基于turbo码的交织器设计

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1、基于Turbo码的交织器设计与实现西安通信学院电子技术教研室(西安710106)  蒋卓勤  郝东来  刘永祥  【摘要】在对几种交织器原理进行分析的基础上，通过对其在Turbo码编解码中的应用，结合具体信道进行了性能仿真，最后比较了它的性能，提出了一种优化的设计方案，采用FPGA技术实现并验证了设计的正确性。   关键词：Turbo码,交织,S-随机算法1引言   C.Berrou等学者于1993年首先提出了Turbo码这一信道纠错编译码新概念，它是在综合过去几十年来的级联码、乘积码、最大后验概率译码与迭代译码等理论的基础上的一种创新。Turbo码的基本原理是，通过编码器的巧妙

2、构造，即多个子码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，从而获得卓越的纠错性能，Turbo码也因此得名。   在Turbo码的编解码中，无论是编码还是解码，交织单元都是其中很重要的一个环节，图1所示为Turbo译码的原理框图，在成员译码器1与成员译码器2之间的前向通路和反馈通道分别存在有交织和解交织单元，他们的交织方式和规模影响着整个译码的性能。本文将就Turbo码中交织器参数的选择及其性能和实现进行探讨。2Turbo码交织器原理及结构   根据交织器的来源和交织方式不同，我们可以把交织器概括为三类：一类是Turbo码论著

3、中的标准交织器（StandardInterleavers）；一类是已经设计出来的经过测试发现一些问题的；另外一类就是结合具体应用，选用一些优化的交织器设计方法来设计的。本文将通过对前两类的总结，结合Turbo码在通信传输系统中的具体应用，提出一种优化的交织器设计方案。   交织的目的就是将信道中突发错误的位置随机化，对于级联纠错码中使用的交织器来讲，衡量其性能的很重要的参数就是它对突发错误的扩散能力。通信系统中常用的标准交织方式一般有这样几种：一种为分组交织（矩形交织）方式。这种交织器采用R×C矩阵形式，图2(a)为码字重量为4的矩形交织示意图，按行顺序地写入数据，然后按列读出，序列

4、的重量不会改变。作为矩阵的特殊形式T×T，正方形交织的行和列各有一个1和(T1)个0，如果1出现在第I行第j列，则交织器将输入的第I个符号移到输出的第j号位置。我们可以通过增大块交织的规模来提高系统的性能。另外一种标准交织方式是对上述矩阵形式的改进，其中，序列按照i行和j列写入，按照iT行和jT列读出，iT和jT表达式如式（1）和式（3）所示。其中，ξ的值见式（2），从图2（b)可以得到P(ξ)的值。式（1）中，是交织器的维数。   标准交织器的第三种形式为螺旋交织器，它是矩形交织器的另外一种改进形式，由R行和C列组成，数据按行顺序写入，沿对角线读出，从左下角开始依次读出。还有一种标

5、准交织方式叫做卷积交织，它将输入序列通过递增的I个移位寄存器分路成I个子序列，这样，对每个序列来讲，就会引入不同的时延。如图3所示，输出采用相反的方法还原成原来的顺序。   上述第二类交织方式一般有均匀交织、平面交织、桶型移位交织和时延交织等方式。这些交织方式也为我们的设计提供了一些可资参考的思路。3Turbo码交织器的优化设计方案3.1S-随机交织原理   下面，我们讨论Turbo码交织器一种优化的设计方案。实际上，所有的Turbo码交织设计技术都是基于S随机交织产生算法的。在图4中，我们给出了S随机交织算法的实现框图。   这种交织器是在其扩展范围内随机交织，该算法的交织是

6、随着图4中S的变化而改变的。该算法的搜索时间也随着S的增加而增加，但是并不能保证一定成功。根据参考文献〔1〕，一般选择是交织块的尺寸。这时，可以在合理的时间内完成交织。这种技术的主要问题是不能保证一定能产生所需要的交织器，只能保证得到一个扩展值S。所以，在S随机算法的基础上，我们采取一种叫做模拟退火的方法进行交织，它将温度和序列值同时作为变量，采用模拟的方法，如图4所示，开始给温度和序列同时赋一初值，假设序列任意值为X，和X对换的为XI，则，通过温度计算出X的能量E(X)和Xi的能量E(Xi)，然后，计算两者的差值ΔE=E(Xi)E(X)。把ΔE和〔0，1〕间的随机数同时作为判决条件

7、，当ΔE<0或者〔0，1〕间的随机数小于时，就将X置换成Xi，一直进行到按退火方案配置的温度值，并且译码的迭代次数足够多，最终温度达到一个稳定值时交织便结束。其流程与S随机算法类似，这里不再列出。3.2交织器的性能仿真及实现   上面已经介绍了交织器有很多种形式，为了比较几种交织方式性能的优劣，我们选择了生成多项式为g=(15,17)OCTAL的RSC，选取交织器的大小均为1024的情况下，仿真出了分组交织、对角线交织、螺旋交织、PN交织、S随机交织等五种