Bài giảng truyền dẫn số

Bài giảng Truyền dẫn số Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC I CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VI LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SỐ 1.1 Đặc điểm thông tin số 1.2 Các thành phần hệ thống truyền thông số 1.3 Các kênh truyền đặc tính 1.4 Các mô hình kênh truyền dẫn 1.5 Tham số đánh giá chất lượng hệ thống truyền dẫn số 10 1.6 Quá trình phát triển hệ thống truyền dẫn số 11 Câu hỏi tập chương 13 CHƯƠNG 2: MÃ HÓA NGUỒN 13 2.1 Mô hình toán học cho nguồn thông tin 13 2.2 Độ đo thông tin 14 2.2.1 Lượng tin tương hỗ trung bình Entropy 15 2.2.2 Đo thông tin cho biến ngẫu nhiên liên tục 15 2.3 Mã hóa cho nguồn rời rạc 16 2.3.1 Mã hóa nguồn rời rạc không nhớ 16 2.3.2 Entropy nguồn dừng rời rạc 19 2.3.3 2.4 Thuật toán Lempel-Ziv 20 Mã hóa cho nguồn tương tự - lượng tử hóa tối ưu 21 2.4.1 Hàm tốc độ - méo 21 2.4.2 Kỹ thuật lượng tử hóa 22 2.5 Kỹ thuật mã hóa cho nguồn tương tự 24 2.5.1 Mã hóa dạng sóng thời gian: 25 i Bài giảng Truyền dẫn số Mục lục 2.5.1.1 Phương pháp điều chế xung mã PCM 25 2.5.1.2 Điều xung mã vi sai DPCM 31 2.5.1.3 Điều chế Delta (DM) 33 2.5.1.4 Điều chế xung mã vi sai thích ứng (ADPCM) 34 2.5.2 Bộ mã hóa dạng sóng miền tần số 34 2.5.3 Mã hóa nguồn dựa mô hình phát âm 34 Câu hỏi tập chương 37 CHƯƠNG 3: MÃ HÓA KÊNH 37 3.1 Phát lỗi sửa lỗi 37 3.1.1 Phát lỗi 38 3.1.2 Kiểm tra chẵn lẻ chiều 41 3.1.3 Các mã đa thức 42 3.1.4 Sửa lỗi 46 3.1.5 Ghép xen 46 3.1.6 Các vector mã khoảng cách Hamming 47 3.1.7 Hệ thống FEC 48 3.1.8 Hệ thống ARQ 51 3.2 Các mã khối tuyến tính 55 3.2.1 Các mã khối tuyến tính hệ thống 58 3.2.2 Ma trận kiểm tra chẵn lẻ 59 3.2.3 Kiểm tra Syndrome 60 3.3 Các mã chập 62 3.3.1 Tạo mã chập 62 3.3.2 Biểu diễn mã chập 65 3.3.2.1 Sơ đồ hình 65 3.3.2.2 Sơ đồ trạng thái 66 3.3.2.3 Sơ đồ hình lưới 67 3.3.3 Giải mã mã chập thuật toán Viterbi 67 3.4 Các mã kết nối giải mã lặp 69 ii Bài giảng Truyền dẫn số Mục lục 3.4.1 Bộ mã hóa Turbo 70 3.4.1.1 Tổng quan 70 Mã chập hệ thống phi hệ thống 70 Mã chập hệ thống đệ quy 70 3.4.1.2 Ghép xen Turbo 72 Ghép xen giả ngẫu nhiên 73 Ghép xen ngẫu nhiên - S 73 Ghép xen ngẫu nhiên - S đối xứng 74 3.4.2 Giải mã Turbo 74 3.4.2.1 Giới thiệu 74 3.4.2.2 Kiến trúc giải mã 75 3.4.2.3 Giải mã lặp giải mã SISO 75 3.5.2 Đồ hình Tanner 79 3.5.3 Mã hóa 81 3.5.3.1 Mã hóa sử dụng ma trận sinh G 81 3.5.3.2 Mã hóa sử dụng ma trận chẵn lẻ H 83 3.5.4 Giải mã 86 3.5.4.1 Thuật toán giải mã tổng tích miền xác suất SPA 88 Câu hỏi tập chương 91 CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT GHÉP KÊNH SỐ 94 4.1 Tổng quan kỹ thuật ghép kênh 94 4.1.1 Khái niệm ghép kênh 94 4.1.2 Các kỹ thuật ghép kênh 95 Ứng dụng kỹ thuật ghép kênh hệ thống truyền dẫn số 104 4.2.1 Kỹ thuật ghép kênh TDM-PCM 104 4.2.2 Kỹ thuật ghép kênh PDH 105 4.2.3 Kỹ thuật ghép kênh SDH 106 Câu hỏi tập chương 110 CHƯƠNG 5: MÃ ĐƯỜNG TRUYỀN 110 iii Bài giảng Truyền dẫn số Mục lục 5.1 Tổng quan mã đường truyền 110 5.2 Các loại mã truyền đường truyền 115 5.2.1 Mã AMI 115 5.2.2 Mã CMI (Coded Mark Inversion) 116 5.2.3 Mã HDBn 117 5.2.4 Mã BnZS (Binary N-Zero Substitution) 118 Câu hỏi tập chương 120 CHƯƠNG 6: ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ SỐ 121 6.1 Tổng quan điều chế số 121 6.2 Các phương thức điều chế - giải điều chế 122 6.2.1 Điều chế khóa dịch biên độ (ASK) 123 6.2.2 Điều chế khóa dịch pha (PSK) 125 6.2.2.1 Điều chế BPSK 125 6.2.2.2 Khóa dịch pha vi phân (DPSK) 128 6.2.2.3 Khóa dịch pha cầu phương (QPSK) Khóa dịch pha M-ary (MPSK) 128 6.2.3 Điều chế khóa dịch tần (FSK) 129 6.2.4 Điều biên cầu phương (QAM) 130 6.3 Đánh giá hiệu kỹ thuật điều chế 132 6.3.1 Điều chế ASK 132 6.3.2 Điều chế PSK 133 6.3.3 Điều chế FSK 134 6.3.4 Điều chế QAM 135 Câu hỏi tập chương 136 CHƯƠNG 7: ĐỒNG BỘ 138 7.1 Đồng truyền dẫn số 138 7.2 Đồng phía thu 139 7.2.1 Mạch vòng khóa pha 139 7.2.2.1 Đồng ký hiệu vòng hở 142 iv Bài giảng Truyền dẫn số Mục lục 7.2.2.2 Đồng ký hiệu vòng kín 144 7.2.3 Đồng khung 146 7.3 Đồng mạng 148 7.3.1 Đồng phía phát vòng hở 150 7.3.2 Đồng phía phát vòng kín 153 Câu hỏi tập chương 155 TÀI LIỆU THAM KHẢO 156 v Bài giảng Truyền dẫn số Các thuật ngữ viết tắt CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT A/D Analog/Digital Chuyển đổi tương tự /số AAL ATM Adaptation Layer Lớp thích ứng ATM ADM Add/Drop Multiplexer Bộ ghép xen/rẽ ADMo ADPCM Adaptive Delta Modulation Adaptive Differential PCM Điều chế Delta thích ứng Điều chế xung mã vi sai thích ứng ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số bất đối xứng AM ATC ATM Amplitude Modulation Adaptive Transform Coding Asynchronous Transfer Mode Điều biên Mã hóa chuyển đổi thích nghi Phương thức truyền tải không đồng AUG Administrative Unit Group Nhóm khối quản lý AU-n AWGN Administrative Unit-n Additive White Gaussian Noise Khối quản lý mức n Kênh nhiễu trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi Bit BIP-n Bit Interleaved Parity-n Từ mã kiểm tra chẵn lẻ n bit xen bit B-ISDN Mạng số liên kết đa dịch vụ băng rộng BPSK Broadband Integrated Services Digital Network Binary Phase Shift Keying BSC Binary Symmetric Channel Kênh nhị phân đối xứng CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố tích lũy CDM Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CMI Code Mark Inversion Mã đảo dấu CPU Central Processing Unit Khối xử lý trung tâm CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra chu kỳ thặng dư D/A DCT Digital / Analog Discrete Cosine Transform Chuyển đổi số/tương tự Biến đổi Cosin rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DM DMS DMUX Delta Modulation Discrete Memoryless Source Demultiplexer Điều chế Delta Nguồn không nhớ rời rạc Bộ tách kênh DPCM Differential Pulse Code Modulation Điều chế xung mã vi sai Điều chế khóa dịch pha nhị phân vi Bài giảng Truyền dẫn số Các thuật ngữ viết tắt DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer Bộ tập trung đường dây thuê bao số DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số DWDM Dense WDM Ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWT Descrete Wavelet Transform Biến đổi Wavelet rời rạc DXC Digital cross- Connect Nối chéo số E/O Electrical- to- Optical Chuyển đổi điện - quang FDDI Fiber Distributed Data Interface Giao diện liệu phân phối sợi quang FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transfrom Biến đổi Fourier nhanh HCCC Hybrid Concatenated Convolutional Kết nối hỗn hợp mã tích chập Code HDB-3 High Density Bipoler -3 zero Mã hai cực mật độ cao- tối đa có bit liên tiếp HDLC High-level Data Link Control Protocol Giao thức điều khiển liên kết liệu mức cao HEC Header Error Control Kiểm tra lỗi tiêu đề IP ISI Internet Protocol Intersymbol Interference Giao thức Internet Nhiễu xen ký hiệu ISO International Organization for Standardization Tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế ITU International Telecommunication Union Liên minh Viễn thông Quốc tế KLT Karhunen – Loeve Transform Chuyển đổi Karhunen – Loeve LAPS Link Access Procedure -SDH Thủ tục truy nhập tuyến SDH LCP LLR Link Control Protocol Log Likelihood Ratio Giao thức điều khiển liên kết Tỉ số xác suất log LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng LPC Linear Predictive Coder Mã hóa dự đoán tuyến tính LTI Linear Time Invariant Hệ thống tuyến tính bất biến theo thời vii Bài giảng Truyền dẫn số Các thuật ngữ viết tắt gian LZW Lempel Ziv-Wench Transform Chuyển đổi Lempel Ziv-Wench MAC MSED Media Access Control Minimun Squared Euclidean Distance Điều khiển truy nhập phương tiện Khoảng cách Euclidean bình phương tối thiểu MSOH Multiplex Section OverHead Mào đầu đoạn ghép MTU Maximum Transmission