Do an tn PHUONGDONGdoc

Chức năng của bộ lấy mẫu trong bộ phát PCM là lấy mẫu một cách theo chu kỳ, các tín hiệu tương tự biến đổi liên tục theo thời gian ở đầu vào và chuyển đổi các mẫu đó thành các dãy xung đ[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHƯƠNG ĐÔNG KHOA CÔNG NGHỆ THƠNG TIN

-o0o -CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc

-o0o -ĐỒ ÁN HỌC KỲ 9

Tên đề tài: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN TIN SỐ HIỆN ĐẠI

Họ tên : PHẠM TRẦN HỒN

Lớp : 504102

Khóa : 2004 – 2009

Ngành : Điện tử - Viễn thông

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Điểm : (Bằng chữ : )

Ngày tháng năm 2008 Giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với phát triển đất nước, năm gân đây, ngành công nghiệp phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp viễn thông không ngoại lệ Ngày có nhiều dịch vụ truyền thơng chất lượng truyền thông yêu cầu cao dẫn đến cần thiết phải thay đổi nâng cấp đường truyền

Đứng trước xu hướng vậy, việc tìm hiểu vấn đề truyền tin hệ thống viễn thông đại trở nên quan trọng sinh viên Nhận thức điều đó, đồ án tốt nghiệp “Kỹ thuật điều chế tín hiệu hệ thống truyền tin số đại” giới thiệu tổng quan hệ thống truyền tin số, tìm hiểu vấn đề kỹ thuật điều chế tín hiệu Bố cục đồ án bao gồm chương:

 Chương : Tổng quan hệ thống truyền tin số

 Chương : Các đặc điểm truyền dẫn số điều chế xung mã  Chương : Điều chế tín hiệu số

Điều chế tín hiệu số kỹ thuật ngày khơng cịn mẻ, song việc tìm hiểu vấn đề điều chế cần thiết, đòi hỏi phải có kiến thức sâu rộng, lâu dài Do đồ án khơng tránh khỏi sai sót Rất mong nhận phê bình, góp ý thầy cô giáo bạn

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PSG.TS Thái Hồng Nhị, người tận tình hướng dẫn em suốt trình làm đồ án

MỤC LỤC

Chương

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TIN SỐ 1.1.Khái quát hệ thống truyền tin điện tử:

Hệ thống truyền tin điện tử hệ thống sử dụng mạch điện thiết bị điện tử để thực công việc truyền tin từ nơi đến nơi khác,gọi tắt hệ thống truyền tin.Thông tin nguồn nguyên thuỷ truyền hệ thống truyền tin dạng tương tự,ví dụ : tiếng nói người , âm nhạc dạng số,rời rạc chữ chữ số mã hoá dạng nhị phân

Thông tin truyền xử lý hệ thống truyền tin điện tử biểu thị dạng tín hiệu Tín hiệu đại lượng vật lý mang thông tin thường biểu thị hai dạng : tín hiệu tương tự tín hiệu số

Hệ thống truyền tin truyền tín hiệu tương tự gọi hệ thống truyền tin tương tự Hệ thống truyền tin truyền tín hiệu số hệ thống truyền tin số

Trong hệ thống truyền tin có tham gia máy tính, tin tức thơng tin biểu thị dạng liệu Hệ thống mạng truyền tin gọi hệ thống mạng truyền liệu

Một hệ thống truyền tin biểu thị theo sơ đồ khối sau: Mạch sóng mang Xử lý tín hiệu phát Mơi trường kênh truyền dẫn Mạch sóng

mang Xử lý tín hiệu thu Đầu cuối nhận tin

Các ký hiệu sơ đồ:

m(t) Dữ liệu nguồn tin đưa vào thiết bị phát

s(t) Dữ liệu đầu máy phát sau xử lí, mã hố, điều chế khuếch đưa vào đường truyền

n(t) Tạp nhiễu tác động vào thiết bị thu Do có tạp nhiễu nên r(t) = s(t) + n(t) s(t) ( )

m t Tín hiệu đầu thiết bị thu (nhận tin) ; m t( ) m t( )

Hình 1.1 Mơ tả sơ đồ khối tổng qt hệ thống truyền tin

Bất kỳ hệ thống truyền tin bao gồm ba khối chức chủ yếu : phát, môi trường truyền dẫn thu

Khối phát tập hợp gồm nhiều thiết bị mạch điện tử để chuyển đổi thơng tin nguồn ngun thuỷ thành tín hiệu thích ứng với mơi trường truyền dẫn Khối phát có hai chức chủ yếu xử lý tin hiệu phát tạo sóng mang phát Xử lý tín hiệu phát tức xử lý tín hiệu nguồn cho thích ứng với yêu cầu truyền tin Các phương pháp xử lý là: nén, lọc, mã hố, số hố, điều chế, truyền tin cụ thể Mạch sóng mang phát có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu sau xử lý tín hiệu phát cho thích ứng với kênh truyền dẫn khoảng cách cần truyền dẫn

Kênh truyền dẫn (mơi trường truyền dẫn) thường nhóm vào hai nhóm: nhóm kênh cứng nhóm kênh mềm Kênh cứng ví dụ đường dây điện thoại, cáp song hành, cáp đồng trục,…Kênh mềm ví dụ khơng khí, chân khơng, nước…Nói chung, kênh truyền gây suy giảm tín hiệu bị tác động tạp nhiễu làm tổn hao sai lạc tín hiệu truyền kênh Tạp nhiễu nhiễu từ nguồn nhiễu ngồi (nhiễu khí quyển, nhiễu công nghiệp, ) tạp âm bên thân hệ thống truyền tin (tạp âm nội hệ thống) gây nên Ngoài tác động tạp nhiễu, kênh truyền chịu tác động tượng trễ, tín hiệu vọng,…

1.2 Nguồn tin tín hiệu nguồn:

Nguồn tin hệ thống truyền tin nơi tạo chứa tin cần truyền Nguồn tin số tương tự

Một nguồn tin số tạo tập hữu hạn đoạn tin có.VD: máy chữ

Một nguồn tin tương tự tạo đoạn tin đựoc xác định dãy liên tục.VD: microphon

Một hệ thống truyền tin số hệ thống truyền tin tức từ nguồn số nguồn tương tự rời rạc hoá, số hoá tới thu

Một hệ thống truyền tin tương tự hệ thống truyền tin tức từ nguồn tương tự tới thu

Trong hệ thống truyền tin điện tử, tín hiệu đại lượng vật lý mang thông tin thường biểu thị hai dạng: tín hiệu tương tự tín hiệu số Thực chất, tín hiệu số dạng sóng số định nghĩa hàm thời gian có tập rời rạc giá trị tín hiệu tương tự dạng sóng tương tự hàm thời gian có liên tục giá trị

Hình 1.2 Mơ tả dạng tín hiệu tương tự số

Khi đường truyền tin thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến nơi nhận, dãy phần tử sở nguồn tin truyền với phân bố xác suất đó, dãy gọi đoạn tin

max

S Nguồn tin nguồn tin nguyên thuỷ sơ xử lí Các

nguồn tin nguyên thuỷ phần lớn hàm liên tục theo thời gian f(t) hàm biến đổi theo thời gian thông số khác Phần lớn tin nguyên thuỷ mang tính liên tục theo thời gian mức, nghĩa biểu diễn thơng tin dạng hàm số s(t) tồn khoảng thời gian ( , )t t1

với giá trị phạm vi (Smin,Smax) hình 1.3 u ( t ) u ( t ) u ( t ) u ( t ) u ( t ) u ( t ) t t t t t t a)Tín hiệu tương tự a)Tín hiệu

tương tự b)Tín hiệu rời rạc

b)Tín hiệu rời rạc

c)Tín hiệu nguồn số nhị phân biểu thị dạng tín hiệu tương tự

c)Tín hiệu nguồn số nhị phân biểu thị dạng tín hiệu tương tự

0

0

0

Các nguồn tin nguyên thuỷ đưa trực tiếp vào kênh để truyền qua phép biến đổi xử lý trước đưa vào kênh truyền tin số phải số hoá mã hố Phép biến đổi tín hiệu nguồn tương thích với kênh truyền gọi phép điều chế

1.3.Điều chế giải điều chế hệ thống truyền tin:

Trong thực tế, tín hiệu thông tin nguyên thuỷ truyền xa đường truyền dẫn cáp kim loại, sợi cáp quang tầng khơng gian khí quyển, cần phải điều chế tín hiệu thơng tin ngun thuỷ với tín hiệu tương tự có tần số cao gọi sóng mang Tín hiệu sóng mang có nhiệm vụ mang thông tin hệ thống truyền tin Tín hiệu thơng tin điều chế với sóng mang theo biên độ, theo tân số theo góc pha Việc điều chế hiểu đơn giản q trình biến đổi nhiều đặc tính sóng mang theo biến đổi tín hiệu thơng tin

Trong hệ thống truyền tin có hai dạng điều chế bản, điều chế tương tự điều chế số

Một hệ thống truyền tin lượng truyền thu dạng sóng tương tự (tín hiệu biến đổi liên tục theo thời gian) gọi hệ thống truyền tin tương tự

Thuật ngữ truyền tin số (digital communication) thực tế kỹ thuật bao gồm truyền dẫn số radio số

Truyền dẫn số (digital transmission) hệ thống truyền dẫn xung số truyền hai nhiều điểm hệ thống truyền tin Với truyền dẫn số khơng cần có sóng mang thơng tin nguồn dạng

s(t)

max

S

min

S

t t1

t

số tương tự Nếu thông tin dạng tương tự cần phải chuyển đổi thành dạng số trước truyền chuyển đổi trở lại dạng tương tự phía đầu thu Các hệ thống truyền tin số có đường truyền vật lý phát thu dây kim loại sợi cáp quang

Radio số việc truyền sóng mang tương tự điều chế số hai nhiều điểm hệ thống truyền tin Ở radio số, tín hiệu điều chế tín hiệu điều chế xung số Các xung số từ hệ thống truyền dẫn số, từ nguồn số VD: từ máy tính từ tín hiệu mã hố nhị phân Ở hệ thống radio số mơi trường truyền dẫn phương tiện vật lý khơng gian tự (tầng khí quyển) Các hệ thống truyền tin tương tự phát triển trước ngày thay hệ thống truyền tin số điểm lợi

Biểu thức (1.1) biểu thức tổng quát sóng điện áp hình sin biến đổi theo thời gian tín hiệu sóng mang cao tần :

( ) sin(2 )

u t U  ft  (1.1)

Trong :

u(t) sóng điện áp hình sin biến đổi theo thời gian;

U biên độ (V);

f tần số (Hz);

 góc lệch pha (rad)

Nếu tín hiệu thông tin tương tự biên độ (U) sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng tin điều chế biên độ AM (amplitude modulation) tạo ra; Nếu tan số (f) sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng tin điều chế tần số FM (frequency modulation) tạo góc pha ( ) sóng mang biến đổi tỷ lệ với tin hiệu thơng tin điều chế pha

PM (phase modulation) tạo

Nếu tín hiệu thơng tin số biên độ (U) sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng tin tín hiệu điều chế số gọi khóa dịch biên ASK (amplitude shift keying); Nếu tần số (f) sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng tin điều chế gọi khố dịch tần FSK (frequency shift keying) góc pha ( ) của sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng tin

thì điều chế gọi khóa dịch pha PSK (phase shift keying) Nếu biên độ góc pha biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng tin điều chế biên độ cầu phương QAM (quadrature amplitude modulation)

Việc điều chế thực phía phát mạch gọi điều chế Sóng mang tác động tín hiệu thơng tin gọi sóng điều chế tín hiệu điều chế Việc giải điều chế trình ngược lại điều chế để chuyển đổi sóng mang điều chế thành thơng tin ban đầu Giải điều chế thực phía thu mạch giải điều chế

Tín hiệu điều chế Dạng điều chế tạo thành

Tương tự AM FM PM

Có hai nguyên nhân cần phải thực việc điều chế hệ thống truyền tin điện tử là:

1.Các tần số thấp khó xạ từ anten dạng sóng điện từ

2.Các tín hiệu thơng tin thường có dải tần giống tín hiệu từ hai nhiều nguồn phát thời gian chúng can nhiễu lẫn VD: đài phát thoại phát âm nhạc có giải tần audio khoảng từ 300Hz đến 15000Hz, để chúng khơng can nhiễu lẫn phải chuyển đổi thông tin chúng thành băng tần khác kênh khác

Hình 1.4 mơ tả sơ dồ khơi đơn giản hố quan hệ tín hiệu điều chế, sóng mang tần số cao sóng điều chế hệ thống truyền tin điện tử

Hình 1.4 Sơ đồ khối đơn giản hố hệ truyền tin có sóng mang điều chế

1.4 Phân tích tín hiệu:

Bộ điều chế(chuyển đổi lên) Thơng tin tín hiệu điều chế(tần số thấp) Khuếch đại(chuyển đổi xuống) Giải điều

Khi thiết kế mạch hệ thống truyền tin điện tử thường cần phải phân tích dự đốn hiệu mạch dựa sở phân bố công suất hỗn hợp tần số tín hiệu thơng tin Việc làm thuận lợi nhờ vào việc phân tích tín hiệu qua biểu thức tốn học

1.4.1 Các tín hiệu hình sin

Phân tích tín hiệu việc phân tích tốn học tham số tần số, độ rộng dải tần mức điện áp tín hiệu Các tín hiệu điện điện áp dòng điện biến đổi theo thời gian biểu thị dải sóng sin cosin

( ) sin(2 )

u t U  ft u t( )U cos(2 ft) (1.2)

( ) sin(2 )

i t I  ft hoặc i t( )Icos(2 ft) (1.3)

trong đó:

u(t) điện áp hình sin biến đổi theo thời gian; i(t) dịng điện hình sin biến đổi theo thời gian; U điện áp đỉnh (V);

f tần số (Hz);

 góc lệch pha (rad);

I dòng điện đỉnh (A);

2 ft  tốc độ góc (rad/s).

Hàm sin cosin sử dụng tuỳ ý phụ thuộc vào điểm tham chiếu tín hiệu

1.4.2 Các sóng tuần hồn khơng sin

Một sóng tuần hồn mà bao gồm nhiều sóng sin cosin dạng sóng khơng sin gọi sóng phức hợp Để phân tích sóng phức hợp thường sử dụng chuỗi toán học Fuorier

Chuỗi Fuorier sử dụng phân tích tín hiệu để biểu thị thành phần sin dạng sóng khơng sin (có nghĩa biến đổi tín hiệu theo miền thời gian thành tín hiệu theo miền tần số) Nói chung, chuỗi Fuorier cho hàm tuần hồn dãy số số hạng hàm số lượng giác theo biểu thức sau:

0 2

( ) cos cos ncos sin sin nsin

f t A A A   A nB  B   B n

trong   (1.4)

Biểu thức (1.4) biểu thị dạng sóng f(t) bao gồm giá trị chiều (dc) A0, chuỗi hàm cosin sin hạng sau có tần số bội số

của tần số số hạng thứ Biểu thức nói lên rằng, dạng sóng tuần hồn bao gồm thành phần chiều chuỗi sóng hài dạng sin cosin Sóng hài có tần số bội số nguyên tần số Tần số sóng hài bậc tần số dạng sóng Bội số bậc hai tần số gọi hài bậc hai, bội số bậc ba gọi hài bậc ba, …Như vậy, biểu thức (1.4) viết:

f(t) = dc + sóng + hài bậc + hài bậc + …+ hài bậc 1.4.3 Chuỗi Fuorier dạng sóng chữ nhật

Khi phân tích mạch truyền tin điện tử thường gặp dạng sung chữ nhật Hình 1.5 mơ tả dạng sóng xung chữ nhật với độ rộng xung  chu kỳ xung T Chuỗi Fuorier xung chữ nhật đối xứng chẵn có dạng sau:

     

2 sin sin sin

( ) cos cos cos

2

t t

U U x x nx

u t t t n t

T T x  x  nx 

 

      

trong đó: u(t) sóng điện áp biến đổi theo thời gian:  độ rộng xung chữ nhật (s);

T chu kỳ song xung chữ nhật; x  ( /T );

n hài bậc n;

U biên độ đỉnh xung

Xung có độ rộng xung hẹp thành phần chiều dc chuỗi Fuorier bé, biên độ hài bậc n biểu thức (1.5) là:

2 sin n U nx U T nx    (1.6a) hoặc:     sin 2 n n T U U

T n T

         (1.6b) đó:

Un biên độ đỉnh hài bậc n;

n hài bậc n;

U biên độ đỉnh sóng chữ nhật; T chu kỳ xung chữ nhật

Hàm (sinx)/x sử dụng để biểu thị dạng sóng xung tuần hồn Hàm (sinx)/x sóng hình sin tắt dần đỉnh sau có giá trị bé đỉnh trước Hình 1.6 mơ tả hàm (sinx)/x

t



U

T

1.4.4 Cơng suất phổ lượng

Mục đích kênh truyền tin truyền lượng điện từ, từ nguồn đến nơi nhận Như mối quan hệ lượng truyền lượng thu yếu tố quan Điều dẫn đến việc xem xét mối quan hệ lượng công suất theo tần số

Công suất điện tốc độ mà lượng phát tán, cung cấp sử dụng hàm mũ bậc hai điện áp dòng điện (P=E2/R P=I2R) Theo quan hệ cơng suất với biểu thức Fuorier f(t)

sẽ biểu thị [f (t)] 2.

Hình 1.7 mơ tả phổ cơng suất dạng sóng chữ nhật với tỷ số  T 0,25 Giống phổ điện áp theo tần số, cịn nhiều múi múi rộng

Từ hình 1.7 thấy rằng, công suất xung phân tán phổ tần tương đối rộng phần lớn công suất nằm múi Do đó, độ rộng dải tần kênh truyền tin đủ rộng cho qua tần số nằm múi truyền phần lớn lượng chứa xung đến phía thu

(sinx)/x

x

Chương

CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN DẪN SỐ VÀ ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ

2.1 Đặc điểm truyền dẫn số

Truyền dẫn số so với truyền dẫn tương tự có ưu điểm sau:

1 Truyền dẫn số có tính kháng nhiễu tốt nhiều so với truyền dẫn tương tự Các xung số bị tác động nhiễu làm thay đôir biến dạng so với tín hiệu tương tự Ở đường truyền dẫn số đặc tính biên độ, tần số góc pha khơng cần phải định cách xác kênh truyền tương tự Các xung truyền dẫn số định theo khoảng thời gian mẫu mức trên, mức xung theo ngưỡng Độ xác biên độ, tần số góc pha truyền dẫn số khơng quan trọng

2 Tín hiệu số thuận lợi dễ dàng nhiều q trình xử lý ghép kênh so với tín hiệu tương tự Việc xử lý tín hiệu số hiểu xử lý tín hiệu tương tự theo phương pháp số Xử lý tín hiệu bao gồm lọc, cân chuyển dịch pha.Các xung số nhớ dễ dàng tín hiệu tương tự Tốc độ truyền hệ thống số thay đổi cách dễ dàng để

-4f -3f -2f -f f 2f 3f 4f

Tần số = 0,25

thích ứng với mơi trường khác thích nghi với dạng thiết bị khác

3 Ở hệ thống truyền dẫn số dùng tái tạo tín hiệu truyền dẫn tương tự dùng khuếch đại tín hiệu Tạp âm mạch khuếch đại tạp âm cộng, tỷ số tín hiệu tạp âm đầu khuếch đại bị xấu đường truyền dẫn tương tự dùng nhiều khuếch đại tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N) xấu Trong truyền dẫn số sử dụng tái tạo tín hiệu có tỷ số tín hiệu/tạp âm đầu tỷ số tín hiệu/tạp âm đầu vào tái tạo Cũng lý mà khoảng cách truyền dẫn số lớn nhiều so với truyền dẫn tương tự

4 Việc đo lường lượng giá tín hiệu số đơn giản nhiều so với tín hiệu tương tự đặc biệt cần so sánh hiệu hệ thống

5 Các hệ thống số thích hợp nhiều việc đánh giá hiệu lỗi Lỗi truyền tín hiệu số phát sửa lỗi cách dễ dàng, có khả xác nhiều so với hệ thống tương tự Tuy vậy, truyền dẫn số có nhược điểm sau:

a Việc truyền dẫn tín hiệu tương tự số hố cần phải có độ rộng dải tần lớn nhiều so với việc truyền tín hiệu tương tự khơng số hố

b Các tín hiệu tương tự muốn truyền dẫn số trước truyền phải chuyển đổi thành tín hiệu số phía thu phải chuyển đổi ngược trở lại, có nghĩa phải tốn thêm mạch mã hoá giải mã

c Truyền dẫn số yêu cầu phải có đồng thời gian xác đồng hồ phát thu Như vậy, hệ thống số cần phải có mạch hồi phục đồng hồ tất máy thu, gây thêm tốn

d Các hệ thống truyền dẫn số khơng tương thích với phương tiện truyền dẫn tương tự cổ điển

u

H(f )

f

t

Uvào

Ura H(f )

H(f )

Uvào H(f )

Ura t

f

t

u

a) Tín hiệu tương tự bị méo dạng

b) Tín hiệu số khơng bị méo dạng

2.2 Các dạng điều chế xung

(pulse code modulation) Hình 2.2 mơ tả bốn dạng điều chế xung

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Hình 2.2 Mơ tả dạng điều chế xung: a) Tín hiệu tương tựd) Điều chế vị trí xung PPM

b) Xung mẫue) Điều chế biên độ xung PAM

1 PWM Điều chế độ rộng xung PWM gọi điều chế khoảng thời gian tồn xung PDM (pulse duration modulation) điều chế độ dài xung PLM (pulse length modulation) Ở đây, độ rộng xung tỷ lệ với biên độ tín hiệu tương tự

2 PPM Điều chế vị trí xung vị trí xung với độ rộng số khe thời gian bắt buộc biến đổi phù hợp với biên độ tín hiệu tương tự

3 PAM Điều chế biên độ xung biên độ xung có độ rộng số, vị trí số, biến đổi phù hợp với biên độ tín hiệu tương tự

4 PCM Điều chế mã xung tín hiệu tương tự lấy mẫu chuyển đổi thành dãy số nhị phân nối tiếp, có chiều dài cố định để truyền Số nhị phân phù hợp với biên độ tín hiệu tương tự

Điều chế biên độ xung PAM thường dạng điều chế trung gian dạng điều chế khác, VD: PSK, QAM PCM Điều chế PAM dùng riêng rẽ Điều chế độ rộng xung PWM điều chế vị trí xung PPM dùng hệ thống truyền tin đặc biệt (thường quân đội) dùng hệ thống dân dụng Điều chế mã xung PCM dạng điều chế dùng phổ biến truyền tin số

2.3 Điều chế mã xung

2.3.1 Tổng quan

có biên độ chiều dài cố định PCM hệ thống nhị phân có khơng có xung khe thời gían xác định trước mà điều tương ứng với trạng thái logic “1” trạng thái logic “0” Các tín hiệu PWM, PPM PAM nhiều chúng khơng nhị phân không đặc trưng cho đơn vị nhị phân (bit) Hình 2.3 mơ tả sơ đồ khối đơn giản hoá hệ thống truyền dẫn PCM đơn công, đơn kênh

Các lọc dải thơng có nhiệm vụ giới hạn tần số tín hiệu tương tự đầu vào băng tần chuẩn 300 – 3000 Hz Bộ lấy mẫu giữ có nhiệm vụ lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào theo chu kỳ biến đổi thành tín hiệu PAM nhiều mức Bộ chuyển đổi tương tự/số A/D ADC (analog – to – digital converter) có nhiệm vụ chuyển đổi mẫu PAM thành mã PCM song song sau tiếp tục chuyển đổi liệu từ song song thành nối tiếp để đưa đầu đường truyền Nếu đường truyền có khoảng cách lớn có lặp để tái tạo lại mã PCM

Bộ chuyển đổi số/tương tự D/A DAC (digital – to analog converter) có nhiệm vụ chuyển đổi mã PCM song song thành tín hiệu PAM Mạch giữ lọc thơng thấp có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu PAM ngược trở lại thành tín hiệu tương tự nguyên thuỷ Các vi mạch thực chức mã hoá giải mã tín hiệu PCM gọi lọc Codec (coder/decoder)

2.3.2 Lấy mẫu PCM

Chức lấy mẫu phát PCM lấy mẫu cách theo chu kỳ, tín hiệu tương tự biến đổi liên tục theo thời gian đầu vào chuyển đổi mẫu thành dãy xung để biến đổi chúng cách thuận lợi thành mã PCM nhị phân Để cho ADC chuyển đổi cách xác tín hiệu tương tự thành mã PCM nhị phân tín hiệu cần độ ổn định tương đối Nếu khơng có ổn định ADC phải bám liên tục theo không ổn định tín hiệu tương tự mã PCM khó có ổn định

Hiện nay, thơng dụng có hai kỹ thuật sử dụng cho chức tạo mẫu giữ, lấy mẫu tự nhiên lấy mẫu đỉnh phẳng

Lấy mẫu tự nhiên (hình 2.4) dạng sóng tương tự lấy mẫu giữ ngun hình dạng tín hiệu tương tự Ở hình 2.4a chuyển mạch tương tự FET nối đất dạng sóng đầu vào xung mẫu mức cao Khi xung mẫu mức thấp tín hiệu đầu vào truyền khơng thay đổi hình dạng đến khuếch đại đầu ra, sau đến chuyển đổi A/D (tương tự thành số) Dạng sóng lấy mẫu tự nhiên đầu dãy xung có khoảng cách giống có đỉnh khơng phẳng hình 2.4b

Ở phương pháp lấy mẫu tự nhiên phổ tần tín hiệu đầu lấy mẫu khác với phổ tần mẫu lý tưởng Biên độ thành phần tần số tạo xung hẹp, có độ rộng hữu hạn giảm so với sóng hài cao theo quan hệ (sinx)/x Cũng mà mạch cần phải dùng lọc thông thấp trước hồi phục

Phương pháp thông dụng để lấy mẫu tín hiệu thoại hệ thống PCM lấy mẫu đỉnh phẳng kết hợp việc lấy mẫu giữ Mục đích mạch lấy mẫu giữ lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào theo chu kỳ mẫu chuyển đổi mẫu thành dãy mức PAM có biên độ khơng đổi Lấy mẫu đỉnh phẳng làm thay đổi phổ tần gây nên sai số gọi sai số độ sai số làm cho mạch hồi phục thu PCM khơng thể hồi phục xác tín hiệu tương tự ngun thuỷ ban đầu Hình 2.5a mô tả sơ đồ nguyên lý mạch lấy mẫu

Ở FET làm việc chuyển mạch tương tự đơn giản (trên sơ đồ ký hiệu Q1) Khi FET trạng thái trở kháng thấp, Q1 đóng điện áp

mẫu tương tự qua Q1 đến tụ C1 Tụ C1 nạp thời gian Q1 đóng mạch

gọi thời gian khe hở thời gian thu nhận C1 làm nhiệm vụ mạch

giữ Khi FET trạng thái trở kháng cao, Q1 hở (ngắt mạch) tụ C1 bị ngăn

khơng có đường phóng, điện áp lấy mẫu lưu giữ Thời gian lưu

giữ tụ điện gọi thời gian chuyển đổi A/D, khoảng thời gian chuyển đổi ADC chuyển đổi điện áp mẫu thành mã PCM Thời gian thu nhận (khe hở) cần phải ngắn để đảm bảo chuyển đổi bị méo dạng khe hở nhỏ so với lấy mẫu tự nhiên yêu cầu chuyển đổi tương tự/số chậm

Hình 2.5b mơ tả tín hiệu tươg tự đầu vào, xung lấy mẫu dạng sóng qua C1 Ở có điều cần ý trở kháng đầu Z1 trở kháng C1

cần phải có giá trị nhỏ để đảm bảo cho thời gian nạp RC số, nạp phóng nhanh

2.3.3 Tốc độ lấy mẫu, lượng tử hoá mã hoá

Tốc độ lấy mẫu tối thiểu (fs) xác định theo định lý Nyquist

được sử dụng cho hệ thống PCM Tốc độ lấy mẫu Nyquist biểu thị với biểu thức:

fs  2fa (2.1)

trong đó: fs tốc độ lấy mẫu tối thiểu (Hz);

fa tần số lớn dùng lấy mẫu (Hz);

Thực chất, mạch lấy mẫu giữ điều chế biên độ Chuyển mạch phần tử không tuyến tính có hai đầu vào: xung lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào Như có trộn phi tuyến xuất hai tín hiệu Hình 2.6 mơ tả đặc trưng vùng tần số phổ đầu mạch lấy mẫu giữ

Nếu tần số fs nhổ hai lần tần số fa tượng méo xuất

Hiện tượng gọi méo chồng lấn Hình 2.6a mơ tả vùng tần số phổ tần đầu mạch lấy mẫu giữ Đầu gơmf có hai đầu vào ngun thuỷ (âm tần tần số xung lấy mẫu), tổng tần số (fs  fa)

tất sóng hài fs fa (2fs  fa, 3fs  fa,…)

Bởi xung lấy mẫu dạng sóng lặp lại, tạo dãy sóng hài dạng sin Mỗi sóng dạng sin lại điều chế biên độ tạo nên méo chồng lấn (h.2.6b)

Ví dụ 2.1

Cho hệ thống PCM với tần số am cực đại đầu vào kHz Hãy xác định tốc độ lấy mẫu cực tiểu tần số chống lấn tạo có tần số audio kHz đưa vào mạch lấy mẫu giữ

Bài giải

Theo định lý Nyquist, ta có:

fs  2fa fs  kHz

Bộ lọc thơng dải đầu vào hình 2.3 cịn gọi lọc chống chồng lấn Tần số cắt phía chọn cho tần số khơng lớn nửa tần số lấy mẫu đưa vào lấy mẫu giữ, để giới hạn méo chồng lấn xảy

Đối với điều chế PCM, tín hiệu tương tự đầu vào lấy mẫu, sau chuyển đổi thành dãy nối tiếp mã nhị phân Mã nhị phân truyền đến phía thu sau chuyển đổi trở lại tín hiệu tương tự Các mã nhị phân sử dụng cho PCM mã n bit, n số nguyên dương lớn Các mã thường sử dụng cho PCM mã đánh dấu theo biên độ bit quan trọng bit đánh dấu bit lại dùng cho mức biên độ

Bảng 2.1 mô tả mã PCM với n bit n = Bit đánh dấu mẫu (logic = dương logic = âm) Hai bit lại để đặc trưng cho mức biên độ Như vậy, với hai bit biên độ có khả cho mức dương mức âm Tổng cộng khả mã 23 = 8.

bảng 2.1

Mã PCM bảng 2.1 số tài liệu gọi mã nhị phân gập, lấy đường nét đứt làm chuẩn gập lại nửa phần nửa phần có giá trị nhị phân biên độ trùng Trong trường hợp có hai giá trị mã ấn định cho mức vơn, 100 cho (+0) 000 cho (-0) Với ví dụ trên, biên độ cho kích cỡ bước vơn Do điện áp cực đại mã hố mạch V (111) -3 V (011) Nếu biên độ mẫu vượt khoảng lượng tử lớn xuất méo gọi méo tải

