Truyền số liệu

Hình 2.7. PSK(a) nguyên lý hoạt động ;(b) băng thông

Từ trên cho thấy phổ tần giống như ASK chỉ khác là không có thành phần sóng mang. Do đó, băng thông của tín hiệu PSK như hình 2.7 .Vì vậy nếu giả sử chỉ thành phần tần số cơ bản của dãy 101010...được nhận, thì băng thông tối thiểu bằng 2f 0 bằng với giá trị của tốc độ bit. Tuy nhiên, do vắng mặt thành phần sóng mang nên có nhiều năng lượng trong biên tần hơn (data), điều đó giúp PSK kháng nhiễu tốt hơn ASK. Giới hạn băng của của tín hiệu từ f c f0 , có nghĩa là băng thông bằng f 0 và đạt được tốc độ Nyquist. Hầu hết năng lượng nhận được đều thuộc về tín hiệu mang thông tin , f c f0 (do không có f c ).

Thường biểu diển PSK dưới dạng lược đồ pha như hình 2.7(c). Một lược đồ pha biểu diễn sóng mang bằng đường thẳng đơn gọi là véc tơ, chiều dài của véc tơ biểu diễn biên độ sóng. Véc tơ quay xung quanh gốc theo chiều ngược kim đồng hồ với tần

số góc là

c . Bit được đặc trưng bởi véc tơ cùng pha với sóng mang trong khi bit 0

nhanh pha hơn sóng mang 180 0 . Hai trục được gọi là I (inphase) và Q (quadrature). Phương thức vừa trình bày thường được gọi là 2-PSK hay BSK, do ta chỉ dùng hai góc pha khác nhau (00 và 1800).

d. Điều chế đa mức

Như đã đề cập từ đầu, các thiết bị truyền dẫn và chuyển mạch kỹ thuật số đã và đang được dùng trong mạng PSTN hiện đại. Kết quả ứng dụng đó, tạo điều kiện đạt được tốc độ bit vượt xa tốc độ có được theo các phương pháp điều chế cơ bản nhờ sử dụng các phương pháp điều chế phức tạp hơn. Trong các phương pháp nhằm gia tăng tốc độ , tồn tại hai khuynh hướng: hoặc nhiều mức tín hiệu hoặc trộn lẫn các phương pháp điều chế cơ bản, đặc biệt là ASK và PSK.

Thay vì chỉ dùng hai thay đổi của tín hiệu từ một bit, ta có thể dùng với bốn sự thay đổi thông qua dịch pha của hai bit như hình 2.8

Biên độ

Tốc độ bit:10 Tốc độ baud:5

2 bits

Time

1 baud

1 giây

Hình 2.8. Dạng sóng tín hiệu điều chế pha 4-PSK

Giản đồ trạng thái - pha của hình 2.8 được minh họa ở hình 2.9. Một góc 00 được biểu diễn bởi 00; 900 được biểu diễn bởi 01; 1800 được biểu diễn bởi 10 và 2700 được biểu diễn bởi 11. Kỹ thuật này được gọi là 4 - PSK hay Q - PSK. Cặp bit dùng để biểu diễn góc pha được gọi là dibit. Ta có thể truyền dữ liệu nhanh hơn hai lần khi dùng 4 - PSK thay vì dùng 2 - PSK.

Dibit	Phase
00	0
01	90
10	180
11	270

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 210 trang tài liệu này.

10 00

Dibit (2 bits)

Constellation diagram

Hình 2.9. Giản đồ trạng thái - pha 4-PSK

Từ đó, có thể phát triển lên 8 - PSK. Thay vì dùng góc 900, ta thay đổi tín hiệu từ các góc pha 450. Với 8 góc pha khác nhau, dùng ba bit (một tribit), theo đó quan hệ giữa số bit tạo thay đổi với góc pha là lũy thừa của hai. Đồng thời 8 - PSK cũng cho phép truyền nhanh gấp 3 lần so với 2 - PSK, như minh họa ở hình 2.10.

