Truyền dẫn thông tin - Chương 1 docx

Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 1 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 hợ p 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 h ệ 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 nă ng 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 Log 10 400/P2 nên suy ra P2=10.0475mW - Phần 2: 20=10 Log 10 P2/10.0475, suy ra P2=1004.75mW - Phần 3: 10=10 Log 10 1004.75/P2, suy ra P2=100.475mW Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 2 Vậy mức năng lượng đầu ra của kênh là 100.475mW Hoặc: Tính tổng suy giảm=16-20+10=6dB Do đó: 6=10Log 10 400/P2, suy ra P2= 100.475mW Người ta thường biểu thị công suất tuyệt đối của một tín hiệu bằng cách so sánh với một tín hiệu chuẩn có công suất 1W : 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 = ( V 2 /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 : V 2 = 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 : Tỉ số tín hiệu = 20log dB - Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 3 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 t ối 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. Nh ư 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 thiểu là: SNR MIN = Một hệ thống hay mạch tốt khi có khả năng nâng cao tỉ số tín hiệu nhiễu SNR theo yêu cầu. • Băng thông - 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 củ a 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 k ể trong quá trình truyền. 2. Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 4 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 biệt so với tín hiệu phát s(t). Sau khi được giải điều chế tại thiết bị thu, dữ liệu ra hay tín hiệu ra g ’ (t) sẽ đưa tới thiết bị ra để lấy thông tin có ích m ’ 3. Chức năng cơ bản của hệ thống thông tin liên lạc • Các tiện ích truyền tin (Transmission System Utilization): Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 5 - 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 hi ệu (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:  Kỹ thuật Recovery cần làm cho sự hoạt động của hệ thống tr ở lại thời điểm trước khi xảy ra gián đoạn.  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. - Đả m bảo cho người nhận rằng:  Số liệu đến không bị thay đổi.  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 Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 6 - Giám sát (monitor) trạng thái hệ thống - 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 h ợp 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 truyềnTốc độ truyền Băng thông Khoảng cách giữa các bộ lặp Dây song hành Cáp đồng trụuc Sợi quang 4 Mbps 500 Mbps 2 Gbps 250 KHz 350 KHz 2 GHz 2 - 10 Km 1 -10 Km 10 - 100 Km 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 tần số cao là yếu tố định hướng chùm tia về hướng cần thiết. Trong môi trường không định hướng, sóng vi ba có phạm vi từ 2 - 40 Ghz, như vậy nó có khả năng định hướng chùm tia, và ta thường dùng cho điểm - điểm. Người ta chia khoảng tần số 30 MHz - 1 GHz cho radio và các dãy tần số khác như hình vẽ . Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 7 Hình 1.3 : Phổ phân bố trường điện từ. 4.2. Tín hiệu Tín hiệu dùng để mang tin tức từ thiết bị phát tới thiết bị thu thông qua môi trường truyền. Tín hiệu được phát từ bộ phận phát và truyền qua môi trường truyền dẫn để đến bộ phận thu. Tín hiệu là một hàm của thời gian nhưng nó cũng có thể biểu diễn là một hàm của tần số, có nghĩa là tín hiệ u bao gồm nhiều thành phần tần số khác nhau. Người ta có thể khảo sát tín hiệu theo quan điểm thời gian và cũng có thể khảo sát theo quan điểm tần số. 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. Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 8 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: s(t + T) = s(t)  < t < + Ở đây T ta gọi là chu kỳ của tín hiệu. Nếu không thỏa mãn điều kiện trên thì tín hiệu đó không phải là tín hiệu tuần hoàn. Hình 2.3 chỉ cho ta 2 loại tín hiệu tuần hoàn: tín hiệu hình sin và xung vuông. Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 9 Error! Bookmark not defined. Sóng Sin. Error! Bookmark not defined. Sóng Vuông. Hình 2.3 Tín hiệu có chu kỳ. • Một tín hiệu điều hòa có 3 tham số đặc trưng: biên độ (A), tần số (f) và góc pha (). o Biên độ là giá trị tức thời của tín hiệu tại thời gian nào đó. Chúng ta thường khảo sát là tín hiệu điện hoặc điện từ nên biên độ thường được tính là volt (v). 