（信号与信息处理专业论文）卫星通信中turbo乘积码研究与应用.pdf

ab s tr a c t ab s t r a c t t u r b o c o d e i s k n o w n a s t h e e r r o r c o d e o f t h e 2 1 c e n t u ry . i t i s a g r e a t c r e a t i o n i n t h e w o r l d o f c o m m u n i c a t i o n t h e o ry a n d c o d e t h e o ry i n t h e l a s t c e n t u ry. i t e mb o d i m e n t s t h e i d e a o f r a n d o m c o d in g a n d i te r a t iv e c o d i n g . t h e s e y e a r s , b e c a u s e t u r b o c o d e i s b e c o m i n g a h o t p o t i n t h e t h e o ry a n d p r a c t i c e o f t h e c h a n n e l c o d i n g , t h e r e a re m a n y in v e s t ig a t i o n s o f t h e t u r b o c o d e i n m a n y a s p e c t s . t o d a y , t u r b o c o d e i s w e l l k n o w n i n t h e w o r l d o f c o m m u n i c a t i o n . t h is a rt i c l e i s r e s e a r c h i n g t h e p r o j e c t r e a l i z a t i o n m e t h o d o f t h e t u r b o p r o d u c t c o d e a c c o r d i n g t o t h e s a t e l l it e c o m m u n i c a t io n s o p e r a t i o n d e m a n d s t o t h e e ff e c t o f d e c o d e , a n d i t a l s o e x p a t i a t e s t h e s t r u c t u re m e t h o d o f b l o c k t u r b o c o d e , a n d f u rt h e r re s e a r c h e s i t s p e r f o r m a n c e a n d a p p l ic a t i o n s . f i r s t l y , t h e b a c k g r o u n d s o f t h i s p r o b l e m and d e v e l o p m e n t t e n d e n c y o f t u r b o c o d e s a r e i n t r o d u c e d i n t h i s t h e s is , a n d s o m e p r o b l e m s i n t h i s a r e a a r e p o i n t e d o u t . s e c o n d ly , th e p r i n c ip l e o f p c c c e n c o d i n g and d e c o d i n g a l g o r i t h m s a r e d e s c r i b e d , a s w e l l a s t h e c o n s e q u e n c e an d re a l i z a t i o n o f f o u r d e c o d i n g a ri t h m e t i c , n a m e ly m a p , l o g - m a p , ma x - l o g - m a p , s o y a . t h i s a rt i c l e a l s o g i v e s t h e a r it h m e t i c e m u l a t io n a n d p e r f o r m anc e c o m p a r e u s i n g ma t l a b s o ft w a r e . t h i r d ly t h i s a rt i c l e i n t r o d u c e s t h e p ri n c i p l e o f t u r b o p r o d u c t c o d e , p a rt i c u l a r ana l y s e s t h e fl o w o f t h e s o ft d e c o d i n g o f t h e t u r b o p r o d u c t c o d e , a n d d i s c u s s e s f o u r a l g o ri t h m s , n a m e ly a l g e b r a c o d i n g , g md c o d in g , r e d d y - r o b i n s o n a r i t h m e t i c a n d c h a s e a r i t h m e t ic . f i n a l l y , w e i n t r o d u c e s t h e a p p l i c a t i o n p e r f o r m a n c e o f t u r b o c o d e i n t h e s a t e l l i te c o m m u n ic a t i o n , b y u s i n g v c + + , re a l i z i n g t h e s o ft d e c o d i n g t o t h e s a t e l l i t e c o m m u n ic a t io n s d a t a . t h i s p r o v id e s t h e m a t h m o d e l a n d t h e o ry b a s e t o t h e h a r d w a r e r e a l i z a t i o n and v a l i d a t e s t h e g o o d p e r f o r ma n c e o f t u r b o p r o d u c t c o d e i n t h e s a t e l l it e c o m m u n i c a t i o n s . t h e re a re m a n y a p p l i c a t i o n s o f t u r b o c o d e in s a t e l l it e c o m m u n i c a t i o n s , and w e b e l ie v e t h e t p c i s m o re a tt r a c t i v e f o r a w i d e r a n g e o f a p p l i c a t i o n s b e c a u s e o f i t s e x c e l l e n t p e r f o r m anc e s i n t h e w i re l e s s c h a n n e l . k e y w o r d s : s a t e l l it e c o m mu n i c a t i o n s t u r b o p r o d u c t c o d e d e c o d i n g a p p l i c a t i o n i t 目录 图 目 录 图2 . 1 t u r b o 码编码器结构图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ” . . . . . . . 图2 . 2递归系统卷积码编码器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 图2 . 3块交织器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 图2 .4无法被块交 织 器打乱的 序列 块. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 0 图2 . 5 几种交织器性能比较. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 图2 .6 t u r b 。 码 译码器原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 图2 .7递归计算- a - 0 和q k ( s) 的 示意图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 2 图2 .8修正函 数f x 的曲 线图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 5 图 2 .9 s o v a 算 法 中 计 算以 u , iy ) 示范 图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 8 图2 .1 0 t u r b 。 码各 种算法译码示意图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 0 图2 .1 1 t u r b o 码各 种译码算法译码性能比 较. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1 图3 . 1 二维乘积码结 构图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 图3 .2二维乘积码 编码器框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 图3 .3三维乘积码结 构图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 图3 .4软进软出 译 码 框图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 目录 图 4 . 1卫星通信系统结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 图 4 . 2卫星通信原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 图 4 . 3 3 / 4 二维乘积码构成方式图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 图 4 . 4 2 1 / 4 4 三维乘积码构成方式图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 图4 . 5行冽 译码器的程序框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 图 4 . 6译码程序流程图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 图4 .，实验工作过 程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 5 目录 表 目 录 表2 .1 t u r b o 码各种算法复杂度比 较 表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1 表4 .1 c o m t e c h e f d a t a c d m6 0 0 性能参 数表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 表4 .2 不同 编 码方式的6 4 k b / s 数据延时表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 表4 .3卫 星通 信中t u r b 。 乘积 码应用情况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 表4 .4 g f ( 2 域的 映射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 表4 . 5 b c h译码真值表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 表4 .6软 件t p c 译码误码率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 表4 . 7 v i t e r b i 译码解调器误码率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 南开大学学位论文版权使用授权书 本 人完全了 解南开大学关 于收 集、 保 存、 使用学位论 文的 规定， 同意如下各项内 容: 按照学 校要 求提交学 位论文的印刷本和电 子版 本;学 校有权 保存学位论文的印 刷本和电 子版，并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供 目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门 或者 机构送交论文的复印 件和电 子 版; 在不以 赢利为目 的 的前 提下， 学校可以 适当复制论文的 部分或 全部内 容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 刘 4杠 二。 年少月 日 经 指导教 师同 意，本学位 论文属于保 密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名: 学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部5 年 ( 最长 5 年，可少于 5 年) 秘密1 0 年 ( 最长 1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长 2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文 ， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作 所取得的成 果。 除 文中已 经注明 引用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明. 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : ;.l棍寺 又 z o 叼年 s 月 ! 9日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 t u r b o 码的产生及学术背景 1 9 4 8 年 ， 美国贝 尔实验室的 c l a u d e e . s h a n n o n 在贝尔 技术 杂志上 发 表了 题为 通信的 数 学理 论 的论 文p 1 ， 这是一 篇关于 现 代信息理论的 奠基 性论 文， 它的 发表标志着信息与编码理论这一学科的创立.s h a n n o n 在该文中指出，任一通信 信道都有一个参数c ，称之为信道容量，如果通信系统所要求的传输速率r 小于 c ，则存在一种编码方法，当码长n 充分长并应用最大似然译码时，系统的 错误 概率可以达到任意小。这就是著名的信道编码定理。 然而 s h a n n o n的信道编码定理并未给出构造有效码的实用方法，而且当要 求的差错概率很低时，将迫使系统采用非常长的编码，从而导致使用非常复杂 的译码算法，甚至不可能实现译码。从2 0 世纪五十年代到六十年代初，纠错码 的 研 究 主要集 中 在线性分组 码理论 上， 相 继出 现了 汉明码， 循环 码， b c h码及 r s 码等好码0 2 0 世纪五十年代还提出了另外一类纠错码一一卷积码， 卷积 码在 编码过程中引入了寄存器，从而增加了码元间的相关性，但同时也给其分析和 设计带来困难。在 2 0 世纪六十年代，随着对卷积码的深入研究，出现了 几种与 卷积码相适应的译码算法，促进了对卷积码的研究和应用，它曾 被认为是一种 非常有前途的能达到信道编码定理所指出的理论极限的码类.另外，在实际应 用中，为了优化性能，人们还往往利用级联码或乘积码的形式，但无论是分组 码、卷积码还是级联码、乘积码，相对于未编码情况，尽管一定程