CÁC THAM số CHẤT LƯỢNG cơ bản của hệ THỐNG THÔNG TIN số

CÁC THAM SỐ CHẤT LƯỢNG CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ
Các yêu cầu cơ bản với HTTT số là nhanh chóng và chính xác. Hai yêu cầu này luôn
mâu thuẫn với nhau: muốn truyền tin chính xác thì phải chấp nhận giảm tốc độ truyền,
ngược lại truyền tin càng nhanh thì lỗi xảy ra càng lớn.
Các tham số cơ bản của HTTT số là độ chính xác và tốc độ truyền tin.
+ Tham số độ chính xác truyền tin được đánh giá qua tỷ lệ lỗi bit BER
+ Tốc độ truyền tin được đánh giá qua dung lượng kênh C
Gọi symbol thứ k có giá trị là Dk với thời gian tồn tại là Tk truyền từ đầu phát đến đầu
thu. Ở đầu thu tín hiệu được khôi phục lại có giá trị d với thời gian tồn tại là  k .
k

+ Nếu Dk  dk thì tín hiệu thứ k bị lỗi.
 k
+ Nếu Tk

thì tín hiệu thứ k bị trượt pha (jitter).

2.1. Tỷ số lỗi bít BER (Bit Error Ratio)
a. Khái niệm: BER là tỷ lệ giữa số bit nhận bị lỗi trên tổng số bit đã truyền trong 1 khoảng
thời gian quan sát nào đó. Khi thời gian quan sát tiến đến vô hạn thì BER tiến tới xác suất
lỗi bit
b. Công thức:
Trong đó:

Ne
Ne
BER = N t = D.t 0

Nt : là tổng số bít phát đi trong khoảng thời gian t0
Ne : là số bit thu bị lỗi trong khoảng thời gian t0
D: là tốc độ bít của luồng số tại thời điểm quan sát

t0 :là thời gian quan sát
Trường hợp lý tưởng (BER=0) thì hệ thống số không bị lỗi. Nhưng thực tế BER0,
nếu giá trị BER càng nhỏ thì chất lượng của hệ thống số càng cao và ngược lại.
Ở mỗi hệ
thống số cần có các chỉ tiêu BER khác nhau
- Tín hiệu thoại yêu cầu BER  10-6.
- Truyền số liệu hoặc truyền hình thì yêu cầu BER  10-9, thậm chí BER  10-12.
2.2. Jitter (Rung - trượt pha)
Nếu T  k thì tín hiệu thứ k được gọi là có jitter (rung pha). Khi thì được gọi là
k

jitter, tính theo % (Jitter được xem là lớn nếu lớn hơn 5%).

2.3. Dung lượng kênh truyền (C)


a. Khái niệm: Dung lượng kênh truyền là tốc độ truyền tin cực đại trên kênh. Tham số này
phụ thuộc vào băng tần truyền dẫn, mức độ tạp nhiễu... Dung lượng kênh truyền còn được
gọi là dung năng kênh.
b. Công thức:
C = B.log2 (1 + SNR) bps
Trong đó:
B : Độ rộng băng tần của kênh.
SNR : Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Điều mong muốn của một hệ thống số là tốc độ số R phải tiến tới giới hạn dung lượng
truyền dẫn C với xác suất lỗi BER nhỏ nhất (bằng 0). Thực tế không đạt được điều này mà
chỉ có thể giảm nhỏ BER đến một giá trị nào đó.
Nếu tốc độ phát tin của nguồn tin là R < C thì phương pháp truyền này có BER nhỏ
nhất. Ngược lại nếu tốc độ bản tin của nguồn tin R > C thì xác suất lỗi BER lớn nhất (tiến
dần tới 1).

Chú ý: khi tiến hành tính toán thông lượng kênh nếu SNR được cho dưới dạng
decibel (dB) thì trước khi tiến hành tính toán thông lượng kênh phải đổi đơn vị bằng cách sử
dụng công thức sau:


NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ SỐ HÓA TÍN HIỆU LIÊN TỤC

Số hóa tín hiệu

Mã hóa dạng sóng

Mã hóa nguồn
phát thanh

Mã hóa lai

1.1. Mã hóa dạng sóng
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 mẫu tín hiệu tiếng nói. Tiêu biểu là điều chế mã xung - PCM, có cơ sở là
định lý lấy mẫu.
1.2. Mã hóa nguồn phát thanh
Cơ sở của phương pháp mã hóa nguồn phát thanh là việc phân tích cơ quan phát
thanh của con người và quá trình tạo ra âm thanh tiếng nói. Cơ quan phát thanh của con
người bao gồm thanh huyền, hộp cộng hưởng hình thành từ khoang miệng và mũi. Thanh
huyền tạo ra các rung động khác nhau của luồng khí và 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. Quá trình
tạo ra âm thanh của con người có thể được mô hình hóa bằng 2 yếu tố chủ yếu:
- Các rung động chuẩn chu kỳ của thanh huyền tạo nên các rung động khác nhau của
luồng khí được mô hình hóa bởi một xung hoặc một chuỗi xung (đối với các âm hữu thanh)

hay một tạp âm (đối với các âm vô thanh), gọi chung là kích thích.
- Hộp cộng hưởng hình thành từ khoang miệng, mũi và sự biến đổi của môi, lưỡi
được mô hình hóa bằng một mạch lọc có tham số biến đổi.
Hiển nhiên tiếng nói hoàn toàn được xác định bởi các thông số của mạch lọc và các
thông số của kích thích. Mã hóa nguồn phát thanh là việc mã hóa các thông số kích thích và
lọc của mô hình tiếng nói thành chuỗi tín hiệu số. Thay vì truyền đi các chuỗi bit mã các giá
trị mẫu dạng sóng tiếng nói như trong phương pháp mã hóa dạng sóng đã nêu trên, các chuỗi
bit mã hóa các thông số của mô hình tạo tiếng nói được truyền đi trong mã hóa phương pháp
nguồn phát thanh. Tiếng nói điện tử được tái tạo lại ở phần thu nhờ các mạch điện tử thực
hiện tổng hợp tiếng nói dựa trên thông số kích thích và lọc nhận được.
1.3. Mã hóa lai
Các bộ mã hóa lai là sự kết hợp của 2 phương pháp mã hóa dạng sóng và mã hóa
nguồn phát thanh, trong đó mô hình lọc tiếng nói thì tương tự như mã hóa nguồn phát thanh,
còn tín hiệu kích thích lại được mã hóa theo phương pháp mã hóa dạng sóng.
Phần 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP SỐ HÓA TÍN HIỆU LIÊN TỤC
2.1. Phương pháp điều chế mã xung PCM


Quá trình số hóa tín hiệu được thực hiện theo quy trình 4 bước và có thể được mô tả
trên sơ đồ như sau:

- Bước 1: Lọc thấp nhằm hạn chế băng tần truyền dẫn của tín hiệu liên tục cần truyền.
Với tín hiệu thoại có giải 0,3-3,4kHz thường chọn mạch lọc có f c=4kHz (để không gây nên
méo thụ cảm rõ rệt trong quá trình thông thoại)
- Bước 2: Lấy mẫu, là rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian.
- Bước 3: Lượng tử hoá, là chia biên độ mẫu thành các mức sau đó lấy tròn biên độ
xung đến mức gần nhất.
- Bước 4: Mã hoá, là chuyển xung lượng tử thành từ mã có m bít.
2.1.1. Lấy mẫu

a. Khái niệm: Lấy mẫu là rời rạc hoá tín hiệu tương tự về mặt thời gian theo một qui luật
nhất định. Về ý nghĩa vật lý thì lấy mẫu là lấy ra những giá trị tức thời của tín hiệu tương tự
vào những thời điểm cách đều nhau.
Tín hiệu sau khi lấy mẫu là một dãy xung có biên độ được điều chế theo tín hiệu
tương tự, độ rộng xung và chu kỳ bằng xung lấy mẫu và được gọi là dãy xung PAM (Điều
chế biên độ xung - Pulse Amplitude Modulation).
Quá trình lấy mẫu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu liên tục với chuỗi xung
nhịp có tần số fs.

b. Cơ sở lấy mẫu
- Định lý Shannon: “Một tín hiệu liên tục theo thời gian X(t) có phổ hữu hạn từ F min
đến Fmax hoàn toàn khôi phục được từ các mẫu với tần số lấy mẫu f S lớn hơn hoặc bằng hai
lần tần số lớn nhất của tín hiệu liên tục: fS  2Fmax”


Nghĩa là tín hiệu X(t) chỉ có thể khôi phục một cách chính xác từ các mẫu nếu khoảng
cách giữa hai mẫu này thoả mãn: , TS gọi là chu kỳ mẫu.
Lưu ý: Trong định lý Shannon, trong trường hợp dấu “=” xảy ra thì người ta gọi là tốc
độ lấy mẫu Nyquist.
Việc chọn fS  2Fmax sẽ làm mở rộng băng tần chiếm của tín hiệu số, do vậy tần số lấy
mẫu phải chọn nhỏ nhất mà không gây méo tín hiệu.
Ví dụ: Tín hiệu thoại có F hd= (0.33.4)KHz , fS  2Fmax .suy ra fS  2*3.4 = 6.8 KHz.
Thường chọn fS =8KHz → Ts == 125 s. Có nghĩa là với tín hiệu điện thoại để máy thu thu
được chính xác tín hiệu đã phát thì trong một giây máy phát phải phát đi 8000 xung, mỗi
xung cách nhau 125s.
X(f)

-Fmax

f

Fm
ax
X(f)

fs=2Fmax (tốc độ
lấy mẫu Nyquist)
-2fs

-fs-Fmax

-fs

-Fmax

fs>2Fmax

-2fs

X(f)

-fs-Fmax

-fs

-Fmax

Fm
ax

Fm
X(f) ax

fs

fs+Fm
ax

fs

f

2fs

fs+Fm
ax

2fs

f

fs<2Fmax
-2fs-fs-Fmax -fs -Fmax

Fm fs
ax

fs+Fm2fs
ax

f

Trong thực tế, để đáp ứng yêu cầu chặt chẽ về băng tần hạn chế của tín hiệu lấy mẫu,
thông thường tín hiệu tương tự được cho qua bộ lọc thông thấp trước khi đưa vào lấy mẫu
nhằm gạt bỏ các thành phần tần số có thể gây biến dạng.
Do đó trong một số giáo trình và tài liệu người ta cho rằng số hóa tín hiệu theo
phương pháp PCM gồm có 4 bước là: lọc, lấy mẫu, lượng tử, mã hóa.
2.1.2. Lượng tử hóa:
a. Khái niệm: Lượng tử hóa là qui giá trị biên độ của các xung PAM về một giá trị hữu hạn
rồi thực hiện gán cho mỗi xung một số đo, các xung nằm trong cùng một khoảng đều mang
một số đo như nhau.
Thực chất lượng tử hóa là làm tròn giá trị xung, sau đó rời rạc hóa biên độ xung để
mỗi xung mang một giá trị thập phân.
Độ rộng của một khoảng biên độ được gọi là bước lượng tử (x)


Do việc làm tròn biên độ mẫu nên tồn tại sai số, ta gọi sai số đó là tạp âm (nhiễu)
Nhiễu lượng tử
lượng tử được ký hiệu là   x 
S(t)

7
6
5
4
3
2
1
0

t

b. Lượng tử đều
Lượng tử đều còn gọi là lượng tử tuyến tính, các bước lượng tử là một hằng số, các
mức lượng tử cách đều nhau
Xét một tín hiệu tương tự có biên độ trong khoảng (-x max  xmax) số mức lượng tử là n
(từ mức 0 đến mức n-1). Bước lượng tử có giá trị:
x 

2 xmax
x xmax
const 

n
2
n

Khi khôi phục tín hiệu tương tự từ các xung lượng tử ở bên thu sẽ có sự chênh lệch
giữa tín hiệu được khôi phục và tín hiệu gốc.
Sự chênh lệch này gọi là méo lượng tử hay tạp âm lượng tử, ký hiệu là (x). Gọi x(t)
là tín hiệu gốc; x*(t) là tín hiệu sau khi lượng tử hoá, ta có:
  x   x t   x  t 

Sai số lượng tử (x) chỉ xuất hiện khi có tín hiệu, nó được phân bố tuyến tính trong
mỗi bước lượng tử và được xác định trong khoảng:
x
 x
x
  x  
  x   max

2
2 =>
n

Chất lượng lượng tử hóa được đánh giá bằng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR: Signal
Noise Ratio). Giả thiết tín hiệu vào là ngẫu nhiên thì xác suất xuất hiện tín hiệu tại một trong
1
1
n mức là PK = n , xác suất xuất hiện tín hiệu trong phạm vi mỗi bước (x) là: P(xk) = x

(Đây chính là xác suất xuất hiện tạp âm lượng tử ở mỗi mức).
- Công suất tạp âm lượng tử:
x 2 1 x 2
Pq  Pqk .Pk  .
. 
n 12
k 0
k 0 12
n 1

n 1

Nhận xét: Trong phương pháp lượng tử đều x cố định nên công suất tạp âm là cố
định → SNR phụ thuộc vào biên độ tín hiệu gốc x(t), khi biên độ x(t) nhỏ thì SNR giảm và
kênh thoại có thể không khai thác được, khi x(t) lớn thì SNR tăng. Trong quá trình khai thác
kênh yêu cầu SNR ổn định trong cả dải động của tín hiệu. Mặt khác, muốn tăng SNR thì số


lượng mức lượng tử phải lớn, tức là các mức lượng tử xếp gần nhau hơn, kéo theo chiều dài
của từ mã tăng (số bit biểu diễn giá trị mức lượng tử tăng), về mặt kỹ thuật khó thực hiện.

Đây là nhược điểm cơ bản của lượng tử tuyến tính. Để khắc phục nhược điểm này
phải dùng phương pháp lượng tử không đều.
c. Lượng tử hóa không đều:
Lượng tử hóa không đều còn gọi là lượng tử phi tuyến, các bước lượng tử x không
bằng nhau và biến thiên theo quy luật của tín hiệu, khi biên độ tín hiệu lớn thì x lớn, khi
biên độ tín hiệu nhỏ thì x nhỏ.
Giả sử tín hiệu x được lượng tử với bước lượng tử x biến thiên theo biên độ của tín
hiệu: x = kx. Ta đi tìm hàm y = f(x) sao cho thực hiện lượng tử không đều với x. Khi x biến
thiên trong khoảng (- xmax  xmax) thì y biến thiên trong khoảng (- y max  ymax). Chia (- ymax 
ymax) thành n mức thì giá trị của bước lượng tử là:
y 

2 y max
n

Đặt X = x/xmax và Y = y/ymax
1
Y  .( nX  C0 ).
C

Thì ta có:
Chọn C = C0 = 1+ nA ; với A = 87,6 ta có:
 1  ln AX
 1  ln A
Y 
 AX
 1  ln A

1
 X 1

A
1
; 0 X 
A
;

(2)

Phương trình (2) biểu diễn luật nén dãn A (tiêu chuẩn Châu Âu).
Nếu chọn:
C = 1n(1 + )
C0 = 1n(1/X + ) ; với  = 255 ta có:
 n 1  X 

 n 1   
Y 
 n 1  X 
 n 1   


; 0  X 1
;  1  X 0

(3)

Phương trình (3) biểu diễn luật nén  (tiêu chuẩn Châu Mỹ).
Hai luật trên được gọi là luật mã hóa vì trong thực tế quá trình lượng tử được thực
hiện trong bộ mã hóa.
Từ phương trình (2) ta thấy đặc tuyến của bộ lượng tử gồm 2 phần: phần tuyến tính
(bên dưới) và phần logarit (bên trên).

Công suất tạp âm lượng tử:
y 2 max
Pq  Pqk .P x  .dx  2
3n

Trong đó:

2

 dx 
  P( x ) dx
 dy 

dx
C1 . X
dy
SNR 

Ps
3n 2

const
Pq C1 . y 2 max

Tỷ số tín trên tạp:
Tỷ số SNR cố định và bằng 33dB, bảo đảm chất lượng tốt trong điện thoại.
Như vậy với lượng tử phi tuyến, tỷ số tín/tạp không thay đổi, không phụ thuộc vào tín
hiệu vào, do đó ảnh hưởng của nhiễu đối với tín hiệu lớn hay nhỏ hoàn toàn giống nhau.

Đặc tính biểu diễn luật nén A và  gồm hai nửa đối xứng nhau qua gốc toạ độ. Hệ
X

x

Y

y

x max ; trục tung là
y max .
trục toạ độ gồm có trục hoành là
Đặc tính luật A và  có dạng đường cong logarit, nhưng nó được gần đúng hóa bằng
các đoạn thẳng nhằm thực hiện lượng tử không đều, với bước lượng tử nhỏ khi tín hiệu ở
mức thấp và bước lượng tử tăng dần khi mức tín hiệu tăng (bước lượng tử trong mỗi đoạn là
không đổi). Luật A có 13 đoạn, luật  có 15 đoạn.
Sau đây xét biểu diễn đặc tính của luật A


Toàn bộ đặc tính luật A được tuyến tính hoá bằng 13 đoạn thẳng gồm các đoạn: HG,
GF, FE, ED, DC, CB, BB', B'C', C'D', D'E', E'F', F'G', G'H' (riêng đoạn BB' gồm 4 đoạn con:
BA (đoạn I), OA (đoạn 0), OA ' (đoạn 0'), A'B' (đoạn I') có chung hệ số góc). Theo cách chia
này, hệ số góc (độ dốc) của các đoạn kế tiếp nhau hơn kém nhau 2 lần.
1
 3 2  1

   :
 8
Ví dụ: Hệ số góc của đoạn BC =  8 8   32 64 

Hệ số góc của các đoạn giảm dần, điều này cho thấy tín hiệu nằm trong một đoạn
không bị nén, khi chuyển từ đoạn nọ sang đoạn kia thì bị nén, biên độ tín hiệu vào càng lớn,
tín hiệu bị nén càng nhiều.
Các đoạn thẳng của đặc tuyến ứng với các giá trị trên trục Y và trục X như sau:
- Trục Y: Đặc trưng cho biên độ tín hiệu ra của bộ nén, chia làm 8 đoạn, được biểu
diễn bằng từ mã 3 bit. Trong mỗi đoạn có 16 mức, được biểu diễn bằng từ mã 4 bit. Tổng số
mức lượng tử phần dương trên đặc tuyến là 128 mức, cả phần âm là 256 mức, để phân biệt
được phần dương hay phần âm của tín hiệu phải cần một bit (bit dấu). Vậy tổng số bit trong
một từ mã là 8 bit (256 = 28).
- Trục X: Đặc trưng cho biên độ tín hiệu vào, chia thành 7 đoạn theo tỷ lệ logarit cơ
số 2, riêng đoạn BO có 32 mức, trong đoạn này tín hiệu không bị nén. Các đoạn CO có 64
mức; DO có 128 mức; EO có 256 mức;... và HO có 2048 mức (cả phần âm tổng cộng có
4096 mức tương ứng có 12 bit trong một từ mã: 4096 = 212).
Tóm lại, khi chưa nén, tín hiệu thoại được chia thành 4096 mức, sau khi nén (nếu
dùng luật nén A) thì chỉ còn 256 mức, tức là số bit trong một từ mã đã giảm từ 12 xuống còn
8 bit.
2.1.3. Mã hóa
Các mẫu xung đã được lượng tử chưa phù hợp để truyền dẫn vì khó có được các
mạch tái tạo xung có khả năng phân biệt được một số lượng lớn mức biên độ của các mẫu
cần cho tín hiệu tiếng nói (256 mức).
Ta có thể mã hóa giá trị các mức biên độ bằng tín hiệu điện thích hợp để truyền dẫn,
cụ thể là thay thế mỗi mẫu xung bằng một tập hợp các xung có mức biên độ nhỏ hơn. Mỗi
nhóm có N xung, có b mức thì có thể biểu diễn được b N mức biên độ xung lượng tử (tương
ứng với số đo của mẫu, có một từ mã đại diện cho số đo ấy). Xung nhị phân rất thuận tiện
cho truyền dẫn vì chúng dễ nhận biết và tái tạo.
Với luật nén A, tổng cộng có 256 mức, cần có 8 bit để biểu diễn.
Từ mã 8 bit
S
Bit dấu

A

B

C

Bit mã đoạn

W
Ư

X

Y

Z

Bit mã vị trí trong đoạn

Từ mã luật nén A


- Bit đầu tiên (bit S) là bit dấu (hay bit cực), bit này cho ta biết mẫu tín hiệu thuộc
phần dương hay âm.
+ Nếu mẫu tín hiệu thuộc phần âm thì bit S có giá trị bằng 0.
+ Nếu mẫu tín hiệu thuộc phần dương thí bit S có giá trị bằng 1.
- 3 bit (A, B, C) gọi là các bit mã đoạn, chúng cho biết chỉ số đoạn thẳng mà mẫu rơi
vào (dù mẫu là dương hay âm), được đánh số từ 0 đến VII.
+ Nếu mẫu rơi vào đoạn 0 thì giá trị 3 bit A, B, C là: 000
+ Nếu mẫu rơi vào đoạn I thì giá trị 3 bit A, B, C là: 001…

- 4 bit W, X, Y, Z cho biết vị trí của mẫu trên đoạn:
+ Nếu mẫu có vị trí 0 trên đoạn thì 4 bit W, X, Y, Z là: 0000
+ Nếu mẫu có vị trí 1 trên đoạn thì 4 bit W, X, Y, Z là: 0001
….
+ Nếu mẫu có vị trí 15 trên đoạn thì 4 bit W, X, Y, Z là: 1111
Như vậy bất kỳ mẫu tín hiệu nào sau mã hóa cũng được biểu diễn dưới dạng tổ hợp
mã nhị phân 8 bit.
Độ lớn của mỗi
Giới hạn dưới của Giới hạn trên của
bước lượng tử
Đoạn
Từ mã
đoạn (tính theo đoạn (tính theo
đều (tính theo số
thứ
SABCWXYZ
bước biên độ vào) bước biên độ vào)
bước biên độ lối
vào)
1
2048
4096
1111WXYZ
128
2
1024
2047
1110WXYZ
64
3

512
1023
1101WXYZ
32
4
256
511
1100WXYZ
16
5
128
256
1011WXYZ
8
6
64
127
1010WXYZ
4
32
63
1001WXYZ
2
0
31
1000WXYZ
2
7
-31
0

0000WXYZ
2
-63
-32
0001WXYZ
2
8
-127
-64
0010WXYZ
4
9
-255
-128
0011WXYZ
8
10
-511
-256
0100WXYZ
16
11
-1023
-512
0101WXYZ
32
12
-2047
-1024
0110WXYZ

64
13
-4096
-2048
0111WXYZ
128
Cách khác: Cho x là giá trị mẫu lượng tử cần mã hóa.


Khi đó: Bít dấu: S = 0 khi “-“; S = 1 khi “+”
ABC = a trong đó, (với
WXYZ = b trong đó:
Ví dụ: Cho giá trị mẫu lượng tử là -324Δ. Hãy mã hóa xung lượng tử trên bằng luật
mã hóa A 8 bit.
Giải: - Do x=-324Δ < 0 nên bit S=0.
- Tính a. => a=4. Vậy 3 bit mã đoạn ABC = 100
- Tính b. . Vậy b nhận 2 giá trị là b=4 hoặc 5. Tuy nhiên, nếu làm tròn lên
(lượng tử trên mức) thì mức nhiễu lượng tử sẽ là 5-4,25=0,75. Còn nếu làm tròn xuống
(lượng tử dưới mức) thì mức nhiễu lượng tử là 4,25-4=0,25. So sánh 2 giá trị nhiễu lượng tử
thì ta thấy làm tròn xuống sẽ có nhiễu lượng tử thấp hơn, do đó khi khôi phục tín hiệu đầu
thu sẽ bị nhiễu ít hơn, chất lượng tín hiệu sau khôi phục sẽ cao hơn. Vì vậy ta chọn giá trị
b=4 tương ứng với 4 bit WXYZ = 0100 là hợp lý nhất.
Khi đó, với giá trị mẫu lượng tử là -324Δ, sau khi mã hóa bằng luật mã hóa A 8 bit sẽ
cho ra chuỗi nhị phân là S ABC WXYZ = 0 100 0100.
2.2. Phương pháp điều chế mã xung vi sai DPCM
2.2.1. Nguyên lý chung: Tín hiệu đã được lấy mẫu cho thấy mức độ tương quan cao giữa
các mẫu kế cận. Hay nói cách khác, hai mẫu gần nhau là khá tương tự như nhau. Nghĩa là sẽ
có nhiều lợi ích nếu mã hoá sự khác nhau giữa các mẫu kế cận thay cho mã hoá giá trị tuyệt
đối của mỗi mẫu.
S(t)

0

t

S(t)

0

t

PCM vi sai có nhược điểm là nếu tín hiệu đầu vào tương tự mà thay đổi quá lớn giữa
các mẫu, thì nó không thể được biểu diễn bằng 4 bit mà sẽ bị cắt.
2.2.2. Sơ đồ khối hệ thống DPCM và nguyên lý hoạt động


Nguyên lý hoạt động
- Phần phát
Tín hiệu tương tự (ở đây ta xét tín hiệu thoại) sau khi qua bộ lọc thông thấp để hạn chế
băng tần từ 3,4KHz trở xuống, sau đó qua bộ lọc lấy mẫu là 8KHz. Xung lấy mẫu ở thời điểm
t0 được đưa vào đầu vào thứ nhất của bộ trừ. Đầu vào kia của bộ trừ là xung bậc thang của thời
điểm lấy mẫu, trước t0 một quãng thời gian là 125s (một chu kỳ lấy mẫu). Nghĩa là xung lấy
mẫu tại thời điểm t0 và xung hàm bậc thang tại thời điểm (t 0 - 125)s được đưa vào bộ trừ.
Đầu ra bộ trừ được hiệu số gọi là số gia U dương hoặc âm.
Số gia  U này được đưa vào khối lượng tử để lấy tròn thành số nguyên gần nhất.
Ví dụ: U = 1,6 sẽ được lấy tròn thành 2.
U = 1,3 sẽ được lấy tròn thành 1.
Sau khi lượng tử sẽ mã hóa thành từ mã tương ứng.
Trong PCM mã hóa giá trị tuyệt đối của xung lượng tử có nén bằng từ mã 7 bit,
còn trong DPCM giá trị lượng tử của số gia thường bé hơn giá trị tuyệt đối của các xung

bậc thang và xung lấy mẫu tạo ra số gia ấy. Chính vì vậy mà từ mã trong DPCM đã giảm
đi 2 lần (nghĩa là chỉ còn 4 bit), vì vậy tốc độ truyền cũng giảm đi 2 lần.
Phần phát có khối giải mã để chuyển từ mã DPCM thành số U tương ứng. Trị số
lượng tử của U ở mỗi thời điểm lấy mẫu trước đó được tích phân thành hàm bậc thang. Khi
giá trị lượng tử + U xuất hiện ở đầu vào bộ tích phân thì hàm bậc thang đi lên, ứng với U thì hàm bậc thang đi xuống.
- Phần thu
Tín hiệu DPCM từ đường dây đưa tới bộ giải mã để chuyển các từ mã thành số gia +
U tương ứng. Số gia này được đưa vào bộ tích phân để lặp lại hàm bậc thang có dạng gần
như đường cong tín hiệu tương tự. Bộ lọc nhánh thu tách đường bao của hàm bậc thang để
khôi phục lại tín hiệu tương tự.
2.3. Phương pháp điều chế Delta (DM)
Điều chế Delta là một loại điều chế mã xung vi sai (DPCM) trong đó mỗi từ mã chỉ
có một bit nhị phân. Ưu điểm của điều chế Delta so với các loại điều chế của hệ thống PCM
khác là các mạch đơn giản, dễ dàng chế tạo các bộ mã hóa bằng các mạch tích hợp chíp đơn.
Điều chế Delta là phương pháp mã hoá đơn giản nhất hiện nay vì từ mã chỉ có một bit nên
tần số lấy mẫu và tần số bit như nhau. Tuy nhiên, để phối hợp với các hệ thống có tốc độ bit
cao thông thường phải tăng dần tần số lấy mẫu một cách đáng kể.
a. Sơ đồ khối


b. Nguyên lý làm việc
- Phần phát: Trong phần phát, tín hiệu tương tự X (t) được hạn chế băng tần để lấy mẫu
tạo ra tín hiệu PAM (Xn), tín hiệu này được đem so sánh với trị số dự đoán X n (tức là với
bước lượng tử  tại thời điểm lấy mẫu trước đó một chu kỳ T x do đi qua bộ trễ). Độ chênh
lệch giữa chúng (en) được lượng tử thành một trong hai trị số biên độ + hoặc -. Bộ mã hóa
sử dụng một bit nhị phân cho một mẫu, nếu là + bộ mã cho ra bit +1, nếu là - cho ra bit
-1.
Kết quả là xung đầu ra phần phát là xung lưỡng cực.
- Phần thu: Ở phần thu bộ giải mã sẽ chuyển bit +1 thành + và bit -1 thành -. Bước
lượng tử hiện tại cộng với bước lượng tử trước đó một chu kỳ tạo mẫu là X n. Hàm bậc thang

này là hình ảnh của tín hiệu. Tín hiệu này được cho qua bộ lọc thấp để khôi phục lại hình
dạng sóng giống như dạng sóng ở đầu vào phần phát điều chế Delta.
S(t)

-

+

-

+

-

+

+

+

0
1

1

1

0

0

0

1

1

t

Với loại tín hiệu biến thiên nhanh thì việc sử dụng ít bit để mã độ chênh sẽ làm cho tín
hiệu mã hóa cách xa tín hiệu vào một khoảng lớn hơn kích thước bước lượng tử → gây ra
méo tín hiệu → Hiện tượng quá tải sườn
Nhiễu lượng tử hóa giảm nếu giảm kích thước bước, trong khi đó nhiễu quá tải theo độ
dốc sẽ giảm nếu tăng kích thước bước.
Để giữ cho 2 loại nhiễu này nằm trong phạm vi cho phép → DM lấy mẫu với tần số lấy
mẫu lớn hơn tần số lấy mẫu sử dụng trong PCM, DPCM.
Do vậy tuy giảm được độ dài từ mã nhưng ưu điểm chính của DM không phải là tiết
kiệm băng thông mà là giá thành thấp (do không cần sử dụng bộ mã hóa)
Để giữ cho cả hai nhiễu lượng tử hóa và nhiễu quá tải theo độ dốc nằm trong phạm vi
cho phép mà không tăng tần số lấy mẫu lên nhiều lần như trong DM → sử dụng kỹ thuật
DM thích nghi (ADM).


Kích thước bước thay đổi theo tín hiệu vào:
+ ∆ lớn khi có nhiễu quá tải theo độ dốc.
+ ∆ nhỏ khi có nhiễu lượng tử hóa.
III. Tốc độ và độ rộng băng tần
1. Tốc độ kênh số (R)
Tốc độ của một kênh thoại số là số bit (hoặc bội của nó) được truyền đi trong một
quãng thời gian nào đó.

R = m.fs
Trong đó:
m = log2n là số bit của 1 từ mã PCM.
n là số mức lượng tử.
fs là tần số lấy mẫu.
Ví dụ : Với kênh thoại có dải tần (0,3  3,4)KHz, tần số lấy mẫu được xác định
là 8KHz, tương ứng có chu kỳ của các mẫu là 125s. Điều này có nghĩa là trong quãng
thời gian 1 giây sẽ có 8000 mẫu được phát đi, nếu mỗi mẫu này được thay thế bằng một
từ mã 8 bit thì số bit được phát đi sẽ là:
8.103mẫu/giây x 8bit/mẫu = 64000bit/s = 64Kbit/s
Vậy một kênh thoại số tiêu chuẩn có tốc độ là 64Kbit/s.
2. Độ rộng băng tần (B)
Độ rộng băng tần B được xác định:
R m. f s
B� 
2
2

Khi tần số lấy mẫu bằng 8KHz, hệ thống có 256 mức lượng tử thì độ rộng băng tần
cực tiểu để truyền một kênh thoại là 32KHz. So với phương pháp truyền tín hiệu tương tự,
độ rộng dải tần là 3,1KHz, thì khi truyền tín hiệu số cần có băng tần lớn hơn gần 10 lần.
Để giảm nhỏ băng tần trước khi truyền trên kênh phải sử dụng phương pháp truyền
tín hiệu có nhiều trạng thái (nhiều mức).
Biểu thức dùng để xác định độ rộng băng tần khi truyền mã M mức là:
m. f s
B�
2.log 2 M