Chapter3 physical layer

Tầng vật lý
(Physical Layer)

Trình bày: Ngô Bá Hùng
Khoa Công Nghệ Thông Tin
Đại Học Cần Thơ

Mục đích
 Chương này nhằm giới thiệu những nội dung
cơ bản sau:
• Giới thiệu mô hình của một hệ thống truyền dữ liệu
đơn giản và các vấn đề có liên quan đến trong một hệ
thống truyền dữ liệu sử dụng máy tính
• Giới thiệu các phương pháp số hóa thông tin
• Giới thiệu về đặc điểm kênh truyền, tính năng kỹ thuật
của các loại cáp truyền dữ liệu
• Giới thiệu các hình thức mã hóa dữ liệu số để truyền
tải trên đường truyền

Đại Học Cần Thơ - Khoa CNTT- Ngô Bá Hùng

Yêu cầu
 Sau khi học xong chương này, người học
phải có được những khả năng sau:
• Liệt kê được những vấn đề cơ bản có liên quan đến
một hệ thống truyền dữ liệu
• Mô tả được các hình thức số hóa thông tin
• Phân biệt và tính toán được các đại lượng liên quan
đến đặc tính của một kênh truyền như: Băng thông,
tần số biến điệu, tốc độ dữ liệu, nhiễu, dung lượng và
giao thông của một kênh truyền
• Mã hóa được dữ liệu số nhờ vào các tín hiệu số và
tuần tự theo các kỹ thuật khác nhau.


Mô hình truyền dữ liệu cơ bản

 Các vấn đề phải quan tâm:
• Cách thức mã hóa thông tin thành dữ liệu số.
• Các loại kênh truyền dẫn có thể sử dụng để truyền tin.
• Sơ đồ nối kết các thiết bị truyền và nhận lại với nhau.
• Cách thức truyền tải các bits từ thiết bị truyền sang thiết bị
nhận.


Số hóa dữ liệu

Trình bày: Nguyễn Phú Trường
Khoa Công Nghệ Thông Tin
Đại Học Cần Thơ

Vấn đề số hóa dữ liệu

Lời nói : Ánh tĩnh :
Hệ thống : điện thoại Hệ thống: fax
Bộ mã hóa : micro Bộ mã hóa : scanner
Bộ giải mã : Loa Bộ giải mã : Bộ thông dịch tập tin
Truyền tải : tín hiệu tuần tự hay tín hiệu số Truyền tải : Tín hiệu tuần tự hoặc tín hiệu số.

Dữ liệu tin học : Truyền hình :
Hệ thống : mạng truyền tin. Hệ thống : truyền quảng bá
Bộ mã hóa : Bộ điều khiển truyền thông. Bộ mã hóa : caméra
Bộ giải mã:Bộ điều khiển truyền thông Bộ giải mã : bộ thu TV + antenne
Truyền tải : Tín hiệu tuần tự hoặc tín hiệu số. Truyền tải : Tín hiệu tuần tự hoặc tín hiệu số.


Mô hình số hóa dữ liệu


Số hóa văn bản

Mã Morse

 Bảng mã 8 bits:
• Mã ASCII (American Standard Code for Informatics Interchange) mở rộng
• Mã EBCDIC (Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code )
 Mã 16 bits : Mã Unicode


Số hóa hình ảnh tĩnh

Ảnh gốc Ảnh 1 độ phân giải Ảnh đã số hóa

 Ảnh đen trắng : 0: đen, 1: trắng
 Ảnh 256 mức xám: 8 bits / điểm ảnh
 Ảnh màu: 1 điểm ảnh = aR + bG +cB


Số hóa âm thanh & phim ảnh
Biên độ
Tín hiệu tuần tự
 Dung lượng tập tin
1.Lấy mẫu nhận được phụ
thời gian
thuộc hoàn toàn vào
Biên độ
tần số lấy mẫu f và
số lượng bit dùng để
2.Lượng hóa mã hóa giá trị thang
thời gian
đo p ( chiều dài mã
cho mỗi giá trị).
3.Số hóa


