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t u r b o 码自适应门限译码方案及其性能研究 专业：电路与系统 硕士生：段德毅 指导教师：刘星成副教授 摘要 t u r b o 码是信道编码发展过程中一颗闪亮的明星，是最先接近s h a n n o n 极限的 可实现的纠错编码。t u r b o 码自从其诞生以来就一直备受关注，目前仍然是许多 领域研究的热点问题之一。在应用方面，t u 帕o 码也得到了一定的发展，但因为 译码算法复杂度大且需要多次迭代，导致译码时延长、功耗大，限制了数据吞吐 量，且在译码过程中需要大量的存储单元。上述缺点限制了t u r b o 码在商业通信 系统中的进一步应用，因此有必要研究如何降低t l l 加码的译码复杂度。 论文的研究工作主要包括以下两个方面： 1 针对t d s c d m a 系统中的t u r b o 码，提出自适应门限译码方案。在t u r b o 码译码算法中，译码器输出端l l r ( 对数似然比) 的幅度反映了译码比 特的可靠性。本文提出了联合预设最大迭代次数和l l r i 幅度门限值 ( t l l r ) 的方案，即在不超过最大迭代次数的情况下，只有当译码器输出 的帧数据中所有比特的l l r 幅值均大于t l l r 时，才停止译码。在文中给 定的参数和平台下，仿真结果表明：和传统方案相比，本方案能在保证 译码性能无明显恶化的情况下减少译码耗时，且随着信噪比的增大和迭 代次数的增多，本方案节省的译码耗时占传统方案译码所耗时间的百分 比越来越高。在信噪比较高时( 仿真中大于0 6 d b ) ，改进后的方案在较 高质量业务上( 女i b e r t , 于1 0 3 ) 具有更明显的优势，因此本方案适合于 t d s c d m a 系统中t u r b o 码的译码。文中还将自适应门限译码方案应用于 中山大学硕士学位论文 m a p 算法，可以得到相似的结论：采取门限方案后，译码性能没有明显 降低，且译码所耗时间在不同信噪比和迭代次数时均有不同程度的减少。 2 提出了t u r b o 乘积码的露适应门限译码方案，露的也是在保证译码性能无 明显下降时，降低译码复杂度，减小译码延时。这里的门限对象是接收 端接收信号，的幅值。当r 的幅值大于设定的门限时，在整个译码过程中 不对这些位进行外信息的计算与叠加，即在迭代译码过程中仅计算部分 位的外信息。仿真结果表明：和传统的计算所有位外信息的算法相比， 本门限译码方案省去了一部分位的外信息的计算，减小了译码计算量， 且能保证译码性能无明显恶纯。 关键词：t u r b o 码，t u r b o 乘袱码，鸯适疵门限，译码复杂度，误比特率( b e r ) i i s t u d y o nt h ep e r f o r m a n c eo ft u r b oc o d e s b a s e do n a d a p t i v et h r e s h o l dd e c o d i n gs c h e m e m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s n a m e ：d u a n d e y i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ux i n g c h e n g a b s t r a c t i nt h ee v o l u t i o no fc h a n n e lc o d i n g ，t u r b oc o d ei sad a z z l i n gs t a rt h a ti st h ee r r o r c o r r e c t i n gc o d ef i r s t l yp r o p o s e d 、玩t l lp e r f o r m a n c ea p p r o a c h i n gt h es h a n n o n sl i m i t s i n c ei t si n t r o d u c t i o nt u r b oc o d eh a sa b s o r b e de n o u g ha t t e n t i o nt ob et h eh o ti s s u e i nm a n yr e l a t e df i e l d s i nt h ea p p l i c a t i o na s p e c t , t h e r ea l ea l s os o m ea c h i e v e m e n t s a b o u tt u r b oc o d e s u n f o r t u n a t e l y , t h ed e c o d i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h em a pf o r t u r b oc o d e si sc o m p l i c a t e da n dr e q u i r e sq u i t ean u m b e ro fi t e r a t i o n s ，w h i c hl e a d st o t h ee x t e n s i o no fd e c o d i n gt i m e ，p o w e rc o n s u m p t i o n , r e s t r i c t i o n so nd a t at h r o u g h p u t , a n dal a r g ea m o u n to fs t o r a g eu n i t s t h ea b o v es h o r t c o m i n g sl i m i tt h e f u r t h e r a p p l i c a t i o n so ft u r b oc o d e si nc o m m e r c i a lc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s s o ，i ti s n e c e s s a r yt or e d u c et h ed e c o d i n gc o m p l e x i t yo ft u r b oc o d e s t h em a i nr e s e a r c hw o r k si n c l u d et h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ： 1 p r o p o s e dt h ea d a p t i v et h r e s h o l dd e c o d i n gs c h e m ef o rt u r b oc o d e si nt h e t d - s c d m a s y s t e m i nt u r b oc o d e s d e c o d i n ga l g o r i t h m , t h ea m p l i t u d eo f l l r ( 1 0 9 - l i k e l i h o o dr a t i o ) t h a ti st h ed e c o d e ro u t p u tr e f l e c t st h er e l i a b i l i 锣 o ft h ed e c o d e db i t i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s e da j o i n ts c h e m eb yp r e d e f i n i n g t h el a r g e s tn u m b e ro fi t e r a t i o n sa n da m p l i t u d et h r e s h o l do fl l r ( t l l r ) ， t h a ti s ，i nn om o r et h a nt h el a r g e s tn u m b e ro fi t e r a t i o n so ft h ec i r c u m s t a n c e s ， i i i 中山大学硕士学位论文 o n l yw h e nl l r s a m p l i t u d e so fa l lb i t si nt h ef r a m ea r el a r g e rt h a nt h e t l l t h ed e c o d i n gp r o c e s ss t o p s i nt h et e x t ss p e c i f i e dp a r a m e t e r sa n d p l a t f o r m ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l s c h e m e ，t h ep r o p o s e ds c h e m ec a nr e d u c et h ed e c o d i n gt i m ew i t h o u to b v i o u s p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o nw h e ns i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) a n dt h en u m b e r o fi t e r a t i o n s g r o wu p w h e ns n ri sh i g h e r ( 1 a r g e rt h a n0 6d bi nt h e s i m u l a t i o n ) ，t h ei m p r o v e ds c h e m ea p p l i e di nh i g h e rq u a l i t yb u s i n e s s ( s u c h a sb e rl e s st h a n10 。) h a sm o r ea d v a n t a g e s s o ，i tc a nb ed r a w nt h a tt h e i m p r o v e ds c h e m ei ss u i t a b l ef o rt u r b oc o d e s a p p l i c a t i o ni nt d s c d m a s y s t e m w ea l s oa p p l i e dt h ea d a p t i v et h r e s h o l dd e c o d i n gs c h e m ei nm a p a l g o r i t h ma n dh a v es i m i l a rc o n c l u s i o n ：t h ei m p r o v e ds c h e m ec a nb a s i c a l l y m a i n t a i nt h ed e c o d i n gp e r f o r m a n c ea n dt h ed e c o d i n gt i m eh a sd i f f e r e n t l e v e l so fr e d u c t i o n 2 p r o p o s e dt h ea d a p t i v et h r e s h o l dd e c o d i n gs c h e m ef o rt u r b op r o d u c tc o d e s i t i se x p e c t e dt or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dd e c o d i n gd e l a y w i t h o u to b v i o u sp e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n h e r e ，t h et a r g e to ft h r e s h o l di s a m p l i t u d eo ft h er e c e i v e ds i g n a l ，w h e nt h ea m p l i t u d eo f ，i sl a r g e rt h a n t h et h r e s h o l d ，w en e g l e c tc o m p u t i n gt h ee x t r i n s i ci n f o r m a t i o nf o rt h e c o r r e s p o n d i n gb i t t h a ti s ，w eo n l yc o m p u t ee x t r i n s i ci n f o r m a t i o nf o rp a r t i a l b i t si ne a c hf r a m e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：c o m p a r e d 、加mt h e t r a d i t i o n a ls c h e m ew h e r et h ee x t r i n s i ci n f o r m a t i o nf o ra l lb i t si sr e q u i r e d c o m p u t i n g ，t h ep r o p o s e ds c h e m eo m i t sc o m p u t i n ge x t r i n s i ci n f o r m a t i o nf o r s o m eb i t sa n dd e c r e a s e st h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yw i t h o u to b v i o u s l y p e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n k e yw o r d s ：t u r b oc o d e s ，t u r b op r o d u c tc o d e s ，a d a p t i v et h r e s h o l d ，d e c o d i n g c o m p l e x i t y ，b i te r r o rr a t e ( b e r ) 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 王俸所取得的成果。除文中已经注明雩；用的内容外，本论文不包含饪舞其它个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以唆确方式标唆。本人完全意识到本声明的法律结采壹本人承担。 学位论文作者签名：屉崽搜 目期：沙寥年砥喟，彦e l 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：他蘑歉 导师签名：力 日期脯嘲扩e l 第1 章绪论 1 1信道编码发展概述 通信的本质任务是传递信息，如何准确可靠地传输信息是通信系统中要解决 的重要问题之一。在数字通信系统中，信道编码是提高通信质量降低信息传输错 误概率的有效手段。信道编码的实质是在待传递的信息比特中加入一定数量的冗 余比特，也即校验比特，使它们之间满足一定的约束关系，在接收端将信息比特 和校验比特组成了一个传输码字。如果码字在传输过程中发生错误，信息比特和 校验比特相互之间的约束关系就会被破坏。在接收端，可以通过既定的约束关系 来检测和纠正错误，从而保证了数据传输的可靠性。 1 9 4 8 年，美国b e l l 实验室的s h a n n o n ( 香农) 发表了题为通信的数学理论 的论文，该文的发表标志了信息与编码理论这一学科的创立。在该论文中， s h a n n o n 提出了著名的有噪信道编码定理，为在噪声信道中实现可靠通信的理论 研究与应用实践指明了方向。s h a n n o n 信道编码定理指出，对于一个信道容量为 c 的有扰信道，消息源产生信息的速率为尺，如果通信系统所要求的传输速率r 5 c ， 则一定存在一种信道编码方案，当码长充分大并应用最大似然译码时，信息的错 误概率可以达到任意小。 在信道编码定理中，香农提出了实现最佳编码的三个基本条件：( 1 ) 采用随机 编译码方式，( 2 ) 编码长度三为无穷大，即分组的码组长度无限，( 3 ) 译码采用最佳 的最大似然译码算法。在同时满足这三个条件的前提下，s h a n n o n 认为在有噪信 道中可以实现无差错传输。信道编码定理是一个存在性定理，为人们探索信道的 最佳编码方案提供了理论依据，遗憾的是它并没有明确给出具体实现纠错编码的 方法。但是，该定理指明了纠错码的研究方向和目标，从信道编码定理提出到现 在，构造好码的思想基本上是按照s h a n n o n 所提出的基本条件进行研究，存此期 间，多种信道编码方案被相继提出。 5 0 年代至6 0 年代初，主要研究各种有效的编译码方法。1 9 5 0 年，h a m m i n g 中i l i 大学硕士学位论文 等人提出了第一个实用的差错控制编码方案，该编码方法是分组码的基本思想， 后来被命名为汉明码【i 】。1 9 5 4 年，r e e d 在m u l l a r 基础上提出了一种新的分组码 ( 也即r m 码) ，该码在码字长度和纠错能力方面有更强的适应性，在火星探 测方面得到了极为广泛的应用【2 1 。之后，人们又提出了循环码的概念，循环码 本质上是分组码。分组码的理论分析和实际应用都得到了一定的发展，但也有 其固有缺陷。分组码的译码是以块为单位的，只有等整个码字接收完毕后才可 以开始译码。很明显，当数据长度过长时，系统引入的时延非常大。 1 9 5 5 年，e l i a s 等人提出了卷积副引。与分组码不同的是，卷积码的编码充 分利用了信息块的相关性。相同系统条件下，同等译码性能时，卷积码的信息 块长度和码字长度均比分组码的信息块长度和码字长度小，相应的复杂性也小。 卷积码没有像分组码那样完善严密的数学分析工具，但可以通过计算机搜索得 到性能较好的卷积码。卷秘码比较流行的译码算法有：序列译码算法，门限译 码算法，v i t e r b i 算法。卷积码在通信领域中有广泛的应用，如商业卫星通信系 统和太空探测器上都采用卷积码作为信道编码方案。在移动通信系统中，语音 通话业务也采用卷积码作为编码方案。 在1 9 9 3 年的国际通信会议上，b e r r o u 等人提出了t u r b o 码【4 】，该码优异的 性能立即在信道编码界引起了轰动，并掀起了研究t u r b o 码的热潮。 1 2t u r b o 码概述 b e r r o u 等人提出的t u r b o 码1 4 ，又称为并行级联卷积码( p c c c ) ，巧妙地将 卷积码和随机交织器结合在一起，实现随机编译码的思想，同时采用软输出迭 代译码来逼近最大似然译码，从而获得了极其优异的性能。仿真结果表明，当 采用交织长度为6 5 5 3 6 的随机交织器且迭代1 8 次，在信噪比e b n o _ o 7 d b 并采 用二元相移键控调制时，码率为1 2 的t u r b o 码在加性高斯白噪声信道上的误 比特率小于1 0 ，达到了与s h a n n o n 极限仅差0 7 d b 的优异性能。1 9 9 4 年，p y n d i a h 将t u r b o 码迭代的译码思想应用在乘积码的译码上，并提出t u r b o 乘积码( t p c s ： t u r b op r o d u c tc o d e s ) t 5 1 ，以区别于卷积t u r b o 码( c t c s ：c o n v o l u t i o n a lt u r b o c o d e s ) 。相对于卷积t u r b o 码，t u r b o 乘积码的特点是在码率较高时仍能获得较 好的性能，且译码复杂度较d , l 6 1 。( 注：在不引起混淆的情况下，文中的t u r b o 2 第1 章绪论 码指卷积t u r b o 码。) t u r b o 迭代译码思想的出现，在编码理论界引起了轰动，被看作自1 9 8 2 年 t c m 技术闻世以来，信道编码理论与技术研究上最伟大的成果。