Tài liệu Thiết kế logic khối đồng bộ và tách kênh PCM 30/32 - Phần lý thuyết docx

PHẦN 1:KỸ THUẬT ĐIỀU XUNG MÃ PCM *Điều xung mã PCM là quá trình biến đổi tương tự sang số A/D trong đó thông tin đầu vào dưới dạng các mẫu tín hiệu tương tự được biến đổi thành các tổ

PHẦN 1:KỸ THUẬT ĐIỀU XUNG MÃ PCM

*Điều xung mã PCM là quá trình biến đổi tương tự sang số ( A/D ) trong đó thông tin đầu vào dưới dạng các mẫu tín hiệu tương tự được biến đổi

thành các tổ hợp mã nối tiếp ở đầu ra

* Điều xung mã PCM bao gồm 3 quá trình:

1.lấy mẫu 2.lượng tử hoá 3.mã hoá

m∙ ho¸

tö ho¸

1.1:LẤY MẪU :

*Là quá trình rời rạc hoá tín hiệu tương tự đầu vào theo tần số lấy mẫu f

Sm(t)

m(t)

Sm(t):tín hiệu đã được rời rạc hoá

Trong đó:

S(t): tín hiệu tương tự đầu vào m(t): xung lấy mẫu

Để có thể khôi phục lại được tín hiệu thì tần số lấy mẫu phải thoả mãn tiêu chuẩn Naikit

Tiêu chuẩn Naikit - tần số lấy mẫu tối thiểu để có thể khôi phục lại được tín hiệu mà không bị méo - :

f ≥ fs

fs = 2 Bw trong đó : fs: tần số Naikit 2Bw : bề rộng phổ của tín hiệu

-Bw Bw Phổ tín hiệu đầu vào

*Các nhiễu chồng phổ : Nếu các tín hiệu tương tự S(t) được gián đoạn

hoá với tần số lấy mẫu f< 2Bw thì tín hiệu gốc không thể được khôi phục lại mà không bị méo Méo ở tín hiệu ra được hình thành là do các dải biên của tần số lấy mẫu rơi vào phổ gốc (các băng bên có phần trùng lên nhau)và không thể tách chúng ra được bằng bộ lọc

1.2:LƯỢNG TỬ HOÁ : Là chuyển một xung sau khi đã lấy mẫu thành một

xung có biên độ bằng mức lượng tử gần nhất Đây là quá trình cơ bản nhất của kỹ thuật PCM vì nó cho phép chuyển một tín hiệu tương tự sang một tín hiệu số

*Ưu điểm : lượng tử hoá tín hiệu đã được lấy mẫu giảm được ảnh hưởng

của tạp âm trong hệ thống Lượng tử hoá hạn chế số lượng các mức cho phép của tín hiệu đã lấy mẫu và chuẩn bị để chuyển tín hiệu gốc từ dạng tương tự thành dạng số Nếu sự phân biệt giữa các mức lượng tử lớn hơn

so với sự rối loạn do tạp âm gây ra thì máy thu dễ dàng xác định được mức riêng đã phát đi

*Nhược điểm: do có sự sai lệch giữa giá trị thực và gía trị mức lượng tử nên

sẽ sinh ra tạp âm lượng tử

-Tạp âm lượng tử thường được biểu thị dưới dạng công suất tạp âm trung bình so với công suất tín hiệu trung bình Hay là tỷ số tín hiệu trên méo (S/D) hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N)

-Sự chênh lệch giữa trị số gốc của xung lấy mẫu và trị số khôi phục dựa trên mức lượng tử gần nhất được gọi là công suất nhiễu lượng tử hay méo lượng tử

1.2.1:lượng tử hoá tuyến tính(đều)

* là lượng tử hoá có các mức lượng tử bằng nhau

Khoảng cách giữa các mức lượng tử được xác định theo công thức:

( ) ( )

p

t X t

Xmax − min

-Trong đó:

p : số lượng các mức lượng tử

Xmax,Xmin: giá trị cực đại và cực tiểu cho phép

Giả sử:

Xmax −Xmin = 2a

Thì khoảng cách giữa các mức lượng tử là:

p a

Các mức ngưỡng là cách đều nhau Đối với lượng tử tuyến tính thì mức lượng tử sẽ nằm giữa các mức ngưỡng

-Ta có sai số lượng tử e(t) được xác định theo biểu thức sau:

ep(t) = xp(t) – x(t) -Sai số lượng tử này xuất hiện những tạp âm ngẫu nhiên có công suất e2 -Ta giả thiết bộ lượng tử tuyến tính có khoảng động là 2a

