I. Mở đầu

Trong thế giới mạng máy tính hiện đại, việc truyền dẫn thông tin một cách chính xác và hiệu quả qua các phương tiện truyền thông vật lý là một yếu tố quan trọng và không thể thiếu. Ở cơ sở của quá trình truyền dẫn này là một khái niệm cốt lõi được gọi là "mã hóa đường dây" hay "line coding". Mã hóa đường dây không chỉ liên quan đến việc chuyển đổi dữ liệu số từ dạng này sang dạng khác mà còn đảm bảo rằng tín hiệu có thể được truyền qua các loại cáp, dây dẫn, hoặc thậm chí là không gian không dây một cách hiệu quả, giảm thiểu sự mất mát và nhiễu.

Mỗi loại mã đường dây có những đặc điểm và ứng dụng riêng biệt, từ mã Unipolar đơn giản, cho đến mã Bipolar phức tạp hơn và mã Dipolar với khả năng chống nhiễu vượt trội. Sự lựa chọn phương pháp mã hóa không chỉ phụ thuộc vào yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống mạng mà còn phụ thuộc vào môi trường truyền dẫn cụ thể và các yếu tố kỹ thuật khác.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá sâu hơn vào từng loại mã đường dây, cách thức hoạt động của chúng, và ứng dụng trong thực tế. Từ đó, ta có thể hiểu rõ hơn về vai trò không thể thay thế của mã hóa đường dây trong việc duy trì tính toàn vẹn và hiệu quả của hệ thống truyền thông trong mạng máy tính.

II. Mã Đơn Cực (Unipolar)

Mã đơn cực là một phương pháp mã hóa đơn giản mà trong đó dữ liệu số được biểu diễn bằng một mức năng lượng duy nhất. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng mức điện áp cao để biểu diễn bit $1$ và mức không ($0$ volt) để biểu diễn bit $0$.

1. NRZ-L (Non-Return to Zero-Level)

Trong mã hóa NRZ-L, chúng ta biểu diễn bit $0$ với mức điện áp không đổi, bit $1$ với mức điện áp thay đổi. Do đó, nếu bit $0$ được biểu diễn bằng một mức điện áp thấp thì bit $1$ được biểu diễn bằng một mức điện áp cao (thường sử dụng), và ngược lại.

Điểm đặc biệt của NRZ-L là tín hiệu không trở về mức zero giữa các bit, giúp tận dụng tốt băng thông.

Ưu điểm:

• Tận dụng băng thông: Do không có sự trở về mức zero giữa các bit, NRZ-L tận dụng tốt băng thông.
• Đơn giản và dễ thực hiện: Phương pháp này đơn giản và không yêu cầu phần cứng phức tạp để thực hiện.

Nhược điểm:

• Khó phát hiện lỗi và đồng bộ hóa: Không có sự thay đổi tín hiệu đáng kể giữa các bit, làm cho việc phát hiện lỗi và đồng bộ hóa khó khăn hơn.
• Vấn đề về dòng DC (dòng điện không đổi): NRZ-L có thể tạo ra thành phần DC, gây khó khăn cho một số hệ thống truyền dẫn.

2. NRZI (Non-Return to Zero Inverted)

NRZI (hay còn được gọi là NRZ-M) là một biến thể của NRZ-L. Trong NRZI, bit $1$ được biểu diễn bằng sự thay đổi của tín hiệu (từ cao sang thấp hoặc ngược lại), trong khi bit $0$ được biểu diễn bằng việc giữ nguyên tín hiệu. Tức là, khi gặp bit $1$ tín hiệu sẽ thay đổi và khi gặp bit $0$ thì tín hiệu giữ nguyên.

Ưu điểm:

• Dễ Phát hiện lỗi: Sự thay đổi tín hiệu giúp việc phát hiện lỗi trở nên dễ dàng hơn.
• Tốt cho đồng bộ hóa: Sự thay đổi tín hiệu cung cấp điểm đồng bộ hóa, giúp phục hồi tín hiệu dễ dàng hơn.

Nhược điểm:

• Yêu cầu băng thông cao hơn: Sự thay đổi tín hiệu có thể yêu cầu băng thông cao hơn so với NRZ-L.
• Phức tạp trong thiết kế phần cứng: Việc thực hiện có thể phức tạp hơn do yêu cầu phần cứng để phát hiện và xử lý sự thay đổi tín hiệu.

