交織的定義及原理介紹

1、交織的定義與原理簡(jiǎn)介交織器在 陸地移動(dòng)通信這種變參信道上，比特差錯(cuò)經(jīng)常是成串發(fā)生的。這是由于持續(xù)較長(zhǎng)的深衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到相繼一串的比特。然而，信道編碼僅在檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和 不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串時(shí)才有效。為了解決這一問題，希望能找到把一條消息中的相繼比特分散開的方法，即一條消息中的相繼比特以非相繼方式被發(fā)送。這樣，在傳輸過 程中即使發(fā)生了成串差錯(cuò)，恢復(fù)成一條相繼比特串的消息時(shí)，差錯(cuò)也就變成單個(gè)(或長(zhǎng)度很短)，這時(shí)再用信道編碼糾錯(cuò)功能糾正差錯(cuò)，恢復(fù)原消息。這種方法就是 交織技術(shù)。 在通信中，傳輸信息比特差錯(cuò)經(jīng)常是成串發(fā)生的。這是由于持續(xù)較長(zhǎng)的深衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到相繼一串 的比特。然而，信道編碼僅在檢測(cè)

2、和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串時(shí)才有效。為了解決這一問題，希望能找到把一條消息中的相繼比特分散開的方法，即一條消息 中的相繼比特以非相繼方式被發(fā)送。這樣，在傳輸過程中即使發(fā)生了成串差錯(cuò)，恢復(fù)成一條相繼比特串的消息時(shí)，差錯(cuò)也就變成單個(gè)(或長(zhǎng)度很短)，這時(shí)再用信道 編碼糾錯(cuò)功能糾正差錯(cuò)，恢復(fù)原消息。這種方法就是交織技術(shù)。 假定由一些4比特組成的消息分組，把4個(gè)相繼分組中的第1個(gè)比特取出來，并讓這4個(gè)第1比特組 成一個(gè)新的4比特分組，稱作第一幀，4個(gè)消息分組中的比特24，也作同樣處理，如圖3-30所示。 然后依次傳送第1比特組成的幀，第2比特組成的幀，。在傳輸期間，幀2丟失，如果沒有交 織，那就會(huì)丟

3、失某一整個(gè)消息分組，但采用了交織，僅每個(gè)消息分組的第2比特丟失，再利用信道編碼， 全部分組中的消息仍能得以恢復(fù)，這就是交織技術(shù)的基本原理。概括地說，交織就是把碼字的b個(gè)比特分散到n個(gè)幀中，以改變比特間的鄰近關(guān)系，因此n值越大， 傳輸特性越好，但傳輸時(shí)延也越大，所以在實(shí)際使用中必須作折衷考慮?；驹斫豢椩斫?織原理交織其實(shí)是通信系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理而采用的一種技術(shù)，交織器從其本質(zhì)上來說就是一種實(shí)現(xiàn)最大限度的改變信息結(jié)構(gòu)而不改變信息內(nèi)容的器件。從傳統(tǒng)上來 講就是使信道傳輸過程中所突發(fā)產(chǎn)生集中的錯(cuò)誤最大限度的分散化。因此，具體來講也許數(shù)據(jù)置亂器這個(gè)稱呼更加符合交織器其本質(zhì)，會(huì)讓人們對(duì)交織器的基本工

4、作 機(jī)理有更多的感性認(rèn)識(shí)。 假定由一些4比特組成的消息分組，把4個(gè)相繼分組中的第1個(gè)比特取出來，并讓這4個(gè)第1比特組 成一個(gè)新的4比特分組，稱作第一幀，4個(gè)消息分組中的比特24，也作同樣處理，如圖所示。 然后依次傳送第1比特組成的幀，第2比特組成的幀，。在傳輸期間，幀2丟失，如果沒有交 織，那就會(huì)丟失某一整個(gè)消息分組，但采用了交織，僅每個(gè)消息分組的第2比特丟失，再利用信道編碼， 全部分組中的消息仍能得以恢復(fù)，這就是交織技術(shù)的基本原理。概括地說，交織就是把碼字的b個(gè)比特分散到n個(gè)幀中，以改變比特間的鄰近關(guān)系，因此n值越大， 傳輸特性越好，但傳輸時(shí)延也越大，所以在實(shí)際使用中必須作折衷考慮。規(guī)則交織

5、器分組交織器生成示意圖分 組交織器生成示意圖規(guī)則交織器是最早應(yīng)用于信道編碼中的，其實(shí)它就是通常我們所說的分組交織器，也就是行讀列出或列讀行出的交織器，從圖3這個(gè)簡(jiǎn)單的3 x 3 交織矩陣可以看出一共有32種交織方式的存在，然而這32種讀法中雖然有許多在形式上不同，但就其本質(zhì)來講所表現(xiàn)的特性卻是完全一致的。所以它們又可以歸 納為有限的四種形式，我們用L代表左，R代表右，T代表上，B代表下，則這四種交織器依次可以表示成：LR/TB，LR/BT，RL/TB ，RL/BT 。其中LR 表示由左至右寫人，TB 表示由上至下讀出，其它的表示形式也依此類推。有文獻(xiàn)對(duì)第二、三種交織器進(jìn)行了詳細(xì)的比較稱之為典型

6、的分組交織器，最后推出第二種交織器比較好，但是此種 交織方式對(duì)于奇數(shù)行乘以奇數(shù)列的方陣來說，會(huì)由于交織前后的不動(dòng)點(diǎn)太多而使交織前后的相關(guān)性很大，而如果采用第一、四種交織則效果會(huì)更好，這是由于用此交 織方式在交織前后的不動(dòng)點(diǎn)最多為1 ，從而大大減小了信息之間的相關(guān)性。不規(guī)則交織器交織方式示意圖其 實(shí)不規(guī)則交織器的形式大部分是由我們上面所提及的4種分組交織器演變而來的，目前主要有對(duì)角交織器、螺旋交織器、奇偶交織器等形式，對(duì)角交織器和螺旋交織 器都是采用行寫而對(duì)角讀出的方式，兩者不同是在于對(duì)角交織器是行寫然后從第一行的第一個(gè)元素開始以對(duì)角方式讀出，而螺旋交織器則是從最后一行的第一個(gè)元素 開始以對(duì)角的

7、方式讀出，具體的示意圖如圖所示。 交織方式示意圖圖中所示的是3 x 3的交織矩陣，箭頭所示的方向便為讀寫方向，從總體上來說這兩種交織器是由分組交織器演變而來的，其性能要比典型的分組交織器好一些。而下面提到的奇偶交 織器并不是一種獨(dú)立的交織器生成方法，而是配合刪余技術(shù)在交織器生成時(shí)加上限制條件的一種方法。刪余技術(shù)其實(shí)就是在編譯碼過程中將信息以刪余截短碼的形式 送入信道，收端通過加入模擬零的方式加以恢復(fù)，這本身對(duì)碼元的糾錯(cuò)能力將打折扣，但是卻能提高編碼效率。因此，刪余技術(shù)在編碼中通常被廣泛使用，但研究者 發(fā)現(xiàn)，在Turbo碼中因?yàn)閼?yīng)用此技術(shù)而帶來的影響比在其應(yīng)用于其它的傳統(tǒng)編碼中的影響會(huì)更大，這是

8、因?yàn)樵赥urbo碼中冗余位的作用很大，正是亂序編碼 產(chǎn)生的冗余位才引入了交織器的隨機(jī)性，一般的編碼在采取了刪余技術(shù)以后，冗余位對(duì)信息位的保護(hù)是平衡的，而在Turbo碼中由于交織器的使用，如果采取不 恰當(dāng)?shù)慕豢椃绞骄蜁?huì)有較壞的情況發(fā)生，即有可能是有的信息位有重復(fù)的對(duì)應(yīng)冗余位送入信道而有的信息位卻無對(duì)應(yīng)的冗余位送入信道，這就造成了冗余位對(duì)信息位 保護(hù)不均的現(xiàn)象，也勢(shì)必會(huì)影響碼元的糾錯(cuò)能力。為此采用奇偶交織方式就可以很好的解決這個(gè)問題，它會(huì)在生成截短Turbo碼的同時(shí)，每次分別將經(jīng)由編碼器 對(duì)應(yīng)于輸入的奇數(shù)和偶數(shù)信息位所產(chǎn)生的冗余位交替的送往信道，這樣就可以保證信息序列中的每一位均有對(duì)應(yīng)的元余位通過

9、信道傳輸送抵至譯碼器，從而使編譯碼 器工作在正常狀態(tài)下。隨機(jī)交織器Turbo碼編譯碼其結(jié)構(gòu)框圖隨 機(jī)交織器是最近剛剛興起的一種交織器，其實(shí)我們也可以說它是隨著Turbo碼的產(chǎn)生而被日益廣泛的應(yīng)用起來的。顧名思義，隨機(jī)交織器應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的思想便是隨 機(jī)交織過程，但是我們現(xiàn)在所說的隨機(jī)交織器大部分恰當(dāng)?shù)膩碇v應(yīng)該稱之為偽隨機(jī)交織器。這是因?yàn)閺腡urbo碼的編譯碼器結(jié)構(gòu)可以看出 。 Turbo碼編譯碼其結(jié)構(gòu)框圖譯碼器中的交織器是要與編碼器中的交織器相對(duì)應(yīng)的。而分組交織器 是以規(guī)則的順序進(jìn)行交織的，所以在收發(fā)兩端可以通過一定的協(xié)議來確定交織器的工作方式。但是在采用了隨機(jī)交織器的Turbo碼系統(tǒng)中，由于對(duì)于每

