Bài giảng Kỹ thuật truyền tin

94 trang phuongnguyen 2480

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật truyền tin", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ky_thuat_truyen_tin.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật truyền tin

Bài giảng Kỹ thuật truyền tin
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin MỤC LỤC CHƯƠNG I - MỞ ĐẦU . . 3 I.1. Giới thiệu 3 I.2. Mô hình truyền thông 3 I.3. Các tác vụ truyền thông . 4 I.4. Truyền dữ liệu 6 I.5. Mạng truyền dữ liệu 7 I.5.1. Mạng diện rộng 8 I.5.2. Mạng nội bộ 11 I.6. Sự chuNn hóa 12 I.7. Mô hình OSI 12 CHƯƠNG II – TRUYỀN DỮ LIỆU . 17 II.1. Một số khái niệm và thuật ngữ . 17 II.1.1. Một số thuật ngữ truyền thông 17 II.1.2.Tần số, phổ và dải thông . . 18 2.1.Biểu diễn tín hiệu theo miền thời gian . 18 2.2.Biểu diễn tín hiệu theo miền tần số. . 19 II.2. Truyền dữ liệu tương tự và dữ liệu số . . 27 II.2.1. Dữ liệu . . 27 II.2.2. Tín hiệu . . . 30 II.2.3. Mối quan hệ giữa dữ liệu và tín hiệu . . 32 II.2.4. Công nghệ truyền. . . . 33 II.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu . 36 II.3.1. Sự suy giảm cường độ tín hiệu 37 II.3.2. Méo do trễ . . . 38 II.3.3. Nhiễu. . . 38 II.3.4. Khả năng truyền tải của kênh truyền . 42 CHƯƠNG III - CÁC MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN 47 III.1. Tổng quan . 47 III.2. Môi trường truyền . 48 III.2.1.Môi trường truyền định hướng 49 1.1. Đôi dây xoắn 49 1.2. Cáp UTP 49 1.3.Cáp STP 50 1.4. Cách đấu nối 50 1.5. Cáp đồng trục . 51 1.6. Cáp quang 51 III.2.2. Môi trường truyền không định hướng 54 CHƯƠNG IV - MÃ HÓA VÀ ĐIỀU CHẾ DỮ LIỆU 56 IV.1 Dữ liệu số, tín hiệu số 57 IV.1.1 Mã NRZ 59 IV.1.2. Mã nhị phân đa mức 60 IV.1.3. Mã đảo pha (biphase) 62 IV.1.4. Tốc độ điều chế 64 IV.2. Dữ liệu số, tín hiệu tương tự 65 CHƯƠNG V - GIAO DIỆN GIAO TIẾP DỮ LIỆU . 69 V.1. Các phương pháp truyền số liệu 69 - 1 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin V.2. Giao diện ghép nối 69 V.2.1.Giao tiếp RS 232D/V24 . 69 V.2.2.Giao tiếp RS-232C . 74 CHƯƠNG VI - ĐIỀU KHIỂN LIÊN KẾT DỮ LIỆU 76 VI.1. Kiểm soát lỗi . 76 VI.2. Điều chỉnh thông lượng 76 VI.2.1. Cơ chế cửa sổ . 76 VI.2.2. Quá trình trao đổi số liệu giữa hai máy A và B 77 VI.2.3. Vận chuyển liên tục . 77 VI.3. Giao thức BSC và HDLC . 78 VI.3.1. Giao thức BSC . 78 1.1. Tập ký tự điều khiển . 79 1.2. Dạng bản tin 79 1.3. Trao đổi bản tin 79 VI.3.2. Giao thức HDLC (High level data link control) 80 2.1. Dạng bản tin . . . 80 2.2. Từ điều khiển 80 2.3. Trao đổi bản tin 81 VI.4. Đặc tả giao thức 82 VI.5. Các giao thức điều khiển truy nhập phương tiện truyền 82 VI.5.1. Truy nhập CSMA /CD . 82 VI.5.2. Token bus . 83 VI.5.3. Token Ring 83 VI.5.4. DQDB 84 VI.5.5. Wireless (802.11) . 85 5.5.1 Vấn đề tránh xung đột trong mạng không dây 86 5.5.2. ChuNn 802.11 . 86 5.5.3. Hệ thống phân tán 86 CHƯƠNG VII - TỔNG QUAN VỀ GHÉP KÊNH . . . 88 VII.1. Bộ tập trung . 88 VII.2. Bộ phân đường . 88 VII.3. Dồn kênh theo tần số 89 VII.4. Dồn kênh theo thời gian 90 VII.5. Phân đường thời gian theo thống kê . 90 - 2 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin CHƯƠNG I - MỞ ĐẦU I.1. Giới thiệu Sự kết hợp giữa ngành khoa học máy tính (computer science) và kỹ thuật truyền số liệu (data communication) từ những năm 70 và 80 của thế kỷ 20 đã làm thay đổi một cách toàn diện công nghệ, sản phNm của các công ty trong công nghiệp công nghệ thông tin và truyền thông. Mặc dù cuộc cách mạng này vẫn tiếp tục nhưng có thể khẳng định rằng cuộc cách mạng này đã xảy ra và bất kỳ một nghiên cứu hoặc điều tra nào về lĩnh vực truyền số liệu đều nằm trong ngữ cảnh này. Cuộc cách mạng máy tính - truyền thông đã làm xuất hiện một số thực tế sau: - Không còn sự phân biệt cơ bản giữa việc xử lý dữ liệu (máy tính) và việc truyền số liệu (công nghệ truyền và thiết bị chuyển mạch). - Không còn sự phân biệt giữa truyền thông dữ liệu, tiếng nói hay video. - Ranh giới giữa máy tính đơn bộ vi xử lý (single-processor computer), máy tính đa bộ vi xử lý (multi-processor computer), mạng nội bộ (local network), mạng đô thị (metropolitan network) và mạng diện rộng (long-haul network) ngày càng bị mờ đi. Một hiệu ứng của những xu hướng phát triển này là sự phát triển giao thoa giữa công nghiệp máy tính và công nghiệp truyền thông, từ việc sản xuất các thành phần riêng rẽ đến các hệ thống tích hợp (system integration). Một kết quả khác là sự phát triển của các hệ thống tích hợp có thể truyền và xử lý tất cả các loại dữ liệu và thông tin khác nhau. Ngày nay, cả các tổ chức chuNn hoá kỹ thuật (technical-standards organizations) lẫn công nghệ đều đang hướng về hình thành một hệ thống công cộng đơn giản tích hợp mọi kiểu truyền thông và tạo ra khả năng truy xuất và xử lý mọi nguồn dữ liệu từ khắp nơi trên thế giới một cách dễ dàng và đồng nhất. I.2. Mô hình truyền thông Chúng ta sẽ bắt đầu bằng một mô hình truyền thông đơn giản, được minh hoạ bằng sơ đồ khối trên hình vẽ 1.a. Source System Destination System Source Transmiter Transmission Receiver Destination system Hình 1a Worckstation Modem Public Telephone Network Modem Server Hình 1b Mục đích cơ bản của một hệ thống truyền thông là trao đổi dữ liệu giữa 2 thực thể. Hình vẽ 1.b biểu diễn một ví dụ đặc biệt. Đây là mô hình truyền thông giữa một - 3 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin máy trạm và một máy chủ qua hệ thống mạng điện thoại công cộng (public telephone network). Một ví dụ khác là sự trao đổi tín hiệu tiếng nói (voice signals) giữa 2 máy điện thoại qua cùng hệ thống mạng này. Các thành phần cơ bản của mô hình này bao gồm: - Thiết bị nguồn (Source): Thiết bị này sẽ sinh ra dữ liệu để truyền; ví dụ như là các máy điện thoại hay các máy tính cá nhân. - Thiết bị truyền (Transmitter): Thông thường, dữ liệu do hệ thống thiết bị nguồn sinh ra sẽ không được truyền trực tiếp theo dạng mà nó sinh ra. Thay vào đó, thiết bị truyền sẽ chuyển đổi và mã hoá thông tin này bằng cách sinh ra các tín hiệu điện từ (electro-magnetic signals) để có thể truyền đi được qua nhiều loại hệ thống truyền. Ví dụ, một modem sẽ lấy các bit tín hiệu số từ thiết bị kết nối với nó, chẳng hạn như máy tính cá nhân, sau đó chuyển chuỗi bit này vào trong một tín hiệu tín hiệu tương tự (analog signal) được sử dụng để truyền đi trong hệ thống mạng điện thoại. - Hệ thống truyền (Transmission System): Có thể là một đường truyền đơn giản hoặc một hệ thống mạng phức tạp kết nối thiết bị nguồn và thiết bị đích. - Thiết bị thu (Receiver): Thiết bị thu sẽ nhận tín hiệu từ hệ thống truyền và chuyển đổi nó thành dạng mà các thiết bị đích có thể quản 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. - Thiết bị đích (Destination): Nhận dữ liệu từ thiết bị thu. I.3. Các tác vụ truyền thông Các mô tả về mô hình truyền thông trong mục 2 thực chất đã che giấu đi sự phức tạp rất lớn về mặt kỹ thuật. Bảng 1.1 sẽ cho thấy được phạm vi thực tế của sự phức tạp này bằng cách liệt kê các tác vụ chính phải thực hiện trong một hệ thống truyền thông. Các tác vụ này đôi khi có thể thêm vào hoặc kết hợp lại tuy nhiên nó thể hiện những nội dung chính mà môn học này sẽ đi qua. Sử dụng hệ thống truyền Ghép nối (Interfacing) Phát sinh tín hiệu (Transmission system (Signal generation) utilization) Đồng bộ hoá Quản lý trao đổi Phát hiện và sửa chữa lỗi (Synchronization) (Exchange Management) (Error detection and correction) Điều khiển luồng (Flow Đánh địa chỉ Định tuyến (Routing) control) (Addressing) Phục hồi (Recovery) Định dạng thông điệp Bảo mật (Security) (Message formatting) Quản trị mạng (Network Management) Bảng 1.1 Các tác vụ truyền thông - 4 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin - Sử dụng hệ thống truyền: Thường được xem như việc sử dụng một cách hiệu quả các phương tiện truyền thông (transmission facilities) mà thông thường được chia sẻ cho một số lượng các thiết bị truyền thông. Nhiều kỹ thuật dồn kênh (multiplexing) được sử dụng để phân bố khả năng truyền tổng cộng (total capacity) của một môi trường truyền cho nhiều người sử dụng. Đồng thời, cũng phải có các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn để đảm bảo rằng hệ thống không bị lỗi bởi có quá nhiều các yêu cầu dịch vụ truyền thông xảy ra đồng thời. - Ghép nối: Để truyền thông được, một thiết bị phải được ghép nối vào một hệ thống truyền. - Phát sinh tín hiệu: Tất cả các dạng truyền thông được đề cập đến ở môn học này cuối cùng đều phụ thuộc vào việc sử dụng các tín hiệu điện từ được truyền qua một môi trường truyền. Do đó, khi ghép nối đã được thành lập, quá trình truyền thông yêu cầu phải có tín hiệu được phát ra. Các tính chất của tín hiệu, chẳng hạn như dạng (form) và cường độ (intensity) phải thoả mãn 2 điều kiện + (1): Chúng có khả năng truyền được qua hệ thống truyền. + (2): Thiết bị thu (receiver) phải có khả năng hiểu được (interpretable) dữ liệu. - Đồng bộ hoá: Không chỉ có việc phát sinh tín hiệu phải phù hợp với yêu cầu của hệ thống truyền và thiết bị thu mà tín hiệu phải được đồng bộ hoá (synchronization) giữa thiết bị truyền và thiết bị thu. Thiết bị thu phải có khả năng xác định được khi nào tín hiệu bắt đầu đến và kết thúc. Đồng thời thiết bị thu cũng phải biết được khoảng thời gian (duration) của mỗi thành phần tín hiệu diễn ra bao lâu. - Quản lý trao đổi: Ngoài vấn đề chính là quyết định đặc tính tự nhiên và thời gian của tín hiệu, còn có một loạt các yêu cầu để truyền thông giữa hai thực thể được tập hợp lại dưới thuật ngữ quản lý trao đổi (exchange management). Nếu dữ liệu được trao đổi theo cả 2 chiều trong một khoảng thời gian thì cả 2 thực thể phải hợp tác hoạt động. Ví dụ, khi 2 người tham gia vào một cuộc hội thoại qua điện thoại, một người phải quay số (dial number) của người kia sinh ra tín hiệu với kết quả là chuông của người được gọi sẽ kêu. Người được gọi hoàn tất một kết nối bằng cách nhấc máy. Với các thiết bị xử lý dữ liệu, ngoài việc thiết lập kết nối, còn yêu cầu phải có các quy ước đối với cả hai bên tham gia vào quá trình truyền thông. Các quy ước này có thể là có cho phép cả hai bên có thể truyền đồng thời hay không, lượng dữ liệu được phép gủi đi tại một thời điểm là bao nhiêu, định dạng của dữ liệu ra sao hoặc phải làm gì khi có tác động của các sự kiện ngẫu nhiên chẳng hạn như lỗi sinh ra. - Phát hiện và sửa lỗi: Hai tác vụ này có thể được ghép vào tác vụ quản lý trao đổi nhưng tầm quan trọng của chúng đủ để tách thành các tác vụ riêng. Trong mọi hệ thống truyền thông đều có khả năng tiềm Nn của lỗi; các tín hiệu được truyền đi sẽ bị méo qua khoảng cách truyền trước khi đến đích. Vấn đề phát hiện và sửa lỗi được yêu cầu đối trong các ứng dụng mà không chấp nhận lỗi và đó thường là các hệ thống xử lý dữ liệu. Ví dụ, trong quá trình truyền một file từ một máy tính này đến một máy tính khác, việc nội dung file bị thay đổi một cách ngẫu nhiên là không thể chấp nhận được. - Điều khiển luồng: Là kỹ thuật đảm bảo sao cho tốc độ gửi tin của thiết bị truyền không nhanh hơn tốc độ nhận tin của thiết bị thu. Hay nói cách khác là diều khiển luồng để đảm bảo máy thu không bỏ qua bất kỳ phần dữ liệu nào từ máy phát gửi đến do không có dủ tài nguyên để lưu giữ. Nếu hai thiết bị hoạt động với tốc độ khác nhau, - 5 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin chúng ta thường phải điều khiển ngõ ra của thiết bị tốc độ cao hơn để ngăn chặn trường hợp tắc ngẽn trên mạng. - Đánh địa chỉ và định tuyến: Khi phương tiện truyền thông được nhiều thiết bị chia sẻ, một hệ thống nguồn phải xác định được một cách chính xác hệ thống đích là hệ thống nào và chỉ có hệ thống đích đó mới có thể nhận dữ liệu. Hơn nữa, một hệ thống truyền thông thường là một mạng với rất nhiều con đường truyền khác nhau. Vấn đề định tuyến cho phép lựa chọn một con đường đi thích hợp trong hệ thống mạng truyền thông. - Phục hồi: Phục hồi là một khái niệm khác với khái niệm sửa lỗi (error correction). Các kỹ thuật phục hồi cần thiểt trong những tình huống đang trao đổi thông tin (information exchange), chẳng hạn như giao dịch cơ sở (base transaction) hoặc truyền file thì bị ngắt giữa chừng do lỗi ở một nơi nào đó trong hệ thống. Kỹ thuật phục hồi phải khôi phục lại được hành động tại trước thời điểm xảy ra lỗi hoặc ít ra cũng phải phục hồi lại trạng thái của các hệ thống tại thời điểm trước khi bắt đầu tiến trình truyền thông. - Định dạng thông điệp: Là sự thoả thuận trước về mẫu của dữ liệu sẽ được trao đổi hoặc truyền giữa hai thực thể tham gia vào quá trình truyền thông. Ví dụ như cả hai bên đều sử dụng cùng một loại mã nhị phân cho các ký tự. - Bảo mật: Bảo mật là một yếu tố rất quan trọng trong các hệ thống truyền thông. Người gửi dữ liệu phải được đảm bảo rằng chỉ có người nhận hợp lệ mới nhận được