Bài giảng Truyền dữ liệu

116 trang phuongnguyen 1320

Download

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

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_truyen_du_lieu.pdf

Nội dung text: Bài giảng Truyền dữ liệu

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY TÍNH KHOA: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI GIẢNG TRUYỀN DỮ LIỆU TÊN HỌC PHẦN : TRUYỀN DỮ LIỆU MÃ HỌC PHẦN : 17305 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HẢI PHÒNG - 2010
MỤC LỤC Chƣơng I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4 1.1. Tin tức - dữ liệu - tín hiệu 4 1.2 Mã hóa dữ liệu 5 1.3 Các phƣơng pháp truyền tin 17 Chƣơng II: HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG 19 2.1. Giới thiệu về hệ thống truyền thông 19 2.2 Hệ thống truyền số liệu 21 2.3. Các hệ thống truyền số liệu thƣờng gặp 22 2.4. Môi trƣờng truyền tin 24 2.5. Các chuẩn giao tiếp truyền thông 37 2.6. Mạng truyền thông 49 Chƣơng III: KỸ THUẬT TRUYỀN SỐ LIỆU 50 3.1. Giới thiệu về kỹ thuật truyền số liệu 50 3.2. Kỹ thuật định khung trong truyền số liệu 50 3.3. Kỹ thuật truyền nối tiếp không đồng bộ 51 3.4. Kỹ thuật truyền nối tiếp đồng bộ 53 3.5. Các kỹ thuật truy nhập đƣờng truyền 59 Chƣơng IV: CÁC VẤN ĐỀ TRONG TRUYỀN SỐ LIỆU 63 4.1. Vấn đề phát hiện sai và sửa sai 63 74 87 ƣu l ng 87 ều khiển khắc phục lỗi 91 ảm bảo chất lƣợng dịch vụ 94 Chƣơng V: MẠNG TRUYỀN SỐ LIỆU 102 5.1. Tổng quan 102 5.2. Kiến trúc phân tầng và mô hình OSI. TCP/IP 104 5.3. Phân loại mạng theo kỹ thuật chuyển mạch 106 5.4. Kỹ thuật LAN 109 - 1 -
YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Kỹ thuật Truyền dữ liệu Loại học phần: 1 Bộ môn phụ trách giảng dạy: Kỹ thuật máy tính Khoa phụ trách: CNTT Mã học phần: 17305 Tổng số TC: 2 TS tiết Lý thuyết Thực hành/Xemina Tự học Bài tập lớn Đồ án môn học 45 45 0 0 0 0 Điều kiện tiên quyết: Sinh viên phải học xong các học phần sau mới đƣợc đăng ký học phần này: Kiến trúc máy tính, Mạch và tín hiệu, Lý thuyết truyền tin, Kỹ thuật Vi xử lý, Nguyên lý hệ điều hành, Cấu trúc dữ liệu Mục tiêu của học phần: - Cung cấp cho sinh viên những khái niệm tổng quan về Kỹ thuật truyền số liệu, Mạng truyền thông Nội dung chủ yếu - Chƣơng I: Tổng quan - Chƣơng II: Hệ thống truyền thông - Chƣơng III: Kĩ thuật truyền số liệu - Chƣơng IV: Các vấn đề cơ bản trong truyền thông - Chƣơng V: Mạng truyền số liệu Nội dung chi tiết của học phần: PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TÊN CHƢƠNG MỤC TS LT BT TH KT Chƣơng I: Tổng quan 9 9 1.1. Một số khái niệm về thông tin 2 1.2. Mã hoá dữ liệu 3 1.3. Cách truyền thông tin trên đƣờng truyền 2 1.4. Những vấn đề cơ bản trong truyền thông 2 Chƣơng II: Hệ thống truyền thông 6 5 1 2.1. Hệ thống truyền thông 1 2.2. Phƣơng tiện truyền tin 3 2.3. Các chuẩn giao tiếp trong truyền thông 1 1 Chƣơng III: Kĩ thuật truyền số liệu 8 8 3.1. Tổng quan 1 3.2. Các kỹ thuật truyền số liệu 7 Chƣơng IV: Các vấn đề cơ bản trong truyền thông 9 8 1 4.1. Tổng quan 1 4.2. Mã hoá phát hiện sai, sửa sai 4 1 4.3. Kiểm soát đƣờng truyền 3 Chƣơng V: Mạng truyền số liệu 13 12 1 - 2 -
5.1. Tổng quan 1 5.2. Kiến trúc phân tầng và mô hình OSI, TCP/IP 2 5.3. Phân loại mạng theo kỹ thuật chuyển mạch 3 5.4. Kĩ thuật mạng cục bộ 2 1 5.5. Mạng vô tuyến và mạng vệ tinh 2 5.6. Mạng truyền dữ liệu IDSN/ DSL 3 Nhiệm vụ của sinh viên: Tham dự các buổi thuyết trình của giáo viên, tự học, tự làm bài tập do giáo viên giao, tham dự các bài kiểm tra định kỳ và cuối kỳ. Tài liệu học tập: William Stalling, Data Computer and Communication Đặng Văn Chuyết, Lý thuyết truyền tin, NXB Giáo dục Nguyễn Văn Thông, Cơ sở kỹ thuật Truyền số liệu, NXB Khoa học kỹ thuật Quách Tuấn Ngọc, Xử lí tín hiệu số, NXB Giáo dục Nguyễn Thúc Hải, Mạng máy tính và hệ thống mở, NXB Giáo dục Nguyễn Hồng Sơn, Kĩ thuật truyền số liệu, NXB Lao động – Xã hội Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Đánh giá dựa trên tình hình tham dự buổi học trên lớp, các buổi thực hành, điểm kiểm tra thƣờng xuyên và điểm kết thúc học phần. - Hình thức thi cuối kỳ: thi viểt rọc phách, thời gian làm bài: 75 phút Thang điểm: Thang điểm chữ A, B, C, D, F Điểm đánh giá học phần Z = 0.2X + 0.8Y. Bài giảng này là tài liệu chính thức và thống nhất của Bộ môn Kỹ thuật máy tính, Khoa Công nghệ Thông tin và đƣợc dùng để giảng dạy cho sinh viên. Ngày phê duyệt: 15 / 6 / 2010 Trƣởng Bộ môn: ThS. Ngô Quốc Vinh - 3 -
Chƣơng I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Tin tức - dữ liệu - tín hiệu Dữ liệu (Data): bao gồm các sự kiện, khái niệm hay các chỉ thị đƣợc diễn tả dƣới một hình thức thích hợp cho việc thông tin, thông dịch hay xử lý bởi con ngƣời hay máy móc. Thông Tin (Information): Ý nghĩa mà con ngƣời qui cho dữ liệu theo các qui ƣớc cụ thể. Tin tức có thể biểu thị bởi tiếng nói, hình ảnh, các văn bản, tập hợp các con số, các ký hiệu, thông qua nó con ngƣời hiểu nhau . . Trong hệ thống truyền thông, thƣờng ngƣời ta không phân biệt dữ liệu và tin tức. Thông tin khi truyền: Theo các dạng năng lƣợng khác nhau: Âm, điện, sóng quang, sóng điện Vật mang tin: Môi trƣờng dùng để mang thông tin (Là dạng năng lƣợng - Có khả năng lƣu trữ, truyền gửi thông tin ) Tín hiệu (Signal): là tin tức, dữ liệu đã đƣợc chuyển đổi, xử lý (bởi các bộ phận mã hóa và /hoặc chuyển đổi) cho phù hợp với môi trƣờng truyền thông. Bản chất tín hiệu vốn là một hàm đơn trị biến thiên theo thời gian hay tần số. Có hai loại tín hiệu: tín hiệu tƣơng tự và tín hiệu số. Tín hiệu tương tự (analog):  Tín hiệu có bất cứ giá trị nào trong một khoảng thời gian xác định.  Tín hiệu tƣơng tự quen thuộc có dạng hình sin. Một tín hiệu tƣơng tự có thể đƣợc số hóa để trở thành tín hiệu số.  Ba đặc điểm chính của tín hiệu tƣơng tự bao gồm: o Biên độ (Amplitute): . Đo độ mạnh của tín hiệu, đơn vị: decibel (dB) hay volts. . Biên độ càng lớn thì tín hiệu càng mạng. o Tần số (Frequency): . Tần số (f) của tín hiệu là số dao động của tín hiệu trong một đơn vị thời gian (thƣờng tính bằng giây) hay còn gọi là tốc độ thay đổi của tín hiệu trong một giây, đơn vị Hz hay số chu kỳ trong một giây. . Một chu kỳ là sự di chuyển sóng của tín hiệu từ điểm nguồn bắt đầu cho đến khi quay trở về lại điểm nguồn đó. o Pha (Phase): . Là đơn vị đo vị trí tƣơng đối tại một thời điểm trong một chu kỳ đơn của tín hiệu, nó đặc trƣng cho tính trễ. . Tốc độ thay đổi quan hệ của tín hiệu đối với thời gian, đƣợc mô tả theo độ (degree). Sự dịch pha xảy ra khi chu kỳ của tín hiệu chƣa kết thúc, và một chu kỳ mới của tín hiệu bắt đầu trƣớc khi chu kỳ trƣớc đó chƣa hoàn tất. Tín hiệu số: Là tín hiệu mà biên độ chỉ có một trong hai giá trị duy nhất, tƣơng ứng với hai trạng thái logic đặc trƣng bởi hai số 0 và 1 trong hệ nhị phân. Hệ thống truyền tín hiệu này là hệ thống truyền nhị phân. - 4 -
Tín hiệu số bao gồm chỉ hai trạng thái, đƣợc diễn tả với hai trạng thái ON hay OFF hoặc là 0 hay 1. Tín hiệu số yêu cầu khả năng băng thông lớn hơn tín hiệu tƣơng tự Các vấn đề khi truyền dữ liệu:  Thƣờng dùng tín hiệu số cho dữ liệu số và tín hiệu tƣơng tự cho dữ liệu tƣơng tự  Có thể dùng tín hiệu tƣơng tự để mang dữ liệu số  Có thể dùng tín hiệu số để mang dữ liệu tƣơng tự Bit Interval và Bit Rate: Hầu hết các tín hiệu số là không tuần hoàn, chu kỳ và tần số không xác định. Hai khái niệm đặt ra ở đây là Bit Interval và Bit Rate. Bit Interval là khoảng thời gian cần thiết để gửi một bit. Bit Rate là số lƣợng Bit Interval trong 1 giây, theo cách nói khác, Bit Rate là số bit đƣợc gửi đi trong 1 giây (bps). 1.2 Mã hóa dữ liệu Dữ liệu lƣu trữ trong một máy tính là ở dạng các bít 0 và 1. Để có thể mang đƣợc từ nơi này sang nơi khác (ở trong hoặc ở ngoài máy tính), thì dữ liệu thƣờng đƣợc chuyển đổi sang dạng tín hiệu số. Điều này đƣợc gọi là sự chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu số (digital to digital – D/D) hoặc mã hoá dữ liệu số sang tín hiệu số. Đôi lúc chúng ta cần chuyển đổi một tín hiệu tƣơng tự (ví dụ đoạn nói chuyện trong điện thoại) sang tín hiệu số vì một vài lý do nào đó nhƣ giảm bởt hiệu ứng của tiếng ồn. Điều này đƣợc gọi là sự chuyển tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số (A/D) hoặc số hoá một tín hiệu tƣơng tự. Vào lúc khác chúng ta lại cần chuyển một tín hiệu số từ đầu ra của một máy tính qua một phƣơng tiện truyền thông đƣợc thiết kế cho dạng tín hiệu tƣơng tự. Ví dụ nhƣ việc gửi tín hiệu từ nơi này đến nơi khác qua mạng điện thoại công cộng, tín hiệu số cung cấp bởi máy tính sẽ đƣợc chuyển sang tín hiệu tƣơng tự. Điều này đƣợc gọi là biến đổi tƣơng tự sang số hay điều chế tín hiệu số. Thƣờng thì một tín hiệu tƣơng tự đƣợc truyền qua một khoảng cách dài sử dụng phƣơng tiện truyền thông tƣơng tự. Ví dụ âm thanh, âm nhạc từ một trạm radio, bản thân nó đã là một tín hiệu tƣơng tự đƣợc phát qua không khí. Tuy nhiên, tần số của âm thanh hoặc âm nhạc không thích hợp cho việc truyền phát. Tín hiệu phát đi phải đƣợc mang bởi một tín hiệu có tần số cao hơn. Điều này đƣợc gọi là biến đổi tƣơng tự sang tƣơng tự (A/A) hay điều chế tín hiệu tƣơng tự. Các phƣơng thức chuyển đổi Số/số Tƣơng tự/số Số/tƣơng tự Tƣơng tự/tƣơng (D/D) (A/D) (D/A) tự (A/A) - 5 -
1.2.1 Dữ liệu số - Tín hiệu số Chuyển đổi hoặc mã hoá số / số là sự miêu tả thông tin dạng số sang một tín hiệu số. Ví dụ khi chúng ta truyền tín hiệu từ máy tính đến máy in, cả hai dữ liệu gốc và dữ liệu đƣợc truyền đều ở dạng số. Trong kiểu mã hoá này các số nhị phân 0 và 1 phát ra bởi máy tính đƣợc chuyển thành các xung điện thế, các xung này có thể truyền đƣợc qua dây dẫn điện. 01011101 Mã hoá số /số Trong rất nhiều kỹ thuật mã hoá số / số, chúng ta chỉ bàn đến những kỹ thuật hữu dụng nhất cho việc truyền thông dữ liệu. Có 3 loại phổ biến: đơn cực, cực và lƣỡng cực đƣợc chỉ ra nhƣ hình dƣới. Mã hoá số / số Đơn cực Cực Lƣỡng cực Mã hoá đơn cực: là dạng đơn giản với chỉ một kỹ thuật đƣợc sử dụng. Mã hoá cực: có 3 kiểu con: NRZ, RZ, và biphase. Hai trong số chúng có những sự biết đổi phức tạp. Mã hoá lưỡng cực có ba sự biến đổi: AMI, B8ZS, và HDB3. 1.2.1.1. Mã hoá đơn cực Mã hoá đơn cực rất đơn giản và thô sơ. Tính đơn giản của nó cung cấp sự chỉ dẫn dễ dàng làm cơ sở phát triển cho các hệ thống mã hoá phức tạp hơn và cho phép chúng ta nghiên cứu các loại bài toán mà bất kỳ hệ thống truyền số nào cũng phải thực hiện. Hệ thống truyền số làm việc dựa trên xung điện cùng với một kết nối trung gian, thƣờng là dây dẫn hoặc cáp. Trong hầu hết các kiểu mã hoá, mức điện áp cao thấp ứng với giá trị nhị phân 1 hoặc 0. Tính có cực của một xung ám chỉ việc lựa chọn là cực dƣơng hay cực âm. Mã hoá đơn cực có tên nhƣ vậy là bởi vì nó chỉ sử dụng một cực. Tính có cực này chỉ định 1 trong 2 trạng thái 0 hoặc 1 (thƣờng là 1). Trạng thái còn lại (thƣờng là 0) đƣợc đại diện bởi điện áp 0. Mã hoá đơn cực chỉ sử dụng một mức điện áp (mức điện áp dương hoặc âm). Biên độ 0 1 0 0 1 1 1 0 thời gian Trong ví dụ này, mã nhị phân 1 đƣợc mã hoá ứng với giá trị dƣơng và mã nhị phân 0 đƣợc mã hoá ứng với giá trị 0. Hơn nữa việc mã hoá đơn cực không phức tạp và dễ thực hiện. Tuy nhiên, mã hoá đơn cực có ít nhất 2 vấn đề làm cho nó ít mong muốn: thành phần một chiều và sự đồng bộ hoá. Thành phần một chiều (DC): Biên độ trung bình của một tín hiệu mã hoá đơn cực là khác 0. Điều này tạo ra thành phần dòng một chiều (DC) – một thành phần có tần số bằng 0. Khi một tín hiệu chứa thành phần DC, nó không thể truyền đi mà không xử lý. - 6 -
Đồng bộ hoá: Khi một tín hiệu không ổn định, bên nhận không thể xác định điểm đầu và điểm cuối của mỗi bit. Vì thế vấn đề đồng bộ hoá trong việc mã hoá đơn cực có thể xảy ra bất cứ khi nào dòng dữ liệu gồm một loạt các chữ số 0 hoặc 1. Quá trình số hoá dùng sự thay đổi mức điện áp để chỉ ra sự thay đổi giá trị bit. Sự thay đổi tín hiệu cũng chỉ ra rằng một bit vừa kết thúc và một bit mới đã bắt đầu. Tuy nhiên trong mã hoá đơn cực một loạt các bít cùng giá trị, nhƣ 7 số 1, tức là không có sự thay đổi điện áp, mức điện áp dƣơng không bị phá vỡ sau 7 lần miễn là nhận giá trị bit 1. Bất cứ khi nào không có tín hiệu thay đổi để chỉ ra điểm bắt đầu của bit tiếp theo trong chuỗi, bên nhận phải dựa trên một mức thời gian. Chẳng hạn với tốc độ bit 1000 bps, nếu bên nhận xác định một điện áp dƣơng trễ 0.005s, mà tốc độ đọc 1 bít là 0.001s, hay 5 bit. Sự thiếu đồng bộ giữa đồng hồ của bên nhận và bên gửi làm sai lệch thời gian của tín hiệu, ví dụ 5 bít 1 bị kéo dài thành 0.006s, và do đó bên nhận sẽ hiểu thành 6 bít 1. Một bit phụ trong dòng dữ liệu gây ra mọi thứ sau khi nó đƣợc giải mã nhầm. Một giải pháp đƣợc phát triển để điều khiển việc đồng bộ hoá trong truyền phát một cực là sử dụng một dấu tách, mắc song song một đƣờng mang một xung đồng hồ và cho phép bên nhận phân chia để đồng bộ hoá lại thời gian của nó. Nhƣng việc nhân đôi số đƣờng sử dụng cho truyền phát đồng nghĩa với việc làm tăng chi phí và vì vậy sẽ không kinh tế. 1.2.1.2. Mã hoá cực: Mã hoá cực sử dụng 2 mức điện thế, một điện áp dƣơng và một điện áp âm. Bằng việc sử dụng cả 2 mức, trong phƣơng pháp mã hoá cực, mức điện thế trung bình trên đƣờng truyền đƣợc giảm xuống và vấn đề về thành phần DC của mã hoá đơn cực vì thế đƣợc giảm nhẹ. Trong mã hoá Manchester và Manchester vi sai (xem trang sau), mỗi bit gồm có cả hai điện thế dƣơng và điện thế âm, vì vậy thành phần DC hoàn toàn có thể loại ra. Mã hoá cực sử dụng 2 mức biên độ (mức dương và mức âm) Trong số rất nhiều kiểu mã hoá cực đa dạng, chúng ta sẽ chỉ kiểm tra 3 kiểu thông dụng nhất: nonreturn to zero (NRZ), return to zero (RZ), và biphase. Mã hoá NRZ bao gồm 2 cách: nonreturn to zero, level (NRZ-L), và nonreturn to zero, invest (NRZ-I). Biphase cũng có 2 phƣơng pháp. Đầu tiên, Manchester là phƣơng pháp đƣợc sử dụng bởi mạng LAN. Kế đến, Manchester vi sai, là phƣơng thức đƣợc sử dụng bởi mạng Token Ring LAN Polar NRZ RZ Biphase NRZ-L NRZ-I Manchester Manchester vi sai Mã hoá Nonreturn to Zero (NRZ): Trong mã hoá NRZ, mức của tín hiệu luôn là dƣơng hoặc âm. Hai phƣơng thức thông dụng nhất của việc truyền phát NRZ đƣợc trình bầy nhƣ sau:  Mã hoá NRZ-L: Trong mã hoá NRZ-L, mức của tín hiệu phụ thuộc vào kiểu của bit mà nó trình bày. Điện thế dƣơng quy ƣớc là bit 0, tín hiệu điện thế âm quy ƣớc là bit 1; theo cách đó mức của tín hiệu phụ thuộc vào trạng thái của các bit. Trong NRZ-L mức của tín hiệu phụ thuộc vào trạng thái của bit - 7 -
Một vấn đề có thể nảy sinh khi có một dãy dài các bit 0 và 1 trong dữ liệu. Bên nhận nhận một dòng điện thế liên tục và có thể xác định có bao nhiêu bit đƣợc gửi dựa vào đồng hồ của chúng, điều này có thể đƣợc đồng bộ hoặc không đƣợc đồng bộ với đồng hồ ngƣời gửi.  Mã hoá NRZ-I: Trong NRZ-I . Một sự đảo ngƣợc của điện thế miêu tả một bit 1. Sự chuyển đổi trạng thái giữa điện thế dƣơng và điện thế âm đƣa ra một bit 1. Một bit 0 đƣợc miêu tả nhƣ một sự không thay đổi. NRZ-I tốt hơn NRZ-L vì sự đồng bộ hoá cung cấp bởi sự thay đổi tín hiệu trong mỗi thời điểm một bit 1 gặp phải. Hiện trạng của chuỗi bit 1 trong luồng dữ liệu cho phép bên nhận đồng bộ hoá thời gian của nó đến nơi nhận thực sự của việc truyền. Một chuỗi bit 0 có thể gây ra vấn đề, tuy nhiên do các bít 0 không hẳn nhƣ vậy, chúng giảm thiểu vấn đề xảy ra. Trong NRZ-I các tín hiệu được đảo ngược nếu một bit 1 được gặp. Biên độ 0 1 0 0 1 1 1 0 thời gian NRZ-L thời gian NRZ-I Trong chuỗi NRZ-L, điện thế dƣơng và âm có nghĩa rõ ràng; dƣơng đối với 0 và âm đối với 1. Trong chuỗi NRZ-I , bên nhận tìm kiếm sự thay đổi từ một mức này đến mức khác nhƣ là cơ sở để nhận ra bít 1. Mã hoá Return to Zero (RZ) Nhƣ chúng ta có thể thấy, ở bất cứ thời điểm nào thì dữ liệu gốc cũng chứa đựng các số 1 và không liên tiếp nhau. Bên nhận có thể mất vị trí của nó. Và nhƣ chúng ta đã đề cập đến trong phần thảo luận về mã hoá đơn cực, một cách để đảm bảo đồng bộ hoá là gửi các tín hiệu thời gian phân tách trên một kênh phân tách. Tuy nhiên giải pháp này sẽ làm tăng chi phí đồng thời dễ xảy ra lỗi của bản thân chúng. Một giải pháp tốt hơn là bằng cách nào đó chứa đựng việc đồng bộ hoá trong tín hiệu mã hoá. Một vài thứ giống nhƣ giải pháp đƣợc cung cấp bởi NRZ-I, nhƣng khả năng trình bày trình bày chuỗi 0 và 1 là nhƣ nhau. Giá trị 0 1 0 0 1 1 1 0 Thời gian Để đảm bảo việc đồng bộ hoá, cần phải có một tín hiệu thay đổi cho mỗi bit. Bên nhận có thể sử dụng những thay đổi này để xây dựng, cập nhật và đồng bộ hoá đồng hồ của nó. Nhƣ chúng ta đã biết ở trên, NRZ-I thực hiện điều này cho một chuỗi tuần tự các bít 1. Nhƣng để thay đổi với mỗi bit, chúng ta cần phải có nhiều hơn 2 mức. Một giải pháp đó là mã hoá theo kiểu Return to Zero (RZ), bằng việc sử dụng 3 giá trị: dƣơng, âm và không. Trong RZ, những thay đổi tín hiệu không phải giữa các bít, nhƣng ở trong mỗi bit. Giống nhƣ NRZ- - 8 -
L, điện thế dƣơng có nghĩa là 0, và điện thế âm có nghĩa là 1. Trong khoảng thời gian của một nửa bit, một nửa tín hiệu còn lại trở về 0. Một bit 1 thực tế đƣợc miêu tả là dƣơng-0 và một bit 0 đƣợc miêu tả là âm -0 sẽ tốt hơn chỉ có một mình dƣơng và âm. Sự bất lợi chính của mã hoá RZ là đòi hỏi 2 thay đổi tín hiệu để mã hoá 1 bit, và vì vậy nó chiếm giữ giải rộng hơn. Tuy nhiên có ba khả năng để chúng ta kiểm tra tốt hơn, đó là hiệu quả tốt nhất. Mã hóa Biphase: Có lẽ giải pháp tốt nhất cho đến nay để giải quyết vấn đề đồng bộ hoá là mã hoá Biphase. Trong phƣơng pháp này sẽ thay đổi tín hiệu trong khoảng thời gian của mỗi bit nhƣng không trở về 0. Thay vào đó nó chuyển sang cực đối diện. Giống nhƣ RZ, ở giữa khoảng thời gian truyền cho phép đồng bộ hoá. Mã hoá Biphase được bổ sung là: Manchester và Manchester vi sai.  Manchester: Mã hoá Manchester sử dụng cách đảo ngƣợc mỗi bít trong khoảng thời gian của nó để đồng bộ và miêu tả bit. Việc chuyển trạng thái âm-dƣơng tƣơng ứng với bít 1 và dƣơng-âm tƣơng ứng với bít 0. Ở đây ta sử dụng việc một chuyển trạng thái đơn cho hai mục đích. Mã hoá Manchester đạt đƣợc theo mức của đồng bộ hoá nhƣ RZ, nhƣng chỉ có 2 giá trị biên độ.  Manchester vi sai: Trong Manchester vi sai việc đảo ngƣợc trong khoảng thời gian của mỗi bít đƣợc sử dụng cho vấn đề đồng bộ hoá, nhƣng sự có mặt hoặc thiếu vắng của việc biến đổi đƣợc thêm vào ở đầu trong khoảng thời gian tạm ngƣng đƣợc sử dụng để xác định cho bit. Một sự biến đổi có nghĩa là bít 0 và sự không biến đổi có nghĩa là bít 1. Manchester vi sai yêu cầu 2 sự thay đổi tín hiệu để trình bày bít 0 nhƣng chỉ có 1 để trình bày bit 1. Biên độ Thời gian Manchester Manchester Thời gian vi sai 1.2.1.3 Mã hoá lưỡng cực: Mã hoá lƣỡng cực, giống nhƣ RZ, sử dụng 3 mức điện thế: dƣơng, âm và 0. Tuy nhiên không giống nhƣ RZ, mức 0 trong mã hoá lƣỡng cực đƣợc sử dụng để miêu tả bit 0, còn bít 1 ứng với điện thế âm hoặc dƣơng. Nếu đầu tiên một bit đƣợc miêu tả bởi biên độ dƣơng, thì bít 1 thứ hai sẽ đƣợc miêu tả ở biên độ âm, còn bít 1 thứ ba lại đƣợc miêu tả bằng biên độ dƣơng Việc luân phiên này xuất hiện cả khi các bit 1 rời rạc nhau. Ba kiểu của mã hoá lƣỡng cực thông thƣờng để truyền thông dữ liệu là: AMI, B8ZS, và HDB3 Lƣỡng cực AMI B8ZS HDB3 - 9 -
 Mã hoá AMI (đảo dấu xen kẽ lƣỡng cực): Mã hóa AMI là kiểu mã hoá lƣỡng cực đơn giản nhất; trong tên gọi của nó; từ “dấu” xuất phát từ điện tín và có nghĩa là 1. Vì vậy AMI có nghĩa là đảo 1 xen kẽ nhau. Một vị trí trung lập, điện thế 0 sẽ trình bày bít 0. Những bít 1 đƣợc miêu tả bởi các điện áp dƣơng âm đan xen nhau. Hình 5.10 đƣa ra ví dụ này. Biên độ 0 1 0 0 1 1 1 0 Thời gian Một sự biến đổi của AMI đƣợc gọi là giả ba bậc với bít 0 nằm xen kẽ giữa điện thế dƣơng và điện thế âm. Với việc đảo lộn trong mỗi lần xuất hiện của 1, AMI đạt đƣợc 2 mục đích: thứ nhất các thành phần DC là 0, và thứ 2 một dẫy dài các số 1 đƣợc đồng bộ hoá. Không có kỹ thuật nào để chắc chắn việc đồng bộ hoá cho một chuỗi dài các số 0. Hai biến đổi của AMI vừa đƣợc phát triển để giải quyết vấn đề đồng bộ hoá chuỗi 0, đặc biệt cho việc truyền phát ở khoảng cách lớn. Đầu tiên, đƣợc sử dụng ở Bắc Mỹ, đƣợc gọi là B8ZS (lƣỡng cực thay thế 8-zero). Thứ hai, đƣợc sử dụng ở Nhật và Châu Âu, đƣợc gọi là HDB3 (lƣỡng cực mật độ cao 3). Cả hai kiểu này đều là sự thích nghi với AMI mà chỉ thay đổi mẫu gốc trong trƣờng hợp có nhiều chuỗi 0 liên tiếp.  B8ZS: B8ZS là một sự thoả thuận đƣợc chấp nhận ở Bắc Mỹ để cung cấp việc đồng bộ hoá cho chuỗi 0. Trong tất cả các tình huống, các chức năng B8ZS tƣơng tự nhƣ của AMI. AMI thay đổi cực với mọi 1 gặp phải. Những thay đổi này cung cấp sự đồng bộ hoá cần thiết bởi bên nhận. Nhƣng tín hiệu không thay đổi trong suốt chuỗi 0, vì vậy việc đồng bộ hoá thƣờng bị mất. Sự khác nhau giữa B8ZS và AMI xuất hiện bất cứ khi nào có 8 hoặc nhiều hơn các bít 0 liên tiếp gặp phải trong dòng dữ liệu. Giải pháp cung cấp bởi B8ZS là áp đặt sự thay đổi tín hiệu giả bên trong chuỗi 0 (đƣợc gội là violation). Ở mọi thời điểm có 8 bit 0 xuất hiện liên tiếp, B8ZS đƣa vào những thay đổi trong mẫu dựa trên sự khác biệt của bit 1 trƣớc đó (1 chỉ xuất hiện ở phía trƣớc của chuỗi 0). Nếu bít 1 trƣớc đó là dƣơng, 8 bít 0 sẽ đƣợc mã hoá là 0, 0, 0, +, -, 0, -, +. Hãy nhớ rằng bên nhận đang tìm kiếm sự thay đổi để xác định 1. Khi nó thấy có 2 điện tích dƣơng liên tiếp bao quanh 3 bít 0, nó nhận ra mẫu, tính toán và đƣa vào violation để không gây ra lỗi. Sau đó - 10 -
nó tìm kiếm phần còn lại của những violation trông đợi. Khi tìm thấy chúng, bên nhận chuyển 8 bít thành 0 và quay trở lại chế độ AMI thông thƣờng. Nếu cực của bít 1 trƣớc đó là âm, mẫu của các violation sẽ là tƣơng tự nhƣng đảo ngƣợc lại cực. Cả mẫu dƣơng và âm đƣợc chỉ ra trong hình 1.13.  HDB3: Vấn đề đồng bộ hoá chuỗi liên tiếp các số 0 đƣợc giải quyết ở Nhật và Châu Âu khác với Mỹ. Quy ƣớc này, gọi là HDB3, đƣa sự thay đổi vào mẫu AMI mỗi thời điểm 4 bít 0 liên tiếp thay cho 8 bit nhƣ của Bắc Mỹ. Mặc dù tên gọi của nó là HDB3, các mẫu thay đổi bất cứ khi nào có 4 bít 0 liên tiếp. Nhƣ trong B8ZS, mẫu của các violation trong HDB3 đƣợc dựa trên sự phân cực của bít 1 trƣớc đó. Tuy nhiên khác với B8ZS, HDB3 cũng nhìn vào số các bít 1 vừa xuất hiện trong dòng bít kể từ lần thay thế cuối cùng. Bất cứ khi nào số của bít 1 kể từ lần thay thế cuối cùng là lẻ, B8ZS đẩy một violation vào vị trí thứ 4 của các bít 0 liên tiếp. Nếu sự phân cực của bít trƣớc đó là dƣơng, violation là dƣơng. Nếu sự phân cực của bit trƣớc đó là âm, violation là âm. Bất cứ khi nào số của bít 1 kể từ lần thay thế cuối cùng là chẵn, B8ZS đẩy violation vào vị trí đầu tiên và vị trí thứ 4 của các bít 0 liên tiếp. Nếu cực của bít trƣớc là dƣơng, cả hai violation là âm. Nếu cực của bit trƣớc đó là âm, cả hai violation là dƣơng. Ví dụ 1: Sử dụng B8ZS, mã hoá dòng bít 10000000000100; áp dụng với cực của bít 1 đầu tiên là 1. Biên độ 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 Thời gian Ví dụ 2: Sử dụng HDB3, mã hoá dòng bít 10000000000100; áp dụng với số các bít 1 ở trƣớc nó là chẵn và bít 1 đầu tiên là dƣơng. Biên độ 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 Thời gian - 11 -
1.2.2. Dữ liệu tương tự – tín hiệu số Đôi khi chúng ta cần số hoá một tín hiệu tƣơng tự. Ví dụ để gửi giọng nói của con ngƣời trong một khoảng cách xa. Chúng ta cần số hoá nó để giảm nhiễu và ồn. Vấn đề này đƣợc gọi là “chuyển đối tín hiệu tƣơng tự về tín hiệu số” hoặc là số hoá tín hiệu tƣơng tự. Analog/Digital conversion (codec) Trong sự chuyển đổi từ tín hiệu tƣơng tự về tín hiệu số, chúng ta đƣa ra các thông tin dƣới dạng sóng liên tục nhƣ là một dãy nhịp của các tín hiệu số (1s hoặc 0s). Chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự về tín hiệu số cần sử dụng một vài tín hiệu số đã đƣợc trình bày tại phần 5.1. Cấu trúc của sự chuyển đổi là không có vấn đề gì. Vấn đề là làm nhƣ thế nào để chuyển các thông tin từ số lƣợng lớn các giá trị tới số rời rạc của các giá trị mà không ảnh hƣởng tới giác quan con ngƣời và chất lƣợng của tín hiệu. 1.1.1.1.Điều chế biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation - PAM) Bƣớc đầu tiên trong quá trình chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự về tín hiệu số đƣợc gọi là điều chế biên độ xung. Kỹ thuật này thao tác với tín hiệu thƣơng tự, đơn giản nó và tạo ra những dải của xung cơ bản có kết quả mẫu tín hiệu tƣơng tự. Thuật ngữ “mẫu” có nghĩa là đơn vị biên độ của tín hiệu trong 1 khoảng thời gian là bằng nhau. Lý thuyết mẫu đƣợc dùng trong điều chế biên độ xung là hiệu quả hơn trong các vùng khác của năng lƣợng, nó là dữ liệu truyền thông. Tuy nhiên PAM là nền tảng quan trọng trong chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự về tín hiệu số lý thuyết này đƣợc gọi là điều chế xung theo mã (pulse code modulation - PCM) Trong PAM, tín hiệu ban dầu là mẫu tại thời gian nghỉ bằng nhau Amplitude Amplitude Time Time a. Anaglog signal b. PAM signal PAM gọi là kỹ thuật mẫu và giữ. Ở hiện tại, cấp độ tín hiệu là đọc, tiếp theo là trợ giúp tổng hợp. Những mẫu giá trị xảy ra chỉ trong sự xuất hiện của sóng, nhƣng nhìn chung kết quả trong PAM vẫn còn ngắn. Lý do PAM không hữu dụng trong dữ liệu truyền thông là, mặc dù nó truyền đổi sóng gốc từ một dải của xung, những xung này vẫn còn có biên độ(vẫn là tín hiệu tƣơng tự, không phải là tín hiệu số). Để tạo ra tín hiệu số chúng ta phải sửa đổi chúng bằng cách dùng PCM. Lƣu ý: PAM có một vài ứng dụng, nhƣng bản thân nó không dùng trong dữ liệu truyền thông. Tuy nhiên đây là bƣớc quan trọng phổ biến đầu tiên trong lý thuyết chuyển đổi và đƣợc gọi là PCM. 1.2.2.2. Điều chế xung theo mã (PCM) PCM sửa đổi vấn đề tạo ra xung bằng PAM để hoàn thành một tín hiệu số. Làm nhƣ vậy, PCM đầu tiên lƣợng tử hoá những xung của PAM. Sự lƣợng tử là lý thuyết thừa hƣởng những giá trị trong một dãy đã biết tới mẫu đặc biệt. - 12 -
