CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN

CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN

Giảng viên: Trịnh Huy Hoàng Email:[email protected]

CSE 501035 – Data Communication 2

Nội dung Khái niệm và thuật ngữ Tín hiệu và nhiễu Các môi trường truyền dẫn


Tín hiệu


Tín hiệu


T

A

Tần số của tín hiệu Miền thời gian Miền tần số

A

T

T

A

1 giây (s)

f

A

A

A

0

f

2f

F

F

F


Phổ của tín hiệu

f = 300 Hz 300

F (Hz)

600 Hz 600

F (Hz)

700 Hz 700

F (Hz)

F (Hz)

Phổ: Tầm tần số chứa trong tín hiệu


Băng thôngA

F

Băng thông tuyệt đối Độ rộng phổ (được đo bằng sự chênh lệch tần số cao nhất

và thấp nhất mà kênh hỗ trợ) Băng thông càng lớn, tốc độ truyền càng cao

Băng thông hiệu dụng Băng thông Dải tầm tần số hẹp chứa hầu hết năng lượng của t/h

500 2500

Bandwidth = 2500 – 500 = 2000 Hz


Phổ âm của thoại


Suy giảm tín hiệu

T/h nhận được khác với t/h truyền đi Analog – suy giảm chất lượng t/h Digital – lỗi trên bit

Nguyên nhân Suy yếu và méo do suy yếu trên đường truyền 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 t/h là một hàm

phức tạp theo khoảng cách và thành phần khí quyển Cường độ t/h nhận phải

Đủ mạnh để thiết bị nhận nhận biết được Đủ cao so với nhiễu để t/h 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 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 (+/-)


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 Công suất tăng gấp đôi độ lợi 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 Công thức

Transmission propagation delayTp = S/V

S : khoảng cách vật lý (meter) V : vận tốc lan truyền tín hiệu trên môi trường

truyền, vd: với sóng điện từ: v = 2 x 106 (m/s)

Round trip delay Tx = N/R

N : khối lượng dữ liệu truyền (bit) R : tốc độ truyền bit trên đường truyền.


Nhiễu Tín hiệu thêm vào giữa thiết bị phát và thiết

bị thu Các loại nhiễu

Nhiễu nhiệt Nhiễu điều chế Nhiễu xuyên kênh (cross talk) Nhiễu xung


Nhiễu


Nhiễu nhiệt Do dao động nhiệt của các điện tử trong chất dẫn

Hàm của nhiệt độ 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

nàoN0 = kT

N0: mật độ công suất nhiễu (watt/Hz) k: hằng số Boltzmann (= 1.38 x 10-23 J/0K) T: nhiệt độ (0K)

Nhiễu trong băng thông W Hz: N = N0W = kTW


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 Nhiễu xung

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) Đặc điểm

Có thể truyền nhiều hơn một bit ứng với mỗi thay đổi của tín hiệu trên đường truyền.

Tốc độ truyền thông tin cực đại bị giới hạn bởi băng thông của kênh truyền

Công thức Nyquist Nếu tốc độ truyền tín hiệu là 2W thì tín hiệu với

tần số nhỏ hơn (hoặc bằng) W là đủ; ngược lại nếu băng thông là W thì tốc độ tín hiệu cao nhất là 2W

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 Độ hữu hiệu băng thông: B = R/W (bps HZ-1)


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) S : công suất tín hiệu nhận N : công suất nhiễu

Công thức Shannon-HartleyC = W x log2 (1 + S/N) (bps)

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


Chiều dài sóng Khoảng cách chiếm bởi một chu kỳ Khoảng cách giữa 2 điểm pha tương ứng

trong 2 chu kỳ liên tiếp Ký hiệu Giả sử vận tốc t/h là v

= vT f = v c = 3*108 ms-1 (tốc độ ánh sáng)


Môi trường truyền dẫn Hữu tuyến (guided media – wire)

Cáp đồng Cáp quang

Vô tuyến (unguided media – wireless) Vệ tinh 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 Cáp xoắn đôi Cáp đồng trục Cáp quang

Frequency Range

Typical Attenuatio

n

Typical Delay

Repeater Spacing

Twisted pair (with loading)

0 to 3.5 kHz 0.2 dB/km @ 1 kHz

50 µs/km 2 km

Twisted pairs (multi-pair cables)

0 to 1 MHz 0.7 dB/km @ 1 kHz

5 µs/km 2 km

Coaxial cable 0 to 500 MHz 7 dB/km @ 10 MHz

4 µs/km 1 to 9 km

Optical fiber 186 to 370 THz

0.2 to 0.5 dB/km

5 µs/km 40 km


Cáp đồng: two-wire open line

Single pair

Flat ribon

Terminating Connector


Cáp đồng: twisted-pair Tách rời Xoắn lại với nhau Thường được bó lại

Insulatingouter cover

Multi core


Protective screen (shield)


Cáp đồng: twisted-pair Ứng dụng

Môi trường truyền dẫn thông dụng nhất Mạng điện thoại

Giữa các thuê bao và hộp cáp (subscriber loop) Kết nối các tòa nhà

Tổng đài nội bộ (Private Branch eXchange – PBX) Mạng cục bộ (LAN)

10Mbps hoặc 100Mbps

Ưu – nhược điểm Rẻ Dễ dàng làm chủ Tốc độ dữ liệu thấp Tầm ngắn


Cáp đồng: twisted-pair Đặc tính truyền dẫn

Analog Cần bộ khuếch đại mỗi 5km tới 6km

Độ suy giảm t/h: ~1dB/km Chuẩn trong ĐT: = 6dB

DigitalDùng tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu sốCần bộ lặp (repeater) mỗi 2km hoặc 3km

Khoảng cách giới hạnBăng thông giới hạn (1MHz)Tốc độ dữ liệu giới hạn (100MHz)Dễ bị nhiễu và tác động của môi trường

ngoài


Cáp đồng: twisted-pair Không vỏ bọc giáp – Unshielded Twisted Pair (UTP)

Dây ĐT bình thường Rẻ nhất Dễ lắp đặt 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)


Cáp đồng: twisted-pair UTP Cat 3

Lên đến 16MHz Được dùng trong liên lạc thoại ở hầu hết

các văn phòng Chiều dài xoắn (twist length): 7.5cm tới

10cm UTP Cat 4

Lên đến 20 MHz UTP Cat 5

Lên đến 100MHz Được dùng phổ biến hiện nay trong các

văn phòng 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


Cáp đồng: Coaxial Ứng dụng

Môi trường truyền linh hoạt nhất Cáp truyền hình Truyền dẫn ĐT khoảng cách xa

FDM 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

Digital Cần bộ lặp (repeater) mỗi km Khoảng cách càng ngắn nếu tốc độ dữ liệu càng tăng


Cáp đồng: Coaxial


Cáp đồng: coaxial


Braided outerconductor

Dielectricinsulatingmaterial

Centerconductor


Braided outerconductor

Dielectricinsulatingmaterial

Centerconductor


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


Cáp quang

Single core

Multicore

Plasticcoating

Optical core Optical cladding

Single core

Multicore

Plasticcoating

Optical core Optical cladding


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

Ứng dụng 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 Trung kế tổng đài nông thôn Thuê bao


Cáp quang: đặc tính truyền dẫn Sóng lan truyền có hướng 1014 đến 1015 Hz

Một phần phổ hồng ngoại và phổ nhìn thấy được Light Emitting Diode (LED)

Rẻ Tầm nhiệt độ hoạt động rộng Tuổi thọ cao

Injection Laser Diode (ILD) Hiệu quả hơn Tốc độ dữ liệu cao hơn

Wavelength Division Multiplexing


Cáp quang: đặc tính truyền dẫn Sóng lan truyền có

hướng 1014 đến 1015 Hz Một phần phổ hồng ngoại

và phổ nhìn thấy được Light Emitting Diode

(LED) Rẻ Tầm nhiệt độ hoạt động

rộng Tuổi thọ cao

Injection Laser Diode (ILD) Hiệu quả hơn Tốc độ dữ liệu cao hơn

Wavelength Division Multiplexing

Nguồn sáng

LED/ILD

LED/ILD

ILD

Băng thông

20MHz/km

1GHz/km

Lên đến 1000GHz/km

Ứng dụng

LAN, computer data links

Mod length phone lines

Long haul telecom. lines

Đường kính lõi (µm)

> 80 50 – 60 1.5 – 5

Độ suy giảm t/h (dB/km)

0.5 – 2.0

0.5 – 2.0

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 (200MHz-3GHz/km)

Cực rộng (3GHz-50GHz/km)

Ghép nối khó khó khó

Ứng dụng Truyền dữ liệu máy tính

Đường điện thoại (khoảng cách trung bình)

Viễn thông đường dài

Giá thành Rẻ nhất Trung bình Đắt nhất

Đường kính lõi (µm)

50-125 50-125 2-8

Đường kính vỏ (µm)

125-440 125-440 15-60

Độ suy giảm (db/km)

10-50 7-15 0.2-2


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 Tầm tần số

2GHz đến 40GHz Sóng viba (microwave) Định hướng cao Điểm-điểm Vệ tinh

30MHz đến 1GHz Vô hướng radio

3 x 1011 đến 2 x 1014

Hồng ngoại Cục bộ

Khắc phục những khó khăn về địa 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)

Chi phí để triển khai hệ thống ban đầu rất cao


Vô tuyến: các băng tần truyền dẫn


Vô tuyến: sóng viba mặt đất Chảo parabol (thường 10 inch) Chùm sóng định hướng theo đường ngắm (line of

sight) Khoảng cách max giữa các anten

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 trên đường thẳng)

Tần số càng cao thì tốc độ dữ liệu càng cao

khd 14.7

dBL d 24log10


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

Cao 35.784 km Ứng dụng

Truyền hình Điện thoại đường dài Mạng riêng

Đặc tính 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 groundstation

Uplink dow n

link

point-to-point

Satellite

Hub station

point-to-multipoint

Uplink

dow nlink

dow nlink

VSAT VSAT

VSAT : very smal aperture terminal


Vô tuyến: sóng radio Vô hướng, 30MHz – 1GHz Sóng FM Truyền hình UHF và VHF Truyền theo đường thẳng (line of sight) Bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa kênh

Phản xạ


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

Sóng mặt đất Dọc theo đường bao trái đất < 2MHz AM radio

Sóng bầu trời Radio nghiệp dư, dịch vụ toàn cầu BBC, VOA Tín hiệu phản xạ từ tầng điện ly

Đường thẳng Khoảng trên 30MHz Có thể xa hơn đường thẳng quang học do có phản xạ


Lan truyền sóng mặt đất

Earth

Signalpropagation

Transmitantenna

Receiveantenna

Ground-wave propagation (below 2MHz)


Lan truyền sóng bầu trời

Earth

Sky-wave propagation (2MHz to 30MHz)

Receiveantenna

Transmitantenna

ionosphere

Signal propagation


Lan truyền đường thẳng

Earth

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

Receiveantenna

Transmitantenna

Signal propagation


Nhiễu đa luồng


Kết chương Một số khái niệm và thuật ngữ

Phổ Băng thông Tốc độ kênh truyền

Môi trường truyền dẫn Hữu tuyến

Twisted – pair Coaxial Fiber optic

Vô tuyến Radio Satellite Microwave


Đọc thêm W. Stallings, Data and Computer

Communications (7th edition), Prentice Hall 2004, chapter 4

B. Brown, Introduction to Data Communications

Documents

CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN