Truyền Số Liệu

BÀI 1 : THÔNG TIN VÀ SỰ TRAO ĐỔI THÔNG TIN

1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Tin tức - dữ liệu - tín hiệu

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.

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

Tín hiệu tương tự:

Tín hiệu 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.

Ba đặc điểm chính của tín hiệu analog bao gồm

Biên độ (Amplitute)

Tần số (Frequency)

Pha (Phase)

Biên độ của tín hiệu analog

Đo độ mạnh của tín hiệu, đơn vị: decibel (dB) hay volts.

Biên độ càng lớn, tín hiệu càng có cường độ mạnh.

Tần số của tín hiệu analog

Tốc độ thay đổi của tín hiệu trong một giây, đơn vị Hz hay số chu kỳ trong một giây (cycles per second)

Một chu kỳ là sự di chuyển sóng của tín hiệu từ điểm nguồn bắt đầu cho đến khi quay trở về lại điểm nguồn đó.

Biên soạn : Huỳnh Tấn Dũng 146 Bài giảng Mạng viễn thông-Truyền số liệu

Pha của tín hiệu analog

Tốc độ thay đổi quan hệ của tín hiệu đối với thời gian, được mô tả theo độ (degree)

Sự dịch pha xảy ra khi chu kỳ của tín hiệu chưa kết thúc, và một chu kỳ mới của tín hiệu bắt đầu trước khi chu kỳ trước đó chưa hoàn tất

Tín hiệu số:

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.

Tín hiệu số bao gồm chỉ hai trạng thái, được diễn tả với hai trạng thái ON hay OFF hoặc là 0 hay 1. Tín hiệu số yêu cầu khả năng băng thông lớn hơn tín hiệu analog

Các vấn đề khi sử dụng kênh thoại trong việc truyền tín hiệu số

Một tín hiệu số là một tổ hợp của các tín hiệu khác. Đặc biệt, tín hiệu số có thể được biểu diễn như sau

Signal = f + f3 + f5 +f7 +f9 +f11 +f13 ....f¥

Do đó một tín hiệu số gồm 1 tần số cơ bản (f), cộng thêm tần số 3f (hài tần bậc 3), cộng thêm tần số 5f (hài tần bậc 5), …Nếu biên độ của tần số f, f3, f5, … là a, a3, a5, … thì a = 3a3 = 5a5 …

Để gởi tín hiệu số qua kênh truyền thoại, băng thông của kênh truyền phải cho phép tần số cơ bản f, tần số 3f và tần số 5f đi qua mà không ảnh hưởng nhiều đến các tần số này. Đây là yêu cầu tối thiểu để bên nhận nhận đúng được tín hiệu số

Dữ liệu và tín hiệu

Thường dùng tín hiệu số cho dữ liệu số và tín hiệu analog cho dữ liệu analog

Có thể dùng tín hiệu analog để mang dữ liệu số

Có thể dùng tín hiệu số để mang dữ liệu analog

Truyền dẫn


Truyền dẫn analog

Không quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền (số hoặc tương tự)

Suy giảm khi truyền xa

Dùng bộ khuếch đại (amplifier) để truyền dữ liệu đi xa

Truyền dẫn số

Quan tâm đến nội dung dữ liệu được truyền.

Nhiễu và sự suy giảm tín hiệu sẽ ảnh hưởng đến sự tích hợp.

Dùng bộ lặp (repeater) để truyền dữ liệu đi xa.

1.2. Mô hình truyền số liệu đơn giản

DTE (Data Terminal Equipment) : Thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu thường gọi tắt là thiết bị đầu cuối. DTE gồm hai khối chức năng khác nhau : khối xử lý là nguồn hoặc bộ thu dữ liệu, khối kiểm tra sự liên lạc là tổ hợp các bộ phận thực hiện chức năng liên lạc có hoặc không có bộ phận lọc nhiễu.

DCE (Data Circuit Equipment) : Thiết bị mạch dữ liệu. DCE có thể có hai khối chức năng là mã hóa (hoặc giải mã) và điều chế (hoặc giải điều chế).

CODEC = Code + Decode : mã hóa và giải mã.

MODEM = Modulation + Demodulation : điều chế và giải điều chế.

Các mạch truyền dữ liệu thường truyền song công (hai chiều) nên phải cần đến mạch CODEC và MODEM.


Mã hóa

Có ba loại mã hóa :

Mã hóa nguồn, còn gọi là mã thống kê tối ưu, mục đích để tăng tốc độ truyền tin, hay được sử dụng trong các thiết bị đầu cuối như FAX, VIDEOTEX …

Mã hóa kênh còn gọi là mã phát hiện và sửa sai, mục đích để tăng độ chính xác của tin truyền.

Mã đường truyền (code line) : biến mã nhị phân thành mã tam phân để dễ dàng đồng bộ tín hiệu.

Kỹ thuật điều chế

Điếu chế được chia thành hai nhóm chính:

Điều chế số: ASK, FSK, PSK, QAM .

Điều chế tín hiệu tương tự : AM, FM, PM.

Cấu trúc kênh truyền

Truyền song song (Parallel)

Mỗi bit dùng một đường truyền riêng. Nếu có 8 bits được truyền đồng thời sẽ yêu cầu 8 đường truyền độc lập

Để truyền dữ liệu trên một đường truyền song song, một kênh truyền riêng được dùng để thông báo cho bên nhận biết khi nào dữ liệu có sẵn (clock signal)

Cần thêm một kênh truyền khác để bên nhận báo cho bên gởi biết là đã sẵn sàng để nhận dữ liệu kế tiếp

Truyền nối tiếp (Serial)

Tất cả các bit đều được truyền trên cùng một đường truyền, bit này tiếp theo sau bit kia

Không cần các đường truyền riêng cho tín hiệu đồng bộ và tín hiệu bắt tay (các tín hiệu này được mã hóa vào dữ liệu truyền đi)


Có hai cách truyền nối tiếp

Bất đồng bộ: Khi truyền bất đồng bộ người ta phát từng ký hiệu riêng rẽ, cách biệt nhau và để phân biệt các ký tự người ta thêm tín hiệu đầu (start) và cuối (stop) vào mỗi ký tự.

Đồng bộ: Khi truyền đồng bộ để nhận biết giá trị các thời điểm là 0 hay 1 cần phải có tín hiệu xung clock gọi là tín hiệu đồng bộ. Tín hiệu đồng bộ có chu kỳ là T, nghĩa là

mỗi giây nguồn sẽ cung cấp bits.

Chế độ truyền

Mạch đơn công (một chiều : simplex) : thông tin chỉ có thể truyền từ nguồn sang thiết bị thu mà chiều ngược lại không thể thực hiện được. Ví dụ : dữ liệu được truyền từ máy tính sang máy in.

Mạch bán song công (hai chiều ngắt quãng : half duplex). Hai thiết bị đầu cuối có thể truyền dữ liệu cho nhau tại những thời điểm khác nhau.

Mạch song công (hai chiều toàn phần : duplex). Hai thiết bị đầu cuối có thể truyền dữ liệu cho nhau đồng thời.

BÀI 2 : MÃ HÓA VÀ ĐIỀU CHẾ

1. KHÁI QUÁT :


One-way only

Simplex operation

Half-duplex operation

Two-way but not at

the same time

Full-duplex operationBoth-way at

the same time

DCE phát : Tín hiệu ra khái DTE là dãy nhị phân dk. Sau bộ mã hóa là tín hiệu aj có q mức và tín hiệu sau bộ điều chế là s(t). Khi tín hiệu truyền trên đường truyền sẽ có nhiễu nên trở thành x(t). Tùy theo cấu tạo của bên DCE phát mà DCE thu sẽ có cấu tạo tương ứng.

Nếu DCE phát chỉ có mạch điều chế thì bên DCE thu cũng chỉ có mạch giải điều chế.

Nếu DCE phát có bộ mã hóa và bộ biến đổi nhị phân sang tam phân ở băng cơ bản thì bên DCE thu có bộ biến đổi tam phân thành nhị phân và bộ giải mã.

Nếu DCE phát có đầy đủ các khối mã hóa, băng cơ bản, khối điều chế thì bên DCE thu có các khối giải mã, băng cơ bản và giải điều chế.

Cách thông tin được biến đổi phụ thuộc vào định dạng nguyên gốc của nó và định dạng được sử dụng bởi phần cứng truyền thông.

Một tín hiệu đơn giản bản thân nó không mang theo thông tin gì ngoại trừ là vận chuyển các từ theo một đường thẳng tắp. Tín hiệu phải được xử lý theo đó nó có thể chứ những thay đổi có thể được diện bởi cả bên nhận lẫn bên gửi. Đầu tiên thông tin phải được dịch thành các mẫu dạng 0 và 1, ví dụ sử dụng bảng mã chuẩn của Mỹ về trao đổi thông tin ASCII.

Dữ liệu được lưu trữ trong máy tính ở dưới dạng 0 và 1. Để được chuyển đi từ nơi này đến nơi khác (bên trong hoặc bên ngoài máy tính), dữ liệu thường được chuyển đổi thành các tín hiệu số. Việc chuyển đổi này được gọi là chuyển đối số-sang-số hay mã hóa dữ liệu số thành một tín hiệu số.

Đôi khi, chúng ta cần chuyển đổi một tín hiệu tương tự (ví dụ âm thanh trong một cuộc nói chuyện điện thoại) thành một tín hiệu số do nhiều lý do khác nhau. Việc chuyển đổi này được gọi là chuyển đổi tương tự - sang số hay điều chế một tín hiệu số.

Thường một tín hiệu tương tự được gửi qua các khoảng cách xa sử dụng các phương tiện xử lý tín hiệu tương tự. Ví dụ âm thanh hoặc nhạc từ một trạm phát thanh, thường là xử lý tín hiệu tương tự được truyền qua không khí. Tuy nhiên, tần số của âm thanh không thích hợp cho kiểu truyền phát này: Tín hiệu cần được truyền đi bằng tín hiệu tần số cao. Việc sử dụng tín hiệu cao tần trong truyền phát như vậy được gọi là chuyển đổi tín hiệu tương tự -sang- tương tự hay điều chế tín hiệu tương tự.


Conversionmethods

Digital to digital

Digital to analog

Analog to digital

Analog to analog

Các phương thức chuyển đổi tín hiệu

2. TÍN HIỆU BĂNG TẦN CƠ SỞ.

2.1 Khái quát.

Mã hóa số sang số hay chuyển đổi là cách biểu diễn thông tin số hóa bằng một tín hiệu số. Trong kiểu mã hóa này, các số nhị phân 1 và 0 được dịch thành một chuỗi các xung điện áp được truyền qua đường dẫn điện.

Thông qua nhiều cơ chế mã hóa tín hiệu số sang số, trong môn học này chỉ khảo sát ba kỹ thuật mã hóa chính là đơn cực, cực và lưỡng cực.

Các kiểu mã hóa số sang số

Mã hóa đơn cực là đơn giản, chỉ cần sử dụng một kỹ thuật. Mã hóa cực gồm 3 mục nhá. NRZ, RZ và hai pha, 2 trong số 3 kỹ thuật này có nhiều biến thể khác nhau. Trong kỹ thuật mã hóa thứ 3 - mã hóa lưỡng cực có ba biến thể: AMI, B8ZS và HDB3.

2.2. Mã hóa đơn cực (Unipolar encoding)

Mã hóa đơn cực là cách đơn giản và cơ bản nhất. Mặc dù phương pháp này đã lỗi thời, nhưng tính đơn giản của nó cung cấp một cách hiểu dễ dàng để các khái niệm được phát triển bằng nhiều hệ thống mã hóa phức tạp hơn và cho phép có thể kiểm tra các loại vấn đề mà bất kỳ hệ thống truyền phát số nào cũng cần phải xử lý được.

Các hệ thống truyền phát số hoạt động bằng cách gửi các xung điện áp theo phương tiện truyền dẫn. Trong phần lớn các kiểu mã hóa, một mức điện áp đóng vai trò là 0 và một mức điện áp khác đóng vai trò là 1. Tính phân cực của một xung liên quan đến việc xem nó là cực âm hay cực dương. Kiểu mã hóa có tên gọi là mã hóa đơn cực là vì nó


chỉ sử dụng một cực tính. Cực tính này được gán cho một trong hai trạng tháy nhị phân thông thường là 1. Trạng thái khác thường là 0 được biểu diễn bằng điện áp 0.

Mã hóa đơn cực

Thành phần dòng một chiều

Biên độ trung bình của một tín hiệu được mã hóa theo phương pháp đơn cực là khác 0. Điều này tạo ra cái được gọi là thành phần dòng điện một chiều. Khi tín hiệu chứa một thành phần dòng một chiều, nó không thể đi qua phương tiện truyền dẫn mà không xử lý được các thành phần nguồn một chiều.

Đồng bộ hóa

Khi một tín hiệu là bất biến, bên nhận không thể xác định điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi bit. Do đó gây ra vấn đề về đồng bộ hóa trong mã hóa đơn cực có thể xảy ra bất cứ khi nào dòng dữ liệu bao gồm một chuỗi dài không ngắt các bít 0 và 1.

Một giải pháp được phát triển để kiểm soát đồng bộ hóa truyền phát theo phương pháp đơn cực là sử dụng một đường độc lập, song song chứa một xung đồng hồ và cho phép bên nhận đồng bộ lại bộ đếm giê của nó đối với tín hiệu đó. Nhưng gấp đôi số đường sử dụng cho truyền dẫn cũng dẫn đến tăng chi phí và do đó không mang lại hiệu quả kinh tế.

2.3. Mã hóa cực (Polar encoding)Mã hóa cực sử dụng hai mức điện áp, một điện áp dương và một điện áp âm. Bằng

cách sử dụng các 2 mức điện áp này, trong phần lớn các phương pháp mã hóa cực mức điện áp trung bình trên đường truyền dẫn bị suy giảm và do đó vấn đề về thành phần dòng điện một chiều của phương pháp đơn cực lại là vấn đề. Trong kỹ thuật mã hóa Manchester và mã hóa phi phân manchester mỗi bit chứa cả hai điện áp âm và dương, vì vậy thành phần một chiều sẽ được loại trừ.

