bài tập bài giảng kỹ thuật truyền dẫn kỹ thuật số

Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị trong một tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn.. - Lượng tử hóa: Số hóa giá trị có

ThS HOÀNG QUANG TRUNG

KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN SỐ

TẬP BÀI GIẢNG (Lưu hành nội bộ)

THÁI NGUYÊN - 2011

Vào đầu những năm 1970, các hệ thống truyền dẫn số bắt đầu xuất hiện, sử dụng phương pháp điều chế xung mã (PCM-Pulse Code Modulation) do Alec Reeves nêu ra lần đầu tiên vào năm 1937 PCM cho phép truyền tín hiệu tương tự (như tiếng nói của con người) ở dạng nhị phân Sử dụng phương thức này, tín hiệu thoại tương tự chuẩn 4 kHz có thể truyền dưới dạng luồng tín hiệu số 64 kbit/s Các nhà kỹ thuật đã nhận thấy khả năng hạ giá thành sản xuất các hệ thống truyền dẫn bằng cách kết hợp một số kênh PCM và truyền chúng trong một đôi cáp đồng xoắn mà trước đây chỉ dùng để truyền một tín hiệu tương tự duy nhất Hiện tượng này được gọi là lợi dây Do giá thành thiết bị điện tử số bắt đầu giảm nên sử dụng các công nghệ này đã tiết kiệm được rất nhiều chi phí

Phương thức ghép kênh 64 kbit/s thành môt luồng bit tốc độ cao duy nhất còn được gọi là Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) Một cách đơn giản, mỗi byte của mỗi kênh đầu vào theo thứ tự được đưa vào kênh tốc độ cao ở đầu ra Quá trình xử lý này còn được gọi là "chèn byte tuần tự"

Ở châu Âu và sau đó là rất nhiều nơi trên thế giới, sở đồ TDM chuẩn được áp dụng để ghép kênh 64 kbit/s, cùng với hai kênh thông tin điều khiển kết hợp tạo thành một kênh có tốc độ 2,048 Mbit/s Do nhu cầu sử dụng điện thoại tăng lên, lưu lượng trên mạng tăng, kênh chuẩn tốc độ 2 Mbit/s không đủ đáp ứng cho lưu lượng tải trên mạng trung kế Để tránh không phải sử dụng quá nhiều kết nối 2 Mbit/s thì cần tạo ra môt mức ghép kênh cao hơn Châu Âu đưa ra chuẩn ghép 4 kênh 2 Mbit/s thành một kênh 8 Mbit/s Mức ghép kênh này không khác bao nhiêu so với mức ghép kênh mà các tín hiệu đầu vào được kết hợp từng bit chứ không phải từng byte, nói cách khác là mới áp dụng chèn bit chứ chưa thực hiện chèn byte Tiếp đó, do

H.Q.Trung.ĐTTT

nhu cầu ngày càng tăng, các mức ghép kênh cao hơn nữa được xây dựng thành chuẩn, tạo ra môt phân cấp đầy đủ các tốc độ bit là 34 Mbit/s, 140 Mbit/s và 565 Mbit/s

1.2 HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ

1.2.1 Các thành phần cơ bản

Truyền dẫn là chức năng truyền một tín hiệu từ một nơi này đến một nơi khác

Hệ thống truyền dẫn gồm các thiết bị phát và nhận, và phương tiện truyền cùng bộ lặp lại giữa chúng như hình 1.1

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống truyền dẫn

Những phương tiện phát sẽ truyền và phát đi những tín hiệu đầu vào (tín hiệu gốc) để truyền chúng một cách hiệu quả qua phương tiện, thiết bị nhận tách ra những tín hiệu gốc trong những tín hiệu thu được Đồng thời bộ lặp lại xử lý việc

bù lại trong quá trình truyền Các phương tiện truyền bao gồm dây dẫn kim loại, cáp đồng trục, radio, ống dẫn sóng và cáp sợi quang

Truyền dẫn bao gồm phần truyền dẫn thuê bao nối liền máy thuê bao với tổng đài và phần truyền dẫn tổng đài nối tổng đài với tổng đài Truyền dẫn gồm truyền bằng cáp, truyền radio, liên lạc vệ tinh, truyền TV, liên lạc sợi quang, ống dẫn sóng, liên lạc dưới đất cùng bộ chuyển tiếp phục hồi sử dụng các phương tiện truyền dẫn, kết cấu kết hợp và mạng đồng bộ hóa của các thiết bị này, việc bảo dưỡng và phần quản lý của mạng truyền dẫn v.v

* Truyền dẫn sử dụng sợi quang (fiber)

Môi trường quang sợi có độ rộng băng gần như không giới hạn Đặc điểm của nó là suy hao không đáng kể, chỉ vào cỡ 0,25 Db/Km Đây chính là ưu điểm vượt trội của sợi quang so với cáp đồng trục Ngoài ra truyền dẫn trên sợi quang còn có các ưu điểm khác nữa là: Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trường, an toàn, kích thước nhỏ và nhẹ, …

Giải tần số được sử dụng trong truyền dẫn sợi quang được mô tả như hình dưới:

H.Q.Trung.ĐTTT

Cấu trúc của sợi quang:

1.2.2 Các nguồn ảnh hưởng tới tín hiệu truyền dẫn

1.2.2.1 Méo tín hiệu qua kênh (distortion)

Kênh truyền thực tế là không lý tưởng, do đó tín hiệu đi qua kênh ít hay nhiều cũng bị ảnh hưởng đến dạng tín hiệu, có nghĩa là bị méo so với tín hiệu gốc

Ngoài ra, sẽ không thể tránh khỏi méo phi tuyến đối với những tín hiệu làm việc tại các tần số cao Điều này xuất phát từ một thực tế rằng với các tần số cao sẽ

bị ảnh hưởng do sự xáo động của các điều kiện khí quyển, bởi vậy gây ra sự thay đổi về tần số Chẳng hạn với các hệ thống radar doppler sử dụng trong việc giám sát thời tiết là một trường hợp cụ thể

Méo tuyến tính có thể gây ra các ảnh hưởng trong các hệ thống truyền dẫn xung Loại méo này được đặc trưng bởi sự phân tán thời gian (làm kéo dài xung), dẫn tới hiệu ứng đa đường

H.Q.Trung.ĐTTT

1.2.2.2 Tạp âm (noise)

Thuật ngữ tập âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện trong hệ thống Sự xuất hiện của tập âm làm giảm khả năng tách chính xác các tín hiệu phát, và, vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin Tạp âm được tạo ra từ các nguồn khác nhau nhưng có thể được phân ra thành hai loại chính đó là nguồn tạp âm nhân tạo và tạp âm tự nhiên Tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay phát xạ điện từ Tạp âm tự nhiên xuất hiện trong các mạch hay linh kiện điện tử

1.2.2.3 Nhiễu

Nhiễu được hiểu là các thành phần tín hiệu không mong muốn được thêm vào tín hiệu bản tin khi nó được truyền từ máy phát đến máy thu Trong thực tế, việc truyền tin có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu khác nhau: nhiễu điều chế, nhiễu xuyên kênh (Crosstalk), nhiễu xung (ISI),

1.2.3 Các kênh truyền dẫn

Kênh truyền dẫn là môi trường kết lối giữa bộ phát và bộ thu, ở đó có thể là các sợi dây dẫn kim loại, cáp đồng trục, cáp sợi quang, ống dẫn sóng, bầu không khí

H.Q.Trung.ĐTTT

hay sự kết hợp giữa các môi trường trên Tất cả các kênh đều có một băng tần giới hạn cho phép tín hiệu có thể đi qua Do các đặc tính vật lý mà mỗi kênh có thể có tần số cắt ở giới hạn trên (tần số cao) hay giới hạn dưới (tần số thấp) Trong trường hợp kênh bị chặn dưới (tần số cắt ở giới hạn dưới của băng kênh) thì kênh được mô

tả như là một bộ lọc thông dải Còn nếu băng thông của kênh không bị chặn dưới thì kênh được mô tả như là một bộ lọc thông thấp

Kênh truyền dẫn được phân loại theo độ rộng băng Có 3 loại kênh phổ biến là: Kênh băng hẹp (narrow band), băng thoại (voiceband) và băng rộng (wideband)

Các kênh băng hẹp: Đối với những kênh có độ rộng băng lên tới 300 Hz thì

được gọi là băng hẹp, và thuộc vào loại truyền điện tín Những kênh như thế được

sử dụng cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ chậm ở mức là 600 bit trên giây (bps) Những kênh băng hẹp không đủ độ tin cậy để sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu thoại

Các kênh thoại có độ rộng băng giới hạn trong khoảng từ 300 Hz đến 4 kHz

Thiết kế ban đầu của kênh thoại là để phục vụ cho mục đích truyền dẫn tương tự (analog) tín hiệu thoại (voice), mặc dù vậy các kênh này thường được sử dụng để truyền dữ liệu ở tốc độ 10 kilô bits trên giây (kbps) Mộ số dạng tín hiệu video nén cũng có thể được truyền trên các kênh thoại Các mạch vòng khép kín thuê bao trong hệ thống điện thoại công công truyền thống sử dụng băng thoại

Các kênh băng rộng có độ rộng băng lớn hơn 4 kHz Các kênh này có thể

được dành cho một đơn vị truyền thông (chẳng hạn một công ty điện thoại) và có thể sử dụng cho mục đích truyền dữ liệu tốc độ cao, video, hay các kênh thoại hợp nhất

Băng tần hoạt động của tín hiệu được phân bổ theo các dải tần số như sau:

H.Q.Trung.ĐTTT

1.2.3 Tham số chất lượng của hệ thống truyền dẫn số

Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống truyền dẫn số được đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bit (BER) và dung lượng truyền dẫn

Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị trong một tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn Khi tập các giá trị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phân

và tín hiệu khi đó được gọi là bit Khi số giá trị có thể có của tín hiệu khác 2, tổng quát là M thì hệ thống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệu được gọi là ký hiệu (symbol) Gọi giá trị của symbol thứ k là D và thời gian tồn tại của nó là k T (đối k

với các hệ thống thông thường hiện nay, T k  và là hằng số với mọi k) Ở đầu thu T

tín hiệu khôi phục lại là ˆD và có độ rộng là ˆ k T , nếu ˆ k D k D k thì tín hiệu thứ k được gọi là bị lỗi, nếu ˆT k  thì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter Các tham số kỹ T k

thuật chung nhất đối với các loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau, thể hiện chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống, là tỷ lệ lỗi bit BER và jitter (rung pha) Đối với hệ thống nhị phân, xác suất lỗi BER được định nghĩa là:

a) Tín hiệu tương tự (analog signal)

Tín hiệu tương tự có thể được xem như là một dạng sóng có tính chất liên tục

về thời gian trong phạm vi tín hiệu tồn tại

Hình 1.5: Minh họa dạng sóng và phổ tương ứng của tín hiệu tương tự

H.Q.Trung.ĐTTT

các tín hiệu số phụ thuộc vào nút được nhấn, tín hiệu số có được từ đầu ra của bàn phím máy tính hoặc từ các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC)

1.3.2 Các phương pháp truyền thông tin

a) Truyền tin nhị phân

- Truyền tin nhị phân dùng cáp đơn

Tốc độ truyền dẫn phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của điện áp (hay các kiểu ký hiệu khác) trên kênh truyền trước khi thành phần tần số là quá lớn để có thể lọc suy hao kênh truyền và dẫn đến méo tín hiệu Nói theo cách khác, tốc độ truyền dẫn bị giới hạn bởi băng thông của tuyến truyền

- Truyền tin nhị phân dùng nhiều cáp song song

Bằng cách sử dụng nhiều cáp, tín hiệu truyền qua kênh có thể sẽ tăng tỷ lệ với số cáp (kênh) sử dụng Tín hiệu truyền qua có thể duy trì như ở tuyến truyền nhị phân đơn, cho phép thay thế bởi các tuyến có băng thông nhỏ hơn (dẫn tới chi phí thấp hơn)

b) Truyền tin đa mức

- Truyền tin đa mức sử dụng cáp đơn

Truyền dẫn dữ liệu không bắt buộc phải giới hạn ở cơ số hai (nhị phân), theo lý thuyết có thể sử dụng một số mức điện áp hay một số kiểu ký hiệu

H.Q.Trung.ĐTTT

Ví dụ: sử dụng 4 mức điện áp, chúng ta có thể mã hóa mỗi tổ hợp hai bit nhị phân

bởi một trong 4 mức điện áp (00 ~ mức A, 01 ~ mức B, 10 ~ mức C và 11 ~ mức D) Khi đó ta có thể gửi thông tin nhanh gấp 2 lần xét trên cùng một độ rộng băng thông

- Truyền tin đa mức sử dụng nhiều cáp

Việc sử dụng các kênh truyền dẫn song song để truyền dữ liệu cho phép tăng khả năng (dung lượng) truyền tin trên băng thông bị giới hạn

c) Ký hiệu đa mức

Về nguyên tắc chúng ta có thể sử dụng một số ký hiệu (trạng thái ký hiệu) cho bản tin số Ví dụ, tại sao sử dụng 1024 trạng thái điện áp khác nhau, mỗi trạng thái (ký hiệu) mã hóa số bit là log2102410 bits Chúng ta thậm chí có thể sử dụng

1048576 trạng thái ký hiệu, khi đó với mỗi ký hiệu mã hóa 20 bits thông tin

Rõ ràng có một giới hạn thực tế trên số trạng thái được sử dụng, phụ thuộc vào khả năng phân biệt chính xác các trạng thái (các mức điện áp, tần số, …) của thiết bị thu

Ví dụ: một số modem điện thoại hoạt động ở tốc độ 56 kbps sử dụng 1024 trạng thái

ký hiệu khác nhau (tổ hợp biên độ và pha của sóng mang) để báo hiệu trên kênh thoại, trong khi các hệ thống điện thoại tế bào số chỉ sử dụng 4 trạng thái do thiết bị phải hoạt động trong các môi trường chịu nhiều ồn hơn

H.Q.Trung.ĐTTT

1.3.3 Tốc độ truyền dữ liệu

Tốc độ truyền thông tin của một kênh truyền dẫn thường được xác định theo lượng thông tin nhị phân (bit) Có nghĩa là tốc độ truyền dẫn được đo theo đơn vị bit/giây (bps) Ví dụ: nếu như có 6 bit thông tin được truyền đi sau mỗi khoảng thời gian 6 giây, thì tốc độ truyền tin sẽ là

6 its

1000 its s6

b

ms

Ngoài ra tốc độ truyền dẫn còn được xác định thông qua tốc độ ký hiệu Trong

đó thì tốc độ ký hiệu là tốc độ thay đổi trạng thái các ký hiệu mang thông tin nhị phân qua kênh truyền Chúng ta có thể mã hóa một số bit trong mỗi ký hiệu Tốc độ

ký hiệu không nhất thiết phải bằng tốc độ truyền thông tin Đơn vị đo tốc độ ký hiệu

là ký hiệu/giây hay (baud) Ví dụ: một hệ thống sử dụng 4 tần số mã hóa các tổ hợp

2 bit nhị phân qua một kênh, và tần số (ký hiệu-symbol) được thay đổi sau mỗi 0.5

Tốc độ truyền thông tin bởi vậy sẽ là: 2 x 2000 = 4000 bps

1.4 CÁC TIÊU CHUẨN TRUYỀN DẪN

1.4.1 Định nghĩa

Lĩnh vực truyền thông liên tục phát triển thay đổi một cách nhanh chóng, các

hệ thống truyền thông được phát triển bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới, chính vì vậy cần có sự tương thích về các tiêu chuẩn và các khuyến nghị ở

H.Q.Trung.ĐTTT

phạm vi quốc gia, khu vực và quốc tế Theo ISO, các định nghĩa về tiêu chuẩn và khuyến nghị dành cho truyền thông như sau:

Tiêu chuẩn: Chi tiêu kỹ thuật hay văn bản qui định có khả năng phổ biến rộng rãi

được xây dựng bởi sự hợp tác và thống nhất hay sự chấp thuận nói chung của tất cả những vấn đề liên quan tới nó dựa trên các kết quả nghiên cứu khoa học, công nghệ

và thực nghiệm

Khuyến nghị: Tài liệu văn bản liên quan quy định chặt chẽ các thủ tục thực hiện

được thông qua và phổ biến rộng rãi bởi một cơ quan (tổ chức) chịu trách nhiệm có quyền hạn nhất định

1.4.2 Các tổ chức tiêu chuẩn và khuyến nghị

ISO: International Standardization Organization (OrganizationTổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế)

ITU: International Telecommunications Union (Hiệp hội Viễn thông quốc tế) IEC: International Electrotechnical Commission ( y ban Điện tử quốc tế) INTELSAT/INMARSAT: International Telecommunications Satellite Organization /International Maritime Satellite Organization

H.Q.Trung.ĐTTT

ANSI – Viện Tiêu chuẩn quốc gia Hoa K

CEPT – The European Conference for Posts and Telecommunications

CCIR – Consultative Committee for International Radiocommunication ( y ban Tư vấn quốc tế về vô tuyến điện)

CCITT – Consultative Committee for International Telephone and Tele-

Graph ( y ban Tư vấn quốc tế về điện thoại và điện báo)

H.Q.Trung.ĐTTT

ETSI – European Telecommunications Standards Institute (Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu)

H.Q.Trung.ĐTTT

CHƯƠNG 2 TRUYỀN DẪN SỐ CÁC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ

2.1 ĐỊNH LÝ LẤY MẪU VÀ HỆ THÔNG TIN XUNG

Xét tín hiệu g t (hình 2.1) có phổ giới hạn là B Hz Lấy mẫu   g t với tốc  

độ f Hz ( s f mẫu trên giây) tương đương với việc nhân s g t với đoàn xung  

H.Q.Trung.ĐTTT

Hình 2.1: Tín hiệu mẫu và phổ của nó Tốc độ lấy mẫu tối thiểu f s 2B được gọi là tốc độ Nyquist cho tín hiệu tượng tự g t và khoảng thời gian lấy mẫu   T s 1 2B được gọi là khoảng Nyquist cho g t  

2.1.2 Khôi phục tín hiệu

Quá trình khôi phục một tín hiệu tương tự g t từ các mẫu của nó được xem  

như là phép nội suy

Hình 2.2: Quá trình nội suy tín hiệu Mỗi một mẫu g t là một xung, hình thành một xung cửa có độ cao bằng với  

độ lớn của mẫu Xung thứ k là xung có độ lớn g kT xác định tại vị trí  s t kT s, và

có thể biểu diễn như là g kT  s  t kT s Cho xung này qua bộ lọc, đầu ra nhân được sẽ là g kT rect s 1T Đây là xung cửa có độ cao s g kT , tâm xác định tại  s s

t kT Mỗi xung g t sẽ tạo ra một xung cửa tương ứng, và kết quả sẽ là:  

(2.2)

2.1.3 Ứng dụng của lý thuyết lấy mẫu

H.Q.Trung.ĐTTT

Lý thuyết lấy mẫu có tầm quan trọng trong phân tích, xử lý, và truyền dẫn tín hiệu Vì ta có thể chuyển tín hiệu liên tục theo thời gian thành chuỗi rời rạc các số

Xử lý tín hiệu thời gian liên tục bởi vậy được chuyển về xử lý chuỗi rời rạc các số

Và cũng vì thế mà có thể sử dụng các bộ lọc số Trong lĩnh vực truyền thông, truyền dẫn bản tin tương tự được giảm bớt thành truyền dẫn một chuỗi các số Điều này làm xuất hiệu nhiều kỹ thuật mới cho truyền thông các tín hiệu liên tục Bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự và làm thay đổi các thông số về biên độ, độ rộng và vị trí xung của các mẫu nhận được ta có các kỹ thuật điều chế xung tương tự tương ứng

đó là: điều chế biên độ xung (PAM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế vị trí xung (PPM) Trong đó có vai trò quan trọng nhất trong phương thức điều chế xung ngày nay đó là điều chế mã xung (PCM)

Hình 2.3: Các tín hiệu điều chế xung Thay vì truyền tín hiệu tương tự g t , chúng ta truyền tín hiệu điều chế xung  

Tại bộ thu, chúng ta đọc thông tin của tín hiệu điều chế xung và khôi phục lại tín hiệu tương tự ban đầu

Một trong những ưu điểm của việc sử dụng điều chế xung là cho có thể cho phép truyền một số tín hiệu dựa trên việc chia sẻ tài nguyên về thời gian bằng cách

- 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, do thời gian tồn tại hữu hạn của chúng Chính vì vậy, các tín hiệu liên tục cần truyền nhất thiết phải được lọc nhằm hạn chế phổ tới tần số cực đại W nào đó nhằm thỏa mãn tính giới hạn về băng tần của định lý lấy mẫu

- Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc được rời rạc hóa bằng cách lấy mẫu thông

qua chuỗi xung nhịp có tần số f tuân theo định lý lấy mẫu để có được các tín hiệu s

điều biên xung (PAM-Pulse Amplitude Modulation)

- Lượng tử hóa: Số hóa 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 hóa

- Mã hóa: 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 công đoạn điều chế xung mã được thể hiện như hình dưới đây:

H.Q.Trung.ĐTTT

Hình 2.5: Hệ thống truyền dẫn PCM Quá trình khôi phục ở phần thu được thực hiện như sau: giải mã để được chuỗi xung PAM lượng tử hóa rồi cho qua lọc thông thấp có tần số cắt bằng một nửa tần

số lấy mẫu

Sai số trong truyền dẫn PCM:

Như ta đã nói ở trên, trong 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 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 (tuy nhiên sẽ không được như thế) 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 phần 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 hóa)

(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 mức về đồng bộ cũng có thể dẫn đến sắp xếp sai các

tổ hợp mã thu được và điều này dẫn đến các sai lệch vô cùng trầm trọng Các

H.Q.Trung.ĐTTT

chi tiết về các công đoạn trong quy trình PCM và các biện pháp khắc phục sai

số sẽ được trình bày trong phần tiếp theo

2.2.2 Lọc giới hạn băng

Ta xét tín hiệu thoại, có phổ tập trung trong dải từ 0,3 đến 3,4 kHz Việc cắt

bỏ các thành phần tần số ngoài dải nói trên không gây ra những méo thụ cảm 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 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 lọc hạn 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 nên những méo 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 thỏa mãn các khuyến nghị của CCITT cho các mạch thoại) có tần số cắt rất sát với 4 kHz

2.2.3 Lấy mẫu

Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thoại liên tục với một chuỗi xung nhịp có tần số f s 2W Việc chọn tần số nhịp lớn hơn hai lần W sẽ làm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, do vậy tần số nhịp phải chọn nhỏ nhất

mà không gây méo tín hiệu Sai số lấy mẫu gây bởi việc không thể lấy mẫu trong một thời gian dài vô hạn thường không đáng kể và có thể bù đắp bằng việc chọn 2

s

f  W một chút Kết hợp với thực tế phát sinh do lọc hạn băng như đã nói trên đây, tần số lấy mẫu tiêu chuẩn cho tín hiệu thoại được chọn là 8 kHz Quá trình lấy mẫu tín hiệu điện thoại được mô tả như hình dưới đây:

H.Q.Trung.ĐTTT

Hình 2.6: Quá trình lấy mẫu tín hiệu liên tục

2.2.4 Lượng tử hóa

Lượng tử hóa được thực hiện đơn giản nhất bằng cách chia dải động tín hiệu

  thành Q mức cách đều nhau, được gọi là lượng tử hóa đều Khoảng cách a a, giữa các mức lượng tử là  2a Q Các giá trị của mẫu tín hiệu (các xung PAM) được làm tròn thành giá trị mức lượng tử gần nhất Sai số lượng tử của các giá trị mẫu là một biến ngẫu nhiên e , nhận các giá trị trong khoảng q 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:

H.Q.Trung.ĐTTT

Hình 2.7: Quá trình lượng tử hóa đều

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 giả 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 a2 Thay vào phương trình (2.3), ta có:

đó khoảng cách giữa các mức lượng tử được chọn lớn đối với các tín hiệu lớn còn với các mức tín hiệu nhỏ thì khoảng cách giữa các mức lượng tử chọn nhỏ Giải

H.Q.Trung.ĐTTT

pháp này là khá tự nhiên do đối với mức tín hiệu lớn thì tỷ số tín hiệu trên sai số (tín hiệu trên 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 nén-giãn chính xác là một yêu cầu rất ngặt nghèo nhằm tránh các méo tín hiệu mang vào do quá trình nén-giãn

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  và A là: Luật nén  (Hệ Mỹ):

7 đoạn dương, 7 đoạn âm và một đoạn qua gốc) Với hệ Châu Âu, được xấp xỉ thành 13 đoạn thẳng (bao gồm 6 đoạn dương, 6 đoạn âm và một đoạn qua gốc được chia thành 4 phân đoạn)

2.2.5 Mã hóa

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

Hình 2.9: Đặc tuyến xấp xỉ tuyến tính hóa luật A – 13 đoạn

Do được tuyến tính hóa theo số đoạn khác nhau, cách nhận được các mã 8 bits PCM 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 dải biên độ tín hiệu vào một cách tuyến tính

Từ mã PXYZABCD

Độ lớn của mỗi bước lượng tử đều (tính theo số bước biên độ lối vào)

Bảng 2.1: Thuật toán mã hóa hóa theo luật A

Từ bảng thuật toán trên, chúng ta có thể thấy rằng mỗi một đoạn được chia thành 16 mức lượng tử đều Giá trị độ lớn của mỗi một mức lượng tử đều (tính theo số bước của mức biên độ lối vào) được ghi ở cột cuối cùng của các bảng là thay đổi theo giá trị mức lối vào

Lợi ích của nén-giãn có thể thấy được thông qua xét làm ví dụ đối 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 với độ phân giải của bộ lượng tử đều (lượng tử tuyến tính) với 4096 mức sử dụng các từ mã 12 bit Như vậy so với việc

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

2.3 ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG VI SAI

2.3.1 Nguyên tắc

H.Q.Trung.ĐTTT

Như ta đã biết, PCM được thực hiện bằng cách mã hóa các giá trị mẫu được lượng tử hóa của tín hiệu liên tục lối vào Số bit mã cần thiết, chẳng hạn cho tín hiệu điện thoại, như phần trước đã trình bày, đã được CCITT xác định phải là 8 Tốc độ tín hiệu thoại PCM như vậy là 64 kb/s, chiếm phổ tần khá lớn

