无线通信中的Turbo编码和均衡技术分析

高凡琪

（中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 050081）

1 引言

增加无线通信安全性和可靠性的途径主要有两种：一种途径是不断提高发送信号的功率，使得接收端所对应的信号噪声比不断增加；另一种途径是通过利用编码法，不断调整和控制信道差错情况。前者在具体的使用中，会受到条件限制，无法满足所有情况；后者主要是在充分结合香农原理的前提下所提出的，当信道容量远远高于编码速率时，通过借助信道编码定理，可以采用Turbo编码法，提高无线通信的稳定性和可靠性。因此，为了进一步提高无线通信性能，加强对Turbo编码和均衡技术的分析和应用显得尤为重要。

2 Turbo码的基本原理

现阶段，通过利用Turbo码，不仅可以有效地简化译码操作流程，降低其复杂度，还可以保证译码器的运行性能。此外，通过利用译码所输出的软信息，可以实现Turbo原理与均衡技术的有效融合。

2.1 Turbo码编码原理

Turbo码编码器在具体的设计中，主要利用卷积编码器，采用并行连接的方式，使其与多种交织器之间建立起有效的连接。同时，还要借助校验位，对连接好的编码器进行编码处理，从而形成一连串码子，这些码子所对应的码率各不相同。由此可见，Turbo码编码器结构由两个并联的卷积编码器组成，在第2个编码器前面串接了一个随机交织器。此外，为了进一步提高量译码器能够安全、可靠地输出信息[1]，需要选用合适的译码器，对所输出的信息进行检验和管控信息的完整性和真实性，为后期循环利用信息，提高信息利用率创造良好的条件。此外，还要将分量译码器输出的信息与另一个分量译码器所发送的信息进行一一对应，确保两种分量译码器信息的匹配性和对应性。最后，还要借助交织器，将两个不同的分量译码器进行有效连接，只有这样，才能最大限度地提高Turbo码编码结果的精确性和真实性。

2.2 Turbo码的译码原理

对于Turbo迭代译码而言，其结构主要由两个不同的译码器采用串联的方式组合而成，如软输入译码器、软输出译码器。当迭代译码处于启动状态时，分量译码器要对所需要的软信息进行全面化采集和整理，然后，选用合适的译码方式，对分量码RSCI进行译码处理，从而精确地计算和统计出不同信息序列下所对应的信息，然后，向分量译码器传输相应的软输出信息，为后期先验信息输入环节的落实提供相应的依据和参考。另外，在对分量码RSCI进行译码处理期间，要根据信息序列交织分析需求，向分量译码器传输相应的“外信息”，当迭代操作结束后，可以将部分信息设置为“先验信息”，从而充分发挥和利用分量译码器的应用优势。当迭代次数逐次增加时，系统复杂度不断增加，从而引发系统运行延迟现象，影响了用户的整体使用体验。当迭代次数增加一定程度后，系统运行性能将会得到有效改善，为后期仿真分析环节的落实打下坚实的基础。编码器在实际运行期间，主要运用了交织方式，确保所有分量译码器均能输出满足交织处理需求的外信息，并确保这些外信息与其他译码器所接收到的软信息进行一一对应。译码过程被视为一种比较典型的迭代过程，所以，单次迭代情况的出现可以提高软信息的利用率。

3 Turbo-TCM概述

3.1 TCM技术

TCM技术在具体的运用中，技术人员要严格遵循以下规则：（1）选用合适的网格图，并从中确定频度合适的子集。（2）借助网格图，向指定的分隔子集发送并转移相关操作指令。（3）根据所设置好的并行状态，确定相应的信号点。

3.2 Turbo-TCM编码调制器

Turbo-TCM编码调制器主要是利用Turbo编码器的设计思想，在TCM调制器的基础上进行设计的，为了充分发挥和利用Turbo-TCM编码调制器应用价值，技术人员要利用交织器[2]，采用并行级联的方式，利用TCM码，实现对相关序列信息安全、可靠的输出和输入，以确保迭代译码具有强大的编码效益。此外，还要根据交织器结构特点，将mbit码字设置为相应的交织单位。

3.3 Turbo-TCM解调译码器

Turbo-TCM解调译码器在具体的设计中，主要借助多种类型的迭代译码器，并结合二进制设计思想，不断修改、优化和完善译码流程，从而最大限度地提高迭代译码处理效率和效果。

3.4 Turbo-TCM性能仿真

Turbo-TCM系统在具体的设计中，除了使用编译原理外，还用到了译码算法，为了更好地验证Turbo-TCM系统性能，现对该系统进行科学化仿真分析，同时，在不同的高斯白噪声信道下，分别比较和探究Turbo-TCM的性能变化情况。在进行TCM调制期间，需要根据8PSK特点，选用合适的调制方式，将随机交织器大小分别设置为1024 db、5000 db，然后，利用译码算法，实现对最大后验概率算法的精确化分析和计算，从而得出如图1、图2所示的性能仿真曲线图。

图1 内部审计=1024的性能仿真

图2 内部审计=5000的性能仿真

从以上两个图中可以看出，当迭代次数不断上升时，8PSKTurbo-TCM性能变化情况与Turbo码性能变化情况基本类似。与同等条件下的8PSKTCM系统相比，即便迭代为1次，8PSKTurbo-TCM所对应的性能依然较高，出现这一现象的根本原因是Turbo-TCM系统内部使用了编译码结构。另外，当交织器的容量呈现出不断上升的趋势时，Turbo-TCM系统性能将会保持稳定不变的状态， 但是，交织器容量的不断增加，在某种程度上可以对译码的处理效率产生直接性的影响，从而引发延时问题。

4 Turbo均衡

4.1 移动通信中的均衡技术

4.1.1 均衡技术的分类

以结构为划分原则，可以将均衡器划分为以下两类：①横向滤波器。该滤波器所对应的线性系统仅仅含有前馈单元。②判决反馈滤波器。该滤波器所对应的非线性系统除了含有前馈单元外，还含有反馈单元[1]。根据码元边界所对应的采样值，对被检测信号进行间隔采样。对于线性均衡器而言，其参数优化准则主要包含以下两种：一种是最小峰值畸变准则；另一种是最小误差平方。根据这两种准则[3]，可以得出以下两种均衡算法，分别是ZF（迫零算法）、LS（最小二乘算法）。当信道参数处于未知状态时[4]，上述两种算法所对应的自适应算法分别是自适应迫零算法、RLS（最小二乘算法）。均衡器的类型、结构见图3。

图3 均衡器的类型、结构

4.1.2 均衡器概述

均衡器主要包含以下几种：①LE（线性均衡器）。该均衡器主要由若干个延迟线组成，将各条线之间的延迟时间间隔设置为T，然后利用延迟符号精确地表示均衡器的传递函数，这种型号的均衡器又被称为具有高冲击响应能力的滤波器，这些滤波器内部含有大量的前馈链路和反馈链路，极大地提高了电压的稳定性[5]。LE在具体的设计中，需要采用滤波处理的方式，对所接受的数据进行处理，从而获得相应的符号估计值，然后根据设置好的准则，选用合适的参数。②DFE（判决反馈均衡器）。DFE主要由前向滤波器和反向滤波器组成。其中，前向滤波器与线性横向均衡器作用类似，反馈滤波器所输入内容主要以判决序列为主，通过筛选并剔除当前估计值中的检索符号，从根本上解决部分码间的干扰问题。此外，DFE主要包含线性滤波器和非线性硬判决器，可以有效地解决突发误码传播问题。③ML（最大似然序列接收机）。ML内部含有符号间信道，这种信道具有较高的抗干扰能力以及记忆能力，因此当对信道进行有记忆的传输后，所接收到的字符具有一定的记忆特性。在处理记忆信号期间，需要利用最大似然序列算法，对其进行处理。

4.2 Turbo均衡技术

4.2.1 系统传输模型

对于通信系统而言，其系统传输模型在具体的创建中，需要将滤波器、抽样器和信道进行有效组合，并等效为一个横向滤波器，该滤波器具有较高的脉冲响应能力。然后，根据所设定好的离散时间，构建出离散时间系统模型。编码数据传输系统框图见图4。由图4可以看出，当数据编码处理结束后，被自动映射到所设计好的星座图上[6]，然后穿过ISI信道。在接收端位置处，需要所接收的数据全部传输到均衡器中，由均衡器采用逆映射的方式，对所输出的数据进行编码和传输，使其安全、可靠地传输于解码器中，由解码器将最终的解码数据进行输出。

图4 编码数据传输系统框图

4.2.2 Turbo均衡原理

Turbo均衡作为一种常用的方法，其原理为：将Turbo原理与均衡技术进行充分结合，并采用多次迭代的方式，确保均衡器与解码器之间能够快速地传输和交换信息，从而保证信息传输和交互的稳定性、可靠性和安全性。

4.2.3 Turbo均衡算法

现阶段，经常用到的Turbo均衡算法主要包含以下几种：（1）SIC（软干扰抵消算法）。SIC并不能单独使用，需要与MAP均衡算法和MMSE_DFE算法等其他类型算法进行组合使用。（2）MAP均衡算法。该算法内部拥有比较小的误码率，因此运行性能比较理想。但是该算法涉及大量的运算，如除法运算、乘法运算等，因此其复杂度较高。（3）MMSE_DFE算法，该算法尽管复杂度较低，但是运行性能较差，因此该算法并不常用。

4.3 Turbo均衡的性能分析与仿真

3种算法的复杂度对比结果见表1，表1中含有N、M和q 3个字母，这3个字母分别代表估计滤波器的长度、信道响应的长度、字符集的大小。当所采用的调制方法为用8PSK调制法时，q值为3。由于MAP算法内部使用了最优准则，因此具有良好的运行性能，但是算法复杂度较高，因此不适用于通信系统。而后两种算法由于其复杂度低，因此将其科学应用于通信系统中，可以取得良好的仿真效果。经过仿真分析发现，以上3种算法的性能由高到低依次为：MMSE_LE算法、MMSE_DFE算法、MAP。由于选用MMSE_LE算法，可以提高Turbo均衡性能，因此，技术人员在实际运用中，要优先选用MMSE_LE算法。

表1 3种算法的复杂度对比

5 结语

综上所述，在信息技术的不断发展和普及下，为了进一步提高通信业务处理水平，最大限度地提高无线通信的可靠性和安全性，技术人员要加强对信道纠错编码技术的分析和应用，该技术应用是否合理直接影响了传输系统的运行性能。而Turbo码凭借自身的优异性能，被广泛地应用于信道编码领域中，极大地提高了编译码器的性能和频带利用率。此外，通过将Turbo码与TCM进行充分结合，不仅可以有效地提升系统频谱利用率，还能确保编码性能达到最佳状态。在此基础上，通过将Turbo码与均衡技术进行充分融合，可以从根本上解决衰落信道中的码间干扰问题。最后，利用Turbo均衡原理，可以向均衡器反馈译码器所输出的信息数据，由均衡器负责处理这些数据，以保证最终均衡处理结果的精确性和真实性，从而解决码间干扰问题，确保Turbo编码和均衡技术更好地应用于无线通信领域中，为促进通信行业健康、可持续发展提供有力的保障。