Turbo码在第三代移动通信中的应用
Turbo码在3G通信中的应用
Turbo 码在3G 通信中的应用1. Turbo 码的研究现状对于Turbo 码的研究最初集中于对其译码算法、性能界和独特编码结构的研究上，经过十多年来的发展历程，已经取得了很大的成果，在各方面也都走向使用阶段。
Turbo 码由于很好地应用了香农信道编码定理中的随机性编译码条件而获得了接近香农理论极限的译码性能。
它不仅在信噪比较低的高噪声环境下性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力。
目前，Turbo 码的研究主要集中在以下几个方面：(1)编译码技术。
编码方面主要包括对并行级联编码与串行级联编码的分析，以及对混合级联方式的研究；译码方面主要包括迭代译码、译码算法（最大后验概率算法MAP 、修正的MAP 算法Max-Log-MAP 、软输出Viterbi 算法SOVA 等）的研究。
(2)Turbo 码的设计和分析。
主要包括交织器的设计、码的级联方式、译码算法、Turbo 码的性能分析等。
在性能分析中，主要对码重分布及距离谱进行分析，但由于没有相应的理论支持，这种分析只能是近似的，且仅局限于短码长、小码重的情况。
(3) Turbo 码在直扩(CDMA) 系统中的研究及应用。
Turbo 码不仅在信道信噪比很低的高噪声环境下性能优越，而且还具有很强的抗衰落、抗干扰能力，因此它在信道条件差的移动通信系统中有很大的应用潜力，在3G 系统(IMT-2000)中己经将Turbo 码作为其传输高速数据的信道编码标准。
3G 系统(IMT-2000)的特点是多媒体和智能化，要能提供多元传输速率、高性能、高质量的服务，支持大数据量的多媒体业务。
由于无线信道传输媒质的不稳定性及噪声的不确定性，一般的纠错码很难达到较高要求的译码性能(一般要求比特误码率小于e)，而Turbo 码优异的译码性能，可以纠正高速率数据传输时发生的误码。
另外，由于在直扩(CDMA) 系统中采用Turbo 码技术可以进一步提高系统的容量，所以有关Turbo 码在直扩(CDMA) 系统中的应用，也就受到了各国学者的重视。
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第 ３卷 第 ２期
２０ 年 ６月 ０２
信 息 Ｉ 程 天 学 学 报
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法 的 硬 件 甄 方 案
关 键 词 ： ｕ ｏ码 ； Ｇ Ｐ Ａ ：Ｍ ｘＬｇＭＡ Ｔｒ ｂ ３ Ｐ ；Ｍ Ｐ ａ—ｏ— Ｐ 中 图 分 类 号 ： Ｎ １ Ｔ ９ １２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １ ６３ ２ ０ ）２— ０ ６ ４ １７ —０ ７ ０ ２０ ０４ —０ ｃ
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数字通讯中的维特比译码和Turbo码
译码器在数字通信中的应用摘要：译码器可以用来实现组合电路，也可以用来实现码制转换。
译码器就是把种代码转换为另一种代码的电路。
随着现代电子技术的发展，译码器作为最基本的电子元器件之一，已广泛应用于数字通信系统中。
关键词：译码器，数字通信，维特比译码，Turbo码1 引言在数字电路中，能够实现译码功能的逻辑部件称为译码器(Decod6r)。
实际上，译码器就是把一种代码转换为另一种代码的电路。
译码器是一种组合逻辑电路。
它的输入代码的组合将在某一个输出端产生特定的信号。
译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制代码状态都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。
把代码状态的特定含义翻译出来的过程称为译码，实现译码操作的电路称为译码器，或者说译码器是将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。
实际上，译码器就是把种代码转换为另一种代码的电路。
随着现代电子技术的发展，译码器作为最基本的电子元器件之一，其应用领域越来越广泛，尤其是数字通信中的应用。
2原理（1）译码器的原理译码器的原理：用来表示输入变量状态的译码器是一种二进制译码器，输入输出代码之间的关系可由真值表表示。
n个输入代码就有2n个输入状态，因此译码器就有2n个输出和输入状态相对应。
每个输出的特定电位状态表示输入代码的一种组合。
（2）数字通信系统数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。
如下图所示，数字通信主要涉及信编码和译码，信道编码与译码，同步及加密等等。
通信系统中信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力。
接受端的信道译码器按相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，提高通信系统的可靠性。
纠错编码的基本思想是：在编码过程中，通过给所传输的信息设置附加的校验位，即增加其冗余度，使原来无规律或规律性不强的一组信息具有某种相关性；接收信息时再依据这种相关性译码，使编码信息具有检测或纠错性能，而用来检测或纠错的冗余码被称为纠错码。
3GPPWCDMA系统Turbo译码中交织解交织的FPGA实现方案
引言１９９３年Ｃ．Ｂｅｒｒｏｕ等在总结卷积码最大后验概率译码Ｂａｈｌ算法、乘积码和级联码等理论基础上，创造性地提出了“Ｔｕｒｂｏ 码”的编译码新概念。
Ｔｕｒｂｏ码的巧妙之处在于多个子编码器通过交织器进行并行或串行级联（ＰＣＣ／ＳＣＣ），然后以类似内燃机引擎废气反复利用的机理进行迭代译码，从而获得具有接近Ｓｈａｎｎｏｎ极限的纠错性能。
在Ｔｕｒｂｏ 码的编译码过程中，正是由于交织器的存在才真正体现了Ｓｈａｎｎｏｎ随机编码的思想精华。
在Ｔｕｒｂｏ译码中反复地利用了附加信息（即外信息）在子译码器间进行多次迭代译码的结果，而这些由各级子译码器产生并反映相应信息位译码判决可信度的附加信息之所以能被相互利用，归功于插在它们之间的交织与解交织器，即它们的“置乱”作用使在同一时刻送入各子编译码器的信息序列码元几乎不相关。
虽然使用Ｔｕｒｂｏ 码能获得极佳的纠错性能，但在许多实际应用场合也给我们带来了极高的编译码复杂度，尤其是Ｔｕｒｂｏ译码更是需要大量的计算，庞大的缓存空间和比较长的译码延迟时间，所有这一切制约着Ｔｕｒｂｏ 码在实时性要求较高的场合中的进一步广泛应用。
在第三代移动通信系统中，Ｔｕｒｂｏ码已经作为一项新技术被应用于快速分组数据的差错控制。
作为其中一大难点的Ｔｕｒｂｏ译码常采用以ＢＣＪＲ算法为基础、具有最小比特差错概率的ＭＡＰ算法及其改进或简化算法，其译码原理框图如图１所示。
由于译码中需要经历Ｌ＝４￣８次循环迭代，而交织、解交织模块更是需要在其中多次反复调用，所以如何设计一个简单有效的交织、解交织器对节省译码资源和缩短译码时间具有重要意义。
交织与解交织过程根据３ＧＰＰ ＷＣＤＭＡ移动通信系统的协议规范，Ｔｕｒｂｏ 码中最为繁琐同时也是最具特色的是其内部交织器，交织过程可分为如下几个步骤：计算交织矩阵的行数Ｒ和列数Ｃ设Ｋ为输入比特长度，则行数Ｒ由以下方法决定：Ｒ＝５ ｉｆ ４０≤Ｋ≤１５９Ｒ＝１０ ｉｆ １６０≤Ｋ≤２００ ｏｒ ４８１≤Ｋ≤５３０Ｒ＝２０ ｅｌｓｅ而确定矩阵列数Ｃ的算法如下：ｉｆ（４８１≤Ｋ≤５３０） ｔｈｅｎ ｐ ＝ ５３ ａｎｄ Ｃ ＝ ｐｅｌｓｅ Ｆｉｎｄ ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｒｉｍｅ ｐ ｓｕｃｈ ｔｈａｔ （ｐ＋１）－Ｋ／Ｒ≥０，ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ Ｃ ｓｕｃｈ ｔｈａｔ ｉｆ （ｐ －Ｋ／Ｒ≥０） ｔｈｅｎ ｉｆ（ｐ－１－Ｋ／Ｒ≥０） ｔｈｅｎ Ｃ ＝ ｐ －１ ｅｌｓｅ Ｃ ＝ ｐ ｅｎｄ ｉｆ ｅｌｓｅ３ＧＰＰ ＷＣＤＭＡ系统Ｔｕｒｂｏ译码中交织解交织的ＦＰＧＡ实现方案FPGA Implementation of Interleaver and Deinrterleaver in Turbo Decoder of 3GPP WCDMA System 解放军信息工程大学通信工程系 马晓军 张水莲 齐赛摘要：本文主要介绍了在第三代移动通信ＷＣＤＭＡ系统中Ｔｕｒｂｏ／ＭＡＰ译码部分交织解交织模块的ＦＰＧＡ实现方案。
turbo码结构和编码方法
摘要：Turbo码，由于性能接近Shannon理论限，在低信噪比的应用环境下比其他编码好。
因而第三代移动通信系统多种方案中，考虑将Turbo码作为无线信道的编码标准之一。
本文介绍了Turbo码的结构和编解码方法，及其在第三代移动通信系统中的应用。
关键词：信道编码；Turbo码；RSC编码器；交织器；迭代译码；第三代移动通信Abstract: Turbo codes,because of it’s outstanding performance in channel coding,has been considered by IMT-2000 as a plan of application. This paper introduces the principle of basic structure of Turbo codes.Also,the paper introduces the mainly application in 3G(3ird Generation) mobile telecomminucation systems.Key words: channel coding; Turbo codes; RSC; interleaver; recursive algorithm; 3G(the 3ird generation)mobile telecommunication systems一、引言信息论诞生50多年以来，人们一直努力寻找更加接近Shannon限、误差概率小的的编码方法。
在1993年ICC国际会议上，C.Berrou,A.Glavieux和P.Thitimajshiwa提出了一种称之为Turbo Code的编、译码方案，并在交织器大小为：情况下，迭代18次，对它进行了计算机仿真。
仿真结果表明，当归一化信噪比时，。
其编码增益比Shannon信道容量的差距小于1dB。
[1] 从第三代移动通信系统候选方案来看，普遍要求提供中速或者高速的数据业务，一般的数据业务信道为64kbps,144kbps,384kbps。
Turbo码在第三代移动通信中应用技术
本科生毕业论文（设计）中文题目Turbo码在第三代移动通信中应用英文题目学生姓名班级学号学院专业指导教师职称摘要Turbo码是应用在CDMA2000系统中的新的纠错编码技术。
自从被提出之后，已经从最初的理论研究，发展到成功的应用到第三代移动通信系统当中。
Turbo码的纠错性能优于卷积编码，但是译码复杂度高，而且编码时延较大，适用于对时延要求不高的高速数据业务。
本文主要介绍了Turbo码的产生背景，研究现状以及应用的领域。
掌握了Turbo码编码器的结构和译码器的原理。
在无线通信系统中，无线信道的特性对信号传输的影响非常大，本文介绍了无线信道的特性，信道衰落的产生的原因以及CDMA2000系统的空中接口的物理信道，引出了在信道纠错编码领域中一项就有突破性意义的技术，即Turbo码技术。
Turbo不仅在信道编码领域凸显出其优异的性能，基于Turbo码的基本思想，尤其是迭代译码的思想，Turbo码与其他技术结合时，可以对整个系统提供更好的性能。
还介绍介绍Turbo码在cdma2000中的应用仿真，并对它的性能进行了分析以及在设计Turbo的相关参数时应该注意的问题。
最后对本毕业设计做了简要总结及致谢。
关键词Turbo码编码译码CDMA2000ABSTRACTTurbo code is an error correctioncoding techniquesusedintheCDMA2000 system. Since the turbo code was proposed,turbo code has been applied in the third generation mobile communicaton system successfully.Error correction performanceofTurbo codeis better thantheconvolutional encoding.Becauseturbo code’s decoding is high complexityandcodingdelayis long ,it is fit fordelaylow-speed data services.This paper describes the backgroundofTurbo codes, and its theareasofcurrent researching andapplications. I learn theprincipleofthe structureoftheTurbo Encoderanddecoder. Inwireless communication systems, radio channelcharacteristics ofthesignal transmissionis very large.This article describes thecharacteristicsofthewireless channel, thechannel fadingcauses andCDMA2000air interfacephysicalchannel.There isabreakthroughtechnologyinthefieldofthe channelerror correction coding. Not only Turbo codereflectsexcellent performanceinthefieldofchannel coding, especiallytheideaofiterative decodingbasedonthe basic ideaofTurbo codes, but also Turbocodes andothertechnologiescanprovide better performancein the entire system.This articlealso describestheapplicationofTurbo codesin cdma2000simulation,and makesperformanceanalysis, anddiscibe what theproblemshould be noted when peopledesigntheTurbo. Finally, I made a briefsummaryandthanks inthis graduation.Keywords Turbo-code Coding decoding CDMA2000system目录第一章绪论11.1 第三代移动通信11.2 Turbo码的起源11.3 Turbo码研究现状21.4 Turbo码的应用领域3第二章Turbo码编译码原理62.1 编码原理62.2 分量编码器和删余器72.3 交织器92.4 解码原理112.5 解码算法132.6 小结19第三章Turbo码在CDMA2000中的应用203.1 无线信道的特性203.2 CDMA2000系统223.3 CDMA2000的空中接口233.4 CDMA2000物理信道253.5 CDMA2000中Turbo码的关键技术283.6 Turbo码与其他技术的结合303.7 CDMA2000中的Turbo编码器与交织器333.8 小结38第四章Turbo码的Matlab仿真及其仿真结果分析404.1 编码约束度对Turbo码性能的影响404.2 迭代次数对Turbo码性能的影响414.3 交织长度对Turbo码性能的影响424.4 码率对Turbo码性能的影响43结论46致谢48参考文献50第一章绪论1.1第三代移动通信（0001）第三代移动通信系统[1]，简称3G（3rd-generation），是指工作在2G频段上支持高速数据传输的蜂窝移动通讯系统。
turbo1
摘要：本文介绍了差错控制编码——Turbo码，介绍了编译码原理及其应用，并详细说明了仿真过程，译码采用了两种算法Log-MAP算法和SOVA算法，比较了不同迭代次数对Turbo码性能的影响，及不同译码算法下Turbo码的性能。
关键词：差错编码；Turbo码；RSC编码器；交织器；Log-MAP算法；SOV A算法1 引言1948年，现代数字通信的奠基人Shannon在其“通信的数学理论”一文中提出并证明了著名的有噪信道编码定理，指出只要随机编码的码长足够大，就可以进行无限逼近信道容量C的通信并使错误概率任意小。
他证明：对于平稳离散无记忆有噪声信道，如果数据源的速率R低于信道容量C时，则一定存在一种编码方法，使当平均码字长度足够长时，用最大似然译码可达到任意小的错误概率。
但随机编码的译码复杂度随码长指数增长以致于不可实现。
1993年C.Berrou等人提出的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，它的误码性能在10-5数量级上逼近了Shannon极限。
Turbo码通过在编码器中引入随机交织器，使码字具有近似随机的特性；通过分量码的并行级联实现了通过短码（分量码）构造长码（Turbo码）的方法；在接收端虽然采用了次最优的迭代算法，但分量码采用的是最优的最大后验概率译码算法，同时通过迭代过程可使译码下接近最大似然译码。
本文介绍Turbo码编译码原理、应用及其性能的仿真。
2 编译码原理Turbo码的最大特点在于它通过在编译码器中交织器和解交织器的使用，有效地实现了随机编码的思想，通过短码的有效结合实现长码，达到了接近Shannon理论极限的性能。
2.1 Turbo码的编码Turbo码的编码器可以分为三种结构：PCCC（并行级联卷积码）、SCCC（串行级联卷积码）和HCCC（混合级联卷积码）。
C.Berrou等人最初提出的Turbo码采用的是并行级联卷积码的结构，即PCCC。
turbo码在第三代移动通信中的应用解析
Turbo码简介及其在第三代移动通信中的应用南京邮电学院孙丽霞南京邮电学院张宗橙摘要：Turbo码，由于性能接近Shannon理论限，在低信噪比的应用环境下比其他编码好。
因而第三代移动通信系统多种方案中，考虑将Turbo码作为无线信道的编码标准之一。
本文介绍了Turbo码的结构和编解码方法，及其在第三代移动通信系统中的应用。
关键词：信道编码；Turbo码；RSC编码器；交织器；迭代译码；第三代移动通信Abstract: Turbo codes,because of it’s outstan ding performance in channel coding,has been considered by IMT-2000 as a plan of application. This paper introduces the principle of basic structure of Turbo codes.Also,the paper introduces the mainly application in 3G(3ird Generation) mobile telecomminucation systems.Key words: channel coding; Turbo codes; RSC; interleaver; recursive algorithm; 3G(the 3ird generation)mobile telecommunication systems一、引言信息论诞生50多年以来，人们一直努力寻找更加接近Shannon限、误差概率小的的编码方法。
在1993年ICC国际会议上，C.Berrou,A.Glavieux和P.Thitimajshiwa提出了一种称之为Turbo Code的编、译码方案，并在交织器大小为：情况下，迭代18次，对它进行了计算机仿真。
仿真结果表明，当归一化信噪比时，。
第三代移动通信中的Turbo码标准及其应用研究
ｓａ ｄ ｒ ｓ ａ ｅ ｅ ｐ ａ ｎ ｄ Ｔｈ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｓ ｏ ｕ ｂ ｏ ｅ ｒ ｈ ｇ —ｓ ｅ ｄ ａ ａ ｓ ｒ ｉ ｅ ｏ ｅ ｔｎ ａ ｄ ｒ ｘ ｌ ｉ ｅ ， ｅ ｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅ ｆ ｔ ｒ ｏ ｃ ｄ ｓ ｆ ｉｈ ｐ ｅ ｄ ｔ ｅ ｖｃ ｓ ｖ ｒ ＡＷ ＧＮ ｈ ｎ ｅ ｒ ｉ ｌ ｔ ｏ ｃ ａ ｎ ｌ ａ ｅ ｓ ｍｕ ａ —
摘 要 文 章 介 绍 了 第 三 代 移 动 通 信 系 统 地 面 无 线 接 口技 术 标 准 中 的 Ｔ ｒ ｏ码 规 范 ， 详 细 描 述 了 标 准 中 ｔｒ ｏ码 的 关 ｕｂ 并 ｕｂ 键 参 量 ， 交 织 器 的 类 型 、 格 终 止 方 案 、 除 复 用 模 式 等 等 。 此 外 ， 文 还 采 用 ３ Ｐ和 ３ Ｐ ２所 建 议 的 标 准 ， ｔｒ ｏ 如 栅 删 该 ＧＰ Ｇ Ｐ 对 ｕｂ 【 码在 Ａ ＷＧ 信 道 上 传 送 高速 数 据 业 务 时 的 纠 错 性 能 分 别 进 行 了仿 真 ， 对 仿 真 结 果 进 行 了比 较 。 Ｎ 并 关键 词 Ｔ ｒｏ码 高 速 数 据 业 务 Ｃ ｕｂ ＤＭＡ ０ ０ Ｗ Ｃ ２０ ＤＭＡ
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第 三代 移 动 通 信 中 的 Ｔ ｒ ｏ码标 准 及 其 应 用 研 究 ｕｂ
张 琳 张 光 昭
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ 山大 学 电子 系 ， 州 ５ ０ ７ ） 中 广 １ ２ ５
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ｌ 引 言
早 在 １８ ９ ５年 ， Ｕ 就 已 开 始 了 对 第 三 代 移 动 通 信 系 统 的 Ｉ Ｔ
估 值 ， 者 进 行 序 列 估 值 。 此 外 ， Ｐ算 法 在 格 子 结 构 图 中 搜 后 ＭＡ
Turbo码在3GPP短帧数据传输中的性能分析
d1 = 25 , N d1 = 3 , A d1 = 9/ 560 d2 = 27 , N d2 = 3 , A d2 = 13/ 560
(3. 1)
图 3. 1 为由 (3. 1) 式计算出的误比特率与误帧
53 , 81 ≤K ≤530
C=
K R
-
1
+1-
p
min
其它
K R
-
1
+1-
p
K R
,2
(1. 4) 若 K < R ×C , 写入数据时需在信息序列后加 入 ( R ×C - K) 比特填充数据 。在块交织器中 ,按 TS25. 212 规范完成行内交织与行间交织后 ,再按列 读出 。删除掉多余的 ( R × C - K) 比特填充数据 后 ,就得到了交织输出序列 。
3 短帧中 8 状态 Turbo 码的性能仿真结果 与译码复杂度分析
本节中分析了 AW GN 信道下一些短交织长度 8 状态 Turbo 码的性能 。为便于比较 ,同时仿真了 256 状态 (3 ,1 ,8) 卷积码的性能 ,它的生成多项式为
(557 ,663 ,711) 8 . 最大后验概率 ( MAP) 算法是 Turbo 码的最佳
的性能曲线 , Turbo 码交织长度分别为 240 、560 与
≈
1 2
d=
d1
N
d
·erfc
d ·Rc ·Eb
N0
(2. 5)
确定 A ( W , Z) 后 ,就可根据 (2. 1) 式 、(2. 5) 式
Turbo码在3G通信中应用
Turbo码在3G移动通信中的应用------------Turbo码-接近完美的编码概述Turbo码，信道编码的一种。
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, Turbo码使工程师可以在一个信道里传输多得多的无误码数据，从而将成为多媒体移动通信的关键，其正以其优越的性能逐渐在通信系统受到人们的重视，在概述了Turbo码的编译码算法原理以后，针对其在第三代移动通信系统（3G）中的应用，对其迭代译码进行了DSP定点仿真实现，并与Matlab浮点仿真进行了比较，在SNR为0．2 dB时，误码率已近似为0，已成为3G中的首选方案。
一、历史发展Turbo码由于其近Shannon界的突出纠错能力，成为近年信道编码理论研究的热点问题。
其编码器由两个（或多个）带反馈的系统卷积码器经一交织器并行级联而成，接收端一般采用逐位最大后验概率译码器通过反复迭代循环来译码。
二、编码原理Turbo 码最先是由C. Beηou等提出的。
