Báo cáo Nhập môn Điện tử - Viễn thông | Đại học Bách khoa Hà Nội

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ************* BÁO CÁO
NHẬP MÔN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG
Sinh viên thực hiện: Bùi Văn Chiến Lớp: Điện Tử 3 K55 MSSV: 20101158
I. Giới thiệu ngành điện tử viễn thông
Với tốc độ phát triển trong khoa học - công nghệ từ cuối thế kỉ 20 và tiếp tục
đầu thế kỉ 21 có tác động mạnh mẽ đến sự phát triển của các ngành kĩ thuật
nói chung và ngành điện tử viễn thông nói riêng. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu
về ngành điện tử viễn thông. 1.1 Giới thiệu chung
Từ chiếc máy điện báo đầu tiên mang tên Con vịt xấu xí của Morse, đến nay,
ngành Điện tử Viễn thông đã tạo nên một mạng lưới thông tin liên lạc bao
quát toàn thế giới được ví như hệ thần kinh của Trái Đất. Bước chân vào
ngành này, bạn có thể trở thành nhà nghiên cứu, sáng tạo các công nghệ
mới, thiết bị Điện tử Viễn thông mới hay làm việc trong lĩnh vực mạng, viễn
thông, lĩnh vực định vị dẫn đường, lĩnh vực điện tử y sinh, lĩnh vực âm thanh, hình ảnh...
Điện tử Viễn thông là ngành sử dụng những công nghệ tiên tiến để tạo nên
các thiết bị giúp cho việc truy suất thông tin mà cá nhân hoặc tổ chức muốn có.
Kỹ sư Điện tử Viễn thông làm việc tại các công ty sản xuất, nghiên cứu và
phát triển các sản phẩm điện tử, các nhà cung cấp dịch vụ Internet, các công
ty viễn thông truyền số liệu, các công ty điện thoại di động, các công ty
truyền tin qua hệ thống vệ tinh, các công ty tư vấn giải pháp và kinh doanh
các dịch vụ Điện tử Viễn thông v.v... Công việc của họ gắn liền với những
phòng thí nghiệm, phòng kỹ thuật và máy móc hiện đại.
Làm việc trong ngành này, bạn có thể lựa chọn một trong số các lĩnh vực sau:
- Nghiên cứu sáng tạo các thiết bị điện tử - máy tính - viễn thông mới
- Mạng máy tính và mạng viễn thông
- Định vị dẫn đường (trong ngành hàng không và hàng hải)
Ngành Điện tử Viễn thông đưa tri thức của loài người đến mỗi người và
ngược lại, tạo ra một thế giới thân thiện và gần gũi nhau. Ở Việt Nam, ngành
Điện tử Viễn thông đóng vai trò quan trọng, tích cực đối với sự phát triển
kinh tế xã hội. Nhu cầu về nhân lực trong ngành rất lớn.
1.2 Lịch sử phát triển
-Lịch sử điện tử và linh kiện bán dẫn
Tròn 60 năm sau khi transistor được phát minh, linh kiện nhỏ bé tương ứng
với trạng thái bật - tắt này đã thay đổi cả thế giới bằng cách tăng cường sức
mạnh cho hàng loạt thiết bị số như ĐTDĐ, máy tính, máy nghe nhạc...
Những máy tính khổng lồ đầu tiên như ENIAC dùng các ống chân không,
tương tự như bóng đèn, để tính toán. Máy tính này cần một nhóm nhân viên vận hành.
Ống chân không sau đó được thay bằng bóng bán dẫn - một loại công tắc
điện tử - do William Shockley, John Bardeen và Walter Brattain tại phòng
thí nghiệm Bell phát minh năm 1947.
Transistor hoạt động đầu tiên được giới thiệu ngay trước lễ Giáng sinh năm
1947 nhưng 6 tháng sau đó mới công bố rộng rãi cho thế giới biết.
Sản phẩm thương mại đầu tiên chứa một bóng bán dẫn là máy trợ thính
Sonotone 1010 được phát hành 5 năm sau phát minh về linh kiện này.
Phát minh bóng bán dẫn mở ra thời kỳ phát triển cho mạch điện tích hợp -
tiền thân của chip silicon ngày nay.
Năm 1965, đồng sáng lập Gordon Moore của hãng chip Intel dự đoán số
bóng bán dẫn trên một chip sẽ tăng gấp đôi trong 18 tháng đến 2 năm. Định
luật Moore đến nay vẫn đúng dù trong tương lai (10-15 năm nữa) sẽ chạm đến giới hạn.
Sự tăng trưởng đều đặn trong sức mạnh của chip đã mở ra một kỷ nguyên
điện toán cá nhân mới. Bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn và xếp gần nhau
hơn ở mức nanomét khiến cho khả năng hoạt động của chip tăng lên gấp bội
và thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị di động nhỏ gọn.
Ngày nay chip chứa hàng triệu bóng bán dẫn và được dùng trong nhiều thiết
bị, từ điện thoại di động đến máy tính, từ trong xe hơi đến máy bay... Lịch sử máy tính Các máy tính cơ học
• Abacus: Bàn tính gẩy, là công cụ tính toán ra đời sớm nhất. Theo nhiều tài
liệu thì nó được ra đời ở Trung Quốc.
• Năm 1642: Pascal đã chế tạo ra chiếc máy tính cơ học đầu tiên, thực hiện
được phép cộng và phép trừ bằng cách nhấp phím số.
