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

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

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

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay trong các lĩnh vực truyền thông, mức độ kết nối thông tin toàn cầu đang gia tăng rất nhanh kéo theo đó là các loại hình dịch vụ dữ liệu cũng phát triển không ngừng. Dữ liệu tương tự truyền thống khó có thể đáp ứng được với yêu cầu ngày càng đa dạng về dịch vụ, tốc độ, chất lượng cũng như sự linh hoạt trong chuyển tiếp dữ liệu, nên dữ liệu đã dần được số hóa trong hầu hết các ứng dụng công nghệ thông tin hay điện tử viễn thông. Chính sự thay đổi này đã thúc đẩy cho các kỹ thuật truyền số liệu ra đời và từ đó đến nay đã được cải tiến không ngừng. Kỹ thuật tuyền số liệu là một mảng kiến thức cần thiết với sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông và cũng là nền tảng để nghiên cứu chuyên sâu trong các chuyên ngành này. Tập bài giảng Truyền số liệu được biên soạn cho đối tượng sinh viên Đại học khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định. Tập bài giảng được chia làm 6 chương: Chương 1: Khái niệm chung Chương 2: Mã hóa và điều chế Chương 3: Dồn kênh, phân kênh Chương 4: Truyền dẫn đồng bộ và bất đồng bộ Chương 5: Điều khiển liên kết dữ liệu Chương 6: Chuyển mạch. Nhóm biên soạn xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp khoa Công nghệ thông tin, cùng các đồng nghiệp trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã giúp chúng tôi hoàn thành tài liệu này. Trong lần biên soạn đầu tiên, tập bài giảng không tránh khỏi những sai sót, rất mong người đọc đóng góp ý kiến để tập bài giảng được hoàn thiện hơn. Mọi sự đóng góp ý kiến xin gửi về Văn phòng Khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn! Nam Định, tháng 11 năm 2014 Nhóm biên soạn Th.s Hoàng Thị Hồng Hà Th.s Nguyễn Thị Thu Hằng i
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................................... I MỤC LỤC ...........................................................................................................................................II MỤC MỤC HÌNH VẼ......................................................................................................................V CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG............................................................................................. 1 1.1. Những khái niệm chung ........................................................................................ 1 1.1.1. Khái niệm........................................................................................................................................ 1 1.1.2. Mô hình truyền số liệu .................................................................................................................. 2 1.2.Hình trạng hệ thống và các phƣơng thức liên lạc ................................................ 5 1.2.1. Hình trạng hệ thống....................................................................................................................... 5 1.2.2. Phương thức ................................................................................................................................... 6 1.2.3. Các phương pháp truyền .............................................................................................................. 6 1.3.Mạng truyền số liệu. ............................................................................................... 6 1.4.Sự chuẩn hóa và mô hình tham chiếu ................................................................. 10 1.4.1. Chuẩn hóa các mô hình truyền số liệu.....................................................................................10 1.4.2. Mô hình tham chiếu OSI............................................................................................................11 1.5.Sự suy giảm và biến dạng của tín hiệu ................................................................ 14 1.5.1. Sự suy giảm ..................................................................................................................................14 1.5.2. Sự giới hạn băng thông của kênh truyền .................................................................................16 1.5.3. Sự biến dạng do trễ pha tín hiệu................................................................................................19 1.5.4. Sự can nhiễu .................................................................................................................................20 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 1 ....................................................................... 24 2.1. Các loại tín hiệu ................................................................................................... 31 2.1.1. Tín hiệu tương tự .........................................................................................................................31 2.1.2. Tín hiệu số.....................................................................................................................................31 2.2. Kỹ thuật điều chế ................................................................................................. 32 2.2.1. Điều chế AM, PM, FM, điều chế đa mức ..............................................................................32 2.2.2. Điều chế xung ..............................................................................................................................44 2.3. Mã hóa đƣờng dây ............................................................................................... 50 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 2 ....................................................................... 54 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH, PHÂN KÊNH ...................................................62 3.1. Môi trƣờng truyền dẫn ........................................................................................ 62 3.1.1. Các đường truyền hai dây không xoắn....................................................................................62 3.1.2. Cáp đôi dây xoắn (Twisted pair)...............................................................................................62 ii
3.1.3. Cáp đồng trục ...............................................................................................................................63 3.1.4. Cáp sợi quang ...............................................................................................................................65 3.1.5. Đường truyền vệ tinh ..................................................................................................................68 3.1.6. Đường truyền vi ba......................................................................................................................70 3.1.7. Đường truyền vô tuyến tần số thấp...........................................................................................70 3.2. Kỹ thuật ghép kênh .............................................................................................. 72 3.2.1. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số FDM ........................................ 73 3.2.2. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian TDM ................................... 75 3.2.3. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã CDM ............................................ 82 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 3 ....................................................................... 83 CHƯƠNG 4: TRUYỀN DẪN ĐỒNG BỘ VÀ BẤT ĐỒNG BỘ...........................................90 4.1. Truyền dẫn bất đồng bộ ....................................................................................... 90 4.1.1. Khái quát .......................................................................................................................................90 4.1.2. Nguyên tắc đồng bộ bit...............................................................................................................94 4.1.3. Nguyên tắc đồng bộ ký tự ..........................................................................................................94 4.1.4. Nguyên tắc đồng bộ frame.........................................................................................................95 4.2. Truyền dẫn đồng bộ ............................................................................................. 97 4.2.1. Khái quát .......................................................................................................................................97 4.2.2. Nguyên tắc đồng bộ bit...............................................................................................................98 4.2.3. Truyền đồng bộ thiên hướng ký tự ........................................................................................ 100 4.2.4. Truyền đồng bộ thiên hướng bit............................................................................................. 104 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 4 .....................................................................111 CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN LIÊN KẾT DỮ LIỆU.............................................................. 114 5.1. Phát hiện lỗi và sửa sai .......................................................................................114 5.1.1. Phương pháp kiểm tra bit chẵn lẻ (parity bit) ...........................................116 5.1.2. Kiểm tra tổng BSC (Block Sum Check) ...................................................117 5.1.3. Kiểm tra CRC (Cyclic Redundancy Check) .............................................119 5.1.4. Phát hiện và sửa sai theo Hamming ..........................................................123 5.2. Nén dữ liệu ..........................................................................................................127 5.2.1. Nén nhờ đơn giản mã cho các chữ số ................................................................................... 128 5.2.2. Nén theo mã hoá quan hệ ........................................................................................................ 128 5.2.3. Nén bằng cách bỏ bớt các ký tự giống nhau ........................................................................ 128 5.2.4. Nén theo mã hoá Huffman ..................................................................................................... 128 5.3. Điều khiển luồng .................................................................................................133 5.3.1. Tổng quan .................................................................................................................................. 133 5.3.2. Các phương pháp điều khiển luồng....................................................................................... 133 5.4. Kiểm soát lỗi ......................................................................................................136 iii
5.4.1. Idle RQ ....................................................................................................................................... 137 5.4.2. Continuous RQ ......................................................................................................................... 143 5.5. Điều khiển liên kết dữ liệu mức độ cao HDLC ............................................... 150 5.5.1. Các đặc điểm cơ bản ................................................................................................................ 150 5.5.2. Cấu trúc khung .......................................................................................................................... 152 CHƯƠNG 6: CHUYỂN MẠCH.................................................................................................168 6.1. Mạng chuyển mạch ............................................................................................ 168 6.2. Mạng chuyển mạch kênh .................................................................................. 169 6.2.1. Chuyển mạch không gian. ...................................................................................................... 173 6.2.2. Chuyển mạch phân chia thời gian ......................................................................................... 178 6.3. Mạng chuyển mạch gói ...................................................................................... 185 6.3.1. Nguyên lý chuyển mạch.......................................................................................................... 185 6.3.2. Kích thước gói........................................................................................................................... 190 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 6 ..................................................................... 193 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. IX iv
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin .......................................................... 2 Hình 1.2. Truyền tin qua mạng điện thoại công cộng PSTN ................................... 3 Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống truyền tương tự có điều chế ............................................. 3 Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu số ............................................................ 4 Hình 1.5. Hình trạng hệ thống .................................................................................. 5 Hình 1.6. Mô hình mạng chuyển mạch kênh .......................................................... 8 Hình 1.7. Mô hình mạng chuyển mạch thông báo ................................................... 8 Hình 1.8. Mô hình mạng chuyển mạch gói .............................................................. 9 Hình 1.9. Cấu trúc mạng hình sao ............................................................................ 9 Hình 1.10. Cấu trúc mạng hình tuyến....................................................................... 10 Hình 1.11. Cấu trúc mạng dạng vòng ....................................................................... 10 Hình 1.12. Mô hình kiến trúc phân tầng OSI ........................................................... 12 Hình 1.13. Ảnh hưởng do giới hạn băng thông ........................................................ 177 Hình 1.14. Lược đồ mạch bộ triệt nhiễu................................................................... 21 Hình 2.1. Tín hiệu tương tự và tín hiệu số ............................................................... 31 Hình 2.2. Mô hình truyền dữ liệu ............................................................................. 32 Hình 2.3. Các kỹ thuật mã hoá và điều chế .............................................................. 32 Hình 2.4. Các thành phân tần số sóng âm ................................................................ 33 Hình 2.5. ASK .......................................................................................................... 35 Hình 2.6. FSK .......................................................................................................... 38 Hình 2.7. PSK ........................................................................................................... 41 Hình 2.8. Dạng sóng tín hiệu điều chế pha 4-PSK ................................................... 42 Hình 2.9. Giản đồ trạng thái - pha 4-PSK ................................................................ 42 Hình 2.10. Giản đồ trạng thái - pha 8-PSK .............................................................. 42 Hình 2.11. Giản đồ trạng thái - pha và dạng sóng điều chế QAM ........................... 43 Hình 2.12. Quan hệ hình học của các QAM............................................................. 44 Hình 2.13. Điều chế bề rộng xung ........................................................................... 44 Hình 2.14. Điều chế độ rộng xung ........................................................................... 45 Hình 2.15. Các nguyên lý số hoá ............................................................................ 45 Hình 2.16. Tín hiệu mã hoá ...................................................................................... 46 Hình 2.17. Quá trình lượng tử hoá ........................................................................... 47 Hình 2.18. Các nguyên lý companding .................................................................... 49 Hình 2.19. Mô hình mã hóa đường dây ................................................................... 50 Hình 2.20. Quy tắc mã của mã B8ZS ....................................................................... 52 v