Amplitude +127 +125 +110 +90 +88 +77 +52 +48 +39 +38 +26 +24 -15 Time -50 -80 Hình 1.18 trình bày 1 mẫu phƣơng thức của thừa kế tín hiệu và giá trị độ lớn lƣợng tử hoá mẫu. Mỗi giá trị chuyển đổi vào tƣơng đƣơng 7 bít nhị phân. Bít thứ 8 là bít dấu (+ là 0 và – là 1). +024 00011000 -015 10001111 +125 01111101 +038 00100110 -080 11010000 +110 01101110 +048 00110000 -050 10110010 +090 01011010 +039 00100111 +052 00110110 +088 01011000 +026 00011010 +127 01111111 +077 01001101 Tốc độ lấy mẫu (Sampling Rate). Nhƣ chúng ta đã thấy từ các hình vẽ trƣớc, sự chính xác của mỗi tín hiệu số đƣợc tái tạo lại từ các tín hiệu tƣơng tự phụ thuộc vào số mẫu đã đem theo. Sử dụng PAM và PCM chúng ta tái tạo lại sóng chính xác bằng cách đem theo số lƣợng mẫu không xác định, hoặc chúng ta có thể tái tạo sự phát ra trống không của chính nó. Rõ ràng chúng ta muốn tìm một số ở đâu đó trên trục số. Nhƣ vậy, câu hỏi là “Có bao nhiêu mẫu thì đủ?” Trên thực tế, rất ít thông tin đáng chú ý cho việc gửi và nhận để tạo lại cấu trúc của tín hiệu tƣơng tự. Theo định lý Nyquist để đảm bảo tính chính xác trong sự tái tạo tín hiệu tƣơng tự nguyên bản ta sử dụng PAM, sự tốc độ lấy mẫu phải tiến hành hai lần ở tần số cao nhất của tín hiệu gốc. Nhƣ vậy, nếu chúng ta muốn mẫu giọng nói điện thoại với tần số lớn nhất 4000 Hz, chúng ta cần tốc độ lấy mẫu của 8000 mẫu trên 1 giây. Lưu ý: Theo định lý Nyquist, sự tốc độ lấy mẫu ít nhất phải tiến hành 2 lần ở tần số cao nhất. Một sự tốc độ lấy mẫu hai lần ở tần số x Hz có nghĩa tín hiệu phải đƣợc lấy mẫu mỗi ½ x giây. Dùng giọng nói qua đƣờng dây điện thoại ở trên là một ví dụ, điều này có nghĩa là một mẫu mỗi 1/8000 giây. Để hiểu rõ hơn về định lý xét ví dụ sau: Tốc độ lấy mẫu là bao nhiêu ở dải băng rộng 10000 Hz (1000 tới 11000)? - 13 -
Giải: Tốc độ lấy mẫu hai lần ở tần số cao nhất của tín hiệu Tốc độ lấy mẫu = 2(11000) = 22000 mẫu/giây. Amplitude Tần số cao nhất = x Hz Tốc độ mẫu = 2x mẫu/giây Time Thời gian giữa 2 mẫu = ½ x Bao nhiêu bit cho một mẫu? Sau khi chúng ta tìm đƣợc tốc độ lấy mẫu, chúng ta cần xác định số bit cần truyền cho mỗi mẫu. Điều này phục thuộc vào mức độ của độ chính xác cần thiết. Số bit là những lựa chọn cho tín hiệu gốc cần tái tạo với độ chính xác mong muốn trong biên độ. Ví dụ: Một tín hiệu là mẫu, mỗi mẫu yêu cầu ít nhất 12 mức của độ chính xác (+0 đến +5 và –0 đến -5). Bao nhiêu bit sẽ đƣợc gửi cho mỗi mẫu? Giải: Chúng ta cần 4 bit: 1 bit cho dấu và 3 bit cho giá trị. 3 bit giá trị có thể biểu diễn bằng 23 = 8 mức (000 đến 111), điều đó là nhiều hơn cái ta cần. Với 2 bit giá trị là không đủ vì 22 = 4. Với 4 bit giá trị thì quá lớn vì 24 = 16(thừa quá nhiều). Tốc độ Bit (Bit Rate). Sau khi tìm đƣợc số bit trên mỗi mẫu, ta cần tính toán Bit Rate theo công thức: Bit Rate = Tốc độ lấy mẫu x Số bit trên mỗi mẫu Ví dụ: Chúng ta muốn số hoá giọng nói con ngƣời. Bit Rate là gì? với giả thiết 8 bit trên một mẫu. Giải: Giọng nói bình thƣờng của ngƣời thƣờng ở tần số từ 0 đến 4000 nhƣ vậy tốc độ lấy mẫu là: Tốc độ lấy mẫu = 2 x 4000 = 8000 mẫu/giây. Bit Rate có thể tính toán nhƣ sau: Bit Rate = Tốc độ lấy mẫu x Số bit trên một mẫu = 8000x8 = 64000 bit/s = 64 Kbps. 1.2.3. Dữ liệu số - Tín hiệu tương tự Biến đổi D/A (hay còn gọi là điều biến D/A) là quá trình thay đổi một trong những đặc trƣng của tín hiệu tƣơng tự dựa vào thông tin trong tín hiệu số (0 và 1). Khi truyền dữ liệu từ một máy tính đến máy tính khác qua đƣờng điện thoại công cộng, chẳng hạn nhƣ: dữ liệu gốc là số, nhƣng vì các đƣờng dây điện thoại mang các tín hiệu tƣơng tự, nên dữ liệu phải đƣợc chuyển đổi. Dữ liệu số phải đƣợc điều biến thành tín hiệu tƣơng tự, điều đó đƣợc thực hiện trông nhƣ hai giá trị phân biệt tƣơng ứng với số nhị phân 0 và 1. - 14 -
Có nhiều thiết bị biến đổi D/A, nhƣng chúng ta sẽ chỉ bàn đến những thiết bị có lợi nhất cho việc truyền dữ liệu. Một tín hiệu hình sin có 3 đặc trƣng: biên độ, tần số và pha. Khi thay đổi một trong 3 đặc trƣng này, ta sẽ tạo đƣợc phiên bản mới của tín hiệu hình sin đó. Chẳng hạn tín hiệu gốc là mức 1, có thể biến đổi thành mức 0 hoặc ngƣợc lại. Vì thế, bằng sự thay đổi liên tục hình dáng của một tín hiệu điện đơn giản, ta có thể dùng nó để mô tả dữ liệu số. Bất cứ ba đặc trƣng trên có thể đƣợc thay đổi theo cách này, đƣa cho ta ít nhất 3 thiết bị để biến đổi dữ liệu số thành tín hiệu tƣơng tự: ASK (Amplitude Shift Keying - dời biên độ). FSK (Frequency Shift Keying - dời tần số). PSK (Phase Shift Keying - dời pha). Hơn nữa, thiết bị thứ tƣ tốt hơn cả là thay đổi hỗn hợp của cả biên độ, tần số và pha đƣợc gọi là bộ điều chế biên độ cầu phƣơng QAM (Quadrature Amplitude Modulation). QAM là hiệu quả nhất so 3 thiết bị trƣớc, và là thiết bị đƣợc dùng trong tất cả các MODEM hiện đại (hình 5.23). Các thành phần của bộ biến đổi D/A: Trƣớc khi thảo luận các phƣơng pháp cụ thể để biến đổi D/A, có hai vấn đề cơ bản phải đƣợc định nghĩa: tốc độ truyền bit/baud và tín hiệu mang. Bit Rate and Baud Rate: Hai thuật ngữ đƣợc dùng thƣờng xuyên trong việc truyền dữ liệu là bit rate và baud rate. Bit rate là số bit đƣợc truyền trong một giây. Baud rate chỉ ra số đơn vị tín hiệu trên một giây đƣợc yêu cầu để mô tả những bit đó. Khi thảo luận về hiệu quả máy tính, thì bit rate là quan trọng hơn, vì ta muốn biết thời gian xử lý từng mẩu tin.Tuy nhiên, trong việc truyền dữ liệu, thì chú trọng đến tính hiệu quả của việc chuyển dữ liệu từ nơi này đến nơi khác trong các mẩu tin hay các khối tin. Các đơn vị tín hiệu ít hơn đƣợc yêu cầu là hiệu quả hơn cho hệ thống và băng thông hẹp hơn đƣợc yêu cầu để truyền các bit; vì vậy, chúng ta chú trọng hơn vào baud rate. Baud rate xác định băng thông yêu cầu để gửi tín hiệu. Baud rate = Bit rate / (số bít trên một đơn vị tín hiệu) 1.2.3.1 Điều chế biên độ (ASK) Cƣờng độ tín hiệu mang đƣợc biến đổi sang dạng số nhị phân 0 hoặc 1. Trƣờng hợp này tần số và pha là không đổi trong khi biên độ thay đổi. Điện áp biểu diễn ở mức 1 và mô tả mức 0 là sang trái với hệ thống. Khoảng thời gian 1 bit là là giai đoạn đƣợc định nghĩa là 1 bit. Đỉnh biên độ của tín hiệu trong suốt khoảng thời gian mỗi bít là không đổi và sự thay đổi của nó phụ thuộc vào bit (0 hoặc 1). Tốc độ truyền dùng ASK bị giới hạn bởi các tính chất vật lý của môi trƣờng truyền. - 15 -
Không may, việc truyền ASK là nhạy cảm cao với nhiễu. Thuật ngữ tiếng ồn (nhiễu) ám chỉ đến điện áp không định trƣớc can thiệp vào đƣờng truyền bởi các hiện tƣợng khác nhƣ là sự nóng lên hay điện từ đƣợc sinh ra bởi các nguồn khác. Các điện áp không định trƣớc này trộn lẫn với tín hiệu làm thay đổi biên độ. Mức 0 có thể bị đổi thành mức 1 hoặc ngƣợc lại. Rõ ràng nhiễu là vấn đề khó giải quyết đối với ASK, do chỉ có dựa vào biên độ để nhận biết. Nhiễu thƣờng tác động lên biên độ; vì thế ASK là phƣơng pháp điều chế bị ảnh hƣởng nhất bởi nhiễu. Kỹ thuật ASK phổ biến đƣợc gọi là OOK (on-off-keying). Với OOK, các giá trị bit đƣợc mô tả không theo điện áp. Sự tiến bộ là giảm bớt trong năng lực yêu cầu để truyền thông tin. 1.2.3.2 Điều chế tần số (FSK) Tần số tín hiệu mang đƣợc biến đổi để mô tả các chữ số nhị phân 0 hoặc 1. Tần số tín hiệu mang trong suốt thời gian mỗi bit là không đổi, giá trị của phụ thuộc vào bit 0 hoặc 1: còn lại biên độ và pha là không đổi. FSK tránh đƣợc hầu hết các vấn đề nhiễu của ASK. Bởi vì thiết bị nhận coi tần số tiêu biểu thay đổi qua số chu kỳ đã cho, nó có thể bỏ qua các đỉnh điện áp. Các yếu tố giới hạn của FSK là môi trƣờng vật lý của sóng mang. Băng thông FSK Mặc dù FSK dịch giữa 2 tần số mang, nó dễ phân tích thành 2 tần số trong cùng thời điểm. Ta có thể nói phổ FSK là sự hỗn hợp của 2 phổ ASK tập trung quanh tần số fc0 và fc1. băng thông yêu cầu cho việc truyền FSK bằng tốc độ baud rate của tín hiệu cộng với tần số dịch (khác nhau giữa hai tần số mang): BW = (fc1-fc0) + Nbaud. 1.2.3.3 Điều chế pha (PSK) Pha của sóng mang đƣợc biến đổi để biểu diễn sang số nhị phân 0 hoặc 1. Cả biên độ và tần số là không đổi, còn pha thì thay đổi. Ví dụ, nếu ta bắt đầu với một pha 0o để mô tả bít 0, thì ta có thể thay đổi pha sang 180o để gửi số nhị phân 1. Pha của tín hiệu trong suốt thời gian mỗi bít là không đổi và giá trị của nó phụ thuộc vào bit 0 hoặc 1. - 16 -
Phƣơng pháp ở trên thƣờng đƣợc gọi là 2-PSK hoặc PSK nhị phân, bởi vì 2 pha khác nhau (0o và 180o) đƣợc dùng. Hình 5.30 chỉ rõ điều này bằng mối quan hệ giữa pha sang giá trị bit. Sơ đồ thứ hai, đƣợc gọi là chòm sao (constellation) hoặc sơ đồ trạng thái pha, chỉ ra cùng mối quan hệ đƣợc minh hoạ chỉ bằng các pha. 1.3 Các phƣơng pháp truyền tin 1.3.1 Cấu trúc kênh truyền Truyền song song (Parallel) Mỗi bit dùng một đƣờng truyền riêng. Nếu có 8 bits đƣợc truyền đồng thời sẽ yêu cầu 8 đƣờng truyền độc lập Để truyền dữ liệu trên một đƣờng truyền song song, một kênh truyền riêng đƣợc dùng để thông báo cho bên nhận biết khi nào dữ liệu có sẵn (clock signal) Cần thêm một kênh truyền khác để bên nhận báo cho bên gửi biết là đã sẵn sàng để nhận dữ liệu kế tiếp Truyền nối tiếp (Serial) Tất cả các bit đều đƣợc truyền trên cùng một đƣờng truyền, bit này tiếp theo sau bit kia Không cần các đƣờng truyền riêng cho tín hiệu đồng bộ và tín hiệu bắt tay (các tín hiệu này đƣợc mã hóa vào dữ liệu truyền đi) - 17 -
Có hai cách truyền nối tiếp: Bất đồng bộ: Khi truyền bất đồng bộ ngƣời ta phát từng ký hiệu riêng rẽ, cách biệt nhau và để phân biệt các ký tự ngƣời ta thêm tín hiệu đầu (start) và cuối (stop) vào mỗi ký tự. Đồng bộ: Khi truyền đồng bộ để nhận biết giá trị các thời điểm là 0 hay 1 cần phải có tín hiệu xung clock gọi là tín hiệu đồng bộ. Tín hiệu đồng bộ có chu kỳ là T, nghĩa là mỗi giây 1 nguồn sẽ cung cấp bits. T 1.3.2 Chế độ truyền tin Mạch đơn công (một chiều: simplex): thông tin chỉ có thể truyền từ nguồn sang thiết bị thu mà chiều ngƣợc lại không thể thực hiện đƣợc. Ví dụ: dữ liệu đƣợc truyền từ máy tính sang máy in. Simplex operation One-way only Mạch bán song công (hai chiều ngắt quãng: half duplex). Hai thiết bị đầu cuối có thể truyền dữ liệu cho nhau tại những thời điểm khác nhau. Half-duplex operation Two-way but not at the same time Mạch song công (hai chiều toàn phần: duplex). Hai thiết bị đầu cuối có thể truyền dữ liệu cho nhau đồng thời. Full-duplex operation Both-way at the same time CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1.1. Anh chị hãy trình bày về các loại tín hiệu đƣợc sử dụng trong truyền dẫn hiện nay. Nêu các đặc trƣng, ƣu nhƣợc điểm của chúng 1.2. Trình bày hiểu biết cúa anh chị về các đại lƣợng liên quan đến tín hiệu truyền dẫn. Nêu các khắc phục các nhƣợc điểm (nếu có) 1.3. Trình bày hiểu biết của anh chị về các phƣơng thức truyền dẫn hiện nay. Các ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng thức này. 1.4. Cho chuỗi bít cần truyền: 1001 0111 0011 1010 1101 1111 0101 1101. Anh chị hãy mã hóa chuỗi bít trên theo phƣơng pháp mã hóa NRZ-I, 3 bậc, Manchester, FSK. 1.6.Cho chuỗi ký tự cần truyền theo mã ASCII mở rộng là “TEST”. Anh chị hãy mã hóa chuỗi ký tự trên theo phƣơng pháp mã hóa NRZ, AMI, Manchester, FSK. 1.7.Tín hiệu xung PAM đƣợc lấy mẫu với tốc độ 12 KHz từ tín hiệu tƣơng tự dạng sóng hình sin 1KHz. Hãy xác định xung PAM tự nhiên, xung PAM đỉnh phẳng, Xung DM. 1.8. Một máy thu DM thu đƣợc chuỗi bít nhị phân: 1001 0111 0011 1010 1101 1111 0101 1101. Anh chị hãy vẽ tín hiệu tƣơng tự tìm kiếm xuất hiện tại đầu ra của bộ tích phân - 18 -