Unit Khối truyền dẫn cực đại MUX Multiplexer Bộ ghép NG-SDH NRZ Next- Generation SDH Non-Return-to-Zero SDH hệ Không trở không O/E Optical -to- Electrical Chuyển đổi quang thành điện OA&M Operation, Administration and Maintenance Vận hành, quản lý bảo dưỡng OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép phân chia theo tần số trực giao OLTM Optical Line Terminal Multiplexer Bộ ghép đầu cuối quang PAM PCCC Pulse Amplitude Modulation Parallel Concatenated Điều biên xung Kết nối song song mã tích chập Convolutional Code PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PDF Probability Density Funtion Hàm mật độ xác suất PDH Plesiochronous Digital Hierachy Phân cấp số cận đồng PDS Power Density Spectral Mật độ phổ công suất PDU Protocol Data Unit Khối liệu giao thức pFCS Payload Frame Check Sequence Dãy kiểm tra khung tải trọng PFI Payload FCS Indicator Bộ thị dãy kiểm tra khung tải trọng PLD PayLoad Tải trọng PLI Payload Length Indicator Bộ thị chiều dài tải trọng PLL Phase - Locked Loop Vòng khoá pha PO PON Primary Out Passive Optical Networks Đầu sơ cấp Mạng quang thụ động POS Packet Over SDH Gói SDH PPP Point-to-Point Protocol Giao thức điểm - điểm viii Bài giảng Truyền dẫn số Các thuật ngữ viết tắt PSK Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha PTI Payload Type Identifier Nhận dạng kiểu tải trọng PTR QAM Pointer Quadrature Amplitude Modulation Con trỏ Điều chế biên độ cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha cầu phương RCR CLK RCT Receiver Recovery Clock Reversible Color Transform Đồng hồ khôi phục từ tín hiệu thu Chuyển đổi màu thuận nghịch RLC/ RLE Run Length Coding/ Encoding Mã hóa/giải mã độ dài chạy RSC Recursive Systematic Mã chập hệ thống đệ quy Convolutional Code RSOH Regenerator Section OverHead Mào đầu đoạn lặp SA SBC SCCC Source Address Subband Coding Serial Concatenated Địa nguồn Mã hóa băng Kết nối nối tiếp mã chập Convolutional Code - SCCC SD SDH Starting Delimiter Synchronous Digital Hierarchy Bộ giới hạn đầu khung Hệ thống phân cấp số đồng SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng SOVA Soft Output Viterbi Algorithm Viterbi ngõ mềm SPM Self phase Modulation Hiệu ứng tự điều chế dịch pha SSED Sum of Squared Euclidean Distance Tổng bình phương khoảng cách Euclidean STM-N Môđun truyền dẫn đồng mức N TCM Synchronous Transmistion Module -N Trellis Coded Modulation TDM Time-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian UDP User Datagram Protocol Giao thức lược đồ liệu người sử dụng VC Virtual Container Contenơ ảo VCG Virtual Concatenation Group Nhóm kết chuỗi ảo VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ tạo dao động điều khiển điện Điều chế mã lưới ix Bài giảng Truyền dẫn số Các thuật ngữ viết tắt áp VDSL Very High Speed Digital Subscriber Đường thuê bao số tốc độ cao Line VLC Variable Length Code Mã hóa độ dài thay đổi VPI/VCI Virtual Path Identifier/ Virtual Channel Identifier Bộ nhận dạng đường ảo/Bộ nhận dạng kênh ảo WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng x Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng liệu Thành phần tần số phân cách với hài lọc thông dải (BPF) định dạng với khuếch đại bão hòa lý tưởng, có hàm truyền đạt:  x0 sgn x   1 khác (7.7) Ví dụ thứ hai hình 7.2 tạo thành phần Fourier tần số xung đồng hồ liệu mạch nhân trễ Trễ thể hình 7.2b nửa chu kì bit giá trị tốt tạo thành phần Fourier mạnh Tín hiệu m(t) dương nửa thứ hai tất chu kì bit, âm nửa có thay đổi trạng thái luồng bit đến s(t) Hình 7.2: Ba kiểu đồng bit vòng hở Điều tạo tín hiệu xung vuông với thành phần phổ hài hình 7.2a Các thành phần phổ thích hợp phân tách với lọc thông dải Ví dụ cuối (hình 7.2c) minh họa tách sóng biên Hoạt động chủ yếu phép tính lấy vi phân tách sóng Đối với tín hiệu đầu vào xung vuông, mạch vi phân tạo đỉnh