Thiết kế bộ PLL số cho đồng bộ đồng hồ trong máy thu tín hiệu số

Như chúng ta đã biết thông tin số là sử dụng tín hiệu số để truyền thông tin người dùng, tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị, và thời gian tồn tại của tín hiệu số là xác định.Việc truyền dẫn thông tin số bao gồm nhiều vấn đề nhưng một vấn đề sống còn của thông tin số, truyền dẫn số là vấn đề đồng bộ. Đồng bộ bao gồm đồng bộ pha sóng mang và đồng bộ đồng hồ. Đồng bộ pha sóng mang đảm bảo rằng tín hiệu thu và phát có cùng một tần số, pha đầu, phục vụ giải điều chế tốt nhất, đặc biệt là đối với các hệ thống giải điều chế kết hợp (coherent detection). Còn đồng bộ đồng hồ đảm bảo cho pha của tín hiệu thu và phát bằng nhau, để quá trình giải điều chế số được thực hiện chính xác. Có thể nói rằng nếu không có đồng bộ thì không thể thực hiện truyền dẫn các tín hiệu số và như vậy sẽ không có thông tín số.Một thiết bị quan trọng sử dụng trong quá trình đồng bộ là PLL (Phase Locked Loop), ở đây PLL đóng vai trò là thiết bị khôi phục lại sóng mang trong đồng bộ sóng mang, và khôi phục lại đồng bộ về pha tín hiệu trong đồng bộ đồng hồ. Một dạng đặc biệt của PLL là một bộ DPLL (Digital PLL), được sử dụng để đồng bộ đồng hồ thu với đồng hồ phát.

MỤC LỤC Lời nói đầu……………………………………………………………… 3 Chương 1: Một số vấn đề về truyền dẫn số……………………… … 5 1.1 Hệ thống thông tin số, hệ thống truyền dẫn số 5 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số, và các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số………………………6 1.1.2 Hệ thống truyền dẫn số……………………………… 9 1.2 Mã hoá tín hiệu và ghép kênh………………… ………… 11 1.2.1 Các cách mã hoá tín hiệu………… ……………… 11 1.2.2 Điều chế mã xung PCM (Pulse Code Modulation)… 14 1.2.3 Ghép kênh………………………………………… 21 1.3 Truyền dẫn các tín hiệu số 29 1.3.1 Các phương thức điều chế cơ bản 29 1.3.2 Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thực 31 Chương 2: Đồng bộ trong truyền dẫn số 40 2.1 Vai trò của đồng bộ 40 2.2 Tách tín hiệu tham chiếu 42 2.2.1 Tách sóng mang tham chiếu 42 2.2.2 Tách đồng hồ tham chiếu 42 2.3 Lý thuyết PLL … 43 2.3.1 Sơ đồ khối PLL 43 2.3.2 PLL tuyến tính và phi tuyến 46 Chương 3: Thiết kế PLL số……………………………………………50 3.1 Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của DPLL…………………… 50 3.1.1 Sơ đồ khối và hoạt động của DPLL 50 1 3.1.2 Đặc trưng của DPLL và cải thiện hoạt động của DPLL bằng bộ lọc dãy 53 3.1.3 Sơ đồ nguyên lý 58 3.2 Tính toán các tham số 64 3.3 Mô phỏng hoạt động của DPLL để kiểm chứng 65 Kết luận 71 Tài liệu tham khảo 73 2 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay các hệ thống thông tin số đã, đang và sẽ chiếm lĩnh lĩnh vực thông tin liên lạc trong thời gian tới. Với những ưu điểm vượt trội, tuy rằng còn có một số hạn chê về mặt hiệu quả sử dụng băng thông, rõ ràng thông tin số chiếm ưu thế hơn so với thông tin tương tự, có thể kể ra một số nguyên nhân sau:  Tín hiệu số khoẻ hơn đối với tạp âm so với tín hiệu analog, vì tín hiệu số có khả năng tái tạo theo ngưỡng qua sau từng cự ly (chặng) nhất định và có thể dễ dàng áp dụng mã chống nhiễu.  Hệ thống thông tin số có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì (OA&M) một cách tự động cao.  Tín hiệu số có thể truyền mọi loại bản tin, rời rạc hay liên tục, đây là tiền đề cho việc hợp nhất các mạng thông tin truyền thoại hay số liệu thành một mạng duy nhất. Như chúng ta đã biết thông tin số là sử dụng tín hiệu số để truyền thông tin người dùng, tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị, và thời gian tồn tại của tín hiệu số là xác định. Việc truyền dẫn thông tin số bao gồm nhiều vấn đề nhưng một vấn đề sống còn của thông tin số, truyền dẫn số là vấn đề đồng bộ. Đồng bộ bao gồm đồng bộ pha sóng mang và đồng bộ đồng hồ. Đồng bộ pha sóng mang đảm bảo rằng tín hiệu thu và phát có cùng một tần số, pha đầu, phục vụ giải điều chế tốt nhất, đặc biệt là đối với các hệ thống giải điều chế kết hợp (coherent detection). Còn đồng bộ đồng hồ đảm bảo cho pha của tín hiệu thu và phát bằng nhau, để quá trình giải điều chế số được thực hiện chính xác. Có thể nói rằng nếu không có đồng bộ thì không thể thực hiện truyền dẫn các tín hiệu số và như vậy sẽ không có thông tín số. 3 Một thiết bị quan trọng sử dụng trong quá trình đồng bộ là PLL (Phase Locked Loop), ở đây PLL đóng vai trò là thiết bị khôi phục lại sóng mang trong đồng bộ sóng mang, và khôi phục lại đồng bộ về pha tín hiệu trong đồng bộ đồng hồ. Một dạng đặc biệt của PLL là một bộ DPLL (Digital PLL), được sử dụng để đồng bộ đồng hồ thu với đồng hồ phát. Do những vấn đề ở trên em đã chọn đồ án tốt nghiệp đại học là: ”Thiết kế bộ PLL số cho đồng bộ đồng hồ trong máy thu tín hiệu số” . Đồ án của em bao gồm 3 chương:  Chương 1: Một số vấn đề về truyền dẫn số.  Chương 2: Đồng bộ trong truyền dẫn số.  Chương 3: Thiết kế PLL số. Qua thời gian thực hiện, bản thân em tự nhận thấy còn có nhiều sai sót, kính mong các thầy cô giáo, các bạn đóng góp cho bản thân và cho đồ án để em có thể tiếp tục hoàn thiện và có thể đưa ra được sản phẩm cụ thể trong thời gian tiếp theo. 4 CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ TRUYỀN DẪN SỐ 1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ, HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền tin tức từ nơi này đến nơi khác. Tin tức được đưa từ nguồn tin tới bộ phận nhận tin dưới dạng các bản tin. Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng rời rạc hay liên tục, tương ứng chúng ta có nguồn tin rời rạc hay liên tục. Biểu diễn vật lý của một bản tin được gọi là tín hiệu, có nhiều loại tín hiệu khác nhau tuỳ thuộc vào đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu, như: cường độ dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng… và tuỳ theo dạng tín hiệu được sử dụng để truyền tải tin tức là các tín hiệu tương tự (analog) hay số (digital) mà ta có các hệ thống thông tin analog hay hệ thống thông tin số. Tín hiệu tương tự là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, lấp đầy liên tục một giải nào đó, đồng thời thời gian tồn tại của tín hiệu tương tự là một giá trị không xác định cụ thể, cụ thể là phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin do nguồn tin sinh ra. Tín hiệu analog có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tuỳ theo tín hiệu là một hàm liên tục hay rời rạc của biến thời gian. Trong trường hợp nguồn tin chỉ gồm một số hữu hạn các tin M, thì các bản tin này sẽ có thể đánh số được và do vậy thay vì truyền cả bản tin thì người ta chỉ cần truyền đi các ký hiệu biểu diễn các con số, và vì vậy ta có tín hiệu số. Ta có các đặc trưng cơ bản của tín hiệu số như sau:  Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị.  Tín hiệu số có thời gian tồn tại xác định, thường là một hằng số ký hiệu là T s . 5 Các ưu nhược điểm chính của thông tin số như sau:  Tín hiệu số khoẻ hơn đối với tạp âm so với tín hiệu analog, vì tín hiệu số có khả năng tái tạo theo ngưỡng qua sau từng cự ly (chặng) nhất định.  Hệ thống thông tin số có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì (OA&M) một cách tự động cao.  Tín hiệu số có thể truyền mọi loại bản tin, rời rạc hay liên tục, đây là tiền đề cho việc hợp nhất các mạng thông tin truyền thoại hay số liệu thành một mạng duy nhất.  Nhược điểm lớn nhất đó là phổ chiếm của tín hiệu số là khá lớn. Tuy nhiên đối với một số kỹ thuật hiện nay và trong tương lai thì nhược điểm này sẽ được khắc phục. 1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thống thông tin số, và các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống thông tin số Hệ thống thông tin số là tập hợp các thiết bị phần cứng, phần mềm, và môi trường truyền dùng để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác bằng tín hiệu số. Đối với hệ thống thông tin số, các tín hiệu được truyền đưa và xử lý bởi hệ thống là các tín hiệu số, nhận hữu hạn các giá trị từ một tập phần tử (gọi là bảng chữ cái aphabet). Hơn nữa các phần tử tín hiệu này có thời gian tồn tại là hữu hạn và nói chung là bằng nhau đối với mọi phần tử tín hiệu (được ký hiệu là T S ). Trong thực tế có rất nhiều hệ thống thông tin số khác nhau, được phân biệt theo tần số công tác, môi trường truyền dẫn, kiểu điều chế… Trong thông tin số hay thông tin tương tự thì việc đánh giá chất lượng của hệ thống là rất quan trọng, việc này cho phép xem xét khả năng hoạt động, 6 khả năng ứng dụng… của hệ thống. Để đánh giá chính xác thì cần đưa ra được các tham số chất lượng của hệ thống thông tin số. Trên thế giới có một số cơ quan tổ chức có liên quan tới việc xác định các tiêu chuẩn về chất lượng mạng viễn thông, hệ thống thông tin số, hệ thống truyền dẫn số, ví dụ như: a. Ủy ban truyền thông liên bang Mỹ (FCC: Federal Communications Commission), xác định các tiêu chuẩn cho các hệ thống Bắc Mỹ. b. Hội nghị các cơ quan quản lý bưu chính và viễn thông châu Âu (CEPT: Conference European of Post and Telecommunications) và Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI: Eurpean Telecommunications Standards Institute), xác định các tiêu chuẩn cho các hệ thống theo hệ Châu Âu. c. Các nhóm nghiên cứu (SG: Study Group) của Liên minh viễn thông quốc tế (ITU: International Telecommunications Union), trước đây là Hội đồng tư vấn điện thoại và điện báo quốc tế CCITT; và các nhóm nghiên cứu của Ủy ban tư vấn vô tuyến quốc tế CCIR trước đây, mà nay là ITU_R. Các nhóm nghiên cứu này xác lập tiêu chuẩn dưới hình thức các khuyến nghị cho viễn thông trên toàn cầu, gồm cả các hệ thống Bắc Mỹ và Châu Âu. Đối với các hệ thống thông tin nói chung và với các hệ thống thông tin số nói riêng thì tham số chất lượng chủ yếu là độ chính xác truyền tin và tốc độ truyền tin, tức là tính nhanh chóng và chính xác. Nói chung là hai yêu cầu này thường luôn mâu thuẫn với nhau, tức là về nguyên tắc thì muốn truyền tin chính xác cần phải giảm tốc độ truyền tin, còn muốn nhanh thì chấp nhận lỗi truyền tin nhiều hơn. 7 Đối với thông tin số, tham số đánh giá độ chính xác truyền tin thường được đánh giá qua tỷ số lỗi bit BER, được hiểu là tỷ lệ giữa số bit nhận bị lỗi và tổng số bit đã truyền trong một khoảng thời gian quan sát nào đó, khi thời gian quan sát tiến đến vô hạn thì tỷ lệ này tiến đến xác suất lỗi bit. Tuy nhiên thực tế thì BER chỉ xấp xỉ xác suất lỗi bit mà thôi, nhưng người ta vẫn hay sử dụng BER là xác suất lỗi bit. Ngoài ra trong một số trương hợp, đối với một số dịch vụ nhất định có một số các tham số khác như: SES (Severely Errored Seconds: Các giây lỗi trầm trọng), ES (Errored Seconds: Các giây lỗi), DM (Degraded Minutes: Các phút suy giảm chất lượng)… Với thông tin di động thì độ chính xác truyền tin khi xét về mặt chất lượng dịch vụ còn được thể hiện qua chất lượng tiếng nói. Khả năng truyền tin nhanh chóng của thông tin số được đánh giá qua dung lượng tổng cộng B (b/s hay bps) của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho. Nói chung là B phụ thuộc nhiều yếu tố như: băng tần truyền dẫn, sơ đồ điều chế, mức độ nhiễu, môi trường truyền… Ta có sơ đồ tiêu biểu của hệ thống thông tin số như hình 1.1. Hình 1.1 Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số. 8 Trong đó:  Khối tạo khuôn (Format): Định dạng tín hiệu về dạng tín hiệu số cơ sở (bit).  Mã hoá/giải mã nguồn: Thực hiện nén/giải nén thông tin nhằm tiết kiệm phổ.  Mã hoá/giải mã mật: Thực hiện bảo mật thông tin bằng cách sử dụng các khoá mật/hay thực hiện giải mã mật bằng các khoá giải mã.  Mã hoá/giải mã kênh: Thực hiện mã hoá/giải mã hoá chống nhiễu.  Ghép kênh/phân kênh: Thực hiện ghép/tách các nguồn khác vào/ra khỏi tín hiệu, mục đích là tăng hiệu quả sử dụng đường truyền và thiết bị hệ thống.  Điều chế/giải điều chế: Điều chế là ghép k bit thành một symbol nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ, và ánh xạ các symbol thành các tín hiệu dạng sóng phù hợp với kênh truyền. Giải điều chế thực hiện ngược lại.  Trải phổ/giải trải phổ: Thực hiện trải rất rộng phổ tín hiệu ở phía phát và thu hẹp lại ở phía thu nhằm chống nhiễu và bảo mật.  Đa truy nhập: Cho phép nhiều người cùng truy nhập vào hệ thống để yêu cầu dịch vụ.  Máy phát/máy thu: • Thực hiện biến đổi tín hiệu lên băng tần công tác ở phía phát, đưa tín hiệu về tần số thấp ở phía thu. • Khuếch đại bù tổn hao ở phát, khuếch đại tín hiệu yếu ở đầu thu. 9 • Lọc để chia sẻ băng tần và loại nhiễu phát xạ giả. • Bức xạ (thu) năng lượng tín hiệu ra môi trường truyền (thu năng lượng tín hiệu từ môi trường truyền).  Môi trường truyền: Có thể là sợi quang, vô tuyến…  Đồng bộ: Thực hiện đồng bộ tín hiệu đảm bảo chính xác về mặt thời gian, cũng như tần số, và cả pha sóng mang với giải điều chế kết hợp. 1.1.2 Hệ thống truyền dẫn số Hệ thống truyền dẫn số là một phần của hệ thống thông tin số bao gồm các phần tử từ đầu ra của khối tạo khuôn bên phát đến đầu vào khối tạo khuôn phía thu. Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống truyền dẫn số như hình 1.2 (Chức năng các khối tương tự như ở hệ thống thông tin số, đã được trình bày ở trên). Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn số. Các chỉ tiêu cơ bản của hệ thống truyền dẫn số bao gồm:  Nhanh chóng: Được đánh giá qua tốc độ bit lớn nhất mà có thể truyền qua với độ chính xác đã cho (C hay B), tuy nhiên ta nhận thấy 10 [...]... vậy đồng bộ là chỉ tiêu hàng đầu trong ghép kênh theo thời gian Để đảm bảo yêu cầu cao về đồng bộ cần có các thiết bị duy trì hoạt động đồng bộ của phân phối phát và phân phối thu, bao gồm cả đồng bộ nhịp và đồng bộ khung Đồng bộ khung trong ghép kênh số theo thời gian được theo dõi nhờ việc truyền liên tục tổ hợp đồng bộ khung đặc biệt trong một khe thời gian riêng khung tín hiệu Bộ thu giám sát đồng. .. hiện trong các khe thời gian riêng biệt 1.2.3.1 Ghép kênh theo thời gian Tín hiệu số có đặc điểm cơ bản là các phần tử tín hiệu có thời gian tồn tại hữu hạn Thời gian tồn tại của các phần tử tín hiệu phụ thu c vào độ rộng xung Các phần tử kế tiếp nhau một khoảng cố định gọi là độ dài khung tín hiệu Khi độ rộng xung tín hiệu rất nhỏ so với độ dài khung tín hiệu, có thể chia khung tín hiệu thành một số. .. Chính xác về thời gian: Đánh giá qua jitter (độ rung pha) ^ Ta có: δ ( %) = TS − TS TS 100% (1.1) Trong đó: Ts thời gian tồn tại một tín hiệu ở phần phát, do đồng hồ phát quyết định ^ TS Là thời gian tồn tại một tín hiệu ở phần thu, do đồng hồ thu quyết định Đây là giá trị nói nên mức đồng bộ đồng hồ tín hiệu thu và phát Các dịch vụ khác nhau thì đòi hỏi các chỉ tiêu này khác nhau, ví dụ: • Thoại: BER... Ngoài ra còn tồn tại một sai số khá nghiêm trọng là sai số do đồng bộ, bởi vì sai số này có thể dẫn đến sự sắp xếp sai lệch các tổ hợp mã thu được Tuy nhiên sai số này cũng sẽ được khắc phục nhờ bộ khôi phục đồng hồ Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một quá trình thực hiện PCM cho tín hiệu thông dụng nhất là tín hiệu thoại 1.2.2.1 Lọc hạn băng Như chúng ta đã biết là tín hiệu tiếng nói có phổ trải rộng... trạm trung gian dễ dàng b Ghép kênh không đồng bộ: Các luồng số đều có một dung sai tốc độ nào đó, khi ghép chúng với nhau, sử dụng phương thức chèn để đồng bộ về tốc độ.Nhờ đó, các luồng số đầu vào ghép đồng bộ với nhau về tốc độ, nhưng không đồng bộ về pha Ghép kênh theo cách như vậy, được gọi là ghép kênh cận đồng bộ Có 3 hệ thống phân cấp tốc độ số cận đồng bộ khác nhau được đưa ra bởi Châu Âu, Bắc... lõi của các thiết bị ghép kênh (ở phần phát) và phân kênh (ở phần thu) Chu kỳ làm việc của các bộ phân phối phát và phân phối thu chính là độ dài khung của một tín hiệu nhánh và được gọi là một khung Khi các bộ phân phối phát và phân phối thu hoạt động đồng bộ với 23 nhau thì việc truyền tin giữa các nguồn -bộ nhận tin sẽ diễn ra không lỗi Việc mất đồng bộ giữa phân phối phát và phân phối thu có thể... 1.7 biểu diễn một cách đơn giản chức năng của một bộ ghép kênh 21 Hình 1.7 Sơ đồ chức năng của một bộ ghép kênh Đầu vào bộ ghép kênh gồm n luồng tín hiệu của n nguồn tin khác nhau Bộ ghép kênh liên kết với bộ giải ghép qua một đường liên kết dữ liệu Bộ ghép kênh kết hợp dữ liệu của n đường đầu vào và truyền tới bộ giải ghép trên đường liên kết tốc độ cao Bộ giải ghép tách chùm dữ liệu nhận được thành... đồng bộ khung sẽ liên tục theo dõi tổ hợp đồng bộ khung Việc sai liên tiếp tổ hợp đồng bộ khung này sẽ được hiểu là mất đồng bộ khung việc điều khiển đồng bộ trở lại được thực hiện bằng cách trượt khung đi từng khe thời gian cho tới khi tổ hợp đồng bộ khung được thu đúng Nếu mỗi nguồn tin nhánh có tốc độ B b/s thì tốc độ bit đường dây tổng cộng sẽ lớn hơn NB b/s một chút, lượng dôi tốc độ này dành cho. .. tin đồng bộ, các tín hiệu báo hiệu và tín hiệu nghiệp vụ ghép kênh theo thời gian có thể thực hiện ghép theo bit hay theo tổ hợp mã 1.2.3.2 Các phương thức ghép kênh cơ bản Tuỳ theo cách thức duy trì đông bộ giữa các bộ phận phân phối của thiết bị tách/ghép kênh với các nguồn /bộ nhận tin nhánh mà chúng ta có hai phương thức ghép kênh: a Ghép kênh đồng bộ: Theo phương thức này thì các nguồn và các bộ. .. chia các mức với số mức tối thiểu (để giảm số bít mã hoá cần dùng), được xác định theo độ chính xác đã cho đối với các mức cao của tín hiệu, thì khi đó dẫn đến sai số phạm phải đối với các mức thấp của tín hiệu là khá lớn Do trong thực tế các mức tín hiệu thấp của tín hiệu thoại thường xảy ra hơn rất nhiều so với các mức cao, vì vậy trong trường hợp này thì sai số tổng cộng lại quá lớn Những hạn chế trên . mang trong đồng bộ sóng mang, và khôi phục lại đồng bộ về pha tín hiệu trong đồng bộ đồng hồ. Một dạng đặc biệt của PLL là một bộ DPLL (Digital PLL) , được sử dụng để đồng bộ đồng hồ thu với đồng hồ. là: Thiết kế bộ PLL số cho đồng bộ đồng hồ trong máy thu tín hiệu số . Đồ án của em bao gồm 3 chương:  Chương 1: Một số vấn đề về truyền dẫn số.  Chương 2: Đồng bộ trong truyền dẫn số. . một tín hiệu ở phần phát, do đồng hồ phát quyết định. ^ S T Là thời gian tồn tại một tín hiệu ở phần thu, do đồng hồ thu quyết định. Đây là giá trị nói nên mức đồng bộ đồng hồ tín hiệu thu