Bài giảng Mạng máy tính - Chương 2: Tầng vật lý

CHƯƠNG 2.

TẦNG VẬT LÝ

1

Nội dung

1. Tổng quan về tầng vật lý

2. Một số loại đường truyền vật lý

3. Mã đường truyền

4. Ghép kênh và phân kênh

2

1

1. Tổng quan

• Đảm nhận việc truyền dòng bit trên các đường

truyền

• Một số vấn đề:

• Phương tiện truyền

• Mã hóa kênh truyền

• Điều chế

• Dồn kênh/phân kênh

3

Dữ liệu được truyền đi như thế nào?

Packet

Transmission

Packets

Bit Stream

Digital Signal

Analog Signal

4

2

2. Đường truyền vật lý

• Dải tần của một số loại đường truyền vật lý

5

Cáp đồng trục

• Cấu tạo

Đặc điểm

Cáp gầy Cáp béo

Đầu nối

BNC

N-series

~500m

Độ dài đoạn

tối đa

~185m

• Phân loại

• Cáp gầy : Φ 5mm

• Cáp béo : Φ 9.5mm

• Băng thông:

Số đầu nối tối

đa trên 1 đoạn

30

100

Chống nhiễu

Độ tin cậy

Ứng dụng

Tốt

TB

Tốt

• Baseband : 10Mbps

• Broadband : 400Mbps

Cao

backbone backbone

6

3

Cáp xoắn đôi

• Cấu tạo

• Phân loại

• UTP : Unshielded Twisted

Pair

• STP : Shielded Twisted

Pair

• Categories

• Cat4 : 10Mbps

• Cat5,5e : 100Mbps

• Cat6 : 1Gbps

Đầu nối

RJ-45

2

Số đầu nối tối đa

trên 1 đoạn

• Kết nối :

• Đấu thẳng

• Đấu chéo

Chống nhiễu

Độ tin cậy

Tốt

Cao

• Ứng dụng

7

Cáp quang

• Cấu tạo

• Băng thông : hàng chục

Gpbs

• Hạn chế : giá thành cao,

đấu nối phức tạp

Đầu nối

ST

• Phân loại :

Độ dài đoạn

tối đa

Km(s)

2

• Single Mode & Multi Mode

• Indoor & Outdoor

Số đầu nối tối

đa trên 1 đoạn

• Ứng dụng

Chống nhiễu

Hoàn

toàn

Độ tin cậy

Rất cao

8

4

3. Mã đường dây

• Chuyển đổi từ dữ liệu sang tín hiệu để truyền

• Nguyên lý chung: sử dụng các tín hiệu rời rạc, có mức điện áp

khác nhau để biểu diễn các bít

• Có thể mã hóa từng bit hoặc theo khối

• Yêu cầu

• Giúp giảm thành phần một chiều trên đường dây do trong hệ thống

truyền dẫn tồn tại các thành phần (như tụ điện hoặc biến áp…).

• Thành phần một chiều làm biến dạng tín hiệu ở phía thu. Và tốn năng

lượng.

• Tránh truyền các thành phần tần số thấp, vì các thành phần này rất

nhạy cảm với méo khi truyền qua kênh truyền.

• Tránh truyền các thành phần có tần số cao, do các thành phần tần số

cao bị suy giảm nhiều hơn trên kênh truyền, mặt khác nhiễu xuyên âm

tại tần số cao cũng lớn hơn.

• Phải có phương pháp đồng bộ giữa đầu thu và đầu phát (quan trọng

trong quá trình khôi phục tín hiệu) bằng cách truyền theo cả tín hiệu

đồng bộ trong dòng thông tin.

9

Các loại mã đường dây

10

5

Mã Unipolar

• Sử dụng 2 mức điện áp: 0 và +V

• Các loại mã đường truyền đơn cực: sự có mặt của một

xung vuông: “1” và không có mặt của xung vuông: “0”.

