nghiên cứu kỹ thuật điều chế fsk trong hệ thống truyền tin số

1

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của đất nước, những năm gân đây, các ngành công
nghiệp đều phát triển mạnh mẽ và ngành công nghiệp viễn thông cũng không
ngoại lệ. Ngày càng có nhiều dịch vụ truyền thơng mới và chất lượng truyền
thông cũng yêu cầu cao hơn đã dẫn đến sự cần thiết phải thay đổi nâng cấp
đường truyền.
Đứng trước xu hướng như vậy, việc tìm hiểu về các vấn đề truyền tin
trong các hệ thống viễn thông hiện đại trở nên quan trọng đối với sinh viên.
Nhận thức được điều đó, đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật điều chế FSK
trong hệ thống truyền tin số” sẽ giới thiệu tổng quan về các hệ thống truyền tin
số, tìm hiểu về các vấn đề kỹ thuật điều chế tín hiệu. Bố cục của đồ án bao gồm
các chương:
 Chương 1 : Tổng quan về hệ thống truyền tin số
 Chương 2 : Kỹ thuật điều chế FSK
 Chương 3 : Mơ phỏng bằng Matlab

Điều chế tín hiệu số là kỹ thuật ngày nay khơng cịn mới mẻ, song việc tìm
hiểu các vấn đề điều chế là cần thiết, địi hỏi phải có kiến thức sâu rộng, và lâu
dài. Do vậy đồ án không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự phê
bình, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn.
Xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới cô ĐỊNH THỊ KIM PHƯỢNG,
người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này.
Sv thực hiện
Nguyễn Thị Thắm


2

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT


3

A/D

Analog/ Digital

AM
ASK
AWGN

Amplitude Modulation
Amplitude Shift Keying
Additive White Gaussian
Noise
Bit Error Rate

BER
BPSK
CFSK
FM
FSK
MAMSK
MSK
OQPSK
PAM

PCM
PM
PPM
PSK
PWM
QPSK
SFSK

Coherent Frequency Shift
Keying
Frequency Modulation
Frequency Shift Keying
Minimum Shift Keying
Offset quadrature phase-shift
keying
Pulse Amplitude Modulation
Pulse Code Modulation
Phase Modulation
Pulse Position Modulation
Phase Shift Keying
Pulse Width Modulation
Quadrature Phase Shift
Keying

Tương tự/ Số
Khóa dịch biên độ
Nhiễu âm cộng dạng Gauss
Tỷ lệ lỗi bit
Khóa dịch tần kết hợp
Điều chế tần số

Khóa dịch tần số
Điều chế dịch tiểu biên độ
nhiều mức
Khóa di tần cực tiểu
Khóa dịch chuyển pha bù
vng góc
Điều chế biên độ xung
Điều chế xung mã
Điều chế pha
Điều chế vị trí xung
Khóa dịch pha
Điều chế độ rộng xung
Khóa dịch pha vng góc
Điều chế tần số hình sin

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Mơ tả sơ đồ khối tổng qt một hệ thống truyền tin ............................8
Hình 1.2 Mơ tả dạng tín hiệu tương tự và số...Error: Reference source not found


4

Hình 1.3 Hám s(t) của nguồn tin nguyên thủy...................................................11
Hình 1.4 Sơ đồ khối đơn giản hóa một hệ truyền tin có sóng mang được điều
chế .......................................................................................................................15
Hình 1.5 Tín hiệu tương tự và số qua kênh có hàm truyền đạt khơng tuyến tính
..............................................................................................................................18
Hình 1.6 Mơ tả các dạng điều chế xung ............................................................19
Hình 1.7 Quá trình lấy mẫu PCM .....................................................................22
Hình 1.8 Đồ thị phổ UPAM ...............................Error: Reference source not found

Hình 1.9 Chồng phổ ..........................................................................................23
Hình 1.10 Đồ thị lượng tử khơng đều .................................................................27
Hình 1.11 Sơ đồ của mạch mã hóa bằng phương pháp so sánh...........................30
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền tin ...........................................................33
Hình 2.2 Phổ tần của tín hiệu FSK ....................................................................40
Hình 2.3 Dạng sóng FSK ...................................................................................42
Hình 2.4 Phương pháp điều chế FSK .................................................................42
Hình 2.5 Đồ thị xác suất lỗi ...............................................................................44
Hình 2.6 Các hệ thống tách sóng kết hợp vi sai khơng kết hợp và kết hợp........45
Hình 2.7 Hệ thống MSK n bit số liệu vào được chuyển thành n bit I/O ............52
Hình 2.8 Phương pháp giải điều chế FSK ..........................................................56
Hình 2.9 MSK ....................................................................................................57
Hình 3.1 Tín hiệu sau khi điều chế FSK ............................................................73
Hình 3.2 Phổ của tín hiệu điều chế FSK ............................................................74