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 = 360 o . 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: Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 10 Error! Bookmark not defined. Tín hiệu thành phần Error! Bookmark not defined. Tín hiệu thành phần Error! Bookmark not defined. Tín hiệu thành phần [...]... 25 Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Băng thông 20MHz/km > 1GHz/km đến 10 00GHz/km Sự nối dây khó khó khó đường nối dữ liệu đường dây điện thoại đường liên lạc máy tính, LAN khoảng cách xa khoảng cách xa Rẻ Hơi đắt đắt ứng dụng điển hình Giá thành Kích thước lõi ( m) > 80 m 50 - 60 Kích thước vỏ ( m) > 16 0 m 10 0 - 12 0 Độ suy giảm dB/km 0.5 - 2.0 m m 0.5 - 2.0 1. 5 - 5 m 15 - 50 m 0 .15 Bảng so sánh giữa 3 loại sợi... là dùng vệ tinh cho thông tin di động Để phục vụ cho mục đích này những thiết bị thu nhỏ, rẻ được dùng đến và sự truyền là 2 chiều toàn phần giữa người sử dụng và vệ tinh Dịch vụ này như là radio sử dụng trong phạm vi quốc gia để phục vụ dịch vụ này người ta sử dụng băng L có dãy tần từ 1, 6465 – 1, 66GHz (đường lên 1, 545GHz và đường xuống 1, 5585GHz) Cần chú ý rằng trong thông tin vệ tinh do truyền trong... Trên 10 GHz tín hiệu dễ bị suy giảm trong tần khí quyển Hầu hết các vệ tinh điểm – điểm hiện tại sử dụng băng thông tần số khoảng 5,926 – 6,425GHz để truyền từ mặt đất (truyền lên) và băng thông 3.7 – 4.2GHz để truyền từ vệ tinh xuống mặt đất (truyền xuống) Ta gọi băng đó là băng 4/6GHz hoặc băng C Chú ý rằng: đường truyền lên và đường truyền xuông có tần số khác nhau Với những tín hiệu liên tục, vệ tinh... phổ của sóng mang khi sử dụng vi ba rất rộng Tần số được sử dụng để truyền đều trong phạm vi 2 – 40GHz Tần số cao, băng thông rộng dẫn đến tốc độ truyền lớn Bảng sau cho ta băng thông và tốc độ truyền của một số hệ thống điển hình: Băng tần (GHz) Băng thông (MHz) Tốc độ (Mbps) 2 7 12 6 30 90 11 40 90 18 220 274 Cũng như bất kỳ hệ thống truyền nào, sự suy giảm của tín hiệu từ nguồn trong vi ba có thể tính:... định, những trạm đó chia dung lượng truyền của nó cho sự truyền của các trạm hub Các trạm HUB có thể trao đổi thông báo với các trạm thuê bao và có thể chuyển tiếp các thông báo giữa các thuê bao Bé m«n HTTT &M¹ng 31 Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Error! Bookmark not defined Cấu hình của VSAT Đặc tính truyền Phạm vi tần số tốt nhất cho truyền vệ tinh trong khoảng 1 – 10 GHz Dưới 1GHz sẽ bị ảnh hưởng nhiễu từ thiên... (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: Bé m«n HTTT &M¹ng 15 Bμi so¹n TruyÒn dÉn II N0 = k.T (W/Hz) k: hằng số Boltzmann = 1. 3803 x 1 0-2 3 J/0K T: nhiệt độ kelvin • Nhiễu điều biến (Intermodulation) - Đó là các... giới Như thông lệ một mạng được chương trình hóa từ Bé m«n HTTT &M¹ng 30 Bμi so¹n TruyÒn dÉn II một trung tâm Chương trình được truyền lên vệ tinh và nó được phủ xuống nhiều trạm với chương trình đã cung cấp Một mạng dịch vụ phát thanh truyền hình công công PBS (Public Broadcasting Service), cung cấp chương trình của nó cho tất cả các máy dùng kênh của nó và hệ thống truyền hình cáp nhận các chương trình... trình từ vệ tinh và cung cấp lại Hầu hết các ứng dụng hiện tại của công nghệ vệ tinh cho hệ thống truyền hình phân bố là vệ tinh phát thanh truyền hình trực tiếp DBS (Direct Broadcast Satellite), trong hệ thống đó được truyền trực tiếp đến các gia đình sử dụng Giá thành và kích thước ăng ten thu giảm dẫn đến hệ DBS sử dụng kinh tế và nhiều kênh được dự kiến đưa vào sử dụng Sự truyền thông qua vệ tinh dạng... 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 -. .. là cầu truyền thông Hình 2 .15 b cho ta một cách tổng quát con đường giữa hai trạm liên lạc qua vệ tinh Hình a cho ta đường nối giữa 2 ăng ten mặt đất và hình b là vệ tinh sử dụng cho một trạm mặt đất truyền và nhiều trạm mặt đất thu Error! Bookmark not defined Đường nối điểm-điểm dùng viba vệ tinh Bé m«n HTTT &M¹ng 29 Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Error! Bookmark not defined Đường nối vệ tinh Hình 2 .15 b Cấu . truyềnTốc độ truyền Băng thông Khoảng cách giữa các bộ lặp Dây song hành Cáp đồng trụuc Sợi quang 4 Mbps 500 Mbps 2 Gbps 250 KHz 350 KHz 2 GHz 2 - 10 Km 1 -1 0 Km 10 - 10 0 Km Hình1.2: Mối. 20 =10 Log 10 P2 /10 .0475, suy ra P2 =10 04.75mW - Phần 3: 10 =10 Log 10 10 04.75/P2, suy ra P2 =10 0.475mW Bμi so¹n TruyÒn dÉn II Bé m«n HTTT &M¹ng 2 Vậy mức năng lượng đầu ra của kênh là 10 0.475mW. 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