Kĩ thuật viễn thông - Chương 1: Mở đầu

Mục lục Mục lục Mục lục .......................................................................................................................... 3 Chương 1- Mở đầu ....................................................................................................... 6 I- Lịch sử .................................................................................................................... 6 II- Khái quát chung về mạng viễn thông.................................................................... 6 1- Các dịch vụ viễn thông ...................................................................................... 6 2- Mạng viễn thông ................................................................................................ 6 III- Ưu điểm của thông tin số ..................................................................................... 7 Câu hỏi cuối chương .................................................................................................. 8 Chương 2- Những khái niệm cơ bản .......................................................................... 9 I- Khái niệm chung..................................................................................................... 9 1- Tin tức, dữ liệu, tín hiệu..................................................................................... 9 2- Băng thông : .................................................................................................... 10 3- Topology và các phương thức liên lạc........................................................... 11 4- Các phương pháp truyền .................................................................................. 11 II- Hệ thống truyền tương tự .................................................................................... 12 III- Hệ thống truyền số ............................................................................................. 12 1- Sơ đồ khối ........................................................................................................ 12 2- Vận tốc truyền tín hiệu..................................................................................... 12 3- Truyền nối tiếp và song song ........................................................................... 13 4- Truyền đồng bộ và bất đồng bộ ....................................................................... 13 IV- Hệ thống mở và mô hình OSI............................................................................ 13 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 14 Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số ........................................................................ 15 I- Kỹ thuật điều xung mã (PCM) ............................................................................. 15 1- Lấy mẫu (Sampling) ........................................................................................ 15 2- Lượng tử hoá (Quantizing) .............................................................................. 15 3- Mã hóa (Encoding)........................................................................................... 17 II- Điều chế Delta (DM - Delta Modulation) ........................................................... 17 III- DPCM và ADPCM ............................................................................................ 17 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 19 Chương 4- Giao tiếp vật lý......................................................................................... 20 I- Môi trường truyền dẫn.......................................................................................... 20 1- Cáp đồng .......................................................................................................... 20 2- Cáp quang (Optical Fiber, Fiber Optic Cable)................................................. 21 3- Môi trường vô tuyến ........................................................................................ 23 II- Sự suy giảm và biến dạng tín hiệu (Attenuation & Distortion) .......................... 27 1- Sự suy giảm...................................................................................................... 27 2- Băng thông giới hạn......................................................................................... 27 3- Sự biến dạng do trễ pha.................................................................................... 28 4- Nhiễu................................................................................................................ 29 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 29 Chương 5- Mã hóa số liệu.......................................................................................... 30 I- Truyền số liệu ở băng cơ sở.................................................................................. 30 3 Mục lục 1- Khái quát .......................................................................................................... 30 2- Các dạng mã phổ biến...................................................................................... 30 3- Kỹ thuật ngẫu nhiên hóa (Scrambling techniques).......................................... 33 4- Thu ở băng cơ sở.............................................................................................. 34 5- Chuẩn giao tiếp băng cơ sở .............................................................................. 34 II- Truyền số liệu ở băng rộng.................................................................................. 36 1- Ðiều chế biên độ (Amplitude Modulation, AM) ............................................. 36 2- Ðiều chế tần số (Frequency Modulation, FM)................................................. 36 3- Ðiều chế pha (ФM) (để tránh nhầm PM là điều chế xung) ............................. 37 III- Kỹ thuật ghép kênh (Multiplexing).................................................................... 37 1- Frequency Division Multiplexing, FDM ......................................................... 37 2- Time Division Multiplexing, TDM.................................................................. 38 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 40 Chương 6- Giao tiếp truyền số liệu........................................................................... 41 I- Hệ thống truyền số liệu......................................................................................... 41 II-Truyền nối tiếp không đồng bộ ............................................................................ 41 1. Nguyên tắc đồng bộ bit .................................................................................... 42 2. Nguyên tắc đồng bộ ký tự ................................................................................ 42 3. Nguyên tắc đồng bộ khung............................................................................... 42 4. Một số vi mạch giao tiếp thông dụng.............................................................. 42 III. Truyền nối tiếp đồng bộ ..................................................................................... 43 1. So sánh truyền đồng bộ và bất đồng bộ ........................................................... 43 2. Giao thức hướng ký tự (điều khiển byte) ......................................................... 43 3. Giao thức hướng bit.......................................................................................... 44 4. Một số vi mạch truyền đồng bộ thông dụng .................................................... 52 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 52 Chương 7- Xử lý số liệu truyền ................................................................................. 53 I- Phát hiện lỗi và sửa sai ......................................................................................... 53 1- Phương pháp kiểm tra chẵn lẻ (parity)............................................................. 54 2- CRC - Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ ............................................................... 55 3- Mã sửa sai Hamming ....................................................................................... 56 II- Nén dữ liệu .......................................................................................................... 56 1- Các loại dư thừa dữ liệu ................................................................................... 57 2- Mã Huffman..................................................................................................... 57 3- Mã Run length.................................................................................................. 58 4- Mã vi phân (Differential encoding) ................................................................. 58 5- Thuật toán nén LZW (Lempel-Ziv-Welch) ..................................................... 59 III- Bảo mật dữ liệu .................................................................................................. 62 1- Tổng quan về các thuật toán mã mật ............................................................... 62 2- Một số thuật toán mã mật với khoá bí mật ...................................................... 65 3- Giao thức mã mật ............................................................................................. 66 4- Độ dài khoá ...................................................................................................... 68 5- Quản lý khoá .................................................................................................... 69 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 70 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu....................................................................... 71 I- Đặt vấn đề ............................................................................................................. 71 4 Mục lục II- Kiểm soát lỗi (error control)................................................................................ 71 1- Idle RQ (Stop and wait ARQ) .......................................................................... 72 2- RQ liên tục (continuous RQ) ........................................................................... 74 III- Điều khiển luồng (flow control) ........................................................................ 76 1- Điều khiển luồng dừng và chờ ......................................................................... 76 2- Cửa sổ trượt (sliding window) ......................................................................... 76 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 77 Tài liệu tham khảo...................................................................................................... 78 5 Chương 1- Mở đầu Chương 1- Mở đầu I- Lịch sử Có thể coi lịch sử thông tin dữ liệu bắt đầu vào năm 1837 với sự phát minh điện tín của Samuel F. B. Morse. Ðó là hệ thống truyền các xung điện biểu diễn cho các dấu chấm, vạch (tương đương với các số nhị phân 1, 0) trên các đường dây đồng nhờ các máy cơ điện. Các tổ hợp khác nhau của các mã này thay cho các chữ, số, dấu.... được gọi là mã Morse. Bản điện tín đầu tiên được phát hiện ở Anh do Charles Wheatstone và William Cooke thực hiện nhưng hệ thống của họ phải dùng 6 đường dây. Năm 1874, Emile Baudot thiết kế được máy phát dùng phương pháp dồn kênh, có thể truyền cùng lúc 6 bản tin trên cùng một đường dây. Năm 1876, Alexander Graham Bell đã đưa điện tín lên một bước phát triển mới: sự ra đời của điện thoại. Thay vì chuyển bản tin thành các chuỗi mã Morse, Bell đã cho thấy rằng người ta có thể truyền thẳng tín hiệu điện đặc trưng cho tiếng nói trên các đường dây. Những hệ thống điện thoại đầu tiên cần các cặp đường dây khác nhau cho hai người muốn trao đổi thông tin với nhau, một người phải nối điện thoại của mình vào đúng đường dây nối với điện thoại của người mà mình muốn liên lạc. Dần dần sự kết nối được thực hiện bởi các tổng đài cơ khí rồi tổng đài điện tử số,... Người ta không còn biết hệ thống hoạt động thế nào, chỉ cần quay (bây giờ thì bấm) số và được kết nối. Năm 1899, Marconi thành công trong việc phát tin bằng vô tuyến. Có thể nói điện tín là phương tiện duy nhất được dùng để phát tin đi xa cho đến năm 1920, lúc đài phát thanh thương mại đầu tiên ra đời. II- Khái quát chung về mạng viễn thông 1- Các dịch vụ viễn thông • Thoại (voice, speech): chiếm 60%-70% o Tín hiệu thoại tương tự (analog): băng tần cơ sở 0,3-3,4kHz o Tín hiệu thoại số (digital): tốc độ cơ sở 64kbps ⇒ Mạng điện thoại công cộng PSTN-Public Switched Telephone Network • Âm nhạc (audio) • Video • Fascimile (FAX) • Điện báo (telex, telegraph): Truyền các ký tự dưới dạng các mã như mã Baudot (5 bit), ASCII (7 bit) • Số liệu (data) 2- Mạng viễn thông 6 Chương 1- Mở đầu TL SL Nk Nj Ni TE N (Node): nút mạng • Chuyển mạch (Switching) o Chuyển mạch kênh o Chuyển mạch gói • Bộ tập chung (Concentrator) TL (Transmission Link): Tuyến truyền dẫn SL (Subscriber Line): Đường dây thuê bao TE (Terminal Equipment): Thiết bị đầu cuối Phân loại mạng viễn thông • Theo tín hiệu o Mạng tương tự ƒ Tín hiệu ở {N, TL} là tương tự ƒ TL: Trung kế tương tự, ghép kênh theo tần số (FDM) o Mạng số ƒ {N, TL} là tín hiệu số ƒ Trên {SL} có thể là số hoặc tương tự ƒ TL: Trung kế số, ghép kênh theo thời gian (TDM) • Theo phương thức chuyển mạch o Mạng chuyển mạch kênh: ƒ Được cung cấp một kênh vật lý cố định trong suốt thời gian thông tin o Mạng chuyển mạch gói ƒ Thông tin được chia thành các gói nhỏ, có địa chỉ nguồn và đích. ƒ Liên lạc với nhau qua một kênh logic III- Ưu điểm của thông tin số • Khả năng chịu nhiễu cao 7 Chương 1- Mở đầu • Không nhạy cảm với sai số linh kiện (do chế tạo, thời gian, nhiệt độ,...) • Phần cứng rẻ (khi sản xuất lớn) • Tính tương thích và linh hoạt • Tính bảo mật cao • ... Câu hỏi cuối chương 1. Tại sao cần phải có chuyển mạch? Nếu một mạng có 8 thiết bị truyền thông mà không có chuyển mạch muốn các thiết bị liên lạc được với nhau thì cần bao nhiêu kết nối? 2. Hãy so sánh vắn tắt mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói. 3. Hãy so sánh khả năng chịu nhiễu của tín hiệu số và tín hiệu tượng tự 8 Chương 2- Những khái niệm cơ bản Chương 2- Những khái niệm cơ bản (BASIC CONCEPTS) I- Khái niệm chung 1- Tin tức, dữ liệu, tín hiệu • Thông tin (Information): thuộc tính của con người với hiểu biết xung quanh (x) • Nguồn tin (Source): tập hợp các tin chứa trong đó X={x} • Dữ liệu (Data): quá trình vật lý chứa thông tin trong đó. Quá trình chuyển từ thông tin sang dữ liệu gọi là mã hoá (encoding) • Tín hiệu (Signal): là quá trình vật lý mang thông tin, nó phải phù hợp với môi trường lan truyền • Môi trường lan truyền (Medium): là tồn tại vật lý mà nó có thể lan truyền đi nơi khác. Môi trường cơ học, môi trường điện. Các tham số của môi trường truyền o Suy giảm o Băng thông o Dải động: truyền sóng, nhiễu, trễ 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 200mW hoặc có biên độ 100mV trên tổng trở 50Ω 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) [dB] 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 : Trạm thu Nguồn tin thiết bị vào Máy phát Máy thu thiết bị ra Nhận tin Môi trường Tín hiệu Dữ liệu Thông tin Trạm phát Nhiễu 9 Chương 2- Những khái niệm cơ bản Công suất tín hiệu = 10log 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 dBm Một tín hiệu có công suất 1W tương đương với 0 dB và 30dBm. Thí dụ: Tín hiệu có biên độ 100mV ở 50Ω tương đương với 0,2 mW, tính theo dB là: 10log(0,2/1W) = - 7 dB. Dấu trừ cho biết mức tín hiệu là -7 dB dưới 1W. Tính theo dBm 10log(200mW/1mW)=23dBm (-7 + 30dB) Lưu 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 600Ω. Nếu các tín hiệu có chung tổng trở tải thì : Tỉ số tín hiệu = 20log DB Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) Ðể 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. Ðây là tỉ số công suất tín hiệu có ích trên công suất tín hiệu nhiễu, thường tính bằng dB. Nếu tín hiệu 2 dBm có mức nhiễu là -20 dBm, thì tỉ số SNR là 22 dB. Nói cách khác mức tín hiệu lớn hơn mức nhiễu 22 dB. Ví dụ: Với tín hiệu số đơn cực, SNR tối thiểu phải là bao nhiêu để có thể phân biệt được tín hiệu một cách rõ ràng (ảnh hưởng của nhiễu còn chấp nhận được)? Giả sử biên độ ứng với mức 1 là 1 V và 0 V cho mức 0, một lỗi sẽ phát sinh nếu mức 0 được phát đi mà nhiễu có giá trị dương lớn hơn 0,5 V và nếu mức 1 phát đi mà nhiễu có biên độ âm và trị tuyệt đối lớn hơn 0,5 V. Như vậy giá trị tối đa cho phép của nhiễu là 0,5 V so với trị tối đa của tín hiệu là 1 V và tỉ số SNR tối thiểu là: SNRMIN = Một hệ thống hay mạch tốt khi có khả năng nâng cao tỉ số tín hiệu nhiễu SNR theo yêu cầu. 2- Băng thông : Băng thông 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. 10 Chương 2- Những khái niệm cơ bản 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. Ðộ 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. 3dB B f P 3- Topology và các phương thức liên lạc a. Topology Ðiểm - điểm (Point to point): Thí dụ liên lạc giữa máy tính và máy in Đa điểm (Multipoint): Hệ thống nhiều điểm có thể có một trong các dạng: sao (star), vòng (ring) và multidrop b. 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: • Ðơn 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. • Bán song công (Half duplex transmission, HDX): Tín hiệu truyền theo hai hướng nhưng không đồng thời. Hệ thống thông tin dùng Walkie - Talkie là một thí dụ của phương thức liên lạc bán song công. 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. • 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