Kỹ thuật truyền dẫn số

Kỹ thuật truyền dẫn số

Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn số

I TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ

1 Giới thiệu

2 Tín hiệu tương tự và truyền dẫn số

Truyền dẫn số về cơ bản có nghĩa là gởi một chuỗi các kí tự bao gồm cácsố 0 và 1 từ một điểm này tới một điểm khác Do bởi tiếng nói là tín hiệu tươngtự, liên tục theo thời gian do đó ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu

số Quá trình này được gọi là điều chế mã xung (Pulse Code Modulation _PCM).

PCM bao gồm 3 bước chính:

 Lấy mẫu (Sampling).

 Lượng tử hoá (Quantization).

 Mã hoá (Coding).

Ta xem xét khái quát về 3 bước này

 Lấy mẫu

Lấy mẫu tín hiệu tương tự có nghĩa là ta đo tín hiệu tại những thời điểmnào đó Mỗi giá trị đo được gọi là một mẫu và các lần đo được lặp lại saunhững quãng thời gian xác định, gọi là chu kì lấy mẫu Ts [s] Chất lượng củaviệc số hoá tín hiệu tương tự (tức là khả năng phục hồi lại tín hiệu đã số hoá cógiống như tín hiệu tương tự ban đầu hay không) phụ thuộc vào nhiều yếu tố,trong đó yếu tố quan trọng là chu kỳ lấy mẫu fs = 1/Ts [Hz]

Hình 1.6 Lấy mẫu tín hiệu tương tự

Tín hiệu tương tự Lấy mẫu Tín hiệu sau khi lấy mẫu

Ts

Khi lấy mẫu thì tần số lấy mẫu phải thoả mãn định lý lấy mẫu là fs >= 2.fm

Trong đó fs là tần số lấy mẫu, fm là tần số lớn nhất của tín hiệu

Tiếng nói thông thường có các thành phần tần số nhỏ hơn 3000 Hz Cácthành phần tần số cao hơn có năng lượng khá nhỏ và có thể bỏ qua mà khôngảnh hưởng nhiều đến chất lượng của tiếng nói Do đó tần số lấy mẫu fs

>=2*3KHz=6KHz Các hệ thống viễn thông sử dụng tần số lấy mẫu là 8KHz

 Lượng tử hoá

Để giới hạn các giá trị được truyền đi, biên độ tín hiệu được chia thànhmột tập hữu hạn các mức Mỗi mẫu thuộc một khoảng nào đó được biểu diễnbởi một trong các mức này Trong hình vẽ biểu diễn nguyên lý lượng tử hoá tínhiệu tương tự, mẫu thực sự và giá trị được lượng tử hoá Hình vẽ cũng biểu diễn

nguyên lý lượng tử hoá đồng đều (uniform) được sử dụng trong hệ thống GSM.

Khoảng cách giữa các mức là không đổi Mạng điện thoại chuyển mạch côngcộng sử dụng quá trình lượng tử hoá luật A, trong đó khoảng cách giữa các mứcthay đổi Điều này tối ưu được sự chính xác tại các mức biên độ khác nhau.Mức độ chính xác phụ thuộc vào số các mức được sử dụng Trong các hệthống điện thoại thông thường sử dụng 256 mức trong khi hệ thống GSM tínhiệu được lượng tử hoá bởi 8192 mức

Rõ ràng, với một số hữu hạn các mức, ta không thể biểu diễn chính xáctín hiệu tương tự, liên tục Trong hầu hết các trường hợp sẽ có một sự sai khácgiữa giá trị lấy mẫu và giá trị lượng tử hoá Chúng ta có thể giảm sai số lượngtử hoá khi tăng số các mức rời rạc nhưng cũng không thể loại bỏ toàn bộ

 Mã hoá

Mỗi giá trị lượng tử hoá được biểu diễn bởi một mã nhị phân Để biểudiễn cho 256 mức, ta sử dụng 8 bit (28=256) Trong hệ thống GSM, để biểudiễn 8192 mức thì ta sử dụng 13 bit (213=8192)

Giá trị lấy mẫu Giá trị lượng tử hoá

D=Sai số lượng tư û hoá

Timeq

Hình 1.7 Lượng tử hoá đồng đều

Quá trình điều chế mã xung PCM bao gồm lấy mẫu tại 8KHz và thực hiện

lượng tử hoá cũng như mã hoá sử dụng 8 bit, tạo ra tốc độ bit (bit rate) là

8000*8=64 Kbit/s

Một đường liên kết số được sử dụng để truyền các bit này gọi là đườngliên kết PCM Để sử dụng đường liên kết hiệu quả hơn, nhiều kênh truyền sẽđược ghép lên trên cùng một đường liên kết Kĩ thuật được sử dụng là Đa truynhập theo thời gian TDMA và có nghĩa rằng nhiều kênh truyền sẽ cùng chia xẻmột đường liên kết Mỗi kênh sử dụng đường liên kết trong một khoảng thờigian nào đó được gọi là khe thời gian Hình 1.8 trình bày việc ghép 32 kênh lêncùng một đường liên kết PCM Tốc độ bit trên đường liên kết sẽ là32*8*8000=2048 Kbit/s

Hình 1.8 Ghép 32 kênh lên một đường PCM.

32 kênh này hình thành nên một frame như trong hình 1.9 Kênh 0 được sửdụng cho việc đồng bộ, kênh 16 sử dụng cho việc báo hiệu 30 kênh còn lại sửdụng cho việc lưu thông (thoại hoặc dữ liệu)

0 15 16 17 31Synchronization Signaling

Speech channel1-15 Speech channel16-31

Hình 1.9 Một khung với 32 khe thời gian

II Sơ lược kỹ thuật khép kênh

Nguyên lý của ghép kênh PDH (Plesiochochronous Digital Hierarchy):

Hoạt động của bộ ghép kênh:

Bốn tín hiệu ngõ vào với cùng một tốc độ ở bên phát sẽ đượcghép kênh để tạo thành một đường truyền tín hiệu tốc độ cao(4  1).Sau đó tín hiệu sẽ được chuyển mạch đến bên thu thông qua đườngtruyền dẫn

Hoạt động của bộ phân kênh :

Ở bên thu, tín hiệu trên đường truyền tốc độ cao sẽ được phátlại lần nữa ở đầu ra

Các tiêu chuẩn của PDH:

Các cấp truyền dẫn số cận đồng bộ đang tồn tại theo nhiều tiêuchuẩn khác nhau : Châu Âu,Bắc Mỹ, Nhật và CCITT Theo tiêu chuẩn

Châu Âu , muốn có một luồng số cao hơn phải ghép 4 luồng thấp hơnvới nhau (Hình 1.1).

Hình 1.1 : Phân cấp số cận đồng bộ của Châu ÂuBốn cấp truyền dẫn đầu tiên của Châu Âu được CCITT côngnhận làm tiêu chuẩn quốc tế

 Tiêu chuẩn của Nhật như hình 1.2

Hình 1.2 : Phân cấp số cận đồng bộ của Nhật

 Tiêu chuẩn của Bắc Mỹ như hình 1.3

Hình : Phân cấp số cận đồng bộ của Bắc Mỹ

Ưu và nhược điểm của hệ thống ghép kênh PDH:

- Dung lượng kênh cao, chất lượng tốt

- Nguyên tắc ghép kênh theo cấp bậc cho phép ghép các luồng số chặtchẽ

- Cấu trúc hệ thống đơn giản , công nghệ chế tạo hoàn chỉnh , giá thànhsản phẩm thấp

 Nhược điểm:

- Không đồng bộ tuỳ thuộc vào tốc độ truyền dẫn ,dunglượng kênh , khung thời gian giữa các cấp ghép kênh theo các hệ thốngChâu Âu, Bắc Mỹ, và Nhật Bản.

- Việc ghép và phân kênh diễn ra theo từng cấp

- Đặc biệt với những trạm chuyển tiếp theo mô hình rớt(drop) hoặc xen (Add) kênh thì phải sử dụng hai hệ thống thiết bị chohai hướng không kinh tế như mô hình sau:

- Nếu có từ ba hướng trở lên thì việc thiết kế vô cùng phứctạp

- Không linh hoạt trong việc truy xuất cũng như ghép cácloại luồng số trong quá trình liên lạc

- PDH được thiết kế chủ yếu cho các dịch vụ thoại , do đókhó đáp ứng được với các loại dịch vụ mới

- Không đồng nhất giữa các hệ thống về tốc độ truyền dẫn, do đó khó khăn trong việc liên lạc giữa các quốc gia dùng các hệthống thuộc các cấp độ khác nhau

- Do việc ghép kênh và phân kênh diễn ra theo từng cấpsố nên số lượng bộ kết nối (connector), dây feeder để nối kết rất lớndẫn đến suy hao tín hiệu gay phức tạp và làm tăng giá thành

- Khó quản lý phần mềm tập trung vì không có các bittrong cấu trúc khung để dành cho việc quản lý

Vào những năm 1980, các hãng sản xuất thiết bị viễn thông đãnghiên cứu các tiêu chuẩn mới để khắc ph5c các nhược điểm trên , vàhọ đã xây doing nên mô hình hệ thống ghép kênh đồng bộ số SDH cótốc độ căn bản là 155 Mbps

TÀI LIỆU THAM KHẢO THÊM

NỘI DUNG :

1 Kỹ thuật điều xung mã theo tiêu chuẩn CEPT

1.1Lọc thấp và lấy mẫu

1.2Lượng tử hoá và nén

2 Truyền dẫn số Điều xung mã.

2.1mã đường truyền

2.2Bộ lặp tái tạo xung

3 Bài tập

THỜI LƯỢNG : 4 tiết.

Kỹ thuật Điều xung mã theo tiêu chuẩn CEPT ( Châu Aâu)

Kỹ thuật Điều xung mã dùng để chuyển đổi tín hiệu thoại tương tự sangtín hiệu thoại dạng số Hiện nay trên thế giới có 3 tín hiệu chuẩn Điều xungmã: Tiêu chuẩn Bắc Mỹ NA ( North America), tiêu chuẩn Châu Âu (CEPT) vàtiêu chuẩn Nhật Bản (Japan)

Vì Việt Nam đã được chuẩn hóa theo tiên chuẩn CEPT (ConférenceEuropcenne des Postes et Telecommunications) nên ta chỉ đi sâu nghiên cứuvề tiêu chuẩn này

Kỹ thuật điều xung mã thường có 4 bước:

 Lọc thấp và lấy mẫu

 Lượng tử hoá và nén

 Mã hoá

 Ghép kênh phân chia thời gian

Lọc thấp và lấy mẫu: Tín hiệu thoại khi đi vào thiết bị Điều xung mã phải

được lọc thấp để chỉ cho băng thông của tiếng nói đi qua và chậm lại các tínhiệu con nhiễu cao hơn băng thông này Sau đó tín hiệu thoại được rời rạc hoáđể tạo thành các mẫu tiếng nói dưới dạng điều xung biên ( PAM: pulseamplitude modulation)

 Theo định lý lấy mẫu của Shannon thì tần số lấy mẫu flm  2 * fmax

của tín hiệu cần lấy mẫu

Trong điện thoại flm  2 * 4000 Hz = 8000Hz

LPF

 Chu kỳ lấy mẫu Tlm = 1/flm = 1/8000 sec = 125 sec

Lượng tử hoá và nén

Các mẫu tiếng nói dưới dạng PAM phải được so sánh và xếp bậc dựavào 1 thang đo có nhiều bậc lượng tử

Vào tín hiệu raPAM

(tương tự)

Lọc thông thấp

Trong quá trình lượng tử, sẽ sinh ra tạp âm lượng tử, và tạp âm này sẽtuỳ thuộc vào số mức lượng tử của thang đo Trong một bộ tạo mã tuyếntính, tạp âm sẽ có cùng biên độ mặt dầu tín hiệu yếu hay mạnh Tỷ số tínhiệu / tạp âm S/N tuỳ thuộc vào biên độ của tín hiệu Điều này sẽ gây khóchịu khi nghe những người nói điện thoại nhỏ

Để đạt được một tỷ số S/N chấp nhận được trên mọi mức biên độ Sốbậc lượng tử phải được tăng lên đối với các tín hiệu PAM có biên độ nhỏ

Ta phải điều chỉnh mối tương quan giữa biên độ của tín hiệu và tạp âm dophép lượng tử gây ra Làm thế nào để tỷ số S/N không đổi với bất kỳ biênđộ nào của mẫu tiếng nói PAM Mục đích là đối với một tín hiệu PAM yếuthì tạp âm lưọng tử cũng phải yếu, đối với tín hiệu mạnh thì tạp âm lớn

3400 Hz Bộ lấy mẩu

Đồng hồ 8Kz

Điều này có thể thực hiện theo hai cách khác nhau:

 Bằng một phép nén động trên tín hiệu tương tự ( dùng bộ khuếchđại có độ tăng ích thay đổi theo biên độ) trước khi lượng tử và một phépdãn sau khi đã thu

 Bằng cách dùng các mức đo lượng tử có trị số thay đổi theo biên độcủa tín hiệu Phương pháp thứ hai được dùng trong phép nén theo luật Avà luật 

Luật A (Châu Âu) : Các trị số tối đa của biên độ là + Vmax và –Vmax.Luật đối xứng qua điểm gốc O

Ta có thể dùng thang đo không tuyến tính logarit gần đúng gồm:

Miền dương chia ra làm 8 đoạn đánh số từ 0 ~ 7

Miền âm chia ra làm 8 đoạn đánh số từ 0 ~ 7

Mỗi đoạn chia ra làm 16 mức đo đánh số từ 0 ~ 15

Miền dương có 128 mức đo đánh số từ 0 ~ 127

Miền âm có 128 mức đo đánh số từ 0 ~ -127

Ta co dùng công thức toán học logaritù : s(x) = A |x| / (1+lnA) trong đó

A = 87,6 ; s(x) là tín hiệu số ra và x(t) là tín hiệu vào

Luật µ của Bắc Mỹ :

Tương tự ta có s(x) = ln(1+µ|x|)/ln(1+µ) trong đó µ= 255 Mục đíchcủa mã hóa luật A và luật µ là để cải thiện tỷ số tín hiệu /tạp âm cho các tínhiệu tiếng yếu

Mã hoá:

Mỗi PAM được xác định bởi ba yếu tố :

 Thuộc miền nào của biên độ ( âm hoặc dương)

 Thuộc đoạn nào của thang đo ( đoạn 0 đến đoạn 7)

 Thuộc mức lượng tử nào của đoạn đo ( mức 0 đến mức 15)

Định dạng của mã 8 bit sẽ là:

Số

bit

Mức trong đoạn

Số của đoạn

Dấu của biên độ

Ghép kênh phân chia thời gian:

Theo tiêu chuẩn CEPT, khoảng thời gian T = chu kỳ lấy mẫu = 125sđược gọi là một khung thời gian, đó là khoảng thời gian liên tiếp giữa hailần lấy mẫu của một kênh thoại Khung này có thể chia ra làm 32 khe thờigian đều nhau đánh số từ TS0 đến TS31 Mỗi khe thời gian còn gọi là mộtkênh để truyền đưa thông tin dưới dạng 8 bit nhị phân

Như vậy ta có thể ghép được 32 kênh phân chia theo thời gian ( ghép kênhTDM: Time Divition Multiplexing)

Đây là một phép ghép kênh số căn bản PCM – 32 theo tiêu chuẩn CEPT.Một hệ thống truyền dẫn số PCM – 32 căn bản có 2 bộ MUX / DEMUX với

30 kênh thoại tín hiệu số vào ra và 2 kênh tín hiệu báo hiệu và đồng bộ.(TS16 và TS0)

Truyền dẫn số Điều xung mã:

Mã đường truyền

Tín hiệu dưới dạng nhị phân NRZ đặt ra một số vấn đề về truyền dẫn chủyếu là do việc tái tạo lại xung Các bộ tiếp vận tái tạo xung cần phải đượccấp nguồn từ xa, cần phải dùng bộ chuyển đổi có cuộn dây để chận thànhphần một chiều của tín hiệu nhị phân.Phổ của tín hiệu nhị phân cho thấymột lượng công suất quan trọng ở các tần số thấp ,chúng rất khó có thểtruyền đưa ngang qua bộ chuyển đổi

Tín hiệu lưỡng cực lại có nhiều lợi điểm như sau :

- Không có thành phần một chiều

- Không có thành phần tần số thấp nổi cộm

- Có thể kiểm soát đơn giản về mức sai bít

- Việc tái tạo lại tín hiệu nhị phân có thể thực hiện bằng mộtphép tách sóng (nắn) đơn giản

Mã lưỡng cực lại có nhược điểm về m,ặt tái tạo lại xung khi có một chuổinhiều bít “0” , khi đó không có năng lượng nào được truyền đi , nhịp đồnghồ không thể nào tái phục hồi trong trường hợp nầy

Mã HDB3 sẽ giải quyết được vấn đề nầy Tín hiệu có 3 tình trạng 0 , +U ,

-U

- bít “0” tương ứng với điện áp 0

- các bít “1” luân phiên là +U và –U

- các bít được phát đi ½ baud để giảm bớt năng lượng lên đườngtruyền

Mã HDB3 có các đặc điểm sau :

- 4 bít “0” liên tiếp sẽ được phát hiện và thay thế bởi 000V hay100V

- V là bít “1” có cùng dấu với bít “1” trước đó ( vi phạm luậtlưởng cực )

- Các bít V liên tiếp nhau phải ngược chiều nhau ( dương âmdương âm v.v )

Ghép kênh theo thời gian :

Tần số lấy mẩu là 8000 Hz với chu kỳ T=125 µs Có thể cho truyền đưa cáctin tức của nhiều kênh thoại cùng lúc trên cùng một đường vật lý , mỗi kênhthoại được cấp một khe thời gian riêng cho nó

Tiêu chuẩn CEPT đã xác định : Trong khoảng thời gian 125µs giữa 2 lần lấymẩu liên tiếp của một kênh được chia ra thành 32 khe thời gian TS và đượcđánh số từ TS0 đến TS31 :

- 30 TS được dành riêng cho 30 kênh thoại ( đó là TS1 đếnTS15 và TS17 đến TS31 )

- 1 TS dùng để đồng bộ khung hay khoá khung ( đó là TS0 )

- 1 TS dùng để truyền đưa tín hiệu báo hiệu ( đó là TS16 )

Như vậy trong phép ghép kênh nầy , tốc độ của đường truyền PCM-32 sẽ là

8 Kz x 32 x 8 bít = 2048 Kbps

Tín hiệu khóa khung :

Gồm có 7 bít đặt từ vị trí 2 đến vị trí 8 của TS 0

- Cứ 2 khung mới có một khung có tín hiệu khóa khung

- Bít 2 của TS 0 đặt ở 0 thì khung đó có từ đồng bộ

- Bít 2 của TS 0 đặt ở 1 thí khung đó không có từ đồng bộ

3 Câu hỏi và bài tập:

1 Phép điều chế: Cho 4 kênh thoại được lấy mẩu theo chu kỳ 125 µs, các trị số lấy mẫu được ghi trong bảng kê dưới đây:

a) Hãy trình bày hai khung của bộ ghép kênh này khi được mã hóa theo

- Phép điều chế biên xung (PAM)

- Phép điều chế xung mã (PCM) với các mức lượng tử dùng 3 bit và tuyến tính

- Phép điều xung mã (PCM) với các mức lượng tử 3 bit, và đượcnén theo hình vẽ dưới đây

Đường nén lượng tử

b) Hãy biểu diển 2 tín hiệu mã PCM trên đây dưới dạng HDB3

2 Mã HDB3 Cho tín hiệu nhị phân NRZ như sau, hãy chuyển đổi tín hiệu này sang mã HDB3:

NRZ : 10001100010000011100000010HDB3:

3 Luật nén A của tiêu chuẩn CEPT:

Trị số analog tương ứng với “1” = 3 volt Hãy mã hóa một mẩu tiếng nói 0.410 volt, theo tiêu chuẩn PCM/ CEPT

ĐỒNG BỘ VÀ BÁO HIỆU

MỤC TIÊU:

Trang bị cho học viên các kiến thức về các phương pháp đồng bộ và mạngtín hiệu đồng bộ dùng cho mạng viễn thông số Cách tổ chức tín hiệu đồng bộkhung, đa khung và báo hiệu liên đài dùng kỹ thuật số

NỘI DUNG:

1.1 Tổng quát

1.2 Các nguyên nhân trượt

1.3 Tín hiệu đồng bộ khung và đa khung

2.1 Tổng quát

2.2 Báo hiệu kênh – từng kênh

2.3 Báo hiệu trên kênh chung

3 Bài tập – câu hỏi.

THỜI LƯỢNG : 4 tiết

NỘI DUNG CHI TIẾT

1.1 Tổng quát: Tin tức trong phép điều xung, mã PCM được truyền đi

dưới dạng một chuổi các xung nối tiếp từ đài phát đến đài thu Các xung nàyđược páht đi theo nhịp đồng hồ RC (remote clock) của đài phát và được chuyểnmạch theo nhịp đồng hổ LC của đài thu Nếu có sự khác biệt giữa hai nhịpđồng hồ này sẽ gây ra xáo trộn ít nhiều sự hoạt động của việc truyền đưa giữahai tổng đài

Như vậy cần thiết phải có sự đồng bộ giữa các bit của hướng thu với nhịpđồng hồ trung ương

Thông thường ta phải dùng một bộ nhớ đệm để làm chậm đi ít hay nhiềucác bít thu được của đài thu

Viết đọc

Nhịp đồng hồ ở xa nhịp đồng hồ tại chỗ

Bộ nhớ đệm sẽ được viết vào theo đồng hồ RC và đoc ra theo đồng hồLC

 Nếu RC bằng LC ta có sự đồng bộ giữa hai tổng đài

 Nếáu RC > LC, các bit đến quá nhanh không đọc kịpvà có sự thất thoát thông tin vì dung lượng của bộ nhớ đệm luônluôn có giới hạn

Tríchnhịpđồng hồ

Bộ nhớ

thu