Bài giảng "Xử lý tín hiệu băng gốc và ghép kênh trong hệ thống truyền dẫn" - Th.s Phan Thanh Hièn doc

„ Do đó, trong các hệ thống truyền dẫn analog việc ghép nhiều kênh liên lạc thường được thực hiện theo phương pháp ghép kênh theo tần số... „ Phương pháp cổ điển thứ hai, tất cả các tín

GHÉP KÊNH TRONG HỆ THỐNG

TRUYỀN DẪN

„ § 1 Giới thiệu chung

„ § 2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM

„ § 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian TDM

„ 4.1 Theo PDH.

„ 4.2 Theo SDH.

„ § 5 Ghép kênh tín hiệu băng rộng

Nội dung trình bày:

§ 1 Giới thiệu chung

nhiều nguồn thông tin cùng sử dụng được gọi là ghép kênh

kênh cơ bản:

Multiplexing), trong đó băng tần truyền dẫn của hệ thống được chia thành nhiều băng con hình thành nhiều kênh liên lạc phân biệt với nhau về tần số

§ 1 Giới thiệu chung

trong đó thời gian sử dụng đường truyền dẫn được chia thành các phần khác nhau gọi là các khe thời gian và việc truyền đưa tin tức

từ các nguồn tin khác nhau được thực hiện trong các khe thời

gian riêng biệt

Multiplexing), trong đó mỗi tín hiệu được điều chế ở một bước sóng ánh sáng, sau đó nhiều bước sóng khác nhau được truyền cùng trên một sợi quang

§ 1 Giới thiệu chung

áp dụng cho các tín hiệu analog

„ Tuy nhiên, các tín hiệu analog thường xem được là có phổ tương đối hạn chế Thêm vào đó, việc chuyển phổ của các tín hiệu

analog lên các băng tần đường dây và sắp xếp chúng phân biệt

nhau về giải tần có thể thực hiện được một cách dễ dàng

„ Do đó, trong các hệ thống truyền dẫn analog việc ghép nhiều kênh liên lạc thường được thực hiện theo phương pháp ghép kênh theo tần số

D a

D b

MUX

D E M U X

1 đường chia sẻ : rate D

§ 1 Giới thiệu chung

„ Tín hiệu số có một đặc điểm cơ bản là các xung tín hiệu

có thời gian tồn tại hữu hạn Thời gian tồn tại của từng phần tử chỉ phụ thuộc vào độ rộng xung

tín hiệu, có thể chia khung tín hiệu thành một số khe thời gian và ghép một số xung tín hiệu từ một số nguồn tin sốvào cùng một khung tín hiệu

§ 2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số

FDM: Frequency Division Multiplexing

§ 2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số

FDM: Frequency Division Multiplexing

Mod 1 Bộ lọc1 0,3 3,4

F 1 Mod 2 Bộ lọc2 0,3 3,4

F 2 Mod 3 Bộ lọc3 0,3 3,4

F3

0,3 3,4 DeMod

1 F1

Bộ lọc1

0,3 3,4 DeMod

2 F2

Bộ lọc2

0,3 3,4 DeMod

3 F3

Bộ lọc3

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý ghép kênh theo tần số

Đầu ra của các bộ điều chế được hai băng sóng như hình:

„ Băng bên trên (F+f), băng dưới (F-f)

„ Sau đó cho qua các bộ lọc, lọc lấy một băng (hoặc là băng trên hoặc là băng dưới) và đưa lên đường dây và truyền dẫn đến đối phương

§ 2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số

FDM: Frequency Division Multiplexing

0,3 3,4 F-3,4 F-0,3 F F+0,3 F+3,4 f Hình 3.2: Tần phổ của đường dây

§ 2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số

FDM: Frequency Division Multiplexing

để đưa thông tin lên thành phần tần số cần thiết và truyền các thành phần tần số này

