Luận Văn Kỹ thuật ghép kênh số TDM

Chương I
Kỹ thuật điều xung mã PCM
(pulse coder mudulation)
I- Giới thiệu chung:
1)Thông tin số :
-Là hệ thống thông tin mà tín hiệu được truyền đi không liên tục theo thời gian trong quá trình truyền dẫn và xử lý. Tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu nhị phân để thuận tiện cho quá trình xử lý và truyÔn dẫn , hạn chế được tác động của tạp âm, nâng cao được chất lượng phát.
-Tín hiệu thoại và tín hiệu hình là các tín hiệu tương tự(truyền thống, chủ yếu) để truyền dẫn được trọng hệ thống thông tin số thì phải biến đổi tín hiệu thoại , hình từ tín hiệu tương tự – số , viết tắt là A/D(anlog- Digital).
-Trong viễn thông sử dụng kỹ thuật điều chế xung mã PCM để biến đổi tín hiệu thoại, hình từ tương tự sang tín hiệu số.
-Do vậy trong quá trình PCM được chia thành 3 bước : lấy mẫu, lượng tử và mã hoá.

II-Lấy mẫu trong PCM:
1)Định nghĩa:
Lấy mẫu là quá trình rời rạc hoá tín hiệu theo thời gian, cơ sở của lấy mẫu là định lý Kachennic«p nghĩa là : một tín hiệu liên tục có dải tần xác có thể biểu diễn bằng các thời điểm rời rạc theo thời gian có chu ky và phải thoả mã điều kiện:
f[SUB]s [/SUB]>=f[SUB]MAX[/SUB]
Trong đó :
+ f[SUB]x = [/SUB]1/ T[SUB]s[/SUB] : là tần số lấy mẫu.
+ Mẫu là các điểm (các giá trị ) rời rạc.
+f[SUB]MAX[/SUB] : là tần số giới ¹n của tín hiệu, tín hiệu thoại có f[SUB]MAX[/SUB] = 4KHZ ; ca nhạc có f[SUB]MAX [/SUB]= 19KHZ.

2.Quá tình lấy mẫu:

-Một tín hiệu liên tục theo thời gian phải thể hiện bằng một đường liền nét biểu diễn toàn bộ giá trị tức thời của tín hiệu. Theo định lý thì có thể biểu diễn bẵng những điểm rời rạc.
-kết quả của quá tình lấy mẫu ta nhận được một dãy xung có chu kỳ là T[SUB]s[/SUB], có biên độ bằng giá trị tức thời của tín hiệu tại thời điểm lấy mẫu.

[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]

ảnh hình 1.1 : Quá trình lấy mẫu.

-Dãy xung bị thay đổi biên độ theo tín hiệu liên tục X(t) gọi là dãy xung điều biên
-Quá trình lấy mẫu dùng mạch điều chế biên độ xung.
-ở Đầu thu phải không phục lại tín hiệu liên tục X(t) từ dãy xung điều biên U[SUB]PAM[/SUB] .
Phân tích phổ của dẫy xung điều biên U[SUB]PAM [/SUB]ta được dạng phổ.

[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]


Hình 1.2 dạng phổ của dãy x

-Với xung điều biên U[SUB]PAM[/SUB] bao gồm các thành phần sau:
+ Thành phần một chiều f=0 là thành phần không gian tin.
+Thành phần tín hiệu liên tục X(t) có độ rộng dải tần từ 0 đến f[SUB]MAX [/SUB] là tín hiÒu cần thiết để tách ra khỏi xung điều biên.
+Tần số lấy mẫu f[SUB]s[/SUB] không mang tin.
+ Hai giải biên USB và LSB là các thành phần không phải khôi phục để khôi phục tín hiệu liên tục X(t) thì ta cần sử dụng một bộ lọc thấp đảm bảo yêu cầu :
f[SUB]MAX [/SUB]<=f [SUB]lọc[/SUB]<=f[SUB]s [/SUB]-f[SUB]MAX[/SUB]
->Giải bất phương trình trên ta được: f­[SUB]s[/SUB]>=2f[SUB]MAX[/SUB]
Nếu không thoả mãn điều kiện trên:
(f[SUB]s[/SUB]<2f[SUB]MAX[/SUB]) khi đó sảy ra hiện tượng chồng phổ và không thể khôi phục được tín hiệu liên tục X(t) khi đó đồ thị phổ có dạng như sau.


[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]





Hình 1.3 : hiện tượng chồng phổ.

3.Kết luận :
-Khi lấy mẫu phải thảo mãn yêu cầu : f[SUB]s[/SUB]>=2f[SUB]MAX[/SUB] là để khôi phục lại tín hiệu ở máy thu sẽ không bị méo chồng phổ .
-Với tín hiệu thoại có : f[SUB]MAX[/SUB] >=4KHz, theo công thức ta tính được tần số lấy mẫu: f[SUB]s[/SUB]>=8KHz.
Trong thực tế chọn: f[SUB]s[/SUB]=8KHz, chu kỳ T[SUB]s[/SUB]=1/T[SUB]s[/SUB] = 125
-Chọn tần số lấy mẫu T[SUB]s[/SUB]=800Hz là tần số nhỏ nhất nhưng có độ méo lớn nhất, trong thực tế vẫn chấp nhận được để khi ghép kênh theo thời gian sẽ ghép được nhiều kênh nhất là vì : f[SUB]sMIN[/SUB] =1/T[SUB]sMAX[/SUB] khi đó chu kỳ lấy mẫu T[SUB]s[/SUB] là lớn nhất nên sẽ ghép được nhiều tín hiệu lấy mẫu U[SUB]PAM [/SUB]khác.

III.Quá trình lượng tử hoá.
-Lượng tử hoá là quá trình rời rạc hoá tín hiệu theo mức ( theo biên độ). Sau khi lấy mẫu nhận được dãy xung điều biên U[SUB]PAM[/SUB]. Nhưng khi truyền dẫn phải biến đổi U[SUB]PAM[/SUB] thành tín hiệu nhị phân( tín hiệu số). Mỗi một giá trị biên độ của U[SUB]PAM[/SUB] không xác định, vì vậy không thể mã hoá được. Do đó phải tiến hành hạn chế giá trị biên độ của U[SUB]PAM[/SUB] ở một giá tị nhất định . Như vậy thực chất của lượng tử háo là quá trình hạn chế giá trị biên độ củ U[SUB]PAM[/SUB] theo phương pháp làm tròn lấy gần đúng để thực hiện mã hoá.


Có hai phương pháp lượng tử hoá là :
+Lượng tử hoá đều
+Lượng tử hoá không đều.
1.Phương pháp lượng tử hoá đều:
Lượng tử hoá đều là phương pháp chia toàn bộ biên độ của tín hiệu thành những đoạn đều nhau gọi là bước lượng tử hoá.
Ký hiệu:
D = 2Xmax /n = const
Trong đó :
+Xmax : là giá trị biên độ .
+2Xmax: gọi là dải động của tín hiệu( vì tín hiệu có vùng(-) và vùng (+) nên 2Xmax là không thay đổi tín hiệu từ – Xmax đến +Xmax).
+n: là mức lượng tử hoá tương ứng với mỗi một bước lượng tử hoá có một mức lượng tử hoá sau sẽ làm trong giá trị Upam với những mức gần nhất, với sai số ±D/2.
Sau khi lượng tử hoá giá trị biên độ của Upam đã bị hạn chế.Do trong quá trình lượng tử hoá đã thực hiên phép tính làm tròn lấy gần đúng nên nó phải có sai số. Vì vậy ở đầu thu khi khôi phục tín hiệu số không giống tín hiệu ban đầu gọi là méo lượng hoá hay gọi là tạp âm lượng tử hoá.
Người ta đã CM được công thức tạp âm lượng tử hoá.
N = D[SUP]2[/SUP] /12
tạp âm lượng tử hoá không phụ thuộc vào tín hiệu mà chỉ phụ thuộc vào bước lượng tử hoá D. Mặt khác cũng chứng tỏ được tỉ số:
S/N = 6b (đây là chỉ tiêu).
Trong đó :
b: là tỉ số mã hoá mức n; b=log[SUB]2[/SUB]n
S: là công suất tín hiệu.
Từ những công thức trên ta thấy muốn giảm công suất tạp âm lượng tử hóa N thì phải giảm bước lượng tử hoá D.
-Mà D =2 X[SUB]MAX[/SUB]/n nên phải tăng n làm cho số bit tăng lên kéo theo từ mã bị dài thêm dẫn đến ghép được ít kênh và thời gian mã háo lâu. Từ đó người ta đã đặt ra tiêu chuẩn của hệ thống PCM là : X/N =65DB
-Để đảm bảo tiêu chuẩn S.N=65DB = 6b thì từ mã phải có số bít : B=11 bit cộng thêm 1 bit dấu nên từ mã có 12 bit.
-Do từ mã có 12 bit nên từ mã dài do vậy ghép được ít kênh, thời gian mã hoá lâu và từ mã giảm dẫn đến tỉ số S/N giảm nên không đảm bảo yêu cầu gây ra mâu thuẫn giữa tạp âm lượng tử và số lượng kênh ghép.
-Để khắc phục nhược điểm của lượng tử hoá đều người ta sử dụng lượng tử hoá không đều .

2.Phương pháp lượng tử hoá không đều :
a>Khái niệm:
Lượng tử hoá không đều là phương pháp lượng tử hoá mà bước lượng tử hoá tỉ lệ với tín hiệu.
Dx=k*x. (k: là hệ số ; X : là tín hiệu)
b> ưu điểm :
Lượng tử hoá đều có tỉ số S/N = const nên chọn được giá trị tối ưu để có số bit của từ mã ít nhất nhưng vẫn đảm bo¶ được tỉ sô S/N. khi đó sẽ ghép được nhiều kênh nhất.
C>Thực hiện lượng tử háo không đều
-Tìm hàm y=f(x) để với x là lượng tử hoá không đều : Dx=kx.
Thì với y là lượng tử hoá đều : Dy=2y[SUB]MAX[/SUB]/n ta lập tỉ số: Dy/Dx = dy/dx = 2y[SUB]MAX[/SUB]/n*k*x
Dy = 2y[SUB]MAX[/SUB]*dx/n*k*x
Lấy tích phân 2 vế ta được :
Y=2y[SUB]MAX[/SUB](lnx+C[SUB]0[/SUB])/(n*k)
Trong đó (C[SUB]0 [/SUB]là hằng số tích phân)
-Đặt 2y[SUB]MAX[/SUB]/n*k=1/C[SUB]1[/SUB](C[SUB]1[/SUB] là hằng số )
-Chọn [SUB]1[/SUB]=C[SUB]0[/SUB] =1+ lnA(A là hằng số )
ì Ax/1+lnA Nếu 0<x<1/A
í=
î 1+ lnAx/1+lnA Nếu 1/A<x<1
+Nếu x nhỏ thì y là hàm bậc nhất của x khi đó y là hàm tuyến tính
+Nếu x lớn thì y là hàm loga của x khi đó y là hàm tuyến tính .

IV.Mã hoá:
-Mã hoá là bước cuối cùng của PCM ding để biến đổi tín hiệu từ U[SUB]PAM[/SUB] thành tín hiệu nhị phân.
-Có nhiều phương pháp mã hoá.
1.Mã hoá bằng phương pháp trực tiếp
-U[SUB]PAM[/SUB] được so sánh trực tiếp với các điện áp mẫu và nhân các từ mã tương ứng có sẵn tương ứng với các điện áp mẫu mà U[SUB]PAM[/SUB] được làm tròn.
Nhược điểm:

+Kích thøoc của bộ mã hoá lớn vì phải chứa tất cả các điện áp mẫu theo một thứ tự nhất định.
2.Mã hoá bằng phương pháp gián tiếp
a.Đếm qua trung gian
-U[SUB]PAM[/SUB] được biến đổi thành các đại lượng có thể đếm được như tần số , thời gian . Kết quả đếm được ở hệ nhị phân nên tín hiệu được biến đổi thành tín hiệu số.
VD: Ta dùng U[SUB]PAM[/SUB] điều khiển một bộ dao động tỉ lệ với U[SUB]PAM[/SUB]
F[SUB]dd[/SUB]=k.U[SUB]PAM[/SUB] trong đó k là hệ số tỉ lệ.
Þ đếm f[SUB]dd[/SUB] chia cho hệ số k ta được giá trị U[SUB]PAM[/SUB] ở hệ nhị phân . Kết quả U[SUB]PAM [/SUB] được chuyển từ thập phân sang nhị phân.
-Nhược điểm : tốc độ mã hoá chậm. Vì phải đếm qua tất cả các giá trị của U[SUB]PAM[/SUB]

b>So sánh ( là phương pháp hiện nay sử dụng):
-U[SUB]PAM[/SUB] được so sánh với các điện áp mẫu kÝ hiệu U[SUB]RS[/SUB] theo thứ tự U[SUB]RA MAX[/SUB] -> U[SUB]RA MIN[/SUB].
+ Nếu U[SUB]PAM[/SUB] >=U[SUB]Rfi[/SUB] thì bit tương ứng b[SUB]i[/SUB] = 1 , điện áp mẫu U[SUB]Rfi[/SUB] không được duy trì ở bộ so sánh , không được tham ra vào các bước so sánh tiếp theo.
+Số điện áp mẫu ®­îctÝnh theo công thức: U[SUB]Rfi[/SUB]=D2[SUP]m-2[/SUP]
Trong đó :
M: số bit dùng mã hoá mức .
I:thay đổi từ 1-:- mvíi tín hiệu thoại m=7.
-Thay vào biểu thức tính được điện áp mẫu nh­ sau.
U[SUB]RF1 [/SUB] =64D
U[SUB]RF2[/SUB] =32D
U[SUB]RF3[/SUB] =16D
U[SUB]RF4 [/SUB] =8D
U[SUB]RF5[/SUB] =4D
U[SUB]RF6[/SUB] =2D
U[SUB]RF7[/SUB] =D
*Nhận xét:
-Mã hoá bằng phương pháp so sánh có 7 điện áp mẫu vì vậy có kích thước nhỏ .
-Tốc độ mã hoá nhanh vì chỉ cần 7 bước so sánh, trong 7 bước so sánh xác định mức phải có 1 bước có dấu bằng.
-Nếu U[SUB]PAM[/SUB] có dấu thì dấu chỉ sử dụng ở các bước so sánh xác định bít dấu, 7 bước so sánh xác định mức phải lấy theo giá trị tuyệt đối.
-Ta có sơ đồ khối của mã hóa bằng phương pháp so sánh nh­ sau.







[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]






















Hình 1.4 : Mã hóa bằng phương pháp so sánh


















Chương II
Chuyển mạch số



I-Giới thiệu chung:
-Khối chuyển mạch là khối thực hiện các chức năng chính của tổng đài số có chuyển mạch.
-Định nghĩa : chuyển mạch số dùng để trao đổi thông tin giữa các khe thời gian bất kì của luồng PCM[SUB]vµo[/SUB] và những luồng PCM[SUB]RA[/SUB] .Như vậy khe thời gian của luồng PCM giống nhau. Giả sử có R khe thời gian được đánh số từ 0 đến R-1.Để tạo ra các luồng PCM nối với chuyển mạch thì phải sử dụng thiết bị ghép kênh MUX để ghép các tín hiệu số thành luồng PCM đi vào chuyển mạch ở các luồng PCM[SUB]RA[/SUB] phải dùng thiết bị tách kênh DMUX để tách các luồng PCM[SUB]RA[/SUB] thành các khe thời gian riêng biệt. Mỗi khe thời gian của luồng PCM được ghép vào một kênh thoại số PCM. Chuyển mạch sè thực hiện chức năng của một tổng đài là trao đổi thông tin giữa các khe thời gian bất kì chính là trao đổi thông tin giữa các kênh thoại bất kì.


[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]













Hình 2.1: sơ đồ khối chuyển mạch số .



II-Chuyển mạch thời gian số TSW ( chuyển mạch T).
1)Định nghĩa :
chuyển mạch thời gian số dùng để trao đổi thông tin giữa các khe thời gian bất kì của luồng PCM[SUB]vµo[/SUB] và luồng PCM[SUB]ra[/SUB]­ chuyển mạch .



[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]






Hình 2.2 : sơ đồ chuyển mạch thời gian số


*Nhận xét :
+ chuyển mạch thời gian số chỉ có 1 luồng PCM[SUB]vµo và [/SUB]một luồng PCM[SUB]ra[/SUB] nên dung lượng nhỏ.
+ khe thời gian vào và khe thời gian ra khác nhau . Vì vậy chuyển mạch T còn gọi là chuyển mạch khe.
+Chuyển mạch T thực hiện chức năng của một tổng đài. Vì mỗi khe thời gian của luồng PCM là một kênh thoại số khác nhau , trao đổi thông tin giữa các khe thời gian bất kì chính là trao đổi thông tin giữa các kênh khác nhau.
+Trong tổng đài chỉ cần một chuyển mạch T nhưng có dung lượng nhỏ.

2.Cấu tạo :
a)Dùng mạch giữ chậm.:
-Do các luồng khe thời gian của luồng PCM[SUB]vµo [/SUB] và luồng PCM[SUB]ra[/SUB] giống nhau( có cùng tốc độ). Vì vậy để nối khe thời gian của luồng PCM[SUB]vµo [/SUB]với một khe thời gian của luồng PCM[SUB]ra[/SUB] có thể sử dụng mạch giữ chậm.


-Giả sử nối i của PCM[SUB]vµo[/SUB] với j củ PCM[SUB]ra[/SUB] (i<j) giữ chậm khe TS [SUB]i [/SUB]một thời gian Dt=(i-j)TS
-Nếu i>j thì giữ chậm khe TS[SUB]i[/SUB] một khoảng thời gian.
Dt=(R-i+j)TS



[TABLE="align: left"]
[TR]
[TD][/TD]
[/TR]
[TR]
[TD][/TD]
[TD][/TD]
[/TR]
[/TABLE]


Hình 2.3 : sơ đồ giữ chậm khe thời gian.

-Nhược điểm:
+Kích thước của chuyển mạch lớn có nhiều chuyển mạch giữ chậm khác nhau (thường sử dụng linh kiện L,c nên kích thước lớn)
+Tốc độ chuyển mạch chậm chính vì vậy phương pháp này hiện nay không sử dụng.