Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án được thực hiện trong bối cảnh ngành viễn thông Việt Nam đang trải qua giai đoạn chuyển đổi mạnh mẽ từ công nghệ tương tự sang kỹ thuật số. Tác giả xác định rằng các tổng đài trong và ngoài nước thời điểm nghiên cứu hầu hết đã là tổng đài điện tử số điều khiển theo chương trình lưu trữ (SPC), với tính linh hoạt cao, dung lượng lớn, cấu trúc gọn nhẹ theo từng modul. Ngành bưu điện Việt Nam được nhận định là một ngành có vai trò quan trọng trong kết cấu hạ tầng cơ sở của nền kinh tế quốc dân, đang phát triển với chiến lược đi thẳng vào kỹ thuật mới.
Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được tác giả đặt ra qua câu hỏi trực tiếp: kỹ thuật chuyển mạch số, ghép kênh số, tổng đài số cụ thể như thế nào, và lấy tổng đài Alcatel-1000E10 do Pháp sản xuất làm đối tượng nghiên cứu cụ thể.
Đối tượng nghiên cứu: Kỹ thuật chuyển mạch số và trường chuyển mạch số trong tổng đài Alcatel 1000-E10.
Phạm vi: Tập trung vào các kỹ thuật nền tảng của tổng đài SPC bao gồm điều chế xung mã PCM, chuyển mạch số, ghép kênh số 30/32, báo hiệu và cấu trúc cụ thể của tổng đài Alcatel 1000-E10. Đồ án không giới hạn theo thời gian triển khai cụ thể mà tiếp cận theo hướng trình bày kỹ thuật nền tảng ở thời điểm công nghệ tổng đài SPC đang được phổ biến rộng rãi.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng:
Đồ án xây dựng trên các cơ sở lý thuyết sau, đều được tác giả nêu tên và trình bày:
- Định lý Kachenhihcop (định lý lấy mẫu): Nội dung phát biểu rằng một tín hiệu liên tục có giải tần xác định từ f_min đến f_max có thể biểu diễn bằng các điểm rời rạc theo thời gian với chu kỳ T_S thỏa mãn điều kiện f_s = 2f_max. Đây là cơ sở toán học cho kỹ thuật PCM.
- Hàm nén A-law (đặc tuyến nén theo luật A = 87,6): Được Châu Âu sử dụng trong lượng tử hóa không đều, đối lập với luật μ mà Mỹ và Nhật áp dụng.
- Kỹ thuật PCM (Pulse Code Modulation): Được phát minh bởi Reeves năm 1937, ứng dụng thực tế từ giữa thập niên 60.
- Cấu trúc chuyển mạch thời gian số (TSW/T) và chuyển mạch không gian số (SSW/S): Hai loại chuyển mạch cơ bản, kết hợp thành các cấu trúc đa tầng T-S, S-T, T-S-T, S-T-S, T-S-S-T.
- Phân cấp gần đồng bộ PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy): Tiêu chuẩn ghép kênh của ba khu vực Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản.
Phương pháp nghiên cứu: Đồ án sử dụng phương pháp phân tích-tổng hợp lý thuyết kỹ thuật. Tác giả trình bày từng kỹ thuật thành phần theo cấu trúc: định nghĩa → phân loại → cấu tạo → nguyên lý hoạt động → nhận xét ưu/nhược điểm. Không có số liệu thực nghiệm hay khảo sát; toàn bộ nội dung là phân tích kỹ thuật dựa trên tài liệu chuyên ngành.
Nguồn dữ liệu: Tài liệu kỹ thuật về tổng đài Alcatel 1000-E10 và các tiêu chuẩn viễn thông quốc tế (ITU-T, tiêu chuẩn Châu Âu, Bắc Mỹ, Nhật Bản).
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Kỹ thuật điều chế xung mã (PCM)
Chương trình bày toàn bộ quy trình biến đổi tín hiệu thoại tương tự thành tín hiệu số qua ba giai đoạn: lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa.
- Lấy mẫu: Dựa trên định lý Kachenhihcop, tần số lấy mẫu f_s = 8.000 Hz với chu kỳ T_S = 125 μs được chọn làm chuẩn cho tín hiệu thoại có f_max = 4 kHz. Hiện tượng chồng phổ xảy ra khi f_s < 2f_max.
- Lượng tử hóa: So sánh hai phương pháp lượng tử hóa đều và không đều. Lượng tử hóa đều yêu cầu từ mã 12 bit để đảm bảo S/N ≥ 65 dB (theo công thức S/N = 6×b). Lượng tử hóa không đều theo đặc tuyến nén A = 87,6 (13 đoạn, Châu Âu) cho phép giảm từ 12 bit xuống còn 8 bit mà vẫn đảm bảo tỉ số S/N, với vùng dương 128 mức dùng 7 bit và 1 bit dấu.
- Mã hóa: Ba phương pháp được so sánh: mã hóa trực tiếp (nhược điểm: bộ nhớ lớn, tốc độ chậm), mã hóa gián tiếp đếm qua trung gian (chậm, không dùng), và mã hóa bằng phương pháp so sánh (7 điện áp mẫu U_RF, 7 bước so sánh, được sử dụng trong thực tế). Kết quả PCM: từ mã 8 bit, chu kỳ 125 μs, tốc độ bit thoại số = 64 kbps, dải tần kênh thoại số = 32 kHz.
Chương II: Chuyển mạch số trong Tổng Đài
Đây là chương trung tâm của đồ án, trình bày hai loại chuyển mạch cơ bản và các cấu trúc kết hợp:
- Chuyển mạch thời gian số (TSW/T): Trao đổi thông tin giữa các khe thời gian bất kỳ trong một luồng PCM. Cấu tạo gồm bộ nhớ thoại BM (dung lượng 8×R bit) và bộ nhớ điều khiển CM (dung lượng R×log₂R bit). Hai phương pháp: ghi tuần tự-đọc điều khiển và ghi điều khiển-đọc tuần tự. Hạn chế: dung lượng nhỏ.
- Chuyển mạch không gian số (SSW/S): Ma trận n×m tiếp điểm (diode hoặc cổng AND), trao đổi thông tin giữa các khe thời gian cùng thứ tự ở các luồng PCM khác nhau. Dung lượng lớn nhưng không độc lập tạo tuyến đấu nối.
- Chuyển mạch kết hợp:
- 2 tầng (T-S, S-T): dùng cho tổng đài dung lượng trung bình, xảy ra nhỡ việc lớn.
- 3 tầng (T-S-T, S-T-S): dùng cho tổng đài dung lượng lớn, không xảy ra tắc nghẽn.
- 4 tầng (T-S-S-T): dùng cho tổng đài dung lượng rất lớn, tối đa nối chéo m chuyển mạch.
Cuối chương có phần mô tả mạch điện tín hiệu thoại hoàn chỉnh theo cả hai hướng A→B và B→A trong chuyển mạch 3 tầng T-S-T với sử dụng IC codec, mạch 2/4 dây và thiết bị MUX/DMUX.
Chương III: Cấu trúc ghép kênh số 30/32
Chương so sánh ba tiêu chuẩn ghép kênh quốc tế:
| Tiêu chuẩn |
Khung cơ sở |
Số kênh |
Tốc độ |
| Châu Âu (PCM-30) |
125 μs / 32 TS |
30 kênh thoại |
2,048 Mb/s |
| Bắc Mỹ (PCM-24) |
125 μs / 193 bit |
24 kênh thoại |
1,544 Mb/s |
| Nhật Bản (PCM-24) |
125 μs / 193 bit |
24 kênh thoại |
1,544 Mb/s |
Khung Châu Âu: TS0 truyền từ mã đồng bộ khung (x0011011 cho khung chẵn; x1Axxxxx cho khung lẻ), TS16 truyền báo hiệu cho 30 kênh trong đa khung 16 khung (chu kỳ 2 ms). Phân cấp PDH Châu Âu 5 cấp từ 2,048 Mb/s đến 560 Mb/s; Bắc Mỹ 4 cấp đến 405 Mb/s; Nhật Bản 5 cấp đến 400 Mb/s. Chương nêu rõ các nhược điểm của PDH: tách/ghép phải qua từng cấp, tốc độ cao nhất cấp 4 Châu Âu chỉ 140 Mb/s, ba phân cấp không tương thích nhau, không khai thác hết năng lực cáp quang.
Chương IV: Tổng đài điện tử SPC
Tổng đài SPC (Stored Program Control) được định nghĩa là tổng đài tự động điều khiển theo chương trình ghi sẵn, trong đó toàn bộ thứ tự xử lý cuộc gọi, phương án tạo tuyến đấu nối, số liệu thuê bao đều được lưu trong bộ nhớ dung lượng lớn. Ưu điểm chính: tính linh hoạt cao, mở rộng dung lượng và dịch vụ chỉ cần thay đổi phần mềm mà không cần thay đổi phần cứng. Chương mô tả kiến trúc điều khiển tập trung bằng bộ vi xử lý và các bộ nhớ số liệu.
Chương V: Báo hiệu
Chương trình bày các phương thức báo hiệu được sử dụng trong mạng tổng đài, bao gồm báo hiệu kênh liên kết (CAS) và các tín hiệu được truyền trong khe TS16 của khung ghép Châu Âu, mỗi kênh báo hiệu sử dụng 4 bit.
Chương VI: Tổng đài Alcatel 1000-E10
Chương trình bày cấu trúc cụ thể của tổng đài Alcatel 1000-E10 do Pháp sản xuất, bao gồm trường chuyển mạch số của hệ thống này — đây là nội dung cốt lõi của toàn bộ đồ án, là điểm hội tụ của tất cả các kỹ thuật đã trình bày ở các chương trước.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật có trong văn bản:
- Xác định tần số lấy mẫu chuẩn f_s = 8.000 Hz (chu kỳ 125 μs) cho tín hiệu thoại f_max = 4 kHz.
- Chứng minh S/N = 6×b, với yêu cầu tối thiểu S/N = 65 dB cần b = 11 bit (+ 1 bit dấu = 12 bit), và lượng tử hóa không đều A = 87,6 giảm xuống còn 8 bit.
- Chỉ rõ tốc độ bit thoại số = 64 kbps; dải tần kênh thoại số tăng lên 32 kHz so với thoại tương tự.
- Phân tích điều kiện không tắc nghẽn trong chuyển mạch 3 tầng T-S-T và S-T-S so với chuyển mạch 2 tầng.
- Xác định dung lượng bộ nhớ CM của chuyển mạch S theo điều khiển cột: R×log₂n bit; theo điều khiển hàng: R×log₂m bit.
Đóng góp của đồ án: Tác giả tự xác định đây là tài liệu mang lại "những kiến thức cơ bản" về kỹ thuật chuyển mạch số và tổng đài SPC, phù hợp với định hướng ứng dụng công nghệ mới của ngành bưu điện Việt Nam giai đoạn đó.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Văn bản không trực tiếp phát biểu phần hạn chế và hướng mở. Tuy nhiên, từ phạm vi nghiên cứu có thể nhận thấy:
- Đồ án tập trung vào kỹ thuật nền tảng của PCM và chuyển mạch kênh truyền thống; không đề cập đến chuyển mạch gói hay các kỹ thuật ATM đang phát triển song song ở giai đoạn đó.
- Phần về tổng đài Alcatel 1000-E10 (Chương VI) không hiện diện đầy đủ trong phần văn bản được cung cấp, cho thấy phạm vi phân tích thực tế của đồ án có thể chưa đi sâu vào toàn bộ kiến trúc phần cứng cụ thể của thiết bị.
- PDH được trình bày nhưng SDH (Synchronous Digital Hierarchy) — chuẩn kế thừa khắc phục nhược điểm PDH — không được đề cập, là hướng tiếp theo tự nhiên cho nghiên cứu sau.
Giá trị tham khảo
Đồ án phù hợp cho:
- Sinh viên ngành Điện tử Viễn thông tìm hiểu nền tảng kỹ thuật tổng đài số truyền thống, đặc biệt cơ chế PCM và kiến trúc chuyển mạch T/S.
- Người học về lịch sử phát triển viễn thông muốn hiểu nguyên lý công nghệ SPC trước khi chuyển sang VoIP và softswitch.
- Những ai nghiên cứu về tổng đài Alcatel 1000-E10 hoặc các hệ thống tổng đài thế hệ tương đương tại Việt Nam cuối thập niên 1990.
Phần đáng tham khảo nhất là Chương II với phân tích chi tiết bộ nhớ thoại BM, bộ nhớ điều khiển CM, hai phương pháp ghi/đọc và nguyên lý hoạt động của chuyển mạch kết hợp nhiều tầng — nội dung được trình bày có hệ thống và cụ thể theo từng bước.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao tần số lấy mẫu được chọn là 8.000 Hz mà không cao hơn?
Theo định lý Kachenhihcop, tần số lấy mẫu tối thiểu là f_s = 2×f_max = 2×4.000 = 8.000 Hz để không bị méo chồng phổ. Tần số cao hơn giúp khôi phục tín hiệu chính xác hơn nhưng làm giảm số kênh ghép được trong cùng khung thời gian 125 μs, nên thực tế chọn 8.000 Hz là điều kiện có thể chấp nhận được.
2. Tại sao lượng tử hóa không đều theo luật A = 87,6 lại giảm được số bit từ 12 xuống 8?
Lượng tử hóa đều cần 12 bit để đảm bảo S/N = 65 dB (b = 11 bit mức + 1 bit dấu). Lượng tử hóa không đều chia bước lượng tử tỉ lệ với tín hiệu (Δx = k×x), duy trì S/N = const ở mọi mức biên độ, cho phép dùng đặc tuyến nén 13 đoạn (A = 87,6) để đạt cùng chất lượng với chỉ 8 bit từ mã.
3. Tại sao chuyển mạch 2 tầng T-S và S-T chỉ dùng cho tổng đài dung lượng trung bình?
Do tầng chuyển mạch ở đầu ra (T-S) hoặc đầu vào (S-T) làm việc ở chế độ nối với khe bắt buộc, gây xác suất nhỡ việc cao khi nhiều khe của một luồng đồng thời có nhu cầu nối với các khe khác nhau của các luồng ra. Chuyển mạch 3 tầng T-S-T khắc phục điều này vì tầng T đầu vào nối tự do với khe TSk bất kỳ.
4. Khe TS0 và TS16 trong khung ghép 30/32 Châu Âu có chức năng gì?
TS0 dùng truyền từ mã đồng bộ khung: khung chẵn truyền x0011011, khung lẻ truyền x1Axxxxx (A = 0 là đồng bộ, A = 1 là không đồng bộ từ xa). TS16 dùng truyền báo hiệu: mỗi khe TS16 truyền 2 kênh báo hiệu ×4 bit, cần 16 khung ghép (đa khung chu kỳ 2 ms) để truyền đủ 30 kênh báo hiệu.
5. Điều khiển theo cột và điều khiển theo hàng trong chuyển mạch S khác nhau như thế nào?
Điều khiển theo cột (đầu vào): CM chọn luồng PCM vào nào để nối với đầu ra cố định — bộ nhớ CM của cột k lưu địa chỉ luồng vào j, dung lượng R×log₂n bit. Điều khiển theo hàng (đầu ra): CM chọn luồng PCM ra nào để nối với đầu vào cố định — bộ nhớ CM của hàng j lưu địa chỉ luồng ra k, dung lượng R×log₂m bit. Cả hai cho kết quả đấu nối tương đương nhưng logic điều khiển ngược chiều.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp ngành Điện tử Viễn thông của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội này trình bày có hệ thống các kỹ thuật nền tảng cấu thành tổng đài số SPC, từ điều chế xung mã PCM, chuyển mạch số (T, S và các kết hợp đa tầng), ghép kênh số 30/32, đến cấu trúc tổng đài điện tử SPC và hệ thống báo hiệu, lấy tổng đài Alcatel 1000-E10 làm đối tượng nghiên cứu thực tế. Nội dung trình bày theo hướng phân tích kỹ thuật với các sơ đồ khối nguyên lý, công thức định lượng và so sánh phương pháp, phù hợp với mục tiêu cung cấp kiến thức kỹ thuật cơ bản cho sinh viên chuyên ngành. Đồ án phản ánh trình độ ứng dụng công nghệ tổng đài số thế hệ SPC — nền tảng chi phối hạ tầng viễn thông Việt Nam trong giai đoạn hiện đại hóa mạng lưới cuối thập niên 1990.