Kỹ thuật truyền dẫnkỹ thuật truyền số liệu

BÀI 2

TRUYỀN DẪN SỐ LIỆU


Các thành phần trong truyền dẫn
Thiết bị
• Thiết bị phát (Transmitter)
• Thiết bị thu (Receiver)
 Môi trường truyền (Medium)
 Kết nối
• Kết nối trực tiếp (Direct link): Không cần các thiết
bị trung gian
• Kết nối điểm-điểm (Point-to-point): Kết nối trực
tiếp, Chỉ có 2 thiết bị dùng chung kết nối
• Kết nối nhiều điểm (Multi-point): ≥ 2 thiet bị dùng
chung kết nối



Chế độ truyền
Simplex mode
– Không dùng rộng rãi vì không thể gởi ngược lại lỗi hoặc tín
hiệu điều khiển cho bên phát
– Television, teletext, radio
 Half-duplex mode
– Bộ đàm
 Full-duplex mode
– Điện thoại


Tín hiệu






T/h liên tục: Thay đổi
mịn theo thời gian
T/h rời rạc: Thay đổi
từng mức theo thời
gian
T/h tuần hoàn: Mẫu
lặp lại theo thời gian
T/h không tuần hoàn:
Mẫu không lặp lại theo
thời gian


Biểu diễn tín hiệu trong miền tần số
Tín hiệu thực tế được cấu tạo bởi nhiều thành
phần có tần số khác nhau
 Các tín hiệu thành phần là các sóng hình sin
 Tất cả các tín hiệu (tương tự lẫn số) đều có thể
được phân tích thành tổng của nhiều sóng sin
(khai triển Fourier)
 Có thể biểu diễn tín hiệu theo miền tần số
– Trục tung: các tần số có trong tín hiệu
– Trục hoành: biên độ đỉnh của tín hiệu tương ứng

với mỗi tần số



Tần số, phổ và băng thông
Phổ: là các tần số chứa trong tín hiệu
 Băng thông tuyệt đối
– Độ rộng phổ (được đo bằng sự chênh lệch tần
số cao nhất và thấp nhất)
– Băng thông kênh truyền càng lớn, tốc độ truyền
càng cao
 Băng thông hiệu dụng (gọi tắt là băng thông)
– Là dải tần số hẹp chứa hầu hết năng lượng của
tín hiệu
 Thành phần một chiều: là thành phần có tần số
bằng 0



Truyền dẫn tín hiệu tương tự và số
Truyền tín hiệu tương tự
– Không quan tâm nội dung dữ liệu chứa đựng
bên trong
– Suy giảm tín hiệu theo khoảng cách
– Dùng amplifier để khuếch đại tín hiệu (kể cả
nhiễu)
 Truyền tín hiệu số
– Cần chú ý nội dung dữ liệu chứa đựng bên trong
– Khoảng cách truyền ngắn
– Dùng repeater để tăng khoảng cách truyền

– Nhiễu không bị khuếch đại



Truyền dẫn số
Ưu điểm
 Công nghệ số
• Công nghệ LSI/VLSI làm giảm giá thành
 Toàn vẹn dữ liệu
• Nhiễu và suy giảm tín hiệu không bị tích lũy bởi các
repeater
• Truyền khoảng cách xa hơn trên các đường truyền kém
chất lượng
 Hiệu quả kênh truyền
• TDM > FDM
 Bảo mật
• Các kỹ thuật mã hóa để bảo mật dữ liệu dễ áp dụng
 Tích hợp
• Dữ liệu số và analog được xử lý tương tự nhau


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 yếu tín hiệu trên đường truyền
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 mũ
• Độ lợi/độ hao hụt của các tầng nối tiếp có thể được tính bằng
phép toán đơn giản (+/-)



Độ suy yếu tín hiệu trên đường truyền
Attenuation = 10lg(P1/P2) (dB)
P1, P2: công suất (watts)
 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
 Attenuation = 20lg(V1/V2)
• Do công suất tiêu thụ trên điện trở R là P = V2/R
 Giá trị sai biệt tuyệt đối
• Decibel-watt (dBW)
– 1W là giá trị tham khảo, tương ứng với 0dBW
– Công suất (dBW) = 10lg (công suất theo W)
 Decilbel-milivolt (dBmV)
– 1mV là giá trị tham khảo, tương ứng với 0dBmV
– Điện áp (dBmV) = 20lg (điện áp theo mV)
– Đây là điện áp giả sử trên điện trở 75Ω



Trễ lan truyền
Méo trễ lan 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, với sóng điện từ:
v = 2 x106 (m/s) v =3*108 m/s
- Round trip delay
Tx = N/R

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


Nhiễu
Là T/h thêm vào giữa thiết bị phát và thiết bị thu
• Nhiễu nhiệt: Do dao động nhiệt của các electron 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 trắng xuất hiện 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/°K)
• T: nhiệt độ (°K)
– Nhiễu trong băng thông B (Hz) N = kTB



Nhiễu
Nhiễu điều chế (intermodulation)
– 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)
 ảnh hưởng điện từ bên ngoài
– Thời khoảng ngắn
– Cường độ cao
– Ảnh hưởng nhiều đến quá trình trao đổi dữ liệu số



Tốc độ kênh truyền (khả năng kênh truyền)
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
C = 2W x log2 M
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



Tốc độ dữ liệu
Baud rate (baud)
– 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 log2 M= 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
 Độ hữu hiệu băng thông: B = R/W (bps Hz -1)



Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
Signal to Noise ratio
SNR(dB) = 10 xlog 10 (S/N ) (dB)
– S: công suất tín hiệu nhận
– N: công suất nhiễu
 Công thức Shannon-Hartley
C = W * log 2 (1 + Eb/N0) (bps)
– C: tốc độ truyền t/h cực đại khi kênh truyền có nhiễu
 Tỉ số năng lượng t/h của 1 bit so với năng lượng nhiễu của
1Hz Eb/N0
– Tb: thời gian truyền 1 bit
– R: tốc độ bit của dữ liệu nhị phân
– Eb = STb = S/R
 Eb/N0 = S/(RN0) = S/(kTR)
 Tốc độ sai bit là hàm giảm của tỉ số này




Bước sóng
Khoảng cách sóng truyền được trong một chu
kỳ
 Khoảng cách giữa 2 điểm pha tương ứng trong
2 chu kỳ liên tiếp
Ký hiệu λ
Giả sử vận tốc t/h v
λ = vT
λ = v/f
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 truyền dữ liệu 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 phát ảnh hưởng lớn hơn
 Yếu tố ảnh hưởng trong việc thiết kế: tốc độ dữ liệu và khoảng cách
là 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)
 Trong môi trường hữu tuyến, càng nhiều thiết bị nhận, tín hiệu truyền càng
mau suy giảm



Cáp đồng: two-wire open line


Cáp đồng: twisted-pair




Cách điện trên mỗi dây
Xoắn lại với nhau
Thường được bó lại


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 giữa các tòa nhà
- Tổng đài nội bộ (Private Branch eXchange – PBX)
– Mạng cục bộ (LAN) 10Mbps hoặc 100Mbps
 Ưu – nhược điểm

– Rẻ
– Dễ dàng lắp đặt, thao tác
– 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)
 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 (100Mbps)
– 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

– Khólắp 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 Mbps (LAN)
 STP Cat 3: thích hợp cho tốc độ truyền lên đến 10
Mbps