„ Phía thu sẽ lọc lấy tần số của mình, sau đó đổi tần để thu được

thông tin ban đầu

1, cấp 2, cấp 3; siêu nhóm và siêu siêu nhóm

§ 2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số

FDM: Frequency Division Multiplexing

dải tần từ 60kHz đến 108kHz (thành phần biên trên), có độ rộng: 4x

12 = 48 (kHz)

0 48 60 108 120 216 (KHz)

Hình 3.3b: Phân bố sản phẩm số hạng thứ hai

§ 2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số

FDM: Frequency Division Multiplexing

F-f M

64+4n f

§ 2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số

FDM: Frequency Division Multiplexing

Nhận xét:

một lúc trên kênh truyền

„ Truyền dẫn tín hiệu trên kênh là tương tự >> chống nhiễu kém; suy hao lớn;

„ Nhiễu xuyên âm (tần số); giao thoa về tần số: nfc1 ± mfc2 Số kênh ghép hạn chế do cần khoảng bảo vệ tần số (FG: frequency Guard)

§ 2 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM: Frequency Division Multiplexing

3.1 Cơ sở ghép kênh theo thời gian:

kênh thông tin, thường sử dụng một trong hai phương pháp cổ điển để liên kết hai tín hiệu riêng rẽ này

„ Phương pháp thứ nhất là ghép kênh theo tần số

„ Phương pháp cổ điển thứ hai, tất cả các tín hiệu đều có cùng tần

số nhưng chiếm khoảng thời gian khác nhau trong dải thời gian,

đó chính là ghép kênh theo thời gian

§ 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian

TDM: Time Division Multiplexing

„ Để thực hiện việc này, mỗi tín hiệu tương tự được lấy mẫu tại các thời điểm khác nhau và xung lấy mẫu mang thông tin về biên độ của mỗi tín hiệu riêng được phát lên đường dây.

xung điều biên tuần hoàn bắt nguồn từ một tín hiệu khác nhau

„ Điều này có thể thực hiện được, vì bề rộng xung lấy mẫu của tín hiệu 1 ngắn hơn nhiều so với thời gian trôi qua cho đến trước khi tín hiệu 1 được lấy mẫu lần nữa

§ 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian

3.1 Cơ sở ghép kênh theo thời gian

TDM – Time Division Multiplexing

TDM:

-Nhiều dòng số liệu được gửi tại các khoảng thời gian

khác nhau trên một tuyến truyền dẫn

-Tốc độ đường truyền phải lớn hơn tổng tốc độ các dòng bit

thành phần

-Dữ liệu lần lượt truyền trong thời gian ngắn

-Được sử dụng rộng rãi trong mạng thông tin số

CompA1

CompB1

CompC1

CompA2 CompB2 CompC2

MUX

D E M U X

… C1 B1 A1 C1 B1 A1 …

NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO THỜI GIAN

NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO THỜI GIAN

2 3 4

Xung đồng

bộ khung

Bộ chuyển mạch

Hệ thống truyền dẫn

1

2

3 4

2 3

1 5 4

Tách xung đồng

bộ khung

Bộ phân phối

Hình vẽ: Hệ thống TDM 4 kênh

§ 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian 3.1 Cơ sở ghép kênh theo thời gian

NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH

Mạch mô phỏng quá trình ghép kênh

1 2

3 4

F

1 2

3 4

F

1 2

3 4 F

V

t Hình vẽ: Dạng sóng của hệ thống

TDM 4 kênh

Ghép TDM 4 kênh (các xung PAM).

„ Trong đó: F là xung đồng bộ khung, đây cũng là thời điểm bắt đầu của khung sau và là thời điểm kết thúc của khung liền

gọi là bộ phân phối.

§ 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian

3.1 Cơ sở ghép kênh theo thời gian

chặt chẽ

theo bít (theo mẫu)

„ Quá trình đồng bộ cũng cho phép đồng bộ thiết bị phát và thu khi các tín hiệu thời gian trong hai thiết bị có cùng tốc độtrung bình

„ Đồng hồ tạo ra các xung thời gian để điều khiển các chức năng khác nhau và điều khiển tốc độ bít cho mục đích truyền dẫn

hoạt động cùng tốc độ Để nhận tín hiệu được chính xác, thiết

bị thu thường nhận sự định thời từ luồng bít số thu được

§ 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian 3.1 Cơ sở ghép kênh theo thời gian

„ Việc nhận sự định thời từ luồng bít số thu được đảm bảo cho hai thiết bị thu và phát hoạt động ở cùng tốc độ trung bình và có thể xem như đã đồng bộ

thuộc vào đồng hồ mạch thu để tạo ra sự đồng bộ giữa phần phát

và thu trên đường truyền dẫn

„ Thiết bị thu tách thông tin thời gian từ luồng bít số đưa đến nhờcác mạch khôi phục đồng bộ

§ 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian

3.1 Cơ sở ghép kênh theo thời gian

„ Trong luồng tín hiệu số: các từ mã được gộp lại với các bít báo hiệu và các bít đồng bộ khung

chúng tạo thành một cấu trúc lặp, nó cho phép thiết bị đầu cuối nhận dạng chính xác mỗi bít hoặc khe thời gian và phân chia luồng tín hiệu số đến thành các tín hiệu thành phần

„ Các tín hiệu thành phần sau đó đi đến kênh ra tương ứng

§ 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian

3.1 Cơ sở ghép kênh theo thời gian

và các bít tin gọi là một khung

khe thời gian

„ Nếu thiết bị thu phát hiện được từ mã đồng bộ khung tại vị trí đã biết trước tức là có đồng bộ và nó tiếp tục làm việc ở chế độ đóng

„ Nếu sau vị trí đó qua nhiều khe thời gian không phát hiện được

từ mã đồng bộ thì thiết bị đầu cuối cho rằng đồng bộ khung bịmất

§ 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian

3.1 Cơ sở ghép kênh theo thời gian

„ Quá trình tìm kiếm từ mã đồng bộ của phía thu bằng cách trượt từng khe thời gian cho đến khi phát hiện được từ mã đó Sau đó

nó chuyển sang phương thức kiểm tra để khẳng định từ mã đồng bộ xuất hiện vài lần ở đúng vị trí mong muốn trước khi chuyển sang phương thức đóng

cấu trúc của từ mã được lựa chọn phải có xác suất ngẫu nhiên xuất hiện trong dãy thông tin là bé nhất

§ 3 Kỹ thuật ghép kênh theo thời gian

3.1 Cơ sở ghép kênh theo thời gian

MÃ ĐƯỜNG TRUYỀN TRONG HỆ

THỐNG TRUYỀN DẪN

„ Tốc độ dữ liệu (data rate)

„ Tốc độ truyền dẫn dữ liệu theo bps (bit per second)

„ Độ rộng (chiều dài 1 bit)

„ Thời gian (thiết bị phát) dùng để truyền 1 bit

„ Tốc độ mức tín hiệu thay đổi

„ Đơn vị là baud = số phần tử tín hiệu trong 1 giây

„ Tương ứng với 1 và 0 nhị phân

Polar Encoding

Nonreturn to zero (NRZ)

„ Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

„ 2 mức điện áp khác nhau cho bit 1 và bit 0

„ Điện áp không thay đổi (không có transition) khi không có sự thay đổi tín hiệu

„ Điện áp thay đổi (có transition) khi có sự thay đổi tín hiệu (từ 0→1 hoặc từ 1→0)

„ Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)

„ NRZI cho các bit 1

„ Dữ liệu được mã hóa căn cứ vào việc có hay không sự thay đổi tín hiệu ở đầu thời khoảng bit.

„ Bit 1: được mã hóa bằng sự thay đổi điện áp (có transition)

„ Bit 0: được mã hóa bằng sự không thay đổi điện áp (không có transition)

Nonreturn to Zero (NRZ)

„ Dữ liệu được biểu diễn bằng việc thay đổi tín hiệu (thay vì bằng mức tín hiệu)

„ Nhận biết sự thay đổi dễ dàng hơn so với nhận biết mức

„ Trong các hệ thống truyền dẫn phức tạp, cảm giác cực tính

„ Dùng trong việc ghi băng từ

„ Ít dùng trong việc truyền tín hiệu

„ Bit-1 được biểu diễn bằng xung

dương hay xung âm

„ Các xung 1 thay đổi cực tính xen

kẽ

„ Không mất đồng bộ khi dữ liệu là

một dãy 1 dài (dãy 0 vẫn bị vấn đề

„ 0 được biểu diễn bằng xung dương

âm xen kẽ nhau

„ Không có ưu điểm và nhược điểm

The 0s are positive and negative alternately

Amplitude

Time

„ Trade Off

„ Không hiệu quả bằng NRZ

„ Mỗi phần tử t/h chỉ biểu diễn 1 bit

ƒ Hệ thống 3 mức có thể biểu diễn log23 = 1.58 bit

„ Bộ thu phải có khả năng phân biệt 3 mức (+A, -A, 0)

„ Cần thêm khoảng 3dB công suất để đạt được cùng xác suất bit lỗi

Multilevel Binary

Biphase

„ Thay đổi ở giữa thời khoảng bit

„ Thay đổi được dùng như tín hiệu đồng bộ dữ liệu

„ Thay đổi giữa thời khoảng bit chỉ dùng cho đồng bộ

„ Thay đổi đầu thời khoảng biểu diễn 0

„ Không có thay đổi ở đầu thời khoảng biểu diễn 1

„ Không có thành phần một chiều

„ Phát hiện lỗi

ƒ Khi thiếu sự thay đổi mong đợi

Biphase

Polar Encoding

Bài tập

Bài tập

„ Dùng kỹ thuật scrambling để thay thế các chuỗi tạo ra hằng số điện áp

„ Phải tạo ra đủ sự thay đổi tín hiệu, dùng cho việc đồng bộ hóa

„ Phải được nhận diện bởi bộ thu và thay thế trở lại chuỗi ban đầu

„ Cùng độ dài như chuỗi ban đầu

„ Không tạo ra chuỗi dài các tín hiệu mức 0

B8ZS

„ Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là dương,

mã thành 000+–0–+

„ Nếu có 8 số 0 liên tiếp và xung điện áp cuối cùng trước đó là âm, mã thành 000–+0+–

„ Có thể lầm lẫn với tác động gây ra bởi nhiễu

„ Bộ thu phát hiện và diễn giải chúng thành 8 số 0 liên tiếp

B8ZS

HDB3

HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)

„ Chuỗi 4 số 0 liên tiếp được thay thế theo quy luật như sau

HDB3

Bài tập

Bài tập

So sánh các phương pháp mã hóa

„ Phổ tín hiệu

„ Việc thiếu thành phần tần số cao làm giảm yêu cầu về băng thông

„ Tập trung công suất ở giữa băng thông

„ Đồng bộ bộ thu và bộ phát

„ Tín hiệu đồng bộ ngoại vi

„ Cơ chế đồng bộ dựa trên tín hiệu

„ Có thể được tích hợp trong cơ chế mã hóa

„ Điều biên: Amplitude-Shift Keying (ASK)

„ Điều tần: Frequency-Shift Keying (FSK)

„ Điều pha: Phase-Shift Keying (PSK)

Digital → Analog

Analog and digital transmission

Analog data Analog signal Digital signalDigital

data

Analog signal

Digital signal

Digital → Analog

ASK

QAM

KỸ THUẬT ĐiỀU CHẾ TRONG HỆ

THỐNG TRUYỀN DẪN

Điều biên (ASK)

(thông thường một biên độ bằng 0)

„ Phương pháp này chỉ phù hợp trong truyền số liệu tốc độ thấp

(~1200bps trên kênh truyền thoại)

tiếp đang được sử dụng

1)

f

A t

Điều biên (ASK)

Điều biên (ASK)

Điều tần (FSK) – Binary FSK (BFSK)

„ Sử dụng hai tần số sóng mang: tần số cao tương ứng mức 1, tần sốthấp tương ứng mức 0

„ Ít lỗi hơn so với ASK

2 cos(

1 )

f A

binary t

f

A t

s

c

c

θ π

θ π

Điều tần (FSK) – Binary FSK (BFSK)

Điều tần (FSK) – Multiple (FSK)

Điều pha (PSK)

„ PSK vi phân (differential PSK) – thay đổi pha tương đối so với

sóng trước đó (thay vì so với sóng tham chiếu cố định)

„ Cho phép mã hóa nhiều bit trên mỗi thay đổi tín hiệu sóng mang (Phase Amplitude Modulation)

2400bps (2 bits per phase change - CCITT V.26) hoặc 4800bps (3 bits encoding per phase change - CCITT V.27) hoặc 9600bps (4 bits encoding per phase/amplitude change)

2 cos(

1 )

f A

binary t

f

A t

elements signal

different of

number :

L

element signal

per bits of number :

l L

log

l 2

(bps) rate

data : R

(bauds) rate

modulation :

D R

R

D = =

Điều pha (PSK)

Điều pha (PSK)

„ Quadrature PSK (QPSK)

„ M-ary PSK

„ Hệ thống 64 và 256 trạng thái

„ Cải thiện tốc độ dữ liệu với băng thông không đổi

„ Tăng khả năng tiềm ẩn lỗi

+

=

11 )

270 2

cos(

10 )

180 2

cos(

01 )

90 2

cos(

00 )

0 2

cos(

)

(

o o o o

t f A

t f A

t f A

t f A

t

s

c c c c

π π π π

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

„ Dùng 2 bản sao của sóng mang, một cái được dịch đi 90 ¨

„ 2 tín hiệu độc lập trên cùng môi trường

„ Giải điều chế và kết hợp cho dữ liệu nhị phân ban đầu

Digital → Analog

„ Điều chế Delta: Delta Modulation (DM)

Analog and digital transmission

Analog data

Analog signal

Digital signal

Digital data

Analog signal

Digital signal

Analog → Digital

DM PCM

Điều chế xung mã (PCM)

„ “Nếu tín hiệu f(t) được lấy mẫu đều với tốc độ lấy mẫu cao hơn tối thiểu 2 lần tần số tín hiệu cao nhất, thì các

mẫu thu được chứa đủ thông tin của tín hiệu ban đầu T/h f(t) có thể được tái tạo, dùng bộ lọc thông thấp”

„ Công thức Nyquist: N >= 2f

„ Dữ liệu tiếng nói

Điều chế xung mã (PCM)

„ PAM (Pulse Amplitude Modulation)

„ Các xung được lấy mẫu ở tần số R=2B

„ Lượng tử hóa các xung PAM

„ Xác định giá trị của điểm được lấy mẫu, rơi vào khoảng nào thì lấy giá trị khoảng đó

„ Tùy thuộc vào các mức lượng tử 2 n (n là số bit cần thiết để số hóa 1 xung)

Discrete-time, discrete-amplitude signal (PCM pulses)

Digital bit stream output signal

Điều chế xung mã (PCM)

Điều chế xung mã

Non-linear coding

„ Mức lượng tử không đều

„ Giảm méo tín hiệu

„ Companding (compressing-expanding)

„ Kỹ thuật nén dữ liệu có thể cải thiện thêm

„ Ví dụ: kỹ thuật mã xen khung (interframe coding) cho video

Điều chế Delta (DM)

Điều chế Delta (DM)

Cấu trúc kênh truyền – Mã dữ liệu

„ Baudot (Emile Baudot)

„ 5 bit (32 mã)

„ dùng 2 mã 5 bit (letter & figure) để mã hết các ký tự, chữ số và dấu

„ ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

„ 7 bit (128 mã), bao gồm các ký tự chữ thường và hoa, các ký tự chữ số, các

ký tự dấu chấm câu và các ký tự đặc biệt.

„ Phổ biến nhất hiện nay được sử dụng trong giao tiếp dữ liệu tuần tự.

„ EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code)

Mã Baudot

“JAMES BOND 007 SAYS HI!”

Mã ASCII