HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG K THUT VIN THÔNG (Dùng cho sinh viên h đào to đi hc t xa) Lu hành ni b HÀ NI - 2007 HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG K THUT VIN THÔNG Biên son : TS. NGUYN TIN BAN Chng 1. C s k thut truyn dn 3 CHNG 1: C S K THUT TRUYN DN 1.1. K thut điu ch và ghép kênh 1.1.1. Các phng pháp mã hóa và điu ch Mã hóa Trong các h thng truyn dn s thông tin đc chuyn đi thành mt chui các t hp xung, sau đó truyn trên đng truyn. Khi đó, thông tin tng t (nh ting nói ca con ngi) phi đc chuyn đi vào dng s nh các b bin đi A/D.  chính xác ca chuyn đi A/D quyt đnh cht lng lnh hi ca thuê bao. T hp s phi đ chi tit sao cho ting nói (hoc video) tng t có th đc tái to mà không có méo và nhiu lon  thit b thu. Hin nay, mong mun ca chúng ta là gim khi lng thông tin s đ s dng tt hn dung lng mng. Các b mã hoá đc phân làm 2 loi chính: mã hoá dng sóng và mã hoá thoi (vocoder). Ngoài ra, còn có các b mã hoá lai t hp đc tính ca 2 loi trên. Hình 1.1 minh ho s khác nhau v cht lng thoi và các yêu cu tc đ bit đi vi các loi mã hóa khác nhau. Hình 1.1: Các phng pháp mã hoá và mi quan h cht lng thoi/tc đ bit Mã hoá dng sóng có ngha là các thay đi biên đ ca tín hiu tng t (đng thoi) đc mô t bng mt s ca giá tr đc đo. Sau đó các giá tr này đc mã hoá xung và gi ti đu thu. Dng điu tng t nh tín hiu đc tái to trong thit b thu nh các giá tr nhn đc. Phng pháp này cho phép nhn đc mc cht lng thoi rt cao, vì đng tín hi u nhn đc là bn sao nh tht ca đng tín hiu bên phát. 1 64 8 2 4 16 32 ChÊt l−îng tho¹i Tu yÖt vêi Tè t Kh¸ tè t KÐm C¸c b é m· ho¸ tho¹i C¸c b é m· ho¸ l¹i C¸c b é m· ho¸ d¹ng sãng Bit Rate (Kbit/s) Chng 1. C s k thut truyn dn 4 Mã hoá thoi là b mã hoá tham s. Thay cho vic truyn tín hiu mô t trc tip dng ca đng tín hiu thoi là truyn mt s tham s mô t đng cong tín hiu đc phát ra nh th nào. Cách đn gin đ gii thích s khác nhau gia hai phng pháp này là s dng phép n dng: nhc đang đc chi và các bn nhc thì đc các nhc công s dng. Trong mã hoá dng sóng chính nhng âm thanh nhc đ ang chi đc truyn đi, còn trong mã hoá tham s thì các bn nhc đc gi ti bên nhn. Mã hoá tham s yêu cu có mt mô hình xác đnh rõ đng tín hiu thoi đc to nh th nào. Cht lng s  mc trung bình (âm thanh ca thoi nhn đc thuc loi “tng hp”) nhng mt khác các tín hiu có th đc truyn vi tc đ bit rt thp. B mã hoá lai gi m t s các tham s cng nh mt lng nht đnh thông tin dng sóng. Kiu mã hoá thoi này đa ra mt s tho hip hp lý gia cht lng thoi và hiu qu mã hoá, và nó đc s dng trong các h thng đin thoi di đng ngày nay. iu ch iu ch là mt k thut cho phép thông tin đc truyn nh s thay đi ca tín hiu mang thông tin. iu ch đc s dng cho c thông tin s và tng t. Trong trng hp thông tin tng t là tác đng liên tc (s bin đi mm). Trong trng hp thông tin s, điu ch tác đng tng bc (thay đi trng thái). Khi kt hp điu ch và gii điu ch đc gi là modem. Trong truyn dn tng t có th s d ng hai phng pháp điu ch theo biên đ và theo tn s Hình 1.2: iu ch theo biên đ và theo tn s iu biên đc s dng đ truyn ting nói tng t (300-3400 Hz). iu tn thng đc s dng cho truyn thông qung bá (bng FM), kênh âm thanh cho TV và h thng vin thông không dây. 1.1.2. iu ch xung mã PCM Hin nay có nhiu phng pháp chuyn tín hiu analog thành tín hiu digital (A/D) nh điu xung mã (PCM), điu xung mã vi sai (DPCM), điu ch Delta (DM), . Trong thit b ghép kênh s thng s dng phng pháp ghép kênh theo thi gian kt hp điu xung mã (TDM - PCM). Sãng mang TÝn hiÖu ®ang ®iÒu chÕ TÝn hiÖu ®− îc ®iÒu chÕ biªn ®é TÝn hiÖu ®− îc ®iÒu chÕ theo tÇn sè Chng 1. C s k thut truyn dn 5  chuyn đi tín hiu analog thành tín hiu digital dùng phng pháp PCM, cn thc hin 3 bc nh hình 1.3. Hình 1.3: Quá trình chuyn đi A/D dùng phng pháp PCM Trc ht phi ly mu tín hiu thoi, tc là ch truyn các xung tín hiu ti các thi đim nht đnh. Bc th hai là lng t hoá biên đ, ngha là chia biên đ ca xung mu thành các mc và ly tròn biên đ xung đn mc gn nht. Bc th ba mã hoá xung lng t thành t mã nh phân có m bit. Ly mu tín hiu analog Biên đ ca tín hiu analog là liên tc theo thi gian. L y mu là ly biên đ ca tín hiu analog  tng khong thi gian nht đnh. Quá trình này ging nh điu ch biên đ, trong đó các dãy xung có chu k đc điu ch biên đ bi tín hiu analog. Do vy các mu ly đc s gián đon theo thi gian. Dãy mu này gi là tín hiu PAM (điu ch biên đ xung).  thc hin quá trình ly mu tín hiu bt k phi da vào đnh lý Nyquist, ni dung ca đnh lý đc phát biu nh sau: Nu tín hiu gc là hàm liên tc theo thi gian có tn ph gii hn t 0 đn f max khi ly mu thì tn s ly mu phi ln hn hoc bng hai ln tn s ln nht trong tín hiu gc, ngha là: f m ≥ 2×f max . Mt yu t quan trng trong ly mu là phía phát ly mu cho tín hiu analog theo tn s nào đ cho phía thu tái to li đc tín hiu ban đu. Theo đnh lý Nyquist, bng cách ly mu tín hiu analog theo tn s cao hn ít nht hai ln tn s cao nht ca tín hiu thì có th to li tín hiu analog ban đu t các mu đó. i vi tín hiu thoi hot đng  bng t n 0,3 ÷ 3,4 kHz, tn s ly mu là 8kHz đ đáp ng yêu cu v cht lng truyn dn: phía thu khôi phc tín hiu analog có đ méo trong phm vi cho phép. Quá trình ly mu tín hiu thoi nh hình 1.4. Ly mu Lng t hoá Mã hoá t t t 1 0 Chng 1. C s k thut truyn dn 6 Hình 1.4: Quá trình ly mu tín hiu thoi (a) Th hin đng cong tín hiu thoi. (b) Dãy xung điu khin hot đng b ly mu có chu k T m = 125μs. (c) Tín hiu đu ra b ly mu (tín hiu điu biên xung- PAM) Lng t hoá Lng t hoá ngha là chia biên đ ca tín hiu thành các khong đu hoc không đu, mi khong là mt bc lng t, biên đ tín hiu ng vi đu hoc cui mi bc lng t gi là mt mc lng t. Sau khi có các mc lng t thì biên đ c a các xung mu đc làm tròn đn mc gn nht. Có hai loi lng t hoá biên đ: lng t hoá đu và lng t hoá không đu. Lng t hoá đu Biên đ tín hiu đc chia thành nhng khong đu nhau, sau đó ly tròn các xung mu đn mc lng t gn nht. Quá trình lng t hoá đu th hin nh hình 1.5. Biên đ 0 t (a) Biên đ +1 +2 +3 -1 -2 -3 0 t (c) Biên đ t (b) T m Chng 1. C s k thut truyn dn 7 Hình 1.5: Quá trình lng t hoá đu Bc lng t đu bng Δ. Nh vy, biên đ ca tín hiu gm có 7 bc lng t và 8 mc (đánh s t -3 ÷ +3). Mi quan h gia s mc lng t và s bc lng t nh sau: Tng s mc lng t = Tng s bc lng t + 1. Do phi ly tròn đn mc lng t g n nht, đ chênh lch gia biên đ xung lng t và giá tr tc thi ca xung ly mu s gây ra nhiu lng t Qd (xem hình 1.6). Biên đ xung nhiu lng t luôn tho mãn điu kin sau: 2 Qd 2 K Δ +≤≤ Δ − Công sut trung bình nhiu lng t đu đc xác đnh nh sau: P Qd = 12 2 Δ T biu thc này cho thy công sut nhiu lng t ch ph thuc vào bc lng t Δ mà không ph thuc vào biên đ tín hiu. i vi tín hiu mnh, t s: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = NhiÔu TÝnhiÖu N S s ln hn t s này ca tín hiu yu. Mun san bng t s này gia tín hiu mnh và tín hiu yu phi s dng lng t hoá không đu. Hình 1.6: Nhiu lng t Biên đ +1 +2 +3 -1 -2 -3 0 t Δ Biên đ +1 +2 +3 -1 -2 -3 0 t Qd Qd Qd Qd Qd Qd Qd Qd Qd = nhiu lng t (Quantising distortion) Δ Chng 1. C s k thut truyn dn 8 Lng t hoá không đu Lng t hoá không đu da trên nguyên tc: khi biên đ tín hiu càng ln thì bc lng t càng ln (hình 1.7). Hình 1.7: Quá trình lng t hoá không đu Trong thí d trên hình 1.7 biên đ ca tín hiu analog đc chia thành 4 bc lng t, ký hiu là Δ 1 , Δ 2 , Δ 3 , Δ 4 . Nh vy: Δ 1 < Δ 2 < Δ 3 < Δ 4 < . Các đng thng song song vi trc hoành (t) gi là các mc lng t, đc đánh s t 0 ti gc to đ. Các xung ly mu ti các chu k n×T m (trong đó n=0,1,2, .) đc ly tròn đn mc lng t gn nht. Mun lng t hoá không đu có th s dng mt trong hai phng pháp: nén - dãn analog hoc nén - dãn s. • Nén - dãn analog Quá trình nén - dãn analog đc thc hin bng cách đt b nén analog trc b mã hoá đu  phía nhánh phát ca thit b ghép kênh, trong min tín hiu thoi analog và đt mt b dãn analog trc b gii mã đu  nhánh thu ca thit b ghép kênh, cng trong min tín hiu thoi analog. Trong thit b ghép kênh s ch to theo tiêu chun Châu Âu s dng b nén - dãn theo lut A. Còn theo tiêu chun Bc M và Nht s dng b nén theo lut μ. c tuyn ca b nén lut A (s ph thuc đin áp đu vào và đu ra b nén) biu th bng biu thc Y= Trong đó x = 0 V U u vi u V là biên đ đin áp đu vào b nén, cònU 0 là đin áp vào bão hoà. Biªn ®é +1 +2 +3 -1 -2 -3 0 t Δ 1 +4 -4 Δ 2 Δ 3 Δ 4 A 1 x0 Aln1 Ax ≤≤ + 1x A 1 Aln1 Axln1 ≤≤ + + Chng 1. C s k thut truyn dn 9 Theo khuyn ngh ca ITU-T ly A = 87,6. c tuyn ca b nén lut μ biu th bng biu thc Y= Theo khuyn ngh ca ITU-T ly μ = 255. T các biu thc trên có th xây dng đc các đng cong th hin đc tuyn b nén A và μ. c tuyn b nén phi đi xng vi đc tuyn b dãn đ không gây méo khi khôi phc tín hi u. Dng đng cong đc tuyn ca b nén và b dãn nh hình 1.8. Hình 1.8: c tuyn b nén và b dãn analog Nhiu thí nghim v lng t hoá tín hiu thoi đã đa ra kt lun: Mun đt đc t s: ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = NhiÔu TÝnhiÖu N S khong 25 dB thì s mc lng t đu phi bng 2048. Nh vy mi t mã cn có 11 bit (không k bit du). Vì 2 11 = 2048 là s mc lng t ca biên đ dng hoc âm ca tín hiu thoi. Sau khi nén, tín hiu thoi ch còn 128 mc. Nu k c bit du ch cn t mã 8 bit. ó là lý do ti sao phi thc hin nén tín hiu. • Nén - dãn s: B nén s đc đt trong min tín hiu s ca nhánh phát và b dãn s đc đt trong min tín hiu s ca nhánh thu ca thit b ghép kênh. c tuyn b nén và b dãn s da trên c s ca b nén và b dãn analog. Bng cách gn đúng hoá đng cong đc tuyn b nén - dãn analog theo lut A và μ thành các đon thng gp khúc. c tuyn ca b nén s lu t A có tt c 13 đon thng có đ dc khác nhau và ly tên là b nén s A = 87,6/13 đc th hin trong hình 1.9. Biên đ ra +1 Biên đ vào +1 -1 -1 c tuyn b dãn c tuyn b nén () () 1x0 1ln x1ln ≤≤ μ+ μ+ () () 0x1 1ln x1ln ≤≤− μ+ μ− − Chng 1. C s k thut truyn dn 10 Các đon thng có đ dc khác nhau, do vy trong cùng mt đon tín hiu không b nén. Khi chuyn t đon này sang đon khác thì tín hiu b nén và khi biên đ càng ln s b nén càng nhiu. Hình 1.9: c tính biên đ b nén s A=87,6/13  xây dng đc tính biên đ ca b nén s cn tin hành các bc sau đây: Trc x đc trng cho biên đ chun hoá ca tín hiu đu vào b nén (-1 ≤ x ≤ 1 tng ng vi 4096 bc lng t đu) và trc y đc trng cho tín hiu  đu ra. Trên trc x chia theo khc đ logarit c s hai,  na dng gm các đim 0, 128 1 , 64 1 , 32 1 , 16 1 , 8 1 , 4 1 , 2 1 và 1; còn  na âm đc chia ngc li. Trên trc y chia thành các khong đu nhau và  na dng gm các đim 0, 8 1 , 8 2 , 8 3 , 8 4 , 8 5 , 8 6 , 8 7 và 1 ; còn  na âm đc chia ngc li. 128 1 64 1 32 1 16 1 8 1 4 1 2 1 8 1 8 2 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 1 §o¹n 13 12 11 10 9 8 §o¹n 1 2 3 4 5 6 -1 7 (TÝn hiÖu ® Çu ra) (TÝn hiÖu ® Çu vµo) 1 -1 H G F E D C B A x y Tín hiu đu vào Tín hiu đu ra . cho phép thông tin đc truyn nh s thay đi ca tín hiu mang thông tin. iu ch đc s dng cho c thông tin s và tng t. Trong trng hp thông. CHÍNH VIN THÔNG K THUT VIN THÔNG (Dùng cho sinh viên h đào to đi hc t xa) Lu hành ni b HÀ NI - 2007 HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG K