Truyền số liệu

CHƯƠNG 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.

Cường 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 .

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 210 trang tài liệu này.

Tỉ số cường 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.

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

0.079

V = = 0,282 V = 282 mV

Nếu các tín hiệu có chung tổng trở tải thì :

Tỉ số tín hiệu = 20log dB V1

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.

- 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

M¸y ph¸t

M¸y thu

BBộộ cchhuuyyểểnn đđổổii

XXửử llýý

ĐĐiiềềuu cchhếế

GGiiaaoo ttiiếếpp

BBộộ cchhuuyyểểnn đđổổii

XXửử llýý

GGiiảảii đđiiềềuu cchhếế

GGiiaaoo ttiiếếpp

Môi trường truyền

Thông tin vào

Thông 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.

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 tin

Định dạng

Mã hóa

Ghép kênh

Điều chế số

Trải phổ

Ða truy nhập

Máy phát

Môi trường

Xử lý băng gốc Xử lý thích ứng môi trường

Nhận tin

Định dạng

Giải mã

Phân kênh

Giải điều chế số

Giải trải phổ

Ða truy nhập

Máy thu

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

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 phương 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

1.2.2. Phương 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 phương 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

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

d. Dựa vào kỹ thuật chuyển mạch

Node Node

2 4

Node 1

Node 6

Node Node

3 5

Data1

DDaattaa22

- Chuyển mạch kênh (Circuit Switching)

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)

Message1

Node 2

Node 4

Node 1

Node 6

Node 3

Node 5

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.

‘

MMeessssaaggee22

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

Xem toàn bộ nội dung bài viết ᛨ