Giáo trình Truyền dữ liệu - Mã hóa và điều chế

________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 1 $ CHƯƠNG 2 Mà HÓA VÀ ĐIỀU CHẾ “ PHỔ TẦN CỦA TÍN HIỆU – Phổ tần gián đoạn – Phổ tần liên tục “ Mà HÓA – Các dạng mã phổ biến – Kỹ thuật ngẫu nhiên hóa “ ĐIỀU CHẾ – Biên độ – Góc – Xung Trong truyền thông, tin tức và dữ liệu là tất cả những gì cần trao đổi, chúng có thể là tiếng nói, hình ảnh, tập hợp các con số, các ký hiệu, các đại lượng đo lường . . . được đưa vào máy phát để phát đi hay nhận được ở máy thu. Tín hiệu chính là tin tức đã được xử lý để có thể truyền đi trên hệ thống thông tin. Việc xử lý bao gồm chuyển đổi, mã hóa và điều chế. Chuyển đổi là biến các tin tức dưới dạng không điện thành ra tín hiệu điện. Mã hóa là gán cho tín hiệu một giá trị nhị phân và đặc trưng bởi các mức điện áp cụ thể để có thể truyền trên kênh truyền và phục hồi ở máy thu. Điều chế là dùng tín hiệu cần truyền để làm thay đổi một thông số nào đó của một tín hiệu khác, tín hiệu này thực hiện nhiệm vụ mang tín hiệu cần truyền đến nơi thu nên được gọi là sóng mang (carrier wave). Mục đích của sự điều chế là dời phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác thích hợp với tính chất của đường truyền và nhất là có thể truyền đồng thời nhiều kênh cùng một lúc (đa hợp phân tần số). Chương này đề cập đến sự điều chế và mã hóa. Nhưng trước tiên, chúng ta cần nhắc lại một số tính chất của tín hiệu qua việc phân tích tín hiệu không sin thành tổng của các tín hiệu hình sin và lưu ý đến mối quan hệ tần số-thời gian của tín hiệu. 2 . 1 phổ tần của tín hiệu Trong một hệ thống thông tin tồn tại 3 dạng tín hiệu với phổ tần khác nhau: - Loại thứ nhất là các tín hiệu có tính tuần hoàn có dạng hình sin hoặc không. Một tín hiệu không sin là tổng hợp của nhiều tín hiệu hình sin có tần số khác nhau. Kết quả này có được bằng cách dùng chuỗi Fourier để phân tích tín hiệu. - Loại thứ hai là các tín hiệu không có tính tuần hoàn mà có tính nhất thời (thí dụ như các xung lực), loại tín hiệu này được khảo sát nhờ biến đổi Fourier. - Loại thứ ba là tín hiệu có tính ngẫu nhiên, không được diễn tả bởi một hàm toán học nào. Thí dụ như các loại nhiễu, được khảo sát nhờ phương tiện xác suất thống kê. Các loại tín hiệu, nói chung, có thể được xét đến dưới một trong hai lãnh vực : - Lãnh vực thời gian: Trong lãnh vực này tín hiệu được diễn tả bởi một hàm theo thời gian, hàm này cho phép xác định biên độ của tín hiệu tại mỗi thời điểm. - Lãnh vực tần số : Trong lãnh vực này người ta quan tâm tới sự phân bố năng lượng của tín hiệu theo các thành phần tần số của chúng và được diễn tả bởi phổ tần. Trong giới hạn của môn học, chúng ta chỉ đề cập đến hai loại tín hiệu đầu. __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 2 2.1.1 Phổ tần gián đoạn Tín hiệu có tính tuần hoàn đơn giản nhất là tín hiệu hình sin v(t) = Vm sin ( ωt + φ ) = Vmsin ( 2πft + φ ) Tín hiệu này có phổ tần là một vạch duy nhất có biên độ Vm tại tần số f (H 2.1) (H 2.1) Các dạng tín hiệu tuần hoàn khác có thể phân tích thành tổng các tín hiệu hình sin, như vậy phổ tần của chúng phức tạp hơn, gồm nhiều vạch ở các tần số khác nhau. Tín hiệu thường gặp có dạng hình chữ nhựt mà bởi phép phân tích thành chuỗi Fourier ta thấy phổ tần bao gồm nhiều vạch ở các tần số cơ bản f và các họa tần 3f, 5f, 7f .... (H 2.2). (a) (b) (H 2.2) Tín hiệu (H 2.2.a) phân tích thành chuỗi Fourier: v = .....)cos7ω 7 1cos5ω 5 1cos3ω 3 1(cosω4V tttt −+−π . Với ω = 2π / T = 2π f T & f lần lượt là chu kỳ và tần số của tín hiệu chữ nhựt. Lưu ý , nếu dời tín hiệu (H 2.2.a) lên một khoảng V theo trục tung thì phổ tần có thêm thành phần một chiều (H 2.3) (a) (H 2.3) (b) v = V + .....)t7 7 1t5 5 1t3 3 1t(4 ω−ω+ω−ωπ coscoscoscos V Xét trường hợp chuỗi xung chữ nhựt với độ rộng τ << T , ta có tín hiệu và phổ ở (H 2.4). __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 3 v= .....)cos3ω 3x sin3xcos2ω 2x sin2xcosω x sinx( T 2V T V tttττ +++ với x = πτ / T (a) (H 2.4) (b) Phổ tần trong trường hợp τ = 0,1T Nhận thấy biên độ của họa tần thứ n xác định bởi Vn = nx sinnx T 2Vτ (H 2.4.b) là phổ tần của tín hiệu (H 2.4.a) cho trường hợp τ = 0,1 T. Trong trường hợp này tần số đầu tiên của tín hiệu có biên độ đạt trị 0 là 10f. Nếu xem băng thông BW của tín hiệu là khoảng tần số mà biên độ tín hiệu đạt giá trị 0 đầu tiên (vì năng lượng tín hiệu tập trung trong khoảng tần số này) ta có: BW xác định bởi: sin(nx) = 0 nx = π ⇒ nπτ / T = π ⇒ n / T = 1/τ hay BW = nf = n/T = 1/τ 2.1.2 Phổ tần liên tục Đối với chuỗi xung ở trên khi T càng lớn khoảng cách phổ vạch càng thu hẹp lại và khi T → ∞, chuỗi xung trở thành một xung duy nhất và phổ vạch trở thành một đường cong liên tục có dạng bao hình của biên độ phổ trước đây (H 2.5). Đường cong xác định bởi: V(f) = Vτ ⏐ πfτ πfτsin ⏐ (a) (b) (H 2.5) 2.2. Mã hóa Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cách đơn giản là gán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một trị khác cho mức logic còn lại. Tuy nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo mã phải dựa vào một số tính chất sau: __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 4 - Phổ tần của tín hiệu: Nếu tín hiệu có chứa tần số cao thì băng thông của tín hiệu và của hệ thống phải rộng Nếu tín hiệu có thành phần DC có thể gây khó khăn trong ghép nối, thí dụ không thể ghép tín hiệu có thành phần DC qua biến thế và kết quả là không cách ly điện được. Trong thực tế, sự truyền thông xấu nhất ở các cạnh của băng thông. Vì các lý do trên, một tín hiệu tốt phải có phổ tần tập trung ở giữa một băng thông không quá rộng và không nên chứa thành phần DC. - Sự đồng bộ Thường máy thu phải có khả năng nhận ra điểm bắt đầu và kết thúc của một bit để thực hiện sự đồng bộ với máy phát. Nên nhớ là trong chế độ truyền đồng bộ, máy phát và thu không tạo ra xung đồng hồ riêng rẻ mà máy thu phải phục hồi xung này từ chuỗi dữ liệu phát để sử dụng. Như vậy tín hiệu truyền phải tạo điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ ẩn trong chuỗi dữ liệu, cụ thể là phải thường xuyên có sự biến đổi giữa các mức của tín hiệu. - Khả năng dò sai Độ tin cậy trong một hệ thống thông tin số là rất cần thiết do đó máy thu phải có khả năng dò sai để sửa chữa mà việc này có thực hiện dễ dàng hay không cũng tùy vào dạng mã. - Tính miễn nhiễu và giao thoa Các dạng mã khác nhau cho khả năng miễn nhiễu khác nhau. Thí dụ mã Bipolar-AMI là loại mã có khả năng phát hiện được nhiễu. - Mức độ phức tạp và giá thành của hệ thống Các đặc tính này của hệ thống cũng tùy thuộc vào dạng mã rất nhiều 2.2.1 Các dạng mã phổ biến Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho các mục đích khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất nói trên (H 2.6) - Nonreturn - to - zero - Level (NRZ - L) 0 = mức cao 1 = mức thấp Đây là dạng mã đơn giản nhất, hai trị điên thế cùng dấu (đơn cực) biểu diễn hai trạng thái logic. Loại mã này thường được dùng trong việc ghi dữ liệu lên băng từ, đĩa từ . . . . - Nonreturn - to - zero inverted (NRZI) 0 = chuyển mức điện thế ở đầu bit 1 = không chuyển mức điện thế ở đầu bit __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 5 (H 2.6) NRZI là một thí dụ của mã vi phân: sự mã hóa tùy vào sự thay đổi trạng thái của các bit liên tiếp chứ không tùy thuộc vào bản thân bit đó. Loại mã này có lợi điểm là khi giải mã máy thu chỉ cần dò sự thay đổi trạng thái của tín hiệu thì có thể phục hồi dữ liệu thay vì phải so sánh tín hiệu với một trị ngưỡng để xác định trạng thái logic của tín hiệu đó. Kết quả là các loại mã vi phân cho độ tin cậy cao hơn. - Bipolar - AMI 0 = không tín hiệu (hiệu thế = 0) 1 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 1 liên tiếp - Pseudoternary 0 = hiệu thế âm hoặc dương, luân phiên thay đổi với chuỗi bit 0 liên tiếp 1 = không tín hiệu (hiệu thế = 0) Hai loại mã có cùng tính chất là sử dụng nhiều mức điện thế để tạo mã (Multilevel Binary), cụ thể là 3 mức: âm, dương và không. Lợi điểm của loại mã này là: - Dễ tạo đồng bộ ở máy thu do có sự thay đổi trạng thái của tín hiệu điện mặc dù các trạng thái logic không đổi (tuy nhiên điều này chỉ thực hiện đối với một loại bit, còn loại bit thứ hai sẽ được khắc phục bởi kỹ thuật ngẫu nhiên hóa) - Có điều kiện tốt để dò sai do sự thay đổi mức điện thế của các bit liên tiếp giống nhau nên khi có nhiễu xâm nhập sẽ tạo ra một sự vi phạm mà máy thu có thể phát hiện dễ dàng. Một khuyết điểm của loại mã này là hiệu suất truyền tin kém do phải sử dụng 3 mức điện thế . - Manchester 0 = Chuyển từ cao xuống thấp ở giữa bit 1 = Chuyển từ thấp lên cao ở giữa bit - Differential Manchester Luôn có chuyển mức ở giữa bit 0 = chuyển mức ở đầu bit 1 = không chuyển mức ở đầu bit Hai mã Manchester và Differential Manchester có cùng tính chất : mỗi bit được đặc trưng bởi hai pha điện thế (Biphase) nên luôn có sự thay đổi mức điện thế ở từng bit do đó tạo __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 6 điều kiện cho máy thu phục hồi xung đồng hồ để tạo đồng bộ. Do có khả năng tự thực hiện đồng bộ nên loại mã này có tên Self Clocking Codes. Do mỗi bit được mã bởi 2 pha điện thế nên vận tốc điều chế (Modulation rate) của loại mã này tăng gấp đôi so với các loại mã khác, cụ thể , giả sử thời gian của 1 bit là T thì vận tốc điều chế tối đa (ứng với chuỗi xung 1 hoặc 0 liên tiếp) là 2/T 2.2.2 Kỹ thuật ngẫu nhiên hóa (Scrambling techniques) Để khắc phục khuyết điểm của loại mã AMI là cho một mức điện thế không đổi khi có một chuỗi nhiều bit 0 liên tiếp, người ta dùng kỹ thuật ngẫu nhiên hóa. Nguyên tắc của kỹ thuật này là tạo ra một sự thay đổi điện thế giã bằng cách thay thế một chuỗi bit 0 bởi một chuỗi tín hiệu có mức điện thế thay đổi, dĩ nhiên sự thay thế này sẽ đưa đến các vi phạm luật biến đổi của bit 1, nhưng chính nhờ các bit vi phạm này mà máy thu nhận ra để có biện pháp giải mã thích hợp. Dưới đây giới thiệu hai dạng mã đã được ngẫu nhiên hóa và được dùng rất nhiều trong các hệ thông tin với khoảng cách rất xa và vận tốc bit khá lớn: - B8ZS : là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 8 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 8 bit có cả bit 0 và 1 với 2 mã vi phạm luật đảo bit 1 - Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung dương, các bit 0 này được thay thế bởi 000 + - 0 - + - Nếu trước chuỗi 8 bit 0 là xung âm, các bit 0 này được thay thế bởi 000 - + 0 + - Nhận xét bảng mã thay thế ta thấy có sự vi phạm luật đảo bit ở 2 vị trí thư 4 và thứ 7 của chuỗi 8 bit. - HDB3 : là mã AMI có thêm tính chất: chuỗi 4 bit 0 liên tục được thay bởi một chuỗi 4 bit có cả bit 0 và 1 với 1 mã vi phạm luật đảo bit 1 Sự thay thế chuỗi 4 bít của mã HDB3 còn theo qui tắc sau: Cực tính của xung trước đó Số bít 1 từ lần thay thế cuối cùng Lẻ chẵn - + 000- +00+ 000+ -00- Sự vi phạm luật đảo bit xảy ra ở bit thứ 4 trong chuỗi 4 bit. Ngoài ra hệ thống Telco còn có hai loại mã là B6ZS và B3ZS dựa theo qui luật sau: - B6ZS: Thay chuỗi 6 bit 0 bởi 0 - + 0 + - hay 0 + - 0 - + sao cho sự vi phạm xảy ra ở bit thứ 2 và thứ 5 - B3ZS: Thay chuỗi 3 bit 0 bởi một trong các chuỗi: 00 +, 00 -, - 0 - hay + 0 +, tùy theo cực tính và số bit 1 trước đó (tưong tự như HDB3). Lưu ý là kỹ thuật ngẫu nhiên hóa không làm gia tăng lượng tín hiệu vì chuỗi thay thế có cùng số bit với chuỗi được thay thế. (H 2.7) là một thí dụ của mã B8ZS và HBD3. __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 7 B = Valid bipolar signal; V = Bipolar violation (H 2.7) 2.3 Điều chế Biến điệu hay điều chế là quá trình chuyển đổi phổ tần của tín hiệu cần truyền đến một vùng phổ tần khác bằng cách dùng một sóng mang để chuyên chở tín hiệu cần truyền đi; mục đích của việc làm này là chọn một phổ tần thích hợp cho việc truyền thông tin, với các tần số sóng mang khác nhau người ta có thể truyền nhiều tín hiệu có cùng phổ tần trên các kênh truyền khác nhau của cùng một đường truyền. Một cách tổng quát, phương pháp điều chế là dùng tín hiệu cần truyền làm thay đổi một thông số nào đó của sóng mang (biên độ, tần số, pha....). Tùy theo thông số được lựa chọn mà ta có các phương pháp điều chế khác nhau: điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều chế pha ΦM, điều chế xung PM . . . .. 