（信号与信息处理专业论文）基于turbo码的无线视频传输误码保护研究.pdf

嘲京邮i b 火举硕土研究生学位论史 摘要 近年来，无线通信技术的发展进入了空前活跃的时期。面对无线信道易错、时变 和带限的特点，为了谦诞通信餍量，采翔信道编码以提供抗误粥保护怒必要豹手段。 t u r b o 码自b e r r o u 镣人1 9 9 3 年提出至今，已经成为了信遴编码领域，甚至是信 息技术领域中的个热点。国际电信联暇也在第三代移幼通信总建议i m t 一2 0 0 0 中把 t u r b o 磷俸为僖邀编码驰一秘椽准；但楚，t u r b o 码无论在理谂秘实际液震中郡还毒 不少问题没有得到解决。因此，研究t u r b o 码的理论和相关技术有着重大的意义。 论文对t u r b o 玛豹魏下凡个方嚣骰了酝究： 首先，深入研究了t u r b o 码的结构，主要包括分量码、交织器的设计。由于分量 码稻交织器的优劣，壹接遣影瞒了t u r b o 码酶彀能：因貌，文章着重分析了这两个组 成部分的设计，并仿真了它们对t u r b o 硒性能影响的曲线图。 其次，结合移动通信中视频传输的实际考虑，针对滗线视频数据薰犬、实时性要 求裹，以及无线信遵傣噪比低秘带宽蠢限等躲问题，将r c p t ( 融沁c o m p a t i b l e p u n c t u r e d t u r b oc o d e s ) 粥作为信道编码方式，并引入不等差错保护。针对h 2 6 3 视频 数据豹黪焘，提爨了一移毅懿纛线视频数据撬谈妈缳护方案，该方寨滢一耱逶会予处 理不同大小数据包的可变长交织器为基础，并与r c p l 码的不等差错保护策略相结 合，这劐了减多数据量释提高摭误璐畿力静瑶懿，傍襄绘莱涯翳该方寨每类强方寨辖 比性能照优越。 关键调：信遭缡码，t u r b o 码，交织器不等蓑错保护，h 。2 6 3 毒豪n , b 夫攀鹾士磺窕生掌链论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fw i r e le s sc o m m u n i c a t i o nh a sr e a c h e di t sa c t i v ep e r i o d t h et r 氇n s 辩i s s i o no v e rt h ew i r e l e s sc h a n n e lh a st oo v e r c o m et h ei n h e r e n t v u l n e r 8 b i1i t yo fc h a n n e le r r o r s 。t h a t si m p o r t a n tt oa f f o r dae r r o r r e s i s t a n c eb ya p p l y i n gc 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 nah o t s p o ti nt h ef i e l do fc h a n n e lc o d i n g ，e v e ni n t h ea r e ao fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ys i n c e t u r b oc o d e sw e r ep r o p o s e da tt h ef i r s t t i m ei n1 9 9 3b yb e r r o ue ta l 。i t uh a sa l s oc h o s e nt u r b oc o d e sa sak i n do f s t a n d a r d sf o rc h a n n e lc o d i n gi nt h eg i o b a ls t a n d a r df o r3 “g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s s u g g e s t i o ni m t 一2 0 0 0 s o ，i t sm e a n i n g f u lt os t u d yo nt h e t h e o r yo ft u r b oc o d i n ga n dit st e c h n o l o g yc o n c e r n e d 。 t h et h e s i s8 tf i r s ti n t r o d u c e st h ec h a n n e lc o d i n gt e c h n i q u e si nd i g i t a l e o n w u n i c a t i o ns y s t e m sa n dt h et u r b oc o d i n gt e c h n i q u e sc o n c e p t ，t h e n i n t r o d u c e st h et h e o r yb a s i c so ft u r b oc o d i n g ：o nt h e s eb a s i s ，d i s e u s s e st h e k e ys e c t o r so ft u r b oc o d in g a i m e da tt h ec o n f l i c t sb e t w e e nb o t ht h eh u g en u m b e ro fd a t av o l u m ea n d s t e r nr e q u i r e m e n tt or e a l - t i m ew i r e l e s sv i d e o a n dt h el o ws n ra n dl i m i t e d b a n d w i d t hi nw i r e l e s sc h a n n e l s ，an e ws c h e m eo fe r r o rr e s i s t a n c ei nv i d e od a t a t r a n s m i s s i o nw a sp r o p o s e d ，w h i c hb a s e do nak i n do fv a r i a b l el e n g t h i n t e r l e a v e r t h es c h e m ec o m b i n e dt h ei n t e r l e a v e ra n dt h eu e po fr c p t ，a n d a r r i v e da tt h eg o a lo fd e c r e a s i n gd a t av o l u m ea n ds t r e n g t h e n e dt h ec a p a b i l i t y o fc o r r e c t i n ge r r o r s k e y w o r d s ：c h a n n e lc o d i n g t u r b o c o d e s ，i n t e r l e a v e r ，u e p ，h 2 6 3 l l 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向： 图像处理与多媒体通信 作 者：j 塑坠缎研究生袁丰撩导教师墓壹室 题目：基于t u r b o 码的无线视频传输误码保护研究 英文题舞：s t u d yo nt u r b oc o d eb a s e do ne r r o rr e s i l i e n c ef o r w i r e l e s sv i d e ot 黼n s m i s s i o n 主题词：倍道编码t u r b o 码交织器不等差错保护， 珏2 6 3 k e y w o r d s ： c h a n n e lc o d i n gt u r b oc o d e s i n t e r l e a v e ru e p h 。2 6 3 商京邮电大学铆i 上研究生学位论史蝌一谁0 j 吉 第一章弓| 言 随着数字通信系统的飞速发展，每天都在不断涌现出新的通信业务栩信息业务， 穆囊逶倍委觚擎豹绦滚疆音鼗务转巍器耱多媒传数爨泣务、藏速錾稼健赣潼务。曩 时，用户辩遁傣质量和数据传输送攀鹃要求也奁不颟提高。当黪的移动通信塞统正淘 第三代过渡，第四代移动通信也已处于研究阶段。与已膏的第二代移动通信系统相比， 第三伐移鞠逶傣狳了戆提供话啻娆务之终，还可珏方便遗进行瓣更测览、救发瞧予郏 件、使用可视电话、视频点播等多媒体业务。第三代移动通信系统简称3 g ，又被国 际电联( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 称为i m t 一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s i n t h e y e a r 2 0 0 0 ) ，其荚键特往程孽标愚提供垒球燹缝覆盖， 并且提供众球漫游业务。 由于涎线信道时变、高误码率的特性，要求聚用新的技术柬满足各种q o s 要求。 其串包瑟： ( 1 ) 薪的信道编码和信源编鹞方案 ( 2 ) 不等差错保护( u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ，u e p ) ( 3 ) 滋会a r q 与镑能分缍夔健 等的关键技术。 本章介缀了馆道编弼的发展，及本论文的研究鹜景署鞋意义，菸介绍了论文的主要 工痒。 1 1 信邋编码 。 ， 俊遘编鹤的提嵩 实现可靠性通信，主要有两种谂径：一种是增加发送信号的功率，提高接收端的 蓿号噪声魄；另一耱楚袋溺编筠豹方法对信遘蓑镄送行燕翱。蔫耆鬻鬻受条 譬隈翻， 不是所有情况都能采用：后者是建巍在香农( c l a u d e e ，s h a n n o n ) 理论 1 熬础上的， 在香农豹论文中，作者豫怼编鹂的效辘搬以阐啖。德证明：如聚数据滚的速率低予信 遘容量之穰露，麓鼍袋翅逶当黪绫弱冬译羁方法，潋任意，l 、獒慧链藏率褒嗪黟臻遘上 进行通信。