Thiết kế hệ thống truyền dẫn số với kênh có băng thông hữu hạn luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ VỚI
KÊNH CÓ BĂNG THÔNG HỮU HẠN

Sinh viên thực hiện:
Lớp
:

ĐIỀN CHÍ THANH
48K ĐTVT

Niên khoá

2007 - 2012

:

Người hướng dẫn :
Cán bộ phản biện :

Th.S. PHẠM MẠNH TOÀN
Th.S. LÊ ĐÌNH CÔNG

NGHỆ AN, 01-2012
1


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................4
TÓM TẮT ĐỒ ÁN......................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ..............................................................................7
DANH MỤC BẢNG...................................................................................8
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................9
MỞ ĐẦU.....................................................................................................10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
1.1. Giới thiệu...........................................................................................11
1.2. Sơ lược về lịch sử thông tin...............................................................11
1.3. Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin số và khái niệm tín hiệu....12
1.3.1. Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin số...............................12
1.3.2. Định nghĩa tín hiệu.....................................................................13
1.4. Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số.................................14
1.5. Tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số.........................16
1.6. Số hoá tín hiệu liên tục trong hệ thống thông tin số..........................19
1.6.1. Điều chế xung mã PCM.............................................................21
1.6.1.1. Nguyên tắc..........................................................................21
1.6.1.2. Lọc hạn băng......................................................................23
1.6.1.3. Lấy mẫu..............................................................................23
1.6.1.4. Lượng tử hoá......................................................................24
1.7. Kết luận.............................................................................................29
CHƯƠNG 2. TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ TRÊN KÊNH THỰC
2.1. Giới thiệu chương..............................................................................30
2.2. Hệ thống tuyến tính bất biến.............................................................30
2.3. Kênh liên tục.....................................................................................31

2.3.1. Khái niệm kênh liên tục.............................................................31
2.3.2. Mô hình kênh liên tục..................................................................32
2.4. Các tác động của kênh liên tục..........................................................34
2


2.4.1. Méo tuyến tính..........................................................................34
2.4.2. Méo phi tuyến...........................................................................35
2.4.3. Can nhiễu..................................................................................36
2.4.4. Pha-đinh....................................................................................37
2.5. Truyền dẫn số qua kênh có băng thông hữu hạn.............................38
2.5.1. Giới thiệu chung.......................................................................38
2.5.2. Phổ công suất của một tín hiệu PAM.......................................39
2.5.3. Đặc trưng của các kênh có độ rộng băng thông hữu hạn và méo
kênh..............................................................................................................41
2.5.3.1. Đặc trưng kênh có băng thông hữu hạn...........................41
2.5.3.2. Méo kênh..........................................................................41
2.5.4. Xuyên nhiễu giữa các dấu (Inter Symol Interference-ISI)........43
2.5.4.1. Khái niệm..........................................................................43
2.5.4.2. Đặc trưng xuyên nhiễu giữa các dấu................................43
2.6. Kết luận............................................................................................45
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ ĐỐI VỚI KÊNH
CÓ BĂNG HỮU HẠN
3.1. Giới thiệu chương............................................................................46
3.2. Cấu trúc thu tối ưu tín hiệu số.........................................................46
3.2.1. Biểu diễn véc-tơ tín hiệu số......................................................47
3.2.2. Cấu truc thu tối ưu....................................................................49
3.2.3. Máy thu tương quan..................................................................51
3.2.4. Máy lọc thu phối hợp................................................................52
3.2.5. Xác suất thu lỗi với máy thu tối ưu..........................................53

3.3. Các đặc tính lọc nhằm truyền dẫn không có ISI..............................54
3.4. Phân phối đặc tính lọc.....................................................................59
3.5. Thiết kế hệ thống truyền tin số........................................................61
3.5.1. Thiết kế hệ thống để có ISI bằng không...................................61

3


3.5.2. Thiết kế các bộ lọc phát và thu cho hệ thống truyền tin có ISI
bằng không...................................................................................................63
3.5.3. Thiết kế hệ thống có ISI kiểm soát được..................................64
3.5.4. Thiết kế các bộ lọc phát và thu cho hệ thống truyền tin có ISI
kiểm soát được.............................................................................................67
3.6. Chương trình và kết quả mô phỏng ................................................68
3.6.1. Mô phỏng hệ thống truyền tin có ISI bằng 0 sử dụng Matlab...68
3.6.2. Mô phỏng hệ thống truyền tin có ISI kiểm soát được sử dụng
Matlab..........................................................................................................73
3.7. Kết luận............................................................................................78
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................80

