Đang tải... (xem toàn văn)
Tìm hiểu nghiên cứu về mã BICM -ID trong hệ thống băng thông rộng
Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 MỞ ĐẦU Ngày nay, hệ thống truyền dẫn số đại yêu cầu truyền nhiều luồng tín hiệu số tuyến truyền dẫn, tốc độ cao, dung lượng lớn, thường dẫn tới chia sẻ băng tần sử dụng Truyền dẫn số kênh có băng tần hạn chế đặt hai vấn đề, thứ nâng cao hiệu sử dụng phổ để tiết kiệm băng thông, giải vấn đề điều chế bậc cao đa mức với nhiều bit tin symbol, thứ hai tác động xấu kênh truyền can nhiễu, suy hao, pha-đinh, méo tín hiệu, hiệu ứng Doppler ảnh hưởng lớn đến thông tin thu gây sai lệch so với thông tin gốc phát Để đảm bảo chất lượng truyền tin khắc phục ảnh hưởng xấu kênh có nhiều biện pháp sử dụng lọc san bằng, tăng công suất, thực phân tập, OFDM Tuy nhiên, kênh pha-đinh Rician việc tăng công suất chất lượng tín hiệu kênh truyền không cải thiện Do đó, việc sử dụng mã hoá kênh chống nhiễu đặc biệt quan trọng việc khắc phục tác động pha-đinh đa đường xuất ngày nhiều hệ thống vô tuyến số dung lượng lớn Tuy nhiên sử dụng mã kênh sửa lỗi việc mở rộng phổ chiếm tín hiệu tránh khỏi, để tiết kiệm băng thông phải nâng cao hiệu sử dụng phổ tần số điều chế đa mức phải trả giá tăng công suất tín hiệu Do đó, việc kết hợp mã hoá chống nhiễu điều chế đa mức cần thiết hệ thống thông tin số Và mã BICM-ID mã kênh sửa lỗi kết hợp ưu điểm Trên kênh Gauss trắng cộng tính AWGN, kỹ thuật điều chế mã lưới TCM (Trellis Code Modulation) tỏ hiệu để ánh xạ bit mã hoá vào tập tín hiệu, cho khoảng cách Euclid tối thiểu từ mã đủ lớn Tuy nhiên, kênh pha-đinh Rician hoạt động TCM lại bị hạn chế Để cải thiện hoạt động TCM kênh pha-đinh, Zehavi đề xuất sơ đồ khối gọi điều chế mã có xáo trộn bit BICM (Bit Interleaved Coded Modulation) BICM trộn bit cách ngẫu nhiên trước ánh xạ vào tập tín hiệu nên đạt khoảng cách Hamming lớn hơn, có bậc phân tập cao hơn, điều kiện tiên truyền tin kênh pha-đinh Rician Nhưng xáo trộn mức bit mức tín hiệu, sơ đồ BICM lại hoạt động kênh Gauss Lý quy luật ánh xạ lên tập tín Đồ án tốt nghiệp Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 hiệu BICM tối ưu hoá theo tiêu chuẩn cực đại khoảng cách Euclid tối thiểu chuỗi tín hiệu Từ dẫn tới đời sơ đồ kết hợp BICM với giải mã lặp ID (Iterative Decoding) ký hiệu BICM-ID Mã BICM-ID không kết hợp ưu điểm điều chế đa mức mà sử dụng hiệu giải mã lặp có xáo trộn bit Chính vậy, mã BICM-ID cải thiện tốt chất lượng hệ thống kênh pha-đinh mà cho chất lượng tốt kênh Gauss Nội dung đồ án gồm chương: Chương 1: Tổng quan Hệ thống thông tin số mã Chương 2: Tìm hiểu mã kênh sửa lỗi số mã kênh Chương 3: Tìm hiểu nguyên lý, cấu trúc Điều chế mã có xáo trộn bit giải lặp BICM-ID Chương 4: Xây dựng mô hình khảo sát đặc tuyến lỗi bít Hệ thống thông tin sử dụng mã BICM-ID, so sánh với việc sử dụng mã xoắn truyền thống Để thực hoàn thành đồ án, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Thầy giáo TS Đỗ Công Hùng, người theo sát, định hướng tạo điều kiện mặt cho em suốt trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa CNKT Điện Tử -Viễn Thông kiến thức ý kiến góp ý quý báu Đồ án tốt nghiệp Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ VÀ MÃ HOÁ Chương trình bày số kiến thức cần thiết lý thuyết thông tin, mã hoá hệ thống thông tin băng rộng Những kiến thức sở để tìm hiểu sâu mã kênh Nội dung chương bao gồm: - Hiểu biết lý thuyết thông tin, hệ thống thông tín số - Các loại mã hoá hệ thống thông tin số - Ảnh hưởng kênh truyền lên tín hiệu 1.1 Giới thiệu 1.1.2 Tổng quan Hệ thống thông tin Hệ thống thông tin hệ thống kỹ thuật thiết bị dùng để truyền tin tức từ nguồn tin (nơi sinh tin tức) đến nhận tin (đích) Máy phát Môi trường Máy thu Hình 1.1: Mô hình tổng quan hệ thống thông tin Máy phát thực phát tín hiệu (gồm liệu báo hiệu) môi trường truyền Nguồn tin bao gồm thông tin cần truyền đi, tín hiệu tin tức âm thanh, hình ảnh, liệu…Máy phát khối bao gồm chức biến đổi tín hiệu điện thành dạng sóng vô tuyến quang học cho việc truyền xa, có khả chống nhiễu cao không làm méo tín hiệu thông qua việc điều chế tín hiệu Môi trường truyền hữu tuyến môi trường vô tuyến Môi trường hữu tuyến cáp kim loại (cáp đồng trục, cáp xoắn đôi, cáp UTP, cáp quang ) Môi trường vô tuyến thông qua sóng vô tuyến truyền không khí Máy thu: Bộ phận máy thu anten, khuếch đại giải điều chế, tín hiệu thu sau qua biến đổi tín hiệu đưa dạng tín hiệu ban đầu (DAC) Đồ án tốt nghiệp Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 Hệ thống thông tin chia thành hệ thống thông tin tương tự hệ thống thông tin số ứng với tín hiệu tương tự hay tín hiệu số Tín hiệu tương tự đại lượng vật lý sử dụng làm tín hiệu có quy luật biến thiên Tín hiệu tương tự liên tục (tín hiệu thoại lối Micro) tín hiệu rời rạc (Tín hiệu điều mã xung PCM) Tín hiệu số biểu diễn số tương ứng với tin có đặc trưng: Chỉ nhận số hữu hạn giá trị (M=2: Hệ thống thông tin số nhị phân, M>2: Hệ thống thông tin số đa mức) Tín hiệu số có thời gian tồn xác định: Ts (Time interval symbol) Ưu điểm Hệ thống thông tin số: - Tiết kiệm lượng - Có khả tái sinh tín hiệu vượt qua ngưỡng - Có khả loại trừ tạp âm tích lũy sau cự ly định (Tín hiệu số khỏe tín hiệu tương tự) - Có khả điều khiển, xử lý, khai thác, quản trị bảo trì (OA&M) - Cô đọng tín hiệu, triệt để tín hiệu - Nhược điểm: Phổ rộng tín hiệu hệ thống thông tin tương tự 1.1.3 Mô hình, vai trò chức khối hệ thống thông tin số Đồ án tốt nghiệp Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 Tín hiệu băng gốc (tín hiệu số) Tạo dạng Mã nguồn Mã mật Mã kênh Nguồn tin Tín hiệu băng thông (tín hiệu dạng sóng) Ghép kênh Điều chế Trải phổ Phát Nguồn khác Đồng Đích nhận Tạo dạng Đa truy nhập Nhiễu Đích khác Giải Mã nguồn Giải Giải Mã mật Mã kênh Phân kênh Giải Giải Giải đa Điều chế trải phổ truy nhập K Ê N H Thu Hình 1.2: Mô hình hệ thống thông tin số - Hệ thống thông tin số: Tập hợp thiết bị giải pháp kỹ thuật thực để truyền dẫn tín hiệu từ khối tạo dạng tín hiệu từ đầu phát tới khối tái tạo tín hiệu đầu thu Trong hệ thống thông tin số yếu tố dung lượng kênh, độ xác tốc độ truyền tin mâu thuẫn Chính mâu thuẫn mà hệ thống thông tin số ngày nghiên cứu sâu cải thiện đặc tính để hoàn thiện hơn, đảm bảo đưa kỹ thuật nhằm truyền với tốc độ lớn mà độ xác đảm bảo Tham số đánh giá độ xác truyền tin BER (tỷ lệ tín tạp), SER (tỷ lệ symbol tạp) Đối với hệ thống chấp nhận yêu cầu tỉ lệ lỗi bit tối thiểu BERAxes properties - Hiện tại, trục Y (BER) tuyến tính theo X (SNR) hình 4.20 Trục Y phải xử lý thành Y ->log Kết sau xử lý mô tả hình 4.20 - Chèn ký hiệu tỉ lệ lỗi bit BER cho trục Y, tỉ lệ tín tạp SNR cho trục X Đồ án tốt nghiệp 81 Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 Hình 4.20: Kết chưa xử lý 4.4 Kết mô So sánh kết sử dụng mã xoắn với sử dụng mã BICM-ID Đồ án tốt nghiệp 82 Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 Hình 4.21: Kết so sánh sử dụng mã xoắn mã BICM-ID Nhận xét: Hệ thống thông tin số yêu cầu tối thiểu tỷ lệ lỗi bit BER10 -4 hệ thống không ổn định, thường xảy cố lỗi, liệu trình truyền Và hệ thống đại, yêu cầu tốc độ cao, dung lượng lớn, chất lượng cao tỷ lệ lỗi bit phải nhỏ, giảm sâu tỉ lệ lỗi bit BER BER= Số bit lỗi SNR= 10log Ptín hiệu P tạp âm Số bit truyền Với hệ thống BICM-ID OFDM, sử dụng mã BICM-ID giảm sâu tỉ lệ lỗi bit nhanh khoảng tỉ lệ tín tạp nhỏ SNR[...]... về mã kênh Vai trò, chức năng của mã kênh trong hệ thống thông tin băng rộng Từ đó tìm hiểu mã BICM - ID Nội dung của chương 2 bao gồm: - Tìm hiểu cơ sở khoa học của mã kênh định lý Shannon - Vai trò, nguyên lý của mã kênh trong Hệ thống thông tin số - Tìm hiểu các loại mã kênh thông dụng 2.1 Cơ sở lý thuyết mã kênh, định lý Shannon Trong lý thuyết thông tin, định lý mã hóa trên kênh nhiễu (noisy-channel... Có 3 loại mã Mã Mã nguồn Mã mật Mã kênh Hình 1.9 Phân loại mã Đây là 3 khối trong hệ thống thông tin số rất quan trọng Mặc dù, 3 khối mã này không bắt buộc phải có trong hệ thống thông tin nhưng đối với hệ thống thông tin số hiện đại thì 3 khối này lại trở lên quan trọng trong việc đảm bảo tín hiệu truyền đi an toàn, bảo mật và hạn chế nhiễu đảm bảo độ tin cậy của tín hiệu truyền đi 1.3.2 Mã nguồn Mục... mã hoá kênh kiểm soát lỗi trong các hệ thống thông tin di động 2.2.3 Phân loại mã kênh Sơ đồ mã kênh thường được chia làm hai loại, đó là mã dạng sóng (Waveform) và mã chuỗi có cấu trúc (Structured sequence) Trong mã dạng sóng bao gồm: mã đối cực (Antipodal), mã trực giao (Orthogonal), mã lưới (Trellis) và mã tín hiệu đa mức (M-ary) Trong mã chuỗi có cấu trúc bao gồm: mã khối (block), mã chập hay mã. .. mã gồm hai mã xoắn liên kết nối tiếp Các bộ mã này đều sử dụng thuật toán giải mã lặp và có chất lượng tiến tới giới hạn Shannon Mã kênh Mã dạng chuỗi có cấu trúc Mã dạng sóng Mã khối Mã xoắn Mã liên kết nối tiếp Mã liên kết song song Mã liên kết kết hợp Hình 2.1: Phân loại mã kênh Mã khối (Block Code): gồm các mã Reed-Solomon, mã Hamming, mã BCH Mã xoắn (Convolution Code): Hay còn gọi là mã chập Mã. .. đang được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới [2] Hơn 10 năm nay, mã Turbo và SCCC luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu về mã sửa sai, và gần đây là BICM- ID với những ưu việt hơn và chất Đồ án tốt nghiệp 26 Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 lượng tốt không kém mã Turbo Cũng đã được thừa nhận qua mô phỏng và thử nghiệm Việc ứng dụng mã BICM- ID vào các hệ thống thông tin... (SCCC) gồm các bộ mã ghép nối tiếp theo nguyên tắc giải mã tuần tự Một mã SCCC thường dùng gồm bộ mã khối Reed-Solomon vòng ngoài liên kết nối tiếp với mã vòng trong là mã xoắn Mã liên kết song song (PCCC) gồm các bộ mã ghép song song theo nguyên tắc giải mã lặp Một mã PCCC điển hình là mã Turbo gồm hai bộ mã xoắn liên kết song song Mã liên kết kết hợp: Có hai mã là TCM và mã BICM- ID kết hợp với điều... và giải mã lặp 2.3 Một số mã kênh thông dụng Đồ án tốt nghiệp 30 Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 2.3.1 Tổng quan về mã khối Mã khối (block coded) được nghiên cứu đầu tiên nên hoàn chỉnh về mặt lý thuyết Gồm n bit từ mã, trong đó có k bít thông tin (số lượng bít dư là n-k, tốc độ mã hoá là k/n) K bít tin được sắp xếp độc lập giữa các từ mã nên được gọi là mã không nhớ Đầu tiên là mã Hamming,... tế, các bộ mã hóa, giải mã đơn giản, dễ chế tạo vẫn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền tin và lưu giữ thông tin Quá trình phát triển mã kênh, từ những mã kênh đơn giản, khả năng sửa lỗi không cao như các mã khối, cho tới các bộ mã xoắn là một bộ mã đơn giản thường được sử dụng như là mã sửa sai hướng đi (FEC) Các thuật toán giải mã xoắn đã được biết đến là thuật toán giải mã Viterbi Các... dài của mã (code word length) • Tổng số các từ mã hợp lệ (total number of valid code words) • Khoảng cách Hamming tối thiểu giữa hai từ mã hợp lệ (the minimum Hamming distance between two valid code words) Đồ án tốt nghiệp 21 Khoa CNKT Điện Tử - Viễn Thông Lớp: ĐH-ĐT1-K1 Chương 2 MÃ KÊNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Để làm rõ nguyên lý của mã BICM- ID, ở chương này Đồ án trình bày các nội dung về mã kênh... thêm các bit dư thì sẽ làm tăng băng thông Khi sử dụng mã kênh thì số bit trong từ mã được truyền đi sẽ tăng lên Đối với các hệ thống thời gian thực thì để đảm bảo yêu cầu về độ trễ ta phải tăng tốc độ truyền symbol do đó băng thông truyền tải sẽ tăng lên Nhưng với các hệ thống hiện đại thì khả năng phần cứng đáp ứng được khả năng tính toán, xử lý rất lớn Các yếu tố về băng thông vẫn đảm bảo Mà khả năng