Bài giảng Truyền thông kỹ thuật số - Chương 2: Môi trường truyền dẫn - Trịnh Huy Hoàng

CHƯƠNG 2 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪNGiảng viên: Trịnh Huy HoàngNội dungKhái niệm và thuật ngữTín hiệu và nhiễuCác môi trường truyền dẫnTín hiệuTín hiệuTATần số của tín hiệu Miền thời gianMiền tần sốATTA1 giây (s)fAAA0f2fFFFPhổ của tín hiệuf = 300 Hz300F (Hz)600 Hz600F (Hz)700 Hz700F (Hz)F (Hz)Phổ: Tầm tần số chứa trong tín hiệuBăng thôngAFBăng thông tuyệt đốiĐộ rộng phổ (được đo bằng sự chênh lệch tần số cao nhất và thấp nhất mà kênh hỗ trợ)Băng thông càng lớn, tốc độ truyền càng caoBăng thông hiệu dụngBăng thôngDải tầm tần số hẹp chứa hầu hết năng lượng của t/h5002500Bandwidth = 2500 – 500 = 2000 HzPhổ âm của thoạiSuy giảm tín hiệuT/h nhận được khác với t/h truyền điAnalog – suy giảm chất lượng t/hDigital – lỗi trên bitNguyên nhânSuy yếu và méo do suy yếu trên đường truyềnMéo do trễ truyềnNhiễuĐộ suy giảm tín hiệuĐịnh nghĩa (signal attenuation)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 dẫnĐối với môi trường vô tuyến, suy giảm cường độ t/h là một hàm phức tạp theo khoảng cách và thành phần khí quyểnCường độ t/h nhận phảiĐủ mạnh để thiết bị nhận nhận biết đượcĐủ cao so với nhiễu để t/h không bị lỗiSuy yếu là một hàm tăng theo tần sốKỹ thuật cân bằng độ suy yếu trên dải tần sốDùng 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 logaritĐộ lợi/độ hao hụt của các tầng nối tiếp có thể được tính bằng phép toán đơn giản (+/-)Độ suy giảm tín hiệuĐo bằng đơn vị decibel (dB)Cường độ t/h suy giảm theo hàm logaritĐộ lợi/độ hao hụt của các tầng nối tiếp có thể được tính bằng phép toán đơn giản (+/-)Công thứcAttenuation = 10log10(P1/P2) (dB)P1: công suất của tín hiệu nhận (W)P2: công suất của tín hiệu truyền (W)Decibel (dB) là giá trị sai biệt tương đốiCông suất suy giảm ½  độ hao hụt là 3dBCông suất tăng gấp đôi  độ lợi là 3dBTrễ lan truyền tín hiệuMéo trễ truyềnChỉ xảy ra trong môi trường truyền dẫn hữu tuyếnVận tốc lan truyền thay đổi theo tần sốVận tốc cao nhất ở gần tần số trung tâmCác thành phần tần số khác nhau sẽ đến đích ở các thời điểm khác nhauCông thứcTransmission propagation delay Tp = S/VS : khoảng cách vật lý (meter)V : vận tốc lan truyền tín hiệu trên môi trường truyền, vd: với sóng điện từ: v = 2 x 106 (m/s)Round trip delay Tx = N/RN : khối lượng dữ liệu truyền (bit)R : tốc độ truyền bit trên đường truyền.NhiễuTín hiệu thêm vào giữa thiết bị phát và thiết bị thuCác loại nhiễuNhiễu nhiệtNhiễu điều chếNhiễu xuyên kênh (cross talk)Nhiễu xungNhiễuNhiễu nhiệtDo dao động nhiệt của các điện tử trong chất dẫnHàm của nhiệt độPhân tán đồng nhất trên phổ tần sốNhiễu trắngKhông thể loại bỏ  giới hạn hiệu suất của hệ thốngNhiễu trong băng thông 1Hz của bất kỳ chất dẫn nào N0 = kTN0: mật độ công suất nhiễu (watt/Hz)k: hằng số Boltzmann (= 1.38 x 10-23 J/0K)T: nhiệt độ (0K)Nhiễu trong băng thông W Hz: N = N0W = kTWNhiễuNhiễu điều chếT/h nhiễu có tần số là tổng hoặc hiệu tần số của các t/h dùng chung môi trường truyềnDo tính phi tuyến của thiết bị thu/phát Nhiễu xuyên kênh (crosstalk)T/h từ đường truyền này ảnh hưởng sang các đường truyền khácCùng độ lớn (hoặc nhỏ hơn) nhiễu nhiệtNhiễu xungXung bất thường (spike)e.g. ảnh hưởng điện từ bên ngoàiThời khoảng ngắnCường độ caoẢnh hưởng nhiều đến quá trình trao đổi dữ liệu sốXung 0.01s làm mất 50 bit dữ liệu nếu truyền ở tốc độ 4800bpsTốc độ kênh truyền (khả năng kênh)Đặc điểmCó 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 truyềnCông thức NyquistNếu tốc độ truyền tín hiệu là 2W thì tín hiệu với tần số nhỏ hơn (hoặc bằng) W là đủ; ngược lại nếu băng thông là W thì tốc độ tín hiệu cao nhất là 2WC = 2W x log2MC : tốc độ truyền t/h cực đại (bps) khi kênh truyền không có nhiễuW : băng thông của kênh truyền (Hz)M : số mức thay đổi tín hiệu trên đường truyềnĐộ hữu hiệu băng thông: B = R/W (bps HZ-1)Tốc độ kênh truyềnTốc độ kênh truyềnTốc độ dữ liệuBaud rate (baud/s)Nghịch đảo của phần tử dữ liệu ngắn nhất (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 truyềnTốc độ truyền dữ liệu cực đại trong trường hợp không có nhiễuBằng baud rate trong trường hợp tín hiệu nhị phânKhi mỗi thay đổi đường truyền được biểu diễn bằng 2 hay nhiều bit, tốc độ bit khác với tốc độ baudQuan hệ giữa Baud rate và Bit rate R = Rs x log2M = 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 hiệuBit rateTỉ lệ tín hiệu so với nhiễuSignal to Noise ratio SNR = 10 x log10 (S/N) (dB)S : công suất tín hiệu nhậnN : công suất nhiễuCông thức Shannon-Hartley C = W x log2 (1 + S/N) (bps)C : tốc độ truyền t/h cực đại khi kênh truyền không có nhiễuChiều dài sóngKhoảng cách chiếm bởi một chu kỳKhoảng cách giữa 2 điểm pha tương ứng trong 2 chu kỳ liên tiếpKý hiệu Giả sử vận tốc t/h là v  = vTf = vc = 3*108 ms-1 (tốc độ ánh sáng)Môi trường truyền dẫnHữu tuyến (guided media – wire)Cáp đồngCáp quangVô tuyến (unguided media – wireless)Vệ tinhHệ thống sóng radio: troposcatter, microwave, ...Đặc tính và chất lượng được xác định bởi môi trường và tín hiệuĐối với hữu tuyến, môi trường ảnh hưởng lớn hơnĐối với vô tuyến, băng thông tạo ra bởi anten ảnh hưởng lớn hơnYếu tố ảnh hưởng trong việc thiết kế: tốc độ dữ liệu và khoảng cáchBăng thôngBăng thông cao thì tốc độ dữ liệu caoSuy yếu truyền dẫnNhiễu (nhiễu nhiệt, nhiễu điều chế, nhiễu xuyên kênh, nhiễu xung)Số thiết bị nhận (receiver)Môi trường hữu tuyếnCàng nhiều thiết bị nhận, tín hiệu truyền càng mau suy giảmMôi trường truyền dẫnMôi trường truyền dẫn hữu tuyếnCáp xoắn đôiCáp đồng trụcCáp quangFrequency RangeTypical AttenuationTypical DelayRepeater SpacingTwisted pair (with loading)0 to 3.5 kHz0.2 dB/km @ 1 kHz50 µs/km2 kmTwisted pairs (multi-pair cables)0 to 1 MHz0.7 dB/km @ 1 kHz5 µs/km2 kmCoaxial cable0 to 500 MHz7 dB/km @ 10 MHz4 µs/km1 to 9 kmOptical fiber186 to 370 THz0.2 to 0.5 dB/km5 µs/km40 kmCáp đồng: two-wire open lineCáp đồng: twisted-pairTách rờiXoắn lại với nhauThường được bó lạiInsulatingouter coverMulti coreInsulatingouter coverProtective screen (shield)Cáp đồng: twisted-pairỨng dụngMôi trường truyền dẫn thông dụng nhấtMạng điện thoạiGiữa các thuê bao và hộp cáp (subscriber loop)Kết nối các tòa nhàTổng đài nội bộ (Private Branch eXchange – PBX)Mạng cục bộ (LAN)10Mbps hoặc 100MbpsƯu – nhược điểmRẻDễ dàng làm chủTốc độ dữ liệu thấpTầm ngắnCáp đồng: twisted-pairĐặc tính truyền dẫnAnalog Cần bộ khuếch đại mỗi 5km tới 6km Độ suy giảm t/h: ~1dB/kmChuẩn trong ĐT: = 6dBDigitalDùng tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu sốCần bộ lặp (repeater) mỗi 2km hoặc 3kmKhoảng cách giới hạnBăng thông giới hạn (1MHz)Tốc độ dữ liệu giới hạn (100MHz)Dễ bị nhiễu và tác động của môi trường ngoàiCáp đồng: twisted-pairKhông vỏ bọc giáp – Unshielded Twisted Pair (UTP)Dây ĐT bình thườngRẻ nhấtDễ lắp đặtDễ bị nhiễu trường điện từ bên ngoàiVỏ bọc giáp – Shielded Twisted Pair (STP)Vỏ giáp bện giúp giảm nhiễu và tác động bên ngoàiĐắt hơnKhó lắp đặt (cứng, nặng)Cáp đồng: twisted-pairUTP Cat 3Lên đến 16MHzĐược dùng trong liên lạc thoại ở hầu hết các văn phòngChiều dài xoắn (twist length): 7.5cm tới 10cmUTP Cat 4Lên đến 20 MHzUTP Cat 5Lên đến 100MHzĐược dùng phổ biến hiện nay trong các văn phòngChiều dài xoắn: 0.6cm đến 0.85cmThích hợp cho tốc độ truyền lên đến 100.106 bits/secondSTP Cat 3: thích hợp cho tốc độ truyền lên đến 10.106 bits/secondCáp đồng: twisted-pairCáp đồng: Unshielded Twisted-PairCáp đồng: Shielded Twisted-PairCáp đồng: CoaxialỨng dụngMôi trường truyền linh hoạt nhấtCáp truyền hìnhTruyền dẫn ĐT khoảng cách xaFDMCó thể mang đồng thời 10.000 cuộc gọiSẽ bị thay thế bởi cáp quangKết nối các thiết bị khoảng cách gầnMạng cục bộĐặc tính truyền dẫnHiệu ứng bề mặt (skin effect)AnalogCần bộ khuyếch đại mỗi vài kmKhoảng cách càng ngắn nếu tần số càng caoLên đến 500MHzDigitalCần bộ lặp (repeater) mỗi kmKhoảng cách càng ngắn nếu tốc độ dữ liệu càng tăngCáp đồng: CoaxialCáp đồng: coaxialCáp đồng: đặc điểm chungXác suất bit lỗi trên đường truyền (Bit Error Rate – BER) vào khoảng 10-6.Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu (crosstalk, thermal,...) và môi trường xung quanh.Tốc độ truyền thông tin thay đổi tùy theo phạm vi hệ thống được triển khai :LAN: tốc độ 10Mbps ~ 100Mbps, khoảng cách khoảng vài trăm mét (UTP: length 8050 – 60 1.5 – 5Độ suy giảm t/h (dB/km)0.5 – 2.00.5 – 2.00.15Cáp quang: chế độ truyềnmultimode: several paths/time delaysnarrow: 1 wavelength no time delaysCáp quang: chế độ truyềnStep-index multimodeGraded-index multimodeSingle-modeNguồn sángLED/ILDLED/ILDILDBăng thôngRộng (lên đến 200MHz/km)Rất rộng (200MHz-3GHz/km)Cực rộng (3GHz-50GHz/km)Ghép nốikhókhókhóỨng dụngTruyền dữ liệu máy tínhĐường điện thoại (khoảng cách trung bình)Viễn thông đường dàiGiá thànhRẻ nhấtTrung bìnhĐắt nhấtĐường kính lõi (µm)50-12550-1252-8Đường kính vỏ (µm)125-440125-44015-60Độ suy giảm (db/km)10-507-150.2-2Cáp quangOptical Dielectric SLT Cable, 72-Fiber, Composite (24 SM/48MM)Truyễn dẫn vô tuyếnTruyền và nhận thông qua antenCó hướngChùm định hướng (focused beam)Đòi hỏi sự canh chỉnh hướng cẩn thậnVô hướngTín hiệu lan truyền theo mọi hướngCó thể được nhận bởi nhiều antenTầm tần số2GHz đến 40GHzSóng viba (microwave)Định hướng caoĐiểm-điểmVệ tinh30MHz đến 1GHzVô hướngradio3 x 1011 đến 2 x 1014Hồng ngoạiCục bộKhắc phục những khó khăn về địa lý khi triển khai hệ thốngTỷ lệ bit lỗi trên đường truyền (BER) thay đổi tùy theo hệ thống được triển khai. Ví dụ: BER của vệ tinh ~ 10-10Tốc độ truyền thông tin đạt được thay đổi, từ vài Mbps đến hàng trăm MbpsPhạm vi triển khai đa dạng: LAN (vài km), WAN (hàng chục km)Chi phí để triển khai hệ thống ban đầu rất caoVô tuyến: các băng tần truyền dẫnVô tuyến: sóng viba mặt đấtChảo parabol (thường 10 inch)Chùm sóng định hướng theo đường ngắm (line of sight)Khoảng cách max giữa các antenh: chiều cao của antenk: hằng số hiệu chỉnh độ gấp khúc của sóng (k=4/3)Ví dụ: tháp anten cao 100m cách xa 82kmChuỗi tháp anten: điểm-điểmĐộ suy giảm t/hd: khoảng cách – : chiều dài sóngĐộ suy giảm tỉ lệ thuận bình phương khoảng cách  cần amp/repeater mỗi 10-100kmĐộ suy giảm thay đổi theo môi trường (càng tăng khi có mưa)Viễn thông khoảng cách xaThay thế cho cáp đồng trục (cần ít bộ amp/repeater, nhưng phải nằm trên đường thẳng)Tần số càng cao thì tốc độ dữ liệu càng caoVô tuyến: sóng vệ tinhVệ tinh là trạm trung chuyểnVệ tinh nhận trên một tần số, khuyếch đại (lặp lại tín hiệu) và phát trên một tần số khácCần quĩ đạo địa tĩnhCao 35.784 kmỨng dụngTruyền hìnhĐiện thoại đường dàiMạng riêngĐặc tínhThường trong khoảng tần số 1-10 GHz10 GHz: hấp thụ bởi tầng khí quyểnCặp tần số thu/phát(3.7-4.2 downlink, 5.925-6.425 uplink) 4/6 GHz band(11.7-12.2 downlink, 14-14.5 uplink) 12/14 GHz bandTần số cao hơn đòi hỏi tín hiệu phải mạnh để không bị suy giảmTrễ 240-300ms, đáng chú ý trong viễn thôngVô tuyến: vệ tinhVô tuyến: sóng radioVô hướng, 30MHz – 1GHzSóng FMTruyền