Báo cáo bài tập lớn thông tin số ADPCM

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, các hệ thống thông tin số đã thay thế các hệ thống tương tụ trên
phạm vi toàn cầu. Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển
mạnh mẽ đã tạo ra nhu cầu to lớn cho hệ thống truyền dẫn thông tin. Mặc dù yêu
cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này rất cao. Với nhu cầu phát triển hiện nay đòi hỏi
các kỹ thuật viễn thông hiện đại. Trong đó phải đến kỹ thuật điều chế xung mã,
kỹ thuật điều chế xung mã ADPCM (Adaptive Delta Pulse Code Modulation) là
một trong những phương pháp mã hóa nối tiếng được sử dụng trong hiện nay.
Phương pháp này là một trong những kỹ thuật nhằm giảm băng truyền của tín
hiệu thông tin số.
Đề tài chia thành hai chương:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG
MÃ
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ADPCM

1


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................................1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................................................2
DANH MỤC HÌNH VẼ..............................................................................................................................3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ..................................3
I. Khái niệm điều chế xung mã............................................................................................................4
II. Các kỹ thuật nhằm giảm băng truyền của tin hiệu thông tin số................................................4
2.1 Độ rộng băng thông của kênh truyền...........................................................................................4
2.2 Kỹ thuật Delta PCM.....................................................................................................................4
2.3 kỹ thuật DPCM.............................................................................................................................4
CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ADPCM............................................................................................................5
I. Giới thiệu về kỹ thuật ADPCM........................................................................................................5
II Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật ADPCM..................................................................................5

III. Ưu, nhược điểm của kỹ thuật ADPCM.......................................................................................8
KẾT LUẬN.................................................................................................................................................9
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................................9

2


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADPCM: Adaptive Delta Pulse Code Modulation - điều chế xung mã vi
sai thích ứng.
PCM: Pulse Code Modulation – điều chế xung mã.
PAM: Pulse Amplitude Modulation – điều chế xung biên độ.
DPCM: Different Pulse Code Modulation – điều chế xung mã vi sai.

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Phương pháp ADPCM…………………………………………5
Hình 2.2 DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng bộ đánh giá mức phía
trước……………………………………………………………………………..5
Hình 2.3 DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng bộ đánh giá mức phía
sau……………………………………………………………………………….6
Hình 2.4 Sơ đồ DPCM sử dụng bộ lượng tử thích ứng và dự đoán thích
ứng
DPCM
–
APF
–
AQF…………………………………………………………...6
Hình 2.5 Sơ đồ DPCM sử dụng bộ lượng tử thích ứng và dự đoán thích
ứng
DPCM

–
APB
–
AQB…………………………………………………………..7

3


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ XUNG MÃ
I. Khái niệm điều chế xung mã
Điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation) là quá trình biến đổi tín
hiệu tương tự sang tín hiệu số (A/D), trong đó thông tin đầu vào dưới dạng các
tín hiệu tương tự được biến đổi thành tổ hợp mã nối tiếp ở đầu ra.
PCM được đặc trưng bởi bốn quá trình lọc hạn băng, lấy mẫu, lượng tử
hóa, mã hóa ở phía phát để biến đổi A/D và quá trình giải mã, lọc thông thấp ở
phía bên thu để khôi phục tín hiệu
II. Các kỹ thuật nhằm giảm băng truyền của tin hiệu thông tin số
2.1 Độ rộng băng thông của kênh truyền
Băng thông của hệ thống là tài nguyên có hạn để khai thác hiệu quả tài
nguyên, băng thông tín hiệu càng nhỏ càng tốt.
Độ rộng của kênh tối thiểu truyền dẫn tín hiệu PCM theo định lý lấy mẫu
Nyquist
B≥
: tốc độ truyền tín hiệu PCM ( tốc độ truyền một từ mã)
Mặt khác ta có

=.m

Mà

m = ; do đó

B=

Như vậy để tiết kiệm băng thông là giảm tốc độ từ mã tốc độ băng thông,
hay giảm số lượng bit dung để mã hóa, đồng nghĩa với tín hiệu đầu thu giảm
( giảm mức lượng tử).
2.2 Kỹ thuật Delta PCM
Các mẫu xung PAM sẽ được mã hóa và truyền độc lập. Nhưng trong tín
hiệu thực tế thì các xung gần nhau có độ tương quan nhất định. Thay vì truyền
các xung độc lập, ta chi cần mã hóa độ chênh lệch giữa hai xung kề nhau. Với
cách tuyền này cần ít bit hơn để mã hóa phần chênh lệch, nghĩa là giảm băng
thông hệ thống.
2.3 kỹ thuật DPCM
Kỹ thuật DPCM còn gọi là kỹ thuật điều chế xung mã vi sai. Trong kỹ
thuật này sẽ truyền đi độ chênh lệch giữa tín hiệu thực và tín hiệu tiên đoán. Tín
hiệu tiên đoán được thực hiện bằng phương pháp nội suy từ N tín hiệu trước đó.
Bằng cách sử dụng thêm bộ dự đoán, ta có thể chỉ cần mã hóa độ sai lệch giữa
giá trị thực và giá trị dự đoán của mẫu tín hiệu.

4


CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ADPCM
I. Giới thiệu về kỹ thuật ADPCM
PCM vi sai thích ứng (ADPCM) đã tổ hợp phương pháp DPCM và PCM
thích ứng. ADPCM có nghĩa là mức lượng tử hóa được thích ứng với dạng của
tín hiệu đầu vào. Kích cỡ của các bước lượng tử tang lên khi có liên tiếp dốc
đứng trong tín hiệu kéo đủ dài. Trong hình 1.1, số mẫu là 6 có thể được mô tả
bằng 5 bước lượng tử lớn thay cho 10 mẫu nhỏ. Phương pháp này có tên từ khả

năng thích ứng của nó, tùy thuộc vào giá trị của tín hiệu đầu vào mà có thể thay
đổi bước lượng tử cho phù hợp, tức là nó tạo ra khả năng giảm số lượng mức
lượng tử.
zz

zz

Mẫu số

1

zz

zz

3

4

2

zz

zz

zz

zz

zz

zz
Thời gian

5

6

Hình 2.1 Phương pháp ADPCM
Kỹ thuật ADPCM có hai loại. Thứ nhất là, lượng tử hóa thích ứng có bộ
đánh giá mức phía trước DPCM-AQF hoặc bộ đánh giá mức phía sau DPCMAQB (hình 2.2). Thứ hai là, phương pháp DPCM sử dụng cả bộ lượng tử thích
ứng và bộ dự đoán thích ứng. Phương pháp thứ hai có thể dung đánh giá trước
gọi là DPCM-APF-AQF hoặc đánh giá phía sau DPCM-APB-AQB (hình 2.3)
II Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật ADPCM
Sơ đồ khối:
Xung lấy
mẫu

Bộ nhớ

Bộ đánh
giá mức

Bộ mã
hóa

Kênh

Bộ giải
mã

Tín hiệu
tương tự

Lọc
thông
thấp

Kênh

Hình 2.2 DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng bộ đánh giá mức phía trước.
Nguyên lí hoạt động của kỹ thuật DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng
có bộ đánh giá mức phía trước (hình 2.2), có nguyên lí hoạt động như sau:
5


Xung lấy mẫu được đưa vào bộ nhớ.Xung đếm sau được so sánh với xung
trước đó.Độ chênh lệch giữa hai xung lượng tử trong khối mã hóa.Đồng thời, độ
chênh lệch này được đưa vào bộ đánh giá để đưa ra xung điều khiển bộ mã hóa
thay đổi bước lượng tử cho phù hợp với mức tăng của tín hiệu.Thông tin về kết
quả đánh giá cũng được truyền đến bộ giải mã đầu thu thông qua từ mã pha.
Phía thu khi nhận được thông tin tăng bước lượng tử đầu phát, thì bộ mã
hóa lặp lại bước lượng tử có kích thước tương ứng.
DPCM sử dụng phương pháp lượng tử hóa thích ứng có bộ đánh giá mức
phía sau (hình 2.3) có nguyên lí hoạt động như sau:
Sơ đồ khối:
Tín hiệu
tương tự

Xung

lấy mẫu

Bộ nhớ

Bộ giải
mã

Kênh

Bộ
đánh
giá
mức

Lọc
thông
thấp

Bộ
đánh
giá
mức

Hình 2.3 DPCM sử dụng lượng tử hóa thích ứng bộ đánh giá mức phía sau.
Căn cứ vào từ mã đầu ra bộ mã hóa mà bộ đánh giá mức biết được tín
hiệu tăng nhanh hay chậm.Đánh giá này được đưa vào bộ mã hóa để điều khiển
mã hóa tiếp số gia giữa xung hiện tại và xung trước đó.Đầu thu căn cứ vào từ mã
nhận được mà bộ đánh giá đưa ra tín hiệu điều khiển bộ giải mã lặp lại bậc thang
có kích thước tương ứng.Ưu điểm của sơ đồ phương pháp này là không cần
truyền thông báo về kích thước bước lượng tử đầu phát.

Sơ đồ khối:
Xung lấy
mẫu

Bộ nhớ xung
lâý mẫu và
bộ đánh giá
giá

x(n)

(n)

e(n)

Đến bộ mã
hóa

Lượng
tử hoá

Bộ dự
đoán

(n)
APF

Thông báo về độ dốc sườn

Hình 2.4 Sơ đồ DPCM sử dụng bộ lượng tử thích ứng và dự đoán thích ứng

DPCM – APF - AQF
AQF: Thông tin mức tín hiệu được truyền đnế bộ mã hóa ở xa khi sử dụng
5-6 bit cho một xung lấy mẫu trên cỡ bước. cho phép bảo vệ thông tin cỡ bước ở
phía phát bằng cách thêm bit dư. Độ trễ đánh giá được tạo ra trong hoạt động mã
6


hóa. Yêu cầu chèn các mẫu vào “không lượng tử hóa”. Tự thích nghi khối hoặc
tự thích nghi định kỳ; nghĩa là cỡ bước ∆ của nó đổi mới mỗi khối và giữ không
đổi trong suốt thời gian một khối của N mẫu. Đánh giá dự trên cơ sở các mẫu
không lượng tử.
Sơ đồ khối hình phương pháp DPCM-APF-AQF (hình 2.2.3), có nguyên
lí hoạt động như sau:Xung lấy mẫu tại thời điểm t o có biên độ xo đưa vào bộ
trừ.Độ chênh lệch giữa hàm bậc thang và xung lấy maauxtaij thời điểm trước là
e(n) được đưa vào bộ lượng tử.Trị số tròn e(n) đầu ra bộ lượng tử đưa vào bộ
cộng.Đầu vào bên trái độ cong có biên độ xung lượng tử tính theo biểu thức:

Trong đó, L là tổng số xung lấy mẫu từ thời điểm to trở về trước.
Đầu vào của bộ dự báo là xung lượng tử chưa có dự báo.Đầu ra của bộ dự
báo xung lượng tử có dự báo về độ dốc sườn tín hiệu được thể hiện trong hệ số
dự báo ci.Hệ số này thay đổi tùy thuộc kết quả đánh giá từ bộ đánh giá đưa
đến.Nhờ có sự thay đổi của hệ số đánh giá mà trị số chênh lệch giữa xung lấy
mẫu và xung lượng tử đầu ra bộ trừ có giá trị bé.Do đó, không có hiện tượng quá
tải sườn.Thông báo về độ dốc sườn cũng được truyền đến đầu thu.
Sơ đồ khối:

Xung lấy
mẫu

Bộ nhớ xung

lâý mẫu và bộ
đanh giá
giá

x(n)

(n)

e(n)

Đến bộ
mã hóa

Lượng
tử hoá

Bộ dự
đoán
Thuật
toán
Logic

(n)
APB

Hình 2.5 Sơ đồ DPCM sử dụng bộ lượng tử thích ứng và dự đoán thích ứng
DPCM – APB - AQB
AQB: Thông tin về cỡ bước ∆ được tách ra từ trạng thái trước đó của bộ
lượng tử hóa. Không có trễ của đánh giá. Tạp âm lượng tử giảm đạt tính bám sát
mức và giảm đặc tính hơn nữa khi tăng kích cỡ của bước. Đây là hệ thống phi

tuyến có hồi tiếp và có thể không tránh khỏi vấn đề về sự ổn định. Các hệ thống
AQF đòi hỏi các khối đệm đắc tiền có cấu trúc phức tạp và cũng gây ra trễ, các
hệ thống DPCM ít phức tạp thường đùn các mạch AQB nên có lợi ở chỗ không
cần các bit ngoài để cung cấp thông tin về cỡ bước
7


Hoạt động của DPCM-APB-AQB với sơ đồ hình 2.5 cũng tương tự hình
2.4, chỉ khác là trong hình 2.5 đánh giá về độ dốc sườn được hình thành qua
khối algorithm logic.Trị số lượng tử đầu ra bộ lượng tử hóa được được đưa vào
khối 6.Mặt khác, trị số xung lượng tử x’(n) cũng đưa vào khối này.So sánh hai
giá trị đó, khối 6 đưa vào bộ dự báo tín hiệu điều khiển để thay đổi hệ số dự báo
ci.Ưu điểm của sơ đồ 2.5 là không phải truyền thông báo từ phát sang thu.
III. Ưu, nhược điểm của kỹ thuật ADPCM
Trong quá trình ADPCM, sau khi tín hiệu vào tương tự đã đi qua mã hóa
PCM thông thường, thì luồng các mẫu 8 bit được gửi tiếp tới bộ mã hóa
ADPCM.Trong bộ mã hóa này, một thuật toán chỉ với 15 mức lượng tử được sử
dụng để giảm độ dài từ 8 bit xuống 4 bit.4 bit này không biểu diễn thành biên độ
của mẫu nữa, nhưng nhờ có mã hóa vi sai mà 4 bit vẫn chứa đủ thông tin để cho
phép tín hiệu gốc sẽ được tái tạo ở bộ thu.
Mức của một mẫu được dự đoán dựa trên mức của mẫu đứng trước.Sự
khác nhau giữa mẫu dự đoán và thực tế là rất nhỏ.Vì vậy, có thể mã hóa bằng 4
bit.Nếu có vài mẫu tiếp theo thay đổi lớn, thì các bước lượng tử được thích ứng
như mô tả ở trên.
Khác biệt thích ứng xung mã điều chế (ADPCM) là một biến thể của vi
phân điều chế mã xung (DPCM) mà thay đổi kích thước của bước lượng tử hóa,
cho phép giảm hơn nữa của các bang thông dữ liệu cần thiết.
Thông thường, thích ứng với tín hiệu thống kê trong ADPCM chỉ đơn
giản bao gồm một yếu tố quy mô thích nghi trước khi lượng tử hóa sự khác biệt
trong bộ mã DPCM.

Các thuật toán ADPCM tận dụng cao tương quan giữa các mẫu biểu liên
tiếp,ncho phép các giá trị mẫu tương lai được dự đoán.Thay vì mã hóa các mẫu
biểu, ADPCM mã hóa sự khác biệt giữa một mẫu dự đoán và các mẫu
biểu. Phương pháp này cung cấp hơn nén hiệu quả với việc giảm số lượngbit
cho mỗi mẫu, chưa bảo toàn chất lượng tổng thể của tín hiệu.

KẾT LUẬN
Đề tài đã làm rõ một số khái niệm liên quan, cũng như đưa ra một số
phương pháp điều chế xung mã. Đề tài tập trung nghiên cứu về kỹ thuật
ADPCM. Giới thiệu về kỹ thuật ADPCM, làm rõ nguyên lý hoạt động. Trên cơ
sở nguyên lý hoạt động của kỹ thuật ADPCM, đưa ra một số ưu, nhược điểm
của kỹ thuật này.
8


TÀI LIỆU THAM KHẢO
2. Nguyễn Viết Kính – Trịnh Anh Vũ, Thông tin số, nxb. Giáo dục, 2007.
3. Báo cáo bài tập lớn, />
Phân công nhiệm vụ:

9