Thiết kế khối đồng bộ và tách kênh PCM 30 32

Thiết kế khối đồng bộ và tách kênh PCM 30 32

Phần 1:kỹ thuật điều xung m∙ 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∙ hoá

tử hoá

1.1:lấy mẫu :

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

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

Sm(t)S(t)

*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

-Bw BwPhổ tín hiệu đầu vào

-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)

-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 :

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

Q = i = 1

Ta có :

X2 = ∫ x2 f(x) dx nên suy ra

p e

1 4

2 4

2

2 2

2 2

m p

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

( ) .12 ( 1)

12

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

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 μ:

x Y

x

C

1 ln

1 ln

max max μ

ln ln ln

max

max

max max

max max

x

x khi

x x Y

x x Y

x

C

Y

μ μ

μ

μμμ

Trong đó :

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

-μ 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

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 μ 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 μ 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:M∙ 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 μ 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 vμ giải m∙:

-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 vμ

PCM 30/32

2.1:sơ đồ khối bộ ghép PCm - n :

-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 đ−ợc 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 μs 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 μs Đầu ra các mạch lấy mẫu đấu song song với nhau , vì vậy xung lấy mẫu của các kênh đ−ợc ghép theo thời gian và lần l−ợt đ−a đến bộ mã hoá.Trong bộ ghép PCM 24 dùng bộ mã hoá nén số μ-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

SĐ

SĐ

Lấy mẫu

Lấy mẫu

Chọn xung kênh

Chọn xung kênh

Tách kênh

Ghép kênh

Bộ tạo xung thu

Bộ tạo xung phát

XĐB và báo hiệu

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 vμ 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

29 8

14 7

26 14

F13

S S

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

30 23

1 1

b1

28 9

Si

S

-Khung có thời hạn 125 μs 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

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

từ mã đồng bộ đa khung CRC-4,bit E trong khung 13 chỉ thị lỗi bit của

đa khung con thứ nhất và bit E trong khung 15 chỉ thị lỗi bit CRC – 4 của đa khung con thứ 2

-Tính toán các bit CRC:

-CRC là số dư của phép chia đặc biệt và được diễn giải như sau :

-Muốn tính CRC trong đa khung con N phải căn cứ vào đa khung con 1.tống số các bit thông tin trong đa khung con N-1 (không tính các bit CRC trong đa khung con này)được xem như một số nhị phân lớn Số nhị phân này được triển khai thành một đa thức và được gọi là đa thức

N-đặc trưng Bậc của đa thức N-đặc trưng ít hơn số lượng bit trong số nhị phân một đơn vị,số lượng số hạng của đa thức bằng số lượng các bịt 1 trong số nhị phân.trước hết nhân đa thức đặc trưng với xm , m = số bit trong từ mã CRC.sau đó đem tích số này chia (môdun 2) cho đa thức sinh và số dư của phép chia chính là giá trị các bit trong từ mã CRC

của đa khung con N đa thức sinh là một số nhị phân bé và được chọn một cách hợp lý

-Phía thu tiến hành giải mã CRC như sau:

-tiếp nhận đa khung con N-1,thay các bit CRC trong đa khung con N-1 bằng các bit 0 ,triển khai nội dung của đa khung con này thành đa thức

đặc trưng Nhân đa thức đặc trưng với xm ,chia tích số này cho đa thức sinh

-Số dư của phép chia được ghi lại và so sánh với bit tương ứng của CRC trong đa khung con N

-Nếu các bit của phần dư trong đa khung con N-1 trùng hợp với các bit trong CRC thuộc đa khung con N thì đa khung con N-1 không có lỗi

-Để hiểu rõ những điều đã trình bầy trên đây lấy một vài ví dụ:

Thí dụ 1:Khối số liệu truyền chẳng hạn là một số thập phân lớn :

45674859

Đem chia số này cho 97 sẽ được số dư là một số nguyên nằm trong

khoảng từ 0 96 Đem khối số liệu nhân với 100 được

4567485900

Bây giờ đem tích số này chia cho 97 sẽ được số dư bằng 49 điều chỉnh số mới này sao cho nó chia hết cho 97.muốn vậy cộng thêm phần bù 97 của 49 là 48 vào khối số liệu ban đầu mà vẫn không che lấp số liệu và

được:

4567485948

Dãy số cuối cùng này chia hết cho 97 và số dư bằng 0.Khối số liệu cuối cùng này chứa khối số liệu ban đầu được truyền đi và nếu bị lỗi thì phía thu dễ dàng phát hiện thông qua phần dư khác 0

Phương pháp thứ 2 của CRC là truyền đi khối số liệu ban đầu sau khi đã nhân với 100 là

4567485900

Còn phần dư hợp vào khối số liệu tiếp theo để truyền đi phía thu đem chia 4567485900,cho 97 được phần dư là 49 Đem phần dư này so sánh với phần dư gộp vào khối số liệu tiếp theo và xác định được khối số liệu hiện tại có bị lỗi hay không

Thí dụ 2:Tính CRC-4:

-Phía phát thiết bị PCM 30 hình thành các đa khung con gồm 8 khung ,mỗi khung có 256 bit , vì vậy đa khung con chứa 2048 bit.Giả thiết trong số 2048 bit này của đa khung N-1 có 1201 bit 1 ,tức là tổng số bit bằng 1201.chuyển 1201 thành số nhị phân có chiều dài là :

10010110001

Triển khai số nhị phân này thành đa thức đặc tr−ng sau đây:

x10+x7+x5+x4+x0nhân đa thức đặc tr−ng với x4 đ−ợc:

x14+x11+x9+x8+x4 chia cho đa thức sinh x4+x+1:

) ( 101

0 3

0 4

3 4

3 4 7 7

4 5 8

4 5 7

8

5 6 9

4 6

7 8 9

6 7 10

4 8

9 10

10 11 14

0 3 4 5 6 10

0 4

4 8

9 11

14

sodu x

x x

x x x

x x

x x x x

x x x

x x x

x

x x x

x x

x x x

x x x

x x

x x

x x x

x x x x x x

x x x x

x x x

x

= + +

+ + +

+ +

+ + +

+ + + +

+ + +

+ + + + +

+ + +

+ +

+ +

+ +

+ + + + +

+ + +

+ + + + +

Các bit d− 1011 đ−ợc đặt vào vị trí các bit C1,C2,C3,C4 của đa khung con

N

đa khung con N-1 truyền đến phía thu và đếm đ−ợc tống số bit 1 bằng

1201 ,chuyển đổi thành số nhị phân 10010110001.triển khai số nhị phân thành đa thức đặc tr−ng :

x10+x7+x5+x4+x0

nhân đa thức đặc tr−ng với x4 và chia tích số này cho đa thức sinh

x4+x+1 đ−ợc số d− là 1011.Đem số d− 1011 so sánh với số d− đã đặt trong đa khung con N mà phía phát chuyển tới (1011) ,nh− vậy không

có lỗi trong đa khung con N-1.Sơ đồ cài đặt và xử lý CRC-4 nh− sau: