Turbo码与TCM编码调制技术研究

Turbo码理论及其应用的探究引言：随着通信技术的不息进步，人们对于信息传输质量和性能的要求越来越高。

而在这个过程中，编码是一个至关重要的环节。

编码是一种通过增加冗余信息来增强数据传输可靠性的技术，它可以在信息传输过程中对数据进行差错纠正。

而在编码中，Turbo码作为一种高效的纠错编码技术，引起了人们的广泛关注。

本文将对Turbo码的理论和应用进行探究。

第一部分：Turbo码的基本原理Turbo码是由Claude Berrou等人于1993年提出的一种编码技术。

Turbo码是通过串并联两个卷积码的编码器组成的。

它具有很好的纠错能力，并在传输过程中有效地对信道噪声进行抑止。

Turbo码的基本原理是将要传输的数据分成多个小块，然后通过两个相同结构的卷积码编码器分别对这些小块进行编码。

在编码的过程中，Turbo码引入了一个称为迭代译码的过程。

迭代译码的主要目标是通过在译码器之间交换信息来提高译码性能。

迭代译码可以使得Turbo码的纠错性能更好，并且有效地减小了译码误差。

第二部分：Turbo码的性能分析Turbo码的性能分析是对Turbo码的错误性能和译码性能进行分析和评估。

通常使用误码率（BER）和块错误率（BLER）来器量Turbo码的性能。

Turbo码的纠错性能主要取决于两个卷积码的性能以及迭代译码的次数。

经过试验和模拟的验证，可以发现Turbo码在相同的编码率下，相较于传统卷积码，能够取得更低的误码率和块错误率。

而Turbo码的译码性能则主要取决于译码算法的选择。

依据试验结果，平均迭代译码算法和准似然译码算法是目前应用最广泛的译码算法。

这些算法对于迭代译码过程中产生的软信息进行了充分利用，从而提高了Turbo码的译码性能。

第三部分：Turbo码的应用Turbo码在通信系统中有广泛的应用。

其中，最典型的应用是在挪动通信系统中的无线信道编码。

由于无线信道的复杂性和噪声干扰，数据的传输容易受到干扰和损坏。

Turbo码编译码方法研究与实现Turbo码，又称并行级联卷积码（PCCC），是由C.Berrou等在1993年ICC 会议上提出的。

当时的模拟结果表明，如果采用大小为65535的随机交织器，并且进行18次迭代，则在E_b/N_o≥0.7dB时，码率为1/2的Turbo码在AWGN信道上的误比特率（BER）≤10^-5，达到了近Shannon限的性能。

尽管目前对Turbo码算法性能还缺乏有效的理论解释，但Turbo码已经被看作自1982年TCM技术问世以来信道编码理论上一项伟大的技术成就，而且它重要的编译码思想正引起众多学者的关注和兴趣。

本文对Turbo码的研究工作主要集中在以下几个方面：对Turbo码的编译码方法进行研究。

Turbo码是建立在一种特殊的系统卷积码的基础上的，它以两个RSC码作为它的分量码，因此分量码的选取对Turbo码的性能有重要的影响。

本文主要使用了16状态的（37，21）原始码型和8状态的（15，13）码型。

Turbo码的译码算法主要有MAP算法和SOVA算法两大类，本文重点研究了前者。

研究了几种在MAP算法基础上的改进算法。

由于MAP算法存在巨大的计算量和时延，为了克服MAP算法的缺点，研究了MAP算法的对数域内的简化算法Log-MAP算法以及滑动窗MAP算法。

为了避免短帧情况下trellis的结束带来的译码性能的降低，本文把一种新颖的MAP译码结构应用到Log-MAP中并进行了计算机模拟，模拟结果表明短帧情况下这种新结构的译码方法在性能方面略有改进。

交织器对于Turbo码的性能有重大的影响，文中给出了Turbo码交织器的设计原则，对几种常用的Turbo码交织器的原理和实现方法进行了研究，进行了计算机模拟并对其性能进行了分析比较。

其它诸如trellis结尾问题、删余矩阵的设计、TCM调制等方面，本文给出了初步介绍，详细可查阅文献。

暑期实习报告——Turbo码的编译码原理及仿真研究一、研究背景 (2)二、研究内容 (2)三、研究过程及结果 (2)1.卷积码及交织器 (2)（一）研究AWGN信道 (2)<实例1> (2)（二）卷积码 (3)<实例2> (4)（三）交织器 (5)<实例3> (5)2.Turbo码编码 (7)3. Turbo码译码 (8)<实例4> (9)<1>不同迭代次数对Turbo码性能的影响： (11)<2>不同交织长度对Turbo码性能的影响： (13)<3>不同码率对Turbo码性能的影响： (15)四、Turbo码的应用 (17)1.Turbo 码在直扩（CDMA) 系统中的研究及应用 (17)2.Turbo码在3G中的应用 (17)（一）RSC 编码器的设计 (18)（二）交织长度的选择 (18)（三）译码器的设计 (18)3.Turbo 码与其它通信技术的结合 (18)五、收获与感悟 (19)一、研究背景Turbo码通过对子码的伪随机交织实现大约束长度的编码，具有接近随机编码的特性，采用迭代译码取得了中等的译码复杂度，它的误码性能逼近了Shannon极限。

Turbo码相对以前的编码方式大大提高了功率的利用率，因此特别适用于信噪比受限的信道，同时Turbo 码在衰落信道中也具有很好的编译码性能。

二、研究内容1.学习卷积码原理及交织器设计，进行相关仿真分析。

2.阅读Turbo码相关文献资料，进行Turbo码编码仿真。

3.学习Turbo译码算法，进行Turbo码译码仿真，并分析不同码率、不同交织长度、不同迭代次数下的性能。

三、研究过程及结果1.卷积码及交织器（一）研究AWGN信道<实例1>clear allt=0:0.001:10;x=sin(2*pi*t);snr=20;y=awgn(x,snr);subplot(2,1,1);plot(t,x);title('正弦信号x')subplot(2,1,2);plot(t,y);title('叠加了高斯白噪声的正弦信号')z=y-x;var(z)ans =0.0098。

Turbo码编译码方法的研究与实现1993年C.Berrou等人最先提出了Turbo码,它是并行级联递归系统卷积码的简称。

它的编码端是由两个或更多个卷积码并行级联构成,译码端则采用一种基于软判决信息输入/输出的反馈迭代结构。

由于Turbo 码在接近Shannon 极限的低信噪比下仍然能够获得较低的误码率,所以在近几年已成为编码理论界研究的热门领域,在第三代移动通信系统的开发中,Turbo 码被普遍认为是高速数据信道的纠错编码方式。

现在人们对Turbo 码的主要研究包括编码器、交织器的设计及软输入、软输出迭代译码的算法。

本文主要研究了Turbo 码编译码算法中的关键问题,完成了Turbo 码编码器的硬件实现。

首先介绍了Turbo 码产生的背景、研究现状及发展趋势。

其次,介绍了一些必须的基础理论知识,在此基础上对Turbo 码原理和结构进行介绍,并对不同参数对Turbo码性能的影响进行仿真,得到了一些结论。

仿真过程中,采用了一些方法来改善Turbo码的误比特率性能:编码器部分利用交织与删余的综合设计,使每个信息位都有对应的校验位输入信道,起到了等保护的作用;译码部分采用线性近似与门限近似相结合的方法对Log-MAP 算法进行改善,在对性能影响不大的情况下,显著降低复杂性;SOVA算法中采用帧尾加长处理的方法充分利用了每帧最后δ位信息。

为了加速Turbo 码译码的实现,对MAP 类算法采用了分段译码的方法减小了译码等待延时,同时采用了一种基于外信息统计值的停止准则,以降低迭代次数为条件减小了译码迭代延时。

最后,利用VHDL 语言在可编程逻辑器件上完成了Turbo 码编码器的设计。

然而,到目前为止,对Turbo 码的研究还不算很完善,尤其是在实际应用中还有很多问题有待解决。

但是Turbo 码的优异性能是不能否定的,它有非常广阔的应用前景。

数字电视系统中TCM码研究及其FPGA实现的开题报告一、选题背景随着数字电视技术的不断发展，传统的模拟电视系统已经逐渐被数字电视系统所取代。

数字电视系统通过数字信号的传输，提供更加清晰和稳定的图像和声音效果，同时还可以提供更多的交互和增值服务。

数字电视系统中，信号的压缩和解压缩是十分重要的环节，其中的一种压缩方式是通过采用信道编码技术对信号进行编码，以提高信号的可靠性。

Turbo码是一种近些年来广泛应用的信道编码技术，它不仅具有优异的误码性能，而且对于高速传输情况下的大容量数据也有良好的处理效果。

在数字电视系统中，Turbo码已经被广泛应用，其中的一个重要环节就是通过Turbo码来进行信号的调制，从而实现信号的压缩。

二、选题目的本选题旨在研究数字电视系统中采用的一种Turbo码调制方式——TCM码。

TCM码采用了串联连接的Turbo码，具有较低的误码率和良好的频谱利用效率，在数字电视系统中具有广泛的应用前景。

同时，本选题还将进行FPGA实现，以验证所研究的TCM码的正确性和有效性。

三、选题内容和研究方法本选题的主要内容包括以下两个方面：1. TCM码原理及其调制方式研究·对TCM码进行深入分析，探究其原理和调制方式；·利用MATLAB进行模拟仿真，分析TCM码在不同信噪比下的误码率等性能指标；·系统比较TCM码与其他常用的调制方式的性能差异，探讨其优势和不足之处。

2. TCM码的FPGA实现·设计TCM码的硬件电路，并进行FPGA实现；·搭建实验平台，验证TCM码的正确性和有效性；·分析实验数据，对TCM码的性能进行评估和优化。

本选题的研究方法主要包括以下几方面：·阅读Turbo码和TCM码相关文献，学习Turbo码与TCM码的原理和调制方式；·使用MATLAB软件进行模拟仿真，探究TCM码在不同信噪比下的性能指标；·设计TCM码的硬件电路，并进行FPGA实现，验证TCM码的正确性和有效性。

9. Turbo codes and TCM Technology[Turbo码、调制与卷积码的结合（TCM技术）.ref, 吴伟陵, p306~316；王新梅，p487~501;505~518]9.1 Turbo codes1993年法国人Berrou等在ICC国际会议上提出了一种采用重复迭代(Turbo)译码方式的并行级联码，并采用软输入／输出译码器，可以获得接近Shannon极限的性能，至少在大的交织器和BER≈10-5条件下，可以达到这种性能。

Turbo码的优良性能，受到移动通信领域的广泛重视，特别是在第三代移动通信体制中，非实时的数据通信广泛采用Turbo码。

1．产生背景由于Turbo码的性能已逼近理论上最优的Shannon信道编码的极限，因此需首先简介Shannon信道编码定理。

(1)Shannon信道编码定理1948年信息创始人C．E．Shannon从理论上证明了信道编码定理，又称为Shannon第二编码定理。

它指出只要在信道中实际传输速率R小于信道容量值C，就可以在该信道中实现几乎无差错的传输。

Shannon等人的证明中引用了三个基本条件：①采用随机编译码方式；②编译码的码长L→∞；③译码采用最佳的最大后验译码。

20世纪60年代后牛期，Gallager和Forney分别给出下列误码率的指数界:·对于分组码，Gallager在采用随机码及最佳最大后验译码前提下，给出下列指数界：P e≤e-L l E l(R)(9.1)其中L1为分组码长，E1(R)>0为可靠性函数；·稍后，对于串接级联码Forney在采用准最佳的广义最小距离译码前提下，给出了类似的下列指数界P e≤e-L2E2(R)(9.2)其中，L2为串接级联码码长，E2(R)为非随机级联码的可靠性函数；·可见，只要当L1, L2→∞，则P e→0，这说明构造足够长的编码，才是信道编码的发展方向；·两者相比，E2 (R)< E1(R)，所以L2>L1。

Turbo码研究背景意义及现状1 数字通信与信道编码2 Turbo码编译码方案的提出3 Turbo码的研究现状4 研究目的及意义随着社会的发展，信息的传播起着越来越重要的作用。

现代通信朝着宽带化、智能化、综合化以及个人化的方向发展，传播手段不断更新，但它们都面临着一个不可避免的问题，即如何不断降低误码率，提高通信质量。

纠错编码是用来改善数字信号可靠性的一种信号处理技术，随着数字通信的发展，纠错编码技术得到迅速发展，更重要的是电子技术，特别是半导体和集成电路的发展为纠错码的研究和应用提供的物质基础。

Turbo码作为一种高性能的信道编码，为纠错码的研究带来的新的突破。

1 数字通信与信道编码通信的目的是要把对方不知道的消息及时可靠地传送给对方，因此，要求一个通信系统传输消息必须有效与可靠，在数字通信中有效与可靠往往是一对矛盾。

一个典型的数字通信系统模型如图1所示。

图1种上方发送端的任务是将信源产生的信息转变成适合于信道传输的信息发送出去，而下方接收端的任务则是尽可能无差错的恢复发送端信源的信息。

图1 数字通信系统模型信源生成的信号是模拟信号或数字信号。

如果是模拟信号，则在送入数字系统传输之前需要进行采样和量化等数字化处理。

经过信源编码后得到的数字序列即为信息序列。

信道编码也就是纠错编码，它是为了降低信息码元的传输误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码。

由于信道中存在各种噪声和干扰，不可避免的引起信号在信道中的传输失真。

对于数字信号来说，失真的信号会导致码元被错误判决，进而产生差错。

对信源数据加以适当的保护措施可以避免或减少这种误判的发生，这种保护措施被称为差错控制技术，纠错编码是目前应用最广泛的差错控制技术。

采用纠错编码以后，对传输中可能或已经出现的差错进行控制，可以使误码率降低到用户允许的程度。

信道编码将无规律性或规律性较弱的数据变换为有规律性或规律性较强的数据，信道译码利用这种外加的规律来鉴别并纠正错误。