基于3G的信道編碼技術(shù)的研究

1、國(guó)肉圖書(shū)分類號(hào)：工學(xué)碩士學(xué)位論文碩士研究生：董振飛導(dǎo)師：王慕坤串請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：工學(xué)碩士學(xué)科、專監(jiān)：信號(hào)與信息處理所在單位：哈爾濱理工大學(xué)答辯曰期：年月授予學(xué)位單位：哈爾濱理工大學(xué)基于的信道編碼技術(shù)的研究基于的信道編碼技術(shù)的研究摘要進(jìn)入新世紀(jì)，人類社會(huì)將全面進(jìn)入信息時(shí)代，新一代的移動(dòng)和個(gè)人通信系統(tǒng)的研究和發(fā)展已經(jīng)成為通信領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)。由于市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)的無(wú)線通信有巨大的需求，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（）將是一種關(guān)鍵的通信技術(shù)，并且已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。有更大的系統(tǒng)容量和更靈活的高速率、多速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，除了話音和?shù)據(jù)傳輸外，還能傳送高達(dá)的高質(zhì)量的活動(dòng)圖像，真正實(shí)現(xiàn)“任何人，在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)，與任何

2、人”都能便利通信的目標(biāo)。由于在系統(tǒng)中首次引入了高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，高效的信道編譯碼技術(shù)就成為了重要技術(shù)之一。本文回顧信道編碼和移動(dòng)通信的發(fā)展，對(duì)中的三種主流技術(shù)一、和進(jìn)行了扼要分析。卷積編碼作為一種有效的前向糾錯(cuò)碼在和窄帶中得到了廣泛的應(yīng)用。在中卷積碼仍然是低速數(shù)據(jù)的信道編碼。碼是一種新型的糾錯(cuò)編碼技術(shù)，在接近限的低信噪比下具有較低的誤碼率。卷積碼是碼的基本組成單元。對(duì)卷積碼的原理和譯碼算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。分析了碼的原理和迭代譯碼原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果分析了各參數(shù)對(duì)碼糾錯(cuò)性能的影響，并給出結(jié)論。由于碼具有優(yōu)良的糾錯(cuò)性能，已經(jīng)成為協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中高速數(shù)據(jù)的信道編碼技術(shù)。信道編碼方案是信道編碼技術(shù)和

3、其它通信技術(shù)（如交織技術(shù)）的結(jié)合。由于在信道編碼和交織方面使用和完全一樣的技術(shù)，本文最后僅對(duì)和中的信道編碼方案進(jìn)行了較詳盡的分析。關(guān)鍵詞信道編碼；卷積碼；碼；，（），觚，忙、，鵝】地，壕雒，；哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文基于的信道編碼技術(shù)的研究，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知，論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。作者簽名：期：川年。月日哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū)基

4、于的信道編碼技術(shù)的研究系本人在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸哈爾濱理工大學(xué)所有，本論文的研究?jī)?nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解哈爾濱理工大學(xué)關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門(mén)提交論文和電子版本，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)哈爾濱理工大學(xué)可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。本學(xué)位論文屬于保密口，在不保密團(tuán)。年解密后適用授權(quán)書(shū)。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打）作者簽名：導(dǎo)師簽名：壺日期：“年多月玟同第章緒論課題背景隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，每天都在不斷涌現(xiàn)新的通信業(yè)務(wù)和信息業(yè)務(wù)

5、。同時(shí)用戶對(duì)通信業(yè)務(wù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也在不斷提高。由于通信信道固有的噪聲和衰落特性，信號(hào)在經(jīng)過(guò)信道傳輸?shù)竭_(dá)通信接收端的過(guò)程中不可避免地會(huì)受到干擾而出現(xiàn)信號(hào)失真。通過(guò)需采用差錯(cuò)控制碼來(lái)檢測(cè)和糾正由失真引起的信息傳輸錯(cuò)誤。由于差錯(cuò)控制碼主要用于實(shí)現(xiàn)信道糾錯(cuò)，又稱為糾錯(cuò)編碼或信道編碼。數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型如圖所示：叵硅圖數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型信道糾錯(cuò)碼的發(fā)展現(xiàn)代信息和編碼理論的奠基人在年提出的有噪信道編碼定理，在定理中他給出了數(shù)字通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可靠通信的方法以及在特定信道上實(shí)現(xiàn)可靠通信的信息傳輸速率上限。同時(shí)該定理還給出了有效差錯(cuò)控制編碼的存在性證明，從而促進(jìn)了信道編碼領(lǐng)域研究的快速發(fā)展。

6、世紀(jì)年代年代初，主要研究各種有效的編碼、譯碼方法，奠定了線性分組碼的理論基礎(chǔ)；提出了著名的編澤碼方法以及卷積碼的序列譯碼；給出了糾錯(cuò)碼的基本碼限。世紀(jì)年代年代初，這是糾錯(cuò)碼發(fā)展過(guò)程中最為活躍的時(shí)期。不哈爾濱理大學(xué)學(xué)碩七學(xué)位論丈僅提出了許多有效的編碼譯碼方法，而且注意到糾錯(cuò)碼的實(shí)用化問(wèn)題，討論了與實(shí)用有關(guān)的各種問(wèn)題。世紀(jì)年代初年代，這是糾錯(cuò)碼發(fā)展史中具有極其重要意義的時(shí)期。在理論上以為首的一批學(xué)者，構(gòu)造了一類碼，其中一類子碼能達(dá)到在信道編碼定理中所提出的碼一香農(nóng)碼所能達(dá)到的性能，這在糾錯(cuò)碼歷史上具有劃時(shí)代意義。世紀(jì)年代初以來(lái)，等從幾何觀點(diǎn)討論分析碼，利用代數(shù)曲線構(gòu)造了一類代數(shù)幾何碼。這些碼中，某

7、些碼的性能達(dá)到了香農(nóng)碼所能達(dá)到的性能。年提出的概念是解決帶寬要求和糾錯(cuò)矛盾的一個(gè)理想方案，它將糾錯(cuò)碼技術(shù)與調(diào)錆技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在不增加系統(tǒng)帶寬要求的條件下通過(guò)擴(kuò)展符號(hào)映射空間來(lái)達(dá)到提高編碼增益的目的。技術(shù)奠定了限帶信道編碼調(diào)制技術(shù)的研究基礎(chǔ)，被認(rèn)為是信道編碼發(fā)展史中的一個(gè)里程碑。年、提出的碼引起了信息理論界的轟動(dòng)。它巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，在實(shí)現(xiàn)隨機(jī)編碼思想同時(shí)，通過(guò)交織器實(shí)現(xiàn)了由短碼構(gòu)造長(zhǎng)碼的方法，并采用軟輸出迭代譯碼來(lái)逼近最大似然譯碼，從而獲得了幾乎接近限的譯碼性能。仿真結(jié)果表明，采用長(zhǎng)度為的隨機(jī)交織器并采用譯碼迭代次情況下，在信噪比并采用二元相移鍵控（）調(diào)制時(shí)，碼率為，的碼在

8、加性高斯白噪聲（）信道上的誤比特率但）。，達(dá)到了與極限僅相差的優(yōu)異性能。碼被看做自技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，信道編碼技術(shù)上又一里程碑?！?。最近幾年又發(fā)現(xiàn)年由提出的碼有著優(yōu)越的糾錯(cuò)性能和巨大的使用價(jià)值。這也是受到碼的啟發(fā)。碼是線性分組碼，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的注意。年和的研究表明，采用長(zhǎng)碼可以達(dá)到碼的性能。現(xiàn)在碼也是信道編碼領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，國(guó)際上對(duì)碼的理論研究以及工程應(yīng)用和超大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)方面的研究都已取得了重要進(jìn)展。碼由于性能優(yōu)異，容易硬件實(shí)現(xiàn)，有良好應(yīng)用前景。有人提出第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的信道糾錯(cuò)碼應(yīng)該采用碼“”。移動(dòng)通信的發(fā)展第一代和第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)移動(dòng)無(wú)線信道是通信中最惡劣、最難預(yù)測(cè)的通信信道之

9、一無(wú)線電波傳輸不僅會(huì)隨著傳輸距離的增加而造成能量損耗，而且會(huì)因?yàn)槎鄰叫?yīng)、多譜勒頻移和陰影效應(yīng)等的影響而使信號(hào)快速衰落，碼間干擾和信號(hào)失真嚴(yán)重，極大地影響通信質(zhì)量。無(wú)線通信的發(fā)展可以追溯到世紀(jì)年代所做的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，以及移動(dòng)通信的始祖舢首先證明了在海上輪船問(wèn)進(jìn)行通信的可行性，這也證明了運(yùn)所做的研究工作。年動(dòng)中無(wú)線通信的可行性。從此人們開(kāi)始了對(duì)移動(dòng)通信的研究。在這里不得不提到的采用定理，正是它成為了人們邁向數(shù)字化時(shí)代的金鑰匙。最初的移動(dòng)通信的應(yīng)用主要集中在軍事上和政府部門(mén)，年美國(guó)底特律警察局成功安裝了第一套無(wú)線電發(fā)報(bào)系統(tǒng)。世紀(jì)年代美國(guó)使用了警用車載系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶來(lái)的方便快捷使得世紀(jì)年代中期全美警察

10、部門(mén)安裝了大約個(gè)無(wú)線電接收裝置。年實(shí)驗(yàn)室在圣路易斯城建立了世界上第一個(gè)公用汽車電話網(wǎng)，稱為“城市系統(tǒng)”。它采用調(diào)制方式，帶寬傳輸一路話音信號(hào)，是一種大區(qū)制的公眾移動(dòng)電話服務(wù)系統(tǒng)。在歐洲，西德、法國(guó)等國(guó)家隨后也陸續(xù)發(fā)展了公眾移動(dòng)電話系統(tǒng)。從世紀(jì)年代中期至年代初期，完成了從專用網(wǎng)向公用移動(dòng)網(wǎng)的過(guò)渡，采用人工接續(xù)的方式解決了移動(dòng)電話系統(tǒng)與公用市話網(wǎng)之間的接續(xù)問(wèn)題，這時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)的容量較小。在世紀(jì)年代中期到年代后期，主要改進(jìn)和完善移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能，包括直接撥號(hào)、自動(dòng)選擇無(wú)線信道等，同時(shí)解決了自動(dòng)接入公用電話網(wǎng)的問(wèn)題。這時(shí)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都采用大區(qū)制，選擇的頻段以及容量都較以往有了很大的提高。世紀(jì)年代中

11、期，美國(guó)實(shí)驗(yàn)室推出了改進(jìn)型移動(dòng)通信系統(tǒng)（），使用和的頻段，仍采用調(diào)制，一路話音占用帶寬。西德也推出了具有同樣技術(shù)水平的網(wǎng)。鼬在年提出了蜂窩通信的概念，世紀(jì)年代對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。世紀(jì)年代末、年代初開(kāi)始出現(xiàn)了第一個(gè)蜂窩（）電話系統(tǒng)，蜂窩就是將一個(gè)大區(qū)域劃分為幾個(gè)小區(qū)（），相鄰的蜂窩區(qū)域使用不同的頻率進(jìn)行信號(hào)的傳輸，以免產(chǎn)生相互干擾。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，解決了困擾移動(dòng)通信的終端小型化和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問(wèn)題，移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段。隨著移動(dòng)用戶數(shù)量的急劇增加，傳統(tǒng)的大區(qū)制移動(dòng)通信系統(tǒng)很快就達(dá)到飽和狀態(tài)，無(wú)法滿足服務(wù)要求。針對(duì)這種情況，實(shí)驗(yàn)室提出了小區(qū)制的蜂窩移動(dòng)通信

12、系統(tǒng)的解決方案，年開(kāi)發(fā)了（）哈爾濱理大學(xué)學(xué)碩十學(xué)位論文系統(tǒng)，這是第一個(gè)真正意義上的具有隨時(shí)隨地通信的大容量的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。它結(jié)合頻率復(fù)用技術(shù)，可以在整個(gè)服務(wù)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接入公用電話網(wǎng)，與以往的系統(tǒng)相比，具有更大的容量和更好的語(yǔ)音質(zhì)量。因此，蜂窩化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案解決了公用移動(dòng)通信系統(tǒng)的大容量要求和頻譜資源受限的矛盾。由于模擬蜂窩網(wǎng)適應(yīng)不了移動(dòng)通信業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，在這種情況下，出現(xiàn)了以為代表的時(shí)分多址數(shù)字蜂窩網(wǎng)和窄帶為代表的碼分多址數(shù)字蜂窩網(wǎng)。數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信是在模擬蜂窩移動(dòng)通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在網(wǎng)絡(luò)組成、設(shè)備配置，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和工作方式上，二者都有相同之處。但數(shù)字蜂窩網(wǎng)采用全數(shù)字傳輸，因此

13、在實(shí)現(xiàn)技術(shù)和管理控制等方面，均與模擬網(wǎng)有很大的差異。數(shù)字蜂窩網(wǎng)技術(shù)更先進(jìn)、管理更完備且通信更可靠，并能適應(yīng)與其它發(fā)展中數(shù)字通信網(wǎng)的互連。歐洲的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，年完成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂，年開(kāi)始投入商用，年大多數(shù)歐洲運(yùn)營(yíng)者開(kāi)始商用。年歐洲第一個(gè)系列投入運(yùn)營(yíng)。我國(guó)的系統(tǒng)在年月開(kāi)始投入使用。是當(dāng)今世界范圍內(nèi)普及最廣的移動(dòng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)于年通過(guò)了以：公司所提出的窄帶方案模式標(biāo)準(zhǔn)一。年月在香港率先開(kāi)通了這種的商用系統(tǒng)。采用的是方式，所以窄帶在技術(shù)有許多獨(dú)特之處和優(yōu)勢(shì)。由于第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)在很多方面仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最初的目標(biāo)，比如統(tǒng)一全球標(biāo)準(zhǔn)：同時(shí)也由于技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)于系統(tǒng)傳輸能力要求愈來(lái)愈高，幾千比特每

14、秒的數(shù)據(jù)能力已經(jīng)不能滿足某些用戶對(duì)于高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰恍┬碌募夹g(shù)如等不能有效地實(shí)現(xiàn)，這些需要是高速率移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的市場(chǎng)動(dòng)力。在此情況下，具有傳輸能力的（，）系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)，并成為向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)過(guò)渡的中間技術(shù)”。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是國(guó)際電信聯(lián)盟（）在年提出的工作在的頻段、預(yù)期在年左右商用的系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)稱為陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)（）。年正式更名為。從年開(kāi)始對(duì)第三代移動(dòng)通信的研究逐漸成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，各國(guó)對(duì)第三代移動(dòng)通信的研究都進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性的階段，特別是在年月向全世界發(fā)出了征集無(wú)線傳輸技術(shù)規(guī)范的通函，并制訂了詳細(xì)的步驟和時(shí)間表。年月會(huì)議完成了啥爾濱理大學(xué)學(xué)碩士學(xué)位論

15、文的標(biāo)準(zhǔn)制訂，同一時(shí)期，（）組織于年成立，主要制訂以核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的、（和）為廣的規(guī)范。年月成立的）主要制訂核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的、為的規(guī)范“”系統(tǒng)的三種主流標(biāo)準(zhǔn)為：歐洲提出的、美國(guó)提出的和中國(guó)提出的。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)有更大的系統(tǒng)容量和更靈活的高速率、多速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，可以傳送高達(dá)的高質(zhì)量的活動(dòng)圖像。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特征為：高靈活性及頻譜的高效利用；通信速率應(yīng)達(dá)到，甚至更高；無(wú)縫隙全球覆蓋及全球漫游：綜合的系統(tǒng)（蜂窩移動(dòng)通信、無(wú)繩電話等綜合在單一的用戶設(shè)備中）；網(wǎng)絡(luò)管理職能化；寬帶和多媒體服務(wù)；綜合衛(wèi)星鏈路；分層小區(qū)結(jié)構(gòu)和多種通信環(huán)境“”。提供的多媒體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)車速環(huán)境，步行環(huán)境，室內(nèi)的無(wú)線

16、多媒體接入通信服務(wù)“”。當(dāng)初制訂標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，希望是一個(gè)能夠提供高速數(shù)據(jù)接入的全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但是各方在自身利益的驅(qū)動(dòng)下，爭(zhēng)執(zhí)不下，最后折中成了以和系列為首的個(gè)大標(biāo)準(zhǔn)，立即產(chǎn)生了相互之間的漫游的問(wèn)題。此外，用戶在使用中的速率要求也沒(méi)有得到很好的滿足?，F(xiàn)有系統(tǒng)的實(shí)際接收速率只有幾百。此外，手機(jī)問(wèn)題、與原有網(wǎng)絡(luò)的兼容問(wèn)題等等，所有這些都增加了人們對(duì)的不滿，和對(duì)的期待。（超），的工作組已經(jīng)給出了一個(gè)定義。年成立的的工作組的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)未來(lái)發(fā)展和超的研究。在年月日本舉行的第六次會(huì)議上討論提出了“未來(lái)發(fā)展及超的遠(yuǎn)景框架及總目標(biāo)（）”。該文件定義的目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸速率為：限的未來(lái)發(fā)展在年左右實(shí)現(xiàn)最高約的速率，

17、而超在年左右在高速移動(dòng)環(huán)境支持最高約的速率，低速移動(dòng)環(huán)境達(dá)到體速率“”現(xiàn)在的商用還沒(méi)有全面展開(kāi)，但是很多國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)投入商用或者準(zhǔn)備上，我國(guó)估計(jì)今年就會(huì)開(kāi)始商用。鑒于現(xiàn)在的情況，對(duì)的研究顯得更為迫切和更有實(shí)用性。，數(shù)字移動(dòng)通信的信道編碼在數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信道編碼歸入無(wú)線子系統(tǒng)，主要包括糾錯(cuò)編碼和交織技術(shù)。由于無(wú)線信道的特殊性，信道編碼技哈爾濱理工大學(xué)學(xué)碩十學(xué)位論文術(shù)就顯得更加重要了。在系統(tǒng)中，采用碼率為和約束長(zhǎng)度為的卷積碼，即輸入一個(gè)比特，輸出兩個(gè)比特，前后個(gè)碼元均有約束關(guān)系，共輸出，它和不加差錯(cuò)保護(hù)的合在一起共計(jì)。通過(guò)卷積編碼后速率為，即，其中原始話音速率，糾錯(cuò)編碼速率。卷積編碼后數(shù)據(jù)

18、再進(jìn)行交織編碼，以抗突發(fā)干擾。系統(tǒng)采用的交織深度為“。在系統(tǒng)中移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用卷積編碼和交織，對(duì)保證話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)質(zhì)量（）有很好的效果。系統(tǒng)建立在技術(shù)基礎(chǔ)之上，所需提供的業(yè)務(wù)種類大大增加，這就對(duì)信道編碼提出了更高的要求，設(shè)計(jì)信道編碼方案，不僅僅從用戶業(yè)務(wù)的要求考慮，如信息的準(zhǔn)確度、允許的時(shí)延等，也應(yīng)從提高系統(tǒng)增益的全局優(yōu)化的角度，與分集接收、改進(jìn)調(diào)制解調(diào)方法、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性等綜合其它因素考慮“”。第三代移動(dòng)通信兩大組織和主要把卷積碼用于語(yǔ)音和低速率數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)編碼，而把碼技術(shù)做為高數(shù)據(jù)的信道編碼方案。本文對(duì)卷積碼、碼和交織技術(shù)進(jìn)行了研究，特別對(duì)碼進(jìn)行了比較詳盡的研究。本課題的主要研究?jī)?nèi)

19、容本文研究了卷積碼的編碼、譯碼原理和譯碼算法，譯碼算法有算法和維特比（）算法。對(duì)算法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，包括硬判決和軟判決。碼具有突出的糾錯(cuò)能力，它的出現(xiàn)可以說(shuō)在信道糾錯(cuò)編碼史上具有里程碑意義。對(duì)碼的原理、編譯碼原理和譯碼算法進(jìn)行了分析和研究。目前碼譯碼算法中最基本最重要的兩種算法是（）算法和（）算法，它們都是（）算法，也是其它很多算法的基礎(chǔ)。通過(guò)語(yǔ)言程序?qū)τ绊懘a性能的幾個(gè)重要參數(shù)和算法（算法的簡(jiǎn)化算法）與算法的比較進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真結(jié)果分析得出結(jié)論。最后對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的三種主流技術(shù)（、和）信道編碼方案進(jìn)行了研究。由于和具有基本相同的信道編碼方案，本文僅就的情況來(lái)研究。分析了中信道編碼

20、方案中的處理過(guò)程，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)如信道編碼和交織技術(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。對(duì)中的方案進(jìn)行了分析，它主要包括了卷積碼和碼的最新標(biāo)準(zhǔn)在中增加新的信道，并根據(jù)不同的信道類型、擴(kuò)頻速率和無(wú)線配置給出了不同的信道編碼技術(shù)。第章卷積碼原理及譯碼卷積碼的基本原理與構(gòu)造卷積碼是年由提出的。卷積碼編碼中，本組的個(gè)校驗(yàn)元不僅與本組的個(gè)信息元有關(guān)，而且還與以前各時(shí)刻輸入至編碼器的信息組有關(guān)。同樣，在卷積碼譯碼過(guò)程中，不僅從此時(shí)刻收到的碼組中提取譯碼信息，而且還要利用以前或以后各時(shí)刻收到的碼組中提取有關(guān)信息。卷積碼的基本原理圖為一個(gè)二進(jìn)制的（，）卷積碼編碼器。其中?！北硎灸：图臃ㄆ?，以后章節(jié)的圖形中不再說(shuō)明。輸出圖（，）

21、卷積碼編碼器（，）若每一時(shí)間單位輸入編碼器一個(gè)新的信息元聊，且寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)往右移息元?jiǎng)右晃唬瑒t。一方面直接輸出至信道，另一方面與前兩個(gè)單位時(shí)間送入的信按圖中路線所確定的規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，得到此時(shí)刻的兩個(gè)校驗(yàn)元（）（）仇，啦，跟隨在。后面組成一個(gè)子碼（，妒。）送入信道。由上圖可知：哈爾濱理大學(xué)學(xué)碩十學(xué)位論文下一個(gè)時(shí)間單位輸入的信息元為與其相應(yīng)的兩個(gè)校驗(yàn)元：吶用（）（）肌組成第二個(gè)子碼（扔。）送至信道，如此等等。在每一時(shí)間單位，送至編碼器姒這里為）個(gè)信息元，編碼器就送到相應(yīng)的（這里為個(gè)碼元組成一個(gè)子碼送入信道，在卷積碼中，這個(gè)碼元組成也稱為卷積碼的一個(gè)碼段或子組。第時(shí)刻輸入至編碼器的信息組及其相應(yīng)的

22、碼段，不僅與前個(gè)碼段，一，一。中的碼元有關(guān)，且也參與了后（這里為）個(gè)碼段，中的校驗(yàn)運(yùn)算，如圖。圖卷積碼子碼之間約束關(guān)系我們稱為編碼存貯，為編碼約束度，稱為編碼約束長(zhǎng)度。卷積碼通常表示為（，）表示，稱為卷積碼的碼率“”。哈爾濱理丁大學(xué)學(xué)碩十學(xué)位論文編碼器的表示方法卷積碼常用的表示方法主要有：生成多項(xiàng)式表示法，樹(shù)圖表示法，狀態(tài)圖表示法和網(wǎng)格圖表示法。它們是等價(jià)的，適用不同的場(chǎng)合。下面分別進(jìn)行介紹。生成多項(xiàng)式生成多項(xiàng)式表示了編碼器中移位寄存器的各級(jí)存儲(chǔ)器與模加法器的物理連接關(guān)系。其中表示連接，表示非連接。每個(gè)生成多項(xiàng)式對(duì)應(yīng)著編碼器的一個(gè)輸出樹(shù)圖這種表示法具有直觀性，它給出了卷積碼編碼器所有可能的輸入

23、信息比特序列及相應(yīng)的編碼輸出比特序列。狀態(tài)圖狀態(tài)圖表示了卷積碼編碼器中移位寄存器所存儲(chǔ)的所有可能的狀態(tài)信息。狀態(tài)圖中的圓代表編碼器所有可能的狀態(tài)信息，有向?qū)嵕€代表從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移路徑，每條路徑上的信息代表輸入信息比特和輸出編碼比特。網(wǎng)格圖網(wǎng)格圖就是將靜止有向狀態(tài)圖按時(shí)刻，依次展開(kāi)成的一種動(dòng)態(tài)有向狀態(tài)圖“”。卷積碼的譯碼卷積碼的譯碼方法可分為兩大類。一類是代數(shù)譯碼，利用編碼本身的代數(shù)結(jié)構(gòu)譯碼，不考慮信道本身的統(tǒng)計(jì)特性。該方法的硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但性能較差，其中具有典型意義的是年梅西（）限譯碼。另類是概率譯碼，這種譯碼通常建立在最大似然準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上。由于計(jì)算是用到了信道的統(tǒng)計(jì)特性，因而提高

24、了譯碼性能，但這種性能的提高是以增加硬件的復(fù)雜度為代價(jià)的。常用的概率譯碼方法有：年由沃增克拉夫特（提出，年由費(fèi)諾（）改進(jìn)的序列譯碼，這是基于樹(shù)圖結(jié)構(gòu)上的一種準(zhǔn)最佳的概率譯碼；年維特比（）提出的譯碼，這是基于碼的網(wǎng)格（）圖基礎(chǔ)上的一種最大似然譯碼算法，是一種最佳的概率譯碼方法“”。最大似然譯碼最大似然基本思想是：以斷續(xù)的接收流為基礎(chǔ)，逐個(gè)計(jì)算它與其它所有可能出現(xiàn)的、連續(xù)的網(wǎng)格圖路徑的距離，選出其中可能性（概率）最大的一條做為譯碼估計(jì)值輸出。概率最大在大多數(shù)場(chǎng)合可解釋為距離最小，這種最小距離譯哈爾濱理大學(xué)學(xué)碗七學(xué)位論文碼體現(xiàn)的正是最大似然的準(zhǔn)則。卷積碼的最大似然譯碼（）就是求碼字序列之間的相似度。

25、硬判決和軟判決維特比譯碼下圖是硬判決和軟判決譯碼原理圖。圖硬判決和軟判決譯碼原理圖硬判決維特比譯碼維特比算法（）是基于最大似然譯碼準(zhǔn)則基礎(chǔ)上的譯碼算法。下圖所示的卷積碼編譯碼系統(tǒng)為例，對(duì)維特比譯碼算法進(jìn)行討論。設(shè)在任何時(shí)刻編碼器并行輸入的比特信息序列工，并行輸出比特編碼序列，記為：（露，好，??；茸，靖，硝幻；也。，乙一。）（，毋；掣，舀町；嚶。，。，芝。）示時(shí)刻，上標(biāo)表示一組信息中的比特位置。（）（）其中：為輸入信息序列長(zhǎng)度，為移位寄存器的最大記憶級(jí)數(shù)，下標(biāo)表從編碼器來(lái)看，當(dāng)送入最后一組消息后，寄存器中還存有前組消息，因此要繼續(xù)送入組全零消息使編碼器歸零。所以，實(shí)際的輸入序列長(zhǎng)為。哈爾濱理大學(xué)

26、學(xué)碩學(xué)位論文噪聲圖卷積碼編譯碼系統(tǒng)接收序列，和估計(jì)序列：，“，”，曙帕；，”，年“，“；，一，“：）（），（蚶，艫，盼；硝”，“”，；尤。蛾。，吃乙一。）（）維特比譯碼算法就是計(jì)算并選擇估計(jì)序列，使它滿足似然函數(shù)（，力取最大值。假設(shè)為無(wú)記憶信道，噪聲對(duì)接收比特的影響相互獨(dú)立，則有：（）【（一”（”（一町】兀（?！埃?duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，得：（）（）（，：（）卸（）定義比特度量：（，一）（，）】定。模型如圖所示，為錯(cuò)誤概率。對(duì)于信道，口和有兩種方法來(lái)確定。方法：定義口，為（）其中：口和滿足比特度量為正整數(shù)，其值由二進(jìn)制對(duì)稱信道（）決）（、，（）將上面二式代入（）得比特度量為：（）哈爾濱理大掌學(xué)碩士學(xué)

27、位論文（妒）毫面【（彳力）（）】（）圖二進(jìn)制對(duì)稱信道模型可以看出比特度量?jī)H取決于和（）。從（）計(jì)算得到比特度量值如表所示表比特度量（彳。一）哪舢（）接收比特。（一¨）譯碼比特接收比特澤碼比特一從上面的表一中知，比特度量值在正確譯碼時(shí)為，而在錯(cuò)誤譯碼時(shí)為。維特比算法就是從網(wǎng)格圖中選擇一個(gè)碼序列，使其滿足于接收序列，的比特度量最小，這和漢明距離度量值是等價(jià)的。方法：定義口，為口一）一（）（）哈爾濱理大學(xué)學(xué)碩七學(xué)位論史相應(yīng)的比特度量值為：（力掣）面而【（棚）（）由此得到比特度量值如表所示：表比特度毒值（奠）鴆（力）（一力）接收比特接收比特譯碼比特一力澤碼比特一與方法相反，這種情況下的維特比

28、算法要從網(wǎng)格圖中選擇一個(gè)碼序列使其滿足接收序列，的比特度量值最大，這也是和漢明距離度量值是等價(jià)的。由比特度量定義路徑度量（）為：（）（）（一）（）為整個(gè)接收序列與譯碼比特序列的路徑度量，即網(wǎng)格圖中條支路度量之和。其中網(wǎng)格圖中第條支路度量為；肘（咯兒）（）（一）定義網(wǎng)格圖中前條支路的路徑度量（，力為：（力“）（。）（）稱（力為全路徑度量，稱（，）為局部路徑度量。維特比算法就是利用網(wǎng)格圖來(lái)計(jì)算全路徑度量值。網(wǎng)格圖中任意狀態(tài)（網(wǎng)格圖中節(jié)點(diǎn)）都對(duì)應(yīng)一個(gè)局部路徑度量值，局部路徑度量從時(shí)刻中開(kāi)始，結(jié)束于時(shí)刻的任意特定狀態(tài)。從所有結(jié)束到狀態(tài)的局部路徑度量中選擇一個(gè)最優(yōu)的局部路徑度量，這個(gè)最優(yōu)或是路徑度量值最

29、小或是路徑度量值最大，取決于，的取值不同。被選中的路徑稱為幸存路徑，其余的稱為競(jìng)爭(zhēng)路徑，對(duì)應(yīng)網(wǎng)格圖中的每一狀態(tài)舍去競(jìng)爭(zhēng)路徑并保存幸存路徑。當(dāng)全部路徑度量都計(jì)算后只會(huì)留一條幸存路徑作為最終的最大似然譯碼路徑。根據(jù)這條路徑在網(wǎng)格圖中進(jìn)行回溯，找出此路徑中各個(gè)支路路徑的輸入信息并按照時(shí)間順序即得到譯碼輸出序列。這種算法的根據(jù)在于卷積碼的編碼器是一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，即編碼器可被一組有限狀態(tài)所完全描述。因此，當(dāng)在碼樹(shù)的每一級(jí)上對(duì)編碼器的每個(gè)狀態(tài)計(jì)算最大似然路徑時(shí)，則通過(guò)整個(gè)碼樹(shù)的最大似然路徑應(yīng)在該組之內(nèi)，而與進(jìn)入樹(shù)形譯碼的遠(yuǎn)近無(wú)關(guān)。因此，待擴(kuò)展與保留的路徑數(shù)目仍可保持常數(shù)，并且與編碼器的這一組狀態(tài)數(shù)相等。但

30、是，雖然計(jì)算次數(shù)不再隨著碼序列的長(zhǎng)度呈指數(shù)地增加，卷積碼編碼器的狀態(tài)數(shù)卻隨約束度的長(zhǎng)度呈指數(shù)地增長(zhǎng)。因此，實(shí)際上硬判決維特比譯碼僅適用于短約束度的碼。軟判決維特比譯碼軟判決維特比算法（，）與硬判決相比主要差別就是所采用的路徑度量不同。上面的硬判決采用的是漢明距離度量，而軟判決則是根據(jù)所采用的度量不同，分為兩種：一個(gè)是采用歐氏距離作為度量，稱為；另一種采用的是相關(guān)度量，稱為、丘氣。兩種軟判決算法都采用多比特量化，為了方便采用理想的無(wú)限比特量化，此時(shí)的信道輸出應(yīng)為：日（力一）耐（）譯碼估計(jì)一的取值為±。先介紹：具體步驟和硬判決基本相同。只是采用平方歐氏距離做為路徑度量，而不是采用漢明距離

31、做為度量。：設(shè)信道為加性高斯白噪聲，則信道輸出模擬值為高斯隨機(jī)變量，似然函數(shù)可表示為：（）；卅。并”廚似（）其中毛接收序列的每比特能量，為噪聲的單邊功率譜密度。接收模擬值為均值為毛，方差為的高斯隨機(jī)變量。（）定義對(duì)數(shù)似然函數(shù)：（）（?！埃ǎ逼?，（）（）（，）其中，表示所有不是的函數(shù)的各項(xiàng)之和。定義比特度量：（一力），）夕（）具體實(shí)現(xiàn)步零中，用支路相關(guān)度量公式一來(lái)計(jì)算。第條支路路徑度量”膨妞只）（一）。卷積碼的性能雖然卷積碼也屬于代數(shù)碼，但卻沒(méi)有嚴(yán)格的代數(shù)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的代數(shù)理論和工具不能直接用于對(duì)卷積碼的研究，只能對(duì)卷積碼的一些性能參數(shù)進(jìn)行研究，主要有約束長(zhǎng)度、自由距離、編碼增益及誤碼率。由于

32、卷積碼不劃分碼字，把自由距離做為糾錯(cuò)能力的度量更為合理。卷積碼的自由距離越大，糾錯(cuò)能力就越強(qiáng)。隨著約束長(zhǎng)度的增加，卷積碼的最小自由距離也隨之增大，獲得的編碼增。益不斷增加，卷積碼的性能也越來(lái)越好同時(shí)，我們還可以看到相同約束長(zhǎng)度條件下，降低碼速率可以提高卷積碼的最小自由距離，使其糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，這對(duì)帶寬不受限而功率受限的通信領(lǐng)域是極為有用的，如衛(wèi)星通信、深空通信等。根據(jù)界可以得到卷積碼軟判決和硬判決的比特誤碼率上界，可知在加性高斯白噪聲信道下軟判決比硬判決比較能夠獲得的編碼增益。本章小結(jié)本章把卷積碼的基本原理和卷積碼的編碼器的表示方法進(jìn)行了分析，編碼器的表示方法主要有四種：生成多項(xiàng)式、樹(shù)圖、狀態(tài)圖

33、和網(wǎng)格圖。糾錯(cuò)編碼性能的好壞與譯碼算法有很大關(guān)系，所以對(duì)卷積碼的譯碼算法（如最大似然算法）進(jìn)行了分析，并較詳細(xì)地研究了維特比算法硬判決和軟判決。維比特算法是基于最大似然譯碼準(zhǔn)則基礎(chǔ)上的譯碼算法。同時(shí)對(duì)卷積碼的性能進(jìn)行了分析。這是很必要的，因?yàn)榫矸e碼不但是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要信道編碼技術(shù)，而且還是碼的基本組成部分。第章碼原理及性能仿真分析碼基本原理年在瑞士日內(nèi)瓦召開(kāi)的國(guó)際會(huì)議上，兩位當(dāng)時(shí)名不見(jiàn)經(jīng)傳的法國(guó)電機(jī)工程師、提出了一種新型信道編碼方案一協(xié)碼，使信道編碼效率接近香農(nóng)限。這個(gè)消息立即引起了轟動(dòng)，甚至很多編碼專家認(rèn)為一定是計(jì)算或?qū)嶒?yàn)有誤。當(dāng)時(shí)僅僅是仿真結(jié)果，并沒(méi)有給出嚴(yán)格的理論解釋和證明。碼

34、是并行級(jí)聯(lián)卷積碼（，都把它作為高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺谰幋a技術(shù)。碼編碼器的組成碼編碼器是由兩個(gè)反饋的系統(tǒng)卷積碼編碼器通過(guò)一個(gè)隨機(jī)交織器并行連接而成的，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，如圖，圖編碼器結(jié)構(gòu)一剛?cè)讐]）。它的性能在接近香農(nóng)限的低信噪比下仍然可獲得較低的誤比特率。碼已經(jīng)在很多通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)所示。哈爾濱理大學(xué)學(xué)碩十學(xué)位論文如上圖，信息序列“，“：，。）經(jīng)過(guò)一個(gè)位交織器，形成一個(gè)新序列聊“，遠(yuǎn)，塒（長(zhǎng)度和內(nèi)容沒(méi)變，但是比特位置經(jīng)過(guò)了重新組合）“與分別傳送到兩個(gè)分量編碼器（與）。一般情況下，這兩個(gè)分量編碼器結(jié)構(gòu)相同，生成，和，妒。為了提高碼率，

35、序列妒。和礦需經(jīng)過(guò)刪余器，采用刪余（）技術(shù)從這兩個(gè)校驗(yàn)序列中周期地刪余一些校驗(yàn)位，形成校驗(yàn)位序列妒。與未編碼序列，經(jīng)過(guò)復(fù)用調(diào)制后，生成碼序列。交織器和分量編碼器的結(jié)合可以確保碼輸出碼字都具有較高的漢明重量。在編碼器中交織器的作用是將信息序列中的比特順序重置。當(dāng)信息序列經(jīng)過(guò)第一個(gè)分量編碼器編碼后輸出的碼字重量較低時(shí)，交織器可使交織后的信息序列經(jīng)過(guò)第二個(gè)分量編碼器編碼后以很大的概率輸出高重碼字，從而提高碼字的漢明重量；同時(shí)好的交織器還可以有效地降低校驗(yàn)序列聞的相關(guān)性。通過(guò)交織，編碼序列在長(zhǎng)為或比特的范圍內(nèi)具有無(wú)記憶性，從而由簡(jiǎn)單短碼構(gòu)造了近似隨機(jī)長(zhǎng)碼，交織器設(shè)計(jì)的好壞在很大程度上影響著碼的性能。編

36、碼器中交織器的使用是實(shí)現(xiàn)碼近似隨機(jī)編碼的關(guān)鍵。交織器實(shí)際上是一個(gè)一一映射函數(shù)，作用是將輸入信息序列中的比特進(jìn)行重置，以減小分量編碼器輸出校驗(yàn)序列的相關(guān)性和提高碼重。通常在輸入信息序列較長(zhǎng)時(shí)可采用近似隨機(jī)的映射方式，相應(yīng)的交織器稱為偽隨機(jī)交織器。由于具體的通信系統(tǒng)中采用碼時(shí)必須具有固定的結(jié)構(gòu)，同時(shí)是基于信息序列的，因此在一定條件下可以把碼看成一類特殊的分組碼來(lái)簡(jiǎn)化分析。但是這不包括一類能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)編碼的面向流的碼。如果交織器的大小固定而且分量編碼器的編碼初始狀態(tài)為全零狀態(tài)，則碼就是一個(gè)線性分組碼。刪余矩陣的作用是提高編碼效率，其元素取自集合，。矩陣中每一行分別與兩個(gè)分量編碼器相對(duì)應(yīng)，其中“”表示

37、相應(yīng)位置上的校驗(yàn)位被刪除，而“”表示保留相對(duì)應(yīng)位置的校驗(yàn)比特，。碼的譯碼迭代譯碼原理碼獲得優(yōu)異性能的根本原因之一就是采用了迭代譯碼，通過(guò)分量譯碼器之間軟信息的交換來(lái)提高譯碼性能。譯碼器主要由兩個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的軟輸入軟輸出（，）譯碼模塊構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)編碼結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)分量編碼器，通過(guò)譯碼模塊之間相互傳遞軟信息來(lái)提高譯碼性能。同時(shí)還有與編碼端交織器結(jié)構(gòu)相同的交織器及相應(yīng)的解交織器。圖迭代譯碼器珂如圖所示，譯碼器將一個(gè)譯碼單元的軟輸出序列作為另一個(gè)譯碼單元的輸入；為了獲得更好的性能，此過(guò)程經(jīng)過(guò)多次迭代。這也是譯碼器的迭代譯碼原理。譯碼器接收序列包括部分內(nèi)容：信息符號(hào)序列、校驗(yàn)序列，。和），。由于接收序

38、列為串行數(shù)據(jù)，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)的串，并轉(zhuǎn)換，同時(shí)將刪余的比特位，肚和）曲填上“虛擬比特”（不影響譯碼判決的值，如）。碼的譯碼將經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后的恕，肚送入分量澤碼器譯碼，并產(chǎn)生關(guān)于反改進(jìn)的外信息人。（反）。由于譯碼器沒(méi)有用到可以提高后驗(yàn)概率的校驗(yàn)序列腿，所以譯碼器的輸出僅在交織后作為譯碼器的先驗(yàn)信息輸入，而不能作為對(duì)信息序列的判決。將溉和人。（以）交織后作為譯碼器的軟輸入，譯碼器根據(jù)譯碼算法對(duì)溉，人。（反）和婦用于譯碼器同樣的方法再次產(chǎn)生信息比特改進(jìn)的外信息，。似，），經(jīng)去交織得到：。（以）作為下一次迭代中譯碼器的先驗(yàn)信息。這樣在多次迭代后，對(duì)譯碼器產(chǎn)生的輸出，（，）去交織后進(jìn)行判決，得到每個(gè)信息

39、比特盔的估計(jì)值以上圖給出的是反饋結(jié)構(gòu)，由于有交織環(huán)節(jié)的存在必然引起時(shí)延，使得不可能有真正意義上的反饋，一般采用流水線式的迭代結(jié)構(gòu)。這種流水線結(jié)構(gòu)使分量譯碼器可由若干完全相同的的基本單元構(gòu)成，從而以較小的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)了最大似然譯碼。譯碼算法目前最基本最重要的兩種算法是算法和算法，它們都是算法，也是其它很多算法的基礎(chǔ)。算法算法是譯碼的最優(yōu)算法，它采用對(duì)數(shù)似然比函數(shù)作為其軟判決的輸出。由于需要大量的運(yùn)算，限制了譯碼的規(guī)模和速度。算法是算法的變形，簡(jiǎn)化了運(yùn)算。算法實(shí)際上是把算法中似然運(yùn)算全部用對(duì)數(shù)似然值來(lái)表示，這樣就把乘法運(yùn)算變成了加法運(yùn)算，而把加法變成了（）（）。）（）（一）這里正（）是一個(gè)相關(guān)函數(shù)，可預(yù)先做成表，利用查表來(lái)完成運(yùn)算。（）算法也是算法的簡(jiǎn)化，在對(duì)數(shù)域算法中，將加法表示式中的對(duì)數(shù)分量忽略掉，采用（砂）（十）使加法完全變成求最大值運(yùn)算，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了運(yùn)算，但是付出了的代價(jià)是性能的