Điện tử viễn thông - Chương 1: Tổng quân về truyền dẫn số

Nội dung text: Điện tử viễn thông - Chương 1: Tổng quân về truyền dẫn số

1. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN SỐ 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN Mạng điện thoại được xây dựng dựa trên cơ chế truyền tiếng nói giữa các máy điện thoại. Đến những năm 1970, mạng này đã hoàn thiện bằng việc thực hiện truyền tín hiệu tương tự trong cáp đồng xoắn đôi và ghép kênh phân chia tần số (FDM-Frequency Division Multiplexing) dùng trong các tuyến đường dài để kết hợp truyền nhiều kênh thoại trong một cáp đồng trục. Thiết bị truyền dẫn loại này rất đắt so với giá của một tổng đài điện thoại, vì vậy, chuyển mạch được xem như một thiết bị nhằm tiết kiệm sử dụng tài nguyên khan hiếm lúc bấy giờ là băng thông truyền dẫn. Vào đầu những năm 1970, các hệ thống truyền dẫn số bắt đầu xuất hiện, sử dụng phương pháp điều chế xung mã (PCM-Pulse Code Modulation) do Alec Reeves nêu ra lần đầu tiên vào năm 1937. PCM cho phép truyền tín hiệu tương tự (như tiếng nói của con người) ở dạng nhị phân. Sử dụng phương thức này, tín hiệu thoại tương tự chuẩn 4 kHz có thể truyền dưới dạng luồng tín hiệu số 64 kbit/s. Các nhà kỹ thuật đã nhận thấy khả năng hạ giá thành sản xuất các hệ thống truyền dẫn bằng cách kết hợp một số kênh PCM và truyền chúng trong một đôi cáp đồng xoắn mà trước đây chỉ dùng để truyền một tín hiệu tương tự duy nhất. Hiện tượng này được gọi là lợi dây. Do giá thành thiết bị điện tử số bắt đầu giảm nên sử dụng các công nghệ này đã tiết kiệm được rất nhiều chi phí. Phương thức ghép kênh 64 kbit/s thành môt luồng bit tốc độ cao duy nhất còn được gọi là Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing). Một cách đơn giản, mỗi byte của mỗi kênh đầu vào theo thứ tự được đưa vào kênh tốc độ cao ở đầu ra. Quá trình xử lý này còn được gọi là "chèn byte tuần tự". Ở châu Âu và sau đó là rất nhiều nơi trên thế giới, sở đồ TDM chuẩn được áp dụng để ghép kênh 64 kbit/s, cùng với hai kênh thông tin điều khiển kết hợp tạo thành một kênh có tốc độ 2,048 Mbit/s. Do nhu cầu sử dụng điện thoại tăng lên, lưu lượng trên mạng tăng, kênh chuẩn tốc độ 2 Mbit/s không đủ đáp ứng cho lưu lượng tải trên mạng trung kế. Để tránh không phải sử dụng quá nhiều kết nối 2 Mbit/s thì cần tạo ra môt mức ghép kênh cao hơn. Châu Âu đưa ra chuẩn ghép 4 kênh 2 Mbit/s thành một kênh 8 Mbit/s. Mức ghép kênh này không khác bao nhiêu so với mức ghép kênh mà các tín hiệu đầu vào được kết hợp từng bit chứ không phải từng byte, nói cách khác là mới áp dụng chèn bit chứ chưa thực hiện chèn byte. Tiếp đó, do H.Q.Trung.ĐTVT
2. 2 nhu cầu ngày càng tăng, các mức ghép kênh cao hơn nữa được xây dựng thành chuẩn, tạo ra môt phân cấp đầy đủ các tốc độ bit là 34 Mbit/s, 140 Mbit/s và 565 Mbit/s. 1.2. HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ 1.2.1. Các thành phần cơ bản Truyền dẫn là chức năng truyền một tín hiệu từ một nơi này đến một nơi khác. Hệ thống truyền dẫn gồm các thiết bị phát và nhận, và phương tiện truyền cùng bộ lặp lại giữa chúng như hình 1.1. Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống truyền dẫn. Những phương tiện phát sẽ truyền và phát đi những tín hiệu đầu vào (tín hiệu gốc) để truyền chúng một cách hiệu quả qua phương tiện, thiết bị nhận tách ra những tín hiệu gốc trong những tín hiệu thu được. Đồng thời bộ lặp lại xử lý việc bù lại trong quá trình truyền. Các phương tiện truyền bao gồm dây dẫn kim loại, cáp đồng trục, radio, ống dẫn sóng và cáp sợi quang. Truyền dẫn bao gồm phần truyền dẫn thuê bao nối liền máy thuê bao với tổng đài và phần truyền dẫn tổng đài nối tổng đài với tổng đài. Truyền dẫn gồm truyền bằng cáp, truyền radio, liên lạc vệ tinh, truyền TV, liên lạc sợi quang, ống dẫn sóng, liên lạc dưới đất cùng bộ chuyển tiếp phục hồi sử dụng các phương tiện truyền dẫn, kết cấu kết hợp và mạng đồng bộ hóa của các thiết bị này, việc bảo dưỡng và phần quản lý của mạng truyền dẫn v.v * Truyền dẫn sử dụng sợi quang (fiber) Môi trường quang sợi có độ rộng băng gần như không giới hạn. Đặc điểm của nó là suy hao không đáng kể, chỉ vào cỡ 0,25 Db/Km. Đây chính là ưu điểm vượt trội của sợi quang so với cáp đồng trục. Ngoài ra truyền dẫn trên sợi quang còn có các ưu điểm khác nữa là: Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trường, an toàn, kích thước nhỏ và nhẹ, Giải tần số được sử dụng trong truyền dẫn sợi quang được mô tả như hình dưới: H.Q.Trung.ĐTVT
3. 3 Cấu trúc của sợi quang: 1.2.2. Các nguồn ảnh hưởng tới tín hiệu truyền dẫn 1.2.2.1. Méo tín hiệu qua kênh (distortion) Kênh truyền thực tế là không lý tưởng, do đó tín hiệu đi qua kênh ít hay nhiều cũng bị ảnh hưởng đến dạng tín hiệu, có nghĩa là bị méo so với tín hiệu gốc. Ngoài ra, sẽ không thể tránh khỏi méo phi tuyến đối với những tín hiệu làm việc tại các tần số cao. Điều này xuất phát từ một thực tế rằng với các tần số cao sẽ bị ảnh hưởng do sự xáo động của các điều kiện khí quyển, bởi vậy gây ra sự thay đổi về tần số. Chẳng hạn với các hệ thống radar doppler sử dụng trong việc giám sát thời tiết là một trường hợp cụ thể. Méo tuyến tính có thể gây ra các ảnh hưởng trong các hệ thống truyền dẫn xung. Loại méo này được đặc trưng bởi sự phân tán thời gian (làm kéo dài xung), dẫn tới hiệu ứng đa đường. H.Q.Trung.ĐTVT
4. 4 1.2.2.2. Tạp âm (noise) Thuật ngữ tập âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện trong hệ thống. Sự xuất hiện của tập âm làm giảm khả năng tách chính xác các tín hiệu phát, và, vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin. Tạp âm được tạo ra từ các nguồn khác nhau nhưng có thể được phân ra thành hai loại chính đó là nguồn tạp âm nhân tạo và tạp âm tự nhiên. Tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay phát xạ điện từ. Tạp âm tự nhiên xuất hiện trong các mạch hay linh kiện điện tử. 1.2.2.3. Nhiễu Nhiễu được hiểu là các thành phần tín hiệu không mong muốn được thêm vào tín hiệu bản tin khi nó được truyền từ máy phát đến máy thu. Trong thực tế, việc truyền tin có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu khác nhau: nhiễu điều chế, nhiễu xuyên kênh (Crosstalk), nhiễu xung (ISI), 1.2.3. Các kênh truyền dẫn Kênh truyền dẫn là môi trường kết lối giữa bộ phát và bộ thu, ở đó có thể là các sợi dây dẫn kim loại, cáp đồng trục, cáp sợi quang, ống dẫn sóng, bầu không khí H.Q.Trung.ĐTVT
5. 5 hay sự kết hợp giữa các môi trường trên. Tất cả các kênh đều có một băng tần giới hạn cho phép tín hiệu có thể đi qua. Do các đặc tính vật lý mà mỗi kênh có thể có tần số cắt ở giới hạn trên (tần số cao) hay giới hạn dưới (tần số thấp). Trong trường hợp kênh bị chặn dưới (tần số cắt ở giới hạn dưới của băng kênh) thì kênh được mô tả như là một bộ lọc thông dải. Còn nếu băng thông của kênh không bị chặn dưới thì kênh được mô tả như là một bộ lọc thông thấp. Kênh truyền dẫn được phân loại theo độ rộng băng. Có 3 loại kênh phổ biến là: Kênh băng hẹp (narrow band), băng thoại (voiceband) và băng rộng (wideband). Các kênh băng hẹp: Đối với những kênh có độ rộng băng lên tới 300 Hz thì được gọi là băng hẹp, và thuộc vào loại truyền điện tín. Những kênh như thế được sử dụng cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ chậm ở mức là 600 bit trên giây (bps). Những kênh băng hẹp không đủ độ tin cậy để sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu thoại. Các kênh thoại có độ rộng băng giới hạn trong khoảng từ 300 Hz đến 4 kHz. Thiết kế ban đầu của kênh thoại là để phục vụ cho mục đích truyền dẫn tương tự (analog) tín hiệu thoại (voice), mặc dù vậy các kênh này thường được sử dụng để truyền dữ liệu ở tốc độ 10 kilô bits trên giây (kbps). Mộ số dạng tín hiệu video nén cũng có thể được truyền trên các kênh thoại. Các mạch vòng khép kín thuê bao trong hệ thống điện thoại công công truyền thống sử dụng băng thoại. Các kênh băng rộng có độ rộng băng lớn hơn 4 kHz. Các kênh này có thể được dành cho một đơn vị truyền thông (chẳng hạn một công ty điện thoại) và có thể sử dụng cho mục đích truyền dữ liệu tốc độ cao, video, hay các kênh thoại hợp nhất. Băng tần hoạt động của tín hiệu được phân bổ theo các dải tần số như sau: H.Q.Trung.ĐTVT
6. 6 1.2.3. Tham số chất lượng của hệ thống truyền dẫn số Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống truyền dẫn số được đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bit (BER) và dung lượng truyền dẫn. Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị trong một tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn. Khi tập các giá trị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phân và tín hiệu khi đó được gọi là bit. Khi số giá trị có thể có của tín hiệu khác 2, tổng quát là M thì hệ thống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệu được gọi là ký hiệu (symbol). Gọi giá trị của symbol thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk (đối với các hệ thống thông thường hiện nay, TTk = và là hằng số với mọi k). Ở đầu thu ˆ ˆ ˆ tín hiệu khôi phục lại là Dk và có độ rộng là Tk , nếu DDk¹ k thì tín hiệu thứ k ˆ được gọi là bị lỗi, nếu TTk¹ k thì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter. Các tham số kỹ thuật chung nhất đối với các loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau, thể hiện chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống, là tỷ lệ lỗi bit BER và jitter (rung pha). Đối với hệ thống nhị phân, xác suất lỗi BER được định nghĩa là: ˆ BER= P{ Dk = D k } ˆ Khi TTTk = + d thì d được gọi là jitter, tính theo phần trăm. H.Q.Trung.ĐTVT
7. 7 ˆ Trong trường hợp hệ thống nhiều mức thì PDD{ k= k } được gọi là tỷ lệ lỗi symbol (SER) và có quan hệ chặt chẽ với BER. 1.3. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3.1. Tím hiệu truyền dẫn a) Tín hiệu tương tự (analog signal) Tín hiệu tương tự có thể được xem như là một dạng sóng có tính chất liên tục về thời gian trong phạm vi tín hiệu tồn tại. Hình 1.5: Minh họa dạng sóng và phổ tương ứng của tín hiệu tương tự. b) Các tín hiệu mẫu Tín hiệu mẫu nhận được từ tín hiệu tương tự bằng cách lấy mẫu tại các thời điểm nhất định. Hàm biểu diễn tín hiệu mẫu có biến thời gian rời rạc. Hình 1.6: Minh họa dạng sóng rời rạc nhận được từ việc lấy mẫu tín hiệu tương tự. c) Tín hiệu số (Digital signal) Tín hiệu số là một dạng của tín hiệu mẫu hay tín hiệu rời rạc trong đó mỗi một con số trong chuỗi tín hiệu tương ứng với một giá trị xác định. Tín hiệu số có thể có được từ lối ra của nhiều thiết bị. Ví dụ, khi ta quay số máy điện thoại thì sẽ tạo ra H.Q.Trung.ĐTVT
8. 8 các tín hiệu số phụ thuộc vào nút được nhấn, tín hiệu số có được từ đầu ra của bàn phím máy tính hoặc từ các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC). 1.3.2. Các phương pháp truyền thông tin a) Truyền tin nhị phân - Truyền tin nhị phân dùng cáp đơn Tốc độ truyền dẫn phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của điện áp (hay các kiểu ký hiệu khác) trên kênh truyền trước khi thành phần tần số là quá lớn để có thể lọc suy hao kênh truyền và dẫn đến méo tín hiệu. Nói theo cách khác, tốc độ truyền dẫn bị giới hạn bởi băng thông của tuyến truyền. - Truyền tin nhị phân dùng nhiều cáp song song Bằng cách sử dụng nhiều cáp, tín hiệu truyền qua kênh có thể sẽ tăng tỷ lệ với số cáp (kênh) sử dụng. Tín hiệu truyền qua có thể duy trì như ở tuyến truyền nhị phân đơn, cho phép thay thế bởi các tuyến có băng thông nhỏ hơn (dẫn tới chi phí thấp hơn). b) Truyền tin đa mức - Truyền tin đa mức sử dụng cáp đơn Truyền dẫn dữ liệu không bắt buộc phải giới hạn ở cơ số hai (nhị phân), theo lý thuyết có thể sử dụng một số mức điện áp hay một số kiểu ký hiệu. H.Q.Trung.ĐTVT
9. 9 Ví dụ: sử dụng 4 mức điện áp, chúng ta có thể mã hóa mỗi tổ hợp hai bit nhị phân bởi một trong 4 mức điện áp (00 ~ mức A, 01 ~ mức B, 10 ~ mức C và 11 ~ mức D). Khi đó ta có thể gửi thông tin nhanh gấp 2 lần xét trên cùng một độ rộng băng thông. - Truyền tin đa mức sử dụng nhiều cáp Việc sử dụng các kênh truyền dẫn song song để truyền dữ liệu cho phép tăng khả năng (dung lượng) truyền tin trên băng thông bị giới hạn. c) Ký hiệu đa mức Về nguyên tắc chúng ta có thể sử dụng một số ký hiệu (trạng thái ký hiệu) cho bản tin số. Ví dụ, tại sao sử dụng 1024 trạng thái điện áp khác nhau, mỗi trạng thái (ký hiệu) mã hóa số bit là log 2 1024 = 10 bits. Chúng ta thậm chí có thể sử dụng 1048576 trạng thái ký hiệu, khi đó với mỗi ký hiệu mã hóa 20 bits thông tin. Rõ ràng có một giới hạn thực tế trên số trạng thái được sử dụng, phụ thuộc vào khả năng phân biệt chính xác các trạng thái (các mức điện áp, tần số, ) của thiết bị thu. Ví dụ: một số modem điện thoại hoạt động ở tốc độ 56 kbps sử dụng 1024 trạng thái ký hiệu khác nhau (tổ hợp biên độ và pha của sóng mang) để báo hiệu trên kênh thoại, trong khi các hệ thống điện thoại tế bào số chỉ sử dụng 4 trạng thái do thiết bị phải hoạt động trong các môi trường chịu nhiều ồn hơn. H.Q.Trung.ĐTVT
10. 10 1.3.3. Tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền thông tin của một kênh truyền dẫn thường được xác định theo lượng thông tin nhị phân (bit). Có nghĩa là tốc độ truyền dẫn được đo theo đơn vị bit/giây (bps). Ví dụ: nếu như có 6 bit thông tin được truyền đi sau mỗi khoảng thời gian 6 giây, thì tốc độ truyền tin sẽ là 6b its R= =1000 b its s 6 ms Ngoài ra tốc độ truyền dẫn còn được xác định thông qua tốc độ ký hiệu. Trong đó thì tốc độ ký hiệu là tốc độ thay đổi trạng thái các ký hiệu mang thông tin nhị phân qua kênh truyền. Chúng ta có thể mã hóa một số bit trong mỗi ký hiệu. Tốc độ ký hiệu không nhất thiết phải bằng tốc độ truyền thông tin. Đơn vị đo tốc độ ký hiệu là ký hiệu/giây hay (baud). Ví dụ: một hệ thống sử dụng 4 tần số mã hóa các tổ hợp 2 bit nhị phân qua một kênh, và tần số (ký hiệu-symbol) được thay đổi sau mỗi 0.5 ms, khi đó tốc độ ký hiệu sẽ là: R=1 =2000 symbol / s = 2000 ( baud ). symbol 0.5 Tốc độ truyền thông tin bởi vậy sẽ là: 2 x 2000 = 4000 bps. 1.4. CÁC TIÊU CHUẨN TRUYỀN DẪN 1.4.1. Định nghĩa Lĩnh vực truyền thông liên tục phát triển thay đổi một cách nhanh chóng, các hệ thống truyền thông được phát triển bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới, chính vì vậy cần có sự tương thích về các tiêu chuẩn và các khuyến nghị ở H.Q.Trung.ĐTVT
11. 11 phạm vi quốc gia, khu vực và quốc tế. Theo ISO, các định nghĩa về tiêu chuẩn và khuyến nghị dành cho truyền thông như sau: Tiêu chuẩn: Chi tiêu kỹ thuật hay văn bản qui định có khả năng phổ biến rộng rãi được xây dựng bởi sự hợp tác và thống nhất hay sự chấp thuận nói chung của tất cả những vấn đề liên quan tới nó dựa trên các kết quả nghiên cứu khoa học, công nghệ và thực nghiệm. Khuyến nghị: Tài liệu văn bản liên quan quy định chặt chẽ các thủ tục thực hiện được thông qua và phổ biến rộng rãi bởi một cơ quan (tổ chức) chịu trách nhiệm có quyền hạn nhất định. 1.4.2. Các tổ chức tiêu chuẩn và khuyến nghị ISO: International Standardization Organization (OrganizationTổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế). ITU: International Telecommunications Union (Hiệp hội Viễn thông quốc tế). IEC: International Electrotechnical Commission (Ủy ban Điện tử quốc tế). INTELSAT/INMARSAT: International Telecommunications Satellite Organization /International Maritime Satellite Organization. H.Q.Trung.ĐTVT
12. 12 ANSI – Viện Tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ CEPT – The European Conference for Posts and Telecommunications. CCIR – Consultative Committee for International Radiocommunication (Ủy ban Tư vấn quốc tế về vô tuyến điện). CCITT – Consultative Committee for International Telephone and Tele- Graph (Ủy ban Tư vấn quốc tế về điện thoại và điện báo). H.Q.Trung.ĐTVT
13. 13 ETSI – European Telecommunications Standards Institute (Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu). H.Q.Trung.ĐTVT
14. 14 CHƯƠNG 2. TRUYỀN DẪN SỐ CÁC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ 2.1. ĐỊNH LÝ LẤY MẪU VÀ HỆ THÔNG TIN XUNG 2.1.1. Định lý lấy mẫu Định lý lấy mẫu có một ý nghĩa sâu sắc trong lý thuyết thông tin. Định lý này được phát biểu như sau: Một tín hiệu có dải tần giới nội là B Hz (G(w) =0 khi w > 2 p B) có thể được khôi phục một cách chính xác (mà không bị lỗi) từ các mẫu của nó được lấy đều đặn với tốc độ R > 2B mẫu trên giây. Hay nói theo cách khác, tần số lấy mẫu tối thiểu phải là 2B Hz. Xét tín hiệu g( t) (hình 2.1) có phổ giới hạn là B Hz. Lấy mẫu g( t ) với tốc độ fs Hz ( fs mẫu trên giây) tương đương với việc nhân g( t) với đoàn xung d t gồm các xung đơn vị lặp lại với chu kỳ T=1 f . Tín hiệu mẫu nhận được Ts ( ) s s g( t) sẽ là: gt= gtd t = gnT d tnT - (2.1) ( ) ( ) Ts ( ) å ( s) ( s ) n H.Q.Trung.ĐTVT
15. 15 Hình 2.1: Tín hiệu mẫu và phổ của nó Tốc độ lấy mẫu tối thiểu fs = 2 B được gọi là tốc độ Nyquist cho tín hiệu tượng tự g( t) và khoảng thời gian lấy mẫu TBs =1 2 được gọi là khoảng Nyquist cho g( t). 2.1.2. Khôi phục tín hiệu Quá trình khôi phục một tín hiệu tương tự g( t ) từ các mẫu của nó được xem như là phép nội suy. Hình 2.2: Quá trình nội suy tín hiệu Mỗi một mẫu g( t) là một xung, hình thành một xung cửa có độ cao bằng với độ lớn của mẫu. Xung thứ k là xung có độ lớn g( kTs ) xác định tại vị trí t= kTs , và có thể biểu diễn như là g( kTs)d ( t- kT s ). Cho xung này qua bộ lọc, đầu ra nhân được sẽ là g( kTs) rect(1 T s ). Đây là xung cửa có độ cao g( kTs ), tâm xác định tại t= kTs . Mỗi xung g( t) sẽ tạo ra một xung cửa tương ứng, và kết quả sẽ là: (2.2) 2.1.3. Ứng dụng của lý thuyết lấy mẫu H.Q.Trung.ĐTVT
16. 16 Lý thuyết lấy mẫu có tầm quan trọng trong phân tích, xử lý, và truyền dẫn tín hiệu. Vì ta có thể chuyển tín hiệu liên tục theo thời gian thành chuỗi rời rạc các số. Xử lý tín hiệu thời gian liên tục bởi vậy được chuyển về xử lý chuỗi rời rạc các số. Và cũng vì thế mà có thể sử dụng các bộ lọc số. Trong lĩnh vực truyền thông, truyền dẫn bản tin tương tự được giảm bớt thành truyền dẫn một chuỗi các số. Điều này làm xuất hiệu nhiều kỹ thuật mới cho truyền thông các tín hiệu liên tục. Bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự và làm thay đổi các thông số về biên độ, độ rộng và vị trí xung của các mẫu nhận được ta có các kỹ thuật điều chế xung tương tự tương ứng đó là: điều chế biên độ xung (PAM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế vị trí xung (PPM). Trong đó có vai trò quan trọng nhất trong phương thức điều chế xung ngày nay đó là điều chế mã xung (PCM). Hình 2.3: Các tín hiệu điều chế xung Thay vì truyền tín hiệu tương tự g( t), chúng ta truyền tín hiệu điều chế xung. Tại bộ thu, chúng ta đọc thông tin của tín hiệu điều chế xung và khôi phục lại tín hiệu tương tự ban đầu. Một trong những ưu điểm của việc sử dụng điều chế xung là cho có thể cho phép truyền một số tín hiệu dựa trên việc chia sẻ tài nguyên về thời gian bằng cách H.Q.Trung.ĐTVT
17. 17 sủ dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM-Time Division Multiplexing). Hình 2.4: Ghép kênh phân chia theo thời gian với hai tín hiệu PAM 2.2. ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG (PCM) 2.2.1. Nguyên tắc Điều chế xung mã PCM được thực hiện theo một quy trình gồm bốn bước có tính nguyên tắc đó là: - 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 theo biến tần số, do thời gian tồn tại hữu hạn của chúng. Chính vì vậy, các tín hiệu liên tục cần truyền nhất thiết phải được lọc nhằm hạn chế phổ tới tần số cực đại W nào đó nhằm thỏa mãn tính giới hạn về băng tần của định lý lấy mẫu. - Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc được rời rạc hóa bằng cách lấy mẫu thông qua chuỗi xung nhịp có tần số fs tuân theo định lý lấy mẫu để có được các tín hiệu điều biên xung (PAM-Pulse Amplitude Modulation). - Lượng tử hóa: Số hóa giá trị có thể có của tín hiệu PAM sau lấy mẫu là vô hạn, do vậy số bit cần thiết để mã các giá trị của các xung PAM là vô hạn và điều này không thể thực hiện được. Để hạn chế số bit mã cần sử dụng, giá trị của từng xung PAM cần được làm tròn thành một trong các giá trị mẫu xác định gọi là các mức lượng tử (có số lượng hữu hạn) và quá trình này được gọi là lượng tử hóa. - Mã hóa: Các giá trị mức lượng tử ứng với các xung PAM được mã hóa bằng các tổ hợp mã nhị phân để truyền đi trên hệ thống truyền dẫn số. Sơ đồ mô tả công đoạn điều chế xung mã được thể hiện như hình dưới đây: H.Q.Trung.ĐTVT
18. 18 Hình 2.5: Hệ thống truyền dẫn PCM Quá trình khôi phục ở phần thu được thực hiện như sau: giải mã để được chuỗi xung PAM lượng tử hóa rồi cho qua lọc thông thấp có tần số cắt bằng một nửa tần số lấy mẫu. Sai số trong truyền dẫn PCM: Như ta đã nói ở trên, trong thực tế, các tín hiệu lối vào điều chế mã xung là các tín hiệu có phổ trải rộng vô hạn. Sau lọc hạn chế phổ tần tín hiệu, tín hiệu có phổ hạn chế và do vậy thời gian tồn tại trải rộng tới vô hạn, nghĩa là về lý thuyết, việc lấy mẫu phải được thực hiện với vô hạn mẫu (tuy nhiên sẽ không được như thế). Từ đó chúng ta có thể thấy rằng tín hiệu liên tục khôi phục lại được ở phần thu, ngay cả trong trường hợp không tính đến méo và tạp nhiễu trên đường truyền, cũng chỉ là một phiên bản gần đúng của tín hiệu liên tục cần truyền đi ở phần phát mà thôi. Sai số giữa các tín hiệu phiên bản và nguyên bản gây bởi các nguyên nhân sau: (a) Việc lấy mẫu không thể tiến hành trong thời gian dài vô hạn được. (b) Sai số do làm tròn (lượng tử hóa). (c) Các đặc tính lọc không hoàn toàn lý tưởng. (d) Phiên bản là một tín hiệu có phổ hạn chế, không như tín hiệu nguyên bản. Ngoài ra, các sai lệch quá mức về đồng bộ cũng có thể dẫn đến sắp xếp sai các tổ hợp mã thu được và điều này dẫn đến các sai lệch vô cùng trầm trọng. Các H.Q.Trung.ĐTVT
19. 19 chi tiết về các công đoạn trong quy trình PCM và các biện pháp khắc phục sai số sẽ được trình bày trong phần tiếp theo. 2.2.2. Lọc giới hạn băng Ta xét tín hiệu thoại, có phổ tập trung trong dải từ 0,3 đến 3,4 kHz. Việc cắt bỏ các thành phần tần số ngoài dải nói trên không gây ra những méo thụ cảm quá lớn, tức là không gây nên những trở ngại đặc biệt đối với quá trình thông thoại. Để hạn chế phổ tín hiệu có thể tiến hành loại bỏ các thành phần tần số lớn hơn 3,4 kHz trong tín hiệu điện thoại bằng lọc thông thấp, tức là có thể chọn tần số cực đại W của tín hiệu thoại là 3,4 kHz. Trong trường hợp này, sai số do lọc hạn băng gây ra chủ yếu là bởi không thể chế tạo được mạch lọc thông thấp lý tưởng mà chỉ có thể chế tạo được các mạch lọc với đặc tính lọc không dốc đứng tại tần số cắt. Để không gây nên những méo thụ cảm rõ rệt được, tần số cắt của mạch lọc hạn băng phải chọn cao hơn 3,4 kHz. Các mạch lọc tiêu chuẩn trong thực tế (có đặc tính thỏa mãn các khuyến nghị của CCITT cho các mạch thoại) có tần số cắt rất sát với 4 kHz. 2.2.3. Lấy mẫu Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thoại liên tục với một chuỗi xung nhịp có tần số fs ≥ 2 W . Việc chọn tần số nhịp lớn hơn hai lần W sẽ làm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, do vậy tần số nhịp phải chọn nhỏ nhất mà không gây méo tín hiệu. Sai số lấy mẫu gây bởi việc không thể lấy mẫu trong một thời gian dài vô hạn thường không đáng kể và có thể bù đắp bằng việc chọn fs > 2 W một chút. Kết hợp với thực tế phát sinh do lọc hạn băng như đã nói trên đây, tần số lấy mẫu tiêu chuẩn cho tín hiệu thoại được chọn là 8 kHz. Quá trình lấy mẫu tín hiệu điện thoại được mô tả như hình dưới đây: H.Q.Trung.ĐTVT
20. 20 Hình 2.6: Quá trình lấy mẫu tín hiệu liên tục 2.2.4. Lượng tử hóa Lượng tử hóa được thực hiện đơn giản nhất bằng cách chia dải động tín hiệu [-a, + a] thành Q mức cách đều nhau, được gọi là lượng tử hóa đều. Khoảng cách giữa các mức lượng tử là D = 2a Q . Các giá trị của mẫu tín hiệu (các xung PAM) được làm tròn thành giá trị mức lượng tử gần nhất. Sai số lượng tử của các giá trị mẫu là một biến ngẫu nhiên eq , nhận các giá trị trong khoảng [-a Q, + a Q] , có thể xem như một lượng tạp âm gọi là tạp âm lượng tử và có thể đánh giá được thông qua công suất tạp âm lượng tử: a Q P= e2 = e 2 × pdf e de (2.3) eq qò q( q) q -a Q Trong đó pdf (×) là hàm mật độ xác suất. H.Q.Trung.ĐTVT
21. 21 Hình 2.7: Quá trình lượng tử hóa đều Do không biết được phân bố thực sự của biên độ tín hiệu điện thoại trong khoảng giữa hai mức lượng tử sát nhau, người ta buộc phải giả thiết rằng tín hiệu điện thoại nhận các giá trị biên độ trong khoảng giữa hai mức lượng tử sát nhau với xác suất như nhau. Do đó tạp âm lượng tử được xem là biến ngẫu nhiên phân bố đều, tức là pdf( eq ) = Q2 a . Thay vào phương trình (2.3), ta có: 2 2 2 Peq = a3 Q = D 12 (2.4) Từ (2.4) chúng ta có thể thấy khi tăng số mức lượng tử Q thì công suất tạp âm lượng tử giảm. Chẳng hạn, khi tăng số mức lượng tử lên hai lần, công suất tạp âm lượng tử giảm 4 lần, tức là khoảng 6 Db. Tuy nhiên, việc tăng quá mức số mức lượng tử dẫn đến hai hệ quả: a) Số mức lượng tử lớn dẫn đến số bit dùng để mã các mức lượng tử tăng (cứ tăng số mức lượng tử lên hai lần thì phải thêm 1 bit trong tổ hợp mã) làm tăng tốc độ bit và do vậy tăng phổ chiếm dụng của tín hiệu số; b) Với cùng một dải động tín hiệu, việc tăng quá mức số mức lượng tử sẽ có thể dẫn đến mức lượng tử khôi phục lại ở phần thu bị nhận nhầm dưới tác động của tạp âm nhiệt trong các mạch điện tử. Thêm vào đó, nếu lượng tử hóa đều thì việc chia các mức với số mức tối thiểu (nhằm giảm số bit mã cần dùng) xác định theo độ chính xác đã cho đối với các mức cao của tín hiệu lại dẫn đến sai số phạm phải lại lớn đối với các mức thấp. Điều này dẫn đến sai số tổng cộng lớn do trong thực tế các mức tín hiệu thấp của tín hiệu thoại thường xảy ra nhiều hơn so với các mức cao. Các mâu thuẫn nói trên trong thực tế được khắc phục nhờ áp dụng lượng tử hóa không đều, trong đó khoảng cách giữa các mức lượng tử được chọn lớn đối với các tín hiệu lớn còn với các mức tín hiệu nhỏ thì khoảng cách giữa các mức lượng tử chọn nhỏ. Giải H.Q.Trung.ĐTVT
22. 22 pháp này là khá tự nhiên do đối với mức tín hiệu lớn thì tỷ số tín hiệu trên sai số (tín hiệu trên tạp âm lượng tử) vẫn khá nhỏ dù sai số lượng tử tuyệt đối có lớn. Việc chia các mức lượng tử không đều như thế tuy vậy lại khá khó thực hiện trong thực tế và một giải pháp tương đương thường được áp dụng là thực hiện lượng tử hóa đều các tín hiệu được nén. Luật nén được áp dụng trong điều chế mã xung tín hiệu điện thoại là luật logarit, trong đó tín hiệu lối ra y của mạch nén biến thiên theo luật logarit của tín hiệu lối vào x. Ở phần thu, tín hiệu được giãn trở lại. Việc duy trì nén-giãn chính xác là một yêu cầu rất ngặt nghèo nhằm tránh các méo tín hiệu mang vào do quá trình nén-giãn. Các luật nén logarit được áp dụng trong hệ Châu Âu và hệ Mỹ khá khác nhau, điều này là do lịch sử quá trình phát triển viễn thông trước đây trên các khu vực khác nhau để lại. Luật nén được áp dụng là luật m đối với hệ Mỹ, trong khi đó hệ Châu Âu sử dụng luật nén A. Biểu thức giải tích xác định các luật nén m và A là: Luật nén m (Hệ Mỹ): ln( 1+ m x ) y= sign( x) , - 1 ≤ x ≤ 1 (2.5) ln( 1+ m ) Luật nén A (Hệ Châu Âu): ì A x ï sign( x) , 0≤ x ≤ 1 A ï 1+ ln A y = í (2.6) 1+ ln A x ïsign( x) , 1 A≤ x ≤ 1 îï 1+ ln A Hình 2.8: Đặc trưng nén-giãn theo luật m và luật A Trong các biểu thức (2.5) và (2.6), x và y lần lượt là các giá trị của các tín hiệu lối vào và lối ra của bộ nén được chuẩn hóa theo giá trị cực đại của chúng. Theo H.Q.Trung.ĐTVT
23. 23 khuyến nghị G.711 của CCITT, các giá trị của các tham số được chọn là: A=87,6 và m = 255 . Đối với hệ Mỹ, m =100 cũng được sử dụng trong một số hệ thống, tuy nhiên đó không phải là giá trị mà CCITT chọn làm giá trị tiêu chuẩn. Trong thực tế hay sử dụng kỹ thuật lượng tử hóa phi tuyến để đạt được hiệu quả cao về tỷ số tín trên tạp. Đặc biệt trong hệ thống truyền dẫn số còn áp dụng kỹ thuật nén-giãn số dựa trên các đặc trưng nén-giãn tương tự. Thuật toán nén-giãn được áp dụng cho hai hệ thống Mỹ và Châu Âu dựa trên việc xấp xỉ các đường cong đặc trưng nén-giãn tương tự tương ứng với hai chuẩn m và A. Cụ thể với hệ Mỹ, đường cong đặc trưng nén-giãn tương tự được xấp xỉ bằng 15 đoạn thẳng (bao gồm 7 đoạn dương, 7 đoạn âm và một đoạn qua gốc). Với hệ Châu Âu, được xấp xỉ thành 13 đoạn thẳng (bao gồm 6 đoạn dương, 6 đoạn âm và một đoạn qua gốc được chia thành 4 phân đoạn). 2.2.5. Mã hóa Việc mã hóa các mức lượng tử đều (sau nén) để tạo thành tín hiệu PCM được thực hiện bằng các tổ hợp 8 bits đối với cả hệ Mỹ lẫn Châu Âu và cùng có dạng PXYZABCD. Trong đó, bit P chỉ thị cực tính giá trị lượng tử của mẫu tín hiệu: P=1 với tín hiệu dương và P = 0 với tín hiệu âm. Ba bits XYZ dùng để mã các đoạn thẳng (hoặc phân đoạn) làm gần đúng tuyến tính các luật nén ( m hay A), bốn bit ABCD dùng để mã 16 mức lượng tử đều trong từng đoạn. Hình 2.9: Đặc tuyến xấp xỉ tuyến tính hóa luật A – 13 đoạn Do được tuyến tính hóa theo số đoạn khác nhau, cách nhận được các mã 8 bits PCM đối với hệ Mỹ và hệ Châu Âu cũng khác nhau. Đối với hệ Châu Âu, trước tiên việc mã 12 bit được thực hiện, chia dải biên độ tín hiệu vào một cách tuyến tính H.Q.Trung.ĐTVT
24. 24 thành 4096 bước. Các mạch logic sau đó được sử dụng để tạo ra các từ mã 8 bit theo một quy tắc mã được mô tả trong bảng thuật toán dưới đây: Đoạn Giới hạn dưới của Giới hạn trên của Từ mã Độ lớn của mỗi bước đoạn (tính theo bước đoạn (tính theo lượng tử đều (tính theo số thứ PXYZABCD biên độ vào) bước biên độ vào) bước biên độ lối vào) 1 2048 4096 1111ABCD 128 2 1024 2048 1110ABCD 64 3 512 1024 1101ABCD 32 4 256 512 1100ABCD 16 5 128 256 1011ABCD 8 6 64 128 1010ABCD 4 32 64 1001ABCD 2 7 0 32 1000ABCD 2 (Đoạn gốc) -32 0 0000ABCD 2 -64 -32 0001ABCD 2 8 -128 -64 0010ABCD 4 13 -4096 -2048 0111ABCD 128 Bảng 2.1: Thuật toán mã hóa hóa theo luật A Từ bảng thuật toán trên, chúng ta có thể thấy rằng mỗi một đoạn được chia thành 16 mức lượng tử đều. Giá trị độ lớn của mỗi một mức lượng tử đều (tính theo số bước của mức biên độ lối vào) được ghi ở cột cuối cùng của các bảng là thay đổi theo giá trị mức lối vào. Lợi ích của nén-giãn có thể thấy được thông qua xét làm ví dụ đối với hệ Châu Âu. Chúng ta thấy rằng bộ lượng tử đều sử dụng nén-giãn (cũng còn gọi là bộ lượng tử phi tuyến) có độ phân giải tương đương với độ phân giải của bộ lượng tử đều (lượng tử tuyến tính) với 4096 mức sử dụng các từ mã 12 bit. Như vậy so với việc sử dụng bộ lượng tử tuyến tính 8 bit (256 mức) công suất tạp âm lượng tử giảm được 4x6 = 24 dB. 2.3. ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG VI SAI 2.3.1. Nguyên tắc H.Q.Trung.ĐTVT
25. 25 Như ta đã biết, PCM được thực hiện bằng cách mã hóa các giá trị mẫu được lượng tử hóa của tín hiệu liên tục lối vào. Số bit mã cần thiết, chẳng hạn cho tín hiệu điện thoại, như phần trước đã trình bày, đã được CCITT xác định phải là 8. Tốc độ tín hiệu thoại PCM như vậy là 64 kb/s, chiếm phổ tần khá lớn. Những rung động chuẩn chu kỳ của thanh huyền và các chuyển động hạn chế của các bộ phận thuộc cơ quan phát âm như môi và lưỡi thực tế tạo ra các mẫu âm thanh rất tương quan trong tín hiệu âm hữu thanh. Ngược lại, các âm vô thanh thì có xu hướng không tương quan. Trong đàm thoại, một người đàm thoại tiêu biểu thường nói trong 40% thời gian và đối với các giai đoạn tiếng nói tích cực (giai đoạn có nói trong cuộc đàm thoại) thì các âm hữu thanh xảy ra gấp 4 lần so với các âm vô thanh. Sự trội hơn hẳn của các âm hữu thanh có nghĩa là tính tương quan trong các tín hiệu âm thoại có thể khai thác được một cách có hiệu quả. Do tính tương quan cao của các mẫu tiếng nói, sai lệch giữa hai mẫu kế nhau thường khá nhỏ so với giá trị của từng mẫu. sn- s n-1 << s n (2.7) n Trong đó s= s[ n fs ] là giá trị mẫu của tín hiệu vào tại nhịp lấy mẫu thứ n. Vì vậy, thay vì mã hóa các giá trị mẫu tiếng nói như với PCM, chỉ cần mã hóa sai lệch giữa các mẫu tiếng nói liên tiếp và chỉ cần một số bit ít hơn để mã. Đây chính là nguyên tắc của điều chế xung vi sai DPCM (Differential Pulse Code Modulation). 2.3.2. Điều chế mã xung vi sai với bộ dự đoán Do độ tương quan giữa các mẫu tiếng nói khá lớn nên có thể thực hiện dự đoán được một cách gần đúng một giá trị mẫu nào đó từ một số mẫu trước đó. Một vài phương pháp mã hóa với bộ dự đoán đã và đang được phát triển nhằm đạt được hiệu quả phổ tần cao để truyền tín hiệu thoại cũng như các tín hiệu băng rộng như video. Trong quá trình mã hóa có dự đoán, ước lượng về mẫu tiếp theo có thể dựa trên mối tương quan giữa các phần tử, các đoạn hay các mẫu tín hiệu. Khi ước lượng này khá phù hợp thì sai lệch giữa một giá trị mẫu và giá trị mẫu dự đoán của nó còn nhỏ hơn nữa so với sai lệch giữa các mẫu kế tiếp. Vì vậy, bằng cách sử dụng thêm bộ dự đoán ta có thể chỉ cần mã giá trị sai lệch giữa giá trị thực và giá trị dự đoán của mẫu tín hiệu và số bit cần sử dụng để mã còn có thể giảm hơn nữa so với DPCM không có bộ dự đoán. Nhờ vậy có thể giảm hơn nữa tốc độ truyền và độ rộng phổ chiếm. H.Q.Trung.ĐTVT
26. 26 (Hình 2.11: Cấu trúc mã và giải mã DPCM với bộ dự đoán) Theo cấu trúc mã và giải mã như trên, một bộ dự đoán được sử dụng để tạo ra giá trị ước lượng của mẫu tiếp theo và sai lệch của sự ước lượng này với giá trị thực của mẫu tín hiệu kế tiếp được mã hóa PCM. Tín hiệu lối vào của bộ dự đoán được hình thành từ một bộ giải mã PCM. Ở phía thu, các thuật toán ngược lại được thực hiện. Tín hiệu lối vào bộ mã hóa PCM phía phát là: Rn= s n( t) - X n (2.8) Trong đó, chỉ số n phía trên biểu thị nhịp lấy mẫu thứ n. Giá trị ước lượng của mẫu tiếp theo (tín hiệu lối ra của bộ dự đoán) được xác định (ngoại suy) từ L mẫu trước đó theo biểu thức: L n n X= å ai s( t) (2.9) i=1 Các hệ số ai là các trọng số của thuật toán dự đoán, được lựa chọn một cách thích hợp. Phần tử được sử dụng rộng rãi trong thực hiện bộ dự đoán là bộ lọc giàn bao gồm các đoạn dây giữ chậm T (là khoảng cách giữa các mẫu) và mạng kết hợp trọng số. H.Q.Trung.ĐTVT
27. 27 (Hình 2.12: Bộ lọc giàn dùng làm mạch dự đoán) Bậc của bộ dự đoán thường được giới hạn tới 3 hoặc 4 và tăng ích của các bộ dự đoán tiêu biểu là 15 dB. Cần chú ý ở đây rằng cái giá phải trả cho sự giảm phổ chiếm dụng của tín hiệu, có được nhờ giảm độ dư thừa trong tín hiệu, là mức độ nhạy cảm đối với lỗi truyền dẫn tỷ lệ với mức giảm độ dư thừa. Do tín hiệu thực sự được mã chỉ là sai số giữa tín hiệu thực và tín hiệu dự đoán, nếu có sai lỗi trong truyền dẫn thì sai lỗi này sẽ được cộng vào tín hiệu khôi phục trong suốt quá trình khôi phục bởi vì máy thu chỉ thực hiện giải mã độ chênh lệch, tích phân lại và cộng kết quả với mẫu tín hiệu đã được khôi phục trước đó, và cứ vậy sai lỗi đó sẽ lan ra toàn tín hiệu được khôi phục. 2.3.3. Hiện tượng quá tải sườn DPCM dựa trên tiền đề là các mẫu tín hiệu liên tiếp nói chung có độ chênh lệch nhỏ, vì vậy chỉ cần ít bit để mã. Điều này đúng với các loại tín hiệu biến thiên tương đối chậm. Với các tín hiệu biến thiên khá nhanh thì việc sử dụng tương đối it bit để mã độ chênh lệch sẽ gây méo tín hiệu. Hiện tượng này được gọi là quá tải sườn. Để thấy rõ hiện tượng này, ta xét trường hợp đơn giản nhất của DPCM là điều chế delta. (DM: Delta Modulation), trong đó độ chênh lệch giữa hai mẫu liên tiếp được mã chỉ bằng một bit: khi độ chênh lệch dương thì bit mã là 1, ngược lại khi độ chênh lệch âm, bit mã là 0. Tại phía thu, một lượng cố định D được cộng vào hay trừ đi với mức tín hiệu trước đó (tính tích lũy) tùy theo cực tính của bit nhận được là H.Q.Trung.ĐTVT
28. 28 1 hay 0, hình thành một tín hiệu dạng bậc thang. Sau đó tín hiệu bậc thang được cho qua lọc. Hình 2.13: Quá trình điều chế Delta Hình 2.14: Bộ điều chế Delta Hình 2.15: Bộ giải điều chế Delta 2.4. ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG VI SAI THÍCH ỨNG (ADPCM) Như ta đã trong phần trền, tốc độ ký hiệu hoặc tốc độ bit của tín hiệu PCM gồm các từ mã 8 bit và tín hiệu tiếng nói được lấy mẫu với tần số 8 kHz bằng 64 kbit/s. Nếu số lượng bit của từ mã giảm còn 4 như trong điều chế mã xung vi sai (DPCM) thì tốc độ bit giảm và chỉ bằng 32 kbit/s. Có xu hướng tiêu chuẩn hóa quốc H.Q.Trung.ĐTVT
29. 29 tế tốc độ 32 kbit/s đối với tín hiệu mã tiếng nói nhờ sử dụng ADPCM. Vấn đề này được phản ánh trong khuyến nghị G.721 của CCITT, có liên quan đến điều chế mã xung vi sai tự thích nghi 32 kbit/s và các tài liệu khác. Với một quá trình ngẫu nhiên dừng được xác định như một quá trình mà những đặc tính thống kê của các phép đo quá trình không thay đổi theo thời gian. Nhiều nguồn tín hiệu thực tế là không dừng nhưng tựa dừng. Qúa trình này được thể hiện qua phương sai và hàm tự tương quan thay đổi chậm theo thời gian. Các bộ mã hóa trong các hệ thống PCM và DPCM được tính toán trên cơ sở tín hiệu vào dừng và được mô hình hóa đối với các nguồn tín hiệu tựa dừng. Nếu bộ lượng tử đều PCM được sử dụng thì trị trung bình của tạp âm lượng tử bằng 0, phương sai hoặc công suất tạp âm lượng tử bằng D2 12 . Nếu phương sai thay đổi do sai số lượng tử thay đổi gây ra bởi tín hiệu vào tựa dừng, thì phương pháp để trung hòa là thay đổi bước lượng tử D . Đây là một trong những phương pháp hoạt động của bộ lượng tử hóa tự thích nghi. Bộ lượng tử hóa tự thích nghi thay đổi bước lượng tử của nó phù hợp với phương sai của các xung lấy mẫu tín hiệu đi qua. Các thuật toán được phát triển cho điều chế mã xung vi sai khi mã hóa tín hiệu tiếng nói bằng cách sử dụng bộ lượng tử hóa và bộ dự đoán tự thích nghi, trong đó các hệ số thay đổi có chu kỳ để phản ánh thống kê của tín hiệu vào. Hơn nữa truyền các hệ số dự đoán đến máy thu, và như vậy làm tăng số bit truyền và tốc độ bit, bộ dự đoán thu tính các hệ số riêng của nó. Hình 2.15: Lượng tử hóa tự thích nghi với: (a) đánh giá thuận và (b) đánh giá ngược mức tín hiệu vào. H.Q.Trung.ĐTVT
