Ứng dụng hệ thống điều chế mã có xáo trộn vị trí bít và giải mã lặp để nâng cao chất lượng ghiđọc dữ liệu

Cũng như ở trong các hệ thống liên lạc số, một số phương pháp liên kết với mã kênh đã được áp dụng trong việc ghi dữ liệu, bao gồm một mã sửa lỗi đại số kết hợp với một mã điều chế.. Tuy

Më ®Çu

Như chúng ta đã biết, việc lưu trữ và phục hồi dữ liệu của thông tin số

là một trường hợp đặc biệt của liên lạc số Các đường liên lạc truyền thông tin

từ nơi này đến nơi khác, trong khi đó các thiết bị lữu trữ dữ liệu truyền thông tin từ thời điểm này đến thời điểm khác Bởi vậy khi lý thuyết thông tin cung cấp các nền tảng lý thuyết cho thông tin số, thì ngoài ra nó còn được xem là

cơ sở để hiểu các giới hạn cơ bản đối với tỷ lệ dữ liệu và mật độ lưu trữ trong việc ghi dữ liệu số tin cậy

Cũng như ở trong các hệ thống liên lạc số, một số phương pháp liên kết với mã kênh đã được áp dụng trong việc ghi dữ liệu, bao gồm một mã sửa lỗi đại số kết hợp với một mã điều chế Mã điều chế vòng trong có chức năng chính là làm phù hợp các tín hiệu được ghi với kênh vật lý và với các kỹ thuật

xử lý tín hiệu được sử dụng trong phục hồi dữ liệu Trong khi đó các mã sửa lỗi vòng ngoài được thiết kế để loại trừ các lỗi còn lại sau quá trình nhận dạng

và giải điều chế.

Song song với sự phát triển của truyền dẫn số, lĩnh vực ghi từ cũng có những phát triển vượt bậc trong suốt hơn 60 năm qua Nếu tăng tỷ lệ truyền dẫn số tin cậy là thành quả của truyền tin thì mục tiêu của các kỹ thuật ghi từ

là tăng mật độ ghi Để đạt được mục tiêu này, các nghiên cứu được tiến hành trên cả ba hướng, đó là a) Nghiên cứu về vật liệu và phương pháp ghi, b) Mô hình hóa kênh ghi, và c) Các phương pháp xử lý tín hiệu và mã hóa Trong luận án này giới hạn việc nghiên cứu về mã hóa và giải mã cho các kênh ghi

kênh ghi từ có thể xem là một kênh ISI bị ràng buộc đầu vào nhị phân San bằng và mã hoá là những công cụ hữu ích nhất để đạt được truyền tin tin cậy trên các kênh như vậy Tuy nhiên, ràng buộc đầu vào nhị phân yêu cầu phải

có tăng ích mã hoá lớn để bù suy giảm chất lượng do tăng tỷ lệ hóa mã, và chính điều này làm hạn chế khả năng áp dụng kỹ thuật mã hoá cho ghi từ Trong những năm gần đây, việc phát minh ra mã Turbo và mã LDPC đã thúc đẩy những nghiên cứu về mã tiệm cận dung lượng và các thuật toán giải mã lặp cho ghi từ

Sơ đồ điều chế mã có hoán vị bit và giải mã lặp (BICM-ID: Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding), có cấu trúc kết hợp giải điều chế/giải mã mềm theo nguyên lý xử lý lặp, trong đó việc giải mã từng bit được tiến hành dựa trên thông tin về các bit khác trong cùng dấu Thông tin này được cải thiện qua từng lần lặp, và khi đạt mức độ hoàn hảo thì bộ tín hiệu M mức có thể được coi tương đương như M / 2 cặp tín hiệu BPSK độc lập [33] Nếu phép ánh xạ được lựa chọn hợp lý nhằm tăng cự ly Ơ-cơ-lit tối thiểu giữa các cặp tín hiệu BPSK này đối với tất cả các vị trí bit trong khi vẫn giữ được cự ly Hamming như mong muốn, thì sơ đồ BICM-ID

sẽ phát huy hiệu quả cao trên kênh Gauss nhờ nguyên lý giải mã lặp [34] Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào mã chập, bộ hoán vị, bộ tín hiệu, phương pháp ánh xạ chuỗi bít lên bộ tín hiệu và phương pháp giải

mã lặp

Trong [2], TS Nguyễn Bình Minh đã nghiên cứu cơ bản về mã chập và trình bày phương pháp tìm mã chập tốt nhất cho kênh Gauss Trong [2] đã khẳng định có thể sử dụng tiêu chuẩn xác suất lỗi để đánh giá trực tiếp các mã chập tại từng vùng SNR, các mã tốt theo cách đánh giá này được gọi là mã theo tiêu chuẩn tối thiểu hoá xác suất lỗi (Tiêu chuẩn OEP) Cận xác suất lỗi OEP của mã chập và phương pháp tính cận bằng số là cơ sở để thực hiện việc

đánh giá mã theo OEP bằng công cụ máy tính Khi thực hiện đánh giá và lựa chọn mã theo tiêu chuẩn OEP ta nhận được các mã tốt theo tiêu chuẩn OEP Tồn tại các mã chập tương đương, ta sẽ nhận được mã tương đương khi đảo chiều, đảo cột ma trận sinh Khi đánh giá mã theo tiêu chuẩn OEP thì ta chỉ cần xét đến một đại diện trong nhóm mã tương đương

Trong [3], TS Nguyễn Văn Giáo nghiên cứu đề xuất một số giải pháp

để cải thiện chất lượng hệ thống BICM-ID điều chế đa mức (M-PSK) cho kênh thông tin vô tuyến Trong hệ thống BICM-ID việc giải mã lặp tại phần thu nếu dùng thuật toán Log-Map thì nó rất nhạy cảm với sai số ước lượng tỷ

số SNR, còn nếu dùng thuật toán Max-Log-Map thay cho thuật toán Log-Map làm cho hệ thống BICM-ID giảm độ phức tạp tính toán, tuy nhiên chất lượng

có giảm sút do sai số trong phép tính xấp xỉ Trong [3], TS Nguyễn Văn Giáo

đã chứng minh trong mỗi vòng lặp giải mã việc dùng hệ số chuẩn hoá SF để nhân với thông tin ngoài làm thông tin tiên nghiệm cho vòng lặp sau có thể cải thiện chất lượng của hệ thống BICM-ID sử dụng thuật toán Log-Map và Max-Log-Map Giá trị tối ưu của SF cho thuật toán Max-Log-Map là 0,55 và cho thuật toán Log-MAP là SF=0,85 Hơn nữa, với SF = 0,6 đã giúp hệ thống BICM-ID sử dụng Log-MAP bớt nhạy cảm với sai số khi ước lượng SNR Hệ thống vẫn đảm bảo chất lượng khi ước lượng SNR có sai số từ 0 dB đến 4 dB

Trong hệ thống BICM-ID sử dụng điều chế đa mức để sử dụng thông tin của bít này để giải mã cho các bít khác trong cùng Symbol Đối với các bộ ánh xạ đa mức, hiệu quả của chúng khi sử dụng trong hệ thống BICM-ID liên quan chặt chẽ đến hồ sơ cự ly Ơ-cơ-lít Bít nào có cự li bit càng lớn thì xác suất lỗi của bít ở vị trí đó càng nhỏ, nói cách khác là mức bảo vệ bít lớn hơn Trên cơ sở khái niệm ánh xạ có mức bảo vệ đều, [3] đã trình bày phương pháp xây dựng bộ ánh xạ tín hiệu bằng cách lấy ánh xạ theo phân hoạch tập (SP) làm cơ sở, sau đó lấy bít có mức bảo vệ thấp nhất cộng modulo 2 vào

bít có mức bảo vệ bít cao nhất

Với một bộ tín hiệu M-PSK, từ trạng thái đối xứng ban đầu, nếu dịch chuyển vị trí các điểm tín hiệu lệch đi sao cho cự ly bít tăng lên, thì chắc chắn cải thiện được hiệu quả của hệ thống Có thể điều chỉnh vị trí các điểm tín hiệu trong chòm sao tín hiệu thích nghi theo tỉ số SNR để cải thiện phẩm chất BER của hệ thống Trong [3] đã đề xuất phương pháp và lựa chọn tham

số điều chỉnh tối ưu điểm tín hiệu trong chòm sao 4-PSK và 8-PSK thích nghi với SNR, theo nghĩa đạt sàn lỗi thấp nhất tại SNR cho trước Các kết quả này

có thể dùng cho thuật toán thích nghi nhằm đạt được chất lượng tốt nhất cho kênh biến đổi chậm

Nhiều công trình nghiên cứu về BICM-ID [3], [33], [52], [47], [57] đã khẳng định rằng sơ đồ này phát huy hiệu quả cao trong hệ thống truyền tin trên kênh Gauss Tuy nhiên hệ thống BICM-ID lại đòi hỏi điều chế đa mức, điều này làm hạn chế việc áp dụng trực tiếp mô hình BICM-ID cho ghi từ do tín hiệu đầu vào kênh ghi từ bị ràng buộc phải là nhị phân Với mục đích ứng dụng các kỹ thuật mã hoá và xử lý tín hiệu rất thành công trong các hệ thống thông tin số cho các hệ thống ghi từ để nâng cao chất lượng ghi/đọc dữ liệu,

luận án chọn đề tài nghiên cứu “ Ứng dụng hệ thống điều chế mã có xáo trộn vị trí bít và giải mã lặp để nâng cao chất lượng ghi/đọc dữ liệu“

Luận án này đề xuất một phương án xây dựng bộ điều chế/giải điều chế

đa chiều kết hợp với việc chọn các cặp mã hoá – ánh xạ tốt nhất để có thể ứng dụng hệ thống BICM-ID cho các hệ thống ghi từ, đồng thời cũng để mở khả năng cho những phát triển nghiên cứu sau này

Mục tiêu và cũng là nhiệm vụ cụ thể của đề tài là giải quyết các vấn

đề sau:

• Hệ thống BICM-ID đạt được hiệu quả cao trong hệ thống truyền tin Tuy nhiên hệ thống BICM-ID lại đòi hỏi điều chế đa mức, điều này làm hạn

chế việc áp dụng trực tiếp mô hình BICM-ID cho ghi từ Vấn đề nghiên cứu

là thiết kế bộ điều chế/giải điều chế đa chiều kết hợp với việc chọn các bộ ánh

xạ có mức bảo vệ bit trung bình lớn trong hệ thống điều chế mã có hoán vị bit

và giải mã lặp (BICM-ID) để ứng dụng cho các hệ thống ghi từ

• Khoảng cách tự do của mã biểu hiện chất lượng của mã kênh, người ta

đã dùng nó trong các công thức tính cận xác suất lỗi của mã Khi xét thêm ảnh hưởng của điều chế trong một hệ điều chế mã hoá thì trọng số của cự ly bit của bộ tín hiệu điều chế cũng sẽ tham gia vào công thức tính cận xác suất lỗi của hệ thống BICM-ID Chất lượng của hệ thống BICM-ID tăng cùng với số điểm tín hiệu (mã vòng trong) và số trạng thái của máy mã chập (mã vòng ngoài) Tuy nhiên độ phức tạp cũng tăng theo, trong khi các hệ thống đọc/ghi

dữ liệu yêu cầu độ trễ xử lý nhỏ Để có thể đơn giản trong thiết kế, đánh giá

hệ thống BICM-ID dùng tín hiệu đa chiều cho ghi từ, luận án xây dựng mô hình hệ thống tuyến tính trên cơ sở khái niệm ánh xạ lỗi bit đều BGU

• Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào mã chập, bộ hoán vị,

bộ tín hiệu và ánh xạ từ chuỗi bit lên bộ tín hiệu Để nâng cao hiệu quả của sơ

đồ BICM-ID điều chế đa chiều cho ghi từ, luận án trình bày phương pháp và kết quả tìm kiếm vét cạn cặp máy mã - ánh xạ tốt nhất trong hệ thống BICM-

ID dùng tín hiệu lưỡng cực nhị phân trong không gian đa chiều

• Các hệ thống giải lặp thường dùng thuật toán Log-MAP để đạt được phẩm chất tốt nhất về BER Tuy nhiên việc dùng thuật toán này có hai yếu điểm, đó là khá phức tạp trong tính toán và yêu cầu ước lượng chính xác SNR Khi chuyển sang tín hiệu đa chiều thì số điểm (véc tơ) tín hiệu tăng lên,

độ phức tạp tính toán cao Luận án nghiên cứu áp dụng kết quả về hệ số chuẩn hoá để thay thuật toán Log-MAP bằng thuật toán Max-Log-MAP đơn giản hơn trong khi không suy hao nhiều về phẩm chất

Đối tượng nghiên cứu

Sơ đồ điều chế đa chiều xây dựng từ tập { }± 1 , ánh xạ có xác suất lỗi bit

đều, và hệ thống BICM-ID sử dụng các ánh xạ và bộ tín hiệu đa chiều

Phương pháp nghiên cứu

- Xây dựng mô hình toán học của hệ thống bằng giải tích

- Phân tích chất lượng bằng giải tích kết hợp với mô phỏng máy tính

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài đã đạt được các kết quả nghiên cứu khoa học là:

• Đề xuất tiêu chuẩn thiết kế các cặp mã hoá – ánh xạ tốt nhất cho sơ đồ BICM-ID với hoán vị từng dòng bit

• Đưa ra một phương pháp điều chế đa chiều, đa điểm tín hiệu để có thể ứng dụng hệ thống BICM-ID cho các hệ thống ghi từ

• Trình bày phương pháp và kết quả tìm kiếm cặp mã hóa - ánh xạ tốt nhất cho hệ thống BICM-ID điều chế đa chiều

• Đề xuất sử dụng hệ số chuẩn hoá SF cho hệ thống BICM-ID điều chế

đa chiều

Bố cục của luận án: Luận án được chia thành 3 chương với nội dung

chính như sau:

Chương 1 trình bày về: cấu trúc hệ thống ghi từ, các tính chất cơ bản

của quá trình ghi; tín hiệu ghi; đặc tính của nhiễu; các mô hình toán học của kênh ghi; các giới hạn lý thuyết thông tin về dung lượng của các mô hình kênh ghi; các kỹ thuật nhận dạng và xử lý tín hiệu đã được ứng dụng rộng rãi trong ghi từ; các ràng buộc mà các chuỗi đầu vào kênh phải thỏa mãn để đảm bảo sự làm việc thành công của quá trình nhận dạng và xử lý dữ liệu

Chương 2 trình bày về: Hệ thống BICM-ID và các yếu tố ảnh hưởng

tới chất lượng của hệ thống BICM-ID; xác định một lớp các ánh xạ mới cho phép đơn giản hoá việc thiết kế và đánh giá hệ thống BICM-ID Cận trên xác suất lỗi bit mới cho hệ thống BICM-ID cũng được đề xuất cùng với kết quả tìm kiếm bằng máy tính cặp mã hoá - ánh xạ tốt nhất cho hệ thống BICM-ID với hoán vị từng dòng bit

Chương 3 đề xuất một phương án áp dụng nguyên lý xử lý tín hiệu của

sơ đồ điều chế mã có hoán vị bit và giải mã lặp (BICM-ID) cho ghi từ trên cơ

sở coi véc-tơ của m dấu nhị phân { }± 1 liên tiếp như là một điểm trong tập tín

hiệu đa chiều Có nghĩa là chúng ta thay việc ánh xạ một bit vào một dấu nhị phân { }± 1 bằng ánh xạ một tổ hợp m bit vào một véc-tơ chứa m dấu nhị phân

{ }± 1 , với m≥ 2 Trình bày phương pháp và kết quả tìm kiếm vét cạn các cặp máy mã - ánh xạ tốt nhất cho sơ đồ BICM-ID dùng tín hiệu lưỡng cực điều chế đa chiều Đề xuất áp dụng hệ số chuẩn hoá SF để đơn giản việc tính toán trong hệ thống BICM-ID

Hình 1 2 Sơ đồ khối hệ thống ghi từ

Ghi từ là quá trình lưu trữ dữ liệu số bằng hình thức từ hóa một môi trường vật lý (môi trường ghi) Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thực hiện lưu trữ rất nhiều dữ liệu trên các vật liệu từ tính Thẻ tín dụng, vé tàu xe, phù hiệu an ninh, đĩa cứng máy tính, máy ảnh, băng video … chứa các dữ liệu

số được ghi lại bằng từ tính Dung lượng lưu trữ của đĩa cứng đã tăng lên một cách đáng kể từ khi phát minh ra đĩa cứng đầu tiên của IBM năm 1957

Tín hiệu ghi

Tín hiệu đọc lại

Tương ứng với dung lượng ngày càng tăng của các thiết bị lưu trữ là sự phức tạp của việc xử lý tín hiệu cần thiết để đọc và chuyển đổi tín hiệu từ tính trở thành tín hiệu số.

Lịch sử của việc xử lý tín hiệu trong các hệ thống ghi từ có thể chia một cách rõ ràng thành 2 giai đoạn Giai đoạn 1 từ năm 1956 đến năm 1990, các thiết bị lưu trữ truy nhập trực tiếp dựa vào các phương pháp tách sóng tương tự, nổi bật nhất là phương pháp tách sóng đỉnh Giai đoạn 2 từ năm

1990 đến nay, ngành lưu trữ chuyển sang kỹ thuật số, dựa vào san bằng đáp ứng xung bộ phận và tách sóng chuỗi hợp lý cực đại, một phương pháp đã được giới thiệu trước đây 40 năm bởi Kobayashi và Tang [27], [28], [29]

Trước năm 2006, mật độ ghi từ cao nhất cũng chỉ đạt tới 200 Gb/in2 trên các hệ thống ghi từ phương ngang (Longitudinal Magnetic Recording - LMR) [41] Ghi từ phương đứng (Perpendicular Magnetic Recording - PMR) với mật độ ghi đạt tới 1 Tb/in2 là một thay thế quan trọng cho LMR [41], [42] nhờ nhiều ưu thế cho ghi từ mật độ cao Các phát triển tiếp theo như ghi từ trên mẫu bit (Bit-Patterned Media - BPM) [43], ghi từ hỗ trợ bằng nhiệt (Heat Assisted Magnetic Recording - HAMR) [44], và ghi từ hỗ trợ bằng vi sóng (Microwave Assisted Magnetic Recording - MAMR) [65] đã đưa mật độ ghi vượt quá vài Tb/in2 Gần đây nhất, ghi từ hai chiều (Two-Dimensional Magnetic Recording - TDMR) [61] đang là một phương pháp ghi từ mới cho phép đạt mật độ tới 10 Tb/in2 Để giữ tính nguyên tác của số liệu tham khảo, ở đây luận án sử dụng đơn vị inch (1 in = 2,54 cm)

0.1.1 Nguyên lý ghi từ

Các phần tử từ tính trên băng hoặc đĩa từ được từ tính hoá bằng đầu từ theo một trong 2 hướng Trong các hệ thống lưu trữ, thông tin số được lưu trữ theo các rãnh trong miền từ tính này Chúng ta ghi các số nhị phân trong mỗi rãnh bằng cách từ tính hoá các hạt hoặc miền từ tính theo một trong 2 hướng

Phương pháp này được gọi là phương pháp ghi bão hoà Các số nhị phân được ghi thường được gọi là các “bit kênh” Chú ý rằng từ “bit” được sử dụng

ở đây là viết gọn lại của từ “số nhị phân” (binary digit) và nó không phải là

một đơn vị đo thông tin Trong thực tế chúng ta biết rằng khi mã hoá mỗi bit kênh chỉ biểu diễn một phần của một bit thông tin của người sử dụng Chúng

ta sẽ giả thiết có một hệ thống lưu trữ đồng bộ, trong đó các bit kênh truyền với tỷ lệ cố định là 1/ T bit trên giây, trong đó T là thời gian tồn tại của một bit Trong tất cả các hệ thống lưu trữ được sử dụng ngày nay, các thiết bị từ tính và các bộ chuyển đổi đọc/ ghi (đầu đọc/ghi) dịch chuyển phù hợp với nhau Nếu mối liên hệ giữa một rãnh và đầu từ là không đổi thì khoảng thời gian không đổi của một bit được biến đổi thành mật độ bit kênh tuyến tính không đổi Điều này được phản ánh trong chiều dài tương ứng với một bit kênh dọc theo rãnh

Tín hiệu đầu vào tiêu chuẩn được cấp cho đầu từ (đầu ghi), trong quá trình này có thể xem tín hiệu như là một dạng sóng hai mức, giả sử là +1 và -1, tồn tại trong các khoảng thời gian T Và trong dạng sóng này thì các chuyển đổi từ mức này sang mức khác sẽ chuyển tải thông tin số một cách hiệu quả, bởi vậy nó bị ràng buộc để xuất hiện tại các thời điểm bội số nguyên lần của thời gian chu kỳ dấu T Chúng ta có thể mô tả tín hiệu số như là một dẫy x x x x= 0 1 2 nhận giá trị lưỡng cực { }± 1 , trong đó x k là biên độ tín hiệu trong các khoảng thời gian từ kTđến (k+ 1)T Trong mô hình đơn giản nhất,

mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của kênh ghi từ số có thể được xem là tuyến tính và được xác định bởi đáp ứng chuyển đổi h t( ) Trong trường hợp không có nhiễu, thì tín hiệu đầu ra y t( ) tương ứng với một sự chuyển đổi đơn,

ví dụ từ -1 sang +1 tại thời điểm t= 0, được tạo ra bởi dạng sóng biểu diễn bởi dẫy x như công thức (1.1), với x−1 = 1.

1 0

Chú ý rằng chuỗi vi sai b k = −x k x k−1 lấy giá trị trong bảng tam phân {0, -2, +2}

và các giá trị khác không tương ứng với các chuyển đổi trong tín hiệu đầu vào Hình 1.2 mô tả quá trình ghi và đọc lại tín hiệu với ghi từ theo phương ngang

Hình 1.2: Quá trình ghi từ theo phương ngang

0.1.2 Mô hình kênh ghi

Hệ thống thông tin số và hệ thống ghi từ có nét tương đồng giữa vấn đề truyền dữ liệu và vấn đề lưu trữ dữ liệu Tín hiệu tại đầu vào bộ tách sóng trong hệ thống ghi từ tương tự như trong hệ thống thông tin số bất kỳ Bởi vậy nếu chúng ta có một mô hình chính xác của kênh ghi từ, chúng ta sẽ có thể áp dụng các kỹ thuật mã hoá và xử lý tín hiệu rất thành công trong hệ thống thông tin số cho ghi từ

2 1

h t w

t PW

Trong (1.2) w PW= 50 là độ rộng xung tại một nửa biên độ đỉnh và được

xác định bởi độ rộng chuyển tiếp trong môi trường ghi và khoảng cách từ đầu

từ đến môi trường ghi Đại lượng đo lường thường dùng cho mật độ ghi là

50 /

s

D =PW T, trong đó T là chu kỳ dấu Đây là tham số quan trọng nhất để

mô tả các kênh trong một hệ thống ghi từ PW 50 /T càng cao thì chu kỳ dấu

càng ngắn do đó mật độ ghi từ càng cao Đáp ứng bậc thang Lorentz với

t x

( ) k ( , ) ( )

k

r t =∑x p t kT w− +n t , (1.5)với ( , )p t w =h t w( , )−h t T w( − , )

Hình 1.3: Đáp ứng bậc thang kênh Lorentz với PW50 /T = 2

0.1.2.2 ISI trong hệ thống ghi từ

Mật độ ghi D s =PW50 /Tcho biết số bit được ghi trong khoảng

50

w PW= Sự chồng lấn của các xung đọc liền kề là nguyên nhân gây ISI

trong hệ thống ghi từ Với một mật độ ghi D s lớn hơn sẽ gây ra sự phân tán nhiều hơn của các xung đọc lại và do đó gây ra ISI lớn hơn trong hệ thống Hình 1.4 và Hình 1.5 cho thấy sự gia tăng phân tán của các đáp ứng chuyển

đổi đối với ghi từ theo phương ngang và theo phương đứng khi mật độ ghi tăng Ngoài ra chúng ta cũng quan sát thấy cường độ của tín hiệu đọc lại giảm khi mật độ ghi tăng do ISI tăng [11], [62],

Hình 1.4 Sự phân tán của các đáp ứng chuyển đổi đối với ghi từ

theo phương ngang ở các mật độ ghiD s khác nhau

Hình 1.5 Sự phân tán của các đáp ứng chuyển đổi đối với ghi từ

theo phương đứng ở các mật độ ghiD s khác nhau

0.1.2.3 Mô hình tạp âm trong ghi từ

Tạp âm trong tín hiệu đọc lại của hệ thống ghi từ xuất hiện từ hai nguồn chính: tạp âm điện tử đến từ đầu đọc và bộ tiền khuếch đại; tạp âm môi trường tồn tại do lỗi của phương tiện ghi và do sự liên kết trong miền từ tính không hoàn hảo Tạp âm điện tử chính là tạp âm Gauss trắng và có thể được

mô hình hóa như là một thành phần thêm vào ở đầu ra của kênh ghi Tạp âm môi trường cũng có thể được mô hình hóa như tạp âm Gauss trắng ở nguồn nhưng nó cũng chịu cùng quá trình xử lý đọc như dữ liệu người dùng Vì vậy

nó có thể được mô hình hóa như một loại tạp âm Gauss trắng cộng tính được

lọc bởi đáp ứng xung kênh I m (t) [62] Với mô hình kênh Lorentz I m (t) được

xác định theo (1.6)

2 2

50

8

2

σ tương ứng là phương sai của của tạp âm điện tử và tạp âm môi trường

[62] Chú ý rằng phương sai tạp âm là một hàm của độ rộng băng thông 1/T

Tỷ lệ SNR của kênh được xác định tại đầu ra của bộ lọc trước như công thức (1.7) [62]

( ) ( )

2

2 2

Hình 1 6: Mô hình tạp âm kênh ghi từtrong đó b t( ) là đáp ứng của bộ lọc trước Tham số f e mô tả hệ số tạp âm điện

tử ở đầu ra của bộ lọc trước như công thức (1.8) [62]

2 2

2 2

1

e e

b t dt T

σ là các tham số cơ bản trong mô hình tạp âm và mô hình

kênh ghi, trong khi SNR có thể đo được tại những mật độ ghi khác nhau Với

độ rộng xung PW 50 xác định, tốc độ lấy mẫu 1/ T, kênh SNR và f e , 2

0.2 Lý thuyết Shannon cho các kênh bị ràng buộc

Trong mục này sẽ mô tả hoạt động của các hệ thống ghi dựa trên nguyên

lý tách sóng đỉnh và tách sóng xử lý hợp lí cực đại cho đáp ứng xung một

Tạp âm điện tử

Đáp ứng xung kênh p(t,T)

Tín hiệu đọc

Bộ lọc

trước b(t)

1 - D

Đáp ứng xung kênh

Đáp ứng xung kênh

phần (PRML), lập luận cho sự cần thiết đối với các ràng buộc bị áp đặt lên các dãy đầu vào kênh Sau đó chúng ta đối chiếu các kết quả cơ bản của Shannon với lý thuyết của các kênh và các mã bị ràng buộc Các mô hình PR

và EPR được nhắc đến ở đây sẽ được mô tả chi tiết trong 1.3

0.2.1 Các ràng buộc về điều chế

0.2.1.1 Các ràng buộc chiều dài dẫy dấu lặp (RLL)

Tại các mật độ ghi vừa phải, các lỗi tách sóng đỉnh có thể tăng lên vì ISI do sự dịch chuyển của các vị trí đỉnh và trễ của pha đồng hồ do một số lượng không tương xứng các vị trí đỉnh được tách sóng

Đặc biệt, để giảm ảnh hưởng của nhiễu xung thì có thể đặt ra yêu cầu đối với các chuỗi sao cho chuỗi vi sai b kcủa đầu vào kênh bao gồm ít nhất d

các dấu giá trị 0 giữa các giá trị khác không liên tiếp Một cách tương tự để đảm bảo khôi phục đồng bộ thì yêu cầu các chuỗi có nhiều nhất k dấu giá trị

0 giữa các giá trị khác không liên tiếp trong b k Chúng ta gọi tính chất này là ràng buộc (d k, )

Trong mục này chúng ta đề cập tới hai dạng thức được sử dụng để ánh

xạ một dãy nhị phân z z z= 0 1 thành mẫu từ hoá dọc theo một rãnh hoặc tương

đương với dẫy nhị phân hai mức x Trong dạng thức được gọi là không trở về không (NRZ), một hướng của từ hoá được ghi (hoặcx i = + 1) tương ứng cho

dấu 1 và hướng khác được ghi (hoặcx i = − 1) tương ứng cho dấu 0 Trong dạng

thức khác, được gọi là đảo hướng không trở về không NRZI (NonReturn to Zero inverse), thì một sự đảo hướng của từ hoá (hoặc b k = ± 2) biểu diễn số 1

được ghi và sự không đảo hướng từ hoá (hoặc b k = 0) biểu diễn số 0 được ghi.

Dạng thức tiền mã hoá NRZI có thể được giải thích như là một chuyển đổi của dẫy thông tin nhị phân z thành dẫy nhị phân khác a a a= 0 1 Tức là nó

sẽ được ánh xạ bởi dạng thức NRZ thành dẫy hai mức a Mối quan hệ giữa z

và a được xác định bởi: a =a i i-1 ⊕z i, với a−1= 0 và ⊕ là cộng Modulo 2 Dễ dàng chỉ ra rằng

do đó b k = 2z k Như vậy trong dạng thức tiền mã hoá NRZI, các ràng buộc về

độ dài lặp của các dấu 0 liên tiếp trong b k được phản ánh trong các ràng buộc

(d k, ) tương ứng trong dẫy thông tin nhị phân z Tập các chuỗi thoả mãn ràng buộc này có thể được tạo ra bằng cách đọc các nhãn của các đường dẫn trong biểu đồ hướng được chỉ ra trong Hình 1.7

Hình 1.7: Biểu đồ hướng được dán nhãn với ràng buộc (d k, )

0.2.1.2 Các ràng buộc cho kênh PRML

Có 2 vấn đề xuất hiện trong hoạt động của các hệ thống PRML liên quan đến thuộc tính của các dẫy được ghi [26] Vấn đề đầu tiên là giống như trong các hệ thống tách sóng đỉnh, các dẫy mẫu 0 dài trong đầu ra kênh đáp ứng xung một phần PR (Partial Response) có thể làm suy giảm chỉ tiêu khôi phục đồng bộ và các vòng điều khiển hệ số khuếch đại Điều này yêu cầu sử

dụng một ràng buộc toàn bộ G trong một số các mẫu 0 liên tiếp, tương tự với

các ràng buộc k đã mô tả ở trên

1

Vấn đề thứ hai xuất hiện từ một thuộc tính của các hệ thống PR được xem như là sự lan truyền lỗi thảm hoạ Điều này đề cập đến thực tế rằng các chuỗi đầu ra kênh PR vô hạn hai phía được biểu diễn bởi nhiều hơn một đường trong lưới tách sóng Một chuỗi như vậy được tạo ra bởi ít nhất hai chuỗi đầu vào kênh riêng biệt Đối với các kênh PR với đa thức truyền

( ) (1 ) (1M ) ,N , 0

h D = −D −D M N ≥ các giá trị vi phân e x= − 1 x2tương ứng với các

cặp đầu vào x x1 , 2 được mô tả một cách dễ dàng Đặc biệt nếu M > 0 và N =

0 thì các dẫy vi phân này sẽ là (0)∞, (+1)∞ và (-1)∞ Nếu M = 0, N > 0 thì các

dẫy vi phân này có dạng (0)∞, (+1,-1)∞ và (-1,+1)∞ Còn nếu M > 0, N > 0 thì

sẽ là (0)∞, (+1)∞ , (-1)∞, (+1,-1)∞ , (-1,+1)∞, (+1,0)∞ , (0,+1)∞,(0)∞, (+1,-1)∞ và 1,+1)∞, (-1,0)∞ , (+1,0)∞

(-Hệ quả của việc tồn tại các chuỗi này là có thể có một trễ lớn không giới hạn vượt quá bất kỳ chỉ số nào trước khi các đường sống còn hợp lại trong quá trình tách sóng Viterbi, thậm chí cả trong trường hợp không có nhiễu [26] Bởi vậy người ta có thể mong muốn ràng buộc các chuỗi đầu vào kênh sao cho các chuỗi vi phân này bị cấm Thuộc tính này cho phép hạn chế chiều dài nhớ đường tách sóng và bởi vậy giảm độ trễ giải mã mà không chịu bất kỳ sự thiệt hại đáng kể nào trong việc đánh giá chuỗi được tạo ra

Trong trường hợp PR4, chuỗi này được thực hiện bằng cách giới hạn chiều dài lặp của các đầu vào giống nhau trong việc chèn chẵn và chèn lẻ Hoặc một cách tương đương, chiều dài lặp của các mẫu 0 trong mỗi lần chèn tại đầu ra kênh là không lớn hơn một số nguyên dương I Bằng cách kết hợp tiền mã hoá NRZI được chèn (INRZI), các ràng buộc G và I trên các chuỗi đầu ra biến đổi thành các ràng buộc G và I trong các dẫy vào nhị phân z Kết quả là các ràng buộc được biểu diễn bởi (0, /G I) Trong đó 0 được xem là ràng buộc d = 0, điều này nhấn mạnh một điểm rằng ISI có thể chấp nhận

được trong cỏc hệ thống PRML Cần phải chỳ ý rằng tổ hợp cỏc ràng buộc

(0, /G I) và một bộ tiền mó hoỏ INRZI thường được sử dụng để phũng ngừa việc truyền lỗi thảm hoạ trong cỏc kờnh EPR4

0.2.1.3 Cỏc ràng buộc phổ khụng

Họ cỏc ràng buộc hạn chế chiều dài dẫy lặp (d k, )và cỏc ràng buộc PRML(0, /G I) là cỏc ràng buộc mà trờn thực tế mụ tả của nú là nằm trong miền thời gian (mặc dự, núi một cỏch chớnh xỏc, cỏc ràng buộc này cú cỏc liờn quan đến cỏc đặc tớnh miền tần số của cỏc chuỗi bị ràng buộc) Cú những ràng buộc khỏc mà sự biểu diễn của nú phự hợp nhất là trong miền tần số Một ràng buộc như vậy chỉ rừ rằng cỏc chuỗi x đó ghi cú phổ khụng tại một tần số đặc biệt f , tức là hàm mật độ phổ cụng suất trung bỡnh của cỏc chuỗi này cú giỏ trị bằng 0 tại tần số đặc biệt đú Cỏc dẫy này được coi là cú phổ 0 tại tần

số f

Đối với toàn bộ các chuỗi với các dấu đợc thể hiện ở dạng lỡng cực {+1,-1} và đợc tạo ra bởi một biểu đồ hớng hữu hạn có dán nhãn nh minh hoạ trong Hình 1.8, điều kiện cần và đủ cho phổ 0 tại tần số f = ( / )(1/ )m n T , trong

đú T là khoảng thời gian một dấu đó ghi, là tồn tại một hằng số B sao cho:

đối với tất cả các dẫy đợc ghi x x x x= 0 1 L−1 và 0 ≤ ≤ < l l' L

Trong ghi từ, cỏc ràng buộc phổ khụng quan trọng nhất là cỏc ràng buộc ộp một phổ khụng tại tần số f = 0 hoặc DC Cỏc chuỗi này được gọi là

triệt tiờu một chiều (dc-free) hoặc đó bị hạn chế tải Khỏi niệm tổng dẫy số (

RDS) cú một vai trũ quan trọng trong việc mụ tả và phõn tớch cỏc chuỗi triệt

'

2 /

i i

tiêu một chiều Đối với một chuỗi lưỡng cực x x x x= 0 1 L−1, thì RDScủa một chuỗi phụ ( )x xl l' được ký hiệu là RDS x x( )l l' và được xác định bởi

Từ (1.9) chúng ta thấy một điều quan trọng là mật độ phổ của các chuỗi này triệt tiêu tại tần số f = 0 khi và chỉ khi giá trị RDS nhận một số lượng hữu

hạn các giá trị Đối với các chuỗi nhận một dải N các giá trị RDS liên tiếp thì

chúng ta nói rằng sự biến thiên tổng Digit của chúng (DSV) là N Hình 1.8 chỉ

ra một biểu đồ mô tả hệ thống triệt tiêu một chiều, lưỡng cực với DSV=N.

Hình 1.8: Các chuỗi ràng buộc triệt tiêu một chiều với DSV =N

Các chuỗi triệt tiêu một chiều được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống ghi quang và các hệ thống ghi từ số Trong các hệ thống băng từ có đầu

từ quay như là hệ thống băng âm thanh số RDAT, các chuỗi triệt tiêu một chiều cho phép tránh méo tín hiệu ghi, loại méo có thể xuất hiện do việc ghép biến áp trong các mạch ghi Trong các hệ thống ghi quang, các chuỗi triệt tiêu một chiều này giảm xuyên nhiễu giữa dữ liệu và các tín hiệu phục vụ, và ngoài ra còn cho phép lọc các nhiễu tần số thấp, các nhiễu bắt nguồn từ các vết bẩn trên bề mặt đĩa Ứng dụng của các ràng buộc triệt tiêu một chiều chắc

' '

chắn khụng chỉ hạn chế trong việc ghi dữ liệu Từ những ngày đầu tiờn khi thụng tin số đó thực hiện bằng đường dõy, cỏc mó triệt tiờu một chiều đó được ứng dụng để chống lại cỏc ảnh hưởng của việc cắt tần số thấp gõy ra bởi cỏc thành phần ghộp nối, cỏc biến ỏp cỏch ly, và cú thể cỏc suy giảm khỏc của hệ thống.

Ngoài ra các chuỗi có phổ không tại tần số f = 1/ 2Tcũng có vai trò rất

quan trọng trong ghi số Các chuỗi này thờng đợc xem là thoả mãn tiêu chuẩn triệt tiêu ISI của Nyquist Trong thực tế có một mối liên hệ chặt chẽ giữa các chuỗi triệt tiêu một chiều và triệt tiêu ISI Nyquist Đặc biệt cần xem xét các chuỗi x={ }x i trong bảng ký tự lỡng cực { }± 1 Nếu x là chuỗi triệt tiêu một chiều thì chuỗi x% ={ }x%i được xỏc định bởi x% = −( )1i x i, với i≥ 0 là triệt tiêu ISI Nyquist Các chuỗi triệt tiêu DC/Nyquist đều có phổ không tại tần số f = 0 và 1/ 2

f = T Các chuỗi nh vậy luôn có thể đợc phân chia thành một cặp các chuỗi

triệt tiêu một chiều đợc chèn

Trong một vài ứng dụng ghi người ta đó sử dụng cỏc chuỗi thoả món cả ràng buộc tải và ràng buộc chiều dài dẫy lặp RLL Đặc biệt, một dẫy z trong ràng buộc RLL- tải (d k c, ; )thoả mãn ràng buộc chiều dài dẫy lặp (d k, ), với một sự hạn chế là dẫy lỡng cực NRZI tơng ứng là triệt tiêu một chiều với DSV không lớn hơn N = 2c+ 1

0.2.2 Cỏc kờnh khụng nhiễu rời rạc

Trong phần 1.2.1, chỳng ta đó biết rằng để hoạt động tốt, cỏc kỹ thuật

xử lý tớn hiệu số và tương tự sử dụng trong ghi dữ liệu cú thể đũi hỏi cỏc chuỗi đầu vào kờnh nhị phõn thoả món cỏc ràng buộc cả trong miền thời gian

và miền tần số

Shannon đó thiết lập nhiều thuộc tớnh cơ bản của cỏc kờnh liờn lạc bị hạn chế đầu vào, khụng nhiễu Trong tài liệu cú tờn là “Cỏc hệ thống rời rạc

khụng nhiễu”, Shannon đó đề cập đến cỏc kờnh liờn lạc rời rạc giống như kờnh điện bỏo, trong đú cỏc dấu đó truyền cú thể cú cỏc khoảng thời gian tồn tại khỏc nhau và đó thoả món một tập cỏc ràng buộc như là thứ tự chỳng cú

thể xuất hiện Shannon định nghĩa dung lượng C của một kờnh rời rạc khụng

nhiễu là:

Trong đó N T( )là số lợng các chuỗi đã cho có độ dài là T

Shannon đó chứng minh rằng dung lượng C của một kờnh đó bị hạn chế

biểu diễn một giới hạn trờn về tỷ lệ truyền tin cú thể đạt được trờn kờnh này Hơn nữa, ụng đó định nghĩa một khỏi niệm cỏc chuỗi điển hỡnh và sử dụng khỏi niệm đú để chứng minh rằng việc truyền tin tin cậy tại cỏc tỷ lệ bất kỳ

nhỏ hơn dung lượng của kờnh C về mặt lý thuyết là cú thể đạt được

0.3 Cỏc kỹ thuật xử lý tớn hiệu cho ghi từ

0.3.1 San bằng trong hệ thống ghi từ

Nếu khụng cú sự trợ giỳp của mó hoỏ, thỡ tỏch súng tốt nhất đối với kờnh ISI là sử dụng bộ tỏch súng chuỗi hợp lớ cực đại (MLSD - Maximum likelihood sequence detector) [18] Tuy nhiờn do độ phức tạp của MLSD tăng theo hàm mũ với chiều dài ISI của đỏp ứng thời gian kờnh tớnh theo số chu kỳ dấu, vỡ vậy rất khú ỏp dụng trực tiếp MLSD cho cỏc kờnh ghi từ do chiều dài nhớ kờnh thường khỏ dài San bằng giỳp loại bỏ hoặc hạn chế ISI của kờnh sao cho dữ liệu cú thể khụi phục lại bằng bộ tỏch súng từng dấu hoặc bằng bộ tỏch súng MLSD đơn giản hơn, với số trạng thỏi ớt hơn trong lưới tỏch súng.Nếu ISI được loại bỏ toàn bộ thỡ cú thể khụi phục lại dữ liệu bằng bộ tỏch súng từng dấu Tuy nhiờn do kờnh ghi bị hạn băng, việc khử ISI bằng san

log ( ) lim

T

N T C

T

→∞

bằng cưỡng bức về không ZF (Zero forcing) và san bằng sai số bình phương trung bình cực tiểu MMSE (Minimum Mean Square Error) lại làm tăng nhiễu

do đó nó không được sử dụng trong hệ thống ghi từ Trong hệ thống ghi từ hiện nay có thể sử dụng san bằng hồi tiếp quyết định DFE (Decision Feedback Equalization) do nó không làm tăng nhiễu và thực hiện ít phức tạp hơn [62]

Để tránh tăng nhiễu và truyền lan lỗi, tất cả các bộ tách sóng kênh đọc hiện tại đều dựa vào san bằng để tạo dạng đáp ứng xung kênh thành một vài dạng ISI bị ràng buộc ngắn Sau đó bộ tách sóng Viterbi [19] thực hiện tách sóng chuỗi hợp lí cực đại trên kênh ISI đã được làm ngắn Việc tạo dạng thành kênh ISI hạn chế gây ra suy giảm chất lượng do san bằng Bởi vậy chất lượng của phương pháp này phụ thuộc vào sự phù hợp giữa kênh ghi cơ bản

và chiều dài ISI mục tiêu được hạn chế

San bằng tạo dạng kênh ghi cơ bản thành kênh hạn chế về ISI Chất lượng xử lý tín hiệu lúc này phụ thuộc vào việc mô hình hóa kênh đạt được (theo mục tiêu) có thực sự sát với kênh ghi cơ bản không Tuy nhiên, kể cả san bằng tốt nhất với tách sóng chuỗi hợp lí cực đại vẫn không đạt được giới hạn của bộ lọc phối hợp Để đạt được chất lượng tốt hơn thì phải kết hợp với

mã hoá [12]

0.3.2 Mã hoá cho ghi từ

Mã sửa sai thường được sử dụng để đạt được truyền dẫn thông tin tin cậy Mã hoá cung cấp khả năng sửa lỗi tại máy thu bằng cách thêm phần dư vào chuỗi dữ liệu sử dụng để đạt được sự phân tách chuỗi dữ liệu tốt hơn Bởi

vì đầu vào kênh ghi bị ràng buộc nhị phân, do đó cách duy nhất để cung cấp phần dư là tăng mật độ ghi và điều này làm cho các bit được ghi gần nhau hơn

và làm tăng tần số lấy mẫu ở tín hiệu đọc lại Mặt khác đáp ứng xung kênh

ghi p t T( , )và phương sai nhiễu là hàm của 1/ T Khi tỷ lệ lấy mẫu tăng làm cho nhiễu đầu vào bộ tách sóng kênh đọc tăng do mở rộng dải thông Hơn nữa năng lượng trong đáp ứng xung giảm vì các chuyển đổi âm và dương khử lẫn nhau (Hình 1.4 và Hình 1.5) dẫn đến giảm tỷ số SNR Để giữ tỷ lệ lấy mẫu đủ nhỏ, yêu cầu tăng tỷ lệ mã Rất khó để áp dụng mã hoá cho ghi từ bởi vì tăng ích mã hoá cần phải đủ lớn để bù được các suy hao do tỷ lệ mã nhỏ hơn 1, là trường hợp không mã Ví dụ, nếu hệ thống không mã với mật độ ghi là 2 thì đối với mã tỷ lệ 3/4 yêu cầu mật độ ghi PW50 /T = 2.67, điều này dẫn đến suy giảm tỷ số SNR là 3.2dB tại đầu ra kênh [9] Bởi vậy tăng ích mã hoá của mã

tỷ lệ 3/4 phải lớn hơn 3.2 dB để bù suy giảm do tăng tỷ lệ lấy mẫu Mã tỷ lệ 3/4 áp dụng cho kênh AWGN không có ISI chỉ gây ra suy giảm tỷ số SNR là

10

10log (4 / 3) 1.2dB = tại đầu vào bộ tách sóng do mở rộng dải thông [63] đã chỉ

ra rằng mã chập 8 trạng thái tỷ lệ 3/4 có tăng ích là 3.0dB và mã chập 16 trạng thái tỷ lệ 3/4 có tăng ích là 4.7dB, điều này có nghĩa là so với tăng ích yêu cầu

là 3.2dB thì tăng ích tương ứng với 2 loại mã kể trên lần lượt là -0.2dB và 1.5dB, vì vậy rất khó áp dụng mã chập cho các kênh ghi

Cho đến năm 1993, các nghiên cứu về mã cho kênh ghi tập trung vào các

mã có tỷ lệ cao có sự suy giảm SNR do tăng tỷ lệ lấy mẫu là nhỏ nhất Một vài mã tỷ lệ cao có tăng ích mã hoá tốt như mã MTR [37], TMTR [20], QMTR [38], MSN [32] Các mã này thường cung cấp độ lợi tăng ích mã hoá nhỏ hơn 2dB tại mật độ ghi cao

Trong những năm gần đây các nghiên cứu về mã cho ghi từ tập trung vào các mã có tăng ích mã hoá cao như mã LDPC [31], mã Turbo [50] Đây là các

mã sửa sai có tăng ích mã hóa cao, nhưng đổi lại chúng có độ phức tạp mã hóa, giải mã lớn hơn nhiều so với mã chập

0.3.3 Các bộ tách sóng cho các kênh không mã

Forney [18] đã đưa ra bộ tách sóng chuỗi tối ưu cho một kênh xuyên nhiễu tuyến tính, không mã hoá, và có nhiễu Gauss trắng cộng tính Phương pháp tách sóng này sử dụng bộ tách sóng chuỗi hợp lí cực đại MLSD bao gồm một bộ lọc thích nghi được lấy mẫu trên đầu ra với tốc độ symbol Sau

bộ lọc là một bộ tách sóng Viterbi mà cấu trúc lưới của nó phản ánh độ nhớ của kênh ISI Đối với mô hình kênh Lorentz vi phân, cũng như đối với nhiều

mô hình kênh thông tin, thì cấu trúc bộ tách sóng này rất khó thực hiện, yêu cầu một số lượng không hạn chế số trạng thái trong bộ tách sóng Viterbi Do

đó các kỹ thuật tách sóng cận tối ưu đã được thực hiện Cho tới đầu thập kỷ

90 của thế kỷ 20 thì hầu hết các thiết bị lưu trữ thậm chí không sử dụng các phương pháp tách sóng được lấy mẫu mà dựa vào bộ san bằng để làm giảm ảnh hưởng của ISI, kết hợp với tách sóng từng dấu tương tự dựa vào các đặc điểm của dạng sóng như là các vị trí đỉnh và các biên độ Sau khi các kỹ thuật

xử lý tín hiệu số trong các hệ thống ghi được xây dựng khá hoàn chỉnh thì bộ san bằng đáp ứng xung một phần và tách sóng Viterbi đã được áp dụng một cách rộng rãi Người ta đã chấp nhận thoả hiệp giữa khả năng thực hiện thực

tế và khả năng tối ưu so với MLSD Sau đây chúng ta sẽ tổng hợp một cách vắn tắt các đặc điểm chính của các phương pháp tách sóng này

của tín hiệu đầu vào đã được ghi Với một xung nhịp đồng bộ có chu kỳ là T,

có thể tái tạo lại dẫy tam phân b k và dẫy nhị phân x đã được ghi ở dạng gốc

Phương pháp tách sóng thực hiện quá trình này trong thiết bị ghi từ có nhiễu lớn được gọi là tách sóng đỉnh và nó làm việc như sau Bộ tách sóng đỉnh lấy vi phân tín hiệu đọc lại và xác định các khoảng thời gian mà trong khoảng thời gian đó xuất hiện việc đảo giá trị 0 Song song với việc đó, biên

độ của mỗi điểm cực tương ứng trong tín hiệu đọc được so sánh với ngưỡng đặt trước và nếu không vượt qua ngưỡng này thì việc đảo giá trị 0 được bỏ qua Điều này đảm bảo rằng tại các đỉnh ký sinh, biên độ thấp do nhiễu gây ra

sẽ bị loại bỏ Trong các khoảng thời gian này việc vượt ngưỡng chỉ ra là có một đỉnh Dãy ghi hai mức sau đó được xây dựng lại với một chuyển đổi cực tính tương ứng với mỗi khoảng thời gian chứa một đỉnh được tách sóng Sự chính xác của đồng hồ được duy trì bởi một mạch khôi phục đồng hồ

0.3.3.2 San bằng đáp ứng xung một phần kết hợp với tách sóng chuỗi hợp

lí cực đại (PRML)

Các hệ thống ghi mật độ cao hiện nay sử dụng một kỹ thuật gọi là xử lý hợp lí cực đại cho kênh đáp ứng xung một phần (PRML) Bây giờ chúng ta sẽ xem xét một cách vắn tắt bản chất của kỹ thuật này để thúc đẩy việc sử dụng các mã điều chế bị ràng buộc trong các hệ thống PRML

Kobayashi và Tang [29] đã đưa ra một phương pháp xử lý số để khắc chế ISI trong việc ghi từ Khác với phương pháp tách sóng đỉnh, phương pháp của họ xây dựng lại dữ liệu ghi dựa trên các giá trị lấy mẫu của tín hiệu đọc được san bằng với các mẫu đo được tại các thời điểm t kT k= ,( > 0) Tại các

mật độ bit kênh tương ứng với PW 50 ≈ 2, các đặc tính truyền đạt của mô hình

Lorentz của kênh ghi bão hoà gần giống với các đặc tính truyền đạt của bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung bậc thang h t( ) được xác định bởi công thức (1.11)

ππ

=

là hàm liên tục, tại các thời điểm lấy mẫu liên tiếp t = 0 và t T= , hàm h t( ) có giá trị là 1 Còn tại các giá trị t là bội số của T t nT,( = ) với n> 1 thì h t( ) = 0

Viết lại xếp chồng tuyến tính (1.1), tín hiệu đầu ra y t( )được xác định bởi:

tiếp đến có thể viết lại thành (1.12):

trong đó chúng ta đặt x−2 =x−1 =x0 Đáp ứng chuyển đổi dẫn đến việc kiểm

soát được ISI tại các thời điểm lấy mẫu, do đó các mẫu tín hiệu đầu ra là

( )

k

y = y kT , trong trường hợp không có nhiễu, và giả thiết rằng các giá trị nằm

trong tập {0, 2 ± } Bởi vậy trong trường hợp không có nhiễu, từ các giá trị lấy

mẫu đầu ra y k =y kT( ) chúng ta có thể khôi phục được dẫy nhị phân x đã được ghi vì nhiễu giữa các chuyển đổi lân cận bị hạn chế Khác với phương pháp tách sóng đỉnh, phương pháp này không yêu cầu sự phân chia các chuyển đổi

Việc lấy mẫu cung cấp một phiên bản rời rạc theo thời gian của mô hình kênh ghi này Đặt y k = y kT( ), mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra được

z ∑∞

=

= 0

Khi đú mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra trở thành.

là ‘loại 4’ và mụ hỡnh này được ký hiệu là ‘PR4’ Thapar và Patel [53] đã đa

ra các mô hình đáp ứng một phần có mật độ bit cao hơn, với các hàm đỏp ứng bậc thang

Tương tự, mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra cú dạng

trong đú đỏp ứng xung rời rạc ( ) , k

h D =∑h D , với N > 1 cú dạng:

( ) (1 )(1 )N

h D = −D +D

Đỏp ứng tần số tương ứng với h D( ) cú một điểm 0 cấp 1 tại tần số bằng

0, một điểm 0 cấp N tại tần số Nyquist, một nửa tần số dấu Ta thấy rằng mụ hỡnh PR4 tương ứng với N=1 Cỏc mụ hỡnh kờnh ứng với N ≥ 2 thường được

xem là mụ hỡnh mức 4 mở rộng và được ký hiệu là EN-1PR4 Ngày nay cỏc mụ hỡnh PR4, EPR4 và E2PR4 được sử dụng trong việc thiết kế hầu hết cỏc ổ đĩa từ

Tuy khụng thực sự liờn quan, tiện đõy luận ỏn giới thiệu mụ hỡnh sử dụng trong cỏc hệ thống ghi quang cú đỏp ứng xung rời rạc dạng

( ) (1 )N

N

h D = +D , với N≥ 1 Cỏc mụ hỡnh này phản ỏnh đặc tớnh đỏp ứng một

, 0

chiều khác không của một vài hệ thống ghi quang cũng như là sự suy giảm

tần số cao của nó Các mô hình với N=1 và N=2 tương ứng được gọi là mô

hình loại 1 (PR1) hoặc nhị phân đôi, và mô hình loại 2 (PR2) Mô hình ứng

với N >3 được gọi là mô hình loại 2 mở rộng và được ký hiệu là EN-2PR2

Nếu kênh Lorentz h t( )với AWGN được san bằng đến đáp ứng xung một phần mong muốn, thì tín hiệu đọc đã được lấy mẫu trở thành

( ) N( ) ( ) ( )

y D =h D x D +n D

trong đó y k = y kT( )và n k =n kT( ) Với giả thiết đơn giản rằng các mẫu nhiễu n k

là độc lập, cùng phân bố và có dạng Gauss thì đáp ứng xung bộ phận mong muốn được chọn sẽ phản ánh một cách chính xác đáp ứng của kênh ghi tại mật độ bit xác định, và bộ tách sóng chuỗi hợp lí cực đại sẽ xác định một cặp đầu vào, đầu ra ˆx và ˆy thoả mãn

Việc tính toán này có thể thực hiện theo đệ qui, sử dụng thuật toán Viterbi Thực tế, Kobayashi [27], [28] đã đề xuất sử dụng thuật toán Viterbi đối với tách sóng chuỗi hợp lí cực đại cho kênh ghi PR4 tại cùng thời điểm

mà Forney [18] đã chứng minh khả năng ứng dụng của nó đối với tách sóng chuỗi hợp lí cực đại trên kênh thông tin số với ISI

Hoạt động của thuật toán Viterbi và độ phức tạp của nó thường được

mô tả bởi sơ đồ lưới tương ứng với h D( )[18], [19], nó biểu diễn sự thay đổi theo thời gian của việc xử lý đầu vào đầu ra của kênh Cấu trúc lưới cho kênh

ENPR4 có 2N+2 trạng thái Trong trường hợp kênh PR4, mối quan hệ đầu vào - đầu ra y k = −x k x k−2 cho phép bộ tách sóng làm việc một cách độc lập trong các

dẫy phụ đầu ra tại các chỉ số thời gian chẵn và lẻ Sau đó thuật toán Viterbi có thể được mô tả bởi một cặp nhóm đã được chia của lưới 2 trạng thái, như đã

chỉ ra trong Hình 1.9 Người ta đã cố gắng áp dụng các cấu trúc bộ tách sóng Viterbi đơn giản để sử dụng trong các hệ thống ghi từ tỷ lệ dữ liệu cao

Hình 1.9 Sơ đồ lưới cho kênh PR4

1.3.3 Dung lượng kênh ghi

Mô hình cơ bản nhất của một hệ thống ghi từ bão hoà là một kênh xuyên nhiễu tuyến tính, ràng buộc đầu vào nhị phân với AWGN như được chỉ

ra trong Hình 1.10

Hình 1.10 Mô hình kênh ghi liên tục theo thời gian

Mô hình này đã và sẽ tiếp tục được sử dụng rộng rãi để so sánh chỉ tiêu

lý thuyết của các hệ thống mã hoá, điều chế và xử lý tín hiệu Trước kia đã có những nghiên cứu cố gắng tìm ra dung lượng của kênh này Hầu hết các nghiên cứu đã được thúc đẩy bởi việc phát triển sự liên kết giữa lý thuyết

0/0

0/-1

1/0 0/0

1/0 0/-1

1/1

1/1 0/-1

1/0 0/0

1/0

1/1 0/-1

( )

y t r t( ) = y t( ) +n t( ) ( )

x t P

-Bé läc tuyÕn tÝnh

Mật độ phổ công suất

thụng tin và truyền tin trong ghi từ [9], [60] Như chỳng ta thấy, việc phõn tớch chỉ hạn chế trong phạm vi cỏc mụ hỡnh kờnh băng gốc, việc mở rộng lờn cỏc mụ hỡnh kờnh băng thụng dẫn đến một hướng nghiờn cứu mở hơn.

1.3.3.1 Cỏc mụ hỡnh kờnh liờn tục theo thời gian

Đối với một kờnh đó mụ tả ở trờn, C AV biểu thị dung lượng với một sự ràng buộc cụng suất đầu vào trung bỡnh P C P biểu thị dung lượng với một ràng buộc cụng suất đỉnh P Cuối cựng C biểu thị dung lượng với cỏc mức đầu vào nhị phõn ± P Ta cú [26] C C≤ P ≤C AV

Giả sử rằng nhiễu cú mật độ phổ hai phớa là 2

1.3.3.2 Cỏc mụ hỡnh kờnh rời rạc theo thời gian

Dung lượng của cỏc mụ hỡnh kờnh rời rạc theo thời gian cú thể ứng dụng cho ghi số đó được nghiờn cứu bởi nhiều tỏc giả [24], [25], [48], [54] Dung lượng của một kờnh ghi khụng nhớ rời rạc theo thời gian bị hạn chế cụng suất đầu vào trung bỡnh với nhiễu Gauss cộng tớnh cựng phõn bố, độc lập được xỏc định bởi cụng thức (1.15) [21]

Trong đó σ2 là phơng sai của nhiễu và P là ràng buộc công suất vào trung bình Kết quả này là sự rời rạc theo thời gian, tơng đơng với công thức (1.14) của Shannon (Công thức đối với kênh liên tục theo thời gian) thông qua định

lý lấy mẫu Smith [49] đã chỉ ra rằng dung lợng của một kênh Gauss không nhớ, rời rạc theo thời gian, bị hạn chế biên độ có thể đạt đợc bằng một biến

2

2

1 log (1 )

ngẫu nhiên có giá trị hữu hạn, biểu diễn đầu vào với kênh mà phân bố của nó

đợc xác định là duy nhất bởi ràng buộc đầu vào (Chú ý rằng không giống nh trong trờng hợp ràng buộc công suất vào trung bình, kết quả này không thể biến đổi một cách trực tiếp sang mô hình liên tục theo thời gian)

0.4 Sơ đồ khối hệ thống ghi từ

Hỡnh 1.11 mụ tả sơ đồ ghi từ truyền thống, sơ đồ này thực hiện đơn giản, tuy nhiờn nú chỉ đảm bảo chất lượng ở mật độ ghi thấp

Sơ đồ ghi từ San bằng Turbo như trong Hỡnh 1.12 là một kỹ thuật tốt để loại bỏ ISI trong cỏc hệ thống ghi từ, do đú nú được sử dụng trong cỏc hệ thống ghi từ mật độ cao hiện nay Tuy nhiờn do sơ đồ san bằng Turbo coi kờnh cú nhớ là bộ mó chập vũng trong cú tỷ lệ mó bằng 1, do đú bộ mó hoỏ vũng ngoài và bộ hoỏn vị bit phụ thuộc rất lớn vào chớnh kờnh ghi, điều này khụng cho phộp chỳng ta tối ưu hoỏ bộ mó chập vũng ngoài với bộ hoỏn vị Mặt khỏc trong sơ đồ san bằng Turbo việc giải mó được thực hiện trờn lưới,

do đú độ phức tạp tớnh toỏn rất lớn bởi vỡ việc ước lượng kờnh được thực hiện trong cỏc vũng lặp

Với mục tiờu ứng dụng nguyờn lý BICM-ID cho ghi từ, luận ỏn đề xuất

mụ hỡnh ghi từ mới như trờn Hỡnh 1.13 Trong sơ đồ này việc ước lượng kờnh được thực hiện trong mụ hỡnh kờnh PRML, bởi vậy bộ mó hoỏ vũng ngoài, bộ hoỏn vị bit và bộ điều chế cú thể được tối ưu hoỏ, núi cỏch khỏc hệ thống BICM-ID sẽ cho BER thấp tại vựng sàn lỗi và độ phức tạp tớnh toỏn nhỏ hơn trong sơ đồ san bằng Turbo Trong sơ đồ Hỡnh 1.13 chỉ khỏc cỏc sơ đồ ghi từ

đang sử dụng PRML là cú thờm một khối Biến đổi tuyến tớnh ở phần ghi, cũn ở phần đọc thờm một khối Biến đổi tớn hiệu LLR Chớnh điều này cho

phộp ỏp dụng nguyờn lý này cho tất cả cỏc sơ đồ ghi từ theo mụ hỡnh kờnh PRML mà khụng phải can thiệp vào phần cứng

Hình 1.11: Sơ đồ ghi từ truyền thống.

Hình 1.12: Sơ đồ ghi từ Turbo Equalizer

Mã hoá RLL

Kênh ISI

MMSE Giải xáo trộn

Giải mã APP

Xáo trộn

Dữ liệu

Dữ liệu

Mã hoá RLL

Kênh PRML

Biến đổi tín hiệu LLR

Giải xáo trộn Giải mã APP

Xáo trộn

tuyến tính

Dữ liệu

0.5 Đặt vấn đề nghiên cứu

Tóm lại, mỗi phương pháp ghi từ đều phải được mô hình hóa và kết hợp với các phương pháp xử lý tín hiệu để tạo thành kênh ghi từ Nói chung, nhiễu xuyên dấu (InterSymbol Interference - ISI) là tác động tai hại nhất trong các kênh ghi từ, tăng tỷ lệ với mật độ ghi Cấu trúc của chíp kênh đọc thường bao gồm san bằng đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response - FIR) để tạo dạng tín hiệu đọc trước khi xử lý hợp lí cực đại Kỹ thuật này được đặt tên là

xử lý hợp lí cực đại cho đáp ứng xung một phần (Partial-Response Likelihood - PRML) [13] Một trong những mô hình được sử dụng nhiều nhất

Maximum-từ những năm 1990 đến nay là kênh PR4 và EPR4 (Extended Partial Response) Kênh PRML được tổng quát hóa thành hệ thống hợp lí cực đại có

dự báo tạp âm (Noise-Predictive Maximum Likelihood - NPML) [16] Kênh PRML tổng quát có thể được coi như là mô hình của một chuỗi các chức năng

xử lý tín hiệu bao gồm bù méo trước khi ghi, ghi, đọc, khuếch đại, lọc thông thấp, lấy mẫu, san bằng và làm trắng tạp âm Khi số khâu (taps) của san bằng

và dự báo là đủ lớn thì tạp âm tổng trên đầu ra của bộ dự báo được xấp xỉ bằng tạp âm Gauss trắng cộng tính (Additive White Gaussian Noise –

AWGN) [14] Hệ quả là các mã đã được tối ưu hóa cho kênh AWGN sẽ cũng cho phẩm chất tối ưu trên các kênh PRML.

Do các tác động xấu của ISI, tạp âm tĩnh, và tạp âm chuyển đổi mức (nhất là khi ghi mật độ cao), các xử lý PRML mới chỉ đảm bảo được tỉ lệ lỗi bit (Bit Error Rate - BER) ở khoảng 10−2 Để đạt được mức BER thấp hơn, cần sử dụng mã sửa sai mạnh ở vòng ngoài có tỉ lệ mã hóa tương đối thấp Cho đến nay người ta thường dùng mã Reed-Solomon (RS) trên cơ sở byte, kết hợp với hoán vị cũng theo byte Hiện nay các mã RS được cải tiến để dấu

mã có chiều dài lớn hơn một byte và chiều dài hoán vị cũng lớn hơn Gần đây,

trong ghi từ đã bắt đầu ứng dụng các mã mạnh như mã Turbo [50] và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (Low Density Parity Check - LDPC) [31]

Cấu trúc Máy mã vòng ngoài - Hoán vị (bit hoặc byte) - Điều chế số nhị phân đã trở thành cấu trúc phổ biến ở phía phát của tất cả các hệ thống ghi

từ hiện đại Cùng với việc xử lý lặp ở phía thu được mở rộng từ máy giải mã cho tới cả san bằng và dự báo để cải thiện phẩm chất của toàn bộ hệ thống, một kỹ thuật mới ra đời với tên gọi San bằng Turbo [55] Như là một lựa chọn khác, cấu trúc này gợi ý cho việc ứng dụng các kết quả của hệ thống điều chế

mã có hoán vị bit và giải mã lặp (BICM-ID) [33] cho ghi từ Tuy nhiên, điều chế nhị phân làm hạn chế việc áp dụng trực tiếp mô hình BICM-ID, vì mô hình này đòi hỏi điều chế m≥ 2 bit ( 2m

M = véc-tơ điểm tín hiệu) để có thể sử dụng độ tin cậy của bit này làm thông tin cho giải điều chế bit khác Mục đích ứng dụng hệ thống BICM-ID để nâng cao chất lượng cho các hệ thống ghi từ, luận án đi sâu vào nghiên cứu một số vấn đề sau:

Thứ nhất: Xác định một lớp các ánh xạ cho phép đơn giản hoá việc

thiết kế và đánh giá hệ thống BICM-ID Xây dựng cận trên xác suất lỗi bit mới cho hệ thống BICM-ID, dựa trên cơ sở cự li bit của bộ tín hiệu Tìm kiếm các cặp mã hoá - ánh xạ tốt nhất cho sơ đồ BICM-ID Kết quả này được trình bày trong chương 2

Thứ hai: Đề xuất một phương án áp dụng nguyên lý xử lý tín hiệu của

sơ đồ điều chế mã có hoán vị bit và giải mã lặp (BICM-ID) cho ghi từ trên cơ

sở coi véc-tơ của m dấu nhị phân { }± 1 liên tiếp như là một điểm trong tập tín

hiệu đa chiều, đa điểm Phương pháp này thay ánh xạ một bit vào một dấu nhị phân { }± 1 bằng ánh xạ một tổ hợp m bit vào một véc-tơ chứa m dấu nhị phân

{ }± 1 , với m≥ 2 Mô hình này cho phép giữ nguyên cấu trúc ghi bằng dòng đảo chiều, trong khi tạo ra được đa dạng các ánh xạ trong không gian mchiều, cho

phép tối ưu hóa hệ thống BICM-ID cho ghi từ Kết quả của nghiên cứu này được trình bày trong chương 3.

Thứ ba: Trình bày phương pháp và kết quả tìm kiếm vét cạn các cặp

máy mã – ánh xạ tốt nhất cho sơ đồ BICM-ID điều chế đa chiều cho ghi từ Kết quả của nghiên cứu này được trình bày trong chương 3

Thứ tư: Khi chuyển sang đa chiều, số điểm tín hiệu tăng lên làm cho hệ

thống BICM-ID trở nên phức tạp Thông thường thuật toán giải điều chế - giải mã được dùng là Log-MAP Thuật toán này cho phẩm chất tốt, nhưng tính toán phức tạp và yêu cầu ước lượng chính xác SNR Để giảm độ phức tạp

và tăng tính ứng dụng của hệ thống ghi từ được đề xuất, luận án nghiên cứu việc áp dụng SF để sử dụng thuật toán Max-Log-MAP thay cho thuật toán Log-Map, có độ phức tạp giải mã nhỏ hơn trong khi suy giảm chất lượng không nhiều Kết quả của nghiên cứu này được trình bày trong chương 3

Sơ đồ nghiên cứu và mô phỏng sẽ là sơ đồ trên Hình 1.13 Trong sơ đồ này việc xử lý theo mô hình kênh PRML được coi là hoàn hảo, lúc này khối kênh PRML được thay thế bằng kênh tập âm Gauss trắng cộng tính AWGN

Chương 2

HỆ THỐNG BICM-ID VÀ CÁC ÁNH XẠ NHẤT DẠNG

HÌNH HỌC MỨC BIT BGU2.1 Sơ đồ điều chế mã có hoán vị bit và giải mã lặp (BICM-ID)

2.1.1 Giới thiệu chung

Trong hệ thống thông tin số, việc kết hợp giữa bộ điều chế với bộ mã hoá thành một cấu trúc liên kết gọi là hệ thống điều chế mã CM (Coded Modulation) do J L Massey đề xuất đã phát huy rất tốt hiệu quả của cả bộ mã kênh và hiệu quả của bộ điều chế [35] Sơ đồ điều chế kết hợp với mã lưới (Trellis Coded Modulation - TCM) của Ungerboeck [58] tập trung vào việc xây dựng bộ ánh xạ tín hiệu theo kỹ thuật phân hoạch tập để cực đại hoá cự ly Ơ-cơ-lit tối thiểu giữa các chuyển đổi song song trong lưới mã, nhờ vậy hệ thống đạt hiệu quả cao trên kênh AWGN Tuy nhiên, do hệ thống TCM có bậc phân tập thấp nên hiệu quả trên kênh fading lại thấp Việc dùng các bộ hoán vị symbol và tránh các truyền dẫn song song là biện pháp kỹ thuật nhằm cải thiện hiệu quả của TCM trên kênh fading, tuy nhiên bậc phân tập trong hệ thống hoán vị symbol bị hạn chế bởi số lượng các symbol khác biệt dọc theo các sự kiện lỗi Như vậy, việc tăng bậc phân tập trong hệ thống hoán vị symbol trả giá bằng tăng mức độ phức tạp mã hoá và giải mã

Để cải thiện hiệu quả của hệ thống điều chế mã trên kênh fading, E Zehavi đã đề xuất một sơ đồ khác gọi là điều chế mã có hoán vị bit BICM (Bit Interleaved Coded Modulation) [64] Nhờ có bộ hoán vị bit, bậc phân tập của hệ thống đã tăng lên, chất lượng hệ thống được cải thiện trên kênh fading Tuy nhiên, sự trả giá ở đây là cự ly Ơ-cơ-lit tối thiểu bị giảm, do đó hiệu quả trên kênh AWGN kém hơn so với hệ thống TCM [64]