Bài giảng chi tiết kỹ thuật thông tin số

Đây là loại kênh truyền vẫn đang được sử dụng rất nhiều trong truyền thông tin nên nhiều nghiên cứu đã và đang được tiến hành nhằm thiết kế tối ưu tín hiệu cũng như bộ giải điều chế để c

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN

BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN SỐ

HẢI PHÒNG – 2010

YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Kỹ thuật thông tin số Loại học phần : IV

Bộ môn phụ trách giảng dạy:Điện tử-Viễn thông Khoa phụ trách: Điện-Điện tử TB

Điều kiện tiên quyết:

Sinh viên phải học và thi đạt các học phần sau mới được đăng ký học học phần này: Lý thuyết mạch, Cơ

sở kỹ thuật mạch điện tử, Lý thuyết truyền tin, xử lý số tín hiệu, Điện tử tương tự

Mục tiêu của học phần:

Cung cấp cho sinh viên những kiến thức về biến đổi tín hiệu, xử lý tín hiệu băng gốc, kỹ thuật ghép kênh

số, mã hoá kênh, truyền tín hiệu số trên băng tần liên tục và băng tần hạn chế, đồng bộ trong thông tin số

Nội dung chủ yếu:

Chương 1: Tổng quan về thông tin số

Chương 2: Số hoá tín hiệu liên tục

Chương 3: Xử lý tín hiệu băng gốc

Chương 4: Ghép kênh trong truyền dẫn số

Chương 5: Truyền tín hiệu số trên băng tần liên tục

Chương 6: Mã hóa kênh

Chương 7: Đồng bộ trong truyền dẫn số

Nội dung chi tiết:

1.1 Khái quát về dịch vụ viễn thông, mạng viễn thông

1.2 Các đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin số

1.3 Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số

1.4 Tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số

1.5 Mô hình toán học của kênh thông tin

2.1 Khái quát

2.2 Điều chế xung mã PCM

2.3 Điều chế xung mã vi sai

3.1 Khái quát

3.2 Mã hóa tín hiệu băng gốc

3.3 Kỹ thuật xáo trộn bit

3.4 Nhiễu xuyên symbol ISI và biểu đồ mắt

Chương 4: Ghép kênh trong truyền dẫn số 10 10

4.1 Nguyên lý ghép kênh theo thời gian

4.2 Ghép kênh đồng bộ và cận đồng bộ

4.3 Ghép kênh sơ cấp

Chương 5: Truyền dẫn số trên kênh liên tục 08 08

5.1 Mở đầu

5.2 Cấu trúc thu tối ưu tín hiệu

5.3 Lựa chọn tối ưu tập tín hiệu

5.4 Tổng hợp các tín hiệu dạng sóng – Một số sơ đồ điều

7.4 Truyền dẫn thông tin về pha: Khôi phục sóng mang

7.5 Truyền dẫn thông tin định thời: Khôi phục đồng hồ

Nhiệm vụ của sinh viên: Lên lớp đầy đủ và chấp hành mọi quy định của Nhà trường

Tài liệu học tập:

Kỹ thuật truyền dẫn số của Nguyễn Quốc Bình - Học viện kỹ thuật Quân sự

Viba số - Nhà xuất bản Bưu điện

Kỹ thuật mạch điện tử của Phạm Minh Hà

Digital Transmission Engineering

Digital Communication

Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên:

- Thi viết hoặc thi vấn đáp

- Sinh viên phải bảo đảm các điều kiện theo Quy chế của Nhà trường và của Bộ

Thang điểm : Thang điểm chữ A,B,C,D,F

Điểm đánh giá học phần: Z=0,4X+0,6Y

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

-o0o-

ThS PHẠM VIỆT HƯNG

KỸ THUẬT THÔNG TIN SỐ

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 1

1.1 KHÁI QUÁT VỀ DỊCH VỤ VIỄN THÔNG, MẠNG VIỄN THÔNG VÀ KÊNH TRUYỀN THÔNG 1

1.1.1 Dịch vụ viễn thông 1

1.1.2 Các thành phần chính của mạng viễn thông 2

1.1.3 Kênh thông tin và các đặc tính của kênh 2

1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 3

1.3 SƠ ĐỒ KHỐI TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 5

1.4 THAM SỐ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 7

1.5 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA KÊNH THÔNG TIN 8

Chương 2 SỐ HÓA TÍN HIỆU LIÊN TỤC 10

2.1 KHÁI QUÁT 10

2.2 ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG – PCM 10

2.2.1 Nguyên tắc 10

2.2.2 Lọc hạn băng 11

2.2.3 Lấy mẫu 11

2.2.4 Lượng tử hóa 12

2.2.5 Mã hóa 14

2.2.6 Một số đặc điểm của tín hiệu PCM 17

2.3 ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ VI SAI 18

2.3.1 Nguyên tắc 18

2.3.2 Điều chế xung mã vi sai với bộ dự đoán 18

2.3.3 Hiện tượng quá tải sườn 20

2.3.4 Điều chế xung mã vi sai tự thích nghi 21

Chương 3 XỬ LÝ TÍN HIỆU BĂNG GỐC 22

3.1 KHÁI QUÁT 22

3.2 MÃ HÓA TÍN HIỆU BĂNG GỐC 23

3.2.1 Chức năng, phân loại và tham số 23

3.2.2 Các loại mã đường dây thông dụng 26

3.3 KỸ THUẬT XÁO TRỘN BIT 39

3.4 NHIỄU XUYÊN SYMBOL ISI VÀ BIỂU ĐỒ MẮT 40

3.4.1 Nhiễu xuyên symbol ISI 40

3.4.2 Biểu đồ mắt (Eye diagram) 42

Chương 4 GHÉP KÊNH TRONG TRUYỀN DẪN SỐ 44

4.1 NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO THỜI GIAN 44

4.2 GHÉP KÊNH ĐỒNG BỘ VÀ CẬN ĐỒNG BỘ 45

4.2.1 Ghép kênh đồng bộ 45

4.2.2 Ghép kênh không đồng bộ 46

4.3 GHÉP KÊNH SƠ CẤP 47

4.3.1 Khái quát 47

4.3.2 Ghép kênh PCM sơ cấp hệ Nhật – Mỹ 48

4.3.3 Ghép kênh PCM sơ cấp hệ Châu Âu 50

4.4 GHÉP KÊNH BẬC CAO CẬN ĐỒNG BỘ VÀ CÁC HỆ THỐNG PHÂN CẤP SỐ CẬN ĐỒNG BỘ PDH 51

4.5 HỆ THỐNG PHÂN CẤP SỐ ĐỒNG BỘ SDH 52

4.5.1 Giao diện nút mạng đối với SDH 52

4.5.2 Cấu trúc ghép kênh đối với SDH 55

Chương 5 TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ TRÊN KÊNH LIÊN TỤC 56

5.1 MỞ ĐẦU 56

5.1.1 Khái quát chung 56

5.1.2 Mô hình kênh liên tục truyền tín hiệu số 57

5.1.3 Các bài toán tối ưu đối với hệ thống truyền dẫn số 58

5.2 CẤU TRÚC THU TỐI ƯU TÍN HIỆU SỐ .59

5.2.2 Biểu diễn véc-tơ tín hiệu số 60

5.2.3 Cấu trúc thu tối ưu 61

5.2.4 Máy thu tương quan 63

5.2.5 Máy thu lọc phối hợp 64

5.2.6 Xác suất thu lỗi với máy thu tối ưu 64

5.3 LỰA CHỌN TỐI ƯU TẬP TÍN HIỆU 65

5.3.1 Bài toán tối ưu hoá tập tín hiệu .65

5.3.2 Lựa chọn tập tín hiệu với công suất hạn chế 66

5.3.3 Điều chế tín hiệu nhiều mức nhằm nâng cao hiệu quả phổ 67

5.3.4 Lựa chọn tối ưu tập tín hiệu 68

5.3.5 Xác suất lỗi bit và xác suất lỗi symbol 70

5.4 TỔNG HỢP CÁC TÍN HIỆU DẠNG SÓNG - MỘT SỐ SƠ ĐỒ ĐIỀU CHẾ NHIỀU MỨC THƯỜNG GẶP 70

5.4.2 Điều chế M-PSK 71

5.4.3 Điều chế biên độ vuông góc M-QAM 72

Chương 6 MÃ HÓA KÊNH 74

6.1 MÃ HÓA KHỐI 74

6.1.1 Giới thiệu 74

6.1.2 Định nghĩa mã khối tuyến tính 74

6.1.3 Ma trận sinh 74

6.1.4 Ma trận kiểm tra 76

6.1.5 Syndrome và phát hiện sai 76

6.1.6 Khoảng cách tối thiểu của mã khối 79

6.1.7 Mối liên hệ giữa n và k trong mã tuyến tính 80

6.1.8 Khả năng phát hiện và sửa sai của mã tuyến tính 82

6.1.9 Dãy tiêu chuẩn và giải mã syndrome 82

6.2 MÃ HÓA XOẮN 85

6.2.1 Giới thiệu 85

6.2.2 Cách tạo mã xoắn 86

6.2.3 Giải mã xoắn 92

Chương 7 ĐỒNG BỘ TRONG TRUYỀN DẪN SÔ 98

7.1 MỞ ĐẦU 98

7.2 CÁC MẠCH VÒNG KHÓA PHA PLL 98

7.3 CÁC PLL SỐ 107

7.3.1 Các phần tử mạch 107

7.3.2 Hoạt động của một DPLL 108

7.3.3 Các đặc trưng chủ yếu 111

7.3.4 Các loại mạch vòng 113

7.3.5 So sánh với PLL tương tự 113

7.3.6 Cải thiện hoạt động DPLL bằng bộ lọc dãy 114

7.4 TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỀ PHA (KHÔI PHỤC SÓNG MANG) 118

7.4.1 Các hệ thống với tín hiệu tham chiếu được truyền 118

7.4.2 Khôi phục sóng mang từ một tín hiệu có sóng mang bị nén 121

7.5 TRUYỀN DẪN THÔNG TIN ĐỊNH THỜI (KHÔI PHỤC XUNG NHỊP) 122

7.5.1 Các phương pháp khôi phục tín hiệu xung nhịp 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

MỤC LỤC BẢNG BIỂU HÌNH VẼ

Hình1.1 Sơ đồ khối chức năng của 1 hệ thống thông tin tổng quát 5

Hình1.2 Sơ đối khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số 5

Hình1.3 Kênh có bộ lọc tuyến tính và nhiễu cộng 8

Hình1.4 Kênh có bộ lọc tuyến tính biến thiên theo thời gian và nhiễu cộng 9

Hình2.1 Sơ đồ thực hiện PCM 11

Hình2.2 Lấy mẫu tín hiệu liên tục 12

Hình2.3 Tuyến tính hoá bằng 15 đoạn thẳng 14

Hình2.4 Tuyến tính hoá bằng 13 đoạn thẳng 14

Hình2.5 Tốc độ bit tối đa của tín hiệu PCM 17

Hình2.6 Cấu trúc mã hoá và giải mã DPCM 18

Hình2.7 Cấu trúc mã hoá và giải mã DPCM 19

Hình2.8 Bộ lọc giàn dung làm mạch dự đoán 20

Hình2.9 Điều chế và giải điều chế Delta 20

Hình2.10 Hiện tượng sườn quá tải 21

Hình3.1 Các khối xử lý tín hiệu băng gốc tiêu biểu 23

Hình3.2 Phân loại các mã đường dây 25

Hình3.3 Tín hiệu NRZ 27

Hình3.4 PSD của tín hiệu NRZ 28

Hình3.5 Xác suất lỗi của tín hiệu NRZ 29

Hình3.6 Tín hiệu RZ đơn cực, cực và lưỡng 30

Hình3.7 PSD của tín hiệu RZ 31

Hình3.8 Xác suất lỗi của tín hiệu RZ 32

Hình3.9 Mã Manchester 33

Hình3.10 PSD của tín hiệu Manchester 33

Hình3.11 Mã hóa AMI 34

Hình3.12 PSD của tín hiệu AMI 35

Hình3.13 Xác suất lỗi của tín hiệu AMI 36

Hình3.14 Mã hóa CMI 37

Hình3.15 PSD của tín hiệu CMI 37

Hình3.16 Mã hóa HDB3 39

Hình3.17 Bộ tạo chuỗi PN cấu hình Fibonacci 40

Hình3.18 Nhiễu xuyên symbol ISI 41

Hình3.19 Biểu đồ mắt với tín hiệu và ảnh hưởng của nhiễu 42

Hình4.1 Nguyên lý ghép kênh theo thời gian 45

Hình4.2 Chèn dương 46

Hình4.3 Ghép kênh PCM sơ cấp 48

Hình4.4 Cấu trúc mạng SDH dạng đoạn, tuyến, đường 53

Hình4.5 Cấu trúc khung SDH ứng với STM-n (n=1, 4, 16) 53

Hình4.6 Cấu trúc 1 khung SDH 54

Hình4.7 Nội dung của SOH 54

Hình4.8 Cấu trúc ghép cơ bản trong hệ thống SDH 55

Hình5.1 Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống truyền dẫn số 57

Hình5.2 Mô hình kênh liên tục 58

Hình5.3 Sơ đồ khối tối giản hệ thống truyền dẫn số 59

Hình5.4 Dạng véc-tơ của cấu trúc thu tối ưu 63

Hình5.5 Máy thu tương quan 63

Hình5.6 Máy thu lọc phối hợp 64

Hình5.7 Tín hiệu đối cực (M = 2) 66

Hình5.8 Constellation của một số tập tín hiệu tiêu biểu 67

Hình5.9 Sơ đồ điều chế (a) và giải điều chế (b) 4 - FSK 71

Hình5.10 Sơ đồ điều chế (a) và giải điều chế (b) 4 - PSK 72

Hình5.11 Sơ đồ khối bộ điều chế M - QAM 72

Hình5.12 Sơ đồ khối bộ giải điều chế QAM 73

Hình6.1 Mạch mã hoá khối tuyến tính (n, k) 76

Hình6.2 Mạch tạo Syndrome của mã khối tuyến tính 78

Hình6.3 Sơ đồ giải mã tổng quát của bộ giải mã khối tuyến tính 84

Hình6.4 Sự bố trí bộ lập/giải mã xoắn trên một kênh thông tin 85

Hình6.5 Sơ đồ tạo mã xoắn (2, 1, 5) 86

Hình6.6 Đồ hình trạng thái của mã CC (2,1,3) .90

Hình6.7 Đồ hình cây mã của mã xoắn 91

Hình6.8 Đồ hình cây mã của mã CC(1,2,3) .91

Hình6.9 Đồ hình lưới của mã CC (2,2,3) 92

Hình6.10 Đồ hình mã hoá mã CC (2,1,3) 94

Hình6.11 : Đồ hình giả mã sau thời điểm T3 95

Hình6.12 Đồ hình giả mã sau thời điểm T4 95

Hình6.13 Đồ hình giải mã sau thời điểm T5 96

Hình6.14 Đồ hình giải mã sau thời điểm T6 96

Hình6.15 Đồ hình giải mã sau thời điểm T7 96

Hình6.16 Đồ hình kết quả mã hoá CC(2,1,3) 97

Hình7.1 Truyền dẫn tín hiệu số 98

Hình7.2 Sơ đồ khối một PLL 99

Hình7.3 Sơ đồ tương đương băng gốc của một PLL 100

Hình7.4 Mạch lọc vòng tích phân không lý tưởng 100

Hình7.5 Quỹ đạo hoạt động của PLL bậc 2 trên mặt phẳng pha 103

Hình7.6 Các phương án của một DCO a) Bộ dao động với bộ chia tần điều kiển được; b) Bộ dao động với bộ chia tần cố định; c) Bộ chia tần với một mạng chia pha 108

Hình7.7 Cấu trúc của một DPLL 109

Hình7.8 Các đặc tính so pha a) Không có vùng chết; b) Có vùng chết 110

Hình7.9 Bộ lọc N trước M; a) Trường hợp thường; b) Trường hợp cạnh tranh 116

Hình7.10 ĐỒ hình hoạt động của bộ lọc với N = 3, M = 4 117

Hình7.11 Bộ lọc đi lại ngẫu nhiên 117

Hình7.12 Đồ hình hoạt động của một bộ lọc đi lại ngẫu nhiên với N = 2 117 Hình7.13 a) Đường bao phổ của một hệ thống PSK có sóng mang được ghép thep tần số; b) Bộ giải điều

chế PSK của hệ thống có sóng mang được ghép như mục a) c) Mạch khôi phục sóng mang được ghép thep

thời gian; d) Mạch khôi phục sóng mang được ghép theo tần số; e) Mạch khôi phục sóng mang ghép trục giao 120

Hình7.14 Mạch khôi phục sóng mang luỹ thừa bốn dùng cho QPSK 122 Hình7.15 Các vòng khôi phục tín hiệu đồng hồ: a) Sử dụng độ phi tuyến chẵn; b) và c) sử dụng các dạng

thuật toán phi tuyến khác 123

Hình7.16 Mạch khôi phục đồng hồ "cổng sớm muộn" 124

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

1.1 KHÁI QUÁT VỀ DỊCH VỤ VIỄN THÔNG, MẠNG VIỄN THÔNG VÀ KÊNH TRUYỀN THÔNG

1.1.1 Dịch vụ viễn thông

Dịch vụ viễn thông là hình thái trao đổi trao đổi thông tin mà mạng viễn thông cung cấp Các dịch

vụ viễn thông ngày nay rất phong phú và đa dạng, phục vụ cho nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng cao của người sử dụng

Mạng điện thoại là mạng lâu đời nhất và lớn nhất trong các loại mạng viễn thông Mạng điện

thoại được xây dựng lên trước hết là để cung cấp dịch vụ truyền âm thoại, tuy nhiên ngày nay phạm vi ứng dụng của mạng điện thoại ngày càng được mở rộng; từ dịch vụ thoại truyền thống cho đến dịch vụ thoại di động, truyền số liệu, fax,…

Mạng số liệu chuyển mạng công cộng CSPDN (Circuit Switching Public Data Network) ra đời

những năm 1980 tại các quốc gia Scandinavia Số lượng thuê bao tăng vọt lên vượt trội trong vài năm gần đây CSPDN đã lôi cuốn được số lượng khách hàng rất lớn gồm ngân hàng (các dịch vụ tự động trong ngân hàng), công ty xăng dầu (các trạm xăng), các đại lý du lịch (hệ thống đặt vé),… Đây là mạng hoàn toàn số, được thiết kế cho mục đích truyền số liệu với bốn tốc độ 600, 2400, 4800 và 9600pbs CSPDN là mạng chuyển mạch kênh (circuit – switching), nghĩa là người gửi và người nhận kết nối trực tiếp với nhau trong suốt thời gian truyền dẫn và phải hoạt động ở cùng tốc độ Chế độ truyền trong CSPDN là song công (full duplex), nghĩa là số liệu truyền đồng thời theo cả 2 hướng

Mạng số liệu chuyển mạch gói PSPDN (Packet Switching Public Data Network) được giới thiệu

rộng rãi trên toàn thế giới từ giữa những năm 1970 Hầu hết các mạng truyền số liệu trên thế giới hiện nay

là mạng chuyển mạch gói như mạng số liệu chuyển mạch gói ở Tây Âu, USA, Canada, Nhật và nhiều nước khác Khách hàng là các trường đại học, viện nghiên cứu, các công ty, các nhà kinh doanh Điểm hấp dẫn của PSPDN là giúp khách hàng có thể truy cập đến các cơ sở dữ liệu rộng lớn trên toàn thế giới, trao đổi thông tin giữa các máy tính,… với giá cả dễ chấp nhận Trong PSPDN, các bản tin được chia ra thành các gói tin và được gửi đi ngay khi có kết nối rỗi Các gói từ các thuê bao khác nhau có thể truyền đi trên cùng một kết nối đơn, theo cách này, một vài cuộc gọi có thể cùng chia sẻ một kết nối ảo (virtual connection) Để các gói đi đến đúng địch, các gói cần phải mang địa chỉ nhận Khi đến nơi các gói cần phải được kết hợp lại thành bản tin gốc bên phát Vậy điểm khác biệt cơ bản so với mạng chuyển mạch kênh là ở đây không tồn tại kết nối trực tiếp giữa các thuê bao

Truyền số liệu trong mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN là dịch vụ số liệu trong PSTN dùng modem Với sự trợ giúp của điện thoại, kết nối được thực hiện giống như một cuộc gọi điện thoại thông thường đến thuê bao yêu cầu Modem đảm bảo cho các máy tính có thể kết nối với nhau thông qua đường dây điện thoại hoặc đường thuê riêng (leased line)

Ngoài ra, có thể kể thêm rất nhiều mạng và các dịch vụ viễn thông khác nhau Ví dụ như, mạng cảnh báo, mạng băng rộng, mạng cục bộ LAN,… Dịch vụ cảnh báo được khai thác trên mạng điện thoại,

khách hàng thuê một đường dây đặc biệt, kết nối đến 1 màn hình giám sát đặt tại cơ quan an ninh để tình trạng an ninh được giám sát, theo dõi thường xuyên Mạng băng rộng cung cấp những dịch vụ băng rộng

mà mạng điện thoại không thể đáp ứng được Nó đòi hỏi môi trường truyền phải là cáp đồng trục (coaxial cable) hoặc cáp sợi quang (fiber cable0

