GIáo trình truyền dữ liêu part 7 doc

Nhưng ở máy thu phải có mạch dao ñộng tạo sóng mang ñể thực hiện việc giải ñiều chế ; tín hiệu dao ñộng này phải có cùng tần số và pha của sóng mang ở máy phát.. Tín hiệu logic và sóng m

7.2.1.5 Minimum Shift-Keying FSK :

Minimum Shift-keying FSK (MSK) là mặt dạng của kỹ thuật ñiều chế FSK có pha liên tục MSK chính là FSK trong dó tần số mark và space ñược dùng bởi vài vận tốc bit Ðúng bởi ñây có nghĩa là có một quan hệ thời gian chính xác của hai tín hiệu Hai tần số này ñược chặn sao cho cách tần số giữa ñúng bằng các bội số lẻ của phân nửa vận tốc bit [fm và fs

= n(br/2); n là số lẻ], ñiều này tạo ra một số thay ñổi liên tục về pha khi tín hiệu chuyển ñổi giữa bit 1 và 0 (H 7.8)

(H 7.8) 7.2.2 Modem PSK :

Ðiều chế PSK là một phương pháp hiệu quả nhất ñể truyền tín hiệu số Có thể nói phương pháp PSK là phương pháp ñiều chế triết sóng mang do ñó băng thông của tín hiệu PSK nhỏ hơn băng thông của FSK nếu dùng cùng một tín hiệu dải nền Nhưng ở máy thu phải có mạch dao ñộng tạo sóng mang ñể thực hiện việc giải ñiều chế ; tín hiệu dao ñộng này phải có cùng tần số và pha của sóng mang ở máy phát

Các ñiều nói trên có thể thực hiện bởi một vòng khóa pha biến thể gọi là vòng Costas

(H7.9) Trong PSK pha của sóng mang thay ñổi giữa hai trị số 0° và 180° , hiệu thế tức thời

PSK

7.2.2.2 PSK 2 - pha (BPSK: Binary phase shift keying) :

Trong BPSK, ứng với tín hiệu vào là các ñiện thế biểu diễn các logic 1, 0 ta có tín

hiệu ra là các sóng mang hình sin có pha lệch nhau 180°.

(H 7.10) là sơ ñồ khối mạch ñiều chế và giải ñiều chế BPSK

(a) Ðiều chế BPSK (H 7.10) (b) Giải

ñiều chế BPSK

Giả sử logic 1 ñưọc ñặc trưng bởi ñiện thế +Vdc và logic 0 bởi -Vdc bộ phận

chính của mạch ñiều chế gồm một mạch nhân và một mạch dao ñộng tạo sóng mang cosωct

Tín hiệu logic và sóng mang ñược ñưa vào mạch nhân và ta ñược tín hiệu +cosωct hoặc

-cosωct ở ngã ra của mạch này

Ở máy thu, sóng mang ñuợc tách từ tín hiệu vào, sau ñó trộn với tín hiệu vào

ñể cho ra tín hiệu có dạng cos2ωct hoặc -cos2 ωct Phân tích các tín hiệu này ta thấy chúng

gồm thành phần một chiều và họa tần bậc hai : cos2 ωct = (1/2)(1+ cos2ωct)

- cos2 ωct = - (1/2)(1+ cos2ωct) Cho vào mạch lọc hạ thông, ta ñược ở ngã ra các thành phần dc có cùng cực tính với

dữ liệu vào

Mạch ñiều chế vòng (ring modulator) là một kiểu mẫu của mạch nhân ñược mô tả ở (H 7.11)

Các diod A, B, C, D dẫn hay ngưng tùy thuộc hiệu thế ñặt vào ngã X,Y trong lúc tín hiệu vào ngã RS chỉ khiến các diod dẫn mạnh hay yếu mà thôi

