Bài tập lớn môn kỹ thuật truyền dẫn

Bộ điều chế xung mã sẽ chọn một số điểm trên tín hiệu tương tự của tiếng nói, đo các giá trị biểu thị biên độ và thời gian này theo một bảng chia.. Bộ giải điều chế đánh dấu các giá trị

MỤC LỤC

Phần 1: Kỹ thuật điều xung mã 4

1 Quá trình lấy mẫu 5

2 Lượng tử hoá 7

3 Mã hoá 9

4 Truyền dẫn 10

5 Kết luận 12

Phần 2: Tổng quan về hệ thống PCM 24 13

Phần 3: Cơ sở lý thuyết thiết kế hệ thống 15

1 Vấn đề đồng bộ PCM 15

2 Nguyên lý hoạt động 16

PHẦN THIẾT KẾ 18

1 Yêu cầu kỹ thuật 18

2 Nguyên lý hoạt động và sơ đồ khối của DEMUX 18

3 Thiết kế cơ sở 24

3.1 Khối mạch chức năng thực hiện tách và kiểm tra đồng bộ đa khung 24 3.2 Khối mạch chức năng thực hiện tín hiệu báo đồng bộ khung và báo hiệu bít A 27

3.3 Khối mạch thực hiện chức năng kiểm tra đồng bộ đa khung 3 lần liên tiếp 28

3.4 Khối mạch tạo xung PE để kích cho định thời thu 30

3.5 Khối mạch tách số liệu cho khe r10 của tất cả các khung 31

Phần 1

KỸ THUẬT ĐIỀU XUNG MÃ

Khi muốn biểu thị số liệu đo được của một quá trình vật lý ta có thể dùng đồ thị hoặc bảng kê Vì đồ thị biểu diễn trên giấy giống như một tham

số vật lý thể hiện một quá trình, nên có thể nói đồ thị này là sự thể hiện tương tự của tham số vật lý đó Một bảng kê có thể biểu thị một tham số vật

lý bằng một số các giá trị đo biểu thị bởi các chữ số, như vậy một bảng kê

là sự biểu thị số của tham số đó

Tất nhiên việc chuyển đổi qua lại giữa đồ thị và bảng kê hoàn toàn thực hiện được vì chúng cùng thể hiện một thông tin Để chuyển đổi một đồ thị thành một bảng kê ta chọn một số điểm trên đồ thị và đọc số đo trên các trục tọa độ để lập bảng Mặt khác từ bảng thống kê sang đồ thị, ta đánh dấu trong mặt phẳng tọa độ các điểm với giá trị các điểm trong bảng kê và vẽ một đường cong qua các điểm đó Thang đo và số lượng các điểm cần phải chọn sao cho đồ thị chính xác đối với từng mục đích Một bản sao hoàn toàn chính xác sẽ không thực hiện được và không cần thiết

Điều này giải thích các nguyên lý cơ bản của nguyên tắc điều chế xung mã (PCM) Trong băng tần tiếng nói và các hệ thống truyền dẫn phân kênh theo tần số FDM ta truyền tiếng nói ở dạng tín hiệu tương tự Nhưng ở phương thức PCM ta truyền tiếng nói bằng một bảng kê Ở đây các giá trị trong bảng được mã hóa ở dạng tín hiệu điện Bộ điều chế xung mã sẽ chọn một số điểm trên tín hiệu tương tự của tiếng nói, đo các giá trị biểu thị biên

độ và thời gian này theo một bảng chia Sau đó các giá trị số đó được truyền dẫn qua đường truyền tới bộ giải điều chế xung mã Bộ giải điều chế đánh dấu các giá trị rời rạc của tiếng nói và vẽ một đường cong trên các điểm đó, tức là tái tạo tín hiệu tiếng nói ở dạng tương tự Cần phải chọn thang đo và

số lượng các điểm đo sao cho tín hiệu tái lập lại đủ tốt cho điện thoại

1.QUÁ TRÌNH LẤY MẪU:

Quá trình lấy mẫu là quá trình chọn các điểm đo trên đường cong tín hiệu tương tự Các giá trị đo gọi là các giá trị lấy mẫu Lấy mẫu là

bước đầu tiên để thể hiện tín hiệu tiếng nói dưới dạng số, vì thời điểm lấy mẫu đã chọn sẽ chỉ ra các tọa độ thời gian của các điểm đo Biên độ của các tín hiệu lấy mẫu có thể nhận được một giá trị trong phạm vi biên độ của tín hiệu tiếng nói

NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ

t s Khoảng thời gian lấy mẫu Tốc độ lấy mẫu

Bộ tạo mẫu

Tín hiệu đã lấy mẫu

Biên độ

Về ý nghĩa điện học, lấy mẫu là lấy các giá trị tức thời của tín hiệu tương

tự vào những khoảng thời gian cách đều nhau Như hình vẽ sau:

Tín hiệu lấy mẫu là một dãy xung mà đường bao của nó là tín hiệu gốc

Tín hiệu lấy mẫu chứa trong nó toàn bộ lượng tin mang trong tín hiệu gốc nếu:

Tái tạo xung

Tín hiệu PCM

Tái tạo xung

Giải mãTạo lại

Đường truyền dẫn

Truyền dẫn

Thu

Tín hiệu

PCM

+ Tín hiệu gốc có băng tần hữu hạn, tức là nó không chứa những thành phần tần số ngoài một tần số B nào đó.

+ Tốc độ lấy mẫu phải bằng hoặc lớn hơn 2 lần B, tức là: fs >= 2B.Hình sau mô tả lý thuyết lấy mẫu Rõ ràng là phổ của tín hiệu lấy mẫu chứa phổ của tín hiệu gốc, có nghĩa là tin tức không bị mất

Trong kỹ thuật điện thoại vùng phổ tiếng nói từ 300Hz tới 3400Hz được sử dụng Trong thực tế phổ tiếng nói của người kéo từ tần số thấp nhất là khoảng 100Hz cho tới tần số âm cao nhất Băng tần này đã được máy điện thoại hạn chế bớt nhưng mức hạn chế ở vùng tần số cao vẫn chưa

đủ, vì vậy trước khi lấy mẫu tín hiệu tiếng nói cần phải cho qua bộ lọc thông thấp để hạn chế phổ tiếng nói dưới 3400Hz Tần số lấy mẫu 8000Hz được dùng cho các hệ thống điện thoại PCM Tần số này lớn hơn hai lần tần

số cao nhất trong băng tần tín hiệu thoại là 3400Hz một ít do những khó khăn khi chế tạo các bộ lọc thông thấp có đủ độ dốc

Tín hiệu lấy mẫu thường là tín hiệu điều biên xung vì nó gồm một dãy xung có biên độ được điều chế theo tín hiệu nguyên thủy Điều biên xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) là một phương pháp điều chế xung tương tự vì biên độ các xung biến đổi liên tục theo sự biến đổi của tín hiệu nguyên thủy

2.LƯỢNG TỬ HÓA

Năng lượng/tần số

Tần số

a) Tần phổ của tín hiệu có phổ hữu hạn

b) Tần phổ của tín hiệu đã lấy mẫu

_ _ _ _ _ _ _

f S>2B

Biên độ của các mẫu tín hiệu có thể được nhận một giá trị trong phạm

vi biên độ của tín hiệu tiếng nói Trong thực tế khi đo các biên độ của mẫu

ta thường quy tròn Trong quá trình quy tròn tức lượng tử hóa, tất cả các

giá trị biên độ của mẫu giữa hai điểm trong một bậc được nhận một giá trị lượng tử giống nhau Số mẫu đã lượng tử hóa là rời rạc vì ta chỉ có một số điểm đánh dấu không liên tục trên thang lượng tử

Mỗi mẫu xung đã được lượng tử hóa được thể hiện bởi một điểm trên thang lượng tử, tức là ta biết các tọa độ trên trục biên độ của các mẫu xung

Việc làm tròn biên độ mẫu xung không thể tránh khỏi sai số dẫn tới biến dạng lượng tử Biến dạng này có thể được giảm khi ta tăng đủ lớn số lượng mức biên độ cho phép và hoàn toàn chấp nhận được vì có thể truyền dẫn không có lỗi khi chỉ có một số nhất định các biên độ rời rạc

Quá trình lượng tử hóa

Bộ giãn

Bộ nén

Qua hình vẽ trên ta thấy biến dạng lượng tử hóa không phụ thuộc vào biên độ mẫu xung Điều đó có nghĩa là người nói to cũng như người nói nhỏ đều gây ra méo lượng tử hóa như nhau cho người nghe So với mức tiếng nói thì người nói nhỏ tạo ra biến dạng nhiều hơn người nói to.

Để có được biến dạng lượng tử ở mức chấp nhận được trong toàn bộ dải động của tín hiệu tiếng nói thì các khoảng lượng tử cần phải được định lượng dự và mức tiếng nói nhỏ, tức là khoảng lượng tử phải rất nhỏ

Theo cách lượng tử đó thì biến dạng lượng tử ở các mức tiếng nói cao

sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với mức cần thiết, nhưng phải trả giá bằng việc tăng các khoảng lượng tử

Rõ ràng là độ méo lượng tử hóa không độc lập mà có liên quan đến biên độ, các xung mẫu nhỏ có biến dạng lượng tử nhỏ còn những xung mẫu lớn phải nhận biết dạng lượng tử lớn Từ đó cho ta giải pháp tối ưu giữa chất lượng truyền dẫn và số lượng khoảng lượng tử

Điều này có thể thực hiện được theo hai cách: hoặc là nén dải động của tín hiệu trước khi lượng tử hóa và giãn phục hồi ở phía thu, hoặc tăng khoảng lượng tử theo biên độ Quá trình này thường gọi là nén giãn Các hệ thống PCM hiện đại dùng phương pháp nén giãn thứ hai Có thể nhận thấy được tỷ số nén tín hiệu và tạp âm lượng tử gần như không đổi trong cả dải tiếng nói khi khống chế sự biến đổi kích thước khoảng lưọng tử theo hàm logarit Phương pháp này cho phép sử dụng số lượng mức lượng tử ít hơn nhiều so với pương pháp lượng tử hóa theo khoảng cách đều nhau

thực hiện quá trình mã hóa Thông thường các giá trị mẫu xung được mã

hóa ở dạng nhị phân, mỗi một giá trị mẫu xung được đại diện bởi một nhóm các phần tử nhị phân Thường là mỗi mẫu xung lượng tử có thể mang một trong 256 giá trị Dưới dạng nhị phân, chúng sẽ được thể hiện bởi một nhóm chứa 8 phần tử Nhóm này từ nay về sau gọi là một từ mã PCM Để truyền dẫn đi các giá trị 0 và 1 người ta sử dụng một xung điện tương ứng với trạng thái không xung và có xung

Trên đường truyền dẫn các xung trong các từ mã PCM sẽ bị biến dạng ngày càng nhiều Tuy nhiên chừng nào vẫn có thể phân biệt được trạng thái có xung và không xung thì hiện tượng mất tin vẫn chưa xảy ra Khi sử dụng phương pháp tái tạo xung, tức là các xung mới vào các khoảng thời gian thích hợp, tin tức có thể truyền rất xa mà không bị méo Đó là một trong các ưu việt của phương thức truyền dẫn số so với phương thức truyền

+0 +2 +3 +1 -1 -2 -0 +1

Mã hóa mẫu xung lượng tử 8 mức

dẫn tương tự: tin tức chỉ chứa ở trạng thái xung (có hay không có xung) mà không chứa ở dạng xung.

4.TRUYỀN DẪN

Thông thường tín hiệu số từ máy phát được phát đi ở dạng một chuỗi xung đơn cực theo kiểu không quay về không ( Non Retern to Zero-NRZ)

Tín hiệu như vậy không phù hợp để truyền dẫn qua cự ly xa Vì vậy

ta thường sử dụng dạng tín hiệu tốt hơn, đó là loại tín hiệu lưỡng cực quay

về không (Return to Zero - RZ) Ưu điểm của tín hiệu này là:

+ Nó không chứa năng lượng ở vùng phổ thấp, tức là bó không có thành phần một chiều Điều này gây nên sự đổi cực của các xung do đối đỉnh luân phiên của các xung

+ Can nhiễu giữa các kí hiệu được giảm đi nhờ đặc tính quay về không

Tuy vậy trong quá trình truyền dẫn, tín hiệu cũng bị suy hao, biến dạng và thêm tạp âm

a

b

Thông tin nhị phân biểu thị trong:

a-Một chuỗi xung đơn cực không quay về không b- Một chuỗi xung lưỡng cực có quay về không

Mã được tạo lại

Mã thu

Mã truyền phát

Các dạng xung trên đường truyền

Vì vậy, ở một vị trí trên đường truyền, tín hiệu cần phải được phục chế Tại đó ta đưa vào một thiết bị, thiết bị này kiểm tra dãy xung bị biến dạng và các giá trị nhị phân của các xung bị biến dạng và xác định giá trị nhị phân của các dãy xung là các xung 0 hay 1, sau đó nó tạo ra và phát lên đường truyền các xung mới phù hợp với kết quả kiểm tra.

Vì dãy xung này đã được gọt sửa lại, tạp âm sinh ra khi truyền dẫn cũng bị loại bỏ dần, hoặc ít nhất biên độ tạp âm cũng không đủ lớn để thiết

bị lặp không nhầm mức của mã tín hiệu nhận được Thực tế tín hiệu sau khi tái tạo giống dạng của tín hiệu phát ngay cả khi qua nhiều trạm lặp Đó là lý

do chất lượng truyền dẫn cao được chấp nhận

5 KẾT LUẬN

Điều chế xung mã PCM là một phương pháp điều chế được dùng để biến đổi tín hiệu tương tự như tín hiệu tiếng nói sang dạng số Quá trình điều chế bao gồm lấy mẫu, lượng tử hoá và mã hoá tạo ra biến dạng nhỏ nhưng không tránh khỏi cho tín hiệu Tuy nhiên có thể giảm biến dạng tới mức chấp nhận được và trở thành không quan trọng vì thực các tín hiệu số có thể truyền trên cự ly dài mà không có lỗi

Phần 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PCM 24

Lúc đầu hãng điện thoại Bell thiết kế bộ ghép PCM-24 chủ yếu dùng cho cự ly ngắn trong các vùng đô thị Trong bộ ghép này ta dùng bộ nén giãn luật µ =100 và mỗi từ mã chỉ có 7 bit Hệ thống PCM 24 của ITU-T ra đời đó tạo ra sự tương thích mạng quốc tế Trong hệ thống này dùng bộ nén giãn luật µ = 255 và mỗi từ mã có 8 bit Vì vậy tốc độ bit PCM 24 mới bằng 1544Kbit/s Luồng bit này được sử dụng để ghép thành luồng bit cao hơn, hoặc truyền trực tiếp không có sóng mang trên cáp kim loại, hoặc truyền có sóng mang trên tuyến vi ba số và trên tuyến sợi cáp quang Cấu trúc khung và đa khung 12 khung như hình vẽ :

Tốc độ bit của PCM 24 được tính theo kiểu sau đây :

V = 193 bit/khung 8 103 khung/s = 1544 kbit/s

Bit F đứng đầu mỗi khung được sử dụng để tạo ra từ mã đồng bộ khung, từ mã đồng bộ đa khung và bit cảnh báo xa nhất khi mất đồng bộ,

24 khe thời gian dành để ghép tín hiệu số các kênh thoại Báo hiệu được truyền trong bit thứ 8 của các khe thời gian thuộc khung 6 và khung 12 (ký hiệu A và B)

Đa khung 12 khung được hình thành vì những lý do sau đây :

Để tránh phỏng tạo từ mã đồng bộ do ảnh hưởng của tạp nhiễu thì từ

mã này phải có nhiều bit Trong đa khung 12 khung lấy các bit F của các khung lẻ để tạo thành từ mã đồng bộ khung 101010 và lấy bit F của các

khung chẵn để tạo thành từ mã đồng bộ đa khung 00111 và bit A Bit A có logic 0 ở trạng thái bình thường và có mức logic 1 khi mất đồng bộ hoặc mất đồng bộ đa khung Tóm lại vì phải truyền báo hiệu và tín hiệu đồng bộ

nên phải có đa khung gồm 12 khung Như vậy các khe thời gian trong khung 6 và khung 12 chỉ chứa 7 bit tín hiệu thoại Bit thứ 8 có trọng số bé nhất không được truyền đi

Phần 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ HỆ THỐNG

1 Vấn đề đồng bộ PCM :

a) Đồng bộ đa khung:

Các bit đồng bộ khung của các khung chẵn (0,2,4,6,8,10) lập thành từ

mã đồng bộ đa khung Như vậy từ mã đồng bộ đa khung có độ dài 6 bit và

có dạng : 00111A Trong đó A là bit cảnh báo Alarm

A = 0 : đang đồng bộ và không cảnh báo

Sơ đồ khối :

1.544MCLK F

2 Nguyên lý hoạt động:

Khối tạo bit đồng bộ (bit F, bit đầu tiên của khung) có nhiệm vụ tạo

ra các xung có độ rộng bằng độ rộng của một bit (648ns) và có chu kỳ là

125µs Như vậy xung đồng bộ có tần số là 8 Khz

Khối đếm bit có nhiệm vụ tạo ra các xung Q0, Q1, Q2 đồng thời trong quá trình đếm bộ đếm không không được đếm bit F Các bit trong một khe thời gian (time slot) được ký hiệu là q0, q1,…,q7

Khối đếm khe có nhiệm vụ tạo ra các xung đếm khe R0, R1, R2, R3,R4 Các khe trong một khung được ký hiệu từ r0,r1,r2,…,r23

Khối đếm khung có nhiệm vụ tạo ra các xung các xung đếm khung U1,U2,U3,U4 Các khung trong một đa khung được ký hiệu là u0,u1,

…,u11

Từ cấu trúc khung ta nhận thấy các bit đồng bộ nằm tách nhau và từ

mã đồng bộ đa khung được tạo ra từ tập hợp các từ mã đồng bộ của khung

chẵn Do vậy khi ở trạng thái tìm đồng bộ ta thực hiện phương pháp đồng

Tạo bit đồng

bộ F

Bộ đếmbit

Bộ đếmkhe

Bộ đếmkhung

Logic tổhợp

Bộ địnhthời bit

Logic tổhợp

Bộ địnhthời khe

Logic tổhợp

Trễ 1

Trễ 2

Bộ địnhthời khe

Bộ địnhthời khung

q0-q7

r0-r24

u0-u11

bộ đuổi Để thu được từ mã đồng bộ đa khung thì bên thu phải đếm đến

khung thứ 10 ( khung 9), từ mã này sẽ được kiểm tra Để đồng bộ được với bên phát thì bên bộ định thời thu phải được thiết kế sao cho ngay sau khi nhận được từ mã đồng bộ đa khung, bộ định thời thu sẽ tạo ra bit q0 của khe r0 khung f0 và tiếp tục định thời từ đó trở đi

3 Phương pháp thực hiện:

Để giải quyết yêu cầu trên có rất nhiều phương pháp thực hiện, nhưng trong phạm vi bài báo cáo này ta chỉ sử dụng phương pháp dùng bộ đếm và thanh ghi dịch

n

Xung CLK được đưa vào bộ đếm N Đầu ra của bộ đếm là n xung được đưa vào n đầu vào của mạch logic tổ hợp Đầu ra X của mạch logic tổ hợp được đưa vào bộ ghi dịch Đầu ra X sẽ ở mức cao ( mức logic 1) khi và chỉ khi tất cả các đầu vào của mạch logic tổ hợp đều ở mức thấp, hay nói cách khác xung X chỉ xuất hiện ở đầu mỗi chu kỳ đếm Mức cao này được ghi dịch lần lượt đưa ra song song tại các đầu ra từ Tso đến Ts n-1 của bộ ghi dịch

Ta có điều kiện cho mạch hoạt động là mạch di pha phải tạo ra tớn hiệu có độ di pha lớn hơn tổng độ di pha của cỏc tớn hiệu khi di pha qua bộ đếm và mạch logic tổ hợp

Mạch kết cấu cụ thể :

Bộ đếmN

Mạch logic và

tổ hợp

Mạch di pha

BộGhidịch

Tsn-1

1 2

TSN-1

BO GHI DICH

N-1 N-2

TS0

BO DEM N

1 2

2.IC 74LS161:

3.IC 74LS193:

4.IC 74LS74:

5.IC 74LS90:

6.IC74LS163:

BỘ PHÂN KÊNH

1 Yêu cầu kỹ thuật

Bộ phân kênh có nhiệm vụ tách mã đồng bộ đa khung, mã đồng bộ khung, bít A, báo hiệu và tín hiệu thoại từ dòng dữ liệu số 1.544 Mb/s tại đúng bít, khe, khung mà chúng được ghép vào ở bên phát Việc tách này đòi hỏi phải đồng bộ giữa bên phát và bên thu để tín hiệu tách ra được hoàn toàn chính xác

Bộ phân kênh này được thiết kế để thực hiện tách cho 24 kênh trong

24 khe thời gian của kiến trúc sơ cấp T1

2 Nguyên lý hoạt động và sơ đồ khối của DEMUX

3 Thiết kế cơ sở

3.1 Khối mạch chức năng thực hiện tách và kiểm tra đồng bộ khung và đa khung

Đồng bộ của hệ thống T1 là dạng đồng bộ phân tán, các bít đồng bộ nằm ở vị trí đầu tiên của một khung Do đó, để tách được đồng bộ khung và

Sai

Khối báo hiệu

FSYN

Khối báo hiệu

Đúng