（信号与信息处理专业论文）mimo系统中的turbo编码实现和turbo级联空时码研究.pdf

摘要 摘要 m i m o 系统中的t u r b o 编解码实现和t u r b o 级联空时码研究 多输入多输出( m i m o ) 技术是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现高数据速率，提高传 输质量的重要途径。作为m i m o 算法性能验证的验证系统更是m i m o 技术研究的重要一步，本文首先介 绍了课题中所要开发完成的m i m o 实验验证系统，在此基础上给出了m i m o 系统中采用的t u r b o 编、解码 器基于t it m s 3 2 0 c 6 4 1 6 的实现方案；同时研究了空时码与t u r b ot c m 级联结构的算法性能，并给出了 一种易于工程实现的改进算法。 m 1 m o 验证系统采用了w c d m a 系统中的t u r b o 码编码器，实现1 2 ，1 3 两种码率的t u r b o 编码。 本文从工程实现的角度，选择t i 公司t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 为硬件平台，开发语言以c 语言为主，给出 了两种t u r b o 编、解码的硬件实现方法。并利用d s p 的软件仿真器，评估了两种实现方法的性能。测 试结果表明本文给出的基于t c p 协处理器的t u r b o 解码器的实现方案具有误码率低，处理速度快的优 点，从而大大提高了m i m o 验证系统抗信道干扰、误码纠错的性能。 随着t u r b o 码、空时码研究的深入，将两者进行恰当的级联从而同时获得较高的分级增益与编码 增益已经成为研究的热点。本文在第四章研究了空时块码与t u r b o t c m 级联的算法，给出了两种级联 结构并比较了它们的仿真性能。为了简化算法计算复杂度便于工程实现，我们给出了解码算法中的 空时块码软信息计算的一种改进算法，使计算量大为降低。仿真结果表明，我们的改进算法在误码 性能基本没有降低。 关键词：m i m o 系统，发射分集，空时块码，t u r b o 编码，t u r b o 编码调制，级联t - t c m 空时块码 v 摘要 a b s t r a c t t h ei m p l e m e n t a t i o no ft u r b oc o d e si nm i m o s y s t e ma n d t h e s t u d yo ns p a c et i m et u r b oc o d e s t h em u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) s y s t e mi sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yf o rt h e3 ga n df u t u r e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rh i g h - t h r o u g h p u ta n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n t h e v a l i d a t i n gs y s t e mp r o v i d e sap l a t f o r mf o rp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fm i m os y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i c i d e ao fv a l i d a t i n gs y s t e mi sf i r s tp r e s e n t e d ，b a s e do nw h i c ha ni m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fm i m ot u r b o c o d e si nt it m s 3 2 0 c 6 4 1 6i sp r o p o s e d i na d d i t i o n ，t h ea l g o r i t h mc o n c a t e n a t i n gt u r b ot c ma n ds p a c e t i m ec o d i n gi si n t r o d u c e d ，t h e nw ep r o v i d ea ni m p r o v e da l g o r i t h mw h i c hi sm o r es u i t a b l ef o rp r o j e c t a p p l i c a t i o n t h ev a l i d a t i n gs y s t e me m p l o y st h et u r b oe n c o d e ra n dd e c o d e ri nw c d m aa n dw ee x p e r i m e n tt h e t u r b oc o d e sw i t h1 2 ，1 3r a t e s f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fp r o j e c ta p p l i c a t i o n ，t m s 3 2 0 c 6 4 1 6i sc h o s e na s h a r d w a r e p l a t f o r m a n dc p r o g r a m m i n g i s e m p l o y e d w ep r o v i d e t w os c h e m e sf o rh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o no f t u r b oc o d e s ，a n dt h e i rp e r f o r m a n c ei se v a l u a t e db yt h ed s ps i m u l a t o r t h es i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h et u r b oc o d e si m p l e m e n t a t i o ns c h e m ep r o p o s e di nt h i sp a p e rc a ni m p r o v et h e e r r o rr a t eo ft h es y s t e mw i t hh i g hs p e e d ，t h ec a p a c i t yo ft h em 1 m o v a l i d a t i n gs y s t e mf o rc o n t r a d i c t i n gt h e c h a n n e ld i s t u r b a n c ei se n h a n c e dc o r r e s p o n d i n g l y p r e v i o u ss t u d i e sh a v es h o w nt h a tc o n s i d e r a b l e d i v e r s i t y a n d c o d i n gg a i n s c a r lb e a c h i e v e d b y c o n c a t e n a t i n gt u r b oc o d e sa n ds p a c et i m ec o d e si ns e c t i o n1 vw ep r e s e n tt w oc o n c a t e n a t i o ns c h e m e sa n d t h e i rp e r f o r m a n c ei sc o m p a r e db ys i m u l a t i o n s i na d d i t i o nw ep r o p o s ea ni m p r o v e da l g o r i t h mf o rt h es o f t i n f o r m a t i o nc a l c u l a t i o nf r o mt h es p a c et i m ec o d i n gm o d u l e ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e w a l g o r i t h mc a ng r e a t l yr e d u c et h ec o m p l e x i t yw i t hs l i g h tp e r f o r m a n c ed e g r a d e k e y w o r d s ：m i m os y s t e m ，t r a n s m i td i v e r s i t y ，s p a c et i m eb l o c kc o d i n g ，t u r b oc o d e s ，t u r b ot r e l l i sc o d e d m o d u l a t i o n ，c o n c a t e n a t e dt u r b os p a c et i m ec o d e s v 图表目录 图表目录 图11m i m o 系统结构圈1 图2 1k t i d 0 实验验证系统结构图5 图2 2 实验验证平台的硬件构成7 图2 3 射频收发通道方案框图8 图2 4 实验验证系统收发信机功能模块- 9 图2 。5 频域均衡空时联合检测9 图3 1t u r b o 码编码器结构图1 2 图3 , 2t u r b o 迭代译码器示意图1 4 图3 34 状态m a p 算法网格图1 4 图3 4 吼( 0 ) ，a ( o ) 的计算1 6 图3 5c 6 4 x 结构框图1 8 图3 6e d m a 控制器结构1 9 图3 ，7e d m a 参数存储结构1 9 图38t c p 内部结构2 0 图3 9s p 解码模式2 1 图3 】0t u r b o 编码结构2 2 图3 ，1ld s p 外围硬件配置示意图- “2 2 图3 1 2s a 模式程序流程2 4 图3 ，1 3s p 模式程序流程2 6 图3 1 4 帧长f = 3 8 4 0 b i t ，1 3 码率的t u r b o 码性能2 8 图3 1 5 帧长= 6 1 3 8 b i t ，l 2 码率t u r b o 码解码性能2 8 图31 6t u r b o 解码器的流程图- ”3 0 图3 1 7 帧长f = 3 8 4 0 b i t ，1 3 码率的t u r b o 码性能3 1 图4 1 两根发射天线一根接收天线的新发射分集方案3 4 图4 2t c m 的一般编码结构3 6 图4 38 p s k 的集合分割一3 7 图4 4t - t c m l 的编码结构3 8 图4 5t - t c m l 的译码结构3 8 图4 6 采用格雷映射的1 6 - q a m 3 9 幽4 7t - t c m 2 方案的编码结构4 0 图4 8t u r b o 码与8 p s k 调制构造t - t c m 2 方案- 4 l 图4 , 9 删余交验符号的t - t c m 2 译码器4 2 图4 1 0 级联t - t c m 空时块码4 3 幽4 1 1 级联t - t c m 2 空时解码译码器4 4 i 幽表曰采 图4 1 2 级联系统的误比特率性能“4 8 图4 1 3 级联t - t c m 2 空时块码帮体迭代性能4 8 图4 1 4b p s k 和q p s k 星座图一5 0 图4 1 5 级联t - t c m i 空时块码2 种算法误码性能比较5 2 表3 1m i m o 信道编码参数r 一2 1 表3 2s a 模式测试结果( 1 3 码率，3 8 4 0 帧) 2 7 表3 3s p 模式测试结果( i 2 码率，6 1 3 8 i 帧，最大迭代次数为8 ) 2 7 表4 1 两天线发射分集方案的编码与发送序列3 4 表4 2 原算法与改进算法计算量比较5 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：z 缱日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 易建导师签名： 整睦连 日期： 东南大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 未来移动通信为了实现随时、随地、以任何方式进行信息交流的目标，对传输速率、服务质量 ( q o s ) 、信道容量都提出了更高的要求。在频率资源日益紧张的今天，通过采用多天线发射多天线 接收的系统利用无线信号的空间资源满足以上要求，已经成了无线通信发展的重要方向。多输入 多输出( m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t s ) 技术可以显著提高无线系统的频谱利用率。实验室 的研究证明，采用m i m 0 技术在室内传播环境下的频谱效率可以达0 2 0 - - 4 0 b i f f s h z , 而使用传统无线通 信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为l 5 b i t s y r l z ，在点到点的固定微波系统中也只有1 0 1 2 b i t s h z 。 m i m 0 技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无线传 输系统的关键技术之一。 多输入多输出( m i m 0 ) 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带 宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率 1 ，2 ，3 ，4 ，是新一代移动通信系统必须采用的 关键技术。m i m o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增盏，空间复用技术可以大大 提高信道容量而空间分集则可以提高信道的可靠性降低信道误码率。空间复用就是在接收端和 发射端使用多副天线，在同一频带上使用多个数据通道( m 1 m o 子信道) 发射信号，从而使得容量随 着天线数量的增加而线性增加。这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的 发射功率，因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段。 j ( 足) 空 信 时 编 源 码 t r 空 时 解 码 图1 1m i m o 系统结构 空间复用的实现如图11 所示，首先将需要传送的信号经过串并转换转换成几个平行的信号流 并且在同一频带上使用各自的天线同时传送，由于多通道传播，每- - n 发射天线针对接收端产生一个 不同的空间信号，接收方利用信号不同米区分各自的数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天 线之间的间距人于相关距离，这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。 空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为s i m 0 系统是接收分集，m i s o 系 统是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生r a y l e i g h 衰落，在不同空间位置上其衰落特 第一章绪论 性不同。如果两个位置间距大丁天线之间的相关距离( 通常相隔十个信号波长以上) ，就认为两处 的信号完全不相关，这样就可以实现信号空间分集接收。空间分集一般用两副或者多副人于相关距 离的天线同时接收信号，然后在基带处理中将多路信号合并。在s i m o 系统中的接收分集技术可以分 成最大比率合并( m r c ) 、等增益合并( e g c ) 和选择分集合并( s d c ) 三种类型。在最大比率合并的 接收中，每- - n 天线的输出用一个复数加权，然后相加；等增益合并接收使各副天线的输出信号保 持同相，然后相加。选择分集合并接收中，简单地选择众多信号中的一个质量最好的天线的信号， 并使用该信号作为接收剑的信号。由于最大比率合并之后信号的信噪比等于合并之前各支路的信噪 比之和，冈此是最佳的合并方式。 发射分集是将分集的负担从终端转移到基站端，然而采用发射分集的主要问题是在发射端不知 道衰落信道的信道状态信g ( c s 0 。因此，必须采用信道编码以保证各信道具有良好的性能，具体是 采用空时编码。空时码( s t c ) 是信道编码设计和多发射天线的结合，由a t & t 实验室的t a r o k h 等人 提出。空时码在将数据分成n 个数据子流在n 副天线上同时发射时，建立了空间分离信号( 空域) 和 时间分离信号( 时域) 之间的关系，而且在采用最大比率接收合并( m r r c ) 技术接收时，这些空 时码方案可以获得相同的分集增益。除了分集增益以外，好的空时码还可以获得一定的编码增益。 目前，各国学者对丁m i m 0 的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛进行研究。在m i m o 系统 理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信m i m 0 信道是一个时变、1 f 平稳多输入多输出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信 道为准静态衰落信道。这对于宽带信号的4 g 系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用 更复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台 快速移动情况进行研究。再有，一般假定接收机精确己知多径信道参数，为此，必须发送训练序列 对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处 理就成为重要的研究内容。 另外实验系统是m i m o 技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多 天线和多路接收，学者们正人力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电 小，因而还有大量t 作要做。目前各大公司均在研制实验系统。 1 2 空时码与级联t u r b o 空时码简介 空时编码有三种典型形式，可分为两大类：一类是没有分集而主要获得空间复用的分层空时码： 另一类是基于分集的空时块码( s t b c ) 和空时格栅码( s 丌c ) 。 s t t c 是由t a r o k h 等人在文献 5 中提出的。格栅编码器类似于卷积码，有n 个发送天线，采用空 时编码，某时刻的k 个符号经过s t t c 编码器后输出n 个码元符号，这些码元符号再经过调制后，从n 个 天线同时发送。在接收端可以用单一天线，也可用多个天线进行接收。每一个接收天线接收到的是n 个发送信号与干扰噪声的线性替加，不同的接收天线接收到经过独立衰落的信号。对接收到的信号 先解调，然后采州v i t e r b i 算法来译码，还可以根据需要采用s o v a 算法来输出信息；s t t c 的译码也可 以采用最大屙验概率译码算法。 s t b c 结构首先由m a m o u t i 在文献 6 中提出的。由于空时格码考虑了前后输入的关联，所以它比 东南大学硕士论文 空时分组码应该具有更好的性能但是，对于发射天线数固定的空时格码而言，其译码复杂度与传输 数据速率呈指数关系为了降低空时码的译码复杂度，t a r o k h 在a l a m o u t i 研究的基础上，应用了正交 设计理论，提出了空时分组码 7 空时分组码的泽码也可象分层空时码那样采用联合检测算法译码， 但通常利用正交性，其摄大似然译码算法具有很低的计算复杂度，而且还可能得到最大的发射分集增 益空时分组编码正是由于其相对简单的译码算法和较好的性能，已经被正式列入w c d m a 提案。 w c d m a 提案中下行开环发射分集共有两种：空时发射分集( s p c et i m et r a n s m i td i v e r s i t y ，s t t d ) 和 时域切换时间分集( t i m es w i t c h e dt i m ed i v e r s i t y ，t s t d ) 。 空时编码可以获得很高的分集增益，但编码增益却不高；因此理想的是将空时码与纠错码级联， 这样既保证了分集增益，又可获得较高的编码增益。在信道编码理论上，法国学者c b e r r o u 等人1 9 9 3 年在文献 8 中首次提出了t u r b o 码，由于很好地应用了s h a n n o n 信道编码定理中的随机性编译码条件 而获得了几乎接近s h a n n o n 理论极限的译码性能。在高斯信道下t u r b o 码有良好的编码增益，但在衰 落信道下性能却大受影响，因此人们提出将t u r b o 码和空时编码相结合的方案，以提高系统带宽效率 以及抗噪声、抗衰落性能。t u r b o 码用于m i m o 信道就称为空n t u r b o 码。 t u r b o 码与空时码相结合的常见方案有以下两种：一种构造方案是t u r b o 码串联空时块码( s t b c ) 。 s t b c 译码复杂度低，并可以输出软信息，但它只能获得分集增益，不能获得编码增益。为了获得逼 近信道容量的性能，通常需要增加一定冗余的信道编码，来抵抗衰落、干扰和加性高斯噪声的影响。 这样就把空时块码看成是“内码”，用它来发送加入冗余的外码。种是将t u r b o 码与空时格码( s t t c ) 级联。s t t c 可以生成多项式表述，还可以构造出递归的s t t c ，因此在这个基础上也能构造出空时t u r b o 码，采用两个递归的s t t c 作为子编码器，中间用比特交织器隔开，这样一来它和t u r b o 码的编码器原 理相同。 1 3 本课题的背景与具体任务 本课题属于国家“8 6 3 ”重大项目：“新型天线与分集技术”的一部分。此课题的研究目标之一 是开发山一套f l i m o 实验验证系统，实验验证系统是为了验证设计的m i m o 传输方案能否达到预定的 主要目标，并为后期研究开发提供必要的依据。该实验验证平台将用于验证： m i m o 系统的整体设计思想和方案； 核心算法的可行性与实用性； 所设计多天线结构的可行性与实用性； m i m o 系统相对于s i s 0 系统的信道容量优势； 理论推导与仿真部分工作的结果，为下一步研究提供依据。实验验证系统支持多种业务如话音、 高速数据和多媒体业务或同时提供这些业务。实验验证系统中在1 2 8 m h z 的带宽占用下，峰值数据 速率不低于1 9 2 m b p s b e r 1 0 “，系统频谱利用率是3 g 系统的3 5 倍。 1 4 本文内容 本论文的主要工作可分为l ：群实现和算法性能研究两部分。工程实现上实现了m i m o 验证系统 一竺二至笪堕一 中所使用的1 2 、1 3 码率的t u r b o 编、解码器；算法研究上对t u r b ot c m 与空时块码级联方案的性 能加以研究，并给出了仿真结果。各章节安排如r ： 第二章概略的介引了m i m o 验证系统的各个组成部分，实现的硬件平台环境，整个系统所要达 到的性能指标；第三章给山了t u r b o 编、解码基于t it m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 两种实现方法。首先描述 了t u r b o 码的编解码算法，其次简单介绍了t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 与t u r b o 码实现相关的硬件部分，最后 给出了一种基于t c p 协处理器，一种基于d s p 核( c p u ) 的两种t u r b o 码实现方法，及其对这两 种方法的测试结果。第四章研究了t u r b o t c m 与空时块码相级联两种结构，并给出了仿真性能，为 m i m o 验证系统的进一步开发、完善提供了相应的技术资料。 4 东南大学硕士论文 第二章m i m o 验证系统及关键技术 2 1 实验验证系统结构 本课题属于国家“8 6 3 ”重大项目：“新型天线与分集技术”的一部分。此课题的研究目标之一 是开发出一套m i m o 实验验证系统，实验验证系统是为了验证设计的m i m o 传输方案能否达到预定的 主要目标，并为后期研究开发提供必要的依据。该实验验证平台将用于验证： m i m o 系统的整体设计思想和方案： 核心葬法的可行性与实用性； 所设计多天线结构的可行性与实剧性； m i m o 系统相对于s i s o 系统的信道容量优势； 理论推导与仿真部分： 作的结果，为下一步研究提供依据。如图2 1 所示，整个实验验证系统是 阵列m i m o 构架由1 个计算单元( c u ) 、2 个接入点( a p ) 、1 个移动终端( m t ) 和1 个本地管理 终端( l m t ) 组成。 ( ：l j ：( o m p u l i n 望u n i t a p ：a c c t 曲p o i n tm 薯：m o b i l e 。 e r m i n i i l b 辨乳“，c 训m _ ”n g p n 增n i 瓢r m i 艄i 下et 耐m 抽mc b m p l 雠 图2 1m i m o 实验验证系统结构图 实验验证系统共有两类接口：a p 和m t 之间的空中接口，c u ( m t ) 和外部l 司定网络( 外部 终端计算机) 之间的接口。为了支持业务演示、系统管理和维护，c u 应该能够通过接口和外部 i n t e r n e t 以及l m t 连。c u 扮演了类似2 g 3 g 系统中的b t s 和b s c 的角色。a p 负责发送和 采集射频信号，a p 部分包括了天线系统和射频前端，a p 和c u 之间的信号是模拟1 q 信号，它 笫啊章m i m o 验证系统及关键技术 们之间通过电缆连接。l m t 主要负责本地维护，例如监控a p 的运行。m 1 。是用户终端。它由移 动台( m s ) 和外部终端计算机组成。m t 能够通过a p 接入i n t e r n e t 。m s 负责无线信号发送和接 收，终端计算机处理与席用相关的事务。m s 和终端计算机之间可以通过e t h e r n e t 互连。 2 2 实验验证系统总体技术特征 m i m o 实验验证系统是基于时分双_ j 一的单载波系统、可以支持t d m a 方案。系统的主要技术特 征列举如下： 双工方式( d u p l e xm o d e ) 本实验验证系统采用t d d 来区分上行链路和下行链路。 射频频段( r ff r e q u e n c yb a n d ) 系统工作在2 4 g h z ( 35 g h z 各选) 频段。 射频带宽( b a n d w i d t h ) 系统占用带宽约为1 2 8 m h z ( 3 d b ) 。 多址接入方案( m u l t i p l ea c c e s ss c h e m e ) 本实验验证系统的多址接入采_ e j t d m a 方案。系统中的t d m a 是指将不同的时隙( t s ) 分配给不 同的用户。 符号速率( s y m b o lr a t e ) 符号速率为1 2 8 m b a u d 。 空间分集方案( s p a t i a ld i v e r s i t ys c h e m e ) 下行链路采用8 发4 收天线配置，而上行链路则采用4 发8 收的天线配置。 自适应技术( a d a p t i v et e c h n i q u e s ) 磊统将采用自适应链路技术。 数据速率 本实验验证系统的峰值数据速率将超过1 9 2 m b p s ，因此频谱利用率将超过1 5 b p s i - i z 。 支持高速移动 系统可以很好地“1 。作在移动速度为12 0k m h 24g h z 的情况下。 2 3 硬件系统设计 硬件设计利用e d aj 【：具，采用自顶向f 的设计方法，在链路仿真的基础上，设计基7 - - f p g a 1 d s p 的硬件平台。如图22 所示，硬什平台主要有多发多收天线、多通道射频前端、基带数字处理、系统 主控c p u 和接口电路等五部分组成。 东南大学硕士论文 图2 2实验验证平台的硬件构成 各部分具体描述如f ： 1 ) 收发多天线 接入点用天线：4 n 全向天线，天线间距不小于半波长。 移动终端用天线：由于手机尺寸限制，拟采用双天线多点馈电双极化方式( 4 发4 收) 便携式电脑天线：多点馈电双极化微带天线。 2 ) 多通道射频前端 在该实验验证平台中，对每个接入点，将采用2 4 路射频收发通道；对于移动终端，将采用4 路 收发通道。对接入点和移动终端来说，每路收发通道的实施方案框图基本相同。接收通道采用二次 变频方案，将接收频带的r f 信号经过低噪声放大、滤波后下变频至中频信号，接受中频信号经滤波、 i 0 解调器输出i 0 两路基带信号，i 0 两路信号滤波输出。