kỹ thuật điều chế tín hiệu trong các hệ thống truyền tin số hiện đại

Đồ án học kỳ 9
===================================================================
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHƯƠNG ĐÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ THƠNG TIN
---------------o0o--------------

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
--------------o0o--------------

ĐỒ ÁN HỌC KỲ 9
Tên đề tài: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG
TRUYỀN TIN SỐ HIỆN ĐẠI

Họ và tên
Lớp
Khóa
Ngành

:
:
:
:

PHẠM TRẦN HỒN
504102
2004 – 2009
Điện tử - Viễn thơng

Ngày

tháng

năm 2008

===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Điểm :

(Bằng chữ :

)
Ngày

tháng

năm 2008

Giáo viên hướng dẫn

PGS . TS. THÁI HỒNG NHỊ
===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN

Đồ án học kỳ 9
===================================================================

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 thơng cũng khơng
ngoại lệ. Ngày càng có nhiều dịch vụ truyền thông 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 “Kỹ thuật điều chế tín hiệu trong các
hệ thống truyền tin số hiện đại” 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 : Các đặc điểm của truyền dẫn số và điều chế xung mã
 Chương 3 : Điều chế tín hiệu số
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 cơ giáo và các bạn.
Xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PSG.TS. Thái Hồng Nhị, người
đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án này.
Xin cảm ơn chân thành các thầy cô giáo trong khoa CNTT đã giúp đỡ em
trong thời gian qua.

===================================================================

PHẠM TRẦN HOÀN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

MỤC LỤC
Lời nói đầu.......................................................................................................
Chương 1. Tổng quan về hệ thống truyền tin số.............................................
1.1 Khái quát về hệ thống truyền tin điện tử...................................................
1.2 Nguồn tin và tín hiệu nguồn......................................................................
1.3 Điều chế và giải điều chế trong các hệ thống truyền tin............................
1.4 Phân tích tín hiệu.......................................................................................
Chương 2. Các đặc điểm của truyền tín số và điều chế mã xung....................
2.1 Đặc điểm của truyền tin số........................................................................
2.2 Các dạng điều chế xung.............................................................................
2.3 Điều chế mã xung......................................................................................
-Tổng quan ......................................................................................................
-Lấy mẫu PCM................................................................................................
-Tốc độ lấy mẫu,lượng tử hoá và mã hoá........................................................
-Dải động.........................................................................................................
-Hiệu suất mã hố............................................................................................
Chương 3. Điều chế tín hiệu số.......................................................................
3.1 Tổng quan về một số hệ thống truyền tin số..............................................
3.2 Khoá dịch biên ASK..................................................................................
3.3 Khoá dịch tầnFSK.....................................................................................
3.4 Khoá dịch pha PSK....................................................................................
3.5 Điều chế biên độ cầu phương QAM..........................................................
3.6 Khoá dịch pha vi phân DPSK....................................................................
3.7 Hồi phục sóng mang..................................................................................

3.8 Xác suất bit và tỷ lệ lỗi bit.........................................................................

===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TIN SỐ
1.1.Khái quát về hệ thống truyền tin điện tử:
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 hoá
dưới dạng nhị phân.
Thông 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:

Nguồn
tin

Xử lý
tín
hiệu
phát

Mạch
sóng
mang

Mơi
trường
hoặc kênh
truyền dẫn

Mạch sóng
mang

Xử lý tín
hiệu thu

Đầu cuối
nhận tin

===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN

Đồ án học kỳ 9
===================================================================

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 ) Tín hiệu đầu ra thiết bị thu (nhận tin) ; m(t ) ≠ m(t )
Hình 1.1 Mô tả sơ đồ khối tổng quát một hệ thống truyền 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 thơng tin nguồn ngun 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
hoá, số hoá, 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) thường được nhóm vào hai
nhóm: nhóm kênh cứng và nhóm kênh mềm. Kênh cứng ví dụ các đường dây
điện thoại, cáp song hành, cáp đồng trục,…Kênh mềm ví dụ khơng khí, chân
khơng, nước…Nói chung, 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
===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN

Đồ án học kỳ 9
===================================================================

các nhiễu từ các nguồn nhiễu ngồi (nhiễu khí quyển, nhiễu cơng nghiệp,..) và
các tạp âm bên trong bản thân hệ thống truyền tin (tạp âm nội bộ hệ thống) gây
nên. Ngoài tác động của tạp nhiễu, kênh truyền còn chịu tác động của các hiện
tượng trễ, tín hiệu vọng,…
Mạch sóng mang và xử lý tín hiệu thu là các quá 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 quá trình truyền nên ở bộ thu cần
có bộ lọc và loại trừ nhiễu.
1.2. Nguồn tin và tín hiệu nguồn:
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 đựoc 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.
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 dòng điện i(t), liên tục hoặc gián đoạn.

===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

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.
S max

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
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.

===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

s(t)
Các nguồn tin nguyên thuỷ có thể được đưa trực tiếp vào kênh để truyền

S

đi hoặc có thể quamax phép biến đổi xử lý trước khi đưa vào kênh truyền tin số
các
phải được số hoá hoặc mã hố. Phép biến đổi tín hiệu nguồn tương thích với
kênh truyền được gọi là phép điều chế.

Smin

t

1.3.Điều chế và giải điều chế trong các hệ thống truyền tin:
t2
t1
Hình 1.3. Hàm s(t) của nguồn tin nguyên thuỷ liên tục

Trong thực tế, các tín hiệu thơng tin ngun thuỷ khơng 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 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 tân 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.
Trong các hệ thống truyền tin có hai dạng điều chế cơ bản, đó là điều chế
tương tự và điều chế số.

Một hệ thống truyền tin trong đó năng lượng được truyền và thu dưới
dạng sóng tương tự (tín hiệu biến đổi liên tục theo thời gian) được gọi là hệ
thống truyền tin tương tự.
Thuật ngữ truyền tin số (digital communication) trong thực tế kỹ thuật
bao gồm cả truyền dẫn số và radio số.
Truyền dẫn số (digital transmission) là hệ thống truyền dẫn trong đó các
xung số được truyền giữa hai hoặc nhiều điểm trong hệ thống truyền tin. Với
===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

truyền dẫn số thì khơng cần có sóng mang và các thơng tin nguồn có thể là dạng
số hoặc tương tự. Nếu thông tin là dạng tương tự thì cần phải chuyển đổi thành
dạng số trước khi truyền và được chuyển đổi trở lại dạng tương tự ở phía đầu
thu. Các hệ thống truyền tin số có đường truyền vật lý giữa phát và thu là dây
kim loại hoặc sợi cáp quang.
Radio số là việc truyền các sóng mang tương tự được điều chế số giữa hai
hoặc nhiều điểm trong hệ thống truyền tin. Ở radio số, tín hiệu điều chế và tín
hiệu được điều chế là các xung số. Các xung số có thể từ một hệ thống truyền
dẫn số, từ một nguồn số VD: từ một máy tính hoặc từ một tín hiệu được mã hố
nhị phân. Ở các hệ thống radio số thì mơi trường truyền dẫn có thể là các
phương tiện vật lý hoặc khơng gian tự do (tầng khí quyển). Các hệ thống truyền
tin tương tự được phát triển trước và ngày nay đang được thay thế bởi các hệ
thống truyền tin số do những điểm lợi thế của nó.
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)
U

là biên độ (V);

f

θ

là sóng điện áp hình sin biến đổi theo thời gian;
là tần số (Hz);
là góc lệch pha (rad).

Các kỹ thuật điều chế có thể được mơ tả như sau:

===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

Tín hiệu điều chế
Tương tự

Số

Dạng điều chế được
tạo thành
AM
FM PM

ASK

FSK PSK
QAM

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 tan 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 khố 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 quá 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.
===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

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 chuyển đổi thơng 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.
Mơi trường
truyền dẫn
Thơng tin
tín hiệu
điều
chế(tần số
thấp)

Bộ điều
chế(chuyển

đổi lên)

Tạo sóng
mang(tần
số cao)

Khuếch
đại(chuyển
đổi xuống)

Giải điều
chế

Tín hiệu
được giải
điều
chế,thơng
tin(tần số
thấp)

Tạo sóng
nội(tần số
cao)

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

===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN

Đồ án học kỳ 9
===================================================================

1.4. Phân tích tín hiệu:
Khi thiết kế các mạch của hệ thống truyền tin điện tử thường cần phải
phân tích dự đốn hiệu năng của mạch dựa trên cơ sở phân bố công suất và hỗn
hợp tần số của tín hiệu thơng tin. Việc làm đó thuận lợi nhất là nhờ vào việc
phân tích tín hiệu qua các biểu thức tốn học.
1.4.1. Các tín hiệu hình sin
Phân tích tín hiệu là việc phân tích tốn học các tham số như tần số, độ
rộng dải tần và mức điện áp của tín hiệu. Các tín hiệu điện là các điện áp hoặc
dòng điện biến đổi theo thời gian và nó có thể được biểu thị bởi một dải các
sóng sin hoặc cosin.
u (t ) = U sin(2π ft + θ ) hoặc u (t ) = U cos(2π ft + θ )

(1.2)

i (t ) = I sin(2π ft + θ ) hoặc i (t ) = I cos(2π ft + θ )

(1.3)

trong đó:
u(t) là điện áp hình sin biến đổi theo thời gian;
i(t) là dịng điện hình sin biến đổi theo thời gian;
U là điện áp đỉnh (V);
f là tần số (Hz);

θ là góc lệch pha (rad);
I là dòng điện đỉnh (A);
2π ft = ω là tốc độ góc (rad/s).

