Kỹ thuật viễn thông

- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn CHƯ NG 1: C S K THU T TRUY N D N 1.1.
- ChÊt l−îng tho¹i TuyÖt vêi C¸c bé m· ho¸ l¹i Tèt C¸c bé m· ho¸ d¹ng sãng Kh¸ tèt C¸c bé m· ho¸ tho¹i KÐm Bit Rate Kbit/s) Hình 1.1: Các ph ng pháp mã hoá và mối quan hệ chất l ng thoại/tốc độ bit Mã hoá d ng sóng có nghĩa là các thay đổi biên độ của tín hiệu t ơng tự (đ ng tho i) đ ợc mô t bằng một số của giá trị đ ợc đo.
- D ng điệu t ơng tự nh tín hiệu đ ợc tái t o trong thiết bị thu nh các giá trị nhận đ ợc.
- Ph ơng pháp này cho phép nhận đ ợc mức chất l ợng tho i rất cao, vì đ ng tín hiệu nhận đ ợc là b n sao nh thật của đ ng tín hiệu bên phát.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Mã hoá tho i là bộ mã hoá tham số.
- Thay cho việc truyền tín hiệu mô t trực tiếp d ng của đ ng tín hiệu tho i là truyền một số tham số mô t đ ng cong tín hiệu đ ợc phát ra nh thế nào.
- Mã hoá tham số yêu cầu có một mô hình xác định rõ đ ng tín hiệu tho i đ ợc t o nh thế nào.
- Chất l ợng sẽ mức trung bình (âm thanh của tho i nhận đ ợc thuộc lo i “tổng hợp”) nh ng mặt khác các tín hiệu có thể đ ợc truyền với tốc độ bit rất thấp.
- Đi u ch Điều chế là một kỹ thuật cho phép thông tin đ ợc truyền nh sự thay đổi của tín hiệu mang thông tin.
- Điều chế xung mã PCM Hiện nay có nhiều ph ơng pháp chuyển tín hiệu analog thành tín hiệu digital (A/D) nh điều xung mã (PCM), điều xung mã vi sai (DPCM), điều chế Delta (DM.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Để chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu digital dùng ph ơng pháp PCM, cần thực hiện 3 b ớc nh hình 1.3.
- Lấy mẫu t L ợng tử hoá t Mã hoá 1 0 t Hình 1.3: Quá trình chuy n đổi A/D dùng ph ng pháp PCM Tr ớc hết ph i lấy mẫu tín hiệu tho i, tức là chỉ truyền các xung tín hiệu t i các th i điểm nhất định.
- Lấy m u tín hiệu analog Biên độ của tín hiệu analog là liên tục theo th i gian.
- Lấy mẫu là lấy biên độ của tín hiệu analog từng kho ng th i gian nhất định.
- Quá trình này giống nh điều chế biên độ, trong đó các dãy xung có chu kỳ đ ợc điều chế biên độ b i tín hiệu analog.
- Dãy mẫu này gọi là tín hiệu PAM (điều chế biên độ xung).
- Để thực hiện quá trình lấy mẫu tín hiệu bất kỳ ph i dựa vào định lý Nyquist, nội dung của định lý đ ợc phát biểu nh sau: Nếu tín hiệu gốc là hàm liên tục theo th i gian có tần phổ giới h n từ 0 đến fmax khi lấy mẫu thì tần số lấy mẫu ph i lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số lớn nhất trong tín hiệu gốc, nghĩa là: fm ≥ 2×fmax.
- Một yếu tố quan trọng trong lấy mẫu là phía phát lấy mẫu cho tín hiệu analog theo tần số nào để cho phía thu tái t o l i đ ợc tín hiệu ban đầu.
- Theo định lý Nyquist, bằng cách lấy mẫu tín hiệu analog theo tần số cao hơn ít nhất hai lần tần số cao nhất của tín hiệu thì có thể t o l i tín hiệu analog ban đầu từ các mẫu đó.
- Đối với tín hiệu tho i ho t động băng tần 0,3 ÷ 3,4 kHz, tần số lấy mẫu là 8kHz để đáp ứng yêu cầu về chất l ợng truyền dẫn: phía thu khôi phục tín hiệu analog có độ méo trong ph m vi cho phép.
