Những khái niệm cơ bản về truyền số liệu

Tin tức, Dữ liệu và Tín hiệu (Information, Data & Signal)

Dữ liệu: 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: 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: 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.

Có hai loại tín hiệu: tín hiệu tương tự và tín hiệu số.

- Tín hiệu tương tự: có dạng sóng như (H.1.1a), đó là các đại lượng điện có bất cứ giá trị nào trong một khoảng thời gian xác định. Tín hiệu tương tự quen thuộc có dạng hình sin. Một tín hiệu tương tự có thể được số hóa để trở thành tín hiệu số.

- Tín hiệu số: có dạng sóng như (H.1.1b), đó là tín hiệu mà biên độ chỉ có một trong hai giá trị duy nhất, tương ứng với hai trạng thái logic đặc trưng bởi hai số 0 và 1 trong hệ nhị phân. Hệ thống truyền tín hiệu này là hệ thống truyền nhị phân.

Trong các hệ thống truyền số, ta còn gặp tín hiệu có dạng như (H.1.1c). Đây chưa phải là tín hiệu số nhưng nó cũng chỉ có các giá trị nhất định mà người ta có thể số hóa bằng các số nhị phân nhiều bit hơn. Trong trường hợp của (H 1.1c) tín hiệu có thể có một trong bốn giá trị 0, 1, 2, 3; để có thể mã hóa tín hiệu này cần các số nhị phân hai bit, hệ thống truyền tín hiệu này là hệ thống truyền nhị phân hai bit.

(a) (b) (c)

(H 1.1)

Tín hiệu trên đường truyền, gọi là sóng mang, có thể là loại tương tự hay số và được dùng để truyền dữ liệu tương tự hay dữ liệu số. Thí dụ: Tiếng nói là loại dữ liệu tương tự và được truyền trên hệ thống điện thoại bởi tín hiệu tương tự (H 1.2a); những dữ liệu có nguồn gốc là số, thí dụ như mã ASCII của các ký tự được biểu diễn dưới dạng những xung điện nhị phân được truyền bởi tín hiệu tương tự nhờ MODEM (Modulator/Demodulator) (H 1.2b). Tín hiệu tương tự sẽ qua mạch CODEC (Coder/Decoder) để được số hóa (H 1.2c) và dữ liệu số có thể được truyền thẳng qua hệ thống số (H 1.2d).

(H 1.2)

- Nhiễu: 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 Ω size 12{ %OMEGA } {} .

- 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 {}P2P1 size 12{ { {P rSub { size 8{2} } } over {P rSub { size 8{1} } } } } {} 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 : Công suất tín hiệu = 10log P1W size 12{ { {P} over {1W} } } {} 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 P1mW size 12{ { {P} over {1mW} } } {} dBm

Một tín hiệu có công suất 1W tương đương với 0 dB và 30dBm.

Thí dụ : Tín hiệu có biên độ 100mV ở 75 Ω size 12{ %OMEGA } {} 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.

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 600 Ω size 12{ %OMEGA } {}.

Thí dụ: Tín hiệu 100mV trên tải 75 Ω size 12{ %OMEGA } {} tương đương với 282mV, nếu tải là 600 Ω size 12{ %OMEGA } {}.

Thật vậy, ở 600 Ω size 12{ %OMEGA } {}, điện áp của tín hiệu xác định bởi :

V2 = P.R = 0,133.10-3.600 = 0,079

V = 0,079 size 12{ sqrt {0,"079"} } {} = 0,282 V = 282 mV

Nếu các tín hiệu có chung tổng trở tải thì :

Tỉ số tín hiệu = 20log V2V1 size 12{ { {V rSub { size 8{2} } } over {V rSub { size 8{1} } } } } {} dB

- 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).

Nếu tín hiệu 2 dBm có mức nhiễu là -20 dBm, thì tỉ số SNR là 22 dBm. Nói cách khác mức tín hiệu lớn hơn mức nhiễu 22 dBm.

Thí dụ: Với tín hiệu số như (H.1.1b), 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)?

Đối với tín hiệu như (H.1.1b), 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:

SNR_MIN = 20logSN=20log10,5=6db size 12{"20""log" { {S} over {N} } ="20""log" { {1} over {0,5} } =6 ital "db"} {}

Một hệ thống hay mạch tốt khi có khả năng nâng cao tỉ số tín hiệu nhiễu SNR theo yêu cầu.

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.

- 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.

Hình trạng hệ thống và các phương thức liên lạc

Về hình trạng, hệ thống thông tin có thể có dạng:

- Điểm - điểm (Point to point): Thí dụ liên lạc giữa máy tính và máy in

- Nhiều điểm (Multipoint): Hệ thống nhiều điểm có thể có một trong các dạng: sao (star), vòng (ring) và multidrop

* Mạng hình sao (H 1.3a): 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 (H 1.3b): 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 (H 1.3c): Các đài thứ cấp nối chung một đường dây vào trạm sơ cấp

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.

- 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 truyền. Phương thức này được dùng trong hệ thống điểm - điểm (point to point)

- Song côngtoànphần (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)

(H 1.3)

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).

Các phương pháp dồn kênh

Để có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng dải nền (nhiều kênh) trên một đường truyền mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau, người ta phải dồn kênh. Có hai phương pháp dồn kênh: phương pháp đa hợp phân tần số và phương pháp đa hợp phân thời gian .

(H 1.4) mô tả hai phương pháp dồn kênh.

(H.1.4)

- Dồn kênh theo phương pháp đa hợp phân thời gian (TDM: Time Division Multiplexing)

(H 1.5) minh họa phương pháp TDM .

(H 1.5)

Khóa chuyển mạch được sử dụng để nối tuần tự mỗi tín hiệu cần truyền đến đường truyền trong một khoảng thời gian nhất định. Dĩ nhiên các khóa chuyển mạch ở máy phát (dồn kênh) và máy thu (phân kênh) phải hoạt động đồng bộ để các máy thu thu đúng tín hiệu của nó.

- Dồn kênh theo phương pháp đa hợp phân tần số (FDM: Frequency Division Multiplexing).

(H 1.6) minh họa phương pháp FDM cho 3 kênh truyền (3 tín hiệu tương tự). Tần số sóng mang của mỗi bộ điều chế của mỗi kênh được chọn lựa sao cho mỗi tín hiệu đã được điều chế chiếm một dải tần riêng trong cả phổ tần của đường truyền và phải được cách ly theo qui định. Để thực hiện được việc này người ta dùng các mạch cộng hưởng LC có tần số cộng hưởng khác nhau cho mỗi kênh truyền.

Các hệ thống truyền thanh và truyền hình sử dụng phương pháp dồn kênh này.

(H 1.6)

Vận tốc truyền tín hiệu (Baud rate)

Một trong những đặc trưng quan trọng để đánh giá chất lượng một hệ thống truyền số là vận tốc truyền tín hiệu, được tính bằng baud.

Baud là vận tốc thay đổi trạng thái sóng mang (số lần thay đổi sóng mang trong một giây) còn gọi là vận tốc điều chế (baud rate).

Trong thực tế người ta hay dùng đơn vị bit/s (bps) là vận tốc truyền bit (bit rate), tức số bit mà hệ thống truyền trong một giây.

Trong hệ thống truyền nhị phân (tín hiệu cần truyền có dạng (H 1.1b)), sóng mang chỉ được điều chế bởi một trong hai trạng thái của tín hiệu, vận tốc bit và vận tốc tín hiệu bằng nhau (số bit/s = số baud).

Trong hệ thống truyền nhị phân hai bit (Thí dụ, dùng số nhị phân hai bit mã hóa tín hiệu có dạng (H 1.1c)), số lượng bit sẽ gấp đôi số tín hiệu (vận tốc thay đổi bit nhanh gấp đôi vận tốc thay đổi sóng mang), như vậy số bit/s gấp đôi số baud.

Thí dụ : Tính vận tốc truyền tín hiệu (H 1.1c), nếu thời gian tương ứng với một giá trị của tín hiệu là T = 0,0001s.

Vận tốc truyền tín hiệu = số baud = 1/T = 1/0,0001 = 10.000 baud.

Vận tốc truyền bit br = 2.baud = 20.000 bit/s

Truyền nối tiếp và song song

Tùy theo cách thức đưa tín hiệu ra đường truyền mà ta có hai cách truyền: song song và nối tiếp. (H.1.8) mô tả hai cách truyền.

- Truyền nối tiếp: tín hiệu lần lượt được phát đi từng bit trên cùng một đường dây. Tốc độ truyền chậm nhưng ít tốn kém hơn so với cách truyền song song.

- Truyền song song: mã ký tự được gửi đi dưới dạng song song, nghĩa là các bit được phát đi đồng thời trên các đường truyền. Tốc độ truyền song song khá nhanh nhưng phải tốn nhiều đường dây. Do đó, cách truyền này được dùng trong thực tế khi phần phát và thu ở gần nhau.

Truyền đồng bộ và bất đồng bộ

Trong các hệ thống truyền số các tín hiệu có thể truyền theo chế độ đồng bộ và bất đồng bộ. Hai chế độ truyền này khác nhau chủ yếu ở việc thực hiện sự đồng bộ và do đó đưa tới cách định dạng tín hiệu truyền khác nhau.

- Truyền đồng bộ: Trong chế độ đồng bộ dữ liệu truyền được hình thành theo các dạng cố định. Thí dụ các ký tự được mã hóa bằng mã ASCII và bản tin được truyền thành từng khối (block), sự đồng bộ được thực hiện ở những khoảng thời gian giữa các khối của bản tin.

Do truyền một lần cả bản tin nên vận tốc truyền khá lớn, từ 2400 bps, 4800 bps, 9600 bps cho đến hằng Mbps.

Một bất lợi của cách truyền đồng bộ là máy phát phải gửi tín hiệu xung đồng hồ để đồng bộ máy thu. Nếu việc này không thực hiện được thì ở máy thu phải thiết kế một vòng khóa pha (PLL) để phục hồi xung đồng bộ từ dòng dữ liệu.

- Truyền bất đồng bộ: Trong chế độ bất đồng bộ dạng của dữ liệu truyền không cố định. (H 1.10) cho ta 3 dạng của tín hiệu thường gặp trong cách truyền bất đồng bộ.

(H 1.10a) là 3 bản tin a,b,c được truyền tuần tự. Các bản tin dài ngắn khác nhau và cách nhau không đều.

(H 1.10b) là trường hợp thời gian T của các bản tin giống nhau nhưng khoảng cách các bản tin thì bất kỳ, không phải là bội số của T.

Trong hai trường hợp này băng thông cần thiết tùy thuộc vào dữ liệu.

(H 1.10c) là một dạng khác của tín hiệu thường gặp trong các bản tin phát bằng phương pháp quét (thí dụ trong các máy FAX). Trong trường hợp này băng thông của hệ thống tùy thuộc vào độ phân giải tín hiệu chứ không tùy thuộc vào dữ liệu.

Trong tất cả các trường hợp để tạo sự đồng bộ máy phát phải gửi kèm các xung đồng bộ ở đầu và cuối mỗi ký tự (trong (H 1.10a) đó là các xung S hoặc T ).

(H 1.10)