Nghiên cứu và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên mạng máy tính và đường dây điện thoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỖ BÌNH DƯƠNG

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT
LAN TRUYỀN TRÊN MẠNG MÁY TÍNH VÀ
ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 0 3 5 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỖ BÌNH DƯƠNG

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT
LAN TRUYỀN TRÊN MẠNG MÁY TÍNH VÀ
ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH : 60 52 50

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT
LAN TRUYỀN TRÊN MẠNG MÁY TÍNH VÀ
ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH : 60 52 50

Họ và tên học viên : ĐỖ BÌNH DƯƠNG
Người hướng dẫn: TS. QUYỀN HUY ÁNH

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
----------o0o----------

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS QUYỀN HUY ÁNH
Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc só được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Ngày....tháng....năm 2005


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS.

Quyền Huy Ánh, người Thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những
tài liệu quan trọng, đònh hướng và sửa chữa những thiếu sót trong suốt quá trình
tôi nghiên cứu để hoàn thành cuốn luận văn này.
Tôi cũng xin cảm ơn q Thầy Cô trong Bộ môn Điện – Điện Tử thuộc
Trung Tâm Việt Đức Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã động viên, góp ý
và tạo điều kiện tối đa cho tôi thực hiện luận văn này.
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được những lời
hỏi thăm, sự động viên nhiệt tình của các anh chò học viên trong lớp Cao Học
khóa 1 ngành thiết bò mạng và nhà máy điện, các bạn đồng nghiệp và gia đình.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để tôi có thể
hoàn thành tốt luận văn này.

Học viên thực hiện


Mục lục

MỤC LỤC

Trang
Mục lục
Chương

Chương 1

Chương 2

Chương 3

Chương 4

1
Mở đầu
I.
Đặt vấn đề
II
Giới thiệu các phần tử bảo vệ
III
Giới hạn đề tài
Mạng LAN
1.1
Giới thiệu
1.2
Các phương pháp truyền dữ liệu
1.3
Cấu trúc mạng LAN
1.4
Các thiết bò trong mạng LAN
Đường dây điện thoại

2.1
Giới thiệu
2.2
Băng thông của đường dây điện thoại
2.3
Mạng điện thoại công cộng PSTN
Phần tử bảo vệ GDT
3.1
Giới thiệu
3.1.1
Bảo vệ điện thoại/fax/modem
3.1.2
Bảo vệ đường dây tín hiệu
3.1.3
Các dạng mạch bảo vệ
3.2
Cấu trúc GDT
3.3
Các thông số kỹ thuật chính
3.4
Nguyên lý bảo vệ
3.5
Trạng thái đáp ứng
Điốt Zener – Zener TVS
4.1
Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện
4.1.1
Mạng tinh thể và liên kết hoá trò
4.1.2
Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P

4.1.3
Mối nối P-N ở trạng thái cân bằng
4.2.4
Mối nối P-N khi có điện áp ngoài
4.2
Đặc tính V-I của điốt Zener
4.2.1
Đặc tính thuận một chiều
4.2.2
Đặc tính đánh thủng
4.3
Trở kháng Zener
4.4
Hệ số nhiệt độ
4.5
Công suất suy hao

Học viên : Đỗ Bình Dương

4
5
6
7
7
8
9
11
13
13
18

18
18
19
20
22
23
25
27
27
28
29
30
30
32
33
33
35
35
Trang 1


Mục lục

Chương 5

Chương 6

Chương 7

Chương 8

4.6
Điện dung của Zener
4.7
Zener triệt xung áp lan truyền (Zener TVS)
4.7.1
Giới thiệu
4.7.2
Các thông số cơ bản
4.7.3
Đặc tính kẹp điện áp
4.7.4
Công suất xung đỉnh – ảnh hưởng của nhiệt độ
4.7.5
Dung kháng
Mô tả TSPD
5.1
Tổng quát về Thyristor
5.2
Cấu tạo và hoạt động
5.3
Các thông số chính
5.4
Hoạt động của TSPD
5.5
Cấu tạo của TSPD
5.6
Mô hình của TSPD dùng cho mô phỏng
Các tiêu chuẩn viễn thông
6.1

Tiêu chuẩn GR 1089
6.1.1
Các kiểm tra đối với thiết bò bảo vệ quá áp
6.1.2
Kiểm tra xung sét cấp thứ nhất
6.1.3
Kiểm tra xung sét cấp thứ 2
6.1.4
Kiểm tra bộ giới hạn dòng
6.2
Tiêu chuẩn ITU-T K20 và K21
6.3
Tiêu chuẩn TIA-968-A (FCC part 68)
6.3.1
Kiểm tra các quá áp
6.3.2
Xung áp giữa 2 dây Tip và Ring (Metallic)
6.3.3
Xung áp giữa 2 dây Tip và Ring với đất
(Longitudinal)
6.4
Tiêu chuẩn UL60950
Bảo vệ và phối hợp các phần tử bảo vệ
7.1
Bảo vệ quá áp
7.2
Bảo vệ quá dòng
7.3
Bảo vệ sơ cấp
7.4

Bảo vệ thứ cấp
7.5
Phối hợp bảo vệ
Bảo vệ mạng Lan – Wan và đường dây điện thoại
8.1
Bảo vệ mạng Lan – Wan
8.1.1
Giới thiệu
8.1.2
Bảo vệ mạng 10Base-T
8.1.3
Bảo vệ mạng 100Base-T
8.2
Bảo vệ đường dây điện thoại
8.2.1
Tổng quát
8.2.2
Điện trở dây Tip và Ring

Học viên : Đỗ Bình Dương

36
37
37
38
38
41
43
44
44

45
46
46
47
48
48
50
50
50
51
52
52
52
53
53
55
56
57
58
58
64
64
65
66
66
66
67
Trang 2

Mục lục

Chương 9

Mạch phát xung sét
9.1
Xung sét quy đònh theo tiêu chuẩn
9.1.1
Đònh nghóa đối với thử nghiệm bằng điện áp
xung sét
9.1.2
Đònh nghóa đối với thử nghiệm bằng dòng điện
xung sét
9.1.3
Dạng sóng xung tắt dần
9.2
Mô hình mạch phát xung sét
Chương 10 Kết quả mô phỏng
10.1
Các dạng xung sét chuẩn
10.1.1
Xung sét thử theo tiêu chuẩn K20 và K21
10.1.2
Xung sét thử theo tiêu chuẩn TIA-968
10.1.3
Xung sét thử theo tiêu chuẩn GR-1089
A
Bảo vệ thứ cấp đường dây điện thoại bằng
TSPD
10.2

Cách thức tiến hành mô phỏng
10.3
Kết quả mô phỏng theo sơ đồ bảo vệ số 1
10.4
Kết quả mô phỏng theo sơ đồ bảo vệ số 2
10.5
Kết quả mô phỏng theo sơ đồ bảo vệ số 3
10.6
Nhận xét kết quả bảo vệ bằng TSPD
B
Bảo vệ sơ cấp đường dây điện thoại bằng GDT
10.7
Các sơ đồ bảo vệ mạng Lan
10.7.1
Mạng Lan 10Base-T
10.7.2
Mạng Lan 100Base-T
Chương Kết luận và đề nghò
Tài liệu tham khảo

Học viên : Đỗ Bình Dương

69
69
70
70
71
75
75
76

77
78
79
80
85
88
89
91
93
93
94
96
98

Trang 3


Chương mở đầu

CHƯƠNG MỞ ĐẦU
I.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay các thiết bò truyền dữ liệu nói chung đã trở nên rất dễ nhạy cảm
với các xung điện áp và các quá độ. Các IC, chip ngày càng nhỏ và có điện áp
hoạt động thấp nên chúng rất dễ bò hư hỏng bởi các xung điện áp. Một số có thể
bò hư hỏng với xung điện áp chỉ khoảng 20V. Có nhiều nguồn gây ra các xung
điện áp quá độ tác động vào đường truyền như cảm ứng do sét, cảm ứng do
đường dây AC, phóng điện tónh điện ESD. Mặc dù thời gian tác động là rất ngắn

