bài giảng thông tin di động

Xu hướng phát triển của thông tin di động: Hiện nay thông tin di động đang trong giai đoạn phát triển như vũ bão, đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng của khách hàng cả về khối lượng, chất l

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Chương 1:

Khái quát chung về thông tin di động

1.1 Những đặc thù của thông tin di động:

Nói đến thông tin di động là nói đến việc liên lạc thông qua sóng điện từ bắt đầu từ năm 1897 Gugliemo Marconi đã thực hiện liên lạc từ đất liền với những con tàu trên biển bằng sóng điện từ Đến năm 1980, thông tin di động mới thực sự phát triển trên thế giới

Để hiểu được ta làm phép tính: Mỗi cuộc liên lạc giữa hai người cần một đường truyền độc lập, mỗi kênh giả sử có dải thông 3kHz (trên thực tế lớn hơn) thì dải tần vô tuyến là từ 0 – 3GHz chỉ cho phép truyền 3.109/3.103 = 106 cuộc liên lạc cùng một lúc Để phục vụ hàng chục triệu người có thể cùng sử dụng máy di động cùng một lúc, đấy chưa kể dải tần này còn dành cho rất nhiều công việc khác

Phương pháp duy nhất để giải quyết vấn đề để nhiều người dùng độc lập trên một dải tần vô tuyến hạn chế là: Một cuộc liên lạc di động này có thể sử dụng đúng dải tần của một cuộc liên lạc di động khác với điều kiện hai cuộc liên lạc phải ở đủ xa nhau về khoảng cách vậy lý để sóng truyền đến nhau nhỏ hơn sóng truyền giữa hai người trong cuộc Do đó để thích hợp cho việc quản lý người ta chia thành các phần nhỏ gọi là tế bào (cellular) Hai cuộc liên lạc ở hai tế bào đủ

xa nhau có thể sử dụng cùng một dải tần số sóng điện từ thông qua việc quản lý của một trạm trung tâm tế bào Về lý thuyết kích thước tế bào là rất nhỏ khi đó có thể phục vụ vô số cuộc gọi cùng một lúc chỉ cần một dải tần sóng vô tuyến hạn chế Phương pháp này gọi là phương pháp sử dụng lại tần số

Tóm lại, những đặc thù của thông tin di động là: Phục vụ Đa truy cập – gắn liền với thiết kế Mạng tế bào, các hệ qủa kéo theo liên quan đến vấn đề này là: Chuyển giao, chống nhiễu, quản lý di động, quản lý tài nguyên vô tuyến, bảo mật,

… Những điều này khác rất nhiều với mạng vô tuyến cố định và luôn đỏi hỏi phát triển những công nghệ mới

1.2 Lịch sử phát triển của thông tin di động:

Để có bức tranh toàn cảnh về sự phát triển của thông tin di động ta điểm lại một số mốc lịch sử khi phát triển thông tin di động trên thế giới

Ta có thể lựa chọn lịch sử phát triển thông tin di động của nước Mỹ làm điển hình:

− Năm 1946: Dịch vụ điện thợi di động công cộng được giới thiệu lần đầu

ở 25 thành phố Mỗi hệ thống dùng bộ phát công suất lớn đặt trên ăng ten cao

0.030(N - 1023) + 825.0 MHz 0.030N + 870.0 MHz

0.030(N – 1023) + 870.0 MHz

2

phủ sóng bán kính 50km kỹ thuật Push to talk (bán song công), dải rộng kênh truyền là 120kHz (mặc dù băng tần tiếng nói chỉ là 3khz) Đây chưa phải là hệ thống tế bào, tần số chưa được sử dụng lại tần số, sô người được phục vụ rất ít.

− Năm 1950: Độ rộng kênh được thu hẹp lại còn 60kHz, dẫn đến số kênh

từ MS – BTS và 463 – 467.5MHz từ BTS – MS) sử dụng đa truy cập FDMA, điều chế FSK, độ rộng băng tần là 25kHz do đó cho phép hỗ trợ 180 kênh

− Năm 1986 hệ thống NMT900 Tây âu, hệ thống này hoạt động trên băng tần 900MHz

− Năm 1983: Ra đời dịch vụ thông tin di động cải tiến (AMPS) bởi công ty AT&T Đánh dấu sự ra đời điện thoại di động tế bào thế hệ 1 FCC phân 40MHz trên phổ tần 800MHz, Năm 1989; FCC phân thêm 10MHz phổ cho

hệ thống AMPS (824 – 849MHz từ MS – BTS và 869 – 894MHz từ BTS – MS) cho dịch vụ này mỗi kênh có độ rộng băng tần 30kHz, do đó hệ thống

có 832 kênh đúp, (kênh song công mỗi kênh độ rộng 2*30 = 60kHz) Trong

832 kênh có 40 kênh chỉ mang thông tin về hệ thống Ở mỗi thành phố phân cho 2 nhà cung cấp dịch vụ Hệ thống tế bào này hoạt động trong môi trường hạn chê giao thoa, sử dụng lại tần số, truy cập theo tần số FDMA, để cực đại

số người dùng dải tần và tổ chức kênh của hệ như sau:

0.030(N - 1023) + 825.0 MHz 0.030N + 870.0 MHz

0.030(N – 1023) + 870.0 MHz

3

− Năm 1991: Ra đời hệ thống tế bào số (USDC) theo chuẩn IS – 54, hỗ trợ

3 người sử dụng trên một kênh truyền 30kHz (π /4DQPSK) Khi kỹ thuật

nén tiếng nói và xử lý tín hiệu phát triển có thể tăng dung lượng lên 6 lần (kết hợp với TDMA và tồn tại song song với AMPS trên cùng cơ sở hạ tầng) đánh dấu sự ra đời của thông tin di động thế hệ 2

− Cũng năm 1991: hệ thống dựa trên kỹ thuật trải phổ được phát triển bởi Quancom theo chuẩn IS – 95 hỗ trợ nhiều người sử dụng trên một dải tần 1.25MHz, phân biệt mã trải phổ trực tiếp (CDMA) Với AMPS yêu cầu SNR

>= 18 dB thì CDMA yêu cầu thấp hơn và cho dung lượng cao hơn Ngoài ra

bộ mã hóa tiếng nói tốc độ thay đổi có thể phát hiện tiếng nói khi đàm thoại

sẽ điều khiển bộ phát chí phát sóng khi nói sẽ làm giảm môi trường giao thoa

và tiết kiệm pin

− Năm 1991 hệ thống Mạng thông tin di động thế hệ 2 ra đời ở Châu Âu với trên phổ tần 900MHz (890 – 912MHz uplink và 935 – 960MHz downlink) sử dụng kỹ thuật TDMA/FDMA

− Vấn đề tích hợp các mạng trong một cơ sở hạ tần cũng được đặt ra từ đầu những năm 1990

− Năm 1995: Chính phủ Mỹ đã cấp giấy phép trên dải tần 1800/2100MHz hứa hẹn sự phát triển mới cho dịch vụ thông tin cá nhân (PCS)

− Năm 2000: tổ chức viễn thông quốc tế (ITU) đã thống nhất một số hướng

và chuẩn phát triển cho thông tin di động đa dịch vụ thế hệ 3

1.3 Một số hệ thống thông tin di động trên thế giới:

Hệ thống thông tin di động trên thế giới phân thành 3 loại chính như sau là:

Hệ nhắn tin - điện thoại kéo dài - điện thoại tế bào trong đó:

0.030(N - 1023) + 825.0 MHz 0.030N + 870.0 MHz

0.030(N – 1023) + 870.0 MHz

4

− Hệ nhắn tin: là loại hình thông tin di động bán song công người dùng chỉ nhận được bản tin nhắn một chiều với một thiết bị thu đơn giản như một chiếc radio va một mã số riêng.

