Giao tiếp kỹ thuật số - Hướng dẫn nhanh

Sự giao tiếp diễn ra trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta ở dạng tín hiệu. Những tín hiệu này, chẳng hạn như tín hiệu âm thanh, nói chung, có bản chất tương tự. Khi giao tiếp cần được thiết lập trong một khoảng cách xa, thì tín hiệu tương tự được gửi qua dây, sử dụng các kỹ thuật khác nhau để truyền hiệu quả.

Sự cần thiết của số hóa

Các phương pháp liên lạc thông thường sử dụng tín hiệu tương tự để liên lạc đường dài, chịu nhiều tổn thất như méo, nhiễu và các tổn thất khác bao gồm cả vi phạm an ninh.

Để khắc phục những vấn đề này, các tín hiệu được số hóa bằng các kỹ thuật khác nhau. Các tín hiệu được số hóa cho phép giao tiếp rõ ràng và chính xác hơn mà không bị thất thoát.

Hình sau chỉ ra sự khác biệt giữa tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Các tín hiệu kỹ thuật số bao gồm1s và 0s cho biết giá trị Cao và Thấp tương ứng.

Ưu điểm của Truyền thông Kỹ thuật số

Khi các tín hiệu được số hóa, có nhiều lợi thế của giao tiếp kỹ thuật số so với giao tiếp tương tự, chẳng hạn như -

• Ảnh hưởng của méo, nhiễu và nhiễu ít hơn nhiều trong tín hiệu kỹ thuật số vì chúng ít bị ảnh hưởng hơn.

• Các mạch kỹ thuật số đáng tin cậy hơn.

• Mạch kỹ thuật số dễ thiết kế và rẻ hơn mạch tương tự.

• Việc thực hiện phần cứng trong các mạch kỹ thuật số, linh hoạt hơn so với tương tự.

• Việc nói chuyện chéo là rất hiếm trong giao tiếp kỹ thuật số.

• Tín hiệu không bị thay đổi vì xung cần nhiễu cao để thay đổi đặc tính của nó, điều này rất khó.

• Các chức năng xử lý tín hiệu như mã hóa và nén được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số để duy trì tính bí mật của thông tin.

• Xác suất xảy ra lỗi được giảm bớt bằng cách sử dụng các mã phát hiện lỗi và sửa lỗi.

• Kỹ thuật trải phổ được sử dụng để tránh nhiễu tín hiệu.

• Kết hợp các tín hiệu kỹ thuật số bằng cách sử dụng Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) dễ dàng hơn kết hợp các tín hiệu tương tự bằng cách sử dụng Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM).

• Quá trình cấu hình tín hiệu kỹ thuật số dễ dàng hơn so với tín hiệu tương tự.

• Tín hiệu kỹ thuật số có thể được lưu và truy xuất thuận tiện hơn so với tín hiệu tương tự.

• Nhiều mạch kỹ thuật số có các kỹ thuật mã hóa gần như phổ biến và do đó các thiết bị tương tự có thể được sử dụng cho một số mục đích.

• Dung lượng của kênh được tín hiệu số tận dụng hiệu quả.

Các yếu tố của truyền thông kỹ thuật số

Các phần tử tạo thành một hệ thống truyền thông số được biểu diễn bằng sơ đồ khối sau đây để dễ hiểu.

Sau đây là các phần của hệ thống truyền thông kỹ thuật số.

Nguồn

Nguồn có thể là một analog tín hiệu. Example: Một tín hiệu âm thanh

Bộ chuyển đổi đầu vào

Đây là một bộ chuyển đổi lấy đầu vào vật lý và chuyển nó thành tín hiệu điện (Example: cái mic cờ rô). Khối này cũng bao gồm mộtanalog to digital bộ chuyển đổi nơi cần tín hiệu kỹ thuật số cho các quá trình tiếp theo.

Một tín hiệu kỹ thuật số thường được biểu diễn bằng một chuỗi nhị phân.

Bộ mã hóa nguồn

Bộ mã hóa nguồn nén dữ liệu thành số bit tối thiểu. Quá trình này giúp sử dụng hiệu quả băng thông. Nó loại bỏ các bit dư thừa (các bit dư thừa không cần thiết, tức là các số 0).

Bộ mã hóa kênh

Bộ mã hóa kênh, thực hiện mã hóa để sửa lỗi. Trong quá trình truyền tín hiệu, do nhiễu trong kênh, tín hiệu có thể bị thay đổi và do đó để tránh điều này, bộ mã hóa kênh sẽ thêm một số bit dư thừa vào dữ liệu được truyền. Đây là các bit sửa lỗi.

Bộ điều chế kỹ thuật số

Tín hiệu được truyền ở đây được điều chế bởi một sóng mang. Tín hiệu cũng được chuyển đổi sang tín hiệu tương tự từ chuỗi kỹ thuật số, để làm cho nó truyền qua kênh hoặc phương tiện.

Kênh

Kênh hoặc một phương tiện, cho phép tín hiệu tương tự truyền từ đầu phát đến đầu thu.

Bộ giải điều chế kỹ thuật số

Đây là bước đầu tiên ở đầu thu. Tín hiệu nhận được được giải điều chế cũng như chuyển đổi lại từ tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số. Tín hiệu được tái tạo ở đây.

Bộ giải mã kênh

Bộ giải mã kênh, sau khi phát hiện trình tự, thực hiện một số sửa lỗi. Các biến dạng có thể xảy ra trong quá trình truyền, được sửa chữa bằng cách thêm một số bit dư thừa. Việc bổ sung bit này giúp khôi phục hoàn toàn tín hiệu ban đầu.

Bộ giải mã nguồn

Tín hiệu kết quả một lần nữa được số hóa bằng cách lấy mẫu và lượng hóa để thu được đầu ra kỹ thuật số thuần túy mà không bị mất thông tin. Bộ giải mã nguồn tạo lại đầu ra nguồn.

Đầu dò đầu ra

Đây là khối cuối cùng chuyển đổi tín hiệu thành dạng vật lý ban đầu, ở đầu vào của máy phát. Nó chuyển đổi tín hiệu điện thành đầu ra vật lý (Example: loa lớn).

Tín hiệu đầu ra

Đây là đầu ra được tạo ra sau toàn bộ quá trình. Example - Tín hiệu âm thanh nhận được.

Đơn vị này đã giải quyết việc giới thiệu, số hóa tín hiệu, các lợi thế và các yếu tố của truyền thông kỹ thuật số. Trong các chương tới, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về các khái niệm Truyền thông kỹ thuật số.

Modulation là quá trình thay đổi một hoặc nhiều tham số của tín hiệu sóng mang theo các giá trị tức thời của tín hiệu bản tin.

Tín hiệu tin nhắn là tín hiệu được truyền để liên lạc và tín hiệu sóng mang là tín hiệu tần số cao không có dữ liệu, nhưng được sử dụng để truyền đường dài.

Có nhiều kỹ thuật điều chế, được phân loại theo loại điều chế được sử dụng. Trong số đó, kỹ thuật điều chế kỹ thuật số được sử dụng làPulse Code Modulation (PCM).

Một tín hiệu được điều chế mã xung để chuyển đổi thông tin tương tự của nó thành một chuỗi nhị phân, tức là 1s và 0s. Đầu ra của PCM sẽ giống như một chuỗi nhị phân. Hình dưới đây cho thấy một ví dụ về đầu ra PCM liên quan đến các giá trị tức thời của một sóng sin nhất định.

Thay vì một chuỗi xung, PCM tạo ra một chuỗi số hoặc chữ số và do đó quá trình này được gọi là digital. Mỗi một trong các chữ số này, mặc dù ở dạng mã nhị phân, đại diện cho biên độ gần đúng của mẫu tín hiệu tại thời điểm đó.

Trong Điều chế mã xung, tín hiệu bản tin được biểu diễn bằng một chuỗi các xung được mã hóa. Tín hiệu bản tin này đạt được bằng cách biểu diễn tín hiệu ở dạng rời rạc cả về thời gian và biên độ.

Các yếu tố cơ bản của PCM

Phần phát của mạch điều chế mã xung bao gồm Sampling, Quantizing và Encoding, được thực hiện trong phần chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số. Bộ lọc thông thấp trước khi lấy mẫu ngăn chặn hiện tượng răng cưa của tín hiệu bản tin.

Các thao tác cơ bản trong phần thu là regeneration of impaired signals, decoding, và reconstructioncủa tàu xung lượng tử hóa. Sau đây là sơ đồ khối của PCM đại diện cho các phần tử cơ bản của cả phần phát và phần thu.

Bộ lọc thông thấp

Bộ lọc này loại bỏ các thành phần tần số cao có trong tín hiệu tương tự đầu vào lớn hơn tần số cao nhất của tín hiệu bản tin, để tránh hiện tượng răng cưa của tín hiệu bản tin.

Người lấy mẫu

Đây là kỹ thuật giúp thu thập dữ liệu mẫu ở các giá trị tức thời của tín hiệu tin nhắn, để tái tạo lại tín hiệu ban đầu. Tốc độ lấy mẫu phải lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhấtW của tín hiệu bản tin, phù hợp với định lý lấy mẫu.

Bộ định lượng

Lượng tử hóa là một quá trình giảm các bit thừa và giới hạn dữ liệu. Đầu ra được lấy mẫu khi được cung cấp cho Quantizer, giảm các bit dư thừa và nén giá trị.

Mã hoá

Việc số hóa tín hiệu tương tự được thực hiện bởi bộ mã hóa. Nó chỉ định mỗi mức lượng tử hóa bằng một mã nhị phân. Việc lấy mẫu được thực hiện ở đây là quá trình lấy mẫu và giữ mẫu. Ba phần này (LPF, Sampler và Quantizer) sẽ hoạt động như một bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số. Mã hóa giảm thiểu băng thông được sử dụng.

Bộ lặp tái tạo

Phần này làm tăng cường độ tín hiệu. Đầu ra của kênh cũng có một mạch lặp lại tái tạo, để bù lại sự mất mát tín hiệu và tái tạo lại tín hiệu, đồng thời cũng để tăng cường độ của nó.

Người giải mã

Mạch giải mã giải mã dạng sóng được mã hóa xung để tái tạo tín hiệu gốc. Mạch này hoạt động như bộ giải điều chế.

Bộ lọc tái tạo

Sau khi quá trình chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự được thực hiện bởi mạch tái tạo và bộ giải mã, một bộ lọc thông thấp được sử dụng, được gọi là bộ lọc tái tạo để lấy lại tín hiệu ban đầu.

Do đó, mạch Điều chế mã xung số hóa tín hiệu tương tự đã cho, mã hóa nó và lấy mẫu tín hiệu đó, sau đó truyền tín hiệu đó ở dạng tương tự. Toàn bộ quá trình này được lặp lại theo mô hình ngược lại để thu được tín hiệu ban đầu.

Sampling được định nghĩa là, "Quá trình đo các giá trị tức thời của tín hiệu thời gian liên tục ở dạng rời rạc."

Sample là phần dữ liệu được lấy từ toàn bộ dữ liệu liên tục trong miền thời gian.

Khi một nguồn tạo ra tín hiệu tương tự và nếu tín hiệu đó phải được số hóa, thì 1s và 0stức là, Cao hay Thấp, tín hiệu phải được điều chỉnh kịp thời. Sự tùy tiện của tín hiệu tương tự này được gọi là Lấy mẫu.

Hình sau cho biết tín hiệu thời gian liên tục x (t) và một tín hiệu được lấy mẫu x_s (t). Khi nàox (t) được nhân với một tàu xung lực định kỳ, tín hiệu được lấy mẫu x_s (t) thu được.

Tỷ lệ lấy mẫu

Để loại bỏ các tín hiệu, khoảng cách giữa các mẫu phải được cố định. Khoảng cách đó có thể được gọi làsampling period T_s.

$$ Lấy mẫu \: Tần số = \ frac {1} {T_ {s}} = f_s $$

Ở đâu,

• $ T_s $ là thời gian lấy mẫu

• $ f_s $ là tần suất lấy mẫu hoặc tốc độ lấy mẫu

Sampling frequencylà nghịch đảo của chu kỳ lấy mẫu. Tần số lấy mẫu này, có thể được gọi đơn giản làSampling rate. Tốc độ lấy mẫu biểu thị số lượng mẫu được lấy trong một giây hoặc cho một bộ giá trị hữu hạn.

Để tín hiệu tương tự được tái tạo từ tín hiệu số hóa, tốc độ lấy mẫu cần được xem xét cao. Tốc độ lấy mẫu phải sao cho dữ liệu trong tín hiệu bản tin không bị mất và không bị chồng chéo. Do đó, một tỷ lệ đã được cố định cho điều này, được gọi là tỷ lệ Nyquist.

Tỷ lệ Nyquist

Giả sử rằng tín hiệu bị giới hạn băng tần không có thành phần tần số nào cao hơn WHertz. Điều đó có nghĩa là,Wlà tần số cao nhất. Đối với tín hiệu như vậy, để tái tạo hiệu quả tín hiệu gốc, tốc độ lấy mẫu phải gấp đôi tần số cao nhất.

Nghĩa là,

$$ f_S = 2W $$

Ở đâu,

• $ f_S $ là tỷ lệ lấy mẫu

• W là tần số cao nhất

Tỷ lệ lấy mẫu này được gọi là Nyquist rate.

Một định lý được gọi là Định lý Lấy mẫu, được phát biểu trên lý thuyết về tỷ lệ Nyquist này.

Định lý lấy mẫu

Định lý lấy mẫu, còn được gọi là Nyquist theorem, đưa ra lý thuyết về tốc độ mẫu đủ về băng thông cho loại chức năng bị giới hạn băng thông.

Định lý lấy mẫu phát biểu rằng, “một tín hiệu có thể được tái tạo chính xác nếu nó được lấy mẫu ở tốc độ f_s lớn hơn hai lần tần số tối đa W. ”

Để hiểu định lý lấy mẫu này, chúng ta hãy xem xét một tín hiệu giới hạn băng tần, tức là, một tín hiệu có giá trị là non-zero giữa một số –W và W Hertz.

Tín hiệu như vậy được biểu diễn dưới dạng $ x (f) = 0 \: for \: \ mid f \ mid> W $

Đối với tín hiệu thời gian liên tục x (t), tín hiệu giới hạn băng tần trong miền tần số, có thể được biểu diễn như trong hình sau.

Chúng ta cần một tần số lấy mẫu, một tần số mà tại đó không được mất thông tin, ngay cả sau khi lấy mẫu. Đối với điều này, chúng tôi có tỷ lệ Nyquist mà tần số lấy mẫu phải gấp hai lần tần số tối đa. Đây là tốc độ lấy mẫu quan trọng.

Nếu tín hiệu x(t) được lấy mẫu trên tốc độ Nyquist, tín hiệu ban đầu có thể được khôi phục, và nếu nó được lấy mẫu dưới tốc độ Nyquist, tín hiệu không thể được khôi phục.

Hình sau giải thích một tín hiệu, nếu được lấy mẫu ở tốc độ cao hơn 2w trong miền tần số.

Hình trên cho thấy phép biến đổi Fourier của một tín hiệu x_s (t). Ở đây, thông tin được tái tạo mà không có bất kỳ tổn thất nào. Không có sự trộn lẫn và do đó có thể phục hồi.

Biến đổi Fourier của tín hiệu x_s (t) Là

$$ X_s (w) = \ frac {1} {T_ {s}} \ sum_ {n = - \ infty} ^ \ infty X (w-nw_0) $$

Trong đó $ T_s $ = Sampling Period và $ w_0 = \ frac {2 \ pi} {T_s} $

Hãy để chúng tôi xem điều gì sẽ xảy ra nếu tốc độ lấy mẫu bằng hai lần tần số cao nhất (2W)

Điều đó có nghĩa là,

$$ f_s = 2W $$

Ở đâu,

• $ f_s $ là tần suất lấy mẫu

• W là tần số cao nhất

Kết quả sẽ như trong hình trên. Thông tin được thay thế mà không có bất kỳ mất mát. Do đó, đây cũng là một tỷ lệ lấy mẫu tốt.

Bây giờ, chúng ta hãy xem xét tình trạng,

$$ f_s <2W $$

Mô hình kết quả sẽ giống như hình sau.

Từ mô hình trên, chúng ta có thể nhận thấy rằng việc chồng chéo thông tin được thực hiện, dẫn đến việc trộn lẫn và mất thông tin. Hiện tượng over-lapping không mong muốn này được gọi là Aliasing.

Răng cưa

Aliasing có thể được gọi là “hiện tượng của thành phần tần số cao trong phổ của tín hiệu, nhận dạng thành phần tần số thấp trong phổ của phiên bản được lấy mẫu của nó.”

Các biện pháp khắc phục được thực hiện để giảm ảnh hưởng của Aliasing là:

• Trong phần máy phát của PCM, low pass anti-aliasing filter được sử dụng, trước bộ lấy mẫu, để loại bỏ các thành phần tần số cao, không mong muốn.

• Tín hiệu được lấy mẫu sau khi lọc, được lấy mẫu với tốc độ cao hơn một chút so với tốc độ Nyquist.

Lựa chọn có tỷ lệ lấy mẫu cao hơn tỷ lệ Nyquist này, cũng giúp thiết kế dễ dàng hơn reconstruction filter ở đầu thu.

Phạm vi của biến đổi Fourier

Nhìn chung, chúng tôi nhận thấy rằng, chúng tôi tìm kiếm sự trợ giúp của chuỗi Fourier và các phép biến đổi Fourier trong việc phân tích các tín hiệu và cả trong việc chứng minh các định lý. Đó là bởi vì -

• Biến đổi Fourier là phần mở rộng của chuỗi Fourier cho các tín hiệu không tuần hoàn.

• Biến đổi Fourier là một công cụ toán học mạnh mẽ giúp xem các tín hiệu trong các miền khác nhau và giúp phân tích các tín hiệu một cách dễ dàng.

• Bất kỳ tín hiệu nào cũng có thể được phân tách thành tổng sin và cosine bằng cách sử dụng phép biến đổi Fourier này.

Trong chương tiếp theo, chúng ta hãy thảo luận về khái niệm Lượng tử hóa.

Việc số hóa tín hiệu tương tự bao gồm việc làm tròn các giá trị xấp xỉ bằng các giá trị tương tự. Phương pháp lấy mẫu chọn một vài điểm trên tín hiệu tương tự và sau đó các điểm này được nối với nhau để làm tròn giá trị thành giá trị gần ổn định. Quá trình như vậy được gọi làQuantization.

Định lượng tín hiệu tương tự

Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số thực hiện loại chức năng này để tạo ra một loạt các giá trị kỹ thuật số từ tín hiệu tương tự đã cho. Hình sau đại diện cho một tín hiệu tương tự. Tín hiệu này để được chuyển đổi thành kỹ thuật số, phải trải qua quá trình lấy mẫu và lượng tử hóa.

Việc lượng tử hóa tín hiệu tương tự được thực hiện bằng cách tùy biến tín hiệu với một số mức lượng tử hóa. Quantization là đại diện cho các giá trị lấy mẫu của biên độ bằng một tập hợp các mức hữu hạn, có nghĩa là chuyển đổi một mẫu biên độ liên tục thành tín hiệu thời gian rời rạc.

Hình sau đây cho thấy cách một tín hiệu tương tự được lượng tử hóa. Đường màu xanh lam đại diện cho tín hiệu tương tự trong khi đường màu nâu biểu thị tín hiệu lượng tử hóa.

Cả việc lấy mẫu và lượng tử hóa đều dẫn đến việc mất thông tin. Chất lượng của đầu ra Quantizer phụ thuộc vào số lượng mức lượng tử hóa được sử dụng. Các biên độ rời rạc của đầu ra lượng tử hóa được gọi làrepresentation levels hoặc là reconstruction levels. Khoảng cách giữa hai mức biểu diễn liền kề được gọi làquantum hoặc là step-size.

Hình dưới đây cho thấy tín hiệu lượng tử hóa kết quả là dạng kỹ thuật số của tín hiệu tương tự đã cho.

Điều này còn được gọi là Stair-case dạng sóng, phù hợp với hình dạng của nó.

Các loại lượng tử hóa

Có hai loại Lượng tử hóa - Lượng tử hóa đồng nhất và Lượng tử hóa không đồng nhất.

Loại lượng tử hóa trong đó các mức lượng tử hóa cách đều nhau được gọi là Uniform Quantization. Loại lượng tử hóa trong đó các mức lượng tử hóa không bằng nhau và chủ yếu mối quan hệ giữa chúng là logarit, được gọi làNon-uniform Quantization.

Có hai loại lượng tử hóa đồng nhất. Chúng là loại Mid-Rise và loại Mid-Tread. Các hình sau đại diện cho hai loại lượng tử hóa đồng nhất.

Hình 1 cho thấy loại giữa tầng và hình 2 cho thấy loại lượng tử hóa đồng nhất ở giữa.

• Các Mid-Riseloại này được gọi như vậy bởi vì điểm gốc nằm ở giữa phần nâng lên của biểu đồ dạng cầu thang. Các mức lượng tử hóa trong loại này là số chẵn.

• Các Mid-treadloại này được gọi như vậy bởi vì điểm gốc nằm ở giữa một đường của biểu đồ giống trường hợp cầu thang. Các mức lượng tử hóa trong kiểu này là số lẻ.

• Cả loại bộ định lượng tử đồng nhất giữa tầng và giữa đều đối xứng về điểm gốc.

Lỗi lượng tử hóa

Đối với bất kỳ hệ thống nào, trong quá trình hoạt động của nó, luôn có sự khác biệt về các giá trị đầu vào và đầu ra của nó. Quá trình xử lý của hệ thống dẫn đến lỗi, đó là sự khác biệt của các giá trị đó.

Sự khác biệt giữa giá trị đầu vào và giá trị lượng tử của nó được gọi là Quantization Error. AQuantizerlà một hàm logarit thực hiện Lượng tử hóa (làm tròn giá trị). Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) hoạt động như một bộ định lượng.

Hình dưới đây minh họa một ví dụ cho lỗi lượng tử hóa, chỉ ra sự khác biệt giữa tín hiệu gốc và tín hiệu lượng tử hóa.

Tiếng ồn lượng tử hóa

Đó là một loại lỗi lượng tử hóa, thường xảy ra trong tín hiệu âm thanh tương tự, trong khi lượng tử hóa nó thành kỹ thuật số. Ví dụ, trong âm nhạc, các tín hiệu thay đổi liên tục, trong đó sai số không được tìm thấy. Các lỗi như vậy tạo ra nhiễu băng rộng được gọi làQuantization Noise.

Biên soạn trong PCM

Từ Compandinglà sự kết hợp của Nén và Mở rộng, có nghĩa là nó thực hiện cả hai. Đây là một kỹ thuật phi tuyến tính được sử dụng trong PCM, nén dữ liệu tại máy phát và mở rộng dữ liệu tương tự tại máy thu. Hiệu ứng của nhiễu và nhiễu xuyên âm được giảm bớt bằng cách sử dụng kỹ thuật này.

Có hai loại kỹ thuật kết hợp. Họ là -

Kỹ thuật so sánh A-luật

• Lượng tử hóa đồng nhất đạt được tại A = 1, trong đó đường đặc tính là tuyến tính và không thực hiện nén.

• Luật A có khoảng giữa tăng tại gốc. Do đó, nó chứa một giá trị khác 0.

• Soạn luật A được sử dụng cho hệ thống điện thoại PCM.

Kỹ thuật kết hợp luật µ

• Lượng tử hóa đồng nhất đạt được tại µ = 0, trong đó đường đặc tính là tuyến tính và không thực hiện nén.

• định luật µ có vân giữa tại gốc. Do đó, nó chứa giá trị bằng không.

• Định luật µ được sử dụng cho tín hiệu giọng nói và âm nhạc.

Luật µ được sử dụng ở Bắc Mỹ và Nhật Bản.

Đối với các mẫu có độ tương quan cao, khi mã hóa bằng kỹ thuật PCM, hãy để lại thông tin dư thừa. Để xử lý thông tin dư thừa này và có đầu ra tốt hơn, đó là một quyết định khôn ngoan khi lấy một giá trị được lấy mẫu dự đoán, được giả định từ đầu ra trước đó và tóm tắt chúng với các giá trị đã lượng tử hóa. Quá trình như vậy được gọi làDifferential PCM (DPCM) kỹ thuật.

Máy phát DPCM

Bộ phát DPCM bao gồm Bộ định lượng và Bộ dự đoán với hai mạch mùa hè. Sau đây là sơ đồ khối của máy phát DPCM.

Các tín hiệu tại mỗi điểm được đặt tên là -

• $ x (nT_s) $ là đầu vào được lấy mẫu

• $ \ widehat {x} (nT_s) $ là mẫu dự đoán

• $ e (nT_s) $ là hiệu số của đầu vào được lấy mẫu và đầu ra được dự đoán, thường được gọi là lỗi dự đoán

• $ v (nT_s) $ là đầu ra lượng tử hóa

• $ u (nT_s) $ là đầu vào của bộ dự đoán thực sự là đầu ra mùa hè của đầu ra của bộ dự đoán và đầu ra của bộ lượng tử

Bộ dự đoán tạo ra các mẫu giả định từ các đầu ra trước đó của mạch máy phát. Đầu vào cho bộ dự đoán này là các phiên bản lượng tử hóa của tín hiệu đầu vào $ x (nT_s) $.

Đầu ra của bộ định lượng được biểu thị là -

$$ v (nT_s) = Q [e (nT_s)] $$

$ = e (nT_s) + q (nT_s) $

Ở đâu q (nT_s) là lỗi lượng tử hóa

Đầu vào bộ dự đoán là tổng đầu ra của bộ định lượng và đầu ra của bộ dự đoán,

$$ u (nT_s) = \ widehat {x} (nT_s) + v (nT_s) $$

$ u (nT_s) = \ widehat {x} (nT_s) + e (nT_s) + q (nT_s) $

$$ u (nT_s) = x (nT_s) + q (nT_s) $$

Mạch dự báo tương tự được sử dụng trong bộ giải mã để tái tạo lại đầu vào ban đầu.

Bộ thu DPCM

Sơ đồ khối của Bộ thu DPCM bao gồm bộ giải mã, bộ dự đoán và mạch mùa hè. Sau đây là sơ đồ của Bộ thu DPCM.

Ký hiệu của các tín hiệu cũng giống như những tín hiệu trước đó. Trong trường hợp không có nhiễu, đầu vào máy thu được mã hóa sẽ giống với đầu ra máy phát được mã hóa.

Như đã đề cập trước đây, bộ dự đoán giả định một giá trị, dựa trên các kết quả đầu ra trước đó. Đầu vào được đưa cho bộ giải mã được xử lý và đầu ra đó được tổng hợp với đầu ra của bộ dự đoán, để có được đầu ra tốt hơn.

Tốc độ lấy mẫu của một tín hiệu phải cao hơn tốc độ Nyquist, để lấy mẫu tốt hơn. Nếu khoảng thời gian lấy mẫu này trong PCM sai khác được giảm đáng kể, thì chênh lệch biên độ giữa mẫu và mẫu là rất nhỏ, như thể sự khác biệt là1-bit quantization, thì kích thước bước sẽ rất nhỏ, tức là Δ (đồng bằng).

Điều chế Delta

Loại điều chế, trong đó tốc độ lấy mẫu cao hơn nhiều và trong đó kích thước bước sau khi lượng tử hóa có giá trị nhỏ hơn Δ, một điều chế như vậy được gọi là delta modulation.

Các tính năng của điều chế Delta

Sau đây là một số tính năng của điều chế delta.

• Một đầu vào được lấy mẫu quá mức được thực hiện để sử dụng đầy đủ mối tương quan của tín hiệu.

• Thiết kế lượng tử hóa rất đơn giản.

• Trình tự đầu vào cao hơn nhiều so với tỷ lệ Nyquist.

• Chất lượng vừa phải.

• Thiết kế của bộ điều chế và bộ giải điều chế rất đơn giản.

• Sự xấp xỉ trường hợp cầu thang của dạng sóng đầu ra.

• Kích thước bước rất nhỏ, tức là Δ (đồng bằng).

• Tốc độ bit có thể được quyết định bởi người dùng.

• Điều này liên quan đến việc thực hiện đơn giản hơn.

Điều chế Delta là một dạng đơn giản của kỹ thuật DPCM, cũng được xem như 1-bit DPCM scheme. Khi khoảng thời gian lấy mẫu được giảm xuống, tương quan tín hiệu sẽ cao hơn.

Bộ điều chế Delta

Bộ điều chế Delta bao gồm bộ định lượng 1 bit và mạch trễ cùng với hai mạch mùa hè. Sau đây là sơ đồ khối của một bộ điều chế delta.

Mạch dự báo trong DPCM được thay thế bằng một mạch trễ đơn giản trong DM.

Từ sơ đồ trên, chúng ta có ký hiệu là:

• $ x (nT_s) $ = quá đầu vào được lấy mẫu

• $ e_p (nT_s) $ = đầu ra mùa hè và đầu vào bộ định lượng

• $ e_q (nT_s) $ = đầu ra của bộ lượng tử = $ v (nT_s) $

• $ \ widehat {x} (nT_s) $ = đầu ra của mạch trễ

• $ u (nT_s) $ = đầu vào của mạch trễ

Sử dụng các ký hiệu này, bây giờ chúng ta sẽ cố gắng tìm ra quá trình điều chế delta.

$ e_p (nT_s) = x (nT_s) - \ widehat {x} (nT_s) $

--------- phương trình 1

$ = x (nT_s) - u ([n - 1] T_s) $

$ = x (nT_s) - [\ widehat {x} [[n - 1] T_s] + v [[n-1] T_s]] $

--------- phương trình 2

Thêm nữa,

$ v (nT_s) = e_q (nT_s) = S.sig. [e_p (nT_s)] $

--------- phương trình 3

$ u (nT_s) = \ widehat {x} (nT_s) + e_q (nT_s) $

Ở đâu,

• $ \ widehat {x} (nT_s) $ = giá trị trước đó của mạch trễ

• $ e_q (nT_s) $ = đầu ra của bộ lượng tử = $ v (nT_s) $

Vì thế,

$ u (nT_s) = u ([n-1] T_s) + v (nT_s) $

--------- phương trình 4

Nghĩa là,

The present input of the delay unit

= (The previous output of the delay unit) + (the present quantizer output)

Giả sử điều kiện tích lũy bằng không,

$ u (nT_s) = S \ displaystyle \ sum \ limit_ {j = 1} ^ n sig [e_p (jT_s)] $

Accumulated version of DM output = $ \ displaystyle \ sum \ limit_ {j = 1} ^ nv (jT_s) $

--------- phương trình 5

Bây giờ, hãy lưu ý rằng

$ \ widehat {x} (nT_s) = u ([n-1] T_s) $

$ = \ displaystyle \ sum \ limit_ {j = 1} ^ {n - 1} v (jT_s) $

--------- phương trình 6

Đầu ra đơn vị độ trễ là đầu ra Bộ tích lũy bị trễ một mẫu.

Từ phương trình 5 & 6, chúng ta có được một cấu trúc khả thi cho bộ giải điều chế.

Dạng sóng xấp xỉ trường hợp cầu thang sẽ là đầu ra của bộ điều chế delta với kích thước bước là delta (Δ). Chất lượng đầu ra của dạng sóng ở mức trung bình.

Delta Demodulator

Bộ giải điều chế delta bao gồm một bộ lọc thông thấp, một mùa hè và một mạch trễ. Mạch dự đoán bị loại bỏ ở đây và do đó không có đầu vào giả định nào được cấp cho bộ giải điều chế.

Sau đây là sơ đồ cho bộ giải điều chế delta.

Từ sơ đồ trên, chúng ta có ký hiệu là:

• $ \ widehat {v} (nT_s) $ là mẫu đầu vào

• $ \ widehat {u} (nT_s) $ là sản lượng mùa hè

• $ \ bar {x} (nT_s) $ là đầu ra bị trễ

Một chuỗi nhị phân sẽ được đưa ra làm đầu vào cho bộ giải điều chế. Đầu ra ước lượng trường hợp cầu thang được cấp cho LPF.

Bộ lọc thông thấp được sử dụng vì nhiều lý do, nhưng lý do nổi bật là loại bỏ nhiễu đối với các tín hiệu ngoài dải. Lỗi kích thước bước có thể xảy ra ở máy phát được gọi làgranular noise, được loại bỏ ở đây. Nếu không có nhiễu, thì đầu ra của bộ điều chế bằng với đầu vào của bộ giải điều chế.

Ưu điểm của DM so với DPCM

• Bộ định lượng 1 bit

• Thiết kế rất dễ dàng của bộ điều chế và bộ giải điều chế

Tuy nhiên, có một số tiếng ồn trong DM.

• Độ dốc Biến dạng quá tải (khi Δ nhỏ)

• Tiếng ồn dạng hạt (khi Δ lớn)

Điều chế Delta thích ứng (ADM)

Trong điều chế kỹ thuật số, chúng ta đã gặp một số vấn đề nhất định trong việc xác định kích thước bước ảnh hưởng đến chất lượng của sóng đầu ra.

Kích thước bước lớn hơn là cần thiết trong độ dốc lớn của tín hiệu điều chế và kích thước bước nhỏ hơn là cần thiết khi thông báo có độ dốc nhỏ. Các chi tiết phút bị bỏ sót trong quá trình này. Vì vậy, sẽ tốt hơn nếu chúng ta có thể kiểm soát việc điều chỉnh kích thước bước, theo yêu cầu của chúng ta để lấy mẫu theo cách mong muốn. Đây là khái niệm củaAdaptive Delta Modulation.

Sau đây là sơ đồ khối của bộ điều chế delta thích ứng.

Độ lợi của bộ khuếch đại điều khiển điện áp được điều chỉnh bởi tín hiệu đầu ra từ bộ lấy mẫu. Độ lợi của bộ khuếch đại xác định kích thước bước và cả hai đều tỷ lệ với nhau.

ADM định lượng sự khác biệt giữa giá trị của mẫu hiện tại và giá trị dự đoán của mẫu tiếp theo. Nó sử dụng chiều cao bước thay đổi để dự đoán các giá trị tiếp theo, nhằm tái tạo trung thực các giá trị thay đổi nhanh chóng.

Có một vài kỹ thuật đã mở đường cơ bản cho các quy trình truyền thông kỹ thuật số. Để các tín hiệu được số hóa, chúng tôi có các kỹ thuật lấy mẫu và lượng hóa.

Để chúng được biểu diễn bằng toán học, chúng tôi có LPC và kỹ thuật ghép kênh kỹ thuật số. Các kỹ thuật điều chế kỹ thuật số này sẽ được thảo luận thêm.

Mã hóa dự đoán tuyến tính

Linear Predictive Coding (LPC)là một công cụ biểu diễn tín hiệu giọng nói kỹ thuật số trong mô hình dự đoán tuyến tính. Điều này chủ yếu được sử dụng trong xử lý tín hiệu âm thanh, tổng hợp giọng nói, nhận dạng giọng nói, v.v.

Dự đoán tuyến tính dựa trên ý tưởng rằng mẫu hiện tại dựa trên sự kết hợp tuyến tính của các mẫu trong quá khứ. Phân tích ước tính các giá trị của tín hiệu thời gian rời rạc như một hàm tuyến tính của các mẫu trước đó.

Đường bao quang phổ được biểu diễn dưới dạng nén, sử dụng thông tin của mô hình dự đoán tuyến tính. Điều này có thể được biểu diễn về mặt toán học là:

$ s (n) = \ displaystyle \ sum \ limit_ {k = 1} ^ p \ alpha_k s (n - k) $ cho một số giá trị p và α_k

Ở đâu

• s(n) là mẫu bài phát biểu hiện tại

• k là một mẫu cụ thể

• p là giá trị gần đây nhất

• α_k dự đoán có đồng hiệu quả không

• s(n - k) là mẫu bài phát biểu trước đó

Đối với LPC, các giá trị đồng hiệu quả của bộ dự đoán được xác định bằng cách giảm thiểu tổng các khác biệt bình phương (trong một khoảng hữu hạn) giữa các mẫu lời nói thực tế và các mẫu được dự đoán tuyến tính.

Đây là một phương pháp rất hữu ích cho encoding speechở tốc độ bit thấp. Phương pháp LPC rất gần vớiFast Fourier Transform (FFT) phương pháp.

Ghép kênh

Multiplexinglà quá trình kết hợp nhiều tín hiệu thành một tín hiệu, trên một phương tiện dùng chung. Những tín hiệu này, nếu có bản chất tương tự, quá trình này được gọi làanalog multiplexing. Nếu tín hiệu kỹ thuật số được ghép kênh, nó được gọi làdigital multiplexing.

Ghép kênh lần đầu tiên được phát triển trong điện thoại. Một số tín hiệu đã được kết hợp để gửi qua một sợi cáp. Quá trình ghép kênh chia một kênh truyền thông thành một số kênh logic, phân bổ mỗi kênh cho một tín hiệu bản tin khác nhau hoặc một luồng dữ liệu sẽ được chuyển. Thiết bị ghép kênh, có thể được gọi làMUX. Quá trình ngược lại, tức là, trích xuất số kênh từ một, được thực hiện ở bộ thu được gọi làde-multiplexing. Thiết bị khử ghép kênh được gọi làDEMUX.

Các hình sau đại diện cho MUX và DEMUX. Công dụng chính của chúng là trong lĩnh vực truyền thông.

Các loại bộ ghép kênh

Chủ yếu có hai loại bộ ghép kênh, đó là tương tự và kỹ thuật số. Chúng được chia thành FDM, WDM và TDM. Hình dưới đây cho ta một ý tưởng chi tiết về cách phân loại này.

Trên thực tế, có nhiều loại kỹ thuật ghép kênh. Trong số chúng, chúng tôi có các loại chính với phân loại chung, được đề cập trong hình trên.

Ghép kênh tương tự

Các kỹ thuật ghép kênh tương tự liên quan đến các tín hiệu có bản chất tương tự. Các tín hiệu tương tự được ghép theo tần số (FDM) hoặc bước sóng (WDM) của chúng.

Ghép kênh phân chia theo tần số (FDM)

Trong ghép kênh tương tự, kỹ thuật được sử dụng nhiều nhất là Frequency Division Multiplexing (FDM). Kỹ thuật này sử dụng các tần số khác nhau để kết hợp các luồng dữ liệu, để gửi chúng trên một phương tiện truyền thông, dưới dạng một tín hiệu duy nhất.

Example - Một máy phát truyền hình truyền thống, truyền một số kênh thông qua một cáp duy nhất, sử dụng FDM.

Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM)

Ghép kênh phân chia theo bước sóng là một kỹ thuật tương tự, trong đó nhiều luồng dữ liệu có bước sóng khác nhau được truyền trong quang phổ ánh sáng. Nếu tăng bước sóng thì tần số của tín hiệu giảm. Aprism có thể biến các bước sóng khác nhau thành một đường duy nhất, có thể được sử dụng ở đầu ra của MUX và đầu vào của DEMUX.

Example - Thông tin liên lạc bằng cáp quang sử dụng kỹ thuật WDM để hợp nhất các bước sóng khác nhau thành một ánh sáng duy nhất để liên lạc.

Ghép kênh kỹ thuật số

Thuật ngữ kỹ thuật số đại diện cho các bit thông tin rời rạc. Do đó, dữ liệu có sẵn ở dạng khung hoặc gói, chúng rời rạc.

Ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM)

Trong TDM, khung thời gian được chia thành các khe. Kỹ thuật này được sử dụng để truyền tín hiệu qua một kênh truyền thông đơn lẻ, bằng cách phân bổ một vị trí cho mỗi bản tin.

Trong tất cả các loại TDM, loại chính là TDM đồng bộ và không đồng bộ.

TDM đồng bộ

Trong TDM đồng bộ, đầu vào được kết nối với một khung. Nếu có 'n'số lượng kết nối, sau đó khung được chia thành'ncác khe thời gian. Một vị trí được phân bổ cho mỗi dòng đầu vào.

Trong kỹ thuật này, tốc độ lấy mẫu là chung cho tất cả các tín hiệu và do đó cùng một đầu vào xung nhịp được đưa ra. MUX phân bổ cùng một vị trí cho mỗi thiết bị tại mọi thời điểm.

TDM không đồng bộ

Trong TDM không đồng bộ, tốc độ lấy mẫu khác nhau đối với mỗi tín hiệu và không cần đồng hồ chung. Nếu thiết bị được phân bổ, đối với một khe thời gian, không truyền tải gì và không hoạt động, thì vị trí đó sẽ được phân bổ cho một thiết bị khác, không giống như đồng bộ. Loại TDM này được sử dụng trong các mạng chế độ truyền không đồng bộ.

Bộ lặp tái tạo

Để bất kỳ hệ thống liên lạc nào trở nên đáng tin cậy, nó phải truyền và nhận tín hiệu một cách hiệu quả, không bị mất mát. Sóng PCM sau khi truyền qua một kênh sẽ bị méo do nhiễu do kênh đưa vào.

Xung tái tạo được so sánh với xung gốc và xung nhận được, sẽ như trong hình sau.

Để tái tạo tín hiệu tốt hơn, một mạch được gọi là regenerative repeaterđược sử dụng trong đường dẫn trước máy thu. Điều này giúp khôi phục các tín hiệu từ những mất mát đã xảy ra. Sau đây là biểu diễn sơ đồ.

Điều này bao gồm bộ cân bằng cùng với bộ khuếch đại, mạch định thời và thiết bị ra quyết định. Hoạt động của từng thành phần được trình bày chi tiết như sau.

Bộ chỉnh âm

Kênh tạo ra các biến dạng về biên độ và pha đối với các tín hiệu. Điều này là do đặc tính truyền dẫn của kênh. Mạch Equalizer bù đắp những tổn thất này bằng cách định hình các xung nhận được.

Mạch thời gian

Để có được đầu ra chất lượng, việc lấy mẫu các xung phải được thực hiện ở nơi tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) là lớn nhất. Để đạt được sự lấy mẫu hoàn hảo này, một chuỗi xung tuần hoàn phải được bắt nguồn từ các xung nhận được, được thực hiện bởi mạch định thời.

Do đó, mạch định thời, phân bổ khoảng thời gian để lấy mẫu ở SNR cao, thông qua các xung nhận được.

Thiết bị Quyết định

Mạch định thời xác định thời gian lấy mẫu. Thiết bị quyết định được bật vào những thời điểm lấy mẫu này. Thiết bị quyết định quyết định đầu ra của nó dựa trên việc liệu biên độ của xung lượng tử hóa và tiếng ồn, có vượt quá giá trị xác định trước hay không.

Đây là một số kỹ thuật được sử dụng trong truyền thông kỹ thuật số. Có những kỹ thuật quan trọng khác cần được học, được gọi là kỹ thuật mã hóa dữ liệu. Hãy để chúng tôi tìm hiểu về chúng trong các chương tiếp theo, sau khi xem qua các mã dòng.

A line codelà mã được sử dụng để truyền dữ liệu của tín hiệu kỹ thuật số qua đường truyền. Quá trình mã hóa này được lựa chọn để tránh chồng chéo và biến dạng tín hiệu như nhiễu giữa các ký hiệu.

Thuộc tính của mã hóa dòng

Sau đây là các thuộc tính của mã hóa dòng:

• Khi mã hóa được thực hiện để làm cho nhiều bit hơn truyền trên một tín hiệu, băng thông được sử dụng sẽ giảm đi nhiều.

• Đối với một băng thông nhất định, điện năng được sử dụng hiệu quả.

• Xác suất lỗi giảm đi nhiều.

• Phát hiện lỗi được thực hiện và lưỡng cực cũng có khả năng sửa chữa.

• Mật độ quyền lực nhiều thuận lợi.

• Nội dung thời gian là phù hợp.

• Chuỗi dài của 1s và 0s được tránh để duy trì tính minh bạch.

Các loại mã hóa dòng

Có 3 loại mã hóa dòng

• Unipolar
• Polar
• Bi-polar

Tín hiệu đơn cực

Tín hiệu đơn cực còn được gọi là On-Off Keying hoặc đơn giản OOK.

Sự hiện diện của xung thể hiện một 1 và sự vắng mặt của xung thể hiện một 0.

Có hai biến thể trong tín hiệu đơn cực -

• Non Return to Zero (NRZ)
• Trở về số không (RZ)

Đơn cực Không trở về 0 (NRZ)

Trong loại tín hiệu đơn cực này, Dữ liệu cao được biểu thị bằng một xung dương được gọi là Mark, có thời hạn T₀bằng thời lượng bit ký hiệu. Đầu vào dữ liệu Thấp không có xung.

Hình sau mô tả rõ ràng điều này.

Advantages

Ưu điểm của Unipolar NRZ là -

• Nó đơn giản.
• Yêu cầu băng thông nhỏ hơn.

Disadvantages

Nhược điểm của NRZ đơn cực là -

• Không sửa lỗi được thực hiện.

• Sự hiện diện của các thành phần tần số thấp có thể làm giảm tín hiệu.

• Không có đồng hồ hiện tại.

• Mất đồng bộ hóa có thể xảy ra (đặc biệt là đối với các chuỗi dài 1s và 0s).

Đơn cực trở về 0 (RZ)

Trong loại tín hiệu đơn cực này, Dữ liệu cao, mặc dù được biểu thị bằng Mark pulse, thời hạn của nó T₀nhỏ hơn thời lượng bit ký hiệu. Một nửa thời lượng bit vẫn ở mức cao nhưng nó ngay lập tức trở về 0 và cho thấy sự vắng mặt của xung trong nửa thời lượng bit còn lại.

Nó được hiểu rõ ràng với sự trợ giúp của hình sau.

Advantages

Ưu điểm của RZ đơn cực là -

• Nó đơn giản.
• Vạch quang phổ có ở tỷ lệ ký hiệu có thể được sử dụng như một đồng hồ.

Disadvantages

Nhược điểm của RZ đơn cực là -

• Không sửa lỗi.
• Chiếm gấp đôi băng thông so với NRZ đơn cực.
• Sự sụt giảm tín hiệu được gây ra ở những nơi có tín hiệu khác 0 ở tần số 0 Hz.

Tín hiệu cực

Có hai phương pháp phát tín hiệu cực. Họ là -

• Polar NRZ
• Polar RZ

Polar NRZ

Trong loại tín hiệu Cực này, dữ liệu Cao được biểu thị bằng xung dương, trong khi dữ liệu Thấp được biểu thị bằng xung âm. Hình sau mô tả điều này tốt.

Advantages

Ưu điểm của Polar NRZ là -

• Nó đơn giản.
• Không có thành phần tần số thấp nào.

Disadvantages

Nhược điểm của Polar NRZ là -

• Không sửa lỗi.

• Không có đồng hồ hiện tại.

• Sự sụt giảm tín hiệu được gây ra ở những nơi mà tín hiệu khác 0 tại 0 Hz.

Polar RZ

Trong loại báo hiệu Cực này, Dữ liệu cao, mặc dù được biểu thị bằng Mark pulse, thời hạn của nó T₀nhỏ hơn thời lượng bit ký hiệu. Một nửa thời lượng bit vẫn ở mức cao nhưng nó ngay lập tức trở về 0 và cho thấy sự vắng mặt của xung trong nửa thời lượng bit còn lại.

Tuy nhiên, đối với đầu vào Thấp, một xung âm đại diện cho dữ liệu và mức 0 vẫn giữ nguyên trong nửa thời lượng bit còn lại. Hình sau mô tả rõ điều này.

Advantages

Ưu điểm của Polar RZ là -

• Nó đơn giản.
• Không có thành phần tần số thấp nào.

Disadvantages

Nhược điểm của Polar RZ là -

• Không sửa lỗi.

• Không có đồng hồ hiện tại.

• Chiếm gấp đôi băng thông của Polar NRZ.

• Sự sụt giảm tín hiệu được gây ra ở những nơi mà tín hiệu khác 0 tại 0 Hz.

Tín hiệu lưỡng cực

Đây là một kỹ thuật mã hóa có ba mức điện áp cụ thể là +, - và 0. Một tín hiệu như vậy được gọi làduo-binary signal.

Một ví dụ của loại này là Alternate Mark Inversion (AMI). Cho một1, mức điện áp được chuyển đổi từ + sang - hoặc từ - sang +, có 1scó cực tính bằng nhau. A0 sẽ có mức điện áp bằng không.

Ngay cả trong phương pháp này, chúng tôi có hai loại.

• NRZ lưỡng cực
• RZ lưỡng cực

Từ các mô hình đã thảo luận cho đến nay, chúng tôi đã học được sự khác biệt giữa NRZ và RZ. Nó cũng diễn ra theo cùng một cách ở đây. Hình sau mô tả rõ ràng điều này.

Hình trên có cả dạng sóng Bipolar NRZ và RZ. Thời lượng xung và thời lượng bit ký hiệu bằng nhau ở loại NRZ, trong khi thời lượng xung bằng một nửa thời lượng bit ký hiệu ở loại RZ.

Ưu điểm

Sau đây là những ưu điểm -

• Nó đơn giản.

• Không có thành phần tần số thấp nào.

• Chiếm băng thông thấp hơn so với lược đồ NRZ đơn cực và cực.

• Kỹ thuật này thích hợp để truyền qua các đường nối AC, vì tín hiệu không xảy ra ở đây.

• Một khả năng phát hiện lỗi duy nhất có trong này.

Nhược điểm

Sau đây là những nhược điểm -

• Không có đồng hồ hiện tại.
• Chuỗi dữ liệu dài gây ra mất đồng bộ hóa.

Mật độ phổ công suất

Hàm mô tả cách sức mạnh của tín hiệu được phân phối ở các tần số khác nhau, trong miền tần số được gọi là Power Spectral Density (PSD).

PSD là Fourier Transform of Auto-Correlation (Sự tương đồng giữa các quan sát). Nó ở dạng xung hình chữ nhật.

Nguồn gốc PSD

Theo định lý Einstein-Wiener-Khintchine, nếu biết hàm tương quan tự động hoặc mật độ phổ công suất của một quá trình ngẫu nhiên, thì quá trình kia có thể được tìm thấy chính xác.

Do đó, để tính được mật độ phổ công suất, chúng ta sẽ sử dụng tương quan tự động theo thời gian $ (R_x (\ tau)) $ của tín hiệu công suất $ x (t) $ như hình dưới đây.

$ R_x (\ tau) = \ lim_ {T_p \ rightarrow \ infty} \ frac {1} {T_p} \ int _ {\ frac {{- T_p}} {2}} ^ {\ frac {T_p} {2}} x (t) x (t + \ tau) dt $

Vì $ x (t) $ bao gồm các xung, $ R_x (\ tau) $ có thể được viết là

$ R_x (\ tau) = \ frac {1} {T} \ displaystyle \ sum \ limit_ {n = - \ infty} ^ \ infty R_n \ delta (\ tau - nT) $

Trong đó $ R_n = \ lim_ {N \ rightarrow \ infty} \ frac {1} {N} \ sum_ka_ka_ {k + n} $

Nhận biết rằng $ R_n = R _ {- n} $ cho các tín hiệu thực, chúng tôi có

$ S_x (w) = \ frac {1} {T} (R_0 + 2 \ displaystyle \ sum \ limit_ {n = 1} ^ \ infty R_n \ cos nwT) $

Vì bộ lọc xung có phổ của $ (w) \ leftrightarrow f (t) $, chúng ta có

$ s_y (w) = \ mid F (w) \ mid ^ 2S_x (w) $

$ = \ frac {\ mid F (w) \ mid ^ 2} {T} (\ displaystyle \ sum \ limit_ {n = - \ infty} ^ \ infty R_ne ^ {- jnwT_ {b}}) $

$ = \ frac {\ mid F (w) \ mid ^ 2} {T} (R_0 + 2 \ displaystyle \ sum \ limit_ {n = 1} ^ \ infty R_n \ cos nwT) $

Do đó, chúng tôi nhận được phương trình cho Mật độ phổ công suất. Sử dụng điều này, chúng ta có thể tìm thấy PSD của nhiều mã dòng khác nhau.

Encoding là quá trình chuyển đổi dữ liệu hoặc một chuỗi ký tự, ký hiệu, bảng chữ cái, v.v., thành một định dạng xác định, để truyền dữ liệu một cách an toàn. Decoding là quá trình ngược lại của mã hóa nhằm trích xuất thông tin từ định dạng đã chuyển đổi.

Mã hóa dữ liệu

Mã hóa là quá trình sử dụng các mẫu khác nhau của các mức điện áp hoặc dòng điện để biểu diễn 1s và 0s của các tín hiệu số trên đường truyền.

Các loại mã hóa dòng phổ biến là Đơn cực, Cực, Lưỡng cực và Manchester.

Kỹ thuật mã hóa

Kỹ thuật mã hóa dữ liệu được chia thành các loại sau, tùy thuộc vào loại chuyển đổi dữ liệu.

• Analog data to Analog signals - Các kỹ thuật điều chế như Điều chế biên độ, Điều chế tần số và Điều chế pha của tín hiệu tương tự, thuộc loại này.

• Analog data to Digital signals- Quá trình này có thể được gọi là số hóa, được thực hiện bởi Điều chế mã xung (PCM). Do đó, nó không là gì ngoài điều chế kỹ thuật số. Như chúng ta đã thảo luận, lấy mẫu và lượng tử hóa là những yếu tố quan trọng trong việc này. Điều chế Delta cho đầu ra tốt hơn PCM.

• Digital data to Analog signals- Các kỹ thuật điều chế như Khóa dịch chuyển biên độ (ASK), Khóa dịch tần (FSK), Khóa dịch chuyển pha (PSK), v.v., thuộc loại này. Những điều này sẽ được thảo luận trong các chương tiếp theo.

• Digital data to Digital signals- Những thứ này nằm trong phần này. Có một số cách để ánh xạ dữ liệu kỹ thuật số sang tín hiệu kỹ thuật số. Một số trong số họ là -

Non Return to Zero (NRZ)

NRZ Codes có 1 cho mức điện áp cao và 0đối với cấp điện áp thấp. Hành vi chính của mã NRZ là mức điện áp không đổi trong khoảng thời gian bit. Kết thúc hoặc bắt đầu của một bit sẽ không được chỉ ra và nó sẽ duy trì trạng thái điện áp giống nhau, nếu giá trị của bit trước đó và giá trị của bit hiện tại giống nhau.

Hình sau giải thích khái niệm mã hóa NRZ.

Nếu ví dụ trên được xem xét, vì có một chuỗi dài mức điện áp không đổi và đồng bộ hóa xung nhịp có thể bị mất do không có khoảng bit, máy thu sẽ khó phân biệt giữa 0 và 1.

Có hai biến thể trong NRZ là -

NRZ - L (NRZ - LEVEL)

Có một sự thay đổi trong cực của tín hiệu, chỉ khi tín hiệu đến thay đổi từ 1 sang 0 hoặc từ 0 sang 1. Nó giống như NRZ, tuy nhiên, bit đầu tiên của tín hiệu đầu vào phải có sự thay đổi phân cực.

NRZ - I (NRZ - INVERTED)

Nếu một 1xảy ra ở tín hiệu đến, sau đó xảy ra quá trình chuyển đổi ở đầu khoảng bit. Cho một0 ở tín hiệu đến, không có chuyển tiếp ở đầu khoảng bit.

Mã NRZ có disadvantage rằng sự đồng bộ hóa của đồng hồ máy phát với đồng hồ máy thu bị xáo trộn hoàn toàn, khi có một chuỗi 1s và 0s. Do đó, cần phải cung cấp một dòng đồng hồ riêng.

Mã hóa hai pha

Mức tín hiệu được kiểm tra hai lần cho mỗi thời gian bit, cả ban đầu và ở giữa. Do đó, tốc độ xung nhịp cao gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu và do đó tốc độ điều chế cũng tăng gấp đôi. Đồng hồ được lấy từ chính tín hiệu. Băng thông cần thiết cho việc mã hóa này lớn hơn.

Có hai loại mã hóa hai pha.

• Bi-phase Manchester
• Manchester khác biệt

Bi-phase Manchester

Trong kiểu mã hóa này, quá trình chuyển đổi được thực hiện ở giữa khoảng thời gian bit. Sự chuyển đổi cho xung kết quả là từ Cao xuống Thấp ở giữa khoảng thời gian, đối với bit đầu vào 1. Trong khi quá trình chuyển đổi từ Thấp sang Cao cho bit đầu vào0.

Manchester khác biệt

Trong kiểu mã hóa này, luôn luôn xảy ra sự chuyển đổi ở giữa khoảng bit. Nếu xảy ra quá trình chuyển đổi ở đầu khoảng bit, thì bit đầu vào là0. Nếu không có quá trình chuyển đổi nào xảy ra ở đầu khoảng bit, thì bit đầu vào là1.

Hình sau đây minh họa các dạng sóng của mã hóa NRZ-L, NRZ-I, Bi-phase Manchester và Differential Manchester cho các đầu vào kỹ thuật số khác nhau.

Mã hóa khối

Trong số các loại mã hóa khối, những loại nổi tiếng là mã hóa 4B / 5B và mã hóa 8B / 6T. Số lượng bit được xử lý theo các cách khác nhau, trong cả hai quy trình này.

Mã hóa 4B / 5B

Trong mã hóa Manchester, để gửi dữ liệu, cần có đồng hồ với tốc độ gấp đôi chứ không phải mã hóa NRZ. Ở đây, như tên của nó, 4 bit mã được ánh xạ với 5 bit, với số lượng tối thiểu là1 bit trong nhóm.

Vấn đề đồng bộ hóa xung nhịp trong mã hóa NRZ-I được tránh bằng cách gán một từ tương đương gồm 5 bit vào vị trí của mỗi khối gồm 4 bit liên tiếp. Các từ 5-bit này được xác định trước trong từ điển.

Ý tưởng cơ bản của việc chọn mã 5 bit là nó phải có one leading 0 và nó nên có no more than two trailing 0s. Do đó, những từ này được chọn sao cho hai giao dịch diễn ra trên mỗi khối bit.

Mã hóa 8B / 6T

Chúng tôi đã sử dụng hai mức điện áp để gửi một bit qua một tín hiệu. Nhưng nếu chúng ta sử dụng nhiều hơn 3 mức điện áp, chúng ta có thể gửi nhiều bit hơn cho mỗi tín hiệu.

Ví dụ, nếu 6 mức điện áp được sử dụng để biểu diễn 8 bit trên một tín hiệu, thì mã hóa như vậy được gọi là mã hóa 8B / 6T. Do đó, trong phương pháp này, chúng ta có tới 729 (3 ^ 6) kết hợp cho tín hiệu và 256 (2 ^ 8) kết hợp cho bit.

Đây là những kỹ thuật chủ yếu được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu kỹ thuật số thành tín hiệu kỹ thuật số bằng cách nén hoặc mã hóa chúng để truyền dữ liệu đáng tin cậy.

Sau khi trải qua các loại kỹ thuật mã hóa khác nhau, chúng tôi có ý tưởng về cách dữ liệu dễ bị biến dạng và cách thực hiện các biện pháp để ngăn chặn nó bị ảnh hưởng để thiết lập một giao tiếp đáng tin cậy.

Có một biến dạng quan trọng khác có nhiều khả năng xảy ra nhất, được gọi là Inter-Symbol Interference (ISI).

Sự nhiễu giữa các tín hiệu giao thoa

Đây là một dạng méo tín hiệu, trong đó một hoặc nhiều ký hiệu gây nhiễu cho các tín hiệu tiếp theo, gây ra nhiễu hoặc cung cấp đầu ra kém.

Nguyên nhân của ISI

Nguyên nhân chính của ISI là -

• Truyền bá đa đường
• Tần số phi tuyến tính trong các kênh

ISI là không mong muốn và cần được loại bỏ hoàn toàn để có được đầu ra sạch. Nguyên nhân của ISI cũng cần được giải quyết để giảm bớt ảnh hưởng của nó.

Để xem ISI ở dạng toán học có trong đầu ra máy thu, chúng ta có thể xem xét đầu ra máy thu.

Đầu ra của bộ lọc nhận $ y (t) $ được lấy mẫu tại thời điểm $ t_i = iT_b $ (với i nhận các giá trị nguyên), mang lại -

$ y (t_i) = \ mu \ displaystyle \ sum \ limit_ {k = - \ infty} ^ {\ infty} a_kp (iT_b - kT_b) $

$ = \ mu a_i + \ mu \ displaystyle \ sum \ limit_ {k = - \ infty \\ k \ neq? i} ^ {\ infty} a_kp (iT_b - kT_b) $

Trong phương trình trên, số hạng đầu tiên $ \ mu a_i $ được tạo ra bởi i^th bit được truyền.

Số hạng thứ hai đại diện cho ảnh hưởng còn lại của tất cả các bit được truyền khác đối với việc giải mã i^thbit. Hiệu ứng dư này được gọi làInter Symbol Interference.

Trong trường hợp không có ISI, đầu ra sẽ là:

$$ y (t_i) = \ mu a_i $$

Phương trình này cho thấy rằng i^thbit được truyền đi được tái tạo chính xác. Tuy nhiên, sự hiện diện của ISI dẫn đến lỗi bit và biến dạng trong đầu ra.

Trong khi thiết kế bộ phát hoặc bộ thu, điều quan trọng là bạn phải giảm thiểu ảnh hưởng của ISI, để nhận được đầu ra với tỷ lệ lỗi ít nhất có thể.

Mã hóa tương quan

Cho đến nay, chúng ta đã thảo luận rằng ISI là một hiện tượng không mong muốn và làm suy giảm tín hiệu. Nhưng cùng một ISI nếu được sử dụng một cách có kiểm soát, có thể đạt được tốc độ bit2W bit trên giây trong một kênh băng thông WHertz. Một sơ đồ như vậy được gọi làCorrelative Coding hoặc là Partial response signaling schemes.

Vì số lượng ISI đã biết, nên dễ dàng thiết kế bộ thu theo yêu cầu để tránh ảnh hưởng của ISI đến tín hiệu. Ý tưởng cơ bản về mã hóa tương quan đạt được bằng cách xem xét một ví dụ vềDuo-binary Signaling.

Báo hiệu nhị phân

Tên gọi duo-binary có nghĩa là tăng gấp đôi khả năng truyền của hệ thống nhị phân. Để hiểu điều này, chúng ta hãy xem xét một chuỗi đầu vào nhị phân{a_k} bao gồm các chữ số nhị phân không liên quan, mỗi chữ số có thời hạn T_agiây. Trong điều này, tín hiệu1 được đại diện bởi một +1 vôn và ký hiệu 0 bởi một -1 vôn.

Do đó, đầu ra mã hóa kép-nhị phân c_k được cho dưới dạng tổng của chữ số nhị phân hiện tại a_k và giá trị trước đó a_k-1 như thể hiện trong phương trình sau đây.

$$ c_k = a_k + a_ {k-1} $$

Phương trình trên nói rằng chuỗi đầu vào của chuỗi nhị phân không tương quan {a_k} được thay đổi thành một chuỗi các xung ba mức tương quan {c_k}. Mối tương quan giữa các xung này có thể được hiểu là giới thiệu ISI trong tín hiệu được truyền theo cách nhân tạo.

Mẫu mắt

Một cách hiệu quả để nghiên cứu tác động của ISI là Eye Pattern. Cái tên Mẫu mắt được đặt do sự giống với mắt người đối với sóng nhị phân. Vùng bên trong của mẫu mắt được gọi làeye opening. Hình sau cho thấy hình ảnh của một mẫu mắt.

Jitter là sự biến đổi ngắn hạn của thời điểm tín hiệu kỹ thuật số, từ vị trí lý tưởng của nó, có thể dẫn đến lỗi dữ liệu.

Khi hiệu ứng của ISI tăng lên, các dấu vết từ phần trên xuống phần dưới của mắt sẽ tăng lên và mắt nhắm hoàn toàn, nếu ISI rất cao.

Mẫu mắt cung cấp thông tin sau đây về một hệ thống cụ thể.

• Các mẫu mắt thực tế được sử dụng để ước tính tỷ lệ lỗi bit và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

• Độ rộng của mắt mở xác định khoảng thời gian mà sóng nhận được có thể được lấy mẫu mà không bị lỗi từ ISI.

• Thời điểm mở rộng mắt sẽ là thời điểm ưu tiên để lấy mẫu.

• Tỷ lệ nhắm mắt, theo thời gian lấy mẫu, xác định mức độ nhạy cảm của hệ thống với sai số thời gian.

• Chiều cao của độ mở mắt, tại một thời điểm lấy mẫu xác định, xác định biên độ nhiễu.

Do đó, việc giải thích kiểu mắt là một điều quan trọng cần xem xét.

Cân bằng

Để thiết lập giao tiếp đáng tin cậy, chúng ta cần có một đầu ra chất lượng. Phải xử lý các suy hao truyền của kênh và các yếu tố khác ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Tổn thất xảy ra nhiều nhất, như chúng ta đã thảo luận, là ISI.

Để làm cho tín hiệu không bị ISI và để đảm bảo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tối đa, chúng ta cần triển khai một phương pháp được gọi là Equalization. Hình dưới đây cho thấy một bộ cân bằng trong phần thu của hệ thống truyền thông.

Tiếng ồn và nhiễu được biểu thị trong hình, có khả năng xảy ra trong quá trình truyền. Bộ lặp tái sinh có một mạch cân bằng, bù các tổn thất truyền tải bằng cách định hình mạch. Bộ chỉnh âm có thể thực hiện được.

Xác suất lỗi và Hình thành tích

Tốc độ mà dữ liệu có thể được truyền đạt được gọi là data rate. Tốc độ xảy ra lỗi trong các bit, trong khi truyền dữ liệu được gọi làBit Error Rate (BER).

Xác suất xảy ra BER là Error Probability. Việc tăng tỷ lệ tín hiệu trên tiếng ồn (SNR) làm giảm BER, do đó Xác suất lỗi cũng giảm.

Trong bộ thu Analog, figure of merittại quá trình phát hiện có thể được gọi là tỷ số giữa SNR đầu ra và SNR đầu vào. Một giá trị lớn hơn của con số đáng khen sẽ là một lợi thế.

Tín hiệu Digital-to-Analog là sự chuyển đổi tiếp theo mà chúng ta sẽ thảo luận trong chương này. Những kỹ thuật này còn được gọi làDigital Modulation techniques.

Digital Modulationcung cấp thêm dung lượng thông tin, bảo mật dữ liệu cao, hệ thống sẵn sàng nhanh hơn với chất lượng truyền thông tuyệt vời. Do đó, các kỹ thuật điều chế số có nhu cầu lớn hơn, về khả năng truyền tải lượng dữ liệu lớn hơn so với các kỹ thuật điều chế tương tự.

Có nhiều loại kỹ thuật điều chế kỹ thuật số và cả sự kết hợp của chúng, tùy thuộc vào nhu cầu. Trong số đó, chúng ta sẽ thảo luận về những cái nổi bật.

HỎI - Phím thay đổi biên độ

Biên độ của đầu ra kết quả phụ thuộc vào dữ liệu đầu vào cho dù nó phải là mức 0 hay sự biến thiên của dương và âm, tùy thuộc vào tần số sóng mang.

FSK - Phím thay đổi tần số

Tần số của tín hiệu đầu ra sẽ cao hoặc thấp, tùy thuộc vào dữ liệu đầu vào được áp dụng.

PSK - Phím dịch chuyển pha

Pha của tín hiệu đầu ra được thay đổi tùy thuộc vào đầu vào. Chúng chủ yếu có hai loại, cụ thể là khóa dịch chuyển pha nhị phân (BPSK) và khóa dịch chuyển pha vuông góc (QPSK), theo số lượng dịch pha. Cái còn lại là Khóa dịch chuyển pha vi phân (DPSK) thay đổi pha theo giá trị trước đó.

Mã hóa M-ary

Kỹ thuật mã hóa M-ary là các phương pháp mà nhiều hơn hai bit được tạo ra để truyền đồng thời trên một tín hiệu. Điều này giúp giảm băng thông.

Các loại kỹ thuật M-ary là -

• M-ary HỎI
• M-ary FSK
• M-ary PSK

Tất cả những điều này sẽ được thảo luận trong các chương tiếp theo.

Amplitude Shift Keying (ASK) là một loại Điều chế biên độ đại diện cho dữ liệu nhị phân dưới dạng các biến thể trong biên độ của tín hiệu.

Bất kỳ tín hiệu điều chế nào cũng có sóng mang tần số cao. Tín hiệu nhị phân khi ASK được điều chế, chozero giá trị cho Low đầu vào trong khi nó cung cấp carrier output cho High đầu vào.

Hình sau biểu diễn dạng sóng điều chế ASK cùng với đầu vào của nó.

Để tìm ra quá trình thu được sóng điều chế ASK này, chúng ta hãy cùng tìm hiểu về hoạt động của bộ điều chế ASK.

ASK Modulator

Sơ đồ khối bộ điều chế ASK bao gồm bộ tạo tín hiệu sóng mang, chuỗi nhị phân từ tín hiệu bản tin và bộ lọc giới hạn băng tần. Sau đây là sơ đồ khối của ASK Modulator.

Máy phát sóng mang, gửi một sóng mang tần số cao liên tục. Chuỗi nhị phân từ tín hiệu tin nhắn làm cho đầu vào đơn cực là Cao hoặc Thấp. Tín hiệu cao đóng công tắc, cho phép một sóng mang. Do đó, đầu ra sẽ là tín hiệu sóng mang ở đầu vào cao. Khi có đầu vào thấp, công tắc sẽ mở ra, không cho phép xuất hiện điện áp. Do đó, sản lượng sẽ thấp.

Bộ lọc giới hạn dải, định hình xung tùy thuộc vào đặc tính biên độ và pha của bộ lọc giới hạn dải hoặc bộ lọc tạo xung.

ASK Demodulator

Có hai loại kỹ thuật giải điều chế ASK. Họ là -

• Phát hiện / giải điều chế ASK không đồng bộ
• Phát hiện / giải điều chế ASK đồng bộ

Tần số đồng hồ ở máy phát khi khớp với tần số đồng hồ ở máy thu, nó được gọi là Synchronous method, khi tần số được đồng bộ hóa. Nếu không, nó được gọi làAsynchronous.

Bộ giải điều chế ASK không đồng bộ

Bộ dò ASK không đồng bộ bao gồm một bộ chỉnh lưu nửa sóng, một bộ lọc thông thấp và một bộ so sánh. Sau đây là sơ đồ khối cho tương tự.

Tín hiệu ASK đã điều chế được đưa đến bộ chỉnh lưu nửa sóng, mang lại một nửa đầu ra tích cực. Bộ lọc thông thấp loại bỏ các tần số cao hơn và cung cấp đầu ra phát hiện đường bao mà từ đó bộ so sánh cung cấp đầu ra kỹ thuật số.

Bộ giải điều chế ASK đồng bộ

Bộ dò ASK đồng bộ bao gồm bộ dò luật Square, bộ lọc thông thấp, bộ so sánh và bộ giới hạn điện áp. Sau đây là sơ đồ khối cho tương tự.

Tín hiệu đầu vào được điều chế ASK được đưa cho bộ dò luật Square. Bộ tách sóng luật vuông là bộ dò có điện áp đầu ra tỷ lệ với bình phương của điện áp đầu vào được điều chế biên độ. Bộ lọc thông thấp giảm thiểu tần số cao hơn. Bộ so sánh và bộ giới hạn điện áp giúp có được đầu ra kỹ thuật số sạch.

Frequency Shift Keying (FSK)là kỹ thuật điều chế số trong đó tần số của tín hiệu sóng mang thay đổi theo sự thay đổi của tín hiệu số. FSK là một sơ đồ điều chế tần số.

Đầu ra của sóng điều chế FSK có tần số cao đối với đầu vào Cao nhị phân và tần số thấp đối với đầu vào Thấp nhị phân. Hệ nhị phân1s và 0s được gọi là tần số Mark và Space.

Hình ảnh sau đây là biểu đồ biểu diễn dạng sóng điều chế FSK cùng với đầu vào của nó.

Để tìm quá trình thu được sóng điều chế FSK này, hãy cho chúng tôi biết về hoạt động của bộ điều chế FSK.

Bộ điều chế FSK

Sơ đồ khối bộ điều chế FSK bao gồm hai bộ dao động với đồng hồ và chuỗi nhị phân đầu vào. Sau đây là sơ đồ khối của nó.

Hai bộ dao động, tạo ra tín hiệu tần số cao hơn và thấp hơn, được kết nối với một công tắc cùng với đồng hồ bên trong. Để tránh sự gián đoạn pha đột ngột của dạng sóng đầu ra trong quá trình truyền thông điệp, một đồng hồ được áp dụng cho cả bộ dao động bên trong. Chuỗi đầu vào nhị phân được áp dụng cho máy phát để chọn các tần số theo đầu vào nhị phân.

Bộ giải điều chế FSK

Có nhiều phương pháp khác nhau để giải điều chế sóng FSK. Các phương pháp phát hiện FSK chính làasynchronous detector và synchronous detector. Bộ tách sóng đồng bộ là một bộ kết hợp, trong khi bộ phát hiện không đồng bộ là một bộ tách sóng không kết hợp.

Máy dò FSK không đồng bộ

Sơ đồ khối của bộ dò FSK không đồng bộ bao gồm hai bộ lọc băng thông, hai bộ dò đường bao và một mạch quyết định. Sau đây là biểu diễn sơ đồ.

Tín hiệu FSK được chuyển qua hai Bộ lọc băng thông (BPF), được điều chỉnh để Space và Marktần số. Đầu ra từ hai BPF này trông giống như tín hiệu ASK, được cấp cho bộ dò đường bao. Tín hiệu trong mỗi bộ dò đường bao được điều chế không đồng bộ.

Mạch quyết định chọn đầu ra nào có nhiều khả năng hơn và chọn đầu ra đó từ bất kỳ một trong các bộ dò đường bao. Nó cũng định hình lại dạng sóng thành hình chữ nhật.

Máy dò FSK đồng bộ

Sơ đồ khối của bộ tách sóng FSK đồng bộ bao gồm hai bộ trộn với mạch dao động cục bộ, hai bộ lọc thông dải và một mạch quyết định. Sau đây là biểu diễn sơ đồ.

Đầu vào tín hiệu FSK được đưa cho hai bộ trộn với các mạch dao động cục bộ. Hai bộ lọc này được kết nối với hai bộ lọc băng thông. Các tổ hợp này hoạt động như bộ giải điều chế và mạch quyết định chọn đầu ra nào có nhiều khả năng hơn và chọn đầu ra đó từ bất kỳ một trong các bộ dò. Hai tín hiệu có khoảng cách tần số tối thiểu.

Đối với cả hai bộ giải điều chế, băng thông của mỗi bộ phụ thuộc vào tốc độ bit của chúng. Bộ giải điều chế đồng bộ này phức tạp hơn một chút so với các bộ giải điều chế loại không đồng bộ.

Phase Shift Keying (PSK)là kỹ thuật điều chế kỹ thuật số trong đó pha của tín hiệu sóng mang được thay đổi bằng cách thay đổi đầu vào sin và côsin tại một thời điểm cụ thể. Kỹ thuật PSK được sử dụng rộng rãi cho các mạng LAN không dây, đo lường sinh học, hoạt động không tiếp xúc, cùng với truyền thông RFID và Bluetooth.

PSK có hai loại, tùy thuộc vào các giai đoạn mà tín hiệu được dịch chuyển. Họ là -

Khóa dịch chuyển pha nhị phân (BPSK)

Điều này còn được gọi là PSK 2 pha hoặc Khóa đảo ngược pha. Trong kỹ thuật này, sóng mang sóng sin có hai đảo pha như 0 ° và 180 °.

BPSK về cơ bản là một sơ đồ điều chế sóng mang được nén băng tần kép (DSBSC), vì thông điệp là thông tin kỹ thuật số.

Phím dịch chuyển pha vuông góc (QPSK)

Đây là kỹ thuật khóa chuyển pha, trong đó sóng mang sóng sin thực hiện bốn đảo pha như 0 °, 90 °, 180 ° và 270 °.

Nếu loại kỹ thuật này được mở rộng hơn nữa, PSK cũng có thể được thực hiện bởi tám hoặc mười sáu giá trị, tùy thuộc vào yêu cầu.

Bộ điều chế BPSK

Sơ đồ khối của Binary Phase Shift Keying bao gồm bộ điều biến cân bằng có sóng sin là một đầu vào và chuỗi nhị phân là đầu vào kia. Sau đây là biểu diễn sơ đồ.

Điều chế BPSK được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ điều chế cân bằng, nhân hai tín hiệu được áp dụng ở đầu vào. Đối với đầu vào nhị phân bằng 0, pha sẽ là0° và đối với đầu vào cao, sự đảo pha là 180°.

Sau đây là biểu diễn dạng sơ đồ của sóng đầu ra Điều chế BPSK cùng với đầu vào đã cho của nó.

Sóng sin đầu ra của bộ điều chế sẽ là sóng mang đầu vào trực tiếp hoặc sóng mang đầu vào ngược (lệch pha 180 °), là một chức năng của tín hiệu dữ liệu.

Bộ giải điều chế BPSK

Sơ đồ khối của bộ giải điều chế BPSK bao gồm một bộ trộn với mạch dao động cục bộ, một bộ lọc thông dải, một mạch dò hai đầu vào. Sơ đồ như sau.

Bằng cách khôi phục tín hiệu bản tin giới hạn băng tần, với sự trợ giúp của mạch trộn và bộ lọc băng thông, giai đoạn đầu tiên của quá trình giải điều chế sẽ hoàn thành. Tín hiệu băng cơ sở bị giới hạn băng tần thu được và tín hiệu này được sử dụng để tái tạo luồng bit bản tin nhị phân.

Trong giai đoạn tiếp theo của quá trình giải điều chế, tốc độ xung nhịp bit cần thiết tại mạch tách sóng để tạo ra tín hiệu bản tin nhị phân ban đầu. Nếu tốc độ bit là bội số con của tần số sóng mang thì việc tái tạo xung nhịp bit được đơn giản hóa. Để làm cho mạch dễ hiểu, một mạch ra quyết định cũng có thể được chèn ở giai đoạn phát hiện ^{thứ hai} .

Các Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) là một biến thể của BPSK và nó cũng là một sơ đồ điều chế sóng mang bị nén băng tần kép (DSBSC), gửi hai bit thông tin kỹ thuật số cùng một lúc, được gọi là bigits.

Thay vì chuyển đổi các bit kỹ thuật số thành một chuỗi dòng kỹ thuật số, nó chuyển đổi chúng thành các cặp bit. Điều này làm giảm tốc độ bit dữ liệu xuống một nửa, cho phép không gian cho những người dùng khác.

Bộ điều chế QPSK

Bộ điều chế QPSK sử dụng bộ chia bit, hai bộ nhân với bộ dao động cục bộ, bộ chuyển đổi nối tiếp sang song song 2 bit và mạch mùa hè. Sau đây là sơ đồ khối cho tương tự.

Tại đầu vào của bộ điều chế, thậm chí bit tín hiệu thông điệp của (ví dụ, 2 ^nd bit, 4 ^thứ bit, 6 ^thứ chút, vv) và bit lẻ (ví dụ, 1 chút, 3 ^thứ chút, 5 ^thứ chút, vv) được tách ra bởi bộ tách bit và được nhân với cùng một sóng mang để tạo ra BPSK lẻ (được gọi làPSK_I) và thậm chí BPSK (được gọi là PSK_Q). CácPSK_Q tín hiệu dù sao cũng bị lệch pha 90 ° trước khi được điều chế.

Dạng sóng QPSK cho đầu vào hai bit như sau, cho thấy kết quả được điều chế cho các trường hợp khác nhau của đầu vào nhị phân.

Bộ giải điều chế QPSK

Bộ giải điều chế QPSK sử dụng hai mạch giải điều chế sản phẩm với bộ dao động cục bộ, hai bộ lọc thông dải, hai mạch tích hợp và bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp 2 bit. Sau đây là sơ đồ cho tương tự.

Hai bộ dò sản phẩm ở đầu vào của bộ giải điều chế đồng thời giải điều chế hai tín hiệu BPSK. Cặp bit được khôi phục ở đây từ dữ liệu ban đầu. Các tín hiệu này sau khi xử lý, được đưa đến bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp.

Trong Differential Phase Shift Keying (DPSK)pha của tín hiệu điều chế được dịch chuyển so với phần tử tín hiệu trước đó. Không có tín hiệu tham chiếu nào được xem xét ở đây. Pha tín hiệu tuân theo trạng thái cao hoặc thấp của phần tử trước đó. Kỹ thuật DPSK này không cần một bộ dao động tham chiếu.

Hình sau đại diện cho dạng sóng mô hình của DPSK.

Từ hình trên có thể thấy rằng, nếu bit dữ liệu ở mức Thấp tức là 0, thì pha của tín hiệu không bị đảo ngược mà vẫn tiếp tục như cũ. Nếu dữ liệu là Cao, tức là 1, thì pha của tín hiệu bị đảo ngược, như với NRZI, đảo ngược trên 1 (một dạng mã hóa vi phân).

Nếu chúng ta quan sát dạng sóng ở trên, chúng ta có thể nói rằng trạng thái Cao đại diện cho một M trong tín hiệu điều chế và trạng thái Thấp đại diện cho W trong tín hiệu điều chế.

Bộ điều chế DPSK

DPSK là một kỹ thuật của BPSK, trong đó không có tín hiệu pha tham chiếu. Ở đây, bản thân tín hiệu được truyền đi có thể được sử dụng làm tín hiệu tham chiếu. Sau đây là sơ đồ của DPSK Modulator.

DPSK mã hóa hai tín hiệu riêng biệt, tức là sóng mang và tín hiệu điều chế với độ lệch pha 180 ° mỗi tín hiệu. Đầu vào dữ liệu nối tiếp được cấp cho cổng XNOR và đầu ra lại được đưa trở lại đầu vào khác thông qua độ trễ 1 bit. Đầu ra của cổng XNOR cùng với tín hiệu sóng mang được đưa đến bộ điều chế cân bằng, để tạo ra tín hiệu điều chế DPSK.

Bộ giải điều chế DPSK

Trong bộ giải điều chế DPSK, pha của bit đảo ngược được so sánh với pha của bit trước đó. Sau đây là sơ đồ khối của bộ giải điều chế DPSK.

Từ hình trên, rõ ràng là bộ điều chế cân bằng được đưa ra tín hiệu DPSK cùng với đầu vào trễ 1 bit. Tín hiệu đó được tạo ra để giới hạn ở các tần số thấp hơn với sự trợ giúp của LPF. Sau đó, nó được chuyển tới mạch định hình, là mạch so sánh hoặc mạch kích hoạt Schmitt, để khôi phục dữ liệu nhị phân ban đầu làm đầu ra.

Từ nhị phân đại diện cho hai bit. M đại diện cho một chữ số tương ứng với số điều kiện, mức độ hoặc kết hợp có thể có đối với một số biến nhị phân nhất định.

Đây là loại kỹ thuật điều chế số được sử dụng để truyền dữ liệu, trong đó thay vì một bit, hai hoặc nhiều bit được truyền cùng một lúc. Khi một tín hiệu được sử dụng để truyền nhiều bit, băng thông kênh bị giảm.

Phương trình M-ary

Nếu tín hiệu kỹ thuật số được đưa ra dưới bốn điều kiện, chẳng hạn như mức điện áp, tần số, pha và biên độ, thì M = 4.

Số lượng bit cần thiết để tạo ra một số điều kiện nhất định được biểu thị bằng toán học như

$$ N = \ log_ {2} {M} $$

Ở đâu

N là số lượng bit cần thiết

M là số điều kiện, cấp độ hoặc kết hợp có thể có với N chút ít.

Phương trình trên có thể được sắp xếp lại thành

$$ 2 ^ N = M $$

Ví dụ: với hai bit, 2² = 4 điều kiện có thể.

Các loại kỹ thuật M-ary

Nói chung, kỹ thuật điều chế Đa mức (M-ary) được sử dụng trong truyền thông kỹ thuật số vì cho phép các đầu vào kỹ thuật số có nhiều hơn hai mức điều chế trên đầu vào của máy phát. Do đó, các kỹ thuật này hiệu quả về băng thông.

Có nhiều kỹ thuật điều chế M-ary. Một số kỹ thuật này điều chỉnh một tham số của tín hiệu sóng mang, chẳng hạn như biên độ, pha và tần số.

M-ary HỎI

Đây được gọi là khóa dịch chuyển biên độ M-ary (M-ASK) hoặc Điều chế biên độ xung M-ary (PAM).

Các amplitude của tín hiệu sóng mang, đảm nhận M các mức độ khác nhau.

Đại diện của M-ary ASK

$ S_m (t) = A_mcos (2 \ pi f_ct) \ quad A_m \ epsilon {(2m - 1 - M) \ Delta, m = 1,2 ... \: .M} \ quad và \ quad 0 \ leq t \ leq T_s $

Một số tính năng nổi bật của M-ary ASK là:

• Phương pháp này cũng được sử dụng trong PAM.
• Cách thực hiện của nó rất đơn giản.
• M-ary ASK dễ bị nhiễu và biến dạng.

M-ary FSK

Điều này được gọi là M-ary Dịch chuyển tần số Keying (M-ary FSK).

Các frequency của tín hiệu sóng mang, đảm nhận M các mức độ khác nhau.

Đại diện của M-ary FSK

$ S_i (t) = \ sqrt {\ frac {2E_s} {T_s}} \ cos \ left (\ frac {\ pi} {T_s} \ left (n_c + i \ right) t \ right) $ $ 0 \ leq t \ leq T_s \ quad và \ quad i = 1,2,3 ... \: ..M $

Trong đó $ f_c = \ frac {n_c} {2T_s} $ cho một số nguyên cố định n.

Một số tính năng nổi bật của M-ary FSK là:

• Không dễ bị nhiễu như ASK.

• Truyền M số lượng tín hiệu bằng nhau về năng lượng và thời lượng.

• Các tín hiệu được phân tách bằng $ \ frac {1} {2T_s} $ Hz làm cho các tín hiệu trực giao với nhau.

• Từ M tín hiệu là trực giao, không có sự chen lấn trong không gian tín hiệu.

• Hiệu suất băng thông của M-ary FSK giảm và hiệu suất năng lượng tăng khi tăng M.

M-ary PSK

Điều này được gọi là M-ary Phase Shift Keying (M-ary PSK).

Các phase của tín hiệu sóng mang, đảm nhận M các mức độ khác nhau.

Đại diện của M-ary PSK

$ S_i (t) = \ sqrt {\ frac {2E} {T}} \ cos \ left (w_o t + \ phi _it \ right) $ $ 0 \ leq t \ leq T \ quad và \ quad i = 1,2 ... M $

$$ \ phi _i \ left (t \ right) = \ frac {2 \ pi i} {M} \ quad trong đó \ quad i = 1,2,3 ... \: ... M $$

Một số tính năng nổi bật của M-ary PSK là:

• Đường bao không đổi với nhiều khả năng pha hơn.

• Phương pháp này đã được sử dụng trong những ngày đầu của giao tiếp không gian.

• Hiệu suất tốt hơn ASK và FSK.

• Sai số ước lượng pha tối thiểu ở máy thu.

• Hiệu suất băng thông của M-ary PSK giảm và hiệu suất năng lượng tăng khi tăng M.

Cho đến nay, chúng ta đã thảo luận về các kỹ thuật điều chế khác nhau. Đầu ra của tất cả các kỹ thuật này là một chuỗi nhị phân, được biểu diễn dưới dạng1s và 0s. Thông tin nhị phân hoặc kỹ thuật số này có nhiều loại và hình thức, sẽ được thảo luận thêm.

Thông tin là nguồn gốc của hệ thống truyền thông, cho dù nó là tương tự hay kỹ thuật số. Information theory là một cách tiếp cận toán học để nghiên cứu mã hóa thông tin cùng với việc định lượng, lưu trữ và truyền đạt thông tin.

Điều kiện xuất hiện sự kiện

Nếu chúng ta xem xét một sự kiện, có ba điều kiện xảy ra.

• Nếu sự kiện chưa xảy ra, có một điều kiện là uncertainty.

• Nếu sự kiện vừa xảy ra, có một điều kiện là surprise.

• Nếu sự kiện đã xảy ra, một thời gian trở lại, có một điều kiện là có một số information.

Ba sự kiện này xảy ra vào những thời điểm khác nhau. Sự khác biệt trong các điều kiện này giúp chúng ta có được kiến ​​thức về xác suất xảy ra các sự kiện.

Sự hỗn loạn

Khi chúng ta quan sát các khả năng xảy ra của một sự kiện, mức độ ngạc nhiên hoặc không chắc chắn của nó, điều đó có nghĩa là chúng ta đang cố gắng có ý tưởng về nội dung trung bình của thông tin từ nguồn của sự kiện.

Entropy có thể được định nghĩa là thước đo hàm lượng thông tin trung bình trên mỗi ký hiệu nguồn. Claude Shannon, "cha đẻ của Lý thuyết Thông tin", đã cung cấp một công thức cho nó là -

$$ H = - \ sum_ {i} p_i \ log_ {b} p_i $$

Ở đâu p_i là xác suất xuất hiện của số ký tự i từ một luồng ký tự nhất định và blà cơ sở của thuật toán được sử dụng. Do đó, điều này còn được gọi làShannon’s Entropy.

Mức độ không chắc chắn còn lại về đầu vào kênh sau khi quan sát đầu ra kênh, được gọi là Conditional Entropy. Nó được ký hiệu là $ H (x \ mid y) $

Thông tin lẫn nhau

Hãy để chúng tôi xem xét một kênh có đầu ra là Y và đầu vào là X

Hãy để entropy cho sự không chắc chắn trước là X = H(x)

(Điều này được giả định trước khi đầu vào được áp dụng)

Để biết về độ không chắc chắn của đầu ra, sau khi đầu vào được áp dụng, chúng ta hãy xem xét Entropy có điều kiện, với điều kiện Y = y_k

$$ H \ left (x \ mid y_k \ right) = \ sum_ {j = 0} ^ {j - 1} p \ left (x_j \ mid y_k \ right) \ log_ {2} \ left [\ frac {1 } {p (x_j \ mid y_k)} \ right] $$

Đây là biến ngẫu nhiên cho $ H (X \ mid y = y_0) \: ... \: ... \: ... \: ... \: ... \: H (X \ mid y = y_k) $ với các xác suất $ p (y_0) \: ... \: ... \: ... \: ... \: p (y_ {k-1)} $ tương ứng.

Giá trị trung bình của $ H (X \ mid y = y_k) $ cho bảng chữ cái đầu ra y là -

$ H \ left (X \ mid Y \ right) = \ displaystyle \ sum \ limit_ {k = 0} ^ {k - 1} H \ left (X \ mid y = y_k \ right) p \ left (y_k \ right ) $

$ = \ displaystyle \ sum \ limit_ {k = 0} ^ {k - 1} \ displaystyle \ sum \ limit_ {j = 0} ^ {j - 1} p \ left (x_j \ mid y_k \ right) p \ left (y_k \ right) \ log_ {2} \ left [\ frac {1} {p \ left (x_j \ mid y_k \ right)} \ right] $

$ = \ displaystyle \ sum \ limit_ {k = 0} ^ {k - 1} \ displaystyle \ sum \ limit_ {j = 0} ^ {j - 1} p \ left (x_j, y_k \ right) \ log_ {2 } \ left [\ frac {1} {p \ left (x_j \ mid y_k \ right)} \ right] $

Bây giờ, xem xét cả các điều kiện không chắc chắn (trước và sau khi áp dụng đầu vào), chúng ta biết rằng sự khác biệt, tức là $ H (x) - H (x \ mid y) $ phải đại diện cho sự không chắc chắn về đầu vào kênh được giải quyết bằng cách quan sát đầu ra kênh.

Điều này được gọi là Mutual Information của kênh.

Ký hiệu Thông tin tương hỗ là $ I (x; y) $, chúng ta có thể viết toàn bộ điều trong một phương trình, như sau

$$ I (x; y) = H (x) - H (x \ mid y) $$

Do đó, đây là đại diện công bằng của Thông tin tương hỗ.

Thuộc tính của thông tin lẫn nhau

Đây là những thuộc tính của thông tin Tương hỗ.

• Thông tin lẫn nhau của một kênh là đối xứng.

  $$ I (x; y) = I (y; x) $$

• Thông tin lẫn nhau là không tiêu cực.

  $$ I (x; y) \ geq 0 $$

• Thông tin lẫn nhau có thể được thể hiện dưới dạng entropy của đầu ra kênh.

  $$ I (x; y) = H (y) - H (y \ mid x) $$

  Trong đó $ H (y \ mid x) $ là một entropy có điều kiện

• Thông tin lẫn nhau của một kênh liên quan đến entropy chung của đầu vào kênh và đầu ra của kênh.

  $$ I (x; y) = H (x) + H (y) - H (x, y) $$

  Trong đó entropy chung $ H (x, y) $ được xác định bởi

  $$ H (x, y) = \ displaystyle \ sum \ limit_ {j = 0} ^ {j-1} \ displaystyle \ sum \ limit_ {k = 0} ^ {k-1} p (x_j, y_k) \ log_ {2} \ left (\ frac {1} {p \ left (x_i, y_k \ right)} \ right) $$

Dung lượng kênh

Chúng tôi đã thảo luận về thông tin lẫn nhau cho đến nay. Thông tin tương hỗ trung bình tối đa, trong một thời điểm của khoảng thời gian báo hiệu, khi được truyền bởi một kênh không có bộ nhớ rời rạc, xác suất của tốc độ truyền dữ liệu tin cậy tối đa, có thể được hiểu làchannel capacity.

Nó được ký hiệu là C và được đo bằng bits per channel sử dụng.

Nguồn không bộ nhớ rời rạc

Nguồn mà từ đó dữ liệu được phát ra trong các khoảng thời gian liên tiếp, độc lập với các giá trị trước đó, có thể được gọi là discrete memoryless source.

Nguồn này là rời rạc vì nó không được xem xét trong một khoảng thời gian liên tục mà ở những khoảng thời gian rời rạc. Nguồn này không có bộ nhớ vì nó luôn mới trong mỗi khoảnh khắc thời gian, mà không cần xem xét các giá trị trước đó.

Mã được tạo ra bởi một nguồn không có bộ nhớ rời rạc, phải được trình bày một cách hiệu quả, đây là một vấn đề quan trọng trong truyền thông. Để điều này xảy ra, có các từ mã, đại diện cho các mã nguồn này.

Ví dụ, trong điện báo, chúng tôi sử dụng mã Morse, trong đó các bảng chữ cái được ký hiệu bằng Marks và Spaces. Nếu lá thưE được coi là được sử dụng chủ yếu, nó được ký hiệu là “.” Trong khi lá thư Q mà hiếm khi được sử dụng, được biểu thị bằng “--.-”

Chúng ta hãy xem sơ đồ khối.

Ở đâu S_k là đầu ra của nguồn không có bộ nhớ rời rạc và b_k là đầu ra của bộ mã hóa nguồn được đại diện bởi 0s và 1s.

Trình tự được mã hóa sao cho nó được giải mã thuận tiện tại máy thu.

Giả sử rằng nguồn có bảng chữ cái với k các ký hiệu khác nhau và rằng k^th Biểu tượng S_k xảy ra với xác suất P_k, Ở đâu k = 0, 1…k-1.

Để từ mã nhị phân được gán cho ký hiệu S_k, bởi bộ mã hóa có độ dài l_k, được đo bằng bit.

Do đó, chúng tôi xác định độ dài từ mã trung bình L của bộ mã hóa nguồn là

$$ \ overline {L} = \ displaystyle \ sum \ limit_ {k = 0} ^ {k-1} p_kl_k $$

L đại diện cho số bit trung bình trên mỗi ký hiệu nguồn

Nếu $ L_ {phút} = \: tối thiểu \: có thể \: giá trị \: của \: \ overline {L} $

Sau đó coding efficiency có thể được định nghĩa là

$$ \ eta = \ frac {L {min}} {\ overline {L}} $$

Với $ \ overline {L} \ geq L_ {min} $, chúng ta sẽ có $ \ eta \ leq 1 $

Tuy nhiên, bộ mã hóa nguồn được coi là hiệu quả khi $ \ eta = 1 $

Đối với điều này, giá trị $ L_ {min} $ phải được xác định.

Chúng ta hãy tham khảo định nghĩa, “Cho một nguồn entropy $ H (\ delta) $ rời rạc, không có bộ nhớ, độ dài từ mã trung bìnhL đối với bất kỳ mã hóa nguồn nào được giới hạn là $ \ overline {L} \ geq H (\ delta) $. "

Nói một cách đơn giản hơn, từ mã (ví dụ: mã Morse cho từ QUEUE là -.- ..-. ..-.) Luôn lớn hơn hoặc bằng mã nguồn (ví dụ: QUEUE). Có nghĩa là, các ký hiệu trong từ mã lớn hơn hoặc bằng các bảng chữ cái trong mã nguồn.

Do đó, với $ L_ {min} = H (\ delta) $, hiệu quả của bộ mã hóa nguồn theo Entropy $ H (\ delta) $ có thể được viết là

$$ \ eta = \ frac {H (\ delta)} {\ overline {L}} $$

Định lý mã hóa nguồn này được gọi là noiseless coding theoremvì nó thiết lập một mã hóa không có lỗi. Nó còn được gọi làShannon’s first theorem.

Nhiễu hiện diện trong một kênh tạo ra các lỗi không mong muốn giữa các chuỗi đầu vào và đầu ra của hệ thống truyền thông kỹ thuật số. Xác suất lỗi phải rất thấp,nearly ≤ 10^-6 để có một giao tiếp đáng tin cậy.

Mã hóa kênh trong một hệ thống truyền thông, giới thiệu dự phòng với một điều khiển, để cải thiện độ tin cậy của hệ thống. Mã nguồn làm giảm sự dư thừa để nâng cao hiệu quả của hệ thống.

Mã hóa kênh bao gồm hai phần hành động.

• Mapping chuỗi dữ liệu đến thành chuỗi đầu vào kênh.

• Inverse Mapping chuỗi đầu ra kênh thành chuỗi dữ liệu đầu ra.

Mục tiêu cuối cùng là hiệu quả tổng thể của channel noise nên được giảm thiểu.

Việc ánh xạ được thực hiện bởi máy phát, với sự trợ giúp của bộ mã hóa, trong khi ánh xạ ngược được thực hiện bởi bộ giải mã trong máy thu.

Mã hóa kênh

Chúng ta hãy xem xét một kênh không có bộ nhớ rời rạc (δ) với Entropy H (δ)

T_s cho biết các ký hiệu mà δ cho mỗi giây

Dung lượng kênh được biểu thị bằng C

Kênh có thể được sử dụng cho mọi T_c giây

Do đó, khả năng tối đa của kênh là C/T_c

Dữ liệu đã gửi = $ \ frac {H (\ delta)} {T_s} $

Nếu $ \ frac {H (\ delta)} {T_s} \ leq \ frac {C} {T_c} $ thì có nghĩa là đường truyền tốt và có thể được tái tạo với xác suất lỗi nhỏ.

Trong trường hợp này, $ \ frac {C} {T_c} $ là tỷ lệ dung lượng kênh quan trọng.

Nếu $ \ frac {H (\ delta)} {T_s} = \ frac {C} {T_c} $ thì hệ thống được cho là đang báo hiệu ở một tốc độ quan trọng.

Ngược lại, nếu $ \ frac {H (\ delta)} {T_s}> \ frac {C} {T_c} $ thì không thể truyền được.

Do đó, tốc độ truyền tối đa bằng với tốc độ tới hạn của dung lượng kênh, cho các thông báo không có lỗi đáng tin cậy, có thể xảy ra, qua một kênh không có bộ nhớ rời rạc. Điều này được gọi làChannel coding theorem.

Nhiễu hoặc Lỗi là vấn đề chính của tín hiệu, làm ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống thông tin liên lạc. Error control codinglà thủ tục mã hóa được thực hiện để kiểm soát sự xuất hiện của lỗi. Những kỹ thuật này giúp phát hiện lỗi và sửa lỗi.

Có nhiều mã sửa lỗi khác nhau tùy thuộc vào các nguyên tắc toán học áp dụng cho chúng. Tuy nhiên, về mặt lịch sử, những mã này đã được phân loại thànhLinear block codes và Convolution codes.

Mã khối tuyến tính

Trong mã khối tuyến tính, các bit chẵn lẻ và bit thông báo có sự kết hợp tuyến tính, có nghĩa là từ mã kết quả là sự kết hợp tuyến tính của hai từ mã bất kỳ.

Hãy để chúng tôi xem xét một số khối dữ liệu, chứa kcác bit trong mỗi khối. Các bit này được ánh xạ với các khối cóncác bit trong mỗi khối. Đâyn lớn hơn k. Máy phát thêm các bit dư thừa(n-k)chút ít. Tỉ lệk/n là code rate. Nó được ký hiệu làr và giá trị của r Là r < 1.

Các (n-k) bit được thêm vào đây, là parity bits. Các bit chẵn lẻ giúp phát hiện lỗi và sửa lỗi cũng như định vị dữ liệu. Trong dữ liệu đang được truyền, phần lớn bit bên trái của từ mã tương ứng với các bit thông báo, và phần lớn bên phải của từ mã tương ứng với các bit chẵn lẻ.

Mã hệ thống

Bất kỳ mã khối tuyến tính nào cũng có thể là mã có hệ thống, cho đến khi nó bị thay đổi. Do đó, mã khối không thay đổi được gọi làsystematic code.

Sau đây là đại diện của structure of code word, theo phân bổ của họ.

Nếu thông báo không bị thay đổi, thì nó được gọi là mã hệ thống. Nó có nghĩa là, việc mã hóa dữ liệu không được thay đổi dữ liệu.

Mã chuyển đổi

Cho đến nay, trong các mã tuyến tính, chúng ta đã thảo luận rằng mã không thay đổi có hệ thống được ưu tiên hơn. Đây, dữ liệu của tổng sốn bit nếu được truyền, k bit là bit thông báo và (n-k) bit là bit chẵn lẻ.

Trong quá trình mã hóa, các bit chẵn lẻ được trừ khỏi toàn bộ dữ liệu và các bit thông báo được mã hóa. Bây giờ, các bit chẵn lẻ lại được thêm vào và toàn bộ dữ liệu lại được mã hóa.

Hình sau đây trích dẫn một ví dụ cho các khối dữ liệu và luồng dữ liệu, được sử dụng để truyền thông tin.

Toàn bộ quá trình, đã nêu ở trên là tẻ nhạt và có nhược điểm. Việc phân bổ bộ đệm là một vấn đề chính ở đây, khi hệ thống đang bận.

Hạn chế này được xóa trong mã tích chập. Nơi toàn bộ luồng dữ liệu được gán các ký hiệu và sau đó được truyền đi. Vì dữ liệu là một dòng bit nên không cần bộ đệm để lưu trữ.

Mã Hamming

Thuộc tính tuyến tính của từ mã là tổng của hai từ mã cũng là một từ mã. Mã Hamming là loạilinear error correcting mã, có thể phát hiện tới hai lỗi bit hoặc chúng có thể sửa lỗi một bit mà không phát hiện ra lỗi chưa sửa.

Trong khi sử dụng mã hamming, các bit chẵn lẻ bổ sung được sử dụng để xác định một lỗi bit. Để chuyển từ mẫu bit này sang mẫu bit khác, dữ liệu phải thay đổi một số bit. Số lượng bit như vậy có thể được gọi làHamming distance. Nếu tính chẵn lẻ có khoảng cách là 2, có thể phát hiện lật một bit. Nhưng điều này không thể được sửa chữa. Ngoài ra, không thể phát hiện bất kỳ lần lật hai bit nào.

Tuy nhiên, mã Hamming là một thủ tục tốt hơn những thủ tục đã thảo luận trước đây trong việc phát hiện và sửa lỗi.

Mã BCH

Mã BCH được đặt theo tên của các nhà phát minh Bose, Chaudari và Hocquenghem. Trong quá trình thiết kế mã BCH, có quyền kiểm soát số lượng ký hiệu cần sửa và do đó có thể sửa nhiều bit. Mã BCH là một kỹ thuật mạnh mẽ trong việc sửa lỗi mã.

Đối với bất kỳ số nguyên dương nào m ≥ 3 và t < 2^m-1có tồn tại mã nhị phân BCH. Sau đây là các thông số của mã đó.

Chiều dài khối n = 2^m-1

Số chữ số kiểm tra chẵn lẻ n - k ≤ mt

Khoảng cách tối thiểu d_min ≥ 2t + 1

Mã này có thể được gọi là t-error-correcting BCH code.

Mã tuần hoàn

Thuộc tính tuần hoàn của các từ mã là bất kỳ sự dịch chuyển theo chu kỳ nào của một từ mã cũng là một từ mã. Mã tuần hoàn tuân theo thuộc tính tuần hoàn này.

Đối với mã tuyến tính C, nếu mọi từ mã, tức là, C = (C1, C2, ...... Cn)từ C có sự dịch chuyển sang phải theo chu kỳ của các thành phần, nó trở thành một từ mã. Sự dịch chuyển bên phải này bằngn-1dịch chuyển trái theo chu kỳ. Do đó, nó là bất biến trong bất kỳ sự thay đổi nào. Vì vậy, mã tuyến tínhC, vì nó bất biến theo bất kỳ sự thay đổi nào, có thể được gọi là Cyclic code.

Mã tuần hoàn được sử dụng để sửa lỗi. Chúng chủ yếu được sử dụng để sửa lỗi kép và lỗi cụm.

Do đó, đây là một vài mã sửa lỗi sẽ được phát hiện ở đầu thu. Các mã này ngăn không cho lỗi được đưa vào và làm ảnh hưởng đến giao tiếp. Chúng cũng ngăn tín hiệu bị chạm bởi những người nhận không mong muốn. Có một lớp kỹ thuật báo hiệu để đạt được điều này, sẽ được thảo luận trong chương tiếp theo.

Một lớp tập hợp các kỹ thuật báo hiệu được sử dụng trước khi truyền tín hiệu để cung cấp thông tin liên lạc an toàn, được gọi là Spread Spectrum Modulation. Ưu điểm chính của kỹ thuật truyền thông trải phổ là ngăn chặn “nhiễu” dù là cố ý hay vô ý.

Các tín hiệu được điều chế bằng các kỹ thuật này khó bị nhiễu và không thể bị nhiễu. Kẻ xâm nhập không có quyền truy cập chính thức không bao giờ được phép bẻ khóa chúng. Do đó, những kỹ thuật này được sử dụng cho mục đích quân sự. Các tín hiệu trải phổ này truyền với mật độ công suất thấp và có độ lan truyền tín hiệu rộng.

Trình tự tiếng ồn giả

Một chuỗi được mã hóa của 1s và 0s với các thuộc tính tương quan tự động nhất định, được gọi là Pseudo-Noise coding sequenceđược sử dụng trong kỹ thuật trải phổ. Nó là một chuỗi có độ dài tối đa, là một loại mã tuần hoàn.

Tín hiệu dải hẹp và dải phổ

Cả hai tín hiệu dải hẹp và dải phổ có thể được hiểu một cách dễ dàng bằng cách quan sát phổ tần số của chúng như thể hiện trong các hình sau.

Tín hiệu băng tần hẹp

Tín hiệu băng tần hẹp có cường độ tín hiệu được tập trung như trong hình vẽ phổ tần số sau đây.

Sau đây là một số tính năng của nó -

• Dải tín hiệu chiếm một dải tần hẹp.
• Mật độ điện cao.
• Năng lượng lan tỏa thấp và tập trung.

Mặc dù các tính năng tốt nhưng những tín hiệu này dễ bị nhiễu.

Truyền tín hiệu phổ

Các tín hiệu trải phổ có cường độ tín hiệu được phân bố như trong hình vẽ phổ tần số sau đây.

Sau đây là một số tính năng của nó -

• Dải tín hiệu chiếm nhiều dải tần.
• Mật độ điện rất thấp.
• Năng lượng lan tỏa rộng.

Với các tính năng này, tín hiệu trải phổ có khả năng chống nhiễu hoặc gây nhiễu cao. Vì nhiều người dùng có thể chia sẻ cùng một băng thông trải phổ mà không can thiệp vào nhau, những người dùng này có thể được gọi làmultiple access techniques.

FHSS và DSSS / CDMA

Kỹ thuật đa truy nhập trải phổ sử dụng các tín hiệu có băng thông truyền lớn hơn băng thông RF yêu cầu tối thiểu.

Đây là hai loại.

• Phổ trải rộng nhảy tần (FHSS)
• Phổ trải rộng trình tự trực tiếp (DSSS)

Phổ trải rộng nhảy tần (FHSS)

Đây là kỹ thuật nhảy tần, trong đó người dùng được thực hiện để thay đổi tần số sử dụng, từ tần số này sang tần số khác trong một khoảng thời gian cụ thể, do đó được gọi là frequency hopping. Ví dụ: một tần suất đã được phân bổ cho người gửi 1 trong một khoảng thời gian cụ thể. Bây giờ, sau một thời gian, người gửi 1 bước đến tần số khác và người gửi 2 sử dụng tần số đầu tiên, tần số này trước đây đã được người gửi 1. Điều này gọi làfrequency reuse.

Các tần số của dữ liệu được nhảy từ tần số này sang tần số khác để cung cấp một đường truyền an toàn. Lượng thời gian dành cho mỗi bước nhảy tần số được gọi làDwell time.

Phổ trải rộng trình tự trực tiếp (DSSS)

Bất cứ khi nào người dùng muốn gửi dữ liệu bằng kỹ thuật DSSS này, mỗi bit của dữ liệu người dùng được nhân với một mã bí mật, được gọi là chipping code. Mã sứt mẻ này không là gì khác ngoài mã lây lan được nhân với thông điệp gốc và được truyền đi. Người nhận sử dụng cùng một mã để lấy tin nhắn gốc.

So sánh giữa FHSS và DSSS / CDMA

Cả hai kỹ thuật trải phổ đều phổ biến vì các đặc tính của chúng. Để hiểu rõ hơn, hãy cùng chúng tôi xem qua những so sánh của chúng.

FHSS	DSSS / CDMA
Nhiều tần số được sử dụng	Tần số đơn được sử dụng
Khó tìm thấy tần suất của người dùng bất kỳ lúc nào	Tần suất người dùng, sau khi được phân bổ luôn giống nhau
Sử dụng lại tần số được phép	Không cho phép sử dụng lại tần số
Người gửi không cần đợi	Người gửi phải đợi nếu phổ bận
Công suất của tín hiệu cao	Công suất của tín hiệu thấp
Mạnh hơn và xuyên qua các chướng ngại vật	Nó yếu hơn so với FHSS
Nó không bao giờ bị ảnh hưởng bởi sự can thiệp	Nó có thể bị ảnh hưởng bởi sự can thiệp
Nó rẻ hơn	Nó đắt
Đây là kỹ thuật thường được sử dụng	Kỹ thuật này không được sử dụng thường xuyên

Ưu điểm của Spread Spectrum

Sau đây là những ưu điểm của trải phổ -

• Loại bỏ nói chuyện chéo
• Đầu ra tốt hơn với tính toàn vẹn của dữ liệu
• Giảm ảnh hưởng của việc làm mờ nhiều đường
• An ninh tốt hơn
• Giảm tiếng ồn
• Cùng tồn tại với các hệ thống khác
• Khoảng cách hoạt động dài hơn
• Khó phát hiện
• Không dễ giải điều chế / giải mã
• Khó làm nhiễu tín hiệu

Mặc dù kỹ thuật trải phổ ban đầu được thiết kế cho mục đích quân sự, nhưng hiện nay chúng đang được sử dụng rộng rãi cho mục đích thương mại.