Bài giảng Điện tử thông tin Chương 5

Bộ tạo xung Tạo khung Bộ chuyển mạch Các bit báo hiệu Đường truyền Từ mã đồng bộ khung Bộ lọc thông thấp Bộ lọc thông thấp Bộ lọc thông thấp Bộ lọc thông thấp Tái tạo khung Bộ

CHƯƠNG 5: TÍN HIỆU SỐ BĂNG CƠ SỞ

tự được biểu diễn bằng các từ số trong một chuỗi bit nối tiếp

Nếu mỗi từ số có n chữ số nhị phân thì sẽ có M = 2n các từ mã khác nhau, mỗi từ mã tương ứng với một mức biên độ xác định của tín hiệu

PCM rất thông dụng bởi vì nó có nhiều ưu điểm

 Các mạch số tương đối rẻ và được sử dụng nhiều

 Các nguồn tín hiệu số có thể được ghép kênh phân chia theo thời gian và cùng được truyền đi trên một đường truyền tốc độ cao

 Chất lượng tạp âm của một hệ thống số cao hơn hệ thống tương tự Ngoài ra, xác suất lỗi tại đầu ra hệ thống có thể giảm được khá nhiều bằng cách sử dụng các kỹ thuật mã hóa thích hợp

Nhưng PCM cũng có một bất lợi: nó cần một dải thông rộng hơn nhiều so với dải thông của tín hiệu tương tự tương ứng

5.1.2 Lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa

Tín hiệu PCM được tạo ra bằng ba hoạt động cơ bản: lấy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa

Hình 5.1 Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu PCM

Lấy mẫu:

Là quá trình rời rạc hóa tín hiệu theo thời gian Một tín hiệu liên tục có băng thông B hữu hạn có thể được rời rạc hóa mà không làm biến đổi dạng sóng của tín hiệu (với điểu kiện phải thỏa mãn định lý lấy mẫu) Hoạt động này gọi là lấy mẫu tín hiệu

Hình 5.2

Lấy mẫu

f S > 2B

Lượng tử hóa với số mức M

Mã hóa

Tín hiệu tương

tự đầu vào

Tín hiệu PCM

m s (t) m(t)

s(t)

Hình 5.3

m(t): tín hiệu tin tức tương tự

s(t): tín hiệu điều khiển lấy mẫu

ms(t): tín hiệu rời rạc sau khi lấy mẫu (còn goi là tín hiệu PAM)

Ts : khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp

Xét trường hợp lượng tử đều: Gọi q là khoảng cách giữa hai mức lượng tử liên tiếp (hay còn gọi là bước lượng tử) FS là khoảng giá trị lượng tử tối đa (Full Scale) M là

Hình 5.4

Gọi e là sai số giữa giá trị ngõ vào và giá trị sau khi lượng tử: e = Vlt – Vin Ta thấy e

là một biến ngẫu nhiên có giá trị phân bố đều trong khoảng:

2 2

q e q

5.1.3 Nhiễu trong tín hiệu PCM – nhiễu lượng tử

Quá trình lượng tử gây ra sai số e giữa giá trị thực và giá trị lượng tử Sai số này sẽ gây

ra một sự sai lệch giữa tín hiệu sau khi khôi phục và tín hiệu ban đầu trước khi lấy mẫu

Sự sai lệch này gọi là nhiễu lượng tử

Công suất nhiễu lượng tử phụ thuộc vào sai số e và hàm mật độ phân bố xác xuất p(e) của nó theo công thức:

12

1 )

(

2 2

2

2 2

q de e p e

là (khi tín hiệu là chuỗi xung vuông lưỡng cực tuần hoàn biên độ Mq/2):

peak

M N

S

N

2 3

peak

dB

02 6 77 4 ) 2 lg(

10 ) 3 lg(

10 ) 2 3 lg(

TB

M N

TB

dB

02 6 ) 2 lg(

10 ) 2 lg(

5.1.4 Các dạng mã đường dây nhị phân

Các số nhị phân trong tín hiệu PCM có thể được biểu diễn bằng nhiều dạng tín hiệu bit nối tiếp khác nhau gọi là các mã đường dây

Phân loại: Có hai cách

 Tín hiệu cực: Các số nhị phân 1 và 0 được biểu diễn bởi các mức âm và dương bằng nhau

 Tín hiệu lưỡng cực: Các số nhị phân 1 được biểu diễn bởi các giá trị âm hoặc dương luân phiên nhau Số nhị phân 0 được biểu diễn bởi một mức không Kiểu

này cũng được gọi là tín hiệu đảo dấu luân phiên (AMI – Alternate Mark Inversion)

Hình 5.6

Mã Manchester: Mỗi số nhị phân 1 được biểu diễn bởi một nửa mức dương theo sau

là một nửa mức âm Tương tự, số nhị phân 0 được biểu diễn bởi một nửa mức âm theo sau là một nửa mức dương Kiểu này cũng được gọi là mã hóa phân chia pha

HDB3 (High Density Bipolar 3–Zeros)

Mức logic 1: đảo dấu luân phiên

Mức logic 0: bằng không Tuy nhiên nếu chuỗi bit gồm 4 bit 0 liên tiếp thì xem như vi phạm luật mã và được đổi thành một trong hai trường hợp:

B (Valid bipolar signal): xung không vi phạm luật đảo dấu liên tiếp

V (Bipolar violation): xung vi phạm luật đảo dấu liên tiếp

 Trường hợp 000V: khi vi phạm lần đầu hoặc giữa hai lần vi phạm liên tiếp tổng

số bit 1 là lẻ

0000

000V

B00V

 Trường hợp B00V: khi giữa hai lần vi phạm liên tiếp tổng số bit 1 là chẵn

a Khi vi phạm lần đầu hoặc giữa hai lần vi phạm liên tiếp tổng số bit 1 là lẻ

b Khi giữa hai lần vi phạm liên tiếp tổng số bit 1 là chẵn

Hình 5.7

Hình 5.8: Mã hóa dòng bit 1100000000110000010 dùng mã HDB3

CMI (Code Mark Inversion):

Mức logic 1: đảo dấu luân phiên

Mức logic 0: nửa bit đầu có cực tính âm (-) nửa bit đầu có cực tính dương (+)

5.1.5 Dải thông của PCM

Phổ của tín hiệu PCM không quan hệ trực tiếp với phổ của tín hiệu tương tự đầu vào

mà phụ thuộc vào tốc độ bit R và hình dạng xung mã hóa Dải thông của tín hiệu PCM được giới hạn bởi:

nB nf R

B PCM   S 

2

1 2

S PCM R nf

Bảng 5.1 trình bày kết quả này cho trường hợp tốc độ lấy mẫu cực tiểu, f S  2B

Bảng 5.1 Chất lượng của các hệ thống PCM có lượng tử hóa đồng nhất và không có

tập âm kênh truyền

5.1.6 Lượng tử hóa không đều

Đối với các tín hiệu có biên độ phân bố không đều, tạp âm lượng tử hóa hạt sẽ là một vấn đề nguy hiểm nếu như kích thước bước lượng tử không giảm đối với các giá trị biên độ gần không và tăng đối với các giá trị lớn nhất Đây được gọi là lượng tử hóa không đều vì kích thước bước biến đổi được sử dụng

Để thực hiện lượng tử hóa không đều, đầu tiên truyền tín hiệu tương tự qua một bộ khuếch đại nén (không tuyến tính), sau đó đưa vào mạch PCM sử dụng bộ lượng tử hóa đồng đều Có hai kiểu đặc tính nén thường được sử dụng là đặc tính nén luật µ:

) ( 1

ln )

2

t w t

1

) ( ln 1

1 ) ( 0 ln

1

) ( )

(

1 1

1 1

2

t w A A

t w A

A t w A

t w A t

trong đó µ, A là các tham số dương vàw1(t), w2(t) lần lượt là giá trị điện áp chuẩn hóa

ở ngõ vào và ngõ ra

Hình 5.9 Các đặc tính nén ( biểu thị trong góc phần tư thứ nhất)

Khi sử dụng nén tại máy phát thì việc giải nén phải được thực hiện tại máy thu để khôi phục lại các mức tín hiệu thành các giá trị tương đối của chúng

5.2 Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM)

5.2.1 TDM tương tự:

Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM – Time Division Multiplexing) là xen kẽ thời gian giữa các mẫu đến từ một vài nguồn sao cho tin tức từ các nguồn này có thể được truyền đi một cách tuần tự trên một kênh thông tin đơn

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp

Phát xung

đồng bộ

Đường truyền

Bộ chuyển mạch

Bộ phân phối

Bộ tạo xung

Tạo khung

Bộ chuyển mạch

Các bit báo hiệu

Đường truyền

Từ mã đồng bộ khung

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc thông thấp

Tái tạo khung

Bộ giải

mã

Bộ tạo xung

Tách xung Clock

Báo hiệu

Bộ phân phối

Tín hiệu

analog

Hình 5.12: Sơ đồ khối của một bộ ghép kênh PCM – TDM

Tín hiệu analog

Nguyên lý hoạt động

Bộ lọc thấp hạn chế băng tần tín hiệu thoại analog tới 3,4 kHz Bộ chuyển mạch đóng vai trò lấy mẫu tín hiệu các kênh, vì vậy chổi của bộ chuyển mạch quay một vòng hết 125µs, bằng một chu kỳ lấy mẫu Chổi tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh của kênh nào thì một xung của kênh ấy được truyền đi Trước hết một xung đồng bộ được truyền đi và tiếp theo đó là xung của các kênh 1, 2, 3 và 4 Kết thúc một chu kỳ ghép lại có một xung đồng bộ và ghép tiếp xung thứ hai của các kênh Quá trình này cứ tiếp diễn liên tục theo thời gian Để phía thu hoạt động đồng bộ với phía phát, yêu cầu chổi của bộ phân phối quay cùng tốc độ và đồng pha với chổi của bộ chuyển mạch Nghĩa là hai chổi phải tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh tại vị trí tương ứng Yêu cầu đồng bộ giữa máy phát và máy thu sẽ được đáp ứng nhờ xung đồng bộ

Phía thu, sau khi tách dãy xung của các kênh cần khôi phục lại tín hiệu analog nhờ sử dụng bộ lọc thấp giống như bộ lọc này tại phía phát

5.2.2 TDM số

Nguyên lý hoạt động Phía phát: sau khi lấy mẫu tín hiệu thoại analog của các kênh, xung lấy mẫu được đưa

vào bộ mã hoá để tiến hành lượng tử hoá và mã hoá mỗi xung thành một từ mã nhị phân gồm 8 bit Các bit tin này được ghép xen byte để tạo thành một khung nhờ khối tạo khung Trong khung còn có từ mã đồng bộ khung đặt tại đầu khung và các bit báo hiệu được ghép vào vị trí đã quy định trước Bộ tạo xung ngoài chức năng tạo ra từ mã đồng bộ khung còn có chức năng điều khiển các khối trong nhánh phát hoạt động

Phía thu: dãy tín hiệu số đi vào máy thu Dãy xung đồng hồ được tách từ tín hiệu thu

để đồng bộ bộ tạo xung thu Bộ tạo xung phía phát và phía thu tuy đã thiết kế có tốc độ bit như nhau, nhưng do đặt xa nhau nên chịu sự tác động của thời tiết khác nhau, gây

ra sai lệch tốc độ bit Vì vậy dưới sự khống chế của dãy xung đồng hồ, bộ tạo xung thu

hoạt động ổn định Khối tái tạo khung tách từ mã đồng bộ khung để làm gốc thời gian bắt đầu một khung, tách các bit báo hiệu để xử lý riêng, còn các byte tin được đưa vào

bộ giải mã để chuyển mỗi từ mã 8 bit thành một xung Do bộ phân phối hoạt động đồng bộ với bộ chuyển mạch nên xung của các kênh tại đầu ra bộ giải mã được chuyển vào bộ lọc thấp của kênh tương ứng Đầu ra bộ lọc thấp là tín hiệu thoại analog Bộ tạo xung phía thu điều khiển hoạt động của các khối trong nhánh thu

5.2.3 Khung và đa khung tín hiệu

Khung tín hiệu là tập hợp của một số bit hoặc một số byte có chiều dài cố định hoặc không cố định, bao gồm các bit đồng bộ khung đặt tại đầu khung, trường tin để ghép tín hiệu của người sử dụng và một số bit phụ đóng vai trò chèn, giám sát, điều khiển, v.v

Đa khung là tập hợp của một số khung Đầu đa khung có từ mã đồng bộ đa khung làm gốc thời gian ghép các khung theo thứ tự đã quy định Phía thu tách từ mã đồng bộ đa khung làm gốc thời gian để tách các khung theo trình tự như đã ghép ở phía phát Ngoài từ mã đồng bộ đa khung và các khung, trong đa khung còn có các bit phụ như báo hiệu, cảnh báo v.v

Đa khung được tạo lập khi cần các khe thời gian chuyển tải báo hiệu các kênh hoặc dùng chung các byte mào đầu cho các khung trong đa khung

Cấu trúc cơ bản của một khung tín hiệu như hình Thời hằng khung Tk là khoảng thời gian ghép các bit đồng bộ khung, các bit phụ và các thông tin đầu vào bộ ghép

T k – Độ dài khung (thời hằng khung)

Các bit đồng

bộ khung

Các bit phụ Trường tin-Các từ thông tin

Hình 5.13: Cấu trúc cơ bản của khung tín hiệu

Chọn xung kênh

Lấy mẫu

Mã hóa Nén số

Giải mã Dãn nén

Ghép kênh

Tách kênh

TX ĐB

Lập mã đường dây

Bộ tạo xung phát

Xử lý báo hiệu

Bộ tạo xung thu

Giải mã đường đây

Đầu ra

Đầu vào Chọn

xung kênh

5.3 Phân cấp TDM trong hệ thống điện thoại

Ghép kênh TDM trong hệ thống điện thoại được phân thành hai loại:

Quá trình chuyển đổi tín hiệu của PCM- 30 như sau:

Ngoài các khối trên đây, trong nhánh phát còn có bộ tạo xung phát hoạt động tại tốc độ bit 2048 kbit/s và đầu ra của nó có khối chia tần để tạo dãy xung có tốc độ bit theo yêu cầu điều khiển các khối liên quan hoạt động Khối TX ĐB tạo ra xung đồng bộ khung

và đa khung Khối xử lý báo hiệu tiếp nhận tín hiệu gọi của các kênh thoại để chuyển thành các bit và được ghép vào vị trí đã quy định trong luồng số E1

Nhánh thu

Dãy tín hiệu 2048 kbit/s HDB-3 từ mạng tới trước hết được khối giải mã đường chuyển đổi thành dãy xung hai mức Trong tín hiệu thu có các từ mã của 30 kênh thoại, kênh đồng bộ và kênh báo hiệu Các loại tín hiệu này được tách ra nhờ khối tách kênh Tín hiệu đồng bộ khung đi vào khối tạo xung thu để khởi động khối chia tần, nhằm hình thành các khe thời gian đồng bộ với phía phát Ngoài ra, khối tách kênh còn

có chức năng tách đồng hồ từ dãy bit vào để đồng bộ tốc độ bit của bộ tạo xung thu Các bit tín hiệu gọi được tách ra, đi vào khối xử lý tín hiệu gọi để chuyển thành sóng

âm tần rung chuông máy điện thoại Bộ tạo xung thu cũng có bộ phận chia tần để hình thành dãy xung điều khiển hoạt động của các khối nhánh thu

Mỗi byte (8 bit) của tín hiệu thoại qua khối giải mã - dãn số chuyển thành một xung có biên độ tương ứng và đưa tới khối chọn xung kênh, đầu ra khối chọn xung kênh là tập hợp xung của riêng từng kênh Dãy xung điều biên đầu ra khối chọn xung kênh qua bộ lọc thấp để khôi phục tín hiệu thoại analog, qua SĐ tới máy điện thoại

2 Cấu trúc khung và đa khung

 Đối với PCM-30 (luồng số E1)

Tín hiệu số đầu ra thiết bị PCM-30 được sắp xếp thành khung và đa khung trước khi truyền Cấu trúc của khung và đa khung như hình 5.15 Mỗi khung có thời hạn là 125µs, được chia thành 32 khe thời gian và đánh số thứ tự từ TS0 đến TS31 Mỗi TS có thời hạn là 3,9µs và ghép 8 bit số liệu

Các khe TS0 của khung F0 và các khung chẵn (F2, F4, , F14) gồm bit Si sử dụng cho quốc tế (nếu không dùng thì đặt bằng 1) và bảy bit còn lại là từ mã đồng bộ khung

0011011 Trong TS0 của các khung lẻ (F1, F3, , F15) ghép các bit như sau: bit thứ nhất

Si sử dụng cho quốc tế (nếu không dùng thì đặt bằng 1), bit thứ hai cố định bằng 1 để phân biệt từ mã đồng bộ khung với từ mã đồng bộ khung giả tạo (khi 7 bit còn lại trong TS0 của các khung lẻ trùng với 7 bit tương ứng của từ mã đồng bộ khung), bit thứ ba A cảnh báo mất đồng bộ khung (khi trạm đầu xa không thu được từ mâ đồng bộ khung sẽ đặt A = 1 và truyền về trạm gốc), 5 bit còn lại S1,2,…,5 dùng cho quốc gia

Khe thời gian TS16 của khung F0 truyền từ mã đồng bộ đa khung vào vị trí các bit thứ nhất đến bit thứ tư, bit thứ 6 truyền cảnh báo xa khi mất đồng bộ đa khung (Y = 1), các bit x dùng cho quốc gia (nếu không dùng thì đặt x = 1)

Các khe thời gian TS16 của các khung F1 đến khung F15 dùng để truyền báo hiệu Báo hiệu của mỗi kênh thoại được mã hóa thành 4 bit a, b, c, d và ghép vào nửa khe thời gian TS16 Nửa bên trái truyền báo hiệu của các kênh thoại thứ 1 đến 15, nửa bên phải truyền báo hiệu của các kênh thoại thứ 16 đến 30 Như vậy, phải có 16 khe thời gian

TS16 trong một đa khung mới đủ để truyền báo hiệu và đồng bộ đa khung Đó cũng là

lý do mỗi đa khung chứa 16 khung Nếu các bit abcd không dùng cho báo hiệu thì đặt b=1, c=0, d=1 Ngoài ra, cần lưu ý không dùng tổ hợp 0000 để truyền báo hiệu vì nó trùng với từ mã đa khung

Tín hiệu các kênh thoại thứ nhất đến thứ 15 ghép vào các khe thời gian TS1 đến TS15, tín hiệu các kênh thoại thứ 16 đến thứ 30 ghép vào các khe thời gian TS17 đến TS31

Hình 5.15: Cấu trúc của khung và đa khung của PCM – 30

 Đối với PCM-24 (luồng số T1)

Mỗi khung có một bit cờ (F) đặt đầu khung và 24 khe thời gian, mỗi khe ghép 8 bit Tổng số bit trong khung bằng: 8 bit x 24 + 1 bit = 193 bit Tốc độ bit đầu ra PCM-24 được tính như sau:

RPCM-24 = 193 bit/ khung x 8 103 khung /s = 1544 kbit/s

Bit F đứng đầu khung được sử dụng để tạo ra từ mã đồng bộ khung, từ mã đồng bộ đa khung và bit cảnh báo xa khi mất đồng bộ 24 khe thời gian được đánh số thứ tự từ TS1đến TS24 dành để ghép tín hiệu số các kênh thoại

Đa khung của PCM-24 gồm 24 khung, đánh số thứ tự từ F1 đến F24, như trên hình 5.16 Các bit F của các khung F4, 8, 12, 16, 20, 24 cung cấp từ mã đồng bộ da khung 001011 Các bit F của các các khung F2, 6, 10, 14, 18, 22 ký hiệu theo thứ tự là e1 đến e6 dùng cho kiểm

tra số dư chu trình (CRC – 6) Các bit F của các khung F1, 3, …, 23 ký hiệu là m dùng cho đồng bộ khung và cảnh báo mất đồng bộ khung Khi trạm đầu xa khẳng định mất đồng

bộ khung thì đặt các bit m thành các nhóm 8 bit 1 và 8 bit 0 luân phiên để truyền về trạm gốc Các bit thứ 8 của các khe thời gian trong khung F6, 12, 18, 24 tạo thành 4 bit báo hiệu A, B,C , D cho mỗi thuê bao

Hình 5.16: Cấu trúc khung và đa khung của PCM – 24