Thuật toán VITERBI áp dụng trong truyền dữ liệu số

ABSTRACT The Viterbi algorithm (VA) is a popular method used to decode convolutionally coded messages for channel coding As a maximum-likelihood decoder, the VA identifies the code sequence with the highest probability of matching the transmitted sequence based on the received sequence and the structure of encoder In digital data communication the VA is widely used in Viterbi decoder However, a real Viterbi decoder differs from the ideal image thus far considered in that it must contend with several constraints imposed by the real world, so the performances of Viterbi decoders depend on many parameters such as: The constraint length of convolutional encoder, The decoding depth, Soft-decision or Hard-decision decoding algorithm This thesis will study the Viterbi algorithm thoroughly and simulate it by a Matlab program and finally run the simulation program with different sets of parameters to find out the impact of individual parameters to the bit error rate (BER) then conclude on the results The thesis is organized as follows: Chapter presents a brief introduction to some basic concepts and what we will deal with throughout this thesis Chapter presents a detail description of Convolutional codes including : Encoder structure, Encoder representation, Catastrophic convolutional codes, The structural properties of convolutional codes and performance analysis of convolutional code Chapter presents the Viterbi algorithms including hard-decision Viterbi algorithm, Soft-decision Viterbi algorithm and their performance analysis over particular channels Chapter presents the applied of Viterbi algorithm to digital data transmission in Viterbi decoder, the design and implementation of the Viterbi decoder and punctured convolutional codes Chapter presents the simulation and results of a Matlab 6.5 program simulate the Viterbi decoder Chapter presents the average results of repeatedly simulation in form of table and graph for particular set of parameters of Viterbi decoder then comment and conclude on the results TÓM TẮT Thuật toán Viterbi phương pháp phổ biến sử dụng để giải mã hoá kênh cho chuỗi tin mã hoá kênh theo mã tích chập Giống giải mã cực đại khả năng, thuật toán Viterbi nhận chuỗi mã có xác suất tương thích với chuỗi truyền lớn dựa chuỗi thu cấu trúc mã hoá Trong truyền liệu số thuật toán Viterbi áp dụng giải mã Viterbi dùng cho giải mã kênh Tuy nhiên giải mã Viterbi thực tế có nhiều điểm khác so với giải mã Viterbi lý tưởng lý thuyết phải thoả giới hạn thực tế giới hạn kỹ thuật Do phẩm chất giải mã Viterbi phụ thuộc vào nhiều tham số như: độ dài giới hạn mã hoá, độ sâu trace back, giải mã định mềm hay giải mã định cứng Luận văn nghiên cứu chi tiết thuật toán Viterbi tiến hành mô thuật toán chương trình Matlab cuối chạy chương trình mô nhiều lần với tham số khác để tìm ảnh hưởng tham số riêng biệt lên tỷ lệ lỗi bit rút kết luận dựa kết Nội dung luận văn chia làm chương sau: Chương : Giới thiệu số khái niệm Chương 2: Bao gồm nghiên cứu chi tiết mã tích chập bao gồm: Cấu trúc mã hoá, Biểu diễn mã hoá, Các mã tích chập Catastrophic, Đặc tính cấu trúc mã tích chập phân tích phẩm chất mã tích chập Chương : Trình bày thuật toán Viterbi bao gồm: Thuật toán Viterbi định cứng, Thuật toán Viterbi định mềm, phân tích phẩm chất chúng kênh truyền cụ thể Chương : Trình bày áp dụng thuật toán Viterbi hệ thống truyền liệu số giải mã Viterbi, thiết kế thực giải mã kênh Viterbi mã tích chập bị đục lỗ Chương : Các kết mô cuả chương trình mô mã hoá tích chập giải mã Viterbi Chương trình viết ngôn ngữ lập trình Matlab 6.5 Chương : Biểu diễn giá trị trung bình chương trình mô nhiều lần chạy theo dạng bảng đồ thị cho tham số mã hoá giải mã Viterbi cụ thể sau đánh giá kết luận dựa kết mô Thuật Toán Viterbi p Dụng Trong Truyền Dữ Liệu Số THD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG PGS.TS NGUYỄN ĐỨC PHONG CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU I GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TRUYỀN TIN Trong năm gần đây, nhu cầu độ tin cậy hiệu suất hệ thống truyền liệu số ngày tăng Nhu cầu trở nên cấp thiết cần thiết mạng truyền liệu tốc độ cao, dung lượng lớn để trao đổi, xử lý lưu trữ thông tin sống hàng ngày, kết hợp thông tin máy tính làm nhu cầu trở nên thiết Một vấn đề cốt lõi việc thiết kế hệ thống truyền tin điều khiển lỗi để tái tạo lại liệu Năm 1948 Shannon đưa thuyết dung lượng kênh nêu cách mã hoá thông tin theo cách thích hợp, lỗi gây kênh truyền có nhiễu môi trường lưu trữ giảm đến mức mong muốn tốc độ truyền r nhỏ dung lượng kênh C Từ đến có nhiều nỗ lực để đưa phương pháp mã hoá giải mã hiệu để điều khiển lỗi môi trường có nhiễu nhằm làm cho tốc độ truyền r ngày gần dung lượng kênh C Các phát triển gần góp phần đem lại độ tin cậy cần thiết cho hệ thống số tốc độ cao Việc mã hoá giải mã để điều khiển lỗi trở thành thành phần quan trọng việc thiết kế hệ thống liên lạc đại Một hệ thống truyền tin tiêu biểu biểu diễn sơ đồ khối hình 1.1 sau: Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền liệu tiêu biểu CHương 1: Giới Thiệu HV:KS DƯƠNG QUANG SÁNG Thuật Toán Viterbi p Dụng Trong Truyền Dữ Liệu Số THD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG PGS.TS NGUYỄN ĐỨC PHONG - Nguồn tin người máy, tín hiệu khỏi nguồn tin có dạng sóng liên tục chuỗi ký tự rời rạc - Bộ mã hoá nguồn chuyển tín hiệu khỏi nguồn tin thành chuỗi số nhị phân (bit) gọi chuỗi tin U Trong trường hợp nguồn liên tục phải chuyển đổi A/D Bộ mã hoá nguồn thiết kế cách lý tưởng cho số bit đơn vị thời gian cần để biểu diễn nguồn tin ngõ nguồn tái tạo cách chắn từ chuỗi U - Bộ mã hoá kênh chuyển đổi chuỗi thông tin U thành chuỗi rời rạc mã hoá V gọi từ mã Trong hầu hết trường hợp V chuỗi nhị phân Việc thiết kế mã hoá kênh để chống lại nhiễu môi trường cần thiết - Các tín hiệu rời rạc không thích hợp để truyền kênh truyền vật lý Bộ điều chế chuyển đổi ký tự khỏi mã hoá kênh thành dạng sóng có thời gian T giây tương thích cho việc truyền dẫn Dạng sóng vào kênh truyền bị làm rối nhiễu Bộ giải điều chế xử lý dạng sóng nhận khoảng thời gian T tạo tín hiệu rời rạc (lượng tử hoá) liên tục ( không lượng tử hoá ) Chuỗi khỏi giải điều chế tương ứng với chuỗi mã hoá V gọi chuỗi nhận r - Bộ giải mã kênh chuyển đổi tín hiệu nhận r thành chuỗi nhị phân û gọi chuỗi ước lượng (estimated sequense) Phương pháp giải mã dựa vào luật mã hoá đặc tính nhiễu đường truyền, cách lý tưởng û chuỗi hoàn toàn giống với chuỗi U kênh truyền gây vài lỗi giải mã Thiết kế thực mã hoá kênh giải mã kênh tốt để giảm thiểu xác suất lỗi giải mã quan trọng - Bộ giải mã nguồn chuyển chuỗi ước lượng û thành ước lượng chuỗi tín hiệu nguồn đưa đến đích đến II CÁC LOẠI MÃ TRONG MÃ HOÁ KÊNH Để mã hoá kênh có loại mã khác thường sử dụng mã khối mã chập - Bộ mã hoá mã khối chia chuỗi thông tin thành khối tin khối gồm k bit tin Mỗi khối tin biểu diễn theo dạng véctơ u = (u1 , u , , u k ) gọi mẩu tin (trong mã khối ký tự u thường sử dụng để ký hiệu mẩu tin k bit mà không cần viết chuỗi tin) Có thể có k mẩu tin khác Bộ mã hoá chuyển đổi cách độc lập mẩu tin u thành vectơ n chiều v = (v1 , v , , v n ) ký tự rời rạc gọi từ mã (trong mã khối ký tự v thường sử dụng để ký hiệu cho chuỗi tin n ký tự mà không cần CHương 1: Giới Thiệu HV:KS DƯƠNG QUANG SÁNG Thuật Toán Viterbi p Dụng Trong Truyền Dữ Liệu Số THD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG PGS.TS NGUYỄN ĐỨC PHONG viết toàn chuỗi tin) đó, tương ứng với k mẩu tin khác có k từ mã khác ngõ mã hoá Bộ gồm k từ mã có chiều dài n gọi khối mã (n,k) Tỷ số R=n/k gọi tốc độ mã biên dịch số bit thông tin vào mã hoá ký tự truyền Do từ mã n ký tự phụ thuộc vào mẩu tin vào k bit tương ứng nên mã không nhớ thực mạch logic kết hợp - Trong mã nhị phân, từ mã v nhị phân để mã nhị phân hữu ích (có từ mã khác gán cho mẩu tin) k < n R