Đề tài: " Công nghệ mã hóa DMT trong internet " pot

Luận văn Đề tài: " Công nghệ mã hóa DMT trong internet " Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội LỜI CẢM ƠN Hằng năm được sự quan tâm của ban giám hiệu trường đai học giao thông vận tải Hà Nội, sinh viên đại học giao thông vận tai Hà Nội có điều kiện thực hiện nghiên cứu khoa học sinh viên.Đây là hoạt động rất bổ ích mang lại nhiều kiến thức cho sinh viên.Nhờ nghiên cứu khoa học sinh viên mà sinh viên có điều kiện tiếp xúc, làm quen với hoạt động nghiên cứu, về sau khi lao động phục vụ tổ quốc có khả năng tiếp cận va nghiên cứu được dễ dàng và không gặp bỡ ngỡ…hơn nữa hoạt động nghiên cứu khoa học sinh viên còn giúp cho sinh viên có điều kiện tiếp xúc và tìm hiểu kỹ hơn về lĩnh vực minh nghiên cứu. Niên học 2006-2007 nhà trường tiếp tục phong trào như mọi năm, do vậy chúng em khóa 44 có thêm cơ hội tham gia tìm hiểu. Được sự giúp đỡ của khoa Điện-Điện tử, các th ầy cô giáo trong khoa, chúng em-nhóm nghiên cứu DMT tham gia nghiên cứu đề tài khoa học này để nâng cao kiến thức bản thân về lĩnh vực nghiên cứu và các lĩnh vực liên quan. Kiến thức này sẽ là hành trang vững chắc cho chúng em bước vào thực tế công việc về sau khi ra trường công tác. Vì vậy, mở đầu báo cáo em xin chân thành cảm ơn Trường đại học giao thông vận tải, khoa điên-điện tử cùng các thầy giáo, cô giáo đã tạo điều kiện, nhiệt tinh chỉ bảo chúng em làm nghiên cứu. Đặc biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Quang Thanh đã hướng dẫn tận tình trong những lúc chúng em còn bỡ ngỡ và giúp chúng em hoàn thành nghiên cứu. Vì thời gian và điều kiện có hạn nên đề tài nghiên cứu của chúng em không khỏi những thiếu sót, chưa hoàn hảo, vì vậy kính mong quý thầy cô, ban giám khảo cùng toàn thể các bạn tham gia góp ý cho chúng em cho nghiên cứu được hoàn hảo hơn. Về phần chúng em sẽ hết sức nỗ lực để hoàn thiện đề tài. Nhóm nghiên cứu DMT ________________________________________________________ Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 1 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội Mục lục Lời cảm ơn Error! Bookmark not defined. Mục lục 2 Phần 1: Lý thuyết tổng quan về DMT 4 I. Giới thiệu chung về DMT 4 II. Điều chế QAM 6 Điều biên cầu phương - QAM 8 1. QAM – 8 mức 8 2 .QAM-16mức 9 III. Điều chế đa tần rời rạc (DMT) 10 3.1 Nguyên lý của điều chế đa tần rời rạc 10 3.2. DMT và DFT 13 3.3 Hệ thống DMT và các tham số của nó 16 3.3.1. Kênh truyền và ảnh hưởng của khênh truyền. 17 3.3.2. Hệ thống đơn sóng mang 20 3.3.3. Xấp xỉ QAM vuông 20 3.3.4. Phân tích đa sóng mang 20 3.3.4.1 Các giả thiết 21 3.3.4.2. Tính tốc độ hoặc độ dự phòng 22 3.3.4.3. Tổng kết các bước tính toán hoạt động của một hệ thống DMT 24 3.3.5. DMT với chiều dài khối hữu hạn 24 3.3.6. Phân chia tải (bit loading) 26 3.3.6.1. Các thuật toán tải bit 26 3.3.6.2. Thuật toán tối ưu “rót nước” (water-filling) 27 3.3.7. Cân bằng cho DMT 29 3.4.Sơ đồ tổng thể một hệ thống DMT 31 3.4.1. Máy phát DMT 31 3.4.2. Máy thu DMT 33 IV. Mã sửa lỗi Reed-Solomon 33 4.1. Giới thiệu về mã Reed-solomon 33 4.2. Các đặc điểm của mã RS. 35 ________________________________________________________ Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 2 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội 4.2.1. Cấu tạo mã RS 35 4.2.1.1. Đa thức trường 35 4.2.1.2. Đa thức sinh 36 4.2.2. Khả năng sửa sai của mã RS. 37 4.2.3. Tăng ích điều chế (coding gain) của mã RS. 37 4.3. Mã hoá và giải mã các mã RS 38 4.3.1. Mã hoá RS và kiến trúc bộ mã hoá RS 38 4.3.2. Giải mã và kiến trúc bộ giải mã RS 39 Phần 2 :Trang web giới thiệu về DMT và mô phỏng điều chế QAM 41 1. Mô phỏng điều chế QAM 41 2. Giới thiệu về trang DMT 42 ________________________________________________________ Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 3 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội Phần 1: Lý thuyết tổng quan về DMT I. Giới thiệu chung về DMT Điều chế đa tải tin (hay đa sóng mang MCM-Multi Carrier-Modulation) nói chung và điều chế đa tần rời rạc (DMT) nói riêng la kỹ thuật điều chế được sử dụng nhiều trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao trong đó có một số hệ thống DSL. Riêng DMT có thể coi la một đặc trưng của công nghệ ADSL bởi DMT đã được chuẩn hóa cho ADSL của liên minh viễn thông quốc tế (ITU).Các h ệ thống truyền thông tốc độ cao luôn đòi hỏi các kênh truyền có băng thông rộng. Tuy nhiên, nhiễu liên ký tự ISI lại là một vấn đề lớn luôn đi liền với các kênh truyền băng rộng. Nguyên nhân của ISI là do sự tạo dạng phổ của kênh truyền. Có hai giải pháp để chống lại ISI là cân bằng toàn bộ kênh và điều chế đa tải tin: Cân bằng toàn bộ kênh sẽ làm ngược lại hiệu ứ ng tạo dạng phổ của kênh truyền, sử dụng một bộ lọc được gọi là bộ cân bằng. mặc dù các bộ cân bằng tuyến tính dễ cài đặt nhưng chúng lại khuếch đại nhiễu lên và làm giảm cấp đối với hoạt động của toàn bộ hệ thống. Trái lại, trong điều chế đa tải tin, kênh truyền được chia thành nhiều kênh có băng thông nhỏ gọi là các kênh con. Nếu một kênh con đủ nhỏ để hệ số khuếch đại (Gain) kênh trong kênh con đó xấp xỉ bằng một hằng số thì sẽ không có ISI xuất hiện trong kênh con đó. Như vậy, thông tin có thể được truyền qua các kênh con băng hẹp mà không có ISI và tổng số bít được truyền là tổng số bít được truyền qua các kênh con. Nếu công suất sẵn có được phân chia cho các kênh con căn cứ vào tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của mỗi kênh con thì có thể đạ t được hiệu suất phổ cao. Một trong những phương pháp phân chia một kênh thành các kênh con hiệu quả nhất là ________________________________________________________ Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 4 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT. Điều chế đa tải tin sử dụng FFT được gọi là điều chế đa tần rời rạc (DMT) hoặc ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). DMT thông dụng trong các ứng dụng hữu tuyến còn OFDM thông dụng hơn trong các ứng dụng vô tuyến. Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là việc phân chia bit cho mỗi kênh con. Đối với DMT, số lượng bit gán cho mỗi kênh con phải được tính toán dự a vào tỷ số SNR và gửi ngược lại cho máy phát. Ngược lại, các hệ thống OFDM, được sử dụng chủ yếu cho quảng bá – không có hồi tiếp từ phía thu về phía phát - sử dụng một tải bit là hằng số ( hay ít nhất là một hằng số trong một phiên truyền). Nếu nó được sử dụng cho truyền dẫn thông qua DSL, nơi mà SNR thay đổi rất nhiều trong dải băng thì hoặc là việc phân chia tải phải rấ t thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT. Điều chế đa tải tin sử dụng FFT được gọi là điều chế đa tần rời rạc (DMT) hoặc ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). DMT thông dụng trong các ứng dụng hữu tuyến còn OFDM thông dụng hơn trong các ứng dụng vô tuyến. Sự khác nhau cơ bản giữa hai phương pháp là việc phân chia bit cho mỗi kênh con. Đối với DMT, số lượng bit gán cho mỗi kênh con phải được tính toán dự a vào tỷ số SNR và gửi ngược lại cho máy phát. Ngược lại, các hệ thống OFDM, được sử dụng chủ yếu cho quảng bá – không có hồi tiếp từ phía thu về phía phát - sử dụng một tải bit là hằng số ( hay ít nhất là một hằng số trong một phiên truyền). Nếu nó được sử dụng cho truyền dẫn thông qua DSL, nơi mà SNR thay đổi rất nhiều trong dải băng thì hoặc là việc phân chia tải phải rấ t ổn định để có thể bảo vệ các tải tin con với mức SNR thấp nhất, hoặc là tỷ lệ lỗi trên các tải tin con đó sẽ rất cao và làm giảm chất lượng rất nhiều. ổn định để có thể bảo vệ các tải tin con với mức SNR thấp nhất, hoặc là tỷ lệ lỗi trên các tải tin con đó sẽ rất cao và làm giảm chất lượng rất nhiều. ________________________________________________________ ______ Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 5 Phổ công suất phát của một sóng đa tải tin được thể hiện trên hình 3.7. Tín hiệu đa tải tin phát đi là tổng của Phổ công suất phát của một sóng đa tải tin được thể hiện trên hình 3.7. Tín hiệu đa tải tin phát đi là tổng của N tín hiệu con (hay kênh con) độc lập, mỗi tín hiệu con có băng thông bằng nhau với tần số trung tâm là fi (i=1,…, N ). Trong điều chế đa tải tin, khác với ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, số bit của dữ liệu vào gán cho các kênh con khác nhau có thể khác nhau. Việc Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 5 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội phân chia các bit tới các kênh con được đảm nhiệm bới bộ điều chế đa tải tin sao cho đạt được hiệu suất cao nhất. Trong khi tối ưu hoá hiệu suất như vậy thì những kênh con nào gặp phải ít suy hao kênh và hoặc ít tạp âm hơn sẽ mang nhiều bit hơn. Trong mọi trường hợp, N là một luỹ thừa của 2 để sử dụng các phiên bản của thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) trong tính toán. Giá trị của N để có hiệu suất xấp xỉ tối ưu phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ biến đổi của hàm truyền đạt kênh truyền theo tần số. Ở đây chúng ta sẽ luôn luôn giả thiết rằng N được chọn đủ lớn để có thể xấp xỉ hiệu suất tối ưu. Đối với mạch vòng thuê bao, người ta đã chứng minh được N = 256 là đủ lớn để đạt được mức hiệu suất tối ưu. Do DMT là một dạng cụ thể của điều chế đa tải tin và được xây dựng trên cơ sở của điều chế biên độ cầu phương vuông góc QAM nên để tìm hiểu về DMT trước hết cần tìm hiểu những nét chính của điều chế đa tải tin và điều chế QAM II. Điều chế QAM. Điều chế QAM sử dụng kết hợp cả biên độ và pha của tải tin để điều chế luồng số tín hiệu. Nó sử dụng một cặp sóng mang Sine và Cosine với cùng một thành phần tần số để truyền tải thông tin về một tổ hợp bit. Tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu mang thông tin về một tổ hợp bit được truyền qua. Tín hi ệu ứng với cụm 4 bit đó lần lượt được gửi đi trên đường truyền. Tại phía thu, tín hiệu thu được là sự tổng hợp tín hiệu phát với tác động của can nhiễu trên đuờng truyền, khi đó pha và biên độ của tín hiệu đã bị thay đổi và được biểu diễn trực quan khi toạ độ của điểm ứng với tín hiệu thu được trên chòm sao sẽ lệch khỏi điểm tương ứng ở phía phát một lượng nhất định. Máy thu sẽ lựa chọn một điểm trên chòm sao có khoảng cách đến điểm thu được trên thực tế là ________________________________________________________ Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 6 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội nhỏ nhất bằng một bộ quyết định. Sự quyết định này đôi khi sai lỗi nếu như nhiễu trên đường truyền lớn. Như vậy chất lượng của tín hiệu QAM không chỉ phụ thuộc vào tác động của can nhiễu trên đường truyền mà còn phụ thuộc vào chất lượng hay độ chính xác của máy thu. Sau đây là sơ đồ khối và cơ sở toán học của phương pháp đi ều chế QAM. Sự trực giao của 2 hàm sine và cosine cho phép chúng truyền đồng thời trên cùng một kênh. Xét trong khoảng thời gian của một tín hiệu, sự trực giao được thể hiện qua biểu thức (3.1) ∫cos ( 2π / T).sin(2 π / T) dt = 0 (3.1) Trong biểu thức (3.1) T là khoảng cách thời gian tồn tại của các sóng sine v à cosine. Do tính chất trực giao nên các hàm sine và cosine được gọi là các hàm cơ bản. Khi đó tín hiệu tại đầ u ra của bộ điều chế sẽ có dạng sau: ________________________________________________________ V a (t) = X i cos (wt) + Y i sin (wt) (3.2) Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 7 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội Điều biên cầu phương - QAM QAM – 8 mức QAM-8 mức là một kỹ thuật mã hoá M mức trong đó M = 8. Tín hiệu đầu ra của bộ điều chế 8-QAM là tín hiệu có biên độ không phải là hằng số. Bộ phát QAM 8 mức Từ sơ đồ trên nhận thấy rằng, do bit C được cung cấp đồng thời không đảo cho cả hai chuyển đổi 2 mức thành 4 mức cho nên các tín hiệu QPAM la luôn luôn bằng nhau. Cực của các tín hiệu đó phụ thuộc vào trạng thái logic các bit I và Q, cũng vì vậy mà chúng có thể khác nhau. Hình: mô tả chân lý của các bộ chuyển đổi 2 mức thành 4 mức của các kênh I và Q B? chuy?n d?i 2 thành 4 m?c B? di?u ch? tích B? chuy?n d?i 2 thành 4 m?c B? t?o sóng tham chi?u +90 B? c?ng tuy?n tính B? l?c thông gi?i B? di?u ch? tích PAM D? li?u d?u vào,fb Kênh Q Kênh I B? chia 3 b f 3 b f 3 b f C t c ω cos t c ω sin PAM I/Q C Ð?u ra 8-QAM Ð?u ra 0 0 1 1 0 1 0 1 -0,541v -1,307v +0,541v +1,307v A) so d? kh?i B) b?ng chân lý Hình . B? phát 8-QAM mô t? so d? kh?i c?a m?t b? phát ________________________________________________________ Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 8 