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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文15 收码字的硬判决序列按位相异或得到测试序列 然

  哈尔滨工业大学工学硕士学位论文15 收码字的硬判决序列按位相异或得到测试序列 然后分别对测试序列代数译码。最后 判断代数译码后的码字和接收序列之间的欧氏距离 找到最终的判决码字。 本章小结本章主要论述了TPC译码原理的基础理论。首先论述了信道编码的最佳接收基本原理 以及最大似然译码的相关知识。然后论

  哈尔滨工业大学工学硕士学位论文15 收码字的硬判决序列按位相异或得到测试序列 然后分别对测试序列代数译码。最后 判断代数译码后的码字和接收序列之间的欧氏距离 找到最终的判决码字。 本章小结本章主要论述了TPC译码原理的基础理论。首先论述了信道编码的最佳接收基本原理 以及最大似然译码的相关知识。然后论述了软判决的译码原理 并在此基础上详细论述了作为TPC核心译码算法的Chase算法原理。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 16 TPC译码思想根据TPC乘积码型的特点 如图3 1所示 TPC在编码时是采用先行 编码的编码方法44 45 。因此在译码时 可以采用先行 译码的迭代译码方式。列码字列码字列码字„行码字 TPC乘积码结构鉴于ChaseII算法的优良特性 这里决定采用它作为TPC单个码字的主要译码算法。如图3 2所示 图中每个行列译码器均为ChaseII译码器 并在其间传递外信息以完成迭代处理。 行译码器列译码器输入输出迭代n次外信息 TPC译码总体原理图哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 17 ChaseII译码器结构及其实现原理TPC在译码时 采用行列循环独立译码的迭代方法 对于每行或每列中单个码字的译码 采用ChaseII译码算法。 如图3 3所示 采用ChaseII算法对单个码字进行译码时 可以分成如下5步 RAM1RAM2R Ri W硬判决码字Y可靠值序列测试序列可能码字集合硬译码计算欧氏距离最优码字D和次优码字C计算外部信息判决输出 硬判决并确定不可靠位。对接收序列R进行硬判决得Z并根据接收序列每个符号的绝对值大小对Z的每一个符号分配一个可靠值。每个符号的绝对值越小 可靠度越低。 2个可靠度最小的位置其中d为最小汉明距离 然后找到这些位置上所有可能的错误组合。对于d 4的扩展汉明码 需要的测试序列为2 4个测试序列。如2个不可靠位的测试图样为 00 01 10 11。 构造测试序列。构造测试序列Zq用测试图样Tq与接收码元Z按位相异或得到测试序列。即 Zq Tq代表按位异或。 生成候选码字集。对Zq进行代数译码得到译码结果 并将译码结果其作如下映射 15所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 18 当所有码字距离不相同时 具有最小距离的码字判决为判决码字D 当存在相同距离的码字时 具有最小相同距离的码字为判决码字D。 由于采用的是软判决迭代译码 因此需要计算迭代外信息用以进行行列迭代 我们必须从码字集合Ω中找到D的竟争码字C从而求出最优判决码字 这里的C是与接收信号R之间的欧氏距离最小 且满足jjcd 的码字。因此为了找到竟争码字C就必须增加Chase译码器中最低可靠度位置的个数p 但是试探序列也会随着p的个数增加而成指数增长 也就是说随着p的增加 找到C的可能性和译码的复杂性都会增大。所以 在实际的译码应用中 一般我们取p 2进行计算其中d为最小汉明距离。在给定最优判决码D和竞争码字C的情况下 译码判决输出为 jjrrw 其中的jw表示外信息 计算公式如式 所示。22 jjjjRCRDdmrmDCwmdmDC当时当时 可以计算得到第m次译码的软输入值用矩阵表示为 为了控制译码时外部信息与接收信息之间的比例关系我们需要引入第m个单元译码器的比例系数α 输入到软输入软输出译码器通过前文介绍的Chase算法计算得到软输出矩阵 Turbo乘积码串行译码过程框图哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 19 TPC译码性能仿真TPC的子码可以由BCH码、扩展汉明码、奇偶检验码等多种类型的码组成 我们通常选择扩展汉明码作为其子码 因为BCH码相对扩展汉明码来说编译码要复杂一些。而且虽然它的纠错能力强 但是对于 21 21 mmm 这种类型的码字只能纠正一位错误 而且在码字长度为21m 不变的情况下 若要想增加纠错位数 就必须增加其校验位的长度 使其校验位长度大于m 这样就会使编码效率降低。而对于奇偶校验码 虽然编码效率很高 但是不能纠正错误 而且只能检测出奇数个错误。因此 在高速通信系统中 由于要求误码率很低 扩展汉明码相对这两种码字来讲是比较适合的。这里 论文就是采用扩展汉明码作为TPC的子码来进行仿真的。 在Matlab中仿线所示仿真模型。 均匀随机数发生器TPC编码器高斯随机数发生器TPC译码器比较器差错计数器XY 5仿真模型仿真时 由均匀随机数发生器不断产生待编码数据矩阵 经过TPC编码器后 得到符合TPC编码规则的乘积码矩阵 再利用公式 加入噪声模拟信号通过AWGN信道 其中sigma rate10 EbN0 sigmarandn n1 n2 加入噪声的码字经过TPC解码器后利用比较器与编码前的数据进行比较 每出现一次错误 差错计数器加一 当差错数达到门限时 停止仿真。 迭代次数对译码性能的影响迭代译码过程主要是利用对外部信息的计算和修改 通过几次迭代不断提高软信息的可靠性 然后将外部信息与量化后的译码信息相加 再进行硬判决哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 20 输出。 在仿线 的扩展汉明码采用BPSK的调制方式 仿真信道为加性高斯白噪声信道 不可靠位选择两位。 误码率曲线中可以看出随着信噪比的增加 误码率曲线逐步下降。信噪比在迭代1次时 提高的并不明显 但是误码率随着迭代次数的增加 明显获得了很好的改善。迭代3次以后 误码率在4 5dB时就可以达到610 。迭代次数的增加相应也会增加译码系统的延时 因此 迭代次数并不是越多越好。迭代3次时 已经可以获得较好的译码性能。 6457 不同码型对译码性能的影响对于扩展汉明码作为子码的TPC编码 码字的长短会影响编码效率 译码复杂度和译码的性能。如 扩展汉明乘积码其编码效率为0 25 16 11 1611 扩展汉明码编码效率为0473 64 57 6457 扩展汉明编码效率为0793。这里以 64 57 6457 1611 1611 两种码型为例进行了仿真考查不同码型对TPC译码性能的影响。对于这两种码型 长码的编码效率高为0 793 短码的编码效率为0 473。但是同时高编码效率带来高的译码复杂度 通过计算每次译码短码减少84480次加法 约为94 和46080次乘法 约为93 7。从图中可以看出若以误码率达到610 为标准 对于子码为 64 57 5dB时最少迭代3次即可达到标哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 21 准。而对于子码为 16 11 的扩展汉明码只需在4dB时迭代4次即可达到标准。可以看出 对于长码的译码来说 在编码效率提高的同时 译码复杂度会增加 同时译码性能也会略有下降 在使用中应根据实际需求来选择相应的码型。 1611 对ChaseII译码算法的改进在对TPC的传统Chase译码算法的研究过程中 通过阅读文献 46 47 在减少译码的复杂度方面获得了很大的启发 通过综合以上两个文献中提到的方法可以更明显的减少译码算法中的乘加次数 从而极大地提高译码速度 提高其实时性。如图3 8所示 可在黑框标出的部分进行算法改进。 首先 在Chase译码算法中 最重要也是最复杂的就是外信息的计算 在迭代时 外信息的计算占用了大量的时间。但是 通过研究发现 当码字的可靠度超过一定门限时 外信息对提高译码性能的影响很小。鉴于这种情况 可以采用以下方法减小迭代的计算量。即 在可靠值判定时设定门限 超过门限的 就无需计算欧氏距离。具体步骤如下 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 22 RAM1RAM2R Ri W硬判决码字Y可靠值序列测试序列可能码字集合硬译码计算欧氏距离最优码字D和次优码字C计算外信息W判决输出 设定门限值Th通过比较接收码元的可靠度绝对值和门限值的大小 来决定是否需要计算外信息。 12当iTag等于1时 计算外信息。 在iTag等于1的码字中确定P个可靠度最低的码字然后按照Chase译码算法的规则生成测试序列 用于硬译码。 对于硬译码器输出的候选码字只计算iTag等于1的码字的外信息 其他码字的外信息定为零。 10 iiiirrTagw 然后按照Chase译码算方法进行迭代译码。 另外一个 计算复杂度高的部分就是欧氏距离的计算。 221niiillRCrc 1411122000 15可以看出 对于欧式距离的计算 可以通过两个码字单元的相关计算来替代。即把寻找欧式距离的最小值转化为计算内积的最哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 23 因此Chase译码的判决标准可以改为寻找具有最大内积的候选码字作为译码码字。经过这两处修改后 译码时的运算次数显著减少。 改进后的译码性能曲线所示。可以看出 改进算法在5dB时迭代3次可使误码率接近610 。通过将其与图3 6对比 虽然性能有所下降 但是改进后每次译码至少可减少4 64 64 32768次加法和若干次乘法减少加法数约为55 。可以看出 改进算法可以极大地降低Chase译码算法的译码复杂度 减少其译码时间 在对信噪比条件要求不苛刻的情况下 可以尝试采用。 6457 本章小结本章论述了TPC译码的迭代译码思想 和Chase译码器的实现原理。在Matlab中 利用蒙特卡罗仿线 的扩展汉明码进行了仿真并进行了对比。同时在前人研究的基础上 对传统的Chase译码算法进行了改进 有效的降低了它的译码复杂度 并进行了相应的仿真对比。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 24 TPC编译码器的FPGA实现根据对TPC译码的Matlab仿真 考虑到FPGA实现时的系统资源问题 决定针对子码为 16 11 的扩展汉明码来设计系统的实现方案系统分为编码部分、译码部分。TPC编译码系统的设计采用VHDL语言 用QuartusII 1实现算法仿真芯片选择CycloneIII系列的EP3C120F780C8。 TPC编码器的实现原理TPC为乘积码结构 即编码方式为先对行进行编码 然后对列进行编码 编码总体原理图如图4 1所示 串并转换11bits编码模块FIFO缓存16bits并串转换outinRRH 1bit16bits1bit 编码原理图在编码时 为了利用FPGA的并行处理特性 提高编码效率 先将数据输入一个串并转化模块 把待编码数据转为11位并行数据。在主体编码模块中 对行和列进行扩展汉明码的编码 之后逐行输出编码后的16位数据到FIFO中缓存。再将数据经过一个并串转换模块后 得到最终的编码数据。 编码模块设计TPC编码时子码采用 16 11 扩展汉明码编码模块的实现原理如图4 1所示 主要包括串并转换模块 主体编码模块 FIFO缓存和并串转换模块。 串并转换模块串并转换模块实现将输入的串行数据每11位为一组并行输出 用于后面

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