§Ò tμi:ThiÕt kÕ khèi ®ång bé vμ t¸ch kªnh PCM 30/32 nhãm 4-§T03-
K45
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
PHẦN 1:KỸ THUẬT ĐIỀU XUNG MÃ PCM
*Điều xung mã PCM là quá trình biến đổi tương tự sang số ( A/D ) trong đó
thông tin đầu vào dưới dạng các mẫu tín hiệu tương tự được biến đổi
thành các tổ hợp mã nối tiếp ở đầu ra
* Điều xung mã PCM bao gồm 3 quá trình:
1.lấy mẫu
2.lượng tử hoá
3.mã hoá
m∙ ho¸
S(t)
l−îng
tö
ho¸
lÊy mÉu
Tæ hîp m∙
1.1:LẤY MẪU :
*Là quá trình rời rạc hoá tín hiệu tương tự đầu vào theo tần số lấy mẫu f.
Sm(t)
S(t)
Thiết bị nhân
m(t)
Sm(t):tín hiệu đã được rời rạc hoá
Trong đó:
S(t): tín hiệu tương tự đầu vào
m(t): xung lấy mẫu
Để có thể khôi phục lại được tín hiệu thì tần số lấy mẫu phải thoả mãn
tiêu chuẩn Naikit.
Tiêu chuẩn Naikit - tần số lấy mẫu tối thiểu để có thể khôi phục lại
được tín hiệu mà không bị méo - :
f ≥ fs
fs = 2 Bw
trong đó : fs: tần số Naikit
2Bw : bề rộng phổ của tín hiệu
------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
§Ò tμi:ThiÕt kÕ khèi ®ång bé vμ t¸ch kªnh PCM 30/32 nhãm 4-§T03-
K45
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-BwBw
Phổ tín hiệu đầu vào
*Các nhiễu chồng phổ : Nếu các tín hiệu tương tự S(t) được gián đoạn
hoá với tần số lấy mẫu f< 2Bw thì tín hiệu gốc không thể được khôi
phục lại mà không bị méo .Méo ở tín hiệu ra được hình thành là do
các dải biên của tần số lấy mẫu rơi vào phổ gốc (các băng bên có phần
trùng lên nhau)và không thể tách chúng ra được bằng bộ lọc .
1.2:LƯỢNG TỬ HOÁ : Là chuyển một xung sau khi đã lấy mẫu thành một
xung có biên độ bằng mức lượng tử gần nhất .Đây là quá trình cơ bản
nhất của kỹ thuật PCM vì nó cho phép chuyển một tín hiệu tương tự sang
một tín hiệu số .
*Ưu điểm : lượng tử hoá tín hiệu đã được lấy mẫu giảm được ảnh hưởng
của tạp âm trong hệ thống .Lượng tử hoá hạn chế số lượng các mức cho
phép của tín hiệu đã lấy mẫu và chuẩn bị để chuyển tín hiệu gốc từ dạng
tương tự thành dạng số .Nếu sự phân biệt giữa các mức lượng tử lớn hơn
so với sự rối loạn do tạp âm gây ra thì máy thu dễ dàng xác định được
mức riêng đã phát đi.
*Nhược điểm: do có sự sai lệch giữa giá trị thực và gía trị mức lượng tử nên
sẽ sinh ra tạp âm lượng tử .
------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
§Ò tμi:ThiÕt kÕ khèi ®ång bé vμ t¸ch kªnh PCM 30/32 nhãm 4-§T03-
K45
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-Tạp âm lượng tử thường được biểu thị dưới dạng công suất tạp âm trung
bình so với công suất tín hiệu trung bình .Hay là tỷ số tín hiệu trên
méo (S/D) hoặc tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N).
-Sự chênh lệch giữa trị số gốc của xung lấy mẫu và trị số khôi phục dựa
trên mức lượng tử gần nhất được gọi là công suất nhiễu lượng tử hay
méo lượng tử .
1.2.1:lượng tử hoá tuyến tính(đều)
* là lượng tử hoá có các mức lượng tử bằng nhau.
Khoảng cách giữa các mức lượng tử được xác định theo công thức:
()
(
)
p
tXtX minmax −
-Trong đó:
p : số lượng các mức lượng tử
Xmax,Xmin: giá trị cực đại và cực tiểu cho phép
Giả sử:
aXX 2
minmax =−
Thì khoảng cách giữa các mức lượng tử là: p
a2
Các mức ngưỡng là cách đều nhau .Đối với lượng tử tuyến tính thì mức
lượng tử sẽ nằm giữa các mức ngưỡng
------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
§Ò tμi:ThiÕt kÕ khèi ®ång bé vμ t¸ch kªnh PCM 30/32 nhãm 4-§T03-
K45
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
-Ta có sai số lượng tử e(t) được xác định theo biểu thức sau:
ep(t) = xp(t) – x(t)
-Sai số lượng tử này xuất hiện những tạp âm ngẫu nhiên có công suất e2
-Ta giả thiết bộ lượng tử tuyến tính có khoảng động là 2a
(từ –a dến +a)nếu bộ lượng tử có cấu trúc các mức lượng tử đều p thì
khoảng cách giữa các mức là : p
a
A2
=
Hay
()
p
a
tep≤ hoặc là
()
2
Δ
≤tep
-Điều này có nghĩa là sai số cực đại cho phép xảy ra tại mức ngưỡng
quyết định xi) và biên độ bằng Ä/2 kể từ các mức lượng tử .Nừu giả
thiết rằng tín hiệu vào là ngẫu nhiên và sác xuất xuất hiện trong phạm
vi (-a/p ,+a/p) là như nhau thì hàm mật độ xác suất của nó được xác
định theo phương trình
()
a
p
ef p2
=
và hàm khối lượng xác suất :
()
p
mXQ i
1
==
Ta có :
X2 = ∫ x2 f(x) dx
nên suy ra
∫== 2
2
22
3
2p
a
de
a
p
ee pp
vì p
a2
=Δ nên ta có công suất tạp âm
12
2
2Δ
== eN
-Loại tạp âm này chỉ liên quan đến khôi phục tín hiệu ở máy thu và là
loại tạp âm thực tế xuất hiện ở đầu ra bộ lượng tử hoá .Sử dụng
phương pháp ngẫu nhiên rời rạc nhận được :
X2 = ∑ Xi2 . Q(x = xi)
Ta có :
∑∑
== p
x
p
mS pi
1
.
1
.22
-Các mức lượng tử chỉ xảy tại các khoảng lẻ ∆/2 : mi = i . ∆/2
-Số lượng các mức lượng tử trong thực tế có tính đến cả mức 0 ,dương và
âm nên công suất trung bình của tín hiệu trong biểu thức trên được
tính gấp đôi số mức lượng tử :
(
)()
12
1
6
1
4
2
4
.
22 2
2
22
2
2
2Δ
−=
−Δ
=
Δ
== ∑∑ p
pp
p
i
p
m
p
Si
Ta có thể xác định được tỷ số tín hiệu tạp âm như sau:
------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
§Ò tμi:ThiÕt kÕ khèi ®ång bé vμ t¸ch kªnh PCM 30/32 nhãm 4-§T03-
K45
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
() ()
1
12
.
12
.1 2
2
2
2−=
Δ
Δ
−= QQ
N
S
Khi Q >> 1 và các mức lượng tử được mã hoá thành các từ mã b bít thì
() ()
dbbdbQ
N
Sb62log.20log.20 ===
Khi mức tín hiệu đầu ra cố định ,số mức lượng tử tăng ,dẫn đến giảm
méo lượng tử vì sai số lượng tử giữa trị số mẫu thực đầu vào và trị số
lượng tử chỉ bằng hoặc nhỏ hơn một nửa bước lượng tử
Nếu các mức lượng tử xếp đặt xát nhau và tạp âm nhiệt cũng như các tạp
âm khác ở đầu vào sẽ gây ra chọn nhầm các mức lượng tử.Còn nếu
các mức lượng tử đặt cách nhau quá xa thì việc phục hồi tín hiệu gốc
là không thể phục hồi được vì méo lượng tử quá lớn.
Để khắc phục điều này ta có thể sử dụng một số biện pháp sau:
-Sử dụng bộ lượng tử tuyến tính đặt sau bộ nén.Bộ nén là bộ khuyếch đại
phi tuyến đối với tín hiệu đầu vào bộ lượng tử.Nó có chức năng
chuyển phân bố tín hiệu dưới dạng gauss thành phân bố đồng đều hơn
.Bộ khuyếch đại phi tuyến bù có đặc tính giống nhau nhưng ngược lại
để gạt bỏ méo đã áp vào tín hiệu vào xuất hiện sau khi truyền dẫn ,
giải mã và khôi phục tín hiệu
-Sử dụng bộ lượng tử phi tuyến có bước lượng tử nhỏ đối với tín hiệu vào
mức thấp .
-Sử dụng bộ lượng tử tuyến tính có khoảng cách giữa các mức quyết định
giảm nhỏ một cách đáng kể bằng cách tăng số mức lượng tử
1.2.2:lượng tử hoá phi tuyến (nén):
-Nén là phương pháp lấy các mức lượng tử khác nhau.
-Luật lượng tử logarit được sử dụng trong nén và giãn ,trong đó biến đầu
vào x được chuyển thành biến y theo quan hệ
y=log x
và quan hệ ngược lại được sử dụng khi khôi phục biến đầu vào tại đầu
ra của hệ thống nhờ bộ giãn .Mối quan hệ này được cho phép tăng các
mức trong cùng tín hiệu thấp và mở rộng bước lượng tử tỷ lệ với mức
tăng của tín hiệu vào .Kết quả là nén biên độ tín hiệu thoại làm giảm
phạm vi động và tạo ra tỷ lệ công suất tín hiệu trung bình – tạp âm
lượng tử cao hơn so với bộ lượng tử đều đối với tín hiệu vào Gauss.
------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5