dương âm tất trình chuyển tiếp ký hiệu Sau tách sóng/chỉnh lưu chuỗi kết đỉnh dương có thành phần Fourier tốc độ ký hiệu liệu Một vấn đề đặc thù sơ đồ vi phân nhạy cảm với nhiễu băng rộng Cho nên lọc thông thấp đặt trước vi phân (hình 7.2c) Bộ lọc thông thấp loại bỏ thành phần tần số cao ký hiệu liệu làm cho chúng dạng sóng hình chữ nhật nguyên gốc Điều làm cho tín hiệu sau vi phân có sườn lên sườn xuống 143 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng Hình 7.3: Minh họa dạng tín hiệu đồng bit vòng hở Rõ ràng, có số trễ phần cứng kết hợp với bước xử lý tín hiệu minh họa hình 7.2 Người ta BPF: có trung bình K ký hiệu đầu vào (băng thông = 1/KT), độ lớn thời gian lỗi (trễ) trung bình xấp xỉ bằng:  T 0.33 E với b > 5, N0 KEb N  K  18 (7.8) Trong T chu kỳ bit, Eb lượng phát cho bit, No mật độ phổ nhiễu nhận Wintz Luecke với tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao độ sai lệch lỗi chu kì cho bởi:  T  0.411 KEb N với Eb >1 N0 (7.9) Như vậy, BPF định, nhận tỷ lệ tín hiệu nhiễu vừa đủ lớn tất phương thức hình 7.2 cung cấp xác bit định thời 7.2.2.2 Đồng ký hiệu vòng kín Nhược điểm đồng ký hiệu vòng hở tránh khỏi sai lệch đồng chỉnh Lỗi nhỏ tỷ lệ tín hiệu nhiễu lớn, dạng sóng tín hiệu đồng phụ thuộc trực tiếp vào tín hiệu đến lỗi không bị loại bỏ Đồng ký hiệu vòng kín sử dụng phép đo so sánh tín hiệu đến tín hiệu đồng hồ tạo nội máy thu để tạo tín hiệu đồng với trình chuyển đổi liệu đến Hình vẽ mô tả mạch đồng ký hiệu vòng kín – đồng cổng trước/sau (Early/late gate synchronizer) Ở đây, mạch đồng thực phép tích phân riêng biệt lượng tín hiệu đầu vào qua khoảng thời gian khác nhau:  (T144 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng d) d T với T khoảng thời gian ký hiệu Phép lấy tích phân (thực cổng trước – Early gate) điểm đầu chu kỳ ký tự (thời gian danh định 0) (T-d) giây Phép tích phân thứ trễ d giây kết thúc điểm cuối chu kỳ ký tự (thời gian danh định T) Sự khác biệt giá trị tuyệt đối kết đầu phép tích phân y1 y2 số đo lỗi định thời ký hiệu máy thu Hình 7.4: Bộ đồng liệu cổng trước/sau Hoạt động đồng cổng trước/sau giới thiệu qua hình 7.5 Trong trường hợp đồng hoàn hảo, hình 7.5a cho thấy cổng nằm trọn khoảng thời gian ký hiệu T Trong trường hợp này, phép tích phân có giá trị hiệu chúng (tín hiệu lỗi e hình 7.4) không Vì thiết bị đồng bộ, ổn định xu hướng đồng Trường hợp thể hình 7.5b cho thấy máy thu có tín hiệu đồng hồ sớm so liệu đưa vào Theo đó, phần cổng trước rơi vào khoảng thời gian bit trước Trong cổng sau nằm hoàn toàn bên ký hiệu Bộ tích phân cổng sau tích lũy tín hiệu toàn khoảng thời gian (T-d) trường hợp hình 7.5a; tích phân cổng trước kết thúc với lượng tích lũy khoảng thời gian [(T-d)-2∆] , ∆ phần khoảng thời gian cổng trước rơi vào khoảng thời gian bit trước Như vậy, tín hiệu lỗi e = 2∆, thấp điện áp đầu vào VCO (hình 7.4) Điều làm giảm tần số đầu VCO làm chậm thời gian định thời máy thu để làm cho tín hiệu đến khoảng thời gian bit Nếu thời gian định thời máy thu bị trễ, lượng lượng cổng trước cổng sau đảo ngược đổi dấu tín hiệu lỗi dẫn đến tăng điện áp đầu vào VCO tần số đầu làm cho định thời máy thu với tín hiệu đầu vào 145 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng Hình 7.5: (a) Định thời máy thu đúng; (b) Định thời máy thu trước/sớm 7.2.3 Đồng khung Hầu hết tất luồng liệu số có cấu trúc khung Điều nói luồng liệu tổ chức thành nhóm bit có kích thước đồng Nếu luồng liệu tín hiệu truyền hình số, điểm ảnh đại diện từ mã có nhiều bit tiếp đến đường quét ngang, đường quét dọc Dữ liệu máy tính thường tổ chức thành từ mã số nguyên lần bit -byte tiếp đến tổ chức thành hình ảnh thẻ, gói tin, khung hình tập tin Bất kỳ hệ thống sử dụng mã khối để soát lỗi phải tổ chức thành từ mã có chiều dài định Thoại số truyền gói tin khung phân biệt với liệu số khác Khi nhận dòng liệu