Turbo碼在改善OFDM系統性能中的研究

葉 偉,姚 萌

摘 要:介紹B3G/4G中的關鍵技術——正交頻分復用(OFDM)技術。OFDM技術是一種多載波調制技術,能有效地克服多徑干擾和碼間串擾。分析OFDM的原理、頻譜特性和系統結構,并在TU信道下,利用Matlab仿真分析了Turbo信道編碼在改善多徑衰落時的影響,并得到在實際系統中選擇最佳BCJR譯碼的迭代次數和Turbo編碼的最佳編碼速率等。

關鍵詞:OFDM;多徑衰落;Turbo編碼;BCJR譯碼

中圖分類號:TN911文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-020-03

Research of Improving OFDM System Performance by Turbo Codes

YE Wei,YAO Meng

(East China Normal University,Shanghai,200241,China)

Abstract:This paper discusses the key technology of B3G/4G -Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology.OFDM technology is a multi-carrier modulation technique which can effectively overcome the multi-path interference and inter-symbol interference.The principle of OFDM,the spectrum characteristics and system architecture are analysed,in the TU channel,using Matlab simulation and analysis of Turbo channel coding to improve the multipath fading,and in the actual system how to choose the best iteration of the BCJR decoding and the best coding rate of encoding Turbo.

Keywords:OFDM;multipath fading;Turbo coding;BCJR decoding

0 引 言

正交頻分復用技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是近年來得到廣泛研究與應用的一種多載波調制技術,它的主要思想是將一個給定的信道分成若干正交的子信道,每個子信道上采用一個子載波進行調制,并且各個子載波是并行傳輸的。由于各個子載波是相互正交的且頻譜相互重疊,實際上每個子信道上信號采用的是窄帶傳輸,因此大大消除了子載波之間的干擾,同時也提高了頻譜利用率。

正是由于OFDM技術具有這些優點而得到廣泛的應用。如非對稱數字用戶(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)、無線本地環路(Wireless Local Loop,WLL)、數字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting,DAB)、高清晰度電視(High-definition Television,HDTV)等。伴隨著OFDM技術的不斷研究深入,它會成為以后的B3G/4G中必選技術,得到更廣泛的應用。

1 OFDM原理

OFDM的核心思想是多載波傳輸,即把一串數據流轉換成多個并行傳輸的數據流,降低了傳輸的速率,增加了符號的長度,致使符號的長度遠大于延遲的長度,使原來的頻率選擇性信道變為窄帶平坦衰落信道,克服多徑衰落的影響。單載波和多載波傳輸方式如表1所示。

表1 單載波和多載波傳輸方式

系統參數

傳輸方式

單載波多載波

符號時間Ts/NTs

速率N/Ts1/Ts

總頻帶寬2×N/Ts2×N/Ts+N×0.5/Ts(保護帶寬0.5/Ts)

ISI敏感度較敏感不敏感

OFDM采用各個子載波分別調制,即一個OFDM符號內包含多個經過相移鍵控(PSK)或正交幅度調制(QAM)的子載波,這樣可以很好地根據信道條件使用自適應調制與編碼。假如一個OFDM符號有N個子載波,它的持續時間是T,分配給每個子信道的數據符號是di(i=0,1,…,N-1),矩形函數rect(t)=1(|t|≤T/2),第i個子載波上的載波頻率是fi,則OFDM符號的表達式為:

S(t)=∑N-1i=0direct(t-ts-T2)exp[j2πfi(t-ts)],

ts≤t≤ts+T

S(t)=0, tts+T

其中:載波頻率fi滿足:fk=f0+k/TN,k=1,2,…,N,fk為第k個子載波上的載波頻率,TN為單元碼持續時間。OFDM符號的頻譜如圖1所示。

圖1 OFDM符號的頻譜圖

由于OFDM符號的各個子載波是正交的,即它們的頻譜可以重疊,這樣就大大節約了寶貴的頻譜資源。

OFDM傳輸的原理框圖如圖2所示。

圖2 OFDM的原理框圖

2 Turbo編碼/解碼原理

Turbo碼誕生于1993年,由法國的Berrou等人在卷積碼和級聯碼的基礎上首次提出,是一種具有里程碑意義的信道編碼方案,將編碼技術真正意義地帶入逼近香農極限的領域。

Turbo編碼器由三部分組成:兩個遞歸系統卷積碼(RSC)作為分量碼,一個內部交織器和一個打孔單元,如圖3所示。其中兩個分量碼之間通過交織器相連,交織器在Turbo碼中起著關鍵作用,它不僅能夠消除兩個RSC碼編碼器輸入的相關性、使碼字隨機化,還能使兩個RSC碼的輸出序列在任何時刻不會同時輸出重量較輕的碼字,即能夠提高最小碼重,從而提高其譯碼性能。編碼碼字由系統比特和兩路分量RSC碼所輸出的校驗比特組成,并通過打孔得到所需要的碼率。

Turbo碼的BCJR譯碼器的結構示意圖如圖4所示。它由兩個軟輸入、軟輸出(SISO)的RSC碼分量譯碼器組成,中間通過交織器和解交織器相連,進行迭代譯碼。譯碼器1輸出的外賦信息L1經過交織后作為譯碼器2的先驗信息,輔助其譯碼;同樣,譯碼器2輸出的外賦信息L2經過解交織后作為譯碼器1的先驗信息,如此反復迭代進行譯碼。

圖3 Turbo碼編碼器

圖4 Turbo碼譯碼器

3 仿真分析

本文在圖2所示的OFDM系統框圖原理下,使用Matlab對其仿真分析,并分析了BCJR譯碼器在不同迭代次數和Turbo編碼在不同碼率下的性能。

仿真中采用的是QPSK調制,多徑衰落信道是典型的TU信道,其參數如表2所示。

表2 TU信道參數

時延 /ns02006001 6002 3005 000

平均功率 /dB-30-2-6-8-10

BCJR譯碼器在不同迭代次數(碼率為1/2,理想信道)的性能如圖5所示。

圖5 BCJR譯碼器在不同迭代次數的性能

從圖5可以看出,在BCJR譯碼器中,隨著迭代次數的增加,其譯碼性能越來越好,但改善的性能逐漸減小。在高性噪比下,3次迭代比一次迭代要好4 dB左右,5次迭代比3次迭代要好1 dB左右,6次迭代比5次迭代只好0.15 dB左右,7次迭代和6次迭代幾乎差不多。由于隨著迭代次數的增加,它的譯碼所需的時間越多,因此,在工程應用中綜合考慮譯碼所需的時間和性能,應該選擇6次迭代是最佳的選擇。

Turbo編碼在不同碼率下(迭代次數為6次,理想信道)的性能如圖6所示。

圖6 Turbo編碼在不同碼率下的性能

從圖6中可以看出,隨著Turbo碼的碼率逐漸減小,誤碼率的性能逐漸變好,但實際傳輸的信息也變少。因此,在實際工程應用中,應該根據實際的信道狀況,所需的傳輸速率,QoS等來確定Turbo碼的速率。但信道好的時候,并要求高的傳輸速率,這時應該選擇高的碼率,反之亦然。

4 結 語

Turbo編碼技術由于真正意義上逼近香農極限,越來越被人們關注,在LTE中,它已同OFDM技術成為其中關鍵技術。因此,結合OFDM技術,深入研究Turbo碼,使它更好地改善無線通信系統有著重大的意義。

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