Mã hóa cực sử dụng hai mức điện áp (âm và dương) của kỹ thuật mã hóa đơn cực.Do tồn tại nhiều biến thể của mã hóa cực, chúng ta chỉ nghiên cứu 3 kỹ thuật mã hóa

phố biến nhất là NRZ (Non Return toZero), RZ (Return to Zero) và lưỡng cực. Kỹ thuật mã hóa NRZ bao gồm hai phương pháp NRZ-L (NoneReturrn to Zero, Level), và NRZ-I (NoneReturn to Zero, Invert). Kỹ thuật mã hóa hai pha cũng bao gồm 2 phương pháp. Đầu tiên, phương pháp Manchester là phương pháp được sử dụng bởi các mạng LAN Ethernet. Phương pháp thứ hai là phương pháp Manchester phân lập là phương pháp được sử dụng trong các mạng LAN Token Ring.


Kỹ thuật mã hóa NRZ

Trong kỹ thuật mã hóa NRZ, mức điện áp tín hiệu luôn ở trạng thái dương hoặc âm. Có 2 phương pháp phổ biến nhất của phương pháp truyền phát NRZ được bàn dưới đây.

Kỹ thuật NRZ-L:

Mức điện áp tín hiệu phụ thuộc vào kiểu bit no biểu diễn. Một điện áp dương thường có nghĩa bit đó là 0 và điện áp âm có nghĩa bit đó là 1 hoặc ngược lại; do đó mức độ điện áp của tín hiệu phụ thuộc vào trạng thái bit.

Trong phương pháp NRZ, mức độ điện áp của tín hiệu phụ thuộc vào trạng thái bit.

Một vấn đề nữa có thể xảy ra là khi có một dòng dài các bit 0 hoặc 1 trong dữ liệu. Bên nhận nhận một điện áp liên tục và cần xác định xem có bao nhiêu bit được gửi phụ thuộc vào đồng hồ của nó, và đồng hồ này có thể được đồng bộ hoặc không được đồng bộ với đồng hồ bên gửi.

Kỹ thuật mã hóa NRZ-I:

Trong kỹ thuật này, một mức điện áp ngược biểu diễn một bit 1. Nó chính là truyền dẫn giữa một điện áp dương và điện áp dương chứ không phải bản thân điện áp để biểu diễn một bit 1.Một bit 0 được biểu diễn là không có mức điện áp nào thay đổi. NRZ-I tốt hơn so với NRZ-L do đồng bộ hóa được cung cấp bởi sự thay đổi tín hiệu mỗi lần khi một bit 1 xuất hiện. Sự tồn tại của các bit 1 trong dòng dữ liệu cho phép bên nhận đồng bộ lại bộ đếm thời gian của nó để có thể nhận được chính xác những gì bên gửi truyền đến. Các bit 0 vẫn có thể gây ra vấn đề, nhưng bởi vì các bit 0 ít có khả năng xảy ra nên chúng ít ra vấn đề.

Trong phương pháp NRZ-I tín hiệu được đảo ngược nếu 1 bít một xuất hiện

Kỹ thuật RZ (Return Zero)

Như chúng ta đã biết, tại bất kỳ thời điểm nào, dữ liệu nguyên bản chứa các chuỗi liên tiếp các bit 1 hoặc 0, bên nhận có thể để mất vị trí của bít này. Như chúng ta đã đề cấp tới kỹ thuật mã hóa đơn cực, có một cách để đảm bảo việc đồng bộ là gửi một tín hiệu thời


gian độc lập trên một kênh riêng biệt, tuy nhiên giải pháp này vừa đắt tiền và có định hướng gấy lỗi. Một giải pháp tốt hơn là làm cách nào đó để có thể bao gồm sự đồng bộ hóa trong tín hiệu được mã hóa, giải pháp giống như với phương pháp NRZ-I nhưng có một khả năng về xử lý các chuỗi bít 0 cũng như các chuỗi bit 1.

Để đảm bảo sự đồng bộ hóa, cần phải là một sự thay đổi của tín hiệu đối với mỗi bit. Bên nhận có thể sử dụng những thay đổi này để xây dựng, cập nhật và đồng bộ đồng hồ của nó. Như chúng ta đã xem ở trên, NRZ-I hoàn thành việc này đối với các dãy các bit 1. Nhưng do thay đối với mọi bit, chúng ta cần hơn 2 giá trị. Một giải pháp là sử dụng kỹ thuật mã hóa RZ, kỹ thuật này sử dụng 3 giá trị điện áp là dương, âm và 0. Trong kỹ thuật mã hóa RZ, tín hiệu thay đổi không chỉ giữa các bit mà còn suốt quá trình của từng bit. Giống như phương pháp NRZ-L một điện áp dương có nghĩa là 1 và một điện áp âm có nghĩa là 0. Nhưng không giống như NRZ-L, khoảng giữa chừng khoảng thời gian của mỗi bit tín hiệu trả về giá trị 0. Một bit 1 thực tế được biểu diễn bởi sự thay đổi điện áp từ điện áp dương về điện áp 0 và bit 0 được bit 0 được biểu diễn bởi sự thay đổi điện áp từ điện áp âm về điện áp 0 thay vì chỉ sử dụng mức điện áp dương và âm đơn lẻ.

Nhược điểm chính của kỹ thuật mã hóa RZ Là nó đòi hái càn phải có hai sự thay đổi tín hiệu để mã hóa 1 bit và do đó sẽ chiếm dụng nhiều băng tần hơn. Tuy nhiên, có ba lựa chọn khác nhau mà chúng ta có thể kiểm tra.

Một tín hiệu số được mã hóa tốt phải bao gồm cả phần dự phòng cho đồng bộ hóa tín hiệu.

2.4. Kỹ thuật mã hóa hai pha (Biphase encoding)

Có thể giải pháp tốt nhất hiện có để giải quyết vấn đề về đồng bộ hóa là kỹ thuật mã hóa hai pha. Theo kỹ thuật này, tín hiệu thay đổi ở khoảng giữa thời điểm của các bit nhưng không trở về mức điện áp 0. Thay vì đó, nó tiếp tục giữ ở cực đối diện. Như trong kỹ thuật RZ, các khoảng chuyển dịch giữa cho phép sự đồng bộ hóa.

Như đã nói ở trên, có hai kiểu mã hóa hai pha đang được sử dụng trong các mạng hiện nay đó là Manchester và Manchester phân lập

Mã hóa hai pha được thực hiện theo 2 cách khác nhau: Manchester và Manchester phân lập.

Mã hóa Manchester:


Cách mã hóa này sử dụng điện áp ngược ở điểm giữa khoảng thời gian của bit cho cả đồng bộ hóa lẫn biểu diễn bit. Một quá trình dịch chuyển từ điện áp âm sang điện áp dương biểu diễn đại lượng nhị phân 1 và sự dịch chuyển từ điện áp dương sang điện áp âm biểu diễn đại lượng nhị phân 0. Bằng cách sử dụng một chuyển dịch đơn như vậy cho cả 2 mục đích. Cách mã hóa Manchester đạt được cùng mức độ đồng bộ như RZ xong chỉ với hai mức độ biên độ

Trong cách mã hóa Manchester, sự dịch chuyển ở điểm giữa khoảng thời gian của bit được sử dụng cho cả đồng bộ hóa lẫn biểu diễn bit.

Mã hóa Manchester phân lập:

Trong mã hóa Manchester phân lập, mức điện áp ngược ở điểm giữa khoảng thời gian của bit được sử dụng cho đồng bộ hóa, nhưng lấy sự hiện diện hoặc vắng mặt của một dịch chuyển bổ sung tại thời điểm bắt đầu của khoảng thời gian bit được sử dụng để xác định bit. Một dịch chuyển có nghĩa là bit nhị phân 0 và không dịch chuyển có nghĩa là bit nhị phân 1. Phương pháp Manchester phân lập yêu cần cần có 2 sự thay đổi của tín hiệu để biểu diễn bit nhị phân 0 nhưng chỉ cần một sự thay đổi tín hiệu để biểu diễn bit nhị phân 1.

Trong phương pháp mã hóa Manchester phân lập, sự dịch chuyển ở điểm giữa của khoảng thời gian bit chỉ được sử dụng cho quá trình đồng bộ tín hiệu. Việc biểu diễn bit được thể hiện bằng điện áp đảo ngược hoặc không đảo ngược tại thời điểm bắt đầu của khoảng thời gian bit.

Mã hóa lưỡng cực (Bipolar encoding)


Mã hóa lưỡng cực giống như RZ, sử dụng 3 mức độ điện áp khác nhau bao gồm dương, âm và 0. Tuy nhiên có điểm khác so với RZ, mức điện áp 0 trong mã hóa lưỡng cực được sử dụng để biểu diễn bit nhị phân 0.

Các bit 1 được biểu diễn bằng các điện áp dương hoặc điện áp âm. Nếu bit đầu tiên được biểu diễn bằng biên độ dương, bit 1 thứ 2 sẽ được biểu diễn bằng biên độ âm, bit 1 thứ 3 được biểu diễn bởi điện áp dương … vân vân. Sự luân phiên này xả ra thậm chí khi các bit một là không liên tục.

Phương pháp mã hóa lưỡng cực đánh dấu luôn phiên đảo ngược AMI (Alternate Mark Inversion)

Phương pháp mã hóa lưỡng cực AMI là một kiểu đơn giản nhất của mã hóa lưỡng cực. Trong tên của phương pháp này có từ đánh dấu – Mark xuất phát từ kỹ thuật điện báo và ý nghĩa của bit 1. Vì vậy AMI có nghĩa là đảo bit 1 luân phiên. Ở vị trí số 0, các điện áp 0 biểu diễn bit nhị phân 0. Các bit nhị phân 1 được biểu diễn bằng các điện áp âm và dương luân phiên nhau.

Một biến thể của phương pháp AMI là giả tam phân (Psuedoternary), trong đó bit nhị phân 0 nằm giữa các mức điện áp dương và âm.

Bằng cách đảo ngược từng bit 1 khi xuất hiện, phương pháp AMI hoàn thành 2 việc: đầu tiên, thành phần một chiều, thứ hai, một chuỗi dài các bit 1 vẫn chưa đồng bộ. Không có cơ chế nào để đảm bảo đồng bộ hóa một chuỗi dài các bit 0.

Có hai biến thể của phương pháp mã hóa AMI được phát triển để giải quyết vấn đề về đồng bộ hóa chuỗi liên tiếp các bit 0, và đặc biệt cho việc truyền phát khoảng cách xa. Đầu tiên được sử dụng ở Bắc Mỹ, được gọi là phương pháp thế 8 bit 0 lưỡng cực N8ZS (bipolar 8-zero substitution). Phương pháp thứ 2 được sử dụng ở Nhật Bản và Châu Âu được gọi là phương pháp mã hóa lưỡng cực mật độ cao 3- HDB3 (High-Density Bipolar 3), cả 2 phương pháp trên đều dựa trên phương pháp mã hóa lưỡng cực AMI nhưng sửa đổi mẫu nguồn trong trường hợp đa luân phiên các bit 0.

Phương pháp B8ZS


Bipolar

AMI B8ZS HDB3

B8ZS là phương pháp được thông qua ở Bắc Mỹ để cung cấp đồng bộ hóa cho các chuỗi dài các bit 0. Trong phần lớn các tình huống, các chức năng của B8ZS giống hệt với AMI. Phương pháp AMI thay đổi các cực đối với mọi bit 1 khi chúng xuất hiện. Những thay đổi này cung cấp đòng bộ hóa cần thiết cho bên nhận. Nhưng do tín hiệu không thay đổi trong suốt quá trình truyền chuỗi bit 0 vì vậy vấn đề đồng bộ hóa thường không được đảm bảo.

Sự khác nhau cơ bản giữa B8ZS và AMI xảy ra khi bất kỳ 8 hoặc nhiều hơn các bit 0 liên tục xuất hiện trong dòng dữ lệu. Giải pháp được cung cấp bởi phương pháp B8ZS là áp các thay đổi tín hiệu nhân tạo được gọi là các vi phạm bên trong chuỗi bit 0. Bất kẻ khi nào 8 bit 0 xảy ra liên tiếp, B8ZS sẽ tạo ra các thay đổi trong mẫu dựa trên chiều phân cực của bit một trước đó ( bit một xảy tra ngay trước các bit 0).

Nếu bit 1 trước đó là điện áp dương, 8 bit 0 sẽ được mã hóa là 0.0.0.điện áp dương, điện áp âm.0,điện áp âm,điện áp dương. Chúng ta cần nhớ rằng bên nhận tìm kiếm các cực trị luân phiên để xác định các bit 1. Khi nó tìm thấy 2 điện tích dương liên tục xung quanh 3 bit 0, nó xác nhận mẫu như là một sự vi phạm được tạo ra một cách có tính toán và không phải là một mẫu. Sau đó nó tìm kiếm cặp vi phạm thứ hai theo mong đợi. Khi nó tìm thấy chúng, bên nhận dịch toàn bộ 8 bit đó thành 0 và đảo ngược trở lại chế độ mã hóa lưỡng cực AMI.

Nếu chiều phân cực của bit một trước đó là âm, mẫu của các vi phạm cũng tương tự nhưng với các chiều phân cực đảo ngược. Cả mẫu âm và dương được thể hiện trong hình sau:

Trong B8ZS nếu vùng 8 bit 0 kế tiếp nhau, chúng ta thay theo một trong 2 cách dựa trên chiều phân cực của bit 1 trước đó.

Phương pháp mã hóa lưỡng cực HDB3

Vấn đề đồng bộ hóa các chuỗi liên tiếp các bit 0 được giải quyết một cách khác nhau ở Châu Âu và Nhật Bản hơn là ở Hoa Kỳ. Quy ước chung này được gọi là HDB3 tạo các thay đổi thành các mẫu AMI mỗi khi có 4 bit 0 liên tục được tìm thấy thay vì đợi 8 bit 0 như trong B8ZS đang được sử dụng ở Bắc Mỹ. Mặc dù tên của phương pháp này là HDB3 nhưng mẫu thay đổi bất cứ khi nào có 4 bit 0 xảy ra liên tục.

Trong HDB3, nếu có 4 bit 0 liên tiếp, chúng ta thay đổi mẫu bằng 1 trong 2 cách dựa trên chiều phân cực của bit 1 trước đó và số các bit 1 ở lần thay thế cuối cùng.


+ 0 0 0 0 0 0 0 0

+ 0 0 0 + - 0 - +

Will change to

ViolationViolation

Polarity of previous

bit

- 0 0 0 0 0 0 0 0

- 0 0 0 - + 0 + -

Will change to

ViolationViolation

Polarity of previous

bit

2.5. Thiết bị DCE thu ở băng tần cơ sở.

Thiết bị thu có nhiệm vụ phải làm sao thu đúng những tín hiệu ở băng tần cơ sở đã được phát đi vì vậy bên thu bắt buộc phải có tín hiệu đồng bộ cùng tần số với tín hiệu đồng bộ bên phát. Đồng thời do tín hiệu truyền trên đường dây bị làm méo dạng và bị nhiễu nên trước khi giải mã phải được sửa dạng và khử nhiễu bằng bộ khuếch đại đẳng biên.

Có 2 cách để có tín hiệu đồng bộ ở bộ phận thu :

Phát tín hiệu đồng bộ ở bộ phận phát.

Tạo tín hiệu đồng bộ từ tín hiệu nhận được ở bộ phận thu bằng bộ xác định tần số đồng bộ.

2.6. Chuẩn giao tiếp ở băng cơ bản :


+ 0 0 0 0 +

If the number 1s since the last substitution is odd

+ 0 0 0 0 0

- 0 0 0 0 -

- 0 0 0 0 0

+ - 0 0 0 -

If the number 1s since the last substitution is even

+ 0 0 0 0 0

- + 0 0 0 +

- 0 0 0 0 0

Trong mạng máy tính cục bộ (LAN) hay các thiết bị truyền số liệu đặt trong một số phòng gần nhau hay trong một nhà, để tiết kiệm người ta thường dùng đường truyền nối tiếp ở băng cơ sở.

2.6.1. Giao tiếp vòng 20 mA :

Khi bên phát phát bit “1” tương ứng trên vòng lặp có dòng một chiều 20 mA.

Khi bên phát phát bit “0” tương ứng trên vòng lặp không có dòng một chiều.

Khi chân điều khiển E = 0 ngâ ra cổng NAND ở mức cao T1 dẫn bão hòa VCE1

= 0 T2 tắt dùng ICQ2 = 0 OPTO tắt VB = 5 V RxD = 0.

Nếu E = 1, TxD = 1 ngâ ra cổng NAND ở mức thấp T1 tắt R2, R3 tạo dòng phân cực cho T2 dẫn ICQ2 = 20 mA OPTO dẫn bão hòa VB = 0,2 V RxD = 1.

Nếu E =1, TxD = 0 ngâ ra cổng NAND ở mức cao T1 dẫn bão hòa VCE = 0 T2

tắt ICQ2 = 0 OPTO tắt VB = 5 V RxD = 0. Nghĩa là khi bên phát phát bit “1”, bên thu nhận được bit 1 hoặc bên phát phát bit “0” thì bên thu nhận được bit “0”.

2.6.2. Giao tiếp EIA RS232C.

Chuẩn RS232C ra đời 1969 được chấp nhận làm chuẩn giao tiếp chuyên dùng cho truyền số liệu và các đường nối kiểm tra giữa DTE và DCE. Nó được sử dụng trên đường dây có lưu lượng cực đại 20 Kbps và khoảng cách không quá 15 m.

RS232C sử dụng nguồn 15 V; bit “1” (-5) (-15) V và bit “0” (+5) (+15) V và có 25 chân.

2.6.3. Giao tiếp RS449, RS423, RS422 :


RS449 chia làm 2 loại : RS422A (cân bằng) và RS423A (không cân bằng), mức logic 6 V, có 46 chân.

RS423A có tốc độ truyền :

RS422A có tốc độ truyền :

3. ĐIỀU CHẾ

3.1. Điều chế số.

Chuyển đổi số sang tương tự hay điều chế số sang tương tự là quá trình thay đổi một trong những đặc tính của một tín hiệu tương tự dựa trên thông tin ở một tín hiệu số (các bit 0 và 1). Ví dụ, khi chúng ta thực hiện truyền dữ liệu từ một máy tính sang máy tính khác qua đường thoại công cộng, dữ liệu gốc là dữ liệu số, nhưng do đường dây điện thoại chỉ có thể mang được tín hiệu tương tự, dữ liệu phải được chuyển đổi. Dữ liệu số phải được điều chế trên một tín hiệu tương tự mà đã được xử lý để có 2 giá trị phân biệt tương ứng với bit 1 và 0.

Do có nhiều cơ chế điều chế khác nhau cho điều chế tín hiệu số sang tương tự, chúng ta chỉ bàn luận đến những cơ chế hữu dụng nhất đối với truyền số liệu.

Khi sóng của tín hiệu gốc biểu diễn nhị phân 1, quá trình biến đổi có thể biểu diễn lại bit 0 hoặc ngược lại. Vì vậy, bằng việc thay đổi đặc trưng trước và sau của một tín hiệu điện tử đơn giản , chúng ta có thể sử dụng nó để biểu diễn dữ liệu số. Bất kỳ trong số 3 đặc tính được liệt kê ở trên có thể được sửa đổi theo cách này cho chúng ta ít nhất 3 cơ chế cho việc điều chế dữ liệu số thành một tín hiệu tương tự: Kỹ thuật chèn dịch biện độ ASK (Amplitude Shift Keying), kỹ thuật dịch chèn tần số FSK (Frequency Shift Keying), và kỹ thuật dịch chèn pha PSK (Phase Shift Keying). Hơn nữa, có cơ chế thứ 4 (tốt hơn) tổ hợp các thay đổi này ở cả biên độ lẫn pha được gọi là điều chế biên độ cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation). QAM là một cơ chế hiệu quả và được sử dụng trong mọi modem hiện đại ngày nay.


Các đặc trưng của chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự

Trước khi chúng ta bàn luận về các phương pháp cụ thể của điều chế tín hiệu số sang tương tự, có 2 vấn đề cơ bản cần được xác định: tỉ lệ bit/baud và tín hiệu sóng mang.

Tốc độ bit và tốc độ baud

Hai thuật ngữ được sử dụng thường xuyên trong truyền số liệu và tốc độ bit và tốc độ baud. Tốc độ bit là số các bit được truyền đi trong một giây. Tốc độ baud liên quan đến số các đơn vị tín hiệu mỗi giây cần thiết để biểu diễn các bit này. Trong các bàn luận về hiệu năng của máy tính, tốc độ bit quan trọng hơn- Chúng ta muốn biết phải mất bao lâu để xử lý từng đoạn thông tin. Tuy nhiên, trong truyền số liệu liên quan đến cách hiệu quả để chuyển dữ liệu đó từ nơi này sang nơi khác ở dạng bộ phận hay khối thông tin. Điều này đòi hái cần ít đơn vị dữ liệu hơn do đó hiệu năng của hệ thống tốt hơn và yêu cầu ít băng tần hơn để truyền dẫn nhiều bit hơn; do đó tốc độ baud là quan trọng hơn. Tốc độ baud xác định băng tần cần thiết để gửi tín hiệu.

Tốc độ bit bằng tốc độ baud mà số các bit được biểu diễn bởi từng đơn vị tín hiệu. Tốc độ baud bằng tốc độ bit chia cho số các bit được biểu diễn bởi từng phép dịch chuyển tín hiệu. Tốc độ bit luôn lơn hơn hoặc bằng tốc độ baud.

Tốc độ bit là số các bit mỗi giây. Tốc độ baud là số các đơn vị tín hiệu mỗi giây. Tốc độ baud nhá hơn hoặc bằng tốc độ bit.

Tín hiệu sóng mang (Carrier Signal)Trong truyền phát tín hiệu tương tự, thiết bị gửi tạo ra một tín hiệu tần số cao đóng

vai trò là cơ sở cho tín hiệu thông tin. Tín hiệu cơ sở này được gọi là tín hiệu sóng mang hay tần số mang. Bên thiết bị nhận thực hiện việc điều chỉnh để phù hợp với tần số của tín hiệu sóng mang chuyển đến từ bên gửi. Thông tin số sau đó được điều chế trên sóng mang bằng việc sửa đổi một hoặc nhiều đặc tính của nó (biên độ, tần số, pha). Kiểu sửa đổi này được gọi là điều chế (hay dịch chuyển chèn) và tín hiệu thông tin được gọi là tín hiệu điều chế.

3.1.1. Dịch biên - ASK ( Amplitude Shift Keying)

Trong ASK, cường độ của tín hiệu sóng mang được biến đổi để biểu diễn các bit nhị phân 1 và 0. Cả tần số và pha đều giữ nguyên giá trị trong khi biên độ thay đổi. Việc sử dụng điện áp biểu diễn 1 và 0 là do nhà thiết kế lựa chọn. Chu kỳ của bit là khoảng thời gian để xác định một bit. Đỉnh biên độ của một tín hiệu trong khoảng thời gian bit là hằng số và giá trị của nó phụ thuộc vào bit (0 hay 1). Tốc độ truyền phát sử dụng ASK được giới hạn bởi các đặc tính vật lý của thiết bị truyền dẫn.

Nhược điểm là trong truyền phát kiểu ASK dễ dẫn tới giao thoa nhiễu. Thuật ngữ nhiễu đề cập đến các điện áp không mong muốn phát sinh trên đường truyền bởi nhiều yếu tố khác nhau như là độ ẩm không khí, điện từ trường được tạo bởi các nguồn khác. Các mức điện áp không mong đợi này tổ hợp với tín hiệu làm thay đổi biên độ của tín hiệu. Một


mức điện áp biểu diễn bit 0 có thể chuyển thành mức điện áp biểu diễn 1 và ngược lại. Theo nghiên cứu, người ta thấy rằng phương pháp ASK bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiễu điện áp.

Băng tần cho ASK

Băng tần của một tín hiệu là toàn bộ phạm vi tần số được dùng bởi tín hiệu. Khi chúng ta phân tích một tín hiệu ASK đã được điều chế, chúng ta lấy được phổ của nhiều tần số đơn giản khác nhau. Tuy nhiên, các tần số có nghĩa nhất là khoảng tần số nằm giữa trong khoảng fc-Nbaud /2 và fc+Nbaud/2 trong đó fc là tần số sóng mang.

Mối quan hệ giữa tốc độ baud và băng tần trong ASK.

Yêu cầu về băng tần cho ASK được tính toán bằng cách sử dụng công thức

BW=(1+d)xNbaud

Trong đó:

BW là băng tần

Nbaud là tốc độ baud


d là thừa số liên quan đến điều kiện đường truyền (với giá trị cực tiều bằng 0).

Băng tần tối thiểu cần thiết cho truyền phát bằng tốc độ baud.

Mặc dù chỉ có một tần số sóng mang, quá trình điều chế tạo ra một tín hiệu phức hợp là tổ hợp của nhiều tín hiệu đơn thuần, mỗi tín hiệu có một tần số khác nhau.

3.1.2. Phương pháp dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying)Trong phương pháp FSK, tần số của tín hiệu sóng mang được biến đổi để biểu diễn

bit nhị phân 1 hoặc 0. Tần số của tín hiệu trong khoảng thời gian của từng bit là hằng số và giá trị của nó phụ thuộc vào bit (0 hoặc 1) cả đỉnh biên độ và pha đều giữ nguyên.

FSK tránh được phần lớn các vấn đề gây lỗi của ASK. Bởi vì bên thiết bị nhận tìm kiếm tần số cụ thể thay đổi theo số các chu kỳ cho trước, nó có thể bá qua các điện áp không cần thiết. Thừa số giới hạn của FSK phụ thuộc vào khả năng vật lý của tần số mang.

Băng tần cho FSK

Mặc dù FSK thực hiện dịch chuyển giữa hai tần số sóng mang, nhưng nó lại dễ dàng hơn trong quá trình phân tích hai tần số đang tồn tại. Chúng ta có thể nói rằng phổ của FSK là tổ hợp của hai phổ FSK nằm giữa xung quanh khoảng fc0 và fc1. Băng tần cần thiết cho truyền phát FSK bằng tốc độ baud của tín hiệu cộng với tần số dịch chuyển (sự khác nhau giữa hai tần số sóng mang):

BW=(fc1-fc0)+Nbaud.

Mặc dù chỉ cần 2 tần số sóng mang, quá trình điều chế vẫn tạo ra tần số tổng hợp là tập hợp của nhiều tín hiệu đơn giản, và mỗi tín hiệu này có một tần số riêng.


Mối qua hệ giữa tốc độ baud và băng tần trong FSK

3.1.3. Phương pháp dịch pha PSK (Phase Shift Keying)

Trong PSK, pha của tín hiệu sóng mang được biến đổi để biểu diễn bit nhị phân 1 hoặc 0. Giá trị của cả hai đỉnh biên độ và tần số giữ nguyên. Ví dụ, nếu chúng ta bắt đầu với một pha có tại điểm 0 độ để biểu diễn bit nhị phân 0, sau đó chúng ta thay đổi pha sang 180 độ để bởi bit 1. Pha của tín hiệu trong suốt khoảng thời gian của từng bit bằng hằng số và giá trị của nó phụ thuộc vào bit (0 hay 1).

Phương pháp kể trên thường được gọi là phương pháp 2-PSK hay phương pháp PSK nhị phân, bởi vì chỉ có hai pha phân biệt (0 và 180 độ) được sử dụng.

PSK không dễ bị ảnh hưởng do nhiễu thường gặp phải ở phương pháp ASK, hay các giới hạn về băng tầng cùa FSK. Điều này có nghĩa là với các mức độ biến đổi nhá hơn trong tín hiệu có thể được phát hiện một cách đáng tin cậy bởi bên nhận. Do đó, thay vì chỉ sử dụng hai mức độ biến đổi của một tín hiệu, mỗi tín hiệu biểu diễn một bit, chúng ta có thể sử dụng 4 mức độ biến đổi và đặt mỗi mức dịch pha biểu diễn 2 bit.

Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật 4-PSK hay Q-PSK. Cặp các bit đượcbiểu diễn bởi từng pha được gọi là một dibit. Chúng ta có thể truyền số liệu lớn gấp 2 khi sử dụng 4-PSK thay vì sử dụng 2-PSK.


Chúng ta có thể mở rộng ý tưởng này để tạo ra 8-PSK. Khi đó, thay vì sử gửi dụng các bước dịch pha 90 độ, chúng ta có thể biến đổi tín hiệu bằng các phép dịch pha 45 độ. Với 8 pha khác nhau, mỗi phép dịch có thể biểu diễn 3 bit nhị phân trong 1 lần (được gọi là tribit). (Như chúng ta thấy, mối quan hệ của số các bit mỗi phép dịch chuyển bằng lũy thừa cơ số 2 của số bit biểu diễn. Khi chúng ta có 4 pha, chúng ta có thể gửi đồng thời cùng lúc 2 bit vì 2^2=4. Khi chúng ta có 8 pha, chúng ta có thể gửi đồng thời cùng lúc 3 bit vì 2^3=8.

Dạng sóng 4-PSK

Các đặc tính của 4-PSK

Các đặc tính của 8-PSK

Băng tầng cho phương pháp PSK

Băng tần tối thiểu cần thiết cho truyền phát PSK cũng giống yêu cầu về băng tần đối với truyền phát ASK – và có cùng lý do giống nhau. Như chúng ta đã biết, tốc độ bit tối đa


trong truyền phát PSK lại lớn hơn nhiều so với ASK. Vì vậy, tốc độ baud cực đại của ASK và PSK là tương đương nhau đối với một băng tầng cụ thể. Tốc độ bit của PSK sử dụng chung băng tần có thể lớn gấp 2 hoặc nhiều lần.

Mối quan hệ giữa tốc độ baud và băng tầng sử dụng trong PSK

3.1.4 Điều chế biên độ cầu phương QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

PSK bị giới hạn bởi năng lực của thiết bị để phân biệt sự khác nhau tương đối nhá trong pha. Yếu tố này làm giới hạn tốc độ bit của nó.

Điều chế QAM có nghĩa là tổ hợp phương pháp điều chế ASK và PSK theo một cách nào đó để có được mức độ tương phản tối đa giữa từng bit, dibit, quadbit….

Các mức biến đổi có thể có của QAM là khá nhiều. Về mặt lý thuyết, bất kỳ số đo được các thay đổi trong biên độ cũng có thể được tổ hợp với bấy bất kỳ số đo được các thay đổi trong pha.. Trong cả hai trường hợp 4-QAM và 8-QAM, số các bước dịch biên độ là ít hơn số các bước dịch pha. Bởi vì những thay đổi về biên độ dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và đòi hái có các mức dịch chuyển khác nhau lớn hơn so với số những thay đổi về pha. So các dịch pha được sử dụng trong một hệ thống QAM luôn luôn lớn hơn số các dịch chuyển biên độ.

Các mối quan hệ địa lý khác cũng có thể có. Ba cấu hình 16-QAM phổ biến được thể hiện ở hình sau.


Miền thời gian của tín hiệu 8-QAM

Sơ đồ chòm sao 16-QAM

Đầu tiên, ba biên độ và 12 pha xử lý nhiễu tốt nhất bởi vì một tỉ lệ dịch pha lớn hơn đối với biên độ. Nó là một khuyến cáo của tổ chức ITU-T. Ví dụ thứ 2, 4 biên độ và 8 pha. Nó là khuyến nghị của tổ chức tiêu chuẩn quốc tế OSI. Nếu chúng ta quan sát kỹ đồ thị, chúng ta thấy rằng mặc dù nó dựa trên các hình tròn đồng tâm nhưng không phải mọi điểm giao nhau giữa pha và biên độ đều được sử dụng. Trong thực tế, 4 x 8 =32 các mức biến đổi có thể có. Nhưng bằng việc chỉ sử dụng một nửa những khả năng có thể này, những khác biết đo được giữa các phép dịch chuyển được tăng cường và tính tin cậy của tín hiệu lớn hơn được đảm bảo. Thêm nữa, nhiều thiết kế QAM liên kết các biên độ cụ thể với các pha cụ thể. Điều này nghĩa là với những lỗi do nhiễu gây ra khi dịch chuyển biên độ, ý nghĩa một của phép dịch chuyển vẫn có thể được khôi phục từ thông tin của pha. Do đó, nhìn chung ưu điểm thứ 2 của QAM so với ASK là ít bị ảnh hưởng của nhiễu hơn.

Băng tần cho điều chế QAM

Băng tần tối thiểu cần thiết cho truyền tín hiệu QAM bằng băng tần của ASK và PSK. QAM có cùng các ưu điểm như PSK và ASK.

So sánh bit/baud

Giả sử một tín hiệu FSK qua đường điện thoại có thể gửi 1200 bit/s, tốc độ bit là 1200 bps. Mỗi dịch chuyển tần số biểu diễn một bit đơn: vì vậy cần phải có 1200 phần tử


tín hiệu để gửi 1200 bit. Do đó, tốc độ baud của nó cũng là 1200 bps. Tuy nhiên, mỗi mức biến đổi của tín hiệu trong một hệ thống 8-QAM biểu diễn 3 bit. Vì vậy, tốc độ bit là 1200 bps, sử dụng 8-QAM, có tốc độ baud chỉ bằng 400 bps.

So sánh giữa tốc độ bit và tốc độ baud đối với các phương pháp điều chế số sang tương tự khác nhau

Điều chế Đơn vị tính Bits/Baud Tốc độ baud Tốc độ bitASK, FSK, 2-PSK Bit 1 N N4-PSK, 4-QAM Dibit 2 N 2N8-PSK, 8-QAM Tribit 3 N 3N16-QAM Quadbit 4 N 4N32-QAM Pentabit 5 N 5N64-QAM Hexabit 6 N 6N128-QAM Septabit 7 N 7N256-QAM Octabit 8 N 8N

So sánh tốc độ bit và baud

3.2. Điều chế tương tự.

Một chuyển đổi tương tự sang tương tự là quá trình biểu diễn thông tin tương tự của một tín hiệu tương tự. Sóng vô tuyến là một dạng sóng thường được sử dụng, là một ví dụ về truyền thông tương tự sang tương tự.

Điều chế tương tự sang tương tự có thể được hoàn thành bằng 3 cách sau: Điều chế biên độ (AM), Điều chế tần số FM, và điều chế pha PM.

Bộ điều chế tương tự


Các kiểu điều chế tương tự

3.2.1 Điều chế biên độ AM – Amplitude Modulation

Trong truyền phát AM, tín hiệu sóng mang được điều chế vì vậy biên độ của nó biến đổi bằng các biên độ thay đổi của tín hiệu đang điều chế. Tần số và pha của tín hiệu sóng mang được giữ nguyên; chỉ có biên độ thay đổi theo các mức biến đổi trong thông tin. Tín hiệu điều chế trở thành một phong bì/ vá bọc đối với tín hiệu sóng mang.

Băng tần AM

Băng tần của một tín hiệu AM bằng 2 lần băng tần của tín hiệu điều chế nhân với tần số sóng mang ở đoạn giữa. Phần ngả bóng trong đồ thị là phổ tần số của tín hiệu.

Băng tần của một tín hiệu âm thanh (giọng nói và tiếng nhạc) sử dụng 5 KHz. Do đó, một trạm phát sóng vô tuyến cần băng tần tối thiểu bằng 10 Khz. Thực thế, Ủy ban truyền thông Liên bang Mỹ FCC cho phép 10 KHz cho mỗi trạm phát sóng AM.

Các trạm phát sóng AM được phép có tần số sóng mang ở bất kỳ đầu trong phạm vi từ 530 đến 1700 Khz (1.7 Mhz). Tuy nhiên, mỗi tần số sóng mang của trạm phát phải được phân cách nhau ít nhất là 10 KHz (một băng tần AM) để tránh nhiễu sóng.

Nếu một trạm phát sóng sử dụng sóng mang 1100 KHz, thì sóng mang của trạm tiếp theo không thể nhá hơn 1110 KHz .

Tổng băng tần cần thiết đối với AM có thể được xác định từ băng tần của tín hiệu âm thanh: BWt=2x BWm, trong đó BWm là băng tần của tín hiệu âm thanh.


Băng tần AM

Định vị băng tần AM

3.2.2 Điều chế tần số hay Điều tần (Frequency Modulation – FM)

Trong truyền phát FM, tần số của một sóng mang được điều chế theo mức độ thay đổi điện áp (biên độ) của tín hiệu được điều chế. Đỉnh biên độ và pha của tín hiệu sóng mang không thay đổi, nhưng do biên độ của tín hiệu thông tin thay đổi nên tần số của tín hiệu sóng mang cũng cần thay đổi tương ứng.


Băng tần FM

Băng tần của một tín hiệu FM bằng 10 lần băng tần của tín hiệu được điều chế và giống như băng tần của AM, bao gồm khoảng giữa tần số sóng mang.

Băng tần tổng cần thiết cho một tín hiệu FM có thể được xác định qua băng tần của tín hiệu âm thành:

BWt=10 x BWm

Băng tần FM

Băng tần của một tín hiệu âm thanh (giọng nói, âm nhạc) được phát quảng bá dạng âm thanh nổi phần lớn ở băng tần 15 KHz. Do đó, mỗi trạm phát sóng FM cần cung cấp một khoảng băng tần bảo vệ.

Băng tần của một tín hiệu âm thanh nổi thường là 15 KHz. Do đó, một trạm phát sóng FM cần ít nhật một băng tần bằng 150 KHz. FCC yêu cầu băng tần tối thiểu là 200 KHz (0.2Mhz).

Các trạm phát sóng FM được phép có sóng mang ở giữa khoảng từ 88 MHz đến 108 MHz. Các trạm này phải được phân biệt nhau ít nhất 200 KHz để giữ băng tần của chúng


không bị nạp chồng. FCC yêu cần mỗi trạm cần có một vùng băng tần dành riêng dự phòng khi cần có thể được sử dung. Như vậy tránh được việc 2 trạm phát sóng trùng tần gây nhiễu sóng.

Định vị băng tần FM

3.2.3 Điều chế pha – PM (Phase Modulation)

Do những yêu cầu đơn giản về phần cứng, điều chế pha PM được sử dụng trong một vài hệ thống như là một phương pháp điều tần dự phòng. Trong truyền phát PM, pha của tín hiệu sóng mang đựơc điều chế theo sự thay đổi mức độ điện áp (biên độ) của một tín hiệu cần điều chế. Giá trị đỉnh biên độ và tần số của một tín hiệu sóng mang giữ nguyên, nhưng do biên của của tín hiệu mang thông tin thay đổi nên pha của tín hiệu sóng mang cũng thay đổi theo tương ứng. Quá trình phân tích và kết quả cuối cùng (tín hiệu được điều chế) là tương tự với các kết quả của phương pháp điều tần FM.

BÀI 3 : TRUYỂN SỐ LIỆU


I. TRUYỀN NỐI TIẾP KHÔNG ĐỒNG BỘ.

1.1. Mẫu tín hiệu trong chế độ truyền bất đồng bộ

Trong chế độ truyền bất đồng bộ thông tin được truyền đi dưới dạng từng ký tự và khoảng cách các ký tự là ngẫu nhiên. Tuy nhiên để tạo sự đồng bộ giữa máy phát và thu, giao thức tầng 2 (Data link protocol) có qui định cụ thể về mẫu tín hiệu trong hệ thống truyền bất đồng bộ như sau :

Mỗi ký tự gồm một số bit gọi là ký tự dữ liệu, số này có thể là 5 đối với mã Baudot, 7 nếu là mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) và 8 nếu là mã EBCDIC (Extended Binary-Coded Decimal Information Code, mã BCD mở rộng)

Ngoài ra, để tạo sự đồng bộ, kèm theo các bit mã ký tự còn có các bit Start ở trước mỗi ký tự và các bit Stop ở sau mỗi ký tự. . Các bit Start là các bit 0 và các bit Stop là bit 1. Số bit Start luôn luôn là 1 bit còn số bit Stop có thể là 1, 1,5 hoặc 2 bit.

Nếu có thêm bit kiểm soát chẵn lẻ (parity bit) thì bit này nằm trước bit Stop.

Ở trạng thái nghỉ máy phát luôn phát đi bit 1 gọi là bit nghỉ (idle bit), như vậy máy thu dò ra bit Start khi có sự biến đổi từ 1 xuống 0, sau đó là một chuỗi bit có số lượng theo qui định của giao thức.

1.2. Nguyên tắc :

Bộ ghi dịch là thành phần chính của phần cứng mạch truyền không đồng bộ.

Bên phát


Khi LOAD = “1” dữ liệu vào gồm 8 bit (kể cả bit parity) được đưa đồng thời qua 8 đường vào bộ ghi dịch. Trong bộ ghi dịch có sẵn mạch tạo bit start (bit 0) và 2 bit stop (2 bit 1).

Khi LOAD = “0” các bit của ký tự lần lượt dịch ra truyền trên đường dây. Vậy bộ ghi dịch hoạt động như một mạch biến đổi song song thành nối tiếp.

Bên thu : có mạch phát hiện bit vào (bit start) để báo hiệu bắt đầu thu một ký tự.

READ = “0” : các bit trên đường dây được dịch tuần tự vào bộ ghi dịch (gồm 11 bits : 1 bit start, 8 bits ký tự và 2 bits stop).

READ = “1” :các bit trong bộ ghi dịch (8 bits ký tự) được đọc một cách song song ở đầu ra. Vậy bộ ghi dịch hoạt động như một mạch biến đổi nối tiếp thành song song.

Do bên phát không phát xung clock phát : CLKT, nên bên thu phải có bộ tạo xung clock thu CLKR riêng, sao cho CLKT = CLKR. Khi đó bên phát và bên thu được đồng bộ với nhau.

Hiện nay do kỹ thuật chế tạo phát triển nhiều mạch LSI trên thị trường đáp ứng các chuẩn truyền không đồng bộ như UART 6402, 8251, 6850.

1.3 . Mạch thu phát bất đồng bộ USART – 8251A.

: chọn chip

: đọc

: ghi

CLK : xung đồng bộ

D7 D0 : bus dữ liệu I/O

: clock phát

: clock thu

RST : khởi động

: thiết lập dữ liệu sẵn sàng

: thiết bị đầu cuối dữ liệu sẵn

sàng

: yêu cầu gửi

: xóa để gửi

TxD, RxD : dữ liệu phát, dữ liệu thu


TxRDY, RxRDY : bên phát sẵn sàng; bên thu sẵn sàng.

TxE : thanh ghi phát rỗng;

SYN/BRK : tách xung / đồng bộ

Dữ liệu vào và ra của 8251A đều trên bus dữ liệu D0 D7 .

8251A có thể hoạt động ở mode không đồng bộ và mode đồng bộ. Có 3 quá trình hoạt động : thiết lập sự truyền, truyền 1 ký tự và nhận 1 ký tự.

1.4. Phần mềm cho UART.

Ta có thể thực hiện thu phát bất đồng bộ bằng phần mềm thay cho phần cứng, nhưng bị hạn chế về tốc độ :

II. TRUYỀN ĐỒNG BỘ NỐI TIẾP

2.1. Khái quát

Việc thêm các start bit và nhiều stop bit vào mỗi một ký tự hay byte trong thông tin nối tiếp bất đồng bộ làm cho hiệu suất truyền giảm xuống, đặc biệt là khi truyền một thông điệp gồm một khối ký tự. Mặt khác phương pháp đồng bộ bit được dùng ở đây trở lên thiếu tin cậy khi gia tăng tốc độ truyền. Vì lí do này người ta đưa ra phương pháp mới gọi là truyền đồng bộ, truyền đồng bộ khắc phục được những nhược điểm như trên .Tuy nhiên, cũng giống như truyền bất đồng bộ chúng ta chỉ cho phép những phương pháp nào cho phép máy thu đạt được sự đồng bộ bit , đồng bộ ký tự và đồng bộ frame. Trong thực tế có hai lược đồ truyền nối tiếp đồng bộ: truyền đồng bộ định hướng bit và truyền đồng bộ định hướng ký tự.

2.2. Nguyên tắc đồng bộ bit.


Sự khác nhau cơ bản của truyền bất đồng bộ và đồng bộ là đối với truyền bất đồng bộ đồng hồ thu chạy bất đồng bộ với tín hiệu đến, còn truyền đồng bộ thì đồng hồ thu chạy đồng bộ với tín hiệu đến, các start bit và stop bit không được dùng, thay vì vậy mỗi frame được truyền như là dòng liên tục các ký số nhị phân. Máy thu đồng bộ bit trong hai cách .Hoặc là thông tin định thời được nhúng vào trong tín hiệu truyền và sau đó được tách ra bởi máy thu, hoặc máy thu có một đồng hồ cục bộ được giữ đồng bộ với tín hiệu thu nhờ một thiết bị gọi là DPLL (Digital Phase Lock-Loop). Như chúng ta sẽ thấy, DPLL lợi dụng sự chuyển trạng thái từ bit 1->0 hay từ 0 ->1 trong tín hiệu thu để duy trì sừ đồng bộ qua một khoảng thời gian định kì nào đó.Lược đồ lai ghép là kết hợp cả hai cách

Các phương pháp đồng bộ xung đồng hồ

Mã hoá xung đồng hồ

Dùng DPLL

Phối hợp hai cách trên

2.3.Truyền đồng bộ định hướng ký tự.


Có hai kiểu điều khiển truyền đồng bộ: đồng bộ định hướng ký tự và đồng bộ định hướng bit. Cả hai đều dựng các nguyên tắc đồng bộ bit giống nhau. Khác nhau chủ yếu giữa hai lược đồ là phương pháp được dựng để đạt được sự đồng bộ ký tự và đồng bộ frame.

Truyền đồng bộ định hướng ký tự được dựng chủ yếu để truyền các khối ký tự, như là các tập tin dạng text. Vì không có start bit hay stop bit nên cần phải có cách thức để đồng bộ ký tự. Để thực hiện đồng bộ này, máy phát thờm vào các ký tự điều khiển truyền, gọi là các ký tự đồng bộ SYN, ngay trước các khối ký tự truyền. Các ký tự điều khiển này phải có hai chức năng: trước hết, chúng cho máy thu thu duy trì đồng bộ bit, thứ hai, khi điều khiển đó được thực hiện, chúng cho phép máy thu bắt đầu biên dịch luồng bit theo các danh giới ký tự chính xác_sự đồng bộ ký tự.

Khuôn dạng frame

Sự đồng bộ frame đạt được theo phương thức giống như truyền bất đồng bộ bằng cách đúng gởi khối ký tự giữa cặp ký tự điều khiển truyền STX-ETX. Các ký tự điều khiển SYN thường được dựng bởi bộ thu để đồng bộ ký tự thì đứng trước ký tự STX (start of frame)

Sự đồng bộ ký tự.

Khi máy thu đó được đồng bộ bit thì nó chuyển vào chế độ làm việc gọi là chế độ bắt số liệu. Khi bộ thu vào chế độ bắt số liệu, nó bắt đầu dịch dòng bit trong một cửa sổ 8 bit khi tiếp nhận một bit mới. Bằng cách này, khi nhận được mỗi bit, nó kiểm tra xem 8 bit sau


cùng có đỳng bằng ký tự đồng bộ hay không. Nếu không bằng, nó tiếp tục thu bit kế tiếp và lặp lại thao tác kiểm tra này. Nếu tìm thấy ký tự đồng bộ, các ký tự tiếp được đọc sau mỗi 8 bit thu được.

Khi ở trong trạng thái đồng bộ ký tự, máy thu bắt đầu xử lý mỗi ký tự thu nối tiếp để dò ra ký tự STX đầu frame. Khi phát hiện một STX, máy thu xử lý nhận nội dung frame và chỉ kết thúc công việc này khi phát hiện ra ký tự ETX. Trên một liên kết điểm-nối-điểm, thông thường máy phát sẽ quay trở lại truyền các ký tự SYN để máy thu duy trì cơ cấu đồng bộ. Dĩ nhiên, toàn bộ thủ tục trên đều phải được lặp lại mỗi khi truyền một frame mới.

Khi dữ liệu nhị phân đang được truyền, sự trong suốt dữ liệu đạt được giống như phương pháp đó được mụ tả trong mục nguyờn tắc đồng bộ frame trước đây, có nghĩa là dựng một ký tự DLE chèn vào trước STX và ETX, và chèn một DLE vào bất cứ vị trí nào trong nội dung có chứa một DLE. Trong trường hợp này, các ký tự SYN đứng trước ký tự DLE đầu tiên.

Sự trong suốt của dữ liệu

2.4.Truyền đồng bộ định hướng bit.

Việc dựng một cặp ký tự bắt đầu và kết thúc một frame để đồng bộ frame, cùng với việc thêm vào các ký tự DLE không hiệu quả cho việc truyền số liệu nhị phân. Hơn nữa, dạng của các ký tự điều khiển truyền thay đổi theo các bộ mã ký tự khác nhau, vì vậy chỉ có thể sử dụng với một bộ ký tự. Để khắc phục các vấn đề này người ta dựng lược đồ truyền đồng bộ định hướng bit. Lược đồ này được xem như lược đồ điều khiển dựng cho việc truyền các frame dữ liệu gồm dữ liệu in được và dữ liệu nhị phân.Ba lược đồ định hướng bit chủ yếu. Chúng khác nhau chủ yếu ở phương pháp bắt đầu và kết thúc mỗi frame.

Bắt đầu và kết thúc một frame bằng một ‘cờ’ 8 bit 01111110. Dựng thuật ngữ ‘định hướng bit’ vì luồng thu được dò theo từng bit. Do đú về nguyờn lý nội dung của frame không nhất thiết phải là một bội số của bit. Để cho phép máy thu tiếp cận và duy trì cơ cấu đồng bộ bit, máy phát phải gửi một chuỗi các byte idle (nhàn rỗi) 01111111 đỳng trước cờ bắt đầu frame.Với NRZI mã hóa bit 0 trong idle cho phép DPLL tại máy thu tiếp cận và duy trì sự đồng bộ đồng hồ. Khi nhận được cờ khởi đầu frame, nội dung của frame được đọc và dịch theo các khoảng 8 bit cho đến khi gặp cờ kết thúc frame.


Để đạt được tính trong suốt dữ liệu, cần đảm bảo cờ không được nhận lầm trong phần nội dung.

Vì lý do này người ta dựng kỹ thuật chèn bit 0 hay cũng gọi là ký thuật “nhồi bit’ (bit stuffing ).

Mạch thực hiện chức năng này đặt tại đầu ra của thanh ghi PISO. Mạch này chỉ hoạt động trong quỏ trình truyền nội dung của frame. Khi có một tuần tự 5 bit 1 liên tục nó sẽ tự động chèn vào một bit 0 .Bằng cách này sẽ không bao giờ có cờ trong phần nội dung truyền đi. Một mạch tương tự tại máy thu nằm ngay trước lối vào thanh ghi PISO thực hiện chức năng gỡ bá bit 0 theo hướng ngược lại.

Phương pháp đồng bộ frame thiên hướng bit dùng cờ


Chỉ định chiều dài và ranh giới bắt đầu frame

Cưỡng bức mã hoá bit

Khi môi trường truyền là môi trường quảng bá và chia sẻ cho tất cả các DTE. Để cho phép tất cả các trạm khác nhau đạt được sự đồng bộ bit. Trạm truyền đặt vào trước nội dung frame một mẫu bit gọi là mẫu mở đầu _preamble_ bao gồm mười cặp 10. Một khi đó đồng bộ, máy thu dò từng dòng bit một cho đến khi tìm thấy byte khởi đầu khung 10101011. Một header cố định xác định phía sau bao gồm địa chỉ, thông tin chiều dài phần nội dung. Do đó, với lược đồ này máy thu chỉ cần đếm số byte thích hợp để xác định sự kết thúc mỗi frame.

Sự bắt đầu và kết thúc của mỗi frame được chỉ định bởi các mẫu mã báo bit không chuẩn. Vớ dụ mó Manchester, thay cho truyền một tớn hiệu tại giữa thời bit, mức tín hiệu duy trì tại cùng mức như bit trước trong thời bit hoàn chỉnh (J) hay tại mức ngược (K).Một lần nữa, để phát hiện đầu và cuối frame, máy thu dò từng bit, trước hết phát hiện JK0JK000 và sau đó phát hiện mẫu kết thúc JK1JK111 .Vì các ký hiệu J, K là các mã bit không chuẩn, nên trong phần nội dung của frame sẽ không chứa các ký hiệu này, như vậy đạt được sự trong suốt dữ liệu.

2.5. Giao tiếp giữa DTE – DCE trong truyền đồng bộ :

Khi tốc độ mạng truyền khoảng 1200 bps thì người ta dùng truyền đồng bộ, modem đồng bộ được sử dụng, nó sẽ tạo xung clock thu tự động đồng bộ với dòng dữ liệu.

Chuẩn giao tiếp RS232 và RS449 được sử dụng. Có 4 nguyên tắc đồng bộ :

Thiết bị đầu cuối kiểm tra thời gian từng bên riêng.

Modem đầu cuối kiểm tra thời gian từng bên riêng.


Thiết bị đầu cuối A kiểm tra thời gian 2 bên.

Modem A kiểm tra thời gian 2 bên.

2.6. Một số giao thức truyền đồng bộ

2.6.1. Protocol BISYNC (BSC)

SYN SYN SOH Header STX Text ETX BCC

Thuộc lớp 2 của hệ thống mở OSI 7 lớp, lớp này có nhiệm vụ kiểm tra sự dịch chuyển thông tin. Tiêu chuẩn BISYNC là protocol kiểm tra theo thứ tự. Thông báo dạng BISYNC được truyền theo khối, mỗi khối có một hoặc nhiều tín hiệu đồng bộ (SYN). Mã được dùng trong BISYNC là mã ASCII. Các ký tự điều khiển được dùng là :

SYN : ký tự đồng bộ $16.

SOH : ký tự bắt đầu header $01.

STX : ký tự bắt đầu cho text $02.

EXT : ký tự kết thúc cho text $03.

Thông báo BISYNC có dạng :

TEXT : nội dung của thông báo.

HEADER : ghi địa chỉ người nhận và ACK/NAK khi cần thiết.

BCC : byte ký tự kiểm tra khối, thường là ký tự xét tổng kiểm tra chẵn lẻ.

Khi phía thu nhận toàn khối, bộ phận thu sẽ tính BCC và so sánh với BCC đã nhận, sau đó nó thông báo ACK hay NAK. Bộ phận phát sẽ phát lại nếu sai (nhận NAK) cho đến khi khối đó nhận đúng. Như vậy, BISYNC là protocol half-duplex (bán song công), kiểm tra theo byte.

2.6.2. Protocol SDLC :

Là protocol kiểm tra theo bit, nó ít phụ thuộc vào các ký tự. Với một số ký tự dự trữ cho kiểm tra đường dây, SDLC dễ dàng làm cho dãy số liệu truyền trong suốt. Thông tin trong SDLC được tổ chức theo khung.

Flag Address Control Use data FCS Flag

8 bits 8 8 n x 8 16/32 8

Vùng Flag (vùng cờ) : dùng để truyền tín hiệu đồng bộ, báo cho sự bắt đầu và kết thúc một khung truyền. Giá trị của flag được qui định “01111110”. Để tránh nhầm lẫn, các byte còn lại không được xuất hiện liên tiếp 6 bit 1. Bộ phận truyền sẽ nhồi thêm bit “0” sau mỗi cụm 5 bit 1 liên tiếp trong frame. Ở phía thu, sau khi tách flag sẽ tiến hành tách các bit “0”, rồi mới tách địa chỉ, điều khiển, FCS, phần còn lại sẽ là dữ liệu.


Vùng Address : thường có độ dài 1 byte. Nó dùng để ghi địa chỉ của trạm thứ 2. Địa chỉ FF dùng cho tất cả các terminal trong mạng.

Vùng Control : có độ dài 8 bit, có 3 loại khung :

Khung thông tin (I) : mang dữ liệu cần truyền cho trạm. Dữ liệu được dùng có kiểm tra vùng, kiểm tra sai sử dụng ARQ.

Khung giám sát (S) : chính số đếm khung (phát và thu), trả lới ACK/NAK, thông báo bận để điều khiển sai và điều khiển luồng .

Khung không đếm số (U) : dùng để quản lý đường nối như thiết lập mạch, giải phóng mạch, thử trạm …

Vùng dữ liệu của người sử dụng (user data) : có thể có độ dài tùy ý nhưng trong khi sử dụng nó tùy thuộc vào số byte của SDLC quy định.

Vùng FCS : có độ dài 16 bit, CRC có đa thức sinh g(x)=x16 +x12 +x5+1

2.6.3. Protocol HDLC :

Protocol HDLC hoàn toàn giống như SDLC. SDLC do tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO), còn HDLC do Uy ban tư vấn quốc tế về telephone và telegraph CCITT đề xuất sử dụng X25 trong mạng chuyển mạch gói.

