Mã turbo trong DSP ứng dụng trong WCDMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Tuấn Anh Mã Turbo DSP ứng dụng WCDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Nguyễn Hữu Trung HÀ NỘI – 2010 Luận văn tốt nghiệp sau đại học Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA BẢN CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung đề cập luận văn “Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA” viết dựa kết nghiên cứu đề cương cá nhân hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Trung Mọi thông tin số liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ nguồn sử dụng luật quyền quy định Tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Học Viên Đỗ Tuấn Anh Đỗ Tuấn Anh ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp sau đại học Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: Mà TURBO 1.1 Giới thiệu mã turbo: 1.2 Sự kết nối mã đời mã turbo (TURBO CODE): 1.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống đệ quy RSC: 1.3.1 Mã tích chập hệ thống không hệ thống: 1.3.2 Mã tích chập đệ quy khơng đệ quy: 10 1.4 Quyết định cứng định mềm: 13 1.5 Mã hóa mã turbo PCCC (parallel concatenated convolutional code) 14 1.5.1 Bộ mã hóa: 14 1.5.2 Kỷ thuật xóa (punture): 16 1.5.3 Bộ chèn (interleaver): 16 CHƯƠNG 2: GIẢI Mà Mà TURBO 27 2.1 Giới thiệu chương: 27 2.2 Tổng quan thuật toán giải mã: 27 2.3 Giải thuật MAP: 30 2.4 Nguyên lý giải mã viterbi ngõ mềm: 31 2.4.1 Độ tin cậy giải mã SOVA tổng quát: 32 2.4.2 Sơ đồ khối giải mã SOVA: 35 2.5 Sự khác giữ mã chập mã PCCC: 38 2.6 So sánh chất lượng hệ thống mã hóa: 38 2.7 Kết luận chương: 39 CHƯƠNG 3: CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG MÁY CẦM TAY HAI CHẾ ĐỘ (2G 3G) 40 3.1 Giới thiệu 40 3.6.3 Vai trò DSP 2G chế độ kép 60 CHƯƠNG 4: CÁC DSP KHẢ TRÌNH CHO CÁC MODEM TRẠM GỐC 3G 65 4.2 Tổng quan trạm gốc 3G: Các yêu cầu 66 4.2.1 Giới thiệu 66 4.2.2 Các yêu cầu chung 67 4.3.1 Phân tích xử lý SR 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Đỗ Tuấn Anh ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA CÁC TỪ VIẾT TẮT ARQ:Automatic Repeat Request :Yêu cầu lặp lại tự động AWGN: Additive White Gaussian Noise :Nhiễu Gauss trắng APP : A Posterior Probability: Xác suất Posterior BSC : Base Station Controler :Bộ điều khiển trạm gốc BER : Bit Error Rate: Tỉ lệ lỗi bit FER : Frame Error Rate :Tỉ lệ lỗi khung BTS :Base Trancever Station: Trạm vô tuyến gốc CDMA : Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã DES: Digital Encode Signal :Mã hoá kênh thoại số FSP : Trạng thái hữu hạn FDMA: Frequence Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo tần số GSM : Global System for Mobile communication: Dịch vụ di động tồn cầu HDVA : Hard VA :Thuật tốn Viterbi định cứng HCCC : Hybrid Concatenated Convolutional Code: Kết nối hỗn hợp mã tích chập HRL: Bộ đăng ký định vị thường trú IDS : Iterative Decoding Suitability : Phù hợp giải mã lặp IMT-2000 : International Mobi Telephone2000 : Điện thoại di động quốc tế 2000 ITU: International Telecommunication Union: Hiệp hội viễn thông quốc tế I : Interleaver : Bộ chèn IWF: Chức hòa mạng LLR : Log likelihodd Ratio :Tỉ số tin cậy Đỗ Tuấn Anh ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA MAP:Maximum A Posteriori:là xác suất lớn bit truyền dựa tín hiệu nhận MAC :Medium Access Control: Điều khiển truy nhập phương tiện MEM : Memory: Cấp độ nhớ MSC :Mobile service Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động MMC : Multimedia Communication : Truyền thông đa phương tiện ML : Maximum Likelihood : Khả xảy lớn PCCC : Parallel Concatenated Convolutional Code: Mã tích chập kết nối song song PSTN :Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại công cộng PN : Pseudo Noise: Tạp âm giả ngẫu nhiên RSC : Recursive Systemtic Convolutional Code: Mã tích chập hệ thống đệ quy SOVA : Soft VA : thuật toán Viterbi định mềm SNR:Signal to Noise Ratio : Tỉ số tín hiệu / nhiễu SCCC : Serial Concatenated Convolutional Code : Mã tích chập kết nối nối tiếp TDMA: Time Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo thời gian VA :Viterbi Algorithm: Thuật toán Viterbi Đỗ Tuấn Anh ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mã kết nối nối tiếp Hình 1.2: Mã kết nối song song Hình 1.