Những rung động chuẩn chu k của thanh huyền và các chuyển động hạn chế của các bộ phận thuộc cơ quan phát âm như môi và lưỡi thực tế tạo ra các mẫu âm thanh rất tương quan trong tín hiệu âm hữu thanh Ngược lại, các âm vô thanh thì có

xu hướng không tương quan Trong đàm thoại, một người đàm thoại tiêu biểu thường nói trong 40 thời gian và đối với các giai đoạn tiếng nói tích cực (giai đoạn có nói trong cuộc đàm thoại) thì các âm hữu thanh xảy ra gấp 4 lần so với các

âm vô thanh Sự trội hơn hẳn của các âm hữu thanh có nghĩa là tính tương quan trong các tín hiệu âm thoại có thể khai thác được một cách có hiệu quả Do tính tương quan cao của các mẫu tiếng nói, sai lệch giữa hai mẫu kế nhau thường khá nhỏ so với giá trị của từng mẫu

s s n f là giá trị mẫu của tín hiệu vào tại nhịp lấy mẫu thứ n

Vì vậy, thay vì mã hóa các giá trị mẫu tiếng nói như với PCM, chỉ cần mã hóa sai lệch giữa các mẫu tiếng nói liên tiếp và chỉ cần một số bit ít hơn để mã Đây chính

là nguyên tắc của điều chế xung vi sai DPCM (Differential Pulse Code Modulation)

2.3.2 Điều chế mã ung vi sai với bộ d đoán

Do độ tương quan giữa các mẫu tiếng nói khá lớn nên có thể thực hiện dự đoán được một cách gần đúng một giá trị mẫu nào đó từ một số mẫu trước đó Một vài phương pháp mã hóa với bộ dự đoán đã và đang được phát triển nhằm đạt được hiệu quả phổ tần cao để truyền tín hiệu thoại cũng như các tín hiệu băng rộng như video Trong quá trình mã hóa có dự đoán, ước lượng về mẫu tiếp theo có thể dựa trên mối tương quan giữa các phần tử, các đoạn hay các mẫu tín hiệu Khi ước lượng này khá phù hợp thì sai lệch giữa một giá trị mẫu và giá trị mẫu 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 dự đoán ta có thể chỉ cần mã giá trị sai lệch giữa giá trị thực và giá trị dự đoán của mẫu tín hiệu và số bit 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

H.Q.Trung.ĐTTT

(Hình 2.11: Cấu trúc mã và giải mã DPCM với bộ dự đoán)

Theo cấu trúc mã và giải mã như trên, 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 bộ mã hóa PCM phía phát là:

 

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:



Các hệ số a là các trọng số của thuật toán dự đoán, được lựa chọn một cách i

thích hợp Phần tử 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

H.Q.Trung.ĐTTT

(Hình 2.12: Bộ lọc giàn dùng làm mạch dự đoán) 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 dụng của tín hiệu, có được nhờ giảm độ dư thừa trong tín hiệu, là mức độ nhạy cảm đối với lỗi 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 vậy sai lỗi đó sẽ lan ra toàn tín hiệu được khôi phục

2.3.3 Hiện tượng quá tải sư n

DPCM dựa trên tiền đề là các mẫu tín hiệu liên tiếp nói chung có độ chênh lệch nhỏ, vì 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 it

bit để mã độ chênh lệch sẽ gây méo tín hiệu Hiện tượng này được gọi là uá tải

sư n

Để thấy rõ hiện tượng này, ta 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 chỉ bằng một bit: khi độ chênh lệch dương thì bit mã là 1, ngược lại khi độ chênh lệch 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 lũy) tùy theo cực tính của bit nhận được là

Hình 2.15: Bộ giải điều chế Delta

2.4 ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG VI SAI THÍCH ỨNG (ADPCM)

Như ta đã trong phần trền, tốc độ ký hiệu hoặc tốc độ bit của tín hiệu PCM gồm các từ mã 8 bit và tín hiệu tiếng nói được lấy mẫu với tần số 8 kHz bằng 64 kbit/s Nếu số lượng bit của từ mã giảm còn 4 như trong điều chế mã xung vi sai (DPCM) thì tốc độ bit giảm và chỉ bằng 32 kbit/s Có xu hướng tiêu chuẩn hóa quốc

H.Q.Trung.ĐTTT

tế tốc độ 32 kbit/s đối với tín hiệu mã tiếng nói nhờ sử dụng ADPCM Vấn đề này được phản ánh trong khuyến nghị G.721 của CCITT, có liên quan đến điều chế mã xung vi sai tự thích nghi 32 kbit/s và các tài liệu khác

Với một quá trình ngẫu nhiên dừng được xác định như một quá trình mà những đặc tính thống kê của các phép đo quá trình không thay đổi theo thời gian Nhiều nguồn tín hiệu thực tế là không dừng nhưng tựa dừng Qúa trình này được thể hiện qua phương sai và hàm tự tương quan thay đổi chậm theo thời gian Các bộ

mã hóa trong các hệ thống PCM và DPCM được tính toán trên cơ sở tín hiệu vào dừng và được mô hình hóa đối với các nguồn tín hiệu tựa dừng Nếu bộ lượng tử đều PCM được sử dụng thì trị trung bình của tạp âm lượng tử bằng 0, phương sai hoặc công suất tạp âm lượng tử bằng 2 12 Nếu phương sai thay đổi do sai số lượng tử thay đổi gây ra bởi tín hiệu vào tựa dừng, thì phương pháp để trung hòa là thay đổi bước lượng tử  Đây là một trong những phương pháp hoạt động của bộ lượng tử hóa tự thích nghi Bộ lượng tử hóa tự thích nghi thay đổi bước lượng tử của nó phù hợp với phương sai của các xung lấy mẫu tín hiệu đi qua Các thuật toán được phát triển cho điều chế mã xung vi sai khi mã hóa tín hiệu tiếng nói bằng cách

sử dụng bộ lượng tử hóa và bộ dự đoán tự thích nghi, trong đó các hệ số thay đổi có chu k để phản ánh thống kê của tín hiệu vào Hơn nữa truyền các hệ số dự đoán đến máy thu, và như vậy làm tăng số bit truyền và tốc độ bit, bộ dự đoán thu tính các hệ số riêng của nó

Hình 2.15: Lượng tử hóa tự thích nghi với:

(a) đánh giá thuận và (b) đánh giá ngược mức tín hiệu vào

H.Q.Trung.ĐTTT

Có hai loại hệ thống tự thích nghi Thứ nhất là hệ thống DPCM có lượng tử tự thích nghi (thường gọi tắt là DPCM-AQB) Loại thứ hai kết hợp cả bộ lượng tử hóa

tự thích nghi và bộ dự đoán tự thích nghi Loại này gọi tắt là DPCM-APB-AQB

AQF: Thông tin mức tín hiệu được truyền đến bộ mã hóa ở xa khi sử dụng 5-6

bit cho một xung lấy mẫu trên cỡ bước Cho phép bảo vệ thông tin cỡ bước ở phía phát bằng cách thêm bit dư Độ trễ đánh giá được tạo ra trong hoạt động mã hóa (bằng 16 ms cho tiếng nói) Yêu cầu chèn các mẫu vào không lượng tử hóa Tự thích nghi khối hoặc tự thích nghi định k ; nghĩa là cỡ bước  của nó đổi mới mỗi lần mỗi khối và giữ không đổi suốt trong thời gian một khối của N mẫu Đánh giá dựa trên cơ sở các mẫu không lượng tử

AQB: Thông tin về cỡ bước  được tách ra từ trạng thái trước đó của bộ lượng tử hóa Không có trễ của đánh giá Tạp âm lượng tử làm giảm đặt tính bám sát mức và giảm đặc tính hơn nữa khi tăng cỡ của bước Đây là hệ thống phi tuyến

có hồi tiếp và có thể không tránh khỏi vấn đề về sự ổn định Các hệ thống AQF đòi hỏi các khối đệm đắt tiền có cấu trúc phức tạp và cũng gây ra trễ, các hệ thống DPCM ít phức tạp thường dùng các mạch AQB nên có lợi ở chỗ không cần các bit ngoài để cung cấp thông tin về cỡ của bước Hoạt động của các bộ mã hóa DPCM-AQB tại 32 kbit/s được chấp nhận để truyền tiếng nói Kết quả là không tốt như hệ thống PCM 7 bit sử dụng phương pháp lượng tử hóa logarit mà chỉ so sánh với hệ thống PCM 6 bit lượng tử hóa logarit Nếu yêu cầu có một hệ thống DPCM 32 kbit/s chất lượng cao thì bộ dự đoán tự thích nghi (APB) phải đưa vào thiết kế

H.Q.Trung.ĐTTT

Hình 2.16: Sơ đồ DPCM với (a) dự đoán tự thích nghi thuận

Và (b) dự đoán tự thích nghi ngược

H.Q.Trung.ĐTTT

CHƯƠNG 3 TÍN HIỆU TRUYỀN DẪN SỐ 3.1 RUNG PHA VÀ TRÔI PHA TRONG MẠNG TRUYỀN DẪN SỐ

3.1.1 Vấn đề rung pha và trôi pha

Rung pha và trôi pha được định nghĩa tương ứng là sự biến thiên ngắn và dài các thời điểm có ý nghĩa của tín hiệu số so với các thời điểm lý tưởng của chúng Các thời điểm có ý nghĩa có thể lấy ở điểm giữa hoặc điểm bất k cố định nào đó được nhận biết một cách rõ ràng trên mỗi xung Sự biến thiên các thời điểm có ý nghĩa ảnh hưởng đến tín hiệu số giống như trong trường hợp khi tín hiệu định thời gốc sử dụng để tạo ra dòng bit bị điều pha với một tín hiệu điều chế, đó là dạng sóng rung pha Dạng sóng rung pha có thể được biểu diễn bằng một hàm liên tục theo thời gian và độc lập với tín hiệu số bị ảnh hưởng Điều này có thể minh họa như hình 3.1 Các tín hiệu rung pha có ý nghĩa nhất là các tín hiệu ở khoảng tần số

từ vài chục Hz đến vài kHz Các đơn vị biểu thị biến đổi của rung pha phụ thuộc vào môi trường đang đo nó, và có thể là các đơn vị thời gian, pha hoặc các khoảng thời gian đơn vị (UI)

Hình 3.1: Minh họa rung pha và ảnh hưởng của nó đến tín hiệu số

Chúng ta sẽ sử dụng I, CCITT định nghĩa khoảng đơn vị là độ chênh lệch danh định về thời gian giữa các thời điểm có ý nghĩa kế tiếp nhau của một tín hiệu chiếm thời gian bằng nhau Điều này có nghĩa là độ rộng của một chu k tín hiệu

số bằng khoảng thời gian đơn vị Ví dụ, biên độ tức thời của rung pha đã được đo là

1 s dưới dạng sóng vuông 100 kHz; vì chu k của dạng sóng 100 kHz là 10 s , đối với tín hiệu định thời phải phân biệt được dấu và khoảng cách, thời gian có ý

nghĩa đối với tín hiệu này cách nhau 5 s Như vậy khoảng đơn vị sẽ là 5 s và

biên độ rung pha sẽ là 1 s /5 s = 0,2 UI

3.1.2 Các nguồn rung pha

H.Q.Trung.ĐTTT

Trong nhiều trường hợp rung pha không thể xác định được và chỉ được tính bằng cách sử dụng công cụ thống kê toán học như hàm mật độ xác suất của biên độ (pd ) Giá trị của hàm này chính là xác suất để tìm thấy biên độ rung pha, lớn hơn hoặc nhỏ hơn một giá trị xác định nào đó Sau khi có hàm mật độ xác suất của biên

độ rung pha, chúng ta tính được giá trị trung bình và phương sai của nó Nếu dạng sóng rung pha có thể xác định được thì một tham số quan trọng là tốc độ biến đổi của rung pha trong tín hiệu số Rung pha có thể xuất hiện do các nguyên nhân khác nhau trong một hệ thống truyền dẫn số Tuy vậy, chủ yếu các nguyên nhân này có thể phân thành các loại sau:

(1) Rung pha hoặc trôi ở tần số rất thấp do sự thay đổi thời gian trễ truyền dẫn của các cáp Mà sự thay đổi đó lại do sự biến đổi chậm của nhiệt độ nơi đặt cáp gây ra

(2) Rung pha tần số thấp do sự bất ổn định không phối hợp của các nguồn đồng hồ gây ra

(3) Rung pha do tạp âm gây ra, nó xuất hiện do tạp âm pha trong các mạch của bộ dao động điều khiển bằng tinh thể được sử dụng để làm đồng hồ trong toàn hệ thống, cũng như tạp âm trong các mạch logic gây ra rung pha cho các chuyển tiếp số và đồng hồ trong khi có hiện tượng choãi sườn xung

(4) Rung pha sinh ra do ghép tín hiệu, xuất hiện do việc đưa vào hoặc lấy ra các bit hiệu chỉnh và các khung số

(5) Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu gây nên méo dạng xung của mỗi bit Điều này gây ra sự thay đổi về mức phát hiện của mỗi xung, gây nên hiện tượng rung pha cho luồng bit đã được tái sinh

(6) Rung pha của bộ tái sinh xuất hiện do sự khôi phục thời gian không phù hợp trong các trạm lặp tái sinh số

Trừ rung pha sinh ra do các bộ tái sinh, các nguồn rung pha đã kể ở trên có ở mức thấp và không tương quan Trong các trường hợp này, rung pha cộng với nhau trên cơ sở công suất và tích lũy dọc hệ thống truyền dẫn số Tuy vậy rung pha của các bộ lặp là do từng mẫu sinh ra và do đó tương quan với nhau Vì cùng mẫu hoặc các biến đổi trùng mẫu đưa đến mỗi bộ lặp, nên trong trường hợp này rung pha sẽ được tích lũy trên cơ sở biên độ

3.1.2.1 ung pha do các ph n t nh th i sinh ra

H.Q.Trung.ĐTTT

Rung pha này có biên độ và tần số tương đối thấp và nó xuất hiện do tạp âm pha không phối hợp trong mạch dao động của đồng hồ và do thay đổi độ rộng sườn xung trong các mạch logic Trong nhiều trường hợp rung pha sinh ra có thể bỏ qua Các yếu tố mà chúng ta có thể tạo ra các dạng rung pha hoặc trôi, là các sự biến đổi chậm trong nguồn cung cấp và các thay đổi về nhiệt độ lần lượt ảnh hưởng đến các mức ngưỡng kích thích trong các mạch logic

3.1.2.2 Tr i do s thay i nhiệt ộ gây ra

Thường rung pha biến thiên chậm được xem như trôi xuất hiện do sự biến đổi

về nhiệt độ của thiết bị và kênh truyền dẫn gây ra sự thay đổi về thời gian đối với tín hiệu đi qua chúng Vì trôi có tần số thấp nên các vòng khóa pha có xu thế làm tăng sự trôi này và như vậy thực tế không thể dùng các vòng khóa pha để loại bỏ hoặc giảm sự trôi được, trừ khi thiết kế chúng có hằng số thời gian rất dài Có thể sử dụng các bộ nhớ đệm có dung lượng đủ lớn, vì chúng có khả năng hấp thụ được các

sự biến đổi của các rung pha tương đối dài hơn này

ng 3.1: ng giá tr ánh giá ối i tr i

Bảng 3.1 cho một giá trị đánh giá của trôi đối với các hệ thống khác nhau ở Anh Các biên độ trôi giống như rung pha, có thể được biểu thị bằng các khoảng đơn vị, nhưng phổ biến hơn thường dùng các đơn vị thời gian

Thường thì người ta sử dụng các bộ nhớ đệm để điều tiết sự tồn tại đầu vào của cac thiết bị số nhằm tối thiểu hóa các hiện tượng trôi điều khiển được hoặc không điều khiển được

3.1.2.3 ung pha do hiệu ch nh tạo ra

Như đã trình bày trong phần trên, hiệu chỉnh là một quá trình trong đó các bit được chèn đều đặn vào luồng bit đến để nâng tốc độ bit lên đến tốc độ mà thiết bị ghép kênh yêu cầu Ở đầu cuối xa nhờ có các tín hiệu điều khiển hiệu chỉnh, các bit

H.Q.Trung.ĐTTT

được chèn thêm vào đó bị gạt ra để khôi phục lại tín hiệu thông tin trở lại giá trị danh định của nó Việc loại bỏ một bit hiệu chỉnh ở đầu cuối thu nghĩa là tín hiệu số xảy ra đột biến, được lọc ra để lại các chỗ trống của một khoảng khe thời gian Tín hiệu bất thường này ngoài việc đi vào bộ nhớ đàn hồi, còn được đưa đến đầu vào mạch vòng khóa pha, mạch này tách tín hiệu định thời từ tốc độ trung bình của tín hiệu bất thường này Tín hiệu định thời tổng hợp sử dụng để đọc tín hiệu ra từ bộ nhớ đàn hồi (nó đã hấp thụ sự bất thường này)

Nếu sự định thời không tương thích, sẽ còn lại thành phần rung pha dư ở tín hiệu ra Gía trị RMS của rung pha này có thể biểu thị bằng 0,2887 f max, ở đây

N và  1/ 2

N , ở đây

N là số cặp ghép kênh Một mô hình đã được công bố phù hợp với các phép đo tiến hành trên một đoạn số gồm một thiết bị ghép kênh có liên quan đã chỉ ra rằng rung pha của bộ lặp cộng thêm vào rung pha thời gian chờ đợi do bộ tách kênh và do đó trong x đoạn số đối với một hệ thống hữu tuyến hoạt động ở 140 Mbit/s và đối với một hệ thống viba hoạt độ ở 34 Mbit/s, thì tổng rung pha J bằng công suất đó do X

một đoạn đơn nhân với căn bậc 3 của số đoạn suốt đường nối Và người ta cũng đã chứng minh là biên độ rung pha của thời gian chờ đợi lớn hơn giá trị của rung pha mẫu phụ thuộc

3.1.2.4 Rung pha do hoạt ộng c a bộ tái sinh

Hầu hết các bộ tái sinh số sử dụng hiện nay đều tự định thời, tức là tín hiệu ra

đã được định thời lại dưới sự điều khiển của một tín hiệu định thời đã được tách ra

từ tín hiệu vào Dạng rung pha đáng kể nhất xuất hiện do sự không hoàn thiện trong mạch điện, phụ thuộc vào dãy xung trong tín hiệu số đang được truyền đi Rung pha này được gọi là rung pha mẫu phụ thuộc

Trong các luồng bit số mang số liệu, không thể tách trực tiếp thông tin định thời được Đó là vì luồng bit không chứa các xung trong mọi khe thời gian Để tách thông tin định thời, cần phải tiếp tục xử lý và trong quá trình xử lý cần tạo ra một dòng xung đồng hồ đều đặn, đã có rung pha định thời xen vào Một phương pháp đã

H.Q.Trung.ĐTTT

được sử dụng để tách thông tin định thời là sử dụng luồng bit vào để thiết lập dao động trong mạch điều hưởng có Q cao Nếu Q đủ cao, vào lúc thời gian dao động bắt đầu tắt sẽ có một xung khác đến và bắt đầu mạch lại dao động một lần nữa

Vì thực tế Q của mạch là hữu hạn cho nên tín hiệu ra sẽ bao gồm vạch phổ đã được tách cộng với một thành phần rung pha do sử chuyển đổi biên độ pha của tạp

âm ngẫu nhiên trong tín hiệu vào Rung pha do tạp âm này tạo ra sẽ hoàn toàn ngẫu nhiên và không tương quan với tín hiệu vào Vì vậy, các bộ lặp khác dọc đường dây tạo nên rung pha một cách độc lập và có xu hướng tích lũy, dù cho mỗi bộ lặp sẽ nén điều pha trong tín hiệu vào ở một phạm vi nào đó

Tuy vậy, bất k rung pha hoặc tạp âm nào nằm trong băng tần của mạch khôi phục đồng hồ sẽ xuất hiện trong tín hiệu định thời lại sẽ thêm vào rung pha do chính mạch khôi phục đồng hồ gây ra Như vậy lượng điều pha bị giảm phụ thuộc vào giá trị Q của mạch điều hưởng và lượng mạch bị lệch tần số danh định Đứng trên quan điểm của rung pha, sự hoạt động của một bộ lặp tái sinh tương đương như một bộ lọc thông thấp đối với rung pha có ở tín hiệu vào, nhưng đồng thời cũng tạo nên rung pha, như đã nói ở trên Có thể biểu thị điều này bằng một nguồn rung pha bổ sung ở đầu vào Nếu rung pha này thực sự là ngẫu nhiên, vì nó được sinh ra từ những mẫu phụ thuộc hoặc rung pha tương quan, thì tổng rung pha RMS J tồn tại N

trong tín hiệu số sau N bộ tái sinh sẽ được biểu thị bằng biểu thức gần đúng:

ta có thể tính được xác suất rung pha vượt bất k biên độ đỉnh – đỉnh nào đã chọn Với những mục đích xác định, giả thiết tỷ số đỉnh – đỉnh trên RMS là 12 đến 15, lúc

H.Q.Trung.ĐTTT

3.1.3 Các ảnh hưởng của rung pha

Tại một giao diện liên kết, dung sai vào đối với rung pha của thiết bị tiếp theo

sẽ được thiết kế để điều tiết rung pha do thiết bị phía trước sinh ra; nói cách khác, nếu không điều khiển một cách thích đáng thì sự tích lũy rung pha sẽ gây ra những vấn đề sau:

(1) Tăng xác suất các lỗi số đưa vào trong các tín hiệu số tại các điểm tái sinh tín hiệu do các tín hiệu định thời bị lệch về thời gian so với các vị trí tối ưu của chúng

(2) Đưa các độ rung pha điều khiển được vào các tín hiệu số do khả năng nhớ

số đã được thiết kế để phục vụ cho các mục đích khác đã sử dụng hết, vì thế gây ra sự tràn bộ nhớ, với hiệu ứng ngược lại là làm cạn bộ nhớ Hiện tượng tràn và cạn xuất hiện trong các loại nào đó của các bộ đệm và các bộ

so pha của thiết bị đầu cuối, ví dụ các bộ giảm rung pha và thiết bị ghép kênh số nào đó

(3) Suy giảm tin tức tương tự, đã được mã hóa số do sự điều pha của các mẫu

đã được khôi phục trong thiết bị biến đổi số/tương tự ở đầu cuối của đường nối Trong trường hợp này, rung pha thời gian ảnh hưởng đến tính đồng đều về khoảng cách giữa các mẫu của các tín hiệu PAM đã được khôi phục, người ta thường gọi là rung pha tuyệt đối Tín hiệu tiếng nói đã được

mã hóa số thì nhạy hơn nhiều

3.1.4 Các giới hạn của rung pha và trôi

Trong một mạng thông tin số, cần phải điều khiển được sự tích lũy rung pha

và trôi Các lý do để điều khiển này là phải đảm bảo các mục tiêu về lỗi số và trôi

không được vượt các chỉ tiêu đã nêu ra trong khuyến nghị G821 và G822 của CCITT và chất lượng thông tin tương tự đã mã hóa lấy ra từ các mẫu đã được khôi phục trong quá trình biến đổi số thành tương tự không bị giảm sút đáng kể

Điều khiển rung pha để hạn chế số lỗi trong một phạm vi cho phép bằng cách giới hạn lỗi đồng chỉnh trong mỗi một quá trình khôi phục thời gian Điều này có thể đạt được bằng cách thiết kế mạch khôi phục đồng hồ có độ rộng băng tần của rung pha có thể so sánh được với băng tần của rung pha vào Biên độ rung pha tuyệt đối thường không đáng kể khi xuất hiện các lỗi do rung pha tạo ra

Việc điều khiển trôi nằm trong phạm vi cho phép chỉ có thể đạt được nếu xét đến việc tạo ra rung pha và tích lũy rung pha trong tất cả các thiết bị trên toàn mạng

Quan điểm điều khiển rung pha phải đảm bảo là các mục tiêu lỗi và trôi sẽ đáp ứng đối với rung pha xảy ra trên phần tử bất k của mạng ở đầu vào của nó, không kể đến vị trí của nó trong mạng hoặc tín hiệu xuất phát từ đâu trong mạng lưới Hơn nữa các mục tiêu này phải tiếp tục đáp ứng dù răng mạng được mở rộng

và cấu hình của nó thay đổi

Khuyến nghị G823 của CCITT tập trung vào việc điều khiển rung pha và trôi trong các mạng số dựa trên cấp 2048 kbit/s và được giải quyết trước lúc xét cấp

1544 kbit/s

Bảng ung pha cho ph p c c đại tại giao diện phân cấp d a trên cấp 2 kbit s ( ung pha đầu vào có thể chịu được)

Bảng 2 ung pha c c đại khi không có rung pha vào đối với một đoạn số có độ dài một

H (rung pha nội tại)

H.Q.Trung.ĐTTT

Bảng ác đặc tính truyền đạt rung pha của bộ tách gh p số

3.1 Các phương pháp đo rung pha

Nhằm để định mức đặc tính rung pha của thiết bị và các hệ thống và so sánh với các giới hạn đã cho ở trên, người ta phải tìm ra một cách đo rung pha Trước lúc

mô tả các phương pháp đo, các bài đo ta miêu tả một cách vắn tắt một số thiết bị đo được dùng trong thực tế

3.1 .1 Thi t b o rung pha

- ộ hiện s ng:

Phương pháp sử dụng bộ hiện sóng là phương pháp đơn giản nhất trong tất cả các phương pháp nhưng chỉ được sử dụng để xác định giá trị đỉnh-đỉnh của rung pha đối với các nguồn lặp như tín hiệu thời gian Không thể sử dụng cho các luồng

số vào không lặp vì không thể kích thích máy hiện sóng Phương pháp này bao gồm việc sử dụng một tín hiệu đồng chỉnh, là bội của tần số vào hoặc trùng với tần số vào Chuẩn này được sử dụng cho đầu vào kích thích của máy hiện sóng Tín hiệu thời gian lặp đưa đến đầu vào của máy hiện sóng và điều chỉnh máy tạo sóng để hiển thị ổn định