GIáo trình truyền dữ liêu part 7 doc

7.2.1.5 Minimum Shift-Keying FSK :
Minimum Shift-keying FSK (MSK) là mặt dạng của kỹ thuật ñiều chế FSK có pha
liên tục. MSK chính là FSK trong dó tần số mark và space ñược dùng bởi vài vận tốc bit.
Ðúng bởi ñây có nghĩa là có một quan hệ thời gian chính xác của hai tín hiệu. Hai tần số này
ñược chặn sao cho cách tần số giữa ñúng bằng các bội số lẻ của phân nửa vận tốc bit [f
m
và f
s

= n(br/2); n là số lẻ], ñiều này tạo ra một số thay ñổi liên tục về pha khi tín hiệu chuyển ñổi
giữa bit 1 và 0 (H 7.8)


(H 7.8)
7.2.2 Modem PSK :

Ðiều chế PSK là một phương pháp hiệu quả nhất ñể truyền tín hiệu số. Có thể nói
phương pháp PSK là phương pháp ñiều chế triết sóng mang do ñó băng thông của tín hiệu
PSK nhỏ hơn băng thông của FSK nếu dùng cùng một tín hiệu dải nền. Nhưng ở máy thu
phải có mạch dao ñộng tạo sóng mang ñể thực hiện việc giải ñiều chế ; tín hiệu dao ñộng này
phải có cùng tần số và pha của sóng mang ở máy phát.
Các ñiều nói trên có thể thực hiện bởi một vòng khóa pha biến thể gọi là vòng Costas
mà ta sẽ ñề cập ñến trong phần sau .

7.2.2.1 Băng thông .
7.2.2.2 PSK 2 - pha (BPSK : Binary phase shift keying).
7.2.2.3 PSK 4 - pha (4 - PSK) .
7.2.2.4 OFFSET QPSK (OQPSK) .
7.2.2.5 PSK 8 - pha .
7.2.2.6 ðiều chế biên ñộ vuông góc .

7.2.2.7 Vòng Costas .
7.2.2.8 PSK vi phân .


7.2.2.1 Băng thông :
Ta xét trường hợp ñơn giản nhất là PSK nhị phân (Biphase PSK) ñược minh họa trong
(H 7.9). (Nếu là PSK ña pha thì thay tốc ñộ bít bởi tốc ñộ baud)


(H7.9)

Trong PSK pha của sóng mang thay ñổi giữa hai trị số 0° và 180° , hiệu thế tức thời
PSK có thể viết :
V
PSK
=V
b
sin (2πf
c
t) +


sin (2πf
c
t)

Biểu thức VPSK tương tự như VFSK nhưng hai tần số f
m
và f
s

ñược thay bởi f
c
nên
băng thông là:
BWPSK = (f
c
+ 2f
f
) - (f
c
- 2 f
f
) = 4f
f

BW
PSK
= 2br
Như vậy BWPSK < BWFSK nếu ñiều chế cùng tín hiệu dải nền. (H 7.9) cho phổ của tín hiệu
PSK

7.2.2.2 PSK 2 - pha (BPSK: Binary phase shift keying) :
Trong BPSK, ứng với tín hiệu vào là các ñiện thế biểu diễn các logic 1, 0 ta có tín
hiệu ra là các sóng mang hình sin có pha lệch nhau 180
°.

(H 7.10) là sơ ñồ khối mạch ñiều chế và giải ñiều chế BPSK


(a) Ðiều chế BPSK (H 7.10) (b) Giải

ñiều chế BPSK


Giả sử logic 1 ñưọc ñặc trưng bởi ñiện thế +Vdc và logic 0 bởi -Vdc bộ phận
chính của mạch ñiều chế gồm một mạch nhân và một mạch dao ñộng tạo sóng mang cosω
c
t.
Tín hiệu logic và sóng mang ñược ñưa vào mạch nhân và ta ñược tín hiệu +cosω
c
t hoặc -
cosω
c
t ở ngã ra của mạch này.
Ở máy thu, sóng mang ñuợc tách từ tín hiệu vào, sau ñó trộn với tín hiệu vào
ñể cho ra tín hiệu có dạng cos
2
ω
c
t hoặc -cos
2
ω
c
t. Phân tích các tín hiệu này ta thấy chúng
gồm thành phần một chiều và họa tần bậc hai : cos
2
ω
c
t = (1/2)(1+ cos2ω
c
t)

- cos
2
ω
c
t = - (1/2)(1+ cos2ω
c
t)
Cho vào mạch lọc hạ thông, ta ñược ở ngã ra các thành phần dc có cùng cực tính với
dữ liệu vào.
Mạch ñiều chế vòng (ring modulator) là một kiểu mẫu của mạch nhân ñược mô tả ở
(H 7.11)
Các diod A, B, C, D dẫn hay ngưng tùy thuộc hiệu thế ñặt vào ngã X,Y trong lúc tín
hiệu vào ngã RS chỉ khiến các diod dẫn mạnh hay yếu mà thôi.
Sóng mang ñược ñưa vào ngã RS, dữ liệu ñược ñưa vào ngã XY. Giả sử bít 1 khiến
X dương hơn Y và ngược lại cho bít 0
- Khi dữ liệu là bít 1 diod A và D dẫn ñiện, ứng với bán kỳ dương của sóng mang
diod A dẫn mạnh hơn diod D, dòng ñiện chạy trong nửa trên của biến thế ra lớn hơn, ta ñược
tín hiệu ra cùng pha sóng mang vào.
- Khi dữ liệu là bít 0 diod B và C dẫn ñiện, ứng với bán kỳ dương của sóng mang diod
B dẫn mạnh hơn diod C, dòng ñiện chạy trong nửa trên của biến thế ra lớn hơn nhưng có
chiều ngược lại (từ dưới lên), ta ñược tín hiệu ra ngược pha sóng mang vào.
- Khi không có sóng mang hoặc không có dữ liệu vào sẽ không có dòng ñiện ở ngã ra.


(H 7.11)
7.2.2.3 PSK 4 - pha (4 - PSK) :
PSK 4 pha còn gọi là PSK vuông góc (QPSK : Quadrature PSK) là mạch ñiều chế cho
tín hiệu ra có 1 trong 4 pha tùy theo trạng thái của một cặp bít (dibit) dữ liệu vào, ñộ lệch pha
của các tín hiệu ra là 90°. (H 7.12) là sơ ñồ khối mạch ñiều chế PSK 4 - pha

(H7.12)
- Mạch chia bít (bit splitter) : chuyển dòng dữ liệu vào theo hai ngã I (In-phase) và Q
(Quadrature). Những bít vào ngã I sẽ trộn với sóng mang có pha ban ñầu và những bít vào
ngã Q sẽ trộn với sóng mang ñã làm lệch pha 90°

.
- Vì các dữ liệu vào có thể là bít 1 hoặc 0, nên tín hiệu ở ngã ra mạch nhân I có thể là
sinω
c
t hoặc - sinω
c
t và ở ngã ra Q có thể là cosω
c
t hoặc -cosω
c
t, các tín hiệu này ñược tổng
hợp ở mạch tổng ñể cho ra 1 trong 4 tín hiệu mô tả ở (H 7.13)
Thí dụ, với các bít ở ngã vào ab=01, tín hiệu ở ngã ra là - sinω
c
t + cosω
c
t, tín hiệu
này có thể thay thế bởi tín hiệu duy nhất có pha là 135°.



(H 7.13)

Bảng 7.1 Tín hiệu ñiều chế 4 pha

kênh

Giá trị nhị phân

Hiệu thế

Tín hiệu ra từ mạch cân bằng



I


Q

1

0
1
0

+

-
+
-

sinω
c
t

-sinω
c
t
sin(ω
c
t + π/2) = cosω
c
t
-sin(ω
c
t + π/2) =-cosω
c
t


(H 7.14) là mạch giải mã PSK 4-pha


(H 7.14)

Mạch phục hồi sóng mang sẽ cho lại sóng mang sinω
c
t từ tín hiệu nhận ñược, tín hiệu
này ñược cho thẳng vào mạch nhân ngã I và ñược làm lệch pha 90° trước khi vào mạch nhân
ngã Q, tín hiệu ra ở các mạch nhân ñược ñưa vào mạch lọc hạ thông ñể loại bỏ thành phần
tần số cao, các thành phần DC sẽ ñược tổng hợp ở mạch tổng ñể cho lại dòng dữ liệu.
Giả sử tín hiệu vào là tín hiệu nhận ñược trong thí dụ trên: cosω
c
t - sinω

c
t
Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã I là:
sinω
c
t ( cosω
c
t - sinω
c
t) = 1/2sin2ω
c
t - 1/2(1-cos2ω
c
t)
Tín hiệu ra sau mạch lọc là ñiện thế dc -, tương ứng bít 0
Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã Q là:
cosω
c
t ( cosω
c
t - sinω
c
t) = -1/2sin2ω
c
t + 1/2(1+cos2ω
c
t)
Tín hiệu ra sau mạch lọc là ñiện thế dc +, tương ứng bít 1,
Mạch tổ hợp bít sẽ cho lại dữ liệu như ñã phát : 01 (viết theo thứ tự ab)
Tốc ñộ truyền thông thường của QPSK là 2400 bps vì vậy ở mạch ñiều chế tốc ñộ của

kênh I và Q là 1200 bps. Tốc ñộ biến ñổi lớn nhất của tín hiệu tương ứng với chuỗi liên tiếp
các bít 1 và 0, chuỗi này ñược biểu diễn bởi tín hiệu hình vuông tần số 600 Hz, tín hiệu hình
vuông bao gồm tần số cơ bản và các họa tần bậc lẻ. Trong quá trình ñiều chế xuất hiện các
băng cạnh chứa các họa tần này, mạch lọc BPF có nhiệm vụ loại bỏ thành phần tần số này.

7.2.2.4 OFFSET QPSK (OQPSK) :
Trong thực tế người ta thường dùng cách ñiều chế dựa trên nguyên tắc của QPSK
nhưng tạo sự lệch pha của hai tín hiệu trên hai kênh I và Q bằng cách cho một tín hiệu trể
một bit so với tín hiệu kia, gọi là ñiều chế OQPSK. Việc làm này khiến cho sự chuyển trạng
thái của tín hiệu ở kênh này (thí dụ kênh I) luôn luôn xảy ra ở ngay ñiểm giữa của tín hiệu
của kênh kia (kênh Q), như vậy trong một cặp bit IQ bất kỳ chỉ có sự thay ñổi của một bit
duy nhất và ñiều này ñưa ñến kết quả là các tín hiệu ở ngã ra tổng hợp chỉ lệch pha 0° hoặc
±90° chứ không phải 180° như ở QPSK. Vậy ñiểm thuận lợi của OQPSK là giới hạn ñược sự
lệch pha của tín hiệu ra và tránh ñược các xung ñột biến khi phục hồi tín hiệu nhị phân.
Ðể có thể so sánh các tín hiệu ở các ngã ra tổng hợp, ta xét chuỗi tín hiệu vào như (H
7.15a) và chuỗi tín hiệu của 2 kênh I và Q trong hai trường hợp QPSK (H 7.15b) và OQPSK
(H 7.15c)

(a)




(b) (H 7.15) (c)


Và tín hiệu tổng hợp ở ngã ra tương ứng (H 7.16a) và (H 7.16b)


(H 7.16

)

Có thể hiểu (H 7.16a) và (H 7.16b) như sau:
- Nếu 2 bit trên 2 kênh I và Q khác nhau hoàn toàn thì các tín hiệu tương tự tương ứng
khác nhau 180°
- Nếu 2 bit trên 2 kênh I và Q chỉ khác nhau một bit thì các tín hiệu tương tự tương
ứng khác nhau +90° hoặc -90°.
Ðiểm bất lợi của phương pháp OQPSK là sự thay ñổi pha của tín hiệu ra xảy ra trong
từng khoảng thời gian T (chứ không phải 2T), do ñó vận tốc ñiều chế (baud rate) và băng
thông tối thiểu của kênh truyền tăng gấp ñôi so với phương pháp QPSK .
Hiệu suất băng thông: là tỉ số vận tốc bit (bps) trên băng thông yêu cầu (Hz). Thông
thường khi vận tốc bit tăng thì băng thông tăng, tuy nhiên trong các cách ñiều chế khác nhau
tỉ số hai ñại lượng này có thể khác nhau, do ñó người ta dùng hiệu suất băng thông ñể ñánh
giá chất lượng của hệ thống (hiệu suất cao ñồng nghĩa với tận dụng ñược băng thông)
Với cách ñiều chế ASK, giả sử vận tốc bit là 2400bps, tần số cơ bản là 1200Hz, băng
thông cần thiết là 2400 Hz vậy

Hiệu suất
băng thông =


Với cách ñiều chế PSK 4 - pha nếu vận tốc bit là 2400bps, ở mạch ñiều
chế vận tốc của kênh I và Q là 1200 bps, tần số cơ bản là 600Hz, băng thông cần thiết là
1200 Hz .Vậy
Hiệu suất
băng thông =



7.2.2.5 PSK 8 - pha :

PSK - 8 pha là mạch ñiều chế cho tín hiệu ra có 1 trong 8 pha tùy thuộc trạng thái của
tổ hợp 3 bít vào (tribits)
Sơ ñồ khối của mạch ñiều chế PSK - 8 pha cho ở (H 7.17)


(H 7.17
)

Mạch chia bít chia tổ hợp 3 bít theo 3 kênh khác nhau. Các bít a và b theo kênh I và
Q xác ñịnh cực tính của tín hiệu ra ở mạch biến ñổi từ 2 ra 4 mức, trong khi bít c xác ñịnh
biên ñộ của ñiện thế dc. Có 2 biên ñộ ñược dùng là 0,34V và 0,821V. Khi a và b là bít 1 ngã
ra mạch biến ñổi có trị dương, ngược lại khi a và b là bít 0. Biên ñộ của tín hiệu ra từ mạch
biến ñổi luôn luôn khác nhau, bất cứ khi nào một mạch nhận tín hiệu c (hay ) ñể cho ra tín
hiệu có biên ñộ là 0,821 (0,34) thì mạch kia nhận tín hiệu ñảo lại và cho ra tín hiệu có biên
ñộ là 0,34 (0,821)
Vì 3 bít abc ñộc lập với nhau nên ± 0,821 và ± 0,344 luôn luôn là 4 giá trị có thể có ở
ngã ra các mạch biến ñổi.
Ở kênh I mạch ñiều chế trên sóng mang ban ñầu (không làm lệch pha) nên 4 giá trị
ngã ra là ± 0,821cost và ± 0,34 cosω
c
t trong khi ở ngã ra Q ñó là các giá trị ± 0,821sinω
c
t và
± 0,34sinω
c
t. Mạch tổng sẽ tổng hợp tín hiệu ra của 2 kênh ñể cho ra một tín hiệu duy nhất.
Tùy theo các tín hiệu vào các tín hiệu ra sẽ có các pha khác nhau (H 7.16). Trong hình này
góc A xác ñịnh bởi
A = tan
-1

= 22,5°

Như vậy các tín hiệu ñiều chế của các tribit có pha khác nhau
từng 45°


(H 7.18)

Thí dụ các bít cba ở ngã vào là 101, ta có:
Mạch biến ñổi ở kênh I cho: +0,821 V
Mạch biến ñổi ở kênh Q cho: -0,34 V
Mạch ñiều chế ở kênh I cho: +0,821cosω
c
t
Mạch ñiều chế ở kênhQcho: -0,34 sinω
c
t
Tín hiệu ra sau cùng: 0,821cosω
c
t -0,34 sinω
c
t
Góc pha của tín hiệu này xác ñịnh bởi dấu X trên (H 7.18)
Với cách ñiều chế 8-PSK, 3 bit ứng với một pha của tín hiệu ra nên vận tốc baud bằng
1/3 vận tốc bít nên ñể thỏa ñiều kiện của ñường truyền, người ta chọn vận tốc bit là 4800
bps, vận tốc baud là 1600 baud/s và băng thông kênh truyền là 1600 Hz và hiệu suất băng
thông là 3bps/Hz. Với f
c

=1700 Hz, băng thông chiếm một khoảng từ (f
c
- 800) =1700-800 =
900 Hz ñến (f
c
+ 800) = 1700+800 = 2500 Hz, phù hợp với ñường truyền của kênh thoại.

7.2.2.6 Ðiều chế biên ñộ vuông góc (Quadrature Amplitude modulation, QAM) :
Trong ñiều chế biên ñộ vuông góc cả biên ñộ và pha của sóng mang ñều thay ñổi

a. Mạch ñiều chế QAM 8 pha .
b. Mạch ñiều chế QAM 16 pha .

a. Mạch ñiều chế QAM 8 pha (H 7.19):


(H 7.19)
Trong mạch ñiều chế này a,b xác ñịnh cực tính của tín hiệu ra ở mạch biến ñổi, riêng
bít c ñuợc ñưa thẳng vào hai mạch biến ñổi mà không qua mạch ñảo như ở PSK 8 pha, nếu c
=1 cả hai ngã ra có biên ñộ cao và nếu c =0 cả hai ngã ra có biên ñộ thấp. Như vậy, với
QAM 8 pha, các tín hiệu ở các ngã ra của mạch biến ñổi luôn có cùng biên ñộ, giản ñồ vị trí
các ñiểm ñặc trưng các tribit cho ở (H 7.20)


(H 7.20)
Các tín hiệu ra của QAM 8 pha có 2 biên ñộ và 4 pha khác nhau.
So sánh các cách ñiều chế QAM và PSK người ta thấy QAM tốt hơn về mặt tỉ số tín
hiệu nhiễu. Thí dụ với hệ thống QAM 16 pha xác suất lỗi là 10
-8

trong lúc PSK 16 pha xác
suất này là 10
-4
. Do ñó trong các hệ thống truyền với vận tốc cao người ta thường dùng cách
ñiều chế QAM hơn

b. Mạch ñiều chế QAM 16 pha (H 7.21)


(H 7.21)
Trong sơ ñồ, mạch chia bít chia tổ hợp 4 bít theo hai kênh vào hai mạch biến ñổi 2 ra
4 mức, các bít a,b xác ñịnh cực tính tín hiệu ra và các bít c,d xác ñịnh biên ñộ
a,b = 0, tín hiệu ra âm c,d = 0 biên ñộ = 0,22 V
a,b = 1 tín hiệu ra dương c,d = 1 biên ñộ = 0,821 V
Mỗi ngã ra của mạch biến ñổi có thể có 1 trong 4 tín hiệu ±0,22 hoặc ±0,821. Mạch
LPF loại bỏ các họa tần. Các tín hiệu sau ñó vào mạch ñiều chế cân bằng như trong các phần
trước và ở ngã ra ta có 1 trong 16 tín hiệu, các tín hiệu này nhận 3 giá trị biên ñộ và 12 góc
pha khác nhau, khoảng cách các góc pha là 30° (H 7.22)
Với cách ñiều chế QAM 16 pha, mỗi 4 bit tương ứng một tín hiệu ra nên vận tốc bit
bằng 4 lần vận tốc baud. Nếu chọn vận tốc baud là 2400 baud/s ñể thỏa băng thông của kênh
thoại thì vận tốc bit là 9600 bps và hiệu suất băng thông là 4 bps/Hz. Trong trường hợp này
băng thông tín hiệu trong khoảng từ 500 Hz (1700 Hz - 1200 Hz) ñến 2900 Hz (1700 Hz +
1200 Hz)


(H 7.22)
Trong giản ñồ trên góc A xác ñịnh bởi:

A= tan

-1



= 15°

Thí dụ với tổ hợp các bít ở ngã vào như trong (H 6.18), 1001, ta ñược các kết quả sau
:
Ngã ra kênh I : +0,22 V
Ngã ra kênh Q : -0,821 V
Ngã ra mạch ñiều chế kênh I : +0,22 cosω
c
t
Ngã ra mạch ñiều chế kênh Q : -0,821sinω
c
t
Ngã ra mạch lọc dải thông : 0,22 cosω
c
t -0,821sinω
c
t
Tín hiệu ra tương ứng ñược xác ñịnh trên giản ñồ bởi dấu X
Phục hồi sóng mang
Với kỹ thuật ñiều chế FSK việc phục hồi sóng mang không cần thiết.
Tuy nhiên, ñiều chế PSK hay QAM tương tự với kỹ thuật ñiều chế triệt sóng mang, do
ñó cần thiết phải có mạch phục hồi sóng mang ở máy thu. Hơn nữa, sóng mang ñược phục
hồi phải có tần số và pha giống như ở máy phát ñể mạch giải ñiều chế ở máy thu hoạt ñộng
hữu hiệu.
Sơ ñồ khối một mạch phục hồi sóng mang cho trường hợp ñiều chế BPSK cho ở (H
7.23 )

(H 7.23)
Tín hiệu nhận ñược ở máy thu là +cosω
c
t hoặc -cosω
c
t, sau khi qua mạch lọc dải
thông (ñể hạn chế dải tần) sẽ qua mạch bình phương ñể cho ở ngã ra cos
2
ω
c
t. Dùng biến ñổi
lượng gíác ta ñược:
cos
2
ω
c
t =(1/2)(1+cos2ω
c
t)
Tín hiệu này lại qua mạch lọc ñể loại bỏ thành phần một chiều, còn lại tín hiệu tần số
2ω
c
, tín hiệu này lại qua mạch chia tần ñể ñược sóng mang. Vòng khóa pha trong mạch có
tác dụng giữ pha của tín hiệu ra không bị lệch so với tín hiệu vào.
Ðối với các tín hiệu ñiều chế PSK bậc cao hơn (4-PSK, 8-PSK, 16-QAM . . .) thì ở
mạch giải ñiều chế sẽ nâng tín hiệu vào lên theo các lũy thừa bậc cao hơn. Dĩ nhiên mạch sẽ
phức tạp hơn.
7.2.2.7 Vòng Costas :

Vòng Costas là một biến thể của PLL dùng ñể giải ñiều chế PSK nhị phân (H 7.24) .


(
H 7.24)
Dữ liệu giả sử thay ñổi một cách ngẫu nhiên giữa ±1/2 radian. Ở ngã vào của vòng
Costas tín hiệu có thể diễn tả bởi :
f(t) = A


d(t) cos (ω
c
t + θ
i
)

Trong ñó d(t) diễn tả dữ liệu và có giá trị ±1 . A là trị hiệu dụng.
Ðể thấy vận hành của vòng Costas, giả sử vòng ñang ở trạng thái khóa. Hai mạch lọc
có tác dụng loại bỏ tần số cao nên ở ngã ra của các mạch lọc chỉ còn các thành phần :
y
1
(t) = (A d(t) / 2) cos ( θ
i
- θ
o
)
y
2
(t) = (A d(t) / 2) sin ( θ
i

- θ
o
)
Trong ñó (θ
i
- θ
o
) là ñộ sai pha.
Y
1
(t) và y
2
(t) qua mạch nhân trước khi vào mạch lọc ñể lấy ra hiệu thế một chiều e
f

dùng ñiều khiển VCO.
e
f
= k
m
A
2
d
2
(t) sin 2( θ
i
- θ
o
)
k

m
là hằng số và d
2
(t) = 1 , vậy
e
f
= k
m
A
2
sin 2( θ
i
- θ
o
)
Biểu thức của e
f
giống như biểu thức xác ñịnh hiệu thế một chiều của vòng khóa pha
chuẩn. Ðiểm khác biệt là e
f
=0 khi (θ
i
- θ
o
)=0° hay 180° trong trường hợp vòng Costas.
Tóm lại, vòng Costas có thể ñược khóa với hai giá trị góc tương ứng với pha của tín
hiệu vào. Trong (H 7.24) tín hiệu lấy ra ñể giải mã và phục hồi dữ liệu là y
2
(t)=(A d(t) /
2) cos( θ

i
- θ
0
) tỉ lệ với d(t). Nếu vòng khóa với pha ngược lại thì tín hiệu lấy ra ở nhánh
y
1
(t) .

