ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP _Nghiên cứu mã Turbo trong hệ thống CDMA

Nghiên cứu mã Turbo trong hệ thống CDMA

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CDMA 1

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1

1.2 TỔNG QUAN 1

1.3 THỦ TỤC THU/PHÁT TÍN HIỆU 2

1.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CDMA 2

1.4.1 Tính đa dạng của phân tập 2

1.4.2 Điều khiển công suất CDMA 3

1.4.3 Công suất phát thấp 5

1.4.4 Bộ mã-giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi 5

1.4.5 Bảo mật cuộc gọi 6

1.4.6 Chuyển giao mềm(Soft Handoff) 7

1.4.7 Dung lượng 7

1.4.8 Tách tín hiệu thoại 8

1.4.9 Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng 8

1.4.10 Giá trị Eb/E0 thấp và chống lỗi 8

1.4.11 Dung lượng mềm 9

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 9

CHƯƠNG 2 : KHÁI NIỆM MÃ TURBO 10

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 10

2.2 SỰ KẾT NỐI MÃ VÀ RA ĐỜI CỦA MÃ TURBO(TURBO CODE) 10

2.3 BỘ MÃ HOÁ TÍCH CHẬP HỆ THỐNG ĐỆ QUY (RSC) 11

2.3.1 Mã chập tuyến tính 12

2.3.2 Mã tích chập hệ thống đệ quy 13

2.3.3 Các bộ mã hoá tích chập đệ quy và không đệ quy 14

2.3.4 Kết thúc Trellis 15

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 16

CHƯƠNG 3 : MÃ TURBO KẾT NỐI SONG SONG 17

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 17

3.2 BỘ MÃ HOÁ 17

3.3 KỸ THUẬT XOÁ (PUNCTURE) 19

3.4 BỘ CHÈN (INTERLEAVER) 20

3.4.1 Bộ chèn ma trận 21

3.4.2 Bộ chèn giả ngẫu nhiên 21

3.4.3 Bộ chèn dịch vòng 22

3.4.4 Bộ chèn chẵn-lẻ(Odd-Even) 22

3.4.5 Bộ chèn Smile 23

3.4.6 Bộ chèn khung 24

3.4.7 Bộ chèn tối ưu 25

3.4.8 Bộ chèn đồng dạng 25

3.4.9 Bộ chèn S 25

3.5 BỘ GIẢI MÃ 26

3.5.1 Khái niệm về các thuật toán giải mã 26

3.5.2 Tổng quan về các thuật toán giải mã 27

3.5.3 Thuật toán Log-MAP 29

3.5.4.1 Độ tin cậy của bộ giải mã SOVA tổng quát 30

3.5.4.2 Bộ giải mã thành phần SOVA 33

3.5.4.3 Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA 34

3.6 CẢI TIẾN CHẤT LƯỢNG PCCC QUA THIẾT KẾ BỘ CHÈN 37

3.6.1 Thiết kế bộ chèn mới 39

3.6.2 Các phương pháp tối ưu hoá cấu trúc bộ chèn 42

3.7 SỰ KHÁC NHAU GIỮA MÃ CHẬP VÀ MÃ PCCC 42

3.8 SO SÁNH CHẤT LƯỢNG CÁC HỆ THỐNG MÃ HOÁ 42

3.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 43

CHƯƠNG 4 :ỨNG DỤNG CỦA MÃ TURBO 44

4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 44

4.2 CÁC ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN(MMC) 44

4.2.1 Hạn chế khi ứng dụng TC vào MCC 44

4.2.1.1 Băng thông giới hạn 44

4.2.1.2 Khối lượng dữ liệu lớn 44

4.2.1.3 Tính thời gian thực 44

4.2.1.4 Các đặc tính của kênh truyền 44

4.2.2 Các đề xuất khi ứng dụng TC vào MCC 45

4.2.2.1 Kích thước khung lớn 45

4.2.2.2 Cải tiến quá trình giải mã 45

4.3 CÁC ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 46

4.3.1 Các hạn chế khi ứng dụng TC trong truyền thông không dây 46

4.3.1.1 Kênh truyền 46

4.3.1.2 Hạn chế về thời gian 47

4.3.1.3 Kích thước khung nhỏ 47

4.3.1.4 Băng thông giới hạn 47

4.3.2 Cải tiếnviệc thực hiện giải mã PCCC bằng cách tăng hệ số Scalling và khoảng cách tự do theo chuẩn CDMA2000 47

4.3.2.1 Bộ mã hoá PCCC theo chuẩn CDMA2000 47

4.3.2.2 Phân bố trọng số 2,3 ở mã PCCC trong CDMA2000 50

4.3.2.3 Hệ số Scalling 52

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 53

CHƯƠNG 5 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 54

5.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 54

5.2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 54

5.2.1 Cấu trúc chương trình 54

5.2.2 Chương trình chính 54

5.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 56

5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 62

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Phổ trong quá trình thu và phát CDMA 1

Hình 1.2: Các quá trình phân tập trong CDMA 3

Hình 1.3: Điều khiển công suất trong CDMA 5

Hình 1.4: Chuyển giao mềm 7

Hình 2.1: Mã kết nối nối tiếp 10

Hình 2.2: Mã kết nối song song 11

Hình 2.3: Thanh ghi dịch cho sự mã hóa 12

Hình 2.4: Các ví dụ về mã chập 13

Hình 2.5: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2 ; K=3 13

Hình 2.6: Bộ mã hoá RSC của hình 2.5 14

Hình 2.7: Bộ mã hoá tích chập không đệ quy r = 1/2 va K = 3 với chuỗi ngõ vào và ngõ ra 14

Hình 2.8: Bộ mã hoá tích chập đệ quy có r = 1/2 và K = 3 của hình 2.6 cùng với chuỗi ngõ vào và ra 15

Hình 2.9: Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC 15

Hình 3.1: Bộ mã hoá PCCC tổng quát 18

Hình 3.2: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chập hệ thống đệ quy 18

Hình 3.3: Sơ đồ chi tiết mã hoá PCCC tốc độ 1/3 19

Hình 3.4: Bộ chèn làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 khi so sánh với bộ mã hoá RSC1 20

Hình 3.5: Bộ chèn ma trận 21

Hình 3.6: Bộ chèn giả ngẫu nhiên với độ dài chuỗi ngõ vào L= 8 21

Hình 3.7: Bộ chèn dich vòng với L=8, a=3, s=0 22

Hình 3.8: Mô tả bộ chèn Smile 24

Hình 3.9: Bộ chèn bán ngẫu nhiên với L = 16 và S = 2 26

Hình 3.10: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis 27

Hình 3.11: Bộ giải mã lặp Log-MAP 29

Hình 3.12: Các đường survivor và đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy 30 Hình 3.13: Ví dụ trình bày việc gán độ tin cậy bằng cách sử dụng các giá trị metric trực tiếp 32

Hình 3.14: Tiến trình cập nhật cho thời điểm t - 2 (MEM low = 2) 33

Hình 3.15: Bộ giải mã thành phần SOVA 34

Hình 3.16: Sơ đồ khối bộ giải mã SOVA 35

Hình 3.17: Bộ giải mã SOVA lặp 36

Hình 3.18: Quá trình tạo thông tin extrinsic 40

Hình 3.19: Cấu trúc bộ giải mã lặp với các trọng số 41

Hình 3.20: So sánh hệ thống mã hoá 43

Hình 4.1: Sơ đồ giải mã lặp 46

Hình 4.2: Bộ giải mã Pipeline 46

Hình 4.3: Sơ đồ bộ mã hoá PCCC theo chuẩn CDMA2000 48

Hình 4.4: Thủ tục tính địa chi ngõ ra của bộ chèn 49

Hình 4.5: Khoảng cách tự do hiệu dụng 52

Hình 5.1: Chương trình mô phỏng chính 55

Hình 5.2: Kết quả lần 1 59

Hình 5.4: Kết quả lần 3 60

Hình 5.5: Kết quả lần 4 60

Hình 5.6: Kết quả lần 5 61

Hình 5.7: Kết quả lần 6 61

Hình 5.8: Kết quả lần 7 62

Chương 1: Tổng quan về CDMA

Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading, có 3 loại phân tập là theothời gian, theo tần số và theo khoảng cách Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sửdụng việc chèn và mã sửa sai Hệ thống CDMA bǎng rộng ứng dụng phân tập theotần số nhờ việc mở rộng khả nǎng báo hiệu trong một bǎng tần rộng và fading liênhợp với tần số thường có ảnh hưởng đến bǎng tần báo hiệu (200 - 300) KHz Phântập theo khoảng cách hay theo đường truyền có thể đạt được theo 3 phương phápsau:

* Thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động đồng thời với 2 hoặc nhiều BS

* Sử dụng môi trường đa đường qua chức nǎng trải phổ giống như bộ thu quét thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian

* Đặt nhiều anten tại BS

Các loại phân tập để nâng cao hoạt động của hệ thống CDMA được chỉ ra trên

hình 1.2 và được tóm tắt như sau:

+Phân tập theo thời gian : Chèn mã, tách lỗi và mã sửa sai

+Phân tập theo tần số:Tín hiệu bǎng rộng 1,25 MHz

+Phân tập theo khoảng cách (theo đường truyền) :Hai cặp anten thucủa BS, bộ thu đa đường và kết nối với nhiều BS (chuyển vùng mềm)

Hình 1.2: Các quá trình phân tập trong CDMA

1.4.2 Điều khiển công suất CDMA

Hệ thống CDMA cung cấp chức nǎng điều khiển công suất 2 chiều (từ BSđến máy di động và ngược lại) để cung cấp một hệ thống có dung lượng lưu lượnglớn, chất lượng dịch vụ cuộc gọi cao và các lợi ích khác Mục đích của điều khiểncông suất phát của máy di động là điều khiển công suất phát của máy di động saocho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ có thể đượcthu với độ nhạy trung bình tại bộ thu của BS Khi công suất phát của tất cả các máy

di động trong vùng phục vụ được điều khiển như vậy thì tổng công suất thu được tại

bộ thu của BS trở thành công suất thu trung bình của nhiều máy di động

Bộ thu CDMA của BS chuyển tín hiệu CDMA thu được từ máy di độngtương ứng thành thông tin số bǎng hẹp Trong trường hợp này thì tín hiệu của cácmáy di động khác còn lại chỉ như là tín hiệu tạp âm của bǎng rộng Thủ tục thu hẹpbǎng được gọi là độ lợi sử lý nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/ giao thoa (db) từ giá trị

âm lên đến một mức đủ lớn để cho phép hoạt động được với lỗi bit chấp nhận được

Một mong muốn là tối ưu các lợi ích của hệ thống CDMA bằng cách tǎng sốlượng các cuộc gọi đồng thời trong một bǎng tần cho trước Dung lượng hệ thống làtối đa khi tín hiệu truyền của máy di động được thu bởi BS có tỷ số tín hiệu/giaothoa ở mức yêu cầu tối thiểu qua việc điều khiển công suất của máy di động

Hoạt động của máy di động sẽ bị giảm chất lượng nếu tín hiệu của các máy

di động mà BS thu được là quá yếu Nếu các tín hiệu của các máy di động đủ khoẻ

Chương 1: Tổng quan về CDMA

thì hoạt động của các máy này sẽ được cải thiện nhưng giao thoa đối với các máy diđộng khác cùng sử dụng một kênh sẽ tǎng lên làm cho chất lượng cuộc gọi của cácthuê bao khác sẽ bị giảm nếu như dung lượng tối đa không giảm

Việc đóng, mở mạch điều khiển công suất từ máy di động tới BS và điềukhiển công suất từ BS tới máy di động sử dụng trong hệ thống CDMA được chỉ trên

hình 1.3 Mạch mở đường điều khiển công suất từ máy di động tới BS là chức nǎng

hoạt động cơ bản của máy di động Máy di động điều chỉnh ngay công suất pháttheo sự biến đổi công suất thu được từ BS Máy di động đo mức công suất thu được

từ BS và điều khiển công suất phát tỷ lệ nghịch với mức công suất đo được Mạch

mở đường điều khiển công suất làm cho các tín hiệu phát của tất cả các máy di độngđược thu với cùng một mức tại BS BS cung cấp chức nǎng mạch mở đường điềukhiển công suất qua việc cung cấp cho các máy di động một hằng số định cỡ cho

nó Hằng số định cỡ liên quan chặt chẽ tới yếu tố tải và tạp âm của BS, độ tǎng íchanten và bộ khuyếch đại công suất Hằng số này được truyền đi từ BS tới máy diđộng như là một phần của bản tin thông báo.

1.4.3 Công suất phát thấp

Việc giảm tỷ số Eb/No (tương ứng với tỉ số tín hiệu trên nhiễu) chấp nhậnđược không chỉ làm tǎng dung lượng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêucầu để khắc phục tạp âm và giao thoa Việc giảm này nghĩa là giảm công suất phátyêu cầu đối với máy di động Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trongcác vùng rộng lớn hơn với công suất thấp khi so với các hệ thống analog hoặcTDMA có công suất tương tự Hơn nữa, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làmtǎng vùng phục vụ và làm giảm số lượng BS yêu cầu khi so với các hệ thống khác

Một tiến bộ lớn hơn của việc điều khiển công suất trong hệ thống CDMA làlàm giảm công suất phát trung bình Trong đa số trường hợp thì môi trường truyềndẫn là thuận lợi đối với CDMA Trong các hệ thống bǎng hẹp thì công suất phát caoluôn luôn được yêu cầu để khắc phục fading tạo ra theo thời gian Trong hệ thốngCDMA thì công suất trung bình có thể giảm bởi vì công suất yêu cầu chỉ phát đi khi

có điều khiển công suất và công suất phát chỉ tǎng khi có fading

1.4.4 Bộ mã-giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi

Bộ mã - giải mã thoại của hệ thống CDMA được thiết kế với các tốc độ biếnđổi 8 Kb/s Dịch vụ thoại 2 chiều của tốc độ số liệu biến đổi cung cấp thông tinthoại có sử dụng thuật toán mã - giải mã thoại tốc độ số liệu biến đổi động giữa BS

và máy di động Bộ mã - giải mã thoại phía phát lấy mẫu tín hiệu thoại để tạo ra cácgói tín hiệu thoại được mã hoá dùng để truyền tới bộ mã - giải mã thoại phía thu Bộ

mã - giải mã thoại phía thu sẽ giải mã các gói tín hiệu thoại thu được thành các mẫutín hiệu thoại

Hai bộ mã - giải mã thoại thông tin với nhau ở 4 nấc tốc độ truyền dẫn là

9600 b/s, 4800 b/s, 2400 b/s, 1200 b/s, các tốc độ này được chọn theo điều kiện hoạtđộng và theo bản tin hoặc số liệu

Bộ mã - giải mã thoại biến đổi sử dụng ngưỡng tương thính để chọn tốc độ

số liệu Ngưỡng được điều khiển theo cường độ của tạp âm nền và tốc độ số liệu sẽchỉ chuyển đổi thành tốc độ cao khi có tín hiệu thoại vào Do đó, tạp âm nền bị triệt

đi để tạo ra sự truyền dẫn thoại chất lượng cao trong môi trường tạp âm

Chương 1: Tổng quan về CDMA

1.4.5 Bảo mật cuộc gọi

Hệ thống CDMA cung cấp chức nǎng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và về cơbản là tạo ra xuyên âm, việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp phápkênh RF là khó khǎn đối với hệ thống tổ ong số CDMA bởi vì tín hiệu CDMA đãđược scrambling (trộn) Về cơ bản thì công nghệ CDMA cung cấp khả nǎng bảomật cuộc gọi và các khả nǎng bảo vệ khác, tiêu chuẩn đề xuất gồm khả nǎng xácnhận và bảo mật cuộc gọi được định rõ trong EIA/TIA/IS-54-B Có thể mã hoákênh thoại số một cách dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc các công nghệ mã tiêuchuẩn khác

1.4.6 Chuyển giao mềm(Soft Handoff)

BS sơ cấp hoặc BS thứ cấp bị loại bỏ Nếu BS sơ cấp bị loại bỏ thì BS thứ cấp trở

thành BS sơ cấp cho cuộc gọi này Chuyển giao ba đường có thể kết thúc bằng cáchloại bỏ một trong số các BS và trở thành chuyển giao hai đường

1.4.7 Dung lượng

Việc tái sử dụng tần số trong hệ thống tế bào tạo ra một mức độ giao thoanhất định để mở rộng dung lượng hệ thống một cách có điều khiển Do CDMA cóđặc tính gạt giao thoa một cách cơ bản nên có thể thực hiện điều khiển giao thoa cóhiệu quả hơn trong hệ thống FDMA và TDMA Trong hệ thống CDMA một băngtần rộng được sử dụng chung bởi tất cả các BS

Các thông số xác định dung lượng của hệ thống CDMA gồm độ lợi xử lý, chu

kỳ công suất thoại, hiệu quả tái sử dụng tần số và lượng búp sóng của anten BS Khi

có nhiều kênh thoại được cung cấp trong hệ thống CDMA trong cùng một tỷ lệ cuộcgoi bị chặn và hiệu quả trung kế cũng tăng lên thì càng nhiều dịch vụ thuê bao đượccung cấp trên một kênh

1.4.8 Tách tín hiệu thoại

Trong thông tin 2 chiều song công tổng quát thì tỷ số chiếm dụng tải của tínhiệu thoại không lớn hơn khoảng 35% Trong trường hợp không có tín hiệu thoạitrong hệ thống TDMA và FDMA thì khó áp dụng yếu tố tích cực thoại vì trễ thờigian định vị lại kênh tiếp theo là quá dài Nhưng do tốc độ truyền dẫn số liệu giảmnếu không có tín hiệu thoại trong hệ thống CDMA nên giao thoa ở người sử dụngkhác giảm một cách đáng kể Dung lượng hệ thống CDMA tǎng khoảng 2 lần vàsuy giảm truyền dẫn trung bình của máy di động giảm khoảng 1/2 vì dung lượngđược xác định theo mức giao thoa ở những người sử dụng khác

1.4.9 Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng

Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong hệ thống CDMA.Giaothoa tổng ở tín hiệu máy di động thu được từ BS ,giao thoa tạo ra trong các máy diđộng của cùng một BS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của BS bêncạnh,giao thoa tổng từ tất cả các máy di động bên cạnh bằng 1/2 của giao thoa tổng

từ các máy di động khác trong cùng BS.Hiệu quả tái sử dụng tần số của các BSkhông định hướng khoảng 65%,đó chính là giao thoa tổng từ các máy di động kháctrong cùng một BS với giao thoa từ tất cả các BS.Trong trường hợp anten của BS làkhông định hướng thì giao thoa trung bình giảm xuống 1/3 vì mỗi anten kiểm soát

Chương 1: Tổng quan về CDMA

nhỏ hơn 1/3 số lượng máy di động trong BS.Do đó dung lượng cung cấp bởi toàn

bộ hệ thống tăng xấp xỉ 3 lần

1.4.10 Giá trị E b /E 0 thấp và chống lỗi

Eb/E0 là tỉ số của năng lượng trên mỗi bit đối với mật độ phổ công suất tạp

âm , đó là giá trị tiêu chuẩn để so sánh hiệu suất của phương pháp điều chế và mãhoá số.Mã sửa sai được sử dụng trong hệ thống CDMA cùng với giải điều chế hiệusuất cao,có thể tăng dung lượng và giảm công suất yêu cầu đối với máy phát giảmEb/E0

1.4.11 Dung lượng mềm

Hệ thống CDMA có mối liên quan linh hoạt giữa số người sử dụng và loạidịch vụ.Trong hệ thống Analog và TDMA thì số cuộc gọi được ấn định đối vớiđường truyền luân phiên hoặc sự tắt cuộc gọi xãy ra trong trường hợp tắc nghẽnkênh trong trạng thái chuyển giao.Nhưng trong hệ thống CDMA cuộc gọi được thoảmãn nhờ tăng tỉ lệ lỗi bit cho tới khi cuộc gọi khác hoàn thành Hệ thống CDMAcòn sử dụng lớp dịch vụ để cung cấp dịch vụ chất lượng cao phụ thuộc vào giáthành dịch vụ và ấn định công suất (dung lượng) nhiều cho các người sử dụng dịch

vụ lớp cao.Có thể cung cấp thứ tự ưu tiên cao hơn đối với dịch vụ chuyển giao củangười sử dụng lớp dịch vụ cao so với người sử dụng thông thường

Với những ưu điểm vượt trội của CDMA nên ngày nay công nghệ này đãđược sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới nói chung và Việt Nam ta nói riêng

Những ưu điểm của công nghệ này được dựa trên những kỹ thuật và kỹ thuật

mã hoá và giải mã nói riêng là một phần quan trọng tạo nên ưu điểm của công nghệnày.Ta sẽ đi sâu tìm hiểu vấn đề mã Turbo ở những chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 : KHÁI NIỆM MÃ TURBO

Mã Turbo là sự kết nối gồm hai hay nhiều bộ mã riêng biệt để tạo ra một mãtốt hơn và cũng lớn hơn.Mô hình ghép nối mã đầu tiên được Forney nghiên cứu đểtạo ra một loại mã có xác suất lỗi giảm theo hàm mũ tại tốc độ nhỏ hơn dung lượngkênh trong khi độ phức tạp giải mã chỉ tăng theo hàm đại số.Mô hình này bao gồm

sự kết nối nối tiếp một bộ mã trong và một bộ mã ngoài

Chương này trình bày:

 Sự kết nối các mã và sự ra đời của mã Turbo( TC)

 Gới thiệu về mã chập hệ thống đệ quy (Recursive SystematicConvelutional Code_RSC), là cơ sở của việc tao ra mã TC

Forney đã sử dụng một bộ mã khối ngắn hoặc một bộ mã tích chập với giảithuật giải mã Viterbi xác suất lớn nhất làm bộ mã trong và một bộ mã Reed-Salomon dài không nhị phân tốc độ cao với thuật toán giải mã sửa lỗi đại số làm bộ

mã ngoài

Mục đích lúc đầu chỉ là nghiên cứu một lý thuyết mới nhưng sau này mô hìnhghép nối mã đã trở thành tiêu chuẩn cho các ứng dụng cần độ lợi mã lớn Có hai

kiểu kết nối cơ bản là kết nối nối tiếp (hình 1.1) và kết nối song song ( hình 1.2)

Hình 2.5: Mã kết nối nối tiếp

Bộ mã hoá 1 được gọi là bộ mã ngoài ,còn bộ mã hoá 2 là bộ mã trong.Đối

với mã kết nối nối tiếp ,tốc độ mã hoá: R nt =k 1 k 2 /n 1 n 2

Đối với mã song song , tốc độ mã hoá tổng : R ss = k/( n1+n2 )

Bộ mã hoá 1

r = k1/n1 Bộ mã hoá 2r = k2/n2

Chương 2: Khái niệm mã Turbo

Hình 2.6: Mã kết nối song song

Trên chỉ là các mô hình kết nối lý thuyết.Thực tế các mô hình này cần phải sửdụng thêm các bộ chèn giữa các bộ mã hoá nhằm cải tiến khả năng sửa sai

Năm 1993, Claude Berrou, Alain Glavieux, Puja Thitimajshima đã cùng viết tác phẩm “ Near Shannon limit error correcting coding and decoding :TURBO

CODE” đánh dấu một bước tiến vượt bậc trong nghiên cứu mã sửa sai.Loại mã mà

họ giới thiệu thực hiện trong khoảng 0.7dB so với giới hạn của Shannon cho kênhAWGN.Loại mã mà họ giới thiệu được gọi là mã Turbo ,thực chất là sự kết nốisong song các bộ mã tích chập đặc biệt cùng với các bộ chèn Cấu hình này gọi

là :“Kết nối song song các mã tích chập “( Parallel Concatenated Convolutional

Code_ PCCC)

Ngoài ra cũng có “Kết nối nối tiếp các mã tích chập”(Serial Concatenated

Convolutional Code_SCCC) và dạng“ Kết nối hổn hợp các bộ mã tích chập”( Hybrid Concatenated Convolutional Code_HCCC).Các loại mã này có nhiều đặc

điểm tương tự nhau và cùng xuất phát từ mô hình của Berrou nên gọi chung là:

TURBO CODE ( TC).

Trong bộ mã TC sử dụng một bộ mã tích chập đặc biệt : mã tích chập hệ

thống đệ quy ( Recursive Systematic Convolutional Code_RSC ).Tính hệ thống có

nghĩa là đầu vào của bộ mã hoá cũng có nghĩa là một phần của ngõ ra Vì thế ,một

bit trong n bit ngõ ra của một vòng lặp mã hoá đơn là 1 bit trong thông điệp đi vào

Tính đệ quy có nghĩa là có hồi tiếp từ ngõ ra bộ mã hoá về ngõ vào Các bộ

mã hoá tích chập truyền thống không có hồi tiếp nên có thể được coi như một bộ lọcFIR còn các bộ lọc RSC nhờ hồi tiếp nên có thể coi như là bộ lọc IIR

2.3.1 Mã chập tuyến tính

Bộ mã hóa sử dụng các thanh ghi dịch để đưa thêm độ dư vào luồng dữ liệu

Bộ phận cơ bản của phần cứng trong việc mã hóa này là thanh ghi dịch với(m+1) ngăn ( stages), như hình sau

Mỗi một ký hiệu gi trên hình là một số nhị phân đại diện cho sự ngắn mạchhoặc hở mạch( gi=1 là ngắn mạch, gi=0 là hở mạch) Các bits thông tin trên thanhghi được kết hợp bởi bộ cộng modulo 2 để tạo nên các bit ở đầu ra ta gọi các bitđầu ra là các bit mã hóa Công thức biễu diễn các bit ở đầu ra ứng với các bit vào là:

K:chiều dài constraint lengths(số ngăn lớn nhất trên thanh ghi)

Trong đó k < n để ta có thể thêm độ dư vào luồng dữ liệu để thực hiện phát hiện

sai và sửa sai.Hình 2.4 bên dưới cho ta thấy rõ hơn về bộ mã chập

Chương 2: Khái niệm mã Turbo

0

+ +

Hình 2.8: Các ví dụ về mã chập 2.3.2 Mã tích chập hệ thống đệ quy

Mã tích chập hệ thống đệ quy được lấy từ bộ mã hoá tích chập thông thườngbằng cách hồi tiếp một trong những ngõ ra mã hoá thành ngõ vào của nó

Hình 2.9: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2 ; K=3

g2 =[ 1 0 1] và có thể được viết là G =[ g1 ,g 2 ] Bộ mã hoá RSC tương ứng bộ mã hoá

tích chập thông thường đó được biểu diễn là G = [ 1, g 2 /g 1 ] trong đó ngõ ra đầu tiên

( biểu diễn bởi g 1 ) được hồi tiếp về ngõ vào , g 1 là ngõ ra hệ thống , g 2 là ngõ ra

feedforward.Hình 2.6 trình bày bộ mã hoá RSC

+

+x

c(2)

c(1)

Hình 2.10: Bộ mã hoá RSC của hình 2.5 2.3.3 Các bộ mã hoá tích chập đệ quy và không đệ quy

Một bộ mã hoá tích chập đệ quy có khuynh hướng cho ra các từ mã có trọng

số tăng so với bộ mã hoá không đệ quy ,nghĩa là bộ mã tích chập đệ quy cho ra ít từ

mã có trọng số thấp và cũng dẫn đến việc thực hiện sửa sai tốt hơn

Đối với mã Turbo ,mục đích của việc thực hiện các bộ mã hoá RSC là tậndụng bản chất đệ quy của các bộ mã hoá và tận dụng sự kiện bộ mã hoá là hệ thống

Để kiểm tra bộ mã hoá tích chập đệ quy hay không đệ quy ,ta xét ví dụ

sau ,bộ mã tích chập không đệ quy đơn giản có ma trận sinh g 1 = [1 1] và g 2 =[1 0] ,

( hình 2.7)

Hình 2.11: Bộ mã hoá tích chập không đệ quy r = 1/2 va K = 3

với chuỗi ngõ vào và ngõ ra Hình 2.8 trình bày một bộ mã hoá tích chập tương đương của hình 2.7 có:

G =[ 1, g 2 / g 1 ]

D+

+x

c2

c1

D+

c2=[1 0 0 0]

c1=[1 1 0 0]x=[1 0 0 0]

Chương 2: Khái niệm mã Turbo

Hình 2.12: Bộ mã hoá tích chập đệ quy có r = 1/2 và K = 3 của hình 2.6 cùng

với chuỗi ngõ vào và ra Hai mã có cùng khoảng cách tự do tối thiểu và có thể mô tả bằng cấu trúc

trellis Vì vậy các mã có cùng xác suất lỗi sự kiện đầu tiên ,tuy nhiên các mã này có

các mức độ lỗi bit khác nhau do BER phụ thuộc vào sự tương ứng ngõ vào - ra của

bộ mã hoá BER của mã tích chập hệ thống đệ quy thì thấp hơn BER của mã tíchchập không đệ quy tương ứng với cùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu(SNR) thấp

2.3.4 Kết thúc Trellis

Đối với bộ mã tích chập thông thường, Trellis được kết thúc bằng( m= k -1)

các bit zero thêm vào sau chuỗi ngõ vào Các bit thêm vào này lái bộ mã tích chậpthông thường đến trạng thái tất cả zero ( là trạng thái kết thúc trellis) Nhưng cáchnày không thể áp dụng cho bộ mã hoá RSC do có quá trình hồi tiếp Các bit thêmvào để kết thúc cho bộ mã hoá RSC phụ thuộc vào trạng thái của bộ mã hoá và rấtkhó dự đoán Ngay cả khi tìm được các bit kết thúc cho một trong các bộ mã hoáthành phần thì các bộ mã hoá thành phần khác có thể không được lái đến trạng tháitất cả zero với cùng các bit kết thúc do có sự hiện diện của bộ chèn giữa các bộ mãhoá thành phần Hình 2.9 là kết thúc trellis :

Hình 2.13: Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC

Để mã hoá chuỗi ngõ vào ,khoá chuyển bật đến vị thí A , để kết thúc trellis thì

khoá chuyển bật đến vị trí B.

D+

c2=[1 1 1 1]

c1=[1 0 0 0]

x=[10 0 0]

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Qua chương này ta biết được các khái niệm về mã tích chập ,mã tích chập hệthống đệ quy.Từ các mã này kết nối với nhau theo một kiểu kết nối nhất định tađược mã Turbo, kết nối ở đây là kết nối song song các bộ mã RSC.Tuy nhiên, đểhình thành nên mã Turbo không phải kết nối đơn giản như vậy mà cần phải có bộchèn cũng như là sử dụng kỹ thuật xoá để mang lại hiệu quả cao hơn.Chương sau ta

sẽ tìm hiểu về mã hoá ,giải mã cũng như là cấu trúc của mã PCCC…

Chương 3: Mã Turbo kết nối song song

(PARALLEL CONCATENATED CONVOLUTIONAL CODE)

Mã Turbo kết nối song song là sự kết nối song song các bộ mã tích chập hệthống đệ quy

Chương này đi chi tiết trình bày cụ thể các vấn đề liên quan đến mã PCCCnhư:

 Cấu trúc bộ mã hóa, tổng quát và cụ thể

 Các phương pháp và thuật toán giải mã, chủ yếu là thuật toán:Log-MAP

và SOVA

 Phân tích chất lượng mã PCCC, tính ưu việt và các yếu tố ảnh hưởng đếnchất lượng thực hiện mã PCCC

 Biện pháp tăng chất lượng bằng thiết kế bộ chèn

 So sánh giữa PCCC với các loại mã đã biết trước đây

Mã PCCC là sự kết nối song song của 2 hay nhiều mã RSC Thông thường

người ta sử dụng tối thiểu 2 bộ mã hoá tích chập Sơ đồ khối mã PCCC tổng quát

được trình như hình 3.1

code).Các bộ mã thành phần có thể khác nhau ,tốc độ mã khác nhau nhưng có cùng

cỡ khối bit ngõ vào là k ,các chuỗi mã hoá ngõ ra bao gồm một chuỗi hệ thống(chuỗi bit vào) Ở các bộ mã hoá thứ hai trở đi ,chuỗi bit nhận vào để mã hoá trướchết phải qua một bộ chèn Tất cả các chuỗi mã hoá ngõ ra sẽ được hợp lại thànhmột chuỗi bit duy nhất n bit trước khi truyền

Hình 3.14: Bộ mã hoá PCCC tổng quát

Tốc độ mã hoá (code rate) của bộ mã hoá PCCC là: r = k/n

Mỗi bit thông tin ngõ vào sẽ trở thành một phần của từ mã ngõ ra (tính hệthống ) và sẽ được kèm theo bằng ( 1/r - 1) bit ( gọi là bit parity) để sửa lỗi nếucó.Nếu r càng nhỏ tức số bit parity đi kèm sẽ lớn và dẫn đến khả năng sửa lỗi caohơn rất nhiều nhưng tốc độ truyền giảm đi , số bit truyền nhiều hơn có nghĩa là băngthông lớn hơn và độ trễ tăng lên Theo khuyến cáo của các tổ chức định chuẩn thì

c0

Bộ mã hoá RSC1

Bộ mã hoá RSC2

Bộ chèn 1x

c1,i

c2,i

Bộ mã hoá RSCn

Bộ chèn n-1

cn+1,i

.

.

Chuyển đổi song song sang nối tiếp hoặc

c3

Bộ mã hoá RSC1

Bộ mã hoá RSC2

Bộ chèn

x

c2

c1

Chương 3: Mã Turbo kết nối song song

Bộ mã hoá Turbo cơ bản được thiết kế bằng cách kết nối song song hai bộ mã

hoá hệ thống đệ quy tích chập lại với nhau Một bộ mã hoá RSC có tốc độ mã hoátiêu biểu là r =1/2 ,hai bộ mã hoá thành phần được phân cách nhau bởi một bộ chèn( interleaving) Chỉ có một trong ba đầu ra của hai bộ RSC trên là đầu ra của hệthống ,đầu ra của hệ thống có được bằng cách thay đổi thứ tự vị trí của bit đầuvào.Hình 3.2 là sơ đồ khối mã PCCC thường được sử dụng nhất và sẽ được dùng đểlàm ví dụ mô tả các đặc tính của mã PCCC cũng như chương trình mô phỏng Tốc

độ mã hoá của bộ mã này là r =1/3 ,bộ mã hoá RSC đầu tiên cho ra chuỗi hệ thốngc1 và chuỗi chập đệ quy c2 ,trong khi bộ mã hoá RSC thứ hai thì bỏ qua chuỗi hệthống của nó và chỉ cho ra chuỗi chập đệ quy c3

Hình 3.16: Sơ đồ chi tiết mã hoá PCCC tốc độ 1/3

Kỹ thuật xoá là kỹ thuật dùng để tăng tốc độ mã của một bộ mã hoá màkhông làm thay đổi cấu trúc của bộ mã hoá.Tốc độ mã càng thấp thì chất lượngcàng cao nhưng băng thông tăng.Ví dụ bộ mã tốc độ 1/3 ở hình 3.2 có thể trở thành

bộ mã hoá tốc độ 1/2 bằng cách thay vì 1 bit ngõ vào sẽ có tương ứng 3 bit ngõ ra

mã hoá thì ta cho ngõ ra mã hoá chỉ còn 2 bit.Bản chất của kỹ thuật puncture là làmgiảm n theo một qui luật nào đó để tốc độ mã hoá r tăng lên

Ví dụ: bộ mã trong hình 3.2 , nếu chuỗi hệ thống c1 vẫn giữ nguyên và các chuỗic2 và c3 sẽ được lấy xen kẽ Chuỗi c2 sẽ lấy các bit lẻ và các bit chẵn của chuỗi c3 thì

bộ mã sẽ có tốc độ 1/2 Khi bộ giải mã nhận được chuỗi bit đến thì nó sẽ thêm vào

chuỗi này các bit 0 tại những chỗ đã bị xoá bớt Như vậy có thể làm sai lệch bitparity nên giảm chất lượng

Đối với mã Turbo , có một hay nhiều bộ chèn được sử dụng giữa các bộ mãhoá thành phần Bộ chèn được sử dụng tại bộ mã hoá nhằm mục đích hoán vị tất cảcác chuỗi ngõ vào có trọng số thấp thành chuỗi ra có từ mã ngõ ra trọng số cao hayngược lại Luôn đảm bảo với một chuỗi ngõ vào thì ngõ ra một bộ mã hoá sẽ cho từ

mã trọng số cao còn bộ mã hoá kia sẽ cho ra từ mã trọng số thấp để làm tăngkhoảng cách tự do tối thiểu

Bộ chèn không những được sử dụng tại bộ mã hoá mà nó cùng với bộ giảichèn (deinterleaver) có trong bộ giải mã đóng một vai trò quan trọng Vai trò của bộchèn chính tại bộ giải mã mới bộc lộ hết Một bộ chèn tốt sẽ làm cho các ngõ vàocủa bộ giải mã SISO ít tương quan với nhau tức là mức độ hội tụ của thuật toán giải

mã sẽ tăng lên ,đồng nghĩa với việc giải mã chính xác hơn

Ví dụ bộ chèn được sử dụng để tăng trọng số của các từ mã như trong hình 3.2

Hình 3.17: Bộ chèn làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 khi so sánh với

bộ mã hoá RSC1

Từ hình 3.4 ,đối với bộ mã hoá RSC1 thì chuỗi ngõ vào x cho ra chuỗi mã

tích chập đệ quy có trọng số thấp c2 Để tránh bộ mã hoá RSC2 cho ra chuỗi ngõ ra

đệ quy khác cũng có trọng số thấp ,bộ chèn hoán vị chuỗi ngõ vào x thành 1 chuỗimới với hi vọng cho ra chuỗi mã tích chập đệ quy có trọng số cao c3 Vì vậy , trọng

số mã của mã PCCC là vừa phải , nó được kết hợp từ mã trọng số thấp của bộ mãhoá 1 và trọng số cao của bộ mã hoá 2

Chương 3: Mã Turbo kết nối song song

3.4.2 Bộ chèn giả ngẫu nhiên

Hình 3.19: Bộ chèn giả ngẫu nhiên với độ dài chuỗi ngõ vào L= 8

Bộ chèn giả ngẫu nhiên sử dụng tính ngẫu nhiên cố định và sắp xếp chuỗi ngõ

vào theo thứ tự hoán vị.Như hình trên bộ chèn viết vào [ 01101001] và đọc ra [ 01011001]

Đọc ra

0 1 … … 1 0

0 0 … … 1 0 … …

1 1 … … 0 0

0 0 … … 1 1Viết vào

3.4.3 Bộ chèn dịch vòng

Hình 3.20: Bộ chèn dich vòng với L=8, a=3, s=0

Phép hoán vị của bộ chèn dịch vòng là: p(i)= ( a*i+ s)mod L

Với a<L, s<L, a L , a:là kích cỡ của bước ;s: là phần bù; L : là độdài chuỗi ngõ vào

Để khắc phục vấn đề trên thì ta có bộ chèn chẵn lẻ ,bộ chèn chẵn lẻ cho phép mỗibit tin có một trong các bit được mã hoá của nó một cách chính xác Do vậy khảnăng sửa sai của mã được phân bố đồng nhất trên tất cả các bit tin

Ví dụ :cho chuỗi tin x= c1 của L= 9 sau khi qua bộ mã hoá RSC1 thì cho rachuỗi mã hoá c2 Từ c2 chỉ có các bit mã hoá ở vị trí lẻ được lưu trữ trong bảng3.2

Chương 3: Mã Turbo kết nối song song

Đối với mã hoá PCCC r= 1/2, các chuỗi bit mã hoá sau đó phải được ghép

với nhau như trong bảng3.5 sau đây:

Bảng 3.5 Chuỗi tin và chuỗi mã hoá được ghép

Mỗi bit tin có bit mã hoá riêng của nó

3.4.5 Bộ chèn Smile

Bộ chèn chẵn lẻ như trên cho duy nhất một bit kiểm tra đi kèm theo một bit

mã hoá Hạn chế của bộ chèn này là: sau khi mã hoá cả hai chuỗi bit thông tin( chuỗi tin tức gốc và chuỗi sau khi qua bộ chèn ) trạng thái của cả hai bộ mã phảigiống nhau Ta vẫn có thể thêm vào sau chuỗi thông tin một số bit “ tail bits” hoặckết thúc Treliss để làm cho hai bộ mã hoá đều kết thúc ở cùng một trạng thái zerobằng cách dùng một bộ chèn đặc biệt là Simile

Ý tưởng của bộ chèn này xuất phát từ ý tưởng một khối thông tin K bit có thểđược chia thành m+1 chuỗi với m là tham số ô nhớ của bộ mã hoá Ví dụ m=2 ta cóchuỗi:

Chuỗi 0 = { dk |k mod ( m+1) =0}

Chuỗi 1 = { dk |k mod ( m+1) =1}

Bảng 3.6 Trạng thái cuối của bộ mã hoá

Thứ tự của các bit đơn lẻ trong mỗi chuỗi không còn quan trọng ,chỉ cần các bit

đó ở trong cùng một chuỗi Một bộ chèn Simile phải thực hiện việc hoán vị các bittrong mỗi chuỗi để đưa được bộ mã hoá về cùng trạng thái như khi không sử dụng

bộ chèn

3.4.6 Bộ chèn khung

Nếu bộ chèn Simile cần sử dụng thêm tail bit để lái cả hai bộ mã hoá đến

cùng một trạng thái thì bộ chèn khung lại không cần tail bit Mỗi một bộ RSC do

tính hồi quy của nó có thể đặc trưng bằng một đa thức sinh chu kỳ L Trong trườnghợp này N bit thông tin sau khi được chèn sẽ được lưu hai lần trong bộ nhớ kíchthước 2N tại những địa chỉ mà việc đọc chúng ra sau này bị ngăn cách bằng mộtkhoảng thời gian bằng với số nguyên lần của L Bằng cách này, nếu bộ mã hoá bắtđầu bằng một trạng thái zero thì sẽ kết thúc tại một trạng thái zero mà không cần

thêm bất kỳ một tail bit nào.

3.4.7 Bộ chèn tối ưu

Bộ chèn tối ưu là bộ chèn cho ra các chuỗi mã hoá ngõ ra có trọng số thấp ít

Chương 3: Mã Turbo kết nối song song

Bước 1 : phát ra chèn ngẫu nhiên

Bước 2 : phát tất cả các chuỗi tin ngõ vào có thể

Bước 3: đối với tất cả các chuỗi tin ngõ vào có thể mã hoá thành từ mã và xácđịnh kết quả trọng số của từ mã để tìm được phân bố trọng số của từ mã

Bước 4: xác định trọng số từ mã nhỏ nhất và số các từ mã với trọng số đó

3.4.8 Bộ chèn đồng dạng

Một bộ chèn đồng dạng theo định nghĩa là một bộ chèn trung bình của tất cả

các bộ chèn có thể sử dụng Ta xét một chuỗi k bit gồm w bit 1 và k-w bit còn lại

đương nhiên là bit 0 Một bộ chèn đồng dạng chiều dài k là một thiết bị xác suất sẽ

ánh xạ chuỗi này thành tất cả các hoán vị 

Bộ chèn loại S (S = 1,2,3, ) là bộ chèn “bán ngẫu nhiên” được xây dựng như

sau : Chọn số nguyên ngẫu nhiên đem so sánh với các số nguyên ngẫu nhiên chọntrước đó S Nếu việc chọn hiện tại và chọn trước đó S khác nhau nhỏ hơn S thì sốnguyên ngẫu nhiên bị loại bỏ Quá trình này được lặp lại cho đến khi N số nguyênphân biệt được chọn Thiết kế bộ chèn này đảm bảo tránh được các sự kiện chu kỳngắn Một sự kiện chu kỳ ngắn xảy ra khi 2 bit gần nhau trong cả trước và sau khichèn

Thuật toán hoán vị cho bộ chèn bán ngẫu nhiên được mô tả như sau:

 Bước 1: Chọn chỉ số ngẫu nhiên i [0,L-1].

 Bước 2: Chọn số nguyên dương

2

L

S 

 Bước 3: So sánh i với các số nguyên trước đó Đối với mỗi số nguyên S,

so sánh i nếu nó nằm trong khoảng S thì giữ i, nếu nó không nằm trong khoảng S thì trở lại bước 1.

 Bước 4: Trở lại bước 1 cho đến khi tất cả các vị trí L được lấp đầy

Hình 3.9 trình bày bộ chèn bán ngẫu nhiên với L = 16 và S = 2.

Hình 3.22: Bộ chèn bán ngẫu nhiên với L = 16 và S = 2

Từ Hình 3.9, bộ chèn viết vào [0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1] và đọc ra

[0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0] Bộ chèn bán ngẫu nhiên cố gắng đưa ra vài tínhngẫu nhiên để khắc phục tính qui tắc của việc hoán vị Tuy nhiên, thuật toán khôngbảo đảm kết thúc một cách thành công

3.5.1 Khái niệm về các thuật toán giải mã

Chất lượng mã TC là qui trình giải mã mềm được thực hiện lặp đi lặp lại và

độ phức tạp chỉ tăng tuyến tính theo kích thước khung

Mã PCCC có cấu trúc mã hoá kết nối song song nhưnng quá trình giải mã lạidựa trên sơ đồ giải mã kết nối nối tiếp.Vì sơ đồ kết nối nối tiếp thực hiện tốt hơn sơ

đồ kết nối song song do sơ đồ kết nối nối tiếp có khả năng chia sẻ thông tin giữa các

bộ giải mã kết nối còn các bộ giải mã có sơ đồ kết nối song song chủ yếu giải mãđộc lập nhau

Trong khi thực hiện một vòng lặp giải mã các thông tin mềm được trao đổigiữa các bộ giải mã thành phần Foney đã chứng minh được rằng ngõ ra mềm tối ưu

cho bộ giải mã phải là xác suất a posteriori (APP) là xác suất của một bit nào đó

Chương 3: Mã Turbo kết nối song song

3.5.2 Tổng quan về các thuật toán giải mã

Hình 3.10, Trình bày các họ thuật toán giải mã dựa trên sơ đồ Trellis

Hình 3.23: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis

Họ thứ nhất là họ các thuật toán MAP còn gọi là thuật toán BCJR Cocke-Jelinek-Raviv, tên bốn người đã tìm ra thuật toán này) Thuật toán này liênquan đến các thuật toán giải mã khả năng xảy ra lớn nhất (ML) nhằm làm giảm tối

(Bahl-đa xác suất lỗi bit.Họ này bao gồm các thuật toán symbol-by-symbol MAP, là

phương pháp tối ưu để tính các thông tin APP(a posteriori), đây là thuật toán dạng

tích, độ phức tạp rất cao Trong họ này còn có hai loại thuật toán làm gần đúngthuật toán MAP để trở thành thuật toán dạng tổng độ phức tạp ít hơn mà chất lượnggiải mã gần như tương đương là Log-MAP và phiên bản gần đúng của Log-MAP làMax-log-MAP.Họ thuật toán giải mã khác là một họ thuật toán dựa trên việc sửađổi thuật toán Viterbi (VA) có sử dụng thêm metric bổ sung vì VA truyền thốngkhông tính các thông tin APP, metric bổ sung làm điều đó Họ thuật toán giải mãnày bao gồm thuật toán nổi tiếng là thuật toán Viterbi ngõ ra mềm (SOVA) và thuậttoán ít được biết đến hơn là thuật toán Viterbi ngõ ra liệt kê nối tiếp

Tuy cùng là các thuật toán ngõ ra mềm dựa trên sơ đồ trellis nhưng khác với

VA là một thuật toán giải mã trellis ML và giảm thiểu xác suất lỗi từ mã, thuật toánMAP lại nhắm tới giảm tối đa xác suất lỗi bit MAP là một phương pháp tối ưu đểước đoán các trạng thái và ngõ ra của các quá trình Markov trong điều kiện nhiễu

Các thuật toán giải

mã dựa trên Trellis

trắng Tuy nhiên MAP ít khả năng được ứng dụng thực tế bởi các khó khăn về sốhọc liên quan đến việc biểu diễn xác suất, các hàm phi tuyến cùng một số các phépnhân và cộng khi tính toán các giá trị này.Log-MAP là một biến thể của MAP, chấtlượng gần như tương đương mà không gặp trở ngại trong việc ứng dụng trong thực

tế Log-MAP được thực hiện hoàn toàn trong miền logarit, nhờ đó phép nhânchuyển thành phép cộng và ta có được một hàm tương đối dễ thực hiện hơn

Max-Log-MAP và SOVA là thuật toán gần tối ưu dùng để giảm bớt độ phức tạptính toán nhưng trong kênh nhiễu Gauss thì chất lượng hai loại này cũng không cao,đặc biệc trong vùng SNR thấp Max -Log-MAP hầu như giống với Log-MAP chỉ códuy nhất một điểm khác là sử dụng một hàm đơn giản hơn rất nhiều Các nghiêncứu cho thấy Max-Log-MAP làm giảm chất lượng khoảng 0.5 dB so với MAP/Log-MAP trong kênh nhiễu Gauss

Mặc dù thuật toán MAP tốt hơn thuật toán SOVA nhưng nó có cấu trúc phầncứng và quá trình tính toán giải mã lại phức tạp hơn nhiều.Do giới hạn của đồ án và

để phục vụ cho chương trình mô phỏng nên ta chỉ tập trung tìm hiểu về :Log-MAP

và SOVA

Chương 3: Mã Turbo kết nối song song

3.5.3 Thuật toán Log-MAP

Hình 3.24: Bộ giải mã lặp Log-MAP

Giải thuật giải mã được thực hiện như sau:

1 Tách tín hiệu nhận ra thành 2 chuỗi tương ứng cho bộ giải mã 1 và bộ giả

mã 2

2 Ở vòng lặp đầu tiên ,thông tin a priori của bộ giải mã 1 được đưa về 0.Sau khi bộ giải mã 1 đưa ra được thông tin extrinsic thì sẽ được chèn và đưa tới

bộ giải mã 2 đóng vai trò là thông tin a priori của bộ giải mã này.Bộ giải

mã 2 sau khi đưa ra thông tin extrinsic thì vòng lặp kết thúc.Thông tin extrinsic của bộ giải mã thứ 2 sẽ được giải chèn và đưa về bộ giải mã 1 như

là thông tin a priori

3 Quá trình giải mã giải mã cứ lặp lại như vậy cho đến khi thực hiện đủ số lầnlặp đã qui định

-

-Hard decision

Deinter

Deinter.Inter

; u (

A k

) O

; u (

A k



) (

1a u k

4 Sau vòng lặp cuối cùng ,giá trị ước đoán có được tính bằng cách giải chènthông tin ở bộ giải mã thứ 2 và đưa ra quyết định cứng.

3.5.4 Thuật toán SOVA

Độ tin cậy trong giải mã SOVA được tính toán từ biểu đồ trellis như hình :

Hình 3.25: Các đường survivor và đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy Trong Hình 3.12 trình bày biểu đồ trellis 4 trạng thái Đường liền nét chỉ ra

đường survivor (giả thiết ở đây là một phần của đường ML) và đường đứt nét chỉ rađường cạnh tranh (xảy ra đồng thời) tại thời điểm t đối với trạng thái 1 Để đơn giảnthì các đường survivor và cạnh tranh cho các nút khác không được vẽ ra Nhãn S1,tbiểu diễn trạng thái 1 tại thời điểm t Cũng vậy, các {0,1} được viết trên mỗi đườngchỉ ra quyết định nhị phân được ước đoán cho các đường Một metric tích lũyVs(S1,t) gán cho đường survivor đối với mỗi nút và metric tích lũy Vc(S1,t) gán chođường cạnh tranh đối với mỗi nút Thông tin cơ bản cho việc gán giá trị tin cậy L(t)đến đường survivor của nút S1,t là giá trị tuyệt đối của 2 metric tích lũy

L(t) = |Vs(S1,t) - Vc(S1,t)| (3.1)

Giá trị này càng lớn thì đường survivor càng đáng tin cậy Để tính toán độ tincậy này, giả thiết metric tích lũy của survivor thì luôn luôn lớn hơn metric tích lũy