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TIN SỐ
1.1

KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TIN ĐIỆN TỬ


5

Hệ thống truyền tin điện tử là một hệ thống sử dụng các mạch điện và các
thiết bị điện tử để thực hiện công việc truyền tin từ nơi này đến nơi khác, gọi tắt
là hệ thống truyền tin. Thông tin nguồn nguyên thuỷ được truyền trong các hệ
thống truyền tin có thể dưới dạng tương tự, ví dụ: tiếng nói con người, âm nhạc
hoặc có thể dưới dạng số, rời rạc như những chữ cái hoặc chữ số được mã hố
dưới dạng nhị phân.

Thơng tin truyền và xử lý trong các hệ thống truyền tin điện tử được biểu
thị dưới dạng các tín hiệu. Tín hiệu là đại lượng vật lý mang thông tin và thường
được biểu thị dưới hai dạng: tín hiệu tương tự và tín hiệu số.
Hệ thống truyền tin truyền các tín hiệu tương tự được gọi là hệ thống
truyền tin tương tự. Hệ thống truyền tin truyền các tín hiệu số là hệ thống truyền
tin số.
Trong các hệ thống truyền tin có sự tham gia của các máy tính, tin tức
hoặc thơng tin được biểu thị dưới dạng dữ liệu. Hệ thống hoặc mạng truyền tin
đó được gọi là hệ thống hoặc mạng truyền dữ liệu.
Một hệ thống truyền tin bất kỳ nào cũng có thể được biểu thị theo sơ đồ
khối sau:


6

Hình 1.1 Mơ tả sơ đồ khối tổng qt một hệ thống truyền tin
Các ký hiệu trong sơ đồ:
m(t) Dữ liệu nguồn tin đưa vào thiết bị phát
s(t) Dữ liệu đầu ra của máy phát sau khi đã được xử lí, mã hố, điều chế và khuếch đại để
đưa vào đường truyền
n(t) Tạp nhiễu tác động vào thiết bị thu. Do có tạp nhiễu nên r(t) = s(t) + n(t)

≠

s(t)

%
m(t ) ≠ m(t )

%

m (t )

Tín hiệu đầu ra thiết bị thu (nhận tin) ;

Bất kỳ một hệ thống truyền tin nào cũng bao gồm ba khối chức
năng chủ yếu : phát, môi trường truyền dẫn và thu.
Khối phát là một tập hợp gồm một hoặc nhiều thiết bị hoặc mạch điện tử
để chuyển đổi thông tin nguồn nguyên thuỷ thành tín hiệu thích ứng với mơi
trường truyền dẫn. Khối phát có hai chức năng chủ yếu là xử lý tin hiệu phát và
tạo sóng mang phát. Xử lý tín hiệu phát tức xử lý tín hiệu nguồn sao cho thích
ứng với các yêu cầu truyền tin. Các phương pháp xử lý có thể là: nén, lọc, mã
hố, số hố, điều chế, truyền tin cụ thể. Mạch sóng mang phát có nhiệm vụ biến
đổi tín hiệu sau xử lý tín hiệu phát sao cho thích ứng với kênh truyền dẫn và
khoảng cách cần truyền dẫn.
Kênh truyền dẫn (môi trường truyền dẫn) là mơi trường để lan truyền tín
hiệu. Dạng vật chất cụ thể của kênh truyền rất đa dạng, chẳng hạn:


7

•
•
•

Đường dây đơi
Cáp đồng trục
Cáp quang,v.v...,

Trong nhiều trường hợp kênh truyền là khoảng không gian giữa thiết bị phát
và thiết bị thu.

Kênh truyền gây suy giảm tín hiệu và bị tác động của tạp nhiễu làm tổn hao
và sai lạc tín hiệu truyền trên kênh. Tạp nhiễu có thể do các nhiễu từ các nguồn
nhiễu ngồi (nhiễu khí quyển, nhiễu công nghiệp,..) và các tạp âm bên trong bản
thân hệ thống truyền tin (tạp âm nội bộ hệ thống) gây nên. Ngồi tác động của
tạp nhiễu, kênh truyền cịn chịu tác động của các hiện tượng trễ, tín hiệu vọng,…
Mạch sóng mang và xử lý tín hiệu thu là các q trình ngược lại của xử lý
tín hiệu phát và mạch sóng mang phát để tái tạo lại nguồn tín hiệu nguyên thuỷ
được truyền. Do tác động của nhiễu n(t) trong q trình truyền nên ở bộ thu cần
có bộ lọc và loại trừ nhiễu.
1.2

NGUỒN TIN VÀ NGUỒN TÍN HIỆU
Nguồn tin trong hệ thống truyền tin là nơi tạo ra hoặc chứa các tin cần

truyền đi. Nguồn tin có thể là số hoặc tương tự.
Một nguồn tin số tạo ra một tập hữu hạn các đoạn tin có thể có. VD: máy
chữ.
Một nguồn tin tương tự tạo ra các đoạn tin được xác định trên một dãy liên
tục. VD: microphon.
Một hệ thống truyền tin số là một hệ thống truyền tin tức từ một nguồn số
hoặc một nguồn tương tự được rời rạc hoá, số hoá tới bộ thu.
Một hệ thống truyền tin tương tự là một hệ thống truyền tin tức từ một
nguồn tương tự tới bộ thu.


8

Trong các hệ thống truyền tin điện tử, tín hiệu là đại lượng vật lý mang
thông tin và thường được biểu thị dưới hai dạng: tín hiệu tương tự và tín hiệu số.
Thực chất, một tín hiệu số hoặc một dạng sóng số được định nghĩa như

một hàm thời gian có một tập rời rạc các giá trị và một tín hiệu tương tự hoặc
một dạng sóng tương tự là một hàm thời gian có liên tục các giá trị.
Giá trị tin tức trong các hệ thống truyền tin điện tử thường được biểu thị
dưới dạng điện áp u(t), hoặc dịng điện i(t), liên tục hoặc gián đoạn.

Hình 1.2. Mơ tả dạng tín hiệu tương tự và số
Khi một đường truyền tin được thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến nơi
nhận, một dãy các phần tử cơ sở của nguồn tin sẽ được truyền đi với một phân
bố xác suất nào đó, dãy này được gọi là đoạn tin.
Smax Nguồn tin có thể là nguồn tin nguyên thuỷ hoặc đã được sơ bộ xử lí.
Nguồn tin có thể là nguồn tin nguyên thuỷ hoặc đã được sơ bộ xử lí. Các
nguồn tin nguyên thuỷ phần lớn là những hàm liên tục theo thời gian f(t) hoặc là
hàm biến đổi theo thời gian cùng các thông số khác. Phần lớn các tin nguyên


9

thuỷ mang tính liên tục theo thời gian và mức, nghĩa là có thể biểu diễn một
thơng tin nào đó dưới dạng một hàm số s(t) tồn tại trong khoảng thời gian

(t1 , t2 )

với các giá trị bất kỳ trong phạm vi (Smin,Smax) như hình 1.3.

s(t)

Smax

Smin

t
t1

t2

Hình 1.3. Hàm s(t) của nguồn tin nguyên thuỷ liên tục
Các nguồn tin nguyên thuỷ có thể được đưa trực tiếp vào kênh để truyền
đi hoặc có thể qua các phép biến đổi xử lý trước khi đưa vào kênh truyền tin số
phải được số hố hoặc mã hố. Phương pháp biến đổi tín hiệu nguồn tương thích
với kênh truyền được gọi là phương pháp điều chế.
1.3

ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢ ĐIỀU CHẾ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TIN

1.3.1 Điều chế
Trong thực tế, các tín hiệu thông tin nguyên thuỷ không thể truyền được
xa trên các đường truyền dẫn cáp kim loại, sợi cáp quang hoặc trong tầng khơng
gian khí quyển, do đó cần phải điều chế tín hiệu thơng tin ngun thuỷ đó với
một tín hiệu tương tự có tần số cao hơn gọi là sóng mang. Tín hiệu sóng mang có


10

nhiệm vụ mang thông tin trong hệ thống truyền tin. Tín hiệu thơng tin có thể
điều chế với sóng mang hoặc theo biên độ, theo tần số hoặc theo góc pha. Việc
điều chế được hiểu đơn giản là quá trình biến đổi một hoặc nhiều đặc tính của
sóng mang theo sự biến đổi của tín hiệu thơng tin.
Ví dụ: tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, khơng thể truyền đi xa được. Người
ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao (để có thể truyền đi xa được) làm sóng
mang. Biến đổi biên độ của tần số sin đó theo tín hiệu tiếng nói. Ở đầu thu người t

a dựa vào sự thay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệu tiếng nói
ban đầu.
Trong các hệ thống truyền tin có hai dạng điều chế cơ bản, đó là điều chế
tương tự và điều chế số.
Trong điều chế tương tự, việc điều chế được thực hiện liên tục theo tín hiệu
thơng tin tương tự.
Các phương pháp điều chế tương tự thông dụng là:


