Mục lục - · PDF fileI- Kỹ thuật điều xung mã (PCM) ... II- Điều chế...

Mục lục

MMụụcc llụụcc Mục lục .......................................................................................................................... 3 Chương 1- Mở đầu ....................................................................................................... 6

I- Lịch sử .................................................................................................................... 6 II- Khái quát chung về mạng viễn thông.................................................................... 6

1- Các dịch vụ viễn thông ...................................................................................... 6 2- Mạng viễn thông ................................................................................................ 6

III- Ưu điểm của thông tin số ..................................................................................... 7 Câu hỏi cuối chương .................................................................................................. 8

Chương 2- Những khái niệm cơ bản .......................................................................... 9 I- Khái niệm chung..................................................................................................... 9

1- Tin tức, dữ liệu, tín hiệu..................................................................................... 9 2- Băng thông : .................................................................................................... 10 3- Topology và các phương thức liên lạc........................................................... 11 4- Các phương pháp truyền .................................................................................. 11

II- Hệ thống truyền tương tự .................................................................................... 12 III- Hệ thống truyền số ............................................................................................. 12

1- Sơ đồ khối ........................................................................................................ 12 2- Vận tốc truyền tín hiệu..................................................................................... 12 3- Truyền nối tiếp và song song ........................................................................... 13 4- Truyền đồng bộ và bất đồng bộ ....................................................................... 13

IV- Hệ thống mở và mô hình OSI............................................................................ 13 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 14

Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số ........................................................................ 15 I- Kỹ thuật điều xung mã (PCM) ............................................................................. 15

1- Lấy mẫu (Sampling) ........................................................................................ 15 2- Lượng tử hoá (Quantizing) .............................................................................. 15 3- Mã hóa (Encoding)........................................................................................... 17

II- Điều chế Delta (DM - Delta Modulation) ........................................................... 17 III- DPCM và ADPCM ............................................................................................ 17 Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 19

Chương 4- Giao tiếp vật lý......................................................................................... 20 I- Môi trường truyền dẫn.......................................................................................... 20

1- Cáp đồng .......................................................................................................... 20 2- Cáp quang (Optical Fiber, Fiber Optic Cable)................................................. 21 3- Môi trường vô tuyến ........................................................................................ 23

II- Sự suy giảm và biến dạng tín hiệu (Attenuation & Distortion) .......................... 27 1- Sự suy giảm...................................................................................................... 27 2- Băng thông giới hạn......................................................................................... 27 3- Sự biến dạng do trễ pha.................................................................................... 28 4- Nhiễu................................................................................................................ 29

Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 29 Chương 5- Mã hóa số liệu.......................................................................................... 30

I- Truyền số liệu ở băng cơ sở.................................................................................. 30

3

Mục lục

1- Khái quát .......................................................................................................... 30 2- Các dạng mã phổ biến...................................................................................... 30 3- Kỹ thuật ngẫu nhiên hóa (Scrambling techniques).......................................... 33 4- Thu ở băng cơ sở.............................................................................................. 34 5- Chuẩn giao tiếp băng cơ sở .............................................................................. 34

II- Truyền số liệu ở băng rộng.................................................................................. 36 1- Ðiều chế biên độ (Amplitude Modulation, AM) ............................................. 36 2- Ðiều chế tần số (Frequency Modulation, FM)................................................. 36 3- Ðiều chế pha (ФM) (để tránh nhầm PM là điều chế xung) ............................. 37

III- Kỹ thuật ghép kênh (Multiplexing).................................................................... 37 1- Frequency Division Multiplexing, FDM ......................................................... 37 2- Time Division Multiplexing, TDM.................................................................. 38

Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 40 Chương 6- Giao tiếp truyền số liệu........................................................................... 41

I- Hệ thống truyền số liệu......................................................................................... 41 II-Truyền nối tiếp không đồng bộ ............................................................................ 41

1. Nguyên tắc đồng bộ bit .................................................................................... 42 2. Nguyên tắc đồng bộ ký tự ................................................................................ 42 3. Nguyên tắc đồng bộ khung............................................................................... 42 4. Một số vi mạch giao tiếp thông dụng.............................................................. 42

III. Truyền nối tiếp đồng bộ ..................................................................................... 43 1. So sánh truyền đồng bộ và bất đồng bộ ........................................................... 43 2. Giao thức hướng ký tự (điều khiển byte) ......................................................... 43 3. Giao thức hướng bit.......................................................................................... 44 4. Một số vi mạch truyền đồng bộ thông dụng .................................................... 52

Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 52 Chương 7- Xử lý số liệu truyền ................................................................................. 53

I- Phát hiện lỗi và sửa sai ......................................................................................... 53 1- Phương pháp kiểm tra chẵn lẻ (parity)............................................................. 54 2- CRC - Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ ............................................................... 55 3- Mã sửa sai Hamming ....................................................................................... 56

II- Nén dữ liệu .......................................................................................................... 56 1- Các loại dư thừa dữ liệu ................................................................................... 57 2- Mã Huffman..................................................................................................... 57 3- Mã Run length.................................................................................................. 58 4- Mã vi phân (Differential encoding) ................................................................. 58 5- Thuật toán nén LZW (Lempel-Ziv-Welch) ..................................................... 59

III- Bảo mật dữ liệu .................................................................................................. 62 1- Tổng quan về các thuật toán mã mật ............................................................... 62 2- Một số thuật toán mã mật với khoá bí mật ...................................................... 65 3- Giao thức mã mật ............................................................................................. 66 4- Độ dài khoá ...................................................................................................... 68 5- Quản lý khoá .................................................................................................... 69

Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 70 Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu....................................................................... 71

I- Đặt vấn đề ............................................................................................................. 71

4

Mục lục

II- Kiểm soát lỗi (error control)................................................................................ 71 1- Idle RQ (Stop and wait ARQ) .......................................................................... 72 2- RQ liên tục (continuous RQ) ........................................................................... 74

III- Điều khiển luồng (flow control) ........................................................................ 76 1- Điều khiển luồng dừng và chờ ......................................................................... 76 2- Cửa sổ trượt (sliding window) ......................................................................... 76

Câu hỏi cuối chương ................................................................................................ 77 Tài liệu tham khảo...................................................................................................... 78

5

Chương 1- Mở đầu

CChhưươơnngg 11-- MMởở đđầầuu I- Lịch sử Có thể coi lịch sử thông tin dữ liệu bắt đầu vào năm 1837 với sự phát minh điện tín của Samuel F. B. Morse. Ðó là hệ thống truyền các xung điện biểu diễn cho các dấu chấm, vạch (tương đương với các số nhị phân 1, 0) trên các đường dây đồng nhờ các máy cơ điện. Các tổ hợp khác nhau của các mã này thay cho các chữ, số, dấu.... được gọi là mã Morse. Bản điện tín đầu tiên được phát hiện ở Anh do Charles Wheatstone và William Cooke thực hiện nhưng hệ thống của họ phải dùng 6 đường dây. Năm 1874, Emile Baudot thiết kế được máy phát dùng phương pháp dồn kênh, có thể truyền cùng lúc 6 bản tin trên cùng một đường dây. Năm 1876, Alexander Graham Bell đã đưa điện tín lên một bước phát triển mới: sự ra đời của điện thoại. Thay vì chuyển bản tin thành các chuỗi mã Morse, Bell đã cho thấy rằng người ta có thể truyền thẳng tín hiệu điện đặc trưng cho tiếng nói trên các đường dây. Những hệ thống điện thoại đầu tiên cần các cặp đường dây khác nhau cho hai người muốn trao đổi thông tin với nhau, một người phải nối điện thoại của mình vào đúng đường dây nối với điện thoại của người mà mình muốn liên lạc. Dần dần sự kết nối được thực hiện bởi các tổng đài cơ khí rồi tổng đài điện tử số,... Người ta không còn biết hệ thống hoạt động thế nào, chỉ cần quay (bây giờ thì bấm) số và được kết nối. Năm 1899, Marconi thành công trong việc phát tin bằng vô tuyến. Có thể nói điện tín là phương tiện duy nhất được dùng để phát tin đi xa cho đến năm 1920, lúc đài phát thanh thương mại đầu tiên ra đời.

II- Khái quát chung về mạng viễn thông

1- Các dịch vụ viễn thông • Thoại (voice, speech): chiếm 60%-70%

o Tín hiệu thoại tương tự (analog): băng tần cơ sở 0,3-3,4kHz o Tín hiệu thoại số (digital): tốc độ cơ sở 64kbps ⇒ Mạng điện thoại công cộng PSTN-Public Switched Telephone Network

• Âm nhạc (audio) • Video • Fascimile (FAX) • Điện báo (telex, telegraph): Truyền các ký tự dưới dạng các mã như mã Baudot

(5 bit), ASCII (7 bit) • Số liệu (data)

2- Mạng viễn thông

6


TL SL

Nk

Nj Ni TE

N (Node): nút mạng

• Chuyển mạch (Switching) o Chuyển mạch kênh o Chuyển mạch gói

• Bộ tập chung (Concentrator) TL (Transmission Link): Tuyến truyền dẫn SL (Subscriber Line): Đường dây thuê bao TE (Terminal Equipment): Thiết bị đầu cuối Phân loại mạng viễn thông

• Theo tín hiệu o Mạng tương tự

Tín hiệu ở N, TL là tương tự TL: Trung kế tương tự, ghép kênh theo tần số (FDM)

o Mạng số N, TL là tín hiệu số Trên SL có thể là số hoặc tương tự TL: Trung kế số, ghép kênh theo thời gian (TDM)

• Theo phương thức chuyển mạch o Mạng chuyển mạch kênh:

Được cung cấp một kênh vật lý cố định trong suốt thời gian thông tin

o Mạng chuyển mạch gói Thông tin được chia thành các gói nhỏ, có địa chỉ nguồn và đích. Liên lạc với nhau qua một kênh logic

III- Ưu điểm của thông tin số • Khả năng chịu nhiễu cao

7


• Không nhạy cảm với sai số linh kiện (do chế tạo, thời gian, nhiệt độ,...) • Phần cứng rẻ (khi sản xuất lớn) • Tính tương thích và linh hoạt • Tính bảo mật cao • ...

Câu hỏi cuối chương 1. Tại sao cần phải có chuyển mạch? Nếu một mạng có 8 thiết bị truyền thông mà

không có chuyển mạch muốn các thiết bị liên lạc được với nhau thì cần bao nhiêu kết nối?

2. Hãy so sánh vắn tắt mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói. 3. Hãy so sánh khả năng chịu nhiễu của tín hiệu số và tín hiệu tượng tự

8

Chương 2- Những khái niệm cơ bản

CChhưươơnngg 22-- NNhhữữnngg kkhhááii nniiệệmm ccơơ bbảảnn CC(BASIC CONCEPTS) (BASIC CONCEPTS)

I- Khái niệm chung I- Khái niệm chung

1- Tin tức, dữ liệu, tín hiệu 1- Tin tức, dữ liệu, tín hiệu

• Thông tin (Information): thuộc tính của con người với hiểu biết xung quanh (x) • Thông tin (Information): thuộc tính của con người với hiểu biết xung quanh (x) • Nguồn tin (Source): tập hợp các tin chứa trong đó X=x • Nguồn tin (Source): tập hợp các tin chứa trong đó X=x • Dữ liệu (Data): quá trình vật lý chứa thông tin trong đó. Quá trình chuyển từ

thông tin sang dữ liệu gọi là mã hoá (encoding) • Dữ liệu (Data): quá trình vật lý chứa thông tin trong đó. Quá trình chuyển từ

thông tin sang dữ liệu gọi là mã hoá (encoding) • Tín hiệu (Signal): là quá trình vật lý mang thông tin, nó phải phù hợp với môi

trường lan truyền • Tín hiệu (Signal): là quá trình vật lý mang thông tin, nó phải phù hợp với môi

trường lan truyền • Môi trường lan truyền (Medium): là tồn tại vật lý mà nó có thể lan truyền đi nơi

khác. Môi trường cơ học, môi trường điện. Các tham số của môi trường truyền • Môi trường lan truyền (Medium): là tồn tại vật lý mà nó có thể lan truyền đi nơi

khác. Môi trường cơ học, môi trường điện. Các tham số của môi trường truyền o Suy giảm o Suy giảm o Băng thông o Băng thông o Dải động: truyền sóng, nhiễu, trễ o Dải động: truyền sóng, nhiễu, trễ

Cường độ tín hiệu: Cường độ của tín hiệu thường được biểu diễn bởi công suất hoặc điện áp trên tổng trở tải của nó. Ta phải nói tín hiệu có công suất 200mW hoặc có biên độ 100mV trên tổng trở 50Ω

Cường độ tín hiệu: Cường độ của tín hiệu thường được biểu diễn bởi công suất hoặc điện áp trên tổng trở tải của nó. Ta phải nói tín hiệu có công suất 200mW hoặc có biên độ 100mV trên tổng trở 50Ω Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi hoặc độ suy giảm của hệ thống, thường được biểu diễn bằng đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm: Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi hoặc độ suy giảm của hệ thống, thường được biểu diễn bằng đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm:

Tỉ số tín hiệu = 10log(P2/P1) [dB] Tỉ số tín hiệu = 10log(P2/P1) [dB] Sự tiện lợi của đơn vị dB là người ta có thể xác định độ lợi (hay độ suy giảm) của một hệ thống gồm nhiều tầng nối chuỗi (cascade) bằng cách cộng các độ lợi của các tầng với nhau.

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 : Người ta thường biểu thị công suất tuyệt đối của một tín hiệu bằng cách so sánh với một tín hiệu chuẩn có công suất 1W :

Trạm thu Trạm thu

hhưươơnngg 22-- NNhhữữnngg kkhhááii nniiệệmm ccơơ bbảảnn

Nguồn tin

thiết bị vào

Máy phát

Máy thu thiết bị ra

Nhận tin Môi

trường

Tín hiệu Dữ liệu Thông tin

Trạm phát

Nhiễu

9


Công suất tín hiệu = 10log dB

Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị dBm để xác định cường độ tín hiệu so với tín hiệu chuẩn có công suất 1mW :

Công suất tín hiệu = 10log dBm

Một tín hiệu có công suất 1W tương đương với 0 dB và 30dBm. Thí dụ: Tín hiệu có biên độ 100mV ở 50Ω tương đương với 0,2 mW, tính theo dB là: 10log(0,2/1W) = - 7 dB. Dấu trừ cho biết mức tín hiệu là -7 dB dưới 1W. Tính theo dBm 10log(200mW/1mW)=23dBm (-7 + 30dB) Lưu ý, trong chuyển đổi đơn vị phải để ý đến tổng trở tải của tín hiệu. Biểu thức P = ( V2/R ) có thể được dùng để tính điện áp hiệu dụng hoặc tỉ số điện áp. Trong các hệ thống điện thoại tổng trở tải thường dùng là 600Ω. Nếu các tín hiệu có chung tổng trở tải thì :

Tỉ số tín hiệu = 20log DB

Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) Ðể đánh giá chất lượng của tín hiệu và cũng là chất lượng của hệ thống truyền tín hiệu đó người ta dùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Ðây là tỉ số công suất tín hiệu có ích trên công suất tín hiệu nhiễu, thường tính bằng dB. Nếu tín hiệu 2 dBm có mức nhiễu là -20 dBm, thì tỉ số SNR là 22 dB. Nói cách khác mức tín hiệu lớn hơn mức nhiễu 22 dB. Ví dụ: Với tín hiệu số đơn cực, SNR tối thiểu phải là bao nhiêu để có thể phân biệt được tín hiệu một cách rõ ràng (ảnh hưởng của nhiễu còn chấp nhận được)? Giả sử biên độ ứng với mức 1 là 1 V và 0 V cho mức 0, một lỗi sẽ phát sinh nếu mức 0 được phát đi mà nhiễu có giá trị dương lớn hơn 0,5 V và nếu mức 1 phát đi mà nhiễu có biên độ âm và trị tuyệt đối lớn hơn 0,5 V. Như vậy giá trị tối đa cho phép của nhiễu là 0,5 V so với trị tối đa của tín hiệu là 1 V và tỉ số SNR tối thiểu là:

SNRMIN =

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

yêu cầu.

2- Băng thông : Băng thông của tín hiệu là dải tần số trong đó chứa hầu hết công suất của tín hiệu. Khái niệm này cho ta xác định phổ tần hữu ích của tín hiệu nếu tín hiệu đó chứa một phổ tần quá rộng.

10


Băng thông của kênh truyền là dải tần số của tín hiệu mà độ suy giảm khoảng vài dB (thường là 3 dB) so với giá trị cực đại khi tín hiệu đó truyền qua hệ thống. Ðộ suy giảm 3 dB tương ứng với điểm nửa công suất. Một kênh truyền tốt phải có băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu, điều này khiến cho tín hiệu được tái tạo không bị méo dạng và suy giảm đáng kể trong quá trình truyền.

3dB

B f

P

3- Topology và các phương thức liên lạc a. Topology Ðiểm - điểm (Point to point): Thí dụ liên lạc giữa máy tính và máy in Đa điểm (Multipoint): Hệ thống nhiều điểm có thể có một trong các dạng: sao (star), vòng (ring) và multidrop b. Phương thức thức liên lạc Giữa các máy phát và thu trong một hệ thống thông tin có thể thực hiện theo 1 trong 4 phương thức: • Ðơn công (Simplex transmission, SX): thông tin chỉ truyền theo một chiều. Nếu lỗi

xảy ra máy thu không có cách nào yêu cầu máy phát phát lại. Trong hệ thống này thường máy thu có trang bị thêm bộ ROP (Read Only Printer) để hiển thị thông tin nhận được.

• Bán song công (Half duplex transmission, HDX): Tín hiệu truyền theo hai hướng nhưng không đồng thời. Hệ thống thông tin dùng Walkie - Talkie là một thí dụ của phương thức liên lạc bán song công. Các máy truyền bán song công có một nút ấn để phát (push to send), khi ở chế độ phát thì phần thu bị vô hiệu hóa và ngược lại.

• Song công (full duplex transmission, FDX): Tín hiệu truyền theo hai chiều đồng thời. Hệ thống này thường có 4 đường dây, 2 dây cho mỗi chiều truyền. Phương thức này được dùng trong hệ thống điểm - điểm (point to point)

• Song công toàn phần (Full/Full-duplex, F/FDX): Ðài 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)

4- Các phương pháp truyền Ðể truyền tín hiệu người ta có thể dùng một trong hai phương pháp:

• Phương pháp truyền dải nền (Base band): 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

11


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 (Broad band): Ðây 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).

II- Hệ thống truyền tương tự

Hệ thống truyền tương tự dùng phương pháp điều chế

III- Hệ thống truyền số

1- Sơ đồ khối

2- Vận tốc truyền tín hiệu Một trong những đặc trưng quan trọng để đánh giá chất lượng một hệ thống truyền số là vận tốc truyền tín hiệu (baud rate), được tính bằng baud. Định nghĩa: 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, 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, 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.

12


Bài tập: Cho dãy bit 100110101110010101 hãy vẽ tín hiệu truyền dòng bit trên trong trường hợp truyền nhị phân hai bit.

3- 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.

• Truyền nối tiếp: tín hiệu lần lượt được phát đi từng bít 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 bít 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.

4- Truyền đồng bộ và bất đồng bộ

IV- Hệ thống mở và mô hình OSI Tập hợp tất cả các qui định mà các hệ thống thông tin phải tuân theo gọi là các giao thức (protocols) (độ truyền, phương pháp mã hóa, qui tắc gán địa chỉ, các biện pháp thực hiện khi có lỗi . . .). Nhờ có giao thức, các hệ thống khác nhau có thể liên lạc với nhau. Một tập hợp các giao thức cho phép hai hệ thống bất kỳ nào cũng có thể liên lạc với nhau bất chấp cấu trúc bên trong của nó, gọi là một HỆ THỐNG MỞ.

13


Tổ chức định chuẩn quốc tế (International Standards Organization, ISO) đã quan tâm tới vấn đề kết nối các thiết bị khác nhau từ năm 1977 và đến năm 1984 thì mô hình tham chiếu cho việc kết nối các hệ thống mở ra đời, gọi tắt là mô hình OSI (Reference Model for Open Systems Interconnection).

Câu hỏi cuối chương 1. Tỉ số cường độ hai tín hiệu được tín bằng Decibel (dB) như thế nào? Ưu điểm

của cách tính này. 2. Một hệ thống truyền dẫn có công suất vào máy phát là 150mW, hệ số khuếch

đại của máy phát là 30dB, suy giảm trên đường truyền là 70dB, hệ số khuếch đại máy thu là 20dB. Hỏi công suất ra máy thu là bao nhiêu mW?

3. Tín hiệu có công suất 6W truyền qua môi trường có độ suy giảm là 20dB. Hãy xác định công suất thu được.

4. Trong hệ thống truyền số 8 mức, hãy cho biết mối quan hệ giữa tốc độ truyền bit và vận tốc truyền tín hiệu

5. Trình bày mối quan hệ giữa số trạng thái tín hiệu và chất lượng kênh truyền. Giải thích.

14

Chương 3- Chuyển đổi tương tự - số

CChhưươơnngg 33-- CChhuuyyểểnn đđổổii ttưươơnngg ttựự -- ssốố (ANALOG TO DIGITAL CONVERSION)

I- Kỹ thuật điều xung mã (PCM) Điều xung mã (Pulse Code Modulation) thực chất là một dạng biến đổi tương tự-số trong đó thông tin trong các mẫu tức thời của tín hiệu tương tự được biểu diễn bằng các từ mã. Kỹ thuật PCM đặc chưng bởi 3 quá trình:

• Lấy mẫu • Lượng tử hoá • Mã hoá

1- Lấy mẫu (Sampling) Tức là rời rạc hoá tín hiệu theo thời gian Ts <= 1/(2fmax) Ý nghĩa:

• Là cơ sở để biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc và tín hiệu số • Khi truyền tin tức trong một tín hiệu x(t) liên tục thay vì truyền đi toàn bộ tín

hiệu x(t) ta chỉ truyền đi một số các giá trị tức thời của nó • Điều kiện của các điểm lấy mẫu để tái tạo lại tín hiệu x(t) liên tục từ các mẫu

rời rạc mà không bị méo

2- Lượng tử hoá (Quantizing) Chuyển tín hiệu vô hạn mức x(t) thành hữu hạn mức x*(t) Với N mức cần n bit để mã hoá: 2n >= N => Có sai số lượng tử hoá: δx = x(t) – x*(t) a- Lượng tử hoá tuyến tính

• Giả sử x(t) thay đổi trong 0-Xmax • Chia 0-Xmax thành N mức từ 0 -> N-1 • N=2n mỗi mức ứng với 1 tổ hợp nhị phân (n bit)

• Bước lượng tử hóa constXNXx n =

−=

−=Δ

121maxmax

15


⇒ S/N không đồng đều • S/N lớn khi x lớn • S/N giảm khi x nhỏ • Muốn tăng S/N cần giảm Δx -> tăng N -> tăng n

⇒ Thường sử dụng trong đo lường b- Lượng tử hóa phi tuyến

• Khắc phục những nhược điểm của lượng tử hóa tuyến tính • Bước lượng tử thay đổi giả sử Δx =k.x • Xác định Δx bằng cách tìm hàm y=y(x) sao cho lượng tử hóa phi tuyến với x

tương ứng với lượng tử hóa tuyến tính với y (Δx thay đổi - Δy không đổi)

Tính được )0(ln1

1 CxC

y +=

⇒ Sai số δx tỉ lệ với x

• Tỉ số S/N đồng đều trong dải động • Ứng dụng trong thông tin

Luật μ (Mỹ)

μμ

++

=1

)1ln()(

xxsigy Thông tin thoại μ=255

Luật A (Châu Âu-Việt Nam)

AxA

xsigyln1

ln1)(

++

= Chọn A=87,6 y 1

A=87,6 μ=255

-Xmax

x Xmax

-1 Luật nén - giãn (Companding = Compressing + Expanding)

• Phát: Nén, khuếch đại tín hiệu nhỏ + lượng tử hóa tuyến tính

16


• Thu: Giãn, khôi phục mức tín hiệu gần đúng

3- Mã hóa (Encoding) Quá trình chuyển các mức lượng tử thành từ mã nhị phân.

II- Điều chế Delta (DM - Delta Modulation) Một loạt các kỹ thuật được sử dụng để cải tiến điều chế PCM hoặc để giảm sự phức tạp. Một trong những sự thay thế PCM phổ biến nhất là điều chế delta (DM). Với điều chế delta, một tín hiệu tương tự vào xấp xỉ bằng các bậc cầu thang lên hoặc xuống bởi một mức lượng tử hoá (d) ở giữa mỗi khoảng thời gian lấy mẫu (Ts). Một ví dụ được chỉ ra ở hình vẽ, nơi mà mỗi chức năng cầu thang được che phủ trong hình dạng sóng tương tự gốc. Một đặc tính cơ bản của chức năng bậc cầu thang là nhị phân, ở mỗi thời gian lấy mẫu, chức năng dịch lên hoặc dịch xuống 1 khoảng cách d. Vì vậy, lối ra của quá trình điều chế delta có thể được biểu diễn bằng một ký số nhị phân đơn cho mỗi mẫu.

• Một mẫu - một bit • fs-DM >> fs-PCM

III- DPCM và ADPCM

17


Sự nén - giãn theo các quy luật A và μ ở trên thường gọi là nén - giãn tức thời. Một biện pháp khác để giảm nhỏ độ dư thừa truyền dẫn là truyền các tín hiệu PCM tương ứng với hiệu số của các mẫu kề cận nhau. Đó là phương pháp điều xung mã vi sai DPCM (Differential PCM: Điều xung mã vi sai). Tại đầu thu, vị trí mẫu hiện tại được tái tạo lại bằng đúng trị số mẫu vừa truyền đến cộng với hiệu số nhận được trên bộ so sánh. Các bộ mã hoá và giải mã DPCM có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp (nhiều loại mạch điện) tuỳ thuộc vào sự phân chia chức năng xử lý tín hiệu giữa các phần tử analog và digital. Trên sơ đồ ví dụ hình dưới toàn bộ việc xử lý tín hiệu được thực hiện nhờ các mạch logic số.

Tín hiệu analog qua bộ lọc thông thấp đưa đến bộ điều chế PCM (ký hiệu A/D) trở thành dãy tín hiệu digital. Sau đó dãy tín hiệu này đưa qua mạch “trừ” (tại 2 lối vào có dấu cộng (+) và trừ (-) khác nhau). Tại bộ “trừ” này có sự trừ giữa tín hiệu vào ở thời điểm “hiện tại” t với tín hiệu “quá khứ” t-TS. Các tín hiệu này lấy qua bộ lọc dự đoán. Sai số giữa tổ hợp mã lấy ra chính là tín hiệu điều xung mã DPCM. Tại đầu chuỗi xung DPCM được tạo dạng lại rồi đưa vào bộ “cộng”. Lối vào thứ 2 của bộ “cộng” lấy từ tín hiệu sau khi qua bộ lọc dự đoán chính là các tín hiệu quá khứ. Kết quả ta lấy được tín hiệu điều xung mã PCM thông thường tại đầu ra bộ “cộng”. Sau khi qua bộ biến đổi digital - analog D/A, ta lấy được dãy xung PAM (điều biên xung). Qua bộ lọc thông thường, tín hiệu analog được khôi phục đồng dạng so với tín hiệu đầu vào. Trong các sơ đồ của hệ thống DPCM trên ta thấy vai trò của bộ lọc dự đoán rất quan trọng. Thực chất bộ lọc dự đoán gồm nhiều mặt trễ nối tiếp nhau như sơ đồ hình dưới. Thời gian trễ TS của mỗi mặt bằng chu kỳ lấy mẫu. Với quan điểm tổng quát hơn, bộ lập mã DPCM là một dạng đặc biệt của bộ lọc dự đoán tuyến tính. Nếu bộ lọc dự đoán chỉ dùng 1 mặt trễ thì sự dự đoán là bậc 1. Nếu dùng 3 mặt trễ liên tiếp như hình dưới (hệ thống DPCM dùng sự dự đoán bậc 3). Qua tính toán và thực nghiệm cho thấy dự đoán bậc 3 cho sự đánh giá tốt hơn bậc 1, tạo ra khả năng mã hoá và số bit ít hơn.

18


Dưới đây chúng ta xét tới phương pháp mã hoá dùng dự đoán thích nghi. Đây là phương pháp biến đổi số cho phép tín hiệu thoại được mã hoá với tốc độ truyền dẫn thấp hơn. Trong phần trên ta đã mở rộng khái niệm DPCM từ bậc 1 tới bậc 3: sử dụng vài phần tử rời rạc quá khứ để dự đoán phần tử rời rạc hiện tại, chất lượng của DPCM bậc cao tốt hơn DPCM bậc 1. Trong bộ lập mã dùng dự đoán thích nghi, khái niệm này được mở rộng để dự đoán chu kỳ tiếp sau của tín hiệu thoại (chính xác là của âm cơ sở) dựa trên cơ sở của các chu kỳ trước. Do vậy thời gian trễ của tín hiệu trong mạch hồi tiếp của bộ lập mã (cũng như trong bộ giải mã, phải tăng lên đáng kể, tới 20ms). ADPCM (Adaptive Differential PCM: Điều xung mã vi sai thích nghi) đưa các mạch dự đoán thích nghi vào thay thế cho các mạch có hệ số dự đoán cố định. Để điều chỉnh các mạch dự đoán thích ứng ta cần xác định thời gian trễ để dự đoán (chu kỳ âm cơ bản) sau đó xác định các hệ số đánh giá đối với các giá trị của các phần tử rời rạc bị giữ lại. Khuyến nghị G.712 của ITU-T đã ghi rõ ADPCM 32kbit/s là một phương pháp mã hoá dự đoán tín hiệu thoại. Phương pháp ADPCM 32kbit/s được chấp nhận vào tháng 10 năm 1984, dùng để chuyển đổi các tín hiệu PCM 64kbit/s theo luật A hay luật μ thành tín hiệu ADPCM.

Câu hỏi cuối chương 1. Trình bày ngắn gọn định lý nào là cơ sở để biến đổi tín hiệu liên tục thành tín

hiệu rời rạc, tín hiệu số. 2. Trong kỹ thuật điều xung mã (PCM) muốn lượng tử hoá 1000 mức. Hãy cho

biết độ dài một từ mã. 3. 1 ADC được sử dụng trong đo lường, lượng tử hoá tuyến tính. Dải điện áp vào

ADC từ 0-5V. Muốn độ chính xác của phép đo là 5mV thì cần ADC bao nhiêu bit?

19

Chương 4- Giao tiếp vật lý

CChhưươơnngg 44-- GGiiaaoo ttiiếếpp vvậậtt llýý (PHYSICAL INTERFACE)

I- Môi trường truyền dẫn Môi trường truyền là con đường vật lý nối giữa thiết bị phát và thiết bị thu trong hệ thống truyền số liệu. Những đặc tính và chất lượng của số liệu truyền được quyết định bởi tính chất tín hiệu và môi trường truyền. Trong trường hợp sử dụng môi trường truyền định hướng, bản thân môi trường truyền là nhân tố quan trọng quyết định đến giới hạn của sự truyền. Với môi trường truyền không định hướng, phổ và băng tần số của tín hiệu đường ống anten phát quan trọng hơn môi trường truyền.

1- Cáp đồng a- Cáp không xoắn (two-wire open lines) Đặc điểm:

• Tốc độ thấp • Cự ly ngắn • Dễ bị nhiễu thâm nhập

b- Cáp xoắn (twisted-pair lines) Để loại bỏ nhiễu các dây dẫn được xoắn vào nhau từng đôi một. Khi tín hiệu nhiễu thâm nhập sẽ vào cả hai dây, ảnh hưởng của chúng sẽ triệt tiêu nhau.

UTP là loại cáp thông dụng nhất hiện nay gồm các loại sau:

• UTP Cat 1, 2 (Categories 1, 2): tốc thấp < 4Mbps • UTP Cat 3: tốc độ 16Mbps • UTP Cat 4: tốc độ 20Mbps • UTP Cat 5: (thông dụng nhất) tốc độ 100Mbps • UTP Cat 6:

20


c- Cáp đồng trục (Coaxial cable)

Khi truyền ở tốc độ cao xuất hiện hiệu ứng bề mặt (skin effect). Tức là dòng điện chạy trên đường dây có khuynh hướng chỉ chạy trên bề mặt ngoài của dây dẫn => tăng trở kháng của đường dây với các tín hiệu có tần số cao => suy hao lớn. Cáp đồng trục Mặt khác tần số cao thì năng lượng tín hiệu bị tiêu hao nhiều do bức xạ.

2- Cáp quang (Optical Fiber, Fiber Optic Cable) Được phát minh từ thế kỉ 19. Mãi đến thập kỉ 60 thế kỉ 20 mới ứng dụng thực tế do sự xuất hiện của laser bán dẫn và thuỷ tinh thuần nhất chất lượng cao. Đặc điểm:

• Tốc độ cao. Phổ biến 2,5Gbps còn rất nhỏ so với băng thông sợi quang ≈ 200THz

• Chống được nhiễu điện từ • Bảo mật tốt • Suy hao thấp • Khoảng cách lặp lại lớn.

o Hãng Standard Electrik Lozenz AG (Đức) đã từng thiết lập hệ thống truyền với tốc độ 5Gbps trong khoảng cách 111km

• Kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ (đường kính lõi từ 2-125μm) (Ở những nước đang phát triển tỷ lệ cáp quang rất cao)

Phần

điện tử Phần điện tử

Bộ biến đổi E/O

Bộ biến đổi O/E

E/O:

Laser Diode (LD) LED

O/E: Photo diode Photo transisitor

21


Cấu tạo:

Khẩu độ số NA (Numerical Aperture): là góc lớn nhất mà ta có thể bơm ánh sáng vào sợi quang

θm θc

Các chế độ truyền: • Đa mode chiết suất nhảy bậc (multimode stepped index): Chiết suất của lõi không

đổi.

• Đa mode chiết suất thay đổi từ từ (multimode graded index): tăng được tốc độ truyền

22


• Đơn mode (monomode): giảm đường kính lõi (2a = 3->10μm).

Suy hao trong cáp quang: Càng ngày càng giảm Tiêu chuẩn ngành là 0,25dB/km

Bước sóng sử dụng: Thường dùng 3 bước sóng 850nm, 1300nm, 1500nm

3- Môi trường vô tuyến • Radio (10KHz -> 1GHz)

o VHF (Very High Frequecy) o UHF (Ultra High Frequecy)

• Vi ba (Microwave) (4-6GHz và 21-23GHz) • Hồng ngoại (Infrared) => Tập chung vào thiết kế một tuyến viba mặt đất (terrestrial microwave)

23


a- Miền Fresnel • Cường độ trường tại điểm thu chủ yếu do miền Fresnel thứ nhất (F1) gây ra. • Quỹ tích miền Fresnel thứ nhất là Elipxôít tròn xoay nhận hai điểm A và M làm

tiêu điểm (dễ thấy điều này vì AB+BM = const). • Theo ITU_R khoảng hở của tuyến ∆H > 60%F1. Tức chướng ngại vật không

được che quá 40% miền Fresnel thứ nhất.

∆H

F1 A M

λ21

211 dd

ddF+

=

b- Fading Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang vô tuyến siêu cao tần thu do sự thay đổi khí quyển và các phản xạ của đất và nước trong đường truyền sóng. Nguyên nhân chủ yếu:

- Do phản xạ từ các chướng ngại vật hoặc phản xạ phản xạ từ mặt đất, mặt nước. - Do sự không đồng đều của bầu khí quyển làm cho tại điểm thu thu được nhiều

tia có cùng tần số nhưng khác nhau về quãng đường đi. c- Tính độ cao an ten Vẽ mặt cắt của tuyến (mặt phẳng cắt dọc theo đường truyền).

h'1

Δh1

F1

ΔH

hi

Ei

d2 d1

ΔH: Khoảng hở của tuyến. Tiêu chuẩn thiết kế là ΔH ≥ 60%F1

Δh2

h'2

h1 h2

24


hi: chiều cao của chướng ngại vật Ei: độ lồi của trái đất. Tuy nhiên Ei lại phụ thuộc vào môi trường truyền sóng (khí quyển).

)(514 21 m

kddEi = d1[km], d2[km]

k đặc trưng cho độ uốn cong của tia sóng, với khí quyển thường k=4/3 Nếu biết h1 hay (h’1 và Δh1) ta dễ dàng tính được h2 và ngược lại

h'1

Δh1

ΔH

hi

Ei

d2 d1

Δh2

h'2

h1 h2

x1 x2

Ví dụ: f=2GHz; k=4/3 d1=35km; d2=15km hi=40m h’1=80m; Δh1=Δh2=10m h’2=?

Ta có )(9,303/415.35

514 mEi ==

)(8,236,0)(7,392.5015.3532,17

)(32,17 1min

21

211 mFHm

fddddF ==Δ=>==

+=

ΔE = Ei+hi+ΔH = 30,9+40+23,8 = 94,7(m) x1 = ΔE-h1 = 94,7 - (80+10) = 4,7(m) x2 = d2/d1 * x1=15/35 * 4,7 = 2,0(m) h2=94,7 + 2=96,7(m) h’2=86,7 m

25


d- Thiết kế tuyến vi ba số Lựa chọn điểm đặt trạm (trạm phát/ thu/ trạm chuyển tiếp) tuỳ thuộc điều kiện địa hình chi phí. Phải chọn điểm đặt trạm sao cho giữa hai trạm liên tiếp phải được nhìn thấy nhau trong tầm nhìn thẳng (light of sight) Lựa chọn tần số làm việc: tần số thu, phát vô tuyến để đảm bảo can nhiễu: giữa các tần số, với các hệ thống khác giảm xuống. Vẽ mặt cắt của tuyến (mặt phẳng cắt dọc theo đường truyền). Tính toán tuyến: + Mô tả tuyến: - Tên mỗi trạm, ký hiệu mỗi trạm. - Số trạm. - Loại thiết bị , các thông số kỹ thuật chính của từng loại thiết bị. - Tần số làm việc. - Dung lượng. - Chiều cao an ten. - Vĩ độ, kinh độ của các điểm đặt trạm => góc phương vị và cự li. + Tính toán (quỹ năng lượng đường truyền) Ví dụ về tính toán quỹ năng lượng * Công suất phát Pt (dBm): Tuỳ từng thiết bị. * Các jack cắm có suy hao do jack L(P) ≈ 3dB * Phi đơ có suy hao do phi đơ L(f). L(f) phụ thuộc vào chiều dài cáp và loại cáp. L(f)=(l1+l2) α(f) (dB) trong đó l1: chiều dài an ten phía phát (m). l2: chiều dài an ten phía thu (m). thường thì li=(1,2->1,5)hi

α(f) : Suy hao trên 1m [dB/m] Ví dụ phi đơ EW44 ở tần số 4,7GHz α(f)=4,0 dB/100m. * Suy hao trong không gian tự do L(d)

))((log20)(log205,32)( dBMHzfkmdL d ++= ))((log20)(log205,92)( dBGHzfkmdL d ++=

* An ten Hệ số tăng ích G của an ten thu và an ten phát là khả năng đưa ra năng lượng RF theo một hướng bức xạ xác định hoặc thu năng lượng từ một hướng bức xạ xác định. G của an ten là độ chênh lệch mật độ công suất điện trường ở xa giữa an ten đang xét và mật độ công suất cũng tại điểm đó nhưng đã được thay đổi bởi một an ten giả bức xạ năng lượng đồng đều mọi hướng. Ví dụ: ở dải tần số 3,6 -> 4,2 GHz an ten có đường kính 3,0m thì có độ tăng ích G=39,3dB

* Công suất thu PR (dB) PR = Tổng tăng ích – Tổng suy hao

∑ ∑−= LGPR

∑ ++= RTT GGPG

)()()()( filterfpd LLLLL +++=∑

26


* Khi mưa L(R)=α(R) d(R) (dB) α(R): Hệ số suy hao do mưa (dB/km) tuỳ thuộc vào tần số và cường độ mưa.. - Mưa to: giả sử mưa trên toàn tuyến. α(R) = 0,1 dB/km ở tần số 2GHz = 0,22 dB/km ở tần số 6-7GHz - Mưa rất to: giả sử mưa trên 5km a(R) = 0,4dB/km ở tần số 2GHz = 1,2 dB/km ở tần số 6-7GHz PR’=PR-L(R) * Dự trữ fading

Trong một tuyến vi ba luôn luôn phải có độ dự trữ fading. Phải đảm bảo rằng công suất tại điểm thu (PR) luôn luôn lớn hơn PRmin khi chịu fading xấu nhất. Để đảm bảo BER ≤ BERcho phép.

