Bài giảng Truyền số liệu và mạng thông tin số - Chương 1: Các phương tiện truyền dẫn và lớp vật lý - Đặng Ngọc Hạnh

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

1. Các Phương Tiện Truyền Dẫn Và Lớp Vật Lý  Môi trường truyền dẫn  Các chuẩn giao tiếp vật lý  Các kỹ thuật mã đường truyền  Điều chế và giải điều chế số
2. Môi Trường Truyền Dẫn (Transmission Media)  Wire Media  Cáp song hành (Two-Wire Open Lines)  Cáp đồng trục (Coaxial Cables)  Cáp xoắn (Twisted-Pair Cables)  Cáp quang (Optical Fiber Cables)  Wireless Media  Vi ba vệ tinh (Satellite Microwave)  Vi ba mặt đất (Terrestrial Microwave)  Sóng ánh sáng (Infrared) 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 3
3.  EMI  Crosstalk Crosstalk between wires: a magnetic field generated by current flowing in wire A causes an unwanted current to flow in wire B. 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 5
4. Cáp Xoắn (Twisted-Pair Cables)  Được sử dụng làm cáp truyền thoại hoặc truyền dữ liệu trong các hệ thống truyền thông tin  Sử dụng chủ yếu trong mạng điện thoại và mạng LAN  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 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 7
5. 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 9
6. Cáp Xoắn (Twisted-Pair Cables) Foil Individually Drain Wire Foil Drain Foil Wire Metal Braid UTP FTP F2TP S-FTP STP 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 11
7. UTP (Unshielded Twisted Pair)  UTP CAT 3  băng thông tối đa16MHz  Độ xoắn từ 7.5 đến 10cm  UTP CAT 4  băng thông tối đa 20MHz  UTP CAT 5/ 5e  băng thông tối đa 100MHz  Độ xoắn từ 0.6 đến 0.85cm  Phổ biến trong mạng LAN  UTP CAT 6  băng thông tối đa 250Mhz 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 13
8. Cáp Đồng Trục (Coaxial Cables)  Được sử dụng trong  Mạng máy tính (Computer Network)  Hệ thống truyền dữ liệu (Data Systems)  CATV  Mạng truyền hình cá nhân (Private Video Network) 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 15
9. Đặc điểm  Ưu điểm  Khả năng chống nhiễu 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 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 17
10. Cáp Quang (Optical Fiber Cables)  Sử dụng trong các hệ thống truyền dữ liệu yêu cầu tốc độ cao, băng thông rộng  Ưu điểm  Tốc độ truyền cao, băng thông rộng plastic jacket glass or plastic fiber core  Khả năng chống nhiễu rất cladding cao  Nhược điểm  Giá thành cao  Lắp đặt phức tạp 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 19
11. 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 21
12. Vi Ba Vệ Tinh (Satellite Microwave) 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 23
13. Vi Ba Vệ Tinh (Satellite Microwave)  Ứng dụng: Được sử dụng trong  Phát thanh, truyền hình  Điện thoại đường dài  Mạng cá nhân (Private business network)  Băng tần  C Band: 4 (downlink) – 6 (uplink) GHz  Được thiết lập đầu tiên  Ku Band: 12 (downlink) – 14 (uplink) GHz  Dễ bị ảnh hưởng bởi mưa  Ka Band: 19 (downlink) – 29 (uplink) GHz  Thiết bị sử dụng ở dãi tần số này rất đắt tiền 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 25
14. 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 thoại v.v 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 27
15. 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 29
16. Delay trong truyền dẫn  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 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 31
17. Delay trong truyền dẫn 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 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 33
18. 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 đường dây điện 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.  B=3100Hz, M=2, S/N=10^(3,5)  C = 2Blog2M = 6200 bps  C = Blog2(1+S/N)= 36kbps 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 35
19. Các Chuẩn Giao Tiếp Vật Lý (Physical Interface Standards)  Xác định dạng tín hiệu được truyền đi  Xác định các kết nối vật lý.  Phương thức truyền tín hiệu 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 37
20. EIA-232C (RS-232C)  Chuẩn giao tiếp của EIA (Electronic Industries Association) (RS = Recommended Standard)  Quy định kết nối vật lý, giao tiếp điện và các chân chức năng và phương thức truyền dữ liệu  Sử dụng để kết nối các thiết bị đầu cuối dữ liệu (DTE) và các thiết bị đầu cuối truyền thông tin (DCE) qua mạng điện thoại (Modem) 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 39
21. EIA-232C (RS-232C)  Giao tiếp về điện đối với dữ liệu  Bit 1 -15 : -3V  Bit 0 +3V : +15  Giao tiếp về điện đối với tín hiệu điều khiển  Off -15 : -3V  On > +3V : +15  Tốc độ truyền < 20Kbps với khoảng cách < 15m 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 41
22. EIA-232C (RS-232C) 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 43
23. EIA-232C (RS-232C) DB25 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 45
24. 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 47
25. RS-422A / V.11 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 49
26. RS-485  Cho phép giao tiếp đa điểm theo dạng bus. Số trạm slave có thể lên đến 255.  Khoảng cách tối đa 1200m với tốc độ 100kbps  Khoảng cách 15m với tốc độ lên đến 10Mbps 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 51
27. RS-485 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 53
28. RS-485  Dữ liệu:  Bit 0 (Space): VB >VA  Bit 1 (Mark): VB VA  ON: VB<VA  -7V < Điện áp trên mỗi dây A,B < 12V  1.5V < Điện áp sai lệch giữa 2 dây A,B< 5V 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 55
29. RS-485 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 57
30. Mã đường dây (Line Codes)  NRZ (Non Return Zero)  RZ (Return Zero)  Biphase  AMI (Alternate Mark Inversion)  HDB3 (High Density Bipolar 3)  B8ZS (Bipolar With 8 Zeros Substitution) 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 59
31. Mã đường dây (Line Codes)  Phát hiện sai  Có thể được xây dựng dựa vào mã hoá tín hiệu  Giao thoa tín hiệu và tính miễn nhiễu  Một số mã tốt hơn các mã khác  Chi phí và độ phức tạp  Tốc độ càng cao thì chi phí càng cao  Một số mã cần tốc độ tín hiệu cao hơn tốc độ dữ liệu 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 61
32. NRZ (NonReturn to Zero)  NonReturn to Zero-Level (NRZ-L)  Có 2 mức điện áp cho bit 0 và bit 1  Điện áp hằng trong suốt thời gian bit, không trở về mức điện áp 0V  Thông thường thì điện áp âm cho bit 1 và áp dương cho bit 0 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 63
33. NRZ (NonReturn to Zero)  Mã hóa sai phân:  Dữ liệu được biểu diễn bằng việc thay đổi tín hiệu (thay vì bằng mức tín hiệu)  Nhận biết sự thay đổi dễ dàng hơn so với nhận biết mức  Ưu và nhược điểm:  Ưu  Dễ dàng thực hiện  Sử dụng băng thông tốt  Nhược  Có thành phần DC  Thiếu khả năng đồng bộ  Được sử dụng trong máy ghi từ  Thường không được sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 65
34. Mã Biphase  Tín hiệu thay đổi điểm giữa mỗi bit nhưng không về 0.  Manchester  Luôn có sự thay đổi trạng thái tại vị trí giữa của chu kỳ bit.  Bit 1 được mã hoá –V -> +V (cạnh lên)  Bit 0 được mã hoá +V -> -V (cạnh xuống)  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.  Dùng trong IEEE 802.3 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 67
35. Mã Biphase  Ưu, khuyết điểm  Ưu điểm  Đồng bộ ở cạnh xung giữa bit  Không có thành phần DC  Phát hiện sai : Khi có sự có mặt của cạnh xung không mong muốn  Nhược điểm  Ít nhất có 1 cạnh xung cho mỗi bit  Tốc độ điều chế cực đại gấp 2 lần NRZ  Cần băng thông rộng hơn 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 69
36. Amplitude 0 1 0 0 1 1 1 0 Mã Bipolar Time The 0s are positive and negative alternately  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 điểm so với AMI  Tương nhượng:  Không hiệu quả bằng NRZ  Mỗi phần tử tín hiệu chỉ biểu diễn 1 bit . Hệ thống 3 mức có thể biểu diễn log23 = 1.58 bit  Bộ thu phải có khả năng phân biệt 3 mức (+A, -A, 0)  Cần thêm khoảng 3dB công suất để đạt được cùng xác suất bit lỗi 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 71
37. Polar encoding 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 73
38. Mã HDB3  HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)  Dựa trên bipolar-AMI  Chuỗi 4 số 0 liên tiếp được thay thế theo quy luật như sau 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 75
39. Mã B8ZS  Mã B8ZS (Bipolar With 8 Zeros Substitution)  Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là dương, mã thành +000+–0–+  Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là âm, mã thành -000–+0+–  Gây ra 2 vi phạm mã AMI  Có thể lầm lẫn với tác động gây ra bởi nhiễu  Bộ thu phát hiện và diễn giải chúng thành 8 số 0 liên tiếp 8/14/2019 77
40. 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 79
41. Nhiễu gauss và tỷ lệ lỗi bit  Nhiễu Gauss:  Hàm mật độ công suất của nhiễu Gauss: p(x) 1 2  2  m: giá trị trung bình (DC). 0.606   2  2   : Độ lệch chuẩn ( áp hiệu dụng) 2   : phương sai (công suất nhiễu) 0.136 2 2 2  2 0 m x 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 101
42. Nhiễu gauss và tỷ lệ lỗi bit  Tín hiệu nhận được cộng cả nhiễu nếu lớn hơn VT thì xác quyết mức ‘1’, ngược lại nhỏ hơn VT thì xác quyết mức ‘0’.  2 Xác xuất lỗi khi truyền bit 1 sai là: vT (x A) 1 2 P (v vT) = p (1/0) = 2 vT 2   Giả sử xác suất xuất hiện bit 1 và 0 là pr(1) và pr(0)  Xác suất lỗi 1 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) 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 103
43. 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/2) = Q [(S/N)V]  Pe = Q (A/2) = Q [(S/N)P]  Xác suất sai k bit bất kỳ khi truyền khối n bit k k k n k pk Cn pe (1 pe )  Nếu truyền n bits mà toàn bộ sai (k=0) n pr(error) = 1-p0 = 1-(1-pe ) npe (do pe<<1) 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 105
44.  Đồ thị tính hàm Q(k) 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 107
45. Bài tập Các Phương Tiện Truyền Dẫn Và Lớp Vật Lý 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 109
46. Bài 2 Một đường truyền có dải thông từ 0 đến 1,5MHz, dài 5km. Công suất tín hiệu lan truyền qua đường truyền bị suy giảm 10dB/km (10 lần/km). Nhiễu tác động lên đường truyền là nhiễu trắng và mật độ công suất nhiễu đo được tại đầu cuối đường truyền là 10 μW/kHz khi không có tín hiệu vào. Dữ liệu cần truyền qua đường truyền có tốc độ 8,192Mbps. a. Xác định công suất tối thiểu của tín hiệu đặt vào đầu vào đường truyền. b. Xác định số ký hiệu của tín hiệu truyền trên đường truyền này. Hãy chọn kỹ thuật điều chế số thích hợp cho trường hợp này 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 111
47. Bài 4 Vẽ dạng tín hiệu điện trên đường truyền của luồng dư liệu sau: 01101010011 Trong trường hợp truyền theo chuẩn TTL, RS232, RS422, RS485 (trên 2 dây +/- ). Cho biết ưu, khuyết điểm của từng dạng tín hiệu. 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 113
48. Bài 6 Trình bày đặc điểm và phạm vi ứng dụng của các môi trường truyền dẫn cáp xoắn CAT5/5e, CAT6 - cáp đồng trục RG58, RG59 – cáp quang – vi ba mặt đất – vệ tinh 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 115
49. Bài 8 Một nguồn nhiễu Gauss có trung bình 1v, độ lệch chuẩn 0.2V. Tìm phần trăm thời gian để nguồn tin này tạo ra điện áp nhỏ hơn 0.5V 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 117
50. Bài 10 Một nguồn nhiễu Gauss có trung bình 0, giá trị hiệu dụng 0.2V. a. Tìm xác xuất nhiễu vượt quá 1V b. Ước lượng xác xuất điện áp nhiễu vượt quá 0.35V 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 119
51. Câu 1  Vẽ dạng tín hiệu phát lên đường truyền sử dụng mã Manchester, HDB3 cho chuỗi bit phát là: 1000 0100 0000 0010 8/14/2019 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK TP.HCM 121