Cấu trúc vùng điều khiển của HDLC :

Bit 1 2 3 4 5 6 7 8

Dạng

I 0 N(S) P/F N(R)

S 1 0 S S P/F N(R)

U 1 1 M M P/F M

N(S) : chỉ ra bộ đếm dãy phát; N(R) chỉ ra bộ đếm dãy nhận. Thông thường N(R) = N(S) +1.

P/F : bit chỉ thị : P = 1 : sơ cấp điều khiển thứ cấp.

F = 1 : thứ cấp trả lời sơ cấp.

Đối với HDLC mở rộng có thể có nhiều byte địa chỉ. Bit đầu tiên của các byte địa chỉ là “0”, chỉ có byte cuối cùng của vùng địa chỉ có bit đầu tiên là “1”.

Nếu byte địa chỉ có giá trị “11111111”, nghĩa là sơ cấp sẽ gửi frame đó cho tất cả các thứ cấp trong mạng.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

12

13

14

15

16

8n

0 0 … 1

Vùng kiểm tra của HDLC mở rộng thì có 2 byte như sau :

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Dạng I 0 N(S) P/F N(R)

Dạng S 1 0 S S 0 0 0 0 P/F N(R)

Dạng U 1 1 M M U M M M P/F X X

Mỗi một I frame gồm có số thứ tự của frame phát (N(S)) cũng như sự phụ thuộc vị trí của ACK. ACK là số thứ tự của frame tiếp theo sẽ được chấp nhận (N(R)). Cửa sổ cực đại được chấp nhận là 7 = 23 – 1 đối với HDLC và 127 = 27 – 1 đối với HDLC mở rộng (trừ trạng thái toàn 0).

Dãy kiểm tra khung (FCS) thường có 16 bit CRC hoặc 32 bit CRC.

Quá trình tạo thành (đóng khung) và khôi phục (mở khung) HDLC gồm các bước như sau :

BÀI 4 : PHÁT HIỆN SAI VÀ SỬA SAI

TRONG TRUYỀN SỐ LIỆU

Các mạng phải có khả năng cho phép truyền dữ liệu từ một thiết bị đến thiết bị khác với độ chính xác cao. Một hệ thống không thể đảm bảo rằng dữ liệu nhận được bởi một thiết bị là hoàn toàn giống với dữ liệu được truyền phát từ một thiết bị khác là một hệ thống vô dụng. Tại bất kỳ thời điểm nào dữ liệu được truyền đi từ nguồn tới đích, chúng có


thể trở nên bị sai lạc trên đường truyền. Trong thực tế, người ta thấy rằng chỉ một phần nào đó của thông điệp bị thay đổi trên đường truyền. Có nhiều yếu tố, bao gồm nhiều đường truyền có thể thay đổi hoặc làm mất một hoặc một số bit của một đơn vị dữ liệu. Các hệ thống đáng tin cậy phải có cơ chế cho phép dò tìm và sửa những lỗi đó.

Dữ liệu có thể bị sai lệch trong quá trình truyền. Đối với một truyền thông đáng tin cậy, các lỗi phải được dò tìm và sửa chữa.

Dò tìm và sửa lỗi được thực hiện ở tầng liên kết dữ liệu hoặc tầng giao vận của mô hình OSI.

I. CÁC KIỂU LỖI

Bất cứ khi nào một tín hiệu điện từ di chuyển từ một điểm này tới điểm khác, nó dễ bị nhiễu không đoán trước từ sức nóng, từ tính và các dạng của của điện. Sự nhiễu này có thể làm thay đổi hình dạng và thời gian của tín hiệu. Nếu tín hiệu mang dữ liệu nhị phân được mã hóa, những thay đổi như thế có thể làm thay đổi ý nghĩa của dữ liệu. Trong một lỗi đơn bit, một bit 0 được thay đổi thành 1 hoặc 1 thành 0. Trong một lỗi hàng loạt bit, nhiều bit bịt thay đổi. Ví dụ một nhiễu xung hàng hoạt kéo dài 0.01 giây trên đường truyền cùng với một tốc độ dữ liệu 1200 bps có thể thay đổi tất cả hoặc một vài bit trong 12 bit thông tin.

Các kiểu lỗi

Lỗi bit đơn

Thuật ngữ lỗi bit đơn có nghĩa là chỉ một bit của một đơn vị dữ liệu (như là một byte ký tự, đơn vị dữ liệu) bị thay đổi từ 1 thành 0 và tư 0 đến 1.

Trong lỗi bit đơn, chỉ một bit trong đơn vị dữ liệu bị thay đổi

Để hiểu tầm ảnh hướng của thay đổi đó, chúng ta hình dung rằng mỗi nhóm 8 bit là một ký tự ASCII với một bit 0 được bổ sung vào bên trái. Trong hình vẽ, 00000010 (ASCII STX) được gửi đi, có nghĩa là ký tự bắt đầu, nhưng bên nhận lại nhận được 00001010 (ASCII LF- line feed) .

Lỗi bit đơn


Các lỗi bit đơn là kiểu lỗi ít xảy ra trong truyền dữ liệu nói tiếp. Để hiểu lí do tại sao, ta hãy hình dùng người gửi thực hiện gửi dữ liệu với tốc độ 1 Mbps. Điều đó có nghĩa là một bit chỉ kéo dài trong khoảng 1/1.000.000 giây hay 1 micro giây. Để lỗi bit đơn xảy ra, nhiễu phải nằm trong khoảng 1 micro giây, điều đó ít khi xảy ra; nhiễu thường kéo dài hơn nhiều so với khoảng đó.

Tuy nhiên, lỗi bit đơn có thể xảy ra nếu chúng ta gửi dữ liệu sử dụng truyền dữ liệu song song. Ví dụ, nếu có 8 đường song song được sử dụng để gửi tất cả 8 bit của một byte ở cùng một thời điểm, một trong những đường đó bị nhiễu, một bit có thể bị thay đổi trong mỗi byte. Ví dụ như thực hiện truyền dẫn song song trong một máy tính giữa CPU và bộ nhớ.

Lỗi hàng loạt- Burst Error

Thuật ngữ lỗi hàng loạt nghĩa là có 2 hay nhiều bit trong đơn vị dữ liệu có thay đổi bit 1 thành bit 0 và từ 0 thành 1.

Lỗi hàng loạt có độ dài bằng 5

Trong trường hợp này, 0100010001000011 được gửi, nhưng bên nhận thì nhận được 0101110101000011. Chú ý là lỗi bit hàng loạt không phải luôn luôn có nghĩa là xảy ra ở các bit liên tiếp nhau. Chiều dài của một loạt được định lượng từ bit bịt lỗi đầu tiên tới bit bị lỗi cuối cùng. Một số bit nằm giữa có thể không bị ảnh hưởng.

II. PHÁT HIỆN SAI TRONG TRUYỀN SỐ LIỆU

1. Phương pháp dò dùng dư thừa - Redundancy

Một cơ chế dò tìm lỗi phải thoả mãn những yêu cầu đặt ra cần phải gửi tất cả dữ liệu 2 lần. Thiết bị nhận sau đó sẽ có thể thực hiện công việc so sánh bit-bit giữa hai phiên bản dữ liệu. Bất kỳ sự khác nhau nào sẽ chỉ bảo một lỗi và một cơ chế sửa lỗi phù hợp sẽ được thiết lập tại đó. Hệ thống này sẽ hoàn thành một cách chính xác (các lỗi bít lẻ được đưa ra bằng đúng các bit trong cả hai tập dữ liệu là rất nhỏ), nhưng cách này cũng khá chậm, Không chỉ mất gấp đôi thời gian cho việc truyền dẫn mà còn mất thời gian cho quá trình so sánh từng đơn vị bit-bit.

Khái nhiệm bao gộp thông tin bổ sung trong truyền dẫn chỉ dành cho mục đích so sánh là một cách tốt. Nhưng thay vì lặp lại toàn bộ dòng dữ liệu, một nhóm nhỏ hơn các bit có thể được ghép thêm vào cuối mỗi đơn vị. Kỹ thuật này được gọi là dư thừa –


redundancy bởi vì các bit phụ thêm là dư thừa đối với dữ liệu thông tin; chúng sẽ bị loại bỏ ngay khi độ chính xác của truyền dẫn được xác nhận.

Dò tìm lỗi sử dụng khái niệm về dư thừa có nghĩa là ghép thêm các bit phụ thêm cho việc dò tìm lỗi tại thiết bị nhận.

Mô hình hoạt động của kỹ thuật dư thừa

Một khi dòng dữ liệu được tạo ra, nó truyền qua một thiết bị và thiết bị này thực hiện phân tích dòng dữ liệu, bổ sung một mã kiểm tra dư thừa một cách hợp lý. Đơn vị dữ liệu giờ có chiều dài được mở rộng thêm nhiều bit (trong hình minh họa là 7 bit thêm), đi qua đường kết nối tới bên nhận. Bên nhận chuyển toàn bộ dòng dữ liệu đó qua một bộ phận chức năng kiểm tra. Nếu dòng bit nhận được kiểm tra dựa vào các tiêu chuẩn xác định, phần dữ liệu của đơn vị dữ liệu được chấp nhận và các bit dư thừa được loại bỏ.

Có 4 kỹ thuật kiểm tra kiểu dư thừa được sử dụng trong truyền số liệu; kiểm tra VRC (Vertical redundancy Check) hay còn được gọi là kiểm tra chẵn lẻ, kỹ thuật LRC (Longitudinal Redundancy Check), kỹ thuật CRC (Cyclical Redundancy Check) và CheckSum. Ba kỹ thuật đầu tiên VRC, LRC và CRC thường được thực hiện trong tầng vật lý cho mục đích sử dụng trong tầng liên kết dữ liệu, còn kỹ thuật thứ 4- Checksum được sử dụng chính thức trong các tầng phía trên

Các kỹ thuật dò tìm lỗi

2. Kỹ thuật VRC

Cơ chế phổ biến và chi phí ít nhất cho dò tìm lỗi là kỹ thuật VRC, thường được gọi là kiểm tra chẵn lẻ. Trong kỹ thuật này, một bit dư thừa được gọi là bit chẵn lẻ được ghép vào mọi đơn vị dữ liệu sao cho tổng số các bit 1 trong đơn vị dữ liệu đó (bao gồm cả bit chẵn lẻ) trở thành chẵn.


Trong kỹ thuật VRC, một bit chẵn lẻ được bổ sung vào tất cả các đơn vị dữ liệu sao cho tổng số bit 1 trong đơn vị dữ liệu trở thành một số chẵn.

Khái niệm về kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ VRC

Chú ý rằng để cho đơn giản, chúng ta chỉ bản luận về kiểm tra chẵn lẻ ở đó số các bít 1 sẽ là một số chẵn. Trong một vài hệ thống có thể sử dụng kiểm tra tính lẻ chẵn (odd parity). Nguyên tắc thì giống nhau nhưng việc tính toán thì khác nhau.

Hiệu quả của kỹ thuật VRC

VRC có thể dò tìm tất cả các lỗi bit đơn. Nó cũng có thể do tìm các lỗi hàng loạt bit miễn là tổng số các bit thay đổi luôn là số lẻ ( 1, 3, 5…). Chúng ta hãy lấy ví dụ một đơn vị dữ liệu chẵn lẻ ở đó tổng số các bit 1 bao gồm bit kiểm tra chẵn lẻ là 6: 1000111011. Nếu bất kỳ 3 bit nào thay đổi giá trị, kết quả chẵn lẻ sẽ là lẻ và lỗi sẽ được dò tìm: 1 111111011: 9, 0110111011:7, 1100010011:5. Bộ kiểm tra VRC sẽ trả về một kết quả là 1 và đơn vị dữ liệu bị loại bỏ. Điều này cũng đúng đối với bất kỳ lỗi kiểu bit lẻ nào.

Tuy nhiên, giả sử có 2 bit của đơn vị dữ liệu bị thay đổi: 1110111011:8, 1100011011:6, 1000011010:4. Trong mỗi trường hợp số các bit 1 trong đơn vị dữ liệu vẫn luôn là chẵn. Bộ kiểm tra VRC không thể dò tìm khi tổng số các bit bị thay đổi là chẵn. Nếu bất kỳ hai bit nào thay đổi trong truyền dẫn, những thay đổi này loại bỏ lẫn nhau và đơn vị dữ liệu vẫn qua được kiểm tra tính chẵn lẻ thậm chí đơn vị dữ liệu bị hư hại. Điều này cùng đúng đối với bất kỳ lỗi số chẵn nào.

VRC có thể dò tìm mọi kiểu lỗi đơn. Nó có thể dò tìm các lỗi loạt bit khi và chỉ khi tổng số các lỗi trong mỗi đơn vị dữ liệu là lẻ.

3. Kỹ thuật LRC (Longitudinal Redundancy Check)

Trong kỹ thuật LRC, một khối các bit được tổ chức trong một bảng (các hàng và các cột). Ví dụ, thay vì gửi một khối 32 bit, chúng ta tổ chức chúng thành trong một bảng tạo bởi 4 hàng và 8 cột,. Sau đó tính toán bit chẵn lẻ cho từng cột và tạo ra một hàng mới 8 bit, các hàng đó là các bit kiểm tra tính chẵn lẻ cho toàn khối. Chú ý là bit chẵn lẻ đầu tiên


trong hàng thứ 5 được tính dựa vào tất cả các bit đầu tiên. Bit chẵn lẻ thứ 2 được tính toán dựa trên trên tất cả các bit thứ 2, vân vân…

Sau đó có thể đính kèm 8 bit chẵn lẻ vào dữ liệu gốc và gửi chúng tới bên nhận.

LRC

Trong kỹ thuật kiểm tra LRC, một khối các bit được chia thành các hàng và một hàng các bit dư thừa được thêm vào toàn khối.

Hiệu quả của kỹ thuật LRC

LRC là kỹ thuật tăng cường khả năng dò tìm các lỗi bit hàng loạt. Như ví dụ trước chúng ta đã thấy, một LRC của n bit có thể dễ dàng dò tìm một lỗi loạt bit của n bit. Một lỗi hàng loạt của nhiều hơn n bit cũng được dò tìm qua LRC với khả quan rất cao. Tuy nhiên, khi ở đó có một mẫu các bit vẫn chưa khắc phục được. Nếu 2 bit trong một đơn vị dữ liệu bịt thay đổi và hai bit ở cùng đúng vị trí trong đơn vị dữ liệu khác cũng bị hưu hại, Bộ kiểm tra LRC sẽ không dò tìm thấy lỗi. Ví dụ, ay xem xét có 2 đơn vị dữ liệu: 11110000 và 11000011. Nếu các bit đầu tiên và các bit cuối cùng trong từng đơn vị dữ liệu đó bị thay đổi, tạo ra các đơn vị dữ liệu được đọc là 01110001 và 01000010, lỗi đó không thể được dò tìm bởi LRC.

4. Kỹ thuật kiểm tra vòng – CRC (Cyclic Redundancy Check)

Kỹ thuật thứ 3 và là kỹ thuật mạn nhất trong các kỹ thuật kiểm tra dư thừa đó là kỹ thuật kiểm tra vòng – CRC. Không giống như kỹ thuật VRC và LRC dựa chủ yếu vào phần bit bổ sung, kỹ thuật CRC dựa trên phép chia nhị phân. Trong CRC, thay vì thêm các bit để cùng đạt được một tính chẵn lẻ theo mong đợi, một chuỗi các bit dư thừa được gọi là CRC hay số dư CRC, được ghép vào cuối đơn vị dữ liệu do đó đơn vị dữ liệu kết quả có thể chia hết cho số nhị phân thứ hai được xác định trước. Tại đích của nó, đơn vị dữ liệu đến được chia bởi cùng số đó. Nếu tại bước này, phép chia có số dư bằng 0, đơn vị dữ liệu được coi là còn nguyên vẹn và do đó được chấp nhận. Nếu số dư khác không có nghĩa là đơn vị dữ liệu đó đã bị hư hại trong quá trình truyền và do đó bị loại bỏ.


Các bit dư thừa được sử dụng bởi CRC lấy được từ phép chia đơn vị dữ liệu theo số chia đã xác định trước; phần dư của phép chia sẽ là CRC. Để có thể phân loại quá trình này, chúng ta bắt đầu một cách tổng quan và sau đó đi sâu vào chi tiết hơn.

Bộ tạo và bộ kiểm tra CRC

Bước thứ nhất, một chuỗi n bit được ghép vào đơn vị dữ liệu. Số n là một số nhỏ hơn số các bit trong số chia xác định trước có chiều dài n+1 bit

Bước thứ hai, đơn vị dữ liệu mới kéo dài chia cho số chia sử dụng một quá trình gọi là chia nhị phân. Phần dư của phép chia là CRC.

Bước thứ 3, CRC của n bit dẫn ra từ bước 2 thay thế các bit 0 được ghép vào cuối đơn vị dữ liệu. Chú ý là CRC có thể bao gồm tất cả các bit 0.

Đầu tiên, dữ liệu được nhận, theo đó là CRC. Bên nhận coi toàn bộ chuỗi dữ liệu đó là một đơn vị và chia nó cho cùng số chia mà đã được sử dụng trước đó để tìm ra số dư CRC.

Nếu chuỗi đến mà không có lỗi, bộ kiểm tra CRC sẽ cho kết quả đầu ra là số dư bằng 0 và đơn vị dữ liệu được qua. Nếu chuỗi đó bị thay đổi trong quá trình truyền, kết quả phép chia là một số khác 0, do đó đơn vị dữ liệu không được qua.

Bộ sinh CRC- CRC generator

Một bộ sinh CRC sử dụng phép chia modulor 2. Trong bước đầu tiên, số chia 4 bit được trừ đi từ 4 bit đầu tiên của số bị chia. Mỗi bit của số chia được trừ đi tương ứng với bit của số bị chia mà không cần nhớ sang bit tiếp theo cao hơn. Trong ví dụ của chúng ta, số chia 1101 được trừ từ 4 bit của số bị chia, 1001 cho kết quả là 100 ( số 0 ở đầu của số dư được bỏ đi).


Các bít chưa được sử dụng tiếp theo từ số bị chia sau đó được chuyển xuống dưới để tạo ra số các bit trong số dư bằng với số các bit ở số chia. Do đó, theo bước tiếp theo là 1000-1101=101…

Trong quá trình này, số chia luôn bắt đầu với bit 1; số chia được trừ từ một phần của số bị chia/số dư trước bằng nhau về độ dài; số chia chỉ có thể được trừ đi từ số bị chia/số dư mà bit trái nhất của nó bằng 1. Tại bất kỳ thời điểm nào bit trái nhất này của bị chia/số dư là 0, một chuỗi các số 0, có cùng chiều dài như số chia, thay thế số chia trong bước đó của toàn bộ quá trình. Ví dụ, nếu số chia có độ dài 4 bit, nó được thay thế bằng 4 số 0. (Chú ý rằng chúng ta đang xử lý với các mẫu bit, chứ không phải với các giá trị định lượng; 0000 không giống 0.). Hạn chế này có nghĩa rằng tại bất kỳ bước nào bên trái nhất của phép trừ sẽ là 0-0 hoặc 1-1, cả hai đều bằng 0. Vì vậy, sau phép trừ, bit bên trái nhất của số dư sẽ luôn dẫn tới 0, do đó bit này được loại bỏ và bit tiếp theo chưa được sử dụng của số bị chia được đẩy xuống để đưa ra số dư. Cần chú ý là chỉ có bit đầu tiên của số dư được loại bỏ- nếu bit tiếp theo cũng là 0, nó vẫn được giữ lại, và số bị chia/số dư cho bước tiếp theo sẽ bắt đầu với 0. Quá trình này lắp lại cho đến khi toàn bộ số bị chia được sử dụng.

Bộ kiểm tra CRC- CRC Checker

Bộ kiểm tra CRC thực hiện chức năng một cách chính xác như bộ sinh CRC. Sau khi nhận được dữ liệu được ghép với CRC, nó tương tự thực hiện phép chia modulor-2. Nếu số dư tất cả bằng 0, các bit CRC được bỏ đi và dữ liệu được chấp nhận, nếu không dòng các bit nhận được bị bỏ đi và dữ liệu được gửi lại. Chúng ta giải sử rằng không có lỗi xảy ra. Số chia do đó tất cả bằng 0 và dữ liệu được chấp nhận.


Các đa thức CRC

Bộ sinh CRC (số chia) thường được biểu diễn không chỉ ở dưới dạng chuỗi các bit 0 và 1 mà còn là một đa thức đại số. Khuôn dạng của đa thức là hữu dụng vì hai lý do: Nó ngắn, và có thể được sử dụng để chứng minh khái niệm toán học

Mối quan hệ của một đa thức đối với biểu diễn nhị phân

Một đa thức sẽ được lựa chọn sao cho thỏa mãn:

Nó sẽ không được chia hết bởi x


Nó có thể được chia hết bởi (x+1)

Điều kiện đầu tiên đảm bảo rằng tất cả các lỗi hàng loạt bit có độ dài bằng với độ dài của đa thức được dò thấy. Điều kiện thứ 2 đảm bảo rằng mọi lỗi bit hàng loạt ảnh hưởng một số lẻ các bit được dò thấy.

Các đa thức chuẩn

Hiệu quả của kỹ thuật của CRC

CRC là phương pháp dò tìm lỗi rất hiệu quả. Nếu số chia được chọn theo nguyên tắc đã nếu trước đó thì:

CRC có thể dò tất cả các lỗi hàng loạt bit mà ảnh hưởng một số lẻ các bit

CRC có thể dò tất cả các lỗi hàng loạt có chiều dài nhỏ hơn hoặc bằng bậc của đa thức.

CRC có thể dò tìm với khả năng tìm thấy lỗi hàng loạt bit có chiều dài lớn hơn bậc của đa thức.

5. CHECKSUM

Phương pháp dò tìm lỗi được sử dụng bởi các giao thức ở tầng cao hơn được gọi là checksum. Giống như VRC, LRC và CRC, checksum dựa trên khái niệm về dư thừa- redundancy

Bộ sinh checksum

Ở bên gửi, bộ sinh checksum chia nhỏ đơn vị dữ liệu thành các phân đoạn bằng nhau n bit (thường là 16). Các phân đoạn này được cộng vào với nhau sử dụng phép tính phần bù số học sao cho tổng số cùng là n bit. Tổng đó sau đó được lấy phần bù và được ghép vào cuối đơn vị dữ liệu gốc với vai trò là các bit dư thừa và được gọi là trường checksum. Đơn vị dữ liệu được mở rộng được truyền qua mạng. Vì thế nếu tổng của đơn vị dữ liệu là T thì checksum sẽ là –T.

Bộ kiểm tra Checksum

Bên nhận chia nhỏ đơn vị dữ liệu thành các phân đoạn như nói ở trên và thêm tất cả các phân đoạn sử dụng phần bù kết quả. Nếu đơn vị dữ liệu mở rộng toàn vẹn, giá trị tổng


được tìm thấy bằng cách cộng các đơn vị dữ liệu và trường checksum sẽ bằng 0. Nếu kết quả khác không, gói tin chứa một lỗi và bên nhận loại bỏ gói này.

Bên gửi sẽ thực hiện các bước sau:

Đơn vị dữ liệu được chia thành k phần, mỗi phần n bit

Tất cả các phần được cộng với nhau sử dụng phép lấy phần bù để lấy được tổng.

Tổng được lấy phần bù và trở thành checksum.

Checksum được gửi đi cùng với dữ liệu

Đơn vị dữ liệu và Checksum

Bên nhận thực hiện các bước sau:

Đơn vị dữ liệu được chia thành k phần, mỗi phần n bit

Tất cả các phần được cộng với nhau sử dụng phép lấy phần bù để lấy được tổng.

Tổng đó được lấy phần bù

Nếu kết quả bằng 0, dữ liệu được chấp nhận, bằng không chúng bị loại bỏ.

Hiệu quả của kỹ thuật checksum

Checksum dò được mọi lỗi xảy đối với một số lẻ các bit, cũng như hầu hết các lỗi xảy ra đối với số chẵn các bit. Tuy nhiên, nếu một hoặc nhiều bit của một phân đoạn bị hư hại và tương ứng với bit hoặc các bit có giá trị đối ngược nhau trong một phân đoạn thứ 2


thì không giải quyết được. Nếu số cuối của một phân đoạn là 0 và nó được đổi thành 1 trong quá trình truyền, khi đó bit 1 cuối trong phân đoạn khác phải được thay đổi thành 0 bằng không lỗi đó không thể được dò thấy. Trong LRC, hai bit 0 có thể thay đổi cả thành 1 mà không sửa đổi tính chẵn lẻ bởi vì các số nhớ được loại bỏ. Checksum bảo toàn tất cả các số nhớ; vì vậy mặc dù 2 bit 0 trở thành các bit 1 không thay đổi giá trị tại vị trí của chúng, chúng sẽ thay đổi giá trị của vị trí của bit tiếp theo cao hơn. Nhưng bất kể thời thời gian nào một đảo ngược bit được cân xứng bằng một đảo ngược bit với số tương ứng của phân đoạn dữ liệu khác, do đó lỗi là không hiển minh.

III. SỬA SAI TRONG TRUYỀN SỐ LIỆU

Các cơ chế mà chúng ta đã biết đến giờ chỉ cho phép dò tìm lỗi nhưng không phải là cơ chế sửa lỗi. Sửa lỗi có thể được xử lý bằng 2 cách. Trong cách thứ nhất, khi một lỗi được phát hiện, bên nhận có thể để người gửi gửi lại toàn bộ đơn vị dữ liệu. Trong cách thứ 2, bên nhận có thể sử dụng mã sửa lỗi để sửa một số lỗi nhất định một cách tự động.

Theo lý thuyết, có thể sửa bất kỳ lỗi mã nhị phân nào một cách tự động. Tuy nhiên các mã sửa lỗi phức tạp hơn nhiều so với các mà dò tìm lỗi và đòi hỏi nhiều bit dư thừa hơn. SỐ các bit cần để sửa một lỗi đa bit hoặc lỗi hàng loạt bi quá lớn trong phần lớn các trường hợp do đó nó trở nên không hiệu quả. Vì lý do này, phần lớn các phương pháp sửa lỗi chỉ giới hạn sửa lỗi cho một, hai hoặc ba bit lỗi.

Sửa lỗi bit đơn – Single-bit error correction

Khái niệm dưới cách tiếp cận sửa lỗi có thể được hiểu một cách dễ dàng bằng việc kiểm tra trường hợp đơn giản nhất: Các lỗi bit đơn.

Như chúng ta đã thấy ở phần trước, các lỗi bit đơn có thể được dò tìm bằng việc bổ sung một bit (chẵn lẻ) dư thừa và đơn vị dữ liệu (VRC). Một bit đơn bổ sung có thể dò tìm các lỗi bit đơn theo bất kỳ trình tự nào của các bit bởi vì nó chỉ phải phân biệt hai điều kiện: lỗi hoặc không lỗi. Một bit có 2 trạng thái (0 và 1). Hai trạng thái này là vừa đủ cho mức độ dò tìm này.

Nhưng nếu chúng ta muốn sửa lỗi cũng như dò tìm các lỗi bit đơn thì sao? Hai trạng thái là đủ để dò tìm lỗi nhưng không đủ để sửa lỗi đó. Một lỗi xảy ra khi người nhận đọc bit 1 là bit 0 và bit 0 là bit 1. Để sửa lỗi đó, bên nhận đơn giản đảo ngược giá trị bị sửa đổi. Tuy nhiên đề làm điều đó, cần phải biết bit nào là bit lỗi. Do đó nhiệm vụ của sửa lỗi là định vị bit không hợp lệ hoặc các bit không hợp lệ.

Ví dụ, để sửa lỗi bit đơn trong một ký tự ASCII, mã sửa lỗi phải xác định bit nào trong 7 bit đó đã thay đổi. Trong trường hợp này, chúng ta phải phân biệt giữa 8 trạng thái khác nhau; không có lỗi, lỗi ở vị trí 1, lỗi ở vị trí 2…đến lỗi ở vị trí 7. Để làm được điều này đòi hỏi phải có đủ các bit dư thừa để thể hiện tất cả 8 trạng thái.

