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1、湖南大学课程设计 无线通信原理第 1/39 页无线通信原理设计 Turbo 码编译原理（报告）源程序代码，联系设计题目： 信道编码-Turbo 码 学生姓名 学生学号 专业班级 通信工程 1 班 指导老师 2012 年 5 月 1 日湖南大学课程设计 无线通信原理第 2/39 页目录：引言.1一、 3G 通信系统的特点.21.13G移动通信系统的特点.21.2 Turbo码在第三代移动通信中的中的应用.3二、 Turbo 码的分类3三、 Turbo 码编译码原理.3四、Turbo 码的各种译码算法及比较.54.1MAP 算法54.2Max-Log-MAP 与 Log-MAP 算法.114.3
2、Log-MAP.134.4 SOVA 算法.144.5 各种算法的比较.174.6 比较结论.20五、Turbo 码仿真主调用程序代码.20六、运行经过&结果显示.326.1 初始化界面.336.2 计算等待.336.3 运行结果显示.336.4 参数重置&关闭窗口.34七、总结.35参考文献.36湖南大学课程设计 无线通信原理第 3/39 页引言未来的无线通信系统必须能为用户提供高速率、高质量、实时的多媒体业务，然而无线信道，特别是移动无线信道是典型的随机时变信道，其在时间域、频率域以及空间角域均存在着随机性的扩散，这些扩散将造成接收信号在相对应的频率域、时间域以及空间域产生严重的衰落现象，
3、衰落将严重地恶化无线通信系统的传输可靠性及频谱效率。为了实现高效、可靠的无线数据传输，两种手段是必要的：利用各种分集对抗衰落，利用信道编码实现差错控制。频率分集、时间分集、空间分集是主要的分集手段，充分利用这些分集方法将衰落信道尽可能地改造为AWGN信道，然后利用信道编码进行检错和纠错。一般的信道编译码方案，难以在无线通信中以较低的信噪比达到数据业务的服务质量（QoS）(例如 一般要求误比特率 BER )，即使在以前的无线移动通信系统中通常采用的码与卷积码串行级联的信道编码方案，与香农(C.E. Shannon)界有较大的差距，直到1993年出现的Turbo码的性能与香农界的差距仅为0.5dB
4、。他 们 发 明 的 Turbo码 的 创 新 之 处 在 于 ： 用 两 个 递归 系 统 卷 积 成 员 码 并 行 级 联 编 码 ， 这 两 个 系 统 递 归 卷 积 成 员 码 之 间 用一 个 伪 随 机 交 织 器 相 连 接 ， 并 且 采 用 软 入 软 出 （ SISO, Soft-In-Soft-Out） 的 迭 代 译 码 算 法 。 从 此 ， Turbo码 就 成 为 编 码 界 的 一 个 研 究 热 点 。S. Ten Brink在 2得到的Turbo码的性能与香农界的差距仅为0.1dB。湖南大学课程设计 无线通信原理第 4/39 页一、3G移动通信系统的特点
5、&Turbo码的应用1.13G移动通信系统的特点第三代移动通信系统的数据速率可从几kbps到2 Mbps；高速移动时为144 kbps；慢速移动时为384 kbps；静止时为2 Mbps。多媒体化：提供高质量的多媒体业务，如话音、可变速率数据、活动视频和高清晰图像等多种业务，实现多种信息一体化。全球性：公用频段, 全球漫游, 大市场。 在设计上具有高度的通用性，该系统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼容，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力，能提供全球漫游。是一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。综合化：多环境、灵活性，能把现存的寻呼、无绳、蜂窝（宏蜂窝、微蜂窝、
6、微微蜂窝） 、卫星移动等通信系统综合在统一的系统中（具有从小于50m的微微小区到大于500km的卫星小区） ，与不同网络互通，提供无缝漫游和业务一致性。网络终端具有多样性。平滑过渡和演进：与第二代系统的共存和互通，开放结构，易于引入新技术。智能化：主要表现在优化网络结构方面（引入智能网概念）和收发信机的软件无线电化。个人化：用户可用唯一个人电信号码（PTN）在任何终端上获取所需要的电信业务，这就超越了传统的终端移动性，真正实现个人移动性目前，Turbo 码的理论和应用研究仍在进行，这些研究将主要集中在如下几个方面： 1）最优分量码与交织器的联合设计。 2）低复杂性译码算法。3）译码迭代过程的优
7、化，收敛性以及迭代停止准则的设计。4）联合信道估计/多用户检测/均衡和译码算法。5）Turbo 码与高阶调制技术的结合。6）Turbo 编译码器的硬件实现。7）Turbo 码在无线通信，移动通信以及多媒体通信中的应用， 特别是在移动通信网络，IMT-2000 及加密系统中的应用等等。1.2 Turbo码在第三代移动通信中的中的应用WCDMA 和 cdma2000 都同时采用了卷积码和并 行 级 联 卷 积 Turbo码 (PCCC)作 为 纠 错 编 码 。 Turbo 码 主 要 用 于 对 时 延 要 求 不 高 的 高 速 数据 业 务 。 并行级联卷积码 Turbo 码的 对 应 的
8、两 个 相 同 的 递 归 系 统 卷积 成 员 码 的 生 成 多 项 式 如 34中 所 规 定 的 , 。321)(Dg31)(2Dg湖南大学课程设计 无线通信原理第 5/39 页在 cdma2000-1XHDR 中, 串 行 级 联 卷 积 Turbo 码 (SCCC)作 为 信 道 编 码方 案 ， 其内 码 是 递 归 系 统 卷 积 码 ， 生 成 多 项 式 是 , 21Dg， 外 码 是 非 递 归 卷 积 码 ， 生 成 多 项 式 是 , 21)(Dg。 由 于 移 动 环 境 的 复 杂 性 ， 为 了 保 证 数 据 业 务 的 QoS, WCDMA 和 cdma20
9、00 都引入了重传机制，如 HSDPA 中的利用基于RCPT(Rate Compatible Punctured Turbo Code)的 HARQ 解决方案。三、 Turbo 码的分类现 在 广 义 的 Turbo 码 是 指 采 用 级 联 或 乘 积 编 码 方 法 并 利 用 迭 代 译码 方 法 的 编 译 码 方 案 。 迭 代 译 码 的 基 本 思 想 是 将 一 个 的 复 杂 的 长 的 译码 步 骤 分 解 为 多 个 相 对 简 单 的 迭 代 译 码 步 骤 而 且 在 迭 代 译 码 步 骤 之 间信 息 概 率 的 转 移 或 者 是 软 信 息 的 传 递 确
10、保 几 乎 没 有 信 息 损 失 。根 据 其 成 员 码 和 级 联 的 方 法 的 不 同 ， Turbo 码的分类 P_SCR 并行级联卷积 Turbo 码(Parallel Serial Concatenated Convolutional code) SCC 串行级联卷积 Turbo 码(Serial Concatenated Convolutional code) HCC 混合级联卷积 Turbo 码(Hybrid Concatenated Convolutional code) SCC 分组码卷积码串行级联编码 (Serial Concatenated Convolutiona
11、l and Block code) 分组码 Turbo 码 通 用 的 实 现 迭 代 译 码 的 “SISO”译 码 模 块 的 输 入 包 括 信 道 的 软信 息 和 先 验 信 息 ， 这 种 “SISO”译 码 模 块 的 输 出 信 息 可 以 分 解 为 三 部分 ： 信 道 的 软 信 息 、 先 验 信 息 和 外 部 信 息 （ 又 称 边 信 息 ）， 而 外 部 信息 可 以 作 为 下 一 次 迭 代 译 码 的 先 验 信 息 。 各 种 迭 代 译 码 算 法 的 主 要 差别 就 在 于 输 出 软 信 息 的 计 算 ， 实 际 上 也 就 是 外 部 信 息
12、 的 度 量 。并行级联卷积码的软入软出（SISO）迭代译码算法有： MAP (Maximum A Posteriori 最大后验概率, 基于网格图) LOG-MAP MAX-LOG-MAP SOVA (Soft-Output-Viterbi-Algorithm)其 中 对 于 卷 积 级 联 Turbo 码 中 研 究 的 最 多 的 是 并行级联卷积Turbo 码，其次是串行级联卷积 Turbo 码；在分 组 码 Turbo 码 中 ,Turbo 乘 积 码 (Turbo Product Code)和 LDPC 码 (Low-Density Parity-Check codes)是 研 究
13、 较 多 的 两 种 。四、 Turbo 码编译码原理Turbo 码编码器是由两个或两个以上的子编码器(又称组成编码器)并行连接形成的，其中的子编码器最开始是一种递归系统卷积码(RSC)。两个码率均为 R=1/2 的 RSC 编码器通过交织器(Interleaver)分隔开，分别对输入的数据并行处理，如图 3(a)所示。这种编码器属湖南大学课程设计 无线通信原理第 6/39 页于系统编码器，因为编码器 1#的上面一部分输出就是输入的数据(与之对应的编码器 2#的输出被取消)。图中，若 Turbo 码未进行收缩(Puncturing, 即通过 MUX 多路选择器有选择地删除校验输出位)，则总的码
14、率为 r=1/3。由于有交织器，进入下面那个编码器的数据与输入数据的顺序不同，因此，Turbo 码的最优(最大似然)译码相当复杂，是不实用的。然而，文3中提出的次最优(Suboptimal)迭代译码算法大大降低了译码的复杂性，而且取得了好的性能。其译码的思想是：将整个译码问题分成更小的问题对其中的每个码进行译码，获得局部最优解，并以迭代(Iterative)的方式共享信息。译码器以后验比特概率(APP, A posteriori bit probabilities)的形式产生软输出信息。Turbo 码译码器的结构如图 1(b)所示。图中，译码器1 接收数据信息，译码输出软判决信息，经交织后，将此信息送至译码器 2。译码器 2则将输出的软判决信息反馈给译码器 1，作为下一次迭代的先验信息，同时，译码器 2 输出硬比特判决结果。就这样，迭代译码继续进行下去，直到获得所需要的性能为止。一般，迭代 5-10 次即可得到很好的结果。然而，随着迭代的进行，后
