Kỹ Thuật Ghép Kênh Phân Chia Theo Tần Số Fdm

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

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

FDM là kỹ thuật tương tự có thể được ứng dụng khi băng thông của liên kết lớn hơn băng thông kết hợp của các tín hiệu được truyền. Trong FDM, tín hiệu được sinh ra mỗi khi thiết bị gửi điều chế các tần số mang khác nhau. Các tín hiệu đã điều chế sau đó được kết hợp thành một tín hiệu đơn có thể truyền đi qua một link. Các tần số mang được phân chia theo băng thông sao cho phù hợp với tín hiệu đã điều chế. Băng thông được chia thành các kênh theo phạm vi (range) để qua đó các tín hiệu khác nhau có thể đi qua. Các kênh phải được phân tách bởi các dải băng thông không bao giờ được sử dụng (gọi là dải bảo vệ - guard band) để ngăn cản sự chồng lấp giữa các tín hiệu. Ngoài ra, các tần số mang không được làm nhiễu tần số dữ liệu gốc. Nếu các điều kiện trên không được tôn trọng có thể dẫn đến các lỗi truyền dẫn nghiêm trọng.

Hình 3.10 minh họa khái niệm FDM. Trong minh họa này, liên kết vật lý được chia thành 3 phần, mỗi phần biểu diễn một kênh.

Hình 3.10. Phương pháp ghép kênh FDM

Quá trình xử lý FDM:

Hình 3.11 minh họa về mặt thời gian kỹ thuật xử lý ghép kênh. FDM là một quá trình xử lý tương tự mà chúng ta đã minh họa thông qua hệ thống điện thoại. Mỗi một điện thoại sinh ra một tín hiệu trong dải tần giống nhau. Trong bộ ghép kênh, các tín hiệu giống nhau được điều chế thành các tần số mang khác nhau (f1, f2 và f3). Sau đó các tín hiệu

đã điều chế được kết hợp thành một tín hiệu hỗn hợp để truyền đi qua một liên kết có băng thông phù hợp.

Volume

ABC DEF

Shift Transfer

1 2 3

GHI JKL MNO

Cast

4 5 6

PQRS TUV WXYZ

Mute Drop

Hold

7 8 9

* 0 #

Volume

ABC DEF

4 5 6

Shift Transfer

1 2 3

GHI JKL MNO

Cast

PQRS TUV WXYZ

Drop

7 8 9

Hold

* 0 #

Volume

ABC DEF

Shift Transfer

1 2 3

GHI JKL MNO

PQRS TUV WXYZ

Mute Drop

Cast

4 5 6

7 8 9

* 0 #

Hold

Điều chế

Sóng mang f2

Điều chế

Sóng mang f3

Ghép kênh

Điều chế

Sóng mang f1

Multiple

xer

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 210 trang tài liệu này.

Hình 3.11. Xử lý ghép kênh FDM theo thời gian

Hình 3.11 minh họa về mặt tần số khái niệm FDM (lưu ý rằng trong trường hợp này trục hoành biểu diễn tần số chứ không phải biểu diễn thời gian, và tại mỗi thời điểm có 3 tần số tồn tại trong băng thông). Trong FDM, các tín hiệu được điều chế thành các tần số mang riêng biệt (f1, f2 và f3) sử dụng kỹ thuật điều chế AM hoặc FM.

Ghép kênh

Volume

Shift Transfer

Test Cast

ABC DEF

1 2 3

GHI JKL MNO

4 5 6

Mute Drop PQRS TUV WXYZ1

7 8 9

Speaker Hold

* 0 #

Volume

ABC DEF

GHI JKL MNO

Shift Transfer

1 2 3

Test Cast

4 5 6

PQRS TUV WXYZ

Mute Drop

7 8 9

Speaker Hold

* 0 #

Băng thông sau ghép kênh

Volume

Shift Transfer

ABC DEF

1 2 3

4 5 6

7 8 9

GHI JKL MNO

Test Cast

Mute Drop

r Hold

PQRS TUV WXYZ

* 0 #

Mod

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

Cần lưu ý rằng, để sử dụng liên kết vật lý hiệu quả, chúng ta cần thêm băng thông mở rộng (gọi là dải bảo vệ) để phân tách các kênh.

Phân kênh

Bộ phân kênh sử dụng các bộ lọc để phân tích các tín hiệu đã được ghép kênh thành các tín hiệu đã cấu thành nó, sau đó các tín hiệu này được truyền tới bộ giải điều chế để thực hiện việc phân tách thành tín hiệu gửi và truyền tới các thiết bị nhận.

Hình 3.13 minh họa về mặt thời gian kỹ thuật ghép kênh FDM, xem 3 điện thoại như là các thiết bị truyền thông. Hình 3.12 minh họa về tần số kỹ thuật ghép kênh FDM.

Phân kênh

Lọc

Multiple xer

Lọc

Giải điều chế

Sóng mang f1

Giải điều chế

Sóng mang f2

Giải điều chế

Sóng mang f3

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

Demultiplexer

Fliter

Dem

Receiving Bandwidth

Fliter

Dem

Fliter

Dem

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

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

Ghép kênh phân thời là kỹ thuật xử lý số, có thể ứng dụng khi tốc độ truyền dữ liệu trung bình lớn hơn tốc độ truyền dữ liệu yêu cầu bởi thiết bị gửi và nhận. Trong trường hợp này, nhiều truyền dẫn phức tạp có thể chiếm lĩnh một liên kết vật lý bằng cách chia nhỏ chúng và chèn vào các khe khác nhau.

Hình 3.15 minh họa khái niện TDM.

M U X

3 1

D E

M U X

Hình 3.15. Phương pháp ghép kênh TDM

Ghép kênh phân chia theo thời gian đồng bộ

Trong ghép kênh phân thời đồng bộ, thuật ngữ “đồng bộ” có nghĩa khác với thuật ngữ đồng bộ sử dụng trong lĩnh vự truyền thông. Thuật ngữ “đồng bộ” ở đây có nghĩa là bộ ghép kênh phân chia các khe thời gian giống nhau cho mỗi một thiết bị tại

tất cả các thời điểm không phân biệt và thiết bị đó có thực hiện truyền dẫn hay không. Ví dụ, khe thời gian A được gán cho thiết bị A, khi đó khe thời gian A sẽ không thể được sử dụng bởi các thiết bị khác. Tại mỗi thời điểm, thiết bị có khe thời gian tương ứng đã được phân sẽ cơ hội để gửi một phần dữ liệu của nó. Nếu như một thiết bị không thể thực hiện truyền dẫn hoặc không có dữ liệu để gửi thì khe thời gian của nó sẽ duy trì trạng thái rỗng.

Frames

Các khe thời gian được nhóm thành các frame. Mỗi một frame gồm một hoặc nhiều vòng khe thời gian hoàn chỉnh, bao gồm một hoặc nhiều khe dành cho từng thiết bị gửi (hình 3.16). Trong hệ thống có n đường vào, mỗi một frame có it nhất n khe, mỗi một khe được chỉ định để mang dữ liệu từ một đường vào xác định. Nếu tất cảc các thiết bị vào chia sẻ một liên kết (link) đang truyền dẫn cùng một tốc độ thì mỗi thiết bị sẽ có một khe thời gian trên một frame. Tuy nhiên, chúng ta có thể điều chỉnh tốc độ truyền. Thực hiện truyền dẫn với 2 khe thời gian/frame sẽ nhanh hơn 2 lần truyền dẫn với 1 khe thời gian/frame. Các khe thời gian được chỉ định ứng với một thiết bị sẽ chiếm cứ (nằm ở) vị trí giống nhau trong mỗi frame và tạo thành kênh của thiết bị đó. Trong hình 3.16, chúng ta đã chỉ ra bộ ghép kênh gồm 5 đường vào sử dụng kỹ thuật TDM đồng bộ. Trong ví dụ này, tất cả các đường vào đều có cùng tốc độ truyền, vì vậy số khe thời gian trên mỗi một frame sẽ bằng số đường vào.

Hình 3.16. Ghép kênh phân thời đồng bộ TDM

Interleaving – Kỹ thuật chuyển dịch luân phiên

TDM đồng bộ có thể so sánh với một cái công tắc chuyển mạch quay cực nhanh. Khi mở công tắc ở phía trước của thiết bị, thiết bị đó có cơ hội gửi một số lượng dữ liệu xác định (x bits) trên đường truyền (path). Công tắc chuyển dịch từ thiết bị này đến thiết bị khác với tốc độ không đổi và theo một trật tự xác định. Kỹ thuật xử lý này gọi là interleaving.

Interleaving có thể thực hiện theo bit, byte hoặc theo một đơn vị dữ liệu bất kỳ. Nói cách khác, bộ ghép kênh có thể nhận một byte từ mỗi thiết bị, sau đó lấy một byte khác từ mỗi thiết bị …. Trong hệ thống định sẵn, các đơn vị (units) interleaving sẽ luôn luôn có cùng kích thước.

Hình 3.16 minh họa interleaving và cách xây dựng các frame. Trong ví dụ này, chúng ta dịch chuyển luân phiên việc truyền dẫn các ký tự khác nhau. Bộ ghép kênh sẽ interleaving các thông báo khác nhau và tổ chức chúng thành các frame trước khi gửi chúng lên đường truyền (link).

AAAAAA

BBB

CCCC

DDDDD

Ghép kênh

Hình 3.17. Đồng bộ TDM, quá trình dồn kênh

Ở bộ nhận, bộ phân kênh sẽ phân rã từng frame bằng cách rút trích lần lượt các ký tự. Khi ký tự được lấy ra khỏi frame nó sẽ được chuyển tới thiết bị nhận tương ứng (xem hình 3.18).

AAAAAA

BBB

CCCC

DDDDD

Phân kênh

Hình 3.18. Đồng bộ TDM, quá trình phân kênh

Hình 3.17 và 3.18 đã chỉ ra những nhược điểm chính của kỹ thuật TDM đồng bộ. Bằng cách gán mỗi một khe thời gian ứng với một đường đầu vào (input line), thì khi các đường truyền không hoạt động đồng thời chúng ta sẽ có những khe thời gian rỗng, vấn đề này gây ra sự lãng phí lớn về tận dụng khả năng của đường truyền. Trong hình 3.17, chỉ có 3 frame đầu chứa đầy dữ liệu, 3 frame sau có 6 khe rỗng, có nghĩa là chúng ta đã lãng phí 6/24=1/4 khả năng của đường truyền.

Framing bits – bit đồng bộ frame

D A

D C A

0 1 0 1 0 1

D C B A

Bởi vì thứ tự khe thời gian trong hệ thống TDM đồng bộ không thay đổi giữa các frame nên chúng ta cần thêm một chút thông tin vào mỗi frame. Thứ tự tiếp nhận báo cho bộ phân kênh chỗ để quản lý (điều khiển) từng khe thời gian do đó không cần đánh địa chỉ. Tuy nhiên có rất nhiều yếu tố có thể gây nên sự trái ngược nhau trong điều phối thời gian. Vì lý do này, người ta thường thêm vào đầu mỗi frame một hoặc nhiều bit đồng bộ. Những bit này, được gọi là “framing bit”, sau một mẫu, từ frame này tới frame khác, mà nó cho phép bộ phân kênh đồng bộ với dòng dữ liệu đến vì vậy nó có thể phân tách các khe thời gian chính xác. Trong phần lớn các trường hợp, thông tin đồng bộ này gồm 1bit/frame, hoán chuyển giữa 0 và 1 (01010101010) như chỉ ra ở hình 3.19