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội 2 .QAM-16 mức QAM là một hệ thống mã hoá M mức trong đó M=16. Dữ liệu đầu vào được nhóm theo nhóm 4 bit (2 4 =16). Cũng giống như ở điều chế 8 – QAM, ở đây cả hai thông số biên độ và góc pha của sóng mang đều là các tham số biến đổi. Bộ phát 16-QAM Hình dưới mô tả sơ đồ khố một bộ phát 16-QAM. Ở đây dữ liệu nhị phân đầu vào được chia làm 4 kênh: kênh I, I’, Q và Q’. Tốc độ bit của mỗi kênh là =1/4 tốc độ bit của mỗi kênh đầu vào (f b /4). Bốn bit đó được nhịp nối tiếp trong bộ chia bit, sau đó chúng được đồng thời đưa ra song song đến các kênh sau : I, I’, Q, Q’. Các bit I và Q xác định cực của tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi hai mức thành bốn mức (logic 1= dương và logic 0 = âm). Các bit I’ và Q’ xác định biên độ (logic 1 = 0,821V và logic 0 = 0,22V). Như vậy các bộ chuyển đổi 2 mức thành 4 mức sẽ tạo ra tín hiệu PAM có 4 mức đầu ra. Tại mỗi đầu ra của mỗi bộ chuyển đổ i 2-4 có 2 khả năng biên độ và 2 khả năng cực. Đó là ± 0,22v và 0,821V. Các tín hiệu PAM được dưa điều chế sóng mang đồng pha và sóng mang cầu phương (+90 ± 0 ) ở các bộ điều chế tích. Ở bộ điều chế tích I thì chúng là: 0,821 sinw c t; -0,821 sinw c t; 0,22 sinw c t và -0,22 sinw c t. Ở bộ điều chế tích Q thì chúng là: 0,821 sinw c t; 0,22 sinw c t ;-0,821 sinw c t; và -0,22 sinw c t Bộ cộng tuyến tính sẽ tổng hợp các đầu ra của các bộ điều chế tích của các kênh I và các kênh Q để tạo ra 16 trạng thái đầu ra cần thiết của tín hiệu 16 – QAM. ________________________________________________________ Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 9 [...]... số DVB • Các modem tốc độ cao như :ADSL, VDSL v.v…(xDSL) Mã R-S thuộc một lớp con của mã BCH -lớp mã BCH không nhị phân Mã BCH ( mã Bose, Chaudhuri và Hocquenghem ) là một loại mã sửa lỗi vòng ngẫu nhiên quan trọng, có khả năng sửa được nhiều lỗi và được ứng dụng rất rộng rãi Trong mã BCH có 2 lớp con là mã BCH nhị phân và mã BCH không nhị phân Mã BCH nhị phân được Hocquenghem đưa ra vào năm 1959, sau... Chaudhuri tìm ra mộ cách độc lập vào năm 1960 Trong số những mã BCH không nhị phân, quan trọng nhất là mã R-S Mã BCH không nhị phân nghĩa là mã BCH trong đó giá trị của các hệ số được lấy từ trường Galois GF(2m) Mã R-S được Reed và Solomon giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1960 Một hệ thống mã hoá và giải mã RS đặc trưng như hình sau: Hình 3.18: Hệ thống sử dụng mã RS Bộ mã hoá RS nhận một khối thông tin rồi... nối tiếp IV Mã sửa lỗi Reed-Solomon Cũng như nhiều hệ thống truyền dẫn tín hiệu số chất lượng cao khác, trong các hệ thống DSL nói chung và ADSL nói riêng có sử dụng kỹ thuật mã hoá sửa lỗi tiến (FEC: Forward Error Corection) Trong ADSL, loại mã được sử dụng cho mã hoá sửa lỗi tiến là mã Reed-Solomon Phần tiếp theo của bài sẽ trình bày khái quát về các đặc điểm và phương pháp mã hoá và giải mã ReedSolomon... điểm và phương pháp mã hoá và giải mã ReedSolomon 4.1 Giới thiệu về mã Reed-solomon Mã Reed-solomon là một mã sửa lỗi thuộc loại mã khối tuyến tính, có rất nhiều ứng dụng trong thông tin số và trong lưu trữ Mã R-S được sử dụng để sửa các lỗi trong nhiều hệ thống, bao gồm: 33 Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội • Các thiết bị lưu trữ (băng... 4.2 Các đặc điểm của mã RS 4.2.1 Cấu tạo mã RS Một mã RS thường được kí hiệu là RS (n, k) với các symbol m bít, trong đó n là tổng số symbol trong một khối mã và k là số lượng thông tin hay số symbol dữ liệu Bộ mã hoá lấy k symbol dữ liệu, mỗi symbol m bit, rồi thêm và (n-k) symbol kiểm tra đẻ tạo thành một từ mã n symbol Số lượng lỗi tối đa trong một khối mà mã RS(n,k) có thể đảm bảo sửa được là t=(n-k)/2... đó sẽ đúng Trong miền thời gian liên tục, tích chập trong tương đương với phép nhân của biến đổi Fourier Trong miền thời gian rời rạc kết quả này chỉ đúng nếu một trong 2 điều kiện sau được thoả mãn: 1 Chiều dài khối, N, là vô cùng 2 Ít nhất một trong các chuỗi tích chập đầu vào là tuần hoan chu kỳ N Nghĩa là, ta có thể viết: xn*hn ⇔ Xi.Hi (3.29) nếu một trong 2 điều kiện trên được thoả mãn Nếu không,...Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội PAM fb 4 fb 4 fb 4 fb 3 sin ω c t fb 4 PAM cos ω c t III Điều chế đa tần rời rạc (DMT) 3.1 Nguyên lý của điều chế đa tần rời rạc DMT được xây dựng dựa trên những ý tưởng của QAM Hãy hình dung có một số bộ mã hoá Mỗi bộ mã hoá nhận một nhóm bit đã được mã hoá bởi một bộ mã hoá chòm sao tín hiệu QAM thông thường Các giá trị đầu ra từ các bộ mã hoá chòm... số điểm sử dụng trong các chòm sao của các bins tốt DMT cũng tạo ra một phương pháp đơn giản để tăng hay giảm mật độ phổ công suất đầu ra của máy phát trong một vùng tần số nhất định Sự điều chỉnh như vậy có thể 15 Lớp kỹ thuật viễn thông B-44 Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội tăng công suất ở những vùng có tổn hao ngược của kênh nhỏ hoặc giảm công suất ở những... điểm trong chòm sao và b là số bit trong symbol QAM Trong các trường hợp khác thì công thức (3.14) vẫn có thể sử dụng như công thức gần đúng khá chính xác Do đó ta phải giả thiết quan hệ trong (3.14) là đúng cho mọi chòm sao QAM trong phương pháp phân tích dưới đây 3.3.4 Phân tích đa sóng mang Bây giờ chúng ta sẽ sử dụng các kết quả khi phân tích về đơn sóng mang trong phần trước để phân tích đa sóng... thì mỗi tập dạng sóng có thể được giải mã một cách độc lập, tương tự như giải mã tín hiệu QAM Ý tưởng sử dụng các tần số khác nhau để truyền thông tin không phải chỉ có ở DMT, truyền hình và phát thanh cũng đã sử dụng kỹ thuật này Một số tên gọi cho các kênh tần số trong DMT là frequency bins (hay bins), tones hay DMT tones và kênh con Điều quan trọng là dạng sóng trong mỗi bins phải hoàn toàn độc lập . Luận văn Đề tài: " Công nghệ mã hóa DMT trong internet " Nhóm DMT đại học giao thông vận tải Hà Nội LỜI CẢM ƠN Hằng năm được. gain) của mã RS. 37 4.3. Mã hoá và giải mã các mã RS 38 4.3.1. Mã hoá RS và kiến trúc bộ mã hoá RS 38 4.3.2. Giải mã và kiến trúc bộ giải mã RS 39 Phần 2 :Trang web giới thiệu về DMT và mô. cho DMT 29 3.4.Sơ đồ tổng thể một hệ thống DMT 31 3.4.1. Máy phát DMT 31 3.4.2. Máy thu DMT 33 IV. Mã sửa lỗi Reed-Solomon 33 4.1. Giới thiệu về mã Reed-solomon 33 4.2. Các đặc điểm của mã