CÁC THAM số CHẤT LƯỢNG cơ bản của hệ THỐNG THÔNG TIN số

Mã hóa dạng sóng Nội dung của phương pháp mã hóa dạng sóng là dạng sóng của tín hiệu tiếng nói liên tục được rời rạc hóa nhờ lấy mẫu và sau đó được số hóa nhờ mã hóa nhị phân các giá trị

CÁC THAM SỐ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Các yêu cầu cơ bản với HTTT số là nhanh chóng và chính xác Hai yêu cầu này luôn mâu thuẫn với nhau: muốn truyền tin chính xác thì phải chấp nhận giảm tốc độ truyền, ngược lại truyền tin càng nhanh thì lỗi xảy ra càng lớn

Các tham số cơ bản của HTTT số là độ chính xác và tốc độ truyền tin

+ Tham số độ chính xác truyền tin được đánh giá qua tỷ lệ lỗi bit BER

+ Tốc độ truyền tin được đánh giá qua dung lượng kênh C

Gọi symbol thứ k có giá trị là Dk với thời gian tồn tại là Tk truyền từ đầu phát đến đầu thu Ở đầu thu tín hiệu được khôi phục lại có giá trị dk với thời gian tồn tại là

+ Nếu Dk dk thì tín hiệu thứ k bị lỗi

+ Nếu Tk thì tín hiệu thứ k bị trượt pha (jitter)

2.1 Tỷ số lỗi bít BER (Bit Error Ratio)

a Khái niệm: BER là tỷ lệ giữa số bit nhận bị lỗi trên tổng số bit đã truyền trong 1 khoảng thời gian quan sát nào đó Khi thời gian quan sát tiến đến vô hạn thì BER tiến tới xác suất lỗi bit

Trong đó: Nt : là tổng số bít phát đi trong khoảng thời gian t0

Ne : là số bit thu bị lỗi trong khoảng thời gian t0

D: là tốc độ bít của luồng số tại thời điểm quan sát

t0 :là thời gian quan sát Trường hợp lý tưởng (BER=0) thì hệ thống số không bị lỗi Nhưng thực tế BER0, nếu giá trị BER càng nhỏ thì chất lượng của hệ thống số càng cao và ngược lại Ở mỗi hệ thống số cần có các chỉ tiêu BER khác nhau

- Tín hiệu thoại yêu cầu BER  10-6

- Truyền số liệu hoặc truyền hình thì yêu cầu BER  10-9, thậm chí BER  10-12

2.2 Jitter (Rung - trượt pha)

Nếu Tk thì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter (rung pha) Khi thì được gọi là jitter, tính theo % (Jitter được xem là lớn nếu lớn hơn 5%).

2.3 Dung lượng kênh truyền (C)

k





k





t

e

N

N

0

.t

D

N e

k





a Khái niệm: Dung lượng kênh truyền là tốc độ truyền tin cực đại trên kênh Tham số này

phụ thuộc vào băng tần truyền dẫn, mức độ tạp nhiễu Dung lượng kênh truyền còn được gọi là dung năng kênh

b Công thức: C = B.log2 (1 + SNR) bps

Trong đó: B : Độ rộng băng tần của kênh

SNR : Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Điều mong muốn của một hệ thống số là tốc độ số R phải tiến tới giới hạn dung lượng truyền dẫn C với xác suất lỗi BER nhỏ nhất (bằng 0) Thực tế không đạt được điều này mà chỉ có thể giảm nhỏ BER đến một giá trị nào đó

Nếu tốc độ phát tin của nguồn tin là R < C thì phương pháp truyền này có BER nhỏ nhất Ngược lại nếu tốc độ bản tin của nguồn tin R > C thì xác suất lỗi BER lớn nhất (tiến dần tới 1)

Chú ý: khi tiến hành tính toán thông lượng kênh nếu SNR được cho dưới dạng

decibel (dB) thì trước khi tiến hành tính toán thông lượng kênh phải đổi đơn vị bằng cách sử dụng công thức sau:

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ SỐ HÓA TÍN HIỆU LIÊN TỤC

1.1 Mã hóa dạng sóng

Nội dung của phương pháp mã hóa dạng sóng là dạng sóng của tín hiệu tiếng nói liên tục được rời rạc hóa nhờ lấy mẫu và sau đó được số hóa nhờ mã hóa nhị phân các giá trị đại diện cho mức của mẫu tín hiệu tiếng nói Tiêu biểu là điều chế mã xung - PCM, có cơ sở là định lý lấy mẫu

1.2 Mã hóa nguồn phát thanh

Cơ sở của phương pháp mã hóa nguồn phát thanh là việc phân tích cơ quan phát thanh của con người và quá trình tạo ra âm thanh tiếng nói Cơ quan phát thanh của con người bao gồm thanh huyền, hộp cộng hưởng hình thành từ khoang miệng và mũi Thanh huyền tạo ra các rung động khác nhau của luồng khí và với sự kết hợp biến đổi của môi và lưỡi, hộp cộng hưởng cũng biến đổi, nhờ đó các âm thanh khác nhau được tạo ra Quá trình tạo ra âm thanh của con người có thể được mô hình hóa bằng 2 yếu tố chủ yếu:

- Các rung động chuẩn chu kỳ của thanh huyền tạo nên các rung động khác nhau của luồng khí được mô hình hóa bởi một xung hoặc một chuỗi xung (đối với các âm hữu thanh) hay một tạp âm (đối với các âm vô thanh), gọi chung là kích thích

- Hộp cộng hưởng hình thành từ khoang miệng, mũi và sự biến đổi của môi, lưỡi được mô hình hóa bằng một mạch lọc có tham số biến đổi

Hiển nhiên tiếng nói hoàn toàn được xác định bởi các thông số của mạch lọc và các thông số của kích thích Mã hóa nguồn phát thanh là việc mã hóa các thông số kích thích và lọc của mô hình tiếng nói thành chuỗi tín hiệu số Thay vì truyền đi các chuỗi bit mã các giá trị mẫu dạng sóng tiếng nói như trong phương pháp mã hóa dạng sóng đã nêu trên, các chuỗi bit mã hóa các thông số của mô hình tạo tiếng nói được truyền đi trong mã hóa phương pháp nguồn phát thanh Tiếng nói điện tử được tái tạo lại ở phần thu nhờ các mạch điện tử thực hiện tổng hợp tiếng nói dựa trên thông số kích thích và lọc nhận được

1.3 Mã hóa lai

Các bộ mã hóa lai là sự kết hợp của 2 phương pháp mã hóa dạng sóng và mã hóa nguồn phát thanh, trong đó mô hình lọc tiếng nói thì tương tự như mã hóa nguồn phát thanh, còn tín hiệu kích thích lại được mã hóa theo phương pháp mã hóa dạng sóng

Phần 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỐ HÓA TÍN HIỆU LIÊN TỤC 2.1 Phương pháp điều chế mã xung PCM

Số hóa tín hiệu

Mã hóa dạng sóng Mã hóa nguồn phát thanh Mã hóa lai

Quá trình số hóa tín hiệu được thực hiện theo quy trình 4 bước và có thể được mô tả trên sơ đồ như sau:

- Bước 1: Lọc thấp nhằm hạn chế băng tần truyền dẫn của tín hiệu liên tục cần truyền Với tín hiệu thoại có giải 0,3-3,4kHz thường chọn mạch lọc có fc=4kHz (để không gây nên méo thụ cảm rõ rệt trong quá trình thông thoại)

- Bước 2: Lấy mẫu, là rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian

- Bước 3: Lượng tử hoá, là chia biên độ mẫu thành các mức sau đó lấy tròn biên độ xung đến mức gần nhất

- Bước 4: Mã hoá, là chuyển xung lượng tử thành từ mã có m bít

2.1.1 Lấy mẫu

a Khái niệm: Lấy mẫu là rời rạc hoá tín hiệu tương tự về mặt thời gian theo một qui luật

nhất định Về ý nghĩa vật lý thì lấy mẫu là lấy ra những giá trị tức thời của tín hiệu tương tự vào những thời điểm cách đều nhau

Tín hiệu sau khi lấy mẫu là một dãy xung có biên độ được điều chế theo tín hiệu tương tự, độ rộng xung và chu kỳ bằng xung lấy mẫu và được gọi là dãy xung PAM (Điều chế biên độ xung - Pulse Amplitude Modulation)

Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu liên tục với chuỗi xung nhịp có tần số fs

b Cơ sở lấy mẫu

- Định lý Shannon: “Một tín hiệu liên tục theo thời gian X(t) có phổ hữu hạn từ F min

đến F max hoàn toàn khôi phục được từ các mẫu với tần số lấy mẫu f S lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số lớn nhất của tín hiệu liên tục: f S 2F max ”