10、一組信息 序列所產(chǎn)生的交織后的結(jié)果是隨機(jī)性的，而譯碼器則要求對(duì)每幀數(shù)據(jù)都要有相應(yīng)的交織順序，所以在傳輸編碼序列的同時(shí)，在信道上還要傳輸交織器的信息，這不僅 加大譯碼器的復(fù)雜度，而且也加大了信道負(fù)載，而且如果在中途交織器信息出現(xiàn)錯(cuò)誤，則會(huì)使譯碼的i吳碼增多，所以現(xiàn)在所采用的隨機(jī)交織器都是偽隨機(jī)的，是事 先經(jīng)過隨機(jī)選擇而生成的一種性能較好的交織方式，然后將其做成表的形式存儲(chǔ)起來而進(jìn)行讀取的。 隨機(jī)交織器的隨機(jī)性能主要取決于隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方式、交織器主要參數(shù)S、取值的選取等方面?，F(xiàn)在 主要有利用基于線性取余貝斯-拉姆洗牌技術(shù)以及對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行隨機(jī)抽樣產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的方法。 除了隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方法不同之外，現(xiàn)

11、在人們將目光都投向了如何利用交織器的主要參數(shù)而設(shè)計(jì)出較好 的隨機(jī)交織器這一方向上來，由此我們介紹幾種基本的隨機(jī)交織器。 1. S-隨機(jī)交織器這種交織器其實(shí)隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生是與其它交織器一樣的，只不過它有一個(gè)附加條件，要求在交織前的信息序列長(zhǎng)為S的各信息位在交織后必須相鄰大于 S+1個(gè)單位，其實(shí)也就是讓交織器擁有最大分散因子參數(shù)的特性。目前在Turbo碼中采用的大部分都是這種交織器或是由此而情變出的S-隨機(jī)交織器。2. T-隨機(jī)交織器這種交織器其實(shí)是一種特殊的隨機(jī)交織器，它要求碼字中的任何一對(duì)相鄰的信息位在交織后的距離要大于整個(gè)碼的約束長(zhǎng)度，它只適合于那些由重量 為2且兩個(gè)"1"

12、 信元相鄰K個(gè)單位的碼而產(chǎn)生的最小漢明重量的信息序列。一般來講，只有采用K3的卷積碼才能產(chǎn)生出符合此種要求的隨機(jī)交織器。3. S-T-隨機(jī)交織器此交織器其實(shí)是對(duì)S-隨機(jī)交織器和T-隨機(jī)交織器兩種產(chǎn)生條件的綜合，實(shí)現(xiàn)起來就更加困難了，屬于較為特殊的隨機(jī)交織器。 綜上所述，從總體上來講S隨機(jī)交織器比較容易生成，而且生成速度較快，是較為理想的隨機(jī)交織 器，而其它兩種只是在特殊場(chǎng)合下才得以應(yīng)用。所以現(xiàn)在應(yīng)用的大部分隨機(jī)交織器應(yīng)該都是屬于S-隨機(jī)交織器。我們?cè)谙旅嫣岬降碾S機(jī)交織器都是指S-隨機(jī)交織 器。Turbo 碼中的應(yīng)用Turbo 碼的譯碼結(jié)構(gòu)圖在前文中我們已經(jīng)提到自從交 織器應(yīng)用到信道編碼中尤其是

13、在近幾年剛剛興起的Turbo 碼中，它的對(duì)編碼整體性能的影響已經(jīng)越來越受到人們的重視。每種事物的產(chǎn)生必定有它的原因，也肯定有優(yōu)劣不同的成分，對(duì)于交織器當(dāng)然也不能違反這一客觀規(guī) 律。在Turbo碼中其實(shí)是可以利用任何一種交織器的，只是由于針對(duì)誤碼率，通信延時(shí)或幀長(zhǎng)等一系列性能要求，人們就必須選擇一個(gè)能使編碼整體性能有所保 障的最佳交織器，下面我們就結(jié)合各種交織器的優(yōu)缺點(diǎn)將其在Turbo 碼不同場(chǎng)合下應(yīng)用中的情況簡(jiǎn)要的分析一下： Turbo 碼的譯碼結(jié)構(gòu)圖在傳輸信息幀較短的通信系統(tǒng)中應(yīng)用Turbo碼，采用分組交織更有利一些。這是由于隨機(jī)交織器在數(shù)據(jù)幀較短時(shí)計(jì)算產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)之間存在著較 大的相關(guān)性。

