（通信与信息系统专业论文）turbo均衡技术的研究.pdf

摘要 近年来，移动通信得到了快速发展，从第一代到第三代以及正在制定的第四代 移动通信标准，都是向着提高系统容量、改善系统通信质量的方向发展。当在带限信 道上传输高速数据时，会因为信道畸变和多径效应产生的码间干扰而产生误码，这就 需要采用适当的技术来消除或减少这种干扰。均衡技术就是专门抑制这种干扰的技 术。 t u r b o 码的研究已经成为近几年来纠错码研究中的一个热点，因为t u r b o 码具有 反馈迭代的译码结构和对译码软输出信息的利用能力。t u r b o 均衡就是将t u r b o 码的 译码原理与均衡技术结合起来的技术，是一种通过反复均衡和信道译码来提高接收性 能的迭代接收机算法。通常的t u r b o 均衡算法采用均衡与软输出译码的迭代运算。由 于均衡和译码的重复计算，使得复杂度大大提高。本文提出了新的降低复杂度的 t u r b o 均衡器结构，这类t u r b o 均衡使用了译码器的硬输出信息而不是软输出信息， 我们把这类均衡器称为基于硬输出译码的t u r b o 均衡。本文共提出了三种基于硬输出 译码的t u r b o 均衡算法：第一种采用硬判决维特比译码，第二种采用了软判决维特比 译码，第三种采用软输入硬输出的维特比译码。通过仿真表明，这三种算法与使用软 入软出译码的t u r b o 均衡相比，性能相近但是计算复杂度小了许多。而这三种算法 的计算复杂度相近，但是第三种方法的误比特性能在这三种中是最好的。 关键词：t u r b o 均衡；码间干扰：维特比译码 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sw i t n e s s e dar a p i dg r o w t h ，f r o m1g s y s t e mt o3 gs y s t e m ，t h e nt ot h e4 gs y s t e mt h a ti sb e i n gd e s i g n e d t h eg o a li st h es a m e o n e ：t oi m p r o v et h es y s t e m c a p a c i t ya n dp r o m o t et h eq u a l i t yo fs e r v i c e w h e nt h eh i g hr a t e d a t ai st r a n s m i t t e d t h r o u g h b a n d l i m i t e dc h a n n e l si nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，t h e i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) c a u s e db yc h a n n e ld i s t o r t i o na n dm u l t i p a t hp r o p a g a t i o nw i l l b r i n gd e c o d i n ge r r o r i tn e e d st oa d o p ta p p r o p r i a t et e c h n i q u e st or e m o v eo rr e d u c et h i s k i n do fi n t e r f e r e n c e e q u a l i z a t i o ni st h et e c h n i q u et h a ti su s e dt o s u p p r e s si n t e r s y m b o l i n t e r f e r e n c e t h er e s e a r c ho nt u r b oc o d e sh a sb e e nah o ts p o ti nt h ea r e ao fe r r o r - c o r r e c t i o ni n r e c e n ty e a r s t u r b oe q u a l i z a t i o ni sa l li t e r a t i v er e c e i v e ra l g o r i t h mr e p e a t i n ge q u a l i z a t i o n a n dc h a n n e ld e c o d i n gt o i m p r o v er e c e i v e rp e r f o r m a n c e i ng e n e r n ，t u r b oe q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m sc o m b i n ee q u a l i z a t i o na n ds o f to u t p u tc h a n n e ld e c o d i n gi na ni t e r a t i v ep r o c e s s a s e q u a l i z a t i o na n dd e c o d i n ga r ep e r f o r m e ds e v e r a lt i m e s ，t h ec o m p l e x i t yo ft h er e c e i v e r i n c r e a s e sr e s p e c t i v e l y i nt h i s p a p e r , w ep r o p o s e ak i n do fr e d u c e dc o m p l e x i t yt u r b o e q u a l i z a t i o n ，w h i c hu s e sh a r di n s t e a do fs o f to u t p u tc h a n n e ld e c o d i n g s ow ec a l li tb a s e d o nh a r do u t p u tc h a n n e ld e c o d i n gt u r b o e q u a l i z a t i o n w ep r o p o s et h r e ek i n d so fb a s e do n h a r do u t p u td e c o d i n gt u r b oe q u a l i z a t i o n ：t h ef i r s to n eu s e s t h eh a r dd e c i s i o nv i t e r b i d e c o d i n ga l g o r i t h m ，t h es e c o n do n eu s e st h es o f td e c i s i o nv i t e r b id e c o d i n ga l g o r i t h ma n d t h et h i r do n eu s e st h es o f t i n h a r d - o u tv i t e r b id e c o d i n ga l g o r i t h m s i m u l a t i o ns h o w s t h a t t h e i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t yi s r e d u c e ds i g n i f i c a n t l ya t n e g l i g i b l ep e r f o r m a n c el o s s c o m p a r e dt o t h es o f t _ i n s o f t o u t d e c o d i n gt u r b oe q u a l i z a t i o n a n dt h ei m p l e m e n t a t i o n c o m p l e x i t yo f t h e s et h r e ek i n d so f t u r b oe q u a l i z a t i o ni ss i m i l a r , b u tt h ep e r f o r m a n c eo f t h e l a s ti st h eb e s t k e y w o r d s ：t u r b oe q u a l i z a t i o n ；i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ；v i t e r b id e c o d i n g 南京航空航天人学硕士学位论文 第一章绪论 随着社会经济和生活水平的提高，人们对于信息获取的要求也越来越高，移动 通信作为一种能够提供快速、便捷、可靠的信息交换技术，已被广泛地接受为理想的 通信模式。现在，移动通信已经从原来单纯的- - f - j 技术发展到一个热门产业，成为当 今通信领域内最活跃和发展最为迅速的领域之一，也是2 l 世纪对人类的生活和社会 发展将有重大影响的科学技术领域之一。 1 1 本文背景 移动通信的发展历史，是飞跃前进的。1 9 4 6 年a t & t 推出第一个移动电话系统， 采用了f m 调制方式，1 2 0 k h z 带宽；2 0 世纪6 0 年代末开始出现了第一个蜂窝电话系 统，将一个大区域分为几个小区，相邻的小区使用不同的频率进行传输，以免相互干 扰；7 0 年代末，美国推出了a m p s 系统，欧洲推出了t a c s 系统等可向用户提供商 业服务的模拟系统；9 0 年代初各国又相继推出了今天称为第二代数字通信系统的 g s m 和i s 一9 5 c d m a 系统；到9 0 年代中期以后，随着移动通信技术的成熟和运营 实践的成功，以及计算机技术的飞速发展和迅速普及，对移动通信系统的业务功能又 有了更高的要求，世界上许多国家相继开始研究第三代移动通信系统。 自从1 9 8 1 年第一代以频分多址( f d m a ) 技术为基础的模拟移动通信系统 ( a m p s 、t a 、c 、n m t 等) 建立使用以来。蜂窝移动通信市场的发展和需求大大超出 了原有的预测。在短短几年时间内，模拟蜂窝系统就面临着阻塞概率增高、呼叫中断 率增高、蜂窝系统的干扰增大、蜂窝系统迫切需要增容的压力。但由于模拟蜂窝本身 的缺陷( 例如，频谱效率低、保密性能差等) ，系统的设计容量远远不能满足需求。 紧接着，1 9 9 2 年以时分多址( t d m a ) 技术为基础的第二代数字蜂窝移动通信系统 ( g s m 、d a m p s 等) 相继投入使用。t d m a 蜂窝系统较f d m a 蜂窝系统有许多优 势：频谱效率提高，系统容量增大，保密性能好，标准化程度提高等。由于t d m a 并未完全满足新的需求，尤其是在容量方面，在这种情况下以美国q u a l c o m m 公司 为首的倡导者，提出了在蜂窝移动通信系统中采用码分多址( c d m a ) 技术的系统实 现方案。他们通过理论分析和现场实验，证明c d m a 具有许多t d m a 技术所没有的 独特属性，并认为c d m a 是移动通信环境下获得大容量和高质量的一种灵活有效的 技术它既能解决近期模拟系统容量不足的问题，也是一种通往个人通信的长远解决 南京航空肮大大学硕士学位论文 办法。1 9 9 3 年，q u a l c o m m 公司提出的c d m a 技术正式成为技术标准，即i s 一9 5 标 准。以此为标准的c d m a 商用系统已经在许多国家和地区投入使用，取得了良好的 用户反映。c d m a 采用了话音激活、扩频、功率控制、高效纠错码以及软切换技术， 使得系统的容量大大增加，并且通信的质量得到了保障。 从历史的角度来看，第一、二代蜂窝移动通信系统是针对传统的话音和低速率 数据业务的系统。而未来的信息社会，图像、话音、数据相结合的多媒体业务和高速 率数据业务将成为必不可少的服务内容。所以，随着用户数量的迅猛增加，现有的系 统也将远远不能满足未来用户容量的发展需要。第三代移动通信与个人通信( 3 g ) 系统的研究和发展已经成为电信领域的一个新的热点。新的3 g 系统需要有更大的系 统容量和更灵活的高速率、多速率数据传输的能力，除了话音和数据传输外，还能传 送高达2 m b i d s ( 室内静止环境) 的高质量活动图像，真正实现任何人、在任何地点、 任何时间与任何人都能便利地通信这样一个目标。 关于第二代移动通信系统怎样向第三代移动通信系统过渡的问题，人们采用了 这样的解决方案：第二代移动通信系统指现有的g s m 移动通信系统和i s 9 5 的窄带 c d m a 移动通信系统。g s m 系统在向第三代系统演进的过程中，其无线接入网络 般公认将采用基于w c d m a 标准的技术。而在网络部分则会采用演进的方式，在初 期，将针对话音和数据业务分别接入到不同的交换网络，电路型和分组型的交换网络 都是增强型的g s m 和g p r s 核心网络。通过逐渐提高现有的g s m 的传输带宽，逐 步向提供第三代所要求的2 m b i 魄速率方向努力。对于g s m 网络演进所需的技术， 多数专家认为，在演进的第一阶段可通过采用g p r s 技术来实现，使传输速率达到 1 0 0 k b i f f s 以上，在第二阶段，则可以采用e d g e ( 增强数据速率应用) 技术，它可提 供高达3 8 4 k b i d s 的数据速率，然后过渡到w c d m a 系统。而窄带c d m a 系统无论 是无线还是网络部分在向第三代系统过渡时，都将采用演进的方式。c d m a 2 0 0 0l x ( c d m a 2 0 0 0 单载波方式) 是c d m a 2 0 0 0 的第一阶段，普遍认为它属于2 5 代技术， 可支持1 4 4 k b w s 的传输速率。在c d m a 网络部分，则将引入分组交换方式，以支持 未来的移动i p 业务方式。由于c d m a 2 0 0 0l x 初期只能提供1 4 4 k b i f f s 左右的数据速 率，不能达到2 m b w s 的传输需要，为了在c d m a 2 0 0 0l x 基础上进一步增强能力， 国际标准化组织3 g p p 2 已制定了支持速率高于2 m b w s 的c d m a 2 0 0 0l x 演进方式l x e v - d o ( d a t a o n l y ) ，又称h d r ( h i g h d a t ar a t e ) ，是专门针对数据业务的，使用单 独的载频来传输数据。在此基础上，3 g p p 2 又开始了c d m a 2 0 0 0 的另一个演进版本 l xe v - d v ( d a t a v o i c e ) 的标准化工作。 2 g 移动通信系统向3 g 移动通信系统的发展过程会带来种种复杂的问题。移 动通信中信号传输是极其复杂的，因为移动信道般来说是随参信道，有三个最基本 的特点：信道的损耗随时阃而变化；传播的时延随时间而变化：多径传播。新一代的 南京航空航犬人学硕士学位论文 通信系统对速率的要求越来越高，而当我们在带限信道上传输高速数据时，会因为信 道畸变和多径效应产生符号间干扰( i s i ) ，使得信号不同程度地失真。对于信道畸变 产生的i s i ，一般可以采用均衡的方法进行补偿。但是衰落信道下由多径效应产生的 i s i ，完全消除还有一定的困难。调制、均衡、分集和信道编码是用来改善信号质量 的几种主要技术。均衡主要用于克服码闻干扰的影响，而分集主要用于减小在窄带信 道中接收机所遇到的衰落深度和衰落持续时间的影响。当分集和均衡联合使用时，移 动通信的质量将有明显的提商。 1 2t u r b o 均衡是3 g 移动通信中的关键技术 i m t - 2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 提出的第三代移动通信系统。其目的在于使 用全球统一的频率、统一的振准实现全球漫游和提供多种业务。i m t - 2 0 0 0 总共包括 了五个大的标准体系，其中t d s c d m a 、w c d m a 和c d m a2 0 0 0 这三个标准是最 有优势的标准都有可能成为未来第三代移动通信的主流标准，主宰未来的移动市场。 t d - s c d m a 系统是t d m a 和c d m a 两种基本传输模式的灵活结合，是由中国 无线通信标准化组织( c w t s ) 提出并得到i t u 通过得3 g 无线通信标准。在3 g p p 内部，它也被称为低码片速率t d d 工作方式( 相对于3 8 4 m h z 的u t r at d d ) 。其 优势在于采用了t d d 技术，上行和下行共用同一个信道，这样也使得智能天线能够 得以应用，特别适台非对称业务的场合。t d s c d m a 系统特别适合在城市人口密集 区提供高密度大容量话音、数据和多媒体业务。w c d m a 是由欧洲e t s i 和日本a r i b 提出。它能同时支持电路交换业务( 如p s t n 、i s d n ) 和分组交换业务( 如i p 网) 。 该系统使用的灵活的无线协议可在个载波内同时支持话音、数据和多媒体业务，并 通过透明或菲透瞬传输来支持实时、菲实时业务。c d m a 2 0 0 0 是从c d m a o n e 发展 而来的一种3 g 技术，目的是为现有的c d m a 运营商提供平滑升级到3 g 的路径，其 核心是l u c e n t 、m o t o r o l a 、n o r t e l 和q u a l c o m m 联合提出的宽带c d m a o n e 技术。其 主要的特点是与现有的t i a e i a - 9 5 b 标准向后兼容，并可与i s 9 5 b 系统的频段实现 共享或重叠。这三种3 g 的标准都将t u r b o 码作为其信道编码的方案，尤其是在高数 据速率的业务中。另外高数据速率的业务，会带来很大的码间干扰( i s i ) ，这必将使 得均衡技术将成为一个未来研究的重点。 第三代移动通信系统是在综合了以往各种移动通信系统优点的基础上提出的一 个新的移动通信系统。由于第三代移动通信系统提出了更高的通信要求，为了实现这 些要求，官将采用各种先进的通信技术。3 g 系统涉及的关键技术主要有这些： 1 多用户检测技术； 南京航空航天人学硕十学位论文 2 t u r b o 编译码技术； 3 软件无线电； 4 智能天线； 5 音频和视频编码： 6 同步建立与锁定： 7 上下行功率控制。 t d s c d m a 、w c d m a 和c d m a2 0 0 0 系统的信道编码均采用了t u r b o 编码。 而t u r b o 均衡技术是t u r b o 编译码技术的种应用，因此它也是第三代移动通信系统 的关键技术【2 】。 1 3t u r b o 均衡的主要研究方向 在过去的十几年里，第二代蜂窝移动通信产业及其相关的传输技术得到了很大 的发展。尽管如此，在系统性能提高和系统结构完善等方面还有许多工作要做。比如 说对于t d m a 方式的g s m 系统来说，它的信道是一个频率选择性衰落信道，因此在 接收机侧，必须采用一个具有自适应能力的均衡器来消除由于信道时变多径引起的 码间干扰( i s i ) 。传统的g s m 接收机通常采用硬判决的均衡器，其后级的译码器只 能采用硬输入译码。理论分析表明，硬输入译码器和软输入译码器相比有较大的性能 损失，因此，一种被称之为软输出均衡器的算法由于其良好的系统性能受到了广泛的 重视。 在信道编码技术方面，近年在级联码的构造和迭代译码技术的应用方面有了较 大的进展，特别是在t u r b o 码极其迭代译码的实现。t u r b o 码由法国的c b e r r o u 3 等 提出，已被第三代移动通信系统定为各选方案。t u r b o 码具有反馈迭代的译码结构和 对软信息的利用能力，因此具有极为优越的性能，也能够与其它技术相结合。 利用了t u r b o 码的译码原理，在接收端，均衡与解码的联合处理，即一种迭代 算法在对同一组接收到的数据进行重复地均衡和译码，这种处理就是t u r b o 均衡【4 】。 在t u r b o 均衡算法中，性能最好的是最大后验概率( m a p ) 算法，但是其计算复杂度 极高，难以在实际应用中使用。因此。人们更倾向于寻找一些降低复杂度而性能次优 的算法。a r i y a v i s i t a k u l 和l i 5 提出了一种联合编码和均衡的方案，和以往的接收机 不同，这种接收机采用了卷积编码和个判决反馈均衡器( d f e ) ，在d f e 中，从 d f e 的前向滤波器中输出的软信息和维特比译码器输出的硬判决进行了反馈。w a n g 和p o o r 6 提出一种类似t u r b o 均衡的系统，作为c d m a 多用户检测器的一部分。其 中基于t u r b o 均衡的迭代结构采用了个线性均衡器( l e ) 和m a p 译码来减少码间 南京航空航犬大学硕七学位论文 干扰( i s i ) 。用l e 均衡器来代替m a p 均衡器大大减少了计算量。而g l a v i e u x 7 等 人提出了用基于线性滤波嚣的软干扰抵消器( s i c ) 来代替m a p 均衡器，以达到减 少计算量的目的。这个s i c 的系数由基于最小均方误差( l m s ) 的更新算法给出。后 来有人对这种方法进行了改进。为了使l m s 算法的结果趋近于m a p 均衡的结果， 在各种比特能噪比( s n r ) 将m a p 均衡进行线性估计，然后存入表中供接收机使用， 见 8 】。 目前为止，t u r b o 均衡性能的好坏，还不能从理论上加以解释，而是从实验中证 明其优异的性能。对t u r b o 均衡算法进行研究，不仅要考虑到其性能的好坏，也要考 虑到其算法的复杂度以及计算量的问题。同时也要考虑其在实际工程中能否适用。 t u r b o 均衡主要的研究内容集中在几个方面： 1 t u r b o 均衡理论的研究：因为其性能的好坏目前还不能从理论上加以解释， 现有的结论基本上是从仿真和实验中得到的： 2 t u r b o 均衡算法的研究：常用的软干扰抵消( s i c ) 、线性均衡( l e ) 和判决 反馈均衡( d f e ) 都可以用来代替m a p 均衡，但是性能会有所下降； 3 t u r b o 均衡算法复杂度的研究：寻找一种能满足系统性能要求而复杂度又比较 低的t u r b o 均衡算法，是人们一直以来的目标和热门研究问题； 4 迭代终止准则的研究； 5 t u r b o 均衡在通信系统中，尤其是3 g 系统中的应用。 1 4 本文的主要内容和框架 本文在分析了传统的线性和非线性均衡技术的基础上讨论了在t u r b o 均衡中维 特比译码算法的应用，并提出了改进算法，即基于硬输出译码的t u r b o 均衡。通过仿 真表明，这几种算法与传统的t u r b o 均衡相比，在性能降低不明显的情况下，复杂度 大大降低了。 从第二章起的内容如下： 第二章简要介绍各种自适应均衡技术在通信系统中的应用以及各种常用算法。 第三章主要介绍了t u r b o 编译码的原理以及t u r b o 均衡的原理以及各种常用算 法。 第四章重点介绍作者提出的三种基于硬输出译码的t u r b o 均衡算法，通过计算 机仿真，对三种算法的误比特率性能进行比较，并将这三种算法与其它常用的t u r b o 南京航空航天大学硕士学位论文 均衡算法在同样的环境下进行比较。并且在本章最后对t u r b o 均衡算法进行总结，分 析了基于硬输出译码的t u r b o 均衡比传统的软入软出( s i s o ) 译码t u r b o 均衡优越的 原因以及前者是从哪些方面来降低复杂度的。 第五章重点分析了可能影响系统性能的因素并进行了仿真验证。 第六章首先回顾了全文，然后将t u r b o 均衡在移动通信中的应用和面临的问题 进行分析，并介绍了正在进行的工作和发展的方向。 南京航空航大夫学硕士学位论文 第二章均衡技术 理想低通和等效理想低通滤波器都能满足奈氏第一准则，即在抽样时刻没有码 间干扰。但是由于信道特性的变化和设计制造的误差，尤其是在3 g 系统的高速率传 输过程中，码间干扰是不可避免的。为了减小码间干扰，可以采用串接一个滤波器进 行校正，这个滤波器称为均衡器。这种校正可以从频域和时域两个不同的角度考虑。 在频域校正称频域均衡，它是通过调整均衡器把信道和均衡器总的频谱特性校砸为理 想低通或等效低通特性，从而实现无码间串扰传输。若从时域来考虑，它是以奈氏第 一准则为依据，通过调整抽头系数，从时间波形上把畸变了的波形校正为在取样点上 无码间干扰，我们把这种均衡称为时域均衡。在本章中，我们从分析无线移动信道的 特性开始，逐步介绍均衡技术的基本概念以及几种自适应均衡技术的常用算法。 2 。1 无线移动信道的特性 在分析通信系统的性能时，通常以理想的加性高斯白噪声( a w a n ) 信道作为 分析的基础。在这种信道中，统计独立的高斯噪声进行采样后，叠加在无码闻干扰 ( i s i ) 的数据采样信号上。噪声是降低系统性能的重要因素，主要来源于接收机中 的热噪声以及进入天线的自然噪声和人为的噪声。在移动通信中，外部噪声和干扰 比接收机内部热噪声产生的影响要大得多。在实际系统建模时，需要分析带限滤波器： 在发射机中，它用于将传输信号限定在给定频谱范围内；在接收机中，带限滤波器通 常采用匹配滤波器。由于滤波器的频带限制以及相位失真，必须采用特殊的信号设计 和均衡技术以减小滤波器引起的码间干扰( i s l ) 。在无线通信系统中，信号从发射端 可以通过多条反射路径到达接收端，这种现象称为多径传播( m u l t i p a t h p r o p a g a t i o n ) 。 它会使接收信号的振幅、相位以及角度产生波动，这种现象称为多径衰落( m u l t i p a t h f a d i n g ) 。 对于移动通信系统主要有两类衰落：大规模衰落和小规模衰落。大规模衰落表 示由于在大范围内移动而引起的平均信号能量的减少或路径损耗。这种现象产生的原 因是收、发端之间地表轮廓( 如高山、森林、建筑群等) 的影响。大规模衰落的统计 数字给出了一种将路径损耗估计为距离函数的计算方法，常用平均路径损耗( 服从n 次方律) 和围绕均值的对数正态分布变量来描述。小规模衰落是指信号的幅值、相位 的动态变化，这种变化是由于收、发端之间位置的微小变化( 小至半个波长) 引起的。 南京航空航天人学硕士学位论文 小规模衰落表现为两种机制：信号的时延扩展( 信号弥散) 和信道的时变特性。无线 移动应用中，信道的时变是由于发射机和接收机相对移动而造成传输路径的变化引起 的。这些传播条件的变化速率影响衰落率( 衰落影响的变化速率) 。如果存在大量反 射路径而不存在视行信号分量，此时的小规模衰落称为瑞利衰落，接收信号的包络由 瑞利概率分布函数统计描述。若存在一个没有衰落的主要信号分量，比如存在一个视 行传输路径，则接收信号的小规模衰落的包络服从莱斯分布。无线移动通信跨越比较 大的区域，其信号必然同时受大规模衰落和小规模衰落的影响。 如果是由于信道衰落而造成信号失真，系统性能可能达到比期望的误比特率更 高的误比特率。在这种情况下，无论多大的信噪比都不能帮助系统达到期望的性能， 唯一可以提高性能的方法是应用其它一些减少或消除信号失真的技术，这些技术的应 用取决于失真引起的原因是频率选择性衰落还是快衰落。 许多通信信道( 如电话、无线信道) 的传输特性相当于冲击响应为h ，( r ) 的带限 滤波器，其频率响应为 日。( 力= h 。( f ) l e 以 ( 2 1 ) h o ( r ) 和h 。( ，) 是傅立叶变换对，i h 。( 州是信道的幅频响应，吼( ，) 是信道的相 频响应。要实现信道的理想( 无失真) 传输，必须满足在信号带宽矽范围内l h 。( 州是 常数，色( ，) 是频率的线性函数( 即对信号所有的频率分量，时间延迟为常数) 。如 果在w 范围内l h 。( ，) l 不是常数，则会引起振幅失真；如果包( 厂) 在范围内不是频 率的线性函数，则会引起相位失真。在衰落信道中，振幅和相位失真通常会同时存在。 在传输脉冲序列时，这种失真表现为信号弥散或拖尾，因此解调序列中的波形有明显 的形变，这就是码间干扰( i s i ) ，它存在于大部分调制系统中，是在有带宽限制的信 道中实现可靠高速传输的主要障碍之一。从广义上讲，“均衡”指所有消除或减少码 间干扰的信号处理或滤波技术【9 】。 2 2 系统传输模型 无线系统是衰落信道，为了补偿发射机和信道引起的失真，接收滤波器通常是 均衡滤波器( e q u a l i z i n gf i l t e r ) 或接收均衡滤波器( r e c e i v i n g e q u a l i z i n gf i l t e r ) 。在这 里，我们给出一个简单的模型，它将所有的滤波作用等效为一个系统传输函数： 8 南京航空航天人学硕士学位论文 h ( f ) = h 。( f ) h 。( ) 抒，( ，) ( 2 2 ) 其中，h 。( ) 表示发送滤波器，h 。( 厂) 表示信道内的滤波器，h ，( ，) 表示接收均衡 滤波器。h ( f ) 代表整个系统的传输函数，它综合了发射机、信道和接收机链路中所 有的滤波作用。 2 3 自适应均衡技术 由于无线通信信道具有随机性和时变性，即信道特性是事先未知的，信道响应 是时变的。这就要求均衡器必须能够实时地跟踪无线信道的时变特性，可以根据信道 响应自动调整抽头系数。我们称这种可以自动调整滤波器抽头系数的均衡器为自适应 均衡器。 自适应均衡器一般包括两种工作模式，即训练模式和跟踪模式。在训练模式中， 发射机发射一个己知的、定长的训练序列，以便接收机处的均衡器可以做出正确的设 置。典型的训练序列是一个二进制伪随机序列或是一串预先指定的数据位，而紧跟在 训练序列之后被传送的是用户数据。接收机处的均衡器在评估信道特性后，及时修正 均衡器抽头系数以对信道做出补偿。在设计训练序列时，要求做到即使在最差的信道 条件下，均衡器也能通过这个序列获得正确的滤波器抽头系数。这样就可以在接收训 练序列后，使得均衡器的滤波器抽头系数已经接近于最佳值。而在接收用户数据时， 均衡器的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道，自适应均衡器也同时不断地改变其 滤波特性。 为了保证能有效地消除码间干扰，均衡器需要周期性地做重复训练。时分多址 ( t d m a ) 无线通信系统特别适合于使用均衡器。这是因为t d m a 系统在长度固定 的时间段中传输数据，且训练序列通常在时问段的头部被发送。每当收到了新的时间 段，均衡器将用同样的训练序列进行修正。因此自适应均衡技术也是第二代无线通信 系统的关键技术之。 从上可知，均衡器是一种抗频率选择失真的方法。均衡器能减少频率选择性衰 落信道导致的i s i 。为了减少i s i 的影响，均衡器的处理过程就是将分散的码元能量 聚集到原码元持续时间内。均衡器是信道的逆滤波器。如果信道是频率选择性的，均 衡器会增强小振幅的频率分量并且衰减大振幅的频率分量。用于补偿信道失真的均衡 器的传输函数就是信道传输函数的倒数： 南京航空航天大学硕士学位论文 ，2 志2 南e 以“) ， 式2 3 表明均衡器实际上是传输信道的反向滤波器。如果传输信道是频率选择性 的，邪么均衡器将增强频率衰落大的频谱部分，而削减频率衰落小的频谱部分，以使 所收到的频谱的各部分衰落趋于平坦，相位趋于线性。对于时变信道，自适应均衡器 可以跟踪信道的变化，使式( 2 3 ) 基本满足。 2 4 均衡技术的分类 均衡器的类型、结构和算法的基本分类，如图2 - 1 所示 图2 - l 均衡器的类型、结构和算法分类 类型 结构 算法 均衡器根据结构可被分成两类：可以分为只舍有前馈单元的线性系统( 横向滤 波器，t 删1 5 v e r s a l e q u a l i z e r ) 和既有前馈单元又有反馈单元的非线性系统( 判决反馈 南京航空航大人学硕一 ：学位论文 均衡器，d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ) ，也可以根据他们的白适应性分为预置式和自适 应式。被检测信号可以是码元边界的采样值( 即每个码元只采样一次) ，这种采样称 为码元间隔( s y m b o ls p a c e d ) 采样；也可以对每个码元做多次采样，这种采样称为按 部分码元间隔( f r a c t i o n a l l ys p a c e d ) 采样。 常用的线性均衡器参数的优化准则有三科l ：最小蜂值畸变准则、最小均方误差 准则以及最小误差平方和准则。由此三种准则可分别得出三种均衡算法：追零( z f ) 算法、最小均方误差( m m s e ) 算法和最小二乘( l s ) 算法。对于信道参数未知或信 道时变得情形，上述均衡算法又有各自的自适应算法：自适应迫零算法、最小均方 ( l m s ) 算法和迭代最小二乘( r l s ) 算法。 2 5 均衡器的结构 常用的均衡器有四种：线性均衡器( l e ) 、判决反馈均衡器( d f e ) 、最大似然 序列( m l ) 接收机和盲均衡器。后两种均衡器结构比较复杂。在本文中，我们只对 前两种用得比较多的均衡器的结构做简要介绍。 2 5 1 线性均衡器( l e ) 圉2 - 2 线性横向均衡器 南京航空航犬人学硕士学位论文 实现均衡的滤波器结构有许多种，而且每种结构在实现时又有许多种算法。而 其中最常用的均衡器结构是线性横向滤波器结构，如图2 2 所示。 从上图可以看出，这个滤波器是由若干级的延迟线构成，级与级之间的延迟时 间间隔都为t ，所以线性横向均衡器的传递函数可以被表示成延迟符号，即z “的函 数。最简单的线性横向均衡器只使用前馈时，其传递函数是：“的多项式，且极点都 在z = 0 ，所以被称为有限冲击响应f i r 滤波器，或简称横向滤波器。若均衡器同时具 有前馈和反馈链路，其传递函数将是：“的有理分式，则称为无限冲击响应i i r 滤波 器。但是因为i i r 不稳定，所以很少使用。 设图2 2 的输入序列为 v 。) ，则输出为信息序列 k ) 的估计值。第女个符号的估 计值可以表示为： t = 芝c ，v h ( 2 4 ) ，一n i 式中的c ，是该滤波器的n i + 2 + 1 个抽头的加权系数。 线性均衡( l e ) 的基本思想就是通过对接收数据进行滤波来得到符号的估计值。 滤波器参数的选择可根据不同的准则常用的有最大峰值失真准则和最小均方误差准 则( m m s e ) 。 ， 2 5 2 判决反馈均衡器( d f e ) 如图2 - 3 所示的判决反馈均衡器( d f e ) 【1 0 】是由两个滤波器组成，一个是前向 塑塞堕至堕鲞盔竺婴主兰堡堡墨 一一一 滤波器和一个用于反馈的反向滤波器。前向滤波器的作用和前面一节中所述的线性横 向均衡器相同。反馈滤波器的输入为先前被检测符号的判决序列。反馈滤波器是用来 从当前估计值中消除由先前被检测符号引起的那部分码间干扰。 假定均衡器在前馈节有必。+ l 令抽头，在反馈节有k ：个拉头，并令 c 忒，。娟。，c 。c o ) 是前镄滤波器的抽头系数， c ，c ：，。托) 是反馈滤波器的抽头系 数，判决反馈均衡器的输出可以表示为： 0k ， i 。= c ，k ，+ c ，t 一， ( 2 5 ) 一r ij t l 由于d f e 不仅包合有线性滤波器，而且还包含有非线性的硬判决器，所以它是 非线性的。尽管判决反馈均衡器原理上可以不使用训练序列，但实际应用中为了避免 突发误码的传播，常常需要定期发送已知的训练序列。 在移动信道中，信道特征往往是未知的或随时间变化的，因此，实际使用的信 道均衡应该是自适应均衡。自适应算法中使用较多的是最小均方( l m s ) 算法和最小 二乘( r l s ) 算法。l m s 算法的本身是最陡下降算法，它只有一个调整参数，所以 计算简单，但是收敛速度比较慢：r l s 算法的参数是变化的，收敛速度比较快，但计 算量最大。m l s e 接收机和均衡滤波器的原理不同，性能很好，缺点是计算量比较大。 g s m 移动通信系统中的维特比均衡器就是这类接收机。富均衡用于多点通信的场合， 它能够在接收机没有确知训练序列可用的情况下能与接收信号同步。并能调整均衡 器。比如说在深度衰落导致移动台和基站间的连接暂时中断时，就不允许均衡器经过 训练序列重新启动。但是现在的移动通信系统中，一般都会有导频信号，所以言均德 器就不是必须的了。 南京航空航天人学硕士学位论文 第三章t u r b o 码与t u r b o 均衡 传统的t u r b o 码是一类并行级联的递归系统卷积码。1 9 9 3 年t u r b o 码的提出， 标志着人们朝编码性能的香农极限迈进了很大的一步【3 】。t u r b o 码带来了一种迭代译 码的全新思想，并取得了用短码构造有优良性能长码的创新，把人们的眼光从关注子 码的最小距离引向了关注码的整体距离，更接近随机码的概率特性。t u r b o 码在抗衰 落、抗干扰方面具有良好的性能，尤其适合于功率受限系统，只要时延和复杂度允许， 可在多种恶劣条件下提供较好的通信能力。因为这些优点，使得t u r b o 码将在3 g 通 信得到广泛的应用。比如说，c d m a 2 0 0 0 系统为了实现信息数据的可靠传输，针对 不同的数据速率的业务需求，综合采用了几种不同的差错控制技术，主要包括帧质量 指示符( c r c ，循环冗余编码) 、前向纠错编码( f e c ，包括卷积码和t u r b o 码) 。在 低信息比特速率采用卷积码，大于或等于1 9 2 k b i t s 的信息数据速率一般采用t u r b o 码。最近几年来，对t u r b o 码的研究主要围绕以下几个方面： 1 码结构和编码方法。 2 译码算法。 3 交织方式。 4 t u r b o 码和t u r b o 原理的应用。 本文研究的t u r b o 均衡，就是t u r b o 原理的一种应用。本章将从t u r b o 码的编译 码原理开始，逐步弓i 入t u r b o 均衡的原理以及其常用的算法。 3 1t u r b o 码的编码器与译码器结构 典型的t u r b o 编码器结构如图3 - 1 所示，两个成员码由长度为的数字交织器 分隔开。成员码通常是码率为1 陀的递扫系统卷积码( r s c c ) 。并且两个成员码通常 是相同的。递归卷积码与常见的非递7 | 卷积码的区别在于递归卷积码移位寄存器中存 在反馈，因此递归卷积码以无限冲击响应( i i r ) 的滤波器形式实现，而非递归的卷 积码则是以有限冲击响应( f i r ) 的滤波器形式出现，图3 2 则是一个递归卷积编码 器的例子。 图3 一l 所示的编码器中，在| 比特信息进入第一编码器的同时，通过交织器将 此个消息比特后加上了个监督比特，最终输出的是3 r 比特( 比特信息和两个 编码器的2 监督比特) 。因此总的码率r = l 3 。如果想获得更高的码率，就必须舍弃 南京航空航天人学硕士学位论文 一些监督比特，即根据一定的图样选择部分监督比特来传输。 图3 - it u r b o 码的编码框图 t u r b o 码中的数字交织器的长度通常都是很大的，一般在上千比特的数量级上， 此时采用伪随机交织器可以获得很好的性能，但是适当地选择交织器，还可以进一步 地提升性能，这种提升在交织器长度较小的时候尤为明显。前面介绍过在非递归卷积 码中，为了使编码器最后回到全零状态，需要在信息序列后添加一段零序列。而递归 卷积码则需要加上一段特定的非零序列，使编码返回全零状态。由于数字交织器的存 在，所以在大多数情况下，让两个成员编码器都回到全零状态是不可能的。 由于t u r b o 码是由两个成员码构成，因此可以使用迭代算法进行译码。t u r b o 的 译码器结构如图3 - 3 所示，译码器由两个子译码器构成。图中的y 、y ，和y 2 ”分别 对应予系统比特、卷积码编码器l 的监督比特和卷积码编码器2 的监督比特的接收数 据。e ：、矗表示在两个译码器间传递的信息。 所有服从比特的似然特性的译码都可以使用迭代算法实现。例如最大后验概率 1 5 南京航空航天大学硕士学 守- 论文 ( m a p ) 译码及其各种变形，如m a x l o g m a p 算法等，以及软输出维特比译码 ( s o v a ) 。在这类译码算法中，第一个译码器计算出每一比特的似然度并送入第二个 译码器，第二个译码器计算似然度后将结果返回给第一个译码器，重复这一过程直到 似然度显示的正确译码概率很高为止，则在这一点上得到最终判决。图3 - 3 所给出的 反馈结构只是为了说明子译码器之间通过交换关于各自译码的可靠性信息来提高译 码性能的原理。工程实现中所采用的t u r b o 码译码器则是流水线结构，用多个相同译 码模块的级联来实现t u r b o 码的多级迭代译码。 图3 - 3t u r b o 码迭代译码原理图 3 2t u r b o 码的译码算法 3 2 1m a p 译码算法 由于交织器的出现，导致t u r b o 码的最优( 最大似然) 译码变得非常复杂而且 难于应用。一般来说，t u r b o 译码算法都是基于次优解的迭代译码算法，算法的不同 主要体现在两