Tài liệu Khai thác giải mã và tách sóng lặp trong hệ thống thông tin vô tuyến

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- TRẦM ĐỨC HUY “KHAI THÁC GIẢI MÃ VÀ TÁCH SÓNG LẶP TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN” Chuyên ngành : Kỹ thuật vô tuyến - điện tử Mã số ngành: 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Hồ Văn Khương Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 16 tháng 7 năm 2009. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp. HCM, ngày . . . . tháng 07. năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trầm Đức Huy Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/02/1981 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến-điện tử MSHV:01407341 I- TÊN ĐỀ TÀI: ‘Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong hệ thống thông tin vô tuyến’ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Nghiên cứu lý thuyết tách sóng mềm, giải mã mềm. • Ứng dụng nguyên lý tách sóng giải mã lặp vào hệ thống đơn anten. • Ứng dụng nguyên lý tách sóng V-BLAST và giải mã lặp vào hệ thống MIMO. • Ứng dụng nguyên lý tách sóng giải mã lặp vào hệ thống đa truy cập. • So sánh các hệ thống ứng dụng tách sóng và giải mã lặp với các hệ thống truyền thống. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/09/2008 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/07/2009 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. HỒ VĂN KHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. Ngày…...tháng…..năm 2009 TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi đến Thầy Hồ Văn Khương lời cảm ơn chân thành. Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, tạo mọi điều thuận lợi về tài liệu để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở Khoa Điện-Điện tử trường Đại học Bách khoa, là những người truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu trong suốt khóa đào tạo sau đại học. Cuối cùng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin trân trọng ghi nhớ Trầm Đức Huy Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương MỤC LỤC Từ viết tắt.................................................................................................................... 1 Danh sách các hình..................................................................................................... 3 Đặt vấn đề .................................................................................................................. 6 Bố cục đề tài ............................................................................................................... 7 Chương 1 : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG VIỄN THÔNG VÀ MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin số...................................................................... 9 1.1.1. Giới thiệu............................................................................................. 9 1.1.2. Kênh truyền vô tuyến ........................................................................ 11 1.2. Một số khái niệm về xác suất ..................................................................... 15 1.3. Mã tích chập................................................................................................. 20 1.4. Kỹ thuật điều chế ........................................................................................ 22 1.4.1. Điều chế PSK ................................................................................... 22 1.4.2. Điều chế QAM .................................................................................. 24 1.5. Ước lượng kênh truyền bằng bộ lọc thích nghi LMS ................................. 25 1.5.1. Phép toán của bộ cân bằng ................................................................ 26 1.5.2. Thuật toán tối thiểu trung bình bình phương LMS ........................... 27 1.5.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................. 28 Chương 2 : KHAI THÁC TÁCH SÓNG GIẢI MÃ lẶP VÀO HỆ THỐNG ĐƠN ANTEN 2.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 29 2.2. Hệ thống tách sóng giải mã thông thường................................................... 32 2.3. Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten................................................... 35 2.3.1. Các phép ánh xạ tín hiệu của bộ điều chế ......................................... 