GIáo trình truyền dữ liêu part 9 pdf

- Tín hiệu tương tự tiếng nói sau khi ñược lấy mẫu bằng phương pháp PAM có thể ñược ñưa lên ñường truyền ñể phát ñi, nhưng một hệ thống truyền tín hiệu xung như vậy chưa phải là hệ thống

CHƯƠNG 9

TRUYỀN TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ BẰNG SÓNG MANG SỐ

 Nội dung : 9.1 HỆ THỐNG TRUYỀN SỐ

9.2 ðIỀU MÃ XUNG

9.3 ðIỀU CHẾ VI PHÂN VÀ DELTA

9.4 2914 COMBO CHIP

9.1 HỆ THỐNG TRUYỀN SỐ:

Hệ thống truyền số có thể truyền tín hiệu có nguồn gốc là tín hiệu số hoặc tương tự sau khi ñã ñược số hóa - Tín hiệu tương tự (tiếng nói) sau khi ñược lấy mẫu bằng phương pháp PAM có thể ñược ñưa lên ñường truyền ñể phát ñi, nhưng một hệ thống truyền tín hiệu xung như vậy chưa phải là hệ thống truyền số vì tín hiệu ở ngã ra thiết bị phát là những xung có biên ñộ khác nhau Ðể truyền ñược trên hệ thống truyền số, các xung PAM này phải ñược số hóa trước khi ñược ñưa ra ñường truyền - Ðường dây cáp truyền trực tiếp các mã nhị phân của hệ thống Bell có tên là T-carriers - Riêng tín hiệu số từ các DTE muốn truyền trên T-carriers phải qua Modem ñể biến thành tín hiệu tương tự nằm trong dải tần âm thanh rồi lại ñược số hóa (dĩ nhiên có dạng khác với trước) - Trong trường hợp muốn truyền các tín hiệu số nói trên với khoảng cách xa, người ta có thể thực hiện ña hợp nhiều kênh rồi dùng phương pháp PSK ñể ñiều chế sóng mang siêu cao tần ñể ñưa lên ñường truyền vi ba (H 9.1) là sơ ñồ một hệ thống truyền số như mô tả ở trên Ðiều chế PSK 

(vi ba) Giải ñc PSK |



↓

DTE → Modem → Biến ñổi

T-carriers

Ðiện thoại

(t.t.)

Hệ thống phát Hệ thống thu

(H 9.1)

9.2 ÐIỀU MÃ XUNG (PULSE CODE MODULATION, PCM) :

PCM là một phương pháp biến ñổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số thịnh hành nhất Tín hiệu tương tự ñược giữ và lấy mẫu tại các thời ñiểm xác ñịnh (ñiều chế PAM) trước khi ñưa vào mạch biến ñổi tương tự - số (ADC) ñể biến ñổi sang một số nhị phân có giá trị tương ứng với biên ñộ của tín hiệu tương tự tại thời ñiểm lấy mẫu

Trước nhất cần nhắc lại một số tính chất của PAM:

- Tần số xung lấy mẫu fs ít nhất phải bằng hai lần tần số cao nhất của tín hiệu tương tự

fm Ðây là ñiều kiện cần thiết ñể có thể phục hồi tín hiệu tương tự một cách chính xác ở máy thu (H 9.2b) cho thấy trường hợp fs≤ 2fm ñưa ñến sự biến dạng tín hiệu tương tự, tín hiệu ñược tái tạo không có dạng của tín hiệu nguồn nữa Ðây là biến dạng aliasing

- Băng thông nhỏ nhất của kênh truyền PAM xấp xĩ tần số fs nên:

(H 9.3) cho thấy vị trí mạch biến ñổi ADC (mã hóa PCM) và DAC (giải mã PCM) trong hệ thống truyền số

(H 9.3) (H 9.4) là một ví dụ về dạng sóng của tín hiệu số dùng số nhị phân 5 bít ñể mã hóa một tín hiệu tương tự

Trong (H 9.4) tín hiệu tương tự ở ngã vào biến ñổi trong khoảng từ 0 ñến 7,75V Số bít dùng mã hóa là n = 5 nên số mức mã hóa tương ứng là 2n - 1 = 31 Như vậy một mức trong mã hóa tương ứng với 7,75/31 = 0,25 V

Với xung lấy mẫu có chu kỳ Ts ta ñược các mẫu xung có biên ñộ lần lượt là: 2,25V, 4,25V và 6,0V Các số nhị phân tương ứng với các mẫu xung này là: 01001, 10001, 11000

Các số nhị phân này ñược biểu diễn bởi các mã b4 b3 b2 b1 b0 (b0 là LSB) Dĩ nhiên ở ngã ra là các mã nhị phân song song, các mã này có thể qua bộ biến ñổi song song nối tiếp ñể truyền ñi theo cách truyền nối tiếp

9.2.2 Băng thông của kênh truyền PCM :

Trong PCM băng thông của kênh truyền tùy thuộc vào số bít n của tín hiệu số dùng

mã hóa các xung PAM của tín hiệu tương tự

Nếu fs là tốc ñộ lấy mẫu, vận tốc truyền tín hiệu br ít nhất phải bằng n lần của fs:

Tốc ñộ bít br ≥ n fs = 2n fm (bps) Thời gian cho một bít

T

Tần số của tín hiệu lớn nhất khi có dạng sóng vuông 101010 Trong trường hợp này mỗi chu kỳ của tín hiệu nhận ñược hai bít nên tần số cơ bản lớn nhất của sóng vuông biểu diễn số nhị phân bằng phân nửa tốc ñộ bít : fmax=1/2T = br/2

Vậy băng thông nhỏ nhất ñể thỏa ñường truyền này là:

BW = br/2 = nfm

Thí dụ: Xác ñịnh tần số xung lấy mẫu nhỏ nhất fs và băng thông tối thiểu BW ñể truyền tín hiệu tương tự có tần số 12 kHz bằng cách dùng số nhị phân 9 bít

(fs )min = 2fm = 24 kHz

Tốc ñộ bít br = 2nfm = 2.9.12 = 216 kbps Băng thông nhỏ nhất (BW)min = br/2 = 216/2 = 108 kHz Qua thí dụ ta thấy ñể truyền tín hiệu tương tự 12 kHz băng thông cần là 108 kHz, khá lớn so với tần số tín hiệu cần truyền Ðây là một khuyết ñiểm cần ñược khắc phục của phương pháp PCM

9.2.3 Sai số (nhiễu) lượng tử (Quantizing error, noise) :

Phần trên cho thấy dùng một số n bít ñể mã hóa tín hiệu tương tự thì ñược 2n mẫu biên ñộ của tín hiệu (nhưng chỉ có 2n -1 mức), khi n lớn thì số mẫu càng nhiều, khoảng cách

2 mức liên tiếp nhỏ lại Tuy nhiên ta không thể nào chọn n = ∞ ñể khoảng cách này triệt tiêu, thậm chí cũng không ñược chọn n quá lớn ñể giảm khoảng cách mức vì sẽ ñưa tới băng thông của kênh truyền rất lớn, làm giảm số kênh truyền và ảnh hưởng rất nhiều ñến những ñặc tính khác của hệ thống mà hậu quả là giá thành sẽ lên rất cao

Nói cách khác n phải có giới hạn và sai số trong việc mã hóa là không thể tránh khỏi,

ta gọi sai số này là sai số lượng tử, nếu gọi e là khoảng cách mức (hay khoảng cách lấy mẫu) thì sai số lượng tử lớn nhất là ± e/2

Có thể nói hệ thống PCM có tính miễn nhiễu rất tốt nhưng nhiễu lượng tử thì ñương nhiên hiện hữu nên khi nghiên cứu các hệ thống này ta không thể bỏ qua tác dụng của nó

Do tín hiệu tương tự trong nhiều trường hợp là loại lưỡng cực nên khi thực hiện mã hóa người ta dùng các số nhị phân với bit MSB là bit dấu

(H 9.5.a) cho thấy sự tương quan giữa ñiện áp lấy mẫu va và mã nhị phân n bít tương ứng, giả sử va giới hạn trong khoảng –Vm ñến +Vm Gọi Vp là ñiện áp ñỉnh-ñỉnh: Vp=2Vm

Lưu ý là trị 0 của tín hiệu nhận 2 mã có dấu + (80) và - (00), nhưng khoảng cách mức vẫn không ñổi (0,04V).

a- Sai số tương ñối trong lượng tử hóa

b- Xác ñịnh n theo %q

a-/ Sai số tương ñối trong lượng tử hóa :

Gọi q là sai số tương ñối của tín hiệu trong lượng tử hóa :

Từ biểu thức trên, với một giá trị %q ñịnh trước người ta có thể chọn n tối thiểu cần thiết ñể thỏa mãn yêu cầu về sai số

Xét trường hợp ñơn giản tín hiệu tương tự là một ñường thẳng, tín hiệu lấy mẫu (cũng

là tín hiệu ra ở máy thu) có dạng nấc thang và do ñó dạng sóng của thành phần sai số là tín hiệu răng cưa (H 9.7b)

