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

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] ... 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