Việc phân định mã PCM theo giá trị tuyệt đối biên đợnh gọi lượng tử hoá Biên độ bước tối thiểu gọi bước chuyển trạng thái có giá trị điện áp bit có trọng số bé LSB (least significant bit)

Hình 2.8 mơ tả tín hiệu tương tự đầu vào, xung lấy mẫu, tín hiệu PAM tương ứng mã PCM Tín hiệu tương tự lấy mẫu ba thời điểm Mẫu thứ xuất t1 điện áp tương tự có giá trị xác +2 V

Mã PCM tương ứng với xung mẫu 110 Mẫu thứ hai xuất thời điểm t2, điện áp tín hiệu tương tự -1 V Mã PCM tương ứng

Để xác định mã PCM mẫu cụ thể, thực đơn giản phép chia điện mẫu cho bước chuyển trạng thái, chuyển chúng thành mã nhị phân n bit sau cộng thêm bit dấu Ví dụ với mẫu 1, bit dấu điện áp dương, mã biên độ 10 tương ứng với số nhị phân Mẫu xuất thời điểm t3 Điện áp tương tự thời điểm 2,6 V Khơng có mã cho

mức biên độ Trong ADC lấy mức gần đúng, ví dụ lấy 111 +3 V Như xuất sai số gọi sai số lượng tử Qe (quantization

error) Sai số tương đương tạp âm trắng cộng Cũng mà sai số lượng tử gọi tạp âm lượng tử Qn (quantization noise) biên độ

cực đại nửa điên áp bước tối thiểu (VLSB/2) Trong ví dụ

trên, Qe = 1V/2 = 0,5 V

2.3.4 Dải động

Số bit PCM truyền mẫu xác định vài thơng số, bao gồm biên độ cực đại chấp nhận điện áp đầu vào, bước chuyển trạng thái dải động Dải động DR (dynamic range) tỷ số biên độ cho phép lớn biên độ cho phép nhỏ để giả mã DAC Dải động DR biểu thị biểu thức:

ax

m U DR

U 

(2.2)

Trong Umin bước chuyển trạng thái Umax biên độ điện áp cực

đại mà DAC thực giải mã Như biểu thị:

DR = Bước chuyển trạng tháiUmax

Với hệ thống mô tả bảng 1.1 thì:

3 V DR V  

Thông thường, dải động biểu thị dB, đó:

ax

min

3

20 lg 20lg 9,54

1 m U DR dB U   

Giá trị dải động nói lên rằng, tỷ số điện áp lớn điện áp giải mã

Nếu có u cầu bước chuyển trạng thái nhỏ hơn, ví dụ 0,5 V mà giữ giá trị giải động lúc cần phải giảm điện áp cực đại đầu vào với hệ số giảm nửa, tức là:

1,5 0,5

DR 

Như vậy, Umax giảm lần dải động độc lập với bước chuyển

trạng thái Nếu bước chuyển trạng thái giảm lần (0,25V) giữ nguyên giá trị biên độ điện áp đầu vào, lúc dải động cần phải tăng gấp đôi tức là:

1,5 0, 25

DR 

Số bit sử dụng mã PCM phụ thuộc vào dải động Với mã PCM hai bit biên độ cực tiểu giải mã có mã nhị phân 01 biên độ cực đại có mã nhị phân 11 Như vậy, tỷ số mã nhị phân cực đại mã nhị phân cực tiểu 3, có dải động Do mã nhị phân cực tiểu ln có giá trị 1, DR số nhị phân cực đại hệ thống Do đó, để xác định số bit cần thiết mã PCM biểu thức quan hệ tốn học sau sử dụng:

2n – > DR

Và với giá trị cực tiểu n thì:

2n – = DR (2.3a)

Tại lại 2n – ? Một mã PCM sử dụng cho OV, nó

khơng quan tâm đến dải động Do

2n = DR + 1 ( 2.3b)

Để tính giá trị n, ta chuyển sang logarit Lg2n = lg(DR + 1)



nlg2 = lg(DR + 1) lg(3 1) 0,602

2

lg 0,301

n   

Như vậy, với dải động mã PCM cần có bit Dải động biểu thị dạng dB

ax ( )

min

20 lg m dB U DR U  (2.4a)

hoặc 2 lg(2n 1) (2.4b)

trong n số bit PCM Với gí trị n lớn giá trị dải động tính theo biểu thức tương đương:

( ) 20lg(2 ) 20 lg n

dB

DR   n  n (2.5)

Biểu thức (2.5) có nghĩa khoảng dB dải động bit với hệ thống PCM giải mã tuyến tính

Hình 2.9 mô tả hàm truyền đạt đầu vào/đầu chuyển đổi tương tự/số (còn gọi lượng tử tuyến tính) Trên hình mơ tả tín hiệu tương tự vào đường thẳng (tức đường dốc) tín hiệu lượng tử cực đại chúng giống biên độ đầu vào mơ tả hình 2.9c

Hình 2.10 mơ tả tín hiệu tương tự đầu vào hình 2.8 lấy mẫu tốc độ nhanh Trên nhận thấy rằng, việc giảm thời gian mẫu (nghĩa tăng tốc độ lấy mẫu) tạo tín hiệu PAM gần giống với tín hiệu tương tự đầu vào Và cần lưu ý rằng, việc tăng tốc lấy mẫu không làm giảm sai số lượng tử mẫu

Bảng 2.2 Giá trị dải động cho mã PCM có n bit

Số bit (n) mã PCM Số mức M = 2n Giá trị dải động (dB)

0

1 6,02

2 12

3 18,1

4 16 24,1

5 32 30,1

6 64 36,1

7 128 42,1

8 256 48,2

9 512 54,2

10 1024 60,2

11 2048 66,2

12 4096 72,2

13 8192 78,3

14 16384 84,3

15 32768 90,3

16 65536 96,3

Ví dụ 2.2

Cho hệ thống PCM với thông số sau:

- Tần số lớn tín hiệu tương tự đầu vào kHz - Điện áp cực đại giải mã đầu thu +2,25 V

- Giá trị dải động 46 dB Hãy xác định:

- Tốc độ lấy mẫu tối thiểu;

- Số bit tối thiểu sử dụng mã PCM; - Bước chuyển trạng thái;

- Sai số lượng tử Bài giải

Áp dụng định luật Nyquist biểu thức 2.1, tốc độ lấy mẫu tối thiểu là: fs = fa = 2(4 kHz) = kHz

Để xác định giá trị dải động, theo biểu thức 2.4a

ax ax

min

46dB 20lgUm 2,3 lgUm

U U

  

2,3 ax

min

10 Um DR DR 199,5 U

   

Thay vào (2.3b) có: lg(199,5 1)

7,63 lg

n  

Số nguyên gần lơn 7,63 8; Do bit sử dụng cho biên độ Do biên độ điện áp đầu vào 2,25 V cần cộng thêm vào bit

dấu Như tổng cộng số bit mã PCM trưòng hợp tổng cộng số mã PCM 29 = 512 (trong số có 255 mã dương, 255 mã âm và

hai mã 0)

Để xác định dải động thực, thay vào biểu thức (2.4b) có: DR = 20lg255 = 48,13 dB

Để xác định bước chuyển tiếp trạng thái, đem chia biên độ cực đại + – cho số mã khác 0, dương âm có:

Bước chuyển trạng thái =

ax

2,55 2,55

0,01 2 256

m n

U

  

   V

Qe = Bước chuyển trạng thái = 0,01 = 0,005 V

2

2.3.5 Hiệu suất mã hoá

Hiệu suất mã hoá số số nói lên hiệu mã PCM sử dụng Hiệu suất mã hoá tỷ số số bit tối thiểu yêu cầu để đạt dải động cho số bit thực tế mã PCm sử dụng

Hiệu suất mã hoá biểu thị biểu thức toán học:

Hiệu suất mã hoá = số bit tối thiểu (bao gồm bit dấu)số bit thực tế (bao gồm bit dấu) 100% Như vậy, hiệu suất mã hoá số liệu ví dụ 2.2 là:

Hiệu suất mã hoá = 8, 63

.100 95,89%

9 

Chương

ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ

3.1 Tổng quan số hệ thống truyền tin số

Như phân tích chương một, truyền tin số bao gồm truyền dẫn số radio số

Đặc điểm để phân biệt hệ thống radio số với hệ thống radio số AM, FM PM truyền thống trước dùng quen thuộc vào chất tín hiệu điều chế Cả hai hệ thống radio số radio tương tự sử dụng sóng mang tương tự; vậy, điều chế tương tự tín hiệu điều chế tín hiệu tương tự cịn điều chế số thi tín hiệu điều chế tín hiệu số Cả hai dạng điều chế số điều chế tương tự thơng tin nguồn tín hiệu số tín hiệu tương tự

Bộ tiền mã hố phía phát làm nhiệm vụ chuyển đổi mức sau mã hố nhóm liệu đến vào từ điều khiển để điều chế với sóng mang tương tự Sóng mang điều chế “đẽo gọt” (được lọc), khuếch đại sau đưa mơi trường truyền dẫn để truyền đến phía thu Các tín hiệu nhận đầu thu lọc, khuếch đại sau chuyển đến mạch giải điều chế để tái tạo lại thông tin nguồn nguyên thuỷ Mạch đồng hồ mạch hồi phục sóng mang có nhiệm vụ lấy thơng tin đồng hồ sóng mang từ tín hiệu đến điều chế

3.2.Khoá dịch biên, ASK

Kỹ thuật điều chế số đơn giản điều chế biên độ số cịn gọi điều chế khố dịch biên (ASK – amplitude shift keying) điều chế đóng -ngắt (OOK – on off keying) Đây dạng điều chế biên độ sóng mang sử dụng hai đơn biên với tín hiệu điều chế đưa vào có dạng nhị phân Biểu thức tốn học tín hiệu điều chế số với tín hiệu nhị phân biểu thị biểu thức:

    os 

2

am m c

A

u t   u t   c  t 

  (3.1)

Trong đó:

uam(t) sóng điều chế biên độ số;

um(t) tín hiệu nhị phân điều chế (V);

A/2 biên độ sóng mang chưa điều chế (V); c

 tần số góc sóng mang (rad/s).

Trong biểu thức (3.1), tín hiệu điều chế [um(t)] dạng sóng nhị phân

khơng chuẩn hố, +1V = logic – 1V = logic

Do đó, với logic đầu vào um(t) = +1 biểu thức (3.1) là:   1 1 os  os 

2

am c c

A

u t    c  t  Ac  t

 

Và với logic đầu vào um(t) = - biểu thức (3.1) là:

  1 1 os 

am c

A

u t    c  t  

 

Như vậy, với điều chế 100% sóng điều chế nhận giá trị Acos(ωct) tương ứng với logic đầu vào Sóng mang trường

hợp dạng đóng mạch ngắt mạch, mà điều chế khóa đóng - ngắt (OOK – on – off keying) Trong số tài liệu, điều chế biên độ số cịn gọi sóng liên tục sóng mang chúng (trường hợp đóng mạch) có biên độ, tần số góc pha số

Hình 3.2 mơ tả dạng sóng đầu vào đầu máy phát điều chế biên độ số Một dạng sóng OOK điều chế có liên kết với rời rạc khơng có liên kết với khác hệ số điều chế

Việc sử dụng sóng mang tương tự điều chế theo kiểu điều chế biên độ số để truyền thông tin số có chất lượng tương đối thấp dễ thực mạch điện đơn giản Vì dạng điều chế sử dụng hệ truyền tin số có dung lượng hiệu cao

Tín hiệu ASK tách sóng tách sóng đường bao (tách sóng khơng kết hợp) tách sóng tích (tách sóng kết hợp) dạng tín hiệu AM Các tách sóng mơ tả hình 3.3a hinh 3.3b

Để có tách sóng tối ưu ASK – nghĩa để đạt xác suất lỗi bit thấp tín hiệu ASK đầu vào bị tạp âm Gauss trắng ký sinh làm sai lệch - cần phải sử dụng tách sóng tích với việc sử dụng lọc thích ứng Trường hợp minh hoạ hình 3.3c, dạng sóng thời điểm khác mạch điện minh hoạ trường hợp thu tín hiệu ASK tương ứng với chuỗi liệu 1101

3.3 Khoá dịch tần, FSK

3.3.1 Điều chế FSK

Khoá dịch tần (FSK – frequency shift keying) dạng điều chế đơn giản khác, có hiệu tương đối thấp điều chế số, FSK nhị phân dạng điều chế góc có biên độ khơng đổi tương tự điều tần truyền thống FM, với tín hiệu điều chế tín hiệu nhị phân Các tín hiệu nhị phân làm thay đổi tần số sóng mang theo hai mức tương ứng Biểu thức tổng quát FSK nhị phân là:

ufsk = Uccos{2л[fc + um(t)∆f]t} (3.2)

trong đó: ufsk dạng sóng FSK nhị phân;

Uc biên độ cực đại sóng mang (V);

fc tần số sóng mang (Hz);

∆f độ di tần cực đại (Hz);

um(t) tín hiệu điều chế nhị phân đầu vào (±1)

Trong biểu thức (3.2), độ di tần cực đại sóng mang ∆f, tỷ lệ với biên độ cực tín hiệu vào nhị phân Tín hiệu điều chế [Um(t)] dạng sóng

nhị phân chuẩn hố logic = +1 logic = - Như vậy, với logic đầu vào U số (t) =1 biểu thức (3.2) là:

ufsk(1) = Uccos[2л(fc + ∆f)t]

với logic đầu vào, Um(t) = - biểu thức (3.2) là:

ufsk(t) = Uccos[2л(fc - ∆f)t]

Ở tín hiệu FSK nhị phân, tần số sóng mang bị dịch chuyển (bị di tần) phụ thuộc vào tín hiệu nhị phân đầu vào Bởi tín hiệu nhị phân có hai mức 1, tín hiệu đầu bị dịch tần ứng vói hai tần số: tần số vết tần số logic 1, fm tần số trống tần số logic 0, fs Khoảng tần số cách

biệt tần số vết fm tần số trống fs gọi độ lệch tần độ

di tần ∆f (tức fm = fc + ∆f fs = fc - ∆f) Các tần số vết tần số trống có giá trị

tuỳ ý phụ thuộc vào thiết kế hệ thống

biến đổi từ tần số vết fm đến tần số trống fc ngược lại, tương ứng với biến

đổi tín hiệu nhị phân đầu vào Tần số lớn fc + ∆f tần số nhỏ

là fc - ∆f

3.3.2 Tốc độ bit baud cảu FSK

Ở tín hiệu FSK nhị phân khoảng thời gian chuyển đổi tần số đầu tương ứng với chuyển đổi tín hiệu nhị phân đầu vào Do tốc độ chuyển đổi đầu tốc độ chuyển đổi đầu vào

Ở điều chế số, tốc độ chuyển đổi đầu vào điều chế gọi tốc độ bit fb có thứ nguyên bit/s, kí hiệu bps Tốc độ biến đổi đầu

điều chế gọi tốc độ baud

Baud thường hay bị nhầm lẫn với tốc độ bit Baud tốc độ chuyển đổi có giá trị nghịch đảo thời gian phần tử tín hiệu đầu Với FSK thời gian phần tử tín hiệu đầu thời gian tối thiểu mà tần số vết tần số trống tạo thời gian bit đơn độc tb Như

hình 3.4 chuyển đổi từ tần số vết sang tần số trống ngược lại với tốc độ chuyển đổi từ logic sang logic ngược lại Vì vậy, FSK thời gian phần tử tín hiệu đầu thời gian bit nhau, tốc độ bit baud

3.3.3 Bộ phát FSK

Hình 3.4, mơ tả phát FSK nhị phân đơn giản hố tương tự điều chế FM truyền thống thường sử dụng tạo sóng có điện áp điều khiển (VCO – voltage controlled oscillator) Tần số sóng mang chọn tần số vết tần số trống

Ở điều chế FSK, ∆f độ di tần cực đại tần số mang có giá trị hiệu số tần số mang tần số vết tần số trống (hoặc nửa hiệu số tần số vết tần số trống)

Bộ điều chế VCO – FSK thực theo phương pháp quét độ di tần cực đại tích điện áp đầu vào nhị phân độ nhạy VCO Theo phương pháp quét, độ di tần biểu thị biểu thức:

∆f = um(t)kt (3.3)

Trong đó: ∆f độ di tần cực đại (Hz);

um(t) điện áp tín hiệu điều chế nhị phân cực đại (V);

kt độ nhạy di tần (Hz/V)

Với FSK nhị phân biên độ tín hiệu đầu vào có hai giá trị, ứng với logic ứng với logic Vì vậy, độ di tần cực đại số Do điện áp đỉnh logic logic giống biên

độ di tần logic logic giống Ở số dạng điều chế khác , giá trị tốc độ bit baud khác

Cần lưu ý rằng, có số tài liệu có cách gọi ngược lại, trước điều chế gọi baud sau điều chế gọi tốc độ bit

3.3.4 Độ rộng dải tần FSK

Đầu điều chế FSK có quan hệ với đầu vào nhị phân mơ tả hình 3.5 logic tương ứng với tần số trống fs, logic tương ứng

với tần số vết fm fc tần số mang

Độ di tần cực đại biểu thị bởi:

2

m s

f f

f 

 

(3.4) Trong đó: ∆f độ di tần cực đại (Hz);

fm tần số vết (Hz);

fs tần số trống (Hz)

Từ hình 3.5 thấy FSK có hai sóng hình sin tần số fm fs

Các sóng hình sin dạng xung có phổ tần theo hàm sinx/x

Vì vậy, mơ tả phổ tần đầu tín hiệu FSK hình 3.6 Giả thiết rằng, đỉnh phổ tần công suất chứa phần lớn lượng, lúc độ rộng dải tần tối thiểu cần thiết tín hiệu FSK qua biểu thị theo biểu thức gần đúng:

B = | (fs + fb) – (fm – fb)| = (|fs – fm|) + 2fb (3.5)

Và fs – fm có giá trị 2∆f, độ rộng dải tần theo biểu thức

B = 2∆f + 2fb = 2(∆f + fb) (3.6)

Trong đó: B độ rộng dải tần tối thiểu (Hz); fm tần số vết;

fs tần sô trống;

∆f độ di tần đỉnh tối thiểu (Hz)

Ví dụ 3.1

Một tín hiệu FSK có tần số vết 49 kHz, tần số trống 51 kHz tốc độ bit đầu vào kbps Hãy xác định:

a) Độ di tần cực đại

b) Độ rộng dải tần tối thiểu c) Baud đầu

Bài giải

a) Độ di tần cực đại tính theo biểu thức (3.4)

49 51

1

2

m s

f f kHz kHz

f   kHz

   

b) Độ rộng dải tần tối thiểu, tính theo biểu thức (3.6) B = 2(∆f + fb) = 2(1000 + 2000) =6 kHz

c) Với FSK, baud có giá trị tốc độ bit 2000 bps

Ở nhận xét rằng, biểu thức gần (3.6) để tính độ rộng dải tần giống quy tắc Carson để xác định dải tần sóng FM có số trung bình Chỉ số có khác hai biểu thức FSK tốc độ bit fb thay cho tần số điều chế fm tín hiệu FM

Các hàm Bessel sử dụng để xác định giá trị gần độ rộng dải tần tối thiểu tín hiệu FSK Như mơ tả hình 3.5, tốc độ chuyển đổi nhanh tín hiệu nhị phân NRZ (khơng trở khơng) xuất chuyển tiếp ( có nghĩa sóng chữ nhật), tạo chu kỳ Do tân số cao sóng xung chữ nhật có giá trị tốc độ lặp lại sóng chữ nhật tín hiệu nhị phân có giá trị nửa tốc độ bit Có nghĩa là:

2 b a f f  (3.7) Trong đó: fa tần số lớn tín hiệu điều chế nhị phân (Hz);

fb/2 tốc độ bit (bps)

Biểu thức số điều chế FM có giá trị FSK, là:

a f h f   (3.8a) Trong đó: h số điều chế FM, gọi hệ số h FSK;

Fa tần số tín hiệu điều chế nhị phân (Hz);

Chỉ số điều chế (tỷ số di tần) trường hợp xấu tạo độ rông băng tần lớn nhất, số điều chế xấu độ rộng băng tần lớn xuất hiên giá trị cực đại độ di tần tần số tín hiệu điều chế Độ di tần cực đại FSK không đổi có quan hệ với số điều chế, tần số bản, tốc độ bit đầu vào theo biểu thức:

` 2 2 m s b f f h f   (3.8b) m s b f f h f   (3.9) đó: h hệ số;

fs tần số trống;

fm tần số vết;

fb tốc độ bit (bps)

Ví dụ 3.2

Sử dụng hàm Bessel, xác định độ rộng dải tần tối thiểu tín hiệu FSK ; với tần số vết 49 kHz, tần số trống 51 kHz tốc độ bit kbps

Bài giải

Chỉ số điều chế tính theo (3.9) là:

49 51

1

2

kHz kHz kHz

h

kpbs kbps



  

Từ bảng hàm Bessel có ba dải biên đáng ý số điều chế Vì độ rộng dải tần là:

B = 2(3.1000) = 6000 Hz

Độ rộng dải tần xác định phù hợp với độ rộng dải tần tính ví dụ 3.1

Hình 3.7 mơ tả thu tín hiệu FSK đơn giản hố Tín hiệu FSK đầu vào đồng thời đưa đến lọc dải thông BPF (bandpass filter) sau qua tách công suất Bộ lọc dải thông cho qua tần số vết tần số trống sau đưa đến tách sóng đường bao Các tách sóng đường bao đưa công suất cho dải thông để đưa vào so sánh tạo tín hiệu liệu đầu Bộ tách tín hiệu FSK loại tách khơng liên kết

Hình 3.8 mô tả sơ đồ khối thu FSK liên kết Tín hiệu FSK vào nhân (trộn) với tín hiệu sóng mang hồi phục có tần số pha với tần số sóng mang phía phát Tuy nhiên hai tần số phát (tần số vết tần số trống) không liên tục Việc tạo lại tham chiếu chỗ liên kết cho hai tần số thực tế khó khăn, tách FSK liên kết sử dụng

Mạch điện thông dụng dùng để giải điều chế tín hiệu nhị phân điều chế FSK vịng khóa pha PLL (phase locked loop), mơ tả hình 3.13 (mục 3.3.6)

Nguyên lý hoạt động giải điều chế FSK dùng vịng khóa pha PLL (PLL – FSK), tương tự nguyên lý hoạt động giải điều chế PLL – FM điều tần Đầu vào vịng khố pha có lệch hai tần số vết tần số trống , điện áp chênh lệch chiều dc đầu so pha tương ứng với độ lệch tần số tương ứng với logic tương ứng với logic Như vậy, đầu giải điều chế có hai mức (nhị phân) đặc trưng cho tín hiệu FSK đầu vào Tần số hoạt động PLL tần số điều chế Sự chênh lệch điện áp so pha tương ứng với biên đổi tần số đầu vào dao động xung quanh giá trị OV

Điều chế FSK nhị phân có hiệu sai số so với điều chế FSK QAM chúng sử dụng hệ thống vơ tuyến số có hiệu cao Nó sử dụng cách hạn chế modem liệu có hiệu thấp, giá thành thấp, không đồng truyền liệu đường tín hiệu tương tự, tín hiệu thoại

Modem FSK Hình 3.9 mơ tả ví dụ modem dung điều chế FSK sử dụng đường truyền liệu tốc độ thấp thông qua đường dây điện thoại

3.3.6 Điều chế FSK có pha liên tục

Điều chế FSK có pha liên tục (CP – FSK) FSk nhị phân mà tần số vết tần số trống đồng với tốc độ bit đầu vào Sự đồng ngụ ý rằng, chúng có quan hệ thời gian với khơng thiết phải xác

Ở điều chế CP – FSK tần số vết tần số trống chọn cho cách biệt tần số so với tần số bội số lẻ nửa tốc độ bit, tức (fm fs = n(fb/2), n số nguyên lẻ.Như

đảm bảo tín hiệu tương tự đầu có pha liên tục, khơng bị gián đoạn chuyển tiếp từ tần số vết (logic 1) sang tần số trống (logic 0) ngược lại

Hình 3.10 mơ tả dạng sóng FSK có pha khơng liên tục Ở đầu vào có chuyển tiếp từ logic sang logic 0, ngược lại, tín hiệu đầu có biến đổi gián đoạn pha Khi xuất gián đoạn pha giải điều chế làm việc trạng thái không ổn định, dẫn đến sai số thu

Hình 3.11 mơ tả dạng sóng điều chế FSK có pha liên tục Ở đây, đầu vào có chuyển tiếp từ logic sang logic ngược lại, tín hiệu đầu khơng có gián đoạn pha góc tín hiệu biến đổi liên tục

Tín hiệu loại điều chế CP – FSK có hiệu sai số bit tốt so với điều chế FSK thơng thường, tỷ số tín hiệu/tạp âm tốt Nhược điểm điều chế CP – FSK kết cấu mạch điện phức tạp

Ở đây, hiệu số tần số vết tần số trống nửa tốc độ bit đầu vào, tức fs – fm = 0,5 fb số điều chế h = 0,5 Đây trường

hợp hiệu số cực tiểu tần số vết tần số trống loại CP – FSK gọi khoá dịch cực tiểu (MSK – minimum shift keying)

3.4 Khoá dịch pha, PSK

Khoá dich pha (PSK – phase shift keying) dạng điều chế góc, biên độ khơng đổi Khoá dich pha tương tự điều chế pha thơng thường có khác PSK tín hiệu cào tín hiệu nhị phân pha đầu có số lượng giới hạn

3.4.1 Khố dịch pha nhị phân, BPSK

Ở khóa dịch pha nhị phân (BPSK – binary phase shift keying) hai pha đầu với tần số sóng mang đơn (nhị phân có nghĩa 2)

Trong hai pha pha tương ứng với logic pha tương ứng với logic Nếu trạng thái tín hiệu nhị phân đầu vào thay đổỉ hai góc pha đầu biến đổi lệch pha 1800 Cũng mà tín hiệu BPSK

cịn có tên gọi khác khoá dảo pha (PRK – phase reversal keying) điều chế nhị pha

1 Bộ phát BPSK

Hình 3.12 mơ tả sơ đồ khối đơn giản phát BPSK Ở đây, điều chế cân làm việc chuyển mạch đảo pha Phụ thuộc vào logic tín hiệu nhị phân đầu vào mà sóng mang đưa đến đầu có lệch pha 1800 so với sóng mang tham chiếu tạo sóng.

Hình 3.13a mơ tả sơ đồ khối điều chế vịng cân Bộ điều chế cân có hai đầu vào Sóng mang đồng pha với tạo sóng tham chiếu liệu số nhị phân Để cho điều chế cân làm việc cách xác điện áp nhị phân đầu vào cần phải lớn điện áp đỉnh sóng mang Điều để đảm bảo cho điện áp đầu vào điều khiển đóng - mở trạng thái làm việc diơt D1-D4 Nếu tín hiệu nhị phân đầu vào logic (điện áp dương)

các diơt D1 D2 phân cực thuận mở, diôt D3 D4 phân cực

ngược đóng (hình 3.13b) Với phân cực điện áp đầu biến áp T2 đồng pha với điện áp đầu vào biến áp T1

Nếu tín hiệu nhị phân đầu vào logic (điện áp âm), lúc diơt D1 D2 phân cực ngược đóng, cịn diơt D3 D4 phân cực thuận

và mở (hình 3.13c) Kết điện áp đầu biến áp T2 lệch pha 1800 so

với điẹn áp đầu vào T1

Hình 3.14 mơ tả bảng chân lý, đồ thị pha đồ thị không gian trang thái điều chế BPSK

2 Độ rộng dải tần tín hiệu BPSK

Bộ điều chế cân điều chế tích tín hiệu đầu tích hai tín hiệu đầu vào Ở điều chế BPSK tín hiệu sóng mang đầu vào nhân với tín hiệu nhị phân Nếu +1 V đặc trưng cho logic – đặc trưng cho logic sóng mang đầu vào (sinωct) nhân với có nghĩa giá trị

của sinωct nhân với +1 – Giá trị thứ đặc trưng cho tín hiệu

đồng pha với sóng tạo sóng tham chiếu giá trị thứ hai lệch pha 1800

với sóng tạo sóng tham chiếu

Tại thời điểm mà đầu vào có chuyển đổi giá trị logic tín hiệu đầu có chuyển đổi pha 1800 Như với tín hiệu BPSK, tốc

độ baud (ở đầu ra) tốc độ chuyển đổi bit (bps) đầu vào, độ rộng băng tần lớn đầu xuất liệu nhị phân đầu vào dãy biến đổi 1/0 Tần số (fs) dãy biến đổi 1/0 nửa tốc độ bit (fb/2)

Về toán học, đầu BPSK tỷ lệ với giá trị:

đầu BPSK = [sin(2πfat)] x [sin(2πfct)] (3.10)

trong đó: fa tần số cực đại tín hiệu nhị phân đầu vào (Hz);

fc tần số sóng mang tham chiếu (Hz)

Vế phải (3.10) viết:

   

1

cos cos

2   fc  f ta     fc  f ta 

Như vậy, độ rộng dải tần Nyquist tối thiểu lấy hai bên tín hiệu là: fc + fa – (fc – fa) = 2fa

và fa = fb/2 fb tốc độ bit đầu vào cho nên:

2 2

b b f

B  f

(3.11) Trong B độ rộng băng tần Nyquist hai bên

Hình 3.15 mơ tả quan hệ pha theo thời gian dạng sóng BPSK Phổ tần đầu điều chế BPSK dạng hai đơn biên có sóng mang bị triệt tần số biên cao biên thấp sóng mang giá trị nửa tốc độ bit Như vậy, độ rộng băng tần tối thiểu (fN) cần đảm bảo

tín hiệu BPSK xấu qua tốc độ bit đầu vào Ví dụ 3.4

Một điều chế BPSK có tần số sóng mang 70 MHz tốc độ bit đầu vào 10 Mbps Hãy xác định tần số cực đại cực tiểu biên biên dưới, phổ tần đầu ra, độ rộng dải tần giá trị baud

Bài giải

Sử dụng biểu thức (3.10) ta có: Tín hiệu đầu = (sinωat)(sinωct)

= [sin2π(5MHz)t][sin2π(70MHz)t]

=    

1

cos 70 cos 70

2  MHz MHz t  MHz MHz t

Tần số biên Tần số biên

Tần số cực tiểu biên (LSF– lower side frequency) LSK = 70MHz – 5MHz = 65MHz

Tần số cực đại biên (USF – upper side frequency) USF = 70MHz + 5MHz = 75MHz

Phổ tần đầu điều kiện tín hiệu nhị phân đầu vào xấu biểu thị sau:

Độ rộng băng tần Nyquist tối thiểu (fN)

fN = 75MHz – 65MHz = 10MHz

và giá trị baud là:

baud = fb 10 Mbaud

3 Mã hoá M mức

B = 10 MHz

65MHz 70MHz 75MHz