III. Mã Bipolar - AMI

Mã Bipolar - AMI là một phương pháp mã hóa tín hiệu số sử dụng $3$ mức điện áp, trong đó bit $1$ được biểu diễn bằng mức điện áp dương hoặc âm luân phiên, bit $0$ luôn được biểu diễn bằng mức không ($0$ volt). Cụ thể, các bit $0$ luôn biểu diễn mức không, tại bit $1$ thứ nhất biểu diễn mức cao, thì khi gặp bit $1$ tiếp theo sẽ thay đổi xuống mức thấp (ở giữa không cần quan tâm các bit $0$), gặp bit $1$ tiếp theo sẽ biểu diễn mức cao, ...

Ưu Điểm

• Không có thành phần DC: Mã Bipolar - AMI loại bỏ thành phần DC, giúp tránh được vấn đề sự mất mát năng lượng qua điện trở của dây dẫn và giảm thiểu nhiễu từ các nguồn ngoại vi.
• Dễ phát hiện lỗi: Sự thay đổi mức điện áp giữa các bit 1 giúp việc phát hiện lỗi trở nên dễ dàng hơn.
• Cải thiện đồng bộ hóa: Sự thay đổi điện áp thường xuyên (cho mỗi bit $1$) cung cấp các điểm đồng bộ hóa, giúp việc phục hồi tín hiệu trở nên dễ dàng và chính xác hơn.

Nhược Điểm

• Vấn đề với chuỗi bit $0$ dài: Trong trường hợp có chuỗi bit $0$ dài, không có sự thay đổi điện áp nào xảy ra, có thể gây khó khăn trong việc đồng bộ hóa và phục hồi tín hiệu.
• Yêu cầu băng thông cao hơn: Việc sử dụng mức điện áp âm và dương có thể yêu cầu băng thông cao hơn so với mã đơn cực.

IV. Mã Dipolar

Mã Dipolar là một kỹ thuật mã hóa đường dây quan trọng trong mạng máy tính và truyền thông, nổi bật với hai biến thể chính là mã Manchester và mã Manchester vi sai (Differential Manchester). Cả hai phương pháp này đều nhằm mục đích cải thiện độ tin cậy và hiệu quả của tín hiệu truyền dẫn qua việc đảm bảo có sự thay đổi tín hiệu tại mỗi bit, từ đó hỗ trợ việc đồng bộ hóa và giảm nhiễu.

1. Manchester

Mã Manchester biểu diễn dữ liệu thông qua sự thay đổi tín hiệu. Bit $1$ được biểu diễn bằng một chuyển đổi từ mức thấp sang cao và bit $0$ được biểu diễn bằng một chuyển đổi từ mức cao sang thấp, thường ở giữa chu kỳ bit.

Ưu điểm

• Tự đồng bộ: Mỗi bit có sự thay đổi tín hiệu, giúp quá trình đồng bộ hóa dễ dàng và chính xác hơn.
• Phát hiện lỗi: Sự thay đổi tín hiệu giúp việc phát hiện lỗi trở nên dễ dàng hơn.

Nhược điểm

• Yêu cầu băng thông cao: Do có sự thay đổi tín hiệu tại mỗi bit, mã Manchester yêu cầu băng thông gấp đôi so với NRZ.
• Phức tạp về mặt phần cứng: Cần phần cứng phức tạp hơn để xử lý sự thay đổi tín hiệu nhanh chóng.

2. Manchester Vi Sai (Differential Manchester)

Khác biệt so với mã Manchester thông thường, mã Differential Manchester không dựa vào mức năng lượng tuyệt đối của tín hiệu, mà dựa vào sự thay đổi giữa các bit. Bit $0$ được biểu diễn bằng sự thay đổi ở đầu chu kỳ bit và bit $1$ được biểu diễn bằng sự giữ nguyên.

Ưu điểm

• Khả năng chống nhiễu tốt: Các sự thay đổi tín hiệu giúp mã Differential Manchester chống lại nhiễu và sự mất mát tín hiệu hiệu quả.
• Đồng bộ hóa tốt: Sự thay đổi tín hiệu đều đặn giúp việc đồng bộ hóa tín hiệu trở nên dễ dàng và chính xác.

Nhược điểm

• Yêu cầu băng thông cao: Tương tự như mã Manchester, mã Differential Manchester cũng yêu cầu băng thông cao.
• Đòi hỏi phần cứng chính xác: Cần phần cứng chính xác để phân biệt và xử lý sự thay đổi tín hiệu.

Tài liệu tham khảo

• https://csc-knu.github.io/sys-prog/books/Andrew%20S.%20Tanenbaum%20-%20Computer%20Networks.pdf
• https://www.ucg.ac.me/skladiste/blog_44233/objava_64433/fajlovi/Computer%20Networking%20_%20A%20Top%20Down%20Approach,%207th,%20converted.pdf