Thiết kế bộ PLL số cho đồng bộ đồng hồ trong máy thu tín hiệu số

MỤC LỤC
Lời nói đầu……………………………………………………………… 3
Chương 1: Một số vấn đề về truyền dẫn số……………………… … 5
1.1 Hệ thống thông tin số, hệ thống truyền dẫn số 5
1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số, và các tham số chất
lượng cơ bản của hệ thống thông tin số………………………6
1.1.2 Hệ thống truyền dẫn số……………………………… 9
1.2 Mã hoá tín hiệu và ghép kênh………………… ………… 11
1.2.1 Các cách mã hoá tín hiệu………… ……………… 11
1.2.2 Điều chế mã xung PCM (Pulse Code Modulation)… 14
1.2.3 Ghép kênh………………………………………… 21
1.3 Truyền dẫn các tín hiệu số 29
1.3.1 Các phương thức điều chế cơ
bản 29
1.3.2 Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thực 31
Chương 2: Đồng bộ trong truyền dẫn số 40
2.1 Vai trò của đồng bộ 40
2.2 Tách tín hiệu tham chiếu 42
2.2.1 Tách sóng mang tham chiếu 42
2.2.2 Tách đồng hồ tham chiếu 42
2.3 Lý thuyết PLL … 43
2.3.1 Sơ đồ khối PLL 43
2.3.2 PLL tuyến tính và phi tuyến 46
Chương 3: Thiết kế PLL số……………………………………………50
3.1 Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của DPLL…………………… 50
3.1.1 Sơ đồ khối và hoạt động của
DPLL 50
1
3.1.2 Đặc trưng của DPLL và cải thiện hoạt động của DPLL
bằng bộ lọc dãy 53
3.1.3 Sơ đồ nguyên lý 58

3.2 Tính toán các tham số 64
3.3 Mô phỏng hoạt động của DPLL để kiểm chứng 65
Kết luận 71
Tài liệu tham khảo 73
2
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay các hệ thống thông tin số đã, đang và sẽ chiếm lĩnh lĩnh
vực thông tin liên lạc trong thời gian tới. Với những ưu điểm vượt trội, tuy
rằng còn có một số hạn chê về mặt hiệu quả sử dụng băng thông, rõ ràng
thông tin số chiếm ưu thế hơn so với thông tin tương tự, có thể kể ra một số
nguyên nhân sau:
 Tín hiệu số khoẻ hơn đối với tạp âm so với tín hiệu analog, vì tín
hiệu số có khả năng tái tạo theo ngưỡng qua sau từng cự ly (chặng)
nhất định và có thể dễ dàng áp dụng mã chống nhiễu.
 Hệ thống thông tin số có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì
(OA&M) một cách tự động cao.
 Tín hiệu số có thể truyền mọi loại bản tin, rời rạc hay liên tục, đây là
tiền đề cho việc hợp nhất các mạng thông tin truyền thoại hay số liệu
thành một mạng duy nhất.
Như chúng ta đã biết thông tin số là sử dụng tín hiệu số để truyền thông tin
người dùng, tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị, và thời gian
tồn tại của tín hiệu số là xác định.
Việc truyền dẫn thông tin số bao gồm nhiều vấn đề nhưng một vấn đề sống
còn của thông tin số, truyền dẫn số là vấn đề đồng bộ. Đồng bộ bao gồm
đồng bộ pha sóng mang và đồng bộ đồng hồ. Đồng bộ pha sóng mang đảm
bảo rằng tín hiệu thu và phát có cùng một tần số, pha đầu, phục vụ giải điều
chế tốt nhất, đặc biệt là đối với các hệ thống giải điều chế kết hợp (coherent
detection). Còn đồng bộ đồng hồ đảm bảo cho pha của tín hiệu thu và phát
bằng nhau, để quá trình giải điều chế số được thực hiện chính xác. Có thể
nói rằng nếu không có đồng bộ thì không thể thực hiện truyền dẫn các tín

hiệu số và như vậy sẽ không có thông tín số.
3
Một thiết bị quan trọng sử dụng trong quá trình đồng bộ là PLL (Phase
Locked Loop), ở đây PLL đóng vai trò là thiết bị khôi phục lại sóng mang
trong đồng bộ sóng mang, và khôi phục lại đồng bộ về pha tín hiệu trong
đồng bộ đồng hồ. Một dạng đặc biệt của PLL là một bộ DPLL (Digital
PLL), được sử dụng để đồng bộ đồng hồ thu với đồng hồ phát.
Do những vấn đề ở trên em đã chọn đồ án tốt nghiệp đại học là: ”Thiết kế
bộ PLL số cho đồng bộ đồng hồ trong máy thu tín hiệu số” .
Đồ án của em bao gồm 3 chương:
 Chương 1: Một số vấn đề về truyền dẫn số.
 Chương 2: Đồng bộ trong truyền dẫn số.
 Chương 3: Thiết kế PLL số.
Qua thời gian thực hiện, bản thân em tự nhận thấy còn có nhiều sai sót,
kính mong các thầy cô giáo, các bạn đóng góp cho bản thân và cho đồ án
để em có thể tiếp tục hoàn thiện và có thể đưa ra được sản phẩm cụ thể
trong thời gian tiếp theo.
4
CHƯƠNG 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ TRUYỀN DẪN SỐ
1.1 HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ, HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ
Các hệ thống thông tin được sử dụng để truyền tin tức từ nơi này đến
nơi khác. Tin tức được đưa từ nguồn tin tới bộ phận nhận tin dưới dạng các
bản tin. Các bản tin được tạo ra từ nguồn có thể ở dạng rời rạc hay liên tục,
tương ứng chúng ta có nguồn tin rời rạc hay liên tục. Biểu diễn vật lý của
một bản tin được gọi là tín hiệu, có nhiều loại tín hiệu khác nhau tuỳ thuộc
vào đại lượng vật lý được sử dụng để biểu diễn tín hiệu, như: cường độ
dòng điện, điện áp, cường độ ánh sáng… và tuỳ theo dạng tín hiệu được sử
dụng để truyền tải tin tức là các tín hiệu tương tự (analog) hay số (digital)
mà ta có các hệ thống thông tin analog hay hệ thống thông tin số.
Tín hiệu tương tự là tín hiệu có thể nhận vô số giá trị, lấp đầy liên tục một

giải nào đó, đồng thời thời gian tồn tại của tín hiệu tương tự là một giá trị
không xác định cụ thể, cụ thể là phụ thuộc vào thời gian tồn tại của bản tin
do nguồn tin sinh ra.
Tín hiệu analog có thể là tín hiệu liên tục hay rời rạc tuỳ theo tín hiệu là
một hàm liên tục hay rời rạc của biến thời gian.
Trong trường hợp nguồn tin chỉ gồm một số hữu hạn các tin M, thì các bản
tin này sẽ có thể đánh số được và do vậy thay vì truyền cả bản tin thì người
ta chỉ cần truyền đi các ký hiệu biểu diễn các con số, và vì vậy ta có tín
hiệu số.
Ta có các đặc trưng cơ bản của tín hiệu số như sau:
 Tín hiệu số chỉ nhận một số hữu hạn các giá trị.
 Tín hiệu số có thời gian tồn tại xác định, thường là một hằng số ký
hiệu là T
s
.
5
Các ưu nhược điểm chính của thông tin số như sau:
 Tín hiệu số khoẻ hơn đối với tạp âm so với tín hiệu analog, vì tín
hiệu số có khả năng tái tạo theo ngưỡng qua sau từng cự ly (chặng)
nhất định.
 Hệ thống thông tin số có khả năng khai thác, quản trị và bảo trì
(OA&M) một cách tự động cao.
 Tín hiệu số có thể truyền mọi loại bản tin, rời rạc hay liên tục, đây là
tiền đề cho việc hợp nhất các mạng thông tin truyền thoại hay số liệu
thành một mạng duy nhất.
 Nhược điểm lớn nhất đó là phổ chiếm của tín hiệu số là khá lớn. Tuy
nhiên đối với một số kỹ thuật hiện nay và trong tương lai thì nhược
điểm này sẽ được khắc phục.
1.1.1 Sơ đồ khối hệ thống thống thông tin số, và các tham số chất lượng
cơ bản của hệ thống thông tin số

Hệ thống thông tin số là tập hợp các thiết bị phần cứng, phần mềm,
và môi trường truyền dùng để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác
bằng tín hiệu số.
Đối với hệ thống thông tin số, các tín hiệu được truyền đưa và xử lý bởi hệ
thống là các tín hiệu số, nhận hữu hạn các giá trị từ một tập phần tử (gọi là
bảng chữ cái aphabet). Hơn nữa các phần tử tín hiệu này có thời gian tồn
tại là hữu hạn và nói chung là bằng nhau đối với mọi phần tử tín hiệu (được
ký hiệu là T
S
). Trong thực tế có rất nhiều hệ thống thông tin số khác nhau,
được phân biệt theo tần số công tác, môi trường truyền dẫn, kiểu điều
chế…
Trong thông tin số hay thông tin tương tự thì việc đánh giá chất lượng của
hệ thống là rất quan trọng, việc này cho phép xem xét khả năng hoạt động,
6
khả năng ứng dụng… của hệ thống. Để đánh giá chính xác thì cần đưa ra
được các tham số chất lượng của hệ thống thông tin số. Trên thế giới có
một số cơ quan tổ chức có liên quan tới việc xác định các tiêu chuẩn về
chất lượng mạng viễn thông, hệ thống thông tin số, hệ thống truyền dẫn số,
ví dụ như:
a. Ủy ban truyền thông liên bang Mỹ (FCC: Federal Communications
Commission), xác định các tiêu chuẩn cho các hệ thống Bắc Mỹ.
b. Hội nghị các cơ quan quản lý bưu chính và viễn thông châu Âu
(CEPT: Conference European of Post and Telecommunications) và
Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI: Eurpean
Telecommunications Standards Institute), xác định các tiêu chuẩn
cho các hệ thống theo hệ Châu Âu.
c. Các nhóm nghiên cứu (SG: Study Group) của Liên minh viễn thông
quốc tế (ITU: International Telecommunications Union), trước đây
là Hội đồng tư vấn điện thoại và điện báo quốc tế CCITT; và các