Điều biên (Amplitude modulation)


Điều chế hai băng (DSB-Double-sideband modulation)


Điều chế hai băng khơng triệt sóng mang (dùng trong radio
băng AM)





Điều chế hai băng triệt sóng mang
Điều chế hai băng nén sóng mang

Điều chế đơn băng





Điều chế đơn băng (SSB hoặc SSB-AM)
Điều chế đơn băng triệt sóng mang (SSB-SC)

Điều chế dải biên (VSB hoặc VSB-AM)


Điều chế biên độ vng góc (QAM)


11



Góc điều chế (Angle modulation)


Điều tần-Frequency modulation (FM)



Điều pha-Phase modulation (PM)

Trong điều chế số, một sóng mang tương tự sẽ được biến đổi theo một chuỗi
bit có chiều dài cố định hoặc thay đổi. Đây cũng có thể được coi là một
dạng biến đổi tương tự - số. Hình dạng của sóng mang được lấy từ một tập hợp
hữu hạn các symbol.
Sau đây là những phương pháp cơ bản:


Trong PSK, người ta dùng một số hữu hạn pha.



Trong FSK, người ta dùng một số hữu hạn tần số.



Trong ASK, người ta dùng một số hữu hạn biên độ.



Trong QAM, tín hiệu đồng pha (tín hiệu I, ví dụ tín hiệu cos) và tín hiệu
trực pha (tín hiệu Q, ví dụ tín hiệu sin) được điều biên. Nó cũng có thể được
coi là hai kênh riêng. Tín hiệu thu được là sự kết hợp của PSK và ASK với
tối thiểu là hai pha và tối thiểu hai biên độ.
Biểu thức (1.1) là biểu thức tổng quát của một sóng điện áp hình sin biến

đổi theo thời gian của một tín hiệu sóng mang cao tần :

u (t ) = U sin(2Πft + θ )

(1.1)

Trong đó :
u(t)

là sóng điện áp hình sin biến đổi theo thời gian;

U

là biên độ (V);

f

là tần số (Hz);

θ

là góc lệch pha (rad).


12

Nếu tín hiệu thơng tin là tương tự và biên độ (U) của sóng mang được biến
đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng tin thì điều chế biên độ AM (amplitude modulation)
được tạo ra. Nếu như tần số (f) của sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng
tin thì điều chế tần số FM (frequency modulation) được tạo ra và nếu góc pha

(θ )

của sóng mang biến đổi tỷ lệ với tin hiệu thơng tin thì điều chế pha PM (phase
modulation) được tạo ra.
Nếu tín hiệu thơng tin là số và biên độ (U) của sóng mang biến đổi tỷ lệ
với tín hiệu thơng tin thì tín hiệu được điều chế số đó được gọi là khóa dịch biên
ASK (amplitude shift keying); Nếu tần số (f) của sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín
hiệu thơng tin thì điều chế được gọi là khoá dịch tần FSK (frequency shift
keying) và nếu góc pha

(θ )

của sóng mang biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng tin thì

điều chế được gọi là khóa dịch pha PSK (phase shift keying). Nếu như cả biên
độ và góc pha cùng biến đổi tỷ lệ với tín hiệu thơng tin thì điều chế là biên độ
cầu phương QAM (quadrature amplitude modulation).
Việc điều chế được thực hiện ở phía phát bởi mạch được gọi là bộ điều
chế. Sóng mang được tác động bởi một tín hiệu thơng tin được gọi là sóng được
điều chế hoặc tín hiệu được điều chế. Việc giải điều chế là q trình ngược lại
của điều chế để chuyển đổi sóng mang được điều chế thành thông tin ban đầu.
Giải điều chế được thực hiện ở phía thu bởi mạch giải điều chế.
Có hai nguyên nhân cần phải thực hiện việc điều chế trong các hệ thống
truyền tin điện tử đó là:
1.Các tần số thấp khó bức xạ từ anten dưới dạng sóng điện từ.
2.Các tín hiệu thơng tin thường có dải tần giống nhau và nếu như các tín
hiệu từ hai hoặc nhiều nguồn phát cùng thời gian thì chúng sẽ can nhiễu lẫn
nhau. VD: các đài phát thanh thoại và phát thanh âm nhạc có giải tần audio trong
khoảng từ 300Hz đến 15000Hz, để chúng không can nhiễu lẫn nhau thì phải


13

chuyển đổi thông tin của chúng thành các băng tần khác nhau hoặc kênh khác
nhau.
Hình 1.4 mơ tả sơ dồ khơi đơn giản hố quan hệ của tín hiệu điều chế,
sóng mang tần số cao và sóng được điều chế trong một hệ thống truyền tin điện
tử.

Hình 1.4 Sơ đồ khối đơn giản hố một hệ truyền tin có sóng mang được điều
chế

1.3.2 Giải điều chế
Giải điều chế là quá trình ngược lại với quá trình điều chế. Trong quá trình
thu được có một trong các tham số: biên độ, tần số, pha của tín hiệu sóng mang
được biến đổi theo tín hiệu điều chế và tùy theo phương thức điều chế mà ta có
được các phương pháp giải điều chế thích hợp để lấy lại thơng tin cần thiết.
Các phương pháp giải điều chế:


14

Về phương pháp điều chế nói cách khác là phương pháp lọc tin, tùy theo
hỗn hợp tín hiệu và các tiêu chí tối ưu về sai số (độ chính xác cao) phải đạt được
mà chúng ta có thể có các phương pháp lọc tin thơng thường như:
•
•
•

1.4

Tách sóng biên độ
Tách sóng tần số
Tách sóng pha

ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN DẪN SỐ
Truyền dẫn số so với truyền dẫn tương tự có những ưu điểm sau:
1. Truyền dẫn số có tính kháng nhiễu tốt hơn nhiều so với truyền dẫn tương

tự. Các xung số ít bị tác động của nhiễu làm thay đổi hoặc biến dạng so với tín
hiệu tương tự. Ở đường truyền dẫn số thì các đặc tính về biên độ, tần số và góc
pha khơng cần phải định ra một cách chính xác như ở kênh truyền tương tự. Các

xung ở truyền dẫn số sẽ được định ra theo khoảng thời gian mẫu hoặc mức trên,
mức dưới của xung theo một ngưỡng nào đó. Độ chính xác về biên độ, tần số và
góc pha ở truyền dẫn số khơng quan trọng lắm.
2. Tín hiệu số thuận lợi và dễ dàng hơn nhiều trong các quá trình xử lý và
ghép kênh so với tín hiệu tương tự. Việc xử lý tín hiệu số ở đây được hiểu là xử
lý các tín hiệu tương tự theo các phương pháp số. Xử lý tín hiệu bao gồm lọc,
cân bằng và chuyển dịch pha.Các xung số có thể được nhớ dễ dàng hơn tín hiệu
tương tự. Tốc độ truyền của các hệ thống số có thể thay đổi một cách dễ dàng để
thích ứng với các mơi trường khác nhau và thích nghi với các dạng thiết bị khác
nhau.
3. Ở các hệ thống truyền dẫn số dùng các bộ tái tạo tín hiệu trong khi ở
truyền dẫn tương tự dùng các bộ khuếch đại tín hiệu. Tạp âm trong các mạch
khuếch đại là tạp âm cộng, do đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm ở đầu ra bộ khuếch
đại sẽ bị xấu hơn và nếu đường truyền dẫn tương tự dùng nhiều bộ khuếch đại thì
tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N) sẽ càng xấu. Trong khi ở truyền dẫn số sử dụng các


15

bộ tái tạo tín hiệu có tỷ số tín hiệu/tạp âm ở đầu ra bằng tỷ số tín hiệu/tạp âm ở
đầu vào bộ tái tạo. Cũng vì lý do đó mà khoảng cách truyền dẫn số có thể lớn
hơn nhiều so với truyền dẫn tương tự.
4. Việc đo lường và lượng giá các tín hiệu số đơn giản hơn nhiều so với tín
hiệu tương tự đặc biệt là khi cần so sánh hiệu năng các hệ thống.
5. Các hệ thống số thích hợp hơn nhiều trong việc đánh giá hiệu năng lỗi.
Lỗi truyền trong các tín hiệu số có thể được phát hiện và sửa lỗi một cách dễ
dàng, có khả năng chính xác hơn nhiều so với các hệ thống tương tự. Tuy vậy,
truyền dẫn số cũng có những nhược điểm sau:
a. Việc truyền dẫn các tín hiệu tương tự được số hố cần phải có độ rộng
dải tần lớn hơn nhiều so với việc truyền tín hiệu tương tự đó khơng số hố.

b. Các tín hiệu tương tự muốn truyền dẫn số thì trước khi truyền phải được
chuyển đổi thành tín hiệu số và tại phía thu phải chuyển đổi ngược trở lại, có
nghĩa là phải tốn thêm mạch mã hoá và giải mã.
c. Truyền dẫn số yêu cầu phải có sự đồng bộ thời gian chính xác giữa đồng
hồ phát và thu. Như vậy, các hệ thống số cần phải có các mạch hồi phục đồng hồ
trong tất cả các máy thu, gây thêm tốn kém.
d. Các hệ thống truyền dẫn số là khơng tương thích với các phương tiện
truyền dẫn tương tự cổ điển.
Hình 2.1 mơ tả so sánh chất lượng truyền tin của một tín hiệu tương tự và
một tín hiệu số được truyền qua một kênh truyền có hàm truyền đạt H(f ), khơng
tuyến tính.


16

a) Tín hiệu ra tương tự bị méo dạng

b) Tín hiệu ra số khơng bị méo dạng
Hình 1.5 Tín hiệu tương tự và số qua kênh có hàm truyền đạt khơng tuyến tính.


17

1.5

CÁC DẠNG ĐIỀU CHẾ XUNG
Điều chế xung là biến đổi các thơng tin tín hiệu từ dạng tương tự của

nguồn tin nguyên thuỷ thành dạng các xung rời rạc để truyền trên kênh truyền tin
số đến nơi nhận. Trong công nghệ kỹ thuật số có bốn dạng điều chế xung thường

được sử dụng đó là: điều chế độ rộng xung PWM (pulse width modulation), điều
chế vị trí xung PPM (pulse position modulation), điều chế biên độ xung PAM
(pulse amplitude modulation) và điều chế mã xung PCM (pulse code
modulation).
a)

b)

c)

d)
e)

f)
Hình 1.6. Mơ tả các dạng điều chế xung:
a) Tín hiệu tương tự
b) Xung mẫu
c) Điều chế độ rộng xung PWM

d) Điều chế vị trí xung PPM
e) Điều chế biên độ xung PAM
f) Điều chế mã xung PCM


18

1. PWM. Điều chế độ rộng xung PWM còn gọi là điều chế khoảng thời
gian tồn tại xung PDM (pulse duration modulation) hoặc điều chế độ dài xung
PLM (pulse length modulation). Ở đây, độ rộng của xung tỷ lệ với biên độ của
tín hiệu tương tự.

2. PPM. Điều chế vị trí xung là vị trí của các xung với độ rộng hằng số
trong khe thời gian bắt buộc được biến đổi phù hợp với biên độ của tín hiệu
tương tự.
3. PAM. Điều chế biên độ xung là biên độ của xung có độ rộng hằng số, vị
trí hằng số, được biến đổi phù hợp với biên độ của tín hiệu tương tự.
4. PCM. Điều chế mã xung thì tín hiệu tương tự được lấy mẫu và được
chuyển đổi thành dãy số nhị phân nối tiếp, có chiều dài cố định để truyền. Số các
nhị phân đó phù hợp với biên độ của tín hiệu tương tự.
Điều chế biên độ xung PAM thường là một dạng điều chế trung gian của
các dạng điều chế khác, như PSK, QAM và PCM. Điều chế PAM ít khi được
dùng riêng rẽ. Điều chế độ rộng xung PWM và điều chế vị trí xung PPM được
dùng trong các hệ thống truyền tin đặc biệt (thường trong quân đội) và ít được
dùng trong các hệ thống dân dụng. Điều chế mã xung PCM là một dạng điều chế
được dùng phổ biến trong truyền tin số.
1.6

ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ

1.6.1 Tổng quan
Hiện nay trên thế giới đã và đang sử dụng kỹ thuật số trong các
chức năng điều khiển chuyển mạch và báo hiệu trong các tổng đài điện thoại và
các liên kết truyền dẫn giữa chúng. Một yếu tố quan trọng của sự thay đổi này là
xu hướng phát triển của phương pháp vận chuyển tín hiệu thoại bằng kỹ thuật
chuyển đổi tương tự thành tín hiệu số. Phương pháp này được phát minh bởi


19

REEVES năm 1937 nhưng nó chỉ dùng trong kỹ thuật bán dẫn và cho phép ứng
dụng các hệ thống truyền dẫn số thực tế trong các mạng điện thoại từ giữa thập

niên 60. Hiện nay phương pháp thông dụng nhất để số hố tiếng nói là kỹ thuật
điều chế xung mã PCM.
Kỹ thuật điều chế xung mã được dùng để biến đổi tín hiệu thoại từ tương
tự thành tín hiệu số, được biểu diễn thành tổ hợp của nhóm xung nhị phân gồm 8
xung gọilà một từ mã 8 bít, chu kỳ125 µs kỹ thuật PCM được sử dụng trong hệ
thống thơng tin số được dùng để truyền tín hiệu khơng liên tục, theo thời gian.
Tín hiệu được chuyển đổi thành tín hiệu nhị phân có hai giá trị là "0" và "1"
tương ứng với hai giá trị có xung và khơng xung.
Tín hiệu thoại, tín hiệu hình là các tín hiệu liên tục theo thời gian để truyền
dẫn và xử lý được trong hệ thống thơng tin số thì việc đầu tiên là phải biến đổi từ
tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Gọi chung là kỹ thuật biến đổi tương tự thành
số ký hiệu: A/D
Trong viễn thông biến đổi A/D ta dùng kỹ thuật điều chế PCM quá trình
điều chế xung mã PCM được chia thành 3 giai đoạn: lấy mẫu, lượng tử và mã
hóa.
1.6.2 Lấy mẫu PCM
Lấy mẫu là q trình rời rạc hóa tín hiệu theo thời gian.
Cơ sở của việc lấy mẫu là định lý Kachennhicop. Một tín hiệu liên tục theo
thời gian có giải tần hữu hạn có thể biểu diễn bằng các điểm rời rạc có chu kì
thỏa mãn điều kiện: fs ≥2fmax.
Trong đó: fs=1/ts: Tần số lấy mẫu
fmax: Tần số giới hạn của tín hiệu liên tục
VD: Tín hiệu thoại có fmax=4KHZ


20

W
UPAM

X(t)

t

Hình 1.7: Q trình lấy mẫu trong PCM
X(t): Tín hiệu liên tục theo thời gian. Nó được lấy mẫu tại các thời điểm t,
t+Ts, t+2Ts, t+3Ts. Có chu kỳ là Ta thỏa mãn điều kiện fs ≥2fmax.
Kết quả lấy mẫu nhận được các xung có biên độ bằng giá trị biên độ của
tín hiệu tại thời điểm lấy mẫu gọi là dãy xung điều biên UPAM.
Ở máy thu dãy xung UPAM có thể khơi phục lại tín hiệu cung ban đầu.
Đồ thị phổ củas xung UPAM có dạng:
Một chiều

X(t)

0

USR

ISR

fmax

fs-fmax

fs

fs-fmax

Hình 1.8: Đồ thị phổ UPAM

Gồm các thành phần
Tại f=0 thành phần một chiều là thành phần không mang tin tức
Từ 0-fmax là thành phần tín hiệu X(t) cần khơi phục lại

t


21

Fs là tần số lấy mẫu không cần khôi phục lại
Như vậy từ đồ thị phổ nhận thấy để khôi phục tín hiệu liên tục X(t) từ dãy xung
điều biên UPAM chỉ cần sử dụng bộ lọc thấp. Điều kiện của bộ lọc thơng thấp:
fmax≤fläc≤fs-f max
Giải bất phương trình ta nhận được fs ≥2fmax
Nếu khơng thỏa mãn điều kiện thì fs ≤2fmax
Thì đồ thị dạng phổ có dạng:

Một chiều

f
0

fs-fmax fmax

fmax

fs+fmax

Hình 1.9: Chồng phổ
Khi đó xảy ra hiện tượng chồng phổ khơng thể khơi phục lại tín hiệu liện tục

X(t).
Như vậy khi lấy mẫu phải thỏa mãn điều kiện fs ≥ 2fmax để khi khơi phục tín hiệu
khơng bị méo chồng phổ
Với tín thoại có fmax=4KHz tính được fs ≥ 8KHz
Trong thực tế chọn fs ≥ 8KHz thì Ts=1/8000=125µs
Cho fs =8000HZ là tần số lấy mẫu thấp nhất để khi ghép kênh theo thời gian sẽ
ghép được nhiều nhất.


22

Ý nghĩa của fs =8000HZ, Ts= 125µs là trong 1s có 8000 mẫu, 8000UPAM khi mã
hóa trong 1s có 8000 từ mã. Khi ghép kênh theo thời gian sẽ có 8000 khung ghép trong
125µs.
1.6.3 Lượng tử hóa
Là q trình rời rạc hóa tín hệu theo mức (chia nhỏ tín hiệu theo độ lớn).
Sau khi lấy mẫu nhận được dãy điều biên U PAM. Phải biến đổi UPAM. Thành
tín hiệu số rồi mã hóa. Mỗi một UPAM được mã hóa bằng một từ mã là tổ hợp của
một nhóm xung nhị phân tương ứng với một giá trị của U PAM. Nhưng do tín hiệu
thoại là đại lượng ngẫu nhiên (khơng có quy luật).
Vì vậy UPAM cũng là đại lượng ngẫu nhiên. Nên giá trị của U PAM khơng xác
định vì vậy khơng mã hóa được UPAM cũng khơng xác định được UPAM.
Vì vậy phải hạn chế giá trị biên độ của U PAM để mã hóa thực chất của lượng
tử hóa là q trình hạn chế biên độ của UPAM để mã hóa.
Có hai phương pháp lượng tử hóa:
Lượng tử hóa đều
Lượng tử hóa khơng đều
a.

Lượng tử hóa đều

Chia tồn bộ dải biên độ của tín hiệu (dải rộng của tín hiệu ) thành những
đoạn đều nhau gọi là bước lượng tử hóa, ký hiệu x=2Xmax/n=const


23

+Xmax

X(t)

t

2Xmax

-Xmax

Xmax: Biên độ
2Xmax: dải rộng
n: mức lượng tử hóa
Tương ứng với một bước lượng tử hóa, có một mức lượng tử hóa.

6
5
4
3
2
1
0

t
t

t+Ts

t+2Ts

t+3Ts

t+3Ts

t+4Ts

Biên độ tín hiệu được chia làm những đoạn tín hiệu bằng nhau có độ lớn x
Tiến hành làm trịn giá trị của UPAM ở mức lượng tử hóa gần nhất so với sai số là:
±0,2
Xung UPAM tại thời điểm t có giá trị thực 4
UPAM1 có giá trị thực 4,2 làm trịn 4
UPAM2 có giá trị thực 1,5 làm tròn 2


24

UPAM3 có giá trị thực 3,2 làm trịn 3
UPAM4 có giá trị thực 2,8 làm tròn 3
Kết quả: Giá trị của UPAM1 sẽ được hạn chế tương ứng với số mức lượng tử, do
trong q trình lượng tử hóa đã thực hiện phép làm tròn lấy gần đúng nên mắc phải sai
số. Vì vậy, ở máy thu khi khơi phục tín hiệu sẽ khơi phục đúng tín hiệu ban đầu (gọi là
méo lượng tử hóa hoặc tạp âm lượng tử hóa ).
Mức lượng tử hóa là bản chất lượng tử hóa khắc phục được tìm cách giảm nhỏ tới

mức có thể thực hiện được.
b.

Lượng tử hóa khơng đều

Chia bước lượng tử hóa tỉ lệ với tín hiệu
∆x=kx+const
k: hệ số tỷ lệ
x: tín hiệu
Ưu điểm:
Do ∆x tỷ lệ với tín hiệu x nên tạp âm lượng tử hóa N=∆2/12≠const
Tỷ lệ theo tín hiệu sẽ làm cho tỉ lệ số tín hiệu trên tạp âm = const
Để thực hiện lượng tử hóa khơng đều bằng cách tìm hàm y=f(x) để với x
là lượng tử hóa khơng đều ∆x=kx thì với y là lượng tử hóa đều ∆y=2ymax. Khi
đó chỉ việc lượng tử hóa đều với y nhưng thực chất là lượng tử không đều với x.
Lập tỉ số ∆y/∆x=dy/dx=2ymax/n x k chuyển về dx ta có dy=2ymax/n xk x dx/x
Lấy tích phân 2 vế : y=1/c1(lnx+c0) có 1/c1 =2ymax/n xk=const
c0:hằng số tích phân
Chọn c1=c0=1+lnA
Tính được y1=A/1+lnA nếu 0Nhận xét: nếu x nhỏ, y là hàm bậc nhất thì quan hệ giữa x và y là tuyến
tính.
Nếu x>y thì ln của x, qua hệ là phi tuyến của x.


25

Xây dựng đồ thị hàm của y

Y

7 111
6 110
5 101
4 100
3 011

G
F
E
D
C

2 010
B

1 001
X

A

0 000
1/128,1/32,1/64, 1/16 1/4

1/2

1

Hình 1.10: Đồ thị lượng tử hóa khơng đều
Trên trục y chia làm 8 đoạn bằng nhau đánh số từ 0 đến 7

Dùng 3 bít nhị phân từ 000 đến 111
Mỗi đoạn chia thành 16 mức đều. Dùng 4 bit nhị phân để biểu diễn mức trong
đoạn, vùng dương của tín hiệu có 128 mức đánh số từ 0 đến 127 dùng 7 bit để mã hóa
128.
Vùng âm đối xứng vùng dương có mức giống nhau nhưng chỉ khác nhau về dấu.
Để mã hóa cho cả 2 vùng dương và âm của tín hiệu thì chỉ cần sử dụng thêm 1 bít để
mã hóa, dấu dương mã hóa 1, dấu âm mã hóa 0.
B0 mã hóa dấu
7 bit để mã hóa mức
Trên trục x cũng chia làm 8 đoạn nhưng theo tỉ lệ logarit