(từ –a dến +a)nếu bộ lượng tử có cấu trúc các mức lượng tử đều p thì khoảng cách giữa các mức là :

p

a

A= 2 Hay ( )

p

a t

e p ≤ hoặc là ( )

2

Δ

≤

t

e p

-Điều này có nghĩa là sai số cực đại cho phép xảy ra tại mức ngưỡng quyết định xi) và biên độ bằng Ä/2 kể từ các mức lượng tử Nừu giả thiết rằng tín hiệu vào là ngẫu nhiên và sác xuất xuất hiện trong phạm

vi (-a/p ,+a/p) là như nhau thì hàm mật độ xác suất của nó được xác định theo phương trình

( )

a

p e

f p

2

=

và hàm khối lượng xác suất : ( )

p m X

Q = i = 1

Ta có :

X2 = ∫ x2 f(x) dx nên suy ra

2

3

a de a

p e

vì

p

a

=

Δ nên ta có công suất tạp âm

12

2

2 = Δ

= e N

-Loại tạp âm này chỉ liên quan đến khôi phục tín hiệu ở máy thu và là loại tạp âm thực tế xuất hiện ở đầu ra bộ lượng tử hoá Sử dụng

phương pháp ngẫu nhiên rời rạc nhận được :

X2 = ∑ Xi2 Q(x = xi)

Ta có :

=

p

x p

m

S i2 1 p2 1 -Các mức lượng tử chỉ xảy tại các khoảng lẻ ∆/2 : mi = i ∆/2

-Số lượng các mức lượng tử trong thực tế có tính đến cả mức 0 ,dương và

âm nên công suất trung bình của tín hiệu trong biểu thức trên được tính gấp đôi số mức lượng tử :

12

1 6

1 4

2 4

2

2 2

2 2

2

−

=

− Δ

=

Δ

=

p

i p

m p

Ta có thể xác định được tỷ số tín hiệu tạp âm như sau:

( ) .12 ( 1)

12

2

2

Δ

Δ

−

N S

Khi Q >> 1 và các mức lượng tử được mã hoá thành các từ mã b bít thì

( )db b( )db Q

N

6 2 log 20 log

.

= Khi mức tín hiệu đầu ra cố định ,số mức lượng tử tăng ,dẫn đến giảm méo lượng tử vì sai số lượng tử giữa trị số mẫu thực đầu vào và trị số lượng tử chỉ bằng hoặc nhỏ hơn một nửa bước lượng tử

Nếu các mức lượng tử xếp đặt xát nhau và tạp âm nhiệt cũng như các tạp

âm khác ở đầu vào sẽ gây ra chọn nhầm các mức lượng tử.Còn nếu các mức lượng tử đặt cách nhau quá xa thì việc phục hồi tín hiệu gốc

là không thể phục hồi được vì méo lượng tử quá lớn

Để khắc phục điều này ta có thể sử dụng một số biện pháp sau:

-Sử dụng bộ lượng tử tuyến tính đặt sau bộ nén.Bộ nén là bộ khuyếch đại phi tuyến đối với tín hiệu đầu vào bộ lượng tử.Nó có chức năng

chuyển phân bố tín hiệu dưới dạng gauss thành phân bố đồng đều hơn .Bộ khuyếch đại phi tuyến bù có đặc tính giống nhau nhưng ngược lại

để gạt bỏ méo đã áp vào tín hiệu vào xuất hiện sau khi truyền dẫn , giải mã và khôi phục tín hiệu

-Sử dụng bộ lượng tử phi tuyến có bước lượng tử nhỏ đối với tín hiệu vào mức thấp

-Sử dụng bộ lượng tử tuyến tính có khoảng cách giữa các mức quyết định giảm nhỏ một cách đáng kể bằng cách tăng số mức lượng tử

1.2.2:lượng tử hoá phi tuyến (nén):

-Nén là phương pháp lấy các mức lượng tử khác nhau

-Luật lượng tử logarit được sử dụng trong nén và giãn ,trong đó biến đầu vào x được chuyển thành biến y theo quan hệ

y=log x

và quan hệ ngược lại được sử dụng khi khôi phục biến đầu vào tại đầu

ra của hệ thống nhờ bộ giãn Mối quan hệ này được cho phép tăng các mức trong cùng tín hiệu thấp và mở rộng bước lượng tử tỷ lệ với mức tăng của tín hiệu vào Kết quả là nén biên độ tín hiệu thoại làm giảm phạm vi động và tạo ra tỷ lệ công suất tín hiệu trung bình – tạp âm lượng tử cao hơn so với bộ lượng tử đều đối với tín hiệu vào Gauss

*Các luật nén thông dụng là :

-Luật nén ỡ:

x Y

x

C

1 ln

1 ln

max

μ

+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡ +

=

=

Xấp xỉ tín hiệu lớn và nhỏ:

( )

1 1

ln ln ln

max

max

max max

max max

〉〉

〈〈

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪

⎪

⎪

⎨

⎧

=

=

x

x khi

x

x khi

x

x Y

x

x Y

x

C

Y

μ μ

μ

μμ μ

Trong đó :

-Xmax : là điện áp cực đại của tín hiệu vào

-ỡ thường là tham số (=100 hoặc =255)

-Y là tín hiệu đầu ra bộ nén đi đến bộ lượng tử đèn (nó có trị số cực đại là

Ymax)

-Luật nén A:

( )

1 1

1 0

ln 1

ln 1

1 ln

max

max

max max

max max

≤

≤

〈

≤

⎪

⎪

⎪

⎩

⎪

⎪

⎪

⎨

⎧

+

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ +

+

=

=

x

x A khi

A x

x khi

A x

x A Y

A x

x A Y x

C

Y

A thường chọn là 87.6

Xmax là điện áp cực đại của tín hiệu vào

Y là tín hiệu đầu ra của bộ nén

-Cả hai tham số A và ỡ được xác định một cách chính xác đối với dặc tính nén Trị số nén của chúng càng lớn thì hiệu quả càng cao Việc sử dụng các điôt để tạo ra đặc tính nén giãn ỡ nảy sinh ra vấn đề là phối hợp giữa đặc tính nén và đặc tính giãn.ở mỹ và châu âu đã sử dụng kỹ thuật nén –giãn số nhờ việc gần đúng hoá đặc tính logarit thành các đường gãy khúc

-Cả hai phương pháp mã hoá và phương pháp nén là đồng thới được tiến hành qua bước nén số – số hoặc tự mã hóa mà không thêm những mạch riêng rẽ khác bởi sử dụng tính chất tuyến tính của phương pháp nén đoạn trong số

1.3:MÃ HOÁ :

-Mã hoá là quá trình so các giá trị rời rạc nhận bởi các quá trình lượng

tử hoá với các xung mã Thông thường các mã nhị phân được sử dụng cho việc mã hoá là các mã nhị phân tự nhiên.Các mã GRAY (các mã nhị phân đơn và các mã nhị phân kép) phần lớn các ký hiệu

mã so sánh các tín hiệu vào với điện áp chuyển để đánh giá xem có các tín hiệu nào không Như vậy mỗi một bộ chuyển đổi D/A hoặc

bộ giải mã là cần thiết cho việc tạo điện áp chuẩn Ví dụ về bộ lượng

tử tuyến tính Số lượng mức lượng tử p là 2b(trong đó b là số lượng bit biểu diễn cho p mức lượng tử riêng biệt )

-giả sử nếu có 16 mức lượng tử thì b= 4 gồm các từ mã như :

0000= 0V….1111=15v

-Tuy nhiên nếu mẫu cực đại không phải là 15 v mà bằng một mức nào

đó là 2a thì mỗi mức cách nhau là p/2a và mỗi từ mã xắp xếp ứng với một mức như trên Trong hệ thống PCM dùng từ mã 8 bit có nghĩa là p = 256 mức hay mức tương ứng với 258 từ mã 8 bit Tuy nhiên trong trường hợp của luật ỡ các từ mã được lập như sau:

bit phân cực =(0,1)

bit phân đoạn = (000…111)

bit phân bước = (0000…1111)

cực “+” của dạng sóng tín hiệu tương ứng với bit cực 0

cực “-“ của dạng sóng tín hiệu tương ứng với bit cực 1

1.4:TÁI LƯỢNG TỬ VÀ GIẢI MÃ:

