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Turbo 纠错码的原理、性能和应用——第一讲 纠错编码基础
门爱东
本讲座撰写人门爱东先生,北京邮电大学副教授。
1948 年,香农(Claude E Shannon)的论文《通信的数学理论》奠定了现代数字通信的
基础。他论证了要实现可靠的信息传输,每个信道有一个最大的传输容量。在信道容量之内
传输,即使采用“一般”的数据编码,也能够可靠地通信。而超过信道传输容量进行传输,
即使采用“最好”的编码,通信也是不可靠的。但此结论有三个基本条件:(1)采用随机编
解码方式;(2)编译码的码长 L→∞;(3)解码采用最佳的最大后验译码。因此,寻求“更好”
的编码方法是现代数字通信研究的重要方面,并由此诞生了纠错编码技术(ECC)。
1993 年,Claude Berrou等人在纠错编码研究中取得重大突破,发表了《接近香农极限
的纠错编解码:Turbo Code》。在加性高斯白噪声(AWGN)信道中,Turbo码距离香农极限在
0.7dB 之内,而其它同等复杂度的纠错编码为 2dB 或更多。虽然 Turbo 码不是 ECC 的终结,
但它拓展了人们的视野,影响了许多应用,特别是那些传统上使用 ECC 技术的应用。
为更好地理解 Turbo 码,我们先回顾一下纠错编码的一些基础知识。
一 通信系统中的误码纠错
图 1 所示为一个典型的数字通信系统。为了选择合适的组成部分,需要考虑信道类型、
噪声和干扰的影响。在发送端,源编码器对输入的信号进行处理,使传输的数据量最小。
在接收端,解码器把处理的信号恢复为原始信号。在大多数应用中,在接收端为去除传
输过程中产生的误码,需要进行信道编码,它完成纠错功能。纠错方式有很多种。如果接收
端检测到误码,可以通过回传信道发送一个重传请求,称为自动重传请求(ARQ),其优点是,
当前向信道和反向信道可靠时,ARQ 能将用于误码控制的带宽减到最小。但在许多情况下,
反向信道是不可靠的、昂贵的,或者系统不能容忍 ARQ 引入的延时,此时纠错方式只能基于
前向信道。
在发送端,前向纠错(FEC)在码流中添加冗余信息,以便接收端能单方面地检测和校正
传输误码。最简单的方案是每个比特重复传送 N次,接收端通过大数判决准则来判定传输的
每个比特。这看起来有点矛盾,信源编码最大限度地去除冗余信息,而信道编码又使信息冗
余度大大增加,但两者的冗余度是不相等的。重复 N 次的方式固然简单,但编码效率非常低。
当采用更高效的 FEC 后,增加的冗余度能够带来巨大的系统增益。
FEC 技术增加了系统的冗余度,而频谱资源又是有限的,因此,对于带宽受到严格限制
的应用,FEC 只能和更高效的调制一起使用。
二 纠错编码的基本概念
1. 编码码率(Code Rate)
纠错编码的最基本特性是它的编码码率。一个(n, k)编码器接收 k 比特输入数据,对其
进行纠错编码,产生 n比特输出,则编码码率为 k/n。信道纠错编码的目的是添加足够的冗
余信息,以便校正传输误码,因此编码码率通常小于 1。编码码率一般为整数比,例如 1/4、
1/2、2/3、3/4 和 7/8 等。Turbo 码的编码码率也是如此。
2. 线性分组码(Linear Block Code)
许多纠错编码方案把输入数据分成组(通常称为数据帧),每个分组独立编码,相互之间
没有关联。简单的二进制矩阵运算 y=xG 表示线性分组码操作(x为二进制输入的信息比特矢
量,G 为二进制生成矩阵,y 为二进制输出矢量)。矩阵运算采用模 2 算术,x、G 和 y 的维
数分别是 1×k、k×n 和 1×n。输入比特 k 和分组长度 n 的典型值是 8~256。
编码通过线性运算(矩阵乘法)把输入的 k 比特数据块变换为输出的 n 比特数据块,因而
称之为线性分组码。
分组码有许多种,其中最著名的分组码有汉明(Hamming)、Golay、BCH
(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem)和里德—所罗门(RS)码。Turbo 码是一种新的线性分组码,
但它更像一个混合体,非常依赖于下述卷积编码。
3. 系统码(Systematic Code)
系统码(SC)是输入矢量 x 无变化地直接输出到输出端,而校验比特附加在输入信息比特
之后。对于系统分
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