Bài số 4 Các thành phần tầng vật lý

Bài số 4 CÁC THÀNH PHẦN TẦNG VẬT LÝ 1. Mã hóa 1.1 Khai triển Fourier - Jean Baptiste Fourier đã chứng minh rằng một hàm tuần hoàn bất kỳ g(t) có chu kỳ tuần hoàn là T, có thể được xây dựng như là một tổng của một số (có thể vô hạn) hình sin và cosin: g(t)= - Trong đó: + f=1/T là tần số cơ bản + an, bn là các biên độ của các hình sin và cosin của hàm điều hòa (harmonic) bậc n và c là một hằng số 1 1 1 sin(2 ) cos(2 ) 2 n nn n c a nft b nftpi pi ∞ ∞ = = + +∑ ∑ (1) - Một phân rã như vậy được gọi là chuỗi Fourier. Từ chuỗi Fourier, hàm có thể được tái tạo lại, nghĩa là: nếu biết được chu kỳ T và các biên độ được cho trước hàm có thể được tìm thấy bằng cách thực hiện các tổng của phương trình (1) -Các biên độ an có thể được tính với một hàm g(t) bất kỳ cho trước bằng cách nhân cả hai vế của phương trình (1) với sin(2pikft) rồi lấy tích phân từ 0 đến T. Do: Nên chỉ có an tồn tại, tổng của bn hoàn toàn triệt tiêu. - Tương tự bằng cách nhân phương trình (1) với cos(2pikft) rồi lấy tích phân từ 0 đến T ta có thể suy ra được bn. - c được tính bằng cách lấy tích phân hai vế phương trình (1). Kết quả thực hiện các phép tính ở trên như sau 0 0 (k ) sin(2 )sin(2 ) /2 (k= ) T kft nft T pi pi pi pi ≠ =  ∫ 02 ( ) sin(2 ) T T na g t nft dtpi= ∫ 0 2 ( ) os(2 ) T T nb g t c nft dtpi= ∫ 0 2 ( ) T T c g t dt= ∫ 1.2 Các tín hiệu bị giới hạn băng thông - Không có một phương tiện truyền dẫn nào có thể truyền các tín hiệu mà không làm thất thoát một công suất nào đó trong quá trình truyền tin. - Nếu tất cả các thành phần Fourier đều suy giảm như nhau, tín hiệu nhận được sẽ bị suy giảm biên độ nhưng không bị sai dạng. Tuy nhiên mọi phương tiện truyền dẫn đều làm suy giảm các thành phần Fourier khác nhau bởi các lượng khác nhau, do đó tạo ra sự sai dạng (distortion). -Thông thường, các biên độ của các hài ứng với các tần số từ 0 đến một tần số fc nào đó (tính bằng Hz) được truyền đi không bị suy giảm, fc được gọi là tần số cắt. Các biên độ ứng với mọi hài có tần số ở trên tần số cắt này đều bị suy giảm. - Khoảng tần số được truyền đi mà biên độ của các hài ứng với tần số này không bị suy giảm mạnh được gọi là băng thông (bandwidth). 2. Tần số, phổ và giải thông (băng thông) - Tín hiệu là 1 hàm theo thời gian, tuy nhiên tín hiệu còn được biểu diễn như là 1 hàm của tần số, đó là: tín hiệu bao gồm các thành phần của các tần số khác nhau. Trong truyền dữ liệu, cách nhìn nhận về tín hiệu theo lĩnh vực tần số của là quan trọng hơn cách nhìn nhận theo lĩnh vực thời gian. + Xét theo thời gian: Một tín hiệu điện từ có thể là tương tự hay là số. - Một tín hiệu tương tự là một tín hiệu mà cường độ của tín hiệu thay đổi một cách đều đặn theo thời gian, hay nói một cách khác là không có ngắt quãng hay không liên tục của tín hiểu. Biên độ Thời gian Tín hiệu tương tự - Một tín hiệu số là một tín hiệu mà trong đó cường độ của tín hiệu duy trì ở một mức không đổi trong một khoảng thời gian sau đó thay đổi sang một mức khác Biên độ Thời gian Tín hiệu số - Dạng đơn giản nhất của tín hiệu là tín hiệu tuần hoàn. Theo toán học, 1 tín hiệu s(t) được gọi là tuần hoàn nếu và chỉ nếu nó thỏa mãn phương trình: s(t+T)=s(t) -∞ < t < +∞ Hằng số T được gọi chu kỳ tuần hoàn của tín hiệu (T là giá trị nhỏ nhất thỏa mãn điều kiện của phương trình), nếu không tín hiệu sẽ được gọi là không tuần hoàn. + Xét theo tần số: Theo lĩnh vực tần số, một tín hiệu có thể được tạo bởi nhiều tần số khác nhau, chẳng hạn tín hiệu: Các thành phần của tín hiệu là các sóng sin với các tần số f và 3f. - Phổ của 1 tín hiệu là phạm vi các tần số mà tín hiệu này có được. Trong ví dụ trên phổ của tín hiệu là từ f đến 3f. 4 1( ) ( )*(sin(2 ) sin(2 (3 ) )) 3 s t ft f tpi pi pi = + - Giải thông thuyệt đối của 1 tín hiệu là độ rộng của phổ, trong ví dụ trên giải thông tuyệt đối của tín hiệu là 2f. Rất nhiều tín hiệu có giải thông không giới hạn, tuy nhiên năng lượng trong tín hiệu được chứa đựng trong 1 băng hẹp của tần số. Băng này được gọi là băng thông hiệu quả hay ngắn gọn là băng thông. - Mối quan hệ giữa tốc độ truyền và giải thông: Tốc độ truyền (data rate) tỷ lệ thuận với băng thông. 3. Truyền dữ liệu tương tự và dữ liệu số. + Dữ liệu tương tự và dữ liệu số Thuật ngữ tương tự và số được hiểu một cách đơn giản là liên tục và rời rạc. - Dữ liệu tương tự nhận các giá trị liên tiếp trong một khoảng thời gian. Hầu hết dữ liệu thu nhận được từ các bộ cảm biến (sensor) như là nhiệt độ, áp xuất là dữ liệu liên tục. - Dữ liệu số nhận các giá trị rời rạc, chẳng hạn như văn bản, các số… + Tín hiệu tương tự và tín hiệu số. - Trong 1 hệ thống truyền thông, dữ liệu được truyền từ một điểm đến điểm khác bằng các tín hiệu điện từ. - Một tín hiệu tương tự là một sóng điện từ biến đổi liên tục và được truyền qua nhiều loại đường truyền và phụ thuộc vào phổ của tín hiệu chẳng hạn như truyền bằng cáp soắn đôi, cáp đòng trục, cáp quang, khí quyển…, - Một tín hiệu số là một chuỗi các sung điện và có thể được truyền qua các đường truyền có định hướng, ví dụ: một mức điện áp dương không đổi có thể biểu diễn số nhị phân 0, và một mức điện áp âm không đổi có thể biểu diễn số nhị phân 1. - Ưu điểm cơ bản của truyền tín hiệu số là rẻ hơn so với truyền tín hiệu tương tự, và tín hiệu số ít bị ảnh hưởng bởi tạp nhiễu - Nhược điểm cơ bản của truyền tín hiệu số là tín hiệu số dễ bị suy yếu hơn so với tín hiệu tương tự. - Các tín hiệu số là các mức điện áp nên sau khi được truyền di với một khoảng cách khá xa, các mức điện áp này bi giảm đi đáng kể nên dẫn đến việc mất mát thông tin. +Truyền tín hiệu tương tự và truyền tín hiệu số - Các tín hiệu tương tự và tín hiệu số có thể được truyền trên những đường truyền thích hợp. Truyền tín hiệu tương tự (Analog Transmission): - Không cần quan tâm đến nội dung của các tín hiệu. Các tín hiệu này có thể biểu diễn các dữ liệu tương tự (âm thanh) hoặc các dữ liệu số. - Trong cả 2 trường hợp tín hiệu tương tự sẽ bị yếu đi (attenuate) sau một vài khoảng cách. Để đạt được tới những khoảng cách xa hơn hệ thống truyền tương tự bao gồm các bộ khuyếch đại (amplifiers) để tăng năng lượng của tín hiệu, tuy nhiên các bộ khuyếch đại này cũng tăng cả các thành phần tạp nhiễu. - Với các bộ khuyếch đại xếp tầng để đạt được các khoảng cách xa hơn, tín hiệu sẽ bị sai lệch nhiều hơn (sai dạng tín hiệu). Với dữ liệu tương tự sự sai dạng đôi chút là có thể chấp nhận được (vẫn nghe được). Tuy nhiên với dữ liệu số, các bộ khuyếch đại xếp chồng sẽ tạo ra các lỗi. Truyền số (Digital Transmission): - Quan tâm đến nội dung của tín hiệu. Một tín hiệu số chỉ có thể truyền trong một khoảng cách giới hạn trước khi bị sự suy yếu, tạp nhiễu làm ảnh hưởng tới sự nguyên vẹn của tín hiệu. Để đạt được các khoảng cách xa hơn các bộ lặp (repeaters) được sử dụng. - Một repeater nhận các tín hiệu số, khôi phục lại khuân mẫu của các bit 0 và 1 sau đó truyền đi, do đó sự suy yếu tín hiệu được khắc phục. Câu hỏi: Phương pháp nào là thích hợp cho truyền thông? - Câu trả lời của công nghiệp truyền thông và khách hàng là truyền số (digital). Với những lý do sau: + Công nghệ số: Sự mở rộng của sự tích hợp trên diện rộng và rất rộng đã dẫn tới việc giảm giá và kích thước của các mạch kỹ thuật số, Các thiết bị tương tự không có được những sự giảm này. + Toàn vẹn dữ liệu: Việc sử dụng các bộ lặp (repeaters) thay cho các bộ khuyếch đại (amplifiers) sự tác động của tạp nhiễu và các sự suy yếu tín hiệu khác không được tích tụ. Do đó có thể truyền dữ liệu với khoảng cách xa hơn với các đường truyền chất lượng thấp bằng các phương tiện số trong khi vẫn duy trì sự toàn vẹn của dữ liệu. 4. Công suất kênh (Channel capacity) Có 4 khái niệm cơ bản liên quan đến công suất của kênh: + Tốc độ dữ liệu (Data Rate): Là tốc độ chuyển giao dữ liệu (bit/s) –bps. + Băng thông (Bandwidth): Là băng thông của tín hiệu được truyền và bị ràng buộc bởi bản chất của đường truyền được tính bằng Hertz. - Tạp nhiễu (Noise): Là độ trung bình của tạp nhiễu trên đường truyền - Tỷ lệ lỗi (Error Rate): Là tỷ lệ lỗi xuất hiện Công thức Nyquist (Nyquist bandwidth) + C: Công xuất của kênh + B: Băng thông của kênh + M: Số mức điện áp được sử dụng để truyền tín hiệu hay còn gọi là số tín hiệu rời rạc C=2BLog2M Ví dụ: Với B=3100Hz, M=8 Ta có C= 2*3100*Log28= 18,600 bps Công thức Shannon (Shannon Bandwidth Formula) Tỷ lệ giữa tín hiệu và tạp nhiễu: SNR – Signal to Noise Ratio: SNRdB = 10log10(công xuất của tín hiệu/ công xuất của tạp nhiễu) C=BLog2(1+SNR) Ví dụ: Giả sử phổ của kênh là từ 3MHz đến 4Mhz và SNRdB=24 dB. Tính công xuất của kênh và số tín hiệu rời rạc (số mức điện áp) được sử dụng. Ta có: B=4MHz-3MHz=1MHz = 106Hz SNRdB=24dB=10Log10(SNR) SNR=251 C=106 x log2(1+251) ≈ 106 x 8 =8Mbps Ta có C=2BLog2M 8 x106 = 2 x 106 x Log2M 4 = log2M vậy M=16. 5. Đường truyền tín hiệu 5.1 Đường truyền có định hướng - Đường cáp truyền mạng là cơ sở hạ tầng của một hệ thống mạng, nên nó rất quan trọng và ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng hoạt động của mạng. Hiện nay người ta thường dùng 3 loại dây cáp là cáp xoắn cặp, cáp đồng trục và cáp quang. a, Cáp soắn đôi (Twisted Pair): Đây là loại cáp gồm hai đường dây dẫn đồng được xoắn vào nhau nhằm làm giảm nhiễu điện từ gây ra bởi môi trường xung quanh và giữa chúng với nhau - Hiện nay có hai loại cáp xoắn là cáp có bọc kim loại ( STP - Shielded Twisted Pair) và cáp không bọc kim loại (UTP -Unshielded Twisted Pair). + Cáp có bọc kim loại (STP): Do IBM đưa ra vào đầu những năm 1980. Lớp bọc bên ngoài có tác dụng chống nhiễu điện từ, có loại có một đôi giây xoắn vào nhau và có loại có nhiều đôi giây xoắn với nhau. + Cáp không bọc kim loại (UTP): Tính tương tự như STP nhưng kém hơn về khả năng chống nhiễu và suy hao vì không có vỏ bọc. - UTP có các loại (Category - Cat) thường dùng: + Cat 1 & Cat 2: Thường dùng cho truyền thoại và những đường truyền tốc độ thấp (nhỏ hơn 4Mb/s). + Cat 3: Tốc độ truyền dữ liệu khoảng 16 Mb/s , nó là chuẩn cho hầu hết các mạng điện thoại. + Cat 4: Thích hợp cho đường truyền 20Mb/s. + Cat 5: Thích hợp cho đường truyền 100Mb/s, thích hợp cho các mạng chuyền dữ liệu. - Sự khác nhau giữa Cat 3 và Cat 5 là sự khác nhau về số lượng soắn trên một đơn vị khoảng cách. - Cat 5 soắn nhiều hơn với bước soắn từ 0.6 đến 0.85 cm so sánh với 7.5 đến 10 cm cho Cat 3. Cat 5 đắt hơn Cat 3 nhưng hiệu xuất của Cat 5 cao hơn nhiều so với Cat 3. - Thông thường 4 cặp cáp soắn đôi được bọc trong một vỏ bọc bằng nhựa, 4 cặp này được phân biệt bằng màu sắc của các cặp, bao gồm: - Xanh da trời trắng– xanh da trời (cặp 1) - Da cam trắng– da cam (cặp 2) - Xanh lá cây trắng - Xanh lá cây (cặp 3) - Nâu trắng – nâu (cặp 4) + Các chuẩn bấm dây RJ45: -Có hai chuẩn bấm dây là chuẩn T568A và chuẩn T568B: 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 = G/W 2= Green 3 = O/W 4=Blue 5=Blue/White 6=Orange 7=Brown/W 8=Brown Pair 3 Pair 2 Pair 4 Pair 1 1 = O/W 2= Orange 3 = G/W 4=Blue 5=Blue/White 6=Green 7=Brown/W 8=Brown T568A T568B b, Cáp đồng trục (Coaxial cable): - Cáp đồng trục có hai đường dây dẫn và chúng có cùng một trục chung, một dây dẫn trung tâm (thường là dây đồng cứng) đường dây còn lại tạo thành đường ống bao xung quanh dây dẫn trung tâm (dây dẫn này có thể là dây bện kim loại và vì nó có chức năng chống nhiễu nên còn gọi là lớp bọc kim). Giữa hai dây dẫn trên có một lớp cách ly, và bên ngoài cùng là lớp vỏ plastic để bảo vệ cáp. Lõi đồng Chất cách điện Lưới dẫn điện Vỏ bảo vệ bằng nhựa - Cáp đồng trục có độ suy hao ít hơn so với các loại cáp đồng khác (cáp xoắn đôi) do ít bị ảnh hưởng của môi trường. - Các mạng LAN sử dụng cáp đồng trục có thể có kích thước trong phạm vi vài ngàn mét, cáp đồng trục được sử dụng nhiều trong các mạng dạng bus. - Hai loại cáp thường được sử dụng là cáp đồng trục mỏng (đường kính là 0,25 inch) và cáp đồng trục dày (đường kính là 0,5 inch). Cáp đồng trục mỏng có độ hao suy tín hiệu lớn hơn. c, Cáp sợi quang (Fiber - Optic Cable) - Cáp sợi quang không truyền dẫn các tín hiệu điện mà chỉ truyền các tín hiệu quang (các tín hiệu dữ liệu phải được chuyển đổi thành các tín hiệu quang và khi nhận chúng sẽ lại được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện). - Nguyên tắc hoạt động của cáp quang: Khi một tia sáng truyền từ một môi trường (dioxyt silic- silica) sang môi trường khác (không khí), tia sáng bị khúc xạ tại ranh giới giữa hai môi trường. Lượng khúc xạ phụ thuộc vào tính chất của hai môi trường. - Lượng khúc xạ được gọi là chỉ số khúc xạ. Với các góc tới lớn hơn một giá trị tới hạn (góc tới hạn) nào đó, ánh sáng sẽ khúc xạ ngược (phản xạ) trở lại silica và không có lượng ánh sáng nào thoát ra ngoài không khí. Silica Ranh giới Không khí/Silica Phản xạ hoàn toàn - Cáp sợi quang bao gồm một dây dẫn trung tâm (lõi) bằng thủy tinh và được bọc một lớp vỏ bọc bằng thủy tinh có chỉ số khúc xạ thấp hơn chỉ số khúc xạ của lõi để giữ cho ánh sáng không thoát ra ngoài lõi.. Bên ngoài cùng là lớp vỏ plastic để bảo vệ cáp. - Trong cáp sợi quang một chế độ (single mode) lõi có đường kính từ 8 đến 10 micron. - Trong cáp sợi quang đa chế độ (multimode) lõi có đường kính khoảng 50 micron -Hai loại nguồn sáng thường được dùng để truyền tín hiệu là các diode phát sáng (LED – Light Emmitting Diode) và các bộ Laser bán dẫn (Semiconductor Laser). Hai nguồn sáng này có các tính chất khác nhau - Sợi quang có thể được sử dụng cho các mạng LAN cũng như truyền dẫn đường dài. Kỹ thuật ghép nối sợi quang rất phức tạp và thường có 3 kỹ thuật chính, các kỹ thuật ghép nối này có thể làm thất thoát khoảng 10 đến 20% ánh sáng - Các kỹ thuật ghép nối cáp quang bao gồm: + Bộ kết nối đế quang + Kết nối cơ học (bện các sợi quang lại với nhau sau đó bọc kín các chỗ bện) + Đốt nóng chảy các đầu sợi cáp quang rồi gắn vào với nhau. -Cáp quang có băng thông rộng hơn cáp đồng. Khoảng cách giữa các bộ lặp tín hiệu xa hơn cáp đồng (50 km so sánh với 5 km) -Cáp quang không bị ảnh hưởng bởi các đột biến điện áp, nhiễu điện từ và mất điện áp và không bị ăn mòn như cáp đồng 5.2 Truyền thông không dây. - Trong truyền thông không dây chúng ta quan tâm đến phạm vi của tần số. Ba loại tần số là: - Các tần số từ 30 MHz đến 1 GHz là thích hợp cho các ứng truyền nhiều hướng và được gọi là các tần số vô tuyến và các sóng tương ứng với các tần số này được gọi là sóng vô tuyến (radio). +Tần số cực ngắn (còn gọi là viba): Từ 1 GHz đến 40 GHz. Với những tần số này, ta có thể tạo ra những trùm tín hiệu có định hướng cao, các sóng sử dụng các tần số này được gọi là sóng cực ngắn hay sóng viba (microwave). - Sóng cực ngắn là thích hợp cho kiểu truyền điểm – điểm. Sóng cực ngắn cũng được sử dụng cho truyền thông bằng vệ tinh (satellite). - Các tần số từ 3 x 1011 đến 2 x 1014 Hz được gọi là tần số hồng ngoại (infrared), các sóng hồng ngoại thích hợp cho kết nối điểm – điểm hoặc các ứng dụng nhiều điểm trong những phạm vi hạn hẹp như là trong 1 phòng. + Ăng ten (Antenna): Ăng ten được định nghĩa như là 1 hay 1 hệ thống các thiết bị điện dùng để phát hay nhận các năng lượng điện từ. - Để truyền một tín hiệu, năng lượng điện từ máy phát được ăng ten biến đổi thành năng lượng điện từ và được phát ra môi trường xung quanh (không khí, không trung, nước…). Để nhận 1 tín hiệu, năng lượng điện từ chạm vào ăng ten và được biến đổi thành năng lượng điện và được cung cấp cho máy thu. - Trong truyền thông 2 chiều, 1 ăng ten có thể được sử dụng cho cả thu và phát tín hiệu. - Một ăng ten có thể phát ra năng lượng theo tất cả các hướng, tuy nhiên năng lượng này là không đều nhau theo tất cả các hường. Một cách chung nhất để đánh giá hiệu xuất của một ăng ten là mẫu phát xạ, đây là một biểu diễn đồ họa về các thuộc tính phát xạ của ăng ten. - Mẫu phát xạ đơn giản nhất được sinh ra bởi một ăng ten đẳng hướng. Một ăng ten đẳng hướng là một điểm trong không gian có khả năng phát ra năng lượng theo tất cả các hướng một cách như nhau. - Mẫu phát xạ của một ăng ten đẳng hướng là một hình cầu với ăng ten ở trung tâm. - Một loại ăng ten quan trọng là ăng ten phản xạ parabol, thường được sử dụng trong các ứng dụng truyền sóng ngắn mặt đất (terrestrial microwave) và truyền vệ tinh (satellite). - Thu ăng ten (Antenna Gain): được định nghĩa như là cường độ của tín hiệu phát ra từ antenna theo một hướng với cường độ của tín hiệu phát ra từ antenna theo mọi hướng. Một khái niệm có liên quan đến tăng khả năng của antenna đó là vùng hiệu quả, nó liên quan đến diện tích bề mặt và hình dạng của antenna. Mối quan hệ giữa tăng khả năng của antenna và vùng hiệu quả của một antenna được biểu diễn như sau: G= 4piAe / λ2 Trong đó: G= Khả năng của antenna Ae = Vùng hiệu quả f = Tần số sóng mang c= Tốc độ ánh sáng =(3 x 108 m/s) λ = Độ dài bước sóng =c/f Chẳng hạn vùng hiệu quả của một antenna đẳng hướng là λ/4pi với tăng khả năng là 1. Vùng hiệu quả của 1 antenna parabol với diện tích bề là A sẽ là 0.56A với tăng khả năng của antenna là 7A/ λ2 Ví dụ: Cho 1 antenna phản xạ parabol có đường kính là 2m, hoạt động với tần số 12GHz. Tính vùng hiệu quả và tăng khả năng của antenna? Lời giải: Ta có diện tích bề mặt của antenna A= pir2 = pi do đó Ae = 0.56 pi Độ dài bước sóng = c/f = (3 x108 )/(12 x 109) = 0.025 met Do đó G= 7A/ λ2 = (7 x pi )/0.0252 = 35,186 GdB = 10log10(35186) = 45.46 dB.