MÃ TURBO và ỨNG DỤNG TRONG THÔNG TIN vệ TINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
________________________

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. NGUYỄN HỮU TRUNG
TS. NGUYỄN THUÝ ANH

HÀ NỘI - 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận Văn Thạc sỹ Khoa học này là do tôi nghiên cứu và thực
hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hữu Trung và TS. Nguyễn Thúy Anh. Các
kết quả tham khảo từ các nguồn tài liệu cũng như các công trình nghiên cứu khoa
học khác được trích dẫn đầy đủ. Nếu có gì sai phạm về bản quyền (trích dẫn thiếu
hoặc sai), tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Hoàng Thị Nga

1

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. 1
MỤC LỤC.......................................................................................................................................... 2
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................................................7
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1 ..................................................................................................................................... 11
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ................................... 11
1. 1 Giới thiệu chương................................................................................................................. 11
1. 2 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh............................................................................ 11
1. 3 Vấn đề truyền dẫn và các đặc trưng cơ bản của tuyến thông tin vệ tinh........................ 13
1.4 Kết luận chương .................................................................................................................... 16
CHƯƠNG 2 ..................................................................................................................................... 17
TÌM HIỂU LÝ THUYẾT MÃ TURBO ........................................................................................ 17
2. 1 Giới thiệu chương................................................................................................................. 17
2. 2 Tìm hiểu giới hạn Shannon về chất lượng ......................................................................... 17
2. 3 Lý thuyết mã Turbo ............................................................................................................. 22
2. 3. 1 Giới thiệu mã hóa kiểm soát lỗi....................................................................................22
2. 3. 2 Mã khối..........................................................................................................................23
2. 3. 3 Mã Turbo.......................................................................................................................24
2. 3. 3. 1 Giới thiệu chung về mã Turbo ............................................................................24
2. 3. 3. 2 Sự kết nối mã Turbo ............................................................................................26
2. 3. 3. 3 Giới thiệu mã hóa tích chập hệ thống đệ quy (RSC).........................................27
2.4

Kết luận chương............................................................................................................. 32

CHƯƠNG 3: .................................................................................................................................... 33
MÃ TURBO KẾT NỐI SONG SONG .......................................................................................... 33

3.1

Giới thiệu chương .......................................................................................................... 33

3.2

Bộ mã hóa ....................................................................................................................... 33

3.3

Kỹ thuật xóa (PUNCTURE) ......................................................................................... 36

2


3.4

Bộ chèn (INTERLEAVER)........................................................................................... 36

3.4.1

Bộ chèn ma trận .........................................................................................................37

3.4.2

Bộ chèn giả ngẫu nhiên .............................................................................................39

3.4.3

Bộ chèn dịch vòng ......................................................................................................39

3.4.4

Bộ chèn chẵn-lẻ(Odd-Even).......................................................................................40

3.4.5

Bộ chèn Smile.............................................................................................................41

3.4.6

Bộ chèn khung............................................................................................................42

3.4.7

Bộ chèn tối ưu ............................................................................................................43

3.4.8

Bộ chèn đồng dạng.....................................................................................................43

3.4.9

Bộ chèn S ....................................................................................................................43

3.5

Bộ giải mã ....................................................................................................................... 45

3.5.1

Khái niệm về các thuật toán giải mã .........................................................................45

3.5.2

Tổng quan về các thuật toán giải mã ........................................................................45

3.5.3

Thuật toán Log-MAP .................................................................................................48

3.5.4

Thuật toán SOVA .......................................................................................................49

3.5.4.1

Độ tin cậy của bộ giải mã SOVA tổng quát....................................................49

3.5.4.2

Bộ giải mã thành phần SOVA .........................................................................53

3.5.4.3

Sơ đồ khối của bộ giải mã SOVA ....................................................................54

3.6

Cải tiến chất lượng của PCCC qua thiết kế bộ chèn .................................................. 57

3.6.1

Thiết kế bộ chèn mới ..................................................................................................58

3.6.2

Các phương pháp tối ưu hoá cấu trúc bộ chèn.........................................................62

3.7

Sự khác nhau giữa mã chập và mã .............................................................................. 62

3.8

So sánh chất lượng các hệ thống mã hóa ..................................................................... 63

3.9

Kết luận chương............................................................................................................. 64

CHƯƠNG 4 ..................................................................................................................................... 65
ỨNG DỤNG CỦA MÃ TURBO TRONG THÔNG TIN VỆ TINH ........................................... 65
4. 1 Giới thiệu chương................................................................................................................. 65
4. 2 Tổng quan về các ứng dụng vô tuyến của mã Turbo ........................................................ 65

3


4. 3 Ứng dụng mã Turbo trong thông tin vệ tinh ..................................................................... 67

4. 3. 1 Vấn đề ước lượng kênh.................................................................................................67
4. 3. 2 Điều chế mã lưới Turbo TTCM (Turbo Treillis Coded Modulation)..........................71
CHƯƠNG 5 ..................................................................................................................................... 75
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ......................................................................... 75
5.1

Giới thiệu chương .......................................................................................................... 75

5.2

Chương trình mô phỏng................................................................................................ 75

5.2.1

Lưu đồ giải thuật .......................................................................................................75

5.2.2

Cấu trúc chương trình ..............................................................................................77

5.3

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................................... 78

5.4

Kết luận chương............................................................................................................. 85

KẾT LUẬN...................................................................................................................................... 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 88

PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG............................................................................... 89

4


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

STT

TỪ VIẾT TẮT

TỪ ĐẦY ĐỦ

1

ARQ

Automatic Repeat Request

2

AWGN

Additive White Gaussian Noise

3

APP

A Posterior Probability

4

BER

Bit Error Rate

5

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BSC

Base Station Controler

6

FER

Frame Error Rate

7

BTS

Base Trancever Station

8

GSM

Global System for Mobile communication

9

HCCC

Hybrid Concatenated Convolutional Code

10

HDVA

Hard VA

11

LLR

Log likelihodd Ratio

12

MAP

Maximum A Posteriori

13

MAC

Medium Access Control

14

PCCC

Parallel Concatenated Convolutional Code

15

QAM

Quadature Amplitude Modulation

16

RSC

Recursive Systemtic Convolutional Code

17

SOVA

Soft VA

18

VA

Viterbi Algorithm

19

VSAT

Very Small Aperture Terminal

5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3. 1 Bảng ma trận vào.................................................................................................38
Bảng 3. 4 Các bit mã hoá lẻ của chuỗi c3 ............................................................................41
Bảng 3. 5 Chuỗi tin và chuỗi mã hoá được ghép.................................................................41
Bảng 3. 6 Trạng thái cuối của bộ mã hoá ............................................................................42
Bảng 3. 7 So sánh mã chập và mã PCCC ............................................................................63
Bảng 5.1 Thông số các lần chạy chương trình.....................................................................79
Bảng 5.2 Kết quả mô phỏng dạng dữ liệu ...........................................................................81

6


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
-5

toán cho trường hợp BER là 10 trên kênh AWGN ............................................................21
Hình 2. 2 Kênh thông tin .....................................................................................................23
Hình 2.3 Bộ mã hóa Turbo tỷ lệ 1/3 ....................................................................................25
Hình 2.4: Mã kết nối nối tiếp ...............................................................................................26
Hình 2.5: Mã kết nối song song...........................................................................................27
Hình 2.6: Thanh ghi dịch cho sự mã hóa .............................................................................28
Hình 2.7: Các ví dụ về mã chập...........................................................................................29
Hình 2.8: Bộ mã hoá tích chập có r=1/2 ; K=3....................................................................30
Hình 2.9: Bộ mã hoá RSC của hình 2. 8..............................................................................30
Hình 2.10: Bộ mã hoá tích chập không đệ quy r = 1/2 va K = 3 với chuỗi ngõ vào và ngõ
ra ..........................................................................................................................................31
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........................................................................................................................31
Hình 2.12: Cách thức kết thúc trellis ở bộ mã RSC.............................................................32
Hình 3.1: Bộ mã hoá PCCC tổng quát.................................................................................34
Hình 3.2: Mã PCCC tốc độ 1/3 gồm 2 bộ mã hoá chập hệ thống đệ quy............................35
Hình 3.3: Sơ đồ chi tiết mã hoá PCCC tốc độ 1/3 ...............................................................36
Hình 3.4: Bộ chèn làm tăng trọng số mã của bộ mã hoá RSC2 khi so sánh với bộ mã hoá
RSC1....................................................................................................................................37
Hình 3.5: Bộ chèn ma trận ...................................................................................................38
Hình 3.6: Bộ chèn giả ngẫu nhiên với độ dài chuỗi ngõ vào L= 8 ......................................39
Hình 3.7: Bộ chèn dich vòng với L=8, a=3, s=0 .................................................................39
Bảng 3. 2 Bảng các bit chẵn mã hoá của chuỗi c2...............................................................40
Hình 3.8: Mô tả bộ chèn Smile ............................................................................................42
Hình 3.9: Bộ chèn bán ngẫu nhiên với L = 16 và S = 2 ......................................................44

7

Hình 3.10: Các thuật toán giải mã dựa trên Trellis..............................................................46
Hình 3.11: Bộ giải mã lặp Log-MAP ..................................................................................48
Hình 3.12: Các đường survivor và đường cạnh tranh để ước đoán độ tin cậy ....................49
Hình 3. 13: Ví dụ trình bày việc gán độ tin cậy bằng cách sử dụng các giá trị metric trực
tiếp .......................................................................................................................................51
Hình 3. 14: Tiến trình cập nhật cho thời điểm t − 2 (MEMlow = 2) .....................................52
Hình 3.15: Bộ giải mã thành phần SOVA ...........................................................................53
Hình 3. 16: Sơ đồ khối bộ giải mã SOVA ...........................................................................54
Hình 3.17: Bộ giải mã SOVA lặp ........................................................................................55
Hình 3.18: Quá trình tạo thông tin extrinsic ........................................................................60
Hình 3.19: Cấu trúc bộ giải mã lặp với các trọng số ...........................................................61
Hình 3.20: So sánh hệ thống mã hoá ...................................................................................64
Hình 4.1: Hiệu quả của việc ước lượng kênh khi đã biết pha sóng mang ...........................68
Hình 4.2 So sánh một số kỹ thuật điều chế khi không biết pha sóng mang ........................70
Hình 4.3 : Sơ đồ bộ thu PSAM có lọc ước lượng kênh cho miền SNR rất thấp .................71
Hình 4.4 Parallel Concatenated Trellis Coded Modulation, 16 QAM, 2bit/s/Hz................73
Hình 4.5: BER Performance of Turbo Trellis Coded Modulation, 16QAM, 2bits/s/Hz.....74
Hình 5.1: Chương trình mô phỏng chính.............................................................................78
Hình 5.2: Kết quả mô phỏng lần 1.......................................................................................82
Hình 5.3: Kết quả mô phỏng lần 2.......................................................................................82
Hình 5.4: Kết quả mô phỏng lần 3.......................................................................................83
Hình 5.5: Kết quả mô phỏng lần 4.......................................................................................83
Hình 5.6: Kết quả mô phỏng lần 5......................................................................................84
Hình 5.7: Kết quả mô phỏng lần 6.......................................................................................84
Hình 5.8: Kết quả mô phỏng lần 7.......................................................................................85

8


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. 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 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. Chính vì vậy tôi đã chọn luận văn
tốt nghiệp cao học trong lĩnh vực này.
Luận văn gồm 4 chương:

9

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 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. Tôi rất mong
nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô cůng các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Hữu Trung
và cô Nguyễn Thúy Anh cùng các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử-Viễn Thông đã
giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Hoàng Thị Nga

10


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
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. 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:
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

11

¾ 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.
Nếu muốn dùng Anten bé, trọng lượng thiết bị nhẹ thì tổn hao sóng truyền sẽ
lớn và giá thành thiết bị sẽ tăng.
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)

12

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
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. Ngày nay, dịch vụ này đang phát triển hết sức
mạnh mẽ, kể cả ở khu vực Châu Á – Thái Bình Dương.
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.
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

13


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 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 BOi thường lớn hơn đầu ra BOo 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
C = Pi sat – BOi
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:

14


⎛ λ2
⎛C⎞
W
10
lg
=
−
+
BO
⎜
i
s
⎜ ⎟
⎝ N ⎠u
⎝ 4π

⎞ ⎛G⎞
⎟ + ⎜ ⎟ + 228, 6 − 10lg B
⎠ ⎝ T ⎠s

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
10lg ⎜
⎝ 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

⎞
2
⎟ : là diện tích hiệu dụng của Anten đẳng hướng (dB. m )
⎠

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

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

15


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

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.
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.

16

CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU LÝ THUYẾT MÃ TURBO
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
Đối với một hệ thống thông tin số có tốc độ r khi bị giới hạn về độ rộng
b

băng tần W thì được đánh giá qua hiệu quả sử dụng phổ và được ký hiệu là η:

Hay:

Khi độ rộng băng tần yêu cầu tối thiểu cho tín hiệu sau khi điều chế là r H
S

thì hiệu quả sử dụng phổ đạt cực đại và được ký hiệu là η

max

17

.

Z


Để đạt được hiệu quả sử dụng công suất thì yêu cầu tỷ số E /N (E là năng
b

0

b

lượng trung bình thu được trên bit thông tin, N là mật độ phổ công suất tạp âm đơn
0

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:

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.

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:

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.
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
18


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 :

Nếu áp dụng tiêu chuẩn Nyquist và giả thiết rằng,

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

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 (r < C) thì chất lượng thông tin có thể đạt được xác suất
b

lỗi thấp tuỳ ý, ngược lại khi tốc độ truyền dữ liệu lớn hơn hoặc bằng dung lượng
kênh (r ≥ C) thì chất lượng thông tin không thể đạt được xác suất lỗi thấp tuỳ ý.
b

Định lý về mã kênh của Shannon không chỉ ra cách thức để thiết kế bộ mã nhằm đạt

19


được tốc độ dữ liệu tiệm cận tốc độ cực đại (r = C) tại xác suất lỗi thấp tuỳ ý, điều
b

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 (r = C) thì hiệu quả sử dụng phổ đạt cực đại η
b

max

= C/W. Từ đó ta có:

Hay:

Nếu độ rộng băng tần không bị giới hạn thì khi W → ∞ hay η

max

→ 0 thì ta có E /N
b

0

đạt cực tiểu.

Như vậy, khi đường truyền không lỗi thì tỷ số E /N đạt cực tiểu là -1, 59dB

b

0

(xem hình 2. 1).
Như vậy, khi đường truyền không lỗi thì tỷ số E /N đạt cực tiểu là -1, 59dB
b

20

0


Hình 2.1: Hiệu quả sử dụng phổ của các sơ đồ điều chế và mã hoá khác nhau
-5

được tính toán cho trường hợp BER là 10 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.
tính toán. 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 E /N = 0, 7 dB tại BER
b

-5

=10 và η = 0, 5 bit/giây/Hz.

21

0


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. Một trong
những mã thích hợp được tìm thấy là mã Turbo RSC (Recursive Systematic
Convolutional - Phép tích chập hệ thống đệ quy). Sử dụng hai bộ mã hóa RSC,
được phân cách bằng một bộ chèn Interleaver, để mã hóa và nhiều phép lặp của
thuật toán MAP để giải mã. Một ưu điểm trong việc sử dụng mã Turbo là nó thực
hiện tốt hơn mã thông thường một cách đáng kể và sử dụng các bộ chèn để giảm lỗi
tín hiệu.
Đặc điểm cơ bản của mã Turbo là:
-

Độ khuếch đại mã hóa (sự khác nhau ở tỷ số tín hiệu/tạp âm giữa một kênh
được mã hóa và một kênh không được mã hóa) lớn hơn 8, 5dB so với kênh
không được mã hóa, tại tỷ lệ lỗi bit (BER) là 10-5

-

Độ khuếch đại mã hóa cao hơn 2, 7dB so với các loại mã Viterbi/Reed
Solomon thông thường hoặc Turbo Product (TPC)
Độ khuếch đại mã hóa là yếu tố quyết định năng lượng mã hóa. Đây là yếu tố

rất quan trọng trong nhiều ứng dụng thông tin viễn thông bởi vì nó làm giảm năng
lượng cần thiết để truyền một tín hiệu hoặc là làm tăng cự ly thu được tín hiệu. Độ
khuếch đại mã hóa cũng có thể làm tăng tuổi thọ pin với các thiết bị cầm tay cũng
như tăng khả năng của cell với các môi trường cellular và các môi trường đa truy
nhập khác. Sự phát triển của công nghệ này rất quan trọng với các ứng dụng thông
tin viễn thông vì nó làm tăng số lượng dữ liệu được truyền đi.
2. 3. 1 Giới thiệu 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

22


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.
Hình 3. 1 dưới đây trình bày sơ đồ cơ bản về cách thức thông tin được phát
đi và thu lại tại một kênh được mã hóa kiểm soát lỗi.
Bộ mã hóa
kênh

Bộ điều chế

Dạng sóng
kênh

-

Bộ tách
sóng

Bộ giải mã
kênh

Tạp âm
Hình 2. 2 Kênh thông tin
Trước tiên, dữ liệu được ghi và nén dưới dạng số hóa. Sau đó, dữ liệu được
mã hóa theo mã kiểm soát lỗi. Sau đó được điều chế từ dữ liệu số sang tín hiệu
tương tự và được khuếch đại để truyền đi trên kênh. Tại đầu thu sẽ nhận được tín
hiệu tương tự và giải điều chế trở lại thành tín hiệu số. Tiếp đó, dữ liệu được xử lý
trong bộ giải mã kiểm soát lỗi, sử dụng sự dư thừa để sửa lỗi xuất hiện trong quá
trình truyền dẫn. Cuối cùng, dữ liệu được giải nén và biểu thị. Kết quả là những gì
chúng ta nghe và nhìn thấy trên radio số, tivi số và máy tính.
2. 3. 2 Mã khối
Cùng thời điểm Shannon đưa ra giới hạn lý thuyết của thông tin tin cậy,
Hamming và Golay đã tiến hành nghiên cứu các sơ đồ điều khiển lỗi đầu tiên, từ đó
khai sinh ra một ngành mới của toán học ứng dụng, ngành lý thuyết mã. Hamming
đã giới thiệu một lớp tổng quan về mã sửa lỗi đơn vào năm 1950. Tuy nhiên dạng
mã sửa sai đầu tiên này còn hoạt động kém hiệu quả vì nó đòi hỏi tới 3 bit kiểm tra
cho 4 bit số liệu. M. Golay đã tổng quát hóa cách thức xây dựng mã của Hamming
và đưa ra hai mã mới mang tên ông. Mã Golay nhị phân xử lý số liệu theo khối 12
bit và tính toán 11 bit kiểm tra. Thuật toán đi kèm có khả năng sửa được tới 3 lỗi
trong từ mã 23 bit. Loại mã Golay tam phân nhóm 6 ký tự thành một khối với 5 ký
tự kiểm tra và sửa được 2 lỗi trong 1 từ mã có 11 ký tự.

23

Cách xây dựng mã của Hamming và Golay đều có cơ sở như nhau, đó là
nhóm k ký tự q – phân và cộng thêm (n-k) ký tự kiểm tra để tạo ra từ mã có độ dài n
ký tự. Loại mã này gọi là mã khối và thường được ký hiệu là mã (q, n, k, t) trong đó
t là số lỗi mà mã có khả năng sửa được. Hơn nữa đây là 2 loại mã tuyến tính vì tổng
module q của 2 từ mã bất kỳ cũng là 1 từ mã mới. Trong lịch sử kể từ khi được đưa
ra lần đầu tiên, đã có nhiều lớp mã khối mới được đưa ra và ứng dụng. Chính loại
mã Golay nhị phân đã được sử dụng trong cơ chế điều khiển lỗi cho tàu vũ trụ
Voyager I khảo sát sao mộc.
Lớp mã khối tuyến tính được tìm ra kế tiếp là lớp mã Reed-Muller (RM) do
Muller mô tả lần đầu tiên vào 1954 dưới dạng cấu trúc logic Boolean và được Reed
xếp vào một dạng mã mới cùng với thuật toán giải mã đi kèm. Mã RM cho phép
thiết kế một cách linh hoạt hơn kích cỡ từ mã cũng như số lỗi sửa được trong một từ
mã. Trong khi mã Hamming và Golay là các mã cụ thể với các giá trị đặc biệt của
(q, n, k, t), mã RM là một lớp mã nhị phân với một dải các tham số thiết kế rộng rãi
hơn. Đặc biệt mã RM (2, 32, 6, 7) đã được sử dụng trên tàu vũ trụ Mariner thám
hiểm sao Hỏa vào năm 1969. Sau đó, mã RM không còn được giới nghiên cứu quan
tâm do sự xuất hiện của mã mới mạnh hơn. Tuy nhiên gần đây mã RM lại thu hút
được sự quan tâm của nhiều người vì thuật toán giải mã của nó có tốc độ cao rất
phù hợp cho thông tin quang.
Tiếp theo mã RM là mã vòng (cycle code do Prange ở Trung tâm nghiên cứu
không quân Cambridge tìm ra vào năm 1957). Mã vòng cũng là một dạng mã khối
tuyến tính nhưng có thêm đặc tính phụ nữa là bất kỳ nhịp dịch nào của 1 từ mã cũng
tạo nên 1 từ mã mới. Chính đặc tính dịch này đã làm tăng thêm tính cấu trúc ở mã
khối, từ đó giảm đáng kể độ phức tạp của bộ mã hóa cũng như bộ giải mã.
2. 3. 3 Mã Turbo
2. 3. 3. 1 Giới thiệu chung về mã Turbo
Mã Turbo là một loại mã sửa lỗi mới được giới thiệu vào giữa những năm 90
bởi một nhóm các nhà nghiên cứu người Pháp, cùng với một thuật toán giải mã

24