基于turbo碼的交織器設(shè)計(jì)

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1、基于Turbo碼的交織器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)西安通信學(xué)院電子技術(shù)教研室(西安710106)??蔣卓勤??郝東來(lái)??劉永祥??【摘要】在對(duì)幾種交織器原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其在Turbo碼編解碼中的應(yīng)用，結(jié)合具體信道進(jìn)行了性能仿真，最后比較了它的性能，提出了一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，采用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。???關(guān)鍵詞：Turbo碼,交織,S-隨機(jī)算法1引言???C.Berrou等學(xué)者于1993年首先提出了Turbo碼這一信道糾錯(cuò)編譯碼新概念，它是在綜合過(guò)去幾十年來(lái)的級(jí)聯(lián)碼、乘積碼、最大后驗(yàn)概率譯碼與迭代譯碼等理論的基礎(chǔ)上的一種創(chuàng)新。Turbo碼的基本原理是，通過(guò)編碼器的巧妙

2、構(gòu)造，即多個(gè)子碼通過(guò)交織器進(jìn)行并行或串行級(jí)聯(lián)(PCC／SCC)，然后，以類似內(nèi)燃機(jī)引擎廢氣反復(fù)利用的機(jī)理進(jìn)行迭代譯碼，從而獲得卓越的糾錯(cuò)性能，Turbo碼也因此得名。???在Turbo碼的編解碼中，無(wú)論是編碼還是解碼，交織單元都是其中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，圖1所示為Turbo譯碼的原理框圖，在成員譯碼器1與成員譯碼器2之間的前向通路和反饋通道分別存在有交織和解交織單元，他們的交織方式和規(guī)模影響著整個(gè)譯碼的性能。本文將就Turbo碼中交織器參數(shù)的選擇及其性能和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行探討。2Turbo碼交織器原理及結(jié)構(gòu)???根據(jù)交織器的來(lái)源和交織方式不同，我們可以把交織器概括為三類：一類是Turbo碼論著

3、中的標(biāo)準(zhǔn)交織器（StandardInterleavers）；一類是已經(jīng)設(shè)計(jì)出來(lái)的經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題的；另外一類就是結(jié)合具體應(yīng)用，選用一些優(yōu)化的交織器設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)的。本文將通過(guò)對(duì)前兩類的總結(jié)，結(jié)合Turbo碼在通信傳輸系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，提出一種優(yōu)化的交織器設(shè)計(jì)方案。???交織的目的就是將信道中突發(fā)錯(cuò)誤的位置隨機(jī)化，對(duì)于級(jí)聯(lián)糾錯(cuò)碼中使用的交織器來(lái)講，衡量其性能的很重要的參數(shù)就是它對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤的擴(kuò)散能力。通信系統(tǒng)中常用的標(biāo)準(zhǔn)交織方式一般有這樣幾種：一種為分組交織（矩形交織）方式。這種交織器采用R×C矩陣形式，圖2(a)為碼字重量為4的矩形交織示意圖，按行順序地寫入數(shù)據(jù)，然后按列讀出，序列

4、的重量不會(huì)改變。作為矩陣的特殊形式T×T，正方形交織的行和列各有一個(gè)1和(T1)個(gè)0，如果1出現(xiàn)在第I行第j列，則交織器將輸入的第I個(gè)符號(hào)移到輸出的第j號(hào)位置。我們可以通過(guò)增大塊交織的規(guī)模來(lái)提高系統(tǒng)的性能。另外一種標(biāo)準(zhǔn)交織方式是對(duì)上述矩陣形式的改進(jìn)，其中，序列按照i行和j列寫入，按照iT行和jT列讀出，iT和jT表達(dá)式如式（1）和式（3）所示。其中，ξ的值見(jiàn)式（2），從圖2（b)可以得到P(ξ)的值。式（1）中，是交織器的維數(shù)。???標(biāo)準(zhǔn)交織器的第三種形式為螺旋交織器，它是矩形交織器的另外一種改進(jìn)形式，由R行和C列組成，數(shù)據(jù)按行順序?qū)懭?，沿?duì)角線讀出，從左下角開(kāi)始依次讀出。還有一種標(biāo)

5、準(zhǔn)交織方式叫做卷積交織，它將輸入序列通過(guò)遞增的I個(gè)移位寄存器分路成I個(gè)子序列，這樣，對(duì)每個(gè)序列來(lái)講，就會(huì)引入不同的時(shí)延。如圖3所示，輸出采用相反的方法還原成原來(lái)的順序。???上述第二類交織方式一般有均勻交織、平面交織、桶型移位交織和時(shí)延交織等方式。這些交織方式也為我們的設(shè)計(jì)提供了一些可資參考的思路。3Turbo碼交織器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案3.1S-隨機(jī)交織原理???下面，我們討論Turbo碼交織器一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。實(shí)際上，所有的Turbo碼交織設(shè)計(jì)技術(shù)都是基于S隨機(jī)交織產(chǎn)生算法的。在圖4中，我們給出了S隨機(jī)交織算法的實(shí)現(xiàn)框圖。???這種交織器是在其擴(kuò)展范圍內(nèi)隨機(jī)交織，該算法的交織是

6、隨著圖4中S的變化而改變的。該算法的搜索時(shí)間也隨著S的增加而增加，但是并不能保證一定成功。根據(jù)參考文獻(xiàn)〔1〕，一般選擇是交織塊的尺寸。這時(shí)，可以在合理的時(shí)間內(nèi)完成交織。這種技術(shù)的主要問(wèn)題是不能保證一定能產(chǎn)生所需要的交織器，只能保證得到一個(gè)擴(kuò)展值S。所以，在S隨機(jī)算法的基礎(chǔ)上，我們采取一種叫做模擬退火的方法進(jìn)行交織，它將溫度和序列值同時(shí)作為變量，采用模擬的方法，如圖4所示，開(kāi)始給溫度和序列同時(shí)賦一初值，假設(shè)序列任意值為X，和X對(duì)換的為XI，則，通過(guò)溫度計(jì)算出X的能量E(X)和Xi的能量E(Xi)，然后，計(jì)算兩者的差值ΔE=E(Xi)E(X)。把ΔE和〔0，1〕間的隨機(jī)數(shù)同時(shí)作為判決條件

7、，當(dāng)ΔE<0或者〔0，1〕間的隨機(jī)數(shù)小于時(shí)，就將X置換成Xi，一直進(jìn)行到按退火方案配置的溫度值，并且譯碼的迭代次數(shù)足夠多，最終溫度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)交織便結(jié)束。其流程與S隨機(jī)算法類似，這里不再列出。3.2交織器的性能仿真及實(shí)現(xiàn)???上面已經(jīng)介紹了交織器有很多種形式，為了比較幾種交織方式性能的優(yōu)劣，我們選擇了生成多項(xiàng)式為g=(15,17)OCTAL的RSC，選取交織器的大小均為1024的情況下，仿真出了分組交織、對(duì)角線交織、螺旋交織、PN交織、S隨機(jī)交織等五種