CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN

1. CHƯƠNG 2MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN anhph@cse.hcmut.edu.vn

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

3. Tín hiệu

4. Tín hiệu

5. 1 giây (s) A T Tần số của tín hiệu Miền thời gian Miền tần số A A T F 0 A f F f A A T F 2f

6. Phổ của tín hiệu F (Hz) f = 300 Hz 300 F (Hz) 600 600 Hz F (Hz) 700 Hz 700 F (Hz) Phổ: Tầm tần số chứa trong tín hiệu

7. Băng thông A • 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 F 500 2500 Bandwidth = 2500 – 500 = 2000 Hz

8. Phổ âm của thoại

9. 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

10. 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 (+/-)

11. 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

12. 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 delay Tp = 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.

13. 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

14. Nhiễu

15. 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 nào N0 = 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

16. 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

17. 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)

18. Tốc độ kênh truyền

19. Tốc độ kênh truyền

20. 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

21. Bit rate

22. 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-Hartley C = W x log2 (1 + S/N) (bps) • C : tốc độ truyền t/h cực đại khi kênh truyền không có nhiễu

23. 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)

24. 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

25. Môi trường truyền dẫn

26. Frequency Range Typical Attenuation 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 Môi trường truyền dẫn hữu tuyến • Cáp xoắn đôi • Cáp đồng trục • Cáp quang

27. Cáp đồng: two-wire open line

28. Insulating outer cover Multi core Insulating outer cover Protective screen (shield) Cáp đồng: twisted-pair • Tách rời • Xoắn lại với nhau • Thường được bó lại

29. 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

30. 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 • Digital • Dùng tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số • Cần bộ lặp (repeater) mỗi 2km hoặc 3km • Khoảng cách giới hạn • Băng thông giới hạn (1MHz) • Tốc độ dữ liệu giới hạn (100MHz) • Dễ bị nhiễu và tác động của môi trường ngoài

31. 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)

32. 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

33. Cáp đồng: twisted-pair

34. Cáp đồng: Unshielded Twisted-Pair

35. Cáp đồng: Shielded Twisted-Pair

36. 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

37. Cáp đồng: Coaxial

38. Cáp đồng: coaxial

39. 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

40. Cáp quang

41. Cáp quang

42. 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

43. 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

44. 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

45. Cáp quang: chế độ truyền multimode: several paths/time delays narrow: 1 wavelength no time delays

46. Cáp quang: chế độ truyền

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

48. 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

49. Vô tuyến: các băng tần truyền dẫn

50. 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