Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số - ThS. Hoàng Quang Trung

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:105

Thêm vào BST

Báo xấu

341
lượt xem 96
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cuốn sách Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số gồm có 5 chương. Chương I: Tổng quan về truyền dẫn số. Chương II: Truyền dẫn số các tín hiệu tương tự. Chương III: Tín hiệu truyền dẫn số. Chương IV: Kỹ thuật ghép kênh số. Chương V: Các hệ thống truyền dẫn viễn thông. Đây là tài liệu học tập của học viên, sinh viên khoa Công nghệ điện tử và truyền thông.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật truyền dẫn số - ThS. Hoàng Quang Trung

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 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN SỐ 1.1. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN Mạng điện thoại được xây dựng dựa trên cơ chế truyền tiếng nói giữa các máy điện thoại. Đến những năm 1970, mạng này đã hoàn thiện bằng việc thực hiện truyền tín hiệu tương tự trong cáp đồng xoắn đôi và ghép kênh phân chia tần số (FDM-Frequency Division Multiplexing) dùng trong các tuyến đường dài để kết hợp truyền nhiều kênh thoại trong một cáp đồng trục. Thiết bị truyền dẫn loại này rất đắt so với giá của một tổng đài điện thoại, vì vậy, chuyển mạch được xem như một thiết bị nhằm tiết kiệm sử dụng tài nguyên khan hiếm lúc bấy giờ là băng thông truyền dẫn. Vào đầu những năm 1970, các hệ thống truyền dẫn số bắt đầu xuất hiện, sử dụng phương pháp điều chế xung mã (PCM-Pulse Code Modulation) do Alec Reeves nêu ra lần đầu tiên vào năm 1937. PCM cho phép truyền tín hiệu tương tự (như tiếng nói của con người) ở dạng nhị phân. Sử dụng phương thức này, tín hiệu thoại tương tự chuẩn 4 kHz có thể truyền dưới dạng luồng tín hiệu số 64 kbit/s. Các nhà kỹ thuật đã nhận thấy khả năng hạ giá thành sản xuất các hệ thống truyền dẫn bằng cách kết hợp một số kênh PCM và truyền chúng trong một đôi cáp đồng xoắn mà trước đây chỉ dùng để truyền một tín hiệu tương tự duy nhất. Hiện tượng này được gọi là lợi dây. Do giá thành thiết bị điện tử số bắt đầu giảm nên sử dụng các công nghệ này đã tiết kiệm được rất nhiều chi phí. Phương thức ghép kênh 64 kbit/s thành môt luồng bit tốc độ cao duy nhất còn được gọi là Ghép kênh phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing). Một cách đơn giản, mỗi byte của mỗi kênh đầu vào theo thứ tự được đưa vào kênh tốc độ cao ở đầu ra. Quá trình xử lý này còn được gọi là "chèn byte tuần tự". Ở châu Âu và sau đó là rất nhiều nơi trên thế giới, sở đồ TDM chuẩn được áp dụng để ghép kênh 64 kbit/s, cùng với hai kênh thông tin điều khiển kết hợp tạo thành một kênh có tốc độ 2,048 Mbit/s. Do nhu cầu sử dụng điện thoại tăng lên, lưu lượng trên mạng tăng, kênh chuẩn tốc độ 2 Mbit/s không đủ đáp ứng cho lưu lượng tải trên mạng trung kế. Để tránh không phải sử dụng quá nhiều kết nối 2 Mbit/s thì cần tạo ra môt mức ghép kênh cao hơn. Châu Âu đưa ra chuẩn ghép 4 kênh 2 Mbit/s thành một kênh 8 Mbit/s. Mức ghép kênh này không khác bao nhiêu so với mức ghép kênh mà các tín hiệu đầu vào được kết hợp từng bit chứ không phải từng byte, nói cách khác là mới áp dụng chèn bit chứ chưa thực hiện chèn byte. Tiếp đó, do H.Q.Trung.ĐTTT
3 nhu cầu ngày càng tăng, các mức ghép kênh cao hơn nữa được xây dựng thành chuẩn, tạo ra môt phân cấp đầy đủ các tốc độ bit là 34 Mbit/s, 140 Mbit/s và 565 Mbit/s. 1.2. HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ 1.2.1. Các thành phần cơ bản Truyền dẫn là chức năng truyền một tín hiệu từ một nơi này đến một nơi khác. Hệ thống truyền dẫn gồm các thiết bị phát và nhận, và phương tiện truyền cùng bộ lặp lại giữa chúng như hình 1.1. Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của một hệ thống truyền dẫn. Những phương tiện phát sẽ truyền và phát đi những tín hiệu đầu vào (tín hiệu gốc) để truyền chúng một cách hiệu quả qua phương tiện, thiết bị nhận tách ra những tín hiệu gốc trong những tín hiệu thu được. Đồng thời bộ lặp lại xử lý việc bù lại trong quá trình truyền. Các phương tiện truyền bao gồm dây dẫn kim loại, cáp đồng trục, radio, ống dẫn sóng và cáp sợi quang. Truyền dẫn bao gồm phần truyền dẫn thuê bao nối liền máy thuê bao với tổng đài và phần truyền dẫn tổng đài nối tổng đài với tổng đài. Truyền dẫn gồm truyền bằng cáp, truyền radio, liên lạc vệ tinh, truyền TV, liên lạc sợi quang, ống dẫn sóng, liên lạc dưới đất cùng bộ chuyển tiếp phục hồi sử dụng các phương tiện truyền dẫn, kết cấu kết hợp và mạng đồng bộ hóa của các thiết bị này, việc bảo dưỡng và phần quản lý của mạng truyền dẫn v.v.. * Truyền dẫn sử dụng sợi quang (fiber) Môi trường quang sợi có độ rộng băng gần như không giới hạn. Đặc điểm của nó là suy hao không đáng kể, chỉ vào cỡ 0,25 Db/Km. Đây chính là ưu điểm vượt trội của sợi quang so với cáp đồng trục. Ngoài ra truyền dẫn trên sợi quang còn có các ưu điểm khác nữa là: Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ trường, an toàn, kích thước nhỏ và nhẹ, … Giải tần số được sử dụng trong truyền dẫn sợi quang được mô tả như hình dưới: H.Q.Trung.ĐTTT
4 Cấu trúc của sợi quang: 1.2.2. Các nguồn ảnh hưởng tới tín hiệu truyền dẫn 1.2.2.1. Méo tín hiệu qua kênh (distortion) Kênh truyền thực tế là không lý tưởng, do đó tín hiệu đi qua kênh ít hay nhiều cũng bị ảnh hưởng đến dạng tín hiệu, có nghĩa là bị méo so với tín hiệu gốc. Ngoài ra, sẽ không thể tránh khỏi méo phi tuyến đối với những tín hiệu làm việc tại các tần số cao. Điều này xuất phát từ một thực tế rằng với các tần số cao sẽ bị ảnh hưởng do sự xáo động của các điều kiện khí quyển, bởi vậy gây ra sự thay đổi về tần số. Chẳng hạn với các hệ thống radar doppler sử dụng trong việc giám sát thời tiết là một trường hợp cụ thể. Méo tuyến tính có thể gây ra các ảnh hưởng trong các hệ thống truyền dẫn xung. Loại méo này được đặc trưng bởi sự phân tán thời gian (làm kéo dài xung), dẫn tới hiệu ứng đa đường. H.Q.Trung.ĐTTT
5 1.2.2.2. Tạp âm (noise) Thuật ngữ tập âm (noise) mô tả các tín hiệu điện không mong muốn xuất hiện trong hệ thống. Sự xuất hiện của tập âm làm giảm khả năng tách chính xác các tín hiệu phát, và, vì vậy, làm giảm tốc độ truyền dẫn thông tin. Tạp âm được tạo ra từ các nguồn khác nhau nhưng có thể được phân ra thành hai loại chính đó là nguồn tạp âm nhân tạo và tạp âm tự nhiên. Tạp âm nhân tạo xuất hiện từ các nguồn đánh lửa, chuyển mạch hay phát xạ điện từ. Tạp âm tự nhiên xuất hiện trong các mạch hay linh kiện điện tử. 1.2.2.3. Nhiễu Nhiễu được hiểu là các thành phần tín hiệu không mong muốn được thêm vào tín hiệu bản tin khi nó được truyền từ máy phát đến máy thu. Trong thực tế, việc truyền tin có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu khác nhau: nhiễu điều chế, nhiễu xuyên kênh (Crosstalk), nhiễu xung (ISI), ... 1.2.3. Các kênh truyền dẫn Kênh truyền dẫn là môi trường kết lối giữa bộ phát và bộ thu, ở đó có thể là các sợi dây dẫn kim loại, cáp đồng trục, cáp sợi quang, ống dẫn sóng, bầu không khí H.Q.Trung.ĐTTT
6 hay sự kết hợp giữa các môi trường trên. Tất cả các kênh đều có một băng tần giới hạn cho phép tín hiệu có thể đi qua. Do các đặc tính vật lý mà mỗi kênh có thể có tần số cắt ở giới hạn trên (tần số cao) hay giới hạn dưới (tần số thấp). Trong trường hợp kênh bị chặn dưới (tần số cắt ở giới hạn dưới của băng kênh) thì kênh được mô tả như là một bộ lọc thông dải. Còn nếu băng thông của kênh không bị chặn dưới thì kênh được mô tả như là một bộ lọc thông thấp. Kênh truyền dẫn được phân loại theo độ rộng băng. Có 3 loại kênh phổ biến là: Kênh băng hẹp (narrow band), băng thoại (voiceband) và băng rộng (wideband). Các kênh băng hẹp: Đối với những kênh có độ rộng băng lên tới 300 Hz thì được gọi là băng hẹp, và thuộc vào loại truyền điện tín. Những kênh như thế được sử dụng cho truyền dẫn dữ liệu tốc độ chậm ở mức là 600 bit trên giây (bps). Những kênh băng hẹp không đủ độ tin cậy để sử dụng cho truyền dẫn tín hiệu thoại. Các kênh thoại có độ rộng băng giới hạn trong khoảng từ 300 Hz đến 4 kHz. Thiết kế ban đầu của kênh thoại là để phục vụ cho mục đích truyền dẫn tương tự (analog) tín hiệu thoại (voice), mặc dù vậy các kênh này thường được sử dụng để truyền dữ liệu ở tốc độ 10 kilô bits trên giây (kbps). Mộ số dạng tín hiệu video nén cũng có thể được truyền trên các kênh thoại. Các mạch vòng khép kín thuê bao trong hệ thống điện thoại công công truyền thống sử dụng băng thoại. Các kênh băng rộng có độ rộng băng lớn hơn 4 kHz. Các kênh này có thể được dành cho một đơn vị truyền thông (chẳng hạn một công ty điện thoại) và có thể sử dụng cho mục đích truyền dữ liệu tốc độ cao, video, hay các kênh thoại hợp nhất. Băng tần hoạt động của tín hiệu được phân bổ theo các dải tần số như sau: H.Q.Trung.ĐTTT
7 1.2.3. Tham số chất lượng của hệ thống truyền dẫn số Các tham số chất lượng cơ bản của hệ thống truyền dẫn số được đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bit (BER) và dung lượng truyền dẫn. Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị trong một tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn. Khi tập các giá trị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống được gọi là nhị phân và tín hiệu khi đó được gọi là bit. Khi số giá trị có thể có của tín hiệu khác 2, tổng quát là M thì hệ thống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệu được gọi là ký hiệu (symbol). Gọi giá trị của symbol thứ k là Dk và thời gian tồn tại của nó là Tk (đối với các hệ thống thông thường hiện nay, Tk  T và là hằng số với mọi k). Ở đầu thu ˆ ˆ ˆ tín hiệu khôi phục lại là Dk và có độ rộng là Tk , nếu Dk  Dk thì tín hiệu thứ k ˆ được gọi là bị lỗi, nếu Tk  Tk thì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter. Các tham số kỹ thuật chung nhất đối với các loại hệ thống truyền dẫn số khác nhau, thể hiện chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống, là tỷ lệ lỗi bit BER và jitter (rung pha). Đối với hệ thống nhị phân, xác suất lỗi BER được định nghĩa là: ˆ  BER  P Dk  Dk  ˆ Khi Tk  T  T thì  được gọi là jitter, tính theo phần trăm. H.Q.Trung.ĐTTT
8 ˆ  Trong trường hợp hệ thống nhiều mức thì P Dk  Dk  được gọi là tỷ lệ lỗi symbol (SER) và có quan hệ chặt chẽ với BER. 1.3. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3.1. Tím hiệu truyền dẫn a) Tín hiệu tương tự (analog signal) Tín hiệu tương tự có thể được xem như là một dạng sóng có tính chất liên tục về thời gian trong phạm vi tín hiệu tồn tại. Hình 1.5: Minh họa dạng sóng và phổ tương ứng của tín hiệu tương tự. b) Các tín hiệu mẫu Tín hiệu mẫu nhận được từ tín hiệu tương tự bằng cách lấy mẫu tại các thời điểm nhất định. Hàm biểu diễn tín hiệu mẫu có biến thời gian rời rạc. Hình 1.6: Minh họa dạng sóng rời rạc nhận được từ việc lấy mẫu tín hiệu tương tự. c) Tín hiệu số (Digital signal) Tín hiệu số là một dạng của tín hiệu mẫu hay tín hiệu rời rạc trong đó mỗi một con số trong chuỗi tín hiệu tương ứng với một giá trị xác định. Tín hiệu số có thể có được từ lối ra của nhiều thiết bị. Ví dụ, khi ta quay số máy điện thoại thì sẽ tạo ra H.Q.Trung.ĐTTT
9 các tín hiệu số phụ thuộc vào nút được nhấn, tín hiệu số có được từ đầu ra của bàn phím máy tính hoặc từ các bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC). 1.3.2. Các phương pháp truyền thông tin a) Truyền tin nhị phân - Truyền tin nhị phân dùng cáp đơn Tốc độ truyền dẫn phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của điện áp (hay các kiểu ký hiệu khác) trên kênh truyền trước khi thành phần tần số là quá lớn để có thể lọc suy hao kênh truyền và dẫn đến méo tín hiệu. Nói theo cách khác, tốc độ truyền dẫn bị giới hạn bởi băng thông của tuyến truyền. - Truyền tin nhị phân dùng nhiều cáp song song Bằng cách sử dụng nhiều cáp, tín hiệu truyền qua kênh có thể sẽ tăng tỷ lệ với số cáp (kênh) sử dụng. Tín hiệu truyền qua có thể duy trì như ở tuyến truyền nhị phân đơn, cho phép thay thế bởi các tuyến có băng thông nhỏ hơn (dẫn tới chi phí thấp hơn). b) Truyền tin đa mức - Truyền tin đa mức sử dụng cáp đơn Truyền dẫn dữ liệu không bắt buộc phải giới hạn ở cơ số hai (nhị phân), theo lý thuyết có thể sử dụng một số mức điện áp hay một số kiểu ký hiệu. H.Q.Trung.ĐTTT
10 Ví dụ: sử dụng 4 mức điện áp, chúng ta có thể mã hóa mỗi tổ hợp hai bit nhị phân bởi một trong 4 mức điện áp (00 ~ mức A, 01 ~ mức B, 10 ~ mức C và 11 ~ mức D). Khi đó ta có thể gửi thông tin nhanh gấp 2 lần xét trên cùng một độ rộng băng thông. - Truyền tin đa mức sử dụng nhiều cáp Việc sử dụng các kênh truyền dẫn song song để truyền dữ liệu cho phép tăng khả năng (dung lượng) truyền tin trên băng thông bị giới hạn. c) Ký hiệu đa mức Về nguyên tắc chúng ta có thể sử dụng một số ký hiệu (trạng thái ký hiệu) cho bản tin số. Ví dụ, tại sao sử dụng 1024 trạng thái điện áp khác nhau, mỗi trạng thái (ký hiệu) mã hóa số bit là log 2 1024  10 bits. Chúng ta thậm chí có thể sử dụng 1048576 trạng thái ký hiệu, khi đó với mỗi ký hiệu mã hóa 20 bits thông tin. Rõ ràng có một giới hạn thực tế trên số trạng thái được sử dụng, phụ thuộc vào khả năng phân biệt chính xác các trạng thái (các mức điện áp, tần số, …) của thiết bị thu. Ví dụ: một số modem điện thoại hoạt động ở tốc độ 56 kbps sử dụng 1024 trạng thái ký hiệu khác nhau (tổ hợp biên độ và pha của sóng mang) để báo hiệu trên kênh thoại, trong khi các hệ thống điện thoại tế bào số chỉ sử dụng 4 trạng thái do thiết bị phải hoạt động trong các môi trường chịu nhiều ồn hơn. H.Q.Trung.ĐTTT
11 1.3.3. Tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền thông tin của một kênh truyền dẫn thường được xác định theo lượng thông tin nhị phân (bit). Có nghĩa là tốc độ truyền dẫn được đo theo đơn vị bit/giây (bps). Ví dụ: nếu như có 6 bit thông tin được truyền đi sau mỗi khoảng thời gian 6 giây, thì tốc độ truyền tin sẽ là 6 bits R  1000 bits s 6 ms Ngoài ra tốc độ truyền dẫn còn được xác định thông qua tốc độ ký hiệu. Trong đó thì tốc độ ký hiệu là tốc độ thay đổi trạng thái các ký hiệu mang thông tin nhị phân qua kênh truyền. Chúng ta có thể mã hóa một số bit trong mỗi ký hiệu. Tốc độ ký hiệu không nhất thiết phải bằng tốc độ truyền thông tin. Đơn vị đo tốc độ ký hiệu là ký hiệu/giây hay (baud). Ví dụ: một hệ thống sử dụng 4 tần số mã hóa các tổ hợp 2 bit nhị phân qua một kênh, và tần số (ký hiệu-symbol) được thay đổi sau mỗi 0.5 ms, khi đó tốc độ ký hiệu sẽ là: Rsymbol  1  2000 symbol / s  2000 (baud ). 0.5 Tốc độ truyền thông tin bởi vậy sẽ là: 2 x 2000 = 4000 bps. 1.4. CÁC TIÊU CHUẨN TRUYỀN DẪN 1.4.1. Định nghĩa Lĩnh vực truyền thông liên tục phát triển thay đổi một cách nhanh chóng, các hệ thống truyền thông được phát triển bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau trên thế giới, chính vì vậy cần có sự tương thích về các tiêu chuẩn và các khuyến nghị ở H.Q.Trung.ĐTTT
12 phạm vi quốc gia, khu vực và quốc tế. Theo ISO, các định nghĩa về tiêu chuẩn và khuyến nghị dành cho truyền thông như sau: Tiêu chuẩn: Chi tiêu kỹ thuật hay văn bản qui định có khả năng phổ biến rộng rãi được xây dựng bởi sự hợp tác và thống nhất hay sự chấp thuận nói chung của tất cả những vấn đề liên quan tới nó dựa trên các kết quả nghiên cứu khoa học, công nghệ và thực nghiệm. Khuyến nghị: Tài liệu văn bản liên quan quy định chặt chẽ các thủ tục thực hiện được thông qua và phổ biến rộng rãi bởi một cơ quan (tổ chức) chịu trách nhiệm có quyền hạn nhất định. 1.4.2. Các tổ chức tiêu chuẩn và khuyến nghị ISO: International Standardization Organization (OrganizationTổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế). ITU: International Telecommunications Union (Hiệp hội Viễn thông quốc tế). IEC: International Electrotechnical Commission ( y ban Điện tử quốc tế). INTELSAT/INMARSAT: International Telecommunications Satellite Organization /International Maritime Satellite Organization. H.Q.Trung.ĐTTT
13 ANSI – Viện Tiêu chuẩn quốc gia Hoa K CEPT – The European Conference for Posts and Telecommunications. CCIR – Consultative Committee for International Radiocommunication ( y ban Tư vấn 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 ETSI – European Telecommunications Standards Institute (Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu). H.Q.Trung.ĐTTT
15 CHƯƠNG 2. TRUYỀN DẪN SỐ CÁC TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ 2.1. ĐỊNH LÝ LẤY MẪU VÀ HỆ THÔNG TIN XUNG 2.1.1. Định lý lấy mẫu Định lý lấy mẫu có một ý nghĩa sâu sắc trong lý thuyết thông tin. Định lý này được phát biểu như sau: Một tín hiệu có dải tần giới nội là B Hz  G    0 khi   2 B  có thể được khôi phục một cách chính xác (mà không bị lỗi) từ các mẫu của nó được lấy đều đặn với tốc độ R  2B mẫu trên giây. Hay nói theo cách khác, tần số lấy mẫu tối thiểu phải là 2B Hz. Xét tín hiệu g  t  (hình 2.1) có phổ giới hạn là B Hz. Lấy mẫu g  t  với tốc độ 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 được g  t  sẽ là: g  t   g  t  Ts  t    g  nTs   t  nTs  (2.1) n H.Q.Trung.ĐTTT
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 hiệu tượng tự g  t  và khoảng thời gian lấy mẫu Ts  1 2B được gọi là khoảng Nyquist cho g  t  . 2.1.2. Khôi phục tín hiệu Quá trình khôi phục một tín hiệu tương tự g  t  từ các mẫu của nó được xem như là phép nội suy. Hình 2.2: Quá trình nội suy tín hiệu Mỗi một mẫu g  t  là một xung, hình thành một xung cửa có độ cao bằng với độ lớn của mẫu. Xung thứ k là xung có độ lớn g  kTs  xác định tại vị trí t  kTs , và có thể biểu diễn như là g  kTs    t  kTs  . Cho xung này qua bộ lọc, đầu ra nhân được sẽ là g  kTs  rect 1 Ts  . Đây là xung cửa có độ cao g  kTs  , tâm xác định tại t  kTs . Mỗi xung g  t  sẽ tạo ra một xung cửa tương ứng, và kết quả sẽ là: (2.2) 2.1.3. Ứng dụng của lý thuyết lấy mẫu H.Q.Trung.ĐTTT
17 Lý thuyết lấy mẫu có tầm quan trọng trong phân tích, xử lý, và truyền dẫn tín hiệu. Vì ta có thể chuyển tín hiệu liên tục theo thời gian thành chuỗi rời rạc các số. Xử lý tín hiệu thời gian liên tục bởi vậy được chuyển về xử lý chuỗi rời rạc các số. Và cũng vì thế mà có thể sử dụng các bộ lọc số. Trong lĩnh vực truyền thông, truyền dẫn bản tin tương tự được giảm bớt thành truyền dẫn một chuỗi các số. Điều này làm xuất hiệu nhiều kỹ thuật mới cho truyền thông các tín hiệu liên tục. Bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự và làm thay đổi các thông số về biên độ, độ rộng và vị trí xung của các mẫu nhận được ta có các kỹ thuật điều chế xung tương tự tương ứng đó là: điều chế biên độ xung (PAM), điều chế độ rộng xung (PWM), điều chế vị trí xung (PPM). Trong đó có vai trò quan trọng nhất trong phương thức điều chế xung ngày nay đó là điều chế mã xung (PCM). Hình 2.3: Các tín hiệu điều chế xung Thay vì truyền tín hiệu tương tự g  t  , chúng ta truyền tín hiệu điều chế xung. Tại bộ thu, chúng ta đọc thông tin của tín hiệu điều chế xung và khôi phục lại tín hiệu tương tự ban đầu. Một trong những ưu điểm của việc sử dụng điều chế xung là cho có thể cho phép truyền một số tín hiệu dựa trên việc chia sẻ tài nguyên về thời gian bằng cách H.Q.Trung.ĐTTT
18 sủ dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM-Time Division Multiplexing). Hình 2.4: Ghép kênh phân chia theo thời gian với hai tín hiệu PAM 2.2. ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG (PCM) 2.2.1. Nguyên tắc Điều chế xung mã PCM được thực hiện theo một quy trình gồm bốn bước có tính nguyên tắc đó là: - Lọc nhằm hạn chế phổ tần của tín hiệu liên tục cần truyền: Biến đổi Fourier của các tín hiệu liên tục thực tế là vô hạn theo biến tần số, do thời gian tồn tại hữu hạn của chúng. Chính vì vậy, các tín hiệu liên tục cần truyền nhất thiết phải được lọc nhằm hạn chế phổ tới tần số cực đại W nào đó nhằm thỏa mãn tính giới hạn về băng tần của định lý lấy mẫu. - Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc được rời rạc hóa bằng cách lấy mẫu thông qua chuỗi xung nhịp có tần số f s tuân theo định lý lấy mẫu để có được các tín hiệu điều biên xung (PAM-Pulse Amplitude Modulation). - Lượng tử hóa: Số hóa giá trị có thể có của tín hiệu PAM sau lấy mẫu là vô hạn, do vậy số bit cần thiết để mã các giá trị của các xung PAM là vô hạn và điều này không thể thực hiện được. Để hạn chế số bit mã cần sử dụng, giá trị của từng xung PAM cần được làm tròn thành một trong các giá trị mẫu xác định gọi là các mức lượng tử (có số lượng hữu hạn) và quá trình này được gọi là lượng tử hóa. - Mã hóa: Các giá trị mức lượng tử ứng với các xung PAM được mã hóa bằng các tổ hợp mã nhị phân để truyền đi trên hệ thống truyền dẫn số. Sơ đồ mô tả công đoạn điều chế xung mã được thể hiện như hình dưới đây: H.Q.Trung.ĐTTT
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 chuỗi xung PAM lượng tử hóa rồi cho qua lọc thông thấp có tần số cắt bằng một nửa tần số lấy mẫu. Sai số trong truyền dẫn PCM: Như ta đã nói ở trên, trong thực tế, các tín hiệu lối vào điều chế mã xung là các tín hiệu có phổ trải rộng vô hạn. Sau lọc hạn chế phổ tần tín hiệu, tín hiệu có phổ hạn chế và do vậy thời gian tồn tại trải rộng tới vô hạn, nghĩa là về lý thuyết, việc lấy mẫu phải được thực hiện với vô hạn mẫu (tuy nhiên sẽ không được như thế). Từ đó chúng ta có thể thấy rằng tín hiệu liên tục khôi phục lại được ở phần thu, ngay cả trong trường hợp không tính đến méo và tạp nhiễu trên đường truyền, cũng chỉ là một phiên bản gần đúng của tín hiệu liên tục cần truyền đi ở phần phát mà thôi. Sai số giữa các tín hiệu phiên bản và nguyên bản gây bởi các nguyên nhân sau: (a) Việc lấy mẫu không thể tiến hành trong thời gian dài vô hạn được. (b) Sai số do làm tròn (lượng tử hóa). (c) Các đặc tính lọc không hoàn toàn lý tưởng. (d) Phiên bản là một tín hiệu có phổ hạn chế, không như tín hiệu nguyên bản. Ngoài ra, các sai lệch quá mức về đồng bộ cũng có thể dẫn đến sắp xếp sai các tổ hợp mã thu được và điều này dẫn đến các sai lệch vô cùng trầm trọng. Các H.Q.Trung.ĐTTT
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 cắt bỏ các thành phần tần số ngoài dải nói trên không gây ra những méo thụ cảm quá lớn, tức là không gây nên những trở ngại đặc biệt đối với quá trình thông thoại. Để hạn chế phổ tín hiệu có thể tiến hành loại bỏ các thành phần tần số lớn hơn 3,4 kHz trong tín hiệu điện thoại bằng lọc thông thấp, tức là có thể chọn tần số cực đại W của tín hiệu thoại là 3,4 kHz. Trong trường hợp này, sai số do lọc hạn băng gây ra chủ yếu là bởi không thể chế tạo được mạch lọc thông thấp lý tưởng mà chỉ có thể chế tạo được các mạch lọc với đặc tính lọc không dốc đứng tại tần số cắt. Để không gây nên những méo thụ cảm rõ rệt được, tần số cắt của mạch lọc hạn băng phải chọn cao hơn 3,4 kHz. Các mạch lọc tiêu chuẩn trong thực tế (có đặc tính thỏa mãn các khuyến nghị của CCITT cho các mạch thoại) có tần số cắt rất sát với 4 kHz. 2.2.3. Lấy mẫu Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thoại liên tục với một chuỗi xung nhịp có tần số f s  2W . Việc chọn tần số nhịp lớn hơn hai lần W sẽ làm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, do vậy tần số nhịp phải chọn nhỏ nhất mà không gây méo tín hiệu. Sai số lấy mẫu gây bởi việc không thể lấy mẫu trong một thời gian dài vô hạn thường không đáng kể và có thể bù đắp bằng việc chọn f s  2W một chút. Kết hợp với thực tế phát sinh do lọc hạn băng như đã nói trên đây, tần số lấy mẫu tiêu chuẩn cho tín hiệu thoại được chọn là 8 kHz. Quá trình lấy mẫu tín hiệu điện thoại được mô tả như hình dưới đây: H.Q.Trung.ĐTTT