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống 10 Hình 1.4 Bộ mã tích chập khơng hệ thống .10 Hình 1.5 mã tích chập đệ quy 11 Hình 1.6: Bộ mã hố RSC với r=1/2 k=3 12 Hình 1.7: Cách thức kết thúc trellis mã RSC 13 Hình 1.8: Bộ mã hố PCCC tổng qt 15 Hình 1.9: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm mã hoá chập hệ thống đệ quy .16 Hình 1.10: Bộ chèn làm tăng trọng số mã mã hoá RSC2 so sánh với mã hoá RSC1 .17 Hình 1.11 Ví dụ minh họa khả chèn 18 Hình 1.12: Bộ chèn giả ngẫu nhiên với độ dài chuỗi ngõ vào L= .20 Hình 1.13: Bộ chèn dich vòng với L=8, a=3, s=0 21 Hình 2.1 : Tổng quan thuật toán giải mã 28 Hình 2.2: Bộ giải mã lặp MAP 30 Hình 2.3 Bộ giải mã SOVA kết nối 31 Hình 2.4: Các đường survivor đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy 32 Hình 2.5 : Ví dụ trình bày việc gán độ tin cậy cách sử dụng giá trị metric trực tiếp 34 Hình 2.6: Sơ đồ khối giải mã SOVA 35 Hình 2.7: Bộ giải mã SOVA lặp .36 Hình 3.1: Sự khái quát chung theo chức việc xử lý lớp vật lý DSP 44 Hình 2.2: Khái niệm hai chế độ 47 Hình 3.3: Hoạt động liên hệ thống 48 Hình 3.4: Các yêu cầu xử lý tương quan khối chức kịch (A, B, C) Xử lý biểu diễn dạng hoạt động (hàng triệu hoạt động giây) 50 Hình 3.5: Các chức phân chia HW/SW 51 Hình 2.6: Ví dụ đồng xử lý ghép chặt 56 Hình 3.7: Hệ thống dựa đồng xử lý (bộ tương quan) ghép lỏng 59 Hình 4.1: Sơ đồ khối cho trạm gốc CDMA băng rộng mô tả chức 68 Hình 4.2: Kiến trúc mức cao đồng xử lý giải mã Viterbi 78 Hình 4.3: Đường số liệu tầng số 16 tính tốn ma trận trạng thái 79 Hình 4.4: Bộ mã hóa Turbo 80 Hình 4.5: Kiến trúc đồng xử lý Turbo 81 Hình 4.6: Kiến trúc giải mã MAP 83 Hình 4.7: Ví dụ việc thực sử dụng CCP 84 Đỗ Tuấn Anh ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA MỞ ĐẦU Cùng với phát triển Khoa Học Công Nghệ phục vụ cho sống người công nghệ viễn thông năm qua có bước phát triển mạnh mẽ cung cấp ngày nhiều tiện ích Thế kỷ 21 chứng kiến bùng nổ thơng tin ,trong thơng tin di động đóng vai trị quan trọng Nhu cầu trao đổi thông tin ngày tăng số lượng ,chất lượng loại hình dịch vụ kèm theo điều địi hỏi phải tìm phương thức trao đổi thông tin Và công nghệ WCDMA mục tiêu hướng tới lĩnh vực thơng tin di động tồn giới Cơng nghệ WCDMA bao gồm nhiều ưu điểm vấn đề đặt trao đổi thông tin cách cho hiệu Làm cho thông tin không bị mát đường truyền để đảm bảo chức trao đổi thơng tin mã hố phần quan trọng cơng nghệ WCDMA.Chính mã TURBO sử dụng WCDMA tính cấu trúc ưu việt mã khác.Nhằm khai thác tối đa ưu điểm công nghệ ta cần tìm hiểu kỹ vấn đề mã Turbo Đồ án đề cập đến việc ứng dụng DSP khả trình việc thiết kế thành phần hệ thống 3G Sự hỗ trợ DSP khả trình việc tăng khả xử lý, tốc độ xử lý, dung lượng hệ thống, hiệu suất làm việc hệ thống Qua thấy ứng dụng tầm quan trọng DSP khả trình việc thiết kế hệ thống thơng tin di động Đây lý em chọn đồ án “Mã turubo DSP ứng dụng vào công nghệ WCDMA” Nội dung đồ án gồm chương : • Chương 1: Mà TURBO • Chương 2: GIẢI Mà Mà TURBO • Chương3: CÁC DSP KHẢ TRÌNH TRONG MÁY CẦM TAY HAI CHẾ ĐỘ (2G 3G Đỗ Tuấn Anh ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA • Chương 4: CÁC DSP KHẢ TRÌNH CHO CÁC MODEM TRẠM GỐC 3G • Chương 5: Chương trình mơ kết quả: Trong q trình làm đồ án tốt nghiệp ,mặc dù cố gắng nhiều khơng tránh sai sót,em mong phê bình ,chỉ bảo giúp đỡ thầy cô bạn bè Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy Nguyễn Hữu Trung thầy cô giáo khoa Điện Tử-Viễn Thơng giúp em hồn thành đồ án Đỗ Tuấn Anh ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương Mã turbo CHƯƠNG 1: Mà TURBO 1.1 Giới thiệu mã turbo: Mã Turbo kết nối gồm hai hay nhiều mã riêng biệt để tạo mã tốt lớn Mơ hình ghép nối mã Forney nghiên cứu để tạo loại mã có xác suất lỗi giảm theo hàm mũ tốc độ nhỏ dung lượng kênh độ phức tạp giải mã tăng theo hàm đại số Mơ hình bao gồm kết nối nối tiếp mã mã ngồi Chương trình bày: • Sự kết nối mã đời mã Turbo( TC) • Gới thiệu mã chập hệ thống đệ quy (Recursive Systematic Convelutional Code_RSC), sở việc tao mã TC • Chi tiết cấu trúc mã hóa PCCC 1.2 Sự kết nối mã đời mã turbo (TURBO CODE): Forney sử dụng mã khối ngắn mã tích chập với giải thuật giải mã Viterbi xác suất lớn làm mã mã ReedSalomon dài không nhị phân tốc độ cao với thuật toán giải mã sửa lỗi đại số làm mã ngồi Mục đích lúc đầu nghiên cứu lý thuyết sau mơ hình ghép nối mã trở thành tiêu chuẩn cho ứng dụng cần độ lợi mã lớn Có hai kiểu kết nối kết nối nối tiếp (hình 1.1) kết nối song song ( hình 1.2) Ngõ vào Bộ mã hố r = k1/n1 Bộ mã hoá r = k2/n2 Ngõ Hình 1.1: Mã kết nối nối tiếp Bộ mã hố gọi mã ngồi, cịn mã hoá mã Đối với mã kết nối nối tiếp, tốc độ mã hoá: Rnt=k1k2/n1n2 Đỗ Tuấn Anh ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương Mã turbo Đối với mã song song, tốc độ mã hoá tổng: Rss=k/(n1+n2) Bộ mã hoá r = k/n1 Bộ ghép (Multiplexer) Ngõ vào Bộ mã hoá r = k/n2 Ngõ Hình 1.2: Mã kết nối song song Trên mơ hình kết nối lý thuyết.Thực tế mơ hình cần phải sử dụng thêm chèn mã hoá nhằm cải tiến khả sửa sai Năm 1993, Claude Berrou, Alain Glavieux, Puja Thitimajshima viết tác phẩm “ Near Shannon limit error correcting coding and decoding:TURBO CODE” đánh dấu bước tiến vượt bậc nghiên cứu mã sửa sai Loại mã mà họ giới thiệu thực khoảng 0.7dB so với giới hạn Shannon cho kênh AWGN Loại mã mà họ giới thiệu gọi mã Turbo, thực chất kết nối song song mã tích chập đặc biệt với chèn Cấu hình gọi là: “Kết nối song song mã tích chập “( Parallel Concatenated Convolutional CodePCCC) Ngồi có “Kết nối nối tiếp mã tích chập”(Serial Concatenated Convolutional Code_SCCC) dạng “Kết nối hổn hợp mã tích chập” ( Hybrid Concatenated Convolutional Code_HCCC).Các loại mã có nhiều đặc điểm tương tự xuất phát từ mơ hình Berrou nên gọi chung là: turbo code (TC) 1.3 Bộ mã hóa tích chập hệ thống đệ quy RSC: Trong mã TC sử dụng mã tích chập đặc biệt: mã tích chập hệ thống đệ quy ( Recursive Systematic Convolutional Code_RSC ) 1.3.1 Mã tích chập hệ thống khơng hệ thống: Mã tích chập có tính hệ thống mã tích chập mà có phần từ mã ngõ dãy tin đầu vào, tức đầu vào dãy tin đưa trực tiếp đến ngõ mã Sơ đồ mã tích chập hệ thống hình 1.3 Đỗ Tuấn Anh ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc giống TMS3320C64xTM Vì vậy, giải pháp đề xuất làm tăng tài nguyên DSP với đồng xử lý mềm dẻo Giải pháp sử dụng FCP tạo tần số khoảng 118 MHz Điều làm giảm 10 lần tải xử lý Các FCP giải mã kênh thực bên ngồi, cịn chi phí, cơng suất hiệu suất tối ưu việc tích hợp đồng xử lý mềm dẻo DSP thiết kế chúng để mang lại tiến kiến trúc DSP Bảng 4.1: Các phân tích tốc độ ký hiệu cho hai kịch để so sánh phương pháp sử dụng DSP với phương pháp DSP + FCP 64 x kbps x 384 kbps C64x C64x+FCPs C64x C64x+FCPs (MHz) (MHz) (MHz) (MHz) Bộ nhớ Mã hóa tốc độ ký hiệua 29 29 53 53 Mbits (số liệu) Giải mã tốc độ ký hiệu (ngồi mã hóa xoắn Turbo) 17 17 16.5 16.5 20 kbytes (Pgm) Bộ mã hóa xoắn 211 ~2c N/A N/A 18 kbytes (số liệu) Bộ mã hóa Turbo N/A N/A ~800+ ~5d Chỉ DSP tổng ~257 DSP tổng + đồng xử lý 46 kbytes (số liệu) ~870 ~48 ~75 a Mã hóa tốc độ ký hiệu bao gồm: Bộ mã hóa CRC, mã hóa xoắn turbo, đan xen mức 1, ghép tốc độ, đan xen mức 2, ghép (cho thoại) b Giải mã tốc độ ký hiệu bao gồm: Giải đan xen mức 2, tách (kênh), giải ghép tốc độ, giải đan xen mức 1, kiểm tra CRC Các yêu cầu giải mã xoắn turbo riêng so sánh thực phần cứng phần mềm Đỗ Tuấn Anh 73 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc c Cho điều khiển DSP 20% đồng xử lý Viterbi chạy C64x CPU/4 d Cho điều khiển DSP 10% đồng xử lý mềm dẻo chạy C64x CPU/2 4.3.2 Phân tích xử lý CR Xử lý CR bao gồm nhiều chức Trên đường lên, giải trải phổ RAKE, tìm kiếm truy nhập lưu lượng, ước tính kênh MRC chiếm nhiều thủ tục giây Các chức khác (bắt, ấn định ngón, DLL) xem xét chức điều khiển không yêu cầu nhiều công suất xử lý Trong đường xuống, chức quan trọng trải phổ Bộ trải phổ thực phần cứng Như giải thích phần 3.2, khối tính tính tốn BTS chi phối thu đường lên, trải phổ đường xuống khơng đề cập phân tích 4.3.2.1 Phân tích thu đường lên Bộ giải trải phổ RAKE tìm kiếm truy nhập/lưu lượng sử dụng thao tác giống nhau: giả tạp âm (PN) giải trải phổ hàm Walsh Thao tác bao gồm việc tạo chuỗi Walsh giả tạp âm định thời hợp lý thực tương quan chuỗi tạo chuỗi chip đến Các tương quan thực CR Bộ giải trải phổ RAKE tìm kiếm truy nhập/lưu lượng thực ước tính lượng tích lũy khơng kết hợp, chức yêu cầu công suất xử lý thấp tương quan Thuật tốn ước tính kênh định hệ số hiệu chỉnh pha cần dùng MRC Thuật tốn ước tính kênh dựa lọc trung bình đa khe theo trọng số (WMSA) tính phức tạp lọc tính phức tạp FIR hoạt động khe sở (đang xem xét hệ số hiệu chỉnh pha khe) Sử dụng hệ số hiệu chỉnh pha tính tốn trước cho đường, MRC tái kết hợp tất đường với để cung cấp ký hiệu tới phần xử lý SR MRC thực phép nhân phức đường (nhân phức tín hiệu giải trải phổ Đỗ Tuấn Anh 74 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc với hệ số hiệu chỉnh pha) sau cộng tất ký hiệu hiệu chỉnh lại với để cung cấp ký hiệu kết hợp cho chức xử lý SR cịn lại Thơng thường MRC chạy SR; phép nhân phức thực SR Khi tốc độ cao việc thay đổi hệ số trải phổ Như nói từ trước, tốc độ chip tiêu chuẩn 3G 3,6864 Mcps cho IS-2000 3,84 Mcps cho 3GPP Rõ ràng, tốc độ chip cao làm tăng số lượng thao tác giây cần thiết cho việc xử lý CR Khi xem xét tốc độ chip số lượng người sử dụng yêu cầu hỗ trợ (như nhà sản xuất trạm gốc) công suất xử lý cần cho giải trải phổ RAKE tìm kiếm truy nhập/lưu lượng nằm phạm vi 10-30 GOPS cho 64 người sử dụng Như nói phần trước, yêu cầu nhiều DSP hiệu suất cao để thực chức thu CR đường lên đa kênh hệ thống CDMA Vì vậy, phương pháp dựa vào phần mềm hoàn toàn để xử lý CR thực mà hiệu mặt chi phí 4.3.2.2 Sử dụng đồng xử lý Để hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng DSP, giải pháp phần cứng cần thiết cho xử lý CR để tối thiểu chi phí Giải pháp tạo đồng xử lý tương quan ASIC bên cho DSP Tuy nhiên, phải có tính mềm dẻo Để cung cấp mức mềm dẻo cao cho giải pháp, chức thực đồng xử lý phải nằm điều khiển DSP, phải cung cấp mức cao khả lập trình phải tham số hóa tốt Một CCP bổ sung để hỗ trợ DSP chức CR cho giải trải phổ RAKE tìm kiếm truy nhập/lưu lượng Tính mềm dẻo trì theo cách hiệu mặt chi phí việc thiết kế cẩn thận tính mềm dẻo nhờ số phương pháp khác nhau, tạo thành khối tương quan DSP lập trình CCP nhờ sử dụng tập thao tác lệnh CCP thảo luận phần sau Đỗ Tuấn Anh 75 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc Tính mềm dẻo giải pháp chung đạt phần việc cho phép ước tính kênh MRC thực phần mềm DSP Tương tự vậy, DSP thực tất nhiệm vụ điều khiển ấn định ngón, khơi phục định thời hiệu chỉnh dựa kết thực từ CCP Tính mềm dẻo cho phép nhà thiết kế hệ thống thực thuật toán phương pháp riêng để tăng hiệu suất Nó cho phép thay đổi nâng cấp sau Sự ước tính kênh ví dụ chức năng, thực phương pháp cải tiến làm tăng hiệu suất Bảng 3.2 u cầu tính tốn CR bản, giả thiết 64 người sử dụng với hướng cho người sử dụng Hai trường hợp đưa ra: sử dụng DSP TMS320C64xTM sử dụng DSP kết hợp với CCP CCP phận lớp FCP mô tả phần sau Bảng 4.2: Phân tích CR so sánh phương pháp DSP với phương pháp DSP + CCP cho chức quan trọng C64x (BOPS MHz) hay C64x + (MHz) CCP Bộ nhớ Bộ giải trải phổ RAKE ~10 BOPS (CCP)a Khơng đáng kể Mbits Bộ tìm kiếm truy nhập/lưu ~20 BOPS lượng (CCP)b Không đáng kể Mbits MRC 200 Mbits Ước tính kênh dựa 10 MHz WMSA 10 64 Kbits Các chức điều khiển 20 MHz (bắt, ấn định ngón, dị tìm,…) 20 80 Kbits 200 MHz a Bộ giải trải phổ RAKE ước tính để thực 250 K cổng CCP tần số 80 MHz b Bộ tìm kiếm truy nhập/lưu lượng ước tính để thực 275 K cổng CCP tần số 80 MHz 4.4 Các giải pháp đồng xử lý mềm dẻo Đỗ Tuấn Anh 76 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc Khái niệm FCP để ghép ý tưởng việc tăng tốc độ phần cứng với ý tưởng tính mềm dẻo đáng kể chức triển khai, có lẽ tới bán lập trình Điều bao gồm chiến lược phát triển nhận thức tốt giao diện hiệu với DSP lõi, mức vật lý mức hoạt động cao Đối với kiến trúc trạm gốc 3G, giải pháp đắc lực hiệu chi phí đưa việc thực DSP TMS320C64xTM với FCP: Bộ giải mã Viterbi, giải mã Turbo CCP Những thành phần mô tả phần Thêm vào đó, xử lý truyền thông DSP Texas Instruments TMS320C6416TM, kết hợp giải mã Viterbi giải mã Turbo theo hình thức ghép chặt với DSP 4.4.1 Bộ đồng xử lý giải mã xoắn Viterbi Một giải mã Viterbi thường sử dụng để giải mã mã xoắn sử dụng ứng dụng vô tuyến Thuật tốn bao gồm hai bước: 1- tính tốn trạng thái ma trận hướng phát thông qua biểu đồ lưới mã; 2- sử dụng kết lưu trữ từ bước 1, thực hướng ngược, nhờ số liệu để xây dựng từ mã giống với từ mã phát (được hiểu dò tìm) Việc tính tốn ma trận trạng thái địi hỏi tính tốn dị tìm sâu chủ yếu bao gồm toán tử cộng, so sánh lựa chọn (ACS) Một thao tác ACS định giá trị ma trận trạng thái biểu đồ lưới thực thao tác việc lựa chọn kết lớn hai ma trận thích hợp, ma trận từ nhánh nhập vào trạng thái Các ma trận thích hợp đến từ việc cộng ma trận nhánh tương ứng với ma trận trạng thái tương ứng trước Các ma trận nhánh nhận từ số liệu thu giải mã Thêm vào đó, thao tác ASIC lưu trữ nhánh chọn để sử dụng q trình xử lý dị tìm Đỗ Tuấn Anh 77 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc Hình 4.2: Kiến trúc mức cao đồng xử lý giải mã Viterbi Kiến trúc mức đồng xử lý Viterbi mềm dẻo (VCP) hình 3.2 bao gồm ba khối chính: khối ma trận trạng thái, khối dị tìm khối giao diện DSP Khi hoạt động tần số 80 MHz (160 MHz cho nhớ nó), khối ma trận trạng thái thực 320x106 thao tác ACS giây, VCP giải mã tốc độ 2,5Mbps Điều tương đương với 200 kênh thoại cho hệ thống vơ tuyến 3G Để hồn thành điều giảm băng thông nhớ ma trận tới mức đủ hợp lý cấu trúc xếp tầng hình 3.3 thực Thực tế, cấu trúc hoạt động số 16 biểu đồ lưới (16 trạng thái tầng) bỏ I/O nhớ cho tầng biểu đồ lưới dẫn đến giảm 75% băng thông Đường số liệu kết hợp ghi trao đổi nhờ bit đường biểu đồ lưới (được gọi tiền dị tìm) Các đoạn bit khơng cần dị tìm nhiều, chúng sử dụng phần trọn vẹn xử lý dị tìm Điều cho phép dị tìm nhanh Cấu trúc xếp tầng hoạt động chiều dài giảm (giảm số lượng tầng); cụ thể tầng, tầng, tầng Tương tự trao đổi ghi kết hợp tương ứng giống đem lại kết tiền dị tìm chiều dài bit Đỗ Tuấn Anh 78 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc Hình 4.3: Đường số liệu tầng số 16 tính tốn ma trận trạng thái Khối dị tìm hoạt động theo kiểu truyền thống để trở lại đường tắt Điều liên quan đến chu kỳ lặp việc đọc nhớ dị tìm để thu đoạn từ yêu cầu, phản ánh định đường ưu tiên, dịch đoạn từ vào ghi số trạng thái để định dạng số trạng thái cho dị tìm, sử dụng số liệu để định dạng địa nhớ Tuy nhiên, thiết kế di chuyển ngược lại tầng thời điểm nhờ tiền dị tìm đề cập Tính mềm dẻo mục đích quan trọng thiết kế VCP Nó hoạt động ghi dịch đơn mã xoắn với chiều dài K = 9, 8, 7, 6, 5; tỷ lệ mã 1/2, 1/3, 1/4 Các đa thức xác định cho mã mong muốn nhập vào VCP cho phép chích mẫu bất kỳ, có phương pháp tham số hóa để nhân chia khung cho dị tìm, kích thước khung khơng phải vấn đề quan trọng Và khoảng độ hội tụ cho khung phân chia Do đó, thực VCP giải mã mã xoắn mong muốn tìm thấy tiêu chuẩn vô tuyến 2G, 2,5G 3G Thao tác hiệu với DSP đạt nhớ gắn với thiết bị, việc cho phép chuyển đổi số liệu khối tới đầu vào và/hoặc đầu đồng thời với việc giải mã, việc cung cấp nhiều đường tín hiệu khác cho đồng DSP/DMA Bộ giải mã nhỏ thơng lượng cao nên hiệu mặt chi phí phương pháp phần mềm Điều giải phóng DSP để xử lý nhiều kênh và/hoặc thực thuật toán truyền thông tiến 4.4.2 Bộ đồng xử lý giải mã turbo Đỗ Tuấn Anh 79 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc Các mã hóa turbo sử dụng hai tiêu chuẩn vô tuyến 3GPP IS-2000 Các mã hóa turbo biểu diễn hình 3.4 nhận hiệu suất BER=10-6 SNR=1,5dB Bộ mã hóa turbo bao gồm hai mã hóa xoắn hệ thống đệ quy (RSCC) mắc song song, kết hợp với đan xen hình 3.4 Hình 4.4: Bộ mã hóa Turbo Các bit thơng tin gửi đến hai RSCC Các bit thông tin qua RSCC bên đan xen trước đến mã hóa Đầu hai RSCC bit, kết hợp nối tiếp sau truyền kênh Bit theo phương pháp đan xen từ RSCC khơng truyền dư Điều cho phép bit chích để thực tỷ lệ mã: 1/4, 1/3, hay 1/2 Bộ giải mã turbo giải mã lặp sử dụng thuật toán MAP (Maximum A Posteriory)[1] Mỗi phép lặp giải mã thực giải mã MAP hai lần Bộ giải mã MAP thứ sử dụng số liệu không đan xen giải mã MAP thứ hai sử dụng số liệu đan xen Trong phép lặp, giải mã MAP cấp cho giải mã MAP khác tập hợp ước tính ưu tiên bit thông tin, thông thường gọi tác động từ bên vào Trong cách hai giải mã MAP hội tụ tới giải pháp 2 Số liệu thu từ kênh cần thiết chia tỷ lệ trước / σ (trong σ thay đổi tạp âm tín hiệu) sử dụng giải mã MAP Việc chia tỷ lệ thực DSP Đỗ Tuấn Anh 80 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc Kiến trúc TCP biểu diễn hình 3.5 Điều khiển mềm dẻo cho phép TCP cấu hình để làm việc vài chế độ Trong chế độ đơn giản nhất, DSP tải toàn khối số liệu giải mã MAP thực giải mã MAP số liệu Các kết gửi trở lại DSP Điều có nghĩa DSP đan xen số liệu giải mã MAP liên quan đến phép lặp giải mã turbo Các chuyển đổi số liệu điều khiển cách hiệu tự động khối DMA tăng cường (EDMA) DSP Khèi giao diƯn chđ EDMA C64X lâi EDMA I/F Bé nhí §iỊu khiển MAP Bộ giải mà MAP Điều khiển TCP Hỡnh 4.5: Kiến trúc đồng xử lý Turbo Chế độ hoạt động đặc biệt cho phép TCP hoạt động nhiều loại mã 3G, miễn chúng sử dụng RSCC thành phần TCP thiết lập để thực vài phép lặp không cần can thiệp DSP Điều giảm nhiều băng thơng bus u cầu kết trung gian không cần di chuyển vào Trong chế độ này, TCP sử dụng bảng tra cứu để thực đan xen thực đủ số phép lặp yêu cầu để hội tụ Bộ điều khiển TCP phụ trách việc ghi đối xứng, chẵn/lẻ, độ ưu tiên số liệu cách xác tới giải mã MAP Sau giải mã thành công, DSP thu số liệu hiệu chỉnh, thông thường qua EDMA Để tối thiểu tiêu thụ công suất, thông thường người ta sử dụng tiêu chuẩn dừng, chức đầu giải mã MAP sử dụng Đỗ Tuấn Anh 81 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc để định hội tụ xuất Tiêu chuẩn dừng cần tối đa 8-10 phép lặp để đạt hiệu suất tốt giải mã turbo, hầu hết thời gian, 3- phép lặp cần thiết cho hội tụ Vì vậy, tiêu chuẩn dừng có tác động quan trọng yêu cầu MIPs trung bình mức cơng suất trung bình TCP có tiêu chuẩn dừng riêng để sử dụng chế độ đa tiêu chuẩn Tất nhiên, chế độ giải mã MAP đơn, DSP tự để áp dụng tiêu chuẩn dừng Đối với kích thước khối lớn (trong IS-2000 khối turbo rộng 20Kbits), giải mã turbo thực giải mã MAP phần sử dụng kỹ thuật cửa sổ trượt Trong trường hợp EDMA cung cấp cho TCP số liệu, chẵn lẻ độ ưu tiên cho phần khối số liệu (từ mã) để thực phần giải mã MAP Chức giải mã MAP biểu diễn hình 3.6 Bộ điều khiển MAP cấu hình khối này, để thực cập nhật alpha beta cập nhật đầu từ khối ngoại vi Khi sử dụng giải mã turbo, việc tính tốn beta lặp thực việc tính tốn alpha lặp thực đồng thời, đầu ngoại vi thực sử dụng đầu alpha sau beta thu trước Vì vậy, cần lưa trữ beta không lưu trữ alpha Một kiến trúc đường ống cho phép bốn khối beta tạo đồng thời với bốn khối alpha bốn khối đầu Bằng kỹ thuật thu tối đa lợi tốc độ kênh Thiết kế sau xử lý 16 kênh 384Kbps Mặc dù khả lớn dung lượng hầu hết trạm gốc cho phép giải mã turbo xảy với độ trễ thấp, yêu cầu mong đợi tất hệ thống Đỗ Tuấn Anh 82 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc Khèi Beta Ma trận trạng thái RAM Khối Alpha Khối bên ngoµi Wn,i Hình 4.6: Kiến trúc giải mã MAP 4.4.3 Bộ đồng xử lý tương quan CCP khối tương quan dựa vectơ, tính mềm dẻo cao, khả trình, thực thao tác thu RAKE trạm gốc CDMA cho đa kênh Bởi hầu hết chức thu RAKE liên quan tới tương quan tích lũy, bất chấp giao thức vơ tuyến nào, khối tương quan chung sử dụng cho số nhiệm vụ thu RAKE giải trải phổ hướng tìm kiếm Mặc dù, chúng dựa kiến trúc trải phổ nhiệm vụ định hướng nhiệm vụ tìm kiếm xử lý máy vật lý riêng rẽ Thêm vào đó, để thực chức giải trải phổ (giá trị phức), bao gồm nhân chuỗi mã tích lũy kết hợp, CCP tích lũy giá trị lượng “ký hiệu” (được gọi tích lũy khơng kết hợp) Ví dụ, tích lũy mẫu sớm, lúc muộn hướng RAKE; phép đo sử dụng cho vịng lặp dị tìm mã hướng (thường DLL) Đối với thao tác tìm kiếm, CCP trả lại giá trị lượng tích lũy cho cửa sổ riêng khoảng dịch (offsets) CCP thực tất xử lý CR tích lũy lượng theo thao tác mà DSP ghi vào đệm thao tác CCP dùng để điều khiển tất thao tác CCP CCP không thực hoạt động thu SR AGC, AFC DLL (Với DLL CCP cung cấp giá trị lượng cho vòng lặp hồi tiếp, khơng hoạt động vịng lặp nó) Tất thao tác ký hiệu thực DSP TMS320C64xTM Phiên DSP xây dựng để hỗ trợ tiêu chuẩn 3G IS-2000 tăng cường để hỗ trợ tất tiêu chuẩn 3G tương lai Đỗ Tuấn Anh 83 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc Hình 4.7 biểu diễn ví dụ triển khai, sử dụng CCP biểu diễn cách CCP giao diện với thành phần khác chuỗi thu cấu hình phần cứng băng gốc số (DBB) EMIF_A hc EMIF_B Bus 16, 32 hc 64 bit Hình 4.7: Ví dụ việc thực sử dụng CCP CCP chịu trách nhiệm: • Việc thực giải trải phổ để cung cấp ký hiệu số liệu hướng tới thực thể phụ trách việc xử lý MRC (có thể trực tiếp DSP hay khối ASIC khác) • Thực phép đo lượng/IQ sớm/đúng lúc/muộn (EOL) cho DLL • Thực tương quan chip 1/2 chip, phép đo lượng/IQ dành cho mục đích tìm kiếm • Cung cấp ký hiệu hoa tiêu gốc hướng cho DSP Đỗ Tuấn Anh 84 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc Trong RC IS-2000 1&2, đường số liệu FHT truy nhập trực tiếp đệm ký hiệu hướng (bộ đệm đầu đường số liệu RAKE) thực việc kết hợp Các đầu kết hợp ghi vào đệm ký hiệu kết hợp (CSB) DSP truy nhập trực tiếp đệm đầu để nhận ký hiệu kết hợp Trong RC 3&4, DSP sử dụng ký hiệu hoa tiêu gốc tính tốn để thực ước tính kênh hướng Các hệ số phép ước tính kênh gửi tới thực thể phụ trách việc xử lý MRC Trong ví dụ cụ thể này, xử lý MRC thực phần mềm, xử lý khối phần cứng khác Sử dụng hệ số tính tốn đó, MRC nhân ký hiệu giải trải phổ với hệ số ước tính kênh cộng tổng ký hiệu đến từ vài hướng (đường) với để cung cấp ký hiệu kết hợp Khi ký hiệu kết hợp xử lý tầng xử lý ký hiệu cao thu trạm gốc 4.5 Tổng kết Mục đích cơng việc chương đưa giải pháp lớp vật lý tốt cho thị trường trạm gốc vô tuyến 3G phát triển Các thách thức quan trọng cần giải là: công suất tính tốn đủ cho số lượng lớn kênh khối, hiệu mặt chi phí, mức mềm dẻo cao Phương pháp thảo luận chương đạt ba mục tiêu Từ phân tích chương, với 64 người sử dụng, xử lý tốc độ ký hiệu cần 1100 MHz TMS320C64xTM, xử lý CR yêu cầu 30 BOPS, với giả thiết có DSP sử dụng Giải mã hiệu chỉnh lỗi trước chi phối phần SR, hiệu chỉnh CDMA chi phối phần CR Để thực giải pháp hiệu mặt chi phí, rõ ràng hỗ trợ phần cứng bổ sung cần thiết Khái niệm vừa giới thiệu tận dụng kiến trúc DSP Texas Instruments, TMS320C64xTM, ghép với FCP: giải mã Viterbi, giải mã Turbo, CCP Các FCP thiết kế hiệu theo quan điểm số phép tính diện tích vùng silicon, đồng thời mềm dẻo theo Đỗ Tuấn Anh 85 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Các DSP khả trình cho modem trạm gốc quan điểm hoạt động Thêm vào đó, chúng thiết kế để giao diện với DSP cách hiệu để cực tiểu phần bổ sung DSP số liệu tương tác lệnh Tính mềm dẻo thực FCP việc xây dựng chúng theo phương pháp điều khiển lệnh, tham số hóa, thực bán lập trình, chúng sử dụng cho gần trường hợp định nghĩa tiêu chuẩn Trên hết, tính mềm dẻo lợi cần thiết số lý Trong thực tế, tính mềm dẻo cho phép ghép và/hoặc thay đổi tiêu chuẩn để sử dụng thiết bị, thực nhanh chóng cải tiến thay đổi thuật toán, thực tốt tăng cường kết hợp nhiều kênh Nó cho phép nhiều phương pháp phân chia hệ thống thành thiết bị xử lý Các ví dụ bao gồm: phân chia kết hợp xử lý đường lên đường xuống, phân chia theo chức cho nhiều kênh thành khối đơn Sau cùng, tính mềm dẻo cung cấp phương tiện cho OEM để phân biệt sản phẩm chúng Cũng cơng suất DSP TMS320C64xTM TI, nên giải pháp cho phép tương lai, phát triển phương pháp nhằm xử lý tín hiệu trạm gốc Đặc biệt, kỹ thuật tạo búp sóng thích ứng, khử nhiễu nhận biết nhiều người sử dụng thực kiến trúc Gần đây, Texas Instruments đưa TMS320C6416, kết hợp đồng xử lý VCP TCP vào DSP Tính mềm dẻo lượng lớn cơng suất tính tốn đạt với phương pháp vừa trình bày nhờ khả to lớn DSP TMS320C64xTM TI với đồng xử lý mềm dẻo đặc biệt Kết có giải pháp có sức cạnh tranh hiệu mặt chi phí Đỗ Tuấn Anh 86 ĐTVT_2008-2010 Luận văn tốt nghiệp sau đại học Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Đức Thọ ,“Thông tin di động số Cellular”, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 1997 “Giáo trình thơng tin di động” ,Hoc viện Bưu viễn thơng sở Tp Hồ Chí Minh Đặng Văn Chuyết , Nguyễn Tuấn Anh ,“Cơ sở lý thuyết truyền tin”, NXB Giáo Dục, 1999 Nguyễn Thuý Vân ,“Lý thuyết mã”, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội,1999.nMultiple Access Mr Harte ,”Introduction to Code Division Multiple Access”, Althos Inc,2004 Ali H.Mugaibel and Maan A.Kousa,”Understanding Turbo Codes”, King Fahd University of Petroleum and Minerals PO Box ,1271,Dhahran 31261,Saudi Arabia S Adrian Barbulescu, Steven.S Pietrobon,”Turbo Codes:A tutorial on a new class of powerful error correcting coding schemes”,”Part1: Code Structures and Interleaver Design”,26 October 1998 Nguyễn Hoàng Hải-Nguyễn Khắc Kiểm- Nguyễn Trung Dũng-Hà Trần Đức,”Lập trình Matlab”, NXB Khoa Học Kỹ Thuật ,Hà Nội 2003 Một số website viễn thông 10 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình Thơng tin di động hệ ba”, NXB Bưu điện, 3/2004 11 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình Thơng tin di động”, NXB Bưu điện, 6/2002 12 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động GSM”, NXB Bưu Điện, 1999 13 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình Cơ sở truyền dẫn vi ba số”, NXB Bưu điện, 4/2001 14 TS Nguyễn Phạm Anh Dũng “Lý thuyết trải phổ ứng dụng”, NXB Bưu Điện, 05/2000 15 Alan Gatherer and Edgar Auslander, “The Application of Programmable DSPs in Mobile Communications”, John Wiley & Sons Ltd, 2002 16 Đồ án khoá trước Đỗ Tuấn Anh 87 ĐTVT_2008-2010 ...Luận văn tốt nghiệp sau đại học Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA BẢN CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn nội dung đề cập luận văn ? ?Mã turbo DSP ứng dụng WCDMA? ?? viết dựa kết nghiên cứu đề cương... nghiệp Chương Mã turbo CHƯƠNG 1: Mà TURBO 1.1 Giới thiệu mã turbo: Mã Turbo kết nối gồm hai hay nhiều mã riêng biệt để tạo mã tốt lớn Mơ hình ghép nối mã Forney nghiên cứu để tạo loại mã có xác suất... việc tao mã TC • Chi tiết cấu trúc mã hóa PCCC 1.2 Sự kết nối mã đời mã turbo (TURBO CODE): Forney sử dụng mã khối ngắn mã tích chập với giải thuật giải mã Viterbi xác suất lớn làm mã mã ReedSalomon