基于Turbo码的交织器设计与实现
基于DRP交织器Turbo码论文
基于DRP交织器的Turbo码研究摘要：turbo码作为信道编码方案，可以获得较高的误比特性能，而交织器的设计是影响turbo码性能的关键环节。
给出了drp交织器的实现方法，通过相关系数和误比特性能方面，分析其优点，并进行计算机模拟仿真。
关键词： turbo码drp交织器相关系数research on turbo codes based on drp interleaverzheng limin，wang yanping(henan industry and trade vocational college the department of electrical engineering，zhengzhou henan 450012, china)abstract: high ber performance could be obtained by employing turbo codes as channel coding scheme , whereas the design of interleaver was the key factor which influenced the performance of turbo codes. it is presented drp interleaver and its algorithm. through the relative coefficients and bit error performance, it analysised its advantages and simulated by computer.key words: turbo codes; dithered relative prime interleaver; relative coefficients1.引言turbo码[1]的编码结构如图1所示。
其中交织器是一个很关键的角色，将信息序列中的n个比特的位置进行随机置换，不但使turbo码的输出具有随机长码的特性，并且不同交织器对turbo码性能有着不同的影响。
通信-一种新的高效turbo码交织器设计
这是一个比较合理的经验值。 计算， 计算出的 ! @ )!，
（下转第 A9" 页）
系统工程与电子技术 ・ ’G$ ・ $KKH 年 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
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第 "9 卷
第C期
一种新的高效 $%&’( 码交织器设计
机交织器的生成方式， 产生 * 到 ) 的交织 具体的程序如图 " !， 所示。 首先产生一个 ! 到 # 之间的随机数， 并将它与以前产 生过的数相比较， 然后检查是否满足 ! 条件。 与标准随机交 织器的不同之处在于， 必须非常小心地检查每一个子数据块 的尾部， 如果这个数不是以前选过的数， 同时也满足 ! 条件， 就可以选定它为要进行交织的交织序列位， 其它 . / ! 个序 列位可以用式 （!） 推导出。 这样的程序进行 # $ . 次， 就完成 了整个输入数据块的交织过程。 分块随机交织器不仅可以解决数据位的冲突， 而且可极 有效地简化硬件电路的设计， 提高电路的效率， 降低硬件成 本。与标准随机交织器比较， 如果都采用查找表的方式来实 现随机交织， 需要的存储器的容量可以大大缩小， 在设计标 准随机交织器时， 要求存储器深度为 # ， 而采用分块随机交 织方式， 存储器的深度可以缩小到 # $ . ， 其它 # （ . / !） $. 可以通过式 （!） 很方便地计算出来。
基于FPGA的Turbo码交织器的设计与实现
ｉ ｔｒ ａ ｅ ｓ ｈ ｍｅ ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ，ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ｌｍｅ ｔｔ ｎ ｗ ｔ Ｐ ｓｇ ｖ ｎ ｎ ｅ ｌ ｖ ｃ ｅ ｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ｎ ｈ ｍｐｅ ｎ ａｉ ｉｈ Ｆ ＧＡ ｉ ｉｅ ．Ｔｈ ｉ ｄ ｔ ｎ ｕ ｉｇ ｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ｅ ｏ ｅ ｓｍｔ ａｉ ｓｎ ｈ ｏｔ ｅ ｏ ｗａ
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第２ ５卷
第 ４期
天
津
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大
学
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Ｖ １２ Ｎｏ ４ ０． ５ ．
Ａｕ ｕ ｔ ２ ０６ ｇ ｓ ０
２０ ０ ６年 ８月
Ｊ ｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＴＩ ＡＮＪ Ｎ Ｉ ＰｏＬ ＹＴＥＣＨＮＩ Ｉ Ｉ Ｃ ＶＥＲＳ Ｔ Ｉ Ｙ
ｏ ＡＸ ＋ ＰＬＵＳＩ ｎｄｃ ｔｓ ｔ ｔｔ ｅ ｃ ｍ ｂｎ ｄ ｉ ｅ ｌａ ｅ ａ ａ ｄ ａ ｔ ｇ ｓｓ ｃ ｓｌ ｗ ｉ ｅ ｒ ｒｒ ｔ ｆＭ Ｉｉ ｉａ ｅ ｈａ ｈ ｏ ｉｅ ｎｔｒｅ ｖ ｒｈ ｓ ｍ ｎｙ ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｕ ｈ ａ ｏ ｂｔ ｒｏ ａｅ，ｐ ｏ ｒ— ｃｓｉｇｑ ｃ ｌ ｅ ｓｎ ｕｉｋ ｙ，ｅ ｓ ｏ ｂ ｄｆｅ ｎ Ｏ ｏ ａ ｙｔ ｅ ｍｏ ｉｉｄ ａ ｄ Ｓ ｎ． Ｔｈ ｒ ｆｒ ｈ ｎｅ ｌ ａ ｅ ｓｈｉｈ ｐ ａ ｔ ｌｖ ｌ ． ｅ ｅ ｏｅ ｔ ｅ ｉ ｔｒｅ ｖ ｒｈａ ｇ ｒ ｃｉ ａｕｅ ｃａ
要组 成部 分 ． 论 研 究 和仿 真 结果 表 明 Ｊ 交 织 器 在 理 ， Ｔ ｒｏ 的性 能 中起 到 了关 键 作 用 ． 织 器 的设 计 是 ｕｂ 码 交
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织器 实 际上是 一个 置换 器 ， 最 大程 度 地 置 乱 输 入 信 它
Turbo码中的交织器的设计
Turbo码中的交织器的设计
宋文妙;张淑娥
【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2003(030)001
【摘要】Turbo码编解码中交织器设计的好坏影响整个通信系统性能,在设计交织器时如何使码字更接近随机序列是交织器设计的关键.对几种常用交织器的实现方法进行比较,采用固定交织方法,以奇偶交织为基础,提出螺旋奇偶交织方案,在FPGA 上用查找表的方法实现了螺旋奇偶交织器的设计.仿真与实验结果表明,采用螺旋交织器的好处在于该交织器的交织和解交织序列相同,可以分时使用交织器与解交织器,大大节省硬件资源.
【总页数】4页(P75-78)
【作者】宋文妙;张淑娥
【作者单位】华北电力大学,电子与通信工程系,河北,保定,071003;华北电力大学,电子与通信工程系,河北,保定,071003
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.22
【相关文献】
1.直升机卫星通信系统中Turbo码外交织器设计与仿真 [J], 肖创创;郭荣海;李际平;吴团锋;黄尧;李洪胜
2.分布式视频编码中符号Turbo码交织器的设计 [J], 史萍;罗坤
3.Turbo码中交织器的设计及性能分析 [J], 卢明林;毕成余
4.基于3GPP交织器的可变码长Turbo码并行交织器设计 [J], 胡滨;徐友云
5.Turbo码中交织器的设计与仿真 [J], 万敏;张强;税正伟
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Turbo码中交织器的设计及性能分析
（ ．章丘市第一职业中专 ，章丘 ２０ ０ ；２ １ ５２ ０ ．东南 大学无线 电ｑ程系 ，南京 ２０ ９ ） － １０６
摘
要 ：在 Ｔ ｒｏ码理 论 中，交织 器的选 择 具 有 重要 的地 位 。分析 了 Ｔ ｂ 码 的 编译 码 方 案 ，然 ｕｂ ｒ ｕｏ
后 讨论 了交织 器在 Ｔ ｂ 码 设计 方 面的重要 作 用 ，给 出了几 种 交织 器的 实现 方 法 ，并模 拟 分析 了 ｒ ｕｏ
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3GPPWCDMA系统Turbo译码中交织解交织的FPGA实现方案
引言１９９３年Ｃ．Ｂｅｒｒｏｕ等在总结卷积码最大后验概率译码Ｂａｈｌ算法、乘积码和级联码等理论基础上，创造性地提出了“Ｔｕｒｂｏ 码”的编译码新概念。
Ｔｕｒｂｏ码的巧妙之处在于多个子编码器通过交织器进行并行或串行级联（ＰＣＣ／ＳＣＣ），然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，从而获得具有接近Ｓｈａｎｎｏｎ极限的纠错性能。
在Ｔｕｒｂｏ 码的编译码过程中，正是由于交织器的存在才真正体现了Ｓｈａｎｎｏｎ随机编码的思想精华。
在Ｔｕｒｂｏ译码中反复地利用了附加信息（即外信息）在子译码器间进行多次迭代译码的结果，而这些由各级子译码器产生并反映相应信息位译码判决可信度的附加信息之所以能被相互利用，归功于插在它们之间的交织与解交织器，即它们的“置乱”作用使在同一时刻送入各子编译码器的信息序列码元几乎不相关。
虽然使用Ｔｕｒｂｏ 码能获得极佳的纠错性能，但在许多实际应用场合也给我们带来了极高的编译码复杂度，尤其是Ｔｕｒｂｏ译码更是需要大量的计算，庞大的缓存空间和比较长的译码延迟时间，所有这一切制约着Ｔｕｒｂｏ 码在实时性要求较高的场合中的进一步广泛应用。
在第三代移动通信系统中，Ｔｕｒｂｏ码已经作为一项新技术被应用于快速分组数据的差错控制。
作为其中一大难点的Ｔｕｒｂｏ译码常采用以ＢＣＪＲ算法为基础、具有最小比特差错概率的ＭＡＰ算法及其改进或简化算法，其译码原理框图如图１所示。
由于译码中需要经历Ｌ＝４￣８次循环迭代，而交织、解交织模块更是需要在其中多次反复调用，所以如何设计一个简单有效的交织、解交织器对节省译码资源和缩短译码时间具有重要意义。
交织与解交织过程根据３ＧＰＰ ＷＣＤＭＡ移动通信系统的协议规范，Ｔｕｒｂｏ 码中最为繁琐同时也是最具特色的是其内部交织器，交织过程可分为如下几个步骤：计算交织矩阵的行数Ｒ和列数Ｃ设Ｋ为输入比特长度，则行数Ｒ由以下方法决定：Ｒ＝５ ｉｆ ４０≤Ｋ≤１５９Ｒ＝１０ ｉｆ １６０≤Ｋ≤２００ ｏｒ ４８１≤Ｋ≤５３０Ｒ＝２０ ｅｌｓｅ而确定矩阵列数Ｃ的算法如下：ｉｆ（４８１≤Ｋ≤５３０） ｔｈｅｎ ｐ ＝ ５３ ａｎｄ Ｃ ＝ ｐｅｌｓｅ Ｆｉｎｄ ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｒｉｍｅ ｐ ｓｕｃｈ ｔｈａｔ （ｐ＋１）－Ｋ／Ｒ≥０，ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ Ｃ ｓｕｃｈ ｔｈａｔ ｉｆ （ｐ －Ｋ／Ｒ≥０） ｔｈｅｎ ｉｆ（ｐ－１－Ｋ／Ｒ≥０） ｔｈｅｎ Ｃ ＝ ｐ －１ ｅｌｓｅ Ｃ ＝ ｐ ｅｎｄ ｉｆ ｅｌｓｅ３ＧＰＰ ＷＣＤＭＡ系统Ｔｕｒｂｏ译码中交织解交织的ＦＰＧＡ实现方案FPGA Implementation of Interleaver and Deinrterleaver in Turbo Decoder of 3GPP WCDMA System 解放军信息工程大学通信工程系 马晓军 张水莲 齐赛摘要：本文主要介绍了在第三代移动通信ＷＣＤＭＡ系统中Ｔｕｒｂｏ／ＭＡＰ译码部分交织解交织模块的ＦＰＧＡ实现方案。