Độ dự trữ fading 15÷25dB cho tuyến dung lượng nhỏ. 25÷30dB cho tuyến dung lượng trung bình. 30÷40dB cho tuyến dung lượng lớn Khi kể đến độ dự trữ fading công suất tại điểm thu PR”=PR’-độ dự trữ fading PRmin ≤ PR”≤ PRmax

II- Sự suy giảm và biến dạng tín hiệu (Attenuation & Distortion)

1- Sự suy giảm - Khi một tín hiệu lan truyền trong môi trường truyền dẫn mà biên độ giảm

xuống được gọi là sự suy giảm tín hiệu. - Nếu trường hợp cáp quá dài thì cần phải có các bộ lặp (repeater) để tiếp nhận

và tái sinh tín hiệu. - Sự suy giảm tín hiệu là một hàm của tần số, trong khi đó tín hiệu lại bao gồm

một dải tần vì vậy tín hiệu sẽ bị biến dạng do các thành phần suy giảm không bằng nhau. Để khắc phục vấn đề này, các bộ khuếch đại được thiết kế sao cho khuếch đại các tín hiệu có tần số khác nhau với hệ số khuếch đại khác nhau. Ngoài ra còn có thiết bị cân chỉnh gọi là equalizer được dùng để cân bằng sự suy giảm xuyên qua một băng tần xác định.

- Sự suy giảm và khuếch đại thường được đo bằng decibel(dB) o Sự suy giảm = 10lg (P1/P2) [dB] o Sự khuếch đại = 10lg (P2/P1) [dB] o Chú ý: decibel là không thứ nguyên và đơn giản là sự đo lường độ lớn

giữa 2 mức năng lượng.

2- Băng thông giới hạn Bất kì một kênh hay đường truyền nào đèu có một băng thông xác định liên hệ với nó. Công thức Nyquist xác định tốc độ tối đa của kênh không nhiễu :

C=2Wlog2M Trong đó:

27


+ W[Hz] là băng thông của kênh truyền + M là số trạng thái tín hiệu. + C [bps]

Trong thực tế vì các bit mở rộng được thêm vào cho mục đích điều khiển truyền (overhead) nên tốc độ số liệu hiệu dụng thường nhỏ hơn tốc độ bit thực tế. Khi truyền thông tin qua kênh có 3 tốc độ cần được quan tâm:

- Tốc độ phát tín hiệu - Tốc độ bit - Tốc độ số liệu

Hiệu suất băng thông của kênh B=C/W [bpsHz-1]

+ C [bps] tốc độ bit + W [Hz] băng thông kênh truyền

3- Sự biến dạng do trễ pha Tốc độ lan triuền của một tín hiệu dọc theo đường truyền thay đổi tuỳ tần số. Do đó khi truyền một tín hiệu số, các thành phần tần số khác nhau tạo nên nó sẽ đến máy thu với độ trễ pha khác nhau, dẫn đến biến dạng do trễ của tín hiệu tại máy thu. Biến dạng sẽ gia tăng khi tốc độ bit tăng. Biến dạng trễ này gây ra khó khăn trong việc lấy mẫu tín hiệu. Có thể quan sát mức can nhiễu liên quan đến kênh truyền qua lược đồ mắt (eye diagram) trên oscilloscope. Một tín hiệu xung clock có giá trị bít br xác định, dùng kích khởi mạch quét ngang một oscilloscope và tín hiệu số cần kiểm tra là các tín hiệu 1, 0 thay đổi một cách tuần tự được đưa vào bản lệch dọc của oscilloscope. Một biểu đồ mắt có dạng như hình vẽ xuất hiện trên màn ảnh oscilloscope

Sự hình thành biểu đồ mắt có thể hiểu là sự chồng chất của các tín hiệu 1, 0 thay đổi liên tục tạo ra

28


Nếu tín hiệu xung vào gần như lý tưởng thì biểu đồ mắt có dạng gần giống như hình chữ nhật, ta nói biểu đồ mắt hoàn toàn mở (a)

Trong thực tế biến dạng không thể nào tránh khỏi hoàn toàn và biểu đồ mắt đóng lại (b). Giao điểm của các biến đổi từ 1 xuống 0 và ngược lại được gọi là giao điểm 1/0. Sự thay đổi theo chiều ngang của giao điểm 1/0 là sự biến động (jitter). Hình vẽ cho thấy các giá trị biến động khác nhau của biểu đồ mắt. (a) là trường hợp không có biến động, (b) biến động khoảng 5%, (c) khoảng 10%, (d) khoảng 20%, (e) khoảng 50% và (f) > 50%. Sự biến động càng lớn biểu đồ mắt càng khép lại, vậy kích thước của vòng mở tại trung tâm biểu đồ mắt cho ta chất lượng của hệ thống.

4- Nhiễu Tốc độ truyền dẫn tối đa theo lý thuyết của kênh truyền được xác định theo luật (law) Shannon-Hartley:

C=W log2(1+S/N) [bps] Chú ý: S, N tính là Watts chứ khong phải tính theo Decibels

Ví dụ: Một kênh truyền có băng thông 3000Hz. SNR=30 dB. Xác định tốc độ tối đa của kênh truyền này SNR=10lg(S/N)

S/N = 1000 C = 3000.log2(1+1000) C ≈ 30000 bps

Một nguyên nhân gây nhiễu được biết đến là nhiễu xuyên âm (crosstalk). Nhiễu được hình thành do hai dây dẫn đặt kề nhau.

Câu hỏi cuối chương 1. Tại sao người ta phải xoắn cáp truyền từng đôi một. 2. Giả sử công suất ánh sáng giảm đi một nửa thì ta cần đặt một trạm lặp. Hãy

tính khoảng cách xa nhất giữa hai trạm lặp. Biết rằng cáp quang có độ suy hao là 0,15dB/km.

3. Hãy giải thích với cùng một cự li truyền thông, tại sao công suất của một đài phát thanh lại lớn hơn rất nhiều công suất phát của một tuyến vi ba.

29

Chương 5- Mã hoá số liệu

CChhưươơnngg 55-- MMãã hhóóaa ssốố lliiệệuu (DATA ENCODING)

I- Truyền số liệu ở băng cơ sở

1- Khái quát Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cách đơn giản là gán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một trị khác cho mức logic còn lại. Tuy nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo mã phải dựa vào một số tính chất sau: a- Phổ tần của tín hiệu

• Nếu tín hiệu có chứa tần số cao thì băng thông của tín hiệu và của hệ thống phải rộng

• Nếu tín hiệu có thành phần DC có thể gây khó khăn trong ghép nối, thí dụ không thể ghép tín hiệu có thành phần DC qua biến thế và kết quả là không cách ly điện được.

• Trong thực tế, sự truyền thông xấu nhất ở các cạnh của băng thông.

Vì các lý do trên, một tín hiệu tốt phải có phổ tần tập trung ở giữa một băng thông không quá rộng và không nên chứa thành phần DC.

b- Sự đồng bộ Thường máy thu phải có khả năng nhận ra điểm bắt đầu và kết thúc của một bít để thực hiện sự đồng bộ với máy phát. Nên nhớ là trong chế độ truyền đồng bộ, máy phát và thu không tạo ra xung đồng hồ riêng rẽ mà máy thu phải phục hồi xung này từ chuỗi dữ liệu phát để sử dụng. Như vậy tín hiệu truyền phải tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ ẩn trong chuỗi dữ liệu, cụ thể là phải có sự biến đổi giữa các mức thường xuyên. c- Khả năng dò sai Ðộ tin cậy trong một hệ thống thông tin là rất cần thiết do đó máy thu phải có khả năng dò sai để sửa chữa mà việc này có thực hiện dễ dàng hay không cũng tùy vào dạng mã. Tính miễn nhiễu và giao thoa: Các dạng mã khác nhau cho khả năng miễn nhiễu khác nhau. Thí dụ mã Bipolar-AMI là loại mã có khả năng phát hiện được nhiễu. d- Mức độ phức tạp và giá thành của hệ thống Các đặc tính này của hệ thống cũng tùy thuộc vào dạng mã rất nhiều

2- Các dạng mã phổ biến • Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L) • Nonreturn to Zero Inverted (NRZI) • Bipolar -AMI • Pseudoternary


• Manchester • Differential Manchester • B8ZS • HDB3

a- NRZ – L (Nonreturn - to - Zero – Level) (Known as NRZ-L, or nonreturn-to-zero level, because signal never returns to zero,

and the voltage during a bit transmission is level) • Dùng hai mức điện áp khác nhau cho 0 và 1

Thường thì 0 = điện áp dương 1 = điện áp âm

• Điện áp không đổi trong mỗi bit b- NRZ – I (Nonreturn to Zero Inverted)

(Differential version is NRZI (NRZ, invert on ones)) • Là một ví dụ về mã vi phân • Khi gặp một bit 1 nó sẽ thay đổi mức • Không thay đổi mức khi gặp bit 0 • Loại mã này có ưu điểm là khi giải mã máy thu dò sự thay đổi trạng thái của tín

hiệu thay vì so sánh tín hiệu với một trị ngưỡng để xác định trạng thái logic của tín hiệu đó và kết quả cho độ tin cậy cao hơn.

Đặc điểm của mã NRZ: Thành phần một chiều lớn và công suất tập chung ở gần tần số bằng 0. Thường được sử dụng để ghi dữ liệu lên băng từ

c- Bipolar - AMI

• Bit 0 điện áp = 0 • Bit 1 điện áp âm hoặc dương, luôn phiên thay đổi với chuỗi bit 1 liên tiếp

d- Pseudoternary (Pseudo: giả, ternary: ba)

• Bit 1 điện áp = 0 • Bit 0 điện áp âm hoặc dương, luôn phiên thay đổi với chuỗi bit 0 liên tiếp

31


Đặc điểm của Bipolar – AMI và Pseudoternary: Hai loại mã có cùng tính chất là sử dụng nhiều mức điện thế để tạo mã (Multilevel Binary), cụ thể là 3 mức: âm, dương và không. Ưu điểm:

• Dễ tạo đồng bộ ở máy thu do có sự thay đổi trạng thái của tín hiệu điện mặc dù các trạng thái logic không đổi (tuy nhiên điều này chỉ thực hiện đối với một loại bit, còn loại bít thứ hai sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật ngẫu nhiên hóa)

• Có điều kiện tốt để dò sai do sự thay đổi mức điện thế của các bít liên tiếp giống nhau nên khi có nhiễu xâm nhập sẽ tạo ra một sự vi phạm mà máy thu có thể phát hiện dễ dàng.

Nhược điểm: • Hiệu suất truyền tin kém do phải sử dụng 3 mức điện thế

e- Biphase (Mã Manchester) Yêu cầu phải có ít nhất một lần thay đổi mức cho mỗi bit thậm chí là hai. Do vậy tốc độ điều chế cao hơn và băng thông yêu cầu cũng lớn hơn. Ưu điểm là :

• Đồng bộ dễ dàng nhờ sự thay đổi mức. • Phát hiện lỗi dựa trên sự vắng mặt của một chuyển mức nào đó.

Có hai loại là: Manchester và Manchester vi sai (Differential Manchester) 1. Manchester

• Sự thay đổi ở giữa mỗi bit • Bit 0 = chuyển mức từ cao xuống thấp ở giữa bit • Bit 1 = chuyển mức từ thấp lên cao ở giữa bit • Được sử dụng bởi IEEE 802.3 (Ethernet)

2. Manchester vi sai • Sự thay đổi ở giữa bit chỉ là đồng hồ • Bit 0 = chuyển mức ở đầu bit • Bit 1 = không chuyển mức ở đầu bit • Được sử dụng bởi IEEE 802.5 (Token Ring)

Nhận xét: • Mỗi bít được đặc trưng bởi hai pha điện thế (Biphase) nên luôn có sự thay đổi

mức điện thế ở từng bít do đó tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng bộ. Do có khả năng tự thực hiện đồng bộ nên loại mã này có tên Self Clocking Codes.

• Do mỗi bít được mã bởi 2 pha điện thế nên vận tốc điều chế (Modulation rate) của loại mã này tăng gấp đôi so với các loại mã khác.

32


Bài tập: Cho dòng số liệu như sau 01001100011. Hãy vẽ tín hiệu điện của các loại mã đã học với dòng bit trên. (Đáp án trang sau)

3- Kỹ thuật ngẫu nhiên hóa (Scrambling techniques) Ðể khắc phục khuyết điểm của loại mã AMI là cho một mức điện thế không đổi khi có một chuỗi nhiều bít 0 liên tiếp, người ta dùng kỹ thuật ngẫu nhiên hóa. Nguyên tắc của kỹ thuật này là tạo ra một sự thay đổi điện thế giả bằng cách thay thế một chuỗi bít 0 bởi một chuỗi tín hiệu có mức điện thế thay đổi, dĩ nhiên sự thay thế này sẽ đưa đến các vi phạm luật biến đổi của bít 1, nhưng chính nhờ các bít vi phạm này mà máy thu nhận ra để có biện pháp giải mã thích hợp. Ví dụ các mã được dùng rất nhiều trong các hệ thông tin với khoảng cách rất xa và vận tốc bit khá lớn: B8ZS, HDB3 ngoài ra còn có B6ZS, B3ZS

33


4- Thu ở băng 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. Để làm được việc đó điều bắt buộc là :

• Phải có tín hiệu đồng bộ cùng tần số với tín hiệu đồng bộ bên phát. o Phát tín hiệu đồng bộ ở bên phát: Cộng tín hiệu băng tần cơ sở với 1 tín

hiệu sin o Tạo tín hiệu đồng bộ từ tín hiệu nhận được ở bộ phận thu: thường so

sánh pha 1 tín hiệu đồng bộ ở phía thu với pha tín hiệu nhận được để điều chỉnh

• Do tín hiệu truyền bị méo và nhiễu nên trước khi giải mã phải được sửa dạng và khử nhiễu

5- Chuẩn giao tiếp băng cơ sở a- V.28 Các tín hiệu điện áp được dùng trên đường dây là đối xứng so với mức tham chiếu gốc (ground) và ít nhất là mức 3V (+3V cho bit 0, -3V cho bit 1). Thực tế nguồn cung cấp thường ±12V hay ±15V b- Dòng 20mA Dùng dòng điện thay cho điện áp. Chuyển mạch đóng có dòng 20mA qua tương ứng với bit 1, chuyển mạch mở không có dòng điện tương ứng với bit 0

Ðiều kiện hoạt động hữu hiệu của hệ thống dùng dòng điện vòng là phải có một sự cách ly tốt giữa dòng điện vòng và dòng điện trong bộ phận thu và trở kháng ra của máy phát phải rất lớn so với trở kháng đường dây để bảo đảm giá trị của nguồn dòng không bị ánh hưởng của đường dây. Ngày nay, ghép nối quang thường được sử dụng như là một phương tiện cách ly rất tốt. Sự tắt mở của dòng điện được biến thành sự tắt mở của chùm tia sáng được dò ra bởi transistor quang.

34


c- RS-232D (EIA 530) Chuẩn giao tiếp RS-232 của EIA được phát hành lần đầu tiên vào năm 1962, đến năm 1969 ra đời thế hệ thứ 3 là chuẩn RS-232C, hiện thời cũng còn được dùng rộng rãi và năm 1987 RS-232D xuất hiện. RS-232D có thể xem là cải tiến của RS-232C, có hai điểm khác biệt giữa hai chuẩn này là:

• RS-232D xác định nối cáp riêng biệt cho nó trong khi RS-232C thì có thể dùng nhiều loại đầu nối khác nhau (trong thực tế RS-232C đã sử dụng nối cáp mà hiện nay là chuẩn của RS-232D)

• RS-232D có thêm 3 mạch để thực hiện tác vụ test mà RS-232C không có. RS-232D được sử dụng rộng rãi cho các chức năng kết nối, đặc biệt trong các kết nối giữa các thiết bị DTE và các modem âm tần (voice grade modem) để dùng trong hệ thống viễn thông công cộng. Dưới đây là các đặc tính điện quan trọng của RS-232D : Ðặc tính điện xác định tín hiệu giữa DTE và DCE. Tín hiệu số được dùng trong mọi trao đổi. Mức điện áp logic của RS-232D nằm trong khoảng ±15V. Các đường dữ liệu sử dụng logic âm: logic 1 tương ứng với điện áp trong khoảng (-5V, -15V); logic 0 chiếm khoảng (+5V, +15V).

• Các đường điều khiển sử dụng logic dương: từ +5V đến +15V tương ứng với điều kiện ON (hay TRUE) và từ -5V đến -15V tương ứng với điều kiện OFF (hay FALSE)

• Ở chuẩn giao tiếp này, mức nhiễu được giới hạn là 2V. Do đó ngưỡng nhỏ nhất của ngã vào là ±3V. Ðiện áp lớn nhất trên đường dây khi không tải là ±25V.

Một số đặc điểm về điện khác :

• Ðiện trở tải RL có giá trị trong khoảng từ 3 kΩ đến 7 kΩ • Ðiện dung tải CL không quá 2500 pF • Ðể ngăn chận sự dao động, tốc độ thay đổi điện áp (slew rate) không được vượt

quá 30V/μs • Thời gian chuyển mức tín hiệu từ ON sang OFF hay ngược lại: • Ðối với các đường điều khiển, không được vượt quá 1ms. • Ðối với các đường dữ liệu không được vượt quá 4% thời gian của một bít hoặc

1ms. • Tốc độ truyền dữ liệu là 20 kbps và không quá 15m

d- RS-422A/V.11 Dựa trên cáp xoắn đôi và mạch thu phát vi phân. Một mạch phát vi phân tạo ra tín hiệu tín hiệu sinh đôi bằng nhau và ngược cực theo mỗi tín hiệu nhị phân 0 hay 1 được truyền. Mạch thu chỉ cảm nhận theo hiệu số giữa hai tín hiệu trên hai đầu vào của chúng, nhờ đó nhiễu tác động đồng thời lên cả hai dây sẽ không ảnh hưởng đến tín hiệu cần thu.

35


II- Truyền số liệu ở băng rộng Muốn truyền dữ liệu ở băng rộng ta cần điều chế. Điều chế là quá trình chuyển đổi phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi; mục đích của việc làm này là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền. Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi một thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha....). Tùy theo thông số được lựa chọn mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha ΦM, điều chế xung PM . . . ..

1- Ðiều chế biên độ (Amplitude Modulation, AM)

Dữ liệu số có thể được truyền bằng phương pháp điều chế AM, trong trường hợp này gọi là kỹ thuật dời biên (ASK, Amplitude- Shift Keying). Bit 1 được truyền đi bởi sóng mang có biên độ E1 và bít 0 bởi sóng mang biên độ E2.

2- Ðiều chế tần số (Frequency Modulation, FM)

Cũng như trong trường hợp AM, tín hiệu dữ liệu số cũng được truyền bằng phương pháp FM. Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật dời tần (FSK: Frequency- Shift Keying). FSK được dùng rộng rãi trong truyền số liệu. Trong FSK bít 1 được truyền đi bởi tần số fm và bít 0 bởi tần số fs

36


3- Ðiều chế pha (ФM) (để tránh nhầm PM là điều chế xung) Ðiều chế pha là kỹ thuật rất tốt để truyền số liệu. Trong kỹ thuật dời pha, PSK (Phase-Shift Keying), các bít 1 và 0 được biểu diễn bởi các tín hiệu có cùng tần số nhưng có pha trái ngược nhau.

Ngoài ra người ta còn kết hợp điều chế pha và biên độ gọi là CAPK- Coherent Amplitude Phase Keying. Hay một dạng khác là: Điều chế biên độ cầu phương QAM- Quadrature Amplitude Modulation. Ví dụ 8-QAM, 16-QAM,…

III- Kỹ thuật ghép kênh (Multiplexing) Như chúng ta đã biết, để truyền đồng thời nhiều kênh thông tin trên một đường truyền người ta có thể dùng một trong hai phương pháp ghép kênh:

• Ghép kênh phân chia theo thời gian: phù hợp với việc truyền tín hiệu số, được dùng phổ biến trong các hệ thống điện thoại số.

• Ghép kênh phân chia theo tần số: phù hợp với việc truyền tín hiệu tương tự, được dùng rộng rãi trong các phương tiện thông tin khác như truyền thanh, truyền hình,…

1- Frequency Division Multiplexing, FDM Ta có N kênh thông tin cần truyền mi(t) (i=1->N). Mỗi kênh thông tin được điều chế bởi một tần số mang fi. Ở đây ta có thể dùng ASK, FSK, PSK để thực hiện điều chế.

Subcarrier fSC1

Subcarrier fSC2

Subcarrier fSCN

Σ .. .

m1(t)

m2(t)

mN(t)

mc(t) Truyền fc

s(t)=FDM

Phía phát

37


fSC1 f

fSC2 fSCN Phổ

Thu s(t)

Bộ lọc f1 Giải điều chế f1

m1(t)

Bộ lọc f2 Giải điều chế fN

m2(t)

.. .

2- Time Division Multiplexing, TDM Ghép kênh phân thời gian có hai dạng : đồng bộ và không đồng bộ a- Ghép kênh thời gian đồng bộ (Synchronous TDM) Ghép kênh thời gian đồng bộ thực hiện được khi dung lượng của đường truyền vượt nhiều lần vận tốc bit của tín hiệu cần truyền. Nhiều tín hiệu số có thể truyền trên một đường truyền ở những thời điểm khác nhau. Sự phân chia thời gian có thể thực hiện cho từng bit, từng khối nhiều ký tự hay từng khối lớn dữ liệu

Tín hiệu ghép kênh trên đường truyền có cấu trúc khung (frame), mỗi khung chứa một số khe thời gian (timeslot). Trong mỗi khung, một hoặc nhiều khe thời gian được dành cho mỗi nguồn dữ liệu. Chuỗi các khe dành cho một nguồn dữ liệu trong các khung

Bộ lọc fN Giải điều chế f

mN(t) N

Phía thu

38


khác nhau hình thành một kênh (channel). Chiều dài mỗi khe bằng chiều dài của thanh ghi đệm phát, cụ thể là 1 bit hoặc chiều dài 1 ký tự. Trên đường truyền TDM , dữ liệu được xuất ra theo một trong hai kỹ thuật :

guồn bất

guồn đồng bộ và không đồng bộ,

í dụ cho thấy sự khác nhau của 2 kỹ thuật xen ký tự và xen bit. Trong ví dụ, để đơn

- Kỹ thuật xen ký tự (word or character-interleaving) được dùng cho các nđồng bộ, mỗi khe thời gian chứa một ký tự dữ liệu. - Kỹ thuật xen bit (bit-interleaving) được dùng cho nmỗi khe thời gian chỉ chứa một bit. Vgiản ta chỉ vẽ các mẫu bit của 2 kênh thay vì 32 (hay 24) kênh như trong thực tế

Xen bit

Xen ký tự

b- Ghép kênh thời gian không đồng bộ: (Asynchronous time-division

hông đồng bộ còn có các tên gọi khác do tính chất của nó như:

ời gian đồng bộ, trong một khung có thể có nhiều khe thời gian rỗng

ó thể có n đường I/O nhưng chỉ có k , với k<n, khe thời

multiplexing, ATM) Ghép kênh thời gian kTDM thống kê (statistical TDM) hoặc TDM thông minh (Intelligent TDM), dưới đây ta gọi tắt ATM. Trong đa hợp thvẫn được truyền đi vì không phải lúc nào mọi kênh đều có dữ liệu để truyền, điều này đưa đến hiệu suất sử dụng đường truyền rất thấp. Ðể khắc phục khuyết điểm này TDM không đồng bộ ra đời. Trong TDM không đồng bộ cgian được dùng.

39


c- Các cấp ghép kênh được dùng trong hệ thống truyền dẫn số ở Bắc Mỹ và châu Âu (ITU-T) Circuit Bit rate (Mpbs) Voice/data channels

DS1 (T1) 1.544 24DS1C 3.152 48DS2 6.312 96DS3 44.736 672DS4E 139.264 1920

North America

DS4 274.176 4032

E1 2.048 30E2 8.448 120E3 34.368 480E4 139.264 1920

ITU-T

E5 565.148 7680

Câu hỏi cuối chương 1. Khi tăng số mức điều chế ta được lợi gì? Ta có thể tăng số mức điều chế điều

chế tuỳ ý được không? Nó phụ thuộc yếu tố nào? 2. Một kênh truyền có băng thông 4000Hz, SNR=40dB. Hãy xác định tốc độ tối

đa của kênh truyền này. 3. Cho dòng bit 001011. Hãy vẽ tín hiệu ứng với mã Manchester ứng với dòng bit

này. 4. Tốc độ của một kênh thoại số là bao nhiêu? Tốc độ E1 là gì?

40

Chương 6- Giao tiếp truyền số liệu

CChhưươơnngg 66-- GGiiaaoo ttiiếếpp ttrruuyyềềnn ssốố lliiệệuu CC(DATA COMMUNICATION INTERFACE) (DATA COMMUNICATION INTERFACE)

I- Hệ thống truyền số liệu I- Hệ thống truyền số liệu Trong các hệ thống truyền dữ liệu có hai cách đưa tín hiệu lên đường truyền: nối tiếp và song song. Cách truyền song song thường được truyền trên một khoảng cách ngắn, cách truyền nối tiếp thường được thực hiện khi khoảng cách truyền khá xa. Trong cách truyền nối tiếp, dựa vào cách thực hiện sự đồng bộ giữa nơi phát và thu ta có hai chế độ hoạt động: đồng bộ và bất đồng bộ.

Trong các hệ thống truyền dữ liệu có hai cách đưa tín hiệu lên đường truyền: nối tiếp và song song. Cách truyền song song thường được truyền trên một khoảng cách ngắn, cách truyền nối tiếp thường được thực hiện khi khoảng cách truyền khá xa. Trong cách truyền nối tiếp, dựa vào cách thực hiện sự đồng bộ giữa nơi phát và thu ta có hai chế độ hoạt động: đồng bộ và bất đồng bộ. Hệ thống truyền dữ liệu gồm 3 bộ phận chính: Hệ thống truyền dữ liệu gồm 3 bộ phận chính:

• Một cặp thiết bị xử lý tín hiệu (Terminal). • Một cặp thiết bị xử lý tín hiệu (Terminal). • Một cặp giao diện nối tiếp, được gọi là thiết bị đầu cuối số liệu (Data Terminal

Equipment, DTE) mà nhiệm vụ chính là biến đổi chuỗi dữ liệu song song thành nối tiếp ở máy phát và ngược lại ở máy thu, đồng thời thực hiện một số chức năng khác theo yêu cầu của người sử dụng sử dụng các thanh ghi PISO, SIPO.

• Một cặp giao diện nối tiếp, được gọi là thiết bị đầu cuối số liệu (Data Terminal Equipment, DTE) mà nhiệm vụ chính là biến đổi chuỗi dữ liệu song song thành nối tiếp ở máy phát và ngược lại ở máy thu, đồng thời thực hiện một số chức năng khác theo yêu cầu của người sử dụng sử dụng các thanh ghi PISO, SIPO.

• Một cặp giao diện truyền dữ liệu, được gọi là thiết bị truyền dữ liệu (Data Circuit terminating Equipment - Data Communication Equipment, DCE), thực hiện sự giao tiếp giữa DTE và môi trường truyền. Các chuẩn về điện của EIA như RS-232C (D), RS-422A hoặc 423A

• Một cặp giao diện truyền dữ liệu, được gọi là thiết bị truyền dữ liệu (Data Circuit terminating Equipment - Data Communication Equipment, DCE), thực hiện sự giao tiếp giữa DTE và môi trường truyền. Các chuẩn về điện của EIA như RS-232C (D), RS-422A hoặc 423A

II-Truyền nối tiếp không đồng bộ II-Truyền nối tiếp không đồng bộ (asynchronous transmission) (asynchronous transmission) Các ký tự dữ liệu mã hoá thông tin được truyền đi tại những thời điểm khác nhau mà khoảng thời gian nối tiếp giữa hai ký tự không cần thiết phải là một giá trị cố định. Ví dụ người sử dụng gõ bàn phím.

Các ký tự dữ liệu mã hoá thông tin được truyền đi tại những thời điểm khác nhau mà khoảng thời gian nối tiếp giữa hai ký tự không cần thiết phải là một giá trị cố định. Ví dụ người sử dụng gõ bàn phím. Máy phát phát và thu độc lập trong việc sử dụng đồng hồ, tức không cần kênh truyền tín hiệu đồng hồ giữa hai đầu thu, phát. Tuy nhiên để có thể nhận được dữ liệu, máy thu buộc phải đồng bộ theo từng ký tự một. Để thực hiện được điều này trước khi truyền mỗi ký tự đều được đóng gói giữa một start bit và một hay nhiều stop bit.

Máy phát phát và thu độc lập trong việc sử dụng đồng hồ, tức không cần kênh truyền tín hiệu đồng hồ giữa hai đầu thu, phát. Tuy nhiên để có thể nhận được dữ liệu, máy thu buộc phải đồng bộ theo từng ký tự một. Để thực hiện được điều này trước khi truyền mỗi ký tự đều được đóng gói giữa một start bit và một hay nhiều stop bit.

hhưươơnngg 66-- GGiiaaoo ttiiếếpp ttrruuyyềềnn ssốố lliiệệuu

Terminal Phát

DTE DCE

Kênh truyền

Terminal Thu

DTE DCE

41


Start bit

Stop bit

Mỗi bit được lấy mẫu ở giữa bit

Bộ thu phát hiện START của một

ký tự mới

Trạng thái nhàn rỗi hay các bit stop trước

1. Nguyên tắc đồng bộ bit Đồng hồ thu chạy một cách bất đồng bộ với tín hiệu thu. Yêu cầu dùng đồng hồ thu lấy mẫu tín hiệu đến ngay giữa bit dữ liệu. Để đạt được điều này, tín hiệu đồng hồ thu nhanh gấp N lần đồng hồ phát và mỗi bit được dịch vào SIPO sau N chu kỳ đồng hồ. Sự chuyển trạng thái từ 1 xuống 0 là dấu hiệu của bit start có ý nghĩa bắt đầu của một ký tự và chúng được dùng để khởi động bộ đếm xung clock ở máy thu. Mỗi bit bao gồm cả bit start được lấy mẫu ở giữa bit. Ngay sau khi được phát hiện bit start được lấy mẫu sau N/2 chu kỳ clock, tiếp tục lấy mẫu sau mỗi N xung clock tiếp theo cho mỗi bit trong ký tự. (đề nghị sinh viên xem tài liệu tham khảo “Kỹ thuật truyền số liệu” trang 103, 104) Dễ thấy rằng với N càng lớn thì vị trí lấy mẫu có khuynh hướng vào giữa bit hơn. Do vậy ở chế độ truyền này tốc độ truyền không thể cao được.

2. Nguyên tắc đồng bộ ký tự Sau khi phát hiện và nhận start bit, việc đồng bộ ký tự tại đầu thu rất đơn giản, chỉ việc đếm đúng số bit đã được lập trình và đợi cho đến khi gặp một start bit kế tiếp.

3. Nguyên tắc đồng bộ khung Khi bản tin gồm một khối các ký tự thường xem như một khung thông tin (information frame) bên cạnh việc đồng bộ bit và ký tự, máy thu còn phải xác định điểm bắt đầu và kết thúc của một khung. Đơn giản có thể cho bản tin nằm giữa hai ký tự đặc biệt STX (Start of TeXt), ETX (End of TeXt).

4. Một số vi mạch giao tiếp thông dụng a. UART 6402 (Universal Asynchronnous Receiver Transmiter) Được sử dụng giao tiếp cho những kênh truyền không đồng bộ. Công nghệ CMOS, có 40 chân. Có thể truyền với tốc độ lên đến 250kbps b. 8251A - USART (Universal Synchronnous Asynchronnous Receiver Transmiter) Sử dụng để truyền đồng bộ và không đồng bộ. Nó nhận ký tự từ máy tính trong dạng song song và đổi sang nối tiếp để truyền đi và ngược lại.

42


8251A có 28 chân được chế tạo nhờ công nghệ NMOS có thể truyền với tốc độ 64kbps c. 6850-ACIA (Asynchronnous Communication Interface Adapter) Chế tạo dùng kỹ thuật NMOS có 24 chân

III. Truyền nối tiếp đồng bộ

1. So sánh truyền đồng bộ và bất đồng bộ Chế độ truyền bất đồng bộ: để phát bản tin người ta phát đi từng ký tự một và sự đồng bộ được thực hiện cho từng ký tự này bởi các bit Start và Stop thêm vào trước và sau mỗi ký tự. Xung đồng hồ được tạo ra một cách riêng rẽ ở máy thu và máy phát. Chế độ truyền đồng bộ: để phát một bản tin người ta xem nó là một khối và phát đi một lần cả khối đó, sự đồng bộ được thực hiện bằng cách cho máy phát phát kèm theo tín hiệu dữ liệu các xung đồng hồ hoặc máy thu thì ở máy thu phải có mạch tách bit thời gian từ chính tín hiệu dữ liệu để thực hiện sự đồng bộ. Ta thấy việc thực hiện giao thức bất đồng bộ tương đối đơn giản, giá thành thấp nhưng hiệu quả không cao. Giả sử để phát một ký tự mã ASCII thì phải dùng ít nhất 9 bit (7 bit ký tự, 1 bit start, 1 bit stop), thì tỉ lệ hao là 2/9 = 0,22=22%. Trong khi đó, tỉ lệ này trong chế độ đồng bộ là rất thấp, khoảng vài %. Như vậy, chế độ truyền bất đồng bộ chỉ thuận lợi khi phát những bản tin ngắn và với vận tốc thấp.

2. Giao thức hướng ký tự (điều khiển byte) Trong chế độ truyền đồng bộ, có thể chia giao thức ra làm hai loại:

• Giao thức điều khiển Byte hay ký tự (Byte - Controlled Protocol, BCP, hay Character-Oriented Protocol).

• Giao thức hướng Bit (Bit - Oriented Protocol, BOP). Trong giao thức điều khiển byte (BCP), khối dữ liệu bao gồm nhiều ký tự, mỗi ký tự là một đơn vị thông tin (7 hoặc 8 bit) và các thông tin điều khiển cũng xuất hiện dưới dạng từ. Các ký tự dữ liệu (bản tin chính thức) hợp với từ điều khiển thành một khung thông tin. Giao thức điều khiển byte được đề nghị bởi IBM vào năm 1964 và được sử dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng điểm - điểm (point - point) và nhiều điểm (multipoint) với các phương thức đơn công và bán song công. Ðó là giao thức truyền đồng bộ nhị phân (Binary Synchronous Communication, BSC, đôi khi gọi là BISYNC). Giao thức BSC được ISO lấy làm cơ sở để xây dựng giao thức hướng ký tự chuẩn quốc tế với tên Basic Mode. Các từ điều khiển dùng trong BISYNC lấy từ bản mã ASCII, gồm một số từ như sau:

43


SYN Ký tự đồng bộ 16H SOH Ký tự bắt đầu của Header 01H STX Ký tự bắt đầu văn bản 02H ETX Ký tự kết thúc văn bản 03H EOT Ký tự kết thúc phát 04H ETB Ký tự kết thúc truyền khối 17H ENQ Ký tự hỏi (Enquiry) 05H ACK Ký tự báo cho biết đã nhận dữ liệu 06H NAK Ký tự báo cho biết chưa nhận dữ liệu 15H NUL Ký tự rỗng 00H DLE Ký tự giải phóng đường dữ liệu (data link escape) 10H CAN Ký tự hủy 18H

Một khung dữ liệu của BISYNC tiêu biểu có cấu trúc sau :

SYN SYN SOH Header STX Text ETX BCC BCC là ký tự 1 Byte dùng kiểm tra khung. Ðây là byte duy nhất được tạo ra để kiểm tra lỗi trong toàn khối. BCC có thể là một phép kiểm tra chẵn lẻ (dùng trong BSC), hoặc chặc chẽ hơn là kiểm tra dư thừa theo chu kỳ ( Cycle Redundancy Check, CRC ) (Dùng trong Basic Mode, với CRC - 16). Khi nhận được bản tin, máy thu thực hiện phép tính kiểm tra tổng, so sánh với BCC nhận được, sau đó sẽ trả lời bằng tín hiệu ACK (Ðúng) hoặc NAK (Không đúng).

3. Giao thức hướng bit Trong giao thức hướng bit (BOP), khối dữ liệu xem như một chuỗi bit. Giống như trong BCP, bắt đầu khối tin cũng có tín hiệu báo, đó là từ 8 bit gọi là Cờ (Flag) , cờ này cũng được đặt ở cuối bản tin. Trước và sau bản tin chính thức có các từ điều khiển, được gọi chung là Trường điều khiển (Control Field).

Giao thức hướng bit được thiết kế để thoả mãn nhiều yêu cầu trong cách truyền đồng bộ, bao gồm:

• Truyền giữa hai đài (trạm) (point to point) hay nhiều đài (multipoint). • Bán song công hay song công. • Liên lạc giữa trạm sơ cấp và trạm thứ cấp. • Liên lạc với khoảng cách ngắn (nối trực tiếp), hoặc rất xa (vệ tinh). • Giao thức này có một số tính chất sau : • Người sử dụng có thể sử dụng bất cứ loại mã nào. • Có khả năng thích hợp với nhiều loại đường truyền.

44


• Hiệu suất cao: giảm tối thiểu tỉ lệ hao hụt. • Ðộ tin cậy cao: cho phép kiểm tra lỗi có hiệu quả và có khả năng phục hồi dữ

liệu.

Có nhiều giao thức hướng bit đã được đề nghị bởi các cơ quan khác nhau và được sử dụng rộng rãi:

• Thủ tục điều khiển thông tin dữ liệu cao cấp (Advanced Data Communication Control Procedure - ADCCP) phát triển bởi Viện chuẩn quốc gia Hoa Kỳ (American National Standard Institute - ANSI) đây là chuẩn trong hệ thống thông tin quốc gia.

• Thủ tục truy xuất đường truyền cân bằng (Link Access Procedure, balance - LAP-B) thực hiện bởi Hội đồng Tư vấn Ðiện tín và Ðiện thoại quốc tế (International Telegraph & Telephone Consultative Committee - CCITT). Ðây là một chuẩn về mạng.

• Ðiều khiển liên kết dữ liệu đồng bộ (Synchronous Data Link Control - SDLC) được dùng bởi hãng IBM (International Business Machine Corporation) và ISO lấy làm cơ sở để phát triển thành giao thức điều khiển liên kết dữ liệu mức cao (High Level Data Link Control, HDLC).

Thật ra không có mấy khác biệt giữa các chuẩn nói trên: HDLC và ADCCP có thể xem là một còn LAP-B và SDLC là những tập con của HDLC. Sau đây chúng ta hãy xem xét chuẩn SDLC SDLC định nghĩa 3 loại trạm, 2 dạng truyền và 2 chế độ vận hành. 3 loại trạm:

• Trạm sơ cấp: (Primary) có trách nhiệm điều khiển vận hành của hệ thống, những khung phát bởi trạm sơ cấp gọi là lệnh (command)

• Trạm thứ cấp: (secondary) vận hành dưới sự điều khiển của trạm sơ cấp, những khung phát bởi trạm thứ cấp là lời đáp (response) Trạm sơ cấp duy trì việc nối logic với từng trạm thứ cấp trong hệ thống một cách riêng rẻ .

• Trạm hỗn hợp: Các trạm đồng thời giữ vai trò sơ và thứ cấp. 2 dạng truyền:

• Dạng không cân bằng : dùng giữa 2 trạm hoặc nhiều trạm, gồm một trạm sơ cấp và một hoặc nhiều trạm thứ cấp, có thể truyền song công và bán song công.

• Dạng cân bằng : chỉ dùng giữa 2 trạm hỗn hợp, có thể truyền song công hoặc bán song công.

2 chế độ vận hành : • Chế độ trả lời chuẩn (Normal Response Mode - NRM) : đây là một dạng truyền

không cân bằng, một trạm sơ cấp có thể khởi động để truyền dữ liệu đến trạm thứ cấp và trạm thứ cấp chỉ có thể truyền dữ liệu để trả lời khi trạm sơ cấp yêu cầu.

• Chế độ bình thường không kết nối (DISC) : Ở chế độ này trạm thứ cấp nhận tin nhưng không tác động được vào bản tin.

Dạng khung thông tin SDLC

45


FLAG

AADDRESS

CONTROL

INFORMATION

FCS

FLAG

←8 bit→ ←8 bit → ← 8bit→ ← variable → ← 16 bit→ ← 8 bit → Trường cờ đặt ở đầu và cuối một khung để giới hạn khung, gồm 8 bit theo qui định là 01111110 (6 bit 1 liên tiếp giữa 2 bit 0 ) HDLC (High-Level Data Link Control) (ĐỌC THÊM) Được ISO cho ra đời năm 1975 nhằm bổ sung một số chức năng của SDLC của IBM. Đặc điểm cơ bản: Để đáp ứng trạng thái của các ứng dụng khác nhau, HDLC định nghĩa 3 loại trạm thu phát, 2 cấu hình kết nối và 3 chế độ thao tác để truyền dữ liệu. Có 3 loại trạm thu phát sau:

• Trạm chính: Chịu trách nhiệm điều khiển các thao tác kết nối, các frame phát ra bởi nó được gọi là các frame lệnh.

• Trạm phụ: Thực hiện thao tác dưới dự điều khiển của trạm chính, các frame phát ra từ đây được gọi là các frame trả lời. Trạm chính duy trì một kết nối logic đặc biệt với mỗi trạm phụ trên đường truyền.

• Trạm kết nối: có nhiệm vụ kết nối các thao tác của trạm chính và phụ, nó cũng có thể phát ra cả hai loại frame là lệnh và trả lời.

Có 2 loại cấu hình kết nối:

• Cấu hình không cân bằng: bao gồm 1 trạm chính và một hoặc nhiều trạm phụ, cấu hình này hỗ trợ cả hai chế độ truyền là song công và bán song công

• Cấu hình cân bằng: bao gồm hai trạm kết nối và cũng hỗ trợ hai chế độ truyền là song công và bán song công.

Có 3 chế độ truyền dữ liệu:

• Chế độ trả lời thông thường(NRM – Normal Response Mode): được dùng trong mô hình không cân bằng. Trạm chính có thể khởi tạo truyền dữ liệu đến trạm phụ, nhưng trạm phụ chỉ có thể truyền dữ liệu để trả lời một lệnh từ trạm chính. Thường được dùng trên các đường truyền gây nhiều lỗi. Ví dụ: các trạm máy tính là trạm chính, các thiết bị đầu cuối là trạm phụ.

• Chế độ cân bằng không đồng bộ(ABM – Asyschronous Balanced Mode): được dùng với cấu hình cân bằng. Trạm kết nối cũng có thể khởi tạo việc truyền mà không cần nhận được quyền từ trạm kết nối khác.

• Chế độ trả lời không đồng bộ(ARM – Asynchronous Response Mode): dùng trong cấu hình không cân bằng. Trạm phụ có thể khởi tạo việc truyền mà không cần một quyền rõ ràng của trạm chính. Tuy nhiên trạm chính vẫn duy trì trách nhiệm trên đường truyền bao gồm việc khởi tạo, sửa lỗi và huỷ kết nối logic.

NRM được dùng trên các đường truyền multidrop, trong đó các thiết bị đầu cuối được kết nối đến một trạm máy tính. Trạm máy tính sẽ thăm dò các thiết bị đầu cuối để tìm dữ liệu vào. NRM cũng có thể được dùng trong kết nối điểm-điểm, đặc biệt nếu kết

46


nối đó kết nối một thiết bị đầu cuối hoặc một thiết bị ngoại vi khác đến một trạm máy tính. ABM thường được dùng ở cả 3 chế độ: nó tạo ra hiệu quả sử dụng cao cho các kết nối song công điểm-điểm do không có sự thăm dò tầng trên. ARM rất hiếm khi được dùng, nó chỉ được dùng trong một số trường hợp đặc biệt khi mà trạm phụ khởi tạo quá trình truyền. Cấu trúc frame: HDLC được dùng để truyền đồng bộ. Tất cả đơn vị truyền đều là các frame và tất cả dữ liệu cũng như lệnh đều nằm trong định dạng của frame. Trong hình dưới mô tả cấu trúc của frame HDLC. Các trường flag, address và control là phần đầu frame (header), trường FCS và flag tiếp theo là phần cuối frame (trailer).

(a) Frame format

47


Các trường cờ (Flag Fields): hai trường flag tạo ra giới hạn hai đầu của một frame với cùng một giá tri duy nhất là 01111110. Một flag chỉ ra sự bắt đầu của frame và một flag chỉ ra sự kết thúc của frame. Trên cả hai phía của giao diện người dùng mạng đều phải tìm tuần tự trường flag để xác định điểm bắt đầu và kết thúc của frame. Tuy nhiên không có sự đảm bảo rằng giá trị 01111110 sẽ không xuất hiện đâu đó trong các trường khác, dó đó có thể phá huỷ sự đồng bộ. Để giải quyết vấn đề này, ta sử dụng một thủ tục gọi là bit đệm, tức là trong giữa trường flag bắt đầu và kết thúc trạm phát sẽ chèn thêm bit 0 vào chỗ nào xuất hiện 5 số 1 liên tiếp trong frame. Sau khi phát hiện trường flag bắt đầu frame, trạm thu sẽ giám sát dòng bit, khi có mẫu 5 bit 1 xuất hiện thì bit tiếp theo (thứ 6) sẽ bị kiểm tra. Nếu bit kiểm tra là 0 thì nó sẽ bị xoá, còn nếu bit thứ 6 là bit 1 và bit thứ 7 là 0 thì trạm thu sẽ hiểu đó là giá trị của trường flag. Ở đây sẽ không bao giờ có bit thứ 6 và 7 là 1, vì nếu có thì trạm phát đã chèn thêm bit 0 vào vị trí bit thứ 6 rồi. Trong hình dưới thể hiện một ví dụ về bit đệm. Chú ý trong hai trường hợp đầu việc thêm bit 0 không hoàn toàn cần thiết phải bỏ một mẫu flag, tuy nhiên nó là cần thiết cho các thao tác của thuật toán. Việc đặt các bit đệm cũng được minh hoạ trong hình này. Khi 1 trường flag được dùng cho cả sự kết thúc 1 frame và bắt đầu của frame khác, có thể có 1-bit lỗi sẽ ghép 2 frame thành 1, và ngược lại 1-bit lỗi bên trong frame có thể tách frame đó thành 2. Trường địa chỉ (Address Field): Trường địa chỉ để định danh trạm phụ trong quá trình truyền hoặc nhận frame, nó không cần trong kết nối điểm-điểm. Trường địa chỉ có độ dài là 8 bit, nhưng chủ yếu là bởi thoả thuận, một định dạng mở rộng có thể được dùng với độ dài địa chỉ thực thường là 7 bit. Các bit bên trái nhất của mỗi octet là 1 hoặc 0 tuỳ theo nó có là octet cuối cùng của trường địa chỉ hay không. Còn lại 7 bit của mỗi octet tạo thành một phần của địa chỉ. Giá trị octet địa chỉ là 11111111 thì được hiểu là địa chỉ của tất cả các trạm (cả đạnh dạng cơ sở và mở rộng), nó thường được dùng để cho phép trạm chính gửi quảng bá một frame đến tất cả các trạm phụ. Trường điều khiển (Control Field): HDLC định nghĩa 3 loại frame, mối loại có định dạng trường điều khiển khác nhau. + I-frames (Information frames): mang dữ liệu cần truyền. Ngoài ra, nó còn mang dữ liệu điều khiển sửa lỗi và lưu lượng dùng cơ chế ARQ, dữ liệu được mang theo (piggybacked) I-frame. + S-frame (Supervisory frame – frame giám sat): cung cấp cơ chế ARQ khi việc mang theo không được dùng. + U-frames (Unnumbered frame): bổ sung chức năng điều khiển liên kết. Một hoặc hai bit đầu của trường điều khiển dùng để định danh kiểu frame, những bit còn lại được tổ chức thành các trường nhỏ. Tất cả các định dạng của trường điều khiển chứa bit P/F (Poll/Final), giá trị của nó tuỳ thuộc vào nội dung cụ thể. Thông thường trong các frame lệnh thì bit P=1 để yêu cầu (poll-thăm dò) một frame trả lời từ thực thể HDLC ngang hành khác. Frame trả lời có bit F=1 để thể hiện frame trả lời đó chính là kết quả của lệnh yêu cầu. Lưu ý trong trường điều khiển ban đầu với S-frame và U-frame chỉ dùng 3 bit số tuần tự. Với việc thiết lập chế độ lệnh thích hợp, một trường điều khiển mở rộng có thể

48


được dùng cho S-frame và I-frame sử dụng 7 bit số tuần tự. Còn U-frame luôn chứa một trường điều khiển 8 bit. Trường thông tin (Information field): chỉ có trong các I-frame và U-frame. Trường này có thể chứa bất kỳ giá trị nào, nhưng phải chứa một số nguyên lần các octet. Độ dài trường này thay đổi tuỳ thuộc vào định nghĩa cụ thể của từng hệ thống. Trường FCS (Frame Check Sequence): trường này được dùng để tính toán nhằm phát hiện lỗi của các trường khác (trừ trường flag). Đa thức sinh dùng kiểm tra thông thường là 16 bit CRC-CCITT (đã được đề cập trong phần 7.2), cũng có thể dùng đa thức sinh khác là CRC-32 bit. Hoạt động của HDLC (Operation) Hoạt động của HDLC trong một phiên làm việc gồm 3 giao đoạn: khởi tạo kết nối, trong giao đoạn này các lựu chọn thiết lập đều được chấp nhập; tiếp theo là quá trình trao đổi dữ liệu, điều khiển lưu lượng và sửa lỗi; giai đoạn cuối cùng là một trong hai trạm sẽ phát tín hiệu kết thúc phiên làm việc. Khởi tạo phiên làm việc: Việc khởi tạo có thể được một trạm phát ra 1 trong 6 lệnh với 3 mục đích:

• Phát tín hiệu đến trạm khác để yêu cầu thiết lập một phiên làm việc

49


• Chỉ ra một trong 3 chế độ làm việc sẽ được dùng (NRM,ABM,ARM) • Chỉ ra 3 hoặc 7 bit số tuần tự sẽ được dùng

Truyền dữ liệu: Khi quá trình khởi tạo được chấp nhận thì một kết nối logic được hình thành và cả hai bên bắt đầu truyền dữ liệu bằng frame I, bắt đầu với số tuần tự là 0. Trường N(S) và N(R) của frame I là các số tuần tự phục vụ cho việc điều khiển lưu lượng và sửa lỗi. Các frame I gửi từ một trạm sẽ được đánh số một cách tuần tự, độ dài số tuần tự này tuỳ thuộc vào việc dùng 3 hoặc 7 bit. Số tuần tự sẽ được đặt vào N(S), còn N(R) được dùng để báo nhận và chỉ cho trạm phát số hiệu frame I mà trạm thu đã sẵn sàng nhận tiếp theo.

Kết thúc phiên làn việc (Disconnect): hoặc 1 trạm sẽ phát tín hiệu yêu cầu kết thúc hoặc tự nó kết thúc nếu việc truyền có quá nhiều thất bại, hoặc việc kết thúc có thể do yêu cầu của người dùng ở tầng cao hơn. HDLC sẽ phát tín hiệu DISC để yêu cầu kết thúc. Thực thể nhận phải chấp nhận việc huỷ kết nối bằng việc trả lời với một frame chứa tín hiệu UA, bất kỳ frame I không báo nhận nào còn lại sẽ bị mất. Ví dụ về hoạt động của HDLC: (Hình dưới). Trong hình mỗi mũi tên chỉ có ghi chú thể hiện: tên frame, bit P/F, giá trị N(R) và N(S). Bit P hoặc F được thiết lập là 1 nếu có sự lựa chọn, ngược lại là 0. Hình a thể hiện các frame bao gồm việc thiết lập và kết thúc kết nối. Một trạm phát (trạm A) lệnh SABM đến trạm kia (trạm B) và khởi động đồng hồ timeout. Khi B nhận được tín hiệu SABM nó sẽ gửi tín hiệu UA trả lời và thiết lập các biến cục bộ cũng như khởi tạo giá trị các bộ đếm. Khi A nhận được tín hiệu UA, nó cũng khởi các biến và bộ đếm, đồng dừng đồng hồ timeout. Và khi kết nối logic được khởi tạo, cả hai bên bắt đầu truyền các frame dữ liệu. Trong trường hợp đồng hồ tinmeout của A đã hết mà vẫn không nhận được tín hiệu trả lời thì A sẽ lặp lại việc gửi SABM, việc lặp lại chỉ kết thúc khi A nhận được tín hiệu UA hoặc DM hoặc sau một số lần nhất định. (A có thể cố gắng báo tình trạng thất bạn đến một thực thể quản lý, trường hợp này sự can thiệp của tầng cao hơn là cần thiết). Tương tự như khi khởi tạo, trong thủ tục huỷ kết nối một bên sẽ phát lệnh DISC và bên nhận sẽ trả lời bằng tín hiệu UA. Hình b mô tả việc trao đổi frame I trong chế độ truyền song công. Khi A gửi các frame I không có dữ liệu thì số tuần tự nhận sẽ được lặp lại (ví dụ: I.1.1, I.2.1 theo hướng từ A đến B). Khi B nhận các frame I mà không có frame đi ra thì việc nhận số tuần tự trong frame phải phản hồi dồn lại (I.1.3 theo hướng từ B đến A). Lưu ý trong các frame I, dữ liệu chuyển đổi có thể bao gồm các frame giám sát. Hình c là trường hợp bận. Do thực thể HDLC không thể xử lý các frame nhận kịp so với tốc độ chúng đến, hoặc do người dùng không thể chấp nhận dữ liệu nhanh hơn các frame đến. Trong trường hợp đó, thực thể nhận sẽ bị đầy bộ đệm và nó phải báo tạm dừng lưu lượng dữ liệu đến bằng lệnh RNR. Ví dụ trong hình, A phát lệnh RNR, yêu cầu B tạm dừng truyền các frame I. Khi B nhận RNR nó sẽ thăm dò A (trạm đang bận) sau một vài khoản chu kỳ thời gian nhất định bằng lệnh RR có bit P được thiết

50


lập, và A phải đáp lại một trong hai lệnh là RR hoặc RNR. Khi A hết bận nó sẽ gửi lệnh RR và quá trình truyền dữ liệu có thể tiếp tục. Hình d là ví dụ về việc khắc phục lỗi sử dụng lệnh REJ. A truyền frame được đánh số 3,4,5. Frame 4 bị lỗi và mất, khi B nhận frame I thứ 5 nó huỷ frame này (vì nó không theo đúng thứ tự) và gửi trả lại lệnh REJ với N(R)=4. Trường hợp này A phải gửi lại tất cả các frame đã truyền bắt đầu từ frame 4.

Hình e là ví dụ về việc khắc phục lỗi sử dụng giá trị timeout. Trong ví dụ, A truyền frame 3 (là frame cuối cùng) nhưng bị lỗi, B phát hiện lỗi và huỷ frame này, nhưng B

51


không thể gửi tín hiệu REJ vì không có cách nào để biết nếu đây là một frame I. Nếu một lỗi được phát hiện trong frame, thì các bit khác cũng có thể là các bit lỗi, do đó trạm thu sẽ không thể nhận ra. Trường hợp này, A đã khởi động một đồng hồ timeout khi mỗi frame được truyền. Khi giá trị timeout hết mà chưa nhận được tín hiệu trả lời, A sẽ gửi lệnh RR có thiết lập bit P để thăm dò trạng thái của B. Vì lệnh RR của A đòi hỏi B phải trả lời, và B trả lời với tín hiệu chỉ ra rằng frame 3 đã mất để yêu cầu A truyền lại.

4. Một số vi mạch truyền đồng bộ thông dụng • USART 8251A của Intel (Universal Synchronnous Asynchronnous Receiver

Transmiter): 28 chân được chế tạo nhờ công nghệ NMOS • SSDA 6852 của Motorola (Synchronous Serial Data Adaptor): Loại NMOS,

24 chân.được chế tạo để giao tiếp với họ vi xử lý 6800 của Motorola trong chế độ đồng bộ.

Câu hỏi cuối chương 1. Nêu ý nghĩa của Start bit trong truyền không đồng bộ. 2. Nêu ý nghĩa của Stop bit trong truyền không đồng bộ. 3. Nếu hiệu suất đường truyền được tính theo tỉ lệ: số bit dữ liệu được truyền / số

bit phải truyền đi. Hãy so sánh hiệu suất đường truyền trong truyền không đồng bộ và truyền đồng bộ.

4. Nếu một đường truyền thường xảy ra lỗi. Ta nên chọn kích thước của khung tin (frame) như thế nào?

5. HDLC là giao thức thuộc loại nào (đồng bộ hay không đồng bộ….)

52

Chương 7- Xử lý số liệu truyền

CChhưươơnngg 77-- XXửử llýý ssốố lliiệệuu ttrruuyyềềnn (TRANSMISSION DATA PROCESSING)

I- Phát hiện lỗi và sửa sai • Kiểm soát lỗi hướng tới (forward error control), trong đó mỗi ký tự hay frame

dữ liệu được truyền sẽ chứa một vài thông tin thêm giúp mãy thu không chỉ phát hiện được lỗi mà còn xác định được vị trí của lỗi->có thể sửa lỗi. Một số phương pháp kiểm soát lỗi hướng tới thông dụng hiện nay là: mã Hamming, mã chập (convolution), mã Reed-Solomon.

• Kiểm soát lỗi quay lui (feedback error control), trong dữ liệu truyền có chứa thông tin để xác định có lỗi hay không, tuy nhiên không xác định được vị trí của bit lỗi . Sẽ có một lược đồ truyền lại bản bị lỗi này. Một số phương pháp kiểm soát lỗi quay lui: kiểm tra chẵn lẻ (parity), mã CRC.

Tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate): là xác suất của một bit bị sai trong khoảng thời gian xác định. Ví dụ nếu BER=10-4 có nghĩa trung bình cứ 10000 bit truyền sẽ có một bit bị lỗi. Ta định nghĩa xác suất lỗi trong frame truyền như sau: Pb: Xác suất lỗi một bit đơn, là tỉ lệ bit lỗi (BER – bit error rate). P1: Xác suất để 1 frame đến đích mà không bị lỗi P2: Xác suất để 1 frame đến đích với 1 hoặc nhiều lỗi Ta giả thiết xác suất để bất kỳ bit bị lỗi nào (Pb) là liên tiếp và không phụ thuộc vào mỗi bit. Và ta có: P1 = (1 - Pb)F P2 = 1 – P1 Ví dụ: Giả sử khi truyền một file có kích thước 10MB trên đường truyền có tỷ lệ lỗi BER=10-6, kích thước frame là 1000Byte. Số frame cần truyền là: 10MB/1000B=10000 frame Xác suất để một frame không bị lỗi P1 = (1 - Pb)F = (1 - 10-6)1000 = 0.999 Xác suất để một frame bị lỗi P2 = 1 - P1 = 1- (1 - Pb)F với N.Pb<<1 ta có P2 ≈ N.Pb Xác suất để truyền toàn bộ file mà không bị lỗi = ? Câu hỏi: Độ dài khung dữ liệu có quan hệ gì với BER hay không? Người ta phân biệt giữa lỗi bit đơn (single bit error) và lỗi bit chùm (error burst). Lỗi bit đơn là lỗi từng bit riêng biệt, xuất hiện một cách ngẫu nhiên trong cả gói số liệu. Lỗi bit chùm là tập hợp các nhóm các bit bị lỗi xuất hiện liên tiếp. Một nhóm bit bị lỗi

53


bắt đầu bằng một bit bị lỗi và kết thúc bằng một bit bị lỗi; các bit trong nhóm có thể bị lỗi liên tục hoặc không liên tục; giữa các nhóm bit bị lỗi phải tồn tại ít nhất là (B+1) bit không bị lỗi, trong đó Blà độ dài của nhóm bit bị lỗi.

1- Phương pháp kiểm tra chẵn lẻ (parity) Dùng trong truyền không đồng bộ và truyền đồng bộ hướng ký tự. Máy phát sẽ thêm vào mỗi ký tự truyền 1 bit kiểm tra parity. a- Dò 1 bit sai Để tính toán parity bit cho 1 ký tự, số các bit 1 trong mã ký tự được cộng với nhau (module 2) (dùng bộ cổng XOR) và parity bit được chọn sao cho tổng số các bit 1 (bao gồm cả parity bit này) là :

• chẵn: even parity • lẻ: odd parity

Ví dụ:

• parity chẵn 1001001 1 • parity lẻ 1001001 0

Khi tiếp nhận thông tin máy thu sẽ thực hiện các thao tác tính toán tương tự trên ký tự thu được so sánh kết quả với bit parity thu được. Nếu chúng khác nhau thì chắc chắn có lỗi xảy ra. Nhận xét:

• Phát hiện được các lỗi 1 bit • Không phát hiện được các lỗi 2 bit

b- Dò 2 bit sai Thí dụ, để dò ra 2 lỗi của một chuỗi dữ liệu có thể thực hiện hai phép kiểm tra, một với các bit chẵn và một với các bit lẻ. Cho chuỗi dữ liệu: 01101000 Lần lượt thực hiện kiểm tra chẵn với các bit ở vị trí 1, 3, 5, 7 và các bit ở vị trí 2, 4, 6, 8. Gọi P1 và P2 là các bit kiểm tra: P1=0+1+1+0 = 0

P2=1+0+0+0 = 1. Chuỗi dữ liệu phát: 01101000 01 Máy thu dò ra lỗi khi 2 bit liên tiếp bị sai. Tuy nhiên, nếu hai bit sai đều là 2 bit chẵn (hoặc 2 bit lẻ) thì máy thu cũng không dò ra. c- Kiểm tra khối (Block Check Character-BCC) Một cải tiến của kiểm tra chẵn lẻ là kiểm tra khối. Bản tin được viết thành khối và việc kiểm tra chẵn lẻ được thực hiện theo cả 2 chiều

• Dọc (Vertical Redundancy Check, VRC) • Ngang (Longitudinal Redundancy Check, LRC)

54


Hình dưới cho ta dạng của khối dữ liệu có thực hiện kiểm tra chẵn theo chiều ngang và dọc. bit 1 2 . . . . . bit n Parity Character 1 B11 B21 . . . . . . . Bn1 R1 10110111

↓VRC Character 2 B12 B22 . . . . . . . Bn2 R2 11010111

00111010 11110000 10001011

Character m B1m B2m . . . . . . . bnm Rm 01011111 Paritycheck char. C1 C2 . . . . . . . Cn Cn+1 01111110

←LRC Phương pháp kiểm tra khối cho phép phát hiện và sửa một lỗi vì xác định được vị trí của lỗi đó, chính là giao điểm của hàng và cột có bit sai Nhận xét chung về phương pháp kiểm tra chẵn lẻ: Dùng kiểm tra chẵn lẻ cho phép phát hiện lỗi trong một số trường hợp, tuy nhiên hiệu suất phát sẽ bị giảm và chỉ được dùng trong các hệ thống có vận tốc truyền thấp (không đồng bộ). Trong các hệ thống truyền đồng bộ người ta hay sử dụng mã CRC, mã này cho phép dò lỗi rất hiệu quả và hiệu suất truyền cũng cao.

2- CRC - Kiểm tra dư thừa theo chu kỳ (Cyclic Redundancy Check) Bảo vệ số liệu, phát hiện lỗi sử dụng mã CRC là phương pháp phát hiện lỗi tin cậy nhất hiện nay, thường được áp dụng đối với việc truyền số liệu tốc độ cao trong các mạng LAN và WAN. * Nguyên tắc tạo mã CRC: Xét khung dữ liệu gồm k bit và nếu ta dùng n bit cho khung kiểm tra FCS (Frame check sequence) thì khung thông tin kể cả dữ liệu kiểm tra gồm (k+n) bit sao cho (k+n) bit này chia đúng cho một số P có (n+1) bit chọn trước. P(x) gọi là đa thức sinh (generator polynomial).

k n * Có 3 đa thức P(x) được dùng để tạo mã CRC thông dụng: CRC_16 = x16+x15 + x2 + 1 CRC_CCITT = x16+x12 + x5 + 1 (tương đương: 1 1000 0000 0000 0101) CRC_32 = x32+ x26+ x23+ x22 + x16+ x12 + x11+ x10+ x8+ x7 + x5 + x4 + x2+ x +1

55


CRC_16 & CRC_CCITT: Dùng rộng rãi trong mạng WAN CRC_32: được sử dụng hầu hết trong các mạng LAN * Việc tính mã CRC cần nhiều phép tính phức tạp trong thực tế điều này được thực hiện hoàn toàn bằng phần cứng hay phần mềm. * Khả năng phát hiện lỗi của CRC:

• Tất cả các lỗi đơn bit • Tất cả các lỗi 2 bit • Tất cả các lỗi có số bit lỗi là lẻ • Tất cả các lỗi khối có chiều dài m≤n • Trường hợp lỗi khối có chiều dài m>n, xác suất không phát hiện được là 1/2n.

Ví dụ với CRC-32 (n=32) khả năng dò sai là 99,99999998%

3- Mã sửa sai Hamming (Richard Hamming tại Bell Laboratories) Mã Hamming là một bước phát triển của kiểm tra chẵn lẻ và có khả năng sửa sai do xác định được vị trí lỗi. Số lượng bit của mã Hamming tùy thuộc số lượng bit của chuỗi dữ liệu. Gọi m là số bit của chuỗi dữ liệu và n là số bit của mã Hamming, tổng số bit phát đi là m+n. Để có thể phát hiện 1 lỗi tại 1 vị trí cụ thể thì số n nhỏ nhất được chọn phải thỏa mãn: 2n - 1 ≥ m + n hay 2n ≥ m + n + 1 Các bit của mã Hamming chèn vào vị trí 2n và dùng cho kiểm tra chẵn lẻ. Các bit khác là bit thông tin (dữ liệu).

Sửa lỗi đơn Sửa lỗi đơn/phát hiện lỗi kép

Số bit dữ liệu Số bit ktra % Gia tăng Số bit ktra % Gia tăng 8 4 50 5 62,5

16 5 31,25 6 37,5 32 6 18,75 7 21,895 64 7 10,94 8 12,5 128 8 6,25 9 7,03 256 9 2,52 10 3,9

II- Nén dữ liệu Có rất nhiều phương pháp nén dữ liệu khác nhau hiện đang được sử dụng tuy nhiên có thể chia làm hai loại sau đây:

56


• Nén không mất mát (Lossless): thường dùng để nén các văn bản, chương trình,...

• Nén có mất mát (Lossy): thường dùng để nén các file multimedia: âm thanh, hình ảnh, video,...

Trong giáo trình này ta chỉ quan tâm đến nén không mất mát thông tin.

1- Các loại dư thừa dữ liệu Nói chung các thuật toán nén đều dựa trên nguyên tắc loại bỏ dư thừa dữ liệu. Việc xác định bản chất các kiểu dư thừa dữ liệu rất có ích cho việc xây dựng các phương pháp nén dữ liệu khác nhau. Người ta coi có bốn kiểu dư thừa chính: a- Sự phân bố ký tự Trong một dãy ký tự, có một số ký tự có tần suất xuất hiện nhiều hơn một số dãy khác. Do vậy, ta có thể mã hoá dữ liệu một cách cô đọng hơn. Các dãy ký tự có tần suất cao được thay bởi một từ mã nhị phân với số bit nhỏ, ngược lại các dãy có tần suất thấp sẽ được mã hoá bởi từ mã nhiều bit hơn. Đây chính là bản chất của phương pháp mã hoá Huffman b- Sự lặp lại của các ký tự Trong một số tình huống như trong ảnh, một ký hiệu (bit 0 hay bit 1) được lặp đi lặp lại một số lần. Kỹ thuật nén dùng trong trường hợp này là thay dãy lặp đó bởi một dãy mới gồm hai thành phần:

• Số lần lặp • Ký hiệu dùng để mã

Phương pháp mã hoá kiểu này có tên là mã hoá loạt dài RLC (Run Length Coding). c- Những mẫu sử dụng tần suất Có thể có dãy ký hiệu nào đó xuất hiện với tần suất tương đối cao. Do vậy, có thể mã hoá bởi ít bit hơn. Đây là cơ sở của phương pháp nén mã hoá kiểu từ điển do Lempel-Ziv đưa ra vào năm 1977 và có cải tiến năm 1978 do đó có tên gọi là LZ77, LZ78. Năm 1984 Welch cải tiến tiếp đặt tên là LZW. d- Độ dư thừa vị trí Do có sự phụ thuộc lẫn nhau của dữ liệu, đôi khi biết được ký hiệu xuất hiện tại một vị trí, đồng thời có thể đoán trước sự xuất hiện của các giá trị ở các vị trí khác nhau một cách phù hợp. Chẳng hạn, ảnh biểu diễn trong một lưới hai chiều, một số điểm ảnh ở hàng dọc trong một khối dữ liệu lại xuất hiện trong cùng một vị trí ở các hàng khác nhau. Do vậy, thay vì lưu trữ dữ liệu, ta chỉ cần lưu trữ vị trí hàng và cột. Phương pháp nén dựa trên sự dư thừa này gọi là phương pháp mã hoá dự đoán.

2- Mã Huffman Mã Huffman lợi dụng xác suất xảy ra của các ký tự khác nhau mà gán các từ mã ngắn cho các ký tự có xác suất xảy ra lớn và ngược lại. Thí dụ, thay vì dùng 7 bit để mã tất cả các ký tự như mã ASCII, người ta chỉ gán 2 bit cho chữ E và 10 bit cho chữ Z, bởi lẽ, trong tiếng Anh xác suất xuất hiện chữ E rất lớn so với xác suất xuất hiện chữ Z. Mã này còn có tên Mã phụ thuộc tần số (frequency dependent code).

57


Với phương pháp này số bit trung bình dùng cho mỗi ký tự sẽ giảm. Nhưng do các mã dài ngắn khác nhau, để máy thu phân biệt được, người ta phải chọn các từ mã ngắn sao cho không trùng với các bit đầu của các từ mã dài hơn. Gọi là tính tiền tố (prefix property).

3- Mã Run length Mã Huffman tuy có làm giảm số bit truyền đi nhưng nó đòi hỏi dữ liệu phải được tập hợp thành từng nhóm hay ký tự để xác định tần số lặp lại của các nhóm hay ký tự này. Việc này đôi khi rất khó thực hiện đối với một số loại dữ liệu thí dụ như dữ liệu từ một bản fax, tín hiệu mã hình ảnh . . . Lấy thí dụ trường hợp bản fax, dữ liệu được phát đi không phải là các ký tự mà là các bit tương ứng với điểm sáng tối trên tờ giấy, như vậy phải có một kỹ thuật phù hợp để nén chuỗi dữ liệu này, đó chính là mã Run length. Mã Run length được tạo ra bằng cách quan sát chuỗi bit 0 (hoặc 1) liên tiếp và thay thế chiều dài chuỗi bit này bởi một số nhị phân. Kỹ thuật nén này chỉ có hiệu quả khi chuỗi dữ liệu chứa rất nhiều một loại bit. Ngoài ra, kỹ thuật nén Run length cũng được dùng mã hóa các chuỗi ký tự giống nhau bằng cách thay mỗi chuỗi ký tự liên tiếp bằng con số chỉ độ dài đứng trước ký tự đó. Thí dụ, với chuỗi:

HHHHHFFFFFFFFYYYYYYYYYYYYYGGGGGGGGGG Sẽ có mã là: 5H8F13Y10G

4- Mã vi phân (Differential encoding) Còn gọi là mã tương đối (Relative encoding) Trong nhiều trường hợp, các dữ liệu liên tiếp nhau thay đổi rất ít. Ví dụ trường hợp mã tín hiệu hình ảnh trong kỹ thuật video, do phải xử lý 30 hình ảnh (khung) trong một giây để tạo ảnh động, nên chi tiết của các ảnh không khác nhau bao nhiêu, thay vì phải nén tín hiệu từng khung người ta nghĩ tới việc xác định sự khác nhau của các khung liên tiếp, mã thông tin này và gửi đi.

58


5- Thuật toán nén LZW (Lempel-Ziv-Welch) a- Sự thực hiện Năm 1967 có một bài báo khẳng định: "Phương pháp nén tốt nhất có thể đạt được đó là việc thay thế các xâu ký tự thường xuyên lặp đi, lặp lại nhiều lần bằng chỉ số mà nó đã xảy ra trong quá khứ". Phương pháp thay một đoạn ký tự bằng vị trí một đoạn giống hệt nó trong quá khứ được gọi là Ziv - Lempel do 2 nhà bác học Jacob Zib và Abraham Lempel phát triển năm 1977. Sau đây là chi tiết thuật toán LZW dựa trên một ví dụ điển hình. Thuật toán nén này dựa trên kỹ thuật từ điển. Từ điển được khởi tạo chỉ chứa các từ mã của các ký tự đơn. Ví dụ nguồn tin chỉ gồm tập hợp 4 ký tự a, b, c, d. Từ điển sẽ được khởi tạo như sau:

Ký hiệu Từ mã a 1 b 2 c 3 d 4

Khởi tạo từ điển Bắt đầu từ đó, thuật toán nén mở rộng từ điển bằng cách thêm mới các chuỗi ký hiệu. Các chuỗi được thêm mới vào từ điển bằng cách thêm một ký hiệu vào chuỗi đã được mã trong từ điển. Ví dụ chuỗi đầu vào là: abbabcccdba Chuỗi này sẽ được mã hoá thành chuỗi các từ mã sau: 1 2 2 5 3 9 4 7. Quá trình thực hiện được mô tả bởi hình vẽ dưới đây: Ký tự đầu vào a b b a b c c c d b a Mã đầu ra 1 2 2 5 3 9 4 7 Chuỗi thêm vào từ điển

ab 5

bb 6

ba 7

abc 8

cc 9

ccd 10

db 11

Quá trình nén

59


Ký hiệu Từ mã a 1 b 2 c 3 d 4 ab 5 bb 6 ba 7 abc 8 cc 9 ccd 10 db 11

Từ điển sau quá trình nén Một điều quan trọng cần chú ý là dữ liệu nén không chứa toàn bộ từ điển này. Nó chỉ chứa từ điển khởi tạo ban đầu với các ký hiệu đơn để phục vụ cho quá trình giải nén. Phần còn lại của từ điển được tạo lại trong quá trình giải nén. Mã đầu vào 1 2 2 5 3 9 4 7 Dữ liệu đầu ra a b b ab c cc d ba Chuỗi thêm vào từ điển

ab 5

bb 6

ba 7

abc8

cc 9

ccd 10

db 11

Quá trình giải nén Quá trình giải nén cũng tương tự như quá trình nén: Thuật toán thực hiện đọc các từ mã và tạo lại từ điển, tuy nhiên việc tái tạo từ điển này luôn chậm hơn một bước so với khi nén. Có một vấn đề: do có sự trễ trong việc tạo từ điển khi giải nén nên có thể gặp trường hợp không tìm thấy từ mã tương ứng trong từ điển (trường hợp gặp từ mã 9 ở ví dụ trên). Điều này xảy ra khi khi nén gặp chuỗi kωkωk và chuỗi kω đã có trong từ điển. Mã được truyền tiếp bởi bộ nén sẽ là mã của kωk nhưng tại thời điểm đó bộ giải mã không biết mã của kωk. Mã này chỉ được tạo ra bởi bộ nén ở ngay bước tiếp theo. Khi bộ giải mã gặp một mã không có trong từ điển, nó giải quyết bằng cách thêm chuỗi kωk vào từ điển. Điều này là có thể bởi vì ở tình huống này chỉ có một khả năng khi chuỗi của bước trước được lặp lại và thêm ký hiệu chính là ký hiệu đầu tiên của chuỗi trước. Bộ giải mã tiếp tục thực hiện mà không gặp phải lỗi. b- Thuật toán Nén Khởi tạo từ điển chứa các ký tự đơn str:=INPUT WHILE vẫn còn ký tự đầu vào chr := INPUT IF (str+chr) có trong từ điển THEN

str := str+chr ELSE

60


OUTPUT := CODE(str) Thêm (str+chr) vào từ điển str := chr

END of IF END of WHILE OUTPUT := CODE(str) Giải nén Đọc từ điển chứa mã của các ký tự đơn (giống như khởi tạo từ điển ở phía nén) INCODE := INPUT OLDCODE := INCODE OUTPUT := CODE-1(INCODE) WHILE vẫn còn ký tự vào INCODE := INPUT IF INCODE có trong từ điển THEN

Thêm vào từ điển CODE-1(OLDCODE) + ký hiệu đầu tiên của (CODE-1(INCODE))

ELSE //không tìm thấy trong từ điển Thêm vào từ điển CODE-1(OLDCODE) + ký hiệu đầu tiên của (CODE-1(OLDCODE))

END of IF OUTPUT := CODE-1(INCODE) OLDCODE := INCODE

END of WHILE c- Ứng dụng của LZW LZW hiện nay đang được dùng trong GIF (Graphics Interchange Format) và được tuỳ chọn trong ảnh TIFF (Tagged Image File Format). Trong ảnh GIF đã có sẵn chỉ số các màu trong từ điển (256 màu trong bảng màu). Hiện này GIF đang bị thay thế bởi một định dạng ảnh mới là PNG. d- Hiệu năng của LZW Thực tế đã chỉ ra với những nguồn dữ liệu khác nhau thì tỷ lệ nén sẽ khác nhau. Welch đã chỉ ra một số tỷ lệ nén ứng với các loại dữ liệu như sau:

• Văn bản tiếng Anh tỷ lệ nén đạt được là 1,8 (tức 1,8 bit nguồn được nén thành 1 bit)

• Một số văn bản có cấu trúc như ngôn ngữ lập trình, các file nhật ký tỷ lệ nén còn cao hơn, thường khoảng từ 2 đến 3.

• Tuy nhiên đối với số dấu phảy động tỷ lệ nén nằm trong khoảng từ 0,9 đến 1. Vì các số thực khi thể hiện trong dấu phảy động thường rất ít có mối quan hệ do đó có entropy rất cao. Do vậy các thuật toán nén khác cũng không làm tốt hơn LZW trong những trường hợp này.

• Một ví dụ khác mà LZW sẽ cho tỷ lệ nén nhỏ hơn 1 đó là các ảnh bitmap có số lượng màu lớn (16 bit hoặc cao hơn). Trong trường hợp này có rất ít chuỗi lặp lại, các pixel sẽ có màu tương tự nhau nhưng sẽ không trùng nhau. Nhưng nếu số lượng màu giảm xuống 8 bit thì tỷ lệ nén sẽ là 1,3 hoặc cao hơn.

61


III- Bảo mật dữ liệu

1- Tổng quan về các thuật toán mã mật a- Các khái niệm cơ bản Bài toán mã mật: Một người gửi muốn gửi một thông điệp (message) tới một người nhận và anh ta muốn gửi thông điệp đó một cách an toàn, bí mật. Người gửi muốn chắc chắn rằng không một tin tặc nào có thể đọc hay can thiệp vào nội dung thông điệp mà anh ta đã gửi đi. Và người nhận cũng muốn chắc chắn rằng thông điệp mà anh ta nhận được chính là thông điệp mà anh ta muốn nhận với nội dung chính xác như nguyên bản. Các khái niệm cơ bản:

• Plaintext (message): là thông điệp cần gửi với nội dung nguyên bản. Được ký hiệu là M.

• Ciphertext: là thông điệp với nội dung đã được mã mật. Được ký hiệu là C. • Encryption: là quá trình mã mật nội dung thông tin trong thông điệp ban đầu

(plaintext) thành thông điệp đã được mã mật (ciphertext). Được ký hiệu là E. • Decryption: là quá trình giải mã mật chuyển ciphertext thành plaintext. Được

ký hiệu là D. • Khoá (key): là khoá để mã mật, hoặc giải mã mật. Được ký hiệu là K.

Encryption DecryptionPlaintext

OriginalPlaintext

Ciphertext

Mô tả quá trình mã hoá và giải mã

Hàm mã mật E, thực hiện việc mã mật thông điệp M để sản sinh ra thông điệp đã được mã mật C , được thể hiện như sau: E(M) = C Trong tiến trình ngược lại, hàm giải mã mật D thực hiện việc giải mã thông điệp đã mã mật C thành thông điệp ban đầu M, được thể hiện như sau: D(C) = M Như vậy để đảm bảo việc khôi phục lại chính xác thông điệp ban đầu, phương trình sau phải đúng: D(E(M)) = M Yêu cầu chung đối với thuật toán mã mật:

• Định danh: Người nhận biết chính xác rằng thông điệp nhận được là do người gửi đúng gửi đi. Tin tặc không thể giả mạo để gửi thông điệp đó.

• Tính toàn vẹn: Nội dung thông điệp không bị thay đổi trong quá trình chuyển từ người gửi tới người nhận.

62


• Không chối bỏ được: Người gửi không thể chối bỏ việc anh ta đã gửi thông điệp đó.

b- Các thuật toán mã mật cơ bản Một thuật toán mã mật (còn được gọi với tên tiếng Anh là Cipher) là các hàm toán học dùng để mã mật và giải mã mật, thường là 2 hàm, một để mã mật và một để giải mã mật. Nếu sự an toàn của một thuật toán được dựa trên việc giữ bí mật hàm toán học trên, thì thuật toán đó được gọi là restricted algorithm. Đây là loại thuật toán rất được yêu thích trong quá khứ, tuy nhiên những phiền phức đem lại để bảo vệ sự bí mật của thuật toán đã khiến nó dần mất đi sự cuốn hút. Các thuật toán mã mật hiện đại ngày nay đã giải quyết bài toán mã mật với một khoá K. Khoá này có thể là một, hoặc một tập hợp các giá trị. Cách thức sử dụng và phân phối khoá đã tạo ra hai loại thuật toán mã mật cơ bản sau. * Thuật toán mã mật với khoá bí mật Các thuật toán thuộc loại này dùng cùng một khoá K để mã mật và giải mã mật. Do vậy nó còn được gọi là thuật toán tương đồng, thuật toán đơn khoá hay thuật toán một khoá. Các thuật toán này đòi hỏi người gửi và người nhận phải đồng ý với nhau sử dụng một khoá K trước khi họ có thể giao tiếp với nhau một cách an toàn. Độ an toàn của các thuật toán này phụ thuộc vào sự bí mật của khoá sử dụng, bởi nếu để mất khoá vào tay người khác thì mọi thông tin sẽ không còn an toàn nữa.


OriginalPlaintext

Ciphertext

Key Key

Mô tả thuật toán mã mật với khoá bí mật

Các hàm mã mật và giải mã mật: EK(M) = C

DK(C) = M DK(EK(M)) = M Họ thuật toán này còn được chia làm 2: Thuật toán mã mật theo luồng (stream algorithms): xử lý 1 bit tại mỗi thời điểm. Các thuật toán thuộc loại này như PKZIP, RC4... Thuật toán mã hoá theo khối (block algorithms): xử lý 1 khối (nhóm bit) tại mỗi thời điểm. Các thuật toán thuộc loại này như DES, Blowfish, RC2, RC5... * Thuật toán mã mật với khoá công khai Không giống như họ thuật toán trên, các thuật toán mã mật với khoá công khai sử dụng 2 khoá khác nhau để mã mật và giải mã mật. Trong 2 khoá này, một khoá được

63


gọi là privatekey còn khoá kia được gọi là publickey. Khoá có tên là publickey có thể được gửi một cách công khai cho mọi người. Mặc dù vậy độ an toàn của thuật toán vẫn được đảm bảo do hầu như không thể tính toán ra privatekey từ publickey. Người có publickey có thể sử dụng nó để mã hoá một thông điệp nào đó, tuy nhiên sẽ chỉ người nào nắm trong tay privatekey tương ứng mới có thể giải mã thông điệp đó mà thôi.


OriginalPlaintext

Ciphertext

Publickey Privatekey

Mô tả thuật toán mã mật với khoá công khai

Hàm toán học để mã mật thông điệp sử dụng publickey K1: EK1(M) = C Hàm toán học để giải mã mật thông tin sử dụng privatekey K2: DK2(C) = M Cần đảm bảo: DK2(EK1(M)) = M Các thuật toán mã mật dạng này như: RSA, ElGamal, Rabin.... c- Hàm băm một chiều Hàm băm một chiều có tên tiếng Anh là One-way hash function. Ngoài ra nó còn được gọi bằng rất nhiều tên khác như mesage digest, fingerprint, cryptography checksum, message integrity check (MIC) hay manipulation detection code (MDC). Các hàm băm đã được sử dụng trong khoa học máy tính từ rất lâu. Một hàm băm là một hàm toán học, chuyển một xâu đầu vào có độ dài nào đó (thường được gọi là pre-image) thành một xâu đầu ra có độ dài xâu là cố định (thường được gọi là giá trị băm hash value). Một hàm băm một chiều là một hàm băm chỉ làm việc theo một hướng. Ta có thể dễ dàng tính toán một giá trị băm từ pre-image, nhưng sẽ rất khó để có thể sinh ra pre-image từ một giá trị băm.

One-way hash function

One way

Message Message Digest

Mô tả hàm băm một chiều

Hàm băm có tính chất công khai, không có sự bí mật nào trong tiến trình sinh ra hàm băm đó. Sự an toàn của một hàm băm một chiều nằm ở tính chất một chiều của nó. Các thuật toán băm một chiều thường được sử dụng hiện này như: SHA, MD5, ...

64


2- Một số thuật toán mã mật với khoá bí mật a- Mã Caesar (Caesar cipher) Còn gọi là mã mẫu tự đơn (mono-alphabetic cipher) Ðây là loại mật mã có sớm nhất và đơn giản nhất. Người ta sẽ thay các ký tự của bản tin bằng các ký tự khác theo một qui luật nào đó, thí dụ bằng cách cộng một số nguyên vào mã ASCII của các ký tự ta sẽ có một bản tin mật. Thí dụ cộng 1 vào mã ASCII ta sẽ có ký tự B thay cho A, C thay cho B... Và nơi nhận sẽ giải mã bằng cách trừ 1 cho các mã nhận được trước khi tra bảng mã ASCII. Vì giải thuật tạo mã quá đơn giản nên bản tin có thể được giải mã một cách dễ dàng mà không cần biết trước khóa. Thí dụ, trong tiếng Anh, các ký tự E, T, O và N là các ký tự thường xuất hiện nhiều lần trong các văn bản nên khi gặp bản mã người ta có thể thay các ký tự lặp lại nhiều lần bằng các ký tự này. Sau vài thử nghiệm có thể thấy được qui luật và suy ra bản tin. b- Mã đa mẫu tự (Poly-alphabetic cipher) Ðể tránh việc lặp lại các ký tự trong bản mật mã, người ta dùng loại mã đa mẫu tự, tương tự mã Caesar, mỗi ký tự cũng được thay bởi một ký tự khác, nhưng các ký tự giống nhau không phải được thay bằng một ký tự duy nhất, mà sẽ được thay bằng các ký tự khác nhau tùy theo vị trí của nó. c- Mã chuyển vị (Transposition cipher) Người ta sẽ sắp xếp lại thứ tự các ký tự của bản văn bằng cách lưu chúng trong một mảng 2 chiều m cột, m ký tự đầu tiên sẽ cho vào hàng thứ nhất, m ký tự kế tiếp cho vào hàng thứ hai, và cứ thế tiếp tục cho hết bản tin, sau đó hoán đổi vị trí các cột theo thứ tự mới, giả sử p1, p2 . . . pm. Sự hoán đổi có thể thực hiện một cách ngẫu nhiên hoặc theo một qui luật định trước. Bản tin sẽ được truyền đi theo thứ tự từ p1, p2 . . . đến pm. Rõ ràng là bản tin đã mã hóa không còn một dáng dấp nào của bản tin ban đầu. Nhưng phương pháp vẫn còn khuyết điểm là sự lặp lại của các ký tự. Nếu kẻ gian xác định được mật mã đã dùng là loại chuyển vị thì khả năng giải được mã không khó lắm d- Mã DES (Data Encryption Standard) Mã DES được phát triển bởi IBM vào những năm đầu thập niên 70, được xem như chuẩn trong việc tạo mật mã dùng trong thương mại và những tin tức không coi là bí mật và người ta đã chế tạo các chip VLSI để thực hiện việc tạo mã nhanh hơn. DES chia bản tin ra thành từng khối 64 bit và dùng khóa 56 bit để thực hiện quá trình tạo mã rất phức tạp bao gồm các kỹ thuật như chuyển vị, thay thế, toán tử EX-OR và vài xử lý khác để tạo nên một bản mã 64 bit. Tiến trình thực hiện gồm:

65


• Bước 1: Chuyển vị 64 bit dữ liệu và 56 bit khóa nhau nhưng với các khóa

rộn 32 bit đầu và 32 bit cuối. ng.

3- Giao thức mã mật g sử dụng mã mật với khoá bí mật

ông điệp cần gửi theo thuật toán mã mật CS và thu

ới B. khoá K theo thuật toán mã mật CS. B

hoá bí mật: ật. Giá trị của khoá là tương đương

• đã được mã

K được sử dụng cho 2 người trên mạng, thì số lượng khoá sẽ

ức truyền thông sử dụng mã mật với khoá công khai ật với khoá công

A và B đồng ý một hệ thống mã mật CS.

publickey của B theo hệ thống mã mật CS

được bằng privatekey của mình theo hệ

người dùng sẽ đồng ý chấp nhận sử dụng một hệ thống mã

• Bước 2: gồm 16 lần thực hiện sự mã hóa tương tựkhác nhau, dữ liệu ra của lần thực hiện trước sẽ là dữ liệu vào của lần thực hiện sau.

• Bước 3: T• Bước 4: Thực hiện lần chuyển vị cuối cù

a- Giao thức truyền thônGiao thức để A gửi một thông điệp đã mã mật cho B.

• A và B đồng ý một hệ thống mã mật CS. • A và B đồng ý một khoá K. • A dùng khoá K để mã hoá th

được một thông điệp đã mã mật. • A gửi thông điệp đã mã mật trên t• B giải mã thông điệp nhận được sử dụng

sẽ thu được thông điệp của A. Các vấn đề của hệ thống mã mật với k

• Khoá K phải được phân phối một cách bí mvới giá trị của thông tin cần được bảo vệ trong thông điệp gửi đi. Nếu khoá K bị đánh cắp, tin tặc có thể giải mã mật mọi thông điệp mật với khoá trên hoặc giả danh người gửi thông điệp để gửi các thông điệp sai tới người nhận.

• Giả sử một khoátăng lên nhanh chóng cùng tốc độ tăng của người dùng trên mạng. Một mạng với N người sử dụng sẽ cần có N(N-1)/2 khoá để giao tiếp từng đôi một với nhau. Do vậy số lượng khoá sẽ vô cùng lớn.

b- Giao thGiao thức để A gửi một thông điệp cho B sử dụng hệ thống mã mkhai:

• • B gửi cho A publickey của anh ta. • A mã mật thông điệp cần gửi bằng

và gửi thông điệp đã mã mật cho B. • B sẽ giải mã mật thông điệp nhận

thống mã mật CS. Thông thường, một mạngmật với khoá công khai. Mọi người đều sở hữu (publickey, privatekey) của mình,

66


trong đó publickey được đưa lên một cơ sở dữ liệu công cộng. Khi đó giao thức trên sẽ được đơn giản đi:

• A lấy publickey của B từ cơ sở dữ liệu công cộng. • A mã mật thông điệp cần gửi sử dụng publickey của B và gửi thông điệp đã mã

mật cho B. • B sử dụng privatekey của minh để giải mã mật thông điệp nhận được.

c- Giao thức truyền thông sử dụng chữ ký điện tử Giao thức truyền thông sử dụng chữ ký điện tử phải đảm bảo được các yếu tố sau:

• Chữ ký điện tử là không giả mạo được. • Chữ ký điện tử phải kiểm tra được. • Chữ ký điện tử chỉ dùng trong một lần, không sử dụng lại được. • Chữ ký điện tử là không thể chối bỏ được. • Chữ ký điện tử được dùng để niêm phong thông điệp.

* Giao thức chữ ký điện tử sử dụng hệ thống mã mật khoá tương đồng: Trong trường hợp này, cần có một người làm trung gian T. T phải được cả 2 bên tin tưởng là trung thực công bằng. T có thể giao tiếp cả với A và B, anh ta chia sẻ khoá bí mật KA với A, và một khoá bí mật khác KB với B. Những khoá này được sinh ra trước khi giao thức bắt đầu, và có thể được sử dụng lại nhiều lần.

• A mã mật thông điệp cần gửi tới B sử dụng KA và gửi thông điệp đã mã mật cho T.

• T giải mã thông điệp đó sử dụng khoá KA • T lấy thông điệp đã giải mã mật và một chứng nhận rằng anh ta vừa mới nhận

được thông điệp của A, sau đó mã hoá toàn bộ gói tin đó vơi khoá KB • T gửi gói tin đã mã mật đó cho B. • B giải mã mật gói tin sử dụng khoá KB. Anh ta sẽ đọc được thông điệp do A

gửi và chứng nhận của T về việc A đã gửi nó.

* Giao thức chữ ký điện tử sử dụng hệ thống mã mật với khoá công khai: • A mã mật văn bản cần gửi sử dụng privatekey của mình. • A gửi văn bản đã ký (đã mã mật) tới B • B giải mã mật văn bản sử dụng publickey của A.

Những đặc điểm dễ nhận thấy là, giao thức này không cần sự có mặt của người trung gian T. Nó cũng khác với thuật toán mã mật dùng khoá công khai vì A đã sử dụng privatekey của mình để mã mật thay vì publickey của B như thuật toán mã mật. Để tránh việc B sử dụng lại văn bản có chữ ký của A, thì văn bản thường gắn kèm theo nó một nhãn thời gian.

67


* Giao thức chữ ký điện tử sử dụng hệ thống mã mật với khoá công khai và hàm băm một chiều: Trên thực tế, việc sử dụng thuật toán mã mật với khoá công khai để ký một văn bản dài là rất khó thực hiện do thuật toán này tương đối chậm. Vì vậy thay vì phải ký cả văn bản, ta chỉ phải ký lên giá trị băm của văn bản đó mà thôi.

• A sinh ra một giá trị băm một chiều của văn bản. • A mã mật giá trị băm đó sử dụng privatekey của anh ta. • A gửi văn bản và giá trị băm một chiều đã ký tới B. • B nhận văn bản, sinh ra giá trị băm một chiều của văn bản nhận được. Sử dụng

publickey của A để giải mã mật giá trị băm do A gửi tới. Nếu giá trị băm B sinh ra phù hợp với giá trị băm do A gửi tới, thì chữ ký điện tử là hợp lệ.

Ngoài việc tăng tốc quá trình thực hiện giao thức, việc sử dụng hàm băm một chiều còn có một số ưu điểm khác: Thứ nhất, chữ ký đã được tách riêng ra khỏi văn bản. Thứ hai, dung lượng bộ nhớ cần dùng để lưu văn bản và chữ ký giảm đi đáng kể.

4- Độ dài khoá Các thuật toán khác nhau có các mức độ an toàn khác nhau, nó phụ thuộc vào độ khó để bẻ khoá hệ thống mã mật được xây dựng trên thuật toán mã mật đó. Một hệ thống mã mật được coi là an toàn khi:

• Nếu chi phí bỏ ra để phá vỡ thuật toán mã mật cao hơn giá trị của thông tin mã mật.

• Thời gian để phá vỡ thuật toán nhiều hơn thời gian mà thông tin mã mật cần được duy trì trong sự an toàn.

• Lượng thông tin được mã mật với 1 khoá đơn ít hơn lượng thông tin cần thiết để phá vỡ thuật toán.

Tuy vậy không thể khẳng định rằng một thuật toán nào đó là an toàn tuyệt đối, vì chính con người xây dựng lên thuật toán, thì cũng sẽ chính con người sẽ tìm cách để phá vỡ nó. a- Độ dài của khoá trong thuật toán mã mật khoá bí mật Độ an toàn của một hệ thống mã mật khoá tương đồng là một hàm của hai vấn đề: sức mạnh của thuật toán và độ dài của khoá. Với khoá có độ dài là 8 bit, ta sẽ có thể có được 256 khoá khác nhau. Do vậy sẽ cần 256 lần thử để tìm ra khoá đúng. Nếu khoá có độ dài 56 bit, thì sẽ có 256 khoá khác nhau có thể có, do vậy nếu một siêu máy tính có khả năng thử được một triệu khoá trong một giây, thì cũng phải mất 2285 năm để tìm ra khoá đúng. Như vậy có thể nói với số độ dài lớn thì khả năng tìm ra khoá đúng gần như không thể thực hiện được trong một khoảng thời gian và chi phí chấp nhận được. Trong các thuật toán mã mật với khoá tương đồng trên thực tế thì DES sử dụng khoá có độ dài 56 bit, Blowfish và RC5 sử dụng khoá có độ dài 64 bit.

68


b- Độ dài của khoá trong thuật toán mã mật khoá công khai Việc tìm ra privatekey khi biết publickey đòi hỏi những chi phí tính toán rất lớn, tuy nhiên theo khuyến nghị của các chuyên gia nghiên cứu về mã mật, thì độ dài khóa trong thuật toán mã mật khóa công khai, phải không ít hơn 512 bit. Ngày nay khoá có độ dài 1024 bit thường được sử dụng. Nhưng nếu với một khoá 1024 bit mà cần phải lưu nó trong 20 năm thì độ dài này lại trở nên quá khiêm tốn.

• Đối với các cá nhân, có thể sử dụng khoá với độ dài 512bit, 1024 bit hoặc 1280 bit.

• Các tổ chức, tập đoàn có thể sử dụng khoá với độ dài 1280 bit, 1536 bit hoặc 2048 bit.

• Còn các chính phủ thì được khuyến nghị dùng khoá có độ dài 1536 bit hoặc 2048 bit.

5- Quản lý khoá a- Quản lý khoá bí mật Trong các hệ thống mã mật trên thực tế, việc quản lý khoá là vấn đề khó nhất. Việc thiết kế ra các thuật toán mã mật an toàn và giao thức cho thuật toán đó là vấn đề không hề đơn giản, nhưng việc làm sao để đảm bảo rằng khoá được dùng được giữ bí mật còn khó hơn nữa. Độ an toàn của thuật toán dựa hoàn toàn vào độ an toàn của khóa. Nếu ta sử dụng một tiến trình mã mật yếu để sinh khoá, thì toàn bộ hệ thống của ta cũng sẽ yếu. Một vấn đề không kém phần quan trọng là khoá được sinh phải có độ dài đủ lớn để có thể đảm bảo tính an toàn cho hệ thống. Nếu phải chuyển khoá cho nhau thông qua mạng công cộng thì vấn đề sẽ phức tạp, điểm mấu chốt là A và B phải thống nhất được một cách thức an toàn mà 2 bên có thể đặt niềm tin vào đó. Hoặc A và B có thể trao đổi khoá cho nhau qua các con đường khác như đĩa từ, CDROM...(tức là không thông qua mạng công cộng) khi đó A và B có thể dễ dàng kiểm soát được rằng đúng là A(B) đã gửi khoá cho mình mà không phải là một ai đó cố tình giả mạo. Trong quá trình sử dụng, lưu trữ khoá thì vòng đời của khoá cũng cần được quan tâm đúng mức. Thời gian tồn tại khoá càng dài thì nguy cơ khoá bị đánh cắp hay bị bẻ sẽ càng tăng, do vậy trong trường hợp không cần thiết khoá cần được thay đổi cập nhật thường xuyên. b- Quản lý khoá công khai Hệ thống mã mật sử dụng khoá công khai làm cho việc quản lý khoá trở nên dễ dàng hơn, tuy vậy nó vần tồn tại vấn đề của riêng nó. Mỗi người sẽ chỉ có một publickey. Nếu A muốn gửi một thông điệp tới B, anh ta phải có được publickey của B, sẽ có 3 cách để có được publickey cua B:

• A nhận nó từ B. • A lấy nó từ một cơ sở dữ liệu công cộng. • A lấy nó từ cơ sở dữ liệu cá nhân.

69


Vấn đề sẽ là: A muốn gửi một thông điệp tới B. A sẽ vào cơ sở dữ liệu công cộng và lấy được publickey của B. Nhưng một tin tặc M, sẽ giả một publickey của B trong cơ sở dữ liệu công cộng đó. Như vậy, A dùng publickey của M mã hoá thông điệp và gửi tới B. M sẽ chặn thông điệp đó lại, giải mã mật và đọc thông tin. Sau đó M sẽ mã mật thông điệp đó bằng publickey thật sự của B và gửi cho B. Do vậy cả A và B đều không biết được rằng M đã đọc được thông tin trao đổi giữa họ. Một giải pháp đề giải quyết vấn đề này là: sẽ có một tổ chức đứng ra để chứng thực publickey (publickey certificate), chẳng hạn như VeriSign. Các tổ chức dạng này thường được gọi là CA (Certificate Authority). Tổ chức này sẽ đứng ra đảm bảo rằng publickey này đúng là của B vì ngoài publickey nó còn lưu thông tin cá nhân của B như tên, địa chỉ ...Do vậy khi A nhận được publickey của B từ một CA thì có thể tin tưởng rằng publickey đó đúng là của B.

Câu hỏi cuối chương 1. Mã Hamming là loại mã phát hiện lỗi theo kiểu nào: Kiểm soát lỗi hướng tới

hay kiểm soát lỗi quay lui. 2. Cho một từ mã 7 bit 1011011 được mã hoá theo phương pháp kiểm tra chẵn lẻ

một bit. Hãy cho biết parity bit của từ mã này là bao nhiêu với trường hợp parity chẵn (even). Ở phía thu nếu thu được từ mã đó là 10110011 thì máy thu có phát hiện được sai không?

3. Tại sao khi mã hoá bằng mã nén Huffman các từ mã phải có tính Prefix 4. Hãy cho biết sự khác nhau giữa nén có tổn hao và nén không tổn hao. Chúng

được dùng ở đâu?

70

Chương 8- Điều khiển liên kết số liệu

CChhưươơnngg 88-- ĐĐiiềềuu kkhhiiểểnn lliiêênn kkếếtt ssốố lliiệệuu CC(DATA LINK CONTROL) (DATA LINK CONTROL)

I- Đặt vấn đề I- Đặt vấn đề Một số yêu cầu và mục tiêu đảm bảo hiệu quả sự liên lạc giữa hai trạm truyền, nhận trực tiếp: Một số yêu cầu và mục tiêu đảm bảo hiệu quả sự liên lạc giữa hai trạm truyền, nhận trực tiếp:

• Đồng bộ khung: Sự bắt đầu và kết thúc mỗi frame cần vạch rõ • Đồng bộ khung: Sự bắt đầu và kết thúc mỗi frame cần vạch rõ • Các phương án thiết lập, huỷ bỏ liên kết • Các phương án thiết lập, huỷ bỏ liên kết • Điều khiển luồng (flow control): Trạm gửi cần gửi dữ liệu có tốc độ phù hợp để

trạm thu có thể nhận được • Điều khiển luồng (flow control): Trạm gửi cần gửi dữ liệu có tốc độ phù hợp để

trạm thu có thể nhận được • Kiểm soát lỗi: Phát hiện và sửa lỗi dữ liệu • Kiểm soát lỗi: Phát hiện và sửa lỗi dữ liệu • Địa chỉ hoá: Trong truyền multipoint sự nhận dạng hai trạm cần biết rõ • Địa chỉ hoá: Trong truyền multipoint sự nhận dạng hai trạm cần biết rõ

Những yêu cầu đó sự giao tiếp vật lý không thoả mãn được Những yêu cầu đó sự giao tiếp vật lý không thoả mãn được Nếu trạm muốn gửi dữ liệu đến trạm khác, yêu cầu đầu tiên là trạm kia sẵn sàng nhận. Trạm thứ 2 nếu sẵn sàng nó trả lời ACK (acknowledgment). Trạm thứ nhất sẽ gửi một số dữ liệu trong dạng frame (trong trường hợp truyền không đồng bộ dữ liệu sẽ là dòng các ký tự). Trong một số trường hợp sau khi truyền một số dữ liệu, trạm thứ nhất sẽ tạm dừng để chờ kết quả. Để kết thúc truyền trạm thứ nhất sẽ truyền tín hiệu kết thúc truyền DISC-Frame và chấm dứt trao đổi, hệ thông trả về trạng thái ban đầu.

Nếu trạm muốn gửi dữ liệu đến trạm khác, yêu cầu đầu tiên là trạm kia sẵn sàng nhận. Trạm thứ 2 nếu sẵn sàng nó trả lời ACK (acknowledgment). Trạm thứ nhất sẽ gửi một số dữ liệu trong dạng frame (trong trường hợp truyền không đồng bộ dữ liệu sẽ là dòng các ký tự). Trong một số trường hợp sau khi truyền một số dữ liệu, trạm thứ nhất sẽ tạm dừng để chờ kết quả. Để kết thúc truyền trạm thứ nhất sẽ truyền tín hiệu kết thúc truyền DISC-Frame và chấm dứt trao đổi, hệ thông trả về trạng thái ban đầu. Có 3 pha trong quá trình điều khiển: Có 3 pha trong quá trình điều khiển:

• Thiết lập • Thiết lập • Truyền dữ liệu • Truyền dữ liệu • Kết thúc • Kết thúc

II- II-

hhưươơnngg 88-- ĐĐiiềềuu kkhhiiểểnn lliiêênn kkếếtt ssốố lliiệệuu

Setup Frame

UA-Frame

I - Frame

ACK-Frame

UA-Frame

DISC-Frame

Trạm nguồn Trạm đích

UA-Frame : Unnumbered-Acknowledgment Frame I-Frame : Information Frame DISC-Frame : Disconnect Frame

71


Kiểm soát lỗi (error control) Có hai loại lỗi:

• Mất frame: Frame bị mất trước khi đến đích, làm cho bên phát cho rằng frame chưa được truyền.

• Frame bị lỗi: Frame đến được đích những một số bit bị sai trong khi truyền. Hầu hết các kỹ thuật hiện nay cho việc kiểm tra sai dựa trên cơ sở sau:

• Phát hiện sai: kiểm tra sai dùng FCS • Báo nhận (ACK): Bên thu truyền ACK khi nhận được frame đúng • Truyền lại sau thời gian nào đó (time out): bên phát sẽ truyền lại một frame

nào đố mà chưa nhận được ACK trong một khoảng thời gian nào đó. • NAK (Negative ACK): Bên thu trả lại tín hiệu NAK khi có một frame nào đó

sai. Thủ tục kiểm soát lỗi này gọi là ARQ (Automatic Repeat reQuest). Có hai loại ARQ cơ bản:

• Idle RQ: Hay còn gọi là: dừng và đợi ARQ (Stop and wait ARQ) • Continuous RQ

o Truyền lại có lựa chọn (selective repeat retransmission) o Truyền lại một nhóm (go-back-N - retransmission)

1- Idle RQ (Stop and wait ARQ) Giao thức idle RQ hoạt động theo chế độ bán song công vì sau khi sơ cấp (Primary) gửi một I-frame, nó phải đợi cho đến khi nhận một thông báo của thứ cấp (Secondary) cho biết frame nhận được có thành công hay không. Sau đó, sơ cấp gửi frame kế tiếp nếu frame trước đó nhận tốt hoặc truyền lại một bản copy của nó nếu không được nhận thành công. Có hai phương pháp:

• Truyền lại ngầm định (implicit retransmission): Thứ cấp chỉ báo nhận ACK đối với những frame nhận tốt và hiểu rằng không có ACK có nghĩa là frame đã bị hỏng và tự động truyền lại.

• Yêu cầu rõ (explicit request): Thứ cấp phát hiện ra một frame hỏng nó gửi thông báo NAK yêu cầu truyền lại.

Chú ý :

• Thứ cấp sẽ giữ lại một bản copy của frame vừa truyền cho đến khi nó nhận được ACK.

• Nếu một frame truyền đúng mà trong khi truyền ACK bị mất thì sau một thời gian chờ không có tín hiệu ACK của thứ cấp, sơ cấp sẽ truyền lại frame trước đó. Như vậy bên thứ cấp sẽ nhận 2 bản của cùng 1 frame. Để tránh vấn đề đó, frame luôn thay đổi giá trị 0, 1: Ta có ACK0 và ACK1. ACK0(ACK1) nhận được của frame 1 (0) và chỉ ra rằng thứ cấp sẵn sàng nhận frame 0 (1)

72


Frame 0

ACK 1

Frame 1

ACK 0

ACK 0

Frame 0

Trạm nguồn (sơ cấp)

Trạm đích (thứ cấp)

Frame 0 truyền lại

ACK 1

Frame 1

ACK 0


Time out

Time out

Frame 0 truyền lôi FCS

NAK Với yêu cầu rõ


ACK 1

loại bỏ frame trùng lặp

Thời gian

ACK mất

frame mất truyền lại

Để xác định hiệu suất hoạt động của giao thức này, ta quan sát lưu đồ thời gian thực hiện phát một khung số liệu đầy đủ như sau (Hình dưới).

Trạm nguồn Trạm đích (sơ cấp) (thứ cấp)

Tp = Thời gian lan truyền tín hiệu Tix = Thời gian phát số liệu Tip = Thời gian xử lý số liệu

Tp

Tax = Thời gian phát ACK

Tap = Thời gian xử lý ACK

Thời gian

I-Frame (n)

ACK

I-Frame (n+1)

73


Tp là thời gian lan truyền tín hiệu từ P đến S (và từ S về P). Thời gian phát số liệu Tix và thời gian phát thông báo ACK Tax phụ thuộc vào độ dài khung dữ liệu I-frame và độ dài thông báo ACK và tốc độ truyền số liệu của đường truyền. Tip và Tap là thời gian xử lý khung số liệu I-frame và thông báo ACK. Hiệu suất hoạt động của giao thức cũng chính là hiệu quả sử dụng đường truyền và được xác định bằng tỉ lệ giữa thời gian phát số liệu Tix và tổng số thời gian chiếm dụng đường truyền T = (Tp+Tix+Tip) + (Tp+Tax+Tap). Biết rằng thông báo ACK có độ dài nhỏ hơn nhiều lần so với khung số liệu I-frame và thời gian xử lý I-frame, ACK là không đáng kể, do đó có thể coi Tip=Tax=Tap=0. Ta có thể tính hiệu suất của giao thức này như sau:

pxi

ix

TTTU

2+= hay

aU

211

+= với a=Tp/Tix

Ví dụ 1: Cho một đường truyền có độ dài L=200km, tốc độ truyền số liệu là video=1Mbps, tốc độ lan truyền tín hiệu là D=2.108 m/s. Tính hiệu suất hoạt động của giao thức “Dừng và Chờ” áp dụng cho đường truyền nói trên để truyền các khung số liệu có độ dài cố định là l=1000bit, biết rằng thời gian xử lý số liệu và xử lý thông báo ACK cũng như thời gian truyền thông báo ACK là không đáng kể. Đáp án: U=0,33 Ví dụ 2: Giả thiết kênh truyền vệ tinh có những thông số sau:

• Tốc độ truyền số liệu là v=50kbps • Trễ toàn phần (round trip time) RTT=500ms • Độ dài khung số liệu lD=1000 bit • Độ dài thông báo trả lời ACK là lA=200 bit

Tính hiệu suất kênh truyền này (đáp án=4%). Nhận xét? Nhận xét:

• Giao thức Idle RQ hoàn toàn thích hợp cho các liên kết ngắn và tốc độ vừa phải • Ưu điểm chính của idle RQ là nó yêu cầu kích thước bộ đệm tối thiểu , vì cả ở

bên sơ cấp và thứ cấp chỉ cần chứa đủ một frame. Ngoài ra thứ cấp chỉ phải duy trì một bản ghi để xác định frame nhận thành công sau cùng để phát hiện trùng lặp. Được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị đơn giản.

2- RQ liên tục (continuous RQ) Với RQ liên tục, hiệu suất sử dụng liên kết được cải thiện Cần một liên kết song công để thực hiện

• P gửi I-frame một cách liên tục mà chưa cần ACK-frame trở về • P có một danh sách truyền lại chứa các I-frame chưa nhận được ACK-frame

74


• Mỗi khi nhận được I-frame tốt S trả lời một ACK-frame • I-frame đã nhận mà không có lỗi được đặt vào trong một danh sách liên kết

nhận đề chờ xử lý Khi có một lỗi truyền xảy ra thì có hai cách có thể được sử dụng:

• Truyền lại một nhóm: S phát hiện 1 frame bị lỗi sẽ yêu cầu truyền lại tất cả các I-frame chưa được ACK kể từ thời điểm nhận được một I-frame sau cùng

• Truyền lại có lựa chọn: Chỉ truyền lại các frame bị hỏng

a- Truyền lại một nhóm (Go-back-N) Khi S phát hiện 1 I-frame có lỗi (frame2) hoặc phát hiện 1 I-frame đến sai thứ tự (do I-frame trước nó bị mất). Nó sẽ gửi 1 NAK2 đến P và P vào trạng thái truyền lại nó tạm thời dừng truyền các frame mới và bắt đầu truyền lại các frame đang đợi báo nhận trong danh sách truyền lại. Phía S loại bỏ các frame cho đến khi nhận được frame (2) 0 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6 7 0 Giả sử S nhận tốt được các frame tuy nhiên ACK frame 1, và 2 bị hỏng. Khi nhận được ACK frame 3, vì nó là một ACK chứ không phải NAK nên P chấp nhận ACK3 như là báo nhận cho các frame còn lại còn đang đợi (vì nó biết S đã gửi ACK1,2 thì mới gửi được ACK3) b- Truyền lại có lựa chọn (Selective Repeat) Trường hợp I-frame (2) bị mất

• S trả lời P bằng các ACK 1, 3,… • Khi P nhận được ACK(3) P phát hiện rằng I-frame (2) đã không được báo nhận • P vào trạng thái truyền lại, việc truyền một frame mới bị hoãn lại cho đến khi

tất cả các frame không được báo nhận đều đã truyền lại. • P xoá I-frame(3) ra khỏi danh sách truyền lại và truyền lại I-frame (2) trước khi

truyền I-frame (7)

0 1 2 3 4 5 6 2 7 0 1 2 3 4

0 1 E D D D 2 3 4 5 6

0 1 E 3 4 5 6 2 7 0 1

ACK0 ACK1 NAK2 ACK2 ACK3 ACK4 ACK5 ACK6

Error Frame bị bỏ

Truyền lại

ACK0 ACK1 ACK3 ACK6 ACK2 ACK7 ACK0 ACK1

Error Được giữ lại ở S

Truyền lại

ACK4 ACK5

75


Với trường hợp các I-frame nhận được tốt nhưng ACK-frame bị hỏng, cũng giống như trường hợp trên. Nhưng khi S nhận được bản truyền lại nó biết là bản trùng lặp nên loại bỏ nhưng vẫn gửi trả 1ACK-frame cho I-frame này để đảm bảo P loại bỏ frame đó ra khỏi danh sách truyền lại. Nhận xét: Trong nhiều ứng dụng, các frame phải được phân phối đúng thứ tự giống như khi được tạo ra. Do dó các frame nào được nhận không đúng thứ tự phải được lưu giữ tại S để sắp xếp lại sau khi nhận được frame truyền lại. Thường thì các frame có kích thước khá lớn và số lượng các frame cần lưu giữ cũng khá nhiều. Do dó đòi hỏi hệ thống phải có dung lượng lưu giữ lớn. Do vậy, hầu hết trong các mạng đều dùng lược đồ điều khiển truyền lại một nhóm.

III- Điều khiển luồng (flow control) Điều khiển luồng là kỹ thuật bảo đảm cho trạm thu có đủ tài nguyên bộ nhớ để tiếp nhận dữ liệu trước khi xử lý.

1- Điều khiển luồng dừng và chờ P truyền một I-frame nhận được I-frame này S sẽ gửi tín hiệu chấp nhận là ACK.

2- Cửa sổ trượt (sliding window) Ta biết rằng với lược đồ (scheme) kiểm soát lỗi Idle RQ chặt chẽ nhung không hiệu quả trong việc sử dụng băng thông. Với lược đồ kiểm soát lỗi RQ liên tục, P có thể gửi các I-frame một cách liên tục trước khi nhận được bất kì một ACK nào. Với lược đồ này S có thể hết bộ nhớ. Thường phải thêm vào các lược đồ này một thao tác điều chỉnh. Trong đó sẽ giới hạn số lượng các I-frame đang đợi trong danh sách truyền lại. Khi S bị quá tải nó không gửi các ACK-frame nữa do vậy danh sách truyền lại ở P tăng dần lên đến lúc nào đó sẽ đến con số giới hạn, P sẽ ngừng gửi I-frame cho đến khi các ACK khởi động luồng trở lại

Số lượng các I-frame bị giới hạn bởi một con số tối đa gọi là cửa sổ truyền (send window). Trên hình vẽ là K=3 Nếu K=1 thì tức là dạng idle RQ. Việc chọn K phải dựa trên kích thước tối đa của frame, dung lượng bộ nhớ, trễ, tốc độ truyền.

-- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 --

Các frame đã được báo nhận

Các frame đang đợi báo nhận

Các frame đang đợi truyền

Biên dưới của cửa sổ LWE=lower window edge

Biên trên của cửa sổ UWE=upper window edge

Cửa sổ truyền K=3

Dừng luồng

76


Hoạt động: Khi truyền 1 I-frame biên trên của cửa sổ (UWE) tăng lên 1 đơn vị, mỗi khi một I-frame được báo nhận biên dưới của cửa sổ (LWE) tăng lên 1. Nếu UWE lớn hơn LWE bằng K thì P sẽ không truyền I-frame mới. Kích thước yêu cầu tại bộ đệm frame của S gọi là cửa sỏ thu (receive window). Với lược đồ idle RQ là go-back RQ chỉ yêu cầu bộ đệm thu đệm 1 frame. Với lược đồ selective repeat yêu cầu đệm được K frame.

Protocol Send window Receive window 1 1 Idle RQ K K Selective repeat K 1 Go-back-N

Câu hỏi cuối chương 1. Hãy giải thích tại sao giao thức Idle RQ chỉ thích hợp với cự ly ngắn. 2. Một kết nối có các loại khung (frame) sau: UA-frame, I-frame, ACK-frame,

NAK-frame, DISC-frame…. Hãy cho biết phương pháp truyền lại của kết nối trên là loại truyền lại ngầm định hay là loại yêu cầu rõ. Vì sao?

77

Tài liệu tham khảo

TTààii lliiệệuu tthhaamm kkhhảảoo [1] Nguyễn Hồng Sơn, Kỹ thuật truyền số liệu, Nhà xuất bản Lao động-Xã hội, 2002 [2] Vũ Duy Lợi, Mạng thông tin máy tính. Kiến trúc, nguyên tắc và hiệu suất hoạt động, Nhà xuất bản Thế giới, 2002 [3] Nguyễn Văn Thưởng, Cơ sở kỹ thuật truyền số liệu, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 1998. [4] Fred Halsall, Data Communications Computer Networks and Open Systems (Fourth Edition), Addison Wesley Publishing Company, 1995 [5] William Stallings, Data and Computer Communications (Fifth Edition), Prentice Hall, 1997 [6] Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks (Fourth Edition), Prentice Hall, 2003

78

Tài liệu tham khảo

Bài giảng Truyền Số Liệu Thông tin về tác giả:

Họ tên: Đỗ Văn Hải Năm sinh: 1979 Cơ quan công tác: Khoa Công nghệ thông tin - ĐH Thủy lợi Địa chỉ liên hệ: Khoa CNTT – ĐH Thủy lợi – 175 Tây Sơn – Hà Nội Email: [email protected]

Đối tượng sử dụng: dùng cho sinh viên các ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin. Từ khóa: băng thông, dữ liệu, tín hiệu, mã hóa, ghép kênh, điều chế, đồng bộ, nén dữ liệu, bảo mật dữ liệu, điều khiển luồng.

79

Mục lục - · PDF fileI- Kỹ thuật điều xung mã (PCM) ... II- Điều chế...

Documents

Transcript of Mục lục - · PDF fileI- Kỹ thuật điều xung mã (PCM) ... II- Điều chế...