Các vần đề cơ bản về viễn thông

Các vần đề cơ bản về viễn thông

I. Định lý dung lượng Shannon:

Các mã sửa lỗi có thể giúp giảm bớt một số lỗi , nhưng không thể phát hiện ra tất cả lỗi đã
được phát hiện bởi kênh trong hệ thống truyền kĩ thuật số. Lý thuyết của Shannon xác định
rằng việc truyền không lỗi là có thể xảy ra miễn là thiết bị truyền không vượt quá dung
lượng của kênh truyền. N bits tạo thành một khối các bit thông tin trong đó sẽ có k bit sửa
lỗi được bõ sẵn trong đó. Lúc đó, xác xuất xảy ra lỗi có thể tiến đến 0 khi N lớn xảy ra nếu
các điều kiện sau xảy ra:
Tỉ số: N/(N+K)=R, và tỉ số R được giữ là hằng số.
R nhỏ hơn dung lượng C của kênh truyền.
C= 1 + plog2p + (1 - p)log2(1 - p).
Do đó, nếu một mã sao có tỉ số là 1/3, và nếu bạn sử dụng nhiếu bit dữ liệu hơn và lập lại
chúng 2 lần, thì bạn có thể truyền chúng trên một kênh truyền không có lỗi, nếu xác suất
lỗi nhỏ hơn 2(1-R). Dung lượng thiết lập một giới hạn trên khả năng truyền thông tin kỹ
thật số qua một kênh truyền. Định lý đảo của thuyết dung lượng là nếu R>C, thì xác xuất
của 1 từ có lỗi sẽ tiến tới 1 khi N đủ lớn. Thuyết dung lượng cũng có thể được phát biểu ở
dạng tốc độ truyền, bằng cách chia tỉ lệ mã (và dung lượng) cho độ dài của khoảng bit.
Shannon chỉ ra rằng dung lượng của một kênh truyền có nhiễu được cho bởi công thức
sau:
C=BWlog2(1+S/N)
C-Dung lượng của kênh truyền(Kbps)
BW-băng thông
S-biên độ của tín hiệu ở thiết bị phát
N-biên độ của nhiễu nhận ở đích
Do đó, kênh điện thoại với băng thông BW=3 kHz và S/N=1000có dung lượng khoảng
30000 bps. Băng thông của một cặp dây xoắn là 4 kHz, gồm phổ tần số cho thoại. Giả sử 1
tỉ số signal-to-noise(SNR) của P0/Pn là 1000,(30dB), dung lượng của kênh truyền theo
Shannon sẽ là:
C = 4000 × Log 2 (1 + 1000) = 40 kbps

II. Kỹ thuật điều chế và line-code:

Điều chế và giải điều chế là các quá trình chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu digital
và ngược lại. Sự chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang dạng digital dựa trên các bộ
chuyển đổi analog-to-digital (ADC), digital-to-analog(DAC), coder-decoders(codecs), và
DSU/CSUs. Các hệ thống analog vẫn có thể mang âm thanh, dữ liệu, và hình ảnh, nhưng
chủ yếu chỉ cón được thiết kế cho việc truyền thông thoại(voice). Kỹ thuật phổ biến cho
việc số hoá voice là pulse code modulation(PCM). Trong PCM thì có ít nhất 8000 mẫu
voice để có thể phân biệt âm thanh con người. Yêu cầu trên dựa trên 2 định lý sau:
Một là, định lý của Nyquyst, đưa ra luật sau:
C=2.BW
C-dung lượng kênh truyền(bps)
BW-băng thông của kênh truyền không nhiễu(bps)
Hai là, định lý lấy mẫu của Nyquyst:
fs>=2fa
fa-tần số lấy mẫu
fs-tần số cao nhất của tín hiệu analog
Định lý lấy mẫu của Nyquyst chỉ ra rằng các mẫu digital phải xấp xỉ gấp 2 lần tần số cao
nhất để xây dựng lại tín hiệu analog. Kết quả là, định lý lấy mẫu yêu cầu, cho fa=4KHz,
fs>=2.4000=8000Hz. Để chuyển analog sang digital, một mã nhị phân cần phải được gán
cho mỗi mẫu analog. Một mã 8bit cung cấp 256 mức, và cho phép chất lượng của tín hiệu
được phục hồi tương đương với tín hiệu analog. 8000 mẫu/giây nhân với 8bit/mẫu tạo
thành 64kbps cho một kênh truyền thoại. Ta cũng có thể sử dụng mã 7bit/mẫu, và kênh
truyền thoại sinh ra là 8000mẫu/giây nhân với 7bit/mẫu tạo thành 56kbps. Việc tái sinh tín
hiệu cơ bản phụ thuộc việc sử ụng repeater vì sự suy giảm tín hiệu.