4


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay các hệ thống thông tin số đang phát triển rất mạnh mẽ trên
toàn thế giới và các hệ thống số đã hầu hết thay thế các hệ thống analog. Ở
nước ta, có thể nói rằng hiện nay gần như tất cả các hệ thống chuyển mạch và
truyền dẫn của ngành viễn thông đều đã được số hoá. Tiến trình số hoá các hệ
thống thông tin liên lạc hiện nay đang diễn ra một cách nhanh chóng và các hệ

thống đường trục, hệ thống chuyển mạch đã được số hoá.
Việc nghiên cứu về các hệ thống thông tin số nói chung và các hệ thống
truyền dẫn số nói riêng vì thế đã trở thành một nội dung cơ bản của chương
trình đào tạo kỹ sư điện tử viễn thông. Chính vì lý do đó em chọn đề tài
"THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SỐ CÓ BĂNG THÔNG HỮU
HẠN", nhằm nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến băng thông của kênh
truyền trong thông tin.
Băng thông là một tài nguyên quý giá để tiết kiệm được băng thông thì
việc hạn chế nhiễu trên kênh truyền là một vấn đề cần phải giải quyết. Đồ án
này thiết kế là nhằm đưa ra giải pháp giảm nhiễu tới mức có thể có, cụ thể đó
là thiết kế nhằm hạn chế nhiễu xuyên dấu (ISI) bằng không và nhiễu ISI kiểm
soát được. Đồ án sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hạn chế về nhiễu
đó.
Đồ án được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin số
Chương 2: Truyền dẫn tín hiệu số trên kênh thực
Chương 3: Thiết kế hệ thống thông tin số đối với kênh có băng thông
hữu hạn.
Với kiến thức có được và sự giúp đỡ nhiệt tình về kiến thức cũng như
về tài liệu của thầy giáo Th.S. Phạm Mạnh Toàn em đã hoàn thành xong đồ
án theo đúng thời hạn. Do hạn chế về thời gian và năng lực cho nên chắc chắn
sẽ không tránh khỏi sự sai sót, em rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý
thầy cô và bạn bè.
5


Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S. Phạm Mạnh Toàn đã giúp
đỡ thực hiện đồ án này. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa ĐTVT
đã giúp chúng em hoàn thành chương trình đào tạo.

Nghệ an, Ngày ….tháng 01năm 2012
Sinh viên
Điền Chí Thanh

6


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Các hệ thống thông tin số đang phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới và
thay thế hầu hết hệ thống thông tin analog. Việc nghiên cứu hệ thống số là nội
dung quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành ĐTVT. Đồ án này
trình bày các vấn đề cơ bản nhất của kỷ thuật truyền dẫn số các thuật toán xử
lý tín hiệu số băng gốc, kỷ thuật ghép kênh, truyền dẫn tín hiệu trên kênh liên
tục, máy thu tối ưu, các tác động của méo, nhiễu tới hệ thống thông tin số.
Đặc biệt đồ án sử dụng phần mềm Matlab để nghiên cứu thiết kế bộ lọc
cosin nâng để lọc bỏ nhiễu liên ký tự (ISI: Inter Symbol Interference) do sự
hạn chế về băng thông kênh truyền.

7


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát.......12
Hình 1.2 Biểu diễn tín hiệu liên tục.............................................................13
Hình 1.3 Biểu diễn tín hiệu số.....................................................................14
Hình 1.4 Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin số...................................15
Hình 1.5 Quá trình điều chế xung mã PCM................................................22
Hình 1.6 Quá trình lấy mẫu liên tục............................................................23
Hình 1.7 Tuyến tính hoá luật nén μ bằng 15 đoạn.......................................26
Hình 1.8 Tuyến tính hoá luật nén A bằng 13 đoạn......................................27

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống......................................................................30
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin số..................................................32
Hình 2.3 Mô hình kênh liên tục...................................................................33
Hình 2.4 Xung tín hiệu đầu vào kênh..........................................................42
Hình 2.5 Xung tín hiệu đầu ra kênh.............................................................42
Hình 2.6 Xung tín hiệu đầu ra bộ cân bằng.................................................43
Hình 3.1 Sơ đồ khối tối giản hệ thống truyền dẫn số..................................46
Hình 3.2 Dạng véc-tơ của cấu trúc thu tối ưu..............................................51
Hình 3.3 Máy thu tương quan......................................................................51
Hình 3.4 Máy lọc thu phối hợp....................................................................52
Hình 3.5 Mô hình hệ thống băng gốc với các tín hiệu xung PAM..............54
Hình 3.6 Đặc tính lọc được làm cong..........................................................57
Hình 3.7 Phản ứng xung của bộ lọc cosine nâng.........................................57
Hình 3.8 Đáp ứng tần số cosin nâng............................................................62
Hình 3.9 Các dạng xung đối với đáp ứng tần số cosin nâng.......................63
Hình 3.10 Xung tín hiệu nhị phân đôi và phổ của nó..................................66
Hình 3.11 Xung tín hiệu nhị phân đôi cải biên và phổ của nó....................67
Hình 3.12 mfile mô phỏng thiết kế ISI bằng không....................................69
Hình 3.13 Đáp ứng xung của bộ lọc phát với độ dài bộ lọc N=31..............70
8


Hình 3.14 Đáp ứng tần số của bộ lọc phát...................................................71
Hình 3.15 Đáp ứng xung của bộ lọc phát và bộ lọc phối hợp tại máy thu. .72
Hình 3.16 mfile mô phỏng thiết kế ISI kiểm soát được...............................74
Hình 3.17 Đáp ứng xung của tín hiệu nhị phân đôi tại máy phát................75
Hình 3.18 Đáp ứng tần số của tín hiệu nhị phân đôi tại máy phát...............76
Hình 3.19 Đáp ứng xung của mạch mắc nối tiếp bộ lọc phát với bộ loc
phối hợp tại máy thu....................................................................................77

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật μ và mã ..............................27
Bảng 1.2 Thuật toán xấp xỉ đặc tính nén luật A và mã................................28

9


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AM/AM

Amplitude/Amplitude

Biên đô/biên độ

AM/PM

Amplitude/Phase

Biên độ/Pha

AWGN

Additive White Gauss Noise

Tạp âm cộng trắng chuẩn

BER

Bit Error Ratio

Tỷ lệ lỗi bit

CCITT

International Telegraphy and

Uỷ ban tư vấn điện thoại

Telephony Consulative Committee

và điện tín quốc tế

Degraded Minutes

Các phút suy giảm chất

DM

lượng
ES

Error Seconds

Các giây bị lỗi

ISI

Inter-Symbol Interference

Nhiễu giữa các Symbol

Jitter

Sự rung pha

KĐCS

Khuếch đại công suất

MODEM

Modulate-Demodulate

Điều chế-Giải điều chế

M-QAM

M-ary Quadratude Amplitude

Điều chế biên độ vuông

Modulation

góc M-mức

NRZ

No Return To Zero

Không trở về số không

PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều biên xung

PCM

Pulse Code Modulation

Điều biên xung mã

Pdf

Probailiy density function

Hàm mật độ xác suất

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế số theo pha tín
hiệu

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu
Phương

SER

Symbol Error Ratio

Tỷ số lỗi symbol

SES

Severely Errored Seconds Symbol

Các giây suy giảm chất
Lượng dấu hiệu (ký tự)

TWT

Traveling Wave Tube

Ống dẫn sóng

10


MỞ ĐẦU
Hiện nay trên thế giới công nghệ thông tin liên lạc đang phát triển rất
mạnh mẽ, Việt Nam cũng là một trong những nước có tốc độ phát triển thông
tin liên lạc mạnh mẽ trên cơ sở hạ tầng viễn thông to lớn. Các dịch vụ được
các nhà mạng đưa vào sử dụng ngày một nhiều do đó việc sử dụng băng

thông cho hợp lý là một vấn đề cần quan tâm.
Đồ án này sẽ nghiên cứu một cách tổng quát về hệ thống thông tin số,
trên cơ sở đó chúng ta đi nghiên cứu các vấn đề liên quan đến kênh truyền
dẫn như: méo kênh, nhiễu, và sự hạn chế về băng thông từ đó để thiết kế hệ
thống truyền dẫn sao cho phù hợp khi truyền tín hiệu.
Đặc biệt đồ án nghiên cứu rất kỹ về nhiễu xuyên ký tự (Inter Symol
Interference-ISI) trên kênh có băng thông hữu hạn, và đã giải quyết một cách
cơ bản dựa vào định lý Nyquist.
Chương 1 sẽ giới thiệu về cấu trúc của một hệ thống thông tin số điển
hình. Chương 2 là phần lý thuyết cơ bản về tính chất, các ảnh hưởng của một
tín hiệu trên kênh truyền dẫn để làm cơ sơ cho việc thiết kế ở chương 3.
Chương 3 ta sẽ thiết kế kênh truyền có băng thông hữu hạn mà trên đó ISI
bằng không và ISI kiểm soát được.

11


Chương 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
1.1. Giới thiệu chương
Trong cuộc sống từ xa xưa, con người luôn có nhu cầu trao đổi với
nhau những tâm tư, tình cảm, những kinh nghiệm đấu sinh tồn..., nghĩa là có
nhu cầu thông tin (communication) tức trao đổi tin tức với nhau. Hiện nay
chưa có một định nghĩa đầy đủ và súc tích cho khái niệm tin tức
(information), chúng ta có thể tạm hiểu đó là sự cảm hiểu của con người về
thế giới xung quanh thông qua sự tiếp xúc với nó.
Chương 1 sẽ đề cập những vấn đề liên quan đến thông tin, giới thiệu
sơ lược về lịch sử phát triển của thông tin, mô hình tổng quát của hệ thống
thông tin để làm cơ sở tìm hiểu các chương tiếp theo.
1.2. Sơ lược về lịch sử thông tin
Ngày 7/3/1876, nhà phát minh - tiến sĩ Alexander Graham được tặng

bằng sáng chế về một trong các thiết bị có ý nghĩa nhất trong đời sống chúng
ta, đó là máy điện thoại. Ông Bell đã mất nhiều năm nghiên cứu cách liên lạc
với vợ. Bà Bell bị điếc, nên ông Bell tìm cách chuyển đổi âm thanh thành
một dạng tín hiệu truyền thông khác sao cho bà vợ có thể hiểu được lời nói
của ông ta.
Do có một số kinh nghiệm về điện báo, ở đó các bản tin được mã hóa
và truyền qua cáp, Bell quyết định bắt chước cách truyền thông này. Khi áp
dụng nguyên lý cơ bản là tín hiệu truyền thông có thể chuyển đổi từ âm thanh
thành điện, ông Bell có thể nói vào thiết bị truyền thông, thiết bị này lại
chuyển đổi sóng âm thoại thành năng lương điện. Sau đó năng lượng điện này
dùng để tạo ra bản tin mã hóa tương tự như bản tin điện báo. Điều này báo
hiệu một sự tốt lành, nhưng công việc nghiên cứu của ông cùng với trợ lý tiến sĩ Watson đã trải qua nhiều thất bại.
Rồi một ngày, vận may đã đến. Trong khi đang làm việc một mình trong
phòng thí nghiệm, Bell đã làm đổ axit ra bàn làm việc. Axit này có tác dụng
như là chất xúc tác để tạo ra nguồn điện mà sau này gọi là pin. Không

12


nhận thức được sự việc xảy ra lúc đó, tiến sĩ Bell đã gọi tiến sĩ Watson. Tiếng
gọi của ông ta "tiến sĩ Watson, vào đây, tôi cần ông" đã tác động đến thiết bị
thí nghiệm do hai ông chế tạo trước đó để làm thiết bị liên lạc. Âm thanh của
Bell đã truyền qua dây dẫn đến phòng thứ hai nơi Watson đang làm việc.
Nghe tiếng kêu, Watson chạy đến giúp Bell. Họ phát hiện ra rằng nếu pin
được kết nối qua điện (dây dẫn) trong khi người sử dụng nói, sóng âm do
người tạo ra được truyền qua đôi dây dẫn này đến máy thu tiếp nhận dòng
điện và chuyển đổi năng lượng điện trở lại thành âm thanh. Từ ngày đó, một
ngày may mắn, sự ra đời của nền công nghiệp mới đã bắt đầu: máy điện thoại
được phát minh. Năm 1877, Bell chào hàng bán bằng phát minh cho Western
Union Telegraph với giá bán 100.000 USD. Sự kiện này đã mở ra một trang

mới trong lịch sử phát triển của truyền thông thông tin. [1]
1.3. Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin số và khái niệm tín hiệu
1.3.1. Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thông tin số
Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát, gồm có ba
khâu chính:
- Nguồn tin (information source)
- Kênh tin (channel)
- Nhận tin (information destination)

Hình 1.1. Sơ đồ khối chức năng của một hệ thống thông tin tổng quát
- Nguồn tin là nơi sản sinh ra hay chứa các tin cần truyền đi. Khi một
đường truyền tin được thiết lập để truyền tin từ nguồn tin đến nhận tin, một
dãy các tin của nguồn sẽ được truyền đi với một phân bố xác suất nào đó. Dãy
này được gọi là một bản tin (message). Vậy có thể định nghĩa: nguồn tin là
tập hợp các tin mà hệ thống thông tin dùng để lập các bản tin khác nhau để

13


truyền đi. Số lượng các tin trong nguồn có thể hữu hạn hay vô hạn tương ứng
với nguồn tin rời rạc hay liên tục.
- Kênh tin là môi trường truyền lan thông tin. Để có thể truyền lan
trong một môi trường vật lý xác định, thông tin phải được chuyển thành dạng
tín hiệu thích hợp với môi trường truyền lan. Vậy kênh tin là nơi hình thành
và truyền tín hiệu mang tin đồng thời ở đấy cũng sản sinh ra các nhiễu (noise)
phá hủy thông tin. Trong thực tế kênh tin có rất nhiều dạng khác nhau, ví dụ
dây song hành, cáp đồng trục, ống dẫn sóng, cáp sợi quang, vô tuyến...
- Nhận tin là cơ cấu khôi phục lại thông tin ban đầu từ tín hiệu lấy ở
đầu ra của kênh tin. [1]
1.3.2. Định nghĩa tín hiệu

Tín hiệu được định nghĩa như là biểu diễn vật lý của tin tức. Đó là một
đại lượng vật lý biến thiên theo thời gian, không gian hay các biến độc lập
khác. Về mặt toán học, có thể xem tín hiệu là hàm theo một hoặc nhiều biến
độc lập. Ví dụ như, hàm x(t) = 5t mô tả tín hiệu thay đổi tuyến tính theo biến
thời gian t. Hay hàm s(x,y) = 3x + 2xy + 10y 2 mô tả tín hiệu theo hai biến độc
lập x và y biểu diễn cho hai biến không gian trong một mặt phẳng.
- Tín hiệu liên tục (continuous-time signals) hay tín hiệu tương tự
(analog signals) là tín hiệu có giá trị xác định tại mọi thời điểm từ khi tín hiệu
sinh ra đến khi kết thúc, nghĩa là cả biên độ và thời gian đều liên tục. [1]

Hình 1.2. Biểu diễn tín hiệu liên tục
- Tín hiệu số (digital signals) là tín hiệu rời rạc có biên độ được rời rạc
hóa, nghĩa là cả biên độ và thời gian đều rời rạc. [1]

14


Hình 1.3. Biểu diễn tín hiệu số [1]
1.4. Sơ đồ khối tiêu biểu của hệ thống thông tin số
Đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin số là: các tín hiệu được truyền
đưa và xử lý bởi hệ thống là các tín hiệu số, nhận các giá trị từ một tập hữu
hạn các phần tử, thường được gọi là bảng chữ cái (alphabet). Các phần tử tín
hiệu này có độ dài hữu hạn xác định T s và trong các hệ thống thông tin số hiện
nay, nói chung độ dài Ts là như nhau đối với mọi phần tử tín hiệu. Trong thực
tế có rất nhiều loại hệ thống thông tin số khác nhau, phân biệt theo tần số công
tác, dạng loại môi trường truyền dẫn… Tùy theo loại hệ thống thông tin số
thực tế, hàng loạt chức năng xử lý tín hiệu số khác nhau có thể được sử dụng
nhằm thực hiện vệc truyền đưa các tín hiệu số một cách hiệu quả về phương
diện băng tần chiếm cũng như công suất tín hiệu. Các chức năng xử lý tín hiệu
như thế được mô tả bởi các khối trong sơ đồ khối hệ thống. Mỗi mỗi một khối

mô tả một thuật toán xử lý tín hiệu.
Sơ đồ tiêu biểu của hệ thống thông tin số bao gồm:
- Tạo khuôn dạng tín hiệu, thực hiện biến đổi tin tức cần truyền thể hiện
ở dạng tín hiệu liên tục hay số thành các bít nhị phân.
- Mã hóa nguồn và giải mã nguồn tín hiệu, thực hiện nén và giải nén tín
hiệu nhằm giảm tốc độ bít để giảm phổ chiếm của tín hiệu số.
- Mã và giải mã mật, thực hiện mã và giải mã chuỗi bít theo một khóa
xác định nhằm bảo mật tin tức.
- Mã và giải mã kênh nhằm chống nhiễu và các tác động xấu khác của
đường truyền dẫn.
15


- Ghép và phân kênh, nhằm thực hiện việc truyền tin từ nhiều nguồn tin
khác nhau tới các đích nhận tin khác nhau trên cùng một hệ thống truyền dẫn.
- Điều chế và giải điều chế số thường gọi là MODEM.
- Trải và giải trải phổ, nhằm chống nhiễu và bảo mật tin tức.
- Đa truy nhập, cho phép nhiều đối tượng có thể truy cập mạng thông
tin để sử dụng hệ thống truyền dẫn theo nhu cầu.
- Đồng bộ, bao gồm đồng bộ nhịp và đồng bộ pha sóng đối với các hệ
thống thông tin liên kết.
- Lọc (được thực hiện tại máy thu phát đầu cuối), bao gồm lọc cố định
nhằm hạn chế phổ tần, chống tạp nhiễu và lọc thích nghi nhằm sửa méo tín
hiệu gây bởi đường truyền.
- Bên thu các khối thực hiện ngược lại với bên phát.

Sơ đồ được thể hiện bên dưới

Hình 1.4. Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống thông tin số
Trong số các chức năng nói trên thì các chức năng tạo khuôn tín hiệu

số, điều chế và giải điều chế số là không thể thiếu đối với mọi loại hệ thống
thông tin số. Về mặt thuật toán mà nói, khối điều chế số là một khối giao diện,
16


thực hiện biến đổi tín hiệu số thành các tín hiệu liên tục phù hợp với việc
truyền đưa tín hiệu đi xa. Máy phát đầu cuối chỉ thực hiện các thuật toán trộn
tần nhằm đưa tín hiệu lên tới tần số thích hợp, khuếch đại, lọc và phát xạ tín
hiệu vào môi trường truyền dẫn (bằng hệ thống ăng ten và phi đơ trong các hệ
thống vô tuyến chẳng hạn). Đối với một hệ thống thông tin số thì MODEM
đóng vai trò như bộ não còn máy thu phát chỉ như cơ bắp mà thôi. Các khối
chức năng còn lại không phải là bắt buộc đối với tất cả mọi hệ thống thông tin
số mà chỉ có mặt trong từng loại hệ thống cụ thể do vậy hình trên chúng được
diễn tả bằng các khối nét đứt.
Các thuật toán xử lý tín hiệu trong sơ đồ khối có thể phân thành hai
nhóm chính:
- Các thuật toán xử lý tín hiệu băng gốc bao gồm các thuật toán từ tạo
khuôn tới điều chế số (và các khối có chức năng ngược lại ở phần thu).
- Các thuật toán xử lý tín hiệu tần số cao hay tín hiệu thông dải
(bandpasssignal) bao gồm các thuật toán liên quan tới đa truy nhập, trải phổ
và thuật toán trộn tần nhằm đưa tín hiệu lên tần số cao. [2]
1.5. Tham số đánh giá chất lượng hệ thống thông tin số
Trong viễn thông, khi truyền thông tin theo phương pháp điện có hai
hạn chế: hạn chế về mặt dải thông và hạn chế về mặt tạp âm. Phải có một dải
thông đủ rộng để truyền được thông tin trong thời gian ngắn, đặc biệt là các
hệ thống thông tin trong thời gian thực. Tuy nhiên nếu dải thông quá lớn sẽ
gây ra lãng phí băng tần mà băng tần là một tài nguyên quý giá. Mặt khác các
yếu tố cơ bản tác động tới quá trình truyền dẫn tín hiệu số trên các loại kênh
truyền dẫn (bao gồm cả máy thu phát đầu cuối và môi trường truyền) là luôn
xảy ra như: Xuyên nhiễu giữa các dấu (ISI), méo tín hiệu, sai pha đồng hồ, sai

pha sóng mang, can nhiễu, hiệu ứng doppler do các máy đầu cuối thu, phát di
động so với nhau và sự biến đổi theo thời gian của kênh truyền, nhiễu kênh
lân cận…
17


Đối với hệ thống thông tin số, chỉ tiêu chất lượng cơ bản của hệ thống
là xác suất lỗi bít (BER) và Jitter (rung pha hay trôi pha). Tuỳ thuộc vào từng
loại hình dịch vụ mà các hệ thống viba có những đòi hỏi khác nhau và BER
và Jitter. BER (Bit Error Ratio) thường được hiểu là tỷ lệ giữa số bít nhận
được bị lỗi trên tổng số bít đã truyền đi trong một khoảng thời gian quan sát
nào đó. Khi thời gian quan sát tiến tới vô hạn thì tỷ lệ này tiến đến xác suất lỗi
bít.
Trong thực tế, thời gian quan sát không phải là vô hạn nên tỷ lệ lỗi bít
chỉ gần bằng với xác xuất lỗi bít, tuy nhiên trong nhiều trường hợp thực tế
người ta cũng vẫn thường xem và gọi BER là xác suất lỗi bít. Trong nhiều
trường hợp, ứng với các loại dịch vụ nhất định, các tham số phát sinh về độ
chính xác truyền tin thường được xét đến là các giây bị lỗi trầm trọng (SES
:Severly Errored Seconds), các giây bị lỗi (ES: Errored Seconds, các phút suy
giảm chất lượng (DM: Degraded Minutes)… Trong một số hệ thống thông tin
số sử dụng các biện pháp mã hóa hiệu quả tiếng nói như đối với điện thoại di
động chẳng hạn, thì độ chính xác truyền tin cũng còn được thể hiện qua tham
số chất lượng tiếng nói xét về khía cạnh chất lượng dịch vụ.
Khả năng truyền tin nhanh chóng của một hệ thống thông tin số thường
được đánh giá qua dung lượng tổng cộng B của hệ thống, là tốc độ truyền
thông tin (có đơn vị là b/s) tổng cộng của cả hệ thống với một độ chính xác đã
cho. Nhìn chung, dung lượng của một hệ thống tùy thuộc vào băng tần truyền
dẫn của hệ thống, sơ đồ điều chế số, mức độ tạp nhiều…
Đối với các hệ thống truyền dẫn số hiện tại, các tín hiệu số nhận giá trị
trong một tập hữu hạn các giá trị có thể có và có thời gian tồn tại hữu hạn.

Khi tập các giá trị có thể có của tín hiệu gồm hai phần tử 0 và 1 thì hệ thống
được gọi là nhị phân và tín hiệu khi đó được gọi là bít. Khi số giá trị có thể có
của tín hiệu là M (M≠2) thì hệ thống được gọi là hệ thống M mức và tín hiệu
được gọi là ký hiệu (Symbol).

18


Gọi giá trị của symbol thứ k là D k và thời gian tồn tại của nó là T k (đối
với hệ thống thông thường hiện nay, Tk = T và là hằng số với mọi k). Ở đầu
thu tín hiệu khôi phục lại là Dˆ k và có độ rộng là Tˆk , nếu Dˆ k ≠ Dk thì tín hiệu
thứ k được gọi là bị lỗi, nếu Tˆk ≠ T thì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter (hay
có sai pha).
- Đối với hệ thống nhị phân, xác suất lỗi bit BER được định nghĩa là:

{

}

BER = p Dˆ k ≠ Dk , với p { .} là xác suất

Khi Tˆk = T + δ T thì δ được gọi là jitter, tính theo phần trăm.

{

}

Trong trường hợp hệ thống truyền dẫn nhiều mức thì p Dˆ k ≠ Dk được
gọi là tỷ lệ lỗi symbol (SER: Symbol-Error Ratio) và có quan hệ chặt chẽ với
BER của hệ thống.

- Đối với các hệ thống truyền tín hiệu thoại, yêu cầu BER < 10 -6 và do
thoại ít nhạy với Jitter nên có thể cho Jitter khá cao.
- Đối với tín hiệu truyền hình, nếu sử dụng điều chế xung mã PCM thì
BER đòi hỏi cũng như tín hiệu thoại song cần lưu ý tốc độ của truyền hình
khá cao. Khi sử dụng ADPCM (Adaptive Differential Pulse Coded
Modulation: Điều chế xung mã vi sai tự thích nghi) để truyền tín hiệu truyền
hình thì yêu cầu BER < 10-9, thậm chí yêu cầu BER < 10-12. Nói chung các tín
hiệu truyền hình rất nhạy cảm với Jitter.
Khi BER > 10-3 thì hệ thống truyền dẫn được xem là gián đoạn vì khi
đó ngay cả dịch vụ telex (điện báo truyền chữ) là loại dịch vụ chịu được chất
lượng truyền dẫn tốt nhất với BER ≤ 10 -3 nhờ độ dư thừa khá lớn trong ngôn
ngữ người cũng không thể truyền được.
Ngoài các yêu cầu và các tham số có tính nguyên tắc nói trên, các hệ
thống thông tin còn có thêm các yêu cầu về tính bảo mật và độ tin cậy (khả
năng làm việc của hệ thống với BER không vượt quá giá trị xác định).

