（通信与信息系统专业论文）mimo多载波移动通信系统中的信道编码及硬件实现.pdf

摘要 摘要 信道编码是用来提高数字通信可靠性的重要手段之一。t u r b o 码自提出以来便以其接近s h a n n o n 限的优异性能成为纠错码领域的研究热点。t u r b o 码是一类并行级联的系统卷积码。它的基本原理 是通过对编码器结构的巧妙设计，多个子码经过交织器隔离进行并行级联编码输出，增大了码距； 而对译码器则引入了软输入软输出译码和迭代译码等方法，从而获得卓越的纠错能力。 t u r b o 码的优良性能受到移动通信领域的广泛重视，在m i m o 多载波移动通信中普遍采用t u r b o 码作为信道编码方案。本论文以东南大学移动通信实验室b 3 g 课题组提出的“支持多天线的广义多载 波无线传输技术”( m i m o g m c ) 为背景，介绍了t u r b o 编码器的基本概念，译码算法的理论基础与推 导过程，对t u r b o 码译码迭代停止准则、信道s n r 估计、r a y l e i g h 衰落信道下的t u r b o 译码算法和t u r b o 迭代均衡中的译码算法等进行了研究。并对t u r b o 译码器的译码算法、关键参数、定点量化等作了大 量的仿真研究，给出了对译码器硬件实现具有参考意义的仿真结果。最后针对m i m o - g m c 系统的迭 代接收机中所采用的外信息保留和联合检测译码迭代的特点，完成了采用滑动窗l o g - m a p 算法的软 输入、软输出的t u r b o 译码器的硬件设计。整个译码器模块的硬件设计采用v e r i l o g 语言描述，并在 v i r t e x l jp r o 系列f p g a 芯片上实现。 关键词：t u r b o 码，l o g - m a p ，滑动密，外信息保留，f p g a a b s t r a c t c h a n n e lc o d i n gi so n eo fm e a n st oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n sa sam e m b e ro f c h a n n e lc o d i n g ，t u r b oc o d e sh a v eb e e nt h em a i ns u b j e c to fm a n yr e s e a r c ha c t i v i t i e sf o rt h e i ri m p r e s s i v e n e a rs h a n n o nl i m i te r r o r c o r r e c t i n gp e r f o r m a n c es i n c e t h e i rd i s c o v e r yt u r b oc o d e sa r eak i n d o f p a r a l l e l c o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d e s ，a n dt h ek e yp r i n c i p l e so f t u r b oc o d e sa r ee n c o d i n gu s i n gp a r a l l e l c o n c a t e n a t e dr e c u r s i v es y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a l c o d e ss e p a r a t e db ya l li n t e r l e a v e ra n dd e c o d i n gu s i n g i t e r a t i v em a x i m u map o s t e r i o r i ( m a p ) d e c o d e r se m p l o y i n gs o f ti n f o r m a t i o n u n d e rt h eb a c ko ft h em i m o o m cw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yp r o p o s e db yb 3 gg r o u pi n n a t i o n a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ( n c r l ) o fs o u t h e a s tu n i v e r s i t y ，t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t i n t r o d u c e st h ek e ye n c o d i n gp r i n c i p l e sa n di t e r a t i v es o f ti n p u ts o f to h t p u t ( s i s o ) d e c o d i n ga l g o r i t h mo f t u r b oc o d e s ，a n dt h e nm a k e sas t u d yo f d e s i g n i n gp a r a m e t e r so f t u r b oc o d e s ，s t o p p i n gc r i t e r i af o rd e c o d i n g ， c h a n n e ls n re s t i m n i o n a l g o r i t h m ，t u r b od e c o d i n ga l g o r i t h m o n r a y l e i g h c h a n n e la n di nt u r b o e q u l a i z a t i o n l a t e r ，s i m u l a t i o n r e s u l t sf o rt u r b oc o d ea r eg i v e n a tl a s t a c c o r d i n gt ot h ee x t e r n a l i n f o r m a t i o nr e s e r v e da p p r o a c ha n dt h ej o i n ti t e r a t i o no fd e t e c t i o na n dd e c o d i n gu s e db yt h ei t e r a t i v e r e c e i v e ro ft h em i m o g m cs y s t e m ，t h ed e s i g no ft u r b od e c o d e ru s i n gs w - l o g - m a pa l g o r i t h mi s c o m p l e t e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ew h o l ed e s i g ni sf i n i s h e di nv e r i l o gh d l ，a n df i n a l l yi m p l e m e n t e do na v i a e xi ip r od e v i c e k e y w o r d s ：t u r b oc o d e ，l o g m a p , s l i d i n g - w i n d o w , e x t e r n a li n f o r m a t i o nr e s e r v a t i o n ，f p g a i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：上函睥日期：j 塑丛 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：钮趣殛导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 通信技术的进步对社会的文明与进步产生着深刻的影响。移动通信系统由于综合利用了有线和 无线的传输方式，解决了人们在活动中与固定终端和其他移动载体上的对象进行通信联系的要求。 随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线网络性能和数据速率的要求也越来越高。下一代移动无 线通信系统的主要目标是提高链路吞吐量和网络容量，建立一个无处不在的无线通信系统以及提供 一个无缝连接的高质量无线服务。研究中，一个最不容忽视的问题就是如何利用有限的频谱资源来 实现高速、可靠的数据传输。本章首先介绍论文的背景，然后简要介绍下一代移动无线通信系统中 采用的多天线和多载波技术，信道编码的发展和t u r b o 编码技术，最后阐述论文的主要内容和安排。 1 1 论文背景 移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也是将在新世纪对人类生活 和社会发展有重大影响的科学技术领域之一。随着通信技术与市场得蓬勃发展，第三移动通信系统 即将投入商用，然而，第三代移动通信系统距离人类“不论何时，不论何地都能与任何人交流任何信 息”的个人通信愿望仍有较大距离。因此，近年来一些学者又提出了未来移动通信系统的新构想 后三代( b 3 g ) 或称第四代( z i g ) 移动通信系统的新概念。为适应未来发展的需要，后三代移动通 信系统必须能够支持全i p 高速分组数据传输、高的终端移动性和高的传输质量，提供高的频谱利用 率和功率效率，有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的 变化i i , 2 l 。而为满足这些技术需求，后三代移动通信系统在网络结构、空中接口、传输体制、编码与 调制、检测与估计等各个方面必将具有全新的面貌，具体地：在网络结构方面，将采用全l p 、分布 式、自组织和多层的无线广带个人通信新体制和新模式；在空中接口方面，将采用分布式的接入方 式，多天线技术具有至关重要的作用；在传输调制方面，多载波并行传输是必须的；在编码与调制 方面，t u r b o 码、l d p c 码、高阶调制、以及自适应编码调制等将得到发展和应用；在检测与估计方 面，迭代式检测与估计是获得最优性能的有效方法。 在我国，第四代移动通信已被正式列入了国家“十五“8 6 3 ”研究计划，并己于近期启动了名为 f u t u r e ( f u t u r e t e c h n o l o g i e s f o r u n i v e r s a l r a d i o e n v i r o n m e n t ) 的未来移动通信研究计划。根据国家 8 6 3f u t u r e 计划拟订的关于新一代蜂窝移动通信系统的研究目标，东南大学移动通信实验室b 3 g 课题组提出了支持多天线的广义多载波( m i m o g m c ) 无线传输技术p j 。 在此背景下，本论文针对m i m o - g m c 无线传输系统的特点，研究了该系统信道编译码问题的 解决方案，采用了t u r b o 码作为信道编码方法，并对t u r b o 码的性能进行了相关研究和仿真，最后 完成了该系统中t u r b o 译码器的硬件设计和f p g a 实现。为后期研究开发提供相府的平台和必要的 依据。 东南大学硕士学位论文 1 2 多天线技术简介 未来无线通信系统要求不仅要求更高的数据传输速率，而且要求系统具有更高的频谱利_ ；i 率。 近来，多天线发送多天线接收( m i m o ) 技术被证明可以成倍的提高信道容量”而成为无线通信顿 域研究的热点。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。是解决 上述问题行之有效的办法，是后三代移动通信系统必须采用的关键技术。 m 1 m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l r i p l e - o u t p u 0 技术1 6 7 】指的是利用多发射、多接收天线进行无线传输的 技术。对于无线信道而言，由于地形、天气等因素造成电磁波多路径传播，产生多径衰落，引起码 间干扰。会大大降低系统的性能，这是无线信道相对于有线信道一个先天的缺陷，然而对于m i m o 系统而言。多径可以作为一个有利因素加以利用，m i m o 系统在发射端和接收端均采用多天线( 或阵 列天线) 和多通道，m i m o 的多入多出是针对多径无线信道来说的。此时的信道容量随着天线数量的 增大而线性增大。也就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发 送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提商。 当各个天线间相互距离足够远，各个发射天线到各个接受天线间的信号传输可视为互相独立时， 所采用的多天线可称为分立式多天线，比如应用于空问分集的多天线就属于这种情况。若各个天线 间距离很近，各个发射天线到各个接受天线问的信号传输是相关的，系统利用多天线合成波束的方 向性改善系统性能，则所采用的多天线属于天线阵列范畴，可称为集中式多天线，如智能天线中的 自适应天线阵、波束切换天线阵等。本文讨论的m i m o 技术特指基于分立式多天线的m 1 m o 技术。 移动通信中分立式多天线的用途主要是：空间分集、数据传输、干扰抵消等。3 g p p 标准就已经采 用了空时发射分集方案，而3 g p p 2 标准采用了分层空时结构( l a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e ) 来 实现高数据速率传输，同时也采用空时发射分集来提高传输质量。智能天线技术在3 g p p 标准的t d d 模式中得到应用。 空间分集是用来克服无线传输中的信道衰落的。它的原理是利用多天线实现空间多个重复信息 的信号的独立传输，使多路接受信号同时处于衰落的概率相对于单路信号的概率大大降低，进而克 服信道衰落，达到提高传输质量的目的。空间分集又可分为发射分集和接收分集。 发射分集是利用多个发射天线实现空间分集，最初由w i t t n e b e n 于1 9 9 1 年提出1 6 j ，可分为三类 【7 】：接收端反馈信息、发射端前馈信息、全盲的方法。发射分集作为抗衰落的重要方法，已经成为 第三代移动通信系统的关键技术之一，也是未来移动通信的备选方案之一。研究各种发射分集方式 适用于什么移动通信系统，在什么无线信道条件下，能使系统达到什么样的性能，对于实际系统的 研发具有重要意义。 接收分集是移动通信中的传统技术，是指利用多个接收天线实现空间分集。可分为选择分集、 反馈分集、最大比合并分集、等增益合并分集、切换分集等。当移动终端体积和功耗的限制而不适 合接收分集时，常采用发射分集来提高系统性能。 2 第一章绪论 1 3 多载波技术简介 即使是在多天线环境下，为有效可靠地支持数据速率为数十兆b p s 甚至数白兆b p s 的全i p 高速 分组数据传输，后三代移动通信系统仍然需要很高的带宽，必须采用多载波升彳了传输技术。 传统的通信系统采用单载波方案。单载波系统在数据传输速率不太高的情况r ，多径效应对信 号符号之间造成的干扰不是特别严重。可以通过使用合适的均衡算法使得系统能够正常工作。