Đồ án Hệ thống mạng trong nhà

Limit 802.11b 5.5, 11 2.4 GHz RF 60, 35 m 1999 Avail Avail Hot 802.11a Up to 54 5 GHz RF Whole House 1999 Avail HomeRF 1.0 1, 2 2.4 GHz RF Whole House 1999 Avail Hot Avail HomeRF 2.0 5, 10 2.4 GHz Whole House 2001 HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 10 Chƣơng 2 CÁP XOẮN ĐÔI 2.1.Các đặc điểm của cáp xoắn đôi Cáp xoắnđôi bao gồm dây đồng có đường kính nhỏ, thường nhỏ hơn 0.1 inch cho điện thoại, dây ngầm trong nhà, ứng dụng văn phòng. Trong lớp vỏ nhựa bảo vệ, có rất nhiều dây đồng xoắn đôi được cách điện với nhau theo từng cặp. Hai dây trong cùng một cặp xoắn chặt với nhau trong cùng điều kiện vật lý. Do đó, việc bức xạ Sóng vô tuyến và ảnh hưởng của nhiễu được giảm thiểu khi tín hiệu được truyền qua đó. Hơn nữa, mỗi cặp xoắn có góc xoắn riêng để giảm thiểu nhiễu xuyên âm từ các cặp xoắn khác. Chất lượng của một dây cáp xoắn đôi được xác định bởi chất lượng của vật liệu cách điện, độ kín và độ chính xác của xoắn, và đường kính của các dây đồng. Kích thước của dây đồng được tính theo đơn vị AWG (American Wire Gauge). Các kích thước phổ biến của cáp xoắn đôi thường là 19, 22, 24 và 26 AWG. Bảng 2.1 quy đổi giữa AWG với đơn vị Anh là mil tương đương 0,001inch và đơn vị quốc tế là mm. Ví dụ như cáp xoắn đôi cỡ 24 và 26 AWG tương ứng với 0.4 và 0.5mm. AWG mil mm AWG mil mm AWG mil mm 11 90.741 2.3048 21 28.462 0.7229 31 8.9276 0.2268 12 80.807 2.0525 22 25.346 0.6438 32 7.9503 0.2019 13 71.961 1.8278 23 22.572 0.5733 33 7.0799 0.1798 14 64.083 1.6277 24 20.101 0.5106 34 6.3048 0.1601 15 57.067 1.4495 25 17.900 0.4547 35 5.6146 0.1426 16 50.820 1.2908 26 15.940 0.4049 36 5.0000 0.1270 HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 11 17 45.257 1.1495 27 14.195 0.3606 37 4.4526 0.1131 18 40.302 1.0237 28 12.641 0.3211 38 3.9652 0.1007 19 35.890 0.9116 29 11.257 0.2859 39 3.5311 0.0897 20 31.961 0.8118 30 10.025 0.2546 40 3.1445 0.0799 Bảng 2.1 Sự tƣơng đƣơng của AWG Cáp xoắn đôi dùng cho văn phòng chủ yếu là để kết nối các máy tính qua Ethernet 10BaseT hay 100BaseTX. Loại cáp xoắn đôi thường dùng cho văn phòng là loại cáp 3 cặp xoắn hoặc 5 cặp xoắn. Các đặc tính truyền dẫn của cáp loại 5 tốt hơn cáp loại 3. Cũng có loại cáp 4 cặp xoắn với chất lượng truyền dẫn nằm trong khoảng giữa hai loại trên. Những thông số chi tiết về các loại cáp cũng như hướng dẫn cài đặt nằm trong tài liệu chuẩn TIA/EIA-568A và TIA/EIA-568B. Chất lượng truyền dẫn của cáp xoắn đôi thường được xác định bởi sự suy giảmởtần số 10MHz. Ở tần số đặc biệt này, sự suy giảm có thể nhỏ hơn 98, 72 hoặc 65dB/Km tương ứng cho các cáp loại 3, 4 và 5. Các loại cáp này thường có thể có 4 hoặc 5 cặp xoắn nằm trong lớp vỏ bọc bằng nhựa. Cáp loại 3 gồm các lõi đồng cỡ 24, trong khi cáp loại 4 và cáp loại 5 có thể được chế tạo bởi lõi đồng cỡ 22 hoặc 24. Chất lượng của cáp xoắn đôi thay đổi phụ thuộc nhiều vào kích cỡ của lõi đồng cũng như phụ thuộc quy trình sản xuất. Đặc tính của 1 cáp xoắn đôi nhất định chỉ có thể được xác định bởi các tham số điện cơ bản gồm: điện trở R, độ tự cảm L, điện dung C và độ dẫn điện trên 1 đơn vị chiều dài.Các đặc điểm truyền dẫn của cáp xoắn đôi được xác định bởi các tham số điện cơ bản của nó, chúng rất hữu ích cho việc nghiên cứu mô phỏng trên máy tính thiết lập các hệ thống truyền thông có băng thông rộng tiên tiến như DSL và Ethernet. Tham số điện của 1 cáp xoắn đôi nhất định có thể khác một chút so với tham số mẫu, bởi nhiệt độ, phương pháp đo lường và nhà sản xuất. Tuy nhiên, đặc tính truyền dẫn của mẫu tham khảo có thể được duy trì nếu những sai số được giữ ở mức nhỏ nhất. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 12 2.2. Các tham số cơ bản của cáp xoắn đôi Các đặc điểm truyền dẫn của một cáp xoắn đôi có thể được định nghĩa chính xác qua các tham số điện cơ bản của nó, cụ thể là trở kháng R, độ tự cảm L, độ định hướng G và điện dung C. Lưu ý các tham số cơ bản này cũng có thể phụ thuộc vào tần số. Giá trị của các tham số cơ bản này được thể hiện trên đơn vị chiều dài. Vì vậy, các giá trị cần được thu nhỏ để phù hợp với hệ thống đo lường quốc tế (metric) hoặc của Anh. Hình 2.1 cho thấy một mạch tương đương một cáp xoắn đôi về các tham số cơ bản của nó cho một đơn vị chiều dài dx. Hình 2.1 Mô hình phân chia tham số cáp xoắn Các tham số cơ bản của một cáp xoắn đôi có thể được đo trực tiếp hoặc gián tiếp với băng thông rộng và thiết bị kiểm tra có độ chính xác cao. Các mô hình tham số cho các tham số cơ bản RLGC đã được phát triển để phù hợp với giá trị đo. Các tham số mô hình là: Phƣơng trình 2.1: Trong đó: r0C là trở kháng dây đồng DC r0S là trở kháng dây thép DC aC và aS là hằng số đặc trưng cho sự tăng trở kháng phụ thuộc dải tần trong đồ thị Phƣơng trình 2.2: HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 13 Trong đó: l0 là độ tự cảm ở tần số thấp l∞ là độ tự cảm ở tần số cao b là hệ số đặc trưng cho sự thay đổi từ tần số thấp đến tần số cao Phƣơng trình 2.3: Trong đó: c∞ là “tiếp xúc” điện dung c0 và ce là hằng số được chọn để phù hợp với các phép đo điện dung nhánh. Phƣơng trình 2.4: Trong đó: g0 và ge là hằng số được chọn để phù hợp với phép đo độ định hướng Phƣơng trình 2.5: Những mô hình này tham số có thể được sử dụng để tạo cặp xoắn với thông số điện cho tần số từ 0 đến 50 MHz với độ chính xác đáng tin cậy so với các phép đo thực tế. Các cáp 5 cặp xoắn thường dùng cho dây mạng. Quad-22, bao gồm bốn cặp xoắn22 AWG, và FW-26, 26 AWG của dây điện phẳng, thường xuyên được tìm thấy ở trongdây điện thoại. Các tham số phụ cho cáp xoắn đôi bao gồm các đặc tính trở kháng và hằng số truyền dẫn. Cácđặc tínhtrở kháng của một cáp xoắn đôi liên quan đến các tham số chính theo các phương trìnhsau đây. Phƣơng trình 2.6: HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 14 Hằng số truyền dẫn củacáp xoắn đôi cũng liên quan đến các thông số chính và có thể được thể hiện theo các phương trình sau đây: HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 15 Phƣơng trình 2.7: Lưu ý rằngtrở kháng và hằng số truyền dẫn của một cặp cáp xoắn cũng phụ thuộc tần số. Mặc dù hằng số truyền dẫn là một hàm của tần số, ở đây vẫn sử dụng khái niệm "hằng số truyền dẫn" xuất phát từ một đường truyền lý tưởng. Đối với một dây cáp xoắn đôi đơn giản cùng với đặc