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解析卫星通信中的turbo码编解码原理

 论文栏目:期刊知识    更新时间:2014-05-29 10:46   

  摘要:我台节传机房涉及的卫星通信中用到的是串行级联编码方式,这种方式已经不能满足现在对高增益、高纠错能力日益增长的需求。本文提出用一种性能更 优越的Turbo码替代原来RS码和卷积码的方法,分析Turbo码编码和解码的原理,并指出目前Turbo码存在一些亟待解决的问题。
  关键词:Turbo码 卫星通信 编码 解码
  中图分类号:TN911.21 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2014)01-0031-02
  1 引言
  节传机房通过数字卫星接收机接收卫星节目源,再将节目源转发给发射机房通过发射机发射出去,如图一,如果不能稳定可靠地接收卫星节目源而做发射工作就无法延续,所以卫星通信在无线电台安全播音工作中起着不可或缺的作用。
  节传机房涉及的卫星通信中使用的是RS码和卷积码组成的串行级联编码,外码使用RS码,内码使用卷积码及软判决维特比译码的算法,内码和外码 间使用卷积交织器来处理。串行级联码在Eb/n0=2.5dB时达到10-5的误码率,基本上能满足卫星通信的要求。但是为了进一步提高卫星通信的纠错能 力,可以引入Turbo码,Turbo码编解码代表了世界上最先进的信道编解码技术,它可以在Eb/n0=0.7dB时达到10-6的误码率,这个值是非 常接近香农(Shannon)极限的纠错性能。
  2 Turbo码原理
  Turbo码(Turbo Code)是一种应用在外层空间卫星通信和设计者寻找完成最大信息传输通过一个限制带宽通信链路在数据破坏的噪声面前的其它无线通信应用程序的高性能纠错码。
  2.1 Turbo码的判决
  传统的数字化方法一般是先确定一个阈值电平。信号电平低于这个阈值就判决为“0”,高于就判决为“1”,即硬判决。在Turbo码的解码过程 中,对于一个给定比特的电平被量化成整数,例如从-99到+99。其数值就被作为判决这个比特为“0”或“1”的可信度的指标(如-89意味着这个比特很 可能是“0”,如+28意味着这个比特也许是“1”,但把握不是很大),即软判决。
  2.2 编解码概述
  Turbo码系统和其它系统不同,它是在发送端和接收端分别设有2个编码器和解码器。对其中一组编解码器的一段特定的比特流加入奇偶校验码和 校验计算,对另一组编解码器在同段比特流交织扰动后对它重复以上操作。由于两段比特流包含了相同的数据,在没有信道噪声的情况下,解码的结果应该是一致 的。但是在噪声的干扰下,这两组的结果会有差异。通过以上对比特判决可信度信息的说明,对这两组的结果进行参照,可以得到第一次近似结果。这个结果“反 馈”给解码器前端,然后迭代,经过几次迭代后2个解码器输出的结果将会互相接近(即收敛)。
  2.3 编码原理
  节目信号流程图中编码端是在地球站,图一中给出了Turbo码编码器的一般性结构。(如图1)
  在图一中dk为输入的编码数据块,加入尾随位的作用为使在一个数据块编码结束后,确保编码器的寄存器回到全部为零状态,这样Turbo码相当 于线性分组码,从而通过分析这种代码块特性计算Turbo码的解码性能上限,对其性能进行分析。编码器的第一个输出xk为加入的尾随位和输入的信息位。输 入信息位和尾随位经过交织器交织,然后分别送到第1,2,……,M个编码器编码,得出M个输出序列y1,y2……yM,为得到不同的编码速率,这些校验序 列通过删除器压缩,然后和信息序列xk一起通过并行/串行转换和调制后发送出去。在发送端,通过编码器的交织器和并行级联的方式实现该编码的随机性;其中 交织器的设计质量以及编码器的选择为决定码字的性能的一个关键因素。通常Turbo 码编码器是由2个成员编码器通过交织器并行级联得到。即对每个输入的信息比特,编码器输出2个校验比特,如果不压缩,总编码速率为1/3。Turbo码理 论上可以编为任意码率。
  2.4 解码原理
  节目信号流程图中解码端是在节传机房。Turbo码解码结构图如图三所示,这种码最初被称为Turbo-code,因为将输出反馈到前面的迭代结构和汽轮机的工作原理很相似,而英文前缀turbo-的意思为涡轮驱动。
  一般情况下,Turbo码的编码是由两个子编码器构成,解码部分也相应的有两个子解码器组成。一般来说,两个子解码器使用多级级联结构。 Turbo码第2个子编码器的信息位没有信息输出,所以第2个子解码器只可以使用第1个子解码器解码的信息序列来解码。软判决解码比硬判决解码性能可以提 高2-3dB,所以每个子解码器都采用软输入软输出解码器。解码器的工作原理为:因为是接收序列串行数据,所以要对数据进行数据串并的转换,也要把删除的 比特为填充“虚拟比特”(不影响解码判决的值如0)。经转换的字符串xk,y1k送入子解码器1解码,同时产生关于dk改进的外信息Λ1e(dk)。因为 解码器1没有使用可能提高后验概率的校验序列y2k,所以解码器1输出只有在交织后当成解码器2的先验信息输入,而不是当成对信息序列的判决。把xk和 Λ1e(dk)交织后当成子解码器2的软输入,子解码器2根据解码的算法对xk,Λ1e(dk)及y2k利用和子解码器1相同的方法同样生成信息比特改进 后的外信息Λ2e(dj),通过交织后得到的当成下一个迭代中子解码器1的先验信息。经过多次迭代之后,对子解码器2生成的输出Λ2(dj)交织后进行硬 判决,得出每一个信息比特dk的估值。
  解码器可以由多个完全一样的软输入软输出的基本单元组成,以实现低复杂度的最大似然译码。Turbo码解码器的主要特点是采用软判决解码迭代算法。
  3 Turbo码在通信系统中的应用状况
  卫星通信技术的发展也促进了信道编码技术的迅速发展,从现在的整体状况来看,Turbo码的使用已经越来越广泛了,在国际卫星信道中的比例也 越来越大,这些都是因为Turbo码具备了许多优点,例如:Turbo码具有接近香农极限的性能、延迟时间短、解码算法能够充分利用软判决、突发错误纠错 性能好、甚至当信道条件差时仍具有较好的纠错能力等,这是RS码和其他编码不具备的。事实已经证明,Turbo码技术具有强大的功能和灵活性,能够为各行 各业的用户及卫星运营商们带来非常明显的效益。
  另外,Turbo码提高编码增益和带宽效率能够很大程度降低卫星转发器成本,该技术还可以用来解决很多其他问题,例如甚小天线通量密度降低的 问题,即Turbo码编解码技术还可以应用于节传机房VSAT网系统中来。能够预计将来Turbo码会很快取代现在所使用的其他前向纠错技术,在卫星通信 领域里得到非常广泛的应用。
  4 Turbo码存在的问题
  就目前来看,Turbo码技术还不是很成熟,存在亟待解决的问题有以下几点:
  (1)交织器、交织方法的选择。Turbo码中交织器的选择对Turbo码性能的影响很大,如何选择合适的交织器,如何选择最好的交织方法,是Turbo码目前需要解决的关键问题。
  (2)解码算法的选择。Turbo码主要的解码算法是MAP和SOVA算法,其中MAP算法性能好但复杂度高,SOVA算法简单但性能差且不稳定。能否设计性能好且算法简单的解码方法,将决定Turbo码的发展前景。
  (3)时延的问题。Turbo码虽然解码性能优越,但它采用了迭代和级联,从而时延比较大,妨碍实际应用。
  5 结语
  节传机房涉及的卫星通信中用到的级联码编解码性能提高受到一定限制,不能满足现在高增益、高纠错能力低计算复杂度编码的要求,Turbo码的 性能远优于传统的串行级联编码,非常适合中等误码率需求的卫星通信系统。通过对Turbo码的研究可以为学习卫星通信提供很好的理论依据,也为维护工作及 未来改机打下理论基础。
  参考文献
  [1]王新梅,肖国镇.纠错码—原理与方法[M].西安电子科技大学出版社.
  [2]刘东华,唐朝京.Turbo码的原理[M].设计与应用研究.
  [3]王立宁,乐光新,詹非.MATLAB与通信系统仿真[M].人民邮电出版社.

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