Bài giảng Truyền số liệu và mạng - Chương 1: Các phương tiện truyền dẫn và lớp vật lý

Nội dung text: Bài giảng Truyền số liệu và mạng - Chương 1: Các phương tiện truyền dẫn và lớp vật lý

1. Chương 1 : Các Phương Tiện Truyền Dẫn Và Lớp Vật Lý Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-1
2. Truyền dẫn có dây (Wire Media) „ Cáp song hành (Two-Wire Open Lines) „ Cáp xoắn (Twisted-Pair Cables) „ Cáp đồng trục (Coaxial Cables) „ Cáp quang (Optical Fiber Cables) „ Quá trình phát triển và tiêu chuẩn của cáp. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-3
3. Cáp song hành (Two-Wire Open Lines) „ Ưu điểm „ Cấu tạo đơn giản „ Nhược điểm „ Tốc độ truyền dữ liệu thấp (R ≤ 19Kbps), với khoảng cách tối đa L ≤ 50m „ Dễ bị tác động của nhiễu xuyên kênh (Crosstalk) „ Nhạy với nhiễu điện từ trường (EMI) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-5
4. Cáp Xoắn (Twisted-Pair Cables) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-7
5. Cáp Xoắn (Twisted-Pair Cables) UTP Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-9
6. Cáp Xoắn (Twisted-Pair Cables) Foil Individually Drain Wire Foil Drain Foil Wire Metal Braid 2 UTP FTP Khoa ĐiệFn – ĐTPiện tử - ĐHBK TP.HCMS-FTP STP 1-11
7. Cáp Xoắn (Twisted-Pair Cables) „ Cáp xoắn có 2 loại chính „ UTP (Unshield Twisted Pair) „ Trở kháng đặc tính 100 Ohm „ Băng thông thay đổi tuy theo loại (CAT) thay đổi từ 750Khz (CAT 1) đến 250MHz (CAT 6) „ STP (Shield Twisted Pair) „ Trở kháng đặc tính 100 Ohm „ Băng thông thay đổi theo loại (STP có băng thông 30MHz, STP-A có băng thông tối đa 300MHz) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-13
8. Cáp Xoắn (Twisted-Pair Cables) „ Ưu điểm „ Cải thiện được khả năng chống nhiễu điện từ trường (EMI) so với cáp song hành „ Giảm nhiễu xuyên kênh (Crosstalk) giữa các cặp dây „ Nhược điểm „ Nhạy với can nhiễu (interference) „ Nhạy với nhiễu EMI Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-15
9. Cáp Đồng Trục (Coaxial Cables) „ Được sử dụng trong „ Mạngmáytính(Computer Network) „ Hệ thống truyền dữ liệu (Data Systems) „ CATV „ Mạng truyền hình cá nhân (Private Video Network) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-17
10. Cáp Đồng Trục (Coaxial Cables) „ Ưu điểm „ Khả năng chốngnhiễu điện từ trường (EMI) tốt „ Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 10Mbps với khoảng cách vài trăm mét „ Nhược điểm „ Có nhiều trở kháng đặc tính khác nhau nên cáp đồng trục nên chỉ được sử dụng trong riêng biệt trong từng hệ thống Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-19
11. Cáp Quang (Optical Fiber Cables) „ Sử dụng trong các hệ thống truyền dữ liệu yêu cầu tốc độ cao, băng thông rộng plastic jacket glass or plastic fiber core cladding Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-21
12. Cáp Quang (Optical Fiber Cables) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-23
13. Cáp Quang (Optical Fiber Cables) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-25
14. Qúa trình phát triển của mạng cáp (Cabling Evolution) „ Telephony PABX Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-27
15. Qúa trình phát triển của mạng cáp (Cabling Evolution) IEEE 802.3 Ethernet 1980 10 BASE-5 10 BASE-2 SAS 10 BASE-Tx 10 BASE-FL TP-PMD FD DI 10BASE-5 DAS Coxial FDDI 10BASE-2 Fiber Distributed Data Interface 1980s IEEE 802.5 Token Ring Token Ring 4 mbps 1985 CAT3 Token Ring 16 mbps 1989 UTP IBM Type1 Token Ring 2-pairSTP KhoaATM Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-29
16. Qúa trình phát triển của mạng cáp (Cabling Evolution) Why Universal Cabling ? Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-31
17. Qúa trình phát triển của mạng cáp (Cabling Evolution) ƒ Tiêu chuẩn của mạng cáp có cấu trúc NORTH AMERICA EUROPE INTERNATIONAL TIA/EIA EN 50173 IS 11801 568A Commercial Building Customer Generic Cabling for Telecommunications Premises Cabling Wiring Standard Customer Premises October 1995 August 1995 July 1995 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-33
18. Qúa trình phát triển của mạng cáp (Cabling Evolution) CD Campus ISO11801 Backbone EN50173-1 Cabling C Campus BD BD D Distributor Building B Building Backbone D Distributor Cabling F Floor Distributor D C Consolidation FD FD FD FD FD FD P Point T Telecommunicatio Horizontal O n Outlet Cabling CP TO TO TO TO TO TO TO TO TO TO TO TO TO Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-35
19. < 1500 m < 1500 m Campus Distributor < 1500 m < 1500 m Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-37
20. ƒ Tiêu chuẩn của mạng cáp có cấu trúc PATCHCORD RJ45-RJ45 IDC-IDC, RJ45-IDC OF (SC, ST, FDDI) PATCH PANEL RJ45, OF or IDC HORIZONTAL CABLE PASSIVE EQUIPMENT WORK AREA ACTIVE EQUIPMENT Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-39
21. Qúa trình phát triển của mạng cáp (Cabling Evolution) Links and Channels A typical 2 connector Channel 1 2 Most widely installed model Reliable and accepted configuration. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-41
22. Qúa trình phát triển của mạng cáp (Cabling Evolution) Class Fa / Category 7a (2008) Class F / Category 7 Class Ea / Category 6a (2008) Class E / Category 6 Cabling Standards Class D / Category 5e5 Category 4 Class C / Category 3 16 20 100 250 500 600 1000 MHz 10 Gigabit Ethernet over copper cabling is coming. •The full cabling standard is in the final stages of agreement, with a ratified standard due early 2008 •Augmented Cat 6 will be Adendum10 of TIA568B.2 •Limit to 500MHz •New Parameter in Alien Crosstalks. •TSB 155 which is equivalent to ISO 24750 test limits to determine if 10 Gig will run on cabling solutions. •TSB 155/24750 Include mitigation techniques that may be required to assist with 10G operation •Class F to be pushed to 1000/1200MHz to an new AugmentedKhoa Đ iClassện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-43
23. Vi Ba Vệ Tinh (Satellite Microwave) Góc ngẩng N ngẩng Xích đạo Góc ngẩng EL o N ( 90- EL ) Tiếp tuyến ngang Góc nghiêng Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-45
24. Vi Ba Mặt Đất (Terrestrial Microwave) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-47
25. Hồng Ngoại (Infrared) „ Sử dụng sóng ánh sáng để truyền tín hiệu „ Các thiết bị thu phát phải không bị che chắn „ Ứng dụng: „ Dùng để truyền tải thông tin trong mạng nhỏ. „ Ví dụ từ máy tính sang máy tính, máy tính sang điện thoại, điện thoại với điện thoai v.v Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-49
26. Delay trong truyền dẫn „ Round-trip delay : là khoảng thời gian trì hoãn giữa bit đầu tiên của khối dữ liệu phát và thời điểm đầu phát nhận được bit sau cùng của tín hiệu trả lời từ đầu thu. Khoảng thời gian này phụ thuộc vào a với : a= Tp/Tx Tp : trễ lan tuyền = S / V. Tx : trễ truyền data = N / R Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-51
27. Delay trong truyền dẫn „ Bài giải : 8 -6 a. Tp = s/v = 100/2.10 = 0,5.10 s 3 Tx = N/R = 1000/10.10 = 0.1 s -6 a=Tp/ Tx = 5.10 : Round trip delay do Tx quyết định b.Tương tự do Tx quyết định c. Tương tự Round trip delay do Tp quyết định Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-53
28. Dung lượng đường truyền „ Ví dụ : Tính tốc độ bit truyền tối đa trên đường dây điện thoại thông thường, biết rằng băng thông của kênh thoại từ 300 – 3400 Hz.Tín hiệu truyền trên đường truyền là tín hiệu dãi nền với 2 mức. a. Trong trường hợp đường truyền lý tưởng. b. Trường hợp đường truyền có S/N=35dB. „ Bài giải : „ C = 2Blog2M = 6200 bps „ C = Blog2(1+S/N)= 36kbps Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-55
29. Các chuẩn giao tiếp lớp vật lý (Physical Interface Standards) „ Nội dung các chuẩn giao tiếp lớp vật lý : „ Xác định dạng tín hiệu được truyền đi „ Xác định các kết nối vật lý. „ Phương thức truyền tín hiệu Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-57
30. RS232 „ Kết nối vật lý (mechanical specifications): sử dụng cổng kết nối DB25 (ISO 2110) hoặc DB9 DB-25 Female DB-25 Male Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-59
31. RS232 „ Giao tiếp về điện đối với dữ liệu „ Bit 1 Ỉ -15 : -3V „ Bit 0 Ỉ > +3V : +15 „ Giao tiếp về điện đối với tín hiệu điều khiển „ Off Ỉ -15 : -3V „ On Ỉ > +3V : +15 „ Tốc độ truyền < 20Kbps với khoảng cách < 15m Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-61
32. RS232 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-63
33. RS232 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-65
34. RS232 „ NULL Modem Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-67
35. RS-422A / V.11 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-69
36. RS-485 „ Truyền bán song công khi sử dụng 2 dây và song công khi sử dụng 4 dây. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-71
37. RS-485 „ Tín hiệu: „ Truyền theo kiểu cân bằng trên hai dây A,B „ Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-73
38. RS-485 „ Tín hiệu: Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-75
39. RS-485 „ Bài giải: Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-77
40. Mã đường dây (Line Codes) „ Các thông số cần quan tâm trong quá trình mã hoá đường dây : „ Phổ tín hiệu „ Không có thành phần tần số cao giảm bớt băng thông tín hiệu „ Không có thành phần DC cho phép ghép ac bằng biến thế, tạo sự cách ly tốt „ Thông tin đồng bộ (clocking) „ Đồng bộ giữa máy phát và máy thu „ Dùng clock ngoài „ Tạo cơ chế đồng bộ dựa trên tín hiệu Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-79
41. Mã đường dây (Line Codes) „ Các loại mã thường dùng Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-81
42. NRZ (Non Return Zero) „ NonReturn to Zero Inverted „ Đảo dấu cho bit 1 „ Điện áp hằng trong suốt thời gian bit, không trở về mức điện áp 0V „ Cạnh xung đánh dấu bit 1, không có cạnh xung đánh dấu bit 0 „ Ví dụ : Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-83
43. RZ (Return Zero) „ Mã RZ : „ Dùng 3 mức điện áp +V,0,-V. „ Tín hiệu thay đổi trong khoảng 1 bit. „ Bit 1 thay đổi từ +V -> 0. „ Bit 0 thay đổi từ –V->0 „ Ưu : Đảm bảo Clock để đồng bộ bit tốt. „ Khuyết : Băng thông rộng. „ Ví dụ : 0 1 0 0 0 1 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-85
44. Biphase „ Manchester Vi sai „ Tương tự như mã hoá Manchester, đảo mức tại điểm giữa của chu kỳ bit. „ Tuy nhiên sự thay đổi mức tín hiệu tại vị trí bắt đầu của chu kỳ bit chỉ xảy ra nếu bit đó là bit 0. „ Ví dụ : Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-87
45. AMI (Alternate Mark Inversion) „ Mã AMI lưỡng cực „ Bit 0 được biểu diễn bởi mức 0V „ Bit 1 được biểu diễn bởi mức +V hoặc –V sao cho cực tính của các bit 1 gần nhau nhất luôn phiên thay đổi. „ Ưu điểm „ Không mất đồng bộ nếu có 1 chuỗi bit 1 „ Không có tích luỹ thành phần DC „ Băng tần thấp „ Dễ phát hiện sai „ Khuyết điểm „ Không đảm bảo đồng bộ bit nếu chuỗi bit 0 kéo dài. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-89
46. AMI (Alternate Mark Inversion) „ Pseudoternary „ Bit 1 được biểu diễn bởi không có tín hiệu trên đường truyền „ Bit 0 được biểu diễn bằng các thay đổi luân phiên xung dương và xung âm „ Không có ưu hay nhược so với AMI Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-91
47. HDB3 ( High Density Bipolar 3 ) „ Kiểu mã hoá này giống với kiểu mã hoá AMI ngoại trừ một đặc điểm là nếu trong chuỗi dữ liệu phát có 4 bit 0 liên tiếp thì sẽ đựơc mã hoá thành x00V. Với „ X = 0 Nếu tổng số bit 1 giữa 2 mã V gần nhau nhất là số lẻ. „ X= B Nếu tổng số bit 1 giữa 2 mã V gần nhau nhất là số chẵn. „ ‘B’đảo cực so với bit 1 gần nhất trứơc nó (đúng luật mã AMI). „ ‘V’ (violation) được mã hoá cùng cực tính so với bit 1 gần nhất trước ( vi phạm luật mã AMI) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-93
48. B8ZS (Bipolar With 8 Zeros Substitution) „ Mã B8ZS „ Nếu trong chuỗi dữ liệu phát có 8 bit 0 liên tiếp thì sẽ đựơc mã hoá thành chuỗi bit là 000VB0VB. Trong đó: „ Lưu ý: Trong chuỗi bit phát sử dụng kiểu mã hoá này •Ví dụchỉ: có tối đa 7 bit 0 liên tiếp. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-95
49. Hạn chế cuả mã nhị phân đa mức Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-97
50. ASK (Amplitude Shift Keying) vt()=+Δ⎡⎤ AAdt . ().cos ω+Φ t „ Biểu thức tín hiệu ASK: ASK⎣⎦ o( o ) „ Dạng sóng: Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-99
51. ASK (Amplitude Shift Keying) „ Phương pháp Giải điều chế Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-101
52. ASK (Amplitude Shift Keying) „ Đặc điểm: „ Phương pháp ASK có sơ đồ rất đơn giản, được sử dụng chủ yếu trong kỹ thuật điện báo. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-103
53. FSK (Frequency Shift Keying) „ Dạng sóng: Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-105
54. FSK (Frequency Shift Keying) „ Phương pháp Giải điều chế Giải điều chế FSK kiểu không kết hợp Giải điều chế FSK kiểu kết hợp (non-coherent) (coherent) Giải điều chế FSK dùng vòng khóa pha (PLL) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-107
55. FSK (Frequency Shift Keying) „ Đặc điểm: „ Phương pháp FSK có sơ đồ phức tạp hơn ASK, được sử dụng chủ yếu trong modem truyền số liệu ( kiểu CCITT V21, CCITT V23, BELL 103, BELL 113, BELL 202) và trong kỹ thuật radio số „ Sai số ít hơn phương pháp ASK Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-109
56. PSK (Phase Shift Keying) „ Dạng sóng: Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-111
57. PSK (Phase Shift Keying) „ Phương pháp Giải điều chế Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-113
58. PSK (Phase Shift Keying) „ Đặc điểm: „ Sơ đồ điều chế PSK có độ phức tạp trung bình, được sử dụng chủ yếu trong kỹ thuật radio số „ Sai số ít hơn phương pháp FSK Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-115
59. QPSK (QuadraturePhase Shift Keying) Điều chế QPSK Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-117
60. 8PSK (8 Phase Shift Keying) „ Sơ đồ điều chế 8-PSK có độ phức tạp cao, được sử dụng chủ yếu trong modem truyền số liệu ( kiểu CCITT V27, BELL 208) và trong kỹ thuật radio số. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-119
61. QAM Quadrature Amplitude Modulation Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-121
62. Nhiễu gauss và tỷ lệ lỗi bit „ Nhiễu Gauss : „ Hàm mật độ công suất của nhiễu Gauss : p(x) 1 2πδ 2 0.606 δ δ 2πδ 2 „ m: giá trị trung bình (DC). „ δ : Độ lệch chuẩn ( áp hiệu dụng) 0.136 2δ 2δ 2 2 2πδ „ δ : gọi là phương sai (công suất nhiễu) 0 m x Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-123
63. Nhiễu gauss và tỷ lệ lỗi bit „ Tín hiệu nhận được cộng luôn cả nhiễu nếu lớn hơn VT thì xác quyết mức ‘1’, ngược lại nhỏ hơn VT thì xác quyết mức ‘0’. Do đó ta có : „ Xác xuất lỗi khi truyền bit 1 sai là: 2 vT −( x−A) 1 2 P (v vT) = p (1/0) = ∫ 2 vT 2πσ „ Giả sử xác suất xuất hiện bit 1 và 0 là pr(1) và pr(0) „ Xácsuấtlỗi1 bit : „ pe = pr(1)p(0/1) + pr(0)p(1/0) „ Nếu xác suất xuất hiện 0 và 1 là như nhau tức pr(0)= pr(1)=0.5, thì „ pe = 0.5 p(0/1) + 0.5 p(1/0) = p(0/1) = p(1/0). Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-125
64. Nhiễu gauss và tỷ lệ lỗi bit „ Ngoài ra, xác suất lỗi có thể tính dựa vào (S/N)v, hoặc (S/N)p „ Pe = Q (A/2σ) = Q [(S/N)V] „ Pe = Q (A/2σ) = Q [(S/N)P] „ Xác suất sai k bit bất kỳ khi truyền khối n bit „ Nếu truyền n bits mà toàn bộ bị sai (k=0). n pr(error) = 1-p0 = 1-(1-pe ) ≈ npe. (do pe<<1) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-127
65. Nhiễu gauss và tỷ lệ lỗi bit „ Đồ thị tính hàm Q(k) Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-129
66. Bài 1 Cho kênh truyền có băng thông BW=10 MHz, suy hao L=30dB. Công suất tín hiệu tại ngõ vào kênh truyền là Sin=0.25W. Giả sử công suất nhiễu đo được tại ngõ ra kênh truyền là Nout=0.25 uW. ƒ Tính tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) tại ngõ ra kênh truyền theo dB. ƒ Tính dung lượng kênh truyền. ƒ Nếu kênh truyền trên được sử dụng đề truyền tín hiệu video với tốc độ 24 hình/giây, kích thước mỗi khung hình là 480x320 và mỗi pixel được mã hóa bằng 12 bit. Hỏi có thể truyền được nguồn video trên qua kênh truyền đã cho hay không. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-131
67. Bài 3 ƒ Vẽ dạng tín hiệu phát lên đường truyền cho các hệ thống sử dụng các loại mã NRZ,RZ, Manchester , AMI, HDB3, B8ZS khi chuỗi bit phát là: 0100 0011 0000 0000 1010 Giả sử bộ phát ở trạng thái vừa được khởi đông. ƒ Nhận xét các thông số: Băng thông, khả năng đồng bộ, thành phần DC của các bộ mã trên. Cho ví dụ về việc sử dụng bộ mã trong các hệ thống truyền dẫn thực tế. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-133
68. Bài 5 ƒ Tìm băng thông của tín hiệu điều chế FSK với tấn số FL=49Khz và FH=50Khz, tốc độ bit 2000 bps ƒ Cho biết ưu, khuyết điểm của từng dạng tín hiệu. Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-135
69. Bài 7 ƒ Một biến ngẫu nhiên Gauss có trung bình 4V, độ lệch chuẩn là 1.2V. Tìm xác xuất tín hiệu trong tầm 1V-7V Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-137
70. Bài 9 ƒ Cho đường truyền có mật độ phổ công suất nhiễu trắng là 6.10-6 V2/Hz, băng thông 100 – 5000 Hz.Tìm xác xuất mà nhiễu có điệ áp bé hơn 200mV Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 1-139