− Điện thoại kéo dài: là thiết bị cầm tay kết nối vô tuyến với một máy chủ đặt trong nhà, máy chủ được kết nối với mạng điện thoại công cộng (PSTN) Tầm vô tuyến kéo dài hẹp (<100m) tiện lợi cho người sử dụng di động tốc

độ thấp…

− Điện thoại tế bào cho phép người sử dụng di động tốc độ nhanh, toàn bộ vùng dịch vụ được chia thành các tế bào kề nhau, người dùng nằm trong tế bào nào sẽ do trạm cơ sở của tế bào đó quản lý…

Ngoài việc phân loại trên thì trên thế giới tồn tại 3 hệ thống điện thoại với các chuẩn không tương thích nhau đó là Nhật bản, bắc Mỹ và Châu Âu cà các nước còn lại Đây là những tồn tại lịch sử mà trong xu hướng phát triển tương lai thế giới mong muốn một hệ thống thống nhất toàn cầu đa dịch vụ, phục vụ người dùng di chuyển khắp nơi chỉ với một thiết bị cầm tay

Các chuẩn thông tin di động chính ở Bắc Mỹ

AMPS Tế bào 1983 FDMA 824 – 894MHz FM 300KHzNAMPS Tế bào 1992 FDMA 824 – 894MHz FM 10KHzUSDC Tế bào 1991 TDMA 824 – 894MHz π / 4DQPSK 30KHzCDPD Tế bào 1993 FH / gói 824 – 894MHz GMSK 30KHz

12.5MHz

GSC Nhắn tin 1970 Đơn công Vài kênh FSK 12.5KHzPOSAG Nhắn tin 1970 Đơn công Vài kênh FSK 12.5KHzFLEX Nhắn

Các chuẩn thông tin di động chính ở Châu Âu

5

Chuẩn Loại Bắt đầu Truy cập Băng tần Điều chế Kênh

E-TACS Tế bào 1985 FDMA 900 MHz FM 25KHzNMT-450 Tế bào 1981 FDMA 457 – 470 MHz FM 25KHzNMT-900 Tế bào 1986 FDMA 890 - 960 MHz FM 12.5KHzGSM Tế bào / PCS 1990 TDMA 890 - 960 MHz GMSK 200KHzC-450 Tế bào 1985 FDMA 450 – 465 MHz FM 20/10KHzERMES Nhắn tin 1993 FDMA Vài kênh 4 - FSK 25KHzCT2 Kéo dài 1989 FDMA 864 – 868 MHz GFSK 100KHzDECT Kéo dài 1993 TDMA 1.88 – 1.9 GHz GFSK 1.728KHzDCS-1800 Kéo dài / PCS 1993 TDMA 1.71 – 1.88 GHz GMSK 200KHz

Các chuẩn thông tin di động chính ở Nhật Bản

Chuẩn Loại Bắt

đầu

Truy

PDC Tế bào 1993 TDMA 810 – 1501 MHz π/4DQPSK 25KHz

NTACS Tế bào 1993 FDMA 843 – 925 MHz FM 12.5KHz

PHS Kéo dài 1993 TDMA 1895 – 1907 MHz π/4DQPSK 300KHz

1.4. Xu hướng phát triển của thông tin di động:

Hiện nay thông tin di động đang trong giai đoạn phát triển như vũ bão, đáp ứng nhu cầu không ngừng tăng của khách hàng cả về khối lượng, chất lượng và loại hình dịch vụ chia làm các giai đoạn phát triển sau:

− Từ năm 1989 đã có những nghiên cứu rộng lớn trên thế giới nhằm phát triển hệ thống vô tuyến cá nhân: Kết hợp sự thông minh của mạng PSTN, xử lý tín hiệu số hiện đại và công nghệ RF

− Xu hướng phát triển mạng vô tuyến trong nhà (indoor) cho phép người dùng kết nối máy tính văn phòng trong các tòa nhà lớn (tần số 1.8GHz)

6

− Xu hướng chuẩn hoá IMT – 2000, được quyết định bởi ITU xây dựng chuẩn và quy hoạch tần số trên toàn thế giới.

− Xu hướng phát triển hệ viễn thông vệ tinh LEO, cùng với sự phát triển công nghệ vũ trụ, hệ thông tin vệ tinh phối hợp với hệ di động mặt đất tạo nên kết nối toàn cầu thích hợp với mọi loại địa hình và loại thông tin

− Hiện nay các quốc gia phát triển sau lại có cơ hội đi nhanh vào các ứng dụng tiên tiến nhất và lựa chọn các mô hình thích hợp với sự phát triển của tương lai

1.5 Một số kết quả đạt được mạng GSM

- Các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu

như nén số liệu của người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCDS: High Speed Circuit Swiched Data), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: General Packet Radio Sevice) và số liệu 14,4 kbit/s

- Các công việc liên quan đến dịch vụ thoại như: Codec tiếng toàn tốc cải tiến (EFC: Enhanced Full Rate Codec), Codec đa tốc độ thích ứng và khai thác tự

do đầu cuối các Codec tiếng

- Các dịch vụ bổ sung như:chuyển hướng cuộc gọi, hiển thị tên chủ gọi, chuyển giao cuộc gọi và các dịch vụ chặn gọi

- Cải thiện liên quan đến dịch vụ bản tin ngắn (SMS :Short Message Service) như: móc nối các SMS, mở rộng bảng chữ cái, mở rộng tương tác giữa các SMS

- Các công việc liên quan đến tính cước như:các dịch vụ trả tiền trước, tính cước nóng và hỗ trợ cho ưu tiên vùng gia đình

- Tăng cường công nghệ SIM

- Dịch vụ mạng thông minh:CAMEL

- Các cải thiện chung như:chuyển mạng GSM-AMPS, các dịch vụ địng vị, tương tác với các hệ thống thông tin di động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu

Thông tin di động thế hệ ba sẽ phải là thế hệ thông tin di động cho các dịch

vụ di động truyền thông cá nhân đa phương tiện Hộp thư thoại sẽ được thay thế bằng bưu thiếp điện tử được lồng ghép với hình ảnh và các cuộc thoại thông thường trước đây sẽ được bổ sung các hình ảnh để trở thành thoại có hình…

Dưới đây là một số yêu cầu chung đối với hệ thống thông tin di động thứ ba này:

7

- Mạng phải là băng thông rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện Nghĩa là mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbit/s.

- Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu Điều này xuất phát từ việc thay đổi tồc độ bit của các dịch vụ khác nhau Ngoài

ra cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng chẳng hạn với:tốc độ bit ở đường xuống và tốc độ thấp ở đường lên hoặc ngược lại

- Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu Nghĩa là đảm bảo các kết nối chuyển mạch cho thoại, các dịch vụ video và các khả năng số liệu gói cho các dịch vụ số liệu

- Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định, nhất là đối với thoại

- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu,nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh WARC-92 (The World Administrative Radio Conference held in 1992) đã dành các băng tần 1885-2005Mhz và 2110-2200Mhz cho IMT-2000 Hiện nay Châu Âu và các quồc gia sử dụng GMS cùng với Nhật đang phát triển W-CDMA (Wide Band Code Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng) trên cơ sở UMTS, còn Mỹ thì tập trung phát triển thế hệ hai (IS-95) và mở rộng tiêu chuẩn này đến IS-2000

Các tiêu chuẩn di động băng rộng mới được xây đựng trên cơ sở CDMA hoặc CDMA kết hợp với TDMA

8

Chương 2:

Tế bào – Cơ sở thiết kế hệ thống

Phương pháp sử dụng lại tần số dẫn đến vùng dịch vụ được chia thành các miền nhỏ kề nhau gọi là các tế bào Mỗi tế bào có một ăng ten trung tâm với công suất phù hợp để quản lý các di động trong tế bào mà không gây nhiễu sang các tế bào khác Việc phân chia này phải thỏa mãn 2 yêu cầu:

−Diện tích các tế bào phải phủ kín vùng dịch vụ, vùng chồng lấn giữa hai tế bào kề nhau phải cực tiểu

−Hai tế bào sử dụng cùng dải tần phải cách nhau đủ xa

2.1 Tế bào và việc phân bổ tần số:

Ở đây n là số cạnh đa giác, k là số đa giác có chung một đỉnh để lấp kín 3600

Do k, n đều là các số nguyên nên (n – 2) phải là ước của 4 do đó n chỉ có thể nhận các giá trị 3, 4, 6 tức đa giác đều phải là tam giác, tứ giác hoặc lục giác đều

