Phương pháp mô phỏng một hệ thống thông tin số Mã chập trên kênh AWGN

Phương pháp mô phỏng một hệ thống thông tin số Mã chập trên kênh AWGNSở Khoa Học Và Công Nghệ Hà NộiViện Điện tử - Viễn thôngLê Hồng PhúcSĐT : 0973975007Email : lephuckhcn@gmail.comNội dungTổng quan về mã kênhKhái niệm và cấu trúc bộ mã chậpThuật toán giải mã ViterbiChương tình mô phỏng và kết quảViện Điện tử - Viễn thôngMô hình Hệ thống thông tin sốMô hình hệ thống thông tin sốMô hình cơ bảnwww.themegallery.com Mô tả chi tiết mô hìnhNguồn tin là nơi tạo ra các bản tin chứa đựng những thông tin cần phát đi, các bản tin này có thể là các bit, các ký hiệu mã v.v... Đầu ra của nguồn tin là chuỗi các ký hiệu, thông thường là các ký hiệu nhị phân.Kênh truyền là nguyên nhân chủ yếu gây ra lỗi cho tín hiệu thu, nên bộ mã kênh (giải mã kênh) thực hiện thêm vào các bit kiểm tra vào chuỗi thông tin nhằm giảm tối thiểu các ảnh hưởng của nhiễu trên đường truyền lên tín hiệuwww.themegallery.com Mô tả chi tiết mô hìnhĐể tín hiệu đầu ra bộ mã kênh phù hợp với kênh truyền, bộ điều chế thực hiện sắp xếp các chuỗi số đầu ra bộ mã kênh thành chuỗi dạng sóng tương tự (các ký hiệu) phù hợp với đặc tính kênh truyền. Để tăng tốc độ truyền, mỗi ký hiệu (symbol) có thể mang nhiều bit thông tin như các hệ thống điều chế nhiều mức (QPSK, MPSK, QAM...). www.themegallery.comMô tả chi tiết mô hìnhKênh truyền nhiễu GaussianTạp âm Gaussian mà ta nói đến là tạp âm nhiệt (thermal noise), là dòng điện không mong muốn gây ra trong mạch điện dưới tác động của chuyển động nhiệt của các hạt mang điện trong mạch điện (các điện tử).www.themegallery.comMô tả chi tiết mô hìnhTrong băng tín hiệu W thì mật phổ công suất tạp âm gần như là hằng số, làm gần đúng là hằng số No hay No/2 tùy trường hợp xét. Điều này gợi ý liên hệ tới phổ ánh sáng trắng (là tổng của mọi sóng điện từ ánh sáng với mọi bước sóng - hay tần số - khác nhau) là hằng số theo trục bước sóng lamda hay trục tần số. Tính chất phổ như vậy gọi là phổ TRẮNG, nên có cái chữ W (WHITE)www.themegallery.comMã hóa kênhMã hóa kênh là việc đưa thêm các bit dư vào tín hiệu số theo một quy luật nào đó, qui luật này thường xác định cấu trúc bộ mã, nhằm giúp cho bên thu có thể phát hiện và giải mã thu lại tín hiệu, thậm chí bên thu có thể sửa được cả lỗi xảy ra trên kênh truyền khi bộ mã có cấu trúc tốtHệ thống thông tin không dây ngày nay, người ta hay sử dụng một loại mã có thể phát hiện và khắc phục lỗi một cách tự động :mã điều khiển lỗi (ECC), hay chính xác hơn là FECwww.themegallery.comPhân loại Mã kênhwww.themegallery.comMã kênh sẽ giới thiệuBlock Code  Linear Code  Cyclic CodeTrellis Code  Linear Code  Convolution Codewww.themegallery.comPhân biệt mã khối và mã trellisMã hóa khối là mã hóa không nhớ.Tức là khi ta cho một chuỗi dữ liệu K bit, thì ngõ ra của bộ mã hóa khối là một khối dữ liệu n bit duy nhất. Mã hóa chập(mã trellis) không kết nối các khối bit riêng vào trong một khối từ mã, thay vào đó nó sẽ chấp nhận một chuỗi bit liên tục và taọ thành một chuỗi ngõ ra. Hiệu quả hay tốc độ dữ liệu của mã hóa chập được đánh giá bằng tỉ lệ của số bit ngõ vào k, và số bit ngõ ra n. www.themegallery.com Mã khối tuyến tínhTừ dữ liệu và từ mã: Chia bản tin thành các khối(block), mỗi khối gồm k bit, được gọi là từ dữ liệu (datawword)Thêm r bit dư vào mỗi khối để tạo thành khối gồm n bit được gọi là từ mã(codeword), với n = k + mwww.themegallery.comSố học modulo (phép cộng modulo) Phép toán XOR : 2 bit giống nhau khi thực hiện XOR sẽ cho kết quả là 0, 2 bít khác nhau sẽ cho kết quả là 1www.themegallery.comKhoảng cách Hammingwww.themegallery.comKhoảng cách Hamming tối thiểuwww.themegallery.comKhoảng cách Hamming tối thiểu để phát hiện lỗiwww.themegallery.comKhoảng cách Hamming tối thiểu để sửa lỗiwww.themegallery.comMã khối tuyến tínhwww.themegallery.comMã Hammingwww.themegallery.comVí dụ về mã Hammingwww.themegallery.comCấu trúc bộ mã Hammingwww.themegallery.comQuy tắc giải mã sửa lỗi bên thuwww.themegallery.comQuy tắc giải mã sửa lỗi bên thuwww.themegallery.comKhái niệm bộ mã chậpMã chập được tạo ra bằng cách cho chuỗi thông tin truyền qua hệ thống các thanh ghi dịch tuyến tính có số trạng thái hữu hạn, và được tổng hợp bởi các bộ XOR để tính toán trạng thái đầu ra.Một bộ mã chập thường được biểu diễn là (n, k, m)Trong đó : n là số bit ở đầu ra tương ứng với k bit đi vào bộ mãk là số bít đi vào bộ mã trong mỗi chu kì mãm là số trạng thái nhớ lớn nhất của bộ mã, tương ứng với số thanh ghi dịch của bộ mã. Ngoài ra ta còn có K = m +1 tương ứng với chiều dài của bộ mã.Viện Điện tử - Viễn thôngVí dụ minh họa cấu trúc bộ mã chập (2,1,2)Bộ mã Tính toán đầu raHai đa thức sinh của bộ mã lần lượt là chuỗi g1= [1 1 1] và g2 =[ 1 0 1]Đầu vào là x, tốc độ mã hóa là ½ sẽ cho ta 2 đầu ra là c(1) và c(2).Giả sử chuỗi đầu vào là m = {1, 1, 0, 0, 1, 0, 1}www.themegallery.comVí dụ minh họa cấu trúc bộ mã chập (2,1,2)Bộ mã Tính toán đầu rac(1) = {1, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 1, 1} và c(2) = {1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1} Dòng ra: c = {11, 01, 01, 11, 11, 10, 00, 10, 11} www.themegallery.comMột số bộ mã chập thông dụngBộ mã có chiều dài K = 9, tốc độ mã hóa R =1/2, đa thức sinh la g(x) = [753 ,561]www.themegallery.comMột số bộ mã chập thông dụngBộ mã có chiều dài K = 7, tốc độ mã hóa R = 1/3 , đa thức sinh la g(x) = [133,171, 165], bộ mã này được sử dụng dành cho kênh PBCH của trong hệ thống LTE-4Gwww.themegallery.comCách biểu diễn một bộ mã chậpCác nhánh của cây chính là các tuyến mã, dựa vào các tuyến mã này, ta sẽ xác định được đầu ra.Sơ đồ hình lưới cho ta một cách biểu diễn các tuyến mã một cách gọn hơn.Bảng chuyển trạng thái đưa ra đáp ứng trạng thái tương ứng của đầu ra theo đầu vàoBiểu diễn mã chập Sơ đồ hình cây Sơ đồ lưới Bảng chuyển trạng tháiViện Điện tử - Viễn thôngBiểu diễn dưới mô hình hình câySơ đồ hình cây của bộ mã chập (2, 1, 2) với đa thức sinh (7, 5)www.themegallery.comBiểu diễn dưới mô hình lướiSơ đồ lưới của bộ mã chập (2, 1, 2) với đa thức sinh (7, 5)www.themegallery.comSơ đồ chuyển trạng tháiBảng chuyển trạng thái Sơ đồ chuyển trạng tháiwww.themegallery.comThuật toán giải mãThuật toán giải mã ViterbiThuật toán giải mã LOG-MAPwww.themegallery.comThuật toán giải mã ViterbiThuật toán giải mã Viterbi được thực hiện dựa trên sơ đồ lưới(hay còn gọi là sơ đồ trellis)Thực hiện dựa vào thông số metric đó chính là khoảng cách Hamming giữa cặp bit của ký hiệu nhận được và cặp bit có thể của kênh truyền (khoảng cách Hamming được tính một cách đơn giản bằng cách đếm có bao nhiêu bit khác giữa cặp bit nhận được từ kênh truyền và cặp bit so sánh)Viện Điện tử - Viễn thôngMô tả chi tiết thuật toánChọn một trạng thái có thông số metric nhỏ nhất và lưu lại Sử dụng lặp lại cho những bước kế tiếp, chọn một trạng thái mới được liệt kê trong bảng ghi nhớ trạng thái khi chuyển từ trạng thái trước đến trạng thái đó. Lưu số trạng thái của mỗi trạng thái được chọn.Chúng ta làm việc tiếp với danh sách những trạng thái được chọn đã được lưu trong bước xử lý trước đó. Chúng ta tra xem bit ngõ vào nào phù hợp với sự truyền dẫn từ mỗi trạng thái trước đến trạng thái kế tiếpBước 1Bước 2(Truy hồi (traceback))Bước 3Viện Điện tử - Viễn thôngPhân loại giải mãGiải mã quyết định cứngGiải mã quyết định cứng sử dụng loại lượng tử hóa 1 bit trên các giá trị kênh nhận được.Thuật toán đơn giản nhưng chất lượng thông tin thu được không cao.Giải mã quyết định mềmGiải mã quyết định mềm sử dụng loại lượng tử hóa nhiều bit trên các giá trị kênh nhận được.Thuật toán phức tạp hơn nhưng chất lượng thông tin thu được rất tốt.www.themegallery.comSơ đồ khối mô phỏngTạo ra luồng bit ngẫu nhiênPhần thuMã hóa kênh bằng mã xoắnĐầu vàoMã hóa3. TitleViện Điện tử - Viễn thông Phần phátĐiều chế BPSKĐiều chếTạo ra kênh nhiễu GaussKênhLuồng bit sau giải mãGiải mã bằng ViterbiĐầu raGiải mãGiải điều chế BPSKGiải điều chếSo sánh và tính BERMô phỏng bằng SystemvueViện Điện tử - Viễn thôngKết quả thu đượcViện Điện tử - Viễn thôngMô phỏng bằng C Chương trình cho phép thay đổi các thông số của hệ thống để mô phỏng các trường hợp mã hóa, điều chế và các mô hình kênh truyền giả lập.Viện Điện tử - Viễn thông Sơ đồ thực hiện mô phỏng bằng Cwww.themegallery.comKết quả thu đượcBộ mã có K = 3Khi cho K thay đổiViện Điện tử - Viễn thôngỨng dụng của bộ mã chậpSử dụng trong các modem dải tần âm (voiceband modems) (V.32, V.17, V.34) Sử dụng phổ biến trong các điện thoại di động GSM, 3G, 4G LTETrong các thiết bị truyền thông của quân đội, các thiết bị thu phát vệ tinhMã chập được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin hiện tại:Viện Điện tử - Viễn thôngMột vài lời nhận xétBộ mã xoắn có K càng lớn cho ta chất lượng thu càng tốtKênh truyền Gauss có độ nhiễu nhỏ hơn so với kênh RayleighCông suất phát tín hiệu càng lớn thì độ chính xác thu càng tốtThuật toán giải mã cũng là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng của tín hiệu thu vềBộ mã xoắn với nhiều ưu điểm được sử dụng rộng rãi trong thông tin truyền thông Qua mô phỏng bộ mã xoắn trên 2 loại kênh truyền, ta rút ra được một số kết luận như sau:Viện Điện tử - Viễn thôngThank for your watching!Hà nội 3/2014Viện Điện tử - Viễn thông