LOGO

ọ

ở

ệ

ộ S  Khoa H c Và Công Ngh  Hà N i

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

ồ

Lê H ng Phúc

SĐT

: 0973975007

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

Email    : lephuckhcn@gmail.com

ộ

N i dung

Mô hình Hệ thống thông tin số

Tổng quan về mã kênh

Khái niệm và cấu trúc bộ mã chập

Thuật toán giải mã Viterbi

Chương tình mô phỏng và kết quả

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

ệ ố

ố

Mô hình h  th ng thông tin s

ơ ả Mô hình c  b n

www.themegallery.com

LOGO

ả

ế

Mô t

chi ti

t mô hình

ự ứ ả ồ Ngu n tin là n i t o ra các b n tin ch a đ ng

ơ ạ ầ ữ ả

ệ

ầ ườ ệ ỗ ồ ủ ng là các ký

ệ ể nh ng thông tin c n phát đi, các b n tin này có th   là các bit, các ký hi u mã v.v... Đ u ra c a ngu n  tin là chu i các ký hi u, thông th ị hi u nh  phân.

ỗ Kênh truy n là nguyên nhân ch  y u gây ra l

ề ệ ả i  i mã kênh)

ự ể ệ

ưở ủ ể ả i thi u các  nh h ỗ ng c a

ễ ủ ế ộ cho tín hi u thu, nên b  mã kênh (gi th c hi n thêm vào các bit ki m tra vào chu i  ố ằ thông tin nh m gi m t ề ườ nhi u trên đ ả ệ ng truy n lên tín hi u

www.themegallery.com

LOGO

ả

ế

Mô t

chi ti

t mô hình

ể ợ ớ

ộ ế ự ệ ắ

ầ ệ ộ ề ộ

ế ỗ ạ ớ ặ ệ ợ  (các ký hi u) phù h p v i đ c tính kênh

Đ  tín hi u đ u ra b  mã kênh phù h p v i kênh  ỗ ề truy n, b  đi u ch  th c hi n s p x p các chu i  ố ầ s  đ u ra b  mã kênh thành chu i d ng sóng  ự ươ ng t t truy n. ề

ể ề ệ ộ

ố ề ư ề

ứ ế ề Đ  tăng t c đ  truy n, m i ký hi u (symbol) có th   ể ỗ ệ ố mang nhi u bit thông tin nh  các h  th ng đi u  ch  nhi u m c (QPSK, MPSK, QAM...).

www.themegallery.com

LOGO

ả

ế

Mô t

chi ti

t mô hình

Kênh truyền nhiễu Gaussian Tạp 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.com

LOGO

ả

ế

Mô t

chi ti

t mô hình

Trong 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.com

LOGO

Mã hóa kênh

ệ

ộ ố ư ậ

ấ ệ ườ

ị ể ộ ng xác đ nh c u trúc b  mã, nh m giúp cho  ệ i tín hi u,

ậ

ạ ả ỗ ả i x y ra  ố ệ ể ử ộ

ệ ố ườ

i ta  ắ ử ụ ộ

ệ ể ỗ ụ ỗ ề ộ ể  đ ng :mã đi u khi n l i m t cách t i

Mã hóa kênh là vi c đ a thêm các bit d  vào tín  ư ậ hi u s  theo m t quy lu t nào đó, qui lu t này  ằ th ả bên thu có th  phát hi n và gi i mã thu l ượ th m chí bên thu có th  s a đ c c  l ấ ề trên kênh truy n khi b  mã có c u trúc t t H  th ng thông tin không dây ngày nay, ng ạ ự ộ ơ hay s  d ng m t lo i mã có th  phát hi n và kh c  ph c l (ECC), hay chính xác h n là FEC

www.themegallery.com

LOGO

ạ Phân lo i Mã kênh

www.themegallery.com

LOGO

ẽ ớ

ệ

Mã kênh s  gi

i thi u

Block Code  Linear Code 

Cyclic Code

Trellis Code  Linear Code 

Convolution Code

www.themegallery.com

LOGO

ệ

ố

Phân bi

t mã kh i và mã trellis

ớ ứ ố Mã hóa kh i là mã hóa không nh .T c là khi ta

ỗ ữ ệ ộ

ủ ấ ộ ố ộ cho m t chu i d  li u K bit, thì ngõ ra c a b  mã  ố ữ ệ hóa kh i là m t kh i d  li u n bit duy nh t.

ậ ế ố ố

ộ

ấ ụ ậ ỗ ộ

ộ ữ ệ ủ ệ ả ố ỗ

ỉ ệ ủ ằ ậ c đánh giá b ng t  l

Mã hóa ch p(mã trellis) không k t n i các kh i bit  ẽ ố ừ  mã, thay vào đó nó s   riêng vào trong m t kh i t ộ ọ ch p nh n m t chu i bit liên t c và ta  thành m t  chu i ngõ ra. Hi u qu  hay t c đ  d  li u c a mã  ố ượ hóa ch p đ  c a s  bit ngõ  ố vào k, và s  bit ngõ ra n.

www.themegallery.com

LOGO

ố

ế

Mã kh i tuy n tính

ả mã:

Chia b n tin thành các  ượ ố ồ ọ c g i là t ừ ữ  d

T  d  li u và t ừ ữ ệ ừ ỗ ố kh i(block), m i kh i g m k bit, đ li u ệ (datawword)

ố ể ạ Thêm r bit d  vào m i kh i đ  t o thành kh i g m

ớ ượ ỗ  mãừ ố ồ (codeword), v i n = k + m ư ọ c g i là n bit đ t

www.themegallery.com

LOGO

ộ

ố ọ S  h c modulo (phép c ng  modulo)

ự

ệ ế ẽ ế ả ả  Phép toán XOR : 2 bit gi ng nhau khi th c hi n XOR  ố ẽ s  cho k t qu  là 0, 2 bít khác nhau s  cho k t qu  là 1

www.themegallery.com

LOGO

ả

Kho ng cách Hamming

www.themegallery.com

LOGO

ả

ố

ể

Kho ng cách Hamming t

i thi u

www.themegallery.com

LOGO

ố

ể ể i thi u đ

ả Kho ng cách Hamming t ệ ỗ i phát hi n l

www.themegallery.com

LOGO

ố

ể ể i thi u đ

ả Kho ng cách Hamming t ử ỗ i s a l

www.themegallery.com

LOGO

ố

ế

Mã kh i tuy n tính

www.themegallery.com

LOGO

Mã Hamming

www.themegallery.com

LOGO

ụ ề

Ví d  v  mã Hamming

www.themegallery.com

LOGO

ộ

ấ

C u trúc b  mã Hamming

www.themegallery.com

LOGO

ả

ử ỗ

ắ Quy t c gi

i mã s a l

i bên thu

www.themegallery.com

LOGO

ả

ử ỗ

ắ Quy t c gi

i mã s a l

i bên thu

www.themegallery.com

LOGO

ộ

ệ

ậ

Khái ni m b  mã ch p

ỗ

ằ

ượ ạ

ề

ố ạ

ượ ổ

ể

ợ

ầ

ượ

ườ

ể

ễ

ậ

c bi u di n là (n, k, m)

ng đ

 Mã ch p đ ậ c t o ra b ng cách cho chu i thông tin truy n  ế ị ệ ố qua h  th ng các thanh ghi d ch tuy n tính có s  tr ng thái  ộ ở ạ ữ c t ng h p b i các b  XOR đ  tính toán  h u h n, và đ ạ tr ng thái đ u ra.  M t b  mã ch p th ộ ộ  Trong đó :

 n là số bit ở đầu ra tương ứng với k bit đi vào bộ mã  k là số bít đi vào bộ mã trong mỗi chu kì mã  m 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.

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

ụ ọ ộ ấ ậ Ví d  minh h a c u trúc b  mã ch p (2,1,2)

B  mãộ

t là chu i g

Tính toán đ u raầ  Hai đa th c sinh c a b   ộ ủ ứ ỗ 1=  ầ ượ

ầ

ố

mã l n l [1 1 1] và g2 =[ 1 0 1]  Đ u vào là x, t c đ  mã  ộ ầ ẽ hóa là ½ s  cho ta 2 đ u  ra là c(1) và c(2).

ả ử

 Gi

ỗ ầ  s  chu i đ u vào là  m = {1, 1,  0,  0, 1,  0, 1}

www.themegallery.com

LOGO

ọ

ộ

ậ

ấ ụ Ví d  minh h a c u trúc b  mã ch p  (2,1,2)

B  mãộ

Tính toán đ u raầ  c(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.com

LOGO

ộ ố ộ

ụ

ậ

M t s  b  mã ch p thông d ng

ề ộ ộ ố B  mã có chi u dài K = 9, t c đ  mã hóa R =1/2,

ứ đa th c sinh la g(x) = [753 ,561]

www.themegallery.com

LOGO

ộ ố ộ

ụ

ậ

M t s  b  mã ch p thông d ng

ộ ề ộ ố

ử ụ ộ ủ ứ ệ c s  d ng dành cho kênh PBCH c a trong h

ượ ố B  mã có chi u dài K = 7, t c đ  mã hóa R = 1/3 ,  đa th c sinh la g(x) = [133,171, 165], b  mã này  đ th ng LTE­4G

www.themegallery.com

LOGO

ộ ộ

ể

ễ

ậ

Cách bi u di n m t b  mã ch p

Sơ đồ hình cây

Các 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.

Biểu diễn mã chập

Sơ đồ lưới

Bảng chuyển trạng thái đưa ra đáp ứng trạng thái tương ứng của đầu ra theo đầu vào

Bảng chuyển trạng thái

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

ể

ễ

ướ

Bi u di n d

i mô hình hình cây

ủ ậ ớ S  đ  hình cây c a b  mã ch p (2, 1, 2) v i đa  ộ

ơ ồ ứ th c sinh (7, 5)

www.themegallery.com

LOGO

ể

ễ

ướ

Bi u di n d

i mô hình l

ướ i

ơ ồ ướ ủ ứ ậ ộ ớ S  đ  l i c a b  mã ch p (2, 1, 2) v i đa th c

sinh (7, 5)

www.themegallery.com

LOGO

ơ ồ

ạ

ể S  đ  chuy n tr ng thái

ể ạ ơ ồ ể ạ B ng chuy n tr ng

ả thái S  đ  chuy n tr ng  thái

www.themegallery.com

LOGO

ậ

ả

Thu t toán gi

i mã

ả ả

Thu t toán gi ậ Thu t toán gi ậ

i mã Viterbi i mã LOG­MAP

www.themegallery.com

LOGO

ậ

ả

Thu t toán gi

i mã Viterbi

ả ệ ự ự c th c hi n d a trên

ự ượ ơ ồ ố

ủ ữ

ượ ề ặ

ả ộ

ề ậ ặ ế ượ ừ c t

Thu t toán gi ậ i mã Viterbi đ ơ ồ ướ ọ s  đ  l i(hay còn g i là s  đ  trellis) Th c hi n d a vào thông s  metric đó chính là  ệ ự ệ ả ặ kho ng cách Hamming gi a c p bit c a ký hi u  ể ủ ậ c và c p bit có th  c a kênh  truy n  nh n đ ơ ượ (kho ng cách Hamming đ c tính m t cách đ n  ữ ằ ả gi n b ng cách đ m có bao nhiêu bit khác gi a  ặ c p bit nh n đ  kênh truy n và c p bit so  sánh)

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

ả

ế

Mô t

chi ti

ậ t thu t toán

Bước 1

Chọn một trạng thái có thông số metric nhỏ nhất và lưu lại

Bước 2(Truy hồi (traceback))

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.

Bước 3

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 tiếp

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

ạ

ả

Phân lo i gi

i mã

ả

ứ

ả

ề

Gi

ế ị i mã quy t đ nh c ng

Gi

ế ị i mã quy t đ nh m m

Giải mã quyết định cứng sử dụng loại lượng tử hóa 1 bit trên các giá trị kênh nhận được. Giải mã quyết định mềm sử dụng loại lượng tử hóa nhiều bit trên các giá trị kênh nhận được.

Thuật toán đơn giản nhưng chất lượng thông tin thu được không cao. Thuật toán phức tạp hơn nhưng chất lượng thông tin thu được rất tốt.

www.themegallery.com

LOGO

ơ ồ

ỏ

ố

S  đ  kh i mô ph ng

Phần phát

Mã hóa

Đầu vào

Điều chế

Mã hóa kênh

Tạo ra luồng

Điều chế BPSK

bằng mã xoắn

bit ngẫu nhiên

3. Title

Kênh

Tạo ra kênh

nhiễu Gauss

Giải mã

Đầu ra

Giải điều chế

So sánh và tính BER

Giải mã bằng Viterbi

Luồng bit sau giải mã

Giải điều chế BPSK

Phần thu

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

ỏ

ằ

Mô ph ng b ng Systemvue

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

ế

ượ

ả K t qu  thu đ

c

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

ỏ

ằ

Mô ph ng b ng C

ươ

ng

ổ ủ

ườ ề

Ch trình cho phép thay  ố đ i các thông s   ệ ố ể c a h  th ng đ   ỏ mô ph ng các  ợ tr ng h p mã hóa,  ế đi u ch  và các mô  hình kênh truy n ề gi

l pả ậ .

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

ơ ồ ự

ỏ

ệ

ằ

S  đ  th c hi n mô ph ng b ng C

www.themegallery.com

LOGO

ế

ượ

ả K t qu  thu đ

c

ộ

B  mã có K = 3

Khi cho K thay đ iổ

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

Ứ

ủ

ụ

ộ

ậ

ng d ng c a b  mã ch p

Mã chập được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin hiện tại:

Trong các thiết bị

Sử dụng phổ biến

Sử dụng trong các

truyền thông của

trong các điện thoại

modem dải tần âm

quân đội, các thiết bị

di động GSM, 3G, 4G

(voiceband modems)

thu phát vệ tinh

ệ ử

ệ

ễ

LTE

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

(V.32, V.17, V.34)

LOGO

ộ

ờ

M t vài l

ậ i nh n xét

 Qua mô phỏng bộ mã xoắn trên 2 loại kênh truyền, ta rút ra được một số kết luận như sau:

Bộ mã xoắn có K càng lớn cho ta chất lượng thu càng tốt

Kênh truyền Gauss có độ nhiễu nhỏ hơn so với kênh Rayleigh

Công suất phát tín hiệu càng lớn thì độ chính xác thu càng tốt

Thuật toán giải mã cũng là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng của tín hiệu thu về

Bộ mã xoắn với nhiều ưu điểm được sử dụng rộng rãi trong thông tin truyền thông

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông

LOGO

LOGO

Hà nội 3/2014

ệ ử

ệ

ễ

Vi n Đi n t

­ Vi n thông