無線通信中的Turbo編碼和均衡技術(shù)分析

高凡琪

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

1 引言

增加無線通信安全性和可靠性的途徑主要有兩種：一種途徑是不斷提高發(fā)送信號的功率，使得接收端所對應的信號噪聲比不斷增加；另一種途徑是通過利用編碼法，不斷調(diào)整和控制信道差錯情況。前者在具體的使用中，會受到條件限制，無法滿足所有情況；后者主要是在充分結(jié)合香農(nóng)原理的前提下所提出的，當信道容量遠遠高于編碼速率時，通過借助信道編碼定理，可以采用Turbo編碼法，提高無線通信的穩(wěn)定性和可靠性。因此，為了進一步提高無線通信性能，加強對Turbo編碼和均衡技術(shù)的分析和應用顯得尤為重要。

2 Turbo碼的基本原理

現(xiàn)階段，通過利用Turbo碼，不僅可以有效地簡化譯碼操作流程，降低其復雜度，還可以保證譯碼器的運行性能。此外，通過利用譯碼所輸出的軟信息，可以實現(xiàn)Turbo原理與均衡技術(shù)的有效融合。

2.1 Turbo碼編碼原理

Turbo碼編碼器在具體的設計中，主要利用卷積編碼器，采用并行連接的方式，使其與多種交織器之間建立起有效的連接。同時，還要借助校驗位，對連接好的編碼器進行編碼處理，從而形成一連串碼子，這些碼子所對應的碼率各不相同。由此可見，Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)由兩個并聯(lián)的卷積編碼器組成，在第2個編碼器前面串接了一個隨機交織器。此外，為了進一步提高量譯碼器能夠安全、可靠地輸出信息[1]，需要選用合適的譯碼器，對所輸出的信息進行檢驗和管控信息的完整性和真實性，為后期循環(huán)利用信息，提高信息利用率創(chuàng)造良好的條件。此外，還要將分量譯碼器輸出的信息與另一個分量譯碼器所發(fā)送的信息進行一一對應，確保兩種分量譯碼器信息的匹配性和對應性。最后，還要借助交織器，將兩個不同的分量譯碼器進行有效連接，只有這樣，才能最大限度地提高Turbo碼編碼結(jié)果的精確性和真實性。

2.2 Turbo碼的譯碼原理

對于Turbo迭代譯碼而言，其結(jié)構(gòu)主要由兩個不同的譯碼器采用串聯(lián)的方式組合而成，如軟輸入譯碼器、軟輸出譯碼器。當?shù)g碼處于啟動狀態(tài)時，分量譯碼器要對所需要的軟信息進行全面化采集和整理，然后，選用合適的譯碼方式，對分量碼RSCI進行譯碼處理，從而精確地計算和統(tǒng)計出不同信息序列下所對應的信息，然后，向分量譯碼器傳輸相應的軟輸出信息，為后期先驗信息輸入環(huán)節(jié)的落實提供相應的依據(jù)和參考。另外，在對分量碼RSCI進行譯碼處理期間，要根據(jù)信息序列交織分析需求，向分量譯碼器傳輸相應的“外信息”，當?shù)僮鹘Y(jié)束后，可以將部分信息設置為“先驗信息”，從而充分發(fā)揮和利用分量譯碼器的應用優(yōu)勢。當?shù)螖?shù)逐次增加時，系統(tǒng)復雜度不斷增加，從而引發(fā)系統(tǒng)運行延遲現(xiàn)象，影響了用戶的整體使用體驗。當?shù)螖?shù)增加一定程度后，系統(tǒng)運行性能將會得到有效改善，為后期仿真分析環(huán)節(jié)的落實打下堅實的基礎。編碼器在實際運行期間，主要運用了交織方式，確保所有分量譯碼器均能輸出滿足交織處理需求的外信息，并確保這些外信息與其他譯碼器所接收到的軟信息進行一一對應。譯碼過程被視為一種比較典型的迭代過程，所以，單次迭代情況的出現(xiàn)可以提高軟信息的利用率。

3 Turbo-TCM概述

3.1 TCM技術(shù)

TCM技術(shù)在具體的運用中，技術(shù)人員要嚴格遵循以下規(guī)則：（1）選用合適的網(wǎng)格圖，并從中確定頻度合適的子集。（2）借助網(wǎng)格圖，向指定的分隔子集發(fā)送并轉(zhuǎn)移相關操作指令。（3）根據(jù)所設置好的并行狀態(tài)，確定相應的信號點。

3.2 Turbo-TCM編碼調(diào)制器

Turbo-TCM編碼調(diào)制器主要是利用Turbo編碼器的設計思想，在TCM調(diào)制器的基礎上進行設計的，為了充分發(fā)揮和利用Turbo-TCM編碼調(diào)制器應用價值，技術(shù)人員要利用交織器[2]，采用并行級聯(lián)的方式，利用TCM碼，實現(xiàn)對相關序列信息安全、可靠的輸出和輸入，以確保迭代譯碼具有強大的編碼效益。此外，還要根據(jù)交織器結(jié)構(gòu)特點，將mbit碼字設置為相應的交織單位。

3.3 Turbo-TCM解調(diào)譯碼器

Turbo-TCM解調(diào)譯碼器在具體的設計中，主要借助多種類型的迭代譯碼器，并結(jié)合二進制設計思想，不斷修改、優(yōu)化和完善譯碼流程，從而最大限度地提高迭代譯碼處理效率和效果。

3.4 Turbo-TCM性能仿真

Turbo-TCM系統(tǒng)在具體的設計中，除了使用編譯原理外，還用到了譯碼算法，為了更好地驗證Turbo-TCM系統(tǒng)性能，現(xiàn)對該系統(tǒng)進行科學化仿真分析，同時，在不同的高斯白噪聲信道下，分別比較和探究Turbo-TCM的性能變化情況。在進行TCM調(diào)制期間，需要根據(jù)8PSK特點，選用合適的調(diào)制方式，將隨機交織器大小分別設置為1024 db、5000 db，然后，利用譯碼算法，實現(xiàn)對最大后驗概率算法的精確化分析和計算，從而得出如圖1、圖2所示的性能仿真曲線圖。

圖1 內(nèi)部審計=1024的性能仿真

圖2 內(nèi)部審計=5000的性能仿真

從以上兩個圖中可以看出，當?shù)螖?shù)不斷上升時，8PSKTurbo-TCM性能變化情況與Turbo碼性能變化情況基本類似。與同等條件下的8PSKTCM系統(tǒng)相比，即便迭代為1次，8PSKTurbo-TCM所對應的性能依然較高，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的根本原因是Turbo-TCM系統(tǒng)內(nèi)部使用了編譯碼結(jié)構(gòu)。另外，當交織器的容量呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢時，Turbo-TCM系統(tǒng)性能將會保持穩(wěn)定不變的狀態(tài)， 但是，交織器容量的不斷增加，在某種程度上可以對譯碼的處理效率產(chǎn)生直接性的影響，從而引發(fā)延時問題。

4 Turbo均衡

4.1 移動通信中的均衡技術(shù)

4.1.1 均衡技術(shù)的分類

以結(jié)構(gòu)為劃分原則，可以將均衡器劃分為以下兩類：①橫向濾波器。該濾波器所對應的線性系統(tǒng)僅僅含有前饋單元。②判決反饋濾波器。該濾波器所對應的非線性系統(tǒng)除了含有前饋單元外，還含有反饋單元[1]。根據(jù)碼元邊界所對應的采樣值，對被檢測信號進行間隔采樣。對于線性均衡器而言，其參數(shù)優(yōu)化準則主要包含以下兩種：一種是最小峰值畸變準則；另一種是最小誤差平方。根據(jù)這兩種準則[3]，可以得出以下兩種均衡算法，分別是ZF（迫零算法）、LS（最小二乘算法）。當信道參數(shù)處于未知狀態(tài)時[4]，上述兩種算法所對應的自適應算法分別是自適應迫零算法、RLS（最小二乘算法）。均衡器的類型、結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 均衡器的類型、結(jié)構(gòu)

4.1.2 均衡器概述

均衡器主要包含以下幾種：①LE（線性均衡器）。該均衡器主要由若干個延遲線組成，將各條線之間的延遲時間間隔設置為T，然后利用延遲符號精確地表示均衡器的傳遞函數(shù)，這種型號的均衡器又被稱為具有高沖擊響應能力的濾波器，這些濾波器內(nèi)部含有大量的前饋鏈路和反饋鏈路，極大地提高了電壓的穩(wěn)定性[5]。LE在具體的設計中，需要采用濾波處理的方式，對所接受的數(shù)據(jù)進行處理，從而獲得相應的符號估計值，然后根據(jù)設置好的準則，選用合適的參數(shù)。②DFE（判決反饋均衡器）。DFE主要由前向濾波器和反向濾波器組成。其中，前向濾波器與線性橫向均衡器作用類似，反饋濾波器所輸入內(nèi)容主要以判決序列為主，通過篩選并剔除當前估計值中的檢索符號，從根本上解決部分碼間的干擾問題。此外，DFE主要包含線性濾波器和非線性硬判決器，可以有效地解決突發(fā)誤碼傳播問題。③ML（最大似然序列接收機）。ML內(nèi)部含有符號間信道，這種信道具有較高的抗干擾能力以及記憶能力，因此當對信道進行有記憶的傳輸后，所接收到的字符具有一定的記憶特性。在處理記憶信號期間，需要利用最大似然序列算法，對其進行處理。

4.2 Turbo均衡技術(shù)

4.2.1 系統(tǒng)傳輸模型

對于通信系統(tǒng)而言，其系統(tǒng)傳輸模型在具體的創(chuàng)建中，需要將濾波器、抽樣器和信道進行有效組合，并等效為一個橫向濾波器，該濾波器具有較高的脈沖響應能力。然后，根據(jù)所設定好的離散時間，構(gòu)建出離散時間系統(tǒng)模型。編碼數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖見圖4。由圖4可以看出，當數(shù)據(jù)編碼處理結(jié)束后，被自動映射到所設計好的星座圖上[6]，然后穿過ISI信道。在接收端位置處，需要所接收的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)骄馄髦?，由均衡器采用逆映射的方式，對所輸出的?shù)據(jù)進行編碼和傳輸，使其安全、可靠地傳輸于解碼器中，由解碼器將最終的解碼數(shù)據(jù)進行輸出。

圖4 編碼數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖

4.2.2 Turbo均衡原理

Turbo均衡作為一種常用的方法，其原理為：將Turbo原理與均衡技術(shù)進行充分結(jié)合，并采用多次迭代的方式，確保均衡器與解碼器之間能夠快速地傳輸和交換信息，從而保證信息傳輸和交互的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

4.2.3 Turbo均衡算法

現(xiàn)階段，經(jīng)常用到的Turbo均衡算法主要包含以下幾種：（1）SIC（軟干擾抵消算法）。SIC并不能單獨使用，需要與MAP均衡算法和MMSE_DFE算法等其他類型算法進行組合使用。（2）MAP均衡算法。該算法內(nèi)部擁有比較小的誤碼率，因此運行性能比較理想。但是該算法涉及大量的運算，如除法運算、乘法運算等，因此其復雜度較高。（3）MMSE_DFE算法，該算法盡管復雜度較低，但是運行性能較差，因此該算法并不常用。

4.3 Turbo均衡的性能分析與仿真

3種算法的復雜度對比結(jié)果見表1，表1中含有N、M和q 3個字母，這3個字母分別代表估計濾波器的長度、信道響應的長度、字符集的大小。當所采用的調(diào)制方法為用8PSK調(diào)制法時，q值為3。由于MAP算法內(nèi)部使用了最優(yōu)準則，因此具有良好的運行性能，但是算法復雜度較高，因此不適用于通信系統(tǒng)。而后兩種算法由于其復雜度低，因此將其科學應用于通信系統(tǒng)中，可以取得良好的仿真效果。經(jīng)過仿真分析發(fā)現(xiàn)，以上3種算法的性能由高到低依次為：MMSE_LE算法、MMSE_DFE算法、MAP。由于選用MMSE_LE算法，可以提高Turbo均衡性能，因此，技術(shù)人員在實際運用中，要優(yōu)先選用MMSE_LE算法。

表1 3種算法的復雜度對比

5 結(jié)語

綜上所述，在信息技術(shù)的不斷發(fā)展和普及下，為了進一步提高通信業(yè)務處理水平，最大限度地提高無線通信的可靠性和安全性，技術(shù)人員要加強對信道糾錯編碼技術(shù)的分析和應用，該技術(shù)應用是否合理直接影響了傳輸系統(tǒng)的運行性能。而Turbo碼憑借自身的優(yōu)異性能，被廣泛地應用于信道編碼領域中，極大地提高了編譯碼器的性能和頻帶利用率。此外，通過將Turbo碼與TCM進行充分結(jié)合，不僅可以有效地提升系統(tǒng)頻譜利用率，還能確保編碼性能達到最佳狀態(tài)。在此基礎上，通過將Turbo碼與均衡技術(shù)進行充分融合，可以從根本上解決衰落信道中的碼間干擾問題。最后，利用Turbo均衡原理，可以向均衡器反饋譯碼器所輸出的信息數(shù)據(jù)，由均衡器負責處理這些數(shù)據(jù)，以保證最終均衡處理結(jié)果的精確性和真實性，從而解決碼間干擾問題，確保Turbo編碼和均衡技術(shù)更好地應用于無線通信領域中，為促進通信行業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展提供有力的保障。