（通信与信息系统专业论文）turbo码网格编码调制的研究与实现.pdf

堡! ! 皇塑查兰堡主兰垡堡兰塑茎 摘要 深入分析了t u r b o 码的网格编码调制的结构和算法特点：在特定编码调制 和解调译码结构下，对采用不同交织方法和交织长度时的性能进行了比较，并 选出了最合适的交织方式；针对硬件实现特点，对编码调制结构进行了简化， 对解调译码采用的传统m a x - l o g m a p 算法进行了更进一步的优化，最终克服了 原有的解调译码复杂度高、延时长、存储量大的缺点；最后，在t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 型号的d s p 上实现了编码调制与解调译码算法，并借助p c 机搭 建了d s p 试验平台，对系统整体性能进行了测试。试验结果表明，本系统完全 满足中高速数字通信系统的要求，对工程应用具有一定的参考价值。 关键词：t u r b o 码，网格编码调制，m a x l o g m a p 算法，数字信号处理器 a b s t r a c t t h es t r u c t u r ea n da l g o r i t h mc h a r a c t e r i s t i co ft u r b ot r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n a r ea n a l y z e di nd e t a i li nt h i sp a p e r f o ras p e c i a ls t r u c t u r eo fc o d e dm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t e dd e c o d i n g ，t h em o s ta p p r o p r i a t ei n t e r l e a v i n ga p p r o a c hi s p i c k e do u t b a s e do nt h ec o m p a r eo fp e r f o r m a n c ei nd i f f e r e n ti n t e r l e a v i n gm e t h o da n dl e n g t h t h es t r u c t u r eo fc o d e dm o d u l a t i o ni s s i m p l i f i e d t h et r a d i t i o n a lm a x l o g m a p a l g o r i t h mu s e di nd e m o d u l a t e dd e c o d i n gi so p t i m i z e di n af u r t h e rw a y ，t h e nt h e d i s a d v a n t a g es u c ha sh i g hc o m p l e x i t y ，l o n gt i m ed e l a ya n dh u g es t o r es p a c e i s c o n q u e r e d f i n a l l y ，t h ea l g o r i t h m o fc o d e dm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t e dd e c o d i n gi s i m p l e m e n t e di nd s p o ft m s 3 2 0 v c 5 4 0 2p r o d u c e db yt i ad s pe x p e r i m e n t a t i o n p l a t f o r mi s b u i l tu pa i d e db yp ca n dt h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h et u r b ot r e l l i s c o d e dm o d u l a t i o ni st e s t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h i s s y s t e m s a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n to f m i d d l ea n dh i g hs p e e dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dh a sc e r t a i n r e f e r e n c ev a l u et oe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n l a a n q i a n g ( c o m m u n i c a t i o n a n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f y i nc h e n g q u n k e yw o r d s ：t u r b oc o d e s ，t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ，m a x - l o g - m a p ，d s p 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( ( t u r b o 码网格编码调制的研究与实现， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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。 学位论文作者签名：星座垄日期：丝2 兰! ! ：7 7 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：塑! ! ：厶日期：趔。z ：z 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 当今社会是以数字通信为代表的信息时代，卫星通信、移动通信以及多媒体通 信正处于蓬勃的发展阶段，提高数字通信系统的通信能力是关系国民经济发展的一 件大事。一个典型的数字通信系统由信源、信源编码、信道编码、调制、信道、解 调、信道译码、信源解码和信宿几部分组成，其中信道编码是提高通信可靠性的重 要手段之一，调制是提高通信有效性豹主要手段之，因此对这二者的研究具有十 分重要的实际意义。 1 1 选题意义 信道编码的发展有几十年的历史，1 9 9 3 年之前主要包括分组码和卷积码两大 类，它们的纠错性能一般，远远不能达到香农限的要求。直到1 9 9 3 年，由c b e r r o u 等人在i c e 9 3 会议上提出了t u r b o 码“1 ，它巧妙的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，采用软输入软输出迭代译码逼近了最大似然译码。模 拟结果表明，如果采用大小为6 5 5 3 5 的随机交织器，并且进行1 8 次迭代，则在 e b u o o 7 d b 时，码率为1 2 的t u r b o 码在a w g n 信道上的误比特率( b e r ) 1 0 一， 达到了近香农限的性能( 1 2 码率的s h a n n o n 限时0 d b ) 。它的产生可以说是信息与 编码理论界的创举。 t u r b o 码现已被3 g p p 正式采纳为i m t - - 2 0 0 0 的高速数据通信的信道编码标准 之一。其中被国际电联采纳的具有代表性的3 个3 g 标准( w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a ) 均在信道编码中使用t u r b o 码用以传输高速率、高质量的通信业务。 另外，t u r b o 码在数字电视、数字广播( o f d i v i ) 、卫星通信系统中也有着菲常光明 的应用前景。 t u r b o 码具有优越的纠错性能，但是它一般为低码率的码字，其频带利用率较 低，这对于频谱资源相当宝贵的今天而言是一个十分致命的缺点，因此必须把它和 多进制调制结合起来，以提高t u r b o 码的频带利用率。 传统的结合方法是在t u r b o 码编码器后面串行级联上多进制调制，但这种方法 仍然具有缺点。这是因为t u r b o 码以增加码字间的汉明距离为目的，而调制以增加 调制信号间的欧式距离为目的，前者的汉明距离最大时并不能保证后者的欧式距离 也最大。为此，有人想到了将编码和调制进行统一考虑，即将t u r b o 码与t c m 技 术相结合( 简称t t c m ) ，以最大限度增加调制信号间的欧式距离为目的进行编码调 制设计。 t t c m 是以目前最优的信道编码- - t u r b o 码为基础的，结合t c m 技术的，旨在获 得较高纠错性能和频带利用率的一种新的编码调制方法，它是t u r b o 码研究的扩展， 华北电力人学硕士学位论文 也是t c b t 技术研究的一次飞跃。 1 2 研究现状 t u r b o 码出现1 0 年间，人们对其进行的研究主要集中在以下几个方面： 1 、t u r b o 码编码机理和性能研究 t u r b o 码是一种通过试验产生的新型的编码方法，理论基础尚在研究探讨阶段， 对t u r b o 码的设计和优化比较繁琐和困难。因此，有必要对t u r b o 码的编码机理进 行研究，以便为好码的构成提供指导。 2 、t u r b o 码交织方法的研究 t u r b o 码具有如此优异的性能与它编码器内的交织器是分不开的。如何选择一种 合适的交织算法也是t u r b o 码研究的一个方面。 3 、t u r b o 码译码算法的研究 t u r b o 码的译码算法有基于序列的s o v a 算法( 软输出的维特比算法) 和基于比特 ( 或符号) 的m a p 算法( 最大后验概率算法) 。前者的算法复杂度小，易于硬件实现， 但译码的误码率性能不高；后者的算法比较复杂，但误码率性能较好。目前，研究 较多的是m a p 算法。 4 、t u r b o 码调制方法的研究 t u r b o 码具有的优异性能与它的编码冗余是分不开的，因此，t u r b o 码一般都 是低码率的，这就导致频带利用率的下降，这时，调制方法的选取就显得格外重要。 但是，t u r b o 码的特殊编码方法决定了它所具有的特性，即在编码输出后直接级联 调制器有时并不能保持t u r b o 码原有的纠错性能，究其原因，原来t u r b o 码和调制 的性能评判标准不同，这就导致二者性能的不统一。所以，必须将编码和调制结合 起来考虑，才能充分发挥二者的最大性能，达到二者的统一。 5 、t u r b o 码的应用 t u r b o 码具有的纠错性能是目前所有纠错码中最好的，它具有的高编码增益非常 适合于功率受限的通信方式( 例如无线通信、移动通信等) ，它也非常适合高速率、 高质量的通信业务。如何将t u r b o 码应用到这些方面，即如何用硬件( 包括d s p 、f p g a 等) 来实现也是一个很重要的问题。 本文的研究主要集中在4 、5 两个方面，即对t u r b o 码的新型调制方法- - t t c m 的算法研究，以及试图用d s p 实现t t c m 的编码调制和解调译码系统。 目前，对t t c m 的研究主要包括以下几个方面：( 1 ) 编码调制结构的研究。包 括r s c 子编码器的选取、调制映射方式的确定、交织方法的确立。( 2 ) 解调译码算 法结构的研究。包括算法的选取( s o v a 或m a p ) 、算法的简化。( 3 ) 实际应用方 面的研究。主要考虑怎样将t t c m 应用于实际的通信系统。 华北电力人学硕十学位论文 对( 1 ) ( 2 ) 两项的研究是当前国内外的热点。在国外，r o b e r t s o n 于9 8 年发 表的一篇文章较早地提出了t t c m 中编码调制与解调译码的基本结构和算法，并从 理论上对t t c m 的整体性能进行了分析，它为以后对t t c m 的深入研究奠定了一定 的基础。随后的研究都是针对编码调制结构中的具体模块( 主要包括r s c 子编码器 模块、调制映射模块、交织器模块) 和解调译码方法进行改进，以期达到提高t t c m 整体性能的目的。在国内，主要以几大高校( 主要包括：北京邮电大学、东南大学、 南京邮电大学、西安电子科技大学等) 的研究为主，理论基础也主要是r o b e r t s o n 的文章，研究内容和国外类似。综合国内外的研究现状，到目前为止仍然没有找到 一种特别理想的t t c m 方案，对t t c m 算法结构的进一步研究是很有必要的。 对第( 3 ) 项的研究主要是为了克服t t c m 解调译码器的计算复杂、延时长和 存储量大的缺点。目前，从正式发表的刊物上看，国内还没有这方面的文章，国外 有人在实验室条件下用f p g a 实现，但是限于通信速率较低，不能应用于实际的通 信业务。 综上所述，现阶段对t t c m 的研究主要处于理论研究和试验阶段，大家都在以 r o b e r t s o n 的文章中提至4 的t t c m 编码调制结构为基础，通过改善和改良的方法， 试图寻找一种性能更优的编码调制结构和解调译码算法。 1 3 本文的主要内容 t u r b o 码的网格编码调制是t u r b o 码这一新的编码技术与t c m 技术的结合，它 的性能受多方面因素影响，其中交织器的影响最大，如何针对具体的调制方法找出 一种合适的交织算法是t t c m 研究中的热点问题之一；在实际应用中，由于t t c m 解 调译码算法相当复杂，所以具有延对长、存储量大的缺点，如何克服上述缺点以利 于硬件的实现是又一大问题。本文重点就是针对以上两大问题进行分析和研究，主 要工作内容如下： ( 1 ) t t c m 编码调制结构与解调译码算法的确立。由于t t c m 技术目前还不成熟， 对t t c m 编码调制结构的提法比较多，本文在参考大量文献的基础上，综合 考虑编、译码复杂度和纠错性能确定了合适的编码调制结构。其中，交织方 法的选取是影响t t c m 整体性能的关键，因此，从交织方式和交织长度两个 方面入手，针对分组交织、质数交织和s r a n d o m 交织等交织方式，以及1 2 8 、 1 9 2 、5 1 2 、1 0 2 4 等交织长度，对采用m a p 解调译码方法时的性能进行了比 较，最后选出了性能相对较好的交织器。这些内容主要在第三章第一节介绍。 ( 2 ) 解调译码算法的简化。m a p 算法具有优量的译码性能，但是它的译码算法复 杂，包含大量的乘法和指数运算。m a x l o g m a p 算法是m a p 算法在对数 域的简化算法，它大大减少了运算量，但是对于8 p s k 的t t c m ，算法中仍 华北电力人学硕士学位论文 然包含有乘法。本文基于硬件实现考虑，结合8 p s k 的特点，将 m a x l o g m a p 算法进行了更进一步的优化，在保证译码性能基本不变的前 提下，将计算量减少到原来的八分之，为硬件实现提供了更大的可能性。 这些内容主要在第三章第二节介绍。 ( 3 ) 编码调制器与解调译码器的d s p 实现。选用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片 实现t t c m 的编码调制器和解调译码器。实现编码调制器时，数据接收单元 采用双缓冲技术，使编码调制在不间断的情况下连续运行；将交织算法结合 到r s c 子编码器的编码过程中，将解交织算法结合到截余处理单元中，大大 缩短了r s c 2 ( 子编码器2 ) 前后的交织器和解交织器带来的编码延时。实现 解调译码器时，采用合适的量化方案，做到既保证一定的量化精度，又避免 频繁的溢出处理和大量的存储器占用：合理安排前向转移度量、后向转移度 量和分支转移度量的计算顺序，以减少解调译码的延时和中间变量的存储空 间占用。这些内容主要在第四章介绍。 ( 4 ) t t c m 通信系统实验平台的搭建。用p c 机通过m a x 2 3 2 芯片与 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 接口实现完整的t t c m 通信系统。系统包括信源的产生、编 码调制、a w g n 信道、解调译码、误码率统计、全双工通信等功能。其中， t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 采用m c b s p + d m a 技术模拟u a r t 协议与p c 机的r s 2 3 2 串口进行全双工通信；误码率统计在p c 机内进行；编码调制、a w g n 信道 和解调译码在t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 内实现。这些内容主要在第五章介绍。 4 华北电力人学硕士学位论文 第二章t t c m 的基本原理 t t c m 是将t u r b o 码和t c m 相结合的一种新型的编码调制方案，与经典t u r b o 码 的主要不同点在于用多元的格码符号代替二元的比特符号，与经典格码的主要不同 点在于它是由两组经典格码通过交织器并联而成，译码时相应采用两组软输入软输 出的子译码器进行迭代译码。本章从t t c m 的基本原理入手，详细介绍了编码调制 和解调译码的基本结构和流程。 2 1t t o m 编码调制端的结构 图2 1 为t t c m 的编码调制器原理图。从图中可以看出，编码调制器主要由两个 图2 一lt t c m 的编码调制器原理图 t c m 编码调制器( t c m l 和t c m 2 ) 并联而成。编码开始时，信息位以多位数据为一个 单元并行输入，从上支路经过t c m l 编码调制后到达删余复用单元，从下支路先经 过交织器( 交织器以符号为单位进行交织，即单个符号中的多位比特在交织时相对 位置不变，只改变符号与符号之间的相对位置) ，然后经过t c m 2 编码调制后来到解 交织器( 与交织器对应，同样以符号为单位进行交织) ，最后到达删余复用单元。 这时，删余复用单元的输入包括两个t c m 的输出，为了不重复传输信息位的信息， 采用删余的方法，交替选取t c m l 和t c m 2 奇偶位置的输出作为整个t t c h 编码调制 器的符号输出。 2 i 1 t o m 的基本结构 t c m ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 的中文名称为网格编码调制”1 。它综合考虑编 码和调制的性能，使二者的设计目的趋于一致，最终使调制输出的信号点之间的欧 式距离最大。 图2 2 是通用t c m 码编码调制器的结构，t c m 信号的产生过程为：每一个编码调制 间隔，有 比特待传输信息送入，其中的k 比特( 七向) 通过一个速率为k ( k + 1 ) 的 华北电力人学硕+ 学位论文 二进制卷积码编码器扩展成+ 确自码比特，这a + 1 4 - n n 比特用来选择2 “个子集 中的一个，剩下的月一个未编码比特用来选择传送该子集的2 ”个信号中的一个。 | i 一 穗 1 日 ， + ，z + l - - 县 j 童土- l 卜 映 l卷积码l 射 丝爷 码率= k k + l 鲁l _ 一- 上l + 图2 - 2 通用t c m 码编码调制器的结构 通常t c m 最优码是按照编码信号的网格图确定的。当一个t c m 最优码确定后， 若要实现该t c m 码相应的编码调制器，可有两种方法：一种方法是先确定从编码符 号到调制信号的映射函数，再根据网格图设计出相应的纠错编码器：另一种方法是 先确定编码器结构，再根据网格图确定编码符号到调制信号的映射函数。通常般 采用第二种方法。而映射函数的确定就要根据集分割原理0 1 来获得。集分割原理在 t c m 方案的构造中具有十分重要的意义。 2 1 2 交织器的选取 在t u r b o 码的生成中，交织器扮演着十分重要的角色。通过随机交织，使得编 码序列具有记忆性，当交织器充分大时，t u r b o 码就具有近似于随机长码的特性。 具体的讲，由于使用了交织器，使得在译码端，对于某一个子译码器来说不可纠的连续 差错事件，在另一个子译码器中被分割开，成为可纠差错。从距离特性的角度来看，由 于t u r b o 码是线性码，其性能与编码的自由距离或重量谱有密切的关系。某一个输入序 列经过某一个子编码器可能产生码重较小的输出，但它交织后经过另个子编码器，则 可能产生码重较大的输出，从而使整个码字的码重较大，或者说使自由距离增大，码的 性能也就提高了。交织器的使用还使得两个并行编码器的输出相互独立，使译码器可以 采用迭代反馈的译码结构，很大程度上提高了t u r b o 码的译码性能。 目前，t u r b o 码交织器有多种设计方法和具体实现形式，常用的有分组交织器、b g 非均匀交织器、伪随机s 交织器“3 和质数交织器“3 等。不同的交织器有不同的特点，适 合于不同的编码调制结构，由于目前没有成熟的理论，所以交织器的选取一般通过试验 的方法得到。 6 华北电力人学硕士学位论文 交织器为编码调制性能的提高起到了很大的作用，但交织的进行必须在一帧数 据收满后才能进行，这就给编码和译码都引入了不可避免的延时。交织长度越大， 则延时越大。在确定交织器长度的时候一定要权衡误码性能和延时之间的关系。 2 2 t t c m 解调译码器的结构 如图2 - 3 所示为t t c m 解调译码器的基本结构。它由子译码器1 和子译码器2 串 行级联而成。这两个子译码器是完全相同的，只不过它们的输入和输出具有不同的 意义，子译码器l 对应编码调制器的t c m t ，而子译码器2 对应的是t c m 2 。交织器 和解交织器与编码调制器中的是完全一样的。 图2 3t t c b t 解调译码器的结构 译码开始时，首先接收到信道的观测值r ，经过度量处理后送入子译码器l ， 因为编码调制器的输出经过了截余处理，所以在子译码器1 的前面有一个选择开关 丘，当接收的信道观测值是t c m l 的输出时就送给子译码器l ，而接收到的是t c m 2 的输出时就屏蔽掉，即送给子译码器1 一个“0 ”。当子译码器1 接收满一帧数据后， 便开始译码，但与此同时必须有先验信息口，提供。先验信息是另个子译码器提供 的，但是第一次译码时必须手动计算“。由选择开关k ，实现第一次与后几次先验信 息的切换选择。子译码器l 译码完成后生成外信息妒，再减去岱；并经过交织器后就 成为子译码器2 的先验信息d ：，然后子译码器2 再进行译码，其过程与子译码器】 的完全相同，只不过这次的信道观测值经度量后要通过交织器进行交织，然后送给 华北电力人学硕士学位论文 子译码器2 ，选择开关，只允许相应于t c m 2 的输出通过。子译码器2 计算出外信 息p ，再减去d ：并经过解交织器后就成为子译码器l 的先验信息a ，这样译码就 可以迭代下去了。迭代译码进行若干次后，子译码器2 的输出逐渐收敛，将计算出 的外信息p ，送到解交织硬判决单元，最后得到比特流形式的译码输出，译码结束。 t u r b o 码的子译码器输入有三部分，分别是先验信息、系统信息和校验信息，而 t t c m 译码器中子译码器的输入只有两部分内容，分别是先验信息和信道观测值。这 是因为t u r b o 码是以比特为单位传输的，而t t c m 是以符号( 包括信息位和校验位) 为单位传输的。 8 华北电力人学硕士学位论文 第三童t t c m 的具体实现结构与算法 t t c m 是t u r b o 码和t c m 技术相结合的产物。t c m 的技术己经比较成熟，但对t u r b o 码的研究尚处于初期阶段，没有成熟的理论做指导，而t t c m 编码调制器的设计又 必须兼顾t u r b o 码和t c m 的特点，因此，只能通过试验的方法找到种性能较好的 编码调制结构。当编码调制器的具体结构确定以后，译码算法也就相应确定了。本 章主要就编码调制器结构的确定和解调译码端算法的推导和简化展开讨论，并试图 找出一种适合于硬件实现的编译码结构，推导出一种计算量相对较小的简化算法。 3 1t t c m 编码调制器的设计 3 1 1t t c m 编码调制器结构的确立 t c m 子编码调制器的构造包含纠错码的选取和调制方法的选取两部分内容。 纠错码可以用卷积码或分组码，但一般倾向于采用卷积码。这是由于用卷积码 或分组码获得的性能改善差不多，但卷积码比分组码更易于实现。 通过对通信系统的分析可知，信息序列经过编码调制后得到待传输的信号序列， 而系统的误码率就决定于信号序列之间的自由欧式距离，欧式距离越大，则系统性 能越好。因此，编码与调制相结合中的个关键问题就是：针对不同的调制方式和 映射规则，寻找到有最大欧式距离的卷积码。由于用分析的方法很难找到，因此目 前都是用计算机搜索43 。t c m 出现已经有2 0 年左右的时间了，因此书籍上一般都有 计算机搜索出的好码供人们直接选用。文献 3 的4 1 5 页上就有记载。 又因为通信系统的可靠性和有效性是一对不可避免的矛盾，提高有效性必然导 致可靠性的降低，基于此点考虑，本文在选择调制方式时为保证一定的纠错性能， 将调制方式定为8 p s k ，而不是1 6 q a m 或更高阶的调制方式。 通过参考和比较文献 3 5 7 8 中的t c m 编码调制器结构及其性能，本文选 定t c m 子编码调制器的结构如图3 1 所示。其中的r s c 编码器的状态数是8 ，它的 状态转移图如图3 2 所示。 圈3 1 奉文采用的t c m 编码调制器结构图 9 华北电力人学硕+ 学位论文 图3 2r s c 编码器的状态转移图 为了更清晰的说明不同初始状态时，不同输入产生的状态转移和输出，用表3 1 加 以说明。 表3 - 1 状态转移表 初始状态输入下一状态输出初始状态输入下一状态输出 s2 s l s od 2 d s 2 s l s oz os2 s l s 口d 2 d ls 2 s i s oz o 0 00 0 0o0 00 1 00 o l0 1 000 l0 0 0o 0 0 01 0 0 1 00 0 111 0o l ll 1 10 1 111 lo o ll 0 01 0 000 01 l oo o l1 1 0o0 11 0 00 0 0 11 0 1 1 01 0 1l1 01 1 1l 1 l1 1 111 l1 0 11 0 00 0 l10 00 1 11 0 10 1 llo l0 0 li 0 1 01 1 0 1 00 0 0o1 00 1 0o l l0 1 0o1 10 0 0o 0 0l o ll0 0l l ll 0 l1 1 1l0 11 0 1l 0 1 l1 1 1 1 01 0 00 1 01 1 0o 1 11 1 001 11 0 0 0 1 0 华j e 电力人学硕十学位论文 t c m 的结构确定以后，接下来就要确定映射函数。映射函数一般应遵循以下规则 ( 1 ) 所有的调制信号应有相同的出现频率，并应有 尽可能多的规则性和对称性。 ( 2 ) 始于同一状态的转移分支的对应信号应属于同 一个经第一级集分割后的子集。 ( 3 ) 到达同一状态的转移分支的对应信号应属于同 一个经第一级集分割后的子集。 ( 4 ) 并行路径对应于倒数第二级集分割后的子集。 基于以上考虑，定出8 p s k 的星座映射图，见图3 3 。 综合以上考虑，本文的t t c m 编码调制结构就确定了， 信息位 输入 j 。0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 l 一1r_ 1 1 0 o 0 0 0 0 i) 1 1 1 图3 38 p s k 的星座映射图 如图3 4 所示。 3 1 2 交织器的选取 图3 4 本文采用的t t c 鹕寓l 玛调制器的结构图 交织器是一个单输入单输出设备，它的输入与输出序列有相同的符号集，只是 各符号在输入与输出序列中的排列顺序不同。信道编码中交织器的作用一般是对抗 突发错误。在t u r b o 码中，交织的元素是比特，交织器除了以上的作用外，还起到 一个更重要的作用，即改变码的重量分布，将原始信息比特序列置乱，使得交织前 后的信息序列的相关性减弱，它是提升t u r b o 码纠错性能的一个重要措施。对于 t t c m ，交织的元素不再是比特，而是多个比特组成的比特组( 称之为符号) ，交织 的目的是打乱符号之间的相关性( 注意，同一符号内的各个比特的相对位景保持不 变) ，这与汉明意义上的重量分布有所不同，因此，适合t u r b o 码的交织方法不一 定适合t t c m 。 交织器的设计一般包括两个方面：交织方法的选择和交织长度的确定。交织方 法又可分为分组交织与随机交织两大类，其基本类型包括行列式分组交织、螺旋式 分组交织、线性转换式随机交织和读表式随机交织等，交织方法越复杂交织性能就 华北电力人学硕士学位论文 越好，可是实现起来也就越繁琐。对于交织长度，当交织深度增加时，相邻反馈信 号的相关性就降低，从而可以很好地实现迭代译码，但与此同时也增加了译码时延。 交织器的设计直接影响到整个码的性能，应该根据应用的场合合理设计，完全 随机的交织器并不一定是最佳的选择。要根据信息的特点进行设计，尽量满足一些 基本准则：如尽可能地置乱原始数据的顺序；避免与同一信息位直接相关的两个分 量编码器中的校验位均被删除；避免出现“尾效应”图案；使码字间的最小距离尽 可能大，而重量为最小距离的码字数要尽可能少，克服所谓的地板效应；交织深度 要综合考虑系统的时延要求以及数据帧的大小，这样才可以优化整个编码器的性 能。 3 1 2 1 交织方法的介绍与交织图样的选择 1 、分组交织器 分组交织器有多种形式，其中用的比较普遍的是行写列读的交织方式，其结构 如图3 - 4 所示( 图中以长度为1 0 2 4 的交织器 为例，当交织长度为其它值时原理相同) 。所 谓的“行写列读”就是一行一行地写，一列一 列地读。由图可见，经过此种交织器地置换， 信息序列中的首尾符号位置在交织前后保持 不变。当分量编码器不归零时，分量译码器对 一帧数据中的最后几个符号的译码可信度较 低，这样如果原帧数据中的最后几个符号仍然 处于帧数据的尾部，则整个t t c m 性能的提高 就会受到限制，这就是“尾效应”。在交织器 的设计中应该将原帧数据中的最后几个符号 写 - 交织器的结构 组 置换到非尾部位置( 本文在后面的性能比较仿真中将l 和1 0 2 4 互换了位置) 。 2 、质数交织器 w c d m a 系统的3 g p pt s2 5 2 1 2 部分( 信道复用和信道编码部分f d d ) 的协 议 4 1 详细介绍了质数交织器的原理和具体实现过程，它采用行内与行间混合交织 的方法。当交织长度为1 0 2 4 时，应该取r = 2 0 ，p = 5 3 ，c = 5 2 ，v = 2 ，需要多填充的 数据个数为r c - - k = 2 0 5 2 一】0 2 4 = 1 6 ，构造出序列u ，0 ) 是长度为c = 5 2 的向量， 一共构造出r = 2 0 个u ，( f ) 供每一行的行内交织使用。 3 、s - r a n d o m 伪随机交织器 交织器的设计准则一般有以下几条： ( 1 ) 最大程度的置乱原数据排列顺序，避免置换前相距较近的数据在置换后仍相 距较近，特别要避免置换前相邻的数据在置换后在此相邻。 华北电力人学硕i ：学位论文 ( 2 ) 尽量避免与同一信息符号直接相关的两个分量编码器中的校验位均被删除。 ( 3 ) 对于不归零的编码器，交织器设计时要避免出现“尾效应”图案。 针对以上3 条，选择s - r a n d o m 伪随机交织器是非常合适的。 s - r a n d o m 伪随机交织器的具体定义为：首先定义一个正整数s ( 值越大越好) 作为交织位置产生的指标。产生出的每一个交织位置，都要和它前面的s 个位置进 行比较，只有当距离大于等于s 时，才是满足条件的置换位置。 本文针对t t c m 编码调制与解调译码的特点和s - r a n d o m 交织器的定义，在编程 产生s - r a n d o m 交织器时，制定出以下准则： ( 1 ) 前m ( 取值视具体情况而定) 个交织位置应避免出现1 i i 】的值，后m 个交织位 置应避免出现k m + l k 的值，这样是为了避免出现“尾效应”图案。 弋 避免出现 尾效应 避免交织位置上 出现相等的值 + 满足奇偶对应条件 土 图3 - 6 本文中产生s r a n d o m 交织图样的程序流程图 1 3 华j e 电力人学硕十学位论文 ( 2 ) 针对t t c m 编码调制器的截余特点，必须保证交织前后数据在每一帧中的位置 的奇偶性不变，即，交织前后的奇数位置仍然对应奇数位置，偶数位置仍然 对应偶数位置。 ( 3 ) 从原理上讲，s 的值越大越好，但是，如果太大就不能找到合适的交织序列， 应此要合理选择s 值。一般先定出s 的大体动态范围“1 ，然后用计算机搜索。 一般s k ( k 是交织长度) 。 基于以上几点考虑，本文制定出了产生交织图样的程序流程，如图3 - 6 所示。 按图中所示的流程就可产生出满足条件的s - r a n d o m 交织图样。利用本流程图 产生的交织图样是不唯一的，但都是满足条件的。 下面列出本文采用的交织图样( 交织长度为1 0 2 4 ，s 的搜索结果为1 4 ) ，仅供 参考。 1 7 9 ，6 3 8 ，4 4 9 ，7 7 4 ，1 5 9 ，2 ，8 0 9 ，5 9 2 ，2 4 9 ，8 8 0 ，3 6 1 ，2 2 4 ，7 4 3 ，8 4 8 ，2 0 5 ，9 5 6 ，7 l ，9 6 ，2 9 l ，2 0 ，9 3 3 ，5 6 8 ，6 0 1 ，3 3 8 ，9 9 9 ，5 2 6 ，4 5 9 ，4 2 0 ，3 1 9 ，2 5 6 ，7 7 3 ，8 2 4 9 3 ，3 6 6 ，3 1 ，5 2 ，9 1 9 ，8 0 2 ，2 7 9 ，3 0 2 ，9 5 3 ，3 4 4 ，9 7 l ，1 6 0 ，3 8 1 ，8 8 2 ，6 9 1 ，6 1 2 ，8 2 5 ，4 9 0 ，2 3 3 ，8 0 ，1 3 5 ，5 1 4 ，9 9 ，5 9 6 ，7 7 7 ，9 7 6 ，4 5 5 ，5 4 6 ，6 5 3 ，8 0 4 ，8 6 9 ，6 8 0 5 6 5 ，1 6 2 ，8 2 9 ，4 1 6 ，8 1 ，2 3 6 ，2 3 ，9 1 2 ，5 9 7 ，1 3 0 ，1 9 5 ，7 4 6 ，9 7 5 ，8 4 4 ，8 6 3 ，2 9 4 ，8 8 7 ，1 0 0 ，4 5 7 ，5 0 6 ，6 6 5 ，2 6 0 ，1 7 7 ，5 7 6 ，1 2 5 ，4 3 8 ，1 4 5 ，9 0 6 ，2 4 1 ，3 8 8 ，1 0 0 1 ，9 5 2 8 4 5 ，8 6 4 ，1 3 ，7 9 8 ，2 9 5 ，1 6 4 ，5 7 3 ，2 7 0 ，2 0 9 ，1 3 2 ，8 2 1 ，4 6 ，9 6 7 ，7 0 ，6 1 7 ，2 2 6 ，7 0 5 ，8 6 0 ，4 9 5 ，3 9 4 ，1 7 5 ，8 9 6 ，7 8 1 ，9 9 0 ，1 0 3 ，3 4 6 ，2 9 3 ，5 1 8 ，3 2 9 ，4 5 6 ，2 6 7 ，9 2 4 8 0 3 ，8 2 0 ，7 3 5 ，4 8 4 ，3 8 9 ，3 4 ，1 0 0 5 ，8 ，7 7 1 ，8 9 2 ，7 1 j ，7 6 ，6 0 9 ，1 4 0 ，5 5 l ，8 5 4 ，9 5 7 ，4 4 0 ，5 0 7 ，5 3 4 ，9 2 l ，7 9 2 ，5 8 5 ，9 9 4 ，1 8 5 ，7 4 2 ，7 7 5 ，3 6 4 ，4 1 3 ，6 0 6 ，8 6 7 ，6 8 2 1 3 l ，3 1 4 ，7 0 1 ，8 8 6 ，1 6 7 ，5 7 2 ，4 1 ，1 9 6 ，2 7 3 ，6 2 ，4 3 9 ，9 0 2 ，1 0 1 9 ，5 0 8 ，2 5 ，6 2 8 ，2 1 1 ，8 6 ，8 3 5 4 6 2 ，9 4 5 ，9 8 2 ，7 4 5 ，5 3 0 ，2 9 7 ，4 4 4 ，3 5 5 ，l0 ，5 5 7 ，4 4 ，2 5 7 ，6 5 4 9 7 ，4 8 6 ，7 6 5 ，8 7 4 ，8 9 3 ，3 7 4 ，9 9 1 ，1 1 4 ，8 0 1 ，8 4 2 ，7 3 7 ，3 0 8 ，6 3 3 ，3 9 6 ，6 3 ，2 4 6 ，5 8 9 ，1 0 0 6 ， 5 6 9 ，2 6 8 ，8 9l ，3 3 0 ，3 ，2 4 ，4 2 5 ，5 0 4 ，8 5 3 ，7 5 6 ，6 4 3 ，4 5 0 ，3 6 5 ，9 5 8 4 7 7 ，7 7 8 ，7 4 1 ，2 8 0 ，6 7 5 ，5 8 4 ，1 0 2 1 ，9 1 6 ，5 0 5 ，7 1 0 ，3 1 5 ，6 4 2 ，1 9 ，8 2 2 ，4 6 l ，4 8 0 ，3 7 3 ，1 0 0 2 ，9 5 1 ，2 3 2 ，6 8 7 ，9 6 6 ，4 2 9 ，5 5 0 ，7 9 ，2 5 0 ，6 2 3 ，2 8 4 ，5 0 3 ，5 6 ，7 9 l ，8 2 8 7 1 7 ，9 8 ，1 5 l ，4 5 4 ，6 7 l ，8 0 6 ，8 5 9 ，9 1 0 ，2 9 9 ，6 0 2 ，9 6 l ，5 1 6 ，2 1 9 ，9 3 4 ，9 8 5 ，3 8 2 ，5 8 3 ，4 3 4 ， 1 8 l ，3 3 6 ，4 7 5 ，7 1 6 ，2 5 3 ，8 6 2 ，8 0 7 ，8 4 ，1 0 0 9 ，1 2 6 ，2 1 3 ，1 5 0 ，5 5 3 ，2 7 8 5 8 l ，6 2 2 ，9 1 7 ，1 8 6 ，4 6 9 ，2 5 4 ，5 3 ，6 9 8 ，4 4 1 ，3 3 4 ，7 9 9 ，9 4 ，6 5 5 ，9 5 4 ，8 8 5 ，8 5 8 ，5 7 l ，9 1 8 ，2 0 3 ，4 9 6 ，8 1 7 ，1 4 8 ，5 ，7 3 0 ，3 9 9 ，3 6 ，3 8 3 ，6 1 8 ，9 4 9 ，6 8 ，4 4 3 ，5 6 2 9 6 5 ，9 3 2 ，7 1 3 ，7 5 8 ，6 4 1 ，1 0 0 8 ，l1 3 ，2 7 4 ，3 2 3 ，1 0 2 4 ，8 8 9 ，4 7 2 ，6 l1 ，1 7 0 ，4 7 ，4 9 4 ，8 4 3 ，7 9 0 ，9 l ，5 6 4 ，7 0 7 ，6 5 0 ，3 8 5 ，3 0 ，1 2 9 ，9 4 0 ，4 3 3 ，6 2 6 ，6 9 ，2 4 2 ，1 9 1 ，5 8 0 3 3 1 ，6 6 6 ，9 2 5 ，5 2 4 ，5 4 5 ，9 6 8 ，3 9 5 ，1 5 6 ，3 0 9 ，3 5 6 ，8 3 1 ，8 2 ，4 1 5 ，2 5 2 ，1 0 0 7 ，7 2 2 ，8 4 7 ，3 2 6 ，3 7 5 ，1 1 0 ，9 2 3 ，8 7 2 ，5 4 l ，1 2 ，4 9 3 ，2 9 0 ，1 0 2 3 ，2 0 8 ，3 5 1 ，1 5 8 ，7 5 9 ，1 7 6 1 4 华北电力人学硕士学位论文 5 6 3 ，6 7 0 ，4 4 5 ，2 4 4 ，9 3 7 ，8 4 6 ，6 2 1 ，3 2 2 ，2 2 9 ，13 4 ，8 7 ，7 2 0 ，7 9 3 ，2 6 ，9 8 1 ，7 3 8 ，3 6 3 ，6 7 6 ，4 4 7 ，2 8 2 ，1 ，8 1 4 ，1 0 l l ，5 4 ，1 6 9 ，7 6 6 ，111 ，7 2 ，5 1 9 ，6 4 8 ，4 1 9 ，3 2 0 8 4 9 ，9 4 6 ，6 7 7 ，9 0 ，7 4 7 ，8 9 4 ，2 2 7 ，2 6 4 ，3 9 1 ，2 9 6 ，1 0 9 ，7 0 6 ，1 3 9 ，1 9 8 ，7 6 3 ，6 5 8 ，5 3 9 ，4 6 4 ， 1 0 1 3 ，2 4 8 ，2 7 ，7 8 8 ，7 ，9 8 4 ，2 1 5 ，5 8 8 ，8 3 ，7 1 8 ，2 8 1 ，3 1 6 ，5 0 9 ，8 1 6 ，3 9 7 3 7 0 ，3 3 7 ，7 5 4 ，5 4 3 ，2 3 8 ，5 6 l ，1 8 0 ，6 7 8 7 8 ，6 4 9 ，4 2 8 ，9 3 9 ，1 2 0 ，7 2 3 ，4 7 6 ，9 6 3 ，1 3 6 ，6 1 9 ， 6 9 0 ，5 1 1 ，6 7 4 ，2 3 9 ，3 4 0 ，9 1 1 ，6 3 6 ，4 9 ，2 7 2 ，4 0 3 ，5 6 6 ，8 5 1 ，7 4 0 ，4 5 1 9 6 2 ，9 9 3 ，3 8 6 ，4 8 7 ，9 2 8 ，7 6 7 ，4 3 6 ，5 2 9 ，1 4 6 ，5 4 7 ，6 9 2 ，5 1 ，6 1 4 ，9 1 3 ，8 1 8 ，2 2 3 ，9 8 8 ，4 6 7 ， 1 0 8 ，6 5 9 ，8 3 4 ，2 8 3 ，3 5 0 ，3 7 1 ，8 6 8 ，4 9 9 ，8 9 8 ，5 3 3 ，9 4 2 ，3 2 l ，3 9 0 ，2 3 7 3 2 ，6 1 ，4 ，6 8 3 ，7 0 4 ，7 7 ，7 5 0 ，1 4 7 ，4 0 8 ，8 8 3