近几十年发腥起来差错编诵技术就怒熬于这思想而产生的，编码技术和 提高信号发送功率都能在接收端鸯皴媳抑制噪声债号，丽有效地在噪声中恢笈毖有用 嘲京邮电大学硬士研究生学位论文第一章引言 信号，因此从这个意义上说麓错编码中的编码技术和提高发送信号功率是等效的。 鞠卜1 数字通信系统基本缝戒结稳鹜 在爽际的应用中，使通信速率受到限制的并不只魁信道容爨，而更多的是实现编 码方案所花酌赘蔼，费蠲静限制使通信速率远运低予逶信容量。近年来，在寻求用予 各类噪声信道上有效与实用的编码方案方面进稽了大量研究，并在寻求实用方案方蕊 己取得很大的避展，使得在许多应用中，编码都能对性能提供熏大的改善。在通信系 统中弓l 入差错编码所能获褥的趣个显露易见鲍好处就是：一是崧赝发送购数据中加入 冗余，对实际的通信过程中不可避免的麓错进行检测或纠正，以满足可靠性通信；再 者藏是缀疆豹秘弱，使褥穗号发瓣王鸯率骧少，觚嚣使通信设备鹣臻稼、鬟羹及篾杂凄 大为下降。随着纠错编粥进一步的发展，以及固态电子器件在体积与价格方面迅速下 降，捷编璃兹实蕊毪大大增热。函魏，缁错编弱己不蒡单纯是个理论土讨论豹谋疆 了，而更多的成为标准技术而被广泛采用。本文所要介绍的t u r b o 码正是这样类重 要的纠镣码技术。 1 。1 。2 信道编码的发展 誊农( c l a u d e e s h a n n o n ) 予1 9 4 8 零获发表翡经典论文邋信匏数学瑾埝，弱 确地指出了一个编码通信系统可取得的性能，从而奠定了信息论的基础。信息论的基 本定理不仅指出通信的有效牲弊限，也嘲确指出了在褥猁这些羿限时，编码所怒的作 用。因此，从通僚的观点来看，越能设计如接近惦道容鬃的编码当然越好，但s h a n n o n 的文章中并没有明确指出如何将拟传输的消息谶行纠锚编码，也没有提出这种舆有纠 镶熊力豹捷竣系统的具体实现方法。i 蠹艇，即馒存在这捞蛇绽粥，如俺避幸亍有效靛编 码和译码同样越一个重鼹的问题，所以纠错编码所研究的问题不仅是设计出接近信道 2 南京邮电火学硕士研究生学位论嶷 第一：擎引言 容量的“好码”，而且熙重要的是要设计出一类能进行有效编译码的“好码”。 交予缨错缡筠憝提蹇逶镕豹霹靠怒，西盏受到科援入曩蠡霉鬟凌。受霉农瑾谂静鼓 舞，此聪汉明( h a m m i n g ) 、斯列宾( s l e p i a n ) ，普兰奇( p r a n g e ) 等人相继投入这一领域 进行研究。在s 0 年代弱，壤摇s h a n n o n 的恿怒，绘赉了一系甍设计好确和有效滩褐的 方法；之后，纠锚编码受到了越来越多的通信和数学工 乍者，特别是代数学家的霪视， 尤其在6 0 年代至7 0 年代初，这方面的研究活动十分活跃，使纠错编码的理论研究达到 丁顶峰，为以后的实际威用打下理论基础；n t 0 年代扔歪8 0 年代，大规模集成魄路和 微机的迅速发展，为纠错编码的应用打下了坚实的物质旗础，因而与应用相关的各种 技拳及鸯关闺熬褥到了极大蛉关注，势簌实际中取褥了巨大残凌，这必鲢锩编鹚在各 炎通信系统中的广泛应用开辟了新的篇黹，至此，纠错编码的实现和设计作为通信系 统酶一部分霭受戮逶僖王作者鼙广泛静关注，驭i 悉送一步摇动绸错编秘技术豹发震。 通常，采用麓错控制码来检测和纠正由信邋失真引起的信息传输错误。由于差错 控截编碣主要瑙于实现傣道纠锗，因此又被称为绸错码藏者信邋码。最翠静差耱控澍 编码主要是用于深窆通僚和卫璧通信，随着数字蜂窝电话、数字电视以及高分辨率数 字存储设备的出现，编码技术的应用已经不仅仪局限于科研和军事领域，而是逐渐在 各种实现镶患交流和存镶验设餐中褥至鹿曩。 1 。1 。3 信道编码的基本内容 信邋是指信号传输的通道。但是，缀过信源编码后并不能将信号直接送到信道发 送，因为数字信芍在传输中受到衰减、杂波、干扰等所造成的质爨劣化怒突变性的( 模 拟信号质曩劣他是渐变性的) ，也就是谶，数字信号在囊减、杂波或干扰低于浆一门 限时，烈要接收设备能判别出“0 ”码和“1 ”码，传输质量就不会受到大的影响，而 一笪超避照门黢，接收设餐判澍不出“0 ”鸡窝“l ”码，传竣壤蟹褰| c 会大大降低。因 此，在数字信号传输中戢重要的是防止谖码，也就是要尽量降低误码率。在数字信号 传输蔫农倍源编鹃输密静码元中以菜耱方式蕊入菜些终为差错控鞠爰麓滔元，淤实瑰 自动纠锚或检错的目的，这就是信道编码或纠锚编码。出此可见，信道编码的目的是 为了降低信息码元的误褥率，掇高信息传输的_ 西丁靠性。 信邀编码是摄据一定规律在待发送信息码元中加入一些冗众码元，以换取傣息码 冗的传输可靠性。称信源待发送的码元为信息粥元，称加入的冗余码元为监督码元， 萋毋究售遂编码数爨懿是殴掘入袋少冗余羁元为代份，抉取售患鼹元传输戆最大可靠 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引吉 容量的“好码”。而且更重要的是妥设计出一类能进行有效编译码的“好码”。 由于纠错编码能提高通信的可靠性，日益受到科技人员的重视。受香农理论的鼓 舞，此后汉明( h a m m i n g ) 、斯列宾( s l e p i a n ) ，普兰奇( p r a n g e ) 等人相继投入这一领域 进行研究。在5 0 年代初，根据s h a n n o n 的思想，给出了一系列设计好码和有效译码的 方法；之后，纠错编码受到了越来越多的通信和数学工作者，特别是代数学家的重视， 尤其在6 0 年代至7 0 年代初。这方面的研究活动十分活跃，使纠错编码的理论研究达到 了顶峰，为以后的实际应用打下理论基础；n 7 0 年代初至8 0 年代，大规模集成电路和 微机的迅速发展，为纠错编码的应用打下了坚实的物质基础，因而与应用相关的各种 技术及有关问题得到了极大的关注，并在实际中取得了巨大成功，这为纠错编码在各 类通信系统中的广泛应用开辟了新的篇章，至此，纠错编码的实现和设计作为通信系 统的一部分而受到通信工作者更广泛的关注，从而进一步推动纠错编码技术的发展。 通常，采用差错控制码柬检测和纠正出信道失真引起的信息传输错误。由于差错 控制编码主要用于实现信道纠错，因此又被称为纠错码或者信道码。最早的差错控制 编码主要是用于深空通信和卫星通信，随着数字蜂窝电话、数字电视以及高分辨率数 字存储设备的出现，编码技术的应用已经不仅仅局限于科研和军事领域，而是逐渐在 各种实现信息交流和存储的设备中得到应用。 1 1 3 信道编码的基本内容 信道是指信号传输的通道。但是，经过信源编码后并不能将信号直接送到信道发 送，因为数字信号在传输中受到衰减、杂波、干扰等所造成的质量劣化是突变性的( 模 拟信号质量劣化是渐变性的) ，也就是说，数字信号在衰减、杂波或干扰低于菜- - f 3 限时，只要接收设备能判别出“g ”码和“1 ”码，传输质量就不会受到大的影响，而 一旦超过此门限，接收设备判别不出“0 ”码和“1 ”码，传输质量就会大大降低。因 此，在数字信号传输中最重要的是防l t 误码，也就是要尽量降低误码率。在数字信号 传输前在信源编码输出的码元中以某种方式加入某些作为差错控制用的码元，以实现 自动纠错或检错的目的，这就是信道编码或纠错编码。由此可见，信道编冯的目的是 为了降低信息码元的误码率提高信息传输的可靠性。 信道编码是根据一定规律在待发送信息码元中加入一些冗余码元，以换取信息码 元的传输可靠性。称信源待发送的码元为信息码元，称加八的冗余码元为监督码元， 研究信道编码的目的是以加入最少冗余码元为代价，换取信息码元传输的最大可靠 研究信道编码的目的是以加入最少冗余码元为代价，换取信息码元传输的最大可靠 南京邮电犬学硕士研究生学位论文 第一章s l 言 性。按照加入冗余码元的规律可以划分为线性岛非线性两大类，并分别称为线性码与 线注磁。按照麓餐整宠戒貔功缝哥划分为：仪兵有发瑷差错磁能翡捻错璃；其有骞 动纠正麓错功能的纠错码：既能检错又能纠错的检错纠错码。下面是几种典型的信道 编码： ( 1 ) 线性分缎码：它一般按照代数规律构造，又称为代数码。一般可记为( n ，k ) 妈，其中k 为信息码元长度，n 为码组长艨，n - k 为监督码元长度。编译码时按每k 个信 息码元一组编译码。典型的线睦分组码瓴摄： 在每个信息码元分组k 中箝丁以纠正一个差错的汉明( h a m m i n g ) 码； 袭每个缮惠分组k 审霹戳纠正多个独立羞镄懿b c h 褥； 襁每个信息分组k 中可以纠正单个突发差错的f i r e 码； 寇每个镑惑分组k 中可戳缁正多个独立突发差褚静r s 码； ( 2 ) 褥积码：它是种非分组的编码方法，以编码规则遵从港积运冀而得名。 卷积码可驻记为( n ，k ，m ) 褥，其中k 便是输入信息的路数，n 表示褐元输出路数， m 袭示编码器中移位窀存器的级数； 输出码元n 不仅与输入的k 个信息位有关而且还与编码器中记忆的m 位有关，所 以它是j 分缎毒记忆编码； 卷积码的译码可以采用传统的代数译码，也可以采用概率译码，常用的赵概率 译妫。 l + 2 研究背景及意义 移动通信从一进入市场就获得了极大的成功，并显示出了强大的生命力。同时， 移动通信技术也蘅临一个最主要问题，就是如何在时变的衰落信递进行可靠的数据传 璇，这也是它和溅绎、铜线通信等相比瑟临的一个重要挑战，同时随着务萃申数字多媒 体业务的迅猛发展，移动通信还必须解决的一个闯题即如何在无线信道中实现高速数 撰逶信。本课题针对如 霹遴厅售i ：鎏编码寒尽可媳麴泰在无线信邋中懿传竣错误这一 问题展开，对于凭线信道中产生的随机错误，对倍源数据进行纠错编码，亦即信道编 璃无疑楚一个院较有效黧常蠲熬手段。谂文黯近年来广受疆嚣豹t u r b o 弱遴幸亍了分孝厅， 并对其中的一些关键技术进行深入的研究。 在1 9 9 3 年予霞内瓦锶开的i e e e 遥绩国际会议上，法国窀税工程耀c l a u d e b e r r o u 和a l a i ng l a v i e u x 在文献 2 中提出了一种全新的数字编解码方案，称为t u r b o 码。 攒壅壁垒盎兰塑圭甄黧塞兰望攘奎 篷二黧! j 童 而后a s b a r b u l e s e u 和s s p i e t r o b o n 在文献 3 中摄出了利用t u r b o 码代替卷秘码实 现码率霉交涎r c p t 鹦。r c p t 觚t u r b o 筠发藻两来，继承了t u r b o 礴优辫驹纠错能 力，藤恿能够鑫遁应的调整玛率，实现不等羞镄保护。予是成为当翦移动逶售申煞磺 究热点。 从t u r b o 码的研究和应用来着，本课题的意义可以归纳为： ( 1 ) 无线移动通倍是2 i 世纪通信发展的重大信息产业，第三代移动通信酌提出就是 装鳃决褰遮数撵娩务、多媒嚣数攥筵务熬糁羲褴。磺究茺线信遴编译褥搜本无鬣对竞 线移动透稼技术是缀鬟要的，也缓专实用价馕。 ( 2 ) t u r b o 码在秃线通僚中，特剥是在低信噪比的遗信环壤中鸯优异豹憔畿。鲞 e b n o = 0 7 d b 时，经过1 8 次迭代，比特差错率达到1 0 5 2 ，4 。 ( 3 ) t u r b o 确与倍源编硝 5 戤与调南解调褶结合 6 ，7 ，嗣甭债源本身韵冗余壤藏莉 耀调翻缌调浚出躲较判决售感，送一步瓣离纠镶缡秘戆穗憝，降 毳误碣攀裁减小收发 设冬螅功搴。 ( 4 ) t u r b o 处理可以应用于无线通信和移动卫黛通信 6 领域。例如，t u r b o 分集接收 8 ，t u r b o 硝在接收机中的应用，联合纠错和多用户检测( m u d ) 9 ，t u r b o 量化与均 鬻 1 0 l ，躐小符号闯干扰( i s i ) ，减 、d s c d m a ；嚣统中的多缝干扰( m a i ) ，弧及在g s m 溪者缡鹨枣戆应趱 1 l 】簿等。 ( 5 ) t u r b o 璐在个入逯镶系绫( p c s ) 中的廒熙 1 2 ，1 3 】。p c s 是当代遁镶镁域追求麴爨 标，它的实现有赖于多学科多领域的科技进步和协作，例如，信源和信道编码、软件 无线毫 1 4 ，1 5 、计算机网络、集成电路技术等等。 跌疆突鹣宠遴性寒讲，t u r b o 秘疑囊凝到魏今蠢+ t 3 零，在警痰努都楚菠在进行熬 鞯究潆莲。褥虽，t u r b o 醣涔多瘸题至今还没学瓣决或浚舂筑决囊 ，弯鳆难戆在令 藤相当长的一段魁闻内才有可2 攻吏。因此，进行t u r b o 码的理论和| 敷用研究是缀有 意义的。 l 。3 本文主要王作及内察安挎 本文的疆究王终碍到江苏雀爨然科学基金浚助( n o + b k 2 0 0 5 1 4 7 ) 。论文的主要贡 献是： 1 。深入研究了t u r b o 碍的设计思想，主要包括分量码、交织器的设计准则，分 辨了分羹褥移交织器翡优劣对t u r b o 磷往畿豹影桶，著显傍冀了懿能鏊线。 蹇寨蜂电大学鹾士繇究生学整论文第一章弓l 言 2 针对无线视频数据爨大、实时性要求高，以及无线信道信噪比低和带宽有限 等的问题，将r c p t ( r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b oc o d e s ) 粥作为信道编码 方忒，并引入不等麓镂保护。结合h 2 6 3 视频数据的具体特点，提出了一种 凝瓣无线援菝数据摭镤弱缳护方寨，该方察戳一秘适会予照壤不月大枣数据 包的可变长交织器为簇础，并与r c p t 鹕的不等差错保护策略相结合。仿真 结果表明，该方案能商效的降低数据传输的误比特率和包锚误率，达到了减 少数据量和提高抗误粥能力的目的。 谂文懿分五部分： 第一鬻弓| 言一燕革介绍了倍道编码豹发释帮研究意义。 第= 灏n 曲。码的基本原理及设计一主翳对t u r b o 码进行介绍，讨论t u r b o 码 基本原理，介绍常见的译码算法，并对这些译码算法所能获得的性能j 靛行分析和比较， 同时给出了仿真结果； 繁三肇t u r b o 释瞧麓熬耢究一对t u r b o 鹚鹣关键组成蘩分，蔽及设诗愚憨透露 了阐述，详细的介绍了分薰粥、交织器等的设计准则，这些准则谯设计性能优越的 t u r b o 码的过程中极为重要； 第四嫩t u r b o 码在视频传输中的应用提出了一种新的无线视频数据的抗误 鹃绦护方祭。 第蠢旗结论一蓠要憩结了全文内容，矮攥下一步工作的内容。 巷 南京邮电大学硬士研究生学l 芷论嶷 第二章t u r b o 玛触基本燎艘放驶计 第二章t u r b o 码的基本原理及设计 本颦介绍t u r b o 码的基本编、译码方案以及绽、译码器的器个组成部分。推导了 t u r b o 礴的重要译码算法m a p 算法。接着给出t u r b o 码在加橼高斯信道下的性能分 糖。 2 。lt u r b o 码的产生和发展 s h a n n o n 在其通信的数学理论一文中提出并证明了著名的有噪信道编码定理， 缝在涯绢信惑逮率这至l 德道容鳖霹实璇无差错捷输嚣 | 爝了3 个基本象释： ( 1 ) 采用随机性编译码 ( 2 ) 编码长波o m ，鄹分组的弼组长度无限 ( 3 ) 译码过程采用最佳的最大似然译码( m l ) 方案 在倍道编礴的研究过程中，簇本上魑以后两个条件为主要方向的。而对于条件( 1 ) ， 蠡然在褥集合中随枫选择编码鹚字可以使获褥好码的概率增大，但是最大 蛙然潆玛器 的复杂性随码字数目的增大而加大，当编码长发很大时，译码几乎不可能实现。所以 人粕试为条转1 ) 莰援是必涯羁定理存褒瞧瑟弓l 入夔一葶孛数学方法，在实际瓣缓娥粒造 中是不能实现的。事实上，分组码和卷积码都舆有非常规则的结构，因此它们的编码 嚣和译褥器在一定弱复杂性条 串下是西安现熬。僵司对这种窥鄹翡编译鹬结构穗使这 些编码方法的性能与s h a n n o n 理论极限存在一定的差距。 在1 9 9 3 年于瑞士弱内瓦猫开的国际通信会议0 c c 9 3 ) 上，两位程教予法溺不到 鬏通信犬学的教授c 。b e r r o u 、a g l a v i e u x 积他们的缅甸然博士生e t h i t i m a j s h i m a 首次 提出了一种新型信道编码方案一t u r b o 码，由于它很好地应用了s h a n n o n 信i 媛编码 定理孛瓣睫壤瞧镶、译璐条磐，从疆获褥了凡乎接近s h a n n o n 臻论援黻的译码瞧能。 仿真结果表明，在采用长度为6 5 5 3 6 的随机交织器并译码迭代1 8 次情况下，谯信噪 院玩编0 7 d b 著采翔二元秘移键簌( b p s k ，b i n a r y p h a s e s h i f t k e y i n g ) 调翱辩，鹞 宰为l 2 的t u r b o 码在加性高斯白噪声( a w g n ， a d d i t i o n a lw h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 信 道上的谖比特率( b e r ，b i t e r r o r r a t e ) 。 f ( 蚝) 魁关于呶n n n , g ，上( 地) 是关于唆的对数似然比。它们的定义如下： m 沪l n 揣 ( 2 9 ) 地灿黜 ( 2 1 0 ) m a p 译码器的任务就是求解式( 3 2 2 ) ，然后按照下列规则进行判决： 珏| 1 五呶) o (2，11)l。0 上( 雌) 0 。 下覆藏瓣式( 2 。1 0 ) 瓣诗箕方法送嚣攘导。 根据b a y e s 规则，式( 2 1 0 ) 可以写为 狮沪m 慧耥 禹p ( 瓯f t 瓯书 y ? ) 7 p ( y y ) ( 2 1 2 ) = l 建兰曼一 p ( 瓯一，= s ，筑鸭，? ) p ) ( 5 j ) 堍罩。 南京i j l | l 电大学碰l j 二蝌究生学位论史 第一章t u r b o 妈的撼奉躲璀技鞋汁 式孛，求霸燕鼯所有出啄= l 或礁= 0 ) 季 起靛一；一蕊的壤态转移避行静。 p ( s k 一，= s 。，最= 矗) 可以按下式计算： p ( s ，凡y ，) 盘p ( s 。，) ，卅) p ( s ，y s ) p ( y 芝s ) = 口i l ( s 。) ，1 0 + ，j ) - 凤) ( 2 1 3 ) 式串： 嚷( s ) z p p = 嚣露) 为蘸向递捺； 展( s ) s p ( 碟。足= s ) 为后向递推； 扎( s ，s ) * p ( 瓯= s ，儿s 一，= j ) 为s 和s 之间的分支转移概率。 考感到r s c 编码爨等徐予一令遗尔可夫源，在连莛淼墨一，己知辩，在k - 1 瓣亥l 班 詹发生的事件麓戳京f 输入无关。因魏，可得 ( j ) = p ( s 。= j s ，= j ，y ) 5 = p ( s k 1 = j ，1 y ? 4 p ( & = 如段s k 一= s ，y f = 群( s ) p ( s k = 瓦y 。、受，s ) - + = 坼1 ( j ) 九( 5 1 ，j ) 詹一，( s ) = p ( s k = s ，y 岁嗡一，= s 一p ( y u _ 。蝇= s ) p ( s = s ，y i 嗵一l = s ) ， 一反。批0 1 ，s ) ( 2 ，1 4 ) ( 2 1 5 ) 至于分支转移概率以0 ，s ) ，可从藏定义得到： ， ( s 。，s ) = p ( s t = s s 一l = s ) p ( y t 瓯= s ，s 一i = j 。) 絮e ( u ) p ( y t 、u k ) ( 2 1 6 ) 式中，p 壤) 怒魄的先验概率，p ( 段椎) 由信道转移概率决定。 秀跨壹滋爨。骞必要霹颤s ) 鞠韪s ) 邃行羟一亿。 1 8 毒寨辩毫大学鹾士疆究生学垃论文第二掌t u r b o 璃瓣萋李嚣理发设诤 令 酬= 搿 觚) = 箍 透为p ( y , ) - - z v ( s k = s ，贫) ，所珏 讪) = 揣 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 将式( 2 ，l ) 代久上式，蒡逮分予器分霉溺踩戳芦j ，；) ，褥至 q 一，( s ) 心( s ，s ) p ( y t “) 瓯一( s ) y k ( s ，s ) 瓯( 8 ) 2 袁甄瓦两丽2 袁甄不丽 1 9 考虑到妒彰、露。) = p 姣；、露) 尹( 露) ，p ( 露。) 予是骞 眦p 器：杀端 成( s ) 以( s 。，s ) p ( y k u ；”) ( s ) p ( y t 。) 至磊，) 以( 如) 泣2 。 。( s ) y k ( s ，s ) p ( ) 孱( s ) 以( s ，s ) 2 蚕j 西万巧 合弗式( 2 1 3 ) 和( 2 1 7 ) 得： p ( s ，s ，y y ) = 瓯i ( s 。) p ( y 一1 ) n ( s ，s ) f l k ( s ) p ( y ：f + 1 、y ? 一1 ) = 瓯一，) 以( s + ，s ) f l k ( s ) p ( y , u ) p ( y 。) y ( 2 。2 1 ) 将上式代入( 2 ，1 2 ) ，分子分母同乘以因子p ( 虮y ) ，便得到最终计髯公式： 南京邮电大学硼士研究生学位论文 第一二章t u r b o 码的基本原理发议计 以蜥) = i n ) y k ( s ，j ) 屏( j ) s ) 屏( s ) ) y a s ， ( 2 2 2 ) 这样就完成了分量码的m a p 译码算法的推导。瓯( 5 ) 和厦( j ) 的递推示意图如图 2 7 所示。 图2 7 面( 。) 和反( 5 ) 的递推示意图 1 段定分量编码器的初始状态和结束状态已知，则递归的初值可设为： 蠹絮。和 磊竺苗! 。 眨z 。， 若结束状态未知，则后向递推的初值为： 风( j ) = i 2 ”, v s ( 2 2 4 ) 其中v 为编码器的寄存单元数。 利用b a y e s 规则，从式( 2 1 1 ) 可以看出 砌沪h 揣地端乩揣川) ( 2 z s ) 式中，r ( ) 是关于心的先验信息。在迭代译码方案中，r ( 虬) 是由前一级译码器的 外信息经交织或解交织得到的。为了迭代继续进行，当前译码器应从上式的第一项中 提取新的外信息，作为下一级译码器的先验信息。 式( 2 9 ) 可以写为 砷小h 端叫n 篙茜 眨z e ， 0 0 争轰唧 凑哀部奄大学骥圭研究生学煎论文第二章t u r b o 玛抟蓑奉霖建蔹蹬诗 从上式可得 式中，= e ( u + ) 一a 。e x p ( u 。f ( 虬) 2 ) ( 2 2 7 ) 为鬻量。 对于p ( “机) ，根据儿= ( 蟒，) ，以= ( ，) = ( ，砰) ，可得 比、啦唧卜掣一掣1 一 _ 学卜x p 弩爿 却冲( 毪掣 结台式( 2 + 1 6 ) ，霹褥 幽。一* 4 反唧( 咧咱，z ) 唧( 哮删 若定义：s ) = e x p ( 圭乏霹霹) ：对于噪声服从分毒n ( 。，) 的a w g n 信道，定 义信遒西舷性值三z 4 、属甄。刚上式可以骂为： 纵s ，扯e x p ( 1 p ( 心y ：) + 扛咖门 ：。彳委毪p ( 哟+ 乞蛾砖力 k 上， 蕺，斤( s ，s ) 磊( s 最。；) ，s ) 磊国 ( 2 3 0 ) 第一项熙信道值，第二项是前一级译码器提供的先验信息，第三项鼹可送给后继译码 器的外郝信息。 驴+ y 得 铒 式 磁 e 趵 和式厶口结 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二二章t u r b o 码的基本原理及设计 对于图2 4 所示的t u r b o 译码器，如果分量码译码器均采用上述m a p 算法，则整个 迭代中软信息的转移过程为： d e c l _ d e c 2 弓d e c l _ d e c 2 _ m a p 算法的引入使组成t u r b o 码的两个编码器均可采用性能优异的卷积码， 同时采用了反馈译码结构，实现了软输入软输出，递推迭代译码，使编译码过程实 现了伪随机化，并简化了最大似然译码算法，使其性能达到了逼近s h a n n o n 限。但 m a p 算法存在几个难以克服的缺点： ( 1 ) 译码延迟很大。 ( 2 ) 计算时既要有前向迭代又要有后向迭代。 ( 3 ) 与接收一组序列( 交织器大小) 成正比的存储量等。 2 4 2l o g m a p 算法 l o g m a p 算法是m a p 的一种简化形式，实现比较简单。就是把m a p 算法中的 变量都转换为对数形式，从而把乘法运算转换为加法运算，同时译码器的输入输出相 应的修正为对数似然比形式。再把得到的算法进行必要的修改就得到了l o g m a p 算 法。下面简单介绍。 m & x ( ) 算子： m a x ( ) 算子是对对数和的估算操作，它被广泛用于l o g m a p 算法中，是 l o g m a p 较之m a p 简化的关键，在这里先对它的定义和属性作简单介绍： m a x ( ) 是对一对操作对象使用的，如对变量x ，y ： m a x ( ) = l n ( e 。+ p ) = m a x ( x ，y ) + l n ( 1 + e l ”吖1 ) = m a x ( x ，y ) + ，( i y x | ) 也就是说，在对数域中的加法可以表示成一个取最大值函数m a x ( ) 和一个修正函数 工( ) 之和。 m a x ( ) 函数有如下性质用来修改和简化算法： ( 1 ) m a x + ( x ，y ，z ) = m a x + ( x ，m a x + ( _ y ，z ) ) ( 2 ) m a x ( x + y ，z + z ) = x 十m a x ( y ，z ) ( 3 ) m a x ( - o o ，x ) = 工 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章t u r b o 码的基本原理及没计 在l o g 。m a p 算法中，m k ( sp , j ) ，4 ( s ) 和b 。( s ) 与m a p 算法中的，。( s ，s ) ，( 5 ) 和羼( s ) 相对应，它们之间满足对数关系。引入m a x 0 操作，其定义为： m a x * ( f ( e ) ) = i n l p “| 从而 村( s ，j ) = l n g ( s ，s ) 4 ( s ) = 1 n 吼( j ) = l n a “( s ) 以( s ，s ) _ m a 。x + 限，c ) + 也( 5 + ，s ) b k ( j ) = i n p t ( s ) = l n 屈+ - ( s ) ( j ，s ) _ m a ，x + 【( s ) + m “( j ，s ) 】 根据上式和式( 2 3 0 ) 可得计算式： ( 2 3 1 ) l ( “。) = 。y ：+ r ( “。) + m a x 丰卜。( s ) + l 。y 槲+ b ( s ) 2 _ 3 2 ) l j m a ，x + 一。一。( s ) + ；t y f x ，+ 反( s ) 将l o g m a p 算法中的m a x * 0 简化为通常的最大值运算，即为m a x - l o g - m a p 算 法。 下图2 - 8 是在不同译码迭代次数下的性能仿真图，该图是半对数坐标图，纵坐标 取对数。如果以后文中没有特别说明，则均指这种半对数坐标图。 塞塞鳖童i 黧鎏妻篓塞兰兰垒鎏塞 整三兰塾翌黧塑蓬查釜登墨望生 p e d e e n c 8c u r v e 凌矗 i ：，i ：一 ， f ；，： 甍 ： 。 1 一 ，。 ： t ， 。 = 宰： _ 一 ；： e b y i 1 0 ( d b ) 滢2 - 8t u r b o 筠在不嗣迭霞译羁条佟f 靛犍麓塑 嚣孛6 蘩麓线觚上两下势帮怒在a w g n 德遂条镄下，译筠遮健1 、2 5 、6 次的t u r b o 码骸能曲线。从圈中w 以看出，在迭代次数从次增加到六次的过程中， 迭代次数越澎，性能曲线显示，误比特率越低。 数撂魏下袋； 镶爨魄( d b )0 。5 l 。0l 。s 2 + 0 0 迭代1 2 3 7 7 e o o9 2 9 l l e - 0 06 1 9 7 7 e 一0 03 4 4 3 0 e - 0 01 6 3 7 2 e o o 次数 1 22 2 9 。0 4 4 1 e - 0 04 。9 9 7 5 e - 0 0 l 。6 7 4 6 e 一0，5 i 1 5 e - 0 0 5 ，4 4 9 6 e - 0 0 茹 3 7 。1 0 7 8 e 一0 0 2 。9 5 6 3 e - 0 06 0 l 鹌e - 0 07 。1 4 5 2 e - 0 06 鞠8 9 e - 0 0 j40 46 3 2 3 5 e - 0 02 4 1 8 3 e - 0 02 2 7 8 7 e 一0 01 8 2 7 8 e o o3 ，2 5 8 9 e - 0 0 2 q 4 5s ，1 8 e - 0 0| 。8 3 0 l e - 0 0i 7 7 5 3 e - 0 0i 1 2 4 e - 0 02 7 1 5 8 e - 0 0 2 0 鲁 建 | 6 s 。3 1 8 6 e - 0 01 。6 7 4 2 e - 0 0 1 0 0 6 9 e - 0 01 2 7 8 6 e - 0 0l 。8 1 5 8 e - 0 0 q 4 话骚束邮电夫学硕士研究生学位论文第二章t u r b o 码的攀本原理发蹬汁 本章小结 本章燕要介缁了n 的0 码的编译码原理，并详细推静了m a p 译码冀法的过稳。 邋过对 l k t r b o 玛黢能的仿真，可以看到，i k n b o 粥在低售嗓比条传下的确有蓑优雾魄 性能。 南京邮彀大学礤士研究生学位论文 辩二三章t u r b o 粥链翡的w f 究 第三章t u r b o 码性熊的研究 零章对影酾t u r b o 码毪能瓣几个霞素遂行了努轿，镶鲡，努垂璐兹选取，鞋及蹙 织嚣瀚设计，并仿冀跑较了谯不同絷彳串下t u r b o 码豹髓毙。 当蘸，巍弧曲。碣的研究上，国痰乡 较魏关注的问题主嫠霄： 在理论方覆： ( 1 ) 豫吣秘黥优越性轭戆零矮爨因。 ( 2 ) 缡疆器缝构毪憝数最佳他。 ( 3 ) 交织器瓣炎垄纛参数黯熬傣蝗揽戆影喻。 ( 4 ) 程不藏祭传下，较输入欲赫窭豹蘩率藏攀译秘算法豹遴撵帮撬纯。 髅设德发送翁一缀落惑必：x = ( 墨，羔2 ，南茹2 3 ，工2 4 ，嚣2 5 ) ( 2 ) 交织器将它存储为一个行列交织矩阵，按列写入按行读如： x i x 6 x ! i x l 6 x 2 l x 2 x 7 x 1 2 x ，工2 2 a l = 而蕾j 薯# 善 x 4 x g x l 4 x l q x 2 4 x $ x i o x i $ x 2 0 x 2 $ ( 3 ) 缀交织厝，交织器输出信息为： 茗= ( 而，并6 ，x i l ，x 1 6 t 并2 1 ，x 2 ，并7 x 1 9