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Turbo编译码系统高效MAP译码、无数据辅助SNR估计与多项式交织器设计

作　者: 赵宏宇
导　师: 范平志
学　校: 西南交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: Turbo码译码算法信噪比估计交织器置换多项式
分类号: TN911.22
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 137次
引　用: 2次
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内容摘要

用于信道编码传输的Turbo码自1993年发明后,因为具有接近Shannon极限的优异纠错性能,很快就被应用于各类实际通信系统中。在过去的17年裡,许多学者发表了有关Turbo码理论和应用的大量研究成果,内容涵盖简化译码算法、译码算法收敛性分析、优秀分量码设计、最小码距分析与估计、交织器设计以及译码算法的并行实现等。基于已有研究成果,本博士学位论文专注于Turbo码的高效率非对数域最大后验概率译码、对数域Log-MAP译码算法的数值规范化方法、无数据辅助的SNR估计以及置换多项式交织器的研究。本论文首先给出了Turbo码的编码与译码原理、相关研究工作现状分析及文献综述、本文研究工作思路、论文主要贡献以及论文组织结构。接着,由经典的标准MAP译码算法推导得到了一种改进型MAP译码算法。该算法不引入对数域就能避免迭代过程中的对数和指数函数运算,从而达到较高的译码效率,其效率与Max-Log-MAP译码算法的效率相似。该改进型MAP译码算法就纠错性能而言是最优的,而次最优的Max-Log-MAP算法则要付出纠错性能的代价。随后,论文提出了一种使用了两种数值规范化方法并且采用纯整数运算的线性近似Log-MAP算法。这两种数值规范化方法分别被称为“加法”和“乘法”规范化。理论证明表明,这两种数值规范化方法均不会对译码性能产生影响。其中,加法规范化能够解决定点数的溢出问题,而乘法规范化可应用于实现基于纯整数运算的Turbo译码或者证明Max-Log-MAP算法不需要任何SNR估计。为了确定适当的乘法规范化系数,作者给出了概率分析法和等效查表长度两种设计方法。最后还给出了纯整数实现的3GPP标准Turbo码译码的误帧率(FER)仿真结果,显示9-bit宽的整数就能保证与性能最优的改进型MAP算法基本相当的纠错性能。基于对接收到的Turbo码码块BPSK信号进行矩估计进而实现SNR估计的思想,本文对非相关的Rayleigh衰落信道条件下的三种无数据辅助的SNR估计器进行了比较。这三种SNR估计器都采用矩估计法并运用曲线拟合方法来计算SNR。研究发现,曲线拟合偏差能够较好地补偿较短Turbo码码块的SNR估计误差。Turbo译码仿真结果表明,两种建议的SNR估计器能够得到比文献已有结果更小的SNR估计误差并取得更好的误比特率(BER)性能,尤其是对长度较短的码块。这三个SNR估计器的另一个优点是都不需要已知SNR和Rayleigh衰落参数的任何信息。自2005年以来,整数环上的二次置换多项式(QPP)被建议用于设计Turbo码交织器。QPP交织器不需要在Turbo译码器中存储交织表并且具有远优于均匀分布随机型交织器的性能。此外,所有QPP交织器还具有最大争用自由特性,能够避免并行Turbo译码时的存储器访问冲突。本文给出了置换多项式(PP)交织器的一些新成果,包括：构造整数环上m次(m≥1)PP的一个简单方法、二次零多项式(QNP)充要条件的证明、QPP交织器排除了等价性的计数等。本文还对搜索性能优秀的高次置换多项式交织器进行了初步尝试,对帧长N＝2048、码率Rc=1/3的8状态Turbo码得到了一个性能优于QPP交织器并达到了著名的码匹配交织器(CMI)性能的高次置换多项式交织器。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-14
图表索引  14-16
主要符号和缩略词表  16-17
第1章绪论  17-37
  1.1 Turbo码的编译码原理  17-22
  1.2 Turbo编译码系统研究现状与文献综述  22-33
    1.2.1 Turbo码的理论分析  22-26
    1.2.2 Turbo码高性能快速译码算法研究现状与而临挑战  26-29
    1.2.3 Turbo编译码系统中的SNR估计与交织器研究现状与问题  29-33
  1.3 本文研究思路、主要贡献和论文组织结构  33-37
第2章非对数域MAP译码算法的改进  37-49
  2.1 标准MAP译码算法  37-43
    2.1.1 BCJR译码算法  37-40
    2.1.2 BCJR算法的简化版本与数值规范化  40-43
  2.2 改进型MAP译码算法的推导  43-45
  2.3 改进型MAP译码算法的性能  45-47
    2.3.1 改进型MAP译码算法的BER性能仿真验证  45-46
    2.3.2 改进型MAP译码算法的效率  46-47
  2.4 本章小结  47-49
第3章对数域MAP译码算法的两种数值规范化方法  49-69
  3.1 对数域MAP译码算法  49-53
    3.1.1 对数域MAP译码算法的推导  49-51
    3.1.2 二元max*操作的主要近似计算方法  51-52
    3.1.3 多种近似实现的Log-MAP算法的译码性能对比  52-53
  3.2 Log-MAP算法的"加法"规范化  53-54
  3.3 Log-MAP算法的"乘法"规范化  54-58
  3.4 基于纯整数运算的Log-MAP算法  58-67
    3.4.1 基于纯整数运算的Log-MAP算法的实现原理  58-59
    3.4.2 纯整数Log-MAP算法的二进制整数表示宽度  59-63
    3.4.3 3GPP标准Turbo码的纯整数译码方案及计算机仿真结果  63-67
  3.5 本章小结  67-69
第4章瑞利信道下Turbo编码译码系统SNR估计  69-91
  4.1 AWGN信道下基于矩估计法的SNR估计  70-72
  4.2 衰落信道下基于矩估计法的已有SNR估计方法  72-76
    4.2.1 Nakagami-m衰落信道  72-74
    4.2.2 基于非等模星座的SNR估计方法  74-76
  4.3 瑞利信道下基于矩估计法的改进型SNR估计  76-89
    4.3.1 瑞利信道下BPSK接收信号的矩估计  76-79
    4.3.2 由M_2和M_4直接求解γ_F  79-80
    4.3.3 基于M_a,M_2和M_4的三种比值与曲线拟合求解γ_F  80-84
    4.3.4 三种SNR估计器的工作步骤与性能比较  84-89
  4.6 本章小结  89-91
第5章置换多项式交织器的研究  91-109
  5.1 常见交织器设计方法与设计准则  91-97
    5.1.1 常见交织器的设计方法  91-94
    5.1.2 交织器的设计准则  94-97
  5.2 二次置换多项式交织器  97-98
  5.3 高次置换多项式交织器  98-102
    5.3.1 三次置换多项式交织器(CPP)  98-99
    5.3.2 任意m次置换多项式的构造方法  99-101
    5.3.3 高次置换多项式交织器性能初探  101-102
  5.4 二次置换多项式交织器的等价性  102-106
    5.4.1 置换多项式(PP)的等价性与零多项式(NP)  102-103
    5.4.2 整数环上生成QNP的充要条件  103-104
    5.4.3 QPP交织器的非等价计数  104-106
  5.5 本章小结  106-109
结论  109-113
致谢  113-115
参考文献  115-125
攻读博士学位期间完成的论文及专利  125-126

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