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解析衛星通信中的turbo碼編解碼原理

 論文欄目:期刊知識    更新時間:2014-05-29 10:46   

  摘要:我臺節傳機房涉及的衛星通信中用到的是串行級聯編碼方式,這種方式已經不能滿足現在對高增益、高糾錯能力日益增長的需求。本文提出用一種性能更 優越的Turbo碼替代原來RS碼和卷積碼的方法,分析Turbo碼編碼和解碼的原理,并指出目前Turbo碼存在一些亟待解決的問題。
  關鍵詞:Turbo碼 衛星通信 編碼 解碼
  中圖分類號:TN911.21 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2014)01-0031-02
  1 引言
  節傳機房通過數字衛星接收機接收衛星節目源,再將節目源轉發給發射機房通過發射機發射出去,如圖一,如果不能穩定可靠地接收衛星節目源而做發射工作就無法延續,所以衛星通信在無線電臺安全播音工作中起著不可或缺的作用。
  節傳機房涉及的衛星通信中使用的是RS碼和卷積碼組成的串行級聯編碼,外碼使用RS碼,內碼使用卷積碼及軟判決維特比譯碼的算法,內碼和外碼 間使用卷積交織器來處理。串行級聯碼在Eb/n0=2.5dB時達到10-5的誤碼率,基本上能滿足衛星通信的要求。但是為了進一步提高衛星通信的糾錯能 力,可以引入Turbo碼,Turbo碼編解碼代表了世界上最先進的信道編解碼技術,它可以在Eb/n0=0.7dB時達到10-6的誤碼率,這個值是非 常接近香農(Shannon)極限的糾錯性能。
  2 Turbo碼原理
  Turbo碼(Turbo Code)是一種應用在外層空間衛星通信和設計者尋找完成最大信息傳輸通過一個限制帶寬通信鏈路在數據破壞的噪聲面前的其它無線通信應用程序的高性能糾錯碼。
  2.1 Turbo碼的判決
  傳統的數字化方法一般是先確定一個閾值電平。信號電平低于這個閾值就判決為“0”,高于就判決為“1”,即硬判決。在Turbo碼的解碼過程 中,對于一個給定比特的電平被量化成整數,例如從-99到+99。其數值就被作為判決這個比特為“0”或“1”的可信度的指標(如-89意味著這個比特很 可能是“0”,如+28意味著這個比特也許是“1”,但把握不是很大),即軟判決。
  2.2 編解碼概述
  Turbo碼系統和其它系統不同,它是在發送端和接收端分別設有2個編碼器和解碼器。對其中一組編解碼器的一段特定的比特流加入奇偶校驗碼和 校驗計算,對另一組編解碼器在同段比特流交織擾動后對它重復以上操作。由于兩段比特流包含了相同的數據,在沒有信道噪聲的情況下,解碼的結果應該是一致 的。但是在噪聲的干擾下,這兩組的結果會有差異。通過以上對比特判決可信度信息的說明,對這兩組的結果進行參照,可以得到第一次近似結果。這個結果“反 饋”給解碼器前端,然后迭代,經過幾次迭代后2個解碼器輸出的結果將會互相接近(即收斂)。
  2.3 編碼原理
  節目信號流程圖中編碼端是在地球站,圖一中給出了Turbo碼編碼器的一般性結構。(如圖1)
  在圖一中dk為輸入的編碼數據塊,加入尾隨位的作用為使在一個數據塊編碼結束后,確保編碼器的寄存器回到全部為零狀態,這樣Turbo碼相當 于線性分組碼,從而通過分析這種代碼塊特性計算Turbo碼的解碼性能上限,對其性能進行分析。編碼器的第一個輸出xk為加入的尾隨位和輸入的信息位。輸 入信息位和尾隨位經過交織器交織,然后分別送到第1,2,……,M個編碼器編碼,得出M個輸出序列y1,y2……yM,為得到不同的編碼速率,這些校驗序 列通過刪除器壓縮,然后和信息序列xk一起通過并行/串行轉換和調制后發送出去。在發送端,通過編碼器的交織器和并行級聯的方式實現該編碼的隨機性;其中 交織器的設計質量以及編碼器的選擇為決定碼字的性能的一個關鍵因素。通常Turbo 碼編碼器是由2個成員編碼器通過交織器并行級聯得到。即對每個輸入的信息比特,編碼器輸出2個校驗比特,如果不壓縮,總編碼速率為1/3。Turbo碼理 論上可以編為任意碼率。
  2.4 解碼原理
