Chương 7: Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự
Để truyền dữ liệu từ một DTE đến một DTE khác, thay vì phải thiết lập các đường dây riêng, người ta nghĩ đến viêc dùng đường dây điện thoại đã có sẵn. Tuy nhiên vì đường dây điện thoại đã có từ rất lâu trước khi phương pháp truyền tín hiệu số ra đời và được dùng để truyền thẳng âm hiệu trong phạm vi tần số từ 300 Hz đến 3000 Hz, nên để truyền được tín hiệu số trên đường dây...
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -1
CHƯƠNG 7
TRUYỀN TÍN HIỆU SỐ BẰNG SÓNG MANG TƯƠNG TỰ : MODEMS
DẪN NHẬP
CƠ SỞ KỸ THUẬT LIÊN QUAN
Modem FSK
Modem PSK
Một số vấn đề kỹ thuật khác
MỘT SỐ MODEM THÔNG DỤNG
Modem bất đồng bộ
Modem đồng bộ
__________________________________________________________________________________________
_____
7.1 DẪN NHẬP
Để truyền dữ liệu từ một DTE đến một DTE khác, thay vì phải thiết lập các đường dây
riêng, người ta nghĩ đến viêc dùng đường dây điện thoại đã có sẵn. Tuy nhiên vì đường dây
điện thoại đã có từ rất lâu trước khi phương pháp truyền tín hiệu số ra đời và được dùng để
truyền thẳng âm hiệu trong phạm vi tần số từ 300 Hz đến 3000 Hz, nên để truyền được tín
hiệu số trên đường dây thoại, người ta phải dùng một sóng mang có tần số tương thích với
đường dây thoại để chuyên chở tín hiệu số. Modem là một thiết bị được sản xuất cho mục
đích này.
(H 7.1) là sơ đồ khối của một modem
ĐIỀU CHẾ
Dữ liệu vào
(từ máy tính) MẠCH MẠCH LỌC & KĐ
GIAO TIẾP ĐIỀU CHẾ CÔNG SUẤT T.h.
tương tự ra
↑ ↑
⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯→ ĐIỀU KHIỂN
NGUỒN ⎯⎯ ⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯→ &
⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯→ ĐỊNH THỜI
↓ ↓
T.h. tương tự LỌC Dữ liệu ra
vào & MẠCH GIẢI MẠCH
KĐ VÀO ĐIỀU CHẾ GIAO TIẾP
GIẢI ĐIỀU CHẾ
(H 7.1)
Một modem bao gồm hai bộ phận chính: điều chế và giải điều chế.
Bộ phận điều chế nhận tín hiệu số từ máy tính (hay một DTE) và biến đổi thành tín
hiệu tương tự để truyền trên kênh truyền, ở máy thu bộ phận giải điều chế của modem thứ hai
biến đổi ngược lại từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Có thể xếp loại modem như sau :
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -2
- Modem tầm ngắn (Short haul modem) : là những modem hoạt động trong những
khoảng cách ngắn (__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -3
- ASK thường được dùng để truyền với vận tốc rất thấp __________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -4
f m − fs
∆f =
2
br
fa = f f =
2
Vậy h = mf
Nhắc lại, phổ tần của tín hiệu điều chế FM tùy thuộc vào hệ số Bessel, tức tùy thuộc
vào chỉ số biến điệu. Một cách tổng quát, h càng lớn thì xuất hiện càng nhiều hệ số Bessel,
phổ tần chứa càng nhiều họa tần, nhưng điều này xảy ra khi br nhỏ, tức tần số cơ bản nhỏ, như
vậy các họa tần sẽ nằm sát lại nhau nên băng thông của tín hiệu không những không tăng mà
còn có thể giảm. Tuy nhiên để đạt được hiệu quả cao người ta thường chọn h < 1
Trở lại modem 202T, với br = 1200 bps, h = 0,83 (khoảng cách fm và fs là 1000Hz), có
2 hệ số Bessel có nghĩa, trong phổ tần xuất hiện hai tần số trong mỗi băng cạnh, khoảng cách
các tần số là 600 Hz (H 7.4)
(H 7.4)
Bây giờ giả sử tốc độ truyền bit là 500 bps, chỉ số biến điệu là:
fm - fs 1000
h= = =2
br 500
Trong trường hợp này có 4 hệ số Bessel có nghĩa và phổ tần có dạng (H 7.5)
(H 7.5)
7.2.1.3 Băng thông FSK Gọi Tb là thời gian của một bit của tín hiệu
truyền (dải nền), tốc độ bit br là:
1
br =
Tb
Tần số lớn nhất của tín hiệu, tương ứng với biến đổi liên tục giữa bit 1 và bit 0, là:
1 br
ff = =
2Tb 2
Vậy tần số cơ bản lớn nhất của tín hiệu dải nền bằng 1/2 tốc độ truyền bit
Tín hiệu FSK tức thời có thể viết :
VFSK = V b sin (2πfmt) + Vb sin (2πfst)
Trong đó Vb đặc trưng cho tín hiệu hình vuông có tần số cơ bản ff biên độ 0 hoặc 1 tùy
thuộc trạng thái dữ liệu điều chế.