dữ liệu thực sự và người nhận phải được đảm bảo rằng dữ liệu nhận được không bị sửa đổi bởi bất cứ một thành phần nào khác người gửi. - Quản trị mạng: Một hệ thống truyền thông là một hệ thống phức tạp mà nó không thể tự mình tạo ra và vận hành được. Các công việc quản trị mạng cần thiết để cấu hình hệ thống, theo dõi các trạng thái của hệ thống, tìm các điểm lỗi và quá tải hoặc tắc nghẽn, và lập kế hoạch một cách thông minh cho việc phát triển hệ thống trong tương lai. I.4. Truyền dữ liệu Để xem xét vấn đề truyền dữ liệu một cách cụ thể, ta hãy xét ví dụ về hệ thống thư điện tử (electronic mail). Digital bit Analog signal Analog signal Digital bit stream stream Text Text Source Transmiter Transmission Receiver Destination system 1 2 3 4 5 6 Input Input data Transmitted Received Output data Output information g(t) signal signal g(t)’ information m s(t) r(t) m’ Hình 1.2 Mô hình truyền dữ liệu đơn giản - 6 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Giả sử rằng thiết bị vào (input devide) và thiết bị truyền (transmitter) là các thành phần của một máy tính cá nhân. Một người sử dụng của PC này muốn gửi một thông điệp tới một người sử dụng khác, chẳng hạn như “Kế hoạch họp ngày 25 tháng 3 bị huỷ bỏ” (m). Người sử dụng sẽ kích hoạt ứng dụng thư điện tử trên PC và nhập thông báo này vào qua bàn phím (thiết bị vào). Chuỗi ký tự này được lưu trữ trên bộ nhớ chính. Ta có thể xem nó như là một trình tự các bit (g) trong bộ nhớ. Máy tính cá nhân được kết nối vào môi trường truyền, chẳng hạn như mạng nội bộ hoặc đường điện thoại bằng một thiết bị vào ra (I/O devide) hay thiết bị truyền (transmitter) chẳng hạn như card mạng hay modem. Dữ liệu vào được truyền tới thiết bị truyền bằng một trình tự biến đổi hiệu điện thế (voltage shift) [g(t)] trên cáp nối giữa máy tính và thiết bị truyền. Thiết bị truyền được kết nối trực tiếp vào môi trường truyền và chuyển đổi dòng tín hiệu vào [g(t)] thành tín hiệu [s(t)] phù hợp để truyền được trong môi trường truyền. Quá trình này được mô tả một cách chi tiết trong Chương 4. Tín hiệu được truyền s(t) trên môi trường truyền sẽ chịu tác động ảnh hưởng đến chất lượng bởi một số yếu tố trước khi đến được đích. Quá trình này sẽ được thảo luận trong Chương 2. Do đó, tín hiệu thu được r(t) có thể khác so với tín hiệu truyền s(t). Thiết bị thu sẽ cố gắng ước lượng tín hiệu gốc s(t) trên cơ sở r(t) và các kiến thức của nó về môi trường truyền và sinh ra một trình tự các bit g’(t). Các bit này sẽ được gửi đến máy tính cá nhân của người nhận, tại đó chúng được lưu trữ tạm trong bộ nhớ như là một khối các bit (g). Trong nhiều trường hợp, hệ thống đích sẽ cố gắng xác định nếu có lỗi xảy ra và nếu có thể, nó sẽ cộng tác với hệ thống nguồn để loại bỏ lỗi đối với dữ liệu. Dữ liệu sau đó sẽ được biểu diễn cho người nhận thấy qua thiết bị ra (output device) chẳng hạn như màn hình hoặc máy in. Thông điệp (m’) mà người nhận nhìn thấy thường là bản copy chính xác của thông điệp gốc (m). Bây giờ, ta hãy xét đến một cuộc hội thoại qua điện thoại. Trong trường hợp này, đầu vào của điện thoại là một thông điệp (m) ở dạng sóng âm thanh. Sóng âm thanh được máy điện thoại chuyển đổi thành tín hiệu điện từ có cùng tần số. Tín hiệu này sẽ được truyền mà không có thêm sự thay đổi nào qua đường truyền điện thoại. Do đó, tín hiệu vào s(t) và tín hiệu truyền g(t) là đồng nhất. Tín hiệu s(t) sẽ bị suy giảm chất lượng (méo) trong quá trình truyền qua môi trường truyền, vì vậy r(t) sẽ có thể khác so với s(t). Sau đó, r(t) được chuyển đổi ngược lại thành dạng sóng âm mà không có bất cứ một quá trình sửa lỗi hoặc tăng cường chất lượng của tín hiệu. Do đó thông điệp m’ không là bản copy chính xác của thông điệp gốc m. Tuy nhiên, thông điệp âm thanh nhận được thường vẫn có thể hiểu được đối với người nghe. Vấn đề cần quan ở đây chính là các yếu tố liên quan tới phNm chất của 1 hệ thống truyền: − Để truyền dữ liệu hiệu quả các chủ thể phải hiểu được thông điệp. Nơi thu nhận phải biên dịch thông điệp 1 cách chính xác. − Tính chính xác 1 hệ thống bị xác định và giới hạn bởi nguồn tin, môi trường truyền và đích thu. − Hiện tượng nhiễu có thể xảy ra trong quá trình truyền dữ liệu. Khi đó thông điệp sẽ bị đứt đoạn trong quá trình truyền. Một số kỹ thuật khác có liên quan đến truyền thông dữ liệu bao gồm các kỹ thuật điều khiển liên kết dữ liệu (data-link control techniques) để điều khiển luồng dữ liệu, phát hiện và sửa lỗi và các kỹ thuật dồn kênh làm tăng hiệu quả truyền thông cũng được thảo luận trong các chương tiếp theo của môn học này. - 7 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin I.5. Mạng truyền dữ liệu Một mạng truyền số liệu là một mạng bao gồm các máy tính hay các hệ thống máy tính có sự trao đổi thông tin với nhau thông qua các phương tiện truyền số liệu khác nhau. Các phương tiện truyền này là khác nhau bởi vì bản chất tự nhiên của ứng dụng, bởi số lượng các máy tính, bởi khoảng cách vật lý. Nó là mạng sử dụng một trong số các môi trường truyền kết nối kiểu điểm - điểm (point – to – point). Dạng mạng này có thể là một (hoặc cả hai) trong số các trường hợp sau: - Các thiết bị có khoảng cách rất xa nhau. Chi phí giá thành cho một kết nối chuyên dụng (dedicated link) giữa các thiết bị này là cực đắt. - Có một tập các thiết bị, mỗi một thiết bị có thể yêu cầu một liên kết tới nhiều thiết bị khác tại các thời điểm khác nhau. Ngoại trừ trường hợp có quá ít thiết bị, trên thực tế không thể xây dựng được tất cả các kết nối chuyên dụng cho mỗi một thiết bị trong một mạng kiểu như thế này. Switching Node Source System Destination System Source Transmiter Transmission Receiver Destination system Local area Network Hình 1.3 Lời giải cho bài toán này là gắn mỗi một thiết bị vào một mạng truyền thông. Hình 3 có quan hệ với mô hình truyền thông ở Hình 1 và mô tả hai nhóm mạng truyền thông chính được phân loại bằng phương pháp truyền thống đó là: Mạng diện rộng (WAN-Wide Area Network) và mạng nội bộ (LAN – Local Area Network). Sự khác biệt của hai loại mạng này nằm ở khía cạnh công nghệ và ứng dụng ngày càng bị mờ đi trong những năm gần đây. Tuy nhiên việc phân loại theo kiểu này vẫn có ích khi tổ chức để thảo luận. I.5.1. Mạng diện rộng Theo phương pháp phân loại truyền thống, mạng diện rộng là loại mạng có phạm vi trải rộng theo khoảng cách địa lý thường được phát triển dựa trên các hệ thống - 8 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin chuyển mạch công cộng. Thông thường, một mạng WAN bao gồm một số lượng các nút chuyển mạch được kết nối với nhau ở trong. Một cuộc truyền thông từ bất kỳ một thiết bị nguồn nào sẽ được định tuyến thông qua các nút phía trong để đi đến thiết bị đích. Các nút này (bao gồm cả các nút biên) không quan tâm đến nội dung của dữ liệu mà thay vào đó, mục đích chính của chúng là cung cấp một cơ chế chuyển mạch (swiching) để chuyển dữ liệu từ nút này đến nút khác trước khi dữ liệu đến được đích cuối cùng của chúng. Theo truyền thống, mạng WAN được thực hiện bằng cách dựa vào một trong hai công nghệ là chuyển mạch kênh (circuit switching) và chuyển mạch gói (packet swiching). Gần đây, các mạng Frame Relay và ATM đã phát triển và đóng góp những vai trò quan trọng trong công nghệ mạng diện rộng. Chuyển mạch kênh (Circuit Switching) Trong một mạng chuyển mạch kênh, một đường truyền thông xác định được thiết lập giữa hai trạm thông qua các nút trong mạng. Con đường này một thứ tự kết nối các liên kết vật lý giữa các nút. Trên mỗi một liên kết, một kênh logic được xác định cho kết nối này. Dữ liệu do trạm nguồn sinh ra được truyền dọc theo con đường xác định một cách nhanh nhất có thể. Tại mỗi một nút, dữ liệu vào được định tuyến hay chuyển mạch vào kênh ra thích hợp mà không có thời gian trễ. Ví dụ dễ thấy nhất về mạng chuyển mạch kênh là mạng điện thoại. Chuyển mạch gói (Packet Switching) Có một cách tiếp cận khác được sử dụng là mạng chuyển mạch gói. Trong trường hợp này, không cần thiết phải để ra trước một dung lượng của đường truyền xác định dọc theo một con đường qua mạng. Thay vào đó, dữ liệu đựoc gửi đi theo một trình tự các gói mNu nhỏ (small chunk) gọi là các gói. Mỗi một gói được truyền qua mạng từ nút này đến nút khác theo nhiều con đường dẫn từ trạm nguồn đến trạm đích. Tại mỗi một nút, khi nhận được toàn bộ gói, sau một khoảng thời gian lưu lại ngắn, gói này sẽ được tiếp tục truyền tới nút tiếp theo. Các mạng chuyển mạch gói thông thường được sử dụng trong truyền thông từ máy tính đến máy tính. Frame Relay Chuyển mạch gói đã được phát triển tại thời điểm khi mà công nghệ truyền số trên khoảng cách rất xa thường có tỷ suất gặp lỗi lớn. Kết quả là, tại mỗi một gói tin phải có một phần thông tin nhất định dành cho việc kiểm soát và điều khiển lỗi. Phần thông tin thêm vào này làm nảy sinh vấn đề dư thừa so với dữ liệu gốc và yêu cầu thêm thời gian xử lý tại mỗi nút để phát hiện và sửa lỗi cũng như tại trạm đầu cuối khi nhận được gói tin. Với các hệ thống truyền thông tốc độ cao hiện đại ngày nay, phần thông tin thêm vào để kiểm soát lỗi này trở thành không cần thiết và trở thành phản tác dụng (counter productive). Nó là không cần thiết bởi vì tỷ suất lỗi của hệ thống sẽ rất nhỏ và các lỗi nếu có sẽ được phát hiện và xử lý ở tầng logic hoạt động phía trên tầng chuyển mạch gói tại các trạm cuối. Nó là phản tác dụng bởi vì nó chiếm giữ một phần đáng kể dung lượng đường truyền trong khi không có ý nghĩa về mặt dữ liệu thực. Công nghệ Frame Relay được phát triển để tận dụng các ưu điểm của các môi trường truyền tốc độ cao và tỷ suất lỗi nhỏ. Trong khi các mạng chuyển mạch gói nguyên thuỷ được thiết kế với tốc độ truyền dữ liệu ở phía người sử dụng đầu cuối là 64 Kbps thì các mạng Frame Relay được thiết kế để hoạt động một cách hiệu quả với - 9 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin tốc độ truyền dữ liệu ở phía người sử dụng đầu cuối là 2 Mbps. Nhân tố chính giúp nâng cao tốc độ truyền dữ liệu của Frame Relay là loại bỏ được phần thông tin thêm vào để kiểm soát lỗi của công nghệ chuyển mạch gói. Cấu trúc khung của Frame relay: Hình 1.4 Cấu trúc khung của Frame Relay Cấu trúc khung của Frame Relay (Hình vẽ 1.4) hoàn toàn tương tự như X25 chỉ khác là khung này có trường địa chỉ A dài hơn (2byte) và không có trường lệnh C vì ở Frame relay không có thủ tục hỏi đáp. Tuy nhiên trên thực tế không có một cuộc nối nào hoàn hảo tới mức tuyệt đối, thu phát không có một lỗi nhỏ, vì vậy vẫn phải cần tới trường FCS để phân tích được các Frame có lỗi cũng như theo dõi được số thứ tự của chúng. Cấu trúc của một khung có các phần sau: • (1) 1 byte dành cho cờ F (flag) dẫn đầu. • (2) 2 byte địa chỉ A (adress) để biết khung chuyển tới đâu . • (3) Trường I (Information)dành cho dữ liệu thông tin có nhiều byte . • (4) 2 byte cho việc kiểm tra khung - FCS (Frame Check Sequence) để phân tích và biết được các gói thiếu, đủ, đúng, sai trên cơ sở đó trả lời cho phía phát biết. • (5) Và cuối cùng là 1 byte cờ F để kết thúc. Frame relay có thể chuyển nhận các khung lớn tới 4096 byte ATM Công nghệ phương thức truyền bất đồng bộ (Asynchronous Transfer Mode – ATM) đôi khi còn được gọi là chuyển tiếp tế bào (cell relay) hiện tại đang là đỉnh cao của cuộc phát triển công nghệ từ công nghệ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong vòng 25 năm qua. ATM có thể được xem như là một công nghệ tiến hoá từ công nghệ Frame Relay. Điểm khác biệt rõ ràng nhất giữa Frame Relay và ATM là Frame Relay sử dụng các gói tin có kích thước không cố định (variable-length packet) gọi là các frame trong khi ATM sử dụng các gói tin có kích thước cố định 53 bytes (fixed-length packet) được gọi là các tế bào (cell). Bằng cách sử dụng các gói tin có kích thước cố định, ATM còn cắt giảm nhiều hơn nữa phần thông tin thêm vào để kiểm soát và điều khiển lỗi so với Frame Relay. Kết quả là ATM được thiết kế để làm việc ở tốc độ trải từ 10 Mbps đến 100 Mbps trong khi Frame Relay làm việc ở tốc độ 2 Mbps. ATM có thể được xem như là một công nghệ tiến hoá từ công nghệ chuyển mạch kênh. Với công nghệ chuyển mạch kênh, chỉ có duy nhất các kênh truyền với tốc độ truyền cố định đối với hệ thống đầu cuối. Công nghệ ATM cho phép định nghĩa nhiều kênh ảo (multiple virtual channels) có tốc độ truyền dữ liệu được xác định một cách linh động tại thời điểm kênh được tạo ra. Bằng cách sử dụng tất cả các kênh này, tính hiệu quả của ATM được đNy cao đến mức cho phép cung cấp một kênh truyền có tốc độ truyền dữ liệu cố định mặc dù nó sử dụng kỹ thuật chuyển mạch gói. Do đó, ATM - 10 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin đã mở rộng kỹ thuật chuyển mạch kênh để cho phép thiết lập động tốc độ truyền dữ liệu trên nhiều kênh truyền trên cơ sở nhu cầu