1 / 61

CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN

Giảng viên: Trịnh Huy Hoàng Email:hoangth@hcmup.edu.vn. CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN. Nội dung. Khái niệm và thuật ngữ Tín hiệu và nhiễu Các môi trường truyền dẫn. Tín hiệu. Tín hiệu. 1 giây (s). A. T. Tần số của tín hiệu. Miền thời gian. Miền tần số. A. A. T. F. 0. A. f.

trey
Download Presentation

CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Giảng viên: Trịnh Huy Hoàng Email:hoangth@hcmup.edu.vn CHƯƠNG 2MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN

  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

More Related