無線通信中的Turbo編碼和均衡技術分析

高凡琪

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

1 引言

增加無線通信安全性和可靠性的途徑主要有兩種：一種途徑是不斷提高發送信號的功率，使得接收端所對應的信號噪聲比不斷增加；另一種途徑是通過利用編碼法，不斷調整和控制信道差錯情況。前者在具體的使用中，會受到條件限制，無法滿足所有情況；后者主要是在充分結合香農原理的前提下所提出的，當信道容量遠遠高于編碼速率時，通過借助信道編碼定理，可以采用Turbo編碼法，提高無線通信的穩定性和可靠性。因此，為了進一步提高無線通信性能，加強對Turbo編碼和均衡技術的分析和應用顯得尤為重要。

2 Turbo碼的基本原理

現階段，通過利用Turbo碼，不僅可以有效地簡化譯碼操作流程，降低其復雜度，還可以保證譯碼器的運行性能。此外，通過利用譯碼所輸出的軟信息，可以實現Turbo原理與均衡技術的有效融合。

2.1 Turbo碼編碼原理

Turbo碼編碼器在具體的設計中，主要利用卷積編碼器，采用并行連接的方式，使其與多種交織器之間建立起有效的連接。同時，還要借助校驗位，對連接好的編碼器進行編碼處理，從而形成一連串碼子，這些碼子所對應的碼率各不相同。由此可見，Turbo碼編碼器結構由兩個并聯的卷積編碼器組成，在第2個編碼器前面串接了一個隨機交織器。此外，為了進一步提高量譯碼器能夠安全、可靠地輸出信息[1]，需要選用合適的譯碼器，對所輸出的信息進行檢驗和管控信息的完整性和真實性，為后期循環利用信息，提高信息利用率創造良好的條件。此外，還要將分量譯碼器輸出的信息與另一個分量譯碼器所發送的信息進行一一對應，確保兩種分量譯碼器信息的匹配性和對應性。最后，還要借助交織器，將兩個不同的分量譯碼器進行有效連接，只有這樣，才能最大限度地提高Turbo碼編碼結果的精確性和真實性。

2.2 Turbo碼的譯碼原理

對于Turbo迭代譯碼而言，其結構主要由兩個不同的譯碼器采用串聯的方式組合而成，如軟輸入譯碼器、軟輸出譯碼器。當迭代譯碼處于啟動狀態時，分量譯碼器要對所需要的軟信息進行全面化采集和整理，然后，選用合適的譯碼方式，對分量碼RSCI進行譯碼處理，從而精確地計算和統計出不同信息序列下所對應的信息，然后，向分量譯碼器傳輸相應的軟輸出信息，為后期先驗信息輸入環節的落實提供相應的依據和參考。另外，在對分量碼RSCI進行譯碼處理期間，要根據信息序列交織分析需求，向分量譯碼器傳輸相應的“外信息”，當迭代操作結束后，可以將部分信息設置為“先驗信息”，從而充分發揮和利用分量譯碼器的應用優勢。當迭代次數逐次增加時，系統復雜度不斷增加，從而引發系統運行延遲現象，影響了用戶的整體使用體驗。當迭代次數增加一定程度后，系統運行性能將會得到有效改善，為后期仿真分析環節的落實打下堅實的基礎。編碼器在實際運行期間，主要運用了交織方式，確保所有分量譯碼器均能輸出滿足交織處理需求的外信息，并確保這些外信息與其他譯碼器所接收到的軟信息進行一一對應。譯碼過程被視為一種比較典型的迭代過程，所以，單次迭代情況的出現可以提高軟信息的利用率。

3 Turbo-TCM概述

3.1 TCM技術

TCM技術在具體的運用中，技術人員要嚴格遵循以下規則：（1）選用合適的網格圖，并從中確定頻度合適的子集。（2）借助網格圖，向指定的分隔子集發送并轉移相關操作指令。（3）根據所設置好的并行狀態，確定相應的信號點。

3.2 Turbo-TCM編碼調制器

Turbo-TCM編碼調制器主要是利用Turbo編碼器的設計思想，在TCM調制器的基礎上進行設計的，為了充分發揮和利用Turbo-TCM編碼調制器應用價值，技術人員要利用交織器[2]，采用并行級聯的方式，利用TCM碼，實現對相關序列信息安全、可靠的輸出和輸入，以確保迭代譯碼具有強大的編碼效益。此外，還要根據交織器結構特點，將mbit碼字設置為相應的交織單位。

3.3 Turbo-TCM解調譯碼器

Turbo-TCM解調譯碼器在具體的設計中，主要借助多種類型的迭代譯碼器，并結合二進制設計思想，不斷修改、優化和完善譯碼流程，從而最大限度地提高迭代譯碼處理效率和效果。

3.4 Turbo-TCM性能仿真

Turbo-TCM系統在具體的設計中，除了使用編譯原理外，還用到了譯碼算法，為了更好地驗證Turbo-TCM系統性能，現對該系統進行科學化仿真分析，同時，在不同的高斯白噪聲信道下，分別比較和探究Turbo-TCM的性能變化情況。在進行TCM調制期間，需要根據8PSK特點，選用合適的調制方式，將隨機交織器大小分別設置為1024 db、5000 db，然后，利用譯碼算法，實現對最大后驗概率算法的精確化分析和計算，從而得出如圖1、圖2所示的性能仿真曲線圖。

圖1 內部審計=1024的性能仿真

圖2 內部審計=5000的性能仿真

從以上兩個圖中可以看出，當迭代次數不斷上升時，8PSKTurbo-TCM性能變化情況與Turbo碼性能變化情況基本類似。與同等條件下的8PSKTCM系統相比，即便迭代為1次，8PSKTurbo-TCM所對應的性能依然較高，出現這一現象的根本原因是Turbo-TCM系統內部使用了編譯碼結構。另外，當交織器的容量呈現出不斷上升的趨勢時，Turbo-TCM系統性能將會保持穩定不變的狀態， 但是，交織器容量的不斷增加，在某種程度上可以對譯碼的處理效率產生直接性的影響，從而引發延時問題。

4 Turbo均衡

4.1 移動通信中的均衡技術

4.1.1 均衡技術的分類

以結構為劃分原則，可以將均衡器劃分為以下兩類：①橫向濾波器。該濾波器所對應的線性系統僅僅含有前饋單元。②判決反饋濾波器。該濾波器所對應的非線性系統除了含有前饋單元外，還含有反饋單元[1]。根據碼元邊界所對應的采樣值，對被檢測信號進行間隔采樣。對于線性均衡器而言，其參數優化準則主要包含以下兩種：一種是最小峰值畸變準則；另一種是最小誤差平方。根據這兩種準則[3]，可以得出以下兩種均衡算法，分別是ZF（迫零算法）、LS（最小二乘算法）。當信道參數處于未知狀態時[4]，上述兩種算法所對應的自適應算法分別是自適應迫零算法、RLS（最小二乘算法）。均衡器的類型、結構見圖3。

圖3 均衡器的類型、結構

4.1.2 均衡器概述

均衡器主要包含以下幾種：①LE（線性均衡器）。該均衡器主要由若干個延遲線組成，將各條線之間的延遲時間間隔設置為T，然后利用延遲符號精確地表示均衡器的傳遞函數，這種型號的均衡器又被稱為具有高沖擊響應能力的濾波器，這些濾波器內部含有大量的前饋鏈路和反饋鏈路，極大地提高了電壓的穩定性[5]。LE在具體的設計中，需要采用濾波處理的方式，對所接受的數據進行處理，從而獲得相應的符號估計值，然后根據設置好的準則，選用合適的參數。②DFE（判決反饋均衡器）。DFE主要由前向濾波器和反向濾波器組成。其中，前向濾波器與線性橫向均衡器作用類似，反饋濾波器所輸入內容主要以判決序列為主，通過篩選并剔除當前估計值中的檢索符號，從根本上解決部分碼間的干擾問題。此外，DFE主要包含線性濾波器和非線性硬判決器，可以有效地解決突發誤碼傳播問題。③ML（最大似然序列接收機）。ML內部含有符號間信道，這種信道具有較高的抗干擾能力以及記憶能力，因此當對信道進行有記憶的傳輸后，所接收到的字符具有一定的記憶特性。在處理記憶信號期間，需要利用最大似然序列算法，對其進行處理。

4.2 Turbo均衡技術

4.2.1 系統傳輸模型

對于通信系統而言，其系統傳輸模型在具體的創建中，需要將濾波器、抽樣器和信道進行有效組合，并等效為一個橫向濾波器，該濾波器具有較高的脈沖響應能力。然后，根據所設定好的離散時間，構建出離散時間系統模型。編碼數據傳輸系統框圖見圖4。由圖4可以看出，當數據編碼處理結束后，被自動映射到所設計好的星座圖上[6]，然后穿過ISI信道。在接收端位置處，需要所接收的數據全部傳輸到均衡器中，由均衡器采用逆映射的方式，對所輸出的數據進行編碼和傳輸，使其安全、可靠地傳輸于解碼器中，由解碼器將最終的解碼數據進行輸出。

圖4 編碼數據傳輸系統框圖

4.2.2 Turbo均衡原理

Turbo均衡作為一種常用的方法，其原理為：將Turbo原理與均衡技術進行充分結合，并采用多次迭代的方式，確保均衡器與解碼器之間能夠快速地傳輸和交換信息，從而保證信息傳輸和交互的穩定性、可靠性和安全性。

4.2.3 Turbo均衡算法

現階段，經常用到的Turbo均衡算法主要包含以下幾種：（1）SIC（軟干擾抵消算法）。SIC并不能單獨使用，需要與MAP均衡算法和MMSE_DFE算法等其他類型算法進行組合使用。（2）MAP均衡算法。該算法內部擁有比較小的誤碼率，因此運行性能比較理想。但是該算法涉及大量的運算，如除法運算、乘法運算等，因此其復雜度較高。（3）MMSE_DFE算法，該算法盡管復雜度較低，但是運行性能較差，因此該算法并不常用。

4.3 Turbo均衡的性能分析與仿真

3種算法的復雜度對比結果見表1，表1中含有N、M和q 3個字母，這3個字母分別代表估計濾波器的長度、信道響應的長度、字符集的大小。當所采用的調制方法為用8PSK調制法時，q值為3。由于MAP算法內部使用了最優準則，因此具有良好的運行性能，但是算法復雜度較高，因此不適用于通信系統。而后兩種算法由于其復雜度低，因此將其科學應用于通信系統中，可以取得良好的仿真效果。經過仿真分析發現，以上3種算法的性能由高到低依次為：MMSE_LE算法、MMSE_DFE算法、MAP。由于選用MMSE_LE算法，可以提高Turbo均衡性能，因此，技術人員在實際運用中，要優先選用MMSE_LE算法。

表1 3種算法的復雜度對比

5 結語

綜上所述，在信息技術的不斷發展和普及下，為了進一步提高通信業務處理水平，最大限度地提高無線通信的可靠性和安全性，技術人員要加強對信道糾錯編碼技術的分析和應用，該技術應用是否合理直接影響了傳輸系統的運行性能。而Turbo碼憑借自身的優異性能，被廣泛地應用于信道編碼領域中，極大地提高了編譯碼器的性能和頻帶利用率。此外，通過將Turbo碼與TCM進行充分結合，不僅可以有效地提升系統頻譜利用率，還能確保編碼性能達到最佳狀態。在此基礎上，通過將Turbo碼與均衡技術進行充分融合，可以從根本上解決衰落信道中的碼間干擾問題。最后，利用Turbo均衡原理，可以向均衡器反饋譯碼器所輸出的信息數據，由均衡器負責處理這些數據，以保證最終均衡處理結果的精確性和真實性，從而解決碼間干擾問題，確保Turbo編碼和均衡技術更好地應用于無線通信領域中，為促進通信行業健康、可持續發展提供有力的保障。