Luận văn thạc sĩ: Truyền hình số DVB-S2 dùng mã LDPC (ĐH Công Nghệ)

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu truyền hình số thế hệ 2 dvb s2 dùng mã ldpc, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Vũ Tuấn Tú
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Truyền hình số thế hệ 2 (DVB-S2) dùng mã LDPC
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Mở đầu
• 1. Chương 1: Sự phát triển của truyền hình vệ tinh
• 1.1. Đặc điểm của đường truyền vệ tinh
• 1.2. Vài nét lịch sử phát triển
• 1.3. Bước tiến từ DVB-S sang DVB-S2
• 3. Chương 3: Mô phỏng và đánh giá hiệu quả mã LDPC
• 3.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống
• 3.2. Xây dựng ma trận H,G
• 3.4. Vấn đề độc lập tuyến tính:
• 3.6. Thuật toán SPA
• 3.7. Đánh giá hiệu quả
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. DVB S2 và LDPC Tổng quan Truyền hình số Vệ tinh Thế hệ 2

Ngày 19/4/2008, Việt Nam đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực viễn thông và truyền hình bằng việc phóng thành công vệ tinh VINASAT-1. Vinasat-1 hoạt động ở cả băng tần Ku và C, cung cấp nhiều kênh cho cả thoại và truyền hình. Dịch vụ quảng bá qua vệ tinh và các dịch vụ VSAT hứa hẹn mang lại lợi nhuận đáng kể. Việc sử dụng hiệu quả đường truyền vệ tinh là yếu tố then chốt. Công nghệ truyền hình quảng bá hiện tại DVB-S, sử dụng điều chế QPSK và mã chập Reed-Solomon, có hiệu suất phổ khoảng 0.2 bit/Hz. Công nghệ tương lai DVB-S2, được xem là thế hệ truyền dẫn thứ hai, hứa hẹn tăng hiệu suất phổ từ 30-130%. DVB-S2 mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng như truyền hình HDTV, Internet tốc độ cao và các dịch vụ dữ liệu chuyên nghiệp. Điểm khác biệt lớn nhất giữa DVB-S2 và DVB-S là sử dụng mã sửa sai LDPC (Low Density Parity Check). Do đường truyền vệ tinh có khoảng cách lớn, tín hiệu suy giảm mạnh và chịu nhiều can nhiễu, việc sử dụng mã sửa sai mạnh mẽ là cần thiết. Mã LDPC, kết hợp với kỹ thuật tách sóng lặp, giúp tăng hiệu suất sử dụng phổ. Luận văn này sẽ đi sâu vào nguyên lý và cơ chế của mã LDPC, đồng thời chứng minh hiệu năng của nó so với giới hạn Shannon thông qua mô phỏng.

1.1. Lịch sử phát triển Truyền hình số Vệ tinh và DVB S2

Thế hệ vệ tinh thương mại đầu tiên là INTELSAT-1 (Early Bird) ra đời năm 1965. Đến đầu những năm 1970, hệ thống vệ tinh có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại và truyền hình giữa các lục địa. Ban đầu, vệ tinh chỉ đáp ứng cho các tuyến dung lượng thấp, sau đó nhu cầu gia tăng thông tin thúc đẩy việc hình thành hệ thống vệ tinh đa búp sóng và các kỹ thuật sử dụng lại tần số. Kỹ thuật đầu tiên sử dụng cho hệ thống vệ tinh là truyền dẫn tương tự FDM/FM/FDMA. Về sau, các phương thức truyền dẫn tiên tiến hơn như SCPC/FM/FDMA, PSK/TDMA và PSK/CDMA xuất hiện. Các phương thức này dựa trên truyền dẫn số qua vệ tinh để khai thác triệt để các ưu điểm của kỹ thuật số. Kỷ nguyên truyền dẫn thông tin băng vệ tinh hiệu quả bắt đầu từ những năm 1980, với việc tiết kiệm băng thông và giá thành khi sử dụng điều chế QPSK và BPSK. Những năm 1990, công nghệ quảng bá qua vệ tinh phát triển rộng rãi sau khi ETSI công bố chuẩn DVB-S đầu tiên, kết hợp điều chế QPSK với sửa lỗi Viterbi và Reed-Solomon. Mã sửa lỗi kết hợp với các cấu hình điều chế mới và các đặc tính mới là nền tảng của tiêu chuẩn DVB-S2, tiêu chuẩn mới nhất của ETSI về truyền dẫn thông tin vệ tinh. Kiểu điều chế này đạt giới hạn về mặt lý thuyết (giới hạn Shannon). DVB-S2 với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30% đến 131% so với DVB-S được kỳ vọng sẽ đem lại hiệu quả to lớn, với khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều dịch vụ như HDTV, Internet tốc độ cao, truyền số liệu và các ứng dụng chuyên nghiệp… trên cùng một bộ phát đáp.

1.2. Ưu điểm vượt trội của DVB S2 so với DVB S

Tiêu chuẩn DVB-S2 có sự thay đổi không nhiều trong cấu trúc so với DVB-S: mã sửa sai trong Viterbi và Reed-Solomon được thay thế bằng mã sửa sai LDPC và BCH tương ứng. Mã sửa sai tốt hơn có tỷ lệ mã và tỷ lệ lỗi chỉ cần tỷ số Eb/N0 nhỏ hơn. Phần công suất Eb/N0 còn lại được tận dụng cho điều chế hạng M cao, làm tăng hiệu suất phổ. Tiêu chuẩn mới cũng cung cấp các kiểu điều chế QPSK, 8PSK, 16APSK và 32APSK. So sánh với QAM, các cấu hình điều chế APSK cho phép việc bù dễ dàng với bộ bù phát đáp Transponder phi tuyến. Khả năng kết hợp các dòng dữ liệu vào một sóng mang, điều chế, mã hóa thay đổi và tương thích (VCM và ACM) và cấp bên trong dòng dữ liệu không phải MEPG (non-MEPG) là một điểm khác biệt và hiệu quả của DVB-S2 so với DVB-S. Sự kết hợp các dòng dữ liệu khác nhau sẽ làm tăng số lượng tín hiệu truyền tải trên một sóng mang. Trong thực tế, điều này có thể xem như sử dụng bộ ghép kênh (MUX), nhưng lại không phải chịu những bất lợi từ việc định lại tham chiếu thời gian, chương trình PCR và sự thay đổi thông tin dịch vụ - thông tin đặc trưng chương trình (SI – PSI).

II. Phân tích Mã LDPC Cơ sở lý thuyết và Giới hạn Shannon

Một mã sửa sai tốt hơn là mã có khoảng cách đến giới hạn Shannon theo theo tỷ lệ mã gần hơn trên đồ thị đường cong xác suất lỗi. Định lý về dung năng kênh: Với một kênh truyền có độ rộng băng B (Hz), tỷ số công suất tín hiệu trung bình /công suất ồn tại nơi thu là PAV/PN thì tốc độ truyền tin cậy cao nhất có thể đạt được là C = B.log2(1 + PAV/PN). Truyền tin cậy ở đây được hiểu là có thể đạt được tỷ lệ lỗi bit nhỏ tùy ý với việc chọn một kiểu mã thích hợp. Tỷ số C/B sẽ cho hiệu suất phổ đạt được về mặt lý thuyết trên đường truyền này. Khi các bit thông tin được mã kênh với tỷ lệ mã Rc=k/n với nEc=kEb(nhằm cải thiện lỗi từ đường truyền vật lý) thì giới hạn của tốc độ theo Eb trên một chiều tín hiệu sẽ là Cn = (1/2).log2(1 + 2(Eb/N0)). Với ký hiệu γb=Eb/No ( Tỷ số năng lượng bit/ mật độ công suất ồn ). Sử dụng công thức dung năng kênh tính theo xác suất lỗi bit p trong đường truyền nhị phân đối xứng: Cn = (1 + p.log2(p) + (1-p).log2(1-p)). Và xác suất lỗi bit khi điều chế BPSK là p = Q(sqrt(2Ec/N0)) = Q(sqrt(2γbRc)). Thay giá trị p vào phương trình trên, ta có sự liên hệ theo đồ thị giữa giới hạn Shannon và tỷ lệ mã. Ứng với mỗi tỷ lệ mã Rc ta có một giới hạn Shannon tức là một giá trị Eb/N0 nhỏ nhất cho phép truyền tin cậy.

2.1. Mã Hamming Ví dụ đơn giản về Mã Chẵn Lẻ

Mã Hamming (7,4) có thể biểu diễn bằng giản đồ Ven. Trong biểu diễn này: Dữ liệu S1, S2, S3, S4 trong một từ mã ở chính giữa, các bit tạo chẵn lẻ là t5, t6, t7 ở xung quanh sao cho trong mỗi đường tròn có chẵn số 1 (tổng modul 2 trong một từ mã bằng 0). Tính chất quan trọng của mã này là khoảng cách tối thiểu giữa các từ mã trong tập hợp các từ mã là 3. Điều này có nghĩa là với một từ mã đã cho nó cần đảo 3 bit trong từ để có từ mã khác. Hay nói cách khác một từ mã phát đi nơi nhận có thể nhầm với từ mã khác nếu đường truyền mắc 3 lỗi bít. Theo quan điểm giải mã, mã Hamming có thể phát hiện lỗi bit đơn và lỗi bit kép song chỉ có thể hiệu chỉnh lỗi bit đơn và nếu có 3 hay nhiều bit lỗi hơn bộ giải mã không thể hiệu chỉnh được thậm chí không thể phát hiện. Có thể ký hiệu tổng quát như sau: MD = 2n + 1. Ở đó MD là khoảng cách tối thiểu, n là số bit lỗi có thể hiệu chỉnh, p là số bit lỗi có thể phát hiện. Từ ví dụ về mã Hamming ta có thể rút ra kết luận sau về một mã khối kiểm tra chẵn lẻ: Mã có khoảng cách tối thiểu càng lớn thì khả năng chống nhiễu càng cao. Thường khó xác định khoảng cách tối thiểu vì tồn tại 2 k từ mã khả dĩ. Do đó tính khoảng cách tối thiểu yêu cầu 2 k 1.2 k  1 phép so sánh. Nên khi độ dài khối tăng lên cũng yêu cầu lượng lớn phép tính lớn để xác định khoảng cách tối thiểu.

2.2. Mã Khối Tuyến Tính và Ma trận Kiểm Tra Chẵn Lẻ

Mã khối gọi là tuyến tính nếu tổng (modul 2) của hai từ mã cũng là một từ mã (tính chất đóng của tập hợp từ mã). Mã khối trong đó các bit bản tin được giữ nguyên, chỉ bổ sung thêm các bit dư tạo nên từ mã gọi là mã hệ thống hay chính tắc. Mã hệ thống cũng có tính chất tuyến tính và có ưu điểm là thực hiện đơn giản, nên trước tiên ta xem xét mã khối hệ thống. Cấu trúc mã khối hệ thống là: b0,b1,… bn–k–1, m0,m1,… mk–1. Ơ đó k bit bên phải là bản tin, n–k bit bên trái để kiểm tra, đồng thời các bit kiểm tra là tổ hợp tuyến tính của k bit bản tin. Phương trình xác định một cấu trúc toán học của mã khối tuyến tính (n,k) và có thể viết dưới dạng véctơ và ma trận. Ma trận G được gọi là ma trận sinh trong đó k hàng phải là độc lập tuyến tính (tức là không thể biểu diễn một hàng nào theo tổ hợp tuyến tính các hàng còn lại). Nên ma trận H gọi là ma trận kiểm tra chẵn lẻ. Mục đích của nó là nếu từ mã được truyền không lỗi thì phương trình cHT = 0 phải thỏa mãn. Ví dụ: Xét mã lặp lại có n = 5, k = 1 ta có: G = [1 1 1 11]. Giả sử từ mã c gửi trên đường truyền mắc lỗi e, véctơ thu được tại bộ thu là r = c+e. s = rHT là đặc trưng của giải mã (dùng ma trận H nhân vào để kiểm tra). Đặc trưng giải mã chỉ phụ thuộc mẫu lỗi mà không phụ thuộc từ mã. Mã có khoảng cách tối thiểu càng lớn thì khả năng chống nhiễu càng cao.

III. Tìm hiểu Sâu hơn về Mã LDPC Nguyên lý và Thuật toán

Mã LDPC cũng là loại mã khối kiểm tra chẵn lẻ như mã Hamming, nhưng mức độ tinh vi và phức tạp hơn. Các giá trị bít của từ mã nằm ở phía bên trái. Các yêu cầu kiểm tra nằm ở phía phải. Có nghĩa là một từ mã đúng khi các phương trình kiểm tra phía bên phải phải thỏa mãn bằng 0. Một cách biểu diễn khác về mã LDPC là biểu diễn bằng ma trận. Một ma trận H (n-k x n) kiểm tra tương ứng có số cột bằng số bít trong từ mã n, số hàng bằng số nut kiểm tra n-k, ở đó k là số bít trong bản tin. Các phần tử hji=1 trong ma trận chứng tỏ có đường nối kiểm tra giữa nut kiểm tra j với bit thứ i trong từ mã. Gallager đã đề nghị kiểu mã LDPC này từ 1962 và chứng minh nó là ứng viên đạt giới hạn Shannon. Vì LDPC có số thành phần = 1 trong ma trận ít cho phép k/c tối thiểu của mã lớn đồng thời số phép toán kiểm tra ít. Song ý tưởng này chậm được áp dụng do mã chỉ hiệu quả khi dùng khối từ mã lớn dẫn đến việc tính toán ma trận nghịch đảo phức tạp. Hiệu quả mã LDPC được đánh giá qua đường cong lỗi BER đối với Eb/N0 theo dB.

3.1. Tạo Ma trận Kiểm tra Chẵn Lẻ và Ma trận Sinh

Có nhiều phương pháp tạo mã LDPC như: tạo ngẫu nhiên chịu ràng buộc, tạo theo kiểu tiến hóa mật độ…. Song nói chung các phương pháp đều tạo ra ma trận kiểm tra H trước rồi từ đó suy ra ma trận tạo mã G, còn gọi là ma trận sinh. Khi nhân ma trận sinh với bản tin sẽ cho từ mã. Với H (n-k,n) là ma trận kiểm tra tính chẵn lẻ. Vi trí các bit chẵn lẻ trong từ mã là tùy ý nên có thể tạo từ mã như sau. Để tạo G từ H, từ mã tạo ra phải thỏa mãn các phương trình kiểm tra tức là: Hc = 0. Với c = [p : m]T là từ mã. Chia H thành 2 phần: H = [X : Y]. Với X là ma trận vuông (n-k x n-k), Y là ma trận (n-k x k). Dùng phép toán modulo-2 có thể giải p thành: p = X-1Ym. Để hiệu quả, độ dài khối mã là lớn: từ 103-106, nên số từ mã cũng lớn, do đó việc phân tích đại số mã cũng khá khó khăn. Một cách hữu ích là phân tích thống kê trên một toàn thể các mã LDPC. Cách phân tích này cho phép chúng ta phát biểu thống kê về những tính chất nhất định của các mã thành phần trong toàn thể. Trên phương diện toàn thể của mã LDPC, khoảng cách tối thiểu của mã thành viên cũng sẽ là biến ngẫu nhiên. Nó cũng cho thấy khi độ dài khối n tăng, với wc cố định ≥3 và wr>wc phân bố xác suất của khoảng cách tối thiểu có thể bị chặn trên tức là tiến tới hàm nhảy bậc đơn vị tại một khúc cố định Δwcwr của độ dài khối n. Như vậy với n lớn, tất cả các mã LDPC trong toàn thể có khoảng cách tối thiểu it nhất là n.

3.2. Độ dài Tuần Hoàn và Tính Độc Lập Tuyến Tính

Dùng đồ thị Tanner có thể thấy độ dài tuần hoàn tối thiểu của mã, đó là số tối thiểu lần qua lại từ một node kiểm tra rồi trở lại chính node kiểm tra đó. Tính chất tuần hoàn này sẽ làm giảm cấp hiệu quả khi giải mã lặp. Do đó khi tạo ma trận chẵn lẻ, độ dài tuần hoàn tối thiểu được phép phải được xác định trước. Nói chung là loại bỏ chu kỳ tuần hoàn 4 trong đồ thị Tanner. Có thể điều khiển độ dài tuần hoàn tối thiểu này khi tạo ma trận song độ phức tạp và thời gian tính sẽ tăng theo hàm mũ khi tăng độ dài tuần hoàn tối thiểu. Thông thường H được tạo ra trước để đảm bảo một số mục tiêu kiểm tra. Tuy nhiên không phải với bất kỳ H nào cũng xác định được G. Để đảm bảo sự tồn tại của G, sự độc lập tuyến tính của tất cả các hàng trong ma trận H phải được đảm bảo (tức là các nut kiểm tra phải có sự độc lập với nhau thì mới có ý nghĩa). Trong việc tạo H ngẫu nhiên trên thực tế, phải bổ sung thêm một số phép phân chia và hoán vị cần thiết để đảm bảo tồn tại G. Thực tế các mã được chọn hoàn toàn ngẫu nhiên sẽ là mã tốt với xác suất cao. Tuy nhiên vấn đề là độ phức tạp giải mã của những mã này cũng khá cao. LDPC đạt gần giới hạn Shannon chỉ với mã khối LDPC thông thường (tức là số phần tử 1 trên các hàng bằng nhau, trên các cột cũng bang nhau và cố định) lớn. Ví dụ nếu gần 0.04 dB tại BER 10-6 thì độ dài khối phải là 107. Những mã hiệu quả cao lại là mã bất thường (tức là không bắt buộc có số phần tử 1 bằng nhau trên các hàng hay các cột) nên rất được quan tâm.

IV. Giải mã LDPC Thuật toán lặp và Quyết định Mềm

Thuật toán giải mã lặp đã biến mã LDPC thành khả thi không thay thế phép phải chính xác dài dòng phức tạp bởi một số bước phải lặp đơn giản thuần túy song có hiệu quả tương đương. Để mô tả thuật toán giải mã lặp ta dùng ví dụ. Các bước của thuật toán như sau: Các nut biến gửi thông tin của nó đến nut kiểm tra f j. Các nút kiểm tra gửi lại nut biến c i một giá trị dựa trên phương trình kiểm tra chẵn lẻ và thông tin từ các nut biến khác nut ci. Các nút biến dựa trên thông tin phản hồi từ các nut kiểm tra như là thông tin bổ sung để khẳng định thông tin ban đầu nó nhận được là tốt hay không, nếu không tốt phải sửa lại. Một cách đơn giản để sửa lại là quyết theo đa số. Sau khi quyết các giá trị nut v theo đa số ta đã hoàn thành một bước lặp.Bây giờ nut v lại có thể gửi bản tin khác với quyết định cứng của nó đến nut kiểm tra. Trong giải mã lặp quyết định mềm đều có tất cả các bước trên chỉ khác biệt ở chỗ truyền thông tin giữa các nut. Thay cho việc truyền 1 hoặc 0 nó truyền giá trị xác suất Pr(1) hoặc Pr(0). Còn quyết định dựa trên xác suất tích lũy từ thông tin các nut liên quan. Quyết định mềm dựa trên khái niệm truyền độ tin cậy sẽ cung cấp hiệu quả giải mã tốt hơn.

4.1. Thuật toán Giải mã Lặp Quyết định Mềm Các bước chính

Các bước thực hiện giải mã quyết định mềm. Bước 1: Các nut biến gửi qij của nó. Vì lúc đầu không có thông tin khác nên qij(1)=Pi và qij(0)=1-Pi. Bước 2: Các nút kiểm tra sẽ tính các đáp ứng của nó theo công thức Gallager. Tức là tính xác suất đồng thời có một số chẵn 1 trong các nut biến đến ngoại trừ ci. Xác suất này bằng xác suất rij(0) tức là xác suất ci là zero. Lấy 1 trừ đi ta có xác suất ci=1. Bước 3: Các nut biến cập nhật giá trị theo bản tin từ các nut kiểm tra . qij (0)  K ij (1  Pi )  r j 'i (0). qij (1)  K ij Pi  r j 'i (1). Ở đây Kij được chọn theo cách đảm bảo: qij (0)  qij (1)  1. Tại điểm này nut v cũng cập nhật ước lượng hiện tại của ci. Điều này được thực hiện bằng tính xác suất cho 0 và 1 và biểu quyết cho giá trị nào lớn hơn. Nếu từ mã ước lượng đáp ứng phương trình kiểm tra, thuật toán kết thúc. Kết thúc khác được đảm bảo qua một số cực đại bước lặp. Thuật toán giải mã quyết định mềm nói trên là một phương án đơn giản thích hợp cho kênh BSC và có thể được cải tiến để hiệu quả hơn. Bên cạnh vấn đề hiệu quả có vấn đề ổn định do nhiều phép nhân xác suất. Kết quả sẽ gần zero đối với độ dài khối lớn. Để chống lại điều này có thể chuyển sang miền log và thực hiện phép cộng thay cho phép nhân. Kết quả là ổn định hơn và thậm chí hiệu quả cao hơn do phép cộng không chi phí cao.

4.2. Đánh giá Hiệu quả của Thuật toán Giải mã Lặp

Định lý mã kênh của Shannon là một tiêu chuẩn so sánh một mã kênh là mạnh hay không. Với cùng một tỷ lệ mã, đi qua kênh có cùng mật độ công suất ồn thì với xác suất lỗi bit như nhau, kỹ thuật mã nào cần ít năng lượng cho Eb hơn, tức là gần với giới hạn Shannon hơn kỹ thuật mã đó tốt hơn. LDPC là mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp có nghĩa là ma trận kiểm tra có ít phần tử 1 so với số hàng và số cột. Điều này tạo nên khoảng cách tối thiểu giữa các từ mã lớn đồng thời qui tắc kiểm tra ở mỗi nut kiểm tra đơn giản. Song để đạt hiệu quả cao, kích thước khối mã phải lớn và giữa ma trận kiểm tra và ma trận sinh phải có phần là nghịch đảo của. Trong vấn đề tạo ma trận kiểm tra ngẫu nhiên vấn đề LDPC bất thường vẫn đang được chú ý đến nhiều. Nguyên lý truyền độ tin cậy đã tránh cho việc phải tính toán chính xác phức tạp dài dòng. Việc tổ hợp các yếu tố tin cậy bổ trợ đã đưa việc giải mã phức tạp về một số bước lặp đơn giản và khả năng thiết kế các bộ tính toán song song đem lại tính khả thi cao của mã LDPC. Đó chính là những yếu tố then chốt làm cho mã LDPC được áp dụng mạnh mẽ trên thực tế.

V. Mô phỏng Mã LDPC Đánh giá Hiệu quả và So sánh

Để chứng tỏ hiệu quả của mã LDPC tăng theo độ dài khối, phần này sẽ tiến hành đánh giá bằng mô phỏng với các bản tin ngẫu nhiên đi qua kênh ồn Gaus, rồi dựa vào kết quả nhận được có thể so sánh với mã sửa sai Turbo (mã sửa sai trong hệ DVB-S) qua các tài liệu tham khảo. Bản tin k bit một được tạo ra với xác suất cân bằng Pr[mi= 1] = Pr[mi= 0] = 0.5. Việc mã LDPC thực hiện thông qua việc gọi ma trận sinh G đã chuẩn bị trước, rồi nhân G với m để tạo nên từ mã. Điều chế BPSK là phép ánh xạ dãy dữ liệu bit đối với 2 tín hiệu nhị phân tương tự ứng với 2 điểm:  Eb trên giản đồ chòm sao. Thêm kênh vô tuyến có ồn AWGN với phân bố chuẩn, phương sai N0/2 cộng thêm. Giải mã SPA có nhiệm vụ phát hiện và hiệu chỉnh lỗi trong từ mã sau khi đi qua kênh, để từ mã ước lượng được c thỏa mãn các phương trình kiểm tra. Bản tin m khôi phục lại từ từ mã sẽ được so sánh với bản tin gốc m trong mô phỏng để đếm lỗi theo phương pháp Monter Carlo.

5.1. Xây dựng Ma trận H G và Mã hóa Các Bước Quan Trọng

Phương pháp tạo ma trận H ở đây là tạo ngẫu nhiên kèm ràng buộc. Thuật toán tạo H có 4 tham số đầu vào: N: độ dài khối (từ mã), k: số bít bản tin, wc: trọng lượng cột (số phần tử 1 trên cột), reltol: Biến chịu dùng để điều khiển tính tuần hoàn (cân đối) trong ma trận. Trọng lượng hàng wR được tính từ trọng lượng cột theo wC. N/(N-k) và được làm tròn. Việc tạo giá trị H(j,i) =1 sẽ có tính ngẫu nhiên và ràng buộc để số phần tử 1 trong hàng và cột bất kỳ bằng số cho trước wc và wr. Việc tạo ma trận G từ H tuân theo phương trình 2.7 vấn đề là phải đảm bảo sao cho có X-1. Điều này được đảm bảo từ tính độc lập tuyến tính của các hàng. Mã hóa thực tế phải là thời gian thực và thực hiện qua ghi dịch song song, tuy nhiên ở mô phỏng này không đề cập đến. Trong mô phỏng thực hiện qua nhân ma trận (đa số máy tính có thể thực hiện phép toán này với độ dài khối tương đối lớn).

5.2. Giải mã Lặp và Thuật toán SPA Chi tiết Quy trình

Có 2 phương pháp là giải mã quyết định cứng và giải mã quyết định mềm như đã nói ở chương 2. Quyết định cứng: quyết giá trị bit tại điểm thu giải mã MAP. Quyết định mềm: yêu cầu xử lý vecto từ mã trước khi quyết định giá trị bit. Ở đây chỉ trình bày hiệu quả của thuật toán cho qua bản tin của bộ giải mã thuật toán tổng-tích (SPA). Phương pháp giải mã dựa trên cho bản tin nhận được qua lại giữa node kiểm tra và node giá trị theo đồ thị tanner. Theo mỗi bước chạy, thuật toán xác định quyết định mềm mới dựa trên xác suất sau và tạo nên 1 ước lượng từ mã. Khởi phát thuật toán. Từ các phương trình q ii b  Pr ci  b r ji b  Ci ~ j, yi và Pi b  Prci  b yi lúc đầu không có bản tin 2 phương trình này có thể tương đương và bản tin qij(b) tại bước lặp 0 trở thành: qij b  Pi b, Pi(b) được tìm dùng phương trình. Việc đánh giá hiệu quả mã LDPC trong các tài liêu tham khảo có thể thấy trên hình 21 và 22.

VI. Kết luận Ứng dụng và Tương lai của LDPC trong DVB S2

Việt Nam đang phát triển Viễn thông quốc gia cùng với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhất, trong đó có kỹ thuật mã hóa LDPC cho tiêu chuẩn truyền hình thế hệ 2. Việc mô phỏng kiểm chứng cho thấy sự phù hợp giữa lý thuyết và kết quả nhận được. Phần phát triển tiếp theo khi có điều kiện sẽ là xây dựng cấu trúc xử lý song song để tăng tốc thời gian xử lý khi áp dụng mã có độ dài khối lớn. Các kết quả này phù hợp với các nghiên cứu lý thuyết và các kết quả ở các tài liệu tham khảo. Kết quả mô phỏng phù hợp với những kết quả tham khảo và cho thấy tại miền Eb/N0 nhỏ mã LDPC có hiệu quả cao hơn mã Turbo. Đây chính là thế mạnh của mã LDPC khi áp dụng vào đường truyền vô tuyến.

6.1. Tóm tắt kết quả đạt được và nhận xét về LDPC

Mô phỏng mã LDPC với tốc độ Rc=1/2 kết hợp điều chế BPSK đã cho thấy hiệu quả mã tăng mạnh theo độ dài khối . Tuy nhiên thời gian chạy mô phỏng do chưa kết hợp xử lý song song đã kéo dài lâu khi tăng độ dài khối mã. Khi thay đổi tỷ lệ mã Rc = ½ Wc = 3, Rc = 2/5 Wc = 4 thì hiệu quả đường cong tồi đi. Khi độ dài khối trong mã LDPC tăng thì đường cong càng gần giới hạn shannon, và đường cong này hiệu quả hơn mã Hamming rất nhiều. Ở vùng Eb/No thấp mã LDPC mã LDPC hiệu quả hơn mã Turbo. Còn ở vùng Eb/No > 1.2dB mã Turbo hiệu quả hơn. Đường truyền vệ tinh cho thấy sử dụng mã LDPC tốt hơn vì thấy Eb/No nhỏ. Đây chính là thế mạnh của mã LDPC khi áp dụng vào đường truyền vô tuyến.

6.2. Triển vọng ứng dụng LDPC tại Việt Nam và trên thế giới

Với hiệu suất vượt trội so với các kỹ thuật mã hóa truyền thống, mã LDPC hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng và hiệu quả của các hệ thống truyền hình số vệ tinh thế hệ mới. Tại Việt Nam, việc triển khai và ứng dụng thành công LDPC sẽ góp phần vào việc nâng cao chất lượng dịch vụ truyền hình, mở ra cơ hội phát triển các dịch vụ truyền hình độ nét cao (HDTV) và các dịch vụ tương tác qua vệ tinh. Trên thế giới, LDPC đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm truyền thông di động, lưu trữ dữ liệu và các hệ thống thông tin liên lạc. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật mã hóa LDPC tiên tiến sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp viễn thông và truyền hình trên toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Sự phát triển của truyền hình vệ tinh 1.1 Đặc điểm của đường truyền vệ tinh[1] Để nêu bật những đặc điểm của truyền hình vệ tinh, trước hết ta định nghĩa một số khái niệm và mô tả cấu trúc vật lý của hệ thống này rồi từ đó rút ra những đặc điểm kỹ thuật tất yếu đi kèm theo. Trước hết là Quỹ đạo địa tĩnh (GEO): đây là quỹ đạo tròn xung quanh trái đât, nằm trong mặt phẳng xích đạo có độ cao khoảng 36786 km so với đường xích đạo. Vệ tinh ở quỹ đạo này có tốc độ bay đồng bộ với tốc độ quay của Trái Đất (T=23g56’04’’).

Do đó, vệ tinh gần như đứng yên so với các điểm trên Trái Đất. Quỹ đạo địa tĩnh thích hợp hơn cho các loại hình thông tin quảng bá như: phát thanh, truyền hình… với tầm phủ sóng rộng lớn, còn cho thông tin thoại (yêu cầu thời gian thực cao) thì không được tốt, vì thời gian trễ do truyền sóng lớn (khoảng 0. Sơ đồ điển hình tính toán đường truyền cho kênh thông tin [1] Trên hình 1 ta thấy rằng do trái đất hình cầu nên để truyền tin xa cách tốt nhất là phát tin tức lên vệ tinh, rồi vệ tinh sẽ phát chuyển tiếp tin này đến các nơi trên mặt đất. Đường truyền này không bị che chắn bởi bất cứ thứ gì chỉ có điều khoảng cách rất xa tín hiệu bị suy giảm cỡ 200dB và chịu can nhiễu trên một đường truyền dài.

Chú ý rằng vệ tinh chỉ đóng vai trò phát đáp, tức là chuyển tín hiệu trên sóng mang thu được (tần số Uplink) TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 7 sang tín hiệu trên sóng mang phát xuống (tần số Downlink) mà không trực tiếp xử lý tín hiệu băng cơ sở. Nói tới thông tin vệ tinh, chúng ta phải kể đến 3 ưu điểm nổi bật của nó so với các hệ thống thông tin khác là: - Tính quản bá rộng lớn cho mọi loại địa hình. - Có dải thông rộng. - Nhanh chóng dễ dàng cấu hình lại khi cần thiết.

Đối với hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất nếu hai trạm muốn thông tin nhau thì các anten của chúng phải nhìn thấy nhau, đó gọi là thông tin vô tuyến trong tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên Trái Đất có dạng hình cầu nên khoảng cách giữa hai trạm sẽ bị hạn chế để đảm bảo điều kiện cho các anten còn trông thấy nhau. Đối với khả năng quảng bá cũng vậy, các khu vực trên mặt đất không nhìn thấy anten của đài phát sẽ không thu được tín hiệu nữa. Trong trường hợp bắt buộc phải truyền tin đi xa, người ta có thể dùng phương pháp nâng cao cột anten, truyền sóng phản xạ tầng điện ly hoặc xây dựng các trạm chuyển tiếp.

Trên thực tế thì cả ba phương pháp trên đều có nhiều nhược điểm. Việc nâng độ cao cột anten gặp rất nhiều khó khăn về kinh tế và kỹ thuật mà hiệu quả lại không được bao nhiêu. Nếu truyền sóng phản xạ tầng điện ly thì cần có công suất phát rất lớn và bị ảnh hưởng rất mạnh của môi trường truyền dẫn nên chất lượng tuyến không cao. Việc xây dựng các trạm chuyển tiếp giữa hai trạm đầu cuối sẽ cải thiện được chất lượng tuyến, nâng cao độ tin cậy nhưng chi phí lắp đặt các trạm trung chuyển quá cao và không thích hợp khi có nhu cầu mở thêm tuyến mới.

Tóm lại, để có thể truyền tin đi xa người ta mong muốn xây dựng được các anten rất cao nhưng lại phải ổn định và vững chắc. Sự ra đời của vệ tinh là để thoả mãn nhu cầu đó, với vệ tinh người ta có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin trên toàn cầu hơn bất cứ một hệ thống thông tin nào khác. Thông tin qua vệ tinh INTELSAT, lần đầu tiên hai trạm đối diện trên hai bờ Đại Tây Dương đã liên lạc được với nhau. Do khả năng phủ sóng rộng lớn nên vệ tinh rất thích hợp cho các phương thức truyền tin đa điểm đến đa điểm, điểm đến đa điểm (do quảng bá) hay đa điểm đến một điểm trung tâm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu).

Bên cạnh khả năng phủ sóng rộng lớn, băng tần rộng của hệ thống vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện tại như truyền hình số phân giải cao HDTV (High Definition Television) , phát thanh số hay dịch vụ ISDN thông qua một mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến thuê bao DTH (Direct to Home) thông qua trạm VSAT (Very small Aperture Terminal). Cuối cùng do sử dụng phương tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên hệ thống thông tin vệ tinh là rất thích hợp cho khả năng cấu hình lại. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Vài nét lịch sử phát triển Thế hệ vệ tinh thương mại đầu tiên là INTELSAT-1 hay Early Bird ra đời vào năm 1965. Đến đầu những năm 1970 các hệ thống vệ tinh đã có thể cung cấp các dịch vụ trao đổi thoại và truyền hình giữa hai lục địa.

Mới đầu vệ tinh chỉ đáp ứng được cho các tuyến dung lượng thấp, sau đó nhu cầu gia tăng tốc độ cũng như số lượng thông tin qua vệ tinh đã thúc đẩy nhanh chóng việc hình thành các hệ thống vệ tinh đa búp sóng và các kỹ thuật sử dụng lại tần số cho sóng mang. Kỹ thuật đầu tiên được dùng cho hệ thống vệ tinh là truyền dẫn tương tự, sử dụng công nghệ FDM/FM/FDMA. Sau đó để đáp ứng nhu cầu gia tăng thông tin, người ta đã tiến tới các phương thức truyền dẫn tiên tiến hơn như là SCPC/FM/FDMA (năm 1980) hay PSK /TDMA và PSK/CDMA. Các phương thức về sau dựa trên truyền dẫn số qua vệ tinh để khai thác triệt để do kỹ thuật số mang lại.

Kỷ nguyên truyền dẫn thông tin băng vệ tinh thực sự có hiệu quả vào những năm 80. Khi đó, truyền dẫn qua vệ tinh đã tiết kiệm băng thông và giá thành khi sử dụng các kiểu điều chế QPSK và BPSK. Những năm 90, công nghệ phát quảng bá qua vệ tinh đã phát triển rộng rãi sau khi ETSI công bố chuẩn DVB-S đầu tiên, kết hợp điều chế QPSK với sửa lỗi hướng truyền trong và ngoài (Viterbi và Reed-Solomon). Cuộc cách mạng về mã sửa lỗi kết hợp với các cấu hình điều chế mới và một loạt các đặc tính mới là nền tảng làm nên tiêu chuẩn DVB-S2, còn gọi là truyền hình thế hệ 2.

Đây là tiêu chuẩn mới nhất trong các tiêu chuẩn của ETSI về truyền dẫn thông tin vệ tinh. Kiểu điều chế này cũng đã khép lại con đường tiệm cận giới hạn về mặt lý thuyết (giới hạn Shannon). DVB-S2 với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30% đến 131% so với DVB-S đang được kỳ vọng sẽ đem lại hiệu quả to lớn khi được đáp ứng, với khả năng truyền dẫn đồng thời nhiều dịch vụ có tốc độ lơn như truyền hình có độ phân giải cao như HDTV, Internet tốc độ cao, truyền số liệu và các ứng dụng chuyên nghiệp… trên cùng một bộ phát đáp của vệ tinh mà hệ thống DVB-S trước đó khó có thể thực hiện được.3 Bước tiến từ DVB-S sang DVB-S2 [3] Tiêu chuẩn DVB-S2 có sự thay đổi không nhiều trong cấu trúc so với DVB-S: trên hình 2, ta có thể thấy mã sửa sai trong Viterbi và mã sửa sai ngoài Reed-Solomon được thay thế bằng mã sửa sai LDPC (Low Density Parity Check) và BCH (Bose-Chaudhuri- Hocquenghem) tương ứng. Tuy nhiên như phân tích trong chương 2, đây chính là điều cốt lõi tạo nên một bước nhảy vọt về hiệu suất sử dụng phổ vốn là một vấn đề gốc rễ trong truyền thông vô tuyến của bất kỳ quốc gia nào.

Chú ý rằng một mã sửa sai tốt hơn là một mã với cùng tỷ lệ mã và tỷ lệ lỗi chỉ cần tỷ số Eb/N0 nhỏ hơn (tất nhiên lý tưởng nhất là càng gần đến giới hạn Shannon). Khi đó phần công suất Eb/N0 còn lại sẽ được tận dụng cho điều chế hạng M cao, điều này sẽ làm cho TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 9 hiệu suất phổ tăng thêm nhiều (1.5 bit/Hz ở DVB-S2 so với 0.2 Bit/Hz trong DVB-S). Sơ đồ khối chức năng của hệ thống DVB-S2. Ngoài ra, tiêu chuẩn mới cũng cung cấp các kiểu điều chế QPSK(2bit/Hz), 8PSK (3bit/Hz), 16APSK(4bit/Hz) và thậm chí là 32APSK (5 bit/Hz).

So sánh với kiểu điều chế QAM, các cấu hình điều chế APSK (Amplitude and Phase-Shift Keying) cho phép việc bù dễ dàng với bộ bù phát đáp Transponder phi tuyến. Sự khác nhau nữa và cũng là hiệu quả của DVB-S2 so với DVB-S là khả năng kết hợp các dòng dữ liệu vào một sóng mang, điều chế, mã hóa thay đổi và tương thích (VCM và ACM) và cấp bên trong dòng dữ liệu không phải MEPG (non-MEPG). Giản đồ chòm sao điều chế QPSK Sự kết hợp các dòng dữ liệu khác nhau sẽ làm tăng số lượng tín hiệu truyền tải trên một sóng mang. Trong thực tế, điều này có thể xem như sử dụng bộ ghép kênh (MUX), TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 10 những lại không phải chịu những bất lợi từ việc định lại tham chiếu thời gian, chương trình PCR và sự thay đổi thông tin dịch vụ - thông tin đặc trưng chương trình (SI – PSI).

Các sơ đồ điều chế được sử dụng trong DVB-S2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 11 Chức năng điều chế và mã hóa thay đổi - VCM (Variable Coding and Modulation) cho phép xác định một cấu hình điều chế khác nhau và mức sửa lỗi cho mỗi dòng dữ liệu riêng biệt trên cùng một sóng mang. Chức năng điều chế và mã hóa tương thích - ACM (Adaptive Coding and Modulation) cho phép thay đổi động cấu hình điều chế và mức bảo vệ lỗi cho mỗi khung dữ liệu phù hợp với chất lượng kênh truyền. Khi kết hợp các dòng dữ liệu với các đầu cuối thu có cơ cấu hồi tiếp, tính năng ACM đặc biệt thích hợp cho việc tối ưu băng thông cho một mạng tương tác: các thông số truyền dẫn có thể được tối ưu cho mỗi bộ đầu cuối và các ảnh hưởng do thời tiết như là fading do mưa có thể được bù dễ dàng và an toàn. DVB-S2 được ví như là một bộ công cụ cho các dịch vụ tương tác: Điều chế và mã hóa cao cấp, tryền tải bất kỳ dạng (format) dữ liệu nào.

Mục tiêu của bộ công cụ DVB-S2 là một hệ thống đơn phục vụ cho các ứng dụng khác nhau.