Turbo码在光无线通信系统中的应用研究解析

武汉工业学院毕业论文论文题目：Turbo码在光无线通信系统中的应用研究姓名张健学 号 071203103院 系 数理科学系专业电子信息科学与技术指导老师 吕强2011年6月9日目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 IABSTRACT II\o"CurrentDocument"1绪论 1\o"CurrentDocument"光无线通信的发展历史 1\o"CurrentDocument"光无线通信的技术优势和劣势 2\o"CurrentDocument"光无线通信的国内外研究概况 3国外研究概况 3国内研究概况 3\o"CurrentDocument"2影响光无线通信系统信号传输的主要因素 5\o"CurrentDocument"引言 5\o"CurrentDocument"大气衰减及理论模型 5\o"CurrentDocument"本章小结 8\o"CurrentDocument"3大气信道的信道编码理论 9\o"CurrentDocument"引言 9\o"CurrentDocument"大气信道的信道容量模型及分析 9接收端光信号的强度起伏分布 9\o"CurrentDocument"本章小结 13\o"CurrentDocument"4TURBO码在光无线通信系统中的应用研究 14\o"CurrentDocument"引言 14\o"CurrentDocument"Turbo码的编码结构和原理 14\o"CurrentDocument"基于OOK的turbo码MAP译码算法 17\o"CurrentDocument"本章小结 21\o"CurrentDocument"总结 22谢辞 23\o"CurrentDocument"参考文献 24#1绪论本章主要介绍了有关光无线通信的发展历史，光无线通信的优缺点以及现阶段光无线通信技术的研究状况。光无线通信技术从古至今不断进步，它的优势较一般通信技术具有明显区别，各国的技术不断前进，致使光无线通信技术有了日新月异的发展。光无线通信的发展历史自1880年以来，人们对光通信的研究经过了120多年的发展，取得了长足的进展。根据传输介质的不同，光通信可以分为两大类，即光纤通信和光无线通信。光纤通信由于具有传输速率高、通信容量大、中继距离长、不易受外界干扰等诸多优点而成为主要的有线通信方式，并且正以通信史上前所未有的速度发展，目前已成为高速有线信息传输的骨干，正在逐步取代传统的电缆通信［1］。光无线通信(OpticalWirelessCommunication，OWC)又称为自由空间光通信(FreeSpaceOptics)，它不使用光纤等传输介质，而直接利用激光在大气或外太空中进行信号传递，可进行语音、数据图像等的高速双向传输，是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力和物力来争夺这一领域的领先优势［2］。光无线通信是人类通信史上出现最早的通信方式之一。人类在早期为了进行远距离通信，采用了各种各样的通信方式，如：烟、火或者通过反射太阳光等方式，最后发展成了日光仪。对于采用烟或火的通信方式，我国古代修筑的烽火台和英国伊丽莎白一世修筑的“bonfires”都是很好的例子。这些通信方式都可以归入广义上的光无线通信⑶。在1870年，Bell首次成功地在600英尺的自由空间距离上采用光波作为媒介进行了电话信号的传输实验，这是现代光无线通信的开始即。随着1960年激光器的发明，光无线通信重新被广泛关注；在上世纪七十年代初，随着低损耗光纤的出现，光无线通信进一步被冷落。早期的研究者主要采用激光器进行室外几公里的通信实验，但是因为雨、雾等天气因素的影响较大，因此使光无线通信系统的推广受到很大的阻力。尽管60年代就有人对光无线通信进行研究，但当时主要是用于军事及实验研究。80年代初期欧美、日本、以色列等国家在军事国防、航天领域上已有成功的应用实例。80年代后期开始有厂商投入商业化产品的开发，不过由于传输距离等技术问题无法突破而告终。直到90年代后期，光通讯器件制造技术的飞速发展，光无线通信器件变得便宜而可靠耐用，使光无线通信设备的造价大大降低，人们才又逐渐开始其商业应用的研究。目前，光无线通信已成为发达国家宽带接入通信系统的关键技术之一。光无线通信的技术优势和劣势光无线通信作为宽带通信的接入方式之一，综合了光纤通信和无线电通信的优点，其主要的技术优势毡习：（1）无需频率申请；（2）安全保密；（3）组网速度快；（4）多径失真小；（5）协议的透明性；（6）设备成本低；（7）传输信息容量大。光无线通信是利用大气信道来传送信号的，由于大气信道的不稳定性，所以光无线通信系统必须重点考虑信道的特性。光无线通信的主要缺点是：首先，受信道环境影响大，激光束在大气中传输时，会受到雾、雨、雪、烟、尘等颗粒的吸收和散射而产生衰减，并且其衰减量变化是无法预知的⑹。另外，系统必须具有自动跟踪、对准（ATP）的功能，但在外界因素的作用下，即使在系统对准以后，也可能偏离目标，需要重新对准。而目前也是一个技术难点⑺。影响光无线通信系统性能的另外两个重要因素是大风和振动网，都会造成光路的偏移；对系统的微弱光电信号处理技术同样提出了极高的要求。实际上，经过多年的研究，上面的一些问题逐渐找到了解决的办法。首先，最大的问题是大气介质对光信号的衰减，目前一种比较好的办法是采用高纠错能力的信道编码技术。随着93年turbo码的首次提出⑼，给信道编码领域带来了革命性的发展，为信道编码理论指引了新的发展方向一随机编码方式。由于turbo码具有极强的纠错能力，所以成为第三代移动通信数据传输的编码方案之一，但turbo码在光无线通信中的应用还很少见。尽管存在一些问题，但随着市场需求的不断扩大和光电子器件的成熟，光无线通信系统日趋成熟，其实用化已是势在必行。光无线通信的国内外研究概况由于在光电子器件及系统关键技术上的进步，以及通信对带宽的需求急剧增长，促使美国、欧洲、日本等技术强国在光无线通信领域投入了大量的人力和物力，加速了光无线通信技术的发展。我国国内的清华大学、桂林34所、上海光机所、华中科技大学、成都电子科技大学、哈尔滨工业大学等单位也进行了这方面的研究，取得了很大的进展。国外研究概况美国、欧洲和日本等政治军事大国都非常重视光无线通信的研究和发展。随着各国对太空军事战略的日益重视，以及航天和全球通信市场竞争的日益加剧，今后各国在该领域的竞争会越来越激烈，技术进步也会越来越快。国内研究概况我国对光无线通信技术的研究与国际上相比，起步并不晚，但水平上还存在一定的差距。国内现在从事光无线通信研究的主要有北京大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、华中科技大学、北京邮电大学、成都电子科技大学、电子部桂林34所、成都光机所、上海光机所、清华同方公司等单位。北京大学电子学系区域光纤通信网及新型光通信系统国家重点实验室探索一种采用多量子阱光折变器件的新型相干空间光通信接收方案，和传统的差拍方案相比，可以省掉繁琐的中频跟踪电子学系统，并对光无线通信传输中常见的波面畸变，偏振面无规律变化及多普勒频移等干扰有所抑制10］。哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室对激光星间链路中的天线扫描捕获技术进行了理论分析和模拟实验研究皿。建立了天线扫描捕获理论模型，对影响系统捕获性能的各主要参量之间的关系进行了数值仿真分析，设计实现了一套天线扫描捕获实验室模拟系统并进行了验证，实验结果与数值分析结果基本符合Di。该实验室还研究了卫星振动对空间光通信系统的影响。华中科技大学光电子工程系对光无线通信系统的ATP部分、自适应接收技术、信道编码及系统构成进行了理论和实验研究。所承担的武汉市重大科技攻关项目《155M宽带光无线通信系统》成功的通过了专家的验收，并且取得了一项专利，专家一致认为该系统达到了国际领先的水平。随着国内各高校和研究机构对光无线通信技术的重视，我国在该领域与世界先进水平的差距在不断缩小。但是就目前来说，还基本上处于实验阶段，离产品的市场化还有很大的一段路需要走。2影响光无线通信系统信号传输的主要因素本章主要研究不同气象条件下对于光无线通信系统信号的传输的影响，给出了大气衰减模型，其主要目的是希望能准确掌握不同气候通信条件下，找到气象条件影响通信质量的规律，为通信的实现提供参考数据。引言光无线通信系统采用大气信道作为传输媒介，信号的传输过程就是信号与大气信道的介质相互作用的过程，研究大气信道对传输信号的影响，对于信号的传输具有重要的意义［⑶。大气信道对激光信号传输的影响可以分为两个大的方面：（1）激光信号功率的衰减；（2）由于激光波束的变形引起的激光功率的起伏。激光功率的衰减来自介质对光的吸收和散射。激光功率的起伏是由于大气的折射系数的微小的动态变化引起的。同时，光无线通信系统一般架设在高的建筑物的顶部，各种自然和非自然的原因会使得发射和接收平台振动，这种振动又会影响到平台上的发射和接收系统，使其产生非周期性的摆动，这种摆动严重影响光无线通信系统的通信质量，使得系统的误码率增加，通信质量下降，严重的甚至使得系统无法通信。因此，振动对光无线通信系统的影响，也是非常严重的。与光纤通信不同，激光信号在大气信道中传输时存在背景光，在接收端，除了所希望的接收信号功率外，处在一个亮背景下的光无线通信接收系统还将接收到背景光噪声。接收到的背景光噪声与所期望的信号光被一起进行处理，从而对整个系统的性能造成劣化。本章主要分析大气信道的衰减，建立了大气衰减理论模型，为在光无线系统中应用turbo码奠定了基础。大气衰减及理论模型激光束在大气中传输时，由于大气中存在着各种气体和微粒，如灰尘、烟、雾等，以及刮风、下雨等气象变化，使部分光辐射能量被吸收而转换成其它形式的能量（如热能）［14］；另外部分光辐射能量则被散射而偏离原来的传播方向（即辐射方向重新分配），吸收和散射的总效果是使传输的光辐射强度受到衰减，这就是大气衰减产生的因［15］。在不同的天气条件下，空气中的水分子、水滴、颗粒会对激光的传播产生不同的衰减，表2-1是典型天气条件下衰减的数值。表2-1典型天气下的大气衰减系数天气衰减（dB/km）小雨3小到中雨5中到大雨/小雪/薄雾10暴雨/中雪/轻雾17大暴雨/暴雪/浓雾30激光在大气中传播时，由于大气的作用产生的能量衰减主要来自于大气分子的吸收、散射和大气气溶胶的散射。大气衰减可以用8??「定律来表示［16］，TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"T（L）=I/1=exp（-P•L） （2.1）入 0 九式（2.1）中\为波长为入的光在大气中传输距离为L的透过率，I为通过大气后的光强，I为通过大气前的光强，P（1/km）为波长为入的传输光的衰减系数，L为0 入传输距离。式（2.1）表明传输光功率随传输距离的增加而指数衰减。大气衰减包括吸收和散射两种独立的物理过程，衰减系数P可以表示为［17］入\o"CurrentDocument"P=k+O+k+O （2.2）入mmaa其中k为大气分子的吸收系数，在红外波段，水、二氧化碳、臭氧等分子对光m波有很强的吸收作用；O为大气分子的瑞利散射系数，瑞利散射是比光波波长小很m多的微粒与光相互作用的结果，在红外区，因为波长较长，散射系数较小，可以忽略不计；ka为气溶胶的吸收系数，气溶胶的吸收主要由分布在大气中的固体和液体颗粒造成的，例如冰、灰尘和有机物等；O为气溶胶的Mie散射系数，当大气微粒的大a小与光波波长相差不多或大于波长时，这时主要产生Mie散射，Mie散射系数在整个衰减系数中占主要地位。雾的衰减。雾的颗粒十分接近可见到红外光波长，散射十分严重，所以雾的衰减是相当严重的，其衰减系数也可近似计算［18］。表2-2列出的是测量得到的几种波长的不同的八值（V<1km）。由于各地区雾的特性不同，衰减程度可能不一样。

表2-2几种不同波长的A值M^m)0.530.630.91.0610.6A(km-1)2.462.1同时，雾一般用气象能见度等级来表征。表2-3列出的是气象能见度和近红外波长800nm处的衰减系数口9】。表2-3红外波长处能见度和衰减度的关系能见度等级白日能见距离（m）说明损耗(dB/km)0<50浓雾-271.651>50 <200厚雾-59.572>200 <500中等雾-20.993>500 <1000轻雾-9.264>1000 <2000薄雾-4.225>2000 <4000霾雾-1.626>4000 <10000轻霾-0.967>10000<20000晴朗-0.228>20000<50000很晴朗-0.199>50000特别晴朗-0.06雨的衰减。雨对激光辐射的衰减与同样能见度的雾相比一般要小些，这是因为雨滴较大（一般为0.2〜2mm），具有很强的前向散射效应。原则上雨的衰减同霾一样可以按照粒子散射理论计算，但由于雨滴的尺度谱是降雨强度的函数，因此雨的衰减也将与降雨强度直接相关。实验表明，衰减系数与降雨强度J的关系为下式画，O=a•Jb （2.3）a式（2.3）中o单位为km-1,a和b为拟合参数（a+b“1），降雨强度J单位为毫a米/小时。雪的衰减。雪对激光信号的衰减目前在理论上还没有很好的解决，一般来说在相同含水量条件下雪的衰减比雨大但比雾小。实验研究表明，式（2.3）也适用于雪，从小雪到大暴雪的衰减约为3dB/km到30dB/kmm。本章小结在本章中，在分析大气信道的基础上，我们讨论了影响光无线通信系统性能的主要因素。不同的影响因素其分析方法不同，小结如下：信号传输和天气状况密切相关。对于大气衰减，可以分为大气分子吸收、分子散射、气溶胶衰减和雾、雨等的衰减，不同的天气情况时，衰减的主要类型不同。3大气信道的信道编码理论本章根据大气信道的理论模型，建立了大气信道的信道容量模型，并且分析了信道容量对光无线通信系统的影响。引言光无线通信利用大气空间来传输信号，而大气信道是不稳定的，这也就预示了光无线通信必然受信道环境很大的影响。光学发射和接收系统的严格对准以及选择天气情况较好的时候进行通信可以对信道环境的影响有一定的改善，但在光无线通信系统中必须采取新的技术方案一差错控制编码技术，即信道编码。大气信道的信道容量模型及分析光无线通信以大气作为传输介质，而大气信道是不稳定的，这也就预示了光无线通信必然受信道环境的影响。激光束在大气中传输时，会受到雾、雨、雪、烟、尘等颗粒的吸收和散射而产生衰减，并且其衰减量的变化是无法精确预知的⑷］。尽管激光的方向性很好，但波束还是会随传输距离的增加而慢慢变宽，超过一定距离后就难以被正确接收。同时，大气信道是一个时变信道，大气扰动对光无线通信系统的影响是实时变化的。因此，对于设计一个高性能的光无线通信系统，从信息论的理论出发来分析大气信道特性是非常重要的。接收端光信号的强度起伏分布目前，大气信道的一种常用模型是对数正态模型［2引，由于此模型比较简单，所以被广泛的用来计算接收端信号光强的概率密度函数，但此模型仅仅适合于大气扰动比较弱的时候。当大气扰动逐渐增强时，必须考虑大气散射的影响，此时对数正态模型的统计值和实验值相差很大。r模型很好的吻合了大气强干扰和弱干扰的实验值⑶］，因此非常适合光无线通信系统。对于r模型，我们做以下假设：大气传输介质可被认为是由一个个小的不同尺寸和折射率的小气团所组成，从几何光学的观点来看，这些小气团像透镜一样随机地折射大气中传播的光线。为建模计算大气扰动强度的大小，我们使用Rytov方差来估算扰动强度，如下式：

o2=1.23C2・k7/6.L11/6 （3.1）R n式（3.1）中，k=2兀/九是波数，入为光无线通信系统所采用的波长，L为系统的工作距离，oR为大气扰动的强度。为了准确的预测光无线通信系统的通信性能，建立一个精确的光无线通信系统信道模型是非常重要的。Al-Habash等提出的模型将传输的信号光分解成两个相互独立的概率密度函数都为r分布的随机过程，接收端光信号强度起伏的概率密度函数为：2(aP)(2(aP)(a+p)/2「(a)T(P)I(«+P)/2-1Ka-P(2%opr)(3.2),)^函度密率概伏起度强号信10.500 0.5 1 1.5 2 ,)^函度密率概伏起度强号信10.500 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4信号强度振幅I式（3.2）中，I为信号强度的振幅，a和p为概率密度函数的参数，Kap为第二类修正Bessel函数。参数a和p由下式来计算：0.49o2a={exp[ _r ]-1}-1(1+1.11012/5)7/6 」R0.5102p={exp[ ]-1}-1(1+0.69012/5)5/6R图3-1不同扰动强度下接收端信号强度起伏的分布图3-2中给出了不同的大气扰动强度下，接收端光强分布的概率密度函数。从图中可以看出，在大气扰动强度比较小的情况下，即_<1时，r分布近似于对数正态R分布；随着扰动强度的逐渐增加，r分布逐渐向左倾斜，当扰动强度很大时，r分布近似于指数分布。因此，在扰动强度很小时，可用对数正态模型或r模型来近似扰动强度分布；当扰动强度较大时，其分布近似于指数分布和r分布。大气信道容量的计算信道容量是信道本身特征参量的函数，反映信道自身的信息特性。一个有噪信道的容量和接收信号的信噪比(SNR)有关，其定义是信道每传递一个符号所传输的平均信息量［25］，单位是比特/信道符号(bits/channelsymbol)。若系统采用的是二进制传输系统，则信道容量的极限值为1(bits/channelsymbol)，当系统信噪比很大时，信道容量接近极限值。大多数情况下，系统使用长的纠错码，信道容量也可以接近于最大值。对于光无线通信系统，信道特性是实时变化的，信道容量也随之变化，而不同的信道容量又导致系统的通信能力不同。为分析信道的容量，我们做如下假设：(1)接收端接收的信号强度是独立同分布的，即信道特性是不相关的。实际上，在高速通信时信道具有短暂的相关性，由于处理多维分布的难度，我们认为它们是不相关的，这可以通过在信号发送端采用长的交织器来实现。(2)信道的所有参数已知。(3)光无线通信系统采用强度调制/直接探测(IM/DD)方式，系统的调制方式为BPSK，输出的信号为±1，大气信道为AWGN信道，噪声为加性高斯白噪声。光无线通信系统的信道统计模型可用如下的式子表示：Y=I-X+N I>0 (3,5)其中Y是接收信号，I是发送端的信号强度振幅，X是发送信号，N是信道的噪声。BPSK调制方式的输出信号为±1，由于信道噪声的干扰，接收端的接收信号为±I+N，其值由抽验判决器来判断。信道容量的定义为输入信号X和输出信号Y之间平均互信息的最大值［25］，即TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"C=max{I(X;Y)} (3.6)P(X)对于大气信道，由于输入是二进制，信道的平均互信息为I(Y；XX^Zf(yIX)P(X)log.fY(:|：x dy(37)\o"CurrentDocument"0YX2乙f(yIz)P(z) (3,)X=±1 Y Xz=±1式(3.7)中，f(yIx)是在给定输入X下输出Y的条件分布，P(x)是输入信号XY X的概率。

条件分布函数f(JIx=—1)的分布为Y=-1+N；f(jIx=1)的分布为Y=I+N。Y Y由概率论知识可知，两个随机变量的和的概率密度函数等于两个随机变量概率密度函数的卷积；而对于随机变量I，若其分布函数为f(x)，则随机变量-1的分布函数为f(-x)，所以可以由I和N分布分别求出条件分布f(jIx=-1)和f(jIx=1)的概率Y Y密度函数。对于AWGN信道，噪声的分布为一均值为零的高斯分布，其分布函数为g。)二苫N闪(关)% 0 0其中N为高斯分布的方差，也即为噪声的平均功率。0式(3.7g。)二苫N闪(关)% 0 0其中N为高斯分布的方差，也即为噪声的平均功率。0式(3.7)中，P(x)是使得平均互信息取得最大值时的输入信号XX的概率。由于信道是对称的，所以使得互信息最大时的P(-1)=P⑴=0.5。信道的信噪比SNR的X X定义如下式SNRE[12]~N~0为了具体分析光无线通信系统的信道容量，我们采用蒙特卡罗积分方法对式(3.7)进行了计算，如图-3所示0 6 10 15 20 25 30 35 40 46 50 55信噪比dB里容道信0.30.2图3-2不同扰动强度下信道容量和输入信噪比的关系图3-3给出了几种不同扰动强度下，信噪比和信道容量的关系，其中信道容量的单位为比特/信道符号。从图中可以看出，在大气扰动强度比较弱时，随着强度的增加，信道容量逐渐减小，且信道容量的减小幅度较快，这导致光无线通信系统的通信性能下降；当大气扰动比较强时，信道容量随着扰动强度的增加而减小，但其减小幅度较慢，且信道容量逐渐趋近于一个极限，这意味着不论大气扰动有多大，信道的容量都不会低于这个极限，因此这个极限即为光无线系统的信道容量的最低值。在设计光无线通信系统时，根据信道容量分布可得到信道的最大传输能力，只有系统的数据传输率低于信道的最大传输能力时，系统的误码率才能达到要求。3.3本章小结在本章中，我们分析了大气信道的信道容量模型。本章的具体工作小结如下：（1）根据Shannon的信道编码理论，要使得通信系统的误码率降低，通常有三种办法：降低码率、增加信道容量、增加码长。但降低码率意味着增加传输速率，这又增加传输的带宽；增加信道容量意味着增加信号发送的功率，这两种方法都不是可取的。增加码长是一个比较可取的办法，但增加码长同时使得发送的码字成指数增加，相应的增加了译码的复杂度。五十多年来，各种信道编码方案，正是在Shannon信道编码理论的指导下出现的。（2）各种信道编码方案，按时间划分，可分为四个阶段。历史上每一个出现的信道编码方案，都有其各自的缺陷。直到1993年，turbo码的出现，因其在理论上接近于Shannon限，从而引起轰动。Turbo码巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想，而随机编码的思想正是Shannon理论的核心。（3）大气信道的信道容量决定了系统所能传输信号的最高速率。通过蒙特卡罗积分分析了不同扰动强度下信道容量和信道信噪比的关系，结果表明：信道容量随着扰动强度的增加而减小，在扰动强度较大时，信道容量分布趋近于一个极限，此极限值为系统的信道容量的最低值，这为光无线通信系统的数据传输率的设计提供了理论基础。4Turbo码在光无线通信系统中的应用研究本章首先分析了turbo码的编码器结构和工作原理；接着分析了在大气信道下，基于OOK的调制模式的turbo码的最大似然译码（MAP）算法。引言光无线通信系统是激光通过大气信道进行信息的传输，与光纤通信一样，光无线通信系统一般采用强度调制/直接检测（IM/DD）方案，但是与光纤通信相比，光无线通信系统的信道性能相差很远，不仅链路中存在大气衰减、空间损耗、光强闪烁，还存在背景光噪声，所以信道条件十分恶劣。为了使得光无线通信系统稳定而可靠的传输，必须采取一定的措施来保证系统的通信质量。光无线通信系统中，通常采用的主要技术有：（1）加大激光器的发射功率，提高足够的功率裕量，从而克服各种噪声干扰和大气衰减的影响，保证通信系统的传输质量。但本方案对于光无线通信系统只能是在一定的限定条件下使用。（2）接收系统采用自适应接收技术。但目前精确的算法研究也不成熟。（3）增大接收机的接收孔径和采用分集发送、分集接收技术。现阶段本方案在技术层面上也不是很可取。（4）通过信道编码方案对通信所传输的信号进行处理，从而来提高光无线通信系统的接收机灵敏度和增强光无线通信系统的抗干扰性能。Turbo码问世至今，因其性能接近于Shannon极限而引起人们的广泛关注。目前8m0码已被美国空间数据系统顾问委员会作为深空通信的标准同时它也被确定为第三代移动通信系统（IMT-2000）的信道编码方案之一，但turbo码在光无线通信系统中的应用还很少。本章首先分析了turbo码的编码器结构和工作原理；接着分析了在大气信道下，基于OOK调制模式的turbo码的最大似然译码（MAP）算法。Turbo码的编码结构和原理1993年C.Berro和A.Glavieux提出了并行级联码，并把它命名为urbo码，因为它的译码就像一个涡轮机。Turbo码的编码器和译码器的结构与思想与以前的码有许多不同的地方，它作为一种新的编码结构和译码算法的结合，有着接近理论极限的性能。从理论上看，只要编码长度足够长，它就非常接近随机码，从而达到Shannon极限。由于它的卓越性能，一经发表就引起了广泛的关注和研究，包括理论解释、译码算法和简化、减少时延等。不仅在高斯信道，而且在相当多的应用环境中，turbo码也都被证实同样具有接近容量极限的性能。Turbo码编码器典型的结构如图4-1所示［26］。图4-1Turbo码的编码器结构编码器主要由两个递归系统卷积（RSCrecursivesystematiccode）编码器通过一个随机交织器并行连接而成，编码后的校验位经过删余阵，从而产生不同码率的码字。长度为N的信息序列u={u,u，…,u}一方面直接进入第一个分量编码^C1；另一1 2N方面经过一个N位随机交织器，形成一个重新排列的新的交织序列u={u',u'…,u'）1 1 2N（长度与内容不变，但比特位置经过重新排列）。u与u分别传送到两个分量码编码1器RSC1和RSC2中，通常情况下这两个分量编码器结构相同，产生了两个不同的校验序列x1P和x2p。为了提高编码效率，除了可以选用高码率的分量码外，校验序列x1P和x2p还需要经过删余（puncturing）技术从这两个校验序列中周期地删除一些校验位，然后再与未编码序列xs复用再一起进行调制，生成了0m。码序列X。从图4-1可以看出，turbo编码器的结构主要由交织器、分量码编码器、删余复用单元组成，下面我们分别就这三者进行讨论。（1）分量码的选择。在实际设计中，turbo码的分量码编码器一般采用RSC码，这是因为RSC码综合了非系统卷积码（NSC）和系统码的特性具有比较理想的抗噪声性能［27,28］。图4-2为一个生成多项式为（37,21）、码率为1/2的RSC编码器的结构图。Xsk图4-2典型的RSC编码器结构图RSC编码器的结构不同于一般的卷积码编码器，其结构不仅有前向结构，而且有后向反馈结构，如图4-2所示。对于一个码率为1/2,约束长度为k,寄存器个数为m=k-1的RSC码的生成多项式可以表示为TOC\o"1-5"\h\zG（D邛磊］ （4.1）L，0 」其中g（D）表示反馈多项式，g（D）表示前向多项式。通过优化设计反馈多项式0 1和前向多项式，就可以进行turbo码的分量码设计。用RSC码构成的turbo码的码率R为1_1,1_!R_R+R （4.2）2其中R和R分别为RSC1和RSC2的码率，R和R可以不相同。1 2 1 2从差错控制编码的文献中可知［29］，非系统卷积码的误码率性能在大的信噪比时比约束长度相同的NSC码要好，但是在小的信噪比时的情况正好相反，RSC码综合了NSC码和系统码的特点。并且因为系统码可以直接从码字中恢复信息序列，这一特性使得turbo在译码器端无需变换码字而直接对接收的码字序列进行译码。所以，RSC码相对于NSC码而言译码简单快捷。其次，对于一个RSC码，总存在一个具有完全相同栅格结构的NSC码。因此从子码的性能上来说NSC码并没有很大的优势。而从turbo码的性能联合界的分析可以看出，当子码采用RSC时，turbo码随着交织长度的增大性能稳定地提高。因此，RSC码常常作为turbo码的分量码的首要选择。（2）交织器。交织器是turbo码编码器的主要组成部分，也是turbo码的主要特征之一［30］。线性码的纠错译码性能实际上是由码字的重量分布决定的，turbo码也是线性码，所以其性能也是由码字重量分布决定。由于交织器实际上决定了0m。码的重量分布，所以，给定了卷积编码器之后，turbo码的性能主要由交织器所决定。交织器的主要功能是利用随机化的思想将两个相互独立的短码组合而成一个长的随机码，因为长码的性能可以逼近5卜2口口。口极限。其次，交织器可以用来分散随机错误。经交织器处理后，被干扰的信息数据送入第二个子编码器。这样，两个子译码器的输入之间的相关性可以在很大的程度上得到削弱。于是，一种基于在两个子译码器之间互相传递“不相关”信息的次优迭代译码算法得以应用。例如，对于一些错误模式，在经过第一次子译码器纠错后，剩余的错误经交织器进行分散处理后能变成可纠正的错误模式，然后由另一个子译码器来纠正。通过在译码过程中增加迭代次数，误码率可以逼近信道极限。最后，交织器还可以用来打乱低重量的输入序列模式，从而增大输出码字的最小汉明距离或者说减少低重量码字的数量。交织器通过交织尺寸和交织规则两个方面影响turbo码的性能。当turbo码采用系统反馈卷积码作子码时，turbo码的性能基本上和交织长度成正比。交织规则是turbo码的误差底限的决定性因素，误差底限就是指误码率在一定时刻下不随着信噪比的增加而陡峭下降时的误码率。对于一个固定交织长度的turbo码，其误差底限可根据不同的交织规则在10-4至10-9之间变化。存在误差底限的原因主要是turbo码的设计并不是绝对的长随机码，对于中等交织长度的情况，交织后的序列与交织前的序列相关性越小，则turbo码越接近随机码，对应的误差底限就越低。（3）删余器。为了提高编码效率，通常在编码时需要对输出进行删余。由于信息比特是必须传输的，因此只能删减校验比特。Shannon在信道编码定理中明确地指出了码率与信道容量的问题，删余器可以有效的提高turbo码的码率，经过删余可以获得任意码率的编码输出4.3基于OOK的turbo码MAP译码算法Turbo码的译码引入了迭代译码的机制。其基本原理就是采用turbo反馈结构的伪随机译码器，两个码可以交替、互不影响的译码，而且还可以通过关于系统码信息位的软判决输入，内码和外码经过交织处理，使内外码之间的相关性降低，经过多次迭代使每个码元都可以得到来自序列中几乎所有的码元的信息，它具体是通过迭代中反复交织、反交织实现的，即体现了译码的伪随机化，因而可以得到很低的误码率。

根据信息论原理可知，一个编码的误码性能取决于码距，A和B两个码字距离越远，把B错译成A的概率越小。Turbo码的迭代译码就是要对适当构造的级联码使用“软输入/软输出”译码器多次重复迭代，使译码器性能可以最终达到或接近乘积码的水平。Turbo码译码器的基本结构如图4-3所示。它由两个软输入软输出(SISO)译码器DEC1和DEC2串行级联组成，交织器与编码器中所使用的交织器相同。译码器DEC1对分量码RSC1进行最佳译码，产生关于信息序列u中每一比特的似然比信息，并将其中的“新信息”经过交织送给DEC2,译码器DEC2将此信息作为先验信息，对分量码RSC2进行最佳译码，产生关于交织后的信息序列中每一比特的似然比信息，然后将其中的“外信息”经过解交织送给DEC1,进行下一次译码。这样，经过多次迭代，DEC1或DEC2的外信息趋于稳定，似然比渐近值逼近于整个码的最大似然译码，然后对此似然比进行硬判决，即可得到信息序列u的每一比特的最佳估值序列U。同2iLeypys同2iLeypys图4-3Turbo码译码器的结构解交织判决

♦

解交织假定turbo码译码器的接收序列为y=(ys,yp)，校验信息yp经解复用后，分别送给DEC1和DEC2。于是，两个软输出译码器的输入序列分别为：TOC\o"1-5"\h\zdeci：y=(ys,y1p) (4.3)idec2：y=(ys,y2P) (4.4)2为了使译码后的比特错误概率最小，根据最大后验概率译码准则，turbo码译码器的最佳译码策略是：根据接收序列y计算后验概率(APP)P(u)=P(uIy,y)。显k k1 2然，这对于长度比较长的码字计算复杂度太高。在turbo码的译码方案中，巧妙地采用TOC\o"1-5"\h\z了一种次优译码规则，将y和y分开考虑，由两个分量码译码器分别计算后验概率1 2P(u)=P(uIy,L)和P(u)=P(uIy,L)然后通过DEC1和DEC2之间的多次迭代，k k1 1 k k2 2使它们收敛于MAP译码的P(u)=P(uIy,y)，从而达到接近Shannon限的性能。这k k1 2里L和L为附加信息。其中，L由DEC2提供，在DEC1中用作先验信息；L由DEC11 2 1 2提供，在DEC2中用作先验信息。由于编码器中使用了交织，所以每个分量译码器输出的外信息必须正确的进行交织和解交织，以使它和另一个译码器接收到的信道软信息相对应，并且由于译码过程是一个迭代过程，因此每次迭代不仅利用了最初的信道软信息，而且也利用了迭代更新后的信息。从上述的译码过程可以看出，由于turbo码的外部信息是从另外一个译码器反馈得到的，结构如同涡轮发动机(turbo)，这就是turbo码的名称的由来。关于P(uIy,L)和P(uIy,L)的求解，目前已经有很多种方法，它们构成了k1 1 k2 2turbo码的不同译码算法oTurbo码的译码算法总体上可分为MAP和VA两类主要算法。MAP算法是一种以栅格为基础的软输出译码算法，与维特比(VA)算法的最大相似栅格和最小码字误差率译码方式不同，MAP算法是一种最小比特误差率译码算法，是对马尔可夫过程在白噪声中的最佳状态的输出估计。由于MAP算法的性能较SOVA算法优越，所以MAP算法是目前使用得最多的一种算法。又由于MAP算法和信息的调制方式密切相关，本节将主要讨论OOK调制方式下的MAP迭代译码算法。在讨论turbo的译码算法之前，我们首先假设发射端经过不同编码调制后的输出信号为x=(邓村)，在接收端受信道干扰后的译码器的输入序列为KKKy=yN=(y,y，…,y)，其中y=(ys,yP)。软输入软输出(SISO)译码器如图4-4所1 1 2N kKK示，其中La(u)是关于u的先验信息，L(u)是关于u的对数似然比。软输入软输出k k k k译码器能为每一译码比特提供对数似然比输出。L(u)L(u)k图4-4软输入软输出译码器框图通断键控(OOK)又称为二进制振幅键控(2ASK)，经过OOK调制输出

的序列为0、1序列，即Xs=0,。我们假设v=(vs,vp)=(Xs-1,xp-1)、K KKKK2K21,yp-1)。u2k2k的先验信息La(1,yp-1)。u2k2kP(xs=1)La(xs)=ln( k K P(Xs=P(xs=1)La(xs)=ln( k K P(Xs=0)K1P(vs=))=ln(——K-2r)P(vs=-1)k2(4.5)L(u)=InkP(u=11yN)P(u=01yN)通过式(4.3)，我们可得出exp[-La(xs)/2]P(vs)= K K 1+exp[-La(xs)]K•exp[vs•La(邓)]=A•exp[vs-L(邓)]对于P(yIx)，考虑到y=(ys,yp)，并且对于AWGN信道，ys和yp是两个独立同分布的高斯随机变量卬］，我们有p(y|x)=p(w|v)=p(ws|v)•p(wp|v)KK KK KK KK1r(ws-vs)2 1r(wp-vp)2]=1—exp[--k —]•.——exp[--k —]*；2兀o 2o2 x：'2ko 2o2wsvs+wpvp,=B•exp[—K—K K—K-]K O2所以可得到丫(s,s)=p(yIv)•p(v)=p(yIv)•p(vs)KK-1K=A♦B•exp[vsLa(xs)+wsvs+wpvp―K—K K-K-]O2E其中：AK、BK为常量。对于大气信道，可近似认为是AWGN信道，信噪比N=o2，0E其中E为每信号比特的能量[33]。对于OOK调制方式，定义L=Eb=o2，则b CN0y(s,s)xexp[vsLa(xs)+Lwsvs+Lwpvp]KK-1K KKCKKCKK (4.10)=exp[vs(La(xs)+Lws)]•exp[Lwpvp]K KCK CKK令ye(s,s)=exp[Lwpvp]，则关于信息序列x的估计值的对数似然比可写为：KK-1K CKK K

lQins+,k-1（）Y（,s）“）k klQins+,k-1（）Y（,s）“）k kQy4's)B«)k-1 k kZa=In-sr—Zak-1k-1Q,s)%《)COTk(4.11)=LaOLWs+in=LXsILws+Zak-1 .、”,s)p9lO=LaQLZak一2J+Le上式中第一项代表的是前一个译码器为第二个译码器提供的关于号的先验信息，第二项代表的是信道参数值，第三项代表的是送给后续译码器的外部信息。4.4本章小结在本章中，我们在分析了turbo码的编码器结构和编码原理的基础上，着重基于OOK调制模式的turbo码MAP译码算法，对双模0m。码的编译码原理和结构进行了分析。本章的具体工作小结如下：（1）详细分析了0计0码的编码结构和原理。由分析可知，turbo码之所以能够具有接近Shannon限的性能，就在于turbo码中采用了随机编码的思想，最大限度的打乱了信息序列，使其接近于随机码。Turbo码的编码性能由以下几者决定：分量码、交织器、删余器。（2）推导了基于调制模式OOK下，turbo码的MAP译码算法。总结光无线通信作为解决“最后一公里”问题的方案之一，综合了光纤通信和其它无线通信的优点，具有宽带大容量、低成本、安装快捷、机动灵活、无需频率申请等优点，在很多领域具有广阔的应用前景。概括全文，对于基于turbo码的光无线通信系统，开展的工作及取得的主要成果有：（1）在广泛查阅文献的基础上，论述了光无线通信的发展历史和分类。（2）分析了影响光无线通信系统信号传输的主要因素。这些因素主要包括大气衰减、振动等。大气衰减是光无线通信中造成接收信号功率急剧衰减的主要原因。（3）详细分析了turbo码的编码结构和原理。Turbo码中采用了随机编码的思想，最大限度的打乱了信息序列，使其接近于随机码，turbo码的编码性能由分量码、交织器、删余器决定。谢^辞走的最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，三年多的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完美的句号。本论文设计在吕强老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着吕强老师的心血和汗水，一丝不苟的作风，严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助，关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向吕强老师表示深深的感谢和崇高的敬意！在临近毕业之际，我还要借此机会向在这三年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们三年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。我还要感谢我的各位同学以及我的各位室友，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！参考文献韦乐平.下一代电信网的特点、结构和演进[M].电信科学,2000,1:7~11邬贺铨.宽带化——接入网技术的发展趋势[M].电信科学,2000,4:29~32DavidJ.T.Heatley,DavidR.Wisely,IanNeild,etal.Opticalwirelss:TheStorySoFar.IEEECommunicationsMagazine[J],1998,12:72~82邹自立.悄然复兴的激光大气通信技术[M].光通信技术,1997,21(3):167〜170H.Manor,S.Arnon.Performanceofanopticalwirelesscommunicationsystemasafunctionofwavelength.AppliedOptics[M],2003,42(21):4285〜4294L.C.Andrew,R.L.Phillips.LaserBeamPropagationthroughRandomMedia[M].SPIEPress,Bellingham,WA,1998.103〜110D.Kedar,S.Arnon.Opticalwirelesscommunicationthroughfoginthepresenceofpointingerrors[M].AppliedOptics,2003,42(24):4946〜4954S.Arnon,NS.Kopeika.Performancelimitationsoffree-spaceopticalcommunicationsatellitenetworksduetovirationsanalogcase[M].Opt.Eng,1997,36(1):175~182C.Berrou,A.Glavieux,P.Thitimajshima.Nearoptimumerrorcorrectingcodinganddecoding:turbo-codes.IEEETrans[M].Commun,1996,44(10):1261~1271[10]石珏，肖海桥.采用多量子阱光折变器件的新型相干光通信接收方案探索[M].光学学报，1999,19(2):265~269[11]蒋丽娟，朱道伟.近地实用激光大气通信系统设计[M].光通信技术,2000,24(3):219~222[12]倪飞，邓兴成.空间光通信ATP系统中光信号处理技术研究[1].激光杂志，2000,21(4):15~16P.R.Barbier,D.W.Rush,H.Priesetal.Characterizationofopticalwirelesslinkperformance[M].OpticalwirelesscommunicationsI,SPIE,1998,3532(11):41~48L.C.Andrew,R.L.Philips.LaserBeamPropagationthroughRandomMedia[