Truyền số liệu - Chương 1: Các khái niệm cơ bản

GV. Lê Đắc Nhường Slide: 1 Truyền số liệu Data Communication Lê Đắc Nhường Khoa Toán Tin - Trường Đại học Hải Phòng E-mail: Nhuongld@yahoo.com Cell Phone: 0987.394.900 GV. Lê Đắc Nhường Slide: 2 Nội dung chương 1 1.1 Lịch sử truyền số liệu 1.2 Một số khái niệm 1.2.1 Thông tin, Dữ liệu và Tín hiệu (Information, Data & Signal) 1.2.2 Tần số, Phổ và Băng thông (Frquency, Spectrum, Bandwidth) 1.3 Kiến trúc hệ thống truyền dữ liệu (Topology) 1.4 Phương thức truyền dữ liệu (Protocol) 1.5 Hệ thống truyền dữ liệu GV. Lê Đắc Nhường Slide: 3 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 3  Truyền số liệu  Là phương pháp truyền thông dùng mã nhị phân (Binary Code) thay cho tín hiệu (Signal).  Lịch sử truyền số liệu bắt đầu vào năm 1837  Với sự phát minh điện tín của Samuel F. B. Morse. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 4 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 4  Mã Morse. Samuel F. B. Morse. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 5 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 5  Mã Morse. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 6 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 6  Mã Morse.  Đó 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 GV. Lê Đắc Nhường Slide: 7 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 7  Mã Semapho. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 8 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 8  Các mốc thời gian đáng nhớ:  Năm 1840, Morse đăng ký sáng kiến về điện tín ở Mỹ và đến năm 1844 thì đường dây điện tín đầu tiên được thiết lập giữa Baltimore và Washington D.C..  Năm 1849, bản tin đầu tiên được in nhưng với vận tốc rất chậm, cho đến năm 1860 vận tốc in đạt được là 15 bps.  Năm 1850, Công ty Điện tín Miền Tây (Western Union Telegraph Company) được thiết lập ở Rochester, New York cho phép thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các cá nhân. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 9 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 9  Các mốc thời gian đáng nhớ:  Năm 1874, Emile Baudot thiết kế được máy phát dùng phương pháp đa hợp, có thể truyền cùng lúc 6 bản tin trên cùng một đường dây. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 10 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 10  Các mốc thời gian đáng nhớ:  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 cho tiếng nói trên các đường dây. truyền thẳng tín hiệu điện đặc trưng (tổng đài cơ số điện tử) GV. Lê Đắc Nhường Slide: 11 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 11  Các mốc thời gian đáng nhớ: Alexander Graham Bell GV. Lê Đắc Nhường Slide: 12 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 12  Các mốc thời gian đáng nhớ:  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. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 13 1.1 Lịch sử truyền số liệu Slide 13  Các mốc thời gian đáng nhớ:  Năm 1945, đánh dấu một sự kiện quan trọng đó là việc phát minh ra chiếc máy tính điện tử đầu tiên: chiếc ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator). ENIAC là thiết bị đầu tiên có thể xử lý thông tin dưới dạng điện GV. Lê Đắc Nhường Slide: 14 1.2 Một số khái niệm Slide 14 1.2.1 Thông tin, Dữ liệu và Tín hiệu  Thông tin (Information): Là sự hiểu biết của con người về một sự kiện, một hiện tượng nào đó thu nhận được qua nghiên cứu, trao đổi, nhận xét, học tập, truyền thụ, cảm nhận  Hay đơn giản thông tin là sự cảm hiểu của con người về thế giới xung quanh thông qua việc tiếp xúc với nó, từ sự cảm nhận đến sự hiểu biết về chúng. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 15 1.2.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Slide 15  Thông tin có thể biểu thị bởi:  Tiếng nói, hình ảnh, các văn bản,  Tập hợp các con số, các ký hiệu,  thông qua nó con người hiểu nhau  Con người càng tiếp xúc với môi trường càng làm tăng lượng thông tin thu thập được.  Khi có nhiều thông tin sẽ phát sinh nhu cầu trao đổi thông tin  có nhu cầu truyền tin (Communication) GV. Lê Đắc Nhường Slide: 16 1.2.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Slide 16  Dữ liệu (Data):  Là dạng biểu diễn của thông tin, dữ liệu bao gồm các sự kiện, khái niệm hay các chỉ thị được diễn tả dưới một hình thức thích hợp cho việc thể hiện thông tin được xử lý bởi con người hay máy móc.  Ý nghĩa mà con người qui cho dữ liệu theo các qui ước cụ thể.  Trong hệ thống truyền thông, thường người ta không phân biệt dữ liệu và tin tức GV. Lê Đắc Nhường Slide: 17 1.2.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Slide 17  Vật mang tin (Carrier)  Là môi trường dùng để truyền tin.  Thông tin khi truyền đi tồn tại dưới các dạng năng lượng khác nhau như: âm điện, sóng điện từ, sóng ánh sáng   Những dạng năng lượng dùng để truyền tin gọi là vật mang GV. Lê Đắc Nhường Slide: 18 1.2.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Slide 18  Tín hiệu (Signal):  Vật mang chứa thông tin, trong đó đại diện của thông tin được gọi là tín hiệu.  Tín hiệu là thông tin, dữ liệu đã được chuyển đổi, xử lý (bởi các bộ phận mã hóa và /hoặc chuyển đổi) cho phù hợp với môi trường truyền thông.  Tín hiệu thường tồn tại ở dạng một hàm đơn trị biến thiên theo thời gian hay theo tần số gọi là các sóng hình sin (Sinware).  Ví dụ: S(t) = Acos(2πft + φ) hoặc S(t) = Asin(2πft + φ). GV. Lê Đắc Nhường Slide: 19 19/54  Phân loại tín hiệu  Tín hiệu liên tục  Cường độ của tín hiệu biến đổi “trơn tru” theo thời gian  Tín hiệu rời rạc  Cường độ tín hiệu duy trì ở mức không đổi trong một khoảng thời gian rồi sau đó chuyển sang mức cường độ tín hiệu không đổi khác  Tín hiệu tuần hoàn  Mẫu tín hiệu được lặp đi lặp lại theo thời gian  Tín hiệu không tuần hoàn (không theo chu kỳ)  Mẫu tín hiệu không lặp đi lặp lại theo thời gian 1.2.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu GV. Lê Đắc Nhường Slide: 20 1.2.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Slide 20  Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc GV. Lê Đắc Nhường Slide: 21 1.2.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Slide 21  Tín hiệu tuần hoàn GV. Lê Đắc Nhường Slide: 22 22/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Các đặc trưng của tín hiệu: S(t) = Acos(2πft + φ) hoặc S(t) = Asin(2πft + φ).  Biên độ đỉnh – Peak Amplitude (A)  Cường độ cực đại của tín hiệu  Đơn vị đo: Volts (V), Watts (W) GV. Lê Đắc Nhường Slide: 23 23/54 Các đặc trưng của tín hiệu:  Tần số - Frequency (f)  Tỉ lệ thay đổi của tín hiệu là số dao động của tín hiệu được thực hiện trong một đơn vị thời gian của tín hiệu.  Đơn vị: Hertz (Hz) hoặc cycles trên 1 giây  Chu kỳ(T): là thời gian cần thiết tín hiệu lặp lại một lần  T = 1/f 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) GV. Lê Đắc Nhường Slide: 24 24/54 Các đặc trưng của tín hiệu:  Tần số - Frequency (f) Chu kỳ của sóng hình sin Chu kỳ của sóng hinh vuông 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) GV. Lê Đắc Nhường Slide: 25 25/54 Các đặc trưng của tín hiệu:  Pha (Phase) (φ)  Độ đo vị trí tương đối (so với thời điểm gốc) trong một chu kỳ  Ký hiệu: φ  Đơn vị tính: Radian 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) GV. Lê Đắc Nhường Slide: 26 26/54 Các đặc trưng của tín hiệu:  Bước sóng ()  Khoảng cách sử dụng bởi một chu kỳ. Khoảng cách giữa hai điểm cùng pha trong hai chu kỳ liên tiếp. Ký hiệu:   Thừa nhận sự liên quan với vận tốc:   = vT f = v  c = 3*108 ms-1 (Tốc độ của ánh sáng trong chân không) 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) GV. Lê Đắc Nhường Slide: 27 27/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth)  Nhiễu (Noise):  Là các tín hiệu ngoài ý muốn, xuất hiện trong hệ thống hoặc trên đường truyền.  Dưới ảnh hưởng của nhiễu, tín hiệu tương tự bị biến dạng và tín hiệu số có thể bị lỗi GV. Lê Đắc Nhường Slide: 28 28/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Ảnh hưởng của nhiễu GV. Lê Đắc Nhường Slide: 29 29/54 Ví dụ về sóng hình sin 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) GV. Lê Đắc Nhường Slide: 30 30/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth)  Nguyên lý “Fourier Analysis”  Tín hiệu thường được tạo bởi nhiều tần số  Tần số cơ bản: Các thành phần khác là bội số nguyên của nó.  Chu kỳ của tín hiệu tổng hợp bằng chu kỳ của tần số cơ bản.  Phân tích Fourier chỉ ra rằng các tín hiệu được tạo nên bởi các thành phần có tần số khác nhau. Mỗi thành phần là một sóng hình Sine GV. Lê Đắc Nhường Slide: 31 31/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth)  Ví dụ: cộng hai thành phần tần số f và 3f GV. Lê Đắc Nhường Slide: 32 32/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth)  Biểu diễn tín hiệu theo miền tần số GV. Lê Đắc Nhường Slide: 33 33/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth)  Dải phổ - Spectrum  Là miền tần số của tín hiệu (f-3f)  Dải thông tuyệt đối - Absolute bandwidth  Là độ rộng của dải phổ (3f-f=2f)  Dải thông hiệu dụng - Effective bandwidth  Thường gọi là băng thông  Là miền tần số tập trung phần lớn năng lượng của tín hiệu  Thành phần một chiều - DC Component  Là thành phần có tần số bằng 0 GV. Lê Đắc Nhường Slide: 34 34/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth)  Tín hiệu với thành phần một chiều GV. Lê Đắc Nhường Slide: 35 35/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Mối quan hệ giữa tốc độ số liệu và băng thông  Tất cả các hệ thống truyền dẫn đều có một dải giới hạn các tần số  Điều này giới hạn tốc độ dữ liệu được truyền đi trong môi trường truyền.  Nếu tốc độ số liệu là 2W bps, thì băng thông sẽ là W HZ.  Tốc độ số liệu càng cao, băng thông càng cao. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 36 36/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Truyền số liệu tương tự và số liệu số  Dữ liệu (Data )  Là các thực thể vật lý mang ý nghĩa  Tín hiệu (Signals)  Là các biểu diễn dưới dạng điện hoặc điện từ của số liệu  Signaling: sự lan truyền về mặt vật lý của tín hiệu dọc theo một môi trường truyền thích hợp. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 37 37/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Truyền số liệu tương tự và số liệu số  Truyền dẫn (Transmission)  Truyền tín hiệu có thể cần đến việc xử lý hoặc điều chỉnh (adjustment) dọc theo đường truyền để đảm bảo có thể nhận rõ được số liệu.  Truyền: Truyền tín hiệu và xử lý số liệu (Communication of data by propagation and processing of signals) GV. Lê Đắc Nhường Slide: 38 38/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Dữ liệu  Tương tự (Analog)  Nhận các giá trị liên tục trong một miền nào đó.  VD: Các số liệu nhiệt độ, áp suất nhận được từ các sensor; các số liệu audio, video  Số (Digital)  Nhận các giá trị rời rạc  VD: text (char), số nguyên GV. Lê Đắc Nhường Slide: 39 39/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Phổ âm thanh GV. Lê Đắc Nhường Slide: 40 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Tín hiệu (Signal)  Là phương tiện truyền số liệu  Tín hiệu tương tự (Analog signals)  Có thể thay đổi liên tục.  Truyền trên nhiều môi trường: Dây dẫn, sợi quang, không khí, không gian, ...  Băng thông tiếng nói: 100 Hz đến 7 KHz  Băng thông điện thoại: 300 Hz đến 3400 Hz  Băng thông video: 4 MHz Digital. GV. Lê Đắc Nhường Slide: 41 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Tín hiệu (Signal)  Tín hiệu số (Digital signals)  Sử dụng hai mức điện áp không đổi để biểu diễn cho các bit 1 và 0  Thường sử dụng tín hiệu số để truyền số liệu số và tín hiệu tương tự để truyền số liệu tương tự GV. Lê Đắc Nhường Slide: 42 42/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth) Tín hiệu (Signal)  Có thể dùng tín hiệu tương tự để truyền số liệu số Modem  Có thể dùng tín hiệu số để truyền số liệu tương tự Codec (Coder-decoder) Compact Disc audio GV. Lê Đắc Nhường Slide: 43 43/54 1.2.2 Tần số, phổ, băng thông (Frequency, Spectrum, Bandwidth)