BÁO cáo bài tập lớn kỹ THUẬT hệ THỐNG VIỄN THÔNG kỹ THUẬT GHÉP KÊNHPHÂN KÊNH TDM

 Ghép kênh phân chia thời gian TDM là 1 kỹ thuật ghép kênh mà trong đó có 2 hoặc nhiều tín hiệu dữ liệu được truyền qua 1 kênh truyền chung trong các khe slots thời gian khác nhau.. Ghé

TÌM HIỂU TỔNG QUAN

G IỚI THIỆU

Trong lĩnh vực viễn thông, ghép kênh là quá trình kết hợp nhiều tín hiệu hoặc chuỗi dữ liệu thành một tín hiệu duy nhất để truyền tải hiệu quả hơn, tiết kiệm tài nguyên và nâng cao hiệu suất kênh truyền Thiết bị thực hiện chức năng này được gọi là bộ ghép kênh, trong khi đó, ở đầu thu, bộ tách kênh sẽ đảm nhiệm việc phân tách các kênh và chuyển đến đúng thiết bị nhận.

 Có 2 dạng ghép kênh cơ bản đó là TDM và FDM Trong báo cáo BTL này chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật ghép kênh TDM

Ghép kênh phân chia thời gian (TDM) là một kỹ thuật ghép kênh cho phép truyền tải hai hoặc nhiều tín hiệu dữ liệu qua một kênh chung bằng cách sử dụng các khe thời gian khác nhau Kỹ thuật này giúp tối ưu hóa băng thông và nâng cao hiệu suất truyền thông.

Ghép kênh phân chia thời gian (TDM) là phương pháp được áp dụng khi tốc độ truyền dữ liệu trong môi trường truyền lớn hơn nhu cầu của thiết bị thu phát.

 Ghép kênh phân chia thời gian (TDM) còn được gọi là Chuyển mạch kỹ thuật số (a digital circuit switched)

Trong báo cáo BTL này, nhóm chúng em chỉ mô phỏng loại TDM đồng bộ (Synchronous TDM), trong khi có hai loại TDM chính là TDM đồng bộ và TDM không đồng bộ (Statistical TDM).

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

Đ ẶC ĐIỂM

Synchronous TDM(TDM đồng bộ)

 TDM đồng bộ phân chia các khe (slot) cho từng ngõ vào (source) với thời gian bằng nhau

 Khe nào không có dữ liệu truyền thì khe đó bỏ trống

 Số khe thời gian bằng số ngõ vào

 Chiều dài của khung (frame:Các khe thời gian được nhóm thành khung) bằng số ngõ vào

 Các ngõ vào có cùng tốc độ bit

 Các kỹ thuật ghép kênh được sử dụng chủ yếu trong nền công nghiệp điện thoại :

Dịch vụ chuyển mạch analog (analog switched service) là hình thức gọi máy truyền thống, thường được sử dụng tại nhà Dịch vụ này sử dụng hai dây, hoặc trong một số trường hợp là bốn dây, kết nối máy điện thoại với mạng thông qua tổng đài qua cáp đôi xoắn.

Dịch vụ thuê kênh analog cung cấp cơ hội cho doanh nghiệp thuê đường dây, hay còn gọi là đường dây chuyên dụng, nhằm thiết lập kết nối thường trực với các thuê bao khác.

Telephone carriers offer a service known as conditioning, which aims to enhance the quality of phone lines affected by interference, unclear audio, distorted signals, and delays.

 Và nhiều ứng dụng khác,…

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG [SYNCHRONOUS TDM]

M Ô HÌNH TỔNG QUÁT

-Thời gian sử dụng đường truyền dẫn được chia thành các phần khác nhau gọi là các khe thời gian-Time Slot(TS)

-Truyền đưa tin từ các nguồn tin khác nhau được thực hiện trong các khe thời gian riêng biệt

Mỗi tín hiệu (TS) được sử dụng để truyền tải thông tin từ một nguồn đầu vào, có thể là một xung, một bit hoặc một nhóm bit Trong trường hợp nguồn tin đầu vào không có tín hiệu, một tín hiệu cố định đã được gán trước đó sẽ được sử dụng cho nhánh đó.

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

Chuyển mạch bộ phân phối được đặt tại các điểm đầu vào của nguồn tin từ 1 đến 3, nhằm kết nối với đường truyền trong các khe thời gian tương ứng từ 1 đến 3.

