低復(fù)雜度turbo 乘積碼譯碼算法概述與應(yīng)用

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1、低復(fù)雜度Turbo乘積碼譯碼算法概述與應(yīng)用第一章緒論1.1課題研究背景近些年來(lái)，通信技術(shù)飛速發(fā)展，信息傳輸?shù)目煽啃院透咝猿蔀榱巳藗冴P(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。因此，數(shù)字通信的研究人員也在不斷探索，為實(shí)現(xiàn)更好的差錯(cuò)控制而努力，目標(biāo)是在保證通信質(zhì)量的前提下，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。信道編碼技術(shù)可以有效提高通信質(zhì)量，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。早在1948年，現(xiàn)代信息論的奠基人香農(nóng)(ClaudeE.Shannon)，首次在AMathematicalTheoryofmunication論文中提出了有噪信道編碼定理[1]，即后來(lái)人們熟悉的香農(nóng)第二定理。該定

2、理特別指出，雖然在信息傳播過(guò)程中，噪聲會(huì)干擾通信信道，但是如果在信息傳輸速率R小于信道容量C的前提下，還是有可能以任意低的錯(cuò)誤概率傳送數(shù)據(jù)信息。在定理中，香農(nóng)并沒(méi)有明確指出構(gòu)造錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)模型的方法，只是告訴大家信息傳輸有可能達(dá)到的最佳效果。因此，香農(nóng)定理是現(xiàn)代信息論的基礎(chǔ)理論，為后面的研究人員尋找好的糾錯(cuò)編碼指明了方向，它在通信領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，如航空遙測(cè)系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)等。圖1.1所示為航空遙測(cè)系統(tǒng)總體框圖，從圖中我們可以清楚地看到信道編碼和信道譯碼兩個(gè)模塊在系統(tǒng)中的位置和發(fā)揮的重要作用。迄今為止，信道編碼技術(shù)已經(jīng)有六

3、十多年的發(fā)展歷史。1950年，漢明在他的論文ErrorDetectingandErrorCorrectingCodes中提出了漢明碼[2]，它是歷史上第一個(gè)應(yīng)用非常廣泛、并且實(shí)用性很強(qiáng)的前向糾錯(cuò)碼(FEC)，屬于可以糾正一個(gè)錯(cuò)誤的線性分組碼。同時(shí)，漢明碼的提出也為線性分組碼的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。分組碼在編碼過(guò)程中是將信息分組，并且單獨(dú)進(jìn)行編碼[3]。在1995年，Elias等人提出了卷積碼的概念[4]，不同于分組碼，卷積碼不采用對(duì)信息序列分組，而是按照時(shí)間先后，將連續(xù)輸入的信息序列進(jìn)行編碼得到輸出序列。卷積碼的譯碼有兩種譯碼

4、方式，一種是在1967年，Viterbi提出的最大似然算法[5]，另外一種是在1974年，Bahl提出的最大后驗(yàn)概率算法(Maximumaposteriori,MAP)[6]。后者被稱為最小誤碼率算法，但是該算法譯碼復(fù)雜度很高，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用Viterbi算法，它是通過(guò)接收序列找出最有可能的發(fā)送序列。..1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義TPC的發(fā)展歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)五十年代，麻省理工學(xué)院的Elias.P在他的論文Error-freecoding中提出了乘積碼的概念，但是當(dāng)時(shí)硬件發(fā)展水平有限，幾十年來(lái)限制了它的使用。直

5、到1994年，R.Pyndiah等人將Turbo碼的譯碼思想應(yīng)用到TPC中，在Chase譯碼算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，得到了基于Chase-II的軟輸入軟輸出(Soft-InputSoft-Output)迭代譯碼算法，它的糾錯(cuò)性能可以接近Turbo碼，并以較低的譯碼復(fù)雜度，迅速得到了國(guó)內(nèi)外眾多研究者的青睞。于是關(guān)于TPC編譯碼技術(shù)方案的專利和文獻(xiàn)不斷出現(xiàn)，國(guó)外對(duì)TPC碼的研究要領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。1998年，美國(guó)tech的子公司AHA研制出了TPC碼的專用集成芯片，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)界中，開(kāi)啟了TPC碼硬件開(kāi)發(fā)使用的進(jìn)程。另外還有兩家著名

6、的公司，Altera和Xinlinx也相繼研制出了可以靈活編程的TPC編譯碼技術(shù)芯片。近些年來(lái)，美國(guó)在ARTM（靶場(chǎng)先進(jìn)遙測(cè)計(jì)劃）中，開(kāi)始研究將多符號(hào)(MSD)和TPC相結(jié)合的PCM/FM遙測(cè)系統(tǒng)的性能增強(qiáng)技術(shù)[16]-[18]。很多發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本等，已經(jīng)將TPC編譯碼技術(shù)應(yīng)用到衛(wèi)星通信領(lǐng)域。TPC是當(dāng)今信道編譯碼的關(guān)鍵技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有一些研究成果。為了與國(guó)際接軌，保證先進(jìn)技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，國(guó)內(nèi)著名高校和研究所針對(duì)TPC編譯碼技術(shù)展開(kāi)了深入的研究。2001年，清華大學(xué)在數(shù)字多媒體與廣播系統(tǒng)中，成功將TPC技術(shù)

7、作為其編譯碼方案，取得了良好的應(yīng)用效果[19]。2007年，上海交通大學(xué)在TPC的編碼校驗(yàn)方案上有所突破和創(chuàng)新，并且申請(qǐng)了多項(xiàng)技術(shù)專利。同年，北京航天三院將TPC應(yīng)用在星間光通信中，做了大量的研究分析工作[20]。這些研究成果成功地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)TPC編譯碼技術(shù)的發(fā)展。第二章Turbo乘積碼編譯碼原理及應(yīng)用2.1Turbo乘積碼編碼原理乘積碼的概念是由麻省理工學(xué)院的P.Elias教授在1954年的論文Error-freecoding中提出來(lái)的，它是一種高效的長(zhǎng)分量碼，可以由相同或者不同的短分量碼構(gòu)造而成。其編碼主要思想是：首先將

8、待編碼的信息序列以矩陣形式排列，然后分別對(duì)每一行進(jìn)行線性編碼，最后將得到的信息矩陣的每一列也進(jìn)行列線性編碼，這樣就構(gòu)成了編碼矩陣，即新的長(zhǎng)分量碼矩陣。TPC碼是在乘積碼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其構(gòu)造不同于Turbo碼，它將Turbo碼的構(gòu)成碼由卷積碼替換成了線性分組碼，因此該編碼方式較為特殊，通