CN109547158A

CN109547158A - 一种Turbo码的编码方法及译码方法

Info

Publication number: CN109547158A
Application number: CN201811320422.1A
Authority: CN
Inventors: 王彦
Original assignee: CETC 7 Research Institute
Current assignee: CETC 7 Research Institute
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: CN109547158B

Abstract

本发明公开了一种Turbo码的编码方法及译码方法，该编码方法：外部输入的信息比特x(k)一方面直接进行低阶调制，此时输出信息比特，记为x’’(k)；同时将信息比特x(k)送到第一子编码器中；第一子编码器先收到信息比特x(k)，输出校验比特y(k)；同时在x(k)尾部附加归零比特，使第一子编码器在完成编码后处于零状态；将x(k)及归零比特记为x’(k)；将x’(k)用交织器打乱顺序以后送到第二子编码器，输出校验比特z(k)；对校验比特y(k)与z(k)直接进行高阶调制，合并为一个符号yz(k)同时输出；将x’’(k)和yz(k)一同经过复用模块mux的交替切换以后，x’’(k)、yz(k)交替输出，得到数据流Rx(k)，为1/2码率。本发明实现Turbo码在短码条件下的良好纠错能力；并用1/2码率实现了比现有1/3码率更佳的性能。本发明适用于数字通信领域。

Description

一种Turbo码的编码方法及译码方法

技术领域

本发明涉及数字通信领域，更具体的，涉及一种Turbo码的编码方法及译码方法。

背景技术

现有技术中的Turbo码是一种非常接近于香农限的高性能纠错编码，其误码率曲线与理论极限的差异可低于0.01dB。现有的Turbo码适用于每帧的数据内含有数千个或更多个符号的长帧。在每帧只含有几十个符号的短帧中，特别是在窄带通信或快速跳频通信中，现有的Turbo码纠错能力或者编码增益会急剧降低。与普通的纠错码相比，如RS码、卷积码等，在运算复杂的情况下，现有的 Turbo码纠错能力却改善不大。

如图1所示，现有技术中的Turbo码的构造原理。现有技术Turbo码的编码方法如下：

步骤1：外部输入的信息比特X(k)一方面直接输出到复用模块mux，同时送到第一子编码器中；

步骤2：第一子编码器接收到X(k)后，输出校验码Y(k)，同时在X(k)尾部附加归零比特，使第一子编码器在完成编码后处于零状态；将X(k)及归零比特记为X’(k)；

步骤3：将X’(k)用交织器打乱顺序以后送到第二子编码器，输出校验比特 Z(k)；

步骤4：将Y(k)和Z(k)经过删余器处理后得到P(k)；

步骤5：将P(k)和X’(k)通过复用模块mux，交替取出X’(k)，再经过BPSK 映射模块处理得到TX(k)。

现有技术中第一子编码器、第二编码器均采用1/2码率的系统编码结构，但仅输出校验比特Y(k)与Z(k)。其中：数据序号k＝1,2,3,…,N，N是在一帧内传输的比特数。

所述删余器的作用是删掉一部分Y(k)、Z(k)，使输出的校验比特P(k)变少，从而使传输效率增加。根据不同的删余方案，Y(k)、Z(k)可交替输出，得到P(k)，即整体编码效率为1/2，如图2，在短帧通信的情况下，此时的传输效率较高，纠错性能较低。也可以两个都输出，整体编码效率为1/3，如图3，在短帧情况下，此时的传输效率较低，纠错性能较高。

现有的Turbo码的优良性能是通过引入交织器，实现伪随机编码得到的，在帧长很短时，为了尽量满足这种伪随机性，对交织器需要使用特殊的设计规则，但性能仍然不佳。

另一方面，对于同一个信息比特X(k)的两个校验符号Y(k)与Z(k)不能被全部删除掉，使每个信息比特都能得到充分的保护，因此对交织器提出了进一步的约束。

发明内容

本发明为了解决现有的Turbo码在短帧传输中存在纠错能力低下和传输效率低的问题，提供了一种Turbo码的编码方法及译码方法，其能使Turbo码在短帧传输中提高纠错能力和提高编码效率，从而提高传输效率。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种Turbo码的编码方法，所述编码方法步骤如下：

S1：外部输入的信息比特x(k)一方面直接进行低阶调制，此时输出信息比特，记为x”(k)；同时将信息比特x(k)送到第一子编码器中；

S2：第一子编码器先收到信息比特x(k)，输出校验比特y(k)；同时在x(k)尾部附加归零比特，使第一子编码器在完成编码后处于零状态；将x(k)及归零比特记为x’(k)；

S3：将x’(k)用交织器打乱顺序以后送到第二子编码器，输出校验比特z(k)；

S4：对校验比特y(k)与z(k)直接进行高阶调制，合并为一个符号yz(k)同时输出；

S5：将x”(k)和yz(k)一同经过复用模块mux的交替切换以后，x”(k)、yz(k) 交替输出，得到数据流Rx(k)，为1/2码率；

其中：数据序号k＝1,2,3,…,N，N是在一帧内传输的比特数。

优选地，步骤S1中，低阶调制采用BPSK映射模块进行调制。

进一步地，所述BPSK映射模块的映射方式为以下任意一种：

1)当x(k)＝0时，星座点在左侧，y(k)＝1时，星座点在右侧；

2)当x(k)＝1时，星座点在左侧，y(k)＝0时，星座点在右侧；

3)当x(k)＝0时，星座点在上侧，y(k)＝1时，星座点在下侧；

4)当x(k)＝1时，星座点在上侧，y(k)＝0时，星座点在下侧。

优选地，步骤S4中，高阶调制采用QPSK映射模块进行调制。

进一步地，所述QPSK映射模块的数字－模拟信号的映射方式为以下任意一种：

a)y(k)＝0时，星座点在左侧，y(k)＝1时，星座点在右侧，z(k)＝0时，星座点在下侧，z(k)＝1时，星座点在上侧；

b)y(k)＝1时，星座点在左侧，y(k)＝0时，星座点在右侧，z(k)＝1时，星座点在下侧，z(k)＝0时，星座点在上侧；

c)y(k)＝1时，星座点在上侧，y(k)＝0时，星座点在下侧，z(k)＝1时，星座点在左侧，z(k)＝0时，星座点在右侧；

d)y(k)＝0时，星座点在上侧，y(k)＝1时，星座点在下侧，z(k)＝0时，星座点在左侧，z(k)＝1时，星座点在右侧；

其中：y(k)代表QPSK符号的实部；z(k)代表QPSK符号的虚部。

本发明还提供一种基于以上所述Turbo码的编码方法的译码方法，所述译码方法步骤如下：

T1：接收机将接收到的数据流Rx(k)，对yz(k)对应的符号R_yz(k)，取其实部，并乘以得到与y(k)对应的符号R_y(k)；取R_yz(k)的虚部，并乘以得到与 z(k)对应的符号R_z(k)；

T2：再同与x(k)对应的BPSK符号R_x(k)组合在一起，得到1/3码率的接收数据序列，完成译码。

本发明的有益效果如下：本发明对校验比特y(k)与z(k)不作删余处理，而是采用QPSK映射模块进行高阶调制，合并为一个符号yz(k)同时输出后与x(k) 经过复用模块mux得到2N个符号，码率为1/2；在译码阶段，将1/2码率的接收数据恢复为1/3码率的编码数据，即用1/2码率实现了比1/3码率更优的性能；有效提高了在短码条件下的纠错能力，能够获得3dB左右的性能改善。对Turbo 编码、解码的基本原理及实现方法不做改动，仅在外围处理上有一些变化，因此其兼容性好，开发及应用的难度较低。

附图说明

图1是现有Turbo码的编码原理示意图。

图2是现有Turbo码的编码原理中的1/2码率时传输的数据。

图3是现有Turbo码的编码原理中的1/3码率时传输的数据。

图4是本发明Turbo码的编码原理示意图。

图5是本发明数据流Rx(k)的内容。

图6是本发明BPSK的星座图。

图7是本发明QPSK的星座图。

图8是本发明接收机中接受到的数据流Rx(k)的内容。

图9是本发明重组后的接收数据流。

图10是本发明与现有技术纠错性能对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图4所示，本发明所述的一种Turbo码的编码方法，所述编码方法步骤如下：

其中：数据序号k＝1,2,3,…,N，N是在一帧内传输的比特数。

本实施所述步骤S1的低阶调制采用BPSK映射模块进行调制。所述BPSK 映射模块的映射方式为以下任意一种：

1)当x(k)＝0时，星座点在左侧，y(k)＝1时，星座点在右侧；

2)当x(k)＝1时，星座点在左侧，y(k)＝0时，星座点在右侧；

3)当x(k)＝0时，星座点在上侧，y(k)＝1时，星座点在下侧；

4)当x(k)＝1时，星座点在上侧，y(k)＝0时，星座点在下侧。

本实施例所述高阶调制采用QPSK映射模块进行调制。所述QPSK映射模块的数字－模拟信号的映射方式为以下任意一种：

a)y(k)＝0时，星座点在左侧，y(k)＝1时，星座点在右侧，z(k)＝0时，星座点在下侧，z(k)＝1时，星座点在上侧；如图7(A)所示；

b)y(k)＝1时，星座点在左侧，y(k)＝0时，星座点在右侧，z(k)＝1时，星座点在下侧，z(k)＝0时，星座点在上侧；如图7(B)所示；

c)y(k)＝1时，星座点在上侧，y(k)＝0时，星座点在下侧，z(k)＝1时，星座点在左侧，z(k)＝0时，星座点在右侧；如图7(C)所示；

d)y(k)＝0时，星座点在上侧，y(k)＝1时，星座点在下侧，z(k)＝0时，星座点在左侧，z(k)＝1时，星座点在右侧；如图7(D)所示；

其中：y(k)代表QPSK符号的实部；z(k)代表QPSK符号的虚部。

本实施在BPSK星座图、QPSK星座图的选择上，两者是相互独立的，任选一组即可。

本发明还提供了基于以上所述Turbo码的编码方法的译码方法，所述译码方

法步骤如下：

1)接收机将接收到的数据流Rx(k)，如图8所示，对yz(k)对应的符号R_yz(k)，取其实部，并乘以得到与y(k)对应的符号R_y(k)；取R_yz(k)的虚部，并乘以得到与z(k)对应的符号R_z(k)；

2)再同与x(k)对应的BPSK符号R_x(k)组合在一起，得到1/3码率的接收数据序列，如图9所示，完成译码。

本发明的Turbo码的编码方法，从射频来看，频谱效率与现有技术图2的一样，相当于1/2码率；两者的功率及占用频带宽带、持续时间等都没有区别。

本发明的Turbo码的译码方法，在接收机中，从解码的角度来看，可以设法将yz(k)恢复为y(k)、z(k)，属于1/3码率，相对于现有技术的1/2码率，其有更优的误码性能。

如图10所示，纠错性能对比

图10是三种Turbo方案在帧长N＝32时的纠错性能对比。其中，

V1,Rate1/2是现有技术中图2的删余方案，每帧的符号数是2N；

V1,Rate1/3是现有技术中图3的不删余方案，每帧的符号数是3N；

V2是图5本发明的方案，每帧的符号数是2N。

N＝32属于很短的短码，参考图中的曲线，有以下结论：

三种方案占用的频带宽度是相同的；

(1)V1,Rate1/2与V2相比，所需传输的符号数都是2N，两者的时间利用率也相同；在误码率BER＝10^-6时，V2所需的比特信噪比低3dB；或者说，在同样的信噪比下，V2的误码率低几个数量级。

(2)V1,Rate1/3与V2相比，两者都没有删除校验比特，但V1,Rate1/3需传输的符号数是3N，效率较低；在误码率BER＝10^-6时，V2所需的比特信噪比低1.8dB。

因此，本发明在基本没有其它代价的前提下，兼顾了频谱效率、时间效率和传输性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种Turbo码的编码方法，其特征在于：所述编码方法步骤如下：

S5：将x”(k)和yz(k)一同经过复用模块mux的交替切换以后，x”(k)、yz(k)交替输出，得到数据流Rx(k)，为1/2码率；

其中：数据序号k＝1,2,3,…,N，N是在一帧内传输的比特数。

2.根据权利要求1所述的Turbo码的编码方法，其特征在于：步骤S1中，低阶调制采用BPSK映射模块进行调制。

3.根据权利要求2所述的Turbo码的编码方法，其特征在于：所述BPSK映射模块的映射方式为以下任意一种：

1)当x(k)＝0时，星座点在左侧，y(k)＝1时，星座点在右侧；

2)当x(k)＝1时，星座点在左侧，y(k)＝0时，星座点在右侧；

3)当x(k)＝0时，星座点在上侧，y(k)＝1时，星座点在下侧；

4)当x(k)＝1时，星座点在上侧，y(k)＝0时，星座点在下侧。

4.根据权利要求1所述的Turbo码的编码方法，其特征在于：步骤S4中，高阶调制采用QPSK映射模块进行调制。

5.根据权利要求4所述的Turbo码的编码方法，其特征在于：所述QPSK映射模块的数字－模拟信号的映射方式为以下任意一种：

其中：y(k)代表QPSK符号的实部；z(k)代表QPSK符号的虚部。

6.一种基于权利要求1-5任意一项所述Turbo码的编码方法的译码方法，其特征在于：所述译码方法步骤如下：

T1：接收机将接收到的数据流Rx(k)，对yz(k)对应的符号R_yz(k)，取其实部，并乘以得到与y(k)对应的符号R_y(k)；取R_yz(k)的虚部，并乘以得到与z(k)对应的符号R_z(k)；