7.2.2.8 PSK vi phân (Differential PSK, DPSK) :
Giải ñiều chế PSK yêu cầu phục hồi tín hiệu dữ liệu ở máy thu dựa vào sóng mang có
pha tuyệt ñối ñã biết. Ðiều này ñòi hỏi máy phát phải gửi một tín hiệu ñể máy thu tham khảo
pha. Mặt khác dùng giải ñiều chế vòng Costas ở máy thu có thể nhận ñược một tín hiệu
nghịch pha. Ðể khắc phục các khuyết ñiểm này người ta dùng phương pháp ñiều chế PSK vi
phân.
Nguyên tắc của PSK vi phân là dùng sự thay ñổi của dữ liệu ñể ñiều chế sóng mang
chứ không phải chính dữ liệu. Ðể thực hiện việc này người ta so sánh dữ liệu hiện hành với
dữ liệu vào trước ñó, nếu hai tín hiệu này giống nhau ta ñược một pha của sóng mang và nếu
chúng khác nhau ta ñược một pha ngược lại. Nơi thu và phát phải thỏa thuận với nhau về bít
tham khảo ñầu tiên trước khi phát dữ liệu ñể tín hiệu ñược phục hồi ñúng như ñã phát ñi. (H
7.25) cho ta sơ ñồ khối của một mạch DPSK.


(H 7.25)
Ngã ra của cổng EX-NOR là 1 khi hai tín hiệu vào có cùng logic 1 hoặc 0 và là 0 khi
hai tín hiệu vào khác logic. Mạch Flipflop D tạo thời gian trể ñúng1 bít
Bảng 7.2 cho kết quả ñiều chế DPSK với bít tham khảo là 1.
Bảng 7.2 Ðiều chế DPSK

Dữ liệu vào 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0

⊕ ⊕ . . . . . . . . . . . . . . . . ⊕
. . . . . .
⊕
Tín hiệu mã hóa 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1
Bít tham khảo 
Pha truyền 0 0 0 π π π π 0 π π π 0



(H 7.26) là mạch giải ñiều chế DPSK và kết quả giải ñiều chế tín hiệu ra trong bảng
7.2 cho ta lại tín hiệu ñã truyền ở bảng 7.3


(H.26)

Bảng 7.3 Tín hiệu giải mã DPSK
Bản tin mã hóa 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1
Bản tin ñã dời 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1
Dữ liệu ra 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0

7.2.3 Một số vấn ñề kỹ thuật khác trong modem :


7.2.3.1 Ðồng bộ hóa Modem .

7.2.3.2 Phục hồi xung ñồng hồ .

7.2.3.3 Mạch ngẫu nhiên hóa và giải ngẫu nhiên (scrambler và descrambler) .

7.2.3.4 Sơ ñồ khối một modem PSK tiêu biểu .

7.2.3.5 Mạch lọc dùng tụ khóa (Switched capacitor) .


7.2.3.1 Ðồng bộ hóa Modem :

Ðể hệ thống truyền tín hiệu qua modem hoạt ñộng tốt, modem phát và thu phải ñồng
bộ với nhau, công việc này gọi là ñồng bộ hóa modem.
Trong thời gian trể giữa RTS và CTS, máy phát phát ñi chuỗi tín hiệu ñể thiết lập sự
ñồng bộ gọi là chuỗi training sequence. Tùy theo loại ñiều chế, tốc ñộ bit và mức ñộ phức tạp
của modem mà chuỗi training sequence sẽ hoàn thành một số trong các nhiệm vụ sau:
- Xác ñịnh (verify) sự liên tục của sóng mang (kích hoạt RLSD)
- Khởi ñộng mạch ngẫu nhiên hóa.
- Khởi ñộng mạch cân bằng tự ñộng.
- Ðồng bộ tín hiệu sóng mang thu phát.
- Ðồng bộ xung ñồng hồ thu phát.
- Ngắt mạch triệt tiếng dội trên ñường dây thoại.
- Thiết lập ñộ lợi cho mạch AGC
Modem vận tốc thấp
Thường là loại không ñồng bộ và dùng FSK nên không cần các mạch phục hồi sóng
mang, ngẫu nhiên hóa. Các mạch cân bằng ñược ñiều chỉnh bằng tay và không cần khởi
ñộng. Chuỗi training là các bit nghỉ.
Modem vận tốc trung bình và cao
Ðó là các modem có tốc ñộ trên 2400 bps, thường dùng ñiều chế PSK hoặc QAM nên
phải có mạch phục hồi sóng mang. Các modem này là loại ñồng bộ nên phải có mạch phục
hồi xung ñồng hồ. Yêu cầu có mạch ngẫu nhiên hóa và giải ngẫu nhiên cùng mạch cân bằng
tự ñộng (automatic equalizers)
Thí dụ modem Bell 208 là loại ñồng bộ, vận tốc 4800-bps dùng kỹ thuật 8-DPSK có
chuỗi traning gồm 78 ký hiệu, mỗi ký hiệu gồm 3 bit (tribit, chiếm 0.625 ms). Vậy thời gian
của chuỗi training khoảng 48,75 ms. Ðây là khoảng thời trể giữa RTS và CTS như ta ñã thấy

trước ñây.

7.2.3.2 Phục hồi xung ñồng hồ :

Ðể phục hồi xung ñồng hồ, người ta dùng tín hiệu ra từ một kênh (I hoặc Q) EX-OR
với chính nó sau khi làm trể 1/2 bit (H 7.27). Tín hiệu ra có tần số gấp ñôi tín hiệu ở mỗi
kênh ñược ñưa vào mạch PLL ñể khóa pha của tín hiệu dao ñộng ở máy thu, ñể bảo ñảm
mạch PLL hoạt ñộng tốt yêu cầu tín hiệu phải có sự thay ñổi trạng thái thường xuyên, ñó là
lý do phải sử dụng mạch scrambler.



(H 7.27)
7.2.3.3 Mạch ngẫu nhiên hóa và giải ngẫu nhiên (scrambler và descrambler):

Ðể có thể phục hồi xung ñồng hồ, dữ liệu phải thường xuyên thay ñổi giữa 2 trạng thái 1
và 0. Ðể bảo ñảm ñược ñiều kiện này, người ta dùng biện pháp ngẫu nhiên hóa
(scrambler) chuỗi dữ liệu ở máy phát và dĩ nhiên phải dùng mạch giải ngẫu nhiên ñể tái
tạo chuỗi dữ liệu nhận ñược ở máy thu (descrambler). (H 7.28 ) là mạch scrambler và
descrambler.




(a) (H 7.28) (b)



Dữ liệu ra khỏi mạch scrambler có giá trị xác ñịnh bởi:

Khi chuỗi dữ liệu thay ñổi giữa 2 trạng thái 0 và 1 bình thường, ngã ra cổng OR ở
mức 0, chuỗi dữ liệu qua mạch và không thay ñổi

Khi chuỗi dữ liệu liên tiếp là 4 bit 0 hoặc 1, ngã ra cổng OR lên 1 và dữ liệu ñến từ
DTE qua cổng EX-OR sẽ bị ñảo:


Như vậy, ở ngã ra mạch không bao giờ vượt quá 4 bit cùng loại.
Ở máy thu, tín hiệu ra từ mạch descrambler thỏa:


Thay f
m
từ biểu thức trên:




Như vậy tín hiệu ban ñầu ñã ñược phục hồi.

7.2.3.4 Sơ ñồ khối một modem PSK tiêu biểu :

(H 7.29) là sơ ñồ khối của một modem dùng kỹ thuật PSK tiêu biểu:
Phần phát
Mạch ñịnh thời phát (transmitter timing): Mạch tạo các xung ñồng hồ khác nhau theo
yêu cầu của modem phát. Xung ñồng hồ chủ có thể ñược tạo ra từ bên trong mạch hay dẫn
xuất từ tín hiệu trên ñường SCTE của DTE.
Mạch kiểm soát khởi ñộng (Start sequence controller): Khi RTS lên cao, mạch này
cho phép truyền sóng mang tương tự qua SW1. Sóng mang này chưa biến ñiệu vì SW2 chưa

ñược phép. Ðồng thời, mạch này cũng báo cho mạch tạo mẫu/ngẫu nhiên hóa khởi ñộng sự
truyền chuỗi kiểm soát (training sequence), mạch kiểm soát sẽ cung cấp thời trể giữa tín hiệu
RTS và CTS, kích hoạt SW2 và ñưa CTS lên mức cao khi hết thời gian này (khoảng 48,5
ms). Khi RTS xuống thấp, mạch kiểm soát vô hiệu hóa SW1, chấm dứt sóng mang trên
ñường ñiện thoại.
Mạch tạo mẫu và ngẫu nhiên hóa (pattern generator and scrambler): Mạch tạo mẫu
cung cấp chuỗi xung ñặc biệt cho hoạt ñộng kiểm tra ñồng bộ (training), và chuỗi bit 1(bit
nghỉ) cho trường hợp sử dụng chế ñộ sóng mang liên tục. Mạch ngẫu nhiên hóa cung cấp
chuỗi tín hiệu ngẫu nhiên cho việc phục hồi xung ñồng hồ trong PSK
Mạch ñiều chế pha (Phase modulator): Biến ñổi chuỗi dữ liệu nhị phân vào từ DTE
thành sự biến ñổi pha tương ứng của sóng mang tương tự
Mạch cân bằng (Compromise equalizer): Ðiều chỉnh mạch lọc ñể cung cấp sự cân
bằng cho tín hiệu kênh âm thanh (tạo sự bù trừ về ñộ lợi và thời trể do ñường dây ñiện thoại
tạo ra).
Mạch khuếch ñại hoặc pad (amplifier or pad): ðây là mạch khuếch ñại có ñộ lợi thay
ñổi ñược ñể bảo ñảm biên ñộ tín hiệu phát.
T, R, T
1
, R
1
: Hai ñường Tip và Ring thu phát
Ngã vào và ra của các mạch khuếch ñại dùng giao tiếp RS-232C.
Phần thu
Mạch tương thích cân bằng (Adaptive equalizer): ðiều chỉnh ñặc tuyến ñộ lợi và thời
trể do tổn hao của ñường dây.
Mạch giám sát tín hiệu (Signal quality monitor): Giám sát tín hiệu tương tự nhận ñược
ñể ñiều khiển mạch cân bằng. Nếu tín hiệu nhận ñược xấu, mạch này sẽ báo cho mạch ñiều
khiển khởi ñộng mạch cân bằng (Equalizer startup controller) ñể retrain mạch tương thích
cân bằng. Trong suốt thời gian training dữ liệu không có giá trị.
Mạch ñiều khiển khởi ñộng mạch cân bằng (Equalizer startup controller): ðiều chỉnh

tương thích cân bằng khi nhận ñược chuỗi training hay khi phẩm chất tín hiệu thu ñược dưới
mức chuẩn
Mạch phục hồi sóng mang (Carrier recovery): Dò ra sự hiện diện của sóng mang thu
ñược và kiểm soát trạng thái ON/OFF của ñường RLSD của RS-232C. Mạch này cũng phục
hồi sóng mang và khóa pha của tín hiệu dao ñộng nội (PLL) ñể cung cấp tín hiệu dao ñộng
cho mạch giải ñiều chế.
Mạch giải ñiều chế (Demodulator): Biến ñổi sự thay ñổi pha của sóng mang nhận
ñược thành ra dữ liệu nhị phân tương ứng.
Mạch phục hồi xung ñồng hồ (Clock recovery): Phục hồi tín hiệu ñồng hồ phát và tạo
ra các tín hiệu ñồng hồ khác theo yêu cầu của máy thu.
Mạch giải ngẫu nhiên (Descrambler): Sau khi xung ñồng hồ ñược phục hồi, mạch này
biến ñổi tín hiệu ngẫu nhiên thành chuỗi dữ liệu ban ñầu.


(H 7.29)
7.2.3.5 Mạch lọc dùng tụ khóa (Switched capacitor) :
Lọc là một chức năng rất cơ bản trong thông tin. Trước ñây các mạch lọc tác ñộng
thường sử dụng các OPAMP là các IC sản xuất từ công nghệ chế tạo BJT như 709 và 741.
Tuy nhiên các loại linh kiện này tiêu thụ một năng lượng ñáng kể.
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ MOS, người ta chế tạo các OPAMP tiêu
thụ năng lượng rất ít nên ñược sử dụng rộng rãi.
Một tiến bộ quan trọng khác là sự phát hiện các tụ khóa có thể thay cho các ñiện trở.
Các OPAMP MOS và các tụ khóa ñã ñược kết hợp ñể chế tạo các mạch lọc rất chính
xác
(H 7.30) cho dạng căn bản của tụ khóa.



(H7.30)

Khi khóa K ở vị trí 1 tụ C nạp ñến hiệu thế
V
1
, cho khóa K sang vị trí 2, lượng ñiện tích chạy qua tụ C là : Q = C(V
1
-V
2
). Nếu khóa K
ñược chuyển qua lại với tần số f
s
, dòng ñiện trung bình chạy từ V
1
ñến V
2
(giả sử V
1
> V
2
)
là :

i
=


= C(V
1
- V
2

).f
s

Biểu thức cho thấy mạch trên tương ñương với một ñiện trở R xác ñịnh bởi :


f
s
ñược gọi là tần số khóa (switching frequency), phải rất lớn hơn tần số của tín hiệu
lọc.
Trong mạch trên V
1
và V
2
là các nguồn hiệu thế có giá trị không bị ảnh hưởng do sự
chuyển khóa K.
So sánh với một mạch lọc hạ thông ñơn giản dùng RC (H 7.31a), băng thông của một
mạch lọc dùng tụ khóa (H 7.31b) cho bởi


Biểu thức cho thấy tần số ngắt ở 3 dB ñược xác ñịnh một cách chính xác bởi tần số f
s



(a) (H 7.31) (b)

Mạch lọc cơ bản dùng tụ khóa là mạch tích phân (H 7.32):

(H 7.32)
Nhắc lại, hiệu thế ra của mạch lọc dùng tụ khóa chỉ tùy thuộc vào f
s
và tỉ số các ñiện
dung, nếu f
s
ñược xác ñịnh một cách chính xác, thì tính chất của mạch lọc chỉ tùy thuộc tỉ số
các ñiện dung.
Các giá trị tần số cắt f
c
, hệ số phẩm Q và ñộ lợi của mạch lọc có thể xác ñịnh ñuợc
ñến ñộ chính xác 0,1 %. Bảng 7.4 cho một số giá trị mẫu.
Bảng 7.4 Khả năng của mạch lọc dùng tụ khóa

Thông số

Giá trị

Tần số khóa (ñồng hồ) f
s

Tần số ngắt của mạch lọc f
Hệ số phẩm Q tối ña
Ðộ lợi của băng thông
Ðộ chính xác
Nhiễu
Số mạch trong một IC

Ðộ ổn ñịnh nhiệt
Biên ñộ tín hiệu ra
Cấp nguồn

1 - 500 kHz

f
s
/1000 - f
s
/4
75
(-30) - (+ 30)
dB
0,2 %
-100 dB V/
80
5 ppm/°C
2V ñỉnh-ñỉnh
2-15V


(H 7.33) cho các mẫu mạch lọc dùng tụ khóa : (a) là mạch lọc hạ thông, (b) là mạch
lọc thượng thông, (c) là mạch lọc dải thông và (d) là mạch lọc dải loại.



(H 7.33)

7.3 MỘT SỐ MODEM BẤT ÐỒNG BỘ VÀ ÐỒNG BỘ :

7.3.1 Modem bất ñồng bộ

7.3.2 Modem ñồng bộ .

7.3.3 Kết nối modem qua hệ thống ñiện thoại .


7.3.1 Modem bất ñồng bộ :

Là những modem truyền với vận tốc tương ñối thấp. Modem bất ñồng bộ tiêu biểu là
loạt (serie) 103 của hảng Bell. Vận tốc truyền của loạt 103 là 300 bps trên kênh ñiện thoại,
ñiều chế FSK, vận tốc này tương ñương với 27 ký tự/s (giả sử mỗi ký tự gồm 7 bít của mã
ASCII thêm 1 bít start, 2 bít stop và 1 bít parity). Chuẩn giao tiếp dùng cho các modem này
là dòng ñiện vòng 20 mA hoặc RS-232 ñã bàn ñến trong chương trước. Loạt 103 có thể
truyền song công với 2 ñường dây, như vậy hệ thống dùng phương pháp phân chia tần số cho
kênh truyền (FDM). Khoảng tần số từ 300 ñến 3000 Hz chia làm hai dải : từ 300 ñến 1700
Hz và từ 1700 ñến 3000 Hz. Phổ tần cho ở (H 7.34)



(H 7.34)
Trong mỗi dải tần ñều có tần số mark và space : Trong dải tần thấp các tần số ñó là
1270 Hz và 1070 Hz và trong dải tần cao là 2225 Hz và 2025 Hz. Tần số trung tâm là 1170
Hz và 2125 Hz. Khoảng cách tần số mark và space là 200 Hz, vận tốc truyền bít là 300 bps
nên băng thông của tín hiệu là 800 Hz. Ta thấy :
FFSK1 = 1170 Hz và FFSK2 = 2125 Hz ; 3 br = 900
f

m
- f
s
= 200 = (2/3) br = (2/3).300
Có thể nói các tần số f
m
và f
s
chọn trong loạt 103 thỏa các ñiều kiện về tính kinh tế
Hệ số h trong hai dải tần cao và thấp ñều bằng 0,67 và cho hai hệ số Bessel


(H 7.35)


Trước khi liên lạc người ta phải thỏa thuận với nhau bên nào sẽ phát và
thu dải tần nào - cao hay thấp - Ðiều này thực hiện bằng cách giả ñịnh một bên phát sinh
cuộc gọi và bên kia trả lời. Modem của người gọi là originate modem và modem kia là
answer modem. Thông thường originate modem phát trên băng tần thấp và thu trên băng tần
cao và ngược lại cho answer modem.
(H 7.35) cho sơ ñồ khối của hệ thống modem 103, bên phát là một thiết bị ñầu cuối
và bên thu là một máy tính
Vận hành của modem và các khối chức năng ñược mô tả dưới ñây :
- Giao tiếp ñường dây (Line interface) : phối hợp tổng trở modem và ñường dây ñiện
thoại (thường là 600Ω) ñồng thời biến ñổi cân bằng ↔ không cân bằng. Phần tử chính của
mạch giao tiếp ñường dây là một biến thế gọi là hybrid (H 7.36).
- Bộ song công (Duplexer) : Tạo sự ghép nối có tính ñịnh hướng và cách ly tín hiệu ñể
thực hiện ñồng thời hai chức năng thu phát .(H 7.36) là sơ ñồ một bộ song công với mạch
giao tiếp ñường dây

(H 7.36)
Phần chính của bộ song công là một OPAMP dùng như một mạch khuếch ñại vi sai,
khuếch ñại tín hiệu thu từ bộ lọc thu và ngăn không cho tín hiệu phát ñi qua, tín hiệu này
ñược ñưa ra mạch ngoài từ mạch lọc phát qua biến thế hybrid ñể ra ñường dây ñiện thoại.
- Bộ lọc thu R
x
: Như ñã nói trên, originate modem sẽ thu tín hiệu ở dải tần cao và
answer modem sẽ thu tín hiệu ở dải tần thấp nên bộ lọc thu ở hai modem phải cho dạng ñáp
tuyến như ñã thấy ở (H 7.34). người ta thường dùng các bộ lọc tích cực dùng OPAMP ñể tạo
một mạch lọc dải thông. Mạch lọc thu thường gồm từ 4 tới 7 mạch lọc như ở (H 7.37) ñể có
ñộ lợi từ 20 ñến 30dB.


(H 7.37)
- Bộ giải ñiều chế (Demodulator) : Bộ giải ñiều chế FSK là một mạch tách sóng FM,
có thể dùng kiểu tách sóng phân biệt, nhưng với sự phát triển của công nghệ chế tạo IC
người ta thường dùng vòng khóa pha ñể thực hiện việc giải ñiều chế .(H 7.38) là một mạch
giải ñiều chế dùng vòng khóa pha.


(H 7.38)

- Bộ phát hiện mức ngưỡng (Threshold detect) : Ðây là một mạch so sánh và cho ở
ngã ra một tín hiệu HIGH hoặc LOW tùy theo mức tín hiệu thu ñược. Khi tín hiệu thu vào có
biên ñộ quá nhỏ ñường RxD sẽ ghim ở mức HIGH và ñường CD (Carrier Detect) ở OFF
- Bộ ñiều chế (Modulator) : Mô hình và vận hành ñã ñược bàn ñến trong phần trên
- Bộ lọc phát Tx : Quyết ñịnh băng thông của tín hiệu phát FSK ñồng thời giới hạn
các tín hiệu nhiễu và họa tần tạo bởi mạch giải ñiều chế ở bộ phận thu.
Mạch lọc phát còn có nhiệm vụ ghim mức tín hiệu ra không vượt quá -9 dBm là mức

công suất cho phép của ñường dây ñiện thoại.
- Tín hiệu bắt tay hoặc ñiều khiển : Khối logic này ñiều khiển hoạt ñộng của modem
và chuyển trạng thái của modem từ hoặc tới DTE bằng cách dùng các tín hiệu RST, CTS,
DTR, DSR và CD như mô tả trong chương trước (các chuẩn giao tiếp).Trong nhiều trường
hợp một thiết bị ở xa có thể yêu cầu truy xuất dữ liệu gốc (data base) từ một máy tính chủ.
Người yêu cầu dùng bàn phím ñể nhập dữ liệu nên chỉ cần vận tốc truyền thấp trong khi máy
tính chủ truyền dữ liệu ñến ñầu cuối có thể truyền với vận tốc cao hơn.
Các modem loạt 202 của Bell ñáp ứng yêu cầu này : Các modem này có vận tốc
truyền từ máy tính chủ ñến thiết bị ñầu cuối (gọi là kênh sơ cấp) là 1200 bps và vận tốc
truyền từ thiết bị ñầu cuối ñến máy tính chủ (gọi là kênh thứ cấp) là 75 bps. Cách truyền 2
kênh có vận tốc khác nhau gọi là cách truyền song công bất ñối xứng (Asymetrical full-
duplex communication).


(H 7.39)
(H 7.39) là phổ tần của modem 202, lưu ý là kênh sơ cấp dùng phương pháp ñiều chế
FSK với tần số f
m
và f
s
lần lượt là 1200 Hz và 2200 Hz và kênh thứ cấp thì ñiều chế ASK,
tần số sóng mang là 387 Hz.