Ghép kênh là gì?

Trong viễn thông và mạng máy tính, ghép kênh (đôi khi được gọi tắt là muxing) là phương pháp kết hợp nhiều tín hiệu tương tự hoặc số thành một tín hiệu duy nhất trên một môi trường truyền dẫn chung. Mục đích là để chia sẻ một nguồn tài nguyên khan hiếm – một môi trường truyền dẫn vật lý.

Tín hiệu ghép kênh được truyền qua một kênh truyền thông như cáp. Quá trình ghép kênh chia dung lượng của kênh truyền thông thành nhiều kênh logic, mỗi kênh dành cho một tín hiệu tin nhắn hoặc luồng dữ liệu cần truyền. Một quá trình ngược lại, được gọi là tách kênh, sẽ trích xuất các kênh gốc ở đầu thu.

Các loại ghép kênh

Ghép kênh phân chia theo không gian

Trong truyền thông hữu tuyến, ghép kênh phân chia theo không gian, còn được gọi là đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA), là việc sử dụng các dây dẫn điện điểm-điểm riêng biệt cho mỗi kênh truyền. Ví dụ bao gồm cáp âm thanh nổi analog, với một cặp dây cho kênh trái và một cặp dây cho kênh phải, và cáp điện thoại nhiều cặp, mạng sao chuyển mạch như mạng truy cập điện thoại, mạng Ethernet chuyển mạch và mạng lưới.

Ghép kênh phân chia theo tần số

Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) về bản chất là một công nghệ tương tự. FDM kết hợp nhiều tín hiệu vào một môi trường truyền dẫn bằng cách gửi tín hiệu ở nhiều dải tần số khác nhau trên cùng một môi trường truyền dẫn. Trong FDM, tín hiệu là tín hiệu điện. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của FDM là:

• Phát sóng vô tuyến 
• Truyền hình truyền Thống từ các đài phát thanh mặt đất
• Di động
• vệ tinh
• Truyền hình cáp. 

Chỉ một cáp duy nhất đến khu dân cư của khách hàng, nhưng nhà cung cấp dịch vụ có thể gửi đồng thời nhiều kênh truyền hình hoặc tín hiệu qua cáp đó đến tất cả các thuê bao mà không bị nhiễu. Máy thu phải dò đến tần số (kênh) phù hợp để truy cập tín hiệu mong muốn.

Ghép kênh phân chia theo thời gian

Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) là một công nghệ kỹ thuật số (hoặc trong một số trường hợp hiếm gặp là công nghệ tương tự) sử dụng thời gian, thay vì không gian hoặc tần số, để phân tách các luồng dữ liệu khác nhau. TDM bao gồm việc sắp xếp tuần tự các nhóm gồm một vài bit hoặc byte từ mỗi luồng dữ liệu đầu vào riêng lẻ, lần lượt từng luồng, và theo cách mà chúng có thể được liên kết với bộ thu thích hợp. Nếu được thực hiện đủ nhanh, các thiết bị nhận sẽ không phát hiện ra rằng một phần thời gian của mạch đã được sử dụng để phục vụ một đường truyền logic khác.

Ghép kênh phân cực – phân chia

Ghép kênh phân cực – phân chia sử dụng sự phân cực của bức xạ điện từ để tách các kênh trực giao. Phương pháp này được ứng dụng thực tế trong cả truyền thông vô tuyến và quang học, đặc biệt là trong các hệ thống truyền dẫn cáp quang 100 Gbit/giây trên mỗi kênh.

Truyền thông không dây phân cực chéo vi sai là một phương pháp mới để truyền dẫn ăng ten phân cực sử dụng kỹ thuật vi sai.

Ghép kênh mô men động lượng góc quỹ đạo

Ghép kênh mô men động lượng góc quỹ đạo là một kỹ thuật tương đối mới và mang tính thử nghiệm để ghép kênh nhiều kênh tín hiệu được truyền bằng bức xạ điện từ trên một đường truyền duy nhất.

Kỹ thuật này có tiềm năng được sử dụng kết hợp với các phương pháp ghép kênh vật lý khác để mở rộng đáng kể khả năng truyền dẫn của các hệ thống như vậy. Tính đến năm 2012, kỹ thuật này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu, với các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm quy mô nhỏ cho băng thông lên đến 2,5 Tbit/giây trên một đường truyền ánh sáng duy nhất.

Đây là một chủ đề gây tranh cãi trong cộng đồng học thuật, với nhiều người cho rằng đây không phải là một phương pháp ghép kênh mới, mà là một trường hợp đặc biệt của ghép kênh phân chia theo không gian.

Ghép kênh phân chia theo mã

Ghép kênh phân chia theo mã (CDM), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) hay trải phổ là một loại kỹ thuật trong đó nhiều kênh đồng thời chia sẻ cùng một phổ tần số, và băng thông phổ này cao hơn nhiều so với tốc độ bit hoặc tốc độ ký hiệu.

Một dạng là nhảy tần, dạng khác là trải phổ chuỗi trực tiếp. Trong trường hợp sau, mỗi kênh truyền các bit của nó dưới dạng một chuỗi xung được mã hóa cụ thể theo kênh, được gọi là chip. Số chip trên mỗi bit, hoặc số chip trên mỗi ký hiệu, chính là hệ số trải phổ.

Việc truyền mã hóa này thường được thực hiện bằng cách truyền một chuỗi xung ngắn duy nhất phụ thuộc vào thời gian, được đặt trong khoảng thời gian chip trong khoảng thời gian bit lớn hơn.

Phương pháp ghép kênh đa truy nhập

Một kỹ thuật ghép kênh có thể được mở rộng thêm thành một phương pháp truy nhập đa người dùng hay phương pháp truy nhập kênh (channel access method), ví dụ như:

• Ghép kênh theo thời gian (TDM) được mở rộng thành truy nhập đa người dùng theo thời gian (TDMA).
• Ghép kênh thống kê (statistical multiplexing) được mở rộng thành truy nhập đa người dùng dựa trên cảm nhận sóng mang (CSMA).

Một phương pháp truy nhập đa người dùng cho phép nhiều bộ phát (transmitter) được kết nối cùng một phương tiện vật lý (physical medium) có thể chia sẻ dung lượng của nó.

Ghép kênh phân chia theo mã (CDM) là một kỹ thuật trong đó mỗi kênh truyền các bit của nó dưới dạng chuỗi xung được mã hóa riêng biệt cho từng kênh. Quá trình truyền mã hóa này thường được thực hiện bằng cách phát ra chuỗi xung ngắn thay đổi theo thời gian, được đặt trong khoảng thời gian chip (chip time) nằm trong khoảng thời gian bit (bit time) lớn hơn.

Các kỹ thuật truy nhập đa người dùng phổ biến khác gồm có TDMA (Time-Division Multiple Access) và FDMA (Frequency-Division Multiple Access).

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã (CDM) cũng được sử dụng làm công nghệ truy nhập, gọi là CDMA (Code-Division Multiple Access), trong chuẩn viễn thông di động toàn cầu UMTS dành cho thế hệ thứ ba (3G), do ITU xác định.

Lĩnh vực ứng dụng ghép kênh

Điện báo

Công nghệ truyền thông sớm nhất sử dụng dây điện, và do đó có cùng lợi ích về mặt kinh tế nhờ ghép kênh, chính là điện báo. Các thí nghiệm ban đầu cho phép hai tin nhắn riêng biệt truyền đi đồng thời theo hai hướng ngược nhau, đầu tiên sử dụng pin điện ở cả hai đầu, sau đó chỉ ở một đầu.

Điện thoại

Trong điện thoại, đường dây điện thoại của khách hàng hiện nay thường kết thúc tại hộp tập trung từ xa, nơi nó được ghép kênh cùng với các đường dây điện thoại khác trong khu vực lân cận hoặc khu vực tương tự. Tín hiệu ghép kênh sau đó được truyền đến tổng đài chuyển mạch trung tâm trên số lượng dây ít hơn đáng kể và khoảng cách xa hơn nhiều so với đường dây của khách hàng. Điều này cũng đúng với đường dây thuê bao kỹ thuật số (DSL).

Xử lý video

Trong các hệ thống biên tập và xử lý video, ghép kênh đề cập đến quá trình xen kẽ âm thanh và video thành một luồng dữ liệu mạch lạc.

Trong video kỹ thuật số, luồng truyền tải như vậy thường là một tính năng của định dạng chứa, có thể bao gồm siêu dữ liệu và các thông tin khác, chẳng hạn như phụ đề. Các luồng âm thanh và video có thể có tốc độ bit thay đổi. Phần mềm tạo ra luồng truyền tải và/hoặc vùng chứa như vậy thường được gọi là bộ ghép kênh hoặc bộ chia kênh. Bộ tách kênh là phần mềm trích xuất hoặc cung cấp để xử lý riêng các thành phần của luồng hoặc vùng chứa đó.

Phát sóng kỹ thuật số

Trong các hệ thống truyền hình kỹ thuật số, nhiều luồng dữ liệu tốc độ bit thay đổi được ghép kênh với nhau thành một luồng truyền tải tốc độ bit cố định bằng phương pháp ghép kênh thống kê. Điều này cho phép truyền đồng thời nhiều kênh video và âm thanh trên cùng một kênh tần số, cùng với nhiều dịch vụ khác nhau.