Turbo码在改善OFDM系统性能中的研究

摘 要:介绍B3G/4G中的关键技术――正交频分复用(OFDM)技术。OFDM技术是一种多载波调制技术,能有效地克服多径干扰和码间串扰。分析OFDM的原理、频谱特性和系统结构,并在TU信道下,利用Matlab仿真分析了Turbo信道编码在改善多径衰落时的影响,并得到在实际系统中选择最佳BCJR译码的迭代次数和Turbo编码的最佳编码速率等。

关键词:OFDM;多径衰落;Turbo编码;BCJR译码

中图分类号:TN911文献标识码:A

文章编号: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

正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是近年来得到广泛研究与应用的一种多载波调制技术,它的主要思想是将一个给定的信道分成若干正交的子信道,每个子信道上采用一个子载波进行调制,并且各个子载波是并行传输的。由于各个子载波是相互正交的且频谱相互重叠,实际上每个子信道上信号采用的是窄带传输,因此大大消除了子载波之间的干扰,同时也提高了频谱利用率。

正是由于OFDM技术具有这些优点而得到广泛的应用。如非对称数字用户(Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL)、无线本地环路(Wireless Local Loop,WLL)、数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,DAB)、高清晰度电视(High-definition Television,HDTV)等。伴随着OFDM技术的不断研究深入,它会成为以后的B3G/4G中必选技术,得到更广泛的应用。

1 OFDM原理

OFDM的核心思想是多载波传输,即把一串数据流转换成多个并行传输的数据流,降低了传输的速率,增加了符号的长度,致使符号的长度远大于延迟的长度,使原来的频率选择性信道变为窄带平坦衰落信道,克服多径衰落的影响。单载波和多载波传输方式如表1所示。

表1 单载波和多载波传输方式

系统参数

传输方式

单载波多载波

符号时间Ts/NTs

速率N/Ts1/Ts

总频带宽2×N/Ts2×N/Ts+N×0.5/Ts(保护带宽0.5/Ts)

ISI敏感度较敏感不敏感

OFDM采用各个子载波分别调制,即一个OFDM符号内包含多个经过相移键控(PSK)或正交幅度调制(QAM)的子载波,这样可以很好地根据信道条件使用自适应调制与编码。假如一个OFDM符号有N个子载波,它的持续时间是T,分配给每个子信道的数据符号是di(i=0,1,…,N-1),矩形函数rect(t)=1(|t|≤T/2),第i个子载波上的载波频率是fi,则OFDM符号的表达式为:

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

ts≤t≤ts+T

S(t)=0, tts+T

其中:载波频率fi满足:fk=f0+k/TN,k=1,2,…,N,fk为第k个子载波上的载波频率,TN为单元码持续时间。OFDM符号的频谱如图1所示。

图1 OFDM符号的频谱图

由于OFDM符号的各个子载波是正交的,即它们的频谱可以重叠,这样就大大节约了宝贵的频谱资源。

OFDM传输的原理框图如图2所示。

图2 OFDM的原理框图

2 Turbo编码/解码原理

Turbo码诞生于1993年,由法国的Berrou等人在卷积码和级联码的基础上首次提出,是一种具有里程碑意义的信道编码方案,将编码技术真正意义地带入逼近香农极限的领域。

Turbo编码器由三部分组成:两个递归系统卷积码(RSC)作为分量码,一个内部交织器和一个打孔单元,如图3所示。其中两个分量码之间通过交织器相连,交织器在Turbo码中起着关键作用,它不仅能够消除两个RSC码编码器输入的相关性、使码字随机化,还能使两个RSC码的输出序列在任何时刻不会同时输出重量较轻的码字,即能够提高最小码重,从而提高其译码性能。编码码字由系统比特和两路分量RSC码所输出的校验比特组成,并通过打孔得到所需要的码率。

Turbo码的BCJR译码器的结构示意图如图4所示。它由两个软输入、软输出(SISO)的RSC码分量译码器组成,中间通过交织器和解交织器相连,进行迭代译码。译码器1输出的外赋信息L1经过交织后作为译码器2的先验信息,辅助其译码;同样,译码器2输出的外赋信息L2经过解交织后作为译码器1的先验信息,如此反复迭代进行译码。

图3 Turbo码编码器

图4 Turbo码译码器

3 仿真分析

本文在图2所示的OFDM系统框图原理下,使用Matlab对其仿真分析,并分析了BCJR译码器在不同迭代次数和Turbo编码在不同码率下的性能。

仿真中采用的是QPSK调制,多径衰落信道是典型的TU信道,其参数如表2所示。

表2 TU信道参数

时延 /ns02006001 6002 3005 000

平均功率 /dB-30-2-6-8-10

BCJR译码器在不同迭代次数(码率为1/2,理想信道)的性能如图5所示。

图5 BCJR译码器在不同迭代次数的性能

从图5可以看出,在BCJR译码器中,随着迭代次数的增加,其译码性能越来越好,但改善的性能逐渐减小。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次迭代几乎差不多。由于随着迭代次数的增加,它的译码所需的时间越多,因此,在工程应用中综合考虑译码所需的时间和性能,应该选择6次迭代是最佳的选择。

Turbo编码在不同码率下(迭代次数为6次,理想信道)的性能如图6所示。

图6 Turbo编码在不同码率下的性能

从图6中可以看出,随着Turbo码的码率逐渐减小,误码率的性能逐渐变好,但实际传输的信息也变少。因此,在实际工程应用中,应该根据实际的信道状况,所需的传输速率,QoS等来确定Turbo码的速率。但信道好的时候,并要求高的传输速率,这时应该选择高的码率,反之亦然。

4 结 语

Turbo编码技术由于真正意义上逼近香农极限,越来越被人们关注,在LTE中,它已同OFDM技术成为其中关键技术。因此,结合OFDM技术,深入研究Turbo码,使它更好地改善无线通信系统有着重大的意义。

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