Môi trường truyền dẫn · nguyên nhân suy giảm · độ lợi và độ suy hao theo đơn vị dB
Phân loại môi trường truyền dẫn hữu tuyến/vô tuyến; phân tích nguyên nhân suy giảm tín hiệu trong cáp kim loại, sợi quang và không gian tự do; hiểu công suất phát – thu và đơn vị bel, decibel, dB/km.
Tính và giải thích độ lợi có dấu, độ suy hao dương; đọc đồ thị công suất theo chiều dài cáp; lựa chọn giải pháp truyền dẫn có căn cứ và nêu giới hạn của mô hình giản lược.
Cách học: Dự đoán → nghiên cứu môi trường truyền dẫn → tính dB → kiểm thử mô hình → đưa ra giải pháp.
Môi trường truyền dẫn mang thông tin từ bên phát đến bên thu. Với tín hiệu truyền thông, có thể phân thành hữu tuyến (cáp kim loại, cáp quang) và vô tuyến (sóng điện từ lan truyền qua không gian).
Cáp xoắn đôi, đồng trục mang tín hiệu điện; sợi quang mang tín hiệu quang. Suy giảm phụ thuộc vật liệu, tần số/bước sóng, chiều dài, nhiệt độ và cấu hình mối nối.
Sóng điện từ lan truyền qua không gian; công suất thu bị ảnh hưởng bởi khoảng cách, hướng ăng-ten, vật cản, phản xạ, giao thoa đa đường và điều kiện môi trường.
Suy giảm tín hiệu là hiện tượng năng lượng/công suất tín hiệu nhận được giảm khi truyền dẫn do các cơ chế tổn hao và phân bố năng lượng. Nhiễu có thể đồng thời làm giảm khả năng phân biệt thông tin ngay cả khi công suất tín hiệu chưa giảm nhiều.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị |
|---|---|---|
| \(P_1\) | Công suất tại đầu vào | W hoặc mW |
| \(P_2\) | Công suất tại đầu ra | cùng đơn vị với P₁ |
| \(G_{\mathrm{dB}}\) | Độ lợi (âm khi suy giảm) | dB |
Điều kiện: Hai công suất phải là đại lượng dương, so sánh trên cùng trở kháng/điều kiện đo phù hợp. Nếu P₂ < P₁ thì G là số âm.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị |
|---|---|---|
| \(A_{\mathrm{dB}}\) | Độ suy hao (dương khi suy giảm) | dB |
| \(P_1,P_2\) | Công suất đầu vào, đầu ra | W hoặc mW |
Điều kiện: Dùng khi P₂ > 0; A > 0 nghĩa là suy giảm công suất. Không nhầm dấu của G với A.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị |
|---|---|---|
| \(\alpha\) | Hệ số suy hao trên chiều dài | dB/km |
| \(\ell\) | Chiều dài tuyến cáp | km |
| \(A_{\mathrm{dB}}\) | Tổng suy hao của chính đoạn cáp | dB |
Điều kiện: Giả sử α không đổi theo đoạn cáp, tần số và nhiệt độ xác định; chưa bao gồm suy hao mối nối, đầu nối hay khuếch đại.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị |
|---|---|---|
| \(P_1\) | Công suất đầu vào | W hoặc mW |
| \(P_2\) | Công suất đầu ra | cùng đơn vị với P₁ |
| \(A_{\mathrm{dB}}\) | Độ suy hao của tuyến | dB |
Điều kiện: Công thức đổi dB về tỉ số công suất trong tuyến thụ động có A ≥ 0; với bộ khuếch đại cần xét thêm độ lợi.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị |
|---|---|---|
| \(P\) | Công suất cần biểu diễn | mW |
| \(P_{\mathrm{dBm}}\) | Mức công suất so với 1 mW | dBm |
Điều kiện: Đây là mức công suất tuyệt đối quy về 1 mW, không phải cùng ý nghĩa với dB (tỉ số). Chỉ lấy logarit khi P > 0.
Đầu vào tuyến có công suất 2 mW, đầu ra 0,5 mW. Tỉ số công suất bằng 0,25. Do đó \(G_{\mathrm{dB}}=10\log_{10}(0{,}25)\approx-6{,}02\,\mathrm{dB}\). Vậy độ suy hao là \(A_{\mathrm{dB}}\approx+6{,}02\,\mathrm{dB}\). Cùng hiện tượng, hai quy ước dấu khác nhau.
Mô hình giả định một sợi quang dài 12 km có hệ số suy hao 0,4 dB/km, bỏ qua mối nối. Tổng suy hao là 4,8 dB. Với công suất đầu vào 1 mW, công suất đầu ra \(P_2=1\times10^{-4{,}8/10}\approx0{,}331\,\mathrm{mW}\).
Dự đoán kết quả trước khi thay đổi tham số; ghi rõ giả thiết, đọc kết quả và rút ra kết luận. Các dữ liệu là mô hình giáo dục, không phải đo kiểm tuyến truyền thông thực tế.
Dự đoán: Khi nối hai tòa nhà bằng tuyến dài, môi trường nào phù hợp và vì sao?
Giới hạn: Không thể kết luận môi trường “tốt nhất” khi chưa biết khoảng cách, băng thông, chi phí, nhiễu và môi trường lắp đặt.
Dự đoán: Nếu chiều dài tăng gấp đôi trong cùng điều kiện, độ suy hao dB và tỉ số công suất thay đổi như thế nào?
| Lượt | Chiều dài (km) | α (dB/km) | P₁ (mW) | A (dB) | P₂ (mW) |
|---|---|---|---|---|---|
| Chưa ghi số liệu | |||||
Giả thiết: α không đổi trên tuyến; chỉ tính suy hao trong cáp, không cộng mối nối, không có bộ khuếch đại. Giá trị α là giả định cho mục đích học tập, không gán cố định cho mọi loại cáp.
Dự đoán: Bộ tái tạo tín hiệu có khôi phục được đúng dữ liệu khi đầu thu đã quyết định sai một bit?
Giả thiết: Tín hiệu số được biểu diễn bằng 0 V/1 V, lấy một mẫu trong mỗi khoảng bit, ngưỡng cố định và nhiễu hình sin giả định. Đây không phải mô hình toàn bộ hệ thu vô tuyến. Bộ tái tạo chỉ tạo mức 0/1 từ bit đã quyết định, không tự sửa bit sai.
Dụng cụ: bộ thử cáp/thiết bị đo tín hiệu được giáo viên cho phép, các đoạn cáp khác chiều dài, sổ ghi dữ liệu. Không tự thao tác thiết bị điện lưới hoặc đầu phát công suất cao.
Giới hạn: Mô hình trên web chỉ hỗ trợ phân tích định lượng; số liệu đo thực phải lấy từ thiết bị phù hợp, không thay bằng số liệu giả lập.
Sáu nhánh liên kết môi trường, nguyên nhân, công thức dB và giải pháp. Bấm sơ đồ để phóng to hoặc xem dạng danh sách.
10 dB suy hao nghĩa là công suất chỉ còn một phần mười, trong khi 20 dB chỉ còn một phần trăm. Giá trị dB có thể cộng dọc các chặng truyền nối tiếp nếu tất cả đều biểu diễn tỉ số công suất nhất quán.
Tham khảo kiến thức: SGK Chuyên đề học tập Vật lí 11 – KNTT, Bài 6, tr. 38–43; các ví dụ và mô hình do HAT biên soạn.