3G移动通信系统中信道编码TurboDecoder解码器实现简介
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在使用 T u rbo2codes 的时候, 我们必须理解对 于 T u rbo 2codes 的处理是以 B lock 为单位的。 当信 息比特填充满一个 B lock 的存储空间时, T u rbo en2
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.
Pa th M etrics A 和 B 的初始化值如下:
A ( t = 0) (m = 0) = 1, A ( t = 0) (m ! = 0) = 0; B ( t = N + 3) (m = 0) = 1, B ( t = N + 3) (m ! = 0) = 0;
积累误差 Pa th m etrics A 和B 用来描述各个时刻编 码器的移位寄存器的状态的可能概率。显然, 初始化 时, 编码器的移位寄存器的状态为全零; 而经过尾比 特处理操作的编码器的移位寄存器的状态又回归为 全零, 这是编码操作所约定好了的。 所以, 我们在进 行卷积码的解码时就可以这样设置 Pa th M etrics 的 初始值了。
L o g{Sigm a (A ( t - 1) (m ’)
3 r ( t) (m ’, m ) 3 B ( t) (m ) ) }
(6)
m ’, m 对应于信息比特 0 进入编码器的情况
其中, t 属于〔1, N + 3〕; 3. 5 Turbo D ecod ing LL R 判决
LL R ( i ( t) ) = X + E in ( i ( t) ) + E out ( i ( t) ) ,
R ( t) (m ′, m ) = exp { (23 sqr (E s N o) 3 (E in + X ) 3 x + Y 03 y 0 + Y 13 y 1) } (1)
其中, t 属于〔1, N + 3〕; E in 为另一个组成解码器生成并传递过来的外
完毕后, 将 R SC D ecoder1 生成的给 R SC D ecoder2 部信息;
图 2 T u rbo D ecoder 结构框图
显然, 在一个通信系统中, 传递给 T u rbo D e2 coder 的数据必然是解调量化后的数据, 从而为解码
的情况下, 应当把限定的重复周期数设置小些, 以满 足时间延迟要求。
3 解码算法
器的解码引入了软量化 (soft decision)。软量化是量 化器件对于信道传送过来的数据所进行的量化估
器归为全零。 2. 2 Turbo D ecoder 结构
采用M A P 算法, 解码完毕后, 将 R SC D ecoder2 生 成的给 R SC D ecoder1 的外部信息 E’ 以交织地址
顺序存入到交织存储器 2 中。
在第二个和以 后 的 解 码 周 期, 两 个 R SC D e2
coder 的操作方式与第一个周期相同, 只是 R SC D e2
对于 T u rbo D ecoder 而言, 主要是由两个 R SC 卷积码解码器和外部信息 (Ex trin sic Info rm a tion) 传递作用机制组成的。两个 R SC 组成解码器均采用 了M A P 算法。这里简要介绍M A P 解码算法和外部 信息的生成和作用。
与维特比解码算法不同, M A P 算法不是计算 找出最有可能的信息序列, 而是逐个计算每个原始 信息比特的可能概率, 继而以最大似然准则进行判 决。 重要的是,M A P 算法可以提供软量化输出, 这 对于 T u rbo decod ing 十分重要。
·23·
崔景城, 等: 3G 移动通信系统中信道编码 Turbo D ecoder 解码器实现简介
尾比特处理操作, 即使两个编码器中的移位寄存器 的外部信息 E 以正序存入到交织存储器 1 中。
的 状态回归至全零。 在尾比特处理阶段, 不再从
当 R SC D ecoder1 解 码 完 毕 后, 就 可 以 开 始
计, 它的引入将作用于解码器的 B ranch m etrics 的 生成, 从而提高解码的可靠性。
T u rbo D ecoder 的最大特征在于它的重复解码 操作 ( itera tion)。重复解码可以提高解码性能, 因为 在 T u rbo Encoder 一端存在两个编码器, 对信息按 正序和按交织地址的顺序分别进行编码, 从而形成 两路具有足够的非相关性的编码数据。这样一来, 在 T u rbo D ecoder 一端, 设置两个 R SC 解码器, 对于 两路具有很强的非相关性的数据各自进行处理, 就 可以生成外部信息 (ex trin sic info rm a tion ) 互相传 递, 改善对方的解码判决, 从而提高了解码性能。 2. 3 Turbo decoder 解码的操作简述
图 1 T u rbo Encoder 结构图 当最后一个信息比特从数据 B lock 中读出以 后, T u rbo encoder 中的两个 R SC encoder 需要进行
Ξ 收稿日期: 2001—02—13 收到修改稿日期: 2001—02—28 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
如果待编码的原始信息比特为 N 的话, 则采用 M A P 算法计算将使用 (1+ N + 3) 个状态, 这是计算 的初始化状态和尾比特处理操作所引入的。 我们用 m ’ 和 m 来表述编码器移位寄存器的状态, m ’ 表示 前一个时刻的状态, m 表示后一个时刻的状态。 3. 1 支路误差 Branch M etr ics R 的计算
A ( t) (m ) =
Sigm a{A ( t - 1) (m ’) 3 R ( t) (m ’, m ) },
t 属于〔0, N + 3〕;
(2)
B ( t) (m ) =
Sigm a{R ( t + 1) (m ’, m ) 3 B ( t + 1) (m ’) },
t 属于〔0, N + 2〕;
B lock 中读取数据, 而是将移位寄存器状态的组合 R SC D ecoder2 的解码。R SC D ecoder2 的解码除了
逻辑反馈作为输入, 图中的复用器单元就是完成此 切换用的。由于编码器的移位寄存器为 3 比特, 所以 再卷积操作 3 次即可完成尾比特处理, 使移位寄存
与信道解调量化输出的 X’, Y0’, Y1’ 数据有关外, 还与 R SC D ecoder1 传递给 R SC D ecoder2 的外部 信息 E 有关, 外部信息以交织地址顺序读取。 解码
coder1 的计算要引入 R SC D ecoder2 传递给它的外
部信息。
显然, 如果 CRC 校验表明无校验错误, 则重复
解码没有必要再进行下去了; 另外, 在信道性能一定
的情况下, 在某些时刻, 无论进行多少个周期的重复
解码, 都无法使本 B lock 的误码率为零, 所以要设置
限定的重复解码次数。一般, 在时间延迟要求较严格
Keywords: Turbo codes, Turbo decoder, convolutiona l codes, channel cod ing, M AP
1 引 言
近些年来, 信道编码领域中最为引人注目的事 件莫过于 T u rbo 2codes 的发明了。T u rbo 2codes 提供 了一种理想化的, 能够达到接近香农定理信道极限 性能的手段。 因为采用 T u rbo2codes 进行信道编码 可以实现极低的误码率, 所以第三代移动通信系统 中的信道编码也普遍采用了 T u rbo2codes, 这就使 得 T u rbo D ecoder 的设计实现变得尤为重要。
3 B ( t) (m ) ) }
(4)
m ’, m 对应于信息比特 0 进入编码器的情况
零, 不起作用; 外部信息
E (i (t) ) =
L o g{Sigm a (A ( t - 1) (m ’)
3 r ( t) (m ’, m ) 3 B ( t) (m ) ) } -
m ’, m 对应于信息比特 1 进入编码器的情况
(3)
3. 3 LL R 的运算与判决
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L L R ( i ( t) ) = L o g{Sigm a (A ( t - 1) (m ’)
3 R ( t) (m ’, m ) 3 B ( t) (m ) ) } -
m ’, m 对应于信息比特 1 进入编码器的情况
L og{Sigm a (A ( t - 1) (m ’) 3 R ( t) (m ’, m )
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© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
电子工程师
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V ol. 27 N o. 4 2001
外部信息 E in在解码的第一个周期 ( itera t ion) 为 零, 不起作用。 3. 2 积累误差 Pa th M etr ics A 和 B 的计算
本文将对 T u rbo 2codes 和 T u rbo D ecoder 解码 器的原理和实现进行介绍。
2 原理阐述
2. 1 Turbo-codes 和 Turbo Encoder 结构 T u rbo2codes 的编码器一般是由两个同一结构
的 R SC (R ecu rsive Sy stem a t ic Convo lu t iona l Code) 的编码器和一个交织器组成的。 交织器的作用在于 能够使输入两个 R SC 编码器的信息序列有足够的 非相关性, 从而在解码器一端能够产生不相关的外 部信息用以改良两个 R SC 子解码器的解码性能。
在一个解码周期内, R SC D ecoder1 和 R SC D e2 coder2 在时间上是串行进行的, 即 R SC D ecoder1 解码完成以后, 再进行 R SC D ecoder2 的解码。
在第一个解码周期时, 对于 R SC D ecoder1 来 说, 它的解码只与量化输出的 X , Y0, Y1 数据有关, 因为 R SC D ecoder2 传递给它的外部信息 E’ 都为 零。解码采用M A P 算法, 将在下文进行介绍。解码
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.
Pa th M etrics A 和 B 的初始化值如下:
A ( t = 0) (m = 0) = 1, A ( t = 0) (m ! = 0) = 0; B ( t = N + 3) (m = 0) = 1, B ( t = N + 3) (m ! = 0) = 0;
积累误差 Pa th m etrics A 和B 用来描述各个时刻编 码器的移位寄存器的状态的可能概率。显然, 初始化 时, 编码器的移位寄存器的状态为全零; 而经过尾比 特处理操作的编码器的移位寄存器的状态又回归为 全零, 这是编码操作所约定好了的。 所以, 我们在进 行卷积码的解码时就可以这样设置 Pa th M etrics 的 初始值了。
L o g{Sigm a (A ( t - 1) (m ’)
3 r ( t) (m ’, m ) 3 B ( t) (m ) ) }
(6)
m ’, m 对应于信息比特 0 进入编码器的情况
其中, t 属于〔1, N + 3〕; 3. 5 Turbo D ecod ing LL R 判决
LL R ( i ( t) ) = X + E in ( i ( t) ) + E out ( i ( t) ) ,
R ( t) (m ′, m ) = exp { (23 sqr (E s N o) 3 (E in + X ) 3 x + Y 03 y 0 + Y 13 y 1) } (1)
其中, t 属于〔1, N + 3〕; E in 为另一个组成解码器生成并传递过来的外
完毕后, 将 R SC D ecoder1 生成的给 R SC D ecoder2 部信息;
图 2 T u rbo D ecoder 结构框图
显然, 在一个通信系统中, 传递给 T u rbo D e2 coder 的数据必然是解调量化后的数据, 从而为解码
的情况下, 应当把限定的重复周期数设置小些, 以满 足时间延迟要求。
3 解码算法
器的解码引入了软量化 (soft decision)。软量化是量 化器件对于信道传送过来的数据所进行的量化估
器归为全零。 2. 2 Turbo D ecoder 结构
采用M A P 算法, 解码完毕后, 将 R SC D ecoder2 生 成的给 R SC D ecoder1 的外部信息 E’ 以交织地址
顺序存入到交织存储器 2 中。
在第二个和以 后 的 解 码 周 期, 两 个 R SC D e2
coder 的操作方式与第一个周期相同, 只是 R SC D e2
对于 T u rbo D ecoder 而言, 主要是由两个 R SC 卷积码解码器和外部信息 (Ex trin sic Info rm a tion) 传递作用机制组成的。两个 R SC 组成解码器均采用 了M A P 算法。这里简要介绍M A P 解码算法和外部 信息的生成和作用。
与维特比解码算法不同, M A P 算法不是计算 找出最有可能的信息序列, 而是逐个计算每个原始 信息比特的可能概率, 继而以最大似然准则进行判 决。 重要的是,M A P 算法可以提供软量化输出, 这 对于 T u rbo decod ing 十分重要。
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崔景城, 等: 3G 移动通信系统中信道编码 Turbo D ecoder 解码器实现简介
尾比特处理操作, 即使两个编码器中的移位寄存器 的外部信息 E 以正序存入到交织存储器 1 中。
的 状态回归至全零。 在尾比特处理阶段, 不再从
当 R SC D ecoder1 解 码 完 毕 后, 就 可 以 开 始
计, 它的引入将作用于解码器的 B ranch m etrics 的 生成, 从而提高解码的可靠性。
T u rbo D ecoder 的最大特征在于它的重复解码 操作 ( itera tion)。重复解码可以提高解码性能, 因为 在 T u rbo Encoder 一端存在两个编码器, 对信息按 正序和按交织地址的顺序分别进行编码, 从而形成 两路具有足够的非相关性的编码数据。这样一来, 在 T u rbo D ecoder 一端, 设置两个 R SC 解码器, 对于 两路具有很强的非相关性的数据各自进行处理, 就 可以生成外部信息 (ex trin sic info rm a tion ) 互相传 递, 改善对方的解码判决, 从而提高了解码性能。 2. 3 Turbo decoder 解码的操作简述
图 1 T u rbo Encoder 结构图 当最后一个信息比特从数据 B lock 中读出以 后, T u rbo encoder 中的两个 R SC encoder 需要进行
Ξ 收稿日期: 2001—02—13 收到修改稿日期: 2001—02—28 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
如果待编码的原始信息比特为 N 的话, 则采用 M A P 算法计算将使用 (1+ N + 3) 个状态, 这是计算 的初始化状态和尾比特处理操作所引入的。 我们用 m ’ 和 m 来表述编码器移位寄存器的状态, m ’ 表示 前一个时刻的状态, m 表示后一个时刻的状态。 3. 1 支路误差 Branch M etr ics R 的计算
A ( t) (m ) =
Sigm a{A ( t - 1) (m ’) 3 R ( t) (m ’, m ) },
t 属于〔0, N + 3〕;
(2)
B ( t) (m ) =
Sigm a{R ( t + 1) (m ’, m ) 3 B ( t + 1) (m ’) },
t 属于〔0, N + 2〕;
B lock 中读取数据, 而是将移位寄存器状态的组合 R SC D ecoder2 的解码。R SC D ecoder2 的解码除了
逻辑反馈作为输入, 图中的复用器单元就是完成此 切换用的。由于编码器的移位寄存器为 3 比特, 所以 再卷积操作 3 次即可完成尾比特处理, 使移位寄存
与信道解调量化输出的 X’, Y0’, Y1’ 数据有关外, 还与 R SC D ecoder1 传递给 R SC D ecoder2 的外部 信息 E 有关, 外部信息以交织地址顺序读取。 解码
coder1 的计算要引入 R SC D ecoder2 传递给它的外
部信息。
显然, 如果 CRC 校验表明无校验错误, 则重复
解码没有必要再进行下去了; 另外, 在信道性能一定
的情况下, 在某些时刻, 无论进行多少个周期的重复
解码, 都无法使本 B lock 的误码率为零, 所以要设置
限定的重复解码次数。一般, 在时间延迟要求较严格
Keywords: Turbo codes, Turbo decoder, convolutiona l codes, channel cod ing, M AP
1 引 言
近些年来, 信道编码领域中最为引人注目的事 件莫过于 T u rbo 2codes 的发明了。T u rbo 2codes 提供 了一种理想化的, 能够达到接近香农定理信道极限 性能的手段。 因为采用 T u rbo2codes 进行信道编码 可以实现极低的误码率, 所以第三代移动通信系统 中的信道编码也普遍采用了 T u rbo2codes, 这就使 得 T u rbo D ecoder 的设计实现变得尤为重要。
3 B ( t) (m ) ) }
(4)
m ’, m 对应于信息比特 0 进入编码器的情况
零, 不起作用; 外部信息
E (i (t) ) =
L o g{Sigm a (A ( t - 1) (m ’)
3 r ( t) (m ’, m ) 3 B ( t) (m ) ) } -
m ’, m 对应于信息比特 1 进入编码器的情况
(3)
3. 3 LL R 的运算与判决
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
L L R ( i ( t) ) = L o g{Sigm a (A ( t - 1) (m ’)
3 R ( t) (m ’, m ) 3 B ( t) (m ) ) } -
m ’, m 对应于信息比特 1 进入编码器的情况
L og{Sigm a (A ( t - 1) (m ’) 3 R ( t) (m ’, m )
·24·
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
电子工程师
通信技术与设备
V ol. 27 N o. 4 2001
外部信息 E in在解码的第一个周期 ( itera t ion) 为 零, 不起作用。 3. 2 积累误差 Pa th M etr ics A 和 B 的计算
本文将对 T u rbo 2codes 和 T u rbo D ecoder 解码 器的原理和实现进行介绍。
2 原理阐述
2. 1 Turbo-codes 和 Turbo Encoder 结构 T u rbo2codes 的编码器一般是由两个同一结构
的 R SC (R ecu rsive Sy stem a t ic Convo lu t iona l Code) 的编码器和一个交织器组成的。 交织器的作用在于 能够使输入两个 R SC 编码器的信息序列有足够的 非相关性, 从而在解码器一端能够产生不相关的外 部信息用以改良两个 R SC 子解码器的解码性能。
在一个解码周期内, R SC D ecoder1 和 R SC D e2 coder2 在时间上是串行进行的, 即 R SC D ecoder1 解码完成以后, 再进行 R SC D ecoder2 的解码。
在第一个解码周期时, 对于 R SC D ecoder1 来 说, 它的解码只与量化输出的 X , Y0, Y1 数据有关, 因为 R SC D ecoder2 传递给它的外部信息 E’ 都为 零。解码采用M A P 算法, 将在下文进行介绍。解码