Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lí của một hệ thống truyền thông dùng điều chế
Delta tuyến tính
Máy phát tạo xung Pi(t) cung cấp xung lấy mẫu cho bộ điều chế với chu kì τ. Tín hiệu △(t) được đưa tới bộ điều chế chỉ nhận 2 giá trị dương hoặc âm. Lối ra Po(t) được xác định bằng cách nhân chuỗi Pi(t) với +1 khi △(t) > 0 hoặc -1 khi △(t) < 0. Tín hiệu Po(t) được đưa tới bộ tích phân có lối ra là (t). Tín hiệu này có dạng bậc thang, đó chính là ước lượng của tín hiệu tương tự s(t). Tín hiệu s(t) và (t) được đưa tới một bộ so sánh có lối ra là dương (△(t) >0) nếu (t)>s(t) hoặc lối ra là âm (△(t) <0) nếu (t)<s(t). Trong đó, △(t) chính là sự sai khác giữa tín hiệu tương tự s(t) và tín hiệu ước lượng xấp xỉ (t). Với mục đích truyền tín
hiệu trên đường truyền đạt hiệu quả thì tín hiệu xung Po(t) được kéo dài trong khoảng thời gian τ để có được tín hiệu Pτo(t) .
Hình 2.2. Minh họa các tín hiệu khảo sát trên hệ thống truyền thông
dùng điều chế Delta
Điều chế Delta tuyến tính thì tín hiệu mã hóa 15 bit, sự sai khác giữa s(t) và
(t) sẽ được truyền đi. Do vậy, Điều chế Delta tuyến tính có thể coi là 1 chuỗi logic các giá trị 0 và 1 dùng để mã hóa sự thay đổi của một tín hiệu tương tự: giá trị 0 tức là tín hiệu giảm và giá trị 1 nếu tín hiệu tăng. Trong mạch điều chế Delta tuyến tính, thường có một bộ tích phân và một bộ lọc thông thấp. Bộ tích phân có nhiệm vụ tái tạo lại tín hiệu s(t). Bộ lọc thông thấp có tác dụng loại bỏ các thành phần tần số cao gây nên do ảnh hưởng việc lấy mẫu không hoàn hảo. Vì thế, tín hiệu ước lượng (t) ở đầu ra của máy phát sẽ là bản sao của s(t).
t t t t t Pi(t) Po(t) Pτ o(t) s(t) (t) s(t) S(t )
Sơ đồ khác của điều chế Delta tuyến tính được thể hiện trong hình 2.3, có nguyên tắc hoạt động giống với sơ đồ trong hình 2.1 và được nguyên tắc hoạt động được mô tả trong hình 2.4. Tuy nhiên, các xung kéo dài τ khi được đưa tới bộ tích phân thì lối ra thu được tín hiệu răng cưa.
Hình 2.3. Bộ điều chế Delta cơ bản
Hình 2. 4. Minh họa nguyên tắc hoạt động của Điều chế Delta
Pτ(t) A B d S(t) - s(t) Pi(t) n n-1 n +1 Kênh truyền Tạo nhịp xung Bộ so sánh Tích phân s(t) (t) ∆(t) P0(t) ∫ Trigơ D Pi(t)
Tại xung nhịp thứ (n-1): tín hiệu (t) có dạng sườn âm bởi vì giá trị tương tự s(t) lấy mẫu ở thời điểm trước (n-1) nhỏ hơn giá trị đầu ra của bộ tích phân. Vì thế, trigơ D cho kết quả ra là 0.
Tại thời điểm n: s(t) vẫn nhỏ hơn (t) nên bộ so sánh và trigo vẫn cho kết quả 0, (t) tiếp tục giảm.
Tại thời điểm (n+1): s(t) lớn hơn (t) , vì thế lối ra bộ so sánh và trigo là cao: (t) sẽ có dạng sườn dương và bắt đầu tăng theo s(t).