1.1.2 Các thành phần chính của mạng viễn thông

Để xây dựng mạng viễn thông phục vụ cho nhu cầu trao đổi thông tin của các đối tượng, ý tưởng đầu tiên là cần phải cung cấp các kết nối nối tất cả các đối tượng với nhau từng đôi một Tuy nhiên, khi số lượng đối tượng tăng lên và phạm vi rộng hơn lên thì cần phải phân chia phạm vi đó ra làm nhiều khu vực nhỏ hơn Các đối tượng thuộc khu vực nào sẽ được trung tâm của khu vực đó phục vụ Sau đó đấu nối tất

cả các trung tâm này lại với nhau Tất cả các trang thiết bị trong mạng viễn thông có thể chia thành bốn nhóm chính:

Nhóm 1 là thiết bị đầu cuối (terminal equipment) hay còn gọi là thuê bao (subcriber), là người sử

dụng (end user), có nhiệm vụ đưa tin tức vào mạng và lấy tin tức từ mạng

Nhóm 2 là trung tâm (center) hay còn gọi là tổng đài (exchange), là nút mạng (node), có nhiệm vụ

thu thập tất cả nhu cầu của các đối tượng, xử lý tin tức, chuyển mạch để tổ chức việc trao đổi tin tức giữa các đối tượng

Nhóm 3 là mạng truyền dẫn (transmission network) có nhiệm vụ kết nối nhóm 1 và nhóm 2 gọi là

đường dây thuê bao (subcriber line) và kết nối nhóm 2 với nhóm 2 gọi là đường dây trung kế (trunk line)

Nhóm 4 là phần mềm (software) của mạng, có nhiệm vụ phối hợp hoạt động của ba nhóm trên sao

cho có hiệu quả

1.1.3 Kênh thông tin và các đặc tính của kênh

Như đã nêu, kênh thông tin cung cấp kết nối giữa máy thu và máy phát Kênh vật lý có thể là cáp xoắn đôi mang tín hiệu điện hoặc cáp quang mang thông tin dưới dạng chùm sáng được điều chế, hoặc cũng có thể là không gian tự do khi tín hiệu mang thông tin được bức xạ từ anten phát Các phương tiện khác cũng có thể được coi là kênh thông tin như thiết bị lưu trữ số liệu như băng từ, đĩa từ hoặc đĩa quang

Vấn đề chung của các phương tiện khi truyền dẫn tín hiệu là vấn đề nhiễu cộng Nói chung, nhiễu cộng được tạo ra từ bên trong bởi các thành phần như điện trở và các thiết bị được sử dụng để thực hiện hệ thống thông tin Loại nhiễu (tạp âm) này được gọi là tạp âm nhiệt Các nguồn khác của tạp âm và nhiễu có thể là xuất phát từ bên ngoài ảnh hưởng lên hệ thống như nhiều từ những người sử dụng khác cùng chia sẻ kênh truyền Khi những tạp âm và nhiễu như vậy chiếm cùng băng tần với tín hiệu mong muốn, ảnh hưởng của nó có thể được giảm thiểu bằng thiết kế đặc tính của tín hiệu được truyền hoặc thiết kế đặc tính của bộ giải điều chế tại phía thu Những loại suy giảm tín hiệu khác có thể gặp khi truyền dẫn tín hiệu trên kênh là suy giảm tín hiệu, méo pha hoặc méo biên độ, méo do đa đường

Những ảnh hưởng của tạp âm có thể được giảm thiễu bằng cách tăng công suất của tín hiệu phát Tuy nhiên, các trang thiết bị và các thành phần khác trong hệ thống luôn có một giới hạn làm hạn chế mức công suất tín hiệu được phát Một giới hạn nữa đó là băng tần kênh sẵn có Giới hạn băng tần luôn có nguyên nhân là những giới hạn vật lý của môi trường truyền cũng như các thành phần điện tử được sử dụng trong máy phát và máy thu Hai hạn chế này sẽ dẫn đến giới hạn số lượng dữ liệu có thể được truyền

một cách tin cậy trên bất kỳ kênh thông tin nào Dưới đây sẽ mô tả một vài đặc tính quan trọng của một số kênh truyền thông tiêu biểu

 Dây cáp: Tiêu biểu cho kênh truyền dạng dây cáp đó là cáp xoắn đôi và cáp đồng trục Cáp

xoắn đôi được dùng trong mạng điện thoại để truyền tín hiệu thoại cũng như tín hiệu số liệu hoặc tín hiệu hình ảnh từ người sử dụng đến tổng đài Băng thông của cáp xoắn đôi vào khoảng vài trăm kHz Trong khi đó, cáp đồng trục có băng thông khả dụng rộng hơn, khoảng vài MHz Tín hiệu truyền qua dây cáp xoắn đôi hoặc cáp đồng trục hoặc các loại kênh truyền định hướng khác như ống dẫn sóng thường bị méo về pha hoặc biên độ hoặc cả biên độ và pha Đây là loại kênh truyền vẫn đang được sử dụng rất nhiều trong truyền thông tin nên nhiều nghiên cứu đã

và đang được tiến hành nhằm thiết kế tối ưu tín hiệu cũng như bộ giải điều chế để có thể loại

bỏ méo pha và biên độ tín hiệu trong quá trình truyền dẫn

 Cáp quang: Với đặc điểm cung cấp một băng thông lớn hơn nhiều lần băng thông của cáp

đồng trục cùng với việc suy hao tín hiệu tương đối thấp, cáp quang đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong truyền thông đi khắp nơi không chỉ trong phạm vi 1 quốc gia mà còn sử dụng liên châu lục, xuyên các đại dương lớn Nhờ băng thông rộng lớn này, cáp quang là giải pháp hữu ích giúp cho các nhà cung cấp dịch vụ triển khai cung cấp tới các thuê bao nhiều dịch

vụ tiện ích cả về thoại, số liệu cũng như hình ảnh Bộ phát trong hệ thống thông tin quang đó là các nguồn sáng như LED hoặc laser Thông tin được truyền dưới dạng điều chế cường độ sóng ánh sáng Ánh sáng được điều chế này sẽ truyền đi dưới dạng sóng ánh sáng và được khuếch đại tại các trạm lặp để bù lại độ suy hao ánh sáng Tại phía thu, cường độ ánh sáng sẽ được thu nhận bởi các photodiode cho ra tín hiệu điện tỉ lệ với công suất của ánh sáng được thu nhận

 Sóng điện từ trường: Trong các hệ thống thông tin không dây, năng lượng điện từ trường được

bức xạ vào trong môi trường truyền dẫn nhờ anten Kích thước và cấu hình của anten sẽ phụ thuộc vào tần số được sử dụng Để đạt được sự bức xạ hiệu quả sóng điện từ trường, kích thước của anten phải dài hơn 1/10 bước sóng Nói chung, toàn bộ dải tần số của sóng điện từ sẽ được chia thành các dải tần khác nhau và được đặt tên cũng như phương thức truyền sóng điện

từ trên dải đó như truyền sóng trời, truyền sóng đất, truyền sóng theo tầm nhìn thẳng (LOS: Line of Sight) Đặc điểm của dạng kênh truyền này đó là do sử dụng môi trường tự do để truyền sóng nên tín hiệu truyền dẫn sẽ chịu ảnh hưởng rất nhiều của nhiễu, tạp âm với rất nhiều nguồn gây nhiễu Ngoài việc ảnh hướng của nhiễu, trong mạng truyền thông không dây, các tín hiệu được truyền còn chịu ảnh hưởng của hiện tượng pha-đinh, hiện tượng đa đường, suy hao tín hiệu gây ra do mưa, do bầu khí quyển,….Tất cả những ảnh hưởng này đều sẽ được nghiên cứu, phân tích kỹ lưỡng để từ đó có những giải pháp thiết kế tín hiệu, thiết kế bộ phát, bộ điều chế, anten tại phía phát cũng như anten thu, bộ giải điều chế, bộ cân bằng kênh để giảm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu

1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền đưa tin tức từ nơi này đến nơi khác Tin tức được truyền đưa từ nguồn tin (là nơi sinh ra tin tức) tới bộ nhận tin (là đích mà tin tức cần được chuyển tới) dưới dạng các bản tin Bản tin là dạng hình thức chứa đựng một lượng thông tin nào đó Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng liên tục hay rời rạc, tương ứng chúng ta có các nguồn tin liên tục hay rời rạc Đối với nguồn tin liên tục, tập các bản tin là một tập vô hạn, còn đối với nguồn tin rời rạc, tập các bản tin

có thể là một tập hữu hạn

Biểu diễn vật lý của một bản tin được gọi là tín hiệu Có rất nhiều loại tín hiệu khác nhau tùy theo đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu thí dụ như cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng… Tùy theo dạng của các tín hiệu được sử dụng để truyền tải tín t ức trong cá hệ thống truyền tin là tín hiệu tương tự (analog) hay tín hiệu số (digital) và tương ứng sẽ có các hệ thống thông tin analog hay hệ thống thông tin số

Đặc điểm cẳn bản của 1 tín hiệu tương tự (đại lượng vật lý được sử dụng làm tín hiệu có quy luật biến thiên tương tự với bản tin như nó đã được sản sinh ra từ nguồn tin) là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, lấp đầy liên tục 1 dải nào đó Thêm vào đó, thời gian tồn tại của các tín hiệu tương tự là 1 giá trị không xác định cụ thể, phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồn tin sinh ra Tín hiệu analog có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tùy thèo tín hiệu là một hàm liên tục hay rời rạc của biến thời gian Tín hiệu điện thoại của lối ra của micro là một thí dụ tiêu biểu về tín hiệu tương tự liên tục, trong khi đó tín hiệu điều chế biên xung (PAM: Pulse Amplitude Modulation) của chính tín hiệu lối ra micro nói trên là một tín hiệu tương tự rời rạc

Trong trường hợp nguồn tin chỉ gồm một số hữu hạn (M) các tin thì các bản tin này có thể đánh số được và do vậy thay vì truyền đi các bản tin ta chỉ cần chuyển đi các ký hiệu (symbol) là các con số tương ứng với các bản tin đó Tín hiệu khi đó chỉ biểu diễn các con số (các ký hiệu) và được gọi là tín hiệu số Đặc trưng cơ bản của tín hiệu số là:

i) Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị

ii) Tín hiệu số có thời gian tồn tại xác định, thường là một hằng số ký hiệu là Ts (viết tắt của

Symbol Time – Interval – Thời gian của một ký hiệu)

Tín hiệu số có thể nhận M giá trị khác nhau Trong trường hợp M=2, chúng ta có hệ thống thông tin số nhị phân còn trong trường hợp tổng quát chúng ta có hệ thống M mức

So với các hệ thống thông tin tương tự, các hệ thống thông tin số có một số ưu điểm cơ bản sau:

 Thứ nhất, do có khả năng tái sinh tín hiệu theo ngưỡng qua sau từng cự ly nhất định nên tạp

âm tích lũy có thể loại trừ được, tức là các tín hiệu số khỏe hơn đối với tạp âm so với tín hiệu analog

 Thứ hai, do sử dụng tín hiệu số, tương thích với các hệ thống điều khiển và xử lý hiện đại, nên

có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì hệ thống một cách tự động cao độ

 Thứ ba, tín hiệu số có thể sử dụng được để truyền đưa khá dễ dàng mọi loại bản tin, rời rạc hay

liên tục, tạo tiền đề cho việc hợp nhất các mạng thông tin truyền đưa các dịch vụ thoại hay số liệu thành một mạng duy nhất Nhược điểm căn bản của các hệ thống thông tin số so với các hệ thống thông tin tương tực trước đây là phổ chiếm của tín hiệu số khi truyền các bản tin liên tục tương đối lớn hơn so với phổ của tín hiệu analog Do các hạn chế về kỹ thuật hiện nay, phổ chiếm của các tín hiệu số còn tương đối lớn hơn phổ chiếm của tín hiệu analog khi truyền các bản tin tục, tuy nhiên trong tương lại khi các kỹ thuật số hóa tín hiệu liên tục tiên tiến hơn được

áp dụng thì phổ của tín hiệu số có thể so sánh được với phổ của tín hiệu liên tục

1.3 SƠ ĐỒ KHỐI TIÊU BIỂU CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Trước khi đến với sơ đồ khối của hệ thống thông tin số, cùng nhìn lại cấu trúc tiêu biểu của một hệ thống thông tin tổng quát Hình 1.1 là sơ đồ khối của một hệ thống thông tin tổng quát Hệ thống gồm 3 khâu chính: nguồn tin, kênh tin và nhận tin:

Hình1.1 Sơ đồ khối chức năng của 1 hệ thống thông tin tổng quát

 Nguồn tin là nơi sản sinh hay chứa các tin truyền đi Khi một đường truyền tin được thiết lập

để truyền tin từ nguồn tin đến nơi nhận tin, một dãy các tin của nguồn sẽ được truyền đi với một phân bố xác xuất nào đó Dãy này được gọi là một bản tin (message) Vậy có thể định nghĩa: nguồn tin là tập hợp các tin mà hệ thống thông tin dùng để lập các bản tin khác nhau để truyền đi Số lượng các tin trong nguồn có thể hữu hạn hay vô hạn tương ứng với nguồn tin rời rạc hay liên tục

 Kênh tin là môi trường truyền lan thông tin Để có thể truyền lại trong một môi trường vật lý

xác đinh, thông tin phải được chuyển thành dạng tín hiệu thích hợp với môi trường truyền lan Vậy kênh tin là nơi hình thành và truyền tín hiệu mang tin đồng thời ở đấy cũng sản sinh ra các nhiễu (noise) phá hủy thông tin Trong thực tế, kênh tin có rất nhiều dạng khác nhau, ví dụ dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, cáp sợi quang, vô tuyến,…

 Nhận tin là cơ cấu khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ở đầu ra của kênh tin

Đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin số là: các tín hiệu được truyền đưa và xử lý bởi hệ thống

là các tín hiệu số, nhận các giá trị từ một tập hữu hạn các phần tử, thường được gọi là bảng chữ cái (alphabet) Các phần tử tín hiệu này có độ dài hữu hạn xác định TS là như nhau đối với mọi phần tử tín hiệu Trong thực tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần số công tác, dạng loại môi trường truyền dẫn… Tùy theo loại hệ thống thông tin số thực tế, hàng loạt chức năng xử lý tín hiệu số khác nhau có thể được sử dụng nhằm thực hiện việc truyền đưa các tín hiệu số một cách có hiệu quả về phương diện băng tần chieém cũng như công suất tín hiệu Các chức năng xử lý tín hiệu như thế được mô tả bởi các khối trong sơ đồ khối của hệ thống Mỗi một khối mô tả thuật toán xử lý tín hiệu Sơ

đồ khối tiêu biểu của một hệ thống thông tin số được mô tả trên hình 1.2

Hình1.2 Sơ đối khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số

Hầu hết tín hiệu đưa vào hệ thống thông tin số (tiếng nói, hình ảnh, âm thanh,…) là tìn hiệu tương

tự

Khối định dạng làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang dạy từ mã số Các từ mã này

được biểu diễn bằng các bit, rồi tùy theo ứng dụng cụ thể mà biểu diễn các bit hay nhóm bit ở dạng thức thích hợp Việc chuyển đổi tương tự sang số trong hệ thống thông tin số thường được làm theo phương pháp điều chế mã xung PCM (Pulse Code Modulation)

Khối giải định dạng thực hiện công việc ngược lại, chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự Việc

số hóa tín hiệu tương tự làm tăng băng thông truyền dẫn của tín hiệu nhưng cho phép bộ thu hoạt động ở

tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp hơn Đây là một ví dụ về sự mâu thuẫn giữa tài nguyên này so với tài nguyên khác Việc chuyển đổi A/D và D/A dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu số giúp cho tín hiệu được mã hóa hiệu quả trước khi truyền đi và giải mã bên thu khi chúng bị ảnh hưởng của nhiễu, méo, giao thoa Điều này khiến bộ thu phức tạp hơn nhưng cho phép truyền dẫn chính xác và không có lỗi

Khối mã hóa nguồn làm nhiệm vụ giảm số bit yêu cầu để truyền bản tin Việc này có thể xem như

loại bỏ các bit dư không cần thiết, giúp cho băng thông đường truyền được sử dụng hiệu quả hơn

Khối mật mã hóa làm nhiệm vụ mật mã hóa bản tin gốc nhằm mục đích an ninh Nó bao gồm cả

sự riêng tư (đảm bảo chỉ người phát có quyền với tin đang truyền mới được nhận nó) và xác thực (đảm bảo chỉ người thu nào mà người phát yêu cầu thì mới được nhận tin)

Khối mã hóa kênh làm nhiệm vụ đưa thêm các bit dư vào tín hiệu số theo một quy luật nào đó,

nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và thậm chí sửa được lỗi xảy ra trên kênh truyền Việc này chính

là mã hóa điều khiển lỗi, về quan điểm tin tức, là tăng thêm độ dư

Như vậy có thể nói mã hóa điều khiển lỗi đưa thêm độ dư là mâu thuẫn với mã hóa nguồn loại độ

dư Cả hai quá trình đều được thực hiện trong cùng hệ thống, tuy nhiên, kiểu dư xuất hiện tự nhiên trong tin truyền là không cần thiết, không phải là kiểu dư phù hợp cho bên thu có thể phát hiện và sửa lỗi

Giải mã nguồn, giải mật mã và giải mã kênh được thực hiện ở bộ thu, các quá trình này ngược lại với các quá trình mã hóa ở bên phát

Khối ghép kênh giúp cho nhiều tuyến thông tin có thể cùng chia sẻ một đường truyền vật lý chung

như cáp, đường truyền vô tuyến,… Trong thông tin số, kiểu ghép kênh thường dùng là ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), sắp xếp các từ mã PCM nhánh vào trong một khung TDM Tốc độ bit của tín hiệu ghép kênh sẽ gấp N lần tốc độ bit của tín hiệu PCM nhánh (N là số tín hiệu PCM nhánh ghép vào 1 khung TDM0 và băng thông yêu cầu sẽ tăng lên Khối tách kênh bên thu phân chia dòng bit thu thành các tín hiệu PCM nhánh

Khối điều chế giúp cho dòng tín hiệu số có thể truyền đi qua một phương tiện vật lý cụ thể theo

một tốc độ cho trước, với mức độ méo chấp nhận được, yêu cầu một băng thông tần số cho phép Khối điều chế có thể thay đổi dạng xung, dịch chuyển tần số của tín hiệu đến một băng thông khác phù hợp Đầu vào của bộ điều chế là tín hiệu băng gốc trong khi đầu ra của bộ điều chế là tín hiệu thông dải Khối giải điều chế bên thu chuyển dạng sóng thu được ngược lại thành tín hiệu băng gốc

Khối đa truy cập liên quan đến các kỹ thuật hoặc nguyên tắc nào đó, cho phép nhiều cặp thu phát

cùng chia sẻ một phương tiện vật lý chung (như một sợi quang, một bộ phát đáp của vệ tinh,…) Đây là biện pháp hữu hiệu và hợp lý để chia sẻ tài nguyên thông tin hạn chế của các phương tiện truyền dẫn Có một số kiểu đa truy cập, mỗi kiểu có những ưu điểm và khuyết điểm riêng

1.4 THAM SỐ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Các tham số chất lượng chủ yếu đối với các hệ thống thông tin số là độ chính xác truyền tin và tốc

độ truyền tin Các yêu cầu cơ bản đối với các hệ thống thông tin số cũng là nhanh chóng và chính xác Cần nói thêm ở đây rằng, hai yêu cầu này nói chung luôn mâu thuẫn nhau Về nguyên tắc, muốn truyền tin thật chính xác thì phải chấp nhận giảm tốc độ truyền và ngược lại, truyền tin càng nhanh thì lỗi truyền tin xảy ra càng dày hơn

Đối với thông tin số, tham số độ chính xác truyền tin thường được đánh giá qua tỉ lệ lỗi bit (BER: Bit – Error Ratio) thường được hiểu là tỉ lệ giữa số bit nhận bị lỗi và tổng số bit đã truyền trong một khoảng thời gian quan sát nào đó Khi thời gian quan sát tiến đến vô hạn thì tỉ lệ này tiến tới xác suất lỗi bit Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỉ lệ lỗi bit chỉ gần bằng với xác xuất lỗi bit Bảng 1.1 đưa ra sự so sánh giữa BER và xác xuất lỗi bit PE Trong nhiều trường hợp ứng với các dịch vụ nhất định, các tham số phái sinh về độ chính xác truyền tin thường được xét đến là các giây bị lỗi trầm trọng (SES: Severely Errored Seconds), các giây bị lỗi (ES: Errored Seconds), các phút suy giảm chất lượng (DM: Degraded Minutes)… Trong một số hệ thống thông tin số sử dụng các biện pháp mã hóa hiệu quả tiếng nói như đối với điện thoại di động chẳng hạn, thì độ chính xác truyền tin cũng còn được thể hiện qua tham số chất lượng tiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ

Bảng1.1So sánh sự khác nhau giữa BER và xác xuất lỗi bit PE

BER dựa vào việc thực hiện K lần thí nghiệm: mỗi lần

truyền qua kênh N ký hiệu, mỗi lần đếm được NE lỗi trong

số N ký hiệu được phát, giá trị của NE tại mỗi lần trong số

K lần thực hiện thí nghiệm thường khác nhau (do tính ngẫu

nhiên của kênh gây ra)

Hay nói cách khác, tái tạo lại thí nghiệm ngẫu nhiên bằng

cách phát N ký hiệu qua kênh tạp âm (ngẫu nhiên) K lần,

thường nhận được K kết quả đếm lỗi NE khác nhau

Xác suất lỗi bit là dựa vào việc truyền vô hạn các ký hiệu qua hệ thống:

