Tài liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn docx

Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn CHƯƠNG 7: MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN Thiết bị viễn thông và máy tính dùng tín hiệu để biểu diễn dữ liệu, các tín hiệu này được truyền đi dưới dạng năng lượng điện từ. Tín hiệu điện từ có thể di chuyển qua chân không, không khí hoặc các môi trường truyền dẫn khác. Năng lượng điện từ là sự kết hợp giữa chuyển động điện trường và từ trường, bao gồm công suất, tiếng nói, sóng vô tuyến, ánh sáng và tia cực tím, tia gamma, và tia vũ trụ, tạo thành phổ điện từ trường (hình 1). Hình 7.1 Môi trường truyền được chia thành hai loại: • Môi trường có định hướng • Môi trường không định hướng. Hình 7.2 7.1. MÔI TRƯỜNG CÓ ĐỊNH HƯỚNG + Khái niệm: là môi trường cung cấp cáp từ thiết bị này đến thiết bị kia. + Phân loại: cáp xoắn - đôi, cáp đồng trục và cáp quang 7.1.1 CÁP XOẮN ĐÔI Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 140 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn Có cấu tạo gồm 2 sợi dây xoắn lại Gồm hai dạng: không có giáp bọc và có giáp bọc. 7.1.1.1 Cáp đôi xoắn không bọc (UTP: unshielded twisted pair cable) Là dạng thông dụng nhất trong thông tin hiện nay. Được dùng nhiều trong hệ thống điện thoại, cáp này có dải tần số thích hợp cho truyền dẫn dữ liệu và thoại (xem hình 4). UTP gồm hai dây dẫn (thường là đồng), mỗi dây có lớp cách điện với màu sắc khác nhau, đươc dùng để nhận dạng (như hình 5) và cho biết từng cặp dây trong bó dây lớn. Trước đây, khi dùng hai dây phẳng song song để truyền tin thì ảnh hưởng của điện từ trường giữa hai dây tạo ra nhiễu. Hiện tượng này là do khi có hai dây song song thì dây dẫn nào ở gần nguồn nhiễu hơn thì nhiểm nhiễu nhiều hơn dây còn lại, từ đó tạo ra tải không điều và gây hại đến tín hiệu (xem hình 6). Hình 7.3 Hình 7.4 Hình 7.5 Trong khi đó, nếu ta xoắn hai dây lại thì mỗi dây gần nguồn nhiễu trong một nữa thời gian và xa nguồn nhiễu trong một nữa thời gian, như thế ảnh hưởng của nhiễu lên cả hai dây dẫn là như nhau (xem Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 141 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn hình 7). Do đó ảnh hưởng của nhiễu tại đầu thu là 0 (14-14). Làm xoắn dây thì không thể triệt tiêu hoàn toàn nhiễu, nhưng có khả năng giảm nhiễu đi. Hình 7.6 Ưu điểm của UTP là giá cả và tính dễ sử dụng. UTP thường rẻ, mềm dẽo hơn và dễ lắp đặt. Các UTP cấp cao hơn được dùng trong nhiều công nghệ mạng LAN, bao gồm Ethernet và Token Ring, như vẽ ở hình 8. Hình 7.7 EIA (Electronic Industries Association) đã phát triển các chuẩn của UTP theo chuẩn chất lượng. Theo đó, giá trị 1 là thấp nhất và 5 là cao nhất, các chuẩn này thích hợp riêng cho từng ứng dụng cụ thể:  Category 1: dùng trong điện thoại, dùng tốt cho thoại và chỉ thích hợp cho thông tin dữ liệu tốc độ thấp.  Category 2: dùng cho thoại và thông tin dữ liệu lên đến 4 Mbps  Category 3: cần ít nhất 3 xoắn dây trong mỗi foot, dùng cho thông tin dữ liệu lên đến 10 Mbps, hiện là cáp chuẩn dùng trong hầu hết các hệ thống điện thoại.  Category 4: Cần ít nhất 3 xoắn dây cho mỗi foot và các điều kiện để có thể truyền dữ liệu lên đến 16 Mbps  Category 5: dùng cho truyền dẫn dữ liệu lên đến 100 Mbps Đầu nối (UTP Connectors): dùng các jack tương tự như loại dùng trong điện thoại, có thể là jack đực hay cái, thường nhất là dạng RJ45 dùng 8 dây dẫn, dùng cho cáp có bốn đôi dây xoắn. Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 142 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn Hình 7.8 7.1.1.2 Cáp xoắn đôi có giáp bọc (STP: shielded twisted pair cable) Hình 7.9 Có giáp bọc như vẽ ở hình 10, lớp giáp bọc kim loại này nhằm ngăn nhiễu xuyên kênh (crosstalk), các phân loại theo chất lượng và các đầu nối đều tương tự như UTP, tuy nhiên khi sử dụng thì phải nối đất lớp giáp bọc. STP thường đắc tiền hơn UTP nhưng tính chống nhiễu thì cao hơn. 7.1.2 CÁP ĐỒNG TRỤC: (Coaxial cable hay coax) Hình 7.10 Hình 7.11 7.1.2.1 Các chuẩn cáp đồng trục: Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 143 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn Thường được phân cấp theo RG (radio governement rating). Mỗi số RG cho một tập các đặc tính vật lý, bao gồm kích thước dây đồng, kích thước lớp cách điện và kích cở của lớp bọc ngoài. Các chuẩn thường gặp là:  RG-8: dùng cho thick Ethernet.  RG-9: dùng cho thick Ethernet.  RG-11: dùng cho thick Ethernet.  RG-58: dùng cho thin Ethernet.  RG-59: dùng cho TV. 7.1.2.2 Đầu nối cáp đồng trục: Dùng nhiều trong truyền tín hiệu TV và VCR, với các đầu nối đực và cái thông dụng. Hai dạng thường gặp khác là T-connector và terminator. T-connector (dùng trong thin Ethernet) dùng kết nối cáp thức cấp hay cáp đến nhiều thiết bị đầu cuối khác nhau. Terminator dùng trong cấu hình bus trong đó một cáp dẫn được dùng làm xương sống (backbone) với nhiều thiết bị. 7.1.3 CÁP QUANG: 7.1.3.1 Bản chất ánh sáng: Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ, có tốc độ 300.000 km/s, hay 186.000 mile/s trong chân không. Tốc độ này giảm trong các môi trường khác. 7.1.3.2 Sự khúc xạ: (hình 7.13) 1. Góc tới. 2. Góc khúc xạ. Công nghệ cáp quang khai thác các ưu điểm của tính chất trong hình 13b để truyền dẩn ánh sáng trong kênh quang. Hình 7.12 2. Góc tới hạn: xem hình 7.14 Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 144 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn Hình 7.13 7.1.3.3 Sự phản xạ: Khi góc tới lới hơn góc tới hạn thì xuất hiện hiện tượng phản xạ như hình 15 Hình 7.14 Cáp quang dùng hiện tượng phản xạ để dẫn ánh sáng qua kênh quang. Dữ liệu được mã hóa thành dạng chùm tia on-off để biểu diễn bit 1 và bit 0. (ON: có ánh sáng, OFF: không có ánh sáng). 7.1.3.4 Các chế độ truyền: Trình bày trong hình 16. Hình 7.15 3. Multimode: Do dùng nhiều tia từ nguồn ánh sáng di chuyển bên trong lõi theo nhiều đường khác nhau. Phương thức truyền của các tia này phụ thuộc vào cấu trúc lõi. - Multimode step-index: hình 17 Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 145 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn Hình 7.16 Mật độ của lõi được giữ không đổi từ tâm đến rìa. Chùm tia khi di chuyển trong mật độ không đổi này có dạng tuyến tính cho đến khi đi tới vùng giao tiếp giữa lõi và lớp bọc. Tại đó, có sự thay đổi đột ngột đến mật độ thấp làm thay đổi góc di chuyển của tia. Từ step-index nhằm minh họa sự thay đổi đột ngột này. Hình 17 minh họa nhiều chùm tia đi qua step-index fiber. Một số tia nằm giữa được truyền đi thẳng và đến đích mà không gặp phản xạ hay khúc xạ. Một số tia thì chạm vào lớp giao tiếp và lớp sơn phủ và có góc nhỏ hơn góc tới hạn; các tia này đi xuyên qua lớp sơn phủ và biến mất. Còn một số thì chạm rìa của vỏ và có góc tới lớn hơn góc tới hạn nên phản xạ lại nhiều lần trước khi đến đích. Mỗi tia phản xạ tại lớp giao tiếp, khi góc tới bằng góc phản xạ. Một tia có góc nhỏ thì cần được phản chiếu nhiều lần trước khi đến đích so với trường hợp góc tới lớn hơn Tức là khi góc tới nhỏ thì tia phải đi xa hơn mới đến đích, điều này làm cho thời gian các tia đến đích là không