【導(dǎo)讀】本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括。論文的公布授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。開始越來越受到人們的重視。信道編碼是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，是解決信號在信道中無差錯傳輸?shù)募夹g(shù)。本文主要研究內(nèi)容包括：介紹了信道編碼技術(shù)的研究背景，發(fā)展?fàn)顩r和現(xiàn)實(shí)意義。硬件實(shí)現(xiàn)的過程。Turbo碼是接近香農(nóng)限的一種編碼方法，擁有及其優(yōu)秀的降。低誤碼率的性能，但也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，解碼困難的缺陷。

　　

【正文】 碼數(shù)據(jù)輸出， 1bit 串行輸出 8 decode_valid 解碼完畢信號，高電平有效。 表 32 Viterbi 譯碼器引腳定義 譯碼器仿真結(jié)果如圖 313 圖 313 Viterbi 譯碼器仿真圖 25 Viterbi 譯碼器由 viterbi_distance 和 viterbi 兩部分級聯(lián)而成，如圖 314。其中viterbi_distance 模塊用于計(jì)算接收到的序列與已存儲的所有可能序列之間的碼距，viterbi 用于進(jìn)行碼距判斷和幸存路 徑的取舍。 圖 314 Viterbi 譯碼器級聯(lián)圖 26 第四章 Turbo 編解碼 Turbo 碼概述 自從 Shannon 在 1948 年提出信息論以來，人們在不懈地向逼近信道容量的極限努力，從信息論的角度看，只要傳輸?shù)男畔⑺俾市∮谛诺廊萘?，總存在使得錯誤概率任意小的編碼方法。 Shannon 從理論上證明了，即使是隨機(jī)編碼，只要編碼塊足夠長，就能保證錯誤率任意小。從碼空間的角度可以解釋為每個碼字在整個碼空間中平均的占有足夠大的區(qū)域。盡管可能出現(xiàn)兩個碼字距離較 小的情況，但當(dāng)碼空間維數(shù)越高時，出現(xiàn)遠(yuǎn)離平均碼距的碼對的概率就越小，并趨于 0。 盡管我們能產(chǎn)生這樣的隨機(jī)編碼，但由于需要較大的維數(shù)，而碼字?jǐn)?shù)量巨大，使得譯碼不可能實(shí)現(xiàn)。為了能以可接受的復(fù)雜度進(jìn)行譯碼，我們必須賦予它一個碼結(jié)構(gòu)。因此，尋找一種可譯碼結(jié)構(gòu)，使短碼有盡量大的碼距，而長碼的碼距盡可能接近平均碼距，而長期以來，由于高維理論的不足，編碼研究的思想多局限于低維數(shù)碼，此時好的碼要求有盡量大的最小碼距，雖然相對未編碼系統(tǒng)而言能提供一定的編碼增益，但還是與信道容量相距甚遠(yuǎn)。 Turbo 在英文中有渦輪驅(qū)動的意思。 Turbo 碼顧名思義有級聯(lián)、迭代的含義 。自從 Turbo 碼 93 年提出以來，有關(guān)其設(shè)計(jì)及其性能的研究已成為國際信息與編碼理論最為重要的研究領(lǐng)域之一。 Turbo 碼在低信噪比下所表現(xiàn)出的接近 Shannon 極限的性能，使得它在深空通信、移動通信等系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。 Turbo 碼之所以具有如此誘人的性能，主要是由于 Turbo 碼譯碼器采用了軟輸出迭代譯碼的算法，充分利用了譯碼輸出的軟信息。另外， Turbo 碼還采用了偽隨機(jī)交織器分隔的遞歸系統(tǒng)卷積碼（ RSC）作為分量碼。交織器除了抗信道突發(fā)錯誤外，還改變了碼的重量分 布，控制編碼序列的距離特性，使重量譜窄帶化，從而使得 Turbo碼的整體糾錯性能得以提高。鑒于 Turbo 的優(yōu)點(diǎn)，目前在第三帶移動通信系統(tǒng)的研究開發(fā)中， 3GPP 推薦數(shù)據(jù)速率 32Kbps 以上的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的方式采用 Turbo 碼進(jìn)行前向糾錯編碼。 Turbo 編碼器 Turbo 碼編碼器一般是由兩個或多個遞歸系統(tǒng)卷積碼（ RSC）編碼器通過一個交織器并行級聯(lián)而成的。編碼器的結(jié)構(gòu)稱為并行級聯(lián)是因?yàn)閮蓚€編碼器使用的是同一組輸入信息，而不是一個編碼器對另一個編碼器的輸出進(jìn)行編碼（串行級聯(lián)）。因此 Turbo碼也被稱 為并行級聯(lián)卷積碼（ PCCC）。圖 41 給出了一個典型的 Turbo 編碼器的結(jié)構(gòu)框圖。如圖所示，編碼器包括了兩個遞歸系統(tǒng)卷積碼（ RSC）編碼器一個交織器（ Interleaver）和一個打孔器（ Puncturing）。 27 圖 41 一般 Turbo 編碼器結(jié)構(gòu)圖 遞歸系統(tǒng)卷積碼 RSC 在 節(jié)介紹的卷積編碼結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的非遞歸系統(tǒng)卷積碼（ Non Recursive System Convolutional NSC）。而一般在 Turbo 使用的是遞歸系統(tǒng)卷積碼（ Recursive System Convolutional RSC） ，（ 2， 1， 2） RSC 卷積編碼結(jié)構(gòu)框圖如圖 42 所示。 RSC 的每一級移位寄存器的輸出都反饋到輸入端，并與輸入信息模 2加后成為編碼器輸入比特。 圖 42 （ 2,1,2） RSC 卷積編碼器結(jié)構(gòu)圖 RSC 與 NSC 相比具有更長的記憶長度，使較小距離 d 的碼字?jǐn)?shù)減少。文獻(xiàn) 中研究了大量 RSC 與 NSC 的重量分布及其誤碼性能，在具有最小距離 d 的碼字?jǐn)?shù)相同的情況下， RSC 的信息序列重量 ()RSCWd比 NSC 的信息序列重量 ()NSCWd增加得慢，因此，在低 SNR 的情況下， RSC 的誤碼比特率 BER（ Bit Error Rate）總是小于 NSC的。 28 交織與解解交織 通過上一章的介紹，我們知道編碼的意義是通過加入冗余位信息的方法，從而在接收端能夠發(fā)現(xiàn)和糾正由于信道影響而產(chǎn)生的隨機(jī)錯碼。那么如果信碼在信道中傳輸時由于信道或者認(rèn)為的 影響而使一段連續(xù)的碼元產(chǎn)生大量錯誤，由于編碼長度的有限，通過編碼的方法是無法達(dá)到糾錯的功能的，這就需要我們通過其它方法來解決。目前比較常用的方法是交織（ Interleave）。交織本質(zhì)上是一個將數(shù)據(jù)序列“擾亂”的過程，這里的“擾亂”實(shí)際上是按照一定的人為方式進(jìn)行重新排列，交織主要由交織器完成。它的逆過程就是解交織，將重排過的序列恢復(fù)到原來的序列順序。可以理解的是通過交織以后，原來可能出現(xiàn)的大量連續(xù)錯誤被分散開，成為隨機(jī)錯誤，而隨機(jī)錯誤我們可以通過編碼來解決。 交織器 /解交織器的加入將大大提高系統(tǒng)的糾 錯能力。但是隨之而來的是增加了傳輸延時，降低了信碼的傳輸效率。這是因?yàn)樾盘柕拇騺y一般是通過矩陣的讀入和讀出采用不同的方式而實(shí)現(xiàn)的，這樣必然帶來時間上的損失，而且不同的交織方法對信號的“擾亂”程度是不同的，如果“擾亂”的程度不夠的話將得不到很好的交織效果，反之則會導(dǎo)致硬件在復(fù)雜度上大大增加。所以，高“擾亂” 低硬件復(fù)雜度和低延時成為設(shè)計(jì)交織器的關(guān)鍵。 這里我們介紹兩種比較常用的交織器的設(shè)計(jì) 1) 塊交織 塊交織又稱行列交織，其基本思想是按行讀入，按列讀出，如圖 43 所示。塊交織器的 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，硬件實(shí)現(xiàn)比較容易。而缺點(diǎn)也是顯而易見的，那就是由于輸出順序日染具有一定的規(guī)律性，對信號的“擾亂”程度不大。 123456mm+1m+2m+3m+4m+5m+62m2m+12m+22m+32m+42m+52m+63m3m+13m+23m+33m+43m+53m+64m4m+14m+24m+34m+44m+54m+65m5m+15m+25m+35m+45m+55m+66m6m+16m+26m+36m+46m+56m+67m(n1)m+1(n1)m+2(n1)m+3(n1)m+4(n1)m+5(n1)m+6nm????? ? ? ??????????n列m行至調(diào)制器的輸出符號序列來自編碼器的輸入符號序列 圖 43 塊（行列）交織原理圖 2） PN 交織 29 塊交織實(shí)現(xiàn)了對信號的“擾亂”，但擾亂程度不夠大。為了最大可能的“擾亂”數(shù)據(jù)順序，避免原先相鄰的數(shù)據(jù)在交織以后繼續(xù)相鄰，偽隨機(jī)交織的概念被提出來了。 在信道編碼器中，數(shù)據(jù)交織一般是通過 RAM 來實(shí)現(xiàn)的，通過控制 RAM 的讀寫地址，可以完成交織。因此對于偽隨機(jī)交織，關(guān)鍵技術(shù)是產(chǎn)生一組偽隨 機(jī)數(shù)作為訪問RAM 的地址。眾所周知，最大長度現(xiàn)行移位寄存器序列（ m 序列）屬于偽隨機(jī)序列，它的硬件實(shí)現(xiàn)比較簡單，因此，我們很自然就想到產(chǎn)生 m 序列實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)交織器的地址控制。這樣做將在很大程度上簡化硬件電路設(shè)計(jì)，使得隨機(jī)交織器對硬件資源的需求降低。 通常，人們對 m 序列的使用是串行的，即讓 m 序列發(fā)生器逐比特地 輸出。如果使m 序列從狀態(tài)移位寄存器并行輸出，并行數(shù)據(jù)寬度與 RAM 地址寬度一致。由 m 序列的性質(zhì)可知，在一個周期內(nèi)， m 序列發(fā)生器中移位寄存器的各種狀態(tài)，除全 0 狀態(tài)外，其它狀態(tài)只在 m 序列中出現(xiàn)一次。這樣，就保證了并行輸出數(shù)據(jù)的唯一性，使得 RAM中的每一信息比特有且僅有一次輸出。 設(shè) m 序列的周期為 N=2n1,n 為移位寄存器的級數(shù)，則偽隨機(jī)交織器的硬件實(shí)現(xiàn)如圖 44 所示。 圖 44 PN 交織器硬件結(jié)構(gòu)圖 圖中， CLK 為信息比特輸入 /輸出時鐘，模 N 記數(shù)器用于輸入比特位置計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生 RAM 的寫地址， Write Address 和 Read Address 分別讀寫地址。其工作過程如下： （ 1） 計(jì)數(shù)器初始化為零； （ 2） R/W Control 信號使 WR 信號有效， MUX 選擇輸入信息比特和寫地址 通過， 將輸入比特寫入 RAM 中； （ 3） R/W Control 信號使 RD 信號有效，交織后的輸出比特位置從 m 序列發(fā)生器輸出，通過 MUX 將 RAM 中相應(yīng)的信息比特讀出； （ 4） 模 N 計(jì)數(shù)器加 1； （ 5） 重復(fù)步驟（ 2） — （ 4） N 次； （ 6） Overflow 信號有效，重新初始化 m Series Generator， Counter 清零。 綜上所述，偽隨機(jī)交織器由于其對輸出地址選擇的隨機(jī)性，實(shí)現(xiàn)了對輸出碼流的隨機(jī)“擾亂”，同時對于 ASIC 設(shè)計(jì)，其硬件電路的實(shí)現(xiàn)過程又比較 簡單。但需要指出的是，由于 m 序列的周期性，使得偽隨機(jī)交織器的交織深度必須為 m 序列的周期，這從一方面限制了其應(yīng)用范圍。對于具體交織器的實(shí)際，當(dāng)交織深度小于或等于 255 30 時，選擇偽隨機(jī)交織器是比較適合的。而當(dāng)交織深度大于 255 時，則需要采用比信道時鐘高很多倍的系統(tǒng)時鐘和地址比較器來解決這個問題。 打孔器（ Puncturing） 打孔器（ Puncturing）的功能是對兩個編碼器的編碼輸出進(jìn)行篩選并輸 出。其目的是截短編碼序列的長度，增加 Turbo 碼的傳輸碼率。例如，兩個 RSC 采用的均是（ 2， 1， 2）遞歸系統(tǒng)卷積碼，那么在一個時鐘周期，兩路編碼將輸出 4 個冗余比特作為監(jiān)督信息。而打孔器并不一定將接收到的四個信息全部作為其輸出，而是挑選其中幾位作為輸出信息，如果挑選 2 位作為輸出，那么 Turbo 碼的碼率將從 1/5 提高到1/3。 打孔器對編碼性能的影響很大程度上依賴于交織器的設(shè)計(jì)。在 Turbo 碼中編碼器產(chǎn)生的冗余位的作用很大。一般的編碼在打孔以后，冗余位對信息位的保護(hù)是平衡的，而在 Turbo 碼中，由于 交織器的使用，使得冗余位對信息位的保護(hù)失衡，即有些信息位的冗余位在打孔的時候全部被去掉，而有些則保留了過多的冗余位。以碼率為 1/2的情況為例，假設(shè)有 6 比特，按塊交織進(jìn)行交織，按奇偶方式打孔，結(jié)果見表 4表 42 表 41 表 42 由表 42 可知序列號為 1， 5 的信息位有兩個冗余位保護(hù)，而序列號為 2， 4 的信息位卻一個冗余位也沒有。這就是由于穿孔所導(dǎo)致的冗余位對信息位的保護(hù)失衡。 如果采用其它交織方法，例如偽隨機(jī)交織，模 N 交織，由于交織器對信號的“擾亂”程度增加，會對穿孔造成的影響起到一定的抵消作用。 RSC1 順序信息 1 2 3 4 5 6 RSC1 冗余位 1 X 3 X 5 X RSC2 交織后信息 4 1 2 5 3 6 RSC2 冗余位 X 1 X 5 X 6 輸入（按行輸入） 輸出（按列輸出） 1 2 3 4 5 6 4 1 2 5 3 6 31 幾種 Turbo 譯碼算法 對數(shù)似然比 概率 對于一個隨機(jī)的二進(jìn)制變量 ku ，對數(shù)似然比概率可表示為： ( 1 )( ) l o g( 1 )ku kpuLk pu ??? ?? （ 41） 而 ( 1 ) 1 ( 1 )kkp u p u? ? ? ? ? ?，所以 ( 1 )( ) l o g1 ( 1 )kk kpuLu pu ??? ? ? ? （ 42） 取指數(shù)后得到 () ( 1 )1 ( 1 )kLu k kpue pu ??? ? ? ? （ 43） 由此得到： ( ) ( ) / 2 ( ) / 2( ) ( ) ( )1( 1 ) ( )1 1 1kk kk k kL u L u Luk L u L u L ueep u ee e e???? ? ? ? ?? ? ? （