Bài giảng mạng máy tính chương 3 cđ CNTT hữu nghị việt hàn

Chương 3. Lớp Vật Lý
Physical Layer


3.1 Khái niệm
 3.1.1 Tín hiệu: Đại lượng vật lý được sử dụng để
biểu diễn thông tin, biến đổi theo thời gian hoặc
không gian.
 Tín hiệu tương tự: liên tục, có biên độ không bị biến
đổi đột ngột theo thời gian.
 Tín hiệu số: không liên tục, có biên độ thay đổi ở
các mức khác nhau theo thời gian


3.1 Khái niệm
 Sử dụng tín hiệu trong truyền thông
 Các tín hiệu có thể được chuyển đổi qua lại với nhau
trong khi truyền thông sử dụng các phương pháp
giải – điều chế bằng thiết bị modem


3.1.2 Tần số, phổ tần và băng thông
 Theo phân tích Fourier thì một tín hiệu g(t) có thể được xem
là tổng hợp của các tín hiệu thành phần theo công thức:

 Trong đó các tín hiệu thành phần được biểu diễn trong công
thức S(t+T) = s(t)
1
 Tần số: f= T
 Phổ tần số: khoảng tần số chứa các thành phần của tín hiệu
đó.

 Pha
 Băng thông tuyệt đối: Độ rộng phổ tần số


3.1.2 Tần số, phổ tần và băng thông
 Băng thông hiệu dụng: Phần lớn năng lượng của tín
hiệu tập trung vào một số tần số. Độ rộng phổ tần
cho các tín hiệu đó được gọi là băng thông hiệu
dụng.
 Tần số cắt fc là tần số mà năng lượng của tín hiệu
bắt đầu suy hao.


3.1.3 Dung lượng kênh truyền
 Băng thông của đường truyền: Mỗi môi trường truyền dẫn
thường chỉ cho phép một loại tín hiệu có tần số xác định đi
qua. Khoảng tần số mà tín hiệu đi qua môi trường không
làm mất đi một nửa năng lượng của tín hiệu đó được gọi là
băng thông đường truyền, kí hiệu là B. Nyquyst chứng minh
được rằng dung lượng một kênh truyền tối đa là
C=2B*log2M, M là số mức lượng tử trên một tín hiệu
 Shanon chứng minh được rằng tốc độ dữ liệu tối đa trên một
kênh truyền có nhiễu là:
C=2B*log2(1+S/N), S/N là tỉ số tín hiệu/ tạp âm, đo bằng
10log10S/N, đơn vị là decibel (dB)


3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến
 3.2.1 Cáp xoắn đôi: Một cặp cáp xoắn đôi gồm 2 sợi cáp
đồng có đường kính khoảng 1mm, tránh nhiễu xuyên âm

(crossover talk), gồm 2 loại
 UTP Unshield Twisted Pair
 STP Shield Twisted Pair

 Cắp xoắn đôi dựa vào bước xoắn thưa hay dày được phân
thành các loại như Cat3, Cat4, Cat5, Cat5e, Cat6, Cat7…

Cat 3

Cat 5

Bước xoắn

7.5 – 10 (cm)

0.6 – 0.85 (cm)

Băng thông

16 MHz

100 MHz


3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến
 3.2.2 Cáp đồng trục: Một cáp đồng trục bao gồm một lõi
bằng đồng được bọc bởi một vật liệu cách điện. Lớp cách
điện này được bao quanh bởi một lưới dẫn diện. Bên ngoài
dây cáp là vỏ bảo vệ bằng nhựa. Một sợi cáp đồng trục đơn
có đường kính từ 1 đến 2.5cm

 Chống nhiễu điện từ và xuyên âm tốt, băng thông đường
truyền lớn, lên đến 1GHz, gồm 2 loại:
 50 ohm: dùng cho tín hiệu số
 75 ohm: dùng cho tín hiệu tương tự và truyền hình


3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến
3.3.3 cáp quang
 Đặc điểm môi trường: Khi ánh sáng truyền từ môi trường
này đến môi trường khác  Khúc xạ ánh sáng. Độ khúc xạ
phụ thuộc vào tính chất hai môi trường (hệ số khúc xạ). Nếu
góc tới lớn hơn hoặc bằng tia tới hạn  Phản xạ toàn phần.


3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến
 Truyền dẫn quang: Đơn vị tín hiệu biểu thị bit 1 có xung ánh
sáng, bit 0 không có xung ánh sáng. Gồm 3 thành phần chính:
 Nguồn quang: Diod quang hoặc laser
 Môi trường truyền dẫn: sợi thủy tinh rất nhỏ
 Diod thu quang: đầu thu quang tạo xung điện với các tín hiệu
nhận được tương ứng


3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến
 Suy hao ánh sáng qua sợi quang: phụ thuộc vào bước sóng
ánh sáng và môi trường truyền dẫn.

PT
A  10 log10

PR

PT: Công suất phát
PR: Công suất thu


3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến
 Sợi quang:Lõi cáp được bao bọc bởi một lớp thủy

tinh có chiết suất nhỏ hơn để giử cho ánh sáng phản
xạ toàn phần trong lõi. Tiếp theo là một lớp vỏ
nhựa để bảo vệ. Thường người ta chế tạo nhiều sợi
quang trong một bó cáp và bảo vệ bằng một lớp vỏ
bên ngoài


3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến
 Sợi quang gồm hai loại:
 đa mode, lõi cáp quang có
kích thước khoảng 50µm,
cho phép truyền đồng thời
các tín hiệu quang ứng
với các bước sóng khác
nhau trên cùng sợi quang.
 đơn mode, kích thước từ
8-10µm cho phép truyền
chỉ một tín hiệu quang
ứng với một bước sóng
nào đó trên sợi quang tại
một thời điểm.

3.2 Phương tiện truyền dẫn hữu tuyến
 Phương pháp kết nối sợi quang: sử dụng đầu nối, ghép
nối và phương pháp hàn. Tuy nhiên, cả 3 phương pháp
trên đều xuất hiện tia phản xạ ở mối nối và làm nhiễu tín
hiệu ở các mức độ khác nhau
 Nguồn quang: Diod quang (LED) và Laser bán dẫn
Nguồn quang

LED

Laser bán dẫn

Tốc độ dữ liệu

Thấp

Cao

Loại sợi quang

Đa mode

Đa mode hoặc đơn mode

Khoảng cách

Ngắn

Dài

Tuổi thọ

Dài

Ngắn

Độ nhạy nhiệt độ

Nhỏ

Lớn

Giá thành

Thấp

Cao


3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến
 Ưu điểm của mạng vô tuyến so với mạng hữu tuyến











Khả năng di động
Thích hợp cho các khu vực địa hình phức tạp
Bảo quản và duy trì dễ dàng
Thời gian triển khai nhanh

Phổ sóng điện từ
Sóng vô tuyến
Sóng ngắn vi ba
Sóng hồng ngoại


3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến
3.3.1 Phổ sóng điện từ: Các loại sóng bao gồm






sóng vô tuyến,
sóng ngắn,
hồng ngoại
và các sóng ánh sáng khác được dùng để truyền thông tin
bằng cách điều chế biên độ, tần số và pha của sóng.
Tia cực tím, tia X, tia gamma cũng có thể dùng để truyền tin
nhưng chúng khó chế tạo, khó điều chế và ảnh hưởng đến
sức khỏe.

3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến
 Trong đó: LF, MF, HF tương ứng là sóng ngắn
(low frequency), sóng trung (medium frequency),
sóng cao tần (high frequency). Các sóng có tần số
cao trên 10MHz theo thứ tự tăng dần được gọi là
UHF, SHF, EHF và THF


3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến
 Dung lượng thông tin mà một loại sóng điện từ
mang được tùy thuộc vào băng thông của nó. Để
tính toán băng thông người ta căn cứ vào biểu thức
quan hệ giữa tần số, bước sóng và tốc độ ánh sáng
như sau: lf = c
df
c
 2
Lấy vi phân 2 vế theo l, ta có:
d

Hay:
c.
f 

2

Ví dụ, ở bước sóng 1.3 mm và Dl= 0.17x10-6, ta có
Df =30THz. Nếu số bit lấy mẫu là 8 bit/Hz thì tốc

độ dữ liệu sẽ là 240Tbps


3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến
3.3.2 Sóng vô tuyến
 Sóng vô tuyến dễ tạo và có thể truyền đi với khoảng cách lớn, chính
vì vậy sóng vô tuyến được sử dụng rộng rãi trong việc truyền thông
tin. Sóng vô tuyến là sóng vô hướng, nghĩa là nó có thể truyền đi
theo mọi hướng nên đầu thu và phát không nhất thiết phải đối diện
với nhau.
 Đặc điểm của sóng vô tuyến phụ thuộc vào tần số. Ở tần số thấp,
sóng vô tuyến có thể đi xuyên qua vật cản nhưng năng lượng của nó
suy hao nhanh. Ở tần số cao, sóng vô tuyến truyền thẳng và khó đi
qua các vật cản. Ngoài ra, chúng còn bị suy hao do thời tiết xấu và
ảnh hưởng nhiễu từ các thiết bị điện từ khác.


3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến
3.3.3 Sóng ngắn (viba)




Ở tần số trên 100MHz, sóng điện từ gần như truyền thẳng và độ tập trung
năng lượng cao. Việc phát sóng viba được thực hiện bởi một antenna
parabol nên năng lượng sóng điện từ tạo ra có độ tập trung và có tỷ số tín
hiệu/nhiễu cao nhưng yêu cầu đầu thu và đầu phát phải đối diện nhau.
Sóng ngắn được sử dụng rộng rãi trong viễn thông, hệ thống điện thoại di
động, truyền hình và các ứng dụng có phổ tần ngắn khác.

 Truyền tin sóng ngắn có các ưu điểm so với sử dụng cáp như sau:
 Không cần phải thiết kế và lắp đặt một hệ thống dây dẫn phức
tạp. Chỉ cần lắp đặt 2 antena ở 2 đầu thu và phát tín hiệu là có
thể thực hiện việc truyền thông tin. Đối với những nơi có địa
hình phức tạp thì đây là một giải pháp hiệu quả nhất
 Tiết kiệm được chi phí so với trường hợp phải thiết kế và lắp đặt
hệ thống dây dẫn.


3.3 Môi trường truyền dẫn vô tuyến
3.3.4 Sóng hồng ngoại
 Sóng hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong truyền tin phạm vi
hẹp đặc biệt là các thiết bị điều khiển từ xa. Sóng hồng ngoại là loại
sóng định hướng, dễ tạo nhưng lại có hạn chế là không thể đi xuyên
qua vật cản. Tuy nhiên, hạn chế đó được phát huy trong một số
trường hợp ví dụ: chỉ có thể điều khiển từ xa các thiết bị điện tử
trong phạm vi một căn phòng, không ảnh hưởng đến các phòng
khác.


3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay
3.4.1 Mạng điện thoại công công – PSTN
Để truyền dữ liệu có thể dùng mạng điện thoại hoặc đường truyền
riêng có tốc độ cao. Dịch vụ truyền dữ liệu bằng điện thoại là một trong
những dịch vụ đầu tiên về truyền số liệu.

3.4.2 Mạng thông tin di động
Đáp ứng cho nhu cầu thông tin di động và sự phát triển của các hình
thức truyền thông khác nhau cũng như sự phức tạp của địa hình triển
khai

3.4.3 Thông tin vệ tinh
Sự phát triển của ngành hàng không vũ trụ đã giúp con người thêm
một kênh thông tin quan trọng khác, đó là sử dụng các vệ tinh nhân tạo.
Với đặc điểm truyền xa, tốc độ cao và không phụ thuộc địa hình thông
tin vệ tinh đang ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng


3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay
3.4.1 Mạng điện thoại công cộng
3.4.1.1 Cấu trúc và các thành phần:
Gồm có ba kiểu cấu trúc khác nhau: kết nối đầy đủ,
chuyển mạch tập trung và phân cấp 2 mức


3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay
Gồm có các thành phần chính: Bộ chuyển mạch trung tâm
(tổng đài), đường truyền dữ liệu giữa các chuyển mạch
trung tâm (trung kế - trunk), hệ thống đường dây thuê bao
(local loop) và các thuê bao khách hàng. Trong thực tế
mạng điện thoại được tổ chức phân cấp nhiều mức như sau:


3.4 Một số mạng truyền thông phổ biến hiện nay
3.4.1.2 Các dịch vụ dữ liệu qua mạng điện thoại
a. Kết nối bằng modem quay số (dial up)
 Khi một máy tính muốn gửi dữ liệu lên đường truyền tương
tự của hệ thống điện thoại, nó phải chuyển đổi tín hiệu số đó
sang dạng analog. Việc chuyển đổi này được thực hiện bằng
một thiết bị gọi là Modem.

 Để truyền được thông tin đi, thiết bị Modem phải điều chế
một trong 3 đặc tính: biên độ, tần số hoặc pha của tín hiệu vào
 Đối với điều chế biên độ, người ta sử dụng sóng mang có 2
biên độ khác nhau đại diện cho bit 0 và bit 1. Đối với điều chế
tần số, hay còn gọi là khóa dịch tần, người ta sử dụng sóng
mang có 2 tần số khác nhau để điều chế. Đối với điều chế
pha, người ta chỉ cần dịch pha của sóng mang ở 0 hoặc 180 độ
tương ứng với 2 mức tín hiệu.