19


Các yếu tố về giá thành và tốc độ thu hồi vốn đầu tư, gọi chung là yêu
cầu về kinh tế cũng có một vai trò to lớn. [2]
1.6. Số hóa tín hiệu liên tục trong hệ thống thông tin số
Trong nhiều trường hợp, việc tạo khuôn dạng (định dạng) và mã hóa
nguồn đối với các bản tin liên tục (xuất hiện dưới dạng các tín hiệu liên tục
như tiếng nói, âm nhạc hay tín hiệu truyền hình…) trong các hệ thống thông
tin số được thực hiện trong cùng một quá trình: Biến đổi tín hiệu liên tục từ
nguồn tin thành chuỗi tín hiệu số (chuỗi bít) hiệu quả về mặt tốc độ, thường
được gọi chung là quá trình mã hóa nguồn. Vai trò của mã hóa nguồn là đặc
biệt quan trọng, góp phần nâng cao chất lượng liên lạc và cho phép nâng cao
hiệu quả sử dụng phổ tần của hệ thống truyền dẫn.

Thuật toán mã hóa nguồn có thể xem được thông qua dạng tiêu biểu của
nó là mã hóa tín hiệu tiếng nói (biến đổi tín hiệu thoại tương tự thành tín hiệu
số). Các bộ mã hóa tiếng nói thường được chia làm 3 loại chính là bộ mã hóa
dạng sóng (waveform code), bộ mã hóa nguồn phát thanh (vocoder) và bộ mã
hóa lai (hybrid coder) của hai loại trên.
Nội dung của phương pháp mã hóa dạng sóng là dạng sóng của tín hiệu
tiếng nói liên tục được rời rạc hóa nhờ lấy mẫu và sau đó được số hóa nhờ mã
hóa nhị phân các giá trị đại diện cho mức của các mẫu dạng sóng tiếng nói.
Các phương pháp mã hóa dạng sóng, tiêu biểu là điều chế xung mã PCM cơ
sở là định lý lấy mẫu.
Một tín hiệu s(t), có biến đổi Fourier là S(f), được gọi là có băng tần
hạn chế nếu S(f) = 0 với | f | > W, trong đó W là băng tần số lớn nhất chứa
trong s(t). Theo định lý lẫy mẫu, tín hiệu có băng tần hạn chế như thế biểu
diễn duy nhất được bởi các giá trị mẫu của s(t) lấy với tốc độ fs ≥ 2W mẫu
trong một giây. Tốc độ lấy mẫu tối thiểu fN = 2W mẫu trong một giây được
gọi là tốc độ Nyquist. Việc lấy mẫu với tốc độ thấp hơn tốc độ Nyquist dẫn
đến méo gập phổ.
20


Tín hiệu s(t) như trên biểu diễn được theo:
n 

sin 2π W 1 −
÷
n
 2W 
s (t ) = ∑ s (
)
n 

2W

n =∞
2π W 1 −
÷
 2W 
∞

(1.1)

  n 

Trong đó  s 
÷ là cá giá trị mẫu của s(t) tại các thời điểm lấy mẫu
  2W  
t = n/2W, thu được nhờ nhân tín hiệu s(t) với tín hiệu lấy mẫu là một chuỗi
các xung toán Dirac δ (t −

n
).
2W

Biểu thức (1.1) là dạng học của định lý lấy mẫu. Nếu tần số lớn nhất

n 

sin 2π W 1 −
÷
 2W 
W của tín hiệu s(t) đã biết trước thì

cũng biết trước và vì
n 

2π W 1 −
÷
 2W 

vậy không chứa thông tin cần truyền. Như vậy tín hiệu s(t) hoàn toàn tương
  n 

đương về tin tức với chuỗi vô hạn các giá trị mẫu của nó  s 
÷ , n= ± 1, 2,
  2W  
3,…± ∞ và do vậy thay vì truyền đi tín hiệu liên tục s(t), chúng ta chỉ cần
truyền đi các giá trị mẫu của nó mà thôi. Đây chính là cơ sở của việc số hóa
tín hiệu liên tục theo phương pháp mã hóa dạng sóng. Việc khôi phục lại tín
  n 

hiệu s(t) tại đầu thu từ chuỗi các giá trị  s 
÷ chỉ đơn thuần là việc thực
  2W  
hiện biểu thức (1.1). Vế phải của (1.1) có thể nhận được bằng cách cho chuỗi
các giá trị mẫu nhận được qua một mạch lọc có phản ứng xung

21


n 

sin 2π W 1 −

÷
 2W 
h(t ) =
, là phản ứng xung của một mạch lọc thông thấp lý
n 

2π W 1 −
÷
 2W 

tưởng với tần số cắt bằng W. Tức là, tín hiệu s(t) khôi phục lại được nhờ cho
chuỗi các giá trị mẫu của nó qua một mạch lọc thông thấp lý tưởng có tần số
cắt W. [2]

22


1.6.1. Điều chế xung mã (PCM)
Dạng tiêu biểu của mã hóa dạng sóng là điều chế xung mã (PCM)
thường gặp nhất trong các hệ thống truyền dẫn tín hiệu số, áp dụng cho cả tín
hiệu thoại, nhóm kênh thoại ghép kênh theo tần số, tín hiệu video…
1.6.1.1. Nguyên tắc
Điều chế xung mã PCM được thực hiện theo một quy trình 4 bước có
tính nguyên tắc như sau:
- Lọc nhằm hạn chế phổ tần của tín hiệu liên tục cần truyền: Biến đổi
Fourier của các tín hiệu liên tục thực tế là vô hạn theo biến tần số, chỉ ít cũng
do thời gian tồn tại của chúng hữu hạn. Chính vì vậy, các tín hiệu liên tục cần
truyền nhất thiết phải được lọc nhằm hạn chế phổ tới tần số cực đại W nào đó
nhằm thỏa mãn tiền đề về băng tần hạn chế của định lý lấy mẫu.
- Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc được rời rạc hóa nhờ lấy mẫu tín

hiệu liên tục bằng chuỗi xung nhịp có tần số f s theo định lý lấy mẫu để có
được các tín hiệu điều biên xung (PAM : Pulse Amplitude Modulation).
- Lưỡng tử hóa: Số giá trị có thể có của tín hiệu PAM sau lấy mẫu là
vô hạn, do vậy số bít cần thiết để mã các giá trị của các xung PAM là vô hạn
và điều này không thể thực hiện được, Để hạn chế số bít mã cần sử dụng, giá
trị của từng xung PAM cần được làm tròn thành một trong các giá trị mẫu
xác định gọi là mức lưỡng tử (có số lưỡng tử hữu hạn) và quá trình này được
gọi là lượng tử hóa.
- Mã hóa: Các giá trị mức lượng tử ứng với các xung PAM được mã
hóa bằng các tổ hợp mã nhị phân để truyền đi trên hệ thống truyền dẫn số.
Quá trình khôi phục ở phần thu được thực hiện như sau :
Giải mã để được chuỗi xung PAM lượng tử hóa rồi cho qua bộ lọc
thông thấp có tần số cắt băng một nửa tần số lấy mẫu.
Thực tế các tín hiệu lối vào điều chế mã xung là các tín hiệu có phổ
trải rộng vô hạn. Sau khi lọc hạn chế phổ tần tín hiệu, tín hiệu có phổ hạn chế
23


và do vậy có thời gian tồn tại trải rộng tới vô hạn, nghĩa là về lý thuyết việc
lấy mẫu phải được thực hiện với vô hạn theo (1.1). Từ đó chúng ta có thể
thấy rằng tín hiệu liên tục khôi phục lại được ở phần thu, ngay cả trong
trường hợp không tính đến méo và tạp nhiễu trên đường truyền, cũng chỉ là
một phiên bản gần đúng của tín hiệu liên tục cần truyền đi ở phần phát mà
thôi. Sai số giữa các tín hiệu phiên bản và nguyên bản gây bởi các nguyên
nhân sau:
+ Việc lấy mẫu không thể tiến hành trong thời gian dài vô hạn được.
+ Sai số do làm tròn (lượng tử hóa), gọi là sai số lượng tử.
+ Các đặc tính lọc không hoàn toàn lý tưởng
+ Phiên bản là một tín hiệu có phổ hạn chế, chứ không phải như tín
hiệu nguyên bản.

Ngoài ra, các sai lệch quá đáng về đồng bộ cũng có thể dẫn đến sắp
xếp sai các tổ hợp mã thu được và điều này dẫn đến các sai lạc vô cùng trầm
trọng. Các chi tiết về các công đoạn trong quy trình PCM và các biện pháp
khắc phục sai số ta sẽ trình bày phía dưới đây. Để cụ thể ta xét với quá trình
số hóa tín hiệu điện thoại.
Sơ đồ (1.5) mô tả các công đoạn điều chế mã xung

Hình 1.5. Quá trình điều chế mã xung PCM
1.6.1.2. Lọc hạn băng
24


Phổ của tín hiệu điện thoại tập trung trong giải từ 0,3- 3,4 khz. Việc
cắt bỏ các thành phần tần số ngoài giải nói trên không gây ra những méo thụ
cảm được quá lớn, tức là không gây nên những trở ngại đặc biệt đối với quá
trình thông thoại. Để hạn chế phổ tín hiệu có thể tiến hành loại bỏ các thành
phần tần số lớn hơn 3,4khz trong tín hiệu điện thoại bằng lọc thông thấp, tức
là có thể chọn tần số cực đại W của tín hiệu thoại là 3,4 khz. Trong trường
hợp này, sai số do lọc hạn băng gây ra chủ yếu là bởi không thể chế tạo được
mạch lọc thông thấp lý tưởng mà chỉ có thể chế tạo được các mạch lọc với
đặc tính lọc không dốc đứng tại tần số cắt. Để không gây nên những méo có
thể thụ cảm rõ rệt được, tần số cắt của mạch lọc hạn băng phải chọn cao hơn
3,4 khz. Các mạch lọc tiêu biểu chuẩn trong thực tế (có đặc tính thỏa mãn các
khuyến nghị của CCITT cho các mạch thoại) có tần số cắt rất sát với 4khz.
[2]
1.6.1.3. Lấy mẫu
Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thoại liên
tục với một chuỗi xung nhịp có tần số fs≥ 2W. Quá trình lấy mẫu tín hiệu
điện thoại được mô tả hình sau:

Hình 1.6. Quá trình lấy mẫu liên tục

25