Nghĩa là tín hiệu X(t) chỉ có thể khôi phục một cách chính xác từ các mẫu nếu khoảng cách giữa hai mẫu này thoả mãn: , TS gọi là chu kỳ mẫu

Lưu ý: Trong định lý Shannon, trong trường hợp dấu “=” xảy ra thì người ta gọi là tốc

độ lấy mẫu Nyquist

Việc chọn fS  2Fmax sẽ làm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, do vậy tần số lấy mẫu phải chọn nhỏ nhất mà không gây méo tín hiệu

Ví dụ: Tín hiệu thoại có Fhd= (0.33.4)KHz , fS  2Fmax suy ra fS  2*3.4 = 6.8 KHz Thường chọn fS =8KHz → Ts == 125 s Có nghĩa là với tín hiệu điện thoại để máy thu thu được chính xác tín hiệu đã phát thì trong một giây máy phát phải phát đi 8000 xung, mỗi xung cách nhau 125s

Trong thực tế, để đáp ứng yêu cầu chặt chẽ về băng tần hạn chế của tín hiệu lấy mẫu, thông thường tín hiệu tương tự được cho qua bộ lọc thông thấp trước khi đưa vào lấy mẫu nhằm gạt bỏ các thành phần tần số có thể gây biến dạng

Do đó trong một số giáo trình và tài liệu người ta cho rằng số hóa tín hiệu theo phương pháp PCM gồm có 4 bước là: lọc, lấy mẫu, lượng tử, mã hóa

2.1.2 Lượng tử hóa:

a Khái niệm: Lượng tử hóa là qui giá trị biên độ của các xung PAM về một giá trị hữu hạn

rồi thực hiện gán cho mỗi xung một số đo, các xung nằm trong cùng một khoảng đều mang một số đo như nhau

Thực chất lượng tử hóa là làm tròn giá trị xung, sau đó rời rạc hóa biên độ xung để mỗi xung mang một giá trị thập phân

Độ rộng của một khoảng biên độ được gọi là bước lượng tử (x)

ax

X(f)

f

X(f)

f fs

-fs -fs-Fmax -2fs

X(f)

f fs

-fs -fs-Fmax -2fs

X(f)

f fs

-fs -fs-Fmax -2fs

fs=2Fmax (tốc độ

lấy mẫu Nyquist)

fs>2Fmax

fs<2Fmax

Do việc làm tròn biên độ mẫu nên tồn tại sai số, ta gọi sai số đó là tạp âm (nhiễu) lượng tử được ký hiệu là

b Lượng tử đều

Lượng tử đều còn gọi là lượng tử tuyến tính, các bước lượng tử là một hằng số, các mức lượng tử cách đều nhau

Xét một tín hiệu tương tự có biên độ trong khoảng (-xmax  xmax) số mức lượng tử là n (từ mức 0 đến mức n-1) Bước lượng tử có giá trị:

Khi khôi phục tín hiệu tương tự từ các xung lượng tử ở bên thu sẽ có sự chênh lệch giữa tín hiệu được khôi phục và tín hiệu gốc

Sự chênh lệch này gọi là méo lượng tử hay tạp âm lượng tử, ký hiệu là (x) Gọi x(t)

là tín hiệu gốc; x*(t) là tín hiệu sau khi lượng tử hoá, ta có:

Sai số lượng tử (x) chỉ xuất hiện khi có tín hiệu, nó được phân bố tuyến tính trong mỗi bước lượng tử và được xác định trong khoảng:

=>

Chất lượng lượng tử hóa được đánh giá bằng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signal Noise Ratio) Giả thiết tín hiệu vào là ngẫu nhiên thì xác suất xuất hiện tín hiệu tại một trong

n mức là PK = , xác suất xuất hiện tín hiệu trong phạm vi mỗi bước (x) là: P(xk) = (Đây chính là xác suất xuất hiện tạp âm lượng tử ở mỗi mức)

- Công suất tạp âm lượng tử:

2 12

x





Nhận xét: Trong phương pháp lượng tử đều xcố định nên công suất tạp âm là cố định → SNR phụ thuộc vào biên độ tín hiệu gốc x(t), khi biên độ x(t) nhỏ thì SNR giảm và kênh thoại có thể không khai thác được, khi x(t) lớn thì SNR tăng Trong quá trình khai thác kênh yêu cầu SNR ổn định trong cả dải động của tín hiệu Mặt khác, muốn tăng SNR thì số

t

S(t)

0 1 2 3 4 5 6 7

Nhiễu lượng tử

 x



n

x x const n

x

2

2













 x x t  x t



 



2  2  x x

n

 max

n

1

x

 1















1

0

2 1

0

1 12 n

k

n k

k qk q

n

x P

P P

lượng mức lượng tử phải lớn, tức là các mức lượng tử xếp gần nhau hơn, kéo theo chiều dài của từ mã tăng (số bit biểu diễn giá trị mức lượng tử tăng), về mặt kỹ thuật khó thực hiện

Đây là nhược điểm cơ bản của lượng tử tuyến tính Để khắc phục nhược điểm này phải dùng phương pháp lượng tử không đều

c Lượng tử hóa không đều:

Lượng tử hóa không đều còn gọi là lượng tử phi tuyến, các bước lượng tử x không bằng nhau và biến thiên theo quy luật của tín hiệu, khi biên độ tín hiệu lớn thì x lớn, khi biên độ tín hiệu nhỏ thì x nhỏ

Giả sử tín hiệu x được lượng tử với bước lượng tử x biến thiên theo biên độ của tín hiệu: x = kx Ta đi tìm hàm y = f(x) sao cho thực hiện lượng tử không đều với x Khi x biến thiên trong khoảng (- xmax  xmax) thì y biến thiên trong khoảng (- ymax  ymax) Chia (- ymax 

ymax) thành n mức thì giá trị của bước lượng tử là:

Đặt X = x/xmax và Y = y/ymax

Thì ta có:

Chọn C = C0 = 1+ nA ; với A = 87,6 ta có:

(2) Phương trình (2) biểu diễn luật nén dãn A (tiêu chuẩn Châu Âu)

Nếu chọn:

C = 1n(1 + )

C0 = 1n(1/X + ) ; với  = 255 ta có:

(3) Phương trình (3) biểu diễn luật nén  (tiêu chuẩn Châu Mỹ)

Hai luật trên được gọi là luật mã hóa vì trong thực tế quá trình lượng tử được thực hiện trong bộ mã hóa

Từ phương trình (2) ta thấy đặc tuyến của bộ lượng tử gồm 2 phần: phần tuyến tính (bên dưới) và phần logarit (bên trên)

n

y

y 2 max





Y

C nX C

0 ( )

Y

AX A AX A





















1 1 1

ln ln

X A

1 0

;

1

1

;









Y

n

n

































1 1 1 1







1 0

;











X X

Công suất tạp âm lượng tử:

Trong đó:

Tỷ số tín trên tạp:

Tỷ số SNR cố định và bằng 33dB, bảo đảm chất lượng tốt trong điện thoại

Như vậy với lượng tử phi tuyến, tỷ số tín/tạp không thay đổi, không phụ thuộc vào tín hiệu vào, do đó ảnh hưởng của nhiễu đối với tín hiệu lớn hay nhỏ hoàn toàn giống nhau

Đặc tính biểu diễn luật nén A và  gồm hai nửa đối xứng nhau qua gốc toạ độ Hệ

trục toạ độ gồm có trục hoành là ; trục tung là

Đặc tính luật A và  có dạng đường cong logarit, nhưng nó được gần đúng hóa bằng các đoạn thẳng nhằm thực hiện lượng tử không đều, với bước lượng tử nhỏ khi tín hiệu ở mức thấp và bước lượng tử tăng dần khi mức tín hiệu tăng (bước lượng tử trong mỗi đoạn là không đổi) Luật A có 13 đoạn, luật  có 15 đoạn

Sau đây xét biểu diễn đặc tính của luật A

dy

dx n

y dx P P

2

2 max 2 3















dx

dy C X1.

const y

C

n P

P SNR

q



max 2 1

2

3

x

 max

y

 max

Toàn bộ đặc tính luật A được tuyến tính hoá bằng 13 đoạn thẳng gồm các đoạn: HG,

GF, FE, ED, DC, CB, BB', B'C', C'D', D'E', E'F', F'G', G'H' (riêng đoạn BB' gồm 4 đoạn con:

BA (đoạn I), OA (đoạn 0), OA' (đoạn 0'), A'B' (đoạn I') có chung hệ số góc) Theo cách chia này, hệ số góc (độ dốc) của các đoạn kế tiếp nhau hơn kém nhau 2 lần

Ví dụ: Hệ số góc của đoạn BC =

Hệ số góc của các đoạn giảm dần, điều này cho thấy tín hiệu nằm trong một đoạn không bị nén, khi chuyển từ đoạn nọ sang đoạn kia thì bị nén, biên độ tín hiệu vào càng lớn, tín hiệu bị nén càng nhiều

Các đoạn thẳng của đặc tuyến ứng với các giá trị trên trục Y và trục X như sau:

- Trục Y: Đặc trưng cho biên độ tín hiệu ra của bộ nén, chia làm 8 đoạn, được biểu diễn bằng từ mã 3 bit Trong mỗi đoạn có 16 mức, được biểu diễn bằng từ mã 4 bit Tổng số mức lượng tử phần dương trên đặc tuyến là 128 mức, cả phần âm là 256 mức, để phân biệt được phần dương hay phần âm của tín hiệu phải cần một bit (bit dấu) Vậy tổng số bit trong một từ mã là 8 bit (256 = 28)

- Trục X: Đặc trưng cho biên độ tín hiệu vào, chia thành 7 đoạn theo tỷ lệ logarit cơ

số 2, riêng đoạn BO có 32 mức, trong đoạn này tín hiệu không bị nén Các đoạn CO có 64 mức; DO có 128 mức; EO có 256 mức; và HO có 2048 mức (cả phần âm tổng cộng có

4096 mức tương ứng có 12 bit trong một từ mã: 4096 = 212)

Tóm lại, khi chưa nén, tín hiệu thoại được chia thành 4096 mức, sau khi nén (nếu dùng luật nén A) thì chỉ còn 256 mức, tức là số bit trong một từ mã đã giảm từ 12 xuống còn

8 bit

2.1.3 Mã hóa

Các mẫu xung đã được lượng tử chưa phù hợp để truyền dẫn vì khó có được các mạch tái tạo xung có khả năng phân biệt được một số lượng lớn mức biên độ của các mẫu cần cho tín hiệu tiếng nói (256 mức)

Ta có thể mã hóa giá trị các mức biên độ bằng tín hiệu điện thích hợp để truyền dẫn,

cụ thể là thay thế mỗi mẫu xung bằng một tập hợp các xung có mức biên độ nhỏ hơn Mỗi nhóm có N xung, có b mức thì có thể biểu diễn được bN mức biên độ xung lượng tử (tương ứng với số đo của mẫu, có một từ mã đại diện cho số đo ấy) Xung nhị phân rất thuận tiện cho truyền dẫn vì chúng dễ nhận biết và tái tạo

Với luật nén A, tổng cộng có 256 mức, cần có 8 bit để biểu diễn

Ư

Từ mã luật nén A

Từ mã 8 bit

Bit dấu Bit mã đoạn Bit mã vị trí trong đoạn

3 8

2 8

1 32

1

64 8









  





  :

- Bit đầu tiên (bit S) là bit dấu (hay bit cực), bit này cho ta biết mẫu tín hiệu thuộc phần dương hay âm

+ Nếu mẫu tín hiệu thuộc phần âm thì bit S có giá trị bằng 0

+ Nếu mẫu tín hiệu thuộc phần dương thí bit S có giá trị bằng 1

- 3 bit (A, B, C) gọi là các bit mã đoạn, chúng cho biết chỉ số đoạn thẳng mà mẫu rơi vào (dù mẫu là dương hay âm), được đánh số từ 0 đến VII

+ Nếu mẫu rơi vào đoạn 0 thì giá trị 3 bit A, B, C là: 000

+ Nếu mẫu rơi vào đoạn I thì giá trị 3 bit A, B, C là: 001…

- 4 bit W, X, Y, Z cho biết vị trí của mẫu trên đoạn:

+ Nếu mẫu có vị trí 0 trên đoạn thì 4 bit W, X, Y, Z là: 0000

+ Nếu mẫu có vị trí 1 trên đoạn thì 4 bit W, X, Y, Z là: 0001

…

+ Nếu mẫu có vị trí 15 trên đoạn thì 4 bit W, X, Y, Z là: 1111

Như vậy bất kỳ mẫu tín hiệu nào sau mã hóa cũng được biểu diễn dưới dạng tổ hợp

mã nhị phân 8 bit

Đoạn

thứ

Giới hạn dưới của

đoạn (tính theo

bước biên độ vào)

Giới hạn trên của đoạn (tính theo bước biên độ vào)

Từ mã SABCWXYZ

Độ lớn của mỗi bước lượng tử đều (tính theo số bước biên độ lối vào)

7

Cách khác: Cho x là giá trị mẫu lượng tử cần mã hóa