DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mối quan hệ giữa những đặc tính cơ bản Bảng 1.2 Bảng so sánh giữa 3 loại sợi quang Bảng 1.3 Quan hệ giữa băng thông – tốc độ của hệ thống ViBa DANH MỤC CÁ
Hệ thống truyền dẫn thông tin và các môi trường truyền dẫn
Tổng quan về hệ thống truyền dẫn thông tin
1.1.1 Một số khái niệm cơ bản
Dữ liệu là tập hợp các sự kiện, khái niệm hoặc chỉ thị được biểu đạt dưới dạng phù hợp, nhằm phục vụ cho quá trình truyền đạt thông tin, phân tích và xử lý bởi con người hoặc hệ thống máy tính.
Tin tức là thông tin mang ý nghĩa mà con người gán cho dữ liệu dựa trên các quy ước cụ thể Nó có thể được biểu đạt qua tiếng nói, hình ảnh, văn bản, con số hoặc ký hiệu, giúp con người hiểu và giao tiếp với nhau Trong hệ thống truyền thông hiện đại, dữ liệu và tin tức thường không được phân biệt rõ ràng, dẫn đến sự nhầm lẫn trong cách tiếp nhận và xử lý thông tin.
Tín hiệu là thông tin hoặc dữ liệu đã được mã hóa và xử lý nhằm thích nghi với môi trường truyền thông Trong lĩnh vực truyền thông, tín hiệu được chia thành hai loại chính: tín hiệu tương tự và tín hiệu số.
Nhiễu là hiện tượng xuất hiện các tín hiệu không mong muốn trong hệ thống hoặc trên đường truyền, gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng truyền tải Khi bị nhiễu, tín hiệu tương tự có thể bị biến dạng, còn tín hiệu số dễ gặp lỗi, làm giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị điện tử và hệ thống viễn thông.
Cường độ tín hiệu là thông số quan trọng trong kỹ thuật truyền dẫn, thường được biểu diễn thông qua công suất hoặc điện áp trên tổng trở tải Ví dụ, một tín hiệu có thể được mô tả là có công suất 133mW hoặc biên độ 100mV khi hoạt động trên tổng trở 75Ω, giúp xác định hiệu quả truyền tải và chất lượng tín hiệu trong hệ thống.
+ Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi hoặc độ suy giảm của hệ thống, thường được biểu diễn bằng đơn vị Decibel (dB)
Tỉ số tín hiệu = 10log(P2/P1) dB (hay sự khuếch đại)
Sự suy giảm = 10log(P1/P2) dB
Đơn vị dB mang lại sự tiện lợi vượt trội trong việc tính toán độ lợi hoặc độ suy giảm của hệ thống nhiều tầng nối chuỗi (cascade), bằng cách cộng trực tiếp các giá trị độ lợi của từng tầng Vì P1 và P2 đều có đơn vị là Watts nên dB trở thành đơn vị không thứ nguyên, giúp đơn giản hóa việc đo lường mức độ chênh lệch năng lượng giữa hai điểm trong hệ thống.
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR - Signal to Noise Ratio) là một chỉ số quan trọng dùng để đánh giá chất lượng tín hiệu và hiệu suất của hệ thống truyền tín hiệu SNR thể hiện tỉ lệ giữa công suất tín hiệu có ích và công suất tín hiệu nhiễu, thường được biểu thị bằng đơn vị decibel (dB) hoặc dBm Chỉ số SNR càng cao thì chất lượng tín hiệu càng tốt, giúp đảm bảo khả năng truyền tải dữ liệu ổn định và chính xác.
Băng thông tín hiệu là khoảng tần số chứa phần lớn công suất của tín hiệu, giúp xác định phổ tần hữu ích trong trường hợp tín hiệu có phổ tần quá rộng Việc hiểu rõ băng thông đóng vai trò quan trọng trong phân tích và xử lý tín hiệu hiệu quả, đặc biệt trong các ứng dụng truyền thông và kỹ thuật số.
Băng thông của kênh truyền được định nghĩa là khoảng tần số mà tín hiệu bị suy giảm khoảng 3 dB so với giá trị cực đại khi truyền qua hệ thống, tương ứng với điểm nửa công suất Đây là thông số quan trọng trong kỹ thuật truyền dẫn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu suất của hệ thống mạng.
Để đảm bảo chất lượng truyền tải tín hiệu, một kênh truyền lý tưởng cần có băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu Việc này giúp tín hiệu được tái tạo chính xác, hạn chế tối đa hiện tượng méo dạng và suy giảm trong quá trình truyền dẫn.
1.1.2 Cấu trúc tổng quát của hệ thống truyền dẫn thông tin
1.1.2.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống truyền dẫn thông tin
Hình 1.1: sơ đồ tổng quát hệ thống thông tin
- Source: sinh ra số liệu sẽ được truyền
- Transmitter: biến đổi số liệu thành các tín hiệu có thể truyền đi được
- Transmission System: Vận chuyển số liệu
- Receiver: biến đổi tín hiệu nhận được thành số liệu
- Destination: nhận dòng số liệu đi đến
Hình 1.2: Mô hình truyền số liệu được đơn giản hoá
Thông tin đầu vào (m) được chuyển đổi thành dữ liệu g hoặc tín hiệu thời gian g(t) thông qua thiết bị nhập, sau đó được xử lý bởi thiết bị phát để tạo ra tín hiệu s(t) phù hợp với môi trường truyền dẫn.
Do tác động của môi trường truyền dẫn, tín hiệu thu r(t) tại đầu thu có thể bị sai lệch so với tín hiệu phát s(t) ban đầu Sau quá trình giải điều chế tại thiết bị thu, tín hiệu đầu ra g’(t) sẽ được chuyển đến thiết bị đầu ra để trích xuất thông tin hữu ích m’, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra hiệu quả và chính xác.
1.1.2.2 Chức năng cơ bản của hệ thống thông tin liên lạc
- Các tiện ích truyền tin (Transmission System Utilization):
Để tối ưu hóa việc sử dụng các phương tiện truyền tin được chia sẻ giữa nhiều người sử dụng trong hệ thống, cần triển khai các chức năng như ghép và tách kênh, đồng thời áp dụng các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn nhằm đảm bảo hiệu suất truyền tải dữ liệu ổn định và hiệu quả.
- Phối ghép giao diện (Interfacing): Để truyền thông, các thiết bị phải giao diện với môi trường truyền
- Tạo tín hiệu (Signal Generation)
Sinh ra tín hiệu (điện) biểu diễn thông tin để truyền đi Đây là 1 đòi hỏi tất yếu của HT truyền tin
Để đảm bảo quá trình truyền tín hiệu diễn ra chính xác và hiệu quả, việc thiết lập một cơ chế đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận là điều cần thiết Cơ chế này giúp bên nhận xác định chính xác thời điểm bắt đầu của từng thành phần tín hiệu, từ đó nâng cao độ tin cậy và chất lượng trong truyền thông dữ liệu.
- Quản lí trao đổi (Exchange Management): Bao gồm nhiều yêu cầu khác nhau đối với 2 bên truyền thông Thí dụ:
+ Việc thiết lập kết nối
+ Thoả thuận về phương thức truyền (simplex, half-duplex, full-duplex)
+ Lượng số liệu được phép cho mỗi lần truyền
+ Phát hiện lỗi và sửa lỗi (Error detection and correction)
- Địa chỉ và tìm đường (Addressing and routing): Đánh địa chỉ là cần thiết để trạm gửi có thể thông tin đúng với trạm nhận
+ Là kỹ thuật khác với phát hiện và hiệu chỉnh lỗi (Error correction)
+ Cần đến khi việc trao đổi thông tin đang diễn ra thì bị gián đoạn do xảy ra lỗi ở một chỗ nào đó trong hệ thống:
Kỹ thuật Recovery cần làm cho sự hoạt động của hệ thống trở lại thời điểm trước khi xảy ra gián đoạn
Hoặc khôi phục lại trạng thái của hệ thống tại một thời điểm trước khi xảy ra sự gián đoạn
+ Đảm bảo cho người gửi rằng chỉ có người nhận thật sự mới nhận được số liệu
+ Đảm bảo cho người nhận rằng:
Số liệu đến không bị thay đổi
Số liệu đến thực sự là từ người gửi mà người nhận mong đợi
- Quản lý hệ thống (Network Management)
+ Có thể định cấu hình
+ Giám sát (monitor) trạng thái hệ thống
+ Phản ứng đối với hỏng hóc (failure) và quá tải
+ Có thể lập kế hoạch cho các phát triển trong tương lai
1.1.3.1 Cấu trúc tổng quát của mạng truyền số liệu
Mạng truyền số liệu là hệ thống kết nối từ hai hoặc nhiều thiết bị truyền nhận thông tin, được tổ chức theo các mô hình như phân cấp hoặc phân chia thành các trung tâm xử lý Mỗi trung tâm đảm nhận chức năng riêng biệt, giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi và xử lý dữ liệu giữa các thành phần trong mạng.
Tín hiệu và đường truyền
Tín hiệu là phương tiện truyền tải thông tin từ thiết bị phát đến thiết bị thu thông qua môi trường truyền dẫn Nó được phát ra từ bộ phận phát, truyền qua môi trường và đến bộ phận thu Về mặt kỹ thuật, tín hiệu là một hàm của thời gian, nhưng cũng có thể biểu diễn dưới dạng hàm của tần số, phản ánh sự đa dạng của các thành phần tần số bên trong Việc phân tích tín hiệu có thể thực hiện theo hai quan điểm: thời gian và tần số, giúp hiểu rõ hơn về đặc tính và cấu trúc của tín hiệu trong hệ thống truyền thông.
1.2.1.1 Theo quan điểm thời gian
Tín hiệu trong kỹ thuật có thể được phân thành hai loại chính: tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc Tín hiệu liên tục là loại tín hiệu mà giá trị của nó tại mọi thời điểm đều được xác định một cách liên tục, tức là lim t→a s(t) = s(a) với mọi giá trị a Ngược lại, nếu điều kiện này chỉ thỏa mãn tại một số hữu hạn điểm, tín hiệu đó được gọi là tín hiệu rời rạc Việc phân loại này đóng vai trò quan trọng trong xử lý tín hiệu và ứng dụng trong các hệ thống điện tử hiện đại.
Tín hiệu rời rạc Hình 1.7: Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc
1.2.1.2 Theo quan điểm tần số
Tín hiệu không chỉ được biểu diễn dưới dạng hàm của thời gian mà còn có thể được xem như một hàm của tần số Theo minh họa, ta có ba tín hiệu với các tần số lần lượt là f, 3f và 5f Việc kết hợp các tín hiệu này cho phép chúng ta xây dựng một tín hiệu tổng hợp biểu diễn hàm theo miền tần số, giúp phân tích và xử lý tín hiệu hiệu quả hơn trong các ứng dụng kỹ thuật số.
Tín hiệu thành phần sin 2πft
Tín hiệu thành phần 1/3sin3(2πf)t
Tín hiệu thành phần 1/5sin5(2πf)t
Tín hiệu s(t) = sin 2πft + 1/3sin3(2πf)t + 1/5sin5(2πf)t Hình 1.8 Tín hiệu có 3 thành phần tần số và s(f)
Mỗi tín hiệu đều bao gồm nhiều thành phần hình sin với tần số khác nhau, do đó có thể biểu diễn tín hiệu dưới dạng hàm theo thời gian s(t) hoặc theo miền tần số s(f) Ví dụ, tín hiệu minh họa ở hình 1.8 có thể được chuyển đổi và biểu diễn trong miền tần số như hình 1.9, giúp phân tích rõ hơn các thành phần tần số cấu thành tín hiệu.
Hình 1.9 Phổ của tín hiệu liên tục
Hàm s(f) là một hàm rời rạc, và dãy tần số chứa phổ của tín hiệu được gọi là băng thông của tín hiệu đó Ví dụ, nếu băng thông trải dài từ f1 đến 5f1 thì độ rộng băng thông là 4f1 Mặc dù nhiều tín hiệu có băng thông không giới hạn, năng lượng của chúng thường tập trung trong một dải tần hẹp gọi là băng thông hiệu quả, và thường được xem như băng thông chính Ngoài ra, nếu tín hiệu có thành phần một chiều thì phổ của thành phần này sẽ nằm tại góc tọa độ với tần số f = 0.
Dữ liệu số được truyền từ đầu phát đến đầu thu thông qua môi trường truyền, bao gồm môi trường định tuyến và không định tuyến Trong cả hai loại, việc truyền thông tin đều dựa trên sự lan truyền của sóng điện từ Với môi trường định tuyến, sóng điện từ được dẫn theo các đường vật lý như cáp xoắn đôi, cáp đồng trục hoặc cáp quang Ngược lại, môi trường không định tuyến chỉ đóng vai trò là phương tiện truyền sóng mà không giới hạn hướng đi cụ thể Đặc biệt, trong môi trường truyền định hướng, chính đặc tính của môi trường sẽ quyết định tốc độ truyền, băng thông và khoảng cách tối đa cần thiết để lặp lại tín hiệu số, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền dữ liệu.
B ảng 1.1: Mối quan hệ giữa những đặc tính cơ bản
Khoảng cách giữa các bộ lặp
Trong môi trường truyền không định hướng, phổ và băng tần số của tín hiệu phát từ ăng ten đóng vai trò quan trọng hơn bản thân môi trường Tần số trung tâm của tín hiệu quyết định băng thông và tốc độ truyền dữ liệu Việc truyền tín hiệu bằng ăng ten cũng phụ thuộc vào hướng phát: tần số thấp thường được bức xạ theo mọi hướng, trong khi tần số cao giúp định hướng chùm tia chính xác hơn Đặc biệt, sóng vi ba trong khoảng 2–40 GHz có khả năng định hướng tốt, thường được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn điểm–điểm.
Người ta chia khoảng tần số 30 MHz - 1 GHz cho radio và các dãy tần số khác như hình 1.10
Hình 1.10: Phổ phân bố trường điện từ
Một số môi trường truyền cơ bản
1.3.1 Môi trường truyền hữu tuyến
1.3.1.1 Cáp đồng trục a Mô tả vật lý
Cũng như cặp dây song hành, cáp đồng trục gồm có 2 phần nhưng nó cấu trúc khác hơn để cho phép làm việc với dãy tần số rộng hơn
Hình 1.11 Cấu tạo cáp đồng trục
Cáp đồng trục là loại cáp cấu tạo gồm một dây dẫn trung tâm được bao quanh bởi lớp cách điện, tiếp đến là ống trục bên ngoài và lớp vỏ bảo vệ Khoảng cách giữa lõi và ống ngoài được duy trì đều và cách ly bằng vật liệu cách điện chuyên dụng, giúp truyền tín hiệu ổn định và giảm nhiễu Kích thước phổ biến của cáp đồng trục dao động từ 0,4 đến 1 inch, phù hợp với nhiều ứng dụng trong truyền hình, mạng internet và hệ thống camera giám sát.
Cáp đồng trục được dùng tương đối rộng rãi Thường là:
+ Đường truyền điện thoại với khoảng cách xa, đường truyền tivi
Cáp đồng trục đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện thoại, đặc biệt hiệu quả khi truyền tín hiệu ở khoảng cách xa và dễ dàng kết nối với cáp quang, mạng vi ba và mạng vệ tinh Khi được sử dụng trong các bộ phân đường tần số (FDM), cáp đồng trục có khả năng truyền đồng thời hơn 10.000 kênh tiếng nói, mang lại hiệu suất cao cho hệ thống viễn thông Ngoài ra, loại cáp này còn được ứng dụng phổ biến trong việc truyền tín hiệu truyền hình đến các khu vực xa, đảm bảo chất lượng hình ảnh ổn định.
Hệ thống truyền hình cáp hoạt động bằng cách thu tín hiệu qua ăng-ten, sau đó truyền dẫn đến các hộ gia đình tương tự như hệ thống điện thoại Nhờ vào công nghệ cáp, tín hiệu có thể được phân phối đến hàng chục tivi trong phạm vi lên đến hàng chục kilômét, đảm bảo chất lượng hình ảnh ổn định và độ phủ sóng rộng rãi.
Trong mạng cục bộ (LAN) nó có thể dùng để nối với số lượng máy lớn trong phạm vi tòa nhà
Và cuối cùng nó dùng để nối trong khoảng cách ngắn giữa các thiết bị sử dụng cho tín hiệu analog hoặc tín hiệu số c Đặc tính truyền
Cáp đồng trục là lựa chọn lý tưởng để truyền tải cả tín hiệu analog và digital ở khoảng cách gần hoặc xa, nhờ đặc tuyến tần số vượt trội so với cặp dây song hành Khi truyền tín hiệu analog, cáp đồng trục có thể đạt tần số tối đa lên đến 400 MHz trong phạm vi vài km Đối với tín hiệu số, tốc độ truyền có thể đạt 500 Mbps với khoảng cách tối đa 1,6 km, đáp ứng hiệu quả nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao.
1.3.1.2 Cáp xoắn đôi a Miêu tả vật lý Đường dây song hành gồm có 2 sợi đặt song hành Cặp dây đó là đường liên lạc đơn Thường nhiều cặp dây như vậy được đặt chung trong một cáp có vỏ bọc Những cáp dài, có thể chứa hàng trăm cặp Các cặp dây được cách ly để tránh ảnh hưởng điện từ với nhau Lõi dây thường từ 0,016 - 0,036 inches b Ứng dụng
Cáp truyền dẫn được sử dụng để truyền tải cả tín hiệu analog và tín hiệu số, đóng vai trò quan trọng như một đường trục trong các hệ thống điện thoại và hỗ trợ hiệu quả cho việc liên lạc nội bộ giữa các dãy nhà.
Trong hệ thống điện thoại, các máy điện thoại được kết nối với tổng đài hoặc tổng đài nội bộ thông qua dây song hành, tạo thành một vòng nội bộ Tổng đài nội bộ này, thường được gọi là PBX (Private Branch Exchange), đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và phân phối cuộc gọi trong phạm vi một tổ chức hoặc gia đình.
Hệ thống PBX chủ yếu được sử dụng để phục vụ liên lạc nội bộ trong các tòa nhà, và để thực hiện cuộc gọi ra ngoài, cần phải thông qua trung kế Trong quá trình này, đôi dây song hành đảm nhiệm vai trò truyền tải âm thanh giữa các thuê bao và tổng đài nội bộ Việc truyền dữ liệu thường diễn ra trong phạm vi ngắn, với tốc độ tối đa khoảng 64 Kbps đối với các PBX hiện đại Các kết nối nội bộ thường sử dụng modem với tốc độ truyền khoảng 9600 bps.
Tuy nhiên cặp dây song hành cũng được dùng cho các đường trung kế có khoảng cách xa và tốc độ truyền có thể đến 4 Mbps
Cặp dây song hành cũng được dùng cho mạng máy tính cục bộ trong một dãy nhà vì giá thành rẻ c Đặc tính truyền
Cặp dây song hành là loại dây truyền tín hiệu analog và tín hiệu số (digital) phổ biến, với khoảng cách truyền tín hiệu analog hiệu quả từ 5 đến 6 km, còn tín hiệu số yêu cầu sử dụng repeater sau khoảng 2 đến 3 km Tuy nhiên, loại dây này có độ suy giảm tín hiệu cao theo tần số và dễ bị nhiễu do ảnh hưởng của điện từ trường Khi đặt song song với dây nguồn một chiều, cặp dây song hành có thể tạo ra nhiễu đỉnh ở tần số 60Hz, đồng thời cũng dễ phát sinh nhiễu xung, gây ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn.
Khi truyền tín hiệu tiếng nói qua mạch điểm - điểm với băng thông lên đến 250 KHz, đường dây sẽ gây suy giảm tín hiệu khoảng 1 dB mỗi kilomet Trong hệ thống truyền tiếng nói, mức suy giảm tối đa cho phép là 6 dB, do đó chiều dài đường dây tối đa có thể sử dụng là 6 km để đảm bảo chất lượng âm thanh ổn định và hiệu quả truyền dẫn.
1.3.1.3 Cáp sợi quang a Mô tả vật lý
Sợi quang là môi trường truyền ánh sáng với độ mỏng đặc biệt, được chế tạo từ thủy tinh hoặc chất dẻo như nhựa Quá trình sản xuất sợi quang tinh khiết đòi hỏi công nghệ cao do khó thực hiện thủ công Nhờ tính kinh tế và hiệu quả vượt trội, sợi quang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực truyền thông và công nghệ hiện đại.
Cáp quang trục nhỏ được cấu tạo từ ba phần chính: lõi, lớp bảo vệ và vỏ áo ngoài Lõi là bộ phận quan trọng nhất, gồm các sợi nhỏ xoắn lại hoặc làm từ thủy tinh hay chất dẻo, giúp truyền tín hiệu quang hiệu quả Mỗi sợi lõi đều được bao bọc bởi lớp áo bảo vệ nhằm tăng độ bền và ổn định Bên ngoài cùng là lớp vỏ bảo vệ, thường làm từ chất dẻo hoặc vật liệu chuyên dụng có khả năng chống ẩm, chống va đập, chống mài mòn và ngăn ngừa tác động từ môi trường, đảm bảo hiệu suất hoạt động lâu dài cho cáp quang.
Một trong những phát minh quan trọng trong việc truyền số liệu là sự phát triển ứng dụng sợi quang vào hệ thống liên lạc
Những đặc tính sau đây làm phân biệt giữa sợi quang và cặp dây song hành cũng như cáp đồng trục:
Sợi quang với dải tần rộng mang lại tiềm năng vượt trội về băng thông và tốc độ truyền dữ liệu, đặc biệt khi tần số tăng cao Khả năng truyền tải dữ liệu lên đến 2 Gbps trên quãng đường hàng chục kilomet đã khẳng định ưu thế rõ rệt của sợi quang so với các loại cáp đồng trục và dây song hành, trở thành lựa chọn tối ưu trong hạ tầng mạng tốc độ cao.
Sợi quang có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ hơn so với cáp đồng trục hay cặp dây song hành, giúp việc lắp đặt trong nhà trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn Đây là lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống mạng nội bộ nhờ khả năng tiết kiệm không gian và đáp ứng yêu cầu về trọng lượng trong quá trình sử dụng.
Cáp quang có mức suy giảm tín hiệu cực kỳ thấp so với cáp đồng trục và cặp dây song hành, giúp duy trì hiệu suất truyền dẫn ổn định ngay cả khi khoảng cách truyền tải rất xa Đây là một ưu điểm vượt trội khiến cáp quang trở thành lựa chọn lý tưởng trong các hệ thống mạng hiện đại.
+ Cách ly điện từ: Sợi quang không bị ảnh hưởng bởi trường điện từ, do đó không sợ nhiễu xuyên âm, nhiễu xung
Kết luận
Hệ thống truyền dẫn thông tin đóng vai trò thiết yếu trong thời đại công nghệ hiện nay, khi nhu cầu liên lạc của con người ngày càng gia tăng Nhờ vào sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật hiện đại, thông tin có thể được truyền qua nhiều môi trường khác nhau như cáp quang, sóng vô tuyến hay mạng internet, mỗi loại đều có ưu điểm và hạn chế riêng Việc nghiên cứu nguyên lý vật lý và cơ chế hoạt động của các môi trường truyền giúp chúng ta thiết kế các hệ thống truyền dẫn tối ưu, đáp ứng hiệu quả nhu cầu truyền thông thực tiễn trên toàn cầu.
Nghiên cứu chất lượng truyền dẫn thông tin
Giới thiệu
Khi tín hiệu truyền qua môi trường ít nhiều sẽ bị tác động làm sai lạc
- Với tín hiệu tương tự: Suy giảm chất lượng tín hiệu
- Với tín hiệu số: lỗi bit (0 1 hoặc 1 0) Nguyên nhân:
+ Suy giảm và sai lệch (attenuation and attenuation distortion)
Trong hệ thống truyền dẫn thông tin, việc sử dụng đường truyền analog để truyền tín hiệu số là một giải pháp kế thừa hợp lý từ các hệ thống tín hiệu analog trước đây Kênh số thực chất bao gồm một kênh liên tục, nơi tín hiệu đầu vào có dạng sóng liên tục, dù vẫn được xem là tín hiệu số do thời gian và số lượng dạng sóng đều hữu hạn Tuy nhiên, truyền thông điện tử gặp hai hạn chế lớn: dải thông và nhiễu tạp Dải thông cần đủ rộng để đảm bảo truyền thông tin nhanh chóng, đặc biệt trong các hệ thống thời gian thực, nhưng nếu quá lớn sẽ gây lãng phí tài nguyên băng tần Ngoài ra, quá trình truyền dẫn tín hiệu luôn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI), méo tín hiệu, sai pha đồng hồ và sóng mang, can nhiễu, hiệu ứng Doppler do thiết bị di động, sự biến đổi theo thời gian của kênh truyền và nhiễu từ các kênh lân cận.
Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn thông tin
Khi tín hiệu truyền qua môi trường, công suất sẽ bị suy giảm đáng kể Trong môi trường định hướng, mức suy giảm thường tuân theo quy luật logarit và là giá trị cố định theo khoảng cách Ngược lại, trong môi trường không định hướng, sự suy giảm công suất là một hàm phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khoảng cách và áp suất không khí Việc suy giảm tín hiệu này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền thông và hiệu suất hệ thống.
- Tín hiệu thu được không đủ mạnh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu ở bộ phận thu
- Tín hiệu thu được không đủ lớn để bảo đảm tỉ số S/N (tỉ số tín hiệu trên tạp âm) dễ sinh ra sai số
Sự suy giảm sẽ là hàm của tần số
Với 2 ảnh hưởng trên ta có thể dùng bộ khuếch đại hoặc các bộ lặp lại tín hiệu (repeater) để khắc phục ảnh hưởng và ta thấy rất rõ trong trường hợp tín hiệu analog Do sự suy giảm là hàm của tần số nên tín hiệu thu được sẽ khác nhiều với tín hiệu phát Hình vẽ cho ta thấy sư suy giảm của tín hiệu âm tần là hàm theo tần số trên đường dây leased line Ở đó cho ta sự so sánh tín hiệu đó so với tín hiệu 1.000 Hz
Hình2.1 Sự suy giảm tín hiệu âm tần theo tần số
Trong quá trình truyền tín hiệu qua môi trường dẫn, hiện tượng trễ là điều không thể tránh khỏi Đối với tín hiệu có băng thông giới hạn, độ trễ phụ thuộc vào tần số, khiến các tín hiệu với tần số khác nhau đến bộ thu tại những thời điểm khác nhau Hiện tượng này được gọi là sự chậm trễ tín hiệu trên đường truyền, đặc biệt rõ rệt đối với tín hiệu số Hình 2.2 minh họa mối tương quan giữa độ trễ và tần số, giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của tần số đến quá trình truyền tín hiệu.
Hình 2.2 Sự làm trễ tín hiệu tương quan với tần số
Trong quá trình truyền tín hiệu, bộ thu thường nhận được cả tín hiệu gốc và một tín hiệu không mong muốn gọi là nhiễu Nhiễu là yếu tố gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả của hệ thống liên lạc, làm giảm chất lượng truyền tải thông tin Để hiểu rõ và xử lý hiệu quả, nhiễu được phân loại thành 4 nhóm chính, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền thông và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
- Tiếng ồn nhiệt (Thermal noise)
+ Do chuyển động nhiệt của các electron
+ Được phân bố đồng đều, Được gọi là nhiễu trắng (White noise)
+ Không thể loại bỏ được tạo ra cận trên cho hiệu suất của hệ thống
+ Năng lượng tiếng ồn nhiệt trong 1Hz dải thông: N0 = k.T (W/Hz) (với k: hằng số Boltzmann = 1.3803 x 10-23 J/0K; T: nhiệt độ kelvin)
Các tín hiệu này có tần số được hình thành từ tổng, hiệu hoặc tích của các tín hiệu gốc cùng chia sẻ môi trường truyền, tạo nên hiện tượng giao thoa và biến đổi phổ tần số trong quá trình truyền dẫn.
+ Nguyên nhân sinh ra: Tính phi tuyến trong các bộ thu (receiver), phát
(transmitter) hoặc các hệ thống truyền dẫn ở trung gian
Tín hiệu trên một đường truyền nhận được bởi một đường truyền khác
+ Các đường truyền (cáp xoắn) chạy song song gần nhau
+ Các anten mặc dù được định hướng vẫn thu được các tín hiệu không mong muốn
+ Độ lớn thông thường của nhiễu xuyên âm tương đương hoặc nhỏ hơn tiếng ồn nhiệt
+ Do các xung bất thường hoặc đột biến (như: Can nhiễu điện từ bên ngoài) + Thời gian kéo dài thường ngắn
2.2.4 Xuyên nhiễu (ISI: InterSymbol Interfrence)
Mỗi symbol được tạo thành từ K bít, với thời gian tồn tại của symbol bằng K lần thời gian tồn tại của một bít Do đó, các dạng sóng điều chế dùng để truyền symbol cũng có độ dài hữu hạn, tương ứng với độ dài của K bít, được xác định bởi công thức Ts = K.Tb Việc hiểu rõ mối quan hệ giữa thời gian tồn tại của symbol và bít là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền thông hiệu quả.
Trong hệ thống truyền dẫn số, do độ dài hữu hạn của dạng sóng, phổ tần số của tín hiệu sẽ trải ra vô hạn sau phép biến đổi Fourier Tuy nhiên, vì băng tần truyền dẫn có giới hạn, các mạch lọc được sử dụng để giới hạn phổ tần và tăng số lượng hệ thống có thể hoạt động đồng thời trên cùng một băng sóng Điều này khiến hàm truyền của hệ thống mang đặc tính của mạch lọc, làm cho phổ tín hiệu đầu ra bị giới hạn và tín hiệu của một symbol kéo dài vô hạn về thời gian Hệ quả là các symbol truyền liên tiếp sẽ chồng lấn lên nhau, gây ra hiện tượng xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI) Sự tồn tại của ISI làm méo tín hiệu thu, dẫn đến sai lệch trong quá trình quyết định tại thời điểm lấy mẫu, khiến thông tin có thể bị nhận sai.
Méo tín hiệu trong truyền dẫn số xảy ra khi có sự sai lệch giữa đặc tính biên độ-tần số và/hoặc pha-tần của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với thiết kế ban đầu nhằm loại bỏ hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) Sự sai lệch này làm giảm chất lượng tín hiệu, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền dữ liệu và gây ra lỗi trong quá trình giải mã thông tin.
2.2.5.1 Méo tuyến tính a Các nguồn gây méo tuyến tính
Méo tuyến tính có đặc tính không phụ thuộc biên độ tín hiệu được truyền và được đánh giá thông qua độ sai lệch giữa đặc tính biên độ-tần số và/hoặc đặc tính pha tần của hàm truyền tổng cộng của hệ thống so với đặc tính được thiết kế nhằm triệt tiêu ISI trong quá trình truyền dẫn tín hiệu số b Các nguyên nhân chính gây méo tuyến tính:
- Chế tạo không hoàn hảo các mạch lọc
Đặc tính tần số của môi trường truyền không bằng phẳng, bao gồm đặc tính biên độ và đặc tính giữ chậm, có sự biến đổi đáng kể trên toàn bộ độ rộng băng tín hiệu do ảnh hưởng của các hiện tượng như phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ Những biến đổi này gây ra sự suy giảm tín hiệu và làm thay đổi cấu trúc phổ, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền thông trong các hệ thống không dây hiện đại.
+ Pha đinh đa đường chọn lọc theo tần số trong hệ thống vô tuyến băng rộng
+ Tiêu hao phụ thuộc tần số khí quyển do sự hấp thụ của không khí và hơi nước đối với các hệ thống vô tuyến
+ Tiêu hao phụ thuộc tần số của đường dây………
Hệ thống lọc được thiết kế để đáp ứng tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất nhằm loại bỏ hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu (ISI), sử dụng đặc tính lọc căn bậc hai cosine nâng chia đều cho mạch phát và mạch thu Tuy nhiên, trong quá trình chế tạo thực tế, các bộ lọc không thể đạt được độ lý tưởng tuyệt đối, dẫn đến sai lệch về đặc tính biên độ và độ trễ nhóm so với thiết kế ban đầu.
Trong hệ thống thông tin số dung lượng cao, hiện tượng truyền dẫn nhiều tia gây ra pha đinh chọn lọc đa đường theo tần số, dẫn đến sai lệch hàm truyền tổng thể so với hàm truyền lý tưởng, gây méo tuyến tính nghiêm trọng Méo tuyến tính do pha đinh đa đường không chỉ làm suy giảm chất lượng tín hiệu mà còn có thể gây gián đoạn liên lạc, ảnh hưởng trực tiếp đến xác suất lỗi của hệ thống.
Lượng méo tuyến tính là chỉ số phản ánh mức độ sai lệch giữa đặc tính thực tế của hệ thống và đặc tính thiết kế ban đầu, bao gồm sai lệch về biên độ-tần số và trễ nhóm Những sai lệch này thường được biểu diễn thông qua các hệ số méo bậc một, bậc hai và các tham số mô tả sai số gợn sóng trong băng tần Nyquist, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất truyền dẫn và tối ưu hóa hệ thống theo chuẩn kỹ thuật số hiện đại.
Đánh giá xác suất thu lỗi của hệ thống khi chịu ảnh hưởng đồng thời từ méo tuyến tính và tạp âm là một quá trình phức tạp, đòi hỏi phân tích mối quan hệ giữa mức suy giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNRD) do méo tuyến tính gây ra tại một giá trị xác định của tỷ lệ lỗi bit (BER) Việc hiểu rõ sự tương quan này đóng vai trò quan trọng trong tối ưu hóa hiệu suất truyền thông và cải thiện độ tin cậy của hệ thống.
10 -6 ) và các tham số của méo
Méo tuyến tính tổng cộng là nguyên nhân chính gây gián đoạn liên lạc do hiện tượng pha đinh nhiều tia chọn lọc theo tần số, dẫn đến giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) ISI do méo tuyến tính có thể được mô hình hóa bằng biến ngẫu nhiên Gauss hoặc đều, tùy thuộc vào giá trị M, và khi M tăng, phân bố ISI tiến gần hơn đến phân bố chuẩn Kỳ vọng của các biến ISI luôn bằng không nếu chuỗi ký hiệu truyền đi là các biến ngẫu nhiên độc lập, cùng phân bố, dẫn đến các cụm điểm tín hiệu thu có tính đối xứng quanh giá trị lý tưởng trên constellation Sự xuất hiện của các cụm điểm này là dấu hiệu rõ ràng của ISI do méo tín hiệu, và độ rộng cụm điểm tỷ lệ thuận với mức độ méo tuyến tính, tức là phương sai ISI Từ đó, có thể thấy mối liên hệ giữa lượng méo tuyến tính tổng cộng và phương sai ISI Tuy nhiên, do méo tuyến tính biểu hiện qua nhiều tham số phức tạp, việc xác định chính xác các tham số này là khó khăn và ảnh hưởng trực tiếp đến phương sai ISI Việc biểu diễn tác động của méo tuyến tính, chẳng hạn như SNRD, thông qua một tập hợp nhiều tham số là thách thức lớn và ít mang lại giá trị ứng dụng thực tiễn.
2.2.5.2 Méo phi tuyến a Các nguồn gây méo phi tuyến
Tính phi tuyến của kênh truyền có thể gây bởi các nguyên nhân sau:
- Các bộ khuếch đại công suất nhỏ và các mạch trộn tần
- Các mạch điện trong hệ thống truyền dẫn
- Các bộ khuếch đại công suất máy phát (KĐCS) có công xuất lớn
* Các mạch khuếch đại công suất nhỏ và các mạch trộn tần: nhìn chung là có độ phi tuyến không đáng kể và có thể bỏ qua
* Các mạch điện trong hệ thống truyền dẫn: thường gây ra hai tác động cơ bản:
Kết luận
Để tối ưu hóa chất lượng hệ thống thông tin, cần phân tích kỹ lưỡng các nguyên nhân gây suy giảm và sai lệch tín hiệu trong quá trình truyền dẫn Việc nhận diện đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến chất lượng truyền tin sẽ giúp đề xuất các giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu tối đa tác động tiêu cực, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống thông tin.