（通信与信息系统专业论文）移动通信中turbo码及turbo+tcm技术的应用与研究.pdf

原刨性声明 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：自盔垒 日期：量盟i ：圣 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了孵山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：白垫垒导师签 日期：趔! ! ： 山东大学硕士学位论文 中文摘要 本论文以计算机仿真作为主要研究手段，同时借助理论分析。在论文的开始，首先对 现代数字通信系统的组成进行了初步的介绍，接下来主要对t u r b o 码的编译码原理进行了 较为全面的分析，对t u r b o 码主要译码算法之一b c j r 算法的改进l o g - m a p 算法一进行 了详细的介绍，并通过公式等给出了具体的译码过程。t u r b o 码巧妙的编译码结构使其能 够利用独特的迭代过程计算得到信源的先验概率，使其能够发挥出最佳性能，从而形成了 t u r b o 码的主要概率译码算法l o g m a p 算法，同样这种特定的结构也使t u r b o 码获得了优 异的性能。本论文分别在a w g n 信道和r a y l e i g h 信道中，采用l o g m a p 译码算法对t u r b o 码在图像传输中的应用进行了仿真，并且得出了图像传输的仿真结果以及一些有用的实验 结果和结论。 在上述对t u r b o 码研究工作的基础上，本论文接下来通过对典型t u r b o 码以及t u r b o t c m ( t u r b o t r e l l i sc o d e dm o d u a l t i o n ：t u r b o 码网格编码调制) 方案的具体编译码方法的 比较与分析，阐明了1 、l r b o t c m 的l o g m a p 译码算法原理，并给出了具体译码算法。接 下来针对与t u r b o t c m 紧密联系的映射方案，我们具体介绍了u p 、b p 、m p ( u p u n g e b o e c k p a r t i t i o n i n g 、b p b l o c kp a r t i t i o n i n g 、m p - m i x e dp a r t i t i o n i n g ) 的映射规则，并进行了一定 的理论分析。随后在a w g n 信道和平坦r a y l e i g h 衰落信道中本论文分别进行了t u r b o t c m 的计算机仿真，分析并给出了其性能。本论文考查了在随机交织情况下已知信道边 信息时，不同迭代次数以及与不同映射方案相结合时对t u r b ot c m 性能的影响，通过计 算机仿真及理论分析发现，不论是在a w g n 信道中，还是在平坦r a y l c i g h 衰落信道中 t u r b o 码以及t u r b ot c m 均具有优异的性能，可以在较低的信噪比端达到很低的b e r ( b i t e r r o rr 她：误比特率) ，而且在上述两种信道中，t u r b o t c m 结合u p 映射的方案比t u r b o t c m 结合其他映射。如b p ，m p 映射的方案，可以取得更好的结果，同时给出了在不同 情况下所获得的性能增益。 山东大学硕士学位论文 最后，论文根据分析结论和计算机仿真，将t u r b o 码以及t u r b ot c m 应用于两种典 型韵信道环境下( a w g n 信道和r a y l e i g h 衰落信道) 的图像传输中，提出了一系列纠错 设计方案，这些方案具有迭代次数和映射方式选择两个自由度，设计灵活，能够分别满足 对时延、复杂度、功率有效性或是错误保护度的不同要求。 论文的结尾对所做工作进行了总结，提出了一些结论，对后续的一些工作，如算法 的进一步研究与简化、t u r b o 码的作为分量码的其他应用以及今后需要做到的硬件实现工 作进行了展望。 关键词：t u r b o 码l o g - m a p 算法，t u r b o t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ( t u r b ot c m t u r b o 网格编码调制) ，平坦r a y l e i g h 衰落信道 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew o r ki nt h i st h e s i si sm o s t l ya c c o m p l i s h e db ym e a n so fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n d t h e o r e t i c a la n a l y s i s f i r s t l y , w ei n t r o d u c et h eb a s i cs l r u e t u r eo fm o d e mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e nw ef o c u so nt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gt h e o r yo f t u r b oc o d e sa n de x p l a i nt h e d e c o d i n ga l g o r i t h mi nd e t a i li nt h i st h e s i s ，e s p e c i a l l yt h el o g - m a pa l g o r i t h mt h a ti sb a s e d o nt h ei m p r o v e m e n to fb c j ra l g o r i t h m - t h eb a s i cd e c o d i n ga l g o r i t h mo ft u r b oc o d e s w e g i v e t h ei d i o g r a p h i cd e c o d i n gp r o c e s sb yf o r m u l a s t u r b oc o d e sc a ng e te x c e l l e n t p e r f o r m a n c eb y i t sa c p u i r e m e n to fa p r i o r ip r o b a b i l i t yo ft h ei n f o r m a t i o ns o u r c e i t s w o n d e r f u le n c o d e r d e c o d e rs t r u c t u r ea n di t si t e r a f i v ed e c o d i n ga l g o r i t h m ，w h i c hf o r mt h e l o g - m a pa l g o r i t h m ，d e d i c a t et ot h ea c q u i r e m e n t e x t e n s i v es i m u l a t i o na n da n a l y s i sa r e p e r f o r m e do nt u r b oc o d e si ni n l a g et r a n s m i s s i o no v e rb o t ha w g nc h a n n e l sa n df l a t r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s w eg e tt h er e s u l t so ft h ei m a g et r a n s m i s s i o na n ds o m eu s e f u l c o n c l u s i o ma r eg i v e n t h e ni nt h es e c o n dp a r to f t h i st h e s i s ，b a s e do nt h er e s e a r c ho f t h et u r b oc o d e sa n di t s c o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m ，w ec o m p a r ea n da n a l y z et h ed e c o d i n ga l g o r i t h m so ft u r b oc o d e s a n dt u r b ot c m ( t u r b ot r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) i nt h ef o l l o w i n g ，w ei l l u m i n a t et h e l o g - m a pa l g o r i t h mo f t u r b ot c ma n dg i v et h ed e c o d i n gp r o c e s si nd e t a i l s b e c a u s eo f t h e m a p p i n gs t r a t i g e sw h i c hc o m b i n ew i t ht h et u r b ot c mt i g h t l y , w ei n t r o d u c et h et h r e e m e t h o d so fs e tp a r t i t i o n i n g , u p , b pa n dn i p ( u p - u n g e b o e e kp a r t i t i o n i n g 、b p - b l o c k p a r t i t i o n i n g 、m p m i x e dp a r t i t i o n i n g ) ，a n dg i v es o m et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h e n , t h e c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dr e r f o r m a a c ea n a l y s i s i sd o n ef o rt y p i c a lt u r b ot c mo v e rb o t h a w g nc h a n n e l sa n df l a tr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tt u r b od e c o d e r i t e r a t i v el i m e s ，d i f f e r e n tm a p p i n gs t r a t e g i e su p , b e , m p ) ，a n dt h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c e a n a l y s i sa me x a m i n e da n da n a l y z e di nt h ec o m d i t i o nt h a tw eu s et h er a n d o mi n t e r l e a v e ra n d t h ec h a n n e ls i d ei n f o r m a t i o ni sk n o w n t h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h e o m t i e 2 d a n a l y s i s ，w eg e tt h a tt u r b ot c mw i t hu pc a na c h i e v eb e t t e rp e r f o m a n c et h a ni tc o m b i n e s w i t ho t h e rm a p p i n gs t r a t e g i e so v e ra w g na n dr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l s ，a n dw eg i v et h e p a r t i t i o n i n gg d nt h a tw eg e ti nd i f f e r e n tc o n d i t i o m i nt h ee n d f o l l o w i n gf r o mt h ew r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dt h ec o n c l u s i o n s ，w ee x p l o r e t h ea p p l i c a t i o no ft u r b ot c mi nt h ew i r e l e s si m a g et n m s m i s s i o ni nt w ot y p i c a lc h a n n e l e n v i r o n m e n t s ，a n dp r o p o s ea s e r i a lo fe i t o rc o n t r o ls c h e m e s t h e s es c h e m e sh a v ef l e x i b l e d e s i g n sa n dc 锄r e s p e c t i v e l ys a t i s f yd i f f e r e n td e m a n d so i lc o m p l e x i t y , t i m ed e l a y , p o 懈 e f l i c i e n c ya n de i t o rp r o t e c t i o nd e g r e e s a tt h ec o n c l u s i o no f t h i st h e s i sa r eas u m m a l 呵o f t h e a c c o m p l i s h e dw o r ka n dm yo u t l o o ko f t h es u c c e s s i v er e s e a r c h k e yw o r d s ：t u r b oc o d e s ，l o g - m a pa l g o r i t h m ，t u r b ot r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ( t u r b o t c m ) ，m a p p i n gs u a t e g i e s ，f l a tr a y l e i g hf a d i n g c h a n n e l s 4 山东大学硬士学位论文 符号说明 p d f p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n 概率密度函数。 0 2 白高斯噪声的双边功率谱密度。 盯。2白高斯噪声的方差。 q ，x j 高斯补余误差函数，q r x ，! 压p e - y 2 2 d y 每个信息比特的能量。 e 每个调制信号的能量。 p c * 1 ，信道转移概率。 a w g n 加性白高斯噪声。服从正态分布，彼此相互独立，且独立于传输信号。 f l a t - f a d i n g 即非频率选择性衰落，所有频率成分的衰落增益都相同。 b c j r 提出b c j r 算法的四位学者的名字的开头字母。 m a pm a x i m u m a - p o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y 最大后验概率。 l o g - m a p 对数域最大后验概率。 n 传输的信号的帧长。 kt u r b o 码中卷积码的约束长度。 mt u r b o 码分量编码器寄存长度，m = k - i 。 k 相应的时序，k l ，n 。 “tk 时刻t u r b o 编码器的输入信息比特。 q循环系统卷积玛k 时刻产生的绽码符号。 x 。t u r b o 码k 时刻编码调制后的信号。 x ：系统信息对应的调制信号；工f 校验信息对应的调制信号。 儿t u r b o 译码器k 时刻接收到的信号。 山东大学硕士学位论文 “系统信息对应的接收信号：吖 校验信息对应的接收信号。 m o d 求余运算。 b e rb i te r r o rr a t e ，误比特率。 p s n rp e a ks i g n a lt on o i s er a t i o 峰值信噪比。 m s em e a n s q u a r ee r r o r , 均方误差。 c s ic h a n n e ls i d ei n f o r m a t i o n , 信道边信息。 u p u n g e r b o e e kp a r t i t i o n i n g ，u p 集分割。 b pb l o c kp a r t i t i o n i n g ，b p 集分割。 m pm i x e dp a r t i t i o n i n g ，m p 集分割。 6 山东大学硕士学位论文 刖吾 随着现代通信技术的发展，数字通信系统在现代社会中发挥着越来越重要的作用， i n t e r n e t 、g s m 与c d m a 等移动通信系统，无一不说明了这一巨大的作用。在数字通信 系统中，信道上传输的数字信号由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响不可避 免的会发生错误。为了在已知信噪比的情况下达到一定的误比特率指标，可通过合理 设计基带信号，进行编译码处理，选择调制、解调方式，采用频域均衡或时域均衡， 图0 i 数字通信系统框图 使误比特率尽可能降低。但若误比特率仍不能满足要求，则必须采用信道编码，即差 错控制编码，将误比特率进一步降低，以满足指标要求。图0 1 是典型的数字通信系统 框图。 许多信道都可以用含有加性白高斯噪声的a w g n 信道模型来加以描述，但是，在 许多实际无线通信中，信号衰落常常导致信道具有时变性。衰落是由信道增益的随机 性造成的。衰落会对未编码系统的误码性能产生十分恶劣的影响，为了提高系统的抗 干扰能力，人们对信道编码的研究已经并且正在逐步深入，信道编码己成为改善通信 可靠性的重要录段。信道编码器按照某种确定的约束关系在被传输的信息序列中附加 、 上一些冗余序列，两者共同构成编码序列。在接收端，信道译码器按照既定的规则对 接收到的码序列进行检验，就可以发现错误，进而还可以纠正错误，于是系统的误码 性能便得到了改善。 山东大学硕士学位论文 目前两类最典型的纠错码是分组码和卷积码。1 9 9 3 年，c b e r r o u ，a g l a v i e u x 等 几位法国学者提出了名为t u r b o 码的编译码方案 3 】。t u r b o 码综合了分组码和卷积码的 构造思想，它的编码采用相对比较简单的循环系统卷积( r s c ) 码作为分量码【2 3 】，分 量码之间通过交织器相连而构成低码率的级连码；译码时，反馈迭代的过程使其性能 得以逐步改善。实验证明，在a w g n 信道中，t u r b o 码可以获得接近s h a n n o n 限的优 异性能【3 】。 1 9 9 3 年以后，对于t u r b o 码的研究掀起了热潮，人们对t u r b o 码的性能和设计规 则进行了大量的研究，并已取得了丰硕成果。对交织器的设计、译码算法的实质、以 及分量码的选择、帧的大小和迭代次数对t u r b o 码性能的影响都有了更进一步的认识。 作为一种性能优异的纠错码，人们对t u r b o 码在无线通信中的应用寄予了厚望已有 许多第三代通信系统拟在其信道编码方案中采用t u r b o 码，例如c d m a 2 0 0 0 1 2 2 】。到目 前为止，很多工作还仅局限于a w g n 信道，有关衰落信道中的研究，除了文献 8 1 1 2 1 3 】 之外，就所见不多。在【1 2 】中。g o f f 等人考查了一种在r a y l e i 曲衰落信道中具有优良 带宽有效性的t u r b o 码方案，而ek h a l l 在其硕士论文中对t u r b o 码在r a y l e i g h 衰落 信道中的性能和设计方案进行了初步研究 8 】，以上研究也未涉及t u r b o 码的应用。 本论文首先考查了t u r b o 码在a w g n 信道中的纠错性能，并对凸l r b o 码方案中的 若干关键问题进行了研究，接下来全面探讨了a w g n 信道和r a y l e i g l l 信道环境中， t u r b o 码在图像传输中的应用，以期能够给t u r b o 码在第三代通信中的应用提供更多有 益自争参考和依据。另一方面，网格调制编码( t c m - t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 技术通过 在欧氏空间中对编码和调制的综合优化可有效提高频带利用率以及通信系统的传输 性能。近年来，有关t c m 的研究更多的集中在应用领域，并且有越来越多的注意力投 向移动通信领域。移动无线衰落信道是目前己知的最复杂的信道，既频带受限又功率 受限，而且信道衰落造成的长突发错误对典型的t c m 方案提出了挑战。因此，从降低 误码率和提高数据传输率的角度出发，将t u r b o 码与网格编码调制技术相结合的t u r b o 山东大学硕士学位论文 t c m ( t u r b ot r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ：t u r b o 网格编码调制) 方案是移动衰落环境下的 理想选择。然而，我们同时也应该注意到t u r b ot c m 好处是以系统复杂度以及发射功 率的增加为代价的，因此能够综合考虑系统复杂度、发射功率和纠错性能的译码方案 显得尤为重要。 9 山东大学硕士学位论文 第一章数字通信系统与移动通信环境 数字通信系统的数学理论基础是 9 4 8 年由c e s h a n n o n 在他的著名论文a m a t h e m a t i c a lt h e o r yo f c o m m u n i c a t i o n ”f 1 e e 奠定的。根据信道中传输的是模拟信号还 是数字信号，可以将通信系统分为两类：模拟通信系统和数字通信系统。2 0 世纪6 0 年代以后，数字通信日臻完善和兴旺，甚至目前出现了数字通信替代模拟通信的某种 趋势。除了计算机的广泛应用需要传输大量数字信息的客观要求外，数字通信迅速发 展的基本原因是它与模拟通信相比，更能适应对通信技术越来越高的要求。第一，数 字传输的抗干扰能力强，尤其在中继时，数字信号可以再生而消除噪声的积累；第二， 传输差错可以控制，从而改善了传输质量：第三，便于使用现代数字信号处理技术来 对数字信息进行处理；第四，数字信息易于作高保密性的加密处理：第五，数字通信 可以综合传递各种消息，使通信系统功能增强 2 4 】。 1 1 数字通信系统的组成 典型的数字通信系统可用图1 1 1 所示的框图表示。 图1 1 1 数字通信系统模型 信源编码器的任务是将信源输出变换成有效的数字序列，通常是二进制数字序列 o 山东大学硕士学位论文 考虑到普通的二进制数字序列相对于其所携带的信息量而言，总存在或多或少的冗余 度( r e d u n d a n c y ) ，所以我们通信的一个目的就是设法消除这种冗余度从而实现通信的 高效性；另一个主要任务就是通过适当的编码，以保证数字通信的有效性( e f f i c i e n c y ) 。 因为本论文主要研究信息的可靠性传输问题。所以信源编码器不属本论文的研究范围。 信道是传送信息的物理媒体。媒体的选择可以多种多样，比如，自由空间、微波、 光纤、同轴电缆等等。由于实际信道都不是理想的，都存在噪声和干扰，根据噪声的 不同类别，可以将信道分为加性白高斯噪声信道( a w g nc h a n n e l ) 和衰落信道( f a d i n g c h a n n e l ) 。为了克服传输过程中的噪声和干扰，增加数据传输的可靠性，通常要采取差 错控制编码技术，即信道编码。在发送端由信道编码器按着某种确定的约束关系给被 传输的信息序列附加一些监督码元，以构成编码序列。在接收端，信道译码器按照既 定的规则检验接受到的码序列中的信息码元与监督码元之间的关系，一旦传输过程中 发生错误，信息码元与监督码元之间关系将受至破坏，从而可以发现错误，纠正错误。 信道编码作为一种有效而又基本的抗干扰技术目前已成为现代通信系统中不可分割的 一部分，是本论文的研究重点。数字调制器是把信息序列变换成适合于传输信道特性 的信号的部件，它将信号向量一对一地映射成波形信号的形式。 数字解调器处理接收到的每个持续时间为了秒的波形并产生一个可能是离散的 ( 量化的) 、或连续的( 未量化的) 输出。最后一个步骤，当希望得至模拟的信号输 出时，信源译码器接收了信道译码器的输出序列，并根据信源编码的坶则去恢复信源 的原始信号。 由于信道编码和译码是本论文的主要研究内容，为突出重点， ( 1 ) 把信源和信源 编码器合并成数字信源；( 2 ) 把调制器、信道和解调器合并成编码信道； ( 3 ) 把信 源译码器和信宿合并成数字信宿，见图1 i i 。 本论文主要研究了9 3 年提出的一种性能优异的差错控制码型m l r b o 码【3 】以及 采用t u r b o 码的高效调制技术t u r b ot c m ，分析了l o g - m a p 译码算法的实现、性能及 山东大学磺士学位论文 t u r b o t c m 在数据，图像传输中的应用。 除了差错控制编码，另一种克服信道干扰的途径是增加信号的发射功率。出于冗 余度的增加意味着信道带宽的增加，因此可以说信道带宽与发射功率之间是可以互换 的。如何在发射功率一定的限制下，尽可能地降低信道编码的冗余度，从而提高信息 传输率，即“不展宽频带编码”，是许多信息论学者正在研究的问题。 1 2 数字通信系统的性能指标 在数字通信系统里，主要的性能指标有两个，即传输速率和差错率。 ( 1 ) 传输速率，它通常以码元传输速率来衡量。码元传输速率，又称码元速率或传 码率。它被定义为每秒钟传送码元的数目，单位为“波特”，常用符号“b ”表示。二 迸制码元速率眉也与n 进制码元速率足唧闺的转换关系： r 如= 尺l 0 9 2 川b j ( 1 2 1 ) 传输速率还可用信息传输速率来表征。信息传输速率又称信息速率或传信率。它 被定义为每秒钟传递的信息量，单位是比特，秒，或记为b i f f sc o p s ) 。在n 进制下的信息 速率如( b i f f s ) 与码元速率足吼r b ，问的关系有： 如= r b i 0 9 2 n ( b i t s ) ( 1 2 2 ) ( 2 ) 差错率，它是衡量系统正常工作时，传输消息可靠程度的重要性能指标。差错 率有两种表述方法：误码率和误信率。 所谓误码率，是指错误接收的码元数目在总码元数中所占的比例，或者更确切地 说，误码率即是码元在传输系统中的被传错的概率。 所谓误信率，又称误比特率，是指错误接收的信息置在传送信息总量中所占的比 例，或者说，它是码元的信息量在传输系统中披丢失的概率。本论文在分折信道编码 山东大学硕士学位论文 的纠错性能时采用误比特率。 1 3 1a w g n 信道 1 3 移动信道特征与建模 实际信道的传输特性不理想，环境噪声以及来自其它各方面的干扰都会使信号在 传播过程中发生畸变。衰落、多辐射传播、符号间干扰、非线形畸变和加性噪声都属 于传播媒质引起的畸变。如果我们只考虑加性白高斯噪声这一个畸变源，则这时的信 道就是一个a w g n 信道。 假设x ( t ) 是信道的输入限带信号，而y ( t ) 是对应的输出信号。对于a w g n 信道来 说，其输出为，= 石一，+ ，j ，刀一，表示加性噪声过程的样本函数。吖 、y ( ，) 和玎( ，) 可以展开成完整的正交函数集合，如下式所示： y ( t ) = y i f i ( t ) 工r f j = z x i h ( t ) 域t ) = 工n i 1 ) ( 1 _ 3 1 ) 函数m ( f ) 是在间隔( o ，t ) 上的一个完整的正交基，仉 ，瓴 和饥 是对应于展 开式中的系数集合，剐 = 拟t ) f f ( o a t = 耵x + n ( t ) l f f ( o a t = 而+ n f ( 1 3 2 ) 晖是高斯型的，因此 p ) = 赢1 e 叱1 吲，2 ， ( 13 3 ) 通过选择u ( ，) ) ，可以使饥) 不相关，因为它们是高斯型的，所以它们也是统计独立的， 我们可以用展开式中的系数来表征信道的特征，对于任意n 有： p r y ，y 2 ，y x ，工? ，工j = n n 吖y f x f j ( 1 3 4 ) 山东大学硕士学位论文 这样信道就等效为离散时间信道。 在a w g n 信道中，疗一j 是静态高斯随机过程r 的一个样本函数，均值为0 ，双 边功率谱密度为n 哆幺，并且它与信号x ( ，) 之间是相互独立的。由于实际系统中 x ( r ) 是带宽有限信号，我们假定r r ，的带宽也不是无限的。只是大大超过x 【f ) 的带宽。 实际信道中存在的热噪声( 由电路中的导体的自由电子的布朗运动引起) 、散弹噪 声( 由真空电子管和半导体器件中电子发射的不均匀性引起的) 和宇宙噪声( 天体辐 射波对接收机形成的噪声) 都可以认为是一种高斯噪声，且在相当宽的频率范围内具 有平坦的功率谱密度，所以这三种噪声常常被近似地表示成高斯白噪声。 虽然这样一个嗓声模型具有很多局限性但是它结构简单，便于分析，而且在许 多情况中能够精确地反映通信系统中地实际情况，如直接可视范围内的宇宙通信和卫 星通信。 1 3 2 移动衰落信道 与其它通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种，其显著特点是带宽和功率受 限、非线性以及存在多径衰落现象【8 】。衰落现象严重恶化接收信号的质量。影响通信 可靠性。对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题所以要在这样的传 播条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。 目前主要的抗衰落技术包括分集、扩频，跳频、均衡、交织和纠错编码等。 研究和开发移动通 莨系统，第一步也是关键的一步工作就是认识移动信道的特征。 移动信道的衰落特性取决于无线电波传输环境。不同的环境，其传播特性也不尽相同。 例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传输环境有很大的不 同，在地形和地况复杂的城市中，发射信号主要通过多条反射路径到达接收机，几乎 不存在直射分量；而在平坦开阔的农村到达接收机的主要是直射分量，反射分量及 其它分量较少。由于传播环境的复杂性，使得移动信道的特性也十分复杂。不同地点 1 4 山东大学硕士学位论文 的移动信道，其特性也不相同。影响某个特定区域的传播环境的主要因素有 ( 1 ) 自然地形( 如高山、丘陵、平原或水域等) ( 2 ) 人工建筑的数量、高度、分布和材料特性； ( 3 ) 该地区的植被特征； ( 4 ) 天气状况： ( 5 ) 自然和人为的电磁噪声状况。 同时，对于移动台由于移动带来的多普勒频移也是一个不可忽视的因素。 目前对移动信道进行研究的方法主要有以下三种：理论分析、现场电波传播实测 和计算机方针。 由于受多种因素的影响，移动信道是非常复杂的。用一个通用模型将影响移动信 道的全部因素都考虑在内，是不现实的。现实中，大量的理论分析和现场测试已经给 出了许多有关其信道特性的结果。其中有些给出了精确的数学描述，另一些则给出了 信道的统计模型。 下面主要介绍比较常用的统计信道模型【l5 】。 理论分析和实测试验结果表明，在移动环境中接收信号的幅度在大多数情况下符 合瑞利r a y l c i g h 分布( 没有直射波分量( l o s ) 的情况) ，在有些情况下，则更符合莱斯 分布( 存在直射波分量的情况) 。本文以r a y l e i g h 分布的移动信道作为主要研究对象。 移动信道的统计模型如图1 3 ，1 所示。信号在移动信道中受到乘性干扰和加性干扰 的双重影响。 x f t )雄) a ( t e l t ) n i t ) 图t 3 ! 移动信道的统计模型 根据本节上面的论述，假定接收端采用相关接收可得 r2a si +n ( i 3 5 ) 1 5 山东大学硕士学位论文 其中r ；( ，i 一，r l ( 。) ) 表示接收矢量，n ；( 玎。n 。，”州_ 1 ) ) 为一随机矢量，代表信道 中的加性白高斯噪声，其中的每个元素都是零均值、方差为0 2 的高斯随机变量：对 - 于r a y l e i g h 信道，a 是一服从r a y l e i g h 分布的随机变量，对于莱斯信道，口服从莱斯分 布。 对f f - r a y l e i g h 分布，a 的概率密度函数( p d f ) 为： 一 乃2 毒e i ( 1 3 6 ) 衰落包络的平均能量为： e a2 卜2 0 - ：( 1 3 7 ) 其中，口可以有两个不相关的方差为刃的g a s i a i i 随机变量。，( f ) 与( ，经过下式运 算得到： 口= 厅砭 当a 是符合r i c i a n 分布的随机变量，具有如下的概率密度函数 ( 1 3 8 ) n ( 口) = 2 口( 1 + 础帕以嘲，。( 知扛i 甬5 ) ( 1 - 3 9 ) 其中，口可以有两个不相关的方差为z 的g a u s s i 趾随机变置口，( ，) 与口口( ，经过下 式运算得到： 口= 扣石而7 ( 1 3 1 0 ) 式中，a 为一常数，代表直射波分量的幅度，k 称为r i c i a n 参数，表示直射分量与散射 分量的能量之比即： 置= 鲁 ( 1 _ 3 1 1 ) 2 本文采用上述移动信道的统计模型，也称波形信道模型，并假定信道为r a y l e i g h 衰落信道。当然，如果取a = l ，则图1 3 1 即为a w g n 信道的统计模型。 山东大学硕士学位论文 1 4 数字通信中的调制和解调技术 实际通信中不少信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某 些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓调制。在本章 中我们将讨论以正弦波作为载波，调制信号为数字信号的数字调制系统。 100l 刚，厂广 - ， 2 a s k _ m 户， ( 口) l00l ，厂厂 ， 2 f s k 以棚户r i ! t 、 ( b ) l001 巾，r n 2 p s k l 八户r 0 t 0 石 ( c ) 图1 4 1 正弦载波的三种键控波形 ( 口) 幅度键控( 6 ) 频移键控( c ) 相移键控 数字调制也有调幅、调频和调相三种基本形式，并有二进制和多进制之分。在发 送端数字调制用载波信号的某些离散状态来表征所传信号，在接收端只需对载波信号 的离散调制参量进行检测。因此，数字调制信号也称为键控信号。在二进制时的幅度 键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 三种基本信号形式如图1 4 1 所示。 根据已调信号的频谱结构特点的不同，数字调制也可分为线性调制和非线性调制。幅 度键控属于线性调制，而频移键控和相移键控属于非线性调制，这些特点与模拟调制 是相同的。 本章主要研究在实际中已经得到广泛应用的数字调制技术，尤其对t u r b o 码中通 常使用的二进制相移键控进行了着重讨论，包括它们的原理和性能。本章还讨论了解 调器的解调以及数字信号的最大似然接收。 1 4 1 数字通信中常用的调制技术 1 5 2 4 】 调制信号是二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。常见的二进制数 字调制方式即二进制幅度键控、频移键控和相移键控，其中本论文所研究的t u r b o 码 山东大学硕士学位论文 方案中所采用的调制方式是二进制相移键控( b p s k ) 【3 】。 1 4 1 1 二进制幅度键控( 2 a s k ) 在这种调制方式中最简单的形式是载波在二进制调制信号l 或0 的控制下通或断 ( 如图1 4 1 ( a ) ) ，因而它被称为通断键控( o o k ) 。它的时域表达式为 s o o x ( t ) = l e a n g r ，- n r ) j c o s o ) c f ( 1 41 ) 这里，t 表示信号间隔，g r r j 是持续时间为瓦的矩形脉冲，而口。为二进制符号， ”括爝荔f 1 p j ( 1 4 2 ) 由( 141 ) 式可知这是一个双边带调幅信号，若二进制序列的功率谱密度为只阳， s o o k ( t ) 的功率谱密度为e o o x ( t o ) ，则有 p o o x ( d o ) 2 专f 只细一国c ，+ p , ( 0 2 + 刀 1 4 1 3 ) 因而二进制幅度键控信号的频谱宽度是二进制基带信号的两倍。 o o k 信号有两种基本的解调方法：非相干解调( 包络检波法) 及相干解调( 同步 检测法) 。b a s k 方式是数字调制中出现最早的。也是最简单的。这种方法摄初用于电 报系统，但由于它的抗噪声能力较差，故在数字通信中用的不多。不过，二进制幅度 键控是研究其它数字调制方式的基础 1 5 1 。 1 4 1 2 二进制相移键控( 2 p s k 或b p s k ) 二进制相移键控中，受键控的载波相位随调制信号1 或0 而改变，通常用相位0 和 万来表示l 或0 ，如图1 4 1 ( c ) 所示b p s k 已调信号的时域表达式为 s b e s r ( t ) = z a 。g ( t - n r ) l c o s o j c t ( 1 4 4 ) 这里，a 。与前两种调制方式不同，有 山东大学硕士学位论文 铲髓徽( 1 - p ) ( 1 4 5 ) 因此在某个信号间隔t 内观察b p s k 已调信号时，有 s s e s x ( t ) = + c o s o ) f t = c o $ ( 6 - o c t + 卉j ，办= d 或打 ( 1 4 6 ) 当数字信号传输速率f 毵，与载波频率问有确定的倍数关系，双极性基带信号以等概 率出现时，由上式可知b p s k 信号中将不含直流分量，是抑制载波的双边带调制。这 一结论也同样适用于基带信号为其它形式时的b p s k 信号。 比较( 1 4 4 ) 与( 1 4 1 ) 两式可见，它们形式上是完全相同的，所不同的只是a 。的 取值，因此b p s k 信号的功率谱密度可以写成如下式所示 p b p s k l ) 。之隅1 0 ) - - 0 c ) + p s + m c ) j = 丢正胪佃+ 出。卅2 + l g r m 一。j 1 2 7 ( 1 4 7 ) 其中g r j 是“，j 的频谱函数 g r ，= l ( 1 4 8 ) 图1 ，4 2 b p s k 相干解调器 b p s k 解调必须采用相干解调，为得到同频同相的本地载波，常用的载波恢复电路 有两种，平方环电路和科斯塔环( c o s t a s ) 环( 2 4 】。解调过程如图1 4 2 所示。由于二进 制相移键控系统在抗噪声性能方面的性能优越，因而被广泛的应用于数字通信系统中。 1 9 山东大学硕士学位论文 本论文对t u r b o 码的方针都是采用b p s k 的调制方式。 多进制数字调制是利用多进制数字基带信号去调制载波的振幅、频率和相位，相 应的有多进制振幅键控、多进制频移键控以及多进制相移键控等三种基本方式。由于 m 进制数字调制中每个符号可以携带l o g ，m 比特信息，因此当信道频带受限时可以 增加信息传输率，提高频带利用率。同二进制调制相比，其频带利用率得到提高所 付出的代价是增加信号功率和实现上的复杂性。随着无线通信技术的发展，多进制数 字调制技术的应用已经越来越广泛了。下面简单讨论一下多进制相移键控。 1 4 1 3 多进制相移键控( m p s k ) 多进制相移键控信号中，载波相位有m 中取值，所对应的m 种持续时间为r s 的 符号可以表示为 s i f 俨再雠吣啦) , o a ta 训_ mi 这里，e ，为单位符号的信号能量，即0 f 蔓瓦时间间隔内的信号能量a 蛾的取值通常 为等间隔，即 氟= 争鲫圳硝一l ( 】4 1 0 ) j i 、厂 夕 图1 4 3m = 4 ，0 = 0 护为初相位。m p s k 信号还可以用矢量图来描述，如图1 4 3 所示，图中所描述的是 4 p s k 。4 种相位分别是以；巩等，它们分别对应于信息1 l 、。1 、o o 和i 。 4 p s k 也称为q p s k 是多相制中使用最广泛的一种调制方式，q p s k 信号的产生与 2 p s k 信号一样，有调相法和相位选择法，它的解调也可以采用同2 p s k 类似的方法， 山东大学硕士学位论文 两个2 p s k 信号相干解调器