（通信与信息系统专业论文）turbo码在cofdm中的应用研究.pdf

捅斐 t u r b o 码以其优异的纠错性能吸引了通信与信息学术界的广泛关注。本文 针对无线信道的编码数据传输，研究了t u r b o 码在编码正交频分复用( c o f d m ) 中的应用问题。提出了采用t u r b o 码的c o f d m 系统，它是将t u r b o 码与正交 频分复用( o f d m ) 调制技术、差分编码技术捅结合，称为差分t u r b o o f d m ( d t - o f d m ) 。 本文首先研究了t u r b o 码的迭代译码算法和交织器设计方法。在修正b c j r 算法的基础上，提出了种改进的m a x - l o g m a p 译码算法。该算法采用蝶 形与树形运算。结构简单明了，易于实现。在对t u r b o 码性能艰分毛斤的基础上， 指出优化码字的距离谱是优化交织器设计的准则，并提出了扩散度的概念。在 总结了一些常用交织方式的基础上。提出了一种新的交织方式优选扩散交 织，它具有良好的扩散度和随机性，增大了码字的距离谱。仿真研究了采用优 选扩散交织与改进的m a x l o g ，m a p 译码算法的t u r b o 码在加性自高斯噪声 ( a w g n ) 信道以及平衰落信道上的性能。 在t u r b o 码应用于c o f d m 方面，文中提出了d t - o f d m 系统及d t - o f d m 信号的差分软检测方法。通过比较相邻d t - o f d m 信号各子载波上的幅值与相 位差，获得所传输数据的可信度信息，可作为t u r b o 码迭代译码的软输入。在 系统实现方面，分析了输入数据的定点量化对改进的m a x l o g - m a p 译码算 法的影响，结果表明输入数据采用5 比特量化时，量化误差对译码结果的影响 已很小。在此基础上给出了一个d t - o f d m 解调器的实现，其核心为基于定点 数字信号处理器的t u r b o 码译码器，与其它一些采用d s p 实现的t u r b o 码译码 器相比，该译码器具有更高的译码速率。 关键词：t u r b o 码最大届验概率正交频允复用交织器 量化 a b s t r a c t t u r b oc o d e sh a v eb e e n a r r e s t i n gg r e a t a t t e n t i o n sf r o mt h ea c a d e m i ao f c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i c sb e c a u s eo ft h e i re x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei ne r r o r c o r r e c t i o n t o i m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fi r a n s m i t t i n ge n c o d e dd a t ai nw i r e l e s s c h a n n e l ，t h ea p p l i c a t i o no ft u r b oc o d e si nc o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( c o f d m ) i sr e s e a r c h e d i nt h i s p a p e r an o v e lc o f d ms c h e m ei s p r o p o s e d i te m p l o y st u r b oc o d e s ，o f d mm o d u l a t i o n a n dd i f f e r e n t i a l c o d i n g t e c h n o l o g i c sa n di st e r m e da sd i f f e r e n t i a lt u r b oc o d e do f d m ( d t - o f d m ) ， f i r s t l y , t h ep r i n c i p a lo ft u r b oc o d e sa n din t e r l e a v e rd e s i g na r ed i s c u s s e d a m o d i f i e dm a x - - l o g - m a pd e c o d i n g a l g o r i t h mi sp r o p o s e d a f t e rad e p i c t i o no f m o d i f i e db c j ra l g o r i t h m i t e m p l o y ss i m p l e a n d e x p l ! c i t b u t t e r f l y - t y p e a n d t r e e - t y p eo p e r a t i o n s ，w h i c h c a u s et h en e w a l g o r i t h m m u c he a s i e rf o r i m p l e m e n t a t i o n ba s e do n t h ea n a l y s i so f p e r f o r m m a c e l i m i to f t u r b o c o d e s ，i t is m a d ec l e a rt h a tt h ed i s t a n c e s p e c t r u m i n o p t i m i z i n g c o d e si st h e o b j e c t i v eo f d e s i g n i n go p t i m a l i n t e r l e a v e r an e wc o n c e p t ，c a l l e d s p r e a d e x t e n t ，i s a l s o i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a f t e ra no v e r v i e wo fs o m eg e n e r a l l yu s e da p p r o a c h e so f i n t e r l e a v i n g ，an e wi n t e r l e a v e r i s b r o u g h tf o r w a r d ，n a m e d t h e g o l d e n s p r e a d i n t e r l e a v e r i t p o s s e s s e sh i g hs p r e a d - e x t e n t a n dr a n d o m n e s sa n dc a nm a k et h e d i s t a n c es p e c t r u mo f o u t p u tc o d e sb e t t e r t ov e r i f yt h e i re f f e c t i v e n e s s ，s i m u l a t i o n s t u d i e sa r ec o n d u c t e dt ot e s tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e d t u r b oc o d e si n a w g nc h a n n e l sa n df l a t f a d i n gc h a n n e l s i n t h e s es i m u l a t i o n s t h em o d i f i e d m a x l o g - m a p d e c o d i n ga l g o r i t h ma n dt h eg o l d e n s p r e a di n t e r l e a v e ra r ea p p l i e d o nt h e a p p l i c a t i o n o ft u r b oc o d ei nc o f d m ，t h ed t - o f d ms c h e m ei s p r e s e n t e d ，t o g e t h e rw i t h ad i f f e r e n t i a ls o f t d e t e c t i o nm e t h o do fd t - o f d m b y c o m p a r i n gt h ea m p l i t u d e s a n dp h a s ed i f f e r e n c e so fn e i g h b o r i n gs u b e a r r i e r so f d t - o f d ms i g n a l s ，t h e c r e d i b i l i t y i n f o r m a t i o no ft h et r a n s m i t t e dd a t ac a nb e o b t a i n e d ，w h i c hi nt u r ni su s e da st h es o f ti n p u to ft h ei t e r a t i v ed e c o d i n ga l g o r i t h m o ft u r b oc o d e s o nt h er e a l i z a t i o no ft h i sn e ws c h e m e ，t h ei n f l u e n c eo ft h e f i x e d p o i n tq u a n t i f i c a t i o nu p o n t h em o d i f i e dm a x - l o g m a p a l g o r i t h m i s e v a l u a t e d s i m u l a t i o n ss h o wt h a t ：i ft h e i n p u t d a t ai s5b i t sa t l e n g t h ，t h e u n f a v o r a b l ee f f e c to f q u a n t i f i c a t i o ne r r o ri sn e g l i g i b l e f i n a l l y ，a ni m p l e m e n t a t i o n o ft h ed t - o f d md e m o d u l a t o ri s g i v e n t h ek e yp o i n to ft h i s d e m o d u l a t o ri sa t u r b od e c o d e rb a s e do nf i x p o i n td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) c o m p a r e dw i t h o t h e rd s p - b a s e dt u r b od e c o d e r , t h ep r o p o s e dd e c o d e ri so fm u c hh i g hd e c o d i n g s p e e d ， k e y w o r d s ：t u r b oc o d e s ，m ap o f d m ，i n t e r l e a v e r , q u a n t i f i c a t i o n 博士论文t u d 3 0 蚂在c o f o m 中的应用研究 l 绪论 1 1 数字通信系统中的差错控制技术 当今社会已步入信息时代，持续增长的对于信息交换的需求推动了通信技 术的不断发展。快速、准确、灵活的通信方式是现代通信所追求的目标，信息 传输的基本要求就是：到达信宿的信息与信源信息应尽可能致。 通信的发展历史，可以回溯到远古时代。本文所述的通信，仅指借助于电 磁信号形式，通过电缆、光缆或电磁波等媒介进行的双方之问的单向或双向远 距离信息交换。 1 8 7 2 年贝尔发明电话，将人类社会带人电信时代；l8 9 8 年，马可尼拍发 了第一封收费电报，标志着无线电通信进入实用阶段。虽然“点”与“划”表 示的m o r s e 码本质上属于数字信号的形式，但自那以后的近百年中，数字通 信发展缓慢，以电话、广播、电视为代表的模拟制的通信形式占据了统治地位。 通过有线信道传输的信号稳定，干扰与失真较小，但是由于通信设备必须 连接在固定的线路上，通信形式不够灵活，难以满足某些场合的通信需求。无 线通信利用电磁波携载信息，通信双方无须拘泥于固定的地点，是实现个人通 信目标的最佳选择，并逐渐成为近年来通信领域研究的重点。 随着计算机技术与数字处理技术的发展，通信的内容早已不局限于语音， 对数字信号的传输要求推动了通信数字化的发展。即使在语音传输中，数字化 的语音信号由于可实现去噪、纠错功能而逐渐受到人们的青睐。图1 1 为一个 典型的数字通信系统框图。 图中的信源编码又称有效编码，它是为了提高数字信号的有效性阻及为了 使模拟信号数字化而采取的编码。信源发出的信息中总会有冗余的成分，无论 是语音信号还是图象信号都如此。所谓“冗余”是指传输或恢复消息时所必须 的信息之外的成分。信源编码的主要任务就是要进行无冗余或少冗余编码，降 低数据率从而减低信息传输所需带宽，提高传输效率。 绪论博士论文 图1 1典型的通信系统框图 噪声 为了保证所传输信息的安全陛，可以对信源编码输出进行加密处理：相应 地，在接收端需按相应的规则进行解密，以恢复原始数据。 信道编码又称可靠编码、抗干扰编码，它是为了降低误码率，提高数字通 信的可靠性而采取的编码【2 】【3 1 。由于信道中存在各种噪声与干扰，不可避免地 会使在信道中所传输的信号产生失真。对于数字信号来说，失真的信号会引起 码元的误判，产生差错。对信源数据加以适当的保护措施可以避免或减少这种 误判的发生。这种保护措施被称为差错控制( e r r o rc o n t r 0 1 ) 技术，信道编码 是应用最广泛的差错控制措施 4 1 l ”。 采用信道编码技术后，对传输中可能或已经出现的差错进行控制，可以使 误码率降低到用户允许的程度。信道编码将不带规律性( 或规律性不强) 的数 字信号变换为带上规律性( 或加强了规律性) 的数字信号，信道译码器利用这 些规律性来鉴别是否发生错误进而纠正错误。 i 2 信道编码定理与编码理论的发展 1 2 1信道编码定理 1 9 4 8 年，香农在信息论的奠基性文献一一通信的数学理论中提出了著 名的信道编码定理，即对每一类信道都存在着一定的信道容量c ，它是信道的 最大极限传输能力，只要当实际的传输速率r c 时，就总可以找到一种编码 方式，使得译码错误概率任意小。 信道容量c 为能够在信道中传输的最大平均互信息量。若输入符号码表 = ，一一，z 。) ，符号z 出现概率为p ( x ，) ：信道输出空间y = ( 一，+ 。) ，概 率密度函数为f ( y ) ，则 c = m a x ，( z ；r ) ( 1 1 ) v ( x ) 其中 清士论文t u r b o 鹳在c o f d m - p 豹矗用舔究 舭弼坝玲 篓b t ? l o g h ( x t y ) =) f ( y l 帮方( 1 2 ) j ( x ；y ) = 耳( x ) 一 j ? ， t ) 掣方 ( 1 2 ) j ；d 一 一 j 、， 在文f 6 l 中，香农证明了在加性高斯白噪声( a w g n ) 信道上以k 比特符 号( b i t s y m ) 的速率可靠地实现信息传输时，所需的最小信噪比e 。n 。为 e 。，n n 竺土()a1 3 e 7 彳 信道中能传输的信息量还与调制方式有关。图1 2 为a w g n 信道的香农 限与q p s k 、b p s k 调制下韵信道容量益线。在t7 6 分贝( d b ) 下，信遒笺 传输的最大互信息量为2 比特符号( b i t s y m ) 。而q p s k 未编码符号在2 b i t s y m 的传输速率下，要达到1 0 4 误码率需9 6d b 的信噪讫。在q p s k 末编码符号 与信道香农限之间存在7 8 4d b 的差距。 20246日1 0 e 沙4 0 ( d b ) 图1 2 信道容量与b p s k q p s k 调制下的容量( p e = lo s ) 香农信息论指出，信道编码是缩小这种差距、逼近信道容量的途径。通过 在传输数据上附加某些规律性，降低信息速率，以传输效率的损失换取对信道 容量的逼近。从图l ，2 可以看出，对于q p g k 编码符号，在k = lb i t 彤，m 时， 达到1 0 。误码率需02 d b 信噪比，距信道窖量仅有0 2 d b ，可见编码传输不 仅提高了信息传输可靠性、而且显著地降低了信号发射所需的功率。 在无线信道上典型地，在非选择性瑞利慢衰落信道上，o p s k 未编码数 据要达到1 0 4 这样的误码率需4 7 d b 的信噪比 】。如果不采用纠错编码方式。 叁避一)i 绪论 博士论文 对于某些通信线路来说，这意昧着需要具有很大功率黔发射机。围此，如果能 找到适合于无线通信系统且在现有技术下易于实现的编码体制，大幅降低信号 发射功率，具有+ 分重要的实用意义。 在某些信号畸变严重的信道中，未编码数据甚至根本无法达到1 05 误码率 这数据通信的最低标准。为利用这些信道传输数字信息，编码传输就是必不 可少的措施了。 1 2 2 信道编码的发展 香农在证明信道编码定理时，并没有给出逼近信道容量的“好码”的设计 方法，但指出了设计这种“好码”的方向： i 编、译码采用随机方式： 2 加大码字长度； 3 采用最大似然译码方式。 1 9 6 8 年，g a l l a g e r 给出了误码率只和码长、编码速率r 之问的关系： 0 ，为可靠性函数，取决于不同l i 勺编、泽码方式。 i 4 j 式表 明，加大码长可以有效地提高信道编码的性能。 长期以来，信道编码豹发展方向一直是遵循着香农信息论的后两个方席发 展的。1 9 5 0 年，纠单个随机错误的汉明码出现 9 1 。1 9 5 9 1 9 6 0 年，b o s e 、r a y c h a u d h u r i 、h o c q u c n g h e m 分别提出了纠多个随机错误的循环码，命名为8 c _ f f 码0 ”。在此基础上，r e e d 和s o l o m o n 于1 9 6 0 年提出了适用于纠突发错误的 多进制b c h 玛r e c d s a l o m i m 码( r s 码。r s 码莉纠错住能有了较大的 提高因而也得到了广泛的应用。在旅行者号( v o y a g e r ) 太空探测器上，采用 了r s ( 2 55 , 2 2 3 ) 码j ，在o 8 7 5b i t s y m 下，点l j = 2 。5 3 d b 肘误玛率达到j 0 一。 与线性分组码同时发展起来的另种纠错编码方式是卷积码，它最早由 e l i a s 于1 9 5 5 年提出j 。卷积玛是应用最为广泛的一种信道编码方式，一些利 用计算机搜索而得到的具有大的自由距离的“好码”1 15 】i “”1 ，已形成了事实 上的工业标准。 在相同的码长下，卷积码的最佳译码要比分组码容易。在众多译码算法中， 应用最多的是v i t e r b i 算法i n ”j ，它是基于码的网格结构的一种最大似然概率 译码算法，在信源等概率的情况下等效于最大似然译码算法。对子悒约束长发 的卷积玛译码v i t e r b i 算法的实现并不复杂。 这一时期在对“好码”的理寻中。主要依循挪大码字长度与最大似然曝码 博士论文 t q r b o 玛在c o f d m 串硅电应用研究 这两个方面。然丽，由于最大似然译码算法的计算量随编码长度的增加呈指数 增长，凭惜无限制加大码字长度而带来编码增益的方法逐渐变得不可取。 级联码的出现为提高编码增益带来了新的选择。1 9 6 6 年f o r n e y 首先提出 了利用两个确定的短码来构造长码的串行级联结构，并采用准最佳的广义最小 距离译码推导了级联码的性能界。 串行级联码由内码与外码串行级联而成。译码时，首先进行内码的译码， 泽码输出再根据所使用的外码进行外码译码。内码采用码率r = i 4 、8 1 9 2 状 态的卷积码，外码采用g f ( 2 ) r s 码的串行级联编码方式，在0 ，4 3 8 b i f t s y m 鹄 符号利用率下达到t 0 。的误码性能仅需信噪比e 。n 。= o 5 8 d b ，距香农极限 1 s d b 2 引。 串行级联码的内码译码与外码译码间没有信息交换，虽然它在一定程度上 提高了译码往能。僵同时也损失了部分编码效率。尽管如此，串行缀联码的出 现还是为信道编码领域的研究开拓了另一个方向。 1 3 逼近信道容量的信道编码- t l i r b o 码 在1 9 9 3 年国际通信会议 上，法国高等电信学校b r e t a g a e 分技的 c l o u db e r r o u 、a l a i ng l a v i e u x 和p u n y at h i t i m a js h i m a 提出了并行级联卷积码， 即t u r b o 码r “。在6 5 5 3 6 比特的交织长度下，t u r b o 码在a w g n 信道下获得 了距香农限仅o 7 d b 的优异性能【2 2 】。 t u r b o 码的提出标志着编码理论上的一个重大进展，它打破了售道编玛界 多年来徘徊不前的局面，并迅速引发了研究的热潮，涉及t u r b o 码的性能分析、 设计、实现，以及在毁字通信与数据存储系统中的应用等多个方面m 儿2 川2 5 】肿i ， 1 。3 。1 t u r b o 码中的随机化长码思想与迭代译码思想 随着对t u r b o 码研究的不断深入，人们认识到它的优异性能来源予其独特 的码结构和迭代译码算法。 b e r r o u 所选用的t u r b o 码编码器包括两路码率r = i 2 的递归系统卷丰只码 ( r s c ) 于编码器与个随机交织器。两路r s c 予编码器对相同的输入信息 进行编码，但由于随机交织器的存在，它们各自的信息输入顺净不局。作为联 系两路r s c 子编码器的桥梁，随机交织器保证了子编码器之间编码的独立性。 香农信息论中长期以来 疫忽略的随机化编码思惩在这里褥戮了俸现，运过 随机交织器，原始输入信息顺序被随机打乱，这样编码输出也呈现出随机特性， 而不象以往的编码方式那样过于规刚。 b e r r o u 选用的交织器长度为6 5 5 3 6 比特，只有当全部信息比特到达后，编 绪论博士论文 码器才能够完成编码工作，这是分组码的特点。1 9 9 5 年，s v i r i d 证明了t u r b o 码是线性码，那么t u r b o 码就可看作是一种特殊的线性分组码l 。6 5 5 3 6 比特 的信息位长度已是一个非常大的长度，应该说是一种“长码”。这样，t u r b o 码独特的编码结构使得香农的随机化长码恩想得以实现。 早期的译码方式中，接收端一一般对接收符号先判决为“0 ”、“】”这样的二 进制符号或以二进制表示的多进制符号，再输出到译码单元。译码单元没有任 诃关于这些硬判决符号的可靠性信息。若把接收符号量化后再传输给译码单 元，这些量化输入就包含了接收符号的可信度信息，称之为“软输入( s o f t i n p u t ) ”。这些“软输入”能带来更好的译码性能。在卷积码的软输入维特比译 码中这种“软输入”所带来的编译码增盏已经得到了体现。t u r b o 码借鉴了这 种软输入译码方式，输入到子译码器的是接收符号的量化输入。 另一方诬，t u r b o 码的译码成功地应用了迭代译码算法。译码时，两路子 译码器间的软输出信息不断相互交换，循环迭代完成译码。子译码器采用修正 的b c j r 算法m l m 】，这是一种逐符号最大后验概率( m a p ) 译码算法。该译码算 法中每比特译码平均复杂度仅与子编码器的状态数成正比，而与交织长度无 关，正是这个特点使得t u r b o 码在编码时可以采用非常大的交织器，以实现长 随机编码。 1 3 2t u r b o 码韵进展 自从t u r b o 提出以来，编码领域掀起了一股研究的热潮，也取得了不少的 成果。 由于在高信噪比下，对t u r b o 码的性能仿真变得不大可能( 高信噤比下误 码率极低，为取得可信的仿真结果必须做极大量的仿真) ，因此对于t u r b o 码 住能界的研究一直是t u r b o 码研究领域的一个热点。性能界是认识t u r b o 码的 个很好的视角。 1 9 9 5 年，r p o d e m s k i 等给出了计算汉明距离谱( h d s ) 的算法，即修正 的f a n n o 算法，并利用最小汉明距离与k i d s 对t u r b o 码钓性能进行了分析， 分析结果与模拟结果相当接近。 此后，s v i r i d 引用分组码的性能分祈方法分析了交织器的设计与t u r b o 码 的性能，给出了误比特率( b e r ) 的联合界，并指出了交织器的设计原则是使 t u r b o 码的最小重量尽可能大鲫。 p e r e z 等从距离谱的观点分析了t u r b o 码在低信噪比时的优异性能，指出 了在t u r b o 码的编码器中，交织器起着“谱窄化”的作用，使褥t u r b o 码的小 重量的码字数目减少，从而提高译码性能。p e r e z 等还通过距离谱解释了t u r b o 博士论义t u r b o 妈在c o f d m 中的应用研究 码译码性能中出现的误码底限( e r r o r f l o o r ) 现象。 1 9 9 8 年，m d u m a n 利用g a l l a g e r 界推导了t u r b o 码的误比特率与误码率 新上募，与联合界相比它在低信噪比段更实用j 。髓着t u r b o 逐渐走向实用， t u r b o 码与多种调制方式相结合的系统不断出现。次年，m d u m a n 又给出了 采用t u r b o 码作为纠错方式的1 6 q a m 系统性能界p o l l ”】。 在交织矩阵与成员码设计方面，1 9 9 6 年，s ，b e n e d e t t o 和g m o n t o r s i l 入 了均匀交织器( u n i f o r mi n t e r l e a v e r ) 的概念，给出了t u r b o 码的一个联合性能 上界，并指出好的交织器是存在的【3 2 。1 9 9 8 年，他们对众多的r s c 子码进行 了研究，提出了些性能优秀的r s c 成员码 s s 】，这些研究为构造优秀的t u r b o 码提供了参考。 1 9 9 9 年，j y u a n 以优化码字的距离谱作为设计t u r b o 码的参考，给出了 t u r b o 码的一种新设计方法口”，该方法将予码与交织矩阵的设计结合起柬在 低信噪比段以搜索的方式设计成员子码以及与该成员子码相匹配的交织矩阵。 以该方法殴计的t u r b o 码在低信噪比段与高信噪比段都具有较为优异的性能。 同年，p h o e h e r 等提出了迭代差分解调解码的级联方式，称为“t u r b o d p s k ”，适用于时变衰落信道与高斯信道。在时变衰落信道下，“t u r b o d p s k ” 的解调性能甚至超过了相关p s k 解调方式m 】。接着g c o l a v o l p e 提出了一种 非相关的迭代译码方式，应用非相关检测的方法获得迭代译码所需的软输出， 该方式对于频率相位多变信号的检测译码有较好的稳定性【3 7 】。 2 0 0 0 年，t vs o u v i g n i e r 等对t u r b o 码在部分响应系统中的应用进行了分 析i ”】。在p r 4 部分响应系统与e p r 4 部分响应系统中仿真结果显示，在高斯 白噪声、误比特率b e r = 1 0 4 下，t u r b o 码编码增益达到5 - 6 d b 。 t u r b o 码与高效调制的结合也逐渐成为近年来研究的热点。高效调制( 如， 6 4 q a m ，2 5 6 q a m 等) 本身很高的频带利用率正好可以弥补t u r b o 码较低的 编码效率，使得采用t u r b o 码的通信系统的频带利用率与信息误码翠这两个主 要指标得到了较好的兼容- ”i f 4 0 ! 。 t u r b o 码的迭代思想也被应用于其它领域，包括高阶编码调制“、迭代均 衡”1 、信道估计j h “、多用户检测5 4 ”等。t u r b o 码本身也在不断发展中。1 9 9 5 年，a 。s b a r b u l e s c u 提出码率兼容t u r b o 码的概念”。1 9 9 6 年，c b e r r o u 提 出面向帧的t u r b o 码f 4 ”，两年后，e ki - t a l l 提出了西向流的t u r b o 妈m 】。2 0 0 j 年，l ip i n g 提出了“t u r b o s p c ( 单校验) 码”，它的译码复杂度比t u r b o 码 大为降低h ”。 博士论文 1 3 3t u r b o 码的实现与应用 出于t u r b o 码具有良好的纠错性能，在理论研究的同对。它在应用领域的 进展也不断加速。在译码器工业化实现方面。完成最大后验概率译码与迭代的 大规模集成芯片( v l s i ) 已见诸报道i ”】 5 ”。 1 9 9 6 年，加拿大维多利亚大学( u n i v e r s i t yo fv i c t o r i a ) 电子与计算机系 的zb l a z e k 和vk b h a r g a v a 在通用d s p 器件a d s p 一2 1 8 1 上实现了t u r b o 码 的s o v a 译码算法。在1 9 2 比特交织长发下，采用三级迭代的s o v a 算法译 码速率达到2 0 k b p f l 5 ”。 同年，澳大利亚国防科技组织( d e f e n c es c i e n c e a n d t e c h n o l o g v o r g a n i z a t i o n ) 的l i n gz h a n g 等将t u r b o 码应用于短波军事通信。其短波调制 解调器采用l 2 码率的t u r b o 码，传输速率为7 5 b p s ，采用长为2 4 0 0 比特的随 机交织器，一个数据帧传输时问为3 2 秒i 。 1 9 9 7 年，南澳洲大学( u n i v e r s i t yo fs o u t ha u s t r a l i a ) 的s p i e t r o b o n 等采 用x i l i n x 公司的x c 3 1 0 0 a 系列现场可编程门阵列( f p g a ) 器件设计了t u r b o 码编译码器，子译码单元采用l o g m a p 算法”。其译码器采用多级插卡串行 结构，包括一级编码单元、两级交织地址产生与延时单元与1 8 级m a p 译码 单元。可配置的译码结构使得它可以完成4 - 5 1 2 状态、1 3 1 7 码率、6 5 53 6 比特以下交织长度的t u r b o 码的译码。对于1 6 状态、交织长度为6 5 5 3 6 的t u r b o 码，它的译码速率达到3 5 6 ，8k b p s 。 1 9 9 8 年，加拿大通信研究中心( c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hc e n t r e ) 的k g r a c i e 等在数字信号处理芯片a d s p 2 i8 l 上采用软件算法实现了t u r b o 码的l o g m a p 译码算法。采用4 级迭代的l o g m a p 译码算法，在4 0 m i p sa d s p 一2 18 1 上 译码速率达到了1 6 8 k b p s l 5 6 1 。 一些研究致力于将t u r b o 码应用于空间通信与卫星通信 5 1 j i ”h 5 “，t u r b o 码 在个人通信领域也得到了重视f 6 ”。t u r b o 码也不断被列入各种通信规范中。空 间数据标准咨询委员会( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ef o rs p a c ed a t as t a n d a r d ， c c s d s ) 已将1 6 状态t u r b o 码刊为一个新标准，2 0 0 3 年后，美国国家航空和 宇宙航行局( n a s a ) 与欧洲空间局( e s a ) 将采用该标准。在移动通信领域， 3 g 蜂窝移动通信标准选择8 状态t u r b o 码用于它的纠错方案。在美国的i s 一9 5 标准中还选择卷积码1 6 ”，到了c d m a 2 0 0 0 标准就选用j ，2 1 5 码率的t u r b o 码1 6 2 j 雨欧洲的w c d m a 标准则选用了i 3 鹃率t u r b o 码陋”。 博士论文t u r b o 玛在c o f o m 中的应用研究 1 4o f d m t c o f d m 及其发展 1 4 1o f d m 技术概述 1 9 7 0 年，美国人首先提出了正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术的专利，它采用相互交叠的子信道传输并行数掘。 在o f d m 中，各子载波是相互正交的，它是一种特殊的多载波调制。在电信 领域中常使用的术语离散多音( d m t ) 与o f d m 是一个概念。 早期o f d m 常应用在短波军用j 醺信中，如为短波电台配置的a n ，g s c 一1 0 变速率调制解调器( m o d e m ) 【6 4 1 ”l ，它采用3 4 酪并行低速子售道。每路子信 道采用p s k 调制，子信道相互间隔8 2 h z 。 由于子载波数目众多，相应的正弦波发生器与解调器使褥0 f d m 调制解 调器昂贵且复杂。1 9 7 1 年，e i n s t e i n 与e b e r t 提出利用快速傅立叶变换( f f t ) 和反变换( i f f t ) 算法完成信号的调制解调州】。这样不仅避免了大量的子载 波发生器与滤波器组，还使得o f d m 调制解调器向全数字化方向发展。 八十年代人们开始研究o f d m 技术在高速m o d e m 、数字移动通信及高 密度存储中的应用，在这期间出现了许多不同速率的o f d m 调制解调器】【6 ”。 直接序列扩频传输技术在数字移动通信等领域已被证明是很有潜力的一项 技术，而o f d m 技术由于其对抗频率选择性衰落的优越性能、较高的频谱利 用率、可以方便地进行时域和频域的交织等优点也得到了人们的重视。近年来， 不少学者致力于把o f d m 技术与扩频技术相结合，开展了一些研究工作) 0 3 1 o 他们的研究表明，多载波扩频技术除了和传统的扩频技术一样能对抗窄带干扰 外，在对抗部分宽带干扰方面比传统方式更有效。当多载波扩频技术用于多址 传输时，系统对用户数的变化不蒙传统的直扩技术那样敏感这在业务需求不 固定的环境中就显得尤为有利。 1 4 2c o f d m 技术与应用 在无线信道中传输时，o f d m 信号的某些子信道可能由于衰落、自噪声、 脉冲噪声、干扰的影响而遭到破坏。研究表明，遭受衰落或窄带干扰的这些子 信道中的信噪比大幅下降，使得这些子信道变得很不可靠，从而使整个通信系 统的误码率等性能指标严重恶化。为了对传输的数据加以保护，可以采用信道 编码技术j 6 9 】。这种利用了信道编码技术的o f d m 称为c o d e do f d m ( c o f d m ) 。 例如采用码格编码调制( t c m ) 与时域缬域交织桶结合的c o f d m 系 统可以对传输的数据提供保护。t c m 的译码可采用软判决维特比译码算法 绪论博士论文 在高斯信道、1 0 。误比特率下，t c m 大约可提供3 d b 的编码增益 ”妒”。 得益于数字信号处理与超大规模集成电路( v l s i ) 技术的发展，c o f d m 技术已广泛应用于高速数字通信领域。原来困扰o f d m 技术实现的难题，妇 复杂的计算与高速存储器已不再是瓶颈，应用快速傅立叶变换( f f t ) 实现 o f d m 调制非常方便。近年来。对c o f d m 技术应用的研究扩展到宽带数握 通信、高比特率数字用户环路( h i g h b i t ，r a t ed i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，h d s l ) 、非 对称数字用户环路( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) 、超高速数字用 户环路( v e r yh i g h - s p e e dd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，v h d s l ) 、数字声广播( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 及高清晰度数字电视( h d t v ) 中 7 2 1 1 73 l 】。 欧洲的d a b 工程是使o f d m 逐渐得到重视的一个关键因素，它的目标是 为用户提供高品质的数字声广播。为克服移动接收系统中的多径衰落影响，欧 洲的研制者们将c o f d m 技术引入并实用化。如在一种地面广播模式中， 1 5 3 6 k h z 的带宽内包含3 8 4 个载波，每个载波间隔4 k h z 。o f d m 信号周期为 2 5 0 p s ，每个信号周期前面是6 2 5 脚的保护时隙。系统中采用了码率为1 2 的 卷积码结合时域交织与频域交织，接收机采用软判决维特比译码。系统调制方 式为差分q p s k 可以较容易地实现信道估计p ”。 与d a b 不尽相同的是，h d t v 系统一般只需实现固定接收，所以信道变 化较缓慢但h d t v 系统的传输带宽数倍于d a b 系统，所以多径效应就更为 明显，同时为实现h d t v 与现有模拟体制电视的同播，必须克服模拟信号对 h d t v 信号的干扰。现有的专用d s p 芯片可以在1 0 0b t s 内完成1 0 2 4 点f f t ， 这可以满足8 m h z 带宽以内视频传输的需要，从而为o f d m 应用于视频业务 提供了可能。欧洲各国研制的实验系统先后迸行了实验，如北欧的h d d i v i n e 系统，汤姆逊公司研制的d i a m o n d 系统等。这些实验系统采用了c o f d m 技术，载波数从数百至上千不等。采用增加保护时隙、加传基准电平估计信道 响应等技术措施后，再结合t c m 技术与时域、频域交织，各实验系统都达到 了设计指标，而与模拟电视同播的问题也靠在o f d m 频谱中开窗( 即对某些 子载波做零调制) 加以了解决。欧洲各国对c o f d m 技术在h d t v 传输与d a b 中的应用进行了大量的研究以期形成一套数字音频与视频传输的完整解决方 案， 利用信道编码技术可以使o f d m 信号中部分受到频率衰落或干扰两被破 坏的数据依靠那些频率分量增强部分可靠接收的数据而得以恢复，这实际上说 明c o f d m 系统有高效的频率隐分集与时阁隐分集的作用。经过三十多年的研 究与发展，尽管t c m 与卷积码已成功地应用于c o f d m ，关于c o f d m 信道 编码方式选择的研究仍在不断进行之中。 博士论文 t u r b o 码在c o f d m 中的应用研究 1 5 课题背景与本论文的主要工作及贡献 1 5 1 选题背景 2 0 0 0 年，我系开展了对远距无线数据传输方案的研究。为了有效地利用 频率资源及避免宽带传输中频率选择性衰落对数据传输的影响，决定采用 c o f d m 技术。在信道编码方式的选择上，考虑到近年来信道编码领域的进展， 选择了t u r b o 码这一新出现的性能优异的信道编码方式。 针对信号传输的特点，本课题提出了采用t u r b o 码的c o f d m 系统，将t u r b o 码与o f d m 调制技术、差分编码技术相结合，称为差分t u r b o o f d m 体制 ( d t o f d m ) 。d t o f d m 是一种全新的c o f d m 体制，本课题就t u r b o 码及 d t o f d m 的一些关键技术进行了研究，包括t u r b o 码译码算法的简化、内交 织矩阵的优化、t u r b o 码在无线信道中的性能、d t o f d m 系统的结构、d t o f d m 信号的差分软检测以及d t o f d m 基带解调器的实现。 1 5 2 论文的结构 本课题对t u r b o 码及d t o f d m 的一些关键技术进行了研究，全文分为 六章，除第一章概述外其余各章安排如下： 第二