Bài giảng Chương 2: Truyền tín hiệu dải gốc

3/22/2010 1 CHƯƠNG 2: TRUYỀN TÍN HIỆU DẢI GỐC ðặng Lê Khoa Email: dlkhoa@fetel.hcmuns.edu.vn Facuty of Electronics & Telecommunications, HCMUS 1 Nội dung trình bày: 1. Một số khái niệm: băng thông, bit rate, baud rate, SNR. 2. Tín hiệu PAM: các phương pháp mã hóa 3. Nhiễu liên ký hiệu (ISI) 4. Tiêu chuẩn Nyquist cho truyền tín hiệu dải gốc 5. Tín hiệu PAM có m mức 6. Mã hóa âm thanh 2 BANDWITH
Phổ là những thành phần tần số của tín hiệu
Băng thông là ñộ rộng của phổ tần (nhiều tín hiệu có băng thông vô hạn)
Trong truyền thông, ta không thể truyền tín hiệu có tần số lớn hơn băng thông của kênh truyền ][HzLOWHIGH ffB −= ic BB ≥ 3 BAUD RATE Vs BIT RATE
BIT RATE = số bit trong 1 s
BAUD RATE = số symbol trong 1 giây
Truyền symbol tín hiệu có M trạng thái, N số bit truyền Ví dụ: Hệ thống truyền nhị phân 2 mức; 1 symbol tín hiệu = 1 BIT (BAUD RATE = BIT RATE) NM 2= 4 SNR
SNR (Signal to Noise Ratio) tỉ số tín hiệu trên nhiễu Ví dụ: S/N = 30 dB = ratio of 1000:1 10log s dB o ES N N     =        5 CHANNEL CAPACITY
Truyền voice bằng kỹ thuật số thông qua 1 MODEM. B = 3100Hz, S/N = 30 dB = ratio of 1000:1 Trong các ñiều kiện khác không ñổi, khi tăng băng thông thì tốc ñộ dữ liệu tăng bps N SBC 894,30)10001(log3100)1(log 22 =+=+= 6 3/22/2010 2 Tín hiệu PAM
Dùng một dạng sóng thích hợp băng tần cơ sở ñể biểu diễn bản tin số là vấn ñề ñầu tiên của việc truyền dữ liệu từ nguồn ñến ñích
Loại ñơn cực (on-off): Khi dữ liệu là 1 sẽ biểu diễn là một xung dương, dữ liệu là 0 sẽ không có xung. 7 Các phương pháp mã hóa
NRZ - NRZ-L,NRZI
Nhị phân ña mức - AMI, Pseudoternary
Hai pha - Manchester, Manchester vi sai
Kỹ thuật xáo trộn - B8ZS, HDB3 8 NRZ-L Non Return to Zero Level 9 NRZ-I Non return to zero invert 10 NRZ-L và NRZ-I 11 NRZ 12 3/22/2010 3 ðiều chế nhị phân ña mức 13 ðiều chế nhị phân ña mức 14 ðiều chế nhị phân ña mức 15 ðiều chế nhị phân ña mức ðiều chế hai pha: Manchester 16 ðiều chế hai pha 17 ðiều chế Manchester 18 3/22/2010 4 Tốc ñộ ñiều chế 19 20 Dạng xung của PCM
Các tiêu chí trong so sánh và chọn dạng xung PCM:
ðặc tính phổ ( mật ñộ phổ công suất và hiệu quả băng thông)
Khả năng ñồng bộ (synchronization)
Khả năng phát hiện lỗi (Error detection capability)
Chống can nhiễu và nhiễu (Interference and noise immunity)
Giá thành thực hiện và ñộ phức tạp 21 Mật ñộ phổ của xung PCM 22 Mật ñộ phổ của một số dạng xung PAM Nhiễu liên ký hiệu (ISI)
Nguồn gây lỗi ñầu tiên trong hệ thống truyền tin băng cơ sở là nhiễu giữa các ký hiệu (InterSymbol Interference, ISI)
Vấn ñề ISI luôn tồn tại trong kênh băng tần hạn chế.
Có thể ñược giải quyết bằng cách lấy mẫu => tạo dạng xung p(t) ñể theo ñó ISI bị loại trừ. => sử dụng bộ lọc phát và lọc thu là phải tối thiểu hiệu ứng ồn và hiệu ứng ISI 23 Lecture 6 24 Tiêu chuẩn Nyquist cho truyền tín hiệu dải gốc
ðiều kiện băng thông Nyquist : • Băng thông yêu cầu tối thiểu theo lý thuyết ñể thu ñược Rs [symbols/s] không ảnh hưởng ISI là Rs/2 [Hz].
Hiệu quả băng thông, R/W [bits/s/Hz] : Hz][symbol/s/ 2 22 1 ≥⇒≤= W RWR T ss 3/22/2010 5 Lecture 6 25 Ideal Nyquist pulse (filter) T2 1 T2 1− T )( fH f t )/sinc()( Ttth = 1 0 T T2T−T2−0 T W 2 1 = Ideal Nyquist filter Ideal Nyquist pulse Lecture 6 26 Nyquist pulses (filters)
Nyquist pulses (filters):
Pulses (filters) which results in no ISI at the sampling time.
Nyquist filter:
Its transfer function in frequency domain is obtained by convolving a rectangular function with any real even-symmetric frequency function
Nyquist pulse:
Its shape can be represented by a sinc(t/T) function multiply by another time function.
Example of Nyquist filters: Raised-Cosine filter Lecture 6 27 Pulse shaping to reduce ISI
Goals and trade-off in pulse-shaping
Reduce ISI
Efficient bandwidth utilization
Robustness to timing error Lecture 6 28 The Raised cosine filter – 2 )1( Baseband sSB s R rW += |)(||)(| fHfH RC= 0=r 5.0=r 1=r 1=r 5.0=r 0=r )()( thth RC= T2 1 T4 3 T 1 T4 3− T2 1− T 1− 1 0.5 0 1 0.5 0 T T2 T3T−T2−T3− sRrW )1( Passband DSB += Lecture 6 29 Example of pulse shaping
Square-root Raised-Cosine (SRRC) pulse shaping t/T Amp. [V] Baseband tr. Waveform Data symbol First pulse Second pulse Third pulse Lecture 6 30 Example of pulse shaping
Raised Cosine pulse at the output of matched filter t/T Amp. [V] Baseband received waveform at the matched filter output (zero ISI) 3/22/2010 6 Ví dụ
Xác ñịnh yêu cầu ñộ rộng băng cho ñường truyền dẫn T1 (ðấy là ñường hợp kênh của 24 tín hiệu lối vào ñộc lập dựa trên mã PCM, T1 dùng dạng lưỡng cực) có Tb=0.647µs và tạo dạng xung cosin tăng có α=1/2. Giải : Nếu coi kênh là thông thấp lý tưởng thì ñộ rộng kênh Nyquist ñể truyền tín hiệu qua là W=1/2Tb=772kHz
Tuy nhiên một ñộ rộng thực tế dùng tín hiệu cuôn cắt có α=1/2 sẽ là: B=2W-f1=2W-W(1-α)=3W/2=3/4Tb=1,158 MHz 31 ðiều chế xung M-ary
Các loại ñiều chế xung M-ary : + M-ary pulse-amplitude modulation (PAM) + M-ary pulse-position modulation (PPM) + M-ary pulse-duration modulation (PDM)
M-ary PAM là một tín hiệu ña mức. Mỗi symbol sẽ lấy 1 trong M mức cho phép, mỗi nhóm gồm bit.
ðối với tốc ñộ truyền cho trước, M-ary PAM (M>2) cần ít băng thông hơn PCM nhị phân.
ðối với một công suất xung tung bình (average pulse power), PCM nhị phân dễ dàng detect hơn M-ary PAM (M>2). Mk 2log= 32 ðiều chế xung M-ary M-ary pulse-amplitude modulation (PAM) 33
00
01
10
11 - 1.5 - 0.5 +0.5 +1.5 Encode TransmitPulse modulateSample Quantize Demodulate/ Detect Channel Receive Low-pass filter Decode Pulse waveformsBit stream Format Format Digital info. Textual info. Analog info. Textual info. Analog info. Digital info. source sink Formatting và truyền tín hiệu dải gốc 34 Format cho tín hiệu analog ðể chuyển từ dạng sóng analog tương thích trong hệ thống số ta phải qua 2 bước sau 1. Sampling (lấy mẫu) 2. Quantization and encoding (Lượng tử hóa và mã hóa) 3. Baseband transmission (truyền dẫn dải gốc) 35 Sampling Time domain Frequency domain )()()( txtxtxs ×= δ )()()( fXfXfX s ∗= δ |)(| fX)(tx |)(| fXδ |)(| fX s)(txs )(txδ 36 3/22/2010 7 Chống biệt danh LP filter Nyquist rate aliasing 37 ðịnh lý lấy mẫu
Chu kì lấy mẫu phải thõa biểu thức:
Tốc ñộ lấy mẫu ñược gọi là tốc ñộ Nyquist Sampling process Analog signal Pulse amplitude modulated (PAM) signal 38 Lượng tử hóa
Lượng tử hóa biên ñộ: Chuyển dạng sóng liên tục thành một một tập hữu hạn các biên ñộ In Out Qu a n tiz ed v a lu es
Công suất nhiễu lượng tử trung bình
Công suất ñỉnh tín hiệu
Công suất tín hiệu trên nhiễu lượng tử trung bình 39 Encoding (PCM)
Lượng tử hóa ñều ñược gọi là Pulse Code Modulation (PCM).
Pulse code modulation (PCM): Mã hóa một tín hiệu lượng tử ñến một chuỗi số (PCM word or codeword).
Mỗi mẫu lượng tử ñược số hóa thành từ mã l bits codeword với L số mức lượng tử và 40 Ví dụ về lượng tử hóa t Ts: sampling time x(nTs): sampled values xq(nTs): quantized values boundaries Quant. levels 111 3.1867 110 2.2762 101 1.3657 100 0.4552 011 -0.4552 010 -1.3657 001 -2.2762 000 -3.1867 PCM codeword 110 110 111 110 100 010 011 100 100 011 PCM sequence amplitude x(t) 41 Sai số lượng tử
Sai số lượng tử: Sự khác biệt giữa ngõ vào và ngõ ra của bộ lượng tử )()(ˆ)( txtxte −= + )(tx )(ˆ tx )()(ˆ )( txtx te − = AGC x )(xqy = Qauntizer Process of quantizing noise )(tx )(ˆ tx )(te Model of quantizing noise 42 3/22/2010 8 Sai số lượng tử
Sai số lượng tử:
Lỗi tuyến tính xảy ra khi tín hiệu trong khoảng lượng tử
Lỗi bảo hòa xảy ra khi tín hiệu nằm ngoài khoảng lương tử Lỗi bảo hòa lớn hơn lỗi tuyến tính Lỗi bão hòa có thể khử bằng bộ AGC 43 Lượng tử hóa ñều và không ñều
Lượng tử hóa ñều: + Không quan tâm ñến thuộc tính thống kê và tương quan của ngõ vào + Không phát hiện thay ñổi nhỏ của tín hiệu + Thực hiện ñơn giản Ứng dụng: Xử lý tin hiệu, vẽ và hiển thị ứng dụng, các ưng dụng ñiều khiển
Lượng tử hóa không ñều: + Sử dụng tính thống kê của tham số lượng tử + Có SNR lớn hơn lượng tử ñều ñối với cùng số mức lượng tử + Có cùng phương sai của nhiễu lượng tử Ứng dụng: Phổ biến trong tiếng nói 44 Lượng tử hóa không ñều
Lượng tử hóa không ñều là quá trình “compressed”.
Ở phía ñầu thu sẽ thực hiện hiện quá trình “expansion” compression+expansion companding )(ty)(tx )(ˆ ty )(ˆ tx x )(xCy = xˆ yˆ Compress Qauntize Channel Expand Transmitter Receiver 45 Tính thống kê của biên ñộ tiếng nói
Trong tiếng nói, các tính hiệu có biên ñộ nhỏ xuất hiện thường xuyên hơn tín hiệu có biên ñộ lớn
Sử dụng step sizes (uniform quantizer) nhỏ cho tín hiệu nhỏ và step sizes lớn cho tín hiệu có biên ñộ lớn.
Việc thay ñổi step sizes nhằm tăng SNR dựa vào tính thống kê của tiếng nói 0.0 1.0 0.5 1.0 2.0 3.0 Normalized magnitude of speech signalP ro ba bi lit y de n sit y fu n ct io n qN S       46 Luật nén µ range. S: Segment Q: Quantize µ 47 Luật nén µ . range. 48 3/22/2010 9 Luật nén µ .
Biên ñộ dương và âm của tínhiệu ñượclượng tử 256 mức. Mã µ 225 mã hoá mỗi mức tín hiệu thành một từ mã 8 bit B1,B2B8. Chức năng các bit như sau: + B1: bit dấu. B1= 0 tín hiệudương, B1= 1 tín hiệuâm. + B2, B3, B4: bit ñoạn(S). Có 8 ñoạn tương ứng 000..111.
+ B5, B6, B7, B8 bit mức(Q) trongmỗi ñoạn, có 16 chuổi bit 00001111. Mã µ225 mã hoá 8bit: 49 Luật nén A 50 Bài tập Bài 1, 2, 6, 7, 8, 9 p 41,42 51