-Toàn bộ phần này có liên quan đến mã hoá Trong thực tế thì quá trình lượng tử và mã hóa trong bộ biến đổi tương tự –số không tách rời nhau Đầu thu của hệ thống ,tại điểm mà các bit số được tái tạo nhờ thiết bị sử lý tín hiệu thu,các từ mã tin phải được giải mã Bước đầu tiên trong quá trình thu của kỹ thuật PCM là tách tín hiệu từ tạp âm .Chức năng này được thực hiện thông qua tái lượng tử ,trong đó bộ lấy mẫu tiến hành quyết định digit thu được mức lôgic 1 hoặc 0.dãy bit số sau khi được phục hồi đưa đến bộ giải mã tại đây bộ biến đổi số – tương tự (D/A) hoạt động ngược lại so với bộ mã hoá để chuyển các

từ mã số thành các mức lượng tử rời rạc đầu ra bộ giải mã là các xung lấy mẫu nhiều mức lượng tử đặc trưng cho tín hiệu PAM lượng tử .Sau đó tín hiệu này được lọc để khử các tần số nằm ngoài băng âm thoại ,K ết quả là thu được tín hiệu sau khi lọc giống tín hiệu tương tự

ở phía phát Để giúp cho bộ lấy mẫu hoạt động chính xác,tin tức về thời gian được phát kèm theo từ mã

PHẦN 2: HỆ THỐNG KÊNH PCM N TỔNG QUÁT VÀ

PCM 30/32 2.1:SƠ ĐỒ KHỐI BỘ GHÉP PCM - N :

SĐ

SĐ

Lấy mẫu

Lấy mẫu

Chọn xung kênh

Chọn xung kênh

≈

≈

≈

hoá

Giải

mã

Tách kênh

Ghép kênh

Lập mã đường

Giải mã đường

Tách XĐB

Bộ tạo xung thu

Bộ tạo xung phát XĐB và báo hiệu

-Sơ đồ này ghép N kênh thoại ,kênh đồng bộ và kênh báo hiệu thành

luồng bít.Bộ ghép PCM 24 có tốc độ bit bằng 1544 kbit/s,bộ ghép

PCM -30 có tốc độ bít bằng 2048 kbit/s Đôi dây âm tần được nối vào máy đầu cuối thuê bao,thiết bị truyền số liệu …Sau đây phân tích hoạt động của bộ ghép tín hiệu thoại

-bộ sai động SĐ tách tín hiệu thoại thu và phát riêng biệt Tại nhánh phát

có bộ lọc thông thấp để hạn chế băng tần tiếng nói từ 300ữ3400

Hz,mạch lấy mẫu là một chuyển mạch điện tử đóng mở theo chu kỳ

125 ỡs bộ mã hoá biến đổi mỗi xung lấy mẫu thành 8 bit và khối ghép kênh ghép tín hiệu thoại ,tín hiệu đồng bộ và báo hiệu thành một

khung có thời hạn 125 ỡs Đầu ra các mạch lấy mẫu đấu song song

với nhau , vì vậy xung lấy mẫu của các kênh được ghép theo thời gian

và lần lượt đưa đến bộ mã hoá.Trong bộ ghép PCM 24 dùng bộ mã

hoá nén số ỡ-255 và đặc tính biên độ có 15 đoạn.Trong bộ ghép PCM

30 dùng bộ mã hoá nén số A = 87,6 và đặc tính biên độ có 13 đoạn

.Dãy xung 2048 kbit/s đầu ra bộ tạo xung phát của PCM 30 và 1544 kbit/s của PCM 24 qua bộ chia để tạo ra xung điều khiển các mạch lấy mẫu 8 kbit/s ,điều khiển các bộ mã hoá Báo hiệu từ các thuê bao được đưa tới khối xử lý báo hiệu.Tại đây báo hiệu được chuyển đổi thành các bit để ghép vào khung.Dãy bit hai mức đầu ra khối ghép kênh qua khối lập mã đường chuyển thành dãy bit 3 mức và đi ra ngoài

-Tại nhánh thu ,dãy bit 3 mức từ ngoài đi vào khối giải mã đường để chuyển thành dãy bit 2 mức.Khối tách kênh tách luồng bit đầu vào thành 30 kênh thoại kênh đồng bộ và kênh báo hiệu Khối báo hiệu chuyển các bit báo hiệu thành tín hiệu báo hiệu ban đầu ,chẳng hạn báo hiệu đa tần các digit bộ số thuê bao ,xung điều khiển rơle xung đồng bộ đưa tới khối tạo xung thu để khởi động bộ chia xung và tạo ra các khe thời gian đồng bộ với phía phát.các từ mã 8 bit của 30 kênh thoại đưa tới bộ giải mã để chuyển thành các xung lượng tử ,qua bộ chọn xung kênh và bộ lọc thông thấp tách ra tín hiệu thoại analog Tín hiệu thoại analog qua bộ sai động đi vào máy điện thoại Bộ chọn xung kênh là một chuyển mạch điện tử đóng mở theo tôc độ và pha của bộ lấy mẫu ở phía phát Đầu vào bộ chọn xung kênh đấu song song với nhau và mỗi bộ chỉ cho xung kênh mình đi qua Nói một cách khác tách kênh theo thời gian được thực hiện tại đây

2.2:CẤU TRÚC KHUNG VÀ ĐA KHUNG CỦA BỘ GHÉP PCM

30:

2.2.1:cấu trúc khung và đa khung:

Cấu trúc khung và đa khung của bộ ghép PCM 30 như hình dưới:

F15 F9

25

S

17 9

21

1

b4

24 13

F2

0

F12

b5 1

29 8

14 7

b3

Khung

b8

F5

S

29

b6

17

CH

4 0

26 14

F13

S S

T MF =125ỡs x 16 = 2 ms

3

Đa khung

16 khung

TS - Khe thời gian

0

A

20

T F = 125ỡs

0

b2

4

Các khung lẻ

27

F8

13

0

16

F6

28 5

CH - Kênh

15 6

Khung F0

16

F10

7 3

S

2

Chú thích:

24 20

18 2

0

19

30

S 0

F1

12 10

Các khung chẵn

Cấu trúc khung và đa khung của bộ ghép PCM 30

F7

27

b7 1

30 23

1 1

b1

28 9

Si

S

-Khung có thời hạn 125 ỡs được chia thành 32 khe thời gian bằng nhau

và đánh số thứ tự từ Ts0 Ts31 Mỗi khung gồm có 256 bit và chu kỳ

lặp lại của khung bằng 8000Hz Mỗi đa khung kéo dài trong 2 ms và

chứa 16 khung.các khung được đánh số thứ tự từ F0 F15, trong đó 6

khung mang chỉ số chẵn và 6 khung mang chỉ số lẻ

-Các khe Ts0 đứng đầu các khung chẵn gồm bit Si được sử dụng cho

quốc tế (nếu không dùng thì cài đặt bằng 1) và 7 bit còn lại là từ mã

đồng bộ khung 0011011.Các khe Ts0 đứng đầu các khung lẻ gồm bit

thứ 1 Si dùng cho mạng quốc tế ,nếu không sử dụng đặt Si = 1,bit thứ

2 luôn có lôgic 1 để tránh phỏng tạo từ mã đồng bộ khung , bit thứ 3

dùng cho cảnh báo xa khi mất đồng bộ khung ,5 bit S còn lại dành cho quốc gia khi trạm đầu xa không thu được từ mã đồng bộ khung sẽ đặt

A =1 và truyền về trạm gốc

-Khe thời gian Ts16 của khung F0 truyền từ mã đồng bộ đa khung vào vị

trí các bit thứ 1 đến bit thứ 4 ,bit thứ 6 truyễn cảnh báo xa khi mất

đồng bộ đa khung (A=1),các bit S dành cho quốc gia ,nếu không sử

dụng đặt S =1

-Các khe thời gian Ts16 của khung F1 F15 dùng để truyền báo hiệu Báo

hiệu của mỗi kênh thoại được mã hoá thánh 4 bit a,b,c,d và ghép vào nửa khe thời gian Ts16.nửa bên trái truyền các báo hiệu của các kênh

thoại thứ 1 đến 15 ,và nửa trái truyền báo hiệu các kênh thoại từ 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 tại sao mỗi đa khung chứa 16 khung Nếu các bit abcd không dùng cho báo hiệu thì đặt b= 1,c=0,và d=1 ngoài ra cũng cần lưu ý cấm sử dụng tổ hợp 0000 để truyền báo hiệu vì nó trùng với từ mã đồng bộ đa

khung.phương thức báo hiệu đã trình bầy trên đây gọi là báo hiệu kênh kết hợp CAS

-Ngoài ra còn có phương thức báo hiệu kênh chung CCS ,trong đó báo hiệu của các kênh thoại được truyền trên một đường riêng điển hình của CCS là hệ thống báo hiệu số 7 (CCSS-7)

-Trong trường hợp PCM 30 được sử dụng để truyền số liệu thì bit Si trong khe thời giai Ts0 là bit kiểm tra dư chu trình CRC.(xem bảng )

Bit 1 đến bit 8 của TS0

T.T

11 1 1 A S S S S S

13 E 1 A S S S S S

15 E 1 A S S S S S

Bảng 1.1 tóm tắt chức năng các bit của khe thời giai Ts0 trong mỗi đa khung 16 khung