基于三维矩阵的Turbo码交织器设计
基于三维矩阵的Turbo码交织器设计第27卷第6期2005年6月电子与信息JournalofElectronics&InformationTechnologyV_01.27NO.6Jun.2005基于三维矩阵的Turbo码交织器设计李小玮韦岗(华南理工大学电子与信息学院广州510640)摘要:该文从理论上分析了Turbo码的性能特点,探讨了交织器在Turbo码中所起的作用,并分析指出交织器设计的主要参考因素.通过对常用交织算法的分析和比较,提出了一种基于三维(3.D)矩阵的低复杂度交织算法,实验结果验证了该算法具有较好的性能.关键词:Turbo码.交织器,三维矩阵中图分类号:TN911.22文献标识码:A文章编号:1009.5896(2005)06.0888.04 DeviceofInterleaverforTurboCodesBasedon3.DMatrixLiXiaoweiWeiGang (CollegeofElectronicsandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China) AbstractThispaperanalyzestheoreticallythepropertiesofTurbocodesandtheeffectsofthei nterleaver.Some paredwithsometradi tionalalgorithms,alow?complexitymethodbasedonthree—Dimensional(3-D)matrixisproposed.Thesimulationresultsdemonstrateitsgood performance.KeywordsTurbocodes,Interleave~Three?dimensionalmatrix1引言Turbo码又被称为并行级连卷积码(ParallelConcatenated ConvolutionalCodes,PCCC),是由Berrou等在1993年国际通信会议(ICC'93)上提出来的I".Turbo码应用了并行的递归系统码和软输入输出迭代译码算法,实现了Shannon编码理论中采用随机编码和最大似然译码的思想.Turbo码的提出是纠错码发展的一个重要的里程碑,它具备的优秀性能也使其在深空通信,卫星通信和移动通信中得到了广泛的应用.Turbo码的编码和译码框图如图l所示.从图l可以看出,交织器是Turbo码系统中的一个重要接收(a)Turbo码编码器校验信号校验信息2lL—————_.1坚銮堡墨卜(b)Turbo码译码器图lTurbo码编码器和译码器框图2004.01.15收到,2004.07.19改回国家自然科学基金(60172048),国家教委博士点基金(200105610071和广州市重大科技攻关项目资助课题部分.原始的信息序列首先经过第1个成员编码器编码,接着经过了交织,进入第2个成员编码器进行编码,从两个编码器输出的校验位经过删余处理后与信息位一起输出.在解码端,不同的成员编码器的校验信息通过交织器和解交织器为相互之间提供外信息进行解码.这种迭代译码的算法可以接近最大似然译码的理论极限,使Turbo码的性能验证了Shannon理论的信道容量.目前研究提出的交织方法中,最简单的是分块交织器,这种算法缺乏随机特点,达不到好的性能.另一种是随机交织器,是产生一组随机数作为交织序列.这种交织算法被证明是一种能够达到平均误码性能的方法.此外,Divsalar等人[21提出了一种S.random交织器,是目前公认的一种性能很好的算法;Briffa等人【3】提出了一种利用模拟退火方法的交织器设计方法;Hokfelt[】设计了一种利用近似相关系数为参数来计算选择交织器的方法.后两种算法也能达到很好的性能,但是算法过程比较复杂.本文中采用了一种应用三维矩阵产生交织器并随机化的简单的交织方法,既满足了交织器的随机特性,也较好的处理了低重量信息输入造成的低码重的问题.实验结果的比较显示该交织算法达到了很好的性能.第6期李小玮等:基于三维矩阵的Turbo码交织器设计8892交织器设计原理在传统的通信系统中,交织器的主要作用是抗信道突发错误,通过交织将信道中的突发连续错误变为独立的随机错误,提高编码的纠错能力,一般应用的分组交织器或者卷积交织器就可满足要求.Turbo码编译码器要求两个成员编码器的输入信息序列尽可能的不相关,因此交织器首先要具有随机的特点.文献【5】指出,随机交织就是一种性能良好的交织器,可以达到Turbo码的平均性能.对Turbo码更进一步的研究表明,交织器在改善码的距离谱方面有更重要的作用,这个作用被称为距离谱细化【6】.根据纠错编码的理论可知【',在采用软译码的条件下,卷积码的性能是由码字的最小自由距离决定的.Turbo码中的交织器将两个分量编码器连接起来,通过交织,使产生较小重量的信息序列在交织以后通过第2个编码器产生较重的码字,这样提高了整个码字的自由距离,改善了Turbo码的性能.在高斯白噪信道条件下应用最大似然译码算法,可以得到卷积码性能的联合界【6】:喜NQf~/--'No]其中表示第i个码字的信息重量,d1表示该码字的汉明重量.式(1)是一个求和关系式,将其中具有相同重量的码字合并,定义平均信息重量:=/Nd(2)其中表示具有相同重量码字的总信息重量,表示该码字的重数,因此由式(1)和式(2)可以得到等Qf/No]其中v表示卷积码的归零比特长度.从式(3)中可以看出,卷积码的性能与码的最小自由距离和具有该自由距离的码字的多少相关.Turbo码中输入重量较轻的信息序列通过编码器l通常会产生重量较轻的码字,然而由于交织器的作用,在序列交织以后通过编码器2后生成较轻码重码字的概率大大降低,因此全部码的最小自由距离增大,提高了Turbo码的性能.由于Q(?)函数是积分函数,从文献【6】的结果可以看出,大码重码字对误码概率的贡献相比低码重码字的贡献可以忽略,因此可以得到Turbo码具有的近似性能限:=(Ⅳf眦/N)Q(x]dr~(2REb/Ⅳ0))(4)其中Ⅳ和1分别表示码重为自由距离的码的重数和信息重量.从以上结果看出,Turbo码的误码率性能与其码字的自由距离以及该自由距离码字的多少和信息重量相关,增大自由距离可以提高Turbo码的性能.交织器的作用就是尽可能地分隔邻近比特到尽量大的距离,使码字自由距离增加的概率变大,详细解释可见文献【2】.同时随机编译码原理要求交织器应该具有随机性.综合以上,可以得到交织器的设计准则:相邻前后信息比特通过交织映射作用分隔尽可能大的距离,并且映射具有随机特点.3交织器的设计3.1常用交织算法的分析交织器是一种单输入单输出装置,它的输出和输入具有相同的符号集,只是在顺序上有所不同.可以用一个映射关系表示交织器:万:Z---)Z.其中的z表示整数的集合.在通信系统中经常使用的交织器有:分组交织器,随机交织器和S.random交织器.分组交织器:分组交织是一种传统的通信系统中抗突发错误的算法,信息序列按照行顺序依次读入一个m×"的矩阵,然后按列的顺序读出,形成的新的序列对应于相应位置的映射关系.该交织器具有较好抗突发错误能力,但是不具有随机性特点.随机交织器:随机交织器的特点就是交织器的序号索引具有随机性,前面提到随机交织算法具有交织器的平均性能特点,是一种较好的交织算法.但是,随机方法也有产生不好交织算法的可能性.例如,随机交织产生了与原序列相同的序列,即不改变任何信息位置的随机序列,这种可能性虽然很小,但却是存在的,也是理论上一种最不理想的情况.随机交织器的产生方法是随机产生一组各不相等的【O,l】之间的随机数,每个数在所有数中排序大小对应于它在序列中的前后位置就是一组随机的交织索引.S-random交织器:S-random交织器又称为半随机交织器,它是在随机交织算法基础上加入人为干预,避免出现低信息重量序列产生低码重码字的现象,是目前公认的一种较好的交织算法,它的设计方法见文献【2】.S-random交织器比普通随机交织器性能更好,但是运行的复杂度随参数增大而增大,在参数增大时算法失败的可能性也大大增加.3.2基于三维矩阵交织算法的设计从交织器的分析可以看出,随机交织算法是一种反映出平均性能的交织算法,因此必然存在着比随机交织器更好的交织器,S-random交织器是其中一种.本文设计了一种基于三维矩阵的交织器产生算法,比S-random算法具有更低的实现复杂度和更高性能.新交织算法的目标是根据第2节中的准则将原始序列中邻近的信息比特通过交织后分散到距离尽量远的位置上,使其交织后相隔距离最大化.假设交织器长度为Ⅳ,简单的计算分析可以得到,初始序列距离小于的信息比特通过交电子与信息第27卷织后距离可以大于等于,这里的S=I√Jv/2l,表示交织器LJ分隔的最小距离,其中Iaf表示对a下取整.用映射关系表示该交织器的原理如下:g'l"x:{(,Y)Ip(x,Y)<S,,Y∈Iz}-÷{(x',')l(x.)S,x,y∈Iz'}(5)其中和分别表示交织前后的序列,J口(?)表示任意两点的分隔距离.对于长度为JV的交织器,新算法设定一个三维矩阵,令三维矩阵的3个维度分别为,和2.整个算法包括两个主要的步骤:首先基于设定的矩阵,将Jv个正整数依次按照不同的维顺序写入和读出矩阵,得到初始序列,该序列满足邻近比特分隔距离大于的特点.然后按照规则对其进行保持分隔距离的随机化,得到最后交织序列.具体流程描述如下:第l步产生初始的满足用最小距离分隔的序列.(1)产生1个分量为从l到随机排列的向量,代表第1维的随机行坐标的索引,第2维产生l到的顺序索引,第3维产生l到2的顺序索引.(2)按照1,3,2维的顺序,按产生的维索引依次写入从l到Jv的整数到矩阵中.(3)按照2,3,l维的顺序从矩阵中顺序读出写入的整数,可以保证此时相邻以内的序号之间分隔至少为一1)长度.第2步对产生的序列应用以下的规则进行保持最小分隔距离的随机化.(1)随机选择一个起始点,再随机选择另一个对应点,如果起始点和对应点与相互前后距离相邻以内的点的距离均大于,则互换两个点的位置,否则保持两个点位置不变. (2)依次分别遍历对应点和起始点到所有点的位置,循环5～l0次,得到的最后序列为交织器的交织序列.算法第2步是对序列的'随机化'处理步骤,虽然从处理方法上看,处理流程不同于真正意义上的'随机'置换,但是从处理过程来看,这样的处理具有近似随机的特点,这种人为干预下的随机性正是前文中提到的找到比普通随机交织器性能更优的交织器的途径,以下的实验结果很好地证明了这～点.4实验结果和分析4.1交织器分隔谱的比较分析交织器的特点可以通过分析交织器的输入输出分隔谱得到|jJ,好的交织算法不仅具有随机性,而且对输入的小的分隔得到大的输出分隔.图2中所示的是上述各种交织器输入输出分隔谱的比较结果,横坐标表示输入分隔长度, 纵坐标表示输出分隔长度,黑点位置表示存在对应输入分隔和输出分隔的序列点对.以上结果可以看出,分组交织器输入输出分隔距离固定,不具有随机性;随机交织器具有随机性,而且任何输入分隔长度都对应任何可能的输出分隔长度,黑点布满整个平面;S.random和基于矩阵交织方法加入人为干预,左下角～块没有黑点,说明映射后分隔距离小于的序列点对不存在. 因此交织器的分隔距离和随机性很难同时满足,必须在两者中取一个合理折衷,这也是后两种算法的特点.后两者相比, 基于矩阵交织的方法则具有更大的分隔距离,同时也具有很好的随机性,在改善码字自由距离上作用更大.输入分隔(a)分组交织器(Block?Int)8O6O匿耋40寐2OO■输入分隔(b)随机交织器(Random?Int)80一80■薹翼篓:RaBlondock-ln-InttN-1024024熬蜒:MS-random-NN.-110022:垂燮篓!冀量芝≤i芝董鬟型型照婆嚣囊窭翁v-Matrix-lnt.N.喜燕詈拳鎏鬻randomIntN-4…………'…………':,………l………''i'…………卜S..O96;!!篓妻蔓至!量!:量量!!!曼05II52253E0(dB)图3各种交织算法的误码率比较第6期李小玮等:基于三维矩阵的Turbo码交织器设计89l从图3中长度为1024的一组结果可以看出,分组交织算法由于缺乏随机特点,随机交织算法则没有改善交织器的最小分隔特性,所以两者的性能在高信噪比的情况下要差于S-random交织和基于矩阵的交织算法.后两者相比较,基于矩阵的交织算法对信息比特具有更大的分隔长度同时具备近似随机的特点,因此在高信噪比条件下的性能比S-random交织器还有一定的提高.同样的结果也可以从图3中帧长为256和4096的仿真结果看出.最后分析比较一下后两种算法的实现特点:由于S-random交织算法的参数越大,性能越好,但是算法失败的可能性越大,若越小,则性能越差,因此参数的选择在帧长不同的条件下需要根据经验选取,在实际应用中的实用性受到局限;而基于矩阵的交织算法可以选择最大可能的参数使得输入输出的最小分隔更大,该算法不存在前者算法中可能失败的特点,因此相比前者的算法更稳定,具有更小的复杂度和更强的实用性,实验结果亦验证了该算法的有效性.5结束语本文在分析信道编码的最小自由距离,距离谱与Turbo码的性能关系的基础上,深入讨论了设计Turbo码交织器的要求和准则.文中提出的基于三维矩阵的交织算法很好地改善了Turbo码的距离谱特性,相比其他的交织算法具有低复杂度和低误码率的特点,对于在实际应用中提高Turbo码的性能具有重要的意义.参考文献BerrouC,GlavieuxA.Nearoptimumerrorcorrectingcodingand decoding:Turbo?codes.IEEETrans.OtlCommunications,1996, 44(1O,:1261—1271.DivsalarD,PollaraTurbocodesforPCSapplication. ProceedingICC'95,Seattle.June1995,V o1.1:54—59. BriffaJA,ButtigiegV.Interleavingandterminationin unpuncturedsymmetricTurbocodes.1EEProc.?Communications, 2002,149(1):6—12.HokfeltJ,EdforsO,MasengInterleaverdesignforTurbo codesbasedontheperformanceofiterativedecoding.Proceeding ICC'99,Vancouve~Canada,June1999,V o1.1:93—97. BenedettoS.MontorsiGUnveilingTurbocodes:someresultson parallelconcatenatedcodingschemes.IEEETrans.Otllnfo. Theory,1996,42(2):409—428.PerezLC,SeghersJ,CostelloDJ.Adistancespectrum interpretationofTurbocodes.IEEETrans.OVIlnfoTheory,1996, 42(6):1698—1709.ShuL,CostelloDJ.ErrorControlCoding:Fundamentalsand Applications.EnglewoodCliffs,NJ:Prentice?Hall,1983,Chapter l0.李小玮:男,1976年生,博士生,研究方向为移动通信中的信道编码技术.韦岗:男,1963年生,教授,博士生导师,主要研究方向为通信和信号处理,神经网络,模式识别等. ●¨口口。
Turbo码S随机交织器的实现
６ ８
钱
宏 等 ： ｕｂ Ｔ ｒｏ码 Ｓ随 机 交 织 器 的 实 现
总第 ２０ ０ 期
下两 大准则 ＿ ： ３ ｊ １ ）码 重 分 布准 则 。在 ＡＷＧ 信 道 下 采 用 最 Ｎ 大似然 译码算 法 的线 性 纠错码 的性 能 ， 和此 种纠 错
码 的最小汉 明距 离 ｄ 或 自由距 离 ｄｒ 关 。Ｔｕ— 有 ｒ
码技 术进 入 了一个新 的阶段 。
２ Ｔｕ ｂ ｒｏ码 交织 器 的设 计 准 则
交 织 器 的性 能 影 响 了 Ｔｕ ｂ ｒｏ码 编 码 器 的编 码 输 出距 离特 性 ， 过 交 织 能 够 改 变 码 重 的 分 布 ， 通 并
降低 子编码 器 的 输 入 序列 之 间 和外 信 息 与 信 道 输
着 重 介 绍 了 Ｓ随 机 交 织 器 的原 理 ， 给 出 了其 一 种 基 于 冒泡 排 序算 法 的 实 现 方 法 。 仿 真 结 果 表 明 ， 短 长 度 的 Ｓ随 机 交 织 并 中
器性能优 良。
关键词
Ｔｕｂ ｒｏ码 ；Ｓ随 机 交 织 器 ；冒泡 排 Nhomakorabea序 算 法
Ｔ １．２ Ｎ９ １ ２
入 之 间 的相 关性 ， 而在 迭代译 码 过 程 中降 低误 比 进 特 率 。 因此 ， 设计 Ｔｕ ｂ 在 ｒｏ码 交 织 器 时 ， 遵 循 以 应
理 论分 析 和计算 机模 拟 表 明 ， 织器 在 Ｔｕ ｂ 交 ｒｏ
收 稿 日期 ：０ ０ ９月 １ 日， 回 日期 ：０ ０年 １ ２１年 ８ 修 ２１ Ｏ月 １ ５日 基金项 目： 国家 自然科 学 基 金 项 目 （ 号 ：０ ７ ０ １ ； 编 ６ ９ ２ ６ ） 国家 “ ６ ” 划 项 目（ 号 ：０ ８ ８ ３计 编 ２ ０ ＡＡ１ Ａ ０ ） 助 。 ２ ２４资 作者 简 介 ： 宏 ， ， 士 研 究 生 ， 究 方 向 ： 星 通 信 与 卫 星 导 航 。李 广 侠 ， ， 士 ， 士 生 导 师 ， 究 方 向 ： 星 通 钱 男 硕 研 卫 男 博 博 研 卫 信 与 卫 星 导航 。
基于Turbo码的交织器设计与实现
来源：来源:电子工程师作者：作者:蒋卓勤摘要】在对几种交织器原理进行分析的基础上，通过对其在Turbo码编解码中的应用，结合具体信道进行了性能仿真，最后比较了它的性能，提出了一种优化的设计方案，采用FPGA关键词：Turbo码, 交织, S-1 引言C.Berrou等学者于1993年首先提出了Turbo码这一信道纠错编译码新概念，它是在综合过去几十年来的级联码、乘积码、最大后验概率译码与迭代译码等理论的基础上的一种创新。
Turbo码的基本原理是，通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行并行或串行级联(PCC／SCC)，然后，以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，从而获得卓越的纠错性能，Turbo码也因此得名。
在Turbo码的编解码中，无论是编码还是解码，交织单元都是其中很重要的一个环节，图1所示为Turbo译码的原理框图，在成员译码器1与成员译码器2之间的前向通路和反馈通道分别存在有交织和解交织单元，他们的交织方式和规模影响着整个译码的性能。
本文将就Turbo码中交织器参数的选择及其性能和实现进行探讨。
2 Turbo码交织器原理及结构根据交织器的来源和交织方式不同，我们可以把交织器概括为三类：一类是Turbo码论著中的标准交织器（Standard Interleavers）；一类是已经设计出来的经过测试发现一些问题的；另外一类就是结合具体应用，选用一些优化的交织器设计方法来设计的。
本文将通过对前两类的总结，结合Turbo码在通信传输系统中的具体应用，提出一种优化的交织器设计方案。
交织的目的就是将信道中突发错误的位置随机化，对于级联纠错码中使用的交织器来讲，衡量其性能的很重要的参数就是它对突发错误的扩散能力。
通信系统中常用的标准交织方式一般有这样几种：一种为分组交织（矩形交织）方式。
这种交织器采用R×C矩阵形式，图2(a)为码字重量为4的矩形交织示意图，按行顺序地写入数据，然后按列读出，序列的重量不会改变。
自适应Turbo码译码器的设计与硬件实现
１ 引 言
无线 城域 网是 一种 方兴 未 艾的 宽带 无线 接入 技术 ， 它具有 Ｑ Ｓ ｏ 保障 、传输 速 率高 、业 务丰 富 多样 等优 点 ，
能 提供 面 向互联 网 的高速 连接 ，数 据传输 距 离最远 可达 ５ｋ ０ ｍ。到 目前为止 ，Ｔ ｒ ｏ ｕｂ 码是性 能接近 Ｓ ａ ｎ ｎ 而 ｈ ｎｏ 限 又物理 可实现 的编 码方法之 一 ，故此 以Ｉ Ｅ ０ ．６ Ｅ Ｅ ８ ２１ 为代 表 的无线城域 网标准采用卷 积Ｔ ｒｏ （ Ｔ ｕ ｂ 码 Ｃ Ｃ）作为信道 编码 的备选方案 。
刻有４ 个码块在译码器 中同时译码 。整个译 码器 的数据吞
吐量等 于一级流 水线上 子译码器 的数 据吞 吐量 ，总的译
码延时为流水线 的级数乘 以一级流水线的译码延时 。
ＭＡ 算法和Ｅ — ｘ Ｌ ｇ ＭＡ 算法的结构 比较相近 ， Ｐ ｎ Ｍａ — ｏ — Ｐ
可以复用多个模块 ，减少硬 件资源 。 基于Ｍａｌｂ ＷＧＮ ｔ 在Ａ ａ 信道 下对 系统性能进行性 能仿
单元和Ｂｏ ｋ Ｒ Ｍ。 ｌｃ ＿ Ａ
转移度量计算 １ 分支度量计算
下Ｃｏ ｓａ ｔＬ ｇ ＭＡ 算法迭代４ ，在高信噪比条件 下 ｎ ｔｎ— ｏ — Ｐ 次 Ｅ — ｘ Ｌ ｇ ＭＡ 算法迭代 ８ ｎ Ｍａ — ｏ — Ｐ 次。在Ｓ ＝ ．情况下 ， ＮＲ １５ 定点译 码性 能接近 １ ，在Ｓ Ｒ ２７ ０ Ｎ＝． 情况下接近 １ 。 ０
题
２ 基 于 ＳＮＲ的
自适 应 Ｃ Ｃ Ｔ 译 码 算 法
Ｓ ＮＲ自适应ＣＴ Ｃ算 法选 用两 种译 码算 法 ，
适 用于信道 条 件剧 烈变 化 的环境 ，可 以根据 信 道环 境 的变化选 择最 优 的译 码算 法进 而提 高译
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摘要】在对几种交织器原理进行分析的基础上，通过对其在Turbo码编解码中的应用，结合具体信道进行了性能仿真，最后比较了它的性能，提出了一种优化的设计方案，采用FPGA 技术实现并验证了设计的正确性。
关键词：Turbo码, 交织, S-随机算法
1 引言
C.Berrou等学者于1993年首先提出了Turbo码这一信道纠错编译码新概念，它是在综合过去几十年来的级联码、乘积码、最大后验概率译码与迭代译码等理论的基础上的一种创新。
Turbo码的基本原理是，通过编码器的巧妙构造，即多个子码通过交织器进行并行或串行级联(PCC／SCC)，然后，以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，从而获得卓越的纠错性能，Turbo码也因此得名。
在Turbo码的编解码中，无论是编码还是解码，交织单元都是其中很重要的一个环节，图1所示为Turbo译码的原理框图，在成员译码器1与成员译码器2之间的前向通路和反馈通道分别存在有交织和解交织单元，他们的交织方式和规模影响着整个译码的性能。
本文将就Turbo码中交织器参数的选择及其性能和实现进行探讨。
2 Turbo码交织器原理及结构
根据交织器的来源和交织方式不同，我们可以把交织器概括为三类：一类是Turbo码论著中的标准交织器（Standard Interleavers）；一类是已经设计出来的经过测试发现一些问题的；另外一类就是结合具体应用，选用一些优化的交织器设计方法来设计的。
本文将通过对前两类的总结，结合Turbo码在通信传输系统中的具体应用，提出一种优化的交织器设计方案。
交织的目的就是将信道中突发错误的位置随机化，对于级联纠错码中使用的交织器来讲，衡量其性能的很重要的参数就是它对突发错误的扩散能力。
通信系统中常用的标准交织方式一般有这样几种：一种为分组交织（矩形交织）方式。
这种交织器采用R×C矩阵形式，图2(a)为码字重量为4的矩形交织示意图，按行顺序地写入数据，然后按列读出，序列的重量不会改变。
作为矩阵的特殊形式T×T，正方形交织的行和列各有一个1和(T1)个0，如果1出现在第I行第j列，则交织器将输入的第I个符号移到输出的第j号位置。
我们可以通过增大块交织的规模来提高系统的性能。
另外一种标准交织方式是对上述矩阵形式的改进，其中，序列按照i行和j
列写入，按照i T行和j T列读出，i T和j T表达式如式（1）和式（3）所示。
其中，ξ的值见式（2），
从图2（b)可以得到P(ξ)的值。
式（1）中，是交织器的维数。
标准交织器的第三种形式为螺旋交织器，它是矩形交织器的另外一种改进形式，由R行
和C列组成，数据按行顺序写入，沿对角线读出，从左下角开始依次读出。
还有一种标准交织方式叫做卷积交织，它将输入序列通过递增的I个移位寄存器分路成I个子序列，这样，对每个序列来讲，就会引入不同的时延。
如图3所示，输出采用相反的方法还原成原来的顺序。
上述第二类交织方式一般有均匀交织、平面交织、桶型移位交织和时延交织等方式。
这些交织方式也为我们的设计提供了一些可资参考的思路。
3 Turbo码交织器的优化设计方案
3.1 S-随机交织原理
下面，我们讨论Turbo码交织器一种优化的设计方案。
实际上，所有的Turbo码交织设计技术都是基于S随机交织产生算法的。
在图4中，我们给出了S随机交织算法的实现框图。
这种交织器是在其扩展范围内随机交织，该算法的交织是随着图4中S的变化而改变的。
该算法的搜索时间也随着S的增加而增加，但是并不能保证一定成功。
根据参考文献〔1〕，
一般选择是交织块的尺寸。
这时，可以在合理的时间内完成交织。
这种技术的主要问题是不能保证一定能产生所需要的交织器，只能保证得到一个扩展值S。
所以，在S随机算法的基础上，我们采取一种叫做模拟退火的方法进行交织，它将温度和序列值同时作为变量，采用模拟的方法，如图4所示，开始给温度和序列同时赋一初值，假设序列任意值为X，和X对换的为X I，则，通过温度计算出X的能量E(X)和X i的能量E(X i)，然后，计算两者的差值ΔE= E(X i)E(X)。
把ΔE和〔0，1〕间的随机数同时作为判决条件，当ΔE<0或者〔0，1〕
间的随机数小于时，就将X置换成X i，一直进行到按退火方案配置的温度值，并且译码的迭代次数足够多，最终温度达到一个稳定值时交织便结束。
其流程与S随机算法类似，这里不再列出。
3.2 交织器的性能仿真及实现
上面已经介绍了交织器有很多种形式，为了比较几种交织方式性能的优劣，我们选择了生成多项式为g=(15,17)OCTAL的RSC，选取交织器的大小均为1024的情况下，仿真出了分组交织、对角线交织、螺旋交织、PN交织、S随机交织等五种不同交织方式对译码性能的影响。
仿真结果如图5所示，从几条曲线的比较可以看出，S随机交织器的性能较之其他方式来讲性能最好，在我们所关注的10-6附近，它和分组交织之间有大约0.5dB的增益。
基于以上讨论，我们选择S随机交织方式，在译码迭代次数为10的译码条件下，选择迭代结构，对交织规模N不同情况下的误码性能进行了仿真，结果如图6所示，分别给出了交织规模N为160、320、640、5120时，误码率随信噪比的变化而变化的曲线。
显然，在信噪比较低，SISO模块迭代次数均为10的情况下，交织单元的规模越大，其交织的一致性越好，如图6所示，当N=5120时，误码率在信噪比略有增大时就有剧烈的衰减，表现出了良好的提高译码性能的能力。
依据上述设计方案和性能仿真结果，我们采用硬件描述语言可以很方便地实现上述算法的交织，本设计是基于ALTREA公司的Quartus环境，采用Verilogic HDL语言编程，经过FPGA 验证，实现了上述交织器的设计，在不同性能要求下，可以选择参数来满足不同的要求。
4 结束语
本文通过对不同类型交织器原理的分析，在结合信道模型对其性能进行仿真的基础上，提出了一种适用于Turbo码编译码的交织器的优化设计方案，并基于可编程逻辑器件技术用硬件描述语言实现了该交织器，该设计可直接应用于Turbo码的模块化设计中，提高Turbo码在恶劣信道环境中的纠错性能。
参考文献
1 Johann Briffa. Interleavers for Turbo Codes. A Disserta-tion Submitted in Fulfilment of the Requirements for the Award of Master of Philosophy of the University of Malta, October 1999
2 C. Berrou, A-Glavieux, P-Thitimajshima. Near Shannon Limit Error Correcting Coding: Turbo Codes. Proc. 199
3 IEEE ICC, Geneva, Switzerland, May 1993:1064-1070
3 王立宁,乐光新,詹菲.MATLAB与通信仿真.北京:人民邮电出版社，1999
4 刘宝琴.ALTERA可编程逻辑器件及其应用.北京:清华大学出版社，1995。