Giáo Trình Ghép Kênh Tín Hiệu Số.pdf

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG GHÉP KÊNH TÍN HIỆU SỐ (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội bộ HÀ NỘI 2007 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG GHÉP KÊNH TÍN HIỆU SỐ Bi[.]

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG GHÉP KÊNH TÍN HIỆU SỐ (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 GHÉP KÊNH TÍN HIỆU SỐ Biên soạn : TS CAO PHÁN THS CAO HỒNG SƠN LỜI NÓI ĐẦU Ghép kênh tín hiệu số lĩnh vực quan trọng Khởi đầu ghép kênh tín hiệu số điều xung mã (PCM) điều chế Delta (DM), PCM sử dụng rộng rãi Từ PCM, nhà chế tạo thiết bị viễn thông cho đời thiết bị ghép kênh cận đồng (PDH) sau thiết bị ghép kênh đồng (SDH) Mạng thông tin quang SDH mở giai đoạn công nghệ truyền thông nhằm đáp ứng nhu cầu tăng trưởng nhanh dịch vụ viễn thông, đặc biệt dịch vụ Internet Với tốc độ bit SDH 10 Gbit/s chưa đáp ứng cách đầy đủ cho truyền lưu lượng Internet đã, phát triển theo cấp số nhân Vì cơng nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) xuất Để tận dụng băng tần truyền dẫn miền cửa sổ thứ hai sợi quang đơn mode, kỹ thuật ghép chặt bước sóng DWDM đóng vai trị quan trọng mạng thơng tin quang tồn cầu Tuy nhiên, thơng tin quang SDH cơng nghệ ghép kênh cố định Vì độ rộng băng tần không tận dụng triệt để Theo ước tính hiệu suất sử dụng độ rộng băng tần khả dụng hệ thống thông tin quang SDH đạt 50% Trước thực tế mặt độ rộng băng tần đường truyền bị lãng phí, mặt khác cơng nghệ truyền gói IP ATM địi hỏi hệ thống thơng tin quang SDH phải thoả mãn nhu cầu trước mắt cho tương lai, mà dịch vụ gia tăng phát triển trình độ cao Chỉ thoả mãn nhu cầu tốc độ truyền dẫn nâng cao hiệu suất sử dụng băng tần đường truyền cách thay đổi phương thức truyền tải lưu lượng số liệu Vấn đề mấu chốt ứng dụng phương thức truyền tải tiên tiến kết chuỗi các contenơ, sử dụng phương thức đóng gói số liệu thích hợp, truyền tải gói linh hoạt theo cách tái sử dụng không gian chuyển mạch bảo vệ thông minh để nâng cao độ tin cậy mạng rút ngắn thời gian phục hồi hệ thống có cố Những vấn đề phân tích kỹ chủ đề sau đây: 1) Trình bày số khái niệm truyền dẫn tín hiệu, đặc biệt tín hiệu số phương pháp ghép kênh số 2) Các phương pháp trì mạng Nội dung chủ yếu chuyên đề phương pháp chuyển mạch bảo vệ mạng đường thẳng mạng vòng SDH 3) Các chuẩn Ethernet, mạng vòng thẻ FDDI 4) Các phương thức truyền tải số liệu bao gồm phương thức đóng khung số liệu, kết chuỗi, điều chỉnh dung lượng tuyến, giao thức tái sử dụng khơng gian v.v Sau chương có tập câu hỏi để sinh viên tự kiểm tra đánh giá kiến thức đối chứng với đáp số trả lời phần phụ lục Tài liệu giảng dạy biên soạn theo đề cương mơn học "Ghép kênh tín hiệu số" chương trình đào tạo đại học quy Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Tuy nhiên, lần biên soạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót nội dung hình thức Rất mong độc giả góp ý để tài liệu ngày hồn thiện Ý kiến đóng góp độc giả xin vui lòng gửi trực tiếp cho Phòng Đào tạo Đại học từ xa – Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Xin chân thành cảm ơn! Nhóm tác giả CHƯƠNG I MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Trong chương giới thiệu nội dung sau đây: - Một số khái niệm truyền dẫn tín hiệu số - Các phương pháp số hố tín hiệu analog như: PCM, DPCM DM Trong phương pháp PCM sử dụng rộng rãi hệ thống ghép kênh PDH - Các phương pháp ghép kênh: điểm qua phương pháp ghép kênh theo tần số, theo tần số trực giao, theo thời gian, theo mã, ghép kênh thống kê v.v ghép kênh theo thời gian sử dụng ghép kênh PDH, SDH - Đồng viễn thơng: Đã tiến hành phân tích phương thức đồng như: đồng sóng mang, đồng ký hiệu, đồng bit, đồng khung, đồng gói, đồng mạng, đồng đa phương tiện đồng đồng hồ thời gian thực Tuỳ thuộc vào trường hợp cụ thể mà sử dụng phương thức đồng sử dụng đồng thời số phương thức đồng Chẳng hạn mạng thông tin quang SDH sử dụng đồng mạng, đồng sóng mang, đồng khung, đồng ký hiệu 1.2 NHẬP MƠN GHÉP KÊNH SỐ 1.2.1 Tín hiệu tham số 1.2.1.1 Các loại tín hiệu (1) Tín hiệu analog: tín hiệu analog (tương tự) loại tín hiệu có giá trị biên độ liên tục theo thời gian, thí dụ tín hiệu thoại analog Một dạng điển hình tín hiệu analog sóng hình sine, thể dạng: S(t) = Asin (ωt + ϕ) đó: A biên độ tín hiệu, ω tần số góc (ω = 2πf, f tần số), ϕ pha tín hiệu Nếu tín hiệu tập hợp nhiều tần số ngồi tham số cịn có tham số khác, dải tần tín hiệu (2) Tín hiệu xung: tín hiệu xung loại tín hiệu có giá trị biên độ hàm rời rạc thời gian Điển hình tín hiệu xung tín hiệu xung lấy mẫu tín hiệu analog dựa vào định lý lấy mẫu (3) Tín hiệu số: loại tín hiệu có giá trị biên độ hàm rời rạc thời gian tín hiệu xung Tuy nhiên, khác với tín hiệu xung chỗ biên độ xung 1, mặt khác tập hợp nhóm xung đại diện cho chữ số, ký tự Mỗi xung gọi bit Một vài loại tín hiệu số điển hình như: tín hiệu mức (0 1), cịn có tên tín hiệu xung nhị phân hay tín hiệu xung đơn cực; tín hiệu ba mức (-1, +1), cịn gọi tín hiệu xung tam phân hay tín hiệu xung lưỡng cực (4) Tín hiệu điều biên xung, điều tần xung điều pha xung: trường hợp mà sóng mang xung chữ nhật có biên độ, tần số, pha biến đổi theo quy luật biến đổi biên độ tín hiệu điều chế Ba dạng tín hiệu thường sử dụng mạng thông tin analog 1.2.1.2 Các tham số tín hiệu (1) Mức điện •Mức điện tương đối: L(dB ) = 10 log Px P0 đó: Px cơng suất tín hiệu (mW) điểm cần xác định mức điện, P0 công suất tín hỉệu điểm tham khảo (mW) • Mức điện tuyệt đối: L(dBm ) = 10 log Px 1mW L(dB)m= dBm công suất điểm x mW, L(dBm) > cơng suất tín hiệu điểm x lớn mW, L(dBm) < cơng suất tín hiệu điểm x bé mW (2) Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR (dB ) = 10 log Ps V I = 20 log s = 20 log s Pn Vn In đó: Ps, Vs, Is tương ứng công suất, điện áp dịng điện tín hiệu; Pn, Vn, In tương ứng cơng suất, điện áp dịng điện nhiễu 1.2.2 Đường truyền độ rộng băng tần truyền dẫn 1.2.2.1 Đường truyền Là môi trường truyền dẫn sử dụng để truyền tải tín hiệu, thí dụ đường truyền cáp kim loại, đường truyền cáp sợi quang, đường truyền Radio, v.v Đường truyền phân chia thành tuyến (Path), kênh v.v 1.2.2.2 Độ rộng băng tần truyền dẫn Muốn đo độ rộng băng tần truyền dẫn tín hiệu phải vào quy định sau đây: (1) Độ rộng băng tần điện (BW)e Độ rộng băng tần điện băng tần từ tần số tín hiệu zero đến tần số tín hiệu mà đáp ứng tín hiệu (hệ số khuếch đại, điện áp, dòng điện) giảm 0,707 so với giá trị cực đại đáp ứng tín hiệu (hình 1.1) V/Vmax 0,707 fmax f (BW)e Hình 1.1- Độ rộng băng tần điện (2) Độ rộng băng tần quang (BW)o Độ rộng băng tần quang băng tần từ tần số điều chế zero đến tần số điều chế mà mức cơng suất quang giảm 50% (3dBm) so với công suất quang cực đại, minh hoạ hình 1.2 P(dBm) Pmax dBm f fmax (BW)o Hình 1.2 Độ rộng băng tần quang 1.2.3 Truyền dẫn đơn kênh đa kênh Truyền dẫn đơn kênh đa kênh có ngụ ý hệ thống truyền dẫn quang có hay nhiều bước sóng Thí dụ: hệ thống thơng tin quang thơng thường có bước sóng 1310 nm 1550 nm; đó, hệ thống thơng tin quang ghép bước sóng (WDM) truyền đồng thời hàng chục bước sóng khác nằm miền cửa sổ thứ hai (1300 nm) cửa sổ thứ ba (1550 nm) sợi quang đơn mode 1.2.4 Hệ thống truyền dẫn số tham số 1.2.4.1 Hệ thống truyền dẫn số Hệ thống truyền dẫn số bao gồm hệ thống truyền dẫn cáp sợi quang hệ thống truyền dẫn vi ba số Hệ thống truyền dẫn vi ba số hệ thống đa điểm đường thẳng Hệ thống truyền dẫn số cáp sợi quang sử dụng cấu trúc đường thẳng, vịng hỗn hợp Các cấu hình trình bày chi tiết chương III Dưới giới thiệu