Ứng dụng của mã turbo trong thông tin vệ tinh – nghiên cứu ứng dụng của mã turbo trong thông tin vệ tinh tai việt nam

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận Văn Thạc sỹ Khoa học này là công trình nghiên
cứu của riêng tôi. Tôi cũng cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong
luận văn này là trung thực, không trùng lặp với các đề tài khác và thông tin
trích dẫn được sử dụng trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Học viên

Đỗ Mai Thủy

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................i
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................73

ii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
STT

TỪ

TỪ ĐẦY ĐỦ TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

1

VIẾT TẮT
ARQ

Automatic Repeat Request

Yêu cầu lặp tự động

2

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Tạp âm nhiễu trắng c

3

APP

A Posterior Probability

Xác xuất sau

4

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

5

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị ph

6

BSC

Base Station Controller

Điều khiển trạm mặt

7

FER

Frame Error Rate

Tỷ lệ lỗi khung

8

BTS

Trạm mặt đất

9

GSM

Base Trancever Station
Global System for Mobile

10

HCCC

communication
Hybrid Concatenated Convolutional

cầu
Mã chập kết nối hỗn

Code

11

HDVA

Hard VA

hợp
Phần cứng thuật toán

12

LLR

Log likelihodd Ratio

13

MAP

Maximum A Posteriori

14

MAC

Medium Access Control

15

PCCC

16

QAM

17

RSC

18

SOVA

Soft VA

19
20

VA
VSAT

Viterbi Algorithm
Very Small Aperture Terminal

Parallel Concatenated Convolutional

Thông tin di động toà

Viterbi
Tỷ lệ log khả năng xả
ra
Hậu tối đa

Điều khiển truy nhập

trung bình
Mã chập kết nối song

Code

Quadature Amplitude Modulation
Recursive Systemtic Convolutional

song
Điều chế biên độ phầ

Code

đệ quy
Phần mềm thuật toán

iii

Mã chập tính hệ thốn

Viterbi
Thuật toán Viterbi

Thiết bị thu vệ tinh lo


nhỏ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Kết quả mô phỏng dạng dữ liệu:....................................................................66

iv

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh................................................3
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......................14
Hình 2.2: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi....................................16
Hình 2.3: Bộ mã hóa Turbo tỷ lệ 1/3...............................................................20
Hình 2.4: Mã kết nối nối tiếp..........................................................................21
Hình 2.5: Mã kết nối song song......................................................................22
Hình 2.6: Thanh ghi dịch cho sự mã hóa.........................................................23
Hình 2.7: Các ví dụ về mã chập......................................................................24
Hình 2.8: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2; K=3................................................25
Hình 2.9: Bộ mã hoá RSC của hình 2. 8.........................................................25
Hình 2.10: Bộ mã hoá tích chập không đệ quy r = 1/2 va K = 3 với chuỗi ngõ
vào và ngõ ra...................................................................................................26
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...................................................................................26
Hình 2.12: Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC........................................27
Hình 2.13: Bộ mã hoá PCCC tổng quát..........................................................28
Hình 2.14: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chập hệ thống đệ quy.....29
Hình 2.15: Sơ đồ chi tiết mã hoá PCCC tốc độ 1/3.........................................29
Hình 2.16: Bộ chèn làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 khi so sánh
với bộ mã hoá RSC1........................................................................................31
Hình 2.17: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis.........................................32
Hình 2.18: Bộ giải mã lặp Log-MAP..............................................................34
Hình 2.19: Các đường survivor và đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy 35
Hình 2.20: Ví dụ trình bày việc gán độ tin cậy bằng cách sử dụng các giá trị
metric trực tiếp................................................................................................37

vi


Hình 2.21: Tiến trình cập nhật cho thời điểm t − 2 (MEMlow = 2)................39
Hình 2.22: Bộ giải mã thành phần SOVA.......................................................40
Hình 2.23: Sơ đồ khối bộ giải mã SOVA........................................................41
Hình 2.24: Bộ giải mã SOVA lặp....................................................................42
Hình 2.25: Quá trình tạo thông tin extrinsic....................................................48
Hình 2.26: Cấu trúc bộ giải mã lặp với các trọng số.......................................49
Hình 2.27: So sánh hệ thống mã hoá...............................................................52
Hình 2.28: Hiệu quả của việc ước lượng kênh khi đã biết pha sóng mang.....56
Hình 2.29: So sánh một số kỹ thuật điều chế khi không biết pha sóng mang.58
Hình 2.30: Sơ đồ bộ thu PSAM có lọc ước lượng kênh cho miền SNR rất thấp
.........................................................................................................................58
Hình 3.1: Chương trình mô phỏng chính........................................................65
Hình 3.2: Kết quả mô phỏng lần 1..................................................................67
Qua mô phỏng lần 1 ta thấy:...........................................................................67
- Tỉ lệ lỗi Bit là cao khi số lần lặp thấp do dung lượng khung thấp................67
- Tỉ lệ lỗi khung là cao khi số lần lặp thấp do dung lượng khung thấp...........67
Hình 3.3: Kết quả mô phỏng lần 2..................................................................67
Qua mô phỏng lần 2 ta thấy:...........................................................................67
- Tỉ lệ lỗi Bit là cao khi số lần lặp thấp do dung lượng khung thấp................67
- Tỉ lệ lỗi khung là cao khi số lần lặp thấp do dung lượng khung thấp...........67
Hình 3.4: Kết quả mô phỏng lần 3..................................................................68
Qua mô phỏng lần 3 ta thấy:...........................................................................68
- Tỉ lệ lỗi Bit là thấp khi thay đổi thuật toán xóa.............................................68
- Tỉ lệ lỗi khung là thấp khi thay đổi thuật toán xóa.......................................68
Hình 3.5: Kết quả mô phỏng lần 4..................................................................68
Qua mô phỏng lần 4 ta thấy:...........................................................................68
- Tỉ lệ lỗi Bit là cao khi số lần lặp cao.............................................................68

vii


- Tỉ lệ lỗi khung là cao khi số lần lặp cao........................................................68
Hình 3.6: Kết quả mô phỏng lần 5..................................................................69
Qua mô phỏng lần 5 ta thấy:...........................................................................69
- Tỉ lệ lỗi Bit là thấp vì số lần lặp thấp và dụng lượng khung tăng lên...........69
- Tỉ lệ lỗi khung là thấp vì số lần lặp thấp và dụng lượng khung tăng lên......69
Hình 3.7: Kết quả mô phỏng lần 6..................................................................69
Qua mô phỏng lần 6 ta thấy:...........................................................................69
- Tỉ lệ lỗi Bit là thấp do dung lượng khung tiếp tục tăng và thay đổi thuật
toán .................................................................................................................69
- Tỉ lệ lỗi khung là thấp do dung lượng khung tiếp tục tăng và thay đổi thuật
toán .................................................................................................................69
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng lần 7..................................................................70
Qua mô phỏng lần 7 ta thấy:...........................................................................70
- Tỉ lệ lỗi Bit là thấp do dung lượng khung tăng cao nhất cho dù số lần lặp ít.
.........................................................................................................................70
- Tỉ lệ lỗi khung là thấp do dung lượng khung tăng cao nhất cho dù số lần lặp
ít.......................................................................................................................70

viii


LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
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. Các kết quả mô
phỏng cho thấy mã Turbo cho phép truyền tin ở gần cận Shannon trong
khoảng vài phần mười dB.
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. So
với hai loại mã sửa lỗi được sử dụng trước đó là mã khối và mã tích chập thì
mã Turbo có nhiều ưu điểm hơn hẳn. Nó cho phép truyền thông hiệu quả với
hiệu suất năng lượng gần với giới hạn Shannon.
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 VINASAT1, VINASAT2 hiện đang trong
quá trình khai thác 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,
1


việc nghiên cứu kỹ thuật và công nghệ vệ tinh là rất cần thiết. Chính vì vậy tôi
đã chọn luận văn tốt nghiệp cao học trong lĩnh vực này.
2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu mã Turbo trong thông tin vệ tinh.
- Ứng dụng của mã Turbo trong thông tin vệ tinh tại Việt Nam.

3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tìm hiểu hệ thống thông tin vệ tinh.
- Tìm hiểu cấu trúc, ưu điểm và ứng dụng của mã Turbo.
- Phương pháp và kết quả mô phỏng mã Turbo trên Matlab.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về mã Turbo.
- Sử dụng công cụ phần mềm để mô phỏng mã Turbo với các tốc độ
mã hóa.
- Thông qua thực tế, xin ý kiến của các chuyên gia để bổ sung hoàn
thiện đề tài.
5. Kết cấu của luận văn
Chương 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 tinh.
Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết mã Turbo – Các khái niệm cơ bản, lý
thuyết mã hóa, giải mã của bộ mã Turbo.
Ứng dụng của mã Turbo trong thông tin vệ tinh – Nghiên cứu ứng dụng
của mã Turbo trong thông tin vệ tinh tai Việt Nam.
Chương 3: 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. Tôi
rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô cùng các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Đỗ Huy Giác cùng
các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử đã giúp tôi hoàn thành luận văn này.
2


CHƯƠNG 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

Hình 1.1 Sơ đồ khối 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
3


thống viễn thông được bắt đầu vào năm 1957, khi Liên Xô phóng thành công
vệ tinh nhân tạo SPUTNIK vào quỹ đạo (4.10.1957).
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:
 Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu.
 Thiết bị phát sóng của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất
nhỏ.

 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.
 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…
 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.
 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:
 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.
4


 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. Nếu muốn dùng Anten bé, trọng lượng thiết bị nhẹ thì tổn hao sóng
truyền sẽ lớn và giá thành thiết bị sẽ tăng.
 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:
 Dịch vụ vệ tinh cố định (Fixed Satellite Service FSS).
Dịch 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.
 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.
 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. Ngày nay, dịch vụ này đang phát triển hết sức
mạnh mẽ, kể cả ở khu vực Châu Á – Thái Bình Dương.
 Dịch vụ vệ tinh dẫn đường trong hàng không.
5


 Dịch vụ vệ tinh thăm dò trái đất.
 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.
1.3. 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). Ví dụ như số liệu
tốc độ cao (trên 64Kb/s) cho các ứng dụng hàng hải và mặt đất hoặc dịch vụ

VSAT đối với mạng cố định đều sử dụng các phương pháp điều chế mạnh
như 8PSK hay 16 QAM kết hợp với mã sửa lỗi.
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. Đối với các tần số lớn
hơn (ví dụ băng Ku là 14/11 GHz hay băng Ka là 30/20GHz), cần chú trọng
đến các tác động do cộng hưởng của các phân tử nước và oxy. 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). Vì
vậy bộ khuếch đại công suất lớn HPA luôn luôn phải làm việc ở miền gần bão
6


hòa hoặc bão hòa để công suất ra là lớn nhất. Điều đó dẫn đến một kết quả tất
yếu là khi bộ phát đáp phải khuếch đại nhiều sóng mang đồng thời, bản thân
nó đã tạo ra một nhiễu liên điều chế (intermodulation interference) do tính phi
tuyến của đường cong tại điểm làm việc. 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. Độ thụt lùi công suất đầu vào BO i thường lớn hơn đầu ra BO o và
có giá trị điển hình trong khoảng 3dB đến 5dB. Khi đó trong điều kiện trời
quang, công suất phát ở tuyến xuống và công suất thu ở tuyến lên sẽ lần lượt
là:
PT = Po sat – BO0

(1.1)

C = Pi sat – BOi

(1.2)

Trong đó P o(i) sat là các công suất bão hòa đầu ra (vào) bộ phát đáp.
Tỷ số sóng mang trên tạp âm CNR của tuyến lên sẽ được tính toán theo
công thức:
 λ2   G 
C
÷+  ÷ + 228, 6 − 10 lg B
 ÷ = Ws − BOi + 10 lg 
 N u
 4π   T  s

(1.3)

Trong đó:
- Ws: là mật độ công suất (dB. W. m-2) ở đầu vào Anten thu của vệ tinh
cần thiết để làm bão hòa bộ phát đáp.
 λ2 

- 10 lg  ÷: là diện tích hiệu dụng của Anten đẳng hướng (dB. m2).
 4π 
- G/T: Là tỷ số độ khuếch đại trên tạp âm của đầu thu vệ tinh (dB. K-1).
- B (Hz): Là dải thông của bộ phát đáp.
Tương tự như vậy, CNR của bộ phát đáp là:
C
G
 ÷ = EIRPs − BOo +  ÷ − FSPLd + 228, 6 − 10 lg B − LFd − LAd

 N d
 T e

7

(1.4)


Trong đó:
-

FSPLd :

Là tổn hao đường truyền trong không gian tự do.

-

LFd :

Là tổng tổn hao cố định của đường xuống.

-

LAd :

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.
Theo một số khuyến nghị của ITU-R (Rec. 530, Rec. 618) có đưa ra công
thức dự đoán mưa để từ đó tính toán được độ dự trữ suy hao cần thiết. 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 chuyển thành các hệ số tổn
hao tương đương cộng vào tạp âm nhiệt, Khi đó tỷ số sóng mang trên tạp âm
CNR của toàn tuyến sẽ là:
1
C
 ÷=
−1
−1
−1
−1
−1
N C
C
C
C
C
 ÷ + ÷ + ÷ + ÷ + ÷
 N u
 N d
 I  IP
 I u
 I d

(1.5)

Kết hợp với các số liệu điển hình cho băng C, CNR của tuyến vệ tinh
khoảng 19dB. Ngược lại đối với kênh điểm – đa điểm di động (kênh thông tin
di động qua vệ tinh), người ta thường không áp dụng mô hình kênh AWGN
như trên mà thường sử dụng kênh fading rayleigh (mô hình fading cho trường
hợp xấu nhất) có thêm các tham số hiệu chỉnh cho hiệu ứng che khuất, fading
đa đường, nhiễu gần, xa… để tính toán hệ thống.

8


1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Hệ thống thông tin vệ tinh ngày càng phát triển và có ý nghĩa quan
trọng đối với từng quốc gia trên thế giới. Điều đó đặt ra một yêu cầu về kỹ
thuật mã hóa và giải mã trong việc truyền thông tin trong hệ thống thông tin
vệ tinh. Những chương tiếp theo sẽ giới thiệu thế hệ mã Turbo và ứng dụng
của mã Turbo trong những hệ thống thông tin này.

9


CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU VÀ ỨNG DỤNG MÃ TURBO
TRONG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ ỨNG DỤNG TẠI VIỆT NAM
2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Mã Turbo là sự kết nối gồm hai hay nhiều bộ mã riêng biệt để tạo ra
một mã tốt hơn và cũng lớn hơn. Mô hình ghép nối mã đầu tiên được Forney
nghiên cứu để tạo ra một loại mã có xác suất lỗi giảm theo hàm mũ tại tốc độ
nhỏ hơn dung lượng kênh trong khi độ phức tạp giải mã chỉ tăng theo hàm đại
số. Mô hình này bao gồm sự kết nối nối tiếp một bộ mã trong và một bộ mã

ngoài.
Chương này trình bày:
•

Tìm hiểu giới hạn Shannon về chất lượng.

•

Khái niệm và sự khác biệt của mã Turbo( TC) so với các mã sửa lỗi
khác.

• Gới thiệu về mã chập hệ thống đệ quy (Recursive Systematic
Convelutional Code_RSC), là cơ sở của việc tạo ra mã TC.
2.2. TÌM HIỂU GIỚI HẠN SHANNON VỀ CHẤT LƯỢNG [1]
Đối với một hệ thống thông tin số có tốc độ r b khi bị giới hạn về độ
rộng băng tần W thì được đánh giá qua hiệu quả sử dụng phổ và được ký hiệu
là η:
(2.1)

Hay:

10


Khi độ rộng băng tần yêu cầu tối thiểu cho tín hiệu sau khi điều chế là
rS HZ thì hiệu quả sử dụng phổ đạt cực đại và được ký hiệu là ηmax.
(2.2)

Để đạt được hiệu quả sử dụng công suất thì yêu cầu tỷ số E b/N0 (Eb là
năng lượng trung bình thu được trên bit thông tin, N 0 là mật độ phổ công suất

tạp âm đơn biên) phải đạt được xác suất lỗi bit theo lý thuyết và có quan hệ
với tỷ số tín hiệu trên tạp âm S/N như sau:

(2.3)

Như vậy, giới hạn trên của tốc độ truyền dữ liệu trên kênh có liên quan
tới tỷ số tín hiệu trên tạp âm và độ rộng băng tần hệ thống. Theo khái niệm về
dung lượng kênh, ký hiệu là C, được Shannon - Hartley đưa ra năm 1948, đó
là tốc độ cực đại mà thông tin có thể truyền qua trên kênh có tạp âm và được
định nghĩa là lượng thông tin tương hỗ cực đại trên tất cả các phân bố đầu vào
kênh có thể xảy ra.
(2.4)

trong đó I(X, Y) là thông tin tương hỗ giữa X (đầu vào kênh) và Y (đầu ra
kênh) được định nghĩa cho kênh rời rạc là:

(2.5)

trong đó: P(x) và P(y) là hàm mật độ xác suất (pdf) của X và Y, P(x, y) là
hàm mật độ xác suất liên hợp X và Y.
11


Trong kênh truyền, tạp âm quan trọng nhất là tạp âm nhiệt, được quy
thành một nguồn tạp âm cộng tính tại đầu vào máy thu. Tạp âm này được giả
định là tạp âm cộng trắng chuẩn (AWGN: Additive White Gaussian Noise),
tức là tạp âm có mật phổ công suất đều trong suốt trục tần số và có biên độ
tạp âm tuân theo phân bố Gao-xơ (chuẩn), kỳ vọng bằng không. Khi đó, dụng
lượng kênh được xác định là:

(2.6)

Nếu áp dụng tiêu chuẩn Nyquist và giả thiết rằng,
(2.7)

là năng lượng tín hiệu trung bình trong khoảng thời gian ΔT), thì dụng lượng
kênh được xác định:
(2.8)

Từ công thức trên ta thấy, khi độ rộng băng tần W bị giới hạn thì dung
lượng C có thể tăng lên khi ta tăng công suất tín hiệu truyền qua S. Mặt khác,
nếu công suất tín hiệu S không đổi thì dung lượng C có thể tăng lên khi ta
tăng độ rộng băng tần W.
Định lý về mã kênh của Shannon được phát biểu như sau:
“Khi xem xét kênh AWGN, tồn tại mã kiểm soát lỗi sao cho có thể truyền
thông tin qua kênh với tốc độ nhỏ hơn dung lượng kênh và tỷ số lỗi bit
thấp tuỳ ý. ”
Nghĩa là, trong trường hợp có sử dụng bộ mã kênh, khi tốc độ truyền
dữ liệu nhỏ hơn dung lượng kênh (rb < C) thì chất lượng thông tin có thể đạt
được xác suất lỗi thấp tuỳ ý, ngược lại khi tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn hoặc
12


bằng dung lượng kênh (rb ≥ C) thì chất lượng thông tin không thể đạt được
xác suất lỗi thấp tuỳ ý. Định lý về mã kênh của Shannon không chỉ ra cách
thức để thiết kế bộ mã nhằm đạt được tốc độ dữ liệu tiệm cận tốc độ cực đại
(rb = C) tại xác suất lỗi thấp tuỳ ý, điều này đã đặt ra thách thức lớn cho
nghiên cứu phát triển về kỹ thuật mã kiểm soát lỗi.
Giả thiết, với đường truyền không lỗi tự do (error-free), tốc độ dữ liệu
đạt cực đại (rb = C) thì hiệu quả sử dụng phổ đạt cực đại η max = C/W. Từ đó ta

có:
(2.9)

Hay:

(2.10)
)

Nếu độ rộng băng tần không bị giới hạn thì khi W → ∞ hay η max → 0 thì ta có
Eb/N0 đạt cực tiểu.
(2.11)

Như vậy, khi đường truyền không lỗi thì tỷ số E b/N0 đạt cực tiểu là -1,
59dB (xem hình 2.1).

13


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
Như vậy, theo lý thuyết vẫn còn để lại 2.2 dB không cải thiện được.
Nhiều nỗ lực sau năm 1980 và trước năm 1990 nhằm tập trung giải quyết vấn
đề này, nhưng không tìm ra được hướng đi mới. Hầu hết người ta tập trung
vào mã chập liên kết nối tiếp với thuật toán giải mã Viterbi vô cùng phức tạp.
Song độ tăng ích chỉ thêm được vài phần mười dB, mà ta phải trả giá cho chi
phí quá lớn về độ phức tạp thiết bị và thời gian.
Tuy nhiên, sau 50 năm khi bài báo của Shannon xuất bản, bằng giải
pháp mới người ta đã đạt thêm được gần 2dB, đó là sự ra đời của mã Turbo.
Mã Turbo với thuật toán giải mã lặp (iterative) hầu như đã khai thác được khe
hở về giới hạn giữa dung lượng và chất lượng mã. Chúng có thể đạt được

Eb/N0 = 0, 7 dB tại BER =10-5 và η = 0, 5 bit/giây/Hz.

14


2.3. LÝ THUYẾT MÃ TURBO
Mã hóa kênh là phương pháp tốt nhất để truyền thông tin ít lỗi hơn và
năng lượng tín hiệu thấp hơn. Đó là cách tốt nhất được sử dụng để truyền
media mà dễ bị ảnh hưởng bởi lỗi, ví dụ như tiếng nói, video và dữ liệu đã
được nén.
2.3.1. Giới thiệu các mã hóa kiểm soát lỗi
Mã hóa kiểm soát lỗi (Error Control Coding - ECC) hay còn gọi là mã
hóa kênh, là phương pháp thêm một lượng dư vào thông tin vì thế nó có thể
được truyền phát qua một kênh tạp âm đến nơi khác, và sau đó được kiểm tra
và sửa lỗi xuất hiện trong khi truyền dẫn. Mã hóa kênh có lợi ích đặc biệt với
các ứng dụng vô tuyến và đa phương tiện như phát thanh truyền hình cao cấp.
Ngoài ra còn có triển vọng trong thông tin vũ trũ và vệ tinh, thông tin số và
lưu trữ.
Điều khiển lỗi nhằm mục đích làm giảm tỉ lệ lỗi trong một hệ thống khi
tỉ lệ này lớn quá mức cho phép. Có năm phương pháp điểu khiển lỗi:
- Tăng công suất phát, phương pháp này dẫn đến nguy cơ méo phi tuyến
nên dẫn đến tín hiệu suy giảm càng trầm trọng.
- Sử dụng phân tập chống lại lỗi chùm gây bởi fading. Giải pháp này sử
dụng trong vi ba số.
- Truyền song công hay còn gọi là kiểm tra echo. Khi bộ phát phát tin
đến bộ thu, tin được phát ngược về bộ phát trên một kênh hồi tiếp
riêng. Nếu tin phát ngược về khác với tin phát đi thì biết là có lỗi.
Nhược điểm của phương pháp này là yêu cầu băng thông gấp đôi so với
truyền trên một hướng, nên không chấp nhận khi cần tận dụng phổ.
- Phương pháp yêu cầu lặp lại tự động ARQ (Automatic Repeat

reQuest). Mục đích phương pháp này để đối phó với BER cao. Trong
hệ thống ARQ mã phát hiện lỗi được sử dụng để bên thu kiểm tra lỗi
trong khối số liệu thu và tra lời cho bên phát trên một kênh hồi tiếp.
15


Tuy nhiên trong các đường truyền dài với tốc độ cao như thông tin vệ
tinh thì rất khó thực hiện ARQ.
- Phương pháp mã hóa sửa lỗi không phản hồi (FECC). Mục đích của mã
FECC để giảm BER. Vì độ phức tạp của hệ thống và giá thành cao nên
được áp dụng muộn hơn. FECC lợi dụng sự khác nhau giữa tốc độ
truyền dẫn và thông lượng kênh để giảm xác suất lỗi Pb. Tuy nhiên,
thời gian trể trên hệ thống tăng lên do tăng độ dư cho đủ để mã có thể
phát hiện và sửa được lỗi. Mã FECC có lợi ích đem lại nhiều hơn so
với nhược điểm của mã.

Hình 2.2: Tổng quan các phương pháp điều khiển lỗi.
2.3.2. Mã khối và mã chập
2.3.2.1. Mã khối
Trong mã khối, dữ liệu thông tin thường là các bít tin được phân đoạn
và trong k bit thông tin, trong đó k là độ dài khối. Mỗi khối thông tin biểu
diễn một trong M=2k tin khác nhau. Bộ mã hóa biến đổi mỗi khối thông tin
vào khối có n bit (n > k) bằng các này thêm (n-k) bit dư theo một quy luật xác
định. Khối n bit ra khỏi bộ mã hóa tạo thành một từ mã trong tập M=2k từ mã.
Tốc độ mã (R) – code rate được xác định:
R = k/n

(2.12
)

16


Tốc độ bit mã hóa Rc được xác định:
Rc= Rb/R = nRb/k

(2.13)
)

Trong đó Rb là tốc độ bit thông tin đầu vào của bộ mã hóa.
Mã BCH nhị phân là một loại mã vòng. Mã BCH có thể sửa được t lỗi
trong từ mã dài n bit, với n=2m -1, n-k ≤ mt ; dmin ≥ 2t + 1.
Mã RS tạo thành n ký tự, mỗi lý tự dài m bit, m tùy thuộc vào ứng
dụng cụ thể, ví dụ m=8 thì mỗi ký tự chính là một byte . Theo lý thuyết mã,
có thể xem mã RS là mã BCH không nhị phân. Mã RS có khả năng sửa lỗi
chùm.
2.3.2.2. Mã chập
Trong mã chập dữ liệu thông tin được cho qua bộ ghi dịch M bậc và có
thể dịch k bit mỗi lần. Với mỗi M bit thông tin được lưu trong bộ ghi dịch, có
n mạch logic làm việc trên bộ ghi dịch để sinh ra n bit mã hóa ở đầu ra. Do đó
tốc độ mã R =k/n. Mã chập thuộc dạng mã sửa lỗi trước (FEC), đươc sủ dụng
trong cả hai hệ thống vệ tinh thương mại và quân sự vì dễ dàng áp dụng thuật
toán giải mã quyết định mềm , có khả năng cung cấp tăng ích mã hóa cao.
Mã chập có ba tham số đặc trưng: độ dài từ mã n, số bit dữ liệu k, độ
dài ràng buộc K.
Có ba kiểu giải mã mã chập chính là: tuần tự, ngưỡng và Viterbi. Trong
đó thuật toán Viterbi là phương pháp phổ biến nhất.
2.3.3. Đánh giá các loại mã
Ta có thể tổng hợp các loại mã như sau:
- Mã FEC mã hóa trực tiếp luồng data (stream data). Trong thông tin vệ

tinh, nói đến FEC là nói đến mã xoắn. Mã xoắn bao gồm các loại: Viterbi
(thuật toán giải mã), Turbo, TCM, Trellis, DVB VIT, LDPC.... Dùng mã
hóa sửa lỗi tăng cường tính kháng nhiễu cho hệ thống do khả năng sửa lỗi.
17