Ｔｕｒｂｏ碼在數字地面電視廣播系統中的仿真研究
2008-04-12 00:00:00馬飛
現代電子技術 2008年14期
摘 要：Turbo碼以其優異的糾錯性能被應用到許多領域，嘗試把先進的urbo碼技術引入到數字地面電視廣播系統的信道編碼方案中，并利用仿真系統針對譯碼算法、交織器技術、通信信道等不同的系統參數對改進后的系統的性能影響進行仿真研究。仿真結果表明，引入urbo碼的系統性能優于原DVB-系統。
關鍵詞：DVB-；Turbo碼；信道編碼；譯碼算法；交織器；通信信道
Research and imulation of urbo in DVB- ystem
MA Fei
(Department of Computer cience and Engineer，North University for Ethnics，Yinchuan，70021，China)
Abstract：urbo code is applied to many fields by reason of excellent performance of correctingIn this article， urbo code technology is inserted into the channel coding scheme of DVB-he performance is investigated between standard DVB- and improved DVB- with different parameters of decoding algorithms，interleavers，communication channels through simulationhe simulation result shows that the error-correcting performance of improved DVB- is better than standard DVB-
Keywords：DVB-;urbo codes;channel coding;decoding algorithm;interleaver;communication channel
1 引 言
DVB- COFDM［1］系統是歐洲數字電視廣播(DVB)開發的系列標準中的數字地面電視廣播標準，目前世界范圍內已經或準備建設的地面數字電視項目大部分都采用的是DVB- CDFDM 標準。
由于地面廣播條件最惡劣， DVB-系統采用比之于DVB-和DVB-C更復雜的糾錯機制。該糾錯機制的信道編碼是經過外碼R碼編碼，外碼交織，內碼卷積碼編碼，內碼交織4個步驟，兩層編碼和兩層交織保證了數據的正確接收。
隨著信道編碼技術的不斷發展，研究人員提出了許多新興的糾錯碼編碼方案，urbo碼［2］就是其中的佼佼者之一。urbo碼巧妙地將卷積碼和隨機交織器結合在一起，實現了隨機編碼的思想；同時，采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼。urbo碼一經推出，就以其優異的接近香農極限的性能受到了大家的重視，其也不斷的應用到實際系統中。能否采用urbo碼對DVB-系統的糾錯機制進行優化，本文利用仿真系統對該問題進行了研究。
2T urbo碼的基本原理
21 編碼器結構及原理
urbo碼編碼器由2個遞歸系統卷積碼(RC)通過一個交織器并行級聯而成，其編碼結構如圖1所示：
RC1對信息序列直接進行編碼，產生相應的校驗位1。RC2對經過交織后的信息序列進行編碼，產生校驗位2。校驗位1與校驗位2經刪余矩陣(以產生不同的碼率)壓縮再與信息位復接組成碼字后送往信道。
22 譯碼器結構及原理
譯碼是通過2個成員譯碼器進行交錯重復譯碼實現，其結構如圖2所示。
信道輸出信息比特Xk′直接進入成員譯碼器1，校驗比特經分解器分解后，將對應于成員譯碼器1 的校驗比特Y′1k 送入成員譯碼器1，把對應于成員譯碼器2 的校驗比特 Y2k′ 送入成員譯碼器2。成員譯碼器1 輸出一個軟判決經交織后得到的結果與經過交織器后的信息比特以及前面的校驗比特Y2k′一起輸入成員譯碼器2后，也輸出一個軟判決，再將此判決經過解交織器重新輸入成員譯碼器1進行下輪譯碼。如此循環，進行多次迭代譯碼后，就有越來越多的錯誤被糾正，直到某一程度為止。
23 交織器與譯碼算法
urbo碼系統性能的優劣很大程度上取決于分量碼與交織器的選擇。分量碼通常選擇系統遞歸卷積碼，而交織器的選擇則根據不同的應用環境選擇特定結構，特定交織深度的交織器。交織器的作用主要可以從兩個層面來考慮：
(1) 從碼重層次看:交織器增大了校驗碼重，尤其是改善了低碼重輸入信息序列的輸出校驗碼重從而增大了碼的最小自由距離，提高了糾錯能力。
(2) 從相關性層次看:交織器最大可能地置亂輸入信息序列的順序，降低了輸入/輸出數據的相關性，使得鄰近碼元同時被噪聲淹沒的可能性都大大減小，從而增強了抗突發噪聲的能力。
級聯碼中的交織器技術也是現在的研究熱點，目前常見的交織器包括分組交織器，黃金分割互素交織器，卷積交織器，隨機交織器等，研究人員把許多新興理論也融入到交織器的設計中，如利用遺傳算法對交織器進行優化，應用混沌學進行新型交織器的設計等。本文的仿真系統采用的交織器則是性能較優的隨機交織器。
urbo碼另一個重要特點就是在譯碼時采用了迭代譯碼的思想，迭代譯碼的復雜性僅是隨著信息序列的大小增加而呈線性增長。與譯碼復雜性隨碼字長度增加呈指數形式增長的最優MLD相比，迭代譯碼具有更強的可實現性。為使urbo碼達到比較好的譯碼性能，分量碼譯碼必須采用IO算法，從而實現迭代譯碼過程中軟信息在分量譯碼器之間的交換。Forney等人已經證明了最優的軟輸出譯碼器應該是后譯概率(A Posteriori Probability，APP)譯碼器，它是以接收信號為條件的某個特定比特傳輸概率。目前常用的譯碼算法主要包括MAP譯碼算法，Log-MAP算法［3］，Max-Log-MAP算法及OVA算法(oft Output Viterbi Algorithm)等。其中Log-MAP算法和Max-Log-MAP算法是MAP算法的一種對數域下的簡化形式。由于MAP算法要求大量的乘法和非線性運算，不利硬件實現，則利用對數域的特性，實現乘法運算向加法運算的轉化。次最優算法Log-MAP算法及Max-Log-MAP 算法，二者雖然在一定程度上損失了性能，但卻有利于硬件實現，因而是一種比較常用的算法。在本仿真系統則采用Log-MAP算法。
3 DVB-傳輸系統的信道編碼基本原理
圖3是DVB-傳輸系統的信道編碼基本原理和調制原理框圖。由于地面廣播的條件較差，而且因為已有一些地面傳輸服務產生的較大的同頻和鄰頻干擾，DVB-采用了更多的抗干擾和防誤碼的措施：首先輸入數據被分為一定長度的的傳輸包，每組包含188個字節，經過能量擴散的數據流接下來進行外碼編碼，外碼則是采用截短的R(204，188，=8)碼，能夠在204個字節幀內糾正8個錯誤字節。然后，經過外碼編碼的數據再由交織器在12個字節的深度內按字節進行交織。接下來進行內碼編碼，內碼采用的是卷積收縮碼，碼率可以為1/2，2/3，3/4，/6，7/8，經過內編碼的數據再經過內交織器進行交織，內交織主要分2步：位交織和符號交織，然后利用QPK，16QAM，64QAM的調制方式將其映射到星座圖上。
4 仿真系統模型
圖4是仿真系統的模型，首先隨機數據產生器以188 B作為幀長度，按幀產生信息序列，虛線框圖①對應的是原DVB-系統的信道編碼模型，虛線框圖②對應的是新的信道編碼模型，該模型是把原虛線框圖①的DVB-信道編碼中的內卷積編碼部分換成了并行級聯卷積urbo碼。信息幀序列分別由2個信道編碼模型進行編碼，形成碼字后再分別進行QPK調制，然后分別經AWGN信道傳輸，最后送入信道譯碼器，經譯碼后輸出的信息與隨機數據產生器產生的初始信息序列進行比較，利用Monte Carlo方法計算出BER隨NR變化的關系。
41 仿真系統一
411 仿真系統參數設置
(1) urbo碼：碼率R=1/2；生成式G=［37，21］；約束度；分組交織器，交織器深度(幀長度)=8204+4=1 636位(加了4個截止位)；迭代次數：16次；譯碼算法：OVA算法。
(2) 原DVB-系統中的所有參數都采用標準設置：
R (204，188，=8)；卷積交織器(I=12)；卷積編碼器G=［171，133］(譯碼端采用Viterbi譯碼算法)，碼率R=1/2；內交織(QPK方式)。
(3) 系統采用QPK調制，傳輸信道為AWGN信道。
412 仿真結果及分析
圖是原DVB-系統與經改進后DVB-系統的BER與NR的關系曲線比較圖：
從仿真結果圖看到，隨著NR的增加，原DVB-的糾錯系統與改進后的DVB-的糾錯系統的BER都不斷下降，但改進后的系統下降的幅度更大，而且在BER約為10-7時，改進后的系統比原系統有大約1 dB的編碼增益。但對于換成urbo碼的DVB-糾錯機制，譯碼時延明顯比原DVB-系統的糾錯機制要大，這其中一個重要的原因是urbo碼中具有1個與2個分量編碼器相級聯的交織器，進入urbo碼的2個分量編碼器的信息：一路是數據信息直接進入其中的一個編碼器;另一路是經過交織后的數據信息進入另一個編碼器，交織器的存在增大了編譯碼過程中的時延。
還有一個因素就是urbo碼采用的迭代譯碼算法要復雜于卷積碼采用的譯碼算法，針對這個時延問題，現在隨著超大規模集成電路的性能不斷得到提高，運算時間不斷下降，這個時延問題也可以得到一定的解決。
42 信息系統二
421 仿真系統參數設置
(1) urbo碼:碼率Rc=1/2；生成式G1=37 oct(oct表示8進制)，G2=21 oct；約束度k=；隨機型交織器，交織器深度(幀長度)=8204+4=1 636位(加了4個截止位)；迭代次數：14次；譯碼算法：OVA算法。
(2) 原DVB-系統中的所有參數都采用標準設置：
R(204，188，=8)；卷積交織器(I=12)；卷積編碼器G1(X)=171 oct，G2(X)=133 oct(譯碼端采用Viterbi譯碼算法)，碼率Rc=1/2；內交織(QPK)。
(3) 系統采用QPK調制，傳輸信道為Rayleigh衰落信道。
422 仿真結果及分析
圖6是新、舊糾錯機制在Rayleigh衰落信道下的仿真結果圖，從曲線的形態可以看出，他們與在AWGN信道下的仿真結果圖大致相似，但這個結果比AWGN信道下的仿真結果更能說明真實的情況，因為DVB-的多媒體視頻信息主要是在衰落信道上傳輸。從圖中可以看到，換成urbo碼的DVB-糾錯系統在Rayleigh信道下比原糾錯系統有大約3 dB的編碼增益。
仿真系統三
431 仿真系統參數設置
(1) urbo碼：碼率R=1/2；生成式G=［37，21］；約束度；-隨機型交織器，交織器深度(幀長度)=8204+4=1 636位(加了4個截止位)；迭代次數：14次；譯碼算法：Log-MAP算法。
(2) 原DVB-系統中的所有參數都采用標準設置：
R(204，188，=8)；卷積交織器(I=12)；卷積編碼器G=［171，133］(譯碼端采用Viterbi譯碼算法)，碼率R=1/2；內交織(QPK方式)。
(3) 系統采用QPK調制，傳輸信道為AWGN信道。
432 仿真結果及分析
圖7是換成urbo碼的DVB-糾錯系統與原DVB-糾錯系統性能仿真比較圖，與仿真一的不同之處在于：此時urbo碼的交織器為-隨機型交織器，擴散度選擇為8，這樣做的目的是為了保證數據在交織前后有更好的擴散度。譯碼算法由原來的OVA算法換成了Log-MAP算法，迭代次數也減少為14次。從仿真結果看到，換成新參數的urbo碼DVB-糾錯系統的糾錯性能要好于原DVB-糾錯系統的性能。
為了更好地比較urbo碼參數變化前后的DVB-系統的糾錯性能變化，見圖8的比較結果：
從圖7看出，把采用-隨機交織器，Log-MAP算法的urbo碼引入到DVB-糾錯系統的性能比采用分組交織器，OVA算法的urbo碼的DVB-系統要性能優良，這其中的原因就是在于-隨機型交織器的性能此時要好于分組交織器，而Log-MAP算法性能又優于OVA算法，所以在迭代次數減少的情況下，新urbo碼參數的系統性能要好于舊urbo碼參數的系統性能，但在譯碼時延上，采用Log-MAP算法的糾錯機制比采用OVA算法的糾錯機制要大。
結 語
本文分別介紹urbo碼和DVB-系統中信道編碼技術的基本原理，并把urbo碼技術引入到DVB-信道編碼系統中，就不同的系統參數對系統的性能影響進行了仿真研究。仿真結果表明，引入urbo碼的系統性能優于原DVB-系統。
參 考 文 獻
［1］DVB Project OfficeFacts about DVB-［J］Geneva，wi[CD4]tzerland，1998
［2］Berrou C，Glavieus A，hitimajshima PNear hannon Limit Error-Correcting Coding Decoding:urbo-codes［J］IEEE International Conference on Communication，1993:1 064-1 070
［3］Benedetto ，Divsalar D，Montorsi Goft-Output Decoding Algorithms in Iterative Decoding of urbo Codes［R］he elecommunication and Data Acquisition Progress Report，1996:63-87
［4］郭麗，蔣卓勤，鄧玉元高速通信系統中兩種urbo迭代譯碼算法的比較[J]現代電子技術，200，28(21):2-27
作者簡介
馬 飛 男，1976年出生，碩士，北方民族大學講師。研究方向為信道編碼、信息系統安全。
