Túm lại, mỗi phương phỏp ghi từ đều phải được mụ hỡnh húa và kết hợp với cỏc phương phỏp xử lý tớn hiệu để tạo thành kờnh ghi từ. Núi chung, nhiễu xuyờn dấu (InterSymbol Interference - ISI) là tỏc động tai hại nhất trong cỏc kờnh ghi từ, tăng tỷ lệ với mật độ ghi. Cấu trỳc của chớp kờnh đọc thường bao gồm san bằng đỏp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Response - FIR) để tạo dạng tớn hiệu đọc trước khi xử lý hợp lớ cực đại. Kỹ thuật này được đặt tờn là xử lý hợp lớ cực đại cho đỏp ứng xung một phần (Partial-Response Maximum- Likelihood - PRML) [13]. Một trong những mụ hỡnh được sử dụng nhiều nhất từ những năm 1990 đến nay là kờnh PR4 và EPR4 (Extended Partial Response). Kờnh PRML được tổng quỏt húa thành hệ thống hợp lớ cực đại cú dự bỏo tạp õm (Noise-Predictive Maximum Likelihood - NPML) [16]. Kờnh PRML tổng quỏt cú thể được coi như là mụ hỡnh của một chuỗi cỏc chức năng xử lý tớn hiệu bao gồm bự mộo trước khi ghi, ghi, đọc, khuếch đại, lọc thụng thấp, lấy mẫu, san bằng và làm trắng tạp õm. Khi số khõu (taps) của san bằng và dự bỏo là đủ lớn thỡ tạp õm tổng trờn đầu ra của bộ dự bỏo được xấp xỉ bằng tạp õm Gauss trắng cộng tớnh (Additive White Gaussian Noise – AWGN) [14]. Hệ quả là cỏc mó đó được tối ưu húa cho kờnh AWGN sẽ cũng
cho phẩm chất tối ưu trờn cỏc kờnh PRML.
Do cỏc tỏc động xấu của ISI, tạp õm tĩnh, và tạp õm chuyển đổi mức (nhất là khi ghi mật độ cao), cỏc xử lý PRML mới chỉ đảm bảo được tỉ lệ lỗi bit (Bit Error Rate - BER) ở khoảng 10−2. Để đạt được mức BER thấp hơn, cần sử dụng mó sửa sai mạnh ở vũng ngoài cú tỉ lệ mó húa tương đối thấp. Cho đến nay người ta thường dựng mó Reed-Solomon (RS) trờn cơ sở byte, kết hợp với hoỏn vị cũng theo byte. Hiện nay cỏc mó RS được cải tiến để dấu mó cú chiều dài lớn hơn một byte và chiều dài hoỏn vị cũng lớn hơn. Gần đõy,
trong ghi từ đó bắt đầu ứng dụng cỏc mó mạnh như mó Turbo [50] và mó kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (Low Density Parity Check - LDPC) [31].
Cấu trỳc Mỏy mó vũng ngoài - Hoỏn vị (bit hoặc byte) - Điều chế số nhị phõn đó trở thành cấu trỳc phổ biến ở phớa phỏt của tất cả cỏc hệ thống ghi từ hiện đại. Cựng với việc xử lý lặp ở phớa thu được mở rộng từ mỏy giải mó cho tới cả san bằng và dự bỏo để cải thiện phẩm chất của toàn bộ hệ thống, một kỹ thuật mới ra đời với tờn gọi San bằng Turbo [55]. Như là một lựa chọn khỏc, cấu trỳc này gợi ý cho việc ứng dụng cỏc kết quả của hệ thống điều chế mó cú hoỏn vị bit và giải mó lặp (BICM-ID) [33] cho ghi từ. Tuy nhiờn, điều chế nhị phõn làm hạn chế việc ỏp dụng trực tiếp mụ hỡnh BICM-ID, vỡ mụ hỡnh này đũi hỏi điều chế m≥2 bit ( 2m
M = vộc-tơ điểm tớn hiệu) để cú thể sử dụng độ tin cậy của bit này làm thụng tin cho giải điều chế bit khỏc. Mục đớch ứng dụng hệ thống BICM-ID để nõng cao chất lượng cho cỏc hệ thống ghi từ, luận ỏn đi sõu vào nghiờn cứu một số vấn đề sau:
Thứ nhất: Xỏc định một lớp cỏc ỏnh xạ cho phộp đơn giản hoỏ việc
thiết kế và đỏnh giỏ hệ thống BICM-ID. Xõy dựng cận trờn xỏc suất lỗi bit mới cho hệ thống BICM-ID, dựa trờn cơ sở cự li bit của bộ tớn hiệu. Tỡm kiếm cỏc cặp mó hoỏ - ỏnh xạ tốt nhất cho sơ đồ BICM-ID. Kết quả này được trỡnh bày trong chương 2.
Thứ hai: Đề xuất một phương ỏn ỏp dụng nguyờn lý xử lý tớn hiệu của
sơ đồ điều chế mó cú hoỏn vị bit và giải mó lặp (BICM-ID) cho ghi từ trờn cơ sở coi vộc-tơ của m dấu nhị phõn { }±1 liờn tiếp như là một điểm trong tập tớn
hiệu đa chiều, đa điểm. Phương phỏp này thay ỏnh xạ một bit vào một dấu nhị phõn { }±1 bằng ỏnh xạ một tổ hợp m bit vào một vộc-tơ chứa m dấu nhị phõn
{ }±1 , với m≥2. Mụ hỡnh này cho phộp giữ nguyờn cấu trỳc ghi bằng dũng đảo chiều, trong khi tạo ra được đa dạng cỏc ỏnh xạ trong khụng gian mchiều, cho
phộp tối ưu húa hệ thống BICM-ID cho ghi từ. Kết quả của nghiờn cứu này được trỡnh bày trong chương 3.
Thứ ba: Trỡnh bày phương phỏp và kết quả tỡm kiếm vột cạn cỏc cặp
mỏy mó – ỏnh xạ tốt nhất cho sơ đồ BICM-ID điều chế đa chiều cho ghi từ. Kết quả của nghiờn cứu này được trỡnh bày trong chương 3.
Thứ tư: Khi chuyển sang đa chiều, số điểm tớn hiệu tăng lờn làm cho hệ
thống BICM-ID trở nờn phức tạp. Thụng thường thuật toỏn giải điều chế - giải mó được dựng là Log-MAP. Thuật toỏn này cho phẩm chất tốt, nhưng tớnh toỏn phức tạp và yờu cầu ước lượng chớnh xỏc SNR. Để giảm độ phức tạp và tăng tớnh ứng dụng của hệ thống ghi từ được đề xuất, luận ỏn nghiờn cứu việc ỏp dụng SF để sử dụng thuật toỏn Max-Log-MAP thay cho thuật toỏn Log-Map, cú độ phức tạp giải mó nhỏ hơn trong khi suy giảm chất lượng khụng nhiều. Kết quả của nghiờn cứu này được trỡnh bày trong chương 3.
Sơ đồ nghiờn cứu và mụ phỏng sẽ là sơ đồ trờn Hỡnh 1.13. Trong sơ đồ này việc xử lý theo mụ hỡnh kờnh PRML được coi là hoàn hảo, lỳc này khối kờnh PRML được thay thế bằng kờnh tập õm Gauss trắng cộng tớnh AWGN.
Chương 2
HỆ THỐNG BICM-ID VÀ CÁC ÁNH XẠ NHẤT DẠNG HèNH HỌC MỨC BIT BGU
2.1 Sơ đồ điều chế mó cú hoỏn vị bit và giải mó lặp (BICM-ID) 2.1.1 Giới thiệu chung
Trong hệ thống thụng tin số, việc kết hợp giữa bộ điều chế với bộ mó hoỏ thành một cấu trỳc liờn kết gọi là hệ thống điều chế mó CM (Coded Modulation) do J. L. Massey đề xuất đó phỏt huy rất tốt hiệu quả của cả bộ mó kờnh và hiệu quả của bộ điều chế [35]. Sơ đồ điều chế kết hợp với mó lưới (Trellis Coded Modulation - TCM) của Ungerboeck [58] tập trung vào việc xõy dựng bộ ỏnh xạ tớn hiệu theo kỹ thuật phõn hoạch tập để cực đại hoỏ cự ly Ơ-cơ-lit tối thiểu giữa cỏc chuyển đổi song song trong lưới mó, nhờ vậy hệ thống đạt hiệu quả cao trờn kờnh AWGN. Tuy nhiờn, do hệ thống TCM cú bậc phõn tập thấp nờn hiệu quả trờn kờnh fading lại thấp. Việc dựng cỏc bộ hoỏn vị symbol và trỏnh cỏc truyền dẫn song song là biện phỏp kỹ thuật nhằm cải thiện hiệu quả của TCM trờn kờnh fading, tuy nhiờn bậc phõn tập trong hệ thống hoỏn vị symbol bị hạn chế bởi số lượng cỏc symbol khỏc biệt dọc theo cỏc sự kiện lỗi. Như vậy, việc tăng bậc phõn tập trong hệ thống hoỏn vị symbol trả giỏ bằng tăng mức độ phức tạp mó hoỏ và giải mó.
Để cải thiện hiệu quả của hệ thống điều chế mó trờn kờnh fading, E. Zehavi đó đề xuất một sơ đồ khỏc gọi là điều chế mó cú hoỏn vị bit BICM (Bit Interleaved Coded Modulation) [64]. Nhờ cú bộ hoỏn vị bit, bậc phõn tập của hệ thống đó tăng lờn, chất lượng hệ thống được cải thiện trờn kờnh fading. Tuy nhiờn, sự trả giỏ ở đõy là cự ly Ơ-cơ-lit tối thiểu bị giảm, do đú hiệu quả trờn kờnh AWGN kộm hơn so với hệ thống TCM [64].
Trong hệ thống BICM, việc hoỏn vị bit thay cho hoỏn vị symbol tớn hiệu như trong hệ thống TCM đó làm cho chất lượng bị giảm sỳt trờn kờnh Gauss bởi vỡ khụng thể tối ưu húa theo tiờu chuẩn cực đại cự li Ơ-cơ-lit tối thiểu giữa cỏc chuỗi tớn hiệu. Trong [33] Li và Ritcey chỉ ra rằng giải mó lặp cú thể làm tăng cự li Ơ-cơ-lit tối thiểu của BICM trong khi vẫn duy trỡ được cự ly Hamming cần thiết. Sơ đồ BICM - ID cho phộp chuyển một cự ly Hamming lớn của mó thành một cự ly Ơ-cơ-lit lớn khi bộ ỏnh xạ lờn tập tớn hiệu được thiết kế một cỏch thớch hợp, cho nờn BICM –ID khụng những cú hiệu quả tốt trờn kờnh fading mà cũn tốt cả trờn kờnh Gauss (Hỡnh 2.1). Chất lượng của hệ thống BICM-ID cú thể so sỏnh với hệ thống Turbo TCM (TTCM), hơn nữa với hệ thống BICM-ID chỉ cần một bộ giải mó SISO, trong khi trong hệ thống TTCM lại yờu cầu hai bộ [7], [45].
2.1.2 Cỏc yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của hệ thống BICM-ID
Hệ thống BICM-ID như mụ tả trờn Hỡnh 2.1 thường sử dụng mó chập hệ thống đệ quy RSC làm mó vũng ngoài và bộ điều chế làm mó vũng trong,
Hỡnh 2.1 Sơ đồ khối hệ thống BICM-ID. Đầu phỏt (a) và đầu thu (b) Mó hoỏ Giải hoỏn vị Hoỏn vị Giải mó Thụng tin vào Thụng tin ra t u ct t s t r ˆt u Điều chế Giải điều chế t v Hoỏn vị (a) (b)
tương tự như sơ đồ mó liờn kết nối tiếp SCCC. Tại đầu thu, bộ giải điều chế cựng với bộ giải mó vũng ngoài hoạt động theo nguyờn lý đầu vào mềm- đầu ra mềm SISO, khộp kớn với nhau qua đường hồi tiếp tạo thành một cấu trỳc xử lý lặp. Từ bộ giải điều chế, số đo của cỏc bit được tớnh toỏn và đưa tới bộ giải mó mềm qua bộ giải hoỏn vị. Tại đõy, cỏc giỏ trị thụng tin tiờn nghiệm được quyết định và ngày càng chớnh xỏc hơn sau mỗi lần lặp để cung cấp lại cho bộ giải điều chế qua hoỏn vị trong vũng hồi tiếp để tớnh lại số đo bit. Khi đó đủ độ tin cậy thỡ bộ giải mó sẽ quyết định giỏ trị của bit thụng tin đầu ra. Trong cỏc sơ đồ liờn kết mó, thường dựng thuật toỏn giải mó MAP hoặc thuật toỏn SOVA và để đơn giản húa cú thể dựng thuật toỏn Log-Map, Max-Log-Map hay SOVA cải tiến. Trong thực tế thường dựng bộ điều chế bậc cao (M-PSK, M-QAM với M ≥4) để nõng cao hiệu quả phổ và như vậy trong hệ thống BICM-ID, mỗi bit trong một symbol tớn hiệu được quyết định dựa trờn thụng tin về cỏc bit khỏc trong cựng symbol. Trong điều kiện thụng tin hồi tiếp hoàn hảo (sau một số vũng lặp nhất định, tỉ số SNR đủ lớn...), thỡ cú thể cho phộp coi cặp Điều chế/Giải điều chế M mức như là log2M kờnh nhị phõn độc lập, và như vậy chất lượng hệ thống sẽ phụ thuộc vào cấu trỳc của bộ ỏnh xạ hỡnh thành nờn cỏc kờnh nhị phõn đú. Một chũm sao gồm M điểm tớn hiệu sẽ cúM! cỏch ỏnh xạ khỏc nhau, và phẩm chất BER của hệ thống BICM-ID lại rất phụ thuộc vào kiểu ỏnh xạ. Đối với điều chế bậc thấp thỡ khụng thành vấn đề vỡ cú thể nhanh chúng tỡm được ỏnh xạ tốt theo phương phỏp tỡm vột cạn, nhưng với bộ điều chế bậc cao thỡ khụng đơn giản bởi vỡ số kiểu ỏnh xạ tăng nhanh theo giai thừa của M , do đú việc lựa chọn ỏnh xạ tốt nhất dựng cho hệ thống BICM-ID cũng là vấn đề rất được quan tõm trong thời gian gần đõy. Đối với một tớn hiệu nhị phõn BPSK, phẩm chất BER của hệ thống phụ thuộc vào cự ly Ơ-cơ-lit giữa hai điểm tớn hiệu. Khi xõy dựng ỏnh xạ đa mức, cần đảm bảo rằng cỏc cặp điểm tớn hiệu cú nhón
nhị phõn chỉ khỏc nhau một vị trớ bit phải cú cự ly đều nhau và đạt giỏ trị cực đại, vỡ đú chớnh là cỏc kờnh nhị phõn tương đương khi cú thụng tin hồi tiếp hoàn hảo và điều đú đưa lại phẩm chất BER tốt nhất cho hệ thống.
Vớ dụ xột ỏnh xạ 8PSK [3] như thấy trờn Hỡnh 2.2, mỗi symbol tớn hiệu mang 3 bit thụng tin, ỏnh xạ Gray (a), ỏnh xạ SP (b) và ỏnh xạ SSP (c) là những ỏnh xạ cú cự ly bit đều, trong đú cự ly bit 3 của cả 3 ỏnh xạ bằng nhau nhưng cự ly bit 2 của ỏnh xạ SP và SSP lại bằng nhau và lớn hơn cự ly bit 2
000 001 011 010 110 111 101 100 000 001 011 010 110 111 101 100 000 001 011 010 110 111 101 100 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 100 101 110 111 000 001 010 011 110 111 100 101 000 001 010 011 110 111 100 101 000 001 010 011 110 111 110 101 a/ Ánh xạ Gray b/ Ánh xạ SP c/ Ánh xạ hỗn hợp (SSP) Hỡnh 2.2 Một số ỏnh xạ 8-PSK [3]
của ỏnh xạ Gray, cũn cự ly bit 1 của ỏnh xạ SP lớn nhất sau đú đến ỏnh xạ SSP và ỏnh xạ Gray. Như vậy cú thể núi rằng đối với chũm sao 8-PSK, dựng trong hệ thống BICM-ID, phẩm chất BER của ỏnh xạ SP tốt hơn ỏnh xạ SSP và thấp kộm nhất là ỏnh xạ Gray. Kết quả mụ phỏng trỡnh bày trờn Hỡnh 2.3 thể hiện rừ điều đú [3]. Tuy nhiờn tại vựng SNR thấp thỡ lại ngược lại, ỏnh xạ SP kộm hơn ỏnh xạ SSP và ỏnh xạ Gray, bởi vỡ SNR thấp khiến cho thụng tin hồi tiếp khụng hoàn hảo thậm chớ cũn làm cho kết quả giải mó tồi tệ hơn. Ánh xạ Gray tốt hơn cỏc ỏnh xạ khỏc tại vựng SNR thấp bởi vỡ cỏc symbol lõn cận nhau chỉ sai khỏc 1 vị trớ bit, dẫn tới tỉ lệ lỗi bit được tối thiểu húa so với xỏc tỉ lệ lỗi symbol (SER).
Ngoài quy tắc ỏnh xạ, quy tắc hoỏn vị bit cũng là một yếu tố chi phối chất lượng hệ thống BICM-ID. Từ đầu ra bộ mó húa, dóy bit mó được hoỏn vị để tăng bậc phõn tập của hệ thống, qua đú nõng cao phẩm chất BER. Bộ hoỏn
Hỡnh 2.3 Phẩm chất hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào kiểu ỏnh xạ [3]
0 1 2 3 4 5 6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 Eb/N0 [dB] B E R
PHAM CHAT BER CUA MOT SO ANH XA 8-PSK
Gray 8-PSK SP 8-PSK SSP 8-PSK
vị như thế gọi là hoỏn vị tổng thể (Over-all), tuy nhiờn do dóy bit mó bị hoỏn vị ngẫu nhiờn khiến cho mỗi bớt mó được gỏn tới cỏc cự ly cỏc bit khỏc nhau của bộ ỏnh xạ, phẩm chất của hệ thống mang tớnh lấy trung bỡnh trờn cỏc kờnh nhị phõn song song. Cú thể khắc phục vấn đề trờn bằng cỏch thiết kế bộ hoỏn vị sao cho vị trớ của cỏc bit mó trong mỗi symbol khụng thay đổi, gọi là bộ hoỏn vị từng dũng (In-line) (Hỡnh 2.6). Phẩm chất BER của hệ thống BICM- ID, ỏnh xạ 8PSK với cỏc bộ hoỏn vị Over-all và bộ hoỏn vị In-line được trỡnh bày trờn Hỡnh 2.4. Độ dài của dóy bit đưa vào hoỏn vị cũng là một tham số cần lựa chọn. Nếu nhỏ quỏ thỡ khụng đủ để đảm bảo tớnh ngẫu nhiờn của dóy bit sau hoỏn vị (cũn gọi là kớch thước bộ hoỏn vị), nếu quỏ lớn sẽ làm tăng độ phức tạp và tăng trễ xử lý. Cỏc nghiờn cứu gần đõy cho thấy kớch thước khoảng 3000 bit là vừa đủ [3].
Hỡnh 2.4 Hiệu quả của hệ thống BICM-ID với bộ hoỏn vị từng dũng và bộ hoỏn vị tổng thể [3] 0 1 2 3 4 5 6 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 E b/N 0 [dB] B E R Overall interleaver inline interleaver 8-PSK SSP Mapping
Một vấn đề nữa cần quan tõm khi thiết kế hệ thống BICM-ID, đú là số lần xử lý lặp trong cấu trỳc giải mó-giải điều chế. Nếu khụng đủ số lần lặp thỡ việc quyết định giải mó khụng đủ độ tin cậy, mà số lần lặp quỏ nhiều sẽ trở nờn thừa bởi vỡ khi đó bóo hũa thỡ cú tăng thờm lần lặp cũng khụng cải thiện thờm chất lượng, thậm chớ cũn làm tăng trễ xử lý. Kết quả mụ phỏng trỡnh bày trờn Hỡnh 2.5 cho thấy số lần lặp từ 6 đến 9 lần là vừa đủ [3].
Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào bộ mó chập, bộ hoỏn vị bớt, bộ tớn hiệu và kỹ thuật ỏnh xạ từ chuỗi bớt lờn bộ tớn hiệu. Sơ đồ BICM-