nhóm nghiên cứu của Ủy ban tư vấn vô tuyến quốc tế CCIR trước
đây, mà nay là ITU_R. Các nhóm nghiên cứu này xác lập tiêu chuẩn
dưới hình thức các khuyến nghị cho viễn thông trên toàn cầu, gồm cả
các hệ thống Bắc Mỹ và Châu Âu.
Đối với các hệ thống thông tin nói chung và với các hệ thống thông tin số
nói riêng thì tham số chất lượng chủ yếu là độ chính xác truyền tin và tốc
độ truyền tin, tức là tính nhanh chóng và chính xác. Nói chung là hai yêu
cầu này thường luôn mâu thuẫn với nhau, tức là về nguyên tắc thì muốn
truyền tin chính xác cần phải giảm tốc độ truyền tin, còn muốn nhanh thì
chấp nhận lỗi truyền tin nhiều hơn.
7
Đối với thông tin số, tham số đánh giá độ chính xác truyền tin thường được
đánh giá qua tỷ số lỗi bit BER, được hiểu là tỷ lệ giữa số bit nhận bị lỗi và
tổng số bit đã truyền trong một khoảng thời gian quan sát nào đó, khi thời
gian quan sát tiến đến vô hạn thì tỷ lệ này tiến đến xác suất lỗi bit. Tuy
nhiên thực tế thì BER chỉ xấp xỉ xác suất lỗi bit mà thôi, nhưng người ta
vẫn hay sử dụng BER là xác suất lỗi bit. Ngoài ra trong một số trương hợp,
đối với một số dịch vụ nhất định có một số các tham số khác như: SES
(Severely Errored Seconds: Các giây lỗi trầm trọng), ES (Errored Seconds:
Các giây lỗi), DM (Degraded Minutes: Các phút suy giảm chất lượng)…
Với thông tin di động thì độ chính xác truyền tin khi xét về mặt chất lượng
dịch vụ còn được thể hiện qua chất lượng tiếng nói.
Khả năng truyền tin nhanh chóng của thông tin số được đánh giá qua dung
lượng tổng cộng B (b/s hay bps) của hệ thống, là tốc độ truyền thông tin
tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã cho. Nói chung là B
phụ thuộc nhiều yếu tố như: băng tần truyền dẫn, sơ đồ điều chế, mức độ
nhiễu, môi trường truyền…
Ta có sơ đồ tiêu biểu của hệ thống thông tin số như hình 1.1.
Hình 1.1 Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số.
8

Trong đó:
 Khối tạo khuôn (Format): Định dạng tín hiệu về dạng tín hiệu số cơ
sở (bit).
 Mã hoá/giải mã nguồn: Thực hiện nén/giải nén thông tin nhằm tiết
kiệm phổ.
 Mã hoá/giải mã mật: Thực hiện bảo mật thông tin bằng cách sử dụng
các khoá mật/hay thực hiện giải mã mật bằng các khoá giải mã.
 Mã hoá/giải mã kênh: Thực hiện mã hoá/giải mã hoá chống nhiễu.
 Ghép kênh/phân kênh: Thực hiện ghép/tách các nguồn khác vào/ra
khỏi tín hiệu, mục đích là tăng hiệu quả sử dụng đường truyền và
thiết bị hệ thống.
 Điều chế/giải điều chế: Điều chế là ghép k bit thành một symbol
nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ, và ánh xạ các symbol thành các tín
hiệu dạng sóng phù hợp với kênh truyền. Giải điều chế thực hiện
ngược lại.
 Trải phổ/giải trải phổ: Thực hiện trải rất rộng phổ tín hiệu ở phía
phát và thu hẹp lại ở phía thu nhằm chống nhiễu và bảo mật.
 Đa truy nhập: Cho phép nhiều người cùng truy nhập vào hệ thống để
yêu cầu dịch vụ.
 Máy phát/máy thu:
• Thực hiện biến đổi tín hiệu lên băng tần công tác ở phía
phát, đưa tín hiệu về tần số thấp ở phía thu.
• Khuếch đại bù tổn hao ở phát, khuếch đại tín hiệu yếu ở đầu
thu.
9
• Lọc để chia sẻ băng tần và loại nhiễu phát xạ giả.
• Bức xạ (thu) năng lượng tín hiệu ra môi trường truyền (thu
năng lượng tín hiệu từ môi trường truyền).
 Môi trường truyền: Có thể là sợi quang, vô tuyến…
 Đồng bộ: Thực hiện đồng bộ tín hiệu đảm bảo chính xác về mặt thời

gian, cũng như tần số, và cả pha sóng mang với giải điều chế kết
hợp.
1.1.2 Hệ thống truyền dẫn số
Hệ thống truyền dẫn số là một phần của hệ thống thông tin số bao
gồm các phần tử từ đầu ra của khối tạo khuôn bên phát đến đầu vào khối
tạo khuôn phía thu.
Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống truyền dẫn số như hình 1.2 (Chức năng
các khối tương tự như ở hệ thống thông tin số, đã được trình bày ở trên).
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn số.
Các chỉ tiêu cơ bản của hệ thống truyền dẫn số bao gồm:
 Nhanh chóng: Được đánh giá qua tốc độ bit lớn nhất mà có thể
truyền qua với độ chính xác đã cho (C hay B), tuy nhiên ta nhận thấy
10
rằng C có liên quan tới băng thông. Để so sánh các hệ thống truyền
dẫn với nhau, ta sử dụng tham số tích B.L đơn vị là b/s.km. Ví dụ
với hệ thống truyền dẫn sợi quang có thể đạt tới từ 100Gb/s.km tới
10000Gb/s.km, đây là giá trị rất lớn, vì vậy hệ thống truyền dẫn
quang được sử dụng làm đường trục.
 Độ chính xác: Bao gồm hai giá trị là chính xác về mức và chính xác
về thời gian tồn tại của một tín hiệu số.
• Chính xác về mức: Đánh giá qua BER như hệ thống thông tin
số.
• Chính xác về thời gian: Đánh giá qua jitter (độ rung pha).
Ta có:
( )
%100.%
^
S
SS
T

TT −
=
δ
(1.1)
Trong đó: T
s
thời gian tồn tại một tín hiệu ở phần phát, do
đồng hồ phát quyết định.

^
S
T
Là thời gian tồn tại một tín hiệu ở phần thu, do
đồng hồ thu quyết định.
Đây là giá trị nói nên mức đồng bộ đồng hồ tín hiệu thu và
phát.
Các dịch vụ khác nhau thì đòi hỏi các chỉ tiêu này khác nhau, ví dụ:
• Thoại: BER ≤ 10
-6
và jitter không qua ngặt nghèo.
• Video: BER ≤ 10
-6
và jitter là rất ngặt nghèo.
• Data : BER ≤ 10
-11
đến 10
-13
và jitter là rất ngặt nghèo.
• Telex : BER ≤ 10
-3

và jitter là không ngặt nghèo.
11
1.2 MÃ HOÁ TÍN HIỆU VÀ GHÉP KÊNH
1.2.1 Các cách mã hoá tín hiệu
Trong sơ đồ khối hệ thống thông tin số thì nhiều trường hợp thì khối
định dạng và mã hoá có thể được thực hiện trong cùng một quá trình, đó là:
biến đổi tín hiệu liên tục đến từ nguồn tin thành chuỗi tín hiệu số (chuỗi
bit) hiệu quả về mặt tốc độ, được gọi chung là mã hoá nguồn. Đây là một
quá trình rất quan trọng, nếu chúng ta thực hiện tốt quá trình này sẽ góp
phần không nhỏ nâng cao chất lượng liên lạc và cho phép nâng cao hiệu
quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn. Tuy nhiên chúng ta có thể
xem xét quá trình mã hoá nguồn thông qua dạng tiêu biểu đó là mã hoá
tiếng nói. Chúng ta có ba dạng mã hoá tiếng nói như sau:
 Bộ mã hoá dạng sóng:
Đây là phương pháp mà dạng sóng của tín hiệu tiếng nói liên tục
được rời rạc hoá nhờ lấy mẫu và sau đó số hoá bằng mã hoá nhị
phân, tiêu biểu là điều chế mã xung PCM, có cơ sở là định lý lấy
mẫu Shannon.
Một tín hiệu s(t) có biến đổi Fourier là S(f) có băng tần hạn chế, thoả
mãn: S(f)= 0 với |f|>W. Theo định lý Shannon ta có: tín hiệu này
được biểu diễn duy nhất bởi các giá trị lấy mẫu của s(t) với tần số
(tốc độ) lấy mẫu f
s
≥ 2W. f
N
= 2W là tần số lấy mẫu Nyquist, là tần
số lấy mẫu tối thiểu, nếu thấp hơn sẽ gây ra méo gập phổ.
Ta có:



















=
∑
∞
−∞=
2W
n
-tW2
2W
n
-tW2sin
W2
)(
π
π

n
n
sts
(1.2)
12
Với s(
W2
n
) là các giá trị mẫu của s(t) được lấy tại các thời điểm lấy
mẫu t= n/2W. Biểu thức (1.2) là dạng biểu thức toán học của định lý
Shannon, nếu W được biết trước thì giá trị biểu thức
)
2W
n
-W(t2
)
1W
n
-W(t2sin
π
π
cũng biết trước nên không chứa thông tin, và như vậy thì tín hiệu
liên tục s(t) tương đương về mặt tin tức với chuỗi vô hạn các giá trị
mẫu {s(n/2W) ; n= ±1, ±2…±∞}. Có nghĩa là thay vì phải truyền đi
s(t) ta chỉ cần truyền đi các giá trị mẫu s(n/2W). Việc khôi phục lại
tín hiệu s(t) ở phần thu từ các giá trị s(n/2W) thực tế là thực hiện
biểu thức 1.2. Đơn giản là chúng ta cho chuỗi giá trị mẫu nhận được
đi qua một mạch lọc có đáp ứng xung là h(t)=
)
2W

n
-W(t2
)
1W
n
-W(t2sin
π
π
, là đáp
ứng xung của mạch lọc thông thấp lý tưởng có tần số cắt là W.
 Bộ mã hoá nguồn phát thanh:
Cơ sở của phương pháp này là nghiên cứu, phân tích cơ quan phát
thanh của con người và quá trình tạo tiếng nói. Như chúng ta đã biết
rằng, bộ máy phát thanh của con người bao gồm có thanh huyền, hộp
cộng hưởng được hình thành từ khoang miệng và mũi. Khi chúng ta
nói thì thanh huyền tạo ra các rung động khác nhau của luồng khí,
đồng thời với sự kết hợp biến đổi của môi và lưỡi, hộp cộng hưởng
cũng biến đổi nhờ đó các âm thanh khác nhau được tạo ra.
Ta có hai yếu tố chủ yếu để có thể mô hình hoá quá trình phát thanh
của con người là:
13
a. Các rung động chuẩn chu kỳ của thanh huyền tạo nên các rung
động khác nhau của luồng khí sẽ được mô hình hoá bởi một
xung hoặc một chuỗi xung (với âm hữu thanh), và một tạp âm
(với âm vô thanh), được gọi là một kích thích.
b. Hộp cộng hưởng biến đổi, hình thành từ khoang miệng, mũi
và sự biến đổi của môi, lưỡi, sẽ được mô hình hoá bởi một
mạch lọc có tham số biến đổi.
Và ta sẽ có mã hoá nguồn phát thanh là việc mã hoá các thông số
kích thích và lọc của mô hình tiếng nói thành các tín hiệu số. Vì vậy

ta chỉ cần truyền đi các bit mã hoá các thông số của mô hình tạo
tiếng nói. Ở phần thu thì tiếng nói được tái tạo nhờ các mạch điện tử
thực hiện tổng hợp tiếng nói dựa trên các thống số kích thích và lọc
nhận được.
 Bộ mã hoá lai của hai dạng trên: Các bộ mã hoá lai là sự kết họp của
hai dạng mã hoá trên. Ở đây thì mô hình lọc tổng hợp tiếng nói thì
tương tự như mã hoá nguồn phát thanh, còn tín hiệu kích thích lại
được mã hoá bằng kỹ thuật mã hoá dạng sóng. Phương thức này khá
hiệu quả, tuy nhiên nó và mã hoá nguồn phát thanh mới dừng lại là
áp dụng chủ yếu trong thông tin di động. Vì vậy dưới đây chúng ta
sẽ tìm hiểu về phương thức mã hoá dạng sóng tiêu biểu là PCM.
1.2.2 Điều chế mã xung PCM (Pulse Code Modulation)
Đây là dạng tiêu biểu của mã hoá dạng sóng mà hiện nay vẫn còn
được áp dụng cùng với một số phương pháp cải tiến của nó như: DPCM
(Difference PCM), ADPCM (Adaptive Difference PCM). Ta có sơ đồ thực
hiện PCM như hình 1.3.
14
Hình 1.3 Quá trình thực hiện PCM.
PCM được thực hiện theo bốn bước, nguyên tắc thực hiện như sau:
 Bước một là lọc hạn băng, nhằm thực hiện hạn chế phổ tần của tín
hiệu cần truyền. Mục đích chính của bước này là nhằm thoả mãn tiền
đề của định lý lấy mẫu Shannon.
 Bước hai là lấy mẫu, là quá trình rời rạc hoá tín hiệu liên tục sau lọc.
Tần số lấy mẫu tín hiệu là f
s
được xác định theo định lý lấy mẫu. Tín
hiệu đầu ra là các tín hiệu PAM (Pulse Amplitude Modulation).
 Bước thứ ba là lượng tử hoá, tức là làm tròn các giá trị xung PAM
thành một trong các giá trị mẫu xác định nhằm mục đích hạn chế số
giá trị của các xung PAM. Các giá trị mẫu này được gọi là các mức

lượng tử.
 Bước bốn là mã hoá, các giá trị mức lượng tử trên được mã bằng các
tổ hợp mã nhị phân để truyền đi.
Ngược lại ở phần thu thì tín hiệu được khôi phục lại như sau: Giải mã để
được chuỗi xung PAM đã lượng tử hoá, sau đó đưa qua lọc thông thấp có
tần số cắt bằng một nửa tần số lấy mẫu (bằng f
s
). Như ở trên đã có thì các
xung PAM có thời gian tồn tại là hữu hạn, có nghĩa là nó sẽ có phổ trải
rộng vô hạn ; tức là về mặt lý thuyết thì lấy mẫu phải thực hiện với vô hạn
mẫu. Có nghĩa là tín hiệu khôi phục được ở phần thu chỉ là một phiên bản
15
gần đúng của tín hiệu phát (ngay cả khi chúng ta bỏ qua méo và tạp nhiễu),
như vậy thì việc khôi phục sẽ bị sai số. Nguyên nhân sai số gồm có:
a. Việc lấy mẫu không thể thực hiện trong thời gian vô hạn.
b. Khi thực hiện lượng tử hoá sẽ tồn tại sai số là sai số lượng tử.
c. Các mạch lọc là không hoàn toàn lý tưởng.
d. Tín hiệu phiên bản ở đầu thu có phổ hạn chế, không giống như tín
hiệu nguyên bản.
Ngoài ra còn tồn tại một sai số khá nghiêm trọng là sai số do đồng bộ, bởi
vì sai số này có thể dẫn đến sự sắp xếp sai lệch các tổ hợp mã thu được.
Tuy nhiên sai số này cũng sẽ được khắc phục nhờ bộ khôi phục đồng hồ.
Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một quá trình thực hiện PCM cho tín hiệu
thông dụng nhất là tín hiệu thoại.
1.2.2.1 Lọc hạn băng
Như chúng ta đã biết là tín hiệu tiếng nói có phổ trải rộng gần như
vô hạn, tuy nhiên qua các nghiên cứu thì phổ tiếng nói chỉ tập trung phần
lớn trong dải tần từ 0.3 ÷ 3.4 KHz, và do đó nếu chúng ta cắt bỏ các thành
phần tần số ngoài dải này thì cũng không gây méo quá lớn tức là quá trình
thoại không bị ảnh hưởng nhiều. Để thực hiện lọc thì chúng ta sử dụng

mạch lọc thông thấp, tuy nhiên do thực tế là chúng ta không chế tạo được
mạch lọc thông thấp lý tưởng với độ dốc rất lớn cho nên, theo khuyến nghị
của CCITT, chúng ta chọn tần số cắt của mạch lọc là 4KHz. Với tần số cắt
này thì việc chế tạo mạch lọc dễ dàng hơn, và méo thụ cảm là không lớn.
1.2.2.2 Lấy mẫu
Sau lọc hạn băng chúng ta thực hiện lấy mẫu tín hiệu thoại (có tần số
nhỏ hơn 4KHz). Quá trình này được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu
16
thoại đã lọc (tín hiệu liên tục) với một chuỗi xung nhịp có tần số lớn hơn
hoặc bằng hai lần tần số lớn nhất. Ở đây chúng ta lựa chọn tần số lấy mẫu
là f
s
= 8KHz. Tất nhiên là chúng ta có thể chọn lớn hơn 8KHz tuy nhiên khi
đó thì sẽ làm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, mà đây không là điều
chúng ta mong muốn. Quá trình lấy mẫu tín hiệu liên tục s(t) được thể hiện
qua hình 1.4.
Hình 1.4 Quá trình lấy mẫu tín hiệu liên tục.
1.2.2.3 Lượng tử hoá
Đây là quá trình làm tròn giá trị các xung PAM thành các giá trị mẫu
đã có, chúng ta có thể lượng tử hoá đều, không đều, hay lượng tử hoá đều
tín hiệu đã được nén.
Lượng tử hoá đều là đơn giản nhất, thực hiện bằng cách chia dải động tín
hiệu từ [-a ; a] thành Q mức cách đều nhau. Khoảng cách giữa các mức
lượng tử là ∆= 2a/Q, và các giá trị của các mẫu (xung PAM) được làm tròn
đến các giá trị mức lượng tử gần nhất. Khi đó sai số lượng tử của các giá trị
mẫu là một biến ngẫu nhiên e
q
, nhận giá trị trong khoảng [-a/Q ; a/Q],
chúng ta cũng gọi là tạp âm lượng tử, được đánh giá qua công suất tạp âm
lượng tử:

( )
∫
−
==
Qa
Qa
qqqqeq
deepdfeeP
/
/
2
_
2
.
(1.3)
với pdf(.) là hàm mật độ xác suất (Probability density function).
17
Do chúng ta không xác định rõ phân bố biên độ tín hiệu thoại trong khoảng
giữa hai mức lượng tử sát nhau, cho nên chúng ta hãy giả thiết rằng xác
suất xuất hiện các giá trị biên độ giữa hai mức lượng tử sát nhau là bằng
nhau. Vì đó tạp âm lượng tử được coi là biến ngẫu nhiên có phân bố đều,
tức là pdf(e
q
)=Q/2a. Thay vào công thức (1.3) ta có:
P
eq
= a
2
/3Q
2

= ∆
2
/12 (1.4)
Như vậy khi ta tăng số mức lượng tử Q thì công suât tạp âm lượng tử giảm,
tuy nhiên nếu Q quá lớn sẽ xuất hiện hậu quả như sau:
a) Q lớn dẫn đến số bit dùng để mã hoá các mức lượng tử tăng, do vậy
làm tăng tốc độ bit tức là tăng phổ chiếm của tín hiệu số.
b) Cùng một dải động tín hiệu, việc tăng quá mức số lượng tử sẽ dẫn
đến ∆ ngày càng nhỏ, do vậy sẽ dẫn đến là có thể mức lượng tử khôi
phục ở phần thu bị nhận nhầm dưới tác động của tạp âm nhiệt trong
các mạch điện tử.
Hơn nữa nếu lượng tử hoá đều thì khi chia các mức với số mức tối thiểu
(để giảm số bít mã hoá cần dùng), được xác định theo độ chính xác đã cho
đối với các mức cao của tín hiệu, thì khi đó dẫn đến sai số phạm phải đối
với các mức thấp của tín hiệu là khá lớn. Do trong thực tế các mức tín hiệu
thấp của tín hiệu thoại thường xảy ra hơn rất nhiều so với các mức cao, vì
vậy trong trường hợp này thì sai số tổng cộng lại quá lớn.
Những hạn chế trên thì có thể được khắc phục nhờ phương pháp lượng tử
hoá không đều, khi đó thì khoảng cách giữa các mức lượng tử hoá được
chọn lớn với giá trị tín hiệu lớn, còn với các mức tín hiệu nhỏ thì khoảng
cách giữa hai mức lượng tử được chọn nhỏ. Tuy phương pháp này là một
giải pháp rất tốt, nhưng việc thực hiện trong thực tế là khá khó khăn. Vì
18
những lý do đó thì trong thực tế người ta dùng phương pháp là lượng tử
hoá đều tín hiệu đã được nén.
Theo khuyến nghị của CCITT thì luật nén logarit được áp dụng cho cả hệ
Mỹ và hệ châu Âu, với tham số A= 87.6 (hệ châu Âu), và μ= 255 (hệ Mỹ),
trong hệ Mỹ thì μ=100 cũng được sử dụng nhưng không nằm trong khuyến
nghị. Ta có các luật nén như sau:
Luật μ (hệ Mỹ):

( )
( )
µ
µ
+
+
=
1ln
1ln
)(
x
xsigny
, |x| ≤ 1 (1.5)
Luật A (hệ châu Âu):







+
+
+
=
A
xA
xsign
A
xA

xsign
y
ln1
ln1
)(
ln1
)(
1/1
/10
≤≤
≤≤
xA
Ax
(1.6)
Ở đây x, y lần lượt là giá trị tín hiệu lối vào, lối ra bộ nén đã được chuẩn
hoá theo giá trị cực đại của chúng.
Và để phối hợp nén giãn cho tốt thì hệ Mỹ và châu Âu đều sử dụng các bộ
nén giãn dựa trên việc xấp xỉ các đường cong bằng 15 đoạn thẳng (hệ Mỹ),
và 13 đoạn thẳng (hệ châu Âu). Hình vẽ mô tả việc xấp xỉ đường cong
bằng 15 và 13 đoạn thẳng là hai hình 1.5 và hình 1.6 (chỉ là hình vẽ nửa
phần dương). Chú ý là cả hai biểu thức (1.5), (1.6) là hàm lẻ.
1.2.2.4 Mã hoá
Căn cứ vào khuyến nghị G103 của CCITT, và một số nguyên nhân
suy giảm chất lượng truyền dẫn tín hiệu PCM thì thông thường người ta sử
dụng bộ mã hoá 8 bit.
19
Biên độ tín hiệu lối ra sau khi nén được lượng tử hoá đều thành 16 mức với
mỗi đoạn hay mỗi phân đoạn. Đối với cả hệ Mỹ và Châu Âu thì việc mã
hoá các mức lượng tử đều (sau nén) để tạo thành tín hiệu PCM được thực
hiện bằng tổ hợp 8 bit có cùng dạng PXYZAPCD.

Trong đó:
 Bít P là bit để chỉ thị cực tính giá trị lượng tử của mẫu tín hiệu: P=1
với tín hiệu dương, P=0 với tín hiệu âm.
 Ba bit XYZ dùng để mã các đoạn hay phân đoạn làm gần đúng tuyến
tính các luật nén (μ hay A).
 Bốn bít ABCD dùng để mã 16 mức lượng tử đều trong từng đoạn.
Hình 1.5 Xấp xỉ đường cong bằng 15 đoạn thẳng
20
Hình 1.6 Xấp xỉ đường cong bằng 13 đoạn thẳng
Hai bảng 1.1 và 1.2 chỉ ra thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật (A và μ) và
mã.
1.2.3 Ghép kênh
Tần số là một tài nguyên rất quý trong truyền dẫn thông tin. Liên kết
giữa hai trạm thông tin chiếm ít nhất một tần số nào đó. Trong khi đó, hai
trạm thông tin thường không sử dụng hết toàn bộ dung lượng của đường
liên kết dữ liệu. Vì vậy, để tăng hiệu quả sử dụng đường truyền người ta sử
dụng phương pháp ghép kênh. Vậy, ghép kênh là chia sẻ đường truyền dẫn
thành nhiều kênh liên lạc cho nhiều nguồn thông tin cùng sử dụng. Hình
1.7 biểu diễn một cách đơn giản chức năng của một bộ ghép kênh.
21
Hình 1.7 Sơ đồ chức năng của một bộ ghép kênh
Đầu vào bộ ghép kênh gồm n luồng tín hiệu của n nguồn tin khác nhau. Bộ
ghép kênh liên kết với bộ giải ghép qua một đường liên kết dữ liệu. Bộ
ghép kênh kết hợp dữ liệu của n đường đầu vào và truyền tới bộ giải ghép
trên đường liên kết tốc độ cao. Bộ giải ghép tách chùm dữ liệu nhận được
thành n kênh và phân phát dữ liệu tới n đầu ra tương ứng. Như vậy, với
việc sử dụng bộ ghép kênh, hiệu quả truyền dẫn tăng lên rất lớn.
Ta có hai phương pháp ghép kênh cơ bản là:
a) ghép kênh theo tần số (FDM: Frequency Division Multiplexing)
trong đó băng tần truyền dẫn được chia thành nhiều băng con hình thành

nhiều kênh liên lạc phân biệt với nhau về tần số.
b) ghép kênh theo thời gian (TDM: Time Division Multiplexing),
trong đó thời gian sử dụng đường truyền dẫn được chia thành các phần
khác nhau gọi là các khe thời gian và việc truyền đưa tin tức từ các nguồn
tin khác nhau được thực hiện trong các khe thời gian riêng biệt.
1.2.3.1 Ghép kênh theo thời gian
Tín hiệu số có đặc điểm cơ bản là các phần tử tín hiệu có thời gian
tồn tại hữu hạn. Thời gian tồn tại của các phần tử tín hiệu phụ thuộc vào độ
rộng xung. Các phần tử kế tiếp nhau một khoảng cố định gọi là độ dài
khung tín hiệu. Khi độ rộng xung tín hiệu rất nhỏ so với độ dài khung tín
hiệu, có thể chia khung tín hiệu thành một số khe thời gian và ghép một số
xung tín hiệu của các nguồn tin khác nhau vào cùng một khung tín hiệu.
22
Tín hiệu của mỗi nguồn tin như vậy sẽ được truyền đi trên các khe thời
gian riêng biệt. Do vậy, đối với các hệ thống truyền dẫn số, việc ghép kênh
theo thời gian có thể thực hiện khá thuận lợi.
Có thể giải thích đơn giản nguyên lý ghép kênh theo thời gian thông qua sơ
đồ hình 1.8. như sau
Hình 1.8 Nguyên lý ghép kênh theo thời gian
Dưới tác động của các xung đồng hồ (xung nhịp) các khoá
1
K
,
2
K
, ,
N
K
lần lượt nối trong những khe thời gian xác định các nguồn tin thứ 1, 2, N
với đường truyền dẫn. Ở phía thu, các khoá

*
1
K
,
*
2
K
, ,
*
N
K
lần lượt nối
đường truyền dẫn với các bộ nhận tin thứ 1,2, N một cách tương ứng. Các
thiết bị đóng vai trò hệ thống các khoá chuyển mạch ở phần phát và phần
thu được gọi tương ứng là bộ phân phối phát và phân phối thu. Chúng là
các thành phần cốt lõi của các thiết bị ghép kênh (ở phần phát) và phân
kênh (ở phần thu). Chu kỳ làm việc của các bộ phân phối phát và phân phối
thu chính là độ dài khung của một tín hiệu nhánh và được gọi là một
khung. Khi các bộ phân phối phát và phân phối thu hoạt động đồng bộ với
23
nhau thì việc truyền tin giữa các nguồn-bộ nhận tin sẽ diễn ra không lỗi.
Việc mất đồng bộ giữa phân phối phát và phân phối thu có thể dẫn đến
những sai lạc thông tin rất trầm trọng và vì vậy đồng bộ là chỉ tiêu hàng
đầu trong ghép kênh theo thời gian. Để đảm bảo yêu cầu cao về đồng bộ
cần có các thiết bị duy trì hoạt động đồng bộ của phân phối phát và phân
phối thu, bao gồm cả đồng bộ nhịp và đồng bộ khung. Đồng bộ khung
trong ghép kênh số theo thời gian được theo dõi nhờ việc truyền liên tục tổ
hợp đồng bộ khung đặc biệt trong một khe thời gian riêng khung tín hiệu.
Bộ thu giám sát đồng bộ khung sẽ liên tục theo dõi tổ hợp đồng bộ khung.
Việc sai liên tiếp tổ hợp đồng bộ khung này sẽ được hiểu là mất đồng bộ

khung. việc điều khiển đồng bộ trở lại được thực hiện bằng cách trượt
khung đi từng khe thời gian cho tới khi tổ hợp đồng bộ khung được thu
đúng. Nếu mỗi nguồn tin nhánh có tốc độ B b/s thì tốc độ bit đường dây
tổng cộng sẽ lớn hơn NB b/s một chút, lượng dôi tốc độ này dành cho
truyền các thông tin phụ gồm thông tin đồng bộ, các tín hiệu báo hiệu và
tín hiệu nghiệp vụ ghép kênh theo thời gian có thể thực hiện ghép theo bit
hay theo tổ hợp mã.
1.2.3.2 Các phương thức ghép kênh cơ bản
Tuỳ theo cách thức duy trì đông bộ giữa các bộ phận phân phối của
thiết bị tách/ghép kênh với các nguồn/bộ nhận tin nhánh mà chúng ta có hai
phương thức ghép kênh:
a. Ghép kênh đồng bộ: Theo phương thức này thì các nguồn và các bộ
nhận tin nhánh được duy trì đồng bộ liên tục và tự động với các bộ
phân phối của bộ ghép kênh và phân kênh. Đối với việc ghép kênh
đồng bộ thì các bit hay từ mã của các nhánh được sắp khít nhau tạo
nên dòng bit đường dây, hơn nữa vị trí của chúng được xác định
24
trong dòng bit đường dây, đã biết trước ở phía thu. Ta có các ưu
điểm như sau:
 Hiệu quả sử dụng đường truyền cao.
 Việc tách rẽ/ ghép kênh từ/vào luồng chính tại các trạm trung
gian dễ dàng.
b. Ghép kênh không đồng bộ:
Các luồng số đều có một dung sai tốc độ nào đó, khi ghép chúng với
nhau, sử dụng phương thức chèn để đồng bộ về tốc độ.Nhờ đó, các
luồng số đầu vào ghép đồng bộ với nhau về tốc độ, nhưng không
đồng bộ về pha. Ghép kênh theo cách như vậy, được gọi là ghép
kênh cận đồng bộ. Có 3 hệ thống phân cấp tốc độ số cận đồng bộ
khác nhau được đưa ra bởi Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản. Hình 1.6
mô tả các phân cấp số theo tiêu chuẩn Châu Âu và Bắc Mỹ. Trong

phân cấp theo tiêu chuẩn Bắc Mỹ và Nhật Bản, luồng số cấp 1 (DS1:
Digital Signal level 1) được tạo ra từ bộ ghép T-1 là khối cơ bản. Tín
hiệu DS2 có tốc độ 6,312 Mb/s tạo thành bằng cách kết hợp 4 tín
hiệu DS1, tín hiệu DS3 cũng được tạo thành bằng cách kết hợp từ 28
tín hiệu DS1 có tốc độ là 44,736 Mb/s.
25