(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn kỹ THUẬT hệ THỐNG VIỄN THÔNG kỹ THUẬT GHÉP KÊNHPHÂN KÊNH TDM

TÌM HIỂU TỔNG QUAN

G IỚI THIỆU

Trong lĩnh vực viễn thông, ghép kênh là quá trình kết hợp nhiều tín hiệu hoặc chuỗi dữ liệu thành một tín hiệu duy nhất để truyền tải hiệu quả hơn và tiết kiệm tài nguyên Thiết bị thực hiện chức năng này được gọi là bộ ghép kênh, trong khi ở đầu thu, bộ tách kênh sẽ phân tách các kênh và gửi chúng đến đúng đầu nhận.

 Có 2 dạng ghép kênh cơ bản đó là TDM và FDM Trong báo cáo BTL này chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh TDM.

Kỹ thuật ghép kênh phân chia thời gian (TDM) cho phép truyền tải hai hoặc nhiều tín hiệu dữ liệu qua một kênh truyền chung bằng cách sử dụng các khe thời gian khác nhau.

Ghép kênh phân chia thời gian (TDM) là phương pháp được áp dụng khi tốc độ truyền dữ liệu trong môi trường cao hơn nhu cầu của thiết bị thu và phát.

 Ghép kênh phân chia thời gian (TDM) còn được gọi là Chuyển mạch kỹ thuật số (a digital circuit switched).

 Có 2 loại TDM , đó là Synchronous TDM(TDM đồng bộ) và Statistical

TDM(TDM không đồng bộ hay TDM thống kê) trong báo cáo BTL này nhóm chúng em chỉ mô phỏng Synchronous TDM(TDM đồng bộ).

Đ ẶC ĐIỂM

Synchronous TDM(TDM đồng bộ)

 TDM đồng bộ phân chia các khe (slot) cho từng ngõ vào (source) với thời gian bằng nhau.

 Khe nào không có dữ liệu truyền thì khe đó bỏ trống.

 Số khe thời gian bằng số ngõ vào.

 Chiều dài của khung (frame:Các khe thời gian được nhóm thành khung) bằng số ngõ vào.

 Các ngõ vào có cùng tốc độ bit.

 Các kỹ thuật ghép kênh được sử dụng chủ yếu trong nền công nghiệp điện thoại :

Dịch vụ chuyển mạch analog là dịch vụ gọi máy truyền thống, thường được sử dụng tại nhà Dịch vụ này sử dụng hai dây, hoặc trong một số trường hợp bốn dây, là cáp đôi xoắn để kết nối điện thoại với mạng thông qua tổng đài.

Dịch vụ thuê kênh analog cung cấp cho thuê bao khả năng thuê đường dây, thường được gọi là đường dây chuyên dụng, cho phép kết nối liên tục với thuê bao khác.

Telephone carriers offer a service known as conditioning, which enhances the quality of phone lines affected by interference, signal distortion, and delays.

 Và nhiều ứng dụng khác,…

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG [SYNCHRONOUS TDM]

M Ô HÌNH TỔNG QUÁT

-Thời gian sử dụng đường truyền dẫn được chia thành các phần khác nhau gọi là các khe thời gian-Time Slot(TS)

-Truyền đưa tin từ các nguồn tin khác nhau được thực hiện trong các khe thời gian riêng biệt.

Mỗi tín hiệu (TS) được sử dụng để truyền tải thông tin từ một nguồn đầu vào, có thể là xung, bit hoặc nhóm bit Khi không có tín hiệu từ nguồn đầu vào, TS sẽ được gán một giá trị cố định trước đó cho nhánh tương ứng.

Chuyển mạch bộ phân phối được lắp đặt tại các điểm đầu vào của nguồn tin từ 1 đến 3, nhằm kết nối với đường truyền trong các khe thời gian tương ứng từ 1 đến 3.

TDM PAM (Pulse – amplitude modulation/điều chế biên độ xung):

Điều chế biên độ (AM) là một phương pháp điều chế tín hiệu, trong đó thông tin được mã hóa qua biên độ của một chuỗi xung Đây là một trong nhiều dạng điều chế đơn, cho phép truyền dữ liệu bằng cách thay đổi biên độ của các xung điện theo thời gian đều đặn.

TDM PCM (Pulse Code Modulation):

PCM (Mã hóa xung mã) là một lược đồ số dùng để truyền dữ liệu tương tự, trong đó tín hiệu được biểu diễn bằng nhị phân với hai trạng thái: logic 1 (cao) và logic 0 (thấp) Dù tín hiệu tương tự có hình dạng sóng phức tạp, PCM cho phép số hóa mọi dạng dữ liệu tương tự, bao gồm video, thoại và nhạc.

Sau khi thực hiện quá trình lượng tử hóa và mã hóa, tín hiệu PCM-TDM được tạo ra Tại đầu thu, tín hiệu PAM-TDM giữ nguyên hình dạng như ở đầu phát Các mẫu tín hiệu này sau đó được phân phối đến các đầu ra khác nhau.

Để thu PCM từ sóng tương tự tại nguồn phát, biên độ tín hiệu tương tự được lấy mẫu theo chu kỳ thời gian Tại đầu thu, bộ giải điều chế mã xung chuyển đổi các số nhị phân trở lại thành xung có.

Ghép kênh TDM Nhóm 10 sử dụng mức lượng tử tương tự như trong bộ điều chế, giúp xử lý các xung để phục hồi dạng sóng tương tự gốc một cách hiệu quả.

Phía thu, chuyển mạch bộ phân phối thực hiện việc kết nối đường truyền dẫn với các bộ nhận tin thứ 1, 2, và 3 tương ứng tại các khe thời gian từ 1 đến 3.

Bộ phân phối phát và thu hoạt động đồng bộ, trong đó bộ phân phối phát thực hiện chức năng lấy mẫu lần lượt các đầu vào từ 1 đến 3 trong các khe thời gian tương ứng.

Tín hiệu lối ra từ bộ phân phối phát phải thỏa mãn định lý lấy mẫu, với các mẫu tín hiệu được ghép xen lần lượt, gọi là tín hiệu PAM-TDM (fo>+) Những tín hiệu này được thu qua bộ phân phối, và tại từng nhánh ra tương ứng, chúng được xử lý qua bộ lọc thông thấp để tạo ra tín hiệu tương tự phù hợp với các đầu vào Đồng bộ trong TDM là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng tín hiệu.

- Bên phát và thu phải hoạt động đồng bộ với nhau (cùng nhịp) thì bên thu mới tách được dữ liệu trong luồng TDM tới.

- Trong hệ thống TDM có 2 yêu cầu về đồng bộ: đồng bộ bít và đồng bộ khung Thông số đánh giá:

SNR được định nghĩa là tỷ số giữa công suất tín hiệu và công suất nhiễu, thường được biểu thị bằng decibel.

Các phép đo trong hệ thống điều chế

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của kênh được đưa ra bởi:

Trong đó W là băng thông và là chỉ số điều chế

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đầu ra (của máy thu AM) được cho bởi:

Tỷ lệ lỗi bit (BER) là chỉ số đo lường số lượng lỗi bit xảy ra trong một khoảng thời gian nhất định Nó được tính bằng cách chia số lỗi bit cho tổng số bit đã được truyền tải trong thời gian đó BER là một thước đo hiệu suất không có đơn vị, thường được thể hiện dưới dạng phần trăm.

Xác suất lỗi bit là giá trị kỳ vọng của tỷ lệ lỗi bit, được coi là một ước tính gần đúng cho xác suất này Ước tính tỷ lệ lỗi bit trở nên chính xác hơn khi xem xét trong khoảng thời gian dài và với số lượng lỗi bit lớn.

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT

3.1.1 Điều chế biên độ xung PAM (Pulse Amplitude Modulation)

PAM: là kĩ thuật điều chế trong đó biên độ chuỗi xung chữ nhật được tỉ lệ với biên độ của tín hiệu tương tự m(t)

PAM có hai phương pháp lấy mẫu: lấy mẫu tự nhiên (natural sampling) và lấy mẫu bằng (flat top sampling)

Lấy mẫu tự nhiên là quá trình kết hợp tín hiệu tương tự ban đầu với các xung lấy mẫu, nhằm tạo ra tín hiệu lấy mẫu có hình dạng tương tự như tín hiệu gốc.

Lấy mẫu tín hiệu tương tự bằng cách kết hợp các xung lấy mẫu, tạo ra xung lấy mẫu có biên độ tương ứng với biên độ của tín hiệu tại thời điểm lấy mẫu.

3.1.1.2 Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật

+ Lowpass filter- Bộ lọc thông thấp: giữ lại tín hiệu ở khoảng tần số thấp (loại bỏ hiện tương aliasing)

+ Pluse generator: bộ phát xung lấy mẫu

+ Pulse reshaping circuit: làm phẳng biên độ tín hiệu

3.1.1.3 Đánh giá: Ưu điểm: PAM là phương pháp điều chế đơn giản nhất và dễ thực hiện.

+ Yêu cầu băng thông lớn (BW > 2fmax và BW >> fm).

+ Yêu cầu công suất phát khác nhau do biên độ thay đổi.

+ Ít miễn dịch với nhiễu do biên độ có thể bị thay đổi trong quá trình điều chế.

3.1.2 Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)

PWM: kĩ thuật điều chế trong đó độ rộng xung của sóng mang tỷ lệ với tín hiệu tương tự được đem điều chế

3.1.2.2 Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật

+ Sawtooth generator: bộ phát xung răng cưa

+ Op-amp: chức năng so sánh

+ Miễn nhiễm với nhiễu tốt hơn PAM

+ Quá trình truyền tải và và tiếp nhận không yêu cầu đồng bộ

+ Quá trình giải điều chế từ tín hiệu PWM bóp méo có phần dễ hơn

+ Do sự thay đổi của độ rộng xung nên chú ý công suất truyền tải

+ Yêu cầu băng thông lớn hơn PAM

3.1.3 Điều chế vị trí xung PPM (Pulse Position Modulation)

PPM: Kĩ thuật điều chế cho phép thay đổi vị trí xung của tín hiệu điều chế theo biên độ của tín hiệu được lấy mẫu.

3.1.3.2 Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật

+ Monostable multivibrator: khối đa hài một trạng thái ổn định (tạo xung khi được kích hoạt trạng thái)

PPM, giống như PWM, thể hiện khả năng chống nhiễu tốt hơn so với PAM Điều này xuất phát từ việc thông tin được mã hóa dựa trên vị trí của các xung thay vì biên độ.

+ Vì biên độ và chiều rộng của các xung vẫn không đổi Do đó, công suất truyền tải cũng không đổi và không hiển thị biến thể.

+ Phục hồi tín hiệu PPM từ PPM bị bóp méo là khá dễ dàng.

+ Nhiễu do tiếng ồn ở mức tối thiểu hơn PAM và PWM.

+ Yêu cầu sự đồng bộ hóa giữa máy thu và máy phát

+ Yêu cầu băng thông lớn

3.1.4 Ghép kênh/phân kênh TDM

+ Có thể sử dụng cả với tín hiệu số và tín hiệu tương tự

+ Giao thoa giữa các tín hiệu ở mức nhỏ hoặc không đáng kể

+ Mạch điện sử dụng đơn giản

+ Tín hiệu truyền đi không nhất quán về thời gian  Khắc phục bằng cách sử dụng bit khung

+ Cần đồng bộ thời gian thu phát giữa trạm gốc và thiết bị di động

+ Yêu cầu tốc độ truyền cao, tối thiểu lớn hơn số bit đầu vào

+ Để hạn chế nhiễu thì yêu cầu độ rộng băng thông phải lớn

+ TDM đồng bộ: Khi không có tín hiệu khe thời gian bị trống dẫn đến lãng phí băng thông

3.2.1 Điều chế biên độ xung PAM

3.2.2 Điều chế độ rộng xung PWM

3.2.3 Điều chế vị trí xung PPM

3.2.4.1 Code import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np from scipy import signal from pylab import *

# n = int(input('Enter the quantity of input signal ='))

To begin the process of Pulse Amplitude Modulation (PAM), input the frequency of the carrier signal, followed by the amplification coefficient of PAM Next, enter the frequency and amplitude for three distinct message signals Specifically, provide the frequency and amplitude for message signal 1, then repeat the process for message signal 2 and message signal 3 This structured input will facilitate the modulation process effectively.

# Time fmin = min (fm1, fm2, fm3) t = np.linspace(0, 4/fmin, num = int(4/fmin*(100*fc))) t_tdm = np.linspace(0, n*4/fmin, num = n*int(4/fmin*(100*fc)))

The signals in the formula are defined as follows: m1 is represented by the equation m1 = am1 * np.cos(2 * np.pi * fm1 * t), where am1 is the amplitude and fm1 is the frequency Similarly, m2 is described by m2 = am2 * np.sin(2 * np.pi * fm2 * t), incorporating its respective amplitude am2 and frequency fm2 The third signal, m3, is calculated using m3 = am3 * (0.5 * signal.sawtooth(2 * np.pi * fm3 * t, 0.5) + 0.5), which integrates a sawtooth waveform The modulated carrier signal, mc, is expressed as mc = ac * (0.5 * signal.square(2 * np.pi * fc * t, 0.5) + 0.5), where ac is the carrier amplitude and fc is the carrier frequency Lastly, the time-division multiplexed carrier signal, mc_tdm, is defined as mc_tdm = ac * (0.5 * signal.square(2 * np.pi * fc * t_tdm, 0.5) + 0.5).

The TDM (Time Division Multiplexing) signal is generated using NumPy's `arange` function to create a structured array that reshapes the signal into a two-dimensional format The signal is populated by iterating through the time vector, assigning values from multiple input signals (m1, m2, m3) to each row of the array Finally, the signal is reshaped into a single column format, ensuring proper order for further processing.

The code initializes a time-domain signal array using `np.arange` and reshapes it for processing It calculates the sampling period based on the input parameters, specifically the length of the signal, the carrier frequency, and the minimum frequency A function is defined to determine the index for sampling, ensuring that the correct segments of the time-domain signal are selected The loop iterates through the range of the signal length, filling the `mc_tdm` array with the appropriate samples based on the calculated indices.

# Show pam1 = m1*mc pam2 = m2*mc pam3 = m3*mc pam = tdm*mc_tdm

In this article, we present a series of plots showcasing different signals using Matplotlib The first subplot displays 'Signal 1', illustrating its amplitude over time The second subplot features 'Signal 2', also depicting its amplitude against time The third subplot presents 'Signal 3', providing a visual representation of its amplitude variation Finally, the fourth subplot illustrates the 'Carrier signal', highlighting its amplitude over the same time period Each plot is clearly labeled with titles and axis descriptions for better understanding.

In this article, we present a visual representation of Pulse Amplitude Modulation (PAM) signals using Matplotlib The first subplot displays Signal 1 PAM, showcasing its amplitude over time, while the second subplot illustrates Signal 3 PAM with a similar time versus amplitude format Both plots are designed to enhance understanding of PAM signal characteristics.

# fig3, ax3 = plt.subplots(1,1) plt.plot(t_tdm, tdm) plt.title('PAM-TDM') plt.xlabel('Time ') plt.ylabel('Amplitude ') plt.show()

Ghép kênh/phân kênh TDM

Trong quá trình thực hiện mô phỏng, có nhiều biến số tác động đến kết quả, trong đó tần số sóng mang fc và tần số lấy mẫu của hàm np.linspace() là những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất.

Kết quả mô phỏng sóng mang với tần số fc = 20 và tần số lấy mẫu fs P cho thấy rằng do tần số lấy mẫu quá nhỏ, sóng mang không duy trì được hình dạng chính xác, dẫn đến sự xuất hiện của các đầu nhọn thay vì hình dạng vuông.

Tần số sóng mang và tần số lấy mẫu đóng vai trò quan trọng trong độ chính xác của tín hiệu sau khôi phục Cụ thể, tần số sóng mang ảnh hưởng đến độ chính xác của hàm số, trong khi tần số lấy mẫu tác động đến cả sóng mang lẫn tín hiệu đầu vào Để đạt được mô phỏng chính xác, cả tần số sóng mang và tần số lấy mẫu cần phải cao, tuy nhiên, tần số sóng mang không được vượt quá tần số lấy mẫu để tránh hiện tượng chồng lấn.

Sau đây là minh họa trường hợp fc = fs

Có thể dễ dàng quan sát được khi này fc’= 1Hz