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1、上海交通大学 硕士学位论文 循环卷积Turbo码译码技术研究 姓名：邵长虎 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：徐友云;葛建华 20070101 循环卷积 Turbo 码译码技术研究 摘 要 本文主要研究了 WiMAX 系统中卷积 Turbo 码， 该码是由两个循环递归系统卷 积码（CRSC）通过交织器并行级联组成。卷积 Turbo 码是很灵活的码字，帧长和 码率的范围很大， 这也是选它作为 WiMAX 标准中的信道编码方案之一的主要原 因。 本文对WiMAX系统中采用的卷积Turbo码的原理， 性能进行了详尽的研究， 并最终硬件实现。本文首先阐述了信道编码的历史和 Turbo
2、 码的理论背景,接着 详细介绍 WiMAX 系统中的卷积 Turbo 码的原理，在 Turbo 码的 MAP 译码算法 基础上，结合卷积 Turbo 码特性，推导出适用于卷积 Turbo 码的译码算法，根据 卷积 Turbo 码的子码为 CRSC 码，其网格图为环形的特性，本文提出状态传递的 译码方案， 即在进行状态搜索的时候,将上一次迭代的最后一个前向(后项)状态度 量值做为下一次迭代的前向(后向)状态度量值的初始值，可以大大提高译码的准 确性，有效提高了译码的性能。 随后重点研究了卷积 Turbo 译码器的 FPGA 设计与实现。由于卷积 Turbo 码 采用的 MAP 算法会产生很大延时
3、， 本文在译码过程中引入并详细介绍了滑动窗译 码算法，即将数据分成多个数据块，然后分别对每一个数据块进行译码，由此可 以大大降低译码的延时，提高译码速度；而且在硬件实现过程中，译码器采用了 流水线操作的结构，提高了系统的数据吞吐量；由于状态更新是硬件实现达到高 速度的瓶颈，在“状态更新”这一关键模块中使用“模算法” ，有效的提高了运 算速度，优化了系统的性能。译码器最终在 Xilinx 的 VertexII Vp70 芯片上得 以实现。 最后，对全文进行了总结，对有待继续研究的工作进行了展望。 关键词关键词: WiMAX，Turbo，MAP, CTC decoder, FPGA, 两级交织,
4、滑动窗，模算法 上海交通大学硕士学位论文 Abstract Research on Decoding Tech of Convolutional Turbo Codes Abstract The thesis is about convolutional turbo codes(CTC) constructed via parallel concatenation of two circular recursive systematic convolutional(CRSC) encoder linked by an interleaver. Convolutianal Turbo codes
5、 are very flexible codes, easily adaptable to a large range of data block sizes and coding rates. This is the main reason for their being adopted in the WiMAX system. First, this thesis presents the theoretical background of channel coding and turbo coding and introduces the encoding structure of CT
6、C. Then, a general and efficient maximum a posteriori(MAP) soft-input soft-output(SISO) decoding algorithm is presented. And then, the simplified Max-Log-MAP algorithm is derived for CTC. For circular trellis structure of CTC, whatever elementary algorithm is used, iterative decoding requires repeat
7、ed turns around the circular trellis(es), iterations naturally follow one after the other without any discontinuity between transitions from state to state. For both forward and backward process, probabilities computed at the end of a turn are used as the initial values for the next turn, which coul
8、d improve the decoder performance. The thesis also presents the simulation results under different algorithms and parameters. Then, the FPGA design and implementation of CTC decoder is detailed. The decoder has a parallel sub-block decoding and pipeline structure to achieve high throughput. The deco
9、der adopts sliding window algorithm to reduce the decoding delay. The decoder divides the data into several subblocks and deals with them separately, which could reduce the time delay of MAP algorithm. The most important module (StateUpdate) in the design is optimized by module algorithm. The Verilo
10、g design of the decoder is implemented on the FPGA chip (Xilinx Virtex II Vp70). Finally, the thesis draws concludes and points out future research directions. Keywords： WiMAX, Turbo, MAP, CTC decoder, FPGA, two-level interleaver, FPGA, sliding window, modulation algorithm. 上海交通大学硕士学位论文 英文缩略语表 英文缩略语
11、表 AWGN Additive White Gaussian Noise 加性高斯白噪声 BER Bit Error Rate 误比特率 BPSK Binary Phase Shift Keying 二进制相移键控 CRSC Circular Systematic Recurrence Convolution 循环系统递归卷积 CTC Convolution Turbo Code 卷积 Turbo 码 FER Frame Error Rate 误帧率 FPGA Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列 MAP Maximum a Posteriori Pro
12、bability 最大后验概率 MLD Maximum Likehood Decoding 最大似然译码 QAM Quadrature Amplitude Modulation 正交幅度调制 RSC Recurrence Systematic Convolution 系统递归卷积 SISO Soft-Input Soft-Output 软输入软输出 SNR Signal Noise Rate 信噪比 WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access 微波存取全球互通 上海交通大学硕士学位论文 绪论 1 第一章 绪论 1.1 数字通信系统
13、的结构 目前，通信系统设计人员最关心的是如何在数据源功率和传输带宽有限、系 统复杂性和设备造价尽可能小的条件下实现尽可能准确的信息传输， 即使信息传 输的误码率最小化。信道编码是消除或降低信息传输错误概率的有效手段之一。 为更好地理解信道编码在数字通信系统中的地位和作用， 图 1-1 给出了数字通信 系统的基本组成结构。 信源信源编码器信道编码器数字调制器 信 道 干 扰 信宿信源译码器信道译码器数字解调器 信源信源编码器信道编码器数字调制器 信 道 干 扰 信宿信源译码器信道译码器数字解调器 图 1-1 数字通信系统的基本组成结构 Figure 1-1 Basic elements of a
14、 digital communication system 在数字通信系统中，发送器的任务是将信源生成的信息转换为能够抵抗信道 噪声和失真以及有利于在传输媒质上进行传输的形式，它包括信源和信源编码 器。其中信源用于生成需要传输的信息，可以是模拟信号，也可以是数字信号。 如果信源是模拟信号， 则在送入数字系统传输之前需要进行采样和量化等数字化 处；如果是数字信号，则可以是字、码字符号等，一般将这些元素称为码元。信 源的输出根据给定的码表转换成符号序列，一般情况下最常用的是二元符号序 列，码字符号中的码元取自集合0，1，这时码元又称为比特。 信源中通常包含冗余信息， 这主要是因为在信源中相邻符号之
15、间存在一定的 相关性，而且每个符号出现的概率是不同的。为提高传输带宽的利用率和信息传 输效率，在信息传输之前先利用信源编码器来消除这些冗余，可以利用最少的码 元来代表要传输的信息。 如果信源编码器的输出信号为 b rbit/s,则称 b r为数据传 输速率，简称数据率。信源输出经过信源编码器编码后得到的数字序列称为信息 上海交通大学硕士学位论文 绪论 2 序列。 如前所述，传输信道存在一定的噪声和衰落，必然会对其上传输的信息引入 失真和信号判决错误，因此需要采用差错控制码来检测和纠正这些比特错误。信 道编码器的作用是在信息序列中嵌入冗余码元，提高其纠错能力。与原始信息序 列中的冗余码元不同， 经过信道编码添加的冗余码元的作用是减小传输中发生的 信号和码元错误，提高系统的可靠性。信道编码是在发送机和接收机之间实现信 号可靠传输的必要手段之一。 信道编码的基本思想是将每 k 个连续的信息比特分 为一组，经过适当的数字运算后得到 n 个比特的输出，这 n 个比特组成的序列称 为一个码字。好的差错控制码所生成的码字应该是在码字集合中，所有码字之间 的区别尽可能大，从而使通信系统中的无法纠正或检测的信道错误尽可能少。差 错控制码的基本目标是在有限的信号功率、 系统带宽和硬件复杂性要