接收通道还包括a g c 控制，保证i 0 两路信 号输出功率电平；发射通道将采用直接调制方案，将i 0 两路基带模拟信号经过i 0 正交解调器直接 调制为射频信号，经过滤波、功率放大输出。发射机的输出功率受a p c 的控制，实现步进功率控制。 射频收发通道的实施方案框图如图2 3 所示。 第二二章m i m o 验证系统及关键技术 图23 射频收发通道方案框图 3 ) 基带数字信号处理 其中基带处理部分如幽2 4 所示，包括基带发送电路、基带接收电路两个部分。由于目前考虑的 实验验证系统平台中，先不考虑多址接入的问题，m t 和c u 基带处理差异不大。以发射基带数字信号 处理部分为例，主控c p u 传过来的数据( 信源) 经过信道编码、交织和映射后进行空时联合发送，然 后经多路数模转换得n m 路模拟基带信号送到发射机多通道射频前端。由于天线的配置方式不同，上 一f c r 链路在空时联合发送功能模块的实现上存在差异。空时联合发送根据接收机空时信道估计跟踪 模块，空时联台检测的软输山经过解调和信道解码后获得的数据( 信宿) 送到主控c p u 。下面简单介 绍一下频率选择性衰落的空时信道估计n 踪、频域均衡空时联合检测和空时块码、t u r b o 码级联译 码模块。 频率选择性空时信道的估计跟踪 实验系统中，由于需要支持上行链路和下行链路的多发多收，使得信道估计的难度和运算量很 大，同时m i m 0 的信道估计性能对后面的m i m 0 空时均衡和空时译码的影响很大。因此在数据帧中设计 训练序列、周期性的插入导频，并采用较先进的半盲信道估计方法。基于训练序列的信道估计采用 最小二乘法，查找表中预先存储训练序列的矩阵伪逆数据，以简化计算：洲练序列矩阵采用周期循 环正交的简单列矢量组成，以尽可能的降低同信道干扰：同时盲信道估计也迭代进行，并在训练序 列之后进行，不同的时段将根据其估计效果选用常模、正交子空间投影和有限信号集三种盲准则。 半盲估计可减少训练序列的开销。在空时信道估计遇到很大困难时，也可以牺牲一部分频谱资源， 采用连续的导频发送，这使得信道估计时变跟踪可以较好的完成。 东南大学倾士论文 蚓24 实验验证系统收发信机功能模块 频域均衡空时联台检测 o f d m 系统在b q t 链路的良好性能和实现上的简单规范等优点本质上源于循环保护间隔的引入， 循环保护间隔的引入使得线性卷积信道转化为圆周卷积信道，进而使得抗多径干扰的时间分集及空 间分集合并可以在d f l l 颁域各频点独立进行。对于单载波系统，在间歇导频模式下，利用已知导频信 号对未知数据信号的间隔作川，见图25 ，经过简单的预处理，线形卷积信道同样可以转化为循环卷 积信道，从而可以采川d p t 域单点空时联合检测方法，以提高系统的性能和降低实现复杂度。 图2 5 频域均衡空时联合检测 空时块码与t u r b o 码级联泽码模块 相比下空时格码( s t t c ) 最人似然序列检测，空时块码的解码仅需要将各接收天线上的接收序 列进行线性缃台，再利州最人似然判决即可完成解码，因此大大减少了计算量。但是误码性能会有 所r 降，为了取得较高的编码增益可以考虑将t u r b o 信道编码与空时块码进行级联。在解码时，空 时块码产：生的软信息、送入t u r b o 锵( 码器，进行解码，得到的软信息，再次返回空时解码，通过多次迭 代，最1 【亓埂判决解码，从l m 人人提高了系统的编码增益。 4 ) 系统主控c p u 负责移动终端基立l i 闩勺系统控制与管理、协议处理及它们与终端计算机( 因特网) 的连接。移动 9 第一蕈m i m o 验证系统及关键技术 终端基站町采川统- - v n p c 8 6 0 主控板。根据两者基带和射频的不同要求在实时多任务操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ( v x w o r k s 或v r t x 等) 平台上灵活配置并装载相应的控制驱动、简单 信令和业务协议。 5 ) 接口电路 接口电路：l 哿实现移动终端基站- j 4 # b 界的接口，本系统将采用以太口。 0 东南人学硕= 【论文 第三章t u r b o 码原理及基于d s p 的实现 m i m o 实验验证系统共采用三种信道编码方式，分别为无编码、卷积码、t u r b o 码，t u r b o 码用 于专用数据信道( d d c h ) 。验证系统中的t u r b o 码与w c d m a 系统中的t u r b o 码编码方式相同【9 ， ，r 、 分量码采用了约束长度为4 ，8 状态的系统递归卷积码( r s c ) ，编码矩阵为g ( d ) = 儿二黑 ，其中 t j 3 ) n ( d ) = 1 + d 2 十d 3 ，d ( d 1 = 1 + d + 。本章主要给出r m i m o 验证系统所使用的1 2 、1 3 码率的t u r b o 码的工程实现。首先描述了t u r b o 码的编、解码原理，其次简单介绍了t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 与t u r b o 码 实现相关的硬件部分，最后给出了一种基于t c p 协处理器，一种基于d s p 核( c p u ) 的两种t u r b o 码实现方法案，及其对这两种实现方案的硬件测试结果。 3 1t u r b o 码的原理 3 1 1t u r b o 码综述 自从1 9 9 3 年t u r b o 码的概念由法国学者b e r r o u 等在文献 8 中首次提出后，它就以其接近香农 限的优越性能博得了众多学者的青睐。t u r b o 码是近十几年来通信系统纠错编码领域研究的一个重大 突破，它的基本原理是把信息源比特流通过交织卷积后的各子码组合成并行级联卷积码，然后通过 译码器的反复迭代反馈得到卓越的译码- 眭能。t u r b o 码是在综合过去几十年在构造乘积码、级联码 及最大后验概率译码算法，迭代译码思想基础上的一种推与创新。它不仅具有低信喋比下的优越 解码性能，还有很强的抗衰落和抗干扰能力，因此这使其在情况复杂的移动通信信道上有很大的开 发应用潜力，并且已经被3 g p p 正式采纳为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 h a ，c d m a2 0 0 0 和t d s c d m a ) 均在信道编码中使用了 t u r b o 码，用以传输高速率、高质量的通信业务。 t u r b o 码的译码方案采用迭代译码原理，目前席片j 最多的2 种译码算法是s o v a ( s o f to u t p u t v i t e r b ia l g o r i t h m ) 算法 1 0 和m a p ( m a x i m u map o s t e f i o r i ) 算法( 11 】。s o v a 算法追求的是整个码序 列的最大概率，运算量较小，而且采用滑动窗法，可以大大减小时延。m a p 算法追求的是每一个符号 的最大概率，采用软输入软输出( s i s o ) ，使译码过程实现了伪随机化，从而达到接近香农限的良好 性能。但是m ap 算法的实现复杂度要t l s o v a 算法复杂得多，所以又在m a p 算法的基础上衍生出 m “一】o g m a p 和l o g m a p 算法。本文的d s p 实现就采用了m a x 1 0 9 m a p 译码算法。 3 1 2t u r b o 码的编、译码原理 t u r b o 码的提出是为了在一般译码复杂度下获得较高的编码增益。在发送端，编码器采用并行级 第兰章t u r ! ：o 妈原理度莲于d s p 的实现 联编码技术，刚简单的码构造臣码，任接嗷端译码器把码化成短码，利片j 软输入j 软输出迭代译码算 法进行译码。 1 ) t u r b o 码编码器的组成 图3 1t u r b o 码编码器结构图 t u r b o 码编码器由两个或多个带反馈的递归系统卷积( r s c l 码通过一个随机交织器并行级联而 成的，编码后的校验位经过删余阵，从而产生不同码率的码字。其中子码采用r s c 码的形式可以保证 各分量编码器住所有信噪比( s n r 、条件下具有良好的性能。图3 1 所示的是典型的t u r b o 码编码器 结构框图，信息序列= - t ，x 。x 。 经过一个n 位交织器，形成一个新序列x ，= t ，t ：，矗) 。 ，置分别传送到两个分量编码器( r s c ! 与r s c 2 ) 。一般情况下，这两个分量编码器结构相同，生成 伴随序列与m 。为了提高码率，序列h 与x ，：需要经过删余器，采用删余技术从两个校验序列 中周期地删除一些校验位，形成校验序列x ，x 。与未编码序列x ，经过复用调制后，生成了t u r b o 码 编码序列x 。= x ，k ，x i , - - - , x 。 ，其中b = 矗，o 。：， ，f _ l ，2 ，- 。 2 ) t u r b o 码子码和交织器 t u r b o 码有一个重要技术手段：“分集”，就是通过交织器帮助实现的。交织器打乱了输入编码器 2 的信息流，输入编码器1 和2 的信息流一般来说相关性很小。这样，当一个子码对于相应的信息流 在某段时间内产生了一个在编码格图中与其它路径距离较近的符号流，而另外一个子码在同时段内 产生类似的不佳符号流的可能性较小，因此两者在性能上可以互补，也就在这个意义上实现了分集。相 应地，选择交织器的一个准则就是使编码器l 和编码器2 产生的码字尽量不同，或者说，交织器的作用 是当一个编码输山不太好时，尽量使另个编码输出好些。 交织器一般词分为两种，一种是规则的，或叫块交织器，数据被按行( 列) 写入一个矩阵，然后被按列 ( 行) 读出拐一种是不规则的，数据或被类似随机地写入或被类似随机地读出。不规则交织器的选择 还没有一个好方法但一般能产生较好的效果。在传统的级联编码中也采用交织器，作用是使内码纠正 不了的错误随