tính trở kháng của nó, hàm truyền và suy hao phụ thuộc vào hằng số truyền dẫn theo các phương trình sau đây: Phƣơng trình 2.8: Trong đó: d là chiều dài của cáp xoắn đôi Đohàm truyền vàsuy hao của một cápxoắn đôi tương đối dễ dàng, và kết quả đo thường được mô tả bằng phương trìnhhàm mũ giữa tín hiệu đầu vàovà đầu ra. Lôgarít hàm truyền được xác định bởi biểu thức sau đây: Phƣơng trình 2.9: Trong đó: α(f) là phần thực của hằng số truyền dẫnγ(f). α(f) có thể được biểu diễn theo biểu thức sau đây Phƣơng trình 2.10: Tham số của a và b cho suy hao được liệt kê trong bảng 2.2 cho các loại cáp xoắn đôi khác nhau và dây dẫn trong nhà. Loại cáp a b Cat. 3 8.17 x 10 -7 8.07 x 10 -11 Cat. 4 7.37 x 10 -7 9.12 x 10 -12 HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 16 Cat. 5 7.26 x 10 -7 4.56 x 10 -12 Quad-22 6.77 x 10 -7 4.97 x 10 -11 FW-26 9.17 x 10 -7 4.87 x 10 -11 Bảng 2.2. Tham số cho hằng số truyền dẫn γ(f) 2.3.Mô hình kênh cáp xoắn 2.3.1.Cấu trúc liên kết dây Trong một môi trường văn phòng, dây cáp thường được kết nối từ bàn làm việc về trung tâm điều khiển theo mô hình hình sao. Theo cấu trúc này, một cáp xoắn được nốitrực tiếp từ một cổng của trung tâm và một card mạng máy tính. Với mô hình lý tưởng, hàm truyềncáp xoắn đôi có thể được tính chính xác bằng cách sử dụng phương trình truyền dẫn(phương trình 2.8 hoặc 2.9) với một khoảng cáchcho trước. Cấu trúc hình sao được sử dụng khá thông dụng, nhưng trong nhà, dây điện thoại còn có thể phát triển với một cấu trúc hình trục. Ví dụ, từ card mạng một trong những cặp cáp xoắn nối vào ổ cắm điện thoại tầng đầu tiên, và là ổ để kết nối tất cả các lổ cắm điện thoại trên tầng thứ hai. Chủ nhà có thể có thêm một cặp xoắn để kết nối các máy tính, máy fax, và các thiết bị phụ trợ khác ở một vài nơi khác nhau. Cấu trúc sao và trục theo hình 2.2 cho thấy bốn lỗ cắm điện thoại trong mặt bằng khu dân cư. Các lỗ cắm ở cả hai đầu được đánh dấu là trạm 1 và trạm 2. Đầu kia nối với một tụ điện của 500pF thay thế cho máy điện thoại đang trong tình trạng chờ. Văn phòng trung tâm được thay thế bởi một điện trở 100 Ohm tải tại khoảng cách 8.000 ft. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 17 Hình 2.2 Một ví dụ củacấu hình dây điện thoại 2.3.2.Thiết bị điện thoại Tậphợp các thiết bị điện thoại thường được gọi là POTS (Plain Old Telephone Set) trong thuật ngữ viễn thông. Sơ đồ mạch thiết bị điện thoại được mô tả trong hình 2.3. Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện thoại. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 18 Hình 2.4 Một mạch điện thoại đơn giản Hình 2.5Suy hao của một Dây điện thoại 2.3.3.Mạng hai cửa và tham số ABCD Hàm truyền cáp xoắn đôi dựa vào hằng số truyền dẫn, H(d,f) = e-dα(f) e- jdβ(f) , chỉ được sử dụng cho một cặp xoắn với hai đầu cuối lý tưởng. Đối với dây điện thoại trong nhà,thông thường bao gồm nhiều loại cáp xoắn đôi kết nối trong một cấu trúc sao - bus, với đầu cuối hở hoặc nối. Người ta thường sử dùng mạng hai cửa với các thông số ABCD để tính toán hàm truyền cho một hệ thống dây điện thoại trong nhà. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 19 Hình 2.6 Mạng hai cửa Hình 2.7. Mạng hai cửa nối tiếp. 2.3.4. Trở kháng, hàm truyền và suy hao Các thông số của cáp xoắn đôi ABCD có thế chuyển đổi thành trở kháng đầu vào hoặc hàm truyền, chúng ta sử dụng máy tính để tính các giá trị tương quan của chúng nhờ các mô hình kết hợp. Trở kháng đầu vào của một vòng xoắn đôi và một trở kháng thiết bị đầu cuối Zt(s) được thể hiện như Phƣơng trình 2.11: HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 20 Hình 2.8. Suy hao của một dây dài 150-ft Hình 2.9. Suy hao của dây dài 150-ft so với việc chia làm nhiều nhánh, mỗi nhánh 15ft 2.4.Mô hình nhiễu 2.4.1. Công suất nhiễu và mật độ phổ công suất HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 21 Các mức độ nghiêm trọng của 1 nhiễu nói riêng có thể được đo từ mức công suất hoặc mức mật độ công suất của nó. Độ lớn của nhiễu có thể lên tới vài chục µV. Công suất nhiễu thường được thể hiện bằng decibels (dBm) Phƣơng trình 2.12: Trong đó: v là điện áp trung bình của nhiễu R=100 là trở kháng đầu vào của thiết bị thu Pm= 0.001 là tham chiếu của 1mW Mật độ phổ công suất nhiễu (PSD) thường được thể hiện bằng decibels/Hertz (dBm/Hz) Phƣơng trình 2.13: 2.4.2. Nhiễu xuyên âm Trong cáccặp xoắn của cáp xoắn đôi tồn tại 2 loại nhiễu xuyên âm được gọi là nhiễu xuyên âm đầu gần và nhiễu xuyên âm đầu xa (NEXT, FEXT). NEXT là ảnh hưởng của các cặp xoắn tại ngay đầu phát. FEXT là ảnh hưởng lẫn nhau của các cặp xoắn từ đầu thu về đầu phát. Mô hình của NEXT và FEXT như sau: Hình 2.10. Các nguyên tắc của NEXT HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 22 Hình 2.11. Các nguyên tắc của FEXT NEXT thường mạnh hơn FEXT, tuy nhiên trong FDM và TDM thì FEXT trở nên mạnh hơn vì trong các hệ thống này thông tin được truyền đi từ A sang B sử dụng khe tần số F1(khe thời gian T1) còn chiều ngược lại thì sử dụng khe tần số F2 (khe thời gian T2) 2.4.3.Mô hình của NEXT và FEXT Mô hình NEXT có thể được diễn tả như: Phƣơng trình 2.14: Trong đó f là tần số, kNEXT = 8,82 x 10 -14 , và NEXT49tính theo decibel bằng cách logarit cơ số 10 của NEXT49 và sau đó nhân với 10. Mô hình này cũng có thể được tổng quát cho N nguồn nhiễu như sau: Phƣơng trình 2.15: Lưu ý là sự khác biệt giữa 1 nguồn nhiễu và 49 nguồn nhiễu là khoảng 10 dB.Tương tự, mô hình FEXTvới 49 nguồn nhiễu cũng đã được phát triển cho các nghiên cứu DSL. Mô hình này có thể được diễn tả như: Phƣơng trình 2.16: Trong đó: kFEXT = 8 x 10 -20có được nhờ các phép đo FEXT d là chiều dài cáp xoắn theo feet f là tần số |H (f)| 2 là sự suy hao của cáp cặp xoắn Phân bố của NEXT tương tự như FEXT, trong trường hợp đó chúng ta có: HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 23 Phƣơng trình 2.17: Mô hình NEXT được ứng dụng nhiều trong hệ thống mạng nội bộ hoặc hệ thống mạng trong nhà. Bên cạnh những mô hình đơn giản dành cho các nghiên cứu mô phỏng DSL, chúng ta cũng có thểtìm được các mô hình NEXT cho loại 3, loại 4, và loại 5 cặp xoắncũng như dây dẫn trong nhà. Mô hình 1 nguồn nhiễu của cáp xoắn loại 3 chiều dài 50 ft giống như mô hình 49 nguồn nhiễu dùng trong DSL.Giá trị thống kê của NEXT49 các cặp cáp xoắn và một dây trầnđược liệt kê trong bảng 2.3 Hình 2.12cho thấy mô hình NEXT dựa trên các thông sốthống kê. Kết quả thực tế cho thấy rằng đặc tính ít nhiễu NEXT trong 1 số dây dẫn trong nhà là do các dây đó không xoắn với nhau. Hình 2.12Thống kê suy hao NEXT Poor wire Cat. 3 Cat. 4 Cat. 5 kNEXT 5.88 x 10 -12 7.94 x 10 -14 2.51 x 10 -15 6.31 x 10 -16 Bảng 2.3. Tham số thống kê NEXT HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 24 2.4.4.Nhiễu tần số vô tuyến (RFI) Trong quá trình truyền dẫn,một phần của năng lượng tín hiệu bị mất đi biến đổi thành nhiệt và sóng vô tuyến điện. Ở tần số cao tổn hao càng lớn và nó gây ảnh hưởng đến các dải tần khác. Nhiễu vô tuyến củatruyền dẫn cáp xoắn có thể được coi như là một phần mở rộng của các hiệu ứngxuyên âm. Xuyên âm là một hiện tượng điện từ giữa hai cặp cáp đặt cạnh nhau. Sóng điện từ cũng là nguyên nhân gây xuyên nhiễu. Điều này chứng tỏ khi không có lớp bảo vệ điện từ thì truyền dẫn gặp nhiều can nhiễu hơn.Sóng bức xạ từ cáp xoắn đôi hoặc dây điện trong nhà cần phải được dưới mức quy định của FCC. Các giới hạn bức xạ được định nghĩa cho bốn băng tần được thể hiện như trong Bảng 2.4. Phƣơng trình 2.18: Tần số phát thải (MHz) Sức mạnh từ trƣờng (µV/m) Khoảng cách (meters) 1.075-30 30 30 30-88 100 3 88-216 150 3 216-960 200 3 trên 960 500 3 Bảng 2.4. Giới hạn bức xạ tần số phát thải (MHz) Một cáp xoắn đôi hoặc dây điện trong nhà cũng có đặc tính tương tựnhư một ăngten, nên gọi là suy giảm do nhiễu vô tuyếnRadio Frequency Interference (RFI). Trên thực tế, chúng ta cho RFI có dấu âm cho vào đầu thu của ăng ten. Suy hao RFI một cáp xoắn đôicó thể đo bằng các phép đo trường.Thí nghiệm đã HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 25 chỉ ra rằng giá trị của suy hao RFI cho các loại hình cáp xoắn đôi và dây điện trong nhà là từ 40-60 dB trong dải tần số từ 1 đến 30 MHz. Suy hao RFI cũng có thể sử dụng để tính cường độ điện trường, bởi cáp xoắn hay dây điện ngầm trong nhà khi mang tín hiệu sẽ có công suất riêng ở 1 khoảng cách nhất định. Chúng ta có thể ước tính cường độ điện trường bằng cách sử dụng Phƣơng trình 2.19: Trong đó: E là cường độ điện trường đo bằng dBμV/m PSD là mật độ phổ công suất của tín hiệu trên một dây cáp xoắn hoặc dâyđiện ngầm trong nhà đo bằng dBm/Hz B là băng thông của tín hiệu đo bằng hertz(Hz) R là trở kháng đo bằng ohms(Ω) r là khoảng cách từ cáp hoặc dây đo bằng mét (m) RFI là suy hao đo bằng decibels(dB) 2.5.Dung năng kênh Dung năng kênh của cáp xoắn đôi hoặc dây điện trong nhà có thểtính toán dựa vàonhiễu nền và NEXT. Nhiễu nền cho cáp xoắn đôihay dây dẫn trong nhà là khoảng -140dBm/Hz. Cường độ tín hiệu nhận được phụ thuộc vào tín hiệu truyền tải điện và suy hao của một cáp xoắn đôi hoặc dây dẫn trong nhà. Các tín hiệu truyền tải điện bị hạn chế bởi các bức xạ từ cường độ điện trường gần đó. Trong khoảng 1,705 và 30 MHz, cường độ trường là 29,5 dBμV/m ở khoảng cách 30 m. Giả sử suy hao RFI là 40 dB, năng lượng trong dải băng thông 9kHz qua một dây cáp xoắn đôi hoặc dây điện trong nhà được tính như sau: Phƣơng trình 2.20: HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 26 Dung năng kênh là thông lượng tối đa mà một kênh cụ thể có thể được sử dụng để cung cấp thông tin đáng tin cậy. Lỗi có thể xảy ra nhưng chúng có thể sửa chữađược(trên lý thuyết) nếu lượng truyền dẫn nhỏ hơn mức giới hạn dung năng kênh. Mở rộng kênh và mã sửa lỗiđược sử dụng để giảm ảnh hưởng của nhiễu nền và sự biến dạng tín hiệu sao cho truyền dẫn tiến gần đến giới hạn dung năng kênh. Ở một tần số cụ thể, dung năng kênhcó thể được tính theo Phƣơng trình 2.21: Bandwidth (kHz) PSD (dBm/Hz) 9 -40 180 -40 1,000 -47.5 5,000 -54.4 10,000 -57.5 20,000 -60.5 Bảng 2.5Chuẩn hóa PSD Trong đó S là tín hiệu nhận được, N là nhiễu, và dung năng kênh C được tính bằng bit/hertz. S/N là phương trình về tỷ lệ tín/tạp. Khi S/N là một hằng số trên một băng tần, công suất của các băng tần số được tính theo Phƣơng trình 2.22: Trong đó B là băng thông của kênh đo bằng hertz. Khi S/N là một biến trên một băng tần, công suất của các băng tần số được tính theo. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 27 Phƣơng trình 2.23: Ở đây f1 và f2 là cận trên và cận dưới của băng thông. Ta sẽ tính toán khả năng đầu tiên của kênh cho các loại hình cáp với một số băng thông tín hiệu khi có nhiễu nềnở -140 dBm/Hz. Cận dưới là 1.705MHz và cận trên là 30MHZ.Hình 2.13 cho thấy khả năngcủa các kênh cáp xoắn đôi khác nhau và dây dẫn trong nhà với chều dài 100m cónhiễu nềnởbăng thông 9kHz với tần số trung tâm lên đến 15MHz. Dung năng kênhtrong khoảng từ 260 đến 300kbps. Hình 2.13. 9kHz Dung năng kênh khi nhiễu nền là-140dBm/Hz Hình 2.14 cho thấy dung năng kênh của các cáp xoắnđôi và dây trong nhà khi có nhiễu nền ởbăng thông 180kHz và tần số trung tâm lên đến 15MHz. Dung năng kênh trong khoảng từ 5.1 đến 5.8 Mbps. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 28 Hình 2.14. 180kHz Dung năng kênh khi có nhiễu nền là -140dBm/Hz Hình 2.15. 1MHz Dung năng kênh khi có nhiễu nền là -140dBm/Hz HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 29 Hình 2.16. 5MHz Dung năng kênh khi có nhiễu nền là -140dBm/Hz Hình 2.17. 10MHz Dung năng kênh khi cónhiễu nềnlà -140dBm/Hz Tính toán khi kênh có NEXT(Hình 2.18) cho thấy dung năng các kênh các cáp xoắn đôi khác nhau và dây dẫn trong nhà với chiều dài 100 m,băng thông 9kHz, tần số trung tâm lên đến 15 MHz. Xuất hiện một loạt các dạng dung năng HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 30 kênhkhác nhau giữa các loại cáp và dây dẫn trong nhà ở các tần số khác nhau. Dung năng kênhcủa loại cáp 5 cặp xoắn là hơn 100 kbps, và dung năng kênh của dây dẫn trong nhàQuad và Flatnhỏ hơn 10 kbps ở tần số 15 MHz. Ảnh hưởng của NEXT thường cao hơn nhiễu nền. NEXT sẽ tăng khi tần số càng cao. Hình 2.18. 9kHz Dung năng kênh khi có nhiễu đầu gần NEXT HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 31 Hình 2.19. 180kHz Dung năng kênh khi có nhiễu đầu gầnNEXT Hình 2.20. 1MHz Dung năng kênh khi có nhiễu đầu gần NEXT HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 32 Hình 2.21. 5MHz Dung năng kênh khi có nhiễu đầu gần NEXT Hình 2.22. 