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Turbo�
閱讀�22339�(shí)間:2011-04-27 22:12:09

  Turbo 碼(Turbo Code)是一類應(yīng)用在外層空間�(wèi)星通信和設(shè)�(jì)者尋找完成信息傳輸通過(guò)一�(gè)限制帶寬通信鏈路在數(shù)�(jù)破壞的噪聲面前的其它�(wú)線通信�(yīng)用程序的高性能糾錯(cuò)�。它巧妙地將兩�(gè)�(jiǎn)單分量碼通過(guò)偽隨�(jī)交織器并行級(jí)�(lián)�(lái)�(gòu)造具有偽隨機(jī)特性的�(zhǎng)�,并通過(guò)在兩�(gè)軟入/軟出(SISO)譯碼�之間�(jìn)行多次迭代實(shí)�(xiàn)了偽隨機(jī)譯碼�

�(fā)展歷�

  Shannon 編碼定理指出:如果采用足夠長(zhǎng)的隨�(jī)編碼,就能逼近Shannon 信道容量。但是傳�(tǒng)的編碼都有規(guī)則的代數(shù)�(jié)�(gòu),遠(yuǎn)�(yuǎn)談不上“隨�(jī)�;同�(shí),出于譯碼復(fù)雜度的考慮,碼�(zhǎng)也不可能太長(zhǎng)。所以傳�(tǒng)的信道編碼性能與信道容量之間都有較大的差距。事�(shí)上,�(zhǎng)期以�(lái)信道容量?jī)H作為一�(gè)理論極限存在,實(shí)際的編碼方案�(shè)�(jì)和評(píng)估都�(méi)有以Shannon限為依據(jù)�

  1993 年兩位法�(guó)教授Berrou、Glavieux 和他們的緬甸籍博士生Thitimajshima 在ICC �(huì)議上�(fā)表的Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo codes�,提出了一種全新的編碼方式——Turbo �。它巧妙地將兩�(gè)�(jiǎn)單分量碼通過(guò)偽隨�(jī)交織器并行級(jí)�(lián)�(lái)�(gòu)造具有偽隨機(jī)特性的�(zhǎng)�,并通過(guò)在兩�(gè)軟入/軟出(SISO)譯碼器之間�(jìn)行多次迭代實(shí)�(xiàn)了偽隨機(jī)譯碼�

  仿真�(jié)果表�,在AWGN 信道�,碼率為1 2 的Turbo 碼在�(dá)到誤比特�(BER) � 10?5�(shí)� 0 E N b 僅為�0.7dB (這種情況下達(dá)到信道容量的理想0 E N b 值為0db),遠(yuǎn)�(yuǎn)超過(guò)了其他的編碼方式,一�(shí)在信息和編碼理論界引起了轟動(dòng)�

  從此以后,Turbo 碼得到了廣泛的關(guān)注和�(fā)�,并�(duì)�(dāng)今的編碼理論和研究方法產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影�,信道編碼學(xué)也隨之�(jìn)入了一�(gè)新的階段�

  Turbo碼由于其近Shannon界的突出糾錯(cuò)能力,成為近年信道編碼理論研究的熱點(diǎn)�(wèn)�。其編碼器由兩�(gè)(或多�(gè))帶反饋的系�(tǒng)卷積碼器�(jīng)一交織器并行級(jí)�(lián)而成,接收端一般采用逐位后驗(yàn)概率譯碼器通過(guò)反復(fù)迭代循環(huán)�(lái)譯碼�

編碼原理

  Turbo 碼實(shí)際上是一種并行級(jí)�(lián)卷積�(Parallel Concatenated Convolutional Codes)。Turbo 碼編碼器是由兩�(gè)反饋的系�(tǒng)卷積編碼器通過(guò)一�(gè)交織器并行連接而成,編碼后的校�(yàn)位經(jīng)�(guò)刪余�,從而產(chǎn)生不同的碼率的碼�。如圖所示:信息序列u={u1,u2,…�,uN}�(jīng)�(guò)交織器形成一�(gè)新序列u'={u1',u2',…�,uN'}(長(zhǎng)度與�(nèi)容沒(méi)�,但比特位經(jīng)�(guò)重新排列),u 和u'分別傳送到兩�(gè)分量編碼�(RSC1與RSC2) ,一般情況下,這兩�(gè)分量編碼器結(jié)�(gòu)相同,生成序列X和X,為了提高碼率,序列X和X需要經(jīng)�(guò)刪余�,采用刪�(puncturing)技�(shù)從這兩�(gè)校驗(yàn)序列中周期的刪除一些校�(yàn)�,形成校�(yàn)序列X,X,與未編碼序列X'�(jīng)�(guò)�(fù)用調(diào)制后,生成了Turbo碼序列X�

譯碼原理

  香農(nóng)信息論告訴我們,的譯碼算法是概率譯碼算法,也就是后驗(yàn)概率算法(MAP)。但在Turbo碼出�(xiàn)之前,信道編碼使用的概率譯碼算法是似然算�(ML)。ML算法是MAP算法的簡(jiǎn)化,即假�(shè)信源符號(hào)等概率出�(xiàn),因此是次優(yōu)的譯碼算�。Turbo碼的譯碼算法采用了MAP算法,在譯碼的結(jié)�(gòu)上又做了改�(jìn),再次引入反饋的概念,取得了性能和復(fù)雜度之間的折�。同�(shí),Turbo 碼的譯碼采用的是法代譯碼,這與�(jīng)典的代數(shù)譯碼是完全不同的�

   Turbo 碼的譯碼算法是最早在BCJR 算法的基�(chǔ)上改�(jìn)�,我們稱以MAP算法,后�(lái)又形成Log-MAP算法、Max-Log-MAP以及軟輸入軟輸出(SOVA)算法�

Turbo 碼的譯碼結(jié)構(gòu)

  1.Turbo 碼的譯碼�(jié)�(gòu)如圖所�. Turbo 譯碼器有以下的特�(diǎn)�

  1) 串行�(jí)�(lián)

  2) 迭代譯碼

  3) 在迭代譯碼過(guò)程中交換的是外部信息

  2. 概率譯碼譯碼原理及結(jié)�(gòu)

  譯碼�(shí)首先�(duì)接收信息�(jìn)行處�,兩�(gè)成員譯碼器之間外部信息的傳遞就形成了一�(gè)循環(huán)迭代的結(jié)�(gòu)。由于外部信息的作用,一定信噪比下的誤比特率將隨著循�(huán)次數(shù)的增加而降低。但同時(shí)外部信息與接受序列間的相�(guān)性也隨著譯碼次數(shù)的增加而逐漸增加,外部信息所提供的糾�(cuò)能力也隨之減�,在一定的循環(huán)次數(shù)之后,譯碼性能將不再提��

譯碼算法

  1. Max-Log-MAP算法

  是在上述�(duì)�(shù)域的算法�,將似然值加法表示式中的�(duì)�(shù)分量忽略,是似然加法完全變成求值運(yùn)算,這樣除了省去大部分的加法�(yùn)算外,還省去了對(duì)信噪比的估計(jì),使得算法更�(wěn)健�

  2. Log-MAP算法

  �(shí)際上就是�(duì)�(biāo)�(zhǔn)MAP算法中的似然全部用對(duì)�(shù)似然度來(lái)表示,這樣,乘法運(yùn)算變成了加法�(yùn)�??偟倪\(yùn)算量成為6x2^M次加��5x2^M次求�(yùn)算和5x2^M次查表�

  3. �(biāo)�(zhǔn)MAP算法

  是對(duì)bahl軟輸出算法做一定修正后,通過(guò)除以先驗(yàn)分布�(lái)消除正反饋的算法。對(duì)于約束長(zhǎng)度為M 1的卷積碼,其�(yùn)算量為每比特6x3^M次乘法和5x2^M次加�。由于乘法運(yùn)算量大,限制了譯碼的�(guī)模和速度�

  4. 軟輸出維特比譯碼(SOVA)

  其運(yùn)算量為標(biāo)�(zhǔn)維特比算法的兩倍。維特比算法是似然序列估�(jì)算法,但由于在它的每一步都�?jiǎng)h除一些低似然路徑,為每一狀�(tài)只保留一條路�,它�(wú)法提供軟輸出。為了給他輸出的每�(gè)比特賦予一�(gè)可信�,需要在刪除低似然路徑是做一些修�,以保留必要的信�。其基本思想是利用留存路徑和被刪路徑的度量差,這�(gè)差越小意味著這次算去的可靠性越好。然后用這�(gè)差去修正這條路徑上各�(gè)比特的可信度�

研究�(xiàn)狀

  �(duì)于Turbo碼的研究最初集中于�(duì)于其譯碼算法、性能界和�(dú)特編碼結(jié)�(gòu)的研究上,經(jīng)�(guò)十多年來(lái)的發(fā)展歷�,已�(jīng)取得了很大的成果,在各方面也都走向使用階�。Turbo碼由于很好地�(yīng)用了香農(nóng)信道編碼定理中的隨機(jī)性編譯碼條件而獲得了接近香農(nóng)理論極限的譯碼性能。它不僅在信噪比較低的高噪聲�(huán)境下性能�(yōu)�,而且具有很強(qiáng)的抗衰落、抗干擾能力。目前,Turbo碼的研究主要集中在以下幾�(gè)方面�

  1) Turbo 碼在直擴(kuò)(CDMA) 系統(tǒng)中的研究及應(yīng)�。Turbo 碼不僅在信道信噪比很低的高噪聲環(huán)境下性能�(yōu)越,而且還具有很�(qiáng)的抗衰落、抗干擾能力,因此它在信道條件差的移�(dòng)通信系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛�,在第三代移�(dòng)通信系統(tǒng)(IMT-2000)中己�(jīng)將Turbo碼作為其傳輸高速數(shù)�(jù)的信道編碼標(biāo)�(zhǔn)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(IMT-2000)的特�(diǎn)是多媒體和智能化,要能提供多元傳輸速率、高性能、高�(zhì)量的服務(wù),為支持大數(shù)�(jù)量的多媒體業(yè)�(wù),必須在布限帶寬信道上傳輸數(shù)�(jù)。由于無(wú)線信道傳輸媒�(zhì)的不�(wěn)定性及噪聲的不確定�,一般的糾錯(cuò)碼很難達(dá)到較高要求的譯碼性能(一般要求比特誤碼率小于10-6e),而Turbo碼引起超乎尋常的�(yōu)異譯碼性能,可以糾正高速率�(shù)�(jù)傳輸�(shí)�(fā)生的誤碼。另�,由于在直擴(kuò)(CDMA) 系統(tǒng)中采用Turbo 碼技�(shù)可以�(jìn)一步提高系�(tǒng)的容�,所以有�(guān)Turbo碼在直擴(kuò)(CDMA) 系統(tǒng)中的�(yīng)�,也就受到了各國(guó)�(xué)者的重視�

  2) Turbo碼的�(shè)�(jì)和分�。主要包括交織器的設(shè)�(jì)、碼的級(jí)�(lián)方式、譯碼算法、Turbo碼的性能分析�。在性能分析�,主要對(duì)碼重分布及距離譜�(jìn)行分�,但由于�(méi)有相�(yīng)的理論支�,這種分析只能是近似的,且僅局限于短碼�(zhǎng)、小碼重的情��

  3) 編譯碼技�(shù)。編碼方面主要包括對(duì)并行�(jí)�(lián)編碼與串行級(jí)�(lián)編碼的分析,以及�(duì)混合�(jí)�(lián)方式的研�;譯碼方面主要包括迭代譯�、譯碼算法(后驗(yàn)概率算法MAP、修正的MAP算法Max-Log-MAP、軟輸出Viterbi 算法SOVA等)的研究�

  4) 面向分組的Turbo �。主要面向分組的Turbo 碼的�(gòu)造、譯碼及譯碼器的分析�

  5) Turbo 碼與其它通信技�(shù)的結(jié)�。包括Turbo 碼與�(diào)制技�(shù)(如網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM)的結(jié)合、Turbo碼與均衡技�(shù)的結(jié)�(Turbo碼均�)、Turbo碼編碼與信源編碼的結(jié)�、Turbo碼譯碼與接收檢測(cè)的結(jié)合等等。Turbo碼與OFDM�(diào)�、差分檢�(cè)技�(shù)相結(jié)合,具有較高的頻率利用率,可有效地抑制短波信道中多徑�(shí)延、頻率選擇性衰�、人為干擾與噪聲帶來(lái)的不利影響�

  �(guó)�(nèi)在Turbo碼的研究�(lǐng)域也取得了一定的成果和�(jìn)�,西安電子科技大學(xué)綜合�(yè)�(wù)�(wǎng)�(guó)家重�(diǎn)試驗(yàn)室在Turbo碼的理論和應(yīng)用研究方面取得了很多研究成果。此外,清華大學(xué)、北京郵電大�(xué)和上海交通大�(xué)等高校都在�(jìn)行Turbo碼相�(guān)的其它關(guān)鍵技�(shù)的研究方面取得一定的�(jìn)展。深圳華為公司等在推�(dòng)Turbo碼在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的�(yīng)用方面起了積極的作用�

維庫(kù)電子通,電子知識(shí),一查百��

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