 Khi sử dụng ăng ten phát tròn đặt tại tâm các đa giác này Với tế bào lục giác thì các hình tròn ngoại tiếp của 2 đa giác kề nhau có diện tích chồng lên nhau nhỏ nhất, Do vậy mô hình tế bào lục giác được lựa chọn trên thực tế

2.1.2 Phân chia kênh truyền

Giả sử chúng ta có S kênh truyền và phân cho một nhà cung cấp dịch vụ Khi thiết kế hệ thống không thể phân tất cả S kênh này cho một tế bào vì khi lặp lại điều này ở tế bào bên cạnh các kênh cùng dải tần ở 2 tế bào cạnh nhau sẽ gây nhiễu lên nhau Do vây S kênh này phải phân cho một nhóm N tế bào (N còn gọi là kích thước nhóm) như vậy mỗi nhóm có S/N = C kênh, rồi thiết kế lặp lại cả nhóm

tế bào này trên địa bàn dịch vụ Điều này làm cho 2 tế bào cùng kênh ở xa nhau hơn, và hai tế bào ở cạnh nhau chỉ sử dụng các kênh truyền khác nhau điều đó dẫn đến kích thước nhóm càng lớn, 2 tế bào cùng kênh ở càng xa nhau

Nếu vùng dịch vụ chia làm P tế bào thì dung lượng hệ thống (số người tối

đa có thể sử dụng cùng một lúc) được tính là T:

T = M.k = M.S/N (2 – 2)

9

Hình 2 – 1: Lặp lại nhóm tế bào trong vùng dich vụ

Từ công thức này ta thấy nếu N tăng thì T giảm, nếu N giảm thì T tăng Vậy để đạt được dung lượng lớn nhất thì N phải tiến đến 1 (tức là phân tất cả kênh vào 1 tế bào) song như đã nói ở trên 2 tế bào bên cạnh nhau sẽ gây nhiễu lên nhau Ngược lại để đảm bảo chống nhiễu tốt, N lớn sẽ làm cho dung lượng hệ thống giảm Lựa chọn kích thước nhóm N thích hợp là nhiệm vụ của người thiết kế

2.1.3 Kích thước nhóm N:

Khi lựa chọn tế bào hình lục giác, gọi khoảng cách tâm giữa hai tế bào có kênh truyền giống nhau (cùng kênh) nằm gần nhau nhất là D, khoảng cách này được tính như sau

D2 = j2(R 3)2 + i2(R 3)2 + i.j(R 3)2 (2 – 3)

A

C

BG

F

E

D

10

Ở đó j, i là các bước dịch sang ngang (vuông góc với cạnh lục giác) và dịch nghiêng 600 (so với dịch ngang 600) để tế bào này có thể trùng lên tế bào kia, R là bán kính tế bào hình 2 – 2.

Mặt khác so tính lặp lại của lục giác và kích thước nhóm cũng được tính:

j i j i R

D R

D baolucgiac

dientichte

nhD mgiacdeuca dientichta

34/36

2/3

2

2 2

2

++

Ví dụ: Phổ tần 33MHz được phân cho hệ di động song công theo tần số có

độ rộng kênh đơn là 25kHz Tính số kênh ở mỗi tế bào ở các trường hợp

a N = 4, b N = 7, c N = 12 Nếu vùng dịch vụ có 50 tế bào Tính dung lượng hệ thống trong mỗi trường hợp đó

Giải: Độ rộng kênh đúp là:

25kHz*2 = 50kHz

Số kênh đúp được phép là:

33000kHz/50kHz = 660 kênh đúp

N = 4 số kênh trong một tế bào là:

660/4 = 165 kênh đúp, dung lượng kênh là C = P*k = 50*165 = 8250

N = 7 số kênh trong một tế bào là:

2.2 Nhiễu cùng kênh và dung lượng hệ thống:

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiễu cùng tần số do việc sử dụng lại kênh truyền ta có công thức suy giảm sóng điện từ là:

Ở đó p0 là công suất sóng điện từ tại khoảng cách d0, p(d) là công suất sóng điện từ tại khoảng cách d so với nguồn phát, n là số mũ suy giảm sóng điện từ (chỉ phụ thuộc vào môi trường truyền sóng)

Tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu cùng kênh gây bởi 6 tế bào xung quanh thu tại máy di động được tính là:

I

S I

S

(2 – 6)

Hình 2 – 3: Nhiễu đồng kênh lên bộ thu của máy di động

Ở đó S là công suất tín hiệu có ích thu tại máy di động cách xa tâm tế bào khoảng R (khi ở rìa tế bào) I là công suất không mong muốn cùng kênh cảủau trạm phát ở các tế bào xung quanh gần nhất cách máy di động xấp xỉ khoảng D Sử dụng công thức tính D và công thức suy giảm sóng điện từ (2 – 3) đến ( 2 – 5) ta thu được:

n

N D

R D

R I

S

36

16

16

Q = D/R còn gọi là tỷ số lặp lại kênh, từ công thức (2 – 2), ( 2 – 7) ở trên ta

Để xác định tiếp R phải thống kê mật độ địa lý người sử dụng (mật dộ lưu lượng)

và số kênh tương ứng trong mỗi thế bào

Ví dụ: Máy thu di động hoạt động tốt đòi hỏi S/I > 15dB Hãy tính hệ số

lặp lại kênh, kích thước nhóm tế bào để hệ có dung lượng lớn nhất ứng với các trường hợp suy giảm sóng điện từ so môi trường là:

a n = 4, b n = 3 (coi rằng chỉ có 6 tế bào xung quanh gây nhiễu với cự ly và công suất như nhau)

Giải:

a Với n = 4 ta chọn N = 7, ta có tỷ số lặp lại kênh là

D/R = 3N = 3*7 = 4,583

S/I = 1/6(D/R)n = (1/6)(4,583)4 = 75,3 = 18,66 dB

Đây là mô hình chấp nhận được

b Với n = 3 ta chọn N = 7 ta có tỷ số lặp lại kênh là:

D/R = 3N = 3*7 = 4,583

S/I = (1/6)(4,583)3 = 16,4 = 12,05 dB không thỏa mãn yêu cầu máy thu

Do đó ta cần tăng N, N = 12 (j = 2; i = 2) ta có

D/R = 3N = 3*12 = 6

Khi đó S/I = (1/6)(6)3 = 36 = 15,56 dB mô hình chấp nhận được

2.3 Nhiễu kênh lân cận và kế hoạch phân chia kênh:

Một đặc thù riêng của thông tin di động mạng tế bào là phải tính đến nhiễu kênh lân cận dẫn đến việc phải hoạch định tần số trong nhóm tế bào khi thiết kế:

− Nhiễu kênh lân cận gây bởi bộ lọc máy thu không lý tưởng và hiệu ứng xa gần biểu hiện rõ ở bộ thu của trạm cơ sở Vì bộ lọc không lý tưởng nên tín hiệu không mong muốn ở kênh lân cận mặc dù bị triết mạnh song nếu nó là tín hiệu rất mạnh (do một máy di động ở gần trạm cơ sở) vẫn chui vào bộ thu gây nhiễu tín hiệu không mong muốn của một máy di động khác khi máy này ở xa bộ thu trạm cơ sở Được minh họa trên hình 2 – 4:

13

− Giả sử máy di động MS1 ở gần trạm cơ sở hơn máy MS2 20 lần

(SMS2/IMS1) = (20)-n = -52dB (với n = 4) Nếu bộ lọc trung tâm của máy thu trạm cơ

sở có sườn dốc 20dB/octabi thì muốn chống nhiễu kênh lân cận dải tần phát của 2

máy di động phải cách xa nhau 6 lần độ rộng kênh truyền Khi lập kế hoặch phân

chia kênh truyền cho các tế bào phải chú ý đến điều này

Hình 2 – 4: Nhiễu kênh lân cận lên bộ thu trạm cơ sở

Ví dụ: Hệ AMPS năm 1983 có 666 kênh đúp, năm 1989 có thêm 166 kênh

Chia cho 2 công ty dịch vụ mỗi công ty 416 kênh, trừ các kênh đóng vai trò

điều khiển còn lại 399 kênh được chia thành 21 tập con bằng cách đánh số liên

tiếp, mỗi tập con 19 kênh Các kênh trong một tập cách nhau 21 kênh Trong mô

hình lặp lại 7 tế bào (N = 7) Mỗi tế bào được phân chia theo công thức iA + iB +

iC đảm bảo trong một tế bào cách nhau ít nhất 6 kênh

2.4 Chiến lược phân kênh và chuyển giao:

MS

14

Việc chia vùng dịch vụ thành các tế bào, tất yếu phải giải quyết vấn đề chuyển giao khi người dùng di chuyển trong khi liên lạc Các hệ thống thông tin di động hiện đại luôn phải làm tốt hai việc là phân kênh và chuyển giao.

