Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 11 Cánh diều mới Bài 2: Truyền tín hiệu

Mở đầu: Tín hiệu thông tin có vai trò then chốt trong truyền thông. Trước đây, các tín hiệu tương tự đã được sử dụng trong nhiều hệ thống thông tin. Hiện nay, do có nhiều ưu điểm nên truyền dữ liệu dưới dạng các tín hiệu số ngày càng chiếm ưu thế trong truyền thông.

Truyền dữ liệu dưới dạng số có ưu điểm gì so với truyền dữ liệu dưới dạng tương tự?

Hướng dẫn trả lời: 

Những ưu điểm của dữ liệu khi được truyền đi dưới dạng số:

- Có thể truyền đi được xa với sự tái tạo thường xuyên mà không bị suy giảm

- Tương thích với công nghệ hiện đại, có thể được lưu trữ, xử lí dễ dàng

- Mạch điện tử kĩ thuật số có mức độ đáng tin cậy hơn và giá thành rẻ hơn mạch tương tự.

- Dữ liệu bổ sung có thể được thêm vào các đường truyền, những dữ liệu bổ sung này là mã cho hệ thống nhận để có thể kiểm tra và sửa chữa tín hiệu đã truyền trước khi được tái tạo cuối cùng.

I. Ưu điểm của truyền tín hiệu số

Câu hỏi 1: Đại lượng tương tự là đại lượng có thể có bất kì giá trị nào trong miền giá trị của nó. Nêu ví dụ đại lượng tương tự.

Hướng dẫn trả lời: 

Đại lượng tương tự: dòng điện, điện áp

Câu hỏi 2: Đại lượng số chỉ có một vài giá trị (thường chỉ có hai giá trị). Nêu ví dụ đại lượng số.

Hướng dẫn trả lời: 

Đại lượng số: các mã nhị phân

Luyện tập 1: Nêu ví dụ về tín hiệu tương tự và tín hiệu số.

Hướng dẫn trả lời: 

Ví dụ tín hiệu tương tự: giọng nói, tiếng hát, âm thanh, truyền hình đen trắng phát vào thập niên 90, tín hiệu truyền trên đường dây cáp đồng nối điện thoại cố định với tổng đài.

Ví dụ tín hiệu số: truyền hình kĩ thuật số hiện đại

Câu hỏi 3: Ở trung học cơ sở, bạn đã biết người ta chỉ dùng hai kí hiệu “0” và “1” để biểu diễn số trong máy tính, gọi là số nhị phân. Mọi dữ liệu trong máy tính đều là dãy bit. Bit chỉ có thể nhận một trong hai trạng thái 0 hoặc 1. Ví dụ, số 6 được biểu diễn dưới dạng số nhị phân 3-bit là 110.

Hãy biểu diễn số 9 và số 10 thành các số nhị phân 4-bit.

Hướng dẫn trả lời: 

Số 9 biểu diễn thành số nhị phân 4-bit: 1001

Số 10 biểu diễn thành số nhị phân 4-bit: 1010

II. Chuyển đổi tương tự - số và số - tương tự

Luyện tập 2: Từ những ưu điểm của truyền tín hiệu số so với truyền tín hiệu tương tự, hãy thảo luận để rút ra: Sự truyền giọng nói hoặc âm nhạc liên quan đến chuyển đổi tương tự – số (ADC) trước khi truyền và chuyển đổi số – tương tự (DAC) khi nhận.

Hướng dẫn trả lời: 

Khi muốn truyền giọng nói hoặc âm nhạc từ nơi này đến nơi khác, người ta thực hiện chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số (ADC) nhờ kĩ thuật PCM. Các tín hiệu số sau đó được mã hoá thành các xung điện hoặc được biến điệu trên các sóng mang có tần số cao để truyền qua các kênh truyền như không khí hoặc dây cáp đến nơi nhận. Tại đây, quá trình chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự (DAC) sẽ được sử dụng để khôi phục lại dạng tín hiệu gốc ban đầu.

Câu hỏi 4: Lấy mẫu là gì?

Hướng dẫn trả lời: 

Trong chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC), cần đo tín hiệu tương tự trong các khoảng thời gian đều đặn, quá trình đó gọi là lấy mẫu.

III. Suy giảm tín hiệu

Luyện tập 3: Một tín hiệu có công suất đầu vào là P$_{1}$ = 5,0 mW và công suất đầu ra là P$_{2}$ = 0,0002 mW. Xác định độ suy giảm tín hiệu tính bằng dB.

Hướng dẫn trả lời: 

Độ suy giảm tín hiệu: $10log(\frac{P_{1}}{P_{2}})=10log(\frac{5.10^{-3}}{0,0002})\approx 14dB$

Vận dụng: Hình 2.6 là đồ thị biểu diễn một tín hiệu số ở đầu và ở cuối một đường truyền tín hiệu.

a) Đặc điểm nào của đồ thị này cho biết tín hiệu được truyền là tín hiệu số.

b) Nêu và giải thích ưu điểm của truyền dữ liệu số so với truyền dữ liệu tương tự.

c) Nêu và giải thích hai nguyên nhân khiến tín hiệu ở cuối đường truyền khác với tín hiệu ở đầu.

Hướng dẫn trả lời: 

a) Các giá trị điện áp được chia thành 2 mức, rời rạc là đặc điểm cho biết tín hiệu được truyền là tín hiệu số.

b) Ưu điểm của truyền dữ liệu số so với truyền dữ liệu tương tự

- Chất lượng dữ liệu cao hơn

- Tín hiệu ít bị nhiễu

- Thiết bị có giá cả thấp hơn, dễ di chuyển

- Tín hiệu có thể được nén dễ dàng và có thể mã hoá

- Dễ dàng truyền tải qua mạng.

c) Tín hiệu ở cuối trường truyền có sự sai khác là do sự suy giảm tín hiệu, nguyên nhân có thể do bị nhiễu tín hiệu trong quá trình truyền, sự mất mát năng lượng trong quá trình truyền.