TDM PAM (Pulse – amplitude modulation/điều chế biên độ xung):

Điều chế biên độ (AM) là một phương pháp truyền tải thông tin bằng cách mã hóa dữ liệu trong biên độ của chuỗi xung Đây là một trong những dạng điều chế đơn giản, trong đó thông tin được truyền qua việc thay đổi biên độ của các xung điện theo thời gian đều đặn.

TDM PCM (Pulse Code Modulation):

PCM là một lược đồ số dùng để truyền dữ liệu tương tự, trong đó các tín hiệu được biểu diễn bằng nhị phân với hai trạng thái: logic 1 (cao) và logic 0 (thấp) Dù tín hiệu tương tự có dạng sóng phức tạp, PCM cho phép số hóa tất cả các dạng dữ liệu tương tự như video, thoại và nhạc.

Sau khi thực hiện quá trình lượng tử hóa và mã hóa, tín hiệu PCM-TDM được tạo ra Tại đầu thu, tín hiệu PAM-TDM được giữ nguyên như tín hiệu ở bên phát Các mẫu tín hiệu này sau đó được phân phối tới các đầu ra tương ứng.

Để thu PCM từ sóng tương tự tại nguồn phát, biên độ tín hiệu tương tự được lấy mẫu theo chu kỳ thời gian Tại đầu cuối thu, bộ giải điều chế mã xung chuyển đổi các số nhị phân trở lại thành xung.

Ghép kênh TDM Nhóm 10 sử dụng mức lượng tử tương đồng với bộ điều chế, cho phép xử lý các xung để phục hồi dạng sóng tương tự gốc.

Phía thu của bộ chuyển mạch phân phối thực hiện việc kết nối đường truyền dẫn với các bộ nhận tin thứ nhất, thứ hai và thứ ba theo thứ tự tương ứng tại các khe thời gian từ 1 đến 3.

Bộ phân phối phát và thu hoạt động đồng bộ, trong đó bộ phân phối phát thực hiện chức năng lấy mẫu các đầu vào theo thứ tự từ 1 đến 3 trong các khe thời gian tương ứng.

Để đảm bảo tín hiệu lối ra từ bộ phận phân phối phát thỏa mãn định lý lấy mẫu, các mẫu tín hiệu được ghép xen lần lượt, tạo thành tín hiệu PAM-TDM (fo>+) Tín hiệu này được thu nhận qua bộ phân phối và tại mỗi nhánh ra, các mẫu sẽ được xử lý qua bộ lọc thông thấp để tái tạo tín hiệu tương tự phù hợp với các đầu vào Sự đồng bộ trong TDM là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng tín hiệu.

- Bên phát và thu phải hoạt động đồng bộ với nhau (cùng nhịp) thì bên thu mới tách được dữ liệu trong luồng TDM tới

- Trong hệ thống TDM có 2 yêu cầu về đồng bộ: đồng bộ bít và đồng bộ khung Thông số đánh giá:

SNR được định nghĩa là tỷ số giữa công suất tín hiệu và công suất nhiễu, thường được biểu thị bằng decibel

Các phép đo trong hệ thống điều chế

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của kênh được đưa ra bởi:

Trong đó W là băng thông và là chỉ số điều chế

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đầu ra (của máy thu AM) được cho bởi:

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

Tỷ lệ lỗi bit (BER) là chỉ số đo lường hiệu suất truyền thông, thể hiện số lượng lỗi bit xảy ra trên một đơn vị thời gian Cụ thể, BER được tính bằng cách chia tổng số lỗi bit cho tổng số bit được truyền trong khoảng thời gian nghiên cứu Thước đo này không có đơn vị và thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm, giúp đánh giá độ tin cậy của hệ thống truyền thông.

Xác suất lỗi bit là giá trị mong đợi của tỷ lệ lỗi bit, có thể được xem như một ước tính gần đúng cho xác suất này Ước tính trở nên chính xác hơn khi được áp dụng trong khoảng thời gian dài và với số lượng lỗi bit lớn.

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT

3.1.1 Điều chế biên độ xung PAM (Pulse Amplitude Modulation)

PAM: là kĩ thuật điều chế trong đó biên độ chuỗi xung chữ nhật được tỉ lệ với biên độ của tín hiệu tương tự m(t)

PAM có hai phương pháp lấy mẫu: lấy mẫu tự nhiên (natural sampling) và lấy mẫu bằng (flat top sampling)

Lấy mẫu tự nhiên là quá trình kết hợp tín hiệu tương tự ban đầu với các xung lấy mẫu, tạo ra tín hiệu lấy mẫu có hình dạng tương tự như tín hiệu gốc.

Lấy mẫu tín hiệu tương tự ban đầu kết hợp với các xung lấy mẫu, tạo ra xung lấy mẫu có biên độ tương ứng với biên độ của tín hiệu tương tự tại thời điểm lấy mẫu.

3.1.1.2 Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

+ Lowpass filter- Bộ lọc thông thấp: giữ lại tín hiệu ở khoảng tần số thấp (loại bỏ hiện tương aliasing)

+ Pluse generator: bộ phát xung lấy mẫu

+ Pulse reshaping circuit: làm phẳng biên độ tín hiệu

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

3.1.1.3 Đánh giá: Ưu điểm: PAM là phương pháp điều chế đơn giản nhất và dễ thực hiện

+ Yêu cầu băng thông lớn (BW > 2fmax và BW >> fm)

+ Yêu cầu công suất phát khác nhau do biên độ thay đổi

+ Ít miễn dịch với nhiễu do biên độ có thể bị thay đổi trong quá trình điều chế

3.1.2 Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)

PWM: kĩ thuật điều chế trong đó độ rộng xung của sóng mang tỷ lệ với tín hiệu tương tự được đem điều chế

3.1.2.2 Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật

+ Sawtooth generator: bộ phát xung răng cưa

+ Op-amp: chức năng so sánh

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

+ Miễn nhiễm với nhiễu tốt hơn PAM

+ Quá trình truyền tải và và tiếp nhận không yêu cầu đồng bộ

+ Quá trình giải điều chế từ tín hiệu PWM bóp méo có phần dễ hơn

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

+ Do sự thay đổi của độ rộng xung nên chú ý công suất truyền tải

+ Yêu cầu băng thông lớn hơn PAM

3.1.3 Điều chế vị trí xung PPM (Pulse Position Modulation)

PPM: Kĩ thuật điều chế cho phép thay đổi vị trí xung của tín hiệu điều chế theo biên độ của tín hiệu được lấy mẫu

3.1.3.2 Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật

+ Monostable multivibrator: khối đa hài một trạng thái ổn định (tạo xung khi được kích hoạt trạng thái)

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

PPM, giống như PWM, có khả năng miễn dịch tiếng ồn tốt hơn so với PAM Lý do cho điều này là thông tin được mã hóa dựa trên vị trí của các xung thay vì biên độ.

+ Vì biên độ và chiều rộng của các xung vẫn không đổi Do đó, công suất truyền tải cũng không đổi và không hiển thị biến thể

+ Phục hồi tín hiệu PPM từ PPM bị bóp méo là khá dễ dàng

+ Nhiễu do tiếng ồn ở mức tối thiểu hơn PAM và PWM

+ Yêu cầu sự đồng bộ hóa giữa máy thu và máy phát

+ Yêu cầu băng thông lớn

3.1.4 Ghép kênh/phân kênh TDM

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10 3.1.4.2 Phân kênh TDM

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

+ Có thể sử dụng cả với tín hiệu số và tín hiệu tương tự

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

+ Giao thoa giữa các tín hiệu ở mức nhỏ hoặc không đáng kể

+ Mạch điện sử dụng đơn giản

+ Tín hiệu truyền đi không nhất quán về thời gian  Khắc phục bằng cách sử dụng bit khung

+ Cần đồng bộ thời gian thu phát giữa trạm gốc và thiết bị di động

+ Yêu cầu tốc độ truyền cao, tối thiểu lớn hơn số bit đầu vào

+ Để hạn chế nhiễu thì yêu cầu độ rộng băng thông phải lớn

+ TDM đồng bộ: Khi không có tín hiệu khe thời gian bị trống dẫn đến lãng phí băng thông

3.2.1 Điều chế biên độ xung PAM

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

3.2.2 Điều chế độ rộng xung PWM

3.2.3 Điều chế vị trí xung PPM

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

3.2.4.1 Code import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np from scipy import signal from pylab import *

# n = int(input('Enter the quantity of input signal ='))

To implement a Pulse Amplitude Modulation (PAM) system, start by defining the carrier signal frequency (fc) and the amplification coefficient (ac) Next, input the frequencies (fm1, fm2, fm3) and amplitudes (am1, am2, am3) for three distinct message signals This setup allows for the effective modulation of multiple message signals through a single carrier wave, optimizing signal transmission in communication systems.

# Time fmin = min (fm1, fm2, fm3) t = np.linspace(0, 4/fmin, num = int(4/fmin*(100*fc))) t_tdm = np.linspace(0, n*4/fmin, num = n*int(4/fmin*(100*fc)))

The formulas for generating various signals are as follows: The first signal, m1, is defined by the equation m1 = am1 * np.cos(2 * np.pi * fm1 * t), while the second signal, m2, is represented as m2 = am2 * np.sin(2 * np.pi * fm2 * t) The third signal, m3, incorporates a sawtooth waveform, expressed as m3 = am3 * (0.5 * signal.sawtooth(2 * np.pi * fm3 * t, 0.5) + 0.5) Additionally, the carrier signal, mc, is formulated as mc = ac * (0.5 * signal.square(2 * np.pi * fc * t, 0.5) + 0.5) Lastly, the time-division multiplexed carrier signal, mc_tdm, is calculated using the equation mc_tdm = ac * (0.5 * signal.square(2 * np.pi * fc * t_tdm, 0.5) + 0.5).

The TDM (Time Division Multiplexing) signal is created by reshaping a NumPy array to accommodate multiple input signals Initially, a signal array `sig` is generated with dimensions corresponding to the number of signals (n) and the length of the time vector (len(t)) Each input signal, m1, m2, and m3, is assigned to the corresponding row of the `sig` array Finally, the `sig` array is reshaped into a single-column array, `tdm`, to facilitate further processing in a columnar format.

"""" tdm_s = np.arange(n*len(t), dtype = float).reshape(n*len(t), 1) period_sam = len(t_tdm)/(fc*n*4/fmin) on_samp = ceil(period_sam * 0.5) def ind(i):

The TDM channel merging process involves checking if the current index is less than the sampling period; if so, it returns 0 If the index is a multiple of the sampling period, it returns the index itself Otherwise, it returns the index adjusted to the nearest multiple of the sampling period This logic is applied for each index in the specified range, updating the mc_tdm array with values from the tdm array accordingly.

# Show pam1 = m1*mc pam2 = m2*mc pam3 = m3*mc pam = tdm*mc_tdm

In this article, we present a comprehensive visualization of multiple signals using Matplotlib The figure is organized into a 2x2 grid, where the first subplot displays 'Signal 1' with amplitude plotted against time The second subplot illustrates 'Signal 2', followed by 'Signal 3' in the third subplot, each with appropriate titles and axis labels Finally, the fourth subplot showcases the 'Carrier signal', completing the visual representation of the signals over time This structured approach enhances the clarity and understanding of signal behaviors in the analysis.

# fig2, ax2 = plt.subplots(2,2) plt.subplot(2, 2, 1) plt.plot(t, pam1) plt.title('Signal 1 PAM') plt.xlabel('Time ') plt.ylabel('Amplitude ')

Trong bài viết này, chúng ta sẽ ghép kênh và phân kênh TDM cho Nhóm 10 Đầu tiên, chúng ta sử dụng lệnh plt.subplot(2, 2, 2) để hiển thị tín hiệu 2 PAM, với tiêu đề 'Signal 2 PAM', nhãn trục x là 'Time' và nhãn trục y là 'Amplitude' Tiếp theo, lệnh plt.subplot(2, 2, 3) được sử dụng để hiển thị tín hiệu 3 PAM, với tiêu đề 'Signal 3 PAM', nhãn trục x là 'Time' và nhãn trục y là 'Amplitude'.

# fig3, ax3 = plt.subplots(1,1) plt.plot(t_tdm, tdm) plt.title('PAM-TDM') plt.xlabel('Time ') plt.ylabel('Amplitude ') plt.show()

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

Khi thực hiện mô phỏng, có nhiều biến số ảnh hưởng đến kết quả, trong đó tần số sóng mang fc và tần số lấy mẫu của hàm np.linspace() là hai yếu tố quan trọng nhất.

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10

Kết quả mô phỏng sóng mang với tần số fc = 20 và fs P cho thấy rằng do tần số lấy mẫu quá nhỏ, sóng mang không duy trì được hình dạng ban đầu, dẫn đến sự xuất hiện của những đầu nhọn thay vì hình vuông.

Tần số sóng mang có vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác của hàm số sau khi khôi phục, trong khi tần số lấy mẫu lại ảnh hưởng đến cả độ chính xác của sóng mang lẫn tín hiệu đầu vào Để đạt được mô phỏng chính xác, tần số sóng mang và tần số lấy mẫu cần phải được thiết lập ở mức cao Tuy nhiên, tần số sóng mang không được vượt quá tần số lấy mẫu, vì điều này sẽ dẫn đến hiện tượng chồng lấn.

Sau đây là minh họa trường hợp fc = fs

Có thể dễ dàng quan sát được khi này fc’= 1Hz

Ghép kênh/phân kênh TDM Nhóm 10