Sóng mang ñược ñưa vào ngã RS, dữ liệu ñược ñưa vào ngã XY Giả sử bít 1 khiến

X dương hơn Y và ngược lại cho bít 0

- Khi dữ liệu là bít 1 diod A và D dẫn ñiện, ứng với bán kỳ dương của sóng mang diod A dẫn mạnh hơn diod D, dòng ñiện chạy trong nửa trên của biến thế ra lớn hơn, ta ñược tín hiệu ra cùng pha sóng mang vào

- Khi dữ liệu là bít 0 diod B và C dẫn ñiện, ứng với bán kỳ dương của sóng mang diod

B dẫn mạnh hơn diod C, dòng ñiện chạy trong nửa trên của biến thế ra lớn hơn nhưng có chiều ngược lại (từ dưới lên), ta ñược tín hiệu ra ngược pha sóng mang vào

- Khi không có sóng mang hoặc không có dữ liệu vào sẽ không có dòng ñiện ở ngã ra

(H7.12)

- Mạch chia bít (bit splitter) : chuyển dòng dữ liệu vào theo hai ngã I (In-phase) và Q (Quadrature) Những bít vào ngã I sẽ trộn với sóng mang có pha ban ñầu và những bít vào ngã Q sẽ trộn với sóng mang ñã làm lệch pha 90°

- Vì các dữ liệu vào có thể là bít 1 hoặc 0, nên tín hiệu ở ngã ra mạch nhân I có thể là sinωct hoặc - sinωct và ở ngã ra Q có thể là cosωct hoặc -cosωct, các tín hiệu này ñược tổng hợp ở mạch tổng ñể cho ra 1 trong 4 tín hiệu mô tả ở (H 7.13)

Thí dụ, với các bít ở ngã vào ab=01, tín hiệu ở ngã ra là - sinωct + cosωct, tín hiệu này có thể thay thế bởi tín hiệu duy nhất có pha là 135°

(H 7.13) Bảng 7.1 Tín hiệu ñiều chế 4 pha

kênh Giá trị nhị phân Hiệu thế Tín hiệu ra từ mạch cân bằng

+

- +

-

sinωct-sinωct sin(ωct + π/2) = cosωct -sin(ωct + π/2) =-cosωct

(H 7.14) là mạch giải mã PSK 4-pha

(H 7.14)

Mạch phục hồi sóng mang sẽ cho lại sóng mang sinωct từ tín hiệu nhận ñược, tín hiệu này ñược cho thẳng vào mạch nhân ngã I và ñược làm lệch pha 90° trước khi vào mạch nhân ngã Q, tín hiệu ra ở các mạch nhân ñược ñưa vào mạch lọc hạ thông ñể loại bỏ thành phần tần số cao, các thành phần DC sẽ ñược tổng hợp ở mạch tổng ñể cho lại dòng dữ liệu

Giả sử tín hiệu vào là tín hiệu nhận ñược trong thí dụ trên: cosωct - sinωct

Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã I là:

sinωct ( cosωct - sinωct) = 1/2sin2ωct - 1/2(1-cos2ωct) Tín hiệu ra sau mạch lọc là ñiện thế dc -, tương ứng bít 0

Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã Q là:

cosωct ( cosωct - sinωct) = -1/2sin2ωct + 1/2(1+cos2ωct) Tín hiệu ra sau mạch lọc là ñiện thế dc +, tương ứng bít 1,

Mạch tổ hợp bít sẽ cho lại dữ liệu như ñã phát : 01 (viết theo thứ tự ab)

Tốc ñộ truyền thông thường của QPSK là 2400 bps vì vậy ở mạch ñiều chế tốc ñộ của kênh I và Q là 1200 bps Tốc ñộ biến ñổi lớn nhất của tín hiệu tương ứng với chuỗi liên tiếp các bít 1 và 0, chuỗi này ñược biểu diễn bởi tín hiệu hình vuông tần số 600 Hz, tín hiệu hình vuông bao gồm tần số cơ bản và các họa tần bậc lẻ Trong quá trình ñiều chế xuất hiện các băng cạnh chứa các họa tần này, mạch lọc BPF có nhiệm vụ loại bỏ thành phần tần số này

7.2.2.4 OFFSET QPSK (OQPSK) :

Trong thực tế người ta thường dùng cách ñiều chế dựa trên nguyên tắc của QPSK nhưng tạo sự lệch pha của hai tín hiệu trên hai kênh I và Q bằng cách cho một tín hiệu trể một bit so với tín hiệu kia, gọi là ñiều chế OQPSK Việc làm này khiến cho sự chuyển trạng thái của tín hiệu ở kênh này (thí dụ kênh I) luôn luôn xảy ra ở ngay ñiểm giữa của tín hiệu của kênh kia (kênh Q), như vậy trong một cặp bit IQ bất kỳ chỉ có sự thay ñổi của một bit duy nhất và ñiều này ñưa ñến kết quả là các tín hiệu ở ngã ra tổng hợp chỉ lệch pha 0° hoặc

±90° chứ không phải 180° như ở QPSK Vậy ñiểm thuận lợi của OQPSK là giới hạn ñược sự lệch pha của tín hiệu ra và tránh ñược các xung ñột biến khi phục hồi tín hiệu nhị phân

Ðể có thể so sánh các tín hiệu ở các ngã ra tổng hợp, ta xét chuỗi tín hiệu vào như (H 7.15a) và chuỗi tín hiệu của 2 kênh I và Q trong hai trường hợp QPSK (H 7.15b) và OQPSK (H 7.15c)

Và tín hiệu tổng hợp ở ngã ra tương ứng (H 7.16a) và (H 7.16b)

(H 7.16)

Có thể hiểu (H 7.16a) và (H 7.16b) như sau:

- Nếu 2 bit trên 2 kênh I và Q khác nhau hoàn toàn thì các tín hiệu tương tự tương ứng khác nhau 180°

- Nếu 2 bit trên 2 kênh I và Q chỉ khác nhau một bit thì các tín hiệu tương tự tương ứng khác nhau +90° hoặc -90°

Ðiểm bất lợi của phương pháp OQPSK là sự thay ñổi pha của tín hiệu ra xảy ra trong từng khoảng thời gian T (chứ không phải 2T), do ñó vận tốc ñiều chế (baud rate) và băng thông tối thiểu của kênh truyền tăng gấp ñôi so với phương pháp QPSK

Hiệu suất băng thông: là tỉ số vận tốc bit (bps) trên băng thông yêu cầu (Hz) Thông thường khi vận tốc bit tăng thì băng thông tăng, tuy nhiên trong các cách ñiều chế khác nhau

tỉ số hai ñại lượng này có thể khác nhau, do ñó người ta dùng hiệu suất băng thông ñể ñánh giá chất lượng của hệ thống (hiệu suất cao ñồng nghĩa với tận dụng ñược băng thông)

Với cách ñiều chế ASK, giả sử vận tốc bit là 2400bps, tần số cơ bản là 1200Hz, băng thông cần thiết là 2400 Hz vậy

Hiệu suất băng thông =

Với cách ñiều chế PSK 4 - pha nếu vận tốc bit là 2400bps, ở mạch ñiều chế vận tốc của kênh I và Q là 1200 bps, tần số cơ bản là 600Hz, băng thông cần thiết là

1200 Hz Vậy

Hiệu suất băng thông =

7.2.2.5 PSK 8 - pha :

PSK - 8 pha là mạch ñiều chế cho tín hiệu ra có 1 trong 8 pha tùy thuộc trạng thái của

tổ hợp 3 bít vào (tribits)

Sơ ñồ khối của mạch ñiều chế PSK - 8 pha cho ở (H 7.17)

(H 7.17)

Mạch chia bít chia tổ hợp 3 bít theo 3 kênh khác nhau Các bít a và b theo kênh I và

Q xác ñịnh cực tính của tín hiệu ra ở mạch biến ñổi từ 2 ra 4 mức, trong khi bít c xác ñịnh biên ñộ của ñiện thế dc Có 2 biên ñộ ñược dùng là 0,34V và 0,821V Khi a và b là bít 1 ngã

ra mạch biến ñổi có trị dương, ngược lại khi a và b là bít 0 Biên ñộ của tín hiệu ra từ mạch biến ñổi luôn luôn khác nhau, bất cứ khi nào một mạch nhận tín hiệu c (hay ) ñể cho ra tín hiệu có biên ñộ là 0,821 (0,34) thì mạch kia nhận tín hiệu ñảo lại và cho ra tín hiệu có biên

Mạch biến ñổi ở kênh I cho: +0,821 V

Mạch biến ñổi ở kênh Q cho: -0,34 V

Mạch ñiều chế ở kênh I cho: +0,821cosωct

Mạch ñiều chế ở kênhQcho: -0,34 sinωct

Tín hiệu ra sau cùng: 0,821cosωct -0,34 sinωct

Góc pha của tín hiệu này xác ñịnh bởi dấu X trên (H 7.18)

Với cách ñiều chế 8-PSK, 3 bit ứng với một pha của tín hiệu ra nên vận tốc baud bằng 1/3 vận tốc bít nên ñể thỏa ñiều kiện của ñường truyền, người ta chọn vận tốc bit là 4800 bps, vận tốc baud là 1600 baud/s và băng thông kênh truyền là 1600 Hz và hiệu suất băng thông là 3bps/Hz Với fc=1700 Hz, băng thông chiếm một khoảng từ (fc - 800) =1700-800 =

900 Hz ñến (fc + 800) = 1700+800 = 2500 Hz, phù hợp với ñường truyền của kênh thoại

7.2.2.6 Ðiều chế biên ñộ vuông góc (Quadrature Amplitude modulation, QAM) : Trong ñiều chế biên ñộ vuông góc cả biên ñộ và pha của sóng mang ñều thay ñổi

a Mạch ñiều chế QAM 8 pha

b Mạch ñiều chế QAM 16 pha

(H 7.20)

Các tín hiệu ra của QAM 8 pha có 2 biên ñộ và 4 pha khác nhau

So sánh các cách ñiều chế QAM và PSK người ta thấy QAM tốt hơn về mặt tỉ số tín hiệu nhiễu Thí dụ với hệ thống QAM 16 pha xác suất lỗi là 10-8 trong lúc PSK 16 pha xác suất này là 10-4 Do ñó trong các hệ thống truyền với vận tốc cao người ta thường dùng cách ñiều chế QAM hơn

b Mạch ñiều chế QAM 16 pha (H 7.21)

(H 7.21)

Trong sơ ñồ, mạch chia bít chia tổ hợp 4 bít theo hai kênh vào hai mạch biến ñổi 2 ra

4 mức, các bít a,b xác ñịnh cực tính tín hiệu ra và các bít c,d xác ñịnh biên ñộ

a,b = 0, tín hiệu ra âm c,d = 0 biên ñộ = 0,22 V a,b = 1 tín hiệu ra dương c,d = 1 biên ñộ = 0,821 V Mỗi ngã ra của mạch biến ñổi có thể có 1 trong 4 tín hiệu ±0,22 hoặc ±0,821 Mạch LPF loại bỏ các họa tần Các tín hiệu sau ñó vào mạch ñiều chế cân bằng như trong các phần trước và ở ngã ra ta có 1 trong 16 tín hiệu, các tín hiệu này nhận 3 giá trị biên ñộ và 12 góc pha khác nhau, khoảng cách các góc pha là 30° (H 7.22)

Với cách ñiều chế QAM 16 pha, mỗi 4 bit tương ứng một tín hiệu ra nên vận tốc bit bằng 4 lần vận tốc baud Nếu chọn vận tốc baud là 2400 baud/s ñể thỏa băng thông của kênh thoại thì vận tốc bit là 9600 bps và hiệu suất băng thông là 4 bps/Hz Trong trường hợp này băng thông tín hiệu trong khoảng từ 500 Hz (1700 Hz - 1200 Hz) ñến 2900 Hz (1700 Hz +

Phục hồi sóng mang

Với kỹ thuật ñiều chế FSK việc phục hồi sóng mang không cần thiết

Tuy nhiên, ñiều chế PSK hay QAM tương tự với kỹ thuật ñiều chế triệt sóng mang, do

ñó cần thiết phải có mạch phục hồi sóng mang ở máy thu Hơn nữa, sóng mang ñược phục

hồi phải có tần số và pha giống như ở máy phát ñể mạch giải ñiều chế ở máy thu hoạt ñộng

thông (ñể hạn chế dải tần) sẽ qua mạch bình phương ñể cho ở ngã ra cos2ωct Dùng biến ñổi

lượng gíác ta ñược:

cos2ωct =(1/2)(1+cos2ωct) Tín hiệu này lại qua mạch lọc ñể loại bỏ thành phần một chiều, còn lại tín hiệu tần số

2ωc , tín hiệu này lại qua mạch chia tần ñể ñược sóng mang Vòng khóa pha trong mạch có

tác dụng giữ pha của tín hiệu ra không bị lệch so với tín hiệu vào

Ðối với các tín hiệu ñiều chế PSK bậc cao hơn (4-PSK, 8-PSK, 16-QAM ) thì ở

mạch giải ñiều chế sẽ nâng tín hiệu vào lên theo các lũy thừa bậc cao hơn Dĩ nhiên mạch sẽ

phức tạp hơn

7.2.2.7 Vòng Costas :

Vòng Costas là một biến thể của PLL dùng ñể giải ñiều chế PSK nhị phân (H 7.24)

Trong ñó d(t) diễn tả dữ liệu và có giá trị ±1 A là trị hiệu dụng

Ðể thấy vận hành của vòng Costas, giả sử vòng ñang ở trạng thái khóa Hai mạch lọc

có tác dụng loại bỏ tần số cao nên ở ngã ra của các mạch lọc chỉ còn các thành phần :

y1(t) = (A d(t) / 2) cos ( θi - θo ) y2(t) = (A d(t) / 2) sin ( θi - θo ) Trong ñó (θi - θo ) là ñộ sai pha

Y1(t) và y2(t) qua mạch nhân trước khi vào mạch lọc ñể lấy ra hiệu thế một chiều ef dùng ñiều khiển VCO

ef = km A2 d2 (t) sin 2( θi - θo )

km là hằng số và d2 (t) = 1 , vậy

ef = km A2 sin 2( θi - θo ) Biểu thức của ef giống như biểu thức xác ñịnh hiệu thế một chiều của vòng khóa pha chuẩn Ðiểm khác biệt là ef=0 khi (θi - θo)=0° hay 180° trong trường hợp vòng Costas

Tóm lại, vòng Costas có thể ñược khóa với hai giá trị góc tương ứng với pha của tín hiệu vào Trong (H 7.24) tín hiệu lấy ra ñể giải mã và phục hồi dữ liệu là y2(t)=(A d(t) / 2) cos( θi - θ0 ) tỉ lệ với d(t) Nếu vòng khóa với pha ngược lại thì tín hiệu lấy ra ở nhánh y1(t)

7.2.2.8 PSK vi phân (Differential PSK, DPSK) :

Giải ñiều chế PSK yêu cầu phục hồi tín hiệu dữ liệu ở máy thu dựa vào sóng mang có pha tuyệt ñối ñã biết Ðiều này ñòi hỏi máy phát phải gửi một tín hiệu ñể máy thu tham khảo pha Mặt khác dùng giải ñiều chế vòng Costas ở máy thu có thể nhận ñược một tín hiệu nghịch pha Ðể khắc phục các khuyết ñiểm này người ta dùng phương pháp ñiều chế PSK vi phân

Nguyên tắc của PSK vi phân là dùng sự thay ñổi của dữ liệu ñể ñiều chế sóng mang chứ không phải chính dữ liệu Ðể thực hiện việc này người ta so sánh dữ liệu hiện hành với

dữ liệu vào trước ñó, nếu hai tín hiệu này giống nhau ta ñược một pha của sóng mang và nếu chúng khác nhau ta ñược một pha ngược lại Nơi thu và phát phải thỏa thuận với nhau về bít

tham khảo ñầu tiên trước khi phát dữ liệu ñể tín hiệu ñược phục hồi ñúng như ñã phát ñi (H 7.25) cho ta sơ ñồ khối của một mạch DPSK

Dữ liệu vào 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 ⊕ ⊕ ⊕

⊕

Tín hiệu mã hóa 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 Bít tham khảo 

Pha truyền 0 0 0 π π π π 0 π π π 0

(H 7.26) là mạch giải ñiều chế DPSK và kết quả giải ñiều chế tín hiệu ra trong bảng 7.2 cho ta lại tín hiệu ñã truyền ở bảng 7.3

7.2.3.3 Mạch ngẫu nhiên hóa và giải ngẫu nhiên (scrambler và descrambler)

7.2.3.4 Sơ ñồ khối một modem PSK tiêu biểu

7.2.3.5 Mạch lọc dùng tụ khóa (Switched capacitor)

7.2.3.1 Ðồng bộ hóa Modem :

Ðể hệ thống truyền tín hiệu qua modem hoạt ñộng tốt, modem phát và thu phải ñồng

bộ với nhau, công việc này gọi là ñồng bộ hóa modem

Trong thời gian trể giữa RTS và CTS, máy phát phát ñi chuỗi tín hiệu ñể thiết lập sự ñồng bộ gọi là chuỗi training sequence Tùy theo loại ñiều chế, tốc ñộ bit và mức ñộ phức tạp của modem mà chuỗi training sequence sẽ hoàn thành một số trong các nhiệm vụ sau:

- Xác ñịnh (verify) sự liên tục của sóng mang (kích hoạt RLSD)

- Khởi ñộng mạch ngẫu nhiên hóa

- Khởi ñộng mạch cân bằng tự ñộng

- Ðồng bộ tín hiệu sóng mang thu phát

- Ðồng bộ xung ñồng hồ thu phát

- Ngắt mạch triệt tiếng dội trên ñường dây thoại

- Thiết lập ñộ lợi cho mạch AGC

Modem vận tốc thấp

Thường là loại không ñồng bộ và dùng FSK nên không cần các mạch phục hồi sóng mang, ngẫu nhiên hóa Các mạch cân bằng ñược ñiều chỉnh bằng tay và không cần khởi ñộng Chuỗi training là các bit nghỉ

Modem vận tốc trung bình và cao

Ðó là các modem có tốc ñộ trên 2400 bps, thường dùng ñiều chế PSK hoặc QAM nên phải có mạch phục hồi sóng mang Các modem này là loại ñồng bộ nên phải có mạch phục hồi xung ñồng hồ Yêu cầu có mạch ngẫu nhiên hóa và giải ngẫu nhiên cùng mạch cân bằng

tự ñộng (automatic equalizers)

Thí dụ modem Bell 208 là loại ñồng bộ, vận tốc 4800-bps dùng kỹ thuật 8-DPSK có chuỗi traning gồm 78 ký hiệu, mỗi ký hiệu gồm 3 bit (tribit, chiếm 0.625 ms) Vậy thời gian của chuỗi training khoảng 48,75 ms Ðây là khoảng thời trể giữa RTS và CTS như ta ñã thấy trước ñây

7.2.3.2 Phục hồi xung ñồng hồ :

Ðể phục hồi xung ñồng hồ, người ta dùng tín hiệu ra từ một kênh (I hoặc Q) EX-OR với chính nó sau khi làm trể 1/2 bit (H 7.27) Tín hiệu ra có tần số gấp ñôi tín hiệu ở mỗi kênh ñược ñưa vào mạch PLL ñể khóa pha của tín hiệu dao ñộng ở máy thu, ñể bảo ñảm mạch PLL hoạt ñộng tốt yêu cầu tín hiệu phải có sự thay ñổi trạng thái thường xuyên, ñó là

lý do phải sử dụng mạch scrambler