• Năm 1822, Babbage – GS ĐH Cambridge – Anh công bố công trình "máy
tính sai phân", sau đó ông phát triển thành máy tính đa năng, tiền thân của
máy tính số hiện đại ngày nay, máy có thể đọc được lệnh từ bìa đục lỗ và thi
hành chúng (Ada là người trợ lý giúp ông thực hiện lệnh này)
Các máy tính đèn điện tử
• Năm 1946: Eckert, Mauchli và các cộng sự - trường KT điện tử-ĐH
Pennylvania - Mỹ cho ra đời chiếc máy tính điện tử cỡ lớn đầu tiên (ENIAC-
Electronic Nummerical Intgrator and Calculator). Chiếc máy tính có 18000
bóng ĐT, chiếm DT: 167 m2, tiêu thụ điện 140 KW/h.
Các máy tính hiện đại
• Thứ 4 ngày 12 tháng 08, 1981, IBM cho công bố chiếc máy tính cá nhân
IBM PC đầu tiên, và công nghệ sản xuất máy tính cá nhân không ngừng phát
triển liên tục cho đến hiện nay. Các thế hệ IBM PC thường gắn với thế hệ CPU của Intel. -Lịch sử viễn thông
Viễn thông là một thuật ngữ liên quan tới việc truyền tin và tín hiệu. Ngay từ
ngày xa xưa, những người tiền sử đã biết dùng khói để báo hiệu, những
người thổ dân ở những hòn đảo xa xôi dùng các cột khói để liên lạc, báo
hiệu và truyền tin. Mai An Tiêm dùng dưa hấu để truyền tin về đất liền,... có
thể nói thuật ngữ viễn thông đã có từ xa xưa.
Tuy nhiên có thể nói, khái niệm viễn thông được chính thức sử dụng khi cha
đẻ của máy điện báo Samuel Finley Breese Morse sau bao ngày đêm nghiên
cứu vất vả, ông đã sáng chế chiếc máy điện báo đầu tiên. Bức điện báo đầu
tiên dùng mã Morse được truyền đi trên trái đất từ Nhà Quốc Hội Mỹ tới
Baltimore cách đó 64 km đã đánh dấu kỷ nguyên mới của viễn thông. Trong
bức thông điệp đầu tiên này Morse đã viết "Thượng Đế sáng tạo nên những kỳ tích".
Nói đến lịch sử của Viễn thông, không thể không nhắc đến Alexader
Graham Bell, ông là người đầu tiên sáng chế ra điện thoại. Để tưởng nhớ
ông, ngày 7 tháng 8 năm 1922 mọi máy điện thoại trên nước Mỹ đều ngừng
hoạt động để tưởng nhớ và bày tỏ lòng biết ơn nhà khoa học xuất sắc A.G Bell (1847 - 1922).
Trên quy mô xã hội, nếu điện tín (1884), điện thoại (1876), radio (1895) và
vô tuyến truyền hình (1925) đã làm thay đổi cách giao tiếp trong quan hệ
con người thì sự xuất hiện của vệ tinh viễn thông (1960) sợi quang học
(1977), công nghệ không dây đã làm nên một hệ thần kinh thông minh nhạy
bén trên trái đất. Có thể nói lĩnh vực viễn thông đã làm thay đổi bộ mặt, tính
cách của trái đất, đã hiện thực hóa khả năng liên kết của mỗi người của mỗi
quốc gia, gắn kết mọi người với nhau nhờ một mạng lưới viễn thông vô hình
và hữu hình trên khắp trái đất và vũ trụ. Sự hội tụ trong lĩnh vực viễn thông
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng và truyền dữ liệu của con
người cũng tăng lên theo hàm số mũ.
Ngành VT đóng góp vai trò lớn lao trong việc vận chuyển đưa tri thức của
loài người đến mỗi người, thúc đẩy quá trình sáng tạo đưa thông tin khắp nơi
về các ngành lĩnh vực khoa học, các thông tin giải trí cũng như thời sự khác.
Viễn thông đem lại sự hội tụ, hay sự thống nhất về các loại hình dịch vụ
truyền dữ liệu dịch vụ như thoại, video (truyền hình quảng bá và truyền hình
theo yêu cầu), và dữ liệu Internet băng rộng thúc đẩy ngành công nghệ thông
tin phát triển lên một mức cao hơn với đa dạng các loại hình dịch vụ và chi
phí rẻ hơn. Mạng viễn thông giúp người sử dụng có thể gọi điện thoại qua
mạng Internet, có thể xem hình ảnh của bạn bè trên khắp thế giới, có thể chia
sẻ nguồn dữ liệu, có thể thực hiện những giao dịch mua bán tới mọi nơi trên
thế giới một cách đơn giản. Viễn thông ngày càng tạo nên một thế giới gần
hơn hội tụ cho tất cả mọi người.
1.3 Các hướng chuyên môn của điện tử viễn thông
1.3.1 Hướng Điện tử (Electronics): Vi điện tử, công nghệ và thiết kế vi
mạch, vi cơ điện tử, giới thiệu điện tử nano.
Công nghệ bán dẫn và linh kiện ở Nhật sẽ sớm vượt qua hai công nghệp
khổng lồ là sắt thép và ô tô. Xuất khẩu điện tử (và linh kiện máy tính) trong
nước đạt 1,5 tỷ đô la/năm. Công ty Nidec (Nhật) công bố đầu tư trên 1 tỷ đô
la riêng ở Khu công nghệp cao Tp.HCM. Nhiều công ty điện tử Việt nam đã
có các thương hiệu điện tử riêng rất thành công (Hanel, Vitek, Belco, Tiến Đạt...).
1.3.2 Hướng Máy tính và Hệ Thống Nhúng (Computer and Embedded
Systems): Kiến trúc bộ xử lý và máy tính, hệ điều hành, giao tiếp và thu
nhận dữ liệu, hệ thống nhúng.
Công ty Canon (Nhật) mở nhà máy sản xuất máy in laser lớn nhất thế giới ở
Việt nam, Công ty Intel (Mỹ) (lớn nhất thế giới về linh kiện máy tính) sẽ đầu
tư hơn 1 tỷ đô la vào Khu công nghiệp cao Tp.HCM...
1.3.3 Hướng Viễn thông và Mạng (Telecommunications and Network):
Mạng dữ liệu và truyền thông, truyền thông không dây và di động, truyền
thông quang, thiết kế cao tần và không dây, an ninh mạng và CSDL
Trên thế giới ngành công nghiệp viễn thông đang ở vị trí thứ ba sau ngành
hàng không và ngân hàng nhưng theo dự kiến sẽ tiến lên vị trí số 1 về giá trị.
Doanh thu từ dịch vụ viễn thông và Internet của Việt nam sẽ đạt 3,5 tỷ đô
la/năm trong vài năm tới và trở thành nền kinh tế mũi nhọn. Nhà nước sẽ
đầu tư lớn vào viễn thông nông thôn.
1.3.4 Hướng Điện tử y sinh (Biomedical Electronics): Đo đạc và xử lý tín
hiệu, phần mềm, thiết bị.
Lĩnh vực y tế là nơi ứng dụng trình độ cao điện tử và tin học cho việc xử lý
tín hiệu (điện tim, điện não, siêu âm, chụp cắt lớp...) và thiết bị (có cái có giá
trị vài trăm ngàn đô la trở lên). Công nghệ sinh học là ngành mũi nhọn của
nhiều nước và nước ta. Khoa học, công nghệ, thiết bị ứng dụng vào đây rất hiện đại.
1.4 Các tố chất, kỹ năng cần thiết để theo nghiệp
- Có mục tiêu và đam mê
- Năng khiếu về toán học, logic, khả năng tư duy và suy luận
- Kiến thức vật lý, nhất là về vật lý điện tử
- Sự yêu thích với các thiết bị điện tử
- Thông minh và năng động - Kiên trì, nhẫn nại
- Luôn tìm tòi, học hỏi, phấn đấu bắt kịp với các xu hướng kỹ thuật công nghệ mới
- Khả năng ngoại ngữ tốt, nhất là tiếng Anh và tiếng Nhật
- Khả năng sử dụng máy vi tính và tìm kiếm thông tin từ mạng Internet
- Khả năng làm việc chung theo nhóm cũng như nghiên cứu một cách độc lập
- Cùng một số kỹ năng mềm trong giao tiếp khác
1.5 So sánh với một số ngành nghề gần với điện tử viễn thông:
Điện tử viễn thông là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật có phạm vi làm việc
rộng, trải dài từ các linh kiện điện tử, cấu trúc phần cứng máy tính, các loại
phần mềm nhúng điều khiển thiết bị (mảng cơ sở hạ tầng - hệ thống phần
cứng cấp thấp) cho đến các hệ thống mạng máy tính và viễn thông, các phần
mềm ứng dụng, hệ thống thông tin quản lý (mảng kiến trúc thượng tầng –
phần mềm ứng dụng cấp cao). Do đó các bạn theo nghiệp này nếu chịu khó
học tập, tìm hiểu và rèn luyện thì có khả năng thích nghi tốt với rất nhiều
loại môi trưởng làm việc sau này. Do đó có thể nói, điện tử viễn thông là sự
tổng hợp và dung hòa giữa các ngành khối kỹ thuật khác như CNTT, cơ điện
tử, vật lý điện tử, tự động hóa (điều khiển tự động), điện tử tin học, … Cụ
thể, ta có thể phân hướng đi như sau
- Hướng vi điện tử: thiết kế IC, các loại chip điện tử, vi điều khiển và vi xử
lý kích thước nhỏ (Gần với vật lý điện tử, điện tử tin học)
- Hướng lập trình phần mềm nhúng và điều khiển thiết bị: thiết kế hệ
thống, lập trình điều khiển phần cứng bằng các bộ vi điều khiển và vi xử lý
nhằm xây dựng, thiết kế, điều khiển và quản lý các hệ thống máy móc để
phục vụ quá trình lao động sản xuất và đời sống sinh hoạt của con người.
(Gần với tự động hóa, điều khiển tự động, cơ điện tử, kỹ thuật máy tính)
- Hướng tin học và phần mềm ứng dụng: dựa trên nền tảng cơ sở hạ tầng
phần cứng đã có sẵn, nhóm ngành này sẽ viết các chương trình hệ điều hành
và những ứng dụng quản lý có thể hoạt động trên nền đó nhằm giúp người
sử dụng có thể giao tiếp, tương tác, điều khiển được hệ thống phần cứng
cũng như thực hiện quá trình xử lý thông tin và dữ liệu sau đó. (Gần với CNTT, khoa học máy tính)
- Hướng mạng máy tính và viễn thông: lúc này thì hầu như mọi thiết bị cấu
kiện máy móc đã được khởi tạo từ các khâu trước. Giờ đây trước mắt bạn là
các linh kiện điện tử, hệ thống máy tính, mạng và viễn thông đã sẵn sàng đi
vào hoạt động, nhiệm vụ của bạn là biết cách kết nối chúng lại theo mô hình
mạng để toàn hệ thống có thể cùng làm việc một cách thông suốt và hiệu quả nhất. (Gần với CNTT)
II. Một số vấn đề trong ngành 1. Điện tử
☞Linh kiện điện tử thụ động là một linh kiện điện tử có thể hoạt động mà
không cần cung cấp nguồn điện.
- Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của
một vật thể dẫn điện. Nó được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai
đầu vật thể đó với cường độ dòng điện đi qua nó:
- Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện
được ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề
mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái . dấu
- Cuộn cảm (hay cuộn từ, cuộn từ cảm) là một linh kiện điện tử thụ động
tạo từ một dây dẫn điện với vài vòng quấn, sinh ra từ trường khi có dòng
điện chạy qua.Cuộn dây có biểu tượng mạch điện
có một độ tự cảm (hay từ dung) L đo bằng đơn vị Hen Ry (H).
- Điốt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép
dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng
các tính chất của các chất bán dẫn.Có nhiều loại điốt bán dẫn, như điốt chỉnh
lưu thông thường, điốt Zener, LED. Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung
là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N.
☞Linh kiện điện tử thụ động là một linh kiện điện tử có thể hoạt động cần cung cấp nguồn điện.
- Transistor là một linh kiện bán dẫn thường được sử dụng như một thiết bị
khuếch đại hoặc một khóa điện tử. Tranzitor là khối đơn vị cơ bản xây dựng
nên cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại
khác. Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các tranzitor được sử dụng trong
nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện
áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động.Tranzitor cũng thường được kết hợp
thành mạch tích hợp (IC),có thể tích hợp tới một tỷ tranzitor trên một diện tích nhỏ. Một số tranzito
Cũng giống như điốt, tranzito được tạo thành từ hai chất bán dẫn điện. Khi
ghép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta được một
PNP tranzito. Khi ghép một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẫn điện
âm ta được một NPN tranzito.
Mỗi tranzito đều có ba cực: 1. Cực gốc (base)
2. Cực góp (collector)
3. Cực phát (emitter)
Để phân biệt PNP hay NPN tranzito ta căn cứ vào ký hiệu linh kiện dựa vào
mũi tên trên đầu phát. Nếu mũi tên hướng ra thì tranzito là NPN, và nếu mũi
tên hướng vào thì tranzito đó là PNP.
- Vi mạch tích hợp, hay vi mạch, hay mạch tích hợp (integrated circuit,
gọi tắt IC, còn gọi là chip theo thuật ngữ tiếng Anh) là các mạch điện chứa
các linh kiện bán dẫn (như transistor) và linh kiện điện tử thụ động (như điện
trở) được kết nối với nhau, kích thước cỡ micrômét (hoặc nhỏ hơn) chế tạo
bởi công nghệ silicon cho lĩnh vực điện tử học.
Các vi mạch tích hợp được thiết kế để đảm nhiệm một chức năng như một
linh kiện phức hợp. Một mạch tích hợp sẽ giúp giảm kích thước của mạch
điện đi rất nhiều,bên cạnh đó là độ chính xác tăng lên.IC là một phần rất
quan trọng của các mạch logic. Có nhiều loại IC,lập trình được và cố định
chức năng,không lập trình được.Mỗi IC có tính chất riêng về nhiệt độ,điện
thế giới hạn,công suất làm việc,được ghi trong bảng thông tin (datasheet)
của nhà sản xuất Hiện nay, công nghệ silicon đang tính tới những giới hạn
của vi mạch tích hợp và các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra một loại vật
liệu mới có thể thay thế công nghệ silicon này.
- Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những thay đổi từ môi trường bên
ngoài và biến đổi thành các tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị khác.
Cảm biến là một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.
Có nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến nhiệt, cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại,... •
Biến trở tuyến tính, biến trở góc quay dùng để chuyển đổi sự dịch
chuyển thành điện áp. Ngoài ra còn có thể chuyển đổi kiểu điện cảm
và điện dung... Nguyên tắc chung để đo các đại lượng không điện như
nhiệt độ, quang thông, lực, ứng suất, kích thước, di chuyển, tốc độ...
bằng phương pháp điện là biến đổi chúng thành tín hiệu điện. Cấu trúc
thiết bị đo gồm ba thành phần: o
Bộ phận chuyển đổi hay cảm biến, cơ cấu đo điện và các sơ đồ
mạch trung gian hay mạch gia ông tín hiệu ví dụ như mạch
khuếch đại, chỉnh lưu, ổn định. Cảm biến xenxin làm phần tử
đo lường trong các hệ bám sát góc quay, truyền chỉ thị góc quay
ở cự ly xa mà không thực hiện được bằng cơ khí. o
Biến áp xoay (quay) dùng để biến đổi điện áp của cuộn sơ cấp
hoặc góc quay của cuộn sơ cấp thành tín hiệu ra tương ứng với
chúng. Biến áp xoay sin, cos để đo góc quay của rôto, trên đặt
cuộn sơ cấp, thành điện áp tỉ lệ thuận với sin hay cos của góc
quay đó. Biến áp xoay tuyến tính biến đổi độ lệch góc quay của
rôto thành điện áp tỉ lệ tuyến tính. o
Con quay 3 bậc tự do và con quay 2 bậc tụ do được sử dụng
làm các bộ cảm biến đo sai lệch góc và đo tốc độ góc tuyệt đối
trong các hệ thống ổn định đường ngắm của các dụng cụ quan sát và ngắm bắn. •
Cảm biến tốc độ - bộ mã hóa quang học là đĩa mã trên có khắc vạch
mà ánh sáng có thể đi qua được. Phía sau đĩa mã đặt phototransistor
chịu tác dụng của một nguồn sáng. Động cơ và đĩa mã được gắn đồng
trục, khi quay ánh sáng chiếu đến phototransistor lúc bị ngăn lại, lúc
không bị ngăn lại làm cho tín hiệu ở cực colecto là một chuỗi xung.
Trên đĩa mã có khắc hai vòng vạch, ngoài A trong B có cùng số vạch,
nhưng lệch 90° (vạch A trước B là 90°). Nếu đĩa mã quay theo chiều
kim đồng hồ thì chuỗi xung B sẽ nhanh hơn chuỗi xung A là ½ chu kỳ
và ngược lại. Thiết bị đo tốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer. •
Cảm biến nhiệt độ như Pt 56Ω, Pt 100Ω, Thermocouple…
- Ăngten (từ tiếng Pháp: antenne) là một linh kiện điện tử có thể bức xạ
hoặc thu nhận sóng điện từ. Có nhiều loại ăngten: ăngten lưỡng cực,
ăngten mảng ... Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, ăng-ten có hai
chức năng cơ bản. Chức năng chính là để bức xạ các tín hiệu RF từ máy
phát dưới dạng sóng vô tuyến hoặc để chuyển đổi sóng vô tuyến thành tín
hiệu RF để xử lý ở máy thu. Chức năng khác của ăngten là để hướng
năng lượng bức xạ theo một hay nhiều hướng mong muốn, hoặc “cảm
nhận” tín hiệu thu từ một hay nhiều hướng mong muốn còn các hướng
còn lại thường bị khóa lại. Về mặt đặc trưng hướng của ăngten thì có
nghĩa là sự nén lại của sự phát xạ theo các hướng không mong muốn
hoặc là sự loại bỏ sự thu từ các hướng không mong muốn. Các đặc trưng
hướng của một ăng-ten là nền tảng để hiểu ăng-ten được sử dụng như thế
nào trong hệ thống thông tin vô tuyến. Các đặc trưng có liên hệ với nhau
này bao gồm Tăng ích, tính định hướng, mẫu bức xạ (ăng-ten), và phân
cực. Các đặc trưng khác như búp sóng, độ dài hiệu dụng, góc mở hiệu
dụng được suy ra từ bốn đặc trưng cơ bản trên. Trở kháng đầu cuối ( đầu
vào) là một đặc trưng cơ bản khác khá quan trọng. Nó cho ta biết trở
kháng của ăng-ten để kết hợp một cách hiệu quả công suất đầu ra của
máy phát với ăng-ten hoặc để kết hợp một cách hiệu quả công suất từ
ăng-ten vào máy thu. Tất cả các đặc trưng ăngten này đều là một hàm của tần số. 2. Viễn Thông
Thuật ngữ Viễn Thông (télécommunication) được ghép từ từ
communication (liên lạc) với tiền tố télé (từ xa). Edouard ESTAUNIE,
người Pháp, chính là người đưa ra thuật ngữ télécommunication vào năm
1904. Thời bấy giờ từ télécommunication dùng để chỉ chung cho
telegraph và telephone. Từ tiếng Anh gọi là telecommunication (không
có dấu) hay người ta vẫn gọi tắt là telecom.
Thuật ngữ viễn thông được dùng để chỉ tập hợp các thiết bị, các giao thức
để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác. Các thành phần cơ bản của
một hệ thống viễn thông bao gồm (xem hình 1):
Hình 1: Mô hình viễn thông cơ bản
- Một máy phát (transmitter) ở nguồn (source). Máy phát sẽ lấy thông tin
(information) và chuyển đổi nó thành tín hiệu (signal) để có thể truyền được.
- Tín hiệu sẽ được truyền trên một kênh truyền (channel/medium).
- Một máy thu (receiver) sẽ được đặt ở đích đến (sink) để thu nhận tín hiệu
truyền từ nguồn và chuyển đổi tín hiệu ngược lại thành thông tin.
Thực tế, viễn thông đã tồn tại từ rất xa xưa. Sơ khai nhất có thể kể đến việc
liên lạc bằng cách đốt lửa cho bốc khói lên để báo động giặc đến. Hoặc dùng
tiếng kèn, trống, chuông, ám hiệu… để báo hiệu những mối nguy hiểm đang
đến gần. Tiếp theo là sự ra đời của telegraph, rồi telephone. Và ngày nay thì
có vô số loại hình viễn thông khác nhau, như Internet, hệ thống điện thoại di
động, satellite, Bluetooth, infrared…. Trong bất cứ hệ thống viễn thông nào
kể trên, chúng ta điều có thể nhận ra các thành phần cơ bản kể trên.
Nhiệm vụ của viễn thông là làm thế nào để truyền thông tin nhanh, chính
xác, chất lượng cao, bảo mật tốt, và dĩ nhiên là đáp ứng nhu cầu truyền
thông của con người. Do đó có thể nói ngành viễn thông bao gồm tất cả các
lĩnh vực nhằm góp phần vào việc thực hiện và cải tiến quá trình truyền thông.
Tổng quan các lĩnh vực trong viễn thông a. Xử lý tín hiệu
Trước tiên, cốt lõi của viễn thông là truyền thông tin. Thông tin là một phần
quan trọng không thể thiếu. Thông tin trong viễn thông có nhiều dạng khác
nhau, như tiếng nói, hình ảnh, video…. Mỗi thông tin có các thuộc tính khác
nhau. Thông tin có thể tồn tại dưới 2 dạng: analog (tính hiệu liên tục theo
thời gian hay còn gọi là tín hiệu tương tự) hoặc digital (tính hiệu số). Tín
hiệu liên tục theo thời gian cũng được xử lý một cách hiệu quả theo qui
trình: biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (biến đổi A/D), xử lý tín
hiệu số (lọc, biến đổi, tách lấy thông tin, nén, lưu trử, truyền,...) và sau đó,
nếu cần, phục hồi lại thành tín hiệu tương tự (biến đổi D/A) để phục vụ cho các mục đích cụ thể.
Tất cả các xử lý thông tin như nén kích thước thông tin, chuyển đổi định
dạng, giảm kích thước thông tin, watermaking, xóa nhiễu, tái chế, phục hồi,
nhận dạng … được gọi chung là xử lý tín hiệu (Signal Processing). Thực
chất xử lý tín hiệu là một môn cơ sở không thể thiếu được cho nhiều ngành
khoa học, kỹ thuật như: điện, điện tử, tự động hóa, tin học, vật lý và viễn
thông. Xứ lý tín hiệu có nội dung khá rộng dựa trên một cơ sở toán học
tương đối phức tạp. Nó có nhiều ứng dụng đa dạng, trong nhiều lĩnh vực
khác nhau. Rất khó phân biệt rạch ròi đâu là xử lý tín hiệu trong viễn thông,
đâu không phải là cho viễn thông. Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu một số
khía cạnh của xử lý tín hiệu trong viễn thông:
- Nhu cầu truyền thông tin multimedia (hình ảnh, âm thanh, video) với thời
gian thực (real-time) ngày càng cao dẫn đến cần phải có các định dạng cho
kích thước nhỏ và chất lượng tốt. Đó chính là một trong những nhiệm vụ của
xử lý tín hiệu multimedia.
- Bài toán nhận dạng: nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, chữ viết, chuẩn đoán
bệnh qua telemedicine (y học từ xa thông qua Internet), xác định vị trí, tốc
độ, đường đi của các vật thể liên lạc di động (mobile communicating object),
chuẩn đoán “bệnh” của một thiết bị viễn thông trong hệ thống (dựa vào các
thông tin xác suất)… cũng là một dạng xử lý tín hiệu.
- Trong truyền thông, thông tin thường bị nhiễu noise, echo, bị các hiệu ứng
fading, đa đường, mixer (trộn lẫn thông tin từ nhiều nguồn)…. Thông tin thu
được do đó cần phải được xử lý để làm giảm các hiệu ứng này.
b. Truyền thông kỹ thuật số
Trước khi truyền đi, thông tin sẽ phải được mã hóa, nén, điều chế, v.v. được
minh họa bởi sơ đồ truyền thông tin ở hình 2. Tất cả các quá trình diễn ra
trong dây chuyền truyền thông tin như điều chế, encoder, mã hóa, v.v. thì
được gọi chung là truyền thông kỹ thuật số (digital communication). Đôi khi
người ta vẫn xem truyền thông kỹ thuật số là một dạng xử lý tín hiệu. Tuy
nhiên, chung tôi muốn tách biệt nó ra khỏi phần xử lý tín hiệu vì nó mang nhiều đặc thù riêng.
Kỹ thuật truyền thông số đã phát triển từ gần 60 năm qua, có thể tính từ khi
ra đời lý thuyết thông tin của Claude Shannon (1948). Nhưng phải đến
những năm 70’s thì những hệ thống đầu tiền sử dụng lý thuyết thông tin này
mới ra đời vì đến lúc đấy thì tốc độ tính tóan của phần cứng mới đủ khả
năng thực hiện các thuật tóan phức tạp của lý thuyết truyền thông.
Hình 2: Sơ đồ truyền thông tin
Mỗi một block trên hình 2 là một vấn đề nghiên cứu của truyền thông kỹ
thuật số. Truyền thông kỹ thuật số xây dựng và phát triển các giao thức viễn
thông ở lớp vật lý (physical) và lớp kết nối thông tin (data-link) (trong mô
hình 7 lớp của ISO mà sẽ được giới thiệu ở phần sau của bài viết này). Cùng
với sự ra đời và phát triển của nhiều công nghệ truyền thông mới, đặc biệt là
các công nghệ không dây, truyền thông kỹ thuật số cũng không ngừng phát
triển để đáp ứng nhu cầu truyền thông với tốc độ nhanh và hiệu quả cao (ít
lỗi). Các nghiên cứu nhằm tìm ra hoặc cải tiến các quá trình mã hóa, điều
chế, các mã hóa sữa sai phối hợp phức tạp, các cách thức “access” vào kênh
truyền có chọn lọc, các kỹ thuật trãi phổ mới vẫn đang tiếp diễn. Khuynh
hướng thiết kế dây chuyền truyền thông có khả năng tự thích ứng (adaptive),
có khả năng nhận thức (cognitive), có thể tự cấu hình (reconfigurable) để có
thể truyền thông tin trên nhiều mạng truy cập khác nhau hay còn gọi là
software defined radio (SDR) vẫn đang được tập trung nghiên cứu phát
triển. Các kỹ thuật mới này đòi hỏi các thành phần RF (radio frequency)
hoặc các bộ vi xử lý số (digital processor), bộ nhớ (memory) phải ngày càng
cung cấp nhiều tính năng hơn với giá thành thấp hơn và năng lượng tiêu thụ thấp.
c. Truyền sóng điện từ/vô tuyến và điện tử RF
Thông tin sau khi được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự sẽ được truyền đi
giữa máy phát và máy thu thông qua một môi trường hoặc dây dẫn (sóng
điện từ) hoặc môi trường không dây dẫn (sóng vô tuyến). Trong viễn thông
không dây, ngày này mọi người đều nói đến việc kết hợp nhiều angten để
thu và phát sóng (MIMO) hoặc sử dụng angten thông minh (smart antenna)
để tăng hiệu quả truyền sóng. Bên cạnh đó, những có gắng nhằm biến khả
năng sử dụng đường dây tải điện kiêm đường dây tải thông tin cũng được tiếp tục nghiên cứu.
Hình 3: Ví dụ mô hình đơn giản của máy thu kỹ thuật số
Để truyền sóng thông tin, chúng ta cần phải có máy phát và máy thu. Hình 3
là ví dụ của một máy thu bao gồm angten, các bộ lọc, bộ trộn (mixer), các
chuyển đổi A/D hoặc ngược lại D/A… Khía cạnh này của viễn thông gắn
liền với lĩnh vực điện tử (vi mạch xử lý, FPGA, ASIC…) d. Mạng viễn thông
Thông thường, thông tin trao đổi giữa hai thực thể (source và sink) sẽ được
truyền qua nhiều thực thể trung gian để tạo thành một đường nối (logical
link) giữa 2 thực thể này. Tất cả các thực thể tham gia cấu thành cho quá
trình trao đổi thông tin này tạo thành một mạng (network) viễn thông.
Hình 4: Ví dụ mạng ad hoc
Một ví dụ đơn giản về mạng đó là mạng ad hoc như ở hình 4. Trong mạng
này, bất kỳ 2 thực thể nào cũng có thể liên lạc với nhau hoặc trực tiếp, hoặc
thông qua các thực thể trung gian khác. Một ví dụ phức tạp hơn là thực thể
A kết từ PDA tới AP wifi bằng không dây. AP wifi lại nối kết phía sau
modem ADSL đến SDLAM (cáp ADSL). DSLAM sẽ nối kết vào mạng lõi.
Ở đâu bên kia, thực thể đối thoại B nối kết vào mạng lõi thông qua mạng di
động UMTS chẳng hạn. Mô hình mạng vừa miêu tả ở trên được thể hiện ở hình 5 dưới đây.
Hình 5: Kiến trúc mạng viễn thông
Nhìn về kiến trúc mạng, ta có thể dễ dàng phân biệt 2 mạng: mạng truy cập
(access network) và mạng lõi (core network/ transport network). Sự phân
chia này khá rõ ràng trong mô hình mạng tế bào.
- Mạng lõi/trục: Khuynh hướng phát triển của mạng lõi sẽ là mạng IP (IP-
based core) để cho phép nối kết nhiều công nghệ mạng truy cập khác nhau
lại với nhau dễ dàng và bởi vì thông tin trong tương lai sẽ hoàn toàn ở dạng
gói. Vấn đề của mạng lõi là làm thể nào để chuyển gói thông tin thật nhanh
(hàng trăm Gbps trở lên). Ý tưởng chủ đạo để thực hiện điều đó là cắt gói
thông tin thành từng gói nhỏ (giống trong ATM), hoặc thực hiện routing ở
mức độ thấp hơn IP chẳng hạn dựa vào label như trong MPLS, hoặc
VCI/VPI trong ATM, hoặc Ethernet. Bên cạnh người ta cũng đưa khái niệm
chất lượng dịch vụ (Quality of Service) vào trong mạng lõi (DiffServ,
Intserv, RSVP…). Một ví dụ về mạng lõi hội tụ các mạngATM, Ethernet,
Voice, Frame Relay, IP nhờ vào MPLS được thể hiện ở hình 6. Lớp vật lý
trong mạng lõi sử dụng các kỹ thuật truyền cáp quang như SDH, SONET,
WDM để có thể vận chuyển thông tin với tốc độ cao.
Hình 6: Mạng lõi trong tương lai sử dụng MPLS
- Công nghệ Internet: Internet có thể được xem như là một mạng công cộng
ở tầm thế giới dựa trên công nghệ IP (Internet Protocol). Tên Internet được
sử dụng vào năm 1983 để chỉ mạng ARPANET, mạng được xây dựng từ
những năm 70’s (thời kỳ chiến tranh lạnh) bởi Hoa Kỳ với mục đích dùng
cho liên lạc trong quân đội. Nhiệm vụ của mạng ARPANET là làm thế nào
vẫn hoặt động được nếu một phần của mạng bị hỏng, đặt trong bối cảnh bị
tấn công hạt nhân của Liên Xô. Từ đó mạngInternet đã không ngừng phát
triển. Điểm khác biệt của Internet và mạng điện thoại thời bấy giờ là trong
Internet thông tin sẽ được đóng thành gói (packet) và không cần thiết phải
tạo một circuit (mạch) nối giữa 2 thực thể liên lạc đầu và cuối.Internet hoặc
động trên mô hình lớp (7 lớp) với nhiều giao thức khác nhau. Trong công
nghệ mạng IP, người ta càng ngày càng quan tâm đến chất lượng dịch vụ:
giao thức QoS, điều khiển tắt nghẹn mạng (congestion), điều chỉnh lưu
thông traffic trong mạng, đặt/thuê trước tài nguyên mạng (RSVP),…. Cũng
nhằm hướng đến một chất lượng dịch vụ tốt hơn các router, switch tốc độ
cực nhanh (ultra-high speed) cũng đang được quan tâm nghiên cứu. Kéo
theo là các nghiên cứu và ứng dụng hiệu quả lý thuyết hàng đợi nâng cao,
phân bố công việc nâng cao trong các thiết bị viễn thông. Bên cạnh Internet
tốc độ cao, Internet di động (mobile) là một nhu cầu cấp thiết: Internet
không dây, VoIP di động (Skype, SIP, H323, MEGACO), quản lý di động
(Mobile IP, Mobike, IKEv2, IPv4-IPv6 translation). Gần đây, các kỹ thuật
P2P (peer-to-peer) (chia sẻ thông tin ngang hàng) như Kazza, Bittorent,
Skype, P2P TV…nhận được sử hưởng ứng mạnh mẻ của người dùng.
- Công nghệ mạng di động không dây: Công nghệ mạng di động ngày càng
phát triển mạnh mẻ. Mỗi mạng di động phát triển nhằm vào những đối tượng
người dùng khác nhau, những ứng dụng khác nhau. Các công nghệ nổi bật:
+Đầu tiên phải kể đến là mạng tế bào (cellular):Mạng tế bào phát triển thông
qua các thể hệ từ 1G đến beyond 3G. Mạng di động thể hệ thứ 3G (UMTS,
CDMA2000) đang được triển khai rộng khắp. Tuy nhiên nhiều nghiên cứu
đang hướng về mạng thể hệ 3.9G (gẫn 4G) như 3G LTE của 3GPP và UMB
của 3GPP2. Mục đích là tăng tốc độ truyền thông tin lên tầm hàng trăm Mbps.
+ Mạng satellite được dùng thay thể cho cáp dưới biển và dùng cho liên lạc
ở những nơi mà không thể triển khai hạ tầng mạng (liên lạc đến các tàu trên
đại dương, trên sa mạc…). Satellite còn dùng cho định vị ở ngoài trời (GPS).
+ Mạng WLAN 802.11: Hiện tại trên thị trường chỉ tìm thấy mạng
802.11a/b/g còn các chuẩn khác như i/k/l/m/n/f/e… nhiều chuẩn đã hoàn tất
giai đoạn hóa và đang trong qua trình đưa ra thị trường và cũng nhiều chuẩn
đang trong giai đoạn nghiên cứu và chuẩn hóa.
+ Mạng WIMAX , WiBro (802.16): Phiên bản cố định (802.16d) đang trong
giai đoạn thử nghiệm và triển khai ở một số nước, phiên bản di động
(802.16e) đã được chuẩn hóa xong và IEEE đang bắt tay vào nghiên cứu và
chuẩn hóa 802.16j (relay Wimax).
+ Mạng Wireless Personal Area Network (WPAN): Mạng này hoạt động ở
khỏang cách tầm vài mét trở lại như Bluetooth (802.15.1), Zigbee
(802.15.4), RFID, mạng băng thông cực rộng UWB (Ultra Wideband)
(802.15.3). Vấn đề giải quyết giao thoa RF là một trong những vấn đề mà
WPAN cần phải giải quyết. Bên cạnh người ta cũng đang ứng dụng mạng
WPAN vào việc định vị trong nhà (indoor) vì GPS chỉ cho phép định vị outdoor.
+ Mạng adhoc và cảm biến: Ứng dụng của nó ngày càng rộng rải, trong quân
đội, trong đời sống hằng ngày, trong y tế, trong quản lý môi trường… Một
số vấn đề nổi cộm của mạng adhoc và cảm biến là routing, khả năng tự hiệu
chỉnh (reconfigurable), bảo mật và tiết kiệm năng lượng.
+ Mạng 4G: Do có nhiều mạng khác nhau, khuynh hướng tiếp theo sẽ là hội
tụ tất cả chúng lại để phục vụ người dùng một cách tốt hơn. Lý do hội tụ là
vì không có bất kỳ công nghệ nào có thể đáp ứng tất cả các nhu cầu như: tốc
độ truyền thông tin cao, chất lượng dịch vụ cao, vùng phủ sóng lớn, thích
ứng cho người dùng khi di chuyển với tốc độ cao, giá thành rẻ… Tuy theo
từng ứng dụng sẽ có một loại hình mạng thích ứng. Tương lai viễn thông
đang phát triển theo hướng hội tụ: thiết bị đầu cuối (terminal) phát triển theo
hướng tất cả trong một (one-in-all), mạng phát triển theo hướng hội tụ theo
nhiều mức độ khác nhau. e. Bảo mật
Trong viễn thông vấn đề bảo mật ngày càng trở nên quan trọng và thiết yếu.
Bảo mật có thể chia thành 2 mảng chính, đó là bảo mật cho mạng (network
security) và mã hóa (cryptology). Ngành mã hóa là một ngành khoa học lâu
đời. Trong kỷ nguyên hiện đại, mã hóa được xây dựng dựa trên các lý thuyết
tóan học phức tạp về số nguyên tố, định lý fermat, hay gần đây là dựa vào
đường elip, lượng tử (Quantum)… Cùng với sự phát triển vượt bật của tốc
độ tính toán, các thuật tóan mã hóa ngày càng phải được cải tiến để chóng
lại việc bẻ khóa bằng thuật tóan tìm kiếm exhaustive. Trong suốt quá trình
liên lạc, thông tin cần phải được mã hóa sao cho chỉ có 2 thực thể đang liên
lạc với nhau có thể giải mã được thông tin ấy còn các thực thể trung gian chỉ
có thể đọc được địa chỉ để chuyển thông tin đi. Mã hóa có thể tham gia vào
quá trình thông ở nhiều mức độ khác nhau: sóng radio, thông tin góiIP ,…
Trong mạng viễn thông, nhiều giao thức được nghiên cứu và hình thành
nhằm đáp ứng nhu cầu bảo mật trong liên lạc như: SSL/TLS, IPsec, VPN,
Radius/Diameter, EAP….Mỗi một công nghệ mạng di động có một cơ chế
bảo mật riêng. Một số vần đề bảo mật trong mạng là làm thế nào để thực
hiện các quá trình xác thực (authentication và identification) các thực thể
trong mạng nhanh, giảm khối lượng thông tin trao đổi (overhead) giữa các
thực thể, giải quyết bài toán bảo mật trong mạng hội tụ…
3. Kết luận
Nhìn chung thì điện tử viễn thông là một ngành khoa học kỹ thuật hấp
dẫn và đầy thử thách, phạm vi làm việc rộng giúp cho SV tốt nghiệp có
được khả năng thích nghi với nhiều loại môi trường khác nhau. Bước
chân vào ngành này là bạn đã mở ra cánh cửa công nghệ để bước vào
kỷ nguyên kỹ thuật số của thế kỷ 21.Bài viết này nhằm mục đích giới
thiệu một cái nhìn khái quát về ngành viễn thông, các lĩnh vực mà viễn
thông đang quan tâm nghiên cứu và phát triển. Do tính chất giới thiệu
của bài viết nên nhiều khía cạnh đã không được đào sâu, hoặc không
được đề cập đến trong bài viết. Điện tử viễn thông được đánh giá là một
ngành có tiềm năng phát triển đóng góp lớn cho sự phát triển ở nước ta. The end
Design by mcnb_02buichien