- Quá trình lấy mẫu tín hiệu tho i nh hình 1.4.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Biên độ (a) 0 t Biên độ Tm (b) t Biên độ +3 +2 +1 (c) 0 t -1 -2 -3 Hình 1.4: Quá trình lấy m u tín hiệu thoại (a) Thể hiện đ ng cong tín hiệu tho i.
- (c) Tín hiệu đầu ra bộ lấy mẫu (tín hiệu điều biên xung- PAM) L ng t hoá L ợng tử hoá nghĩa là chia biên độ của tín hiệu thành các kho ng đều hoặc không đều, mỗi kho ng là một b ớc l ợng tử, biên độ tín hiệu ứng với đầu hoặc cuối mỗi b ớc l ợng tử gọi là một mức l ợng tử.
- L ợng tử hoá đều Biên độ tín hiệu đ ợc chia thành những kho ng đều nhau, sau đó lấy tròn các xung mẫu đến mức l ợng tử gần nhất.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Biên độ t Δ -1 -2 -3 Hình 1.5: Quá trình l ng t hoá đ u B ớc l ợng tử đều bằng Δ.
- Nh vậy, biên độ của tín hiệu gồm có 7 b ớc l ợng tử và 8 mức (đánh số từ -3 ÷ +3).
- 2 2 Công suất trung bình nhiễu l ợng tử đều đ ợc xác định nh sau: Δ2 PQd = 12 Từ biểu thức này cho thấy công suất nhiễu l ợng tử chỉ phụ thuộc vào b ớc l ợng tử Δ mà không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu.
- sẽ lớn hơn tỷ số này của tín hiệu yếu.
- N ⎝ NhiÔu ⎠ Đối với tín hiệu m nh, tỷ số: Muốn san bằng tỷ số này giữa tín hiệu m nh và tín hiệu yếu ph i sử dụng l ợng tử hoá không đều.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn L ợng tử hoá không đều L ợng tử hoá không đều dựa trên nguyên tắc: khi biên độ tín hiệu càng lớn thì b ớc l ợng tử càng lớn (hình 1.7).
- Biªn ®é +4 Δ4 Δ3 +3 Δ2 +2 Δ1 +1 0 t Hình 1.7: Quá trình l ng t hoá không đ u Trong thí dụ trên hình 1.7 biên độ của tín hiệu analog đ ợc chia thành 4 b ớc l ợng tử, ký hiệu là Δ1, Δ2, Δ3, Δ4.
- Nén - dãn analog Quá trình nén - dãn analog đ ợc thực hiện bằng cách đặt bộ nén analog tr ớc bộ mã hoá đều phía nhánh phát của thiết bị ghép kênh, trong miền tín hiệu tho i analog và đặt một bộ dãn analog tr ớc bộ gi i mã đều nhánh thu của thiết bị ghép kênh, cũng trong miền tín hiệu tho i analog.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Theo khuyến nghị của ITU-T lấy A = 87,6.
- Đặc tuyến bộ nén ph i đối xứng với đặc tuyến bộ dãn để không gây méo khi khôi phục tín hiệu.
- Biên độ ra Đặc tuyến bộ nén +1 Đặc tuyến bộ dãn -1 Biên độ vào +1 -1 Hình 1.8: Đặc tuy n bộ nén và bộ dãn analog Nhiều thí nghiệm về l ợng tử hoá tín hiệu tho i đã đ a ra kết luận: S ⎛ TÝnhiÖu.
- Vì là số mức l ợng tử của biên độ d ơng hoặc âm của tín hiệu tho i.
- Sau khi nén, tín hiệu tho i chỉ còn 128 mức.
- Đó là lý do t i sao ph i thực hiện nén tín hiệu.
- Nén - dãn số: Bộ nén số đ ợc đặt trong miền tín hiệu số của nhánh phát và bộ dãn số đ ợc đặt trong miền tín hiệu số của nhánh thu của thiết bị ghép kênh.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Các đo n thẳng có độ dốc khác nhau, do vậy trong cùng một đo n tín hiệu không bị nén.
- Khi chuyển từ đo n này sang đo n khác thì tín hiệu bị nén và khi biên độ càng lớn sẽ bị nén càng nhiều.