nhưng chúng có năng lượng rất lớn. Cơ sở hạ tầng viễn thông, đặc biệt là hệ
thống 2 dây thường đi ngoài trời rất dễ bò tác động bởi các nguồn nhiễu trên, đặc
biệt là do sét và cảm ứng do sét. Năng lượng rất lớn của sét sẽ tạo ra các quá độ
ở các hệ thống lân cận. Những tình huống này truyền đi khi sét đánh tạo ra các
quá độ lan truyền rất nhanh trong hệ thống điện thoại hay mạng máy tính. Điện
áp hàng trăm, hàng ngàn vôn tạo ra do quá độ làm hư hỏng các thiết bò viễn
thông hay các máy tính. Theo thống kê thì một số ít xung sét có cường độ có thể
vượt quá 200kA, các giá trò này thường được sử dụng khi nghiên cứu sét đánh
trực tiếp. Các nghiên cứu của IEEE cho thấy các quá độ cảm ứng do sét trong hệ
thống điện thoại thường khoảng vài kV và xung dòng ít khi quá 1kA.
Các xung sét là nguồn gây quá độ thường gặp nhất trong các hệ thống
máy tính hay viễn thông. Dòng sét có thể chạy trong các dây dẫn do sét đánh
hay đi vào cáp ngầm qua các dòng điện tản trong đất. Bởi vì đường dây điện
thoại thường dùng chung trụ, chung tuyến hay chung cọc nối đất với đường dây
AC nên thường xuyên xuất hiện các dòng điện cảm ứng có giá trò có thể đo được
trên dây Tip và Ring. Các quá độ điện áp hay dòng điện thường xảy ra trên
đường dây điện thoại ở hai dạng đó là: quá độ giữa dây Tip, Ring với đất
(longitudinal) và quá độ xảy ra giữa dây Tip và Ring (metallic).
Các bộ bảo vệ thường chia làm 2 loại là bảo vệ thứ cấp và bảo vệ sơ cấp.
Các bộ bảo vệ sơ cấp có khả năng chòu công suất lớn hơn nhiều so với các bộ
bảo vệ sơ cấp tuy nhiên chúng có ngưỡng tác động kém chính xác hơn. Các bộ
bảo vệ sơ cấp thường lắp đặt ở tổng đài hoặc tại đầu vào của tòa nhà và thường
là tài sản của công ty cung cấp dòch vụ, các bộ bảo vệ thứ cấp thường lắp ở phía
khách hàng thuê bao. Các bộ bảo vệ thứ cấp thường bao gồm cả bảo vệ quá
dòng và quá áp.

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 4

Chương mở đầu

II.

GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ
Các thiết bò bảo vệ thường chia ra làm 2 lọai là bảo vệ quá áp và bảo
vệ quá dòng. Các thiết bò bảo vệ quá áp thường dùng là GDT (Gas
Discharge Tube), MOV (Metal Oxide Varistor), TVS zener và Thyristor.
Các thiết bò bảo vệ quá dòng là cầu chì và PPTC (Polymeric PTC). Hiện
nay, các Thyristor và PPTC là các phần tử bán dẫn bảo vệ tin cậy nhất
trong các thiết bò điện tử viễn thông. Dưới đây giới thiệu tóm tắt một số
đặc điểm về các phần tử bảo vệ này:
 GDT (Gas Discharge Tube) là các ống phóng khí thường có dạng 2
cực và 3 cực. các điện cực được giữ ở khoảng cách gần nhau và đặt
trong ống có đầy khí. Khi có điện áp cao đặt vào giữa các điện cực
vượt quá giá trò đònh mức thì khí bên trong bò ion hóa và xuất hiện
dòng điện chạy qua các điện cực. trạng thái không dẫn (off) thì
điện trở của ống phóng khí rất cao, nhưng khi dẫn giá trò điện trở
này giảm xuống. Các GDT có thời gian đáp ứng khá chậm nhưng
có thể giải thoát một năng lượng xung khá lớn và có điện dung khá
nhỏ từ 1 đến 1,2pf. Tuy nhiên chúng thường bò hư hỏng sau vài
trăm lần tác động.
 MOV (Metal Oxide Varistor) là phần tử bảo vệ thông dụng, rẻ tiền,
bền và khả năng dẫn dòng năng lượng lớn mà không hư hỏng. Tuy
nhiên sau mỗi lần MOV tác động thì khả năng của chúng bò suy
giảm. Chúng có đáp ứng chậm hơn các phần tử bảo vệ bằng bán
dẫn.
 TVS diode (Transient Voltage Suppressor Diode) là các diode được
chế tạo đặc biệt dùng cho bảo vệ quá áp. Chúng có đặc tính là điện