30. 30 Có hai loại hệ thống tự thích nghi. Thứ nhất là hệ thống DPCM có lượng tử tự thích nghi (thường gọi tắt là DPCM-AQB). Loại thứ hai kết hợp cả bộ lượng tử hóa tự thích nghi và bộ dự đoán tự thích nghi. Loại này gọi tắt là DPCM-APB-AQB. AQF: Thông tin mức tín hiệu được truyền đến bộ mã hóa ở xa khi sử dụng 5-6 bit cho một xung lấy mẫu trên cỡ bước. Cho phép bảo vệ thông tin cỡ bước ở phía phát bằng cách thêm bit dư. Độ trễ đánh giá được tạo ra trong hoạt động mã hóa (bằng 16 ms cho tiếng nói). Yêu cầu chèn các mẫu vào “không lượng tử hóa”. Tự thích nghi khối hoặc tự thích nghi định kỳ; nghĩa là cỡ bước D của nó đổi mới mỗi lần mỗi khối và giữ không đổi suốt trong thời gian một khối của N mẫu. Đánh giá dựa trên cơ sở các mẫu không lượng tử. AQB: Thông tin về cỡ bước D được tách ra từ trạng thái trước đó của bộ lượng tử hóa. Không có trễ của đánh giá. Tạp âm lượng tử làm giảm đặt tính bám sát mức và giảm đặc tính hơn nữa khi tăng cỡ của bước. Đây là hệ thống phi tuyến có hồi tiếp và có thể không tránh khỏi vấn đề về sự ổn định. Các hệ thống AQF đòi hỏi các khối đệm đắt tiền có cấu trúc phức tạp và cũng gây ra trễ, các hệ thống DPCM ít phức tạp thường dùng các mạch AQB nên có lợi ở chỗ không cần các bit ngoài để cung cấp thông tin về cỡ của bước. Hoạt động của các bộ mã hóa DPCM- AQB tại 32 kbit/s được chấp nhận để truyền tiếng nói. Kết quả là không tốt như hệ thống PCM 7 bit sử dụng phương pháp lượng tử hóa logarit mà chỉ so sánh với hệ thống PCM 6 bit lượng tử hóa logarit. Nếu yêu cầu có một hệ thống DPCM 32 kbit/s chất lượng cao thì bộ dự đoán tự thích nghi (APB) phải đưa vào thiết kế. H.Q.Trung.ĐTVT
31. 31 Hình 2.16: Sơ đồ DPCM với (a) dự đoán tự thích nghi thuận Và (b) dự đoán tự thích nghi ngược. H.Q.Trung.ĐTVT
32. 32 CHƯƠNG 3. XỬ LÝ TÍN HIỆU TRUYỀN DẪN SỐ 3.1. RUNG PHA VÀ TRÔI PHA TRONG MẠNG TRUYỀN DẪN SỐ 3.1.1. Vấn đề rung pha và trôi pha Rung pha và trôi pha được định nghĩa tương ứng là sự biến thiên ngắn và dài các thời điểm có ý nghĩa của tín hiệu số so với các thời điểm lý tưởng của chúng. Các thời điểm có ý nghĩa có thể lấy ở điểm giữa hoặc điểm bất kỳ cố định nào đó được nhận biết một cách rõ ràng trên mỗi xung. Sự biến thiên các thời điểm có ý nghĩa ảnh hưởng đến tín hiệu số giống như trong trường hợp khi tín hiệu định thời gốc sử dụng để tạo ra dòng bit bị điều pha với một tín hiệu điều chế, đó là dạng sóng rung pha. Dạng sóng rung pha có thể được biểu diễn bằng một hàm liên tục theo thời gian và độc lập với tín hiệu số bị ảnh hưởng. Điều này có thể minh họa như hình 3.1. Các tín hiệu rung pha có ý nghĩa nhất là các tín hiệu ở khoảng tần số từ vài chục Hz đến vài kHz. Các đơn vị biểu thị biến đổi của rung pha phụ thuộc vào môi trường đang đo nó, và có thể là các đơn vị thời gian, pha hoặc các khoảng thời gian đơn vị (UI). Hình 3.1: Minh họa rung pha và ảnh hưởng của nó đến tín hiệu số Chúng ta sẽ sử dụng UI, CCITT định nghĩa khoảng đơn vị là “độ chênh lệch danh định về thời gian giữa các thời điểm có ý nghĩa kế tiếp nhau của một tín hiệu chiếm thời gian bằng nhau”. Điều này có nghĩa là độ rộng của một chu kỳ tín hiệu số bằng khoảng thời gian đơn vị. Ví dụ, biên độ tức thời của rung pha đã được đo là 1 ms dưới dạng sóng vuông 100 kHz; vì chu kỳ của dạng sóng 100 kHz là 10 ms , đối với tín hiệu định thời phải phân biệt được dấu và khoảng cách, thời gian có ý nghĩa đối với tín hiệu này cách nhau 5 ms . Như vậy khoảng đơn vị sẽ là 5 ms và biên độ rung pha sẽ là 1 ms /5 ms = 0,2 UI. 3.1.2. Các nguồn rung pha H.Q.Trung.ĐTVT
33. 33 Trong nhiều trường hợp rung pha không thể xác định được và chỉ được tính bằng cách sử dụng công cụ thống kê toán học như hàm mật độ xác suất của biên độ (pdf). Giá trị của hàm này chính là xác suất để tìm thấy biên độ rung pha, lớn hơn hoặc nhỏ hơn một giá trị xác định nào đó. Sau khi có hàm mật độ xác suất của biên độ rung pha, chúng ta tính được giá trị trung bình và phương sai của nó. Nếu dạng sóng rung pha có thể xác định được thì một tham số quan trọng là tốc độ biến đổi của rung pha trong tín hiệu số. Rung pha có thể xuất hiện do các nguyên nhân khác nhau trong một hệ thống truyền dẫn số. Tuy vậy, chủ yếu các nguyên nhân này có thể phân thành các loại sau: (1) Rung pha hoặc trôi ở tần số rất thấp do sự thay đổi thời gian trễ truyền dẫn của các cáp Mà sự thay đổi đó lại do sự biến đổi chậm của nhiệt độ nơi đặt cáp gây ra. (2) Rung pha tần số thấp do sự bất ổn định không phối hợp của các nguồn đồng hồ gây ra. (3) Rung pha do tạp âm gây ra, nó xuất hiện do tạp âm pha trong các mạch của bộ dao động điều khiển bằng tinh thể được sử dụng để làm đồng hồ trong toàn hệ thống, cũng như tạp âm trong các mạch logic gây ra rung pha cho các chuyển tiếp số và đồng hồ trong khi có hiện tượng choãi sườn xung. (4) Rung pha sinh ra do ghép tín hiệu, xuất hiện do việc đưa vào hoặc lấy ra các bit hiệu chỉnh và các khung số. (5) Nhiễu giao thoa giữa các ký hiệu gây nên méo dạng xung của mỗi bit. Điều này gây ra sự thay đổi về mức phát hiện của mỗi xung, gây nên hiện tượng rung pha cho luồng bit đã được tái sinh. (6) Rung pha của bộ tái sinh xuất hiện do sự khôi phục thời gian không phù hợp trong các trạm lặp tái sinh số. Trừ rung pha sinh ra do các bộ tái sinh, các nguồn rung pha đã kể ở trên có ở mức thấp và không tương quan. Trong các trường hợp này, rung pha cộng với nhau trên cơ sở công suất và tích lũy dọc hệ thống truyền dẫn số. Tuy vậy rung pha của các bộ lặp là do từng mẫu sinh ra và do đó tương quan với nhau. Vì cùng mẫu hoặc các biến đổi trùng mẫu đưa đến mỗi bộ lặp, nên trong trường hợp này rung pha sẽ được tích lũy trên cơ sở biên độ. 3.1.2.1. Rung pha do các phần tử định thời sinh ra H.Q.Trung.ĐTVT
34. 34 Rung pha này có biên độ và tần số tương đối thấp và nó xuất hiện do tạp âm pha không phối hợp trong mạch dao động của đồng hồ và do thay đổi độ rộng sườn xung trong các mạch logic. Trong nhiều trường hợp rung pha sinh ra có thể bỏ qua. Các yếu tố mà chúng ta có thể tạo ra các dạng rung pha hoặc trôi, là các sự biến đổi chậm trong nguồn cung cấp và các thay đổi về nhiệt độ lần lượt ảnh hưởng đến các mức ngưỡng kích thích trong các mạch logic. 3.1.2.2. Trôi do sự thay đổi nhiệt độ gây ra Thường rung pha biến thiên chậm được xem như trôi xuất hiện do sự biến đổi về nhiệt độ của thiết bị và kênh truyền dẫn gây ra sự thay đổi về thời gian đối với tín hiệu đi qua chúng. Vì trôi có tần số thấp nên các vòng khóa pha có xu thế làm tăng sự trôi này và như vậy thực tế không thể dùng các vòng khóa pha để loại bỏ hoặc giảm sự trôi được, trừ khi thiết kế chúng có hằng số thời gian rất dài. Có thể sử dụng các bộ nhớ đệm có dung lượng đủ lớn, vì chúng có khả năng hấp thụ được các sự biến đổi của các rung pha tương đối dài hơn này. Bảng 3.1: Bảng giá trị đánh giá đối với trôi Bảng 3.1 cho một giá trị đánh giá của trôi đối với các hệ thống khác nhau ở Anh. Các biên độ trôi giống như rung pha, có thể được biểu thị bằng các khoảng đơn vị, nhưng phổ biến hơn thường dùng các đơn vị thời gian. Thường thì người ta sử dụng các bộ nhớ đệm để điều tiết sự tồn tại đầu vào của cac thiết bị số nhằm tối thiểu hóa các hiện tượng trôi điều khiển được hoặc không điều khiển được. 3.1.2.3. Rung pha do hiệu chỉnh tạo ra Như đã trình bày trong phần trên, hiệu chỉnh là một quá trình trong đó các bit được chèn đều đặn vào luồng bit đến để nâng tốc độ bit lên đến tốc độ mà thiết bị ghép kênh yêu cầu. Ở đầu cuối xa nhờ có các tín hiệu điều khiển hiệu chỉnh, các bit H.Q.Trung.ĐTVT
35. 35 được chèn thêm vào đó bị gạt ra để khôi phục lại tín hiệu thông tin trở lại giá trị danh định của nó. Việc loại bỏ một bit hiệu chỉnh ở đầu cuối thu nghĩa là tín hiệu số xảy ra đột biến, được lọc ra để lại các chỗ trống của một khoảng khe thời gian. Tín hiệu bất thường này ngoài việc đi vào bộ nhớ đàn hồi, còn được đưa đến đầu vào mạch vòng khóa pha, mạch này tách tín hiệu định thời từ tốc độ trung bình của tín hiệu bất thường này. Tín hiệu định thời tổng hợp sử dụng để đọc tín hiệu ra từ bộ nhớ đàn hồi (nó đã hấp thụ sự bất thường này). Nếu sự định thời không tương thích, sẽ còn lại thành phần rung pha dư ở tín hiệu ra. Gía trị RMS của rung pha này có thể biểu thị bằng 0,2887 ( fmax ), ở đây fmax là tốc độ bit ở đầu ra của bộ ghép kênh. Ngoài rung pha hiệu chỉnh, còn có một thành phần rung pha bổ sung gọi là rung pha “thời gian chờ đợi”. Nó xuất hiện do sự trễ giữa thời gian hiệu chỉnh đã có. Dạng rung pha này là một loại tích lũy trong thiết bị ghép kênh và có thể có các thành phần ở các tần số nằm trong băng thông của vòng khóa pha của bộ tách kênh, đó là rung pha tần số thấp. Trong thời gian chờ đợi biên độ rung pha tăng tuyến tính, tạo nên những mẫu răng cưa đặc trưng. Sự tích lũy của rung pha thời gian chờ đợi có tốc độ nằm giữa (N )1/ 4 và (N )1/ 2 , ở đây N là số cặp ghép kênh. Một mô hình đã được công bố phù hợp với các phép đo tiến hành trên một đoạn số gồm một thiết bị ghép kênh có liên quan đã chỉ ra rằng rung pha của bộ lặp cộng thêm vào rung pha thời gian chờ đợi do bộ tách kênh và do đó trong x đoạn số đối với một hệ thống hữu tuyến hoạt động ở 140 Mbit/s và đối với một hệ thống viba hoạt độ ở 34 Mbit/s, thì tổng rung pha J X bằng công suất đó do một đoạn đơn nhân với căn bậc 3 của số đoạn suốt đường nối. Và người ta cũng đã chứng minh là biên độ rung pha của thời gian chờ đợi lớn hơn giá trị của rung pha mẫu phụ thuộc. 3.1.2.4. Rung pha do hoạt động của bộ tái sinh Hầu hết các bộ tái sinh số sử dụng hiện nay đều tự định thời, tức là tín hiệu ra đã được định thời lại dưới sự điều khiển của một tín hiệu định thời đã được tách ra từ tín hiệu vào. Dạng rung pha đáng kể nhất xuất hiện do sự không hoàn thiện trong mạch điện, phụ thuộc vào dãy xung trong tín hiệu số đang được truyền đi. Rung pha này được gọi là rung pha mẫu phụ thuộc. Trong các luồng bit số mang số liệu, không thể tách trực tiếp thông tin định thời được. Đó là vì luồng bit không chứa các xung trong mọi khe thời gian. Để tách thông tin định thời, cần phải tiếp tục xử lý và trong quá trình xử lý cần tạo ra một dòng xung đồng hồ đều đặn, đã có rung pha định thời xen vào. Một phương pháp đã H.Q.Trung.ĐTVT
36. 36 được sử dụng để tách thông tin định thời là sử dụng luồng bit vào để thiết lập dao động trong mạch điều hưởng có Q cao. Nếu Q đủ cao, vào lúc thời gian dao động bắt đầu tắt sẽ có một xung khác đến và bắt đầu mạch lại dao động một lần nữa. Vì thực tế Q của mạch là hữu hạn cho nên tín hiệu ra sẽ bao gồm vạch phổ đã được tách cộng với một thành phần rung pha do sử chuyển đổi biên độ pha của tạp âm ngẫu nhiên trong tín hiệu vào. Rung pha do tạp âm này tạo ra sẽ hoàn toàn ngẫu nhiên và không tương quan với tín hiệu vào. Vì vậy, các bộ lặp khác dọc đường dây tạo nên rung pha một cách độc lập và có xu hướng tích lũy, dù cho mỗi bộ lặp sẽ nén điều pha trong tín hiệu vào ở một phạm vi nào đó. Tuy vậy, bất kỳ rung pha hoặc tạp âm nào nằm trong băng tần của mạch khôi phục đồng hồ sẽ xuất hiện trong tín hiệu định thời lại sẽ thêm vào rung pha do chính mạch khôi phục đồng hồ gây ra. Như vậy lượng điều pha bị giảm phụ thuộc vào giá trị Q của mạch điều hưởng và lượng mạch bị lệch tần số danh định. Đứng trên quan điểm của rung pha, sự hoạt động của một bộ lặp tái sinh tương đương như một bộ lọc thông thấp đối với rung pha có ở tín hiệu vào, nhưng đồng thời cũng tạo nên rung pha, như đã nói ở trên. Có thể biểu thị điều này bằng một nguồn rung pha bổ sung ở đầu vào. Nếu rung pha này thực sự là ngẫu nhiên, vì nó được sinh ra từ những mẫu phụ thuộc hoặc rung pha tương quan, thì tổng rung pha RMS J N tồn tại trong tín hiệu số sau N bộ tái sinh sẽ được biểu thị bằng biểu thức gần đúng: 1/ 4 JJNN = × Ở đây J là rung pha RMS tạo nên từ một bộ tái sinh đơn do các nguồn rung pha không tương quan. Nguồn rung pha tạo nên do một mẫu ngẫu nhiên là ngẫu nhiên về bản chất và hàm phân phố xác suất của biên độ (pdf) có thể coi gần như phân bố Gauss. Do đó, với một độ lệch chuẩn hoặc biên độ rung pha RMS đã cho, ta có thể tính được xác suất rung pha vượt bất kỳ biên độ đỉnh – đỉnh nào đã chọn. Với những mục đích xác định, giả thiết tỷ số đỉnh – đỉnh trên RMS là 12 đến 15, lúc đó xác suất vượt rất thấp. 3.1.2.5. Rung pha đồng chỉnh Rung pha đồng chỉnh là hiệu tức thời giữa rung pha tín hiệu định thời và rung pha tín hiệu tín tức. Đó là rung pha rương đối, ngược với rung pha tuyệt đối. Cũng có thể xem đó là hiệu giữa rung pha vào và rung pha ra của một bộ tái sinh bất kỳ trong một chuỗi dài của các bộ lặp tái sinh, sẽ có giá trị không đổi đối với tất cả các bộ lặp, và giá trị cực đại xuất hiện trong chuỗi. H.Q.Trung.ĐTVT
37. 37 3.1.3. Các ảnh hưởng của rung pha Tại một giao diện liên kết, dung sai vào đối với rung pha của thiết bị tiếp theo sẽ được thiết kế để điều tiết rung pha do thiết bị phía trước sinh ra; nói cách khác, nếu không điều khiển một cách thích đáng thì sự tích lũy rung pha sẽ gây ra những vấn đề sau: (1) Tăng xác suất các lỗi số đưa vào trong các tín hiệu số tại các điểm tái sinh tín hiệu do các tín hiệu định thời bị lệch về thời gian so với các vị trí tối ưu của chúng. (2) Đưa các độ rung pha điều khiển được vào các tín hiệu số do khả năng nhớ số đã được thiết kế để phục vụ cho các mục đích khác đã sử dụng hết, vì thế gây ra sự tràn bộ nhớ, với hiệu ứng ngược lại là làm cạn bộ nhớ. Hiện tượng tràn và cạn xuất hiện trong các loại nào đó của các bộ đệm và các bộ so pha của thiết bị đầu cuối, ví dụ các bộ giảm rung pha và thiết bị ghép kênh số nào đó. (3) Suy giảm tin tức tương tự, đã được mã hóa số do sự điều pha của các mẫu đã được khôi phục trong thiết bị biến đổi số/tương tự ở đầu cuối của đường nối. Trong trường hợp này, rung pha thời gian ảnh hưởng đến tính đồng đều về khoảng cách giữa các mẫu của các tín hiệu PAM đã được khôi phục, người ta thường gọi là rung pha tuyệt đối. Tín hiệu tiếng nói đã được mã hóa số thì nhạy hơn nhiều. 3.1.4. Các giới hạn của rung pha và trôi Trong một mạng thông tin số, cần phải điều khiển được sự tích lũy rung pha và trôi. Các lý do để điều khiển này là phải đảm bảo các mục tiêu về lỗi số và trôi không được vượt các chỉ tiêu đã nêu ra trong khuyến nghị G821 và G822 của CCITT và chất lượng thông tin tương tự đã mã hóa lấy ra từ các mẫu đã được khôi phục trong quá trình biến đổi số thành tương tự không bị giảm sút đáng kể. Điều khiển rung pha để hạn chế số lỗi trong một phạm vi cho phép bằng cách giới hạn lỗi đồng chỉnh trong mỗi một quá trình khôi phục thời gian. Điều này có thể đạt được bằng cách thiết kế mạch khôi phục đồng hồ có độ rộng băng tần của rung pha có thể so sánh được với băng tần của rung pha vào. Biên độ rung pha tuyệt đối thường không đáng kể khi xuất hiện các lỗi do rung pha tạo ra. Việc điều khiển trôi nằm trong phạm vi cho phép chỉ có thể đạt được nếu xét đến việc tạo ra rung pha và tích lũy rung pha trong tất cả các thiết bị trên toàn mạng. H.Q.Trung.ĐTVT
38. 38 Điều này nói lên yêu cầu đối với điều khiển toàn bộ rung pha và các đặc điểm kỹ thuật của rung pha. Vì điều khiển rung pha nghĩa là “điều khiển rung pha trong một giới hạn xác định” cần phải định rõ các giới hạn này bằng cách sao cho có thể thực hiện được sự điều khiển toàn bộ. Đặc điểm kỹ thuật của các giới hạn này được xác định như sau: Các thành phần liên kết khác nhau như các tuyến viba số hoặc các phần riêng biệt của thiết bị như thiết bị ghép kênh, các tổng đài số, Mạng tổng thể với những cấu hình mạng khác nhau. Các mạch nối quốc tế. Quan điểm điều khiển rung pha phải đảm bảo là các mục tiêu lỗi và trôi sẽ đáp ứng đối với rung pha xảy ra trên phần tử bất kỳ của mạng ở đầu vào của nó, không kể đến vị trí của nó trong mạng hoặc tín hiệu xuất phát từ đâu trong mạng lưới. Hơn nữa các mục tiêu này phải tiếp tục đáp ứng dù răng mạng được mở rộng và cấu hình của nó thay đổi. Khuyến nghị G823 của CCITT tập trung vào việc điều khiển rung pha và trôi trong các mạng số dựa trên cấp 2048 kbit/s và được giải quyết trước lúc xét cấp 1544 kbit/s. Bảng 3.1: Rung pha cho phép cực đại tại giao diện phân cấp dựa trên cấp 2048 kbit/s. (Rung pha đầu vào có thể chịu được). Bảng 3.2: Rung pha cực đại khi không có rung pha vào đối với một đoạn số có độ dài một HRDS (rung pha nội tại). H.Q.Trung.ĐTVT
39. 39 Bảng 3.3: Các đặc tính truyền đạt rung pha của bộ tách/ghép số. 3.1.5. Các phương pháp đo rung pha Nhằm để định mức đặc tính rung pha của thiết bị và các hệ thống và so sánh với các giới hạn đã cho ở trên, người ta phải tìm ra một cách đo rung pha. Trước lúc mô tả các phương pháp đo, các bài đo ta miêu tả một cách vắn tắt một số thiết bị đo được dùng trong thực tế. 3.1.5.1. Thiết bị đo rung pha - Bộ hiện sóng: Phương pháp sử dụng bộ hiện sóng là phương pháp đơn giản nhất trong tất cả các phương pháp nhưng chỉ được sử dụng để xác định giá trị đỉnh-đỉnh của rung pha đối với các nguồn lặp như tín hiệu thời gian. Không thể sử dụng cho các luồng số vào không lặp vì không thể kích thích máy hiện sóng. Phương pháp này bao gồm việc sử dụng một tín hiệu đồng chỉnh, là bội của tần số vào hoặc trùng với tần số vào. Chuẩn này được sử dụng cho đầu vào kích thích của máy hiện sóng. Tín hiệu thời gian lặp đưa đến đầu vào của máy hiện sóng và điều chỉnh máy tạo sóng để hiển thị ổn định. H.Q.Trung.ĐTVT
40. 40 Nếu tín hiệu trên màn hình biểu thị rung pha đỉnh-đỉnh không rõ nét, có thể xác định nó bằng cách so sánh với gốc thời gian đã định của bộ hiện sóng. Có thể sử dụng phương pháp này để xác định độ trôi bằng cách chú ý tới sự chuyển động của một tín hiệu thời gian chủ đạo hoặc độ mờ nét trong một thời gian dài, hoặc chú ý đến biên độ thời gian đỉnh – đỉnh đối với các biến đổi chậm. Một khuyết điểm của phương pháp này là không thể xác định được các thành phần tần số của rung pha bất kỳ được đo. Tần số thấp bị ảnh hưởng của trôi có thể coi là trội hơn hẳn và có thể đưa vào tính toán trong giai đoạn thiết kế thiết bị là f1. - Bộ tách pha đã định cỡ: Một trong các thiết bị thông dụng nhất thuộc loại này là vôn kế vector Hewlett Packard. Cũng như máy hiện sóng, nó chỉ có thể sử dụng cho những tín hiệu đồng hồ hoặc những luồng bit lặp, trong đó tín hiệu chuẩn là tín hiệu hoặc có cùng tốc độ với tín hiệu vào hoặc bội của tốc độ tín hiệu vào. Về cơ bản, loại tách sóng này so pha của đồng hồ chuẩn với pha của đồng hồ tín hiệu. Mỗi đầu vào được xử lý trước khi so pha nhằm để loại trừ các sự biến đổi về biên độ và đảm bảo dạng sóng thích hợp. Theo thiết kế, bộ so pha có thể là một mạch “mẫu-giữ” được sử dụng trong vôn kế vector. Đầu ra của bộ so pha được xử lý tiếp tục, sau đó được đưa đến đồng hồ đo, bộ phân tích phổ hoặc bộ ghi đồ thị, mỗi bộ đều được chuẩn cùng với thiết bị để cho phép đọc trực tiếp rung pha đỉnh-đỉnh. - Bộ hiện sóng xử lý số: Kỹ thuật này cung cấp một bộ đánh giá lượng tử hóa thời gian và biên độ đối với hàm mật độ xác suất các lần chuyển tiếp của tín hiệu số, khác với nhiều kỹ thuật đo rung pha bình thường, cho phép đo ở tất cả các mức phân cáp và các tốc độ số liệu trung gian. Ngoài ra kỹ thuật này cũng mô tả chi tiết hiện tượng rung pha, cho phép đo một chuyển tiếp trong dãy số liệu tuần hoàn, hoặc đo toàn bộ của tất cả các chuyển tiếp. Phương pháp này cũng cho các phương pháp để nhận dạng và nghiên cứu sự phân bố của rung pha không tương quan và rung pha mẫu phụ thuộc. Để tín hiệu bị rung pha được thể hiện trên màn hình máy hiện sóng xử lý số (DPO), ta đưa một tín hiệu chuẩn không có rung pha đến đầu vào kích thích. Bằng cách đặt tốc độ dốc cực đại của tín hiệu ở trung tâm của màn hình, tín hiệu đã được tạo ra cho qua một cửa sổ điện áp trong một thời gian nhỏ nhất. H.Q.Trung.ĐTVT
41. 41 Sử dụng những phích cắm tốc độ cao, có thể mở rộng trục thời gian cho đến khi tín hiệu chiếm đầy toàn bộ màn hình, một khi đạt được giai đoạn này, độ nhạy điện ấp bị giảm xuống, như vậy bằng cách tạo ra một cửa số điện áp thì nó chỉ tạo nên một phần thay vì cho toàn bộ biểu thị trước. Mục đích của cửa số điện áp này là tạo ra lượng tử hóa biên độ và như vậy định được khoảng thời gian trong đó các điểm trên dạng sóng rơi vào trong cửa sổ này. Nếu đã cho một trọng số, ở đó bất kỳ một chuyển tiếp nào xuất hiện trong cửa sổ đều bằng 1 và ngoài cửa số đều bằng 0, có thể đạt được một đánh giá của hàm mật độ xác suất rung pha. Xác định hàm mật độ xác suất này bằng cách ghi vạch giá trị của nó cứ sau m chuyển tiếp. Các giá trị pdf gián đoạn đạt được bằng cách truy nhập sau mỗi m chuyển tiếp, một tệp nhỏ n từ tích lũy số chuyển tiếp tại thời điểm chuyển tiếp của tín hiệu xuất hiện trong của số là N(t), và chia giá trị này theo thời gian kể từ khi bắt đầu thí nghiệm, đó là tổng số các chuyển tiếp nhân với thời gian giữa các chuyển tiếp. Ngoài hàm mật độ xác suất này, cũng có thể xác định được độ lệch chuẩn rung pha RMS. Đối với hệ số tin cậy cao hơn có thể sử dụng các phương pháp thống kê để xác định hàm mật độ xác suất đối với các phần khác nhau của tín hiệu vào, cũng như các giá trị rung pha RMS. Vì các kết quả thu được phụ thuộc vào việc thiết lập chế độ làm việc để kích thích cũng như tối ưu hóa đáp tuyến, nên cần tiến hành làm thêm những thí nghiệm phụ, yếu tố chủ quan này làm khó khăn trong việc thu nhận các kết quả lặp đi lặp lại. - Một số thiết bị đo có trên thị trường: + Bộ phân tích truyền dẫn số HEWLETT-PACKARD 3764A. Thiết bị này cho phép đo lỗi đến cáp 139,268 Mbit/s theo khuyến nghị O151 của CCITT, và tạo rung pha, đo theo Khuyến nghị O171 của CCITT ở 139 Mbit/. Có thể sử dụng thiết bị đo rung pha như sau: Rung pha đầu ra đỉnh-đỉnh cực đại. Độ cho phép đối với rung pha vào. Hàm truyền đạt rung pha. Đếm tác động của rung pha tổng cộng. Đếm trong nhiều giây tác động của rung pha tổng cộng. H.Q.Trung.ĐTVT
42. 42 Đếm trong nhiều giây không tác động của rung pha tổng cộng. Tất cả các đo lường rung pha tiến hành đồng thời, và lựa chọn các kết quả mong muốn để biểu thị. + Thiết bị đo lỗi WANDEL&GOLTERMANNPF - 4 BIT VÀ BỘ ĐIỀU CHẾ RUNG PHA PFJ-4. Khi sử dụng đồng thời hai thiết bị này cho phép nghiên cứu rung pha trên các hệ thống thông tin 140 Mbit/s. Ngoài ra hãng sản xuất thiết bị đo lường đã nói trên, còn có một số hãng có tiếng đó là Siemens, Marconi, 3.1.5.2. Thiết lập đo rung pha Trong điều kiện hoạt động bình thường có thể coi tín hiệu thông tin là ngẫu nhiên và phụ thuộc vào tải lưu lượng thông tin. Để phát hiện sự bất thường trong hệ thống với các điều kiện này cần phải tiến hành đo trong một thời gian dài, đặt biệt nếu hệ thống là mới. Cần giới hạn của mạng đã cho trong bảng trên chỉ ra rằng xác suất vượt các mức rung pha như vậy là rất nhỏ. Tuy nhiên, thời gian quan sát thực tế để thu được các mức có độ tin cậy cao đò hỏi một thời gian đo dài không thể chấp nhận được. Đối với phòng thí nghiệm, nhà máy và các mục đích ủy thác, thì người ta tiến hành các đo lường trên hệ thống bằng một loạt phép đo thử đặc biệt. Trong đo lường cần sử dụng các dãy thử giả ngẫu nhiên để sao cho kết quả thu được phải gần giống với hoàn cảnh thực tế trong đó nội dung thông tin hầu như gần ngẫu nhiên hơn I V đỉnh-đỉnh với trở khác 75. Bố trí thiết bị đo thử theo khuyến nghị của CCITT H.Q.Trung.ĐTVT
43. 43 Hình 3.2: Thiết lập đo rung pha của CCITT H.Q.Trung.ĐTVT
44. 44 Để phát tín hiệu này thì cần một bộ tạo đồng hồ và một nguồn điều chế như hình 3.2(A). Nguồn điều chế có thể lấy trong bộ tạo đồng hồ hoặc bộ tạo mẫu hoặc cũng có thể lấy riêng rẽ như đã nêu. Bộ tạo đồng hồ có thể bị điều pha bằng nguồn điều chế và chỉ ra độ lệch đỉnh-đỉnh của tín hiệu đã được điều chế. Các đầu ra của bộ tạo đồng hồ gồm có tín hiệu đồng hồ đã được điều chế và một tín hiệu chuẩn thời gian, các tín hiệu đó yêu cầu không được nhỏ hơn 3.1.5.3. Đo rung pha Thông thường các thành phần của hệ thống được thiế kế để chịu được các mức rung pha xác định trong khoảng tần số thiết kế: neus rung pha của một tín hiệu số vượt các giá trị này, sẽ xuất hiện lỗi truyền dẫn. Ghi biên độ rung pha và đánh dấu thời điểm mà rung pha vượt ngưỡng này và sau đó đố chiếu các thời điểm này với các đặc tính của hệ thống sẽ thấy được một cách sâu sắc ảnh hưởng của rung pha. Trong một số ứng dụng, một điều rất bổ ích là xem xét phép đo rung pha phụ thuộc vào tần số, vì thường thường các hệ thống chịu đựng được biên độ rung pha ở tần số thấp rất tốt hơn là đối với các thành phần tần số cao. Các đặc tính và các hàm truyền đạt rung pha của các thành phần hệ thống cũng là cac tham số quan trọng, chúng có thể hỗ trợ cho việc nâng cao chất lượng hệ thống. Trong các hệ thống số tương đối dài nối qua các trạm lặp, mức độ cho phép của một đầu vào bộ lặp đối với những lệnh biên độ rung pha là hàm của tần số rung pha. Có thể sử dụng đơn vị trọng số tần số trong phép đo rung pha, nó biểu thị độ lớn rung pha tỷ lệ với tác hại của rung pha vào hệ thống, không kể đến lượng tần số của rung pha . Trong đo rung pha, cần thực hiện ba phép đo chủ yếu, đó là: - Xác định rung pha nội tại ở đầu ra khi không có rung pha vào. - Xác định hàm truyền đạt rung pha. - Đo rung pha đầu vào cực đại cho phép. Như ta đã nói ở trên, thiết bị đo cơ bản gồm một bộ tạo mẫu có thiết bị điều chế rung pha, một đồng hồ đo rung pha và một bộ phát hiện tỷ lệ lỗi bit. Thiết bị được đo có thể là một thành phần của hệ thống ví dụ như một phần của thiết bị ghép kênh, một bộ tái sinh hoặc một hệ thống truyền dẫn đầy đủ. Rung pha nội tại được đo bằng tắt điều chế rung pha trên thiết bị đo. Để xác định hàm truyền đạt, thì bộ tạo sóng bị điều pha hình sin với các tần số khác nhau và với một biên độ rung pha cho H.Q.Trung.ĐTVT
45. 45 phép. Nhờ sự hỗ trợ của bộ phát hiện tỷ lệ lỗi bit có thể xác định được rung pha đầu vào cực đại cho phép. Rung pha đầu vào được tăng cho đến lúc xuất hiện lỗi. Điều này được lặp lại đối với những tần số rung pha khác nhau. Bình thường xác định sử dụng dãy nhị phân giả ngẫu nhiên cho tất cả ba phép đo này. 3.1.6. Các phương pháp tối thiểu hóa rung pha Thường sử dụng hai phương pháp cơ bản. Phương pháp thứ nhất là tiến hành các bước để ngăn chặn việc sinh ra và tích lũy một cách có hệ thống của rung pha bằng cách sử dụng các bộ trộn ngẫu nhiên. Các thiết bị này làm cho tín hiệu trở thành ngẫu nhiên và như vậy giảm được ảnh hưởng của bất kỳ cơ chế gây rung pha của mẫu phụ thuộc. Phương pháp thứ hai là giảm độ lớn của rung pha đã có bằng cách sử dụng mạch khôi phục lại thời gian có độ rộng băng tần nhỏ hơn độ rộng băng tần của tín hiệu. Mạch này được gọi là “bộ giảm rung pha”. Như đã nói ở trên, các tần số rung pha thấp hơn tần số cắt của bộ giảm rung pha không bị giảm và có thể gây ra trong một số mạch một độ lệch không điều khiển được, do đó biên độ rung pha tại các tần số này được tích lũy và đủ lớn làm ảnh hưởng tới các thiết bị số không trong suốt đối với rung pha. Tuy nhiên trong hoàn cảnh thực tế việc chọn các bộ nhớ đệm có dung lượng đủ lớn ở đầu vào của các thiết bị số giảm nhẹ bớt vấn đề này. 3.1.7. Các bộ trộn ngẫu nhiên (Scrambling) Một số ưu điểm của các bộ trộn ngẫu nhiên khi sử dụng như là một bộ phận hợp thành của hệ thống truyền dẫn số. - Đảm bảo sự tích lũy rung pha không tương quan với tín hiệu. - Giảm được ảnh hưởng tích lũy của rung pha tần thấp. - Giảm được các ảnh hưởng của nhiễu trên các đôi cáp đối xứng sinh ra do các hệ thống đồng bộ bằng cách nén các thành phần phổ rời rạc của các mẫu bit tuần hoàn. Nói chung, bộ xáo trộn nhằm làm cho dữ liệu ngẫu nhiên hơn bằng cách loại bỏ các chuỗi bit “1” hay bit “0”. Việc xáo trộn (scrambling) làm cho dữ liệu trở nên “thông suốt” hơn có nghĩa là dữ liệu sẽ không tồn tại một chuỗi dài các bit “1” hay các bit “0”. H.Q.Trung.ĐTVT
46. 46 Hình 3.3. Bộ trộn và giải trộn giả ngẫu nhiên cơ bản Bộ xáo trộn bao gồm thanh ghi dịch, và bộ khử xáo trộn tương ứng chứa thanh ghi dịch phản hồi thuận. Mỗi lần thực hiện dịch ứng với việc làm trễ đi một bit. Để phân tích bộ xáo trộn và khử xáo trộn, ta xét chuỗi dữ liệu T ở lối ra của mộ xáo trộn. Nếu như gọi S là chuỗi dữ liệu lối vào bộ xáo trộn thì: Trong đó D là toán tử trễ. DnT là chuỗ T đã bị làm trễ đi n đơn vị. Từ phương trình trên ta có: Để thiết kế bộ giải xáo trộn (descrambler) tại máy thu, ta bắt đấu với chuỗi dữ liệu T (từ lối ra bộ xáo trộn), chuỗi này được đưa tới lối vào của bộ giải xáo trộn (descrambler). Từ phương trình trên, ta nhận được chuỗi dữ liệu ban đầu S từ chuỗi dữ liệu thu được T, được thực hiện bởi bộ giải xáo trộn descrambler). Cần chú ý rằng nếu xảy ra một lỗi đơn trong chuỗi dữ liệu thu được T sẽ gây ảnh hưởng tới 3 bit ở lối ra R. Bởi thế, xáo trộn có nhược điểm là có thể gây ra một loạt các lỗi từ một lỗi bit đơn. H.Q.Trung.ĐTVT
47. 47 Ví dụ: Cho lối vào của bộ xáo trộn là một chuỗi bit S = 101010100000111. Hãy tìm lối ra T, giả sử rằng các thanh gi được khởi tạo bằng 0. Giải: Từ sơ đồ bộ xáo trộn (scrambler), ta quan sát thấy khởi tạo T = s, và chuỗi S vào thanh ghi và phản hồi lại có dạng: Chuỗi mới FS tiếp tục vào thanh ghi và trở lại có dạng F2S, cứ thế tiếp tục. Tổng quát ta có: Do Nên => Tương tự, ta có: Vì vậy: DSn là chuỗi S bị trễ n bit. Do đó ta có thể tìm chuỗi T như sau: H.Q.Trung.ĐTVT
48. 48 3.2. CÁC MÃ ĐƯỜNG TRUYỀN Một số lý do để mã hóa số là: - Đưa vào độ dư bằng cách mã hóa các từ số liệu nhị phân thành những từ dài hơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng ta có thể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một qui luật từ mã hợp thành, cho phép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ chênh lệch giữa những con số “1” và những số “0” xuất hiện trong một từ mã (đó là giảm sự chênh lệch). Việc giảm độ chênh lệch này dẫn tới giảm thành phần một chiều. Nếu độ chênh lệch này giảm đến không đối với tất cả tập hợp từ mã thì thành phần một chiều của chúng cũng giảm đến không. Điều này là cần thiết vì không thể truyền thành phần một chiều của tín hiệu số đi được. Có thể sử dụng các từ mã phụ trong mã dư để truyền số liệu phụ như truyền bit chẵn lẻ trong mã phát hiện lỗi và truyền các kênh phụ trợ. Tuy vậy việc tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bit và do đó tăng độ rộng băng tần. Tốc độ bit tăng tỷ lệ với tỷ số độ dài cảu từ mã ra trên độ dài của từ mã vào. Ở mã 5B6B tốc độ bit ở đầu ra tăng 6/5 lần so với tốc độ bit vào. - Mã hóa tín hiệu nhị phân thành tín hiệu nhiều mức để giảm độ rộng băng tần. Loại mã này quan trọng khi truyền số liệu có tốc độ cao trên đôi dây kim loại có dải tần hạn chế. Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh hoặc tăng tốc độ bit với một độ rộng băng tần đã cho sẽ làm tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm để đạt được xác suất lỗi cho trước. - Bảo mật tin tức ở những nơi yêu cầu tính an toàn cao đặc biệt trên các tuyến truyền số liệu của các hệ thống máy tính xử lý số liệu. - Tạo phổ tín hiệu nhằm ứng dụng cho những mục đích đặc biệt như đồng bộ giảm thành phần biên độ tần số không đến 0, hoặc giảm các thành phần cao và thấp của tần số trước lúc lọc . Có thể đưa những số “0” đặc biệt vào các luồng số được mã lưỡng cực bậc cao bị chèn và các luồng số bị chèn. Trong quá trình mã hóa PCM như đã trình bày trong chương trước, tất cả các bit thông tin được ngầm giả thiết là nhị phân đơn cực. Giả thiết này là hợp lý miễn là các bit thông tin đã được xác định trong một công đoạn nhất định nào đó của thiết bị xử lý và dây nối không được dài quá vài mét. Với những đường dây nối tương đối dài, đường cáp đôi xoắn bọc kim, hoặc cáp đồng trục thì không nên sử dụng luồng bit nhị phân. H.Q.Trung.ĐTVT
49. 49 Một số lý do làm cho độ dài của các dây nối giữa các bộ phận của thiết bị dài hơn hai mét là: + Thiết bị ghép kênh PCM sở cấp được bố trí ở những vị trí khác so với thiết bị ghép kênh bậc 2 hoặc cao hơn. + Thiết bị PCM sơ cấp hoặc thiết bị ghép kênh bậc 2 hoặc cao hơn có thể được nối đến thiết bị truyền dẫn để xử lý tiếp tục tín hiệu trước lúc truyền qua kênh thông tin. + Thông tin PCM sơ cấp hoặc thông tin ghép kênh bậc 2 trở lên có thể được truyền trực tiếp qua cáp đôi bọc kim, hoặc cáp đồng trục đến đầu cuối xa. Dù lý do gì đi nữa, thì tín hiệu số rời khỏi một công đoạn duy nhất của thiết bị xử lý cũng phải giao tiếp chính xác để phối hợp với kênh truyền dẫn, thậm chí kênh truyền dẫn chỉ là một đoạn nối tiếp giữa các thiết bị được sử dụng trong xử lý tín hiệu trước lúc truyền lên kênh thông tin. Các lý do tại sao một tín hiệu nhị phân đơn cực, (tức là một tín hiệu chỉ có hai trạng thái trong đó một trạng thái ở mức 0) phải biến thành dạng khác trước lúc truyền qua các đường như đã nói ở trên đó là: (1) Nó có chứa thành phần một chiều. (2) Nó có các thành phần tần số thấp mức cao. (3) Khi truyền một dãy “0” liên tiếp thì không có điểm chuyển tiếp tín hiệu. Người ta sử dụng các biến áp để ngăn chặn dòng một chiều, đối với các thiết bị lặp trung gian nó được sử dụng để nối các đầu vào và đầu ra của thiết bị xử lý. Tín hiệu nhị phân đơn cực có thành phần một chiều, vì vậy không thích hợp để truyền qua biến áp. Ngoài ra vì trong tín hiệu nhị phân đơn cực có chứa năng lượng cao trong phổ tần số thấp nên khi truyền qua biến áp chuẩn, thực tế sẽ bị méo dạng xung và như vậy nó sẽ tạo thêm lỗi truyền dẫn. Vì máy thu cần phải tách thông tin định thời ra khỏi dòng bit thu được, việc xuất hiện một dãy “0” liên tục trong tín hiệu nhị phân đơn cực sẽ nhiễu loạn quá trình tách thông tin định thời và dẫn đến mất đồng bộ. Trong thiết bị xử lý có hai dạng tín hiệu nhị phân đơn cực. Đó là RZ trở về “0” và NRZ “không về 0”. Nếu sử dụng trực tiếp chúng để truyền dẫn thì sẽ gặp phải một số khó khăn như nhau. Hình 3.4 thể hiện dạng sóng của hai tín hiệu nhị phân đơn cực này. Chú ý rằng mức của tín hiệu RZ biểu thị bit giá trị 1, nó chỉ ở mức cao trong một nửa đầu tiên của khoảng thời gian bit, trong một nửa khoảng thời gian bit còn lại tín hiệu quay trở về 0. H.Q.Trung.ĐTVT
50. 50 Hình 3.4: Biểu diễn mã nhị phân NRZ, RZ và biến đổi nhị phân AMI Ưu điểm của tín hiệu RZ là mật độ chuyển tiếp tín hiệu của nó lớn hơn so với NRZ. Để khắc phục những vấn đề còn tồn tại trong tín hiệu nhị phân đơn cực, người ta đã đề xuất ra mã đường truyền. Các mã đường truyền không có thành phần một chiều đồng thời cũng không có hiện tượng năng lượng phổ của nó tập trung ở vùng tần số thấp. Đôi khi có một số mã đường truyền có thêm ưu điểm là trong cấu trúc của nó không có một dãy dài những số “0” hoặc những số “1”, điều đó làm cho việc tách thông tin định thời sẽ dễ dàng hơn. Những yêu cầu của mã đường cần phải có để biến đổi tín hiệu nhị phân thành một dạng thích hợp hơn để truyền trên kênh thông tin là: - Phải phối hợp đặc tính phổ của tín hiệu với các đặc tính của kênh (như tạp âm, độ rộng băng tần, ) - Đảm bảo các dãy bit phải độc lập thống kê với nhau để giảm lượng rung pha phu thuộc mẫu do các mẫu lặp gây ra. - Đảm bảo dễ dàng tách đồng hồ và tái sinh tín hiệu. - Đảm bảo độ dự phòng cần thiết để giám sát lỗi của đường truyền dẫn và định vị sự cố của thiết bị. - Phải duy trì độ dự phòng ở mức thấp có thể được sao cho tốc độ bit là nhỏ nhất và do đó độ rộng băng tần truyền là bé nhất và giảm độ phức tạp của mạch. Giảm thành phần một chiều của tín hiệu đến 0. - Giảm các thành phần tần số thấp nhằm để giảm xuyên âm và kích thước các linh kiện mạch. Đây là một tiêu chuẩn do CCITT khuyến nghị và được các nhà sản xuất khác áp dụng. Chú ý là hiện nay có hai trường hợp tồn tại trong hệ thống thông tin số vì vậy có các loại mã khác nhau. Trường hợp thứ nhất là “mã giao tiếp”, trong đó đầu ra H.Q.Trung.ĐTVT
51. 51 của thiết bị ghép kênh số trở thành một nhánh vào của thiết bị ghép kênh số mức cao hơn tiếp theo. Độ dài đường dây trong trường hợp này không quá 100m. Trường hợp thứ hai là đầu ra của thiết bị ghép kênh hoặc thiết bị số khác được gửi trực tiếp lên đường dây. Trong trường hợp này mã đường phụ thuộc vào thiết bị được sử dụng để truyền tín hiệu thông tin trên kênh truyền dẫn. Bảng 3.5: Các ví dụ mã đường của hệ thống 3.2.1. Mã tam phân lựa chọn cặp Biến đổi tín hiệu nhị phân đơn cực RZ thành tín hiệu tam phân lựa chọn cặp được tiến hành bằng cách ghép hai bit lân cận và sử dụng quy luật biến. Đối với cả hai đầu ra “mode dương” và “mode âm” các tổ hợp tam phân được tạo nên từ các cặp nhị phân 00 và 11 không có mức DC, mặc dầu các cặp nhị phân 01 và 10 tạo nên mức DC tương đương với đầu ra + A 2 và - A 2 phụ thuộc vào mode của đầu ra. Bộ mã hoạt động tạo ra đầu ra mode dương cho đến khi ở đầu vào xuất hiện trạng thái 01 hoặc 10. Sau đó tạo nên một định thiên + A 2 ở đầu ra để thay đổi sang mode âm. Sự xuất hiện tiếp theo của 10 hoặc 01 tạo nên định thiên - A 2 , xóa định thiên + A 2 và đổi mode trở lại dương. Vì một dãy dài liên tiếp các số “0” hoặc “1” không xuất hiện, nên nó cân bằng được dòng một chiều ở đầu ra, dẽ tách định thời ở các thiết bị lặp và thiết bị thu đầu cuối. Bẳng 3.6: Quy luật biết đổi của mã tam phân chọn cặp H.Q.Trung.ĐTVT
52. 52 3.2.2. Mã 4B3T Mã này làm cho việc sử dụng các mức tam phân có hiệu quả hơn bằng cách nén 4 bit số liệu vào thành 3 bit của số liệu ra. Như vậy tốc độ ban đầu bằng 0,75 lần tốc độ của tín hiệu vào. Bảng 3.7 chỉ ra thuật toán biến đổi của nó. Năng lượng phổ đối với mã này tương đối rộng và đều, tuy vậy nó giảm nhanh đối với những tần số phổ bé hơn 0,1 lần tốc độ bit. Nguời ta đã cố gắng để gạt những thành phần tần phổ rất thấp cảu mã này bằng cách tạo ra một mã 4B3T cải tiến như MS43. Ký hiệu 4B trong mã 4B3T tương ứng với các khối 4 số nhị phân của tín hiệu vào. Ký hiệu 3T trong khối 3 số tam phân biểu thị mã ra. Mã này thuộc nhóm mã khối nNmT, ở đây 3m> 2 n , m là số tam phân, n là số số nhị phân trong khối. Bảng 3.7 cho chúng ta nhận thấy rằng độ lệch cực đại hoặc tổng sự sai khác số là ±3 đối với mã vào 0111. Nếu tín hiệu ra trung bình là dương thì mode sẽ chuyển thành âm và v.v chữ cái của mode đã được sắp xếp để định thêm dãy ra tiến đến tích lũy tổng số sai lệch số dương hoặc âm và để chuyển các mode nhằm để duy trì tổng số tiền đến 0, như vậy sẽ làm tối thiểu hóa năng lượng phổ tần thấp của tín hiệu ra. Người ta sử dụng mã này ở trong các hệ thống Ethernet, ISDN và các hệ thống truyền số liệu. Bảng 3.7: Quy luật biến đổi mã 4B3T H.Q.Trung.ĐTVT
53. 53 3.2.3. Mã MS43 Một mã 4B3T khác là mã MS43, được sử dụng để truyền tín hiệu trong các hệ thống truyền dẫn số trên cáp bọc kim. Mã này sử dụng 3 chữ cái RRR1,, 2 3 , được chọn tương ứng với độ lệch của tổng biến đổi số của mã. Ở một thời điểm nào đó tổng số có thể thay đổi trên 6 giá trị, từ 0 đến 5, với những giá trị cực đại xuất hiện trong thời gian hoặc của phần tử thứ nhất hoặc phần tử thứ hai của một từ tam phân. Điều này hạn chế các trạng thái cuối từ 1 đến 4. Nếu trạng thái cuối là 1 thì chữ cái R1được chọn cho từ mã tiếp theo. Nếu nó là 2 hoặc 3, chọn chữ cái R2 và nếu nó là 4 thì chọn chữ cái R3 . Bảng dưới đây chỉ ra quy luật biến đổi mã này. Các chữ cái được sắp xếp sao cho mỗi một nhóm 3 ký hiệu tam phân được liên hệ duy nhất với 1 nhóm 4 bit nhị phân và do đó nó không cần tiết bị giải mã để xác định mode hoặc chữ cái đã được máy phát sử dụng. Mã này cho phép xuất hiện 4 số “0” liên tiếp trong 1dayx tam phân hoặc lên đến 5 ký hiệu dương hoặc âm liên tiếp. Từ tam phân bao gồm 3 số “0” không sủ dụng và một dãy bất kỳ 3 hoặc 4 số “0” cần phải nối biên giới giữa hai từ kế cận nhau. Sử dụng đặc điểm này để đạt được đồng chỉnh khung. Ngoài ra vì mỗi từ chứa một hoặc nhiều số “1” nên việc tách đồng hồ đơn giản. H.Q.Trung.ĐTVT
54. 54 Bảng 3.8: Tuật toán mã MS43 3.2.4. Mã 6B4T Mã 6B4T biến đổi 6 số nhị phân thành 4 số tam phân. Mã này có 26 hoặc 64 từ nhị phân 6 bit vào 34 = 80 từ tam phân không kể 0000. Nhóm các mã được diễn tả như nNmT, là một lớp mã chữ cái tam phân phi tuyến. Như đã nói ở trên, trường hợp đơn giản nhất của mã này khi n=m=2, như mã tam phân lựa chọn cặp (PST). 3.2.5. Các mã BNZS Các mã đã được triển khai, là mã lưỡng cực khi thay đổi một dãy N số “0” liên tiếp trong mã nhị phân bằng những vi phạm luật lưỡng cực. Sự thay thế này để giảm bớt độ chênh lệch. Các mã này thuộc một lớp mã không tam phân phi tuyến và có thể coi là mã AMI cải tiến hoặc mã lưỡng cực. Ba loại mã quan trọng nhất trong lớp này là B3ZS, B6ZS, B8ZS. Tất cả các mã này được CCITT khuyến nghị trong G703 sử dụng trong một số giao tiếp nào đó sẽ trình bày dưới đây. 3.2.5.1. Mã B3ZS Cũng như đã nói trong khuyến nghị G703 của CCITT, mã B3ZS là một dạng mã lưỡng cực cải tiến hoặc dạng xung AMI được thay 3 số “0” liên tiếp bằng nhóm vi phạm luật lưỡng cực. Các bit logic 1 có thời gian tồn tại 50% chu trình và nói chung là thay đổi luân phiên dương và âm đối với mức logic 0. H.Q.Trung.ĐTVT
55. 55 Trường hợp ngoại lệ là khi có 3 logic 0 xuất hiện (đồng thời) trong luồng bit. Trong dạng B3ZS mỗi khối 3 logic 0 liên tiếp được thay thế bằng tổ hợp B0V hoặc 00V, ở đây B biểu thị 1 xung hợp với luật lưỡng cực, hoặc là qui luật cục tính dấu luân phiên của AMI và V biểu thị 1 xung phạm qui luật này. Việc chọn B0V hoặc 00V được tiến hành sao cho số các xung B giữa hai xung V kế tiếp nhau là lẻ. Mã này thường được sử dụng ở trong thiết bị giao tiếp của bộ ghép kênh bậc 3. Các bit đồng bộ khung chứa trong quá trình mã hóa. Hình 3.5: Các tín hiệu nhị phân đã mã HDB3, CMI và B3ZS 3.2.5.2. Mã B6ZS Trong mã này một tổ hợp 6 số “0” liên tiếp trong tín hiệu vào được thay thế bằng một tổ hợp 0+ - 0 - + nếu xung phía trước là +; còn nếu xung phía trước là – thì lúc đó 6 số “0” đó được thay bằng 0- + 0 + -. Như vậy xuất hiện một dãy “0” dài liên tiếp trong mã AMI thông thường đã được loại trừ và thay thế vào đó là các xung hoặc tổ hợp xung phạm lỗi quy luật cực tính của xung đan dấu. Đỉnh phổ năng lượng của mã này ở tại 0,5 tốc độ bit, và hầu hết năng lượng phổ nằm trong khoảng 0,2¸ 0,8 lần tốc độ bit. Mã này được khuyến nghị sử dụng trong giao tiếp số 6312 kbit/s nếu sử dụng 1 đôi dây đối xứng cho hướng truyền dẫn. 3.2.5.3. Mã B8ZS Trong mã này một nhóm 8 số “0” liên tiếp trong tín hiệu vào được thay thế bằng 000+ - 0 - + nếu xung trước đó là dương (+). Nếu xung trước đó là âm (-) thì 8 số “0” đó được thay bằng 000- + 0 + . Đáp lại quy luật cực tính xung dấu luân phiên của AMI bị vi phạm CCITT khuyến nghị sử dụng mã này cho các giao tiếp số ở tốc độ 1544 kbit/s nếu sử dụng cáp đối xứng, hoặc ở tốc độ 6312 kbit/s nếu sử dụng cáp đồng trục. H.Q.Trung.ĐTVT
56. 56 3.2.6. Mã HDB3 Mã HDB3 là mã tam phân mật độ cao có nhiều nhất 3 số “0” liên tiếp. Thuật toán để mã một tín hiệu nhị phân thành một tín hiệu HDB3 phụ thuộc vào các quy tắc sau đây: 1- Số 0 nhị phân được mã bằng một trạng thái trống trong tín hiệu HDB3. Tuy nhiên đối với một dãy 4 số 0 liên tiếp thì sử dụng các quy luật đặc biệt theo quy tắc 3 dưới đây. 2- Số 1 nhị phân được mã bằng ký hiệu dương hoặc âm và có dấu ngược với xung trước đó (đảo dấu luân phiên). 3- Các dãy 4 số 0 liên tiếp trong tín hiệu nhị phân được mã như sau: (1) Số 0 đầu tiên của dãy được mã bằng trạng thái trống nếu dấu trước đó tín hiệu HDB3 có cực ngược với cực của vi phạm phía trước và bản thân nó không vi phạm. (2) Số 0 đầu tiên của dãy được mã bằng dấu A mà không vi phạm (+ hoặc -), nếu dấu trước đó của tín hiệu HDB3 có cùng cực với dấu vi phạm trước đó hoặc chính bản thân nó vi phạm. Các quy luật (1) và (2) đảm bảo các vi phạm liên tiếp có cực tính đảo nhau sao cho thành phần một chiều có thể gộp lại bằng không. (3) Số 0 thứ 2 của dãy 4 số 0 nhị phân liên tiếp luôn được mã bằng trạng thái trống. (4) Số 0 thứ tư trong dãy của 4 số 0 nhị phân được mã bằng một dấu mà cực tính của nó vi phạm đan dấu. Những vi phạm đan dấu như vậy được ký hiệu bằng V- hoặc V+ tương ứng với cực tính của nó. Phân bố năng lượng phổ của tín hiệu đầu vào ngẫu nhiên được mã hóa thành HDB3 giống phân bố năng lượng phổ của AMI, trong đó năng lượng phổ cực đại nằm ở khoảng 0,5 tốc độ bit và hai đỉnh nhỏ ở khoảng 0,45 và 0,55 lần tốc độ bit. Mã này được sử dụng chủ yếu cho các giao tiếp ghép kênh 2048, 8448 và 34368 kbit/s theo như CCITT khuyến nghị. Người ta sử dụng nó trong cấu hình mạng cục bộ Ethernet và để truyền đưa số liệu. 3.2.7. Mã CMI CMI-Code Mark Inversion (đảo dấu mã). Nó là một mã NRZ hai mức trong đó bit 0 nhị phân vẫn được mã bằng hai mức A1 và A2 tương ứng, mỗi mức chiếm một H.Q.Trung.ĐTVT
57. 57 nửa khoảng thời gian đơn vị T/2. Bit 1 được mã bằng các mức biên độ A1 và A2 mỗi mức chiếm toàn bộ thời gian đơn vị T, các mức này luân phiên thay đổi theo các bit 1 kế tiếp nhau. Chú ý rằng đối với bit “0” luôn luôn có một chuyển tiếp dương tại điểm giữa của khoảng thời gian bit, và đối với bit 1 có một chuyển tiếp dương tại điểm khởi đầu của khoảng thời gian đơn vị bit mức trước là A1 và một chuyển tiếp âm tại thời điểm khởi đầu của khoảng thời gian đơn vị bit nếu bit “1” sau cùng đã được mã hóa bằng mức A2 . Lưu ý rằng bit không được ký hiệu bằng 01 và bit 1 ký hiệu bằng 11 và 00 trong khoảng thời gian của khe thời gian. 3.3. MÃ ĐIỀU KHIỂN LỖI Như ta biết, độ dư là dung lượng truyền dẫn không được sử dụng của một tín hiệu mã. Tuy vậy, sử dụng độ dư này cho phép phát hiện và cũng có thể sửa được các lỗi do tạp âm sinh ra ở máy thu, điều này nâng cao được độ tin cậy của hệ thống. Trong hệ thống thông tin số có thể xuất hiện 3 loại lỗi. Đó là: lỗi thay thế, trong đó một bit số gốc được thay bằng một số trạng thái khác; các lỗi bỏ sót, trong đó một ký hiệu đã bị xóa đi khỏi luồng bit; và các lỗi trong đó một ký hiệu giả mạo được xen vào dòng bit. Lỗi hay xuất hiện nhất là lỗi thay thế. Tất cả các loại lỗi có thể xuất hiện trong các luồng bit nhị phân hoặc trong một ký hiệu nhiều mức. Vì xác suất lỗi trong truyền dẫn số là một hàm trực tiếp của tỷ số tín hiệu /tạp âm, một vấn đề xuất hiện là nếu vì một số lý do nào đó công suất tín hiệu bị giới hạn bởi một số giá trị cực đại nào đó, điều đó dẫn tới xuất hiện lỗi với tần suất không chấp nhận được. Có thể giảm các lỗi này bằng cách sử dụng các mạch phát hiện lỗi và sửa lỗi. Trong truyền dẫn số liệu điện báo và Fax người ta quan tâm nhất việc sử dụng mã bảo vệ lỗi, còn đối với tiếng nói thì không có tiêu chuẩn như vậy. Vì hiện nay đang hình thành một dạng số liệu tổng hợp làm cho chúng ta khó mà xác định được phạm vi nào, vùng nào cần bảo vệ lỗi, phạm vị nào, vùng nào không cần. Nhưng điều không thể tránh được là phải đưa ra mã điều khiển lỗi cho toàn bộ các hệ thống để đảm bảo tính linh hoạt của chúng. Dễ nhận thấy có hai loại điều khiện lỗi khác nhau xuất hiện trong truyền dẫn. Loại đầu tiên là lỗi ngẫu nhiên, giữa các bit số lỗi không tương quan. Loại thứ hai là các đột biến lỗi, ở đây phần lớn các bit số kết tiếp nhau bị sai lệch. Hai loại này có tính chất phổ biến vì thế người ta sử dụng chúng là yếu tố quyết định của loại mã điều khiển lỗi. Các đột biến lỗi thường xuất hiện từ những thiết bị như các bộ trộn hoặc các thiết bị mã đường dây, ở đó một lỗi duy nhất được mã thành một từ khác với các từ gốc của nó. Điều này dẫn tới xuất hiện thêm các lỗi khác giống như nhân hoặc mở rộng lỗi. Trong thực tế tên thường gọi loại lỗi này là lỗi mở rộng. Hiệu quả của lỗi mở rộng được đặc trưng bằng khái niệm “Tỷ lệ lỗi bit H.Q.Trung.ĐTVT
58. 58 tương đương” (EBER) trong đó tỷ lệ lỗi bit được đo với điều kiện đã biết nguyên nhân do lỗi mở rộng được giảm bằng một hệ số mở rộng lỗi tới hệ số về tỷ lệ lỗi bit tương đương. Các đột biến lỗi cũng là một đặc thù của truyền dẫn số qua mạng chuyển mạch điện thoại trong đó âm xung chiếm ưu thế hơn so với tạp âm Gauss. Sử dụng rộng rãi các mã bảo vệ lỗi để đảm bảo vệ các mạch số liệu và các mạch điện báo. Người ta sử dụng các hệ thống mã hóa trang bị cho các hệ thống quân sự, máy tính cùng với thông tin điện thoại bảo mật để bảo vệ các thông tin bằng cách chọn các loại mã thích hợp. Sử dụng cac hệ thống này trong phạm vi mã cho thông tin cơ sở dữ liệu khác với mã để bảo vệ lỗi hoặc phát hiện lỗi. Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong các modem đấu nối của điện thoại hoặc một kênh thông tin của đường dây, ít khi dùng trong hẹ thống vô tuyến chuyển tiếp đường dài, người ta cũng đánh giá và thử nghiệm một só mã sửa sai khác nhau trên các hệ thống HF, đối lưu và vệ tinh. 3.4. CÂN BẰNG Trong những hệ thống thực tế vì thiết kế bộ lọc không hoàn thiện và do sự thay đổi các đặc tính của kênh thông tin theo thời gian cho nên luôn luôn tồn tại một lượng giao thoa giữa cac ký hiệu (ISI). Nhằm để bù hiện tượng đã nói trên và giảm ISI đến mức bé nhất cần phải sử dụng một mạch lựa chọn tần số, có hàm truyền đạt biên độ và pha ngược với hàm truyền đạt tổng hợp của kênh và bộ lọc kênh. Một mạch như thế gọi là một bộ cân bằng và quá trình bù của nó gọi lài quá trình “cân bằng áp đảo”. Nếu sự thay đổi đặc tính của kênh do thay đổi nhiện độ hoặc đối với tuyến viba là thay đổi các điều kiện khí hậu, môi trường, dẫn tới fading nhiều tia; hoặc thay đổi các tham số bộ lọc của thiết bị, khi sử dụng bộ cân bằng có đặc tính biến đổi ngược so với các sự biến đổi đã nói ở trên thì sẽ hạn chế được hiện tượng ISI đến mức bé nhất. Sự thay đổi của ISI từ bé nhất đến lớn nhất trong tất cả các điều kiện có thể lớn đến nỗi không chấp nhận được. Đặc biệt đối với những kênh có đặc tính thay đổi theo thời gian với tốc độ khá lớn trong thời gian kênh bị chiếm. Để khắc phục tình trạng này, người ta sử dụng một phương pháp tự động điều chỉnh méo do kênh sinh ra còn gọi là cân bằng tự thích nghi. Trong phần này chúng ta sẽ trình bày một cách vắn tắt các loại bộ cân bằng và ứng dụng của chúng. 3.4.1. Bộ cân băng ngang Hình 3.6 dưới đây chỉ ra bộ cân bằng ngang bao gồm một đường dây trễ 2M + 1 nhánh trễ, mỗi nhánh trễ có thời gian trễn Ts giây, và nó được nối qua một thiết bị có độ tăng ích biến đổi được, ký hiệu các hệ số tăng ích tương ứng với từng H.Q.Trung.ĐTVT
59. 59 thiết bị đó là CCCC-m,,,,,LL0 1 m cho (2M + 1) nhánh trễ; tất cả các đầu ra được nối đến một bộ khuếch đại tổng. Nếu biết dạng xung đi vào của bộ cân bằng là Pr ( t) và đầu ra của nó là Peq ( t), thì quan hệ giữa chúng là: Giả sử Pr ( t)có đỉnh tại t = 0, và giao thoa giữa các ký hiệu ở cả hai phía, tốc độ lấy mẫu ở đầu ra cho bởi: tk=( k + M) T s Ta nhận được: Hình 3.6: Bộ cân băng ngang có 2M+1 đốt Để loại bỏ được ISI, về lý tưởng chúng ta sẽ có: Vì chỉ có 2M+1 nhánh trễ, trong khi đó số nhánh trễ cần thiết phải là vô cùng, vậy giá trị của Peq( t k ) chỉ có thể định rõ tại 2M+1 điểm: H.Q.Trung.ĐTVT
60. 60 Từ các phương trình trên, một tập hợp gồm (2M + 1) phương trình tuyến tính đồng thời, chúng ta có thể giải được Cm . Tập này cho dưới dạng ma trận. Ma trận trên được gọi là ma trận “cưỡng bức bằng không” của các bộ cân bằng và chọn các hệ số của nhánh trễ để méo đỉnh là bé nhất bằng cách ép bộ cân bằng tiến tới 0 tại M điểm lấy mẫu ở cả hai phía của xung yêu cầu. Ví dụ: Sử dụng bộ cân bằng 3 nhánh trễ để điều chỉnh sao cho giảm được giao thoa giữa các ký hiệu do xung Pr ( t) gây ra. Hình 3.7 biểu diễn đồ thị dạng xung vào và ra khỏi bộ cân bằng. Xác định các giá trị tăng ích của nhánh trễ và các giá trị của xung đã được cân bằng tại các điểm lấy mẫu. H.Q.Trung.ĐTVT
61. 61 Hình 3.7: Dạng sóng vào và ra bộ cân bằng ngang 3 nhánh trễ Căn cứ vào hình 3.7, sử dụng ma trận cưỡng bức bằng 0: Từ phương trình của Peq( t k ) ta xác định được các giá trị của xung đã cân bằng và lập thành bảng: Xung đã cân bằng chỉ ra trên hình 3.7. Chú ý rằng ở các phía khác nhau của t = 0 (nghĩa là t= ± Ts ), là điểm 0 của xung ra. 3.4.2. Các bộ cân bằng tự động Có thể phân các bộ cân bằng tự động thành 2 nhóm: loại định trước điều chỉnh phụ thuộc vào sự truyền dẫn một mẫu thử, và loại tự thích nghi, loại này tự điều chỉnh lượng lỗi liên tục trong khi truyền số liệu tùy theo lượng lỗi giữa tín hiệu thực tế đã thu được và đánh giá tín hiệu đã phát đi trước đó tại máy thu. Trên cơ sở lượng lỗi đã thu được liên quan hữu cơ với luồng số liệu, chúng ta đánh giá được các hệ số tăng ích. Đây là một quá trình lặp, sao cho biên độ của lỗi là bé nhất. 3.4.2.1. Các bộ cân bằng định trước Để tiến hành điều chỉnh cân bằng tự động phải truyền đi một mẫu kiểm tra và dựa vào những điều đã biết trước của mẫu tại máy thu để tính đáp ứng xung tín hiệu đã thu được. Từ đáp tuyến xung, ta tính được các hệ số của nhánh trễ, hoặc sử dụng phương pháp lặp để tính các hệ số cho đến lúc thu được giá trị tối ưu. Loại bộ cân bằng này tốc độ hội tụ nhanh, nhưng nếu đặc tính của kênh thay đổi tức thì phải phát lại mẫu kiểm tra tại những thời điểm thích hợp để thiết lập lại các hệ số. Sử dụng phương pháp lặp lại đối với phương trình: I= XC Trong đó C, I là vec tơ cột có 2M+1 phần tử, X là ma trận vuông cấp 2M+1. H.Q.Trung.ĐTVT
62. 62 Mục đích lặp để đạt được I- XC = 0 , ở bước lặp thứ k tồn tại một véc tơ sai số: ek= XC k - I . Thuật toán đã nói ở trên được sử dụng để tối ưu các hệ số của bộ cân bằng Cm đã và đang là đối tượng có thể xem xét nghiên cứu. Có 2 tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi. Một là tiêu chuẩn méo đỉnh, hai là tiêu chuẩn trung bình bình phương (MSE). 2.4.2.2. Các bộ cân bằng tự thích nghi Trong các hệ thống thông tin vô tuyến số sử dụng bộ cân bằng tự thích nghi để khắc phục các ảnh hưởng của truyền lan nhiều tia; mặt khác như chúng ta đã biết vì sự lan truyền của kênh gây ra hiện tượng trải rộng công suất tín hiệu theo thời gian, khi sử dụng phân tập theo không gian cho phép bổ sung phối hợp các tín hiệu vì bộ cân bằng trong kênh phân tập có thể tự động điều chỉnh sự chênh lệch về thời gian trễ giữa các kênh. Bộ cân bằng tự nó cũng có thể khắc phục các hiệu ứng lan truyền bằng cách nâng cao độ dự trữ fading hiệu dụng. Bộ cân bằng tự thích nghi không sử dụng một mẫu kiểm tra như bộ cân bằng định trước mà sử dụng đánh giá sai số giữa tín hiệu thực đã thu được và đánh giá tín hiệu đã phát đi trước đó, như đã nói ở trên. Một đặc tính làm việc đối với bộ cân bằng tự thích nghi là: tín hiệu vào phải là một dãy bit ngẫu nhiên. Nếu tín hiệu không cân bằng bị méo nghiêm trọng, bộ cân bằng tự thích nghi tạo ra rất nhiều lỗi và quá trình lặp không hội tụ. Dĩ nhiên điều này có nghĩa là không đạt được sự cân bằng. Trong hoàn cảnh như vậy xuất hiện phương pháp có thể đạt được là sử dụng bộ cân bằng định trước chuyển sang phương thức tự thích nghi sau khi đạt được một số độ đo cân bằng. H.Q.Trung.ĐTVT
63. 63 Hình 3.8: Các phần tử của bộ cân bằng thích nghi 3.5. TÁI SINH TÍN HIỆU SỐ Quá trình cho phép truyền dẫn số tốt hơn truyền dẫn tương tự, đó là quá trình tái sinh tín hiệu. Tái sinh là một quá trình trong đó một tín hiệu số đã bị méo và bị tiêu hao được tái tạo lại thành biên độ và dạng sóng đúng của nó. Qúa trình này có thể đưa đến một định nghĩa khác của truyền dẫn số, vì tất cả truyền dẫn số đều cần được tái sinh tại một số điểm trên đường truyền dẫn. Đối với một chuỗi tuyến truyền dẫn số, các bộ phân tái sinh có mặt ở mạch của máy thu băng gốc để tiền khuếch đại và sửa dạng tín hiệu vào đã bị tiêu hao, tán xạ và tạp âm xâm nhập vào trước lúc tách sóng. Bộ tách sóng thực chất là một bộ tách sóng ngưỡng, nó tạo nên ở đầu ra một dạng xung xác định rõ ràng. Mạch tách sóng cũng có thể hoạt động dựa vào các dạng tín hiệu mà nó gần giống hình sinh. Mạch này bao hàm một bộ khuếch đại băng gốc, bộ lọc băng gốc mà độ rộng băng tần của chúng không cần phải lớn như lúc yêu cầu để truyền dẫn một xung và như vậy tạp âm ở đầu ra của băng gốc giảm xuống. Giảm độ rộng băng tần của bộ khuếch đại băng gốc của máy thu làm nới rộng phổ xung, dẫn đến giảm liều lượng cho phép giao thoa giữa các ký hiệu và như vậy tăng khó khăn khi tạo nên ngưỡng quyết định. Kêt quả tất yếu sẽ làm cho đồ thị hình mắt đóng lại. Thiết kế bộ tái sinh phải dung hòa giữa vấn đề giảm giao thoa khi nới rộng băng tần và tăng tạp âm nhiệt, điều đó cũng sẽ tăng các ảnh hưởng của trượt thời gian do ảnh hưởng của tạp âm đến ngưỡng quyết định. H.Q.Trung.ĐTVT
64. 64 Hình 3.9: (a) Sơ đồ của một bộ tái sinh số điển hình Hình 3.9: (b) Bộ lặp đường dây Bộ tái sinh đường dây cho chúng ta thấu hiểu sự hoạt động của các bộ tái sinh thực tế. Trong vô tuyến số, bộ tái sinh thường thường được bố trí trong các mạch tách bit, nó đưa vào sau bộ giải điều chế và các tầng cân bằng ngang. Phù hợp với hình 3.9 (b) các tín hiệu đường dây vào qua biến áp đường dây và các mạch cân bằng đến một bộ khuếch đại. Từ bộ khuếch đại này có hai đầu ra ngược pha nhau đưa vào các bộ tách sóng ngưỡng. Đồng thời 2 đầu ra này cũng được mắc và đưa đến mạch định thời. H.Q.Trung.ĐTVT
65. 65 Hình 3.9: (c) Bộ tái sinh số vô tuyến 3.5.1. Khôi phục định thời và tách sóng ngưỡng Mạch khôi phục định thời hay còn gọi là mạch khôi phục đồng hồ được chỉ ra như ở hình 3.9 (b), nó nhận các bit số liệu vào ở tốc độ bit đường dây và nó làm hoạt động một mạch cộng hưởng nối tiếp hoặc đưa đến một vòng khóa pha. Mạch được thiết kế sao cho ở đầu ra không có các xung đường dây. Mạch định thời trong trường hợp này tạo ra 2 sóng vuông ở đầu ra ngược pha nhau để điều khiển các mạch tái tạo thời gian. Khi đầu vào của một bộ tách sóng ngưỡng có tín hiệu 1 thì nó hoạt động. Sau đó “1” được truyền đến đầu ra của nó. Vì tín hiệu đầu vào của các bộ tách sóng ngược pha nhau, vì vậy tại thời điểm xác định thì chỉ có một bộ tách sóng hoạt động. Đầu ra của bộ tách sóng hoạt động sau đó được đưa đến một mạch flip-flop loại D bao gồm mạch tái tạo thời gian. Khi đầu vào D ở mức cao “1” và 2 trạng thái ổn định được chốt, “1” này được truyền đến đầu ra Q. Trạng thái này H.Q.Trung.ĐTVT
66. 66 được duy trì cho đến khi đầu vào xuất hiện một xung xóa đường đi vào. Vì các xung định thời và các xung xóa là ngược pha nhau, nên các đầu ra Q từ các mạch tái tạo thời gian tạo ra dạng tín hiệu thời gian đã được khôi phục của tín hiệu vào. Sử dụng biến áp ra để tạo nên tín hiệu song cực giống như đã xuất hiện trên đầu vào của bộ tái sinh và để phối hợp trở kháng với đường dây. Hình 3.9 (c) chỉ ra sở đồ khối của một bộ lặp IF vô tuyến số 140 Mbit/s, trong đó chúng ta cũng có thể nhìn thấy các mạch tách bit chứa bộ tái sinh. Hình 3.9: (d) Đầu cuối vô tuyến H.Q.Trung.ĐTVT
67. 67 CHƯƠNG 4. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH SỐ (Tham khảo: Kỹ thuật tuyền dẫn số, Viba số T1) 4.1. NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH THEO THỜI GIAN Khi có hai tín hiệu tương tự trở lên được truyền dẫn trên một kênh thông tin, thường sử dụng một trong hai phương pháp cổ điển để liên kết hai tín hiệu riêng rẽ này. Phương pháp thứ nhất, các tín hiệu được xử lý để chiếm các khoảng tần số khác nhau trong dải tần nhưng đều được truyền trong cùng một thời gian. Nói cách khác các tín hiệu truyền đi đồng thời nhưng tần số đã chuyển đổi. Đây chính là ghép kênh theo tần số. Phương pháp cổ điển thứ hai, tất cả các tín hiệu đều có cùng tần số nhưng chiếm khoảng thời gian khác nhau trong dải thời gian. Trong trường hợp này mỗi băng tần, chẳng hạn tiếng nói đều như nhau nhưng truyền trên kênh thông tin vào các thời điểm khác nhau. Để thực hiện việc này, mỗi tín hiệu tương tự được lấy mẫu tại các thời điểm khác nhau và xung lấy mẫu mang thông tin về biên độ của mỗi tín hiệu riêng được phát lên đường dây. Kết quả là một dãy xung PAM được ghép lại, trong đó mỗi xung điều biên tuần hoàn bắt nguồn từ một tín hiệu khác nhau. Điều này có thể thực hiện được, vì bề rộng xung lấy mẫu của tín hiệu ngắn hơn nhiều so với thời gian trôi qua cho đến trước khi tín hiệu 1 được lấy mẫu lần nữa. Xét hình 4.1 (a), 4 tín hiệu tương tự từ các đường dây khác nhau đi đến khóa chuyển mach kiểu quay tròn có tốc độ cố định, khóa này được gọi là bộ góp. Đường dây thứ 5 có điện áp V lớn hơn giá trị cực đại của bất cứ tín hiệu nào trong 4 tín hiệu. Dạng sóng tạo nên như hình 4.1 (b). Xung lớn nhất F gọi là xung đồng bộ khung và được sử dụng để xác định một khung hoặc một tập các tín hiệu trong một vòng quay. Nhóm 5 xung trong hình 4.1 được gọi là một khung. Trong thực tế thường một khung có nhiều xung. Nếu mỗi tín hiệu tương tự có băng tần là B (Hz) được xác định bởi bộ lọc thông thấp thì tần số lấy mẫu thấp nhất phải bằng 2B (Hz). Khi có n tín hiệu PAM ghép theo thời gian thì tốc độ truyền xung bằng 2Bn xung /s. Điều này có nghĩa là băng tần của bộ lọc lý tưởng là nB. Trong thực tế nó rộng hơn, vì không có khả năng chế tạo bộ lọc như vậy và rộng hơn để ngăn ngừa nhiễu giữa các ký hiệu hoặc nhiễu giữa các xung lân cận. Ở phía thu, các mẫu của kênh riêng biệt được tách ra và được phân phối nhờ một bộ chuyển mạch kiểu quay tròn gọi là bộ phân phối. Sau đó các mẫu của mỗi kênh được lọc để tách và tạo tín hiệu tương tự ban đầu. Bộ chuyển mạch ở máy phát và máy thu được đồng bộ một cách chặt chẽ. H.Q.Trung.ĐTVT
68. 68 Đồng bộ là chỉ tiêu đầu tiên của mọi quá trình ghép kênh theo thời gian (TDM). Trong TDM có hai dạng đồng bộ là đồng bộ khung và đồng bộ theo mẫu (hoặc bit). Đồng bộ xung cần thiết để xác didnhj một cách chính xác điểm bắt đầu của một nhóm xung mẫu và đồng bộ bit cần thiết để phân biệt một cách chính xác các xung mẫu trong mỗi khung. Qúa trình đồng bộ cũng cho phép đồng bộ thiết bị đầu cuối phát và thu khi các tín hiệu thời gian trong hai thiết bị đầu cuối có cùng tốc độ trung bình. Trong thiết bị đầu cuối phát, đồng hồ tạo ra các khung thời gian theo yêu cầu để điều khiển các chức năng khác nhau và điều khiển tốc độ bit tín hiệu số cho mục đích truyền dẫn trong nhiều trường hợp sẽ không hoạt động cùng tốc độ như đồng hồ được tạo ra trong thiết bị đầu cuối thu. Để khắc phục sự khác nhau của tần số đồng hồ, thiết bị đầu cuối thu thường nhận sự định thời từ luồng bit số thu được. Hình 4.1. Nguyên lý ghép kênh theo thời gian (TDM) Điều này đảm bảo cho hai thiết bị đầu cuối liên quan đến luồng bit riêng, hoạt động ở cùng tốc độ trung bình và có thể xem như đã đồng bộ. Như vậy thiết bị đầu cuối thu phụ thuộc vào thiết bị đầu cuối phát. Đồng hồ phát trong thiết bị đầu cuối phụ thuộc cũng phụ thuộc vào mạch thu tạo ra sự đồng bộ giữa phát và thu của hai thiết bị đầu cuối trở lên mang luồng bit này. Thiết bị đầu cuối thu tách thông tin thời H.Q.Trung.ĐTVT
69. 69 gian từ luồng bit số đưa đến nhờ các mạch khôi phục đồng bộ, các mạch này hoạt động dựa vào cùng một nguyên lý như các mạch sử dụng trong các bộ tái tạo số. Cuối cùng, trong các hệ thống TDM cơ sở, các xung PAM ghép có thể được lượng tử để xử lý tiếp trước khi truyền dẫn bằng PCM hoặc có thể được xử lý không qua lượng tử và PCM để truyền trực tiếp băng cơ sở. Các xung PAM được ghép như trong hình 4.1 (b) được mã hóa trước khi truyền. Đầu ra bộ mã là từ mã nhị phân, mỗi từ mã thay cho một xung lấy mẫu ; Sơ đồ này được gọi là sơ đồ ghép theo từ hay ghép theo ký hiệu. Các từ mã được gộp lại với các bit báo hiệu và các bit đồng bộ khung. Các bit đồng bộ khung được sắp xếp sao cho chúng tạo thành một cấu trúc lặp hoặc từ mã đồng bộ khung cho phép thiết bị đầu cuối nhận dạng chính xác mỗi bit hoặc khe thời gian và phân chia luồng tín hiệu số đến thành các tín hiệu thành phần. Các tín hiệu thành phần sau đó đi đến kênh ra tương ứng. Một đoạn của tín hiệu phát được hình thành bởi từ mã đồng bộ khung và các bit tin gọi là một khung. Nếu thiết bị đầu cuối thu phát hiện được từ mã đồng bộ khung tại vị trí đã biết trước tức là có đồng bộ và nó tiếp tục làm việc ở chế độ đóng. Nếu sau vị trí đó qua nhiều khe thời gian không phát hiện được từ mã đồng bộ thì thiết bị đầu cuối cho rằng đồng bộ khung bị mất. 4.2. GHÉP KÊNH SƠ CẤP 4.2.1. Đặc điểm Ghép kênh cơ sở PCM 30 và PCM 24 là các hệ thống kênh PCM thực tế cho các luồng bit số cấp 1 theo tiêu chuẩn châu Âu và Bắc Mỹ - Nhật Bản với tốc độ cơ sở PCM 30 là 2048 Kilô bit/s và PCM 24 là 1544 Kb/s. H.Q.Trung.ĐTVT