Dữ liệu gốc được lấy mẫu tại tốc độ Fs1, phổ của dữ liệu gốc có dạng như hình a tần số Nyquist của dữ liệu gốc là 1/2Fs1. Còn đầu ra được lấy mẫu với tốc độ Fs2 lớn hơn 3 lần Fs1. Sự tăng tốc 3 ngụ ý rằng có 2 mẫu 0 được thêm vào giữa mỗi mẫu gốc. Phổ của dữ liệu 0 chỉ ra như hình vẽ. Lưu ý rằng thêm 0 vẫn giữ lại phổ gốc của tín hiệu. Tốc độ lấy mẫu mới cũng dẫn tới tần số Nyquist mới bằng 1/2Fs2.
Ta thấy rằng thông tin trong tín hiệu gốc chứa ở trong băng tần cơ sở. Các ảnh của phổ có trung tâm tại các tần số bội của Fs1, đó là sản phẩm phụ của quá trình lấy mẫu và không mang thông tin. Trong hình b ta thấy vùng Nyquist của nó chứa nhiều phổ hơn, trong thực tế nó chứa một ảnh của phổ tín hiệu gốc. Vấn đề nằm ở chỗ, vùng Nyquist của phổ lấy mẫu chứa một nhóm khác của tín hiệu hơn vùng Nyquist của phổ gốc. Vì vậy chúng ta phải làm gì đó để sau khi tăng tốc vùng Nyquist của phổ tăng tốc chứa chính xác các tín hiệu giống như trong phổ gốc.
Ở hình c ta thấy giải pháp đó là cho tín hiệu đi qua bộ lọc thông thấp thì ta được đáp ứng phổ như hình vẽ. Bộ lọc sử dụng có thể là bộ lọc FIR thông thấp, do đó quá trình tăng tốc hoàn toàn có thể thực hiện trong miền số.
4.4.2Giảm tốc
Chức năng của bộ giảm tốc là lấy dữ liệu cái đã được lấy mẫu tại một tốc độ và thay đổi nó thành dữ liệu mới được lấy mẫu tại tốc độ thấp hơn. Dữ liệu phải được thay đổi theo cách khi nó được lấy mẫu với tốc độ thấp hơn tín hiệu gốc vẫn được bảo tồn. Hình vẽ dưới đây biểu diễn quá trình giảm tốc:
Hình 38: Bộ giảm tốc đơn giản
Lưu ý rằng giảm tốc chia thành hai phần. Vùng đầu vào lấy mẫu với tốc độ Fs, và vùng đầu ra lấy mẫu với vận tốc (1/m)Fs với m là số nguyên dương lơn hơn một. Cấu trúc của bộ giảm tốc cơ bản chỉ ra rằng với mỗi m mẫu đầu vào có một mẫu đầu ra. Vậy dữ liệu được biến đổi như thế nào trong khi giảm tốc mà vẫn bảo tồn được tín hiệu gốc.
Một lý do có thể trực quan là, nếu mọi mẫu thứ m của tín hiếu đầu vào được nhặt ra, thì dữ liệu đầu ra có thể có tính chất mong đợi. Chuỗi này sẽ không còn phản ánh thông tin giống như dữ liệu gốc. Nguyên nhân được ghi vào trong các nhánh của tiêu chuẩn Nyquist. Câu trả lời trở nên rõ ràng khi kiểm tra trong miền tần số.
Hình 39: Quá trình tăng tốc xem trong miền tần số
Vấn đề trước mắt đó là quá trình giảm tốc được mong đợi chuyển thông tin phổ trong hình (a) theo cách nó có thể chứa trong hình (c). Vấn đề đó là vùng Nyquist của hình (a) là rộng hơn 3 lần vùng Nyquist trong hình (c) nguyên nhân trực tiếp từ sư khác nhau trong tốc độ lấy mẫu. Không có cách nào để chứa đầy đủ nội dung phổ của vùng Nyquist của hình (a) có thể đặt trong vùng Nyquist của hình (c). Điều này dẫn tới một quy tắc chính về giảm tốc: Băng thông của dữ liệu trước khi giảm tốc phải nằm trong băng thông của tốc độ lấy mẫu thấp hơn. Vì vậy với giảm tốc hệ số m băng thông của dữ liệu gốc phải bé hơn Fs/(2m), với Fs là tốc độ lấy mẫu dữ liệu của tín hiệu gốc. Nếu dữ liệu gốc chứa thông tin hợp lệ trong phần phổ nằm ngoài Fs/(2m), giảm tốc là không thể.
Giả sử phổ của dữ liệu gốc thỏa mãn yêu cầu băng thông giảm tốc, thì bước đầu tiên trong quá trình giảm tốc là lọc thông thấp cho dữ liệu gốc. Như với quá trình tăng
tốc bộ lọc này có thể là bộ lọc FIR. Bước thứ hai là nhặt ra các mẫu thứ m sử dụng tốc độ lấy mẫu thấp.