hình UHF và VHFTruyền theo đường thẳng (line of sight)Bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa kênhPhản xạVô tuyến: sóng hồng ngoạiTruyền theo đường thẳng (hoặc phản xạ)Cản bởi các bức tườngBộ điều khiển TV từ xa, cổng điều khiển bằng hồng ngoại (IRD port)Lan truyền vô tuyếnTín hiệu lan truyền theo 3 đườngSóng mặt đấtDọc theo đường bao trái đất< 2MHzAM radioSóng bầu trờiRadio nghiệp dư, dịch vụ toàn cầu BBC, VOATín hiệu phản xạ từ tầng điện ly Đường thẳngKhoảng trên 30MHzCó thể xa hơn đường thẳng quang học do có phản xạLan truyền sóng mặt đấtEarthSignalpropagationTransmitantennaReceiveantennaGround-wave propagation (below 2MHz)Lan truyền sóng bầu trờiEarthSky-wave propagation (2MHz to 30MHz)ReceiveantennaTransmitantennaionosphereSignal propagationLan truyền đường thẳngEarthLine-of-sight (LOS) propagation (above 30MHz)ReceiveantennaTransmitantennaSignal propagationKhúc xạVận tốc sóng điện từ là hàm số của mật độ vật liệu~3 x 108 m/s truyền trong chân không, thấp hơn khi truyền trong các môi trường khácTốc độ của sóng điện từ sẽ thay đổi khi truyền từ môi trường này sang môi trường khácHướng truyền của sóng sẽ bị bẻ cong tại biênTruyền từ môi trường mật độ thấp sang môi trường mật độ cao, sóng bị bẻ cong về phía môi trường môi trường có mật độ caoChỉ số khúc xạSin(góc tới)/sin(góc khúc xạ)Thay đổi theo chiều dài sóngGây ra sự thay đổi hướng đột ngột khi chuyển tiếp giữa các môi trườngGây ra sự bẻ cong từ từ nếu mật độ môi trường truyền thay đổiMật độ khí quyển giảm theo độ caoKhiến tín hiệu radio bị bẻ cong về phía trái đấtOptical and radio HorizonsAntennaRadio horizonTruyền theo đường thẳngFree space lossTín hiệu phân tán theo khoảng cáchCàng lớn khi tần số càng thấp (do chiều dài sóng dài hơn)Hấp thụ bởi khí quyểnHơi nước và oxy hấp thu tín hiệu radioHơi nước hấp thụ mạnh ở tần số 22GHz, tín hiệu dưới 15GHz ít bị hấp thụOxy hấp thụ mạnh ở tần số 60GHz, tín hiệu dưới 30GHz ít bị hấp thụMưa và sương mù làm tan sóng radioĐa luồng (Multipath)Tốt nhất nên truyền theo đường thẳng nếu có thểTín hiệu có thể bị phản xạ, khiến thiết bị thu có thể nhận được nhiều tín hiệu từ một nguồnTrường hợp xấu nhất: không có tín hiệu trực tiếp nào cảTrong các trường hợp anten cố định, có thể tăng công suất tín hiệu trực tiếp và loại bỏ các tín hiệu phản xạKhúc xạCó thể khiến thiết bị thu mất toàn bộ hoặc nhận được chỉ một phần tín hiệuNhiễu đa luồngKết chươngMột số khái niệm và thuật ngữPhổBăng thôngTốc độ kênh truyền Môi trường truyền dẫnHữu tuyếnTwisted – pairCoaxialFiber opticVô tuyếnRadioSatelliteMicrowaveĐọc thêmW. Stallings, Data and Computer Communications (7th edition), Prentice Hall 2004, chapter 4B. Brown, Introduction to Data Communications