- Với va = 2,5V

eRMS =

SNR = 2,5/0,0451 = 55,4 = 34,3 dB

- Với va = 1V

ta ñược SNR = 22,17 hay 26,9 dB

Như vậy, tỉ số SNR càng nhỏ khi giá trị của tín hiệu càng nhỏ

9.2.5 Sự nén - giãn (Compressing & Expanding, vt Companding):

Việc mã hóa mà ta bàn ở trên dựa trên cơ sở quan hệ giữa ñiện áp và giá trị mã hóa là quan hệ ñường thẳng trong ñó sự gia tăng các mức là không ñổi, ta gọi hình thức mã hóa này

là PCM tuyến tính Ðiểm bất lợi của phương pháp này là sai số như nhau với mọi ñiện áp tín hiệu nên kết quả là với các tín hiệu có biên ñộ nhỏ thì SNR cũng nhỏ, nói cách khác nhiễu trở nên rất ñáng kể khi tín hiệu có giá trị nhỏ

Ðể khắc phục khuyết ñiểm này, người ta dùng phương pháp mã hóa theo ñường cong,

cụ thể là dạng logarit, ta gọi là PCM logarit, trong cách mã hóa này tín hiệu có giá trị nhỏ ñược mã hóa với khoảng cách mức nhỏ hơn và tín hiệu có giá trị gần với trị cực ñại ñược mã hóa với khoảng cách mức lớn hơn, ñường cong mã hóa có ñộ dốc cao ở phần ñầu và bị nén lại ở phần cuối Ðây là một quá trình nén ở máy phát và dĩ nhiên một quá trình ngược lại ñược thực hiện ở máy thu ñể phục hồi tín hiệu, gọi là quá trình giãn Kết quả của sự nén này cho tỉ số SNR như nhau với mọi tín hiệu vào

Có hai luật nén khác nhau áp dụng ở hai vùng lục ñịa :

Vout) có dạng :

Trong ñó µ = 2n - 1 ; với n = 8 ta ñược µ = 255

(H 9.8.a) cho ñường cong mã hóa theo luật µ-255 (vẽ theo trị chuẩn hóa của Vin và

Vout)

Có một số ñiểm giống và khác nhau giữa hai luật nói trên mà ta cần lưu ý:

- Trong cả hai luật các bít ñầu tiên của mã số ñều là bít dấu và có 2 mã cho trị 0

- Trong luật µ-255 , trừ bít dấu, các bit mã bị ñảo trước khi ñưa ra ñường truyền, ñiều này ñưa ñến kết quả là trong từ mã chứa số bit 1 nhiều hơn (do biên ñộ tín hiệu nằm trong vùng giá trị thấp thường xảy ra hơn), thuận tiện cho việc tạo ñồng bộ Ðặc tuyến truyền qua ñiểm gốc theo phương nằm ngang, ñiều này khiến cho hệ thống tránh ñược nhiễu kênh trống, tức nhiễu xuất hiện ngay khi không có tín hiệu

- Trong luật A-87,6, 3 bít ngay sau bít dấu chỉ số của ñoạn thẳng mà giá trị ñiện áp rơi vào (mức của ñiện áp), 4 bít cuối chỉ vị trí cụ thể của ñiện áp trên ñoạn ñó Ðặc tuyến truyền

ñi qua ñiểm gốc theo phương thẳng ñứng, ñiều này ñưa ñến kết quả là có nhiễu kênh trống

9.2.6 Lụât µµµµ-255 trong thực tế :

Trong thưc tế, việc mã hóa theo luật nén µ-255 ñược thực hiện như sau:

Ðầu tiên, mỗi tín hiệu ñược lấy mẫu và mã hóa bởi số nhị phân 12 bít ñể có ñươc ñộ phân giải cao Thay vì truyền ñi 12 bít này, người ta nén xuống còn 8 bít Dĩ nhiên trong sự nén này không thể không tạo ra sai số và sai số càng ít ñối với tín hiệu càng nhỏ thì yêu cầu xem như ñã ñạt ñược Trong khi nén từ 12 xuống 8 bít thì bít dấu (MSB) không thay ñổi, 11 bít còn lại ñược chia thành 8 ñoạn, mỗi ñoạn ñược biểu diễn bởi một số 3 bit (gọi là mã ñoạn) và xác ñịnh bằng cách lấy 7 trừ cho số số 0 ñầu tiên của mã 11 bít

