Tài liệu Cơ sở viễn thông_ Chương 7 pdf

Cơ Sở Viễn Thông Phạm Văn Tấn Chương VII: VIỄN THÔNG SỐ ƒ ĐẠI CƯƠNG ƒ CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ ADC (ANALOG-DIGITAL CONVERTER) ƒ CHUYỂN ĐỔI SỐ-TƯƠNG TỰ DAC (DIGITAL ANALOG CONVERTER) ƒ VIỄN THƠNG Mà HỐ ( CODED COMMUNICATION) ƒ BIẾN ĐIỆU Mà XUNG- PCM ( PULSE CODE MODULATION) ƒ LƯỢNG TỬ HỐ KHƠNG ĐỀU ĐẶN ( NONUNIFORM QUANTIZATION) ƒ KỸ THUẬT BIẾN ĐIỆU LUÂN PHIÊN (ALTERNATE MODULATION TECHNIQUES) ƒ NHIỄU LƯỢNG TỬ (QUANTIZATION NOISE) ƒ GIỚI THIỆU VỀ Mà HOÁ ENTROPY VÀ NÉN DỮ LIỆU ƒ GIỚI THIỆU VỀ SỬA LỖI TIẾP CHUYỂN (FORWARD ERROR CORRECTION) Trang VII.1 Cơ Sở Viễn Thông Phạm Văn Tấn ĐẠI CƯƠNG Trong chương trước, ta nói truyền tín hiệu analog Sóng mang dùng sinusoid liên tục ( AM, FM PM ) hàm thời gian rời rạc (biến điệu xung) Chương ta thêm kỹ thuật truyền khác Tín hiệu truyền trở thành phaăn hệ rời rạc Như vậy, thay truyền trị điện liên tục, ta tập trung vào tập hợp hữu hạn trị rời rạc Trước ta xem truyền danh mục số Danh mục kết từ lấy mẫu hàm thời gian liên tục, tin tức gốc có dạng danh mục Tính chất hệ viễn thông digital số danh mục lấy trị rời rạc Nhiều tín hiệu có dạng danh mục số lấy từ tập hợp hữu hạn Thí dụ, thời gian ngày ( ta làm tròn giây hay phút ); số lượng hạng mục sản xuất ( thí dụ: số xe ); thơng tin phát computer Tín hiệu analog truyền theo kỹ thuật digital Khi đó, thiết tín hiệu analog cần phải chuyển đổi thành tín hiệu số Sự đổi qui cách từ analog thành digital thực nhờ ADC (Analog to Digital Converter) I CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ ADC (analog-digital converter) Bước thứ để chuyển đổi tín hiệu analog liên tục thành dạng digital đổi tín hiệu thành danh mục số ( Điều thực cách lấy mẫu hàm thời gian) Danh mục số kết biểu diễn cho trị liên tục Đó mẫu trưng số làm tròn, thực tế tiếp tục số thập phân vơ hạn Danh mục số analog sau phải mã hoá thành Code Words rời rạc Biện pháp trước để hồn tất việc làm trịn số danh mục Thí dụ, mẫu nằm khoảng từ đến 10V, mẫu làm tròn đến số nguyên gần Vậy từ mã ( code words ) rút từ 11 số nguyên ( từ đến 10 ) Trong đa số hệ viễn thông digital, dạng thực tế chọn cho từ mã số nhị phân Lý để chọn trở nên rõ ràng ta bàn đến kỹ thuật truyền chuyên biệt Trở lại thí dụ trên, converter hoạt dộng mẫu từ đến 10V cách làm tròn trị mẫu đến Volt gần nhất, đổi số nguyên thành số nhị phân bit ( mã BCD ) Sự chuyển đổi A/ D xem lượng tử hoá ( quantizing ) Trong lượng tử hoá đặn, trị liên tục hàm thời gian chia thành vùng đặn, mã số nguyên kết hợp cho vùng Như vậy, tất trị hàm vùng mã hố thành số nhị phân giống Hình 7.1 nguyên lý lượng tử hoá bit theo hai cách khác Hình 7.1a, khoảng trị hàm chia làm vùng eău Mỗi vùng kết hợp với số nhị Trang VII.2 Cơ Sở Viễn Thông Phạm Văn Tấn phân bit Chọn vùng luỹ thừa ( = 23 ) Tất tổ hợp bit dùng, làm hiệu lớn Hình 7.1b lượng tử hoá cách dùng liên hệ input output Trong input liên tục, output lấy trị rời rạc Bề rộng bậc khơng đổi Vì lượng tử hố đặn Hình 7.1: Sự lượng tử hóa Hình 7.2 s(t) dạng digital cho đổi ADC bit bit 2-bit 01 11 11 11 01 00 00 01 01 Hình 7.2: Thí dụ A/D * Mách lượng tử hố : Có ba loại mách lượng tử hoá Lượng tử hoá đếm, đếm ứng với s thođng qua mức lượng tử Lượng tử hoá nối tiếp, tạo từ mã, bit Đó là, chúng bắt đầu với bit có tróng sô lớn ( MSB ) làm việc đến bit co tróng sô nhỏ ( LSB ) Lượng tử hoá song song, tạo lúc tất bit từ mã hồn chỉnh A Lượng tử hóa đếm: Hình 7.3 vẽ khối lượng từ hoá đếm Trang VII.3 Cơ Sở Viễn Thơng Phạm Văn Tấn Hình 7.3: Lượng tử hóa đếm Ramp generator ( mạch tạo đường dốc ) bắt đầu điểm lấy mẫu Mạch eâm bắt đầu lúc Ngõ mạch S/H tín hiệu bậc thang xấp xĩ với tín hiệu gốc ( Những bậc giữ trị mẫu trước suốt khoảng lấy mẫu ) Mách êm stop đường dốc đạt đến trị mẫu Dạng sóng tiêu biểu Hình 7.3b Và vậy, thời gian đếm Ts tỷ lệ với trị mẫu ( độ dốc giữ khơng đổi ) Tần số clock chọn cho mách êm có đủ thời gian để đếm đến số đếm cao thời khoảng (duration) đường dốc tương ứng với mẫu lớn Số đếm cuối boô êm tương ứng với mức lượng tử hố Thí dụ : Thiết kế khối lượng tử hoá đếm cho tín hiệu tiếng nói có tần số tối đa kHz Độ dốc đường dốc 106 V/sec Biên độ tín hiệu nằm khoảng đến 10 V Tìm tần số Clock cần thiết dùng counter bit Giải : Lý để xét tần số max tín hiệu xem độ dốc có đủ để đạt đến trị max mẫu hay không ( chu kỳ lấy mẫu ) Với tần số max tần số tín hiệu Trang VII.4 Cơ Sở Viễn Thông Phạm Văn Tấn msec Vì đường dốc đạt đến tối đa 10V 0,01 msec, đủ nhanh để tránh tải Counter phải đếm từ 0000 đến 1111 0,01 msec Tần số Clock phải 1,6 MHz, cần 16 lần đếm chu kỳ lấy mẫu kHz, nhịp lấy mẫu tối thiểu kHz Vậy chu kỳ lấy mẫu max B Lượng tử hóa nối tiếp: Hình 7.4 sơ đồ khối lượng tử hoá nối tiếp bit, input nằm khoảng từ đến Các hộp hình thoi so sánh Chúng ta so sánh input với trị cố định cho output input vượt trị cố định output khác ngược lại Sơ đồ khối hai đường output có thể, đặt tên YES NO Nếu khoảng input trị mẫu khơng đến 1V, tín hiệu chuẩn hóa ( dời khuếch đại giảm ) để trị nằm khoảng Nếu cần số bit nhiều ( ) khối so sánh thêm vào ( hay bớt ) Số khối so sánh số bit mã hố Hình 7.4: Lượng tử hóa nối tiếp b2 bit thứ trị mẫu mã hoá Bit có tróng sô lớn (MSB) b0 bit thứ ba, bit cuối, bit có tróng sô nho (LSB) Thí dụ : Giải thích hoạt động hình 7.4, ứng với trị mẫu input: 0,2 0,8 V Giải: * Với 0,2 V Sự so sánh thứ với 1/4 có đáp số No Vậy b2 = so sánh thứ với 1/4 có lời đáp No.Vậy b1 = So sánh thứ ba, Yes.Vậy b0 = Do đó, mã nhị phân cho 0,2V 001 1 * Với 0,8V So sánh thứ với , Yes ⇒ b2= ta trừ với , 2 1 0,3 So sánh thứ hai với , Yes ⇒ b1 = ta trừ với , 0,05 So sánh thứ ba với 4 , No ⇒ b0 = Vậy mã cho 0,8V 110 * Một hệ thống đơn giản hố thực hình 7.5, ngỏ khối − , đặt khối X2 hồi tiếp kết khối so sánh thứ Tín hiệu mẫu qua sơ đồ nhiều lần để đạt số bit chiều dài từ mã hóa Trang VII.5 Cơ Sở Viễn Thơng Phạm Văn Tấn Hình 7.5: Lượng tử hố nối tiếp đơn giản hóa C Lượng tử hóa song song: Hình 7.6 trình bày mạch đổi song song bit, bậc tiến trình 1v Cầu chia điện lập mức điện tham khảo cho mạch so sánh Ta thấy có mức mà trị giá 1, 2, 3, 4, 5,6,7v Điện tương tự vào VA đưa vào ngõ vào mạch so sánh Trang VII.6 Cơ Sở Viễn Thơng Phạm Văn Tấn +10V Mã hố ưu tiên 3K - 7V C7 I7 + 1K - 6V C6 I6 + 5V - 1K C5 Trọng số lớn I5 + 1K - 4V C4 I4 C B A Ngõ số + 1K - 3V C3 I3 + 1K - 2V C2 I2 + 1K - 1V C1 I1 + 1K Ngõ vào tương tự a) Ngõ vào tương tự VA 1v, 2v, 3v, 4v, 5v, 6v, 7v Ngõ mạch so sánh C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 b) Ngõ số C B A 0 0 1 0 1 0 1 1 1 Hình 7.6 a) Sơ đồ mach ADC song song 3bit b) Bảng thật Nếu VA1v, có ngõ mạch so sánh xuống thấp Các ngõ đưa vào mạch mã hoá ưu tiên tác động thấp, tạo số nhị phân tương ứng với chân mạch so sánh có hiệu lực Chân mạch so sánh có hịêu lực chân có số cao (nếu đồng thời có nhiều chân xuống thấp) Thí dụ, VA nằm 4v Các chân C1, C2 C3 thấp Tất chân khác cao Mạch mã hoá ưu tiên thực Trang VII.7 Cơ Sở Viễn Thông Phạm Văn Tấn với trị giá thấp C3, cho ngõ CBA=011 (biễu diễn cho số nhị phân tương đương VA với độ phân giải 1v) Khi VA cao 7v, C1-C7 thấp Ngõ mạch mã hoá CBA=111 Mạch ADC song song không cần xung đồng hồ, khơng có mạch đếm đồng thao tác tiến trình Tiến trình đổi gần tức thời, đặt VA vào Thời gian chuyển đổi tuỳ thuộc trễ mạch so sánh mạch mã hoá * Mã hoá PCM thực tế : Khối mã hoá PCM ( Pulse Code Modulation.- Biến điệu mã xung ) thực tế xây dựng theo sơ đồ khối phần trước Hầu hết đặt IC * Bộ lượng tử hoá đếm xem chuyển đổi A/D hai đường dốc Mẫu đặt mạch tích phân khoảng thời gian cố định Output tỷ lệ với trị mẫu Sau input chuyển đến trị điện tham khảo ( ngược dấu với mẫu ), counter bắt đầu output mạch tích phân so sánh với zero Counter stop đường dốc output mạch tích phân đạt đến zero L7126 IC CMOS, cho phép lượng tử hố đếm hình 7.8 units display tens tens hundreds hundreds display thousand polarity (minus) Hình 7.8: Lượng tử hóa đếm IC L7126 Các chân từ đến 25 dùng để hiển thị IC có cấu tạo để thúc trực tiếp hình tinh thể lỏng (LCD), bao gồm mạch giãi mã đoạn mạch thúc LCD Display digit, có nghĩa số với biên độ cao 1999 Những ngõ đoạn để hiển thị Unit đánh số A1 đến G1, để hiển thị chục đánh số hiển thị trăm đánh số Hiển thị ngàn có số AB4 có chân cần digit là ( cho hiển thị digit ) Trang VII.8 Cơ Sở Viễn Thông Phạm Văn Tấn Input analog đưa vào chân 30 31 Hoạt động IC tiến hành pha * Thứ autozero, input analog tách rời nối tắt bên với common ( chân 32 ) Output mạch so sánh bị nối tắt với ngõ vơ đảo mạch tích phân * Pha thứ xãy trị tín hiệu vào bị tích phân thời gian tương ứng với 1.000 xung clock * Cuối cùng, pha thứ 3, điện tham khảo tích trữ tụ ( đấu chân 33 34 bên ) dùng để tạo đường dốc thứ hai Khoảng trị giá input xác định trị cần thiết điện tham khảo ( đưa vào chân 36 reference Hi ) Nếu input 1V, chip có khả chuyển đổi điện với biên độ cao 1999 Xung clock lấy từ chân 38, 39 40 Ta dùng mạch dao động bên tinh thể thạch anh chân 39 40 mạch RC ngang qua chân Một mạch A/D tồn tín hiệu mẫu cần 4.000 số đếm Tín hiệu tích phân cho 1/4 chu kỳ này, tức 1.000 số đếm Một tích phân thứ hai autozero cần giữ 3.000 số đếm Xung clock bên phát triển cách chia dao động input cho Vậy, thí dụ, ta muốn thực 10 chuyển đổi/sec, ngõ vô phải 160 kHz Linh kiện khơng có khả chuyển đổi nhanh dùng cho tín hiệu biến thiên chậm ( nhịp lấy mẫu chậm ) input DC Hình 7.9: IC ADC0804 Lượng tử hóa nối tiếp 19 10 VREF/2 VIN(+) VCC MSB B7 B6 CLKIN CLKR B5 WR B4 INTR B3 CS RD VIN(-) AGND DGND B2 B1 LSB B0 20 11 12 13 14 15 16 17 18 - IC ADC0804 thí dụ IC đổi A/D kiểu nối tiếp, ( gọi " chuyển đổi xấp xĩ liên tiếp " ) Hình 7.9 Đây linh kiện bit, bao gồm số mạch FlipFlop, ghi dịch, mạch giải mã mạch so sánh Có xung clock bên Xung clock nội cho chia tín hiệu clock chân 19 cho Thí dụ, với tín hiệu 64 kHz chân này, IC thực chuyển đổi 1msec ADC 0804 có khả đổi mẫu khoảng 120µsec, nên ta khơng dùng để lấy mẫu với vận tốc nhanh Các output digital từ Bo đến B7 chân điện tử 11 đến 18 IC tương thích với microprocessor, nên lý để gọi tên chân, bảng sau: Trang VII.9 Cơ Sở Viễn Thông Chân Phạm Văn Tấn Nhãn Nhiệm vụ VAA +5V Analog supply 24 21 B0 (LSB) 0.2mF VIN +5V Analog input VIN 1K 16 clock CLK 7406 open collector TTL 18 B1 B2 B3 Digital output 0.01mF 1K B4 +6.4V REF +R 0.2mF R1 3/4R 23 CA3310 R2 1/2R 12 20 13 R3 1/4R 14 10 19 R4 -R CS (chip select) RD ( Ready ) WR (Write) CLK B5 22 11 15 17 B6 B7(MSB) O.F VDD (+5V CE2 (+5V Digital supply CE1 PHASE DGDN AGDN L ban đầu, H bắt đầu chuyển đổi Xuống L để µp sẳn sàng nhận liệu L bắt đầu H bắt đầu chuyển đổi Ngõ vô dao động bên nối điện từ 19 đặt tần số dao động INTR (Interrupt) Xuống L để báo cho µp liệu sẵn có để dùng 6,7 Vin (+);Vin () Ngõ vô phần kđ vi sai VREF/2 Điện tham khảo ( ) Hình 7.10: IC CA3308 lượng tử hóa song song - IC C43308 thí dụ IC chuyển đổi A/D kiểu song song, 24 chân, vẽ Hình 7.10 IC chuyển đổi mẫu 66,7 nsec Nó chứa ngân hàng mạch so sánh Tín hiệu analog vào chân 16 21 Các điện tham khảo áp vào chân 10, 15, 20, 22 23 Tín hiệu digital đọc từ chân ( pins ) đến Trang VII.10 ... xung biểu diễn hoặc Điều giống khái niệm ADC Hình 7. 17 biểu diễn s(t) dạng sóng PCM bit bit Trang VII. 17 Cơ Sở Viễn Thơng Phạm Văn Tấn Hình 7. 17: PCM Một xung dương biểu diễn cho bit xung Zero... 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 Cơ Sở Viễn Thơng Phạm Văn Tấn Đóng bit=1 Mở bit=0 2 A B C D 2 Vào nhị phân R1 R2 R3 R4 18.7K 37. 5K 75 K 150K 20K 10K Mạng điện trở V0 + 3V - Rf Hình 7. 13 Sơ đồ Khi số nhị... 5,6,7v Điện tương tự vào VA đưa vào ngõ vào mạch so sánh Trang VII.6 Cơ Sở Viễn Thông Phạm Văn Tấn +10V Mã hoá ưu tiên 3K - 7V C7 I7 + 1K - 6V C6 I6 + 5V - 1K C5 Trọng số lớn I5 + 1K - 4V C4 I4 C