giống nhau. Như thế xuất hiện hiện tượng méo do trễ (về thời gian truyền). Điều này làm giới hạn tốc độ truyền dữ liệu và không cho phép multimode step –index được ứng dụng trong một số ứng dụng đòi hỏi chính xác. - Multimode graded –index: (hình 18) Làm giảm méo dạng của tín hiệu qua cáp. Từ index ở đây muốn nói lên chỉ số (index) phản xạ của mật độ. Như thế thì graded-index fiber, là dạng có các mật độ thay đổi được. Mật độ cao nhất tại vùng tâm của lõi và giảm dần tại vùng rìa. Tín hiệu được đưa vào vùng tâm của lõi. Từ đây, chỉ có những tia truyền theo chiều ngang di chuyển đi qua vùng có mật độ không đổi. Các chùm tia có góc khác di chuyển qua các vùng có mật độ thay đổi. Các tia được chỉnh định góc truyền để sau cùng tại đích tín hiệu có được chính xác hơn trường hợp step-index. Hình 7.17 4. Single mode: (hình 19) Dùng step-index fiber và nguồn được tập trung cao (highly focused) trong một góc bé, sát mặt ngang. Cáp loại này được sản xuất với đường kính tương đối bé so với trường hợp multimode và mật độ tương đối bé (chỉ số phản xạ bé theo). Việc giảm mật độ này cho phép có gói tới hạn gần 90 độ làm cho quá trình truyền gần như nằm ngang. Trong trường hợp này, việc lan truyền của nhiều tia thì hầu như giống nhau và có thể bỏ qua yếu tố truyền trễ. Các tia có thể xem như là đền đích cùng một lúc và được tái hợp mà không bị méo dạng. Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 146 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn Hình 7.18 7.1.3.5 Kích thước cáp quang: Bảng B.1 định nghĩa tỉ số của đường kính lõi và đường kính vỏ, dùng micrômét. Dòng cuối chỉ dùng cho cáp single mode Fiber Type Core (microns) Cladding (microns) 62.5/125 50/125 100/140 8.3/125 62.5 50.0 100.0 8.3 125 125 140 125 7.1.3.6 Cấu tạo cáp: Hình 20 cho thấy cấu tạo cáp quang. Hình 7.19 Lõi cáp được bọc bởi lớp sơn phủ (cladding) tạo ra cáp quang. Đôi khi còn có thể có lớp bảo vệ chống nấm mốc. Sau cùng thì có lớp vỏ bọc ngoài. Lõi và lớp sơn phủ có thể được làm từ thủy tinh hay plastic nhưng có mật độ khác nhau. Hơn nữa, lớp lõi trong phải cực kỳ tinh khiết (ultrapure) và hoàn toàn khác biệt về kích thước và hình dáng. Nếu không tinh khiết thì có thể làm giảm chất lượng truyền dẫn của cáp do có khả năng làm thay đổi góc, gây méo dạng tín hiệu, tuy có thể làm giảm giá thành, nhưng đồng thời cũng giảm chất lượng do xuất hiện méo dạng tín hiệu. Lớp bọc ngoài có thể được cấu tạo từ nhiều chất liệu khác nhau, bao gồm võ Teflon, plastic, plastic mạ kim loại kim loại hay lưới kim loại, tùy theo các ứng dụng khác nhau, và điều kiện lắp đặt. 7.1.3.7 Nguồn sáng cho cáp quang: Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 147 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn Mục đích của cáp quang là chứa và hướng các tia sáng từ nguồn đích. Để có thể truyền được thì bộ phát phải có nguồn sáng và bộ thu phải có bộ cảm quang (photodiode) cho phép chuyển tín hiệu thu được sang tín hiệu điện dùng được cho máy tính. Nguồn sáng có thể là LED (light-emitting diode) hay diode laser ILD (injection laser diode). LED tuy rẻ tiền nhưng tín hiệu lại không hội tụ tốt, nên thường chỉ được dùng trong truyền dẫn trong cự ly ngắn mà thôi. ILD thì cho phép hội tụ chùm tia với góc rất hẹp, nên có thể truyền được trên một cự ly tương đối dài. 7.1.3.8 Đầu nối cáp quang: Đầu nối cáp quang cũng đòi hỏi sự chính xác như bản thân cáp quang, không cho phép có khoảng hở, cũng như không được ép quá sát, luôn đòi hỏi được cân chỉnh đúng nếu không muôn tín hiệu bị suy hao. Từ đó, các nhà sản xuất đã cung cấp cho thị trường nhiều loại đầu nối vửa chính xác vừa rẻ tiền, với hai dạng đầu đực và cái; đầu nối đực thường nối vào cáp, còn đầu cái được mắc vào thiết bị cần kết nối. 7.1.4 Ưu điểm của cáp quang: Ưu điểm lớn nhất của cáp quang so với cáp đồng trục hay cáp xoắn đôi là tính chống nhiễu, ít bị suy giảm tín hiệu và băng thông lớn hơn. Tính chống nhiễu: từ bản chất ánh sáng, nên không bị nhiễn nhiễu điện từ trường, còn ánh sáng từ ngoài vào cáp thì đã được lớp bọc bảo vệ ngăn chặn lại. Ít bị suy giảm tín hiệu: điều này cho phép tín hiệu lan truyền hàng dặm mà không cần có thiết bị lặp. Băng thông lớn hơn: do có băng thông lớn hơn (tức là có tốc độ truyền cao hơn) so với các loại cáp khác. Như thế hiện nay thì tốc độ dữ liệu qua cáp quang không phải bị giới hạn từ băng thông của môi trường mà do các công nghệ thu và phát thích hợp. 7.1.5 Khuyết điểm của cáp quang: Bao gồm giá cả, thiết lập/bảo trì, và tính mảnh dẻ. Giá cả: cáp quang có giá thành cao hơn do phải sản xuất với chất lượng cao hơn thì quá trình tinh lọc, công nghệ đòi hỏi tính chính xác cao hơn. Đồng thời chi phí cho nguồn laser dùng tạo nguồn tín hiệu cũng đắc hơn nhiều lần so với bộ tạo tín hiệu truyền thống trong cáp đôi hay cáp đồng trục. Lắp đặt/bảo trì: Khó khăn khi lắp đặt nhất là khi thiết lặp các đầu nối cáp quang so với trường hợp đầu nối dùng cho cáp đồng. Tính mảnh dẻ: Glass thì dễ vỡ hơn, phần nào làm hạn chế tính cơ động của phần cứng. Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 148 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn MÔI TRƯỜNG KHÔNG ĐỊNH HƯỚNG Môi trường không định hướng, còn gọi là thông tin không dây (vô tuyến), mang sóng điện từ không qua dây dẫn, mà truyền dẫn qua không khí (hay trong một số trường hợp đặc biệt, trong nước). Qui hoạch tần số vô tuyến (sóng rađio) Sóng vô tuyến được được chia thành 8 dải tần, do cơ quan chức năng qui định. Các dải tần này đi từ sóng tần số cực thấp (VLF) đến tần số sóng cực cao (EHF) như vẽ ở hình 21 VLF Very low frequency VHF Very high frequency LF Low frequency UHF Ultra high frequency MF Middle frequency SHF Super high frequency HF High frequency EHF Extremely high frequency Hình 7.20 7.1.6 LAN TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN: Các dạng: Sóng rađiô: dùng 5 dạng truyền: sóng bề mặt (surface), sóng tầng đối lưu (troposheric), tầng điện ly (ionosheric), truyền thẳng (line of sight), và không gian (space) như vẽ ở hình 22. Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 149 [...]... Việt Hùng Trang 159 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn Môi trường truyền dẫn là đường dẫn cho dữ liệu Để đo lường hiệu năng của môi trường truyền, ta dùng ba ý niệm: thông lượng (năng suất truyền :throughout), tốc độ truyền (propagation speed) và thời gian truyền (propagation time) Thông lượng: thông lượng đo lường năng suất truyền tức là dữ liệu truyền nhanh qua một điểm ra sao,... giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn 64 Vireless communication: thông tin không dây TÓM TẮT   Tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu theo đường dẫn gọi là môi trường truyền, có thể là định hướng hay không định hướng (vô tuyến) Môi trường định hướng có biên vật lý còn môi trường không định hướng thì không có biên vật lý (vô tuyến)  Cáp quang truyền dữ liệu dạng ánh sáng, và truyền. .. động Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 165 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn BÀI LUYỆN TẬP CÂU HỎI ÔN TẬP 1 Cho biết các thành phần của phổ điện từ được dùng trong thông tin? 2 Cho biết hai loại chính của môi trường truyền? 3 Sự khác biệt giữa môi trường định hướng và môi trường không định hướng? 4 Ba loại cáp chủ yếu của môi trường có định hướng? 5 Ưu điểm của cáp đôi xoắn so... dùng khói là thí dụ về dạng môi trường truyền: a có định hướng b không định hướng c phản xạ d bé hay to Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 167 Bài giảng: Truyền số liệu 38 Chương 7: Môi trường truyền dẫn Môi trường truyền có định hướng ban đầu được dùng làm: a điện thoại di động b điện thoại bàn c thông tin vệ tinh d thông tin quảng bá 39 Cho biết dạng nào không phải là môi trường có định hướng: a cáp... gian truyền: đo lường thời gian cần thiết để tín hiệu hay bit đi từ một điểm này đến một điểm khác trong môi trường truyền, như trong hình 44 Thời gian truyền = cự ly/ tốc độ truyền Hình 7.42 Thời gian truyền thường được chuẩn hóa sang kilomet Thí dụ, thời gian truyền trong dây cáp xoắn đôi được chuẩn hóa thành km như sau: Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 160 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường. .. 120 58 Trong chế độ truyền dẫn cáp quang nào mà chùm tia di chuyển hầu như theo chiều ngang và vùng lõi có mật độ thấp có đường kinh bé hơn so với các chế độ truyền dẫn khác: a multimode step-index b multimode graded-index Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 170 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn c multimode single index d single mode 59 Phương pháp truyền dẫn nào chịu nhiều ảnh... thông lượng b tốc độ truyền c thời gian truyền d tất cả đều đúng 72 Cho biết yếu tố nào được đo bằng mét/giây hay km/giây: a thông lượng Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 172 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn b tốc độ truyền c thời gian truyền d b hay c 73 Cho biết yếu tố nào được đo bằng bit/giây: a thông lượng b tốc độ truyền c thời gian truyền d b hay c 74 Cho biết yếu tố nào... thuộc vào: a tần số của tín hiệu b môi trường c góc pha của tín hiệu d a và b 79 Độ dài sóng của ánh sáng lục trong không khí so với trong cáp quang thì: a bé hơn Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 173 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn b lớn hơn c bằng d tất cả đều sai 80 Dùng công thức Shannon để tính toán tốc độ truyền dữ liệu của một kênh truyền, nếu C = B, thì: a tín hiệu... nhận dữ liệu, thoại, hình ảnh và viđéo 7.4 TỒN HAO ĐƯỜNG TRUYỀN (TRANSMISSSION IMPAIRMENT) Biên dịch: Nguyễn Việt Hùng Trang 157 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn Hình 7.37 3 dạng tổn hao: suy giảm, méo dạng, nhiễu Suy giảm (Attenuation): tức là thất thoát năng lượng Khi một tín hiệu, cho dù đơn giản hay phức tạp, mất đi một số năng lượng để vượt qua lực cản của môi trường, ... Nhiễu là năng lượng bên ngoài làm xấu tín hiệu  Ta có thể đánh giá môi trường truyền thông qua throughput, tốc độ truyền và thời gian truyền  Độ dài sóng là tốc độ truyền chia cho tần số  Dung lượng Shannon là công thức tính lý thuyết tốc độ dữ liệu cao nhất của kênh truyền  Năm yếu tố cần quan tâm khi đánh giá môi trường truyền dẫn là: chi phí, throughtput, suy hao, EMI và an ninh Thông tin tế . giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn CHƯƠNG 7: MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN Thiết bị viễn thông và máy tính dùng tín hiệu để biểu diễn dữ liệu, . Nguyễn Việt Hùng Trang 148 Bài giảng: Truyền số liệu Chương 7: Môi trường truyền dẫn MÔI TRƯỜNG KHÔNG ĐỊNH HƯỚNG Môi trường không định hướng, còn gọi là