Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu - Chương 2: Môi trường truyền dẫn

Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu - Chương 2: Môi trường truyền dẫn trình bày các nội dung chính sau: Khái niệm về tín hiệu, các nhân tố ảnh hưởng đến việc truyền số liệu, môi trường truyền dẫn.

Chương 2: Môi trường Truyền dẫn

 Khái niệm về tín hiệu

 Các nhân tố ảnh hưởng đến việc truyền số liệu

 Môi trường truyền dẫn

2.1 Khái niệm về tín hiệu

 Thông tin: nội dung, ý nghĩa của một sự kiện, một đối tượng, một quá trình

 Tín hiệu: sự biến đổi các thông số của một quá trình vật lý theo quy luật của tin tức

 Tín hiệu là một hàm của thời gian s(t)

Phân loại tín hiệu

 Tín hiệu liên tục

 Thay đổi mịn theo thời gian

 Tín hiệu rời rạc

 Thay đổi từng mức theo thời gian

 Tín hiệu tuần hoàn

 Lặp lại theo thời gian

 Tín hiệu không tuần hoàn

 Không lặp lại theo thời gian

Khái niệm tín hiệu về tần số

 Tín hiệu chứa nhiều thành phần tần số khác nhau

 Một thành phần là hài sin tuần hoàn

 Bất cứ tín hiệu nào (digital, analog) đều có thể biểu diễn bởi tổ hợp các hàm tuần hoàn

 Biểu diễn tín hiệu theo tần số

 Trục hoành: giá trị tần số

 Trục tung: biên độ hài tần tương ứng

Khái niệm tín hiệu về tần số

Tần số, phổ, băng thông

 Phổ - spectrum

 Hình ảnh của tín hiệu trong miền tần số

 Tầm tần số chứa trong tín hiệu

Khái niệm về dữ liệu

 Các thực thể chứa đựng thông tin

Khái niệm về tín hiệu

 Tín hiệu điện hoặc điện từ

Truyền dữ liệu và kiểu dữ liệu

 Tín hiệu tương tự mang dữ liệu số

 Tín hiệu số mang dữ liệu tương tự

Truyền dữ liệu và kiểu dữ liệu

Truyền dữ liệu và kiểu dữ liệu

 Truyền tín hiệu tương tự

 Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách

 Khuếch đại bao gồm nhiễu (amplifier)

 Không cần quan tâm dữ liệu bên trong t/h

Truyền dẫn số

 Công nghệ số

 LSI, VLSI

 Toàn vẹn dữ liệu

 Repeater không khuếch đại nhiễu

 Truyền khoảng cách xa với những đường truyền kém chất lượng hơn

 Hiệu quả kênh truyền :TDM > FDM

 Bảo mật : dùng kỹ thuật mã hóa

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến truyền tin

 Truyền tin tương tự: méo, giảm chất lượng tín hiệu nhận được

 Truyền tin số: lỗi bit, 0 chuyển thành 1 và ngược lại

 Các yếu tố quan trọng

 Suy hao tín hiệu và méo trên suy hao

 Độ trễ tín hiệu và méo do trễ

 Nhiễu

Suy hao tín hiệu

 Tín hiệu nhận được khác với tín hiệu truyền đi

 Analog – suy giảm chất lượng tín hiệu

 Digital – lỗi trên bit

 Méo do trễ truyền

Nhiễu

Độ suy giảm tín hiệu

 Định nghĩa (signal attenuation)

 Khi một tín hiệu lan truyền qua một môi trường truyền, cường độ (biên độ) của tín hiệu bị suy giảm (theo khoảng cách)

 Tùy thuộc vào môi trường truyền dẫn

 Đối với môi trường vô tuyến, suy giảm cường độ tín hiệu là một hàm phức tạp theo khoảng cách và thành phần khí quyển

 Cường độ tín hiệu nhận phải

 Đủ mạnh để thiết bị nhận nhận biết được

 Đủ cao so với nhiễu để tín hiệu không bị lỗi

 Suy yếu là một hàm tăng theo tần số

 Kỹ thuật cân bằng độ suy yếu trên dải tần số

 Dùng bộ khuyếch đai (khuyếch đại ở tần số cao nhiều hơn)

 Đo bằng đơn vị decibel (dB)

 Cường độ tín hiệu suy giảm theo hàm logarit

 Độ lợi/độ hao hụt của các tầng nối tiếp có thể được tính bằng phép toán đơn giản (+/-)

Độ suy giảm tín hiệu

 Đo bằng đơn vị decibel (dB)

 Cường độ t/h suy giảm theo hàm logarit

 Độ lợi/độ hao hụt của các tầng nối tiếp có thể được tính bằng phép toán đơn giản (+/-)

 Công thức

 Attenuation = 10log10(P1/P2) (dB)

 P1: công suất của tín hiệu nhận (W)

 P2: công suất của tín hiệu truyền (W)

 Decibel (dB) là giá trị sai biệt tương đối

 Công suất suy giảm ½  độ hao hụt là 3dB

Trễ lan truyền tín hiệu

 Méo trễ truyền

 Chỉ xảy ra trong môi trường truyền dẫn hữu tuyến

 Vận tốc lan truyền thay đổi theo tần số

 Vận tốc cao nhất ở gần tần số trung tâm

 Các thành phần tần số khác nhau sẽ đến đích ở các thời điểm khác nhau

 N : khối lượng dữ liệu truyền (bit)

 R : tốc độ truyền bit trên đường truyền

Nhiễu

 Nhiễu nhiệt: Do dao động nhiệt của các điện tử trong chất

dẫn

 Phân tán đồng nhất trên phổ tần số

 Nhiễu trắng

 Không thể loại bỏ  giới hạn hiệu suất của hệ thống

 Nhiễu trong băng thông 1Hz của bất kỳ chất dẫn nào

Nhiễu

 Nhiễu điều chế

 T/h nhiễu có tần số là tổng hoặc hiệu tần số của các t/h dùng chung môi trường truyền

 Do tính phi tuyến của thiết bị thu/phát

 Nhiễu xuyên kênh (crosstalk)

 T/h từ đường truyền này ảnh hưởng sang các đường truyền khác

 Cùng độ lớn (hoặc nhỏ hơn) nhiễu nhiệt

 Xung bất thường (spike)

 e.g ảnh hưởng điện từ bên ngoài

 Thời khoảng ngắn

 Cường độ cao

 Ảnh hưởng nhiều đến quá trình trao đổi dữ liệu số

 Xung 0.01s làm mất 50 bit dữ liệu nếu truyền ở tốc độ 4800bps

Tốc độ kênh truyền (khả năng kênh)

 C = 2W x log2M

 C : tốc độ truyền t/h cực đại (bps) khi kênh truyền không có

nhiễu

 W : băng thông của kênh truyền (Hz)

 M : số mức thay đổi tín hiệu trên đường truyền

Tốc độ kênh truyền

Tốc độ kênh truyền

Tốc độ dữ liệu

 Baud rate (baud/s)

 Nghịch đảo của phần tử dữ liệu ngắn nhất (số lần thay đổi tín hiệu

đường truyền mỗi giây)

 Tín hiệu nhị phân tốc độ 20Hz: 20 baud (20 thay đổi mỗi giây)

 Bit rate (bps hoặc bit/s)

 Đặc trưng cho khả năng của kênh truyền

 Tốc độ truyền dữ liệu cực đại trong trường hợp không có nhiễu

 Bằng baud rate trong trường hợp tín hiệu nhị phân

 Khi mỗi thay đổi đường truyền được biểu diễn bằng 2 hay nhiều bit, tốc

độ bit khác với tốc độ baud

 Quan hệ giữa Baud rate và Bit rate

R = Rs x log2M = Rs x m

 R : tốc độ bit (bit/s)

 Rs : tốc độ baud (baud/s)

 M : số mức thay đổi tín hiệu trên đường truyền

 m : số bit mã hóa cho một tín hiệu

Bit rate

Tỉ lệ tín hiệu so với nhiễu

 Signal to Noise ratio

SNR = 10 x log10 (S/N) (dB)

 N : công suất nhiễu

 Công thức Shannon-Hartley

C = W x log2 (1 + S/N) (bps)

 C : tốc độ truyền t/h cực đại khi kênh truyền không có nhiễu

Ví dụ

 Giả sử một tín hiệu đi qua môi trường

truyền và công suất bị giảm một nửa Tính

độ suy giảm theo deciBel (dB)

 Độ suy giảm

 tức là giảm đi 3 dB, tức là phân nửa công

suất

)/

(log10

)(dB  10 P2 P1

dB P

P / ) 10 log ( 0 , 5 ) 10 ( 0 , 3 ) 3 5

, 0 ( log



Ví dụ

 Nếu một kênh có rất nhiều nhiễu thì tỉ số S/N

gần bằng 0, tức là nhiễu quá mạnh làm yếu tín hiệu Như thế, dung lượng truyền lúc này là:

