Nhiễu Nhiệt Và Tạp Âm : (Do Sự Phát Xạ Của Linh Kiện Trong Bộ Khuếch Đại)

CHƯƠNG III: MẠNG ĐIỆN THOẠI

I. MẠNG PHÂN CẤP VÀ MẠNG CHUYỂN MẠCH:

Dùng đường dây để nối trực tiếp từng máy điện thoại với tất cả những máy khác là điều không thực tế. May thay điều này là không cần thiết vì hầu hết các máy điện thoại đều không sử dụng hết thời gian. Bằng cách đánh giá xác suất sử dụng, các công ty điện thoại đã phát triển một mạng phức tạp dùng chung các đường dây trung kế và các đài chuyển mạch bậc thang được phân cấp (tiered). Mạng điện thoại này đáp ứng được yêu cầu thực tế cho vấn đề ghép nối.

Mạng điện thoại ở Bắc Mỹ sử dụng 5 mức (hoặc cấp) tổng đài chính hay các chuyển mạch (switching center). Chúng được liệt kê ở hình 4.1(a). Mức cao nhất được gọi là cấp một, là trung tâm miền. Có 12 trung tâm như vậy phục vụ cho tồn Bắc Mỹ và 2 trung tâm ở Canada đặt tại Montreal và Regina. Đài cấp 5 có mức thấp nhất là đài cuối được kết nối với thuê bao.

Ở một số vùng, người ta lắp tổng đài tadem để cung cấp thêm các

đường chuyển mạch nội bộ giữa các đài cuối.

Tổng đài rẽ nhánh hoặc PBX là những tổng đài nhỏ được sử dụng trong các tổ chức thương mại.

Nói chung mỗi cấp đài chỉ cần ghép nối trực tiếp với một trung tâm cấp trên và một trung tâm cấp dưới. Cách ghép như vậy được trình bày bởi các đường nét liền trong hình 4.1(b). Tuy nhiên để tăng khả năng phục vụ, người ta lắp thêm các đường dây trực tiếp giữa các trung tâm không kề nhau, được trình bày bằng các đường nét đứt trong hình 4.1(b). Ở mỗi đài, các cuộc gọi được truyền tới trung tâm cao hơn kế tiếp chỉ khi nào tất cả những đường dây trực tiếp đều bận. Số đường dây thông tin trung gian lớn nhất giữa các thuê bao là 7 (các đường liền nét) nhưng đa số các cuộc gọi sử dụng ít hơn.

Trong những thời điểm bất thường, như lễ Noel, một số cuộc đàm thoại bị tắc nghẽn bởi vì ngay cả các đường dây ở các mức cao hơn cũng đã bận.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 81 trang tài liệu này.

Một đài cuối có thể thiết kế với 10.000 đường dây thuê bao, và như vậy các thuê bao được phân biệt bằng một số thập phân có 4 digit (4 số) để biểu thị số của thuê bao (telephone number), nghĩa là 4 số cuối trong số các con số của một số điện thoại. Ba digit đầu của mỗi số điện thoại để phân biệt các đài cuối với nhau. Mỗi vùng có 1.000 đài cuối sẽ đưởc gán 3 digit đầu cho mỗi đài và gọi là mã vùng (area code).

Regional center Class 1

Sectional center Class 2

Primary center Class 3

Toll center Class 4

End office Class 5

(a) Switching centers

Trunks

 Subscr loods 



HÌNH 4.1 Phân cấp tổng đài.

Vòng (loop) là những đường thông tin hai dây kết nối với một thuê bao. Những đường dây dùng chung bởi nhiều thuê bao được gọi là trung kế (trunks). Các đường dây trung kế thường là loại 4 dây, đó là những mạch hoặc những kênh được cung cấp cho cả hai hướng thông tin.

Các trung kế ở mức cao hơn thường dùng phương phàp điều chế sóng mang để dồn nhiều kênh thoại giống nhau vào một đường cáp đồng trục dãi rộng, sợi quang hay các tuyến viba. Cá tuyến thông tin này thường có các bộ khuếch đại chuyển tiếp dặt ở những nơi thích hợp.

Ví dụ vài trăm kênh thoại đươcï dồn vào một dây cáp đồng trục, dùng điều chế đơn biên và dồn kênh theo phương pháp phân chia tần số (FDM). Một đường dây như vậy đòi hỏi phải có các bộ chuyển tiếp đặt cách nhau khoảng 10 km.

Khi thuê bao nhấc máy để tiến hành cuộc gọi, thuê bao này làm đóng tiếp chuyển mạch gây ra một dòng điện chạy trong vòng thuê bao. Thiết bị ở đài cuối nhận biết trạng thái chuyển mạch (off hook), bộ chọn đường dây kết nối chuyển mạch với thuê bao để cung cấp một chuỗi xung mời quay số (dial tone) và sẵn sàng nhận các xung quay số. Sau đó, thiết bị chuyển mạch phải kết nối thuê bao với đường dây có địa chỉ là số điện thoại đã quay.

Tầng cuối cùng trong bộ chuyển mạch có nhiệm vụ kiểm tra đường dây bận và phải cung cấp một tín hiệu chuông tới thuê bao (nếu bận-phát tín hiệu bận, nếu rỗi-phát tín hiệu mời quay số).

Từ bảng kết nối của tổng đài nhân công đầu tiên, kỹ thuật tổng đài chuyển mạch đã phát triển dần lên qua nhiều giai đoạn.

* Tổng đài tự động đầu tiên sử dụng chuyển mạch cơ điện từng nấc. Tổng đài từng nấc đôi khi được gọi là tổng đài Strowger, đặt theo tên của nhà phát minh.

Đây là một chuyển mạch quay tròn nhiều nấc, có một chổi quét chung. Chổi quét được đặt thẳng đứng, tương ứng với số đã quay (bởi các xung quay số) dể chọn một trong số mười tiếp điểm tĩnh. Sau đó chổi quét quay tròn để chọn một đường dây có thể sử dụng trong số mười cặp tiếp điểm được đặt trên mỗi miếng hoặc nấc.

* Tổng đài cơ điện kế tiếp là tổng đài ngang dọc. Các tiếp điểm chuyển mạch ngang dọc được sắp xếp dưới dạng ma trận với một nhóm tiếp điểm được đặt tại giao điểm của hàng và cột. Một bộ chuyển mạch điển hình có 10 hàng 20 cột dược minh họa trong hình 4.2, có một bộ 4 tiếp điểm ở mỗi điểm (crosspoint).

Contacts Row select bar



10*20

rosspoints

Select

magne hold

magnet column hold

armature

HÌNH 4.2 Chuyển mạch ngang dọc

Hai nhóm nam châm điẹân cho phép chọn tuần tự cột và hàng mong muốn. Như vậy ta có thể duy trì được 20 vòng kín riêng rẽ. Bộ chuyển mạch ngang dọc tạo được một quá trình có thể tập trung được thiết bị chuyển mạch gọi là điều khiển chung (common control), điều này không thực hiện được trong bộ chuyển mạch từng nấc.

Vào năm 1970 người ta đã giới thiệu loại tổng đài điểu khiển bằng máy tính có lưu trữ chương trình.

Các hệ thống đầu tiên như vậy sử dụng loại chuyển mạch ngang dọc. Sau này hệ thống có lưu trữ chương trình sử dụng các rơle tiếp điểm kín (reed relay: cọng tiếp điểm) nhỏ hơn và nhanh hơn. Các tiếp điểm này được chế tạo bằng vật liệu sắt từ, vì vậy chúng sẽ hút lẫn nhau khi chịu tác động của lực từ được tạo ra bởi cuộn dây bao quanh. Các cọng tiếp điểm này đươc đặt trong ống thủy tinh chứa nitơ.

Trong lúc đó kỹ thuật IC đã có những tiến bộ lớn về chuyển mạch điện thoại. Sự phát triển của chuyển mạch tương tự dùng transitor hiệu ứng trường (FET), các bộ biến đổi A/D và D/A và các bộ vi xử lý đã là công cụ để khai sinh ra chuyển mạch số.

* Hệ thống chuyển mạch điện tử hồn tồn số đầu tiên được giới thiệu vào khoảng năm 1975. Trong hệ thống số, các tín hiệu analog được lấy mẫu và được mã hóa bằng cách sử dụng bộ điều mã xung (PCM) 8 bit. Các mẫu tự 8 bit từ nhiều thuê bao dược dồn theo phương pháp phân chia thời gian vào các khung (frame) và được mang trên các bus chung trong thiết bị chuyển mạch.

Trong chuyển mạch số, ngồi chuyển mạch vật lý hoặc chuyển mạch không gian thông thường, ta còn cần thêm chuyển mạch thời gian. Chuyển mạch thời gian để làm trể hoặc để đệm trong bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) các mẫu tự từ một thuê bao sao cho phù hợp với khe thời gian TDM của một thuê bao khác. Khái niệm này được minh họa trong hình 4.3.

1 1

2 2

3 3

n n

A.D

D.A

 n 2 1 n 2 1 





D.A

n …… 2 1 n …… 2 1



Time & Space switch

Hình 4.3 Chuyển mạch TDM

Bộ chuyển mạch số cung cấp chuyển mạch thời gian và chuyển mạch không gian cần thiết cho N module, mỗi module chứa n máy điện thoại hoặc n kênh. Trong mạng điện thoại công cộng, n thường là 24.

Trong hình 4.3, kênh 4 của module 1 được nối kết với kênh 2 của module N. Thông thường chuyển mạch số yêu cầu có chuyển mạch thời gian để phù hợp với các khe thời gian bus TDM và chuyển mạch không gian để nối các thuê bao trên các bus khác nhau.

II. CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN CỦA MẠNG ĐIỆNTHOẠI:

1.Tiếng dội (echo):

Nghe tiếng dội giọng nói của chính mình trong khi sử dụng điện thoại sẽ rất khó chịu. Tiếng dội là kết quả của sự phản xạ tín hiệu xảy ra tại những điểm không phối hợp trở kháng dọc theo mạng điện thoại. Nói chung, thời gian trễ của tiếng dội dài hơn và tín hiệu tiếng dội mạnh hơn sẽ làm nhiễu loạn đến người nói nhiều hơn.

Sự phối trở kháng trên đường truyền thường xấu nhất trên các vòng thuê bao và tại nơi giao tiếp với đầu cuối. Ở đây việc phối hợp trở kháng rất khó điều khiển vì chiều dài của vòng thuê bao và các thiết bị thuê bao quá khác nhau.

May thay, tiếng dội nghe được bởi người nói đã bị suy giảm hai lần: từ người nói đến điểm phản xạ và ngược lại. Để thời gian trễ ngắn người ta thêm vào các bộ suy hao để làm giảm mức tiếng dội.

Trên các đường truyền dài người ta phải sử dụng các bộ triệt tiếng dội đặc biệt. Tín hiệu thoại từ ngưới nói được bộ suy hao nhận biết và làm suy giảm 60 dB trên đường về. Bộ triệt tiếng dội sẽ bị vô hiệu hóa (khử hoạt) vài phần ngàn giây sau khi người nói đã ngưng nói. Bộ triệt tiếng dội cùng có thể bị khố nếu người nói và ngưới nghe ở xa nhau.

Ở Bắc Mỹ, bộ triệt tiếng đội được sử dụng trong các mạch truyền tin khi thời gian trễ của một vòng tín hiệu vượt quá 45 ms. Các cuộc gọi giữa các trung tâm miền của mạng và một số các đường dài khác thuộc loại này. Ví dụ, sự lan truyền thời gian trễ trên các đường thông tin vệ tinh có thể vài trăm ms, nên ta phải sử dụng bộ triệt tiếng dội.

Các bộ triệt tiếng dội được vô hiệu hố trong khi truyền dữ liệu các cuộc gọi. Sự ngắt vài ms trong khi bộ triệt của hướng này tắt và hướng

kia mở sẽ làm hư hại dữ liệu (vì dữ liệu là các tín hiệu xung nên sự đóng mở của các bộ triệt sẽ ảnh hưởng đến các xung tín hiệu này). Ở mỗi máy thu, các modem làm suy giảm tiếng dội bằng bộ ngò lọc vào. Điều này có thể thực hiện được bởi vì sóng mang của các kênh phát và thu của mỗi modem khác nhau.

Đặc tính của bộ loại được dùng trong mạng là cho phép các bộ phận triệt tiếng dội được vô hiệu hóa một cách tự động. Bộ loại được kích khởi khi một trong hai bên phát ra một tone 2025 Hz hoặc 2100 Hz. Tone này phải được kéo dài ít nhất 300 ms và mức công suất là –5 dBm. Khoảng thời gian không có tín hiệu là 100 ms hoặc nhiều hơn sẽ làm cho bộ triệt tiếng dội được chuyển mạch trở lại. Nhiệm vụ điều khiển bộ triệt tiếng dội được thực hiện bởi modem của người sử dụng (DCE) và phải được đặt giữa đường tín hiệu RTS (request to send) được yêu cầu bởi triết bị dầu cuối (DTE) và đường tín hiệu CTS (clear to send) được chấp nhận từ modem.

2.Dải thông:

Dải thông của mạng điện thoại xấp xỉ 300 Hz-3400 Hz. Dải tần số này tương ứng với phổ của tín hiệu tiếng nói. Một đáp tuyến tấn số tiêu biểu đượctrình bày trong hình 4.6(a)

Relative response (dB)

-2

-4

-6

-8

0 1 2 3 4

f (KHz)

(a) Frequency response Relative delay (ms)

1 2 3

f (KHz)

( b ) Delay characteristic

HÌNH 4.6 Đáp tuyến tần số và đặc tính trễ.

Nhắc lại ở chương hai, một hệ thống truyền dữ liệu thực tế bất kỳ có các đường truyền và/hoặc các bộ lọc sẽ có đáp tuyến biên độ và các đặc tín trễ biến đổi theo tần số.

Thời gian trễ biến đổi được sinh ra bởi các biến đổi thời gian lan truyền theo tần số. Hình 4.6(b) cho thấy một đường cong trễ tiêu biểu. Sự biến dổi của biên độ và thời gian trễ theo tần số sẽ làm méo dạng biên độ và pha.

3.Các cuộn phụ tải:

Đối với một đường truyền hai dây, hệ số suy hao  được tính bằng phương trình gần đúng. Khi phân tích chi tiết ta thấy rằng, sự suy hao của một đường dây có thể giảm nếu điện cảm L của nó được gia tăng, do đó tạo ra một hằng số nữa trong dải tần số tiếng nói.Thực chất L phải đượcgia tăng nhiều hơn điện cảm của một đường dây bất kỳ. Để giảm sự suy haocủa một đường dây, người ta đặt nối tiếp với đường dây các điện cảm rời rạc hoặc “tập trung”, gọi là các cuộn phụ tải. Các cuộn dây được đặt ở những diểm cách đều nhau để đặt được hiệu quả mong muốn. Một dạng sắp xếp điển hình là sử dụng các cuộn cảm 88mH đạt cách nhau 1,8 km.

Khi sử dụng cuộn phụ tải, sự suy hao của đường dây được giảm và duy trì tần số tương đối lên tới tần số cắt tới hạn, trên tần số cắt này là sự suy hao sẽ gia tăng. Điều này được trình bày trong hình 4.7.

6 88 mH 1,8 km loading

5 unloaded

1 2 3 4 5

(b) Altenuation with lurnced loading

HÌNH 4.7 Cuộn phụ tải và ảnh hưởng đối với sự suy hao vòng

thuê bao.

Vận tốc truyền lan của một đường dây có phụ tải cũng tạo ra một hằng số nữa, và nhỏ hơn đường dây không có phụ tải. Việc làm cho Vp là hằng số sẽ làm cho giảm được méo pha, tuy nhiên thời gian trễ tuyệt đối lại tăng lên và làm xấu đi vấn đề tiếng dội.

Các cuộn dây phụ tải phải được di chuyển theo các vòng thuê bao để các tần số trên giá trị tần số cắt được bỏ đi, trường hợp này dùng cho các đường dây truyền dữ liệu tốc độ cao.

4. Suy hao tín hiệu, các mức công suất và nhiễu:

Trên mạng điện thoại có n chuyển mạch, sự mất mát công suất tín hiệu giữa các thuê bao biến động mạnh trong khoảng từ 10 dB tới 25 dB. Sự biến động theo thời gian giữa hai thuê bao bất kỳ nhỏ hơn  6 dB.

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N cũng quan trọng như độ lớn của tín hiệu thu được. Để tín hiệu thu được có thể tin cậy được, tỷ số S/N phải ít nhất là 30:1 (29,5 dB).

Hầu hết nhiễu được tạo ra trên mạng điện thoại có thể chia làm 3

loại:

1.Nhiễu nhiệt và tạp âm:(do sự phát xạ của linh kiện trong bộ khuếch đại) là tiếng ồn ngẫu nhiên dải rộng, được tạo ra do sự chuyển động và dao động của các hạt mang điện tích trong các thành phần khác nhau của mạng.

2.Nhiễu điều chế nội và xuyên âm: là kết quả của sự giao thoa tín hiệu mong muốn với các tín hiệu khác trên mạng. Các tín hiệu giao thoa này ở trên một đôi cáp đạt kề cận với đôi cáp đang sử dụng cho tín hiệu mong muốn, hoặc các tín hiệu được điều chế trên các tần số sóng mang kề cận trên hệ thống FDM.

3. Nhiễu xung: bao gồm các xung điện áp hoặc các xung nhất thời, được tạo ra chủ yếu bởi sự chuyển mạch cơ học trong tổng đài, sự tăng vọt của điện áp nguồn hoặc tia chớp…

Việc giảm tối thiểu ảnh hưởng của tiếng ồn trên tín hiệu thu là điều có thể thực hiện được bằng cách sử dụng việc truyền các mức công suất cao có thể có. Tuy nhiên các mức tín hiệu cao trên mạng sẽ làm tăng sự điều chế nội và xuyên âm.

Cần có sự thỏa hiệp trong sự thiết lập mức truyền, mức công suất lớn nhất cho phép, được điều khiển chính xác bởi cấp mạng có thẩm quyền.

Các quy định đã công bố về mức vông suất lớn nhất cho phép phụ thuộc vào loại tín hiệu đang gởi (ví dụ phụ thuộc vào chu kỳ và tần số làm việc). Thường các mức công suất truyền phải nhỏ hơn 0 dBm (1mW).

Mức công suất nhiễu ngẫu nhiên đo được ở các thiết bị đầu cuối của thuê bao tiêu biểu trong khoảng –40 dBm.

Nhiễu xung là thảm họa lớn nhất trong việc truyền dữ liệu và khả năng dự đốn sự xuất hiện của nhiễu là nhỏ nhất. Khi xuất hiện nhiễu xung, kết quả là một lỗi xung xảy ra và một số bit bị mất. Do đó cần có các mạch phát hiện lỗi như kiểm tra parity.