由于t u r b o 码 的优异性能只是从仿真结果中得出，并没有严格的理论分析和解释，所以自 t u r b o 码提出以来，有众多研究人员从不同角度对t u r b o 码进行了大量的研究。 有关t u r b o 码的原理、性能、理论分析以及应用等各个方面都取得了不同程度 的进展。 1 3t u r b o 码的研究现状 1 3 1 卷积t u r b o 码研究现状 t u r b o 码自提擞之尽起就成为信息论与编码理论雾热切关注豹焦点，国内乡 对t u r b o 码的理论研究和应用研究已经取得很多成果。 在t u r b o 码系统中，交织器是非常重要的组成部件，它使输入序列经过交织 以后尽可能随机化，减小校验比特之间的相关性。文献【7 】提出了一种新颖的交 织爨设计方案，该方案可以消除交织怎对信息眈特不等保护的问题。文献【8 】讨 论了不同的交织器设计对t u r b o 码性能的影响，提出了准循环交织器的设计。文 献【9 】提出了并行交织器的设计，可以大大减+ m a p 译码器的爵延。文献【l o 】分析 了t u r b o 码译码器的收敛性，给出了基于t u r b o 码最小和译码算法交织器的设计方 法。文献【ll 】中指如可以通过改进交织器的结构来使t u r b o 码译码并行进行。 t u r b o 码译码算法主要有最大后验概率( m a p ) 算法和软输出v i t e r b i 算法 ( s o w 0 两类。m a p 算法是一种最佳麴詹验概率算法，l o g m a p 和m a x l o g m a p 算法都是m a p 算法的简化形式。文献【1 2 】从利于硬件实现的角度对l o g m a p 算法 进行了简化，译码性能没有明显恶佬羹复杂度g l m a x l o g m a p 算法福当。文献【1 3 】 利用麦克劳林级数展开对数项得到一种改进的m a x l o g m a p 算法，在a w g n 信 道条件下，其性麓与l o g m a p 算法蒸本相当，虽该算法复杂度较低。在基于m a p 辣法的t u r b o 码译码器中，文献【1 4 】提出了两种新颖的高速递归译码结构，且译码 性畿基本保持不变。文献【1 5 】提出了基于互穗关度的信息度量方案并预测译码门 限，降低了硬件实现的复杂度和功耗，且该方案能在低信噪比下依据译码能力控 中山火学硕上学位论文 制迭代过程。在c d m a 系统中，将t u r b o 码译码输出信息反馈给多用户接收机作 为先验信息，可以降低迭代译码复杂度，增强多用户检测的性能【1 6 】。文献【1 7 】提 出了t u r b o 码的半迭代译码方案，并给出了对应的译码结构，在硬件实现时可节 省芯片面积。文献 18 】利用外信息方差之差作为迭代停止准则，该方法减少了译 码平均迭代次数，降低了译码计算量。文献 1 9 】考查了t w b o 码在二进制删除信道 上的性能。 随着t u r b o 码技术的不断完善，t u r b o 码及其迭代思想已经越来越多地被用于 和其它通信技术的结合上。例女i l t u r b o 码与调制结合、t u r b o 码与a r q 的结合、 t u r b o 多用户检测以及t u r b o 均衡器等技术【2 0 】【2 l 】【2 2 】。文献【2 3 】提出了一种新的迭代 均衡和译码方法，该方法针对频率选择性信道下的多级网格编码调制信号。文献 【2 4 提出了与编码调制技术柏结合的方案，不仅得到了优异的性能，而且还有较 低的译码复杂度。针对m i m o 、o f d m 系统的多天线干扰、码间干扰和载波间干 扰，l h e u n c h u l 等人在文献【2 5 】中提出的迭代检测和译码算法能够有效地利用时 间和空间分集，克服了数据传输在频带利用率、误码率性能以及传输速率上的许 多缺点。另外，t u r b o 码的迭代思想也被用于分布式信源编码和联合信源信道编 码技术中【2 6 j 。 在第三代移动通信系统( 3 g ) 中，具有代表性的3 g p p 的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a _ 三个标准中的信道编码方案均采用t u r b o 码【2 7 】f 2 8 】【2 9 1 ，用于高速率、高 质量的通信业务。t u r b o 码的译码较传统的纠错码来说复杂的多，表现在译码算 法的计算量非常大，导致的时延比较长，而这一点在3 g 通信系统中是一个不可 忽视的缺点。如何使t u r b o 码在现代通信系统中能有更好的应用，需要进一步的 实用化研究。 1 3 2t u r b o 乘积码研究现状 1 9 9 4 年，p y n d i a h 将卷积t u r b o 码的迭代译码思想运用在乘积码上，提出了 一种适用于所有线性分组码的基于软输入软输出的新算法，称之为分组t u r b o 码，后称之为t u r b o 乘积码。 文献 3 0 1 1 3 1 1 给出针对分量码的不同译码算法，一般来说，鉴于译码复杂度 的原因，选用c h a s e 算法3 2 邸1 的较多。文献 3 4 从高码率要求出发，首次给出 4 第1 章绪论 了以r s 码为分量码的t u r b o 乘积码的译码结构。文献 3 5 1 提出了行列并行迭代 译码的结构，该译码结构能减小译码延时和存储单元。文献 3 6 幂1 j 用线性分组 码的检错能力提出了一种新的迭代停止判决准则，该准则能平均节省1 5 次迭 代且译码性能没有明显下降。文献 3 7 1 提出了减少c h a s e 译码算法中试探序列个 数的方法，该方法中试探序列个数为c h a s e 2 算法中试探序列个数的一半。文 献【3 8 】提出了一种滑动编码窗算法，该算法译码性能有1 5 d b 的提升，但译码复 杂度也有一定的提高。文献【3 9 】根据码字的欧氏距离特性对外信息迭代的权值 进行估计，该方法提高译码性能的同时降低了译码的复杂度。文献【4 0 】讨论了 一种新型权值的外信息迭代，并讨论在c h a s e 译码中如何有效减少送入硬判决 译码器的试探序列个数。文献【4 l 】研究了以r s 码为分量码的t u r b o 乘积码 ( r s t p c ) 在r a y l e i g h 衰落信道上的译码性能。文献【4 2 】研究了高码率的r s t p c 在a w g n 信道下的性能，指出该类型的乘积码很接近理论限且拥有低译码复杂 度和低存储量的优点。文献【4 3 】讨论了t p c 码的自适应c l m s e 算法，与传统的 c h a s e 算法相比，该算法在达到相同性能的同时，降低了译码的复杂度。文献 4 4 】 从编码和译码两方面同时考虑，提出了一种针对扩展t u r b o 乘积码的低复杂度 译码算法，该算法大幅降低译码计算量，且性能有一定提升。 应用方面，t u r b o 乘积码已被i e e e 局域网和城域网标准8 0 2 1 6 ( 固定宽带 无线接入系统的空中接口) 作为一种可选的信道编码方式【4 5 1 。t u r b o 乘积码的 译码时延可以通过将多个子译码器并行而大幅度减小，在卫星通信、微波、 i - i d t v 、光纤、d v b 等领域也有应用1 4 6 1 。a h a 公司于1 9 9 9 年开发出t u r b o 乘 积码的编解码芯片，标志着t u r b o 乘积码已开始走向成熟和实用阶段【4 7 1 。后来， 该公司又推出数据率超过3 1 1 m b i t s 的a h a 4 5 4 1 专用编解码芯片，但该公司并 未公布其内部代码。文献 4 8 1 将t u r b o 乘积码应用于移动多媒体广播通信中，且 提出了一种可以克服部分时隙干扰的译码方案。和卷积t u r b o 码相比，t u r b o 乘积码译码复杂较小，相信以后t u r b o 乘积码会有越来越广泛的应用。 1 4论文研究意义 t u r b o 码性能优异，在通信领域多方面都有广泛应用。t u r b o 码的译码较传统 巾山大学硕上学能论文 的纠错码来说复杂得多，表现在译码算法的计算量非常大，译码时延长，这些缺 点限制了它在现代通信系统中的进一步实用化。在3 g 系统中，根据不同业务种 类的质量要求采用不同的信道编码方案。对于b e r 要求在l o 3 到l 酽量级的业务， 一般采用递归系统卷积码组成并行级联码编码方式，即t w b o 码。但对于实时性 要求较高的语音业务，仍然采用传统的卷积码作为信道编码方案。 随着互联网和现代通信系统的飞速发展，人们对信息传输的要求越来越高， 如高传输速率、高质量、低延时。和t u r b o 码相似，就目前来看，t u r b o 乘积码在 性能提升上也遇到了瓶颈，大部分的研究工作都集中在如何降低译码复杂度上， 以更好地应用于现代通信领域。本研究课题芷是基于此现实背景提出的，主要目 的是在保证译码性能不明显恶化的情况下，降低译码复杂度，从而减小译码延时， 具有一定的理论意义和实用参考价值。 重。5论文的课题来源及项目资助 ( 1 ) 国家自然科学基金顼霉( t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a u n d e rg r a n tn o 6 0 6 7 3 0 8 6 ) ( 2 ) 广东省科技计划项目( t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a no fg u a n g d o n g p r o v i n c eo fc h i n an o 2 0 0 6 8 5 0l010 0 3 ) ( 3 ) 广媸市科技计划项e t ( t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a no fg u a n g z h o uc i t y n o 2 0 0 7 2 3 - d 0 0 711 。 1 6文章结构安排 第l 章即本章，介绍了信道编码的发展情况，简述了t u r b o 码的提出及意义，同 时给出了卷积t u r b o 码和t u r b o 乘积码的研究状况。接着，介绍了课题研 究的背景和意义。 第2 章贪绍了t u r b o 码的编译码原理，包括卷积t u r b o 码和t u r b o 乘积码，给出了 t u r b o 码的主流译码算法。 第3 章详细介绍了提出的卷积t u r b o 码自适应门限译码方案，并介绍了 t d s c d m a 系统中t u r b o 码的应用环境，考察并分析了改进后的方案与传 统方案的性能与特点。 6 篇l 章绪论 第4 章详细介绍了提出的t u r b o 乘积码自适应门限译码方案，给出了改进后方案 的性能及分析。 第5 章对研究成莱进行了总结，提灞了本研究需要进一步解决的问题。 7 第2 章t u r b o 码编译码原理 2 1 卷积t u “o 码 2 i i 卷积t u r b o 码编码 t u r b o 码编码器的基本结构如图2 1 所示【4 9 】，它主要由两个递归系统卷积编 码器( r s c ) 、交织器和一个删余复用单元组成。递归系统卷积编码器是指带有反 馈的系统卷积编码器，其码率可设为r = 舶，k 为信息位长度，珂为码字长度。 交织器用来改变信息序列的排列顺序，获得与原始信息序列内容相同但排列不 同的信息序列。删余复用单元可改变t u r b o 码码率，因此通过删余复用单元 t u r b o 码可以获得不同码率的码字。 等一：一i 一+ 差叫)o r s c ll v l k 肌。f - - - 磊一“ 逮嘉盟一i d2 , p r s c 2 v 2 k ，筹 在t u r b o 码编码时，对输入的信息序列矾进行多次处理。一方面，将矾作 为系统输出信息序列v o k 直接送至复接器。另一方面，将破送至交织器，得到 一个比特位置已重排的新输入序列d 2 k ，然后将磊与d 2 k 分别送入两个分量编码 器。两个编码器r s c l 和r s c 2 对输入信息序列进行编码后得到校验序列分别 为，肚和吻七。为了提高码率，将序列1 ，儿和吻t 送全删余矩阵并周期地删除一些 校验位，形成校验位序列v 。最后，将v o k 和魄送至复接器，最终形成t u r b o 码编码后序列( v o k v k ) 。 9 巾山大学硕士学位论文 2 1 2 编码中的几个关键问题 在t u r b o 码编码中，选择r s c 作为分量编码器有以下原因。首先，r s c 码 具有系统码的优点。因为系统码在从码字恢复出信息序列时无需求逆运算，这 一特性使用户在译码时无需变换码字丽宣接对接收的码序列进行译码。所潋， r s c 相对来说译码简单、快速。其次，还可以从t u r b o 码重量分布的角度给予 解释。通过观察递归卷积码和非递嬲卷积码的低重量信息序列所产生的码字分 布情况，可以发现二者之间有明显的不同：低重量的输入信息序列经过非递归 卷积码编码器之后，只能产生低重的监督码元序列；而低重量的信息序列经过 递归卷积码编码器之后，输出的监督码元的重量分布在一个很宽的范围之内， 这是箕反馈特性所造成的。另外，非系统卷积码f n s c ) 的b e r 性能在商信嗓比 时比约束长度相| 司的递归系统码要好，而在低信噪比时情况却正好相反1 4 9 l 。递 归系统卷积码( r s c ) 综合了n s c 码和系统码的特性，虽然它与n s c 码具有相同 的t r e l l i s 结构和自由距离，但是在高码率( r 2 3 ) 的情况下，对任何信噪比，它 的性能均比等效的n s c 码要好。 在图2 1 所示的t u r b o 码编码器中，若不进行删余，则码率为l 3 ，这样的 码率对于深空通信等场合是适合的。但是对于卫星通信、个人移动通信等对带 宽利用率要求较高的场合，有时要求更高的编码效率。若要提高码率，则必须 加入删余机制( 即周期性删除选定的比特，以减少码信息的冗余度，提高码率) 。 对于迭代译码的情况，一般只删除校验位。 删余矩阵的元素取自集合 o l ，矩阵中每一行分别与两个分量编码器相对 应，其中0 表示相应位置上的校验比特被删除，丽1 则表示保留相应位置的校 验比特1 4 粥。若组成t u r b o 码的r s c 分量码码率为l 2 ，则未删余时t u r b o 码的 码率是l 3 。若要将码率提高到1 2 ，则可以采用矩阵 p = 作为删余矩阵实现。该矩阵p 表示分别删除1 ，从中位于偶数位和协中位于奇数 位的校验比特，合成后褥到校验比特序列魄。在接收端解复用时，用0 填充被 删除掉的符号。 l o 第2 章t u r b o 码编译码原理 2 1 3 交织器 交织实际上是将数据序列中元素的位置进行重置，从而得到交织序列的过 程。解交织是将交织序列中的元素恢复为原有的顺序，进而恢复原始序列的过 程1 5 0 1 。在t u r b o 码系统中，交织器是非常重要的组成部件，起着重要的作用， 主要体现在以下两方面。从码重层次看，交织器增大了校验码重，尤其是改善 了低码重输入信息序列的输出校码码重，从而增大了码的最小穗由距离，提高 了纠错能力。从相关性层次上看，交织器最大可能地置乱了输入信息序列的顺 序，降低了输入输患数据的相关性，使得邻近码元同时被噪声淹没的可能性大 大减小，从而增强了抗突发噪声的能力。 常用的交织器一般分为分组交织器、随机交织器。其中，随机交织器的作 用是把顺序输入的n 比特( 帧) 数据以随机( 或者伪随机) 方式打乱顺序后 稃输出。分组交织器是以某种系统的方式重组数据顺序。下面介绍交织器和解 交织器的工作过程【5 0 1 。 设交织器，的输入为： 豁= ( 壤，1 2 ，u ) 。 ( 2 一1 ) 其中， 0 ，1 ) ，= 1 , 2 ，n 。 交织映射输出序列记为： u = ( 掰1 ，u 2 ，材) a( 2 - 2 ) 其中，材毯 o ，1 ) ，= l ，2 ，n 。 序列材和序列豁仅仅是元素位置顺穿不同。如采把输入序列和交织输出序 列看成一对含有个元素的集合，则交织过程可以看成从集合u 到集合茹的一 个一一映射过程，即： k u i 崎聪 4 若定义集合 a = l ，2 ， ， 则交织过程也可以看成一个一一映射索引函数： 中山犬学硕士学位论文 i ( a 专彳) ：j = 1 ( 0 ，i ，j a 。( 2 3 ) 其孛i 和歹分别是原始序列豁窥交织序列, 中的元素位置索弓l 。 映射函数可以用交织矢量 1 n = 1 0 ) ，歹( 2 ) ，歹( ) ( 2 4 ) 表示。 2 1 4 卷积t u r b o 码译码器结构 t u r b o 码获得优异的译码性能的搬本原因之一是采用了迭代译码，通过交换 分量译码器之间的软信息来提高译码一t 生 | 邕t 4 j 。对于t u r b o 码这种并行级联译码， 如果分量译码器的输出为硬判决，则不可麓实现分量译码器之闽软信息的交换， 从而限制了系统性能的进一步提高。从信息论的角度来看，任何硬判决都会损失 部分信怠，因此，如果分量译码器( 内码译码器) 能够提供一个反映译码可靠性 的软输出，则其他分量译码器( 外码译码器) 也可以采用软判决译码。为此，人 们又提出了软输出译码的概念和方法，即译码器的输入输出均为软信息。 t u r b o 码译码器由两个软输入软输出( s i s o ) 译码器d e c l 和d e c 2 构成，它们 分别与编码器的两个编码擎元r s c l 和r s c 2 相对应。译码器中还有和编码器中结 构相同的交织器以及相对威的解交织器。图2 2 描述了基于m a p 算法的t u r b o 码译 褥器的基本结构，它采用了迭代循环机制，将一个译褥单元的软输出信息彳乍为下 一个译码单元的输入，以抉得更好的译码性能，这就是t u r b o 码译码器的基本工 作原理稍。 从图2 - 2 中可知，在霓时刻，译码器d e c l 的输) k 由x k 、y t k 和a 2 。( 吱) 三个部分 组成。其中x k 为发送端信息位对应的信道输出，y 雎为发送端校验位对应的信道输 出，a 2 。文 为先验信息。译码器d e c 2 的输入也鸯三个部分组成，不同的是，这 些输入信息均被交织器处理过。迭代过程可概括如下：x k 、y l k 和a 2 。( 以) 进入译 码器d e c l ，d e c l 根据特定的译码舅法进行译码，得到关于信息序列的似然比信 息，并计算外信息a l 。( 反) ，该外信息经过交织后，作为译码器d e c 2 的信息比特 1 2 第2 章t u r b o 码编译码原理 v 一 ；硬判决： l j ，d k 图2 - 2 基于m a p 算法的t u r b 0 码迭代译码结构 的先验信息。将信息序列磁送至交织器后得到x 2 k ，并将x 2 k 作为d e c 2 的系统 位输入信息。d e c 2 利用x 2 k 、蛐和人t 。( 畋) 根据指定算法进行译码，并产生相 应的似然比信息，其中的外信息人2 p ( 哦) 经过解交织后作为d e c l 的先验信息进 入下一次迭代译码。循环迭代若干次后，d e c 2 对解交织后的似然比信息进行 硬判决，得到最终译码结果。 2 1 5m a p 算法 m a p 算法即最大后验概率算法，该算法能使比特错误概率最小。19 9 3 年， t u r b o 码的发明者在最初的t u r b o 码迭代译码方案中将m a p 算法应用于分量码 的译码【4 】。下面介绍a w g n 信道条件下分量码的m a p 译码算法。 在介绍m a p 算法前，先给出相关符号的标识及意义。假定图2 1 所示的编码 器输入信息序列为吖= 碣，d 2 ，喀，d n ， 输出编码序列为 吖= c l ，c 2 ，g ，c 。假定t u r b o 码编码器的码率y 9 1 3 ，即去掉图2 - 1 中的删 余模块，则后时刻输出编码序列为c k = ( v o k ，v l i ，v 2 k ) ，其中v 弧为信息位，1 ，l k f i = i l v 2 k 为 校验位。编码序列经过调制并在信道上传输后在接收端得到的接收序列为 掣= 蜀，心，r ，r n ，其中r k = ( x k ，y j k ，y 2 k ) ，x k 是接收的信息序列，它与v 0 k 对应；y l k 和m 是接收的校验序列，分别对应于编码器输出1 ，l t 和嵫，如图2 2 所示。 中山大学硕士学位论文 & 是七时刻编码器的状态，人( 以) 是关于磙的对数似然比( l l r ：l o g a r i t h ml i k e h o o d r a t i o ) 。译码器( d e c ) 输出的对数似然比人( 矾) 可记为1 5 1 ： 人c d k