− Phân kênh tĩnh kết hợp phân kênh động: điều này gắn với mật độ người

sử dụng thay đổi theo thời gian hoặc khi có sự tụ họp bất thường của những người dùng máy di động, nên bên cạnh một số kênh được phân

cố định còn có một số kênh dự trữ được phân linh hoạt theo tình huống

cụ thể của mạng

− Chuyển giao tránh hiện tượng “ping pong” và có nguyên tắc ưu tiên

Hình 2 – 5: Ngưỡng chuyển giaoKhi máy di động chi chuyển theo tuyến đường nằm chính giữa hai tế bào có thể xẩy ra tình huống chuyển đổi qua lại quyền quản lý của hai trạm cơ sở Hiện tượng này gọi là hiệu ứng “ping pong” gây quá tải ở bộ phận điều khiển chuyển giao Để khử hiệu ứng này cần đặt một mức ngưỡng chuyển giao (thông thường là 6dB với hệ thống tương tự), tức là khi tín hiệu thu được ở tế bào mới phải lớn hơn tín hiệu thu được từ tế bào cũ 6dB thì mới quyết định chuyển giao (hình 2 – 5)

Điều này đã tách một biên chuyển giao thành 2 biên khác nhau Nếu đặt 2 mức ngưỡng này khác nhau (theo 2 chiều chuyển động thì có thể thay đổi “mềm” được “kích thước” quản lý của 2 tế bào

6dB6dB

15

− Kỹ thuật MAHO (máy di động hỗ trợ chuyển giao): Là kỹ thuật giảm tải tính toán quản lý lên tổng đài hoặc các bộ điều khiển chuyển giao, phân việc đo mức và báo cáo mức tín hiệu nhận được từ các trạm cơ sở xung quanh cho chính máy di động.

− Chuyển giao trong hệ thống người dùng có tốc độ chuyển động khác nhau: Điều này liên quan đến cấu hình các tế bào chồng phủ lên nhau có kích thước khác nhau nhằm quản lý các di động có tốc độ rất khác nhau Người dùng di chuyển tốc độ chậm được phân sang hệ thống các tế bào kích thước nhỏ (đáp ứng nơi có mật độ người sử dụng cao) Người dùng

di chuyển tốc độ cao được phân sang hệ tế bào kích thước lớn (giảm tần suất chuyển giao)

Hình 2 – 6: Phân vùng tế bào lớn kết hợp tế bào nhỏ (chồng cell)

2.5 Trung kế và cấp độ dịch vụ

2.5.1 Kênh chung

Kênh vô tuyến trong thông tin di động được sử dụng chung lần lượt cho nhiều người, giống trung kế tổng đài hữu tuyến Nó chỉ được cấp phát khi có yêu cầu, do đó chỉ cần một số ít kênh mà vẫn phục vụ được khá nhiều người “Đơn vị

đo lưu lượng là Erlan”

“Lưu lượng (A): Là đại lượng đo phần thời gian sử dụng có ích trong 1 giờ.”

Ví dụ: Trong 1 giờ có 1 cuộc gọi kéo dài 30 phút Ta nói lưu lượng cuộc

gọi là 0.5 Erlan

“Cường độ lưu lượng (Au): Diễn tả lưu lượng trung bình của người sử dụng.”

Ví dụ: Trong 1 giờ người gọi gọi µ cuộc gọi, mỗi cuộc gọi kéo dài trung

bình H phút Cương độ lưu lượng sử dụng là Au =µH/60 Nếu U người sử dụng

trong hệ thống giống nhau thì khi đó lưu lượng tổng cộng của cả hệ thống là A = U.Au

Với 1 kênh truyền thì lưu lượng của 1 kênh luôn <= 1, tuy nhiên với hệ thống có nhiều kênh truyền thì lưu lượng hệ thống có thể lớn hơn 1

1 4

3 5 2

16

2.5.2 Cấp độ dịch vụ

Bài toán lần lượt dùng chung kênh của nhiều người là bài toán xác suất dựa trên lưu lượng trung bình của cuộc gọi và xác suất truy cập của người sử dụng Vào thời điểm đồng nhất trong ngày, trong tuần,… nhiều người cùng gọi một lúc

dẫn đến số kênh truyền không đáp ứng được có thể làm cuộc gọi bị chặn.

“Cấp độ dịch vụ là chỉ số cho biết xác suất xảy ra cuộc gọi bị chặn vào lúc cao điểm là bao nhiêu”.

Ví dụ: Hệ thống có GOS = 2% tức là trong 100 lần người sử dụng tiến hành

liên lạc có thể xẩy ra 2 lần cuộc gọi bị chặn (tổng đài báo hệ thống bị bận)

Erlan nêu ra công thức liên hệ 3 đại lượng: Cấp độ dịch vụ (GOS: xác suất

cuộc gọi bị chặn), số kênh truyền C của hệ thống (số kênh cho 1 tế bào) và lưu

lượng người sử dụng A (lưu lượng tổng cộng trong một tế bào) với 2 loại tổng đài

2.5.3 Tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang B:

Các giả thiết bổ sung để xây dựng công thức là:

− Không tính thời gian thiết lập cuộc gọi

− Người có cuộc gọi bị chặn khi truy cập lần tiếp theo bình đẳng như những người truy cập khác

− Số người truy cập tuân theo phân bố Poisson

− Thời gian chiếm kênh của một cuộc gọi phân bố theo hàm mũ (E.e-t)

− Có số hữu hạn kênh được sử dụng

k

A C

A chan

bi

0 !

!

)Pr(

(2 – 8)

Ở đó C là số kênh trung kế

A là lưu lượng tổng cộng của hệ

Pr xác suất cuộc gọi bị chặn (GOS)

Có thể xây dựng mô hình người sử dụng hữu hạn kết quả nhỏ hơn kết quả tính được theo công thức này Ta có thể tra theo kết quả theo hình 2 – 7

Hình 2 – 7: Giản đồ Erlang B

19

a Số tế bào trong thành phố

b Số kênh trên một tế bào

c Lưu lượng cuộc gọi trên mỗi tế bào

d Lưu lượng của toàn thành phố

e Tổng số người có thể dùng theo GOS = 2%

f Số người dùng trên một kênh của toàn thành phố

2.5981*R2 = 2.5981*(4)2 = 41.57 (km2)

Số tế bào trong thành phố là 1300/41.57 = 31 tế bào

b Số kênh trên một tế bào là:

40000000/(60000*7) = 95 kênh (C)

c C = 95, GOS = 0.02 ta có A = 84 Erlan/ tế bào

d Lưu lượng của toàn thành phố

2.5.4 Tổng đài nhớ cuộc gọi bị chặn – Công thức Erlang C:

Ở hệ thống này một cuộc gọi bị chặn sẽ được xếp hàng trong dãy những cuộc gọi bị chặn chờ được truy cập

GOS lúc này sẽ là chỉ số cho biết khẳ năng một cuộc gọi bị chặn và phải chời trong một thời gian xác định

Để tính GOS trước hết ta phải tính xác suất cuộc gọi bị chặn theo công thức Erlan C

=

0 !1

!

)0

k

k C

C

k

A C

A C

A

A doi

cho

(2 – 9)

Có thể tính hoặc là tra kết quả theo hình 2 – 8

Sau đó nhân với xác suất chời t giây trong hàng đợi Công thức cuối cùng là:

)0

|Pr(

*)0Pr(

)Pr(cho doi>t = cho doi> cho doi>t cho doi >

cho t

H doi

cho D

−

>

21

Hình 2 – 8: Bảng kết quả công thức Erlan C

22

Ví dụ:

Hệ tế bào lục giác trong có: N = 4 và bán kính tế bào R = 1.387 km

Hệ được phân dải tần ứng với 60 kênh đúp Nếu lưu lượng người dùng là 0.029Erl,

và có 1 cuộc gọi/giờ Với GOS là 5%

a Bao nhiêu người dùng/km2 được cung cấp bởi hệ này

b Xác suất cuộc gọi (sau khi bị chặn) phải chờ thêm t = 10 giây

c Xác suất tổng cộng cuộc gọi phải chờ t = 10 giây

Giải:

Với bán kính tế bào là R = 1.387 km diện tích tế bào là 5km2

N = 4 và tổng số kênh đúp là 60 kênh nên số kênh / tế bào = 60/4 = 15

a Tra bảng Erlan C với GOS = 5% và C =15 ta có A = 8.8 Erl

Số người dùng trong một tế bào là 8.8/0.029 = 303 người

Số người dùng /km2 là 303/5 = 60 người/km2

b µ =1cuộc gọi/giờ

H = Au/µ=0.029 giờ = 104.4 giây

Xác suất cuộc gọi (sau khi bị chặn) phải chờ thêm t = 10 giây là

Pr(chờ đợi > t / chờ đợi > 0) = exp( -(C – A).t/H)

= exp(-(15 – 8.8)*10/104.4 = 52.22 %

c Với GOS = 5% xác suất tổng cộng mọt cuộc gọi phải chờ 10 giây là:

Pr(chờ đợi > 10s) = Pr(chờ đợi > 0).Pr(chờ đợi > 10s | chờ đợi > 0)

= 0.05*0.5522 = 2.78 %

2.5.5 Hiệu suất trung kế

Là lưu lượng sử dụng tính trung bình trên một kênh trung kế Giá trị này phụ thuộc vào cách tổ chức thiết kế và cấp độ dịch vụ xác định

Ví dụ:

10 kênh trung kế/tế bào với GOS = 1% (trường hợp tổng đài không nhớ cuộc gọi bị chăn) khi tra bảng Erlan B ta thấy chúng đáp ứng lưu lượng cuộc gọi 4.46 Erlan (tương ứng lưu lượng một kênh là 0.446 Erl/kênh)

23

Nếu tổ chức kênh này trên 2 tế bào thì khi tra bảng ta thấy chúng chỉ đáp ứng được 2*1.36 Erl = 2.72 Erln (tương ứng 0.272 Erl/kênh) Cách tổ chức đầu có hiệu suất trung kế cao hơn cách tổ chức thứ 2 vơi cùng một GOS song khả năng chống nhiễu kém hơn.

2.6 Nâng cao dung lượng hệ thống tế bào

Số lượng người sử dụng dịch vụ thông tin di động không ngừng tăng, đặt ra một yêu cầu phát triển nâng cao dung lượng hệ thống một cách có kế hoạt và tính kế thừa Có ba kỹ thuật chính để nâng cao dung lượng hệ thống là: Chia nhỏ tế bào, sử dụng ăng ten định hướng và phân vùng trong tế bào

Pr (tại biên tế bào cũ) =Pt1R-n = Pr (tại biên tế bào mới) = Pt2(R/2)-n

Với n = 4 ta có Pt2 = Pt1/16 hay trạm phát của tế bào mới phải giảm 12dB

A

E F F

F

D B

E C

G

G B

D C D

Hình 2 – 9: Phân chia tế bào

Trên thực tế, ta duy trì cả hai mô hình tế bào lớn và nhỏ để phục vụ các đối tượng chuyển động với tốc độ khác nhau và các kênh truyền cũng được phân thành 2 nhóm kích

cỡ tế bào này để tránh giao thoa cùng kênh, kết hợp với kỹ thuật hạ thấp ăng ten để điều khiển vùng phủ sóng

24

2.6.2 Sử dụng ăng ten định hướng

Điều này sẽ dẫn đến giảm giao thoa cùng kênh cho phép các tế bào cùng kênh ở gần nhau hơn (giảm D/R hay giảm N, tăng sự lặp lại tần số) dẫn đến tăng dung lượng hệ thống trong khi kích thước tế bào không thay đổi

2

34

67

5

5

5

55

25

Ví dụ với ăng ten 600 với N = 7 sẽ cho S/I = 29 dB cho phép dùng N = 4 làm tăng dung lượng lên 7/4 lần (hiệu suất trung kế giảm 44%)

2.6.3 Phân vùng trong tế bào

Phương pháp sử dụng ăng ten định hướng làm tăng số chuyển giao và quá tải các phần tử chuyển mạch Lee đã đưa ra giải pháp là thay trạm trung tâm lớn bằng một số trạm phát công suất thấp hơn phủ các vùng nhỏ hơn trong tế bào và các trạm này được kết nối

về điều khiển chung ở một trạm cơ sở của tế bào

Kỹ thuật này thường được dùng dọc theo các đường cao tốc hay các hành lang có lưu lượng lớn (với S/I = 18 dB là đòi hỏi thông thường với hệ điều chế băng hẹp FM, với N =

7 thì D/R = 4.6, vận dụng điều này cho Dz/Rz = 4.6 để chống nhiễu cùng kênh giữa các vùng thì đối với tế bào tỷ số này cho D/R = 3, N = 3 Do vậy khi giảm N = 7 đến N = 3 sẽ tăng dung lượng hệ thống lên 7/3 = 2.33 lần)

26

Chương 3:

Mã hóa tiếng nói

Trong thông tin di động độ rộng dải tần có giá trị như hàng hóa, do đó bộ mã hóa tiếng nói đóng vai trò quan trọng không chỉ với chất lượng tiếng nói mà còn phải đảm bảo chiếm dụng ít băng tần với tốc độ bit thấp Bộ mã hóa tốc độ bit thấp làm tăng dung lượng

hệ thống là yêu cầu quan trọng của các nhà cung cấp dịch vụ Các bộ mã hóa tiếng nói cơ bản được phân thành 2 loại chính là: Mã hóa theo dạng sóng và mã hóa nguồn (vocoder)

Hình 3 – 1: Phân loại mã hóa tiếng nói

Mã hóa dạng sóng: Là kỹ thuật mã hóa và giải mã liên tục bán theo dạng sóng của tín

hiệu âm thanh, về nguyên tắc chúng được thiết kế độc lập với nguồn âm nên chất lượng không phụ thuộc vào nguồn tín hiệu Kiểu mã này chống nhiễu tốt, không phức tạp, giá rẻ song hệ số nén tín hiệu chưa cao như PCM, ADPCM…

Mã hóa nguồn: Dựa trên sự mô phỏng nguồn âm cụ thể (tiếng nói được nghiên cứu

trước các đặc tính để khai thác khả năng nén mã), kỹ thuật này khá phức tạp, có độ trễ cao, giá thành đắt bù lại có hệ số nén lớn và cho tốc độ bit mã hóa thấp

Mã hoá tiếng nói

Miền tần số

APC CVSDM

27

3.1 Các đặc trưng của tiếng nói

Tiếng nói có một số tính chất đặc thù có thể đựa vào đó để thiết kế bộ mã hóa đó là:Dải tần giới hạn (<4 KHz), phổ tần không bằng phẳng, phân bố biên độ không đồng nhất, có sự tương quan khác 0 giữa các mẫu tiếng nói và tồn tại các khoảng lặng phi thoại trong khi nói chuyện Tính chất đó như sau:

3.1.1 Hàm mật độ xác suất (pdf)

Hàm mật độ xác suất diễn tả sự phân bố biên độ trong tiếng nói, nó có dạng như sau

)/2exp(

2

1)

x

x x

3.1.2 Hàm tự tương quan (AFC)

Một tính chất của tiếng nói là tồn tại sự tương quan khác 0 giữa các mẫu khi tiến hành lấy mẫu biên độ tiếng nói Có nghĩa một mẫu trong tiếng nói chúng ta có thể dự đoán trước từ một số mẫu trước đó với một lỗi ngẫu nhiên nhỏ, tính chất này được ước lượng bởi hàm:

