Turbo碼技術(shù)

1993 年兩位法國(guó)教授Berrou、Glavieux 和他們的緬甸籍博士生Thitimajshima 在ICC 會(huì)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(gè)簡(jiǎn)單分量碼通過(guò)偽隨機(jī)交織器并行級(jí)聯(lián)來(lái)構(gòu)造具有偽隨機(jī)特性的長(zhǎng)碼，并通過(guò)在兩個(gè)軟入/軟出(SISO)譯碼器之間進(jìn)行多次迭代實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)譯碼。仿真結(jié)果表明，在AWGN 信道下，碼率為1/2 的Turbo 碼在達(dá)到誤比特率(BER) ≤ 10?5時(shí)，Eb/N0僅為約0.7dB (這種情況下達(dá)到信道容量的理想Eb/N0值為0db)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他的編碼方式，一時(shí)在信息和編碼理論界引起了轟動(dòng)。從此以后，Turbo 碼得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展，并對(duì)當(dāng)今的編碼理論和研究方法產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，信道編碼學(xué)也隨之進(jìn)入了一個(gè)新的階段。Turbo碼由于其近Shannon界的突出糾錯(cuò)能力，成為近年信道編碼理論研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。其編碼器由兩個(gè)(或多個(gè))帶反饋的系統(tǒng)卷積碼器經(jīng)一交織器并行級(jí)聯(lián)而成，接收端一般采用逐位最大后驗(yàn)概率譯碼器通過(guò)反復(fù)迭代循環(huán)來(lái)譯碼。本文首先對(duì)Turbo碼的編碼原理進(jìn)行了闡述和舉例，進(jìn)而重點(diǎn)講解了Turbo碼譯碼的原理，對(duì)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(jié)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(cuò)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(cuò)平臺(tái)現(xiàn)象等等。

對(duì)于Turbo碼的研究最初集中于對(duì)于其譯碼算法、性能界和獨(dú)特編碼結(jié)構(gòu)的研究上，經(jīng)過(guò)十多年來(lái)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(yīng)用了香農(nóng)信道編碼定理中的隨機(jī)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(qiáng)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(gè)方面：

編譯碼技術(shù)編碼方面主要包括對(duì)并行級(jí)聯(lián)編碼與串行級(jí)聯(lián)編碼的分析，以及對(duì)混合級(jí)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(yàn)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(shè)計(jì)和分析主要包括交織器的設(shè)計(jì)、碼的級(jí)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(duì)碼重分布及距離譜進(jìn)行分析，但由于沒(méi)有相應(yīng)的理論支持，這種分析只能是近似的，且僅局限于短碼長(zhǎng)、小碼重的情況。Turbo 碼在直擴(kuò)(CDMA) 系統(tǒng)中的研究及應(yīng)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(qiáng)的抗衰落、抗干擾能力，因此它在信道條件差的移動(dòng)通信系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力，在第三代移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(IMT-2000)的特點(diǎn)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(wù)，為支持大數(shù)據(jù)量的多媒體業(yè)務(wù)，必須在布限帶寬信道上傳輸數(shù)據(jù)。由于無(wú)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(cuò)碼很難達(dá)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(shí)發(fā)生的誤碼。另外，由于在直擴(kuò)(CDMA) 系統(tǒng)中采用Turbo 碼技術(shù)可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的容量，所以有關(guān)Turbo碼在直擴(kuò)(CDMA) 系統(tǒng)中的應(yīng)用，也就受到了各國(guó)學(xué)者的重視。

面向分組的Turbo 碼主要面向分組的Turbo 碼的構(gòu)造、譯碼及譯碼器的分析。

Turbo 碼與其它通信技術(shù)的結(jié)合包括Turbo 碼與調(diào)制技術(shù)(如網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM)的結(jié)合、Turbo碼與均衡技術(shù)的結(jié)合(Turbo碼均衡)、Turbo碼編碼與信源編碼的結(jié)合、Turbo碼譯碼與接收檢測(cè)的結(jié)合等等。Turbo碼與OFDM調(diào)制、差分檢測(cè)技術(shù)相結(jié)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(shí)延、頻率選擇性衰落、人為干擾與噪聲帶來(lái)的不利影響。國(guó)內(nèi)在Turbo碼的研究領(lǐng)域也取得了一定的成果和進(jìn)展，西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室在Turbo碼的理論和應(yīng)用研究方面取得了很多研究成果。此外，清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)和上海交通大學(xué)等高校都在進(jìn)行Turbo碼相關(guān)的其它關(guān)鍵技術(shù)的研究方面取得一定的進(jìn)展。深圳華為公司等在推動(dòng)Turbo碼在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用方面起了積極的作用。