Kỹ thuật viễn thông

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KỸ THUẬT VIỄN THÔNG (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội HÀ NỘI - 2007 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Biên soạn : TS NGUYỄN TIẾN BAN Chương Cơ sở kỹ thuật truyền dẫn CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN 1.1 Kỹ thuật điều chế ghép kênh 1.1.1 Các phương pháp mã hóa điều chế Mã hóa Trong hệ thống truyền dẫn số thông tin chuyển đổi thành chuỗi tổ hợp xung, sau truyền đường truyền Khi đó, thơng tin tương tự (như tiếng nói người) phải chuyển đổi vào dạng số nhờ biến đổi A/D Độ xác chuyển đổi A/D định chất lượng lĩnh hội thuê bao Tổ hợp số phải đủ chi tiết cho tiếng nói (hoặc video) tương tự tái tạo mà khơng có méo nhiễu loạn thiết bị thu Hiện nay, mong muốn giảm khối lượng thông tin số để sử dụng tốt dung lượng mạng Các mã hoá phân làm loại chính: mã hố dạng sóng mã hố thoại (vocoder) Ngồi ra, cịn có mã hố lai tổ hợp đặc tính loại Hình 1.1 minh hoạ khác chất lượng thoại yêu cầu tốc độ bit cỏc loi mó húa khỏc Chất lợng thoại Tuyệt vời Các mà hoá lại Tốt Các mà hoá dạng sóng Khá tốt Các mà hoá thoại KÐm 16 32 64 Bit Rate (Kbit/s) Hình 1.1: Các phương pháp mã hố mối quan hệ chất lượng thoại/tốc độ bit Mã hoá dạng sóng có nghĩa thay đổi biên độ tín hiệu tương tự (đường thoại) mơ tả số giá trị đo Sau giá trị mã hoá xung gửi tới đầu thu Dạng điệu tương tự tín hiệu tái tạo thiết bị thu nhờ giá trị nhận Phương pháp cho phép nhận mức chất lượng thoại cao, đường tín hiệu nhận thật đường tín hiệu bên phát Chương Cơ sở kỹ thuật truyền dẫn Mã hoá thoại mã hoá tham số Thay cho việc truyền tín hiệu mơ tả trực tiếp dạng đường tín hiệu thoại truyền số tham số mơ tả đường cong tín hiệu phát Cách đơn giản để giải thích khác hai phương pháp sử dụng phép ẩn dụng: nhạc chơi nhạc nhạc cơng sử dụng Trong mã hố dạng sóng âm nhạc chơi truyền đi, cịn mã hố tham số nhạc gửi tới bên nhận Mã hố tham số u cầu có mơ hình xác định rõ đường tín hiệu thoại tạo Chất lượng mức trung bình (âm thoại nhận thuộc loại “tổng hợp”) mặt khác tín hiệu truyền với tốc độ bit thấp Bộ mã hoá lai gửi số tham số lượng định thơng tin dạng sóng Kiểu mã hố thoại đưa thoả hiệp hợp lý chất lượng thoại hiệu mã hố, sử dụng hệ thống điện thoại di động ngày Điều chế Điều chế kỹ thuật cho phép thông tin truyền thay đổi tín hiệu mang thơng tin Điều chế sử dụng cho thông tin số tương tự Trong trường hợp thông tin tương tự tác động liên tục (sự biến đổi mềm) Trong trường hợp thông tin số, điều chế tác động bước (thay đổi trạng thái) Khối kết hợp điều chế giải điều chế gọi modem Trong truyền dẫn tương tự sử dụng hai phương pháp điều chế theo biên độ theo tần số Sãng mang TÝn hiƯu ®ang ®iỊu chế Tín hiệu đợc điều chế biên độ Tín hiệu đợc điều chế theo tần số Hỡnh 1.2: iu ch theo biên độ theo tần số Điều biên sử dụng để truyền tiếng nói tương tự (300-3400 Hz) Điều tần thường sử dụng cho truyền thông quảng bá (băng FM), kênh âm cho TV hệ thống viễn thông không dây 1.1.2 Điều chế xung mã PCM Hiện có nhiều phương pháp chuyển tín hiệu analog thành tín hiệu digital (A/D) điều xung mã (PCM), điều xung mã vi sai (DPCM), điều chế Delta (DM), Trong thiết bị ghép kênh số thường sử dụng phương pháp ghép kênh theo thời gian kết hợp điều xung mã (TDM PCM) Chương Cơ sở kỹ thuật truyền dẫn Để chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu digital dùng phương pháp PCM, cần thực bước hình 1.3 Lấy mẫu t Lượng tử hố t Mã hố t Hình 1.3: Quá trình chuyển đổi A/D dùng phương pháp PCM Trước hết phải lấy mẫu tín hiệu thoại, tức truyền xung tín hiệu thời điểm định Bước thứ hai lượng tử hoá biên độ, nghĩa chia biên độ xung mẫu thành mức lấy tròn biên độ xung đến mức gần Bước thứ ba mã hoá xung lượng tử thành từ mã nhị phân có m bit Lấy mẫu tín hiệu analog Biên độ tín hiệu analog liên tục theo thời gian Lấy mẫu lấy biên độ tín hiệu analog khoảng thời gian định Quá trình giống điều chế biên độ, dãy xung có chu kỳ điều chế biên độ tín hiệu analog Do mẫu lấy gián đoạn theo thời gian Dãy mẫu gọi tín hiệu PAM (điều chế biên độ xung) Để thực q trình lấy mẫu tín hiệu phải dựa vào định lý Nyquist, nội dung định lý phát biểu sau: Nếu tín hiệu gốc hàm liên tục theo thời gian có tần phổ giới hạn từ đến fmax lấy mẫu tần số lấy mẫu phải lớn hai lần tần số lớn tín hiệu gốc, nghĩa là: fm ≥ 2×fmax Một yếu tố quan trọng lấy mẫu phía phát lấy mẫu cho tín hiệu analog theo tần số phía thu tái tạo lại tín hiệu ban đầu Theo định lý Nyquist, cách lấy mẫu tín hiệu analog theo tần số cao hai lần tần số cao tín hiệu tạo lại tín hiệu analog ban đầu từ mẫu Đối với tín hiệu thoại hoạt động băng tần 0,3 ÷ 3,4 kHz, tần số lấy mẫu 8kHz để đáp ứng yêu cầu chất lượng truyền dẫn: phía thu khơi phục tín hiệu analog có độ méo phạm vi cho phép Quá trình lấy mẫu tín hiệu thoại hình 1.4 Chương Cơ sở kỹ thuật truyền dẫn Biên độ (a) t Biên độ Tm (b) t Biên độ +3 +2 +1 -1 -2 -3 (c) t Hình 1.4: Quá trình lấy mẫu tín hiệu thoại (a) Thể đường cong tín hiệu thoại (b) Dãy xung điều khiển hoạt động lấy mẫu có chu kỳ Tm = 125μs (c) Tín hiệu đầu lấy mẫu (tín hiệu điều biên xung- PAM) Lượng tử hoá Lượng tử hoá nghĩa chia biên độ tín hiệu thành khoảng không đều, khoảng bước lượng tử, biên độ tín hiệu ứng với đầu cuối bước lượng tử gọi mức lượng tử Sau có mức lượng tử biên độ xung mẫu làm tròn đến mức gần Có hai loại lượng tử hố biên độ: lượng tử hố lượng tử hố khơng Lượng tử hố Biên độ tín hiệu chia thành khoảng nhau, sau lấy trịn xung mẫu đến mức lượng tử gần Quá trình lượng tử hố thể hình 1.5 Chương Cơ sở kỹ thuật truyền dẫn Biên độ +3 +2 +1 -1 -2 t Δ -3 Hình 1.5: Q trình lượng tử hố Bước lượng tử Δ Như vậy, biên độ tín hiệu gồm có bước lượng tử mức (đánh số từ -3 ÷ +3) Mối quan hệ số mức lượng tử số bước lượng tử sau: Tổng số mức lượng tử = Tổng số bước lượng tử + Do phải lấy tròn đến mức lượng tử gần nhất, độ chênh lệch biên độ xung lượng tử giá trị tức thời xung lấy mẫu gây nhiễu lượng tử Qd (xem hình 1.6) Biên độ xung nhiễu lượng tử thoả mãn điều kiện sau: − Δ Δ ≤ Qd K ≤ + 2 Cơng suất trung bình nhiễu lượng tử xác định sau: Δ2 PQd = 12 Từ biểu thức cho thấy công suất nhiễu lượng tử phụ thuộc vào bước lượng tử Δ mà không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu Đối với tín hiệu mạnh, tỷ số: S ⎛ TÝnhiÖu ⎞ ⎜= ⎟ lớn tỷ số tín hiệu yếu N ⎝ NhiÔu ⎠ Muốn san tỷ số tín hiệu mạnh tín hiệu yếu phải sử dụng lượng tử hố khơng Biên độ Qd = nhiễu lượng tử (Quantising distortion) +3 Qd Qd Qd +2 +1 Qd Qd t -1 -2 Qd Qd Qd Δ -3 Hình 1.6: Nhiễu lượng tử Chương Cơ sở kỹ thuật truyền dẫn Lượng tử hố khơng Lượng tử hố khơng dựa ngun tắc: biên độ tín hiệu lớn bước lượng t cng ln (hỡnh 1.7) Biên độ +4 +3 Δ3 +2 +1 Δ2 Δ1 -1 -2 t -3 -4 Hình 1.7: Q trình lượng tử hố khơng Trong thí dụ hình 1.7 biên độ tín hiệu analog chia thành bước lượng tử, ký hiệu Δ1, Δ2, Δ3, Δ4 Như vậy: Δ1 < Δ2 < Δ3 < Δ4 < Các đường