Luận văn Tìm hiểu hệ thống thông WCDMA

Chương 3: Mã hóa và điều chế 3.1 Mã xoắn ( Convolutional encoder ) Ở WCDMA, dữ liệu người sử dụng và thoại thì được mã hoá ở bộ mã hoá xoắn trước khi được truyền đi. Những mã này thì khác nhau với mã khối không chỉ ở cách chúng được tạo ra ở máy phát mà còn ở cách chúng được giãi mã ở máy thu. Một mã khối (n,k) thì có chiều dài khối là n, k bit thông tin và n-k bit kiểm tra. Khi đang giải mã bộ mã khối, thì việc khôi phục n bit của một khối từ một khung đồng bộ là cần thiết và sau đó ứng dụng những thủ tục giải mã vào mã khối. Mã khối không có khả năng lưu trữ bởi vì khi giải mã bất kì khối mã được cho không đòi hỏi thông tin của bất kì khối trước đây. Trong khi đó ở những mã xoắn, không có khái niệm về khối, việc giải mã có thể thực hiện với bất kì chuỗi hữu hạn hay nửa vô hạn của dữ liệu vào. Tuy nhiên khi mã hoá những chuuỗi dữ liệu vào, chỉ một số dữ liệu vừa qua sẽ được xác định, như vậy trong cả hai quá trình mã hoá và giải mã của mã xoắn, việc lưu giữ lại những bit dữ liệu ở bộ nhớ là cần thiết. Bộ mã hoá xoắn được được cho hình 3.1: Hình 3.1 Bộ mã hoá xoắn a.Bộ mã hoá với tốc độ1/2 và độ dài hữu hạn là 3 b.Cấu trúc bộ mã hoá chung, tốc độ mã là k/n và độ dài hữu hạn là mk. Bộ mã hoá ở hình 3.1.a bao gồm ba thanh ghi dịch một trạng thái, thanh ghi dịch đầu tiên giữ bit hiện tại gần đây , còn hai thanh ghi còn lại thì lưu trữ trạng thái bit của dữ liệu ngõ vào. Tại một thời điểm chỉ một bit được đưa vào dữ liệu ngõ vào. Với mỗi bit đầu vào sẽ cho ra hai bit ở ngõ ra, hai bit này có được là do cộng modulo 2 ngõ ra của những thanh ghi dịch nhất định. Cho chuỗi dữ liệu ở đầu vào là 0110011…, hai chuỗi ở ngõ ra tương ứng là 0100110… và 0010101…. bởi vì mỗi bit ở chuỗi đầu vào tạo ra hai bit ở ngõ ra nên mã này có tốc độ là ½. Độ dài hữu hạn của bộ mã hoá bằng độ dài của những thanh ghi dịch, trong hình 3.1.a thì độ dài hữu hạn là 3. Hai đa thức sinh của bộ mã xoắn trong hình 3.1.a là: g1(x) = 1 + x + x2, và g2(x) = x + x2. Ở mã xoắn một khối n bit mã do bộ tạo mã tạo ra không chỉ phụ thuộc vào k bit bản tin ở thời điểm được đưa vào bộ mã hoá mà còn phụ thuộc vào các bit bản tin của khối trước đó, mã xoắn được đặc trưng bởi ba thông số (n,k,K) hoặc (k/n,K), trong đó tỷ lệ mã Rc = k/n được xác định bởi n số bit ở đầu ra khi ứng với k bit ở đầu vào; K là độ dài hữu hạn, phụ thuộc vào số phần tử nhớ của thanh ghi dịch. Để hiểu rõ hơn về mã xoắn, ta xét bộ mã hoá xoắn tốc độ ½, K = 3 như hình 3.2 Hình 3.2 Sơ đồ bộ mã xoắn rate = ½, K =3 Giả sử chuỗi dữ liệu là m = (101): Với m = (101) thì ngõ ra là U = (11 10 00 10 11) Tổng quát ta có thể biểu diễn đường cộng modulo 2 phía trên ( hoặc phía dưới) thanh ghi dịch ở dạng đa thức như sau: g(x) = g0 + g1x + … + gm-1xm-1 + gmxm Trong đó x là toán tử trễ đơn vị, m là số thứ tự của flip – flop trong thanh ghi dịch. Tương tự ta cũng có thể biểu diễn bản tin m ở đầu vào thanh ghi dịch như sau: m(x) = m0 + m1x + … + mL-2xL-2 + mL-1xL-1 Trong đó m0, m1 … , mL-1 là khối bản tin ở đầu vào, x là toán tử trễ đơn vị, L là độ dài khối bản tin; trong đó m0 là bit vào đầu tiên. Mã xoắn ở đường cộng cơ số hai phía trên được xác định theo công thức sau: u1(x) = m(x).g1(x) Trong đó g1(x) là đa thức tạo mã ở nhánh trên. Mã xoắn ở đường cộng modulo 2 ở phía dưới được xác định như sau: u2(x) = m(x).g2(x) Trong đó g2(x) là đa thức tạo mã ở nhánh dưới. Như hình 3.2 hai đa thức sinh là: g1(x) = g0(1) + g1(1).X + g2(1).X2 = 1 + X + X2 g2(x) = g0(2) + g1(2).X + g2(2).X2 = 1 + X2 thì ngõ ra U(x) = m(x)g1(x) xoắn với m(x)g2(x) m(x)g1(x) = ( 1 + X2 )( 1+ X + X2) = 1 + X + X3 + X4 m(x)g2(x) = ( 1 + X2 )( 1+X2) = 1 + X4 m(x)g1(x) = 1 + X + 0. X2 + X3 + X4 m(x)g2(x) = 1 + 0.X + 0.X2 + 0.X3 + X4 U(x) = (1,1) + (1,0)X + (0,0)X2 + (1,0)X3 + (1,1)X4 U = 11 10 00 10 11 Hình 3.1.b biểu diễn bộ mã hoá chung, tại một thời điểm, ngõ vào được chuyển vào k bit, khi đó có n bit ngõ ra cho việc mã hoá k bit ở đầu vào. Mã này có tốc độ k/n và độ dài hữu hạn là mk. Ngõ ra của bộ mã hoá tuỳ thuộc vào bất kỳ ngõ vào có thể được xác định từ trạng thái tuần tự của bộ máy. Những trạng thái này được cho bởi nội dung của trạng thái k-1cuối cùng của bộ ghi trượt mà ở đó sẽ lưu trữ lại k-1 ngõ vào. Ở trong hình 3.1.a, vì chỉ có hai bit của thanh ghi được lưu trữ dữ liệu nên trạng thái của máy gồm có bốn trạng thái. Đầu ra của bất kỳ thời điểm tức thời nào được xác định bằng ngõ vào hiện tại và trạng thái tức thời của máy trạng thái. Hình 3.3 biễu diễn trạng thái của bộ mã hoá hình 3.1.a: Hình 3.3 Đặc trưng máy trạng thái của bộ mã hoá xoắn Bên cạnh mỗi đường là loại a/bc, trong đó a là trạng thái ngõ vào , b và c là kết quả ngõ ra. Để giải thích cho hình, giả thiết ở thời điểm t = 0, bộ mã hoá ở trạng thái là 00. Nếu bit đầu tiên của chuỗi dữ liệu vào là 0, nó được chuyển vào vị trí hai bit của thanh ghi còn lại nên trạng thái của máy vẫn bằng 0, nếu bit vào là 1 thì trạng thái mới sẽ là 10. Tương tự có thể dễ dàng theo vết chân những sự chuyển tiếp tại những trạng thái khac nhau. Một hạn chế của máy trạng thái trước đây là nó không chính xác trong việc cho thấy những trạng thái thay đổi như thế nào so với thời gian. Điều này có thể được khắc phục và cho thấy được trạng thái chuyển tiếp so với thời gian bằng phương pháp sơ đồ lưới (trellis diagram), ở đó những nhánh bị lệch được tái hợp ở một nút tại một thời điểm sau đó. Điều này được biểu diễn ở hình 3.4: Hình 3.4 Sơ đồ lưới của bộ mã hoá xoắn Những số của nút bằng với số của trạng thái, những trạng thái ở những thời điểm tức thời tức thời khác nhau của thời gian được biễu diễn ở trục thẳng đứng. Mỗi hàng đặc trưng cho một trạng thái thay đổi tại thời điểm (n-1)T tức thời đến thời điểm nT tức thời kế tiếp. Trong hình 3.4, trạng thái ban đầu của bộ mã hoá ở t = 0 là 00, nếu bây giờ ngõ vào bộ mã hoá là 0, ngõ ra là 00 và trạng thái mới sẽ giống trạng thái trước tức là 00. Nếu thay vào đó đầu vào là 1,có thể nhìn thấy trạng thái mới sẽ là 10 và đầu ra tương ứng sẽ là 1 và 0. Ở trạng thái 10, nếu đầu vào là 0, trạng thái mới là 01 và kết quả đầu ra là 11,ngược lại đầu vào là 1, trạng thái sẽ chuyển tới 11 và ngõ ra là 01 như trong hình. Tương tự ,nếu trạng thái ở thời điểm 2T là 01, nó sẽ chuyển tới 00 nếu đầu vào là 0 hoặc 10 nếu đẩu vào là 1. Với cách này, có thể nhìn thấy sự chuyển đổi trạng thái và kết quả đầu ra ở những thời điểm tức thời khác nhau của thời gian. Trong hình 3.4, ta thấy sơ đồ lưới có một cấu trúc lặp lại mà biểu lộ lại chính nó sau t =3T. Nói chung, thời kỳ lặp lại này bằng chiều dài hữu hạn của bộ mã hoá. Ở thời điểm t = 3T và kế tiếp mọi nút đều có hai đầu vào và hai nhánh ra. 3.2 Giải mã xoắn: Để giải mã xoắn thì phương pháp Viterbi được sử dụng. Để có dãy đầu ra nhận được từ bộ giải mã, thuật toán Viterbi mô hình hoá các chuyển tiếp trạng thái thông qua một lưới đồng nhất với lưới được sử dụng ở bộ mã hoá. Vì vậy, trong trường hợp này thích hợp nhất cho việc biểu thị các đầu ra có thể của bộ mã hoá, mô tả khoảng cách Hamming mà tại thời điểm đó là số bit khác nhau giữa từ mã được tạo ra và từ mã tương ứng trên nhánh cụ thể của bộ thu. Đồ thị lưới mô tả trên hình 3.5 biểu thị đường đi tối thiểu. Khi có hai đường đồng quy tại một nút thì đường có khoảng cách Hamming tối thiểu sẽ được giữ lại còn đường kia loại bỏ. Metric khoảng cách Hamming được đưa vào tổng tất cả khoảng cách Hamming dọc đường đi. Như vậy tại thời điểm t4 có hai khả năng đường đi hội tụ tại nút b, một có khoảng cách Hamming là 2 (0 + 0 + 2), và một có khoảng cách là 3 (2 + 1 + 0). Giá trị sau được loại bỏ bởi vì nó có giá trị lớn hơn. Như vậy có thể kết luận rằng bit vào đầu tiên là 1 bởi vì đường đi bắt nguồn từ bit đầu tiên là 0 bây giờ được di chuyển. Phía thu tạo ra một quá trình dịch chuyển phù hợp với yêu cầu của phần tử nhớ để duy trì tất cả các tuỳ chọn của mã. Hình 3.5 Đồ thị lưới theo đường đi tối thiểu Mã hoá kênh trong UMTS: Trong UMTS, dữ liệu lớp điều khiển truy nhập đa phương tiện truyền thông (MAC) được mang đi bởi những kênh truyền khác nhau như là ghép kênh phân thành những đoạn nhỏ nếu cần thiết và sau đó được mã hoá bằng mã xoắn hay mã turbo, phụ thuộc vào loại kênh truyền. Những mã xoắn được dùng có tỷ lệ là ½ hay 1/3. Quá trình thực hiện mã hoá của bộ mã hoá với tỷ tệ ½ được thể hiện qua hình 3.6. Bởi vì độ dài ràng buộc là 9 nên có thể được thực hiện với thanh ghi dịch 8 bit. Những đa thức phát của hai ngõ ra được đặc trưng bởi hai số bát phân là 561 ( nhị phân là 101 110 001) và 753 ( nhị phân là 111 101 011). Hình 3.6 Bộ mã hoá xoắn với tỷ lệ ½ trong UMTS Bộ mã hoá với tỷ lệ 1/3 được thể hiện qua hình 3.7 , các số bát phân của ba ngõ ra là 557, 663 và 711. Hình 3.7 Bộ mã hoá xoắn với tỷ lệ 1/3 trong UMTS Đối với bộ mã hoá turbo, sơ đồ khối chức năng được thể hiện qua 3.8.a. Nó bao gồm một bộ đan xen và hai bộ mã hoá. Tuy nhiên, hai bộ mã hoá này là đồng nhất và bao gồm một thanh ghi dịch ba bit được thể hiện qua hình 3.8.b. Chuỗi dữ liệu xk được đưa tới ngõ vào của bộ mã hoá đầu tiên, trong khi đó ở bộ mã hoá còn lại xk được đưa tới bộ đan xen, ngõ ra của bộ đan xen được đưa vào bộ mã hoá thứ hai. Do vậy, với mỗi bit đầu vào chuỗi xk thì sẽ có ba bit ngõ ra xk, yk, và zk. Hình 3.8 Bộ mã turbo được dùng trong UTMS a. Sơ đồ khối của bộ mã hoá turbo b. bộ mã hoá của hình a Đan xen: Ở thông tin di động do các pha đinh sâu, lâu các lỗi bit thường xảy ra từng cụm dài. Tuy nhiên mã hoá kênh đặc biệt là mã hoá xoắn chỉ hiệu quả nhất khi phát hiện và sửa đổi ngẫu nhiên đơn lẻ và các cụm lỗi không quá dài. Để giải quyết vấn đề này người ta chia khối bản tin cần gởi thành các cụm ngắn rồi ghép xen các cụm này với các cụm của các khối bản tin khác, nhờ vậy khi xảy ra cụm lỗi dài mỗi bản tin chỉ mất đi một cụm nhỏ, phần còn lại của bản tin vẫn cho phép các dạng mã hoá kênh khôi phục lại được bản tin đúng sau khi đã sắp xếp lại các cụm của bản tin theo thứ tự như ở phía phát. Quá trình nói trên được gọi là đan xen. Khối đan xen được thực hiện bằng cách, trước tiên nhớ từ mã đầu ra của bộ mã hoá vào một bảng hai chiều. Giả thiết trong trường hợp này bảng có kích thước là [ m x n] trong đó m là số các từ mã được đan xen và n là số bit của từ mã. Mỗi một dòng của bảng là một từ mã được tạo ra. Một khi bảng đã được xếp đầy thì các nộI dung đó là đầu ra để truyền nhưng trong trường hợp này dữ liệu được đọc ra không theo dòng mà theo thứ tự cột. Như vậy việc truyền mỗi kí tự của một từ mã cụ thể sẽ không theo thứ tự kế tiếp nhau mà sẽ được phân chia đan xen nhau. Cũng vì vậy mà hiệu ứng sai số cụm cũng sẽ được phân tán theo thời gian khắp suốt từ mã được truyền. Ví dụ dãy đầu vào là các phần tử theo các dòng hàng ngang của bảng là: C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C21 C22 … … thì đầu ra của bộ đan xen được đọc theo các cột của bảng là : C11 C21 C31 C41 C12 C22 … C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C21 C22 C23 C24 C25 C26 C27 C28 C31 C32 C33 C34 C35 C36 C37 C38 C41 C42 C43 C44 C45 C46 C47 C48 C51 C52 C53 C54 C55 C56 C57 C58 C61 C62 C63 C64 C65 C66 C67 C68 C71 C72 C73 C74 C75 C76 C77 C78 Dãy đầu vào Dãy đầu ra Hình 3.9 Bảng mô tả ví dụ sắp xếp một khối đan xen Từ bảng sắp xếp ở hình 3.9 nhân thấy rằng, trong trường hợp có lỗi cụm ( lỗi nhiều bit liên tiếp nhau) thì các bit đó sẽ được phân phối đều rải rác trong các cột ( các từ mã ) ở đầu ra. Việc sắp xếp lại các từ mã ban đầu sẽ do một bộ giải mã đan xen đảm nhiệm. Điều chế: Trong WCDMA , giao diện không gian sử dụng hai loại điều chế là BPSK và QPSK. 3.5.1BPSK: Ở khóa dịch pha nhị phân ( BPSK – binary phase shift keying) thì hai pha đầu ra có thể là với một tần số sóng mang đơn. Trong hai pha đó thì một pha tương ứng với logic 1 và một pha tương ứng với logic 0. Nếu như trạng thái của tín hiệu nhị phân đầu vào thay đổi thì hai góc pha của đầu ra cũng biến đổi lệch pha nhau 180o. Cũng vì vậy mà tín hiệu BPSK còn có tên gọi khác là khóa đảo pha (PRK – phase reversal keying) hoặc điều chế nhị phân. Hình 3.10 mô tả sơ đồ khối đơn giản của một bộ phát BPSK. ở đây, bộ điều chế cân bằng làm việc như một chuyển mạch đảo pha. Phụ thuộc vào logic của tín hiệu nhị phân ở đầu vào mà sóng mang được đưa đến đầu ra có sự lệch pha nhau 180o so với sóng mang tham chiếu của bộ tạo sóng. Hình 3.10 Bộ phát BPSK Hình 3.11 mô tả sơ đồ khối một bộ thu BPSK. Hình 3.11 Sơ đồ khối bộ thu BPSK 3.5.2 QPSK Khoá dịch pha cầu phương,QPSK (quadrature phase shift keying) cũng là một dạng điều chế góc, số và có biên độ không đổi. QPSK là một kỹ thuật mã hoá có mức M=4 ( vì vậy mà nó có tên gọi là cầu phương, ở một số tài liệu còn gọi là khoá điều chế góc một phần tư). Hình 3.12 mô tả sơ đồ khối một bộ điều chế QPSK . Hình 3.12 Sơ đồ khối bộ điều chế QPSK Hình 3.13 mô tả sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của bộ thu QPSK. Tín hiệu QPSK đầu vào được đưa qua bộ lọc băng cơ sở BPF, đến các bô tách sóng tích kênh I và kênh Q cùng với sóng mang được hồi phục. Mạch hồi phục sóng mang tạo và hồi phục sóng mang nguyên thuỷ phía phát cả về tần số và pha. Tín hiệu QPSK được tách ở bộ tách sóng I và Q (tách sóng tích ) mà ở đầu ra của chúng là các bit dữ liệu. Các bit dữ liệu Q và I đó được đưa qua mạch I/Q để chuyển đổi song song thành dãy dữ liệu nối tiếp ở đầu ra đúng như dãy liệu ở phía phát. Hình 3.13 Sơ đồ khối bộ thu QPSK