Chƣơng II: HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG 2.1. Giới thiệu về hệ thống truyền thông Hệ thống truyền thông đƣợc hiểu là một hệ thống toàn diện giúp truyền số liệu từ nơi này đến nơi khác. Xét mô hình một hệ thống truyền thông tiêu biểu : Luật 1 Luật 1 Luật 2 Luật 2 Luật n Luật n Dữ liệu Sender Receiver Môi trƣờng truyền Khi xét một hệ thống truyền thông ta xét tới các yếu tố sau: Sender: hệ thống phát – Là hệ thống phát dữ liệu. Receiver: hệ thống thu – Là hệ thống thu dữ liệu nhận đƣợc từ hệ thống phát Hình trạng mạng (Topology): cấu hình chi tiết của đƣờng truyền và các hệthống Giao thức mạng (Protocol): Tập hợp các qui tắc, qui ƣớc về phƣơng thức truyền, về khuôn dạng dữ liệu mà khi tham gia truyền thông các thiết bị trong hệ thống phải tuân thủ. Môi trƣờng truyền: các vật dẫn cho phép dữ liệu đƣợc truyền tải trên đó để truyền từ nơi này sang nơi khác. Dữ liệu: Thông tin truyền đƣợc định dạng ở các dạng khác nhau. Các dạng thƣờng thấy của thông tin gồm: Text: Hệ thống mã hóa đầu tiên liên quan đến văn bản là hệ thống mã Morse, đƣợc sử dụng rộng rãi trƣớc khi có máy tính. Đây là một bộ mã nhị phân sử dụng 2 ký tự chấm (.) và gạch (-) để số hóa văn bản (có thể xem tƣơng đƣơng với các bit 0 và 1). Tuy nhiên nó có điểm bất lợi là nghèo nàn: ít các ký tự đƣợc mã hóa. Nó sử dụng sự phối hợp của các dấu gạch và dấu chấm với độ dài khác nhau, điều này không đƣợc tiện lợi đặc biệt cho các ký tự có tần suất xuất hiện giống nhau. Chính vì thế nó không đƣợc dùng để số hóa thông tin. Nếu chúng ta qui định rằng số bit dùng để mã hóa cho một ký tự phải bằng nhau thì với p bit ta có thể mã hóa cho 2p ký tự. Ngày nay, text đƣợc tồn tại dƣới dạng 1 chuỗi bit (0 hoặc 1). Chuỗi đƣợc sử dụng để thể hiện 1 ký tự gọi là - 19 -
mã (code). Các mã Unicode thƣờng sử dụng 16 hoặc 32 bit biểu diễn và mã ASCII sử dụng 1 byte để biểu diễn. Số: Biểu diễn dƣới dạng 1 chuối bit có giá trị nhị phân tƣơng ứng với giá trị số (Không biểu diễn dƣới dạng mã ASCII)vd: 8 1000 Hình ảnh tĩnh:Ảnh số thật sự là một ảnh đƣợc vẽ nên từ các đƣờng thẳng và mỗi đƣờng thẳng đƣợc xây dựng bằng các điểm. Một ảnh theo chuẩn VGA với độ phân giải 640x480 có nghĩa là một ma trận gồm 480 đƣờng ngang và mỗi đƣờng gồm 640 điểm ảnh (pixel). Một điểm ảnh đƣợc mã hóa tùy thuộc vào chất lƣợng của ảnh: Ảnh đen trắng: sử dụng một bit để mã hóa một điểm: giá trị 0 cho điểm ảnh màu đen và 1 cho điểm ảnh màu trắng. Ảnh gồm 256 mức xám: mỗi điểm đƣợc thể hiện bằng một byte (8 bits ; Ảnh màu: ngƣời ta chứng minh rằng một màu là sự phối hợp của ba màu cơ bản là đỏ (Red), xanh lá (Green) và xanh dƣơng (Blue). Vì thế một màu bất kỳ có thể đƣợc biểu biễn bởi biểu thức: x = aR + bG +cB Trong đó a, b, c là các lƣợng của các màu cơ bản. Thông thƣờng một ảnh đẹp sẽ có lƣợng màu với giá trị từ 0 đến 255. Và nhƣ thế, một ảnh màu thuộc loại này đƣợc thể hiện bằng 3 ma trận tƣơng ứng cho 3 loại màu cơ bản. Mỗi phần tử của mảng có giá trị của 8 bits. Chính vì thế cần có 24 bit để mã hóa cho một điểm ảnh màu. Kích thƣớc của các ảnh màu là đáng kể, vì thế ngƣời ta cần có phƣơng pháp mã hóa để giảm kích thƣớc của các ảnh. Âm thanh và video: Dữ liệu kiểu âm thanh và video thuộc kiểu tín hiệu tuần tự. Các tín hiệu tuần tự đƣợc số hóa theo cách thức sau đây: 1 - Lấy mẫu Tín hiệu đƣợc lấy mẫu: với tần số f, ta đo biên độ của tín hiệu, nhƣ thế ta đƣợc một loạt các số đo. 2 - Lƣợng hóa Ta xác định một thang đo với các giá trị là lũy thừa của 2 (2p) và thực hiện việc lấy tƣơng ứng các số đo vào giá trị thang đo. 3- Mã hóa Mỗi một giá trị sau đó đƣợc mã hóa thành các giá trị nhị phân và đặt vào trong các tập tin. 111110101110110010 - 20 -
Dung lƣợng tập tin nhận đƣợc phụ thuộc hoàn toàn vào tần số lấy mẫu f và số lƣợng bit dùng để mã hóa giá trị thang đo p (chiều dài mã cho mỗi giá trị). 2.2 Hệ thống truyền số liệu Nhiễu Môi trường G’(t) S(t) G(t) m’(t) S’(t) m(t) DTE DCE DCE DTE DTE (Data Terminal Equipment): thiết bị đầu cuối dữ liệu với chức năng truyền các dữ liệu từ ngƣời (tới ngƣời dùng) sử dụng dƣới dạng số hoặc tƣơng tự DCE (Data Circuit_Terminal Equipment): thiết bị chuyển đổi dữ liệu với chức năng chuyển đổi các tín hiệu từ DTE sang dạng tƣơng thích với môi trƣờng truyền. Nhiễu: . . . . . , m . Trong hệ thống trên , các tín hiệu tƣơng đƣơng: S(t) S‟(t) M(t) M‟(t) G(t) G‟(t) Nếu các tín hiệu tƣơng đƣơng càng khác xa nhau chứng tỏ sự ảnh hƣởng của nhiễu với hệ thống càng lớn. - 21 -
Vd: Hệ thống internet ADSL sử dụng trên hệ thống thoại vốn có: Kênh thoại Model Model Phân loại hệ thống truyền số liệu: A- Phân loại theo địa lý: 1) Mạng cục bộ: 2) Mạng diện rộng: 3) Mạng toàn cầu: B- Phân loại theo tính chất sử dụng 1) Mạng truyền số liệu ký sinh: 2) Mạng truyền số liệu chuyên dụng: C- Phân loại theo hình trạng mạng 1) Mạng tuyến tính: 2) Mạng hình sao: 3) Mạng vòng: 4) Mạng hỗn hợp D- Phân loại theo kỹ thuật 1) Mạng chuyển mạch kênh: 2) Mạng chuyển mạch thông báo: 3) Mạng chuyển mạch gói: E- Phân loại theo kiến trúc phân tầng mạng: 1) Mạng OSI 2) Mạng riêng công ty 3) Mạng theo kiến trúc TCP/IP 4) . 2.3. Các hệ thống truyền số liệu thƣờng gặp : - 22 -
: . : ) : . : . . 2.3.2. 2 bit 0-1) thấp /D thấp /A thấp : . . (baud rate). 1 giây. 2.3.3. kênh Chế độ này hoạt động theo mô hình của hệ thống điện thoại. Để có thể giao tiếp với máy B, máy A phải thực hiện một cuộc gọi (call). Nếu máy B chấp nhận cuộc gọi, một kênh ảo đƣợc thiết lập dành riêng cho thông tin trao đổi giữa A và B. Tất cả các tài nguyên đƣợc cấp cho cuộc gọi này nhƣ băng thông đƣờng truyền, khả năng của các bộ hoán chuyển thông tin đều đƣợc dành riêng cho cuộc gọi, không chia sẻ cho các cuộc gọi khác, mặc dù có những khoảng lớn thời gian hai bên giao tiếp “im lặng”. Tài nguyên (băng thông) sẽ đƣợc chia thành nhiều những “phần” bằng nhau và sẽ gán cho các cuộc gọi. Khi cuộc gọi sở hữu một “phần” tài nguyên nào đó, mặc dù không sử dụng đến nó cũng không chia sẻ tài nguyên này cho các cuộc gọi khác. Việc phân chia băng thông của kênh truyền thành những “phần” có thể đƣợc thực hiện bằng một trong hai kỹ thuật: Phân chia theo tần số (FDM Frequency Division Multi Access) hay phân chia theo thời gian (TDMA- Time Division Multi Access). - 23 -
2.3.2 Trong phƣơng pháp này, thông tin trao đổi giữa hai máy tính (end systems) đƣợc phân thành những gói tin (packet) có kích thƣớc tối đa xác định. Gói tin của những ngƣời dùng khác nhau (ví dụ của A và B) sẽ chia sẻ nhau băng thông của kênh tr huật lƣu và chuyển tiếp (store and forward), tức lƣu lại các gói tin chƣa gửi gửi chúng đi. 2.4. Môi trƣờng truyền tin Trong hệ thống truyền dữ liệu, môi trƣờng truyền dẫn là đƣờng truyền vật lý giữa nơi gửi và nơi nhận. Phƣơng tiện truyền thông đƣợc phân làm hai loại là có dẫn và không dẫn. Trong cả loại trên, truyền thông thực chất là truyền sóng điện từ. Với phƣơng tiện truyền có dẫn, sóng điện từ đƣợc truyền dọc theo một phƣơng tiện truyền dẫn nhƣ cáp xoắn đôi, cáp đồng trục hay cáp quang. Khí quyển và không gian xung quanh ta đƣợc xem nhƣ là ví dụ về phƣơng tiện truyền không dẫn, điều đó có nghĩa là các tín hiệu điện từ đƣợc truyền đi nhƣng không theo một hƣớng nhất định và nó thƣờng đƣợc gọi là mạng không dây. Các đặc trƣng và chất lƣợng của việc truyền dữ liệu đƣợc xác định bằng cả chất lƣợng của phƣơng tiện truyền dẫn và của tín hiệu truyền dẫn. Đối với môi trƣờng truyền có dẫn, phƣơng tiện truyền dẫn là thành phần quan trọng xác định giới hạn truyền dẫn. Với phƣơng tiện truyền không dẫn, băng thông của tín hiệu dƣợc cung cấp bởi ăng ten quan trọng hơn môi trƣờng truyền dẫn. Đặc tính của tín hiệu đƣợc truyền bởi ăng ten là định hƣớng hoặc đa hƣớng. Thông thƣờng thì các tín hiệu có tấn số thấp thƣờng là đa hƣớng, điều đó có nghĩa là các tín hiệu đƣợc phát theo mọi hƣớng từ ăng ten. Với các tín hiệu có tần số cao, các tín hiệu đƣợc tập trung truyền theo một đƣờng thẳng. Trong khi thiết kế một hệ thống truyền dữ liệu thì vấn đề cần đƣợc quan tâm là tốc độ truyền dữ liệu và khoảng cách truyền dữ liệu - 24 -
2.4.1 Một số khái niệm Băng thông: Nếu băng thông càng lớn thì tốc độ truyền dữ liệu từ cùng một nguồn càng cao. Các hƣ hại truyền dẫn: Các hƣ hại nhƣ là sự suy giảm, giới hạn khoảng cách, với môi trƣờng truyền có dây, thông thƣờng thì cáp xoắn đôi có sự hƣ hại về tín hiệu lớn hơn cáp đồng trục, và cáp đồng trục lại bị hƣ hại tín hiệu nhiều hơn cáp quang. Nhiễu giao thoa: Sự xung đột của các tín hiệu trong cùng một dải tần có thể lam sai lệch hoặc làm mất các tín hiệu. Nhiễu giao thoa là đặc trƣng riêng của các phƣơng tiện truyền không dây, tuy nhiên nó cũng là một vấn đề đối với phƣơng tiện truyền có dây. Với phƣơng tiện truyền có dây, nhiễu giao thoa có thể gây ra bởi các cáp gần nhau.Ví dụ cáp xoắn đôi thƣờng bó lại với nhau, và một ống dẫn thƣờng chứa nhiều cáp do đó sẽ dẫn đến nhiễu. Nhiễu giao thoa cũng có xuất hiện trong truyền không dẫn. Nếu đƣợc bọc tốt thì phƣơng tiện truyền có dẫn có thể giảm tối đa vấn đề này. Số thiết các bị nhận: Một phƣơng tiện truyền dẫn có thể đƣợc sử dụng để tạo ra kết nối điểm-điểm hoặc đƣợc dùng để chia sẻ đƣờng truyền với các thiết bị khác. Trong trƣờng hợp phải chia sẻ đƣờng truyền với các thiết bị khác, các thiết bị đƣợc chia sẻ sẽ gây ra nhiễu cũng nhƣ sự sai lệch các tín hiệu trên đƣờng truyền, vì thế sẽ dẫn tới sự giới hạn khoảng cách cũng nhƣ tốc độ truyền dữ liệu. 2.4.2 Phương tiện truyền có dẫn Với phƣơng tiện truyền có dẫn, khả năng truyền có thể hiểu theo nghĩa tốc độ dữ liệu hoặc băng thông, phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách và môi trƣờng truyền thông trong đó kiểu kết nối là điểm - điểm hay đa điểm, nhƣ ở trong mạng LAN. Bảng 2.1 dƣới đây cho ta biết các đặc điểm chung của phƣơng tiện truyền có dẫn thông dụng với ứng dụng truyền điểm - điểm đƣờng dài. Các phƣơng tiện truyền có dẫn thƣờng đƣợc sử dụng là cáp xoắn đôi, cáp đồng trục và cáp quang. - 25 -
2.4.2.1. Cáp xoắn đôi Phƣơng tiện truyền có dẫn rẻ nhất và đƣợc sử dụng nhiều nhất là cáp xoắn đôi Mô tả vật lý: Một cặp cáp xoắn đôi bao gồm hai dây bọc đồng cách điện đƣợc sắp xếp theo một quy tắc chuẩn. Mỗi cặp dây hoạt động nhƣ là một kết nối truyền thông đơn. Một số cặp này đƣợc bó lại với nhau thành một cáp đƣợc bọc trong một vỏ bảo vệ. Môt dây cáp có thể chứa hàng trăm đôi dây dẫn. Việc xoắn các dây lại làm giảm nhiễu xuyên âm, nhiễu giao thoa giữa các cặp gần nhau trong dây cáp. Những cặp dây gần nhau ở trong cùng một bó có độ dài khác nhau góp phần làm giảm nhiễu xuyên âm, nhiễu giao thoa. Trên một kết nối đƣờng dài, độ dài của các cặp dây thƣờng khác nhau khoảng từ 5 tới 15 cm.Các dây trong một cặp có đƣờng kính từ 0,4 đến 0,9 mm. Ứng dụng: Cáp xoắn đôi đƣơc dùng phổ biến trong truyền dẫn cả tín hiệu số và tín hiệu tƣơng tự. Nó thƣờng đƣợc sử dụng trong mạng điện thoại và là phƣơng tiện truyền dẫn trong việc truyền thông của nội bộ một toà nhà. Trong mạng điện thoại, tập hợp các điện thoại của những gia đình riêng lẻ sẽ đƣợc kết nối tới một tổng đài cục bộ bởi dây cáp xoắn đôi và đƣợc gọi là đƣờng thuê bao. Trong một tòa nhà, mỗi điện thoại sẽ đƣợc kết nối bằng cáp xoắn đôi chạy tới tổng đài con trong phòng hoặc tới tổng đài chính của tòa nhà. Cáp xoắn đôi đƣợc thiết kế để hỗ trợ truyền tiếng nói sử dụng tín hiệu tƣơng tự. Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của modem, cáp xoắn đôi có thể điều khiến truyền dữ liệu số với tốc độ vừa phải. Cáp xoắn đôi cũng là phƣơng tiện thông dụng nhất trong việc truyền tín hiệu số. Tốc độ truyền dữ liệu số của mạng cục bộ trong một toà nhà thƣờng vào khoảng 64kbps. Chúng chỉ đƣợc sử dụng rộng rãi trong một toà nhà cho mạng cục bộ để kết nối các máy tính cá nhân. Tốc độ truyền dữ liệu của mạng này thƣờng là khoảng 10Mbps.Tuy nhiên, một số mạng sử dụng cáp xoắn đôi với tốc độ truyền từ 100Mbps tới 1Gbps cũng đã đƣợc thiết kế, mặc dù chúng bị hạn chế về số lƣợng các thiết bị và phạm vi của mạng. Với các mạng xa nhau thì tốc độ truyền dữ liệu trên cáp xoắn đôi khoảng 4Mbps. - 26 -
Cáp xoắn đôi rẻ hơn nhiều so với các thiết bị truyền dẫn khác nhƣ cáp đồng trục, cáp quang và chúng dễ sử dụng hơn. Tuy nhiên chúng lại bị hạn chế hơn về tốc độ truyền dữ liệu cũng nhƣ khoảng cách của mạng. Các đặc điểm truyền dẫn: Cáp xoắn đôi có thể truyền cả tín hiệu số và tín hiệu tƣơng tự. Với tín hiệu tƣơng tự, bộ khuyếch đại tín hiệu truyền đƣợc lắp đặt cách nhau khoảng từ 5 đến 6 km. Với dữ liệu số (bằng cả tín hiệu số và tín hiệu tƣơng tự), các bộ lặp đƣợc đặt cách nhau 2-3 km. So với các loại phƣơng tiện truyền dẫn khác(cáp đồng trục, cáp quang), cáp xoắn đôi bị giới hạn bởi tốc độ truyền dữ liệu, băng thông và khoảng cách. Hình 4.3 cho thấy, sự suy giảm tín hiệu của cáp xoắn đôi là một hàm tăng nhanh theo tần số. Cáp xoắn đôi cũng bị ảnh hƣởng mạnh bởi các hƣ hại khác. Phƣơng tiện này dễ bi nhiễu giao thoa và nhiễu tạp bởi vì nó dễ xảy ra hiện tƣợng giao thoa giữa các trƣờng điện từ . Ví dụ, một dây dẫn chạy song song với một dòng điện xoay chiều sẽ tăng thêm 60Hz năng lƣợng. Nhiễu xung cũng dễ ảnh hƣởng đến cáp xoắn đôi. Các dây đƣợc bọc sẽ làm giảm sự giao thoa. Các dây đƣợc xoắn vào nhau làm giảm giao thoa của sóng có tần số thấp và việc sử dụng các dây có độ dài khác nhau của các cặp liền kề làm giảm nhiễu xuyên âm. Với tín hiệu tƣơng tự trong kết nối điểm điểm, một băng thông có thể lên tới 1 MHz, nó hỗ trợ một số kênh. Đối với việc truyền tín hiệu số điểm điểm đƣờng dài, dữ liệu có thể truyền với tốc độ lên tới vài Mbps, với khoảng cách ngắn, tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 100 Mbps thậm chí lên tới 1 Gbps. Cáp xoắn đôi có vỏ và không vỏ bọc Cáp xoắn đôi có 2 loại: có vỏ bọc và không có vỏ bọc. Cáp xoắn đôi không vỏ bọc (UTP) đầu tiên đƣợc sử dụng làm dây điện thoại. Đây là phƣơng tiện truyền dẫn rẻ tiền nhất thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạng LAN. Nó rất dễ lắp đặt và sử dụng. Cáp xoắn đôi không vỏ bọc chủ yếu bị ảnh hƣởng bởi nhiễu giao thoa sóng điện từ, bao gồm giao thoa từ các cáp xoắn đôi gần nhau và từ nhiễu của môi trƣờng bên ngoài. Một cách để cải thiện các đăc trƣng của cáp xoắn đôi là ta bọc sợi cáp bằng các vỏ bọc lƣới kim loại nhằm làm giảm sự giao thoa. Cáp xoắn đôi có vỏ bọc cho phép truyền dữ liệu với hiệu suất tốt hơn ở tốc độ cao hơn. Tuy nhiện, nó lại đắt hơn và khó lắp đặt hơn so với cáp không bọc. Cáp UTP loại 3 và loại 5 Hầu hết các văn phòng đều đƣợc lắp đặt sẵn loại cáp xoắn đôi 100 ohm thƣờng đƣợc gọi là cáp điện thoại. Vì cáp xoắn đôi điện thoại thƣờng đƣợc lắp đặt sẵn, nó cũng thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng LAN. Tuy nhiên tốc độ dữ liệu và khoảng cách giữa các thiết bị của cáp xoắn đôi điện thoại là khá giới hạn. - 27 -
Chuẩn EIA-568-A phân biệt ba loại cáp UTP: Loại 3: Cáp UTP kết hợp với các phần cứng kết nối có các đặc tính truyền dẫn lên đến 16 MHz. Loại 4: Cáp UTP kết hợp với các phần cứng kết nối có các đặc tính truyền dẫn lên đến 20 MHz. Loại 5: Cáp UTP kết hợp với các phần cứng kết nối có các đặc tính truyền dẫn lên đến 100 MHz. Cáp loại 3 và cáp loại 5 đƣợc sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng LAN. Loại 3 sử dụng chủ yếu cho các đƣờng điện thoại trong các văn phòng. Loại 5 thƣờng đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu và đang trở nên thông dụng và đƣợc cài đặt sẵn trong các cao ốc. Điểm khác nhau chính giữa cáp loại 3 và loại 5 là số vòng xoắn trên mỗi đơn vị khoảng cách. Loại 5 xoắn chặt hơn với bƣớc xoắn thông thƣờng khoảng 0.6 đén 0.85 cm trong khi loại 3 là 7.5 đến 10 cm. Loại 5 xoắn chặt hơn nên đắt hơn và cung cấp hiệu suất cao hơn loại 3. Tham số đầu tiên đƣợc sử dụng để so sánh sự suy giảm. Cƣờng độ của tín hiệu suy giảm theo khoảng cách trên mọi phƣơng tiện truyền dẫn. Trên các phƣơng tiện có dẫn, sự suy giảm thƣờng theo hàm logarit và thƣờng đƣợc diễn tả nhƣ một hàng số theo decibel trên mỗi đơn vị khoảng cách. Nhiễu xuyên âm ở gần các thiết bị đầu cuối trong các hệ thống cáp xoắn đôi là sự kết hợp các tín hiệu từ một cặp dây sang một cặp khác tại các chốt kim loại. Sự kết hợp diễn ra khi tín hiệu truyền xâm nhập vào chốt nối của đƣờng thu tín hiệu nhận tại cùng một đầu của đƣờng truyền. (ví dụ tín hiệu đƣợc truyền bị thu bởi một căp dây nhận ở gần đó). Cáp xoắn đôi có Cáp xoắn đôi không có Cáp xoắn đôi UTP và STP sử vỏ bọc chống nhiễu vỏ bọc chống nhiễu dụng đầu nối RJ-11. RJ 45 2.4.2.2 Cáp đồng trục Mô tả vật lý: Cáp đồng trục, giống nhƣ cáp xoắn đôi bao gồm hai đƣờng dẫn điện, nhƣng nó có cấu trúc khác cho phép nó hoạt động trong miền tần số rộng hơn. Nó bao gồm vòng rỗng hình trụ dẫn điện bên ngoài bọc lấy một dây kim loại dẫn điện đơn bên trong. Dây kim loại bên trong đƣợc giữ bởi một loạt các vòng cách điện xếp cách đều nhau hoặc đƣợc bọc bởi một chất điện môi. Vòng dẫn điện bên ngoài đƣợc bọc bởi một vỏ bọc. cáp đồng trục đơn có đƣờng kính - 28 -
vào khoảng 1 đến 2.5 cm. Do đƣợc bọc kín, có cấu trúc đồng tâm, cáp đồng trục chịu nhiễu và xuyên âm tốt hơn cáp xoắn đôi. Ứng dụng: Cáp đồng trục có lẽ là phƣơng tiện truyền thông đa năng nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau. Các ứng dụng quan trọng nhất là:  Phân phối tín hiệu truyền hình  Truyền tín hiệu điện thoại đƣờng dài  Kết nối các hệ thống máy tính khoảng cách gần  Mạng nội bộ Cáp đồng trục nhanh chóng đƣợc sử dụng rộng rãi để phân phối tín hiệu truyền hình tới từng nhà – truyền hình cáp. Truyền hình cáp đã trở nên thông dụng nhƣ điện thoại, số kênh lên đến hàng trăm và khoảng cách lên đến vài chục kilomet. Trƣớc đây, cáp đồng trục có vị trí quan trọng trong các mạng điện thoại đƣờng dài. Ngày nay, nó đang phải đối mặt với sự cạnh tranh ngày càng tăng của cáp quang, sóng viba mặt đất và vệ tinh. Bằng cách sử dụng việc phân chia nhiều thành phần tần số, cáp đồng trục có thể mang tới 10000 kênh tiếng nói cùng một lúc. Cáp đồng trục cũng đƣợc sử dụng nhiều trong các kết nối khoảng cách ngắn giữa các thiết bị. Bằng cách sử dụng tín hiệu số, cáp đồng trục có thể đƣợc sử dụng để cung cấp các kênh vào ra tốc độ cao trên các hệ thống máy tính. Các đặc tính truyền dẫn: Cáp đồng trục đƣợc sử dụng để truyền cả tín hiệu tƣơng tự và tín hiệu số. Cáp đồng trục có các đặc tính tần số cao hơn so với cáp xoắn đôi và vì vậy có thể sử dụng hiệu quả với các tần số và tốc độ dữ liệu cao hơn. Do có vỏ bọc và cấu trúc đồng tâm, cáp đồng trục ít chịu ảnh hƣởng bởi nhiễu và xuyên âm hơn cáp xoắn đôi. Yếu tố ảnh hƣởng chủ yếu đến hiệu suất là sự suy giảm, nhiễu nhiệt và nhiễu điều biến. Nhiễu điều biến chỉ xuất hiện khi có một vài kênh hoặc dải tần số đƣợc dùng chung trên một đƣờng cáp. Với các đƣờng truyền tín hiệu tƣơng tự khoảng cách dài, việc khuếch đại sau một vài km là rất cần thiết, tần số càng cao thì khoảng cách cần khuếch đại tín hiệu càng ngắn. Phổ có thể sử dụng cho tín hiệu tƣơng tự có thể mở rộng đến khoảng 500 MHz. Đối với tín hiệu số, cần sử dụng các bộ lặp sau 1km và nếu tốc độ dữ liệu cao hơn thì khoảng cách cần lặp lại cũng gần hơn. - 29 -
2.4.2.3. Cáp quang Mô tả vật lý: Cáp quang là một phƣơng tiện mềm dẻo, đƣờng kính nhỏ có khả năng truyền tia sáng. Các chất liệu thủy tinh hoặc chất dẻo có thể đƣợc sử dụng để làm nên cáp quang. Cáp quang đƣợc chế tạo bởi silic đyoxit nóng chảy tinh khiết có khả năng truyền tốt nhất nhƣng rất khó chế tạo. Cáp quang chế tạo bằng sợi thủy tinh nhiều thành phần không tốt bằng nhƣng kinh tế hơn và vẫn cho kết quả chấp nhận đƣợc. Sợi chất dẻo có giá rẻ nhất và có thể sử dụng cho các đƣờng truyền ngắn và chấp nhận mất mát cao. Cáp sợi quang có dạng hình trụ và bao gồm ba thành phần đồng tâm: lõi, lớp sơn phủ và vỏ bọc. Lõi là thành phần trong cùng và bao gồm một hoặc nhiều sợi rất mảnh làm bằng thủy tinh hoặc nhựa. Lõi có đƣờng kính khoảng 8 đến 100 m . Mỗi sợi đƣợc bọc một loại vỏ đặc biệt làm bằng thủy tinh hoặc chất dẻo có đặc tính quang học khác với lõi. Bề mặt giữa lõi và lớp vỏ bọc đặc biệt có tác dụng tạo sự khúc xạ ánh sáng toàn phần trong lõi. Lớp ngoài cùng bọc lấy một hoặc một vài sợi cáp phủ sơn là vỏ bọc. Vỏ bọc đựoc làm bằng chất liệu nhựa tổng hợp và các chất liệu khác nhằm bảo vệ lõi chống lại hơi ẩm, sự ăn mòn, va đập và các nguy hại từ môi trƣờng bên ngoài. Ứng dụng: Một trong các công nghệ có ý nghĩa nhất trong truyền dữ liệu là sự phát triển của các hệ thống truyền thông bằng cáp quang. Cáp quang còn đƣợc sử dụng trong truyền thông đƣờng dài và các ứng dụng của nó trong lĩnh vực quân sự đang phát triển mạnh. Sự cải thiện liên tục trong hiệu suất và giá thành ngày càng giảm cùng với các ƣu điểm vốn có của cáp quang đã khiến nó đƣợc dùng ngày càng nhiều để kết nối mạng nội bộ. Các đặc tính sau của cáp quang phân biệt nó với cáp xoắn đôi và cáp đồng trục: Dung lƣợng lớn hơn: Tiềm năng về băng thông của cáp quang rất lớn, vì vậy tốc độ truyền dữ liệu của cáp quang rất cao, lên tới hàng trăm Gbps trên quãng đƣờng hàng chục km. Ta có thể so sánh với tốc độ thực tế cực đại hàng trăm Mbps trên quãng đƣờng 1 km của cáp đồng trục và chỉ vài Mbps trên 1 km hay từ 100Mbps đến 1 Gbps trên vài chục mét của cáp xoắn đôi. Kích thƣớc nhỏ hơn và nhẹ hơn: Một sợi cáp quang nhỏ hơn một dây cáp đồng trục và một bó cáp xoắn đôi. Để chạy trong các tòa nhà hay dƣới lòng đất, ƣu điểm về kích thƣớc rất có lợi và kích thƣớc nhỏ hơn cũng giảm các yêu cầu về cấu trúc công trình. Ít suy giảm hơn: Sự suy giảm trong cáp quang nhỏ hơn nhiều so với cáp đồng trục và cáp xoắn đôi, và là một hằng số trên một miền rộng. Không bị ảnh hƣởng bởi điện từ: Các hệ thống cáp quang không bị ảnh hƣởng bởi các trƣờng điện từ bên ngoài. Vì vậy hệ thống không bị ảnh hƣởng bởi sự nhiễu giao thoa, nhiễu xung và nhiễu xuyên âm. Sợi quang không phát ra năng lƣợng do đó ít ảnh hƣởng đến các thiết bị khác và có mức bảo mật cao hơn, tránh bị nghe trộm và khó bị rò rỉ. Khoảng cách cần lặp tín hiệu lớn hơn: Số bộ lặp cần sử dụng ít hơn làm giảm giá thành và ít các nguồn gây lỗi. Hiệu suất của các hệ thống cáp quang theo quan điểm này có sự phát triển vững chắc. Khoảng cách thông thƣờng giữa các bộ lặp vào khoảng 10 km và đã có các ghi nhận khoảng cách lên tới hàng trăm km. Các hệ thống cáp đồng trục và cáp xoắn đôi thƣờng phải dùng bộ lặp sau khoảng vài km. Có năm loại ứng dụng chính của cáp quang đã trở nên quan trọng: Các cáp trục đƣờng dài Các cáp trục trong thành phố Các cáp trục giữa các vùng - 30 -
Đƣờng nối giữa khách hàng và tổng đài Các mạng nội bộ Việc sử dụng cáp quang trong truyền tín hiệu đƣờng dài ngày càng trở nên thông dụng trong các mạng điện thoại. Các quãng đƣờng lên đến 1500 km và dung lƣợng rất cao (thông thƣờng khoảng 20000 đến 60000 kênh tiếng nói). Các hệ thống này đang cạnh tranh về mặt kinh tế với sóng viba và có giá thấp hơn nhiều so với cáp đồng trục. Các đƣờng cáp quang chạy dƣới biển cũng đang đƣợc sử dụng nhiều hơn. Các đƣờng trục trong thành phố có độ dài trung bình khoảng 12 km và có thể có khoảng 100000 kênh tiếng nói trong mỗi nhóm trục. Các đƣờng trục này đƣợc lắp đặt trong các đƣờng ống chôn dƣới đất và không có các bộ lặp tín hiệu, đƣợc nối với các tổng đài điện thoại. Các đƣờng trục giữa các vùng có độ dài khoảng 40 đến 160 km kết nối các thành phố và các vùng quê hay là giữa các tổng đài điện thoại của các công ty khác nhau. Hầu hết các hệ thống này có ít hơn 5000 kênh tiếng nói. Các kỹ thuật đƣợc sử dụng trong các ứng dụng này đang cạnh tranh với các kỹ thuật sử dụng sóng vi ba Các đƣờng nối giữa khách hàng và tổng đài là các đƣờng cáp chạy trực tiếp từ tổng đài trung tâm tới khách hàng. Các đƣờng cáp này đang dần thay thế cáp xoắn đôi và cáp đồng trục để trở thành các mạng có đầy đủ dịch vụ không chỉ xử lý tiếng nói và dữ liệu mà còn cả hình ảnh và video. Ban đầu ứng dụng này của cáp quang là cho các khách hàng thƣơng mại, nhƣng việc truyền dẫn đến từng gia đình sẽ sớm xuất hiện. Ứng dụng quan trọng cuối cùng của cáp quang là cho mạng nội bộ. Các chuẩn đang đƣợc phát triển và các sản phẩm cho mạng cáp quang dã có dung lƣợng từ 100 Mbps đến 1 Gbps và có thể hỗ trợ hàng trăm, thậm chí hàng nghìn trạm trong một toà nhà lớn hoặc một khu nhiều tòa cao ốc. Các đặc tính truyền dẫn: Cáp quang truyền tín hiệu đƣợc mã hóa thành các chùm tia sáng phản xạ toàn phần bên trong. Điều này có thể xay ra trong bất cứ môi trƣờng truyền dẫn nào có chỉ số khúc xạ cao hơn môi trƣờng bên ngoài. Trong thực tế, cáp quang hoạt động nhƣ một sóng truyền có hƣớng với tần số trong khoảng từ 1014 đến 1015 hertz, bao gồm cả ánh sáng hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy đƣợc. - 31 -
Tia sáng từ một nguồn sáng đi vào trong lõi hình trụ bằng thủy tinh hoặc chất dẻo. Các tia có góc rộng bị phản xạ và truyền dọc theo sợi cáp, các tia khác bị hấp thu bởi chất bao bọc. Hình thức truyền này gọi là truyền đa cách, nhảy bậc, theo nghĩa có nhiều góc khác nhau sẽ phản xạ. Khi truyền dẫn đa cách, tồn tại nhiều đƣờng truyền khác nhau, mỗi đƣờng truyền sẽ có độ dài khác nhau dẫn tới thời gian truyền của mỗi đƣờng cũng khác nhau. Điều này khiến các thành phần tín hiệu (xung ánh sáng) trải ra theo thời gian và vì vậy giới hạn tốc độ truyền mà dữ liệu có thể nhận một cách chính xác. Hay nói cách khác yêu cầu khoảng cách giữa các xung đã giới hạn tốc độ dữ liệu. Loại cáp này phù hợp cho việc truyền khoảng cách rất ngắn. Khi bán kính của lõi cáp giảm đi, số góc phản xạ cũng ít đi. Bằng cách giảm bán kính của lõi theo yêu cầu của bƣớc sóng.Việc truyền theo kiểu đơn cách (single-mode) cung cấp hiệu suất cao hơn vì các lý do sau. Vì chỉ có một đƣờng truyền nên các sai lệch nhƣ khi truyền theo kiểu đa phƣơng thức không thể diễn ra. Kiểu đơn cách thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng đƣờng dài bao gồm điện thoại và truyền hình cáp. Cuối cùng, do các chỉ số khúc xạ của lõi khác nhau nên ta có thể có kiểu truyền thứ ba là đa cách biến đối dần. Đây là kiểu trung gian giữa hai kiểu trên về mặt đặc tính. Chỉ số khúc xạ cao hơn tại trung tâm khiến tia sáng càng gần trục thì càng chậm hơn các tia gần lớp vỏ. Tia sáng trong lõi đi theo đƣờng cong xoắn ốc vì chỉ số khúc xạ đƣợc phân loại và giảm khoảng cách phải truyền của nó. Khoảng cách đƣợc thu ngắn và tốc độ cao hơn cho phép tia sáng ở phía ngoài biên tới thiết bị nhận gần nhƣ cùng thời điểm với các tia truyền thẳng ở lõi. Các cáp có kiểu đa cách biến đổi dần thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạng nội bộ. Có hai loại nguồn sáng khác nhau đƣợc sử dụng trong các hệ thống cáp quang: dioed phát quang (LED) và diode bức xạ laser (ILD). Cả hai đều là các thiết bị bán dẫn phát ra các chùm sáng tại một hiệu điện thế nào đó. Đèn LED rẻ hơn hoạt động trong miền nhiệt độ rộng hơn và có thời gian sử dụng lâu hơn. Trong khi đó ILD hoạt động theo nguyên lý laser hiệu quả hơn và có tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn. Có một mối liên hệ giữa bƣớc sóng sử dụng, kiểu truyền và tốc độ dữ liệu nhận đƣợc. Cả hai kiểu truyền đơn cách và đa cách đều hỗ trợ một vài bƣớc sóng ánh sáng và có thể sử dụng cả nguồn ánh sáng laser hay đèn LED. Trong cáp quang, ánh sáng đƣợc truyền tốt nhất trong ba “cửa sổ” bƣớc sóng khác nhau, 850, 1300 và 1550 nanometer (nm). Tất cả những bƣớc sóng này đều nằm trong vùng hồng ngoại của phổ tần số, nằm phía dƣới vùng ánh sáng nhìn thấy đƣợc (từ 400 đến 700 nm). Sự mất mát sẽ giảm đi khi bƣớc sóng tăng lên và cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn trên các khoảng cách dài. Hầu hết các ứng dụng cục bộ hiện nay đều sử dụng nguồn sáng đèn LED. Mặc dù việc sử dụng đèn LED không đắt nhƣng nó giới hạn tốc độ dữ liệu dƣới 100 Mbps và khoảng cách là vài km. Để có thể có tốc độ dữ liệu cao hơn và khoảng cách xa hơn phải sử dụng đèn LED phát ánh sáng có bƣớc sóng 100 nm hoặc nguồn sáng laser. Để có tốc độ dữ liệu cao nhất và khoảng cách truyền xa nhất ta phải dùng nguồn sáng laser có bƣớc sóng 1500 nm Dồn thành phần bước sóng (Wavelength-Division Multiplexing): Tiềm năng của cáp quang sẽ đƣợc sử dụng toàn bộ khi nhiều chùm sáng với các tần số khác nhau đƣợc truyền trên cùng một sợi cáp. Đây là cách truyền dồn thành phần tần số (FDM) nhƣng thƣờng đƣợc gọi là dồn thành phần bƣớc sóng (WDM). Ánh sáng truyền trong sợi cáp bao gồm nhiều màu hay nhiều bƣớc sóng, mỗi bƣớc sóng mang các kênh dữ liệu khác nhay. Năm 1997 phòng thí nghiệm Bell đã chứng minh một hệ thống WDM với 100 chùm sáng sẽ hoạt động ở 10 Gbps với tốc độ dữ liệu khoảng 1 tỷ tỷ bit mỗi giây. Hiện nay các hệ thống thƣơng mại với 80 kênh và tốc độ 10 Gbps đã đi vào hoạt động. 2.4.3. Truyền không dây Đối với các phƣơng tiện truyền không dây, việc truyền và nhận đƣợc thực hiện bởi một ăng ten. Khi truyền đi, ăng ten phát ra năng lƣợng sóng điện từ vào trong môi trƣờng (thƣờng là không khí) và khi thu, ăng ten thu sóng từ môi trƣờng xung quanh. Có hai loại hình cơ bản trong hệ thống truyền dẫn không dây: truyền dẫn có định hƣớng và truyền theo mọi hƣớng. - 32 -
Với loại truyền có định hƣớng, ăng ten sẽ phát ra một chùm điện từ hội tụ, vì thế ăng ten phát và ăng ten nhận phải đƣợc chỉnh sao cho hƣớng thẳng vào nhau. Khi truyền theo mọi hƣớng, tín hiệu truyền phát ra theo mọi hƣớng và có thể thu bởi nhiều ăng ten. Nhìn chung, tấn số của tín hiệu càng lớn thì khả năng tập trung chúng vào một tia có định hƣớng càng cao. Có 3 loại tần số chính đƣợc quan tâm. Tần số trong khoảng 2GHz đến 40GHz đƣợc gọi là sóng viba. Ở tần số này, có thể tạo ra tia có định hƣớng tốt và sóng viba phù hợp với việc truyên điểm - điểm. Sóng viba cũng đƣợc sử dụng trong truyền thông vệ tinh. Tần số trong khoảng 30MHz đến 1GHz phù hợp với truyền thông theo mọi hƣớng. Ta có thể thấy tần số này giống nhƣ tần số của đài phát thanh. Bảng 2.3 tóm tắt các đặc tính của truyền dẫn không dây tại nhiều dải tần. Sóng viba là 1 phần của dải UHF và toàn bộ dải SHF, sóng phát thanh gồm dải tần VHF và một phần của dải UHF. Một loại tần số quan trọng khác, dành cho các ứng dụng cục bộ , là tia hồng ngoại của quang phổ. Loại này bao gồm các tần số xấp xỉ từ 3.1011 tới 2.1014. Tia hồng ngoại đƣợc sử dụng trong việc truyền thông điểm điểm và đa điểm trong một phạm vi hẹp nhƣ một phòng đơn. 2.4.3.1 Sóng viba mặt đất Mô tả vật lý: Hầu hết những loại ăng ten phát sóng viba là parabol (hay ăng ten chảo). Các ăng ten nay thƣờng có đƣờng kính khoảng 3m. Ăng ten đƣợc lắp cố định và tập trung các tia lại trong khoảng hẹp để truyền chúng tới ăng ten nhận. Ăng ten phát sóng viba thƣờng đặt tại điểm cao trên mặt đất để có thể mở rộng khoảng cách giữa các ăng ten và có thể truyền qua những vật cản ở giữa. Nếu nhƣ không có chƣớng ngai vật nào thì khoảng cách lớn nhất giữa hai ăng ten: d=7.14. K.h Trong đó d: khoảng cách giữa hai ăng ten tính băng km, h: Độ cao của ăng ten tính bằng m, K: Hệ số điều chỉnh để tính toán, trong thực tế sóng viba bị uốn cong hoặc bị khúc xạ do trái đất cong và vì thế việc truyền đi đƣợc xa hơn việc truyền các tia thẳng. Theo kinh nghiệm thì K nên bằng 4/3. Ví dụ hai ăng ten sóng viba ở độ cao 100m có thể truyền đi 7,14 133 =82 km Để truyền đƣợc với khoảng cách xa, cần sử dụng một loạt các trạm chuyển tiếp và các kết nối điểm điểm là một chuỗi các trạm liên tiếp để có thể vƣợt qua đƣợc giới hạn khoảng cách Ứng dụng: Các hệ thống sử dụng sóng viba mặt đất đâu tiên là các dịch vụ viễn thông đƣờng dài bên cạnh việc sử dụng các cáp đồng trục hay cáp quang. Sóng viba yêu cầu các bộ khuyếch - 33 -
đại và bộ lặp đƣợc đặt gần nhau hơn cáp đồng trục với cùng một đƣờng truyền và đòi hỏi nằm trong tầm nhìn. Sóng viba sử dụng phổ biến trong phát thanh và truyền hình. Một ứng dụng phổ biến khác của sóng viba là kết nối điểm điểm với khoảng cách ngắn giữa các toà nhà. Nó còn đƣợc sử dụng trong các mạch nhỏ của ti vi hoặc trong việc trao đổi dữ liệu của một mạng cục bộ. Sóng viba khoảng cách ngắn cũng có thể đƣợc sử dụng cho những ứng dụng đƣờng vòng.Một doanh nghiệp cũng có thể sử dụng sóng viba trong việc kết nối với tổng đài ở xa trong cùng thành phố từ tổng đại cục bộ của công ty. Đặc tính truyền dẫn: Truyền dẫn sóng viba bao gồm một phần nhỏ của phổ điện từ. Tần số phổ biến đƣợc sử dụng để truyền là từ 2GHz đến 40GHz. Tần số càng cao thì băng thông của và tốc độ truyền càng cao. Nhƣ vậy với bất kì hệ thống truyền thông nào, nguyên nhân chính của sự mất mát là sự suy yếu các tín hiệu. Với sóng viba (và cả các tần số radio) sự suy yếu đƣợc tính theo công thức sau: 2 4 d L 10 log dB trong đó: d: khoảng cách truyền : độ dài bƣớc sóng cực dại trong cùng một đơn vị Do đó sự suy yếu giảm theo bình phƣơng khoảng cách. Vì thế, bộ lặp khuyếch đại có thể làm cho hệ thống sóng viba phát xa hơn từ 10 đến 100 km. Sự suy yếu có thể tăng lên do mƣa, sự ảnh hƣởng của lƣợng mƣa đặc biệt đáng lƣu ý. 2.4.3.2. Sóng vi ba vệ tinh Các đặc trưng vật lý: Trong thực tế, vệ tinh truyền thông là một trạm chuyển tiếp sóng vi ba. Nó đƣợc sử dụng để kết nối hai hay nhiều hơn các trạm phát và thu sóng ở mặt đất. Vệ tinh thu sóng trên một băng tần (uplink), khuếch đại hoặc lặp lại tín hiệu, sau đó truyền chúng trên một tần số khác (downlink). Một vệ tinh trên quỹ đạo sẽ điều khiển một số loại dải tần và đƣợc gọi là bộ tiếp và tách sóng. Trong hình thứ nhất, vệ tinh đang đƣợc sử dụng cho một kết nối điểm điểm giữa hai ăng ten mặt đất. Trong hình thứ hai, vệ tinh hỗ trợ truyền thông tin từ một trạm phát trên mặt đất tới nhiều tram nhận. - 34 -
Để việc truyền thông có hiệu quả thì vệ tinh phải giữ đƣợc vị trí tĩnh so với mặt đất. Tuy nhiên sự di chuyển của vệ tinh sẽ khiến nó không nằm trong tầm nhìn của các trạm trên mặt đất tại mọi thời điểm. Để giữ đƣợc vị trí tĩnh so với mặt đất thì vệ tinh phải quay cùng qũy đạo với trái đất và cần giữ độ cao khoảng 35.784 km so với mặt đất. Hai vệ tinh sử dụng cùng một dải tần số, nếu ở quá gần nhau thì sẽ gây ra nhiễu. Để tránh sự ảnh hƣởng lẫn nhau, các chuẩn hiện nay yêu cầu khoảng cách là 40 (góc giữa hai vệ tinh đƣợc đo từ mặt đất) đối với dải tần 4/6 GHz và khoảng cách là 30 đối với dải tần 12/14 GHz. Vì thế, số vệ tinh là có giới hạn. Ứng dụng: Vệ tinh truyền thông là một cuộc cách mạng công nghệ có tầm quan trọng nhƣ cáp quang. Một số ứng dụng quan trọng của vệ tinh: Truyền hình Điện thoại đƣờng dài Mạng thƣơng mại riêng Do tính chất truyền quảng bá tự nhiên của nó, vệ tinh rất phù hợp cho truyền hình nên nó đang đƣợc sử dụng rông rãi ở Mỹ và nhiều nơi trên thế giới.Theo cách truyền thống, chƣơng trình đƣợc phát từ một điểm trung tâm sau đó sẽ đƣợc truyền tới vệ tinh và sẽ đƣợc phát quảng bá tới các trạm nhận. Các trạm này lại phân phối chƣơng trình đến từng ngƣời dùng riêng lẻ. Một mạng cung cấp dịch vụ quảng bá công cộng (PBS) phân phối các chƣơng trình truyền hình hầu nhƣ là thông qua các kênh vệ tinh. Các mạng thƣơng mại khác cũng một phần sử dụng vệ tinh, các hệ thống truyền hình cáp hiện nay đang cân đối việc tăng các chƣơng trình nhận từ vệ tinh. Ứng dụng mới nhất của công nghệ vệ tinh trong truyền hình là vệ tinh quảng bá trực tiếp, tín hiệu video từ vệ tinh sẽ đƣợc truyền trực tiếp đến nhà của ngƣời sử dụng. Việc giảm giá thành và kích thƣớc của anten đã khiến điều này trở nên khả thi về mặt kinh tế, hiện nay một số kênh đã đi vào hoạt động và một số khác đã đƣợc lên kế hoạch Việc truyền vệ tinh còn đƣợc sử dụng để kết nối điểm điểm các đƣờng trục giữa các tổng đài điện thoại của mạng điện thoại công cộng. Đây là phƣơng tiện truyền tối ƣu cho các đƣờng trục quốc tế có mức độ sử dụng cao và đang cạnh tranh với các hệ thống mặt đất trong việc kết nối quốc tế đƣờng dài. Ngoài ra vệ tinh còn một số ứng dụng trong truyền dữ liệu thƣơng mại. Vệ tinh có thể chia tổng dung lƣợng ra thành thành một số kênh và cho những khách hàng thƣơng mại riêng lẻ thuê các kênh này. Mỗi khách hàng đƣợc trang bị một angten tại một số vị trí và có thể sử dụng các kênh của vệ tinh cho mạng riêng của mình. Các ứng dụng này khá đắt đỏ và chỉ giới hạn trong các tổ chức lớn có yêu cầu cao. Phát triển gần đây về các hệ thống đầu cuối mở rất nhỏ (VSAT) cung cấp một sự lựa chọn giá thành thấp. Hình 2.6 mô tả một hệ thống VSAT thông thƣờng. Một số trạm khách hàng đƣợc trang bị các angten VSAT giá thành thấp. Theo một số quy tắc, những trạm này chia sẻ một dung lƣợng truyền vệ tinh để truyền tới một trạm trung tâm. Trạm trung tâm có thể trao đổi hay tiếp nhận thông báo giữa các khách hàng. Các đặc tính truyền dẫn: Khoảng tần số tối ƣu cho truyền vệ tinh là trong khoảng 1 đến 10 GHz. Tần số dƣới 1 GHz sẽ bị ảnh hƣởng bởi nhiễu từ các nguồn tự nhiên nhƣ từ ngân hà, mặt trời và khí quyển và cả các ảnh hƣởng gây ra bởi con ngƣời do các loại thiết bị điện khác nhau. Nếu tần số trên 10 GHz, tín hiệu sẽ bị ảnh hƣởng dữ dội bởi sức hút và mƣa của khí quyển. Hầu hết các vệ tinh cung cấp các dịch vụ truyền điểm điểm ngày nay đều sử dụng băng tần có độ rộng trong khoảng từ 5.925 đến 6.425 GHz để truyền từ mặt đất lên vệ tinh (uplink) và băng thông trong khoảng 2.7 đến 4.2 GHz để truyền từ vệ tinh về mặt đất (downlink). Sự kết hợp này đƣợc gọi là dải tần 4/6 GHz. Chú ý rằng tần số uplink và downlink là khác nhau. Để hoạt động liên tục mà không xảy ra xung đột, vệ tinh không thể nhận và truyền trên cùng một tần số. Vì vậy tín hiệu nhận từ trạm mặt đất trên một tần số đƣợc truyền lại trên một tần số khác. - 35 -
Dải tần 4/6 GHz nằm trong vùng tối ƣu từ 1 đến 10 GHz nhƣng đã bị sử dụng bão hòa. Các tần số khác trong vùng này lại không thể sử dụng do các nguồn xung đột với các tần số này thƣờng là các sóng vi ba trên mặt đất. Vì vậy, dải tần 12/14 GHz đƣợc phát triển (uplink: từ 14 đến 14.5 GHz; downlink: từ 11.7 đến 14.2 GHz). Trong dải tần số này, có thể bỏ qua vấn đề nhiễu. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng các trạm thu mặt đất nhỏ hơn và rẻ hơn. Có thể thấy rằng dải tần trên sẽ bị bão hòa do đó phải lên kế hoạch cho việc sử dụng dải tần 19/29 GHz. Khi sử dụng dải tần này, sự suy giảm sẽ lớn hơn nhƣng lại cho phép băng thông rộng hơn và các thiết bị thu nhỏ và rẻ hơn. Ta cần đề cập đến một số tính chất của truyền thông vệ tinh. Thứ nhất, do khoảng cách lớn, độ trễ do truyền vào khoảng một phần tƣ giây giữa hai trạm mặt đất. Độ trễ này có thể nhận thấy khi nói chuyện điện thoại. Ta cũng phải quan tâm đến điều khiển lỗi và điều khiển lƣu lƣợng. Thứ hai, sóng ngắn vệ tinh rất hữu hiệu để truyền quảng bá. Nhiều trạm có thể truyền tín hiệu đến vệ tinh và tín hiệu từ một vệ tinh có thể đƣợc nhận bởi nhiều trạm. 2.4.3.3. Sóng vô tuyến quảng bá Mô tả vật lý: Sự khác nhau cơ bản giữa sóng vô tuyến quảng bá và sóng ngắn là sóng vô tuyến quảng bá sẽ truyền theo mọi hƣớng còn truyền sóng ngắn thì có định hƣớng. Vì vậy sóng vô tuyến quảng bá không yêu cầu phải sử dụng anten chảo và anten cũng không cần phải quay theo một hƣớng chính xác. Các ứng dụng: Sóng vô tuyến là thuật ngữ chung đƣợc sử dụng, bao gồm các tần số trong khoảng từ 3 kHz đến 300 GHz. Thuật ngữ sóng vô tuyến quảng bá đƣợc sử dụng bao gồm cả băng tần VHF và một phần của UHF: 30 MHz đến 1 GHz. Miền tần số này bao gồm cả băng tần FM của radio và băng tần UHF và VHF của tivi. Miền tần số này cũng đƣợc sử dụng cho một vài ứng dụng mạng truyền dữ liệu. Các đặc tính truyền dẫn: Miền tần số trong khoảng từ 30 MHz đến 1 GHz phù hợp cho việc sóng vô tuyến quảng bá. Không giống nhƣ trƣờng hợp của các sóng điện từ tần số thấp, tầng điện ly không phản xạ các sóng vô tuyến có tần số trên 30 MHz. Vì vậy việc truyền bị giới hạn trong phạm vi tầm nhìn và các các máy phát sẽ không bị cản trở bởi các máy phát khác do sự phản xạ từ tầng khí quyển nhƣ khi truyền sóng ngắn. Không giống nhƣ các tần số cao của sóng ngắn, sóng truyền quảng bá ít bị hỏng do nhiễu từ các cơn mƣa hơn. Truyền sóng vô tuyến tuân theo công thức (2.1), tức là khoảng cách cực đại giữa máy phát và máy thu lớn hơn không đáng kể so với khả năng nhìn của mắt ngƣời. Nhƣ đối với sóng ngắn, độ suy giảm theo khoảng cách tuân theo công thức (2.2). Bƣớc sóng càng dài thì sóng vô tuyến càng ít chịu ảnh hƣởng của sự suy giảm. - 36 -
Nguyên nhân chính gây hƣ hại cho sóng vô tuyến quảng bá là sự giao thoa của nhiều tín hiệu. Sự phản xạ từ mặt đất, nƣớc, từ tự nhiên hoặc từ các đối tƣợng do con ngƣời tạo ra có thể gây nên nhiều loại tín hiệu giữa các anten. Một ví dụ là TV sẽ thu và phát nhiều hình ảnh khác nhau lúc có máy bay bay qua. 2.4.3.4 Tia hồng ngoại Truyền thông bằng tia hồng ngoại sử dụng các máy thu phát có thể điều chỉnh các ánh sáng hồng ngoại. Hai máy thu phát phải nằm trong tầm nhìn của nhau trực tiếp hoặc thông qua phản xạ từ các bề mặt có màu sáng nhƣ trần nhà. Sự khác nhau quan trọng giữa truyền sóng hồng ngoại và sóng ngắn là truyền sóng hồng ngoại không thể xuyên qua tƣờng. Vì vậy ta không cần quan tâm đến vấn đề bảo mật và nhiễu nhƣ trong các hệ thống truyền sóng ngắn. Hơn nữa, không có một yêu cầu nào trong việc sử dụng dải tần số khi truyền sóng hồng ngoại. 2.5. Các chuẩn giao tiếp truyền thông 2.5.1. Các chuẩn chung Hầu hết các thiết bị xử lí tín hiệu có khả năng truyền nhận tín hiệu hạn chế, thông thƣờng các thiết bị này đƣợc gắn trực tiếp với các thiết bị chuyển nhận tín hiệu hoặc qua mạng, chúng đƣợc gọi là các thiết bị truyền nhận dã liệu đầu cuối (DTE, DCE). Mỗi thiết bị xử lí tín hiệu (trạm) thƣờng đƣợc kết hợp với một cặp gồm một DTE và một DCE. Hai trạm truyền tín hiệu cho nhau qua hai DCE của mỗi bên đƣợc kết nối với nhau. Hai DCE trao đổi tín hiệu với nhau trên mạng hoặc đƣờng truyền phải tƣơng tự nhau, nghĩa là bộ phận nhận tín hiệu bên này phải tƣơng ứng với bộ phận phát tín hiệu của bên kia. DTE và DCE truyền nhận tín hiệu với nhau do đó cũng phải tƣơng thích với nhau về dữ liệu và thông tin điều khiển (các chuẩn) Các chuẩn về giao diện gữa DTE và DCE bao gồm: Chuẩn về cấu trúc: xác định kết nối vật lí giữa DTE và DCE (tín hiệu và mạch điều khiển thông qua cáp nối và giắc cắm) Chuẩn về tín hiệu: xác định mức hiệu điện thế, thời gian biến đổi tín hiệu Chuẩn về chức năng ). Chuẩn về thủ tục: xác định thứ tự thao tác trong truyền dữ liệu dựa trên chuẩn chức năng của các đƣờng tín hiệu. Chuẩn EIA-RS 232 (Electronic Industry Association – Recomand Standard): chuẩn giao tiếp truyền thông công nghiệp EIA đã công bố tiêu chuẩn RS-232C với nỗ lực nhằm tạo ra khả năng để ghép nối các thiết bị do nhiều nhà sản xuất làm ra mà không đòi hỏi có một tiêu chuẩn kỹ thuật đặc biệt cho từng trƣờng hợp. Ý tƣởng để xây dựng tiêu chuẩn RS-232 là phải sử dụng cùng loại nối dây, thí dụ loại đầu nối 25 chân hoặc 9 chân, đƣợc nối theo cùng một cách và sử dụng cùng mức điện áp khi biểu diễn các số nhị phân 1 và 0 tƣơng ứng. Với ý tƣởng này, nếu nhƣ mọi ngƣời đều tham - 37 -
gia vào tiêu chuẩn theo cùng một cách thì có thể nối các thiết bị với cổng RS-232 của các hãng khác nhau, các mẫu mã khác nhau mà không cần có thêm điều kiện nào. Các môdem, các máy in và nhiều thiết bị khác có thể đƣợc nối vào giao diện RS-232. Ngày nay, hầu hết các máy tính đều trang bị một hoặc hai cổng nối tiếp RS-232, và tất cả đều có khả năng sử dụng RS-232, ít nhất là nhƣ một khả năng tuỳ chọn từ nhà sản xuất máy tính hoặc từ phía ngƣời sử dụng máy tính. Các mạch điện tích hợp cả bộ phát và bộ nhận RS-232C đã đƣợc các nhà sản xuất khác nhau thiết kế và chế tạo, thí dụ Motorola, National, Semiconductors. Các chip bộ phát/ bộ đệm RS-232 tiếp nhận mức điện áp TTL ở lối vào và biến đổi chúng thành các mức dành riêng cho RS-232C để truyền. Các bộ nhận RS-232 làm việc theo cách ngƣợc lại: tiếp nhận tín hiệu lối vào theo chuẩn RS-232 và biến đổi các tín hiệu sang các mức TTL tƣơng ứng. Các bộ phận này đều nằm trên bản mạch chính hoặc trên một Card vào/ ra, nghĩa là ở phía sau của cổng RS-232. Tín hiệu truyền theo chuẩn RS-232 của EIA Chuẩn RS-232 quy định mức logic 1 ứng với điện áp từ -3V đến -25V (mark), mức logic 0 ứng với điện áp từ 3V đến 25V (space) và có khả năng cung cấp dòng từ 10 mA đến 20 mA. Ngoài ra, tất cả các ngõ ra đều có đặc tính chống chập mạch. Chuẩn RS-232 cho phép truyền tín hiệu với tốc độ đến 20.000 bps nhƣng nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps. Các phương thức nối giữa DTE và DCE:  Đơn công (simplex connection): dữ liệu chỉ đƣợc truyền theo 1 hƣớng.  Bán song công (half-duplex): dữ liệu truyền theo 2 hƣớng, nhƣng mỗi thời điểm chỉ đƣợc truyền theo 1 hƣớng.  Song công (full-duplex): số liệu đƣợc truyền đồng thời theo 2 hƣớng. Hình 2.26: Định dạng khung truyền dữ liệu theo chuẩn RS 232 Khi không truyền dữ liệu, đƣờng truyền sẽ ở trạng thái mark (điện áp -10V). Khi bắt đầu truyền, DTE sẽ đƣa ra xung Start (space: 10V) và sau đó lần lƣợt truyền từ D0 đến D7 và Parity, cuối cùng là xung Stop (mark: -10V) để khôi phục trạng thái đƣờng truyền. Dạng tín hiệu truyền mô tả nhƣ sau (truyền ký tự A): - 38 -
Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 như sau: Tốc độ dữ liệu cực đại : 20 Kbps Điện áp ngõ ra cực đại : ± 25V Điện áp ngõ ra có tải : ± 5V đến ± 15V Trở kháng tải : 3K Ω đến 7K Ω Điện áp ngõ vào : ± 15V Độ nhạy ngõ vào : ± 3V Trở kháng ngõ vào : 3K Ω đến 7K Ω Mức logic 1 (mức dấu) nằm trong khoảng: -3 V đến –12 V; trong đó khoảng từ –5 V đến –12 V là tin cậy, mức logic 0 (mức trống) nằm trong khoảng: +3 V đến +12 V, khoảng từ + 5 V đến +12 V là tin cậy. Trở kháng tải về phía bộ phận của mạch phải lớn hơn 3.000 Ω nhƣng không đƣợc vƣợt quá 7.000 Ω. Các lối vào của bộ nhận phải có điện dung phải nhỏ hơn 2.500 pF. Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ghép nối qua cổng nối tiếp không thể vƣợt quá 15m nếu không sử dụng môdem. Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn là 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9.600, 19.200, 28.800, , 56.600 baud. Các tốc độ truyền dữ liệu thông dụng trong cổng nối tiếp là: 1200 bps, 4800 bps, 9600 bps và 19200 bps. Nhờ việc quy định thống nhất sử dụng một đầu nối 25 chân và về sau đã bổ sung thêm đầu nối 9 chân cho cổng nối tiếp RS-232, cụ thể hơn là ổ cắm về phía dây cáp còn ổ cắm về phía máy tính, mà tất cả các sản phẩm đều tƣơng thích với nhau. Quy định này cũng áp dụng thống nhất cho các thiết bị ghép nối với cổng RS-232. Hình trên chỉ ra cách sắp xếp chân của đầu nối 25 chân và 9 chân dùng cho RS-232C, còn việc định nghĩa chức năng của các chân đƣợc liệt kê ở bảng kế tiếp. Tiêu chuẩn RS-232C quy định rõ việc sử dụng đầu nối thống nhất để tất cả các sản phẩm đều tƣơng thích với nhau. Vì vậy thứ tự và chức năng của các chân đã đƣợc quy định rất cụ thể và phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt. Để dễ dàng nhận ra thứ tự các chân, bên cạnh các chân đều có in rõ số thứ tự trên phần nhựa của phích cắm cũng nhƣ ổ cắm. Nhận xét này cần đƣợc lƣu ý khi kiểm tra cáp nối hoặc tự hàn một cấp mới. Các chân và chức năng trên đầu nối 25 chân và 9 chân. 25 9 Tên Viết Chức năng chân chân tắt Chú ý: =>: Lối vào <=: Lối ra 1 - Frame Ground FG Chân này thƣờng đƣợc nối với vỏ bọc kim của dây (Đất - vỏ máy) cáp, với vỏ máy, với đai bao ngoài đầu nối hoặc đất thực sự. - 39 -
25 9 Tên Viết Chức năng chân chân tắt Chú ý: =>: Lối vào thiết bị đầu cuối) qua RD. 4 7 Request to Send RTS DTE đặt đƣờng này lên mức hoạt động khi sẵn sàng (Yêu cầu gửi) báo cho DTE là phải sẵn sàng nhận dữ liệu. 6 6 Data Set Ready DSR Tính hoạt động giống với CTS nhƣng đƣợc kích (Dữ liệu sẵn sàng) => hoạt bởi DTE khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu. 7 5 Signal Ground SG Tất cả các tín hiệu đƣợc so sánh với đất tín hiệu (Đất của tín hiệu) (GND). 8 1 Data Carrier Detect DCD Phát hiện tín hiệu mang dữ liệu. => 20 4 Data Terminal DTR Tính hoạt động giống với đƣờng dẫn RTS nhƣng Ready (Đầu cuối dữ chuông. Truyền thông giữa hai nút: Các sơ đồ khi kết nối dùng cổng nối tiếp: Khi thực hiện kết nối nhƣ trên, quá trình truyền phải bảo đảm tốc độ ở đầu phát và thu giống nhau. Khi có dữ liệu đến DTE, dữ liệu này sẽ đƣợc đƣa vào bộ đệm và tạo ngắt. Ngoài ra, khi thực hiện kết nối giữa hai DTE, ta còn dùng sơ đồ sau: - 40 -
Khi DTE1 cần truyền dữ liệu thì cho DTR tích cực => tác động lên DSR của DTE2 cho biết sẵn sàng nhận dữ liệu và cho biết đã nhận đƣợc sóng mang của MODEM (ảo). Sau đó, DTE1 tích cực chân RTS để tác động đến chân CTS của DTE2 cho biết DTE1 có thể nhận dữ liệu. Khi thực hiện kết nối giữa DTE và DCE, do tốc độ truyền khác nhau nên phải thực hiện điều khiển lƣu lƣợng. Quá trinh điều khiển này có thể thực hiện bằng phần mềm hay phần cứng. Quá trình điều khiển bằng phần mềm thực hiện bằng hai ký tự Xon và Xoff. Ký tự Xon đƣợc DCE gửi đi khi rảnh (có thể nhận dữ liệu). Nếu DCE bận thì sẽ gửi ký tự Xoff. Quá trình điều khiển bằng phần cứng dùng hai chân RTS và CTS. Nếu DTE muốn truyền dữ liệu thì sẽ gửi RTS để yêu cầu truyền, DCE nếu có khả năng nhận dữ liệu (đang rảnh) thì gửi lại C 2.5.2. Để thực hiện các phƣơng pháp truyền một cách cụ thể, các nhà chế tạo đã cung cấp một loạt các IC chuyên dùng, các IC này chính là phần cứng thuộc lớp vật lí trong một hệ thống thông tin,chúng hoạt động theo nguyên tắc của kĩ thuật số và vì vậy chế độ truyền đồng bộ hay bất đồng bộ phụ thuộc vào việc sử dung đồng hồ chung hay riêng khi truyền tín hiệu số đi xa. Các IC đều là các vi mạch có thể lập trình. Đầu tiên lập trình chế độ hoạt động mong muốn bằng cách ghi một byte có nghĩa vào thanh ghi chế độ mode register. Sau đó ghi tiếp byte điều khiển vào thanh ghi lệnh command register để vi mạch theo đó mà hoạt động. Vì các giao tiếp truyền nối tiếp đƣợc dùng khá rộng rãi trong các thiết bị điện tử hiện đại, các vi mạch ngoại vi LSI đặc biệt đã đƣợc phát triển cho phép thực hiện các loại giao tiếp này. Tên tổng quát của hầu hết các IC này là: UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) USRT (Universal Synchronous Receiver Transmitter): mạch đồng bộ thiên hƣớng ký tự. USART có thể hoạt động theo UART hay USART tuỳ chọn. BOPs (Bit-Oriented Protocol Circuits) mạch đồng bộ thiên hƣớng bit. UCCs (Universal Communication Control circuits) có thể lập trình cho cả 3 loại trên. Cả UART và USART đều có khả năng thực hiện nhu cầu chuyển đổi song song sang nối tiếp để truyền số liệu đi xa và chuyển đổi nối tiếp sang song song khi tiếp nhận số liệu. Đối với số liệu truyền bất đồng bộ, chúng cũng có khả năng đóng khung cho ký tự một cách tự động với START bit, PARITY bit và các STOP bit thích hợp. Các địa chỉ cơ sở và ngắt Cổng Địa chỉ cơ bản IRQ COM1 3F8h IRQ4 COM2 2F8h IRQ3 COM3 3F8h (IRQ4) COM4 2F8h (IRQ3) Các cổng nối tiếp từ thứ nhất đến thứ tƣ đều đƣợc phân biệt qua các vị trí địa chỉ trong vùng vào/ ra của máy tính và các số ngắt tƣơng ứng (IRQ). Địa chỉ đầu tiên của UART, cụ thể là của thanh ghi đệm truyền/ nhận, đƣợc tính là địa chỉ cơ sở. Thông thƣờng, địa chỉ cơ sở và IRQ đƣợc quy định nhờ các đầu nối (Jumper) trên Card vào/ ra hoặc trên bản mạch chính. Mạch điều khiển truyền thông dị bộ vạn năng UART (VXL 8250A) Vi mạch 8250A là một UART đƣợc dùng rộng rãi trong các máy IBM PC tại vỉ phối ghép nối tiếp có đầu nối ra cổng thông tin nối tiếp theo chuẩn RS 232C - 41 -
Các thanh ghi có thể chia làm 3 loại:  Thanh ghi điều khiển (Control Register): dùng để nhận và thực hiện các lệnh từ CPU.  Thanh ghi trạng thái (Status Register): dùng để thông báo cho CPU biết về trạng thái của UART hay UART đang làm gì.  Thanh ghi đệm (Buffer Register): dùng để giữ ký tự trong lúc truyền hoặc xử lý. Các thanh ghi này cũng giữ các ký tự nhị phân đƣợc truyền và nhận. Việc truy nhập lên các thanh ghi đƣợc thực hiện thông qua địa chỉ và khối điều khiển. Mỗi thanh ghi đƣợc gán một địa chỉ tính theo cách so sánh tƣơng đối (Offset) với địa chỉ cơ sở của cổng nối tiếp. Các địa chỉ của hai cổng nối tiếp đầu tiên trong hầu hết các máy tính đã đƣợc tiêu chuẩn hoá. Để viết phần mềm ghép nối qua cổng nối tiếp ta cần lƣu ý là: toàn bộ hoạt động của giao diện nối tiếp đều đƣợc điều khiển qua các thanh ghi của UART, trong đó thanh ghi đệm truyền/ nhận dữ liệu thƣờng đƣợc tính là hai thanh ghi. Do chỉ có 8 địa chỉ nên cần đến sự chuyển mạch bên trong thông qua bit DLAB (Division Latch Access Bit, bit 7 của thanh ghi điều khiển đƣờng truyền). Các địa chỉ của từng thanh ghi đều đƣợc tính theo khoảng cách đến địa chỉ cơ sở, khoảng cách này thƣờng đƣợc gọi là Offset. Tuỳ theo các thanh ghi, Offset nhận giá trị cụ thể trong khoảng từ 0 đến 7. DLAB A2 A1 A0 Thanh ghi Địa chỉ 0 0 0 0 Bộ đệm đọc/ghi – RBH 3F8 (2F8) 0 0 0 1 Cho phép ngắt - IER 3F9 (2F9) X 0 1 0 Nhận dạng ngắt (chỉ đọc) – IIR 3FA (2FA) X 0 1 1 Điều khiển đƣờng truyền – LCR 3FB (2FB) X 1 0 0 Điều khiển modem – MCR 3FC (2FC) X 1 0 1 Trạn thái đƣờng truyền – LSR 3FD (2FD) X 1 1 0 Trạng thái modem – MSR 3FE (2FE) X 1 1 1 Không dùng 1 0 0 0 Chốt số chia (LSB) 3F8 (2F8) 1 0 0 1 Chốt số chia (MSB) 3F9 (2F9) - 42 -
Vi mạch UART 8250 có tất cả 10 thanh ghi, sau đây ta sẽ lần lƣợt tìm hiểu các thanh ghi này: Các thanh ghi lưu trữ: Nhƣ thấy rõ từ tên gọi, các thanh ghi này thực chất là các bộ đệm đƣợc chuyên dùng để giữ một ký tự, ký tự này hoặc là đã đƣợc nhận nhƣng chƣa đƣợc đọc, hoặc là đƣợc gửi tới cổng nối tiếp nhƣng còn chƣa đƣợc truyền đi. Khi mô tả quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp, thanh ghi giữ (Holding Register) thƣờng đƣợc gọi là bộ đệm nhận hoặc bộ đệm truyền. Việc trang bị các bộ đệm nhận và truyền cũng là một đặc điểm của vi mạch 8250. Đặc điểm này cho phép một ký tự thứ hai đƣợc gửi tới cổng nối tiếp trƣớc khi ký tự thứ nhất đã đƣợc truyền hoặc đƣợc đọc xong xuôi bởi bộ xử lý. Trong thời gian chờ ký tự thứ nhất đƣợc truyền hoặc đƣợc đọc, ký tự thứ hai đƣợc giữ trong bộ đệm. Sau đây ta sẽ thấy rõ hơn là: trạng thái của bộ đệm truyền và bộ đệm nhận đƣợc quy định bởi thanh ghi trạng thái đƣờng truyền, cụ thể hơn là ở bit 7 của thanh ghi điều khiển đƣờng truyền LCR (Line Control Register). Khi bit này đƣợc đặt bằng '0' thì thao tác đọc từ địa chỉ cơ sở sẽ đọc từ bộ đệm nhận RX và thao tác viết sẽ viết vào bộ đệm truyền TX Thanh ghi điều khiển đường truyền: Một thanh ghi khác trong vi mạch 8250 đƣợc gọi là thanh ghi điều khiển đƣờng truyền LCR (Line Control Register). Thanh ghi này lƣu trữ các tham số đƣợc ngƣời lập trình thiết lập và xác định khuôn mẫu khung truyền của cuộc trao đổi thông tin. Các thông tin về: số các bit dữ liệu, số lƣợng bit dừng và kiểu chẵn lẻ đƣợc sử dụng trong khung truyền đều đƣợc cất giữ trên thanh ghi này. Dữ liệu có thể đƣợc viết vào thanh ghi này và đƣợc đọc ra sau đấy. Chức năng các bit của thanh ghi LCR. Các bit 0 và 1. Giá trị đƣợc cất giữ trong hai bit nhi phân này chỉ rõ số các bit dữ liệu trong từng ký tự đƣợc truyền. Số các bit trên một ký tự có thể nằm trong khoảng từ 5 đến 8 bit, cho phép xác định độ dài của từ (Word). Lời giải thích cho bit 0 và 1 trên hình vẽ 12 làm sáng tỏ thêm vai trò của các bit này. Bit 2 chỉ rõ số các bit dừng trong mỗi khung truyền. Nếu nhƣ bit 2 có một giá trị logic bằng 0 thì số bit dừng sẽ đƣợc vi mạch 8250 tạo ra. Nếu ký tự đƣợc truyền có sáu, bảy hoặc tám bit dữ liệu và bit 2 đƣợc đặt vào một logic 1 thì hai bit dừng sẽ đƣợc tạo ra và "đính kèm" vào từng từ đƣợc truyền. Nếu nhƣ năm bit dữ liệu đƣợc chọn làm hệ thống mã dùng cho một ký tự thì cần đến 1,5 bit dừng chèn vào trong từ dữ liệu. Yều cầu này cần thiết để thích ứng với các thiết bị đã cũ trên đó sử dụng năm bit dữ liệu. Bit 3. Đƣợc quy định là bit cho phép chẵn lẻ, nghĩa là có sử dụng bit chẵn lẻ hay không. Nếu bit này có giá trị logic 1 thì bit chẵn lẻ sẽ đƣợc tạo ra và chèn vào từng xâu ký tự. Do tính chẵn lẻ đã đƣợc cho phép nên bất kỳ ký tự nào nhận đƣợc cũng đều bị kiểm tra về tính chẵn lẻ. Bit 4. Kiểu chẵn lẻ đã đƣợc chọn, lẻ hoặc chẵn, đƣợc xác định bằng cách đặt bit 4. Khi cất giữ một trạng thái logic 0 ở vị trí này có nghĩa là đặt tính chẵn lẻ là lẻ và ngƣợc lại, cất giữ một trạng thái logic 1 ở bit 4 có nghĩa là đặt tính chẵn lẻ là chẵn. Nếu nhƣ bit 3, tức là bit cho phép chẵn lẻ, bị cấm bằng cách đặt một giá trị logic 0 vào vị trí này thì bất kể là giá trị bit nhƣ thế nào đƣợc đặt ở vị trí bit 4 cũng không có tác dụng. - 43 -
Bit 5. (Bit stick parity). Nếu nhƣ bit 3 và bit 5 đƣợc đặt giá trị logic 1 thì khi bộ truyền xuất ra một ký tự, bộ nhận tại chỗ (local) sẽ phát hiện nhƣ một giá trị logic 3. Bit 6. Đƣợc quy định là bit BREAK (dừng). Khi bit này đƣợc đặt một giá trị logic 1 thì nó bắt buộc SOUT (Serial out hay TxD) chuyển sang mức logic trống (mức LOW) cho đến khi một giá trị logic 0 đƣợc cất giữ vào bit 6. Nhờ có bit này mà máy tính có thể báo hiệu cho thiết bị đầu cuối biết là đã đƣợc nối nhƣ một phần của hệ thống truyền thông. Bit 7. Phải đƣợc đặt một giá trị logic 1 để truy nhập các chốt số chia (divisor latches). Các chốt này là những thanh ghi cất giữ số chia đối với tín hiệu giữ nhịp (đồng hồ), số này quy định tốc độ baud của hệ thống truyền thông nối tiếp. Mỗi lần tốc độ baud đƣợc đặt lại thì bit này (bit 7) lại đƣợc đặt về giá trị logic 0. Thanh ghi tốc độ baud: Tốc độ baud đƣợc đặt bằng cách nạp một số chia chiếm 16 bit, trong đó 8 bit thấp hơn của số chia đƣợc đặt trên địa chỉ bộ đệm TX/ RX và 8 bit phía trên đặt địa chỉ kế tiếp sau bộ đệm TX/ RX. Sự tăng gấp đôi số các thanh ghi là cần thiết vì khi bit 7 hoặc thanh ghi LCR (thƣờng viết tắt là DLAB) đƣợc lại về giá trị logic 0 hai địa chỉ này gắn liền với bộ đệm nhận và bộ đệm truyền. Khi bit DLAB đƣợc đặt vào một giá trị logic 1 thì hai địa chỉ này gắn liền với hai chốt số chia. Các chốt số chia bao gồm 16 bit hay hai byte, đƣợc sắp xếp thành các bit có giá trị thấp LSB (Least Significant byte) và bit có giá trị cao hơn MSB (Most Significant bit), đƣợc sử dụng trong việc đặt tốc độ baud của hệ thống truyền thông. Bởi vì các chốt số chia có độ rộng là hai byte, giá trị 060 Hex cần đƣợc chia ra để cất giữ trên hai thanh ghi LSB và MSB. Với giá trị tốc độ baud bằng 1200 trong thí dụ này, 60 Hex đƣợc cất giữ trong LSB (bit có giá trị thấp) và giá trị 0 đƣợc cất trong MSB (bit có giá trị cao hơn). Số chia đƣợc dùng để tạo ra: 16 x Đồng hồ Sai số theo phần trăm Tốc độ baud (sai khác giữa mong Thập phân Hex muốn có muốn và thực tế) 50 2304 900 75 1536 600 110 1047 417 0,026 134,5 857 359 0,058 150 768 300 - 300 384 180 - 600 192 0C0 - 1200 96 060 - - 44 -
Số chia đƣợc dùng để tạo ra: 16 x Đồng hồ Sai số theo phần trăm Tốc độ baud (sai khác giữa mong Thập phân Hex muốn có muốn và thực tế) 1800 64 040 - 2000 58 03A 0,69 2400 48 030 - 3600 32 020 - 4800 24 018 - 7200 16 010 - 9600 12 00C - Một số tốc độ baud và các giá trị số chia tƣơng ứng dƣới cả hai dạng thập phân và thập lục phân (Hex). Giá trị này của số chia đƣợc nạp vào bộ đệm TX/ RX khi bit DLAB đƣợc một giá trị logic 1 đặt vào. Thanh ghi trạng thái đường truyền: Thanh ghi trạng thái đƣờng truyền (LSR: Line Status Register) thanh ghi 8 bit, chứa thông tin về quá trình dữ liệu qua cổng nối tiếp cần cung cấp cho bộ vi xử lý. Bit 0, đƣợc dùng để thông báo cho biết dữ liệu đã nhận đƣợc (DR: Data Received). Khi bit 0 có giá trị logic 1 có nghĩa là dữ liệu đã đƣợc nhận và sẵn sàng để bộ xử lý đọc. Bit 1: Một giá trị logic 1 ở bit này có nghĩa là ký tự nhận trƣớc đó đã bị mất vì nó không đƣợc đọc trƣớc khi một ký tự mới đƣợc nhận nên ký tự mới đã ghi đè lên ký tự trƣớc. Bit 2: Một giá trị logic 1 ở bit lỗi chẵn lẻ có nghĩa là ký tự đã đƣợc nhân có tính chẵn lẻ sai. Khi thanh ghi trạng thái đƣờng truyền (LSR) đƣợc đọc thì bit này lại đƣợc đặt về giá trị logic 0. Bit 3: Đây là bit lỗi khung truyền. Nếu ký tự đã nhận không có một bit dừng hợp lệ, nghĩa là có lỗi khung truyền, thì bit 3 trong thanh ghi LSR đƣợc đặt vào một giá trị logic 1. Bit 4: đƣợc quy định là bit gián đoạn ngắt (break interrupt bit). Bit này đƣợc tự động đặt vào một giá trị logic 1 khi dữ liệu nhận đƣợc đã đƣợc giữ ở một mức trống trên toàn bộ chiều dài của một từ dữ liệu. Bit 5: đƣợc quy định là bit báo hiệu trạng thái rỗng của bộ đệm truyền (THRE: Transmit Holding Register Empty). Bit này báo hiệu là cổng nối tiếp sẵn sàng tiếp nhận ký tự khác đƣợc truyền tới. Bit 6: Bit này là một bit chỉ để đọc. Khi bit này có giá trị logic 1 thì bộ đệm truyền đang còn trống. Bit 7: không đƣợc sử dụng và luôn đƣợc đặt giá trị logic 0. - 45 -
Khi viết phần mềm truy nhập thanh ghi lên thanh ghi trạng thái đƣờng truyền ta cần lƣu ý tới một số chức năng của thanh ghi này. Thanh ghi trạng thái đƣờng truyền (LSR: Line Status Resgister) xác định trạng thái của bộ đệm truyền và bộ đệm nhận. Thanh ghi này chỉ dùng để đọc ra, nội dung tất cả các bit đƣợc tự động đặt bằng phần cứng. Một điều rủi ro có thể xảy ra khi truyền dữ liệu một ký tự mới có thể đƣợc viết vào bộ đệm truyền trƣớc khi ký tự trƣớc đấy đã đƣợc gửi. Khi đó ký tự mới này sẽ viết đè lên nội dung của ký tự đang đƣợc truyền. Để tránh tình trạng rủi ro này S5 đƣợc giao nhiệm vụ thông báo kết quả kiểm tra xác định liệu vẫn còn một ký tự ở trong bộ nhớ. Nếu có thì nó đƣợc đặt thành '1', còn nếu nhƣ bit này có giá trị bằng 0 thì có nghĩa là bộ đệm truyền đang trong trạng thái trống rỗng. Để truyền một ký tự: - Kiểm tra bit 6 cho đến khi được đặt;(Test Bit 6 until set;) - Truyền ký tự; (Send character;) Để nhận ký tự: - Kiểm tra bit 0 cho đến khi được đặt; (Test Bit 0 until set;) - Đọc ký tự; (Read character;) Thanh ghi cho phép ngắt: Vi mạch 8250 có một nhiều khả năng ngắt. Có hai thanh ghi đƣợc sử dụng để điều khiển và xác định các nguồn ngắt. Thanh ghi đầu tiên trong hai thanh ghi đó là thanh ghi cho phép ngắt IER (Interrupt Enable Register) còn thanh ghi thứ hai là thanh ghi nhận dạng ngắt IIR (Interrupt Identification Register). Bit 0: Mỗi lần nhận một ký tự thì một ngắt lại đƣợc tạo ra. Bit này đƣợc đặt lại (Reset) sau khi ký tự đã đƣợc bộ xử lý đọc. Bit 1: Nếu bit này đƣợc đặt một giá trị logic 1 thì bộ đệm truyền (thanh ghi giữ truyền) trống và một ngắt xuất hiện. - 46 -
Bit 2: cho phép có sự thay đổi trong trạng thái đƣờng truyền bộ nhận theo cách gây ra một ngắt. Bit 3: cho phép có sự thay đổi trong trạng thái modem để ngắt bộ xử lý. Bit 4- 7: Các bit này luôn đƣợc đặt giá trị logic 0. Nếu nhƣ khả năng ngắt của vi mạch đã cho phép và một ngắt xuất hiện thì bit xuất ra ngắt từ 8250 chiếm lấy mức logic 1. Tín hiệu này đƣợc nối với bus ngắt cứng của máy tính. Logic 1 trên bus này báo hiệu cho bộ xử lý biết là cần phải chú ý tới cổng nối tiếp. Hình 15 minh hoạ sự phân bố của các bit trên thanh ghi IER. Thanh ghi nhận dạng ngắt Nếu nhƣ một ngắt xuất hiện thì phần mềm chƣơng trình phải thực hiện đƣợc chức năng kiểm tra thanh ghi để xác định xem sự kiện nào đang gây ra ngắt. Thanh ghi nhận dạng ngắt IIR chứa đựng mã, nhận dạng điều kiện (ngắt) nào đang yêu cầu chú ý. Một điểm cần chú ý là: giữa các ngắt cũng có mức độ ƣu tiên khác nhau, nói khác đi là có một vài ngắt tỏ ra là "quan trọng" hơn so với các ngắt khác. Về nguyên tắc, ngắt nào quan trọng hơn sẽ đƣợc ƣu tiên xử lý trƣớc. Thanh ghi nhận dạng ngắt Các ngắt và đặt lại chức năng Bit Bit Bit Mức Kiểu ngắt Nguồn ngắt Điều khiển 2 1 0 ƣu tiên đặt lại ngắt 0 0 1 - Không dừng Không dừng - 1 1 0 Cao nhất Trạng thái Lỗi tràn hoặc lỗi chẵn Đọc thanh ghi trạng đƣờng nhận lẻ hoặc lỗi khung thái đƣờng truyền truyền hoặc break interrupt 1 0 0 Thứ hai Có dữ liệu đã Có dữ liệu đã nhận Đọc thanh ghi đệm nhận bộ nhận 0 1 0 Thứ ba Bộ đệm Bộ đệm truyền trống Đọc thanh ghi IR truyền trống (nếu là nguồn ngắt) hoặc ghi vào bộ đệm truyền 0 0 0 Thứ tƣ Trạng thái Xoá để gửi hoặc dữ Đọc thanh ghi trạng modem liệu sẵn sàng hoặc báo thái modem chuông hoặc phát hiện tín hiệu đƣờng nhận Bảng trên liệt kê các mức ƣu tiên của từng ngắt. Cột đặt lại ngắt liệt kê tác động nào là cần đến để đặt lại ngắt đã đƣợc chốt. Mạch điều khiển truyền thông đồng bộ - dị bộ vạn năng USART (VXL 8251A) Vi mạch 8251A là một USART đƣợc dùng rộng rãi trong các máy IBM PC tại vỉ phối ghép nối tiếp có đầu nối ra cổng thông tin nối tiếp theo chuẩn RS 232C - 47 -