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详谈Turbo码特点及应用分析时间：2010-08-09 23:42:22 来源：作者：Turbo 码。
它巧妙地将两个简单分量码通过伪随机交织器并行级联来构造具有伪随机特性的长码，并通过在两个软入/软出(SISO)译码器之间进行多次迭代实现了伪随机译码。
他的性能远远超过了其他的编码方式，得到了广泛的关注和发展，并对当今的编码理论和研究方法产生了深远的影响，信道编码学也随之进入了一个新的阶段。
特点Turbo码有一重要特点是其译码较为复杂，比常规的卷积码要复杂的多，这种复杂不仅在于其译码要Turbo码采用迭代的过程，而且采用的算法本身也比较复杂。
这些算法的关键是不但要能够对每比特进行译码，而且还要伴随着译码给出每比特译出的可靠性信息，有了这些信息，迭代才能进行下去。
用于Turbo 码译码的具体算法有：MAP(Maximum A Posterori)Max-Log-MAP、Log-MAP和SOVA(Soft Output Viterbi Algorithm)算法。
MAP算法是1974年被用于卷积码的译码，但用作Turbo码的译码还是要做一些修改;Max-Log-MAP与Log-MAP是根据MAP算法在运算量上做了重大改进，虽然性能有些下降，但使得Turbo码的译码复杂度大大的降低了，更加适合于实际系统的运用;Viterbi 算法并不适合Turbo码的译码，原因就是没有每比特译出的可靠性信息输出，修改后的具有软信息输出的SOVA 算法，就正好适合了Turbo码的译码。
这些算法在复杂度上和性能上具有一定的差异，系统地了解这些算法的原理是对Turbo码研究的基础，同时对这些算法的复杂度和性能的比较研究也将有助于Turbo的应用研究。
Turbo码的仿真一般参考吴宇飞的经典程序。
此外，要想在移动无线系统中成功的使用Turbo码，首先要考虑在语音传输中最大延迟的限制。
在短帧情况下的仿真结果表明短交织Turbo码在AWGN信道和Rayleigh衰落下仍然具有接近信道容量的纠错能力，从而显示出Turbo码在移动无线通信系统中非常广阔的应用前景。
第三代移动通信技术及其应用摘要：本文简要介绍了第三代移动通信及其系统原理并概括了IMT-2000系统的无线传输技术方案，其中主要介绍了CDMA2000系统的相关原理。
关键词：第三代移动通信；无线传输技术方案；CDMA200013G的含义第三代移动通信系统，简称3G，也即国际电信联盟（ITU）定义的IMT-2000，意指在2000年左右开始商用并工作在2GHz频段上的国际移动通信系统，且其最高业务速率可达2000Kbit/s。
该标准化工作开始于1985年，时称未来公众路地移动通信系统（FPLMTS），1996年ITU正式将其更名为IMT-2000，在欧洲被称为通用移动通信系统（UMTS）。
2IMT-2000系统模型IMT-2000系统采用模块化概念，在交换网络和无线接入网之间定义了一个明确的无线网络接口，如图1所示其中用户终端即MS（移动台），是为用户提供服务的设备，它与网络之间的通信链路为无线链路，通过空中无线接口给用户提供接入移动网络，实现具体的服务。
无线接入网用于完成从无线信息传输到有线信息传输的形式转化，完成空中无线资源管理和控制，把信息交换到网络交换系统。
主要包括BTS（基站收发信机），RNC（无线网控制器）或BSC（基站控制器）等。
核心网又叫网络交换系统（NSS）。
主要包括移动交换中心（MSC），一些寄存器等，通过核心网还可以连接到外部的PSTN（公用交换电话网），PDN（公用数据网）等。
33G主要特点及目标第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它主要特点和目标如下：①全球统一标准。
全球各个地区多种系统组成了一个IMT-2000家族，各个系统间设计上具有高度的互通性。
②要能在全球范围内更好地实现无缝漫游。
③全球使用公共频段。
④综合化。
能够提供多种业务特别能够支持多媒体业务和internet业务，并有能力容纳新类型业务。
⑤适应多种环境。
ITU要求第三代移动通信系统的无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特／每秒）、384kbps（千比特／每秒）以及144kbps的传输速度。
卷积码的原理及应用1. 引言卷积码是一种常用的错误控制编码方式，在通信系统、数据存储系统等领域有着广泛的应用。
本文将介绍卷积码的原理及其在通信系统中的应用。
2. 卷积码的原理卷积码是一种线性时不变系统，它通过对输入数据进行卷积运算来生成输出数据。
卷积码由一个或多个卷积分支组成，每个卷积分支由一个或多个滞后元件和一个加法器组成。
具体而言，卷积码的编码过程可以描述如下： - 输入数据经过滞后元件得到滞后数据； - 滞后数据与特定的系数进行加权求和； - 将加权求和得到的结果作为输出数据。
3. 卷积码的特点卷积码具有以下几个特点：3.1 纠错能力强卷积码具有很强的纠错能力，它可以在数据传输过程中检测和纠正一定数量的错误。
3.2 码长可变卷积码的码长可以通过增加滞后元件的数量来进行调节，从而适应不同的应用场景和传输需求。
3.3 时延小卷积码的编码过程只需要对滞后数据进行加权求和，因此具有较低的时延。
3.4 译码复杂度高卷积码的译码相对复杂，需要使用译码算法进行解码。
常用的译码算法包括Viterbi算法、BCJR算法等。
4. 卷积码的应用卷积码在通信系统中有着广泛的应用，包括以下几个方面：4.1 无线通信卷积码可以用于无线通信系统中的信道编码，以增强对信道噪声的容错能力。
4.2 数字视频传输在数字视频传输中，为了提高视频数据的传输质量，可以使用卷积码进行信道编码。
4.3 光纤通信卷积码也可以应用在光纤通信系统中，用于提高数据传输的可靠性和容错能力。
4.4 无线传感器网络在无线传感器网络的数据传输中，卷积码具有较小的时延和较强的纠错能力，可以有效提升数据传输的可靠性。
5. 总结本文简要介绍了卷积码的原理及其在通信系统中的应用。
卷积码作为一种常用的错误控制编码方式，具有很强的纠错能力和较小的时延，在无线通信、数字视频传输、光纤通信和无线传感器网络等领域都有着广泛的应用。
第三代移动通信技术原理在当今科技飞速发展的时代，移动通信技术已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
从最初的模拟通信到第二代数字通信，再到如今广泛应用的第三代移动通信技术（3G），每一次的技术革新都给我们的生活带来了巨大的改变。
那么，第三代移动通信技术究竟是如何工作的呢？它的原理又是什么呢？要理解第三代移动通信技术的原理，首先我们需要了解一些基本的概念。
移动通信，简单来说，就是在移动中实现信息的传递。
而在这个过程中，涉及到信号的发送、传输、接收和处理等多个环节。
在 3G 技术中，最为关键的是其采用的多种技术标准和核心技术。
其中，码分多址（CDMA）技术是 3G 通信的基础。
CDMA 技术与我们熟悉的时分多址（TDMA）和频分多址（FDMA）技术有很大的不同。
在 CDMA 系统中，每个用户被分配一个独特的码序列，通过这个码序列来区分不同的用户信号。
这种方式使得多个用户可以同时在同一频段上进行通信，大大提高了频谱利用率。
3G 技术中的另一个重要概念是扩频通信。
扩频通信是将信号的频谱扩展到一个很宽的范围上进行传输。
这样做的好处是可以增加信号的抗干扰能力，降低信号被截获和干扰的概率。
在 3G 系统中，通过使用扩频码来实现扩频通信，从而提高了通信的安全性和可靠性。
为了实现高质量的语音和数据通信，3G 技术还采用了一系列的调制解调技术。
比如，正交相移键控（QPSK）和正交幅度调制（QAM）等。
这些调制解调技术能够在有限的带宽内传输更多的信息，提高了通信的效率。
在信号传输方面，3G 网络通常由多个基站组成。
基站负责接收和发送来自移动终端的信号。
当我们使用手机进行通话或上网时，手机会向附近的基站发送信号，基站接收到信号后，通过网络将其传输到目标地点，然后再由目标地点的基站将信号发送给接收方。
在 3G 网络中，还有一个重要的组成部分是核心网。
核心网负责对信号进行处理和管理，包括用户认证、计费、移动性管理等功能。
它就像是整个通信系统的大脑，协调着各个部分的工作，确保通信的顺畅进行。
通信电子中的卷积码编码技术在现代通信电子领域中，卷积码编码技术是一个非常重要的研究方向。
卷积码指的是一种使用卷积器进行连续变换、生成码字的编码方式。
卷积码编码技术也是从编码原理中引出的一个名词。
卷积码编码技术由于其良好的纠错性能而在通信电子中得到了广泛的应用。
接下来，我们将介绍卷积码编码技术的原理及其在通信电子中的应用。
一、卷积码编码技术的原理卷积码编码技术是一种结构复杂、计算量大、实现难度较高的编码技术。
它通过将输入的信息序列，经过移位和加权操作，得到输出的编码序列。
在卷积码编码技术中，使用的编码单元是卷积器。
卷积器由若干个存储器和一组权值系数构成。
卷积器的输入为一个长度为k的信息序列，输出为一个长度为n的编码序列。
卷积码编码过程中，首先将输入信息序列进行移位，然后将移位后的序列与卷积器进行卷积，得到输出的编码序列。
卷积码编码技术的核心在于卷积器的设计。
卷积器的设计决定了编码的性能、复杂度以及实现难度。
二、卷积码编码技术在通信电子中的应用1、无线通信中的卷积码编码技术在无线通信中，卷积码编码技术被广泛地应用，以提高通信品质。
在这里，卷积码编码技术被用于进行信号的纠错，以提高通信的可靠性。
在无线通信中，无线信道中常常会出现干扰和噪声，导致无线信号的丢失和错误。
使用卷积码编码技术可以有效地处理信道中的干扰和噪声，提高传输的可靠性。
此外，在无线通信中，常用的卷积码编码方式有卷积码和扩频码技术，它们通过对不同的信息进行编码，以提高传输信号的速度和可靠性。
2、光纤通信中的卷积码编码技术在光纤通信中，卷积码编码技术也被广泛地应用。
在这里，卷积码编码技术被用于进行光信号的纠错，以提高通信的可靠性。
在光纤通信中，光信号的传输距离十分长，常常会遇到光纤折射率不均匀导致的色散和失真。
使用卷积码编码技术可以有效地处理这些问题，提高信号的传输速度和可靠性。
3、数字电视中的卷积码编码技术在数字电视领域中，卷积码编码技术也被广泛地应用。
卷积码在通信系统中的应用1.卷积码基本介绍卷积码是由伊利亚斯（Elias）发明的一种非分组码，它是一种性能优越的信道编码，其编码器和译码器结构相对简单，并且具有较强的纠错能力。
卷积码表示为（n，k，L）,将k 比特的信息段编成n个比特的码组，L为编码约束度，表示一个码组中的监督码元监督着L 个信息段。
卷积码的k和n通常很小，特别适宜于以串行形式传输信息，延时小。
卷积码是一个有限记忆系统，它将信息序列切割成长度为k的一个分组。
与一般分组码的不同之处在于：当某一分组进行编码时，不仅根据本时刻的分组，而且根据本时刻之前的L个分组来共同决定输出码字。
卷积码通常用2个参数来描述：码率（code rate）和约束长度（constraint length）。
2.卷积码在通信系统中的应用2.1.GSM和GPRS系统GSM是数字蜂窝移动通信系统的简称，它是国际上90年代广泛使用的最先进的通信系统。
GPRS是在GSM的基础上产生的，它旨在满足全球移动数据市场的需求和提高GSM数据传送的速率。
尽管GPRS采用了基于分组交换传输数据的高效率方式，在空中接口和外部网络间进行分组数据业务传输，并和现有的数据业务进行无缝连接，但是它在信道编码上同GSM一样，仍采用卷积码技术。
在GSM/GPRS系统中还使用了凿孔（Punctured）卷积码。
凿孔（Punctured）卷积码的原理是由一个编码效率为1/n的编码器进行编码，然后根据要得到的码率的不同周期性地删除要输入到信道中的编码序列中的某些比特，而在译码过程中，需要在接收到的序列的适当的位置插入伪造的码元后，按照最初的编码效率进行Viterbi译码，这样就以很小的附加复杂度和极小的误码率，获得了编译码的灵活性和可变性。
在GSM/GPRS系统中，采用是编码效率为1/2的凿孔（Punctured）卷积码。
以（2,1,3）码为例，将编码器输出的码元序列每4个分为一组，然后将每组中的第三个码元删掉，这样就实现了编码效率从1/2到2/3的转换，获得了（3,2,2）码。
卷积码及其在通信中的应用摘要：分组码是将序列切割成分组后孤立的进行编译码，分组与分组之间没有任何联系。
从信息论角度看，这样做丧失了一部分相关信息，且信息序列切割的越碎，丧失的信息就越多。
于是在诸多线性分组码的缺点下，Elias于1995年提出了卷积码。
本文主要介绍了卷积码的基本概念、卷积码的编码原理、译码原理、表示方法。
并以现实中的例子（在GSM系统和CDMA/IS-95系统中的应用）充分的说明了卷积码的优点，在同样的码率和设备的复杂性条件下，无论理论上还是实践上都证明：卷积码的性能优于分组码。
关键词：卷积码；编码；译码；表示；GSM、CDMA/IS-95一、卷积码的基本概念卷积码是一种性能优越的信道编码。
（n，k，N）表示把k个信息比特编程n个比特，N为编码约束长度，说明编码过程中互相约束的码段个数。
卷积码编码后的n个码元不仅与当前组的k个信息比特有关，而且与前N-1个输入组的信息比特有关。
编码过程中相互关联的码元有N乘以n个。
R/n是卷积码的码率，码率和约束长度是衡量卷积码的两个重要参数。
二、编码原理以二元码为例，编码器如图。
输入信息序列为u＝(u0，u1，…)，其多项式表示为u(x)＝u0+u1x＋…＋ulxl＋…。
编码器的连接可用多项式表示为g(1,1)(x)＝1+x+x2和g(1,2)(x)＝1+x2，称为码的子生成多项式。
它们的系数矢量g(1,1)=(111)和g(1,2)=(101)称作码的子生成元。
以子生成多项式为阵元构成的多项式矩阵G(x)＝[g(1,1)(x),g(1,2)(x)]，称为码的生成多项式矩阵。
由生成元构成的半无限矩阵 称为码的生成矩阵。
其中(11,10,11)是由g(1,1)和g(1,2)交叉连接构成。
编码器输出序列为c ＝u ·G ，称为码序列，其多项式表示为c(x)，它可看作是两个子码序列c(1)(x)和c(2)(x)经过合路开关S 合成的，其中c(1)(x)＝u(x)g(1,1)(x)和c(2)(x)＝u(x)g(1,2)(x),它们分别是信息序列和相应子生成元的卷积，卷积码由此得名。
第三代移动通信中卷积码解码方法研究及应用摘要：本文研究了移动通信系统中比较重要的一种前向纠错码——卷积码，并提出了采用FPGA实现卷积码解码的Viterbi算法实时实现，给出了硬件实现的逻辑框图，并提供了该实现在W-CDMA系统中的计算机性能仿真结果。
关键词W-CDMA，卷积码，Viterbi算法，FPGAInvestigation and Application of Convolutional Decodingin 3G Communication SystemAbstract: The article is focus on convolutional coding, one of the most important forward error correct code. In the article, we propose a real-time Viterbi algorithm implement for convolutional decoding, designed in FPGA logic circuit. Numerical simulations are presented for specific examples of two mobile communication systems(i.e. narrow-band CDMA system and W-CDMA system).Key Words: W-CDMA , Convolutional Code , Viterbi algorithm , FPGA1.引言近年来，信息技术和通信技术的突出成就和急剧发展，集中表现在个人通信, 多媒体信息业务, 互联网络(Internet)应用三个方面. 把信息送给个人, 使移动通信走向个人通信, 在任何地方和任何状态都可打通电话的移动通信给人们带来了极大的方便. 移动通信用户以每年30% -- 50%的速度增长，网络的用户容量要求大量增加，成为当今通信发展的主流和最大市场。
由于社会信息化进程越来越快，仅仅通话已不能满足人们对信息交流的需要，除话音外，数据，图形，图象等各种信息都希望能随时获取和彼此相通，多媒体信息业务和服务就变得越来越有必要，将成为必不可少的通信业务和通信服务.互联网络(Internet)的兴起和运用，给信息的生成，传递, 交换和应用带来了极大的便利和广泛普及，它已经开始并最终成为除国际电信网络之外的又一世界性网络，给通信的发展和进步带来不可估量的变革.从GSM系统、基于IS-95的窄带CDMA系统到W-CDMA系统，卷积编码做为一种有效的前向纠错码得到广泛的应用。
但是卷积码解码[1]由于其算法复杂度随约束长度的增加而指数增长，增加了在具体系统实现中的难度。
本文提出了一种采用现场可编程逻辑器件（FPGA）[2]实现卷积码解码的实现方法，并应用于W-CDMA实验系统中。
本文的第二、三部分将对采用的FPGA芯片、卷积码编码器作简单的描述；第四部分详细介绍FPGA的内部逻辑设计实现卷积码解码器的功能；解码器的计算机仿真结果将在第五部分中给出；最后是全文的总结。
2.FPGA芯片介绍我们采用的FPGA芯片是美国Altera公司推出的FLEX系列芯片FLEX10K20。
它具有高集成度，内有丰富寄存器等优点。
由用户在工作现场定义其逻辑功能，可降低风险，适用于开发周期短，高性能，高集成度的各种电路设计。
FLEX10K系列芯片[3]都具有以下特点：1.可在线重新配置；2.快速、可预测连线延时的快速通道FastTrack连续式布线结构；3.实现快速加法器和记数器的专用进位链；4.高效实现高速、多输入逻辑函数的专用级联链；5.为减小开关噪声的可编程的输出电压摆率控制；6.遵守全PCI总线规定；7.工作在PC机、SUN SPARC工作站等多种平台的强大的Aletra MAX+PLUS软件支持设计和自动布局、布线。
我们选用的EPF10K20TC144电源电压为5V，总管脚为144根，可用的I/O管脚有102根，逻辑单元LE共1,152个，内部自带的RAM为12,288 Bits，完全达到了卷积码解码所需要的内部存储器和逻辑单元的要求。
3.卷积码的描述卷积码是一种对付突发错码的有效编码方法。
通常记作（n,k,N）, 它将k 个信息比特编为n个比特，即编码效率为Rc=k/n，N为约束长度，也就是说该编码器有Nk个移位寄存器，n个模2加法器，n个移位寄存器为输出。
其编码器的结构如图1所示：12...k12...k12...k12...k12N. . . . . .输入序列M++++. . .输出序列X12. . . n图1 (k,n,N)卷积码编码器但是它与分组码不同的是编码后的n个码元不但与当前段的k个信息有关，而且与前面（N-1)段的信息有关，编码过程中相互关联的码元为Nn个。
它的纠错能力随着N的增加而增大，而差错率随着N的增加而指数下降。
在编码器复杂度相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。
故在GSM、窄带CDMA系统、第三代移动通信系统中都采用了卷积编码作为前向纠错码。
4.FPGA实现卷积码解码过程我们采用的卷积码解码算法是基于最大似然序列估计的Viterbi译码算法[4]，关键技术就是“加－比－选”。
如图2的网格子图所示，网格图中从前级每个节点上都有2条支路延伸到下一级上，而下一级上的每2条支路又都汇聚在一个节点上。
把汇聚在每一个节点上的两条路径的对数似然函数累加值进行比较，选择一条具有较大对数似然累加值的路径保存下来，而丢弃另外一条路径，使每一级留存下来的路径数保持常数（为编码约束长度的指数次幂）。
该处理过程可简称为“加－比－选”。
(0,m6,m5,m4,m3,m2,m1,m0)(m6,m5,m4,m3,m2,m1,m0,0)(m6,m5,m4,m3,m2,m1,m0,1)图2 网格子图表示对于W-CDMA系统中K=9的特定卷积码，解码器内部逻辑设计如图3所示：图3 解码器内部逻辑设计框图用128个时钟（CLK）周期解一个数据比特，即在一个数据比特时钟(DCLK)周期内,以CLK=128DCLK的时钟驱动一个七位计数器，产生(m6,m5,m4,m3,m2,m1,m0)从(0,0,0,0,0,0,0)到(1,1,1,1,1,1,1)的状态变化。
运用两个双口RAM（FPGA内部自带的存储器），从一个DPRAM（记为A）同时读取第K-1个比特时存放的两个路径量度值，两端口的读地址分别为Rf1=(0,m6,m5,m4,m3,m2,m1,m0)，Rf2=(1,m6,m5,m4,m3,m2,m1,m0),分别对应两状态节点。
读出的结果并行地送入两个加—比—选电路(ACS)，选出进入节点的最小路径量度(PM)并行写入另一DPRAM(记为B)，写地址分别为Wf1=(m6,m5,m4,m3,m2,m1,m0,0),Wf2=(m6,m5,m4,m3,m2,m1,m0,1)。
在下一比特周期，控制DPRAM输入输出端的切换开关，使得从RAM B读，结果写入RAM A，重复切换操作。
该方法的好处是降低了时钟速率，设计清晰，代价是增加了硬件量。
译码深度取为16已足够，所以另外两个DPRAM(C和D)存放信息序列，执行与上述同步的类似操作。
所不同的就是ACS部分换成了shift&insert模块，功能是每接受一组新的支路信息，信息序列移位，并将假象信息比特作为最低位存入。
Min模块比较得到各状态中最小PM，输出控制信号，以控制使对应最小PM的信息序列最高位输出，即为该数据比特的解码输出。
ACS中，因为K=9,所以在对一个数据块的前8个数据时钟DCLK周期内，加—比—选结构要做改动，即对到达同一节点的两条支路，只选择上面的支路，即假想信息比特为0的支路，存入存储器，不须进行比较—选择操作。
该功能可用数据选择器简单实现。
我们在“关于W—CDMA关键技术研究”的项目中，根据协议规定的对于8K的话音业务，采用K=9,R=1/3的卷积码作为信道编码。
采用一块FPGA10K20实现了卷积码的Viterbi解码，其中该芯片的存储器使用率为98%，门电路的使用率为35%。
5.实现的性能模拟结果我们在信道噪声为加性高斯白噪声（AWGN）[5]情况下，对于W-CDMA 系统下的（3，1，9）码（编码多项式的八进制表示为：(557)8、(663) 8和(711)8）的解码性能进行计算机仿真，同时对比基于IS-95的窄带CDMA系统中采用的（2，1，9）码（编码多项式的八进制表示为：(753)8和(561)8）的性能进行比较，模拟时采用的解码器的解码深度与实际系统中采用的一致，即解码深度为16，得到以下解码器输入误码率（BER in）和输出误码率（BER out）的关6.结束语本文提出了在W-CDMA系统下一种卷积码解码的硬件实现方法，该方法也可推广到其他涉及到Viterbi算法（V A）应用方面的领域。
与传统的硬件逻辑电路的设计相比，采用FPGA芯片实现硬件逻辑电路的设计，降低了开发研究过程中设计电路成本，短的开发周期和修改的方便都是传统的硬件逻辑设计方法所不能比拟的。
随着支持FPGA硬件设计的硬件描述语言的逐步完善，利用FPGA芯片硬件实现各种信号处理的算法，在今后的研究中不失为一种有效的解决实际问题的方法。
【参考文献】[1]M.R.Karim,Mohsen Sarraf(著) .粟欣译.3G移动网W-CDMA 和cdma2000[M].北京：人民邮电出版社，2003.9[2]Andreas F.Molisch(著),许希斌等译.宽带无线数字通信[M].北京：电子工业出版社，2001.9[3]曹志刚，钱亚生.现代通信原理[M], 北京：清华大学出版社，2000[4]Tero Ojanpe (著)．WCDMA:面向IP移动与移动因特网．北京：人民邮电出版社．2003.9[5]杨峰义等编著．WCDMA无线网络工程．北京：人民邮电出版社．2004.5。
