12.6. PHÂN TÍCH THỜI GIAN - TẦN s ố
13.8.2. Hệ thống truyền dẫn dồn kênh sóng con
M áy phát sóng sin +
t ạ p
SiAiept Ch 2
I I I I I I I I
H-H+H
B Ộ T R U Y Ề N D Ẩ N D ồ N K Ê N H 3 - K Ê N H
Inĩ Ị í)ơdnq iru y ê n
i i â c độ cao
Inỉ ũưt ^ ^
In3
In Oưt2
Out3^
•6 M áy phát xung vuông
Ch 2
Ch3
H ìn h 1 3 .1 6 . Sơ đồ m ô ph ỏng hệ thống truyền dẫn dữ liệu dồn kênh só n g c o n 3 - kênh.
290
13.9. M Ã H O Á T IẾ N G N Ó I V À T ÍN H IỆ U ÂM T H A N H
Trong các hệ th ốn g thôn g tin thực tế, tín hiệu sô' thu được phần nhiều là nhờ sự ch u y ển đ ổi c á c tín hiệu analog thành các tín hiệu s ố và được truyền trên kênh với đ ộ rộng băng thôn g hạn c h ế hoặc được lưu g iữ với dung lượng hạn c h ế để sử dụ ng c h o các m ục đích tiếp sau. Đ ể tăng cường dung lượng thông tin truyền dẫn và các thông tin lưu giữ cần phải áp dụng các phưcíng pháp nén số liệu . C hẳng hạn tín hiệu tiếng nói trong hệ thống thông tin điện thoại độ rộng băng tần kh oảng 3 ,4 kH z. V ì vậv, để truyền số cần lấy mẫu tín hiệu tiến g nói với tốc độ lấy mẫu 8 kH z và sau đó chuyển đ ổi thành mã nhị phân nhờ bộ ch u y ển đ ổ i A /D 8-bít và thu được tín hiệu số với tốc độ mẫu là 6 4 .0 0 0 b ít/giây, hay 6 4 kb it/s. N hư vậy, với kênh m ang T-1 thì c ó thể truyền được 2 4 kênh. N h ư ng n ếu nén tín hiệu tiến g nói đến tốc đ ộ 32 kb ít/s thì cũng vẫn kênh đó ta c ó thể truyền 4 8 kênh. Cũng như vậy, nếu nén âm thanh âm nhạc thì dung lượng th ôn g tin chứa trong m ột đĩa com pact cũng c ó thể tăng lên rất nhiều.
M ột trong những phưcíng pháp nén tín hiệu phổ thông nhất là m ã hoá băng con (subband c o d in g ) sử dụng dàn lọc QM F và sự m ã hoá được thực hiện rất c ó h iệu quả n h ờ khai thác tính chất phân bô' năng lượng của tín hiệu m ột cách đ ồn g đều trong dải tần. Trong phần này, chúng ta sẽ trình bầy n gu yên tắc mã hoá băng con các tín hiệu tiếng nói và âm thanh và m ô tả m ột hệ thốn g m ã h oá đặc biệt.
H ình 13.15 là m ột sơ đồ đơn giản hoá của m ột bộ mã hoá băng con.
Trong sơ đ ồ này, tín hiệu lố i vào x[n] được khai triển thành m ột loạt các tín hiệu dải hẹp n h ờ các m ạch lọc của dàn lọ c phân tích . Các dải tần của các tín hiệu dải hẹp này sắp x ế p liên tiếp nhau trên trục tần số. Sau đó các tín hiệu được giảm tốc đ ộ m ẫu đ ể tạo nên các tín hiệu băng con. T iếp đó, m ỗi tín hiệu bãng con được nén bởi bộ m ã hoá. Sau đó tất cả các tín hiệu băng con đã nén được d ồn kênh và truyền trên kênh truvền đến m áy thu.
