Turbo碼特點(diǎn)及應用分析

　　是在上述對數域的算法中，將似然值加法表示式中的對數分量忽略，是似然加法完全變成求最大值運算，這樣除了省去大部分的加法運算外，最大的好處是省去了對信噪比的估計，使得算法更穩健。

　　4. 軟輸出維特比譯碼(SOVA)

　　其運算量為標準維特比算法的兩倍。維特比算法是最大似然序列估計算法，但由于在它的每一步都要刪除

　　Turbo碼一些低似然路徑，為每一狀態(tài)只保留一條最優(yōu)路徑，它無(wú)法提供軟輸出。為了給他輸出的每個(gè)比特賦予一個(gè)可信度，需要在刪除低似然路徑是做一些修正，以保留必要的信息。其基本思想是利用最優(yōu)留存路徑和被刪路徑的度量差，這個(gè)差越小意味著(zhù)這次算去的可靠性越好。然后用這個(gè)差去修正這條路徑上各個(gè)比特的可信度。

　　性能仿真比較

　　目前Turbo 碼的大部分研究致力于在獲得次優(yōu)性能的情況下減小譯碼復雜度和時(shí)延，從而得到可實(shí)現的Turbo碼系統。

　　1. 幾種主要譯碼算法的性能比較

　　Turbo碼　　譯碼算法對Turbo碼的影晌

　　對MAP算法、Log-MAP算法、Max-Log-MAP算法和SOVA算法在加性高斯白噪聲信道(AWGN)環(huán)境下進(jìn)行仿真比較，系統采用的是BPSK調制方式，Turbo 碼的交織長(cháng)度是1024 ， RSC子碼的生成多項式為(37，21) ，系統編碼率為R=1/2，譯碼時(shí)迭代5次，結果以曲線(xiàn)圖給出如圖。 仿真結果表明，四種算法中，MAP算法性能最好，Log-MAP 算法的性能跟MAP 算法在較低的SNRq時(shí)比較接近， 高信噪比時(shí)差別則較大。Max-Log-MAP算法和SOVA算法的性能十分接近，一般情況下，Max-Log-MAP算法的性能，總是稍?xún)?yōu)于SOVA算法。它們跟MAP和Log-MAP相比，性能下降十分明顯。從算法復雜度而言，MAP算法最為復雜，Log-MAP 其次，之后是Max- Log-MAP ，SOYA算法最簡(jiǎn)單。由此可以看出，性能優(yōu)異的Turbo碼譯碼算法十分復雜，如果要使得譯碼容易實(shí)現而對算法進(jìn)行簡(jiǎn)化或者是采用簡(jiǎn)單的算法，往往需以性能的降低為代價(jià)。

　　2. 不同迭代次數對Turbo 碼性能的影響

　　迭代次數對Turbo碼的影響

　　Turbo碼　　左圖給出了在不同解碼迭代次數下，碼率為1/ 2的Turbo碼的BER與Eb/N0的關(guān)系曲線(xiàn)。Turbo 碼的交織長(cháng)度是1024 ，RSC 子碼的生成多項式為(37，21) ，系統編碼率為R=1/2。如Turbo碼譯碼原理中所述，兩個(gè)譯碼器之間互相交外部信息進(jìn)行迭代。

　　Turbo碼可以得到，迭代譯碼次數增大，譯碼性能增加。在第一次迭代的誤比特性能都比較差，這是因為兩個(gè)分量譯碼器之間的信息還沒(méi)有被很好的相互利用。隨著(zhù)迭代次數的增加，兩個(gè)分量譯碼器之間的外信息被更好的利用，對信息比特的估計更接近最大似然比，判決輸出的正確性就越高。迭代次數達到一定數值時(shí)，譯碼性能趨于穩定，再增加新的迭代對性能的改善非常小。迭代增加了譯碼時(shí)延，在大幀編碼時(shí)尤其如此。仿真中迭代次數增大時(shí)運行時(shí)間顯著(zhù)增加。

　　由于達到一定迭代次數后，新增加的迭代對性能改善不大，而法代又極大地增加譯碼時(shí)延，所以在實(shí)際設計Turbo碼系統時(shí)，需要選擇適當的迭代次數，在允許的譯碼時(shí)延內，達到最佳的譯碼性能。這種預先規定迭代次數的方式是終止譯碼迭代次數的方法之一.當要求的信噪比比較大，誤碼率要求不太高的情況，往往經(jīng)過(guò)很少的幾次迭代就能達到譯碼要求正確譯碼。此時(shí)，如果預設迭代次數比較大，那么譯碼器會(huì )繼續譯碼，一直進(jìn)行到預設次數的迭代為止.后邊的幾次送代并沒(méi)有明顯地提高性能，是完全不必要的，而且多余的法代食給譯碼帶來(lái)了額外的時(shí)延。

　　3. 不同編碼約束度K 對Turbo 碼性能的影響

　　不同的約束度對Turbo 碼性能的影響

　　采用不同子碼的Turbo碼的性能也有很大差別。Turbo 碼的設計中首先就是選擇好的RSC子碼。這里只對幾種常用的、較好的采用不同約束長(cháng)度的RSC 做子碼的Turbo 碼進(jìn)行仿真，以分析約束長(cháng)度對Turbo 碼性能的影響?？梢钥闯?，隨著(zhù)約束長(cháng)度K增大，編碼后的碼元與更多個(gè)信息比特相關(guān)，因此譯碼糾錯能力越強誤比特率HER就越小.當BER10-2e 時(shí)，增加卷積碼的約束度將會(huì )改善Turbo 碼HER性能。在交織器長(cháng)度和碼率一定時(shí)，約束度越大，Turbo 碼的HER 性能越好。

　　在3G中的應用

　　信道編碼技術(shù)可改善數字信息在傳輸過(guò)程中噪聲和干擾造成的誤差，提高系統可靠性。因而挺供高效的信道編譯碼技術(shù)成為3G移動(dòng)通信系統中的關(guān)鍵技術(shù)之一。3G移動(dòng)通信系統所提供的業(yè)務(wù)種類(lèi)的多樣性、靈活性，對差錯控制編譯碼提出了更高的要求。WCDMA 和cdma2000方案都建議采用除與IS-95 CDMA系統類(lèi)似的卷積編碼技術(shù)和交織技術(shù)之外，采用Turbo編碼技術(shù)。

　　1. RSC 編碼器的設計

　　cdma2000 方案中，Turbo 碼被用在CDMA系統前向、反向鏈路信道中。反向鏈路信道中，子編碼器(3，1，3)RSC 的生成矩陣為：

　　Turbo碼

　　RSC編碼器基于8狀態(tài)的并行級聯(lián)卷積碼(8PCCC)。交織采用了比特翻轉技術(shù)。通過(guò)刪余處理，碼率為1/4，1/2，1/3的Turbo碼被采用。分別對兩個(gè)子編碼器的輸出奇偶位V2和V2‘交替刪余，可得到碼率為1/4的Turbo碼;對V1，V1' 刪余，可得碼率為1/3;對V2、V2’間隔幾V1，V1‘刪余，可得碼率1/2。

　　WCDMA中，對于收務(wù)服務(wù)質(zhì)量需求BER介于10-3e和10-6e之間。并且允許時(shí)延較長(cháng)的數據業(yè)務(wù)，RSC子編碼器使用8態(tài)并行級聯(lián)卷積碼8-PCCι 。生成矩陣為：

　　WCDMA中的turbo編碼器

　　2. 交織長(cháng)度的選擇

　　在3G移動(dòng)通信中，業(yè)務(wù)速率由32kbit/s到2Mbit/s。10ms一幀，幀長(cháng)由20 到20000 。為了提高譯碼器性能，在一些低速業(yè)務(wù)中，可采用多幀組成一個(gè)數據塊，加大交織深度。

　　在WCDMA中，Turbo 碼交織器是可截短型塊交織器。交織行數為5、10或20行，在行數確定的基礎上選擇列數。數據按行讀入交織器，按固定模式進(jìn)行行間轉換，不同輸入序列長(cháng)度對應不同的行數和行間轉換模式。行轉換完成后，近行列轉換。不同行對應不同列間轉換參數，采取的是接近隨機化的素數取模算法。數據在完成行列轉換后，按列讀出。

　　cdma2000 也是基于塊交織。交織行數為25=32行，列數N=2n，n為滿(mǎn)足使32N大于或等于幀長(cháng)度的最小值。數據按行讀人。行間轉換的依據是比特翻轉原則。列問(wèn)轉換的置換公式是：x( i+1) = [x(i) + c] mod N，即為同模取余法，為了更接近隨機化，使每列的偏置取不同值。數據經(jīng)過(guò)行列轉換后，按列輸出。

　　3. 譯碼器的設計

　　由于Turbo碼譯碼算法復雜，譯碼延時(shí)長(cháng)，所以對于時(shí)延要求高的數據業(yè)務(wù)應用受限。因而低復雜度譯碼器的設計成為T(mén)urbo碼譯碼算法設計的焦點(diǎn)。為了換取復雜度的簡(jiǎn)化，允許次優(yōu)性能譯碼的存在。例如3GPP中允許Turbo碼的譯間比標準MAP算法有1dB的增益損失。結合CRC校驗來(lái)減少迭代次數，在SNR 較大時(shí)可以減少譯碼復雜度和譯碼延時(shí)。

　　發(fā)展前景

　　日前Turbo碼的研究尚缺少理論基礎支持，但是在各種惡劣條件下( 即低SNR情況下)，提供接近Shannon 極限的通信能力已經(jīng)通過(guò)模擬證明。但Turbo碼也存在著(zhù)一些急待解決的問(wèn)題，例如譯碼算法的改進(jìn)、復雜性的降低、譯碼延時(shí)的減小。作為商用3G 移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)之一，Turbo 碼也將逐漸獲得較好的理論支持并且得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善。