Tiểu luận môn học phát thanh và truyền hình (3)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG - - TIỂU LUẬN KỸ THUẬT PHÁT THANH VÀ TRUYỀN HÌNH MÃ HỐ RCPC Nhóm sinh viên: KIỀU MẠNH DŨNG B18DCVT062 LÊ TRUNG HIẾU B18DCVT150 ĐỖ NGỌC ANH TÚ B18DCVT366 Giảng viên: NGUYỄN THỊ THU NGA Hà Nội, năm 2022 Mục lục LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ I MÃ XOẮN VÀ CÁC KỸ THUẬT GIẢI MÃ CƠ BẢN 1.1 Mã xoắn tham số đặc trưng 1.2 Các thuật toán giải mã xoắn II KỸ THUẬT ĐỤC LỖ CHO MÃ XOẮN .8 III CHẤT LƯỢNG MÃ ĐỤC LỖ IV ỨNG DỤNG CỦA MÃ RCPC 12 4.1 Ứng dụng mã RCPC vào đường truyền lai ghép ARQ/FEC 12 4.2 Giao thức ARQ/FEC với mã RCPC .13 V KẾT LUẬN 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO .16 LỜI CẢM ƠN 17 LỜI NÓI ĐẦU Ra đời từ năm 50 (thế kỷ XX), thời kỳ mã xoắn không ứng dụng rộng rãi phương pháp giải mã ban đầu phức tạp cho chất lượng giải mã không cao Năm 1967, thuật toán Viterbi xuất mang lại hiệu sửa lỗi tốt cho mã xoắn đơn giản trình thực Ngày mã xoắn đóng vai trị chủ đạo hệ thống thơng tin đại, hệ thống thông tin di động tế bào mặt đất, hệ thống thông tin vệ tinh Việc nghiên cứu chất lượng sửa lỗi mã xoắn tỷ lệ khác xuất phát từ mã gốc với loại kênh truyền khác giúp cho việc ứng dụng mã xoắn hệ thống truyền tin hiệu Hôm nhóm 06 chúng em tìm hiểu ứng dụng mã xoắn mã RCPC DANH MỤC VIẾT TẮT Viết tắt AWGN ARQ Tên đầy đủ Additive White Gaussian Noise Automatic Request Repetion BPSK Binary Phase Shift Keying BER Bit Error Rate CRC Cyclic Redundancy Check FEC FER Forward Error Correction Frame Error Rate Rate-Compatible Punctured Convolutional Codes RCPC Dịch nghĩa Nhiễu trắng cộng Lặp lại yêu cầu tự động Khóa chuyển pha nhị phân Tỷ lệ lỗi bit Mã vòng kiểm tra dư thừa Sửa sai hướng Tỷ lệ lỗi frame Mã vòng đục lỗ tỉ lệ tương thích DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Bộ mã hóa xoắn với r = 1/2 K = Hình 2: Metric nhánh cho giải mã định cứng Hình 3: Bộ mã hóa mã PC dựa mã có tỷ lệ 1/n Hình 4: Bộ mã hóa mã PC tỷ lệ mã 2/3 Hình 5: Chất lượng sửa lỗi mã Qualcomm đục lỗ với tỷ lệ khác qua kênh Gauss 10 Hình 6: Chất lượng sửa lỗi mã Qualcomm đục lỗ với tỷ lệ khác qua kênh Rayleigh .11 Hình 7: Chất lượng sửa lỗi mã Qualcomm với mẫu đục khác qua kênh Gauss 12 Hình 8: Khn mã hóa ARQ-FEC với mã RCPC 14 I MÃ XOẮN VÀ CÁC KỸ THUẬT GIẢI MÃ CƠ BẢN 1.1 Mã xoắn tham số đặc trưng Đặc trưng quan trọng mã xoắn dấu mã phụ thuộc vào dấu thông tin thời điểm mà phụ thuộc vào số dấu thơng tin thời điểm trước Mã xoắn tồn hai dạng nhị phân phi nhị phân, nhiên thực tế mã xoắn nhị phân ứng dụng rộng rãi hơn, nên báo chọn đối tượng nghiên cứu mã xoắn nhị phân Cấu trúc tính chất mã xoắn (n, k, m) định đa thức sinh , tham số đặc trưng cho mã xoắn bao gồm: Tỷ lệ mã hóa r = , k số bít (dấu) thơng tin, n - bit (dấu) mã thời điểm; độ dài ràng buộc K = k.(m+1), đại diện cho số bit thông tin thời điểm trước ảnh hưởng đến bit mã thời điểm tại, m số ghi dịch thiết bị mã hóa; khoảng cách Hamming tự - tham số thể khả sửa lỗi mã xoắn Hình minh họa mã hóa xoắn có: với tỷ lệ mã hóa r = ½ Hình 1: Bộ mã hóa xoắn với r = 1/2 K = Hoạt động thiết bị mã hóa xoắn thể thơng qua bit thông tin đầu vào (mi), trạng thái thời điểm bắt đầu S0[i]S1[i]… Sm[i], trạng thái chuyển đến S0[i+1]S1[i+1]… Sm[i+1] bit mã đầu x1[i] x2[i]… xn[i] Để đơn giản cho việc thực mã hóa giải mã ta sử dụng sơ đồ lưới, tham số nêu thể đầy đủ sơ đồ lưới mã 1.2 Các thuật toán giải mã xoắn Các thuật toán giải mã xoắn tiếng bao gồm: - Thuật toán giải mã theo ngưỡng - Thuật toán giải mã nối tiếp - Thuật toán giải mã theo phương pháp hợp lẽ cực đại (ML) - Thuật tốn giải mã Viterbi Trong khn khổ báo cáo sâu trình bày thuật tốn giải mã Viterbi Ở thuật toán sử dụng hai metric metric nhánh (BM) metric tuyến (PM), kỹ thuật giải mã định cứng, ta nhận chuỗi bit kiểm tra lượng tử hóa Metric nhánh khoảng cách Hamming bit kiểm tra mong muốn (ghi lưới) bit nhận Một ví dụ hình 2, bit nhận 00 Cho chuyển đổi trạng thái, số nhánh (của sơ đồ lưới mã) thể metric nhánh cho chuyển đổi Metric nhánh tương ứng với trạng thái chuyển đổi trạng thái có khoảng cách Hamming Các metric nhánh khác khác tương ứng với trường hợp có lỗi bit Hình 2: Metric nhánh cho giải mã định cứng Metric tuyến giá trị kết hợp với trạng thái lưới Với giải mã định cứng, metric tuyến tương ứng với khoảng cách Hamming qua tuyến gần giống từ trạng thái khởi tạo tới trạng thái sơ đồ lưới Tuyến gần giống tuyến ứng với khoảng cách Hamming nhỏ trạng thái khởi tạo trạng thái tại, tính tốn qua tất tuyến có hai trạng thái Tuyến với khoảng cách Hamming nhỏ làm cực tiểu hóa tổng số lỗi bit Các bước giải mã thuật tốn Viterbi trình bày đây: Bước 1: Khởi tạo: Từ điểm xuất phát ban đầu i = Đặt metric tuyến , (1) Giả sử tuyến thể danh sách mà, ban đầu khởi tạo danh sách trống Bước 2: Tính tốn metric nhánh: Tại bước thứ i, tính tốn metric nhánh cục bộ: (2) Trong kết hợp với n bit đầu nhánh n bit nhận Bước 3: Cộng, so sánh lựa chọn (ACS) Với trạng thái , k = 0, 1, 2, …, tương ứng với cặp nhánh đến từ hai trạng thái trước , thuật toán so sánh metric nhánh mở rộng Trong Lựa chọn nhánh sống sót, nhánh có metric tuyến nhỏ nhất, cập nhật metric Bước 4: Cập nhật nhớ tuyến: Với trạng thái , k = 0, 1, 2, …, , cập nhật tuyến tồn với đầu nhánh sống sót Sau cập nhật ta đặt i = i + tiến hành lại bước đến đưa toàn chuỗi bit mã nhận phía thu, lúc ta tìm đoạn lưới có metric tuyến nhỏ nhất, gọi đường “sống sót” Tương ứng giá trị bit mã (đã sửa lỗi) II KỸ THUẬT ĐỤC LỖ CHO MÃ XOẮN Xuất phát từ tính chất khơng ổn định kênh truyền với yêu cầu đơn giản thiết bị, kỹ thuật đục lỗ cho mã xoắn ứng dụng hệ thống truyền thông Việc ứng dụng kỹ thuật nhằm tạo mã xoắn có tỷ lệ mã hóa khác xuất phát từ mã gốc (mã mẹ), điều giúp ta tăng hiệu truyền tin, đồng thời sử dụng chung thiết bị mã hóa giải mã Bản chất kỹ thuật đục lỗ q trình xóa khơng truyền số bit mã hóa tỷ lệ thấp cách có hệ thống Vì cấu trúc lưới mã hóa khơng thay đổi nên số lượng bit thông tin chuỗi giữ nguyên Kết chuỗi đầu thuộc mã xoắn đục lỗ (PC) có tỷ lệ cao Ta nghiên cứu phương pháp tạo mã xoắn đục lỗ từ mã xoắn gốc nhị phân có tỷ lệ 1/n m phần tử nhớ Một ma trận đục lỗ P đặc trưng cho quy tắc xóa bỏ bit đầu P ma trận nhị phân phần tử Trong tương ứng với bit đầu truyền () bị xóa bỏ () Một mã hóa mã PC thể hình Ta xem xét mã xoắn có tỷ lệ mã 2/3 gồm phần tử nhớ tạo thành cách đục bit đầu mã xoắn tỷ lệ 1/2 dựa theo ma trận đục lỗ Bộ mã hóa tương ứng thể Hình Chuỗi mã hóa mã hóa tỷ lệ 1/2 biến đổi thành chuỗi mã Do ta thấy đầu thứ hai cách bit loại bỏ bit không truyền Hình 3: Bộ mã hóa mã PC dựa mã có tỷ lệ 1/n Hình 4: Bộ mã hóa mã PC tỷ lệ mã 2/3 10 III CHẤT LƯỢNG MÃ ĐỤC LỖ Để đánh giá chất lượng mã đục lỗ ta tiến hành xem xét mã Qualcomm, mã hệ thống đệ quy có chiều dài ràng buộc K = 7, tỷ lệ mã hóa r = 1/2, đa thức sinh g = (171,131) với nhánh phản hồi nhánh 171 Trước tiên; tiến hành mơ hệ thống thơng tin có cấu trúc để đánh giá ảnh hưởng kỹ thuật đục lỗ đến chất lượng mã xoắn Tại đầu phát, luồng bit thơng tin mã hóa mã Qualcomm sau điều chế BPSK phát qua kênh AWGN Tại đầu thu, luồng bit thông tin đầu vào giải điều chế, giải mã Viterbi định mềm mức Hình thể tỷ lệ lỗi bit (BER) mã Qualcomm đục lỗ với tỷ lệ mã hóa khác Từ kết mơ ta nhận thấy mã đục lỗ có khả sửa lỗi giảm theo số bit bị đục Ví dụ xác suất lỗi bít Pe=4x, mã gốc Qualcomm (r=1/2) ta cần Eb/N0 =4,3dB, với mã bị đục lỗ tỷ lệ mã r=2/3 yêu cầu Eb/N0 =5,6dB ta bị thiệt tỷ số Eb/N0 1,3 dB Với mã Qualcomm đục lỗ tỷ lệ mã r=3/4 để đảm bảo giá trị Pe cần Eb/N0 = dB, đồng nghĩa với trả giá lượng 2,7 dB Tuy nhiên toán ta đạt độ lợi tỷ lệ mã hóa cao, có nghĩa đạt mục đích tăng hiệu sử dụng băng thông Các nhận xét với kênh fadinh Rayleigh, nhiên chất lượng sửa lỗi mã (kể mã gốc) kênh nhiều so với kênh Gauss (hình 6) 11 Hình 5: Chất lượng sửa lỗi mã Qualcomm đục lỗ với tỷ lệ khác qua kênh Gauss Hình 6: Chất lượng sửa lỗi mã Qualcomm đục lỗ với tỷ lệ khác qua kênh Rayleigh Một vấn đề khác cần quan tâm phụ thuộc chất lượng mã đục lỗ vào mẫu đục Khảo sát vấn đề ta tiến hành tiến hành đục lỗ mã Qualcomm để đưa mã sau đục lên tỷ lệ mã hóa sử dụng mẫu đục khác Vector đục đục bit kiểm tra, với vector đục thứ hai ta đục bit hệ thống, sau thực mơ đánh giá chất lượng mã nhận kênh Gauss (Hình 7) Từ kết nhận cho thấy, chất lượng mã xoắn sử dụng mẫu đục thứ tốt so với mẫu đục thứ khoảng 0,5 dB Sở dĩ có kết lượng thông tin chứa bit mã vai trị bit q trình giải mã Như để mã xoắn đục lỗ mang lại chất lượng hiệu tốt cho hệ thống truyền tin, khơng phải tìm mã xoắn tốt mà cịn phải tìm mẫu đục tốt tương ứng với mã 12 Hình 7: Chất lượng sửa lỗi mã Qualcomm với mẫu đục khác qua kênh Gauss  Thông qua nghiên cứu lý thuyết tiến hành mơ ta kết luận kỹ thuật đục lỗ đem lại nhiều ưu điểm cho hệ thống Tuy nhiên việc sử dụng mã xoắn tốt kết hợp với mẫu đục tốt cho ta độ lợi mã hóa cải thiện đáng kể 13 IV ỨNG DỤNG CỦA MÃ RCPC 4.1 Ứng dụng mã RCPC vào đường truyền lai ghép ARQ/FEC Với khn truyền liệu mà có kênh trả về, khuôn Lặp lại yêu cầu tự động (ARQ) đảm bảo tin cậy cao với chất lượng kênh tốt đến trung bình Hiệu suất giảm kênh tệ phụ thuộc thời gian Ta kết hợp với Sửa sai hướng (FEC) để tạo hệ thống lai ghép, kết hợp điểm mạnh hai phương thức Đã có nhiều phương thức khác đề xuất báo cáo, sử dụng mã RCPC với thuật toán giải mã Viterbi (VA) cho truyền dẫn bit kiểm tra chẵn lẻ (parity) liên tiếp Định lý đằng sau khuôn ARQ/FEC đề không lặp lại thông tin hay bit kiểm tra chẵn lẻ truyền dẫn thất bại, mà truyền thêm bit mã mã RCPC với tỉ lệ thấp mã đủ mạnh để giải mã Việc yêu cầu phía nhận giải mã nhiều lần, việc hồn tồn thiết bị di động hệ thống với tỷ suất liệu khoảng kbit/s giải mã VA chạy chip với tỷ lệ cao 4.2 Giao thức ARQ/FEC với mã RCPC Giao thức ARQ/FEC thực bước sau truyền khối liệu I, thường chứa n = 100 đến 1000 bit Mã hóa: Thêm nc bit kiểm tra chẵn lẻ để tạo mã phát lỗi C0 vd: nhiều 16 bit CRC Thêm M bit “0” bit biết để chấm dứt nhớ mã hóa ghi dịch cho khối “thông tin” (n + nc) M nhớ mã hóa xoắn Sử dụng mã hóa 1/N để mã hóa mã xoắn lưu truyền tín hiệu, khả lưu ma trện Hình Ma trận lý thuyết sửa đổi theo nhiều cách để thực interleaving Truyền dẫn giải mã: Truyền P hàng ma trận Truyền thêm hàng ma trận lên tới index l dựa theo bảng đục lỗ Giải mã mã RCPC với tỷ lệ P/(P+l) với thuật toán Vertibi Kiểm tra syndrome mã C0 Nếu syndrome 0, đầu I gửi ACK đến phát Nếu syndrome khác 0, tăng l lặp lại bước (2) – (4) 14 Nếu giải mã thành cơng với l=(N-1)P, vd: R = 1/N, có vài khả Một giao thức cao chiếm quyền bắt đầu lại tồn q trình từ bước Hình 8: Khn mã hóa ARQ-FEC với mã RCPC Có khả frame với khối thơng tin I có lỗi Tỷ lệ lỗi frame (FEC) tính tốn khả đủ nhỏ Nên note hoàn tồn tăng l bước Số lượng bước phụ thuộc vào tỷ lệ thời gian frame đến (information rate) với thời gian giải mã frame (decoder speed) Với điều kiện kênh biến động, tăng theo số mũ có lợi, vd: l=1,2,4,8,16 Điều có nghĩa thực giải mã FEC số lượng tốt đa Việc gây chút thiệt hại nhỏ đến hiệu đầu ra, ví dụ, lần thử thứ 10 thành công, tiết kiệm lần truyền từ 11 đến 16 Với giao thức kiểu này, tin ACK gửi sau giải mã frame thành công Bộ mã hóa gửi thêm bit mã nhận tin ACK Cho việc giải mã thành cơng bước lS Nếu có độ trễ hai chiều TS đường truyền với tỷ lệ 1/TS, mã hóa truyền TD/TS bit khơng cần thiết, việc giảm hiệu Nếu tin ACK bị mất, mã hóa tiếp tục gửi bit không cần thiết l = (N-1)P Nếu khả tin ACK lỗi nhỏ, tác động lên hiệu nhận thấy  Kênh phản hồi sử dụng lần frame kênh phản hồi không làm ảnh hưởng đến giao thức 15 V KẾT LUẬN Mã xoắn tỷ lệ thấp cách đục lỗ chu kỳ với cách thức tỷ lệ tương thích có FEC Giới hạn cho mã tốt so với mã tốt mà biết với tỷ lệ phức tạp tương đương Điểm bất lợi mã đục lỗ với tỷ lệ cao lỗi đường dài Điều cần nhớ đường dài VA, thêm chuỗi đồng bit liệu biết trước theo chu kỳ Vì điều kiện tương thích đảm bảo dùng bit thừa cho code tỷ lệ thấp, mã RCPC hồn tồn sử dụng giao thức ARQ/FEC có khả bảo vệ lỗi sánh Cả hai phương thức kết hợp để có khả bảo vệ lỗi sánh cho điều kiện kênh phù hợp Thiết kế mã nguồn kênh kết hợp cho truyền dẫn tiếng nói cho hình ảnh có tầm tự cách sử dụng mã RCPC tỷ lệ mã thay đổi frame liệu truyền dẫn tùy thuộc nhu cầu 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hagenauer J, (1988) Rate-Compatible Punctured Convolutional Codes (RCPC codes) and Their Applications, IEEE Transaction on Communication Đỗ Quốc Trinh, Nguyễn Lê Vân, Đinh Thế Cường, Phạm Xuân Nghĩa, (2012) Hệ thống di động 4G LTE từ lý thuyết đến thực tế, Học viện Kỹ thuật Quân Phạm Xuân Nghĩa, Nguyễn Khánh Cường, Đánh giá hiệu sửa lỗi mã xoắn đột lỗ, Học viện Kỹ thuật Quân Stefan Maagh, Mohammad Y Sharif, RCPC Coding for the Dynamic Decodeand-Forward Chanel, School of Engineering & the Built Environment Edinburgh Napier University 17 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, nhóm 06 chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng đưa mơn học Kỹ thuật phát truyền hình vào chương trình giảng dạy Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên môn - Cô Nguyễn Thị Thu Nga dạy dỗ, truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học Kỹ thuật phát truyền hình cơ, em có thêm cho nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc Đây chắn kiến thức quý báu, hành trang để em vững bước sau Bộ mơn Kỹ thuật phát truyền hình mơn học thú vị, vơ bổ ích có tính thực tế cao Đảm bảo cung cấp đủ kiến thức, gắn liền với nhu cầu thực tiễn sinh viên ngành Viễn thông chúng em Tuy nhiên, vốn kiến thức nhiều hạn chế khả tiếp thu thực tế nhiều bỡ ngỡ Mặc dù chúng em cố gắng chắn tiểu luận khó tránh khỏi thiếu sót nhiều chỗ cịn chưa xác, kính mong xem xét góp ý để tiểu luận em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! 18 ... Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng đưa mơn học Kỹ thuật phát truyền hình vào chương trình giảng dạy Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên môn - Cô Nguyễn Thị Thu Nga dạy dỗ, truyền. .. MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Bộ mã hóa xoắn với r = 1/2 K = Hình 2: Metric nhánh cho giải mã định cứng Hình 3: Bộ mã hóa mã PC dựa mã có tỷ lệ 1/n Hình 4: Bộ mã hóa mã PC tỷ lệ mã 2/3 Hình. .. thức quý báu cho em suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học Kỹ thuật phát truyền hình cơ, em có thêm cho nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc Đây