Bài tập lớn môn: Kỹ thuật thông tin số Đề tài : Nghiên cứu điều chế xung mã PCM.Viết chương trình matlab thực bước kỹ thuật điều chế xung mã PCM 1.Trình bày chi tiết điều chế PCM(các bước điều chế xung mã PCM) - Lọc nhằm hạn chế phổ tần tín hiệu liên tục cần truyền : Biến đổi Fuorier tín hiệu liên tục thực tế vô hạn theo biến tần số,chí thời gian tồn chúng hữu hạn.Chính vậy,các tín hiệu liên tục cần truyền thiết phải lọc nhằm hạn chế tới tần số cực đại W nhằm thỏa mãn tiên đề băng tần hạn chế định lý lấy mẫu - Lấy mẫu: Tín hiệu liên tục sau lọc rời rác hóa nhờ lấy mẫu tín hiệu liên tục chuỗi xung nhip có tần số theo định lý lấy mẫu để có tín hiệu điều biên xung - Lượng tử hóa: Số giá trị có tín hiệu PAM sau lấy mẫu vô hạn,do số bit cần thiết để mã hóa giá trị xung PAM vô hạn điều thực Để hạn chế số bit mã cần sử dụng,giá trị xung PAM cần làm tròn thành giá trị mẫu xác định gọi mức lượng tử trình gọi lượng tử hóa - Mã hóa: Các giá trị mức lượng tử ứng với xung PAM mã hóa tổ hợp mã nhị phân để truyền hệ thống truyền dẫn số Sơ đồ mô tả công đoạn điều chế xung mã : Tín hiệu có băng s(t ) Lọc thông hạn chế Lấy mẫu Các xung PAM lượng Các xung PAM tử hóa Lượng tử Tín hiệu PCM Mã hóa Quá trình khôi phục phần thu thực sau: Giải mã để chuỗi xung PAM lượng tử hóa cho qua lọc thông thấp có tần số cắt nửa tần số lấy mẫu Như nói trên, thực tế tín hiệu lối vào điều chế mã xung tín hiệu có phổ trải rộng vô hạn Sau lọc hạn chế phổ tần, tín hiệu có phổ hạn chế có thời gian tồn trải rộng tới vô hạn, nghĩa lý thuyết việc lấy mẫu phải thực với vô hạn mẫu theo sơ đồ Từ thấy tín hiệu liên tục khôi phục lại phần thu, trường hợp không tính đến méo tạp nhiễu đường truyền, phiên gần tín hiệu liên tục cần truyền phần phát mà Sai số tín hiệu phiên nguyên gây nguyên nhân sau: a Việc lấy mẫu tiến hành thời gian dài vô hạn được; b Sai số làm tròn (lượng tử hóa), gọi sai số lượng tử; c Các đặc tính không hoàn toàn lý tưởng; d Phiên tín hiệu có phổ hạn chế, không tín hiệu nguyên Ngoài ra, sai lệch đáng đồng dẫn đến xếp sai tổ hợp mã thu điều dẫn đến sai lạc vô trầm trọng Các chi tiết công đoạn quy trình PCM biện pháp khắc phục sai số trình bày I Lọc hạn băng Phổ tín hiệu điện thoại tập trung giải từ 0,3 đến 3,4 kHz Việc cắt bỏ thành phần tần số giải nói không gây méo thụ cảm lớn, tức không gây nên trở ngại đặc biệt trình thông thoại Để hạn chế phổ tín hiệu tiến hành loại bỏ thành phần tần số lớn 3,4kHz tín hiệu điện thoại lọc thông thấp, tức chọn tần số cực đại W tín hiệu thoại 3,4kHz Trong trường hợp này, sai số lọc hạn băng gây chủ yếu chế tạo mạch lọc thông thấp lý tưởng mà tạo mạch lọc với đặc tính lọc không đứng tần số cắt Để không gây nên méo thụ cảm rõ rệt được, tần số cắt mạch lọc hạn băng phải chọn cao 3,4kHz Các mạch lọc tiêu chuẩn thực tế (có đặc tính thỏa mã khuyến nghị CCITT cho mạch thoại) có tần số cắt sát với 4kHz II Lấy mẫu Quá trình lấy mẫu thực cách nhân tín hiệu thoại liên tục với chuỗi xung nhịp f S ≥ 2W có tần số Việc chọn tần số nhịp lớn hai lần W làm mở rộng băng tần chiếm tín hiệu số, tần số nhịp phải chọn nhỏ mà không gây méo tín hiệu Sai số lấy mẫu gây việc lấy mẫu thời gian dài vô hạn thường không đáng kể fS bù đắp việc chọn lớn 2W chút Kết hợp với thực tế phát sinh lọc hạn băng nói đây, tần số lấy mẫu tiêu chuẩn cho tín hiệu thoại chọn kHz III Lượng tử hóa [ −a, + a ] Lượng tử hóa thực đơn giản cách chia giải động tín hiệu thành Q mức cách nhau, gọi lượng tử hóa Khoảng cách mức lượng tử ∆ = 2a / Q Các giá trị mẫu tín hiệu (các xung PAM) làm tròn thành giá trị mức eq lượng tử gần Sai số lượng tử giá trị mẫu biến ngẫu nhiên nhận giá trị [ − a / Q, + a / Q ] khoảng , xem lượng tạp âm gọi tạp âm lượng tử đánh giá thông qua công suất tạp âm lượng tử: a /Q Peq = eq2 = ∫ eq2 pdf (eq )deq −a /Q (A-1) pdf (.) hàm mật độ xác suất (probability density function) Do phân bố thực biên độ tín hiệu điện thoại khoảng hai mức lượng tử sát nhau, người ta buộc phải giả thiết tín hiệu điện thoại nhận giá trị biên độ khoảng hai mức lượng tử sát với xác suất Do tạp âm lượng tử pdf (eq ) = Q / 2a xem biến ngẫu nhiên phân bố đều, tức Thay vào công thức (A-1), Peq = a / 3Q = ∆ /12 (A-2) Từ (A-2) thấy tăng số mức lượng tử Q công suất tạp âm lượng tử giảm Chẳng hạn, tăng số mức lượng tử lên hai lần, công suất tạp âm lượng tử giảm lần, tức vào khoảng 6dB Tuy nhiên, việc tăng mức số mức lượng tử dẫn đến hệ quả: a Số mức lượng tử lớn dẫn đến số bit dùng để mã mức lượng tử tăng (cứ tăng số mức lượng tử lên hai lần phải thêm bít tổ hợp mã) làm tăng tốc độ bít tăng phổ chiếm tín hiệu b Với giải động tín hiệu, việc tăng mức số mức lượng tử dẫn đến mức lượng tử không phục lại phần thu bị nhận nhầm tác động tạp âm nhiệt mạch điện tử Thêm vào đó, lượng tử hóa việc chia mức với số mức tối thiểu (nhằm giảm số bít mã cần dùng) xác định theo độ xác cho mức cao tín hiệu lại dẫn đến sai số phạm phải lại lớn mức thấp Điều dẫn tới sai số tổng cộng lớn thực tế mức tín hiệu thấp tín hiệu thoại thường xảy nhiều so với mức cao Các mâu thuẫn nói thực tế khắc phục lượng tử hóa không đều, khoảng cách mức lượng tử chọn lớn với mức lớn với mức tín hiệu nhỏ khoảng cách mức lượng tử nhỏ Giải pháp tự nhiên tín hiệu lớn tử số tín hiệu sai số (tín/tạp âm lượng tử) nhỏ dù sai số lượng tử tuyệt đối có lớn Việc chia mức lượng tử không thế, lại khó thực thực tế giải pháp tương đương thường áp dụng thực lượng tử hóa tín hiệu nén Luật nén áp dụng điều chế mã xung tín hiệu luật logarit, tín hiệu lối y mạch nén biến thiên theo luật logarit tín hiệu lối vào x Ở phần thu, tín hiệu giãn trở lại Việc trì nén-giãn xác yêu cầu ngặt nghèo nhằm tránh méo tín hiệu mang vào trình nén-giãn IV Mã hóa Trong hầu hết trường hợp, tuyến truyền PCM phận kết nối quốc tế Yêu cầu đặt việc xen tuyến truyền dẫn số vào kết nối quốc tê dài không dẫn đến suy giảm chất lượng so với tuyến truyền dẫn túy analog Các yêu cầu tạp âm kết nối đường dài quốc tế xác định theo quan hệ áp dụng mạng tham chiếu qui định khuyến nghị G.103 CCITT Để thỏa mãn yêu cầu đó, tỷ số tín hiệu tạp âm lượng tử chặng mã đơn có mã giải mã PCM cần phải không nhỏ 22dB, tính giải mức tiếng nói trung bình đầu vào mã hóa (-5 đến -25 dBm) [A14] Ở mức tiếng nói thấp hơn, yêu cầu tỷ số tín hiệu tạp âm lượng tử nhỏ nhiều Đối với mạng tham chiếu khuyến nghị G.103, số đoạn mã giải mã PCM mắc nối tiếp không vượt 14 Nghĩa đòi hỏi tỷ số tín hiệu tạp âm lượng tử đoạn thành phần cao hơn, thêm 10lg14 dB nữa, tức với đoạn tỷ số tín hiệu tạp âm lượng tử phải ≥ 33.46 dB Yêu cầu vừa đạt việc sử dụng mã hóa với từ mã bit Khi tính đến tham số suy giảm chất lượng khác PCM, mã hóa bit thường áp dụng Biên độ tín hiệu lối nén lượng tử hóa thành 16 mức với đoạn hay phân đoạn Việc mã hóa mức lượng tử (sau nén) để tạo thành tín hiệu PCM thực bẳng tổ hợp bit hệ Mỹ lẫn Châu Âu có dạng PXYZABCD Bit P thị cực tính giá trị lượng tử mẫu tín hiệu: P=1 với tín hiệu dương P=0 với tín hiệu âm Ba bít µ XYZ dùng để mã đoạn thẳng (hoặc phân đoạn) làm gần với luật nén( hay A), bốn bit ABCD dùng để mã 16 mức lượng tử đoạn Do tuyến tính hóa theo số đoạn khác nhau, cách nhận mã bit PCM hệ Mỹ hệ Châu Âu khác Lợi ích nén-giãn thấy thông qua xét làm ví dụ hệ Châu Âu Chúng ta thấy lượng tử sử dụng nén giãn(cũng gọi lượng tử phi tuyến) có độ phân giải tương đương độ phân giải lượng tử (lượng tử tuyến tính) với 4096 mức sử dụng từ mà 12 bit Như so với sử dụng lượng tử tuyến tính bit (256 mức) công suất tạp âm lượng tử giảm 4x6=24 dB V Đặc điểm tín hiệu PCM Băng thông tín hiệu PCM: Gọi R số bit truyền giây tín hiệu PCM, R gọi tốc độ bit (bps) Gọi n fS số bit từ mã PCM, tần số lấy mẫu Khi đó, tốc độ bit R tính sau: R = n f S (A-6) Giữa độ rộng băng thông tốc độ bit có quan hệ chia trường hợp thông dụng Tb sau Đó trường hợp sử dụng trọn ô bit để biểu diễn bít trường hợp sử dụng nửa ô bit để biểu diễn bit, nửa lại trở giá trị tham chiếu Ta nhận thấy trường hợp 1, bit tương đương với lần tín hiệu thay đổi mức trường hợp 2thì bit tương đương với lần thay đổi mức Ta biểu diễn thay đổi mức tín hiệu hình sin Từ nhận thấy rằng, trường hợp 1ta truyền tốc độ bit bps Hz, trường hợp 2thì tốc độ 1bps Hz Ta gọi tín hiệu có dạng trường hợp tín hiệu dạng NRZ, tín hiệu có dạng trường hợp tín hiệu dạng RZ Ta gọi số bít truyền giây Hz hiệu sử dụng băng thông Qua phân tích ta rút băng thông tối thiểu tín hiệu PCM phải là: BPCM ≥ 1 R = n f 2 (trường hợp 1) BPCM ≥ R = n f S (trường hợp 2) fS ≥ 2B Mặt khác, để tránh chồng phổ tần số lấy mẫu phải với B băng thông tín hiệu tương tự tương ứng (giả thiết tín hiệu có băng thông hữu hạn) Vậy băng thông tín hiệu PCM là: BPCM ≥ nB (trường hợp 1) BPCM ≥ 2nB (trường hợp 2) Vậy băng thông tín hiệu PCM lớn băng thông tín hiệu tương tự tương ứng Đây khiếm khuyết hệ thống truyền tin sử dụng PCM 6.2 Ảnh hưởng nhiễu lên tín hiệu PCM Tín hiệu tương tự khôi phục đầu thu hệ thống PCM chịu ảnh hưởng nhiễu nên bị méo Có hai loại nhiễu ảnh hưởng lên tín hiệu PCM là: - Nhiễu lượng tử hóa gây lượng tử hóa M mức bên mã hóa PCM - Lỗi bit tín hiệu PCM khôi phục gây nhiễu kênh truyền 2.Chương trình mô Matlab bước trình điều chế PCM Code lệnh : clear,clc %tin hieu tuong tu t=linspace(-1,1,1000); for i=1:length(t) if t(i)>=-1 & t(i)0 & t(i)=-1 & t1(i)=0 & t1(i)[...]... ua tin hieu tuong tu 2 x(t) 1 0 -2 -1 0 t 0.5 1 Do thi pho bien do x(f) cua tin hieu tuong tu x(t) 0.07 0.06 0.05 X(f) 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0 500 1000 1500 2000 2500 f 3000 3500 4000 4500 5000 Do thi xung lay mau voi tan so 32 KHz 1 0.9 0.8 0.7 l(t) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 t 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Do thi tin hieu sau khi lay mau voi tan so lay mau fs=32Hz 2 1.5 1 X(t) 0.5 0 -0.5