37 2.3.2. Máy thu hệ thống tách sóng giải mã lặp hồi tiếp mềm ..................... 38 2.3.3. Bộ tách sóng mềm ............................................................................. 40 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC HVTH: Trầm Đức Huy Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương 2.3.4. Bộ giải mã ngõ vào mềm ngõ ra mềm SISO..................................... 42 2.4. Mô phỏng bằng Matlab và đánh giá kết quả ............................................... 56 2.4.1. Mô hình mô phỏng ............................................................................ 56 2.4.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá kết quả ............................................. 59 a. Đánh giá các ký tự mềm sau giải mã............................................. 59 b. Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten điều chế 4PSK ........... 60 c. Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten điều chế 8PSK ........... 61 d. Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten điều chế 16QAM ....... 61 e. Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten điều chế 64QAM ....... 62 f. Đánh giá hệ thống theo kích thước khung thay đổi...................... 63 Chương 3 : KHAI THÁC TÁCH SÓNG V-BLAST GIẢI MÃ LẶP VÀO HỆ THỐNG ĐA ANTEN 3.1. Hệ thống MIMO .......................................................................................... 65 3.2. Kỹ thuật phân tập......................................................................................... 67 3.3. Kiến trúc bộ tách sóng V-BLAST ............................................................... 69 3.4. Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp.................................................. 71 3.4.1. Mô hình máy phát.............................................................................. 73 3.4.2. Mô hình kênh truyền ......................................................................... 74 3.4.3. Mô hình máy thu ............................................................................... 75 a. Thuật toán MAP tách sóng V-BLAST giải mã lặp.......................... 78 b. Thuật toán ZF tách sóng V-BLAST giải mã lặp.............................. 79 c. Thuật toán MMSE tách sóng V-BLAST giải mã lặp....................... 80 3.5. Mô phỏng bằng Matlab và đánh giá kết quả ............................................... 81 3.5.1 Mô hình mô phỏng ............................................................................. 81 3.5.1 Kết quả mô phỏng và đánh giá kết quả .............................................. 82 a. Hệ thống tách sóng giải mã lặp đa anten thu ................................... 82 b. Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp đa anten ....................... 85 c. So sánh các hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp có số lượng anten khác nhau.................................................................................... 88 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC HVTH: Trầm Đức Huy Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương Chương 4 : KHAI THÁC TÁCH SÓNG GIẢI MÃ LẶP VÀO HỆ THỐNG ĐA TRUY CẬP 4.1. Hệ thống đa truy cập tách sóng giải mã lặp................................................. 90 4.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát và máy thu IDMA............................... 91 4.2.1. Cấu trúc máy phát và máy thu IDMA ............................................... 91 4.2.2. Bộ đánh giá tín hiệu sơ cấp cho kênh truyền đơn đường.................. 92 4.2.3. Bộ đánh giá tín hiệu sơ cấp cho kênh truyền đa đường .................... 93 4.2.4. Bộ giải mã DEC ................................................................................ 94 4.3. Mô phỏng hệ thống bằng Matlab và đánh giá kết quả................................. 95 4.3.1. Mô hình mô phỏng ............................................................................ 95 4.3.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá kết quả ............................................. 97 a. Khảo sát hệ thống IDMA theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu .................. 