Mã turbo và ứng dụng trong thông tin vệ tinh

- HOÀNG THỊ NGA MÃ TURBO VÀ ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Hoàng Thị Nga 2MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH .
- 1 Giới thiệu chương .
- 2 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh .
- 3 Vấn đề truyền dẫn và các đặc trưng cơ bản của tuyến thông tin vệ tinh Kết luận chương CHƯƠNG TÌM HIỂU LÝ THUYẾT MÃ TURBO .
- 3 Lý thuyết mã Turbo .
- 3 Mã Turbo .
- 1 Giới thiệu chung về mã Turbo .
- 2 Sự kết nối mã Turbo .
- 3 Giới thiệu mã hóa tích chập hệ thống đệ quy (RSC Kết luận chương CHƯƠNG MÃ TURBO KẾT NỐI SONG SONG Giới thiệu chương Bộ mã hóa Kỹ thuật xóa (PUNCTURE Bộ chèn (INTERLEAVER Bộ chèn ma trận Bộ chèn giả ngẫu nhiên Bộ chèn dịch vòng Bộ chèn chẵn-lẻ(Odd-Even Bộ chèn Smile Bộ chèn khung Bộ chèn tối ưu Bộ chèn đồng dạng Bộ chèn S Bộ giải mã Khái niệm về các thuật toán giải mã Tổng quan về các thuật toán giải mã Thuật toán Log-MAP Thuật toán SOVA Độ tin cậy của bộ giải mã SOVA tổng quát Bộ giải mã thành phần SOVA Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA Cải tiến chất lượng của PCCC qua thiết kế bộ chèn Thiết kế bộ chèn mới Các phương pháp tối ưu hoá cấu trúc bộ chèn Sự khác nhau giữa mã chập và mã So sánh chất lượng các hệ thống mã hóa Kết luận chương CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN VỆ TINH .
- 2 Tổng quan về các ứng dụng vô tuyến của mã Turbo .
- 3 Ứng dụng mã Turbo trong thông tin vệ tinh .
- 4 Các bit mã hoá lẻ của chuỗi c Bảng 3.
- 5 Chuỗi tin và chuỗi mã hoá được ghép Bảng 3.
- 6 Trạng thái cuối của bộ mã hoá Bảng 3.
- 7 So sánh mã chập và mã PCCC Bảng 5.1 Thông số các lần chạy chương trình Bảng 5.2 Kết quả mô phỏng dạng dữ liệu DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: Hiệu quả sử dụng phổ của các sơ đồ điều chế và mã hoá khác nhau được tính toán cho trường hợp BER là 10-5 trên kênh AWGN Hình 2.
- 2 Kênh thông tin Hình 2.3 Bộ mã hóa Turbo tỷ lệ Hình 2.4: Mã kết nối nối tiếp Hình 2.5: Mã kết nối song song Hình 2.6: Thanh ghi dịch cho sự mã hóa Hình 2.7: Các ví dụ về mã chập Hình 2.8: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2 .
- K Hình 2.9: Bộ mã hoá RSC của hình 2.
- Hình 2.10: Bộ mã hoá tích chập không đệ quy r = 1/2 va K = 3 với chuỗi ngõ vào và ngõ ra Hình 2.11: Bộ mã hoá tích chập đệ quy có r = 1/2 và K = 3 của hình 2.
- 6 cùng với chuỗi ngõ vào và ra Hình 2.12: Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC Hình 3.1: Bộ mã hoá PCCC tổng quát Hình 3.2: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chập hệ thống đệ quy Hình 3.3: Sơ đồ chi tiết mã hoá PCCC tốc độ Hình 3.4: Bộ chèn làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 khi so sánh với bộ mã hoá RSC Hình 3.5: Bộ chèn ma trận Hình 3.6: Bộ chèn giả ngẫu nhiên với độ dài chuỗi ngõ vào L Hình 3.7: Bộ chèn dich vòng với L=8, a=3, s Bảng 3.
- 2 Bảng các bit chẵn mã hoá của chuỗi c Hình 3.8: Mô tả bộ chèn Smile Hình 3.9: Bộ chèn bán ngẫu nhiên với L = 16 và S Hình 3.10: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis Hình 3.11: Bộ giải mã lặp Log-MAP Hình 3.12: Các đường survivor và đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy Hình 3.
- 14: Tiến trình cập nhật cho thời điểm t − 2 (MEMlow Hình 3.15: Bộ giải mã thành phần SOVA Hình 3.
- 16: Sơ đồ khối bộ giải mã SOVA Hình 3.17: Bộ giải mã SOVA lặp Hình 3.18: Quá trình tạo thông tin extrinsic Hình 3.19: Cấu trúc bộ giải mã lặp với các trọng số Hình 3.20: So sánh hệ thống mã hoá Hình 4.1: Hiệu quả của việc ước lượng kênh khi đã biết pha sóng mang Hình 4.2 So sánh một số kỹ thuật điều chế khi không biết pha sóng mang Hình 4.3 : Sơ đồ bộ thu PSAM có lọc ước lượng kênh cho miền SNR rất thấp Hình 4.4 Parallel Concatenated Trellis Coded Modulation, 16 QAM, 2bit/s/Hz Hình 4.5: BER Performance of Turbo Trellis Coded Modulation, 16QAM, 2bits/s/Hz.....74 Hình 5.1: Chương trình mô phỏng chính Hình 5.2: Kết quả mô phỏng lần Hình 5.3: Kết quả mô phỏng lần Hình 5.4: Kết quả mô phỏng lần Hình 5.5: Kết quả mô phỏng lần Hình 5.6: Kết quả mô phỏng lần Hình 5.7: Kết quả mô phỏng lần Hình 5.8: Kết quả mô phỏng lần LỜI NÓI ĐẦU Sau 50 năm kể từ khi Shannon đưa ra lý thuyết thông tin số, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu về mã hoá mới tìm được một phương pháp mã hoá tiếp cận được gần tới dung lượng của kênh Gaussian, đó chính là phát hiện ra mã Turbo vào năm 1993.
- Việc kết hợp giữa mã hoá với ghép xen ở phía phát và giải mã lặp ở phía thu đã cho những kết quả bất ngờ.
- Đây là loại mã sửa lỗi mà ngày nay đang được nghiên cứu để áp dụng cho các môi trường hạn chế công suất như thông tin vũ trụ hay vệ tinh.
- Ngày nay hệ thống thông tin trên thế giới đã có những bước phát triển vượt bậc dựa trên sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật.
- Tuy hệ thống thông tin hữu tuyến đã có cơ sở hạ tầng rất phát triển nhưng với ưu điểm vượt trội, hệ thống thông tin vệ tinh đã đóng vai trò quan trọng trong hệ thống viễn thông toàn cầu.
- Đối với những khu vực địa hình hiểm trở khắc nghiệt hay chiến tranh mà thông tin hữu tuyến chưa hay không thể sử dụng được thì vệ tinh là giải pháp được ưu tiên lựa chọn.
- Việt Nam chúng ta cũng không nằm ngoài sự phát triển chung của mạng lưới viễn thông thế giới, đó là sự phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh.
- Hiện nay chúng ta đã có vệ tinh VINASAT_1 được phóng vào năm 2009, hiện đang trong quá trình khai thác và đi vào sử dụng.
- Nghiên cứu các kỹ thuật truyền thông trong thông tin vệ tinh trong môi trường có nhiều yếu tố tác động tới tín hiệu và với khoảng cách truyền rất xa (tín hiệu yếu) là hết sức quan trọng cho việc thiết kế, lựa chọn cấu hình vệ tinh phù hợp cả về mặt kỹ thuật và kinh tế.
- Bởi vậy, việc nghiên cứu kỹ thuật và công nghệ vệ tinh là rất cần thiết.
- Luận văn gồm 4 chương: 10Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh – Giới thiệu những khái niệm và đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin vệ tin Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết mã Turbo – Các khái niệm cơ bản, lý thuyết mã hóa, giải mã của bộ mã Turbo Chương 3: Mã Turbo kết nối song song – Các khái niệm, thuật toán và các giải pháp nâng cao chất lượng Chương 4: Ứng dụng của mã Turbo trong thông tin vệ tinh – Nghiên cứu ứng dụng của mã Turbo trong thông tin vệ tinh Chương 5: Chương trình mô phỏng và kết quả Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp, tuy đã rất cố gắng nhưng do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi sai sót.
- Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Hoàng Thị Nga 11CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.
- 1 Giới thiệu chương Trong những năm gần đây, hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới ngày càng phát triển, số lượng vệ tinh trên thế giới không ngừng tăng lên.
- Các hệ thống thông tin chuyển tiếp lưu lượng điện thoại xuyên đại dương lớn hơn rất nhiều lưu lượng điện thoại gửi qua cáp ngầm.
- Hơn thế, các hệ thống thông tin vệ tinh còn có thể chuyển tiếp các tín hiệu dữ liệu, thoại, hình ảnh đến bất kỳ người sử dụng nào trên trái đất.
- Chương này sẽ giới thiệu một cách tổng quan của hệ thống thông tin vệ tinh, bao gồm.
- Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh - Vấn đề truyền dẫn và các đặc trưng của hệ thống thông tin vệ tinh 1.
- 2 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh Công nghệ thông tin vệ tinh bắt nguồn từ hai công nghệ được phát triển mạnh trong thế chiến thứ 2, đó là công nghệ tên lửa và công nghệ viba.
- Kỷ nguyên sử dụng không gian vũ trụ làm môi trường truyền dẫn cho các hệ thống viễn thông được bắt đầu vào năm 1957, khi Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK vào quỹ đạo (4.
- 1957) Thuật ngữ vệ tinh nhân tạo được dùng để phân biệt với vệ tinh thiên tạo và ở đây được gọi tắt là vệ tinh (Satellite).
- Các vệ tinh đưa vào quỹ đạo đầu tiên bị giới hạn bởi trọng lượng vệ tinh cho nên các bộ phát đáp đặt trên vệ tinh thường có công suất nhỏ.
- Tín hiệu đó phải được một trạm vệ tinh mặt đất thu và truyền lại cho người sử dụng.
- Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhưng được phát triển nhanh chóng vì có nhiều lợi thế so với các hệ thống truyền thông khác: ¾ Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu ¾ Thiết bị phát sóng của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ 12¾ Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặt đất tương đối nhanh chóng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thống truyền dẫn ¾ Hệ thống thông tin có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau như viễn thông thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục tiêu, nghiên cứu khí tượng, phục vụ quốc phòng an ninh, hàng không… ¾ Thông tin vệ tinh rất ổn định.
- Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất, trong lúc các phương tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duy nhất thông tin vệ tinh hoạt động ¾ Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cung cấp cho hệ thống hoạt động Bên cạnh đó, thông tin vệ tinh cũng có một số đặc điểm, đó là: ¾ Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo khá lớn, công nghệ phóng cũng như sản xuất thiết bị không phải nước nào cũng làm được ¾ Bức xạ của sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh bị tổn hao lớn trong môi trường truyền sóng, đặc biệt là ở những vùng có nhiều mưa hoặc mây mù.
- ¾ Vùng phủ sóng của vệ tinh tối đa là 1/3 diện tích bề mặt trái đất, do đó cường độ trường tại điểm thử phụ thuộc vào búp sóng của Anten vệ tinh phủ sóng.
- Điều đó có nghĩa là phụ thuộc vào vị trí tọa độ của vệ tinh trên quỹ đạo mà vị trí đó lại tập trung vào một số giới hạn các vị trí.
- Tín hiệu truyền qua tuyến lên và tuyến xuống của hệ thống thông tin vệ tinh phải chịu một thời gian trễ đáng kể (khoảng 0, 25s so với vệ tinh địa tĩnh).
- Dịch vụ thông tin được phân loại tùy theo mục đích sử dụng như: ¾ Dịch vụ vệ tinh cố định (Fixed Satellite Service FSS) 13Dịch vụ vệ tinh cố định FSS là dịch vụ thông tin giữa các điểm cố định trên bề mặt trái đất thông qua một hoặc nhiều vệ tinh.
- Các hệ thống vệ tinh như INTELSAT, INTERSPUTNIK được sử dụng cho viễn thông quốc tế.
- Còn các hệ thống như EUTELSAT, CS của Nhật hay PALAPA của Indonesia được sử dụng cho viễn thông khu vực hay nội địa ¾ Dịch vụ vệ tinh di động (Mobile Satellite Service MSS) Dịch vụ vệ tinh di động MSS để thông tin các trạm mặt đất di động được gắn trên tàu biển, ô tô, máy bay hoặc mang vác di chuyển với mạng viễn thông cố định.
- Hệ thống IMARSAT là một hệ thống quốc tế điển hình của loại dịch vụ này.
- ¾ Dịch vụ vệ tinh quảng bá (Broadcastting Satellite Service BSS) Dịch vụ vệ tinh quảng bá BSS dùng để phát các chương trình phát thanh và truyền hình qua vệ tinh.
- ¾ Dịch vụ vệ tinh dẫn đường trong hàng không ¾ Dịch vụ vệ tinh thăm dò trái đất ¾ Dịch vụ vệ tinh khí tượng thủy văn Hai loại dịch vụ vệ tinh FSS, BSS được phát triển rộng rãi và được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới.
- Dịch vụ MSS cùng ngày càng phát triển mạnh.
- 3 Vấn đề truyền dẫn và các đặc trưng cơ bản của tuyến thông tin vệ tinh Đối với hệ thống thông tin vệ tinh, công suất luôn bị hạn chế nên việc sử dụng một số mã sửa lỗi đủ mạnh và hiệu quả có một tầm quan trọng rất lớn trong việc tối đa hóa dung lượng.
- Cùng với sự phát triển của nhiều loại hình dịch vụ mới đòi hỏi tốc độ cao, băng thông cũng trở thành một vấn đề thiết yếu, đặc biệt đối với các hệ thống di động (băng tần L và S).
- Đặc trưng cơ bản của một hệ thống vệ tinh là tổn hao và trễ rất lớn do khoảng cách giữa bộ phát đáp vệ tinh và đầu cuối mặt đất.
- Đối với hệ thống GEO, tổn hao đường truyền trong không gian tự do cỡ 180dB và trễ truyền lan 1 tuyến khoảng 250ms.
- Đối với tuyến lên, Anten vệ tinh có nhiệt độ tạp âm khoảng 2900K trong khi Anten ở trạm mặt đất, nhiệt độ tạp âm dao động từ 50K đến khoảng 1000K trong dải tần từ 1 – 10GHz.
- Tuyến xuống của kênh vệ tinh có quỹ công suất nhỏ nhất và vì vậy thường quyết định chất lượng của toàn kênh do bộ phát đáp trên vệ tinh bị ràng buộc cả về công suất phát (ảnh hưởng bởi dung lượng hạn chế của của thiết bị nguồn accu hay pin mặt trời) và kích cỡ cũng như trọng lượng (do giá thành phóng vệ tinh).
- Do vậy việc thiết kế tuyến thông tin vệ tinh luôn phải tính đến độ thụt lùi công suất ở cả đầu vào và đầu ra để giảm thiểu nhiễu.
- m-2) ở đầu vào Anten thu của vệ tinh cần thiết để làm bão hòa bộ phát đáp - 210lg4λπ.
- G/T: Là tỷ số độ khuếch đại trên tạp âm của đầu thu vệ tinh (dB.
- dFSPL : Là tổn hao đường truyền trong không gian tự do - FdL: Là tổng tổn hao cố định của đường xuống - AdL: Là suy hao khí quyển đường xuống Ngoài tạp âm nhiệt, tuyến vệ tinh còn chịu ảnh hưởng bởi fading do mưa, do hấp thụ khí quyển…Thông thường hiện tượng fading đối với kênh điểm – điểm được quy về thành một suy hao phụ và được tính toán theo chiều dài hiệu dụng và lượng mưa trung bình trong một khoảng thời gian của năm.
- Đồng thời tuyến vệ tinh còn chịu thêm nhiều nguồn nhiễu khác nhau, chẳng hạn nhiễu đồng kênh CCI (Co-channel Interference), nhiễu kênh lân cận ACI (Adjacent Channel Interference), nhiễu liên điều chế IPI (Intermodulation Product Interference)…Các nhiễu đó cũng được

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt