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Turbo码的研究分析,获取更多毕业论文/毕业设计,请登录360毕业设计网,,或加qq:604664738量身定做！

内容简介：

读书笔记：移动通信的发展日新月异，从 1978 年第一代模拟蜂窝通信系统诞生至今，不过 20 多年的时间，就已经过三代的演变，成为拥有 10 亿多用户的全球电信业最活跃、最具发展潜力的业务。尤其是进几年来，随着第三代移动通信系统（3G）的渐行渐近，以及各国政府、运营商和制造商等各方面为之而投入的大量人力物力，移动通信又一次地在电信业乃至全社会掀起了滚滚热潮。虽然目前由于全球电信业的低迷以及 3G 系统自身存在的一些问题尚未完全解决等因素， 3G 业务的全面推行并不象计划中的顺利，但新一代移动通信网的到来必是大势所趋。因此，人们对新的移动通信技术的研究的热情始终未减。移动通信的强大魅力之所在就是它能为人们提供了固话所不及的灵活、机动、高效的通信方式，非常适合信息社会发展的需要。但同时，这也使移动通信系统的研究、开发和实现比有线通信系统更复杂、更困难。实际上，移动无线信道是通信中最恶劣、最难预测的通信信道之一。由于无线电波传输不仅会随着传播距离的增加而造成能量损耗，并且会因为多径效应、多普勒频移和阴影效应等的影响而使信号快速衰落，码间干扰和信号失真严重，从而极大地影响了通信质量。为了解决这些问题，人们不断地研究和寻找多种先进的通信技术以提高移动通信的性能。特别是数字移动通信系统出现后，促进了各种数字信号处理技术如多址技术、调制技术、纠错编码、分集技术、智能天线、软件无线电等的发展。本文将主要关注在几代移动通信系统中所使用的不同的纠错编码技术，以展示纠错编码在现代数字通信中的重要作用。二、 纠错编码基础知识1948 年，香农(Shannon)在他那篇著名的论文通信的数学理论中提出并证明了：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 R，只要 RC，则总可以找到一种信道编码和译码方式使编码错误概率 P 随着码长 n 的增加，按指数下降到任意小的值，表示为 ，这里 E( R )称为误差指数；若 RC，则不存在编译码方式来实现无误传输。这一结论为信道编码指出了方向，但它仅是一个存在性定理，并未给出怎样去寻找这种性能优良的码。近 50 年来，在信息技术发展和实际需要的不断推动下，人们一直在寻求实现复杂度合理的更优秀的编译码方法，去逼近 Shannon 理论的理想界限。令人鼓舞的是，在这个过程中，已经取得了许多伟大的进展，从早期的分组码、代数码，到 RS 码,到后来的卷积码，以及今天的 Turbo ,LDPC 码，所能达到的性能和 Shannon 限间的距离被不断缩小。这些方法也已经投入到多个领域的商用中，如卫星通信和深空通信，数据存储，数据传输，移动通信，数字音频和视频传输等。下面，我们将着重关注移动通信系统，特别是数字移动通信系统中，纠错编码技术的应用情况。三、 移动通信中纠错编码的应用和发展如前所述，移动信道的恶劣性使接收信号展现出非常差的错误率（5-10%） ，迫使译码器在非常低的信噪比下工作。另一方面， “频带”是移动通信系统宝贵而紧张的资源，尤其是在用户密集的闹市区和室内通信系统里。为此，对编译码器的设计就提出了较高要求，驱使译码要充分用到所有已知的信号特点，如信道状态信息、级联、交织和软判决等；而且，会占用带宽的信息“冗余”必须谨慎使用。但同时，数字电路技术的快速发展也提高了复杂度较高的纠错编码的可行性。1.3G 中的 Turbo 码3G 与 2G 最重要的不同是要提供更高速率、更多形式的数据业务，所以对其中的纠错编码体制提出了更高的要求（数据业务的差错率要小于 10 ） 。语音和短消息等业务仍然采用与 GSM 和 CDMA 相似的卷积码，而对数据业务 3GPP 协议中已经确定 Turbo 码为其纠错编码方案。Turbo 码又叫并行级联卷积码，由 Berrou,Glavieux 和 Thtimajshima 1993 年首次提出。Turbo 码编码器通过交织器把两个递归系统卷积码并行级联，译码器在两个分量码译码器之间进行迭代译码，译码之间传递去掉正反馈的外信息，整个译码过程类似涡轮（turbo）工作，所以又形象的称为 Turbo 码。编码器的输出端包括信息位和两个校验位，这样代表编码速率 1/3。轮流删除两个校验位就可以得到码率是 1/2 的码。用不同的校验位生成器或者不同的删除方式就可以得到各种不同速率的 Turbo 码。伪随机交织器对信息系列进入第二个校验位生成器之前进行了重排列。迭代译码是 Turbo 码性能优异的一个关键因素，如上图所示，DEC1 和 DEC2 分量译码器分别采用 MAP 或者 SOVA 算法。MAP（最大后验概率）算法比 Viterbi 算法在复杂度上多 3 倍，对于传统卷积码只有 0.5dB 的增益，但是在 Turbo 码译码器中，它对每一比特给出了最大的 MAP 估计，这一点在低 SNR 情况下的迭代译码是至关重要的因素。一般在应用中，都采用对数化的 MAP 算法，即 LOG-MAP 算法，将大部分的乘法运算转化为加法运算，既减小了运算复杂度，又便于硬件实现。无论效率是多少，在短约束长度，非常长的编码块长（帧长） ，10 到 20 次迭代的情况时，Turbo 码的性能离容量界都不到 1.0dB。Turbo 码的主要缺点是：1、由于长编码块和迭代译码导致的译码时延长，不适应对实时性要求较高的业务（如视频点播，IP 电话） ，对硬件设备的处理速度要求高， ；2、由较低的自由距导致的高信噪比时较弱的性能即“地板效应” 。对 Turbo 码的后续研究可以从几个方面入手：理论探索其性能优异的原因，对采用一致交织器的 Turbo 码分析一致界，从距离谱角度进行探讨；交织器优化设计，寻求降低地板效应的好码；硬件实现的工程优化设计，比如采用简化的软入软出算法，对于 LOG-MAP算法的简化等；与其他技术的结合，比如 Turbo 均衡，Turbo 多用户检测联合迭代解调译码等。Turbo 译码器Turbo 码是一种基于卷积码的迭代译码方案，这种方案对数据进行两次编码。首先，一个递归的卷积编码器对数据进行编码。然后，第二个递归的卷积编码器对交织后的数据进行编码（交织是以伪随机的形式重新排列数据比特块的过程） 。现在，Turbo 码以其相对较大的编码增益以及合理的计算复杂度受到了广泛的注意。与其他方法（也就是卷积码和Reed-Solomon 码）相比，Turbo 码更新近理论上通过噪声信道传输的最大信息率的仙农（Shannon）界。Turbo 译码器有两个单独的译码器和一个交织/解交识器组成。在译码过程中，从来自一个编码器在译码过程中，从来自一个编码器的数据解码得到了修正值可以用来辅助解码来自另一个编码数的数据。在使用修正值修改输出之前，译码器多次交换和改进修正值。W-CDMA 标准规定的 Turbo 编/译码方案非常复杂。其内部的译码器通常是以软输入/软输出的维持比译码器或者 MAP 译码器为基础的，它些译码器必须并行执行很多操作，以达到要示诉 2Mbps 数据速率。按照 W-CDMA 标准的规定，交织器以素数序列为基础，并且，它可以对所有可能的大小不同的数据块进行交织，因此交织器的实现也是非常复杂的。正如解调器的其他部分那样，Turbo 译码器的复杂度以及 W-CDMA 标准对它的性参要求排除了使用 DSP 实现的可能性。然而，可编程逻辑可以满足 2Mbps 的规范，并且现有的用于可编程逻辑的 Turbo 编/译码器的 IP 设计在很多应用中甚至可以达到更高的数据速率。2.后 3G 中的纠错编码第三代移动系统移动时最高 384kb/s 的传输速率，静止时 2Mb/s 的传输速率对于实现传输速度无限制的移动多媒体业务只是一个初步，它与有线网的信息传输速率还有相当大的距离，其中空中接口的传输率是主要瓶颈。如果要进一步实现高速无线通信，除了开发新频段，加大带宽，采用带宽受限的高效的编码、调制和分集技术是非常必要的。近年来，BELL 实验室对 MIMO（多入多出）信道容量的研究，使我们对时域和频域资源以外的一个很重要的资源空域引起了足够的重视，从理论上指出了一个很好的扩容的手段，充分利用无线信道的具有空、时和频三维的特点。可以预见，对于未来一代更高速的移动通信，要解决空中接口传输的瓶颈，必须对现有的编码调制分集方式进一步改进，联合优化。