10MHz Dung năng kênh khi có nhiễu đầu gần NEXT HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 33 Chƣơng 3 CÁP ĐỒNG TRỤC Cáp đồng trục được dùng để xây dựng mạng lưới phân phối truyền hình cáp. Ban đầu, mạng phân phối truyền hình cáp rất đơn giản, gồm đường cáp đồng trục nối từ một anten trên sườn đồi tới các gia đình mà anten trên mái nhà của họ nhận tín hiệu không được tốt. Để bù đắp lượng tín hiệu bị suy hao do sự phân nhánh và sự suy hao của cáp, bộ đọc tín hiệu của các anten trên đồi thường được bổ sung bộ khuếch đại dải rộng, nâng mức tín hiệu lên từ 10 tới 25 dB. Các kênh truyền hình vô tuyến thuộc dải tần rất cao chiếm tần số từ 54 đến 72 MHz (kênh 2, 3, 4), 76 đến 88 MHz (kênh 5, 6) và 174 đến 216 MHz (các kênh từ 7 đến 13). Một bộ khuếch đại băng rộng chỉ dùng được cho 1 nhóm kênh vô tuyến. Các bộ chia và tổ hợp tín hiệu yêu cầu phải bao phủ được toàn bộ các kênh. Cũng có các kênh truyền hình vô tuyến trong dải UHF từ 300 tới 3000MHz. các kênh truyền hình trong dải UHF mà truyền qua mạng phân phối truyền hình cáp cũng cần khuếch đại và đôi khi phải chuyển đổi xuống một kênh VHF chưa sử dụng. Khi phát sóng truyền hình, luôn có những kênh dự trữ. Trên thực tế, các chương trình truyền hình vô tuyến trong cùng một kênh truyền không được quá nhau để tránh gây nhiễu cho các kênh lân cận. Ngoại trừ trường hợp kênh 4 và 5, kênh 6 và 7 vì có 1 khoảng cách giữa 2 dải tần số phát các kênh này. Một kênh truyền hình thường có mức năng lượng thấp, khoảng dưới -42dB, do xuyên nhiễu giữa các kênh lân cận nó. Theo quy định, tỉ số sóng mang trên tạp âm hay nhiễu giữa các kênh phải lớn hơn 36 dB để đảm bảo chất lượng truyền hình. Do các điều kiện truyền dẫn khác nhau, các tín hiệu truyền hình từ các điểm đặt anten khác nhau trong cùng một vùng có thể có độ lớn chênh lệch nhau 12 dB. Điều đó khiến tỉ số S/N thấp hơn -42 + 12 = -30 dB. Do vậy tín hiệu suy hao của một kênh truyền hình vô tuyến với mức tín hiệu cao có thể gây nhiễu lên các HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 34 kênh khác lân cận nó nếu ta phân chia các kênh mà không dành ra khoảng cách tần số giữa chúng. Mặt khác, các kênh truyền hình có thể được đặt cùng trên kênh truyền trong hệ thống truyền hình cáp khi mà các kênh lân cận có độ lớn tín hiệu tương tự nhau. Vì các kênh truyền hình thường ở dải tần số cao, nên cáp đồng trục được dùng để xây dựng lên mạng phân phối truyền hình cáp. Cáp đồng trục bao gồm một lõi đồng bên trong và vỏ bọc nhôm phủ bên ngoài với một lưới đồng khác hay dây bện bằng nhôm. Cũng có lớp nilon cách điện giữa lõi đồng và vỏ nhôm, và có một lớp vỏ nhựa bọc bên ngoài dây bện kim loại. Tín hiệu được truyền qua lõi đồng trong khi vỏ nhôm và dây bện kim loại được nối đất. Tác dụng bảo vệ điện từ trường của cáp đồng trục đặc biệt có hiệu quả ở dải tần số cao khi các kênh truyền hình được phân bổ. Tuy nhiên, việc bảo vệ này không phải là hoàn hảo. Cáp đồng trục vẫn có thể bị nhiễu bởi trường điện từ và các xuyên nhiễu. Do độ lớn của các trường điện từ nền là hữu hạn và hiệu quả bảo vệ của vỏ bọc, tỉ số S/N mong muốn vẫn có thể được duy trì bằng cách xác định độ lớn của tín hiệu tại điểm bắt đầu vào mỗi nhà. Mạng phân phối truyền hình cáp được xây dựng theo cấu trúc cây và phân nhánh. Tín hiệu truyền hình cáp từ một trục chính trước tiên được đưa tới một nút quang qua một sợi quang nơi tín hiệu truyền hình đã được điều chế biên độ (AM) với tần số mang quang. Sau khi giải điều chế bằng cách sử dụng các thiết bị quang - điện (O/E) tại các nút quang, tín hiệu được đưa qua một vài nhánh của mạng cáp đồng trục tới mỗi thuê bao. Điểm gốc của mỗi cây hay mạng phân nhánh là tại nút quang. Nhánh chính của mạng phân phối gồm các cáp đồng trục phân phối. Loại phổ biến của cáp đồng trục phân phối là 500-F và 625-F. Cáp đồng trục được nối với mỗi thuê bao bằng thiết bị gọi là Tap phân phối. Một thiết bị Tab được gắn vào bằng cách nối đầu vào cáp phân phối và đầu ra cáp đồng trục. Việc đặt thiết bị Tap sẽ suy hao 1 lượng nhỏ mức tín hiệu trên cáp. Tín hiệu sẽ được phân chia tới nhiều cổng cáp phân phối trên Tap. Các loại cáp HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 35 phân phối phổ biến là RG-6 và RG-59. Cáp phân phối cũng được dùng làm dây dẫn tín hiệu truyền hình trong nhà. 3.1. Dây dẫn truyền hình trong nhà 3.1.1. Cấu trúc dây dẫn truyền hình trong nhà Trong cấu trúc mới, các cáp đồng trục được nối từ một vị trí trung tâm gần nguồn tín hiệu truyền hình, là cáp truyền hình hay chảo vệ tinh tới mọi phòng. Cấu trúc này có dạng hình sao. Một bộ chia nhiều cổng được đặt ở trung tâm hình sao. Tuỳ thuộc vào số phòng sử dụng, một số bộ khuếch đại được đặt vào giữa nguồn video và bộ chia để tăng mức tín hiệu, bù lại lượng tín hiệu đã bị suy hao do phân nhánh. Đối với các dây dẫn trong nhà được lắp đặt bởi các công ty truyền hình, các bộ chia thường được lắp đặt ngẫu nhiên tại các đầu vào cáp truyền hình, và một vài điểm thuận lợi khác. Cấu trúc dạng chuỗi hình sao này tương tự như cấu trúc dây dẫn điện thoại trong nhà trừ các bộ chia được dùng ở mỗi nhánh cáp. Lượng tín hiệu bị suy hao do phân nhánh cũng tương tự như ở cấu trúc sao. 3.1.2. Sơ đồ phân bổ nhánh và cáp lai ghép Hình 3.1 là sơ đồ chung cho mạng phân nhánh và cáp lai ghép nối tới tất cả các thuê bao. Tín hiệu truyền hình xuất phát từ thiết bị đầu cuối. Các dịch vụ 2 chiều như modem cáp để truy cập internet và POST cũng được quản lí tại thiết bị đầu cuối. Một vòng quang kép được dùng để nối tất cả các thiết bị đầu cuối và hub qua cấu trúc SONET và ATM để đưa vào và thay đổi các chương trình số. Các đường dây dẫn AM được kéo tới một số nút quang. Từ mỗi fiber node sẽ đưa ra một vài đường cáp đồng trục chính, mỗi đường sẽ phục vụ hàng trăm thuê bao. Các thuê bao được nối với cáp chính qua cáp phân phối. Cũng có khả năng có nhiễu giữa các thuê bao lân cận nếu các dây dẫn trong nhà được dùng với một hệ thống mạng trong nhà lưu lượng lớn. Tuy nhiên có thể chấp nhận nhiễu được tối thiểu hoá bằng cách cộng hao hụt do cáp phân phối và do phân chia tín hiệu rồi đưa ra ngoài thiết bị Tap. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 36 Hình 3.1 Cáp truyền hình lai ghép mạng phân phối đồng trục và phân nhánh cây 3.2 Mô hình cáp đồng trục Các tham số chính cho cáp xoắn đôi đã được đưa ra nhưng những thông tin tương tự dành cho cáp đồng trục thì chưa có được. Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của thiết bị đầu cuối và phân chia cáp khi xác định hệ thống truyền dẫn hiệu quả cho hệ thống mạng chủ lưu lượng cao với hệ thống dây dẫn có sẵn trong nhà, chúng ta sẽ thử dự đoán những thông số chính của cáp đồng trục. Những dự đoán này dựa vào những hao hụt trên cáp cũng như các kích thước của cáp. Chúng đã được kiểm nghiệm và cải tiến bằng những thí nghiệm và đo đạc. Sự suy giảm tín hiệu trên các loại cáp đồng trục phổ biến tại các tần số khác nhau được tổng kết ở bảng 3.1. Lượng tín hiệu suy giảm nhỏ hơn 10 dB với các tần số dưới 750 MHz và chiều dài cáp là 100feet. Suy hao trên cáp có thể được tính theo Phƣơng trình 3.1: Trong đó: f là tần số (MHz) K1 và K2 là các tham só xác định loại cáp d là độ dài cáp (kilofeet) HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 37 K1 chỉ độ lớn của suy hao dây dẫn, K2 chỉ độ lớn của tổn thất điện môi. Các tham số cho các loại cáp khác nhau được cho ở bảng 3.1. Với các loại cáp đã cho và các thông số tương ứng, có thể tính được suy hao trên cáp tại các tần số khác nhau. Tần số (MHz) 500-F 625-F RG-6 RG-59 55 0.54 0.46 1.6 2.06 300 1.31 1.10 3.7 4.72 450 1.63 1.35 4.58 5.83 550 1.82 1.51 5.09 6.47 Bảng 3.1 Suy hao trên cáp 500-F 625-F RG-6 RG-59 K1 0.69 0.6058 2.1144 2.7175 K2 0.0037 0.0016 0.0021 0.0015 Bảng 3.2 Các tham số của cáp Để nghiên cứu những ảnh hưởng của thiết bị đầu cuối và bộ chia, ta có thể ước lượng các thông số chính của cáp dựa vào độ dài của cáp và các giá trị suy hao. Giá trị điện dung tương đương của cáp đồng trục được tính theo hình dạng của cáp. Phƣơng trình 3.2: Trong đó: a là đường kính lõi đồng b là đường kính dây dẫn bên ngoài ɛ r là hệ số từ thẩm tương đối. Giả sử ɛ r = 1 Ngoài ra, trở kháng của cáp gần như là hằng số và được tính theo cảm kháng nối tiếp(L) và điện dung tương đương (C) HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 38 Phƣơng trình 3.3: Do đó, L có thể được tính bằng: Phƣơng trình 3.4: Suy hao cáp cũng có thể tính bởi: Phƣơng trình 3.5: Và ta có: Phƣơng trình 3.6: Với giả thiết Z0 = 75Ω. Bảng 3.3 cho ta các giá trị ước lượng của các tham số chính của cáp đồng trục: 500-F 625-F RG-6 RG-59 a (inch) 0.123 0.136 0.0403 0.032 b (inch) 0.470 0.563 0.188 0.152 b/a 3.82 4.14 4.67 4.75 R(ohms/mile) 62.88 + 0.388 55.23 +0.148 192.77 +0.19 247.79 +0.137 L(mH/mile) 0.377 0.356 0.33 0.324 G 0 0 0 0 C(µF/mile) 0.067 0.0632 0.0587 0.0576 Bảng 3.3 Các tham số ƣớc lƣợng của cáp Với f là tần số(đơn vị MHz). G là độ dẫn điện. Hình 3.2 thể hiện sự duy hao của các loại cáp khác nhau . HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 39 Hình 3.2 Xuyên nhiễu cáp đồng trục 3.3. Các bộ chia Các bộ chia được dùng tại các điểm phân nhánh cáp, và tại đó việc phân bổ công suất và phối hợp trở kháng đều quan trọng. Có những bộ chia phân bổ công suất với nhiều cổng ra. Tuy nhiên, tất cả các bộ chia này đều dựa trên bộ chia một thành 2. Muốn có một bộ chia (hay tổ hợp) chia 1 thành 4 dùng ba bộ chia 1 thành 2 giống nhau (như hình 3.3). HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 40 Hình 3.3 Cấu trúc bộ chia 1 thành 4 Bên trong một bộ chia 1 thành 4, đầu ra của bộ chia 1 thành 2 thứ nhất được nối với đầu vào của 2 bộ còn lại và như vậy là sẽ có 4 đầu ra. bằng cách sử dụng phương pháp phân tầng này, ta nhận được nhiều đầu ra mà vẫn đảm bảo được phối hợp trở kháng tại tất cả các đầu ra. Một bộ chia 1 thành 2 chứa một biến áp phối hợp trở kháng nhiều đầu ra và một phần tử chia năng lượng. Một bộ chia được dùng với 2 mục đích. Đầu tiên là để phối hợp trở kháng cho các cáp, thứ hai là để cách li 2 cổng ra. Trở kháng của cáp đồng trục thường là 75 Ω. Cuộn sơ cấp với một dây nhánh ở giữa nằm bên trái hình 3.4 như một bộ phận phối hợp trở kháng trong khi vẫn tạo ra điện từ trường cung cấp năng lượng cho cuộn thứ cấp. Trở kháng của mỗi nửa cuộn thứ cấp cùng với cáp được gắn cố định và đặt song song với cuộn sơ cấp. Điện trở mắc giữa 2 đầu ra của cuộn thứ cấp được dùng để đưa tín hiệu dịch pha ra khỏi sự ghép từ tính giữa 2 đầu ra. Tụ điện dùng để tinh chỉnh đáp ứng tần số của bộ chia qua bề rộng dải tần số. Do tần số làm việc rất cao, nên các bộ phận chi tiết trong bộ chia cũng có thể ảnh hưởng tới đáp ứng tần số. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 41 Hình 3.4 Cơ cấu bộ chia 1 thành 4 Nghiên cứu về sự tương tác giữa cáp và bộ chia, có thể suy ra các tham số ABCD từ 1 đầu vào tới 1 đầu ra của bộ chia. Ta nối 1 trở kháng Z0 vào một đầu ra và xem đầu vào đầu ra như một mạng 2 cửa. Các tham số cho một mạng 2 cửa được tính toán như ở phương trình 3.7 và 3.8. Theo cấu trúc của bộ chia, phương trình 3.7 gồm 3 phần. Phần thứ nhất là cuộn sơ cấp, phần thứ hai là điện dung, phần thứ ba là cuộn thứ cấp cùng điện trở. Phương trình 3.8 thể hiện chi tiết phần thứ ba. Phƣơng trình 3.7: Phƣơng trình 3.8 HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 42 Trong đó: a là hệ số đầu ra (từ biến áp) k1 là hệ số ghép cuộn sơ cấp k2 là hệ số ghép cuộn thứ cấp L1 là cảm kháng cuộn sơ cấp L2 là cảm kháng cuộn thứ cấp R là điện trở C là điện dung Các tham số đặc trưng với các giá trị sau: a = 7.07 với trở kháng phối hợp từ 37.5 đến 75 Ω, L1 = 40 µH, L2= 0.1 µH, k1 = k2 = 0.99997, C= 4.5 pF, R= 220 Ω. Hình 3.5 thể hiện đáp ứng tần số từ một đầu vào tới một đầu ra với một đầu ra khác kết thúc bằng điện trở 75 Ω hoặc không. Hình 3.5 Hàm truyền của bộ lọc từ đầu vào tới đầu ra Với tất cả các đầu ra nối với cáp có trở kháng 75 Ω, suy hao phân nhánh là 3dB với dải tần 500MHz. Khi chỉ nối một đầu ra, suy hao có thể thay đổi theo dải tần. Các tham số ABCD từ một đầu ra tới một đầu ra khác là: Phƣơng trình 3.9: HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 43 Phƣơng trình 3.10: Phƣơng trình 3.11: Phƣơng trình 3.12: Với Zm = a 2 Z1 và Z2 là trở kháng đầu vào. Hình 3.6 thể hiện hàm truyền đạt từ một đầu ra tới một đầu ra khác với đầu vào nối trở kháng 75 Ωhoặc không. Hình 3.6 Hàm truyền đạt từ một đầu ra tới một đầu ra HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 44 3.4. Tap Tap được dùng để nối cáp đồng trục với cáp phân phối. Bộ Tap gây ra suy hao lớn nhất trong quá trình truyền dẫn của cáp đồng trục. Một Tap 2 cổng gồm một phần dây nối và một bộ chia 2 cổng như hình 3.7. Nói chung, một Tap n cổng sẽ gồm dây nối và bộ chia n cổng. Trở kháng của cáp phân phối và đầu vào của bộ chia là 75 ohms. Mạch nối dây nối với các trở kháng ở cả đầu vào và đầu ra của Tap và trở kháng của bộ chia. Biến áp B1 mắc nối tiếp với cáp phân phối, biến áp B2 mắc song song với cáp phân phối. Các tham số ABCD của mạch nối dây được dùng để nghhiên cứu hiệu suất truyền của sơ đồ phân bổ cáp truyền hình. Hình 3.7 Cơ cấu của Tap 2 cổng 3.5. Danh sách phân bổ kênh truyền hình cáp Dây cáp đồng trục trong nhà mang rất nhiều kênh tín hiệu truyền hình. Các kênh truyền hình VHF từ kênh 2 tới kênh 13 thường chiếm các tần số từ 54 tới 216 MHz, với các khoảng tần số ở giữa dành cho các đài phát thanh FM. Các HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 45 kênh vô tuyến UHF từ 14 đến 69 chiếm dải tần số từ 470 tới 806 MHz. Bảng 3.4 thể hiện các dải tần dành cho các kênh truyền hình vô tuyến. KênhVHF số Băng tần (MHz) Kênh UHFsố Băng tần (MHz) Kênh UHFsố Băng tần (MHz) 2 54–60 14 470–476 38 614–620 3 60–66 15 476–482 39 620–626 4 66–72 16 482–488 40 626–632 5 76–82 17 488–494 41 632–638 6 82–88 18 494–500 42 638–644 7 174–180 19 500–506 43 644–650 8 180–186 20 506–512 44 650–656 9 186–192 21 512–518 45 656–662 10 192–198 22 518–524 46 662–668 11 198–204 23 524–530 47 668–674 12 204–210 24 530–536 48 674–680 13 210–216 25 536–542 49 680–686 26 542–548 50 686–692 27 548–554 51 692–698 28 554–560 52 698–704 29 560–566 53 704–710 30 566–572 54 710–716 31 572–578 55 716–722 32 578–584 56 722–728 33 584–590 57 728–734 34 590–596 58 734–740 35 596–602 59 740–746 36 602–608 60 746–752 37 608–614 61 752–758 62 758–764 63 764–770 64 770–776 65 776–782 66 782–788 HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 46 67 788–794 68 794–800 69 800-806 Bảng 3.4 Bảng phân bố kênh truyền hình trong hệ thống truyền dẫn có dây Các dải tần cho truyền hình này được quy định bởi FCC. Kênh 37 đợc đăng kí dành riêng cho dịch vụ thiên văn vô tuyến. Nhiều kênh truyền hình số vô tuyến cũng nằm trong dải UHF dành cho giai đoạn chuyển từ tương tự sang số. Các kênh truyền hình cáp cùng dùng chung một dải tần số với truyền hình vô tuyến đối với các kênh từ 2 tới 13. Với các kênh trên kênh 13(23 tới 78), truyền hình cáp chiếm dải tần từ 210 tới 552 MHz, các kênh từ 14 tới 22 chiếm dải tần từ 120 tới 174 MHz. Không có sự xung đột với dịch vụ phát thanh FM vì tín hiệu truyền hình được truyền trong cáp đồng trục. Các kênh từ kênh 78 trở lên bắt đầu từ tần số 552 MHz, 33 kênh cáp số được cấp phát dải tần từ 750 MHz. Kênh số Tần số (MHz) Kênh số Tần số (MHz) Kênh số Tần số (MHz) Kênh số Tần số (MHz) 2 54–60 14 (A) 120–126 37 (AA) 300–306 54 402–408 3 60–66 15 (B) 126–132 38 (BB) 306–312 55 408–414 4 66–72 16 (C) 132–138 39 (CC) 312–318 56 414–420 5 76–82 17 (D) 138–144 40 (DD) 318–324 57 420–426 6 82–88 18 (E) 144–150 41 (EE) 324–330 58 426–432 7 174–180 19 (F) 150–156 42 (FF) 330–336 59 432–438 8 180–186 20 (G) 156–162 43 (GG) 336–342 60 438–444 9 186–192 21 (H) 162–168 44 (HH) 342–348 61 444–450 10 192–198 22 (I) 168–174 45 (II) 348–354 62 450–456 11 198–204 23 (J) 216–222 46 (JJ) 354–360 63 456–462 12 204–210 24 (K) 222–228 47 (KK) 360–366 64 462–468 13 210–216 25 (L) 228–234 48 (LL) 366–372 65 468–474 26 (M) 234–240 49 MM) 372–378 66 474–480 27 (N) 240–246 50 (NN) 378–384 67 480–486 28 (O) 246–252 51 (OO) 384–390 68 486–492 29 (P) 252–258 52 (PP) 390–396 69 492–498 HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 47 30 (Q) 258–264 53 (QQ) 396–402 70 498–504 31 (R) 264–270 71 504–510 32 (S) 270–276 72 510–516 33 (T) 276–282 73 516–522 34 (U) 282–288 74 522–528 35 (V) 288–294 75 528–534 36 (W) 294–300 76 534–540 77 540–546 78 546–552 Bảng 3.5 Bảng phân bố kênh truyền hìnhcáp 3.6. Mô hình kênh Cấu hình dây cáp đồng trục dẫn tín hiệu trong nhà được thiết lập bằng cách giả thiết nối 3 tivi cùng với 2 bộ chia và bốn đoạn cáp đồng trục như hình 3.8. Như phần lớn các mạng gia đình với dây cáp đồng trục trong nhà, đường truyền giữa các điểm kết nối truyền hình gồm 1 kết nối đầu ra tới đầu ra của một bộ chia. Do độ dài cáp là tương đối ngắn và tần số làm việc không quá cao và để có khoảng cách trống giữa dự trữ kênh hồi tiếp và kênh truyền hình 2, nên việc nối cổng ra với cổng ra gây ra suy giảm mức tín hiệu lớn nhất. Hình 3.8 Mô hình đơn giản của dây dẫn đồng trục trong nhà HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 48 Mô hình kênh nối từ TV A tới TV C trong cấu hình trên được thiết lập bằng cách phân tầng các ma trận tham số ABCD của các đoạn cáp 100 feet, 25 feet và 35 feet. Ma trận tham số ABCD sau đó được chuyển đổi thành suy hao trung gian và đáp ứng xung. Suy hao trung gian trong cấu hình nay được thể hiện trong hình 3.9. Các tham số ước lượng của cáp RG-6 được dùng cho việc tính toán mô hình này. Đáp ứng xung tương ứng được thể hiện trong hình 3.10. Hình 3.9 Hàm truyền từ TV A đến TV C Hình 3.10 Đáp ứng xung từ TV A đến TV C HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 49 So sánh với cáp đồng trục thẳng, suy hao trung gian của mô hình kênh này cao hơn và không đều theo thang tần số. Mức tín hiệu suy hao cao và không đều liên quan tới đường nối cổng ra tới cổng ra của bộ chia phụ thuộc vào từng dải tần. Do đó cần có các kĩ thuật xử lí tín hiệu khác nhau khi tín hiệu qua đường nối cổng ra tới cổng ra của bộ chia. Mô hình cáp đồng trục này được thiết lập dựa trên việc đo đạc (bị hạn chế) trong phòng thí nghiệm. Mô hình này có thể được cải tiến nhờ vào việc cải thiện cáp đồng trục và các mô hình bộ chia. Đặc tính truyền đạt của các bộ chia phụ thuộc rất nhiều vào nhà sản xuất, có thể tăng hiệu quả bằng cách thay đổi hệ số giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của biến áp trong bộ chia. 3.7. Môi trƣờng nhiễu Các đặc tính truyền được kiểm tra cẩn thận để lắp đặt modem cáp và các dịch vụ số khác. Trong dải tần số từ 5 đến 40 MHz, mức nhiễu là tương đối lớn. Ta thấy rằng sự xâm nhập phổ bị hạn chế trong dải tần số hẹp. Nguồn gốc của sự xâm nhập này là do phát thanh sóng ngắn, truyền thông dải HAM. Nhìn chung, mật độ năng lượng giảm khi tần số tăng. Nhiễu môi trường là tổng hợp của nhiễu nền (khoảng -40dBµV), nhiễu nền phụ thuộc tần số vô tuyến, nhiễu vô tuyến giữa các dải sóng ngắn, nhiễu sóng mang ngẫu nhiên. Trong mô hình nhiễu này, một mặt nạ sóng vô tuyến ngắn được thiết lập theo quy định của FCC. Thêm vào đó, tám nhóm tần số ngẫu nhiên gây nhiễu vô tuyến, mỗi nhóm chứa các tần số ngẫu nhiên, được tạo ra thể hiện mức độ nhiễu khác nhau. Cũng có thêm 240 tần số ngẫu nhiên gây nhiễu được xếp vào mặt nạ sóng vô tuyến ngắn. Các con số ngẫu nhiên được đưa ra để thể hiện khả năng gây nhiễu tại các tần số. Hình 3.11 thể hiện mô hình môi trường nhiễu: HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 50 Hình 3.11 Mô hình môi trƣờng nhiễu Các bộ lọc số thường được xây dựng dựa trên các mô hình nhiễu này. Nhiễu màu có thể được tạo ra (thực hiện bằng mô phỏng) bằng cách đưa nhiễu trắng qua bộ lọc xuyên nhiễu. Với các hệ thống truyền dẫn dải tần tương đối hẹp chỉ chiếm một phần phổ tần số, mô hình nhiễu này có thể được nhân rộng với các bộ lọc lấy một dải tần số nào đó. Trong dải tần 40 đến 52 MHz, nhiễu xâm nhập gần bằng mức nhiễu nền là -40 dBµV. 3.8. Dung năng kênh Dung năng của cáp đồng trục được tính dựa trên mô hình cáp, mô hình xuyên nhiễu và mật độ phổ công suất tín hiệu truyền. Ta có thể dùng Phƣơng trình 3.13: Khi chọn f1=42MHz, f2= 52MHz. Với PSD từ 0 tới 50 dBµV ta có dung năng kênh như hình 3.12 HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 51 Hình 3.12 Dung năng kênh của dây dẫn cáp đồng trục trong nhà Tại mức tín hiệu phát min là 0 dBµV, dung năng kênh tại tần số trong dải từ 40 tới 52 MHz là nhỏ. Vì mức tín hiệu gần với mức nhiễu nền -40dBµV với suy hao kênh là -30dBµV. Thêm vào đó, nhiễu cũng làm giảm dung năng kênh. Mặt khác, khi tín hiệu cỡ 50 dBµV, dung năng kênh cỡ 60 Mbps. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 52 Chƣơng 4: KẾT QUẢ CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG Phần mềm em chọn để viết chương trình mô phỏng là phần mềm Matlab phiên bản 7.8 bởi vì trong chương trình đào tạo của ngành điện tử viễn thông trường đại học dân lập Hải Phòng, phần mềm matlab đã được giới thiệu và giảng dạy. Qua quá trình học tập, em nhận thấy phần mềm lập trình nàycó nhiều ưu điểm là thân thiện với người sử dụng,với cùng một ứng dụng nó có thể tiết kiệm thời gian và công sức hơn các chương trình khác. Hơn nữa matlab rất mạnh trong tính toán toán học và khả năng mạnh mẽ về đồ họa, qua đó có thể thiết kế riêng giao diện người dùng (GUI – Graphic User Intreface) để giải quyết các vấn đề riêng. Trong giao diện có thể xuất dữ liệu dưới 2 dạng văn bản và đồ họa. Mỗi một GUI có một hay nhiều diện mạo khác nhau. Việc tạo GUI tạo nên một công cụ đồ họa phục vụ nhập xuất dữ liệu một cách trực giác thuận tiện. Giao diện người dùng sẽ giúp có được cái nhìn trực quan và có thể hiểu sâu hơn về vấn đề được trình bày trong đồ án. Thông qua những phân tích, đánh giá phương trình dung năng kênh, em sẽ xây dựng các chương trình mô phỏng để tính toán dung năng kênh trong một số điều kiện cụ thể, loại môi trường cụ thể đôi với các loại cáp 3 cặp xoắn, 4 cặp xoắn, 5 cặp xoắn, cáp Quad-22, cáp FW-26, cáp đồng trục. Chương trình mô phỏng thể hiện các kết quả khảo sát dung năng kênh trực quan, rõ ràng hơn. Việc thay đổi các tham số trong chương trình mô phỏng là rất dễ dàng. Kết quả của việc thay đổi tham số này cũng sẽ được hiện thị luôn. Qua đó, giúp người dùng dễ dàng nhận ra sự tác động của việc thay đổi này. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 53 4.1. Giao diện chính Hình 4.1. Giao diện chính chƣơng trình mô phỏng Trong cửa sổ giao diện chính chương trình mô phỏng là hai loại phương tiện truyền dẫn sẽ được khảo sát dung năng kênh là cáp xoắn đôi và cáp đồng. Khi kích chuột vào loại phương tiện truyền dẫn muốn khảo sát dung năng kênh một cửa sổ giao diện mới sẽ xuất hiện và cửa sổ giao diện chính sẽ được đóng lại. 4.2. Giao diện mô phỏng dung năng kênh của cáp xoắn đôi HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 54 Hình 4.2. Giao diện mô phỏng dung năng kênh của cáp xoắn đôi Hình 4.2 thể hiện giao diện mô phỏng dung năng kênh của cáp xoắn đôi và dây dẫn trong nhà. Giao diện khảo sát dung năng kênh của cáp xoắn bao gồm cả khảo sát dung năng kênh dây dẫn trong nhà.Em gọi chung là khảo sát dung năng kênh của cáp xoắn. Chương trình khảo sát dung năng kênh của các loại cáp với chiều dài là 100m. Để khảo sát dung năng kênh của cáp xoắn, trước hết cần nhập số liệu cho các tham số suy hao của hằng số truyền dẫnγ(f) để tính được hàm truyền H(f). Từ đây ta sẽ tính toán dung năngkênh cho các loại hình cáp với một số băng thông tín hiệu. Chương trình sẽ tính dung năng kênh của các cáp 3 cặp xoắn, 4 cặp xoắn, 5 cặp xoắn, cáp Quad-22 và cáp FW-26 thông qua các thiếp lập tham số suy hao của các loại cáp là a và b, băng thông và loại nhiễu ảnh hưởng. Kết quả tính toán sẽ được mô phỏng trên đồ thị. Với a3 = 8.17 x 10-7 , b3 = 8.07 x 10-11 , a4 = 7.73 x 10-7 , b4 = 9.12 x 10- 12 , a5 = 7.26 x 10 -7 , b5 = 4.56 x 10 -12 , aq = 6.77 x 10 -7 , bq = 4.97 x 10 -11 , af = 9.17 x 10 -7 , bf = 4.87 x 10 -11 , băng thông 9kHz, và nhiễu nền -140dBm/Hz HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 55 vớitần số trung tâm lên đến 15MHz. Dung năng kênhtrong khoảng từ 260 đến 300kbps. Ta có kết quả như hình 4.3. Hình 4.3. Kết quả khảo sát dung năng kênh khi có nhiễu nền -140dBm/Hz với băng thông 9kHz Cũng với các tham số như trên,a3 = 8.17 x 10-7 , b3 = 8.07 x 10-11 , a4 = 7.73 x 10 -7 , b4 = 9.12 x 10 -12 , a5 = 7.26 x 10 -7 , b5 = 4.56 x 10 -12 , aq = 6.77 x 10 -7 , bq = 4.97 x 10 -11 , af = 9.17 x 10 -7 , bf = 4.87 x 10 -11 , nhiễu nền - 140dBm/Hz với tần số trung tâm lên đến 15MHz. Khi băng thông thay đổi lên đến 1MHz ta thu được kết quả dung năng kênh trong khoảng từ 26,5 đến 30,5 Mbps như hình 4.4. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 56 Hình 4.4. Kết quả khảo sát dung năng kênh khi có nhiễu nền -140dBm/Hz với băng thông 1MHz Cũng với các tham số như trên,a3 = 8.17 x 10-7 , b3 = 8.07 x 10-11 , a4 = 7.73 x 10 -7 , b4 = 9.12 x 10 -12 , a5 = 7.26 x 10 -7 , b5 = 4.56 x 10 -12 , aq = 6.77 x 10 -7 , bq = 4.97 x 10 -11 , af = 9.17 x 10 -7 , bf = 4.87 x 10 -11 , nhiễu nền - 140dBm/Hz với tần số trung tâm lên đến 15MHz. Khi băng thông thay đổi lên đến 10MHz ta thu được kết quả dung năng kênh trong khoảng từ 205 đến 165 Mbps như hình 4.5 HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 57 Hình 4.5. Kết quả khảo sát dung năng kênh khi có nhiễu nền -140dBm/Hz với băng thông 10MHz Ta có thể dễ dàng nhận thấy ảnh hưởng của nhiễu nền tới dung năng kênh của cáp xoắn khi băng thông thay đổi. Băng thông càng lớn sự suy giảm dung năng kênh càng nhanh khi ở tần số cao. Với a3 = 8.17 x 10-7 , b3 = 8.07 x 10-11 , a4 = 7.73 x 10-7 , b4 = 9.12 x 10- 12 , a5 = 7.26 x 10 -7 , b5 = 4.56 x 10 -12 , aq = 6.77 x 10 -7 , bq = 4.97 x 10 -11 , af = 9.17 x 10 -7 , bf = 4.87 x 10 -11 , băng thông 9kHz, tần số trung tâm lên đến 15 MHz. Xuất hiện một loạt các dạng dung năng kênhkhác nhau giữa các loại cáp và dây dẫn trong nhà ở các tần số khác nhau. Dung năng kênhcủa loại cáp 5 cặp xoắn là hơn 100 kbps, và dung năng kênh của dây dẫn trong nhàQuad và Flatnhỏ hơn 10 kbps ở tần số 15 MHz. Ta có kết quả như hình 4.6. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 58 Hình 4.6. Kết quả khảo sát dung năng kênh khi có nhiễu đầu gần NEXT Cũng với các tham số như trên, khi băng thông thay đổi lên đến 1MHz, a3 = 8.17 x 10 -7 , b3 = 8.07 x 10 -11 , a4 = 7.73 x 10 -7 , b4 = 9.12 x 10 -12 , a5 = 7.26 x 10 -7 , b5 = 4.56 x 10 -12 , aq = 6.77 x 10 -7 , bq = 4.97 x 10 -11 , af = 9.17 x 10 -7 , bf = 4.87 x 10 -11 , băng thông 1 MHz, tần số trung tâm lên đến 15 MHz ta thu được kết quả dung năng kênh trong khoảng từ 5 đến 25 Mbps như hình 4.7. Hình 4.7. Kết quả khảo sát dung năng kênh khi có nhiễu đầu gần NEXT HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 59 Cũng với các tham số như trên, khi băng thông thay đổi lên đến 1MHz, a3 = 8.17 x 10 -7 , b3 = 8.07 x 10 -11 , a4 = 7.73 x 10 -7 , b4 = 9.12 x 10 -12 , a5 = 7.26 x 10 -7 , b5 = 4.56 x 10 -12 , aq = 6.77 x 10 -7 , bq = 4.97 x 10 -11 , af = 9.17 x 10 -7 , bf = 4.87 x 10 -11 , băng thông 10MHz, tần số trung tâm lên đến 15 MHz ta thu được kết quả dung năng kênh trong khoảng 252 đến 260 MHz như hình 4.8. Hình 4.8. Kết quả khảo sát dung năng kênh khi có nhiễu đầu gần NEXT Ảnh hưởng của NEXT thường cao hơn nhiễu nền. NEXT sẽ tăng khi tần số càng cao. Dưới ảnh hưởng của nhiễu đầu gần NEXT dung năng kênh không có sự suy giảm quá nhanh như ảnh hưởng của nhiễu nền. Qua một vài kết quả trên, ta nhận thấy cáp loại 5 cặp xoắn tốt hơn các loại cáp còn lại. Dung năng kênh cao và khả năng chống nhiễu tốt. 4.3. Giao diện mô phỏng dung năng kênh của cáp đồng trục HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 60 Hình 4.9. Giao diện mô phỏng dung năng kênh của cáp đồng trục Chương trình mô phỏng khảo sát dung năng kênh của cáp đồng trục dựa vào mô hình cáp, mô hình xuyên nhiễu và mật độ phổ công suất tín hiệu truyền. Mô hình nối 3 tivi dùng 2 bộ chia và bốn đoạn cáp đồng trụcnối từ TV A tới TV C như hình 4.10. Mô hình kênh được thiết lập bằng cách phân tầng các ma trận tham số ABCD của các đoạn cáp 100 feet, 25 feet và 35 feet. Ma trận tham số ABCD sau đó được chuyển đổi thành suy hao trung gian và đáp ứng xung. Hình 4.10. Mô hình phân chia cáp đồng trục HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 61 Mô hình môi trường nhiễu được chuẩn hóa sẽ tác động đến dung năng kênh của cáp đồng trục như hình 4.11. Hình 4.11. Mô hình chuẩn hóa môi trƣờng nhiễu Hình 4.5 thể hiện dung năng kênh của cáp đồng trục. Chương trình sẽ tính dung năng kênh của cáp đồng trục thông qua các thiếp lập tham số. Kết quả tính toán sẽ được mô phỏng trên đồ thị. Với các tham số l1 = 100 feet, l2 = 35 feet, l3 = 25 feet, z0 = 75Ω, z1 = 75Ω và PSD từ 0 tới 50 dBµVta có được kết quả mô phỏng như hình 4.12. Dung năng kênh nằm trong khoảng 5 đến dưới 6 Mbps. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 62 Hình 4.12. Kết quả mô phỏng dung năng kênh. Với mô hình nhiễu đã được chuẩn hóa và PSD từ 0 đến 50 dBµV, khi thay đổi chiều dài cáp l1 = 50 ft, l 35 feet, l3 = 25 feet, z0 = 75Ω, z1 = 75Ω. Ta thu được kết quả như hình 4.13. Khi mức tín hiệu truyền tăng cao, độ dài cáp ngắn hơn thì dung năng kênh cao hơn. Ở mức tính hiệu truyền thấp, dung năng kênh không có nhiều khác biệt. Hình 4.13. Kết quả mô phỏng khi thay đổi l1 = 50ft HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 63 Với các tham số l1 = 100 feet, l2 = 35 feet, l3 = 25 feet, z0 = 75Ω, z1 = 50Ω và PSD từ 0 tới 50 dBµV. Ta thu được kết quả như hình 4.14. Hình 4.14. Kết quả dung năng kênh khi phối hợp trở kháng z1 = 50Ω Với các tham số l1 = 100 feet, l2 = 35 feet, l3 = 25 feet, z0 = 75Ω, z1 = 10Ω và PSD từ 0 tới 50 dBµV. Ta thu được kết quả như hình 4.15. Hình 4.15. Kết quả dung năng kênh khi phối hợp trở kháng z1 = 10Ω HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 64 Khi phối hợp trở kháng có sự thay đổi lớn nằm ngoài khoảng cho phép, dung năng kênh cũng có sự thay đổi rất lơn ngay cả khi mức tín hiệu truyền thấp. Rõ ràng việc phối hợp trở kháng rất quan trong quá trình chia nhánh cáp đồng trục. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 65 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRỂN ĐỀ TÀI Với đồ án này, em đã tìm hiểu về một số loại phương tiện truyền dẫn phục vụ cho hệ thống mạng trong nhà, cụ thể là cáp xoắn và cáp đồng trục.Thực hiện phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn: thông số của cáp, các loại nhiễu và mô hình nhiễu từ đó tiến hành khảo sát dung năng kênh của loại phương tiện truyền dẫntrong một số điều kiện cụ thể, loại môi trường cụ thể. Qua đó, có được cái nhìn tổng quát về các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống mạng trong nhà. Qua quá trình nghiên cứu,em hiểu sâu thêm về khái niệm cũng như khả năng, cách thức truyền của từng loại hình kênh, nhờ đó có thể vận dụng vào thực tế cũng như hiểu sâu thêm về khối kiến thức kênh truyền, một trong số những phần kiến thức quan trọng của ngành điện tử viễn thông. Đề tài có thể tiếp tục phát triển mở rộng đối tượng nghiên cứu như: Ethernet, FireWire, sóng vô tuyến, mạng không dâyhay khảo sát dung năng kênh trong nhiều điều kiện khác nhau, môi trường khác nhau. Từ đề tài nghiên cứu này có thể phát triển thêm thành các bộ modul mô phỏng để kiểm tra, ghép nối, so sánh các loại kênh truyền. Đây là những hướng phát triển tiếp tục của đề tài sau này. HỆ THỐNG MẠNG TRONG NHÀ 66 Tài liệu tham khảo 1. Walter Y.Chen (2003), Home Network Basic 2. Các trang web tham khảo