khái quát vài cấu trúc hệ thống (1) Hệ thống truyền dẫn đường thẳng Các cấu hình hệ thống truyền dẫn đường thẳng hình 1.3 TRM Đường truyền REG Đường truyền TRM a) Cấu hình điểm nối điểm TRM Đường truyền ADM Đường truyền TRM b) Cấu hình đa điểm, xen/ rẽ Chú thích: TRM- Bộ ghép đầu cuối, ADM- Bộ ghép xen/ rẽ, REG - Bộ tái sinh (bộ lặp) Hình 1.3 Các cấu hình đường thẳng Trong cấu hình điểm nối điểm có hai ghép đầu cuối kết nối trực tiếp với qua lặp đường truyền số, tạo thành đường thẳng, gọi hệ thống đường thẳng Ngồi cịn có tên gọi khác hệ thống hở Cấu hình đa điểm, xen/ rẽ ngồi hai ghép đầu cuối cịn có thêm nhiều ghép xen rẽ kết nối với đường truyền số thành đường thẳng Cấu hình đa điểm, rẽ nhánh hệ thống hở Tại địa điểm xen/rẽ, luồng số tiếp tục truyền tới ghép đầu cuối khác để tạo thành nhánh hệ thống Các cấu hình đường thẳng áp dụng cho vi ba số thông tin cáp sợi quang PDH SDH Các cấu hình khơng có khả tự trì đường truyền có cố, chẳng hạn đứt cáp hỏng nút (2) Hệ thống truyền dẫn vịng (ring) Trong cấu hình có ADM có REG Các nút kết nối với hai bốn sợi quang tạo thành vịng kín, hình 1.4 ADM ADM Ring STM-N ADM ADM Hình 1.4 Cấu hình vịng hệ thống truyền dẫn số 1.2.4.2.Các tham số (1) Tốc độ bit: số bit phát giây Các đơn vị đo tốc độ bit: bit/s, kbit/s (1kbit/s = 103 bit/s), Mbit/s (1Mbit/s = 103 kbit/s = 10 bit/s), Gbit/s (1Gbit/s = 103 Mbit/s = 106 kbit/s = 109 bit/s), Tbit/s (1Tbit/s = 103 Gbit/s = 106 Mbit/s = 109 kbit/s = 1012 bit/s) Tín hiệu số sử dụng mạng thông tin số (2) Tỷ số lỗi bit BER: số bit bị lỗi chia cho tổng số bit truyền - PDH: BER ≤ 10-6 chất lượng đường truyền bình thường, 10-6 < BER < 10-3 chất lượng đường truyền giảm sút (cảnh báo vàng), BER ≥ 10-3 chất lượng đường truyền xấu (cảnh báo đỏ) - SDH: BER ≤ 10-9 chất lượng đường truyền bình thường, BER = 10-6 chất lượng đường truyền giảm sút (cảnh báo vàng), BER = 10-3 chất lượng đường truyền xấu (cảnh báo đỏ) (3) Rung pha (Jitter) Rung pha điều chế pha khơng mong muốn tín hiệu xung xuất truyền dẫn số biến đổi nhỏ thời điểm có ý nghĩa tín hiệu so với thời điểm lý tưởng Khi rung pha xuất thời điểm chuyển mức tín hiệu số sớm muộn so với tín hiệu chuẩn, minh hoạ hình 1.5 Biên độ a) Xung nhịp chuẩn t Đường bao bị rung pha Biên độ t Đường bao chuẩn b) Tín hiệu số bị rung pha Hình 1.5 Tín hiệu số bị rung pha Rung pha xuất cự ly đường truyền khác nên trễ khác nhau, lệch tần số đồng hồ nguồn đồng hồ thiết bị thu mạng, lệch tần số đồng hồ thiết bị SDH tần số luồng nhánh PDH 1.3 SỐ HỐ TÍN HIỆU ANALOG Số hố tín hiệu analog chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số Muốn sử dụng phương pháp sau đây: - Điều xung mã (PCM) - Điều xung mã vi sai (DPCM) - Điều chế Delta (DM) Sau trình bày phương pháp số hố tín hiệu analog 1.3.1 Điều xung mã PCM PCM đặc trưng ba q trình Đó lấy mẫu, lượng tử hố mã hố Ba q trình gọi chuyển đổi A/D Muốn khơi phục lại tín hiệu analog từ tín hiệu số phải trải qua hai trình: giải mã lọc Hai trình gọi chuyển đổi D/A Sơ đồ khối trình chuyển đổi A/D D/A hình 1.6 Tín hiệu analog Bộ lấy mẫu Bộ lượng Bộ mã tử hoá VPAM hoá-nén số Đường truyền Bộ giải mã - dãn số Chuyển đổi A/D Bộ lọc thấp Tín hiệu analog Chuyển đổi D/A Hình 1.6- Sơ đồ khối trình chuyển đổi A/D D/A hệ thống PCM 1.3.1.1 Chuyển đổi A/D (1) Lấy mẫu Hình 1.7 thể lấy mẫu tín hiệu analog Đây q trình chuyển đổi tín hiệu analog thành dãy xung điều biên (VPAM) Chu kỳ dãy xung lấy mẫu (Tm) xác định theo định lý lấy mẫu Nyquist: Tm ≤ f max (1.1) f-max tần số lớn tín hiệu analog S(t) Xung lấy mẫu Tín hiệu analog t Tm Hình 1.7- Lấy mẫu tín hiệu analog Tín hiệu thoại có băng tần hữu hiệu từ 0,3 đến 3,4 kHz Từ biểu thức (1.1), lấy giá trị fmax = 4000 Hz Do chu kỳ lấy mẫu tín hiệu thoại là: Tm = = 125μs × 4000 Hz (1.2) Hoặc tần số lấy mẫu tín hiệu thoại: f m = f max = 8kHz (1.3) (2) Lượng tử hố Lượng tử hố làm trịn biên độ xung lấy mẫu tới mức lượng tử gần Có nghĩa gán cho xung lấy mẫu số ngun phù hợp Mục đích lượng tử hố để mã hoá giá trị xung lấy mẫu thành từ mã có số lượng bít Có hai phương pháp lượng tử hố: khơng • Lượng tử hố Hình 1.8 minh hoạ lượng tử hoá Lượng tử hoá chia biên độ xung lấy mẫu thành khoảng nhau, khoảng bước lượng tử đều, ký hiệu Δ Các đường song song với trục thời gian mức lượng tử Sau làm trịn biên độ xung lấy mẫu tới mức lượng tử gần nhận xung lượng tử Nếu biên độ tín hiệu analog biến thiên khoảng từ -a đến a số lượng mức lượng tử Q Δ có mối quan hệ sau đây: 2a =Δ Q (1.4) S(t) Xung lượng tử Δ - Bước lượng tử Tín hiệu analog Mức lượng tử t Tm Hình 1.8- Lượng tử hố Làm trịn biên độ xung lấy mẫu gây méo lượng tử Biên độ xung méo lượng tử nằm giới hạn từ - Δ/2 đến +Δ/2 Công suất méo lượng tử PMLT xác định theo biểu thức sau đây: P MLT = +Δ / 2 ∫ a WLT (a )da (1.5) −Δ / đó: a biên độ tín hiệu analog, WLT(a) xác suất phân bố giá trị tức thời biên độ xung lấy mẫu bước lượng tử WLT(a) = 1/Δ Thay biểu thức (1.4) vào kết lấy tích phân nhận được: PMLT = Δ2 12 (1.6) Từ biểu thức (1.6) thấy công suất méo lượng tử phụ thuộc vào Δ, không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu Như tỷ số cơng suất tín hiệu có biên độ lớn cơng suất nhiễu lượng tử lớn tỷ số công suất tín hiệu có biên độ yếu cơng suất méo lượng tử Theo phân tích phổ tín hiệu thoại chủ yếu thành phần tín hiệu có cường độ yếu tạo thành Vì sử dụng lượng tử hố làm giảm chất lượng tín hiệu thoại đầu thu Muốn khắc phục nhược điểm này, thiết bị ghép kênh PCM sử dụng lượng tử hố khơng • Lượng tử hố khơng Trái với lượng tử hố đều, lượng tử hố khơng chia biên độ xung lấy mẫu thành khoảng không theo nguyên tắc biên độ xung lấy mẫu lớn độ dài bước lượng tử lớn, hình 1.9 Lượng tử hố khơng thực cách sử dụng nén S(t) Xung lượng tử Δi - Bước lượng tử không Tín hiệu analog Mức lượng tử t Tm Hình 1.9- Lượng tử hố khơng (3) Mã hố - nén số • Đặc tính biên độ mã hố - nén số Chức mã hoá chuyển đổi biên độ xung lượng tử thành từ mã gồm số bit định Theo kết nghiên cứu tính tốn nhiều tác giả trường hợp lượng tử hoá đều, biên độ cực đại xung lấy mẫu tín hiệu thoại 4096 Δ Do từ mã phải chứa 12 bit, dẫn tới hậu tốc độ bit kênh thoại lớn gấp 1,5 lần tốc độ bit tiêu chuẩn 64 kbit/s Muốn nhận tốc độ bit tiêu chuẩn, thường sử dụng nén có đặc tính biên độ dạng logarit, cịn gọi nén analog Biểu thức toán học nén analog theo tiêu chuẩn châu Âu có dạng: ⎧ Ax ⎪⎪1 + ln A ≤ x ≤ A y=⎨ ⎪1 + ln Ax < x ≤ ⎪⎩ + ln A A (1.7) đó: A= 87,6 đặc trưng cho mức độ nén, x = Vvào/ Vvào max y = Vra/ Vra max Tuy nhiên, nén analog phía mã hố dãn analog phía giải mã chứa diode bán dẫn nên gây méo phi tuyến Trong PCM sử dụng mã hoá - nén số giải mãdãn số để loại trừ méo phi tuyến Tóm lại, sử dụng mã hố- nén số vừa đạt mục tiêu lượng tử hố khơng đều, vừa đạt mục tiêu từ mã có bit Dựa vào đặc tính biên độ nén analog luật A để xây dựng đặc tính biên độ mã hoá nén số cách gần hố đường cong logarit thành 13 đoạn thẳng Vì đặc tính biên độ mã hố - nén số có tên mã hố - nén số A = 87,6/13 Hình 1.10 nhánh dương (tại góc 1/4 thứ hệ toạ độ) đặc tính biên độ mã hoá nén số A = 87,6/13 Nhánh âm (tại góc 1/4 thứ III) đặc tính biên độ đối xứng với nhánh dương qua gốc toạ độ Bốn đoạn gần gốc toạ độ có góc nghiêng nên gộp thành đoạn, tồn đặc tính biên độ có 13 đoạn thẳng Trên trục hoành đặt giá trị điện áp vào theo tỷ lệ logarit Giá trị điện áp vào đầu đoạn ghi rõ hình vẽ Trên trục tung đặt giá trị điện áp chia thành đoạn nhau, đoạn có 16Δ Trục hoành chia làm đoạn, đoạn gồm 16 bước lượng tử (Δi, i số thứ tự đoạn) Biên độ bước lượng tử Δi xác định dựa vào quy luật biên độ bước lượng tử đoạn sau lớn gấp đôi biên độ bước lượng tử đoạn trước liền kề Thật vậy: Δ7 = (2048Δ- 1024Δ)/ 16 = 64Δ, Δ6 = (1024Δ- 512Δ)/ 16 = 32Δ, suy Δ5 = 16Δ, Δ4 = 8Δ, Δ3 = 4Δ, Δ2 = 2Δ, Δ1= Δ0 = Δ 128Δ Vra y 112Δ y 96Δ y 80Δ y 64Δ y 48Δ y VII VI V IV III II 32Δ 16Δ y I 0Δ 128Δ 64Δ 32Δ 16Δ 256Δ 512Δ 1024Δ 2048Δ Vvào Hình 1.10- Nhánh dương đặc tính biên độ mã hố- nén số A= 87,6/13 • Hoạt động mã hoá nén số Bộ mã hoá nén số hoạt động theo nguyên tắc so sánh giá trị biên độ xung lượng tử chưa bị nén với nguồn điện áp mẫu để xác định giá trị bit Trong mã hố - nén số có 11 loại nguồn điện áp mẫu bảng 1.1 Ký hiệu biên độ điện áp xung cần mã hoá VPAM - Chọn bit dấu b1: VPAM ≥ 0Δ b1= 1; VPAM < 0Δ b1= - Chọn đoạn: xác định biên độ xung thuộc đoạn 10 Xác định b2: VPAM ≥ 128Δ b2 = 1; VPAM < 128Δ b2 = Xác định b3: có hai trường hợp: Trường hợp thứ nhất, b2 = 1: VPAM ≥ 512Δ b3 = 1; VPAM < 512Δ b3 = Trường hợp thứ hai, b2 = 0: VPAM ≥ 32Δ b3 = 1; VPAM < 32Δ b3 = Xác định b4: có trường hợp: Trường hợp thứ nhất, b2b3 = 00: VPAM ≥ 16Δ b4 = 1; VPAM < 16Δ b4 = Trường hợp thứ hai, b2b3 = 01: VPAM ≥ 64Δ b4 = 1; VPAM < 64Δ b4 = Trường hợp thứ ba, b2b3 = 10: VPAM ≥ 256Δ b4 = 1; VPAM < 256Δ b4 = Trường hợp thứ tư, b2b3 = 11: VPAM ≥ 1024Δ b4 = 1; VPAM < 1024Δ b4 = Bảng 1.1- Các nguồn điện áp mẫu T.T đoạn Mã đoạn Điện áp mẫu chọn bước đoạn Điện áp mẫu b2 b3 b4 b8 b7 b6 b5 000 Δ 2Δ 4Δ 8Δ 0Δ I 001 Δ 2Δ 4Δ 8Δ 16Δ II 010 2Δ 4Δ 8Δ 16Δ 32Δ III 011 4Δ 8Δ 16Δ 32Δ 64Δ IV 100 8Δ 16Δ 32Δ 64Δ 128Δ V 101 16Δ 32Δ 64Δ 128Δ 256Δ VI 110 32Δ 64Δ 128Δ 256Δ 512Δ VII 111 64Δ 128Δ 256Δ 512Δ 1024Δ đầu đoạn - Chọn bước đoạn: sau biết biên độ xung thuộc đoạn nào, tiếp tục xác định biên độ xung thuộc bước đoạn ấy, tức xác định giá trị bit b5 b6 b7 b8 Nguyên tắc chung đem VPAM so sánh với tổng nguồn điện áp mẫu; gồm điện áp mẫu đầu đoạn, điện áp mẫu bit điện áp mẫu bit xác định trước giá trị chúng (trường hợp bit xác định trước có giá trị nguồn chuẩn tương ứng với chúng 0) Xác định b5: VPAM ≥ ΣVm1 b5 = 1; VPAM < ΣVm1 b5 = 0, ΣVm1= Vmđđ + Vm(b5) 11 Xác định b6: VPAM ≥ ΣVm2 b6 = 1; VPAM < ΣVm2 b6 = 0, ΣVm2 = Vmđđ + Vm(b6) + Vm(b5 = 1) Xác định b7: VPAM ≥ ΣVm3 b7 = 1; VPAM < ΣVm3 b7 = 0, ΣVm3 = Vmđđ + Vm(b7) + Vm(b5 = 1) + Vm(b6 = 1) Xác định b8: VPAM ≥ ΣVm4 b8 = 1; VPAM < ΣVm4 b8 = 0, ΣVm4 = Vmđđ + Vm(b8) + Vm(b5 = 1) + Vm(b6 = 1)+ Vm(b7 = 1) Sau xác định giá trị bit b5 b6 b7 b8, dựa vào bảng 1.2 biết biên độ xung thuộc bước đoạn Có nghĩa đầu mã hoá xuất bit mã bước tương ứng Bảng 1.2- Mã bước TT bước b5 b6 b7 b8 TT bước b5 b6 b7 b8 0000 1000 0001 1001 0010 10 1010 0011 11 1011 0100 12 1100 0101 13 1101 0110 14 1110 0111 15 1111 1.3.1.2 Chuyển đổi D/A Các trình chuyển đổi D/A hình 1.6 Bộ giải mã - dãn số có chức chuyển đổi từ mã bit thành xung lượng tử bị nén sau dãn biên độ xung tới giá trị chưa bị nén Dãy xung đầu giải mã - dãn số qua lọc thơng thấp có tần số cắt 3,4 kHz để khơi phục lại tín hiệu thoại analog Thí dụ: đầu vào giải mã - dãn số có từ mà 10110101, xác định biên độ xung đầu b1 = 1, giải mã thành xung dương 011 ứng với đoạn III, đầu giải mã - dãn số có nguồn điện áp mẫu đầu đoạn III 64Δ Bit thứ sáu ứng với b6 nên có thêm nguồn điện áp mẫu 16Δ Bit thứ tám b8 nên đầu có thêm nguồn điện áp mẫu 4Δ Như đầu giải mã- dãn số có tổng ba nguồn điện áp mẫu 84Δ 1.3.2 Điều xung mã vi sai DPCM Trong phương pháp mã hoá - nén số PCM từ mã có bit, tốc độ bit kênh thoại 64 kbit/s Một phương pháp số hố tín hiệu thoại analog khác mà từ mã cần bốn bit, nên giảm tốc độ bit kênh thoại xuống cịn nửa Đó phương pháp DPCM 1.3.2.1 Chuyển đổi A/D Sơ đồ khối máy phát DPCM thể hình 1.11a 12 Bộ lọc để hạn chế dải tần tín hiệu thoại analog đến 3,4 kHz Bộ lấy mẫu có tần số lấy mẫu ~ fm = kHz Xn giá trị biên độ xung lấy mẫu X n−i giá trị biên độ xung lấy mẫu trước Xˆ n giá trị dự đoán biên độ xung lấy mẫu tiếp theo: p ~ Xˆ n = ∑ X n −i (1.8) i =1 đó: hệ số dự đoán, chọn để tối thiểu hoá sai số giá trị biên độ xung lấy mẫu Xn giá trị dự đoán biên độ xung lấy mẫu Xˆ n giá trị dự đoán biên độ xung lấy mẫu tiếp theo, ngoại suy từ p giá trị xung lấy mẫu trước en hiệu số, hay gọi vi sai Xn Xˆ en mã hoá thành bit Bit thứ bit dấu en Khi en n dương bit dấu 1, en âm bit dấu Ba bit cịn lại sử dụng để mã hoá giá trị tuyệt đối en Trước mã hoá, en lượng tử hố đều, có nghĩa gán cho en số nguyên tương ứng giống PCM Chỉ khác PCM chỗ en bé biên độ xung lấy mẫu nên cần bit để mã hoá Tín hiệu analog Bộ lọc Bộ lấy mẫu Xn en ∧ Bộ mã hoá ~ X n = ∑ X n −i p i a) Máy phát Tín hiệu DPCM Bộ giải mã en Bộ dự đốn Tín hiệu DPCM b) Máy thu Bộ giải mã en ⊕ ~ Xn ⊕~ Xn Bộ lọc p ∧ ~ X n = ∑ X n −i Tín hiệu analog i Bộ dự đốn Hình 1.11- Sơ đồ khối máy phát (a) máy thu (b) DPCM 1.3.2.2 Chuyển đổi D/A Sơ đồ khối máy thu DPCM hình 1.11b Tín hiệu DPCM đầu vào từ mã bit Sau giải mã, từ mã chuyển thành xung có biên độ en đưa tới cộng Một đầu vào khác cộng nối tới đầu dự đoán Đầu cộng xuất xung lấy mẫu có biên độ xung lấy mẫu phía phát Dãy xung lấy mẫu qua lọc để khôi phục lại tín hiệu analog 1.3.3 Điều chế Delta (DM) Khác với PCM DPCM, điều chế Delta từ mã có bit (-1 +1) Mặt khác để tránh méo tín hiệu analog phía thu, tần số lấy mẫu phía phát lớn nhiều lần 13 so với tần số lấy mẫu PCM DPCM (fm = kHz) Tần số lấy mẫu DM xác định theo biểu thức sau đây: fm(DM) ≥ 2π f(TH) amax /Δ (1.9) đó: fm(DM) tần số lấy mẫu DM (kHz), f(TH) tần số cực đại tín hiệu analog (kHz), amax biên độ cực đại tín hiệu analog (V), Δ bước lượng tử (V) 1.3.3.1 Chuyển đổi A/D Quá trình thực DM thể hình 1.12 Tín hiệu analog lấy mẫu theo chu kỳ Tm(DM) (Tm(DM) = 1/ fm(DM) ) Thiết lập hàm bậc thang bậc Δ theo nguyên tắc sườn tín hiệu tăng bậc thang lên, sườn tín hiệu nằm ngang bậc thang nằm ngang, sườn tín hiệu giảm bậc thang xuống Tại thời điểm lấy mẫu giá trị tín hiệu X(t) lớn giá trị hàm bậc thang trước chu kỳ nhận ΔV> mã hố ΔV thành +1 Ngược lại, thời điểm lấy mẫu mà giá trị X(t) bé giá trị hàm bậc thang ΔV < mã hố thành -1 Trong quãng thời gian sườn tín hiệu tăng giảm nhanh hàm bậc thang tăng giảm khơng kịp gây q tải sườn (phần có đường đứt nét hình 1.12) Biên độ Tín hiệu analog Quá tải sườn Δ Hàm bậc thang Tín hiệu DM t Hình 1.12- Chuyển đổi A/D DM 1.3.3.2 Chuyển đổi D/A Tại phía thu tái lập lại hàm bậc thang dựa vào kết giải mã Nhận dãy bit 1, tích phân máy thu tạo dãy bậc thang lên, nhận dãy bit -1 đan xen tích phân tạo dãy bậc nằm ngang nhận dãy bit -1 tích phân tạo lập dãy bậc thang xuống Tín hiệu dạng bậc thang qua lọc tách giá trị trung bình hàm bậc thang động tác khơi phục lại tín hiệu analog Vì tín hiệu analog đầu lọc giá trị trung bình hàm bậc thang nên quãng thời gian q tải sườn dạng sóng tín hiệu analog thu bị lệch so với dạng sóng analog phía phát Do q tải sườn gây méo tín hiệu Để khắc phục méo tín hiệu tải sườn cần sử dụng kỹ thuật điều chế Delta thích ứng (ADMo) 1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP GHÉP KÊNH 1.4.1 Ghép kênh phân chia theo tần số FDM 14 Khái niệm: ghép kênh theo tần số tần số (hoặc băng tần) kênh khác nhau, truyền đồng thời qua môi trường truyền dẫn Muốn phải sử dụng điều chế, giải điều chế lọc băng 1.4.1.1 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động FDM Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh tách kênh theo tần số hình 1.13 Sơ đồ có N nhánh, nhánh dành cho kênh Sơ đồ có cấp điều chế, thực tế có nhiều cấp điều chế Tuỳ thuộc môi trường truyền dẫn vô tuyến, dây trần, cáp đối xứng hay cáp đồng trục mà sử dụng số cấp điều chế cho thích hợp Phía phát: tín hiệu tiếng nói qua lọc thấp để hạn chế băng tần từ 0,3 đến 3,4 kHz Băng tần điều chế theo phương thức điều biên với sóng mang fN để hai băng bên Trong ghép kênh theo tần số truyền băng bên, loại bỏ băng bên thứ hai sóng mang nhờ lọc băng, biễu diễn hình 1.14 Trong hình 1.14 thí dụ truyền băng Tại cấp điều chế kênh, khoảng cách hai sóng mang kề kHz Bộ lọc thấp Bộ điều chế Bộ lọc băng Bộ lọc băng Bộ giải điều chế f1 f1 Bộ lọc thấp Bộ điều chế Bộ lọc băng Bộ lọc băng Bộ giải điều chế Bộ lọc thấp f2 f2 Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Bộ điều chế Bộ lọc băng Bộ lọc băng Bộ giải điều chế Bộ lọc thấp fN fN Hình 1.13- Sơ đồ khối hệ thống ghép kênh theo tần số Đặc tính suy hao - tần số lọc băng Băng tần thoại 0,3 3,4 Băng Băng fN f (kHz) Hình 1.14- Tín hiệu điều biên cấp điều chế kênh Cấp điều chế kênh hình thành băng tần sở 60 ÷ 108 kHz Từ băng tần sở tạo băng tần nhóm trung gian nhờ sóng mang nhóm trung gian Từ băng tần nhóm trung gian tạo băng tần đường truyền nhờ sóng mang thích hợp N lọc băng đầu nhánh phát nối song song với 15 Phía thu: lọc băng nhánh phát nhánh thu kênh có băng tần Đầu vào nhánh thu có N lọc băng nối song song đóng vai trò tách kênh Bộ điều chế nhánh phát sử dụng sóng mang giải điều chế kênh sử dụng sóng mang Tín hiệu kênh giải điều chế với sóng mang đầu giải điều chế băng âm tần cịn có thành phần tần số cao Bộ lọc thấp loại bỏ thành phần tần số cao, giữ lại băng âm tần Ghép kênh theo tần số có ưu điểm điều chế giải điều chế có cấu tạo đơn giản (sử dụng diode bán dẫn), băng tần kênh kHz nên ghép nhiều kênh Chẳng hạn, máy ghép kênh cáp đồng trục ghép tới 1920 kênh Tuy nhiên sử dụng điều biên nên khả chống nhiễu 1.4.1.2 Ghép phân chia theo tần số trực giao OFDM (1) Mở đầu Ghép phân chia theo tần số trực giao công nghệ lĩnh vực truyền dẫn áp dụng cho môi trường khơng dây, thí dụ truyền radio Khi áp dụng vào mơi trường có dây đường dây th bao số không đối xứng (ADSL), thường sử dụng thuật ngữ đa âm rời rạc (DMT) Tuy thuật ngữ có khác chất hai kỹ thuật phát sinh từ ý tưởng Vì phần xét trường hợp sử dụng cho môi trường khơng dây Như trình bày phần FDM, băng tần tổng đường truyền chia thành N kênh tần số khơng chồng lấn Tín hiệu kênh điều chế với sóng mang phụ riêng N kênh ghép phân chia theo tần số Để tránh giao thoa kênh, băng tần bảo vệ hình thành hai kênh kề Điều gây lãng phí băng tần tổng Để khắc phục nhược điểm FDM, cần sử dụng N sóng mang phụ chồng lấn, trực giao với Điều kiện trực giao sóng mạng phụ tần số sóng mang phụ số nguyên lần chu trình (T) ký hiệu, biểu thị hình 1.15 Đây vấn đề quan trọng kỹ thuật OFDM Biên độ chuẩn hoá 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0.2 0.4 Thời gian chuẩn hoá (t / T) 0.6 0.8 Hình 1.15 Ba sóng mang phụ trực giao ký hiệu OFDM (2) Mơ hình hệ thống Để điều chế sóng mang trực giao cần sử dụng phương pháp biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) Hình 1.16 sơ đồ điều chế OFDM 16 ej2πf1tm dn ⊗ Chuyển nối tiếp thành song song ej2πfN-1tm ⊗ ⊕ Sm Hình 1.16 Bộ điều chế OFDM Đầu vào điều chế có dãy số liệu d0, d1, , dN-1 dn ký hiệu phức (có thể nhận từ đầu điều chế phức QAM, PSK, v.v.) Giả thiết thực biến đổi Fourier ngược dãy 2dn nhận N số phức Sm (m = 0,1, , N-1): N −1 N −1 nm ⎞ ⎛ S m = ∑ d n exp⎜ j 2π ⎟ = ∑ d n exp( j 2πf n t )[m = 0,1, N − 1] N ⎠ n =0 n=0 ⎝ (1.10) fn = n NTS t = mTS TS chu kỳ ký hiệu gốc Cho phần thực dãy ký hiệu biểu thức (1.10) qua lọc lấy thấp ký hiệu riêng quãng thời gian TS nhận phiên băng gốc tín hiệu ODFFM: ⎧ N −1 n ⎞⎫ ⎛ y (t ) = Re ⎨ ∑ d n exp⎜ j 2π t ⎟⎬ T ⎠⎭ ⎝ ⎩ n =0 ≤ t ≤ T (1.11) đó, T = NTS 1.4.2 Ghép phân chia theo thời gian TDM Khi có nhiều tín hiệu có tần số băng tần truyền thời điểm phải sử dụng ghép kênh theo thời gian Có thể ghép kênh theo thời gian tín hiệu analog tín hiệu số Dưới trình bày hai phương pháp ghép kênh 1.4.2.1 TDM tín hiệu tương tự (1) Sơ đồ khối ghép Sơ đồ khối TDM kênh hình 1.17 Tín hiệu analog Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Bộ chuyển mạch Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Bộ phân phối Đường truyền ° Phát xung ĐB Tín hiệu Bộ lọc analog thấp Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp ° Thu xung ĐB Hình 1.17 Sơ đồ khối ghép kênh theo thời gian 17 (2) Nguyên lý hoạt động Bộ lọc thấp hạn chế băng tần tín hiệu thoại analog tới 3,4 kHz Bộ chuyển mạch đóng vai trị lấy mẫu tín hiệu kênh, chổi chuyển mạch quay vòng hết 125 μs, chu kỳ lấy mẫu Chổi tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh kênh xung kênh truyền Trước hết xung đồng truyền xung kênh 1, 2, Kết thúc chu kỳ ghép lại có xung đồng ghép tiếp xung thứ hai kênh Quá trình tiếp diễn liên tục theo thời gian Để phía thu hoạt động đồng với phía phát, yêu cầu chổi phân phối quay tốc độ đồng pha với chổi chuyển mạch Nghĩa hai chổi phải tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh vị trí tương ứng Yêu cầu đồng máy phát máy thu đáp ứng nhờ xung đồng Phía thu, sau tách dãy xung kênh cần khơi phục lại tín hiệu analog nhờ sử dụng lọc thấp giống lọc phía phát Hình ảnh ghép kênh theo thời gian tín hiệu kênh minh hoạ hình 1.18 S1(t) t S2(t) t S3(t) t XR(t) XĐB XĐB XĐB 3 125μs t XR(t) dãy xung ghép đầu chuyển mạch Hình 1.18- Dạng sóng TDM 1.3.2.2 TDM tín hiệu số (1) Sơ đồ khối ghép Sơ đồ khối ghép TDM tín hiệu số thể hình 1.19 (2) Nguyên lý hoạt động Quá trình hoạt động chuyển mạch phân phối trình bày phần TDM tín hiệu tương tự (analog) Sau trình bày hoạt động TDM tín hiệu số Phía phát: sau lấy mẫu tín hiệu thoại analog kênh, xung lấy mẫu đưa vào mã hoá để tiến hành lượng tử hoá mã hoá xung thành từ mã nhị phân gồm bit 18 Các bit tin ghép xen byte để tạo thành khung nhờ khối tạo khung Trong khung cịn có từ mã đồng khung đặt đầu khung bit báo hiệu ghép vào vị trí quy định trước Bộ tạo xung chức tạo từ mã đồng khung cịn có chức điều khiển khối nhánh phát hoạt động Phía thu: dãy tín hiệu số vào máy thu Dãy xung đồng hồ tách từ tín hiệu thu để đồng bộ tạo xung thu Bộ tạo xung phía phát phía thu thiết kế có tốc độ bit nhau, đặt xa nên chịu tác động thời tiết khác nhau, gây sai lệch tốc độ bit Vì khống chế dãy xung đồng hồ, tạo xung thu hoạt động ổn định Khối tái tạo khung tách từ mã đồng khung để làm gốc thời gian bắt đầu khung, tách bit báo hiệu để xử lý riêng, byte tin đưa vào giải mã để chuyển từ mã bit thành xung Do phân phối hoạt động đồng với chuyển mạch nên xung kênh đầu giải mã chuyển vào lọc thấp kênh tương ứng Đầu lọc thấp tín hiệu thoại analog Bộ tạo xung phía thu điều khiển hoạt động khối nhánh thu Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Tín hiệu analog Báo hiệu Các bit báo hiệu ° Bộ mã hoá Bộ tạo xung Tạo khung Từ mã đồng khung Đường truyền Tái tạo khung Tách Đ hồ Bộ giải mã Bộ tạo xung Bộ chuyển mạch ° Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Bộ lọc thấp Bộ phân phối Tín hiệu analog Hình 1.19- Sơ đồ khối hệ thống TDM tín hiệu số 1.4.2.3 Ghép kênh thống kê (1) Mở đầu Trong ghép phân chia theo thời gian đồng trình bày việc phân bổ khe thời gian cho nguồn tĩnh, nghĩa cố định; nguồn khơng có số liệu khe bị bỏ trống, gây lãng phí Để khắc phục nhược điểm cần sử dụng phương pháp ghép thời gian thống kê (2) Đặc điểm TDM thống kê - Phân bổ khe thời gian linh động theo yêu cầu; - Bộ ghép kênh thống kê rà soát đường dây đầu vào tập trung số liệu ghép đầy khung gửi đi; - Không gửi các khe thời gian rỗng cịn có số liệu từ nguồn bất kỳ; - Tốc độ số liệu đường truyền thấp tốc độ số liệu đường dây đầu vào; - Nếu có n cổng I/O đưa vào ghép thống kê, có k khe thời gian khả dụng, k