ở đầu thu, các tín hiệu hỗn hợp được dồn kênh thành m ột loạt các tín hiệu băng con . Sau đ ó, m ỗ i tín hiệu băng con được giải nén nhờ bộ giải mã, tăng tốc đ ộ m ẫu và sau đ ó c h o qua các m ạch lọc của dàn lọ c tổng hợp. Các lối ra của các m ạch lọ c của dàn lọ c tổng hợp được kết hợp lại với nhau tạo thành tín hiệu y [n ]. N ế u quá trình xử lý hoàn hảo thì tín hiệu lối ra y[n] đúng bằng tín hiệư lố i vào x [n ]. Sự m ã hoá băng con có tỉ s ố nén tốt hcfn là phưcmg pháp nén trực tiếp tín hiệu g ố c x[n] bởi vì nó c ó thể cấp ch o m ỗi băng con m ột s ố lượng bít khác nhau, tuỳ theo tính ưu việt về đặc trưng phổ
của các băng con. Chẳng hạn những băng con nằm trong vù n g phổ có năng lượng lớn thì cấp nhiều bít trên mẫu hcm những bãng con khác.
H ìn h 1 3 .1 7 . Sơ đồ mã hoá và giải m ã bãng con.
V í dụ trong khi m ã hoá băng con tín hiệu audio dải rộng 7 k H z với tốc độ bít 56 kb ít/s, ta c ó thể sử dụng dàn lọc Q M F 5 dải con . Các dải con này ch iếm các vùng tần số: 0 - 875 Hz, 8 7 5 -1 7 5 0 H z, 1 7 5 0 -3 5 0 0 Hz, 3 5 0 0 - 5 2 5 0 Hz và 5 2 5 0 - 7 0 0 0 Hz. Đ áp ứng biên độ của 5 m ạch lọ c này ch o trên hình 3.18 cùng với tổng bình phương các đáp ứng biên độ của chúng.
292
0,5
0
-0,5 A I
Tần s ố , kHz (b )
H ìn h 1 3 .1 8 . (a) Đ áp ứng biên độ của các m ạch lọ c phân tích và (b) tổng bình phưcmg các đáp ứng biên độ của chúng.
Dàn lọc phân tích Q M F trên được thực hiện dưới dạng nối tiếp ba tầng như trên hình 13.19. Trên cấu trúc này cho thấy tốc đ ộ lấy mẫu của lối vào và của các tín h iệu băng con cùng với bậc của các m ạch lọc đã sử dụng.
Đ ộ trễ của bộ mã hoá này do các bộ lọc gây ra vào khoảng 10 m sec. Các tín hiệu băng con đã được mã hoá dùng sơ đồ điều c h ế xun g mã vi phân thích nghi (A D P C M ). Các bít được phân phối như sau; 5 b ít/ mẫu ch o hai kênh tần s ố thấp, 3 bít/ mẫu ch o kênh có tần s ố cao nhất và 4 bít/m ẫu ch o hai kênh tần số ở giữa. T ổng s ố bít của bộ mã hoá A D PC M băng con thích nghi là 56 k b ít/sec, tương đương với tốc độ bít Irung bình 4bíl/in ẫu của tín hiệu lối ra với tốc đ ộ lấy mẫu 14 kHz.
x[n]
32- 9
14 tao L
32-
tan — ► 2
▼
32- lao 32-
tílD
(a)
16-
tao —►
16-
UlD 1ị
l,75k Hz 1,75 kHz 3,5 kHz 3,5
32- —► 2 kHz
tUD --- ► 3,5
32- 2 kH z
tao
(b)
H ìn h 1 3 .1 9 . Cấu trúc ba tầng của dàn lọc Q M F phân tích 5-kênh và sơ đồ tương đương của nó.
Sau đây là kết quả sử dụng dàn lọc Q M F với cấu trúc cây để m ô phỏng quá trình mã hoá tín hiệu âm thanh và tiếng nói.
H ình 1 3 .2 0 là tiến g n ói lối vào. Tín hiệu này được thu và lưu giữ dưới dạng m ột file âm thanh trong M A T L A B .
294
Tieng noi loi vao
X1Ũ
H ìn h 1 3 .2 0 . T iến g nói lối vào cho hệ thống mã hoã tín hiệu âm thanh và tiến g nói dùng dàn lọc Q M F 5-kênh b ăn s thôn g không đồng đều.
D a p ung bien do m a c h loc Q M F co so M e o bien do c u a rn ac h loc Q M F 2 -k e n h
H ìn h 1 3 .2 1 . Đ áp ứng biên độ và sai số thiết k ế của dàn lọc Q M F 2-kênh cơ sở dùng trong mã hoá tín hiệu âm thanh.
