Tiến Sĩ Ứng dụng hệ thống điều chế mã có xáo trộn vị trí bít và giải mã lặp để nâng cao chất lượng ghi/đọc d

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NĂM 2014

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
Chương 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO GHI TỪ 8
1.1 Hệ thống ghi từ 8
1.1.1 Nguyên lý ghi từ 9
1.1.2 Mô hình kênh ghi 11
1.1.2.1 Đáp ứng xung kênh 12
1.1.2.2 ISI trong hệ thống ghi từ 13
1.1.2.3 Mô hình tạp âm trong ghi từ 15
1.2 Lý thuyết Shannon cho các kênh bị ràng buộc 16
1.2.1 Các ràng buộc về điều chế 17
1.2.1.1 Các ràng buộc chiều dài dẫy dấu lặp (RLL) 17
1.2.1.2 Các ràng buộc cho kênh PRML 18
1.2.1.3 Các ràng buộc phổ không 20
1.2.2 Các kênh không nhiễu rời rạc 22
1.3 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu cho ghi từ 23
1.3.1 San bằng trong hệ thống ghi từ 23
1.3.2 Mã hoá cho ghi từ 24
1.3.3 Các bộ tách sóng cho các kênh không mã 25
1.3.3.1 Tách sóng đỉnh 26
1.3.3.2 San bằng đáp ứng xung một phần kết hợp với tách sóng chuỗi hợp lí cực đại (PRML) 27
1.3.3 Dung lượng kênh ghi 31
1.3.3.1 Các mô hình kênh liên tục theo thời gian 32
1.3.3.2 Các mô hình kênh rời rạc theo thời gian 32
1.4 Sơ đồ khối hệ thống ghi từ 33
1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu 36

Chương 2
HỆ THỐNG BICM-ID VÀ CÁC ÁNH XẠ NHẤT DẠNG HÌNH HỌC MỨC BIT BGU 39
2.1 Sơ đồ điều chế mã có hoán vị bit và giải mã lặp (BICM-ID) 39
2.1.1 Giới thiệu chung 39
2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng của hệ thống BICM-ID 40
2.2 Các ánh xạ nhất dạng hình học (GU) dùng trong hệ thống BICM-ID________________________________________________ __46
2.2.1 Giới thiệu chung về ánh xạ GU 46
2.2.2 Các ánh xạ nhất dạng hình học mức bit BGU 48
2.2.3 Đề xuất cấu trúc mới cho phép gán nhãn nhất dạng hình học mức bit cho BICM-ID. 50
2.3 Xây dựng mã 53
2.3.1 Các cận trên và tiêu chí thiết kế 53
2.3.1.1 Cận trên xác suất lỗi bit của hệ thống BICM-ID với hoán vị toàn bộ dòng bit 53
2.3.1.2 Cận trên xác suất lỗi bit của hệ thống BICM-ID với hoán vị từng dòng bit (In-line) 54
2.3.1.3 Tiêu chí thiết kế 56
2.3.2 Kết quả xây dựng mã 56

Chương 3
ỨNG DỤNG NGUYÊN LÝ BICM-ID CHO GHI TỪ 59
3.1 Mô hình hệ thống sử dụng BICM – ID cho kênh ghi từ 59
3.2 Ánh xạ lên tập tín hiệu đa chiều 63
3.3 Tiêu chí thiết kế và xây dựng hệ thống 67
3.4 Phân tích kết quả mô phỏng 73
3.5 Phương pháp và kết quả tìm vét cạn cặp máy mã - ánh xạ tốt nhất cho sơ đồ BICM_ID điều chế đa chiều. 84
3.6 Giảm độ phức tạp trong giải điều chế - giải mã 89
3.6.1 Đặt vấn đề 89
3.6.2 Đánh giá hiệu quả của SF tới chất lượng giải mã Max - Log - MAP trong sơ đồ BICM - ID điều chế đa chiều cho kênh ghi từ 91
KẾT LUẬN 98
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, việc lưu trữ và phục hồi dữ liệu của thông tin số là một trường hợp đặc biệt của liên lạc số. Các đường liên lạc truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác, trong khi đó các thiết bị lữu trữ dữ liệu truyền thông tin từ thời điểm này đến thời điểm khác. Bởi vậy khi lý thuyết thông tin cung cấp các nền tảng lý thuyết cho thông tin số, thì ngoài ra nó còn được xem là cơ sở để hiểu các giới hạn cơ bản đối với tỷ lệ dữ liệu và mật độ lưu trữ trong việc ghi dữ liệu số tin cậy.
Cũng như ở trong các hệ thống liên lạc số, một số phương pháp liên kết với mã kênh đã được áp dụng trong việc ghi dữ liệu, bao gồm một mã sửa lỗi đại số kết hợp với một mã điều chế. Mã điều chế vòng trong có chức năng chính là làm phù hợp các tín hiệu được ghi với kênh vật lý và với các kỹ thuật xử lý tín hiệu được sử dụng trong phục hồi dữ liệu. Trong khi đó các mã sửa lỗi vòng ngoài được thiết kế để loại trừ các lỗi còn lại sau quá trình nhận dạng và giải điều chế.
Song song với sự phát triển của truyền dẫn số, lĩnh vực ghi từ cũng có những phát triển vượt bậc trong suốt hơn 60 năm qua. Nếu tăng tỷ lệ truyền dẫn số tin cậy là thành quả của truyền tin thì mục tiêu của các kỹ thuật ghi từ là tăng mật độ ghi. Để đạt được mục tiêu này, các nghiên cứu được tiến hành trên cả ba hướng, đó là a) Nghiên cứu về vật liệu và phương pháp ghi, b) Mô hình hóa kênh ghi, và c) Các phương pháp xử lý tín hiệu và mã hóa. Trong luận án này giới hạn việc nghiên cứu về mã hóa và giải mã cho các kênh ghi từ (Magnetic Recording - MR).
Sự phức tạp của việc xử lý tín hiệu trong quá trình đọc và biến đổi tín hiệu từ tính trở thành tín hiệu số ở mật độ cao đã thúc đẩy việc ứng dụng các kỹ thuật mã hoá và xử lý tín hiệu số tiên tiến cho các hệ thống ghi từ. Các kênh ghi từ có thể xem là một kênh ISI bị ràng buộc đầu vào nhị phân. San bằng và mã hoá là những công cụ hữu ích nhất để đạt được truyền tin tin cậy trên các kênh như vậy. Tuy nhiên, ràng buộc đầu vào nhị phân yêu cầu phải có tăng ích mã hoá lớn để bù suy giảm chất lượng do tăng tỷ lệ hóa mã, và chính điều này làm hạn chế khả năng áp dụng kỹ thuật mã hoá cho ghi từ. Trong những năm gần đây, việc phát minh ra mã Turbo và mã LDPC đã thúc đẩy những nghiên cứu về mã tiệm cận dung lượng và các thuật toán giải mã lặp cho ghi từ.
Sơ đồ điều chế mã có hoán vị bit và giải mã lặp (BICM-ID: Bit Interleaved Coded Modulation with Iterative Decoding), có cấu trúc kết hợp giải điều chế/giải mã mềm theo nguyên lý xử lý lặp, trong đó việc giải mã từng bit được tiến hành dựa trên thông tin về các bit khác trong cùng dấu. Thông tin này được cải thiện qua từng lần lặp, và khi đạt mức độ hoàn hảo thì bộ tín hiệu mức có thể được coi tương đương như cặp tín hiệu BPSK độc lập [33]. Nếu phép ánh xạ được lựa chọn hợp lý nhằm tăng cự ly Ơ-cơ-lit tối thiểu giữa các cặp tín hiệu BPSK này đối với tất cả các vị trí bit trong khi vẫn giữ được cự ly Hamming như mong muốn, thì sơ đồ BICM-ID sẽ phát huy hiệu quả cao trên kênh Gauss nhờ nguyên lý giải mã lặp [34]. Chất lượng của hệ thống BICM-ID phụ thuộc vào mã chập, bộ hoán vị, bộ tín hiệu, phương pháp ánh xạ chuỗi bít lên bộ tín hiệu và phương pháp giải mã lặp.
Trong [2], TS Nguyễn Bình Minh đã nghiên cứu cơ bản về mã chập và trình bày phương pháp tìm mã chập tốt nhất cho kênh Gauss. Trong [2]đã khẳng định có thể sử dụng tiêu chuẩn xác suất lỗi để đánh giá trực tiếp các mã chập tại từng vùng SNR, các mã tốt theo cách đánh giá này được gọi là mã theo tiêu chuẩn tối thiểu hoá xác suất lỗi (Tiêu chuẩn OEP). Cận xác suất lỗi OEP của mã chập và phương pháp tính cận bằng số là cơ sở để thực hiện việc đánh giá mã theo OEP bằng công cụ máy tính. Khi thực hiện đánh giá và lựa chọn mã theo tiêu chuẩn OEP ta nhận được các mã tốt theo tiêu chuẩn OEP. Tồn tại các mã chập tương đương, ta sẽ nhận được mã tương đương khi đảo chiều, đảo cột ma trận sinh. Khi đánh giá mã theo tiêu chuẩn OEP thì ta chỉ cần xét đến một đại diện trong nhóm mã tương đương.
Trong [3], TS Nguyễn Văn Giáo nghiên cứu đề xuất một số giải pháp để cải thiện chất lượng hệ thống BICM-ID điều chế đa mức (M-PSK) cho kênh thông tin vô tuyến. Trong hệ thống BICM-ID việc giải mã lặp tại phần thu nếu dùng thuật toán Log-Map thì nó rất nhạy cảm với sai số ước lượng tỷ số SNR, còn nếu dùng thuật toán Max-Log-Map thay cho thuật toán Log-Map làm cho hệ thống BICM-ID giảm độ phức tạp tính toán, tuy nhiên chất lượng có giảm sút do sai số trong phép tính xấp xỉ. Trong [3], TS Nguyễn Văn Giáo đã chứng minh trong mỗi vòng lặp giải mã việc dùng hệ số chuẩn hoá SF để nhân với thông tin ngoài làm thông tin tiên nghiệm cho vòng lặp sau có thể cải thiện chất lượng của hệ thống BICM-ID sử dụng thuật toán Log-Map và Max-Log-Map. Giá trị tối ưu của SF cho thuật toán Max-Log-Map là 0,55 và cho thuật toán Log-MAP là SF=0,85. Hơn nữa, với SF = 0,6 đã giúp hệ thống BICM-ID sử dụng Log-MAP bớt nhạy cảm với sai số khi ước lượng SNR. Hệ thống vẫn đảm bảo chất lượng khi ước lượng SNR có sai số từ 0 dB đến 4 dB.
Trong hệ thống BICM-ID sử dụng điều chế đa mức để sử dụng thông tin của bít này để giải mã cho các bít khác trong cùng Symbol. Đối với các bộ ánh xạ đa mức, hiệu quả của chúng khi sử dụng trong hệ thống BICM-ID liên quan chặt chẽ đến hồ sơ cự ly Ơ-cơ-lít. Bít nào có cự li bit càng lớn thì xác suất lỗi của bít ở vị trí đó càng nhỏ, nói cách khác là mức bảo vệ bít lớn hơn. Trên cơ sở khái niệm ánh xạ có mức bảo vệ đều, [3]đã trình bày phương pháp xây dựng bộ ánh xạ tín hiệu bằng cách lấy ánh xạ theo phân hoạch tập (SP) làm cơ sở, sau đó lấy bít có mức bảo vệ thấp nhất cộng modulo 2 vào bít có mức bảo vệ bít cao nhất.
Với một bộ tín hiệu M-PSK, từ trạng thái đối xứng ban đầu, nếu dịch chuyển vị trí các điểm tín hiệu lệch đi sao cho cự ly bít tăng lên, thì chắc chắn cải thiện được hiệu quả của hệ thống. Có thể điều chỉnh vị trí các điểm tín hiệu trong chòm sao tín hiệu thích nghi theo tỉ số SNR để cải thiện phẩm chất BER của hệ thống. Trong [3]đã đề xuất phương pháp và lựa chọn tham số điều chỉnh tối ưu điểm tín hiệu trong chòm sao 4-PSK và 8-PSK thích nghi với SNR, theo nghĩa đạt sàn lỗi thấp nhất tại SNR cho trước. Các kết quả này có thể dùng cho thuật toán thích nghi nhằm đạt được chất lượng tốt nhất cho kênh biến đổi chậm.
Nhiều công trình nghiên cứu về BICM-ID [3], [33], [52], [47], [57]đã khẳng định rằng sơ đồ này phát huy hiệu quả cao trong hệ thống truyền tin trên kênh Gauss. Tuy nhiên hệ thống BICM-ID lại đòi hỏi điều chế đa mức, điều này làm hạn chế việc áp dụng trực tiếp mô hình BICM-ID cho ghi từ do tín hiệu đầu vào kênh ghi từ bị ràng buộc phải là nhị phân. Với mục đích ứng dụng các kỹ thuật mã hoá và xử lý tín hiệu rất thành công trong các hệ thống thông tin số cho các hệ thống ghi từ để nâng cao chất lượng ghi/đọc dữ liệu, luận án chọn đề tài nghiên cứu “ Ứng dụng hệ thống điều chế mã có xáo trộn vị trí bít và giải mã lặp để nâng cao chất lượng ghi/đọc dữ liệu“
Luận án này đề xuất một phương án xây dựng bộ điều chế/giải điều chế đa chiều kết hợp với việc chọn các cặp mã hoá – ánh xạ tốt nhất để có thể ứng dụng hệ thống BICM-ID cho các hệ thống ghi từ, đồng thời cũng để mở khả năng cho những phát triển nghiên cứu sau này.