《移动通信》期中论文
论文题目 交织技术的实现方法研究
姓 名 马生梅
学 号 P081513167
学 院 电气工程学院
专业班级 2008级通信工程1班
目 录 1
一、引言 3
二、交织编码的原理 4
2.1信道编码理论 4
2.2交织技术的基本理论 4
三、几种常用的交织器 5
3.1分组交织器 5
3.2卷积交织器 6
3.3伪随机交织器 8
四、交织器的设计准则 8
五、Turbo码优化交织器的设计方案 9
5.1 设计思想 9
5.2 整体结构的设计 10
5.3 交织的性能仿真 11
六、结束语 12
七、 参考文献 13
交织技术的实现方法研究
---Turbo编码中的交织技术
专业：通信工程 姓名：马生梅 指导教师：邓克岩
摘要：
Turbo码是今年来提出的一种高性能编制技术，交织器是实现Turbo编码的一个重要环节。它的主要作用就是将原始数据序列打乱，使交织前后数据序列的相关性减弱。这样做的一个突出优点是大大降低了数据突发错误的影响，以进一步提高抗干扰性能。解交织器将交织器打乱的字节序列重新排列恢复原始码字。按交织方式分为分组交织器和随机交织器的两种。其实现基本类型为行列式分组交织、螺旋分组交织、线性转换式随机交织和读表式随机交织等。文中介绍了交织器的原理，详细介绍了三种常见的交织器的交织原理。最后给出了交织器的设计准则。
关键词：Turbo码；交织器；交织技术。
Abstract:
Turbo code is proposed in recent years the preparation of a high-performance technology to achieve Torbo interleaver is an important part of coding. Its main role is to disrupt the original data sequence, so that the data sequence after interleaving the correlation weakened. Doing an outstanding advantage is greatly reduced the impact of data burst errors, in order to further improve the robustness. Solutions interleaver interleaver scrambled to rearrange the sequence of bytes restored source word. Can be divided into groups by interleaving and random interleaver interleaver two. The determinant for basic types can be divided into groups intertwined, helical block interleaver, linear-conversion random interleaver and read tabular random interleaver and so on. This paper introduces the basic principles of interleaver and detailed description of the three common interleaver interleaving principle, given the interleaver design criteria.
Key words:Turbo code; interleaver; interleaving
纠错编码是数字通信系统和计算机系统的重要组成部分。1948年，现代信息理论的奠基人c.E.Shannon在他的开创性论文“A math_ernatical theory of communication”中首次阐明了在有噪信道中实现可靠通信的方法。提出了著名的有噪信道编码定理，奠定了差错控制码的基石。Berrou等人于1993年在总结前人理论经验的基础上提出了接近C.E.Shannon极限纠错性能的Turbo码。它克服了传统码随机性差，码字重量分布不均的缺点，纠错译码能力有了很大的提高，可以在译码复杂性和码率之间达到较好的平衡，而且其性能比以往其它的信道编码性能优越。Turbo码还有一个显著的特点是随着交织长度的增大.能显著提高其纠错性能，所以Turbo码一直是信息编码界的研究热点。