truyền thông. Cấu trúc tế bào ATM: 5 byte đầu dùng để nhận dạng các tế bào thuộc về cùng một kênh ảo Hình 1.5 Cấu trúc tế bào ATM ISDN và Broadband ISDN Xu hướng kết hợp các công nghệ tính toán và công nghệ truyền thông, đi cùng với các nhu cầu về tính hiệu quả và thời gian tổng hợp, xử lý và phân tán thông tin ngày càng tăng đang là một xu hướng lớn nhất hiện nay trong việc phát triển các hệ thống tích hợp để có thể truyền và xử lý mọi loại dữ liệu. Hệ thống mạng tích hợp các dịch vụ số ISDN (integrated services digital network) đang là biểu hiện thực tế của xu hướng này. ISDN được dự đoán sẽ hệ thống mạng công cộng toàn cầu để thay thế cho các hệ thống mạng điện thoại viễn thông công cộng đã được phát triển và nó sẽ cung cấp một số lượng các dịch vụ rất đa dạng. ISDN được định nghĩa bởi các tiêu chuNn của giao tiếp người dùng và được thực hiện bằng một tập các thiết bị chuyển mạch số và các đường truyền hỗ trợ nhiều loại truyền thông đồng thời cung cấp các dịch vụ xử lý giá trị gia tăng (value-added processing services). Trên thực tế, có nhiều mạng được thực hiện trong phạm vi biên giới quốc gia nhưng từ cách nhìn của người sử dụng, chỉ có một mạng duy nhất có thể truy cập đồng nhất và có phạm vi trên toàn cầu. Kỷ nguyên thứ nhất của ISDN, đôi khi còn được gọi là ISDN băng hẹp (narrowband ISDN) được xây dựng trên cơ sở sử dụng một kênh 64 Kbps như là một đơn vị cơ bản để chuyển mạch với định hướng theo công nghệ chuyển mạch kênh. Công nghệ được sử dụng trong ISDN băng hẹp là Frame Relay. Kỷ nguyên thứ hai của ISDN còn được gọi là ISDN băng rộng (broadband ISDN), hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu rất cao (100 Mbps) phát triển theo định hướng công nghệ chuyển mạch gói. Công nghệ được sử dụng trong ISDN băng rộng là ATM. I.5.2. Mạng nội bộ Cũng như mạng diện rộng, mạng nội bộ là một mạng truyền thông kết nối nhiều thiết bị với nhau và cung cấp một cơ chế trao đổi thông tin giữa các thiết bị. Có một vài điểm khác biệt chính giữa mạng LAN và mạng WAN: - Phạm vi địa lý của mạng LAN là nhỏ, thông thường trong phạm vi một toà nhà hoặc một nhóm các toà nhà gần nhau. Sự khác nhau về phạm vi khoảng cách địa lý dẫn đến sự khác nhau về giải pháp công nghệ giữa mạng LAN và mạng WAN. - 11 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin - Thông thường mạng các trang thiết bị trong mạng LAN do cùng một tổ chức nào đó sở hữu. Với mạng WAN, trường hợp này rất hiếm khi xảy ra bởi các tài sản quan trọng của mạng WAN không chỉ do một tổ chức duy nhất nào đó sở hữu. - Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng LAN thường cao hơn nhiều so với tốc độ truyền dữ liệu trên mạng WAN. Theo truyền thống, mạng nội bộ thường sử dụng cách tiếp cận kiểu mạng quảng bá (broadcast network) hơn là cách tiếp cận kiểu mạng chuyển mạch (swiching network). Với một mạng truyền thông kiểu quảng bá, không có các nút chuyển mạch trung gian. Tại mỗi một trạm, có một thiết bị truyền/nhận (transmitter/receiver) sẽ đảm nhận nhiệm vụ truyền thông qua một môi trường truyền được chia sẻ chung với các trạm khác. Một bản tin truyền từ một trạm bất kỳ sẽ được quảng bá tới tất cả các trạm còn lại. Ta sẽ quan tâm đến các mạng được sử dụng để kết nối các máy tính, các trạm làm việc (workstations) và các thiết bị số khác. Trong trường hợp này, dữ liệu thường được truyền theo các gói (packets). Bởi vì môi trường truyền được chia sẻ chung cho nên tại mỗi một thời điểm, chỉ có một trạm được phép truyền dữ liệu. Thời gian gần đây, các mạng LAN chuyển mạch đã bắt đầu xuất hiện. Hai ví dụ nổi bật về mạng LAN chuyển mạch là ATM LAN và Fibre Channel. I.6. Sự chuẩn hóa − Hệ thống đóng: Là các hệ thống phần cứng và phần mềm truyền số liệu chỉ chạy được trên các máy tính của chính các nhà sản xuất ra các sản phNm phàn cứng và phần mềm này. =>Các hệ thống máy tính được sản xuất khác nhau ko thể giao tiếp hay liên lạc đựoc với nhau. − Hệ thống mở: Mục đích: Để các hệ thống máy tính của các nhà sản xuất khác nhau giao tiếp được với nhau. Để thực hiện được việc này các nhà sản xuất máy tính phải tuân thủ các chuNn giao tiếp được xây dựng bởi các tổ chức quốc tế có nhiều năm làm việc với mạng truyền dẫn công cộng. ISO (International standard organization - tổ chức tiêu chuNn quốc tế ) : đã đưa ra tiêu chuNn đầu tiên về kiến trúc tổng thể của một hệ thống thông tin hoàn chỉnh và gọi là mô hình tham chiếu OSI cho liên kết các hệ thống mở OSI(Open system interconnection) . Mục đích ISO là cung cấp khuôn mẫu cho sự phối hợp phát triển các chuNn hiện có phù hợp với khuôn mẫu này. I.7. Mô hình OSI − 4 tầng thấp: Vật lý(1), liên kết dữ liệu(2), mạng(3), giao vận(4). Quan tâm đến việc truyền dữ liệu giữa các hệ thống cuối( end system) qua phương tiện truyền thông. − 3 tầng cao: Phiên(5), trình diễn(6), ứng dụng(7). Đáp ứng các yêu cầu và các ứng dụng của người sử dụng. - 12 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Hình 1.6 − Môi trường mạng: Liên quan đến giao thức và các tiêu chuNn thuộc về các dạng khác nhau của hạ tầng cơ sở mạng truyền số liệu. − Môi trường OSI: Bao gồm môi trường mạng, các giao thức và các tiêu chNn hướng ứng dụng để cho phép các hệ thống đầu cuối liên lạc với đầu cuối khác theo phương thức mở. − Môi trường hệ thống thực: Xây dựng lên môi trường OSI, liên quan đến các dịch vụ và phần mềm đặc trưng của các nhà chế tạo. Mô hình OSI gồm 7 tầng: 7.1 Tầng ứng dụng – Application Layer Ví dụ chúng ta dùng ứng dụng internet explorer ở máy vi tính A, nhập vào 1 URL(Universal Resource Locator) ví dụ như vào hộp chữ Address để theo học khoá CCNA của CNTT-TNUFIT. Internet Explorer chạy trong máy A muốn đối thoại trực tiếp với Web server của CNTT-TNUFIT(máy vi tính B) để yêu cầu gởi về trang chủ và hiển thị trang này trên máy A của ta. Tuy nhiên là tầng 7(Application) chỉ chịu tránh nhiệm về ứng dụng và giao diện của người sử dụng chứ không nối trực tiếp với ứng dụng của Web server trên máy tính B nên máy A lên nó sẽ đóng gói chuyển xuống tầng kế, tầng thứ 6(Presentation Layer). Đó là lý do vì sao mà ta biểu hiện một đường nối mà không có liên lạc giữa hai tầng Application. Khi đóng gói gởi đi như vậy, Application cNn thận ghi rõ chi tiết thông tin của tầng mình vào một chỗ gọi là Header. Trong ví dụ này thì Layer 7 Header bao gồm mọi thông tin về ứng dụng IE để Web server của máy B hiểu phải làm gì để thoả mãn - 13 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin nhu cầu của máy B. 7.2.Tầng trình diễn – Presentation Layer Tầng này chịu trách nhiệm phiên dịch hay chuyển mã nguồn từ dạng này qua dạng khác, mục đích cho người gởi (máy A) và người nhận (máy B) hiểu nhau. Ví dụ như máy A có thể dùng ASCII nhưng máy B lại dùng UNICODE. Cũng giống như tầng Application, tầng Presentation của máy A không đối thoại trực tiếp với tầng Presentation của máy B(Web server) nên lại đóng gói gởi xuống tầng kế, tầng 5: tầng Sesion. Khi đóng gói gởi đi, Presentation của máy B cNn thận ghi rõ chi tiết thông tin của tầng mình vào Layer 6 Header. Trong trường hợp này, user data của tầng 6 bao gồm header của tầng 7 và user data của tầng 7. 7.3. Tầng phiên – Sesion Layer Tầng này chịu trách nhiệm thành lập, quản lý và kiểm tra các kết nối giữa máy A và máy B, đồng thời cũng chịu trách nhiệm trao đổi, quản lý các đối thoại hay trao đổi quản lý các dữ kiện giữa các tầng presentation của máy A và máy B. Ngoài ra, còn cung cấp các dự tính sao cho việc quản lý dữ kiện hiệu quả, chất lượng(COS – Class of Service) và quản lý, báo cáo các ngoại lệ nếu có. Tầng Sesion của máy A không đối thoại trực tiếp với tầng Sesion của máy B, nên nó lại đóng gói gởi xuống tầng kế, tầng 4: tầng giao vận. Khi đóng gói gởi đi tầng Sesion cNn thận ghi rõ chi tiết thông tin của tầng mình vào Layer 5 Header. 7.4.Tầng giao vận – Transport Layer Tầng Transport chịu trách nhiệm quản lý và chuyển vận dữ kiện giữa hai máy A và B. Sự vận chuyển dữ liệu có tin cậy hay không thực hiện ở tầng này. Dữ kiện ở đây là (User data) được chia thành các đơn vị dữ kiện nhỏ hơn gọi là segment khi chuyển qua phương thức Packet switching(cắt các chuỗi dữ kiện data stream thành các đơn vị nhỏ hơn và chuyển vận từng đơn vị đó một cách độc lập thường xuyên). Các đơn vị nhỏ này sẽ được tái hợp trở lại thành user data ở máy B. Tầng Transport dùng 2 quy ước: − TCP(Transport Control Protocol): cho sự vận chuyển tin cậy − UDP(User Datagram Protocol):cho sự vận chuyển cố gáng, hiệu quả tới đâu hay tới đó và không cần biết dữ kiện đi tới nơi an toàn hay không. Tầng Transport của máy A không đối thoại trực tiếp với tầng Transport của máy B, nên nó lại đóng gói gởi xuống tầng kế, tầng 3: tầng giao mạng. Khi đóng gói gởi đi tầng Transport cNn thận ghi rõ chi tiết thông tin của tầng mình vào Layer 4 Header. 7.5.Tầng mạng – Network Layer - 14 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Tầng Network chịu trách nhiệm quản lý các tuyến đường chuyển vận dữ kiện giữa 2 máy A và B. Đây chính là chỗ hoạt động của thiết bị Router hay Gateway. Các đơn vị dữ kiện ở tầng này gọi là packets được chuyển vận theo kiểu điện tín (datagram) không tin cậy. Sự vận chuyển dữ kiện tin cậy hay không được phó thác cho tầng Transport với quy ước TCP. Ở đây tầng Network chỉ chuyển các đơn vị dữ kiện theo phấn đoán của mình, ví dụ như: điện tín đi Hà Nội qua cổng A, điện tín qua Thái Nguyên đi cổng B Nếu điện tín quá dài tầng này có nhiệm vụ cắt thành các đơn vị dữ kiện nhở hơn, có đánh số cho dễ phân biệt. Sự cắt nhỏ này gọi là fragmentation. Các đơn vị nhỏ này sẽ được tái hợp trở lại (de-fragmentation) ở tầng mạng của máy B. Tầng Network của máy A không đối thoại trực tiếp với tầng Network của máy B, nên nó lại đóng gói gởi xuống tầng kế, tầng 2: tầng liên kết dữ liệu. Khi đóng gói gởi đi tầng Network cNn thận ghi rõ chi tiết thông tin của tầng mình vào Layer 3 Header. Một trong những thông tin quan trọng header tầng này có thẻ kể là địa chỉ IP(Internet Protocol Address) cuar nguồn gởi(source address) và nguồn nhận(destination address). Các IP này phải là duy nhất, không đựoc trùng hợp. 7.6.Tầng liên kết dữ liệu – Data Link Layer Tầng Data Link chịu trách nhiệm soạn thảo khuôn dạng cho việc chuyển vận dữ kiện và kiểm tra sự xuất nhập các frames vào tầng dưới(Physical). Hay là đóng khung chuỗi dữ kiện trước khi chuyển xuống tầng kế dưới. Tầng này cũng chịu trách nhiệm rà tìm và điều chỉnh lỗi đảm bảo việc chuyển vận tin cậy. Tầng Data Link kết hợp chặt chẽ với tầng Physical qua địa chỉ MAC(Media Access Control Address) của NIC(Network Interface Card) gắn trong máy vi tính. MAC address gồm 48 bit như sau: Broadcast 22 bits Local bit 24 bits VA bit OUI − Broadcast bit=1: báo cho nơi nhận là frame broadcast(truyền cho tất cả) hay multicast(riêng một nhóm). − Local bit=1:cho mạng cục bộ − 22 bits OUI(Organizational Unique Identifier): dành riêng cho mỗi công ty chế tạo NIC. Mỗi công ty có một số OUI khác nhau do IEEE(Hiệp hội kỹ sư điệ, điện tử) quy định. − 24 bit VA: do mỗi công ty quy định(Vendor Asigned) cho mỗi nic Tầng Data Link của máy A không đối thoại trực tiếp với tầng Data Link của máy B, nên nó lại đóng gói gởi xuống tầng kế, tầng cuối cùng: tầng liên vật lý. Khi đóng gói gởi đi tầng Network cNn thận ghi rõ chi tiết thông tin của tầng mình vào Layer 2 Header. Một trong những thông tin quan trọng trong header của tầng này có thể nói là địa chỉ MAC của nguồn gởi(source address) và nguồn nhận(destination address). 7.7.Tầng vật lý – Physical Layer - 15 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Tầng này định rõ các chi tiết kỹ thuật, ví dụ như: dòng điện thế, chu kỳ, tần số, khoảng cách truyền, các đầu nối, dòng điện tử, phương thức, thủ tục và chức năng, . . . để khởi động, quản lý, bảo trì hay đóng mở các nối nhằm yểm trợ sự vận chuyển dữ kiện giữa 2 máy A, B. Từ đó máy vi tính nối liền vào mạng điện toán(Computer Network) chằng chịt qua dủ loại thiết bị như: internal hay external analog modem với PSTN, X25, ISDN, ADSL, Cable, Optical Fibre, leased line, Frame relay, ATM, và qua các công ty viễn thông và cung cấp dịch vụ ISP(Internet Service Provider). Bà trong trường hợp mạng cục bộ LAN phổ biến nhất là Category 5, còn gọi là UTP(UnShielded Twist Pair). Như vậy một cách tổng quan, tầng Physical chịu trách nhiện vận chuyển các chuỗi (streams) những số 0(đóng OFF hay False) và 1( mở ON hay True) trong hệ thống nhị phân. Các chuỗi 0, 1 này được gọi là bit. Các chuỗi này bao gồm các thông tin từ tầng 2 đến tầng 7. Các chuỗi này khi được vận chuyển từ máy A tới máy B sẽ được xử lý từ tầng 1(tầng physical) nối với máy B đi ngược trở lên tầng 7(Application). Máy B có thể được kết nối với máy A qua mạng cục bộ hoặc mạng toàn cầu. Cứ mỗi khi dữ liệu được vận chuyển đến tầng nào thì tầng đó sẽ tam khảo trong Header của tầng mình, xử lý thích ứng và sau đó tháo bỏ header(de- encapsulation) của mình để chuyển lên tầng kế. Cuối cùng, dữ kiện(user data) của máy A được đến máy B, trong trường họp này là máy cung cấp dịch vụ về mạng(web server) của CNTT-TNUFIT. Máy B(CNTT-TNUFIT web server) hiểu rõ yêu cầu máy A và gởi về trang chủ (Home Page) của CNTT-TNUFIT. Streams of BITS - 16 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin CHƯƠNG II – TRUYỀN DỮ LIỆU Việc truyền dữ liệu phụ thuộc vào hai yếu tố chính: chất lượng của tín hiệu được truyền và các đặc tính của môi trường truyền. Mục tiêu của chương này và chương tiếp theo là cung cấp cho bạn đọc những kiến thức cơ bản về hai nhân tố này. Mục đầu tiên của chương sẽ đưa ra một số khái niệm và thuật ngữ trong lĩnh vực truyền thông; các khái niệm và thuật ngữ này nhằm giúp cho bạn đọc đi qua toàn bộ các phần còn lại của chương. Mục 2.2 đưa ra cách sử dụng các thuật ngữ tương tự (analog) và số (digital) trong truyền thông. Dữ liệu tương tự (analog data) hoặc dữ liệu số (digital data) có thể được truyền bằng cách sử dụng tín hiệu tương tự (analog signal) hoặc tín hiệu số (digital signal). Hơn nữa các công nghệ xử lý tín hiệu trung gian trên giữa điểm nguồn và điểm đích lại có thể công nghệ tương tự hoặc công nghệ số. Mục 2.3 xem xét về một loại các loại nhân tố gây suy giảm chất lượng tín hiệu. Các nhân tố này có thể gây ra lỗi trên dữ liệu trong quá trình truyền. Các nhân tố gây suy giảm chất lượng tín hiệu chính bao gồm: sự suy giảm tín hiệu, méo trễ thời gian và các dạng nhiễu. II.1. Một số khái niệm và thuật ngữ II.1.1. Một số thuật ngữ truyền thông - Môi trường truyền có thể phân thành 2 loại là hữu tuyến (guided media) và vô tuyến (unguided media). Môi trường truyền hữu tuyến: Tín hiệu truyền được truyền theo một hướng dọc theo một con đường vật lý nào đó. Ví dụ như cáp đôi xoắn (twisted pair cable), cáp đồng trục (coaxial cable) và cáp quang (fiber optic cable). Môi trường truyền vô tuyến: Không có sự dẫn hướng tín hiệu truyền. Ví dụ như việc truyền trong không khí, chân không hoặc nước biển. - Liên kết trực tiếp (direct link): Là đường truyền kết nối giữa 2 thiết bị truyền và nhận, không qua các thiết bị trung gian (có thể qua các bộ lặp (repeater) hoặc tăng cường tín hiệu (amplifier)) - Cấu hình của các môi trường truyền hữu tuyến có thể ở dạng điểm - điểm (point – to – point) hoặc đa điểm (multipoint). Dạng điểm-điểm: Chỉ có 2 thiết bị chia sẻ môi trường truyền. Dạng đa điểm: Có nhiều hơn 2 thiết bị cùng chia sẻ môi trường truyền. - Việc truyền tin có thể theo dạng đơn công (simplex), bán song công (half-duplex) hoặc song công (duplex). Kiểu đơn công: Tại mọi thời điểm, tín hiệu chỉ truyền theo một chiều. Kiểu bán song công: Tín hiệu có thể truyền theo 2 chiều nhưng tại một thời điểm chỉ có thể truyền theo một chiều. Kiểu song công: Cả 2 trạm đều có thể truyền tín hiệu đồng thời. - 17 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin (a) Mô hình điểm - điểm Transmitte Amplifier Transmitte Medium Medium r/receiver or repeater r/receiver 0 hoặc nhiều (b) Mô hình đa điểm Transmitte Transmitte Transmitte Transmitte r/receiver r/receiver r/receiver r/receiver Amplifier Medium Medium or repeater 0 hoặc nhiều Hình 2.1 Các cấu hình môi trường truyền hữu tuyến II.1.2.Tần số, phổ và dải thông (Frequency, Spectrum and Bandwidth). Trong cuốn sách này, chúng ta sẽ tập trung vào các tín hiệu điện từ, tín hiệu mà được sử dụng để truyền dữ liệu. Tín hiệu được thiết bị truyền sinh và được truyền đến thiết bị nhận. Tín hiệu này là một hàm của thời gian nhưng nó cũng có thể được biểu diễn bằng một hàm của tần số (frequency); đó là, tín hiệu bao gồm nhiều thành phần tần số khác nhau. Việc xem xét và nghiên cứu về tín hiệu theo miền tần số (frequency- domain view) là quan trọng hơn việc tìm hiểu tín hiệu theo miền thời gian (time- domain-view). 2.1.Biểu diễn tín hiệu theo miền thời gian - Khi biểu diễn theo miền thời gian, tín hiệu được chia thành 2 loại là tín hiệu liên tục (continuous) hoặc tín hiệu rời rạc (discrete). Tín hiệu liên tục là một dạng tín hiệu mà cường độ (intensity) của tín hiệu biến đổi dạng một đường trơn (smooth fashion) theo thời gian. Nói cách khác, không có điểm gãy hoặc không liên tục trên đường biểu diễn tín hiệu. Tín hiệu rời rạc là tín hiệu có cường độ duy trì bằng một giá trị hằng của của nó trong một số khoảng thời gian và sau đó lại thay đổi đến một mức hằng số khác. Tín hiệu liên tục có thể biểu diễn tiếng nói còn tín hiệu rời rạc có thể dùng để biểu diễn các giá trị bit 1 hoặc 0. Biên Biên độ độ thời gian thời gian (a) Tín hiệu liên (a) Tín hiệu rời rạc Hình 2.2 Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc - 18 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin - Tín hiệu tuần hoàn (periodic signal) là loại tín hiệu có dạng lặp lại qua thời gian. Nếu x(t) là hàm biểu diễn tín hiệu và thoả mãn x(t + T) = x(t) với -∞ < t < +∞ với T là một giá trị hằng gọi là chu kỳ (period) của tín hiệu tín hiệu được biểu diễn bởi hàm x(t) là tín hiệu tuần hoàn - Sóng hình sin là một loại tín hiệu liên tục cơ bản (fundamental continuous signal) với hàm biểu diễn x(t) = A.sin(2πft+φ). - A gọi là biên độ (amplitude), là giá trị lớn nhất mà cường độ tín hiệu đạt được theo thời gian và thường được đo bằng đơn vị là Volts hay Watts. - f gọi là tần số (frequency), là số chu kỳ lặp lại của tín hiệu trong thời gian 1 giây và có đơn vị là Hertz (Hz). Nếu T là chu kỳ của tín hiệu thì f = 1/T. - φ là độ đo vị trí quan hệ theo thời gian trong một chu kỳ của tín hiệu. - Bước sóng (wavelength) λ của tín hiệu là độ dài di chuyển được trong một chu kỳ của tín hiệu. Nếu v là vận tốc (velocity) của tín hiệu thì λ = v.T hay v = λ.f 2.2.Biểu diễn tín hiệu theo miền tần số. Phân tích Fourier của tín hiệu: Một tín hiệu tuần hoàn bất kỳ biểu diễn bởi hàm x(t) có thể được phân tích thành tổng của các thành phần tín hiệu dạng sin và cos. ∞ ∞ x(t) = ∑ an cos(2πnf 0t) +∑ bn sin(2πnf0t) (1) n=0 n=1 Với: T T T bn = x(t)sin(2πf0t)dt a = x(t)dt an = x(t)cos(2πf0t)dt ∫ 0 ∫ ∫ 0 0 0 Có thể chuyển đổi công thức (1) thành công thức chỉ có dạng cos như sau: ∞ x(t) = c0 + ∑ cn cos(2πnf 0t + φn ) n=1 2 2 Với c0=a0, cn = an + bn , ⎛ b ⎞ −1 ⎜ n ⎟ φn = − tan ⎜ ⎟ ⎝ an ⎠ Ví dụ: Xét tín hiệu được biểu diễn bởi hàm x(t) sau: 1 x(t) = sin(2πf t) + sin(2π (3 f t)) 1 3 1 Các thành phần của tín hiệu này đều là các tín hiệu hình sin với tần số là f1 và 3f1; phần a và b của hình này biểu diễn các tín hiệu thành phần riêng rẽ. Có một vài điểm thú vị có thể nhận thấy từ các phần của hình vẽ 2.3 là: - Tần số thứ hai là bội số nguyên lần của tần số thứ nhất. Khi mọi thành phần tần số của một tín hiệu đều là bội số nguyên lần của một tần số thì tần số nhỏ nhất được gọi là tần số cơ bản (fundamental frequency). - 19 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin - Chu kỳ của một tín hiệu tổng hợp có giá trị bằng với chu kỳ của thành phần tín hiệu có tần số bằng với tần số cơ bản. Tần số của thành phần sin(2πf1t) là T=1/f1 và chu kỳ của tín hiệu s(t) cũng là T, như ta thấy trên hình 2.3c. 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0T (a)sin(2πf1t) 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0T (b)sin(2π(3f1)t) 1.0 0.5 0 -0.5 -1.0 2.0T 0.0 0.5 1.0 1.5 (c)sin(2πf1t)+sin(2π(3f1)t) Hình 2.3 Các thành phần của tần số Có thể thấy rằng, bằng cách sử dụng phép phân tích Fourier, bất kỳ một tín hiệu nào cũng có thể được tạo thành bởi nhiều thành phần tín hiệu dạng sin với nhiều tần số khác nhau. Kết quả này có ý nghĩa cực kỳ quan trọng bởi vì các loại tín hiệu đều có thể được biểu diễn dưới dạng các tần số của một loại tín hiệu cơ bản. - 20 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Hình 2.4 Biểu diễn các miền tần số Do đó, chúng ta có thể nói rằng với mỗi một tín hiệu, có một hàm theo miền thời gian s(t) dùng để xác định giá trị tín hiệu tại mỗi một thời điểm. Tương tự như vậy, có một hàm theo miền tần số s(f) dùng để xác định các tần số thành phần của tín hiệu. Hình vẽ 2.4a biểu diễn hàm theo miền tần số của tín hiệu có trong hình vẽ 2.3c. Chú ý rằng trong trường hợp này, hàm S(f) là rời rạc. Hình vẽ 2.4b biểu diễn hàm theo miền tần số của tần số của một xung vuông có giá trị bằng 1 trong khoảng thời gian –X/2 đến X/2, và bằng 0 trong các thời điểm khác. Chú ý rằng trong trường hợp này S(f) là liên tục, và nó luôn có giá trị khác 0 cho dù cường độ của các thành phần tần số trở nên nhỏ hơn khi mà giá trị tần số trở nên lớn hơn. Đặc tính này là phổ biến đối với các tín hiệu trong thực tế. Phổ (spectrum) của một tín hiệu là miền các tần số mà tín hiệu đó có. Với tín hiệu trong Hình 2.3c, phổ của tín hiệu bao trùm từ f1 đến 3f1. Dải thông tuyệt đối (absolute bandwidth) của một tín hiệu là độ rộng của phổ. Trong trường hợp Hình 2.3c, dải thông tuyệt đối của tín hiệu là 2f1. Rất nhiều tín hiệu, chẳng hạn như tín hiệu được biểu diễn bằng Hình 2.4b, có một dải thông bằng vô cùng. Tuy nhiên, hầu hết năng lượng của tín hiệu được tập trung vào một dải hẹp các thành phần tần số. Dải tần - 21 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin số mà năng lượng tín hiệu tập trung vào được gọi là dải thông thực (effective bandwidth) hay còn gọi là dải thông (bandwidth). Hình 2.5 Thành ph ần tín hiệu một chiều của tín hiệu Một thuật ngữ cuối cùng được định nghĩa là thành phần một chiều (dc component). Nếu một tín hiệu có một thành phần có giá trị hằng khi tần số bằng không thì đây là thành phần một chiều của tín hiệu. Ví dụ, Hình 2.5 là kết quả của việc thêm thành phần một chiều vào Hình 2.4. Khi không có thành phần một chiều, tín hiệu sẽ có giá trị biên độ trung bình bằng không, như đã nhìn thấy trong miền thời gian. Với tín hiệu có thành phần một chiều, giá trị biên độ trung bình của tín hiệu sẽ khác không. Mối quan hệ giữa tốc độ truyền (data rate) dữ liệu và dải thông (bandwidth) Khái niệm về dải thông thực đôi khi còn là khái niệm hơi mơ hồ. Chúng ta đã nói rằng dải thông thực là dải tần số mà hầu hết năng lượng tín hiệu tập trung vào đó. Từ “hầu hết” ở đây vẫn còn là chung chung. Điều quan trọng đưa ra ở đây là, mặc dù một dạng tín hiệu cho trước có thể chứa nhiều thành phần tần số trong một dải tần rất rộng nhưng trên thực tế bất kỳ một môi trường truyền nào cũng chỉ đáp ứng được việc - 22 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin truyền một dải hữu hạn các tần số của tín hiệu. Điều này làm giới hạn tốc độ truyền dữ liệu được tín hiệu mang đi trên môi trường truyền. Để cố gắng giải thích các mối quan hệ này, hãy xem xet sóng vuông của Hình sau: Giả sử rằng xung âm biểu diễn giá trị 0 và xung dương biểu diễn giá trị 1 thì dạng sóng vuông này sẽ biểu diễn một chuỗi nhị phân 1010 Khoảng thời gian của mỗi xung là 1/2f1; do đó, tốc độ truyền dữ liệu là 2f1 bit trên giây (bits per second – bps). Vậy đâu là các thành phần tần số của tín hiệu này? Để trả lời câu hỏi này, ta hãy xét lại tín hiệu trong Hình 2.3. Bằng cách cùng thêm các sóng hình sin với tần số f1 và 3f1, ta đã có một tín hiệu có dạng sóng gần giống với sóng vuông. Ta tiếp tục tiến trình này bằng cách thêm vào một sóng hình sin có tần số 5f1, được minh họa trong hình 2.6a, và sau đó thêm tiếp vào sóng hình sin có tần số 7f1, được minh họa trong hình 2.6b. Khi chúng ta thêm càng nhiều các thành phần sóng hình sin có tần số lẻ vào thì sóng tổng hợp có dạng càng gần với dạng của sóng vuông. Có thể thấy rằng các thành phần tần số của một sóng vuông có thể được biểu diễn như sau: - 23 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin ∞ 1 s(t) = A× ∑ sin( 2πkf1t) k odd, k=1 k Do đó, dạng sóng này có một số lượng các thành phần tần số vô hạn và vì vậy dải thông của nó bằng vô cùng. Tuy nhiên, biên độ của thành phần thứ k là 1/k, do đó, hầu hết năng lượng của tín hiệu có dạng sóng này tập trung vào một vài thành phần tần số đầu. Điều gì sẽ xảy ra nếu ta giới hạn dải thông thực của tín hiệu chỉ có 3 thành phần tần số đầu? Ta có thể nhìn thấy ngay câu trả lời trong Hình 2.6a. Như ta thấy, dạng của tín hiệu kết quả tương đối giống với tín hiệu sóng vuông nguyên thủy. Hình 2.6 Các thành phần tần số của một sóng vuông Ta có thể sử dụng Hình 2.3 và Hình 2.6 để minh họa mối quan hệ giữa tốc độ truyền dữ liệu và dải thông. Giả sử rằng ta đang sử dụng một hệ thống truyền số có - 24 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin khả năng truyền tín hiệu với dải thông là 4 MHz. Chúng ta sẽ thử truyền một chuỗi các bit 1 và 0 đan xen nhau như là dạng sóng vuông được biểu diễn trong Hình 2.6c. Tốc độ truyền dữ liệu đạt được sẽ là bao nhiêu? Chúng ta sẽ thử xấp xỉ sóng vuông nguyên thủy bằng dạng sóng trong Hình 2.6a. Mặc dù dạng sóng này là “sóng vuông méo” nhưng nó cũng đã đủ gần giống với sóng vuông nguyên thủy để các thiết bị nhận có 6 thể phân biệt được các giá trị bit 1 và 0 mà tín hiệu biểu diễn. Bây giờ, cho f1=10 MHz thì dải thông của tín hiệu 1 1 s(t) = sin((2π ×106 )t) + sin((2π × 3×106 )t) + sin((2π × 5×106 )t) 3 5 6 6 là (5 x 10 ) – 10 = 4 MHz. Chú ý rằng f1=1 MHz, do đó, chu kỳ của tần số cơ bản là T = 1/106 = 10-6 = 1μs. Do đó, nếu ta coi dạng sóng này như là một chuỗi các bit 1 và bit 0, thì mỗi bit chiếm một khoảng thời gian là 0,5μs. Vì vậy, tốc độ truyền dữ liệu là 1/(0,5x10-6) = 2 Mbps. Vậy, với dải thông là 4 MHz thì tốc độ truyền dữ liệu của dạng sóng này là 2 Mpbs. Giờ đây, giả sử rằng ta có một dải thông là 8 MHz. Ta hxy xem lại Hình 2.8a nhưng giờ đây f1 = 2 MHz. Sử dụng suy luận tương tự như trên, ta tính được tốc độ truyền dữ liệu của sóng trong trường hợp này là 4 Mbps. Vì vậy ta có thể suy ra rằng khi ta nhân đôi độ rộng dải thông, ta có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu gấp đôi. Bây giờ giả sử rằng dạng sóng trong Hình 2.3c là đủ để xấp xỉ với dạng sóng vuông nguyên thủy. Đó là sự khác nhau giữa xung dương và xung âm trong Hình 2.5c đủ để phân biệt giữa bit 1 và bit 0 mà chúng biểu diễn. Cho f1 = 2 MHz. Sử dụng suy luận giống như trên ta có dải thông của tín hiệu trong Hình 2.5c là (3 x 2 x 106) – (2 x 6 10 ) = 4 MHz. Nhưng trong trường hợp này, T=1/f1=0,5μs, kết quả là mỗi bit chiếm một khoảng thời gian là 0,25μs và tốc độ truyền bit sẽ là 4 Mbps. Như vậy ta thấy rằng cùng một dải thông có thể hỗ trợ nhiều loại tốc độ truyền dữ liệu khác nhau phụ thuộc vào các yêu cầu của thiết bị nhận. Ta có thể đưa ra các kết luận cuối cùng sau đây dựa trên các quan sát ở trên. Nói chung, bất kỳ một dạng sóng tín hiệu số nào cũng đều có một dải thông vô hạn. Nếu ta cố gắng truyền dạng sóng này như là một tín hiệu qua một môi trường truyền bất kỳ, bản chất tự nhiên của môi trường truyền sẽ giới hạn dải thông có thể truyền được. Hơn nữa, với một môi trường truyền cho trước nào đó, nếu dải thông cần truyền càng lớn thì giá thành truyền sẽ càng đắt. Do đó, một mặt, các lý do kinh tế và giới hạn dải thông của tín hiệu truyền thông tin số. Mặt khác, việc giới hạn dải thông của tín hiệu sử dụng để truyền dữ liệu sẽ tạo ra các hiệu ứng méo làm cho việc thông dịch thông tin mà tín hiệu mang trở nên khó khăn hơn. Tín hiệu càng có dải thông hạn chế thì độ méo càng lớn và khả năng lỗi xảy ra khi thiết bị thu nhận tín hiệu càng nhiều. - 25 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Xung nhịp trước khi truyền Xung sau khi truyền Hình 2.7 Dải thông thực trên một tín hiệu số. Nhiều minh họa trong Hình 2.7 được đưa ra nhằm phục vụ cho việc khẳng định lại các nội dung vừa nói đến ở trên. Hình 2.7 đưa ra một chuỗi bit số với tốc độ truyền dữ liệu là 2000 bps. Với một dải thông từ 1700 đến 2500 Hz, việc biểu diễn các bit này là rất tốt. Hơn nữa, ta có thể tổng quát hóa từ điều này rằng: Nếu một tín hiệu số cần truyền dữ liệu với tốc độ W bps thì để cho tín hiệu này có thể biểu diễn được rất tốt dữ liệu, dải thông phải đạt được là 2W Hz; Tuy nhiên, ngoại trừ trường hợp nhiễu xuất hiện rất ít, dải thông dành cho mẫu bit bao giờ cũng nhỏ hơn dải thông của tín hiệu. Do đó, mối quan hệ trực tiếp giữa dải thông và tốc độ truyền dữ liệu là: tốc độ truyền dữ liệu càng cao thì dải thông thực đòi hỏi càng lớn. Nói cách khác, một hệ thống truyền có dải thông càng lớn thì tốc độ truyền dữ liệu mà hệ thống đáp ứng được càng cao. Một kết luận khác là: Nếu ta nghĩ rằng dải thông của một tín hiệu bao quanh một tần số được gọi là tần số trung tâm (center frequency) thì với tần số trung tâm càng lớn, dải thông tiềm năng và tốc độ truyền dữ liệu tương ứng sẽ càng cao. - 26 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin II.2. Truyền dữ liệu tương tự và dữ liệu số (Analog and digital data transmission) Trong việc truyền dữ liệu từ nguồn đến đích, những vấn đề liên quan là bản chất tự nhiên của dữ liệu, điều kiện vật lý thực tế để truyền dữ liệu và phương pháp xử lý hay hiệu chỉnh nào có thể được áp dụng trên đường truyền để đảm bảo rằng thiết bị thu có khả năng thông dịch dữ liệu khi nó nhận được. Với cả ba vấn đề trên, ta phải giải quyết với cả hai khái niệm là tương tự (analog) và số (digital). Các thuật ngữ tương tự và số cũng giống như các thuật ngữ liên tục (continuous) và rời rạc (discrete). Hai thuật ngữ này được sử dụng thường xuyên trong truyền thông dữ liệu với ít nhất là ba ngữ cảnh sau: - Dữ liệu (Data). - Tín hiệu (Signal) - Công nghệ truyền (Transmission). Chúng ta đã thảo luận trong chương 1 về sự khác nhau giữa dữ liệu và thông tin. Xét trên mục đích hiện tại, dữ liệu là các thực thể mạng thông tin. Tín hiệu có dạng điện hoặc điện từ là dạng mã hóa của dữ liệu. Cuối cùng, công nghệ truyền là phương pháp truyền dữ liệu bằng cách truyền và xử lý tín hiệu. Ta sẽ cố gắng làm rõ hơn các khái niệm trừu tượng này bằng cách thảo luận về các khái niệm tương tự và số trong cả ba ngữ cảnh này. II.2.1. Dữ liệu Có hai dạng dữ liệu là dữ liệu tương tự (analog data) và dữ liệu số (digital data). Dữ liệu tương tự có các giá trị liên tục theo thời gian. Chẳng hạn, tiếng nói (voice) hay video là các dạng dữ liệu tương tự vì cường độ của chúng liên tục biến đổi theo thời gian. Hầu hết các dữ liệu được thu nhận bởi các bộ cảm ứng (sensor) như nhiệt độ và không khí cũng có giá trị liên tục. Dữ liệu số là những dữ liệu có các giá trị rời rạc theo thời gian; ví dụ như văn bản (text) hoặc số nguyên (integer). Một ví dụ tiêu biểu của dữ liệu tương tự chính là dữ liệu âm thanh dưới dạng sóng âm mà tai của con người có thể thu nhận. Hình 2.8 biểu diễn phổ âm thanh của giọng nói con người. Các thành phần tần số có thể biến đổi từ 20 Hz đến 20 KHz. Mặc dù hầu hết năng lương của tín hiệu được tập trung tại các thành phần tần số thấp nhưng các kiểm nghiệm thực tế cho thấy rằng các thành phần tần số khoảng từ 600 đến 700 Hz có rất ít ý nghĩa đối với việc thu nhận và hiểu âm thanh của tai con người. Đường nét đứt phản ánh một cách chính xác hơn khả năng thu nhận và hiểu âm thanh. - 27 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Hình 2.8 Sự tăng gi ảm của phổ âm thanh Một ví dụ tiêu biểu khác về dữ liệu tương tự là dữ liệu video. Việc phân tích dữ liệu video là dữ liệu tương tự trên thiết bị hiển thị (TV) là dễ dàng hơn với việc phân tích trên thiết bị thu nhận dữ liệu (Camera). Để tạo ra hình ảnh trên màn hình, một tia electron sẽ quét qua bề mặt của màn hình từ trái sang phải và từ trên xuống dưới. Với màn hình TV đen trắng, độ sáng của một điểm bất kỳ trên màn hình phụ thuộc vào cường độ của tia electron quét qua nó. Do đó, tại một thời điểm bất kỳ nào, tia electron cũng phải có được một giá trị tương tự của cường độ để tạo ra được độ sáng thích hợp tại điểm mà nó quét qua trên màn hình. Hơn nữa, khi tiến trình quét của tia electron diễn ra, giá trị tương tự sẽ thay đổi liên tục. Vì vậy, hình ản video mới có thể được hiển thị như là một tín hiệu tương tự biến đổi liên tục theo thời gian. Hình 2.9a minh họa một tiến trình quét. Tại điểm cuối của mỗi một dòng quét, tia này sẽ quay lại một cách nhanh chóng về bên trái (trở về theo phương ngang – horizontal retrace). Khi tia này chạm tới đáy của màn hình, nó sẽ nhanh chóng quay lại về phía đỉnh của màn hình (trở về theo phương dọc – vertical retrace). Tia electron sẽ tắt đi trong quá trình trở về. Để đạt được độ phân giải thích hợp, tia electron này phải sinh ra tổng cộng là 483 dòng quét ngang với tốc độ quét là 30 lần quét hoàn thành màn hình trong một giây. Các kiểm nghiệm thực tế cho thấy rằng, tốc độ này vẫn sinh ra cảm giác nháy của mắt người khi xem hình ảnh trên màn hình. Tuy nhiên, hiện tượng nháy này được giải quyết bằng một tiến trình quét đan xen như là được minh họa trong hình 2.11b. Trong tiến trình quét đan xen, tia electron sẽ quét qua màn hình bắt đầu từ điểm xa nhất bên trái và rất gần với đỉnh. Tia này sẽ quét cho đến khi gặp điểm giữa ở đáy màn hình sau 241½ dòng quét. Tại điểm này, tia này sẽ di chuyển rất nhanh về điểm ở giữa và trên đỉnh của màn hình và quét qua 241½ dòng còn lại đan xen với các dòng vừa quét. Do đó, màn hình được làm tươi 60 lần trong một giây thay vì 30 lần trên giây và hiện tượng nháy đã được hạn chế rất nhiều. Chú ý rằng tổng cộng số dòng quét phải là 525. Trong số này, có 42 dòng quét trống khi quá trình trở về theo phương dọc của tia electron diễn ra. Như vậy sẽ còn lại 483 dòng quét thực sự trên màn hình. - 28 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Kết câu của một phạm vi hiển thị Hình 2.9 Hình ảnh hiển thị được tạo ra Một ví dụ tiêu biểu của dữ liệu số là văn bản (text) hay chuỗi ký tự. Trong khi dữ liệu dạng văn bản rất tiện lợi đối với con người thì việc lưu trữ hay truyền chúng ở dạng nguyên thủy đối với các hệ thống truyền không lại không hề dễ dàng. Những hệ thống này được thiết kế để làm việc đối với dữ liệu nhị phân. Do đó, người ta sử dụng một loại mã nhằm mã hóa ký tự bằng một chuỗi các bit. Mã xuất hiện sớm nhất theo dạng này là mã Morse. Ngày nay, loại mã được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới là mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) được tổ chức ANSI công bố chính thức. Với mã ASCII, mỗi một ký tự đuwocj biểu diễn bằng 7 bit duy nhất; do đó mã này có thể biểu diễn được tối đa là 128 ký tự khác nhau. Số lượng ký tự lớn như vậy mà mã này biểu diễn là rất cần thiết bởi vì có các dạng ký tự là ký tự điều khiển. Một số ký tự điều khiển được sử dụng để điều khiển quá trình in các ký tự trên một trang. Một số ký tự điều khiển khác liên quan đến các thủ tục truyền thông và sẽ được tiếp tục đề cập đến ở các phần sau. Các ký tự được mã hóa bằng mã ASCII luôn luôn được lưu trữ hoặc truyền ở dạng 8 bit cho 1 ký tự (một khối 8 bit được gọi là 1 octet hay 1 byte). Bit thứ 8 được gọi là bit parity được sử dụng cho việc phát hiện lỗi. Bit này được thiết lập giá trị dựa trên việc đếm tổng số bit 1 trong 7 bit là chẵn (parity chẵn) hay là lẻ (parity lẻ). Do đó, khi các lỗi khi truyền làm thay đổi một bit đơn thì dùng bit parity hoàn toàn có thể phát hiện được lỗi. - 29 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin II.2.2. Tín hiệu Trong một hệ thống truyền thông, dữ liệu được truyền từ một điểm này đến một điểm khác bằng ý nghĩa của các tín hiệu. Một tín hiệu tương tự là một dạng sóng điện từ biến đổi một cách liên tục được truyền qua nhiều môi trường truyền khác nhau phụ thuộc vào phổ của chúng. Một tín hiệu số là một chuỗi các xung hiệu điện thế (voltage pulses) có thể được truyền qua một môi trường truyền dẫn có dây; ví dụ, một hằng số hiệu điện thế dương có thể biểu diễn số 1 nhị phân và một hằng số hiệu điện thế âm có thể biểu diễn số 0 nhị phân. Các ví dụ: Ta sẽ tiếp tục xét đến 3 ví dụ đã đưa ra phần trước. Với mỗi một ví dụ, ta sẽ mô tả về tín hiệu và tìm cách ước lượng băng thông của chúng. Trong trường hợp dữ liệu âm thanh, dữ liệu có thể được biểu diễn trực tiếp bằng một tín hiệu điện từ có cùng trải phổ. Mặc dù, cần phải có một sự tính toán giữa độ chính xác của âm thanh và giá thành truyền thông (giá thành tăng khi dải thông tăng). Mặc dù phổ của tiếng nói xấp xỉ trong khoảng từ 20 Hz đến 20 kHz nhưng có thể sử dụng một phổ hẹp hơn để biểu diễn và phát sinh lại tiếng nói trong khả năng chấp nhận được. Phổ chuNn của một tín hiệu tiếng nói là từ 300 đến 3400 Hz đủ để phát sinh lại tiếng nói. Phổ chuNn này làm giảm được độ yêu cầu về khả năng truyền tải của môi trường truyền và nó cho phép người sử dụng có thể sử dụng hệ thống điện thoại với giá thành rẻ. Do đó, hệ thống truyền của điện thoại sẽ chuyển đổi tín hiệu âm thanh đầu vào thành một tín hiệu điện từ có tần số từ 300 đến 2400 Hz. Tín hiệu này sau đó sẽ được truyền qua hệ thống điện thoại đến hệ thống thu của điện thoại nhận và hệ thống này sẽ làm nhiệm vụ tái sinh lại tín hiệu âm thanh dựa trên tín hiệu điện từ mà nó nhận được. Bây giờ, chúng ta sẽ xem xét tín hiệu video. Tín hiệu này có một điều rất thú vị là nó bao gồm cả thành phần tương tự và thành phần số. Để sinh ra tín hiệu video, Camera thực hiện chức năng tương tự như TV. Một bộ phận của camera là đĩa cảm nhận hình ảnh dựa trên cảnh nào đang được quay. Một tia electron sẽ quét qua đĩa này từ trái sang phải và từ trên xuống dưới tương tự như đối với TV được minh họa trong hình 2.9. Trong khi tia này di chuyển, một tín hiệu điện tương tự sẽ được sinh ra và cường độ của nó phụ thuộc vào độ sáng của điểm tương ứng trong cảnh đang quay. Hình 2.10a minh họa 3 dòng của tín hiệu video. Trong hình vẽ này, màu trắng được biểu diễn bằng hiệu điện thế dương nhỏ hơn và màu đen được biểu diễn bằng hiệu điện thế dương lớn hơn. Ví dụ, dòng 3 là dòng biểu diễn cấp độ sáng trung bình tại hầu hết các điểm và biểu diễn độ sáng trắng tại vài điểm ở giữa. Khi tia electron này hoàn thành một dòng quét từ trái sang phải, nó sẽ quay lại theo chiều ngang về biên trái để tiếp tục tiến trình quét dòng tiếp theo. Trong thời gian tia này quay lại, hình ảnh là màu đen đối với cả camera và TV. Thành phần tín hiệu biểu diễn quá trình - 30 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin quay lại của tia electron là một xung điện dạng tín hiệu số và nó được gọi là “xung trống ngang” (“horizontal blanking pulse”). Để duy trì sự đồng bộ giữa thiết bị phát (camera) và thiết bị thu (TV), một xung đồng bộ (synchronization pulse) sẽ được gửi vào giữa mọi dòng quét của tín hiệu video. Xung đồng bộ này nằm trên đỉnh của xung trống tạo ra một tín hiệu số dạng bậc thang giữa các tính hiệu video tương tự liên tiếp nhau. Cuối cùng, khi tia electron này di chuyển đến đáy của màn hình, nó phải quay trở lại đỉnh và điều này yêu cầu các xung trống với thời gian diễn ra lớn hơn. Điều này được minh họa trên hình 2.10b. Xung trống dọc thực tế là một chuỗi các xung đồng bộ và các xung trống. Chi tiết về xung trống dọc không cần phải thảo luận ở đây. Tiếp theo, ta hãy xét đến thời gian của hệ thống. Ở phần trước ta đã biết rằng có tổng cộng 483 dòng được quét với tốc độ 30 lần quét hoàn thành trong 1 giây. Đây là khoảng thời gian xấp xỉ với khoảng thời gian quay trở lại theo chiều dọc. ChuNn thực tế của Mỹ là 525 dòng, nhưng trong số này, có 42 dòng bị mất trong quá trình quay trở 512 dòng lại theo chiều dọc. Do đó, tần số quét ngang là = 15750 dòng / giây hoặc 1 giây / 1 scan 30 63,5μs. Trong 63,5μs này, có 11μs là thời gian quay trở lại theo chiều ngang. Như vậy, còn lại tổng cộng là 52,5μs trên một dòng quét. Hình 2.10 Tín hiệu video Cuối cùng, ta sẽ tính toán dải thông cho tín hiệu video. Để làm được điều này, ta phải tính toán tần số lớn nhất và tần số nhỏ nhất của tín hiệu. Ta sẽ sử dụng suy luận - 31 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin sau đây để tính toán tần số lớn nhất: Tần số lớn nhất sẽ xảy ra khi cảnh quay là cảnh đan xen liên tiếp giữa màu đen và màu trắng. Ta có thể tính toán giá trị tần số lớn nhất bằng cách xem độ phân giải của hình ảnh video là bao nhiêu. Theo chiều dọc, có 483 dòng, vì vậy, độ phân giải tối đa theo chiều dọc là 483. Kiểm nghiệm thực tế cho thấy độ phân giải tối đa chỉ bằng 70% độ phân giải này cho nên độ phân giải tối đa thực tế theo chiều dọc sẽ là 338 dòng. Vì tỷ lệ chiều rộng: chiều cao của màn hình TV là 4:3 cho nên độ phân giải tối đa theo chiều ngang sẽ là 4 x 338/3 = 450 dòng. Trong trường hợp tồi nhất, một dòng quét sẽ bao gồm 450 thành phần đan xen giữa đen và trắng. Quá trình quét sẽ có kết quả là một dạng sóng với một chu kỳ của sóng sẽ bao gồm một mức hiệu điện thế cao (đen) và một mức hiệu điện thế thấp (trắng). Do đó, có 450/2=225 chu kỳ sóng trong 52,5μs. Vì vậy tần số lớn nhất của tín hiệu này sẽ vào khoảng 4 MHz. Tần số nhỏ nhất của tín hiệu sẽ là khi tín hiệu chỉ có thành phần 1 chiều (dc) hoặc có giá trị bằng 0. Như vậy, tần số nhỏ nhất của tín hiệu là bằng 0. Do đó, dải thông của tín hiệu video sẽ là 4 MHz – 0 MHz = 4 MHz. Phần chúng ta vừa thảo luận không xét đến các thành phần màu sắc và âm thanh của tín hiệu. Nếu tính đến cả các thành phần này thì tín hiệu video cũng vẫn chỉ có dải thông cỡ khoảng 4 MHz. Cuối cùng, ví dụ thứ ba được đưa ra ở trên là một trường hợp chung của dữ liệu số. Thông thường, tín hiệu được sử dụng để biểu diễn loại dữ liệu này bao gồm 2 mức giá trị hiệu điện thế hằng, một mức giá trị cho bit 1 và mức còn lại cho bit 0. (Trong Chương 4, ta sẽ thấy đó chính là mã NRZ). Điều này, với từng trường hợp cụ thể sẽ phụ thuộc vào dạng sóng và trình tự các bit 1 và 0. II.2.3. Mối quan hệ giữa dữ liệu và tín hiệu Trong phần trước, ta đã thấy các tín hiệu tương tự được sử dụng để biểu diễn dữ liệu tương tự và các tín hiệu số được sử dụng để biểu diễn dữ liệu số. Thông thường, dữ liệu tương tự là một hàm của thời gian và nó chiếm giữ một trải phổ tần số giới hạn; những dữ liệu loại này có thể được biểu diễn bằng một loại tín hiệu điện từ có cùng trải phổ. Dữ liệu số có thể được biểu diễn bằng các tín hiệu số, với các mức hiệu điện thế khác nhau tương ứng cho mỗi một số nhị phân. Hình vẽ 2.11 cho thấy rằng, không chỉ có hai trường hợp trên trong mối quan hệ giữa dữ liệu và tín hiệu. Dữ liệu số có thể được biểu diễn bằng các tín hiệu tương tự bằng cách sử dụng một bộ điều chế/giải điều chế (modem -modulator/demodulator). Modem sẽ chuyển đổi một chuỗi các xung điện nhị phân (2 mức hiệu điện thế) thành tín hiệu tương tự bằng cách điều chế dữ liệu số theo tần số của sóng mang. Tín hiệu kết quả sẽ có một trải phổ nhất định nào đó tập trung xung quanh tần số của sóng mang phù hợp với việc truyền sóng mang này qua môi trường truyền. Hầu hết các modem hiện nay đều biểu diễn dữ liệu số trong trải phổ của tiếng nói và do đó chúng cho phép sử dụng các đường điện thoại thông thường để truyền dữ liệu. Tại điểm cuối - 32 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin của đường điện thoại, một modem thứ hai được sử dụng để giải điều chế tín hiệu nhận được thành dữ liệu ban đầu. Dữ liệu được biểu diễn bằng sóng điện từ biến đổi liên tục Dữ liệu được biểu diễn bằng xung điện thế theo tần số Hình 2.11 Chuyển tín hiệu tương tự và tín hiệu số sang dữ liệu tương tự và dữ liệu số Để chuyển đổi dữ liệu tương tự thành các tín hiệu số, các bộ mã hóa/giải mã (codec – coder/decoder) sẽ được sử dụng. Bộ mã hóa sẽ lấy tín hiệu tương tự ở đầu vào và tìm cách xấp xỉ tín hiệu này bằng một chuỗi các bit nhị phân. Tại đầu thu, chuỗi bit này sẽ được sử dụng để xây dựng lại dữ liệu tương tự. Cuối cùng, Hình vẽ 2.11 nói lên rằng có thể mã hóa dữ liệu thành tín hiệu bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ta sẽ trở lại chủ đề này trong Chương 4. II.2.4. Công nghệ truyền. Ta đã xem xét sự khác nhau và mối quan hệ giữa dữ liệu và tín hiệu ở phần trước. Trong phần này, ta sẽ thấy được sự khác nhau cũng như mối quan hệ giữa công nghệ truyền và tín hiệu. Cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số đều có thể truyền được qua các môi trường truyền dẫn thích hợp. Bảng 2.1 tổng kết các công nghệ truyền. Với công nghệ truyền tương tự là công nghệ chỉ được sử dụng để truyền dữ liệu tương tự bằng cách chỉ thực hiện việc truyền dữ liệu tương tự đơn thuần mà không quan tâm đến nội dung của dữ liệu mà tín hiệu biểu diễn. Tín hiệu tương tự có thể sử dụng để biểu diễn cho cả dữ liệu tương tự và dữ liệu số. Trong cả hai trường hợp này, cường độ của tín hiệu tương tự sẽ yếu dần đi theo độ dài của đường truyền. Để đạt được khoảng cách truyền lớn hơn khoảng cách giới hạn do sự suy giảm cường độ tín hiệu, người ta sử dụng các bộ - 33 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin khuyếch đại (amplifier) để khuyếch đại cường độ của tín hiệu. Tuy nhiên khi khuyếch đại cường độ của tín hiệu thì đồng thời cường độ của nhiễu đi kèm tín hiệu cũng bị khuyếch đại. Vì vậy, khi sử dụng nhiều bộ khuyếch đại trên đường truyền, tín hiệu sẽ ngày càng bị méo đi. Với dữ liệu tương tự, tác động của hiện tượng méo đôi chút vẫn còn có thể chấp nhận được nhưng đối với dữ liệu số thì méo sẽ tác động gây ra lỗi đối với dữ liệu cần truyền. Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Có 2 phương pháp: (1): tín hiệu Dữ liệ u tương tự được mã hóa có cùng trải ph ổ với dữ liệu bằng cách sử dụng một bộ codec Dữ liệu tương tự; (2): dữ liệu tương tự để sinh ra chuỗi các bit số nhị tương tự được mã hóa sang một trải phổ phân. khác cho tín hiệu. Có 2 phương pháp: (1): tín hiệu có Dữ liệu số được điều chế bằng 2 mức hiệu điện thế biểu diễn 2 giá Dữ liệu số cách sử dụng một modem để trị nhị phân; (2): dữ liệu số được sinh ra tín hiệu tương tự mã hóa để sinh ra một tín hiệu số với các tính chất thích hợp. Bảng 2.1a Mối quan hệ giữa dữ liệu và tín hiệu Công nghệ truyền tương Công nghệ truyền ố Tín hiệu tương tự được Coi như tín hiệu tương tự biểu diễn dữ truyền qua các bộ khuyếch liệu số. Tín hiệu được truyền qua các Tín hiệu đại; tín hiệu tương tự biểu bộ lặp. Tại mỗi một bộ lặp, dữ liệu số tương tự diễn dữ liệu tương tự hay tín được khôi phục và sử dụng để tái sinh hiệu số đều được xử lý như tín hiệu tương tự mới để truyền đi. nhau. Tín hiệu số biểu diễn một chuỗi các Tín hiệu số bit 0 và 1. Tín hiệu này được truyền qua các bộ lặp. Tại mỗi một bộ lặp, Không sử dụng chuỗi bit này được khôi phục từ đầu vào và được sử dụng để tái sinh tín hiệu số mới ở đầu ra. Bảng 2.1b Mối quan hệ giữa tín hiệu và công nghệ ề Ngược lại, công nghệ truyền số lại quan tâm đến nội dung của dữ liệu mà tín hiệu truyền biểu diễn. Ta chỉ có thể truyền tín hiệu số trong một phạm vi giới hạn về khoảng cách trước khi độ suy giảm cường độ tín hiệu làm cho thiết bị thu không thể nhận ra được ý nghĩa của tín hiệu. Để đạt được khoảng cách truyền lớn hơn khoảng - 34 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin cách tới hạn này, người ta sử dụng các bộ lặp (repeater). Một bộ lặp sẽ nhận tín hiệu số ở đầu vào, lặp lại dạng các bit 1 và 0, sau đó phát sinh tín hiệu mới ở đầu ra. Kỹ thuật tương tự như trên cũng được sử dụng đối với tín hiệu tương tự nếu coi rằng tín hiệu này biểu diễn dữ liệu số. Mỗi một bộ lặp khi nhận được tín hiệu tương tự ở đầu vào sẽ phân tích tín hiệu này để nhận biết được dữ liệu số mà nó biểu diễn. Sau đó, nó sẽ sử dụng dữ liệu số mà nó phân tích được để tái sinh tín hiệu tương tự ở đầu ra. Bằng cách làm này, vấn đề nhiễu tác động vào tín hiệu không còn bị tăng cường cường độ lên dần qua các thiết bị chuyển tiếp như đối với công nghệ truyền tương tự sử dụng các bộ khuyếch đại. Một câu hỏi tự nhiên sẽ phát sinh ở đây là đâu là công nghệ thích hợp cho việc truyền dữ liệu; câu trả lời đối với ngành công nghiệp truyền thông hiện tại và các khách hàng là công nghệ truyền số, mặc dù sự đầu tư cho cơ sở hạ tầng truyền thông tương tự đã là rất lớn ở thời gian trước. Ngày nay, kể cả các hệ thống truyền thông ở khoảng cách lớn cũng như các dịch vụ truyền thông khoảng cách gần đều đang chuyển dần sang công nghệ truyền số và nếu có thể là các kỹ thuật tín hiệu số. Các lý do quan trọng của việc chuyển đổi này là: • Công nghệ số (Digital Technology): Sự phát triển của công nghệ tích hợp cao (LSI – Large Scale Integration) và công nghệ tích hợp cực cao (VLSI – Very Large Scale Integration) đã làm cho giá thành của các mạch số giảm rất mạnh. Các thiết bị tương tự không có được lợi thế trong cuộc giảm giá này. • Độ toàn vẹn dữ liệu (Data Integrity): Bằng việc sử dụng các bộ lặp thay cho các bộ khuyếch đại, hiệu ứng của nhiễu và các nhân tố khác tác động xấu đến tín hiệu và dữ liệu đã được giảm rất nhiều. Điều này cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách truyền rất xa trên các môi trường truyền có chất lượng không cao bằng công nghệ số trong khi vẫn đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu. Chi tiết này sẽ được làm rõ trong phần 2.3. • Khả năng sử dụng băng thông (Capacity utilization): Bài toán xây dựng các liên kết có băng thông rất lớn, bao gồm các kệnh vệ tinh và các kết nối cáp quang là một bài toán kinh tế. Với các hệ thống này, việc áp dụng các kỹ thuật dồn kênh ở mức độ cao là rất cần thiết để đảm bảo việc tận dụng băng thông lớn của nó. Điều này có thể được thực hiện đối với công nghệ số một cách dễ dàng hơn và rẻ hơn so với công nghệ tương tự. Kỹ thuật này được trình bày chi tiết trong chương 7. • Khả năng bảo mật (Security and privacy): Các kỹ thuật mã hóa (encryption) có thể dễ dàng áp dụng đối với dữ liệu số và dữ liệu tương tự đã được số hóa. • Khả năng tích hợp (Integration): Bằng cách xem như cả dữ liệu tương tự và dữ liệu số đều là dữ liệu số, mọi tín hiệu sẽ đều có chung dạng và có thể truyền - 35 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin tương tự như nhau. Do đó, khả năng tích hợp dữ liệu âm thanh, video và dữ liệu số đem lại tính kinh tế và sự tiện lợi rất lớn cho người sử dụng. II.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu (Transmission impairments). Với bất kỳ một hệ thống truyền thông nào, một điều dễ nhận thấy là tín hiệu các thiết bị thu nhận được sẽ khác do với tín hiệu ban đầu được truyền đi do các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu. Với các tín hiệu tương tự, các yếu tố này sẽ gây ra một loại các thay đổi ngẫu nhiên làm giảm chất lượng của tín hiệu. Với tín hiệu số, các lỗi bit (bit error) sẽ sinh ra (bit 1 chuyển thành bit 0 và ngược lại). Trong phần này, ta sẽ đề cập đến một loạt các yếu tố làm ảnh hưởng đến tín hiệu và bình luận về hiệu ứng của chúng trên băng thông mang thông tin của một kênh truyền tin. Có 3 yếu tố chính làm ảnh hưởng đến tín hiệu: • Suy giảm cường độ tín hiệu và méo do suy giảm cường độ (Attenuation and attenuation distortion). • Méo do trễ (Delay distortion) • Nhiễu (Noise) II.3.1. Sự suy giảm cường độ tín hiệu Cường độ của tín hiệu sẽ giảm dần theo độ dài khi tín hiệu di chuyển qua bất cứ một môi trường truyền nào. Với các môi trường truyền hữu tuyến (guided medium), độ suy giảm cường độ tín hiệu này được biểu diễn bằng một hằng số của decibel trên một đơn vị khoảng cách. Với các môi trường truyền vô tuyến (unguided medium), độ suy giảm này là một hàm phức tạp của khoảng cách và áp suất. Đối với các kỹ sư truyền thông, có 3 vấn đề cần quan tâm đối với sự suy giảm cường độ tín hiệu. Thứ nhất, một tín hiệu khi thu được phải có cường độ đủ mạnh để mạch điện tử trong thiết bị thu có thể phát hiện và thông dịch ý nghĩa của tín hiệu. Thứ hai, tỷ lệ cường độ tín hiệu trên nhiễu phải đủ lớn để loại trừ lỗi khi thu tín hiệu. Thứ ba, độ suy giảm cường độ tín hiệu là một hàm tăng theo tần số tín hiệu. Vấn đề thứ nhất và thứ hai được giải quyết bằng cách sử dụng các bộ khuyếch đại hoặc các bộ lặp. Đối với một liên kết điểm-điểm, cường độ tín hiệu của thiết bị phát phải đủ mạnh để thiết bị thu có thể nhận và thông dịch được tín hiệu nhưng không được quá mạnh để làm cho các mạch phát bị quá tải (overload). Nếu các mạch phát bị quá tải thì sẽ gây ra hiện tượng méo cho tín hiệu sinh ra. Theo độ dài của khoảng cách truyền, cường độ của tín hiệu sẽ bị giảm dần đến giới hạn có thể chấp nhận được. Tại đây, các bộ khuyếch đại hoặc bộ lặp sẽ được sử dụng để tăng cường cường độ của tín hiệu từ điểm này đến điểm kế tiếp. Các vấn đề này sẽ trở nên phức tạp hơn đối với các đường truyền đa điểm nơi mà khoảng cách từ thiết bị phát đến thiết bị thu không cố định. - 36 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Vấn đề thứ ba phải được đặc biệt chú ý đến đối với các tín hiệu tương tự. Bởi vì độ suy giảm cường độ tín hiệu biến đổi theo hàm của tần số nên tín hiệu sẽ bị méo làm cho khả năng thông dịch tín hiệu giảm xuống. Để giải quyết vấn đề này, các kỹ thuật hiện tại thực hiện kỹ thuật cân bằng độ suy giảm cường độ tín hiệu qua dải tần truyền. Điều này được thực hiện trong các đường điện thoại bằng cách sử dụng các cuộn nạp xoắn để thay đổi tính chất điện của đường truyền. Một cách tiếp cận khác là sử dụng các bộ khuyếch đại có tính chất chỉ khuyếch đại các tần số cao nhiều hơn là khuyếch đại các tần số thấp. Một ví dụ được đưa ra trong Hình 2.12a. Hình vẽ này cho thấy độ suy giảm cường độ tín hiệu là một hàm của tần số đối với các đường truyền leased line. Trong hình vẽ này, độ suy giảm cường độ tín hiệu được đo theo quan hệ với độ suy giảm cường độ tại tần số 1000 Hz. Các giá trị dương trên trục y biểu diễn độ suy giảm lớn hơn độ suy giảm tại tần số 1000 Hz. Tại một tần số f bất kỳ, công thức tính độ suy giảm của tín hiệu là: Pf N f = −10log10 P1000 Hình 2.12a Sự suy giảm Đường liền nét trong Hình 2.12a biểu diễn độ suy giảm cường độ tín hiệu khi không có sự cân bằng. Như ta thấy trong hình vẽ, các thành phần tần số tại các điểm cuối có độ suy giảm cường độ tín hiệu cao hơn các thành phần tần số thấp hơn trong dải thông tiếng nói. Điều này rõ ràng sẽ gây ra méo đối với tín hiệu khi nhận được. Đường nét đứt biểu diễn hiệu ứng của kỹ thuật cân bằng cường độ suy giảm tín hiệu. Đường nét đứt này có hình dáng phẳng hơn so với đường liền nét. Vì vậy, chất lượng - 37 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin của tín hiệu sẽ tốt hơn và đồng thời nó cũng cho phép đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao hơn đối với dữ liệu số truyền qua modem. Hình 2.12b Méo do trễ Đối với tín hiệu số, hiện tượng méo do suy giảm cường độ tín hiệu gây tác động ít hơn. Như ta thấy trên hình 2.12b, cường độ tín hiệu suy giảm một cách nhanh chóng khi tần số tín hiệu tăng lên; hầu hết nội dung của tín hiệu tập trung xung quanh tần số cơ bản của tín hiệu. II.3.2. Méo do trễ Méo do trễ là một hiện tượng đặc biệt đối với môi trường truyền hữu tuyến. Hiện tượng méo này sinh ra bởi vì vận tốc truyền tín hiệu qua môi trường truyền hữu tuyến biến đổi khi tần số của tín hiệu thay đổi. Đối với một tín hiệu có dải thông giới hạn, vận tốc này có khuynh hướng đạt được giá trị lớn nhất tại các tần số gần với tần số cơ bản và giảm dần đối với các tần số nằm về hai phía biên của dải thông. Do đó, khi tín hiệu bao gồm nhiều thành phần tần số khác nhau thì các thành phần này của tín hiệu sẽ di chuyển đến thiết bị thu tại các thời điểm khác nhau. Hiện tượng méo do trễ là một hiện tượng rất quan trọng cần tính đến đối với dữ liệu số. Ta hãy xét một chuỗi bit đang được truyền bằng tín hiệu tương tự hoặc số. Vì hiện tượng méo do trễ, một vài thành phần của tín hiệu của một bit sẽ rớt lại vào các bit phía sau gây ra hiện tượng làm giới hạn tốc đọ truyền bit tối đa. II.3.3. Nhiễu. - 38 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Đối với bất kỳ một sự kiện truyền dữ liệu nào, tín hiệu nhận được sẽ gồm có tín hiệu được truyền đi và bị sửa đổi bởi nhiều loại méo gây ra bởi hệ thống truyền, cộng thêm với các tín hiệu không mong muốn từ bên ngoài tác động vào trong quá trình truyền. Tóm lại, các tín hiệu không mong muốn được coi là các loại nhiễu – một nguyên nhân chính làm giảm hiệu năng của các hệ thống truyền thông. Nhiễu được chia thành 4 loại chính: - Nhiễu nhiệt (thermal noise) - Nhiễu điều chế (intermodulation noise) - Nhiễu xuyên âm (crostalk). - Nhiễu xung lực (impulse noise) Nhiễu nhiệt là loại nhiễu gây ra bởi hiện tượng chuyển động của các electron do nhiệt độ trong vật dẫn. Loại nhiễu này có trong mọi thiết bị điện tử và các môi trường truyền dẫn. Nó là một hàm của nhiệt độ. Nhiễu nhiệt được phân bố một cách đồng đều trên toàn bộ trải phổ tần số và do đó người ta gọi nó là “nhiễu trắng” (white noise). Không thể nào loại trừ hay hạn chế được loại nhiễu này và do đó nó nằm phía ngoài biên của hiệu năng của các hệ thống truyền thông. Lượng nhiễu nhiệt có trong 1 Hz dải thông của bất kỳ một vật dẫn nào đều được tính theo công thức: N0 = kT Trong đó: N0 là độ đo cường độ nhiễu, đơn vị: watts/hertz. k là hằng số Boltzmann = 1.3803 x 10-23 J/0K T là nhiệt độ, tính bằng độ đo Kelvin. Theo công thức trên, ta thấy nhiễu nhiệt phụ thuộc vào tần số. Do đó, đối với một tín hiệu có dải thông là W (Hz) thì cường độ nhiễu nhiệt tác động vào tín hiệu sẽ là: N=k T W (watts/Hz) Nếu tính theo đơn vị decibel-watts thì: N = 10log k +10logT +10logW = −228.6 dBW +10logT +10logW Khi các tín hiệu có tần số khác nhau chia sẻ chung một môi trường truyền thì kết quả là sẽ sinh ra nhiễu điều chế. Hiệu ứng của loại nhiễu điều chế này làm sinh ra một tín hiệu có tần số bằng tổng hoặc tích các tần số của 2 tín hiệu gốc. Ví dụ, việc truyền đồng thời hai tín hiệu f1 và f2 sẽ sinh ra một tín hiệu nhiễu có tần số là f1 + f2. Nhiễu điều chế sinh ra khi có các hiện tượng không tuyến tính (nonlinear) trong các thiết bị phát, thiết bị thu hoặc hệ thống truyền. Thông thường, các thành phần này hoạt động như là các hệ thống tuyến tính; đó là giá trị đầu ra bằng với giá trị đầu vào nhân với hằng số. Trong một hệ thống không tuyến tính, giá trị đầu ra là một hàm phức tạp của giá trị đầu vào. Hiện tượng không tuyến tính này xảy ra do các thành - 39 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin phần hoạt động không đúng chức năng (malfunction) hoặc do việc sử dụng các tín hiệu có cường độ quá lớn. Nhiễu xuyên âm là hiện tượng giống như khi một người đang gọi điện thoại lại nghe được một cuộc hội thoại khác trong cuộc hội thoại của mình. Đó là hiệu ứng xảy ra giữa các cặp dây đôi xoắn đặt cạnh nhau hoặc do tác động của sóng vi ba (microwave) lên các vật dẫn vô tình đóng vai trò là các ăngten thu sóng. Có 3 loại nhiễu xuyên âm đối với các trường hợp các cặp dây đôi xoắn đặt cạnh nhau là nhiễu xuyên âm dạng đầu gần (NEXT - Near-End Crosstalk), nhiễu xuyên âm dạng đầu xa (FEXT - Far-End Crosstalk) và nhiễu xuyên âm tổng đầu gần (PSNEXT – Power Sum NEXT) Hình 2.13a Nhiễu xuyên âm dạng đầu gần Hình 2.13b Nhiễu xuyên âm dạng đầu xa - 40 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Hình 2.13c Nhiễu xuyên âm dạng tổng đầu gần Tất cả các loại nhiễu được đề cập ở trên đều có thể dự đoán được về dạng và cường độ tác động của chúng. Điều này cho phép các kỹ sư của các hệ thống truyền thông có thể đối phó được với chúng. Tuy nhiên, nhiễu xung lực là một loại nhiễu không liên tục (noncontinuous), gồm các xung bất thường xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn và có biên độ rất cao. Loại nhiễu này được sinh ra do nhiều nguyên nhân khác nhau về nhiễu điện từ chẳng hạn như sóng ánh sáng hoặc các điểm rò rỉ điện năng trong các hệ thống truyền thông. Nhiễu xung lực thường chỉ là một loại nhiễu gây tác động xấu không nhiều đối với dữ liệu tương tự. Ví dụ, việc truyền âm thanh có thể bị ngắt quãng một thời gian rất ngắn nhưng không làm ảnh hưởng đến khả năng hiểu âm thanh của người nghe. Tuy nhiên, nhiễu xung lực lại là một nguồn gây lỗi chính đối với các hệ thống truyền thông số. Ví dụ, một năng lượng mạnh tác động ngắn trong khoảng thời gian 0.01 giây không đủ làm phá hủy toàn bộ dữ liệu âm thanh nhưng cũng đủ để xóa đi 50 bit dữ liệu đang được truyền với tốc độ 4800 pbs. Hình 2.14 là một ví dụ về hiệu ứng của nó lên một tín hiệu số. Ở đâu nhiễu bao gồm cả nhiẽu nhiệt cộng với nhiễu xung lực. Dữ liệu số được khôi phục từ tín hiệu bằng cách lấy mẫu (sampling) tín hiệu nhận được tại thiết bị thu theo chu kỳ một lần lấy mẫu trên một khoảng thời gian định thời bit (bit time). Như ta thấy trên hình vẽ, nhiễu này làm thay đổi các bit 1 thành 0 và ngược lại với tần suất tương đối lớn. - 41 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Hình 2.14 Ảnh hưởng của tạp nhiễu lên một tín hiệu số II.3.4. Khả năng truyền tải của kênh truyền (Channel Capacity). Như ta đã thấy, có một loạt các yếu tố làm ảnh hưởng đến tín hiệu làm méo hoặc phá hủy tín hiệu. Với tín hiệu số, câu hỏi đặt ra ở đây là các yếu tố này tác động vào tốc độ truyền dữ liệu ra sao đối với các môi trường truyền? Tốc độ truyền dữ liệu qua một con đường truyền thông (communication path) hay một kênh truyền (channel) với các điều kiện cho trước được gọi là khả năng truyền tải của kênh truyền. Có 4 khái niệm mà ở đây chúng ta sẽ tìm mối quan hệ với nhau: - Tốc độ truyền dữ liệu: Đây là tốc độ được tính bằng đơn vị bits trên giây (bps) mà dữ liệu có thể truyền đi được. - Dải thông: Đây là dải thông của tín hiệu được truyền có rằng buộc với thiết bị truyền và bản chất tự nhiên của môi trường truyền, được tính bằng số chu kỳ trên giây (cycles per second) hoặc hertz. - Nhiễu: Mức độ trung bình của nhiễu qua con đường truyền thông. - Tỷ lệ lỗi: Tỷ lệ xảy ra lỗi, trong đó 1 lần lỗi xảy ra là khi truyền bit 1 mà lại nhận được bit 0 hoặc ngược lại. Vấn đề mà chúng ta gặp phải là: Các thiết bị truuyền thông thường có giá thành tỷ lệ thuận với dải thông mà chúng hỗ trợ. Hơn nữa, mọi kênh truyền trên thực tế đều - 42 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin có giới hạn về dải thông. Những sự giới hạn này do các tính chất vật lý của kênh truyền sinh ra hoặc do giới hạn đã được tính toán trước tại các thiết bị truyền để tránh khỏi các nguồn gây nhiễu khác. Vì những lý do trên, chúng ta muốn sử dụng một cách có hiệu quả một kênh truyền với dải thông cho trước. Đối với dữ liệu số, điều này có nghĩa là ta mong muốn đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao nhất có thể tại một giới hạn xác định về tỷ lệ lỗi đối với một dải thông cho trước. Sự rằng buộc chính để đạt được độ hiệu quả này chính là nhiễu. Để bắt đầu chúng ta hãy xét một kênh truyền không có nhiễu. Trong môi trường này, sự giới hạn về tốc độ truyền dữ liệu đơn giản là do dải thông của tín hiệu. Phát biểu toán học Nyquist về mối quan hệ giữa tốc độ truyền dữ liệu và dải thông của tín hiệu là: Nếu tốc độ truyền dữ liệu của tín hiệu là 2W thì tín hiệu chỉ cần có dải thông là W là đủ để mang tín hiệu qua môi trường truyền. Phát biểu ngược lại cũng đúng trong trường hợp này: Nếu dải thông của tín hiệu là W thì tốc độ truyền dữ liệu tối đa của tín hiệu là 2W. Kết quả này rất quan trọng đối với việc phát triển các mô hình mã hóa dữ liệu từ số sang tương tự và được trình bày chi tiết trong phụ lục 4A. Ở đoạn trên, ta đã nói đến mối quan hệ giữa tốc độ truyền dữ liệu và dải thông của tín hiệu. Nếu các tín hiệu được truyền dạng nhị phân (hai mức hiệu điện thế) thì tốc độ truyền dữ liệu của tín hiệu có dải thông W Hz là 2W bps. Ví dụ, xét một kênh truyền thoại