Số hóa văn bản
 Bảng mã 8 bits:
• Mã ASCII (American Standard Code for
Informatics Interchange) mở rộng
• Mã EBCDIC
 Mã 16 bits : Mã Unicode


Kênh truyền hữu tuyến
 Sử dụng 3 loại cáp phổ biến:
• Cáp xoắn đôi (twisted pair)
• Cáp đồng trục (coax)
• Cáp quang (fiber optic).
 Các yếu tố chọn lựa:
• Giá thành
• Khoảng cách
• Số lượng máy tính
• Tốc độ yêu cầu
• Băng thông


Cáp đồng trục (Coaxial Cable)

Thick coaxial cable (RG11)

Thin coaxial cable (RG58)


Cáp xoắn đôi (Twisted – paire cable)


Cáp xoắn đôi (Twisted – paire cable)
 CAT 1, 2: 1Mbps (Telephone)
 CAT 3: 10Mbps (10BaseT)
 CAT 5: 100MBps (100BaseT)
 CAT 5E,6: 1000MBps (1000 BaseT)


Cáp quang (Fiber optic cable)

Chiếc suất n2

Tia sáng laser

Chiếc suất n1
1. Cáp quang chế độ đơn – 2. chế độ đa không thẩm thấu
– 3. chế độ đa thẩm thấu


Kênh truyền vô tuyến
 c là tốc độ ánh sáng,
 f là tần số của tín hiệu sóng
  là độ dài sóng. Khi đó ta có
 c = f


Kênh truyền vô tuyến


Tín hiệu tuần tự & Tín hiệu số

 Dữ liệu ( các bits 0, 1) được truyền từ thiết bị
truyền sang thiết bị nhận bằng các tín hiệu
tuần tự hay tín hiệu số


Tín hiệu tuần tự & Tín hiệu số
Cường độ

Thời gian

Tín hiệu tuần tự Cường độ

Thời gian

Tín hiệu số


Tín hiệu dạng sóng hình sin
 Sóng dạng hình sin, không kết thúc hoặc suy
giảm sau một khoảng thời gian là dạng tín
hiệu tuần tự đơn giản nhất, dễ dàng tạo ra
được.
 Bất kỳ một dạng tín hiệu nào cũng có thể
được biểu diễn lại bằng các sóng hình
sin.
 Yếu tố này được rút ra từ một nghiên cứu cụ
thể nó cho phép chúng ta có thể định nghĩa
một vài đặc điểm của kênh truyền vật lý.


Đặc điểm kênh truyền
 Mô hình hóa một kênh truyền

vin(t) vout(t)

 vin(t) = Vin sin wt
• Vin : là hiệu điện thế cực đại ngỏ vào
• w : nhịp ; f = w/2pi : là tần số;
• T = 2pi/w = 1/f : là chu kỳ.
 vout(t) = Vout sin (wt + F)
• Vout : là hiệu điện thế cực đại ngỏ ra
• F : là độ trễ pha.


 Các luật trường điện tử chứng minh
rằng trong trường hợp đơn giản nhất ta
có:
• Vout/Vin = (1 + R2C2w2)-1/2
• F = atan(-RC w) Cường độ
Độ giảm thế

Tín hiệu vào Thời gian

Tín hiệu ra


 Độ suy giảm trên kênh truyền = Pin/Pout
 Biểu diễn bằng đơn vị decibel:
• A(w) = 10 log10(Pin/Pout)

Độ suy giảm càng
nhỏ khi tần số của
sóng càng gần f0

Tần số


Truyền tín hiệu bất kỳ
 Lý thuyết toán Fourrier đã chứng minh rằng bất kỳ một tín
hiện nào cũng có thể xem như được tạo thành từ một
tổng của một số hữu hạn hoặc vô hạn các sóng hình sin.
Không đi sâu vào chứng minh ta có kết quả sau:
• Một tín hiệu bất kỳ x(t) thì có thể phân tích thành một tập
hợp các tín hiệu dạng sóng hình sin.
• Nếu là tín hiệu tuần hoàn, thì ta có thể phân tích nó thành
dạng một chuỗi Fourier. Thuật ngữ chuỗi ở đây ý muốn nói
đến một loạt các sóng hình sin có tần số khác nhau như là
các bội số của tần số tối ưu f0.
• Nếu tín hiệu không là dạng tuần hoàn, thì ta có thể phân
tích nó dưới dạng một bộ Fourier ; với các sóng hình sin có
tần số rời rạc.