thẳng song song với trục hoành (t) gọi mức lượng tử, đánh số từ gốc toạ độ Các xung lấy mẫu chu kỳ n×Tm (trong n=0,1,2, ) lấy trịn đến mức lượng tử gần Muốn lượng tử hố khơng sử dụng hai phương pháp: nén - dãn analog nén - dãn số • Nén - dãn analog Quá trình nén - dãn analog thực cách đặt nén analog trước mã hố phía nhánh phát thiết bị ghép kênh, miền tín hiệu thoại analog đặt dãn analog trước giải mã nhánh thu thiết bị ghép kênh, miền tín hiệu thoại analog Trong thiết bị ghép kênh số chế tạo theo tiêu chuẩn Châu Âu sử dụng nén - dãn theo luật A Còn theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ Nhật sử dụng nén theo luật μ Đặc tuyến nén luật A (sự phụ thuộc điện áp đầu vào đầu nén) biểu thị biểu thức Y= Trong x = Ax + ln A 0≤x≤ A + ln Ax + ln A ≤ x ≤1 A uV với uV biên độ điện áp đầu vào nén, cịnU0 điện áp vào bão hồ U0 Chương Cơ sở kỹ thuật truyền dẫn Theo khuyến nghị ITU-T lấy A = 87,6 Đặc tuyến nén luật μ biểu thị biểu thức ln (1 + μx ) ln (1 + μ ) Y= − ≤ x ≤1 ln (1 − μx ) ln (1 + μ ) −1 ≤ x ≤ Theo khuyến nghị ITU-T lấy μ = 255 Từ biểu thức xây dựng đường cong thể đặc tuyến nén A μ Đặc tuyến nén phải đối xứng với đặc tuyến dãn để không gây méo khôi phục tín hiệu Dạng đường cong đặc tuyến nén dãn hình 1.8 Biên độ Đặc tuyến nén +1 Đặc tuyến dãn -1 +1 Biên độ vào -1 Hình 1.8: Đặc tuyến nén dãn analog Nhiều thí nghiệm lượng tử hố tín hiệu thoại đưa kết luận: Muốn đạt tỷ số: S ⎛ TÝnhiÖu ⎞ ⎜= ⎟ khoảng 25 dB số mức lượng tử phải N ⎝ NhiÔu ⎠ 2048 Như từ mã cần có 11 bit (khơng kể bit dấu) Vì 211 = 2048 số mức lượng tử biên độ dương âm tín hiệu thoại Sau nén, tín hiệu thoại cịn 128 mức Nếu kể bit dấu cần từ mã bit Đó lý phải thực nén tín hiệu • Nén - dãn số: Bộ nén số đặt miền tín hiệu số nhánh phát dãn số đặt miền tín hiệu số nhánh thu thiết bị ghép kênh Đặc tuyến nén dãn số dựa sở nén dãn analog Bằng cách gần hoá đường cong đặc tuyến nén - dãn analog theo luật A μ thành đoạn thẳng gấp khúc Đặc tuyến nén số luật A có tất 13 đoạn thẳng có độ dốc khác lấy tên nén số A = 87,6/13 thể hình 1.9 Chương Cơ sở kỹ thuật truyền dẫn Các đoạn thẳng có độ dốc khác nhau, đoạn tín hiệu khơng bị nén Khi chuyển từ đoạn sang đoạn khác tín hiệu bị nén biên độ lớn bị nén nhiều Tớn(Tín hiuhiệu y u đầu ra) H G F E D 8 Đoạn 13 12 11 10 C 8 B A x 128 -1 64 32 16 (Tín hiệu Tớn hiu đầu vào) u vo Đoạn -1 Hình 1.9: Đặc tính biên độ nén số A=87,6/13 Để xây dựng đặc tính biên độ nén số cần tiến hành bước sau đây: Trục x đặc trưng cho biên độ chuẩn hố tín hiệu đầu vào nén (-1 ≤ x ≤ tương ứng với 4096 bước lượng tử đều) trục y đặc trưng cho tín hiệu đầu Trên trục x chia theo khắc độ logarit số hai, nửa dương gồm điểm 0, 1 , , 128 64 1 1 , , , , 1; nửa âm chia ngược lại 32 16 Trên trục y chia thành khoảng nửa dương gồm điểm 0, , , , ; nửa âm chia ngược lại 8 8 10 , , , 8 ...HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Biên soạn : TS NGUYỄN TIẾN BAN Chương Cơ sở kỹ thuật truyền dẫn CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN 1.1 Kỹ thuật điều chế ghép kênh 1.1.1... truyền thay đổi tín hiệu mang thông tin Điều chế sử dụng cho thông tin số tương tự Trong trường hợp thông tin tương tự tác động liên tục (sự biến đổi mềm) Trong trường hợp thông tin số, điều chế tác... số tham số lượng định thông tin dạng sóng Kiểu mã hố thoại đưa thoả hiệp hợp lý chất lượng thoại hiệu mã hố, sử dụng hệ thống điện thoại di động ngày Điều chế Điều chế kỹ thuật cho phép thơng