Do an tn PHUONGDONGdoc

Chức năng của bộ lấy mẫu trong bộ phát PCM là lấy mẫu một cách theo chu kỳ, các tín hiệu tương tự biến đổi liên tục theo thời gian ở đầu vào và chuyển đổi các mẫu đó thành các dãy xung đ[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHƯƠNG ĐÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Tên đề tài: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG

TRUYỀN TIN SỐ HIỆN ĐẠI

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Điểm : (Bằng chữ : )

Ngày tháng năm 2008

Giáo viên hướng dẫn

PGS TS THÁI HỒNG NHỊ

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của đất nước, những năm gân đây, các ngành côngnghiệp đều phát triển mạnh mẽ và ngành công nghiệp viễn thông cũng khôngngoại lệ Ngày càng có nhiều dịch vụ truyền thông mới và chất lượng truyềnthông cũng yêu cầu cao hơn đã dẫn đến sự cần thiết phải thay đổi nâng cấpđường truyền

Đứng trước xu hướng như vậy, việc tìm hiểu về các vấn đề truyền tintrong các hệ thống viễn thông hiện đại trở nên quan trọng đối với sinh viên.Nhận thức được điều đó, đồ án tốt nghiệp “Kỹ thuật điều chế tín hiệu trong các

hệ thống truyền tin số hiện đại” sẽ giới thiệu tổng quan về các hệ thống truyềntin số, tìm hiểu về các vấn đề kỹ thuật điều chế tín hiệu Bố cục của đồ án baogồm các chương:

 Chương 1 : Tổng quan về hệ thống truyền tin số

 Chương 2 : Các đặc điểm của truyền dẫn số và điều chế xung mã

 Chương 3 : Điều chế tín hiệu số

Điều chế tín hiệu số là kỹ thuật ngày nay không còn mới mẻ, song việctìm hiểu các vấn đề điều chế là cần thiết, đòi hỏi phải có kiến thức sâu rộng, vàlâu dài Do vậy đồ án không tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sựphê bình, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PSG.TS Thái Hồng Nhị, người

đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này

Xin cảm ơn chân thành các thầy cô giáo trong khoa CNTT đã giúp đỡ emtrong thời gian qua

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Chương 1 Tổng quan về hệ thống truyền tin số

1.1 Khái quát về hệ thống truyền tin điện tử

1.2 Nguồn tin và tín hiệu nguồn

1.3 Điều chế và giải điều chế trong các hệ thống truyền tin

1.4 Phân tích tín hiệu

Chương 2 Các đặc điểm của truyền tín số và điều chế mã xung

2.1 Đặc điểm của truyền tin số

2.2 Các dạng điều chế xung

2.3 Điều chế mã xung

-Tổng quan

-Lấy mẫu PCM

-Tốc độ lấy mẫu,lượng tử hoá và mã hoá

-Dải động

-Hiệu suất mã hoá

Chương 3 Điều chế tín hiệu số

3.1 Tổng quan về một số hệ thống truyền tin số

3.2 Khoá dịch biên ASK

3.3 Khoá dịch tầnFSK

3.4 Khoá dịch pha PSK

3.5 Điều chế biên độ cầu phương QAM

3.6 Khoá dịch pha vi phân DPSK

3.7 Hồi phục sóng mang

3.8 Xác suất bit và tỷ lệ lỗi bit

Thông tin truyền và xử lý trong các hệ thống truyền tin điện tử được biểuthị dưới dạng các tín hiệu Tín hiệu là đại lượng vật lý mang thông tin và thườngđược biểu thị dưới hai dạng : tín hiệu tương tự và tín hiệu số.

Hệ thống truyền tin truyền các tín hiệu tương tự được gọi là hệ thốngtruyền tin tương tự Hệ thống truyền tin truyền các tín hiệu số là hệ thống truyềntin số

Trong các hệ thống truyền tin có sự tham gia của các máy tính, tin tứchoặc thông tin được biểu thị dưới dạng dữ liệu Hệ thống hoặc mạng truyền tin

đó được gọi là hệ thống hoặc mạng truyền dữ liệu

Một hệ thống truyền tin bất kỳ nào cũng có thể được biểu thị theo sơ đồkhối sau:

Mạch sóng mang

Mạch sóng mang Xử lý tín hiệu thu Đầu cuối nhận tin

T h u

T h u

s (t )

m (t )

~

Nguồn

tin

Các ký hiệu trong sơ đồ:

m(t) Dữ liệu nguồn tin đưa vào thiết bị phát

s(t) Dữ liệu đầu ra của máy phát sau khi đã được xử lí, mã hoá, điều chế và khuếch đại để đưa vào đường truyền

n(t) Tạp nhiễu tác động vào thiết bị thu Do có tạp nhiễu nên r(t) = s(t) + n(t)  s(t)

( )

m t Tín hiệu đầu ra thiết bị thu (nhận tin) ; m t( ) m t( )

Hình 1.1 Mô tả sơ đồ khối tổng quát một hệ thống truyền tin

Bất kỳ một hệ thống truyền tin nào cũng bao gồm ba khối chức năng chủyếu : phát, môi trường truyền dẫn và thu

Khối phát là một tập hợp gồm một hoặc nhiều thiết bị hoặc mạch điện tử

để chuyển đổi thông tin nguồn nguyên thuỷ thành tín hiệu thích ứng với môitrường truyền dẫn Khối phát có hai chức năng chủ yếu là xử lý tin hiệu phát vàtạo sóng mang phát Xử lý tín hiệu phát tức xử lý tín hiệu nguồn sao cho thíchứng với các yêu cầu truyền tin Các phương pháp xử lý có thể là: nén, lọc, mãhoá, số hoá, điều chế, truyền tin cụ thể Mạch sóng mang phát có nhiệm vụ biếnđổi tín hiệu sau xử lý tín hiệu phát sao cho thích ứng với kênh truyền dẫn vàkhoảng cách cần truyền dẫn

Kênh truyền dẫn (môi trường truyền dẫn) thường được nhóm vào hainhóm: nhóm kênh cứng và nhóm kênh mềm Kênh cứng ví dụ các đường dâyđiện thoại, cáp song hành, cáp đồng trục,…Kênh mềm ví dụ không khí, chânkhông, nước…Nói chung, kênh truyền gây suy giảm tín hiệu và bị tác động củatạp nhiễu làm tổn hao và sai lạc tín hiệu truyền trên kênh Tạp nhiễu có thể docác nhiễu từ các nguồn nhiễu ngoài (nhiễu khí quyển, nhiễu công nghiệp, ) vàcác tạp âm bên trong bản thân hệ thống truyền tin (tạp âm nội bộ hệ thống) gâynên Ngoài tác động của tạp nhiễu, kênh truyền còn chịu tác động của các hiệntượng trễ, tín hiệu vọng,…

Mạch sóng mang và xử lý tín hiệu thu là các quá trình ngược lại của xử lýtín hiệu phát và mạch sóng mang phát để tái tạo lại nguồn tín hiệu nguyên thuỷđược truyền Do tác động của nhiễu n(t) trong quá trình truyền nên ở bộ thu cần

có bộ lọc và loại trừ nhiễu

1.2 Nguồn tin và tín hiệu nguồn:

Nguồn tin trong hệ thống truyền tin là nơi tạo ra hoặc chứa các tin cầntruyền đi Nguồn tin có thể là số hoặc tương tự

Một nguồn tin số tạo ra một tập hữu hạn các đoạn tin có thể có.VD: máychữ

Một nguồn tin tương tự tạo ra các đoạn tin đựoc xác định trên một dãyliên tục.VD: microphon

Một hệ thống truyền tin số là một hệ thống truyền tin tức từ một nguồn sốhoặc một nguồn tương tự được rời rạc hoá, số hoá tới bộ thu

Một hệ thống truyền tin tương tự là một hệ thống truyền tin tức từ mộtnguồn tương tự tới bộ thu

Trong các hệ thống truyền tin điện tử, tín hiệu là đại lượng vật lý mangthông tin và thường được biểu thị dưới hai dạng: tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Thực chất, một tín hiệu số hoặc một dạng sóng số được định nghĩa nhưmột hàm thời gian có một tập rời rạc các giá trị và một tín hiệu tương tự hoặcmột dạng sóng tương tự là một hàm thời gian có liên tục các giá trị

Giá trị tin tức trong các hệ thống truyền tin điện tử thường được biểu thịdưới dạng điện áp u(t), hoặc dòng điện i(t), liên tục hoặc gián đoạn

Hình 1.2 Mô tả dạng tín hiệu tương tự và số

Khi một đường truyền tin được thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến nơinhận, một dãy các phần tử cơ sở của nguồn tin sẽ được truyền đi với một phân

bố xác suất nào đó, dãy này được gọi là đoạn tin

max

S Nguồn tin có thể là nguồn tin nguyên thuỷ hoặc đã được sơ bộ xử lí Các

nguồn tin nguyên thuỷ phần lớn là những hàm liên tục theo thời gian f(t) hoặc là

hàm biến đổi theo thời gian cùng các thông số khác Phần lớn các tin nguyênthuỷ mang tính liên tục theo thời gian và mức, nghĩa là có thể biểu diễn mộtthông tin nào đó dưới dạng một hàm số s(t) tồn tại trong khoảng thời gian ( , )t t1 2

với các giá trị bất kỳ trong phạm vi (Smin,Smax) như hình 1.3

u ( t )

u ( t )

u ( t )

u ( t )

u ( t )

u ( t )

t t

t

a)Tín hiệu tương tự

a)Tín hiệu tương tự b)Tín hiệu rời rạc

b)Tín hiệu rời rạc

c)Tín hiệu nguồn số nhị phân được biểu thị dưới dạng tín hiệu tương tự.

c)Tín hiệu nguồn số nhị phân được biểu thị dưới dạng tín hiệu tương tự.

0 0

Các nguồn tin nguyên thuỷ có thể được đưa trực tiếp vào kênh để truyền

đi hoặc có thể qua các phép biến đổi xử lý trước khi đưa vào kênh truyền tin sốphải được số hoá hoặc mã hoá Phép biến đổi tín hiệu nguồn tương thích vớikênh truyền được gọi là phép điều chế

1.3.Điều chế và giải điều chế trong các hệ thống truyền tin:

Trong thực tế, các tín hiệu thông tin nguyên thuỷ không thể truyền được

xa trên các đường truyền dẫn cáp kim loại, sợi cáp quang hoặc trong tầng khônggian khí quyển, do đó cần phải điều chế tín hiệu thông tin nguyên thuỷ đó vớimột tín hiệu tương tự có tần số cao hơn gọi là sóng mang Tín hiệu sóng mang

có nhiệm vụ mang thông tin trong hệ thống truyền tin Tín hiệu thông tin có thểđiều chế với sóng mang hoặc theo biên độ, theo tân số hoặc theo góc pha Việcđiều chế được hiểu đơn giản là quá trình biến đổi một hoặc nhiều đặc tính củasóng mang theo sự biến đổi của tín hiệu thông tin

Trong các hệ thống truyền tin có hai dạng điều chế cơ bản, đó là điều chếtương tự và điều chế số

Một hệ thống truyền tin trong đó năng lượng được truyền và thu dướidạng sóng tương tự (tín hiệu biến đổi liên tục theo thời gian) được gọi là hệthống truyền tin tương tự

Thuật ngữ truyền tin số (digital communication) trong thực tế kỹ thuật baogồm cả truyền dẫn số và radio số

Truyền dẫn số (digital transmission) là hệ thống truyền dẫn trong đó cácxung số được truyền giữa hai hoặc nhiều điểm trong hệ thống truyền tin Vớitruyền dẫn số thì không cần có sóng mang và các thông tin nguồn có thể là dạng

s(t)max

S

min

S

t2t1

t

Hình 1.3 Hàm s(t) của nguồn tin nguyên thuỷ liên tục

số hoặc tương tự Nếu thông tin là dạng tương tự thì cần phải chuyển đổi thànhdạng số trước khi truyền và được chuyển đổi trở lại dạng tương tự ở phía đầuthu Các hệ thống truyền tin số có đường truyền vật lý giữa phát và thu là dâykim loại hoặc sợi cáp quang.

Radio số là việc truyền các sóng mang tương tự được điều chế số giữa haihoặc nhiều điểm trong hệ thống truyền tin Ở radio số, tín hiệu điều chế và tínhiệu được điều chế là các xung số Các xung số có thể từ một hệ thống truyềndẫn số, từ một nguồn số VD: từ một máy tính hoặc từ một tín hiệu được mã hoánhị phân Ở các hệ thống radio số thì môi trường truyền dẫn có thể là cácphương tiện vật lý hoặc không gian tự do (tầng khí quyển) Các hệ thống truyềntin tương tự được phát triển trước và ngày nay đang được thay thế bởi các hệthống truyền tin số do những điểm lợi thế của nó

Biểu thức (1.1) là biểu thức tổng quát của một sóng điện áp hình sin biếnđổi theo thời gian của một tín hiệu sóng mang cao tần :

Nếu tín hiệu thông tin là tương tự và biên độ (U) của sóng mang đượcbiến đổi tỷ lệ với tín hiệu thông tin thì điều chế biên độ AM (amplitude

modulation) được tạo ra; Nếu như tan số (f) của sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín

hiệu thông tin thì điều chế tần số FM (frequency modulation) được tạo ra và nếugóc pha ( ) của sóng mang biến đổi tỷ lệ với tin hiệu thông tin thì điều chế pha

PM (phase modulation) được tạo ra

Nếu tín hiệu thông tin là số và biên độ (U) của sóng mang biến đổi tỷ lệvới tín hiệu thông tin thì tín hiệu được điều chế số đó được gọi là khóa dịch biên

ASK (amplitude shift keying); Nếu tần số (f) của sóng mang biến đổi tỷ lệ với

tín hiệu thông tin thì điều chế được gọi là khoá dịch tần FSK (frequency shiftkeying) và nếu góc pha ( ) của sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thông tin

thì điều chế được gọi là khóa dịch pha PSK (phase shift keying) Nếu như cảbiên độ và góc pha cùng biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thông tin thì điều chế là biên

độ cầu phương QAM (quadrature amplitude modulation)

Việc điều chế được thực hiện ở phía phát bởi mạch được gọi là bộ điềuchế Sóng mang được tác động bởi một tín hiệu thông tin được gọi là sóng đượcđiều chế hoặc tín hiệu được điều chế Việc giải điều chế là quá trình ngược lạicủa điều chế để chuyển đổi sóng mang được điều chế thành thông tin ban đầu.Giải điều chế được thực hiện ở phía thu bởi mạch giải điều chế

Tín hiệu điều chế Dạng điều chế được tạo thành

Tương tự AM FM PM

SốASK FSK PSKQAM

Có hai nguyên nhân cần phải thực hiện việc điều chế trong các hệ thốngtruyền tin điện tử đó là:

1.Các tần số thấp khó bức xạ từ anten dưới dạng sóng điện từ

2.Các tín hiệu thông tin thường có dải tần giống nhau và nếu như các tínhiệu từ hai hoặc nhiều nguồn phát cùng thời gian thì chúng sẽ can nhiễu lẫnnhau VD: các đài phát thanh thoại và phát thanh âm nhạc có giải tần audiotrong khoảng từ 300Hz đến 15000Hz, để chúng không can nhiễu lẫn nhau thìphải chuyển đổi thông tin của chúng thành các băng tần khác nhau hoặc kênhkhác nhau

Hình 1.4 mô tả sơ dồ khôi đơn giản hoá quan hệ của tín hiệu điều chế,sóng mang tần số cao và sóng được điều chế trong một hệ thống truyền tin điệntử

Hình 1.4 Sơ đồ khối đơn giản hoá một hệ truyền tin có sóng mang được điều chế

1.4 Phân tích tín hiệu:

Bộ điều chế(chuyển đổi lên)

Giải điều chế Tín hiệu được giải

điều chế,thông tin(tần số thấp)

Tạo sóng mang(tần

số cao)

Tạo sóng nội(tần số cao)

Môi trường truyền dẫn

K ê n h

K ê n h

Khi thiết kế các mạch của hệ thống truyền tin điện tử thường cần phảiphân tích dự đoán hiệu năng của mạch dựa trên cơ sở phân bố công suất và hỗnhợp tần số của tín hiệu thông tin Việc làm đó thuận lợi nhất là nhờ vào việcphân tích tín hiệu qua các biểu thức toán học.

1.4.1 Các tín hiệu hình sin

Phân tích tín hiệu là việc phân tích toán học các tham số như tần số, độrộng dải tần và mức điện áp của tín hiệu Các tín hiệu điện là các điện áp hoặcdòng điện biến đổi theo thời gian và nó có thể được biểu thị bởi một dải cácsóng sin hoặc cosin

u(t) là điện áp hình sin biến đổi theo thời gian;

i(t) là dòng điện hình sin biến đổi theo thời gian;

1.4.2 Các sóng tuần hoàn không sin

Một sóng tuần hoàn nào đó mà nó bao gồm nhiều hơn một sóng sin hoặccosin là dạng sóng không sin hoặc gọi là sóng phức hợp Để phân tích các sóngphức hợp thường sử dụng chuỗi toán học Fuorier

Chuỗi Fuorier được sử dụng trong phân tích tín hiệu để biểu thị các thànhphần sin của một dạng sóng không sin (có nghĩa là biến đổi tín hiệu theo miềnthời gian thành tín hiệu theo miền tần số) Nói chung, các chuỗi Fuorier cho mộthàm tuần hoàn nào đó như một dãy số các số hạng các hàm số lượng giác theobiểu thức sau:

( ) cos cos 2 ncos sin sin 2 nsin

f t A A A   A nB  B   B n

Biểu thức (1.4) biểu thị dạng sóng f(t) bao gồm một giá trị một chiều (dc)

là A0, một chuỗi các hàm cosin và sin trong đó các hạng sau có tần số là bội sốcủa tần số ở số hạng thứ nhất Biểu thức cũng nói lên rằng, một dạng sóng tuầnhoàn nào đó bao gồm một thành phần một chiều và một chuỗi các sóng hài dạngsin và cosin Sóng hài có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản Tần số cơbản là sóng hài bậc nhất và bằng tần số của dạng sóng Bội số bậc hai của tần số

cơ bản được gọi là hài bậc hai, bội số bậc ba được gọi là hài bậc ba, …Như vậy,biểu thức (1.4) có thể viết:

f(t) = dc + sóng cơ bản + hài bậc 2 + hài bậc 3 + …+ hài bậc

1.4.3 Chuỗi Fuorier của dạng sóng chữ nhật

Khi phân tích các mạch truyền tin điện tử thường gặp các dạng sung chữnhật Hình 1.5 mô tả một dạng sóng xung chữ nhật với độ rộng xung  và chu

kỳ xung T Chuỗi Fuorier đối với một xung chữ nhật đối xứng chẵn có dạng nhưsau:

trong đó: u(t) là sóng điện áp biến đổi theo thời gian:

 là độ rộng của xung chữ nhật (s);

T là chu kỳ của song xung chữ nhật;

x là  ( / T );

n là hài bậc n;

U là biên độ đỉnh của xung

Xung có độ rộng xung càng hẹp thì thành phần một chiều dc trong chuỗiFuorier càng bé, do đó biên độ của hài bậc n trong biểu thức (1.5) sẽ là:

sin 2

n

U U

Un là biên độ đỉnh của hài bậc n;

t



U

T Hinh 1.5 Dạng sóng xung chữ nhật

1.4.4 Công suất và phổ năng lượng

Mục đích của kênh truyền tin là truyền năng lượng điện từ, từ nguồn đếnnơi nhận Như vậy mối quan hệ giữa năng lượng được truyền đi và năng lượngthu được là yếu tố quan trong Điều đó dẫn đến việc xem xét mối quan hệ giữanăng lượng và công suất theo tần số

Công suất điện là tốc độ mà ở đó năng lượng được phát tán, cung cấphoặc được sử dụng và nó là hàm mũ bậc hai của điện áp hoặc của dòng điện(P=E2/R hoặc P=I2R) Theo quan hệ về công suất đó thì với biểu thức Fuorier f(t)

sẽ được biểu thị là [f (t)] 2

Hình 1.7 mô tả phổ công suất của một dạng sóng chữ nhật với tỷ số  T

là 0,25 Giống như phổ điện áp theo tần số, nó còn nhiều múi con và một múichính rộng hơn

Từ hình 1.7 thấy rằng, công suất trong một xung được phân tán trong mộtphổ tần tương đối rộng và phần lớn công suất nằm trong múi chính Do đó, nếu

độ rộng dải tần của kênh truyền tin đủ rộng có thể cho qua các tần số nằm trongmúi chính thì nó cũng đã truyền được phần lớn năng lượng chứa trong xung đếnphía thu

(sinx)/x

x

Hình 1.6 Mô tả hàm (sinx)/x.

Chương 2CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN DẪN SỐ VÀ ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ

2.1 Đặc điểm của truyền dẫn số

Truyền dẫn số so với truyền dẫn tương tự có những ưu điểm sau:

1 Truyền dẫn số có tính kháng nhiễu tốt hơn nhiều so với truyền dẫn tương

tự Các xung số ít bị tác động của nhiễu làm thay đôir hoặc biến dạng so với tínhiệu tương tự Ở đường truyền dẫn số thì các đặc tính về biên độ, tần số và gócpha không cần phải định ra một cách chính xác như ở kênh truyền tương tự Cácxung ở truyền dẫn số sẽ được định ra theo khoảng thời gian mẫu hoặc mức trên,mức dưới của xung theo một ngưỡng nào đó Độ chính xác về biên độ, tần số vàgóc pha ở truyền dẫn số không quan trọng lắm

2 Tín hiệu số thuận lợi và dễ dàng hơn nhiều trong các quá trình xử lý vàghép kênh so với tín hiệu tương tự Việc xử lý tín hiệu số ở đây được hiểu là xử

lý các tín hiệu tương tự theo các phương pháp số Xử lý tín hiệu bao gồm lọc,cân bằng và chuyển dịch pha.Các xung số có thể được nhớ dễ dàng hơn tín hiệutương tự Tốc độ truyền của các hệ thống số có thể thay đổi một cách dễ dàng để

thích ứng với các môi trường khác nhau và thích nghi với các dạng thiết bị khácnhau.

3 Ở các hệ thống truyền dẫn số dùng các bộ tái tạo tín hiệu trong khi ởtruyền dẫn tương tự dùng các bộ khuếch đại tín hiệu Tạp âm trong các mạchkhuếch đại là tạp âm cộng, do đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra bộ khuếchđại sẽ bị xấu hơn và nếu đường truyền dẫn tương tự dùng nhiều bộ khuếch đạithì tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N) sẽ càng xấu Trong khi ở truyền dẫn số sử dụngcác bộ tái tạo tín hiệu có tỷ số tín hiệu/tạp âm ở đầu ra bằng tỷ số tín hiệu/tạp âm

ở đầu vào bộ tái tạo Cũng vì lý do đó mà khoảng cách truyền dẫn số có thể lớnhơn nhiều so với truyền dẫn tương tự

4 Việc đo lường và lượng giá các tín hiệu số đơn giản hơn nhiều so với tínhiệu tương tự đặc biệt là khi cần so sánh hiệu năng các hệ thống

5 Các hệ thống số thích hợp hơn nhiều trong việc đánh giá hiệu năng lỗi.Lỗi truyền trong các tín hiệu số có thể được phát hiện và sửa lỗi một cách dễdàng, có khả năng chính xác hơn nhiều so với các hệ thống tương tự Tuy vậy,truyền dẫn số cũng có những nhược điểm sau:

a Việc truyền dẫn các tín hiệu tương tự được số hoá cần phải có độ rộngdải tần lớn hơn nhiều so với việc truyền tín hiệu tương tự đó không số hoá

b Các tín hiệu tương tự muốn truyền dẫn số thì trước khi truyền phải đượcchuyển đổi thành tín hiệu số và tại phía thu phải chuyển đổi ngược trở lại, cónghĩa là phải tốn thêm mạch mã hoá và giải mã

c Truyền dẫn số yêu cầu phải có sự đồng bộ thời gian chính xác giữa đồng

hồ phát và thu Như vậy, các hệ thống số cần phải có các mạch hồi phục đồng hồtrong tất cả các máy thu, gây thêm tốn kém

d Các hệ thống truyền dẫn số là không tương thích với các phương tiệntruyền dẫn tương tự cổ điển

Hình 2.1 mô tả so sánh chất lượng truyền tin cảu một tín hiệu tương tự và

một tín hiệu số được truyền qua một kênh truyền co hàm truyền đạt H(f ), không

tuyến tính

t

u

a) Tín hiệu ra tương tự bị méo dạng

b) Tín hiệu ra số không bị méo dạng Hình 2.1 Tín hiệu tương tự và số qua kênh có hàm truyền đạt không tuyến tính.

2.2 Các dạng điều chế xung

Điều chế xung là biến đổi các thông tin tín hiệu từ dạng tương tự củanguồn tin nguyên thuỷ thành dạng các xung rời rạc để truyền trên kênh truyềntin số đến nơi nhận Trong công nghệ kỹ thuật số có bốn dạng điều chế xungthường được sử dụng đó là: điều chế độ rộng xung PWM (pulse widthmodulation), điều chế vị trí xung PPM (pulse position modulation), điều chếbiên độ xung PAM (pulse amplitude modulation) và điều chế mã xung PCM

(pulse code modulation) Hình 2.2 mô tả bốn dạng điều chế xung đó.

Hình 2.2 Mô tả các dạng điều chế xung:

a) Tín hiệu tương tựd) Điều chế vị trí xung PPM

b) Xung mẫue) Điều chế biên độ xung PAM

c) Điều chế độ rộng xung PWM f) Điều chế mã xung PCM

1 PWM Điều chế độ rộng xung PWM còn gọi là điều chế khoảng thờigian tồn tại xung PDM (pulse duration modulation) hoặc điều chế độ dài xungPLM (pulse length modulation) Ở đây, độ rộng của xung tỷ lệ với biên độ củatín hiệu tương tự.

2 PPM Điều chế vị trí xung là vị trí của các xung với độ rộng hằng sốtrong khe thời gian bắt buộc được biến đổi phù hợp với biên độ của tín hiệutương tự

3 PAM Điều chế biên độ xung là biên độ của xung có độ rộng hằng số,

vị trí hằng số, được biến đổi phù hợp với biên độ của tín hiệu tương tự

4 PCM Điều chế mã xung thì tín hiệu tương tự được lấy mẫu và đượcchuyển đổi thành dãy số nhị phân nối tiếp, có chiều dài cố định để truyền Sốcác nhị phân đó phù hợp với biên độ của tín hiệu tương tự

Điều chế biên độ xung PAM thường là một dạng điều chế trung gian củacác dạng điều chế khác, VD: PSK, QAM và PCM Điều chế PAM ít khi đượcdùng riêng rẽ Điều chế độ rộng xung PWM và điều chế vị trí xung PPM đượcdùng trong các hệ thống truyền tin đặc biệt (thường trong quân đội) và ít đượcdùng trong các hệ thống dân dụng Điều chế mã xung PCM là một dạng điều chếđược dùng phổ biến trong truyền tin số

2.3 Điều chế mã xung

2.3.1 Tổng quan

Điều chế mã xung PCM chỉ là một kỹ thuật điều chế được mã hoá theo sốhoá và được mô tả ở hình 2.2 Thuật ngữ điều chế thực ra ở đây dùng khôngđược chính xác lắm, bởi vì thực chất đây không phải là điều chế tín hiệu như cácdạng điều chế khác mà nó là một dạng mã hóa nguồn tin Ở PCM thì các xung

có biên độ và chiều dài cố định PCM chỉ là một hệ thống nhị phân trong đó cóhoặc không có xung trong khe thời gían đã được xác định trước mà điều đótương ứng với trạng thái logic “1” hoặc trạng thái logic “0” Các tín hiệu PWM,PPM và PAM nhiều khi chúng không là nhị phân và cũng không đặc trưng chomột đơn vị nhị phân (bit) Hình 2.3 mô tả sơ đồ khối đơn giản hoá của một hệthống truyền dẫn PCM đơn công, đơn kênh.

Các bộ lọc dải thông có nhiệm vụ giới hạn tần số của tín hiệu tương tự ởđầu vào trong băng tần chuẩn là 300 – 3000 Hz Bộ lấy mẫu và giữ có nhiệm vụlấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào theo chu kỳ và biến đổi nó thành tín hiệuPAM nhiều mức Bộ chuyển đổi tương tự/số A/D hoặc ADC (analog – to –digital converter) có nhiệm vụ chuyển đổi các mẫu PAM thành các mã PCMsong song và sau đó tiếp tục chuyển đổi dữ liệu từ song song thành nối tiếp đểđưa ra đầu ra của đường truyền Nếu đường truyền có khoảng cách lớn có thể cónhững bộ lặp để tái tạo lại các mã PCM

Bộ chuyển đổi số/tương tự D/A hoặc DAC (digital – to analog converter)

có nhiệm vụ chuyển đổi mã PCM song song thành các tín hiệu PAM Mạch giữ

và bộ lọc thông thấp có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu PAM ngược trở lại thànhtín hiệu tương tự nguyên thuỷ Các vi mạch thực hiện các chức năng mã hoá vàgiải mã tín hiệu PCM được gọi là bộ lọc Codec (coder/decoder)

HÌNH 2.3 SƠ ĐỒ KHỐI ĐƠN GIẢN HOÁ MỘT HỆ

THỐNG TRUYỀN DẪN PCM ĐƠN CÔNG ĐƠN KÊNH

2.3.2 Lấy mẫu PCM

Chức năng của bộ lấy mẫu trong bộ phát PCM là lấy mẫu một cách theochu kỳ, các tín hiệu tương tự biến đổi liên tục theo thời gian ở đầu vào vàchuyển đổi các mẫu đó thành các dãy xung để có thể biến đổi chúng một cáchthuận lợi thành mã PCM nhị phân Để cho bộ ADC có thể chuyển đổi một cáchchính xác tín hiệu tương tự thành mã PCM nhị phân thì tín hiệu cần độ ổn địnhtương đối Nếu không có sự ổn định nào đó thì bộ ADC sẽ phải bám liên tụctheo sự không ổn định của tín hiệu tương tự và mã PCM khó có sự ổn định

Hiện nay, thông dụng có hai kỹ thuật cơ bản được sử dụng cho chức năngtạo mẫu và giữ, đó là lấy mẫu tự nhiên và lấy mẫu đỉnh phẳng

Lấy mẫu tự nhiên (hình 2.4) là dạng sóng tương tự được lấy mẫu giữnguyên hình dạng của tín hiệu tương tự Ở hình 2.4a chuyển mạch tương tự FET

sẽ nối đất dạng sóng đầu vào khi xung mẫu ở mức cao Khi xung mẫu ở mứcthấp thì tín hiệu đầu vào được truyền không thay đổi hình dạng đến bộ khuếchđại đầu ra, sau đó đến bộ chuyển đổi A/D (tương tự thành số) Dạng sóng củalấy mẫu tự nhiên ở đầu ra là một dãy các xung có khoảng cách giống nhau và cóđỉnh không phẳng như hình 2.4b

HÌNH 2.4

Ở phương pháp lấy mẫu tự nhiên thì phổ tần của tín hiệu đầu ra được lấymẫu khác với phổ tần của một mẫu lý tưởng Biên độ của các thành phần tần sốđược tạo ra bởi các xung hẹp, có độ rộng hữu hạn sẽ giảm so với các sóng hàicao hơn theo quan hệ (sinx)/x Cũng vì vậy mà trong mạch cần phải dùng bộ lọcthông thấp trước khi hồi phục.

Phương pháp thông dụng nhất để lấy mẫu các tín hiệu thoại trong các hệthống PCM là lấy mẫu đỉnh phẳng trong đó kết hợp cả việc lấy mẫu và giữ Mụcđích của mạch lấy mẫu và giữ ở đây là lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào theochu kỳ mẫu và chuyển đổi các mẫu đó thành dãy các mức PAM có biên độkhông đổi Lấy mẫu đỉnh phẳng làm thay đổi phổ tần và nó sẽ gây nên một sai

số được gọi là sai số khẩu độ và sai số đó sẽ làm cho mạch hồi phục ở bộ thuPCM không thể hồi phục được chính xác tín hiệu tương tự nguyên thuỷ ban đầu.Hình 2.5a mô tả sơ đồ nguyên lý mạch lấy mẫu

Ở đây FET làm việc như một chuyển mạch tương tự đơn giản (trên sơ đồđược ký hiệu là Q1) Khi FET ở trạng thái trở kháng thấp, Q1 đóng và điện ápmẫu tương tự qua Q1 đến tụ C1 Tụ C1 được nạp và thời gian Q1 đóng mạch đượcgọi là thời gian khe hở hoặc thời gian thu nhận C1 làm nhiệm vụ như là mạchgiữ Khi FET ở trạng thái trở kháng cao, Q1 hở (ngắt mạch) và tụ C1 bị ngănkhông có đường phóng, do đó điện áp đã lấy mẫu được lưu giữ Thời gian lưu

Hinh 2.5

giữ của tụ điện được gọi là thời gian chuyển đổi A/D, bởi vì trong khoảng thờigian đó bộ chuyển đổi ADC sẽ chuyển đổi điện áp mẫu thành mã PCM Thờigian thu nhận (khe hở) cần phải rất ngắn để đảm bảo sự chuyển đổi ít bị méodạng khe hở nhỏ hơn so với lấy mẫu tự nhiên và yêu cầu bộ chuyển đổi tươngtự/số chậm hơn.

Hình 2.5b mô tả tín hiệu tươg tự đầu vào, xung lấy mẫu và dạng sóng qua

C1 Ở đây có một điều cần chú ý là trở kháng đầu ra của Z1 là trở kháng của C1cần phải có giá trị nhỏ để đảm bảo cho thời gian nạp RC là hằng số, nạp vàphóng nhanh

2.3.3 Tốc độ lấy mẫu, lượng tử hoá và mã hoá

Tốc độ lấy mẫu tối thiểu (fs) được xác định theo định lý Nyquist có thểđược sử dụng cho hệ thống PCM Tốc độ lấy mẫu Nyquist có thể biểu thị vớibiểu thức:

trong đó: fs là tốc độ lấy mẫu tối thiểu (Hz);

fa là tần số lớn nhất dùng lấy mẫu (Hz);

Hình 2.6

Thực chất, mạch lấy mẫu và giữ là một bộ điều chế biên độ Chuyển mạch

là một phần tử không tuyến tính có hai đầu vào: xung lấy mẫu và tín hiệu tương

tự đầu vào Như vậy sẽ có sự trộn phi tuyến xuất hiện giữa hai tín hiệu đó Hình2.6 mô tả đặc trưng vùng tần số của phổ đầu ra của mạch lấy mẫu và giữ

Nếu như tần số fs nhổ hơn hai lần tần số fa thì hiện tượng méo xuất hiện.Hiện tượng đó được gọi là méo do chồng lấn Hình 2.6a mô tả vùng tần số củaphổ tần ở đầu ra của mạch lấy mẫu và giữ Đầu ra gômf có hai đầu vào nguyênthuỷ (âm tần và tần số cơ bản của xung lấy mẫu), tổng của các tần số đó (fs  fa)tất cả các sóng hài của fs và fa (2fs  fa, 3fs  fa,…)

Bởi vì xung lấy mẫu là dạng sóng lặp lại, cho nên nó sẽ tạo ra một dãy cácsóng hài dạng sin Mỗi một sóng dạng sin đó sẽ lại được điều chế biên độ và tạonên sự méo chồng lấn (h.2.6b)

Bộ lọc thông dải đầu vào như trong hình 2.3 còn được gọi là bộ lọc chốngchồng lấn Tần số cắt ở phía trên của nó được chọn sao cho tần số đó không lớnhơn một nửa tần số lấy mẫu kế tiếp được đưa vào bộ lấy mẫu và giữ, như vậy đểgiới hạn méo chồng lấn có thể xảy ra.

Đối với điều chế PCM, tín hiệu tương tự đầu vào được lấy mẫu, sau đóđược chuyển đổi thành dãy nối tiếp mã nhị phân Mã nhị phân được truyền đếnphía thu sau đó được chuyển đổi trở lại tín hiệu tương tự Các mã nhị phân sửdụng cho PCM là các mã n bit, trong đó n là số nguyên dương lớn hơn 1 Các

mã thường được sử dụng cho PCM là các mã đánh dấu theo biên độ trong đómột bit quan trọng nhất là bit đánh dấu và các bit còn lại được dùng cho các mứcbiên độ

Bảng 2.1 mô tả một mã PCM với n bit trong đó n = 3 Bit đánh dấu mẫu(logic 1 = dương và logic 0 = âm) Hai bit còn lại để đặc trưng cho mức biên độ.Như vậy, với hai bit biên độ thì có khả năng cho 4 mức dương và 4 mức âm.Tổng cộng khả năng của mã là 23 = 8

bảng 2.1

Hình 2.7