Băng thông kênh truyền (Bandwidth)
 A0,: ngưỡng còn “nghe”
A(db)
được A0,
• Tất cả các tín hiệu hình Băng thông W
sin có tần số nhỏ hơn f1
được xem như bị mất.
• Tất cả các tín hiệu có
tần số lớn hơn f2 cũng
được xem là bị mất. f
• Những tín hiện có thể
nhận ra được ở bên
nghe là các tín hiệu có Ví dụ: Băng thông kênh truyền
tần số nằm giữa f1 và điện thoại là 3100 Hz vì các tín
f2. Khoảng tần số này hiệu âm thanh có thể nghe được
được gọi là băng thông nằm ở khoảng tần số từ 300 Hz
của một kênh truyền. đến 3400 Hz


Tần số biến điệu và tốc độ dữ liệu
(Baund rate and bit rate)
 Tần số biến điệu:
• Nhịp đặt các tín hiệu lên kênh truyền
• R = 1/t ( đơn vị là bauds),
• t: độ dài thời gian của tín hiệu
 Mỗi tín hiện chuyển tải n bit, khi đó ta có tốc độ bit
được tính như sau:
• D = nR (đơn vị là bits/s)
• Giá trị này thể hiện nhịp mà ta đưa các bit lên đường truyền
 Ví dụ : Cho hệ thống có
• R = 1200 bauds và D = 1200 bits/s.
• Ta suy ra một tín hiện cơ bản chỉ chuyển tải một bit.


Một số ví dụ về tần số biến điệu và tốc
độ dữ liệu
Cường độ Cường độ

Thời gian Thơi gian

R = 1/Δ D=R

Cường độ R = 1/ Δ D = 2R

Thời gian

R = 1/ Δ D =3 R


Tăng tốc độ truyền dữ liệu
 Vì D = n R
 Để tăng D:
• Hoặc tăng n (số bit truyền tải bởi một tín hiệu), tuy
nhiên nhiễu là một rào cản quan trọng.
• Hoặc R( tần số biến điệu), tuy nhiên chúng ta cũng
không thể vượt qua tần số biến điệu cực đại Rmax
 Nyquist (1928):
• Lý thuyết: Rmax = 2 W,
• Thực tế thì Rmax = 1,25 W


Nhiễu và khả năng kênh truyền
 Có 3 loại nhiễu
• Nhiễu xác định: phụ thuộc vào đặc tính kênh truyền
• Nhiễu không xác định
• Nhiễu trắng từ sự chuyển động của các điện tử

Cường
độ Tín hiệu nhận
bị nhiễu

Thời gian
Tín hiệu
truyền


Nhiễu và khả năng kênh truyền
 Tỷ lệ giữa công suất tín hiệu và công
suất nhiễu tính theo đơn vị décibels :
• S/B = 10log10(PS(Watt)/PB(Watt))
 Định lý Shannon (1948) xác định số bit
tối đa có thể chuyên chở bởi một tín
hiệu:


Khả năng của kênh truyền
 Kết hợp giữa Nyquist và Shannon:

 C được gọi là khả năng của kênh truyền,
xác định tốc độ bit tối đa có thể chấp nhận
được bởi kênh truyền đó


Khả năng của kênh truyền
 Ví dụ : Kênh truyền điện thoại có
• Độ rộng băng thông là W = 3100 Hz
• Tỷ lệ S/B = 20 dB.
• Hãy tính được khả năng của kênh truyền điện thoại C = ?
 Ta có:

• Từ S/B = 10log10(PS/PB)
• => PS/PB = 10 (( S/B) / 10) =10 (( 20) / 10) =10 2
• => C = W log2(1+PS/PB) = 3100 * log2(1+100) = 20600 b/s


Giao thông (Traffic)
 Giao thông là một khái niệm liên quan đến sự sử dụng
một kênh truyền tin.
 Giao thông cho phép biết được mức độ sử dụng kênh
truyền từ đó có thể chọn một kênh truyền phù hợp với
mức độ sử dụng hiện tại.
 Một cuộc giao tiếp là một phiên giao dịch (session) với
độ dài trung bình là T (giây)
 Cho Nc là số lượng phiên giao dịch trung bình trên một
giờ
 Mật độ giao thông E được tính theo biểu thức sau :
• E = T Nc / 3600
• Đo mức độ sử dụng kênh truyền trong một giây


 Một phiên giao dịch thành nhiều giao dịch
(transaction) với độ dài trung bình là p bit,
cách khoảng nhau bởi những khoảng im
lặng.
 Giả sử Nt là số giao dịch trung bình trong
một phiên giao dịch.
 Gọi D là tốc độ bit của kênh truyền, tốc độ
bit thật sự d trong trường hợp này là:
Giao dịch
Khoảng (gói tin có độ dài
im lặng trung bình p)

 1 phiên giao dịch độ dài T=Nt giao dịch


Giao dịch
 Khoảng (gói tin có độ dài
im lặng trung bình p)

1 phiên giao dịch độ dài T=Nt giao dịch

 Gọi D là tốc độ bit của kênh truyền, tốc độ bit thật sự d
trong trường hợp này là:

 Tần suất sử dụng kênh truyền được định nghĩa bởi tỷ số:


 Ví dụ: Trong một tính toán khoa học từ
xa, người dùng giao tiếp với máy tính
trung tâm, cho :
• p = 900 bits, Nt = 200, T = 2700 s, Nc = 0.8, D =
1200 b/s.
• Khi đó
• Mật độ giao thông trung bình là E = 0.6
• Tần suất sử dụng kênh truyền  = 0.05


Mã hóa đường truyền
(Line Coding)

Khái niệm
 Sau khi số hóa thông tin, vấn đề chúng
ta phải quan tâm kế tiếp là cách truyền
tải các bit “0” và “1”. Ta có thể sử dụng
tín hiệu số hoặc tín hiệu tuần tự để
truyền tải các bit “0”, “1”. Công việc này
còn được gọi là mã hóa đường truyền
(line coding).


Mã hóa đường truyền bằng tín hiệu số
 a) NRZ : Điện thế mức 0 để thể
hiện bit 0 và điện thế khác không
V0 cho bit "1“
 b) RZ : Mỗi bit "1" được thể hiện
bằng một chuyển đổi điện thế từ
V0 về 0.
 c) Lưỡng cực NRZ : Các bit "1"
được mã hóa bằng một điện thế
dương, sau đó đến một điện thế
âm và tiếp tục như thế.
 d) Lưỡng cực RZ : Mỗi bit “1”
được thể hiện bằng một chuyển
đổi từ điện thế khác không về
điện thế không. Giá trị của điện
thế khác không đầu tiên là
dương sau đó là âm và tiếp tục
chuyển đổi qua lại như thế


Mã hóa đường truyền bằng tín hiệu số
 Mã hóa hai pha (biphase): Dữ liệu truyền

• a) Mã hai pha thống nhất đôi
khi còn gọi là mã Manchester :
bit "0" được thể hiện bởi một
chuyển đổi từ tín hiệu dương Mã 2 pha thống nhất
về tín hiệu âm và ngược lại
một bit “1” được thể hiện bằng
một chuyển đổi từ tín hiệu âm
về tín hiệu dương.
• b) Mã hai pha khác biệt : nhảy Mã 2 pha khác biệt
một pha 0 để thể hiện bit 0 và
nhảy một pha Pi để thể hiện
bit "1".


Mã hóa đường truyền bằng tín hiệu
tuần tự
 a) Sử dụng tín hiệu số
theo mã NRZ
 b) Sử dụng biến điệu
biên độ
 c) Sử dụng biến điệu tần
số
 d) Sử dụng biến điệu
pha
 e) Sử dụng biến điệu
pha

Chapter3 physical layer

More Related Content

What's hot (20)

Similar to Chapter3 physical layer (20)

Chapter3 physical layer