áp hoạt động và điện áp kẹp thấp, thời gian đáp ứng khá nhanh khi
tác động.
 TSPD (Thyristor Surge Protective Device) là phần tử bảo vệ có cấu
tạo bán dẫn tin cậy nhất hiện nay. Chúng được dùng nhiều trong
các thiết bò điện tử viễn thông dùng cho các mục đích bảo vệ quá
áp. Chúng gồm có 2 cực có khả năng dẫn dòng xung lớn khi có quá
áp quá độ giữa hai cực.
 PPTC là phần tử dùng bảo vệ quá dòng trong mạch bằng việc tăng
giá trò điện trở khi xảy ra quá áp quá độ. Chúng có hai ưu điểm lớn
là: bảo vệ không gây quá nhiệt trên các điện trở đường dây và khi
tác động giới hạn dòng không gây hở mạch. Và khi hết quá độ giá
trò điện trở của chúng trở lại bình thường (self resetting)
 Cầu chì: khi xảy ra quá dòng thì cầu chì sẽ đứt và làm hở mạch để
bảo vệ thiết bò. Chúng rất dễ kiểm tra và thay thế khi bò đứt, chúng

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 5


Chương mở đầu

là các phần tử ít nhạy cảm so với các linh kiện điện tử. Tuy nhiên
chúng có thời gian đáp ứng chậm hơn so với các phần tử bảo vệ bán
dẫn.
Trong hệ thống mạng điện thoại và máy tính thường dùng các phần tử bảo
vệ là GDT, TSPD, TVS diode, và PPTC hay cầu chì. Trong mạng điện thoại
điện áp bảo vệ của các thiết bò này thường từ 260V đến 350V. Mạng máy tính là
mạng truyền dữ liệu tốc độ cao nên cần chú ý đến điện dung của bản thân các
phần tử bảo vệ sinh ra có thể gây nhiễu và ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu.

Để giảm điện dung của các phần tử bảo vệ bán dẫn người ta thường mắc thêm
các cặp diode song song và nối tiếp để giảm điện dung.
Khi sử dụng và thử nghiệm các phần tử bảo vệ này phải tuân theo các
tiêu chuẩn ITU-T K20, K21, Telcordia GR-1089, UL 60950 và TIA-968-A.
III

GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Việc nghiên cứu và mô phỏng hành vi của các phần tử bảo vệ trên là hết
sức quan trọng. Tuy nhiên, do thời gian và trình độ có hạn nên phạm vi nghiên
cứu của đề tài chỉ thực hiện tìm hiểu về mặt lý thuyết các phần tử GDT, TVS
diode, TPSD , đặc điểm và biện pháp bảo vệ cho mạng máy tính và đường dây
điện thoại. Quá trình mô phỏng chỉ thực hiện khảo sát đáp ứng chống lại các
quá điện áp trên đường dây gây ra do xung sét lan truyền của các phần tử GDT
và TSPD bằng phần mềm Orcad/PSPICE.
Phần mô phỏng của đề tài thực hiện mô phỏng dựa trên các mô hình của
các phần tử GDT, TSPD và rút ra các nhận xét về đáp ứng của chúng đối với các
dạng xung sét chuẩn khác nhau. Các dạng xung sét chuẩn được tạo ra sử dụng
trong mô phỏng có các thông số theo các tiêu chuẩn đối với mạng máy tính và
viễn thông.

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 6


Chương1 Giới thiệu mạng LAN

Chương 1: MẠNG LAN

1.1

GIỚI THIỆU
Mạng LAN là một mạng máy tính tốc độ cao kết nối các máy tính trong
một phạm vi tương đối nhỏ. Nó chủ yếu dùng kết nối các máy trạm, các máy
tính cá nhân, các máy in và một số thiết bò khác. Mạng LAN cho phép người sử
dụng máy tính nhiều thuận tiện như truy cập dữ liệu chung với các thiết bò và
ứng dụng, trao đổi các tập tin và truyền thông giữa các người dùng qua mail
hoặc các ứng dụng khác.

Hình 1.1 mạng LAN

1.2
-

-

-

CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU
Truyền dữ liệu trong mạng lan có 3 phương pháp là :
Unicast transmission: một gói dữ liệu được gửi từ nguồn đến đích trong
một mạng. Trước tiên nút nguồn đònh vò cho gói dữ liệu bằng việc sử
dụng đòa chỉ nút đích. Sau đó, gói dữ liệu được gửi lên mạng và cuối
cùng mạng chuyển gói dữ liệu tới đích.
Multicast transmission: bao gồm một gói dữ liệu đơn được copy và gửi
tới một nhóm con các nút trên mạng. Trước tiên, nút nguồn đònh vò cho
gói dữ liệu bằng nhiều đòa chỉ. Sau đó, gói dữ liệu được đưa lên mạng
để sao chép và các bản sao chép tới mỗi nút trong mạng con.
Broadcast transmission: Một gói dữ liệu được copy và gửi tới tất cả các
nút trên mạng. Trong phương pháp truyền này nút nguồn đònh vò cho

gói dữ liệu bằng đòa chỉ tất cả các nút trong mạng. Sau đó, gói dữ liệu
được đưa lên mạng để sao chép và các bản sao chép tới tất cả các nút
trong mạng.

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 7


Chương1 Giới thiệu mạng LAN

1.3

CẤU TRÚC MẠNG
Cấu trúc của mạng Lan được xác đònh theo cách mà các thiết bò được kết
nối với nhau trong mạng. Hiện có 4 dạng cấu trúc là: bus, ring, start, tree. Các
cấu trúc mạng này là các cấu trúc logic, nhưng các thiết bò thực không cần phải
có kết nối vật lý như các cấu trúc này. Cấu trúc bus là một cấu trúc mạng Lan
tuyến tính trong đó việc truyền dữ liệu từ các trạm mạng lan truyền tới tất cả các
trạm khác với chiều dài đường truyền trung bình.

Hình 1.2 Cấu trúc mạng dạng bus

Cấu trúc mạng dạng ring là cấu trúc gồm một chuỗi các thiết bò kết nối nối tiếp
với nhau bằng các liên kết truyền đơn hứớng để tạo thành một vòng kín

Hình 1.3 Cấu trúc mạng dạng ring

Cấu trúc mạng dạng start là một cấu trúc mà điểm kết nối cuối cùng được kết
nối tới một hub trung tâm, một công tắc hay một kết nối.

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 8


Chương1 Giới thiệu mạng LAN

Cấu trúc mạng dạng cây gần giống cấu trúc dạng bus, ngoại trừ các nhánh có
thể có nhiều nút.

Hình 1.4 Cấu trúc mạng dạng cây

1.4

CÁC THIẾT BỊ TRONG MẠNG LAN
Các thiết bò trong mạng lan thường dunøg là các bộ lặp(repeater), các hub,
các bộ mở rộng mạng lan (Lan extender), các chuyển mạch và các router.
Trong phạm vi đề tài chỉ giới thiệu về repester và lan extender.
Một bộ lặp repeater là thiết bò thuộc lớp vật lý được dùng để kết nối trung gian
các đoạn mạng lại với nhau khi mở rộng mạng. Các repeater nhận tín hiệu từ
các đoạn mạng và khuếch đại, truyền lại các tín hiệu này tới các đoạn mạng
khác. Các hoạt động này ngăn cản tín hiệu bò suy giảm do chiều dài cáp và số
lượng lớn các thiết bò kết nối. Ngoài ra, tất cả các tín hiệu điện bao gồm cả các
nhiễu điện cũng như các lỗi khác sẽ được lặp lại và khuếch đại.

Hình1.5 Vai trò của repeater
Lan extender là công tắc đa tầng truy xuất từ xa (remote access) cho phép kết
nối tới máy chủ. Lan extender không thể phân đoạn các truyền thông hay tạo ra
Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 9


Chương1 Giới thiệu mạng LAN

bức tường lửa . Hình dưới minh họa một số Lan extender kết nối tới máy chủ qua
WAN

Hình 1.6 Các Lan extender kết nối tới host qua WAN

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 10


Chương 2 Đường dây điện thoại

Chương 2: ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI
2.1

GIỚI THIỆU

Máy điện thoại sử dụng dòng điện để truyền tải thông tin của âm thanh.
Tổng đài gửi tới các máy điện thoại một dòng điện ổn đònh. Khi nói chuyện thì
dòng điện từ tổng đài sẽ thay đổi. Sự thay đổi này liên hệ trực tiếp đến sự thay
đổi của áp suất không khí do người nói tại micro.
Bởi vì các máy điện thoại chia sẻ chung một dòng điện tổng, do đó khi nói
chuyện thì sự thay đổi của dòng điện ở máy này cũng làm thay đổi dòng điện ở
máy kia.

