Néi dung:
- Giới thiệu các khái niệm chung của điều chế xung mã
(PCM) và hợp (ghép) kênh phân chia thời gian TDM.
1.1 Lý thuyÕt Các khái niệm:
Kỹ thuật hợp kênh (ghép kênh) đã đ−ợc phát triển để truyền thông tin từ nhiều nguồn khác nhau trên cùng một đ−ờng truyền.
Điều này đảm bảo một hiệu suất cao của các hệ thống truyền thông. Trên thực tế, các bộ ghép kênh có mặt trong tất cả các hệ thống truyền thông hiện đại.
Các kỹ thuật nổi tiếng nhất là ghép kênh phân chia tần số FDM cho các tín hiệu t−ơng tự và ghép kênh phân chia thời gian TDM cho tín hiệu số.
Bài này giải thích sự định dạng của TDM, với tín hiệu ban
đầu là tín hiệu tương tự, qua các bộ điều chế biên độ xung PAM và xung mã PCM.
Sơ đồ chức năng của sự chuyển đổi một tín hiệu tương tự thành tín hiệu số trình bày trên hình 1.1, trong khi hình 1.2 làm nổi bật sự chuyển đổi tín hiệu ở các giai đoạn khác nhau.
Hình 1.1- Chuyển đổi tương tự - số của tín hiệu s(t)
Tr−ớc tiên, tín hiệu s(t) qua một tầng chống nhiễu (lọc tần thấp); bộ lọc này có thể loại trừ tín hiệu và ảnh h−ởng tới quá trình xử lý tín hiệu sau này.
Sau đó, tín hiệu qua mạch lấy mẫu và giữ mẫu (Sample &
Hold). Phần lấy mẫu, chỉ có phần tín hiệu s(t) trong khoảng thời
gian ô và chu kỳ là T (gọi là chu kỳ lấy mẫu), đó là s(nT). Phần giữ
mẫu cho tín hiệu xung của tín hiệu sn(nT).
Tiếp theo là tầng biến đổi A/D bao gồm bộ l−ợng tử hoá và mã hoá. L−ợng tử hoá chỉ giá trị gần nhất có thể cho mã hoá tầng tiếp theo cho biên độ thực của tín hiệu.
Sự mã hoá n-bit có 2n mức.
Ví dụ trên hình 1.2 chỉ ra mã hoá 3 bit và cho 8 mức.
Bộ mã hoá tổ hợp một chuỗi các bit 0 và 1 với mỗi mẫu đ−ợc l−ợng tử hoá: chuỗi này sẽ đ−ợc chuyển thành dãy nối tiếp với bộ biến đổi song song thành nối tiếp tạo thành tín hiệu số sN.
Hình 1.2- Tín hiệu t−ơng tự s(t), tín hiệu lấy mẫu s(nT), tín hiệu giữ mẫu sH(nT), tín hiệu l−ợng tử s’H(nT), tín hiệu số sN (3-bit)
PAM:
Tín hiệu có hiệu lực ở lối ra của bộ lấy mẫu đ−ợc xem nh− là kết quả của sự điều chế biên độ hoặc xung mang, vì tín hiệu s(t)
điều biến tín hiệu của xung mang (trong khoảng ô): điều này gọi là điều chế biên độ xung (PAM).
PCM:
T−ơng tự, tín hiệu số sN có thể xem nh− là kết quả của bộ
điều chế mã, vì xung mang đ−ợc điều biến bởi mã của tín hiệu, và
đây là điều chế xung mã (PCM).
TDM:
Bởi các mẫu của một tín hiệu chỉ chiếm những khoảng thời gian xác định, các khoảng thời gian khác trống còn lại có thể dùng để truyền mẫu của các tín hiệu khác. Nh− vậy, thông tin
đến từ một số nguồn khác nhau có thể đ−ợc truyền trên cùng một đ−ờng truyền. Điều này gọi là ghép kênh phân chia thời gian (TDM) của tín hiệu PAM (hình 1.3 a) tín hiệu t−ơng tự, b) TDM của tín hiệu PCM).
Hình 1.3 - Ghép kênh phân chia thời gian TDM của tín hiệu PAM
Khung (Frame) bao gồm một bộ các xung đồng hồ cần thiết cho việc xây dựng lại tín hiệu đã gửi và tín hiệu PAM.
Một chút lịch sử, bộ ghép kênh ban đầu là bộ PAM-TDM thực hiện qua các linh kiện cơ học. Các bộ ghép kênh này ứng dụng cho tín hiệu tương tự, nó có đặc điểm của những tín hiệu tương tự đó là tính chống nhiễu kém. Và đó chính là lý do tại sao hiện nay chúng đ−ợc thay bằng PCM-TDM. Kỹ thuật này đ−ợc dùng để thực hiện với tín hiệu số, do đó nó có nhiều khả năng xử lý tín hiệu nh− dùng để tạo ra tín hiệu số.
Một byte bao gồm một số xác định các bit đ−ợc ứng với mỗi mẫu; số các bit phụ thuộc vào từng hệ thống (thông th−ờng, một byte bao gồm 8 bit).
Khung là một dãy các bit chứa ít nhất thông tin của một mẫu cho mỗi N tín hiệu, và một tập hợp dữ liệu cần thiết cho sắp xếp khung khi thu.
Tất cả những dữ liệu nh− vậy đ−ợc đặt trong cái gọi là từ sắp xếp khung (FAW) đó là tín hiệu đồng hồ cho bộ thu.
Khe thời gian (Ts) là đơn vị thời gian ngắn nhất chỉ tới một dữ liệu, mô tả một mẫu trong khung của nó. Do vậy, khung thời gian sẽ bằng hoặc ngắn hơn khoảng thời gian của một byte.
Kỹ thuật PCM-TDM có thể thực hiện bằng 2 cách: chèn bit và chÌn byte, h×nh 1.4.
Hình 1.4 - PCM-TDM: a) tín hiệu t−ơng tự
H×nh 1.4 - PCM-TDM: b) TDM chÌn bit, c) TDM chÌn byte.
Trong chèn bit, bộ ghép kênh sẽ lẫy mẫu bit tuần tự tại cùng một vị trí ở mỗi byte. Trong chèn byte, cần có một bộ đệm cho mỗi kênh; bộ đệm sẽ lưu byte và giải phóng nó toàn bộ ở tốc độ cao hơn. Nh− vậy, một byte sẽ đi qua bộ ghép kênh trong một thời gian và do vậy nó chậm hơn byte tr−ớc, modun thí nghiệm sử dụng cách chèn byte.
Định lý lấy mẫu:
Định lý lấy mẫu đ−ợc phát biểu là: Một tín hiệu t−ơng tự s(t) có thể biến đổi thành dãy các xung, với các giá trị là điện thế tức thời tại những khoảng thời gian không đổi bằng thời gian lấy mẫu (mét khung) víi chu kú
fM
2
T= 1 trong đó fM là tần số cực đại của tín hiệu.
Một mã PCM m bit đ−ợc dùng để truyền N tín hiệu điện thoại dùng TDM, chuỗi xung đồng bộ của tín hiệu sẽ chiếm giữ
một khoảng không gian t−ơng ứng với số kênh s, ta sẽ có các kết quả sau:
kHz 4
fM = tần số cực đại cho của kênh điện thoại (băng thô)
s f 125 2 T 1
M
à
=
= khoảng thời gian lấy mẫu (độ dài của khung) s
N Ts T
= + khoảng thời gian cho mỗi kênh (khe thời gian) T
Fc =m Tốc độ bit của kênh PCM
b b T
F = 1 tốc độ bit của lưu lượng PCM-TDM
Trong modul thí nghiệm, (N = 4, m = 8, s = 1) ta có các giá trị Ts = 25às, Tb = 3.125às, Fc = 64kbits, Fb = 320kbit/s
Khái niệm về các chuẩn: Cấp bậc của hệ thống PCM/TDM Nh− trong tín hiệu t−ơng tự, ghép kênh phân chia thời gian cũng đòi hỏi sự thiết lập cấu trúc về thứ bậc: các mức của chúng là sự tổ hợp của một số tín hiệu xác định của các mức thấp bắt đầu từ một mức cơ bản (mức 1, còn gọi là mức sơ cấp).
Bảng 1.1 và 1.2 trình bày cấp bậc của TDM theo chuẩn ITU-T châu Âu (còn gọi là CCITT) và chuẩn Bell (Bắc Mỹ, Nhật).
Bảng 1.1 Cấp TDM ITU-U
Số mức Số mạch tiếng nói Tốc độ Baud (Mbit/s) 1
2 3 4 5
30 120 480 1920 7680
2.048 8.448 34.368 139.246 565.148 Bảng 1.2 Cấp TDM Bell
Hệ Số mạch tiếng nói Tốc độ Baud (Mbit/s) T1
T2 T3 T4 T5
24 96 672 4032 8064
1.544 6.312 44.736 274.176 560.160
Khung của hệ sơ cấp đ−ợc định dạng nh− sau:
Với hệ ITU-U PCM/30-CEPT:
Khung gồm 32 khe thời gian, trong đó 30 khe dùng cho kênh
điện thoại. Khe đầu tiên, TS0 của mỗi khung chứa cấu hình của
đồng bộ khung, khe thứ 17 (TS16) dùng cho dịch vụ truyền. Các khung còn lại đ−ợc tổ chức thành nhóm 16 khung gọi là đa khung (h×nh 1.5).
Tốc độ bit của lưu lượng PCM/TDM là 2.048Mbit/s.
Hình 1.5 Cấu trúc khung và đa khung trong hệ PCM/30-CEPT
Với hệ BELL (T1):
Hình 1.6 - Cấu trúc khung của hệ T1
Khung bao chứa 24 khe thời gian dùng cho 24 mẫu tín hiệu tiếng 8bit, cộng với bit đồng bộ ban đầu (S-bit) nh− trên hình 1.6.
Đa khung gồm 12 khung đơn, tốc độ bit của lưu lượng PCM/TDM là 1.544Mbit/s.
3.2 Thực nghiệm
Chuẩn bị tr−ớc: Tháo tất cả các chốt cắm và bật các chuyển mạch về vị trí OFF.
- Tr−ớc khi thực hành, kiểm tra lại đ−ờng nguồn nuôi +12V, -12V và GND cho modul MCM32, chỉ bật nguồn sau khi đã kiểm tra là đúng.
- Thiết lập CODEC3 để dùng cho khe thời gian 3, nh− vậy nguồn tín hiệu 1kHz sẽ đ−ợc chèn vào khe thời gian thứ 3 của khung MPX. Để làm nh− vậy, đặt các công tắc của CODEC3 nh− sau:
CODEC SECTION DIP-SW SELECTION
3 TX 3 ON
- Kiểm tra LED xanh (nguồn tiếng t−ơng tự) ứng với vị trí TS3 xem có sáng không, và cả LED đỏ (xung tín hiệu trong TS0) ở trên phần chỉ thị khung.
- Chỉnh tất cả các chiết áp LEVEL và VOLUME về vị trí nhá nhÊt.
- Quan sát tín hiệu trên TP3 (tín hiệu t−ơng tự) và TP4 (tín hiệu TDM ra) bằng dao động ký sử dụng TP27 (TSt0) làm nguồn
đồng bộ.
- Kiểm tra việc tăng mức tín hiệu của chiết áp LEVEL và tác
động của nó tới tín hiệu đ−ợc chuyển thành PCM trong khe thời gian 3.
- Thiết lập CODEC3 cho hoạt động của các khe thời gian khác (1, 2 và 4), thay đổi các khoá tương ứng theo như bảng sau:
CODEC SECTION DIP-SW SELECTION
3 TX 1 ON
3 TX 2 ON
3 TX 4 ON
- Giữ nguyên dao động ký như trước và kiểm tra tín hiệu PCM đ−ợc đ−a vào các khe thời gian 1, 2 và 4 một cách tuần tự, và theo dõi LED xanh (nguồn tiếng t−ơng tự) t−ơng ứng với các vị trí khe trên phần hiển thị khung.
Q1 Tại sao các dữ liệu số đ−ợc chèn vào khe thời gian của khung TDM không đ−ợc hiển thị nh− là một dãy dữ liệu không đổi mà lại là một dữ liệu biến đổi liên tục?
a. Dao động ký không thể khoá đ−ợc tín hiệu, vì biên độ của nó quá thấp.
b. Tín hiệu vào đ−ợc xử lý theo một kỹ thuật biến tín hiệu ra số một cách liên tục, dù rằng tín hiệu vào đ−ợc giữ
không đổi.
c. Tín hiệu vào đ−ợc lấy mẫu chốc lát khi biên độ của nó không là hằng số, nh−ng biến đổi liên tục.
d. Tín hiệu PCM bị mã hoá đ−ờng tr−ớc khi chèn vào khung TDM.
Q2 Kỹ thuật ghép kênh đ−ợc dùng để:
a. Khôi phục lại đúng dữ liệu đã truyền.
b. Lấy mẫu một số xác định các tín hiệu riêng biệt cùng với nhau ở những chu kỳ cố định.
c. Để truyền nhiều tín hiệu trên cùng một đ−ờng truyền tại cùng thời gian.
d. Để truyền tín hiệu ở tốc độ rất cao.
Q3 Trong ghép kênh TDM
a. các khoảng tần số khác nhau chỉ định tín hiệu khác nhau b. Các khoảng thời gian giống nhau dùng cho các tín hiệu
khác nhau.
c. Các tín hiệu khác nhau đ−ợc nhân với nhau.
d. Các khoảng thời gian khác nhau chỉ định các tín hiệu khác nhau.
Q4 Thế nào là chèn byte?
a. Một kỹ thuật TDM cho phép các bit truyền nối tiếp,
đ−ợc chọn cho những tín hiệu khác nhau.
b. Kỹ thuật TDM sử dụng ghép kênh tốc độ chậm đối với chÌn bit.
c. Một kiểu biến đổi A/D tự ý thêm vào các bit để làm giảm lỗi l−ợng tử hoá.
d. Một kỹ thuật dùng trong khi thu để phục hồi lại đúng tín hiệu truyền.
Q5 Phát biểu nào sau đây về sự l−ợng tử hoá là đúng a. L−ợng tử hoá đ−ợc thực hiện bằng mạch lấy mẫu.
b. Nó đ−ợc thực hiện bên trong bộ biến đổi A/D.
c. Nó là phép đo cho biết chính xác biên độ của tín hiệu.
d. Nó là một hoạt động chỉ giá trị gần nhất biên độ của mẫu đ−ợc bộ mã hoá chấp nhận.
Q6 Biến một tín hiệu điện thoại với phổ tần số trong khoảng từ 0,3 đến 3,4kHz thành tín hiệu PCM. Giá trị nào của tần số lấy mẫu tuân theo định lý lấy mẫu.
a. lớn hơn 600Hz.
b. gấp hai lần phổ của tín hiệu, đó là 2x(3,4-0,3) = 6,2kHz.
c. lớn hơn 3,4kHz.
d. lớn hơn 6,8kHz.
Q7 Phát biểu nào sau đây nói đến kỹ thuật PCM-TDM, phát biểu nào là đúng.
a. Tín hiệu ra của bộ ghép kênh giống nh− kết quả từ kỹ thuật PAM-TDM nh−ng biên độ giới hạn trong khoảng từ 0 đến một giá trị cố định.
b. Kỹ thuật ghép kênh trơ với nhiễu hơn kỹ thuật PAM- TDM bởi vì nó thực hiện trên tín hiệu số, không phải tín hiệu t−ơng tự.
c. Nó đ−ợc dùng nhiều hơn kỹ thuật PAM-TDM, thực tế việc ghép kênh sau này phải đ−ợc thực hiện bằng cách chuyển mạch tốc độ cao trong khi ghép kênh PCM-TDM thực hiện trực tiếp bằng bộ chuyển đổi A/D do đó không cần bộ kênh cũng nh− tốc độ cao.
d. Nó là kết quả từ hoạt động sau: ban đầu tất cả các nguồn vào tương tự được ghép kênh, sau đó được lấy mẫu để thu đ−ợc dòng các tín hiệu số.