Ứng dụng hệ thống điều chế mã có xáo trộn vị trí bít và giải mã lặp để nâng cao chất lượng ghi đọc dữ liệu

Ứng dụng hệ thống điều chế mã có xáo trộn vị trí bít và giải mã lặp để nâng cao chất lượng ghi đọc dữ liệu Ứng dụng hệ thống điều chế mã có xáo trộn vị trí bít và giải mã lặp để nâng cao chất lượng ghi đọc dữ liệu luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG TRUNG KIÊN ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ MÃ CÓ XÁO TRỘN VỊ TRÍ BÍT VÀ GIẢI MÃ LẶP ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG GHI/ĐỌC DỮ LIỆU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG TRUNG KIÊN ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ MÃ CĨ XÁO TRỘN VỊ TRÍ BÍT VÀ GIẢI MÃ LẶP ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG GHI/ĐỌC DỮ LIỆU Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRƢƠNG VĂN CẬP PGS TS INH TH CNG H NI 2014 Mở đầu Nhƣ biết, việc lƣu trữ phục hồi liệu thông tin số trƣờng hợp đặc biệt liên lạc số Các đƣờng liên lạc truyền thông tin từ nơi đến nơi khác, thiết bị lữu trữ liệu truyền thông tin từ thời điểm đến thời điểm khác Bởi lý thuyết thông tin cung cấp tảng lý thuyết cho thơng tin số, ngồi cịn đƣợc xem sở để hiểu giới hạn tỷ lệ liệu mật độ lƣu trữ việc ghi liệu số tin cậy Cũng nhƣ hệ thống liên lạc số, số phƣơng pháp liên kết với mã kênh đƣợc áp dụng việc ghi liệu, bao gồm mã sửa lỗi đại số kết hợp với mã điều chế Mã điều chế vịng có chức làm phù hợp tín hiệu đƣợc ghi với kênh vật lý với kỹ thuật xử lý tín hiệu đƣợc sử dụng phục hồi liệu Trong mã sửa lỗi vịng ngồi đƣợc thiết kế để loại trừ lỗi cịn lại sau q trình nhận dạng giải điều chế Song song với phát triển truyền dẫn số, lĩnh vực ghi từ có phát triển vƣợt bậc suốt 60 năm qua Nếu tăng tỷ lệ truyền dẫn số tin cậy thành truyền tin mục tiêu kỹ thuật ghi từ tăng mật độ ghi Để đạt đƣợc mục tiêu này, nghiên cứu đƣợc tiến hành ba hƣớng, a) Nghiên cứu vật liệu phƣơng pháp ghi, b) Mơ hình hóa kênh ghi, c) Các phƣơng pháp xử lý tín hiệu mã hóa Trong luận án giới hạn việc nghiên cứu mã hóa giải mã cho kênh ghi từ (Magnetic Recording - MR) Sự phức tạp việc xử lý tín hiệu q trình đọc biến đổi tín hiệu từ tính trở thành tín hiệu số mật độ cao thúc đẩy việc ứng dụng kỹ thuật mã hố xử lý tín hiệu số tiên tiến cho hệ thống ghi từ Các kênh ghi từ xem kênh ISI bị ràng buộc đầu vào nhị phân San mã hoá cơng cụ hữu ích để đạt đƣợc truyền tin tin cậy kênh nhƣ Tuy nhiên, ràng buộc đầu vào nhị phân yêu cầu phải có tăng ích mã hố lớn để bù suy giảm chất lƣợng tăng tỷ lệ hóa mã, điều làm hạn chế khả áp dụng kỹ thuật mã hoá cho ghi từ Trong năm gần đây, việc phát minh mã Turbo mã LDPC thúc đẩy nghiên cứu mã tiệm cận dung lƣợng thuật toán giải mã lặp cho ghi từ Sơ đồ điều chế mã có hốn vị bit giải mã lặp (BICM-ID: Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding), có cấu trúc kết hợp giải điều chế/giải mã mềm theo nguyên lý xử lý lặp, việc giải mã bit đƣợc tiến hành dựa thông tin bit khác dấu Thông tin đƣợc cải thiện qua lần lặp, đạt mức độ hồn hảo tín hiệu M mức đƣợc coi tƣơng đƣơng nhƣ M / cặp tín hiệu BPSK độc lập [33] Nếu phép ánh xạ đƣợc lựa chọn hợp lý nhằm tăng cự ly Ơ-cơ-lit tối thiểu cặp tín hiệu BPSK tất vị trí bit giữ đƣợc cự ly Hamming nhƣ mong muốn, sơ đồ BICM-ID phát huy hiệu cao kênh Gauss nhờ nguyên lý giải mã lặp [34] Chất lƣợng hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào mã chập, hốn vị, tín hiệu, phƣơng pháp ánh xạ chuỗi bít lên tín hiệu phƣơng pháp giải mã lặp Trong [2], TS Nguyễn Bình Minh nghiên cứu mã chập trình bày phƣơng pháp tìm mã chập tốt cho kênh Gauss Trong [2] khẳng định sử dụng tiêu chuẩn xác suất lỗi để đánh giá trực tiếp mã chập vùng SNR, mã tốt theo cách đánh giá đƣợc gọi mã theo tiêu chuẩn tối thiểu hoá xác suất lỗi (Tiêu chuẩn OEP) Cận xác suất lỗi OEP mã chập phƣơng pháp tính cận số sở để thực việc đánh giá mã theo OEP công cụ máy tính Khi thực đánh giá lựa chọn mã theo tiêu chuẩn OEP ta nhận đƣợc mã tốt theo tiêu chuẩn OEP Tồn mã chập tƣơng đƣơng, ta nhận đƣợc mã tƣơng đƣơng đảo chiều, đảo cột ma trận sinh Khi đánh giá mã theo tiêu chuẩn OEP ta cần xét đến đại diện nhóm mã tƣơng đƣơng Trong [3], TS Nguyễn Văn Giáo nghiên cứu đề xuất số giải pháp để cải thiện chất lƣợng hệ thống BICM-ID điều chế đa mức (M-PSK) cho kênh thông tin vô tuyến Trong hệ thống BICM-ID việc giải mã lặp phần thu dùng thuật toán Log-Map nhạy cảm với sai số ƣớc lƣợng tỷ số SNR, cịn dùng thuật tốn Max-Log-Map thay cho thuật toán Log-Map làm cho hệ thống BICM-ID giảm độ phức tạp tính tốn, nhiên chất lƣợng có giảm sút sai số phép tính xấp xỉ Trong [3], TS Nguyễn Văn Giáo chứng minh vòng lặp giải mã việc dùng hệ số chuẩn hố SF để nhân với thơng tin ngồi làm thơng tin tiên nghiệm cho vịng lặp sau cải thiện chất lƣợng hệ thống BICM-ID sử dụng thuật toán Log-Map Max-Log-Map Giá trị tối ƣu SF cho thuật toán Max-Log-Map 0,55 cho thuật toán Log-MAP SF=0,85 Hơn nữa, với SF = 0,6 giúp hệ thống BICM-ID sử dụng Log-MAP bớt nhạy cảm với sai số ƣớc lƣợng SNR Hệ thống đảm bảo chất lƣợng ƣớc lƣợng SNR có sai số từ dB đến dB Trong hệ thống BICM-ID sử dụng điều chế đa mức để sử dụng thơng tin bít để giải mã cho bít khác Symbol Đối với ánh xạ đa mức, hiệu chúng sử dụng hệ thống BICM-ID liên quan chặt chẽ đến hồ sơ cự ly Ơ-cơ-lít Bít có cự li bit lớn xác suất lỗi bít vị trí nhỏ, nói cách khác mức bảo vệ bít lớn Trên sở khái niệm ánh xạ có mức bảo vệ đều, [3] trình bày phƣơng pháp xây dựng ánh xạ tín hiệu cách lấy ánh xạ theo phân hoạch tập (SP) làm sở, sau lấy bít có mức bảo vệ thấp cộng modulo vào bít có mức bảo vệ bít cao Với tín hiệu M-PSK, từ trạng thái đối xứng ban đầu, dịch chuyển vị trí điểm tín hiệu lệch cho cự ly bít tăng lên, chắn cải thiện đƣợc hiệu hệ thống Có thể điều chỉnh vị trí điểm tín hiệu chịm tín hiệu thích nghi theo tỉ số SNR để cải thiện phẩm chất BER hệ thống Trong [3] đề xuất phƣơng pháp lựa chọn tham số điều chỉnh tối ƣu điểm tín hiệu chịm 4-PSK 8-PSK thích nghi với SNR, theo nghĩa đạt sàn lỗi thấp SNR cho trƣớc Các kết dùng cho thuật tốn thích nghi nhằm đạt đƣợc chất lƣợng tốt cho kênh biến đổi chậm Nhiều cơng trình nghiên cứu BICM-ID [3], [33], [52], [47], [57] khẳng định sơ đồ phát huy hiệu cao hệ thống truyền tin kênh Gauss Tuy nhiên hệ thống BICM-ID lại đòi hỏi điều chế đa mức, điều làm hạn chế việc áp dụng trực tiếp mơ hình BICM-ID cho ghi từ tín hiệu đầu vào kênh ghi từ bị ràng buộc phải nhị phân Với mục đích ứng dụng kỹ thuật mã hố xử lý tín hiệu thành công hệ thống thông tin số cho hệ thống ghi từ để nâng cao chất lƣợng ghi/đọc liệu, luận án chọn đề tài nghiên cứu “ Ứng dụng hệ thống điều chế mã có xáo trộn vị trí bít giải mã lặp để nâng cao chất lƣợng ghi/đọc liệu“ Luận án đề xuất phƣơng án xây dựng điều chế/giải điều chế đa chiều kết hợp với việc chọn cặp mã hoá – ánh xạ tốt để ứng dụng hệ thống BICM-ID cho hệ thống ghi từ, đồng thời để mở khả cho phát triển nghiên cứu sau Mục tiêu nhiệm vụ cụ thể đề tài giải vấn đề sau: Hệ thống BICM-ID đạt đƣợc hiệu cao hệ thống truyền tin Tuy nhiên hệ thống BICM-ID lại đòi hỏi điều chế đa mức, điều làm hạn chế việc áp dụng trực tiếp mơ hình BICM-ID cho ghi từ Vấn đề nghiên cứu thiết kế điều chế/giải điều chế đa chiều kết hợp với việc chọn ánh xạ có mức bảo vệ bit trung bình lớn hệ thống điều chế mã có hốn vị bit giải mã lặp (BICM-ID) để ứng dụng cho hệ thống ghi từ Khoảng cách tự mã biểu chất lƣợng mã kênh, ngƣời ta dùng cơng thức tính cận xác suất lỗi mã Khi xét thêm ảnh hƣởng điều chế hệ điều chế mã hố trọng số cự ly bit tín hiệu điều chế tham gia vào cơng thức tính cận xác suất lỗi hệ thống BICM-ID Chất lƣợng hệ thống BICM-ID tăng với số điểm tín hiệu (mã vòng trong) số trạng thái máy mã chập (mã vịng ngồi) Tuy nhiên độ phức tạp tăng theo, hệ thống đọc/ghi liệu yêu cầu độ trễ xử lý nhỏ Để đơn giản thiết kế, đánh giá hệ thống BICM-ID dùng tín hiệu đa chiều cho ghi từ, luận án xây dựng mơ hình hệ thống tuyến tính sở khái niệm ánh xạ lỗi bit BGU Chất lƣợng hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào mã chập, hốn vị, tín hiệu ánh xạ từ chuỗi bit lên tín hiệu Để nâng cao hiệu sơ đồ BICM-ID điều chế đa chiều cho ghi từ, luận án trình bày phƣơng pháp kết tìm kiếm vét cạn cặp máy mã - ánh xạ tốt hệ thống BICMID dùng tín hiệu lƣỡng cực nhị phân không gian đa chiều Các hệ thống giải lặp thƣờng dùng thuật toán Log-MAP để đạt đƣợc phẩm chất tốt BER Tuy nhiên việc dùng thuật tốn có hai yếu điểm, phức tạp tính tốn u cầu ƣớc lƣợng xác SNR Khi chuyển sang tín hiệu đa chiều số điểm (véc tơ) tín hiệu tăng lên, độ phức tạp tính tốn cao Luận án nghiên cứu áp dụng kết hệ số chuẩn hoá để thay thuật toán Log-MAP thuật toán Max-Log-MAP đơn giản không suy hao nhiều phẩm chất Đối tƣợng nghiên cứu Sơ đồ điều chế đa chiều xây dựng từ tập , ánh xạ có xác suất lỗi bit đều, hệ thống BICM-ID sử dụng ánh xạ tín hiệu đa chiều Phƣơng pháp nghiên cứu - Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống giải tích - Phân tích chất lƣợng giải tích kết hợp với mơ máy tính Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài đạt đƣợc kết nghiên cứu khoa học là: Đề xuất tiêu chuẩn thiết kế cặp mã hoá – ánh xạ tốt cho sơ đồ BICM-ID với hốn vị dịng bit Đƣa phƣơng pháp điều chế đa chiều, đa điểm tín hiệu để ứng dụng hệ thống BICM-ID cho hệ thống ghi từ Trình bày phƣơng pháp kết tìm kiếm cặp mã hóa - ánh xạ tốt cho hệ thống BICM-ID điều chế đa chiều Đề xuất sử dụng hệ số chuẩn hoá SF cho hệ thống BICM-ID điều chế đa chiều Bố cục luận án: Luận án đƣợc chia thành chƣơng với nội dung nhƣ sau: Chương trình bày về: cấu trúc hệ thống ghi từ, tính chất q trình ghi; tín hiệu ghi; đặc tính nhiễu; mơ hình tốn học kênh ghi; giới hạn lý thuyết thông tin dung lƣợng mơ hình kênh ghi; kỹ thuật nhận dạng xử lý tín hiệu đƣợc ứng dụng rộng rãi ghi từ; ràng buộc mà chuỗi đầu vào kênh phải thỏa mãn để đảm bảo làm việc thành cơng q trình nhận dạng xử lý liệu Chương trình bày về: Hệ thống BICM-ID yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng hệ thống BICM-ID; xác định lớp ánh xạ cho phép đơn giản hoá việc thiết kế đánh giá hệ thống BICM-ID Cận xác suất lỗi bit cho hệ thống BICM-ID đƣợc đề xuất với kết tìm kiếm máy tính cặp mã hố - ánh xạ tốt cho hệ thống BICM-ID với hốn vị dịng bit Chương đề xuất phƣơng án áp dụng nguyên lý xử lý tín hiệu sơ đồ điều chế mã có hốn vị bit giải mã lặp (BICM-ID) cho ghi từ sở coi véc-tơ m dấu nhị phân liên tiếp nhƣ điểm tập tín hiệu đa chiều Có nghĩa thay việc ánh xạ bit vào dấu nhị phân ánh xạ tổ hợp m bit vào véc-tơ chứa m dấu nhị phân , với m Trình bày phƣơng pháp kết tìm kiếm vét cạn cặp máy mã - ánh xạ tốt cho sơ đồ BICM-ID dùng tín hiệu lƣỡng cực điều chế đa chiều Đề xuất áp dụng hệ số chuẩn hoá SF để đơn giản việc tính tốn hệ thống BICM-ID Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO GHI TỪ 1.1 Hệ thống ghi từ Nói cách tổng quát, hệ thống ghi từ tƣơng đồng với hệ thống truyền tin Mục đích hệ thống truyền tin truyền đƣợc nhiều bit khoảng thời gian xác định, mục đích hệ thống ghi từ ghi đƣợc nhiều bit không gian xác định Sơ đồ khối mô tả bƣớc ghi hồi phục liệu hệ thống ghi từ đƣợc trình bày Hình 1.1 10 Các bít ghi Dữ liệu vào Điều chế Mã hố Tín hiệu ghi Kênh ghi số Dữ liệu Giải mã Giải điều chế Tín hiệu đọc lại Các bít tái tạo Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống ghi từ Ghi từ trình lƣu trữ liệu số hình thức từ hóa mơi trƣờng vật lý (mơi trƣờng ghi) Trong sống hàng ngày, thực lƣu trữ nhiều liệu vật liệu từ tính Thẻ tín dụng, vé tàu xe, phù hiệu an ninh, đĩa cứng máy tính, máy ảnh, băng video … chứa liệu số đƣợc ghi lại từ tính Dung lƣợng lƣu trữ đĩa cứng tăng lên cách đáng kể từ phát minh đĩa cứng IBM năm 1957 Tƣơng ứng với dung lƣợng ngày tăng thiết bị lƣu trữ phức tạp việc xử lý tín hiệu cần thiết để đọc chuyển đổi tín hiệu từ tính trở thành tín hiệu số Lịch sử việc xử lý tín hiệu hệ thống ghi từ chia cách rõ ràng thành giai đoạn Giai đoạn từ năm 1956 đến năm 1990, thiết bị lƣu trữ truy nhập trực tiếp dựa vào phƣơng pháp tách sóng tƣơng tự, bật phƣơng pháp tách sóng đỉnh Giai đoạn từ năm 1990 đến nay, ngành lƣu trữ chuyển sang kỹ thuật số, dựa vào san đáp ứng xung phận tách sóng chuỗi hợp lý cực đại, phƣơng pháp đƣợc giới thiệu trƣớc 40 năm Kobayashi Tang [27], [28], [29] 99 chƣơng đề xuất coi khối tín hiệu m bit theo trục thời gian véc-tơ (điểm) tín hiệu khơng gian m chiều, biến điều chế hai điểm tín hiệu thành điều chế đa điểm Với m 2,3, chƣơng xây dựng hệ thống BICMID sử dụng mã RSC 4, 16, 64 trạng thái ánh xạ Gray, SP, AntiGray cho chịm tín hiệu 2D, 3D 4D Kết mô hệ thống BICM-ID với chịm tín hiệu 2D, 3D 4D giới thiệu so với điều chế nhị phân bit-bit truyền thống cho độ lợi mã hoá khoảng 2.5~4 dB Cũng có tên gọi “ánh xạ vào siêu khối” [56], nhƣng điểm tín hiệu gốc báo QPSK không phù hợp cho ghi từ có số chiều chẵn Việc so sánh hiệu sơ đồ BICM-ID điều chế đa chiều với sơ đồ san Turbo điều chế nhị phân cần thiết đƣợc báo cáo nghiên cứu Chỉ tiêu thiết kế hệ thống BICM-ID cực tiểu hoá giới hạn theo xác suất lỗi bit cho phép tìm kiếm hệ thống tổ hợp tốt mã chập nhị phân, hoán vị bit, dán nhãn chịm tín hiệu m chiều Các ánh xạ Phân hoạch tập Phản Gray đƣợc đề xuất chịm tín hiệu đa chiều đƣợc chứng minh có tính chất dạng hình học mức bít (BGU), cho phép đơn giản hóa việc ƣớc lƣợng tỷ lệ lỗi bít q trình so sánh để chọn cặp máy mã – ánh xạ tốt Kết mô hệ thống BICM-ID điều chế đa chiều (2D, 3D, 4D) cho ghi từ, mơ hình kênh ghi đƣợc mơ hình hóa thành kênh AWGN tƣơng đƣơng sử dụng hệ số chuẩn hóa SF (nhƣ [1], [4]) cho phép thuật toán Max-Log-MAP bù đƣợc suy giảm chất lƣợng so với thuật toán Log-MAP sơ đồ giải mã đơn giản nhiều 100 KẾT LUẬN A./ Những kết Luận án 1./ Luận án xác định lớp ánh xạ cho phép đơn giản hố việc phân tích đánh giá chất lƣợng hệ thống BICM-ID Các cận xác suất lỗi bit cho hệ thống BICM-ID dựa sở cự li bit tín hiệu đƣợc đề xuất với kết tìm kiếm mã tốt phù hợp với hốn vị dòng bit với mã RSC tỷ lệ 1/2 điều chế 4-PSK Sự kết hợp mã hoá với ánh xạ mang lại hiệu tốt cho hệ thống BICM-ID với hoán vị tổng thể hốn vị dịng bit Kết đƣợc trình bày cơng trình nghiên cứu thứ 2./ Luận án đề xuất phƣơng án để áp dụng nguyên lý xử lý tín hiệu sơ đồ điều chế mã có hốn vị bit giải mã lặp (BICM-ID) cho ghi từ sở coi véc-tơ m dấu nhị phân liên tiếp nhƣ điểm tập tín hiệu đa chiều Kết xây dựng hệ thống với hoán vị tổng thể hốn vị dịng bit mơ với m , m m cho thấy phƣơng pháp đạt đƣợc tăng ích mã hóa từ (2.5†4) dB so với sơ đồ xử lý dấu thông thƣờng tốc độ truyền dẫn không thay đổi Trả giá độ phức tạp hai khối sơ đồ hệ thống, khối điều chế (Biến đổi tuyến tính) phía phát khối giải điều chế mềm (Biến đổi tín hiệu) phía thu Kết đƣợc trình bày cơng trình nghiên cứu thứ 3./ Luận án trình bày phƣơng pháp kết tìm kiếm cặp máy mã – ánh xạ tốt cho hệ thống BICM-ID sử dụng tín hiệu nhị phân khơng gian đa chiều Kết đƣợc trình bày cơng trình nghiên cứu thứ 4./ Để giảm độ phức tạp sơ đồ BICM-ID điều chế đa chiều (2D, 3D, 4D) cho ghi từ, đề xuất áp dụng thuật toán Max-Log-Map cho giải mã SISO kết hợp với hệ số chuẩn hóa SF (nhƣ [1], [4]) 101 B./ Hƣớng nghiên cứu 1./ So sánh hiệu sơ đồ BICM-ID điều chế đa chiều với sơ đồ san Turbo điều chế nhị phân 2./ Từng bƣớc triển khai ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tế (có thể kết hợp kết nhiều nhóm nghiên cứu) để góp phần cải thiện hiệu hệ thống ghi từ Quân đội ta nói riêng Việt Nam ta nói chung 102 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ (1) Trung Kien HOANG, Binh Minh NGUYEN, and The Cuong DINH (2008),” A new concept of Bit Geometrical Uniformity and its application to BICM-ID systems”, Proc Of the 2008 International Conference on Advanced Technologies for Communications, pp 203206, Hanoi, Vietnam (2) Hoàng Trung Kiên, Nguyễn Văn Giáo, Bùi Khắc Thanh, Đinh Thế Cƣờng (10-2010),” Mơ hình BICM-ID điều chế đa chiều cho ghi số”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ISSN-18590209, tr 65-74, số 137 (3) Hoàng Trung Kiên, Phạm Xuân Nghĩa, Nguyễn Mạnh Cƣờng, (6-2012), “Kết tìm kiếm cặp máy mã - ánh xạ tốt cho hệ thống BICM-ID với điều chế nhị phân không gian đa chiều”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ISSN-1859-0209, tr 67-78, số 148 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đinh Thế Cƣờng, Nguyễn Văn Giáo, Hoàng Trung Kiên (2006), “Cải thiện chất lƣợng giải mã - giải điều chế hệ thống điều chế mã có hốn vị bit (BICM-ID) hệ số chuẩn hố”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, tr 23-32, số 115 [2] Nguyễn Bình Minh (1996), “Nghiên cứu xây dựng mã xoắn theo tiêu chuẩn xác suất lỗi“, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân [3] Nguyễn Văn Giáo (2010), “Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống BICM-ID thông tin vô tuyến”, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân [4] Trần Xuân Nam, Lê Bảo Hà, Hoàng Trung Kiên, Nguyễn Vĩnh Hạnh (2007), “Khảo sát ảnh hƣởng sai số ƣớc lƣợng SNR tới chất lƣợng giải mã log-Map biện pháp khắc phục”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, tr.96-103, số 118 Tiếng Anh [5] Benedetto S, Marsan M A, Albertengo G, and Giachin E (March 1988), “Combined coding and modulation: theory and applications”, IEEE Trans Inform Theory Vol 34, pp 223-236 [6] Benedetto S, Garello R, Mondin M, and Montorsi G (Nov 1993), “Geometrically uniform partitions of L MPSK constellations and related binary trellis codes”, IEEE Trans Inform Theory, vol 39, pp 17731798, No [7] Berrou C, Glavieux A, Thitimajshima P (1993), “Near Shannon limit error–correcting coding and decoding: Turbo–codes”, Proc ICC, 1064–1070 104 [8] Benedetto S, Divsalar D, Montorsi G, and Pollara F (Jan 1997), “A soft-input soft-output APP module for iterativedecoding of concatenated codes”, IEEE Comm Letters, Vol 1, pp 22-24 [9] Bednarz P.S, (1997) Decision Feedback Detection for the Digital Magnetic Recording Channnel PhD thesis, Stanford University [10] Bahl L, Cocke J, Jelinek F, Raviv J (1974), “ Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate”, IEEE Transactions on Information Theory – TIT, Vol 20, no 2, pp 284-287 [11] Bertram H.N (1994), Theory of Magnetic Recording, Cambridge University Press [12] Cioffi, J.M (1999), Class Notes on Digital Communication (Part II), Stanford University [13]Cideciyan R, Dolivo F, Hermann R, Hirt W, and Schott W (Jan 1992), “A PRML system for digital magnetic recording”, IEEE J Select Areas Commun., vol 10, pp 38–56 IMMINK et al.: CODES FOR DIGITAL RECORDERS 2297 [14] Cideciyan R D, Eleftheriou E, and Mittelholzer T (July 2002), “Perpendicular and longitudinal recording: A signal processing and coding perspective”, IEEE Trans Magn., vol.38, no 4, pp 1698-1704 [15] Dinh T C and Hashimoto T (Nov 2000), “A systematic approach to the construction of bandwidth-efficient multidimentional trellis codes”, IEEE trans Commun., vol 48, no 11, pp 1808-1817 [16] Eleftheriou E and Hirt W (June 1996), “Noise Predictive Maximum Likelihood (NPML) detection for the magnetic recording channel”, in Proc IEEE ICC’96, pp 556-560 [17] Forney G David (Sept 1991), “Geometrically uniform codes”, IEEE Trans Inform Theory, vol 37, pp 1241-1260, No 105 [18] Forney G D, Jr.(May 1972), “Maximum likelihood sequence detection in the presence of intersymbol interference”, IEEE Trans Inform Theory, vol IT-18, pp 363–378 [19] Forney G D (Mar 1973), “The Viterbi algorithm”, Proc IEEE, vol 61, no 3, pp 268–278 [20] Fitzpatrick K K, and Modlin C S, (1997), Time – varing MTR codes for high density magnetic recording In Proc IEEE GlobeCom, pages 1250-3, Phoenix [21] Gallager R (1968), Information Theory and Reliable Communication New York: Wiley [22] Garello R, Montorsi G, Benedetto S, Divsala D, and Pollara F (Jan 2002), “Labelings and encoders with the uniform bit error property with application to serially concatenated trellis codes”, IEEE Trans Inform Theory, vol 48, No 1, pp 123-136 [23] Hochwald B M and Brink S ten (Mar 2003), “Achieving NearCapacity on a Multiple-Antenna Channel”, IEEE Transactions on Communications, vol 51, no 3, pp 389–399 [24] Hirt W (1988), “Capacity and information rates of discrete-time channels with memory”, Ph.D dissertation (Diss ETH no 8671), Swiss Federal Inst Technol (ETH), Zurich, Switzerland [25] Hirt W and Massey J L (May 1988), “Capacity of the discrete-time Gaussian channel with intersymbol interference”, IEEE Trans Inform Theory, vol 34, pp 380–388 [26] Immink K.A.S, Siegel P.H, and Wolf J.K (6-1998), “Codes for Digital Recoders”, IEEE Trans on Inforomation Theory, Vol 44, No [27] Kobayashi H (Jan 1971), “Application of probabilistic decoding to digital magnetic recording systems”, IBM J Res Develop., vol 15, pp 65–74 106 [28] Kobayashi H (Sept 1971), “Correlative level coding and maximumlikelihood decoding”, IEEE Trans Inform Theory, vol IT-17, pp 586– 594 [29] Kobayashi H and Tang D T (July 1970), “Appliction of partialresponse channel coding to magnetic recording systems”, IBM J Res Develop., vol 14, pp 368–375 [30] Kretzmer E R (Feb 1966), “Generalization of a technique for binary data transmission”, IEEE Trans Commun Technol., vol COM-14, pp 67–68 [31] Krishnan, Radhakrishnan R, and Vasic B (Dec 2009), “LDPC decoding strategies for two-dimensional magnetic recording”, in Proc IEEE Global Telecommunications Conference , Honolulu, Hawaii [32] Karabed R, and Siegel P, (1991) Matched spectral-null codes for partial response channels IEEE Trans Inform Theory, 37(3): 818-55 [33] Li X and Ritcey J (May 1998), “Bit-interleaved coded modulation with iterative decoding using soft feedback”, Electronic Letters, vol 34, no 10, pp 942–943 [34] Li X, Chindapol A, and Ritcey J A (Nov 1997), "Bit-Interleaved coded modulation with iterative decoding 8PSK”, IEEE Commun.Letters,, vol 1, pp 169-171 [35] Massey J L (March, 1974), “Coding and modulation in digital communications”, in Proc of international Zurich Seminal on digital communications [36] Mai Quoc Khanh, Dinh The Cuong and Hashimoto Takeshi (March 2011), “On construction of Bit-Interleaved Coded Modulation systems with Iterative Decoding”, Journal of Electronics of Vietnam, no [37] Moon J, and Brickner B, (1996) Maximum transition run codes for data storage systems IEEE Trans Magn, 32(5): 3992-4 107 [38] Nishiya T, Tsukano K, Hirai T, Nara T, and Mita S, (1998) TurboEEPRML; An EEPR4 channel with an error correcting post – processcor In Proc IEEE GlobeCom, pages 2706-11, Sydney [39] Nilsson Anders, and Aulin Tor M (May 2005), “On in-line bit interleaving for serially concatenated systems”, in Proceedings of IEEE International Conference on Communication (ICC), Seoul, South Korea [40] Nguyen Binh Minh and Dinh The Cuong (Nov 2002), “A Tight upper bound on the bit error probability of convolutional codes”, 8th Vietnam conference on Radio & Electronics (REV02) [41] Piramayanagam S N and Srivinasan K (May 2008), “Recording media research for future hard disk drives”, J Magnetism and Magnetic Materials, pp 485-494 [42] Richter H J (Apr 2007), “The transition from longitudinal to perpendicular recording”, J Phys D.: Appl Phys., no 40, pp R149R177 [43] Richter H, Dobin A, Heinonen O, Gao K, Veerdonk R, Lynch R, Xue J, Weller D, Assclin P, Erden M and Brockie R (Oct 2006), “Recording on bit-patterned media at densities of Tb/in2 and beyond”, IEEE Trans Magn., vol 42, no 10, pp 2245-2260 [44] Rottmayer R E, Batra S, Buechel D, Challener W A, Hohlfeld J, Kubota Y, Li L, Lu B, Mihalcea C, Mountfield K, Pelhos K, Peng C, Rausch T, Seigler M A, Weller D, and Yang X (2007), “Heat assisted magnetic recording”, IEEE Trans Magn., vol 42, pp 2417-2421 [45] Robertson P and Worz T (Feb 1998), “Bandwidth-efficient turbo trellis-coded modulation using punctured component codes”, IEEE J Select Areas Commun., vol 16, pp 206–218 108 [46] Robertson P and Worz T (Feb 1998), “Bandwidth-efficient turbo trellis-coded modulation using punctured component codes”, IEEE J Select Areas Commun., vol 16, pp 206–218 [47] Schreckenbach F, Görtz N, Hagenauer J, and Bauch G (Dec 2003), “Optimized symbol mappings for bit-interleaved coded modulation with iterative decoding”, in Proc IEEE Globecom Conference, San Francisco [48] Shamai S(Shitz), Ozarow L H, and Wyner A D (Nov 1991), “Information rates for a discrete-time Gaussian channel with intersymbol interference and stationary inputs”, IEEE Trans Inform Theory, vol 37, pp 1527–1539 [49] Smith J G (1971), “The information capacity of amplitude and variance constrained scalar Gaussian channels”, Inform Contr., vol 18, pp 203– 219 [50] Siegel P H, Divsalar D, Eleftheriou E, Hagenauer J, and Rowitch D (May 2001), “The Turbo principle: From theory to practice”, IEEE J Select Areas Commun., vol 9, no 5, pp 793-799 [51] Schreckenbach F, Henkel P, Gortz N, and Baud G (7-8 April, 2005), “Analysis and design of mappings for iterative decoding of BICM”, in Proceedings of XI National Symposium on Radio Sciences, Poznan, Poznan, Germany [52] Speidel J, Brink S ten, and Yan R (Nov 1998), “Iterative demapping and decoding for multilevel modulation”, in Proc IEEE Globcom Conference, pp 579–584, Sydney [53] Thapar H and Patel A (Sept 1987), “A class of partial-response systems for increasing storage density in magnetic recording”, IEEE Trans Magn., vol MAG-23, pp 3666–3668 109 [54] Tsybakov B S (1970), “Capacity of a discrete Gaussian channel with a filter”, Probl Pered Inform., vol 6, pp 78–82 [55] Touchler M, Koetter R, and Singer A (May 2002), “Turbo equalization: principles and new results”, IEEE Trans Commun., vol 50, pp 754-767 [56] Tran Nghi H and Nguyen Ha H (May 2006), “Design and Performance of BICM-ID systems with hypercube constellations”, IEEE Trans Wireless Commun., vol 5, no 5, pp 1169-1178 [57] Tan J and Gordon I Stuber (Mar 2005), "Analysis and desgin of symbol mappers for iterative decoded BICM”, IEEE Trans on Wireless Commun , vol 4, no 2, pp 662-672 [58] Ungerboeck G, " Channel coding with multilevel/phase signals," IEEE Trans on Inform Theory, vol 28, pp 56-67, Jan 1982 [59] Workshop on Modulation, Coding, and Signal Processing for Magnetic Recording Channels, Center for Magnetic Recording Res., Univ Calif at San Diego La Jolla, CA, May 20–22, 1985 [60]Workshop on Modulation and Coding for Digital Recording Systems, Center for Magnetic Recording Res., Univ Calif at San Diego LaJolla, CA, Jan 8–10, 1987 [61] Wood R, Williams M, Kavcic A, and Miles J (Feb 2009), “The feasibility of magnetic recording at 10 Tb/in2 on conventional media”, IEEE Trans Magn., vol 45, pp 917-923 [62] Wu Zining (2000), Coding and Iterative detection for magnetic recording channels, Klwer Academic publisher, USA [63] Wilson S G, (1996) Digital Modulation and Coding Prentice-Hall [64] Zehavi E (May 1992), "8-PSK trellis codes for a Rayleigh fading channel”, IEEE Trans on Commun., vol 40, pp 873-883 110 [65] Zhu J G, Zhu X, and Tang Y (Jan 2008), “Microwave assisted magnetic recording”, IEEE Trans Magn., vol 44, no 1, pp 125-131 iii 111 TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN …………………………………………………….…… i LỜI CÁM ƠN ……………………………………………………………… ii MỤC LỤC ………………………………………………………………… iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ………………… v DANH MỤC CÁC BẢNG ……………………… …………………… viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ……………………………… ix 112 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO GHI TỪ _ 1.1 Hệ thống ghi từ 1.1.1 Nguyên lý ghi từ _ 11 1.1.2 Mơ hình kênh ghi _ 13 1.1.2.1 Đáp ứng xung kênh 13 1.1.2.2 ISI hệ thống ghi từ 15 1.1.2.3 Mơ hình tạp âm ghi từ _ 16 1.2 Lý thuyết Shannon cho kênh bị ràng buộc _ 1.2.1 Các ràng buộc điều chế 1.2.1.1 Các ràng buộc chiều dài dẫy dấu lặp (RLL) _ 1.2.1.2 Các ràng buộc cho kênh PRML 1.2.1.3 Các ràng buộc phổ không _ 1.2.2 Các kênh không nhiễu rời rạc _ 18 19 19 20 21 24 1.3 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu cho ghi từ _ 25 1.3.1 San hệ thống ghi từ 25 1.3.2 Mã hoá cho ghi từ 26 1.3.3 Các tách sóng cho kênh không mã 27 1.3.3.1 Tách sóng đỉnh _ 28 1.3.3.2 San đáp ứng xung phần kết hợp với tách sóng chuỗi hợp lí cực đại (PRML) 28 1.3.3 Dung lƣợng kênh ghi 32 1.3.3.1 Các mơ hình kênh liên tục theo thời gian _ 33 1.3.3.2 Các mơ hình kênh rời rạc theo thời gian 33 iv 1.4 Sơ đồ khối hệ thống ghi từ 34 1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu _ 38 Chƣơng HỆ THỐNG BICM-ID VÀ CÁC ÁNH XẠ NHẤT DẠNG HÌNH HỌC MỨC BIT BGU 41 2.1 Sơ đồ điều chế mã có hốn vị bit giải mã lặp (BICM-ID) 41 2.1.1 Giới thiệu chung _ 41 2.1.2 Các yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng hệ thống BICM-ID _ 42 2.2 Các ánh xạ dạng hình học (GU) dùng hệ thống BICM-ID 48 113 2.2.1 Giới thiệu chung ánh xạ GU 48 2.2.2 Các ánh xạ dạng hình học mức bit BGU _ 50 2.2.3 Đề xuất cấu trúc cho phép gán nhãn dạng hình học mức bit cho BICM-ID 52 2.3 Xây dựng mã _ 2.3.1 Các cận tiêu chí thiết kế 2.3.1.1 Cận xác suất lỗi bit hệ thống BICM-ID với hốn vị tồn dịng bit _ 2.3.1.2 Cận xác suất lỗi bit hệ thống BICM-ID với hốn vị dịng bit (In-line) 2.3.1.3 Tiêu chí thiết kế 2.3.2 Kết xây dựng mã 55 55 55 56 58 58 Chƣơng ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ BICM-ID CHO GHI TỪ 61 3.1 Mô hình hệ thống sử dụng BICM – ID cho kênh ghi từ 61 3.2 Ánh xạ lên tập tín hiệu đa chiều _ 65 3.3 Tiêu chí thiết kế xây dựng hệ thống 69 3.4 Phân tích kết mơ _ 75 3.5 Phƣơng pháp kết tìm vét cạn cặp máy mã - ánh xạ tốt cho sơ đồ BICM_ID điều chế đa chiều 86 3.6 Giảm độ phức tạp giải điều chế - giải mã _ 91 3.6.1 Đặt vấn đề 91 3.6.2 Đánh giá hiệu SF tới chất lƣợng giải mã Max - Log - MAP sơ đồ BICM - ID điều chế đa chiều cho kênh ghi từ 93 KẾT LUẬN 100 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 ... BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG TRUNG KIÊN ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ MÃ CÓ XÁO TRỘN VỊ TRÍ BÍT VÀ GIẢI MÃ LẶP ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG GHI/ ĐỌC DỮ LIỆU Chuyên... mã có xáo trộn vị trí bít giải mã lặp để nâng cao chất lƣợng ghi/ đọc liệu? ?? Luận án đề xuất phƣơng án xây dựng điều chế/ giải điều chế đa chiều kết hợp với việc chọn cặp mã hoá – ánh xạ tốt để ứng. .. đích ứng dụng kỹ thuật mã hố xử lý tín hiệu thành cơng hệ thống thông tin số cho hệ thống ghi từ để nâng cao chất lƣợng ghi/ đọc liệu, luận án chọn đề tài nghiên cứu “ Ứng dụng hệ thống điều chế mã