Chương 9: Truyền tín hiệu tương tự bằng song ngang

Chia sẻ: NGOC NGUYEN VAN | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

0
260
lượt xem
69
download

Chương 9: Truyền tín hiệu tương tự bằng song ngang

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hệ thống truyền số có thể truyền tín hiệu có nguồn gốc là tín hiệu số hoặc tương tự sau khi đã được số hóa. - Tín hiệu tương tự (tiếng nói) sau khi được lấy mẫu bằng phương pháp PAM có thể được đưa lên đường truyền để phát đi, nhưng một hệ thống truyền tín hiệu xung như vậy chưa phải là hệ

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 9: Truyền tín hiệu tương tự bằng song ngang

  1. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 1 CHƯƠNG 9 TRUYỀN TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ BẰNG SÓNG MANG SỐ η HỆ THỐNG TRUYỀN SỐ η ĐIỀU MÃ XUNG ♦ Tín hiệu PCM ♦ Sơ đồ khối hệ thống PCM ♦ Băng thông ♦ Sai số lượng tử ♦ Tỉ số SNR ♦ Sự nén giãn η ĐIỀU CHẾ VI PHÂN VÀ DELTA ♦Điều chế Delta ♦ Điều chế vi phân η IC CODEC 2914 __________________________________________________________________________________________ ____ 9.1 Hệ thống truyền số Hệ thống truyền số có thể truyền tín hiệu có nguồn gốc là tín hiệu số hoặc tương tự sau khi đã được số hóa. - Tín hiệu tương tự (tiếng nói) sau khi được lấy mẫu bằng phương pháp PAM có thể được đưa lên đường truyền để phát đi, nhưng một hệ thống truyền tín hiệu xung như vậy chưa phải là hệ thống truyền số vì tín hiệu ở ngã ra thiết bị phát là những xung có biên độ khác nhau. Để truyền được trên hệ thống truyền số, các xung PAM này phải được số hóa trước khi được đưa ra đường truyền. - Đường dây cáp truyền trực tiếp các mã nhị phân của hệ thống Bell có tên là T- carriers. - Riêng tín hiệu số từ các DTE muốn truyền trên T-carriers phải qua Modem để biến thành tín hiệu tương tự nằm trong dải tần âm thanh rồi lại được số hóa (dĩ nhiên có dạng khác với trước). - Trong trường hợp muốn truyền các tín hiệu số nói trên với khoảng cách xa, người ta có thể thực hiện đa hợp nhiều kênh rồi dùng phương pháp PSK để điều chế sóng mang siêu cao tần để đưa lên đường truyền vi ba. (H 9.1) là sơ đồ một hệ thống truyền số như mô tả ở trên Điều chế Giải đc _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  2. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 2 PSK (vi ba) PSK ↑ ⏐ ⏐ ↓ T-carriers DTE ⎯→ Modem ⎯→ Biến đổi ⎯⎯⎯→ Biến đổi ⎯→ Modem ⎯→ DTE (t.t.) ADC (số) DAC (t.t.) Điện thoại ⎯→ ⎯→ Điện thoại Hệ thống phát Hệ thống thu (H 9.1) 9.2 ĐIỀU MÃ XUNG (Pulse code Modulation, PCM) PCM là một phương pháp biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số thịnh hành nhất. Tín hiệu tương tự được giữ và lấy mẫu tại các thời điểm xác định (điều chế PAM) trước khi đưa vào mạch biến đổi tương tự - số (ADC) để biến đổi sang một số nhị phân có giá trị tương ứng với biên độ của tín hiệu tương tự tại thời điểm lấy mẫu. Trước nhất cần nhắc lại một số tính chất của PAM: - Tần số xung lấy mẫu fs ít nhất phải bằng hai lần tần số cao nhất của tín hiệu tương tự fm. Đây là điều kiện cần thiết để có thể phục hồi tín hiệu tương tự một cách chính xác ở máy thu. (H 9.2b) cho thấy trường hợp fs ≤ 2fm. đưa đến sự biến dạng tín hiệu tương tự, tín hiệu được tái tạo không có dạng của tín hiệu nguồn nữa. Đây là biến dạng aliasing. - Băng thông nhỏ nhất của kênh truyền PAM xấp xĩ tần số fs nên: BW ≈ 2fm. (a) (b) (H 9.2) 9.2.1 Tín hiệu PCM (H 9.3) cho thấy vị trí mạch biến đổi ADC (mã hóa PCM) và DAC (giải mã PCM) trong hệ thống truyền số. (H 9.3) _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  3. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 3 (H 9.4) là một ví dụ về dạng sóng của tín hiệu số dùng số nhị phân 5 bit để mã hóa một tín hiệu tương tự. (H 9.4) Trong (H 9.4) tín hiệu tương tự ở ngã vào biến đổi trong khoảng từ 0 đến 7,75V. Số bit dùng mã hóa là n = 5 nên số mức mã hóa tương ứng là 2n - 1 = 31. Như vậy một mức trong mã hóa tương ứng với 7,75/31 = 0,25 V. Với xung lấy mẫu có chu kỳ Ts ta được các mẫu xung có biên độ lần lượt là: 2,25V, 4,25V và 6,0V. Các số nhị phân tương ứng với các mẫu xung này là: 01001, 10001, 11000. Các số nhị phân này được biểu diễn bởi các mã b4 b3 b2 b1 b0 (b0 là LSB). Dĩ nhiên ở ngã ra là các mã nhị phân song song, các mã này có thể qua bộ biến đổi song song nối tiếp để truyền đi theo cách truyền nối tiếp. 9.2.2 Băng thông của kênh truyền PCM Trong PCM băng thông của kênh truyền tùy thuộc vào số bit n của tín hiệu số dùng mã hóa các xung PAM của tín hiệu tương tự. _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  4. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 4 Nếu fs là tốc độ lấy mẫu, vận tốc truyền tín hiệu br ít nhất phải bằng n lần của fs: Tốc độ bit br ≥ nf s = 2nfm (bps) 1 1 Thời gian cho một bit T = = br 2nfm Tần số của tín hiệu lớn nhất khi có dạng sóng vuông 101010......Trong trường hợp này mỗi chu kỳ của tín hiệu nhận được hai bit nên tần số cơ bản lớn nhất của sóng vuông biểu diễn số nhị phân bằng phân nửa tốc độ bit : fmax=1/2T = br/2 Vậy băng thông nhỏ nhất để thỏa đường truyền này là: BW = br/2 = nfm Thí dụ: Xác định tần số xung lấy mẫu nhỏ nhất fs và băng thông tối thiểu BW để truyền tín hiệu tương tự có tần số 12 kHz bằng cách dùng số nhị phân 9 bit. (fs )min = 2fm = 24 kHz Tốc độ bit br = 2nfm = 2.9.12 = 216 kbps Băng thông nhỏ nhất (BW)min = br/2 = 216/2 = 108 kHz Qua thí dụ ta thấy để truyền tín hiệu tương tự 12 kHz băng thông cần là 108 kHz, khá lớn so với tần số tín hiệu cần truyền. Đây là một khuyết điểm cần được khắc phục của phương pháp PCM. 9.2.3 Sai số (nhiễu) lượng tử (Quantizing error, noise) Phần trên cho thấy dùng một số n bít để mã hóa tín hiệu tương tự thì được 2n mẫu biên độ của tín hiệu (nhưng chỉ có 2n -1 mức), khi n lớn thì số mẫu càng nhiều, khoảng cách 2 mức liên tiếp nhỏ lại. Tuy nhiên ta không thể nào chọn n = ∞ để khoảng cách này triệt tiêu, thậm chí cũng không được chọn n quá lớn để giảm khoảng cách mức vì sẽ đưa tới băng thông của kênh truyền rất lớn, làm giảm số kênh truyền và ảnh hưởng rất nhiều đến những đặc tính khác của hệ thống mà hậu quả là giá thành sẽ lên rất cao. Nói cách khác n phải có giới hạn và sai số trong việc mã hóa là không thể tránh khỏi, ta gọi sai số này là sai số lượng tử, nếu gọi e là khoảng cách mức (hay khoảng cách lấy mẫu) thì sai số lượng tử lớn nhất là ± e/2. Có thể nói hệ thống PCM có tính miễn nhiễu rất tốt nhưng nhiễu lượng tử thì đương nhiên hiện hữu nên khi nghiên cứu các hệ thống này ta không thể bỏ qua tác dụng của nó. Do tín hiệu tương tự trong nhiều trường hợp là loại lưỡng cực nên khi thực hiện mã hóa người ta dùng các số nhị phân với bit MSB là bit dấu (H 9.5.a) cho thấy sự tương quan giữa điện áp lấy mẫu va và mã nhị phân n bit tương ứng, giả sử va giới hạn trong khoảng -Vm đến +Vm . Gọi Vp là điện áp đỉnh-đỉnh: Vp=2⏐Vm⏐ (H 9.5.b) là một ví dụ cụ thể với ⏐Vm⏐ = 5,1 V và n = 8 Vp 10,2 Khoảng cách 2 mức điện áp là : e = 8 = = 0,04V 2 − 1 255 Sai số lượng tử tương ứng là ± e/2 = ± 0,02 V _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  5. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 5 (H 9.5) Lưu ý là trị 0 của tín hiệu nhận 2 mã có dấu + (80) và - (00), nhưng khoảng cách mức vẫn không đổi (0,04V). a-/ Sai số tương đối trong lượng tử hóa Gọi q là sai số tương đối của tín hiệu trong lượng tử hóa : e V q= = n m 2 v a (2 − 1) v a Với va là điện áp của tín hiệu tương tự cần lấy mẫu. Tính q theo phần trăm % 100Vm %q = n (2 − 1) v a Ta thấy phần trăm sai số tương đối tăng lên khi va nhỏ, điều này được minh họa ở (H 9.6) (H 9.6) b-/ Xác định n theo %q Từ biểu thức trên, với một giá trị %q định trước người ta có thể chọn n tối thiểu cần thiết để thỏa mãn yêu cầu về sai số. log[(100/% q)(V m / v a ) + 1] n= log2 n = 3,32 log⏐(100/%q)(Vm / ⏐va⏐) +1⏐ _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  6. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 6 Ví dụ Tính giá trị n cần thiết để %q ≤ 10% khi va = 5% trị cực đại Vm n ≥ 3,32 log ⏐(100/10)(1/0,05) + 1⏐ = 7,65 Ta chọn n = 8 9.2.4 Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR Tín hiệu trước khi lấy mẫu là tín hiệu tương tự, xác định bởi trị hiệu dụng (RMS), như vậy để xác định được tỉ số SNR trước nhất ta hãy tính trị hiệu dụng của sai số lượng tử (tức eRMS của nhiễu). Xét trường hợp đơn giản tín hiệu tương tự là một đường thẳng, tín hiệu lấy mẫu (cũng là tín hiệu ra ở máy thu) có dạng nấc thang và do đó dạng sóng của thành phần sai số là tín hiệu răng cưa (H 9.7b) (a) (H 9.7) (b) Trong khoảng (-T/2,T/2) thành phần sai số lượng tử có dạng đường thẳng qua gốc tọa Vp độ với độ dốc − n nên phương trình của sai số là: (2 − 1)T Vp e(t) = − n t (2 − 1)T và trị hiệu dụng của sai số là : T/2 1 Vp eRMS = ∫ (2 − 1)Tt] dt 2 [- n T − T/2 1 Vp eRMS = 12 2 − 1 n Thí dụ : Nếu dùng số nhị phân n = 5 bít để mã hóa tín hiệu biên độ đỉnh-đỉnh là Vp = 5V. Xác định trị hiệu dụng của nhiễu eRMS và SNR trong hai trường hợp va = 2,5V và va = 1V - Với va = 2,5V Vp1 5 1 eRMS = = = 0,0451V 12 2 − 1 12 2 − 1 n 5 SNR = 2,5/0,0451 = 55,4 = 34,3 dB - Với va = 1V ta được SNR = 22,17 hay 26,9 dB. Như vậy, tỉ số SNR càng nhỏ khi giá trị của tín hiệu càng nhỏ. _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  7. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 7 9.2.5 Sự nén - giãn (Compressing & Expanding, vt Companding) Việc mã hóa mà ta bàn ở trên dựa trên cơ sở quan hệ giữa điện áp và giá trị mã hóa là quan hệ đường thẳng trong đó sự gia tăng các mức là không đổi, ta gọi hình thức mã hóa này là PCM tuyến tính. Điểm bất lợi của phương pháp này là sai số như nhau với mọi điện áp tín hiệu nên kết quả là với các tín hiệu có biên độ nhỏ thì SNR cũng nhỏ, nói cách khác nhiễu lượng tử trở nên rất đáng kể khi tín hiệu có giá trị nhỏ. Để khắc phục khuyết điểm này, người ta dùng phương pháp mã hóa theo đường cong, cụ thể là dạng logarit, ta gọi là PCM logarit, trong cách mã hóa này tín hiệu có giá trị (tuyệt đối) nhỏ được mã hóa với khoảng cách mức nhỏ hơn và tín hiệu có giá trị càng lớn được mã hóa với khoảng cách mức càng lớn hơn, đường cong mã hóa có độ dốc cao ở phần đầu và bị nén lại ở phần cuối. Đây là một quá trình nén ở máy phát và dĩ nhiên một quá trình ngược lại được thực hiện ở máy thu để phục hồi tín hiệu, gọi là quá trình giãn. Kết quả của sự nén này cho tỉ số SNR như nhau với mọi tín hiệu vào. Có hai luật nén khác nhau áp dụng ở hai vùng lục địa : - Luật µ-255 , sử dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ, mối quan hệ điện áp vào Vin và mã (điện áp ra Vout) có dạng : V max .log(1 + µVin / V max ) Vout = log(1 + µ ) Trong đó µ = 2n - 1 ; với n = 8 ta được µ = 255. (H 9.8.a) cho đường cong mã hóa theo luật µ-255 (vẽ theo trị chuẩn hóa của Vin và Vout) (a) luật µ-255 _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  8. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 8 (b) luật A-87,6 (H 9.8) - Luật A-87,6 được sử dụng rộng rãi ở Âu châu, mối quan hệ giữa điện áp và mã có dạng : 1 + log A Vin - Khi ⏐Vin⏐ > 1/A Vout = 1 + log A A Vin - Khi 0
  9. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 9 đoạn mã 12 bit ban đầu mã 8 bit nén mã 12 bit phục hồi 0 s0000000abcd s000abcd s0000000abcd 1 s0000001abcd s001abcd s0000001abcd 2 s000001abcdx s010abcd s000001abcd1 3 s00001abcdxx s011abcd s00001abcd10 4 s0001abcdxxx s100abcd s0001abcd100 5 s001abcdxxxx s101abcd s001abcd1000 6 s01abcdxxxxx s110abcd s01abcd10000 7 s1abcdxxxxxx s111abcd s1abcd100000 Trong bảng 9.1 abcd là các bit đươc giữ nguyên để phát đi , các bit x là các bit mất đi trong quá trình nén (đoạn 0 được thực hiện một cách ngoại lệ). Lưu ý là đoạn 0 và 1 được phục hồi không có sai số trong khi đoạn 7 chỉ có 6 bit MSB là được phục hồi chính xác. Bỏ qua bit dấu 11 bit còn lại tạo ra 211 = 2048 tổ hợp. Hai đoạn 0 và 1 mỗi đoạn ứng với 16 tổ hợp khác nhau tùy thuộc giá trị cụ thể của a,b,c,d. Ở đoạn 2, 5 bít cuối abcd và x cho 32 tổ hợp khác nhau, tuy nhiên trong quá trình nén 32 tổ hợp này chỉ cho 16 mức tương ứng, diễn tả bởi abcd và 1, ta nói 32 mức đã được nén thành 16. Tương tự, đoạn 3 đã nén 64 mức xuống còn 16,... và đoạn 7 đã nén 1024 mức xuống còn 16 mức. giản đồ nén theo phương pháp trên được minh họa ở (H 9.9), giản đồ này rất gần với giản đồ lý thuyết của luật µ-255. Kết quả của phương pháp nén cho thấy các tín hiệu nhỏ (trường hợp thưòng xảy ra) có thể được mã hóa bởi một chuỗi liên tục các số 0, điều này khiến cho sự đồng bộ ở máy thu gặp khó khăn, vì lý do này mà người ta đã đảo các bit, trừ bit dấu, trước khi phát đi, như đã thấy trên giản đồ (lý thuyết) của luật µ-255. (H 9.9) Qua phương pháp nén thực tế ta thấy sai số gia tăng theo độ lớn của tín hiệu nhưng phần trăm sai số thì như nhau cho các đoạn. Công thức dưới đây được dùng để tính phần trăm sai số: [ mức phát - mức thu ] %sai số = --------------------------------100 mức thu Phần trăm sai số cực đại ứng với các số nhỏ nhất trong một đoạn. Thí dụ Đối với đoạn 3: Phát s00001000000 Thu s00001000010 _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  10. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 10 64 − 66 % sai số = * 100 = 3,03% 66 Đối với đoạn 7: Phát s10000000000 Thu s10000100000 1024− 1056 % sai số = * 100 = 3,03% 1056 9.3 ĐIỀU CHẾ VI PHÂN VÀ DELTA Trong truyền thông để có hiệu quả cao đôi khi người ta chỉ truyền đi thông tin đặc trưng cho sự thay đổi của tín hiệu thay vì bản thân tín hiệu đó. Ở máy thu sẽ dựa vào sự thay đổi này để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Đây là cơ sở của phương pháp điều chế vi phân và Delta. Phương pháp này chứng tỏ có hiệu quả thực sự cao khi tín hiệu truyền có ít sự thay đổi, ví dụ tín hiệu Video là loại tín hiệu chứa nhiều thông tin lặp lại. Thực tế cho thấy dùng điều chế Delta cho tín hiệu âm thanh đã giảm được tốc độ bít đến 50%. Các yêu cầu về đồng bộ giữa thiết bị thu và phát trong điều chế Delta ít hơn ở PCM, nhưng việc ghép kênh khó khăn hơn do băng thông của điều chế Delta khá rộng. 9.3.1 Điều chế Delta Việc truyền sự thay đổi của tín hiệu có thể thực hiện đơn giản bằng cách so sánh biên độ tín hiệu mới lấy mẫu với biên độ của tín hiệu trước đó, phát kết quả so sánh, gọi là tín hiệu vi phân (gồm các bit 1 hoặc 0) tới nơi thu. Bộ giải mã thu nhận sự thay đổi này và có thể cộng liên tiếp các tín hiệu vi phân (tức là lấy tích phân) để phục hồi tín hiệu đã phát. (H 9.10) minh họa một hệ thống điều chế Delta. - Máy phát : Một OPAMP so sánh hai tín hiệu vào S(t), là tín hiệu cần truyền và S'(t), là tín hiệu trễ, để tạo ra tín hiệu vi phân , tín hiệu này sau khi được làm trễ một chu kỳ đồng hồ bởi một FFD, ta được tín hiệu e(t), đây là tín hiệu truyền tới nơi thu. e(t) có giá trị dương khi S(t) > S'(t) và âm khi ngược lại. - Máy thu : Tín hiệu e(t) nhận được sẽ qua một mạch tích phân để phục hồi S(t). (H 8.9.b) chỉ dạng các tín hiệu. (a) (b) (H 9.10) _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  11. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 11 9.3.1.1 Nhiễu lượng tử Quan sát dạng sóng (H 9.10b) ta thấy khi tín hiệu vào S(t) không đổi, tín hiệu S'(t) có giá trị thay đổi trên hoặc dưới S(t) và e(t) dao động giữa mức dương và âm. Sự sai biệt này giữa hai tín hiêụ là nhiễu lượng tử. Thành phần nhiễu này có thể giảm bớt nếu ta giảm chiều dài bước h (step size) và thu nhỏ chu kỳ xung đồng hồ Ts. Tuy nhiên điều này sẽ ảnh hưởng đến băng thông của tín hiệu. 9.3.1.2 Quá tải độ dốc (Slope - overload) Nếu tín hiệu vào S(t) ở máy phát biến đổi quá nhanh, S’(t) không theo kịp sự biến đổi này và việc mã hóa không còn đúng, kết quả là tín hiệu phục hồi ở máy thu bị biến dạng. Ta gọi đây là biến dạng do quá tải độ dốc (đoạn cuối (H 9.10b)). Độ dốc của tín hiệu ra từ mạch tích phân là h/Ts. Thành phần tần số cao nhất của tín hiệu vào phải được giới hạn để độ dốc cực đại của tín hiệu không vượt quá giá trị này, đó là điều kiện để tránh quá tải độ dốc. Lấy ví dụ tín hiệu vào là sóng sin : S(t) = Vm sin(2πfint) Độ dốc của S(t) là đạo hàm dS(t)/dt : dS( t ) = 2 π Vmfin cos(2πfint) dt Độ dốc cực đại khi t = 0 và bằng dS(t) = 2π Vmfin dt max Để tránh quá tải độ dốc, phải có : 2π Vmfin ≤ hfs hf s Hay fin ≤ 2πVm 9.3.1.3 Băng thông Từ (H 9.10b) ta thấy tần số lớn nhất của tín hiệu e(t) trên đường truyền là fs/2 do đó băng thông tối thiểu của đường truyền là fs πVm BW ≈ ≥ f in 2 h Biểu thức cho ta xác định băng thông tối thiểu của hệ thống để tránh được biến dạng do quá tải độ dốc. Giá trị băng thông tùy thuộc Vm/h. Như nói trên để giảm nhiễu ta có thể giảm h, nhưng như vậy băng thông sẽ lớn. Thí dụ lấy giá trị cụ thể của h là 5% Vm thì Vm/h = 20 và BW = 63 fin . Kết quả cho ta thấy băng thông của đường truyền lớn như thế nào. Để phát sóng sin 12 kHz dùng PCM 9 bít cần băng thông 108 kHz. Ta thử tính băng thông trong trường hợp dùng điều chế Delta. 9 bít PCM cung cấp một bước điện áp giữa các mã kề nhau là 2Vm /511. Nếu chọn h bằng giá trị này ta tính được : πVm BW ≥ fin = π ( 511/2) 12 kHz = 9,65 MHz h fs = 2BW = 19,3 MHz _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  12. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 12 9.3.1.4 Điều chế Delta có độ dốc biến đổi Để tránh hiện tượng quá tải độ dốc, ngưới ta dùng cách điều chế Delta có độ dốc biến đổi (Variable Slope Delta Modulation, VSDM) . Trong VSDM độ dốc của tín hiệu ở ngã ra mạch tích phân S'(t) thay đổi theo độ dốc của tín hiệu vào, như vậy sẽ tránh được biến dạng khi tín hiệu vào thay đổi quá nhanh. Nguyên lý của điều chế VSDM là dùng sự biến đổi của độ dốc của tín hiệu vào để điều khiển hệ số của mạch tích phân, nếu độ dốc của tín hiệu vào tiếp tục tăng hay giảm, hệ số của mạch tích phân tăng hay giảm theo để làm thay đổi chiều dài bước của xung lấy mẫu, chiều dài bước sẽ lớn khi tín hiệu vào biến đổi nhanh và nhỏ khi sự biến đổi này chậm. (H 9.11) mô tả một hệ thống thu phát dùng kỹ thuật VSDM. - Máy phát : Tín hiệu ở ngã ra OPAMP được đưa vào một bộ ghi dịch 3 bit, gồm 3 FFD, các tín hiệu ra ở các FF này lần lượt là e(t), e(t + Ts) và e(t + 2Ts) và các đảo của nó được đưa vào bộ phát hiện trùng lặp gồm các cổng AND và OR. Tín hiệu ở ngã ra bộ trùng lặp được dùng để điều khiển độ lợi một mạch khuếch đại và độ lợi này làm thay đổi hệ số của mạch tích phân. Cơ chế của sự điều khiển này như sau: Khi độ dốc của tín hiệu vào tiếp tục gia tăng (hoặc tiếp tục giảm) ở ngã ra các FFD xuất hiện các bít 1 hoặc 0, lúc đó bộ trùng lặp nhận đồng thời 3 bit 1 hoặc 3 bit 0, khiến ngã ra của nó lên 1, tín hiệu này được đưa vào một mạch so sánh với một điện áp chuẩn để tạo tín hiệu điều khiển mạch khuếch đại. - Máy thu : ở máy thu sự vận chuyển cũng tương tự như thế. (a) Hệ thống phát (b) Hệ thống thu (H 9.11) (H 9.12) minh họa một dạng sóng của tín hiệu hình sin ở ngã vào , tín hiệu vi phân e(t) và tín hiệu tương ứng ở ngã ra bộ tích phân. (H 9.12) _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  13. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 13 Trên thị trường IC điều chế và giải điều chế biến đổi độ dốc liên tục (Continuously Variable Slope Delta, CVSD ) MC 3417 của hảng MOTOROLA có cấu tạo như sơ đồ (H 9.11) được sử dụng rộng rãi trong điện thoại. (H 9.13) là sơ đồ chức năng của IC MC 3417. (H 9.13) 9.3.2 Điều chế PCM vi phân ( Differential PCM, DPCM) Điều mã xung vi phân DPCM là sự kết hợp hai phương pháp : điều chế Delta và điều mã xung. Tín hiệu vi phân e(t), có từ điều chế Delta, được phát đi theo cách điều mã xung nghĩa là sẽ được mã hóa với 2m mức, trong đó m là số bit của tín hiệu. Với cách điều chế này số bit cần thiết cho việc mã hóa sẽ giảm đi rất nhiều nếu tín hiệu vào ít thay đổi, điều này dẫn đến băng thông của kênh truyền sẽ giảm đáng kể, tuy nhiên sự quá tải độ dốc vẫn là một vấn đề nghiêm trọng cần phải được quan tâm. 9.4 2914 COMBO chip Để phục vụ cho việc phát tín hiệu số, các IC CODEC đã ra đời. Có thể kể ra dưới đây một số IC đã có mặt trên thị trường: - 2910A và 2911A là các IC mã hóa và giải mã (Codec), khi sử dụng kết hợp với IC làm chức năng lọc 2912A. - 2913 (20 chân) và 2914 (24 chân) là các IC vừa thực hiện mã hóa, giải mã và cả chức năng lọc trong một chip, được gọi là combo chip. - 2916 và 2917 là thế hệ sau, có cùng chức năng như 2913 và 2914 nhưng có it chân hơn (16 chân). Sau đây, chúng ta sẽ khảo sát một IC tiêu biểu: 2914. _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  14. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 14 9.4.1 Vận hành tổng quát Các chức năng chính của 2914: - Lọc dải thông tín hiệu tương tự trước khi mã hóa và sau khi giải mã. - Mã hóa và giải mã tín hiệu âm thanh và tín hiệu của các cuộc gọi - Mã hóa và giải mã các thông tin báo hiệu và giám sát. - Thực hiện việc nén - giãn. (H 9.14 ) là sơ đồ khối của 2914 ( H 9.14) Bảng 9.2 VÀ 9.3 tóm tắt chức năng của các chân : Bảng 9.2 Ký hiệu Tên Ký hiệu Tên VBB Power (-5V) CLKR Receive master clock PWRO+,PWRO- Power Amplifier Output CLKX Transmit master clock GSR Receive Gain control FSX Transmit frame synch. Clock PDN Power-down select DX ↑ Transmit PCM output CLKSEL Master clock freq. select TSX /DCLKX Timeslot strobe/ Buffer enable LOOP Analog loopback Transmit variable data rate SIGR Receive signaling bit output SIGX/ASEL Transmit signaling bit input DCLKR Receive variable data rate µ- or A-law select DR ↓ Receive PCM highway input GRDA Analog ground FSR Receive frame synch. Clock VFXI+ Noninverting analog input GRDD Digital Ground VFXI- Inverting analog input VCC Power (+5V) GSX Transmit gain control Bảng 9.3 _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  15. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 15 Ký hiêu Chức năng VBB Nguồn -5V ±5% PWRO+ Ngã ra không đảo của mạch khuếch đại CS thu. Có thể thúc biến áp hỗn hợp hoặc trực tiếp cho tải có tổng trở cao (đơn hay vi sai) PWRO- Ngã ra đảo của mạch khuếch đại CS thu. Chức năng giống và bổ túc cho PWRO+ GSR Ngã vào dùng điều chỉnh độ lợi mạch CS thu. Mức tín hiệu phát có thể được điều chỉnh trên dải rộng 12 dB tùy vào điện thế ở chân GSR PDN Chọn giảm thế nguồn. Mức cao: 2914 ở trạng thái tác động- Mức thấp: Giảm thế nguồn CLKSEL Chọn tần số xung đồng hồ thu phát chính: CLKSEL = VBB . . . . . . . 2,048 MHz CLKSEL = GRDD . . . . .1,544 MHz CLKSEL = VCC . . . . . . . 1,536 MHz LOOP Vòng tương tự. Mức TTL cao: PWRO+ nối (bên trong) VFXI+, GSR nối với PWRO-, và VFXI- với GSX. Một tín hiệu số 0 dBm ở ngã vào DR sẽ cho ra t.h. số +3dBm ở DX SIGR Bit báo hiệu ra từ máy thu. Ở chế độ vận tốc cố định, SIGR xuất trạng thái logic của bit thứ 8 (LSB) của từ mã PCM của khung báo hiệu mới nhất. DCLKR Chọn chế độ vận tốc cố định hay vận tốc thay đổi để hoạt động: DCLKR = VBB: Chế độ vận tốc cố định DCLKR không nối với VBB : Chế độ vận tốc thay đổi, chân này là ngã vào của xung đồng hồ từ 64 KHz tới 2.048MHz (mức TTL). DR Ngã vào PCM. Dữ liệu nhận vào từ chân này ứng với cạnh xuống của 8 xung đồng hồ liên tiếp. CLKR ở chế độ vt cố định và DCLKR ở chế độ vt thay đổi FSR Ngã vào xung đồng bộ khung, 8 KHz/ Chốt khe thời gian, phần thu. Trong chế độ vận tốc cố định chân này xác định khung loại báo hiệu hay không. Trong chế độ vận tốc thay đổi, chân này phải được giữ ở mức cao trong suốt thời gian của từ mã PCM (8 bit). Phần thu sẽ đi vào chế độ chờ khi chân này ở mức thấp trong khoảng thời gian 300ms GRDD Mass số cho tất cả mạch logic bên trong. Không nối với GRDA CLKR Xung đồng hồ thu chính và vận tốc bit ở chế độ vt cố định; là xung đồng hồ thu chính ở chế độ vận tốc thay đổi CLKX Xung đồng hồ phát chính và vận tốc bit ở chế độ vận tốc cố định; là xung đồng hồ phát chính ở chế độ vận tốc thay đổi FSX Ngã vào xung đồng bộ khung, 8 KHz/ Chốt khe thời gian, phần phát. Hoạt động độc lập nhưng theo một cách giống như FSR DX Ngã ra PCM. Dữ liệu xuất ra từ chân này ứng với cạnh lên của 8 xung đồng hồ liên tiếp. CLKX ở chế độ vận tốc cố định và DCLKX ở chế độ vận tốc thay đổi TSX /DCLKX Ngã ra: chốt khe thời gian phần phát. Ngã vào: đồng hồ vận tốc bit phần phát. Ở chế độ vận tốc cố định, là ngã vào điều khiển đệm 3 trạng thái. Ở chế độ vận tốc thay đổi, là ngã vào xung đồng hồ mức TTL cho phép IC hoạt động với vận tốc bit từ 64 Kbps tới 2048 Kbps SIGX/ASEL Chân có 2 chức năng. Khi nối với VBB, cho phép chọn luật nén A-87,6. Khi không nối với VBB chân này là ngã vào cho bit báo hiệu có mức TTL. Tín hiệu này thay thế cho bit LSB của từ mã của các khung báo hiệu. GRDA Mass chung cho các mạch tương tự VFXI+ Ngã vào không đảo của tín hiệu tương tự VFXI- Ngã vào đảo của tín hiệu tương tự GSX Ngã vào tín hiệu âm thanh của mạch lọc phát. Nhận tín hiệu từ ngã ra mạch OPAMP khuếch đại đầu vào. VCC Nguồn +5V ±5% 9.4.2 Độ tin cậy của IC Khi tất cả mạch đồng hồ và nguồn đều được nối vào, Combo chip 2914 được cấp nguồn bằng cách cung cấp xung cho ngã vào đồng bộ khung phát (FSX) và/hoặc ngã vào đồng bộ khung thu (FSR), đồng thời áp vào chân Power Down Select ( PDN ) mức TTL cao. 2914 có một reset nội khi được cấp nguồn (khi có sự gián đoạn và VBB hoặc VCC được nối trở lại). Điều này bảo đảm tín hiệu số ra có hiệu lực và do đó duy trì sự hội nhập xa lộ PCM của IC. Ở phần phát, ngã ra dữ liệu PCM (DX) và Transmit Timeslot Strobe ( TSX ) được giữ ở trạng thái tổng trở cao trong khoảng thời gian của 4 khung (500µs) sau khi được cấp nguồn. Sau thời gian trể này Combo chip đi vào chế độ vận hành, các tín hiệu DX, TSX , và tín hiệu _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  16. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 16 báo (signaling) được định vị ở các khe thời gian riêng. Nhờ mạch auto-zeroing ở phần phát mạch tương tự cần khoảng 60ms để đạt trạng thái cân bằng. Như vậy, những thông tin báo hiệu như on/off hook gần như có hiệu lực tức thời trong khi tín hiệu tương tự sẽ chỉ có hiệu lực sau 60ms. Ở phần thu, chân Signaling Bit Output (SIGR) cũng được giữ ở mức thấp (inactive) khoảng 500µs sau khi cấp nguồn và giữ trạng thái không tác động này cho đến lúc được cập nhật bởi việc nhận khung báo hiệu (signaling frame) Để tăng độ tin cậy của hệ thống, chân TSX và DX được đưa lên trạng thái tổng trở cao và chân SIGR giữ mức thấp khoảng 30µs sau một sự gián đoạn của xung đồng hồ chính (CLKX). Sự gián đoạn có thể do điều kiện lỗi nào đó. 9.4.3 Chế độ giảm nguồn và chờ Để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ xuống tới mức tối thiểu (5 mW), hai chế độ giảm nguồn được áp dụng cho 2914, trong đó hầu hết các chức năng của nó đều không được phép. Ở chế độ này chỉ các mạch đồng hồ và đệm đồng bộ khung là được cấp nguồn (ở điều kiện Enable). Chế độ giảm nguồn được thực hiện bằng cách đặt mức TTL thấp vào chân PDN . Chế độ chờ được thực hiện cho phần phát và thu một cách riêng rẽ bằng cách đưa chân FSX hay FSR xuống thấp trong khoảng thời gian 300ms. Khi cả phần thu và phát đều ở chế độ chờ thì công suất tiêu thụ khoảng 12 mW. 9.4.4 Chế độ vận tốc cố định Chế độ vận tốc cố định xảy ra khi nối DCLKR với VBB, lúc này, các mạch đồng hồ thu phát chính thực hiện các chức năng: - Cung cấp xung đồng hồ chính cho mạch lọc. - Cung cấp xung đồng hồ chính cho mạch đổi tương tự - số và ngược lại. - Xác định vận tốc bit vào ra giữa codec và xa lộ PCM. Trong chế độ vận tốc cố định, vận tốc bit thu phát bằng với tần số xung đồng hồ và có một trong các giá trị 1,536, 1,544, hay 2,048 Mbps. Xung đồng bộ thu phát (FSX và FSR) là 8 KHz dùng xác định tần số lấy mẫu và độ rộng của nó cho phép phân biệt khung có tín hiệu báo và khung không tín hiệu báo, xung có độ rộng 1 bit dùng cho các khung không có tín hiệu báo và xung có độ rộng 2 bit dùng cho các khung có tín hiệu báo. Ngã ra timeslot strobe buffer enable TSX được dùng để đưa từ mã PCM lên xa lộ PCM khi một mạch đệm bên ngoài được dùng để thúc đường này. TSX cũng được dùng như một xung cổng bên ngoài cho mạch đa hợp thời gian (H 9.15). Dữ liệu phát ra trên xa lộ PCM từ ngã ra DX ứng với 8 cạnh lên (↑) đầu tiên của xung đồng hồ CLKX theo sau cạnh lên của FSX. _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  17. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 17 _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  18. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 18 (H 9.15) (H 9.15) _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  19. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 19 (H 9.16) _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
  20. _______________________________Chương 9 Truyền tín hiệu tương tự bằng sóng mang số IX - 20 (H 9.16) Tương tự, ở phần thu, dữ liệu được thu từ xa lộ PCM vào ngã DR ứng với 8 cạnh xuống đầu tiên của xung đồng hồ CLKR. Các xung đồng hồ CLKX và CLKR được chọn bởi chân CLKSEL và có thể có các giá trị 1,536; 1,544 hay 2,048 MHz. Khi sử dụng nhiều kênh (mỗi IC sử dụng cho một kênh), tín hiệu FSX và FSR phải thực hiện sự đồng bộ giữa các IC và hệ thống để bảo đảm rằng chỉ có một IC đang phát hay thu ở một thời điểm. (H 9.15) là sơ đồ khối và giản đồ thời gian cho hệ thống gồm có một kênh PCM dùng 2914 ở chế độ vận tốc cố định và hoạt động với tần số đồng hồ chính là 1,536 MHz. Trong chế độ này, dữ liệu được truyền dưới dạng các xung ngắn (burst mode). Với một kênh duy nhất xa lộ PCM chỉ tác động trong khoảng 1/24 thời gian khung. Từ (H 9.15) có thể có các nhận xét sau đây: - Vận tốc bit ra/vào bằng tần số xung đồng hồ chính 1,536 Mbps. - Tín hiệu vào/ra codec là 64 kbps (=1.536KHz/24) PCM . - Chân DX và DR chỉ tác động trong khoảng 1/24 thời gian khung (125 µs). _____________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản