Kỹ thuật ghép kênh

Trong viễn thông, ghép kênh là quá trình ghép nhiều tín hiệu (hoặc chuỗi dữ liệu) thành một tín hiệu (hoặc chuỗi dữ liệu) để truyền đi xa nhằm tiết kiệm tài nguyên. Thiết bị thực hiện việc này gọi là bộ ghép kênh, ở đầu thu bộ tách kênh thực hiện việc tách các kênh này ra và phân đến đúng đầu nhận.
Ví dụ: trong mỗi 125 µs, 30 mẫu thoại của 30 cuộc gọi điện thoại khác nhau được ghép theo một trật tự thành một khung và truyền đi, ở đầu nhận, các mẫu thoại sẽ tách được ra và đưa đến đúng người nghe.
Hai dạng ghép kênh cơ bản là ghép kênh phân chia thời gian (TDM) và ghép kênh phân chia tần số (FDM). Trong thông tin quang, ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) cũng chính là ghép kênh phân chia tần số.

Nguồn http://vi.wikipedia.org/

Nói chung là nếu không ghép kênh thì 30 cuộc gọi kia sẽ phải dẫn bằng 30 dây độc lập.

Ghép kênh và giải mã

Kỹ thuật ghép kênh chỉ được sử dụng khi băng thông của môi trường truyền cao hơn băng thông mà tín hiệu của các nguồn dữ liệu cá nhân yêu cầu. Xem xét ví dụ về một hệ thống truyền thông, trong đó có ba nguồn dữ liệu. Như trong hình 7.1 , các tín hiệu từ ba nguồn có thể được kết hợp với nhau (ghép kênh) và gửi qua một kênh truyền đơn. Ở đầu tiếp nhận, các tín hiệu được tách ra (giải mã kênh). 

Hình 7.1: ghép kênh và giải mã kênh.

Tại trạm truyền thì thiết bị được biết như bộ phận ghép kênh (viết tắt là MUX) là bắt buộc. Ở trạm tiếp nhận, thiết bị được biết đến như là bộ phận giải mã kênh (viết tắt là demux) là bắt buộc. Về mặt khái niệm, ghép kênh là một hoạt động rất đơn giản, tạo điều kiện sử dụng tốt nhất băng thông của kênh truyền. Các kỹ thuật ghép kênh khác nhau được mô tả trong các phần sau. Một thiết bị ghép kênh (MUX) phối hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau và gửi nó đi qua kênh truyền. Tại đầu tiếp nhận, thiết bị giải mã kênh (demux) chia tách dữ liệu của các nguồn khác nhau. Ghép kênh chỉ được sử dụng khi băng thông của môi trường truyền cao hơn băng thông mà tín hiệu của các nguồn dữ liệu cá nhân yêu cầu.

Ghép kênh phân chia theo tần số

Trong phương pháp ghép kênh theo tần số (FDM), các tín hiệu được dịch sang dải tần số khác nhau và gửi qua phương tiện truyền thông. Các kênh truyền thông được chia thành các băng tần khác nhau, và mỗi băng tần truyền tín hiệu tương ứng với một nguồn. Hãy xem xét ba nguồn dữ liệu, sản xuất thành ba tín hiệu như trong hình 7.2. Tín hiệu thứ nhất được chuyển sang dải tần số thứ nhất, tín hiệu thứ 2 được dịch sang băng tần thứ 2, và như vậy đối với tín hiệu thứ 3. Ở đầu tiếp nhận, các tín hiệu có thể được giải mã kênh bằng cách sử dụng các bộ lọc. Tín hiệu thứ nhất có thể thu được bằng cách truyền các tín hiệu ghép thông qua một bộ lọc mà chỉ băng tần số thứ nhất được thông qua.

Hình 7.2: Ghép kênh theo tần số

FDM được sử dụng trong truyền dẫn truyền hình cáp, nơi mà tín hiệu tương ứng với các kênh truyền hình khác nhau được ghép và gửi qua cáp. Tại máy thu của truyền hình, bằng cách áp dụng bộ lọc, các kênh đặc biệt của tín hiệu có thể được xem. Đài phát thanh và truyền hình cũng được thực hiện bằng cách sử dụng FDM, trong đó mỗi trạm phát sóng được cho một nhóm nhỏ trong dãy quang phổ tần số.  Các tần số trung tâm của băng tần này được gọi là tần số sóng mang. Hình 7.3 cho thấy nhiều kênh điện thoại có thể kết hợp sử dụng FDM.

Hình 7.3: FDM của kênh điện thoại. 

Mỗi kênh thoại chiếm một băng thông 3.4kHz. Tuy nhiên, mỗi kênh được chỉ định một băng thông 4kHz. Kênh thoại thứ hai được phiên dịch sang tần số nằm trong dãi băng tần từ 4 tới 8kHz. Tương tự, các kênh thoại thứ ba được phiên dịch sang dãy băng tần từ 8 đến 12 kHz và tiếp tục như vậy. Những băng thông hơi cao hơn được chỉ định(4kHz thay vì 3.4kHz) chủ yếu là bởi rất khó khăn để thiết kế các bộ lọc có độ chính xác cao. Do đó một băng thông bổ sung, được gọi là băng thông bảo vệ, chia tách hai kênh liên tiếp.
Trong FDM, các tín hiệu từ các nguồn khác nhau được dịch sang dải tần số khác nhau ở phía bên truyền và được gửi đi qua các phương tiện truyền dẫn. Trong truyền hình cáp, FDM được sử dụng để phân phối các chương trình của các kênh khác nhau trên dải tần số khác nhau.FDM cũng được dùng trong phát sóng âm thanh, truyền hình.Hệ thống FDM được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông tín hiệu tương tự. Các hệ thống viễn thông được sử dụng trong các mạng điện thoại, hệ thống phát thanh truyền hình, v.v… dựa trên FDM.

Ghép kênh phân chia theo thời gian

Trong thời gian phân chia ghép kênh đồng bộ (TDM), các tín hiệu số hóa được kết hợp và gửi thông qua các kênh truyền thông. Hãy xem xét trường hợp của một hệ thống truyền thông thể hiện trong hình 7.4. Ba nguồn dữ liệu sản xuất dữ liệu ở mức 64kbps sử dụng điều chế mã xung (PCM). 
Mỗi mẫu sẽ có 8 bit, và khoảng cách thời gian giữa hai mẫu kế tiếp là 125 micro giây. Công việc của thiết bị ghép kênh là lấy các mẫu 8 bit của kênh đầu tiên và 8 bit của kênh thứ hai và sau đó là 8 bit của kênh thứ ba.
Một lần nữa, trở lại với kênh đầu tiên. Từ lúc không có mẫu nào bị mất, nhiệm vụ của thiết bị ghép kênh là hoàn thành chức năng quét tất cả các kênh và lấy giá trị mẫu 8-bit trong khoảng thời gian 125 micro giây. Dòng này kết hợp các bit và được gửi qua các phương tiện truyền thông. Thiết bị ghép kênh thực hiện quét để thu thập các dữ liệu từ mỗi nguồn dữ liệu và cũng đảm bảo rằng không có dữ liệu bị mất.
Điều này được gọi là ghép kênh phân chia thời gian.Các đầu ra của thiết bị ghép kênh là một dòng bit liên tục, 8 bit đầu tiên tương ứng với kênh 1, 8 bit tiếp theo tương ứng với kênh 2, và tiếp tục như vậy.

Hình 7.4: Ghép kênh phân chia theo thời gian

Trong ghép kênh phân chia theo thời gian, dữ liệu số tương ứng với các nguồn khác nhau được kết hợp và truyền qua các phương tiện. Thiết bị ghép kênh thu thập dữ liệu từ mỗi nguồn, và các dòng bit kết hợp được gửi qua phương tiện truyền dẫn. Thiết bị giải mã chia tách các dữ liệu tương ứng với mỗi nguồn riêng biệt.
Trong một mạng điện thoại, thiết bị chuyển mạch (hoặc trao đổi) được kết nối với nhau thông qua các đường trung chuyển. Những đường trung chuyển sử dụng TDM để ghép 32 kênh. Điều này được thể hiện trong hình 7,4. Với 32 kênh, theo quy ước, được đánh số là 0-31. Mỗi kênh cung cấp dữ liệu ở tốc độ 64kbps. Thiệt bị ghép kênh mất 8 bit trên mỗi kênh tạo ra một dòng bit với tốc độ 2048kbps (64kbps×32). Ở đầu tiếp nhận, thiết bị giải mã phân tách các dữ liệu tương ứng với mỗi kênh. Khung TDM cũng thể hiện trong Hình 7.5. Khung TDM mô tả số lượng bit trong mỗi kênh. Trong số 32 khe, 30 khe được sử dụng để mang kênh thoại và hai khe cắm (slot 0 và khe cắm 16) được sử dụng để thực hiện đồng bộ và thông tin tín hiệu.

Hình 7.5: Phân chia kênh thoại theo thời gian

Mặc dù TDM có vẻ rất đơn giản, nhưng phải được đảm bảo rằng các thiết bị ghép kênh không bị mất bất kỳ dữ liệu, và do đó nó phải được duy trì trong các định thời tốt nhất. Tại thiệ́t bị giải mã kênh cũng vậy, các dữ liệu tương ứng với mỗi kênh đã được tách ra dựa trên thời gian của các dòng bit. Do đó, đồng bộ hóa dữ liệu là rất quan trọng. Đồng bộ hóa giúp cho việc tách các bit tương ứng với mỗi kênh.Kỹ thuật TDM này còn được gọi là TDM đồng bộ. Trong mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN), các thiết bị chuyển mạch được kết nối với nhau thông qua các đường trung chuyển có sử dụng TDM. Những đường trung chuyển trong đó có 30 kênh thoại ghép lại với nhau ,gọi là đường trung chuyển E1.

Các đường trung chuyển được sử dụng trong các mạng điện thoại bằng cách sử dụng cơ chế TDM được gọi là đường trung chuyển T1 hoặc sóng mang T1. Việc ghép 24 kênh được gọi là ghép kênh cấp độ 1. Bốn sóng mang T1 như vậy được ghép để tạo thành sóng mang T2.Bảy sóng mang T2 được ghép để tạo thành sóng mang T3 và sáu sóng mang T3 được ghép kênh để tạo thành sóng mang T4. Các cấp ghép kênh, số lượng kênh thoại và tốc độ dữ liệu được đưa ra trong Bảng 7.1. Lưu ý rằng ở mỗi cấp, các bit được bổ sung thêm cho khung và đồng bộ hóa. Bảng 7.1: kỹ thuật số cấp bậc của băng thông mang T1.

Lưu ý: Trong một băng thông mang T1, tổng số kênh thoại là 24 – có 24 khe thoại trong khung TDM. Tại châu Âu, một số hệ thống số với các cấp bậc khác nhau được chỉ định như sau.  Ở cấp thấp nhất, 30 kênh thoại được ghép và đường trung chuyển được gọi là đường trung chuyển E1.

Ghép kênh thống kê phân chia theo thời gian

Trong phần TDM thảo luận ở trên, mỗi nguồn dữ liệu được ước tính trong một rãnh thời gian xác định,trong rãnh thời gian đã cho, các dữ liệu tương ứng với nguồn đó sẽ được mang đi.
Nếu nguồn dữ liệu không có dữ liệu để truyền, khe đó sẽ trống.Để tận dụng tốt nhất của các khoảng thời gian, nguồn dữ liệu có thể được chỉ định một rãnh thời gian chỉ khi khe có dữ liệu để truyền tải. Một trạm tập trung có thể gán các rãnh thời gian dựa trên nhu cầu.
Cơ chế này được gọi là ghép kênh theo phân chia thống kê thời gian (STDM).Trong STDM, nguồn dữ liệu được chỉ định một rãnh thời gian chỉ khi nó có dữ liệu để truyền tải.
So với TDM đồng bộ, đây là một kỹ thuật hiệu quả hơn bởi vì các rãnh thời gian không bị lãng phí.

Ghép kênh theo bước sóng

Wave Division Multiplexing (WDM) – phương thức ghép kênh quang theo bước sóng được sử dụng trong sợi quang học. Trong truyền thông cáp quang, tín hiệu tương ứng với một kênh được phiên dịch sang một tần số quang học (thường được biểu diễn ở bước sóng) và được truyền đi. Điều này được thể hiện bằng tần số quang học của bước sóng tương đương của nó và ký hiệu là λ (lambda). Thay vì chỉ truyền đi một tín hiệu trong cáp quang, nếu có hai (hoặc nhiều hơn) tín hiệu được gửi đi trong cùng một sợi ở các tần số khác nhau (hoặc bước sóng), nó được gọi là WDM. Năm 1994, điều này đã được chứng minh – tần số tín hiệu đã được tách rộng rãi, thường 1310 nm và 1550nm. 
Vì vậy, chỉ cần sử dụng hai bước sóng có thể tăng gấp đôi công suất cáp quang. Như trong hình 7,6 , WDM lấy tín hiệu từ các kênh khác nhau, chuyển chúng thành các bước sóng khác nhau, và gửi chúng qua các sợi quang học.Về mặt khái niệm, nó cũng giống như FDM. 

Hình 7.6: Phân chia sóng ghép kênh.

Wave Division Multiplexing được sử dụng trong sợi quang học. Dữ liệu của các nguồn khác nhau được gửi thông qua các dây cáp quang bằng cách sử dụng các bước sóng khác nhau. Lợi thế của WDM là có thể phát huy tối ưu công suất của một sợi quang học. Lưu ý rằng trong WDM, cáp quang đơn mang dữ liệu của các kênh khác nhau trong các bước sóng khác nhau. Lợi thế của WDM là có thể phát huy công suất tối ưu của một sợi quang học ,tăng thêm từ 16 đến 32 lần bằng cách gửi các kênh khác nhau ở các bước sóng khác nhau. Bởi vì mỗi bước sóng tương ứng với một màu sắc khác nhau, sử dụng WDM rất hiệu quả trong việc truyền dữ liệu tương ứng với các kênh khác nhau trong các màu sắc khác nhau.

Ghép kênh theo bước sóng với mật độ cao

Như tên gọi của nó, ghép kênh theo bước sóng với mật độ cao (DWDM) cũng giống như WDM, ngoại trừ số lượng bước sóng hoặc bước sóng có thể cao hơn nhiều so với 32. Nhiều tín hiệu quang học được kết hợp trên cùng một sợi để tăng công suất của các cáp. 128 và 256 bước sóng có thể được sử dụng để truyền tải các kênh khác nhau ở mức khác nhau. DWDM là mở đường cho việc sử dụng băng thông cao có sẵn mà không cần lắp đặt cáp sợi bổ sung. Tốc độ truyền dữ liệu lên đến terabit / giây có thể đạt được chỉ trên một sợi cáp quang. DWDM là mở rộng của WDM – một số lượng lớn các bước sóng được sử dụng để truyền dữ liệu của các nguồn dữ liệu khác nhau. Tốc độ truyền lên đến cấp độ terabit / giây có thể đạt được bằng cách sử dụng DWDM.

Tóm tắt

Kỹ thuật ghép kênh khác nhau đã được thảo luận trong chương này. Trong ghép kênh phân chia tần số (FDM), các kênh khác nhau được dịch sang dải tần số khác nhau và được các phương tiện truyền đi.Trong thời gian phân chia (TDM), các dữ liệu tương ứng với các kênh khác nhau được cho các rãnh thời gian riêng biệt. DM hay DWDM tạo điều kiện truyền dẫn các bước sóng khác nhau trong cùng một sợi. Tất cả các kỹ thuật ghép kênh được sử dụng để kết hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau và gửi nó thông qua các phương tiện truyền dẫn. Ở đầu tiếp nhận, giải mã kênh phân tách các dữ liệu của các nguồn khác nhau

Nguồn http://dinhchithanh.com/chuong-7-ky-thuat-ghep-kenh/

Read more »