它实际上是一种并行级联卷积码(Parallel Concatenated Convolutional Codes）。
Turbo 码编码器是由两个反馈的系统卷积编码器通过一个交织器并行连接而成，编码后的校验位经过删余阵，从而产生不同的码率的码字。
如图所示：信息序列u={u1,u2,……，uN}经过交织器形成一个新序列u'={u1',u2'，……，uN'}（长度与内容没变，但比特位经过重新排列），u 和u'分别传送到两个分量编码器（RSC1与RSC2) ，一般情况下，这两个分量编码器结构相同，生成序列X和X，为了提高码率，序列X和X需要经过删余器，采用删余（puncturing）技术从这两个校验序列中周期的删除一些校验位，形成校验序列X,X，与未编码序列X'经过复用调制后，生成了Turbo码序列X.1. 分量码的选择Turbo 码的一个重要特点是它的分量码采用递归系统卷积码（RSC，Recursive Systematic Convolutional code) ，这也是它性能优越的一个重要原因。
3G移动通信系统中信道编码TurboDecoder解码器实现简介
cod ing 的过程就可以开始了。 编码器图中复用器的 作用在于便于尾比特的生成处理, 这将在后面说明。 两个 R SC encoder 中的移位寄存器的初始状态为全 零, 上边的 R SC encoder 从存储信息的数据 B lock 中 以 顺 序 地 址 读 取 数 据, 进 行 卷 积 编 码; 下 边 的 R SC encoder 从存储信息的数据 B lock 中以交织地 址进行数据读取, 进行卷积编码。 这样, 就从逻辑上 在上下两个编码器中间设置了一个交织器, 可以使 进入两个编码器的数据具有足够的非相关性。
电子工程师
通信技术与设备
V ol. 27 N o. 4 2001
3G 移动通信系统中信道编码 Turbo D ecoder 解码器实现简介Ξ
An O verv iew of Turbo D ecoder Im plem en ta tion in the Th ird Genera tion M ob ile Comm un ica tion System
华中科技大学电信系 (武汉 430074) 崔景城 汪志冰
【摘 要】 介绍了在第三代移动通信系统中信道编解码使用的 T u rbo2codes 和 T u rbo D ecoder 解码器的原理算法和实现方案。
关键词: Turbo-codes, Turbo decoder, 卷积码, 信道编码,M AP 算法 【Abstract】 T h is p ap er is an overview fo r the im p lem en ta t ion of T u rbo D ecoder, in2 clud ing the a lgo rithm of T u rbo D ecod ing, the st ructu re of T u rbo D ecoder and the sim u la2 t ion.
第三代移动通信系统及其标准介绍
第九章 第三代秱劢通信系统及 其标准介绉
本章提示
第三代秱劢通信系统就是IMT-2000，它 是国际电信联盟（ITU）在1985年提出未来公 众陆地秱劢通信系统（FPLMTS）的名称的更 换，意思是在2000年左右可开始商用并工作在 2000MHz频段上的国际秱劢通信系统（IMT2000）。
15
4．多用户检测和干扰消除技术
多用户检测的基本思想是把所有用户的信号 都当做有用信号，而丌是当做干扰信号。
移 动 通 信 原 理
绊过近20年的収展，CDMA系统多址干扰抑 制戒多用户检测技术，已慢慢走向成熟及实用。 考虑到复杂度及成本等的原因，目前的多用 户检测实用化研究，主要围绕基站迚行。
16
反向与用信道由若干物理信道组成：一个反向导频
移 动 通 信 原 理
信道，一个反向基本（业务）信道（R-FCH），一个 戒若干个反向补充（业务）信道（R-SCH）和一个反 向与用控制信道（R-DCCH）。
35
2．反向与用信道
移 动 通 信 原 理
反向与用信道结构
36
2．反向与用信道 （1）反向导频信道（R-FICH）
42
9.3.1 概述
移 动 通 信 原 理
无线接口协议模型
43
9.3.2 FDD模式的无线传输
l．传输信道
移 动 通 信 原 理
传输信道分为两类：与用信道和公共信道。 与用信道（DCH）用于以某个秱劢台和网络之间传送用 户信息戒控制信息，可为上行戒下行。 与用信道分为三种：与用业务信道（DTCH）、独立与
WCDMA的无线接口协议模型如图9-10所示。
WCDMA继承了GSM无线接口协议的特点，定义了各种
移 动 通 信 原 理
编码与调制——第6章 Turbo码
2
6.1 Turbo的编码
Turbo编译码方案能够拥有极强的纠错能力，是因为它有二 个重要的特点：
编码器由两个递归系统卷积码（RSC）通过交织器以并行级联的方
式结合而成，以较小的编译码复杂度，生成码重分布优良的长码 译码器采用迭代的方式，充分利用码字的约束信息
Turbo码的编码结构（如图6-1）
图6-2 基于（2，1，2）RSC的PCCC Turbo编码器
7
6.1 Turbo的编码
由于编码器是系统的，因此信息序列就等于第一个输出序 列，即：
(0) (0) v (0) = u (v0 , v1(0) , , vK 1 ) 第一个编码器输出的校验序列为：
(1) (1) v (1) (v0 , v1(1) , , vK 1 )
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6.1 Turbo的编码
3 混合级联卷积码（HCCC） 经过过上两节的描述，我们了解了PCCC和SCCC，也就容 易想到将两者结合起来的编码方案。这样就即可以保证在低 信噪比的情况下优异的译码性能，又可以有效消除PCCC的 平台效应。这种结合方案就称作混合级联卷积码。 图6-1(c)、(d)给出了2种常见的HCCC编码方案。很显然， HCCC的实现要比PCCC和SCCC要复杂的多。
v (0) = u (1011001)
v (1) (1100100)
v (2) (1000000)
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6.1 Turbo的编码
没有删余的时候，码率是1/3，根据公式6-2有：
v (111, 010,100,100, 010, 000,100)
当使用删余矩阵P时，码率是1/2，因此有输出：
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6.1 Turbo的编码
Turbo
Turbo码给我们的启示1冀复生今天Turbo码在通信界已经几乎无人不晓。
用Google搜索“Turbo code”可以得到800多万结果。
在未来的第三代移动通信中，它很可能成为编码方案的标准之一（即使不采用它，新的方案也很可能是受其启发，基于与它相似的思路而产生的类似方案），但是Turbo码诞生过程却有一段引人入胜的故事。
1993年在日内瓦召开的IEEE通信国际会议上，两位当时名不见经传的法国电机工程师克劳德.伯劳和阿雷恩.格莱维欧克斯声称他们发明了一种编码方法，可以使信道编码效率接近香农极限。
这一消息太“轰动”了，以致多数权威认为一定是计算或实验有什么错误。
许多专家甚至懒得去读完这篇论文。
在数字通信领域，编码效率一直是关注的焦点。
根据现代信息论的奠基人香农提出的为科学界公认的理论，在一个存在噪声的信道里，可以可靠地传输的最大速率是C = W log2 (1 + P/N)其中：C是信道内可以可靠传输的最高码率（以比特/秒为单位），称之为信道容量；W是信道带宽（以赫兹或1/秒为单位）；P/N是信道的信噪比（即信号功率与噪声功率之比）。
按照这一理论，要想在一个带宽确定而存在噪声的信道里可靠地传送信号，无非有两种途径：加大信噪比或在信号编码中加入附加的纠错码。
用生活中的例子类比，就好像在一个嘈杂的啤酒馆里要让侍者听到你的要求，你就得提高嗓门（信噪比），反复吆喝（附加的冗余信号）。
多年来人们都在试图接近香农提出的码率极限，然而在这两位法国老兄以前，最好的结果所消耗的功率和香农定理比较还有3.5分贝的差距。
就是说比按照香农定律计算得到的所需功率数值高一倍多。
香农曾经指出，要提高信号编码效率达到信道容量，就要使编码的分段（所谓“编码词”的长度）尽可能加长而且使信息的编码尽可能随机。
但是，这带来的困难是计算机科学里经常碰到的“计算复杂性”问题。
为了使编码接近香农理论，也许需要使编码词长度为1000比特。
相应的计算量为21000，即约为10301。
三大3G主流制式比较
三大3G主流制式比较1序言2009年1月7日，工业和信息化部批准发放3张第三代移动通信（3G）牌照，此举标志着我国正式进入了3G时代。
它们分别是基于FDD制式的CDMA2000和WCDMA,以及TDD制模式的TD-SCDMA。
其中TD-SCDMA 在高效的频谱利用率以及对业务支撑的灵活性等方面有着天然的优势，非常符合未来移动通信的发展方向，将会在未来的3G竞争中展现出强大的竞争力。
2TDD与FDD比较在FDD（频分双工）制式中，系统采用成对对称的频谱来提供语音业务以及数据传输业务。
整个频带被裁分未若干窄带业务信道，每对信道之间须保留一定的保护间隔，以防止临频干扰。
毫无疑问，FDD制式非常适合于语音类的上下行对称业务，因而可以成为移动通信系统的典型标准之一。
然而，用户对高速数据传输的需求日益增长，3GPP提出3G的下行传输速度需达到2Mbit/s以适应各种对称的以及非对称的业务需求，由此导致用户对频带以及数据吞吐量猛增。
因而，频谱的利用效率必将成为3G竞争的重点。
FDD难以实现最佳的频谱效率在3G的对称业务方面，上、下行链路形成一个对称的双工业务负载。
在FDD 制式下，由于上、下行链路业务负载的对称性，对称业务将在成对对称的频谱上呈现最佳的频谱效率。
然而，随着大规模的无线包交换业务的广泛应用，非对称双工业务成为无线通信网络的主要负载。
其最典型的特征就是上、下行链路中的业务负载量不再是对称出现，而是取决于不同的业务类型。
为了达到最佳的频谱效率，则需要各种业务都可能灵活的调用有限的频谱资源。
然而在FDD的固定的上、下行频谱分配的模式下，灵活的将对称的频谱分配给非对称的上、下行业务负载是不可能的。
因此，基于FDD成对对称的频带分配制式实现语音或数据等对称及非对称的业务负载很难达到最佳的频谱利用效率，最终将造成一定程度上的频谱资源浪费。
TDD将频谱利用率推向最高为了实现对称及非对称业务的最佳的频谱效率，灵活的、自适应的频谱分配是十分必要的。
无线通信网络中的信道编码方法分析与比较
无线通信网络中的信道编码方法分析与比较无线通信网络技术的快速发展和广泛应用给人们的生活带来了巨大改变。
作为其中至关重要的一环，信道编码技术发挥着至关重要的作用。
本文将对无线通信网络中常见的信道编码方法进行分析与比较，包括卷积码、LDPC码和Turbo码。
首先，我们来看卷积码。
卷积码是一种线性时不变码，它基于有限状态机在输入序列上进行滑动，通过将多个输入比特映射到一个或多个输出比特来实现编码。
卷积码具有较好的码率和错误纠正能力，但存在复杂性较高的问题。
卷积码的解码算法有Viterbi算法和BCJR算法，其中Viterbi算法是一种经典的最大似然译码算法，能够有效地实现高速解码。
卷积码广泛应用于无线通信领域，特别是数字通信系统中。
其次，我们来看LDPC码。
LDPC码是一种分布式编码方法，其特点是可通过迭代解码算法进行快速解码。
LDPC码在无线通信网络中被广泛应用，特别是在无线局域网（WLAN）标准中使用较多。
LDPC码具有高度的纠错能力和较低的译码复杂性，是一种具有广泛应用前景的编码方法。
LDPC码的主要挑战在于设计复杂性较高以及实现硬件的困难。
最后，我们来看Turbo码。
Turbo码是一种迭代码，由两个或多个卷积码级联构成。
Turbo码通过迭代译码算法来实现更好的性能。
Turbo码在无线通信网络中广泛应用，特别是在第三代移动通信系统（3G）和第四代移动通信系统（4G）中使用较多。
Turbo码具有较高的编码效率和较好的纠错能力，但其译码算法复杂性较高，对硬件的要求也较高。
综上所述，卷积码、LDPC码和Turbo码是无线通信网络中常见的信道编码方法。
它们各自具有优点和局限性，适用于不同的应用场景。
卷积码在数字通信系统中应用广泛，LDPC码在无线局域网（WLAN）标准中使用较多，Turbo码在第三代移动通信系统（3G）和第四代移动通信系统（4G）中得到了广泛应用。
随着通信技术的不断发展，信道编码方法也在不断地演进和改进，以适应不同的通信需求。
26. 无线通信中的编码技术有哪些？
26. 无线通信中的编码技术有哪些？26、无线通信中的编码技术有哪些？在当今高度互联的世界中，无线通信已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
从手机通话到无线网络连接，从卫星通信到物联网设备之间的信息交换，无线通信无处不在。
而在无线通信系统中，编码技术起着至关重要的作用，它能够提高通信的可靠性、效率和安全性。
那么，无线通信中的编码技术都有哪些呢？首先，我们来了解一下信道编码技术。
信道编码的主要目的是通过在发送的信息中添加冗余信息，来对抗信道中的噪声和干扰，从而提高信息传输的可靠性。
其中，卷积码是一种常见的信道编码方式。
卷积码具有较强的纠错能力，其编码过程是通过移位寄存器和模 2 加法器实现的。
在接收端，通过维特比译码算法可以有效地对卷积码进行译码。
另一种重要的信道编码技术是Turbo 码。
Turbo 码是一种接近香农极限的编码方式，具有非常出色的纠错性能。
它通过将两个或多个简单的卷积码并行级联，并在其间加入交织器，从而实现了优异的纠错能力。
Turbo 码在第三代移动通信（3G）以及后续的无线通信标准中得到了广泛应用。
低密度奇偶校验码（LDPC 码）也是一种性能卓越的信道编码技术。
LDPC 码的校验矩阵具有低密度的特点，这使得其译码算法的复杂度相对较低。
LDPC 码在卫星通信、数字电视等领域都有着出色的表现。
除了信道编码，信源编码也是无线通信中的重要编码技术。
信源编码的主要任务是去除信源中的冗余信息，以提高传输效率。
例如，脉冲编码调制（PCM）是一种早期的信源编码技术，它将模拟信号转换为数字信号。
在语音通信中，常用的信源编码技术有线性预测编码（LPC）。
LPC 通过分析语音信号的线性预测系数来对语音进行编码，大大降低了语音信号的传输带宽。
此外，还有一种叫做矢量量化（VQ）的信源编码技术。
VQ 将输入信号矢量与一组预先定义的矢量进行比较，并选择最接近的矢量进行编码，从而实现数据压缩。
在无线通信的安全领域，加密编码技术起着关键作用。
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本科生毕业论文（设计）中文题目Turbo码在第三代移动通信中应用英文题目学生姓名班级学号学院专业指导教师职称摘要摘要Turbo码是应用在CDMA2000系统中的新的纠错编码技术。
自从被提出之后，已经从最初的理论研究，发展到成功的应用到第三代移动通信系统当中。
Turbo码的纠错性能优于卷积编码，但是译码复杂度高，而且编码时延较大，适用于对时延要求不高的高速数据业务。
本文主要介绍了Turbo码的产生背景，研究现状以及应用的领域。
掌握了Turbo码编码器的结构和译码器的原理。
在无线通信系统中，无线信道的特性对信号传输的影响非常大，本文介绍了无线信道的特性，信道衰落的产生的原因以及CDMA2000系统的空中接口的物理信道，引出了在信道纠错编码领域中一项就有突破性意义的技术，即Turbo码技术。
Turbo不仅在信道编码领域凸显出其优异的性能，基于Turbo码的基本思想，尤其是迭代译码的思想，Turbo码与其他技术结合时，可以对整个系统提供更好的性能。
还介绍介绍Turbo码在cdma2000中的应用仿真，并对它的性能进行了分析以及在设计Turbo的相关参数时应该注意的问题。
最后对本毕业设计做了简要总结及致谢。
关键词Turbo码编码译码CDMA2000ABSTRACTABSTRACTTurbo code is an error correction coding techniques used in the CDMA2000 system. Since the turbo code was proposed,turbo code has been applied in the third generation mobile communicaton system successfully. Error correction performance of Turbo code is better than the convolutional encoding.Because turbo code’s decoding is high complexity and coding delay is long ,it is fit for delay low-speed data services.This paper describes the background of Turbo codes, and its the areas of current researching and applications. I learn the principle of the structure of the Turbo Encoder and decoder. In wireless communication systems, radio channel characteristics of the signal transmission is very large. This article describes the characteristics of the wireless channel, the channel fading causes and CDMA2000 air interface physical channel. There is a breakthrough technology in the field of the channel error correction coding. Not only Turbo code reflects excellent performance in the field of channel coding, especially the idea of iterative decoding based on the basic idea of Turbo codes, but also Turbo codes and other technologies can provide better performance in the entire system.This article also describes the application of Turbo codes in cdma2000 simulation, and makes performance analysis, and discibe what the problem should be noted when people design the Turbo. Finally, I made a brief summary and thanks in this graduation.Keywords Turbo-code Coding decoding CDMA2000 system目录目录第一章绪论 (1)1.1 第三代移动通信 (1)1.2 Turbo码的起源 (1)1.3 Turbo码研究现状 (2)1.4 Turbo码的应用领域 (3)第二章Turbo码编译码原理 (5)2.1 编码原理 (5)2.2 分量编码器和删余器 (6)2.3 交织器 (8)2.4 解码原理 (10)2.5 解码算法 (12)2.6 小结 (18)第三章Turbo码在CDMA2000中的应用 (19)3.1 无线信道的特性 (19)3.2 CDMA2000系统 (21)3.3 CDMA2000的空中接口 (22)3.4 CDMA2000物理信道 (24)3.5 CDMA2000中Turbo码的关键技术 (27)3.6 Turbo码与其他技术的结合 (29)3.7 CDMA2000中的Turbo编码器与交织器 (32)3.8 小结 (37)第四章Turbo码的Matlab仿真及其仿真结果分析 (39)4.1 编码约束度对Turbo码性能的影响 (39)4.2 迭代次数对Turbo码性能的影响 (40)4.3 交织长度对Turbo码性能的影响 (41)4.4 码率对Turbo码性能的影响 (42)结论 (44)致谢 (45)参考文献 (46)第一章绪论1.1 第三代移动通信（0001）第三代移动通信系统[1]，简称3G（3rd-generation），是指工作在2G频段上支持高速数据传输的蜂窝移动通讯系统。
3G的业务将从语音扩展到数据、图像等多媒体业务。
速率一般在几百kbps以上。
目前3G存在三种主流标准：基于频分双工的CDMA2000和WCDMA，基于时分双工的TD-SCDMA。
它能够处理音频、图像及视频等形式，提供浏览网页、网上的商务活动、用电话进行会议活动等信息服务。
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、384kbps 以及144kbps 的传输速度。
它的提出有三个目的：第一是希望解决频谱资源问题。
希望通过3G 开拓新的频谱资源，提高频谱使用效率；第二，是解决移动通信的全球漫游问题；第三是希望提供移动多媒体业务。
在第三代移动通信系统中，有一些关键技术被研究，主要有：扩频码的选取、功率控制、软件无线电技术、RAKE 接收、智能天线、信道编码技术、多用户检测技术等。
在信道编码技术中，前向纠错编码通过增加冗余来增大码字间的距离，从而提高编码增益。
目前，研究较多的有分组编码、卷积码、格码调制等。
从技术发展来看，级联码被看作高速数据信道最具吸引力的纠错编码方式。
本文所研究的Turbo码就是信道编码技术的一种，它也是一种很好的级联码。
2009年作为我国第三代移动通信的“3G运营元年”已经载入我国的通信史册，基于cdma2000的标准体系的3G通信网络运营牌照正式颁发给中国电信集团公司，这标志着cdma2000产业发展篇章在中国掀开了新的一页。
1.2 Turbo码的起源随着科学的进步通信技术的发展，人们对通信质量的要求也日益增高。
人们希望找到一些提高通信质量的方法，而纠错码作为信道编码是提高通信质量的好的方法之一。
纠错码是提高信息传输可靠性的一种重要手段。
迄今为止，纠错码已经有五十多年的历史，其发展过程大致分为一下几个阶段。
从20世纪50年，纠错码开始出现，在此期间，科学家们研究了很多编码、译码方法，为线性分组码的奠定了理论基础[2]。
此后提出了BCH码编码和译码的方法，还有卷积码的序列译码等著名的纠错码。
从20世纪60年代到70年代，纠错码在此期间发展非常迅速。
科学工作者提出了软判决译码，门限、迭代译码，卷积码的Viterbi译码等一些非常有效的译码方法。
20世纪70年代，信道编码进入了另一个重要的发展时期。
在此期间，提出了一类不展宽频带的编码调制技术和级联编码的概念以及卷积码的软判决译码算法。
在20世纪末，Turbo码开始登上通信历史的舞台。
Berrou等人在1993年提出了Turbo 码的并行级联卷积码[3]，这种码的性能非常接近香农极限，而且这种码的复杂度比较较低便于实现。
Turbo码的提出，在信道编码领域产生了意义深远的影响。
首先，Turbo码提供了一种级联编码方案和次最优的迭代译码方法，这种方法在低信噪比条件下性能是非常优异的；其次，Turbo码的出现拓宽了设计码的思路，也就是由最大化码字最小距离转化成了最小化低重码字个数，并且，Turbo的出现也更新了判断码的准则，就是从和截止速率比较转向了和Shannon理论极限进行比较；最后，Turbo码的核心思想即迭代的思想为实现迭信道估计，均衡问题还有多用户信号检测拓展了新思路。
1.3 Turbo码研究现状Turbo码在提出以后，就受到各国学者可科学家的重视。
从1997年开始国际上每隔三年便举办一次Turbo码及其相关主题的会议，提出当年最新的理论与技术研究成果。
在Turbo码的原理方面。
Berrou等人给出了Turbo码的基本组成，即由递归循环卷积码与随机交织器组成；Hagenauer、Ryan等人相继对迭代译码的原理做了阐述。
但是迄今为止，对于Turbo码机理的研究的人们还没有形成一个满意的结论。
在Turbo码的性能分析方面。
低噪比时，通常采用计算机仿真手段来对Turbo码性能进行评估；而在高信噪比时，一般采用联合界技术计算Turbo码的性能上界。
在Turbo码的编译码方面。
利用强约束短吗构造伪随机长码是Turbo码编码的核心思想，这样可以最大限度的接近香农极限。
在Turbo码中主要采用软判决迭代译码方法。
形成了以MAP算法、SOVA算法为代表的两大类译码方法。
在Turbo码的交织器方面。
在编码器端，重点是研究各种交织器的结构、交织器的数学描述方法，以及交织器的重量分布等。