D C B A

Mẫu đồng bộ

Hình 3.19. Khung dạng bit

Ví dụ về TDM đồng bộ

Giả sử chúng ta có 4 nguồn vào trong một liên kết TDM đồng bộ, quá trình truyền dẫn sẽ truyền các ký tự được thực hiện theo cách dịch chuyển luân phiên. Nếu mỗi nguồn tạo ra 250 ký tự/giây và mỗi một frame mang một ký tự từ mỗi nguồn thì đường truyền dẫn (path) phải có khả năng mang 250 frame/giây (hình 3.20).

8250 bps = 250 Khung/s x 33 bits/khung hoặc

8250 bps = 4 x 2000 bps + 250 bps đồng bộ

250 khung/s

Mỗi thiết bị gửi 250 ký tự/s hoặc 2000bps

M U X

….

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

Nếu chúng ta giả sử rằng mỗ một ký tự gồm 8bits thì mỗi frame sẽ có 33 bits (32 bits dùng cho 4 ký tự + 1 framing bit). Như vậy mỗi thiết bị tạo ra 2000bps (250 ký

tự x 8bps), do đó đường truyền (line) phải có khả năng mang 8250bps (250 frame x 33bit/frame).

Bit Stuffing – Nhồi bit

Như đã đề cập trong mục trước, chúng ta có thể kết nối các thiết bị có tốc độ truyền khác nhau để truyền dẫn theo kỹ thuật TDM đồng bộ. Ví dụ, thiết bị A sử dụng một khe thời gian, trong khi tốc độ truyền của thiết bị B sử dụng 2 khe thời gian. Số khe trong frame và các đường vào (input line) sẽ được gán cố định trong hệ thống, nhưng các thiết bị có tốc độ truyền khác nhau có thể kiểm soát số lượng khe khác nhau. Cần nhớ rằng chiều dài của khe thời gian là cố định. Do đó, về lý thuyết, để kỹ thuật này làm việc, tốc độ truyền dữ liệu khác nhau phải là bội số của nhau. Ví dụ, chúng ta có thể điều chỉnh một thiết bị truyền nhanh hơn các thiết bị khác 5 lần bằng cách gán cho nó 5 khe và gán cho các thiết bị khác 1 khe. Tuy nhiên chúng ta không thể điều chỉnh một thiết bị truyền nhanh hơn các thiết bị khác 5,5 lần bằng phương pháp này bởi vì chúng ta không thể đưa ½ khe vào trong frame.

Khi tốc độ truyền giữa các thiết bị không phải là bội số của nhau, chúng ta vẫn có thể thực hiện việc truyền dẫn như cách chúng ta đã thực hiện bằng kỹ thuật “bit stuffing”. Trong kỹ thuật bit stuffing, bộ ghép kênh sẽ bổ sung các bit mở rộng (extra bit) vào dòng dữ liệu nguồn của thiết bị để đảm bảo mối quan hệ về mặt tốc độ giữa các thiết bị là bội số (nguyên) của nhau. Ví dụ, giả sử thiết bị A có tốc độ truyền nhanh hơn thiết bị B 2.75 lần, chúng ta có thể thêm một số bit để đảm bảo tỷ lệ về tốc độ truyền giữa 2 thiết bị là 3. Các bit mở rộng (extra) sẽ được loại bỏ bởi bộ phân kênh.

Ghép kênh phân chia theo thời gian không đồng bộ

Như chúng ta đã nghiên cứ ở phần trước, kỹ thuật TDM đồng bộ không bảo đảm tận dụng hết khả năng của liên kết (link) được sử dụng. Bởi vì các khe thời gian được gán trước một cách cố định nên mỗi khi có thiết bị kết nối không truyền dẫn thì khe tương ứng của nó sẽ rỗng và do đó có nhiều đường dẫn (path) không sử dụng. Ví dụ, giả sử chúng có 20 máy tính ở đầu ra đã được ghép kênh trên một đường truyền đơn (single line). Sử dụng TDM đồng bộ, tốc độ của mỗi đường như vậy ít nhất cũng phải bằng 20 lần tốc độ của mỗi một đường vào (input line). Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu như chỉ có 10 máy tính được sử dụng cùng lúc? Khi đó, một nửa dung lượng đường truyền sẽ không được sử dụng.

TDM không đồng bộ (TDM thống kê) được thiết kế nhằm tránh sự lã phí đã đề cập ở trên. Thuật ngữ “không đồng bộ” có nghĩa một cái gì đó khác trong kỹ thuật ghép kênh nghĩa là nó đề cập đến một lĩnh vực truyền thông khác. Ở đây có nghĩa là linh hoạt và không cố định.

Giống như TDM đồng bộ, TDM không đồng bộ cho phép một số các đường vào (input line) có tốc độ truyền thấp ghép kênh thành một đường có tốc độ truyền cao

hơn. Không giống như kỹ thuật TDM đồng bộ, trong kỹ thuật TDM không đồng bộ tốc độ truyền tổng thể của các đường vào có thể lớn hơn khả năng của đường truyền (path). Trong hệ thống đồng bộ, nếu có n đường vào, số khe thời gian trong frame là cố định và ít nhất bằng n. Trong hệ thống không đồng bộ, nếu chúng ta có n đường vào, mỗi frame sẽ chứa không quá m khe, m<n (xem hình 3.21.).

Theo cách này, TDM không đồng bộ hỗ trợ số đường vào giống như TDM đồng bộ với khả năng liên kết thấp hơn (link). Như vậy, với liên kết như nhau, TDM không đồng bộ hỗ trợ nhiều thiết bị hơn TDM đồng bộ.

Frame n

Frame 2 Frame 1

M U X

…..

Số đầu vào : 5

Số khe trong mỗi Frame : 3

5 đầu vào

Hình 3.21. Không đồng bộ TDM

Số khe thời gian trong TDM không đồng bộ (m) dựa trên sự phân tích thống kê số lượng đường vào tham gia truyền dẫn tại thời điểm bất kỳ một cách hợp lý. Thay vì việc gán cố định trước các khe cho các đường vào, mỗi một khe sẽ khả dụng để các đường vào có dữ liệu gửi đi gắn vào. Bộ ghép kênh quét các đường vào và chấp nhận các khối dữ liệu cho đến khi frame đầy, sau đó nó truyền các frame qua liên kết. Nếu không có đủ dữ liệu để điền đầy các khe của frame, frame được truyền đi sẽ chỉ có một phần được lấp đầy, vì vậy khả năng liên kết đầy có thể không thể đạt 100%. Nhưng có thể phân phối các khe thời gian một cách linh hoạt (động), theo cặp với tỷ lệ số khe thời gian/số đường vào thấp hơn, điều này sẽ giảm đi sự lãng phí về khả năng của đường truyền rất lớn.

Hình 3.22 minh họa hệ thống có 5 máy tính chia sẻ một liên kết dữ liệu sử dụng kỹ thuật TDM không đồng bộ. trong ví dụ này, kích thước frame có 3 khe. Hình vẽ cũng chỉ ra cách kiểm soát 3 mức truyền dẫn khác nhau. Trong trường hợp thứ nhất, chỉ có 3 trong 5 máy tính có dữ liệu gửi đi. Trong trường hợp thứ hai, có 4 đường gửi dữ liệu, nhiều hơn so với số khe/frame là 1. Trong trường hợp thứ 3 (về mặt thống kê hiếm khi xảy ra), tất cả các đường đều gửi dữ liệu. trong mỗi trường hợp, bộ ghép kênh