Thí dụ: mã 12 bít là s00001101010

mã ñoạn là 7 - 4 = 3 = 011 Bít 1 ñầu tiên sau các bít 0 sẽ không ñược phát ñi, 4 bít theo sau ngay bít 1 này ñược phát ñi trọn vẹn và ñó là các bít cuối cùng của mã 8 bít, tất cả các bít còn lại sẽ bị bỏ ñi

Ở máy thu khi nhận ñược mã 8 bít, việc ñầu tiên là phục hồi lại mã 12 bít trước khi giải mã

Thí dụ: mã 8 bít nhận ñược là s011 1010

lấy 7 - 3 = 4, vậy sau bít dấu là 4 bít 0, tiếp theo là bít 1 và 4 bít nguyên mẫu

mã 12 bít sẽ là s0000 1 1010 xx Trong trường hơp này máy thu không có thông tin nào về 2 bít cuối cùng (thay ñổi từ

00 ñến 11) Ðể bảo ñảm sai số là nhỏ nhất, ở máy thu người ta thay thế 2 bit này bởi 2 bit 10, như vậy trong thí dụ trên mã 12 bít phục hồi ở máy thu sẽ là s00001101010 Nguyên tắc này cũng ñược sử dụng cho trường hợp số bit bị mất thông tin nhiều hơn 2, nghĩa là các bit thay thế luôn luôn gồm một bit 1 và các bit 0 theo sau sao cho ñủ 12 bit

Sai số tuyệt ñối do sự nén tùy thuộc mã của ñoạn ñược phát ñi Ðoạn tương ứng với giá trị cao của tín hiệu có sai số tuyệt ñối càng lớn

Bảng 9.1 cho thấy mã 12 bít ban ñầu, mã 8 bít tương ứng và mã 12 bít phục hồi cùng các ñoạn tương ứng

s000abcd s001abcd s010abcd s011abcd s100abcd s101abcd s110abcd s111abcd

s0000000abcd s0000001abcd s000001abcd1 s00001abcd10 s0001abcd100 s001abcd1000 s01abcd10000 s1abcd100000

Trong bảng 9.1 abcd là các bít ñươc giữ nguyên ñể phát ñi , các bít x là các bít mất ñi trong quá trình nén (ñoạn 0 ñược thực hiện một cách ngoại lệ) Lưu ý là ñoạn 0 và 1 ñược phục hồi không có sai số trong khi ñoạn 7 chỉ có 6 bít MSB là ñược phục hồi chính xác Bỏ qua bít dấu 11 bít còn lại tạo ra 211 = 2048 tổ hợp Hai ñoạn 0 và 1 mỗi ñoạn ứng với 16 tổ hợüp khác nhau tùy thuộc giá trị cụ thể của a,b,c,d Ở ñoạn 2, 5 bít cuối abcd và x cho 32 tổ hợp khác nhau, tuy nhiên trong quá trình nén 32 tổ hợp này chỉ cho 16 mức tương ứng, diễn

tả bởi abcd và 1, ta nói 32 mức ñã ñược nén thành 16 Tương tự, ñoạn 3 ñã nén 64 mức xuống còn 16, và ñoạn 7 ñã nén 1024 mức xuống còn 16 mức giản ñồ nén theo phương pháp trên ñược minh họa ở (H 9.9), giản ñồ này rất gần với giản ñồ lý thuyết của luật µ-255

Kết quả của phương pháp nén cho thấy các tín hiệu nhỏ (trường hợp thưòng xảy ra)

có thể ñược mã hóa bởi một chuỗi liên tục các số 0, ñiều này khiến cho sự ñồng bộ ở máy

thu gặp khó khăn, vì lý do này mà người ta ñã ñảo các bít, trừ bít dấu, trước khi phát ñi, như

ñã thấy trên giản ñồ (lý thuyết) của luật µ-255

(H 9.9) Qua phương pháp nén thực tế ta thấy sai số gia tăng theo ñộ lớn của tín hiệu nhưng phần trăm sai số thì như nhau cho các ñoạn

Công thức dưới ñây ñược dùng ñể tính phần trăm sai số:

Ðối với ñoạn 7:

Phát s10000000000 Thu s10000100000

% sai số =

9.3 ÐIỀU CHẾ VI PHÂN VÀ DELTA:

Trong truyền thông delta có hiệu qua cao ñôi khi người ta chỉ truyền ñi thông tin ñặc trưng cho sự thay ñổi của tín hiệu thay vì bản thân tín hiệu ñó Ở máy thu sẽ dựa vào sự thay ñổi này ñể khôi phục lại tín hiệu ban ñầu Ðây là cơ sở của phương pháp ñiều chế vi phân và Delta

Phương pháp này chứng tỏ có hiệu quả thực sự cao khi tín hiệu truyền có ít sự thay

ñổi, ví dụ tín hiệu Video là loại tín hiệu chứa nhiều thông tin lặp lại Thực tế cho thấy dùng

ñiều chế Delta cho tín hiệu âm thanh ñã giảm ñược tốc ñộ bít ñến 50% Các yêu cầu về ñồng

bộ giữa thiết bị thu và phát trong ñiều chế Delta ít hơn ở PCM, nhưng việc ghép kênh khó

khăn hơn do băng thông của ñiều chế Delta khá rộng

9.3.1 Ðiều chế Delta

9.3.2 Diều chế PCM vi phân

9.3.1 Ðiều chế Delta :

Việc truyền sự thay ñổi của tín hiệu có thể thực hiện ñơn giản bằng cách so sánh biên

ñộ tín hiệu mới lấy mẫu với biên ñộ của tín hiệu trước ñó, phát kết quả so sánh, gọi là tín

hiệu vi phân (gồm các bít 1 hoặc 0) tới nơi thu Bộ giải mã thu nhận sự thay ñổi này và có

thể cộng liên tiếp các tín hiệu vi phân (tức là lấy tích phân) ñể phục hồi tín hiệu ñã phát (H

9.10) minh họa một hệ thống ñiều chế Delta

- Máy phát : Một OPAMP so sánh hai tín hiệu vào S(t), là tín hiệu cần truyền và S'(t),

là tín hiệu trể, ñể tạo ra tín hiệu vi phân , tín hiệu này sau khi ñược làm trể một chu kỳ ñồng

hồ bởi một FFD, ta ñược tín hiệu e(t), ñây là tín hiệu truyền tới nơi thu e(t) có giá trị dương

khi S(t) > S'(t) và âm khi ngược lại

- Máy thu : Tín hiệu e(t) nhận ñược sẽ qua một mạch tích phân ñể phục hồi S(t) (H

8.9.b) chỉ dạng các tín hiệu

(a) (b)

(H 9.10)

Quan sát dạng sóng (H 9.10b) ta thấy khi tín hiệu vào S(t) không ñổi, tín hiệu S'(t) có

giá trị thay ñổi trên hoặc dưới S(t) và e(t) dao ñộng giữa mức dương và âm Sự sai biệt này

giữa hai tín hiêụ là nhiễu lượng tử Thành phần nhiễu này có thể giảm bớt nếu ta giảm chiều dài bước h (step size) và thu nhỏ chu kỳ xung ñồng hồ Ts Tuy nhiên ñiều này sẽ ảnh hưởng ñến băng thông của tín hiệu

9.3.1.2 Quá tải ñộ dốc (Slope - overload) :

Nếu tín hiệu vào S(t) ở máy phát biến ñổi quá nhanh, S’(t) không theo kịp sự biến ñổi này và việc mã hóa không còn ñúng, kết quả là tín hiệu phục hồi ở máy thu bị biến dạng Ta gọi ñây là biến dạng do quá tải ñộ dốc (ñoạn cuối (H 9.10b))

Ðộ dốc của tín hiệu ra từ mạch tích phân là h/Ts

Thành phần tần số cao nhất của tín hiệu vào phải ñược giới hạn ñể ñộ dốc cực ñại của tín hiệu không vượt quá giá trị này, ñó là ñiều kiện ñể tránh quá tải ñộ dốc

Lấy ví dụ tín hiệu vào là sóng sin : S(t) = Vm sin(2πfint)

Ðộ dốc của S(t) là ñạo hàm dS(t)/dt :

= 2 π Vmfin cos(2πfint)

Ðộ dốc cực ñại khi t = 0 và bằng

Từ (H 9.10b) ta thấy tần số lớn nhất của tín hiệu e(t) trên ñường truyền là fs/2 do ñó băng thông tối thiểu của ñường truyền là

Biểu thức cho ta xác ñịnh băng thông tối thiểu của hệ thống ñể tránh ñược biến dạng do quá tải ñộ dốc

Giá trị băng thông tùy thuộc Vm/h Như nói trên ñể giảm nhiễu ta có thể giảm h, nhưng như vậy băng thông sẽ lớn

Thí dụ lấy giá trị cụ thể của h là 5% Vm thì Vm/h = 20 và BW = 63 fin Kết quả cho

ta thấy băng thông của ñường truyền lớn như thế nào

Ðể phát sóng sin 12 kHz dùng PCM 9 bít cần băng thông 108 kHz Ta thử tính băng thông trong trường hợp dùng ñiều chế Delta