4.4.3Chuyển đổi tốc độ với tỷ số n/m
Quá trình tăng tốc và giảm tốc mô tả phía trên chỉ cho phép thay đổi tốc độ nguyên. Nhưng thực tế thường yêu cầu thay đổi tốc độ dạng phân thức. Điều này có thể dễ dàng thu được bằng cách thực hiện hai hoặc nhiều quá trình tăng giảm tốc liên tiếp. Ví dụ quá trình chuyển đổi tốc độ theo tỷ số n/m có thể mô tả trong hình sau:
Hình 40: Bộ chuyển đổi tốc độ n/m
Trong một bộ chuyển đổi đa tốc thì quá trình tăng tốc nên được thực hiện trước. Mặt khác băng thông của dữ liệu gốc phải bị giới hạn tới Fs/(2m), với Fs là tốc độ dữ liệu gốc.
4.4.4Bộ lọc số
Như trên ta thấy cả tăng tốc và hạ tốc đều yêu cầu sử dụng bộ lọc thông thấp. Chúng có thể dễ dàng được thiết kế sử dụng kỹ thuật bộ lọc FIR. Tuy nhiên có hai lớp bộ lọc số đặc biệt phù hợp với xử lý tín hiệu số đa tốc. Đó là bộ lọc Polyphase FIR (FIR đa pha) và Cascaded intergrator-comb (CIC).
5.1.1.4Pholyphase FIR
Bộ lọc này đặc biệt phù hợp cho ứng dụng tăng tốc. Nhắc lại rằng quá trình tăng tốc bắt đầu với việc thêm n-1 mẫu 0 giữa mỗi mẫu đầu vào. Dữ liệu được chèn thêm 0 sau đó được xuất ra tại tốc độ cao hơn. Dữ liệu này tiếp tục được dẫn qua bộ lọc thông thấp để hoàn tất quá trình tăng tốc.
Tuy nhiên, hay hơn việc thực hiện quá trình này trong nhiều bước, chúng ta có thể làm tất cả trong một bước bằng cách thiết kế một FIR như sau. Đầu tiên, thiết kế với đáp ứng tần số thích hợp, FIR có thể được cấp xung tại tốc độ cao hơn (nFs). Ta thu được bộ
lọc FIR có T- taps. Bây giờ chúng ta thêm “n-1” bước trễ vào mỗi tap của FIR. Bước trễ tương đương với tap có hệ số bằng 0. Do đó có n-1 trễ và nhân bởi 0 kết hợp lại với nhau giữa các taps gốc của FIR. Sự sắp xếp này duy trì đặc điểm đáp ứng tần số mong đợi trong khi đồng thời cung cấp sự chèn 0. Kết quả là một FIR với nT taps, trong đó (n-1)T bước là nhân 0.
Người ta chỉ ra rằng một bộ lọc FIR với sự sắp xếp đặc biệt hệ số có thể triển khai rất hiệu quả trong phần cứng bằng cách dùng phần cứng thích hợp. Kiến trúc đặc biệt được tao ra là polyphase FIR. Khi hoạt động, bộ lọc FIR đa pha cho phép mỗi đầu vào lấy mẫu n lần bởi vì nó hoạt động tại tốc độ lấy mẫu cao hơn. Tuy nhiên, n-1 mẫu ấy được chuyển thành 0 vì các bước chỉ trễ thêm vào. Vị vậy chúng ta có hoạt động chèn 0 và lọc trong cùng một khối.
5.1.1.5Cascaded Integrator-Comb (CIC)
Bộ lọc CIC là tổ hợp của bộ lọc comb và bộ tích phân. Trước khi đi vào hoạt động của bộ lọc CIC, chúng ta xem qua hoạt động của bộ lọc comb và bộ tích phân. Bộ lọc comb là một dạng bộ lọc FIR bao gồm các bước trễ và cộng. Bộ tích phân có thể nghĩ như là một dạng của IIR, nhưng không có phần feedforward. Sơ đồ của một bộ tích phân và bộ lọc comb đơn giản có dạng sau:
Hình 41: Bộ tích phân và bộ Comp cơ bản
Xem xét kỹ kiến trúc bộ tích phân và bộ lọc comb có thể thấy được một điểm thú vị đó là không yêu cầu toán tử nhân. Trong bộ tích phân có ngụ ý nhân với 1 trong đường phản hồi. Trong bộ lọc comb, có thể xem có phép nhân với -1 trong đường fedforward, nhưng có thể triển khai dễ dàng bằng phép đảo đơn giản. Sự vắng mặt của bộ nhân cho một sự cắt giảm rất lớn trong độ phức tạp mạch do đó tiết kiệm phần cứng hơn rất nhiều so với kiến trúc FIR và IIR chuẩn. Đặc điểm này làm cho bộ lọc CIC trở nên hấp dẫn.
Trong khái niệm đáp ứng tần số, bộ lọc comb đóng vài trò như một bộ lọc hình V. Với bộ lọc comb đơn giản ở trên, xuất hiện 2 hình V một tại DC và một tại Fs (tốc độ
lấy mẫu). Tuy nhiên bộ lọc comb có thể được sửa đổi một chút bằng cách ghép với khối trễ. Điều này làm thay đối số dạng hình V trong đáp ứng của comb. Trong thực tế, khối trễ K tạo ra K + 1 khối đặt cách nhau những khoảng bằng nhau. Trong K +1 dạng hình V đấy, một xuất hiện tại DC, một xuất hiện tại Fs. Những cái còn lại được đặt cách đều nhau giữa DC và Fs.
Còn bộ tích phân đóng vai trò như một bộ lọc thông thấp. Đáp ứng của bộ lọc comb và bộ tích phân có dạng như sau với K = 1 và tần số chuẩn hóa tới Fs.
Hình 42: Đáp ứng tần số của bộ lọc CIC cơ bản (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bộ lọc CIC được xây dựng bằng cách ghép nối tiếp bộ tích phân và bộ lọc comb. Để thực hiện chuyển đổi tốc độ nguyên, bộ lọc comb hoạt động tại tốc độ bằng nguyên lần tốc độ hoạt động bộ tích phân. Cái hay của bộ lọc CIC là chức năng của nó có thể thay đổi hoặc là tăng tốc hoặc là giảm tốc phụ thuộc vào cách comb và bộ lọc được kết nối. Sơ đồ khối của một bộ CIC tăng tốc và giảm tốc đơn giản có dạng như sau:
Hình 43: Tăng tốc và hạ tốc dùng CIC
Trong trường hợp bản tăng tốc của CIC, có một sự thay đổi nhẹ với kiến trúc cơ bản của bước tích phân điều này là không rõ ràng trong sơ đồ khối đơn giản nói trên.
Đặc biệt bộ tích phân phải có khả năng thêm 0 tại lối vào của nó do tác động của sự tăng tốc độ lấy mẫu.
Đáp ứng của một bộ lọc CIC đơn giản có dạng dưới đây cho một bộ tăng tốc (hay giảm tốc) với hệ số 2.
Hình 44: Đáp ứng tần số của bộ lọc CIC cơ bản
Xem xét kỹ đáp ứng tần số của CIC ta thấy có hai vấn đề tiềm ẩn đó là méo suy giảm. Đáp ứng thiếu độ phẳng trong giải thông gây ra vấn đề nghiêm trọng trong ứng dụng viên thông nào đó, điều này có thể dẫn tới việc bộ lọc CIC không được dùng.
Tuy nhiên có cách để vượt qua vấn đề suy giảm. Một cách là đặt trước bộ lọc CIC một bộ lọc đảo cái sẽ bù sự mất mát của CIC trên băng thông Nyquist. Cách thứ 2 đảm bảo giới hạn băng thông của tín hiệu lấy mẫu thấp để cho băng thông của nó bị giới hạn phần cách xa bên tay trái, ở đây đáp ứng của CIC là tương đối phẳng.
Đáp ứng ở hình trên là đáp ứng cơ bản. Bộ lọc CIC có thể được biến đổi để thay đổi đặc trưng đáp ứng phổ của nó. Có hai phương thức để thực hiện điều này.
Phương thức thứ 1 là mắc nối tiếp nhiều bộ tích phân với nhau và nhiều bộ lọc comb với nhau. Ví dụ:
Phương thức thứ 2 là thêm nhiều trễ vào bộ lọc comb. Ví dụ ta thêm 1 trễ vào bộ lọc comb như sau:
Hình 46: Bộ giảm tốc CIC trễ gấp hai
Đáp ứng của chúng sẽ thay đổi như sau (hệ số 2):
Hình 47: So sách đáp ứng bộ lọc CIC sau khi sửa đổi
Ta thấy trong hình (b) độ dốc suy giảm tăng lên, kết quả này làm mất nhiều hơn trong dải thông, điều này phải được xem xét trong các ứng dụng nơi độ phẳng trong dải thông là một vấn đề. Mặt khác, sự thêm trễ vào bộ lọc comb dẫn tới sự tăng số điểm 0 trong hàm chuyền. Điều này thể hiện rõ trong hình (c) vì các điểm null được thêm vào trong đáp ứng cũng như tăng suy giảm dải thông. Sự tổ hợp của hai phương pháp này có thể cho phép đa dạng các kiểu đáp ứng.
4.5Xem xét đồng bộ dữ liệu vào và xung
Trong các ứng dụng điều chế số, điều quan trong phải duy trì mối quan hệ thời gian thích hợp giữa nguồn dữ liệu và bộ điều chế. Hình dưới đây chỉ ra sơ đồ khối đơn giản của một bộ điều chế số. Nguồn định thời cho bộ điều chế là nguồn xung từ DDS. Điều này thiết lập tốc độ lấy mẫu của tín hiệu sóng mang Sin và Cos của bộ điều chế. Bất cứ mẫu nào được chuyền qua đường dữ liệu tới lối vào bộ điều chế phải xuất hiện
với cùng tốc độ với tín hiệu sóng mang. Điều quan trọng là các mẫu đến bộ điều chế phải tương ứng một một với mẫu của sóng mang.
Hình 48: Sơ đồ khối điều chế chung
Vì bộ chuyển đổi tốc độ cung cấp một sự chuyển đổi tỷ lệ hữu tỷ, do đó dữ liệu gốc phải có một mối quan hệ hữu tỷ với đồng hồ hệ thống. Đồng hồ hệ thông phải hoạt động tại tỷ số n/m xung dữ liệu. Trong hệ thống điều chế đơn giản hơn, bộ chuyển đổi tốc độ là nguyên lần tăng tốc hay giảm tốc.
Có hai loại điều chế số cơ bản khi xét tới yêu cầu đồng bộ và định thời. Đó là chế độ truyền từng khối và chế độ liên tục. Bộ điều chế chế độ burst dữ liệu truyền theo gói; đó là, một nhóm các bít được truyền theo một khối. Trong khoảng thời gian giữa các burst, bộ phát rỗi. Bộ điều chế chế độ liên tục, dữ liệu gửi thành luồng không nghỉ khi truyền.
Rõ ràng ta thấy yêu cầu định thời của bộ điều chế ở chế độ burst là không khắt he bằng ở bộ điều chế chế độ liên tục. Lý do chính đó là bộ điều chế chế độ burst chỉ yêu cầu đồng bộ với nguồn dữ liệu trên khoảng thời gian dữ liệu burst. Điều này có thể thu được với một tín hiệu cái đồng bộ điều chế với sự bắt đầu của burst. Trong khoảng burst, đồng hồ hệ thống có thể điểu chỉnh định thời. Ngay khi đồng hộ hệ thống không dịch nghiêm trọng so với xung dữ liệu trong quá trình burst thì hệ thống sẽ hoạt động đúng. Hiển nhiên, khi chiều dài burst dữ liệu tăng yêu cầu định thời trên xung hệ thống càng trở nên khắt khe hơn.
Trong bộ điều chế chế độ liên tục, xung hệ thống phải được đồng bộ với nguồn dữ liệu mọi lúc. Mặt khác, độ trôi của xung hệ thống cuối cùng sẽ dẫn tới nhỡ một bít lối vào. Tất nhiên, điều này sẽ gây ra lỗi trong quá trình truyền dữ liệu. Do đó, một phương thức phải được triển khai để đảm bảo xung hệ thống và xung dữ liệu giữ được sự đồng
bộ liên tục. Điều quan trọng nhất phải xem xét kỹ càng đối với yêu cầu định thời của tất cả các ứng dụng điều chế số để đảm bảo hệ thống có được yêu cầu về tốc độ sai số bit (BER).
4.6Các phương thức mã hóa dữ liệu và triển khai DDS
4.6.1Mã hóa FSK
Khóa dịch tần là một trong những dạng mã hóa dữ liệu. Các bít 0 và 1 được biểu diễn như hai dạng tần số f0 và f1. Sơ đồ mã hóa dễ dàng triển khai trong DDS. Trong các AD8952, AD893 và AD9836 quá trình này càng đơn giản hơn. Người sử dụng có thể lập trình trước các từ điều chỉnh tần số, và có một chân trên thiết bị cho phép chọn tần số thích hợp.
Hình 49: Bộ mã hóa FSK dùng DDS
Trong một vài ứng dụng, sự chuyển đổi nhanh giữa các tần số trong FSK tạo ra một vấn đề. Lý do đó là sự chuyển đổi từ một tần số tới một tần số khác tạo ra thành phần ký sinh, tín hiệu này có thể cản trở với kênh liền kề trong môi trường đa kênh. Để làm nhẹ bớt vẫn đề này có một phương thức gọi là ramped FSK.
. Hay hơn việc chuyển liên tục tần số, ramped FSK đưa ra một phương pháp chuyển dần tới tần số khác. Điều này giảm mạnh tín hiệu ký sinh so với FSK chuẩn. Ramped FSK cũng có thể triển khai sử dụng kỹ thuật DDS. Trong thực tế AD9852 có xây dựng Ramped FSK đặc điểm này cho phép người sử dụng khả năng lập trình tốc độ cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Một biến thể của FSK là MFSK (multi-frequency FSK). Trong MFSK 2B tần số