Báo cáo bài tập lớn thông tin số ADPCM

Điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation) là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (AD), trong đó thông tin đầu vào dưới dạng các tín hiệu tương tự được biến đổi thành tổ hợp mã nối tiếp ở đầu ra.PCM được đặc trưng bởi bốn quá trình lọc hạn băng, lấy mẫu, lượng tử hóa, mã hóa ở phía phát để biến đổi AD và quá trình giải mã, lọc thông thấp ở phía bên thu để khôi phục tín hiệu

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, các hệ thống thông tin số đã thay thế các hệ thống tương tụ trên phạm vi toàn cầu Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển mạnh mẽ đã tạo ra nhu cầu to lớn cho hệ thống truyền dẫn thông tin Mặc dù yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này rất cao Với nhu cầu phát triển hiện nay đòi hỏi các kỹ thuật viễn thông hiện đại Trong đó phải đến kỹ thuật điều chế xung mã,

kỹ thuật điều chế xung mã ADPCM (Adaptive Delta Pulse Code Modulation) là một trong những phương pháp mã hóa nối tiếng được sử dụng trong hiện nay Phương pháp này là một trong những kỹ thuật nhằm giảm băng truyền của tín hiệu thông tin số

Đề tài chia thành hai chương:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ

CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ADPCM

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ 3

I Khái niệm điều chế xung mã 4

II Các kỹ thuật nhằm giảm băng truyền của tin hiệu thông tin số 4

2.1 Độ rộng băng thông của kênh truyền 4

2.2 Kỹ thuật Delta PCM 4

2.3 kỹ thuật DPCM 4

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ADPCM 5

I Giới thiệu về kỹ thuật ADPCM 5

II Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật ADPCM 5

III Ưu, nhược điểm của kỹ thuật ADPCM 8

KẾT LUẬN 9

TÀI LIỆU THAM KHẢO 9

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADPCM: Adaptive Delta Pulse Code Modulation - điều chế xung mã vi sai thích ứng

PCM: Pulse Code Modulation – điều chế xung mã

PAM: Pulse Amplitude Modulation – điều chế xung biên độ

DPCM: Different Pulse Code Modulation – điều chế xung mã vi sai

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Phương pháp ADPCM………5 Hình 2.2 DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng bộ đánh giá mức phía trước……… 5

Hình 2.3 DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng bộ đánh giá mức phía sau……….6

Hình 2.4 Sơ đồ DPCM sử dụng bộ lượng tử thích ứng và dự đoán thích

AQF……… 6

Hình 2.5 Sơ đồ DPCM sử dụng bộ lượng tử thích ứng và dự đoán thích

AQB……… 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ

I Khái niệm điều chế xung mã

Điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation) là quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (A/D), trong đó thông tin đầu vào dưới dạng các tín hiệu tương tự được biến đổi thành tổ hợp mã nối tiếp ở đầu ra

PCM được đặc trưng bởi bốn quá trình lọc hạn băng, lấy mẫu, lượng tử hóa, mã hóa ở phía phát để biến đổi A/D và quá trình giải mã, lọc thông thấp ở phía bên thu để khôi phục tín hiệu

II Các kỹ thuật nhằm giảm băng truyền của tin hiệu thông tin số

2.1 Độ rộng băng thông của kênh truyền

Băng thông của hệ thống là tài nguyên có hạn để khai thác hiệu quả tài nguyên, băng thông tín hiệu càng nhỏ càng tốt

Độ rộng của kênh tối thiểu truyền dẫn tín hiệu PCM theo định lý lấy mẫu Nyquist

B ≥R s

2

R s: tốc độ truyền tín hiệu PCM ( tốc độ truyền một từ mã)

Mặt khác ta có R s=f s.m

2 log2Q

Như vậy để tiết kiệm băng thông là giảm tốc độ từ mã tốc độ băng thông, hay giảm số lượng bit dung để mã hóa, đồng nghĩa với tín hiệu đầu thu giảm ( giảm mức lượng tử)

2.2 Kỹ thuật Delta PCM

Các mẫu xung PAM sẽ được mã hóa và truyền độc lập Nhưng trong tín hiệu thực tế thì các xung gần nhau có độ tương quan nhất định Thay vì truyền các xung độc lập, ta chi cần mã hóa độ chênh lệch giữa hai xung kề nhau Với cách tuyền này cần ít bit hơn để mã hóa phần chênh lệch, nghĩa là giảm băng thông hệ thống

2.3 kỹ thuật DPCM

Kỹ thuật DPCM còn gọi là kỹ thuật điều chế xung mã vi sai Trong kỹ

Bằng cách sử dụng thêm bộ dự đoán, ta có thể chỉ cần mã hóa độ sai lệch giữa giá trị thực và giá trị dự đoán của mẫu tín hiệu