III. Điều chế biên độ, tần số và pha:
Việc điều chế và giải điều chế luôn liên hệ với 3 đặc tính của tín hiệu: biên độ, tần số và
pha, hay sự kết hợp của tất cả hay 1 vài thành phần đó. Điều chế bất kỳ đặc tính nào đều

tạo ra một trạng thái có thể nhận ra của tín hiệu, dịch những trạng thái này như 0 hay 1, và
số hoá chúng. Trong điều chế biên độ(ASK-amplitude shift keying) , 1 và 0 đại diện cho 2
biên độ khác nhau, trong một số trường hợp thì thay vì sử dụng 2 biên độ thì ta sử dụng: 1
biên độ và 1 không có tín hiệu. ASK có thể được sử dụng để mã hoá 1 hay nhiều bit.
Trong trường hợp 2 biên độ có thể nhận ra được sinh ra, thì kỹ thuật có thể mã hoá và giải
mã 2 bit với 4 trạng thái: 00,01,10,11.
Tuy nhiên, kỹ thuật này không đủ vì biên độ thay đổi có thể sinh ra lỗi. Trong cáp quang,
khi độ sụt giảm tín hiệu ít, thì 1 được xem như ánh sáng biên độ cao, và 0 là ánh sáng biên
độ thấp hay không có ánh sáng.


Frequency-shift keying(FSK) sử dụng ít nhất 2 tần số khác nhau để đại diện cho 1 và 0, kỹ
thuật này ít lỗi hơn ASK, và thường được sử dụng cho truyền dữ liệu ở tốc độ thấp.
Phase-shift keying(PSK), 1 và 0 được mã hoá sử dụng 2 pha tín hiệu khác nhau. Việc lên
xuống tín hiệu của 2 pha giống nhau đại diện cho 0 và Việc lên xuống tín hiệu của 2 pha
nghịch đảo nhau đại diện cho 1. Kỹ thuật này chịu được lỗi hơn ASK và FSK, nhưng vẫn
chỉ được sử dụng cho truyền dữ liệu ở tốc độ thấp.
IV. Quadrature Amplitude Modulation
QAM là một kỹ thuật line-code được sử dụng trong các modem từ hơn 20 năm nay. Kỹ
thuật này cũng được gọi là 16QAM hay 4/4QAM. QAM có ích lợi là nếu 2 tín hiệu được
dịch chuyển lệch khỏi nhau những góc 90 độ, thì chúng có thể cùng gửi qua cùng một tần
số. Hai tín hiệu được điều chế theo ASK, nhưng ở bên nhận chúng được dịch chuyển lại và
mã nhị phân ban đầu được phục hồi. Tín hiệu được chia cho 2 và tín hiệu thu được S(t) có
thể được biểu diễn như sau:
S(t)=d1(t)cos(wct) + d2sin(wct)
Một cách đơn giản, QAM điều chế các biên độ của 2 sóng, và thay vì sử dụng +-1, QAM
sử dụng 4 biên độ khác nhau cho mỗi sóng. Kết quả là thu được 4 thay vì chỉ có 2 biên độ:
A1, A2,A3,A4. Sự kết hợp của các điều chế biên độ và S(t) cung cấp 16 kết hợp mỗi
Hertz, hay còn gọi là 4 baud.

V.Kỹ thuật mã hoá xDSL:
Sự nổi lên của kỹ thuật DSL tăng sự cần thiết cho các kỹ thuật điều chế hơn nữa. Không
giống với các kỹ thuật khác, DSL sử dụng một tập hợp các giao thức phù hợp với các loại
kỹ thuật DSL. ADSL đề cập đến một họ các loại mã hoá khi các kỹ thuật internet nổi lên
thường yêu cầu băng thông theo huớng của luồng xuống(downstream) cao hơn hướng của
luồng lên. Thực tế này cung cấp sự cần thiết để chia băng thông sẵn có một cách bất đối
xứng và để cung cấp các tốc độ truyền khác nhau cho mỗi hướng. Theo Cisco, các giải
pháp ADSL của Cisco hỗ trợ các trạng thái hoạt động của DSL như sau: ansi-dmt, auto
detect, itu-dmt, và trạng thái không tách (splitterless)(G.lite).
Discrete Multi-Tone
DMT sử dụng nhiều tín hiệu sóng mang ở các tần số khác nhau, gửi một số bit trên mỗi
kênh. Từ DMT xuất phát từ thực tế là mỗi kênh rời rạc ở một tần số khác nhau. Băng thông
truyền sẵn có được chia thành nhiều sóng mang ở dải tần cơ sở (baseband), đôi khi được
gọi là subchannel. Trong pha khởi tạo, bộ điều chế DMT gửi ra một tín hiệu kiểm tra trên
mỗi subchannel để tìm ra tỉ số signal-to-noise. Bộ điều chế sau đó sẽ gán nhiều bit hơn cho
các kênh có chất lượng truyền tín hiệu tốt hơn và ít bit hơn cho các kênh có chất lượng
truyền kém hơn. Sự điều chế DMT thực ra là một dạng frequency-division
multiplexing(FDM). Luồng dữ liệu đầu vào được tách thành 256 kênh có cùng băng thông,
nhưng một tần số trung tâm khác, được gọi là channel number. Cisco sử dụng những chuẩn
điều chế DMT trong các sản phẩm của nó-ITU-DMT(G.992.1 TU G.DMT), ITU-T
G.992.2(G-lite), ANSI-DMT(ANSI Standard T1.413) và các trạng thái ADSL tự động
nhận dạng.
DMT thường được chấp nhận là có sự tự điều chỉnh tốc độ tốt hơn (thay đổi tốc độ vì điều
kiện của đường truyền), các điều kiện lặp khác nhau( bridge taps, mixed gauge), xử lý
nhiễu tốt hơn và nếu sử dụng cho voice thì tốt hơn.

2. Carrierless Amplitude/Phase Modulation
Carrierless amplitude/phase modulation (CAP) (cũng được gọi là ATR-R) cung cấp ít
delay(khoảng 25% so sánh với DMT), và cung cấp sự đơn giản (vì nó dựa vào QAM).
CAP có thể được đề cập đến như là một sự cải tiến cho QAM vì không giống như QAM

CAP không gửi sóng mang ra liên kết vì song mang không mang theo thông tin. Nếu bạn
them sự xoay vòng ở bên nhận và chăn sóng mang khỏi bên nhận thì bạn có thể lấy CAP từ
QAM. Kỹ thuật dựa trên sự chuyển dịch pha, nhưng pha của sóng thay đổi dười một góc
xác định và được tính dựa trên pha hiện tại của sóng mang, chứ không phải từ một pha
tham khảo cố định. Vì nó không phải là sự chuyển dịch pha tuyệt đối, nên nó có sự phân
biệt. Trong trường hợp đơn giản nhất, với 2 pha, 1 là pha dịch(quay) 180 độ, và 0 là pha
dịch 0 độ hay ngược lại. Vì sự dịch pha theo một góc cầu phương(QPSK), nên tín hiệu
được gửi là một sự kết hợp của các sóng dạng hình sin và cos ở tần số sóng mang, và
chúng đã được dịch đi một góc 90 độ. QPSK là một kỹ thuật mã hoá. Tuy nhiên, không có
sự chuyển dịch pha vì 2 sóng đã được chuyển dịch rồi và CAP chỉ điều chế lại 2 biên độ
này.Gần đây, CAP được xem như là một tùy chọn của DMT.

VI Kỹ thuật Điều chế và line-code trong wireless LAN:
Sự nổi lên của các kỹ thuật WLAN yêu cầu các kỹ thuật điều chế,mã hoá ở phạm vi rộng
hơn. WLAN cho phép truy cập vào mạng mà không có giới hạn vật lý như trong những
mạng có dây. Trong WLAN, người dùng có thể di chuyển một cách tự do trong văn phòng
của họ hay truy cập vào tài nguyên của mạng từ bất kỳ đâu. WLAN sử dụng tần số sóng
radio (RF) thay vì kiến trúc cáp, bảo đảm sự di động, giảm chi phí cài đặt mạng trên mỗi
người dùng.
Sóng hồng ngoại:
Các kênh hồng ngoại thuộc tần số của sóng nhìn thấy được, thuộc vào cận dưới của phổ
nhìn thấy được. Đây là giải pháp hiệu quả nhất chó những nơi mà giữa bên nhận và bên thu
không bị che chắn. Kỹ thuật này có hai giải pháp sẵn có: tia khuếch tán và tia trực tiếp. Tia
trực tiếp thì có tốc độ truyền cao hơn tia khuyếch tán. IR có tốc độ truyền nhận khoảng 1-2
Mbps. Các tín hiệu quang IR thường được sử dụng trong những ứng dụng điều khiển thiết
bị từ xa.

Wireless lượng tử:
chỉ những thực thi của các mạng WLAN lượng tử sử dụng ánh sáng hồng ngoại có bước
sóng khoảng 850-950 Nm. Lớp vật lý hỗ trợ tốc độ truyền từ 1-2Mbps. Mặc dù các hệ

thống không dây lượng tử cho tốc độ cao hơn các hệ thống dực trên RF, nhưng chúng
cũng có một số giới hạn sau:
Ánh sáng hồng ngoại giới hạn các tác vụ trong đường nhìn, tuy nhiên việc sử dụng sự
truyền khuyếch tán có thể giảm được giới hạn này bằng cách cho phép các tia phản xạ trên
các bề mặt.
Cường độ đầu ra(2watts)là thấp giúp giảm khả năng làm hư mắt, tuy nhiên nó giới hạn
khoảng cách truyền trong khoảng 25 mét.
Các bộ cảm biến(đầu nhận) cần được đặt một cách chính xác nếu không tín hiệu sẽ không
nhận được.
Các WLAN dựa trên lượng tử khá là bảo mật và không bị ảnh huởng bởi nhiễu điện từ như
cáp và các hệ thống dựa trên RF.
3.Tia hồng ngoại khuyếch tán:
các tín hiệu hồng ngoại khuyếch tán được phát ra từ nguồn phát, và phủ một vùng giống
như ánh sáng. Việc thay đổi vị trí của đầu nhận không ảnh hưởng đến tín hiệu. Nhiều sản
phẩm thuộc loại này cho phép khả năng roaming, cho phép bạn kết nối nhiều access point
vào mạng, và kết nối các máy tính xách tay vào bất cứ access point nào hay di chuyển giữa
các AP này mà không làm mất kết nối mạng của bạn. Giải pháp này cung cấp tốc độ từ 1-
2Mbps.