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -5
Nhắc lại phổ tần của tín hiệu chữ nhật chứa các họa tần bậc lẻ của ff . Do đó ta có thể
vẽ phổ tần của tín hiệu FSK (H 7.6)
(H 7.6)
Người ta thường chọn băng thông FSK như sau :
BWFSK = (fm + 2ff) - (fs - 2 ff) = fm - fs + 4ff
BWFSK = fm - fs + 2br
Ngoài ra để thiết kế bộ giải điều chế có lợi về mặt kinh tế người ta chọn tần số trung
tâm của FSK và khoảng cách của hai tần số fm và fs như sau :
fm + fs
fFSK = ≥ 3br
2
⏐ fm - fs ⏐ > 2br/3
Thí dụ :
(a) Một modem FSK vận tốc 600 bps sử dụng tần số mark là 1500 Hz và tần số space
là 2000 Hz. Tính tần số fFSK và băng thông của kênh FSK
fFSK là tần số trung tâm giữa fm và fs :
fFSK = (1500 + 2000) / 2 = 1750 Hz
Băng thông BW xác định bởi :
BWFSK = fm - fs + 2br = (2000 -1500) + 2(600) = 1700 Hz.
(b) Những giá trị của fm và fs này có làm cho việc thiết kế bộ giải điều chế kinh tế
không ?
Điều kiện đầu tiên là fFSK ≥ 3br , điều này không thỏa vì 1750 Hz < 3(600) = 1800 Hz
Điều kiện thứ hai là ⏐ fm - fs ⏐ > 2br/3 thỏa vì 500 Hz > 2/3(600) = 400 Hz
7.2.1.4 Vòng khóa pha (Phase Lock Loop, PLL) Để giải mã FSK người
ta phải dùng một vòng khóa pha. (H 7.7) là sơ đồ khối một vòng khóa pha
đơn giản
(H 7.7) Tổng quát, một PLL là một hệ thống hồi tiếp gồm 3 bộ phận chính : một mạch so pha,
một lọc hạ thông và một VCO. PLL là một vòng kín, tín hiệu ra từ VCO tự động khóa bởi tín
hiệu vào. Bằng cách so sánh pha của tín hiệu ra từ mạch VCO và tín hiệu vào, sự sai pha sẽ
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -6
được biến đổi thành điện thế một chiều, điện thế này sẽ điều khiển VCO để tạo một tín hiệu
ra luôn luôn có pha và tần số của tín hiệu vào
Xem tín hiệu vào là một hình sin có pha bất kỳ :
vi(t) =A1 sin( ωi t + θi )
Tín hiệu ra ở VCO : vo(t) = A2 sin( ωo t + θo ) Tín hiệu ra của
mạch so pha là tích của hai tín hiệu này vd = A1 A2 kmsin(ωit + θi ).sin(
ωot + θo )
km là độ lợi của mạch nhân
Triển khai biểu thức vd, ta được các số hạng là các tín hiệu hình sin có tần số là tổng
và hiệu của các tần số tín hiệu vào ωi và tần số tín hiệu dao động ωo ; cho tín hiệu này qua
mạch lọc hạ thông, tín hiệu còn lại là :
A 1A 2
vf = km sin(ωi t - ωo t + θi - θo ) Ở vòng khóa pha hai
2
trường hợp có thể xảy ra:
- Nếu tần số tín hiệu vào ωi thay đổi ngoài tầm kiểm soát của mạch thì PLL là một
mạch giải điều chế FM
- Nếu tần số tín hiệu vào thay đổi ít, còn trong phạm vi kiểm soát của mạch thì PLL là
mạch tạo tín hiệu có tần số và pha ổn định.
Trong mạch giải điều chế FSK, ngã vào mạch PLL là tín hiệu có hai tần số fm và fs nên
hiệu thế ra từ mạch lọc sẽ thay đổi trong khoảng Vom và Vos, những hiệu thế này được so sánh
với một hiệu thế chuẩn (FSK comparator) để cho dữ liệu FSK ở ngã ra
Nếu PLL được khóa ở tín hiệu vào, nghĩa là ωo = ωi thì phương trình thành
A 1A 2
vf = km sin( θi - θo )
2
θi - θo là độ sai pha. vf = 0 khi θi - θo = 0 hay 2π
Hiệu thế vf này được dùng để điều khiển mạch dao động
7.2.1.5 Minimum Shift-Keying FSK
Minimum Shift-keying FSK (MSK) là một dạng của kỹ thuật điều chế FSK có pha
liên tục. MSK chính là FSK trong đó tần số mark và space được đồng bộ với vận tốc bit.
Đồng bộ ở đây có nghĩa là có một quan hệ thời gian chính xác của hai tín hiệu. Hai tần số này
được chọn sao cho cách tần số giữa đúng bằng các bội số lẻ của phân nửa vận tốc bit [fm và fs
= n(br/2); n là số lẻ], điều này tạo ra một sự thay đổi liên tục về pha khi tín hiệu chuyển đổi
giữa bit 1 và 0 (H 7.8)
(H 7.8)
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -7
7.2.2 Modem PSK
Điều chế PSK là một phương pháp hiệu quả nhất để truyền tín hiệu số. Có thể nói
phương pháp PSK là phương pháp điều chế triệt sóng mang do đó băng thông của tín hiệu
PSK nhỏ hơn băng thông của FSK nếu dùng cùng một tín hiệu dải nền. Nhưng ở máy thu
phải có mạch dao động tạo sóng mang để thực hiện việc giải điều chế; tín hiệu dao động này
phải có cùng tần số và pha của sóng mang ở máy phát.
Các điều nói trên có thể thực hiện bởi một vòng khóa pha biến thể gọi là vòng Costas
mà ta sẽ đề cập đến trong phần sau
7.2.2.1 Băng thông
Ta xét trường hợp đơn giản nhất là PSK nhị phân (Biphase PSK) được minh họa trong
(H 7.9). (Nếu là PSK đa pha thì thay tốc độ bit bởi tốc độ baud)
(H 7.9)
Trong PSK pha của sóng mang thay đổi giữa hai trị số 0° và 180° , hiệu thế tức thời
PSK có thể viết :
V PSK = V b sin (2πfct) + Vb sin (2πfct)
Biểu thức VPSK tương tự như VFSK nhưng hai tần số fm và fs được thay bởi fc nên băng
thông là: BWPSK = (fc + 2ff) - (fc - 2 ff) = 4ff
BWPSK = 2br
Như vậy BWPSK < BWFSK nếu điều chế cùng tín hiệu dải nền. (H 7.9) cho phổ của tín hiệu
PSK
7.2.2.2 PSK 2 - pha (BPSK: Binary phase shift keying)
Trong BPSK, ứng với tín hiệu vào là các điện thế biểu diễn các logic 1, 0 ta có tín hiệu
ra là các sóng mang hình sin có pha lệch nhau 180°
(H 7.10) là sơ đồ khối mạch điều chế và giải điều chế BPSK
(a) Điều chế BPSK (H 7.10) (b) Giải điều chế BPSK
Giả sử logic 1 đưọc đặc trưng bởi điện thế +Vdc và logic 0 bởi -Vdc bộ phận chính của
mạch điều chế gồm một mạch nhân và một mạch dao động tạo sóng mang cosωct. Tín hiệu
logic và sóng mang được đưa vào mạch nhân và ta được tín hiệu +cosωct hoặc -cosωct ở ngã
ra của mạch này.
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -8
Ở máy thu, sóng mang đuợc tách từ tín hiệu vào, sau đó trộn với tín hiệu vào để cho ra
tín hiệu có dạng cos2 ωct hoặc -cos2ωct. Phân tích các tín hiệu này ta thấy chúng gồm thành
phần một chiều và họa tần bậc hai :
cos2 ωct = (1/2)(1+ cos2ωct)
- cos2 ωct = - (1/2)(1+ cos2ωct)
Cho vào mạch lọc hạ thông, ta được ở ngã ra các thành phần dc có cùng cực tính với
dữ liệu vào.
Mạch điều chế vòng (ring modulator) là một kiểu mẫu của mạch nhân được mô tả ở
(H 7.11)
Các diod A, B, C, D dẫn hay ngưng tùy thuộc hiệu thế đặt vào ngã X,Y trong lúc tín
hiệu vào ngã RS chỉ khiến các diod dẫn mạnh hay yếu mà thôi.
Sóng mang được đưa vào ngã RS, dữ liệu được đưa vào ngã XY. Giả sử bit 1 khiến X
dương hơn Y và ngược lại cho bit 0
- Khi dữ liệu là bit 1 diod A và D dẫn điện, ứng với bán kỳ dương của sóng mang diod
A dẫn mạnh hơn diod D, dòng điện chạy trong nửa trên của biến thế ra lớn hơn, ta được tín
hiệu ra cùng pha sóng mang vào.
- Khi dữ liệu là bit 0 diod B và C dẫn điện, ứng với bán kỳ dương của sóng mang diod
B dẫn mạnh hơn diod C, dòng điện chạy trong nửa trên của biến thế ra lớn hơn nhưng có
chiều ngược lại (từ dưới lên), ta được tín hiệu ra ngược pha sóng mang vào.
- Khi không có sóng mang hoặc không có dữ liệu vào sẽ không có dòng điện ở ngã ra.
(H 7.11)
7.2.2.3 PSK 4 - pha (4 - PSK)
PSK 4 pha còn gọi là PSK vuông góc (QPSK : Quadrature PSK) là mạch điều chế cho
tín hiệu ra có 1 trong 4 pha tùy theo trạng thái của một cặp bit (dibit) dữ liệu vào, độ lệch pha
của các tín hiệu ra là 90°. (H 7.12) là sơ đồ khối mạch điều chế PSK 4 - pha
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -9
(H 7.12)
- Mạch chia bit (bit splitter) : chuyển dòng dữ liệu vào theo hai ngã I (In-phase) và Q
(Quadrature). Những bit vào ngã I sẽ điều chế sóng mang có pha ban đầu và những bit vào
ngã Q sẽ điều chế sóng mang đã được làm lệch pha 90°
- Vì các dữ liệu vào có thể là bit 1 hoặc 0, nên tín hiệu ở ngã ra mạch nhân I có thể là
sinωct hoặc - sinωct và ở ngã ra Q có thể là cosωct hoặc -cosωct, các tín hiệu này được tổng
hợp ở mạch tổng để cho ra 1 trong 4 tín hiệu mô tả ở (H 7.13)
Thí dụ, với các bit ở ngã vào ab=01, tín hiệu ở ngã ra là - sinωct + cosωct, tín hiệu
này có thể thay thế bởi tín hiệu duy nhất có pha là 135°.
(H 7.13)
Bảng 7.1 Tín hiệu điều chế 4 pha
Kênh Giá trị nhị phân Hiệu thế Tín hiệu ra từ mạch cân bằng
I 1 + sinωct-sinωct sin(ωct + π/2) =
0 - cosωct
Q 1 + -sin(ωct + π/2) =-cosωct
0 -
(H 7.14) là mạch giải mã PSK 4-pha
(H 7.14)
Mạch phục hồi sóng mang sẽ cho lại sóng mang sinωct từ tín hiệu nhận được, tín hiệu
này được cho thẳng vào mạch nhân ngã I và được làm lệch pha 90° trước khi vào mạch nhân
ngã Q, tín hiệu ra ở các mạch nhân được đưa vào mạch lọc hạ thông để loại bỏ thành phần tần
số cao, các thành phần DC sẽ được tổng hợp ở mạch tổng để cho lại dòng dữ liệu.
Giả sử tín hiệu vào là tín hiệu nhận được trong thí dụ trên: cosωct - sinωct
Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã I là:
sinωct ( cosωct - sinωct) = 1/2sin2ωct - 1/2(1-cos2ωct)
Tín hiệu ra sau mạch lọc là điện thế dc -, tương ứng bit 0
Tín hiệu ra ở mạch nhân ngã Q là:
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -10
cosωct ( cosωct - sinωct) = -1/2sin2ωct + 1/2(1+cos2ωct)
Tín hiệu ra sau mạch lọc là điện thế dc+, tương ứng bit 1,
Mạch tổ hợp bit sẽ cho lại dữ liệu như đã phát : 01 (viết theo thứ tự ab)
Tốc độ truyền thông thường của QPSK là 2400 bps vì vậy ở mạch điều chế tốc độ của
kênh I và Q là 1200 bps. Tốc độ biến đổi lớn nhất của tín hiệu tương ứng với chuỗi liên tiếp
các bit 1 và 0, chuỗi này được biểu diễn bởi tín hiệu hình vuông tần số 600 Hz, tín hiệu hình
vuông bao gồm tần số cơ bản và các họa tần bậc lẻ. Trong quá trình điều chế xuất hiện các
băng cạnh chứa các họa tần này, mạch lọc BPF có nhiệm vụ loại bỏ thành phần tần số này.
7.2.2.4 OFFSET QPSK (OQPSK)
Trong thực tế người ta thường dùng cách điều chế dựa trên nguyên tắc của QPSK
nhưng tạo sự lệch pha của hai tín hiệu trên hai kênh I và Q bằng cách cho một tín hiệu trễ một
bit so với tín hiệu kia, gọi là điều chế OQPSK. Việc làm này khiến cho sự chuyển trạng thái
của tín hiệu ở kênh này (thí dụ kênh I) luôn luôn xảy ra ở ngay điểm giữa của tín hiệu của
kênh kia (kênh Q), như vậy trong một cặp bit IQ bất kỳ chỉ có sự thay đổi của một bit duy
nhất và điều này đưa đến kết quả là các tín hiệu ở ngã ra tổng hợp chỉ lệch pha 0° hoặc ±90°
chứ không phải 180° như ở QPSK. Vậy điểm thuận lợi của OQPSK là giới hạn được sự lệch
pha của tín hiệu ra và tránh được các xung đột biến khi phục hồi tín hiệu nhị phân.
Để có thể so sánh các tín hiệu ở các ngã ra tổng hợp, ta xét chuỗi tín hiệu vào như (H
7.15a) và chuỗi tín hiệu của 2 kênh I và Q trong hai trường hợp QPSK (H 7.15b) và OQPSK
(H 7.15c)
(a)
(b) (c)
(H 7.15)
Và tín hiệu tổng hợp ở ngã ra tương ứng (H 7.16a) và (H 7.16b)
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -11
(H 7.16)
Có thể hiểu (H 7.16a) và (H 7.16b) như sau:
- Nếu 2 bit trên 2 kênh I và Q khác nhau hoàn toàn thì các tín hiệu tương tự tương ứng
khác nhau 180o
- Nếu 2 bit trên 2 kênh I và Q chỉ khác nhau một bit thì các tín hiệu tương tự tương
ứng khác nhau +90o hoặc -90o.
Điểm bất lợi của phương pháp OQPSK là sự thay đổi pha của tín hiệu ra xảy ra trong
từng khoảng thời gian T (chứ không phải 2T), do đó vận tốc điều chế (baud rate) và băng
thông tối thiểu của kênh truyền tăng gấp đôi so với phương pháp QPSK .
Hiệu suất băng thông: là tỉ số vận tốc bit (bps) trên băng thông yêu cầu (Hz). Thông
thường khi vận tốc bit tăng thì băng thông tăng, tuy nhiên trong các cách điều chế khác nhau
tỉ số hai đại lượng này có thể khác nhau, do đó người ta dùng hiệu suất băng thông để đánh
giá chất lượng của hệ thống (hiệu suất cao đồng nghĩa với tận dụng được băng thông)
Với cách điều chế ASK, giả sử vận tốc bit là 2400bps, tần số cơ bản là 1200Hz, băng
thông cần thiết là 2400 Hz vậy
2400bps
Hiệu suất băng thông = = 1bps/Hz
2400Hz
Với cách điều chế PSK 4 - pha nếu vận tốc bit là 2400bps, ở mạch điều chế vận tốc
của kênh I và Q là 1200 bps, tần số cơ bản là 600Hz, băng thông cần thiết là 1200 Hz vậy
2400bps
Hiệu suất băng thông = = 2bps/Hz
1200Hz
7.2.2.5 PSK 8 - pha
PSK - 8 pha là mạch điều chế cho tín hiệu ra có 1 trong 8 pha tùy thuộc trạng thái của
tổ hợp 3 bit vào (tribits)
Sơ đồ khối của mạch điều chế PSK - 8 pha cho ở (H 7.17)
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -12
(H 7.17)
Mạch chia bit chia tổ hợp 3 bít theo 3 kênh khác nhau. Các bit a và b theo kênh I và Q
xác định cực tính của tín hiệu ra ở mạch biến đổi từ 2 ra 4 mức, trong khi bit c xác định biên
độ của điện thế dc. Có 2 biên độ được dùng là 0,34V và 0,821V. Khi a và b là bit 1 ngã ra
mạch biến đổi có trị dương, ngược lại khi a và b là bit 0. Biên độ của tín hiệu ra từ mạch biến
đổi luôn luôn khác nhau, bất cứ khi nào một mạch nhận tín hiệu c (hay c ) để cho ra tín hiệu
có biên độ là 0,821 (0,34) thì mạch kia nhận tín hiệu đảo lại và cho ra tín hiệu có biên độ là
0,34 (0,821)
Vì 3 bit abc độc lập với nhau nên ± 0,821 và ± 0,344 luôn luôn là 4 giá trị có thể có ở
ngã ra các mạch biến đổi.
Ở kênh I mạch điều chế trên sóng mang ban đầu (không làm lệch pha) nên 4 giá trị
ngã ra là ± 0,821cosωct và ± 0,34 cosωct trong khi ở ngã ra Q đó là các giá trị ± 0,821sinωct
và ± 0,34sinωct. Mạch tổng sẽ tổng hợp tín hiệu ra của 2 kênh để cho ra một tín hiệu duy
nhất. Tùy theo các tín hiệu vào các tín hiệu ra sẽ có các pha khác nhau (H 7.16). Trong hình
này góc A xác định bởi
0, 34
A = tan -1 = 22,5°
0, 821
Như vậy các tín hiệu điều chế của các tribit có pha khác nhau từng 45°
(H 7.18)
Thí dụ các bit cba ở ngã vào là 101, ta có:
Mạch biến đổi ở kênh I cho: +0,821 V
Mạch biến đổi ở kênh Q cho: -0,34 V
Mạch điều chế ở kênh I cho: +0,821cosωct
Mạch điều chế ở kênh Q cho: -0,34 sinωct
Tín hiệu ra sau cùng: 0,821cosωct -0,34 sinωct
Góc pha của tín hiệu này xác định bởi dấu X trên (H 7.18)
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -13
Với cách điều chế 8-PSK, 3 bit ứng với một pha của tín hiệu ra nên vận tốc baud bằng
1/3 vận tốc bit nên để thỏa điều kiện của đường truyền, người ta chọn vận tốc bit là 4800 bps,
vận tốc baud là 1600 baud/s và băng thông kênh truyền là 1600 Hz và hiệu suất băng thông là
3bps/Hz. Với fc=1700 Hz, băng thông chiếm một khoảng từ (fc - 800) =1700-800 = 900 Hz
đến (fc + 800) = 1700+800 = 2500 Hz, phù hợp với đường truyền của kênh thoại.
7.2.2.6 Điều chế biên độ vuông góc (Quadrature Amplitude Modulation,
QAM)
Trong điều chế biên độ vuông góc cả biên độ và pha của sóng mang đều thay đổi
a. Mạch điều chế QAM 8 pha (H 7.19)
(H 7.19)
Trong mạch điều chế này a,b xác định cực tính của tín hiệu ra ở mạch biến đổi, riêng
bit c đuợc đưa thẳng vào hai mạch biến đổi mà không qua mạch đảo như ở PSK 8 pha, nếu c
=1 cả hai ngã ra có biên độ cao và nếu c =0 cả hai ngã ra có biên độ thấp. Như vậy, với QAM
8 pha, các tín hiệu ở các ngã ra của mạch biến đổi luôn có cùng biên độ, giản đồ vị trí các
điểm đặc trưng các tribit cho ở (H 7.20)
(H 7.20)
Các tín hiệu ra của QAM 8 pha có 2 biên độ và 4 pha khác nhau.
So sánh các cách điều chế QAM và PSK người ta thấy QAM tốt hơn về mặt tỉ số tín
hiệu nhiễu. Thí dụ với hệ thống QAM 16 pha xác suất lỗi là 10-8 trong lúc PSK 16 pha xác
suất này là 10-4. Do đó trong các hệ thống truyền với vận tốc cao người ta thường dùng cách
điều chế QAM hơn
b. Mạch điều chế QAM 16 pha (H 7.21)
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -14
(H 7.21)
Trong sơ đồ, mạch chia bit chia tổ hợp 4 bit theo hai kênh vào hai mạch biến đổi 2 ra 4
mức, các bit a,b xác định cực tính tín hiệu ra và các bit c,d xác định biên độ
a,b = 0, tín hiệu ra âm c,d = 0 biên độ = 0,22 V
a,b = 1 tín hiệu ra dương c,d = 1 biên độ = 0,821 V
Mỗi ngã ra của mạch biến đổi có thể có 1 trong 4 tín hiệu ±0,22 hoặc ±0,821. Mạch
LPF loại bỏ các họa tần. Các tín hiệu sau đó vào mạch điều chế cân bằng như trong các phần
trước và ở ngã ra ta có 1 trong 16 tín hiệu, các tín hiệu này nhận 3 giá trị biên độ và 12 góc
pha khác nhau, khoảng cách các góc pha là 30° (H 7.22)
Với cách điều chế QAM 16 pha, mỗi 4 bit tương ứng một tín hiệu ra nên vận tốc bit
bằng 4 lần vận tốc baud. Nếu chọn vận tốc baud là 2400 baud/s để thỏa băng thông của kênh
thoại thì vận tốc bit là 9600 bps và hiệu suất băng thông là 4 bps/Hz. Trong trường hợp này
băng thông tín hiệu trong khoảng từ 500 Hz (1700 Hz - 1200 Hz) đến 2900 Hz (1700 Hz +
1200 Hz)
(H 7.22)
Trong giản đồ trên góc A xác định bởi:
0, 22
A= tan -1 = 15°
0, 821
Thí dụ với tổ hợp các bit ở ngã vào như trong (H 6.18), 1001, ta được các kết quả sau:
Ngã ra kênh I : +0,22 V
Ngã ra kênh Q : -0,821 V
Ngã ra mạch điều chế kênh I : +0,22 cosωct
Ngã ra mạch điều chế kênh Q : -0,821sinωct
Ngã ra mạch lọc dải thông : 0,22 cosωct -0,821sinωct
Tín hiệu ra tương ứng được xác định trên giản đồ bởi dấu X
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -15
7.2.2.7 Phục hồi sóng mang
Với kỹ thuật điều chế FSK việc phục hồi sóng mang không cần thiết.
Tuy nhiên, điều chế PSK hay QAM tương tự với kỹ thuật điều chế triệt sóng mang, do
đó cần thiết phải có mạch phục hồi sóng mang ở máy thu. Hơn nữa, sóng mang được phục hồi
phải có tần số và pha giống như ở máy phát để mạch giải điều chế ở máy thu hoạt động hữu
hiệu.
Sơ đồ khối một mạch phục hồi sóng mang cho trường hợp điều chế BPSK cho ở (H
7.23 )
Lọc dải Mạch bình Vòng khóa Mạch
thông phương pha (PLL)
Chi tầ
(H 7.23)
Tín hiệu nhận được ở máy thu là +cosωct hoặc -cosωct, sau khi qua mạch lọc dải thông
(để hạn chế dải tần) sẽ qua mạch bình phương để cho ở ngã ra cos2ωct. Dùng biến đổi lượng
gíác ta được:
cos2ωct =(1/2)(1+cos2ωct)
Tín hiệu này lại qua mạch lọc để loại bỏ thành phần một chiều, còn lại tín hiệu tần số
2ωc , tín hiệu này lại qua mạch chia tần để được sóng mang. Vòng khóa pha trong mạch có
tác dụng giữ pha của tín hiệu ra không bị lệch so với tín hiệu vào.
Đối với các tín hiệu điều chế PSK bậc cao hơn (4-PSK, 8-PSK, 16-QAM . . .) thì ở
mạch giải điều chế sẽ nâng tín hiệu vào lên theo các lũy thừa bậc cao hơn. Dĩ nhiên mạch sẽ
phức tạp hơn.
7.2.2.8 PSK vi phân (Differential PSK, DPSK)
Giải điều chế PSK yêu cầu phục hồi tín hiệu dữ liệu ở máy thu dựa vào sóng mang có
pha tuyệt đối đã biết. Điều này đòi hỏi máy phát phải gửi một tín hiệu để máy thu tham khảo
pha. Mặt khác dùng giải điều chế vòng Costas ở máy thu có thể nhận được một tín hiệu
nghịch pha. Để khắc phục các khuyết điểm này người ta dùng phương pháp điều chế PSK vi
phân.
Nguyên tắc của PSK vi phân là dùng sự thay đổi của dữ liệu để điều chế sóng mang
chứ không phải chính dữ liệu. Để thực hiện việc này người ta so sánh dữ liệu hiện hành với
dữ liệu vào trước đó, nếu hai tín hiệu này giống nhau ta được một pha của sóng mang và nếu
chúng khác nhau ta được một pha ngược lại. Nơi thu và phát phải thỏa thuận với nhau về bit
tham khảo đầu tiên trước khi phát dữ liệu để tín hiệu được phục hồi đúng như đã phát đi. (H
7.24) cho ta sơ đồ khối của một mạch DPSK.
(H 7.24)
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -16
Ngã ra của cổng EX-NOR là 1 khi hai tín hiệu vào có cùng logic 1 hoặc 0 và là 0 khi
hai tín hiệu vào khác logic. Mạch Flipflop D tạo thời gian trễ đúng 1 bit
Bảng 7.2 cho kết quả điều chế DPSK với bit tham khảo là 1.
Bảng 7.2 Điều chế DPSK
Dữ liệuvào 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0
⊕ ⊕ ................ ⊕ ...... ⊕
Tín hiệu mã hóa 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1
Bít tham khảo ⎯⎯ ↑
Pha truyền 0 0 0 π π π π 0 π π π 0
(H 7.25) là mạch giải điều chế DPSK và kết quả giải điều chế tín hiệu ra trong bảng
7.2 cho ta lại tín hiệu đã truyền ở bảng 7.3
(H 7.25)
Bảng 7.3 Tín hiệu giải mã DPSK
Bản tin mã hóa 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1
Bản tin đã dời 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1
Dữ liệu ra 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0
7.2.3 Một số vấn đề kỹ thuật khác trong modem
7.2.3.1 Đồng bộ hóa Modem
Để hệ thống truyền tín hiệu qua modem hoạt động tốt, modem phát và thu phải đồng
bộ với nhau, công việc này gọi là đồng bộ hóa modem.
Trong thời gian trễ giữa RTS và CTS, máy phát phát đi chuỗi tín hiệu để thiết lập sự
đồng bộ gọi là chuỗi training sequence. Tùy theo loại điều chế, tốc độ bit và mức độ phức tạp
của modem mà chuỗi training sequence sẽ hoàn thành một số trong các nhiệm vụ sau:
- Xác định (verify) sự liên tục của sóng mang (kích hoạt RLSD)
- Khởi động mạch ngẫu nhiên hóa.
- Khởi động mạch cân bằng tự động.
- Đồng bộ tín hiệu sóng mang thu phát.
- Đồng bộ xung đồng hồ thu phát.
- Ngắt mạch triệt tiếng dội trên đường dây thoại.
- Thiết lập độ lợi cho mạch AGC
Modem vận tốc thấp
Thường là loại không đồng bộ và dùng FSK nên không cần các mạch phục hồi sóng
mang, ngẫu nhiên hóa. Các mạch cân bằng được điều chỉnh bằng tay và không cần khởi động.
Chuỗi training là các bit nghỉ.
Modem vận tốc trung bình và cao
Đó là các modem có tốc độ trên 2400 bps, thường dùng điều chế PSK hoặc QAM nên
phải có mạch phục hồi sóng mang. Các modem này là loại đồng bộ nên phải có mạch phục
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -17
hồi xung đồng hồ. Yêu cầu có mạch ngẫu nhiên hóa và giải ngẫu nhiên cùng mạch cân bằng
tự động (automatic equalizers)
Thí dụ modem Bell 208 là loại đồng bộ, vận tốc 4800-bps dùng kỹ thuật 8-DPSK có
chuỗi traning gồm 78 ký hiệu, mỗi ký hiệu gồm 3 bit (tribit, chiếm 0.625 ms). Vậy thời gian
của chuỗi training khoảng 48,75 ms. Đây là khoảng thời trễ giữa RTS và CTS như ta đã thấy
trước đây.
7.2.3.2 Phục hồi xung đồng hồ
Để phục hồi xung đồng hồ, người ta dùng tín hiệu ra từ một kênh (I hoặc Q) EX-OR
với chính nó sau khi làm trễ 1/2 bit (H 7.26). Tín hiệu ra có tần số gấp đôi tín hiệu ở mỗi kênh
được đưa vào mạch PLL để khóa pha của tín hiệu dao động ở máy thu, để bảo đảm mạch PLL
hoạt động tốt yêu cầu tín hiệu phải có sự thay đổi trạng thái thường xuyên, đó là lý do phải sử
dụng mạch scrambler.
(H 7.26)
7.2.3.3 Mạch ngẫu nhiên hóa và giải ngẫu nhiên (scrambler và descrambler)
Để có thể phục hồi xung đồng hồ, dữ liệu phải thường xuyên thay đổi giữa 2 trạng thái
1 và 0. Để bảo đảm được điều kiện này, người ta dùng biện pháp ngẫu nhiên hóa (scrambler)
chuỗi dữ liệu ở máy phát và dĩ nhiên phải dùng mạch giải ngẫu nhiên để tái tạo chuỗi dữ liệu
nhận được ở máy thu (descrambler). (H 7.27) là mạch scrambler và descrambler.
(a) (H 7.27) (b)
Dữ liệu ra khỏi mạch scrambler có giá trị xác định bởi:
fm = fd ⊕ (A.B.C.D + A .B.C.D )
Khi chuỗi dữ liệu thay đổi giữa 2 trạng thái 0 và 1 bình thường, ngã ra cổng OR ở mức
0, chuỗi dữ liệu qua mạch và không thay đổi
Khi chuỗi dữ liệu liên tiếp là 4 bit 0 hoặc 1, ngã ra cổng OR lên 1 và dữ liệu đến từ
DTE qua cổng EX-OR sẽ bị đảo : fm = fd ⊕ 1 = fd . Như vậy, ở ngã ra mạch không bao giờ
vượt quá 4 bit cùng loại.
Ở máy thu, tín hiệu ra từ mạch descrambler thỏa:
fr = fm ⊕ (A.B.C.D + A .B.C.D )
Thay fm từ biểu thức trên:
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -18
fr = fd ⊕ (A.B.C.D + A .B.C.D ) ⊕ (A.B.C.D + A .B.C.D )
fr = fd ⊕ 0 = fd
Như vậy tín hiệu ban đầu đã được phục hồi.
7.2.3.4 Mạch lọc dùng tụ khóa (Switched capacitor)
Lọc là một chức năng rất cơ bản trong thông tin. Trước đây các mạch lọc tác động
thường sử dụng các OPAMP là các IC sản xuất từ công nghệ chế tạo BJT như 709 và 741.
Tuy nhiên các loại linh kiện này tiêu thụ một năng lượng đáng kể.
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ MOS, người ta chế tạo các OPAMP tiêu
thụ năng lượng rất ít nên được sử dụng rộng rãi.
Một tiến bộ quan trọng khác là sự phát hiện các tụ khóa có thể thay cho các điện trở.
Các OPAMP MOS và các tụ khóa đã được kết hợp để chế tạo các mạch lọc rất chính
xác
(H 7.28) cho dạng căn bản của tụ khóa.
(H 7.28)
Khi khóa K ở vị trí 1 tụ C nạp đến hiệu thế V1, cho khóa K sang vị trí 2, lượng điện
tích chạy qua tụ C là : Q = C(V1-V2). Nếu khóa K được chuyển qua lại với tần số fs, dòng điện
trung bình chạy từ V1 đến V2 (giả sử V1 > V2) là :
Q
i= = C(V1 - V2).fs
Tc
Biểu thức cho thấy mạch trên tương đương với một điện trở R xác định bởi :
1
R =
Cfs
fs được gọi là tần số khóa (switching frequency), phải rất lớn hơn tần số của tín hiệu
lọc.
Trong mạch trên V1 và V2 là các nguồn hiệu thế có giá trị không bị ảnh hưởng do sự
chuyển khóa K.
So sánh với một mạch lọc hạ thông đơn giản dùng RC (H 7.31a), băng thông của một
mạch lọc dùng tụ khóa (H 7.31b) cho bởi :
1 C
ω − 3dB = = fs 1
R1C2 C2
Biểu thức cho thấy tần số ngắt ở 3 dB được xác định một cách chính xác bởi tần số fs
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -19
(a) (b)
(H 7.29)
C1
Mạch lọc cơ bản dùng tụ khóa là mạch tích phân (H 7.30): v o = fs
C2 ∫
vidt
(H 7.30)
Nhắc lại, hiệu thế ra của mạch lọc dùng tụ khóa chỉ tùy thuộc vào fs và tỉ số các điện
dung, nếu fs được xác định một cách chính xác, thì tính chất của mạch lọc chỉ tùy thuộc tỉ số
các điện dung.
Các giá trị tần số cắt fc, hệ số phẩm Q và độ lợi của mạch lọc có thể xác định đuợc đến
độ chính xác 0,1 %. Bảng 7.4 cho một số giá trị mẫu
Bảng 7.4 Khả năng của mạch lọc dùng tụ khóa
Thông số Giá trị
Tần số khóa (đồng hồ) fs 1 - 500 kHz
Tần số ngắt của mạch lọc f fs/1000 - fs/4
Hệ số phẩm Q tối đa 75
Độ lợi của băng thông (-30) - (+ 30) dB
Độ chính xác 0,2 %
Nhiễu -100 dB V/ Hz
Số mạch trong một IC 80
Độ ổn định nhiệt 5 ppm/°C
Biên độ tín hiệu ra 2V đỉnh-đỉnh
Cấp nguồn 2-15V
(H 7.31) cho các mẫu mạch lọc dùng tụ khóa : (a) là mạch lọc hạ thông, (b) là mạch
lọc thượng thông, (c) là mạch lọc dải thông và (d) là mạch lọc dải loại.
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
__________Chương 7 Truyền tín hiệu số bằng sóng mang tương tự: Modem VII -20
(H 7.31)
7.3 MỘT SỐ MODEM BẤT ĐỒNG BỘ VÀ ĐỒNG BỘ
7.3.1 Modem bất đồng bộ
Là những modem truyền với vận tốc tương đối thấp. Modem bất đồng bộ tiêu biểu là
loạt (serie) 103 của hảng Bell. Vận tốc truyền của loạt 103 là 300 bps trên kênh điện thoại,
điều chế FSK, vận tốc này tương đương với 27 ký tự/s (giả sử mỗi ký tự gồm 7 bit của mã
ASCII thêm 1 bit start, 2 bit stop và 1 bit parity). Chuẩn giao tiếp dùng cho các modem này là
dòng điện vòng 20 mA hoặc RS-232 đã bàn đến trong chương trước. Loạt 103 có thể truyền
song công vơi 2 đường dây, như vậy hệ thống dùng phương pháp phân chia tần số cho kênh
truyền (FDM). Khoảng tần số từ 300 đến 3000 Hz chia làm hai dải : từ 300 đến 1700 Hz và từ
1700 đến 3000 Hz. Phổ tần cho ở (H 7.32)
________________________________________________________________
______________________________________________________________
Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu
