Bài giảng thông tin số

Chất lượng của các dịch vụ viễn thông thể hiện qua một số tiêu chuẩn sau: - Tốc độ của đường truyền: Truyền từ nguồn tới đích.. Nhìn chung, dung lượng của một hệ thống tùy thuộc vào băng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

1.1 Mở đầu

1.1.1 Định nghĩa

a Định nghĩa truyền thông (Communication)

Là việc truyền một thông tin nào đó từ điểm này tới điểm kia

Ví dụ:

- Hai người nói chuyện với nhau để trao đổi thông tin

- Các ám hiệu (gõ cửa…)

- Quá trình giảng dạy trong lớp

- Các máy tính nối mạng và trao đổi dữ liệu với nhau

b Định nghĩa viễn thông (Telecommunication)

Là quá trình truyền thông tin t ừ nguồn phát tới nguồn thu qua một kho ảng cách nào đó

Ví dụ: Hai người gọi điện tho ại, mạng máy tính trong phòng, wifi, wimax, phát thanh, phát hình, truyền hình qua vệ tinh…

c Định nghĩa thông tin số (Digital Communication)

Thông tin được mã hóa dưới dạng số và được truyền đi bằng tập hợp hữu hạn các dãy số không phụ thuộc vào nguồn thông tin

Ví dụ: Máy tính được mã hóa bằng 4bít, 8bít, 16bít, 32bít…

1.1.2 Một số khái niệm trong hệ thống thông tin số

a Mô hình của hệ thống thông tin nói chung

Ba phần tử cơ bản nhất của bất cứ hệ thống thông tin nào cũng phải có đó là máy phát, máy thu và kênh truyền Mỗi phần tử có một vai trò nhất định trong việc truyền dẫn tín hiệu

Máy phát xử lý tín hiệu đầu vào và tạo ra tín hiệu có những đặc tính thích hợp với kênh truyền dẫn Quá trình xử lý tín hiệu để truyền dẫn chủ yếu là điều chế và mã hóa (modulation and coding)

Hình 1.1.2.1: Mô hình của hệ thống thông tin nói chung Kênh truyền là môi trường giữa điểm phát và điểm thu Kênh truyền có thể là cáp song hành, cáp đồng trục, cáp quang hay môi trường vô tuyến Mọi kênh truyền đều gây ra

độ suy hao hay là độ tổn thất truyền dẫn Vì thế cường độ tín hiệu bị suy giảm dần theo khoảng cách

Máy thu lấy tín hiệu đ ầu ra từ kênh truyền để xử lý và tái tạo ngược lại tín hiệu

ở đầu phát Các hoạt động của máy thu bao gồm khuếch đại để bù vào tổn hao truyền dẫn, và giải điều chế và giải mã tín hiệu đã được điều chế và mã hóa ở máy phát

b Mô hình chi tiết hệ thống thông tin số

Hình 1.1.2.2: Mô hình chi tiết của hệ thống thông tin

Nhiễu

Đích User

Bộ lặp Repeater

Nút mạng

Nút mạng

Bộ lặp Repeater

Nguồn

Source

Cuộc nối

 Nguồn: nguồn phát thông tin (sender, transmitter, source) Là nơi sản sinh ra

thông tin dưới dạng các bản tin Tùy theo các bản tin mà nó sinh ra, có thể chia nguồn tin thành các loại rời rạc hay liên tục

 Trạm lặp: Khi tín hiệu truyền trên kênh truyền sẽ bị suy giảm và méo nên trạm

lặp (Repeater) làm hai nhiệm vụ: Khuếch đại và sửa dạng tín hiệu

 Đầu thu: phần nhận thông tin được gửi từ đầu phát (sink, destination, receiver)

 Cuộc nối: là kênh thông tin giữa nguồn và đích

 Đường truyền (line): thường được sử dụng để ám chỉ đường truyền vật lý giữa

hai thiết bị trong một hệ thống thông tin

 Kết nối, liên kết (link): là kênh thông tin logic nối giữa hai thiết bị trong một hệ

thống thông tin (có thể là đầu cuối hoặc nút mạng)

 Kênh truyền (channel): tương tự như kết nối (link)

 Nút mạng (network node): là thiết bị có nhiệm vụ thiết lập, duy trì và chuyển

mạch các liên kết logic trên các đường truyền vật lý

 Mạng (network): là một tập hợp của nhiều nút mạng được nối với nhau bằng các

Ví dụ: hai người nói chuyện trực tiếp với nhau…

 Thông tin có thể được biến đổi để làm cho thích hợp với:

+ Kênh truyền: Vô tuyến, di động, cáp quang…

+ Các thiết bị nằm trong mạng

+ Làm tương thích giữa đầu phát và đầu thu

 Thông tin có thể được nén trước khi truyền lên kênh truyền Nén có tác dụng hạn chế lượng thông tin thừa được truyền đi, tuy nhiên vẫn đảm bảo được việc phục hồi thông tin ở đầu thu

Thông tin được biến đổi thông qua mã hóa và điều chế

1.2.2.Môi trường truyền tin

Thông tin có thể được truyền dưới dạng:

 Truyền thông tin qua không gian: sóng siêu cao tần (viba), truyền thông tin qua

vệ tinh, trong hệ thống thông tin di động, truyền bằng tia hồng ngoại, tia laser…

 Truyền thông tin qua môi trường quang dẫn: cáp sợi quang

Do tính chất của các môi trường truyền dẫn khác nhau nên mỗi môi trường yêu cầu một phương pháp điều chế thông tin khác nhau Trong thực tế, thông tin có thể được truyền từ nguồn tới đích thông qua nhiều môi trường truyền dẫn khác nhau

*) Bảng tên và phân loại sóng

1 30  300 Hz

ULF Ultra Low Frequency Tần số cực kỳ thấp

107  106 m

2 300  3000 Hz

ELF Extreme Low Frequency Tần số cực thấp

106  105 m

3 3  30 KHz

VLF Very Low Frequency Tần số rất thấp

105  104 m Sóng Mm

2  101 m Sóng Decamet

7 30  300 MHz

VHF Very High Frequency Tần số rất cao

101  100 m Sóng met

8 300  3000 MHz

UHF Ultra High Frequency Tần số rất rất cao

1 10-1 m Sóng dm

9 3  30 GHz

SHF Super High Frequency Tần số siêu cao

10-1  10-2 m Sóng cm

10 30  300 GHz

EHF Extreme High Frequency Tần số cực cao

Quá trình truyền thông tin qua một hệ thống viễn thông c ần được thiết lập và duy trì với một chất lượng chấp nhận được Chất lượng của các dịch vụ viễn thông thể hiện qua một số tiêu chuẩn sau:

- Tốc độ của đường truyền: Truyền từ nguồn tới đích

Khả năng truyền tin nhanh chóng c ủa một 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 một hệ thống tùy thuộc vào băng tần truyền dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế, mức độ tạp nhiễu…

- Tốc độ đáp ứng của hệ thống: Phản ánh tính đáp ứng kịp thời của một hệ

thống khi có yêu cầu từ đầu vào (Ví dụ: Tốc độ kết nối của một cuộc điện thoại)

- Tính chống lỗi: Phản ánh độ tin cậy của đường truyền qua một hệ thống có tác động từ bên ngoài Đối với thông tin số, tham số độ chính xác truyền tin thường được đánh giá qua tỷ lệ lỗi bit (BER – Bit Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ giữa

số bít nhận bị lỗi và tổng số bít đã truyền trong một kho ảng thời gian quan sát nào đó Khi thời gian quan sát tiến tới vô hạn thì tỷ lệ này tiến tới xác suất lỗi bít Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ lệ lỗi bít chỉ gần bằng với xác suất lỗi bít, tuy nhiên trong nhiều trường hợp người ta vẫn thường gọi BER là xác suất lỗi bít 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

- Ngoài các tham số có tính nguyên t ắc nói trên, các hệ thống thông tin số còn

có thêm các yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy (khả năng làm việc của hệ thống với BER không vượt quá giá trị xác định) Các yếu tố về giá thành… cũng có một vai trò to lớn

1.3 Các dịch vụ viễn thông

1.3.1 Một số dịch vụ viễn thông cơ bản

Viễn thông là một thuật ngữ liên quan tới việc truyền tin và tín hiệu Ngay từ ngày xa xưa, những người tiền sử đã biết dùng khói để báo hiệu, những người thổ dân