Hình 2.21. Các loại mã hoá ...................................................................................... 53 Hình 2.22. Mã HDB3 và B8ZS ................................................................................ 53 Hình 3.1. Cáp xoắn ................................................................................................... 63 Hình 3.2. Cấu tạo của cáp đồng trục ......................................................................... 64 Hình 3.3. Hiện tượng phản xạ, khúc xạ .................................................................... 65 Hình 3.4. Nguyên lý cáp sợi quang ......................................................................... 67 Hình 3.5. Cáp sợi quang ........................................................................................... 68 Hình 3.6. Hàn cáp sợi quang..................................................................................... 68 Hình 3.7. Truyền dẫn vệ tinh .................................................................................... 69 Hình 3.8. Truyền dẫn vô tuyến theo khu vực ........................................................... 72 Hình 3.9. (a) Ghép kênh phân chia tần số; (b) Ghép kênh phân chia thời gian ....... 73 Hình 3.10. Phương pháp ghép kênh FDM ................................................................ 73 Hình 3.11. Xử lý ghép kênh FDM theo thời gian ..................................................... 74 Hình 3.12. Xử lý ghép kênh FDM (biểu diễn theo tần số) ....................................... 74 Hình 3.13. Xử lý phân kênh FDM (biểu diễn theo thời gian) .................................. 75 Hình 3.14. Xử lý phân kênh FDM (biểu diễn theo tần số) ....................................... 75 Hình 3.15. Phương pháp ghép kênh TDM............................................................... 75 Hình 3.16. Ghép kênh phân thời đồng bộ TDM ....................................................... 76 Hình 3.17. Đồng bộ TDM, quá trình dồn kênh ....................................................... 77 Hình 3.18. Đồng bộ TDM, quá trình phân kênh...................................................... 77 Hình 3.19. Khung dạng bit ....................................................................................... 78 Hình 3.20. Tính toán tốc độ truyền dữ liệu trong khung .......................................... 78 Hình 3.21. Không đồng bộ TDM............................................................................. 80 Hình 3.22. Ví dụ về khung đồng bộ TDM............................................................... 81 Hình 3.23. Nguyên lý đa truy nhập phân chia theo mã ............................................ 82 Hình 3.23. Sơ đồ bộ phát CDMA ............................................................................. 83 Hình 3.24. Sơ đồ bộ thu CDMA ............................................................................... 83 Hình 4.1. Truyền dẫn bất đồng bộ ............................................................................ 91 Hình 4.2. Ảnh hưởng của lỗi định thời ..................................................................... 91 Hình 4.3. Truyền bất đồng bộ ................................................................................... 94 Hình 4.4. Đồng bộ khung ........................................................................................ 96 Hình 4.5. Cơ sở cho truyền đồng bộ. ........................................................................ 98 Hình 4.6. Mã hoá xung đồng hồ ............................................................................... 98 Hình 4.7. Mạch mã hóa xung đồng hồ...................................................................... 99 Hình 4.8. Mã hóa dùng mạch DPLL......................................................................... 99 Hình 4.9. Phương pháp Hybrid ................................................................................. 100 Hình 4.10. Truyền đồng bộ hướng ký tự .................................................................. 101 vi
Hình 4.11. Phương pháp đồng bộ frame định hướng bit dùng cờ ............................ 105 Hình 4.12. Chỉ định chiều dài và ranh giới bắt đầu khung ....................................... 106 Hình 4.13. Các vi phạm bit mã hoá .......................................................................... 106 Hình 4.14. Các khung trong HDLC.......................................................................... 107 Hình 4.15. Cấu trúc khung HDLC............................................................................ 107 Hình 4.16. Quá trình chèn thêm bit nhồi .................................................................. 108 Hình 4.17. Quá trình nhận dạng và loại bỏ bit nhồi ................................................. 109 Hình 4.18. Mối quan hệ trường địa chỉ và các phần còn lại của khung .................. 110 Hình 4.19. Trường thông tin ..................................................................................... 110 Hình 4.20. Trường kiểm tra lỗi FCS ........................................................................ 110 Hình 5. 1. Các dạng lỗi ............................................................................................. 114 Hình 5. 2. Lỗi một bit ............................................................................................... 114 Hình 5.3. Lỗi nhiều bit (lỗi cụm) .............................................................................. 114 Hình 5.4. Xử lý phát hiện lỗi .................................................................................... 115 Hình 5.5. Mạch tạo bit kiểm tra chẵn (VRC) của một dữ liệu 7 bit: 1100001 ......... 116 Hình 5.6. Mạch kiểm tra chẵn (VRC) của một dữ liệu 8 bit (11000011) ................ 116 Hình 5.7. Ví dụ kiểm tra BSC .................................................................................. 118 Hình 5.8. Chức năng sửa sai .................................................................................................................................. 1241 8 Hình 5.9. Cơ sở của mã sửa lỗi Hamming .............................................................. 124 Hình 5.10. Cấu trúc cây mã Huffman....................................................................... 129 Hình 5.11. Ví dụ mã hoá Huffman: .......................................................................... 132 Hình 5.12. Hai phương pháp dùng trong điều khiển lưu lượng ............................... 133 Hình 5.13. Phương pháp dừng – và – chờ ................................................................ 134 Hình 5.14. Ghép nhiều khung thành một cửa sổ ...................................................... 134 Hình 5.15. Cửa sổ phát ............................................................................................. 134 Hình 5.16. Cửa sổ thu ............................................................................................... 135 Hình 5.17. Quá trình truyền nhận dữ liệu dùng cửa sổ trượt ................................... 135 Hình 5.18. Mô hình truyền khung ............................................................................ 136 Hình 5.19. Truyền dữ liệu trong giao thức Stop and Wait ARQ khi lỗi khung ....... 138 Hình 5.20. Truyền dữ liệu trong giao thức Stop - and - wait ARQ khi mất khung 139 Hình 5.21. Truyền dữ liệu trong giao thức Stop and Wait ARQ khi mất ............... 139 Hình 5.22. Các phần tử trễ trong Stop and Wait ARQ ............................................. 140 Hình 5.23. Hoạt động của Go - back - N khi lỗi khung dữ liệu ............................... 144 Hình 5.24. Hoạt động của Go back N khi mất khung dữ liệu .................................. 145 Hình 5.25. Hoạt động của Go back N khi mất ACK ................................................ 146 vii
Hình 5.26. Hoạt động của Selective - Repeat ARQ khi lỗi khung dữ liệu ............... 148 Hình 5.27. Các cấu hình của các trạm sơ cấp, thứ cấp và kết hợp ........................... 151 Hình 5.28. Các khung trong HDLC .......................................................................... 152 Hình 5.29. Cấu trúc I - frame, S - frame và U - frame. ............................................ 153 Hình 5.30. Trường điều khiển trong chế độ mở rộng ............................................... 154 Hình 5.31. Trường P/F (Poll/ Final) ......................................................................... 154 Hình 5.32. S - frame ................................................................................................. 155 Hình 5.33. Các dạng S - frame RR và RNR ............................................................. 156 Hình 5.34. Cấu trúc U - frame .................................................................................. 157 Hình 5.35. Poll/ Responese ....................................................................................... 160 Hình 5.36. Select/Response ...................................................................................... 161 Hình 5.37. Peer Devices ........................................................................................... 162 Hình 5.38. Lỗi khi truyền ngang hàng (Peer Communication with error) ............... 163 Hình 6.1. Mô hình mạng chuyển mạch đơn giản ..................................................... 168 Hình 6.2. Ví dụ về việc kết nối thông qua mạng điện thoại công cộng. .................. 170 Hình 6.3. Sơ đồ thiết lập đường truyền .................................................................... 171 Hình 6.4. Mạng chuyển mạch công cộng ................................................................. 172 Hình 6.6. Nguyên lý chuyển mạch không gian S ..................................................... 174 Hình 6.7. Sơ đồ chuyển mạch không gian ................................................................ 177 Hình 6.8. Điều khiển theo đầu ra .............................................................................. 177 Hình 6.9. Điều khiển theo đầu vào ........................................................................... 178 Hình 6.10. Phương pháp dùng bộ trễ ........................................................................ 178 Hình 6.11. Chuyển mạch giữa hai khe thời gian A và B dùng bộ trễ....................... 179 Hình 6.12. Phương pháp dùng bộ nhớ đệm .............................................................. 179 Hình 6.13. Điều khiển tuần tự và ngẫu nhiên ........................................................... 180 Hình 6.14. Ghi tuần tự, đọc ngẫu nhiên .................................................................... 181 Hình 6.15. Ghi ngẫu nhiên, đọc ra tuần tự................................................................ 182 Hình 6.16. Ghi/ đọc song song 8 bit ......................................................................... 183 Hình 6.17. Ghép 3 tuyến PCM S/P ........................................................................... 183 Hình 6.18. Thâm nhập song song ............................................................................. 184 Hình 6.19. Dữ liệu đọc ra trong truy cập song song ................................................. 184 Hình 6.20. Sử dụng các gói tin ................................................................................. 185 Hình 6.21. Chuyển mạch gói datagram .................................................................... 187 Hình 6.22. Chuyển mạch gói kênh ảo VC ................................................................ 189 Hình 6.23. Ảnh hưởng của kích thước gói tin tới thời gian truyền .......................... 191 Hình 6.24. So sánh hoạt động truyền dữ liệu giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. ............................................................................................................................ 192 viii
ix
CHƢƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1. Những khái niệm chung 1.1.1. Khái niệm Dữ liệu (Data): bao gồm các sự kiện, khái niệm hay các chỉ thị được diễn tả dưới một hình thức thích hợp cho việc thông tin, thông dịch hay xử lý bởi con người hay máy móc. Tin tức (Information): ý nghĩa mà con người qui cho dữ liệu theo các qui ước cụ thể. Tin tức có thể biểu thị bởi tiếng nói, hình ảnh, các văn bản, tập hợp các con số, các ký hiệu, thông qua nó con người hiểu nhau . . .. Trong hệ thống truyền thông, thường người ta không phân biệt dữ liệu và tin tức. Tín hiệu (Signal): là tin tức, dữ liệu đã được chuyển đổi, xử lý (bởi các bộ phận mã hóa và /hoặc chuyển đổi) cho phù hợp với môi trường truyền thông. Nhiễu (Noise): là các tín hiệu ngoài ý muốn, xuất hiện trong hệ thống hoặc trên đường truyền. Dưới ảnh hưởng của nhiễu, tín hiệu tương tự bị biến dạng và tín hiệu số có thể bị lỗi. Cƣờng độ tín hiệu: Cường độ của tín hiệu thường được biểu diễn bởi công suất hoặc điện áp trên tổng trở tải của nó. Ta phải nói tín hiệu có công suất 0,133mW hoặc có biên độ 100mV trên tổng trở 75  . Tỉ số cƣờng độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi hoặc độ suy giảm của hệ thống, thường được biểu diễn bằng đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm: Tỉ số tín hiệu = 10log P2 /P1 Sự tiện lợi của đơn vị dB là người ta có thể xác định độ lợi (hay độ suy giảm) của một hệ thống gồm nhiều tầng nối chuỗi (cascade) bằng cách cộng các độ lợi của các tầng với nhau. Người ta thường biểu thị công suất tuyệt đối của một tín hiệu bằng cách so sánh với một tín hiệu chuẩn có công suất 1W: Công suất tín hiệu = 10log P2 /W dB . Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị dBm để xác định cường độ tín hiệu so với tín hiệu chuẩn có công suất 1mW Công suất tín hiệu = 10log P2 /1mW dBm Một tín hiệu có công suất 1W tương đương với 0 dB và 30dBm. Ví dụ: Tín hiệu có biên độ 100mV ở 75  tương đương với 0,133 mW, tính theo dBm là: 10log(0,133/1mW) = - 8,76 dBm. Dấu trừ cho biết mức tín hiệu là 8,76 dBm dưới 1mW. Chú ý: Trong chuyển đổi đơn vị phải để ý đến tổng trở tải của tín hiệu. 1
Biểu thức P = (V2/R ) có thể được dùng để tính điện áp hiệu dụng hoặc tỉ số điện áp. Trong các hệ thống điện thoại tổng trở tải thường dùng là 600  . Ví dụ: Tín hiệu 100mV trên tải 75  tương đương với tín hiệu 282mV trên tải là 600  . Thật vậy, ở 600  , điện áp của tín hiệu xác định bởi : V2 = P.R = 0,133.10-3.600 = 0,079 V= 0.079 = 0,282 V = 282 mV Nếu các tín hiệu có chung tổng trở tải thì : V1 Tỉ số tín hiệu = 20log dB V2 Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) Để đánh giá chất lượng của tín hiệu và cũng là chất lượng của hệ thống truyền tín hiệu đó người ta dùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Đây là tỉ số công suất tín hiệu có ích trên công suất tín hiệu nhiễu, thường tính bằng dB (hoặc dBm). Băng thông (Bandwidth) của tín hiệu là dải tần số trong đó chứa hầu hết công suất của tín hiệu. Khái niệm này cho ta xác định phổ tần hữu ích của tín hiệu nếu tín hiệu đó chứa một phổ tần quá rộng. Băng thông của kênh truyền là dải tần số của tín hiệu mà độ suy giảm khoảng vài dB (thường là 3 dB) so với giá trị cực đại khi tín hiệu đó truyền qua hệ thống. Độ suy giảm 3 dB tương ứng với điểm nửa công suất. Một kênh truyền tốt phải có băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu, điều này khiến cho tín hiệu được tái tạo không bị méo dạng và suy giảm đáng kể trong quá trình truyền. 1.1.2. Mô hình truyền số liệu Mục đích cơ bản của một hệ thống thông tin là trao đổi thông tin giữa hai đối tượng. Sơ đồ khối của một hệ thống thông tin ở dạng đơn giản được mô tả trên hình 1.1. Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin - Nguồn (source): là thiết bị phát dữ liệu để truyền đi. Ví dụ: điện thoại, các máy tính cá nhân. 2
- Máy phát (transmitter): Thông thường, dữ liệu được tạo ra bởi một hệ thống nguồn không được truyền đi tức thì dưới dạng dữ liệu được tạo ra. Sau đó thiết bị phát làm biến đổi và/ hoặc mã hoá dữ liệu thành tín hiệu điện từ có thể truyền qua một số hệ thống truyền dẫn. Ví dụ: modem biến dòng bit số từ máy tính cá nhân thành tín hiệu tương tự truyền dẫn qua mạng điện thoại - Hệ thống truyền dẫn (transmission system): có thể là một đường truyền đơn, hoặc là một mạng phức tạp liên kết nguồn và đích. - Máy thu (receiver): là thiết bị nhận dữ liệu từ hệ thống truyền dẫn và biến đổi nó thành dạng mà thiết bị đích có thể xử lý được. Ví dụ, một modem sẽ nhận một tín hiệu tương tự đến từ một mạng hoặc một đường truyền đơn, sau đó chuyển đổi nó thành chuỗi bit số. - Đích (Destination): nhận dữ liệu từ thiết bị nhận. Hình 1.2. Truyền tin qua mạng điện thoại công cộng PSTN a. Hệ thống truyền tương tự Hệ thống truyền dữ liệu là tập hợp các thiết bị được kết nối thông qua môi trường truyền dẫn truyền thông tin từ nguồn phát đến đích. Sơ đồ mô tả hệ thống truyền tương tự có điều chế, nếu truyền tín hiệu ở băng tần cơ sở thì không cần bộ điều chế và giải điều chế. Trong hệ thống này tín hiệu trên đường truyền là tín hiệu tương tự Thông Bộ Bộ chuyển chuyển đổi đổi Xử Xử lý lý Điều Điều chế chế Giao Giao tiếp tiếp tin vào Môi trường truyền M¸y ph¸t M¸y thu Thông Bộ Bộ chuyển chuyển đổi đổi Xử Xử lý lý Giải Giải điều điều chế chế Giao Giao tiếp tiếp tin ra Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống truyền tương tự có điều chế Bộ chuyển đổi: Ở máy phát có nhiệm vụ chuyển thông tin vào có dạng tin tức hay dữ liệu thành tín hiệu tương tự. 3
Bộ xử lý: Có nhiệm vụ như lọc, khuếch đại, phối hợp trở kháng… Bộ điều chế: Có nhiệm vụ rời phổ tần tín hiệu lên miền tần số cao Bộ giao tiếp: Có nhiệm vụ làm cho tín hiệu phát tương thích với môi trường truyền hay kênh truyền. Ở máy thu thực hiện ngược lại. b. Hệ thống truyền tín hiệu số Nguồn Định Mã Ghép Điều Trải Ða truy Máy tin dạng hóa kênh chế số phổ nhập phát Xử lý băng gốc Xử lý thích ứng môi trường Môi trường Xử lý băng gốc Xử lý thích ứng môi trường Giải Giải Nhận Định Giải Phân Ða truy Máy điều trải tin dạng mã kênh nhập thu chế số phổ Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống truyền tín hiệu số Định dạng: Thực hiện biến đổi tin tức hay dữ liệu cần truyền thể hiện ở dạng tín hiệu liên tục hay số thành chuỗi các bit nhị phân. Mã hóa: Gồm (mã hóa nguồn, mật mã hóa, mã hóa kênh) - Mã hóa nguồn tín hiệu: Thực hiện nén tin nhằm giảm tốc độ bit để giảm phổ chiếm của tín hiệu số. - Mã hóa mật: Thực hiện mã hóa chuỗi bit theo một khóa xác định nhằm bảo mật tin tức. - Mã hóa kênh: Nhằm chống nhiễu và các tác động xấu khác của đường truyền dẫn. Ghép kênh: Nhằm thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin khác nhau tới đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn Điều chế và giải điều chế số thường gọi tắt là MODEM. Về mặt thuật toán xử lý thì khối điều chế là một khối giao diện, thực hiện biến đổi tín hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp với việc truyền đưa tín hiệu đi xa. Trải phổ: Nhằm chống nhiễu (thường do kẻ xấu gây ra để phá liên lạc) và bảo mật tin tức Đa truy nhập: Cho phép nhiều đối tượng có thể truy nhập mạng thông tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu Hệ thống còn thực hiện đồng bộ nhịp, đồng bộ pha sóng mang đối với các hệ thống thông tin liên kết. Lọc: Được thực hiện tại máy thu phát đầu cuối, bao gồm lọc cố định nhằm hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín hiệu gây bởi đường truyền 4
