Turbo碼在光無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究解析

1、武漢工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文論文題目：Turbo 碼在光無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究姓 名 張健_學(xué)號(hào)071203103院系數(shù)理科學(xué)系專 業(yè)電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)老師呂強(qiáng)_2011 年 6 月 9 日目錄摘要. .ABSTRACT.II1 緒論. 11.1 光無(wú)線通信的發(fā)展歷史.11.2 光無(wú)線通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì) . 21.3光無(wú)線通信的國(guó)內(nèi)外研究概況 .31.3.1國(guó)外研究概況.31.3.2國(guó)內(nèi)研究概況.32 影響光無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩?.52.1 引言. 52.2 大氣衰減及理論模型.52.3 本章小結(jié).83 大氣信道的信道編碼理論 .93.1 引言. 93.2 大氣信道的信道容量模型及分

2、析 .93.2.1 接收端光信號(hào)的強(qiáng)度起伏分布 .93.3本章小結(jié). 134 TURBO 碼在光無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 .144.1 引言.144.2TURBO碼的編碼結(jié)構(gòu)和原理 .144.3基于 00K 的TURBO碼 MAP 譯碼算法.174.4本章小結(jié). 21總結(jié).22謝辭.23參考文獻(xiàn). 24I光無(wú)線通信(OWC)技術(shù)結(jié)合了光纖通信和無(wú)線電通信的優(yōu)勢(shì)，隨著半導(dǎo)體激 光器技術(shù)和光電探測(cè)器件的日益完善而重新興起。光無(wú)線通信具有寬帶大容量、安裝快捷、機(jī)動(dòng)靈活、低成本、無(wú)需頻率申請(qǐng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但光無(wú)線通 信是以大氣信道作為傳輸媒介，因此大氣信道對(duì)光無(wú)線通信系統(tǒng)的影響較大。本文

3、主要針對(duì)光無(wú)線通信系統(tǒng)中大氣信道的干擾而采取的信道編碼方案turbo 碼技術(shù)開(kāi)展了深入的理論研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下：(1) 系統(tǒng)的綜述了光無(wú)線通信的發(fā)展歷史和應(yīng)用分類，分析了其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)， 介紹了國(guó)內(nèi)外的研究概況。(2) 提出了影響光無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩?。分析了大氣衰減形成原因和 理論模型。(3) 詳細(xì)分析了 Shannon 的信道編碼理論，建立了大氣信道的信道容量模型。(4) 對(duì) turbo 碼編碼結(jié)構(gòu)和編碼原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析， 推導(dǎo)了大氣信道下基于 OOK 調(diào)制方式下的 MAP 譯碼算法，得出調(diào)制模式下的 turbo 碼光無(wú)線通信系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞：光無(wú)線通信；大氣信道

4、；信道編碼；turbo 碼；光學(xué)天線IIAbstractOptical wireless com muni cati on (OWC) system bonds the adva ntage of fiber com municati on and radio com muni cati on, it spri ngs up aga in along with the developme nt of theprogress of the semic on ductor lasers and optoelectr onic detectors. The mai n advantagesofOWC

5、 system are that high bandwidth, large capacity, quick deployment, flexibility, low cost,license-free allocation, so it has widely promising application. However the OWC system stransmission medium is atmospheric channel, the atmospheric cha nnel seriously impact thecom muni catio n quality .In this

6、 dissertati on, we focus on turbo coded OWC system in order toelimi nate atmospheric cha nnel disturb, several theoretical studies and systematic desig n havebee n carried out as the follow ing:(1) The OWC system developmental history and application classification aresystematically summarized in br

7、ief, the tech ni cal adva ntage and disadva ntage are an alyzed,and the domestic and foreig n researches status is in troduced.(2) Proposed the in flue nee light wireless com muni cati on system the main factors ofsignal transmission. Have analyzed atmospheric attenuation formation reasons and theor

8、eticalmodel The Shannon cha nnel codi ng theory is an alyzed in detailed, the various channel codingprojects in history are compared, atmospheric light channel capacity s model is established,and the model is simulated by Monte Carlo method.(3) Detailed analysis of the Shannon channel coding theory,

9、 an atmosphereof the cha nnelcha nnel capacity model(4) Turbo yards of coding structure and coding principle are analyzed in detail, and theatmosphere is un der the cha nnel based on un der the way of OOK a MAP that decod ingalgorithm, a model of turbo yards light wireless com muni cati on system pe

10、rforma nee.Key words: Optical wireless com muni catio n; Atmospheric cha nn el; Channel codi ng;Turbo code; Optical antenna11緒論本章主要介紹了有關(guān)光無(wú)線通信的發(fā)展歷史， 光無(wú)線通信的優(yōu)缺點(diǎn)以及現(xiàn)階段光 無(wú)線通信技術(shù)的研究狀況。光無(wú)線通信技術(shù)從古至今不斷進(jìn)步，它的優(yōu)勢(shì)較一般通信 技術(shù)具有明顯區(qū)別，各國(guó)的技術(shù)不斷前進(jìn)，致使光無(wú)線通信技術(shù)有了日新月異的發(fā)展。1.1 光無(wú)線通信的發(fā)展歷史自 1880 年以來(lái)，人們對(duì)光通信的研究經(jīng)過(guò)了120 多年的發(fā)展，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。根據(jù)傳輸

11、介質(zhì)的不同，光通信可以分為兩大類，即光纖通信和光無(wú)線通信。光纖 通信由于具有傳輸速率高、通信容量大、中繼距離長(zhǎng)、不易受外界干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)而 成為主要的有線通信方式，并且正以通信史上前所未有的速度發(fā)展，目前已成為高速有線信息傳輸?shù)墓歉桑谥鸩饺〈鷤鹘y(tǒng)的電纜通信。光無(wú)線通信(Optical Wireless Communication，OWC )又稱為自由空間光通信(Free Space OpticS，它不使用光纖等傳輸介質(zhì)，而直接利用激光在大氣或外太空中 進(jìn)行信號(hào)傳遞，可進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)圖像等的高速雙向傳輸，是目前國(guó)際上的一大研究 熱點(diǎn)，世界上各主要技術(shù)強(qiáng)國(guó)正投入大量的人力和物力來(lái)爭(zhēng)奪這一領(lǐng)域的

12、領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)20光無(wú)線通信是人類通信史上出現(xiàn)最早的通信方式之一。人類在早期為了進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，采用了各種各樣的通信方式，如：煙、火或者通過(guò)反射太陽(yáng)光等方式，最后 發(fā)展成了日光儀。對(duì)于采用煙或火的通信方式，我國(guó)古代修筑的烽火臺(tái)和英國(guó)伊麗莎 白一世修筑的“ bonfires 都是很好的例子。這些通信方式都可以歸入廣義上的光無(wú)線 通信3。在 1870 年，Bell 首次成功地在 600 英尺的自由空間距離上采用光波作為媒 介進(jìn)行了電話信號(hào)的傳輸實(shí)驗(yàn)，這是現(xiàn)代光無(wú)線通信的開(kāi)始。隨著 1960 年激光器的發(fā)明，光無(wú)線通信重新被廣泛關(guān)注；在上世紀(jì)七十年代初，隨著低損耗光纖的出現(xiàn)， 光無(wú)線通信進(jìn)一步被冷落。早期