Thoáng qua, chúng ta thấy nó giống như mã 3 bit dư có thể là vừa đủ bởi vì 3 bit có thể thể hiện 8 trạng thái (000 tới 111) và do đó có thể xác định vị trí của 8 khả năng khác nhau. Nhưng nếu một lỗi xuất hiện ở chính các bit dư thừa thì sao? 7 bit của dữ liệu (ký tự ASCII) cộng với 3 bit dư thừa bằng 10 bit. Tuy nhiên 3 bit chỉ có thể xác định 8 khả năng khác nhau. Các bit bổ sung là cần thiết để xác định toàn bộ các vị trí gây lỗi có thể xảy ra.

Các bit dư thừa – redundancy bits


Để tính toán số các bit dư thừa r cần để sửa một số các bít dữ liệu (m bit) được cho, chúng ta phải tìm một mối quan hệ giữa m và r. Hình 9.16 thể hiện m bit của dữ liệu với r bit dư thừa được thêm vào. Chiều dài của mã kết quả sẽ là m+r.

Dữ liệu và các bit dư thừa

Nếu tổng số các bit trong một đơn vị khả truyền là m+r, thì r phải có thể xác định ít nhất m+r+1 các trạng thái khác nhau. Tất nhiên một trạng thái có nghĩa không lỗi và m+r trạng thái xác định vị trí của lỗi trong từng m+r vị trí.

Vì vậy, m+r+1 trạng thái phải được xác định bằng r bit; và r bit có thể chỉ định 2 r

trạng thái khác nhau. Do đó, 2r phải bằng hoặc lớn hơn m+r+1:

2r>=m+r+1

Giá trị của r có thể được xác định bằng việc đặt giá trị của m (chiều dài nguyên bản của đơn vị dữ liệu được truyền). Ví dụ, nếu giá trị của m bằng 7 (7 bit – mã ASCII), giá trị r nhỏ nhất có thể thỏa mãn phương trình này là 4:

24>=7+4+1

Số các bit dữ liệu (m) Số các bit dư thừa (r) Tổng số bit (m+r)

1 2 3

2 3 5

3 3 6

4 3 7

5 4 9

6 4 10

7 4 11

Mối quan hệ giữa dữ liệu và các bit dư thừa

Mã Hamming

Từ trước tới nay chúng ta đã kiểm tra số các bit cần thiết để có thể kiểm soát toàn bộ các trạng thái lỗi bit đơn có thể xảy ra trong khi truyền. Nhưng làm cách nào chúng ta


có thể xử lý các bit này để khám phá ra trạng thái nào đã xảy ra?. Một kỹ thuật được phát triển bởi R.W Hamming cung cấp một giải pháp thực tế.

Định vị trí các bit dư thừa – Positioning Redundancy Bits

Mã Hamming có thể được áp dụng cho các đơn vị dữ liệu có chiều dài bất kỳ và sử dụng mỗi quan hệ giữa dữ liệu và bit dư thừa được bàn luận ở phần trên. Ví dụ, một mã ASCII 7 bit cần phải có 4 bit dư thừa mà có thể được thêm vào cuối đơn vị dữ liệu hoặc đặt rải rác với các bit dữ liệu gốc. Trong hình 9.17, những bit này được đặt ở các vị trí 1,2,4 và 8 (các vị trí trong chuỗi tuần tự 11 bit là bình phương của 2). Để thấy rõ trong các ví dụ dưới đây, chúng ta cần xem các bit r1, r2, r4 và r8

Các vị trí của các bit dư thừa trong mã Hamming

Trong mã Hamming, mỗi r bit là bit VRC cho một tổ hợp các bit dữ liệu; r1 là bit VRC cho một tổ hợp các bit dữ liệu, r là bit VRC cho tổ hợp các bit dữ liệu khác, vân vân…Các tổ hợp được sử dụng để tích toán từng giá trị r cho chuỗi 7 bit dữ liệu như sau:

r1: Các bit 1,3, 5, 7, 9, 11

r2: các bit 2, 3, 6,7, 10, 11

r4: các bit 4, 5, 6, 7

r8: các bit 8, 9, 10, 11

Mỗi bit dữ liệu này có thể bao gồm một hoặc nhiều tính toàn VRC. Trong các chuỗi trên, từng bit dữ liệu gốc được bao gồm trong ít nhất 2 tập hợp, trong khi r bit chỉ được bao gộp một lần.

Để xem mẫu theo giải pháp này, hãy xem biểu diễn nhị phân của từng vị trí bit. Bit r1 được tính toàn bằng cách sử dụng tất cả các vị trí mà biểu diễn nhị phân của nó bao gồm một bit 1 ở vị trí phải nhất. Bit r2 được tính toán bằng cách sử dụng tất cả các vị trí bit với một bit 1 ở vị trí thứ 2….


Tính toán các bit dư thừa

Tính toán các giá trị r

Trong bước đầu tiên, chúng ta thay thế từng bit của ký tự gốc trong các vị trí thích hợp của nó bằng đơn vị dữ liệu có chiều dài 11 bit. Trong các bước tiếp sau, chúng ta tính toán các giá trị chẵn lẻ đối với nhiều tổ hợp bit. Giá trị chẵn lẻ cho từng tổ hợp đó là giá trị tương ứng với r bit. Ví dụ, giá trị của r1 được tính toán để cung cấp tính chẵn lẻ-chẵn đối với tổ hợp các bit 3, 5, 7, 9 và 11. Giá trị của r2 được tính toán để cung cấp tính chẵn lẻ-chẵn với các bit 3, 6, 7, 10 và 11 vân vân… Mã 11 bit cuối cùng được gửi qua đường truyền dẫn.


Dò tìm và sửa lỗi

Giờ chúng ta hãy hình dung rằng theo thời gian khi dữ liệu được truyền tới bên nhận, số 7 bit đã bị thay đổi từ 1 thành 0

Bên nhận lấy dữ liệu từ đường truyền và tính toán lại 4 VRC mới sử dụng cùng tập bit đã được sử dụng bởi bên gửi cộng với bit chẵn lẻ tương ứng (r) đối với từng tập hợp (xem hình 9.21). Sau đó nó lắp ghép các giá trị chẵn lẻ đó vào một số nhị phân theo thứ tự của r (r8, r4 ,r2 ,r1). Trong ví dụ của chúng ta, bước nay cho chúng ta số nhị phân 0111 (bằng 7 trong hệ mười), là vị trí chính xác của bit lỗi.

Một khi bit lỗi đã được xác định, bên nhận có thể đảo ngược giá trị của nó và thực hiện sửa lỗi đó.

Sửa lỗi hàng loạt bit

Mã Hamming có thể được thiết kế để sửa các lỗi hàng loạt bit có chiều dài cụ thể. Số các bit dư thừa cần thiết để tạo ra những sửa lỗi này là lớn hơn rất nhiều so với sửa lỗi bit đơn. Ví dụ, để sửa lỗi bit đôi, chúng ta cần phải xem xem hai bit đó có thể là tổ hợp của bất kỳ 2 bit bất kỳ trong toàn bộ chuỗi bit hay không. Sửa lỗi 3 bit của nghĩa là bất kỳ 3 bit nào trong toàn bộ chuỗi bit, vân vân…Vì thế, giải pháp đơn giản được sử dụng mã Hamming để sửa các lỗi bit đơn phải được thiết kế lại để có thể áp dụng cho sửa lỗi đa bit. Những phần sửa lỗi nhiều bit và lược đồ phức tạp của chúng nằm ngoài phạm vi của quyền sách này.


Lỗi bit đơn

Dò tìm lỗi sử dụng mã Hamming

IV. MÃ NÉN DỮ LIỆU :

Mã 2Fa vi phân : người ta chỉ truyền khi nào có sự thay đổi dữ liệu. Nhờ đó mà giảm nhá số lượng thông tin truyền trên đường dây.

Mã Run -Length encoding : Mã này được ứng dụng khi dãy dữ liệu có dòng dài các bit lặp lại, người ta thay vào đó tín hiệu kiểm tra và phát đi. ở bên thu nhận được nó sẽ lặp lại dãy tín hiệu đã thay thế.

Huffman code : Là một mã thống kê tối ưu. Các tin xuất hiện nhiều, xác suất xuất hiện lớn thì được mã hóa bằng từ mã ngắn và ngược lại. Do đó độ dài trung bình của các từ mã sẽ nhá nhất, làm giảm thiểu rất nhiều lượng thông tin truyền trên đường dây làm giảm sai số.

Ví dụ : để tạo mã cho việc đo nhiệt độ từ 200 đến 300 C người ta lấy xác suất của nó và được sắp xếp thứ tự xuất hiện như bảng.


BÀI 5 : KIỂM SOÁT ĐƯỜNG NỐI DỮ LIỆU


30

20

29

21

28

22

27

23

26

24

25

0,02

0,03

0,04

0,05

0,05

0,06

0,10

0,12

0,15

0,17

0,21

0

1

0

1

0

1

0,05

10

0,10

0,32

01

0,09

01 0,1

5

0,20

0

1

0

0,27

0,41

01

0,59

01

1

Từ mã0C P

10000001011

010001

010000

01001

1111

1110

0101

110

Một số yêu cầu và mục tiêu đảm bảo hiệu quả sự liên lạc số giữa hai trạm nối và truyền trực tiếp :

Đồng bộ khung

Cấu hình đường truyền đa dạng

Kiểm tra luồng : Rphát Rthu .

Kiểm tra sai

Địa chỉ hóa

Kiểm soát và quản lý đường nối.

I. CẤU HÌNH ĐƯỜNG TRUYỀN

Đồ hình :

Điểm nối điểm

Điểm nối đa điểm

Trạm sơ cấp và thứ cấp

Thực hiện các thao tác :

Tổ chức trao đổi dữ liệu

Bảo đảm, giám sát sự nối

Bảo đảm phục hồi sự nối khi có sự cố.

Trạm chủ tớ : trạm phát thông tin là trạm chủ, trạm thu thông tin là trạm tớ. Vậy sơ cấp và thứ cấp đều có thể là chủ và là tớ. Nhưng trong mạng máy tính LAN người ta thường gọi máy chủ là server và máy khách (tớ) là client.

Đường nối điểm - điểm sử dụng cả ba phương pháp truyền : đơn công, song công bán phần và song công toàn phần.

Đường nối điểm - đa điểm có 3 cấu hình :

Sơ cấp : 2 chiều toàn phần. Thứ cấp : gián đoạn.

Cả hai sơ cấp và thứ cấp đều gián đoạn.

Cả hai sơ cấp và thứ cấp đều toàn phần.

Trong mạng máy tính nội bộ LAN người ta có thể dùng cấu hình TOKEN BUS hoặc TOKEN RING (giống Hub polling).

Đối với đường dây nhiều điểm cần có địa chỉ. Có 3 trường hợp :


Điểm - điểm : không cần địa chỉ.

Sơ cấp - thứ cấp nhiều điểm : cần địa chỉ thứ cấp để nhận dạng thứ cấp.

Nhiều điểm đẳng quyền : cần hai địa chỉ để nhận dạng phát và thu.

II. KIỂM TRA DÒNG THÔNG TIN (FLOW CONTROL)

Là kỹ thuật bảo đảm cho một trạm truyền dữ liệu cho trạm thu không bị tràn, bảo đảm trạm thu tạm giữ dữ liệu, với độ dài cực đại. Người ta thường dùng nghi thức cửa sổ trượt để đảm bảo tại mỗi thời điểm chỉ có một frame được truyền.

III. KIỂM TRA SAI

Dùng để kiểm tra, tìm và sửa sai trong frames được truyền. Có 2 loại sai :

Mất frame : 1 frame bị mất trước khi đến bên kia hoặc nhiễu làm cho frame hư, làm cho bộ phận thu cho rằng frame chưa truyền.

Frame bị hư : Frame được xác định đến mà một số bit bị sai trong khi truyền.

3.1. ARQ dừng và chờ (Stop and Wait ARQ) :

Trạm nguồn truyền 1 frame dữ liệu cho trạm thu rồi dừng và chờ trạm thu trả lời. Nếu trạm thu thu frame tốt, nó sẽ gửi tín hiệu ACK (chấp nhận) cho phía phát. Khi đó phía phát sẽ gửi frame tiếp theo. Nếu trạm thu không thu được frame hoặc frame thu bị sai, nó sẽ gửi tín hiệu NAK (không chấp nhận) cho phía phát. Khi đó phía phát sẽ phải phát lại frame đã truyền.

Ưu điểm : ARQ dừng và chờ có ưu điểm là đơn giản.

Khuyết điểm : không hiệu quả, thời gian trễ lớn.

Hiệu suất

Thời gian tổng cộng


Hiệu suất đường truyền

3.2. Trở lại N - ARQ (Go back - N - ARQ)

Trạm phát gửi một loạt frame sang phía thu và sau một vòng lặp N phía thu mới gửi tín hiệu ACK hoặc NAK.

Có ba trường hợp mất frame :

A truyền frame thứ i đến B :

B phát hiện ở frame có sai.

B gửi NAK chỉ rằng frame i phải truyền lại.

Khi A nhận được NAK của frame thứ i thì tất cả các frame từ i trở đi đều phải truyền lại.

Frame i bị mất trong khi truyền, frame (i + 1) sẽ được gửi đi. B nhận frame (i + 1) không đúng thứ tự gửi NAKi đến A.

Frame i bị mất trong khi truyền nhưng sau đó A không truyền frame (i + 1). B không nhận được gì và không trả lại ACK hay NAK. A sẽ dừng và sau thời gian quy định nó truyền lại frame i.

Mất ACK có 2 trường hợp :

B nhận được frame i và truyền ACKi+1 và nó bị mất trong khi truyền.

B nhận được frame i và phát hiện frame i sai. B sẽ gửi NAKi cho A.

Hiệu suất


3.3. Truyền lại có lựa chọn ARQ (Selective Reject ARQ)

Khi phát hiện sai ta chỉ truyền lại frame nào mà ta nhận được NAK hoặc với thời gian tạm nghỉ.

So sánh với phương pháp trên, phương pháp này hiệu quả hơn, ít tốn thời gian hơn. Nhưng phương pháp này đòi hái phải có các bộ đệm có kích thước lớn để chứa các frame đứng sau các frame bị sai và sau đó bộ thu sắp xếp các frame theo đúng thứ tự phát đi. Do sự phức tạp đó mà phương pháp này ít được sử dụng.

Trong ba phương pháp trên thì phương pháp Go back N ARQ được sử dụng nhiều nhất.

Hiệu suất


Documents

Truyền Số Liệu