Chuyển mạch pT(t) fs(t) f(t) Clock
Hình 3.3 Mạch tạo tín hiệu PAM lấy mẫu tự nhiên
3.1.2 Lấy mẫu tức thời (instaneous sampling)
Ngồi cách lấy mẫu tự nhiên, ta cịn cĩ thể tạo ra tín hiệu flat-top PAM như hình 3.1. Việc lấy mẫu kiểu này cịn được gọi là lấy mẫu tức thời, ý muốn nĩi giá trị của tín hiệu flat-top
PAM bằng với giá trị của tín hiệu tương tự ở ngay thời điểm lấy mẫu và giữ nguyên như vậy trong suốt thời gian bằng độ rộng xung lấy mẫu.
Để tạo ra tín hiệu flat-top PAM, ta sử dụng bộ lấy mẫu và giữ mẫu (sampler & holder) như chỉ ra trong hình 3.4. R r C rC << τ RC >> T
Hình 3.4 Mạch lấy mẫu và giữ mẫu
Vào thời điểm lấy mẫu, khĩa đĩng lại. Tụ C được nạp rất nhanh do rC rất nhỏ. Tụ C nạp đến điện áp bằng với giá trị điện áp của tín hiệu tương tự vào. Quá trình này chính là lấy mẫu. Sau đĩ khĩa mở ra. Do RC rất lớn nên điện áp trên tụ C gần như khơng thay đổi. Đây chính là giai đoạn giữ mẫu.
Trong thực tế người ta rất quan tâm đến kiểu lấy mẫu tức thời. Lý do là chúng ta khơng cần dùng hình dạng của xung để chứa thơng tin truyền đi và dễ tạo ra dạng xung chữ nhật. Thơng tin ở đây chỉ chứa trong biên độ của xung ngay tại thời điểm lấy mẫu. Khi truyền tín hiệu qua khoảng cách xa, ta cần dùng các bộ lặp (repeater) để lọc và khuếch đại tín hiệu trước khi
truyền tiếp đến bộ lặp kế tiếp hay bộ thu. Ở đây, bộ lặp chỉ cần tái tạo xung chứ khơng cần khuếch đại xung (khác cơ bản với thơng tin tương tự)
3.1.3 Khơi phục tín hiệu ban đầu
So sánh hình dạng của tín hiệu flat-top PAM ở hình 3.1 với hình dạng của tín hiệu lấy mẫu ở hình 3.2 e, ta thấy chúng khác nhau rất ít. Do vậy mà việc khơi phục tín hiệu tương tự ban
- Chương III -
đầu từ tín hiệu flat-top PAM hay tín hiệu lấy mẫu rất giống nhau.
Từ biểu thức mật độ phổ và hình vẽ 3.2 ta thấy: nếu tần số lấy mẫu thỏa định lý lấy mẫu thì từ
tín hiệu PAM, ta cĩ thể khơi phục được tín hiệu gốc ban đầu nhờ một bộ lọc thơng thấp tần số cắt fm. Tín hiệu khơi phục càng giống với tín hiệu ban đầu nếu tỷ số τ/Tcực nhỏ. Bộ lọc thơng thấp này được gọi là lọc khơi phục (reconstruction filter).
Từ đây, ta cĩ thể tự kiểm tra lại cơng thức lựa chọn tần số lấy mẫu trong trường hợp tín hiệu tương tự là tín hiệu thơng dải thay vì là tín hiệu thơng thấp.
Ngược lại, nếu tần số lấy mẫu khơng thỏa định lý lấy mẫu thì do ảnh hưởng của hiện tượng chồng phổ (aliasing), ta khơng thể khơi phục tín hiệu ban đầu. Vậy để chống ảnh hưởng của
chồng phổ, ta đặt ngay trước bộ lấy mẫu một bộ lọc thơng thấp để loại bỏ các thành phần tần số lớn hơn f /2. Việc loại bỏ này cĩ khi ảnh hưởng đơi chút đến chất lượng tín hiệu.
S
3.1.4 Kết hợp lấy mẫu với ghép kênh phân chia theo thời gian TDM
Như đã trình bày ở trên, tỷ số rất nhỏ nghĩa là khoảng cách giữa hai xung PAM cạnh nhau rất lớn. Người ta lợi dụng khoảng cách lớn này để ghép vào và truyền đi các xung PAM khác của các tín hiệu từ các kênh khác. Phương pháp này gọi là ghép kênh phân chia theo
thời gian TDM (Time Division Multiplexing).
S
T/ / τ
Để minh họa nguyên lý TDM, ta xét ví dụ hình 3.5 thực hiện ghép kênh phân thời gian cho hai tín hiệu PAM là f1(t) và f2(t). Khoảng cách giữa hai xung PAM cạnh nhau trong dịng tín hiệu ghép kênh khơng cịn là T nữa mà là T/2.
T/2 T T
f1(t)
f2(t)
Hình 3.5 Ghép kênh theo thời gian cho hai tín hiệu PAM
Sơ đồ thực hiện ghép kênh theo thời gian cho hai tín hiệu PAM trình bày trên hình 3.6. Giả sử hai tín hiệu là tín hiệu thơng thấp (low-pass), tần số tối đa là 3 kHz, theo định lý lấy mẫu thì tần số lấy mẫu nhỏ nhất là 6 kHz. Điều này yêu cầu tốc độ tối thiểu của đồng hồ là 12 kHz cho hệ thống này hoạt động. Ngồi cách dùng chung bộ lấy mẫu ta cũng cĩ thể sử dụng riêng từng bộ lấy mẫu cho mỗi kênh.
Việc truyền tín hiệu lấy mẫu tự nhiên hay flat-top PAM qua kênh thơng tin yêu cầu một băng thơng rất rộng so với tín hiệu tương tự ban đầu vì độ rộng xung quá hẹp. Khả năng chống nhiễu của tín hiệu PAM khơng được cải thiện mấy so với truyền trực tiếp tín hiệu tương tự.
- Chương III -
Điều này dẫn đến PAM khơng thích hợp cho truyền dẫn qua khoảng cách xa. Khi truyền đi xa, phải chuyển đổi PAM sang dạng số. Bài tiếp theo sẽ xét vấn đề chuyển đổi tín hiệu PAM sang dạng số.
f1(t)
f2(t)
Lấy mẫu
Tạo xung Clock
LPF PAM-
Hình 3.6 Sơ đồ thực hiện ghép kênh theo thời gian cho hai tín hiệu PAM
3.2 Điều chế xung mã PCM
Kỹ thuật điều chế xung mã PCMđược đề xuất lần đầu tiên vào năm 1937 bởi Alec Reeves - một kỹ sư của hãng STC ( bây giờ là một bộ phận của Northern Telecom). PCM là một kỹ
thuật hiệu quả chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, trong đĩ các xung PAM rời rạc được chuyển đổi thành một từ mã số (digital word); đĩ là một dịng bit nối tiếp (serial bit stream).
Từ những năm 1960, các hệ thống thơng tin sử dụng PCM ngày càng rộng rãi vì những ưu điểm nổi bật sau đây:
- Cĩ thể sử dụng các mạch số khơng đắt lắm trong hệ thống.
- Tín hiệu PCM xuất phát từ tất cả các nguồn tín hiệu tương tự (audio, video...) cĩ thể kết hợp với tín hiệu số liệu (ví dụ từ máy tính) và truyền chung qua hệ thống truyền tin số tốc độ
cao (high-speed digital communication system).
- Khi truyền tin qua khoảng cách xa, tín hiệu PCM cĩ thể được khơi phục hồn tồn tại mỗi trạm lặp trung gian (intermediate repeater station). Aính hưởng của nhiễu khơng bị tíïch luỹ mà chỉ cần quan tâm đến nhiễu truyền dẫn giữa hai trạm lặp cạnh nhau.
- Cĩ thể giảm ảnh hưởng của nhiễu lên tín hiệu PCM bằng cách sử dụng các kỹ thuật mã hố đặc biệt, cĩ thể sửa được hầu hết các loại lỗi.
- Cĩ thể giảm bớt sự lặp lại khơng cần thiết hay cịn gọi là độ dư (redundancy) trong bản tin.
- Tín hiệu PCM dễ lưu trữ.
Các ưu điểm trên cĩ giá trị vượt trội so với khuyết điểm chính của tín hiệu PCM là địi hỏi băng thơng truyền dẫn rộng hơn tín hiệu tương tự tương ứng nhiều lần.
Ba bước cơ bản để thực hiện PCM gồm lấy mẫu (sampling), lượng tử hĩa (quantizing) và mã hĩa (encoding) như trình bày trên hình 3.7. Lấy mẫu là bước nhằm tạo ra tín hiệu flat-top
PAM đã trình bày trong bài trước. Bài này sẽ trình bày hai bước sau là lượng tử hĩa và mã hĩa.