Turbo码在3G中的应用与DSP实现

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[组图]Turbo码在3G中的应用与DSP实现

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Turbo码在3G中的应用与DSP实现

作者：刘树军，… 文章来源：重庆邮电学院学报点击数：更新时间：2006-12-1

Turbo码在3G中的应用与DSP实现^

刘树军，李佩英，郑建宏

　　（重庆邮电学院移动通信工程研究中心，重庆400065）

摘　要：Turbo码以其优越的性能逐渐在通信系统受到人们的重视，因此在概述了Turbo码的编译码算法原理以后，针对其在第三代移动通信系统（3G）中的应用，对其迭代译码进行了DSP定点仿真实现，并与Matlab浮点仿真进行了比较，在SNR为0．2 dB时，误码率已近似为0，已成为3G中的首选方案。
关键词：Turbo码；第三代移动通信；软输入软输出

0　引　言
　　自从1993年Turbo码的概念由法国学者Berrou等首次提出后，它就以其接近Shannon限的优越性能博得了众多学者的青睐。Turbo码是近年来通信系统纠错编码领域研究的一个重大突破，它的基本原理是把信息源比特流通过交织卷积后的各子码组合成并行级联卷积码，然后通过译码器的反复迭代反馈得到卓越的译码性能。Turbo码是在综合过去几十年在构造乘积码、级联码及最大后验概率译码算法，迭代译码思想基础上的一种推广与创新。它不仅具有低信噪比下的优越解码性能，还有很强的抗衰落和抗干扰能力，因此这使其在情况复杂的移动通信信道上有很大的开发应用潜力，并且已经被3GPP正式采纳为IMT－2000的高速数据通信的信道编码标准之一。其中被国际电联采纳的、具有代表性的3个3G标准（WCDMA，CDMA－2000和TD－SCDMA）均在信道编码中使用了Turbo码，用以传输高速率、高质量的通信业务。
　　Turbo码的译码方案采用迭代译码原理，目前应用最多的2种译码算法是SOVA（Soft－ Output ViterbiAlgorithm）算法和MAP（Maximum a pos－teriori）算法。SOVA算法追求的是整个码序列的最大概率，运算量较小，而且采用滑动窗法，可以大大减小时延。MAP算法追求的是每一个符号的最大概率，采用软输入软输出（SISO），使译码过程实现了伪随机化，从而达到接近香农限的良好性能。但是MAP算法的实现复杂度要比SOVA算法复杂得多，所以又在MAP算法的基础上衍生出max_－log_－MAP和log_－MAP算法。本文的DSP实现就采用了log_－MAP译码算法。
1　Turbo码编译码原理
1．1　Turbo码编码原理
　　Turbo编码器由2个或多个带反馈的递归系统卷积（RSC）码经过交织器并行级联而成。其中子码采用RSC码的形式可以保证各分量编码器在所有信噪比（SNR）条件下具有良好的性能。Turbo码是一种系统码的形式，其输入信息序列在经过交织器送入RSC编码器的同时送到编码器输出端，每个RSC编码器的输出的校验比特经过删余处理后，与系统码一起经过并串变换后可以组成任意码率的Turbo码。Turbo码编码结构图如图1。

经过编码器后输出的序列为：

1．2　Turbo码译码原理
　　Turbo译码其主要有2个SISO（soft－inputsoft－output）译码器（DEC1和DEC2）组成的基本译码模块多次迭代级联而成，其译码结构见图2。编码过解复用得到序列y_s，y_p1，y_p2，他们和外部信息Λ₁，Λ₂一起分别作为DEC1和DEC2的译码器的软输入。其中，Λ₁，Λ₂分别称为DEC1和DEC2的外部信息，L（u_k）为关于u_k的对数似然比（LLR），定义为：

运用BAYES规则，由式（1），（3）可得到：

如果S_k已知，则由式（4）又可得到：

通过式（6），（7），（8）的引入，现在的LLR可表示为：

u_k＝1（或0）因为变量y_sk是期望为1（或－1），方差为σ₂的高斯变量，所以有：

这样我们就得到了用于每次迭代的外部信息Λ_k和用于硬判决的LLRL（u_k）．
2　Turbo码在3G中的应用
　　由于Turbo码的卓越纠错性能和带宽效率，它已被3GPP正式接纳为第三代移动通信系统（3G）的编码标准。3G中Turbo码的应用如表1所示。

　　在3G中，Turbo码采用8状态编码器，约束长度为K＝4。分量编码器1和分量编码器2的码子生成器均为G1＝15，G2＝13，如图3。

　　从图3中我们可以看出当对数据块进行编码时，编码器输入端的开关打开，经过复用后编码器的输出为：

当数据块全部输入编码器后，编码器输入端的开关关闭，但编码器继续输出，直到所有的移存器状态都变为0，如虚线所示，此时编码器的输出称为尾部信息。尾部信息在译码时要进行与数据不同的处理。　　
图3中的内交织器采用非统一方式，把输入比特流填充到矩形矩阵，经过矩阵行内和列内置换后，
3　Turbo译码在DSP中定点仿真实现
　　对Turbo译码的研究中，有关matlab的浮点仿真已经很多，但有关定点DSP实现的提及很少，然而这却是我们更为关心的。在此，笔者在TI公司的TMS320C55XDSP上针对3GPP编码要求（图3），在不同的信噪比（SNR）情况下对Turbo译码定点仿真（其译码实现的DSP流程如图4），并取得了与MATLAB近似相同的结果，其中译码迭代次数为8，交织长度为2904（见图5）。在DSP定点实现中，一个要注意的关键问题是如何防止数据的溢出，如果处理不好，将得不到正确的结果。

4　总　结
　　第三代移动通信系统的重要特点及目标是全球化（提供全球海陆空三维的无缝覆盖，支持全球漫游业务）、综合化（提供多种语音和非话业务，特别是多媒体业务）和个人化，即要求在移动环境下能够自由地进行包括声音、数据和动态图像的多媒体通信。这就对信息传输的高速率，低误码率的要求很高，Turbo码的出现正好适应了这一要求，成为第三代移动通信系统的首选编码方案之一。通过对Turbo译码的定点仿真结果我们可看到，在SNR＝0．2dB时误码率已经近似为0，但理论上性能应该更好，这与我们采用的交织长度，迭代次数，以及编码器约束长度等都有关系。随着3G研发工作的深入，Turbo译码的算法及其实现将还会进一步改进。

参考文献

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［2］　BERROU C，GLAVIEUXA．Near optimumerror correcting coding and decoding：Tur－bo－codes［J］．IEEETransation on Communi－cations，1996，44（10）：1261－1271．
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［4］　MATTHEW Valenti C．Iterative detectionand decoding for wireless communications［D］．Blacksburge，Virginia for doctor ofphilosophy degree，1998．
［5］　王新梅，肖国镇．纠错码—原理与方法［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2001．
［6］　STEPHEN GWilson．数字调制与编码［M］．北京：电子工业出版社，1999．
［7］　3GPPTS25．222 V4．0．0（2001－03）．Muti－plexing and Channel Coding（TDD）（Release4）［S］．

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