= lim

→

thống (N∞

Tỉ số lỗi bit BER là một biến ngẫu nhiên (ngẫu nhiên là do

giá trị NE tại mỗi lần đếm lỗi khacu nhau

BER là một ước tính của xác suất lỗi bit

Khả năng truyền tin nhanh chóng của 1 hệ thống thông tin số thường được đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin (có đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho Nhìn chung, dung lượng của 1 hệ thống tùy thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiễu,…

1.5 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA KÊNH THÔNG TIN

Trong thiết kế hệ thống thông tin nhằm mục đích truyền tải thông tin qua các kênh vật lý, chúng ta thườn có xu hướng tìm ra những đặc trưng cơ bản của kênh để xây dựng các mô hình toán học cho kênh

Do đó, mô hình toán học của kênh sẽ được sử dụng để thiết kế bộ mã hóa kênh, bộ điều chế kênh tại phía phát cũng như bộ giải mã và bộ giải điều chế kênh tại phía thu Dưới đây sẽ mô tả ngắn gọn một vài mô hình kênh thường được sử dụng để đặc đính hóa kênh truyền vật lý phổ biến

Kênh tạp âm cộng (Additive Noise Channel) Đây là mô hình toán học đơn giản nhất cho 1 kênh

thông tin Trong mô hình này, tín hiệu được truyền s(t) bị ảnh hưởng bởi quá trình nhiễu ngẫu nhiên có tính cộng n(t) Thực tế, nhiễu cộng có thể xuất phát từ các thành phần điện tử cũng như các bộ khuếch đại tại khối thu của hệ thống thông tin hoặc từ các nguồn nhiễu trong quá trình truyền dẫn

Nếu nhiễu từ các thành phần điện tử của khối thu, nó có thể được gọi là tạp âm nhiệt Loại tạp âm này có đặc tính thống kê là quá trình Gaussian Do đó, mô hình toán học nhận được cho loại kênh này được gọi là kênh nhiễu cộng Gaussian (AGN: Additive Gaussian Noise Channel) Do mô hình kênh này thường áp dụng cho rất nhiều kênh truyền vật lý nên kênh này thường được sử dụng trong việc phân tích cũng như thiết kế các hệ thống thông tin Khi tín hiệu bị suy hao trong quá trình truyền dẫn qua kênh truyền, tín hiệu nhận được sẽ là:

( ) ( ) ( )

Trong đó  là hệ số suy hao

Kênh bộ lọc tuyến tính (Linear Filter Channel) Một vài kênh vật lý như đường dây điện thoại,

các bộ lọc thường được sử dụng để hạn chế tín hiệu được truyền không vượt quá băng tần cho phép để không ảnh hưởng đến các thành phần tín hiệu khác Những kênh truyền như vậy được được mô hình hóa bởi kênh lọc tuyến tính với nhiễu cộng Do đó, nếu tín hiệu vào kênh là s(t) thì tín hiệu ra khỏi kênh sẽ là:

Trong đó: c(t) là đáp ứng xung của bộ lọc

Hình1.3 Kênh có bộ lọc tuyến tính và nhiễu cộng

Kênh bộ lọc tuyến tính biến đổi theo thời gian (Linear Time – Variant Filter Channel) Các

kênh vật lý này như kênh vô tuyến gây ra truyền dẫn đa đường biến thiên của tín hiệu được truyền thường

biến thiên theo thời gian c t( , ) ; trong đó c t( , ) được gọi là đáp ứng của kênh tại thời điểm t do xung tác

động tại thời điểm t Do đó,  được coi là biến khoảng thời gian Kênh truyền bộ lọc tuyến tính biến thiên theo thời gian với nhiễu cộng với đáp ừng đầu vào s(t) có đáp ứng đầu ra là:

Hình1.4 Kênh có bộ lọc tuyến tính biến thiên theo thời gian và nhiễu cộng

Mô hình cho truyền dẫn đa đường qua kênh vật lý như kênh vô tuyến của mạng di động tế bào là một trường hợp đặc biệt của công thức (1-3) với đáp ứng xung của kênh có dạng

Với a t k( )là tập hệ số suy hao có thể có biến thiên theo thời gian cho L tuyến truyền dẫn đa đường và

  k là tập các khoảng trễ thời gian tương ứng Nếu áp dụng công thức (1-4) vào công thức (1-3) tín hiệu nhận được sẽ là:

Một trong những phương pháp biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu số phổ biến hơn cả là điều chế mã xung (PCM: Pulse Code Modulation) PCM cho chất lượng đảm bảo với giá thành tương đối Từ PCM có những phương pháp biến thể cũng được áp dụng như PCM delta, điều chế xung mã vi sai DPCM (Differential Pulse Code Modulation), điều chế delta DM (Delta Modulation), DM thích nghi ADM (Adaptive DM) Các phương pháp sau cho tốc độ tín hiệu số thấp hơn so với PCM, dẫn đến sử dụng băng thông tiết kiệm hơn

2.2 ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG – PCM

Dạng tiêu biểu của mã hóa dạng sóng là điều chế mã xung (PCM) thường gặp nhất trong các hệ thống truyền dẫn tín hiệu số, áp dụng cho cả tín hiệu thoại, nhóm kênh thoại ghép kênh theo tần số, tín hiệu video

2.2.1 Nguyên tắc

Điều chế xung mã PCM được thực hiện theo một quy trình bốn bước có tính nguyên tắc như sau:

 Lọc nhằm hạn chế phổ tần của tín hiệu liên tục cần truyền: Biến đổi Fourier của các tín hiệu liên tục thực tế là vô hạn theo biến tần số, chí ít cũng do thời gian tồn tại của chúng hữu hạn Chính vì vậy, các tín hiệu liên tục cần truyền nhất thiết phải được lọc nhằm hạn chế tới tần số cực đại W nào

đó nhằm thoả mãn tiền đề về băng tần hạn chế của định lý lấy mẫu

 Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc được rời rạc hoá nhờ lấy mẫu tín hiệu liên tục bằng chuỗi xung nhịp có tần số f theo định lý lấy mẫu để có được các tín hiệu điều biên xung (PAM: Pulse s

Amplitude Modulation)

 Lượng tử hoá: Số giá trị có thể có của tín hiệu PAM sau lấy mẫu là vô hạn, do vậy số bit cần thiết

để mã các giá trị của các xung PAM là vô hạn và điều này không thể thực hiện được Để hạn chế

số bit mã cần sử dụng, giá trị của từng xung PAM cần được làm tròn thành một trong các giá trị mẫu xác định gọi là các mức lượng tử (có số lượng hữu hạn) và quá trình này được gọi là lượng tử hoá

 Mã hoá: Các giá trị mức lượng tử ứng với các xung PAM được mã hóa bằng các tổ hợp mã nhị phân để truyền đi trên hệ thống truyền dẫn số

Sơ đồ mô tả các công đoạn điều chế mã xung được thể hiện trên hình 2.1

Hình2.1 Sơ đồ thực hiện PCM

Quá trình khôi phục ở phần thu được thực hiện như sau: Giải mã để được chuỗi xung PAM lượng

tử hoá rồi cho qua lọc thông thấp có tần số cắt bằng một nửa tần số lấy mẫu

Như đã nói ở trên, thực tế các tín hiệu lối vào điều chế mã xung là các tín hiệu có phổ trải rộng vô hạn Sau lọc hạn chế phổ tần tín hiệu, tín hiệu có phổ hạn chế và do vậy có thời gian tồn tại trải rộng tới vô hạn, nghĩa là về lý thuyết việc lấy mẫu phải được thực hiện với vô hạn mẫu theo (2.1) Từ đó chúng ta có thể thấy rằng tín hiệu liên tục khôi phục lại được ở phần thu, ngay cả trong trường hợp không tính đến méo và tạp nhiễu trên đường truyền, cũng chỉ là một phiên bản gần đúng của tín hiệu liên tục cần truyền đi

ở phía phát mà thôi Sai số giữa các tín hiệu phiên bản và nguyên bản gây bởi các nguyên nhân sau: a) Việc lấy mẫu không thể tiến hành trong thời gian dài vô hạn được; b) Sai số do làm tròn ( lượng tử hoá), gọi là sai số lượng tử; c) Các đặc tính lọc không hoàn toàn lý tưởng; d) Phiên bản là một tín hiệu có phổ hạn chế, không như tín hiệu nguyên bản Ngoài ra, các sai lệch quá đáng về đồng bộ cũng có thể dẫn đến sắp xếp sai các tổ hợp mã thu được và điều này dẫn đến các sai lạc vô cùng trầm trọng Các chi tiết về các công đoạn trong quy trình PCM và các biện pháp khắc phục sai số sẽ được trình bày dưới đây, xét làm ví

dụ với quá trình số hoá tín hiệu điện thoại

2.2.2 Lọc hạn băng

Phổ của tín hiệu điện thoại tập trung trong giải từ 0,3 đến 3,4 kHz Việc cắt bỏ các tần số ngoài giải nói trên không gây ra những méo thụ cảm được quá lớn, tức là không gây nên những trở ngại đặc biệt đối với quá trình thông thoại Để hạn chế phổ tín hiệu có thể tiến hành loại bỏ các thành phần tần số lớn hơn 3,4 kHz trong tín hiệu điện thoại bằng mạch lọc thông thấp, tức là có thể chọn tần số cực đại W của tín hiệu thoại là 3,4 kHz Trong trường hợp này, sai số do hạn chế băng gây ra chủ yếu là bởi không thể chế tạo được mạch lọc thông thấp lý tưởng mà chỉ có thể chế tạo được các mạch lọc với đặc tính lọc không dốc đứng tại tần số cắt Để không gây ra những méo có thể thụ cảm rõ rệt được, tần số cắt của mạch lọc hạn băng phải chọn cao hơn 3,4 kHz Các mạch lọc tiêu chuẩn trong thực tế (có đặc tính thoả mãn các khuyến nghị của CCITT cho các mạch thoại) có tần số cắt rất sát với 4 kHz

Các xung PAM

Các xung PAM lượng tử hoá

Tín hiệu PCM

Hình2.2 Lấy mẫu tín hiệu liên tục 2.2.4 Lượng tử hóa

Lượng tử hoá được thực hiện đơn giản nhất bằng cách chia giải động tín hiệu  ,a  a thành Q mức cách đều nhau, được gọi là lượng tử hoá đều Khoảng cách giữa các mức lượng tử 2a / Q Các giá trị của các mẫu tín hiệu (các xung PAM) được làm tròn thành các giá trị mức lượng tử gần nhất Sai

số lượng tử của các giá trị mẫu là một biến ngẫu nhiên e q, nhận các giá trị trong khoảng a/Q,a/Q,

có thể xem như một lượng tạp âm gọi là tạp âm lượng tử và có thể đánh giá được thông qua công suất tạp

âm lượng tử:

  q

Q a

Q a

q q

2 2

Trong đó pdf  là mật độ xác suất (probality density function)

