Giáo trình Truyền số liệu CĐ Kỹ Thuật Cao Thắng

TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN SỐ LIỆU

THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Thông tin khi liên lạc thường liên quan đến nhiều hình thức như đàm thoại, đọc sách, gửi nhận thư, nói chuyện qua điện thoại, xem phim, truyền hình và tham gia diễn đàn Vì vậy, việc gia công và chế biến thông tin để truyền tải là một yếu tố quan trọng trong lĩnh vực thông tin.

Hình 1.1: Hệ thống thông tin cơ bản

Mỗi hệ thống truyền tin đều có mục đích chung là chuyển tải thông tin từ điểm này đến điểm khác, với thông tin thường được gọi là dữ liệu hay thông điệp Để thực hiện việc này, cần có ba thành phần tối thiểu: nguồn tin, môi trường truyền, và đích thu Sự tồn tại của cả ba thành phần là cần thiết; nếu thiếu một trong số đó, quá trình truyền tin sẽ không thể diễn ra Để tín hiệu được truyền đạt hiệu quả, các bên liên quan phải hiểu rõ thông điệp, và nơi nhận thông điệp cần có khả năng dịch nghĩa chính xác Điều này cũng tương tự như trong giao tiếp hàng ngày, nơi mà nếu thông điệp không được hiểu đúng, hiệu quả thông tin sẽ không đạt yêu cầu.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN SỐ LIỆU

2 đó nhưng thông tin lại đến với tốc độ khác và với dạng mã khác thì rõ ràng không thể đạt được hiệu quả truyền tin

Trong hệ thống truyền tin, nhiễu có thể xảy ra trong quá trình truyền, dẫn đến việc thông tin bị ngắt quãng Tất cả các xâm nhập không mong muốn vào tín hiệu đều được gọi là nhiễu.

CÁC DẠNG THÔNG TIN VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN

Tín hiệu là tất cả những gì con người muốn trao đổi và được gia công để truyền tải trong không gian Xử lý tín hiệu là quá trình gia công tín hiệu cho phù hợp với mục đích và đường truyền vật lý Máy tính đóng vai trò trung tâm trong việc xử lý thông tin, điều khiển các quy trình truy cập dữ liệu và kết hợp với các hệ thống thông tin để tạo thành hệ thống truyền số liệu Có hai nguồn thông tin chính: thông tin tương tự và thông tin số Thông tin tương tự biến thiên liên tục theo sự thay đổi của giá trị vật lý, như âm thanh và hình ảnh, trong khi thông tin số là tín hiệu rời rạc, thể hiện thông tin qua các giá trị như 0 và 1.

Thông tin số có nhiều ưu điểm hơn:

- Thông tin số chống nhiễu tốt hơn

- Cung cấp chất lượng truyền dẫn tốt hơn với mọi khoảng cách

- Những phần tử bán dẫn dùng trong truyền dẫn tin hiệu số là những mạch tổ hợp được sản xuất hàng loạt

- Dễ chuyển đổi tốc độ

Hệ thống thông tin số cho phép thiết lập và tách dòng tín hiệu điều khiển một cách độc lập, không phụ thuộc vào loại phương tiện truyền tin như cáp đồng trục, cáp sợi quang, vi ba hay vệ tinh.

Thiết bị truyền tin có khả năng thiết kế độc lập với hệ thống truyền dẫn, cho phép thay đổi chức năng điều khiển mà không phụ thuộc vào hệ thống này Ngược lại, hệ thống truyền dẫn có thể được nâng cấp mà không làm ảnh hưởng đến các chức năng điều khiển ở cả hai đầu của đường truyền.

KHÁI QUÁT MẠNG TRUYỀN SỐ LIỆU

Mạng truyền số liệu là hệ thống kết nối nhiều máy tính thông qua các giao thức chuẩn hóa, cho phép chúng trao đổi thông tin và giải quyết công việc chung Hệ thống này có thể được phân chia theo cấp bậc hoặc trung tâm xử lý thông tin, nhằm kết nối nhiều thiết bị đầu cuối Để truyền dữ liệu, người dùng có thể sử dụng mạng điện thoại hoặc đường truyền riêng với tốc độ cao Dịch vụ truyền số liệu trên kênh thoại là một trong những dịch vụ đầu tiên, cho phép nhiều máy tính cùng loại hoặc khác loại kết nối và cần giải quyết vấn đề phân chia tài nguyên.

1.3.1 Mô hình hệ thống truyền số liệu hiện đại

Sự kết hợp giữa phần cứng, giao thức truyền thông và các thuật toán đã phát triển các hệ thống truyền số liệu hiện đại, trong khi các kỹ thuật cơ bản vẫn được áp dụng nhưng với cách xử lý tinh vi hơn.

Hình 1.2: Mô hình mạng truyền số liệu hiện đại

1.3.2 DTE (Data Terminal Equipment – Thiết bị đầu cuối dữ liệu)

DTE, hay thiết bị đầu cuối, là một thiết bị lưu trữ và xử lý thông tin, thường là máy tính, máy Fax hoặc trạm cuối Tất cả ứng dụng của người sử dụng, bao gồm chương trình và dữ liệu, đều được lưu trữ trong DTE Chức năng chính của DTE là lưu trữ phần mềm ứng dụng, đóng gói dữ liệu và gửi hoặc nhận gói dữ liệu từ DCE theo một giao thức xác định DTE giao tiếp với DCE thông qua các chuẩn giao tiếp, tạo thành mạng truyền số liệu, cho phép kết nối các DTE lại với nhau, từ đó phân chia tài nguyên, trao đổi dữ liệu và lưu trữ thông tin dùng chung.

1.3.3 DCE (Data Circuit Terminal Equipment – Thiết bị cuối kênh dữ liệu )

DCE là thiết bị kết nối DTE với mạng, bao gồm modem, card mạng hoặc thiết bị số khác Nó có thể được tích hợp bên trong DTE hoặc hoạt động độc lập Thiết bị DCE thường kết hợp phần mềm và phần cứng để chuyển đổi tín hiệu dữ liệu của người dùng thành định dạng phù hợp với đường truyền.

Kênh truyền tin là môi trường mà trên đó 2 thiết bị DTE trao đổi dữ liệu với nhau trong các phiên làm việc

Trong môi trường thực tế, hai hệ thống được kết nối qua cáp đồng trục và cáp sợi quang Modem C chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự để truyền qua cáp đồng trục, trong khi modem D chuyển đổi tín hiệu đó trở lại thành tín hiệu số Sau đó, Tranducer E chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để truyền trên cáp sợi quang Cuối cùng, Tranducer F chuyển tín hiệu quang trở lại thành tín hiệu điện để đến thiết bị DTE.

SỰ CHUẨN HOÁ VÀ MÔ HÌNH THAM CHIẾU OSI

1.4.1 Kiến trúc phân tầng Để giảm độ phức tạp khi thiết kế và cài đặt mạng số liệu được thiết kế theo quan điểm kiến trúc 7 tầng với nguyên tắc là : mỗi hệ thống trong một mạng đều có số lượng tầng là 7, chức năng của mỗi tầng là như nhau Trên thực tế dữ liệu không được truyền trực tiếp từ tầng thứ i của hệ thống này sang tầng thứ i của hệ thống kia (trừ tầng thấp nhất trực tiếp sử dụng đường truyền vật lý)

Dữ liệu trong hệ thống được truyền từ tầng i xuống tầng vật lý qua các tầng, sử dụng đường truyền vật lý để đến hệ thống nhận Sau đó, dữ liệu sẽ đi ngược lên các tầng đến tầng đồng mức thứ i Do đó, chỉ có tầng vật lý giữa hai hệ thống có kết nối vật lý, trong khi các tầng khác chỉ có kết nối logic.

1.4.2 Mô hình tham chiếu OSI

Mô hình OSI là một kiến trúc cơ bản không giới hạn cho phần mềm hoặc phần cứng cụ thể, nhằm mô tả các chức năng của từng lớp mà không cung cấp thiết kế phần mềm hay phần cứng Mô hình này bao gồm 7 lớp: lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp vận chuyển, lớp tập hợp, lớp trình bày và lớp ứng dụng, mỗi lớp đảm nhận một mục đích riêng và chức năng độc lập Mục tiêu cuối cùng của mô hình là đảm bảo khả năng tương tác giữa nhiều thiết bị truyền thông trong tương lai.

Lớp vật lý trong mạng định nghĩa các phương pháp truyền và thu dữ liệu, bao gồm cáp và thiết bị kết nối bộ giao tiếp mạng Nó liên quan đến tín hiệu dữ liệu và khả năng xác định các lối dữ liệu trên phương tiện mạng Ngoài ra, khuôn dạng khung truyền và kiểm tra vòng CRC cũng được thực hiện tại lớp này.

Lớp liên kết dữ liệu (Datalink layer) đóng vai trò quan trọng trong việc đồng bộ hóa quá trình truyền tải dữ liệu, điều khiển việc truy cập và phục hồi thông tin trên lớp vật lý Lớp này áp dụng các phương pháp truy cập như Ethernet và Token Ring, đồng thời cung cấp địa chỉ lớp vật lý cho các khung dữ liệu được truyền đi.

Tầng mạng là lớp chịu trách nhiệm điều phối việc chuyển tiếp thông báo giữa các trạm, cho phép dữ liệu được truyền đến các mạng khác thông qua thiết bị router.

Transport layer (vận chuyển): Lớp này cung cấp cho truyền dẫn trạm nguồn tới trạm đích

Nó đảm bảo rằng dữ liệu được truyền một cách tin cậy, không có lỗi và chính xác theo trình tự.

Hình 1.4: Mô hình tham chiếu OSI

Tầng phiên là lớp mạng chịu trách nhiệm thiết lập, duy trì và cắt đứt kết nối giữa hai trạm Lớp này cũng đảm nhận việc biên dịch địa chỉ tên của các trạm trong mạng.

Tầng trình bày trong mô hình OSI thực hiện việc chuyển đổi cú pháp dữ liệu nhằm đáp ứng các yêu cầu truyền tải của ứng dụng.

Tầng ứng dụng là lớp cuối cùng trong mô hình mạng, nơi các ứng dụng hoạt động để thực hiện các chức năng trên mạng Nó bao gồm các ứng dụng như truyền file và thư điện tử, đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp và chia sẻ dữ liệu giữa người dùng.

Mô hình OSI ra đời nhằm kết nối các hệ thống mở, hỗ trợ các ứng dụng phân tán, cho phép hai hệ thống trao đổi thông tin khi tuân thủ mô hình tham chiến và các chuẩn liên quan Nó cung cấp giải pháp cho vấn đề truyền thông giữa các trạm khác nhau, với điều kiện đảm bảo các tiêu chí nhất định.

- Chúng cài đặt cùng một tập các chức năng truyền thông

- Các chức năng đó được tổ chức thành một tập các tầng

- Các tầng đồng mức phải cung cấp các chức năng như nhau

Các tầng đồng mức cần áp dụng một giao thức chung để đảm bảo các điều kiện hoạt động hiệu quả Để đạt được điều này, các chuẩn phải được thiết lập, xác định rõ chức năng và dịch vụ của từng tầng Ngoài ra, các chuẩn cũng cần quy định các giao thức giữa các tầng đồng mức Mô hình OSI 7 lớp đóng vai trò nền tảng trong việc xây dựng các chuẩn này.

GIAO TIẾP VẬT LÝ VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DỮ LIỆU

CÁC LOẠI TÍN HIỆU

Khi hai đầu cuối kết nối với tốc độ vừa phải, dữ liệu có thể được truyền qua dây đôi không xoắn và các mạch giao tiếp đơn giản Những mạch giao tiếp này chuyển đổi các mức tín hiệu bên trong thiết bị thành mức tín hiệu tương thích với cáp nối.

Khi sự khác biệt giữa các đầu cuối và tốc độ bit gia tăng, việc sử dụng các kỹ thuật và mạch phức tạp trở nên cần thiết Đặc biệt, khi các đầu cuối cách xa nhau trên phạm vi quốc gia hoặc quốc tế mà không có dịch vụ truyền số liệu công cộng, việc sử dụng đường truyền từ các nhà khai thác dịch vụ điện thoại và viễn thông là giải pháp duy nhất Trong môi trường này, cần chuyển đổi tín hiệu điện từ các DTE thành tín hiệu analog để truyền tải thông điệp Tương tự, khi nhận tín hiệu, cần chuyển đổi trở lại thành dạng tín hiệu phù hợp với DTE đích.

2.1.1 Tín hiệu dùng theo chuẩn RS232C/V.24

Chuẩn V.24 quy định các mức tín hiệu cho giao tiếp EIA/ITU-T, được coi là giao tiếp điện không cân bằng Các tín hiệu điện áp trên đường dây đối xứng so với mức tham chiếu gốc, với mức +3V đến +15V cho bit 0 và -15V đến -3V cho bit 1 Mức tín hiệu theo chuẩn V.24 có khả năng chống suy giảm và giảm nhiễu hiệu quả.

Giao tiếp dòng 20mA là một lựa chọn thay thế cho V.8, sử dụng tín hiệu điện để truyền thông tin Mặc dù không tăng tốc độ truyền, giao tiếp này cho phép khoảng cách vật lý giữa hai thiết bị xa hơn, lên đến 1Km Chuyển mạch được điều khiển bởi luồng bit dữ liệu, với bit 1 tương ứng với việc đóng chuyển mạch và cho phép dòng 20mA qua, trong khi bit 0 mở chuyển mạch và ngăn dòng chảy Tại đầu thu, dòng điện được phát hiện bởi mạch cảm biến và tín hiệu nhị phân được tái tạo Giao tiếp dòng 20mA có khả năng loại bỏ nhiễu tốt hơn so với giao tiếp điều khiển bằng điện áp V.28, mặc dù có tốc độ truyền vừa phải.

2.1.3 Tín hiệu dùng theo chuẩn RS-422A (V.11)

Để tăng khoảng cách vật lý và tốc độ truyền dữ liệu, chuẩn RS-422A hay còn gọi là V.11 là lựa chọn tối ưu Chuẩn này chủ yếu dựa trên cáp xoắn đôi và được coi là giao tiếp điện cân bằng, mang lại hiệu suất cao trong truyền thông.

CHƯƠNG 2: GIAO TIẾP VẬT LÝ VÀ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DỮ LIỆU

19 phát vi phân tạo ra tín hiệu sinh đôi bằng nhau và ngược cực theo mỗi tín hiệu nhị phân 0 hay

Mạch thu tín hiệu hoạt động dựa trên hiệu số giữa hai tín hiệu tại hai đầu vào, giúp loại bỏ nhiễu ảnh hưởng đồng thời lên cả hai dây, đảm bảo tín hiệu cần thu không bị tác động Chuẩn RS-422A cho phép truyền dữ liệu với khoảng cách lên tới 10m ở tốc độ 10Mbps và 1Km ở tốc độ 100kbps.

2.1.4 Tín hiệu truyền trên cáp đồng trục

Băng thông hữu hạn trong cáp đồng trục có thể lên đến 350MHz (còn được gọi băng tần cao)

Có thể dùng băng tần cao này bằng một trong 2 cách:

Chế độ băng thông cơ bản cho phép sử dụng toàn bộ băng thông để tiếp nhận kênh tốc độ cao từ 10Mbps trở lên Với việc cáp được điều khiển bởi một nguồn điện áp tại một đầu, chế độ này giúp hạn chế can nhiễu từ bên ngoài, rất phù hợp cho việc truyền số liệu tốc độ cao lên đến 10Mbps qua khoảng cách vài trăm mét.

Chế độ băng thông rộng cho phép chia băng thông sẵn có thành nhiều kênh có tốc độ nhỏ hơn trên một cáp, sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân tầng FDM (Frequency Division Multiplexing) Để thực hiện chế độ này, cần có một modem RF (Radio Frequency) giữa mỗi thiết bị và cáp Trong quá trình truyền, sóng được điều chế bằng dữ liệu và sau đó được giải điều chế để thu nhận thông tin.

Có nhiều loại mã hoá tín hiệu quang phù hợp với cáp có tốc độ lên đến 50 Mbps, với ba mức năng lượng quang là 0, một nửa mức tối đa và mức tối đa Module truyền chuyển đổi các mức điện áp nhị phân thành tín hiệu quang và truyền tải qua cáp bằng các bộ nối đặc biệt cùng với vi mạch LED tốc độ cao.

2.1.6 Tín hiệu vệ tinh và vô tuyến

Kênh truyền trong hệ thống vệ tinh và radio được thiết lập thông qua bộ ghép kênh phân tầng (FDM - Frequency Division Multiplexing) Ngoài ra, dung lượng của mỗi kênh có thể được tối ưu hóa hơn nữa nhờ vào kỹ thuật ghép kênh phân thời gian đồng bộ (TDM - Time Division Multiplexing).

SỰ SUY GIẢM VÀ BIẾN DẠNG TÍN HIỆU

Sự suy giảm tín hiệu xảy ra khi biên độ của tín hiệu giảm xuống khi lan truyền dọc theo dây dẫn Mức độ suy giảm cho phép thường được quy định trên chiều dài cáp để đảm bảo hệ thống nhận có thể phát hiện và dịch được tín hiệu tại máy thu Trong trường hợp cáp quá dài, các bộ khuếch đại (hay còn gọi là Repeater) sẽ được chèn vào từng khoảng dọc theo cáp để tiếp nhận và tái sinh tín hiệu.

Sự suy giảm tín hiệu tăng theo tần số, do đó, các bộ khuếch đại được thiết kế để khuếch đại các tín hiệu với tần số khác nhau và hệ số khuếch đại tương ứng Để khắc phục sự suy giảm này, thiết bị cân chỉnh gọi là equalizer được sử dụng nhằm cân bằng sự suy giảm trong một băng tần xác định.

2.2.2 Băng thông bị giới hạn

Mỗi kênh truyền thông như cáp xoắn, cáp đồng trục hay radio đều có băng thông xác định, chỉ ra các tần số của tín hiệu có thể được truyền mà không bị suy giảm Khi truyền dữ liệu, cần đánh giá ảnh hưởng của băng thông đến tín hiệu số Do băng thông của các kênh thông tin bị giới hạn, chỉ những tần số trong dải băng thông mới được máy thu nhận.

2.2.3 Sự biến dạng do trễ pha

Tốc độ lan truyền tín hiệu qua đường truyền phụ thuộc vào tần số, dẫn đến hiện tượng các thành phần tần số khác nhau đến máy thu với độ trễ pha không đồng nhất Khi truyền tín hiệu số, điều này gây ra biến dạng do trễ, đặc biệt gia tăng khi tốc độ bit tăng Biến dạng này làm thay đổi thời khắc của tín hiệu, gây khó khăn trong việc lấy mẫu tín hiệu chính xác.

2.2.4 Sự can nhiễu (Tạp âm)

Trong trường hợp không có tín hiệu, một đường truyền dẫn hoặc kênh truyền lý tưởng sẽ có mức điện thế bằng 0 Tuy nhiên, thực tế cho thấy có những tác động ngẫu nhiên khiến tín hiệu trên đường truyền vẫn khác 0, ngay cả khi không có tín hiệu số nào được truyền Mức tín hiệu này được gọi là mức nhiễu đường dây hay tạp âm.

Tốc độ số liệu C, hay dung lượng kênh truyền, là tốc độ bít tối đa mà kênh truyền có thể xử lý mà không gây méo dạng tín hiệu Nếu tốc độ bít truyền vượt quá Rb max, tín hiệu thu được sẽ bị méo và không thể phục hồi Do đó, Rb max chính là tốc độ số liệu C.

Tốc độ bít Rb có thể thay đổi nhờ vào các bộ ghép tách kênh, trong khi tốc độ số liệu C lại không thay đổi và phụ thuộc vào băng thông kênh truyền cũng như nhiễu tác động vào kênh, được tính theo công thức log2 1 S bit.

    Với B là độ rộng băng thông của kênh truyền

Tốc độ dữ liệu trong kênh truyền phụ thuộc vào độ rộng băng tần của môi trường truyền dẫn Hiện nay, môi trường truyền dẫn quang, đặc biệt là sợi đơn mod, có băng tần rộng lên tới 20 Thz, cho phép truyền dẫn dữ liệu với tốc độ cao đạt 40 Gbit/s.

MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN

2.3.1 Môi trường truyền dẫn có định hướng

Sóng điện từ được truyền qua các loại cáp như cáp song hành, cáp đồng trục, cáp xoắn đôi và cáp quang, trong đó môi trường truyền dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc giới hạn khả năng truyền sóng.

2.3.1.1 Các đường truyền 2 dây không xoắn (Cáp song hành)

Đường truyền 2 dây không xoắn là môi trường truyền dẫn đơn giản nhất, thích hợp cho kết nối 2 thiết bị cách xa nhau đến 50 m với tốc độ bit nhỏ hơn 19,2 kbps Mỗi dây được cách ly với nhau và cần được tổ chức riêng cho tín hiệu và nối đất Bộ dây được bảo vệ trong cáp nhiều lõi hoặc hộp, tuy nhiên cần cẩn thận tránh can nhiễu giữa các tín hiệu điện do hiện tượng tạp âm Cấu trúc không xoắn làm cho dây dễ bị xâm nhập bởi tín hiệu nhiễu từ bức xạ điện từ, dẫn đến sai lệch tín hiệu giữa các dây Điều này gây ra đọc sai tín hiệu gốc và tạo ra giới hạn về cự ly cũng như tốc độ truyền.

Dây tín hiệu trung tâm được bảo vệ hiệu quả nhờ lớp lưới dây bao quanh, giúp giảm thiểu suy hao tín hiệu do bức xạ điện từ và hiệu ứng ngoài da Cáp đồng trục thường được sử dụng cho nhiều loại tín hiệu, phổ biến nhất là tốc độ 10 Mbps trên khoảng cách vài trăm mét, và nếu được điều chế tốt, có thể đạt được thông số cao hơn.

2.3.1.3 Các đường dây xoắn đôi

Cáp xoắn đôi là giải pháp hiệu quả để loại bỏ tín hiệu nhiễu, với mỗi cặp dây được xoắn lại với nhau giúp giảm thiểu tác động của nhiễu Khi các dây tín hiệu và dây tham chiếu gần nhau, sự thâm nhập của tín hiệu nhiễu sẽ ảnh hưởng đến cả hai dây nhưng được triệt tiêu lẫn nhau Việc sử dụng nhiều cặp dây xoắn trong cùng một cáp cũng giúp giảm nhiễu xuyên âm Cáp xoắn đôi không bảo vệ UTP (Unshielded Twisted Pair) cho phép truyền dữ liệu với tốc độ khoảng 1 Mbps trong khoảng cách ngắn (< 100m) và tốc độ thấp hơn khi khoảng cách tăng lên Ngoài ra, cáp xoắn bảo vệ STP (Shielded Twisted Pair) còn được trang bị lưới bảo vệ để giảm thiểu ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu, được sử dụng phổ biến trong mạng điện thoại và các ứng dụng truyền số liệu.

Cáp quang truyền tải thông tin dưới dạng chùm dao động ánh sáng trong sợi thủy tinh, cho phép đạt tốc độ truyền cao lên đến hàng trăm Mbps nhờ băng thông rộng hơn sóng điện từ Sóng ánh sáng không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và nhiễu xuyên âm, làm cho cáp quang trở thành giải pháp lý tưởng cho các tín hiệu tốc độ thấp trong môi trường nhiễu nặng như điện cao thế hoặc chuyển mạch Bên cạnh đó, cáp quang cũng được sử dụng ở những nơi có nhu cầu bảo mật cao do khó khăn trong việc nghe lén vật lý Mỗi cáp quang bao gồm một sợi thủy tinh cho mỗi tín hiệu truyền, được bọc bởi lớp phủ bảo vệ để ngăn chặn ánh sáng từ bên ngoài, với tín hiệu ánh sáng phát ra từ bộ phát.

Thiết bị quang này chuyển đổi tín hiệu điện thông thường từ đầu cuối dữ liệu thành tín hiệu quang Tại máy thu, bộ thu quang thực hiện quá trình chuyển đổi ngược lại, từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện Thông thường, bộ phát sử dụng diode phát quang hoặc laser để thực hiện việc chuyển đổi này.

2.3.2 Môi trường truyền dẫn không dây

Sóng điện từ truyền không theo vật dẫn nào, bản thân môi trường là nhân tố quan trọng giới hạn sự truyền

Các môi trường truyền thông đều sử dụng đường dây vật lý để truyền tải thông tin, tuy nhiên, dữ liệu cũng có thể được truyền qua sóng điện từ trong không gian tự do, như trong các hệ thống thông tin vệ tinh Thông tin được điều chế và truyền lên vệ tinh từ trạm mặt đất thông qua chùm sóng vi ba trực xạ Vệ tinh sử dụng transponder để thu và phát lại tín hiệu đến các đích đã xác định, với mỗi transponder đảm nhiệm một băng tần riêng Mỗi kênh vệ tinh thường có băng thông cực cao (500MHz), cho phép cung cấp hàng trăm liên kết tốc độ cao nhờ vào kỹ thuật ghép kênh.

Hình 2.1: Truyền dẫn vệ tinh

Các vệ tinh liên lạc thường bay quanh trái đất mỗi 24 giờ để đồng bộ với sự quay của hành tinh, giữ vị trí cố định so với mặt đất Quỹ đạo của vệ tinh được thiết kế để tạo ra đường truyền thẳng tới các trạm thu phát, giúp tín hiệu được tiếp nhận trên diện rộng Mức độ chuẩn trực của chùm sóng từ vệ tinh có thể thay đổi, cho phép thu tín hiệu có năng lượng lớn trong các khu vực hạn chế bằng cách sử dụng các bộ thu nhỏ như chảo parabol hoặc các đầu cuối VSAT (Very Small Aperture Terminal).

Các vệ tinh được sử dụng phổ biến trong việc truyền dữ liệu giữa các mạng máy tính quốc gia và cung cấp đường truyền tốc độ cao cho các mạng nội địa Hệ thống này thường hoạt động với một kênh đường lên (Up link) và một kênh đường xuống (Down link) ở tần số khác nhau cho mỗi trạm mặt đất Một cấu hình điển hình là máy tính kết nối với mỗi trạm VSAT, cho phép truyền dữ liệu tới máy tính trung tâm Điểm trung tâm phát sóng tới tất cả các VSAT trên cùng một tần số, trong khi mỗi VSAT gửi dữ liệu về trung tâm bằng các tần số khác nhau.

Liên kết vi ba mặt đất được sử dụng phổ biến để kết nối thông tin trong những trường hợp mà việc thiết lập môi trường truyền vật lý là khó khăn hoặc tốn kém, chẳng hạn như khi vượt sông, sa mạc hoặc đồi núi hiểm trở Khi chùm sóng vi ba trực xạ di chuyển qua khí quyển, nó có thể bị ảnh hưởng bởi địa hình và điều kiện thời tiết bất lợi Ngược lại, liên kết vệ tinh cho phép chùm sóng đi qua không gian tự do hơn, do đó giảm thiểu tác động của các yếu tố này Dù vậy, liên lạc vi ba trực xạ vẫn có thể được thực hiện một cách đáng tin cậy cho khoảng cách truyền dài trên 50 km.

2.3.2.3 Đường truyền vô tuyến tần số thấp

Hình 2.2: Truyền vô tuyến tần số thấp

Sóng vô tuyến tần số thấp có khả năng thay thế các liên kết vật lý trong khoảng cách vừa phải thông qua các bộ thu phát khu vực Chúng cho phép kết nối nhiều máy tính thu thập dữ liệu trong một khu vực tới một máy tính giám sát từ xa, hoặc kết nối các máy tính trong một thành phố với máy tính cục bộ hoặc xa hơn Trạm phát vô tuyến, hay còn gọi là trạm cơ bản (Base Station), được đặt tại điểm cuối hữu tuyến để cung cấp liên kết không dây giữa máy tính và trung tâm Để đáp ứng nhu cầu về phạm vi rộng và mật độ người dùng cao, cần nhiều trạm cơ bản, nhưng phạm vi phủ sóng của mỗi trạm là hạn chế Để mở rộng phạm vi, có thể tổ chức các trạm theo cấu trúc tế bào (Cell), với mỗi trạm cơ bản phục vụ một khu vực nhất định.

Mỗi trạm trong mạng sử dụng một dải tần số khác nhau, nhưng do vùng phủ của mỗi trạm có giới hạn, băng tần có thể được tái sử dụng cho các khu vực khác Các trạm cơ bản kết nối với nhau tạo thành một mạng hữu tuyến, cho phép tốc độ truyền dữ liệu của mỗi máy tính trong một tế bào đạt vài chục kbps.

GIAO TIẾP KẾT NỐI SỐ LIỆU

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ TRUYỀN SỐ LIỆU

3.1.1 Các chế độ thông tin (Communication Modes)

Khi một người diễn thuyết, thông tin chỉ được truyền theo một chiều, trong khi trong một cuộc đàm thoại, thông điệp được trao đổi theo hai hướng Các thông điệp này thường được truyền lần lượt nhưng cũng có thể xảy ra đồng thời Tương tự, khi truyền dữ liệu giữa hai thiết bị, có ba chế độ thông tin có thể được sử dụng.

- Đơn công: được dùng khi dữ liệu được truyền chỉ theo một hướng, ví dụ trong một hệ thống thu nhập số liệu định kì

Bán song công là phương thức giao tiếp giữa hai thiết bị kết nối, cho phép chúng trao đổi thông tin theo cách luân phiên Trong đó, một thiết bị chỉ gửi dữ liệu khi nhận được yêu cầu từ thiết bị kia Điều này đòi hỏi cả hai thiết bị phải có khả năng chuyển đổi giữa hai chế độ truyền và nhận sau mỗi lần truyền.

- Song công: được dùng khi số liệu được trao đổi giữa hai thiết bị theo cả hai hướng một cách đồng thời

3.1.2 Các chế độ truyền (Transmission Modes)

3.1.2.1 Truyền bất đồng bộ (Asynchronous Transmission)

Truyền bất đồng bộ là phương thức truyền dữ liệu trong đó các ký tự mã hóa thông tin được gửi đi tại những thời điểm khác nhau, với khoảng thời gian nối tiếp giữa các ký tự không cố định Trong chế độ này, máy phát và máy thu hoạt động độc lập với đồng hồ, do đó không cần kênh truyền tín hiệu đồng hồ giữa hai thiết bị Phương thức này cũng thường được áp dụng để truyền các khối ký tự giữa hai máy tính, trong đó mỗi ký tự tiếp theo được truyền ngay sau bit stop của ký tự trước mà không có khoảng thời gian trì hoãn nào.

3.1.2.2 Truyền đồng bộ (Synchronous Transmission)

Trong truyền tín hiệu số, máy phát và máy thu sử dụng một đồng hồ chung để đồng bộ hóa hoạt động dịch bit và thu thập dữ liệu Điều này đòi hỏi một kênh thứ hai cho tín hiệu đồng hồ, có thể là cặp dây dẫn, kênh trên đường ghép kênh, hoặc kênh do mã hóa Với phương pháp truyền đồng bộ, khối dữ liệu được truyền tải một cách chính xác và hiệu quả.

CHƯƠNG 3: GIAO TIẾP KẾT NỐI SỐ LIỆU

Dữ liệu 27 được truyền dưới dạng một luồng bit liên tục mà không có độ trễ giữa các phần tử 8 bit Để thiết bị thu có thể hoạt động hiệu quả, cần đảm bảo các đặc trưng cần thiết.

- Luồng bit truyền được mã hoá một cách thích hợp để máy thu có thể duy trì trong một cơ cấu đồng bộ bit

Tất cả các frame đều được khởi đầu bởi một hoặc nhiều byte điều khiển, giúp máy thu có khả năng dịch luồng bit theo đúng ranh giới byte hoặc ký tự một cách chính xác.

