（信号与信息处理专业论文）基于h264与turbo码的联合信源信道编码的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 联合信源信道编码 j s c c 顾名思义 就是兼顾信源编码和信道编码 两种编码在彼此 不独立的情况下设计和运行 依靠通信系统各个部分的联合优化 使通信系统达到整体上的 最优 本文主要研究了无线信道下基于不等差错保护 u e p 思想的联合信源信道编码的设 计方案 本文首先对信源信道联合编码进行了概述 分析了当前国内外关于联合信源信道编码的 研究现状 其次根据h 2 6 4 视频压缩标准中采用的数据分割的抗误码技术 设计了码流优先 级分割方案 通过对h 2 6 4 编码器生成的码流进行优先级划分 对重要数据加强信道保护 以获得较好的视频恢复效果 然后在瑞利衰落信道下 对t u r b o 码编解码结构和算法进行了 研究 对它的性能进行仿真 根据t u r b o 码的编码参数以及删余矩阵的选择 设计了1 曲o 码的u e p 机制 并且建立t u r b o 码在瑞利信道中的误比特模型 最后提出了一种基于h 2 6 4 和t u r b o 码的联合信源信道编码方案 结合所设计的u e p 机制 针对不同等级的视频信息源 输出比特来联合调整t u r b o 码编码码率及编码参数 与传统的等差错保护 e e p 方案相比 所提方案的性能在峰值信噪比 误比特率以及视频重建质量方面都有了一定的提高 关键词 联合信源信道编码 j s c c h 2 6 4t u r b o 码不等差错保护 u e p 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a st h en a m ei m p l i e s j o i n ts o u r c e c h a n n e lc o d i n g j s c c m e a n sc o n s i d e r i n gb o t hs o u r c e c o d i n ga n dc h a n n e lc o d i n gt od e s i g na n do p e r a t et h e mu n d e rr e l a t i v e l yd e p e n d e n ts i t u a t i o no fe a c h o t h e r a n db yj o i n to p t i m i z a t i o no fa l lp a r t si nt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m m a k i n gt h i ss y s t e m a c h i e v et h eb e s te f f o r to i lt h ew h o l e i nt h i sp a p e r aj s c cs c h e m eb a s e do nu n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n o y e p o v e rw i r e l e s sc h a n n e l si sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r w ef i r s ts u m m a r i z ea n da n a l y s ec u r r e n tr e s e a r c ho nj s c ca th o m ea n da b r o a d t h e n a c c o r d i n gt oa n t i e r r o rm e t h o do fd a t ap a r t i t i o ni nh 2 6 4v i d e oc o m p r e s s i o ns t a n d a r d s a u e ps c h e m ef o rh 2 6 4c o d es t r e a mh a sb e e nd e s i g n e d i nw i r e l e s sc h a n n e lc o n d i t i o n w ed i v i d et h e p r i o r i t yo fc o d es t r e a mg e n e r a t e df r o mh 2 6 4e o d e c a n ds t r e n g t h e nc h a n n e lp r o t e c t i o nt ot h e i m p o r t a n td a t a w es t u d yt h et h e o r yo ft u r b oc o d e sa n ds i m u l a t ei t sp e r f o r m a n c ei nr a y l e i g hf a d i n g c h a n n e l b ys e l e c t i n gt h ec o d ep a r a m e t e r sa n dd e s i g n i n gp u n c t u r e dm a t r i xo ft u r b oc o d e s w e d e v i s et h eu e ps c h e m eo ft u r b oc o d e sa n di t sb e rm o d e li nr a y l e i g hc h a n n e l f i n a l l y w ep r o p o s e aj s c cs c h e m eb a s e do nh 2 6 4a n dt u r b oc o d e sb yu e pm e t h o dd e s i g n e db e f o r e c o m p a r e dt o t r a d i t i o n a le e ps c h e m e t h ep r o p o s e ds c h e m e sp e r f o r m a n c eh a sn o t a b l ei m p r o v e m e n ti n t h e a s p e c t so fp s n r b e ra n dv i d e or e c o n s t r u c t i o nq u a l i t y k e yw o r d s j o i n ts o u r c e c h a n n e lc o d e j s c c h 2 6 4 t u r b oc o d e s u n e q u a l e r r o rp r o t e c t i o n u e p n 南京邮电大学学位论文原创性声明 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 也不包含为获得南京邮电大学或其它 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 啦日期 旦越 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学 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 缩印或其它复制手段保存论 文 本文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 授权南京邮电大学研究生部办理 研究生签名 导师签名 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 1 1 1 经典信息论的局限性 l j 自从1 9 4 8 年s h a n n o n 发表 am a t h e m a t i c a lt h e r yo f c o m m u n i c a t i o n 一文标志信息论的 诞生 通信技术已经历了长达6 0 年的发展历程 根据香农关于信源一信道编码的理论 信源 和信道编码可以在不降低系统整体性能的前提下分开考虑设计 各自实现优化 在这个理论 基础上 信源编码从信号中移去自然存在的冗余量 提高了通信系统的有效性和提高信息传 输速率 减少信息存储空间 获得最大的信息压缩率 而信道编码则是在数据中重新加入人 为控制的冗余数据 保护在噪声信道中传输的数据 纠正传输或存储过程引起的错误 提高 通信系统的可靠性 由经典分离方案产生的系统如图1 1 所示 在该系统中 由信源编译码 器实现系统有效性指标 信道编译码器抵消信道产生的影响 实现系统可靠性指标 信源 信宿 图l 1 分离系统原理图 在这篇著名的论文中 s h a n o 皿证明只要信源的信息传输率r 小于信道容量c 那么就 能以d r 的失真通过信道 实现错误率非零但任意小的可靠通信 更进一步 可以首先用一 个信源编码 取得r r 的信息率 然后用一个r o 时 采用d p 模式结合自适应的u e p 来抵抗信道差错 有效克服 传统u e p 技术低丢包率下编码效率低下的问题 在信道丢包率为o 时 则使用s s m 模式以 进一步节省打包开销 2 3 2 对h 2 6 4 码流优先级划分的设计 在前面已经提到 h 2 6 4 采用了数据分区的方法 将一个1 6 1 6 的宏块的1 6 个4 4 的 子块的重要码字放在一起 例如帧内预测模式 量化步长等 而将相对次要的色度信号码字 放在一起 这样就方便发送端提取码字 进行不等差错保护的编码 由表2 3 可见 如果a 区信息丢失 则直接将b 区和c 区的信息全部丢弃而不论是否正确接收到 可见a 区信息在 视频解码过程中起非常重要的作用 而如果b 区或c 区信息丢失 则可利用相应的误码掩盖 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章h 2 6 4 视频码流的不等差错保护 u e p 机制 措施来弥补所造成的不利影响 表2 3 检测到数据包丢失后采取的措施 2 7 收到的数据包误码掩盖方法 abc nyy 丢弃b c 区数据 使用某种误码掩盖方案来对丢失部分的运 动矢量等信息进行 猜测 yny a 区和c 区共同对数据片的帧内编码信息进行解码 yyn a 区中的运动矢量等信息用于对帧间宏块的误码掩盖 b 区 中的帧内编码信息用于重构丢失的信息 ynn 仅用a 区中的运动矢量等信息来实现误码掩盖 nnn 数据片中的信息全部丢失 处理方法同第一种情况 因此在编码视频信息传输过程中 为了在提高编码视频信息抗误码性能的同时提高编码 器的编码效率 可以对编码视频流中的各部分信息根据其重要性的不同分别采用不同优先级 的误码保护 从而有效改善由于信道环境恶劣而造成的不利影响 本文提出了基于数据分区 模式较为简单的u e p 方案 是将b 区信息和c 区信息合并成为一个数据区 a 区所含的信 息类型不变 新的b 区则含有宏块编码方式信息 c b p 和属于数据片的所有宏块编码变换系 数 亮度和色度分量的帧内 帧间编码的直流 交流变换系数 将每个数据片信息仅划分成 两个数据区可以降低输出比特流的比特数 从而提高编码器的压缩效率 具体的划分等级如 表2 4 表2 4 根据n a l 类型划分的优先等级 n a l u n i t t y p e n a l 类型 优先等级 2 5 7 8序列参数集 图像参数集 i d r高优先级 图像中的片 片分区a 3 4 及其他片分区b 片分区c 等其他低优先级 n a l 类型 我们按照h 2 6 4 中码流格式 设计程序来实现如表2 4 所示对不同的n a l 类型的优先等 级的划分 再按照不同优先等级 对其采用不同码率的t u r b o 码进行信道编码 实现对码流 不等差错保护 对码流的不等差错保护的分割算法 我们将在下一节给出 对不同优先等级 的h 2 6 4 码流结合不同码率的t u r b o 码实现联合信源信道编码的具体设计和实现 我们将在 第五章进行论述 1 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i i 2 6 4 视频码流的不等差错保护 u e p 机制 2 3 3 对h 2 6 4 码流的u e p 分割 1 u e p 分割算法 在本章前面几节 我们己经对h 2 6 4 码流结构进行了详细的分析 并根据h 2 6 4 码流结 构中不同的比特信息对重建图像的结果有着不同的影响 完成了对h 2 6 4 码流的重要性级别 划分 本算法的核心思想是对h 2 6 4 编码器生成的码流中不同部分信息采用不同级别的信道 编码以实施非平等的误码保护 因此将h 2 6 4 编码器生成码流根据重要程度不同进行切割是 进行信道编码之前必须完成的工作 具体切割程序流程如图2 7 所示 图2 7 码流u e p 分割程序流程 我们所要做的工作就是按照表2 4 根据n a l 类型将h 2 6 4 码流分割 分别放到两个文 件中存储 在分割文件的同时 产生位置信息 位置信息包括 n a l 单元的序列号 优先级 n a l 单元的长度和起始位置 位置信息的结构如下 s t r u c ti n f o p o s i n tp r o n a l 单元的优先级 i n t p o s 起始位置 i n tl e n g t h n a l 单元的长度 i n ts e q n a l 单元的序列号 1 r 堕室堂皇查堂堡主塑壅竺堂垡笙塞 茎三童望 丝望塑塑堕箜至量茎堡堡茎 竖 墼型 这样对码流结构中不同部分的比特采用不同级别的差错保护机制 高优先级的比特流 就采用较高保护级别的信道编码 即采用较多位的监督比特实现对信息码流的监督保护 低 优先级的比特流 所谓不是非常重要 是指一旦这些比特被破坏 或是对重建图像的质量不 会造成非常严重的影响 或是可以通过某些补偿方法恢复出这些内容 就采用较低保护级别 的信道编码 最后再将合成的序列文件送入终端的h 2 6 4 解码器解码 就可以得到我们需要的经过无 线信道传送后的生成图像 在此基础上 我们就可以通过改变系统的各项参数 获得不同的 生成图像效果 从而可以非常容易的从主观角度对经过无线信道传送的图像进行评估 以下 章节再做详细介绍 1 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章t u r b o 码的原理及其u e p 机制的设计 第三章t u r b o 码及其u e p 机制的设计 1 9 9 3 年的国际通信会议上 法国学者c b e r r o u 等提出的t u r b o 码 1 5 取得了接近香农限 0 7 d b 的优异编码性能 t u r b o 码提出后 学术界对它的第一反应是怀疑 但是随着越来越多 的学者 2 8 独立地重复出了c b e r r o u 的结果后 在编码界掀起了研究t u r b o 码的热潮 对t u r b o 码的研究最初集中在独特编码结构 交织器设计 译码算法及性能界等方面 1 9 9 8 年后对 t u r b o 码的研究开始转向应用 目前 t u r b o 码已经被第三代移动通信 深空通信 卫星通信 的多个标准采纳 具有良好的发展前景 t u r b o 码的最大特点在于它通过在编译码器中交织器和解交织器的使用 有效地实现了 随机性编译码的思想 通过短码的有效结合实现长码 达到了接近s h a n n o n 理论极限的性能 本章首先介绍了t u r b o 码的编码结构 主要是讨论了并行级联编码结构 p a r a l l e lc o n c a t e n a t e d c o n v o l u t i o n a lc o d e s p c c c 接着分析了迭代译码结构和目前有代表性的译码算法 最后讨 论了t u r b o 码中各种参数选择对其性能的影响 并进行了试验仿真 3 1t u r b o 码的编码结构 c b e r r o u 最初提出的t u r b o 码采用了并行级联卷积码 p c c c 结构 除此之外 t u r b o 码 还包括串行级联卷积码 s c c c 和混合级联卷积码 h c c c 两种结构 由于p c c c 的复杂度相 对于后两者较小 一般t u r b o 码多为p c c c p c c c 编码器由交织器 两个或多个分量编码器 删余矩阵和复接4 部分组成 其编码器框图如图3 1 所示 图3 1p c c c 的编码器结构 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章t u r b o 码的原理及其u e p 机制的设计 在p c c c 编码过程中 长度为n 的信息序列u u k 并行地分为三支 进入t u r b o 编码 器进行处理 第一支是系统码的信息u 的直通通道 作为系统输出 直接送至复接器 第 二支将 送入分量编码器1 进行编码 生成校验序列 第三支将 经过交织器i 厉的 交织序列 送入分量编码器2 生成校验矩阵 彳p 巧2 p 其中n i k o n k 再与系统输出 露 一起经过复接构成码字序列 气 1 分量编码器 分量编码器一般选择递归系统卷积码r s c 当然也可以是分组码 非递归卷积码以及非 系统卷积码 采用系统码的原因 主要在于减少系统码部分的传输可以提高传输效率 同时 也可以简化译码器结构 使分量译码器之间共享可靠性信息成为可能 由于反馈的引入 r s c 卷积编码器的结构从f i r f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e 方式变成了i i r i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e 方式 使得在引入交织器后 可以使t u r b o 码取得大的全局h a m m i n g 距离 经过证明 当码 率r 大于2 3 时 在任意信噪比条件下 由于系统递归卷积编码器r s c 的自由距离都比非系 统卷加码n s c n o n s y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a l 大 而b e r 都比n s c 小 因而r s c 码是最佳的 分量码 从解码角度来看 由于卷积码具有良好的网格结构 且可以方便地利用m a p 算法 故 两个分量码通常由两个约束长度较小的带反馈的系统卷积码并联而成 其码率为1 2 为简化 解码 两个r s c 卷积码采用相同的结构 也可采用不同的结构 另外在编码时为使编码器的初始状态全为零 需在信息序列之后增加m 比特尾信息 未 必全是零 使分量编码器同步置零 编码过程中 如果两个分量码的输入信息序列是相同的 长度为n 的信息序列u 在送 入第一个分量编码器进行编码的同时作为系统输入x s 直接送至复接器 同时经过交织器后的 交织序列送入第二个分量编码器 两个分量编码器输入序列仅仅是码元的输入顺序不同 两 个分量编码器输出的校验序列分别为x 和x p 2 为提高码率和系统频谱效率 可以将两个校 验序列经过删余矩阵删余后得到x p 再与系统输出x s 一起经过复接构成码字序列x 对于两 个分量码组成的t u r b o 码而言 t u r b o 码的码率与两个分量码的码率r 1 和r 2 之间满足 r 墨垒 3 1 墨 恐一墨坞 2 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章t u r b o 码的原理及其u e p 机制的设计 r s c 卷积码的生成多项式可写成 1 9 2 9 1 g l 表示反馈多项式 薛表示校验多项式 为简便起见 一般写成八进制 图4 2 中的卷积编码器生成多项式为 1 2 1 3 7 图4 2 r s c 编码器结构 2 交织器 从线性分组码的理论中可以得知 码字的最小距离是估计码字性能的首要参数 对于线 性分组码而言 码字最小距离就是码字集合中汉明重量最小的非零码字的汉明重量 交织器 和分量码的结合可以确保t u r b o 码编码输出码字都具有较高的汉明重量 在t u r b o 编码器中 交织器的作用是将信息序列中的比特顺序重置 当信息序列经过第一个分量编码器编码后输 出的码字重量较低时 交织器可使交织后的信息序列经过第二个分量编码器编码后以很大的 概率输出高重量码字 从而提高码字的汉明重量 同时 好的交织器还可以有效地降低校验 序列间的相关性 通过交织 编码序列在长为2 n 或3 n 不经过删余 比特范围内具有无记 忆性 从而由简单短码构造了近似随机长码 因此 交织器设计的好坏在很大程度上影响着 1 曲o 码的性能 编码器中交织器的使用是实现t u r b o 码近似随机编码的关键 它实际上是一一映射函 数 通常在输入信息序列较长时可以采用近似随机的映射方式 相应的交织器称为伪随机交 织器 由于在具体的通信系统中采用t u r b o 码时 交织器必须具有固定的结构 同时是基于 信息序列的 因此在一定条件下可以把t u r b o 码看成一类特殊的分组码来简化分析 但这并 不包括能够实现连续编码的面向流的t u r b o 码 如果交织器的大小固定而且分量码编码器的 编码初始状态为全零 则t u r b o 码就是一个线性分组码 交织器的主要作用有 减小突发差 错的影响和改善信息序列的码重特性 通常t u r b o 码的自由距离并不大 但是由于交织器的 作用 使得t u r b o 码和卷积码相比 其重量相近的码字数目要少的多 从而使得在一定条件 下t u r b o 码的译码差错概率比卷积码的差错概率低 所以 交织器在t u r b o 码中起着非常重 要的作用 如何选择交织器也成为t u r b o 码设计的重要课题 下面介绍几种常见的交织器 塑室塑皇奎堂堡主婴窒生堂垡笙奎 笙三兰 兰些苎塑璺墨垄茎竖 翌 塑堕垦生 1 分块交织器 分块交织是将信息序列视为矩阵 然后采取以按行写入 按列读出的方式实现码元交织 分块交织器的交织函数为 万 f f 一1 m o d 刀 m i i n l f c 3 2 在纠错编码中 交织矩阵的行数叫做交织深度 交织矩阵的列数叫做交织跨度 分块交 织的特点是方式简单 对短序列交织效果较好 但交织后对信息比特的去相关不彻底 2 随机交织器与s 随机交织器 在随机交织器里 一个n 比特的信息序列被输入交织器中 然后被随机读出 理论上 信息序列之间的交织方式是变化的 以便更好地反映随机性 但在实际应用中 接收端必须 能够确定每一帧码字序列的交织方式 这就增加了传输的负担 因此完全随机化交织并不是 最佳的方式 通常 随机交织器是以某种方法产生一组随机数 决定信息序列在交织后的排 列方式 信息序列之间的交织方式是相同的 随机数的产生方式如下 首先在从1 到n 之间等概率地随机选择一个整数 作为信息 序列中第一个比特在交织后的位置 然后从剩下的n 1 个整数中等概率地随机选择一个整数 作为信息序列中第二个比特在交织后的位置 以此类推 直到n 个信息比特都选完为止 为了避免交织前相距较近的数据在交织后仍相距较近 可以把上述交织方法修改为随机 交织 就是为上述随机交织器加一个约束 每一个随机产生的整数要和先前个已选择的整数 比较 如果当前产生的随机整数与先前个整数之差的绝对值小于的话 当前产生的随机整数 就被抛弃 重新选择 即 冤2 薯陋 弛酣 l 万 毛 一万 之 l s l2 3 3 考虑到算法的搜索时间 通常选择s 足 s 2 s 随机交织器是一种公认的性能良好的交织器 信息序列越长 随机数产生的越均匀 交织前后序列的相关性越小 3 比特翻转交织器 比特翻转器的交织方法如下 对于交织长度来说 集合中的每个元素都可以用二进制数 a l a 2 a n 来表示 n r 1 2 r 2 3 3 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章t u r b o 码在无线信道中的性能分析 第四章t u r b o 码在无线信道中的性能分析 4 1 无线信道分析 目前大多数的t u r b o 码的分析研究均假设工作在恒参的a w g n 信道下 并尝试将它应 用到实际通信系统中 在通信技术不断发展的今天 无线通信以其灵活便捷的特点获得了人 们极大关注 将成为未来主流的通信方式 而实际的无线传输信道一般都比a w g n 信道复杂 的多 常见的有r a y l e i g h 衰落信道和r i c e 衰落信道等 由于这些信道和a w g n 信道具有不 同的特性 原有a w g n 的译码方法己不能完全适合 t u r b o 码的纠错性能也有较大的不同 在无线通信中 信道的起伏 衰落和信号的时延扩展给数字信息的可靠传输带来了极大 的困难 但这种复杂的信道环境却正是像t u r b o 码这样具有强大纠错能力的信道编码的用武 之地 因此要想使t u r b o 码得到更广泛的应用 研究其在衰落信道下的译码方法和性能就非 常有必要 本章描述了无线信道模型 并用t u r b o 码在r a y l e i g h 衰落信道上进行了仿真分析 在许多无线电通信中 由于电波的反射 散射和绕射等 使得发射机和接收机之间存在 多条传播路径 并且每条路径的传播时延和衰耗因子都是时变的 因此实际接收到的信号是 经过多条路径到达的信号的加权叠加 其合成信号的幅度和相位在某些时间很不稳定 是随 机变化的 通常把这种现象叫做衰落现象 这类无线信道也称为多径衰落信道 如果调制波 所包含的频谱中 不同频率的成分衰落情况相同 这种衰落称为平衰落或非选择性衰落 如 果各成分衰落情况不同则称为选择性衰落 这时衰落信道的传输特性形状会有变化 信道衰 落可看成信道的传输系数在变化 所以衰落引起的对通信的干扰叫做乘性干扰 衰落时场强 变化十分激烈 使我们产生无线电通信不可靠的感觉 衰落的主要来源包括多径传播 大气 吸收或离子层闪烁等 一般地 人们将多径衰落分为4 类 其中以无线信道的多径特性引起 的时间色散导致发送的信号产生平坦衰落或频率选择性衰落 而根据发送信号与信道变化快 慢程度的关系 信道又可分为快衰落信道和慢衰落信道 对大多数信道来说 平稳噪声的a w g n 信道模型是比较合适的 但在无线信道中 由 于传输信号的信道是衰落的 而且是非平稳的 其信道增益是一随机过程 该随机过程可用 一概率密度函数和一自相关函数来描述 当没有使用信道编码技术时 与无衰落信道相比 衰落信道的衰落损失相当大 在大多数无线环境中 由于衰落的影响 信道模型是时变的 在大多数实际环境中 衰 落既发生在频域也发生在时域 通常 频域衰落和时域衰落总有一个占主导地位 这里假定 3 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章t u r b o 码在无线信道中的性能分析 频域占主导地位 大量观测试验表明 瑞利分布模型是实际无线信道的较好近似 故本文在 以下的分析中仅对瑞利衰落信道加以研究 1 r a y l e i g h 信道模型 如果接收信号没有直射波分量 即复高斯变量的均值为零 则接收信号的包络服从瑞利 分布 两个正交的零均值高斯噪声信号之和的包络服从r a y l e i g h 分布 r a y l e i g h 分布的概率 密度函数为 最 专p 一佗 o 4 1 其中 仃2 是包络检波之前的接收信号包络的时间平均功率 如图4 1 所示为一种r a y l e i g h 衰落信道模型 为方便分析 现重新设定x t 是发射信号 信号x t 经过r a y l e i g h 信道时 受两种噪声的影响 乘性噪声a 的影响和加性高斯白噪声n t 的影响 a 图4 1 r a y l e i g h 衰落信道模型 a a t e j a n f 一 o n o 2 a c a s 1 1 2e a 2 1 d 是信道时变衰落 系数或称信道函数 i l t 为零均值 双边功率谱密度为n 0 2 的加性高斯白噪声 y t 是输出信 号为 y t 确 t n t 4 2 是在 o 2 万 内符合均匀分布的随机变量 a t 是符合r a y l e i g h 分布的随机变量 一般情况下 我们均假设乘性噪声不改变信号的功率 即e 口2 1 基于这种信道模型 我们在实验中采用高斯噪声源产生不相关的r a y l e i g h 噪声的方法 这种方法产生r a y l e i g h 噪声的特点是简单易行 利用高斯噪声源产生r a y l e i g h 噪声的原理如 图4 2 从图中可以看出两个独立的符合一致分布 i i d i n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d 的 高斯噪声源分别产生高斯噪声 和q 口c 和q 的均值为零 方差为1 符合以e 口2 1 的i l e i 曲噪声口为 3 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章t u r b o 码在无线信道中的性能分析 口2 4 3 图4 2 利用独立的一致分布的两个高斯噪声源产生不相关的r a y l e i g h 噪声 2 r a y l e i g h 信道下l o g m a p 算法的修正 由于信道的噪声性能的不同 t u r b o 码在a w g n 下各种译码算法必需作一定的修改才 能适合在r a y l e i g h 信道下使用 3 3 3 4 r a y l e i g h 信道下接收信号为j f 出 r 刀 f 儿的分布不仅仅是和毪有关 而且和衰 落幅度采样值吼有关 假设对于每一个采样值 我们都知道它所受的衰落幅度哆 这种在 实际情况下也是可能的 我们可以通过信道估计 导频等方法获得信道的状态信息q 即获 得了c s i c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n y k 的分布就可看作是条件高斯了 并且对于充分交织 的衰落信道 信道也可看作是无记忆的 对于r a y l e i g h 衰落信道 m a p 译码算法的修正主要是与信道条件有关的分支转移概率 珞 s 引 如果接收机已知信道状态信息c s i 贝l jr k s s 应修改为 r k 8 t j p 瓯 j 以i 瓯一l s 吼 p 瓯 j i 一l s p y ki 瓯 s 瓯一l s t 吼 2 p p 以i 嚷s 趴儿plu 4 4 p u k 是u k 的先验概率 p 雠i 和p l 蛾p 服从高斯分布 可推得 删 p c 黼咖最唧 一 于是可以得 s d k e x p r 厶 以 厶 p 儿p p 对于充分交织的衰落信道 如果接收机未知信道状态信息 3 9 4 6 则分支转移概率 s s 为 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章t u r b o 码在无线信道中的性能分析 s j p u k p y iu k p y fi 硭 4 7 式中 p 以 u k 和p y f fi f 是p 蚝i 和p i f 在r a y l e i g h 衰落幅度嚷上取 统计平均获得 因计算非常复杂 一般采用简化计算方法 假定p 以l 是高斯分布 则有 p c y u k o c e x p 芈 在一般仿真情况下 假定r a y l e i 曲衰落的平均能量为1 于是邑 口 o 8 8 6 2 p 雠i 彬 的计算与此类似 所以 最后得 吃 s j k e x p r 魄 t 毋 口 以 厶以 口 j 4 9 由于我们考虑r a y l e i g h 信道模型是不相关的r a y l e i g h 噪声 所以我们不考虑在r a y l e i 曲 信道下的相关性 由此 我们可以统一表示t u r b o 码的m a p 译码 并且有 1 未知信道状态信息 0 8 8 6 2 2 a w g n 信道 1 4 2t u r b o 码在r a y l e i g h 信道中性能分析与仿真 影响t u r b o 码性能的参数有很多 我们在本文中选取几个比较重要的参数 如迭代次数 分量编码器 码率 帧长度 3 5 在不同的信道信噪比 s n r 条件下对t u r b o 码性能的影响进行仿 真 来分析上述各种参数的选择对于t u r b o 码纠错能力的影响 以此来选择适合的参数应用 到我们所设计的信源信道联合编码的系统中 我们采用的l o g m a p 迭代译码方法 分量码均选用码率为1 2 的r s c 交织器采用随 机交织器 仿真信道采用r a y l e i g h 平坦衰落信道 采用b p s k 调制方式 仿真系统流程如图 4 3 所示 为保证仿真数据的客观性 确保仿真是经过大量数据试验的结果 我们可以设置出 错总帧数e r rt o t a lf r a m e s 的值 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章t u r b o 码在无线信道中的性能分析 图4 3 仿真系统流程图 4 2 1 不同迭代次数对t u r b o 性能的影响 t u r b o 码之所以能够取得接近香农理论限的优异编码性能 除了它新颖的并行级联编码 结构以外 另一个重要特征就是引入了迭代译码思想 通过在两个分量译码器之间反复的更 新和交换外部信息 e x t r i n s i ci n f o r m a t i o n 使得译码器输出的对数似然比 l l r 的硬判决 结果逐渐接近正确译码序列 4 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章t u r b o 码在无线信道中的性能分析 随着迭代次数的增加 解码性能一般会逐渐改善 但不可能无止境提高 迭代过程执行 到一定次数后 继续此过程对性能的改善很小 比特误码率 b e r 曲线将呈现收敛趋势 另外 t u r b o 码还存在 错误平层 e r r o rf l o o r 3 6 1 特性 即在较高的信噪比区域 随着 川 o 的增大 比特误码率维持在一个数量级不再下降 b e r 曲线将逐渐趋于平缓 仿真实验中 设置信道模型为r a y l e i g h 平坦衰落信道 分量编码器的生成多项式为 g 7 5 信道码率i b l 2 译码算法选用l o g m a p 算法 图4 4 和图4 5 分别显示了信息序 列帧长n 4 0 0 和n 1 0 2 4 时的译码性能 比较了l 2 5 8 1 0 次迭代的b e r 曲线 f f f f s t f f f f f 膏 f ff i 雹s 蚤唑螨蔷羲 i 曩气 寰 i h l i 冀谶弧 羚旗 1 0 2 叱 童1 0 4 山 1 0 5 1 0 b 们 2 1 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 o 0123456 e b n o d 日 图4 4 帧长n 4 0 0 时 不同迭代次数下的译码性能比较 一r 1 2 n 1 0 2 4 g 7 5 i t e r l 秘r 1 2 n 10 2 4 g f 5 i t er 2 叫卜r i 2 n 10 2 4 g 5 i t er e 卜一r i 2 n 10 2 4 g f 5 i t e r 8 卜 r i 2 n 10 2 4 g f 5 i t e r l0 蠹蠹蠹蠹蠹嚣嚣藕 7 0 k c j m j 二二 二 jj 二二j 二二 i i i i i i 1 二 3 j j j j 誓j j j j j j 搿三 j j j j j j 二 j j j j j j j 23456 e b n o d b 图4 5 帧长n 1 0 2 4 时 不同迭代次数下的译码性能比较 4 2 肖叱 j j 山li 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四苹t u r b o 码在无线信道中的性能分析 从仿真结果我们可以看到 迭代次数的增加可以提高t u r b o 码的性能 降低误比特率 但是当迭代次数增加到一定的值之后 t u r b o 码b e r 曲线将逐渐趋于平缓而收敛 这时 再 增加迭代次数所带来的t u r b o 码b e r 性能改善的程度就不明显了 从图4 4 和图4 5 可以看 出 当迭代次数超过8 次时 t u r b o 码b e r 曲线几乎重叠在一起 考虑到迭代译码造成的时 延 并且增大译码器的复杂度 因此我们下面的试验中 迭代次数的选择以8 次为上限 4 2 2 不同分量编码器对t u r b o 性能的影响 分量编码器的选择也是t u r b o 码设计中的一个重要方面 在前面章节已经介绍过t u r b o 码的分量编码器采用的是反馈系统卷积 r s c 码 除此之外 移位寄存器的长度对n 曲o 码性能的影响非常明显 一般来讲 增大卷积码移位寄存器的长度 可以增大码字序列的随 机性 有助于改善编码的性能 但是却带来编译码的延时及复杂度随之增大的问题 即使在 相同的移位寄存器长度下 选取不同的生成多项式 译码的性能也是千差万别 好的参数选 择将大大提高码字抗差错的能力 这里的仿真实验中 我们比较了不同的移位寄存器长度v 也称记忆长度 对译码性能 的影响 采用不同子码的t i 曲o 码的性能也有很大差别 t u 帕o 码的设计中首先就是选择好的 r s c 子码 此处只对几种常用的 较好的采用不同约束长度的r s c 做子码的t u r b o 码进行仿 真 以分析约束长度对t u r b o 码性能的影响 图4 6 到图4 9 显示出了当交织长度分别为4 0 0 1 0 2 4 码率为1 3 1 2 时 分量编码器 对t u r b o 码性能的影响 仿真中我们设置译码算法选用l o g m a p 算法 进行8 次迭代 所用 的子编码器分别是 7 5 1 5 1 7 和 3 7 2 1 递归卷积码 其编码存储器的长度分别是2 3 和4 对应的约束度分别是3 4 和5 可以看到 在瑞利衰落信道下 当信噪比较小时 分量编码器约束度的改变不会引起b e r 曲线有明显的变化 随着信噪比的增加 不同约束度的t u r b o 码的性能区别开始增加 当信噪比较小时 约束长度小的t u r b o 码的性能还要优于约束长度大的t u r b o 码 但是 当信噪比大于3 d b 时 增加卷积码的约束度将会改善t u r b o 码b e r 性能 在交织器长度和码 率一定时 约束度越大 t u r b o 码的b e r 性能越好 但是我们应该注意到 从所示的仿真结 果来看 约束度从3 增加到4 为t u r b o 码所带来的b e r 性能增益要明显高于约束度从4 增加 到5 所带来的性能增益 4 3 1 0 0 1 0 1 0 2 1 0 3 1 口 4 1 0 6 1 0 七 1 0 d 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 矿 1 0 6 兰篓篓警謦萋 攀攀鍪警鍪誊攀篓翼 0 e b n o c 1 日 图4 6 不同分量编码器对t u r b o 码的影响 n 4 0 0 r l 2 2 3 4 e b n o c l b 5 图4 7 不同分量编码器对t u r b o 码的影响 n 兰1 0 2 4 r 芦1 2 6 囊 m 口 10jj山息 爨一 le 10j 1山葛 1 0 0 1 0 1 滏孽誊誉篷霉誊豫翟避鎏鎏霉霉誉誊鼍墨罨毫誊誊誊誊匙萋客誊誊 警 譬攀誉豢獭撼誊皂j 繁繁黛零誊誊誊誊誊 熏霉鬻要霉鬻霉翟氍 氍氍誉鬻氅繁零琶糍誊誊 1 0 2 罢1 0 3 r y o i 竺1 0 4 1 0 6 骥暇噬趣霉孽罨誉霉譬霎罨礁甓誉 琴誉誉鎏 二 j i j 一 二上二二 二 j 二二二2 正二二 o 二二二二二二二二二二二二二耳 1 0 e 1 0 7 1 0 0 1 0 卅r i 3 n 4 0 0 g f 5 卜r 1 3 n 4 0 0 g 1 5 1 7 章一r 1 3 n 4 0 0 g 3 7 2 1 0 f r r 4 56 e b n o d b 图4 8 不同分量编码器对t u r b o 码的影响 n 4 0 0 i 净1 3 1 0 2 1 0 3 1 矿 1 0 6 1 0 6 1 0 70 r i 3 n 1024甓 警i1弋 嘎 l j i 毫 j黧r 嘲扣一 i 门 n 1 0 2 4 g 1 5 仃 i j j j j j j 二 窖 j j 之 叫卜r i 3 n 1 0 2 4 g 3 7 2 1 i 一 一 i i 2 了 一4 5 6 e b l n o d b 图4 9 不同分量编码器对t u r b o 码的影响 n 2 1 0 2 4 r 亍1 3 所以 增加约束度是提高t u r b o 码性能的方法之一 但是约束度的增加会导致t m b o 码 解码运算复杂度呈指数增长 因此 在r s c 子码的选择时 应权衡译码性能和计算量两者之 间的关系 选择实用的好码 因此 我们在随后对t u r b o 码性能的讨论中 主要选择t u r b o 码的分量编码器是 1 5 1 7 的递归卷积码 对应的约束度为4 4 5 le鼍d击岙 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章t u r b o 码在无线信道中的性能分析 4 2 3 不同帧长度t u r b o 性能的影响 增大信息帧的长度n 可以提高迭代译码的性能 但同时也增大了译码的时延 所以 t u r b o 码特别适用于帧长较大的非实时数据传输 例如深空通信系统中的静止图像传输等 下面通过仿真实验 进一步验证信息序列帧长n 对t u r b o 码迭代译码性能的影响 图4 1 0 和 图4 1 1 中分别显示了码率i p l 2 和r 1 3 条件下 三种不同帧长n 对应的比特误码率曲线 卷积码生成多项式设置为g 文7 5 译码器采用l o g m a p 算法 进行8 次迭代 由图中 可看出 增大帧长n 对译码性能的提高非常显著 c o 比 l o 匕 山 一 图4 1 0 不同帧长度对t u r b o 码的影响 r 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章t u r b o 码在无线信道中的性能分析 图4 1 1 不同帧长度对t u r b o 码的影响 r 1 3 4 2 4 不同码率对t u r b o 性能的影响 图4 1 2 和图4 1 3 的仿真结果比较显示出了码率对t u r b o 码性能的影响 仿真中所使用的 t u r b o 码帧长为分别为n 4 0 0 和n 1 0 2 4 采用l o g m a p 译码算法解码 迭代次数为8 次 从图中可以看到 当编码约束度相同的时候 1 3 码率的t u r b o 码在b e r 性能上要优于1 2 码率的t u r b o 码 根据这些仿真结果 我们可以得到与上面相同的结论 降低码率可以改善t u r b o 码性能 降低误比特率 但是码率的降低意味着t u b r o 码传输效率的降低 所以 选择码率的时候 需要权衡传输效率和传输质量两方面的得失 4 7 1 0 1 0 2 1 0 5 1 0 o 1 0 1 1 0 2 1 0 6 1 0 o 0 0 董争一r i 2 g 7 5 n 4 0 0 e 一尺 i 3 g p 5 n 4 0 d 再 j 二 f 一j 一 234 e b n o d b 5 图4 1 2 不同码率对t u r b o 码的影响 n 4 0 0 234 e b l n o d e 5 图4 1 3 不同码率对t u r b o 码的影响 n 1