14、從現(xiàn)有的分析及計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果可以得知對(duì)于幀長(zhǎng)較短的信息序列，當(dāng)信噪比( SNR)較低肘，分組交織器的性能要優(yōu)于隨機(jī)交織器性能。就是在信噪比較大時(shí)，前者還是稍優(yōu)于后者的。例如：在個(gè)人通信中最常用的話音標(biāo)準(zhǔn)率為 9.6kbit/s，相應(yīng)的每幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為192bit，在信噪比小于2.5dB時(shí)，采用分組交織器的效果明顯比隨機(jī)交織器好，就是在信噪比較大時(shí)，前者 也是略優(yōu)于后者的。所以，對(duì)于短幀通信，相比來說還是采用分組交織器比較好。 而當(dāng)傳輸信息幀較大時(shí)，采用分組交織器的Turbo碼要比采用隨機(jī)交織器在譯碼性能的體現(xiàn)上遜 色不少。這是由于隨著交織長(zhǎng)度的增大，分組交織前后信息序列的比特位不動(dòng)點(diǎn)增多，相關(guān)性

15、加大，而隨機(jī)交織器隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生卻越來越均勻，交織前后序列相關(guān)性 將逐漸減小。但是相對(duì)于分組交織器它的生成時(shí)間卻會(huì)變得越來越長(zhǎng)，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)時(shí)延的增大。所以，在信息幀長(zhǎng)較長(zhǎng)且對(duì)譯碼精確度要求較高但卻不要求太 高的實(shí)時(shí)性的通信系統(tǒng)中，最好是采用隨機(jī)交織器。這樣就可以使得Turbo碼的整體性能達(dá)到最佳狀態(tài)，例如，宇航器與地面之間的通信，要求宇航器的信息可 以在全部接收后慢慢譯，可以不考慮延時(shí)的影響，因此使用帶有隨機(jī)交織器的Turbo碼不失為一種好的選擇。不規(guī)則交織器雖然從形式土不同于兩種交織器，但 是大部分是對(duì)交織器的一種改進(jìn)或限制。在本質(zhì)上是沒有什么變化的，其性能從總體上來說是介于兩種交織器之

16、間的，所以就不再詳細(xì)說明。而在具體工程應(yīng)用中， 有時(shí)針對(duì)分組交織器和隨機(jī)交織器各自的特點(diǎn)，將二者有機(jī)的結(jié)合起來組成新的交織器以滿足一定通信系統(tǒng)的要求，這就是混合型交織器。其生成的基本原理就是在 分組交織的思想下進(jìn)行隨機(jī)的讀寫。從廣義上說其實(shí)亦是屬于隨機(jī)交織器的一種。GSM系統(tǒng)中的應(yīng)用 GSM 20ms話音編碼交織在 GSM系統(tǒng)中，信道編碼后進(jìn)行交織，交織分為兩次，第一次交織為內(nèi)部交織，第二次交織為塊間交織。 GSM 20ms話音編碼交織話音編碼器和信道編碼器將每一20ms話音數(shù)字化并編碼，提供456個(gè)比特。首先對(duì)它進(jìn)行內(nèi)部交織，即將456個(gè)比特分成8幀，每幀 57比特，見圖所示。 如果將同一2

17、0ms話音的2組57比特插入到同一普通突發(fā)脈沖序列中(見圖)，那么該突發(fā)脈沖 串丟失則會(huì)導(dǎo)致該20ms的話音損失25的比特，顯然信道編碼難以恢復(fù)這么多丟失的比特。因此必須在兩個(gè)話音幀間再進(jìn)行一次交織，即塊間交織。普通突發(fā)脈沖串普通突發(fā)脈沖串把每20ms話音456比特分成的8幀為一個(gè)塊，假設(shè)有A、B、C、D四塊，見 圖所示，在第一個(gè)普通突發(fā)脈沖串中，兩個(gè)57比特組分別插入A塊和D塊的各1幀(插入方式如圖、所示，這就是二次交織)，這樣一個(gè)20ms的話音8幀分別 插入8個(gè)不同普通突發(fā)脈沖序列中，然后一個(gè)一個(gè)突發(fā)脈沖序列發(fā)送，發(fā)送的突發(fā)脈沖序列首尾相接處不是同一話音塊，這樣即使在傳輸中丟失一個(gè)脈沖串，只影響 每一話音比特?cái)?shù)的12.5，而這能通過信道編碼加以校正。二次交織二次交織經(jīng)得住喪失一整 個(gè)突發(fā)脈沖串的打擊，但增加了系統(tǒng)時(shí)延。因此，在GSM系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)和中繼電路上增加了回波抵消器，以改善由于時(shí)延而引起的通話回音。存在問題及發(fā)展方向二次交織交 織技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，使得好的長(zhǎng)碼構(gòu)造置成了可能，使得迭代算法也得到了充分的利