- Nội dung của mỗi frame đựoc đóng gói giữa một cặp ký tự điều khiển để đồng bộ frame

Trong truyền đồng bộ, giữa hai frame truyền liên tiếp có các byte nhàn rỗi được gửi để duy trì đồng bộ bit và byte Ngoài ra, mỗi frame có thể được dẫn đầu bởi hai hoặc nhiều byte đồng bộ đặc biệt, giúp máy thu thực hiện tái đồng bộ hiệu quả.

3.1.3 Kiểm soát lỗi (Error Control )

Trong quá trình truyền dữ liệu giữa hai thiết bị DTE, thông tin có thể bị sai lệch, đặc biệt khi khoảng cách truyền xa, dẫn đến việc bit 0 có thể bị nhận nhầm thành bit 1 và ngược lại Do đó, việc phát hiện và sửa lỗi là rất cần thiết Với phương pháp truyền bất đồng bộ, mỗi ký tự được xem như một thực thể riêng biệt và thường thêm một bit chẵn lẻ (Parity Bit) để kiểm tra lỗi Ngược lại, trong truyền đồng bộ, lỗi thường được xác định trên toàn bộ Frame, và do kích thước lớn của Frame, khả năng xuất hiện nhiều bit lỗi cũng tăng lên, yêu cầu sử dụng các phương pháp kiểm tra lỗi phức tạp hơn Thiết bị sẽ tính toán các ký số kiểm tra dựa trên nội dung Frame và gắn chúng vào cuối Frame Khi nhận được Frame, máy thu sẽ tính toán lại các ký số kiểm tra và so sánh với ký số từ máy phát; nếu không khớp, sẽ coi là có lỗi truyền.

3.1.4 Điều khiển luồng (Flow Control) Điều này là hết sức quan trọng khi hai thiết bị đang truyền thông tin qua mạng số liệu, khi mà rất nhiều mạng sẽ chứa số liệu trong các bộ đệm có kích thước giới hạn Nếu hai thiết bị hoạt động với tốc độ khác nhau, thì thường phải điều khiển tốc độ số liệu ở thiết bị đầu ra có tốc độ cao hơn để ngăn chặn trường hợp tắc nghẽn trên mạng Điều khiển luồng thông tin giữa hai thiết bị truyền thường được gọi vắn tắt là điều khiển luồng (Flow Control)

3.1.5 Các giao thức liên kết dữ liệu

Kiểm soát lỗi và điều khiển luồng là hai yếu tố quan trọng trong giao thức điều khiển truyền số liệu Giao thức này bao gồm các tiêu chuẩn và quy định mà cả hai bên tham gia phải tuân thủ, nhằm đảm bảo thông tin được trao đổi và kết nối dữ liệu một cách chính xác và hiệu quả.

28 nhận và được biên dịch một cách chính xác Giao thức liên kết số liệu cũng định nghĩa những chi tiết sau:

- Khuôn dạng của mẫu số liệu đang trao đổi, nghĩa là số bit trên một phần tử thông tin và dạng lược đồ mã hóa đang được dùng

- Dạng và thứ tự các thông điệp được trao đổi để đạt được độ tin cậy giữa hai đối tác truyền

Trong hệ thống thông tin số liệu, việc truyền tải văn bản, giá trị số, hình ảnh và âm thanh từ nơi này đến nơi khác yêu cầu chuyển đổi thông tin sang dạng nhị phân, vì máy tính chỉ nhận biết các bit 1 và 0 Để con người hiểu được thông tin nhị phân, cần có các bộ mã, là tập hợp các tổ hợp bit nhị phân mang ý nghĩa của ký tự theo quy định Số lượng bit trong một tổ hợp xác định quy mô của bộ mã, với n bit có thể mã hóa 2^n ký tự Các bộ mã thông dụng như ASCII và BCD được sử dụng để xuất nhập dữ liệu, nhưng khi dữ liệu được nhập vào máy tính, nó được chuyển đổi và lưu giữ dưới dạng số nhị phân với số bit cố định, thường là 8, 16 hoặc 32 bit Một mẫu nhị phân 8 bit gọi là một byte, và trong quá trình truyền dữ liệu giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE), thường sử dụng nhiều phần tử 8 bit Trong một số trường hợp, 8 bit có thể đại diện cho một ký tự in được, trong khi ở trường hợp khác, nó có thể là thành phần của một giá trị lớn hơn, và chúng ta sẽ xem xét phần tử này như là byte cho mục đích truyền tin.

3.1.7 Các đơn vị dữ liệu (Data Unit)

Theo đơn vị đo lường dung lượng thông tin thì đơn vị cơ bản là byte, một byte là một tổ hợp

1KB = 2 10 byte = 1024 byte 1MB = 2 10 KB = 1024 KB 1GB = 2 10 MB = 1024 MB 1TB = 2 10 GB = 1024 GB 1EB = 2 10 TB = 1024 TB

Trong kỹ thuật truyền số liệu, dữ liệu thường được xem như một ký tự hoặc một khối gồm nhiều ký tự Quá trình nhóm các ký tự thành một khối được gọi là đóng gói dữ liệu, và khối dữ liệu này được coi là đơn vị truyền trong các giao thức Một khối dữ liệu như vậy được gọi là gói (packet) hoặc khung truyền (Frame).

Giao thức truyền là tập hợp các quy định kỹ thuật liên quan đến việc truyền số liệu, bao gồm các bước cần thiết và quy trình thực hiện từ thiết bị đầu đến thiết bị cuối Sự lựa chọn giải pháp kỹ thuật và thiết kế quy trình làm việc sẽ dẫn đến sự hình thành của các giao thức khác nhau Mỗi giao thức được sử dụng phù hợp với thiết kế riêng của nó.

3.1.9 Hoạt động kết nối Điểm nối điểm (Point-to-Point): là dạng kết nối trao đổi thông tin trong đó một đầu cuối số liệu chỉ làm việc với một đầu cuối khác tại một thời điểm Đa điểm (Multipoint): là dạng kết nối trao đổi thông tin trong đó một đầu cuối số liệu có thể thông tin với nhiều đầu cuối khác một cách đồng thời

3.1.10 Đường nối và liên kết Đường nối là đường kết nối thực tế xuyên qua môi trường truyền, vì vậy nó là đối tượng truyền dẫn mạng tính vật lý Liên kết là kết nối giữa các đầu cuối dựa trên các đường nối và tồn tại trong một khoảng thời gian nhất định, mỗi đường nối có thể chứa nhiều liên kết, ngoài ra một liên kết có thể được kết hợp từ nhiều liên kết hay một liên kết có thể phân thành nhiều liên kết Do đó liên kết là đối tượng truyền dẫn phụ thuộc mang tính lôgic

THÔNG TIN NỐI TIẾP BẤT ĐỒNG BỘ

Dữ liệu được truyền giữa hai DTE dưới dạng chuỗi bit liên tiếp, mỗi phần tử gồm 8 bit, được gọi là byte hoặc ký tự, với chế độ truyền có thể là đồng bộ hoặc bất đồng bộ Trong các DTE, các phần tử này được lưu trữ, xử lý và truyền theo hình thức song song Để thực hiện điều này, DTE được trang bị các mạch điều khiển để giao tiếp giữa thiết bị và liên kết dữ liệu nối tiếp, đảm nhận các chức năng quan trọng trong quá trình truyền dữ liệu.

- Chuyển từ song song sang nối tiếp cho mỗi ký tự hay byte để chuẩn bị truyền chúng ra liên kết

- Chuyển từ nối tiếp sang song song cho mỗi ký tự hay byte để chuẩn bị lưu trữ và xử lý bên trong thiết bị DTE

- Tại máy thu phải đạt được sự đồng bộ bit, byte, và frame

- Thực hiện cơ cấu phát sinh các ký số kiểm tra thích hợp để phát hiện lỗi và khả năng phát hiện lỗi ở máy thu phải khả thi

Việc chuyển đổi giữa chế độ song song và nối tiếp được thực hiện thông qua thanh ghi PISO (Parallel Input Serial Out) cho quá trình chuyển từ song song sang nối tiếp, trong khi thanh ghi SIPO (Serial Input Parallel Output) đảm nhiệm việc chuyển đổi ngược lại từ nối tiếp sang song song.

3.2.2 Nguyên tắc đồng bộ bit

Trong truyền bất đồng bộ, đồng hồ của thiết bị thu không đồng bộ với tín hiệu thu Để xử lý tín hiệu hiệu quả, cần lập kế hoạch sử dụng đồng hồ thu để lấy mẫu tín hiệu tại điểm giữa thời gian của bit dữ liệu Việc này giúp đảm bảo rằng tín hiệu đồng hồ thu hoạt động chính xác trong quá trình truyền.

30 phải nhanh gấp N lần đồng hồ phát vì mỗi bit được dịch vào thanh ghi SIPO sau N chu kỳ xung đồng hồ

Sự chuyển trạng thái từ 1 xuống 0 đánh dấu bit start, cho biết điểm bắt đầu của một ký tự và khởi động bộ đếm xung clock ở máy thu Mỗi bit, bao gồm bit start, được lấy mẫu giữa thời bit ngay sau khi phát hiện, với bit start được lấy mẫu sau N/2 chu kỳ xung clock Do đồng hồ thu chạy bất đồng bộ với tín hiệu đến, vị trí tương đối giữa tín hiệu start và bit ký tự có thể ở bất kỳ vị trí nào trong chu kỳ xung đồng hồ thu Nếu lấy mẫu không chính xác, có thể dẫn đến nhầm lẫn giữa bit stop và bit start hoặc giữa bit ký tự và bit start Do đó, việc xác định chính xác ranh giới giữa các bit là rất quan trọng để đảm bảo dữ liệu truyền đi giữa bên phát và bên nhận là đồng nhất.

3.2.3 Nguyên tắc đồng bộ ký tự

Mạch điều khiển truyền nhận được lập trình để xử lý các ký tự với số bit bằng nhau, bao gồm bit start, bit stop và bit kiểm tra Khi phát hiện start bit, việc đồng bộ hóa ký tự tại đầu thu trở nên đơn giản bằng cách đếm đúng số bit đã được lập trình Ký tự nhận được sẽ được lưu vào thanh ghi đệm thu nội bộ, đồng thời phát tín hiệu cho CPU rằng một ký tự mới đã được nhận, và mạch sẽ chờ để phát hiện start bit tiếp theo.

3.2.4 Nguyên tắc đồng bộ Frame

Khi truyền thông điệp dưới dạng khối ký tự, chúng được xem như một Frame thông tin, yêu cầu máy thu xác định điểm đầu và điểm kết thúc, gọi là đồng bộ Frame Để truyền khối ký tự có thể in được, phương pháp đơn giản nhất là sử dụng hai ký tự điều khiển STX và ETX để đánh dấu khởi đầu và kết thúc Tuy nhiên, nếu dữ liệu chứa bit giống STX hoặc ETX, sẽ xảy ra vấn đề Để giải quyết, khi truyền STX hoặc ETX, cần kèm theo ký tự DLE (Data Link Escape) Đồng thời, để tránh nhầm lẫn giữa ký tự DLE kèm theo và byte giống DLE trong nội dung, bất kỳ byte nào giống DLE trong nội dung sẽ được gấp đôi khi truyền.

XỬ LÝ SỐ LIỆU TRUYỀN

MÃ HÓA SỐ LIỆU MỨC VẬT LÝ

Dữ liệu từ máy tính và các thiết bị đầu cuối thường ở dạng nhị phân đơn cực, với các bit 0 và 1 được biểu diễn bằng mức điện áp âm hoặc dương Tốc độ truyền dẫn được tính bằng số bit truyền trong một giây và khi truyền đi, dữ liệu sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu thông qua các kỹ thuật mã hóa khác nhau Các tín hiệu này được đặc trưng bởi sự thay đổi mức điện hoặc tốc độ truyền, được xác định bởi tốc độ thay đổi, hay còn gọi là tốc độ điều chế, được đo bằng đơn vị Baud.

Mã hóa đơn cực (unipolar) là hình thức đơn giản và nguyên thủy nhất trong truyền số liệu, mặc dù có thể đã lạc hậu Tính chất đơn giản của nó là cơ sở cho việc phát triển các hệ thống phức tạp hơn và giúp nhận diện nhiều vấn đề cần giải quyết trong quá trình truyền dữ liệu Hệ thống này hoạt động bằng cách gửi các tín hiệu điện áp qua môi trường kết nối như dây dẫn hoặc cáp, trong đó một mức điện áp biểu thị giá trị nhị phân 0 và mức còn lại cho giá trị 1 Cực tính của xung phụ thuộc vào điện áp dương hay âm, và mã hóa đơn cực thường sử dụng một dạng cực tính để biểu diễn giá trị nhị phân 1, trong khi giá trị điện áp không được sử dụng cho bit 0.

4.1.2 Mã hóa NRZ (Non Return to Zero Level):

Mã hóa NRZ là một kỹ thuật mã hóa kênh hiệu quả, chuyển đổi các giá trị logic bit thành xung điện để truyền qua đường truyền hữu tuyến Trong phương pháp này, trong khoảng thời gian của một bit tín hiệu, mức điện không trở về 0, điều này thường được áp dụng trong lưu trữ dữ liệu bằng vật liệu từ tinh Tuy nhiên, mã hóa NRZ ít được sử dụng trong truyền số liệu.

4.1.3 Nonreturn - to - Zero - Level (NRZ – L)

Mức thấp là dạng mã đơn giản nhất, với hai trị điện thế cùng dấu (đơn cực) để biểu diễn hai trạng thái logic Loại mã này thường được sử dụng trong việc ghi dữ liệu lên băng từ và đĩa từ.

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ SỐ LIỆU TRUYỀN

4.1.3 Nonreturn - to - Zero Inverted (NRZ – I)

0 = chuyển mức điện thế ở đầu bit

1 = không chuyển mức điện thế ở đầu bit

NRZI là một dạng mã vi phân, trong đó việc mã hóa phụ thuộc vào sự thay đổi trạng thái của các bit liên tiếp, không dựa vào giá trị của từng bit Ưu điểm của mã này là máy thu chỉ cần theo dõi sự thay đổi trạng thái tín hiệu để phục hồi dữ liệu, thay vì phải so sánh với một trị ngưỡng để xác định trạng thái logic Điều này mang lại độ tin cậy cao hơn cho các loại mã vi phân.

Các mức nhị phân của dữ liệu được thể hiện qua các mức điện áp tương ứng trong nửa chu kỳ bit, và sau đó sẽ trở về 0 trong nửa chu kỳ tiếp theo.

0 = Chuyển từ cao xuống thấp ở giữa bit

1 = Chuyển từ thấp lên cao ở giữa bit

4.1.6 Mã Manchester vi sai (Differential Manchester)

Luôn có chuyển mức ở giữa bit

1 = không chuyển mức ở đầu bit

Là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 8 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 8 bit có cả bit 0 và 1 với 2 mã vi phạm luật đảo bit 1

Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung dương, các bit 0 này được thay thế bởi 000 + - 0 - + Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung âm, các bit 0 này được thay thế bởi 000 - + 0 + -

Nhận xét bảng mã thay thế ta thấy có sự vi phạm luật đảo bit ở 2 vị trí thư 4 và thứ 7 của chuỗi 8 bit

Là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 4 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 4 bit có cả bit 0 và 1 với 1 mã vi phạm luật đảo bit 1

Sự thay thế chuỗi 4 bít của mã HDB3 còn theo qui tắc sau: Cực tính của xung trước đó

Số bít 1 từ lần thay thế cuối cùng

PHÁT HIỆN LỖI VÀ SỬA SAI

Khi dữ liệu được truyền giữa hai DTE, tín hiệu điện đại diện cho luồng bit có thể bị thay đổi do nhiều nguyên nhân, bao gồm đường dây truyền, lưu lượng truyền, loại mã sử dụng, điều chế, và thiết bị phát, thu Đặc biệt, sự can thiệp điện từ từ các thiết bị điện gần đó có thể ảnh hưởng đến đường dây, đặc biệt trong môi trường có nhiều nhiễu như mạng điện thoại công cộng Điều này dẫn đến việc tín hiệu đại diện cho bit có thể bị sai lệch.