Do không biết được phân bố thực sự của biên độ tín hiệu điện thoại trong khoảng giữa hai mức lượng tử sát nhau, người ta buộc phải gia thiết rằng tín hiệu điện thoại nhận các giá trị biên độ trong khoảng giữa hai mức lượng tử sát nhau với xác suất như nhau Do đó tạp âm lượng tử được xem là biến ngẫu nhiên phân bố đều, tức là pdf e q Q/2a

Thay vào (2-1), chúng ta được

12/3

t

c¸c xung PAMM¹ch

nh©n

tÝn hiÖu PAM

tổng cộng lớn do trong thực tế các mức tín hiệu thấp của tín hiệu thoại thường xảy ra nhiều hơn so với các mức cao Các mâu thuẫn nói trên trong thực tế được khắc phục nhờ áp dụng lượng tử hoá không đều, trong đó khoảng cách giữa các mức lượng tử được chọn lớn với các mức tín hiệu lớn còn với các mức tín hiệu nhỏ thì khoảng cách giữa các mức lượng tử chọn nhỏ giải pháp này là khá tự nhiên do đối với mức tín hiệu lớn thì tỷ số tín hiệu trên sai số (tín/tạp âm lượng tử) vẫn khá nhỏ dù sai số lượng tử tuyệt đối có lớn việc chia các mức lượng tử không đều như thế tuy vậy lại khá khó thực hiện trong thực tế và một giải pháp tương đương thường được áp dụng là thực hiện lượng tử hóa đều các tín hiệu được nén luật nén được áp dụng trong điều chế mã xung tín hiệu điện thoại là luật logarit, trong đó tín hiệu lối ra y của mạch

nén biến thiên theo luật logarit của tín hiệu lối vào x ở phần thu, tín hiệu được giãn trở lại việc duy trì

giãn chính xác là một yêu cầu rất ngặt nghèo nhằm tránh các méo tín hiệu mang vào do quá trình giãn

nén-Các luật nén logarit được áp dụng trong hệ Châu Âu và hệ Mỹ khá khác nhau, điều này là do lịch sử

quá trình phát triển viễn thông trước đây trên các khu vực khác nhau để lại luật nén được áp dụng là luật

 đối với hệ Mỹ, trong khi đó hệ Châu Âu sử dụng luật nén A biểu thức giải tích xác định các luật nén 

1,ln1

ln1

/10

,ln1

x A A

x A x

sign

A x

A

x A x sign

Trong các biểu thức (2-3) và (2-4), x và y lần lượt là các giá trị của tín hiệu lối vào và lối ra bộ nén được chuẩn hoá theo giá trị cực đại của chúng Theo khuyến nghị G.711 của CCITT, các giá trị của các tham số được chọn là: A=87,6 và  255 Đối với hệ Mỹ,  100cũng được sử dụng trong một số hệ thống, tuy nhiên đó không phải là giá trị mà CCITT chọn làm giá trị tiêu chuẩn

Để phối hợp chặt chẽ nén và giãn, các bộ nén-giãn số được áp dụng cả trong hệ Mỹ lẫn hệ Châu Âu dựa trên việc xấp xỉ các đường cong (2-3) bằng 15 đoạn thẳng (7 đoạn dương, 7 đoạn âm, một đoạn qua gốc) và (2-4) bằng 13 đoạn thẳng (6 đoạn dương, 6 đoạn âm và một đoạn qua gốc được chia thành 4 phân đoạn) các hình 1.3 và 1.4 mô tả việc tuyến tính hoá đó (chỉ vẽ với phần tín hiệu vào dương cho đơn giản) phần tín hiệu âm đối xứng với phần dương qua gốc toạ độ do các biểu thức (2-3) và (2-4) là các hàm lẻ trục hoành của các đồ thị là giá trị chuẩn hoá của biên độ lối vào x

Hình2.3 Tuyến tính hoá bằng 15 đoạn thẳng

Hình2.4 Tuyến tính hoá bằng 13 đoạn thẳng 2.2.5 Mã hóa

Trong hầu hết các trường hợp, tuyến truyền PCM là một bộ phận của một kết nối quốc tế yêu cầu đặt ra là việc xen một tuyến truyền dẫn số như vậy vào kết nối quốc tế dài nhất không được dẫn đến suy giảm chất lượng so với tuyến truyền dẫn thuần tuý analog Các yêu cầu về tạp âm đối với một kết nối

1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 6/8 7/8

7/8

6/8

5/8

1/2 3/8

1/4 1/8

1 3/4

1/2 1/4

1/8 0

7 8 9 10 11

12

13 y

1

x

khuyến nghị G.103 của CCITT để thoả mãn các yêu cầu đó, tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử của một chặng đơn có mã và giải mã PCM cần phải không nhỏ hơn 22 dB, tính tại giải mức tiếng nói trung bình tại đầu vào bộ mã không nhỏ hơn 22dB, tính tại giải mức tiếng nói trung bình tại đầu vào bộ mã hóa (-5 đến -

25 dBm) ở các mức tiếng nói thấp hơn, yêu cầu về tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử đó sẽ nhỏ hơn nhiều đối với mạng tham chiếu trong khuyến nghị G.103, số đoạn mã và giải mã PCM mắc nối tiếp không vượt quá 14 nghĩa là đòi hỏi về tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử của mỗi đoạn thành phần còn cao hơn, thêm 10lg14 dB nữa, tức là với mỗi đoạn tỷ số tín hiệu trên tạp âm lượng tử phải  33.46 dB yêu cầu này vừa đúng đạt được bằng việc sử dụng bộ mã hóa với các từ mã 7 bit Khi tính đến cả tham số suy giảm chất lượng khác của PCM, bộ mã hóa 8 bit thường áp dụng nhất

Biên độ tín hiệu lối ra bộ nén được lượng tử hoá đều thành 16 mức với mỗi đoạn hay phân đoạn việc mã hóa các mức lượng tử đều (sau nén) để tạo thành tín hiệu PCM được thực hiện bằng các tổ hợp 8 bit đối với cả hệ Mỹ lẫn Châu Âu và cùng có dạng PXYZABCD Bit P chỉ thị cực tính giá trị của mẫu tín hiệu: P=1 với tín hiệu dương và P=0 với tín hiệu âm Ba bit XYZ dùng để mã các đoạn thẳng (hoặc phân đoạn) làm gần đúng tuyến tính các luật nén (µ hay A), bốn bit ABCD dùng để mã 16 mức lượng tử đều trong từng đoạn

Do được tuyến tính hoá theo số đoạn khác nhau, cách nhận được các mã tám bit đối với hệ Mỹ và

hệ Châu Âu cũng khác nhau đối với hệ Châu Âu trước tiên việc mã 12 bit được thực hiện, chia giải biên

độ tín hiệu và một cách tuyến tính thành 4096 bước các mạch logic sau đó được sử dụng để tạo ra các từ

mã 8 bit theo quy tắc mã được mô tả trong bảng 2.1 trong khi đó trước tiên việc mã 13 bit được thực hiện đối với hệ Mỹ, chia tuyến tính giải biên độ tín hiệu vào thành 8192 bước, sau đó mã thành các từ mã 8 bit theo quy tắc mô tả trong bảng 2.2

Bảng2.1 Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật A bằng 13 đoạn thẳng (G.711) và mã

của đoạn (tính

theo bước biên

độ vào)

Giới hạn trên của đoạn (tính theo bước biên

độ vào)

lượng tử đều (tính theo bước biên độ lối vào)

Bảng2.2 Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật  bằng 15 đoạn thẳng (G.711) và mã

của đoạn (tính

theo bước biên

độ vào)

Giới hạn trên của đoạn (tính theo bước biên

độ vào)

lượng tử đều (tính theo bước biên độ lối vào)

tử đều - tính theo số bước của mức biên độ lối vào (ghi ở cột cuối cùng của các bảng) - thay đổi theo giá trị mức lối vào

Giá trị lượng tử của các mẫu tín hiệu được tính theo[A14]:

;2

 X Y Z L A B C D a

nếu P 0;  0 nếu S 0Lợi ích của nén-giãn có thể thấy được thông qua xét làm ví dụ dối với hệ Châu Âu Chúng ta thấy rằng bộ lượng tử đều sử dụng nén-giãn (cũng còn gọi là bộ lượng tử phi tuyến) có độ phân giải tương đương độ phân giải của bộ lượng tử đều (lượng tử tuyến tính) với mức sử dụng các từ mã 12 bit Như vậy

so với nếu sử dụng bộ lượng tử tuyến tính 8 bit (256 mức) công suất tạp âm lượng tử giảm được 4x6 = 24

dB

2.2.6 Một số đặc điểm của tín hiệu PCM

2.2.6.1 Băng thông của tín hiệu PCM

Gọi R là số bit truyền đi trong 1 giây của tín hiệu PCM, R được gọi là tốc độ bit (bps) Gọi n là số bit của một từ mã PCM; fS là tần số lấy mẫu Khi đó, tốc độ bit R được tính như sau:

S

Giữa độ rộng băng thông và tốc độ bit có mối quan hệ

Hình2.5 Tốc độ bit tối đa của tín hiệu PCM

Hình 2.5 minh họa tốc độ bit tối đa của tín hiệu PCM trong 2 trường hợp thông dụng Đó là trường hợp sử dụng trọn 1 ô bit Tb để biểu diễn 1 bit (hình a) và sử dụng một nửa ô bit để biểu diễn 1 bit, nửa còn lại trở về giá trị tham chiếu

Ta nhận thấy ở hình 2.5a, một bit tương đương với 1 lần tín hiệu thay đổi mức trong khi ở hình 2.5b thì một bit tương đương hai lần thay đổi mức Ta biểu diễn sự thay đổi mức này bằng tín hiệu hình sin Từ đó thấy rằng, ở hình 2.5a, ta có thể truyền đi tốc độ bit là 2bps trên Hz, ở hình 2.5b thì tốc độ này chỉ là 1bps trên Hz Ta gọi số bit truyền trong một giây trong một Hz là hiệu quả sử dụng băng thông

2.2.6.2 Ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu PCM

Tín hiệu tương tự khôi phục tại đầu thu của hệ thống PCM chịu ảnh hưởng của nhiễu nên bị méo

Có hai loại nhiễu chính ảnh hưởng lên tín hiệu PCM là:

- Nhiễu lượng tử hóa gây ra bởi bộ lượng tử hóa M mức ở bên mã hóa PCM

- Lỗi bit ở tín hiệu PCM khôi phục gây ra bởi nhiễu kênh truyền

2.3 ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ VI SAI

kề nhau thường khá nhỏ so với giá trị của từng mẫu:

n n n

S S

n

f n S

Vì vậy, thay vì mã hóa các giá trị mẫu tiếng nói như với PCM, chỉ cần mã hoá sai lệch giữa các mẫu tiếng nói liên tiếp và chỉ cần một số ít bit hơn để mã Đây chính là nguyên tắc của điều chế mã xung vi sai (DPCM: Differential Pulse Code Modulation) Sơ đồ khối đơn giản của bộ điều chế mã xung vi sai được

dự đoán của nó còn nhỏ hơn nữa so với sai lệch giữa các mẫu kế tiếp Vì vậy, bằng cách sử dụng thêm bộ

Bộ mã hoá PCM

Bộ giải mã PCM

Tín hiệu nhịp

Sai lệch Tín hiệuvào

+

-

Bộ giải mã PCM

Tín hiệu nhịp khôi phục

Tín hiệu DPCM

Tín hiệu khôi phục

cần sử dụng để mã còn có thể giảm hơn nữa so với DPCM không có bộ dự đoán Nhờ vậy có thể giảm hơn nữa tốc độ truyền và độ rộng phổ chiếm Sơ đồ cấu trúc mã và giải mã DPCM với bộ dự đoán được cho trên hình 2.7

Theo cấu trúc mã và giải mã như trên hình h.2.7, một bộ dự đoán được sử dụng để tạo ra giá trị ước lượng của mẫu tiếp theo và sai lệch của sự ước lượng này với giá trị thực của mẫu tín hiệu kế tiếp được

mã hóa PCM Tín hiệu lối vào của bộ dự đoán được hình thành từ một bộ giải mã PCM ở phía thu, các thuật toán ngược lại được thực hiện Tín hiệu lối vào của bộ mã hóa PCM phía phát là:

  n n

n

X t S

Hình2.7 Cấu trúc mã hoá và giải mã DPCM

Trong đó chỉ số n phía trên biểu thị nhịp lấy mẫu thứ n

Giá trị ước lượng của mẫu tiếp theo (tín hiệu lối ra của bộ dự đoán) được xác định (ngoại suy) từ L mẫu trước đó theo biểu thức:

t a X

1

n

Các hệ số a là các hệ số trọng số của thuật dự đoán, được lựa chọn một cách thích hợp phần tử i

được sử dụng rộng rãi trong thực hiện bộ dự đoán là bộ lọc giàn bao gồm các đoạn dây giữ chậm T (là khoảng cách giữa các mẫu) và mạng kết hợp trọng số như hình 2.8

Bậc của bộ dự đoán thường được giới hạn tới 3 hoặc 4 và tăng ích của các bộ dự đoán tiêu biểu là 15

dB

Cần chú ý ở đây rằng cái giá phải trả cho sự giảm phổ chiếm của tín hiệu, có được nhờ giảm độ dư thừa trong tín hiệu, là mức nhạy cảm đối với lối truyền dẫn tỷ lệ với mức giảm độ dư thừa Do tín hiệu thực sự được mã chỉ là sai số giữa tín hiệu thực và tín hiệu dự đoán, nếu có sai lỗi trong truyền dẫn thì sai lỗi này sẽ được cộng vào tín hiệu khôi phục trong suốt quá trình khôi phục bởi vì máy thu chỉ thực hiện giải mã độ chênh lệch, tích phân lại và cộng kết quả với mẫu tín hiệu đã được khôi phục trước đó, và cứ như vậy sai lỗi đó sẽ lan ra toàn tín hiệu được khôi phục

Bộ mã hoá PCM

Sn(t)-Xn

sn(t)

Bộ giải mã PCM

Bộ giải mã PCM

Hình2.8 Bộ lọc giàn dung làm mạch dự đoán 2.3.3 Hiện tượng quá tải sườn

DPCM dựa trên tiền đề là các mẫu tín hiệu liên tiếp nói chung có độ chênh nhỏ, nhờ vậy chỉ cần ít bit để mã Điều này đúng với các loại tín hiệu biến thiên tương đối chậm Với các tín hiệu biến thiên khá nhanh thì việc sử dụng tương đối ít bit để mã độ chênh lệch sẽ Gây méo tín hiệu Hiện tượng này được gọi

là qua tải sườn Để thấy rõ hiện tượng này, ta sẽ xét trường hợp đơn giản nhất của DPCM là điều chế delta (DM: Delta Modulation), trong đó độ chênh lệch giữa hai mẫu liên tiếp được mã bằng chỉ một bit: khi độ chênh dương thì bit mã là 1, ngược lại khi độ chênh đó âm, bit mã là 0 Tại phía thu, một lượng cố định 

được cộng vào hay trừ đi với mức tín hiệu trước đó (tính tích luỹ) tuỳ theo cực tính của bit nhận được là 1 hay 0, hình thành một tín hiệu dạng bậc thang Sau đó tín hiệu bậc thang được cho qua lọc Sơ đồ thực tế điều chế và giải điều chế delta được cho trên hình 2.9, trong đó mạch tính tích luỹ và lọc được thực hiện bằng một mạch tích phân (lọc thông thấp)

Hiện tượng quá tải sườn trong DM được minh hoạ bằng ví dụ trên h.2.10 Quá tải sườn xảy ra khi đường bậc thang không theo kịp với sự thay đổi của sườn tín hiệu vào

Hình2.9 Điều chế và giải điều chế Delta



Lối ra Lối vào

Bộ giải mã PCM

Hỡnh2.10 Hiện tượng sườn quỏ tải 2.3.4 Điều chế xung mó vi sai tự thớch nghi

Điều chế mó xung tiờu chuẩn với tốc độ 64 kb/s và được sử dụng trong cỏc hệ thống viễn thụng Tốc

độ bit 64 kb/s, tuy vậy vẫn khỏ lớn Để giảm hơn nữa số bit mó cần sử dụng, và do đú giảm được tốc độ truyền tớn hiệu thoại, cú thể sử dụng DPCM kốm với một giải phỏp kỹ thuật khỏc và hiện cú xu hướng tiờu chuẩn hoỏ tốc độ truyền tớn hiệu điện thoại 32 kb/s

Trong quỏ trỡnh tớnh toỏn xỏc định cỏc thụng số của PCM cũng như của DPCM, tớn hiệu điện thoại lối vào được giả thiết là một quỏ trỡnh ngẫu nhiờn dừng Thực tế, tớn hiệu thoại khụng phải là một quỏ trỡnh ngẫu nhiờn dừng mà là một quỏ trỡnh chuẩn dừng với phương sai và hàm tự tương quan biến đổi chậm theo thời gian Điều này cú nghĩa là, đối với PCM lượng tử hoỏ đều chẳng hạn, thực tế cụng suất tạp

õm lượng tử khụng là hằng số 2 /12 như trong cụng thức (2-3) để duy trỡ cụng suất tạp õm lượng tử khụng biến đổi, một trong cỏc giải phỏp cú thể ỏp dụng là điều khiển bước lượng tử thay đổi một cỏch thớch nghi theo sự biến đổi của quỏ trỡnh ngẫu nhiờn tớn hiệu lối vào Cỏc mạch lượng tử hoỏ của DPCM

cú thể làm việc với từng mẫu và được gọi là cỏc mạch lượng tử vụ hướng, hoặc chỳng cú thể làm việc với một dóy cỏc mẫu như là một vộc-tơ và cú tờn gọi là cỏc mạch lượng tử hoỏ vộc-tơ một giải phỏp khỏc cú

thể ỏp dụng cho DPCM với bộ dự đoỏn là điều khiển thớch nghi cỏc hệ số a i của bộ dự đoỏn (hỡnh 2.8) giỏ

trị của cỏc hệ số a i cú thể tổ chức như một vộc-tơ thay đổi một cỏch thớch hợp tuỳ theo giỏ trị của cỏc mẫu

phớa trước số cỏc hệ số a i cần tớnh toỏn (bậc của bộ sự đoỏn) cú thể từ 6 đến 10 theo thuật toỏn sự đoỏn được ỏp dụng

Cỏc bộ mó húa thoại ADPCM chất lượng chuụng (toll-quality) cú thể làm việc với tốc độ thấp tới 24 kb/s Tuy nhiờn, khi cần nhắc tới cả mức độ phức tạp của thiết bị, CCITT đó xỏc định tốc độ mó húa ADPCM cho tớn hiệu thoại là 32 kb/s (khuyến nghị G.721)

t

Biên độ

Tín hiệu liên tục lối vào

Chuỗi tín hiệu DM

Các thuật toán xử lý tín hiệu giữa nguồn tin số và bộ điều chế tại phần phát, giữa bộ giải điều chế và

bộ nhận tin tại phần thu nhìn chung có quan hệ ngược nhau từng bộ phận một Ngoài ra tại phần thu luôn còn phải có các thuật toán tái tạo tín hiệu số từ các tín hiệu bị méo và khôi phục tín hiệu đồng hồ phục vụ cho việc tái tạo tín hiệu số Đây là các thuật toán đặc thù của hệ thống truyền dẫn tín hiệu số

Tuỳ theo các đặc tính kỹ thuật của nguồn tin và bộ nhận tin số, có thể có các khói giao tiếp cả ở phần phát lẫn phần thu Tính ngẫu nhiên của chuỗi bit phía phát có thể được nâng lên được nhờ mạch xáo trộn (scrambler) mà sự tồn tại của nó đòi hỏi ở phía thu phải có một thiết bị thực hiện thuật toán ngược lại

là bộ giải xáo trộn (descrambler) Trong nhiều trường hợp, việc điều chế số nhiều mức được áp dụng đòi hỏi phải thực hiện biến đổi chuỗi bit nối tiếp lối vào thành chuỗi tín hiệu hai bit, ba bit… song song (các dibit, tribit…) Phần chủ yếu phối hợp với sơ dồ điều chế số được thực hiện bởi các mạch mã hoá Lỗi bội gây ra do mã hóa/ điều c`ế nhiều mức có thể giảm thiểu được, chẳng hạn nhờ mã Gray Việc loại bỏ hiện tượng lẫn pha cố hữu trong hệ thống điều chế có thể loại bỏ nhờ mã vi sai Ngoài ra, các mạch mã hóa có thể được sử dụng để truyền các thông tin phụ, chẳng hạn bằng cách vi phạm có chu kỳ một cách có chủ ý quy luật mã hóa Các mạch giải mã thực hiện các thuật toán ngược với thuật toán mã hóa Chức năng của mạch tái tạo tín hiệu số là tái sinh chuỗi bit nhận được từ bộ giải điều chế bằng cách lấy mẫu tại các thời điểm tối ưu

a) Phần phát

Hình3.1 Các khối xử lý tín hiệu băng gốc tiêu biểu

Việc định thời các mạch xử lý tín hiệu băng gốc được điều khiển bởi tín hiệu đồng hồ Tín hiệu đồng hồ có thể được cấp từ nguồn số hoặc từ một bộ tạo đồng hồ như trên hình 3.1 Tại phần thu, tín hiệu đồng hồ đưoc tách ra từ chuỗi tín hiệu mang tin từ phần phát tới

Đối với các hệ thống có chất lượng thấp do các yếu tố gây bởi đường truyền như tạp nhiễu và các loại méo… hoặc có đòi hỏi rất cao về tỷ lệ lỗi bit, các tín hiệu số băng gốc trước khi đưa vào điều chế còn được mã hoá chống nhiễu Để đảm bảo yêu cầu bảo mật tin tức, trong một số hệ thống còn thực hiện mã hóa mật Do khuôn khổ của chương trình và do mã hóa chông nhiễu được trình bày khá chi tiết trong chương trình Nguyên lý truyền tin cũng như trong chương trình Kỹ thuật truyền số liệu nên chúng ta sẽ không đề cập đến vấn đề này ở đây Mã hóa mật cũng không thuộc phạm vi của giáo trình Các chủ đề chính sẽ được đề cập đến trong chương này là một số loại mã tín hiệu băng gốc (mã đường dây), việc làm trắng phổ nhờ xáo trộn, mã Gray và mã hóa vi sai

3.2 MÃ HÓA TÍN HIỆU BĂNG GỐC

3.2.1 Chức năng, phân loại và tham số

3.2.1.1 Chức năng của mã đường dây

Các tín hiệu lối ra của các mạch xử lý tín hiệu băng gốc thường là các tín hiệu NRZ, trong đó trong suốt thời gian tồn tạo của tín hiệu giá trị của tín hiệu không thay đổi Trong suốt thời gian của bit “1”, giá trị logic của tín hiệu NRZ là 1 và và vì thế tín hiệu này có tên gọi không-về-không (NRZ( Các tín hiệu NRZ có dạng xung vuông (hình 2.4a)

Nguồn tin Giao tiếp Xáo trộn Biến đổi

S/P Mã hoá

Điều chế

số

Tạo thông tin phụ

Tạo tín hiệu đồng hồ

Giải xáo trộn

Biến đổi P/S

Giải

mã

Tái sinh tín hiệu

Giải điều chế số

Thu thông tin phụ

(+)

b) Phần thu

Các tín hiệu số nhị phân khi rời khỏi một công đoạn xử lý nhất định nào đó đều cần phải phối hợp với các đặc tính của kênh truyền dẫn Trong thực tế, các khối thực hiện xử lý tín hiệu có thể đặt tương đối

xa nhau có cự li tới vài mét tới vài trăm mét và được nối với nhau bằng đôi dây hoặc cáp có màn che Việc truyền các tín hiệu nhị phân trên cự li lớn bằng các đường dây như thế có thể mang vào những méo và suy hao quá lớn dẫn đến lỗi thu (giảm chất lượng liên lạc) thêm vào đó, trong các tuyến xử lý tín hiệu, nhằm phối hợp mạch điện, tạo phân cách lý tưởng về điện và giảm xung nhiều người ta thường sử dụng các biến

áp Các biến áp cho qua các thành phần xoay chiều cao tần và gạt đi thành phần một chiều có trong tín hiệu Các tín hiệu số nhị phân đơn cực có dạng NRZ lại chứa trong phổ của chúng thành phần một chiều

và các thành phần tần thấp với năng lượng khá cao, do đó khi truyền qua các biến áp như thế sẽ bị méo lớn Một điểm quan trọng khác nữa trong xử lý tín hiệu băng gốc là vấn đề tách tín hiệu định thời từ chuỗi tín hiệu tới Tín hiệu định thời thường được tách ra từ các chuyển đổi cực tính xung thành phần Trong trường hợp sử dụng các tín hiệu NRZ, một khi có nhiều xung cùng cực tính liên tiếp thì việc tách tín hiệu định thời sẽ rất khó khăn Cuối cùng, các lỗi phát sinh trên các đường truyền tín hiệu số băng gốc cần phải

có thể giám sát được

Các vấn đề trên có thể khắc phục hoặc hỗ trợ được nhờ mã hóa các tín hiệu nhị phân đơn cực trước khi truyền trực tiếp ra đường dây (có thể là đường dây cáp xoắn hay cáp có màn che vẫn thường dùng để truyền các tín hiệu analog, hoặc đoạn nối giữa các bộ phận xử lý tín hiệu) Mã hóa tín hiệu như vậy còn có

tên gọi là mã hóa đường dây (line encoding)

Các chức năng chủ yếu của mã hóa đường dây là:

 Tạo dạng phổ thích hợp (tập trung năng lượng tín hiệu vào giữa giải thông truyền của đường dây

và loại bỏ thành phần một chiều), nhờ vậy có thể giảm béo trong quá trình truyền dẫn giữa các khâu xử lý tín hiệu băng gốc;

 Tạo mật độ dày hơn các chuyển đổi cực tính xung tín hiệu nhằm trợ giúp quá trình tách tín hiệu định thời;

 Cung cấp khả năng giám sát lỗi;

3.2.1.2 Phân loại

Các loại mã đường dây trong xử lý tín hiệu băng gốc có thể phân thành hai loại chính là mã nhị phân (binary) và mã tam phân (ba mức) hay còn được gọi là mã lưỡng cực (ternary hay bipolar code) Các mã hai mức thông thường là các mã WAL1, WAL2 hay các mã nBmB ( biến tổ hợp n bit của chuỗi tín hiệu cần mã thành m bit mã đường dây) Các mã tam phân, đến lượt mình lại được chia thành hai loại là: 1) mã tuyến tính, trong đó các tín hiệu phần tử của mã tam phân là một tổ hợp tuyến tính của các bit mã lối vào;

và 2) mã phi tuyến Các mã phi tuyến lại có thể phân loại được thành: a) mã bảng chữ cái (alpha-betical code), trong đó các tổ hợp mã đường dây được gán 1-1 một cách tương đối võ đoán với các tổ hợp mã tam phân nhận được từ việc biến đổi có quy luật các tổ hợp mã nhị phân lối vào với mục đích tăng mật độ chuyển đổi cực tính xung Hình 3.2 trình bày các mã đường dây theo phân loại đã được nói trên, đồng thời cũng liệt kê các loại mã sẽ được đề cập đến trong chương này

Hình3.2 Phân loại các mã đường dây

3.2.1.3 Tham số đánh giá mã đường dây

Mục đích của mã hóa đường dây, như đã trình bày ở mục trước, chủ yếu nhằm tập trung năng lượng tín hiệu vào giữa băng thông của đường truyền (chuyển đổi hàm mật độ phổ tín hiệu thiên về vùng tần số cao hơn) và mật độ chuyển đổi cực tính tín hiệu của mã

Các tín hiệu số có thể xem được như các chuỗi xung điều chế biên độ và vì thế có thể biểu diễn được trên miền thời gian bằng các tích chập sau:

2

S

S T

k S

S T S

S

0 0

với S*(.)là liên hợp phức của S(.)

Tức là, phổ của chuỗi trong số các xung Dirac bất kỳ có thể đặc trưng một cách duy nhất được bằng

phần phổ nằm trong giải 0< </T

Việc tạo dạng xung phần tử s 0 (t) tương đương với một thuật toán học trên miền tần số và độc lập với

các tính chất phổ của hệ thống mã được áp dụng;

Dạng phổ của tín hiệu số phụ thuộc mẫu của dãy tín hiệu thành phần (phụ thuộc dãy a n)

Hàm mật độ phổ trung bình của tín hiệu số được mã được xác định bằng biến đổi Fourier hàm tự tương quan cảu tín hiệu đã mã trong rất nhiều ứng dụng, việc không có hoặc hầu như không có thành phần một chiều (DC: Direct Current) có ý nghĩa đặc biệt Các hệ thống mã không có thành phần DC được

đặc trưng bởi Độ biến thiên tổng digit (DSV: Digital Sum Variation), là chênh lệch giữa các giá trị tổng

digit thấp nhất và cao nhất của một số tuỳ ý các ký hiệu phần tử:

N n

NRZ- Non Return Zero: Mức điện áp tín hiệu không trở về 0V

Như tên gọi, tín hiệu NRZ là các tín hiệu mà mức tín hiệu được giữ ở một giá trị cố định trong toàn thời gian của một bit Ví dụ, bit 1 được biểu diễn bằng mức điện áp 5V trong toàn thời gian của chu kỳ bít

và bit 0 được biểu diễn bằng mức điện áp 0V trong thời gian của bit đó như trong loại tín hiệu NRZ đơn cực

Hai loại tín hiệu NRZ thường được sử dụng là NRZ cực và đơn cực:

Hình3.3 Tín hiệu NRZ

 NRZ đơn cực (unipolar NRZ ): bit 1 được mã hóa bằng 1 mức điện áp cố định trong thời gian bit và bit không được mã hóa bằng mức 0V, đây là loại tín hiệu NRZ được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất, thường được dùng biểu diễn chuỗi tín hiệu dữ liệu số ban đầu Bit 1 tương ứng có xung được gọi là Mark và bit 0 không có xung được gọi là Space, và loại mã hóa này còn được gọi là mã hóa On/Off nhị phân

 NRZ cực (polar NRZ): bit 1 và bit 0 được mã hóa bởi 2 mức điện áp đối xứng nhau Nó cũng được gọi là NRZ-L với cách hiểu mỗi bit được mã hóa bởi một mức điện áp

Mật độ phổ công suất (PSD- Power Spectrum Density) của chúng như sau:

polar- NRZ(f)= V T sin T

T (3.7)

Data NRZ đơn cực

NRZ cực

5V

0V

+2.5V 0V -2.5V +2.5V 0V -2.5V

NRZ lưỡng

cực

Và quan hệ giữa hàm erfc với hàm Q:

Q(x)= erfc( )

2 2 (3.11)

Hình3.5 Xác suất lỗi của tín hiệu NRZ

Từ các tham số PSD và xác suất lỗi, ta nhận thấy bất lợi rõ ràng của tín hiệu đơn cực là lãng phí công suất do thành phần DC gây ra và tất nhiên cần nối DC để ghép tín hiệu kiểu này Tín hiệu cực dù không có vạch phổ Dirac DC nhưng PSD gần DC vẫn còn tương đối lớn Xác suất lỗi với tín hiệu cực nhỏ hơn so với tín hiệu đơn cực, tuy nhiên vẫn còn tương đối lớn so với các loại tín hiệu khác

Tín hiệu đơn cực dễ tạo ra hơn vì chỉ yêu cầu nguồn cung cấp dương còn tín hiệu cực yêu cầu phải

có nguồn đối xứng Các tín hiệu PSD không có khả năng phát hiện lỗi, tính đồng bộ kém đặc biệt khi chuỗi bit vào xuất hiện những dãy bit 1 liên tục kéo dài, và thành phần DC vẫn còn tương đối lớn Ưu điểm lớn nhất là mạch thực hiện đơn giản và băng thông nhỏ Băng thông rỗng đầu tiên của tín hiệu PSD

1 được biểu diễn bằng mức điện áp dương trong nửa chu kỳ bit còn bit 0 được biểu diễn bằng mức điện áp

âm đối xứng trong nửa chu kỳ bit; tín hiệu RZ lưỡng cực, bit 1 được biểu diễn bằng các mức điện áp đối xứng nhau trong nửa chu kỳ bit, bit 0 được biểu diễn bằng mức 0V…

Hình3.6 Tín hiệu RZ đơn cực, cực và lưỡng

PSD của tín hiệu RZ đơn cực:

 b

n

f

f nR f