根据信道编码理论误码率P=Ae一nE.即误码率与误差指数和码长n呈指数级的反比:又根据信道容量公式C=B.Log2(1+S/N).可看出如要降低误码率，方法一：是提高信道容量C即可通过提高信道带宽、加大发射功率、采用低噪声器件、应用高增益天线等方法。但同时又带来了频带利用率低、设备功率加大、成本增高等负面影响。方法二：是在速率一定的条件下增加码长n从而使P随n的增加而呈指数下降.但此方法增加了译码设备的复杂性。
在短波、超短波无线信道中突发错误与随机偶发错误并存，但占主体的是连续突发错误，而最常用的线性分组码只对随机偶发错误有效，对一定持续时间的突发错误没有效果。针对突发错误，可采用时间扩散技术将信道错误的相关性减小.当交织长度足够大时.就可把突发错误离散成随机错误.从而可以用纠随机错误或短突发错误的码作为行码，构成交织码以纠正较长的突发错误或突发与随机错误的组合。
交织其实是通信系统中进行数据处理而采用的一种技术，交织器从本质上来说就是实现最大限度的改变信息结构而不改变信息内容的器件。从传统上来讲就是使信道传输过程中所产生的突发错误最大限度地分散化。下面是一个最简单的文织器框图可以看到对于一个信息序列A.1时刻从交织器输出的第i个信息位对应于输入的第n(1)个信息位。这个棋型表明丫=l n(X)。而对应的可以得到X=l u(Y)，其中l u为解交织器.即L11=lu一1’。
对于一个实际应用的交织器来说它是有周期性的。可以用n(1)一T=n(1一T)来表示。T为交长度。有了周期的概念我们就可以将交织器的基本原理用基本变换矩阵
来表示.其中第一行代表的是原信息序列中的各信息位，而第二行则代表的是经过交织后信息序列的各信息位。可以说这是最基本的置换，而其它的交织序列可以用加上相应的周期得到。
交织编码根据交织图案形式的不同可分为分组交织、卷积文织和伪随机交织。下面简单介绍这三种文织编码。
分组交织器结构比较简单。它交织的对应关系相对比较固定，所以在移动通信应用于抗衰落，在信息进入信道之前往往要经过一个或多个分组交织器，如纵横交织器。分组交织器的原理:将输入信息序列按行存放到一个m行n列的矩阵中，然后按列读出如图2:解交织是其逆过程将接受信息按列存放到m行n列的矩阵中，然后按行读出。
分组交织器的交织函数可以表示如下:
其中ceil【x]是对x的下取整函数，从一端到另一端得经过交织和解交织，其引起的时延为2mm。对交织器和解交织器，他们要求寄存器数都为mm。在差错编码中，交织矩阵的行数一般又叫做交织器的度(或深度)，交织器的列数被称作交织器的宽度。分组交织器和解交织器相对比较容易实现。但分组交织器存在一个比较明显的缺点就是很难使那些低重量输入序列交织后的重量分布与交织前的重量分布相关系数为零(实验证明:对低重量码序列，如果交织前的重量分布与交织后的重量分布相关系数不为零，则生成的Turbo码的性能较差)。
卷积交织器是一种实时性能比较好的交织器，它的交织与解交织的输入与输出计算都是由L条寄存器组成的支路来实现，如图3:
图3卷积交织器和解交织器原理
信息输入按比特循环输入到L组移位寄存器组中，输出和输入选择开关保持一致，即在同一时刻选择同一支路。对于信息输入的每个分组中第i比特，它将输入到第i条支路，因此它的时延为(i一1）B。解交织器执行的过程正好相反。
设卷积交织器寄存器的初始状态被清除时刻为O位置，我们可以把卷积交织器的交织函数表示如下:
卷积交织器又称作LB x L交织器。从发送端到接受端由交织和解交织引起的时延为(L一1)LB，交织器和解交织器对寄存器的要求皆为（L一1)LB/2。为了获得同样的交织深度，相比于分组交织器，卷积交织器节省了一半的时延和寄存器数。
伪随机交织器的一般原理:交织器首先读人长度为N的输入比特然后随机将信息比特读出交织器。交织器的交织向量可以由下面的算法计算得到。
第1步:按照1到N之间的整数都服从均匀分布的规律从集合A={1.2，一N}中随机取得整数i，且P(i1)=1/N，令所取得的整数i等于
第k步:（k>1)按均匀分布随机从集合中取得整数ik。且
。令所取得的整数ik等于
直到k=N且所取得整数in等于
。当分组长度
时,伪随机交织器的随机数可以由一个如图4的m阶线性序列发生器生成。其反馈多项式可以表示为:
该多项式必须是m阶本原多项式，如果移位寄存器的初始状态为非全零状态，那么序列发生器将在个状态之间循环。因此m阶序列发生器的移位寄存器的状态函数就可以看成是交织器的交织函数。
在交织器的设计过程中，首先我们选择交织器，对发送长帧时，选用伪随机交织器；对发送短帧时，则选择分组交织器。但在无线通信中，设计的交织器交织长度在不同的传输速率时是可变的。所以设计的交织器必须能在不同的交织长度条件下使交织后的Turbo码编译码性能保持最佳。在一个好的交织器的设计中我们应该遵循以下几个准则:
