Truyền hình số thế hệ 2 (DVB s2) dùng mã LDPC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TUẤN TÚ TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TRUYỀN HÌNH SỐ THẾ HỆ (DVB-S2) DÙNG MÃ LDPC LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ VŨ TUẤN TÚ Ngành: Cơng nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60 52 70 TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TRUYỀN HÌNH SỐ THẾ HỆ (DVB-S2) DÙNG MÃ LDPC LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2011 MỤC LỤC Mở đầu Chương Sự phát triển truyền hình vệ tinh số 1.1 1.2 1.3 1.4.Kết luận Chương Cơ sở lý thuyết mã LDPC 2.1 2.2 Mã Hamming 2.3 Mã khối tuyến tính…………………………………………………………………………18 2.4 Mã LDPC 2.4.1 Giới thiệu 2.4.2 Ma trận kiểm tra tính chẵn lẻ 2.4.3 Thuật toán giải mã lặp 2.4.4 Giải mã định mềm 2.5 Kết luận: Chương 3: Mô đánh giá hiệu mã LDPC 3.1 Sơ đồ mô hệ thống 3.2 Xây dựng ma trận H,G 3.3 Mã hóa: 3.4 Vấn đề độc lập tuyến tính: 3.5 Giải mã lặp 3.6 Thuật toán SPA 3.7 Đánh giá hiệu 3.8 Kết luận Kết luận Phụ lục Tạo ma trận H ma trận G Tài liệu tham khảo MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ Mở đầu Hình Sơ đồ điển hình tính tốn đường truyền cho kênh thông tin Hình Sơ đồ khối chức hệ thống DVB-S2 Hình Giản đồ chịm điều chế QPSK Hình Các sơ đồ điều chế sử dụng DVB-S2 10 Hình Hiệu phổ C/N yêu cầu kênh nhiễu trắng 12 Hình Kênh đối xứng nhị phân 16 Hình Liên hệ giới hạn Shannon với tỷ lệ mã kênh 17 Hình Biểu diễn đồ họa Hamming 7,4 mã [3] 17 Hình Tất từ mã Hamming 7,4 Code [3] 18 Hình 10 a) Khoảng cách Hamming d(ci,cj)≥2t+1; b) Khoảng cách Hamming d(ci,cj) Qi(0) Hình 20 Thuật tốn tổng tích SPA Tính tốn sau cho cˆ , syndrome tính là: Syn=H cˆ Nếu Syn  0nk x1 hay thuật toán đạt max bước lặp, thuật toán dừng lại Chú ý quan trọng Syn[0] không đảm bảo tuyệt đối từ mã ước lượng xác (tức cˆ =c) Nó diễn tả từ mã ước lượng thỏa mãn tất yêu cầu kiểm tra Nếu có lỗi lỗi không phát Tuy nhiên không cần phải lo lăng, mã khối kích 43 thước lớn có khoảng cách tối thiểu tốt, xác suất lỗi không phát nhỏ Thuật tốn giải mã có sơ đồ hình 20 Kết [8] Ở sơ đồ điều khiển lỗi LDPC đánh giá cách so sánh tin nguồn tin khôi phục lại để đánh giá mức độ lỗi Các tham số hay dùng là:  Mã LDPC thông thường  Độ dài khối 96, 204, 408 816  Trọng số cột (Wc) of  ½ Tỷ lệ mã  13 bước lặp cho giải mã SPA Để so sánh mã , biểu diễn BER theo SNR Eb/N0 Sơ đồ tính với yêu cầu bổ sung cho truyền bit chẵn lẻ Mối liên hệ là: Eb N0 Eb N0 Đối với mã tốc độ ½ E b dB  10 log10 N0 E b dB  10 log10 N0 44 Hình 21 Hiêu mơ mã LDPC với giới hạn shannon [9] Sự tăng 3.01dB diễn tả tăng công suất yêu cầu phát thêm bit chẵn lẻ mà giữ tỷ số SNR trung bình khơng thay đổi lượng bit tin mật độ phổ cơng suất Kiểm tra lại hình 15 thấy với tỷ lệ lỗi 10-4, độ dài khối 408 xấp xỉ giảm2dB yêu cầu Eb/N0 so với độ dài khối 96 Ở mã LDPC độ dài khối tiến đến vô cùng, đồ thị chạm giới hạn Shannon tỷ lệ mã 1/2 0.188dB 3.7 Đánh giá hiệu Đánh giá hiệu mã LDPC tài liêu tham khảo [8] thấy hình 21 22 Hình 22 Mã Turbo mã LDPC I = 1784 [11] 45 Theo kết hình 21 22 rút nhận xét sau: - Khi độ dài khối mã LDPC tăng: 96,204,408 đường cong gần giới hạn shannon = 0.188Db, đường cong hiệu mã Hamming nhiều - Ở vùng Eb/No thấp mã LDPC mã LDPC hiệu mã Turbo Còn vùng Eb/No > 1.2dB mã Turbo hiệu Đường truyền vệ tinh cho thấy sử dụng mã LDPC tốt thấy Eb/No nhỏ Dựa chương trình mã tham khảo [8] luận văn chạy mô kiểm tra lại với tham số đầu vào: 96, 204, 240 Rc = ½ Wc = cho kết hình 23 Với tham số thay đổi: 96, 240, 408 Rc = 2/5, Wc = cho kết hình 24 Hình 23 Kết mô với khối 96, 204, 240, tốc độ mã Rc=1/2, wc=3 3.8 Nhận xét Mô mã LDPC với tốc độ Rc=1/2 kết hợp điều chế BPSK cho thấy hiệu mã tăng mạnh theo độ dài khối (trên hình độ dài khối tăng từ 96, 204, 240) Tuy nhiên thời gian chạy mô chưa kết hợp xử lý song song kéo dài lâu tăng độ dài khối mã.(vài đồng hồ) đến ngày 46 Khi thay đổi tỷ lệ mã Rc = ½ Wc = 3, Rc = 2/5 Wc = hiệu đường cong tồi Các kết phù hợp với nghiên cứu lý thuyết kết tài liệu tham khảo Kết mô phù hợp với kết tham khảo cho thấy miền Eb/N0 nhỏ mã LDPC có hiệu cao mã Turbo Đây mạnh mã LDPC áp dụng vào đường truyền vơ tuyến Hình 24 Kết mô với khối 96, 240, 408, tốc độ mã Rc=2/5, wc=4 47 Kết Luận Hiện Việt nam có Vinasat-1 có dự án chuẩn bị phóng Vinasat-2 Các chương trình phát triển Viễn thông quốc gia thực với việc áp dụng thành tựu công nghệ Trong số có việc áp dụng kỹ thuật mã hóa LDPC cho tiêu chuẩn truyền hình hệ Nhằm cập nhật cơng nghệ đón đầu, luận văn chọn đề tài “Truyền hình DVBS2 sử dụng mã LDPC” Qua thời gian học tập nghiên cứu hiểu sở lý luận thao tác kỹ thuật then chốt để tạo nên mã Việc mô kiểm chứng cho thấy phù hợp lý thuyết kết nhận Phần phát triển có điều kiện xây dựng cấu trúc xử lý song song để tăng tốc thời gian xử lý áp dụng mã có độ dài khối lớn 48 Phụ lục:Tạo ma trận H ma trận G[8] A.1 – MakeH.m function [ParCheck,Rj,Ci]=MakeH(blocklength,nummessagebits,wc,reltol); %Generates a Parity-Check Matrix H with given inputs: %Blocklength - N length of codeword %nummessagebits - k - length of message %wc - column weight - # of 1's per column %reltol - controls regularity -> for regular LDPC generation, but may not %ever finish rows=blocklength-nummessagebits; cols=blocklength; wr=ceil(cols*wc/rows); %True all the time only if H is a Regular LDPC code -> Target for Irregular LDPC counter(1:rows,1:wr)=0; rowcount(1:rows)=0; %Generate H subject to constraints for i=1:1:cols for k=1:1:wc common(1)=2; while(max(common)>=2) common(1:rows)=0; randnum=round(rand*(rows-1))+1; while(((rowcount(randnum)>=wr && i/colswr && i/cols>reltol)) | length(find(counter(randnum,:)==i ))>=1) randnum=round(rand*(rows1))+1; end countertemp=counter(randnum,:); countertemp(rowcount(randnum)+1)=i; %Guaranteeing no length cycles on the tanner graph for j=1:1:rows if(j~=randnum) for l=1:1:wr if(length(find(counter(j,:)==countertemp(l)))>=1 && countertemp(l)~=0) common(j)=common(j)+1; end end 49 end end end %Valid Bit Location, write it!!! counter(randnum,rowcount(randnum)+1)=i; rowcount(randnum)=rowcount(randnum)+1; colcounter(i,k)=randnum; ParCheck(randnum,i)=1; end i %Display current column end Rj=counter; Ci=colcounter; A.2 – ParseH.m function [Gprime,newcol]=ParseH(mat1) [rows,cols]=size(mat1); %Column Rearrangement to guarantee non-singular Matrix tempH=mat1; for i=1:rows NewColPosition(i)=0; End %Performs Gauss-Jordan on dummy variable to move columns of H to make %submatrix A invertable for i=1:1:rows if tempH(i,i)==0 for k=(i+1):1:cols if (tempH(i,k)==1) spot=k; break; end end tempcol=tempH(:,spot); tempH(:,k)=tempH(:,i); tempH(:,i)=tempcol; tempcol=mat1(:,spot); mat1(:,k)=mat1(:,i); mat1(:,i)=tempcol; NewColPosition(i)=spot; end for j=1:1:rows if j~=i 50 if tempH(j,i)==1 tempH(j,:)=xor(tempH(i,:),tempH(j,:)); end end end end %Reassign Matrices to proper location augmat(1:rows,1:rows)=mat1(1:rows,1:rows); B(1:rows,1:(cols-rows))=mat1(1:rows,(rows+1):cols); clear('mat1'); clear('tempH'); newcol=NewColPosition; %Augment Identity Matrix with Square Matrix for i=1:1:rows for j=1:1:rows if(i==j) augmat(i,j+rows)=1; end if(i~=j) augmat(i,j+rows)=0; end end end %Begin GF2 Inversion for i=1:1:rows if(augmat(i,i)==0 && i~=rows) swflag=0; for k=i+1:1:rows if(augmat(k,i)==1) temp=augmat(i,:); augmat(i,:)=augmat(k,:); augmat(k,:)=temp; swflag=1; break; end end if(swflag==0 || (i==rows && augmat(rows,rows)==0)) disp('Matrix was not invertable -> Singular') done=0; 51 break; end end for j=1:1:rows if(augmat(j,i)==1 && j~=i) augmat(j,:)=xor(augmat(i,:),augmat(j,:)); end end end %Augment with Identity matrix to create a full generation matrix Ainv(1:rows,1:rows)=augmat(1:rows,(rows+1):2*rows); Gprime=BinaryMultiply(Ainv,B); for i=1:1:(cols-rows) for j=1:1:(cols-rows) if(i==j) Gprime(rows+i,j)=1; end if(i~=j) Gprime(rows+i,j)=0; end end end clear('augmat'); 52 Tài liệu tham khảo [1] Lê Đình Dũng, “Thơng tin vệ tinh địa tĩnh”, luận văn đại học 2005 [2] Nguyễn Viết Kính, Trịnh Anh Vũ, “Thông tin số”, NXB Giáo dục, 2008 [3] Đỗ Anh Tú, “DVB-S2- Công nghệ truyền dẫn vệ tinh tương lai”, công ty VTC [4] http://Wilipedia.com “Tổng quan mã LDPC” [5] John G Proakis, “Digital Communications”, Mc Grrow Hill, 1995 [6] Amin Shokrollahi “LDPC Codes: An Introduction”, 2003 [7]Bernhard M.J.Leiner, “LDPC Codes-a brift Tutorial”, 2005 [8] Dan Dechene, Kevin Peets,”Simulated Performance oF Low-Density Party-Check Codes”, 2006 [9] Kjetil Fagervik, Arne Sjothun Larssen, “Performance and Complexity comparison of Low Density Party Check codes and Turbo Codes”,2002 [10] Christopher Michael Nicola, “Decoding of LDPC Codes Over Channel with Binary Additive Markov Noise”, 2005 [11] Qin Wang Company, “LDPC Code Performance and Complexity Comparing with Covolution and RS codes”, 2009 [12] Simon Haykin, “Digital Communications”,4th Edition, John Wiley &Sons 2001 ... 42 Hình 21 Hiêu mơ mã LDPC với giới hạn shannon 44 Hình 22 .Mã Turbo mã LDPC I = 1784 44 Hình 23 Kết mơ 45 Hình 24 Kết mơ với khối 96, 24 0, 408, tốc độ mã Rc =2/ 5,... TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TUẤN TÚ Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60 52 70 TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TRUYỀN HÌNH SỐ THẾ HỆ (DVB- S2) DÙNG MÃ LDPC LUẬN VĂN THẠC... lỗi 2. 4 Mã LDPC [7] 2. 4.1 Giới thiệu Mã LDPC loại mã khối kiểm tra chẵn lẻ mã Hamming, mức độ tinh vi phức tạp Ta mơ tả sau: 24 Hình 11 Mơ tả từ mã phương trình kiểm tra Trên hình 11 ví dụ mã LDPC