2.1.2. Nhiễ ượng t và quá t i dốc
Nhiễu lượng tử là sự khác nhau giữa tín hiệu s(t) và tín hiệu tái tạo (t), đây là loại nhiễu đặc trưng luôn có trong điều chế Delta. Nhiễu này có thể được giảm bằng cách tăng tần số lấy mẫu hoặc giảm biên độ tín hiệu răng cưa “d”. Tuy nhiên, khi tăng tần số thì sẽ tăng tốc độ truyền bit và sẽ cần một dải thông rộng hơn. Còn nếu giảm biên độ răng cưasẽ gây ra tác động không tốt gọi là hiện tượng quá tải dốc (minh họa trên hình 2.4 - đoạn B).
Quá tải dốc xảy ra khi biên độ của tín hiệu điều chế thay đổi giữa 2 xung nhịp liền nhau lớn hơn biên độ “d” của xung răng cưa và gây nên do dộ dốc của tín hiệu điều chế chứ không phải do biên độ. Hiện tượng này, có thể giảm bằng cách tăng tần số xung nhịp hoặc biên độ “d” của xung tam giác. Tuy nhiên, khi tăng tần số xung nhịp sẽ làm tăng tốc độ bit nên cách làm này không khả thi. Trong khi đó tăng biên độ xung tam giác lại làm tăng nhiễu lượng tử hóa.
Những vấn đề này có thể được giải quyết nhờ diều chế Delta-Sigma và điều chế Delta thích nghi.
2.1.3. Điều chế Delta-Sigma ( ∑∆ )
Trong kỹ thuật điều chế Delta-Sigma, độ dốc của tín hiệu tương tự có thể được tái tạo bằng việc tích phân chính tín hiệu đó trước khi đi vào bộ điều chế Delta, khi đó sẽ lưu giữ được các thông tin quan trọng. Tại nơi thu, một bộ vi phân tương ứng sẽ được đưa vào bộ điều chế Delta tuyến tính. Hình 2.5 mô tả sơ đồ khối của hệ thống điều chế Delta-Sigma ( ∑∆ ).
Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống điều chế Delta-Sigma ( ∑∆ )
Trong điều chế Delta-Sigma ( ∑∆ ) , bộ điều chế không xử lí tín hiệu s(t) mà là tích phân của s(t). Hàm tích phân của s(t) sẽ có độ dốc nhỏ hơn (t) . Chính vì thế mà hiện tượng quá tải độ dốc sẽ giảm đi. Hình 2.6 minh họa cho nhận xét này khi mô tả: tín hiệu tương tự và tái tạo (hình 2.6.a) hay tích phân của s(t) và tái tạo (hình 2.6.b). Ở trường hợp thứ 2 (hình 2.6.b) hiện tượng quá tải độ dốc là nhỏ hơn đáng kể so với trường hợp 1.
Một nhận xét nữa là sơ đồ khối trong hình 2.5 có thể rút gọn nếu bộ tích phân 1 đảm nhiệm luôn chức năng của bộ tích phân 2. Ngoài ra, tại nơi thu thì bộ vi phân và tích phân sẽ loại trừ nhau cho ta hình 2.7 là sơ đồ rút gọn cuối cùng.
Hình 2.7. Bộ điều chế và giải điều chế Delta sigma 2.1.4 Điều chế Delta thích nghi
Nhiễu lượng tử và hiện tượng quá tải độ dốc chính là hai nhược điểm đặc trưng của điều chế Delta tuyến tính. Một trở ngại gặp phải đó là khi áp dụng các kỹ thuật để giảm loại nhiễu này thì lại làm tăng nhiễu còn lại. Với việc sử dụng điều chế Delta-Sigma thì hiện tượng quá tải dốc đã được giảm mà không làm tăng nhiễu lượng tử hóa, tuy nhiên sự cải thiện là chưa rõ rệt.
Có thể giảm thiểu các nhược điểm trên một cách hiệu quả nếu sử dụng quá trình nén – giãn phù hợp. Với các hệ thống loại này, các bộ điều chế sẽ có độ khuếch đại thay đổi tùy thuộc vào biên độ của tín hiệu tương tự lối vào, khi tín hiệu là nhỏ thì biên độ xung răng cưa là nhỏ và khi tín hiệu tăng lên thì biên độ răng cưa cũng lại tăng lên.
Vì vậy, biên độ xung răng cưa biến đổi một cách thích nghi với biên độ tín hiệu tương tự và kiểu điều chế này được gọi là điều chế thích nghi hay Điều chế Delta thay đổi bước liên tục CVSD. CVSD là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi và rất hiệu quả trong điều chế thích nghi. Kỹ thuật này hiện đã được áp dụng trong các mạch điện tử thương mại.
Sự khác biệt duy nhất giữa điều chế Delta thích nghi và tuyến tính đó là sử dụng thêm một bộ khuếch đại điều khiển điện thế trong trong mạch phản hồi của bộ điều chế.
Điện thế điều khiển là tín hiệu số phát từ bộ điều chế. Sau đó, qua bộ tích phân số 2 để tích phân tín hiệu trong khoảng thời gian là hằng số lớn hơn ở bộ
Lọc thông thấp s(t) Tạo nhịp xung Bộ so sánh Bộ cộng s(t) Trigơ D + ≈ Tích phân Vref
tích phân thứ nhất. Bộ tích phân này còn được gọi là bộ lọc âm. Và, lúc này điện thế điều khiển biến đổi chậm hơn rất nhiều theo thời gian.
Hình 2.8. Sơ đồ khối của các bộ điều chế và giải điều chế sử dụng CVSD.
Tín hiệu số từ trigơ D là đầu ra của bộ điều chế không chỉ được gửi đi trên đường truyền mà còn truyền tới một thanh ghi dịch 3 bit. Thuật toán sử dụng CVSD trong hình 2.8 chỉ đơn thuần kiểm tra 3 bit cuối của bộ điều chế theo nguyên tắc là ba bit này có toàn là bit 0 hay 1 hay không. Điều kiện kiểm tra này còn được gọi là điều kiện lặp.
Khi nó xảy ra thì độ khuếch đại của bộ tích phân 1 là rất nhỏ. Đầu ra của bộ phát hiện lặp (kí hiệu là khối LOGIC trên hình 2.8) sẽ được tính tích phân nhờ bộ tích phân 2.
Lúc này, điện thế đầu ra của bộ lọc âm sẽ điều khiển độ khuếch đại của bộ tích phân 1 thông qua 1 mạch điện. Mạch điện này sẽ xác định dấu của bit (giá trị 0 hay 1) được phát đi từ bộ điều chế.
Với cách làm này thì mức trung bình của tín hiệu lối vào có thể xác định được. Độ khuếch đại của bộ tích phân sẽ thay đổi theo mức trung bình của tín hiệu lối vào. Vì thế, biên độ của xung răng cưa bị giảm (và nhiễu lượng tử hóa cũng giảm theo) khi tín hiệu vào là yếu và biên độ sẽ tăng lên (và hiện tượng quá tải dốc cũng giảm) khi tín hiệu vào tăng lên.
Tại nơi thu, bộ giải điều chế phải sử dụng kĩ thuật tương thích với nơi phát mới có thể tái tạo lại được tín hiệu.
2.2. Mã PCM
Để chuyển tín hiệu analog thành tín hiệu digital (A/D), có nhiều phương pháp như điều xung mã (PC ), điều xung mã vi sai (DPC ), điều chế Delta (DM), ... Trong thiết bị ghép kênh số thường sử dụng phương pháp ghép kênh theo thời gian kết hợp điều xung mã (TDM - PCM).
Trong hình 2.9, là các bước chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu digital theo phương pháp PC
Hình 2.9. Quá trình chuyển đối A/D dùng PCM
Đầu tiên lấy mẫu tín hiệu thoại, tức là chỉ truyền các xung tín hiệu tại các thời điểm nhất định. Sau đó, là lượng tử hoá biên độ, nghĩa là chia biên độ của xung mẫu thành các mức và lấy tròn biên độ xung đến mức gần nhất. Và cuối cung là mã hoá xung lượng tử thành từ mã nhị phân có m bit.
2.2.1. Lấy mẫu tín hiệu analog
Lấy mẫu là lấy biên độ của tín hiệu analog ở từng khoảng thời gian nhất định, mà biên độ của tín hiệu analog là liên tục theo thời gian. Nên, quá trình này giống như điều chế biên độ, trong đó các dãy xung có chu kỳ được điều chế
biên độ bởi tín hiệu analog. Do vậy, các mẫu lấy được sẽ gián đoạn theo thời gian và dãy mẫu này gọi là tín hiệu PA (điều chế biên độ xung).
Để thực hiện quá trình lấy mẫu tín hiệu bất kỳ phải dựa vào định lý Nyquist, nội dung của định lý được phát biểu như sau:
Nếu tín hiệu gốc là hàm liên tục theo thời gian có tần phổ giới hạn từ 0 đến fmax khi lấy mẫu thì tần số lấy mẫu phải lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số lớn nhất trong tín hiệu gốc, nghĩa là:
fm ≥ 2×fmax.
Một yếu tố quan trọng trong lấy mẫu là phía phát lấy mẫu cho tín hiệu analog theo tần số nào để cho phía thu tái tạo lại được tín hiệu ban đầu. Theo định lý Nyquist, bằng cách lấy mẫu tín hiệu analog theo tần số cao hơn ít nhất hai lần tần số cao nhất của tín hiệu thì có thể tạo lại tín hiệu analog ban đầu từ các mẫu đó.
Đối với tín hiệu thoại hoạt động ở băng tần 0,3 ÷ 3,4 kHz, tần số lấy mẫu là 8kHz để đáp ứng yêu cầu về chất lượng truyền dẫn: phía thu khôi phục tín hiệu analog có độ méo trong phạm vi cho phép. Quá trình lấy mẫu tín hiệu thoại như hình 2.10.
Hình 2.10. Quá trình lấy mẫu tín hiệu thoại 2.2.2. Lượng t hoá
Lượng tử hoá nghĩa là chia biên độ của tín hiệu thành các khoảng đều hoặc không đều, mỗi khoảng là một bước lượng tử, biên độ tín hiệu ứng với đầu
hoặc cuối mỗi bước lượng tử gọi là một mức lượng tử. Sau khi có các mức lượng tử thì biên độ của các xung mẫu được làm tròn đến mức gần nhất.
Có hai loại lượng tử hoá biên độ: lượng tử hoá đều và lượng tử hoá không đều.
2.2.2.1. Lượng t hoá đều
Lượng tử hóa đều là biên độ tín hiệu được chia thành những khoảng đều nhau, sau đó lấy tròn các xung mẫu đến mức lượng tử gần nhất. Quá trình lượng tử hoá đều thể hiện như hình 2.11.
Hình 2.11. Quá trình lượng tử hóa đều
Bước lượng tử đều bằng Δ. Như vậy, biên độ của tín hiệu gồm có 7 bước lượng tử và 8 mức (đánh số từ -3 ÷ +3). Mối quan hệ giữa số mức lượng tử và số bước lượng tử như sau:
Tổng số mức lượng tử = Tổng số bước lượng tử + 1.
Do phải lấy tròn đến mức lượng tử gần nhất, độ chênh lệch giữa biên độ xung lượng tử và giá trị tức thời của xung lấy mẫu sẽ gây ra nhiễu lượng tử Qd (xem hình 2.12). Biên độ xung nhiễu lượng tử luôn thoả mãn điều kiện sau:
Từ biểu thức này cho thấy công suất nhiễu lượng tử chỉ phụ thuộc vào bước lượng tử Δ mà không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu.
Đối với tín hiệu mạnh, tỷ số: sẽ lớn hơn tỷ số này của tín hiệu yếu.
Muốn san bằng tỷ số này giữa tín hiệu mạnh và tín hiệu yếu phải sử dụng lượng tử hoá không đều.
Hình 2.12. Nhiễu lượng tử 2.2.2.2. Lượng t hoá hông đều
Lượng tử hoá không đều dựa trên nguyên tắc: khi biên độ tín hiệu càng lớn thì bước lượng tử càng lớn (hình 2.13).
Hình 2.13. Quá trình lượng tử hóa không đều
Trong thí dụ trên hình 2.11, biên độ của tín hiệu analog được chia thành 4 bước lượng tử, ký hiệu là Δ1, Δ2, Δ3, Δ4. Như vậy: Δ1 < Δ2 < Δ3 < Δ4 < ... Các
đường thẳng song song với trục hoành (t) gọi là các mức lượng tử, được đánh số từ 0 tại gốc toạ độ.
Các xung lấy mẫu tại các chu kỳ n×Tm (trong đó n=0,1,2,...) được lấy tròn đến mức lượng tử gần nhất.
2.2.2.3. Các phương pháp nén - dãn
Muốn lượng tử hoá không đều có thể sử dụng một trong hai phương pháp: nén - dãn analog hoặc nén - dãn số.
• Nén - dãn analog
Quá trình nén - dãn analog được thực hiện bằng cách đặt bộ nén analog trước bộ mã hoá đều ở phía nhánh phát của thiết bị ghép kênh, trong miền tín hiệu thoại analog và đặt một bộ dãn analog trước bộ giải mã đều ở nhánh thu của thiết bị ghép kênh, cũng trong miền tín hiệu thoại analog.
Trong thiết bị ghép kênh số chế tạo theo tiêu chuẩn Châu Âu sử dụng bộ nén - dãn theo luật A. Còn theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật sử dụng bộ nén theo luật μ.
Đặc tuyến của bộ nén luật A (sự phụ thuộc điện áp đầu vào và đầu ra bộ nén) biểu thị bằng biểu thức
Trong đó x = với uv là biên độ điện áp đầu vào bộ nén, còn Uo là điện áp vào bão hoà.
Theo khuyến nghị của ITU-T lấy A = 87,6.
Theo khuyến nghị của ITU-T lấy μ = 255. Từ các biểu thức trên có thể xây dựng được các đường cong thể hiện đặc tuyến bộ nén A và μ. Đặc tuyến bộ nén phải đối xứng với đặc tuyến bộ dãn để không gây méo khi khôi phục tín hiệu. Dạng đường cong đặc tuyến của bộ nén và bộ dãn như hình 2.12.
Hình 2.14. Đặc tính bộ nén và bộ dãn analog
Nhiều thí nghiệm về lượng tử hoá tín hiệu thoại đã đưa ra kết luận:
Muốn đạt được tỷ số: ⎟ khoảng 25 dB thì số mức lượng tử đều phải bằng 2048. Như vậy mỗi từ mã cần có 11 bit (không kể bit dấu). Vì 21 = 2048 là số mức lượng tử của biên độ dương hoặc âm của tín hiệu thoại. Sau khi nén, tín hiệu thoại chỉ còn 128 mức. Nếu kể cả bit dấu chỉ cần từ mã 8 bit. Đó là lý do tại sao phải thực hiện nén tín hiệu.
Bộ nén số được đặt trong miền tín hiệu số của nhánh phát và bộ dãn số được đặt trong miền tín hiệu số của nhánh thu của thiết bị ghép kênh. Đặc tuyến bộ nén và bộ dãn số dựa trên cơ sở của bộ nén và bộ dãn analog. Bằng cách gần đúng hoá đường cong đặc tuyến bộ nén - dãn analog theo luật A và μ thành các đoạn thẳng gấp khúc.
Đặc tuyến của bộ nén số luật A có tất cả 13 đoạn thẳng có độ dốc khác nhau và lấy tên là bộ nén số A = 87,6/13.
Các đoạn thẳng có độ dốc khác nhau, do vậy trong cùng một đoạn tín hiệu không bị nén.
Khi chuyển từ đoạn này sang đoạn khác thì tín hiệu bị nén và khi biên độ càng lớn sẽ bị nén càng nhiều.
Để xây dựng đặc tính biên độ của bộ nén số cần tiến hành các bước sau