Để đảm bảo thông tin thu được từ đầu thu DTE có độ chính xác cao, cần có biện pháp nhận diện lỗi trong quá trình truyền tải Nếu phát hiện lỗi, hệ thống cần có cơ chế phù hợp để khôi phục bản sao chính xác của thông tin Hai phương pháp phổ biến để chống sai sót trong truyền dữ liệu là sử dụng mã kiểm tra và cơ chế xác nhận.

Dùng bộ giải mã có khả năng tự sửa sai

Truyền lại một bộ phận của dữ liệu để thực hiện việc sửa sai, cách này gọi là ARQ(Automatic Repeat Request)

4.2.2 Phương pháp kiểm tra chẵn lẻ theo ký tự (Parity Bit)

Phương pháp phổ biến nhất để phát hiện lỗi bit trong truyền thông không đồng bộ và đồng bộ hướng ký tự là sử dụng bit parity Trong phương pháp này, máy phát sẽ thêm vào mỗi ký tự một bit kiểm tra parity đã được tính toán trước Khi máy thu nhận thông tin, nó sẽ thực hiện các phép toán trên các ký tự nhận được và so sánh với bit parity Nếu hai giá trị này trùng khớp, có thể giả định rằng không có lỗi, mặc dù phương pháp này có thể không phát hiện được tất cả các lỗi Ngược lại, nếu chúng khác nhau, chắc chắn có một lỗi xảy ra Để tính toán bit parity cho một ký tự, số lượng bit trong mã ký tự được cộng modulo 2, và bit parity được chọn sao cho tổng số bit 1, bao gồm cả bit parity, là chẵn (even parity) hoặc lẻ (odd parity).

Trong bộ mã ASCII mỗi ký tự có 7 bit và một bit kiểm tra

Kiểm tra chẵn giá trị của bit kiểm tra là 1 khi số lượng các bit có giá trị 1 trong 7 bit là lẻ, và ngược lại, giá trị của bit kiểm tra sẽ là 0 nếu số lượng bit 1 là chẵn.

Kiểm tra lẻ hoạt động theo cách ngược lại so với kiểm tra chẵn, thường sử dụng kiểm tra chẵn và bit kiểm tra được gọi là P Giá trị kiểm tra này giúp đầu thu phát hiện những lỗi đơn giản một cách hiệu quả.

Ví dụ: Kí tự Mã ASCII Từ mã phát đi Bit kiểm tra P

Phương pháp parity bit chỉ có khả năng phát hiện các lỗi đơn bit, tức là khi số lượng bit lỗi là số lẻ Tuy nhiên, phương pháp này không thể phát hiện các lỗi xảy ra với 2 bit, hay nói cách khác, khi số bit lỗi là một số chẵn.

4.2.3 Phương pháp kiểm tra tổng khối

Khi truyền một khối thông tin, mỗi ký tự sẽ được kiểm tra tính chẵn lẻ theo chiều ngang, trong khi toàn bộ khối thông tin cũng được kiểm tra tính chẵn lẻ theo chiều dọc.

Sau một số byte nhất định, một byte kiểm tra chẵn lẻ sẽ được gửi đi, được tạo ra từ việc kiểm tra tính chẵn lẻ của các ký tự theo cột Bằng cách sử dụng các bit kiểm tra ngang và dọc, chúng ta có thể xác định tọa độ của bit sai và tiến hành sửa chữa bit đó.

Mặc dù các lỗi 2 bit trong một ký tự có thể không được phát hiện bởi kiểm tra parity theo hàng, nhưng chúng sẽ được phát hiện bởi kiểm tra parity theo cột nếu không có lỗi 2 bit xảy ra trong cùng một cột tại cùng thời điểm Xác suất xảy ra lỗi 2 bit trong một ký tự cao hơn so với việc xảy ra lỗi 2 bit trong cùng một cột, do đó việc sử dụng kiểm tra theo ma trận sẽ cải thiện đáng kể khả năng phát hiện lỗi so với kiểm tra chẵn lẻ.

Vị trí bit truyền Dãy bit truyền đi Kiểm p theo hang

Sau khi nhận được dãy truyền, việc phân tích sự thay đổi của các bit p theo chiều dọc và ngang sẽ giúp xác định vị trí lỗi tương ứng.

Mặc dù phương pháp này có những ưu điểm, nhưng vẫn không hoàn toàn hiệu quả Chẳng hạn, nếu bit thứ nhất và bit thứ ba của ký tự đầu tiên bị sai, kiểm tra hàng sẽ không phát hiện lỗi, tuy nhiên kiểm tra chẵn lẻ của cột sẽ nhận ra sự sai lệch, nhưng lại không xác định được vị trí lỗi.

Giả sử rằng bit thứ nhất và bit thứ ba của ký tự thứ ba cũng bị sai, cùng với bit thứ nhất và bit thứ ba của ký tự thứ nhất, thì việc kiểm tra tính chẵn lẻ của cột và hàng sẽ không phát hiện được lỗi.

4.2.4 Phương pháp mã dư thừa - mã vòng (CRC)

Một từ mã được viết dưới dạng một đa thức

Phương pháp kiểm tra tín hiệu bằng mã vòng (CRC) bao gồm việc thêm n bit vào tín hiệu k bit để tạo thành Frame Check Sequence (FCS) Tín hiệu phát đi có tổng cộng k+n bit Khi bên thu nhận tín hiệu, họ chia tín hiệu này cho một đa thức sinh đã được thống nhất giữa bên phát và bên thu Nếu kết quả chia không dư, tín hiệu được coi là chính xác Để xác định n bit, cần biết khung tin cần truyền và đa thức sinh đã chọn Quy trình tạo ra CRC bao gồm việc dịch thông báo sang trái c bit (c là bậc của đa thức) và thực hiện phép chia cho đa thức đó Kết quả dư từ phép chia chính là CRC, và bên thu cũng thực hiện phép chia tương tự Nếu kết quả là 0, truyền thông không có sai số.

Tính xâu phải truyền đi FCS theo 4 bước:

Bước đầu tiên trong quá trình xử lý thông báo nhị phân là chuyển đổi nó thành đa thức M(x) Sau đó, chúng ta cần chọn một đa thức sinh G(x) có dạng X^c + 1, trong đó c là bậc cao nhất và cũng là độ dài của xâu kiểm tra CRC.

Bước 3: Thực hiện M(x)*X c /G(x) được kết quả là thương Q(x) và số dư R(x) R(x) chính là xâu kiểm tra CRC

Bước 4: Thành lập xâu truyền đi là: M(x)*X c +R(x)

Ví dụ: xâu cần truyền là: 110101 hãy sử dụng phương pháp mã CRC để kiểm tra lỗi khi truyền

Bước 1: Dãy nhị phân 110101 có thể được dạng đa thức là M(x) = X 5 + X 4 + X 2 +1

Bước 2: Chọn đa thức sinh có số mũ là 3: G(x) = X 3 + 1

 Xâu kiểm tra CRC là: X +1 = 011 (dài 3 ký tự)

Bước 4: Xâu phải truyền có mã CRC là: M(x)*X c + CRC = 110101011

Thu và kiểm tra CRC Để kiểm tra sai số khi truyền bên thu đem khối thông tin thu được chia cho G(x) theo modul

2, nếu số dư nhận được là 0 thì truyền đúng, ngược lại dữ liệu đã bị truyền sai

Ví dụ: Thông tin truyền đi là: 110101011

Thông tin nhận được là: 110101011

Có nghĩa thông tin truyền đúng tức là R(x) = 0

Kiểm tra CRC như sau:

Chuyển thông tin nhận được thành đa thức: x8 +x7 +x5 + x3 + x1 + 1 Đa thức sinh của hai bên phát và thu là: G(x) = x3 + 1

Chia đa thức nhận được cho G(x), kết quả R(x) = 0, vậy không có truyền sai

4.2.5 Phát hiện và sửa sai theo mã Hamming

Mã Hamming, được đặt theo tên của nhà phát minh Richard Hamming, là một loại mã sửa lỗi tuyến tính có khả năng phát hiện và sửa chữa lỗi cho một số bit nhất định.