Dòng điện mà các máy điện thoại nhận được từ tổng đài lấy từ nguồn
48V. Điện áp - 48Vdc được gửi tới các máy điện thoại qua các điện trở và cuộn
dây (giá trò các điện trở khoảng từ 2k đến 4k mắc nối tiếp với nguồn Pin).

Hình 2.1 Sơ đồ phác họa đường dây điện thoại

Điện áp 48V được chọn sử dụng bởi vì đó là điện áp vừa đủ để dẫn đi
nhiều Km trên các dây điện thoại mà vẫn ở mức thấp vừa đủ để bảo đảm an
tòan (theo quy đònh của nghành điện nhiều nước thì điện áp dưới 50V được coi là
an tòan). Mặt khác 48V cũng có thể dễ dàng có được khi dùng các bình acqui
axit chì (4 x12V). Các nguồn ắc qui này được sử dụng ở các tổng đài để đảm bảo
chắc chắn hệ thống vẫn hoạt động khi có sự cố từ đường dây cấp nguồn AC, và
đưa ra một điện áp rất ổn đònh giúp cho các mạch trong tổng đài hoạt động tin

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 11


Chương 2 Đường dây điện thoại

cậy. Điện áp trên đường dây điện thoại được chọn âm để làm cho các phản ứng
hóa điện trên dây điện thoại bò ướt sẽ ít nguy hại hơn.

Hình 2.2 Nguyên lý giao tiếp đường dây điện thoại điển hình
Khi máy điện thoại ở trạng thái chờ thì điện áp dây Tip là 0V và dây Ring
khoảng -48V so với đất. Khi nhấc máy sẽ xuất hiện dòng điện và dây Tip trở
thành âm và dây Ring trở nên dương (ít âm hơn). Trạng thái điển hình khi nhấc
máy là Tip khoảng 20V và Ring khoảng -28V. Có nghóa là chêch lệch khoảng
8V giữa 2 dây trong điều kiện hoạt động bình thường. Điện trở DC của mạch

điện thoại khoảng từ 200 đến 300 Ohm và dòng điện chạy qua máy từ 20-50mA.
Khi các dây có điện thế âm hơn so với đất thì các ion kim lọai di chuyển từ đất
tới dây thay vì điện thế dương sẽ làm cho các ion kim lọai từ dây chạy xuống
đất và như vậy sẽ làm giảm sự bào mòn.
Một số nước sử dụng điện áp từ 36V tới 60V. Các tổng đài PBX có thể dùng
điện áp thấp 24V và điện thế dương thay vì điện thế âm được dùng trong các
mạng điện thoại thông thường vì điện thế dương thường được sử dụng trong
nhiều mạch điện tử do đó dễ tạo ra và cực tính trong đường dây viễn thông đi
trong môi trường tòa nhà không phải là vấn đề quan trọng.
Máy điện thoại chỉ có 2 dây là Tip và Ring chúng mang cả 2 tín hiệu loa và
micro. Chức năng này cho phép gửi và nhận tín hiệu âm thanh một cách đồng
thời và hệ thống được thiết kế sao cho mạch cân bằng ở cả 2 đầu và chia tách tín
hiệu âm đến và đi nhờ một mạch tích hợp trong mạch giao tiếp mạng của máy.
Mạch giao tiếp mạng của máy điện thoại nối micro và loa tới đường dây điện
thoại. Mạch này được thiết kế sao cho nó chỉ gửi dòng điện thay đổi tới máy
điện thoại khác qua tác động của loa. Dòng điện thay đổi này không được đưa
tới loa của chính máy đó. Điều này được thực hiện nhờ việc phối hợp tổng trở tốt
Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 12


Chương 2 Đường dây điện thoại

2.2

BĂNG THÔNG CỦA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI
Đường dây điện thoại ở Mỹ và châu u thường có dải băng tần là 3kHz.
Một đường dây điện thoại thông thườg có tần số từ 400Hz đến 3.4kHz. Đáp ứng
tần số được giới hạn tối đa ở 3.4 kHz là bởi vì giới hạn của các phần tử trong hệ

thống điện thoại như : các tụ điện và biến áp, chúng có thể có kích thứơc nhỏ
hơn và một lý do nữa mà không dùng tần số thấp hơn vì có thể ảnh hưởng tới tần
số nguồn (50/60Hz và sóng hài của chúng) làm tác động tới tín hiệu âm thanh tai
nghe.
2.3

MẠNG ĐIỆN THOẠI CÔNG CỘNG PSTN (PUBLIC SWITCHED
TELEPHONE NETWORK)
Mạng điện thoại đơn giản nhất chỉ gồm 2 máy và một nguồn Pin cung cấp
cho 2 máy :

Hình 2.3 Mạng điện thoại đơn giản nhất
Đối với mạng điện thoại này chỉ dùng cho mục đích quân sự hay các hệ thống
liên kết đặc biệt
Việc nối kết thêm nhiều máy điện thoại sẽ tạo ta một mạng lưới điện thoại hữu
ích hơn. Các điện thoại nối với nhau qua một tổng đài (Central Office : CO),
tổng đài cung cấp các kết nối, chuyển mạch, nguồn….đường dây điện thoại nối
mỗi máy điện thoại tới tổng đài được gọi là các thuê bao (Subcriber hay loop,
local).

Hình 2.4 Mạng điện thoại cục bộ (local)

Tuy nhiên, mạng điện thoại cục bộ này không thể thực hiện các cuộc gọi theo
vùng hay cuộc gọi giữa các tổng đài.
Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 13


Chương 2 Đường dây điện thoại

Để thực hiện được cuộc gọi giữa các tổng đài thì cần phải có đường trục nối các
tổng đài với nhau.

Hình 2.5 Đường trục nối các tổng đài CO.

Đøng trục nối kết các tổng đài khi mới xuất hiện chỉ thực hiện được mỗi
lần một cuộc gọi. Sang thế kỷ 20, người ta mới thực hiện được khả năng đa hợp
miền tần số FDM (Frequency Domain Multiplexing) tại CO cho phép đường dây
có thể mang 24 tín hiệu âm cùng lúc. FDM trộn các tín hiệu âm và sau đó chia
băng thông 96kHz ra thành 24 dải tần số bằng nhau mỗi dải 4kHz, mỗi dải tần
số này mang tín hiệu một cuộc gọi.
Để thực hiện các cuộc gọi đường dài, người ta kết nối theo sơ đồ:

Hình 2.6 Sơ đồ nối kết các cuộc gọi đường dài

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 14


Chương 2 Đường dây điện thoại

Tuy nhiên với phương pháp truyền tín hiệu analog thì chất lượng cuộc gọi sẽ rất
kém khi truyền đi xa vì chúng thường bò méo dạng hoặc mất tín hiệu do ảnh
hưởng của các nhiễu gây ra. Các nguồn nhiễu có thể là các động cơ, máy móc
công nghiệp, sét, đèn phóng điện …

Hình 2.7 Các nguồn nhiễu

Đường dây điện thoại hấp thụ những nhiễu này và làm xấu tín hiệu cuộc gọi. Để
khuếch đại tín hiệu âm bò yếu, người ta dùng các bộ khuếch đại tín hiệu :

Hình 2.8 Khuếch đại tín hiệu

Các bộ khuếch đại tín hiệu đường dây (line amplifier) không những khuếch đại
tín hiệu mà còn khuếch đại luôn cả nhiễu. Với đường dây càng dài người ta phải
dùng càng nhiều bộ khuếch đại và rõ ràng đây không phải là giải pháp tốt.

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 15


Chương 2 Đường dây điện thoại

Để khắc phục những vần đề liên quan đến nhiễu và bộ khuếch đại, người ta đã
phát triển đường truyền tín hiệu số

Hình 2.9 Mạng truyền tín hiệu số

Hình trên mô tả một mạng truyền tín hiệu số đơn giản. Các tín hiệu số
gồm một chuỗi các xung, chúng là các tín hiệu rời rạc. Trong điều kiện lý tưởng
thì tại một thời điểm bất kỳ chỉ có thể có xung hoặc không có xung và không có
trạng thái lưng chừng. Tuy nhiên cũng như tín hiệu analog, các tín hiệu số cũng
chòu ảnh hưởng của các nhiễu, bò suy giảm, méo dạng. Tuy nhiên ở tín hiệu số
thì chúng có thể được hiệu chỉnh lại.

Hình 2.10 Bộ lặp số trên đường dây

Thay vì sử dụng các bộ khuếch đại khi nối kết đường dài thì ở truyền tín

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 16