Tín hiệu tơng tự nh tín hiệu thoại, hình ảnh tr… ớc khi thực hiện truyền dẫn trên kênh truyền cần phải đợc chuyển đổi từ tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số. Có ba phơng pháp mã hoá tín hiệu thoại song trờng hợp hay gặp nhất là phơng pháp điều chế xung mã (Pulse Code Modulation). Quy trình thực hiện điều chế xung mã PCM gồm 4 bớc theo nguyên tắc sau:
2.2.1.1. Lọc
Lọc nhằm hạn chế phổ tần của tín hiệu liên tục cần truyền. Biến đổi Fourier của các tín hiệu liên tục thực tế là vô hạn. Do vậy, các tín hiệu liên tục cần truyền đi phải đợc lọc để hạn chế phổ tới tần số cực đại w nào đó thoả mãn định lý lấy mẫu Nyquist.
2.2.1.2. Lấy mẫu
Trong đó quá trình lấy mẫu là quá trình khai triển có chu kỳ tín hiệu t- ơng tự để thu đợc biên độ có tác động tức thời. Hay nó là quá trình rời rạc hoá tín hiệu tơng tự. Đây là giai đoạn đầu tiên của tín hệu tơng tự mang thông tin đợc chuyển thành dạng rời rạc mà vẫn đảm bảo thông tin truyền đi một cách trung thực và tái tạo đợc ở phía thu. Kết quả của quá trình nàyđợc một dãy xung mang tin tức gọi là các xung PAM.
Lấy
mẫu Lượng tử Mã hoá
Phân kênh Ghép kênh Chuyển mạch Giải mã Khôi phục tín hiệu Tiếng nói Tiếng nói
Quá trình lấy mẫu dựa trên định lý Nyquist và đợc phát biểu nh sau: Một tín hiệu X(t) có phổ hữu hạn từ (0–Fmax) Hz đợc hoàn toàn xác định bởi những giá trị X(k.∆t) của nó lấy ở các khoảng thời gian t = 1/2Fmax, với Fmax là tần số cao nhất thuộc phổ của hàm X(t) cụ thể đợc biểu diễn qua công thức sau: Flm = 1/Tlm, trong đó: Tlm là chu kỳ lấy mẫu, Flm là tần số lấy mẫu.
Với tín hiệu thoại phổ của nó giới hạn từ 0,3 đến 3,4 Khz còn trong thực tế phổ tiếng nói con ngời giới hạn trong khoảng từ vài trăm Hz đến vài ngàn Hz. Do đó khi qua máy điện thoại nó đợc hạn chế nhờ sử dụng bộ lọc thông thấp. Vì thế nên khi lấy mẫu tốc độ lấy mẫu bằng 8000xung /s là vừa đủ. Thực tế ngời ta lấy phổ của tín hiệu thoại từ (0,3 - 4) Khz, nên chu kỳ lấy mẫu lấy mẫu là: Tlm = 1/ (2*4khz) = 1,25 às
Tín hiệu sau khi lấy mẫu qua mã hoá 8 bit thì ta có tốc độ bít của kênh thoại số chuẩn là:
Vthoại = 8 bít *8 Khz = 64Kb / s
Đầu thu sẽ tái tạo lại tín hiệu gốc cũng vẫn dùng bộ lọc thông thấp để cho tín hiệu tơng tự ban đầu. Khi rời rạc hoá tín hiệu, yêu cầu độ rộng xung PAM càng nhỏ càng tốt gần giống nh xung kim. Sở dĩ khi lấy mẫu phải tuân thủ nghiêm ngặt theo định lý Nyquist tức là cần Flm≥2*Fmax. Vì nếu Flm<2*Fmax thì Tlm>Tmax/2 đến khi lấy mẫu phổ tín hiệu gốc sẽ bị chồng lấn nên nhau gọi là hiện tợng chồng lấn phổ, từ đó phổ tín hiệu thu đợc bị biến dạng so với tín hiệu ban đầu tín hiệu cần thu kém trung thực :
Xung lấy mẫu 8 Khz
0.3 3.4 4 4.6 7.7 8 8.3 11.4 12
f Trường hợp Flm≥ 2 *Fmax thì phổ tín hiệu sau lấy mẫu có dạng sau:
Trong thực tế tín hiệu có phổ tính từ Fmin – Fmax thì tần số lấy mẫu (2 / n) *Fmax ≤ Flm ≤ (2 / (n-1)) *Fmax
Với n là số nguyên lớn nhất trong khoảng [0, Fmax/∆F ] trong đó ∆F=Fmax-Fmin. Các mạch điện lấy mẫu là mạch lấy mẫu và duy trì, gồm một tranzitor hoạt động nhanh, đóng vai trò là khoá tắt mở theo sự điều khiển của xung lấy mẫu. Mức tín hiệu đã lấy mẫu đợc tích lại trên một tụ điện và đợc đa đến bộ khuyếch đại đệm có trở kháng cao trớc khi xử lý. Sử dụng trở kháng cao để ngăn ngừa tích điện của tụ điện từ các dòng rò trong khoảng thời gian giữa các xung lấy mẫu.
2.2.1.3. Lợng tử hoá
Tín hiệu sau khi lấy mẫu qua lợng tử hoá đợc biến đổi thành tín hiệu rời rạc chính là một tập hữu hạn các mức biên độ. Nh vậy tín hiệu tơng tự qua hai giai đoạn lấy mẫu và lợng tử hoá đợc một dạng tín hiệu vừa rời rạc hoá về thời gian vừa rời rạc về biên độ. Ưu điểm của lợng tử hoá tín hiệu đã lấy mẫu là giảm đợc ảnh hỏng của tạp âm. Các mức tín hiệu rời rạc gọi là mức lợng tử hoá, khoảng cách giữa hai mức lợng tử hoá gọi là bớc lợng tử .
Ngời ta thực hiện lợng tử hoá xung PAM bằng các mạch đặc biệt. Trong các mạch này ngời ta so sánh giá trị của xung PAM với các mức chuẩn cho tr- ớc, tơng ứng với các mức lợng tử hoá chuẩn để lựa chọn mức thích hợp. Tuỳ vào bớc lợng tử hoá ∆X mà ta có lợng tử hoá tuyến tính hay lợng tử hoá phi
Trường hợp Flm < 2 *Fmax thì phổ tín hiệu sau lấy mẫu có hiện tượng chồng lấn phổ:
0 3 4 7 10 11 14 f(Khz)
tuyến. Sai số giữa mức lợng tử hoá và xung PAM gọi là tạp âm lợng tử hoá. Trong đó lợng tử hoá mà ∆X = const gọi là lợng tử hoá tuyến tính, thờng sử dụng khi mức lợng tử hoá biến đổi không lớn. Còn đối với tín hiệu có sự thay đổi lớn về mức, không thể dùng lợng tử hoá tuyến tính vì sinh ra tỷ số tín hiệu trên tạp âm lợng tử nhỏ (S/N), hay tạp âm lợng tử lớn. Để giảm tạp âm này thì ta phải giảm bớc lợng tử ∆X, nghĩa là số mức lợng tử tăng lên, dẫn dến tăng kênh truyền và tăng tốc độ. Ngời ta khắc phục bằng cách sử dụng lợng tử hoá phi tuyến. Đối với lợng tử hoá phi tuyến, bớc lợng tử ∆X biến đổi theo mức tín hiệu, nghĩa là ∆X nhỏ khi tín hiệu nhỏ và ∆X lớn khi tín hiệu lớn. Thực tế sử dụng lợng tử hoá phi tuyến theo quy luật hàm logarit làm cho tỷ số S/N không phụ thuộc vào mức tín hiệu vào. Thờng dùng hai quy luật lợng tử đó là quy luật A và quy luật à. Lợng tử hoá tuyến tính là cơ sở để mã hoá tuyến tính còn lợng tử hoá phi tuyến là cơ sở để mã hoá phi tuyến.
2.2.1.4. Mã hoá tín hiệu
Sau khi lợng tử hoá xung PAM, mỗi xung PAM đợc mã hoá theo 8 bít. Trong đó có một bít dấu (bít 0) và 7 bít số liệu (bit1- bít7). Cấu trúc từ mã biểu diễn nh sau:
*Thuật nén giãn trong lợng tử hoá:
Nén là một phơng pháp để đạt đợc một hệ thống lợng tử hoá không đều.
0 1 2 3 4 5 6 7
Bít dấu
Các bít số liệu
ợc chuyển thành biến Y theo quan hệ: Y = logX và quan hệ ngợc lại đợc sử dụng khi khôi phục biến đầu vào tại đầu ra của hệ thống nhờ bộ giãn. Mối quan hệ này cho phép tăng các mức trong vùng tín hiệu thấp và mở rộng mức lợng tử tỷ lệ với mức tăng của tín hiệu vào. Hai luật nén đợc sử dụng là luật A và luật à.
• Theo luật à của Mỹ:
y = [log(1 + àx)] / [log(1 + à)] với -1 < x < 1 à = 255 Phép xấp xỉ thực hiện với 15 đoạn (Segment)
• Theo luật A châu Âu
y = [log(1 + Ax)] / 1 + logA với 1/A ≤ x ≤ 1 y = Ax/1 + logA (0 ≤ x ≤ 1/A) với A = 87,6
Phép xấp xỉ thực hiện với 13 đoạn. Với x là tốc độ vào/ tốc độ cực đại, y là mức đầu ra.
Nh vậy dựa vào luật mã hoá à hoặc A ta có thể lấy mẫu tín hiệu theo biểu đồ của tín hiệu xung lấy mẫu dựa vào phép toán theo luật A hoặc luật à. Với à = 255, một khối lợng tử 7 bit, sử dụng lợng tử đều sẽ cho tạp âm lợng tử là khoảng -53dB (-6,7-10,8 dB), trong khi đó bộ nén logarit có mức công suất tạp âm lợng tử vào khoảng -77dB. Để bung nén, tại phía thu ngời ta dùng bộ giải nén logarit để mở rộng biên độ trở lại nhằm tạo ra tiếng nói ban đầu.
Ưu điểm của mã hoá PCM:
• Vì tín hiệu tơng tự đợc chuyển thành một từ mã nhị phân chứa các bit logic nên việc khôi phục hoặc tái tạo bit tin có trạng thái thấp hoặc cao là vấn đề không khó khăn. Khả năng tái tạo tín hiệu hoàn hảo hoặc tách và ghép theo thời gian các tín hiệu thành phần là u điểm nổi bật của các hệ thống có nhiều trạm lặp. Điều này đã tránh đợc tích luỹ tạp âm dọc theo hệ thống điện thoại cự ly dài và các hệ thống nh vậy trở nên hấp dẫn. Với lợng tử đều, biên độ của tạp âm khi tái tạo hoàn hảo nhỏ hơn một nửa hiệu giữa các mức lợng tử. Các trạm lặp sử dụng kỹ thuật tơng tự, chẳng hạn nh ghép tách theo tần số (FDM) có thể cộng thêm tạp âm vào hệ thống, nếu tín hiệu RF chuyển xuống âm tần.
Đầu vào Đầu vào
Đầu ra Đầu ra A=5 A=1 A=2 à = 0 à = 255 à = 1 à = 5 à =100
H.2.10 (a) Đặc tính của luật nén à
(b) Đặc tính của luật nén A
A=87.6
Ưu điểm của PCM:
• Trong hệ thống truyền dẫn tín hiệu băng gốc PCM kỹ thuật mã hoá có thể đợc sử dụng để giảm bớt ảnh hởng của tạp âm và đảm bảo an toàn.
• PCM tạo ra phơng tiện lu trữ tín hiệu thoại hoặc tin số liệu để phục vụ cho truyền dẫn theo thời gian ảo hoặc cho các mạch xử lý khác.
• Khi tỷ số tín hiệu trên tạp âm đầu vào thấp thì tỷ số tín hiệu–tạp âm đầu ra của hệ thống PCM tốt hơn so với những hệ thống tơng tự.
• Khi cho trớc tỷ số độ rộng băng tần truyền dẫn - độ rộng băng tần tín hiệu (tỉ số nén hoặc dãn độ rộng băng tần) với Pe nhỏ hơn 10-4 thì PCM vợt mọi dạng điều xung. Đây là một nhân tố quan trọng đứng trên góc độ tách ghép theo thời gian đợc chú ý.
• Khi băng tần truyền dẫn tăng thì phải giảm công suất thu. Sự thay đổi này của băng tần truyền dẫn theo công suất dễ dàng thực hiện trong các hệ thống PCM. Nhng cần chú ý rằng công suất tín hiệu không thể tăng vô hạn định mà có giá trị ngỡng, ngỡng này không cải thiện đợc tỷ số tín hiệu–tạp âm đầu ra và giảm một ít băng tần.
Nhợc điểm của PCM:
• Mạch điện của hệ thống PCM phức tạp hơn so với các hệ thống có dạng điều chế khác, nhng không thay đổi khi số lợng kênh tăng. Nh vậy tính phức tạp này phù hợp khi yêu cầu số lợng kênh lớn, bởi vì trong các dạng điều chế khác tính phức tạp tăng khi số lợng kênh tăng.
• Nhợc điểm riêng của hệ thống PCM là hiện tợng trôi…
• Độ rộng băng tần lớn hơn các hệ thống tơng tự (gần bằng 48 kHz so với 4 kHz của kênh tần tơng tự).
Các kĩ thuật mã hoá có thể đợc tổng hợp nh sau.
Phơng pháp mã hoá Lợng tử Mã Tốc độ phát bit trên giây
PCM Tuyến tính 12 bit 96.000
Log PCM Logarit 7 - 8 bit 56.000 - 64.000
DPCM Logarit 4 - 6 bit 32.000 - 48.000
ADPCM thích nghi 3 - 4 bit 24.000 - 32.000
DM Nhị phân 1 bit 64.000
ADM Nhị phân thích nghi 1 bit 16.000 - 32.000
LPC 2.400 - 4.800
Một phơng pháp điều chế hiệu quả đợc sử dụng trong hệ thống thông tin số là phơng pháp mã dự đoán hay còn gọi là điều xung mã vi sai (DPCM- Differential Pulse Code Modulation). Khi lấy mẫu các tín hiệu âm thanh hoặc hình ảnh ta thờng thấy các mẫu cạnh nhau có giá trị gần bằng nhau. Điều này có nghĩa là có rất nhiều độ d thừa trong các mẫu tín hiệu, vì vậy dải thông và khoảng động của một hệ thống PCM bị lãng phí khi các giá trị mẫu d thừa đợc truyền lại. Có một cách giảm tối thiểu việc truyền thừa và giảm giải thông là truyền các tín hiệu PCM tơng ứng với sự khác nhau trong các mẫu cạnh nhau. Tại máy thu giá trị mẫu hiện tại đợc tạo lại bằng cách lấy giá trị trớc đó cộng với giá trị vi phân cập nhật thu đợc từ hệ thống vi phân.