng là 600 

Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio)

Để đánh giá chất lượng của tín hiệu và cũng là chất lượng của hệ thống truyền tín hiệu đó người ta dùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR Đây là tỉ số công suất tín hiệu

có ích trên công suất tín hiệu nhiễu, thường tính bằng dB (hoặc dBm)

Băng thông (Bandwidth) của tín hiệu là dải tần số trong đó chứa hầu hết công

suất của tín hiệu Khái niệm này cho ta xác định phổ tần hữu ích của tín hiệu nếu tín hiệu đó chứa một phổ tần quá rộng

Băng thông của kênh truyền là dải tần số của tín hiệu mà độ suy giảm khoảng vài dB (thường là 3 dB) so với giá trị cực đại khi tín hiệu đó truyền qua hệ thống Độ suy giảm 3 dB tương ứng với điểm nửa công suất

Một kênh truyền tốt phải có băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu, điều này khiến cho tín hiệu được tái tạo không bị méo dạng và suy giảm đáng kể trong quá trình truyền

1.1.2 Mô hình truyền số liệu

Mục đích cơ bản của một hệ thống thông tin là trao đổi thông tin giữa hai đối tượng Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin ở dạng đơn giản được mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin

- Nguồn (source): là thiết bị phát dữ liệu để truyền đi Ví dụ: điện thoại, các máy tính cá nhân

- Máy phát (transmitter): Thông thường, dữ liệu được tạo ra bởi một hệ thống nguồn không được truyền đi tức thì dưới dạng dữ liệu được tạo ra Sau đó thiết bị phát làm biến đổi và/ hoặc mã hoá dữ liệu thành tín hiệu điện từ có thể truyền qua một số

hệ thống truyền dẫn Ví dụ: modem biến dòng bit số từ máy tính cá nhân thành tín hiệu tương tự truyền dẫn qua mạng điện thoại

- Hệ thống truyền dẫn (transmission system): có thể là một đường truyền đơn, hoặc là một mạng phức tạp liên kết nguồn và đích

- Máy thu (receiver): là thiết bị nhận dữ liệu từ hệ thống truyền dẫn và biến đổi

nó thành dạng mà thiết bị đích có thể xử lý được Ví dụ, một modem sẽ nhận một tín hiệu tương tự đến từ một mạng hoặc một đường truyền đơn, sau đó chuyển đổi nó thành chuỗi bit số

- Đích (Destination): nhận dữ liệu từ thiết bị nhận

Hình 1.2 Truyền tin qua mạng điện thoại công cộng PSTN

Bộ chuyển đổi: Ở máy phát có nhiệm vụ chuyển thông tin vào có dạng tin tức hay dữ liệu thành tín hiệu tương tự

Bộ xử lý: Có nhiệm vụ như lọc, khuếch đại, phối hợp trở kháng…

Bộ điều chế: Có nhiệm vụ rời phổ tần tín hiệu lên miền tần số cao

Bộ giao tiếp: Có nhiệm vụ làm cho tín hiệu phát tương thích với môi trường truyền hay kênh truyền Ở máy thu thực hiện ngược lại

b Hệ thống truyền tín hiệu số

Điều chế số

Nguồn

tin

Định dạng

Mã hóa

Ghép kênh

Trải phổ

Ða truy nhập

Máy phát

Giải điều chế số

Nhận

tin

Định dạng

Giải mã

Phân kênh

Giải trải phổ

Ða truy nhập

Máy thu

Mã hóa: Gồm (mã hóa nguồn, mật mã hóa, mã hóa kênh)

- Mã hóa nguồn tín hiệu: Thực hiện nén tin nhằm giảm tốc độ bit để giảm phổ chiếm của tín hiệu số

- Mã hóa mật: Thực hiện mã hóa chuỗi bit theo một khóa xác định nhằm bảo mật tin tức

- Mã hóa kênh: Nhằm chống nhiễu và các tác động xấu khác của đường truyền dẫn Ghép kênh: Nhằm thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn

Điều chế và giải điều chế số thường gọi tắt là MODEM Về mặt thuật toán xử lý thì khối điều chế là một khối giao diện, thực hiện biến đổi tín hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp với việc truyền đưa tín hiệu đi xa

Trải phổ: Nhằm chống nhiễu (thường do kẻ xấu gây ra để phá liên lạc) và bảo mật tin tức

Đa truy nhập: Cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu

Hệ thống còn thực hiện đồng bộ nhịp, đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ thống thông tin liên kết

Lọc: Được thực hiện tại máy thu phát đầu cuối, bao gồm lọc cố định nhằm hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi đường truyền

Đối với một hệ thống thông tin số thì MODEM đóng vai trò như bộ não Máy phát /thu đầu cuối chỉ thực hiện các thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tới tần số thích hợp, khuếch đại, lọc và phát tín hiệu vào môi trường truyền dẫn

Trên sơ đồ hình nhánh phía dưới (phần thu) thực hiện các thuật toán xử lý ngược với phía phát Trong các khối chức năng nói trên thì khối định dạng, khối điều chế và giải điều chế số là không thể thiếu đối với mọi loại hệ thống thông tin số Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc đối với tất cả mọi hệ thống thông tin số

mà chỉ có mặt trong từng hệ thống thông tin cụ thể

1.2 Hình trạng hệ thống và các phương thức liên lạc

1.2.1 Hình trạng hệ thống

Về hình trạng, hệ thống thông tin có thể chia thành:

- Điểm - điểm (Point to point): gói tin được truyền từ 1 điểm nào đó (nguồn) tới 1 điểm nào đó (đích) Một ví dụ của hình trạng điểm – điểm là liên lạc giữa máy tính và máy in

- Điểm - đa điểm (Multipoint): gói tin từ nguồn được sao chép và gửi tới 1 nhóm các nút trên mạng Hệ thống điểm - đa điểm có thể có một trong các dạng: sao (star), vòng (ring) và multidrop

Mạng hình sao: Thuận lợi trong liên lạc vì đài thứ cấp truy xuất trực tiếp đài sơ cấp nhưng giá thành cao vì phải sử dụng đường dây riêng

Mạng vòng: Thông tin phải đi theo vòng từ đài sơ cấp đến đài thứ cấp Nếu có một đài hỏng, hệ thống ngưng làm việc

Mạng multidrop: Các đài thứ cấp nối chung một đường dây vào trạm sơ cấp

- Truyền quảng bá: gói tin được gửi đi tất cả các nút trong mạng (trừ nút nguồn)

Hình 1.5 Hình trạng hệ thống

Ví dụ: hệ thống radio, truyền hình hoặc đài phát thanh chỉ có một chiều tín hiệu

duy nhất từ máy phát tới máy thu mà không có chiều truyền thông tin ngược lại Thông tin giữa bàn phím với máy tính và máy tính với màn hình

- Bán song công (Half duplex transmission, HDX): tín hiệu truyền theo hai hướng nhưng không đồng thời Các máy truyền bán song công có một nút ấn để phát (push to send), khi ở chế độ phát thì phần thu bị vô hiệu hóa và ngược lại

Ví dụ hệ thống thông tin dùng Walkie - Talkie (máy thu phát vô tuyến xách tay)

sử dụng phương thức liên lạc bán song công Các máy truyền ở chế độ bán song công

có một nút ấn để phát, khi ở chế độ phát thì phần thu vô hiệu hóa và ngược lại Hay hệ thống máy bộ đàm, khi nhấn nút thì nói, nhả nút ra thì ở trạng thái nghe

- Song công (full duplex transmission, FDX): tín hiệu truyền theo hai chiều đồng thời Hệ thống này thường có 4 đường dây, 2 dây cho mỗi chiều truyền Phương thức này được dùng trong hệ thống điểm - điểm (point to point)

Hệ thống điện thoại là một ví dụ của phương thức truyền song công

- Song công toàn phần (Full/ Full-duplex, F/FDX): Đài sơ cấp có khả năng phát tín hiệu tới một đài thứ cấp đồng thời nhận thông tin từ một đài thứ cấp khác Phương thức này giới hạn trong hệ thống nhiều điểm (multipoint)

300 - 3000 Hz được truyền đi mà không có sự biến đổi nào về phổ tần của nó

- Phương pháp điều chế: Đây là phương pháp cho phép dời phổ tần của tín hiệu nguồn đến một khoảng tần số khác phù hợp với kênh truyền và tránh được nhiễu do giao thoa (nghĩa là các phổ tần cách nhau một khoảng đủ để không chồng lên nhau)

1.3 Mạng truyền số liệu

Khi xây dựng các mạng riêng lẻ, thì mạng cỡ lớn cũng nằm trong phạm vi giới hạn, trong khi đó nhu cầu trao đổi, truyền thông là không giới hạn về địa lý Để tạo ra

một mạng toàn cầu thì các mạng này cần phải được nối với nhau và có sự tương thích giao diện giữa các mạng

Mạng máy tính là tập hợp các máy tính đơn lẻ, được kết nối với nhau bằng các môi trường truyền dẫn và theo một kiến trúc mạng xác định

Trước đây người ta sử dụng mạng điện thoại công cộng PSTN để truyền thông tin thoại hay các bức điện báo giữa các đối tượng, giữa các khu vực địa lý Dịch vụ cung cấp nghèo nàn, lưu lượng thông tin ít, tốc độ thấp, hiệu quả hệ thống không cao Hiện nay với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu trao đổi đa dạng các loại hình dịch vụ như thoại, ảnh, video, text đã thúc đẩy sự phát triển không ngừng của nền thông tin dữ liệu hiện đại

Phân loại:

Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa vào các yếu tố chính được chọn làm chỉ tiêu phân loại đó là dựa vào khoảng cách địa lý, kỹ thuật chuyển mạch, cách trao đổi tin, loại dịch vụ và đồ hình của mạng

a Dựa vào khoảng cách địa lý ta có thể chia mạng thành các loại như sau:

- Mạng cục bộ (Local Area Networks - LAN) được bố trí trên phạm vi nhỏ như một toà nhà, một trường học một cơ quan v.v với bán kính vài Km đến vài chục Km

- Mạng đô thị (Metropolital Area Networks - MAN) sử dụng trong phạm vi đô thị, trung tâm kinh tế với bán kính nhỏ hơn 100Km

- Mạng diện rộng (Wide Area Networks - WAN) phạm vi vượt ra khỏi biên giới của một quốc gia

- Mạng toàn cầu (Global Area Networks - GAN) phạm vi trên khắp các lục địa

b Dựa vào cách trao đổi tin

- Mạng quảng bá: một máy phát nhiều máy có thể thu

- Mạng gom tin: nhiều nơi phát tin, một nơi nhận

d Dựa vào kỹ thuật chuyển mạch

- Chuyển mạch kênh (Circuit Switching)

A NodeNode11

Node 2 Node 2

Node 3 Node 3

Node 5 Node 5

Node 4 Node 4

Node 6 Node

Dat

a2

Data2

Data1

Hình 1.6 Mô hình mạng chuyển mạch kênh Liên lạc thông qua chuyển mạch kênh đặc trưng bởi việc cung cấp các đường nối cố định giữa hai thuê bao Quá trình này được chia làm ba giai đoạn: xác lập kênh truyền, truyền số liệu và giải phóng kênh truyền

Chuyển mạch kênh có nhược điểm là tốn thời gian để thiết lập một kênh truyền

và hiệu suất sử dụng đường truyền không cao Ví dụ mạng thoại dùng kiểu chuyển mạch này

- Chuyển mạch thông báo - chuyển mạch tin ( Message Switching)

Những bức điện báo, thư điện tử, các File dữ liệu trong máy tính được gọi chung là các thông báo và nó được truyền qua mạng như sự trao đổi những dữ liệu số được trao đổi hai chiều giữa các thuê bao

A NodeNode11

Node 2

Node 2

Node 3

Node 3

Node 5

Node 5

Node 4

Node 4

Node 6

nó không cho phép hạn chế kích thước thông báo mà phải thực hiện theo khuôn dạng nhất định

- Mạng chuyển mạch gói (Packet Switching)

Node 2

Node 2

Node 3

Node 3

Node 5

Node 5

Node 4

Node 4

Node 6

Node

Hình 1.8 Mô hình mạng chuyển mạch gói Mỗi thông báo được chia thành các gói nhỏ gọi là gói tin có khuôn dạng định trước Mỗi gói tin có chứa thông tin điều khiển chỉ rõ địa chỉ nguồn, đích

Chuyển mạch gói có các gói tin kích thước nhỏ do đó dễ dàng xử lý tại các node trung gian Hiệu suất cao mềm dẻo Tuy nhiên do phải có cơ chế đánh dấu gói tin để tránh gói tin bị thất lạc hoặc mất giúp cho việc khôi phục lại được dễ dàng

e Dựa vào topo mạng

- Mạng dạng hình sao (Star topology)

Mạng dạng hình sao bao gồm một bộ kết nối trung tâm (bộ chuyển mạch Switch hoặc bộ định tuyến Router) và các nút Các nút này là các trạm đầu cuối, các máy tính và các thiết bị khác của mạng Bộ kết nối trung tâm của mạng điều phối mọi hoạt động trong mạng

Hình 1.9 Cấu trúc mạng hình sao

Mô hình kết nối hình sao ngày nay đã trở nên phổ biến Với việc sử dụng các bộ tập trung hoặc chuyển mạch, cấu trúc hình sao có thể được mở rộng bằng cách tổ chức nhiều mức phân cấp, do vậy dễ dàng trong việc quản lý và vận hành

- Mạng hình tuyến (Bus topology)

Thực hiện theo cách bố trí hành lang, các máy tính và các thiết bị khác (các nút) đều được nối về với nhau trên một trục đường dây cáp chính để chuyển tải tín hiệu Tất cả các nút đều sử dụng chung đường dây cáp chính này Phía hai đầu dây cáp

được bịt bởi một thiết bị gọi là Terminator Các tín hiệu và dữ liệu khi truyền đi trên dây cáp đều mang theo địa chỉ của nơi đến

Hình 1.10 Cấu trúc mạng hình tuyến

- Mạng dạng vòng (Ring topology)

Với dạng này, mạng được sắp xếp theo dạng xoay vòng, đường dây cáp được thiết kế làm thành một vòng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đó Tại mỗi thời điểm chỉ một nút được truyền tín hiệu Dữ liệu truyền đi phải có kèm theo địa chỉ cụ thể của mỗi trạm tiếp nhận

Kết hợp hình sao và vòng (Star/Ring topology) Cấu hình mạng dạng kết hợp

Star/Ring topology có một "thẻ bài" liên lạc (Token) được chuyển vòng quanh một HUB trung tâm Mỗi trạm làm việc (Workstation) được nối với HUB (là cầu nối giữa các trạm làm việc và để tǎng khoảng cách)

1.4 Sự chuẩn hóa và mô hình tham chiếu

1.4.1 Chuẩn hóa các mô hình truyền số liệu

Sự phát triển của lĩnh vực thông tin liên lạc với kỹ thuật truyền số liệu đã trở nên phổ biến trên toàn cầu Việc thông tin ngày càng nhiều, yêu cầu về độ chính xác và tin cậy ngày càng cao Để bảo đảm điều này các hệ thống thông tin phải tuân thủ một số qui định về tất cả các khía cạnh như tốc độ truyền, phương pháp mã hóa, qui tắc đánh

địa chỉ, các biện pháp thực hiện khi có lỗi v v Tập hợp tất cả các qui định mà các

hệ thống thông tin phải tuân theo gọi là các giao thức (protocols)

Hệ thống thông tin là một hệ thống rộng khắp, với rất nhiều người dùng và cũng rất nhiều các nhà cung cấp các sản phẩm thông tin cả về phần cứng và phần mềm Yêu cầu về tính tương thích được đặt ra gay gắt và được thực hiện bằng cách xây dựng các chuẩn mà khi đáp ứng chúng, các sản phẩm tuy không cùng một nhà sản xuất cũng sẽ kết nối được với nhau Công việc cần thiết đầu tiên là tạo một mô hình chung để xây dựng nên các chuẩn, phục vụ cho mục đích kết nối các hệ thống thông tin khác nhau Tháng 3/1977 tổ chức tiểu chuẩn hóa quốc tế ISO (International Standards Organization -

Là tổ chức tiêu chuẩn quốc tế hoạt động dưới sự bảo trợ của Liên hợp Quốc với thành viên là các cơ quan chuẩn quốc với mục đích hỗ trợ sự phát triển các chuẩn trên phạm

vi toàn thế giới) bắt đầu nghiên cứu việc xây dựng mô hình chung với mục tiêu:

- Liên kết các hệ thống, các sản phẩm của các hãng sản xuất với nhau

- Phối hợp các hoạt động chuẩn hóa trong lĩnh vực viễn thông và các hệ thống thông tin

Năm 1984, mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở OSI ( Open Systems Interconnection) ra đời, được CCITT chấp nhận và coi là tiêu chuẩn chung cho các nhà nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và sản xuất các thiết bị thông tin trên toàn cầu

CCITT (Commite Consultatif International pour le Telegraphe et la Telephone - Tổ chức tư vấn quốc tế về điện tín và điện thoại)

1.4.2 Mô hình tham chiếu OSI

Việc nghiên cứu về OSI được bắt đầu tại ISO vào năm 1971 với các mục tiêu nhằm nối kết các sản phẩm của các hãng sản xuất khác Ưu điểm chính của OSI là ở chỗ nó hứa hẹn giải pháp cho vấn đề truyền thông giữa các máy tính không giống nhau Hai hệ thống, dù có khác nhau đều có thể truyền thông với nhau một các hiệu quả nếu chúng đảm bảo những điều kiện chung sau đây:

Chúng cài đặt cùng một tập các chức năng truyền thông

Các chức năng đó được tổ chức thành cùng một tập các tầng Các tầng đồng mức phải cung cấp các chức năng như nhau

Các tầng đồng mức khi trao đổi với nhau sử dụng chung một giao thức

Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI là mô hình căn bản về các tiến trình truyền thông, thiết lập các tiêu chuẩn kiến trúc mạng ở mức Quốc tế, là cơ sở chung để các hệ thống khác nhau có thể liên kết và truyền thông được với nhau Mô hình OSI tổ chức các giao thức truyền thông thành 7 tầng, mỗi tầng giải quyết một phần hẹp của tiến trình truyền thông, chia tiến trình truyền thông thành nhiều tầng và trong mỗi tầng có thể có nhiều giao thức khác nhau thực hiện các nhu cầu truyền thông cụ thể

Giao thức có liên kết: trước khi truyền dữ liệu hai tầng đồng mức cần thiết lập

một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên kết này, việc có liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữ liệu

Giao thức không liên kết: trước khi truyền dữ liệu không thiết lập liên kết logic

và mỗi gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặc sau nó

Như vậy với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai đoạn phân biệt:

Thiết lập liên kết (logic): hai thực thể đồng mức ở hai hệ thống thương lượng

với nhau về tập các tham số sẽ sử dụng trong giai đoạn sau (truyền dữ liệu)

Truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền với các cơ chế kiểm soát và quản lý kèm

theo (như kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, cắt/hợp dữ liệu ) để tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu

Hủy bỏ liên kết (logic): giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấp phát cho

liên kết để dùng cho liên kết khác

Đối với giao thức không liên kết thì chỉ có duy nhất một giai đoạn truyền dữ liệu mà thôi

Gói tin của giao thức: Gói tin (Packet) được hiểu như là một đơn vị thông tin dùng trong việc liên lạc, chuyển giao dữ liệu trong mạng máy tính Những thông điệp (message) trao đổi giữa các máy tính trong mạng, được tạo dạng thành các gói tin ở máy

nguồn Và những gói tin này khi đích sẽ được kết hợp lại thành thông điệp ban đầu Một gói tin có thể chứa đựng các yêu cầu phục vụ, các thông tin điều khiển và dữ liệu

Trên quan điểm mô hình mạng phân tầng tầng mỗi tầng chỉ thực hiện một chức năng là nhận dữ liệu từ tầng bên trên để chuyển giao xuống cho tầng bên dưới và ngược lại Chức năng này thực chất là gắn thêm và gỡ bỏ phần đầu (header) đối với các gói tin trước khi chuyển nó đi Nói cách khác, từng gói tin bao gồm phần đầu (header) và phần dữ liệu Khi đi đến một tầng mới gói tin sẽ được đóng thêm một phần đầu đề khác và được xem như là gói tin của tầng mới, công việc trên tiếp diễn cho tới khi gói tin được truyền lên đường dây mạng để đến bên nhận

Tại bên thu các gói tin được gỡ bỏ phần đầu trên từng tầng tướng ứng và đây cũng là nguyên lý của bất cứ mô hình phân tầng nào

- Tầng ứng dụng (application layer- tầng 7): Tầng này qui định các ứng

dụng thực tế, đưa ra các thủ tục cho việc xử lý số liệu của bản thân người sử dụng như cách thức xử lý từ, soạn văn bản, bảng biểu, thư tín tầng 7 đưa ra các giao thức HTTP, FTP, SMTP, POP3 Tầng này cũng qui định những thủ tục cho người sử dụng

có thể truy nhập được vào môi trường Tầng ứng dụng là tầng duy nhất không phải phục vụ tầng trên

- Tầng trình bày (presentation layer- tầng 6): Tầng trình bày chuyển đổi

các thông tin từ cú pháp người sử dụng sang cú pháp để truyền dữ liệu đảm bảo thông thông tin mà tầng ứng dụng của một hệ thống đầu cuối gửi đi tầng ứng dụng của một

hệ thống khác có thể đọc được Nói cách khác tầng này mô tả các phương pháp trình bày dữ liệu như mó húa, giải mã, nén dữ liệu Thí dụ mã ASCII 8 bit dựng cho màn hình là một qui định thuộc tầng 6 này Các chuẩn định dạng dữ liệu của tầng 6 là GIF, JPEG, PICT, MP3, MPEG

- Tầng giao dịch (session layer - tầng 5): Cung cấp phương tiện quản lý

truyền thụng giữa các ứng dụng Giao thức của tầng này qui định các thủ tục thiết lập cuộc đối thoại giữa hai bên, có trách nhiệm thiết lập, duy trỡ, đồng bộ hóa và kết thúc cuộc đối thoại Nó xác lập ánh xạ giữa các tên đặt địa chỉ, tạo ra các tiếp xúc ban đầu giữa các máy tính khác nhau trên cơ sở các giao dịch truyền thông Nó đặt tên nhất quán cho mọi thành phần muốn đối thoại riêng với nhau Các giao thức trong tầng 5 sử dụng là NFS, X- Window System, ASP

- Tầng vận chuyển (Transport layer - tầng 4): Qui định các chức năng

truyền dữ liệu giữa hai đầu mút (end - to - end) như tốc độ truyền, xếp thứ tự các thông tin, tổ chức sự tái tạo bản tin (kiểm tra lỗi, phục hồi các từ bị mất trong quá trỡnh liờn lạc ) Giao thức trong tầng này cũng cú thể thực hiện việc ghép kênh (multiplexer), tách/hợp dữ liệu khi cần thiết Các giao thức phổ biến tại đây là TCP, UDP, SPX

- Tầng mạng (Network layer - tầng 3): Qui định các chức năng mạng như

chọn đường, gán địa chỉ, chuyển tiếp thông tin, thực hiện việc kiểm soát luồng dữ liệu, tách/hợp dữ liệu khi cần thiết Giao thức trong tầng này điều khiển việc truyền thông qua các mạng trong hệ thống với công nghệ chuyển mạch thích hợp Tầng 3 là tầng có liên quan đến các địa chỉ logic trong mạng Các giao thức hay sử dụng ở đây là

IP, RIP, IPX, OSPF, AppleTalk

- Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer - tầng 2): Cung cấp phương tiện để

truyền thông tin qua liên kết vật lý bảo đảm độ tin cậy Tầng này qui định các chức năng của kênh số liệu trên một đường truyền giữa hai điểm của hệ thống ví dụ những qui định về sự đồng bộ hóa, đặc tính của khung dữ liệu, đánh số khung, topo mạng, truy nhập mạng, kiểm tra lỗi, kiểm tra luồng dữ liệu trong quá trình liên lạc Tầng 2 có liên quan đến địa chỉ vật lý của các thiết bị mạng

- Tầng vật lý (Physical layer - tầng 1): Qui định về các tính chất vật lý của

hệ thống Tầng vật lý liên quan đến nhiệm vụ truyền dòng bit không cấu trúc qua đường truyền vật lý, ngoài ra nó cung cấp các chuẩn về điện, dây cáp, đầu nối, kỹ thuật nối mạch điện, điện áp, tốc độ cáp truyền dẫn, giao diện nối kết và các mức nối kết

1.5 Sự suy giảm và biến dạng của tín hiệu

1.5.1 Sự suy giảm

Sự suy giảm của tín hiệu là sự giảm đi về mặt biên độ của tín hiệu trong quá trình truyền dẫn.Thông thường mức độ suy giảm cho phép được quy định trên chiều dài cáp dẫn để đảm bảo rằng hệ thống nhận có thể phát hiện và dịch được tín hiệu ở máy thu Nếu trường hợp cáp quá dài thì có một hay nhiều bộ khuếch đại (hay còn gọi là repeater) được chèn vào từng khoảng dọc theo cáp nhằm tiếp nhận và tái sinh tín hiệu

Sự suy giảm tín hiệu gia tăng theo một hàm của tần số, trong khi đó tín hiệu lại bao gồm một dải tần vì vậy tín hiệu sẽ bị biến dạng do các thành phần suy giảm không bằng nhau Để khắc phục vấn đề này, các bộ khuếch đại được thiết kế sao cho khuếch đại các tín hiệu có tần số khác nhau với hệ số khuếch đại khác nhau Ngoài ra còn có

thiết bị cân chỉnh gọi là equalizer được dùng để cân bằng sự suy giảm xuyên qua một

băng tần được xác định

Sự suy giảm và sự khuếch đại (độ lợi) được đánh giá và đo lường bằng đơn vị decibels (dB) Nếu gọi mức năng lượng của tín hiệu được truyền là P1 và mức năng lượng nhận là P2 thì:

Sự suy giảm =10 log1 0P1/P2 (dB) (1.1)

Sự khuếch đại =10 log1 0 P1/P2 (dB) (1.2)

Vì cả P1 và P2 có cùng đơn vị là walls nên decibels là không thứ nguyên và đơn giản là đo lường độ lớn giữa hai mức năng lượng

Vậy mức năng lượng ở đầu ra của kênh là 100,475mW

Hoặc: Tổng suy giảm =(16-20) + 10 = 6dB

Do đó: 6 = 10 log1 0400/ P2 => P2=100,475mW

Chú ý: Sự suy hao là tất yếu khi tín hiệu truyền trên đường truyền vật lý Giá

trị suy hao phụ thuộc vào tần số tín hiệu trên kênh truyền (băng thông), nên cần lựa chọn điều chỉnh để băng thông tín hiệu rơi vào trong băng thông kênh truyền, giảm suy hao xuống mức nhỏ nhất Suy hao mối hàn trong thực tế cũng khá lớn

Để khắc phục những ảnh hưởng chất lượng do suy hao gây ra, người ta cần tính toán độ dự trữ và bổ sung các trạm lặp hợp lý để bù công suất và chỉnh sửa tín hiệu

Với các kênh vô tuyến, sự suy hao công suất là rất phức tạp phụ thuộc vào khoảng cách, áp suất không khí, độ ẩm môi trường Khi tính toán mức độ suy hao cần tra bảng số liệu theo từng khu vực

Khi truyền thông tin nhị phân qua kênh có băng thông giới hạn ví dụ như qua mạng điện thoại công cộng PSTN, chúng ta có thể dùng nhiều hơn hai trạng thái tín hiệu Điều này có nghĩa là mỗi trạng thái tín hiệu có thể đại diện cho nhiều ký số nhị phân Tổng quát, nếu số trạng thái tín hiệu là M thì số bit trên một phần tử tín hiệu là

m, và quan hệ giữa chúng được biểu diễn thông qua biểu thức:

m =log2 M (1.3)

Ví dụ 1.2:

Nếu có 4 trạng thái tín hiệu được dùng để truyền mỗi trạng thái có thể được dùng để truyền cho 2 digit nhị phân

Tốc độ thay đổi trạng thái của tín hiệu được xem như là tốc độ phát tín R

(signaling rate) và được đo lường bằng đơn vị baud Nó liên quan tới tốc độ truyền bit

số liệu R qua đẳng thức:

R = Rslog2 M (1.4)

1.5.2 Sự giới hạn băng thông của kênh truyền

Băng thông của kênh truyền (Wc) là dải tần số mà kênh cho phép tín hiệu đi qua Bất kỳ một kênh hay đường truyền nào: cáp xoắn, cáp đồng trục, radio đều

có một băng thông xác định liên hệ với nó, băng thông chỉ ra các thành phần tần số nào sẽ được truyền qua kênh mà không bị suy giảm Do đó khi truyền dữ liệu qua một kênh cần phải đánh giá ảnh hưởng của băng thông của kênh đối với tín hiệu số liệu được truyền

Mọi tín hiệu (tuần hoàn hay không tuần hoàn) đều có thể biểu diễn dưới dạng tổng (hữu hạn hay vô hạn) của các tín hiệu điều hòa hình sin Thông thường phải dùng phương pháp toán học để đánh giá, công cụ thường dùng nhất là phương pháp phân

tích Fourior Phân tích Fourior cho rằng bất kỳ tín hiệu tuần hoàn nào đều được hình

thành từ một dãy xác định các thành phần tần số riêng biệt Chu kỳ của tín hiệu xác định thành phần tần số cơ bản, các thành phần tần số khác có tần số là bội số của tần số

cơ bản gọi là các hài bậc cao (harmonacs) của tần số cơ bản Biểu diễn toán học của dạng sóng tuần hoàn theo Fourier như sau:

V(t) là tín hiệu điện áp, là hàm số theo thời gian t

0

 là tần số cơ bản đơn vị là radian/s

T = 2/0 là chu kỳ của dạng sóng tính bằng giây

a0, anvà bn là các hệ số Fourier được xác định từ ba tích phân sau:

0 )cos(

)

T

0

0 )sin(

có chu ky ngắn nhất, chính vì thế sẽ có thành phần tần số cơ bản lớn nhất Đây được xem là trường hợp xấu nhất và sẽ dùng để phân tích băng thông

Hình 1.13 Ảnh hưởng do giới hạn băng thông: a) Tín hiệu nhị phân luân phiên b)

Các thành phần tần số của tín hiệu nhị phân c) Tín hiệu thu d) Biểu diễn băng thông

Có hai dạng tín hiệu nhị phân cơ bản: đơn cực (unipolar) và lưỡng cực (bipolar) Với tín hiệu đơn cực biên độ thay đổi giữa điện thế +V và mức 0 Thường gọi là tín hiệu quay về zero (RZ) Với Tín hiệu lưỡng cực biên độ điện áp thay đổi giữa +V và -

V, các tín hiệu này gọi là không quay về zero (NRZ) Với tín hiệu đơn cực thì mức tín hiệu trung bình là V/2 trong khi tín hiệu lưỡng cực thì mức tín hiệu trung bình là không (0) Chuỗi Fourier cho hai tín hiệu nay là:

Đơn cực :

V(t) = V/2 + 2V/(cos 0t - 1/3cos30t + 1/5cos5 0t- ) (1.6)

Lưỡng cực:

V(t) = 4V/(cos0t – 1/3cos30t + 1/5cos50t - ) (1.7)

Từ biểu thức trên chúng ta có thể suy ra: bất cứ chuỗi bit nhị phân tuần hoàn nào đều được tạo nên từ dãy các tín hiệu riêng biệt bao gồm thành phần tần số cơ bản

f0 thành phần hài bậc 3, 3f0 thành phần hài bậc 5, 5f0.v.v Lưu ý rằng chỉ có các hài bậc

lẻ tồn tại và biên độ sẽ yếu dần theo chiều gia tăng tần số Tham khảo hình 1.13(c)

Vì các kênh thông tin có băng thông giới hạn, nên khi tín hiệu nhị phân truyền qua kênh, chỉ một số thành phần tần phù hợp được qua kênh và sẽ được nhận bởi máy thu

Khi băng thông của kênh được đo lường bằng đơn vị Hertz thường được biểu diễn dưới dạng hàm của tần số và được mô tả như hình 1.13.(c)

C = 2Wlog 2 M (1.8)

Trong đó W là băng thông của kênh tính bằng Hz và M là số trạng thái tín hiệu Trong thực tế vì các bit mở rộng được thêm vào cho mục đích điều khiển truyền (overhead) nên tốc độ hiệu dụng thường nhỏ hơn tốc độ bit thực tế Do dố, khi truyền thông tin qua kênh chúng ta có 3 mức độ được liên hệ: tốc độ phát tín hiệu; tốc độ bit

và tốc độ dữ liệu Tất cả chúng có thể giống hay khác nhau

Gọi thời gian của mỗi bit la Tb ta có sự tương ứng với tốc độ bit R như sau :

R liên hệ với chu kỳ tín hiệu Ts cho bởi :

R = ( log 2 M ) / Ts = m/ Ts (bps) (1.9)

Vì Tb có quan hệ hỗ tương với R, do đó :

Tb = 1/ R = Ts /m (1.10) Kết hợp hai biểu thức trên suy ra đại lượng B của kênh truyền :

B = R / W = m / W.Ts = 1/ W.Tb (bps Hz-1 ) (1.11)

B là hiệu xuất băng thông của kênh

Từ biểu thức trên ta suy ra tốc độ bit càng cao, ảnh hưởng của băng thông càng lớn Giá trị tiêu biểu của B từ 0,25 đến 3 bpsHz-1

Ví dụ 1.4:

Dữ liệu được truyền qua mang PSTN dùng lược đồ truyền với 8 trạng thái tín hiệu Nếu băng thông của PSTN là 3000Hz Hãy suy ra tốc độ Nyquist C và hiệu xuất băng thông B

C = 2.W.log 2 M = 2 x 3000 x log 2 8 = 18.000 bps

B = 1/ W.Tb = 18.000/ 3.000 = 6 bps Hz-1Trong thực tế cả hai giá trị sẽ nhỏ hơn do ảnh hưởng của một số nguyên nhân khác ví dụ như nhiễu

1.5.3 Sự biến dạng do trễ pha tín hiệu

Méo do trễ là một hiện tượng đặc biệt đối với môi trường truyền hữu tuyến Tốc

độ lan truyền của một tín hiệu thuần nhất dọc theo một đường truyền thay đổi tuỳ tần

số Do đó khi truyền một tín hiệu số, các thành phần tần số khác nhau tạo nên nó sẽ đến máy thu với độ trễ pha khác nhau, dẫn đến biến dạng do trễ của tín hiệu tại máy thu Tại tần số trung tâm, trễ tín hiệu là nhỏ nhất và tăng dần sang hai bên Sự biến dạng sẽ gia tăng khi tốc độ bit tăng Biến dạng trễ làm thay đổi các thời khắc của tín hiệu gây khó khăn trong việc lấy mẫu tín hiệu

Hiện tượng méo do trễ là một hiện tượng rất nguy hại đối với tín hiệu số Trong trường hợp này, ta xét một bản tin được phát dưới dạng dãy liên tục các bit, một vài thành phần tần số của bit này sẽ bị dịch đi trùm lên phần của bit khác, gây nên hiện

tượng méo giao thoa giữa các ký tự Đây chính là nguyên nhân chủ yếu hạn chế tốc độ cực đại trên một đường truyền

Có nhiều loại nhiễu xuyên âm nhưng trong hầu hết các trường hợp thì đáng

quan tâm nhất là xuyên âm đầu cuối kề (near and crosstalk) hay còn gọi là next

Trường hợp này gọi là tự xuyên âm vì nó phát sinh ở ngõ ra của mạch phát mạnh hơn

so với tín hiệu thu ở ngõ vào mạch thu nội bộ, và tín hiệu phát sẽ gây nhiễu ở ngõ vào mạch thu

Một mạch tích phân đặc biệt gọi là bộ triệt nhiễu thích nghi (adaptive next cancellers) được dùng để khắc phục vấn đề trên

Hình 1.14 Lược đồ mạch bộ triệt nhiễu Một dạng nhiễu khác là nhiễu xung điện, nguyên nhân gây ra bắt nguồn từ các tác nhân bên ngoài như nguồn điện năng, các thiết bị điện đang hoạt động Cả nhiễu xuyên âm và nhiễu xung điện đều phát sinh từ bên ngoài đường dây và tác động vào việc truyền trên dây

Loại nhiễu thứ 3 được gọi là nhiễu nhiệt (therm noise), hiện diện trong tất cả các thiết bị điện và các phương tiện truyền bất chấp ảnh hưởng ngoại cảnh Nó được sinh ra do tác động nhiệt của các electron liên kết với các nguyên tử của vật liệu điện chế tạo đường dây hay thiết bị Ở mọi nhiệt độ trên mức tuyệt đối zero, tất cả các phương tiện truyền thông đều trải qua nhiễu nhiệt Nó tạo nên các thành phần tần số ngẫu nhiên xuyên qua phổ tần đã hoàn chỉnh, có biên độ thay đổi liên tục và do đó còn gọi là nhiễu trắng (while noise)

Quay trở lại với luật Shannon – Harley Khi xem xét ảnh hưởng cuả nhiễu trong thực tế, điều quan trọng là cần xác định cho được mức tín hiệu tối thiểu phải dùng có liên hệ đến mức nhiễu, nhằm đạt được tốc độ lỗi bit ở mức tối thiểu cho phép Tốc độ lỗi bit qui định khoảng thời gian xác định một bit đơn có thể bị sai tại máy thu Ví dụ tốc độ bit là 10-4 đều có nghĩa là trung bình 1 bit lỗi trong 104 bit nhận

Gọi Eb là năng lượng của 1 bit trong tín hiệu, đơn vị đó là joules (watts x seconds) - được tính theo công thức :

Mạch

truyền

Mạch thu

Adaptive NEXT

canceller

Tín hiệu truỳen

Tín hiệu thu

Near – end crosstalk (NEXT) (A)

(D) (E)

-

+ DTE

Eb = STb ( watt-second) (1.14) Trong đó S là năng lượng của tín hiệu ( watts) và Tb là thời bit (second) Ta có :

Eb = S/R (1.15) Mức nhiễu trong chiều dài 1hz của băng thông (BW) trong bất kỳ đường truyền nào được cho bởi công thức :

N0 = k.T (watt Hz-1) (1.16)

N0 là mật độ năng lượng nhiễu, k là hằng số Boltzman bằng :

1,3803 x 10 -23 jouleK-1 và T là nhiệt độ Kelvin (0K)

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu người ta dùng tỉ số:

Eb / N0 = (S/R)/ N0 = (S/R)/ kT (1.17) Hay bằng decibels:

Eb/N0(dB) = 10log 10 (S/R) – 10.log 10 (kT) (1.18)

Có thể rễ ràng suy ra mức năng lượng của tín hiệu S để đạt được một tỉ lệ Eb/N0

có thể chấp nhận được và tốc độ bit lỗi tối thiểu Hai đại lượng này sẽ gia tăng theo nhiệt độ và tốc độ bit

Cũng có thể biểu diễn Eb/N0 theo băng thông W Vì N0 là mật độ năng lượng nhiễu trên băng thông Watts Hz-1, do đó năng lượng nhiễu trên băng thông là:

N = W.N0 (1.19) Suy ra :

E0/ N0 = SW / NR Tính theo decibels :

E0/ N0 = 10log 10 (S/N) + 10log 10W – 10log 10 R (1.20)

Để truyền số liệu thông qua mạng điện thoại công cộng cần phải chuyển dữ liệu số sang dạng tương tự (analog) bằng cách biểu diễn lên sóng mang hình sin, và phải thực hiện công việc ngược lại trên máy thu Trong thực tế có nhiều phương pháp điều chế

và giải điều chế (modulation/ demodulation), mỗi phương pháp cho phép tỉ số Eb/N0khác nhau

Ví dụ 1.6:

Dữ liệu được chuyền qua PSTN có băng thông 3000Hz Nếu năng lượng nhiễu trung bình tại mày thu là 12dB, hãy xác định tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt được và hiệu xuất băng thông trong hai trường hợp

a/ Eb/N0 = 13dB

b/ Eb/N0 = 10dB

Tóm tắt lời giải:

10log 10 R = S/N (dB) + 10log 10 W – Eb/N0 (dB)

Hiệu xuất băng thông B = R/W

a/ 10log 10 R = 12 +10.log 10 3000 – 13 = 33,77

Suy ra: R = 2382,32 bps và B = 0,79

b/ 10.log 10 R = 12 + 34,77 – 10 = 36,77

Suy ra : R = 4753,35 bps và B = 1,58

Chú ý: Dung lượng của kênh truyền hay đường truyền (Capacity) là tốc độ

truyền dẫn của một kênh truyền hoặc một đường truyền (dữ liệu được truyền trong thực tế) dưới các điều kiện cụ thể

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

a Trình bày mô hình tổng quát của một hệ thống truyền số liệu?

b Một kênh truyền PSTN có băng thông 3Khz và tỉ số SNR là 40dB Xác định tốc độ tối đa của kênh truyền?

Câu 6:

a Trình bày các phương thức truyền tín hiệu?

b Dữ liệu được truyền qua PSTN có băng thông 3000Hz Nếu năng lượng nhiễu trung bình tại máy thu là 15dB, hãy xác định tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt được và hiệu suất băng thông trong hai trường hợp:

Vì so phải phân tầng? Trình bày cấu trúc phân tầng và chức năng của các tầng trong mô hình tham chiếu OSI

Trình bày các khuyết điểm của các tôpô mạng ?

Kết nối liên mạng (internet) là gì ? Internet là gì?

Câu 13:

Một mạng có 4 máy tính, nếu chỉ còn có bốn đoạn cáp nối, hãy cho biết dạng mạng thích hợp nhất trong trường hợp này ?

Câu 14:

Khi dùng điện thoại kết nối với thuê bao khác, cho biết lúc này là kết nối điểm

- điểm hay đa điểm? giải thích?

Câu 15:

Cho biết các phương thức truyền dẫn thích hợp nhất (đơn công, bán song công

và song công) trong các trường hợp sau:

Trong hệ thống truyền số liệu các khối cơ bản gồm có:

Để truyền dữ liệu từ một điểm này đến điểm khác cần phải có sự tham gia của:

a Nguồn tin, đích thu tin

b Nguồn tin, môi trường truyền tin

c Môi trường truyền tin

d Cả A và C

Câu 25:

Môi trường truyền tin là

a Không gian tự do

b Các phương tiện vật lý bất kỳ có trên mạng

c Là phương tiện mang dữ liệu tới đích

d Cả 3 ý trên đều đúng

Câu 26:

Nguồn tin trong hệ thống truyền là nơi

a Tạo ra thông điệp

b Phát sinh và chuyển thông điệp lên môi trường truyền

c Hệ thống máy phát sóng

d Cả 3 ý trên đều sai

Câu 27:

Phát biểu nào sau đây là đúng

a Dạng thông tin cần truyền phụ thuộc vào môi trường truyền

b Dạng thông tin cần truyền phụ thuộc vào kiểu nguồn tin

c Dạng thông tin cần truyền phụ thuộc vào đích thu

d Dạng thông tin cần truyền quết định kiểu nguồn tin, môi trường và đích thu

Câu 28:

Trong một hệ thống truyền số liệu, hiện tượng nhiễu có thể

a Làm thông điệp bị ngắt quãng

b Xâm nhập không mong muốn vào tín hiệu

c Do nhiều nguồn nhiễu khác nhau

d Cả ba ý trên đều đúng

Câu 29:

Thông tin số liệu lien quan đến

Tín hiệu được truyền trên mạng dữ liệu là

a Tất cả những gì mà con người muốn trao đổi với nhau

b Thông tin mà con người muốn trao đổi với nhau

c Những thông tin nguyên thủy được gia công để truyền đi trên mạng

Ưu điểm của tín hiệu số là gì

a Có nhiều khả năng chống nhiễu tốt

b Có thể dung các bộ lặp để tái sinh tín hiệu

c Nó kết hợp được mọi nguồn dịch vụ hiện đang có

d Cả ba ý trên đều đúng

Câu 33:

DTE và DCE là những thiết bị

a Có chức năng giống nhau nhưng có tên gọi khác nhau

b Đều là thiết bị đầu cuối của kênh truyền

c Đều là thiết bị đầu cuối dữ liệu

d Là hai thiết bị khác nhau

Câu 34:

Nếu chỉ có hai máy tính và cả hai đều đặt ở một văn phòng, thì

a Phương tiện truyền số liệu vó thể chỉ gồm một lien kết điểm nối đơn giản

b Phải dung modem

c Phải truyền qua hệ thống PSTN

d Phải truyền qua hệ thống ISDN

Câu 35:

Mạng số liệu có thể phân loại thành

a Phân loại theo địa lý

b Phân loại theo tôp mạng

c Phân loại theo kỹ thuật

d Cả ba cách trên

Câu 36:

Liên lạc thông qua chuyển mạch kênh đặc trưng bởi việc cung cấp các đường nối

cố định giữa hai thuê bao Sự liên lạc qua mạng chuyển mạch kênh bao gồm

Mô hình OSI là một mô hình kiến trúc cơ bản

a Không dành riêng cho phần mềm hoặc phần cứng nào

b Điều khiển lưu lượng

c Giao diện với thế giới bên ngoài

d Truy cập vào mạng dùng cho user

e Thay đổi từ ASCII sang EBCDIC

f Chuyển gói

Câu 38:

Sắp xếp theo từng lớp của mô hình OSI theo chức năng:

a Truyền dữ liệu end to end với độ tin cậy

b Chọn lọc mạng

c Định nghĩa frame

d Dịch vụ cho user như email và chuyển file

e Truyền dòng bit qua môi trường truyền vật lý

Câu 39:

Sắp xếp theo từng lớp của mô hình OSI theo chức năng:

a Thông tin trực tiếp với các chương trình ứng dụng của người dùng

b Sửa lỗi và truyền lại

c Giao diện chức năng, cơ và điện học

d Phụ trách thông tin giữa các nút kề nhau

e Tái hợp các gói dữ liệu

Câu 40:

Sắp xếp theo từng lớp của mô hình OSI theo chức năng

a Cung cấp format và dịch vụ chuyển mã

b Thiết lập, quản lý, và kết thúc kiểm soát

c Bảo đảm tin cậy trong truyền dẫn

d Cung cấp sự phụ thuộc từ những biểu diễn dữ liệu khác nhau

Câu 41:

Bất kỳ một kênh truyền nào đều có một băng thông xác định liên hệ với nó ảnh hưởng của nó tới

a Các thành phần tần số của tín hiệu

b Biên độ của tín hiệu

c Góc pha của tín hiệu

d Không ảnh hưởng gì đến tín hiệu

Câu 42:

Khi không có tín hiệu một đường truyền là lý tưởng nếu mức điện thế trên đó là zero Nhưng trên đường truyền vẫn khác zero Mức tín hiệu này được gọi là mức nhiễu đường dây nguyên nhân gây nhiễu có thể là

a Là nhiễu xuyên âm (crosstalk) Nhiễu hình thành do 2 dây dẫn đặt kề nhau

b Nhiễu xung điện

c Nhiễu nhiệt (therm noise)

d A, B và C đều là nguyên nhân gây can nhiễu đường dây

Câu 43:

Mức độ suy giảm cho phép của đường truyền cáp là mức:

a Mức được quy định trên chiều dài cáp để đảm bảo hệ thống nhận có thể phát hiện và dịch được tín hiệu ở máy thu

b Mức đảm bảo tỷ số S/N tại bất kỳ điểm nào trên đường cáp

c Mức tăng ích của bộ khuyếch đại

d Mức can nhiễu trên chiều dài cáp