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ADPCM

I Giới thiệu về kỹ thuật ADPCM

PCM vi sai thích ứng (ADPCM) đã tổ hợp phương pháp DPCM và PCM thích ứng ADPCM có nghĩa là mức lượng tử hóa được thích ứng với dạng của tín hiệu đầu vào Kích cỡ của các bước lượng tử tang lên khi có liên tiếp dốc đứng trong tín hiệu kéo đủ dài Trong hình 1.1, số mẫu là 6 có thể được mô tả bằng 5 bước lượng tử lớn thay cho 10 mẫu nhỏ Phương pháp này có tên từ khả năng thích ứng của nó, tùy thuộc vào giá trị của tín hiệu đầu vào mà có thể thay đổi bước lượng tử cho phù hợp, tức là nó tạo ra khả năng giảm số lượng mức lượng tử

Hình 2.1 Phương pháp ADPCM

Kỹ thuật ADPCM có hai loại Thứ nhất là, lượng tử hóa thích ứng có bộ đánh giá mức phía trước AQF hoặc bộ đánh giá mức phía sau DPCM-AQB (hình 2.2) Thứ hai là, phương pháp DPCM sử dụng cả bộ lượng tử thích ứng và bộ dự đoán thích ứng Phương pháp thứ hai có thể dung đánh giá trước gọi là DPCM-APF-AQF hoặc đánh giá phía sau DPCM-APB-AQB (hình 2.3)

II Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật ADPCM

Sơ đồ khối:

zz

Thời gian

Mẫu số 1 2 3 4 5 6

hóa

Bộ giải mã

Lọc thông thấp

Xung lấy

mẫu

Tín hiệu tương tự Kênh

Hình 2.2 DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng bộ đánh giá mức phía trước Nguyên lí hoạt động của kỹ thuật DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng

có bộ đánh giá mức phía trước (hình 2.2), có nguyên lí hoạt động như sau:

Xung lấy mẫu được đưa vào bộ nhớ.Xung đếm sau được so sánh với xung trước đó.Độ chênh lệch giữa hai xung lượng tử trong khối mã hóa.Đồng thời, độ chênh lệch này được đưa vào bộ đánh giá để đưa ra xung điều khiển bộ mã hóa thay đổi bước lượng tử cho phù hợp với mức tăng của tín hiệu.Thông tin về kết quả đánh giá cũng được truyền đến bộ giải mã đầu thu thông qua từ mã pha

Phía thu khi nhận được thông tin tăng bước lượng tử đầu phát, thì bộ mã hóa lặp lại bước lượng tử có kích thước tương ứng

DPCM sử dụng phương pháp lượng tử hóa thích ứng có bộ đánh giá mức phía sau (hình 2.3) có nguyên lí hoạt động như sau:

Sơ đồ khối:

Hình 2.3 DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng bộ đánh giá mức phía sau Căn cứ vào từ mã đầu ra bộ mã hóa mà bộ đánh giá mức biết được tín hiệu tăng nhanh hay chậm.Đánh giá này được đưa vào bộ mã hóa để điều khiển

mã hóa tiếp số gia giữa xung hiện tại và xung trước đó.Đầu thu căn cứ vào từ mã nhận được mà bộ đánh giá đưa ra tín hiệu điều khiển bộ giải mã lặp lại bậc thang

có kích thước tương ứng.Ưu điểm của sơ đồ phương pháp này là không cần truyền thông báo về kích thước bước lượng tử đầu phát

Sơ đồ khối: Bộ nhớ xung lâý mẫu và

bộ đánh giá giá

Lượng

tử hoá

Bộ dự

Xung lấy mẫu

x(n)

e(n)

(n)

(n)

Đến bộ mã hóa

mã

Lọc thông thấp

Bộ

đánh

giá

mức

Xung

lấy mẫu

Tín hiệu tương tự

Bộ đánh giá mức

Kênh

Hình 2.4 Sơ đồ DPCM sử dụng bộ lượng tử thích ứng và dự đoán thích ứng

DPCM – APF - AQF AQF: Thông tin mức tín hiệu được truyền đnế bộ mã hóa ở xa khi sử dụng 5-6 bit cho một xung lấy mẫu trên cỡ bước cho phép bảo vệ thông tin cỡ bước ở phía phát bằng cách thêm bit dư Độ trễ đánh giá được tạo ra trong hoạt động mã hóa Yêu cầu chèn các mẫu vào “không lượng tử hóa” Tự thích nghi khối hoặc tự thích nghi định kỳ; nghĩa là cỡ bước ∆ của nó đổi mới mỗi khối và giữ không đổi trong suốt thời gian một khối của N mẫu Đánh giá dự trên cơ sở các mẫu không lượng tử

Sơ đồ khối hình phương pháp DPCM-APF-AQF (hình 2.2.3), có nguyên

lí hoạt động như sau:Xung lấy mẫu tại thời điểm to có biên độ xo đưa vào bộ trừ.Độ chênh lệch giữa hàm bậc thang và xung lấy maauxtaij thời điểm trước là e(n) được đưa vào bộ lượng tử.Trị số tròn e(n) đầu ra bộ lượng tử đưa vào bộ cộng.Đầu vào bên trái độ cong có biên độ xung lượng tử tính theo biểu thức:

x} left (n right ) = sum from {i=1} to {L} {{c} rsub {i} x'(n-i)¿

Trong đó, L là tổng số xung lấy mẫu từ thời điểm to trở về trước

Đầu vào của bộ dự báo là xung lượng tử chưa có dự báo.Đầu ra của bộ dự báo xung lượng tử có dự báo về độ dốc sườn tín hiệu được thể hiện trong hệ số

đến.Nhờ có sự thay đổi của hệ số đánh giá mà trị số chênh lệch giữa xung lấy mẫu và xung lượng tử đầu ra bộ trừ có giá trị bé.Do đó, không có hiện tượng quá tải sườn.Thông báo về độ dốc sườn cũng được truyền đến đầu thu

Sơ đồ khối:

Hình 2.5 Sơ đồ DPCM sử dụng bộ lượng tử thích ứng và dự đoán thích ứng

DPCM – APB - AQB AQB: Thông tin về cỡ bước ∆ được tách ra từ trạng thái trước đó của bộ lượng tử hóa Không có trễ của đánh giá Tạp âm lượng tử giảm đạt tính bám sát

Bộ nhớ xung

lâý mẫu và bộ

đanh giá giá

Lượng

tử hoá

Bộ dự đoán

Xung lấy

mẫu

x(n)

e(n)

APB Thuật

toán Logic

Đến bộ

mã hóa

tuyến có hồi tiếp và có thể không tránh khỏi vấn đề về sự ổn định Các hệ thống AQF đòi hỏi các khối đệm đắc tiền có cấu trúc phức tạp và cũng gây ra trễ, các

hệ thống DPCM ít phức tạp thường đùn các mạch AQB nên có lợi ở chỗ không cần các bit ngoài để cung cấp thông tin về cỡ bước

Hoạt động của DPCM-APB-AQB với sơ đồ hình 2.5 cũng tương tự hình 2.4, chỉ khác là trong hình 2.5 đánh giá về độ dốc sườn được hình thành qua khối algorithm logic.Trị số lượng tử đầu ra bộ lượng tử hóa được được đưa vào khối 6.Mặt khác, trị số xung lượng tử x’(n) cũng đưa vào khối này.So sánh hai giá trị đó, khối 6 đưa vào bộ dự báo tín hiệu điều khiển để thay đổi hệ số dự báo

ci.Ưu điểm của sơ đồ 2.5 là không phải truyền thông báo từ phát sang thu

III Ưu, nhược điểm của kỹ thuật ADPCM

Trong quá trình ADPCM, sau khi tín hiệu vào tương tự đã đi qua mã hóa PCM thông thường, thì luồng các mẫu 8 bit được gửi tiếp tới bộ mã hóa ADPCM.Trong bộ mã hóa này, một thuật toán chỉ với 15 mức lượng tử được sử dụng để giảm độ dài từ 8 bit xuống 4 bit.4 bit này không biểu diễn thành biên độ của mẫu nữa, nhưng nhờ có mã hóa vi sai mà 4 bit vẫn chứa đủ thông tin để cho phép tín hiệu gốc sẽ được tái tạo ở bộ thu

Mức của một mẫu được dự đoán dựa trên mức của mẫu đứng trước.Sự khác nhau giữa mẫu dự đoán và thực tế là rất nhỏ.Vì vậy, có thể mã hóa bằng 4 bit.Nếu có vài mẫu tiếp theo thay đổi lớn, thì các bước lượng tử được thích ứng như mô tả ở trên

Khác biệt thích ứng xung mã điều chế (ADPCM) là một biến thể của vi phân điều chế mã xung (DPCM) mà thay đổi kích thước của bước lượng tử hóa, cho phép giảm hơn nữa của các bang thông dữ liệu cần thiết

Thông thường, thích ứng với tín hiệu thống kê trong ADPCM chỉ đơn giản bao gồm một yếu tố quy mô thích nghi trước khi lượng tử hóa sự khác biệt trong bộ mã DPCM

Các thuật toán ADPCM tận dụng cao tương quan giữa các mẫu biểu liên tiếp,ncho phép các giá trị mẫu tương lai được dự đoán.Thay vì mã hóa các mẫu biểu, ADPCM mã hóa sự khác biệt giữa một mẫu dự đoán và các mẫu biểu Phương pháp này cung cấp hơn nén hiệu quả với việc giảm số lượngbit cho mỗi mẫu, chưa bảo toàn chất lượng tổng thể của tín hiệu

KẾT LUẬN

Đề tài đã làm rõ một số khái niệm liên quan, cũng như đưa ra một số phương pháp điều chế xung mã Đề tài tập trung nghiên cứu về kỹ thuật ADPCM Giới thiệu về kỹ thuật ADPCM, làm rõ nguyên lý hoạt động Trên cơ

sở nguyên lý hoạt động của kỹ thuật ADPCM, đưa ra một số ưu, nhược điểm của kỹ thuật này

TÀI LIỆU THAM KHẢO

2 Nguyễn Viết Kính – Trịnh Anh Vũ, Thông tin số, nxb Giáo dục, 2007.

3 Báo cáo bài tập lớn, http://123doc.org/document/2268972-bao-cao-bai-tap-lon-nghien-cuu-adpcm.htm?page=7

Phân công nhiệm vụ: