Turbo 碼(Turbo Code)是一類應(yīng)用在外層空間�(wèi)星通信和設(shè)計者尋找完成信息傳輸通過一個限制帶寬通信鏈路在數(shù)�(jù)破壞的噪聲面前的其它無線通信�(yīng)用程序的高性能糾錯�。它巧妙地將兩個簡單分量碼通過偽隨機交織器并行級聯(lián)來構(gòu)造具有偽隨機特性的長碼,并通過在兩個軟�/軟出(SISO)譯碼�之間進行多次迭代實現(xiàn)了偽隨機譯碼�
Shannon 編碼定理指出:如果采用足夠長的隨機編碼,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),遠遠談不上“隨機�;同�,出于譯碼復(fù)雜度的考慮,碼長也不可能太長。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。事實上,長期以來信道容量僅作為一個理論極限存�,實際的編碼方案�(shè)計和評估都沒有以Shannon限為依據(jù)�
1993 年兩位法國教授Berrou、Glavieux 和他們的緬甸籍博士生Thitimajshima 在ICC 會議上發(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 �。它巧妙地將兩個簡單分量碼通過偽隨機交織器并行級聯(lián)來構(gòu)造具有偽隨機特性的長碼,并通過在兩個軟�/軟出(SISO)譯碼器之間進行多次迭代實現(xiàn)了偽隨機譯碼�
仿真�(jié)果表明,在AWGN 信道�,碼率為1 2 的Turbo 碼在達到誤比特率(BER) � 10?5�� 0 E N b 僅為�0.7dB (這種情況下達到信道容量的理想0 E N b 值為0db),遠遠超過了其他的編碼方式,一時在信息和編碼理論界引起了轟��
從此以后,Turbo 碼得到了廣泛的關(guān)注和�(fā)�,并對當(dāng)今的編碼理論和研究方法產(chǎn)生了深遠的影�,信道編碼學(xué)也隨之進入了一個新的階段�
Turbo碼由于其近Shannon界的突出糾錯能力,成為近年信道編碼理論研究的熱點問題。其編碼器由兩個(或多個)帶反饋的系統(tǒng)卷積碼器�(jīng)一交織器并行級�(lián)而成,接收端一般采用逐位后驗概率譯碼器通過反復(fù)迭代循環(huán)來譯��
Turbo 碼實際上是一種并行級�(lián)卷積�(Parallel Concatenated Convolutional Codes)。Turbo 碼編碼器是由兩個反饋的系統(tǒng)卷積編碼器通過一個交織器并行連接而成,編碼后的校驗位�(jīng)過刪余陣,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)過交織器形成一個新序列u'={u1',u2',…�,uN'}(長度與�(nèi)容沒�,但比特位經(jīng)過重新排�),u 和u'分別傳送到兩個分量編碼器(RSC1與RSC2) ,一般情況下,這兩個分量編碼器�(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)過刪余器,采用刪�(puncturing)技�(shù)從這兩個校驗序列中周期的刪除一些校驗位,形成校驗序列X,X,與未編碼序列X'�(jīng)過復(fù)用調(diào)制后,生成了Turbo碼序列X�
香農(nóng)信息論告訴我�,的譯碼算法是概率譯碼算�,也就是后驗概率算法(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�,即假設(shè)信源符號等概率出�(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�,再次引入反饋的概念,取得了性能和復(fù)雜度之間的折�。同�,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)上改進的,我們稱以MAP算法,后來又形成Log-MAP算法、Max-Log-MAP以及軟輸入軟輸出(SOVA)算法�
1.Turbo 碼的譯碼�(jié)�(gòu)如圖所�. Turbo 譯碼器有以下的特點:
1) 串行級聯(lián)
2) 迭代譯碼
3) 在迭代譯碼過程中交換的是外部信息
2. 概率譯碼譯碼原理及結(jié)�(gòu)
譯碼時首先對接收信息進行處理,兩個成員譯碼器之間外部信息的傳遞就形成了一個循�(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�。但同時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錯能力也隨之減弱,在一定的循環(huán)次數(shù)之后,譯碼性能將不再提��
1. Max-Log-MAP算法
是在上述對數(shù)域的算法中,將似然值加法表示式中的對數(shù)分量忽略,是似然加法完全變成求值運�,這樣除了省去大部分的加法運算外,還省去了對信噪比的估�,使得算法更�(wěn)健�
2. Log-MAP算法
實際上就是對�(biāo)�(zhǔn)MAP算法中的似然全部用對�(shù)似然度來表示,這樣,乘法運算變成了加法運算??偟倪\算量成為6x2^M次加法,5x2^M次求運算�5x2^M次查��
3. �(biāo)�(zhǔn)MAP算法
是對bahl軟輸出算法做一定修正后,通過除以先驗分布來消除正反饋的算�。對于約束長度為M 1的卷積碼,其運算量為每比�6x3^M次乘法和5x2^M次加�。由于乘法運算量�,限制了譯碼的規(guī)模和速度�
4. 軟輸出維特比譯碼(SOVA)
其運算量為標(biāo)�(zhǔn)維特比算法的兩倍。維特比算法是似然序列估計算�,但由于在它的每一步都要刪除一些低似然路徑,為每一狀�(tài)只保留一條路徑,它無法提供軟輸出。為了給他輸出的每個比特賦予一個可信度,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,這個差越小意味著這次算去的可靠性越好。然后用這個差去修正這條路徑上各個比特的可信��
對于Turbo碼的研究最初集中于對于其譯碼算�、性能界和獨特編碼�(jié)�(gòu)的研究上,經(jīng)過十多年來的�(fā)展歷�,已�(jīng)取得了很大的成果,在各方面也都走向使用階段。Turbo碼由于很好地�(yīng)用了香農(nóng)信道編碼定理中的隨機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)越,而且具有很強的抗衰落、抗干擾能力。目前,Turbo碼的研究主要集中在以下幾個方面:
1) Turbo 碼在直擴(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)�,而且還具有很強的抗衰�、抗干擾能力,因此它在信道條件差的移動通信系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛�,在第三代移動通信系統(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)。第三代移動通信系統(tǒng)(IMT-2000)的特點是多媒體和智能�,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)。由于無線信道傳輸媒�(zhì)的不�(wěn)定性及噪聲的不確定性,一般的糾錯碼很難達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)傳輸時發(fā)生的誤碼。另�,由于在直擴(CDMA) 系統(tǒng)中采用Turbo 碼技�(shù)可以進一步提高系�(tǒng)的容量,所以有�(guān)Turbo碼在直擴(CDMA) 系統(tǒng)中的�(yīng)�,也就受到了各國�(xué)者的重視�
2) Turbo碼的�(shè)計和分析。主要包括交織器的設(shè)�、碼的級�(lián)方式、譯碼算�、Turbo碼的性能分析等。在性能分析�,主要對碼重分布及距離譜進行分析,但由于沒有相應(yīng)的理論支�,這種分析只能是近似的,且僅局限于短碼長、小碼重的情��
3) 編譯碼技�(shù)。編碼方面主要包括對并行級聯(lián)編碼與串行級�(lián)編碼的分�,以及對混合級聯(lián)方式的研究;譯碼方面主要包括迭代譯碼、譯碼算法(后驗概率算法MAP、修正的MAP算法Max-Log-MAP、軟輸出Viterbi 算法SOVA等)的研��
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)合。包括Turbo 碼與�(diào)制技�(shù)(如網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM)的結(jié)�、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碼譯碼與接收檢測的結(jié)合等�。Turbo碼與OFDM�(diào)�、差分檢測技�(shù)相結(jié)�,具有較高的頻率利用�,可有效地抑制短波信道中多徑時延、頻率選擇性衰�、人為干擾與噪聲帶來的不利影��
國內(nèi)在Turbo碼的研究�(lǐng)域也取得了一定的成果和進展,西安電子科技大學(xué)綜合�(yè)�(wù)�(wǎng)國家重點試驗室在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)等高校都在進行Turbo碼相�(guān)的其它關(guān)鍵技�(shù)的研究方面取得一定的進展。深圳華為公司等在推動Turbo碼在移動通信系統(tǒng)中的�(yīng)用方面起了積極的作用�
維庫電子�,電子知�,一查百��
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