Turbo碼技術

1993 年兩位法國教授Berrou、Glavieux 和他們的緬甸籍博士生Thitimajshima 在ICC 會議上發(fā)表的Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo codes”，提出了一種全新的編碼方式——Turbo 碼。它巧妙地將兩個簡單分量碼通過偽隨機交織器并行級聯(lián)來構造具有偽隨機特性的長碼，并通過在兩個軟入/軟出(SISO)譯碼器之間進行多次迭代實現(xiàn)了偽隨機譯碼。仿真結果表明，在AWGN 信道下，碼率為1/2 的Turbo 碼在達到誤比特率(BER) ≤ 10?5時，Eb/N0僅為約0.7dB (這種情況下達到信道容量的理想Eb/N0值為0db)，遠遠超過了其他的編碼方式，一時在信息和編碼理論界引起了轟動。從此以后，Turbo 碼得到了廣泛的關注和發(fā)展，并對當今的編碼理論和研究方法產(chǎn)生了深遠的影響，信道編碼學也隨之進入了一個新的階段。Turbo碼由于其近Shannon界的突出糾錯能力，成為近年信道編碼理論研究的熱點問題。其編碼器由兩個(或多個)帶反饋的系統(tǒng)卷積碼器經(jīng)一交織器并行級聯(lián)而成，接收端一般采用逐位最大后驗概率譯碼器通過反復迭代循環(huán)來譯碼。本文首先對Turbo碼的編碼原理進行了闡述和舉例，進而重點講解了Turbo碼譯碼的原理，對比了MAP譯碼算法和SOVA譯碼算法。由以上的分析得出了很多重要的結論：如Turbo碼采用反饋卷積碼是為了獲得更大的交織增益;Turbo碼的性能主要取決于它的有效自由距離;Turbo碼在低信噪比下具有近Shannon界糾錯能力的原因;自由距離較低引起Turbo碼在中信噪比下出現(xiàn)糾錯平臺現(xiàn)象等等。

對于Turbo碼的研究最初集中于對于其譯碼算法、性能界和獨特編碼結構的研究上，經(jīng)過十多年來的發(fā)展歷程，已經(jīng)取得了很大的成果，在各方面也都走向使用階段。Turbo碼由于很好地應用了香農(nóng)信道編碼定理中的隨機性編譯碼條件而獲得了接近香農(nóng)理論極限的譯碼性能。它不僅在信噪比較低的高噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，而且具有很強的抗衰落、抗干擾能力。目前，Turbo碼的研究主要集中在以下幾個方面：

編譯碼技術編碼方面主要包括對并行級聯(lián)編碼與串行級聯(lián)編碼的分析，以及對混合級聯(lián)方式的研究;譯碼方面主要包括迭代譯碼、譯碼算法(最大后驗概率算法MAP、修正的MAP算法Max-Log-MAP、軟輸出Viterbi算法SOVA等)的研究。

Turbo碼的設計和分析主要包括交織器的設計、碼的級聯(lián)方式、譯碼算法、Turbo碼的性能分析等。在性能分析中，主要對碼重分布及距離譜進行分析，但由于沒有相應的理論支持，這種分析只能是近似的，且僅局限于短碼長、小碼重的情況。Turbo 碼在直擴(CDMA) 系統(tǒng)中的研究及應用Turbo 碼不僅在信道信噪比很低的高噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，而且還具有很強的抗衰落、抗干擾能力，因此它在信道條件差的移動通信系統(tǒng)中有很大的應用潛力，在第三代移動通信系統(tǒng)(IMT-2000)中己經(jīng)將Turbo碼作為其傳輸高速數(shù)據(jù)的信道編碼標準。第三代移動通信系統(tǒng)(IMT-2000)的特點是多媒體和智能化，要能提供多元傳輸速率、高性能、高質(zhì)量的服務，為支持大數(shù)據(jù)量的多媒體業(yè)務，必須在布限帶寬信道上傳輸數(shù)據(jù)。由于無線信道傳輸媒質(zhì)的不穩(wěn)定性及噪聲的不確定性，一般的糾錯碼很難達到較高要求的譯碼性能(一般要求比特誤碼率小于10-6e)，而Turbo碼引起超乎尋常的優(yōu)異譯碼性能，可以糾正高速率數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生的誤碼。另外，由于在直擴(CDMA) 系統(tǒng)中采用Turbo 碼技術可以進一步提高系統(tǒng)的容量，所以有關Turbo碼在直擴(CDMA) 系統(tǒng)中的應用，也就受到了各國學者的重視。

面向分組的Turbo 碼主要面向分組的Turbo 碼的構造、譯碼及譯碼器的分析。

Turbo 碼與其它通信技術的結合包括Turbo 碼與調(diào)制技術(如網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM)的結合、Turbo碼與均衡技術的結合(Turbo碼均衡)、Turbo碼編碼與信源編碼的結合、Turbo碼譯碼與接收檢測的結合等等。Turbo碼與OFDM調(diào)制、差分檢測技術相結合，具有較高的頻率利用率，可有效地抑制短波信道中多徑時延、頻率選擇性衰落、人為干擾與噪聲帶來的不利影響。國內(nèi)在Turbo碼的研究領域也取得了一定的成果和進展，西安電子科技大學綜合業(yè)務網(wǎng)國家重點試驗室在Turbo碼的理論和應用研究方面取得了很多研究成果。此外，清華大學、北京郵電大學和上海交通大學等高校都在進行Turbo碼相關的其它關鍵技術的研究方面取得一定的進展。深圳華為公司等在推動Turbo碼在移動通信系統(tǒng)中的應用方面起了積極的作用。