Hàm sin và cosin được sử dụng tuỳ ý phụ thuộc vào điểm tham chiếu của
tín hiệu.
Các biểu thức trên là đối với dạng sóng tần số đơn, có chu kỳ lặp lại và
thường được gọi là sóng tuần hồn. Các sóng tuần hồn có thể được phân tích
trong miền thời gian hoặc miền tần số.

===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

1.4.2. Các sóng tuần hồn khơng sin
Một sóng tuần hồn nào đó mà nó bao gồm nhiều hơn một sóng sin hoặc
cosin là dạng sóng khơng sin hoặc gọi là sóng phức hợp. Để phân tích các sóng
phức hợp thường sử dụng chuỗi tốn học Fuorier.
Chuỗi Fuorier được sử dụng trong phân tích tín hiệu để biểu thị các thành
phần sin của một dạng sóng khơng sin (có nghĩa là biến đổi tín hiệu theo miền
thời gian thành tín hiệu theo miền tần số). Nói chung, các chuỗi Fuorier cho một
hàm tuần hồn nào đó như một dãy số các số hạng các hàm số lượng giác theo
biểu thức sau:
f (t ) = A0 + A1 cos α + A2 cos 2α + ... + An cos nα + B1 sin β + B2 sin 2 β + ... + Bn sin nβ

trong đó α = β

(1.4)

Biểu thức (1.4) biểu thị dạng sóng f(t) bao gồm một giá trị một chiều (dc)

là A0, một chuỗi các hàm cosin và sin trong đó các hạng sau có tần số là bội số
của tần số ở số hạng thứ nhất. Biểu thức cũng nói lên rằng, một dạng sóng tuần
hồn nào đó bao gồm một thành phần một chiều và một chuỗi các sóng hài dạng
sin và cosin. Sóng hài có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản. Tần số cơ
bản là sóng hài bậc nhất và bằng tần số của dạng sóng. Bội số bậc hai của tần số
cơ bản được gọi là hài bậc hai, bội số bậc ba được gọi là hài bậc ba, …Như vậy,
biểu thức (1.4) có thể viết:
f(t) = dc + sóng cơ bản + hài bậc 2 + hài bậc 3 + …+ hài bậc
1.4.3. Chuỗi Fuorier của dạng sóng chữ nhật
Khi phân tích các mạch truyền tin điện tử thường gặp các dạng sung chữ
nhật. Hình 1.5 mơ tả một dạng sóng xung chữ nhật với độ rộng xung

τ

và chu

kỳ xung T. Chuỗi Fuorier đối với một xung chữ nhật đối xứng chẵn có dạng như
sau:

u (t ) =

U t 2U t  sin x
sin 2 x
sin nx
+
( cos ωt ) +
( cos 2ωt ) + ... +
( cos nωt )  (1.5)

T

T  x
2x
nx



===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

τ
U
t
T
Hinh 1.5. Dạng sóng xung chữ nhật

trong đó:

u(t) là sóng điện áp biến đổi theo thời gian:

τ

là độ rộng của xung chữ nhật (s);

T là chu kỳ của song xung chữ nhật;
x là π ( τ / T );
n là hài bậc n;

U là biên độ đỉnh của xung.
Xung có độ rộng xung càng hẹp thì thành phần một chiều dc trong chuỗi
Fuorier càng bé, do đó biên độ của hài bậc n trong biểu thức (1.5) sẽ là:

2Uτ sin nx
×
T
nx

(1.6a)

2Uτ sin  ( nπτ ) T 

× 
T
( nπτ ) T

(1.6b)

Un =
hoặc:

Un =
trong đó:

Un là biên độ đỉnh của hài bậc n;
n là hài bậc n;
U là biên độ đỉnh của sóng chữ nhật;
T là chu kỳ xung chữ nhật.
Hàm (sinx)/x được sử dụng để biểu thị các dạng sóng xung tuần hồn.

Hàm (sinx)/x là một sóng hình sin tắt dần trong đó đỉnh kế tiếp sau có giá trị bé
hơn đỉnh trước nó. Hình 1.6 mơ tả hàm (sinx)/x.
===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

(sinx)/x

x

Hình 1.6. Mơ tả hàm (sinx)/x.

1.4.4. Cơng suất và phổ năng lượng
Mục đích của kênh truyền tin là truyền năng lượng điện từ, từ nguồn đến
nơi nhận. Như vậy mối quan hệ giữa năng lượng được truyền đi và năng lượng
thu được là yếu tố quan trong. Điều đó dẫn đến việc xem xét mối quan hệ giữa
năng lượng và công suất theo tần số.
Công suất điện là tốc độ mà ở đó năng lượng được phát tán, cung cấp
hoặc được sử dụng và nó là hàm mũ bậc hai của điện áp hoặc của dòng điện
(P=E2/R hoặc P=I2R). Theo quan hệ về cơng suất đó thì với biểu thức Fuorier f(t)
sẽ được biểu thị là [f (t) ] 2.
Hình 1.7 mơ tả phổ cơng suất của một dạng sóng chữ nhật với tỷ số τ T
là 0,25. Giống như phổ điện áp theo tần số, nó cịn nhiều múi con và một múi
chính rộng hơn.
Từ hình 1.7 thấy rằng, cơng suất trong một xung được phân tán trong một
phổ tần tương đối rộng và phần lớn cơng suất nằm trong múi chính. Do đó, nếu
độ rộng dải tần của kênh truyền tin đủ rộng có thể cho qua các tần số nằm trong

múi chính thì nó cũng đã truyền được phần lớn năng lượng chứa trong xung đến
phía thu.

===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================
= 0,25

Tần số
-4f -3f -2f -f

f 2f 3f 4f

Hình 1.7. Phổ cơng suất của một xung chữ nhật có tỷ số = 0,25

Chương 2
CÁC ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN DẪN SỐ VÀ ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ
2.1. Đặc điểm của 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 đơir 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
===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

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 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 hố 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 cảu một tín hiệu tương tự và
một tín hiệu số được truyền qua một kênh truyền co hàm truyền đạt H(f ), khơng
tuyến tính.
===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

H(f )

H(f )

t
Ura
f
u

Uvào
t
a) Tín hiệu ra tương tự bị méo dạng
H(f )

H(f )

Ura
t

f
u

Uvào

b) Tín hiệu ra số khơng bị méo dạng
Hình 2.1. Tín hiệu tương tự và số qua kênh có hàm truyền đạt khơng tuyến tính.

===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

2.2. 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 cơng 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

===================================================================

PHẠM TRẦN HOÀN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

(pulse code modulation). Hình 2.2 mơ tả bốn dạng điều chế xung đó.

a)

b)

c)

d)

e)

f)
Hình 2.2. Mơ tả các dạng điều chế xung:
a) Tín hiệu tương tự
d) Điều chế vị trí xung PPM
b) Xung mẫu
e) Điều chế biên độ xung PAM
c) Điều chế độ rộng xung PWM
f) Điều chế mã xung PCM
===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN

Đồ án học kỳ 9
===================================================================

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, VD: 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.
2.3. Điều chế mã xung
2.3.1. Tổng quan
Điều chế mã xung PCM chỉ là một kỹ thuật điều chế được mã hố theo số
hố và được mơ tả ở hình 2.2. Thuật ngữ điều chế thực ra ở đây dùng khơng
===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9

===================================================================

được chính xác lắm, bởi vì thực chất đây khơng phải là điều chế tín hiệu như các
dạng điều chế khác mà nó là một dạng mã hóa nguồn tin. Ở PCM thì các xung
có biên độ và chiều dài cố định. PCM chỉ là một hệ thống nhị phân trong đó có
hoặc khơng có xung trong khe thời gían đã được xác định trước mà điều đó
tương ứng với trạng thái logic “1” hoặc trạng thái logic “0”. Các tín hiệu PWM,
PPM và PAM nhiều khi chúng không là nhị phân và cũng không đặc trưng cho
một đơn vị nhị phân (bit). Hình 2.3 mơ tả sơ đồ khối đơn giản hoá của một hệ
thống truyền dẫn PCM đơn cơng, đơn kênh.

HÌNH 2.3 SƠ ĐỒ KHỐI ĐƠN GIẢN HOÁ MỘT HỆ
THỐNG TRUYỀN DẪN PCM ĐƠN CƠNG ĐƠN KÊNH

Các bộ lọc dải thơng có nhiệm vụ giới hạn tần số của tín hiệu tương tự ở
đầu vào trong băng tần chuẩn là 300 – 3000 Hz. Bộ lấy mẫu và giữ có nhiệm vụ
lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào theo chu kỳ và biến đổi nó thành tín hiệu
PAM nhiều mức. Bộ chuyển đổi tương tự/số A/D hoặc ADC (analog – to –
digital converter) có nhiệm vụ chuyển đổi các mẫu PAM thành các mã PCM
song song và sau đó tiếp tục chuyển đổi dữ liệu từ song song thành nối tiếp để
đưa ra đầu ra của đường truyền. Nếu đường truyền có khoảng cách lớn có thể có
những bộ lặp để tái tạo lại các mã PCM.
Bộ chuyển đổi số/tương tự D/A hoặc DAC (digital – to analog converter)
có nhiệm vụ chuyển đổi mã PCM song song thành các tín hiệu PAM. Mạch giữ
===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

và bộ lọc thơng thấp có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu PAM ngược trở lại thành
tín hiệu tương tự nguyên thuỷ. Các vi mạch thực hiện các chức năng mã hố và
giải mã tín hiệu PCM được gọi là bộ lọc Codec (coder/decoder).
2.3.2. Lấy mẫu PCM
Chức năng của bộ lấy mẫu trong bộ phát PCM là lấy mẫu một cách theo
chu kỳ, các tín hiệu tương tự biến đổi liên tục theo thời gian ở đầu vào và
chuyển đổi các mẫu đó thành các dãy xung để có thể biến đổi chúng một cách
thuận lợi thành mã PCM nhị phân. Để cho bộ ADC có thể chuyển đổi một cách
chính xác tín hiệu tương tự thành mã PCM nhị phân thì tín hiệu cần độ ổn định
tương đối. Nếu khơng có sự ổn định nào đó thì bộ ADC sẽ phải bám liên tục
theo sự khơng ổn định của tín hiệu tương tự và mã PCM khó có sự ổn định.

HÌNH 2.4

Hiện nay, thơng dụng có hai kỹ thuật cơ bản được sử dụng cho chức năng
tạo mẫu và giữ, đó là lấy mẫu tự nhiên và lấy mẫu đỉnh phẳng.
Lấy mẫu tự nhiên (hình 2.4) là dạng sóng tương tự được lấy mẫu giữ
nguyên hình dạng của tín hiệu tương tự. Ở hình 2.4a chuyển mạch tương tự FET
sẽ nối đất dạng sóng đầu vào khi xung mẫu ở mức cao. Khi xung mẫu ở mức
thấp thì tín hiệu đầu vào được truyền khơng thay đổi hình dạng đến bộ khuếch
đại đầu ra, sau đó đến bộ chuyển đổi A/D (tương tự thành số). Dạng sóng của
===================================================================
PHẠM TRẦN HỒN


Đồ án học kỳ 9
===================================================================

lấy mẫu tự nhiên ở đầu ra là một dãy các xung có khoảng cách giống nhau và có

đỉnh khơng phẳng như hình 2.4b.
Ở phương pháp lấy mẫu tự nhiên thì phổ tần của tín hiệu đầu ra được lấy
mẫu khác với phổ tần của một mẫu lý tưởng. Biên độ của các thành phần tần số
được tạo ra bởi các xung hẹp, có độ rộng hữu hạn sẽ giảm so với các sóng hài
cao hơn theo quan hệ (sinx)/x. Cũng vì vậy mà trong mạch cần phải dùng bộ lọc
thông thấp trước khi hồi phục.
Phương pháp thơng dụng nhất để lấy mẫu các tín hiệu thoại trong các hệ
thống PCM là lấy mẫu đỉnh phẳng trong đó kết hợp cả việc lấy mẫu và giữ. Mục
đích của mạch lấy mẫu và giữ ở đây là lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào theo
chu kỳ mẫu và chuyển đổi các mẫu đó thành dãy các mức PAM có biên độ
khơng đổi. Lấy mẫu đỉnh phẳng làm thay đổi phổ tần và nó sẽ gây nên một sai
số được gọi là sai số khẩu độ và sai số đó sẽ làm cho mạch hồi phục ở bộ thu
PCM khơng thể hồi phục được chính xác tín hiệu tương tự ngun thuỷ ban đầu.
Hình 2.5a mơ tả sơ đồ nguyên lý mạch lấy mẫu.

Hinh 2.5

Ở đây FET làm việc như một chuyển mạch tương tự đơn giản (trên sơ đồ
được ký hiệu là Q1). Khi FET ở trạng thái trở kháng thấp, Q 1 đóng và điện áp
mẫu tương tự qua Q1 đến tụ C1. Tụ C1 được nạp và thời gian Q1 đóng mạch được
===================================================================
PHẠM TRẦN HOÀN