ở những hòn đảo xa xôi dùng các cột khói để liên lạc, báo hiệu và truyền tin Mai An

Tiêm dùng dưa hấu để truyền tin về đất liền, có thể nói thuật ngữ viễn thông đã có từ

xa xưa

Tuy nhiên có thể nói, khái niệm viễn thông được chính thức sử dụng khi cha đẻ của máy điện báo Samuel Finley Breese Morse sau bao ngày đêm nghiên cứu vất vả, ông đã sáng chế chiếc máy điện báo đầu tiên Bức điện báo đầu tiên dùng mã Morse được truyền đi trên trái đất từ Nhà Quốc Hội Mỹ tới Baltimore cách đó 64 km đã đánh dấu kỷ nguyên mới của viễn thông Trong bức thông điệp đầu tiên này Morse đã viết

"Thượng Đế sáng tạo nên những kỳ tích"

Nói đến lịch sử của Viễn thông, không thể không nhắc đến Alexader Graham Bell, ông là người đầu tiên sáng chế ra điện thoại Trên quy mô xã hội, nếu điện tín (1884), điện thoại (1876), radio (1895) và vô tuyến truyền hình (1925) đã làm thay đổi cách giao tiếp trong quan hệ con người thì sự xuất hiện của vệ tinh viễn thông (1960) sợi quang học (1977), công nghệ không dây đã làm nên một hệ thần kinh thông minh nhạy bén trên trái đ ất Có thể nói lĩnh vực viễn thông đã làm thay đổi bộ mặt, tính cách của trái đ ất, đã hiện thực hóa khả năng liên kết của mỗi người của mỗi quốc gia, gắn kết mọi người với nhau nhờ một mạng lưới viễn thông vô hình và hữu hình trên khắp trái đất và vũ trụ Sự hội tụ trong lĩnh vực viễn thông cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng và truyền dữ liệu của con người cũng tăng lên theo hàm số mũ Ngành viễn thông đóng góp vai trò lớn lao trong việc vận chuyển đưa tri thức của loài người đến mỗi người, thúc đẩy quá trình sáng tạo đưa thông tin khắp nơi về các ngành lĩnh vực khoa học, các thông tin giải trí cũng như thời sự khác Viễn thông đem lại sự hội tụ, hay sự thống nhất về các lo ại hình dịch vụ truyền dữ liệu dịch vụ như thoại, video (truyền hình quảng bá và truyền hình theo yêu c ầu), và dữ liệu Internet băng rộng thúc đẩy ngành công nghệ thông tin phát triển lên một mức cao hơn với đa dạng các loại hình dịch vụ và chi phí rẻ hơn Mạng viễn thông giúp người sử dụng có thể gọi điện thoại qua mạng Internet, có thể xem hình ảnh của bạn bè trên khắp thế giới, có thể chia

sẻ nguồn dữ liệu, có thể thực hiện những giao dịch mua bán tới mọi nơi trên thế giới một cách đơn giản Viễn thông ngày càng tạo nên một thế giới gần hơn hội tụ cho tất cả mọi người

1.3.2 Một số tổ chức viễn thông quốc tế

Nhằm xây dựng các chuẩn quốc tế của hệ thống viễn thông toàn cầu thì mới có thể thông tin cho nhau trên mạng toàn c ầu Yêu cầu các thiết bị của các nhà sản xuất

khác nhau phải tương thích với nhau và có thể tạo ra một mạng thống nhất Vì vậy cần phải có một hệ thống chuẩn mà tất cả các nhà sản xuất thiết bị viễn thông, cung c ấp dịch vụ viễn thông phải tuân theo

Một số tổ chức viễn thông quốc tế

 ITU: International Telecommunication Union (Tổ chức viễn thông quốc tế) Đây là tổ chức quan trọng nhất thế giới, tổ chức này đưa ra rất nhiều các khuyến nghị (Rec-s) thực chất là các tiêu chuẩn quốc tế như chuẩn nén tín hiệu MPEG, chuẩn mã hóa tín hiệu Các khuyến nghị được xuất bản dưới dạng blue book – sách xanh (Trước năm 1991 tổ chức này có tên là CCITT -International Telegraph and Telephone Consultative Committee: Ủy ban tư vấn quốc tế về điện thoại và điện báo) ITU được chia thành hai nhóm:

o ITU-T: ITU Telecommunication (tổ chức viễn thông quốc tế - ban viễn thông)

o ITU-R: ITU Radio

 ETSI: European Telecommunication Standards Institute (Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu)

 IEEE: Institute of Electronics and Electrical Engineering (Viện kỹ thuật điện – điện tử) của Mỹ

 FCC: the Federal Communications Commission: Ủy ban truyền thông liên bang

1.4 Mạng số (Digital Network)

1.4.1 Ưu điểm của mạng số so với mạng tương tự

- Thông tin số có thể nén được tín hiệu một cách hiệu quả và dễ dàng, do đó có thể tiết kiệm băng truyền (về mặt băng tần và tốc độ truyền)

- Thông tin số có tính chống lỗi cao hơn hẳn hệ thống tương tự (cụ thể là phát hiện lỗi và sửa lỗi) Đó là do tín hiệu số là sự kết hợp của một số hữu hạn các ký hiệu Mặt khác bộ khôi phục tín hiệu (re-generator) trong thông tin số cho phép khôi phục lại tín hiệu trên đường truyền (do nhiễu và suy giảm) một cách hiệu quả và chính xác hơn

so với bộ khuếch đại (amplifier) trong hệ thống tương tự

- Thông tin số có thể ghép kênh TDM nên nâng cao hiệu quả sử dụng

- Rẻ hơn

- Thông tin số sử dụng miền tấn số rời rạc

1.4.2 Các phương thức liên lạc của mạng số

a Đơn công (Simplex)

Tuyến thông tin đơn công được định nghĩa là một phương thức truyền thông tin trong đó dòng thông tin chỉ thực hiện theo một hướng từ thiết bị phát tới thiết bị thu

Ví dụ: Phát thanh, phát hình quảng bá…

b Bán song công (Half Duplex)

Là phương thức truyền tin mà thông tin có thể được truyền theo hai hướng, giữa hai thiết bị trao đổi thông tin, tuy nhiên t ại một thời điểm chỉ có một thiết bị phát và một thiết bị nhận

Ví dụ: Hệ thống bộ đàm, máy Fax

c Song công (Duplex)

Là phương thức truyền tin mà thông tin có thể được truyền theo hai hướng tại cùng một thời điểm giữa hai thiết bị trao đổi thông tin

Ví dụ: Điện thoại, truyền hình hội nghị…

1.4.3 Các tham số cơ bản của mạng số

để nhiều nguồn có thể truyền trên một băng tần giới hạn

Ví dụ 1.4.3.2: Trong mã 4B3T, 4 bít được mã hóa thành 3 ký hiệu (+, - ,0), như vậy nếu tốc độ baud là 3baud/s thì tốc độ bít là 4 bít/s

-0- -0

-

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal Noise Ratio):

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu được định nghĩa như là tỷ số của công suất tín hiệu và công suất nhiễu và thường được tính theo thang dexibel:

- SNR tính theo công suất:

PS: Công suất tín hiệu

PN: Công suất nhiễu

|AS|: Biên độ tín hiệu

|AN|: Biên độ nhiễu

Ví dụ 1.4.3.3: Cho tín hiệu x(n) như hình 1.4.3.3a:

Tín hiệu được truyền trên kênh có nhiễu cộng (n) như trên hình 1.4.3.3b Tính

tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR?

PS = ES

2

1

=2.5 Năng lượng của nhiễu:

+ 12 =2 Công suất của nhiễu:

1

(n)

1.4.4 Các nguyên nhân gây ra suy gi ảm trên đường truyền

Suy hao đường truyền (Attention)

Khi truyền tín hiệu trong môi trường truyền dẫn có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới đường truyền gây ra suy hao tín hiệu Giả sử tại bên phát tín hiệu có công suất là

Pvào Sau đó tín hiệu được truyền đi trên đường truyền tới đầu thu Tại đầu thu tín hiệu

có công suất là Pra.

Như vậy khi tín hiệu truyền trên đường truyền bị suy hao và được tính theo công thức:

Sra là biên độ của tín hiệu tại đầu thu

Svào là biên độ của tín hiệu tại đầu phát

2 Suy hao c ủa hai mạch nối tiếp bằng tổng các tiêu hao của các mạch thành phần

Gọi Z là suy hao của hai mạch nối tiếp ta có:

3

1

lg 10

P

P

2 2 3

1

lg 10

P

P P

P

Z 

Y X P

P P

P

3 2 2

1 10 lg lg

10

Cho suy hao của một đoạn cáp quang là A = 20dB Hãy tính tỷ số Pra/Pvào

BT 1-6: Cho đoạn cáp xo ắn đôi có công suất ra Pra = 20mW Hãy tính công suất vào đoạn cáp biết rằng suy hao trên đoạn cáp là A = 5dB

BT 1-7: Cho kênh truyền dẫn vô tuyến RF Hãy tính suy hao A trên kênh này, biết rằng

biên độ tín hiệu ra giảm đi 10lần so với biên độ tín hiệu vào

BT 1-8: Cho đoạn cáp đồng trục dài 500m có công suất vào Pvào = 50mW Hãy tính công suất Pra? Biết rằng suy hao trên đoạn cáp này là A = 10dB

BT 1-9: Cho tín hiệu x(n) như hình BT1-9a Tín hiệu này truyền trên kênh có nhiễu

1

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THÔNG TIN SỐ 2.1 Các phương pháp truyền thông tin

2.1.1 Truyền tin nhị phân

- Truyền tin nhị phân dùng cáp đơn

Tốc độ truyền dẫn được quyết định theo tốc độ thay đổi điện áp trên kênh truyền Chính vì vậy tốc độ bị giới hạn bởi băng thông của đường truyền

- Truyền tin nhị phân dùng nhiều cáp song song

Tín hiệu truyền qua kênh có thể sẽ tăng lên tỷ lệ với số cáp sử dụng Tín hiệu truyền qua có thể duy trì như ở tuyến truyền nhị phân cáp đơn

2.1.2 Truyền tin đa mức

Khi sử dụng truyền tin đa mức M-ary làm tăng dòng thông tin truyền qua hoặc có thể giảm băng thông c ủa mỗi kênh theo yêu cầu Số lượng các trạng thái bị khống ché bởi khả năng c ủa thiết bị thu để có thể nhận dạng chính xác được từng trạng thái riêng biệt

2.2 Tốc độ truyền thông tin

Trong thực tế độ rộng băng tần của một đường dẫn vật lý luôn luôn bị giới hạn dẫn đến tốc độ truyền tín hiệu cũng bị giới hạn Vì vậy băng tần của kênh truyền dẫn là một tài nguyên hữu hạn nên ta cần sử dụng sao cho thật hợp lý và hiệu quả

Tốc độ truyền thông trên một kênh dữ liệu được xác định là tốc độ mà thông tin nhị phân được truyền từ nguồn đến đích

Đơn vị của tốc độ truyền thông tin là bít/giây

Ví dụ: có 32 bít thông tin được truyền đi trong 1ms thì tốc độ truyền thông tin là

32000 bít/giây

2.3 Tốc độ ký hiệu

Tốc độ ký hiệu là số trạng thái tín hiệu thay đổi khi được quan sát trong kênh thông tin

Đơn vị của tốc độ ký h iệu là ký hiệu/giây

Tốc độ ký hiệu còn gọi là tốc độ baund

Ví dụ: một hệ thống sử dụng 4 tần số để truyền 2 bít qua kênh và tần số tha y đổi theo mỗi 0.5ms thì tốc độ ký hiệu là 2000 ký h iệu/ giây ( hoặc là 2000 baund) Mỗi ký hiệu truyền 2 bít nên tốc độ thông tin là 4000b/s

2.4 Hiệu suất sử dụng băng thông

Hiệu suất sử dụng băng thông là phép đo khuôn thức điều chế thông tin Đơn vị của hiệu suất sử dụng băng thông là bít/giây/Hz

Ví dụ: Nếu hệ thống yêu cầu băng thông 4 KHz để truyền thông tin liên tục với tốc độ 8000 b/s thì hiệu suất sử dụng băng thông là: 8000b/s/4000Hz = 2b/s/Hz

2.5 Tính toán dung lƣợng kênh

2.5.1 Những hạn chế do băng thông hữu hạn

Để xác định được tốc độ lớn nhất mà dữ liệu có thể truyền qua kênh thì ta phải biết tốc độ ký hiệu lớn nhất và kênh có thể hỗ trợ

Băng thông cần thiết nhỏ nhất để truyền thông không lỗi trên băng tần cơ bản được tính theo công thức sau:

Bmin = 0.5 * 1/TS (Hz) Trong đó Ts là chu kỳ ký hiệu

Dung lượng của kênh truyền dẫn băng cơ bản với băng thông B (Hz) là:

C = 2B log2M (bít/s)

2.5.2 Giới hạn dung lƣợng kênh do tạp âm

Khi các trạng thái ký hiệu tăng lên (M tăng), khả năng phân biệt các ký hiệu của máy thu trong điều kiện có tạp âm giảm Vì vậy tỷ lệ giữa công suất tín hiệu S và công suất tạp âm N là một yếu tố quan trọng trong việc quyết định có bao nhiêu trạng thái

có thể được sử dụng mà vẫn đạt được yêu cấu truyền thông không lỗi

Ảnh hưởng của băng thông hữu hạn B và tín hiệu hạn chế với tỷ số S/N được Shannon đưa ra đầu tiên Biểu thức tính giới hạn dung lượng Shannon – Hartley để truyền thông không lỗi như sau:

C = B log2(S/N + 1) (bít/s) Định lý Shannon – Hartley chỉ ra rằng nến thông tin cần truyền nhỏ hơn giới hạn dung lượng Shannon C thì có thể truyền dẫn không lỗi Nếu truyền thông tin ở tốc

độ lớn hơn C thì sẽ luôn xẩy ra lỗi dù thiết bị được thiết kết tốt như thế nào

2

1 cos j j

e



2

1sin j j

e e j

e e

F F f

(1/2 có nghĩa là bề rộng phổ bằng một nửa tần số lấy mẫu)

- Tần số góc chưa chuẩn hóa:  = 2f

Ví dụ 2.6.1.1:

Cho bề rộng phổ của âm thanh nghe thấy được là 20KHz, tín hiệu âm thanh này

đi qua bộ lọc thông thấp lý tưởng để lọc lấy tần số từ 010 KHz Hãy vẽ đáp ứng biên

độ của bộ lọc thông thấp lý tưởng và tín hiệu sau khi qua bộ lọc

-20KHz

)( a

a f X

-10KHz

)( a

a f H

0  

- 

) ( a

a

0

) ( a

0

) ( a

a f H

- Tần số chuẩn hóa:

)( a

a

X 

0

) ( a

0 /2 3 /4

/2 -3 /4





Hình 2.6.1.4

 Các bước của kỹ thuật PCM

Do tín hiệu thoại có phổ trải rộng vô hạn trên miền tần số, vậy để thỏa mãn tiền

đề của định lý lấy mẫu Shannon thì ta phải lọc hạn chế băng tần để hạn chế phổ tín hiệu với tần số cực đại là fmax. Do đó trước khi thực hiện điều chế PCM ta phải lọc hạn băng trước

PCM gồm 3 bước chính đó là lẫy mẫu, lượng tử hóa và mã hóa

 Bước 1 Lấy mẫu (Sampling):

Lấy mẫu là bước đầu tiên trong quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang số Mục đích của bước lấy mẫu này là từ tín hiệu tương tự tạo nên một dãy xung rời rạc theo thời gian (thực chất là việc nhân tín hiệu thoại đầu vào với một chuỗi xung nhịp fs =

t



1

Ví dụ: xa(t) là một hàm theo thời gian, t là biến thì lẫy mẫu là rời rạc hóa biến t

 Bước 2 Lượng tử hóa (quantizing)

Lượng tử hóa tức là rời rạc hóa hàm a(t) hay nói cách khác chia dải động tín hiệu thành M mức (mức biên độ chuẩn đã được định nghĩa sẵn trong một dải biên độ tín hiệu cho trước ) sau đó thực hiện làm tròn các xung lấy mẫu về các mức gần nhất

 Bước 3 Mã hóa (coding)

Quá trình mã hóa biến đổi các mức lượng tử hóa thành các từ mã, thông thường là từ

mã nhị phân Trong tín hiệu nhị phân, “0” và “1” được thể hiện bằng hai mức điện áp khác nhau

 Một số kỹ thuật PCM

Để thu được một số ưu điểm người ta cải tiến kỹ thuật PCM cơ bản như sau

 PCM PCM cơ bản

 PCM - Delta PCM Điều chế xung mã Delta PCM

 DPCM - Differential PCM Điều chế xung mã vi sai

 ADPCM - Adaptive Differential PCM Điều chế thích nghi

 DM Delta Modulation: Điều chế delta

2.6.1 Lẫy mẫu tự nhiên và lấy mẫu đỉnh phẳng

a Lấy mẫu tự nhiên

*) Định nghĩa:

Lấy mẫu tự nhiên là đỉnh của xung sau khi l ấy mẫu có biên độ giống như biên

độ của tín hiệu tương tự

Tín hiệu xung lấy mẫu

Tín hiệu sau lấy mẫu t(nT s )

Tín hiệu xung lấy mẫu

Tín hiệu sau lấy mẫu t(nT s )

T s

Hình 2.6.1.6 Nhận xét

Tín hiệu lấy mẫu đỉnh phẳng xs(nTs) được gọi là xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) Điều chế biên độ xung

2.6.2 Định lý lấy mẫu

a) Định lý lấy mẫu

Nếu ta muốn khôi phục tín hiệu tương tự thì tín hiệu lấy mẫu một cách trung thành thì tần số lấy mẫu lớn hơn hoặc bằng hai lần bề rộng phổ của tín hiệu (bề rộng của băng tần cơ bản)

Xa( j

e ) không còn cho đầy đủ thông tin về Xa(a) và do đó không có khả năng khôi phục xa(t) Méo do chồng phổ có thể được khử bằng cách cho tín hiệu qua bộ tiền lọc (Bộ tiền lọc là bộ lọc thông thấp)

xa ( t ) Bộ tiền lọc X a ( a) Bộ lẫy mẫu xs ( nTs )

Nhận xét:

 Nếu Fs  2Fa không gây hiện tượng chồng phổ

 Nếu Fs  2Fa Gây hiện tượng chồng phổ

 xuất hiện nhiễu chồng phổ

a Tốc độ lấy mẫu Fs = FSNy= 2 Fa

Chuẩn hóa bởi tần số lấy mẫu:

Fs

2

2

=  1 , 52

Fa

Fs

2

Trong đó:

PS Công suất phổ của tín hiệu

PN Công suât nhiễu chồng phổ

2.7 Lƣợng tử hóa

Bản chất là chia dải động tín hiệu thành M mức sáu đó thực hiện làm tròn các xung mẫu PAM về các mức gần nhất Sau khi làm tròn ta được tín hiệu PAM digital

Nhận xét:

Có hai phương pháp lượng tử hóa:

 Lượng tử hóa tuyến tính (lượng tử hóa đều)

 Lượng tử hóa phi tuyến tính (lượng tử hóa không đều)

2.7.1 Lượng tử hóa tuyến tính





M

X X

Vậy nếu Xmin = 0 thì x  q =

1

max



M X

*) Có 2 phương pháp lượng tử hóa tuyến tính:

+) Lượng tử hóa theo phương pháp cắt bỏ

+) Lượng tử hóa theo phương pháp làm tròn

*) Sai số lượng tử hóa của tín hiệu xa(t)

M càng lớn thì sai số càng nhỏ (nhiễu lượng tử càng nhỏ)

Ví dụ 2.7.1.1 Cho tín hiệu tương tự xa(t)

như sau Hãy lượng tử hóa tín hiệu xa(t)

này với M = 8 Sau đó tính sai số lượng tử

hóa theo hai phương pháp cắt bỏ

9 ,

(t) nằm trong khoảng 0  q

(t) = xa(t) - xq(t)

*) Tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử

hóa SNqR (Signal to Quantication Noise

t

t 6,9

Pq = + p q()( ) d



+) Công suất của tín hiệu Px

(chú ý tín hiệu x(n)) của xung PAM

)(

Ví dụ 2.7.1.2

Hãy tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử hóa (SNqR) đối với phương pháp lượng tử hóa theo kiểu cắt bỏ

Giải:

+ Khi lượng tử hóa theo phương pháp cắt bỏ thì sai số biến thiên từ 0q

+ Mức lượng tử q đều bằng nhau

n x

N

 Px= K x (n)2

2 2

2

)(33

)(

q

n x K q

n x K

q

Mức lượng tử hóa q đều nhau

 ta có phân bố xác suất

1

+



LT q

2

3

31

21

3 3

q q

q

LT q



383

18

1224

22424

q

q q

) (

1

n x

N

 Px= K x (n)2

2 2

2

)(1212

)(

q

n x K q

n x K



M

X X

Giả sử Xmin= 0, Xa(t) biến thiên từ 0  xmax

2

2 2

q

M

= 12 K(M-1)2

 Khi M rất lớn thì SNqR tỷ lệ với M2 Vậy muốn giảm nhiễu lượng tử hóa 

chia làm rất nhiều mức  số bit dùng để mã hóa các mức tín hiệu càng lớn  truyền tín hiệu càng lâu và tốn đường truyền

2.7.2 Lượng tử hóa phi tuyến (lượng tử hóa không đều)

* Nhận xét:

Trong nhiều trường hợp biên độ của tín hiệu sau khi lấy mẫu thường phân bố không đều và sự phân bố này gần như không thay đổi theo thời gian

Khi đó để giảm sai số lượng tử hóa chúng ta có thể sử dụng phương pháp lượng

tử hóa phi tuyến Nếu xác suất tín hiệu có biên độ bé hay xảy ra, xác suất tín hiệu có biên độ lớn ít xảy ra thì cần phải thiết kế hệ thống sao cho mức lượng tử hóa bé có biên

độ lượng tử hóa q bé, mức lượng tử hóa lớn có biên độ lượng tử hóa q lớn Tức là SNqR thay đổi theo x

Chúng ta mong muốn q phụ thuộc x  q = f(x) để SNqR không phụ thuộc vào x

*) Lập biểu thức toán:

+ Gọi khoảng cách giữa 2 mức lượng tử hóa là x

 q = x + Với lượng tử hóa tuyến tính q không phụ thuộc x

+ Với lượng tử hóa phi tuyến tính q thay đổi theo x

q = f(x) = Kx (K là hằng số) Đây là hàm tuyến tính

Đặt hàm y mới bằng cách chuẩn hóa theo

Xmax Và lượng tử hóa hàm y sao cho bước

lượng tử hoá theo y (y) không thay đổi để đạt

được mục đích SNqR không thay đổi mức tín

 y thay đổi trong khoảng (– 1,1)

Giả sử mức lượng tử hoá chia thành M mức lượng tử

Khoảng cách giữa hai mức lượng tử theo y là y =



dx

dy

= 1

.

2 2 2

x K

x L

K

12L

 Không phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu

Ngoài phương pháp mã hóa PCM phi tuyến, ta có một phương pháp khác: Cho tín hiệu đi qua một mạch nén rồi sau đó lượng tử hóa đều như vậy ta có lượng tử hóa không đều

Việc nén và giải nén còn gây ra méo nén giãn do không thể tạo ra hai đặc tuyến hoàn toàn đối xứng nhau

Nén

Giãn

U ra

U Vào

Sau này, việc nén giãn là theo kho ảng số, tức chia đường cong lnx thành các đoạn thẳng khác nhau và trong các đoạn thắng đó được chia thành các mức đều nhau

 loại bỏ được méo nén giãn

Y

X Y=lnx

Trong hệ thống điện thoại số đang được sử dụng rộng rãi hiện nay, có hai luật là luật A (Châu Âu) và luật  (Mỹ - Nhật) được ITU quy định trong chuẩn G.711 là chuẩn mã hóa cho tín hiệu thoại số

*) Luật A ( Châu Âu):

1

A

x+ + +

= (1 ln ).

lnA 1

1

Ax

+ +

Chọn A = 87,6 với tín hiệu thoại

*) Luật  ( Mỹ):

Chọn C1 và C0 sao cho y = ( )

( ).1ln

1ln



++ x

Ưu điểm: Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu biên độ

Ví dụ 2.8.2.1: Cho tín hiệu tương tự sau:

2.8.3 Điều chế vị trí xung (PPM - Pulse Position Modulation)

Tín hiệu PPM