13、的研究者主要采用激光器進(jìn)行室外幾公里的通信實(shí) 驗(yàn)，但是因?yàn)橛?、霧等天氣因素的影響較大，因此使光無(wú)線通信系統(tǒng)的推廣受到很大 的阻力。盡管 60 年代就有人對(duì)光無(wú)線通信進(jìn)行研究，但當(dāng)時(shí)主要是用于軍事及實(shí)驗(yàn) 研究。80 年代初期歐美、日本、以色列等國(guó)家在軍事國(guó)防、航天領(lǐng)域上已有成功的 應(yīng)用實(shí)例。80 年代后期開(kāi)始有廠商投入商業(yè)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，不過(guò)由于傳輸距離等技 術(shù)問(wèn)題無(wú)法突破而告終。直到 90 年代后期，光通訊器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，光無(wú) 線通信器件變得便宜而可靠耐用，使光無(wú)線通信設(shè)備的造價(jià)大大降低，人們才又2逐漸 開(kāi)始其商業(yè)應(yīng)用的研究。目前，光無(wú)線通信已成為發(fā)達(dá)國(guó)家寬帶接入通信系統(tǒng)的關(guān)鍵 技術(shù)之一

14、。1.2 光無(wú)線通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)光無(wú)線通信作為寬帶通信的接入方式之一，綜合了光纖通信和無(wú)線電通信的優(yōu)點(diǎn)，其主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是5:（1） 無(wú)需頻率申請(qǐng)；（2） 安全保密；（3） 組網(wǎng)速度快；（4） 多徑失真小；（5） 協(xié)議的透明性；（6） 設(shè)備成本低；（7） 傳輸信息容量大。光無(wú)線通信是利用大氣信道來(lái)傳送信號(hào)的，由于大氣信道的不穩(wěn)定性，所以光無(wú)線通信系統(tǒng)必須重點(diǎn)考慮信道的特性。光無(wú)線通信的主要缺點(diǎn)是：首先，受信道環(huán)境影響大，激光束在大氣中傳輸時(shí)，會(huì)受到霧、雨、雪、煙、塵 等顆粒的吸收和散射而產(chǎn)生衰減，并且其衰減量變化是無(wú)法預(yù)知的。另外，系統(tǒng)必須具有自動(dòng)跟蹤、對(duì)準(zhǔn)（ATP）的功能，但在外界因素的

15、作用下， 即使在系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)以后，也可能偏離目標(biāo)，需要重新對(duì)準(zhǔn)。而目前也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)7影響光無(wú)線通信系統(tǒng)性能的另外兩個(gè)重要因素是大風(fēng)和振動(dòng)，都會(huì)造成光路的偏移；對(duì)系統(tǒng)的微弱光電信號(hào)處理技術(shù)同樣提出了極高的要求。實(shí)際上，經(jīng)過(guò)多年的研究，上面的一些問(wèn)題逐漸找到了解決的辦法。首先，最大 的問(wèn)題是大氣介質(zhì)對(duì)光信號(hào)的衰減，目前一種比較好的辦法是采用高糾錯(cuò)能力的信道 編碼技術(shù)。隨著 93 年turbo 碼的首次提出9，給信道編碼領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的發(fā)展， 為信道編碼理論指引了新的發(fā)展方向 一隨機(jī)編碼方式。由于 turbo 碼具有極強(qiáng)的糾錯(cuò) 能力，所以成為第三代移動(dòng)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方案之一，但turbo 碼在

16、光無(wú)線通信中的應(yīng)用還很少見(jiàn)。盡管存在一些問(wèn)題，但隨著市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大和光電子器件的成熟，光無(wú)線通信系統(tǒng)日趨成熟，其實(shí)用化已是勢(shì)在必行。31.3 光無(wú)線通信的國(guó)內(nèi)外研究概況由于在光電子器件及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)上的進(jìn)步，以及通信對(duì)帶寬的需求急劇增長(zhǎng)， 促使美國(guó)、歐洲、日本等技術(shù)強(qiáng)國(guó)在光無(wú)線通信領(lǐng)域投入了大量的人力和物力， 加速 了光無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、桂林34 所、上海光機(jī)所、華中科技大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也進(jìn)行了這方面的研究， 取得了 很大的進(jìn)展。1.3.1 國(guó)外研究概況美國(guó)、歐洲和日本等政治軍事大國(guó)都非常重視光無(wú)線通信的研究和發(fā)展。 隨著各 國(guó)對(duì)太空軍事戰(zhàn)

17、略的日益重視，以及航天和全球通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇， 今后各國(guó) 在該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)越來(lái)越激烈，技術(shù)進(jìn)步也會(huì)越來(lái)越快。1.3.2 國(guó)內(nèi)研究概況我國(guó)對(duì)光無(wú)線通信技術(shù)的研究與國(guó)際上相比， 起步并不晚，但水平上還存在一定 的差距。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在從事光無(wú)線通信研究的主要有北京大學(xué)、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安電 子科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、電子部桂林 34 所、 成都光機(jī)所、上海光機(jī)所、清華同方公司等單位。北京大學(xué)電子學(xué)系區(qū)域光纖通信網(wǎng)及新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室探索一種 采用多量子阱光折變器件的新型相干空間光通信接收方案，和傳統(tǒng)的差拍方案相比， 可以省掉繁瑣的中頻跟蹤電子學(xué)系統(tǒng)， 并

18、對(duì)光無(wú)線通信傳輸中常見(jiàn)的波面畸變， 偏振 面無(wú)規(guī)律變化及多普勒頻移等干擾有所抑制100哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)激光星間鏈路中的天線掃 描捕獲技術(shù)進(jìn)行了理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)研究110建立了天線掃描捕獲理論模型，對(duì)影 響系統(tǒng)捕獲性能的各主要參量之間的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套天線掃描捕獲實(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)并進(jìn)行了驗(yàn)證， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果基本符合120該實(shí) 驗(yàn)室還研究了衛(wèi)星振動(dòng)對(duì)空間光通信系統(tǒng)的影響。華中科技大學(xué)光電子工程系對(duì)光無(wú)線通信系統(tǒng)的 ATP 部分、自適應(yīng)接收技術(shù)、信 道編碼及系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。 所承擔(dān)的武漢市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目 155M 寬帶光無(wú)

19、線通信系統(tǒng)成功的通過(guò)了專家的驗(yàn)收，并且取得了一項(xiàng)專利，專家一致認(rèn) 為該系統(tǒng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先的水平。4隨著國(guó)內(nèi)各高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)光無(wú)線通信技術(shù)的重視， 我國(guó)在該領(lǐng)域與世界先進(jìn) 水平的差距在不斷縮小。但是就目前來(lái)說(shuō)，還基本上處于實(shí)驗(yàn)階段，離產(chǎn)品的市場(chǎng)化 還有很大的一段路需要走。52影響光無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩乇菊轮饕芯坎煌瑲庀髼l件下對(duì)于光無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)的傳輸?shù)挠绊懀?給出了大 氣衰減模型，其主要目的是希望能準(zhǔn)確掌握不同氣候通信條件下， 找到氣象條件影響 通信質(zhì)量的規(guī)律，為通信的實(shí)現(xiàn)提供參考數(shù)據(jù)。2.1 引言光無(wú)線通信系統(tǒng)采用大氣信道作為傳輸媒介，信號(hào)的傳輸過(guò)程就是信號(hào)與大氣信 道的介質(zhì)相

20、互作用的過(guò)程，研究大氣信道對(duì)傳輸信號(hào)的影響，對(duì)于信號(hào)的傳輸具有重 要的意義13。大氣信道對(duì)激光信號(hào)傳輸?shù)挠绊懣梢苑譃閮蓚€(gè)大的方面：（1）激光信號(hào)功率的衰減；（2）由于激光波束的變形引起的激光功率的起伏。激光功率的衰減來(lái)自介質(zhì)對(duì)光 的吸收和散射。激光功率的起伏是由于大氣的折射系數(shù)的微小的動(dòng)態(tài)變化引起的。同時(shí)，光無(wú)線通信系統(tǒng)一般架設(shè)在高的建筑物的頂部， 各種自然和非自然的原因 會(huì)使得發(fā)射和接收平臺(tái)振動(dòng)，這種振動(dòng)又會(huì)影響到平臺(tái)上的發(fā)射和接收系統(tǒng)，使其產(chǎn)生非周期性的擺動(dòng)，這種擺動(dòng)嚴(yán)重影響光無(wú)線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量，使得系統(tǒng)的誤碼率增加，通信質(zhì)量下降，嚴(yán)重的甚至使得系統(tǒng)無(wú)法通信。因此，振動(dòng)對(duì)光無(wú)線通信系

21、統(tǒng)的影響，也是非常嚴(yán)重的。與光纖通信不同，激光信號(hào)在大氣信道中傳輸時(shí)存在背景光，在接收端，除了所 希望的接收信號(hào)功率外，處在一個(gè)亮背景下的光無(wú)線通信接收系統(tǒng)還將接收到背景光 噪聲。接收到的背景光噪聲與所期望的信號(hào)光被一起進(jìn)行處理，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能造成劣化。本章主要分析大氣信道的衰減，建立了大氣衰減理論模型，為在光無(wú)線系統(tǒng)中應(yīng) 用 turbo 碼奠定了基礎(chǔ)。2.2 大氣衰減及理論模型激光束在大氣中傳輸時(shí)，由于大氣中存在著各種氣體和微粒，如灰塵、煙、霧等, 以及刮風(fēng)、下雨等氣象變化，使部分光輻射能量被吸收而轉(zhuǎn)換成其它形式的能量（如 熱能）14；另外部分光輻射能量則被散射而偏離原來(lái)的傳播方向（即

22、輻射方向重新分 配），吸收和散射的總效果是使傳輸?shù)墓廨椛鋸?qiáng)度受到衰減，這就是大氣衰減產(chǎn)生的因15。在不同的天氣條件下，空氣中的水分子、 水滴、顆粒會(huì)對(duì)激光的傳播產(chǎn)生不同6的衰減，表 2-1 是典型天氣條件下衰減的數(shù)值。表 2-1 典型天氣下的大氣衰減系數(shù)天氣衰減（dB / km）小雨3小到中雨5中到大雨/小雪/薄霧10暴雨/中雪/輕霧17大暴雨/暴雪/濃霧30激光在大氣中傳播時(shí)，由于大氣的作用產(chǎn)生的能量衰減主要來(lái)自于大氣分子的吸收、散射和大氣氣溶膠的散射。大氣衰減可以用 Beer 定律來(lái)表示16，T（L） = I/I。二exp（- l L）（ 2.1）式（2.1）中為波長(zhǎng)為的光在大氣中傳輸距離

23、為 L 的透過(guò)率，I 為通過(guò)大氣后 的光強(qiáng)，I。為通過(guò)大氣前的光強(qiáng)，I（ 1/km）為波長(zhǎng)為的傳輸光的衰減系數(shù)，L 為 傳輸距離。式（2.1）表明傳輸光功率隨傳輸距離的增加而指數(shù)衰減。大氣衰減包括吸收和散射兩種獨(dú)立的物理過(guò)程，衰減系數(shù).可以表示為17kmk（2.2）其中km為大氣分子的吸收系數(shù)，在紅外波段，水、二氧化碳、臭氧等分子對(duì)光 波有很強(qiáng)的吸收作用；匚m為大氣分子的瑞利散射系數(shù)，瑞利散射是比光波波長(zhǎng)小很 多的微粒與光相互作用的結(jié)果，在紅外區(qū)，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)，散射系數(shù)較小，可以忽略 不計(jì)；k 為氣溶膠的吸收系數(shù)，氣溶膠的吸收主要由分布在大氣中的固體和液體顆 粒造成的，例如冰、灰塵和有機(jī)物等；

24、 二.為氣溶膠的 Mie 散射系數(shù)，當(dāng)大氣微粒的大 小與光波波長(zhǎng)相差不多或大于波長(zhǎng)時(shí)，這時(shí)主要產(chǎn)生Mie 散射，Mie 散射系數(shù)在整個(gè)衰減系數(shù)中占主要地位。霧的衰減。霧的顆粒十分接近可見(jiàn)到紅外光波長(zhǎng)，散射十分嚴(yán)重，所以霧的衰減 是相當(dāng)嚴(yán)重的，其衰減系數(shù)也可近似計(jì)算18。表 2-2 列出的是測(cè)量得到的幾種波長(zhǎng)的 不同的 A 值（V 50V200厚霧-59.572200V500中等霧-20.993500V1000輕霧-9.2641000V2000薄霧-4.2252000V4000-1/ -1霾霧-1.6264000V10000輕霾-0.96710000V20000晴朗-0.22820000V500

25、00很晴朗-0.19950000特別晴朗-0.06雨的衰減。雨對(duì)激光輻射的衰減與同樣能見(jiàn)度的霧相比一般要小些，這是因?yàn)橛甑屋^大（一般為 0.22mm）,具有很強(qiáng)的前向散射效應(yīng)。原則上雨的衰減同霾一樣可 以按照粒子散射理論計(jì)算，但由于雨滴的尺度譜是降雨強(qiáng)度的函數(shù)，因此雨的衰減也將與降雨強(qiáng)度直接相關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，衰減系數(shù)二.與降雨強(qiáng)度J的關(guān)系為下式20，-:=a Jb（2.3）式（2.3）中單位為 km-1，a 和b為擬合參數(shù)（a+b），降雨強(qiáng)度J單位為毫 米/小時(shí)。雪的衰減。雪對(duì)激光信號(hào)的衰減目前在理論上還沒(méi)有很好的解決，一般來(lái)說(shuō)在相同含水量條件下雪的衰減比雨大但比霧小。實(shí)驗(yàn)研究表明，式（2.3）

26、也適用于雪，8從小雪到大暴雪的衰減約為 3dB/ km 到 30dB/ km21。2.3 本章小結(jié)在本章中，在分析大氣信道的基礎(chǔ)上，我們討論了影響光無(wú)線通信系統(tǒng)性能的主 要因素。不同的影響因素其分析方法不同，小結(jié)如下：信號(hào)傳輸和天氣狀況密切相關(guān)。 對(duì)于大氣衰減，可以分為大氣分子吸收、分子散 射、氣溶膠衰減和霧、雨等的衰減，不同的天氣情況時(shí)，衰減的主要類型不同。93大氣信道的信道編碼理論本章根據(jù)大氣信道的理論模型，建立了大氣信道的信道容量模型，并且分析了信 道容量對(duì)光無(wú)線通信系統(tǒng)的影響。3.1 引言光無(wú)線通信利用大氣空間來(lái)傳輸信號(hào)， 而大氣信道是不穩(wěn)定的，這也就預(yù)示了光無(wú)線通信必然受信道環(huán)境很大

27、的影響。光學(xué)發(fā)射和接收系統(tǒng)的嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)以及選擇天氣 情況較好的時(shí)候進(jìn)行通信可以對(duì)信道環(huán)境的影響有一定的改善，但在光無(wú)線通信系統(tǒng)中必須采取新的技術(shù)方案一差錯(cuò)控制編碼技術(shù)，即信道編碼。3.2 大氣信道的信道容量模型及分析光無(wú)線通信以大氣作為傳輸介質(zhì)， 而大氣信道是不穩(wěn)定的，這也就預(yù)示了光無(wú)線 通信必然受信道環(huán)境的影響。激光束在大氣中傳輸時(shí)，會(huì)受到霧、雨、雪、煙、塵等 顆粒的吸收和散射而產(chǎn)生衰減，并且其衰減量的變化是無(wú)法精確預(yù)知的220盡管激光 的方向性很好，但波束還是會(huì)隨傳輸距離的增加而慢慢變寬，超過(guò)一定距離后就難以被正確接收。同時(shí)，大氣信道是一個(gè)時(shí)變信道，大氣擾動(dòng)對(duì)光無(wú)線通信系統(tǒng)的影響是 實(shí)時(shí)變化

28、的。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的光無(wú)線通信系統(tǒng)，從信息論的理論出發(fā)來(lái)分析大氣信道特性是非常重要的。3.2.1 接收端光信號(hào)的強(qiáng)度起伏分布目前，大氣信道的一種常用模型是對(duì)數(shù)正態(tài)模型23，由于此模型比較簡(jiǎn)單，所以 被廣泛的用來(lái)計(jì)算接收端信號(hào)光強(qiáng)的概率密度函數(shù)，但此模型僅僅適合于大氣擾動(dòng)比 較弱的時(shí)候。當(dāng)大氣擾動(dòng)逐漸增強(qiáng)時(shí)，必須考慮大氣散射的影響，此時(shí)對(duì)數(shù)正態(tài)模型 的統(tǒng)計(jì)值和實(shí)驗(yàn)值相差很大。r莫型很好的吻合了大氣強(qiáng)干擾和弱干擾的實(shí)驗(yàn)值24， 因此非常適合光無(wú)線通信系統(tǒng)。對(duì)于r莫型，我們做以下假設(shè)：大氣傳輸介質(zhì)可被認(rèn)為是由一個(gè)個(gè)小的不同尺寸 和折射率的小氣團(tuán)所組成，從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，這些小氣團(tuán)像透鏡

29、一樣隨機(jī)地折 射大氣中傳播的光線。為建模計(jì)算大氣擾動(dòng)強(qiáng)度的大小，我們使用Rytov 方差來(lái)估算擾動(dòng)強(qiáng)度，如下式：10式（3.1）中，k =2二/L是波數(shù)，；為光無(wú)線通信系統(tǒng)所米用的波長(zhǎng)，L 為系統(tǒng)的工作距離，打?yàn)榇髿鈹_動(dòng)的強(qiáng)度。為了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)光無(wú)線通信系統(tǒng)的通信性能，建立一個(gè)精確的光無(wú)線通信系統(tǒng)信 道模型是非常重要的。Al-Habash 等提出的模型將傳輸?shù)男盘?hào)光分解成兩個(gè)相互獨(dú)立 的概率密度函數(shù)都為 I分布的隨機(jī)過(guò)程，接收端光信號(hào)強(qiáng)度起伏的概率密度函數(shù)為：f=嚮囂嚮囂I曲心3（2何T）（3.2）式（3.2）中，I 為信號(hào)強(qiáng)度的振幅，:-和為概率密度函數(shù)的參數(shù)，為第 二類修正 Besse函數(shù)。

30、參數(shù)和由下式來(lái)計(jì)算：信號(hào)強(qiáng)度振幅 I圖 3-1 不同擾動(dòng)強(qiáng)度下接收端信號(hào)強(qiáng)度起伏的分布圖 3-2 中給出了不同的大氣擾動(dòng)強(qiáng)度下，接收端光強(qiáng)分布的概率密度函數(shù)。從圖中可以看出，在大氣擾動(dòng)強(qiáng)度比較小的情況下，即二：1 時(shí)，】分布近似于對(duì)數(shù)正態(tài)2= 1.23Cnk7/611/6L(3.1)0.49 匚RR_j=exp(1 1.1仁R2/5)7/6:=exp(1 069異)5/6卜1(3.3)(3.4)1.5數(shù)函度$ OO占O.11分布；隨著擾動(dòng)強(qiáng)度的逐漸增加，-分布逐漸向左傾斜，當(dāng)擾動(dòng)強(qiáng)度很大時(shí)，-分布 近似于指數(shù)分布。因此，在擾動(dòng)強(qiáng)度很小時(shí)，可用對(duì)數(shù)正態(tài)模型或-模型來(lái)近似擾動(dòng)12強(qiáng)度分布；當(dāng)擾動(dòng)強(qiáng)

31、度較大時(shí)，其分布近似于指數(shù)分布和分布。322大氣信道容量的計(jì)算信道容量是信道本身特征參量的函數(shù)，反映信道自身的信息特性。一個(gè)有噪信道 的容量和接收信號(hào)的信噪比（SNR）有關(guān)，其定義是信道每傳遞一個(gè)符號(hào)所傳輸?shù)钠骄?信息量25，單位是比特/信道符號(hào)（bits / channel symbol）。若系統(tǒng)采用的是二進(jìn)制傳輸 系統(tǒng)，則信道容量的極限值為 1（bits/ channel symbol），當(dāng)系統(tǒng)信噪比很大時(shí)，信道容 量接近極限值。大多數(shù)情況下，系統(tǒng)使用長(zhǎng)的糾錯(cuò)碼，信道容量也可以接近于最大值。 對(duì)于光無(wú)線通信系統(tǒng)，信道特性是實(shí)時(shí)變化的，信道容量也隨之變化，而不同的信道 容量又導(dǎo)致系統(tǒng)的通信能

32、力不同。為分析信道的容量，我們做如下假設(shè)：（1） 接收端接收的信號(hào)強(qiáng)度是獨(dú)立同分布的， 即信道特性是不相關(guān)的。實(shí)際上, 在高速通信時(shí)信道具有短暫的相關(guān)性，由于處理多維分布的難度，我們認(rèn)為它們是不 相關(guān)的，這可以通過(guò)在信號(hào)發(fā)送端采用長(zhǎng)的交織器來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2） 信道的所有參數(shù)已知。（3） 光無(wú)線通信系統(tǒng)采用強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)（IM/DD）方式，系統(tǒng)的調(diào)制方式為 BPSK,輸出的信號(hào)為，大氣信道為 AWGN 信道，噪聲為加性高斯白噪聲。光無(wú)線通信系統(tǒng)的信道統(tǒng)計(jì)模型可用如下的式子表示：(3.5)其中丫是接收信號(hào)，I 是發(fā)送端的信號(hào)強(qiáng)度振幅，X 是發(fā)送信號(hào)，N是信道的噪 聲。BPSK調(diào)制方式的輸出信號(hào)為-

33、1，由于信道噪聲的干擾，接收端的接收信號(hào)為-I N，其值由抽驗(yàn)判決器來(lái)判斷。信道容量的定義為輸入信號(hào) 間平均互信息的最大值25，即C二rm(axI(X;Y)(3.6)對(duì)于大氣信道，由于輸入是二進(jìn)制，信道的平均互信息為式（3.7）中，f,y |x）是在給定輸入 X 下輸出丫的條件分布，PX（x）是輸入信號(hào) X 的概率。X 和輸出信號(hào)丫I(Y；X)x= 1J(y |x)Px(x)logfY（y|x）、fY（y|z）Px（z）z= 1(3.7)13條件分布函數(shù) fY(y|x - 一 1)的分布為 Y - 一1 N； fY(y|x=1)的分布為Y = l N。由概率論知識(shí)可知，兩個(gè)隨機(jī)變量的和的概率密

34、度函數(shù)等于兩個(gè)隨機(jī)變量概率密度函 數(shù)的卷積；而對(duì)于隨機(jī)變量 I，若其分布函數(shù)為f (x)，則隨機(jī)變量-I 的分布函數(shù)為f(-x)，所以可以由 I 和N分布分別求出條件分布 fY(y|x = -1)和 fY(y|x = 1)的概率 密度函數(shù)。對(duì)于AWGN 信道，噪聲的分布為一均值為零的高斯分布，其分布函數(shù)為g(t,21NoexP(2lN0)(河其中 N0為高斯分布的方差，也即為噪聲的平均功率。式(3.7)中，R(x)是使得平均互信息取得最大值時(shí)的輸入信號(hào) X 的概率。由于信道是對(duì)稱的，所以使得互信息最大時(shí)的P(_1)=：P(1)=：0.5。信道的信噪比 SNR 的定義如下式(3.9)為了具體分析

35、光無(wú)線通信系統(tǒng)的信道容量，我們采用蒙特卡羅積分方法對(duì)式(3.7)進(jìn)行了計(jì)算，如圖 3-3 所示圖 3-2 不同擾動(dòng)強(qiáng)度下信道容量和輸入信噪比的關(guān)系圖 3-3 給出了幾種不同擾動(dòng)強(qiáng)度下，信噪比和信道容量的關(guān)系，其中信道容量的 單位為比特/信道No9 8 7 6 5 40 0 0 0 0LenanrKrrD量容道信14符號(hào)。從圖中可以看出，在大氣擾動(dòng)強(qiáng)度比較弱時(shí)，隨著強(qiáng)度的增 加，信道容量逐漸減小，且信道容量的減小幅度較快，這導(dǎo)致光無(wú)線通信系統(tǒng)的通信 性能下降；當(dāng)大氣擾動(dòng)比較強(qiáng)時(shí)，信道容量隨著擾動(dòng)強(qiáng)度的增加而減小， 但其減小幅 度較慢，且信道容量逐漸趨近于一個(gè)極限，這意味著不論大氣擾動(dòng)有多大，信道

36、的容 量都不會(huì)低于這個(gè)極限，因此這個(gè)極限即為光無(wú)線系統(tǒng)的信道容量的最低值。 在設(shè)計(jì) 光無(wú)線通信系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)信道容量分布可得到信道的最大傳輸能力， 只有系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 傳輸率低于信道的最大傳輸能力時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率才能達(dá)到要求。3.3 本章小結(jié)在本章中，我們分析了大氣信道的信道容量模型。本章的具體工作小結(jié)如下：(1) 根據(jù) Shannon 勺信道編碼理論，要使得通信系統(tǒng)的誤碼率降低，通常有三種辦法：降低碼率、增加信道容量、增加碼長(zhǎng)。但降低碼率意味著增加傳輸速率，這又 增加傳輸?shù)膸?；增加信道容量意味著增加信?hào)發(fā)送的功率，這兩種方法都不是可取的。增加碼長(zhǎng)是一個(gè)比較可取的辦法，但增加碼長(zhǎng)同時(shí)使得發(fā)送的碼字

37、成指數(shù)增加， 相應(yīng)的增加了譯碼的復(fù)雜度。五十多年來(lái)，各種信道編碼方案，正是在Sha nnor 信道編碼理論的指導(dǎo)下出現(xiàn)的。(2) 各種信道編碼方案，按時(shí)間劃分，可分為四個(gè)階段。歷史上每一個(gè)出現(xiàn)的 信道編碼方案，都有其各自的缺陷。直到 1993 年，turbo 碼的出現(xiàn)，因其在理論上接近 于 Shannon!限，從而引起轟動(dòng)。Turbo 碼巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，實(shí) 現(xiàn)了隨機(jī)編碼的思想，而隨機(jī)編碼的思想正是 Sha nnor 理論的核心。(3) 大氣信道的信道容量決定了系統(tǒng)所能傳輸信號(hào)的最高速率。通過(guò)蒙特卡羅積分分析了不同擾動(dòng)強(qiáng)度下信道容量和信道信噪比的關(guān)系，結(jié)果表明：信道容量隨著

38、擾動(dòng)強(qiáng)度的增加而減小，在擾動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)，信道容量分布趨近于一個(gè)極限，此極限 值為系統(tǒng)的信道容量的最低值，這為光無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率的設(shè)計(jì)提供了理論 基礎(chǔ)。154 Turbo碼在光無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究本章首先分析了 turbo 碼的編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理；接著分析了在大氣信道下，基于 00K的調(diào)制模式的 turbo 碼的最大似然譯碼（MAP）算法。4.1 引言光無(wú)線通信系統(tǒng)是激光通過(guò)大氣信道進(jìn)行信息的傳輸，與光纖通信一樣，光無(wú)線通信系統(tǒng)一般采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM / DD ）方案，但是與光纖通信相比，光無(wú) 線通信系統(tǒng)的信道性能相差很遠(yuǎn)，不僅鏈路中存在大氣衰減、空間損耗、光強(qiáng)閃爍， 還

39、存在背景光噪聲，所以信道條件十分惡劣。為了使得光無(wú)線通信系統(tǒng)穩(wěn)定而可靠的 傳輸，必須采取一定的措施來(lái)保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量。光無(wú)線通信系統(tǒng)中，通常采用的主要技術(shù)有：（1） 加大激光器的發(fā)射功率，提高足夠的功率裕量，從而克服各種噪聲干擾和 大氣衰減的影響，保證通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。但本方案對(duì)于光無(wú)線通信系統(tǒng)只能是在 一定的限定條件下使用。（2） 接收系統(tǒng)采用自適應(yīng)接收技術(shù)。但目前精確的算法研究也不成熟。（3） 增大接收機(jī)的接收孔徑和采用分集發(fā)送、分集接收技術(shù)?，F(xiàn)階段本方案在 技術(shù)層面上也不是很可取。（4） 通過(guò)信道編碼方案對(duì)通信所傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理，從而來(lái)提高光無(wú)線通信 系統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度和增強(qiáng)光無(wú)線

40、通信系統(tǒng)的抗干擾性能。Turb o 碼問(wèn)世至今，因其性能接近于 Sha nnor 極限而引起人們的廣泛關(guān)注。目前 turbo碼已被美國(guó)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)顧問(wèn)委員會(huì)作為深空通信的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)它也被確定為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMT-2000）的信道編碼方案之一，但 turbo 碼在光無(wú)線通信系統(tǒng) 中的應(yīng)用還很少。本章首先分析了 turbo 碼的編碼器結(jié)構(gòu)和工作原理； 接著分析了在大氣信道下， 基 于 OOK調(diào)制模式的 turbo 碼的最大似然譯碼（MAP ）算法。4.2Turbo 碼的編碼結(jié)構(gòu)和原理1993 年 C. Berro 和 A. Glavieux 提出了并行級(jí)聯(lián)碼，并把它命名為 turbo 碼，

41、因?yàn)樗?的譯碼就像一個(gè)渦輪機(jī)。Turb o 碼的編碼器和譯碼器的結(jié)構(gòu)與思想與以前的碼有許多 不同的地方，它作為一種新的編碼結(jié)構(gòu)和譯碼算法的結(jié)合， 有著接近理論極限的性能。 從理論上看，16只要編碼長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，它就非常接近隨機(jī)碼，從而達(dá)到 Sha nnor 極限。 由于它的卓越性能，一經(jīng)發(fā)表就引起了廣泛的關(guān)注和研究，包括理論解釋、譯碼算法 和簡(jiǎn)化、減少時(shí)延等。不僅在高斯信道，而且在相當(dāng)多的應(yīng)用環(huán)境中，turbo 碼也都被 證實(shí)同樣具有接近容量極限的性能。Turbo 碼編碼器典型的結(jié)構(gòu)如圖 4-1 所示26圖 4-1 Turbo 碼的編碼器結(jié)構(gòu)編碼器主要由兩個(gè)遞歸系統(tǒng)卷積（RSC recursiv

42、e systematic code 編碼器通過(guò)一 個(gè)隨機(jī)交織器并行連接而成，編碼后的校驗(yàn)位經(jīng)過(guò)刪余陣，從而產(chǎn)生不同碼率的碼字。 長(zhǎng)度為 N 的信息序列 u 叫 5,氏，,UN 方面直接進(jìn)入第一個(gè)分量編碼器 RSC1；另一 方面經(jīng)過(guò)一個(gè)N位隨機(jī)交織器，形成一個(gè)重新排列的新的交織序列u 廣u；,u2,uN（長(zhǎng)度與內(nèi)容不變， 但比特位置經(jīng)過(guò)重新排列） 。 u 與比分別傳送到兩個(gè)分量碼編碼 器 RSC1和 RSC2 中，通常情況下這兩個(gè)分量編碼器結(jié)構(gòu)相同，產(chǎn)生了兩個(gè)不同的校驗(yàn) 序列x1p和x2p。為了提高編碼效率，除了可以選用高碼率的分量碼外，校驗(yàn)序列x1p和x2p還需要經(jīng)過(guò)刪余（puncturing

43、）技術(shù)從這兩個(gè)校驗(yàn)序列中周期地刪除一些校驗(yàn)位， 然后再與未編碼序列xS復(fù)用再一起進(jìn)行調(diào)制，生成了 turbo 碼序列 X。從圖 4-1 可以看 出，turbo 編碼器的結(jié)構(gòu)主要由交織器、分量碼編碼器、刪余復(fù)用單元組成，下面我們分別就這三者進(jìn)行討論。（1）分量碼的選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，turb o 碼的分量碼編碼器一般采用RSC 碼,這是因?yàn)?RSC 碼綜合了非系統(tǒng)卷積碼 （NSC）和系統(tǒng)碼的特性具有比較理想的抗噪 聲性能27,28。圖 4-2 為一個(gè)生成多項(xiàng)式為（37,21）、碼率為 1/2 的 RSC 編碼器的結(jié)構(gòu) 圖。17圖 4-2 典型的 RSC 編碼器結(jié)構(gòu)圖RSC 編碼器的結(jié)構(gòu)不同于一般

44、的卷積碼編碼器， 其結(jié)構(gòu)不僅有前向結(jié)構(gòu)，而且有后向反饋結(jié)構(gòu)，如圖 4-2 所示。對(duì)于一個(gè)碼率為 1/2，約束長(zhǎng)度為k，寄存器個(gè)數(shù)為m二k-1的 RSC 碼的生成多項(xiàng)式可以表示為(4.1)其中 g0(D)表示反饋多項(xiàng)式，gi(D)表示前向多項(xiàng)式。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)反饋多項(xiàng)式 和前向多項(xiàng)式，就可以進(jìn)行 turbo 碼的分量碼設(shè)計(jì)。用 RSC 碼構(gòu)成的 turbo 碼的碼率 R 為丄丄一 1R R 民其中 R,和 R2分別為 RSC1 和 RSC2 的碼率，R和 R?可以不相同。從差錯(cuò)控制編碼的文獻(xiàn)中可知29，非系統(tǒng)卷積碼的誤碼率性能在大的信噪比時(shí)比 約束長(zhǎng)度相同的 NSC 碼要好，但是在小的信噪比時(shí)的情

45、況正好相反，RSC 碼綜合了NSC 碼和系統(tǒng)碼的特點(diǎn)。 并且因?yàn)橄到y(tǒng)碼可以直接從碼字中恢復(fù)信息序列， 這一特性 使得 turbo 在譯碼器端無(wú)需變換碼字而直接對(duì)接收的碼字序列進(jìn)行譯碼。所以，RSC碼相對(duì)于 NSC 碼而言譯碼簡(jiǎn)單快捷。其次，對(duì)于一個(gè) RSC 碼，總存在一個(gè)具有完全相 同柵格結(jié)構(gòu)的 NSC 碼。因此從子碼的性能上來(lái)說(shuō) NSC 碼并沒(méi)有很大的優(yōu)勢(shì)。而從 turbo 碼的性能聯(lián)合界的分析可以看出，當(dāng)子碼采用 RSC 時(shí)，turbo 碼隨著交織長(zhǎng)度的增大性 能穩(wěn)定地提高。因此，RSC 碼常常作為 turbo 碼的分量碼的首要選擇。(2)交織器。交織器是 turbo 碼編碼器的主要組成部

46、分，也是 turbo 碼的主要特征之一30。線性碼的糾錯(cuò)譯碼性能實(shí)際上是由碼字的重量分布決定的，turbo 碼也是線移位移位移位移位r寄存寄存寄存寄存Xk(4.2)18性碼，所以其性能也是由碼字重量分布決定。 由于交織器實(shí)際上決定了 turbo 碼的重量 分布，所以，給定了卷積編碼器之后，turbo 碼的性能主要由交織器所決定。交織器的主要功能是利用隨機(jī)化的思想將兩個(gè)相互獨(dú)立的短碼組合而成一個(gè)長(zhǎng) 的隨機(jī)碼，因?yàn)殚L(zhǎng)碼的性能可以逼近 Sha nnor 極限。其次，交織器可以用來(lái)分散隨機(jī) 錯(cuò)誤。經(jīng)交織器處理后，被干擾的信息數(shù)據(jù)送入第二個(gè)子編碼器。這樣，兩個(gè)子譯碼 器的輸入之間的相關(guān)性可以在很大的程度

47、上得到削弱。于是，一種基于在兩個(gè)子譯碼器之間互相傳遞 不相關(guān)”信息的次優(yōu)迭代譯碼算法得以應(yīng)用。 例如，對(duì)于一些錯(cuò)誤模式，在經(jīng)過(guò)第一次子譯碼器糾錯(cuò)后，剩余的錯(cuò)誤經(jīng)交織器進(jìn)行分散處理后能變成可糾 正的錯(cuò)誤模式，然后由另一個(gè)子譯碼器來(lái)糾正。 通過(guò)在譯碼過(guò)程中增加迭代次數(shù)， 誤 碼率可以逼近信道極限。最后，交織器還可以用來(lái)打亂低重量的輸入序列模式，從而增大輸出碼字的最小漢明距離或者說(shuō)減少低重量碼字的數(shù)量。交織器通過(guò)交織尺寸和交織規(guī)則兩個(gè)方面影響turbo 碼的性能。當(dāng) turbo 碼采用系統(tǒng)反饋卷積碼作子碼時(shí)，turbo 碼的性能基本上和交織長(zhǎng)度成正比。交織規(guī)則是turbo碼的誤差底限的決定性因素，誤

48、差底限就是指誤碼率在一定時(shí)刻下不隨著信噪比的增 加而陡峭下降時(shí)的誤碼率。對(duì)于一個(gè)固定交織長(zhǎng)度的 turbo 碼，其誤差底限可根據(jù)不同 的交織規(guī)則在10-4至 10-9之間變化。存在誤差底限的原因主要是 turbo 碼的設(shè)計(jì)并不是 絕對(duì)的長(zhǎng)隨機(jī)碼，對(duì)于中等交織長(zhǎng)度的情況， 交織后的序列與交織前的序列相關(guān)性越 小， 則 turbo 碼越接近隨機(jī)碼，對(duì)應(yīng)的誤差底限就越低。（3）刪余器。為了提高編碼效率，通常在編碼時(shí)需要對(duì)輸出進(jìn)行刪余。由于信 息比特是必須傳輸?shù)?，因此只能刪減校驗(yàn)比特。Sha nnor 在信道編碼定理中明確地指出了碼率與信道容量的問(wèn)題，刪余器可以有效的提高 turbo 碼的碼率，經(jīng)過(guò)刪

49、余可以獲 得任意碼率的編碼輸出4.3基于 00K 的 turbo 碼 MAP 譯碼算法Turbo 碼的譯碼引入了迭代譯碼的機(jī)制。其基本原理就是采用turbo 反饋結(jié)構(gòu)的偽隨機(jī)譯碼器，兩個(gè)碼可以交替、互不影響的譯碼，而且還可以通過(guò)關(guān)于系統(tǒng)碼信息位 的軟判決輸入，內(nèi)碼和外碼經(jīng)過(guò)交織處理，使內(nèi)外碼之間的相關(guān)性降低，經(jīng)過(guò)多次迭 代使每個(gè)碼元都可以得到來(lái)自序列中幾乎所有的碼元的信息，它具體是通過(guò)迭代中反復(fù)交織、反交織實(shí)現(xiàn)的，即體現(xiàn)了譯碼的偽隨機(jī)化，因而可以得到很低的誤碼率。根據(jù)信息論原理可知，一個(gè)編碼的誤碼性能取決于碼距，A 和 B 兩個(gè)碼字距離越19遠(yuǎn)，把 B 錯(cuò)譯成 A 的概率越小。Turbo 碼的

50、迭代譯碼就是要對(duì)適當(dāng)構(gòu)造的級(jí)聯(lián)碼使用 軟輸入/軟輸出”譯碼器多次重復(fù)迭代，使譯碼器性能可以最終達(dá)到或接近乘積碼的水 平。Turbo 碼譯碼器的基本結(jié)構(gòu)如圖 4-3 所示。它由兩個(gè)軟輸入軟輸出(SISO)譯碼器 DEC1和 DEC2 串行級(jí)聯(lián)組成，交織器與編碼器中所使用的交織器相同。譯碼器DEC1對(duì)分量碼 RSC1 進(jìn)行最佳譯碼，產(chǎn)生關(guān)于信息序列 u 中每一比特的似然比信息，并將 其中的新信息”經(jīng)過(guò)交織送給 DEC2,譯碼器 DEC2 將此信息作為先驗(yàn)信息，對(duì)分量碼 RSC2 進(jìn)行最佳譯碼，產(chǎn)生關(guān)于交織后的信息序列中每一比特的似然比信息，然后將 其中的 外信息”經(jīng)過(guò)解交織送給 DEC1,進(jìn)行下一

51、次譯碼。這樣，經(jīng)過(guò)多次迭代，DEC1 或 DEC2 的外信息趨于穩(wěn)定，似然比漸近值逼近于整個(gè)碼的最大似然譯碼，然后對(duì)此 似然比進(jìn)行硬判決，即可得到信息序列 u 的每一比特的最佳估值序列 u。:eL21圖 4-3 Turbo 碼譯碼器的結(jié)構(gòu)假定 turbo 碼譯碼器的接收序列為 y=(ys,yp)，校驗(yàn)信息 yp經(jīng)解復(fù)用后，分別送 給 DEC1和 DEC2。于是，兩個(gè)軟輸出譯碼器的輸入序列分別為：dec1： y1=(ys,y1p)(4.3)dec2：y2=(ys,y2p)(4.4)為了使譯碼后的比特錯(cuò)誤概率最小， 根據(jù)最大后驗(yàn)概率譯碼準(zhǔn)則，turbo 碼譯碼器 的最佳譯碼策略是：根據(jù)接收序列 y

52、 計(jì)算后驗(yàn)概率(APP) P(uJ = P(uk| y1,y2)。顯 然，這對(duì)于長(zhǎng)度比較長(zhǎng)的碼字計(jì)算復(fù)雜度太高。 在 turbo 碼的譯碼方案中， 巧妙地采用 了一種次優(yōu)譯碼規(guī)則，將 y1和 y2分開(kāi)考慮，由兩個(gè)分量碼譯碼器分別計(jì)算后驗(yàn)概率P(Uk) = P(Uk| yi,L；)和 P(Uk)二 P(Uk| y2,L；)然后通過(guò) DEC1 和 DEC2 之間的多次迭代， 使20它們收斂于 MAP 譯碼的 P(uk) = P(uk| y2)，從而達(dá)到接近 Shannorf 限的性能。這 里 L；和 L；為附加信息。其中，Li由 DEC2 提供，在 DEC1 中用作先驗(yàn)信息；L；由 DEC1 提供

53、，在 DEC2中用作先驗(yàn)信息。由于編碼器中使用了交織，所以每個(gè)分量譯碼器輸出的外信息必須正確的進(jìn)行交 織和解交織，以使它和另一個(gè)譯碼器接收到的信道軟信息相對(duì)應(yīng)，并且由于譯碼過(guò)程是一個(gè)迭代過(guò)程，因此每次迭代不僅利用了最初的信道軟信息，而且也利用了迭代更新后的信息。從上述的譯碼過(guò)程可以看出，由于 turbo 碼的外部信息是從另外一個(gè)譯碼器反饋得 到的，結(jié)構(gòu)如同渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(turbo)，這就是 turbo 碼的名稱的由來(lái)。關(guān)于 P(uk| y1,L1)和 P(uk| y2,L|)的求解，目前已經(jīng)有很多種方法，它們構(gòu)成了 turbo 碼的不同譯碼算法。Turbo 碼的譯碼算法總體上可分為 MAP 和

54、VA 兩類主要算法。 MAP 算法是一種以柵格為基礎(chǔ)的軟輸出譯碼算法，與維特比(VA )算法的最大相似柵格和最小碼字誤差率譯碼方式不同，MAP 算法是一種最小比特誤差率譯碼算法，是對(duì)馬爾可夫過(guò)程在白噪聲中的最佳狀態(tài)的輸出估計(jì)。由于 MAP 算法的性能較 SOVA算法優(yōu)越，所以 MAP 算法是目前使用得最多的一種算法。又由于 MAP 算法和信息的 調(diào)制方式密切相關(guān)，本節(jié)將主要討論 00K 調(diào)制方式下的 MAP 迭代譯碼算法。在討論 turbo 的譯碼算法之前，我們首先假設(shè)發(fā)射端經(jīng)過(guò)不同編碼調(diào)制后的輸出信 號(hào)為xWK=(W；,wp) =(y；-1,yp2 2uk的先驗(yàn)信息 La(uk)和對(duì)數(shù)似然比

55、L(uQ 的定義如下:a SP(X；=1)p(VKP(v；(4.5)通過(guò)式(4.3),P(ukN、=1|L(UkTp(Uk=oM)我們可得出卩陰叮爲(wèi)背舄申曲La(xS)=宀expvSLa(xS)(4.6)(4.7)對(duì)于 P(yK| XK)，考慮到 YK=(yK,yp)，并且對(duì)于 AWGN 信道，y；和 yp是兩個(gè)獨(dú) 立同分布的高斯隨機(jī)變量32，我們有SpP(YK|XK) = P(WK|VK) = P(WK|VK) P(WK|VK)= exp右exp-J2二二2. 2二廠s s丄p pCRWKVK+WKVKN2二2(4.8)所以可得到K(SK，SK) =P(YK|VK) P(VK) =P(YK|

56、VK) p(v；)S Sp p_ A BexpvS.a(xS).WKVKWKVK-AKBKexpVKL (xK)2(4.9)其中：AK、BK為常量。對(duì)于大氣信道，可近似認(rèn)為是 AWGN 信道，信噪比 導(dǎo)乂2，No其中 Eb為每信號(hào)比特的能量33。對(duì)于 OOK 調(diào)制方式，定義Lc二EbNo匚2，則K(SK4,SKP expvSLa(xS) LCWKVSLcwpvp= expvS(La(xS)Lew：) expLcWpvp(4.10)令K(s 4，sK)二 expLCwpvp,則關(guān)于信息序列 XK的估計(jì)值的對(duì)數(shù)似然比可寫(xiě)為:22z 5k(s s恥)s，/二kiS kS，S二kS s多v： kise

57、xp2L xkLcwks，s：ks=1 n二-? kis-exp1L xkLcwks，skssx：ks ks，s二kss7 - ksks，s二kssLcW：L x：二 L x：Lcy2L x：上式中第一項(xiàng)代表的是前一個(gè)譯碼器為第二個(gè)譯碼器提供的關(guān)于xS的先驗(yàn)信息,第二項(xiàng)代表的是信道參數(shù)值，第三項(xiàng)代表的是送給后續(xù)譯碼器的外部信息4.4本章小結(jié)在本章中，我們?cè)诜治隽?turbo 碼的編碼器結(jié)構(gòu)和編碼原理的基礎(chǔ)上，著重基于 00K調(diào)制模式的 turbo 碼 MAP 譯碼算法，對(duì)雙模 turbo 碼的編譯碼原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分 析。本章的具體工作小結(jié)如下：（1） 詳細(xì)分析了 turbo 碼的編碼結(jié)構(gòu)和原

58、理。由分析可知，turbo 碼之所以能夠具有接近 Shannor 限的性能，就在于 turbo 碼中采用了隨機(jī)編碼的思想，最大限度的打亂 了信息序列，使其接近于隨機(jī)碼。Turbo 碼的編碼性能由以下幾者決定：分量碼、交 織器、刪余器。（2） 推導(dǎo)了基于調(diào)制模式 OOK 下，turbo 碼的 MAP 譯碼算法。(4.11)-s s二 L XkLcWklns=LX：23光無(wú)線通信作為解決 最后一公里”問(wèn)題的方案之一，綜合了光纖通信和其它無(wú)線 通信的優(yōu)點(diǎn)，具有寬帶大容量、低成本、安裝快捷、機(jī)動(dòng)靈活、無(wú)需頻率申請(qǐng)等優(yōu)點(diǎn), 在很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。概括全文，對(duì)于基于 turbo 碼的光無(wú)線通信系統(tǒng)

59、， 開(kāi)展的工作及取得的主要成果有：（1）在廣泛查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，論述了光無(wú)線通信的發(fā)展歷史和分類。（2）分析了影響光無(wú)線通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩亍＿@些因素主要包括大氣衰減、振動(dòng)等。大氣衰減是光無(wú)線通信中造成接收信號(hào)功率急劇衰減的主要原因。（3）詳細(xì)分析了 turbo 碼的編碼結(jié)構(gòu)和原理。 Turbo 碼中采用了隨機(jī)編碼的思想，最大限度的打亂了信息序列，使其接近于隨機(jī)碼， turbo 碼的編碼性能由分量碼、交 織器、刪余器決定。24走的最快的總是時(shí)間，來(lái)不及感嘆，大學(xué)生活已近尾聲，三年多的努力與付出， 隨著本次論文的完成，將要?jiǎng)澫峦昝赖木涮?hào)。本論文設(shè)計(jì)在呂強(qiáng)老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成，

60、 從課題選擇到具體的 寫(xiě)作過(guò)程，論文初稿與定稿無(wú)不凝聚著呂強(qiáng)老師的心血和汗水，一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度使我深受感動(dòng)，沒(méi)有這樣的幫助，關(guān)懷和熏陶，我不會(huì)這么順利的完成 畢業(yè)論文。在此向呂強(qiáng)老師表示深深的感謝和崇高的敬意！在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機(jī)會(huì)向在這三年中給予我諸多教誨和幫助的各位老 師表示由衷的謝意，感謝他們?nèi)陙?lái)的辛勤栽培。不積跬步何以至千里，各位任課老 師認(rèn)真負(fù)責(zé)，在他們的悉心幫助和支持下，我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)， 并在 設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)，順利完成畢業(yè)論文。同時(shí)，在論文寫(xiě)作過(guò)程中，我還參考了有關(guān)的書(shū)籍和論文，在這里一并向有關(guān)的 作者表示謝意。我還要感謝我的各位同學(xué)以及我的