đến, máy thu cần đồng với cấu trúc khung luồng liệu Đồng khung thường thực với giúp đỡ vài tín hiệu đặc biệt tạo từ máy phát Thủ tục đơn giản, tùy thuộc vào môi trường mà hệ thống yêu cầu hoạt động Đồng khung đơn giản đánh dấu khung, minh họa hình 7.6 Đánh dấu khung bit đơn đoạn ngắn bit mà máy phát đưa định kỳ vào dòng liệu Phía thu phải biết mẫu tín hiệu đồng khoảng thời gian đưa vào Khi có đồng liệu, máy thu biết có tương quan mẫu tín hiệu đồng thời điểm tín hiệu đồng đưa vào luồng liệu Nếu phía thu không thực đồng khung tương quan thấp Ưu điểm đánh dấu khung đơn giản Thậm chí cần bit đơn đủ cho việc đánh dấu khung Những nhược điểm số lượng đánh dấu lớn, thời gian cần thiết để có đồng lâu Do vậy, việc đánh dấu khung hữu ích cho hệ thống truyền liệu liên tục, kết nối điện thoại, máy tính 146 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng không phù hợp cho hệ thống truyền liệu dạng burst yêu cầu đồng nhanh Một nhược điểm bit chèn vào gây rắc rối cho tổ chức luồng liệu Hình 7.6: Đánh dấu khung Ví dụ luồng sóng mang T1 phát triển Bell Labs sử dụng hệ thống điện thoại Bắc Mỹ Cấu trúc sóng mang T1 khung liệu có 193 bít bao gồm bit đánh dấu khung sau tập 24 bytes 8-bit, bytes đại diện cho 24 luồng liệu thoại Một cách tiếp cận cho hệ thống truyền dẫn liệu dạng burst yêu cầu đồng nhanh dùng từ mã đồng Từ mã đồng thường gửi phần tiêu đề tin Máy thu phải biết từ mã liên tục tìm kiếm dòng liệu với lọc tương ứng Việc phát từ mã, cho biết vị trí (thường đầu) khung liệu Ưu điểm hệ thống đồng khung thực nhanh Độ trễ liên quan đến việc xử lý từ mã đến Điểm bất lợi từ mã phải liên quan tới đánh dấu khung để trì xác suất phát lỗi thấp Sự phức tạp hoạt động quan hệ tỷ lệ thuận với chiều dài chuỗi Các bảng minh họa cho loại từ mã đồng thường sử dụng: 147 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng Bảng 7.1: Các từ mã đồng Barker Bảng 7.2: Các từ mã đồng Willard 7.3 Đồng mạng Đối với hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế kết hợp, truyền thông hướng/chiều kênh quảng bá, truyền thông đơn đường đường truyền vi ba, đường truyền cáp sợi quang, việc đồng thực chủ yếu phía máy thu Đối với hệ thống truyền thông sử dụng kỹ thuật điều chế không kết hợp, có nhiều người sử dụng truy nhập vào nút truyền thông trung tâm hệ thống thông tin vệ tinh, việc đồng thực chủ yếu phía thiết bị đầu cuối Nghĩa là, tham số máy phát đầu cuối biến đổi để đạt đồng thay phải sửa đổi tham số nhận nút mạng trung tâm Ví dụ, hệ thống đa truy nhập phân chia theo thời gian – TDMA, người sử dụng cấp phát khe 148 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng thời gian để phát thông tin họ Khi đó, máy phát đầu cuối phải đồng với hệ thống theo thứ tự cho chùm liệu phát đến nút mạng trung tâm thời điểm mà nút sẵn sàng để nhận liệu Đồng máy phát đầu cuối diễn hệ thống có kết hợp việc xử lý tín hiệu nút mạng trung tâm với đa truy nhập phân chia theo tần số - FDMA Nếu thiết bị đầu cuối chuẩn hóa truyền dẫn để đồng với nút mạng trung tâm, nút sử dụng tập cố định lọc kênh chuẩn định thời cho tất kênh Nếu không nút mạng yêu cầu có phân tách thời gian tần số nhận lực theo bám kênh đầu vào phải đối phó với ảnh hưởng từ nhiễu kênh liền kề Đồng máy phát phân loại thành vòng hở vòng đóng Kỹ thuật vòng hở không dựa vào việc đo tham số tín hiệu đến nút mạng trung tâm Thiết bị đầu cuối hiệu chỉnh trước truyền dẫn dựa hiểu biết tham số liên kết cung cấp tài liệu bên ngoài, sửa đổi nhờ việc quan sát tín hiệu phản hồi từ nút mạng trung tâm Kỹ thuật vòng hở dựa tham số biết xác và dự đoán Chúng làm việc tốt liên kết cố định liên kết tự hoạt động liên tục với chu kỳ tương đối lớn Sẽ khó khăn cho việc sử dụng hiệu liên kết không tĩnh, thiết bị đầu cuối truy nhập hệ thống rời rạc Ưu điểm phương pháp vòng hở việc thu nhận tín hiệu nhanh, hoạt động liên kết phản hồi tổng thời gian tính toán nhỏ Nhược điểm phương pháp vòng hở yêu cầu cung cấp tham số liên kết không linh hoạt Kỹ thuật vòng kín yêu cầu phải biết trước tham số liên kết Nhưng hiểu biết hữu ích cho việc giảm thời gian đòi hỏi cho việc dò sóng không đòi hỏi xác phương pháp vòng hở Phương pháp vòng kín liên quan đến đồng xác tín hiệu đến từ thiết bị đầu cuối tín hiệu tới nút mạng trung tâm phản hồi kết đại lượng tới thiết bị đầu cuối thông qua đường tín hiệu phản hồi Do phương pháp vòng kín đòi hỏi đường tín hiệu trả cung cấp phản hồi từ truyền dẫn thiết bị đầu cuối, khả thiết bị đầu cuối nhận tín hiệu phản hồi gì? khả sửa đổi đặc tính máy phát cho thích hợp dựa phản hồi Điều yêu cầu khối lượng lớn xử lý thời gian thực thiết bị đầu cuối đường liên kết hai chiều thiết bị đầu cuối nút mạng trung tâm Nhược điểm phương pháp vòng kín yêu cầu khối lượng lớn xử lý thời gian thực, yêu cầu đường liên kết hai chiều tới thiết bị đầu cuối việc nhận liệu tương đối nhiều thời gian Ưu điểm không sử dụng tri thức bên 149 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng để đảm bảo hoạt động hệ thống đáp ứng từ liên kết phản hồi cho phép hệ thống thích ứng dễ dàng nhanh chóng thay đổi dạng điều kiện liên kết 7.3.1 Đồng phía phát vòng hở Các hệ thống vòng hở phân chia thành hệ thống sử dụng thông tin có nhờ quan sát liên kết phản hồi hệ thống không làm Tuy nhiên, tất đơn giản khía cạnh yêu cầu xử lý thời gian thực, mà chỗ hiệu truyền thông thiết bị đầu cuối đơn giản rõ ràng phụ thuộc vào đặc tính liên kết ổn định Mọi đồng phía phát cố gắng xác định trước việc định thời tần số phát tín hiệu theo cách thức tín hiệu đến máy thu với tần số mong muốn thời gian kì vọng Do vậy, để xác định định thời, máy phát chia khoảng cách máy thu cho tốc độ ánh sáng để nhận thời gian truyền dẫn chuyển dịch việc định thời truyền dẫn tin Qua việc phát tín hiệu sớm, tín hiệu tới máy thu thời gian thích hợp Thời gian tín hiệu đến nút mạng tính biểu thức: TA  Tt  d c (7.10) Trong Tt thời gian thực tế bắt đầu truyền dẫn, d khoảng cách truyền, c tốc độ ánh sáng Tương tự, để xác định trước tần số truyền dẫn, máy phát tính chuyển dịch Doppler chuyển động tương đối máy phát máy thu Để nhận xác tần số góc truyền dẫn yêu cầu là:     1  V  0 c (7.11) Trong c tốc độ ánh sáng, V vận tốc tương đối, 0 tần số góc ban đầu Trên thực tế, việc chuẩn hóa định thời xác định trước tần số không xác Ngay vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh chuẩn có chuyển dịch so với điểm Trái đất, nên việc định thời gian chuẩn hóa tần số thiết bị đầu cuối nút mạng trung tâm không dự đoán xác hoàn toàn Do đó, luôn có thành phần tần số thời gian chuẩn hóa sai Khi đó, thời gian lỗi xác định: Te  re  t c (7.12) 150 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng Trong re ước lượng lỗi đường truyền t chênh lệch thời gian tham chiếu máy phát máy thu Tần số lỗi xác định: e  Ve0   c (7.13) Trong Ve giá trị lỗi đo lường dự đoán tốc độ tương đối máy phát máy thu (hiệu ứng Doppler)  tần số chênh lệch tần số tham chiếu máy phát máy thu Có nhiều lỗi tần số thời gian không đề cập chúng thường không nghiêm trọng Spilke đưa thống kê đầy đủ lỗi thời gian tần số cho hệ thống vệ tinh Những lỗi t  thường biến đổi ngẫu nhiên tần số tham chiếu Thời gian tham chiếu cho máy phát máy thu đa số lấy nhờ đếm chu kì tần số tham chiếu, lỗi độ xác thời gian tần số tham chiếu có liên quan với Những biến đổi tần số tham chiếu khó để mô tả cách thống kê, mật độ phổ công suất xấp xỉ xếp công suất phân đoạn Tần số tham chiếu thường xác định giới hạn lớn cho phép tần số phân đoạn thay đổi ngày:   0 Hertz/Hertz/day (7.14) Thường giá trị  nằm khoảng từ 106 đến 105 với dao động tinh thể thông thường, từ 109 đến 10 11 với dao động tinh thể chất lượng cao đến 10 12 với tiêu chuẩn rubidium đến 10 13 với tiêu chuẩn cesium Sai lệch tần số chuẩn hóa 0 tăng tuyến tính theo thời gian: T  (T )  0   dt  t (0)  0 T   (0) Hertz (7.15) Đối với chu kì thời gian tham chiếu, sai lệch giá trị thời gian tích lũy có liên quan đến lỗi pha tích lũy tham chiếu: 151 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng T  (t ) 0 t (T )       (0)T T   t (0) 0 T dt  t (0) T  (0) 0  tdt   dt  t (0) (7.16) Do đó, can thiệp, lỗi thời gian tham chiếu tăng phi tuyến tính (bậc hai) với thời gian Với hệ thống đồng phía phát vòng hở, việc tăng theo bình phương công thức tính lỗi thời gian làm hạn chế tần suất truy nhập để can thiệp từ bên ngoài: để cập nhật hiểu biết thiết bị đầu cuối định thời máy thu để thiết lập lại thời gian tham chiếu máy phát máy thu giá trị danh định Sự gia tăng lỗi theo hàm bậc hai có nghĩa lỗi định thời vấn đề cần quan tâm hoạt động hệ thống lỗi tần số lỗi, có phụ thuộc vào thiết kế hệ thống Nếu máy phát thông tin từ đại lượng đo liên kết phản hồi, lệch thời gian tần số miêu tả biểu thức từ (7.12) đến (7.16) cho phép người thiết kế hệ thống khả xác định khoảng thời gian lớn can thiệp tảng tiêu chí xác suất lỗi Việc hiệu chuẩn lại thời gian tần số tham chiếu thường công việc nặng nề, xảy tốt Nếu thiết bị đầu cuối truy nhập vào liên kết phản hồi từ nút mạng trung tâm có khả để so sánh tham số đo giá trị tham chiếu nội với tham số tín hiệu đến, khoảng thời gian hiệu chỉnh dài Những trạm điều khiển vệ tinh lớn đo lường mô hình tham số quỹ đạo địa tĩnh vệ tinh để có điều chỉnh xác phạm vi vài phần mười feet cho khoảng cách vài feet/sec cho vận tốc tương thiết bị đầu cuối mặt đất Do đó, trường hợp đặc biệt quan trọng đồng vệ tinh nút mạng trung tâm, thành phần vế phải biểu thức (7.12) đến (7.13) thường không đáng kể bỏ qua Khi điều khác tham số tín hiệu đến tín hiệu phát sinh giá trị thời gian, tần số tham chiếu thiết bị đầu cuối sấp xỉ với t  Những đại lượng lỗi liên kết tải thường tính toán xấp xỉ với liên kết truyền dẫn ngược lại Trong trường hợp khác, thời gian tần số tham chiếu xác liên kết chưa chuẩn thiết bị đầu cuối điện thoại di động vệ tinh địa tĩnh, đại lượng đo liên kết phản hồi để giải vấn đề khoảng cách vận tốc không chắn Các đại lượng đo khoảng cách vận tốc tương đối sử dụng để chuẩn hóa thời gian tần số đường lên 152 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng Trong trường hợp thiết bị đầu cuối sử dụng giá trị đo lường tín hiệu đường liên kết phản hồi gọi đồng phía phát vòng tựa đóng (quasiclosed-loop transmitter synchronization) Kỹ thuật đồng phía phát vòng tựa đóng rõ ràng có khả thích ứng với bất ổn định hệ thống truyền thông hệ thống vòng hở hoàn toàn Hệ thống vòng hở đòi hỏi biết trước tất tham số liên kết quan trọng để đảm bảo hoạt động tốt Tuy nhiên, người ta lường trước thay đổi liên kết Hệ thống vòng tựa đóng, mặt khác, yêu cầu biết trước tham số quan trọng tần số thời gian phần lại xác định nhờ quan sát liên kết phản hồi Điều làm tăng phức tạp thiết bị đầu cuối, tăng khả thích ứng với thay đổi dự kiến Điều đồng nghĩa khả giảm nhiều việc hiệu chỉnh tần số hệ thống 7.3.2 Đồng phía phát vòng kín Đồng phía phát vòng kín liên quan đến việc truyền dẫn tín hiệu đồng đặc biệt, dùng để xác định lỗi tần số thời gian tín hiệu, liên quan đến việc định thời gian tần số mong muốn tín hiệu đến máy thu Kết việc xác định phản hồi lại tới máy phát liên kết phản hồi Việc xác định lỗi đồng rõ ràng không tường minh Nếu nút mạng trung tâm có đủ lực xử lý, nút mạng trung tâm tạo đại lượng lỗi thực tế, đại lượng số lượng hướng chênh lệch (offset) Những thông tin định dạng phản hồi tới máy phát đường liên kết phản hồi Nếu nút mạng trung tâm có lực xử lý thấp, tín hiệu đồng đặc biệt đơn giản quay lại phản hồi tới máy phát liên kết phản hồi Trong trường hợp trở thành phần công việc máy phát để tự giải nghĩa tín hiệu phản hồi Các ưu điểm nhược điểm hai kiểu hệ thống đồng phía phát vòng kín liên quan đến lực xử lý tín hiệu hiệu việc sử dụng kênh Ưu điểm xử lý nút mạng trung tâm kết đại lượng lỗi truyền liên kết phản hồi dãy số ngắn Hiệu việc sử dụng liên kết phản hồi quan trọng liên kết phản hồi đơn đường tuân theo việc ghép kênh phân chia theo thời gian số lớn thiết bị đầu cuối Một ưu thứ khả đo lỗi nút mạng trung tâm chia sẻ cho tất thiết bị đầu cuối thông qua nút mạng Điều làm tăng hiệu đáng kể việc xử lý hệ thống Ưu tiềm việc xử lý thiết bị đầu cuối nút mạng trung tâm dễ dàng truy cập độ tin cậy việc truy nhập phải xem xét trình thiết kế hệ thống trường hợp mà nút mạng 153 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng trung tâm vệ tinh thông tin Một ưu điểm khác xử lý thiết bị đầu cuối đáp ứng việc xử lý nhanh thường có trễ xử lý nút mạng trung tâm Điều quan trọng tham số liên kết thay đổi nhanh Nhược điểm việc sử dụng không hiệu kênh phản hồi tín hiêu phản hồi khó diễn giải Khó khăn nảy sinh nút mạng trung tâm không đơn giản trạm lặp mà đưa định ký tự truyền dẫn định liên kết phản hồi Khả định ký tự cải thiện nhiều hiệu lỗi từ thiết bị đầu cuối tới thiết bị đầu cuối làm phức tạp thủ tục đồng Điều ảnh hưởng việc lệch thời gian tần số tồn tín hiệu phản hồi, gián tiếp ảnh hưởng đến việc định ký tự Xem xét ví dụ truyền dẫn BFSK tới nút mạng trung tâm tạo nên định bit không kết hợp Quyết định phụ thuộc lượng tín hiệu thu tín hiệu nút mạng trung tâm xác định: sin (0  s   )t     r (t )   sin (0   )t      t  t t  t  T (7.17) Trong T khoảng thời gian ký hiệu, 0 tần số ký hiệu , 0  s  tần số ký hiệu khác,  lỗi tần số nút mạng trung tâm, t lỗi thời gian tín hiệu đến nút mạng trung tâm  góc pha tùy ý Bây giờ, nếu: x T r (t ) cos 0tdt T 0 (7.18) y T (7.19) và:  T o r (t ) sin 0tdt hai thành phần cầu phương tách tín hiệu, lượng tín hiệu thu được biểu diễn biểu thức đây: z2  x2  y 2  sin  (s   )t / 2   sin   (T  t ) / 2       (s   )T T     cos(t )  cos  T  (s   )t   cos(T )  cos(s t )  2 (s   )T (7.20) 154 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng Đối với trường hợp đặc biệt, lỗi thời gian t  biểu thức (7.20) rút gọn thành:  sin(T / 2)  z2    T   (7.21) Đối với trường hợp lệch tần số   thì:  T  t   sin(s t / 2)  z      sT  2T    2 (7.22) Một điểm quan trọng cần lưu ý biểu thức từ (7.20) đến (7.22) lỗi thời gian, lệch tần số kết hợp hai làm giảm lượng tín hiệu thu tách ký hiệu thêm lượng cho tách ký hiệu sai Điều dẫn đến việc giảm khoảng cách tín hiệu không gian tín hiệu làm giảm hiệu lỗi Câu hỏi tập chương Trình bày nguyên tắc hoạt động so sánh ưu nhược điểm hai phương pháp đồng ký hiệu vòng kín vòng hở phía thu? Trình bày cấu trúc nguyên tắc hoạt động mạch vòng khóa pha PLL.Vai trò PLL đồng hệ thống truyền dẫn số? Trình bày cấu trúc nguyên tắc hoạt động mạch vòng khóa pha số DPLL So sánh với PLL? 155 Bài giảng Truyền dẫn số Chương VII: Đồng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] John G P., Digital Communications, McGraw Hill, 4th edition 2007 [2] A B Carlson, P B Crilly and J C Rutledge, Communication Systems: An Introduction to Signals and Noise in Electrical Communication, McGraw Hill, 2002, 4th Edition [3] Alberto Leon-Garcia and Indra Widjaja, Communication Networks: Fundamental Concepts and Key Architectures, McGraw Hill, 2001 [4] John Bellamy, Digital Telephony, John Wiley &Sons, Inc., 2nd edition 1991 [5] Bernard Sklar, Digital Communications: Fundamentals and Applications, Prentice Hall, 4th edition 2000 [6] Simon Haykin, Communication Systems, John Wiley &Sons, Inc., 4th edition 2004 [7] Leon W Couch, Digital and Analog Communication Systems, Macmilan Inc., 6th Editions, 2001 [8] William Stalling, Data and Computer Communications, Macmilan Inc., Fifth Editions, 2003 156 Bài giảng Truyền dẫn số khảo Tài liệu tham 157