1)(

k N n

k n x n x N k

Sự không bằng phẳng của phổ có thể đánh giá qua hàm SFM (như là tỷ số của trung bình số học/ trung bình hình học của các mẫu khi lấy mẫu psd)

28

N N k k

N

k k

S

S N

1 2 1 21

3.2.1 Lượng tử tuyến tính

Trong lượng tử tuyến tính các giá trị lượng tử phân bố đều trong toàn bộ tín hiệu, khoảng cách giữa hai giá trị gần nhau nhất được gọi là bước lượng tử Độ méo tín hiệu lượng tử tỷ lệ với bình phương bước lượng tử, bước lượng tử tỷ lệ nghịch với số giá trị rời rạc Méo lượng tử được tính là lỗi trung bình bình phương như sau:

T x

f x E MSE

0

2

2 1 [ ( ) ( )]

))(

Trong đó x(t) là biên độ tín hiệu được lấy mẫu tại thời điểm t, fQ(x) biểu diễn giá trị lượng tử gần x(t) nhất Méo lượng tử (ồn lượng tử) và chất lượng của bộ lượng tử được đánh giá qua tỷ số công suất tín hiệu / ồn lượng tử (SQNR) Bộ điều chế xung mã (PCM) dùng phép lượng tử 8 bit / mẫu trong điện thoại thương mại Nếu phép lượng tử là tuyến tính thì ta có công thức liên hệ như sau:

Trong đó α = 4.77 đối với giá trị đỉnh của SQNR và α = 0 đối với SQNR trung

bình Từ phương trình trên ta thấy là cứ thêm một bit lượng tử thì SQNR được tăng thêm 6 dB

3.2.2 Lượng tử phi tuyến

Méo lượng tử có thể được giảm thiểu nếu phân bố các giá trị lượng tử một cách thích hợp (không phải cách đều như lượng tử tuyến tính) Phân bố này dựa trên hàm pdf như sau:

Từ phương trình trên ta thấy méo trung bình có thể được giảm thiểu bằng cách giảm giá trị (x – fQ(x))2 tại những nơi có giá trị p(x) lớn Tức các gía trị lượng tử phải ‘nhiều’ tại những vùng biên độ có xác suất cao (tiếng nói nhỏ), cón ‘ít’ tại những vùng biên độ có xác suất thấp (tiếng nói lớn).

Một phương pháp thường dùng trong điện thoại thương mại là bộ lượng tử Loga với hai kỹ thuật là luật µ dùng ở Mỹ và luật A dùng ở châu Âu Tín hiệu trước hết được đi

qua bộ khuếch đại “nén” (dạng hàm Loga) và sau đó đi vào bộ lượng tử tuyến tính

Theo luật µ công thức của bộ lượng tử loga có dạng là:

)1ln(

)(1ln(

|)(

| 0

µ

µ+

+

≤

≤+

=

1)(

1ln

1

)(ln(

1

1)(0ln

1

)()

(0

t w A A

t w A

A t w A

t w A t

Do vậy bộ lượng tử cần được điều chỉnh thích hợp bằng cách tăng bước lượng tử khi công suất tín hiệu lối vào tăng, và giảm khi công suất tín hiệu lối vào giảm (khi đó số mức lượng

tử không thay đổi) ta gọi đó là lượng tử thích nghi

30

3.2.4 Lượng tử véctơ

Trong phép lượng tử thông thường mỗi mẫu biên độ tương ứng với một giá trị lượng

tử hay một tổ hợp bit để biểu diễn Ở phép lượng tử véc tơ thì một nhóm mẫu biên độ ứng với một nhóm mẫu lượng tử mới được tương ứng với một tổ hợp bit được gọi là một véc

tơ lượng tử trong không gian véc tơ lượng tử (với lượng tử thường số mẫu = 1) Số mẫu trong nhóm lượng tử được gọi là một véc tơ mẫu được lượng tử Do tính chất tương quan giữa các mẫu trong tiếng nói mà phép lượng tử véc tơ tạo nên mã có độ nén cao với:

L

n

R= log2 bit / mẫu (3 – 9)

Trong đó n là không gian lượng tử

L là độ dài véc tơ lượng tử

R là số bit mã hóa trên một mẫuKhi n = 256, L = 1, R = 8 bit / mẫu (ứng với PCM) Khi L = 10 – 12 có thể cho R = 0.5 bit / mẫu lỗi lượng tử véc tơ được coi là khoảng cách Ơcơlit giữa véc tơ lượng tử và véc tơ lối vào Được sử dụng cho bộ mã hóa nguồn âm có tốc độ bit thấp

3.3 Các bộ mã hóa theo dạng sóng

3.3.1 Bộ điều chế xung mã vi phân thích nghi (ADPCM)

Bộ điều chế PCM không loại bỏ sự dư thừa thông tin trong tín hiệu tiếng nói (do tính tương quan khác 0) Bộ ADPCM khai thác điều này để giảm tốc độ bit Do có tính tự tương quan cao mà các mẫu biên độ cạnh nhau ít khi thay đổi lớn nên dải động trong tín hiệu vi phân nhỏ hơn nhiều dải động của bản thân tín hiệu Mã hóa tín hiệu vi phân sẽ cho tốc độ bit chỉ là 32Kbps (=1/2 chuẩn PCM) với cùng chất lượng tín hiệu (khi giải mã dùng

bộ tích phân)

Trên thực tế ADPCM được kết hợp với thuật toán tiên đoán tín hiệu, thay cho việc

mã hóa sự sai khác giữa hai mẫu cạnh nhau là việc mã hóa sự sai khác giữa mẫu thật và mẫu dự đoán nó (dựa trên một nhóm các mẫu thật trước đó, sai khác này còn gọi là lỗi dự đoán)

31

Hình 3 – 3: Bộ mã hóa ADPCM

Ví dụ:

Một bộ mã hóa PCM thích nghi có tốc độ lấy mẫu là 8kHz, mỗi mẫu được biểu diễn bằng nhóm 8 bit Bước lượng tử được điều chỉnh lại cứ sau 10ms và độ lớn của bước lượng tử được mã hóa bằng 5 bit Tính tốc độ bit truyền, giá trị SQNR đỉnh và trung bình của bộ mã hóa

Giải:

fz = 8kHz = 8000 Hz

n = 8, số bit thông tin trên một giây là 8*8000 = 64000 bit/s

Do hiệu chỉnh bước lượng tử cứ sau 10ms nên tốc độ bit hiệu chỉnh là:

5*1/(10*10-3) = 500 bit/sTốc độ bit truyền của bộ mã hóa là 64000 + 500 = 64500 bit/s = 64.5 kbps

Tỷ số SQRN chỉ phụ thuộc vào số bit dùng để mã hoá một mẫu lượng tử:

SQNRđỉnh = 6.02n + 4.77 = 6.02*8 + 4.77 = 52.93 dBSQNRTB = 6.02n = 6.02*8 = 48.16 dB

3.3.2 Bộ mã hóa sóng âm theo tần số

Mã hóa được tiến hành theo các vùng tần số Phổ của tín hiệu tiếng nói được chia thành các dải hẹp hoặc biến đổi thành các tần số rời rạc và được mã hóa độc lập với nhau Tùy theo mức độ quan trọng của các dải tần con hay tần số rời rạc mà số bit sử dụng mã hóa nhiều hay ít

thích nghi

Tạo bước thích nghi

Lượng tử thích nghi ngược

Dự đoán thích nghi

I(k)

Dq(k)

32

3.3.2.1 Mã hóa theo băng con (SBC)

Phổ của tín hiệu được chia thành 4 đến 8 dải con bằng các bộ lọc Các băng con được

di chuyển biên trái về 0 để có thể dùng tốc độ lấy mẫu Nyquist ở trong miền thời gian và được lấy mẫu với số bít khác nhau phụ thuộc biên độ phổ và tiêu chuẩn thính giác của con người

Mã hóa biến đổi thích nghi là kỹ thuật mã hóa trong miền tần số dùng phương pháp biến đổi Có tốc độ mã hóa trong khoảng 9.6 – 20 kbps Các mẫu tín hiệu trong một cửa sổ được biến đổi thành một tập các tần số rời rạc, biên độ của các tần số này được lượng tử và

mã hóa riêng biệt để truyền đi Tại bộ thu các hệ số lượng tử được biến đổi ngược để tạo lại tín hiệu ban đầu Phương pháp này dùng biến đổi cosin rời rạc (DCT) theo công thức:

( N

n x

N

k n k

g n x k

k = 0, 1, 2, …, N – 1 (3 – 10)Trong đó g(0) = 1 và g(k) = 2, k = 1, 2, … IDCT được thực hiện theo công thức:

1)

k c

N

k n k

g k X N n

n = 0, 1, 2, …, N – 1 (3 – 11)

33

Trên thực tế DCT hay IDCT được tính theo thuật toán nhanh để đáp ứng thời gian thực tế và việc thiết kế bước lượng tử khác nhau ở các tần số khác nhau cũng được thực hiện theo thời gian được truyền như thông tin tiêu đề (cỡ 2 kbps) số bit lượng tử ở tần số rời rạc tỷ lệ với năng lượng của nó.