Tribit	Phase
000	0
001	45
010	90
011	135
100	180
101	225
110	270
111	315

011 010

001

100 000

101

110

111

Tribits (3 bits)

Constellation diagram

Hình 2.10. Giản đồ trạng thái - pha 8-PSK

Điều chế QAM (quadrature amplitude modulation).

PSK bị giới hạn từ khả năng phân biệt các thay đổi góc pha nhỏ của thiết bị, điều này làm giảm tốc độ bit.

Các phần trước ta chỉ mới khảo sát riêng lẻ các yếu tố biên độ, góc pha và tần số của sóng mang, nhưng chưa xét tới khả năng phối hợp của chúng. Giới hạn về băng thông của FSK không cho phép kết hợp phương thức này với các phương thức còn lại. Tuy nhiên, có thể kết hợp ASK và PSK để tạo nên phương thức QAM (quadrature amplitude modulation).

QAM là phương thức kết hợp giữa ASK và PSK sao cho ta khai thác được tối đa sự khác biệt giữa dibit, tribit, quabit và tiếp tục.

Có nhiều khả năng biến thể của QAM, về mặt lý thuyết thì có rất nhiều. Hình

2.11 có thấy hai khả năng cấu hình nên 4-QAM và 8-QAM. Trong hai trường hợp thì số lần thay đổi biên độ thường ít hơn thay đổi của góc pha. Do nhiểu ảnh hưởng lên được biên độ của tín hiệu nên nhất thiết phải tạo ra được phân cách tốt giữa các mức tín hiệu.

011

010

000 001

101 100

110

111

4-QAM

1 amplitude, 4 phases

8-QAM

2 amplitude, 4 phases

3 bits

101

3 bits 3 bits

3 bits 3 bits 3 bits 3 bits 3 bits

100

001

000

010

011

110

111

Time

1 baud 1 baud 1 baud 1 baud 1 baud 1 baud 1 baud 1 baud

1 gi©y

Biªn ®é

Tốc độ bit : 24 Tốc độ Baud : 8

Hình 2.11. Giản đồ trạng thái - pha và dạng sóng điều chế QAM

Quan hệ hình học của QAM có thể thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau như trong hình 2.12, trong đó minh họa 3 cấu hình thường gặp của 16-QAM.

3 mức biên độ, 12 góc pha

4 mức biên độ, 8 góc pha 2 mức biên độ, 8 góc pha

16-QAM

Hình 2.12. Quan hệ hình học của các QAM

Trong đó, trường hợp đầu dùng 3 biên độ và 12 pha, giảm thiểu tốt nhiễu do có tỉ số giữa góc pha và biên độ lớn như ITU đề nghị. Trường hợp thứ hai, 4 biên độ và 8 pha, theo yêu cầu của mô hình OSI, khi quan sát kỹ, ta thấy là cấu hình theo dạng đồng trục, không xuất hiện yếu tố giao nhau giữa các biên độ và pha. Thực ra, với 4 x 8 ta có đến 32 khả năng. Tuy nhiên khi mới sử dụng với nửa khả năng này, thì sai biệt góc pha đo lường được đã gia tăng cho phép đọc tín hiệu tốt hơn rồi. Thông thường thì QAM cho thấy ít bị ảnh hưởng của nhiễu hơn so với ASK (do có yếu tố pha).

2.2.2. Điều chế xung

Để cải thiện chất lượng truyền dẫn người ta lợi dụng sự chuyển đổi từ ghép kênh analog sang ghép kênh số. Việc khảo sát các phương pháp điều chế ra tín hiệu số nhằm xác định phương pháp nào tốt nhất trong mọi môi trường truyền tín hiệu là điều hết sức quan trọng. Có 3 phương pháp điều chế tín hiệu số cơ bản.

Điều chế biên độ xung PAM (Pulse Ampliture Modulation)

Bề rộng xung

Cố định

Tín hiệu

Hình 2.13. Điều chế bề rộng xung

Dạng điều chế này lấy xung có bề rộng cố định nhưng có chiều cao thay đổi theo tín hiệu điều chế.

Điều chế biên độ xung rất nhạy cảm với nhiều nhiệt và nhiều xuyên âm, nhiều tác động lên đỉnh xung và hình thành tạp âm trên kênh truyền khi giải điều chế. Xem hình 2.13

Điều chế bề rộng xung PWM (Pulse Wide Modulation)

Trong dạng điều chế này giữ biên độ xung cố định nhưng bề rộng xung thay đổi. Cạnh của xung dịch theo tín hiệu điều chế làm bề rộng xung thay đổi. Khi nhiễu làm thay đổi biên độ xung xẽ không ảnh hưởng đến tín hiệu gốc vì biên độ xung không mang thông tin nào. Tuy vậy nhiễu cũng làm xáo trộn cạnh của xung bởi hiện tượng méo dạng khi truyền.

Phương pháp điều chế này có thể xem như tương đương với điều tần, chất lượng có tốt hơn điều biên song cũng vướng phải một số khuyết điểm. Xem hình 2.14.

Biên độ xung Cố định

Tín hiệu âm tần Hình 2.14. Điều chế độ rộng xung

Điều chế xung theo mã PCM (Pulse Code Modulation)

Phương pháp này thay thế trị số của mẫu bằng một chỉ số điện áp cơ bản và chuyển đổi chỉ số này thành mã số nhị phân. Việc chuyển đổi tín hiệu thành mã nhị phân đã tạo ra một hệ thống thông tin không bị can nhiễu bởi môi trường. Phương pháp này sẽ được trình bày cụ thể hơn ở các mức tiếp theo sau đây:

Sự số hoá tiếng nói

Các mạch số cũng liên quan đễn các nhu cầu truyền tiếng nói dưới dạng số. Như đã biết, tiếng nói có tần số nằm trong dài âm tần nhỏ hơn 4kHZ. Để truyển đổi tín hiệu này sang dạng số, theo lý thuyết lấy mẫu Nyquist thì biên độ của tín hiệu phải được lấy mẫu với tốc độ tối thiểu lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất của tín hiệu do đó để chuyển đổi tín hiệu. Do đó để chuyển đổi tín hiệu 4kHZ sang dạng số cần tốc độ lấy mẫu là 800 lần trong một giây.

Hình 2.15. Các nguyên lý số hoá

Hình 2.15 trình bày lược đồ tổng quát của sự lấy mẫu. Như chúng ta thấy, tín hiệu mẫu trước hết chuyển sang một dòng sung biên độ của mỗi xung bằng với biên độ của tín hiệu analog gốc tại thời điểm lấy mẫu. Vì vậy các tín hiệu này được gọi là tín hiệu PAM (Pulse Ampliture Modulation). Tín hiệu PAM vẫn còn là analog chúng sẽ được truyền sang dạng số hoàn toàn bằng lượng tử hoá mỗi PAM theo mức tương ứng với một dạng nhị phân 8 bit nhị phân được dùng để lượng tử hoá các tín hiệu PAM trong đó có bit chỉ đầu của tín hiệu (âm và dương). Điều này có nghĩa là có 256 mức khác nhau được dùng. Tín hiệu sau cùng được gọi là tín hiệu điều chế xung chung theo mã PCM và có tốc độ bit là 64 kbps (8000 mẫu trên một giây mỗi mẫu 8 bit) đây là tốc độ tối thiểu có sẵn của cá kênh số (digital channel).

Hình 2.16. Tín hiệu mã hoá

Để biểu diễn biên độ các mẫu analog một cách chính xác cần vô hạn số các ký số nhị phân. Do đó nếu chỉ dùng 8 bit có nghĩa là mỗi mẫu chỉ được biểu diễn bởi một trong các mức rời rạc tương ứng sai biệt giữa các mức kề nhau được gọi là khoảng cách lượng tử kí hiệu là q nó xác định tính chính xác của quá trình lượng tử hoá. Chúng ta có thể thấy được điều này qua xem xét ví dụ lượng tử hoá ở hình 2.17.

Trong ví dụ này chúng ta dùng 3 ký số nhị phân để biểu diễn mỗi xung bao gồm bit đầu kết quả trong 8 mức lượng tử hoá. Thông thường bit nhị phân giá trị dương và bit nhị phân 1 chỉ giá trị âm các bit chỉ độ lớn được xác định bởi khoảng lượng tử đặc biệt mà tín hiệu analog thuộc về ngay tại thời điểm của mỗi mẫu.

Hình 2.17. Quá trình lượng tử hoá: (a) Nguồn gốc phát sinh lỗi; (b) Dãy nhiễu lượng tử.

Hình 2.17 (a) mô tả bất kì 1 vị trí nào của tín hiệu ở trong cùng một khoảng lượng tử đều được biểu diễn cùng một mã nhị phân mỗi một từ mã tương ứng với một điện áp nhập danh nghĩa ngay tại khoảng giữa của khoảng lượng tử tương ứng và điện áp có thể sai biệt bằng một khoảng cộng hay trừ q/2 sai biệt biên độ tín hiệu thực sự và biên độ mẫu tương ứng được gọi là sai số lượng tử (quantizaton error) và các giá trị có dấu của nó được miêu tả rò hơn ở hình 2.17(b). Đối với tín hiệu đàm thoại các giá trị sai số lượng tử thay đổi một cách ngẫu nhiên theo mẫu và được gọi là nhiễu lượng tử (quantizaton error).

Như chúng ta mới đề cập với các khoảng lượng tử tuyến tính các tín hiệu có biên độ nhỏ sẽ chịu mức nhiễu lượng tử lớn hơn các tín hiệu có biên độ lớn. Tuy nhiên tai của chúng ta nhạy cảm hơn đối với các nhiễu tác động vào các tín hiệu thoại có biên độ thấp so với nhiễu tác động vào các tín hiệu có biên độ cao. Để giảm bớt ảnh hưởng này trong ác hệ thống PCM thực tế các S khoảng lượng tử được thực hiện không tuyến tính bằng cách thay đổi dãy của biên độ tín hiệu nhập liên hệ với mỗi khoảng lượng tử nghĩa là khi biên độ tín hiệu nhập gia tăng thì các từ, mã tương ứng biểu diễn một dãy tín hiệu lớn hơn. Nguyên lý của một lược đồ được trình bày trên hình 2.18(a)

Hình 2.18(a) cho biết rằng trước khi tín hiệu nhập được lấy mẫu và được chuyển sang dạng số, nó được chuyển qua một mạch được gọi là mạch nén (compressor). Tương tự, tại đích thủ tục ngược lại được thực hiện tại ngò ra của bộ chuyển đổi số sang analog DAC (Digital-to-Analog Converter) bởi một mạch gọi là mạch giải nén (expander). Toàn bộ tiến trình này vì thế được gọi là companding. Mối quan hệ xuất nhập của cả hai mạch này được trình bày trên hình 2.18 (b) và (c); phần

(b) được gọi là đặc tính nén và phần (c) được gọi là đặc tính giải nén.

Để mô tả nguyên lý, chúng ta chỉ dùng từ mã 5 bit. Tổ hợp 5 bit gồm một bit dấu, 2 bit mã đoạn (segment code) và 2 bit mã lượng tử. Các mã lượng tử và phân đoạn của một dãy tín hiệu hoàn chỉnh được trình bày như trên hình. Hoạt động số hoá được thể hiện qua 2 tầng như trên hình 2.18. Trong tầng chứa mạch nén, trước tiên tín hiệu nhập được nén một lượng được xác định bởi đoạn mà tín hiệu nhập rơi vào đó. Tín hiệu đã nén được đưa qua bộ chuyển đổi analog sang số - ADC (Digital-to-Analog Converter), tại đây đến lượt ADC thực hiện lượng tử hoá tuyến tính trên tín hiệu đã nén.

Tương tự, tại đích mỗi từ mã được chuyển đổi ngược lại dạng analog ban đầu dùng một quá trình hai tầng. Trước hết mỗi từ mã được nạp vào ADC tuyến tính và từ ngò ra của DAC từ mã được chuyển qua mạch giải nén (expander), tại đây hoạt động ngược với mạch nén được thực hiện.