Ky thuat truyen dan hoang quan trung

1,081 views

Published on

0 Comments
2 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
1,081
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1
Actions
Shares
0
Downloads
84
Comments
0
Likes
2
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Ky thuat truyen dan hoang quan trung

  1. 1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG ThS. HOÀNG QUANG TRUNG KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN SỐ TẬP BÀI GIẢNG (Lưu hành nội bộ) THÁI NGUYÊN - 2011
  2. 2. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN SỐ1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN Mạng điện thoại được xây dựng dựa trên cơ chế truyền tiếng nói giữa các máyđiện thoại. Đến những năm 1970, mạng này đã hoàn thiện bằng việc thực hiệntruyền 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 kếthợp truyền nhiều kênh thoại trong một cáp đồng trục. Thiết bị truyền dẫn loại nàyrất đắt so với giá của một tổng đài điện thoại, vì vậy, chuyển mạch được xem nhưmột thiết bị nhằm tiết kiệm sử dụng tài nguyên khan hiếm lúc bấy giờ là băng thôngtruyền dẫn. Vào đầu những năm 1970, các hệ thống truyền dẫn số bắt đầu xuất hiện, sửdụng phương pháp điều chế xung mã (PCM-Pulse Code Modulation) do AlecReeves 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 hiệuthoại 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 thốngtruyền dẫn bằng cách kết hợp một số kênh PCM và truyền chúng trong một đôi cápđồng xoắn mà trước đây chỉ dùng để truyền một tín hiệu tương tự duy nhất. Hiệntượng này được gọi là lợi dây. Do giá thành thiết bị điện tử số bắt đầu giảm nên sửdụng 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 cònđược gọi là Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time DivisionMultiplexing). Một cách đơn giản, mỗi byte của mỗi kênh đầu vào theo thứ tự đượcđưa vào kênh tốc độ cao ở đầu ra. Quá trình xử lý này còn được gọi là "chèn bytetuần tự". Ở châu Âu và sau đó là rất nhiều nơi trên thế giới, sở đồ TDM chuẩn được ápdụng để ghép kênh 64 kbit/s, cùng với hai kênh thông tin điều khiển kết hợp tạothành một kênh có tốc độ 2,048 Mbit/s. Do nhu cầu sử dụng điện thoại tăng lên, lưulượng trên mạng tăng, kênh chuẩn tốc độ 2 Mbit/s không đủ đáp ứng cho lưu lượngtải trên mạng trung kế. Để tránh không phải sử dụng quá nhiều kết nối 2 Mbit/s thìcần tạo ra môt mức ghép kênh cao hơn. Châu Âu đưa ra chuẩn ghép 4 kênh 2 Mbit/sthành một kênh 8 Mbit/s. Mức ghép kênh này không khác bao nhiêu so với mứcghép 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, doH.Q.Trung.ĐTTT
  3. 3. 3nhu cầu ngày càng tăng, các mức ghép kênh cao hơn nữa được xây dựng thànhchuẩn, tạo ra môt phân cấp đầy đủ các tốc độ bit là 34 Mbit/s, 140 Mbit/s và 565Mbit/s.1.2. HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ1.2.1. 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 bộlặp 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 hiệugốc) để truyền chúng một cách hiệu quả qua phương tiện, thiết bị nhận tách ranhững tín hiệu gốc trong những tín hiệu thu được. Đồng thời bộ lặp lại xử lý việcbù lại trong quá trình truyền. Các phương tiện truyền bao gồm dây dẫn kim loại, cápđồng trục, radio, ống dẫn sóng và cáp sợi quang. Truyền dẫn bao gồm phần truyền dẫn thuê bao nối liền máy thuê bao với tổngđài và phần truyền dẫn tổng đài nối tổng đài với tổng đài. Truyền dẫn gồm truyềnbằng 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 phầnquản 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 làsuy hao không đáng kể, chỉ vào cỡ 0,25 Db/Km. Đây chính là ưu điểm vượt trội củasợi quang so với cáp đồng trục. Ngoài ra truyền dẫn trên sợi quang còn có các ưuđiểm khác nữa là: Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trường, an toàn, kíchthước nhỏ và nhẹ, …Giải tần số được sử dụng trong truyền dẫn sợi quang được mô tả như hình dưới:H.Q.Trung.ĐTTT
  4. 4. 4Cấu 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 nhiềucũng 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 làmviệc tại các tần số cao. Điều này xuất phát từ một thực tế rằng với các tần số cao sẽbị ảnh hưởng do sự xáo động của các điều kiện khí quyển, bởi vậy gây ra sự thayđổi về tần số. Chẳng hạn với các hệ thống radar doppler sử dụng trong việc giám sátthời tiết là một trường hợp cụ thể. Méo tuyến tính có thể gây ra các ảnh hưởng trong các hệ thống truyền dẫnxung. 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.ĐTTT
  5. 5. 5 1.2.2.2. Tạp âm (noise) Thuật ngữ tập âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiệntrong hệ thống. Sự xuất hiện của tập âm làm giảm khả năng tách chính xác các tínhiệu phát, và, vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin. Tạp âm được tạo ra từcác nguồn khác nhau nhưng có thể được phân ra thành hai loại chính đó là nguồntạp âm nhân tạo và tạp âm tự nhiên. Tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồn đánhlửa, chuyển mạch hay phát xạ điện từ. Tạp âm tự nhiên xuất hiện trong các mạchhay linh kiện điện tử. 1.2.2.3. Nhiễu Nhiễu được hiểu là các thành phần tín hiệu không mong muốn được thêm vàotín hiệu bản tin khi nó được truyền từ máy phát đến máy thu. Trong thực tế, việctruyền 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 làcác sợi dây dẫn kim loại, cáp đồng trục, cáp sợi quang, ống dẫn sóng, bầu không khíH.Q.Trung.ĐTTT
  6. 6. 6hay sự kết hợp giữa các môi trường trên. Tất cả các kênh đều có một băng tần giớihạn cho phép tín hiệu có thể đi qua. Do các đặc tính vật lý mà mỗi kênh có thể cótần số cắt ở giới hạn trên (tần số cao) hay giới hạn dưới (tần số thấp). Trong trườnghợp kênh bị chặn dưới (tần số cắt ở giới hạn dưới của băng kênh) thì kênh được môtả như là một bộ lọc thông dải. Còn nếu băng thông của kênh không bị chặn dưới thìkênh 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 biếnlà: 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 thìđược gọi là băng hẹp, và thuộc vào loại truyền điện tín. Những kênh như thế đượcsử dụng cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ chậm ở mức là 600 bit trên giây (bps). Nhữngkênh 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 đểtruyền dữ liệu ở tốc độ 10 kilô bits trên giây (kbps). Mộ số dạng tín hiệu video néncũng có thể được truyền trên các kênh thoại. Các mạch vòng khép kín thuê baotrong 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 thểđược dành cho một đơn vị truyền thông (chẳng hạn một công ty điện thoại) và cóthể sử dụng cho mục đích truyền dữ liệu tốc độ cao, video, hay các kênh thoại hợpnhất. Băng tần hoạt động của tín hiệu được phân bổ theo các dải tần số như sau:H.Q.Trung.ĐTTT
  7. 7. 71.2.3. 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 giáthông 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 trongmột tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn. Khi tập các giátrị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phânvà tín hiệu khi đó được gọi là bit. Khi số giá trị có thể có của tín hiệu khác 2, tổngquát 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 (đốivới các hệ thống thông thường hiện nay, Tk  T và là hằng số với mọi k). Ở đầu thu ˆ ˆ ˆtín hiệu khôi phục lại là Dk và có độ rộng là Tk , nếu Dk  Dk thì tín hiệu thứ k ˆđược gọi là bị lỗi, nếu Tk  Tk thì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter. Các tham số kỹthuật chung nhất đối với các loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau, thể hiện chỉ tiêuchất lượng cơ bản của hệ thống, là tỷ lệ lỗi bit BER và jitter (rung pha). Đối với hệthống nhị phân, xác suất lỗi BER được định nghĩa là: ˆ  BER  P Dk  Dk  ˆ Khi Tk  T  T thì  được gọi là jitter, tính theo phần trăm.H.Q.Trung.ĐTTT
  8. 8. 8 ˆ  Trong trường hợp hệ thống nhiều mức thì P Dk  Dk  được gọi là tỷ lệ lỗisymbol (SER) và có quan hệ chặt chẽ với BER.1.3. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN1.3.1. Tím hiệu truyền dẫna) Tín hiệu tương tự (analog signal) Tín hiệu tương tự có thể được xem như là một dạng sóng có tính chất liên tụcvề 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 thờiđiểm 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 mộtcon số trong chuỗi tín hiệu tương ứng với một giá trị xác định. Tín hiệu số có thể cóđược từ lối ra của nhiều thiết bị. Ví dụ, khi ta quay số máy điện thoại thì sẽ tạo raH.Q.Trung.ĐTTT
  9. 9. 9các tín hiệu số phụ thuộc vào nút được nhấn, tín hiệu số có được từ đầu ra của bànphím máy tính hoặc từ các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC).1.3.2. Các phương pháp truyền thông tina) Truyền tin nhị phân- Truyền tin nhị phân dùng cáp đơnTốc độ truyền dẫn phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của điện áp (hay các kiểu ký hiệukhác) trên kênh truyền trước khi thành phần tần số là quá lớn để có thể lọc suy haokênh truyền và dẫn đến méo tín hiệu. Nói theo cách khác, tốc độ truyền dẫn bị giớihạn bởi băng thông của tuyến truyền.- Truyền tin nhị phân dùng nhiều cáp song songBằng cách sử dụng nhiều cáp, tín hiệu truyền qua kênh có thể sẽ tăng tỷ lệ với sốcáp (kênh) sử dụng. Tín hiệu truyền qua có thể duy trì như ở tuyến truyền nhị phânđơn, cho phép thay thế bởi các tuyến có băng thông nhỏ hơn (dẫn tới chi phí thấphơn).b) Truyền tin đa mức- Truyền tin đa mức sử dụng cáp đơnTruyền dẫn dữ liệu không bắt buộc phải giới hạn ở cơ số hai (nhị phân), theo lýthuyết có thể sử dụng một số mức điện áp hay một số kiểu ký hiệu.H.Q.Trung.ĐTTT
  10. 10. 10Ví dụ: sử dụng 4 mức điện áp, chúng ta có thể mã hóa mỗi tổ hợp hai bit nhị phânbởi một trong 4 mức điện áp (00 ~ mức A, 01 ~ mức B, 10 ~ mức C và 11 ~ mứcD). Khi đó ta có thể gửi thông tin nhanh gấp 2 lần xét trên cùng một độ rộng băngthông.- Truyền tin đa mức sử dụng nhiều cápViệc sử dụng các kênh truyền dẫn song song để truyền dữ liệu cho phép tăng khảnăng (dung lượng) truyền tin trên băng thông bị giới hạn.c) Ký hiệu đa mứcVề nguyên tắc chúng ta có thể sử dụng một số ký hiệu (trạng thái ký hiệu) cho bảntin số. Ví dụ, tại sao sử dụng 1024 trạng thái điện áp khác nhau, mỗi trạng thái (kýhiệu) mã hóa số bit là log 2 1024  10 bits. Chúng ta thậm chí có thể sử dụng1048576 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 khảnăng phân biệt chính xác các trạng thái (các mức điện áp, tần số, …) của thiết bịthu.Ví dụ: một số modem điện thoại hoạt động ở tốc độ 56 kbps sử dụng 1024 trạng tháiký hiệu khác nhau (tổ hợp biên độ và pha của sóng mang) để báo hiệu trên kênhthoại, trong khi các hệ thống điện thoại tế bào số chỉ sử dụng 4 trạng thái do thiết bịphải hoạt động trong các môi trường chịu nhiều ồn hơn.H.Q.Trung.ĐTTT
  11. 11. 111.3.3. Tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền thông tin của một kênh truyền dẫn thường được xác định theolượng thông tin nhị phân (bit). Có nghĩa là tốc độ truyền dẫn được đo theo đơn vịbit/giây (bps). Ví dụ: nếu như có 6 bit thông tin được truyền đi sau mỗi khoảng thờigian 6 giây, thì tốc độ truyền tin sẽ là 6 bits R  1000 bits s 6 ms Ngoài ra tốc độ truyền dẫn còn được xác định thông qua tốc độ ký hiệu. Trongđó thì tốc độ ký hiệu là tốc độ thay đổi trạng thái các ký hiệu mang thông tin nhịphân qua kênh truyền. Chúng ta có thể mã hóa một số bit trong mỗi ký hiệu. Tốc độký hiệu không nhất thiết phải bằng tốc độ truyền thông tin. Đơn vị đo tốc độ ký hiệulà ký hiệu/giây hay (baud). Ví dụ: một hệ thống sử dụng 4 tần số mã hóa các tổ hợp2 bit nhị phân qua một kênh, và tần số (ký hiệu-symbol) được thay đổi sau mỗi 0.5ms, khi đó tốc độ ký hiệu sẽ là: Rsymbol  1  2000 symbol / s  2000 (baud ). 0.5Tốc độ truyền thông tin bởi vậy sẽ là: 2 x 2000 = 4000 bps.1.4. CÁC TIÊU CHUẨN TRUYỀN DẪN1.4.1. Định nghĩa Lĩnh vực truyền thông liên tục phát triển thay đổi một cách nhanh chóng, cáchệ thống truyền thông được phát triển bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thếgiới, chính vì vậy cần có sự tương thích về các tiêu chuẩn và các khuyến nghị ởH.Q.Trung.ĐTTT
  12. 12. 12phạm vi quốc gia, khu vực và quốc tế. Theo ISO, các định nghĩa về tiêu chuẩn vàkhuyến nghị dành cho truyền thông như sau:Tiêu chuẩn: Chi tiêu kỹ thuật hay văn bản qui định có khả năng phổ biến rộng rãiđược xây dựng bởi sự hợp tác và thống nhất hay sự chấp thuận nói chung của tất cảnhững vấn đề liên quan tới nó dựa trên các kết quả nghiên cứu khoa học, công nghệvà thực nghiệm.Khuyến nghị: Tài liệu văn bản liên quan quy định chặt chẽ các thủ tục thực hiệnđược thông qua và phổ biến rộng rãi bởi một cơ quan (tổ chức) chịu trách nhiệm cóquyền hạn nhất định.1.4.2. Các tổ chức tiêu chuẩn và khuyến nghị ISO: International Standardization Organization (OrganizationTổ chức tiêuchuẩn hóa quốc tế). ITU: International Telecommunications Union (Hiệp hội Viễn thông quốc tế). IEC: International Electrotechnical Commission ( y ban Điện tử quốc tế). INTELSAT/INMARSAT: International Telecommunications SatelliteOrganization /International Maritime Satellite Organization.H.Q.Trung.ĐTTT
  13. 13. 13ANSI – Viện Tiêu chuẩn quốc gia Hoa KCEPT – The European Conference for Posts and Telecommunications.CCIR – Consultative Committee for International Radiocommunication ( y ban Tưvấn quốc tế về vô tuyến điện).CCITT – Consultative Committee for International Telephone and Tele-Graph ( y ban Tư vấn quốc tế về điện thoại và điện báo).H.Q.Trung.ĐTTT
  14. 14. 14ETSI – European Telecommunications Standards Institute (Viện Tiêu chuẩn Viễnthông Châu Âu).H.Q.Trung.ĐTTT
  15. 15. 15 CHƯƠNG 2. TRUYỀN DẪN SỐ CÁC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ2.1. ĐỊNH LÝ LẤY MẪU VÀ HỆ THÔNG TIN XUNG2.1.1. Định lý lấy mẫu Định lý lấy mẫu có một ý nghĩa sâu sắc trong lý thuyết thông tin. Định lý nàyđược phát biểu như sau: Một tín hiệu có dải tần giới nội là B Hz  G    0 khi   2 B  có thể đượckhôi phục một cách chính xác (mà không bị lỗi) từ các mẫu của nó được lấy đềuđặn với tốc độ R  2B mẫu trên giây. Hay nói theo cách khác, tần số lấy mẫu tốithiểu phải là 2B Hz. Xét tín hiệu g  t  (hình 2.1) có phổ giới hạn là B Hz. Lấy mẫu g  t  với tốcđộ f s Hz ( f s mẫu trên giây) tương đương với việc nhân g  t  với đoàn xungTs  t  gồm các xung đơn vị lặp lại với chu k Ts  1 f s . Tín hiệu mẫu nhận đượcg  t  sẽ là: g  t   g  t  Ts  t    g  nTs   t  nTs  (2.1) nH.Q.Trung.ĐTTT
  16. 16. 16 Hình 2.1: Tín hiệu mẫu và phổ của nó Tốc độ lấy mẫu tối thiểu f s  2 B được gọi là tốc độ Nyquist cho tín hiệutượng tự g  t  và khoảng thời gian lấy mẫu Ts  1 2B được gọi là khoảng Nyquistcho 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 xemnhư 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 vớiđộ lớn của mẫu. Xung thứ k là xung có độ lớn g  kTs  xác định tại vị trí t  kTs , vàcó thể biểu diễn như là g  kTs    t  kTs  . Cho xung này qua bộ lọc, đầu ra nhânđược sẽ là g  kTs  rect 1 Ts  . Đây là xung cửa có độ cao g  kTs  , tâm xác định tạit  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 mẫuH.Q.Trung.ĐTTT
  17. 17. 17 Lý thuyết lấy mẫu có tầm quan trọng trong phân tích, xử lý, và truyền dẫn tínhiệu. 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, truyềndẫn bản tin tương tự được giảm bớt thành truyền dẫn một chuỗi các số. Điều nàylàm xuất hiệu nhiều kỹ thuật mới cho truyền thông các tín hiệu liên tục. Bằng cáchlấy mẫu tín hiệu tương tự và làm thay đổi các thông số về biên độ, độ rộng và vị tríxung của các mẫu nhận được ta có các kỹ thuật điều chế xung tương tự tương ứngđó là: điều chế biên độ xung (PAM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế vị tríxung (PPM). Trong đó có vai trò quan trọng nhất trong phương thức điều chế xungngày 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 tínhiệu tương tự ban đầu. Một trong những ưu điểm của việc sử dụng điều chế xung là cho có thể chophép truyền một số tín hiệu dựa trên việc chia sẻ tài nguyên về thời gian bằng cáchH.Q.Trung.ĐTTT
  18. 18. 18sủ dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM-Time DivisionMultiplexing). Hình 2.4: Ghép kênh phân chia theo thời gian với hai tín hiệu PAM2.2. 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 cótính nguyên tắc đó là: - Lọc nhằm hạn chế phổ tần của tín hiệu liên tục cần truyền: Biến đổi Fouriercủa các tín hiệu liên tục thực tế là vô hạn theo biến tần số, do thời gian tồn tại hữuhạn của chúng. Chính vì vậy, các tín hiệu liên tục cần truyền nhất thiết phải đượclọc nhằm hạn chế phổ tới tần số cực đại W nào đó nhằm thỏa mãn tính giới hạn vềbăng tần của định lý lấy mẫu. - Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc được rời rạc hóa bằng cách lấy mẫu thôngqua chuỗi xung nhịp có tần số f s tuân theo định lý lấy mẫu để có được các tín hiệuđiều biên xung (PAM-Pulse Amplitude Modulation). - Lượng tử hóa: Số hóa giá trị có thể có của tín hiệu PAM sau lấy mẫu là vôhạn, do vậy số bit cần thiết để mã các giá trị của các xung PAM là vô hạn và điềunày không thể thực hiện được. Để hạn chế số bit mã cần sử dụng, giá trị của từngxung PAM cần được làm tròn thành một trong các giá trị mẫu xác định gọi là cácmức 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 bằngcác 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.ĐTTT
  19. 19. 19 Hình 2.5: Hệ thống truyền dẫn PCM Quá trình khôi phục ở phần thu được thực hiện như sau: giải mã để được chuỗixung PAM lượng tử hóa rồi cho qua lọc thông thấp có tần số cắt bằng một nửa tầnsố 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 làcác tín hiệu có phổ trải rộng vô hạn. Sau lọc hạn chế phổ tần tín hiệu, tín hiệu cóphổ 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 nhưthế). 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, cũngchỉ là một phiên bản gần đúng của tín hiệu liên tục cần truyền đi ở phần phát màthôi. 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. CácH.Q.Trung.ĐTTT
  20. 20. 20 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 cắtbỏ các thành phần tần số ngoài dải nói trên không gây ra những méo thụ cảm quálớn, tức là không gây nên những trở ngại đặc biệt đối với quá trình thông thoại. Đểhạn chế phổ tín hiệu có thể tiến hành loại bỏ các thành phần tần số lớn hơn 3,4 kHztrong tín hiệu điện thoại bằng lọc thông thấp, tức là có thể chọn tần số cực đại Wcủa tín hiệu thoại là 3,4 kHz. Trong trường hợp này, sai số do lọc hạn băng gây rachủ yếu là bởi không thể chế tạo được mạch lọc thông thấp lý tưởng mà chỉ có thểchế tạo được các mạch lọc với đặc tính lọc không dốc đứng tại tần số cắt. Để khônggây nên những méo thụ cảm rõ rệt được, tần số cắt của mạch lọc hạn băng phảichọn cao hơn 3,4 kHz. Các mạch lọc tiêu chuẩn trong thực tế (có đặc tính thỏa mãncác 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 vớimột chuỗi xung nhịp có tần số f s  2W . Việc chọn tần số nhịp lớn hơn hai lần W sẽlàm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, do vậy tần số nhịp phải chọn nhỏ nhấtmà không gây méo tín hiệu. Sai số lấy mẫu gây bởi việc không thể lấy mẫu trongmột thời gian dài vô hạn thường không đáng kể và có thể bù đắp bằng việc chọnf s  2W một chút. Kết hợp với thực tế phát sinh do lọc hạn băng như đã nói trênđây, tần số lấy mẫu tiêu chuẩn cho tín hiệu thoại được chọn là 8 kHz. Quá trình lấymẫu tín hiệu điện thoại được mô tả như hình dưới đây:H.Q.Trung.ĐTTT
  21. 21. 21 Hình 2.6: Quá trình lấy mẫu tín hiệu liên tục2.2.4. 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 cáchgiữa các mức lượng tử là   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 trịmẫu là một biến ngẫu nhiên eq , nhận các giá trị trong khoảng  a Q , a Q , có thểxem như một lượng tạp âm gọi là tạp âm lượng tử và có thể đánh giá được thôngqua công suất tạp âm lượng tử: aQ Peq  e  q 2  eq  pdf  eq  deq 2 (2.3) a Q Trong đó pdf  là hàm mật độ xác suất.H.Q.Trung.ĐTTT
  22. 22. 22 Hình 2.7: Quá trình lượng tử hóa đều Do không biết được phân bố thực sự của biên độ tín hiệu điện thoại trongkhoảng giữa hai mức lượng tử sát nhau, người ta buộc phải giả thiết rằng tín hiệuđiện thoại nhận các giá trị biên độ trong khoảng giữa hai mức lượng tử sát nhau vớixác suất như nhau. Do đó tạp âm lượng tử được xem là biến ngẫu nhiên phân bốđều, tức là pdf  eq   Q 2a . Thay vào phương trình (2.3), ta có: Peq  a 2 3Q2   2 12 (2.4) Từ (2.4) chúng ta có thể thấy khi tăng số mức lượng tử Q thì công suất tạp âmlượng tử giảm. Chẳng hạn, khi tăng số mức lượng tử lên hai lần, công suất tạp âmlượng tử giảm 4 lần, tức là khoảng 6 Db. Tuy nhiên, việc tăng quá mức số mứclượng tử dẫn đến hai hệ quả: a) Số mức lượng tử lớn dẫn đến số bit dùng để mã cácmức lượng tử tăng (cứ tăng số mức lượng tử lên hai lần thì phải thêm 1 bit trong tổhợp mã) làm tăng tốc độ bit và do vậy tăng phổ chiếm dụng của tín hiệu số; b) Vớicùng một dải động tín hiệu, việc tăng quá mức số mức lượng tử sẽ có thể dẫn đếnmức lượng tử khôi phục lại ở phần thu bị nhận nhầm dưới tác động của tạp âm nhiệttrong các mạch điện tử. Thêm vào đó, nếu lượng tử hóa đều thì việc chia các mứcvới số mức tối thiểu (nhằm giảm số bit mã cần dùng) xác định theo độ chính xác đãcho đối với các mức cao của tín hiệu lại dẫn đến sai số phạm phải lại lớn đối với cácmức thấp. Điều này dẫn đến sai số tổng cộng lớn do trong thực tế các mức tín hiệuthấp của tín hiệu thoại thường xảy ra nhiều hơn so với các mức cao. Các mâu thuẫnnói trên trong thực tế được khắc phục nhờ áp dụng lượng tử hóa không đều, trongđó khoảng cách giữa các mức lượng tử được chọn lớn đối với các tín hiệu lớn cònvới các mức tín hiệu nhỏ thì khoảng cách giữa các mức lượng tử chọn nhỏ. GiảiH.Q.Trung.ĐTTT
  23. 23. 23pháp này là khá tự nhiên do đối với mức tín hiệu lớn thì tỷ số tín hiệu trên sai số (tínhiệu trên tạp âm lượng tử) vẫn khá nhỏ dù sai số lượng tử tuyệt đối có lớn. Việcchia các mức lượng tử không đều như thế tuy vậy lại khá khó thực hiện trong thựctế và một giải pháp tương đương thường được áp dụng là thực hiện lượng tử hóađều các tín hiệu được nén. Luật nén được áp dụng trong điều chế mã xung tín hiệuđiện thoại là luật logarit, trong đó tín hiệu lối ra y của mạch nén biến thiên theo luậtlogarit của tín hiệu lối vào x. Ở phần thu, tín hiệu được giãn trở lại. Việc duy trìnén-giãn chính xác là một yêu cầu rất ngặt nghèo nhằm tránh các méo tín hiệu mangvào 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 vựckhác nhau để lại. Luật nén được áp dụng là luật  đối với hệ Mỹ, trong khi đó hệChâu Âu sử dụng luật nén A. Biểu thức giải tích xác định các luật nén  và A là: Luật nén  (Hệ Mỹ): ln 1   x  y  sign  x  , 1  x  1 (2.5) ln 1    Luật nén A (Hệ Châu Âu):  Ax  sign  x  , 0  x 1 A  1  ln A y (2.6)  sign  x  1  ln A x , 1 A  x  1   1  ln A Hình 2.8: Đặc trưng nén-giãn theo luật  và luật A Trong các biểu thức (2.5) và (2.6), x và y lần lượt là các giá trị của các tín hiệulối vào và lối ra của bộ nén được chuẩn hóa theo giá trị cực đại của chúng. TheoH.Q.Trung.ĐTTT
  24. 24. 24khuyến nghị G.711 của CCITT, các giá trị của các tham số được chọn là: A=87,6 và  255 . Đối với hệ Mỹ,   100 cũng được sử dụng trong một số hệ thống, tuynhiên 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 hiệuquả cao về tỷ số tín trên tạp. Đặc biệt trong hệ thống truyền dẫn số còn áp dụng kỹthuật nén-giãn số dựa trên các đặc trưng nén-giãn tương tự. Thuật toán nén-giãnđược áp dụng cho hai hệ thống Mỹ và Châu Âu dựa trên việc xấp xỉ các đường congđặc trưng nén-giãn tương tự tương ứng với hai chuẩn  và A. Cụ thể với hệ Mỹ,đường cong đặc trưng nén-giãn tương tự được xấp xỉ bằng 15 đoạn thẳng (bao gồm7 đoạn dương, 7 đoạn âm và một đoạn qua gốc). Với hệ Châu Âu, được xấp xỉthành 13 đoạn thẳng (bao gồm 6 đoạn dương, 6 đoạn âm và một đoạn qua gốc đượcchia 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 đượcthực hiện bằng các tổ hợp 8 bits đối với cả hệ Mỹ lẫn Châu Âu và cùng có dạngPXYZABCD. Trong đó, bit P chỉ thị cực tính giá trị lượng tử của mẫu tín hiệu: P=1với tín hiệu dương và P = 0 với tín hiệu âm. Ba bits XYZ dùng để mã các đoạnthẳng (hoặc phân đoạn) làm gần đúng tuyến tính các luật nén (  hay A), bốn bitABCD 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 bitsPCM đối với hệ Mỹ và hệ Châu Âu cũng khác nhau. Đối với hệ Châu Âu, trước tiênviệc mã 12 bit được thực hiện, chia dải biên độ tín hiệu vào một cách tuyến tínhH.Q.Trung.ĐTTT
  25. 25. 25thành 4096 bước. Các mạch logic sau đó được sử dụng để tạo ra các từ mã 8 bittheo 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 ATừ bảng thuật toán trên, chúng ta có thể thấy rằng mỗi một đoạn được chia thành 16mức lượng tử đều. Giá trị độ lớn của mỗi một mức lượng tử đều (tính theo số bướccủa mức biên độ lối vào) được ghi ở cột cuối cùng của các bảng là thay đổi theo giátrị mức lối vào. Lợi ích của nén-giãn có thể thấy được thông qua xét làm ví dụ đối với hệ ChâuÂu. Chúng ta thấy rằng bộ lượng tử đều sử dụng nén-giãn (cũng còn gọi là bộ lượngtử 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 việcsử dụng bộ lượng tử tuyến tính 8 bit (256 mức) công suất tạp âm lượng tử giảmđược 4x6 = 24 dB.2.3. ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG VI SAI2.3.1. Nguyên tắcH.Q.Trung.ĐTTT
  26. 26. 26 Như ta đã biết, PCM được thực hiện bằng cách mã hóa các giá trị mẫu đượclượng tử hóa của tín hiệu liên tục lối vào. Số bit mã cần thiết, chẳng hạn cho tín hiệuđiện thoại, như phần trước đã trình bày, đã được CCITT xác định phải là 8. Tốc độtín hiệu thoại PCM như vậy là 64 kb/s, chiếm phổ tần khá lớn. Những rung động chuẩn chu k của thanh huyền và các chuyển động hạn chếcủa các bộ phận thuộc cơ quan phát âm như môi và lưỡi thực tế tạo ra các mẫu âmthanh rất tương quan trong tín hiệu âm hữu thanh. Ngược lại, các âm vô thanh thì cóxu hướng không tương quan. Trong đàm thoại, một người đàm thoại tiêu biểuthường nói trong 40 thời gian và đối với các giai đoạn tiếng nói tích cực (giaiđoạn có nói trong cuộc đàm thoại) thì các âm hữu thanh xảy ra gấp 4 lần so với cácâm vô thanh. Sự trội hơn hẳn của các âm hữu thanh có nghĩa là tính tương quantrong các tín hiệu âm thoại có thể khai thác được một cách có hiệu quả. Do tínhtương quan cao của các mẫu tiếng nói, sai lệch giữa hai mẫu kế nhau thường khánhỏ so với giá trị của từng mẫu. s n  s n1  s n (2.7) Trong đó s n  s  n f s  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 sailệch giữa các mẫu tiếng nói liên tiếp và chỉ cần một số bit ít hơn để mã. Đây chínhlà nguyên tắc của điều chế xung vi sai DPCM (Differential Pulse CodeModulation).2.3.2. Điều chế mã ung vi sai với bộ d đoán Do độ tương quan giữa các mẫu tiếng nói khá lớn nên có thể thực hiện dựđoán được một cách gần đúng một giá trị mẫu nào đó từ một số mẫu trước đó. Mộtvài phương pháp mã hóa với bộ dự đoán đã và đang được phát triển nhằm đạt đượchiệu quả phổ tần cao để truyền tín hiệu thoại cũng như các tín hiệu băng rộng nhưvideo. Trong quá trình mã hóa có dự đoán, ước lượng về mẫu tiếp theo có thể dựatrên mối tương quan giữa các phần tử, các đoạn hay các mẫu tín hiệu. Khi ướclượng này khá phù hợp thì sai lệch giữa một giá trị mẫu và giá trị mẫu dự đoán củanó còn nhỏ hơn nữa so với sai lệch giữa các mẫu kế tiếp. Vì vậy, bằng cách sử dụngthêm bộ dự đoán ta có thể chỉ cần mã giá trị sai lệch giữa giá trị thực và giá trị dựđoán của mẫu tín hiệu và số bit cần sử dụng để mã còn có thể giảm hơn nữa so vớiDPCM không có bộ dự đoán. Nhờ vậy có thể giảm hơn nữa tốc độ truyền và độrộng phổ chiếm.H.Q.Trung.ĐTTT
  27. 27. 27 (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 ragiá trị ước lượng của mẫu tiếp theo và sai lệch của sự ước lượng này với giá trị thựccủa mẫu tín hiệu kế tiếp được mã hóa PCM. Tín hiệu lối vào của bộ dự đoán đượchình thành từ một bộ giải mã PCM. Ở phía thu, các thuật toán ngược lại được thựchiện. 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 xácđịnh (ngoại suy) từ L mẫu trước đó theo biểu thức: L X n   ai s n  t  (2.9) i 1 Các hệ số ai là các trọng số của thuật toán dự đoán, được lựa chọn một cáchthích hợp. Phần tử được sử dụng rộng rãi trong thực hiện bộ dự đoán là bộ lọc giànbao gồm các đoạn dây giữ chậm T (là khoảng cách giữa các mẫu) và mạng kết hợptrọng số.H.Q.Trung.ĐTTT
  28. 28. 28 (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 bộdự đoán tiêu biểu là 15 dB. Cần chú ý ở đây rằng cái giá phải trả cho sự giảm phổchiếm dụng của tín hiệu, có được nhờ giảm độ dư thừa trong tín hiệu, là mức độnhạy cảm đối với lỗi truyền dẫn tỷ lệ với mức giảm độ dư thừa. Do tín hiệu thực sựđược mã chỉ là sai số giữa tín hiệu thực và tín hiệu dự đoán, nếu có sai lỗi trongtruyền dẫn thì sai lỗi này sẽ được cộng vào tín hiệu khôi phục trong suốt quá trìnhkhôi phục bởi vì máy thu chỉ thực hiện giải mã độ chênh lệch, tích phân lại và cộngkết quả với mẫu tín hiệu đã được khôi phục trước đó, và cứ vậy sai lỗi đó sẽ lan ratoàn tín hiệu được khôi phục.2.3.3. Hiện tượng quá tải sư n DPCM dựa trên tiền đề là các mẫu tín hiệu liên tiếp nói chung có độ chênhlệch nhỏ, vì vậy chỉ cần ít bit để mã. Điều này đúng với các loại tín hiệu biến thiêntương đối chậm. Với các tín hiệu biến thiên khá nhanh thì việc sử dụng tương đối itbit để mã độ chênh lệch sẽ gây méo tín hiệu. Hiện tượng này được gọi là uá tảisư n. Để thấy rõ hiện tượng này, ta xét trường hợp đơn giản nhất của DPCM là điềuchế delta. (DM: Delta Modulation), trong đó độ chênh lệch giữa hai mẫu liên tiếpđược mã chỉ bằng một bit: khi độ chênh lệch dương thì bit mã là 1, ngược lại khi độchênh lệch âm, bit mã là 0. Tại phía thu, một lượng cố định  được cộng vào haytrừ đi với mức tín hiệu trước đó (tính tích lũy) tùy theo cực tính của bit nhận được làH.Q.Trung.ĐTTT
  29. 29. 291 hay 0, hình thành một tín hiệu dạng bậc thang. Sau đó tín hiệu bậc thang được choqua lọc. H nh 2.13: Quá trình điều chế Delta H nh 2.14: Bộ điều chế Delta Hình 2.15: Bộ giải điều chế Delta2.4. 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 PCMgồm các từ mã 8 bit và tín hiệu tiếng nói được lấy mẫu với tần số 8 kHz bằng 64kbit/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 quốcH.Q.Trung.ĐTTT
  30. 30. 30tế tốc độ 32 kbit/s đối với tín hiệu mã tiếng nói nhờ sử dụng ADPCM. Vấn đề nàyđược phản ánh trong khuyến nghị G.721 của CCITT, có liên quan đến điều chế mãxung 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 mànhững 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 đượcthể hiện qua phương sai và hàm tự tương quan thay đổi chậm theo thời gian. Các bộmã hóa trong các hệ thống PCM và DPCM được tính toán trên cơ sở tín hiệu vàodừng và được mô hình hóa đối với các nguồn tín hiệu tựa dừng. Nếu bộ lượng tửđều PCM được sử dụng thì trị trung bình của tạp âm lượng tử bằng 0, phương saihoặc công suất tạp âm lượng tử bằng  2 12 . Nếu phương sai thay đổi do sai sốlượng tử thay đổi gây ra bởi tín hiệu vào tựa dừng, thì phương pháp để trung hòa làthay đổi bước lượng tử  . Đây là một trong những phương pháp hoạt động của bộlượng tử hóa tự thích nghi. Bộ lượng tử hóa tự thích nghi thay đổi bước lượng tửcủa nó phù hợp với phương sai của các xung lấy mẫu tín hiệu đi qua. Các thuật toánđược phát triển cho điều chế mã xung vi sai khi mã hóa tín hiệu tiếng nói bằng cáchsử dụng bộ lượng tử hóa và bộ dự đoán tự thích nghi, trong đó các hệ số thay đổi cóchu k để phản ánh thống kê của tín hiệu vào. Hơn nữa truyền các hệ số dự đoánđến máy thu, và như vậy làm tăng số bit truyền và tốc độ bit, bộ dự đoán thu tínhcác 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.ĐTTT
  31. 31. 31 Có hai loại hệ thống tự thích nghi. Thứ nhất là hệ thống DPCM có lượng tử tựthích nghi (thường gọi tắt là DPCM-AQB). Loại thứ hai kết hợp cả bộ lượng tử hóatự 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 5-6bit cho một xung lấy mẫu trên cỡ bước. Cho phép bảo vệ thông tin cỡ bước ở phíaphát 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 . Tựthích nghi khối hoặc tự thích nghi định k ; nghĩa là cỡ bước  của nó đổi mới mỗilần mỗi khối và giữ không đổi suốt trong thời gian một khối của N mẫu. Đánh giádựa trên cơ sở các mẫu không lượng tử. AQB: Thông tin về cỡ bước  được tách ra từ trạng thái trước đó của bộlượng tử hóa. Không có trễ của đánh giá. Tạp âm lượng tử làm giảm đặt tính bámsát mức và giảm đặc tính hơn nữa khi tăng cỡ của bước. Đây là hệ thống phi tuyếncó hồi tiếp và có thể không tránh khỏi vấn đề về sự ổn định. Các hệ thống AQF đòihỏi các khối đệm đắt tiền có cấu trúc phức tạp và cũng gây ra trễ, các hệ thốngDPCM ít phức tạp thường dùng các mạch AQB nên có lợi ở chỗ không cần các bitngoài 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 hệthống PCM 7 bit sử dụng phương pháp lượng tử hóa logarit mà chỉ so sánh với hệthống PCM 6 bit lượng tử hóa logarit. Nếu yêu cầu có một hệ thống DPCM 32kbit/s chất lượng cao thì bộ dự đoán tự thích nghi (APB) phải đưa vào thiết kế.H.Q.Trung.ĐTTT
  32. 32. 32 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.ĐTTT
  33. 33. 33 CHƯƠNG 3. TÍN HIỆU TRUYỀN DẪN SỐ3.1. RUNG PHA VÀ TRÔI PHA TRONG MẠNG TRUYỀN DẪN SỐ3.1.1. Vấn đề rung pha và trôi pha Rung pha và trôi pha được định nghĩa tương ứng là sự biến thiên ngắn và dàicác 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 k cố định nào đóđược nhận biết một cách rõ ràng trên mỗi xung. Sự biến thiên các thời điểm có ýnghĩa ảnh hưởng đến tín hiệu số giống như trong trường hợp khi tín hiệu định thờigốc sử dụng để tạo ra dòng bit bị điều pha với một tín hiệu điều chế, đó là dạngsóng rung pha. Dạng sóng rung pha có thể được biểu diễn bằng một hàm liên tụctheo thời gian và độc lập với tín hiệu số bị ảnh hưởng. Điều này có thể minh họanhư hình 3.1. Các tín hiệu rung pha có ý nghĩa nhất là các tín hiệu ở khoảng tần sốtừ vài chục Hz đến vài kHz. Các đơn vị biểu thị biến đổi của rung pha phụ thuộcvào môi trường đang đo nó, và có thể là các đơn vị thời gian, pha hoặc các khoảngthời 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 I, CCITT định nghĩa khoảng đơn vị là độ chênh lệchdanh định về thời gian giữa các thời điểm có ý nghĩa kế tiếp nhau của một tín hiệuchiếm thời gian bằng nhau . Điều này có nghĩa là độ rộng của một chu k tín hiệusố bằng khoảng thời gian đơn vị. Ví dụ, biên độ tức thời của rung pha đã được đo là1  s dưới dạng sóng vuông 100 kHz; vì chu k của dạng sóng 100 kHz là 10  s ,đối với tín hiệu định thời phải phân biệt được dấu và khoảng cách, thời gian có ýnghĩa đối với tín hiệu này cách nhau 5  s . Như vậy khoảng đơn vị sẽ là 5  s vàbiên độ rung pha sẽ là 1  s /5  s = 0,2 UI.3.1.2. Các nguồn rung phaH.Q.Trung.ĐTTT
  34. 34. 34 Trong nhiều trường hợp rung pha không thể xác định được và chỉ được tínhbằng cách sử dụng công cụ thống kê toán học như hàm mật độ xác suất của biên độ(pd ). Giá trị của hàm này chính là xác suất để tìm thấy biên độ rung pha, lớn hơnhoặc nhỏ hơn một giá trị xác định nào đó. Sau khi có hàm mật độ xác suất của biênđộ rung pha, chúng ta tính được giá trị trung bình và phương sai của nó. Nếu dạngsóng rung pha có thể xác định được thì một tham số quan trọng là tốc độ biến đổicủa rung pha trong tín hiệu số. Rung pha có thể xuất hiện do các nguyên nhân khácnhau trong một hệ thống truyền dẫn số. Tuy vậy, chủ yếu các nguyên nhân này cóthể 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 ởmức thấp và không tương quan. Trong các trường hợp này, rung pha cộng với nhautrên cơ sở công suất và tích lũy dọc hệ thống truyền dẫn số. Tuy vậy rung pha củacác bộ lặp là do từng mẫu sinh ra và do đó tương quan với nhau. Vì cùng mẫu hoặccác biến đổi trùng mẫu đưa đến mỗi bộ lặp, nên trong trường hợp này rung pha sẽđược tích lũy trên cơ sở biên độ. 3.1.2.1. ung pha do các ph n t nh th i sinh raH.Q.Trung.ĐTTT
  35. 35. 35 Rung pha này có biên độ và tần số tương đối thấp và nó xuất hiện do tạp âmpha không phối hợp trong mạch dao động của đồng hồ và do thay đổi độ rộng sườnxung 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 đổichậm trong nguồn cung cấp và các thay đổi về nhiệt độ lần lượt ảnh hưởng đến cácmức ngưỡng kích thích trong các mạch logic. 3.1.2.2. Tr i do s thay i nhiệt ộ gây ra Thường rung pha biến thiên chậm được xem như trôi xuất hiện do sự biến đổivề nhiệt độ của thiết bị và kênh truyền dẫn gây ra sự thay đổi về thời gian đối vớitín hiệu đi qua chúng. Vì trôi có tần số thấp nên các vòng khóa pha có xu thế làmtăng sự trôi này và như vậy thực tế không thể dùng các vòng khóa pha để loại bỏhoặc giảm sự trôi được, trừ khi thiết kế chúng có hằng số thời gian rất dài. Có thể sửdụng các bộ nhớ đệm có dung lượng đủ lớn, vì chúng có khả năng hấp thụ được cácsự biến đổi của các rung pha tương đối dài hơn này. ng 3.1: ng giá tr ánh giá ối i tr i Bảng 3.1 cho một giá trị đánh giá của trôi đối với các hệ thống khác nhau ởAnh. Các biên độ trôi giống như rung pha, có thể được biểu thị bằng các khoảngđơn 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 vàocủa cac thiết bị số nhằm tối thiểu hóa các hiện tượng trôi điều khiển được hoặckhông điều khiển được. 3.1.2.3. ung pha do hiệu ch nh tạo ra Như đã trình bày trong phần trên, hiệu chỉnh là một quá trình trong đó các bitđược chèn đều đặn vào luồng bit đến để nâng tốc độ bit lên đến tốc độ mà thiết bịghép kênh yêu cầu. Ở đầu cuối xa nhờ có các tín hiệu điều khiển hiệu chỉnh, các bitH.Q.Trung.ĐTTT
  36. 36. 36được chèn thêm vào đó bị gạt ra để khôi phục lại tín hiệu thông tin trở lại giá trịdanh định của nó. Việc loại bỏ một bit hiệu chỉnh ở đầu cuối thu nghĩa là tín hiệu sốxảy ra đột biến, được lọc ra để lại các chỗ trống của một khoảng khe thời gian. Tínhiệu bất thường này ngoài việc đi vào bộ nhớ đàn hồi, còn được đưa đến đầu vàomạch vòng khóa pha, mạch này tách tín hiệu định thời từ tốc độ trung bình của tínhiệu bất thường này. Tín hiệu định thời tổng hợp sử dụng để đọc tín hiệu ra từ bộnhớ 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 tínhiệu ra. Gía trị RMS của rung pha này có thể biểu thị bằng 0, 2887  fmax  , ở đâyf max là tốc độ bit ở đầu ra của bộ ghép kênh. Ngoài rung pha hiệu chỉnh, còn có mộtthành phần rung pha bổ sung gọi là rung pha thời gian chờ đợi . Nó xuất hiện dosự trễ giữa thời gian hiệu chỉnh đã có. Dạng rung pha này là một loại tích lũy trongthiết bị ghép kênh và có thể có các thành phần ở các tần số nằm trong băng thôngcủa vòng khóa pha của bộ tách kênh, đó là rung pha tần số thấp. Trong thời gian chờđợi biên độ rung pha tăng tuyến tính, tạo nên những mẫu răng cưa đặc trưng. Sựtích lũy của rung pha thời gian chờ đợi có tốc độ nằm giữa  N  và  N  1/ 4 1/ 2 , ở đâyN là số cặp ghép kênh. Một mô hình đã được công bố phù hợp với các phép đo tiếnhành trên một đoạn số gồm một thiết bị ghép kênh có liên quan đã chỉ ra rằng rungpha của bộ lặp cộng thêm vào rung pha thời gian chờ đợi do bộ tách kênh và do đótrong x đoạn số đối với một hệ thống hữu tuyến hoạt động ở 140 Mbit/s và đối vớimột hệ thống viba hoạt độ ở 34 Mbit/s, thì tổng rung pha J X bằng công suất đó domột đoạn đơn nhân với căn bậc 3 của số đoạn suốt đường nối. Và người ta cũng đãchứng minh là biên độ rung pha của thời gian chờ đợi lớn hơn giá trị của rung phamẫu phụ thuộc. 3.1.2.4. Rung pha do hoạt ộng c a bộ tái sinh Hầu hết các bộ tái sinh số sử dụng hiện nay đều tự định thời, tức là tín hiệu rađã được định thời lại dưới sự điều khiển của một tín hiệu định thời đã được tách ratừ tín hiệu vào. Dạng rung pha đáng kể nhất xuất hiện do sự không hoàn thiện trongmạch điện, phụ thuộc vào dãy xung trong tín hiệu số đang được truyền đi. Rung phanày được gọi là rung pha mẫu phụ thuộc. Trong các luồng bit số mang số liệu, không thể tách trực tiếp thông tin địnhthời được. Đó là vì luồng bit không chứa các xung trong mọi khe thời gian. Để táchthông tin định thời, cần phải tiếp tục xử lý và trong quá trình xử lý cần tạo ra mộtdòng xung đồng hồ đều đặn, đã có rung pha định thời xen vào. Một phương pháp đãH.Q.Trung.ĐTTT
  37. 37. 37được sử dụng để tách thông tin định thời là sử dụng luồng bit vào để thiết lập daođộng trong mạch điều hưởng có Q cao. Nếu Q đủ cao, vào lúc thời gian dao độngbắt 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 đãđược tách cộng với một thành phần rung pha do sử chuyển đổi biên độ pha của tạpâm ngẫu nhiên trong tín hiệu vào. Rung pha do tạp âm này tạo ra sẽ hoàn toàn ngẫunhiên và không tương quan với tín hiệu vào. Vì vậy, các bộ lặp khác dọc đường dâytạo nên rung pha một cách độc lập và có xu hướng tích lũy, dù cho mỗi bộ lặp sẽnén điều pha trong tín hiệu vào ở một phạm vi nào đó. Tuy vậy, bất k rung pha hoặc tạp âm nào nằm trong băng tần của mạch khôiphục đồng hồ sẽ xuất hiện trong tín hiệu định thời lại sẽ thêm vào rung pha do chínhmạch khôi phục đồng hồ gây ra. Như vậy lượng điều pha bị giảm phụ thuộc vào giátrị Q của mạch điều hưởng và lượng mạch bị lệch tần số danh định. Đứng trên quanđiểm của rung pha, sự hoạt động của một bộ lặp tái sinh tương đương như một bộlọc thông thấp đối với rung pha có ở tín hiệu vào, nhưng đồng thời cũng tạo nênrung pha, như đã nói ở trên. Có thể biểu thị điều này bằng một nguồn rung pha bổsung ở đầu vào. Nếu rung pha này thực sự là ngẫu nhiên, vì nó được sinh ra từnhững mẫu phụ thuộc hoặc rung pha tương quan, thì tổng rung pha RMS J N tồn tạitrong tín hiệu số sau N bộ tái sinh sẽ được biểu thị bằng biểu thức gần đúng: J N  J  N 1/ 4 Ở đây là rung pha RMS tạo nên từ một bộ tái sinh đơn do các nguồn rungpha không tương quan. Nguồn rung pha tạo nên do một mẫu ngẫu nhiên là ngẫunhiên về bản chất và hàm phân phố xác suất của biên độ (pd ) có thể coi gần nhưphân 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 k 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, lúcđó xác suất vượt rất thấp. 3.1.2.5. Rung pha ng ch nh Rung pha đồng chỉnh là hiệu tức thời giữa rung pha tín hiệu định thời và rungpha tín hiệu tín tức. Đó là rung pha rương đối, ngược với rung pha tuyệt đối. Cũngcó thể xem đó là hiệu giữa rung pha vào và rung pha ra của một bộ tái sinh bất ktrong một chuỗi dài của các bộ lặp tái sinh, sẽ có giá trị không đổi đối với tất cả cácbộ lặp, và giá trị cực đại xuất hiện trong chuỗi.H.Q.Trung.ĐTTT
  38. 38. 383.1.3. Các ảnh hưởng của rung pha Tại một giao diện liên kết, dung sai vào đối với rung pha của thiết bị tiếp theosẽ 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 nhữngvấn 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 phavà trôi. Các lý do để điều khiển này là phải đảm bảo các mục tiêu về lỗi số và trôikhông được vượt các chỉ tiêu đã nêu ra trong khuyến nghị G821 và G822 củaCCITT và chất lượng thông tin tương tự đã mã hóa lấy ra từ các mẫu đã được khôiphục 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 cáchgiới hạn lỗi đồng chỉnh trong mỗi một quá trình khôi phục thời gian. Điều này cóthể đạt được bằng cách thiết kế mạch khôi phục đồng hồ có độ rộng băng tần củarung pha có thể so sánh được với băng tần của rung pha vào. Biên độ rung pha tuyệtđối 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 xétđến việc tạo ra rung pha và tích lũy rung pha trong tất cả các thiết bị trên toàn mạng.H.Q.Trung.ĐTTT
  39. 39. 39Điều này nói lên yêu cầu đối với điều khiển toàn bộ rung pha và các đặc điểm kỹthuật của rung pha. Vì điều khiển rung pha nghĩa là điều khiển rung pha trong một giới hạn xácđịnh cần phải định rõ các giới hạn này bằng cách sao cho có thể thực hiện được sựđiều 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 riêngbiệt của thiết bị như thiết bị ghép kênh, các tổng đài số, ... Mạng tổng thể với nhữngcấu 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 ... sẽđáp ứng đối với rung pha xảy ra trên phần tử bất k của mạng ở đầu vào của nó,không kể đến vị trí của nó trong mạng hoặc tín hiệu xuất phát từ đâu trong mạnglưới. Hơn nữa các mục tiêu này phải tiếp tục đáp ứng dù răng mạng được mở rộngvà cấu hình của nó thay đổi. Khuyến nghị G823 của CCITT tập trung vào việc điều khiển rung pha và trôitrong các mạng số dựa trên cấp 2048 kbit/s và được giải quyết trước lúc xét cấp1544 kbit/s.Bảng . ung pha cho ph p c c đại tại giao diện phân cấp d a trên cấp 2 kbit s.( ung pha đầu vào có thể chịu được).Bảng .2 ung pha c c đại khi không có rung pha vào đối với một đoạn số có độ dài mộtH (rung pha nội tại).H.Q.Trung.ĐTTT
  40. 40. 40Bảng . ác đặc tính truyền đạt rung pha của bộ tách gh p số.3.1. . Các phương pháp đo rung pha Nhằm để định mức đặc tính rung pha của thiết bị và các hệ thống và so sánhvới các giới hạn đã cho ở trên, người ta phải tìm ra một cách đo rung pha. Trước lúcmô tả các phương pháp đo, các bài đo ta miêu tả một cách vắn tắt một số thiết bị đođược dùng trong thực tế. 3.1. .1. Thi t b o rung pha - ộ hiện s ng: Phương pháp sử dụng bộ hiện sóng là phương pháp đơn giản nhất trong tất cảcác phương pháp nhưng chỉ được sử dụng để xác định giá trị đỉnh-đỉnh của rungpha đối với các nguồn lặp như tín hiệu thời gian. Không thể sử dụng cho các luồngsố vào không lặp vì không thể kích thích máy hiện sóng. Phương pháp này bao gồmviệc sử dụng một tín hiệu đồng chỉnh, là bội của tần số vào hoặc trùng với tần sốvào. Chuẩn này được sử dụng cho đầu vào kích thích của máy hiện sóng. Tín hiệuthời gian lặp đưa đến đầu vào của máy hiện sóng và điều chỉnh máy tạo sóng đểhiển thị ổn định.H.Q.Trung.ĐTTT
  41. 41. 41 Nếu tín hiệu trên màn hình biểu thị rung pha đỉnh-đỉnh không rõ nét, có thểxác định nó bằng cách so sánh với gốc thời gian đã định của bộ hiện sóng. Có thể sửdụng phương pháp này để xác định độ trôi bằng cách chú ý tới sự chuyển động củamột tín hiệu thời gian chủ đạo hoặc độ mờ nét trong một thời gian dài, hoặc chú ýđến biên độ thời gian đỉnh – đỉnh đối với các biến đổi chậm. Một khuyết điểm củaphương pháp này là không thể xác định được các thành phần tần số của rung phabất k được đo. Tần số thấp bị ảnh hưởng của trôi có thể coi là trội hơn hẳn và cóthể đưa vào tính toán trong giai đoạn thiết kế thiết bị là 1. - ộ tách pha nh c : Một trong các thiết bị thông dụng nhất thuộc loại này là vôn kế vector He lettPackard. Cũng như máy hiện sóng, nó chỉ có thể sử dụng cho những tín hiệu đồnghồ hoặc những luồng bit lặp, trong đó tín hiệu chuẩn là tín hiệu hoặc có cùng tốc độvới 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 hồtín hiệu. Mỗi đầu vào được xử lý trước khi so pha nhằm để loại trừ các sự biến đổivề 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 trongvôn kế vector. Đầu ra của bộ so pha được xử lý tiếp tục, sau đó được đưa đến đồnghồ đo, bộ phân tích phổ hoặc bộ ghi đồ thị, mỗi bộ đều được chuẩn cùng với thiết bịđể cho phép đọc trực tiếp rung pha đỉnh-đỉnh. - ộ hiện s ng số: Kỹ thuật này cung cấp một bộ đánh giá lượng tử hóa thời gian và biên độ đốivới hàm mật độ xác suất các lần chuyển tiếp của tín hiệu số, khác với nhiều kỹ thuậtđo rung pha bình thường, cho phép đo ở tất cả các mức phân cáp và các tốc độ sốliệu trung gian. Ngoài ra kỹ thuật này cũng mô tả chi tiết hiện tượng rung pha, chophép đo một chuyển tiếp trong dãy số liệu tuần hoàn, hoặc đo toàn bộ của tất cả cácchuyển tiếp. Phương pháp này cũng cho các phương pháp để nhận dạng và nghiêncứu 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, tínhiệu đã được tạo ra cho qua một cửa sổ điện áp trong một thời gian nhỏ nhất.H.Q.Trung.ĐTTT
  42. 42. 42 Sử dụng những phích cắm tốc độ cao, có thể mở rộng trục thời gian cho đếnkhi tín hiệu chiếm đầy toàn bộ màn hình, một khi đạt được giai đoạn này, độ nhạyđiện ấp bị giảm xuống, như vậy bằng cách tạo ra một cửa số điện áp thì nó chỉ tạonên 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 vậyđịnh được khoảng thời gian trong đó các điểm trên dạng sóng rơi vào trong cửa sổnày. Nếu đã cho một trọng số, ở đó bất k một chuyển tiếp nào xuất hiện trong cửasổ đều bằng 1 và ngoài cửa số đều bằng 0, có thể đạt được một đánh giá của hàmmật độ xác suất rung pha. Xác định hàm mật độ xác suất này bằng cách ghi vạch giátrị của nó cứ sau m chuyển tiếp. Các giá trị pd gián đoạn đạt được bằng cách truynhập sau mỗi m chuyển tiếp, một tệp nhỏ n từ tích lũy số chuyển tiếp tại thời điểmchuyển tiếp của tín hiệu xuất hiện trong của số là N(t), và chia giá trị này theo thờigian kể từ khi bắt đầu thí nghiệm, đó là tổng số các chuyển tiếp nhân với thời giangiữa các chuyển tiếp. Ngoài hàm mật độ xác suất này, cũng có thể xác định được độlệch chuẩn rung pha RMS. Đối với hệ số tin cậy cao hơn có thể sử dụng các phương pháp thống kê để xácđịnh hàm mật độ xác suất đối với các phần khác nhau của tín hiệu vào, cũng nhưcác giá trị rung pha RMS. Vì các kết quả thu được phụ thuộc vào việc thiết lập chếđộ làm việc để kích thích cũng như tối ưu hóa đáp tuyến, nên cần tiến hành làmthêm những thí nghiệm phụ, yếu tố chủ quan này làm khó khăn trong việc thu nhậncác kết quả lặp đi lặp lại. - Một số thi t b o c trên th tr ng: 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 O151của 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.ĐTTT
  43. 43. 43 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 mongmuốn để biểu thị. Thiết bị đo lỗi WANDEL GOLTERMANNPF - 4 BIT V B ĐI CHRUNG PHA PFJ-4. Khi sử dụng đồng thời hai thiết bị này cho phép nghiên cứu rung pha trên cáchệ thống thông tin 140 Mbit/s. Ngoài ra hãng sản xuất thiết bị đo lường đã nói trên, còn có một số hãng cótiếng đó là Siemens, Marconi,... 3.1.5.2. Thi t p o rung pha Trong điều kiện hoạt động bình thường có thể coi tín hiệu thông tin là ngẫunhiên và phụ thuộc vào tải lưu lượng thông tin. Để phát hiện sự bất thường trong hệthống với các điều kiện này cần phải tiến hành đo trong một thời gian dài, đặt biệtnếu hệ thống là mới. Cần giới hạn của mạng đã cho trong bảng trên chỉ ra rằng xácsuất 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 đòhỏi một thời gian đo dài không thể chấp nhận được. Đối với phòng thí nghiệm, nhàmáy và các mục đích ủy thác, thì người ta tiến hành các đo lường trên hệ thốngbằng một loạt phép đo thử đặc biệt. Trong đo lường cần sử dụng các dãy thử giảngẫu nhiên để sao cho kết quả thu được phải gần giống với hoàn cảnh thực tế trongđó nội dung thông tin hầu như gần ngẫu nhiên hơn I V đỉnh-đỉnh với trở khác 75. ố trí thi t b o th theo khuy n ngh c a CC TTH.Q.Trung.ĐTTT
  44. 44. 44 H nh 3.2: Thiết l p đo rung pha của CCITTH.Q.Trung.ĐTTT
  45. 45. 45 Để phát tín hiệu này thì cần một bộ tạo đồng hồ và một nguồn điều chế nhưhình 3.2(A). Nguồn điều chế có thể lấy trong bộ tạo đồng hồ hoặc bộ tạo mẫu hoặccũng có thể lấy riêng rẽ như đã nêu. Bộ tạo đồng hồ có thể bị điều pha bằng nguồnđiều chế và chỉ ra độ lệch đỉnh-đỉnh của tín hiệu đã được điều chế. Các đầu ra củabộ tạo đồng hồ gồm có tín hiệu đồng hồ đã được điều chế và một tín hiệu chuẩn thờigian, 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 mứcrung pha xác định trong khoảng tần số thiết kế: neus rung pha của một tín hiệu sốvượt 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 vàsau đó đố chiếu các thời điểm này với các đặc tính của hệ thống sẽ thấy được mộtcách sâu sắc ảnh hưởng của rung pha. Trong một số ứng dụng, một điều rất bổ ích làxem xét phép đo rung pha phụ thuộc vào tần số, vì thường thường các hệ thống chịuđựng được biên độ rung pha ở tần số thấp rất tốt hơn là đối với các thành phần tầnsố cao. Các đặc tính và các hàm truyền đạt rung pha của các thành phần hệ thống cũnglà cac tham số quan trọng, chúng có thể hỗ trợ cho việc nâng cao chất lượng hệthống. Trong các hệ thống số tương đối dài nối qua các trạm lặp, mức độ cho phépcủa một đầu vào bộ lặp đối với những lệnh biên độ rung pha là hàm của tần số rungpha. Có thể sử dụng đơn vị trọng số tần số trong phép đo rung pha, nó biểu thị độlớn rung pha tỷ lệ với tác hại của rung pha vào hệ thống, không kể đến lượng tần sốcủa 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 điềuchế rung pha, một đồng hồ đo rung pha và một bộ phát hiện tỷ lệ lỗi bit. Thiết bịđược đo có thể là một thành phần của hệ thống ví dụ như một phần của thiết bị ghépkênh, một bộ tái sinh hoặc một hệ thống truyền dẫn đầy đủ. Rung pha nội tại đượcđo bằng tắt điều chế rung pha trên thiết bị đo. Để xác định hàm truyền đạt, thì bộ tạosóng bị điều pha hình sin với các tần số khác nhau và với một biên độ rung pha choH.Q.Trung.ĐTTT
  46. 46. 46phép. Nhờ sự hỗ trợ của bộ phát hiện tỷ lệ lỗi bit có thể xác định được rung pha đầuvào cực đại cho phép. Rung pha đầu vào được tăng cho đến lúc xuất hiện lỗi. Điềunày được lặp lại đối với những tần số rung pha khác nhau. Bình thường xác định sửdụng dãy nhị phân giả ngẫu nhiên cho tất cả ba phép đo này.3.1. . Các phương pháp tối thi u hóa rung pha Thường sử dụng hai phương pháp cơ bản. Phương pháp thứ nhất là tiến hànhcác bước để ngăn chặn việc sinh ra và tích lũy một cách có hệ thống của rung phabằng cách sử dụng các bộ trộn ngẫu nhiên. Các thiết bị này làm cho tín hiệu trởthành ngẫu nhiên và như vậy giảm được ảnh hưởng của bất k cơ chế gây rung phacủa mẫu phụ thuộc. Phương pháp thứ hai là giảm độ lớn của rung pha đã có bằngcách sử dụng mạch khôi phục lại thời gian có độ rộng băng tần nhỏ hơn độ rộngbăng 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 cóthể gây ra trong một số mạch một độ lệch không điều khiển được, do đó biên độrung pha tại các tần số này được tích lũy và đủ lớn làm ảnh hưởng tới các thiết bị sốkhông trong suốt đối với rung pha. Tuy nhiên trong hoàn cảnh thực tế việc chọn cácbộ nhớ đệm có dung lượng đủ lớn ở đầu vào của các thiết bị số giảm nhẹ bớt vấn đềnày.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 phậnhợp 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 cáchệ thống đồng bộ bằng cách nén các thành phần phổ rời rạc của các mẫu bit tuầnhoàn. Nói chung, bộ xáo trộn nhằm làm cho dữ liệu ngẫu nhiên hơn bằng cách loạibỏ 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 haycác bit 0 .H.Q.Trung.ĐTTT
  47. 47. 47 Hình 3.3. Bộ trộn và giải trộn giả ngẫu nhiên cơ bảnBộ xáo trộn bao gồm thanh ghi dịch, và bộ khử xáo trộn tương ứng chứa thanh ghidịch phản hồi thuận. Mỗi lần thực hiện dịch ứng với việc làm trễ đi một bit. Đểphân tích bộ xáo trộn và khử xáo trộn, ta xét chuỗi dữ liệu T ở lối ra của mộ xáotrộn. 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 trìnhtrên ta có:Để thiết kế bộ giải xáo trộn (descrambler) tại máy thu, ta bắt đấu với chuỗi dữ liệuT (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 thuđược 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 ảnhhưởng tới 3 bit ở lối ra R. Bởi thế, xáo trộn có nhược điểm là có thể gây ra một loạtcác lỗi từ một lỗi bit đơn.H.Q.Trung.ĐTTT
  48. 48. 48Ví dụ: Cho lối vào của bộ xáo trộn là một chuỗi bit S = 101010100000111. Hãy tìmlối 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 Svào 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. Tổngquát ta có:DoNên=>Tương tự, ta có:Vì vậy:D n S là chuỗi S bị trễ n bit. Do đó ta có thể tìm chuỗi T như sau:H.Q.Trung.ĐTTT
  49. 49. 493.2. 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 dàihơn. Các từ nhị phân dài hơn này sẽ có nhiều tổ hợp hơn do tăng số bit. Chúng ta cóthể chọn những tổ hợp xác định có cấu trúc theo một qui luật từ mã hợp thành, chophép tách thông tin định thời một cách dễ dàng hơn và giảm độ chênh lệch giữanhững con số 1 và những số 0 xuất hiện trong một từ mã (đó là giảm sự chênhlệch). Việc giảm độ chênh lệch này dẫn tới giảm thành phần một chiều. Nếu độchênh lệch này giảm đến không đối với tất cả tập hợp từ mã thì thành phần mộtchiều của chúng cũng giảm đến không. Điều này là cần thiết vì không thể truyềnthành phần một chiều của tín hiệu số đi được. Có thể sử dụng các từ mã phụ trongmã dư để truyền số liệu phụ như truyền bit ch n lẻ trong mã phát hiện lỗi và truyềncác kênh phụ trợ. Tuy vậy việc tăng độ dài của từ mã nhị phân sẽ làm tăng tốc độ bitvà do đó tăng độ rộng băng tần. Tốc độ bit tăng tỷ lệ với tỷ số độ dài cảu từ mã ratrên độ dài của từ mã vào. Ở mã 5B6B tốc độ bit ở đầu ra tăng 6/5 lần so với tốc độbit 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 dảitần hạn chế. Việc giảm độ rộng băng tần cần thiết của kênh hoặc tăng tốc độ bit vớimột độ rộng băng tần đã cho sẽ làm tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm để đạt được xácsuất lỗi cho trước. - Bảo mật tin tức ở những nơi yêu cầu tính an toàn cao đặc biệt trên các tuyếntruyền 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 bộgiảm thành phần biên độ tần số không đến 0, hoặc giảm các thành phần cao và thấpcủa tần số trước lúc lọc . Có thể đưa những số 0 đặc biệt vào các luồng số đượcmã 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 cácbit thông tin được ngầm giả thiết là nhị phân đơn cực. Giả thiết này là hợp lý miễnlà các bit thông tin đã được xác định trong một công đoạn nhất định nào đó của thiếtbị xử lý và dây nối không được dài quá vài mét. Với những đường dây nối tươngđối dài, đường cáp đôi xoắn bọc kim, hoặc cáp đồng trục thì không nên sử dụngluồng bit nhị phân.H.Q.Trung.ĐTTT

×