朱貝貝，劉有耀

（西安郵電大學(xué)電子與工程學(xué)院，陜西西安710061）

移動(dòng)通信這一技術(shù)已經(jīng)深入到人們生活和工作的各個(gè)方面，包括日常手機(jī)的使用，無(wú)線電話等。然而由于移動(dòng)通信中無(wú)線信道時(shí)變的特點(diǎn)，傳輸信道一定存在大量的衰落和噪聲，從而導(dǎo)致傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生失真或者接收端對(duì)接收到的信號(hào)產(chǎn)生誤判，使通信過(guò)程存在大量的不確定性，這對(duì)移動(dòng)通信的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。考慮到移動(dòng)通信的信道特點(diǎn)，本文采取強(qiáng)大的信道信道編碼方案去糾正傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的誤碼，減少通信中的誤碼率[1-2]。

考慮到移動(dòng)通信的具體情況，本文提出了一種新型的編碼調(diào)制技術(shù)。這種新型的編碼技術(shù)是用Turbo-MTCM作為內(nèi)碼，RS編碼作為外碼，中間采用一種交織器來(lái)使得兩種碼型進(jìn)行級(jí)聯(lián)。提出的這種新型的編碼技術(shù)它的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于使用MTCM分量碼來(lái)代替TCM分量碼，因?yàn)镸TCM分量碼比TCM分量碼有更好的性能[3]。

由于信號(hào)在信道傳輸中往往是隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤并存的。隨機(jī)錯(cuò)誤是相互獨(dú)立的，互不相關(guān)的；而突發(fā)錯(cuò)誤是連續(xù)出現(xiàn)的，之間存在相關(guān)性，一個(gè)錯(cuò)誤往往會(huì)影響后面的一串碼元。脈沖干擾和無(wú)線信道中的衰落都會(huì)引突發(fā)錯(cuò)誤。本文提出的這種級(jí)聯(lián)碼方式，就可以很好的對(duì)抗隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤的并存[4-5]。并通過(guò)相應(yīng)的解調(diào)譯碼步驟，可以大大的提高誤碼率的特性，在實(shí)際應(yīng)用中也有很好的價(jià)值。

1 信道編碼的思路

糾錯(cuò)碼是常用的信道編碼方式，主要有線性分組碼和卷積碼兩種。

線性分組碼與卷積碼在編碼時(shí)，都是將每K個(gè)輸入的信息編成n個(gè)碼元，再輸出。

但他們的區(qū)別在于，卷積碼編碼器產(chǎn)生的n-k個(gè)監(jiān)督碼元不僅與k個(gè)信息碼元有關(guān)，還與前L-1個(gè)輸入碼字有關(guān)，而分組碼監(jiān)督碼元僅與k個(gè)信息碼元有關(guān)。所以線性分組碼和卷積碼都有各自的優(yōu)點(diǎn)，卷積碼適合進(jìn)行串行傳輸且時(shí)延較小，合適糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，而線性分組碼糾錯(cuò)能力強(qiáng)，尤其對(duì)于突發(fā)錯(cuò)誤有極強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，缺點(diǎn)就是隨著碼長(zhǎng)的增加，譯碼器的計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)增加。

如果可以使線性分組碼和卷積碼結(jié)合起來(lái)構(gòu)成串行碼，可使兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)?；谶@一思路我們提出來(lái)一種適用于移動(dòng)信道的新型級(jí)聯(lián)碼。

2 新型級(jí)聯(lián)碼的實(shí)現(xiàn)與構(gòu)造

Turbo碼是1993年被學(xué)者提出來(lái)的一種新的編碼方案，Turbo碼由于其有接近香農(nóng)極限定理的性能。它巧妙地將兩個(gè)簡(jiǎn)單分量碼通過(guò)偽隨機(jī)交織器并行級(jí)聯(lián)來(lái)構(gòu)造具有偽隨機(jī)特性的長(zhǎng)碼，并通過(guò)在兩個(gè)軟入/軟出（SISO）譯碼器之間進(jìn)行多次迭代實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)譯碼。而且當(dāng)時(shí)的仿真結(jié)果表明，在AWGN信道下，碼率為1/2的Turbo碼在達(dá)到誤比特率（BER）≤10-5時(shí)，Eb/N0僅為約0.7 dB（這種情況下達(dá)到信道容量的理想Eb/N0值為0 dB），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他的編碼方式，一時(shí)在信息和編碼理論界引起了轟動(dòng)。因此剛被提出時(shí)，就很快成為大家研究的熱點(diǎn)，試圖應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。

級(jí)聯(lián)碼是由Forney首先提出來(lái)的，傳統(tǒng)的編碼方案中，我們都知道較長(zhǎng)的碼可以使編碼的性能有所提升，但隨著碼長(zhǎng)的增加，譯碼段的復(fù)雜度也隨著增加，譯碼出錯(cuò)的概率也會(huì)隨之增加。因此，F(xiàn)orney提出了用兩級(jí)編碼的方案，即就是用兩個(gè)短碼構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)碼，并在譯碼端采用兩級(jí)譯碼的方式。這樣，在沒(méi)有明顯增加譯碼復(fù)雜度的情況下，也解決了通信信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤。RS碼和卷積碼級(jí)聯(lián)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中[6-8]，且性能良好。基于此，我們提出一種新型的級(jí)聯(lián)碼方案，即用MTCM分量碼來(lái)代替常用的TCM分量碼組成新型的Turbo-MTCM和RS碼級(jí)聯(lián)方案，基于此我們提出了如圖1所示的新型級(jí)聯(lián)仿真模型。

圖1 新型級(jí)聯(lián)碼的仿真框圖

如上圖，首先產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)作為信源進(jìn)入RS（204，188）外編碼器進(jìn)行編碼，然后進(jìn)入交織器，交織的目的在于打散連續(xù)的突發(fā)錯(cuò)誤，使之變成離散的短的錯(cuò)誤，從而增加糾錯(cuò)碼的能力[9]。因此，交織器的交織的深度我們選擇8，任何長(zhǎng)度大于8的突發(fā)錯(cuò)誤，經(jīng)交織和解后，成為短突發(fā)錯(cuò)誤。內(nèi)編碼我們使用2/3的碼率。并將內(nèi)編碼后的數(shù)據(jù)率送入調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制[10-11]，并送入AWGN信道中，在信道中我們會(huì)加入一些噪聲。之后進(jìn)入解調(diào)階段。經(jīng)過(guò)信道的數(shù)據(jù)，我們需要進(jìn)入內(nèi)譯碼器進(jìn)行第一級(jí)譯碼，隨后進(jìn)入解交織器進(jìn)行解交織操作，通過(guò)RS外譯碼器[6]進(jìn)行譯碼，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。通過(guò)比較輸出端和輸入端的數(shù)據(jù)來(lái)得到我們整個(gè)系統(tǒng)的性能。

2.1 RS碼方案的確定

本文中我們選用的是 RS（204，188）碼，它是由被NASA，ESA，CCSDS等空間組織用于空間信道糾錯(cuò)的RS（255，223）碼截?cái)喽玫降摹?/p>

在GF（2m）域中，（n，k，t）RS碼有如下的特征：

n=2m（n為碼字所包含的符號(hào)數(shù)，m為RS碼字每個(gè)符號(hào)表示的信息位數(shù)）；

r=n-k=2t（r為監(jiān)督位符號(hào)數(shù)，k為信息長(zhǎng)度，t為可糾正的錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)）；

R=k/n（R為RS碼的碼率）；

d0=n-k+1=r+1=2t+1（d0為RS碼的最小碼距）。

本文所采用的的 RS（204，188）碼[6]，即就是每輸入188個(gè)符號(hào)，經(jīng)過(guò)外RS編碼器可以輸出204個(gè)符號(hào)碼，其中監(jiān)督為的符號(hào)數(shù)為16，則一次可糾正的錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)t為8，RS碼的最小碼距則為17，編碼效率R為92.16%。

2.2 級(jí)聯(lián)碼中交織器的選擇

實(shí)際信道中產(chǎn)生的錯(cuò)誤往往是突發(fā)錯(cuò)誤或者突發(fā)錯(cuò)誤與隨機(jī)錯(cuò)誤并存。尤其是在移動(dòng)通信這種變參的信道上，人們希望設(shè)計(jì)這樣的信道編碼，既能糾正隨機(jī)錯(cuò)誤又可以糾正單個(gè)或多個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤。交織方法是一種很實(shí)用而且常用的構(gòu)造碼方法，它能把比較長(zhǎng)的突發(fā)錯(cuò)誤或多個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤離散成隨機(jī)錯(cuò)誤。交織是指一個(gè)數(shù)據(jù)序列在一一對(duì)應(yīng)的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)的位置重新排列過(guò)程。而解交織就是它的逆過(guò)程，將接受到的信息序列還原到原位置。本文我們使用的是塊交織技術(shù)，塊交織的原理示意圖如表1所示。

表1 塊交織的原理示意圖

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中某時(shí)刻發(fā)生突發(fā)錯(cuò)誤，連續(xù)產(chǎn)生ma個(gè)錯(cuò)誤，由于交織技術(shù)，把這ma個(gè)分散到每行，則每行產(chǎn)生的錯(cuò)誤個(gè)數(shù)就為a個(gè)，則整個(gè)系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力就擴(kuò)大了m倍。交織器的交織深度應(yīng)不應(yīng)不小于信道可能的突發(fā)錯(cuò)誤長(zhǎng)度即內(nèi)碼的差錯(cuò)序列長(zhǎng)度，否則解交織后仍存在突發(fā)錯(cuò)誤[7]。交織器的交織寬度應(yīng)不小于級(jí)聯(lián)碼外碼的約束長(zhǎng)度，否則，突發(fā)錯(cuò)誤不能徹底打散?；诖?，我們選擇（5，204）交織器。即交織寬度取204，交織深度取5。

2.3 級(jí)聯(lián)碼內(nèi)碼Turbo-MTCM

本文研究的級(jí)聯(lián)碼我們的內(nèi)碼選用的是Turbo-MTCM編碼調(diào)制技術(shù)，MTCM即多重網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)[8-10]，網(wǎng)格圖的每條分支上傳輸?shù)姆?hào)數(shù)大于2。在AWGN信道和衰落信道中，相對(duì)于TCM[12-13]，MTCM可以獲得更好的誤碼率性能。該Turbo-MTCM編碼方案是采用MTCM作分量碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文設(shè)計(jì)一種碼率為2/3的Turbo-MTCM作為級(jí)聯(lián)碼的內(nèi)碼。其編碼器的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 Turbo-MTCM系統(tǒng)框圖

1）比特序列首先進(jìn)入網(wǎng)格編碼器，輸入端每次輸入b個(gè)比特，輸出s個(gè)比特，映射到個(gè)符號(hào)的星座圖上，產(chǎn)生K個(gè)信道符號(hào)。

2）符號(hào)交織器的大小為N，以b個(gè)比特為單位進(jìn)行奇偶交織。

3）而整個(gè)編碼器的輸出為交替的奇偶位置輸出[14-16]。

3 新型級(jí)聯(lián)碼的仿真

MATLAB是一種功能非常強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和工程仿真的軟件，提供了一個(gè)集成化的開(kāi)發(fā)環(huán)境。本文采用MATLAB中已知的對(duì)應(yīng)得編碼函數(shù)，對(duì)本文提出的這種新型的級(jí)聯(lián)碼Turbo-MTCM和RS級(jí)聯(lián)的這種編碼方案進(jìn)行了代碼的仿真，得到如下的編碼仿真曲線。并通過(guò)對(duì)比只進(jìn)行RS編碼的仿真曲線相比較，說(shuō)明了本文提出的新型的級(jí)聯(lián)方案，具有良好的性能，可以有效的降低誤碼和提高編碼增益。本文提出的新型級(jí)聯(lián)碼仿真圖如圖3所示。

通過(guò)分析上圖中的仿真圖形，對(duì)比上面的圖形可知：RS編碼的增益比未編碼只進(jìn)行BPSK調(diào)制的增益好大約3 dB，RS+Turbo-MTCM這種新型級(jí)聯(lián)編碼調(diào)制的方式性能卻要好于只進(jìn)行RS編碼。從圖中我們可以看到當(dāng)誤碼率pb≤10-5時(shí)，RS+MTCM這種編碼方式比只進(jìn)行RS編碼有大約2個(gè)多dB的編碼增益。

基于此圖，分析可以得到如此好的增益的編碼方式的原因，第一我們進(jìn)入了RS碼的級(jí)聯(lián)碼，我們都知道RS碼有極強(qiáng)的糾正信道中突發(fā)錯(cuò)誤的能力。再者我們使用了二元MTCM的編碼調(diào)制技術(shù)很好的利用了譯碼信息，從而可以得到比較好的性能。其次，我們?cè)诩?jí)聯(lián)的過(guò)程中使用了交織器來(lái)進(jìn)行交織，交織可以使連續(xù)的長(zhǎng)的錯(cuò)誤被打散變成短序列錯(cuò)誤，從而使更好的糾錯(cuò)，達(dá)到更好的性能。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)移動(dòng)通信信道存在大量的噪聲，衰落，干擾等因素，從而導(dǎo)致接收端的不確定性等特點(diǎn)。提出了通過(guò)RS碼和Turbo-MTCM編碼調(diào)制中間使用交織使兩種碼級(jí)聯(lián)的方式，并通過(guò)MATLAB建模和編寫(xiě)腳本來(lái)完成了此仿真，結(jié)果證明比只用RS編碼有更好的增益。運(yùn)用編碼和調(diào)制結(jié)合的思想，一改以往獲取編碼增益以頻帶為代價(jià)的思想，在有高編碼增益的同時(shí)提高了頻帶利用率，有效的提升了無(wú)線通信的質(zhì)量，增加通信可靠性。

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