(1）最大程度的置乱原数据排列顺序。避免交换前相距较近的数据在置换后仍相距较近，特别要避免交换前相邻数据在置换后再次相邻。
（2)尽可能避免与同一信息位里相关的两个分量编码器中的校验位在复用时均被删除。
(3)对非归零编码器，交织器要避免出现“尾效应”图案。
(4)使码字之间的最小距离(或自由距离)dmin尽可能大,而重量为dmin的码字要尽可能少，以改善Turbo码在高信噪比时的性能。
（5）由于交织器的存在，Turbo编码是面向数据的，即以帧或块为单位进行编译码。因此，在设计交织器时应考虑具体应用系统的数据帧的大小，使交织深度在满足时延要求的前提下与数据帧大小相一致.或是数据帧长度的整数倍。
为减少可编程逻辑器件FPGA的内容存储器需要，交织反交织器设计采用地址翻译方式，也就是对交织反交织器的读或写的地址进行变换。对于交织器，按行顺序写入交织矩阵，交织，带删除的按列输出。对于反交织器，依据删除阵列按列顺序写入交织矩阵，反交织，带删除的按行输出。
在交织深度相同时，交织器与反交织器重排控制参数相同，且在一个码块译码的多次循环迭代中均保持不变。所以同一模块在外部信号的控制下实现交织与反交织功能是一种比较节省资源的方法。图5示出了这样的交织与反交织结构的设计。
交织参数计算和交织控制模块在输入交织深度block size后，计算对应交织图案。包括交织矩阵行数R、列数C、行间重排模式T(j)，在存储T、V数值的ROM表中查取并计算P、V数值，从而确定行内重排基准S(i)、行内重排因子q（j）。交织参数更新发生在交织长度改变、码块同步信号到来的时刻。交织和反交织功能模块从参数寄存器中获取相同的当前比特重排参数，根据所得到的参数计算输入比特顺序号对应的输出比特顺序号。交织或反交织功能模块受控于交织控制工作与否。输出控制以对应输出比特顺序号将交织比特输出并写入外部DP-RAM中。
为了比较几种交织性能的优劣，选取生成多项式为g=(15,17)OCTAL的RSC[14],选取交织器的大小均为1024的情况，仿真出分组交织、对角线交织、螺旋交织、PN交织、S-随即交织等五种不同交织方式对译码性能的影响。
仿真结果如图六所示，从几条曲线的比较可以看出，S-随机交织器的性能较之其他交织器性能最好。在10-6附近，它与分组交织之间有大约0.5dB的增益。基于上述讨论，选择S-随机交织方式，在译码迭代次数为10的译码条件下，选择迭代结构，对不同交织规模N的误码性能进行了仿真，结果如图7所示，分别给出了交织规模N为160、320、640、5120时，误码率随性噪比变化而变化的曲线。显然，在性噪比较低，SISO模块迭代次数均为10的情况下，交织单元的规模越大，其交织的一致性越好，如图7所示。当N=5120时，误码率在性噪比略有增大时就有剧烈的衰减，表现出了良好的提高译码性能的能力。
本文主要讨论了Turbo码中的交织技术涉及到交织器的原理，介绍了用于Turbo码中的3种典型交织器。分组交织器利用行列读写变换将输入信息序列写成交织矩阵的形式，然后以另一种方式输出，借以将连续的突发错误变为独立的随机错误。但是，有些特殊的信息序列不能被分组交织器置乱，分组交织器越长，不能被分组交织器所打乱的序列越多，所以在长数据帧的情况下，一般不采用分组交织器来构造Turbo码。而在短数据帧的情况下，分组交织器的这一缺点表现得不是很明显，所以分组交织器一般应用于在短数据帧的条件下构造Turbo码。另外，其还会带来附加的时延，这对一些实时业务带来不利的影响，同时也增大了实现的设备复杂性。
随机交织器可以基本消除将随机独立差错交织成突发差错的可能性。通过产生随机地址使交织前后序列的相关性减小，最大化地置乱Turbo码的码重分布。但是，这种随机性的取得是与码长有非常紧密的联系的，一般情况下，码长越长则随机性越好，所以对于每帧数据序列较短的通信系统而言其随机性并不是十分理想的，而在数据帧较长的情况下，可以获得比较好的交织后序列。移动通信主要是短数据帧通信，这使得应用了随机交织器的Turbo码很少应用于移动通信中。
[2]刘东华.Turbo码原理与
应用技术.北京:电子工业出版社
2004:236一256.
[3]邱金刚、焦耀斌.Turbo编码
中的交织器的设计应用.微计算机信
息.Vol.20No.122以抖:138一139.
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/ee69906248d7c1c708a14514.html
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