NÉN SỐ LIỆU

Nội dung thông tin được truyền đi bao gồm dữ liệu gốc dưới dạng chuỗi ký tự có chiều dài cố định Việc nén dữ liệu trước khi truyền là rất quan trọng, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải và tiết kiệm băng thông.

Dịch vụ truyền dẫn công cộng, chẳng hạn như truyền qua mạng PSTN, tính cước dựa trên thời gian và khoảng cách truyền tải.

Chúng ta có thể sử dụng nhiều giải thuật nén khác nhau, mỗi giải thuật được thiết kế phù hợp với từng loại dữ liệu cụ thể Một số modem thông minh có khả năng tự động điều chỉnh các giải thuật nén, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu dựa trên đặc điểm của dữ liệu đang được truyền.

4.3.2 Nén nhờ đơn giản mã cho các chữ số (Packed Decimal)

Khi chỉ truyền dữ liệu số, việc sử dụng mã BCD thay cho mã ASCII giúp tiết kiệm đáng kể băng thông bằng cách giảm số bit trên mỗi ký tự từ 7 xuống 4 Điều này là do các số từ 0 đến 9 đều có 3 bit cao là 011, được dùng để phân biệt ký tự số và không phải số, nhưng trong trường hợp chỉ có dữ liệu số, 3 bit này trở nên dư thừa.

4.3.3 Nén theo mã hóa quan hệ

Một phương pháp hiệu quả trong việc truyền dữ liệu số học có sự khác biệt nhỏ về giá trị là mã hóa quan hệ, trong đó chỉ gửi lượng chênh lệch giữa các giá trị cùng với một giá trị tham khảo Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng ghi nhận dữ liệu.

Giám sát từ xa mức nước của dòng sông thường được thực hiện theo các khoảng thời gian định trước Để tiết kiệm thời gian truyền tải, thay vì gửi giá trị mức nước tuyệt đối, chúng ta chỉ cần truyền các giá trị khác biệt.

4.3.4 Nén bằng cách bỏ bớt các ký tự giống nhau (mã hoá độ dài loạt Run-Length Encoding)

Dữ liệu truyền thường chứa các chuỗi ký tự lặp lại Thiết bị điều khiển tại máy phát sẽ quét nội dung dữ liệu trước khi truyền, và nếu phát hiện chuỗi ký tự liên tiếp giống nhau, chúng sẽ được thay thế bằng một cặp số và ký tự.

Ví dụ, xét chuỗi sau: AAAABBBAABBBBBCCCCCCCCDABCBAAABBBBCCCD

Chuỗi này bao gồm bốn chữ A, tiếp theo là ba chữ B, sau đó là hai chữ A và cuối cùng là năm chữ B Để mã hóa chuỗi này, có thể áp dụng phương pháp mã hóa độ dài loạt Kết quả mã hóa của chuỗi ký tự trên sẽ được thể hiện như sau:

Mã hóa độ dài chuỗi chạy trong dữ liệu nhị phân là một phương pháp hiệu quả để tiết kiệm không gian lưu trữ Chẳng hạn, chuỗi nhị phân 1010 có thể được biểu diễn bằng 4 ký tự, nhưng với phương pháp tinh chỉnh, nó chỉ cần 1010 để lưu trữ, giúp tiết kiệm 4 ký tự Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các chuỗi chạy có độ dài 1 hoặc 2 không nên được mã hóa vì không đủ ký tự để biểu diễn Phương pháp này chỉ hiệu quả khi độ dài chuỗi chạy lớn hơn số bit cần thiết để biểu diễn chính nó Ngoài ra, việc mã hóa độ dài chuỗi cần các biểu diễn riêng biệt cho tập tin gốc và phiên bản đã mã hóa, điều này có nghĩa là nó không thể áp dụng cho mọi loại tập tin, như các chuỗi ký tự chứa số.

Mã hóa ký tự trong một bảng chữ cái cố định yêu cầu sử dụng chỉ các ký tự có sẵn trong bảng chữ cái đó.

Giả sử chúng ta chỉ có 26 chữ cái trong bảng chữ cái, bao gồm cả khoảng trống, để biểu diễn các số và ký tự khác trong chuỗi mã hóa Để thực hiện điều này, cần chọn một ký tự gọi là ký tự "Escape" Mỗi lần ký tự này xuất hiện, nó báo hiệu rằng hai chữ cái tiếp theo sẽ tạo thành một cặp (số đếm, ký tự), trong đó số đếm được biểu diễn bằng ký tự thứ i trong bảng chữ cái Ví dụ, chuỗi của chúng ta sẽ được mã hóa với ký tự Q được coi là ký tự "Escape".

(QDA có nghĩa là 4 chữ A…, QHC có nghĩa là 8 chữ C… )

Dãy Escape được định nghĩa là sự kết hợp của kí tự "Escape", một số đếm và một kí tự lặp lại Cần lưu ý rằng việc mã hóa các đường chạy có chiều dài dưới bốn kí tự là không cần thiết, vì tối thiểu ba kí tự là cần thiết để mã hóa bất kỳ một loạt chạy nào.

Khi ký tự "Escape" xuất hiện trong chuỗi cần mã hóa, chúng ta phải sử dụng một chuỗi "Escape" với số đếm là 0 (ký tự space) để biểu diễn ký tự này Ví dụ, với chuỗi QEQCA (gồm 5 chữ Q, 1 chữ C và 1 chữ A), để biểu diễn 5 chữ Q, 1 chữ C và 1 chữ A, ta phải viết là Q0QQ0QQ0QQ0QQ0QCA Điều này có thể khiến tập tin nén trở nên lớn hơn so với kích thước ban đầu nếu ký tự "Escape" xuất hiện nhiều lần.

Các loạt chạy dài có thể được cắt ra để mã hoá bằng nhiều dãy Escape, ví dụ, một loạt chạy gồm 51 chữ A sẽ được mã hoá như QZAQYA (z = 26, y = 25)

Phương pháp mã hóa độ dài loạt thường được sử dụng cho các tệp đồ họa bitmap, nơi có nhiều mảng màu giống nhau Kỹ thuật này giúp nén dữ liệu hiệu quả bằng cách biểu diễn các chuỗi bit dài Nó thường được áp dụng trong các định dạng tệp như PCX và RLE.

4.3.5 Phương pháp mã hoá Huffman (dạng mã hóa thống kê)

Mã tiền tố (Prefix-Free Binary Code)

Chúng ta mã hóa các ký hiệu bằng xâu nhị phân có độ dài không đổi, được gọi là từ mã, như trong bộ mã ASCII với 256 ký hiệu, mỗi từ mã gồm 8 bít Tuy nhiên, không phải tất cả ký hiệu đều được sử dụng trong một tài liệu, và tần suất xuất hiện của các ký tự là khác nhau Do đó, việc mã hóa có thể không cần sử dụng hết 8 bít cho mỗi ký hiệu; ký hiệu xuất hiện nhiều lần nên dùng ít bít, trong khi ký hiệu ít xuất hiện cần nhiều bít hơn Vấn đề phát sinh khi giải mã, vì cần phân biệt xâu bít nào tương ứng với ký hiệu nào Một giải pháp là sử dụng dấu phẩy hoặc ký hiệu quy ước để tách biệt các từ mã, nhưng điều này có thể chiếm không gian đáng kể Giải pháp khác là khái niệm mã tiền tố, trong đó từ mã của mỗi ký hiệu không được là tiền tố của từ mã của ký hiệu khác trong bộ mã.

Ví dụ: Giả sử mã hóa từ "ARRAY", ký hiệu cần mã hóa là 3 chữ cái: "A", "R", "Y"

NGHI THỨC CƠ SỞ VÀ NGHI THỨC ĐIỀU KHIỂN LIÊN KẾT SỐ LIỆU

Tiêu đề	Giáo Trình Truyền Số Liệu
Tác giả	Lại Nguyễn Duy, Huỳnh Thanh Hòa, Vũ Phương Thảo
Trường học	Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng
Chuyên ngành	Công Nghệ Thông Tin
Thể loại	Giáo Trình
Năm xuất bản	2019
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	85
Dung lượng	2,41 MB