qua modem để truyền dữ liệu số. Giả sử dải thông là 3100 Hz thì dải thông C của kệnh truyền là 2W=6200 bps. Tuy nhiên, nếu ta xem trong chương 4, ta sẽ thấy rằng có các loại tín hiệu có nhiều hơn 2 mức hiệu điện thế được sử dụng; đó là mỗi thành phần tín hiệu có thể biểu diễn được nhiều hơn 1 bit. Ví dụ, nếu 4 mức hiệu điện thế có thể thực hiện được trong tín hiệu thì mỗi một thành phần tín hiệu có thể biểu diễn được 2 bit. Phát biểu Nyquist trong trường hợp này sẽ là: C = 2W log 2 M trong đó M là số mức hiệu điện thế có thể có trong tín hiệu. Do đó, trong một số modem sử dụng hệ số M=8, giá trị C=18600 bps. Theo nguyên tắc trên, với một dải thông cho trước, tốc độ truyền dữ liệu của tín hiệu có thể tăng lên bằng cách tăng số lượng thành phần tín hiệu (số mức hiệu điện thế). Tuy nhiên điều này làm tăng gánh nặng đối với các thiết bị thu: Thay vì việc chỉ cần phân biệt hai mức giá trị khác nhau của tín hiệu, thiết bị thu phải phân biệt 1 trong M mức khác nhau của tín hiệu. Nhiễu và các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu sẽ giới hạn giá trị M. Bây giờ ta sẽ xét đến mối quan hệ giữa tốc độ truyền dữ liệu với nhiễu và tỷ lệ lỗi. Mối quan hệ này có thể nhận biết bằng trực giác bằng cách quay lại theo dõi Hình 2.15. Sự có mặt của nhiễu có thể phá hỏng 1 hay nhiều bit theo một mẫu xác định của nhiễu. Nếu tốc độ truyền dữ liệu tăng lên thì các bit trở thành “ngắn hơn”, vì vậy nhiều - 43 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin bit có thể bị tác động trong một mẫu xác định của nhiễu. Do đó, với một dạng mức độ nhiễu xác định, nếu tốc độ truyền dữ liệu càng cao thì tỷ lệ lỗi xảy ra sẽ càng lớn. Tất cả các khái niệm này đều được tính toán theo công thức toán học Shannon. Như chúng ta đã thấy, nếu tốc độ truyền dữ liệu càng cao thì ảnh hưởng của nhiễu đến tín hiệu càng lớn. Với một cấp độ nhiễu cho trước, ta hy vọng rằng với cường độ tín hiệu lớn hơn, có thể tăng cường khả năng đọc chính xác dữ liệu nhận được với sự có mặt của nhiễu tại các thiết bị thu. Tham số chính đưa ra trong suy luận này là tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (signal-to-noise ratio) S/N. Giá trị S/N là tỷ lệ của cường độ tín hiệu trên giá trị cường độ nhiễu tại một điểm xác định trên đường truyền. Thông thường, tỷ lệ này được đo tại thiết bị thu. Để dễ biểu diễn về mặt giá trị, tỷ lệ này thường được tính theo đơn bị decibel: Cường độ tín (S / N) = 10log dB Cường độ nhiễu Nếu giá trị S/N càng lớn thì có nghĩa là chất lượng tín hiệu càng cao và số lượng các bộ lặp trung gian cần thiết sẽ càng ít. Tỷ lệ tín hiệu/nhiễu là rất quan trọng trong các hệ thống truyền dữ liệu số bởi vì nó thiết lập giới hạn biên trên của tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt được. Công thức Shannon được sử dụng để tính toán khả năng truyền lớn nhất của kênh truyền theo đơn vị bit trên giây: S C = W log (1+ ) 2 N Trong công thức này, C là khả năng truyền của kênh truyền tín theo đơn vị bit trên giây và W là dải thông của kênh truyền tính theo đơn vị hertz. Ví dụ, xét một kênh thoại đang được sử dụng qua modem để truyền dữ liệu số. Giả sử dải thông của kênh là 3100 Hz. Giá trị S/N là 30 dB hay tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là 1000:1. Ta có: C = 3100log (1+1000) = 30894 bps 2 Trên thực tế, tốc độ truyền dữ liệu bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ truyền được tính theo công thức của định luật Shannon bởi vì công thức này không tính đến các yếu tố khác làm ảnh hưởng đến tín hiệu như nhiễu nhiệt, nhiễu xung lực, sự suy giảm cường độ tín hiệu và méo do trễ. Khả năng truyền của kênh được tính theo công thức trên còn được gọi là khả năng truyền không lỗi (error-free capacity). Shannon đã chứng minh được rằng nếu tốc độ truyền dữ liệu thực tế của kênh nhỏ hơn khả năng truyền không lỗi thì về mặt nguyên tắc có thể sử dụng một loại mã tín hiệu thích hợp để đạt được khả năng truyền không lỗi của kênh. Thật không may là định lý Shannon lại không chỉ ra cách tìm loại các mã như vậy mà nó chỉ cung cấp một tiêu chuNn so sánh để đo hiệu năng truyền thông thực tế. - 44 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Độ đo tính hiệu quả của một kênh truyền số là tỷ lệ C/W, được tính theo đơn vị bps trên hertz. Hình vẽ 2.15 minh họa định luật về tính hiệu quả của một kênh truyền. Nó cũng cho ta tháy các kết quả thực tế đạt được đối với các kênh thoại thông thường. Hiệu quả theo lý thuy ết n ề truy ả u qu ệ Hiệu quả truyền đạt Hi được dựa trên thự c Hình 2.15 Hiệu quả truyền theo lý thuyết và thực tế Có thể rút ra nhìều nhận xét liên quan đến công thức trên. Với một mức độ nhiễu cho trước, để tăng tốc độ truyền dữ liệu người ta sẽ tăng cường độ tín hiệu hoặc tăng dải thông. Tuy nhiên, khi cường độ của tín hiệu tăng lên dẫn đến hiện tượng không tuyến tính xuất hiện trong hệ thống làm cho khả năng tác động của nhiễu điều chế tăng lên. Cũng cần chú ý là, vì nhiễu được giả định là nhiễu trắng cho nên khi dải thông càng rộng thì càng nhiều nhiễu xuất hiện trong hệ thống. Vì vậy, khi giá trị W tăng lên, tỷ lệ S/N sẽ giảm đi. Cuối cùng, ta đề cập đến một tham số có liên quan tới tỷ lệ S/N để thuận lợi hơn trong việc xác định tốc độ truyền dữ liệu số và tỷ lệ lỗi. Tham số này là tỷ lệ của năng lượng tín hiệu trên một bit đối với giá trị cường độ nhiễu trên một hertz được ký hiệu là Eb/N0. Xét một tín hiệu số hoặc tương tự chứa dữ liệu số nhị phân được truyền tại tốc độ truyền bit xác định R. Cần nhắc lại là 1W = 1 J/s, năng lượng tín hiệu trên bit được cho bởi công thức Eb=S.Tb, trong đó S là cường độ tín hiệu và Tb là thời gian cần thiết để truyền một bit. Tốc độ truyền bit R được tính bằng công thức R=1/Tb. Do đó: E S / R S b = = N 0 N 0 kTR Nếu tính theo decibel thì công thức trên sẽ trở thành: E b = S −10log R + 228,6 dBW −10logT N 0 - 45 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Tỷ lệ Eb/N0 là rất quan trọng bởi vì tỷ lệ lỗi bit đối với dữ liệu số là một hàm của tỷ lệ này. Với một giá trị Eb/N0 cho trước, nếu cần tính tỷ lệ lỗi thích hợp thì các tham số trong công thức trên có thể được lựa chọn. Chú ý rằng khi tỷ lệ R tăng lên thì cường độ tín hiệu truyền, có quan hệ với nhiễu, cũng phải tăng lên để duy trì tỷ lệ Eb/N0 thích hợp. Để hiểu sâu hơn về kết quả này, chúng ta hãy cùng quay lại Hình 2.15. Tín hiệu ở đây là tín hiệu số nhưng suy luận có thể giống với tín hiệu tương tự. Trong một vài trường hợp, nhiễu có thể đủ để thay đổi giá trị của một bit. Bây giờ, nếu tốc độ truyền dữ liệu tăng lên gấp đôi, thời gian của tất cả các bit đều bị co lại và với cùng một mẫu nhiễu cho trước nào đó, có thể phá hủy đồng thời 2 bit chứ không phải là 1 bit như trường hợp trước khi tăng tốc độ truyền. Do đó, với ràng buộc giữa cường độ tín hiệu và cường độ nhiễu, khi ta tăng tốc độ truyền dữ liệu thì cũng đồng nghĩa với việc tăng tỷ lệ lỗi đối với dữ liệu được truyền đi. Ví dụ: Đối với phương pháp điều chế dịch pha (trong chương 4), tỷ lệ Eb/N0 =8,4 dB là cần thiết cho tỷ lệ lỗi là 10-4. Nếu nhiệt độ trong phòng là 2900K và tốc độ truyền dữ liệu là 2400 bps. Hỏi cường độ tín hiệu yêu cầu phải là bao nhiêu? Ta có: 8,4 = S(dBW) – 10 log 2400 + 228,6 dBW – 10 log 290 = S(dBW) – (10)(3,38) + 228,6 – 10(2,46) -> S = -161,8 dBW - 46 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin CHƯƠNG III - CÁC MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN III.1. Tổng quan Các môi trường truyền dẫn là các đường truyền vật lý giữa thiết bị truyền và thiết bị thu trong một hệ thống truyền dữ liệu. Môi trường truyền dẫn có thể được phân loại thành dạng môi trường truyền hữu tuyến và môi trường truyền vô tuyến. Trong cả hai trường hợp, việc truyền thông được thực hiện nhờ các dạng sóng điện từ. Với các môi trường truyền truyền dẫn hữu tuyến, sóng điện từ được dẫn hướng dọc theo môi trường vật chất cấu tạo nên môi trường truyền dẫn chẳng hạn như cáp đôi xoắn đồng, cáp đồng trục và cáp quang. Áp suất và không gian là các ví dụ điển hình về môi trường truyền dẫn vô tuyến. Với loại môi trường này, sóng điện từ sẽ không dẫn hướng sóng điện từ khi truyền. Dạng truyền thông sử dụng môi trường truyền dẫn vô tuyến còn được gọi là truyền thông không dây (wireless transmission). Các đặc tính và chất lượng của hệ thống truyền dữ liệu phụ thuộc vào cả đặc tính của của các môi trường truyền và đặc tính của tín hiệu. Trong trường hợp môi trường truyền hữu tuyến, bản thân môi trường truyền là quan trọng hơn khi xác định các giới hạn của hệ thống truyền. Với môi trường truyền vô tuyến, dải thông của tín hiệu do antenna phát sinh ra là quan trọng hơn môi trường truyền trong việc xác định các đặc tính của hệ thống truyền. Một trong các đặc tính quan trọng của các tín hiệu do antenna phát ra là tính có hướng. Thông thường, các tín hiệu có tần số càng thấp thì càng ít có khả năng truyền theo tiêu điểm nghĩa là kiểu truyền của chúng theo kiểu lan tỏa (omidirectional). Khi tín hiệu có tần số càng cao thì càng có khả năng truyền theo tiêu điểm. Khi xem xét để thiết kế tín hiệu cho các hệ thống truyền, các mối quan tâm chính quan trọng là tốc độ truyền dữ liệu và khoảng cách truyền. Tín hiệu có tốc độ truyền càng cao và khoảng cách truyền càng lớn thì được đánh giá là càng tốt. Có một số các yếu tố sau liên quan đến các môi trường truyền dẫn và được sử dụng để xác định tốc độ truyền dữ liệu và khoảng cách truyền: Dải thông (bandwidth): Dải thông của tín hiệu càng lớn thì tín hiệu càng có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ càng cao. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu (Transmission impairments): Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu chẳng hạn như sự suy giảm cường độ tín hiệu làm giới hạn khoảng cách truyền. Với môi trường truyền hữu tuyến, cáp đôi xoắn thường bị ảnh hưởng nhiều yếu tố ảnh hưởng hơn so với cáp đồng trục và cáp đồng trục bị ảnh hưởng nhiều hơn so với cáp quang. Nhiễu(interference): interference from copeting signals in overlapping frequency bands can distort or wipe out a signal. Interfrence is of particular concern for unguided media, but it is also a problem with guided media. For guided media, interference can be cause by emanations from nearby cables. For example, twist pair are often bundled together, and conduits often carry multiple cables. Interference can also be experienced from unguided transmission. Proper shielding of a guided medium can minimize this problem. - 47 -
Bài giảng môn kỹ thuật truyền tin Number of receivers: A guided medium can be used to construct a point to point link or a shared link with multiple attachments. In the latter case, each attachment introduces some attenuation and distortion on the line, limitting distance and/or data rate. Số lượng các máy thu: Một môi trường truyền hữu tuyến có thể được sử dụng để tạo ra một liên kết điểm – điểm hoặc có thể được liên kết với các thiết bị kết nối khác. Liên quan đến hành động này này là do việc giới hạn khoảng cách và/hoặc tốc độ truyền dữ liệu dẫn đến việc suy giảm và bóp méo tín hiệu trên đường truyền. III.2. Môi trường truyền Môi trường truyền là con đường vật lý nối giữa thiết bị phát và thiết bị thu. Những đặc tính và chất lượng của dữ liệu truyền được quuyết định bởi tính chất tín hiệu và môi trường truyền. Môi trường truyền có thể là truyền dẫn định hướng hoặc không định hướng. Trong cả hai trường hợp sự liên lạc đều dùng sóng điện từ. Trong trường hợp Truyền có định hướng (có dây dẫn) sóng điện từ theo một con đường vật lý: đôi dây song hành, cáp đồng trục, sợi quang. Bản thân môi trường là nhân tố quan trọng quyết định giới hạn sự truyền. Môi trường truyền Tốc độ truyền Băng thông Khoảng cách lặp lại Dây song hành 4Mbps 250 KHz 2 - 10 Km Cáp đồng trục 500 Mbps 350 KHz 1 - 10 Km Sợi quang 2 Gbps 2 GHz 10 - 100 Km (Đặc tính đường truyền với môi trường định hướng: điểm - điểm) Với môi trường truyền không định hướng (không có dây dẫn) sóng điện từ không theo vật dẫn nào, ví dụ như sóng điện từ truyền lan trong không khí, trong chân không hoặc qua nước biển. Phổ và băng tần số của tín hiệu do ăngten phát quan trọng hơn môi trường truyền. Tín hiệu phụ thuộc vào hướng của ăngten. Thường tần số thấp được bức xạ về mọi hướng còn tần số cao là yếu tố định hướng chùm tia về hướng cần thiết. Sóng viba có phạm vi từ 2 – 40GHz, sóng radio 30MHz – 1GHz và các dãy tần số khác. Tần số trung tâm của tín hiệu là yếu tố tạo ra băng thông và tốc độ truyền. Phổ phân bố trường điện từ Hz 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 Dây song hành vệ tinh Tel cáp đồng trục Viba mặt đất sợi quang AM radio FM radio, TV Đặc tính của băng liên lạc không định hướng Băng tần Tên Tín hiệu liên tục Tín hiệu số Ứng dụng - 48 -