2.3.1 Điều chế biên độ ( Amplitude Modulation, AM ) Xét tín hiệu cao tần e(t) = Ac cos(ωct + θ) (1) Tín hiệu AM có được bằng cách dùng tín hiệu g(t) làm biến đổi biên độ của e(t). Biểu thức của tín hiệu AM là: eAM(t) = [(Ac +g(t)]cosωct (2) Để đơn giản, ta bỏ qua θ là lượng không đổi trong AM. Những tính chất cơ bản của AM dễ dàng được xác định nếu ta biết tín hiệu g(t). Xét g(t) là tín hiệu hạ tần: g(t) = Em cosωmt (3) Như vậy: eAM(t) = (Ac +Em cosωmt)cosωct = Ac[ 1 + (Em/Ac) cosωmt]cosωct = Ac[ 1 + ma cosωmt] cosωct (4) Trong đó ma = Em/Ac gọi là chỉ số biến điệu (H 2.8) vẽ dạng sóng và phổ tần của tín hiệu AM. __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 8 (a) (H 2.8) (b) Để thấy được phổ tần ta triển khai hệ thức (4) eAM(t) = Ac cosωct + (maAc/2)cos(ωc + ωm)t + (maAc/2)cos(ωc - ωm)t (5) Từ (H 2.8b) ta thấy băng thông của tín hiệu đã điều chế bằng hai lần tần số của tín hiệu hạ tần và được chia ra làm hai băng cạnh. Điều chế biên độ là một quá trình tuyến tính nên mỗi tần số của tín hiệu hạ tần tạo ra một băng thông và trong trường hợp tín hiệu hạ tần gồm nhiều tần số khác nhau thì băng thông của tín hiệu biến điệu là: BW = 2fm(max) fm (max) là tần số hạ tần cao nhất. Dữ liệu số có thể được truyền bằng phương pháp điều chế AM, trong trường hợp này gọi là kỹ thuật dời biên (ASK, Amplitude- Shift Keying). Bit 1 được truyền đi bởi sóng mang có biên độ E1 và bit 0 bởi sóng mang biên độ E2. (H 2.9) minh họa tín hiệu ASK (H 2.9) 2.3.2 Điều chế góc (Angle modulation) Ta cũng bắt đầu với sóng mang chưa điều chế: e(t) = Ac cos(ωct + θ) = Ac cosΦ(t) (6) Nếu ωc thay đổi tương ứng với nguồn thông tin, ta có tín hiệu điều chế tần số (FM) và nếu Φ(t) thay đổi ta có tín hiệu điều chế pha (ΦM). Hai kỹ thuật điều chế này cơ bản giống nhau và được gọi chung là điều chế góc. 2.3.2.1 Điều chế tần số (FM) Tần số ω(t) là giá trị biến đổi theo thời gian của Φ(t), nghĩa là: ω(t) = dt td )(Φ (7) Vậy tần số của tín hiệu chưa điều chế là: ω(t) = cc dt td ωθω =+ )( (8) __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 9 Giả sử tín hiệu điều chế là g(t), theo định nghĩa của phép điếu chế tần số, tần số tức thời của sóng mang là: ω(t) = ωc [1 + g(t) ] (9) Thay (9) vào (7): Φ(t) = ∫∫ +=+ g(t).dtt g(t)].dt[1 cc ωω (10) Thay vào pt (6): eFM(t) = }g(t).dttcos{A ccc ∫+ωω (11) Biểu thức (11) cho thấy tín hiệu g(t) được lấy tích phân trước khi được điều chế. Xét trường hợp g(t) là tín hiệu hạ tần có dạng hình sin: g(t) = cω ω∆ cosωm(t) (12) ∆ω là độ di tần và ωm là tần số của tín hiệu hạ tần Φ(t) = t.dtcost m c cc ωω ωωω ∫ ∆+ = ωct + mf sinωmt với mf = ∆ω / ωm là chỉ số điều chế. Đó là tỉ số của độ di tần và tần số của tín hiệu điều chế (hạ tần). eFM (t) = Ac cos{ ωct + mf sinωmt} (13) Để thấy phổ tần của sóng FM ta triển khai biểu thức (13): eFM (t) = AcJ0(mf) cosωct + AcJ2n(mf) [ cos(ωct + 2ncosωmt) + cos(ωct - 2ncosωmt)] AcJ2n+1(mf) { cos[ωc t + (2n+1)cosωmt] - cos[ωct - (2n+1)cosωmt]} (14) J là hàm Bessel theo mf và n có mọi trị nguyên từ 0 đến ∞. Từ (14) ta thấy sóng FM gồm thành phần cơ bản có tần số của sóng mang và biên độ cho bởi số hạng thứ I , J0(mf) , và các băng cạnh cho bởi các số hạng còn lại. Vì n lấy mọi giá trị từ 0 đến ∞ nên phổ tần của sóng FM rộng vô hạn, tuy nhiên do năng lượng tín hiệu giảm rất nhanh với tần số cao nên người ta xem băng thông trong FM xấp xĩ bằng: BW = 2(mf .ωm + ωm ) = 2( ∆ω + ωm ) rad/s (H 2.10) cho dạng sóng và phổ tần của sóng FM (H 2.10) Cũng như trong trường hợp AM, tín hiệu dữ liệu số cũng được truyền bằng phương pháp FM. Kỹ thuật này được gọi là kỹ thuật dời tần (FSK: Frequency- Shift Keying). FSK được dùng rộng rãi trong truyền số liệu. Trong FSK bit 1 được truyền đi bởi tần số fm và bit 0 bởi tần số fs ví dụ, trong hệ thống truyền sử dụng tiêu chuẩn của hảng Bell bit 1 được truyền bởi tần số 1070 Hz (fm) và bit 0 bởi tần số 1270 Hz (fs). (H 2.11) minh họa tín hiệu điều chế FSK __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 10 (H 2.11) 2.3.2.2 Điều chế pha ( ΦM ) Từ phương trình (6) nếu góc pha Φ(t) thay đổi theo tín hiệu thông tin ta có điều chế pha. Vậy: ePM (t) = Ac cos[ ωct + mp g(t)] (15) Trong đó mp là độ dời pha cực đại Tần số tức thời cho bởi: ωi(t) = dΦ(t)/dt = ωc + mp dg tdt ( ) Nếu g(t) có dạng cosωmt thì: ωi(t) = ωc - mpωmsinωmt (16) ePM (t) = Ac cos[ ωct - mpωmsinωmt ] (17) So sánh (17) và (13), xem mp là chỉ số điều chế pha, tương đương với mf trong FM, ta có thể xác định được băng thông của tín hiệu ΦM BW = 2(ωm + mpωm) rad/s (18) mpωm = ∆ωep là độ di tần tương đương của ΦM So sánh (11) và (15) ta thấy kỹ thuật của FM và ΦM có cùng cơ sở. Điểm khác biệt là trong FM ta lấy tích phân của tín hiệu hạ tần trước khi điều chế còn trong ΦM thì không. Điều chế pha là kỹ thuật rất tốt để truyền số liệu. Trong kỹ thuật dời pha, PSK (Phase-Shift Keying), các bit 1 và 0 được biểu diễn bởi các tín hiệu có cùng tần số nhưng có pha trái ngược nhau. (H 2.12) mô tả một tín hiệu PSK. (H 2.12) 2.3.3 Điều chế xung ( Pulse modulation) Đây là phương pháp dùng tín hiệu hạ tần điều chế sóng mang là tín hiệu xung (có tần số cao hơn), còn gọi là phương pháp lấy mẫu tín hiệu hạ tần. Mặc dù các tín hiệu tương tự được lấy mẫu bởi các giá trị rời rạc, nhưng các mẫu này có thể có bất cứ giá trị nào trong khoảng biến đổi của tín hiệu hạ tần nên hệ thống truyền tín hiệu này là hệ thống truyền tương tự chứ không phải hệ thống truyền số. __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 11 Tùy theo thông số nào của xung thay đổi theo tín hiệu hạ tần, ta có : Điều chế biên độ xung (pulse amplitude modulation, PAM), điều chế vị trí xung (pulse position modulation, PPM), điều chế độ rộng xung (pulse width modulation, PWM) 2.3.3.1 Điều chế biên độ xung ( PAM) Khi một chuỗi xung hẹp với tần số lặp lại cao p(t) được điều chế biên độ bởi tín hiệu sin tần số thấp m(t), ta có sự điều chế biên độ xung. Tín hiệu sau khi điều chế là tích của hai tín hiệu m(t).p(t) có dạng sóng là các xung với biên độ thay đổi theo dạng sóng hạ tần m(t) (H 2.13). (H 2.13) a-/ Mẫu PAM tự nhiên (Natural PAM sampling) Khi biên độ xung đã điều chế có đỉnh theo dạng của tín hiệu m(t), ta có mẫu PAM tự nhiên (H 2.13). Kết quả của phần 2.1.1 cho thấy tín hiệu p(t) có thể phân tích thành các thành phần: Vo + Σ Vn.cos(nωst) với Vo = Vτ/Ts là thành phần DC và ωs = 2π/Ts là tần số của p(t). Như vậy, m(t).p(t) bao gồm: m(t).Vo = m(t).Vτ/Ts và m(t).ΣVn.cos(nωst) Tóm lại, tích m(t).p(t) có chứa dạng sóng của tín hiệu điều chế (tín hiệu cần truyền) trong thành phần tần số thấp m(t).Vo và có thể phục hồi bằng cách cho sóng mang đã điều chế qua một mạch lọc hạ thông. Thành phần họa tần có dạng Vnm(t)cos(nωst) tương tự như tín hiệu điều chế 2 băng cạnh triệt sóng mang (Double Sideband Suppressed Carrier, DSBSC). Phổ tần của tín hiệu PAM với hạ tần là m(t) = sinωmt có dạng như (H 2.14) (H 2.14) Trong (H 2.14) M(f) là phổ tần của tín hiệu dải nền và fm là tần số cao nhất của tín hiệu này. Từ (H 2.14) ta cũng thấy tại sao tần số xung lấy mẫu fs phải ít nhất hai lần lớn hơn fm . Nếu M(f) được phục hồi từ mạch lọc hạ thông, độ phân cách từ M(f) tới dải tần kế cận phải lớn hơn 0, nghĩa là W > 0 W = fs - fm - fm > 0 hay fs > 2 fm __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 12 b-/ Mẫu PAM đỉnh phẳng (Flat-top PAM) Đây là mẫu PAM được dùng rộng rãi do dễ tạo ra sóng điều chế. Dạng sóng cho ở (H 2.15) các xung sau khi điều chế có đỉnh phẳng chứ không theo dạng của hạ tần. (H 2.15) Mặc dù khi phục hồi tín hiệu từ mạch lọc hạ thông sẽ có biến dạng do đoạn đỉnh phẳng nhưng vì bề rộng xung thường rất nhỏ so với chu kỳ Ts nên biến dạng không đáng kể. Nếu sự biến dạng là đáng kể thì cũng có thể loại bỏ bằng cách cho tín hiệu đi qua một mạch bù trừ. Tín hiệu PAM ít được dùng để phát trực tiếp do lượng thông tin cần truyền chứa trong biên độ của xung nên dễ bị ảnh hưởng của nhiễu. PAM thường được dùng như là một bước trung gian trong một phương pháp điều chế khác, gọi là điều mã xung (pulse code modulation, PCM) và được dùng trong đa hợp thời gian để truyền (TDM). 2.3.3.2 Điều chế thời gian xung (Pulse -time Modulation, PTM) Điều chế thời gian xung bao gồm bốn phương pháp (H 2.16). Ba phương pháp đầu tập trung trong một nhóm gọi là điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation, PWM) (H 2.16d, e, f), phương pháp thứ tư là điều chế vị trí xung (Pulse-position modulation, PPM) (H 2.16g). Ba phương pháp điều chế độ rộng xung khác nhau ở điểm cạnh lên, cạnh xuống hay điểm giữa xung được giữ cố định trong khi độ rộng xung thay đổi theo tín hiệu điều chế. Phương pháp thứ tư, PPM là thay đổi vị trí xung theo tín hiệu điều chế trong khi bề rộng xung không đổi. (H 2.16) minh họa cho các cách điều chế này. Lưu ý là kỹ thuật PTM tưong tự với điều chế FM và ΦM, tín hiệu có biên độ không đổi nên ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Phổ tần của tín hiệu đã điều chế bằng phương pháp PWM, PPM giống như phổ tần của tín hiệu điều chế FM (H 2.16h), nghĩa là có nhiều họa tần nên khi sử dụng PWM và PPM người ta phải gia tăng tần số xung lấy mẫu hoặc giảm độ di tần (để giới hạn băng thông của tín hiệu và tăng số kênh truyền). __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu ________________________________________________________________ ____________________ Chương 2 Mã hóa và điều chế II - 13 (H 2.16) __________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu