Ứng dụng của mã turbo trong thông tin vệ tinh – nghiên cứu ứng dụng của mã turbo trong thông tin vệ tinh tai việt nam

Tính cấp thiết của đề tài Sau 50 năm kể từ khi Shannon đưa ra lý thuyết thông tin số, lần đầutiên các nhà nghiên cứu về mã hoá mới tìm được một phương pháp mã hoátiếp cận được gần tới du

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận Văn Thạc sỹ Khoa học này là công trình nghiêncứu của riêng tôi Tôi cũng cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trongluận văn này là trung thực, không trùng lặp với các đề tài khác và thông tintrích dẫn được sử dụng trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Học viên

Đỗ Mai Thủy

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1-GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 3

1.1 Giới thiệu chương 3

1.2 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh 3

1.3 Vấn đề truyền dẫn và các đặc trưng cơ bản của tuyến thông tin vệ tinh 6 1.4 Kết luận chương 9

CHƯƠNG 2-GIỚI THIỆU VÀ ỨNG DỤNG MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM 10

2.1 Giới thiệu chương 10

2.2 Tìm hiểu giới hạn Shannon về chất lượng 10

2.3 Lý thuyết mã Turbo 15

2.3.1 Giới thiệu các mã hóa kiểm soát lỗi 15

2.3.2 Mã khối và mã chập 16

2.3.3 Đánh giá các loại mã 17

2.3.4 Mã Turbo 18

2.4 Bộ mã hóa 27

2.5 Kỹ thuật xóa (PUNCTURE) 30

2.6 Bộ chèn (INTERLEAVER) 30

2.7 Bộ giải mã 31

2.7.1 Khái niệm về các thuật toán giải mã 31

2.7.2 Tổng quan về các thuật toán giải mã 32

2.7.3 Thuật toán Log-MAP 34

2.7.4 Thuật toán SOVA 35

2.7.5 Cải tiến chất lượng của PCCC qua thiết kế bộ chèn 43

2.8 Sự khác nhau giữa mã chập và mã PCCC 49

2.9 So sánh chất lượng các hệ thống mã hóa 49

2.10 Giới thiệu ứng dụng mã Turbo trong thông tin vệ tinh 50

2.11 Tổng quan về các ứng dụng vô tuyến của mã Turbo 51

2.12.Ứng dụng mã Turbo trong thông tin vệ tinh 53

2.12.1 Vấn đề ước lượng kênh 53

2.12.2 Điều chế mã lưới Turbo TTCM (Turbo Trellis Coded Modulation) 57

2.13 Về ứng dụng mã Turbo trong thông tin vệ tinh tại Việt Nam 58 2.14 Kết luận chương 59

CHƯƠNG 3-CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 61

3.1 Giới thiệu chương 61

3.2 Chương trình mô phỏng 61

3.2.1 Lưu đồ giải thuật 62

3.2.2 Kết quả mô phỏng 64

3.3 Kết luận chương 68

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

2 AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm nhiễu trắng cộng

5 BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

9 GSM Global System for Mobile

Viterbi

ra

trung bình

15 PCCC Parallel Concatenated Convolutional

Code

Mã chập kết nối song song

16 QAM Quadature Amplitude Modulation Điều chế biên độ phần tư

17 RSC Recursive Systemtic Convolutional

20 VSAT Very Small Aperture Terminal Thiết bị thu vệ tinh loại

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh 3

Hình 2.1: Hiệu quả sử dụng phổ của các sơ đồ điều chế và mã hoá khác nhau được tính toán cho trường hợp BER là 10-5 trên kênh AWGN 14

Hình 2.2: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi 16

Hình 2.3: Bộ mã hóa Turbo tỷ lệ 1/3 20

Hình 2.4: Mã kết nối nối tiếp 21

Hình 2.5: Mã kết nối song song 22

Hình 2.6: Thanh ghi dịch cho sự mã hóa 23

Hình 2.7: Các ví dụ về mã chập 24

Hình 2.8: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2; K=3 24

Hình 2.9: Bộ mã hoá RSC của hình 2 8 25

Hình 2.10: Bộ mã hoá tích chập không đệ quy r = 1/2 va K = 3 với chuỗi ngõ vào và ngõ ra 26

Hình 2.11: Bộ mã hoá tích chập đệ quy có r = 1/2 và K = 3 của hình 2 6 cùng với chuỗi ngõ vào và ra 26

Hình 2.12: Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC 27

Hình 2.13: Bộ mã hoá PCCC tổng quát 28

Hình 2.14: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chập hệ thống đệ quy 29

Hình 2.15: Sơ đồ chi tiết mã hoá PCCC tốc độ 1/3 29

Hình 2.16: Bộ chèn làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 khi so sánh với bộ mã hoá RSC1 31

Hình 2.17: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis 32

Hình 2.18: Bộ giải mã lặp Log-MAP 34

Hình 2.19: Các đường survivor và đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy 35 Hình 2.20: Ví dụ trình bày việc gán độ tin cậy bằng cách sử dụng các giá trị metric trực tiếp 37

Hình 2.21: Tiến trình cập nhật cho thời điểm t  2 (MEMlow = 2) 38

Hình 2.22: Bộ giải mã thành phần SOVA 39

Hình 2.23: Sơ đồ khối bộ giải mã SOVA 40

Hình 2.24: Bộ giải mã SOVA lặp 41

Hình 2.25: Quá trình tạo thông tin extrinsic 46

Hình 2.26: Cấu trúc bộ giải mã lặp với các trọng số 47

Hình 2.27: So sánh hệ thống mã hoá 50

Hình 2.28: Hiệu quả của việc ước lượng kênh khi đã biết pha sóng mang 54

Hình 2.29: So sánh một số kỹ thuật điều chế khi không biết pha sóng mang 56 Hình 2.30 : Sơ đồ bộ thu PSAM có lọc ước lượng kênh cho miền SNR rất thấp 56

Hình 3.1: Chương trình mô phỏng chính 62

Hình 3.2: Kết quả mô phỏng lần 1 64

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng lần 2 64

Hình 3.4: Kết quả mô phỏng lần 3 65

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng lần 4 65

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng lần 5 66

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng lần 6 66

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng lần 7 67

LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sau 50 năm kể từ khi Shannon đưa ra lý thuyết thông tin số, lần đầutiên các nhà nghiên cứu về mã hoá mới tìm được một phương pháp mã hoátiếp cận được gần tới dung lượng của kênh Gaussian, đó chính là phát hiện ra

mã Turbo vào năm 1993 Việc kết hợp giữa mã hoá với ghép xen ở phía phát

và giải mã lặp ở phía thu đã cho những kết quả bất ngờ Các kết quả môphỏng cho thấy mã Turbo cho phép truyền tin ở gần cận Shannon trongkhoảng vài phần mười dB

Đây là loại mã sửa lỗi mà ngày nay đang được nghiên cứu để áp dụngcho các môi trường hạn chế công suất như thông tin vũ trụ hay vệ tinh Sovới hai loại mã sửa lỗi được sử dụng trước đó là mã khối và mã tích chập thì

mã Turbo có nhiều ưu điểm hơn hẳn Nó cho phép truyền thông hiệu quả vớihiệu suất năng lượng gần với giới hạn Shannon

Ngày nay hệ thống thông tin trên thế giới đã có những bước phát triểnvượt bậc dựa trên sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật Tuy hệ thốngthông tin hữu tuyến đã có cơ sở hạ tầng rất phát triển nhưng với ưu điểm vượttrội, hệ thống thông tin vệ tinh đã đóng vai trò quan trọng trong hệ thống viễnthông toàn cầu Đối với những khu vực địa hình hiểm trở khắc nghiệt haychiến tranh mà thông tin hữu tuyến chưa hay không thể sử dụng được thì vệtinh là giải pháp được ưu tiên lựa chọn

Việt Nam chúng ta cũng không nằm ngoài sự phát triển chung của mạnglưới viễn thông thế giới, đó là sự phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh.Hiện nay chúng ta đã có vệ tinh VINASAT1, VINASAT2 hiện đang trongquá trình khai thác sử dụng Nghiên cứu các kỹ thuật truyền thông trongthông tin vệ tinh trong môi trường có nhiều yếu tố tác động tới tín hiệu và vớikhoảng cách truyền rất xa (tín hiệu yếu) là hết sức quan trọng cho việc thiết

kế, lựa chọn cấu hình vệ tinh phù hợp cả về mặt kỹ thuật và kinh tế Bởi vậy,

việc nghiên cứu kỹ thuật và công nghệ vệ tinh là rất cần thiết Chính vì vậy tôi

đã chọn luận văn tốt nghiệp cao học trong lĩnh vực này

2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu mã Turbo trong thông tin vệ tinh

- Ứng dụng của mã Turbo trong thông tin vệ tinh tại Việt Nam

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tìm hiểu hệ thống thông tin vệ tinh

- Tìm hiểu cấu trúc, ưu điểm và ứng dụng của mã Turbo

- Phương pháp và kết quả mô phỏng mã Turbo trên Matlab

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về mã Turbo

- Sử dụng công cụ phần mềm để mô phỏng mã Turbo với các tốc độ

mã hóa

- Thông qua thực tế, xin ý kiến của các chuyên gia để bổ sung hoànthiện đề tài

5 Kết cấu của luận văn

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh – Giới

thiệu những khái niệm và đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin vệ tinh

Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết mã Turbo – Các khái niệm cơ bản, lý

thuyết mã hóa, giải mã của bộ mã Turbo

Ứng dụng của mã Turbo trong thông tin vệ tinh – Nghiên cứu ứng dụngcủa mã Turbo trong thông tin vệ tinh tai Việt Nam

Chương 3: Chương trình mô phỏng và kết quả

Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp, tuy đã rất cố gắng nhưng dothời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót Tôirất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô cùng các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Đỗ Huy Giác cùngcác thầy cô giáo trong khoa Điện Tử đã giúp tôi hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Trong những năm gần đây, hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới ngàycàng phát triển, số lượng vệ tinh trên thế giới không ngừng tăng lên Các hệthống thông tin chuyển tiếp lưu lượng điện thoại xuyên đại dương lớn hơn rấtnhiều lưu lượng điện thoại gửi qua cáp ngầm Hơn thế, các hệ thống thông tin

vệ tinh còn có thể chuyển tiếp các tín hiệu dữ liệu, thoại, hình ảnh đến bất kỳngười sử dụng nào trên trái đất

Chương này sẽ giới thiệu một cách tổng quan của hệ thống thông tin vệtinh, bao gồm:

- Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

- Vấn đề truyền dẫn và các đặc trưng của hệ thống thông tin vệ tinh

1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh

Công nghệ thông tin vệ tinh bắt nguồn từ hai công nghệ được phát triểnmạnh trong thế chiến thứ 2, đó là công nghệ tên lửa và công nghệ viba Kỷnguyên sử dụng không gian vũ trụ làm môi trường truyền dẫn cho các hệ

thống viễn thông được bắt đầu vào năm 1957, khi Liên Xô phóng thành công

vệ tinh nhân tạo SPUTNIK vào quỹ đạo (4.10.1957)

Thuật ngữ vệ tinh nhân tạo được dùng để phân biệt với vệ tinh thiên tạo

và ở đây được gọi tắt là vệ tinh (Satellite) Các vệ tinh đưa vào quỹ đạo đầutiên bị giới hạn bởi trọng lượng vệ tinh cho nên các bộ phát đáp đặt trên vệtinh thường có công suất nhỏ Tín hiệu đó phải được một trạm vệ tinh mặt đấtthu và truyền lại cho người sử dụng Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhưngđược phát triển nhanh chóng vì có nhiều lợi thế so với các hệ thống truyềnthông khác:

 Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu

 Thiết bị phát sóng của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suấtnhỏ

 Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặtđất tương đối nhanh chóng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như

hệ thống truyền dẫn

 Hệ thống thông tin có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau như viễnthông thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục tiêu, nghiên cứukhí tượng, phục vụ quốc phòng an ninh, hàng không…

 Thông tin vệ tinh rất ổn định Đã có nhiều trường hợp bão to, độngđất, trong lúc các phương tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duynhất thông tin vệ tinh hoạt động

 Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời đểcung cấp cho hệ thống hoạt động

Bên cạnh đó, thông tin vệ tinh cũng có một số đặc điểm, đó là:

 Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo khá lớn, côngnghệ phóng cũng như sản xuất thiết bị không phải nước nào cũng làm được

mà vị trí đó lại tập trung vào một số giới hạn các vị trí Tín hiệu truyền quatuyến lên và tuyến xuống của hệ thống thông tin vệ tinh phải chịu một thờigian trễ đáng kể (khoảng 0, 25s so với vệ tinh địa tĩnh)

Dịch vụ thông tin được phân loại tùy theo mục đích sử dụng như:

 Dịch vụ vệ tinh cố định (Fixed Satellite Service FSS)

Dịch vụ vệ tinh cố định FSS là dịch vụ thông tin giữa các điểm cố địnhtrên bề mặt trái đất thông qua một hoặc nhiều vệ tinh Các hệ thống vệ tinhnhư INTELSAT, INTERSPUTNIK được sử dụng cho viễn thông quốc tế.Còn các hệ thống như EUTELSAT, CS của Nhật hay PALAPA của Indonesiađược sử dụng cho viễn thông khu vực hay nội địa

 Dịch vụ vệ tinh di động (Mobile Satellite Service MSS)

Dịch vụ vệ tinh di động MSS để thông tin các trạm mặt đất di động đượcgắn trên tàu biển, ô tô, máy bay hoặc mang vác di chuyển với mạng viễnthông cố định Hệ thống IMARSAT là một hệ thống quốc tế điển hình củaloại dịch vụ này

 Dịch vụ vệ tinh quảng bá (Broadcastting Satellite Service BSS)

Dịch vụ vệ tinh quảng bá BSS dùng để phát các chương trình phát thanh

và truyền hình qua vệ tinh Ngày nay, dịch vụ này đang phát triển hết sứcmạnh mẽ, kể cả ở khu vực Châu Á – Thái Bình Dương

 Dịch vụ vệ tinh dẫn đường trong hàng không

 Dịch vụ vệ tinh thăm dò trái đất

 Dịch vụ vệ tinh khí tượng thủy văn

Hai loại dịch vụ vệ tinh FSS, BSS được phát triển rộng rãi và được ápdụng tại nhiều nơi trên thế giới Dịch vụ MSS cùng ngày càng phát triểnmạnh

1.3 VẤN ĐỀ TRUYỀN DẪN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH

Đối với hệ thống thông tin vệ tinh, công suất luôn bị hạn chế nên việc

sử dụng một số mã sửa lỗi đủ mạnh và hiệu quả có một tầm quan trọng rất lớntrong việc tối đa hóa dung lượng Cùng với sự phát triển của nhiều loại hìnhdịch vụ mới đòi hỏi tốc độ cao, băng thông cũng trở thành một vấn đề thiếtyếu, đặc biệt đối với các hệ thống di động (băng tần L và S) Ví dụ như số liệutốc độ cao (trên 64Kb/s) cho các ứng dụng hàng hải và mặt đất hoặc dịch vụVSAT đối với mạng cố định đều sử dụng các phương pháp điều chế mạnhnhư 8PSK hay 16 QAM kết hợp với mã sửa lỗi

Đặc trưng cơ bản của một hệ thống vệ tinh là tổn hao và trễ rất lớn dokhoảng cách giữa bộ phát đáp vệ tinh và đầu cuối mặt đất Đối với hệ thốngGEO, tổn hao đường truyền trong không gian tự do cỡ 180dB và trễ truyềnlan 1 tuyến khoảng 250ms Đối với tuyến lên, Anten vệ tinh có nhiệt độ tạp

âm khoảng 2900K trong khi Anten ở trạm mặt đất, nhiệt độ tạp âm dao động

từ 50K đến khoảng 1000K trong dải tần từ 1 – 10GHz Đối với các tần số lớnhơn (ví dụ băng Ku là 14/11 GHz hay băng Ka là 30/20GHz), cần chú trọngđến các tác động do cộng hưởng của các phân tử nước và oxy Tuyến xuốngcủa kênh vệ tinh có quỹ công suất nhỏ nhất và vì vậy thường quyết định chấtlượng của toàn kênh do bộ phát đáp trên vệ tinh bị ràng buộc cả về công suấtphát (ảnh hưởng bởi dung lượng hạn chế của của thiết bị nguồn accu hay pinmặt trời) và kích cỡ cũng như trọng lượng (do giá thành phóng vệ tinh) Vìvậy bộ khuếch đại công suất lớn HPA luôn luôn phải làm việc ở miền gần bão

PT = Po sat – BO0 (1.1)

C = Pi sat – BOi (1.2)

Trong đó P o(i) sat là các công suất bão hòa đầu ra (vào) bộ phát đáp

Tỷ số sóng mang trên tạp âm CNR của tuyến lên sẽ được tính toán theocông thức:

 : là diện tích hiệu dụng của Anten đẳng hướng (dB m2)

- G/T: Là tỷ số độ khuếch đại trên tạp âm của đầu thu vệ tinh (dB K-1)

- B (Hz): Là dải thông của bộ phát đáp

Tương tự như vậy, CNR của bộ phát đáp là:

Trong đó:

- FSPL d: Là tổn hao đường truyền trong không gian tự do

- L Fd: Là tổng tổn hao cố định của đường xuống

- L Ad: Là suy hao khí quyển đường xuống

Ngoài tạp âm nhiệt, tuyến vệ tinh còn chịu ảnh hưởng bởi fading domưa, do hấp thụ khí quyển…Thông thường hiện tượng fading đối với kênhđiểm – điểm được quy về thành một suy hao phụ và được tính toán theo chiềudài hiệu dụng và lượng mưa trung bình trong một khoảng thời gian của năm.Theo một số khuyến nghị của ITU-R (Rec 530, Rec 618) có đưa ra côngthức dự đoán mưa để từ đó tính toán được độ dự trữ suy hao cần thiết Đồngthời tuyến vệ tinh còn chịu thêm nhiều nguồn nhiễu khác nhau, chẳng hạnnhiễu đồng kênh CCI (Co-channel Interference), nhiễu kênh lân cận ACI(Adjacent Channel Interference), nhiễu liên điều chế IPI (IntermodulationProduct Interference)…Các nhiễu đó cũng được chuyển thành các hệ số tổnhao tương đương cộng vào tạp âm nhiệt, Khi đó tỷ số sóng mang trên tạp âmCNR của toàn tuyến sẽ là:

đa đường, nhiễu gần, xa… để tính toán hệ thống

(1.5)

vệ tinh Những chương tiếp theo sẽ giới thiệu thế hệ mã Turbo và ứng dụngcủa mã Turbo trong những hệ thống thông tin này

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VÀ ỨNG DỤNG MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Mã Turbo là sự kết nối gồm hai hay nhiều bộ mã riêng biệt để tạo ramột mã tốt hơn và cũng lớn hơn Mô hình ghép nối mã đầu tiên được Forneynghiên cứu để tạo ra một loại mã có xác suất lỗi giảm theo hàm mũ tại tốc độnhỏ hơn dung lượng kênh trong khi độ phức tạp giải mã chỉ tăng theo hàm đại

số Mô hình này bao gồm sự kết nối nối tiếp một bộ mã trong và một bộ mãngoài

Chương này trình bày:

 Tìm hiểu giới hạn Shannon về chất lượng

 Khái niệm và sự khác biệt của mã Turbo( TC) so với các mã sửa lỗikhác

 Gới thiệu về mã chập hệ thống đệ quy (Recursive SystematicConvelutional Code_RSC), là cơ sở của việc tạo ra mã TC

2.2 TÌM HIỂU GIỚI HẠN SHANNON VỀ CHẤT LƯỢNG [1]

Đối với một hệ thống thông tin số có tốc độ rb khi bị giới hạn về độrộng băng tần W thì được đánh giá qua hiệu quả sử dụng phổ và được ký hiệu

là η:

Hay:

(2.1)

Khi độ rộng băng tần yêu cầu tối thiểu cho tín hiệu sau khi điều chế là

rS HZ thì hiệu quả sử dụng phổ đạt cực đại và được ký hiệu là ηmax

Để đạt được hiệu quả sử dụng công suất thì yêu cầu tỷ số Eb/N0 (Eb lànăng lượng trung bình thu được trên bit thông tin, N0 là mật độ phổ công suấttạp âm đơn biên) phải đạt được xác suất lỗi bit theo lý thuyết và có quan hệvới tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N như sau:

Như vậy, giới hạn trên của tốc độ truyền dữ liệu trên kênh có liên quantới tỷ số tín hiệu trên tạp âm và độ rộng băng tần hệ thống Theo khái niệm vềdung lượng kênh, ký hiệu là C, được Shannon - Hartley đưa ra năm 1948, đó

là tốc độ cực đại mà thông tin có thể truyền qua trên kênh có tạp âm và đượcđịnh nghĩa là lượng thông tin tương hỗ cực đại trên tất cả các phân bố đầu vàokênh có thể xảy ra

trong đó I(X, Y) là thông tin tương hỗ giữa X (đầu vào kênh) và Y (đầu rakênh) được định nghĩa cho kênh rời rạc là:

trong đó: P(x) và P(y) là hàm mật độ xác suất (pdf) của X và Y, P(x, y) làhàm mật độ xác suất liên hợp X và Y

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

Trong kênh truyền, tạp âm quan trọng nhất là tạp âm nhiệt, được quythành một nguồn tạp âm cộng tính tại đầu vào máy thu Tạp âm này được giảđịnh là tạp âm cộng trắng chuẩn (AWGN: Additive White Gaussian Noise),tức là tạp âm có mật phổ công suất đều trong suốt trục tần số và có biên độtạp âm tuân theo phân bố Gao-xơ (chuẩn), kỳ vọng bằng không Khi đó, dụnglượng kênh được xác định là:

Nếu áp dụng tiêu chuẩn Nyquist và giả thiết rằng,

là năng lượng tín hiệu trung bình trong khoảng thời gian ΔT), thì dụng lượngT), thì dụng lượngkênh được xác định:

Từ công thức trên ta thấy, khi độ rộng băng tần W bị giới hạn thì dunglượng C có thể tăng lên khi ta tăng công suất tín hiệu truyền qua S Mặt khác,nếu công suất tín hiệu S không đổi thì dung lượng C có thể tăng lên khi tatăng độ rộng băng tần W

Định lý về mã kênh của Shannon được phát biểu như sau:

“Khi xem xét kênh AWGN, tồn tại mã kiểm soát lỗi sao cho có thể truyền thông tin qua kênh với tốc độ nhỏ hơn dung lượng kênh và tỷ số lỗi bit thấp tuỳ ý ”

Nghĩa là, trong trường hợp có sử dụng bộ mã kênh, khi tốc độ truyền

dữ liệu nhỏ hơn dung lượng kênh (rb < C) thì chất lượng thông tin có thể đạtđược xác suất lỗi thấp tuỳ ý, ngược lại khi tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn hoặc

(2.6)

(2.7)

(2.8)

bằng dung lượng kênh (rb ≥ C) thì chất lượng thông tin không thể đạt đượcxác suất lỗi thấp tuỳ ý Định lý về mã kênh của Shannon không chỉ ra cáchthức để thiết kế bộ mã nhằm đạt được tốc độ dữ liệu tiệm cận tốc độ cực đại(rb = C) tại xác suất lỗi thấp tuỳ ý, điều này đã đặt ra thách thức lớn chonghiên cứu phát triển về kỹ thuật mã kiểm soát lỗi

Giả thiết, với đường truyền không lỗi tự do (error-free), tốc độ dữ liệuđạt cực đại (rb = C) thì hiệu quả sử dụng phổ đạt cực đại ηmax = C/W Từ đó tacó:

(2.11)

Hình 2.1: Hiệu quả sử dụng phổ của các sơ đồ điều chế và mã hoá khác

Như vậy, theo lý thuyết vẫn còn để lại 2.2 dB không cải thiện được.Nhiều nỗ lực sau năm 1980 và trước năm 1990 nhằm tập trung giải quyết vấn

đề này, nhưng không tìm ra được hướng đi mới Hầu hết người ta tập trungvào mã chập liên kết nối tiếp với thuật toán giải mã Viterbi vô cùng phức tạp.Song độ tăng ích chỉ thêm được vài phần mười dB, mà ta phải trả giá cho chiphí quá lớn về độ phức tạp thiết bị và thời gian

Tuy nhiên, sau 50 năm khi bài báo của Shannon xuất bản, bằng giảipháp mới người ta đã đạt thêm được gần 2dB, đó là sự ra đời của mã Turbo

Mã Turbo với thuật toán giải mã lặp (iterative) hầu như đã khai thác được khe

hở về giới hạn giữa dung lượng và chất lượng mã Chúng có thể đạt được Eb/

N0 = 0, 7 dB tại BER =10-5 và η = 0, 5 bit/giây/Hz

2.3.1 Giới thiệu các mã hóa kiểm soát lỗi

Mã hóa kiểm soát lỗi (Error Control Coding - ECC) hay còn gọi là mãhóa kênh, là phương pháp thêm một lượng dư vào thông tin vì thế nó có thểđược truyền phát qua một kênh tạp âm đến nơi khác, và sau đó được kiểm tra

và sửa lỗi xuất hiện trong khi truyền dẫn Mã hóa kênh có lợi ích đặc biệt vớicác ứng dụng vô tuyến và đa phương tiện như phát thanh truyền hình cao cấp.Ngoài ra còn có triển vọng trong thông tin vũ trũ và vệ tinh, thông tin số vàlưu trữ

Điều khiển lỗi nhằm mục đích làm giảm tỉ lệ lỗi trong một hệ thống khi

tỉ lệ này lớn quá mức cho phép Có năm phương pháp điểu khiển lỗi:

- Tăng công suất phát, phương pháp này dẫn đến nguy cơ méo phi tuyếnnên dẫn đến tín hiệu suy giảm càng trầm trọng

- Sử dụng phân tập chống lại lỗi chùm gây bởi fading Giải pháp này sửdụng trong vi ba số

- Truyền song công hay còn gọi là kiểm tra echo Khi bộ phát phát tinđến bộ thu, tin được phát ngược về bộ phát trên một kênh hồi tiếpriêng Nếu tin phát ngược về khác với tin phát đi thì biết là có lỗi.Nhược điểm của phương pháp này là yêu cầu băng thông gấp đôi so vớitruyền trên một hướng, nên không chấp nhận khi cần tận dụng phổ

- Phương pháp yêu cầu lặp lại tự động ARQ (Automatic RepeatreQuest) Mục đích phương pháp này để đối phó với BER cao Trong

hệ thống ARQ mã phát hiện lỗi được sử dụng để bên thu kiểm tra lỗitrong khối số liệu thu và tra lời cho bên phát trên một kênh hồi tiếp

Hình 2.2: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi.

2.3.2 Mã khối và mã chập

2.3.2.1 Mã khối

Trong mã khối, dữ liệu thông tin thường là các bít tin được phân đoạn

và trong k bit thông tin, trong đó k là độ dài khối Mỗi khối thông tin biểudiễn một trong M=2k tin khác nhau Bộ mã hóa biến đổi mỗi khối thông tinvào khối có n bit (n > k) bằng các này thêm (n-k) bit dư theo một quy luật xácđịnh Khối n bit ra khỏi bộ mã hóa tạo thành một từ mã trong tập M=2k từ mã

Tốc độ mã (R) – code rate được xác định:

R = k/n (2.12

)

Tốc độ bit mã hóa Rc được xác định:

Rc= Rb/R = nRb/kTrong đó Rb là tốc độ bit thông tin đầu vào của bộ mã hóa

Mã BCH nhị phân là một loại mã vòng Mã BCH có thể sửa được t lỗi

trong từ mã dài n bit, với n=2m -1, n-k ≤ mt ; dmin ≥ 2t + 1

Mã RS tạo thành n ký tự, mỗi lý tự dài m bit, m tùy thuộc vào ứng

dụng cụ thể, ví dụ m=8 thì mỗi ký tự chính là một byte Theo lý thuyết mã,

có thể xem mã RS là mã BCH không nhị phân Mã RS có khả năng sửa lỗi chùm

Mã chập có ba tham số đặc trưng: độ dài từ mã n, số bit dữ liệu k, độ dài ràng buộc K

Có ba kiểu giải mã mã chập chính là: tuần tự, ngưỡng và Viterbi Trong

đó thuật toán Viterbi là phương pháp phổ biến nhất

2.3.3 Đánh giá các loại mã

Ta có thể tổng hợp các loại mã như sau:

- Mã FEC mã hóa trực tiếp luồng data (stream data) Trong thông tin vệ

tinh, nói đến FEC là nói đến mã xoắn Mã xoắn bao gồm các loại: Viterbi (thuật toán giải mã), Turbo, TCM, Trellis, DVB VIT, LDPC Dùng mã

hóa sửa lỗi tăng cường tính kháng nhiễu cho hệ thống do khả năng sửa lỗi

(2.13) )

- Mã chập dùng thích hợp cho môi trường thông tin vệ tinh so giải mã Viterbi dễ ứng dụng, mã chập thường dùng cho hệ thống có BER trong vùng

10-3 đến 10-7 Mã RS và mã chập liên kết dùng thích hợp cho hệ thống thông tin vệ tinh với BER rất tốt (10-10).

Các sơ đồ điều chế có đường bao không đổi như BPSK, QPSK và OQPSK thường được dùng trong thông tin vệ tinh, nhất là QPSK

- Mã Turbo đã nâng cao chất lượng tín hiệu đáng kể đáp ứng đượcnhững đòi hỏi khắt khe của các loại dịch vụ nhạy cảm với thời gian như thoại,video (BER nhỏ hơn hoặc bằng 10-6) tại mức SNR rất thấp và mã Turbo đãchứng minh được sự ưu việt vượt trội hơn các mã ra đời trước nó Hiện nay,

mã Turbo đang được đưa vào ứng dụng trong công nghệ chế tạo modem vệtinh

Trong thông tin vệ tinh, thường người ta sử dụng 1 mã xoắn (TCM,Turbo, Viterbi ) kết hợp với (hoặc không cần kết hợp) Reed-Solomon

2.3.4 Mã Turbo

2.3.4.1 Giới thiệu chung về mã Turbo

Mã Turbo là một loại mã sửa lỗi mới được giới thiệu vào giữa nhữngnăm 90 bởi một nhóm các nhà nghiên cứu người Pháp, cùng với một thuậttoán giải mã thích hợp Mã Turbo cho phép truyền thông hiệu quả với hiệusuất năng lượng gần với giới hạn lý thuyết được dự đoán bởi Claude Shannon

Kể từ khi được đưa ra, mã Turbo đã được đề nghị cho các ứng dụng truyền

thông công suất thấp như thông tin trong vũ trụ và vệ tinh, cũng như các ứngdụng hạn chế nhiễu như các dịch vụ truyền thông qua mạng di động 3G Doviệc sử dụng bộ chèn giả ngẫu nhiên có cấu trúc đầy đủ mà việc giải mã cóthể thực hiện được Vì bộ chèn giả ngẫu nhiên nên mã Turbo xuất hiện ngẫunhiên trên kênh, tuy vậy nó có cấu trúc đầy đủ để việc giải mã có thể đượcthực hiện theo quy luật tự nhiên

Một trong những mã thích hợp được tìm thấy là mã Turbo RSC(Recursive Systematic Convolutional - Phép tích chập hệ thống đệ quy) Sửdụng hai bộ mã hóa RSC, được phân cách bằng một bộ chèn Interleaver, để

mã hóa và nhiều phép lặp của thuật toán MAP để giải mã Một ưu điểm trongviệc sử dụng mã Turbo là nó thực hiện tốt hơn mã thông thường một cáchđáng kể và sử dụng các bộ chèn để giảm lỗi tín hiệu

Đặc điểm cơ bản của mã Turbo là:

- Độ khuếch đại mã hóa (sự khác nhau ở tỷ số tín hiệu/tạp âm giữa mộtkênh được mã hóa và một kênh không được mã hóa) lớn hơn 8, 5dB so vớikênh không được mã hóa, tại tỷ lệ lỗi bit (BER) là 10-5

- Độ khuếch đại mã hóa cao hơn 2,7dB so với các loại mã Viterbi/ReedSolomon thông thường hoặc Turbo Product (TPC)

Độ khuếch đại mã hóa là yếu tố quyết định năng lượng mã hóa Đây làyếu tố rất quan trọng trong nhiều ứng dụng thông tin viễn thông bởi vì nó làmgiảm năng lượng cần thiết để truyền một tín hiệu hoặc là làm tăng cự ly thuđược tín hiệu Độ khuếch đại mã hóa cũng có thể làm tăng tuổi thọ pin với cácthiết bị cầm tay cũng như tăng khả năng của cell với các môi trường cellular

và các môi trường đa truy nhập khác Sự phát triển của công nghệ này rấtquan trọng với các ứng dụng thông tin viễn thông vì nó làm tăng số lượng dữliệu được truyền đi

Kết quả thực nghiệm cho thấy, mã Turbo có khả năng đạt được được 1

tỷ lệ lỗi bít (BER) thấp 10-5 tại tỷ số Eb/No chỉ 0, 7dB Tuy nhiên để đạt đượcmức này thì yêu cầu kích thước khối lớn 65532 bit số liệu

Mã Turbo là một mã đặc biệt Cho dù nó được xem như một mã khối,nhưng nó không làm việc như vậy Trên thực tế, mã Turbo hầu như là đượcpha trộn giữa mã khối và mã tích chập Giống như mã khối, nó đòi hỏi toàn

bộ khối có mặt trước khi bắt đầu mã hóa Tuy nhiên, chúng sử dụng các thanhghi dịch giống như mã tích chập, thay cho việc tính toán các bit chẵn lẻ từmột hệ phương trình

Hình 2.3: Bộ mã hóa Turbo tỷ lệ 1/3

Sơ đồ khối mã hóa Turbo nguyên thủy của Berrouetal bao gồm hai bộ

mã xoắn hệ thống đệ quy tốc độ 1/2 được ghép song song thông qua một bộghép xen N bit, cuối cùng là một cơ cấu ghép lược bớt tùy chọn Do bộ ghépxen thông thường làm việc với dữ liệu theo dạng khối nên mã Turbo cũng cóthể được coi là một lớp mã khối đặc biệt Khi bộ ghép xen có kích cỡ xác định

và cả hai bộ mã hóa thành phần đều bắt đầu ở trạng thái không thì khi đó mãTurbo sẽ có tính chất tuyến tính

Như đã biết khoảng cách tối thiểu của một mã khối tuyến tính là một dựđoán bậc 1 rất hữu ích cho việc đánh giá chất lượng mã Khi đó khoảng cáchtối thiểu là trọng lượng Hamming nhỏ nhất khác không của tất cả từ mã có giátrị Việc tổ hợp giữa bộ ghép xen và các bộ mã hóa thành phần sẽ đảm bảohầu hết các từ mã Turbo có trọng lượng Hamming cao Do đặc tính đáp ứngxung vô hạn, đầu ra của một bộ mã hóa RSC nói chung thường có trọng

lượng lớn, nhưng tuy nhiên một số chuỗi đầu vào đặc biệt có thể tạo ra từ mã

có trọng lượng thấp Vì hai bộ mã hóa RSC nhận cùng một chuỗi đầu vàotheo các trật tự khác nhau nên thông thường ít có khả năng hai tổ hợp mã lại

có trọng lượng thấp Mã Turbo được thiết kế khác với các dạng mã truyềnthống khác, không phải để đem lại khoảng cách tối thiểu cao một cách đặcbiệt mà là nhằm giảm thiểu số lượng từ mã có trọng lượng thấp Đây là lý dogiải thích tại sao làm việc hiệu quả ở miền SNR thấp, trong khi ở miền SNRcao đặc tính mã lại có khuynh hướng phẳng hóa rõ rệt

2.3.4.2 Sự kết nối mã Turbo

Forney đã sử dụng một bộ mã khối ngắn hoặc một bộ mã tích chập vớigiải thuật giải mã Viterbi xác suất lớn nhất làm bộ mã trong và một bộ mãReed-Salomon dài không nhị phân tốc độ cao với thuật toán giải mã sửa lỗiđại số làm bộ mã ngoài

Mục đích lúc đầu chỉ là nghiên cứu một lý thuyết mới nhưng sau này

mô hình ghép nối mã đã trở thành tiêu chuẩn cho các ứng dụng cần độ lợi mã

lớn Có hai kiểu kết nối cơ bản là kết nối nối tiếp (hình 2.4) và kết nối song song (hình 2.5)

Hình 2.4: Mã kết nối nối tiếp

Bộ mã hoá 1 được gọi là bộ mã ngoài, còn bộ mã hoá 2 là bộ mã trong Đối với mã kết nối nối tiếp, tốc độ mã hoá: R nt =k 1 k 2 /n 1 n 2

Đối với mã song song, tốc độ mã hoá tổng : R ss = k/( n1+n 2 )

Hình 2.5: Mã kết nối song song

Trên chỉ là các mô hình kết nối lý thuyết Thực tế các mô hình này cầnphải sử dụng thêm các bộ chèn giữa các bộ mã hoá nhằm cải tiến khả năngsửa sai

Năm 1993, Claude Berrou, Alain Glavieux, Puja Thitimajshima đã cùng viết tác phẩm “ Near Shannon limit error correcting coding and decoding :TURBO CODE” đánh dấu một bước tiến vượt bậc trong nghiên cứu mã sửa sai [2] Loại mã mà họ giới thiệu thực hiện trong khoảng 0.7dB so với giới

hạn của Shannon cho kênh AWGN Loại mã mà họ giới thiệu được gọi là mãTurbo, thực chất là sự kết nối song song các bộ mã tích chập đặc biệt cùngvới các bộ chèn Cấu hình này gọi là :“Kết nối song song các mã tích chập “(

Parallel Concatenated Convolutional Code_ PCCC)

Ngoài ra cũng có “Kết nối nối tiếp các mã tích chập”(Serial Concatenated Convolutional Code_SCCC) và dạng“ Kết nối hỗn hợp các bộ mã tích chập”( Hybrid Concatenated Convolutional Code_HCCC) Các loại mã này có

nhiều đặc điểm tương tự nhau và cùng xuất phát từ mô hình của Berrou nên

gọi chung là: TURBO CODE ( TC)

2.3.4.3 Giới thiệu mã hóa tích chập hệ thống đệ quy (RSC)

thống có nghĩa là đầu vào của bộ mã hoá cũng có nghĩa là một phần của ngõ

ra Vì thế, một bit trong n bit ngõ ra của một vòng lặp mã hoá đơn là 1 bit

trong thông điệp đi vào bộ mã hoá

Tính đệ quy có nghĩa là có hồi tiếp từ ngõ ra bộ mã hoá về ngõ vào Các

bộ mã hoá tích chập truyền thống không có hồi tiếp nên có thể được coi nhưmột bộ lọc FIR còn các bộ lọc RSC nhờ hồi tiếp nên có thể coi như là bộ lọcIIR

* Mã chập tuyến tính

Bộ mã hóa sử dụng các thanh ghi dịch để đưa thêm độ dư vào luồng dữ liệu

Bộ phận cơ bản của phần cứng trong việc mã hóa này là thanh ghi dịch với(m+1) ngăn ( stages), như hình sau:

Hình 2.6: Thanh ghi dịch cho sự mã hóa

Mỗi một ký hiệu gi trên hình là một số nhị phân đại diện cho sự ngắn mạchhoặc hở mạch( gi=1 là ngắn mạch, gi=0 là hở mạch) Các bits thông tin trênthanh ghi được kết hợp bởi bộ cộng modulo 2 để tạo nên các bit ở đầu ra tagọi các bit đầu ra là các bit mã hóa Công thức biễu diễn các bit ở đầu ra ứngvới các bit vào là:

K: chiều dài constraint lengths (số ngăn lớn nhất trên thanh ghi).

Trong đó k < n để ta có thể thêm độ dư vào luồng dữ liệu để thực hiện phát

hiện sai và sửa sai Hình 2 7 bên dưới cho ta thấy rõ hơn về bộ mã chập

0

+ +

Hình 2.7: Các ví dụ về mã chập

* Mã tích chập hệ thống đệ quy

Mã tích chập hệ thống đệ quy được lấy từ bộ mã hoá tích chập thông thườngbằng cách hồi tiếp một trong những ngõ ra mã hoá thành ngõ vào của nó

Hình 2.8: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2; K=3

và g2 =[ 1 0 1] và có thể được viết là G =[ g 1 , g 2 ] Bộ mã hoá RSC tương ứng

bộ mã hoá tích chập thông thường đó được biểu diễn là G = [ 1, g 2 /g 1 ] trong

đó ngõ ra đầu tiên ( biểu diễn bởi g 1 ) được hồi tiếp về ngõ vào, g 1 là ngõ ra hệ thống, g 2 là ngõ ra feedforward Hình 2 9 trình bày bộ mã hoá RSC.

Hình 2.9: Bộ mã hoá RSC của hình 2 8

* Các bộ mã hoá tích chập đệ quy và không đệ quy

Một bộ mã hoá tích chập đệ quy có khuynh hướng cho ra các từ mã cótrọng số tăng so với bộ mã hoá không đệ quy, nghĩa là bộ mã tích chập đệ quycho ra ít từ mã có trọng số thấp và cũng dẫn đến việc thực hiện sửa sai tốt hơn

+

+ x

c (2)

c (1)

D +

+ x

c

2

c1

Đối với mã Turbo, mục đích của việc thực hiện các bộ mã hoá RSC là tậndụng bản chất đệ quy của các bộ mã hoá và tận dụng sự kiện bộ mã hoá là hệthống

Để kiểm tra bộ mã hoá tích chập đệ quy hay không đệ quy, ta xét ví dụ

sau, bộ mã tích chập không đệ quy đơn giản có ma trận sinh g 1 = [1 1] và g 2

=[1 0], ( hình 2 10)

Hình 2.10: Bộ mã hoá tích chập không đệ quy r = 1/2 va K = 3

với chuỗi ngõ vào và ngõ ra

Hình 2 11 trình bày một bộ mã hoá tích chập tương đương của hình 2.10 có:

G =[ 1, g 2 / g 1 ]

Hình 2.11: Bộ mã hoá tích chập đệ quy có r = 1/2 và K = 3 của hình 2 6

cùng với chuỗi ngõ vào và ra

Hai mã có cùng khoảng cách tự do tối thiểu và có thể mô tả bằng cấu trúc trellis Vì vậy các mã có cùng xác suất lỗi sự kiện đầu tiên, tuy nhiên các mã này có các mức độ lỗi bit khác nhau do BER phụ thuộc vào sự tương ứng ngõ

vào - ra của bộ mã hoá BER của mã tích chập hệ thống đệ quy thì thấp hơn

D +

c2=[1 0 0 0]

c1=[1 1 0 0]

x=[1 0 0 0]

D +

c2=[1 1 1 1]

c1=[1 0 0 0]

x=[10 0 0]

do có sự hiện diện của bộ chèn giữa các bộ mã hoá thành phần Hình 2 12 làkết thúc trellis :

Hình 2.12: Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC

Để mã hoá chuỗi ngõ vào, khoá chuyển bật đến vị thí A, để kết thúc trellis

thì khoá chuyển bật đến vị trí B

Mã PCCC là sự kết nối song song của 2 hay nhiều mã RSC Thông

thường người ta sử dụng tối thiểu 2 bộ mã hoá tích chập Sơ đồ khối mã

PCCC tổng quát được trình như hình 2.13

code) Các bộ mã thành phần có thể khác nhau, tốc độ mã khác nhau nhưng

có cùng cỡ khối bit ngõ vào là k, các chuỗi mã hoá ngõ ra bao gồm một chuỗi

hệ thống (chuỗi bit vào) Ở các bộ mã hoá thứ hai trở đi, chuỗi bit nhận vào

để mã hoá trước hết phải qua một bộ chèn Tất cả các chuỗi mã hoá ngõ ra sẽđược hợp lại thành một chuỗi bit duy nhất n bit trước khi truyền

Hình 2.13: Bộ mã hoá PCCC tổng quát

Tốc độ mã hoá (code rate) của bộ mã hoá PCCC là: r = k/n

Mỗi bit thông tin ngõ vào sẽ trở thành một phần của từ mã ngõ ra (tính hệthống) và sẽ được kèm theo bằng ( 1/r - 1) bit ( gọi là bit parity) để sửa lỗi nếu

có Nếu r càng nhỏ tức số bit parity đi kèm sẽ lớn và dẫn đến khả năng sửa lỗicao hơn rất nhiều nhưng tốc độ truyền giảm đi, số bit truyền nhiều hơn cónghĩa là băng thông lớn hơn và độ trễ tăng lên Theo khuyến cáo của các tổ

chức định chuẩn thì giá trị r chỉ nên nhỏ nhất là 1/6

Trong quá trình hợp các chuỗi mã hoá thành một chuỗi mã hoá duy nhất ta

có thể dùng một kỹ thuật khá mới mẻ đó là kỹ thuật xoá (puncture)

Một mã Turbo tiêu biểu là loại được kết nối theo kiểu PCCC Sơ đồ khối

được biểu diễn trong hình 2.14

c0

Bộ mã hoá RSC1

Bộ mã hoá RSC2

Bộ chèn 1 x

Chuyển đổi song song sang nối tiếp hoặc

Hình 2.14: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chập hệ thống đệ quy

Bộ mã hoá Turbo cơ bản được thiết kế bằng cách kết nối song song hai

bộ mã hoá hệ thống đệ quy tích chập lại với nhau Một bộ mã hoá RSC có tốc

độ mã hoá tiêu biểu là r =1/2, hai bộ mã hoá thành phần được phân cách nhaubởi một bộ chèn ( interleaving) Chỉ có một trong ba đầu ra của hai bộ RSCtrên là đầu ra của hệ thống, đầu ra của hệ thống có được bằng cách thay đổithứ tự vị trí của bit đầu vào Hình 2.14 là sơ đồ khối mã PCCC thường được

sử dụng nhất và sẽ được dùng để làm ví dụ mô tả các đặc tính của mã PCCCcũng như chương trình mô phỏng Tốc độ mã hoá của bộ mã này là r =1/3, bộ

mã hoá RSC đầu tiên cho ra chuỗi hệ thống c1 và chuỗi chập đệ quy c2, trongkhi bộ mã hoá RSC thứ hai thì bỏ qua chuỗi hệ thống của nó và chỉ cho rachuỗi chập đệ quy c3

Hình 2.15: Sơ đồ chi tiết mã hoá PCCC tốc độ 1/3

c3

Bộ mã hoá RSC1

Bộ mã hoá RSC2

Bộ chèn

x

c2

c1

Kỹ thuật xoá là kỹ thuật dùng để tăng tốc độ mã của một bộ mã hoá màkhông làm thay đổi cấu trúc của bộ mă hoá Tốc độ mã càng thấp thì chấtlượng càng cao nhưng băng thông tăng Ví dụ bộ mã tốc độ 1/3 ở hình 2.14 cóthể trở thành bộ mã hoá tốc độ 1/2 bằng cách thay vì 1 bit ngõ vào sẽ cótương ứng 3 bit ngõ ra mã hoá thì ta cho ngõ ra mã hoá chỉ còn 2 bit Bản chấtcủa kỹ thuật puncture là làm giảm n theo một qui luật nào đó để tốc độ mãhoá r tăng lên

Đối với mã Turbo, có một hay nhiều bộ chèn được sử dụng giữa các bộ

mã hoá thành phần Bộ chèn được sử dụng tại bộ mã hoá nhằm mục đích hoán

vị tất cả các chuỗi ngõ vào có trọng số thấp thành chuỗi ra có từ mã ngõ ratrọng số cao hay ngược lại Luôn đảm bảo với một chuỗi ngõ vào thì ngõ ramột bộ mã hoá sẽ cho từ mã trọng số cao còn bộ mã hoá kia sẽ cho ra từ mãtrọng số thấp để làm tăng khoảng cách tự do tối thiểu

Bộ chèn không những được sử dụng tại bộ mã hoá mà nó cùng với bộ giảichèn (deinterleaver) có trong bộ giải mã đóng một vai trò quan trọng Vai tròcủa bộ chèn chính tại bộ giải mã mới bộc lộ hết Một bộ chèn tốt sẽ làm chocác ngõ vào của bộ giải mã SISO ít tương quan với nhau tức là mức độ hội tụcủa thuật toán giải mã sẽ tăng lên, đồng nghĩa với việc giải mã chính xác hơn

Ví dụ bộ chèn được sử dụng để tăng trọng số của các từ mã như trong hình 2.16

Hình 2.16: Bộ chèn làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 khi so sánh

với bộ mã hoá RSC1

Từ hình 2.16, đối với bộ mã hoá RSC1 thì chuỗi ngõ vào x cho ra chuỗi

mã tích chập đệ quy có trọng số thấp c2 Để tránh bộ mã hoá RSC2 cho rachuỗi ngõ ra đệ quy khác cũng có trọng số thấp, bộ chèn hoán vị chuỗi ngõvào x thành 1 chuỗi mới với hi vọng cho ra chuỗi mã tích chập đệ quy cótrọng số cao c3 Vì vậy, trọng số mã của mã PCCC là vừa phải, nó được kếthợp từ mã trọng số thấp của bộ mã hoá 1 và trọng số cao của bộ mã hoá 2.Một số bộ chèn được sử dụng trong mã Turbo là: bộ chèn mã trận, bộ chèngiải ngẫu nhiên, bộ chèn dịch vòng, bộ chèn chẵn lẻ, bộ chèn Smile, bộ chènkhung, bộ chèn tối ưu, bộ chèn đồng dạng, bộ chèn S

Chất lượng mã TC là qui trình giải mã mềm được thực hiện lặp đi lặplại và độ phức tạp chỉ tăng tuyến tính theo kích thước khung

Mã PCCC có cấu trúc mã hoá kết nối song song nhưnng quá trình giải

mã lại dựa trên sơ đồ giải mã kết nối nối tiếp Vì sơ đồ kết nối nối tiếp thựchiện tốt hơn sơ đồ kết nối song song do sơ đồ kết nối nối tiếp có khả năngchia sẻ thông tin giữa các bộ giải mã kết nối còn các bộ giải mã có sơ đồ kếtnối song song chủ yếu giải mã độc lập nhau

Trong khi thực hiện một vòng lặp giải mã các thông tin mềm được traođổi giữa các bộ giải mã thành phần Foney đã chứng minh được rằng ngõ ra

mềm tối ưu cho bộ giải mã phải là xác suất a posteriori (APP) là xác suất của

một bit nào đó đựơc truyền dựa trên tín nhận được

Hình 2.17, Trình bày các họ thuật toán giải mã dựa trên sơ đồ Trellis

Hình 2.17: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis

Họ thứ nhất là họ các thuật toán MAP còn gọi là thuật toán BCJR(Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv, tên bốn người đã tìm ra thuật toán này) Thuậttoán này liên quan đến các thuật toán giải mã khả năng xảy ra lớn nhất (ML)nhằm làm giảm tối đa xác suất lỗi bit Họ này bao gồm các thuật toán symbol-

by-symbol MAP, là phương pháp tối ưu để tính các thông tin APP(a posteriori), đây là thuật toán dạng tích, độ phức tạp rất cao Trong họ này còn

có hai loại thuật toán làm gần đúng thuật toán MAP để trở thành thuật toándạng tổng độ phức tạp ít hơn mà chất lượng giải mã gần như tương đương làLog-MAP và phiên bản gần đúng của Log-MAP là Max-log-MAP Họ thuậttoán giải mã khác là một họ thuật toán dựa trên việc sửa đổi thuật toán Viterbi(VA) có sử dụng thêm metric bổ sung vì VA truyền thống không tính các

Các thuật toán giải mã

dựa trên Trellis