  節目信號流程圖中解碼端是在節傳機房。Turbo碼解碼結構圖如圖三所示,這種碼最初被稱為Turbo-code,因為將輸出反饋到前面的迭代結構和汽輪機的工作原理很相似,而英文前綴turbo-的意思為渦輪驅動。
  一般情況下,Turbo碼的編碼是由兩個子編碼器構成,解碼部分也相應的有兩個子解碼器組成。一般來說,兩個子解碼器使用多級級聯結構。 Turbo碼第2個子編碼器的信息位沒有信息輸出,所以第2個子解碼器只可以使用第1個子解碼器解碼的信息序列來解碼。軟判決解碼比硬判決解碼性能可以提 高2-3dB,所以每個子解碼器都采用軟輸入軟輸出解碼器。解碼器的工作原理為:因為是接收序列串行數據,所以要對數據進行數據串并的轉換,也要把刪除的 比特為填充“虛擬比特”(不影響解碼判決的值如0)。經轉換的字符串xk,y1k送入子解碼器1解碼,同時產生關于dk改進的外信息Λ1e(dk)。因為 解碼器1沒有使用可能提高后驗概率的校驗序列y2k,所以解碼器1輸出只有在交織后當成解碼器2的先驗信息輸入,而不是當成對信息序列的判決。把xk和 Λ1e(dk)交織后當成子解碼器2的軟輸入,子解碼器2根據解碼的算法對xk,Λ1e(dk)及y2k利用和子解碼器1相同的方法同樣生成信息比特改進 后的外信息Λ2e(dj),通過交織后得到的當成下一個迭代中子解碼器1的先驗信息。經過多次迭代之后,對子解碼器2生成的輸出Λ2(dj)交織后進行硬 判決,得出每一個信息比特dk的估值。
  解碼器可以由多個完全一樣的軟輸入軟輸出的基本單元組成,以實現低復雜度的最大似然譯碼。Turbo碼解碼器的主要特點是采用軟判決解碼迭代算法。
  3 Turbo碼在通信系統中的應用狀況
  衛星通信技術的發展也促進了信道編碼技術的迅速發展,從現在的整體狀況來看,Turbo碼的使用已經越來越廣泛了,在國際衛星信道中的比例也 越來越大,這些都是因為Turbo碼具備了許多優點,例如:Turbo碼具有接近香農極限的性能、延遲時間短、解碼算法能夠充分利用軟判決、突發錯誤糾錯 性能好、甚至當信道條件差時仍具有較好的糾錯能力等,這是RS碼和其他編碼不具備的。事實已經證明,Turbo碼技術具有強大的功能和靈活性,能夠為各行 各業的用戶及衛星運營商們帶來非常明顯的效益。
  另外,Turbo碼提高編碼增益和帶寬效率能夠很大程度降低衛星轉發器成本,該技術還可以用來解決很多其他問題,例如甚小天線通量密度降低的 問題,即Turbo碼編解碼技術還可以應用于節傳機房VSAT網系統中來。能夠預計將來Turbo碼會很快取代現在所使用的其他前向糾錯技術,在衛星通信 領域里得到非常廣泛的應用。
  4 Turbo碼存在的問題
  就目前來看,Turbo碼技術還不是很成熟,存在亟待解決的問題有以下幾點:
  (1)交織器、交織方法的選擇。Turbo碼中交織器的選擇對Turbo碼性能的影響很大,如何選擇合適的交織器,如何選擇最好的交織方法,是Turbo碼目前需要解決的關鍵問題。
  (2)解碼算法的選擇。Turbo碼主要的解碼算法是MAP和SOVA算法,其中MAP算法性能好但復雜度高,SOVA算法簡單但性能差且不穩定。能否設計性能好且算法簡單的解碼方法,將決定Turbo碼的發展前景。
  (3)時延的問題。Turbo碼雖然解碼性能優越,但它采用了迭代和級聯,從而時延比較大,妨礙實際應用。
  5 結語
  節傳機房涉及的衛星通信中用到的級聯碼編解碼性能提高受到一定限制,不能滿足現在高增益、高糾錯能力低計算復雜度編碼的要求,Turbo碼的 性能遠優于傳統的串行級聯編碼,非常適合中等誤碼率需求的衛星通信系統。通過對Turbo碼的研究可以為學習衛星通信提供很好的理論依據,也為維護工作及 未來改機打下理論基礎。
  參考文獻
  [1]王新梅,肖國鎮.糾錯碼—原理與方法[M].西安電子科技大學出版社.
  [2]劉東華,唐朝京.Turbo碼的原理[M].設計與應用研究.
  [3]王立寧,樂光新,詹非.MATLAB與通信系統仿真[M].人民郵電出版社.

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