H ình 13.21 ch o thấy đáp ứng biên độ và sai s ố thiết k ế của dàn lọc Q M F 2-k ên h dùng ch o mã hoá tín hiệu âm thanh và tiến g n ói. Còn hình 1 3.22 là đáp ứng biên độ và sai số thiết k ế trong m ô phỏng quá trình mã hoá âm thanh của tín hiệu tiếng nói ở hình 13.19.
D ap ung bien do c u a dan loc phan tich Q M F M e o bien do cu a m a c h íoc Q M F 5 -k e n h 0.02
m"O o a>
in
__
Ị
0 .5 T a n so: w /p i
H ìn h 1 3 .2 2 . Đ áp ứng biên độ và sai số thiết k ế của dàn lọc Q M F 5 -k ên h dùng trong mã hoá tín hiệu âm thanh trên hình 13.17.
T ia n g n o i lo ỉ ra
X 1 0
H ìn h 1 3 .2 3 . T iến g nói lối ra thu được sau khi m ã hoá băng con dùng dàn lọ c Q M F 5-kênh cho trên hình 13.20.
296
Hình 13.23 là tiêng nói lối ra thu được sau khi ma hoá băng con dùng dàn lọc QMF 5-kcnh cho trên hình 13.23. Hình 13.24 cho thấy mật độ phổ công suất của tiếng nói lối vào và lối ra trẽn hình 13.20 và 13.23. H ình 13.25 là giản đồ tuần hoàn của lín hiệu tiến^ nói lối vào và lối ra của dàn lọc m ã hoá băng con.
X 10
X 1Q-5
5 Ũ 0
M a t d o p h o c o n g s u a t c u a t in h ie u v a o
10Ữ 0 1 5 0 0 2ỮŨ0
t a n s o H z
M a t d o p h o c o n g s u a t c u a t in h ie u ra
3 0 D 0 3 5 0 0
----r- ---—1... —r - "ĩ- -• "
H 1 ^' ^ 1 ỉ K l í JW,Www ì m
1000 1 5 0 0 2 0 0 G
ta n s o H z
2 5 0 0 3 5 0 0
H ìn h 1 3 .2 4 . M ật độ phổ côn g suất của tín hiệu tiến g n ói lối vào và lối ra trên hình 13.17 và 13.21.
sp e c to g ra m dai hep c u a tin hieu tieng noi loi vao _
Ì 2000
15
T im e
sp e c to g ra m dai hep c u a tin hieu tieng noi loi ra
H ìn h 1 3 .2 5 . G iản đồ tuần hoàn của tín hiệu tiếng n ói lối vào
THÍ NGHIỆM 14
XỬ LÝ TÍN HIỆU THỜI GIAN THựC DÙNG TMS320C6711
Thí n gh iệm thứ 14 này sử dụng bộ xử lý tín hiệu s ố dấu phẩy động D SK T M S320C 6711 của hãng T exas Instrum ents đ ể thực h iện hệ thống truyền thông nhiều kênh đa són g m ang OFDM/DMT, thiết k ế và thực hiện ỊFFT/FFT MO DEM đa só n g m ang sử dụ ng thuật toán F F T và IFFT 512 đ iểm và m ột bộ cân bằng kênh bậc cao đ ể cân bằng và x ử lý tín hiệu âm thanh, âm nhạc. Trong cả ba thí nghiệm này, các bộ xử lý đã được thực hiện dưới dạng "kết nối động'^ giữa chương trình "mềm" được v iết trong m ôi trường làm v iệc M A T L A B với chương trình "cứng” v iết bằng ngôn ngữ c cho "chíp" lo g ic lập trình T M S 3 2 0 C 6 7 11. Các tín hiệu lối vào và ra của các hệ thống truyền thông lẫn O D E M đa só n g m ang được hiển thị hoặc trên cửa sổ "Code Com poser stuclio (CCS)"của DSK, hoặc trên dao động kỷ i’ô'h oặc trên màn hình vi tính hoặc bằng loa hoặc bằng earphones.
14.1. HỆ TH Ố N G T R U Y Ề N TH Ô N G Đ A SÓ N G M A N G O F D M /D M T