- Tín(TÝn hiệuhiÖu y đầu ®Çu ra ra) H 1 7 G §o¹n 13 8 6 F 12 8 5 E 11 8 4 D 10 8 3 C 9 8 2 8 8 B 1 8 A 7 x (TÝn hiÖu Tín hiệu ®Çu vµo) đầu vào o¹n 1 -1 Hình 1.9: Đặc tính biên độ bộ nén số A=87,6/13 Để xây dựng đặc tính biên độ của bộ nén số cần tiến hành các b ớc sau đây: Trục x đặc tr ng cho biên độ chuẩn hoá của tín hiệu đầu vào bộ nén (-1 ≤ x ≤ 1 t ơng ứng với 4096 b ớc l ợng tử đều) và trục y đặc tr ng cho tín hiệu đầu ra.
- Tóm l i, khi ch a nén thì tín hiệu tho i đ ợc chia thành 4096 mức, sau khi dùng bộ nén A=87,6/13 thì chỉ còn l i 256 mức (tức là số bít trong một từ mã đã gi m từ 12 xuống 8).
- Chuy n đổi tín hiệu digital thành tín hiệu analog T i phía thu, tín hiệu số PCM đ ợc chuyển đổi thành tín hiệu analog qua hai b ớc là: gi i mã và lọc.
- Trong gi i mã, bắt đầu bằng việc tách các mã nhị phân 8 bit từ tín hiệu PCM (trong hình 1.10 t ợng tr ng từ mã 3 bit).
- Tín hiệu xung đã đ ợc l ợng tử hoá đầu phát đ ợc t o l i đầu thu bằng cách gi i mã nh vậy.
- Tín hiệu xung sau khi gi i mã có biên độ chênh lệch với biên độ xung mẫu t i phía phát.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Tín hiệu PCM t nh n đ c Tín hiệu xung 2 1 l ng t t Hình 1.11: Quá trình giải mã Sau đó, tín hiệu xung l ợng tử đ ợc đ a qua bộ lọc thông thấp.
- Đầu ra bộ lọc này nhận đ ợc tín hiệu analog là tín hiệu liên tục theo th i gian nh nội suy giữa các mẫu kế tiếp nhau nh hình 1.12.
- Tín hiệu xung L ng t t Lọc tín hiệu analog Điện áp tổng đầu ra bộ lọc t Hình 1.12: Quá trình lọc tín hiệu từ các xung PAM Các ph ng pháp mã hoá mới PCM đã tồn t i trong 1/4 thập kỷ và các công nghệ mới đã bắt đầu thu hút sự chú ý.
- PCM vi sai (DPCM) Tín hiệu đã đ ợc lấy mẫu cho thấy mức độ t ơng quan cao giữa các mẫu kế cận.
- Gi¸ 5 trÞ mÉu tuyÖt 4 ®èi 3 6 2 1 MÉu sè t §é lÖch gi÷a c¸c gi¸ trÞ mÉu 6 t MÉu sè 1 2 3 4 5 Hình 1.13: PCM vi sai (DPCM) PCM vi sai có nh ợc điểm là nếu tín hiệu đầu vào t ơng tự mà thay đổi quá lớn giữa các mẫu, thì nó không thể đ ợc biểu diễn bằng 4 bit mà sẽ bị cắt.
- ADPCM có nghĩa là các mức l ợng tử hoá đ ợc thích ứng với d ng của tín hiệu đầu vào.
- Kích cỡ của các b ớc l ợng tử tăng lên khi có liên tiếp dốc đứng trong tín hiệu kéo đủ dài.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Thêi gian MÉu sè Hình 1.14: PCM thích ứng Trong mã hoá ADPCM, sau khi tín hiệu vào t ơng tự đã đi qua mã hoá PCM thông th ng, thì luồng các mẫu 8 bit đ ợc gửi tiếp tới bộ mã hoá ADPCM.
- 4 bit này không biểu diễn biên độ của mẫu nữa, nh ng nh có mã hoá vi sai mà 4 bit vẫn chứa đủ thông tin để cho phép tín hiệu gốc sẽ đ ợc tái t o bộ thu.
- Tr ớc hết là xét đến nguyên lý ghép kênh phân chia theo th i gian vì nó làm cho các hệ thống truyền dẫn tín hiệu tho i bằng PCM có u điểm về mặt kinh tế.
- Sơ đồ nguyên lý các hệ thống PCM, quá trình ghép kênh phân chia theo th i gian th ng đ ợc thực hiện tr ớc khi mã hóa dãy xung, tức là các mẫu của tín hiệu t ơng tự riêng đ ợc kết hợp l i trên một đ ng truyền PAM chung.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn LÊy GhÐp LËp m· mÉu M· ho¸ kªnh ®-êng ≈ §Çu ra 1 S.
- Sau đây phân tích ho t động của bộ ghép tín hiệu tho i.
- Bộ sai động SĐ tách tín hiệu tho i thu và phát riêng biệt.
- Bộ mã hoá biến đổi mỗi xung lấy mẫu thành 8 bit và khối ghép kênh tín hiệu tho i, tín hiệu đồng bộ và tín hiệu báo hiệu thành một khung có th i h n 125μs.
- T i đây báo hiệu đ ợc chuyển đổi thành các bit để ghép vào khung tín hiệu.
- Một phần tín hiệu đầu ra khối gi i mã đ ng, đ a vào khối tách xung đồng bộ để tách ra xung đồng bộ và đ a tới khối t o xung thu để kích thích bộ chia xung và t o ra các khe th i gian đồng bộ với phía phát.
- Phần tín hiệu còn l i đ ợc đ a vào khối tách kênh để tách luồng bit đầu vào thành 30 kênh tho i, kênh báo hiệu.
- Khối báo hiệu chuyển các bit báo hiệu thành tín hiệu báo hiệu ban đầu, chẳng h n báo hiệu đa tần, các digit bộ số thuê bao, xung điều khiển rơ le v.v.
- Các từ mã 8 bit của 30 kênh tho i đ a tới bộ gi i mã để chuyển thành các xung l ợng tử, qua bộ chọn xung kênh và bộ lọc thông thấp tách ra tín hiệu tho i analog của từng kênh.
- Tín hiệu analog qua bộ sai động đi vào máy điện tho i.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Bảng 1.1.
- Ghép tín hiệu báo hiệu của 30 kênh thoại Khe th i gian b1b2b3b4 b5b6b7b8 TS16 a bc d ab cd Khung 1 Kênh 1 Kênh 16 Khung 2 Kênh 2 Kênh 17 Khung 3 Kênh 3 Kênh 18 Khung 4 Kênh 4 Kênh 19 Khung 5 Kênh 5 Kênh 20 Khung 6 Kênh 6 Kênh 21 Khung 7 Kênh 7 Kênh 22 Khung 8 Kênh 8 Kênh 23 Khung 9 Kênh 9 Kênh 24 Khung 10 Kênh 10 Kênh 25 Khung 11 Kênh 11 Kênh 26 Khung 12 Kênh 12 Kênh 27 Khung 13 Kênh 13 Kênh 28 Khung 14 Kênh 14 Kênh 29 Khung 15 Kênh 15 Kênh 30 Nh vậy ph i có 16 khe th i gian TS16 trong một đa khung mới đủ để truyền báo hiệu và đồng bộ đa khung.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Bảng 1.2.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn tốc độ bit của đồng hồ bộ ghép nh chèn bit.
- Luồng số 2Mbit/s có tốc độ bit định mức Chèn Bit Bộ chuyển m ch J- Các bit chèn Tín hiệu ra Các bit dữ liệu đầu vào Bộ t o xung đồng hồ Bộ ghép Chèn J Bit Luồng số 2Mbit/s có tốc độ bit thấp hơn định mức Hình 1.17: Nguyên t c ghép c n đồng bộ Về tiêu chuẩn tốc độ bit PDH, hiện nay trên thế giới có 3 tiêu chuẩn: Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật B n.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Mức 3 (DS3): Ghép 7 luồng số mức 2 thành luồng số mức 3 là 44736 kbit/s, gồm 672 kênh tho i.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Ph ơng pháp ghép Có ba ph ơng pháp ghép các luồng số là.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn tức th i có thể khác nhau với tốc độ bit danh định chút ít, nên ghép các luồng số đầu vào này thành luồng số đầu ra có liên quan đến quá trình chèn.
- Nhận đ ợc thông báo chèn thì khối điều khiển chèn sẽ phát tín hiệu điều khiển chèn, khi đó khối MUX sẽ tiến hành chèn bit vào vị trí đã qui định trong khung.
- Trong tr ng hợp một luồng số đầu vào bộ nhớ có tốc độ bit tức th i chậm hơn tốc độ bít đồng hồ đọc của MUX sẽ xuất hiện định kỳ một số điểm bỏ trống trong tín hiệu đầu ra bộ nhớ đệm và gây ra lỗi bit t i phía thu.
- Chèn đ ợc xem nh quá trình làm thay đổi tốc độ xung của tín hiệu số mức độ điều khiển cho phù hợp với tốc độ xung khác với tốc độ xung vốn có của nó mà không làm mất thông tin.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn các s n phẩm khác nhau (theo tiêu chuẩn Châu Âu hoặc Bắc Mỹ).
- Dần dần sau đó các tiêu chuẩn này đ ợc sử dụng rộng rãi để có thể xử lý cho m ng hiện t i và cho c các lo i tín hiệu trong t ơng lai, cũng nh cho c ph ơng diện khai thác và b o d ỡng.
- Để đáp ứng yêu cầu đó cần ph i l u ý đến quá trình tổ chức các tín hiệu b o d ỡng, giám sát, chuyển m ch b o vệ tự động và c vấn đề qu n lý m ng l ới của các lo i thiết bị khác nhau đó.
- Giai đo n một qui định các tiêu chuẩn về các tốc độ bit truyền dẫn (b ng 1.3), khuôn d ng tín hiệu, các thông số giao diện quang và thứ tự sắp xếp t i trọng trong khung tín hiệu.
- Tốc độ bit của SONET Các mức tín hiệu Các mức tín hiệu Tốc độ bit quang (OC) đồng bộ (STS) (Mbit/s) OC-1 STS-1 51,84 OC-3 STS-3 155,52 OC-9 STS-9 466,56 OC-12 STS-12 622,08 OC-18 STS-18 933,12 OC-24 STS OC-36 STS OC-48 STS Tháng 11 năm 1988, trên cơ s tiêu chuẩn của SONET và xét đến các tiêu chuẩn khác Châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật B n, ITU-T đã đ a ra tiêu chuẩn quốc tế về công nghệ truyền dẫn theo phân cấp số đồng bộ SDH dùng cho truyền dẫn cáp quang và vi ba.
- Nh giao diện đồng bộ thống nhất nên việc ghép và tách các luồng nhánh từ tín hiệu STM-N đơn gi n và dễ dàng.
- Ghép đ ợc các lo i tín hiệu khác nhau một cách linh ho t.
- Không những tín hiệu tho i mà c tín hiệu khác nh ATM, B-ISDN v.v.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Bộ ghép SDH theo khuyến nghị G.709 của ITU-T có cấu trúc nh trên hình 1.20.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn Khối qu n lý mức n (AU-n) là một khối thông tin bao gồm một Container o mức n (VC-n) cùng mức và một con trỏ khối qu n lý (AU-PTR) để chỉ thị kho ng cách từ con trỏ khối qu n lý đến vị trí bắt đầu của Container o (VC) cùng mức.
- Trong SONET, một VC-3 có thể ghép các tín hiệu STS-1.
- Ngoài ra, SDH trợ giúp chuyển t i VC-11 trên các kết nối lớp VC-12 bằng gi i pháp t ơng thích đặc biệt.Có hai ph ơng pháp hình thành tín hiệu STM-N.
- Tín hiệu AU-4 đ ợc hình thành từ một luồng nhánh 139264 kbit/s, hoặc 3 luồng nhánh 34368 kbit/s, hoặc 63 luồng 2048 kbit/s thộc phân cấp số PDH của Châu Âu.
- Cũng có thể sử dụng 63 luồng 1544 kbit/s thay thế cho 63 luồng 2048 kbit/s ghép thành tín hiệu STM-1 qua TU-12.
- B ớc thứ nhất hình thành module truyền dẫn đồng bộ mức 1 (STM-1) từ các luồng nhánh PDH.
- Các định luật ph n x và khúc x ánh sáng là nguyên lý cơ b n áp dụng cho việc truyền tín hiệu ánh sáng trong sợi quang.
- sợi quang, các tín hiệu ánh sáng đ ợc truyền dựa vào hiện t ợng ph n x toàn phần.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn • Mặt cắt chỉ số chiết xuất: Lo i sợi này gọi là sợi quang đa mode chiết xuất bậc.
- Cơ s kỹ thuật truyền dẫn 1.2.2.2.
- Truyền ánh sáng trong sợi quang đơn mode Trong sợi đa mode chiết xuất bậc tán sắc mode có nh h ng lớn nhất và làm h n chế kh năng truyền tín hiệu.
- Ngoài ra sợi đơn mode còn có các u điểm khác nh : Suy hao thấp, dung l ợng lớn nên đáp ứng đ ợc nhu cầu truyền tín hiệu băng rộng trong t ơng lai