97 b. Khảo sát hệ thống IDMA theo số lượng thuê bao ......................... 100 Chương 5 : GIỚI THIỆU PHẦM MỀM MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 5.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng hệ thống ................................................ 102 5.2. Kết luận...................................................................................................... 108 5.3. Hướng phát triển đề tài .............................................................................. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO LÝ LNCH TRÍCH NGHANG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC HVTH: Trầm Đức Huy Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương TỪ VIẾT TẮT AMC adaptive modulation and coding APP a posteriori probability ARQ automatic repeat request ASK amplitude shift keying AWGN additive white Gaussian noise BEC binary erasure channel BER bit error rate BICM BICM-ID bit-interleaved coded modulation bit-interleaved coded modulation with iterative demapping and decoding BIOS Binary-input output-symmetric (channel) BPSK binary phase shift keying BSA binary switching algorithm BSC binary symmetric channel CC Convolutional Code CDMA code division multiple access CM Coded modulation CSI Channel State Information dB Decibel EDGE enhanced data rates for GSM evolution EDS Euclidean distance spectrum EF Error-free Feedback EXIT Extrinsic information transfer FEC forward error correction FED Free Euclidean Distance FER Frame Error Rate FG Factor graph GMI Generalized mutual information GSM global system for mobile communications HSDPA high speed downlink packet access IDD Iterative demapping and decoding iid IDD-MA independent identically distributed Iterative Demapping and Decoding – Multiple Access ISI Inter-symbol interference LDPC Low-density parity-check (code) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC Trang 1 Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương LLR log likelihood ratio MAP maximum a posteriori probability MI mutual information MIMO multiple-input/multiple output MISO Multiple-Input Single-Output ML maximum likelihood MLC multilevel coding MMSE Minimum mean-squared error MRC Maximum Ratio Combining MSD multistage decoding of MLC OFDM orthogonal frequency division multiplex pdf probability density function PSK phase shift keying QAM quadrature amplitude modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RA Repeat-accumulate (code) RF Radio Frequency SCCC serial concatenated convolutional code SISO soft-in/soft-out SNR signal-to-noise ratio SOVA soft-output Viterbi algorithm SSP Semi Set Partitioning STBC Space-Time Block Code TCM trellis coded modulation TTCM Turbo Trellis-Coded Modulation UMTS universal mobile telecommunication system WiMAX worldwide interoperability for microwave access WLAN wireless local area network LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC Trang 2 Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 : Mô hình tổng quát hệ thống thông tin số ...............................................................9 Hình 1.2 : Sơ đồ phân loại mã kênh ......................................................................................11 Hình 1.3 : Hiệu ứng đa đường trong môi trường truyền vô tuyến ........................................12 Hình 1.4 : Hàm mật độ phân bố Gaussian.............................................................................13 Hình 1.5 : Hàm mật độ xác suất Rayleigh.............................................................................14 Hình 1.6 : Hàm mật độ xác suất Rician.................................................................................15 Hình 1.7 : Sơ đồ khối một hệ thống thông tin vô tuyến thông thường .................................19 Hình 1.8 : Ví dụ bộ mã tích chập trong đó x(i) là chùm bit thông tin ngõ vào và c(i) là chùm bit được mã hóa ngõ ra ...............................................................20 Hình 1.9 : Bộ mã hóa tích chập có Rc = 1/2 và K = 3 ..........................................................21 Hình 1.10 : Bộ mã hóa RSC với Rc = 1/2 và K = 3................................................................22 Hình 1.11 : Các trạng thái pha của điều chế PSK ...................................................................23 Hình 1.12 : Các trạng thái pha của điều chế QAM .................................................................25 Hình 1.13 : Các phần tử của bộ lọc thích nghi........................................................................26 Hình 1.14 : Biểu diễn đồ thị dòng tín hiệu của thuật toán LMS .............................................27 Hình 1.15 : Kết quả mô phỏng ước lượng kênh truyền bằng bộ lọc thích nghi thuật toán LMS : SNR=5dB..........................................................................................28 Hình 1.16 : Kết quả mô phỏng ước lượng kênh truyền bằng bộ lọc thích nghi thuật toán LMS : SNR=8dB..........................................................................................28 Hình 2.1 : Sơ đồ khối của hệ thống thông tin mã hóa sử dụng ghép xen bit ........................31 Hình 2.2 : Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thông thường ................................................33 Hình 2.3 : Sơ đồ khối hệ thống tách sóng giải mã lặp sử dụng hồi tiếp cứng.......................36 Hình 2.4 : Sơ đồ khối hệ thống tách sóng giải mã lặp sử dụng hồi tiếp mềm.......................36 Hình 2.5 : Các phép ánh xạ tín hiệu 8PSK............................................................................38 Hình 2.6 : Sơ đồ khối máy thu tách sóng giải mã lặp với hồi tiếp mềm ...............................39 Hình 2.7 : Bộ mã hóa trellis ..................................................................................................43 Hình 2.8 : Một biên trellis .....................................................................................................44 Hình 2.9 : Khối SISO ............................................................................................................45 Hình 2.10 : Sơ đồ thanh ghi dịch của mã tích chập g=[1 0 0;1 1 1] .......................................48 Hình 2.11 : Giản đồ trellis của mã tích chập g=[1 0 0; 1 1 1].................................................48 Hình 2.12 : Giản đồ tính metric thuận của bộ SISO có g=[1 0 0;1 1 1]..................................49 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC Trang 3 Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương Hình 2.13 : Giản đồ tính metric nghịch của bộ SISO có g=[1 0 0;1 1 1]................................51 Hình 2.14 : Giản đồ tính thông tin mềm ngõ ra của bộ SISO có g=[1 0 0;1 1 1] ...................54 Hình 2.15 : Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten ...........................................................56 Hình 2.16 : Đồ thị phân bố chòm sao cho các bộ ánh xạ anti-Gray........................................58 Hình 2.17 : Ký tự với nhãn “0011” được phát 50 lần trên kênh truyền AWGN và fading tại SNR=10dB...........................................................................................59 Hình 2.18 : Ký tự với nhãn “0011” được phát 500 lần trên kênh truyền AWGN và fading tại SNR=10dB...........................................................................................60 Hình 2.19 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten – Điều chế 4PSK.....................................................................................................60 Hình 2.20 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten – Điều chế 8PSK.....................................................................................................61 Hình 2.21 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten – Điều chế 16QAM.................................................................................................61 Hình 2.22 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten – Điều chế 64QAM.................................................................................................62 Hình 2.23 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten – Điều chế 16QAM – Số lần lặp = 5 – Chiều dài khung thay đổi .........................................63 Hình 3.1 : Sơ đồ khối hệ thống MIMO và mã không gian - thời gian ..................................66 Hình 3.2 : Kiến trúc tách sóng V-BLAST.............................................................................70 Hình 3.3 : Sơ đồ khối máy phát hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp.........................74 Hình 3.4 : Sơ đồ khối máy thu hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp...........................76 Hình 3.5 : Sơ đồ khối máy phát hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp.........................81 Hình 3.6 : Sơ đồ khối máy thu hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp...........................81 Hình 3.7 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp 1Tx 2Rx – Điều chế 4PSK.....................................................................................................83 Hình 3.8 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp 1Tx 3Rx – Điều chế 4PSK.....................................................................................................83 Hình 3.9 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp 1Tx 4Rx – Điều chế 4PSK.....................................................................................................83 Hình 3.10 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp 1Tx 2Rx – Điều chế 8PSK.....................................................................................................84 Hình 3.11 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp 1Tx 3Rx – Điều chế 8PSK.....................................................................................................84 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC Trang 4 Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương Hình 3.12 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng giải mã lặp 1Tx 4Rx – Điều chế 8PSK.....................................................................................................84 Hình 3.13 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp 2Tx 2Rx – Điều chế 4PSK – Thuật toán ZF .......................................................................86 Hình 3.14 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp 2Tx 2Rx – Điều chế 4PSK – Thuật toán MMSE................................................................86 Hình 3.15 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp 2Tx 2Rx – Điều chế 4PSK – Thuật toán MAP ...................................................................86 Hình 3.16 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp 2Tx 2Rx – Điều chế 16QAM – Thuật toán ZF ....................................................................87 Hình 3.17 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp 2Tx 2Rx Điều chế 16QAM – Thuật toán MMSE..............................................................87 Hình 3.18 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp 2Tx 2Rx – Điều chế 16QAM – Thuật toán MAP ................................................................88 Hình 3.19 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp đa anten - Điều chế 4PSK – Thuật toán MAP....................................................................89 Hình 3.20 : Đồ thị BER - Hệ thống tách sóng V-BLAST giải mã lặp đa anten – Điều chế 8PSK – Thuật toán MAP ...................................................................89 Hình 4.1 : Hệ thống tách sóng giải mã lặp đa truy cập ........................................................91 Hình 4.2 : Sơ đồ mô phỏng hệ thống đa truy cập CDMA.....................................................95 Hình 4.3 : Sơ đồ mô phỏng máy phát IDMA........................................................................96 Hình 4.4 : Sơ đồ mô phỏng máy thu IDMA..........................................................................96 Hình 4.5 : Đồ thị BER – Hệ thống IDMA – 5 thuê bao – Rep_Rate=8................................97 Hình 4.6 : Đồ thị BER – Hệ thống IDMA – 10 thuê bao – Rep_Rate=8..............................97 Hình 4.7 : Đồ thị BER – Hệ thống IDMA – 15 thuê bao – Rep_Rate=8..............................98 Hình 4.8 : Đồ thị BER – Hệ thống IDMA – 15 thuê bao – Rep_Rate=16............................98 Hình 4.9 : Đồ thị BER – Hệ thống IDMA – 20 thuê bao – Repn_Rate=8............................98 Hình 4.10 : Đồ thị BER – Hệ thống IDMA – 20 thuê bao – Rep_Rate=16............................99 Hình 4.11 : Đồ thị BER – Hệ thống IDMA theo số thuê bao – Rep_Rate=8 .......................100 Hình 4.12 : Đồ thị BER – Hệ thống IDMA theo số thuê bao–Rep_Rate=16 ......................100 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC Trang 5 Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương ĐẶT VẤN ĐỀ Sau 50 năm kể từ khi Shannon đưa ra lý thuyết thông tin số, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu về mã hóa mới tìm ra được một phương pháp mã hóa tiếp cận được gần tới dung lượng của kênh Gaussian, đó chính là phát hiện ra mã Turbo vào năm 1993. Việc kết hợp mã hóa với ghép xen ở phía phát và phía thu đã cho ra những kết quả thật bất ngờ. Theo nguyên lý Turbo, kỹ thuật điều chế mã hóa ghép xen theo bit kết hợp với giải mã lặp được đề xuất nghiên cứu từ những năm 1990 bởi nhóm nghiên cứu X.Li và Ritcey [7]. Đây là bộ mã tốt cho truyền dẫn trên kênh đa đường do thừa hưởng ưu điểm của các mã xoắn cơ sở, tăng ích xáo trộn bít, giải mã-tách sóng lặp, phương pháp ánh xạ tín hiệu điều chế. Tách sóng và giải mã lặp được định nghĩa là một kỹ thuật sử dụng thuật toán giải mã ngõ ra mềm được lặp lại nhiều lần nhằm cải thiện xác suất lỗi của bộ điều chế và mã hóa, với mục tiêu hướng tới gần xấp xỉ với giải mã Maximun-likelihood (ML) nhưng có độ phức tạp thấp hơn. Kỹ thuật giải mã lặp thực ra đã được đề xuất từ năm 1954 trong bài nghiên cứu của Elias [8]. Sau đó, vào thập niên 1960, Gallager và Massey tiếp tục nghiên cứu về kỹ thuật này và đã có những đóng góp khá quan trọng [9]. Mục tiêu chính của kỹ thuật này là tìm cách tối đa hóa xác suất hậu nghiệm của ký tự được truyền đi từ chuỗi mã hóa sau mỗi lần lặp tại máy thu để đưa ra quyết định tốt nhất cho bộ giải mã. Mãi đến sau này, kỹ thuật giải mã lặp mới được ứng dụng rất nhiều trong các bộ mã khác nhau như mã Turbo, mã LDPC, mã BICM, ... và đã cho ra một hiệu suất thông tin rất cao. Luận văn này sẽ trình bày các nguyên lý tách sóng giải mã lặp và ứng dụng chúng vào trong các hệ thống thông tin vô tuyến đơn anten, đa anten và đa truy cập. Từ đó tìm ra các ưu điểm của một hệ thống có sử dụng tách sóng giải mã lặp so với các hệ thống tách sóng giải mã thông thường mà hiện nay đang áp dụng. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC Trang 6 Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương BỐ CỤC ĐỀ TÀI Chương 1 : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG VIỄN THÔNG VÀO MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Chương này giới thiệu tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài, trình bày một số khái niệm và kỹ thuật cơ bản như : a-posteriori log-likelihood ratio (LLR), mã tích chập, kỹ thuật điều chế PSK, QAM và bộ lọc thích nghi sử dụng thuật toán LMS dùng để ước lượng kênh truyền. Chương 2 : KHAI THÁC GIẢI MÃ - TÁCH SÓNG LẶP VÀO HỆ THỐNG ĐƠN ANTEN Trình bày và nghiên cứu các vấn đề mã hóa tích chập, điều chế, tách sóng, giải mã Viterbi quyết định cứng trong hệ thống một anten phát và một anten thu, hay còn được gọi là hệ thống tách sóng giải mã thông thường (HD Decoder : Hard Decision Decoder). Đây là một kỹ thuật ghép nối tiếp một bộ mã hóa, một bộ ghép xen và một bộ ánh xạ lại với nhau, và được xem là thích hợp cho việc sử dụng băng thông truyền hiệu quả trên kênh fading. Tiếp theo sẽ nghiên cứu mở rộng sang hệ thống tách sóng giải mã lặp (IDD: Iterative Demapping and Decoding) trong hệ thống đơn anen nhằm cải thiện hơn hiệu suất của hệ thống. Đặc biết nhấn mạnh đến kiến trúc bộ giải mã SISO, nguyên lý hoạt động, cách tính toán các tham số cũng như giải thuật thực hiện. Đồng thời cũng phân tích tính hợp lý giữa độ phức tạp của giải thuật so với hiệu suất mà nó mang lại. Chương 3 : KHAI THÁC GIẢI MÃ - TÁCH SÓNG LẶP VÀO HỆ THỐNG ĐA ANTEN Trình bày tổng quan về các phương pháp giãi mã ứng dụng cho hệ thống vô tuyến MIMO. Tiếp theo trình bày sơ lược về cấu trúc và các phương pháp tách sóng VBLAST. Từ đó phát triển nghiên cứu kết hợp phương pháp Tách sóng V-BLAST cùng giải mã lặp vào hệ thống đa anten. Đây là sự kết hợp của hệ thống tách sóng giải mã lặp vào hệ thống MIMO nhằm giải quyết vấn đề fading phẳng của kênh truyền. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC Trang 7 Khai thác tách sóng và giải mã lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS. Hồ Văn Khương Chương 4 : KHAI THÁC GIẢI MÃ - TÁCH SÓNG LẶP VÀO HỆ THỐNG ĐA TRUY CẬP Chương này sẽ trình bày một cách toàn diện về hệ thống đa truy cập sử dụng nguyên lý tách sóng giải mã lặp (IDD-MA : Iteratvie Demapping and Decoding MultipleAccess). Hệ thống này sử dụng các bộ ghép xen khác nhau để phân biệt các user khác nhau. Máy thu sử dụng khối đánh giá tín hiệu sơ cấp (ESE : Elementary Signal Estimator) kết hợp các bộ giải mã lặp cho từng user nhằm hạn chế được nhiễu đa truy cập (MAI: multiple access interference) và nhiễu liên ký tự (ISI : intersymbol interference) mà hệ thống CDMA không giải quyết được. Chương 5 : GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN Chương này sẽ giới thiệu về giao diện phần mềm mô phỏng cho cả 4 chương trước gồm: bộ lọc thích nghi LMS dùng để ước lượng kênh truyền, hệ thống tách sóng giải mã thông thường sử dụng thuật toán Viterbi giải mã dựa trên quyết định cứng, hệ thống tách sóng giải mã lặp đơn anten, hệ thống tách sóng giải mã lặp đa anten và hệ thống đa truy cập tách sóng giải mã lặp. Ngoài ra với mục đích tạo ra cái nhìn trực quan hơn về ưu điểm của nguyên lý tách sóng giải mã lặp, phần mềm này cũng mô phỏng được quá trình truyền các file hình ảnh qua các hệ thống tách sóng giải mã lặp. Phần kết luận sẽ tóm tắt lại tất cả quá trình nghiên cứu của Luận Văn này, đồng thời đánh giá các ưu khuyết điểm của những hệ thống được xét ở trên. Tiếp theo sẽ đề ra các phương án nhằm mở rộng ứng dụng đề tài giải mã lặp vào thực tế khả thi. Chương trình mô phỏng được viết bằng ngôn ngữ Matlab 7.8 và được xây dựng trên các mô hình hệ thống sẽ được trình bày trong mỗi chương. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC Trang 8 Khai thác giải mã và tách sóng lặp trong thông tin vô tuyến Chương GVHD : TS Hồ Văn Khương 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG VIỄN THÔNG VÀ MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ 1.1.1 Giới thiệu Vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 đã ra đời nhiều loại hệ thống thông tin số, chúng khác nhau về giải pháp xử lý tín hiệu số nhằm thực hiện việc truyền các tín hiệu số một cách có hiệu quả về phương diện chiếm dụng băng tần cũng như công suất tín hiệu . Một trong những giải pháp đó là dùng kỹ thuật mã hoá kiểm soát lỗi (Error Control Encoding). Mục tiêu chính của bộ mã kiểm soát lỗi trong hệ thống thông tin số là làm cho độ tin cậy của truyền tin đạt cực đại trong phạm vi bị ràng buộc về độ rộng băng tần, công suất tín hiệu và độ phức tạp của mạch điện trong hệ thống. Để làm rõ vai trò của việc mã hoá kiểm soát lỗi, ta đưa ra mô hình hệ thống thông tin số tổng quát sau : Hình 1.1 : Mô hình tổng quát hệ thống thông tin số HVTH: Trầm Đức Huy Trang 9 Khai thác giải mã và tách sóng lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS Hồ Văn Khương Trong đó, nguồn tin là nơi tạo ra các bản tin chứa đựng những thông tin cần phát đi, các bản tin này có thể là các từ, các ký hiệu mã v.v... Đầu ra của nguồn tin là chuỗi các ký hiệu được biến đổi từ bảng chữ cái nào đó, thông thường là các ký hiệu nhị phân. Đầu ra của nguồn tin có nhiều thông tin dư nên bộ mã nguồn được thiết kế để chuỗi đầu ra của nguồn tin trở thành chuỗi các chữ số nhị phân có độ dư thừa cực tiểu. Nếu bộ mã nguồn tạo ra rb bit/giây thì rb được gọi là tốc độ dữ liệu. 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 lỗi xuất hiện trên đường truyền. Bộ mã kênh ấn định bản tin k chữ số đầu vào thành bản tin mới n chữ số đầu ra dài hơn gọi là từ mã. Một bộ kiểm soát lỗi được gọi là tốt khi nó tạo ra các từ mã có khoảng cách sai khác nhau (khoảng cách Hamming lớn). Mỗi bộ mã được mô tả bằng tỷ số R = k/n < 1 được gọi là tốc độ mã, do đó tốc độ dữ liệu đầu ra bộ mã kênh là rc= rb/R bit/giây. Như vậy, bộ mã kênh làm giảm tốc độ truyền dữ liệu và làm tăng độ rộng băng tần trên kênh. Để 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 bít thông tin như các hệ thống điều chế nhiều mức (QPSK, MPSK, QAM, TCM...). Một bộ điều chế M mức thực hiện sắp xếp khối n chữ số nhị phân n đầu ra bộ mã kênh thành một trong M các dạng sóng có thể, trong đó M = 2 . Quá trình điều chế có thể được thực hiện bằng cách biến đổi giá trị biên độ, pha hoặc tần số của dạng sóng hình sin còn được gọi là tải tin. Chu kỳ dạng sóng đầu ra bộ điều chế là T giây và rs= 1/T được gọi là tốc độ ký hiệu. Độ rộng băng tần tín hiệu cực tiểu là rs[Hz]và được biểu diễn như sau : rs = rb [Hz] nR (1.1) Kênh là phương tiện được sử dụng để truyền tải tin. Ví dụ, kênh hữu tuyến điện, kênh vô tuyến điện, kênh sợi quang... Hai ảnh hưởng quan trọng nhất của kênh là tạp HVTH: Trầm Đức Huy Trang 10 Khai thác giải mã và tách sóng lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS Hồ Văn Khương nhiễu và độ rộng băng tần. Ngoài ra, trong kênh thông tin di động còn bị hạn chế bởi truyền lan đa đường, trong cáp sợi quang còn bị tán sắc tín hiệu... Tuỳ theo yêu cầu đầu vào bộ giải mã kênh, bộ giải điều chế tạo ra chuỗi nhị phân hay lượng tử. Bộ giải mã kênh thực hiện đánh giá bản tin thu được, với mục tiêu làm giảm tối thiểu ảnh hưởng tạp nhiễu trên kênh, quá trình giải mã được dựa trên nguyên tắc mã hoá và đặc tính của kênh. Sau đó, bộ giải mã nguồn biến đổi chuỗi đầu vào thành chuỗi đầu ra và phân phối tới nơi nhận tin. Hình 1.2 : Sơ đồ phân loại mã kênh 1.1.2 Kênh truyền vô tuyến Một trong những thành phần quan trọng của hệ thống vô tuyến là mã hóa kênh truyền và điều chế. Vấn đề quan trọng cần được quan tâm xem xét là làm sao để giảm được tỷ lệ lỗi bit BER với một tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR cho trước. Tín hiệu sau khi mã hóa sẽ chuyển sang kênh truyền trước khi được giải mã. Chất lượng của hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán trước được, kênh truyền vô tuyến thì ngẫu nhiên và có nhiều khó khăn trong phân tích. Tín hiệu phát đi qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các tòa nhà, núi non, cây cối,… bị tán xạ, phản xạ, nhiễu xạ,… các hiện tượng này gọi chung là fading. Và kết quả là tại máy thu, ta có rất nhiều phiên bản khác nhau của HVTH: Trầm Đức Huy Trang 11 Khai thác giải mã và tách sóng lặp trong thông tin vô tuyến GVHD : TS Hồ Văn Khương tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống vô tuyến. Ta cần xem xét đến các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền Hiệu ứng đa đường Nhiễu đa đường là sự kết hợp của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ,… của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng. Tín hiệu thu được tại máy thu là tổng của các thành phần này, tín hiệu phức tạp do biên độ và pha có nhiều thay đổi so với tín hiệu gốc. Hình 1.3 : Hiệu ứng đa đường trong môi trường truyền vô tuyến Trong hệ thống băng thông hẹp, tín hiệu phát thường chiếm một băng thông nhỏ hơn băng thông coherent của kênh truyền. Do đó, tất cả các thành phần phổ của tín hiệu phát dễ bị suy giảm cùng mức fading. Dạng fading này được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hoặc fading phẳng. Mặt khác, nếu băng thông tín hiệu phát lớn hơn băng thông coherent của kênh truyền, các thành phần phổ của tín hiệu phát lớn hơn băng thông coherent thì bị fading một cách độc lập. Phổ của tín hiệu nhận được sẽ bị méo, vì thế mối liên hệ giữa các thành phần phổ khác nhau sẽ không giống nhau. Hiện tượng này gọi là fading chọn lọc tần số. Kênh truyền AWGN Kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise) còn gọi là kênh nhiễu trắng cộng là kênh truyền có nhiễu có biên độ phân bố Gaussian với trung bình (mean) bằng 0 và phương sai (variance) bằng σ n2 . σ n2 cũng chính là công suất của nhiễu AWGN. Phương sai σ n2 và mật độ công suất một phía No của nhiễu liên hệ bởi : HVTH: Trầm Đức Huy Trang 12 Khai thác giải mã và tách sóng lặp trong thông tin vô tuyến σ n2 = GVHD : TS Hồ Văn Khương No 2 (1.2) Với sơ đồ điều chế BPSK đơn giản hóa, bit 0 được điều chế thành -1, bit 1 được điều chế thành 1 và giả sử độ dài bit là 1, ta thu được năng lượng của mỗi bit Eb=1. Khi đó, tỷ số năng lượng bit trên nhiễu thành : Eb 1 1 = = N o N o 2σ n2 (1.3) Suy ra : σ= 1 E 2 b No (1.4) Biễu diễn dưới dạng dB : 1 σ= 2.10 ⎛ Eb ⎞ ⎟ ⎜ ⎜ N ⎟ ( dB ) / 10 ⎝ o⎠ (1.5) Đây chính là công thức được sử dụng để tính độ lệch chuNn của AWGN từ giá trị cho trước của Eb No Hình 1.4 : Hàm mật độ phân bố Gaussian Kênh truyền Fading Rayleigh Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gaussian trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố Ryaleigh có hàm mật độ xác suất : HVTH: Trầm Đức Huy Trang 13