Truyền dẫn thông tin - Chương 1 docx

• Tín hiệu: Là tin tức, dữ liệu đã được chuyển đổi, xử lý bởi các bộ phận mã hóa và /hoặc chuyển đổi cho phù hợp với môi trường truyền thông.. - Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả

CHƯƠNG I

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1 Một số khái niệm cơ bản

• Dữ liệu: bao gồm các sự kiện, khái niệm hay các chỉ thị được diễn tả dưới một hình

thức thích hợp cho việc thông tin, thông dịch hay xử lý bởi con người hay máy móc

• Tin tức: Ý nghĩa mà con người qui cho dữ liệu theo các qui ước cụ thể Tin tức có thể

biểu thị bởi tiếng nói, hình ảnh, các văn bản, tập hợp các con số, các ký hiệu, thông qua

nó con người hiểu nhau

Trong hệ thống truyền thông, thường người ta không phân biệt dữ liệu và tin tức

• Tín hiệu: Là tin tức, dữ liệu đã được chuyển đổi, xử lý (bởi các bộ phận mã hóa và

/hoặc chuyển đổi) cho phù hợp với môi trường truyền thông Có hai loại tín hiệu: tín hiệu tương tự và tín hiệu số

• Nhiễu: là các tín hiệu ngoài ý muốn, xuất hiện trong hệ thống hoặc trên đường truyền

Dưới ảnh hưởng của nhiễu, tín hiệu tương tự bị biến dạng và tín hiệu số có thể bị lỗi

• Cường độ tín hiệu: Cường độ của tín hiệu thường được biểu diễn bởi công suất hoặc

điện áp trên tổng trở tải của nó Ta phải nói tín hiệu có công suất 133mW hoặc có biên độ 100mV trên tổng trở 75Ω

- Tỉ số cường độ hai tín hiệu: dùng mô tả độ lợi hoặc độ suy giảm của hệ thống, thường được biểu diễn bằng đơn vị Decibel (dB) xác định theo thang logarithm:

Tỉ số tín hiệu = 10log dB hay sự khuếch đại

Sự suy giảm = 10logP1/P2 dB

Sự tiện lợi của đơn vị dB là người ta có thể xác định độ lợi (hay độ suy giảm) của một hệ

thống gồm nhiều tầng nối chuỗi (cascade) bằng cách cộng các độ lợi của các tầng với

nhau P1&P2 có cùng đơn vị là Watts nên dB là không thứ nguyên và đơn giản là đo lường độ lớn giữa 2 mức năng lượng

Thí dụ: Một kênh truyền được thiết lập từ 3 phần: phần 1 có sự suy giảm 16dB, phần 2

khuếch đại 20dB, phần 3 suy giảm 10dB Giả sử mức năng lượng có ý nghĩa được truyền

là 40mW Hãy xác định mức năng lượng ở đầu ra của kênh?

Ta có:

- Phần 1: 16=10 Log10400/P2 nên suy ra P2=10.0475mW

- Phần 2: 20=10 Log10P2/10.0475, suy ra P2=1004.75mW

- Phần 3: 10=10 Log101004.75/P2, suy ra P2=100.475mW

Công suất tín hiệu = 10log dB

Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị dBm để xác định cường độ tín hiệu so với tín hiệu chuẩn có công suất 1mW

: Công suất tín hiệu = 10log Bm

Một tín hiệu có công suất 1W tương đương với 0 dB và 30dBm

Thí dụ: Tín hiệu có biên độ 100mV ở 75Ω tương đương với 0,133 mW, tính theo dBm

là: 10log(0,133/1mW) = - 8,76 dBm Dấu trừ cho biết mức tín hiệu là 8,76 dBm dưới 1mW

Lưu ý, trong chuyển đổi đơn vị phải để ý đến tổng trở tải của tín hiệu

Biểu thức P = ( V2/R ) có thể được dùng để tính điện áp hiệu dụng hoặc tỉ số điện áp Trong các hệ thống điện thoại tổng trở tải thường dùng là 600Ω

Thí dụ: Tín hiệu 100mV trên tải 75Ω tương đương với 282mV, nếu tải là 600Ω

Thật vậy, ở 600Ω, điện áp của tín hiệu xác định bởi :

V2 = P.R = 0,133.10-3.600 = 0,079

V = = 0,282 V = 282 mV

Nếu các tín hiệu có chung tổng trở tải thì :

Ðể đánh giá chất lượng của tín hiệu và cũng là chất lượng của hệ thống truyền tín hiệu đó người ta dùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR Ðây là tỉ số công suất tín hiệu có ích trên công suất tín hiệu nhiễu, thường tính bằng dB (hoặc dBm)

Nếu tín hiệu 2 dBm có mức nhiễu là -20 dBm, thì tỉ số SNR là 22 dBm Nói cách khác mức tín hiệu lớn hơn mức nhiễu 22 dBm

Thí dụ: Với tín hiệu số như (H.1.3b), SNR tối thiểu phải là bao nhiêu để có thể phân biệt

được tín hiệu một cách rõ ràng (ảnh hưởng của nhiễu còn chấp nhận được)?

Ðối với tín hiệu như (H.1.3b), giả sử biên độ ứng với mức 1 là 1 V và 0 V cho mức 0, một lỗi sẽ phát sinh nếu mức 0 được phát đi mà nhiễu có giá trị dương lớn hơn 0,5 V và nếu mức 1 phát đi mà nhiễu có biên độ âm và trị tuyệt đối lớn hơn 0,5 V Như vậy giá trị tối đa cho phép của nhiễu là 0,5 V so với trị tối đa của tín hiệu là 1 V và tỉ số SNR tối

- Băng thông của tín hiệu là dải tần số trong đó chứa hầu hết công suất của tín hiệu

Khái niệm này cho ta xác định phổ tần hữu ích của tín hiệu nếu tín hiệu đó chứa một phổ tần quá rộng

- Băng thông của kênh truyền là dải tần số của tín hiệu mà độ suy giảm khoảng vài

dB (thường là 3 dB) so với giá trị cực đại khi tín hiệu đó truyền qua hệ thống Ðộ suy giảm 3 dB tương ứng với điểm nửa công suất

Một kênh truyền tốt phải có băng thông lớn hơn băng thông của tín hiệu, điều này khiến

cho tín hiệu được tái tạo không bị méo dạng và suy giảm đáng kể trong quá trình truyền

2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin

Trong đó:

• Source: sinh ra số liệu sẽ được truyền

• Transmitter: biến đổi số liệu thành các tín hiệu có thể truyền đi được

• Transmission System: Vận chuyển số liệu

• Receiver: biến đổi tín hiệu nhận được thành số liệu

• Destination: nhận dòng số liệu đi đến

Hinh 1.1: Mô hình truyền số liệu được đơn giản hoá

Thông tin vào (ký hiệu m) được nhập vào hệ thống thông qua thiết bị vào thành dữ liệu

vào g hay có thể ở dạng một hàm thời gian là tín hiệu vào g(t) Sau đó, chúng được đưa

qua thiết bị phát để tạo thành tín hiệu phát s(t) thích hợp với môi trường truyền

Do ảnh hưởng của môi trường truyền, ở đầu thu nhận được tín hiệu thu r(t) có thể khác

- Nhằm sử dụng một cách hiệu quả các phương tiện truyền tin thường được chia sẻ

giữa nhiều NSD trong hệ thống Chức năng này bao gồm như ghép/tách kênh và có thể phải sử dụng các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn…

• Phối ghép giao diện (Interfacing):

- Để truyền thông, các thiết bị phải giao diện với môi trường truyền

• Tạo tín hiệu (Signal Generation)

- Sinh ra tín hiệu (điện) biểu diễn thông tin để truyền đi Đây là 1 đòi hỏi tất yếu của

HT truyền tin

• Đồng bộ (Synchronization) (timing)

- Cần phải có một dạng đồng bộ nào đó giữa bên gửi và bên nhận để bên nhận xác

định được thời điểm bắt đầu các thành phần của tín hiệu

• Quản lí trao đổi (Exchange Management): Bao gồm nhiều yêu cầu khác nhau đối

với 2 bên truyền thông Thí dụ:

- Việc thiết lập kết nối

- Thoả thuận về phương thức truyền (simplex, half-duplex, full-duplex)

- Lượng số liệu được phép cho mỗi lần truyền

- Phát hiện lỗi và sửa lỗi (Error detection and correction)

- Flow control

- v.v

• Địa chỉ và tìm đường (Addressing and routing):

- Đánh địa chỉ là cần thiết để trạm gửi có thể thông tin đúng với trạm nhận

• Hồi phục (Recovery):

- Là kỹ thuật khác với phát hiện và hiệu chỉnh lỗi (Error correction)

- Cần đến khi việc trao đổi thông tin đang diễn ra thì bị gián đoạn do xảy ra lỗi ở

một chỗ nào đó trong hệ thống:

ƒ Kỹ thuật Recovery cần làm cho sự hoạt động của hệ thống trở lại thời điểm

trước khi xảy ra gián đoạn

ƒ Hoặc khôi phục lại trạng thái của hệ thống tại một thời điểm trước khi xảy ra sự

gián đoạn

• Bảo vệ (Security)

- Đảm bảo cho người gửi rằng chỉ có người nhận thật sự mới nhận được số liệu

- Đảm bảo cho người nhận rằng:

ƒ Số liệu đến không bị thay đổi

ƒ Số liệu đến thực sự là từ người gửi mà người nhận mong đợi

• Quản lý hệ thống (Network Management)

- Có thể định cấu hình

- Phản ứng đối với hỏng hóc (failure) và quá tải

- Có thể lập kế hoạch cho các phát triển trong tương lai

4 Tín hiệu và đường truyền

4.1 Môi trường truyền

Dữ liệu được truyền từ đầu phát tới đầu thu thông qua môi trường truyền Môi trường truyền có thể là định tuyến hay hữu tuyến Trong cả hai trường hợp thông tin đều được thực hiện thông qua truyền lan sóng điện từ Với môi trường định tuyến, đường đi của sóng điện từ được định sẵn theo một đường vật lý như: Cáp xoắn đôi, cáp đồng trục, cáp quang…Còn trong môi trường không định tuyến, môi trường chỉ cung cấp một phương tiện truyền lan sóng điện từ, mà không ràng buộc chúng theo một tuyến nhất định

Trong trường hợp sử dụng môi trường truyền định hướng, bản thân môi trường truyền là nhân tố quan trọng quyết định giới hạn sự truyền

Bảng dưới đây cho ta đặc tính cơ bản tốc độ truyền, băng thông và khoảng cách tối đa yêu cầu lặp lại với tín hiệu số cho các môi trường truyền định hướng

Môi trường truyền Tốc độ

truyền

Băng thông

Khoảng cách giữa các

bộ lặp Dây song hành

Hình1.2: Mối quan hệ giữa các đặc tính cơ bản

Với môi trường truyền không định hướng, phổ và băng tần số của tín hiệu do ăng ten phát quan trọng hơn môi trường truyền Như ta đã biết, tần số trung tâm của tín hiệu là yếu tố tạo ra băng thông và tốc độ truyền Mặt khác khi dùng ăng ten truyền tín hiệu phụ thuộc vào hướng của ăng ten Thường tần số thấp được bức xạ về mọi hướng của ăng ten, còn

Hình 1.3 : Phổ phân bố trường điện từ

4.2.1 Theo quan điểm thời gian

tín hiệu có thể chia làm 2 loại: tín hiệu liên tục và tín hiệu gián đoạn (rời rạc)

• Một tín hiệu là liên tục nếu: với tất cả giá trị a Nếu điều kiện trên không đảm bảo (có nghĩa là chỉ thỏa mãn với một số hữu hạn giá trị a) ta gọi nó là tín hiệu rời rạc Hình 2.2 chỉ cho ta 2 loại tín hiệu đó

Error! Bookmark not defined Tín hiệu liên tục

Error! Bookmark not defined Tín hiệu rời rạc

Hình 2.2 Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc

• Một tín hiệu s(t) được gọi là tuần hoàn khi và chỉ khi:

Error! Bookmark not defined Sóng Sin

Error! Bookmark not defined Sóng Vuông

o Tần số là số chu kỳ của tín hiệu xảy ra trong 1 giây Nó là giá trị đảo của

chu kỳ T Người ta tính theo đơn vị Hz

o Pha: giá trị đo vị trí tương đối theo thời gian trong của chu kỳ tín hiệu Một chu kỳ tín hiệu có 2 radians = 360o

Ta có thể biểu diễn tín hiệu sin trong dạng:

s(t) = Asin(2 f - t + )

A giá trị biên độ cực đại, f tần số, góc pha

Với tín hiệu ở hình 2.3 ta có thể biểu diễn:

hoặc

4.2.2 Theo quan điểm tần số

Phần trên ta đã xem tín hiệu là một hàm của thời gian Chúng ta cũng có thể xem tín hiệu

là một hàm tần số Như hình 2.4 đã chỉ ra, ta có 3 tín hiệu với 3 tần số f, 3f và 5f Ta có thể tạo thành tín hiệu cho hàm:

Error! Bookmark not defined Tín hiệu thành phần

Error! Bookmark not defined Tín hiệu thành phần

Error! Bookmark not defined Tín hiệu thành phần

Error! Bookmark not defined Tín hiệu

Đối với tín hiệu xung vuông được xác định trong khoảng đến ta có biểu diễn S(f) của nó như hình 2.6 Ta thấy rằng S(f) là một hàm liên tục khi f

Các cách biểu diễn các hàm S(f) cho tín hiệu theo tần số như vậy người ta gọi là biểu diễn phổ của tín hiệu Khi hàm S(f) biểu diễn rời rạc ta gọi là phổ vạch Khi s(f) là hàm liên tục ta gọi tín hiệu đó có phổ đặc

Error! Bookmark not defined Phổ của xung vuông

Dãy tần số chứa phổ của tín hiệu ta gọi là băng thông của tín hiệu đó Trong hình 2.4 băng thông của tín hiệu trải dài từ f1 đến 5f1 , vậy độ rộng băng thông của nó là 4f1 Nhiều tín hiệu có băng thông không giới hạn (như hình 2.6) Tuy nhiên năng lượng của tín hiệu tập trung ở dãy băng tương đối hẹp Người ta gọi đó là băng thông hiệu quả và sau này cũng coi đó như băng thông Điều cuối cùng cần nói là các thành phần của tín hiệu Nếu tín hiệu có thành phần một chiều thì phổ của thành phần một chiều ở góc tọa độ (f=0)

Nguồn Tín hiệu truyền

Tiếng nói ⎯→ ĐIỆN ⎯→ Tín hiệu tương tự

Tín hiệu tương tự ⎯→ CODEC ⎯→ Tín hiệu số

4.3 Tác động của môi trường truyền đến việc truyền tín hiệu

Khi tín hiệu truyền qua môi trường ít nhiều sẽ bị tác động làm sai lạc

• Với tín hiệu tương tự: Suy giảm chất lượng tín hiệu

• Với tín hiệu số: lỗi bit (0 1 hoặc 1 0)

Nguyên nhân:

- Suy giảm và sai lệch (attenuation and attenuation distortion)

- Trễ (delay distortion)

- Nhiễu tạp

4.3.1 Suy giảm (Attenuation)

Khi truyền trong môi trường, công suất của tín hiệu sẽ suy giảm Đối với môi trường định hướng sự suy giảm đó thông thường theo logarit, thông thường nó là giá trị cố định theo khoảng cách Đối với môi trường không định hướng sự suy giảm đó là một hàm phức tạp phụ thuộc vào khoảng cách và áp suất không khí Sự suy giảm sẽ dẫn đến:

• Tín hiệu thu được không đủ mạnh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu ở bộ phận thu

• Tín hiệu thu được không đủ lớn để bảo đảm tỉ số (tỉ số tín hiệu trên tạp âm) dễ sinh

ra sai số

Sự suy giảm sẽ là hàm của tần số

Với 2 ảnh hưởng trên ta có thể dùng bộ khuếch đại hoặc các bộ lặp lại tín hiệu (repeater)

để khắc phục ảnh hưởng và ta thấy rất rõ trong trường hợp tín hiệu analog Do sự suy giảm là hàm của tần số nên tín hiệu thu được sẽ khác nhiều với tín hiệu phát Hình vẽ cho

ta thấy sư suy giảm của tín hiệu âm tần là hàm theo tần số trên đường dây leased line Ở

đó cho ta sự so sánh tín hiệu đó so với tín hiệu 1.000 Hz

Error! Bookmark not defined Sự suy giảm tín hiệu âm tần theo tần số

4.3.2 Méo do giữ chậm

Tín hiệu truyền lan trên môi trường dẫn bao giờ cũng bị làm trễ Đối với một tín hiệu có băng thông giới hạn, sự làm trễ phụ thuộc vào tần số của tín hiệu Với tín hiệu có tần số khác nhau nó sẽ đến bộ thu thời gian khác nhau Hiện tượng đó ta gọi là tín hiệu bị làm chậm trên đường truyền, đặc biệt với tín hiệu số hiện tượng làm trễ càng rõ ràng hơn Hình 2.8 cho ta giá trị làm trễ tương quan với tần số

Error! Bookmark not defined Sự làm trễ tín hiệu

4.3.3 Nhiễu tạp (tiếng ồn)

Khi truyền, thông thường tín hiệu nhận được ở bộ thu bao giờ cũng bao gồm tín hiệu phát

và một tín hiệu ta không hề mong muốn được thêm vào giữa bộ phát và bộ thu Tín hiệu

ta không mong muốn đó gọi là nhiễu Nhiễu sẽ làm hạn chế kết quả hệ thống liên lạc của

ta Nhiễu thường được chia làm 4 loại sau:

• Tiếng ồn nhiệt (Thermal noise)

- Do chuyển động nhiệt của các electron

- Được phân bố đồng đều, Được gọi là nhiễu trắng (White noise)

- Không thể loại bỏ được ◊ tạo ra cận trên cho hiệu suất của hệ thống

- Năng lượng tiếng ồn nhiệt trong 1Hz dải thông:

ƒ k: hằng số Boltzmann = 1.3803 x 10-23 J/0K

ƒ T: nhiệt độ kelvin

• Nhiễu điều biến (Intermodulation)

- Đó là các tín hiệu có tần số là tổng và hiệu của các tín hiệu gốc đang chia sẻ môi

trường truyền, hoặc là tích của các tín hiệu

- Nguyên nhân sinh ra: Tính phi tuyến trong các bộ thu (receiver), phát (transmitter)

hoặc các hệ thống truyền dẫn ở trung gian

• Xuyên âm (Crosstalk)

Tín hiệu trên một đường truyền nhận được bởi một đường truyền khác

Nguyên nhân:

- Các đường truyền (cáp xoắn) chạy song song gần nhau

- Các anten mặc dù được định hướng vẫn thu được các tín hiệu không mong muốn

- Độ lớn thông thường của nhiễu xuyên âm tương đương hoặc nhỏ hơn tiếng ồn

nhiệt

• Nhiễu xung (Impulse noise)

- Do các xung bất thường hoặc đột biến

- Ví dụ: Can nhiễu điện từ bên ngoài

- Thời gian kéo dài thường ngắn

- Biên độ cao

4.4 Một số môi trường truyền cơ bản

4.4.1 Cáp đồng trục

Mô tả vật lý

Cũng như cặp dây song hành, cáp đồng trục gồm có 2 phần nhưng nó cấu trúc khác hơn

để cho phép làm việc với dãy tần số rộng hơn

Error! Bookmark not defined Cấu tạo cáp đồng trục

Như hình vẽ đã chỉ, cáp bao gồm ống trục bên ngoài và một dây dẫn bên trong Giữa trục lõi và ống bên ngoài được đặt cách đều nhau và cách ly bởi phần cách điện Trục bên ngoài được bao bởi một lớp áo hoặc vỏ bọc Cáp đồng trục thường có độ lớn từ 0,4 - 1 inche

Ứng dụng

Cáp đồng trục được dùng tương đối rộng rãi Thường là:

• Đường truyền điện thoại với khoảng cách xa, đường truyền tivi

• Đường tivi cáp

• Mạng cục bộ (LAN)

• Đường nối hệ thống