C = B log2(1+S/N)= B log2(1+ 0)

= B log2(1)= B.0 = 0

 Điều này tức là dung lượng kênh truyền là

không bất kể băng thông là bao nhiêu, tức là

ta không thể truyền tin qua kênh này

 Nhiễu có thể làm thay đổi một

Ví dụ

dây điện thoại thông thường, với băng thông 3000

Ví dụ

 Giả sử ta cần tải một tài liệu văn bản với tốc độ 100 trang mỗi giây, một trang trung bình có 24 dòng và một dòng có 80 ký tự, một ký tự có 8 bit Tính tốc độ bit cần truyền trong 1s?

trong từng dòng, nếu giả sử cần 8 bit để biểu diễn một ký tự thì, tốc độ bit (bit rate) là:

100 x 24 x 80 x 8 = 1.636.000 bps = 1,636 Mbps

Ví dụ

 Một kênh thoại được rời rạc hóa, được cấu

tạo từ một tín hiệu tương tự có băng thông tín hiệu thoại là 4 KHz ta cần lấy mẫu tín

hiệu với hai lần tần số cao nhất Với giả sử mỗi mẫu cần 8 bit, hỏi tốc độ bit (bit rate) là bao nhiêu?

 Giải: Tốc độ bit được tính theo:

2 x 4.000 x 8 = 64.000 bps = 64 Kbps

Ví dụ

 Cho biết tốc độ bit (bit rate) của truyền hình độ phân giải cao (HDTV)?

 Giải: HDTV dùng tín hiệu số để truyền tín hiệu hình chất

lượng cao Màn hình của HDTV thường có tỷ lệ 16:9 Như thế thì có 1.920 x 1080 pixel cho mỗi màn hình, với tốc độ quét dòng là 30 lần trong mỗi giây Mỗi pixel màu thì cần được biểu diễn bằng 24 bit

 Vậy tốc độ bit của truyền hình độ phân giải cao:

1.920 x 1.080 x 30 x 24 = 1.492.992.000 bps Các đài phát hình đã dùng phương pháp nén tín hiệu xuống

 Hệ thống sóng radio: troposcatter, microwave,

 Đặc tính và chất lượng được xác định bởi môi trường và tín hiệu

 Đối với hữu tuyến, môi trường ảnh hưởng lớn hơn

 Đối với vô tuyến, băng thông tạo ra bởi anten ảnh hưởng lớn hơn

 Yếu tố ảnh hưởng trong việc thiết kế: tốc độ dữ liệu và khoảng cách

 Băng thông

 Băng thông cao thì tốc độ dữ liệu cao

 Suy yếu truyền dẫn

 Nhiễu (nhiễu nhiệt, nhiễu điều chế, nhiễu xuyên kênh, nhiễu xung)

 Số thiết bị nhận (receiver)

 Môi trường hữu tuyến

Càng nhiều thiết bị nhận, tín hiệu truyền càng mau suy giảm

Môi trường truyền dẫn

Môi trường truyền dẫn hữu tuyến

Frequency Range

Typical Attenuation Typical Delay

Repeater Spacing

Cáp đồng: two-wire open line

Single pair

Flat ribon Terminating Connector

Multi core

Insulating

 Dùng tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số

 Cần bộ lặp (repeater) mỗi 2km hoặc 3km

 Dễ bị nhiễu trường điện từ bên ngoài

 Vỏ bọc giáp – Shielded Twisted Pair (STP)

 Vỏ giáp bện giúp giảm nhiễu và tác động bên ngoài

 Đắt hơn

 Khó lắp đặt (cứng, nặng)

 Chiều dài xoắn: 0.6cm đến 0.85cm

 Thích hợp cho tốc độ truyền lên đến 100.106

bits/second

 STP Cat 3: thích hợp cho tốc độ truyền lên đến

10.106 bits/second

Cáp đồng: twisted-pair

Cáp đồng: Unshielded Twisted-Pair

Cáp đồng: Shielded Twisted-Pair

 Có thể mang đồng thời 10.000 cuộc gọi

 Sẽ bị thay thế bởi cáp quang

 Kết nối các thiết bị khoảng cách gần

 Mạng cục bộ

 Đặc tính truyền dẫn

 Hiệu ứng bề mặt (skin effect)

 Analog

 Cần bộ khuyếch đại mỗi vài km

 Khoảng cách càng ngắn nếu tần số càng cao

 Lên đến 500MHz

Cáp đồng: Coaxial

Cáp đồng: coaxial

Insulating outer cover

Dielectric insulating material

Insulating outer cover

Dielectric insulating material

Cáp đồng: đặc điểm chung

 Xác suất bit lỗi trên đường truyền (Bit Error Rate – BER) vào khoảng 10-6

 Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu (crosstalk,

thermal, ) và môi trường xung quanh

 Tốc độ truyền thông tin thay đổi tùy theo

phạm vi hệ thống được triển khai :

 LAN: tốc độ 10Mbps ~ 100Mbps, khoảng cách

khoảng vài trăm mét (UTP: length < 100 m)

 WAN: tốc độ truyền thấp hơn, từ vài chục Kbps đến vài Mbps Ví dụ: T1 ~ 1,5Mbps, E1 ~ 2Mbps, đường ĐT: 64Kbps

Các chuẩn cáp đồng

 Thường được phân cấp theo RG (radio

governement rating) Mỗi số RG cho một tập các đặc tính vật lý, bao gồm kích thước dây đồng, kích thước lớp cách điện và kích cở của lớp bọc ngoài

 Các chuẩn thường gặp là:

 RG-8: dùng cho thick Ethernet

 RG-9: dùng cho thick Ethernet

 RG-11: dùng cho thick Ethernet

 RG-58: dùng cho thin Ethernet

Cáp quang

Cáp quang

Cáp quang

Cáp quang: lợi ích và ứng dụng

 Lợi ích

 Dung lượng cao

 Tốc độ dữ liệu hàng trăm Gbps (so với 100Mbps trên 1km coaxial cable và thấp hơn của twisted-pair cable)

 Kích thước và trọng lượng nhỏ

 Độ suy hao của tín hiệu trên đường truyền thấp

 Cách ly trường điện từ (Ít bị ảnh hưởng của nhiễu và môi trường xung quanh)

 Khoảng cách giữa các bộ lặp xa

 Tỷ lệ bit lỗi trên đường truyền vào khoảng 10 -9  10 -12

 Phạm vi triển khai rất đa dạng: LAN (vài km), WAN (hàng chục km)

 Môi trường truyền thích hợp để triển khai các ứng dụng mạng số đa dịch

vụ tích hợp băng rộng (Broadband Integrated Services Digital Networks)

 Đường trung kế khoảng cách xa

 Trung kế đô thị

Cáp quang: đặc tính truyền dẫn

 Sóng lan truyền có hướng 1014 đến 1015 Hz

 Light Emitting Diode (LED)

 Rẻ

 Tuổi thọ cao

 Injection Laser Diode (ILD)

 Tốc độ dữ liệu cao hơn

 Wavelength Division Multiplexing

 Injection Laser Diode (ILD)

 Hiệu quả hơn

 Tốc độ dữ liệu cao hơn

Nguồn sáng

20MHz /km

1GHz/k

m

Lên đến 1000GHz/k

m Ứng

dụng

LAN, comput

er data links

Mod length phone lines

Long haul telecom lines

Đường kính lõi (µm)

> 80 50 – 60 1.5 – 5

Độ suy 0.5 – 0.5 – 0.15

Cáp quang: chế độ truyền

multimode: several paths/time delays

narrow: 1 wavelength no time delays

Cáp quang: chế độ truyền

Step-index multimode

Graded-index multimode Single-mode

Nguồn sáng LED/ILD LED/ILD ILD

Băng thông Rộng (lên đến

200MHz/km)

Rất rộng 3GHz/km)

(200MHz-Cực rộng 50GHz/km) Ghép nối khó khó khó

(3GHz-Ứng dụng Truyền dữ liệu máy

Cáp quang

Optical Dielectric SLT Cable, 72-Fiber, Composite (24 SM/48MM)

Truyễn dẫn vô tuyến

 Truyền và nhận thông qua anten

 Có hướng

 Chùm định hướng (focused beam)

 Đòi hỏi sự canh chỉnh hướng cẩn

thận

 Vô hướng

 Tín hiệu lan truyền theo mọi hướng

 Có thể được nhận bởi nhiều anten

lý khi triển khai hệ thống

 Tỷ lệ bit lỗi trên đường truyền (BER) thay đổi tùy theo hệ thống được triển khai Ví dụ: BER của vệ tinh ~ 10 -10

 Tốc độ truyền thông tin đạt được thay đổi, từ vài Mbps đến hàng trăm Mbps

 Phạm vi triển khai đa dạng: LAN (vài km), WAN (hàng chục km)

Vô tuyến: các băng tần truyền dẫn

Vô tuyến: sóng viba mặt đất

 Chảo parabol (thường 10 inch)

 h: chiều cao của anten

 k: hằng số hiệu chỉnh độ gấp khúc của sóng (k=4/3)

 Ví dụ: tháp anten cao 100m cách xa 82km

 Chuỗi tháp anten: điểm-điểm

 Độ suy giảm t/h

 d: khoảng cách –  : chiều dài sóng

 Độ suy giảm tỉ lệ thuận bình phương khoảng cách  cần amp/repeater mỗi 10-100km

 Độ suy giảm thay đổi theo môi trường (càng tăng khi có mưa)

 Viễn thông khoảng cách xa

 Thay thế cho cáp đồng trục (cần ít bộ amp/repeater, nhưng phải nằm

kh

d  7 14

  dB

L  10 log 4d 2

Vô tuyến: sóng vệ tinh

 Vệ tinh là trạm trung chuyển

 Vệ tinh nhận trên một tần số, khuyếch đại (lặp lại tín hiệu) và phát trên một tần số khác

 Cần quĩ đạo địa tĩnh

 Thường trong khoảng tần số 1-10 GHz

 < 1 GHz: quá nhiều nhiễu

 >10 GHz: hấp thụ bởi tầng khí quyển

 Cặp tần số thu/phát

 (3.7-4.2 downlink, 5.925-6.425 uplink) 4/6 GHz band

 (11.7-12.2 downlink, 14-14.5 uplink) 12/14 GHz band

 Tần số cao hơn đòi hỏi tín hiệu phải mạnh để không bị suy giảm

Trễ 240-300ms, đáng chú ý trong viễn thông

Vô tuyến: vệ tinh

Satellite

Footprint Earth

Earth ground station

down link

down link

Vô tuyến: sóng radio

Vô tuyến: sóng hồng ngoại

 Truyền theo đường thẳng (hoặc phản xạ)

 Cản bởi các bức tường

 Bộ điều khiển TV từ xa, cổng điều khiển bằng hồng ngoại (IRD port)

Lan truyền vô tuyến

 Tín hiệu lan truyền theo 3 đường

Lan truyền sóng mặt đất

Earth

Signal propagation

Transmit

Ground-wave propagation (below 2MHz)

Lan truyền sóng bầu trời

Earth

Sky-wave propagation (2MHz to 30MHz)

Receive antenna

Transmit

antenna

ionosphere

Signal propagation

Lan truyền đường thẳng

Earth

Line-of-sight (LOS) propagation (above 30MHz)

Receive antenna

Transmit

antenna

Signal propagation

Nhiễu đa luồng

So sánh các môi trường truyền

 Khi cần thiết phải đánh giá một môi trường truyền trong các ứng dụng cụ thể thì cần quan tâm đến 5 yếu tố sau:

 Chi phí: chi phí vật tư và lắp đặt

 Tốc độ: là tốc độ truyền bps với độ tin cậy cao, chú ý là tốc độ thay đổi theo tần số (tần số càng cao thì truyền càng nhiều bps), cũng như kích thước của môi trường hay thiết bị truyền dẫn,

và vấn đề điều hòa của môi trường dẫn điện

 Suy hao

 Nhiễu điện từ trường: (EMI: electromagnetic interference) nói lên khả năng cảm nhận của môi trường đối với năng lượng điện từ trường

từ bên ngoài vào đường kết nối lên trên tín

Moderate High High High

Nhiều Nhiều Vừa Thấp

Low-high Variable Variable Low

Nhiều Vừa Vừa Không

High High High Moderate

Thấp Thấp Thấp Cao

Low Moderate Moderate Low

2.4 Các chuẩn giao tiếp vật lý

 Các loại tín hiệu

 Các chuẩn giao tiếp vật lý

Các loại tín hiệu

 Tín hiệu dùng chuẩn V.28

 Tín hiệu dòng 20mA

 Tín hiệu dùng chuẩn RS-422A (V.11)

 Tín hiệu truyền trên cáp đồng trục

 Tín hiệu cáp quang

 Tín hiệu vệ tinh và radio