Đối với một hệ thống thông tin số thì MODEM đóng vai trò như bộ não. Máy phát /thu đầu cuối chỉ thực hiện các thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tới tần số thích hợp, khuếch đại, lọc và phát tín hiệu vào môi trường truyền dẫn. Trên sơ đồ hình nhánh phía dưới (phần thu) thực hiện các thuật toán xử lý ngược với phía phát. Trong các khối chức năng nói trên thì khối định dạng, khối điều chế và giải điều chế số là không thể thiếu đối với mọi loại hệ thống thông tin số. Các khối chức năng còn lại không phải là bắt buộc đối với tất cả mọi hệ thống thông tin số mà chỉ có mặt trong từng hệ thống thông tin cụ thể. 1.2. Hình trạng hệ thống và các phƣơng thức liên lạc 1.2.1. Hình trạng hệ thống Về hình trạng, hệ thống thông tin có thể chia thành: - Điểm - điểm (Point to point): gói tin được truyền từ 1 điểm nào đó (nguồn) tới 1 điểm nào đó (đích). Một ví dụ của hình trạng điểm – điểm là liên lạc giữa máy tính và máy in. - Điểm - đa điểm (Multipoint): gói tin từ nguồn được sao chép và gửi tới 1 nhóm các nút trên mạng. Hệ thống điểm - đa điểm có thể có một trong các dạng: sao (star), vòng (ring) và multidrop. Mạng hình sao: Thuận lợi trong liên lạc vì đài thứ cấp truy xuất trực tiếp đài sơ cấp nhưng giá thành cao vì phải sử dụng đường dây riêng. Mạng vòng: Thông tin phải đi theo vòng từ đài sơ cấp đến đài thứ cấp. Nếu có một đài hỏng, hệ thống ngưng làm việc. Mạng multidrop: Các đài thứ cấp nối chung một đường dây vào trạm sơ cấp - Truyền quảng bá: gói tin được gửi đi tất cả các nút trong mạng (trừ nút nguồn) Hình 1.5. Hình trạng hệ thống 5
1.2.2. Phƣơng thức Về phương thức thức liên lạc, giữa các máy phát và thu trong một hệ thống thông tin có thể thực hiện theo 1 trong 4 phương thức: - Đơn công (Simplex transmission, SX): thông tin chỉ truyền theo một chiều. Nếu lỗi xảy ra máy thu không có cách nào yêu cầu máy phát phát lại. Trong hệ thống này thường máy thu có trang bị thêm bộ ROP (Read Only Printer) để hiển thị thông tin nhận được. Ví dụ: hệ thống radio, truyền hình hoặc đài phát thanh chỉ có một chiều tín hiệu duy nhất từ máy phát tới máy thu mà không có chiều truyền thông tin ngược lại. Thông tin giữa bàn phím với máy tính và máy tính với màn hình. - Bán song công (Half duplex transmission, HDX): tín hiệu truyền theo hai hướng nhưng không đồng thời. Các máy truyền bán song công có một nút ấn để phát (push to send), khi ở chế độ phát thì phần thu bị vô hiệu hóa và ngược lại. Ví dụ hệ thống thông tin dùng Walkie - Talkie (máy thu phát vô tuyến xách tay) sử dụng phương thức liên lạc bán song công. Các máy truyền ở chế độ bán song công có một nút ấn để phát, khi ở chế độ phát thì phần thu vô hiệu hóa và ngược lại. Hay hệ thống máy bộ đàm, khi nhấn nút thì nói, nhả nút ra thì ở trạng thái nghe. - Song công (full duplex transmission, FDX): tín hiệu truyền theo hai chiều đồng thời. Hệ thống này thường có 4 đường dây, 2 dây cho mỗi chiều truyền. Phương thức này được dùng trong hệ thống điểm - điểm (point to point). Hệ thống điện thoại là một ví dụ của phương thức truyền song công. - Song công toàn phần (Full/ Full-duplex, F/FDX): Đài sơ cấp có khả năng phát tín hiệu tới một đài thứ cấp đồng thời nhận thông tin từ một đài thứ cấp khác. Phương thức này giới hạn trong hệ thống nhiều điểm (multipoint). 1.2.3. Các phƣơng pháp truyền Để truyền tín hiệu người ta có thể dùng một trong hai phương pháp: phương pháp truyền dải nền và phương pháp điều chế. - Phương pháp truyền dải nền: Tín hiệu được truyền có cùng dải tần với tín hiệu nguồn. Thí dụ trong điện thoại, tín hiệu âm thanh hữu ích có tần số trong khoảng 300 - 3000 Hz được truyền đi mà không có sự biến đổi nào về phổ tần của nó. - Phương pháp điều chế: Đây là phương pháp cho phép dời phổ tần của tín hiệu nguồn đến một khoảng tần số khác phù hợp với kênh truyền và tránh được nhiễu do giao thoa (nghĩa là các phổ tần cách nhau một khoảng đủ để không chồng lên nhau). 1.3. Mạng truyền số liệu Khi xây dựng các mạng riêng lẻ, thì mạng cỡ lớn cũng nằm trong phạm vi giới hạn, trong khi đó nhu cầu trao đổi, truyền thông là không giới hạn về địa lý. Để tạo ra 6
một mạng toàn cầu thì các mạng này cần phải được nối với nhau và có sự tương thích giao diện giữa các mạng. Mạng máy tính là tập hợp các máy tính đơn lẻ, được kết nối với nhau bằng các môi trường truyền dẫn và theo một kiến trúc mạng xác định. Trước đây người ta sử dụng mạng điện thoại công cộng PSTN để truyền thông tin thoại hay các bức điện báo giữa các đối tượng, giữa các khu vực địa lý. Dịch vụ cung cấp nghèo nàn, lưu lượng thông tin ít, tốc độ thấp, hiệu quả hệ thống không cao. Hiện nay với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu trao đổi đa dạng các loại hình dịch vụ như thoại, ảnh, video, text ... đã thúc đẩy sự phát triển không ngừng của nền thông tin dữ liệu hiện đại. Phân loại: Có nhiều cách phân loại khác nhau dựa vào các yếu tố chính được chọn làm chỉ tiêu phân loại đó là dựa vào khoảng cách địa lý, kỹ thuật chuyển mạch, cách trao đổi tin, loại dịch vụ và đồ hình của mạng... a. Dựa vào khoảng cách địa lý ta có thể chia mạng thành các loại như sau: - Mạng cục bộ (Local Area Networks - LAN) được bố trí trên phạm vi nhỏ như một toà nhà, một trường học một cơ quan v.v. với bán kính vài Km đến vài chục Km. - Mạng đô thị (Metropolital Area Networks - MAN) sử dụng trong phạm vi đô thị, trung tâm kinh tế với bán kính nhỏ hơn 100Km. - Mạng diện rộng (Wide Area Networks - WAN) phạm vi vượt ra khỏi biên giới của một quốc gia. - Mạng toàn cầu (Global Area Networks - GAN) phạm vi trên khắp các lục địa. b. Dựa vào cách trao đổi tin - Mạng quảng bá: một máy phát nhiều máy có thể thu - Mạng gom tin: nhiều nơi phát tin, một nơi nhận - Mạng thông tin c. Dựa vào dịch vụ - Mạng điện thoại công cộng: cung cấp dịch vụ thoại đảm bảo tính sẵn sàng thời gian thực cao. - Mạng điện thoại di động: đảm bảo tính sẵn sàng, cơ động, yêu cầu cao về thời gian thực - Mạng Internet: đòi hỏi về tốc độ truyền, độ chính xác và khả năng bảo mật thông tin cao. - Mạng WWW (World Wide Web) sử dụng giao thức http (giao thức truyền số liệu siêu văn bản) yêu cầu truyền tốc độ cao, độ chính xác và tính bảo mật thông tin cao. - Mạng multimedia - Truyền hình hội nghị 7
d. Dựa vào kỹ thuật chuyển mạch - Chuyển mạch kênh (Circuit Switching) Data1 Data1 a22 Node Node Node Node atta DDa 22 44 Node Node A A 11 Node Node 66 B B Node Node Node Node 33 55 Hình 1.6. Mô hình mạng chuyển mạch kênh Liên lạc thông qua chuyển mạch kênh đặc trưng bởi việc cung cấp các đường nối cố định giữa hai thuê bao. Quá trình này được chia làm ba giai đoạn: xác lập kênh truyền, truyền số liệu và giải phóng kênh truyền. Chuyển mạch kênh có nhược điểm là tốn thời gian để thiết lập một kênh truyền và hiệu suất sử dụng đường truyền không cao. Ví dụ mạng thoại dùng kiểu chuyển mạch này. - Chuyển mạch thông báo - chuyển mạch tin ( Message Switching) Những bức điện báo, thư điện tử, các File dữ liệu trong máy tính được gọi chung là các thông báo và nó được truyền qua mạng như sự trao đổi những dữ liệu số được trao đổi hai chiều giữa các thuê bao. Message1 Message1 Node Node Node Node 22 44 Node Node A A 11 Node Node B B 66 22 ggee ssaa ‘ ess MMe Node Node Node Node 33 55 Hình 1.7. Mô hình mạng chuyển mạch thông báo Thông tin dưới dạng các thông báo có khuôn dạng định trước. Chuyển mạch thông báo không tồn tại sự thiết lập và cung cấp một lộ trình cố định giữa hai thuê bao, mỗi thuê bao muốn truyền một thông báo nó sẽ gán địa chỉ của thuê bao nhận vào thông báo. Các thông báo khác nhau có thể được gửi trên các đường truyền khác nhau. Chuyển mạch thông báo có khả năng giảm được tắc nghẽn vì mỗi node lưu trữ bản tin cho tới khi kênh rỗi mới truyền. Do đó hiệu suất của đường truyền cao. Tuy nhiên nó 8
nó không cho phép hạn chế kích thước thông báo mà phải thực hiện theo khuôn dạng nhất định. - Mạng chuyển mạch gói (Packet Switching) Node Node Node Node 22 44 Node Node A A 11 Node Node 66 B B Node Node Node Node 33 55 Hình 1.8. Mô hình mạng chuyển mạch gói Mỗi thông báo được chia thành các gói nhỏ gọi là gói tin có khuôn dạng định trước. Mỗi gói tin có chứa thông tin điều khiển chỉ rõ địa chỉ nguồn, đích. Chuyển mạch gói có các gói tin kích thước nhỏ do đó dễ dàng xử lý tại các node trung gian. Hiệu suất cao mềm dẻo. Tuy nhiên do phải có cơ chế đánh dấu gói tin để tránh gói tin bị thất lạc hoặc mất giúp cho việc khôi phục lại được dễ dàng e. Dựa vào topo mạng - Mạng dạng hình sao (Star topology) Mạng dạng hình sao bao gồm một bộ kết nối trung tâm (bộ chuyển mạch Switch hoặc bộ định tuyến Router) và các nút. Các nút này là các trạm đầu cuối, các máy tính và các thiết bị khác của mạng. Bộ kết nối trung tâm của mạng điều phối mọi hoạt động trong mạng. Hình 1.9. Cấu trúc mạng hình sao Mô hình kết nối hình sao ngày nay đã trở nên phổ biến. Với việc sử dụng các bộ tập trung hoặc chuyển mạch, cấu trúc hình sao có thể được mở rộng bằng cách tổ chức nhiều mức phân cấp, do vậy dễ dàng trong việc quản lý và vận hành. - Mạng hình tuyến (Bus topology) Thực hiện theo cách bố trí hành lang, các máy tính và các thiết bị khác (các nút) đều được nối về với nhau trên một trục đường dây cáp chính để chuyển tải tín hiệu. Tất cả các nút đều sử dụng chung đường dây cáp chính này. Phía hai đầu dây cáp 9
được bịt bởi một thiết bị gọi là Terminator. Các tín hiệu và dữ liệu khi truyền đi trên dây cáp đều mang theo địa chỉ của nơi đến. Hình 1.10. Cấu trúc mạng hình tuyến - Mạng dạng vòng (Ring topology) Với dạng này, mạng được sắp xếp theo dạng xoay vòng, đường dây cáp được thiết kế làm thành một vòng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đó. Tại mỗi thời điểm chỉ một nút được truyền tín hiệu. Dữ liệu truyền đi phải có kèm theo địa chỉ cụ thể của mỗi trạm tiếp nhận. Hình 1.11. Cấu trúc mạng dạng vòng - Mạng dạng kết hợp Kết hợp hình sao và tuyến (Star/Bus topology): Cấu hình mạng dạng này có bộ phận tách tín hiệu (Spitter) giữ vai trò thiết bị trung tâm. Lợi điểm của cấu hình này là mạng có thể gồm nhiều nhóm làm việc ở cách xa nhau. ARCNET là mạng dạng kết hợp Star/Bus topology. Cấu hình dạng này đưa lại sự uyển chuyển trong việc bố trí đường dây tương thích dễ dàng đối với bất cứ toà nhà nào. Kết hợp hình sao và vòng (Star/Ring topology). Cấu hình mạng dạng kết hợp Star/Ring topology có một "thẻ bài" liên lạc (Token) được chuyển vòng quanh một HUB trung tâm. Mỗi trạm làm việc (Workstation) được nối với HUB (là cầu nối giữa các trạm làm việc và để tǎng khoảng cách). 1.4. Sự chuẩn hóa và mô hình tham chiếu 1.4.1. Chuẩn hóa các mô hình truyền số liệu Sự phát triển của lĩnh vực thông tin liên lạc với kỹ thuật truyền số liệu đã trở nên phổ biến trên toàn cầu. Việc thông tin ngày càng nhiều, yêu cầu về độ chính xác và tin cậy ngày càng cao. Để bảo đảm điều này các hệ thống thông tin phải tuân thủ một số qui định về tất cả các khía cạnh như tốc độ truyền, phương pháp mã hóa, qui tắc đánh 10