詞語(yǔ)解釋
Turbo碼（Turbo Code）是一種用于無(wú)線通信系統(tǒng)的編碼技術(shù)，它是一種多路復(fù)用編碼，由Claude Berrou于1993年提出，它是一種非常有效的編碼技術(shù)，能夠有效地改善無(wú)線信號(hào)的可靠性和信道容量。 Turbo碼的基本原理是將一個(gè)信息碼字通過(guò)多個(gè)不同的編碼矩陣進(jìn)行編碼，然后將多個(gè)編碼碼字進(jìn)行多路復(fù)用，從而產(chǎn)生一個(gè)新的信息碼字。 Turbo碼在通信中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面： 1、Turbo碼可以有效地改善無(wú)線信號(hào)的可靠性：Turbo碼可以有效地改善信號(hào)的可靠性，因?yàn)樗梢詫⒃夹畔⒋a字編碼成多個(gè)編碼碼字，這些編碼碼字可以有效地抵抗信號(hào)傳輸過(guò)程中的噪聲干擾。 2、Turbo碼可以提高信道容量：Turbo碼可以將原始信息碼字編碼成多個(gè)編碼碼字，然后將這些編碼碼字進(jìn)行多路復(fù)用，從而提高信道容量。 3、Turbo碼可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率：Turbo碼可以將原始信息碼字編碼成多個(gè)編碼碼字，然后將這些編碼碼字進(jìn)行多路復(fù)用，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率。 4、Turbo碼可以改善信號(hào)的可靠性和信道容量：Turbo碼可以有效地改善信號(hào)的可靠性和信道容量，因?yàn)樗梢詫⒃夹畔⒋a字編碼成多個(gè)編碼碼字，這些編碼碼字可以有效地抵抗信號(hào)傳輸過(guò)程中的噪聲干擾，并且可以提高信道容量。 Turbo碼在無(wú)線通信中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它可以有效地改善信號(hào)的可靠性和信道容量，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高信號(hào)的可靠性和信道容量，因此，Turbo碼在無(wú)線通信中的應(yīng)用是非常重要的。 Shannon 編碼定理指出：如果采用足夠長(zhǎng)的隨機(jī)編碼，就能逼近Shannon 信道容量。但是傳統(tǒng)的編碼都有規(guī)則的代數(shù)結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上“隨機(jī)”；同時(shí)，出于譯碼復(fù)雜度的考慮，碼長(zhǎng)也不可能太長(zhǎng)。所以傳統(tǒng)的信道編碼性能與信道容量之間都有較大的差距。事實(shí)上，長(zhǎng)期以來(lái)信道容量?jī)H作為一個(gè)理論極限存在，實(shí)際的編碼方案設(shè)計(jì)和評(píng)估都沒(méi)有以Shannon限為依據(jù)。 1993 年兩位法國(guó)教授Berrou、Glavieux 和他們的緬甸籍博士生Thitimajshima 在ICC 會(huì)議上發(fā)表的Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo codes”，提出了一種全新的編碼方式——Turbo 碼。它巧妙地將兩個(gè)簡(jiǎn)單分量碼通過(guò)偽隨機(jī)交織器并行級(jí)聯(lián)來(lái)構(gòu)造具有偽隨機(jī)特性的長(zhǎng)碼，并通過(guò)在兩個(gè)軟入/軟出(SISO)譯碼器之間進(jìn)行多次迭代實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)譯碼。 仿真結(jié)果表明，在AWGN 信道下，碼率為1 2 的Turbo 碼在達(dá)到誤比特率(BER) ≤ 10&＃8722;5時(shí)， 0 E N b 僅為約0.7dB (這種情況下達(dá)到信道容量的理想0 E N b 值為0db)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他的編碼方式，一時(shí)在信息和編碼理論界引起了轟動(dòng)。 從此以后，Turbo 碼得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展，并對(duì)當(dāng)今的編碼理論和研究方法產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，信道編碼學(xué)也隨之進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 Turbo碼由于其近Shannon界的突出糾錯(cuò)能力，成為近年信道編碼理論研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。其編碼器由兩個(gè)（或多個(gè)）帶反饋的系統(tǒng)卷積碼器經(jīng)一交織器并行級(jí)聯(lián)而成，接收端一般采用逐位最大后驗(yàn)概率譯碼器通過(guò)反復(fù)迭代循環(huán)來(lái)譯碼。 本文首先對(duì)Turbo碼的編碼原理進(jìn)行了闡述和舉例，進(jìn)而重點(diǎn)講解了Turbo碼譯碼的原理，對(duì)比了MAP譯碼算法和SOVA譯碼算法。由以上的分析得出了很多重要的結(jié)論：如Turbo碼采用反饋卷積碼是為了獲得更大的交織增益；Turbo碼的性能主要取決于它的有效自由距離；Turbo碼在低信噪比下具有近Shannon界糾錯(cuò)能力的原因；自由距離較低引起Turbo碼在中信噪比下出現(xiàn)糾錯(cuò)平臺(tái)現(xiàn)象等等。 Turbo碼有一重要特點(diǎn)是其譯碼較為復(fù)雜，比常規(guī)的卷積碼要復(fù)雜的多，這種復(fù)雜不僅在于其譯碼要采用迭代的過(guò)程，而且采用的算法本身也比較復(fù)雜。這些算法的關(guān)鍵是不但要能夠?qū)γ勘忍剡M(jìn)行譯碼，而且還要伴隨著譯碼給出每比特譯出的可靠性信息，有了這些信息，迭代才能進(jìn)行下去。用于Turbo碼譯碼的具體算法有：MAP(Maximum A Posterori) Max-Log-MAP、Log-MAP和SOVA(Soft Output Viterbi Algorithm)算法。MAP算法是1974年被用于卷積碼的譯碼，但用作Turbo碼的譯碼還是要做一些修改；Max-Log-MAP與Log-MAP是根據(jù)MAP算法在運(yùn)算量上做了重大改進(jìn)，雖然性能有些下降，但使得Turbo碼的譯碼復(fù)雜度大大的降低了，更加適合于實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)用；Viterbi算法并不適合Turbo碼的譯碼，原因就是沒(méi)有每比特譯出的可靠性信息輸出，修改后的具有軟信息輸出的SOVA算法，就正好適合了Turbo碼的譯碼。這些算法在復(fù)雜度上和性能上具有一定的差異，系統(tǒng)地了解這些算法的原理是對(duì)Turbo碼研究的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)這些算法的復(fù)雜度和性能的比較研究也將有助于Turbo的應(yīng)用研究。 此外，要想在移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)中成功的使用Turbo碼，首先要考慮在語(yǔ)音傳輸中最大延遲的限制。在短幀情況下的仿真結(jié)果表明短交織Turbo碼在AWGN信道和Rayleigh衰落下仍然具有接近信道容量的糾錯(cuò)能力，從而顯示出Turbo碼在移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)中非常廣闊的應(yīng)用前景。 目前Turbo碼應(yīng)用： 全球3G標(biāo)準(zhǔn)：WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000均使用了Turbo碼 B3G（部分文獻(xiàn)稱(chēng)為4G)的WiMAX也使用了
Shannon 編碼定理指出：如果采用足夠長(zhǎng)的隨機(jī)編碼，就能逼近Shannon 信道容量。但是傳統(tǒng)的編碼都有規(guī)則的代數(shù)結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上“隨機(jī)”；同時(shí)，出于譯碼復(fù)雜度的考慮，碼長(zhǎng)也不可能太長(zhǎng)。所以傳統(tǒng)的信道編碼性能與信道容量之間都有較大的差距。事實(shí)上，長(zhǎng)期以來(lái)信道容量?jī)H作為一個(gè)理論極限存在，實(shí)際的編碼方案設(shè)計(jì)和評(píng)估都沒(méi)有以Shannon限為依據(jù)。 1993 年兩位法國(guó)教授Berrou、Glavieux 和他們的緬甸籍博士生Thitimajshima 在ICC 會(huì)議上發(fā)表的Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo codes”，提出了一種全新的編碼方式——Turbo 碼。它巧妙地將兩個(gè)簡(jiǎn)單分量碼通過(guò)偽隨機(jī)交織器并行級(jí)聯(lián)來(lái)構(gòu)造具有偽隨機(jī)特性的長(zhǎng)碼，并通過(guò)在兩個(gè)軟入/軟出(SISO)譯碼器之間進(jìn)行多次迭代實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)譯碼。 仿真結(jié)果表明，在AWGN 信道下，碼率為1 2 的Turbo 碼在達(dá)到誤比特率(BER) ≤ 10&＃8722;5時(shí)， 0 E N b 僅為約0.7dB (這種情況下達(dá)到信道容量的理想0 E N b 值為0db)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他的編碼方式，一時(shí)在信息和編碼理論界引起了轟動(dòng)。 從此以后，Turbo 碼得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展，并對(duì)當(dāng)今的編碼理論和研究方法產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，信道編碼學(xué)也隨之進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 Turbo碼由于其近Shannon界的突出糾錯(cuò)能力，成為近年信道編碼理論研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。其編碼器由兩個(gè)（或多個(gè)）帶反饋的系統(tǒng)卷積碼器經(jīng)一交織器并行級(jí)聯(lián)而成，接收端一般采用逐位最大后驗(yàn)概率譯碼器通過(guò)反復(fù)迭代循環(huán)來(lái)譯碼。 本文首先對(duì)Turbo碼的編碼原理進(jìn)行了闡述和舉例，進(jìn)而重點(diǎn)講解了Turbo碼譯碼的原理，對(duì)比了MAP譯碼算法和SOVA譯碼算法。由以上的分析得出了很多重要的結(jié)論：如Turbo碼采用反饋卷積碼是為了獲得更大的交織增益；Turbo碼的性能主要取決于它的有效自由距離；Turbo碼在低信噪比下具有近Shannon界糾錯(cuò)能力的原因；自由距離較低引起Turbo碼在中信噪比下出現(xiàn)糾錯(cuò)平臺(tái)現(xiàn)象等等。 Turbo碼有一重要特點(diǎn)是其譯碼較為復(fù)雜，比常規(guī)的卷積碼要復(fù)雜的多，這種復(fù)雜不僅在于其譯碼要采用迭代的過(guò)程，而且采用的算法本身也比較復(fù)雜。這些算法的關(guān)鍵是不但要能夠?qū)γ勘忍剡M(jìn)行譯碼，而且還要伴隨著譯碼給出每比特譯出的可靠性信息，有了這些信息，迭代才能進(jìn)行下去。用于Turbo碼譯碼的具體算法有：MAP(Maximum A Posterori) Max-Log-MAP、Log-MAP和SOVA(Soft Output Viterbi Algorithm)算法。MAP算法是1974年被用于卷積碼的譯碼，但用作Turbo碼的譯碼還是要做一些修改；Max-Log-MAP與Log-MAP是根據(jù)MAP算法在運(yùn)算量上做了重大改進(jìn)，雖然性能有些下降，但使得Turbo碼的譯碼復(fù)雜度大大的降低了，更加適合于實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)用；Viterbi算法并不適合Turbo碼的譯碼，原因就是沒(méi)有每比特譯出的可靠性信息輸出，修改后的具有軟信息輸出的SOVA算法，就正好適合了Turbo碼的譯碼。這些算法在復(fù)雜度上和性能上具有一定的差異，系統(tǒng)地了解這些算法的原理是對(duì)Turbo碼研究的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)這些算法的復(fù)雜度和性能的比較研究也將有助于Turbo的應(yīng)用研究。 此外，要想在移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)中成功的使用Turbo碼，首先要考慮在語(yǔ)音傳輸中最大延遲的限制。在短幀情況下的仿真結(jié)果表明短交織Turbo碼在AWGN信道和Rayleigh衰落下仍然具有接近信道容量的糾錯(cuò)能力，從而顯示出Turbo碼在移動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)中非常廣闊的應(yīng)用前景。 目前Turbo碼應(yīng)用： 全球3G標(biāo)準(zhǔn)：WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000均使用了Turbo碼 B3G（部分文獻(xiàn)稱(chēng)為4G)的WiMAX也使用了
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