• Có hai dạng mã đường dây cơ bản là mã NRZ đơn cực

(unipolar non-return to zero) và mã RZ đơn cực (unipolar

return to zero)

• RZ: chuyển về mức 0 ở giữa xung

• Ví dụ:

• NRZ-L:

• 0: Mức điện áp thấp

• NRZ-I

•

0: Không chuyển mức ở đầu xung

•

1: Có chuyển mức ở đầu xung

• 1: Mức điện áp cao

11

Mã lưỡng cực

• Có hai loại mã lưỡng cực: mã NRZ lưỡng cực (polar

NRZ) và mã RZ lưỡng cực (polar RZ).

• Trong mã lưỡng cực, ký hiệu “1” có biên độ là V, ký hiệu

“0” có biên độ là –V

12

6

Mã Dipolar

• Một chu kỳ mã được chia làm hai phần.

• Luôn chuyển mức giữa xung  mỗi nửa chu kỳ mã được

chiếm bởi một xung dương và một xung âm.

• Do đó trong toàn bộ chu kỳ mã, thành phần một chiều

bằng 0.

• Ví dụ: mã Manchester và Manchester vi sai

• Mã Manchester:

• Bit 0: có chuyển mức điện áp cao xuống thấp

• Bit 1: có chuyển mức điện áp thấp lên cao

• Mã Manchester vi sai:

• Bit 0: có chuyển mức đầu xung

• Bit 1: không chuyển mức đầu xung

13

Mã Bipolar

• Mã bipolar sử dụng 3 mức điện áp (+V, 0, -V) để mã hoá

các bit nhị phân “0” và ”1”.

• Bit “0” được biểu diễn bằng mức điện áp 0, bit “1” được

biểu diễn luân phiên bởi +V và –V.

• Bipolar RZ, hay còn được gọi là AMI-RZ (AMI – Alternate

Mark Inversion).

• Bipolar NRZ, còn được gọi là AMI-NRZ

14

7

Mã HDBn

• Mã HDBn được sử dụng để giúp đồng bộ giữa bên thu và

phát.

• Mã HDBn được phát triển từ mã Bipolar RZ.

• Nếu số ký hiệu “0” liên tiếp vượt quá n thì nhóm ký hiệu

“0” này sẽ được thay thế bằng một mã đặc biệt.

• Mã HDBn hay được sử dụng nhất là HDB3 tương ứng

với n=3.

• Theo khuyến nghị G.703 của ITU-T, mã HDB3 được sử

dụng cho các đường PCM 34Mbit/s và 2,8Mbit/s.

• Trong HDB3, dòng 4 ký hiệu “0” liên tiếp được thay thế

bằng 000V hoặc 100V, trong đó V là ký hiệu “1”, được

chọn sao cho mức điện áp V vi phạm quy luật âm dương

luân phiên của Bipolar RZ.

15

HDB3

16

8

Mã nBmT

• Mã nBmT : n ký hiệu nhị phân sẽ được thay thế bằng m

ký hiệu ba mức (B – binary, T – tenary).

• Bằng cách tăng số mức của ký hiệu mã đường dây, mã

này cho phép giảm độ rộng băng tần

• Ví dụ: n = m = 2

Ký hiệu Kiểu A Kiểu B

00

01

10

11

- +

0 +

+ 0

+ -

- +

0 -

- 0

+ -

17

4. Ghép kênh và phân kênh

• Mục đích:

• Phân loại:

• Theo tần số FDM (Frequency Division Multiplexing)

• Theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing )

• Thống kê SDM (Statistical Division Multiplexing)

• Theo mã CDM(Code Division Multiplexing)

18

9

Ghép kênh theo tần số FDM

• Kỹ thuật FDM được sử dụng trong các hệ thống

điện thoại thế hệ cũ, và trong hệ thống thông tin

vô tuyến.

• Chia sẻ băng tần của kênh truyền thành nhiều

băng tần nhỏ cho nhiều người sử dụng.

19

Ưu nhược điểm

• Ưu điểm: FDM cho phép giảm ISI (Inter Symbol

Interference) bằng cách giảm băng tần của tín

hiệu truyền.

• Nhược điểm: không mềm dẻo khi ghép kênh các

tín hiệu có độ rộng băng tần khác nhau vào các

khe tần số (khe tần số có độ rộng cố định cũng

có nghĩa là tín hiệu ghép kênh có tốc độ cố định).

• Yêu cầu sự ổn định tần số của bộ dao động điều

chế làm cho giá thành của thiết bị tương đối đắt,

nhất là trong trường hợp băng tần bảo vệ hẹp.

20

10

Ghép kênh theo thời gian

• Như vậy trong TDM, tại cùng một băng tần mỗi người sử

dụng được chia một khe thời gian (time slot) trong một

khung thời gian để truyền một phần thông tin của mình.

21

Ghép kênh theo thời gian

22

11

Ghép kênh theo thời gian

• Phân loại:

• Ghép bit: mỗi khe thời gian chỉ truyền một bit.

• Ghép byte: mỗi khe thời gian là 1 byte thông tin. Giả sử tốc độ

truyền của mỗi nguồn tin là r (bit/s), độ rộng của một khung thời

gian tf và độ rộng bit ts là:

ts = 8/r, tf = ts * Tổng số kênh

• Thí dụ với đường truyền PCM 32 kênh với tốc độ

2,048Mbit/s, tf=125μs và ts=3,9 μs.

23

Ưu nhược điểm của TDM

• Ưu điểm: TDM mềm dẻo hơn FDM do có thể phân phối

nhiều khe thời gian trong một khung thời gian cho cùng

một người sử dụng.

• TDM yêu cầu cấu hình thiết bị đơn giản hơn FDM

• Nhược điểm: Một trong những nhược điểm chính của

TDMA trong hệ thống thông tin di động là cần phải đồng

bộ thời gian thu – phát giữa trạm gốc và tất cả các thiết bị

di động.

• TDM yêu cầu tốc độ truyền (ký hiệu) lớn hơn khá nhiều

so với FDM, do vậy băng tần yêu cấu lớn hơn, độ rộng

một ký hiệu hẹp hơn vì vậy ảnh hưởng của ISI có thể lớn

hơn.

24

12

Ghép kênh PCM

25

Ghép kênh theo mã CDM

• Ban đầu, được sử dụng trong quân sự (do tính bảo mật

cao và chất lượng tốt). Hiện nay, CDM được sử dụng chủ

yếu trong thông tin di động.

• Nguyên lý chung: tín hiệu cần truyền đi được trải phổ

sao cho tín hiệu sau điều chế có phổ rộng hơn nhiều so

với tín hiệu ban đầu.

• Do đó, nhiễu thường chỉ có tác động vào một miền tần số

nào đó trên toàn bộ phổ của tín hiệu.

• Đặc điểm quan trọng: tín hiệu của nhiều người sử dụng

có thể gửi đi trên cùng một băng tần tại cùng một thời

điểm bằng cách sử dụng các từ mã khác nhau.

26

13

Phân loại ghép kênh theo mã

• Có hai phương pháp ghép kênh theo mã là:

• Phương pháp trải phổ trực tiếp (Direct-Sequence Spread

Spectrum – DSSS).

• Phương pháp trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread

Spectrum – FHSS).

27

Phương pháp trải phổ trực tiếp DSSS

• Phổ của tín hiệu đầu vào sẽ được trải rộng đều trên miền

tần số, công suất trên một đơn vị tần số sẽ giảm xuống.

• DSSS cho phép nhiều người sử dụng cùng dùng chung

một băng tần.

• Ở bên thu, tín hiệu trải phổ được coi như tín hiệu nhiễu

băng rộng với công suất nhỏ và có thể được loại bỏ một

cách dễ dàng.

28

14

Phương pháp trải phổ nhảy tần FHSS

• FHSS trải phổ bằng cách truyền tín hiệu trên một kênh

truyền băng hẹp trong một khoảng thời gian ngắn.

• Sau đó nhảy sang một kênh truyền băng hẹp khác.

• Quá trình này diễn ra liên tục với thứ tự các tần số nhảy

đã được định nghĩa sẵn.

• Thứ tự này chỉ bên thu và bên phát biết trước.

• Do FHSS sử dụng các kênh truyền băng hẹp một cách

ngẫu nhiên, nó có tỷ số SNR khá lớn. Đối với những đầu

thu khác, tín hiệu FHSS được coi như các nhiễu xung

băng hẹp trong một chu kỳ ngắn

29

15

Bài giảng Mạng máy tính - Chương 2: Tầng vật lý - Bùi Trọng Tùng