VII. Các kỹ thuật băng hẹp tần số cao(UHF) và WLAN:
Thuật ngữ băng hẹp mô tả một kỹ thuật mà trong đó tín hiệu RF được gửi trong một băng
thông hẹp, thường là từ 12.5 kHz hay 25 kHz. Cường độ từ 1-2 watts cho các các hệ thíông
dữ liệu băng hẹp RF. Băng thông hẹp này kết hợp với cường độ lớn kết quả là khoảng cách
truyền lớn hơn . Các hệ thống UHF đã được phát triển từ những năm 80. Những hệ thống
này thường truyền ở dải tần số 430-470 MHz. Phần dười của dải tần số này(430-450 MHz)
thường được gọi là giải tần unprotected(unlicensed) và 450-470 MHz thì được gọi là giải
tần protected(licensed).
Trong giải tần unprotected, RF licenses không được ưu tiên cho những tần số đó và bất cứ
ai cũng có thể sử dụng các tần số trong dãi tần này. Trong giải tần protected, cho phép
khách hàng được bảo đảm rằng họ sẽ được quyền sử dụng hoàn toàn tần số nào đó trong

dải tần này.
Kỹ thuật radio tổng hợp:
thuật ngữ kỹ thuật radio tổng hợp đề cập đến các sản phẩm được điều khiển bằng tinh thể,
yêu cầu công ty sản xuất cài một tinh thể cho mỗi tần số có thể. Kỹ thuật tổng hợp sử dụng
một tần số chuẩn với mỗi loại tinh thể.Tần số của kênh truyền được tính bằng cách chia
hay nhân với tần số tinh thể chuẩn. Các giải pháp dựa trên UHF được tổng hợp cung cấp
khả năng cài đặt các thiết bị chuẩn mà không cần phải thay thế phần cứng, ít phức tạp hơn
và khả năng điều chỉnh mỗi thiết bị.
Hoạt động đa tần:
Các hệ thống UHF hiện đại cho phép các access point được cấu hình một cách riêng biệt
cho tác vụ trên một trong những tần số được cấu hình trước. Các trạm không dây có thể
được lập trình với một danh sách tất cả các tần số được sử dụng trong các access point đã
được cài, cho phép chúng thay đổi tần số khi roaming. Để tăng thông lượng(throughput),
các access point có thể được cài đặt giống nhau nhưng lại sử dụng các tần số khác nhau.
Các ích lợi bao gồm khoảng cách xa hơn, và nó được xem như một giải pháp có chi phí
thấp cho những site lớn với yêu cầu thông lượng dữ liệu từ thấp cho đến trung. Sự bất lợi
gồm thông lượng thấp, và dễ bị nhiễu. Bên cạnh đó, các yêu cầu về license cho những giải
tần được bảo vệ để tăng kích thước mạng cũng là một yếu tố giới hạn của giải pháp này.

VIII. Ultra wideband(UWB) và WLAN:
Kỹ thuật UWB có thể thay thế các kỹ thuật không dây như các chuẩn 802.11 và
BlueTooth, vì kỹ thuật này có thông lượng gấp hàng chục ngàn lần các chuẩn 802.11. Các
xung năng lượng của UWB hoạt động ở cùng phổ tần số như nhiễu điện thường ở các thiết
bị điện như máy in, chip, ... Có đặc điểm:

UWB không sử dụng sóng mang và do đó không yêu cầu một băng thông chỉ định.
Nó rẻ hơn và dễ làm những thiết bị đó.
Nhiễu điện từ yêu cầu ít năng lượng. Có ít năng lượng, và khoảng cách ít hơn nhưng có kỹ
thuật để tăng nó lên.
Độ bảo mật cao vì hầu như không thể lọc tín hiệu từ nhiễu.

Bất lợi là:
Những xung của các thiết bị hoạt động ở băng tần dưới 2.4 GHz có thể bị nhiễu bởi các tín
hiệu xung quanh như GPS(Hệ thống đinh vị toàn cầu).
Phụ thuộc nhiều vào cách các thiết bị truyền được điều chỉnh.

IX. Các kỹ thuật điều chế và mã hoá trong WLAN:
Ở tầng vật lý, IEEE 802.11 định nghĩa 3 kỹ thuật vật lý cho WLAN: IR khuyếch tán,
Frequency hopping spread spectrum(FH hay FHSS); Direct sequence spread spectrum(DS
hay DSSS).
Mặc dù kỹ thuật IR hoạt động ở giải tần cơ sở, nhưng 2 kỹ thuật dựa trên radio khác hoạt
động ở giải tần 2.4 GHz. Chúng có thể vận hành các thiết bị WLAN mà không cần licences
của người dùng cuối. Để các thiết bị không dây có thể vận hành chung, chúng phải phù
hợp với nhau về chuẩn của lớp vật lý. Tất cả 3 kỹ thuật trên hỗ trợ tốc độ truyền là 1 Mbps
và 2 Mbps.

Spread Spectrum RF Transmissions:
Các hệ thống thuộc loại này thực sự là các WLAN, sự dụng tần số radio(RF) để truyền. Có
2 hệ thống phụ tồn tại là: FHSS và DSSS. DSSS là kỹ thuật được sử dụng chủ yếu giữa các
toà nhà, còn FHSS được sử dụng chủ yếu trong nội bộ 1 toà nhà. Kỹ thuật truyền SS được
phát triển bởi quân đội. SS lấy 1 tín hiệu số và mở rộng (spread) ra. Kỹ thuật mã hoá sử
dụng FSK hay PSK. Cả hai phương pháp đều tăng kích thước của tín hiệu và băng thông.
Mặc dù tín hiệu lớn hơn(nhiều băng thông hơn) và dễ phát hiện ra hơn, nhưng tín hiệu lại
khó hiểu trừ khi bên nhận được điều chỉnh để sửa những thông số.
FHSS:
FHSS tương tự như việc truyền sóng FM khi tín hiệu dữ liệu được mang bởi một sóng
mang băng hẹp có thể thay đổi tần số. Chuẩn 802.11 cung cấp 22 mẫu hop để chọn trong
tần 2.4 GHz ISM. Mỗi kênh là 1MHz và tín hiệu phải dịch tần số (hop). Kỹ thuật này điều
chế tín hiệu radio bằng cách dịch nó từ tần số này đến một tần số ở khoảng near-random.
Sự điều chế này bảo vậ tín hiệu khỏi nhiễu tập trung xung quanh một tần số. Để giải mã tín
hiệu, bên nhận phải biết tốc độ truyền và thứ tự của các phép dịch tần số, từ đó cung cấp

thêm sự bảo mật và mã hoá.
Các sản phẩm FHSS có thể gửi các tín hiệu ở tốc độ từ 1.2-2Mbps và xa khoảng 620 dặm.
Tăng băng thông(lên đến 24 Mbps) có thể đạt được bằng cách lắp thêm nhiều access point
trong mạng. Trong Fs, băng tần 2.4 GHz được chia ra thành 75 kênh 1MHz. Để tối thiểu
hoá khả năng 2 bên gửi cùng sử dụng một kênh truyền đồng thời, dịch tần số cung cấp một
mẫu hop khác nhau cho mỗi lần trao đổi dữ liệu. Bên nhận và bên gửi cùng đồng ý 1 mẫu
hop, và dữ liệu sẽ được gửi theo thứ tự của mẫu. Sự điều khiển FCC yêu cầu băng thông
lên đến 1 MHz cho mỗi kênh con=>tăng overhead. FHSS được xem là một giải pháp kinh
tế vì ít tốn chi phí chỉ bằng một nửa so với hệ thống DSSS, và có thể tăng lên đến 10 Mbps
bằng cách thêm nhiều access point. Bên cạnh đó, nó có khả năng không bị ảnh hưởng bởi
nhiễu.
3 .DSSS:
Kỹ thuật này điều chế tín hiệu radio một cách ngẫu nhiên vì vậy nó khó giải mã hơn. Kỹ
thuật điều chế này cung cấp độ an toàn tuy nhiên vì tín hiệu có thể được gửi ở một khoảng