但是 对于宽带业务来说，由于数据传输的速率较高。时延扩展造成数据符号之间的相且交叠，从而产生 了符号之间的串扰，这就需要引入复杂的均衡算法，还要考虑算法的可实现性和收敛速度。而且， 当信号带宽超过或者接近信道的相干带宽时，信道的时间弥散性将会造成频率选择性衰落，使得同 一个信号中不同的频率成分体现出不同的衰落特性。 为了克服单载波方案的缺点，产生了多载波的通信方案，即把数据流分解为若干个子比特流， 使得每个子数据流具有低得多的传输比特率，并且利用这些数据去调制若干个载波。这时，数据传 输的速率相对较低，码元周期较长。只要时延扩展与码元周期相比小于一定比值就不会造成码间串 扰。和单载波方案相比，多载波方案的主要优点是具有抗无线信道时间弥散的特性。无线信道由于 存在多径效应而对传输的数字信号产生时延扩展，造成接收信号中前后码元交叠，形成信元间干扰 导致判决错误。影响传输质量，特别是在码元速率较高的情况下更是如此。另一方面，码元速率较 高时，信号带宽较宽，当信号带宽接近和大于信道相干带宽( 最大多径时延的倒数) 时，信道的时 间弥散将对接收信号造成频率选择性衰落。所以时间弥散是使无线信道传输速率受限的主要原因之 一。多载波调制使子载波中数据信号码元周期增长，只要时延扩展与码元周期相t i e d , 于一定的值， 就不会产生码间串扰，提高传输质量。 另外，多载波系统对频率选择性衰落的抵抗力很强，这是因为频率选择性衰落在某一时刻只会 影响一定数量的子载波，在系统设计时可以逋过交织和前向纠错编码等方法成功地修补在这些子载 波上较差的信号。 传统的多载波即频分复用方案( f d m a ) 6 n 将频带分为若干个不相重叠的子频带来传输并行的数 据流，在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的优点是简单、直接。但是频谱的利用 率低，子信道之间要留有保护频带，而且在频分路数较大时多个滤波器的实现使系统复杂化。 o f d m c i _ e 交频分复用) 技术是一种新的多载波调制技术。其主要思想是将信道分成若干丑三交子 信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流。调制到在每个子信道上进彳了传输。o f d m 技术 由于其很强的抗多径能力、简单易行的d f t 实现及易于采用m i m o 技术，得到广泛的重视p 1 。但是 o f d m 具有峰均比高( p a p r ) 和对频偏敏感等缺点。 如何保持o f d m 的优点，同时又避免其缺点，构造新的多载波传输技术方案。是解决后二代系 统传输体制问题的另一重要途径，是解决b 3 g 系统传输体制问题的另一重要途径。基于此，东南大 学移动通信实验室b 3 g 课题组提出了广义多载波( 6 m o 无线传输技术，研究1 二作表明，所提出的多 载波技术方案具有潜在的技术优判”。 东南大学硕士学位论文 1 4m i m o - - g m c 系统简介9 l m i m o - g m c 无线传输链路由如图1 1 所示的模块构成。在发送端，不同用户或同一用户的硝 个并行比特流，分别经过子载波发送处理，得到子载波多天线数字基带发送信号，对府于每个发送 天线的子载波发送信号，经过多载波合成滤波器组进行多载波合成，生成多载波数字基带发送信号， 再经过数模转换和载波调制，分别产生各发射天线上多载波发送射频信号。在接收端，各接收天线 接收的多载波信号经过载波解调和模数转换，产生多载波数字基带接收信号，经过多载波滤波器组 进行多载波分解，并进行定时频率同步，生成同步后各子载波多天线数字基带接收信号，各子载波 的多天线接收信号再经过相应子载波接收处理，得到肘个并行的接收信息比特流。 单个子载波数字基带系统如图1 2 所示。在发送端，输入信息比特流经过信道编码和交织得 到编码的比特流，然后经过符号映射和空时发送处理，并插入导频，生成子载波多天线数字基带发 送信号，这里空时发送处理可以采用空时编码和空分复用等技术。在接收端，首先利用接收导频信 号进行信道参数的估计，然后进行迭代检测译码。得到接收的信息比特流。在迭代检测译码中，检 测器为软输入软输出检测器，译码器为软输入软输出译码器，检测器与译码器之间交互软信息，检 测与译码过程多次迭代，以显著提商接收性能。 子载波 “发送lh 数 模 丹 多转 载换 波 与 合载 成波 解 网 倦4 发送m 子载波 载 妻 一塑广。 波 舞 恻一 解 雾 一接收m 调 与 模 数 转 换 图1 1m i m o - g m c 无线传输链路构成 黼吨砰困堰黼1 1 ：m i m 0 - g m c 输出信息 比特流一一 图i 2 单个子载波数字基带系统 4 第一章绪论 1 5 信道编码的发展和t u r b o 编码技术简介 信道编码是用来提高数字通信可靠性的重要手段。根据香农的信道编码理论，只要传输的信息 速率小于信道容量，总存在使得错误概率任意小的编码方法。但信道编码理论只证实了具有优异性 能的编码方式的存在而未给出构造这些编码方式的具体方法。自从香农在1 9 4 8 年提出信息论以来， 研究人员就一直在试图寻找实用的，可提供尽可能小的误码率的编码。人们提出了许多著错编码方 法，它们大致分为两类：一是基于代数理论的线性分组码，如汉明码，循环码、b c h 码等；二是卷 积码。卷积码在编码过程中引入寄存器以增加码元间的相关性，在相同复杂度的条件下可以获得比 分组码更高的编码增益，但同时也增加了分析和设计的复杂度。随着各种卷积码译码方法尤其是寻 找最大似然路径v r e r b i 译码算法的出现，使卷积码成为研究的重点。以上这些编码方法虽然相对于 未编码系统能提供一定的编码增益，但还是与理论分析得到的信道容量相距甚远。 高性能的通信系统离不开高性能的编码技术。1 9 9 3 年一种全新的十分强大的信道编码方案 t u r b o 码”由c l a u d eb e r r o u 提出。它是在综合过去几十年来级联码、乘积码、最大后验概率译码与 迭代译码等理论基础上的一种创新。t u r b o 码的基本原理是通过编码器的巧妙构造，即多个子码通 过交织器进行并行或串行级联口c c s c c ) ，然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译 码，从而获得卓越的纠错性能。t 1 l r b o 码也因此得名。计算机仿真表明，t u r b o 码不但在抵御加性高 斯噪声方面性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力，其纠错性能接近香农极限，这使得t u r b o 码在信道条件较差的移动通信系统中有很大的应用潜力。 t u r b o 理论的出现是信道编码史上的一个里程碑，它可以相当接近信道容量极限，在高速率数 据传递中有着传统信道编码无可比拟的优势。而且t u r b o 码有很强的抗衰落和抗多径效应能力，因 此它用于无线通信系统可以很大程度地提高系统的性能。目前，t u r b o 码在实际应用方面的研究已 经有很多，其中第三代移动通信系统1 m t - 2 0 0 0 已经将t u r b o 码作为其传输高速数据的信道编码标准 之一：在国际海事卫星组织的i n m a r s a t - p h o n em 4 系统中，也是以t u r b o 码为核心技术来实现压 缩频带的高速数据传输的：此外，由于t u r b o 码的译码采用了迭代译码的思想，因此可以把它推广 到c d m a 多用户检测中，实现基于t u r b o 码译码原理的c d m a 多用户检测接收机。但t u r b o 码也 存在着一些亟待解决的问题，例如译码算法的改进、复杂性的降低、译码延时的减小等，这些问题 都限制了它的应用。 1 6 论文的主要内容和安排 本文主要研究了m i m o g m c 系统中t u r b o 译码器的设计及f p g a 实现。论文的结构安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了论文的背景，简介了m 1 m o g m c 系统和信道编码的发展及t u r b o 码技术。 第二章首先介绍了香农限的概念，然后着重介绍了t u r b o 码的基本原理，包括t u r b 0 编码器和 译码器结构，迭代译码算法的思想，以及m i m o 乇m c 系统中t u r b o 译码器的特点。 第三章首先介绍了似然比的概念，然后着重介绍了t u r b o 码子译码器的几种软输入软输出译码 5 东南大学硕= l 学位论文 算法，以及译码算法的一些相关研究。 第四章给出1 u r b o 码的性能仿真。主要仿真了不同设计参数的选择对t u r b o 码纠错自g 力的影畸。 同时对t u r b o 码译码迭代停止准则、t u r b o 码译码算法对信道s n r 的敏檬度、r a y | e l g h 衰落信道- f t u r b o 译码的性能进行了仿真。 第五章先阐述了定点仿真的目的，接着给出t u r b o 码子码器采用r s c ( 7 ，5 ) 时在l o g m a p 译码算法下的具体表达式，然后最后结合硬件的实现，采用s w - l o g m a p 算法，对译码过稃中数据 的嚣化和定标进行了理论分析和仿真研究，最后给出了硬件实现时采用的定点参数以及仿真性能。 第六章详细介绍了m i m o g m c 系统t u r b o 译码器的完整的设计及其在f p g a 上的实现。 6 第二章t u r b o 码的基本原理 第二章t u r b o 码的基本原理 t u r b o 码是由c b e r r o u 等i i 州在i c c 9 3 会议上提出的。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一 起，实现了随机编码的思想：同时采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。模拟结果表明，码率 为1 ，2 的t u r b o 码如果采用大小为6 5 5 3 5 的随机交织器，并迭代】8 次，在a w g n 信道上当 e 6 ，o 0 7 d b 时的误比特率( b e r ) s 1 0 。，达到了近s h a n n o n 限的性能。这一超乎寻常的优异性能， 立即引起信息与编码理论界的轰动。围绕t u r b o 码的研究也成了通信系统中的一个热点。t u r b o 码 的优良性能，受到移动通信领域广泛的重视，特别是在第三代移动通信体制中，非实时的数据通信 广泛采t u r b o 码。因此在m i m o - g m c 系统中选择t u r b o 码作为它的纠错编码方案之一。 本章将首先介绍信道编码理论中香农限的概念，在此基础上给出t u r b o 码的编码结构、迭代译 码原理及结构，并介绍了m i m o - g m c 系统中的t u r b o 码译码器的特点。 2 1 香农限( s h a n n o nl i m i t ) 如果传输速率r c ，则不存在编码方法能保证错误概率趋向于零。 该定理指明信道容鼋是有噪信道中可靠通信所允许的传输速率的上限，在信道带宽受限和信号 功率受限的条件下，带限a w g n 信道的信道容量c 表示为 c 圳嘞( - + 彘 驯s ， w 为带宽，匕为信道输入带限信号的平均功率。如果传输速率r = c ，则 - 导= l 0 9 2 旧，急卜，s c z z ， 凡：鲁：势 ( 2 3 ) 胪茁2 可 犯。3 一烛努= 1 n 2 = - 1 6 相 a ， 。是带限a w g n 信道中。传输速率r = c 时，可靠通信所需要的最小比特信噪比，义称香 农限。香农限是各种信道编码系统试图逼近的e 0 下限。 香农信道编码定理肯定了编码方式的存在性，但并未说明找到符合要求的编码方式的途径。因 7 变壹奎兰堡兰垡堡皇 2 2t u r b o 编码器 纠错码的编码器结构是决定其纠错能力的基础。一个好的信道编码器能够生成具有优良码g e 特 性的好码，从而增强其抗错能力，反之一个劣质信道编码器则往往因为生成危险图案而导致译码性 能的急剧恶化。t u r b o 码的优异性能很大程度上便缘于其与众不同的编码结构。 2 2 1t u r b o 编码器的结构 图2 1 是1 u b o 编码器的标准结构，它由两个相同递归系统卷积码( r s c ) 分革编码器并彳了级联而 成，两级分量编码器间有一个交织器以保证输出的信息尽量不相关，通常在其编码输出前加相庙的 打孔器以适配相应的编码码率。 图2 1 t u r b o 码编码器的结构 为了避免重复输出原比特序列，t u r b o 码的子编码器采用了系统卷积码( r s c ) 而不是非系统 码( n s c ) ，这样对于相同的限制长度，虽然两者具有相同的最小自由距离，但在较小的信噪比时， 前者的性能要略好一些。t u r b o 码的分量编码器还可以采用分组码【1 1 1 “，并且分量码也可以不仅局 限为两个( 如三个或更多) 。但在本章中我们只讨论这一类标准的t u r b o 码。 图2 2r c ( 7 ，5 ) 码的编码器 图2 2 是r s c 子编码器结构。生成多项式为( 7 ，5 ) 。其约束长度足= 3 。这也是本文的硬件设计 中所采用的r s c 码。r s c 编码器实质是一个带有反馈抽头的移位寄存器。它与通信系统中传统的 卷积码主要有两处不同：一是它有反馈抽头，因此是递归码；二是编码输出由系统仿和校验付 组成，因此是系统码。 8 第一章t u r b o 码的基本原理 在编码器的实现中，我们使用分块编码的方式，在每个分块后必须使编码器的移位寄存器归零。 即在数据信息全部送入编码器后，必须根据特定的编码器结构和移位寄存器中的记忆值计算最后m 位的归零数据( 在本文中称之为归零比特) ，m 是t u r b o 码的记忆长度，m = k 一1 。这样做既保证 了下一个编码块开始时寄存器状态为全零，叉保证了每个编码块结束时的寄存器状态也为全零。在 后文关于t u r b o 译码原理的介绍部分，我们可以看到，译码过程中所需要计算的前向状态度量和后 向状态度量分别依赖于寄存器的开始状态和结束状态。 在大多的文献”中，一般仅把t u r b o 码的第一个编码器归零。因为两个编码器所对应的归零比 特是不同的，将两个编码器都归零较为复杂。但是在本文的硬件设计中，我们把t u r b o 编码器的两 个r s c 编码器归零，因为这样做可以使译码过程中后向状态度量的递归计算始于准确的寄存器状 态，进而得到稍好的译码性能。 2 2 2 交织器 交织器是t u r b o 码编码器中的重要模块，其长度与交织结构是决定t u r b o 码纠错性能的主要因 素。 交织器的主要作用如下： l 、抗突发连续错码； 无线信道中会出现突发干扰信号，导致传输信号发生大量连续误码，超出了译码器的纠错能力， 从而导致通信质量的急剧恶化。交织器可以将连续符号打散，将连续错误尽量拆分为离散错误，理 想的交织结构甚至认为可咀将突发误码转换为随机误码，从而可以大大提高译码器的纠错性能。 2 、保证两个并行编码器的输出相互独立： 这一性质是t u r b o 码编码器设计思想的初衷所在，也是t u r b o 译码器可以采用两级译码器进行 迭代反馈译码的原因。迭代反馈要求送入两级译码器的信息相互独立，相互补充。 3 、增大生成码字的码距： t u r b o 码的内交织器还可以增大生成码字的码距，当输入码序列通过一子编码器后产生了低码 距的编码输出序列时( 这一情形常常发生于输入编码序列为一个低码距序列时) ，该序列通过内交织 器重排后的序列通过同一子编码器后则可能获得较大的码距，从而降低整个编码器生成低码距码字 的概率。码距的增大增强了编码输出序列的抗干扰能力，从而使t u r b o 码具有更优异的纠错性能。 2 2 3 打孔机 通常的t u r b o 码编码器在其编码输出前，会增加一个打孔机，按照一定规则删除特定的编码输 出符号，以适配相应的码率要求。 打孔机可用打孔图案矩阵p 加以形象表示，矩阵的一行对应一个编码输出码对，并且l 代表输 出选通，0 代表删除对应比特。以一个输出码率r = 1 2 的编码器为例，设其编码输出序列经过打孔 器的打孔矩阵为 9 东南大学坝十学位论文 p = 堋 ( 2 5 ) 该删余矩阵尸表示分别删除 彬 中位于偶数位置的校验比特和 ，) 中位于奇数位置的校验比 特，输出后的校验比特序列为 = 韶，# ，屯i p ，x i p ，硝z p 一， ( 2 6 ) 其中假设信息序列长度为偶数。这样，通过该打孔机后的整个编码码率变为r = l 2 。这样 便改变了编码输出的码率，因此同样的编码结构可以通过和不同的打孔结构级联以适配不同的编码 传输速率，而不用为不同的码率重新设计编码器。 2 3t u r b o 迭代译码原理 t u r b o 码编码结构上的创新突破了传统纠错编码方案的束缚，因而其译码性能也突破了原有纠 错方案的局限，逼近香农理论极限。 传统的纠错编码方案中常用的有卷积编码器与级联编码器( 如k s - - c o n v o l u t i o n a l ) ，卷积编码 器在随机噪声下可以表现出较好的性能，但对于连续突发错误( b u r s t e r r o r ) ，其纠错能力却大大受 限。从而引入了级联编码方案，由内码( 通常采用卷积码) 纠正随机错误后。再由外码( 通常采用 b c h 码，如r s 码) 纠正突发连续错误，这一纠错方案已广泛应用于各种高速数据、多媒体通信系 统中，如h d t v 系统。但级联码在其结构上仍然存在着固有的局限性，其信息量的传递方向是单向 的，仅仅由内码传递给外码，外码的信息量却不能有效的反馈给内码以提高信息的利用率，从而增 加正确译码概率。t u r b o 编码器引入的并行级联方案突破了串行级联码的局限性，其译码器引入了 迭代译码的方法，使得两级译码器间的信息量可以循环传递不断提高信息利用率，从而增强纠错能 力。对于一个由两个分量码构成t u r b o 码的译码器是由两个与分量码对应的译码单元和交织器与解 交织器组成，将一个译码单元的软输出信息作为下一个译码单元的输入，为了获得更好的译码性能 将此过程迭代数次，这就是t u r b o 码译码器的基本的工作原理。下节将详细介绍该译码结构。 2 4t u r b o 译码器结构 t u r b o 码的解码结构与编码结构相似，如图2 3 所示，两个r s c 编码器分别对应两个r s c 孵码 器，每个解码器包括三部分的输入：一为解调器送来的信息位的似然比l ( y k 1 j 。) ：二为解调器送 来的校验位的似然比厶以： t 。) ；三为另一个解码器送来的似然比i ( ) 。两部分的输出：一为鳃 码器获得的信息位的似然比工( 虬ij ，) ：二为解码器获得的信息位的外信息t ，( “。) 。 t u r b o 译码器采用迭代的方式来译码：在第一次迭代过程中，r s c 译码器1 先开始r 作从软 信道输入三( 儿，j t 。) 和厶( 儿：i 以：) 输入的厶( 虬) 置零，译码输出的t ，( ) 经过交织器，送入r s c 译码器2 ，作为其厶( “。) ，同时从软信道输入岛( 几：i _ ：) 和经过交织以后的岛( 儿；l ，) ，译码输出 的工。：0 。) 经过反交织器，送到r s c 译码器l ：然后开始第一次迭代过群，两个r s c 译码器的输入 1 0 第= 章t u r b o 码的摹奉原理 中，来自软信道的部分均不变，r s c 译码器1 输入的上1 ( ) 变成来自反交织器，这样送出的l , i ( 虬) 变得更加精确，同样经过交织器。送入r s c 译码器2 ，r s c 译码器2 输出的t 2 ( “。) 同样经过反交 织器送到r s c 译码器t ，完成第二次迭代；：如此反复迭代在最后一次迭代的时候r s c 译 码器2 输出l ，再经过硬判、反交织器输出译码结果。随着迭代次数的增加，误码率越来越小，但 同时，随着迭代次数的增加，对译码性能的改善程度越来越小。出于系统复杂度和译码性能的综合 考虑，我们通常将迭代次数控制在8 以内。 图2 3t u r b o 译码器结构 2 5m i m o g m c 系统中的t u r b o 编译码器 在第一章，我们简单介绍了m i m o g m c 系统。在该系统中，t u r b o 编码器采用r s c ( 7 ，5 ) 作为子编码器，码率为1 2 。其t u r b o 译码器具有与一般的t u r b o 译码器不同的特点：1 ) 具有校验 比特的软信息输出。般的t u r b o 译码器只需对信息比特进行判决，因此仅输出系统比特似然比即 可译码；而m i m o - g m c 系统t u r b o 译码器由于要为检测器中均值方差的重建提供先验信息，必须 同时计算系统比特似然比和检验比特似然比并将其输出。2 ) 具有外信息的软输入和软输出。一般的 t u r b o 译码器第一次r s c 译码的外信息为0 ，但是由于m | m o g m c 系统的接收机采用了， 信息保 留的联合检测译码方法，即前一级译码器的最后一次r s c 译码产生的外信息作为本级译码器第一次 r s c 译码的先验信息，因此m i m o g m c 系统的译码器必须具有外信息软输入和软输出。 第二：章t u r b o 码的译码算法及其相关研究 第三章t u r b o 码的译码算法及其相关研究 为了能使分量译码器中的信息能被另一个分量译码器所利用，t u r b 侧通常采，1 j 迭代译码的原则 进行译码，因此分量译码器必须选择一类特殊的译码器软输入软输出( s i s o ) 译码器，这类译 码器的译码算法通称为s l s o 算法，具体算法主要基于m a p 类和v i t e r b i 类两类算法，包括了 m a p ( m a x i m u map o a e r o f i ) 【l o ，1 4 1 ，m a x - l o g - m a p “1 ，l o g m a p i 。s o v a ( s o f to u t p u tv i t e r b i a l g o r i t h m ) ”4 ”l 算法等。这些算法在复杂度上和性能上具有一定的差异，系统地了解这些算法的原 理是对t u r b o 码研究的基础同时对这些算法的复杂度和性能的比较研究也将有助于t u r b o 的应用研 究。本节我们将先引入对数似然比的概念，然后在此基础上介e i t u r b o 码译码算法。并对儿种算法作 了一个简单的比较。为减少存储空间和译码延时，选择了综合性能最优的s w - l o g m a p 算法作为我 们硬件设计的t u r b o 译码器中子译码器的译码算法。最后对t u r b o 译码迭代停止判据、信道s n r 估计 算法、r a y l e i 曲衰落信道下t 1 l r b o 码译码算法以及t u r b o 迭代均衡中的t u r b o 译码算法进行了研究，使 t u r b o 码译码器能够更优地发挥其性能 3 1 对数似然比 为了简化b o 迭代译码器中两个子译码器之间信息的交换，r o b e r t s o n i n ；j i x 了对数似然比 l l r ( l o g l i k e l i h o o d r a t i o s ) 的概念，目前在t u r b 0 码领域己得到广泛的运用。下面作简单介绍。 定义信息比特 的l l r 如式( 31 ) ，l c u i ) 以对数形式表征了虬可能取值的概率比： 地灿( 甏嚣) 旺， ：。 。： 。 。 ： ： 圈3 1 ( 已) 随q 取+ l 的概率的变化图 此处二进制变量虬的两个可能值为+ l 和一l ，而不是l 和0 ，在概念上并无筹别， 日可以简化 1 3 查堂查兰堡主兰丝堡苎 下面的数学运算。图3 1 给出了t ( u 。) 随虬取+ 1 的概率时的变化情况。由图3 1 可见，上( “。) 的符号 反映了虬取+ l 还是- 1 ，是一个硬判决，其幅值给出了符号所反映的h 。值的可靠性。当( “。) 人于 0 时，蜥取+ 1 的概率更大；反之，则取一l 的概率更大；而在l ( u 。) z0 的情7 兑下，“。取十1 或一1 ，宇 不影响整个判决情况，所以利用( ) 的符号就可以埘u 。进行判决。 由于p ( u 。= - 1 ) = l p ( u = + 1 ) ，结合( 3 1 ) ，得 眠圳，= ( 吾筹 舭) 2 ( 3 2 ) 令c ) = j 譬；与，其值只依赖于l ( 蜥) ，与虬的取值无关。前面定义的对数似然比只是摹十非 条件概率得到的，而我们所获得的信息通常是通过接收到的信道输出序列而得到的条件概率，假定 接收到的序列为! ，定义条件似然比( 蚝l y ) ： 呲向n ( 筹嵩 ( 3 3 ) 条件概率p ( 雌= _ 4 - 1 i 力为译码比特坼的后验概率，也是软输入软输出分量译码器所希挈获得的 信息同样，我们再定义另外一种条件似然比，即发送比特为+ l 或者一1 时，接收到儿的条件似 然比上( 儿i 以) ： 地i x , ) 皇l n ( 爱紫蓦 ， 需要注意的是，尽管上( 蚝l y ) 和( 儿l 耳) 的定义在形式上非常相似。但是它们在概念上并不相 同。假定采用b p s k 调制，传输比特矗= t ：1 并经过高斯信道或者衰落信道，在接收端接收为儿。 则有： 地i 黾= 1 ) = 忑1e x 一( _ 参( 几删2 ( 3 s ) 式中e 为每个传输比特的能量，口2 为噪声方差，a 为信道的衰落幅度( 对于a w g n 信道，口= 1 ) 由 式( 3 4 ) 和式( 35 ) ，有： 地i x , ) - - i n ( 揣) ， = l 。yk 其中，t = 4 口二2 0 ：l - 2 ( 3 7 ) l 被定义为信道可信度量值( c h a n n e lr e h a b i h t yv a l u e ) ，其值仅依赖于s n r 和信道袁落幅度。因 此，对于高