3.4 Các bộ mã hóa theo nguồn âm (Vocoder)

Kỹ thuật này dùng để tách các thông số của nguồn âm và mã hóa các thông số này truyền đến nơi thu Tại nơi thu các thông số này được giải mã để điều khiển một nguồn âm tương tự như nơi phát để tái tạo lại tín hiệu Các vocoder có tốc độ bit rất thấp nhưng phức tạp và phụ thuộc vào nguồn âm

Cơ chế chung của một nguồn âm bao gồm có nguồn kích thích và bộ lọc thông minh

và loa

Tiếng nói của chúng ta được phân thành 2 loại:

Voiced là kết quả dao động gần tuần hoàn của cơ quan phát âm

Unvoice được tạo nên bởi sự thổi khí qua khe hẹp của môi và lưỡi

Các thông số của mô hình này là các tần số chính (tần số pitch <300Hz), các giá trị đỉnh của bộ lọc thông minh có giá trị là 500Hz, 1500Hz, 2500Hz, 3500Hz và thống số biên

Nguồn thứ cấp

Bộ lọc

cơ quan phát âm

Lối ra tiếng nói

Bộ phân tích

Lối vào

tiếng nói

34

Voceder kênh là hệ phân tích và tổng hợp âm đầu tiên trong vùng tần số Nó xác định các thông số của tín hiệu trong các dải tần con, sau đó mã hóa và hợp kênh các dải lại việc lấy mẫu được đồng bộ sau 10 – 30ms Cùng với thông tin về năng lượng, voice hay unvoice, tần số pitch được truyền đi.

Vocoder hài

Tương tự với Voceder kênh song có thể làm tốc độ bit thấp hơn vì dùng ít tín hiệu điều khiển hơn Thay vì việc gửi các mẫu đường bao phổ công suất thì Vocoder hài chỉ gửi các cực đại (peak, ít nhất là 3 đỉnh) của đường bao này có thể có tốc độ < 1200 bps song có khó khăn trong việc xác định chính xác các cực đại nên không thật sự hiệu quả

Vocoder Cepstrum

Bộ Vocoder này tách phổ kích thích và phổ cơ quan phát âm bằng Fourier ngược của loga phổ biên độ để tạo nên Cepstrum của tín hiệu Các hệ số tần thấp thể hiện trong Cepstrum là đường bao của phổ cơ quan phát âm Các hệ số tần số cao tạo nên đoàn xung tuần hoàn là bội số của chu kỳ lấy mẫu Bộ lọc tuyến tính dùng để tách các hệ số Cepstrum của cơ quan phát âm khỏi hệ số kích thích Trong bộ thu các hệ số Cepstrum của cơ quan phát âm được biến đổi fourier để tạo nên đáp ứng tần số của cơ quan phát âm hoặc giữ nguyên được coi là đáp ứng xung của cơ quan phát âm Bằng cách nhân chập đáp ứng xung này với một tín hiệu kích thích tổng hợp, tiếng nói ban đầu được tái tạo lại

Các bộ mã dự đoán tuyến tính

Vocoder LPC

Đây là lớp các vocoder trong miền thời gian, chúng tách các đặc điểm quan trọng từ dạng sóng thời gian Mặc dù khá phức tạp song chúng rất phổ biến trong các vocoder tốc

độ thấp và có thể cho chất lượng tiếng nói tốt ở tốc độ 4.8kbps

Hệ LPC mô hình cơ quan phát âm như bộ lọc toàn điểm cực với hàm truyền được mô tả:

35

G z

H

11

)(

(3 – 12)

Ở đây G là hệ số khuếch đại, z-1 biểu diễn toán tử trễ đơn vị Kích thích bộ lọc hoặc

là xung tại tần số pitch là ồn trắng ngẫu nhiên tùy thuộc đoạn tiếng nói là voice hay unvoice Các hệ số của bộ lọc được xác định dùng kỹ thuật dự đoán tuyến tính giống như trong bộ ADPCM Song thay cho việc truyền các giá trị lượng tử của tín hiệu lỗi giữa mẫu tiên đoán và mẫy thực (ADPCM), hệ thống LPC truyền chỉ những đặc tính chọn lọc của tín hiệu lỗi đó là các thông số như: hệ số khuếch đại, tần số pitch, quyết định voice hay unvoice, cho phép xấp xỉ tín hiệu lỗi chính xác Tại bộ thu các thông tin trên được dùng đểt

ái tạo lại tín hiệu lỗi để kích thích bộ lọc tổng hợp Còn bộ lọc tổng hợp tại bộ thu được điều khiển bởi các hệ số đự đoán nhận được Trên thực tế nhiều bộ LPC phát các hệ số bộ lọc trong đó đã biểu diễn tín hiệu lỗi và có thể tổng hợp trực tiếp tại bộ thu Xác định hệ

số dự đoán: tín hiệu dự đoán là một tổng có trọng số của p mẫu trước đó (p dài từ 10 – 15)

Hình 3 – 5: Sơ đồ chung của bộ mã hóa và giải mã

n p

k

k n k

k n k N

n

n a s e

E

1

2

0 1

Quyết định Voice/unvoice

Tổng

Hợp

Với a0 = -1 Thường lỗi được tính trong cửa sổ 10ms tương ứng với N = 80 Cho vi phân của E theo am bằng 0 ta có:

n

m n m

s a s

a

E

0 1

02

k k n m

n s a s

0 1

00

=

=

p k

4800 bps Việc mã hóa các hệ số phản ảnh có thể được cải tiến khi dùng thêm các bộ biến đổi phi tuyến (đặt trước bộ mã hóa) sẽ làm giảm độ nhạy của các hệ số phản ánh đối với lỗi lượng tử Chúng thường dùng là biến đổi tỷ số loga (LAR)

)(1log))((tanh)

k R

k R k

R k

LAR

n

n n

n

(3 – 16)Các LPC khác nhau trong cách tạo ra tín hiệu lỗi tại bộ thu Có 3 cách cơ bản: cách thứ nhất rất phổ biến dùng 2 nguồn kích thích tại bộ thu, một nguồn là ồn trắng và nguồn kia là đoàn xung có tốc độ pitch, việc chọn nguồn này hay nguồn kia kích thích phụ thuộc vào quyết định voice/unvoice của bộ phát Kỹ thuật này gặp khó khăn trong việc tách thông tin về pitch ở bộ phát (ngoài ra sự đồng pha giữa các thành phần hài của xung kích thích tạo nên tiếng ù trong tiếng nói tổng hợp) Vấn đề này được loại bỏ trong 2 cách sau là

kích thích bằng đa xung và kích thích bằng sách mã

LPC kích thích bằng đa xung

Việc kích thích bằng xung đơn/chu kỳ pitch luôn làm méo tín hiệu Atal đã đề nghị dùng nhiều xung (8 xung/chu kỳ) và điều chỉnh vị trí và biên độ các xung này để tối thiểu lỗi trung bình bình phương được trọng số Kỹ thuật này được gọi là MPE –LPC làm chất lượng tiếng nói tốt hơn không chỉ do lỗi dự đoán được xấp xỉ tốt hơn mà còn do nó không đòi hỏi tách pitch Số xung có thể giảm với voive có pitch cao bằng cách kết hợp một bộ lọc tuyến tính với vòng pitch trong bộ tổng hợp

Lỗi

thụ

cảm

37

LPC kích thích bằng mã (CELP)

Ở phương pháp này bộ mã hóa và giải mã có chung một sách mã những tín hiệu kích thích ngẫu nhiên (ồn trắng Gauss) Với mỗi tín hiệu tiếng nói bộ phát sẽ tìm trong sách mã tín hiệu kích thích lên bộ lọc LPC cho tín hiệu gần giống nhất, sau đó chỉ việc truyền chỉ số của tín hiệu kích thích này đến bộ thu Dựa vào chỉ số này bộ thu sẽ tìm ra tín hiệu kích thích thích hợp Bộ mã hóa theo kỹ thuật này đòi hỏi hơn 500 triệu phép tính nhân và cộng / giây Chúng có thể cho chất lượng tiếng nói cao với việc kích thích được mã hóa 0.25 bit / mẫu và có tốc độ 4.8 kbps

Hình 3 – 6: Bộ mã hóa CELP

Ví dụ:

Xét việc mã hóa cụm 5 ms của tiếng nói Tại tần số lấy mẫu 8 KHz mỗi cụm có 40 mẫu, với việc mã hó ¼ bit / mẫu sẽ cho chúng ta 10 bit / cụm Vì vậy sẽ có 210 = 1024 các dãy dài 40 mẫu có thể Mỗi dãy 40 mẫu của tín hiệu kích thích được lấy chuẩn lại và cho đi qua bộ lọc đệ quy tạo ra chu kỳ voice và hiệu chỉnh đường bao phổ

Những mẫu tiếng nói được phát lại tại lối ra bộ lọc thứ 2 được so sánh với tín hiệu tiếng nói nguyên bản để tạo nên tín hiệu vi phân (lỗi) Lỗi này được xử lý qua bộ lọc tuyến tính với hệ số khuếch đại cao ở tần số thụ cảm mạnh, và khuếch đại nhỏ ở tần số thụ cảm thấp Mặc dù đòi hỏi tính toán nhanh song tiến bộ của DSP và công nghệ VLSI đã tạo ra ứng dụng thời gian thực của CELP (hệ CDMA theo chuẩn IS – 95 đã sử dụng CELP tại tốc độ 1.2 – 14.4 kbps Năm 1995 Qual.com đề ra QCELP13 là bộ mã hóa CELP 13.4 kbps hoạt động trên kênh 14.4 kbps.)

LPC kích thích bằng lỗi (RELP)

Cơ sở của RELP liên quan đến kỹ thuật DPCM trong mã hóa dạng sóng Trong loại PLC này, sau khi ước lượng các thông số mô hình (hệ số LP hay các thông số liên hệ), các thông số kích thích (quyết định voice/unvoice, pitch, hệ số khuếch đại) từ một khung tiếng nói Tiếng nói được tổng hợp lại tại bộ phát và trừ đi tín hiệu gốc để có tín hiệu lỗi Tín

Bộ dự đoán Bộ dự đoán

Lọc thụ cảm

Mạchbình phương

Mạchtrung bìng

38

hiệu lỗi được lượng tử, mã hóa và phát đến bộ thu cùng với các thông số LPC Tại bộ thu tín hiệu lỗi được cộng với tín hiệu tổng hợp Chất lượng tiếng nói được nâng cao nhờ việc cộng thêm tín hiệu lỗi.

Hình 3 – 7: Bộ mã hóa RELP

3.5 Chọn bộ mã hóa tiếng nói trong thông tin di động

Các thống số cần được xem xét là:

- Chất lượng cảm thụ tiếng nói khi dùng mã nén

- Giá thành và dung lượng hệ thống

- Ngoài ra còn phải tính đến độ trễ của bộ mã hoá, độ phức tạp của thuật toán

- Yêu cầu công suất nguồn, sự cạnh tranh của các tiêu chuẩn khác

- Khả năng chống nỗi trên đường truyền

Nói chung khi tiếng nói được mã hoá thành ít bít, lượng thông tin trên mỗi bit sẽ tăng lên dẫn đến cấp độ bảo vệ nó trên đường truyền lại phải tăng lên Việc bảo vệ cũng còn được phân biệt tuỳ theo vai trò quan trọng của từng bit trong khung tiếng nói

Lựa chọn bộ mã hoá cũng phụ thuộc vào kích cỡ tế bào Khi kích thước tế bào nhỏ có thể sử dụng các bộ mã hoá tốc độ cao (vì hiệu suất sử dụng phổ cao và không cần nhiều bit bảo vệ trên đường truyền) CT2 và DECT dùng cho tế bào rất nhỏ (Microcell) có thể sử dụng bộ mã hoá ADPCM 32kbps mà không cần mã kênh và bộ cân bằng Các tế bào lớn thì điều kiện kênh truyền kém nên cần dùng thêm các mã sửa lỗi khi đó cần dùng các bộ

mã hoá có tốc độ thấp

Kỹ thuật đa truy cập trong hệ thống cũng là nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng phổ và do vậy cũng được tính đến khi lựa chọn bộ mã hoá tiếng nói Hệ tế bào số US – TDMA làm tăng dung lượng của hệ tương tự cùng tồn tại (AMPS) lên 3 lần dùng bộ mã hoá VSELP 8kbps Hệ CDMA do khă năng giao thoa tốt và băng truyền rộng cho phép

Bộ đệm/

Mã hóa

Phân tích

ST - LP

Tổng hợp LPCTham số LP

Lỗi

Lối ra

mã hóaQuyết định

voice/unvoice, khuếch đại pitch

-+

39

dùng bộ mã hoá tốc độ thấp mã vấn không bị ảnh hưởng lỗi đường truyền khi dùng thêm

mã hiệu chỉnh lỗi

Kỹ thuật điều chế cũng được xem xét khi lựa chọn bộ mã hoá tiếng Khi dùng điều chế có hiệu suất băng cao có thể giảm yêu cầu tốc độ thấp đối với bộ mã hoá tiếng

Ví dụ 1:

Hệ di động có dải kênh phát thuận từ 810 - 826 MHz và dải kênh phát ngược là 940 –

956 MHz, giả sử rằng có 90% độ rộng băng dành cho kênh lưu lượng, hệ yêu cầu hỗ trợ

1150 cuộc gọi cùng một lúc dùng kỹ thuật FDMA, sơ đồ điều chế có hiệu suất phổ là 1.68bps/Hz Kênh truyền đòi hỏi dùng mã sửa lỗi FEC ½ Tìm giới hạn trên về tốc độ của

bộ mã tiếng

Giải:

Độ rộng băng thông dành cho lưu lượng là: 0.9*(826 – 810) = 14.4 MHz

Số người dùng đồng thời cực đại là 1150 người nên độ rộng cực đại là 14.4/1150 = 12.5 kHz

Hiệu suất phổ là 1.68bó/Hz nên tốc độ kênh cực đại là:

16.8*12500 = 21kbps

FEC ½ nên tốc độ dữ liệu thực sự là 21 * 1/2 = 10.5 kbps

Vậy tốc độ mã hóa tiếng phải chọn thấp hơn tốc độ này

Ví dụ 2:

Bộ mã hóa có số lượng bit phân bố theo vai trò quan trọng đóng góp vào chất lượng tín hiệu Mã hóa tiến hành trên đoạn 20 ms (260 bit lối ra bộ mã hóa) 50 bit đầu (loại 1) là quan trọng nhất được bảo vệ CRC 10 bit và FEC 1/2 132 bit tiếp theo (loại 2) bảo vệ CRC

5 bit và 78 bit cuối không được bảo vệ lỗi Tính tốc độ dữ liệu kênh tổng cộng đạt được.Giải:

Số bit kênh cho loại 1 là (50 + 10)*2 = 120 bit

Số bit kênh cho loại 2 là: 132 + 5 = 137 bit

Số bit kênh cho loại 3 là: 78 bit

Tổng số bit được truyền trong 20 ms là: 120 + 137 + 78 = 335 bit

3.6 Đánh giá hoạt động của bộ mã hóa tiếng nói

Có 2 cách đánh giá một bộ mã hoá tiếng nói trong việc cung cấp chất lượng tiếng nói

40