Điều chế Vi phân Delta
Trong truyền thông để có hiệu quả cao đôi khi người ta chỉ truyền đi thông tin đặc trưng cho sự thay đổi của tín hiệu thay vì bản thân tín hiệu đó. Ở máy thu sẽ dựa vào sự thay đổi này để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Đây là cơ sở của ...
Trong truyền thông để có hiệu quả cao đôi khi người ta chỉ truyền đi thông tin đặc trưng cho sự thay đổi của tín hiệu thay vì bản thân tín hiệu đó. Ở máy thu sẽ dựa vào sự thay đổi này để khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Đây là cơ sở của phương pháp điều chế vi phân và Delta.
Phương pháp này chứng tỏ có hiệu quả thực sự cao khi tín hiệu truyền có ít sự thay đổi, ví dụ tín hiệu Video là loại tín hiệu chứa nhiều thông tin lặp lại. Thực tế cho thấy dùng điều chế Delta cho tín hiệu âm thanh đã giảm được tốc độ bít đến 50%. Các yêu cầu về đồng bộ giữa thiết bị thu và phát trong điều chế Delta ít hơn ở PCM, nhưng việc ghép kênh khó khăn hơn do băng thông của điều chế Delta khá rộng.
Điều chế Delta
Việc truyền sự thay đổi của tín hiệu có thể thực hiện đơn giản bằng cách so sánh biên độ tín hiệu mới lấy mẫu với biên độ của tín hiệu trước đó, phát kết quả so sánh, gọi là tín hiệu vi phân (gồm các bit 1 hoặc 0) tới nơi thu. Bộ giải mã thu nhận sự thay đổi này và có thể cộng liên tiếp các tín hiệu vi phân (tức là lấy tích phân) để phục hồi tín hiệu đã phát. (H 9.10) minh họa một hệ thống điều chế Delta.
- Máy phát : Một OPAMP so sánh hai tín hiệu vào S(t), là tín hiệu cần truyền và S'(t), là tín hiệu trễ, để tạo ra tín hiệu vi phân , tín hiệu này sau khi được làm trễ một chu kỳ đồng hồ bởi một FFD, ta được tín hiệu e(t), đây là tín hiệu truyền tới nơi thu. e(t) có giá trị dương khi S(t) > S'(t) và âm khi ngược lại.
- Máy thu : Tín hiệu e(t) nhận được sẽ qua một mạch tích phân để phục hồi S(t). (H 8.9.b) chỉ dạng các tín hiệu.
(a) (b)
(H 9.10)
Nhiễu lượng tử
Quan sát dạng sóng (H 9.10b) ta thấy khi tín hiệu vào S(t) không đổi, tín hiệu S'(t) có giá trị thay đổi trên hoặc dưới S(t) và e(t) dao động giữa mức dương và âm. Sự sai biệt này giữa hai tín hiêụ là nhiễu lượng tử. Thành phần nhiễu này có thể giảm bớt nếu ta giảm chiều dài bước h (step size) và thu nhỏ chu kỳ xung đồng hồ Ts. Tuy nhiên điều này sẽ ảnh hưởng đến băng thông của tín hiệu.
Quá tải độ dốc (Slope - overload)
Nếu tín hiệu vào S(t) ở máy phát biến đổi quá nhanh, S’(t) không theo kịp sự biến đổi này và việc mã hóa không còn đúng, kết quả là tín hiệu phục hồi ở máy thu bị biến dạng. Ta gọi đây là biến dạng do quá tải độ dốc (đoạn cuối (H 9.10b)).
Độ dốc của tín hiệu ra từ mạch tích phân là h/Ts.
Thành phần tần số cao nhất của tín hiệu vào phải được giới hạn để độ dốc cực đại của tín hiệu không vượt quá giá trị này, đó là điều kiện để tránh quá tải độ dốc.
Lấy ví dụ tín hiệu vào là sóng sin : S(t) = Vm sin(2πfint)
Độ dốc của S(t) là đạo hàm dS(t)/dt :
dS(t)dt size 12{ { { ital "dS" ( t ) } over { ital "dt"} } } {} = 2 π Vmfin cos(2πfint)
Độ dốc cực đại khi t = 0 và bằng
∣dS(t)dt∣max size 12{ lline { { ital "dS" ( t ) } over { ital "dt"} } rline rSub { size 8{"max"} } } {} = 2π Vmfin
Để tránh quá tải độ dốc, phải có :
2π Vmfin ≤ hfs
Hay fin ≤ hfs2πVm size 12{ { { ital "hf" rSub { size 8{s} } } over {2πV rSub { size 8{m} } } } } {}
Băng thông
Từ (H 9.10b) ta thấy tần số lớn nhất của tín hiệu e(t) trên đường truyền là fs/2 do đó băng thông tối thiểu của đường truyền là
BW ≈ 
≥
πVshfin size 12{ { {πV rSub { size 8{s} } } over {h} } f rSub { size 8{ ital "in"} } } {}
Biểu thức cho ta xác định băng thông tối thiểu của hệ thống để tránh được biến dạng do quá tải độ dốc.
Giá trị băng thông tùy thuộc Vm/h. Như nói trên để giảm nhiễu ta có thể giảm h, nhưng như vậy băng thông sẽ lớn.
Thí dụ lấy giá trị cụ thể của h là 5% Vm thì Vm/h = 20 và BW = 63 fin . Kết quả cho ta thấy băng thông của đường truyền lớn như thế nào.
Để phát sóng sin 12 kHz dùng PCM 9 bít cần băng thông 108 kHz. Ta thử tính băng thông trong trường hợp dùng điều chế Delta.
9 bít PCM cung cấp một bước điện áp giữa các mã kề nhau là 2Vm /511. Nếu chọn h bằng giá trị này ta tính được :
BW ≥ πVmhfin size 12{ { {πV rSub { size 8{m} } } over {h} } f rSub { size 8{ ital "in"} } } {} = π ( 511/2) 12 kHz = 9,65 MHz
fs = 2BW = 19,3 MHz
Điều chế Delta có độ dốc biến đổi
Để tránh hiện tượng quá tải độ dốc, ngưới ta dùng cách điều chế Delta có độ dốc biến đổi (Variable Slope Delta Modulation, VSDM) . Trong VSDM độ dốc của tín hiệu ở ngã ra mạch tích phân S'(t) thay đổi theo độ dốc của tín hiệu vào, như vậy sẽ tránh được biến dạng khi tín hiệu vào thay đổi quá nhanh.
Nguyên lý của điều chế VSDM là dùng sự biến đổi của độ dốc của tín hiệu vào để điều khiển hệ số của mạch tích phân, nếu độ dốc của tín hiệu vào tiếp tục tăng hay giảm, hệ số của mạch tích phân tăng hay giảm theo để làm thay đổi chiều dài bước của xung lấy mẫu, chiều dài bước sẽ lớn khi tín hiệu vào biến đổi nhanh và nhỏ khi sự biến đổi này chậm.
(H 9.11) mô tả một hệ thống thu phát dùng kỹ thuật VSDM.
- Máy phát : Tín hiệu ở ngã ra OPAMP được đưa vào một bộ ghi dịch 3 bit, gồm 3 FFD, các tín hiệu ra ở các FF này lần lượt là e(t), e(t + Ts) và e(t + 2Ts) và các đảo của nó được đưa vào bộ phát hiện trùng lặp gồm các cổng AND và OR. Tín hiệu ở ngã ra bộ trùng lặp được dùng để điều khiển độ lợi một mạch khuếch đại và độ lợi này làm thay đổi hệ số của mạch tích phân. Cơ chế của sự điều khiển này như sau: Khi độ dốc của tín hiệu vào tiếp tục gia tăng (hoặc tiếp tục giảm) ở ngã ra các FFD xuất hiện các bít 1 hoặc 0, lúc đó bộ trùng lặp nhận đồng thời 3 bit 1 hoặc 3 bit 0, khiến ngã ra của nó lên 1, tín hiệu này được đưa vào một mạch so sánh với một điện áp chuẩn để tạo tín hiệu điều khiển mạch khuếch đại.
- Máy thu : ở máy thu sự vận chuyển cũng tương tự như thế.
(a) Hệ thống phát (b) Hệ thống thu
(H 9.11)
(H 9.12) minh họa một dạng sóng của tín hiệu hình sin ở ngã vào , tín hiệu vi phân e(t) và tín hiệu tương ứng ở ngã ra bộ tích phân.
(H 9.12)
Trên thị trường IC điều chế và giải điều chế biến đổi độ dốc liên tục (Continuously Variable Slope Delta, CVSD ) MC 3417 của hảng MOTOROLA có cấu tạo như sơ đồ (H 9.11) được sử dụng rộng rãi trong điện thoại. (H 9.13) là sơ đồ chức năng của IC MC 3417.
(H 9.13)
Điều chế PCM vi phân ( Differential PCM, DPCM)
Điều mã xung vi phân DPCM là sự kết hợp hai phương pháp : điều chế Delta và điều mã xung. Tín hiệu vi phân e(t), có từ điều chế Delta, được phát đi theo cách điều mã xung nghĩa là sẽ được mã hóa với 2m mức, trong đó m là số bit của tín hiệu. Với cách điều chế này số bit cần thiết cho việc mã hóa sẽ giảm đi rất nhiều nếu tín hiệu vào ít thay đổi, điều này dẫn đến băng thông của kênh truyền sẽ giảm đáng kể, tuy nhiên sự quá tải độ dốc vẫn là một vấn đề nghiêm trọng cần phải được quan tâm.
