1、eTPC方法滿足高速無線和光通信系統對數據吞吐量和誤碼性能的需求通信系統的數據吞吐量越來越大,與此同時,系統對數據錯誤的容錯性能和數據延遲性能的要求卻在持續提高,增強型Turbo乘積碼eTPC能幫助設計工程師解決面臨的難題,它主要用于對數據率高、編碼成本低、數據完整性要求極高的系統,這些系統包括光纖傳輸系統、直播衛星、下一代WLAN和寬帶無線接入系統。Dave Williams通信產品部經理Advanced Hardware Architectures公司davew目前,在提高數據傳輸率和減小誤碼率(BER)方面,新一代無線和光通信設計工程師面臨許多困難,更為麻煩之處在于提高數據傳輸率和減小誤

2、碼率是相互矛盾的要求,減小誤碼率將影響數據傳輸率,而提高數據傳輸率又不得不犧牲數據的完整性。為了解決這些設計難題,業界提出一種被稱為Turbo碼的新型前向糾錯碼(FEC),它可以同時提高數據吞吐量并減小BER。使用Turbo碼,設計工程師可以更加靈活地選擇設計方案。在多種Turbo解碼技術中, Turbo乘積碼和增強型Turbo乘積碼比較常用,本文將詳細介紹這兩種Turbo編碼方法。編碼電路FEC編碼電路在發送數據前將糾錯位插入數據包(見圖1),接收端的解碼器將利用這一糾錯位首先判斷收到的數據是否正確；如果出錯,且錯誤落在編碼自身的糾錯能力的范圍內,則糾正錯誤的編碼。在傳輸數據中插入糾錯位雖然

3、可以提高某一類糾錯碼的糾錯能力,但卻降低了數據傳輸率、浪費了帶寬。而提高數據完整性,卻要以降低數據傳輸率為代價。循環冗余碼校驗(CRC)是相對簡單的糾錯方案,當接收端檢測到誤碼頭時,可以請求重新發送受損的數據包。要求重發和重發數據的過程既占用帶寬又增加延遲。當數據鏈路的質量退化至某一程度時,就傳輸量和帶寬而言,重發法比FEC法速度慢得多。圖1 FEC編碼電路FEC將糾錯的任務賦予接收器,以避免占用不必要的帶寬和增加延遲。FEC不需重發數據,因而可以減小帶寬或提高數據傳輸率。在通信系統中使用FEC的主要目的是讓設計工程師兼顧通信距離、天線尺寸及其它能直接降低成本的系統特性。例如,當希望減小系統功

4、率時,可以使用體積較小且較為便宜的功率放大器。對于要求保證吞吐量或沒有反向信道的實時系統而言,FEC則是唯一實用的解決方案。FEC碼的類型傳統的FEC碼有幾種不同類型,包括RS碼、Viterbi碼以及RSV碼。目前在卷積碼解碼方面最常用的是Viterbi解碼器。RS和RSV碼則一直是糾錯碼的標準。FEC屬于Turbo碼,它可以更大程度地逼近編碼效率的最大值仙農極限。為了更好地理解RS、Viterbi、RSV、仙農極限和Turbo碼的性能差異,請參看圖2,該圖是BER對信噪比(SNR)的曲線,單位是Eb/No。圖2將Turbo碼與通用的帶Viterbi譯碼的卷積碼以及兩層交織的RSV碼進行比較。

5、選用的代碼的傳輸率近似相同。左邊的紅色曲線是0.8速率碼的對極調制(antipodal modulation)仙農極限。貫穿圖形的黑色粗線是未編碼的BPSK/QPSK調制,假設這些曲線在高斯白噪聲(AWGN)信道中產生。由圖2可見,并非所有的FEC碼都是一樣的。在傳統編碼和Turbo碼之間存在根本差異。在使用RS、卷積代碼(帶Viterbi解碼)或兩者結合的系統中,對輸入的發送數據僅解碼一次。解碼器隨即產生硬決策(hard-decision)輸出。與此相反,Turbo碼使用迭代解碼方案。在分塊碼(block codes)中使用迭代解碼方案的概念在二十世紀八十年代初期的文獻中有過記載,1993年

6、法國工程師在并行串接卷積代碼中又重新應用了該技術,法國科學家將這種迭代解碼方法稱為“Turbo碼”,意思是它可以像汽車的渦輪(Turbo)增壓器改進普通引擎的性能一樣,提高編碼和解碼的性能。圖2 Viterbi、RSV和TPC性能比較由于Turbo碼是迭代解碼,Turbo解碼器的中間輸出包含了軟置信度(soft confidence)信息,這一信息在解碼器中回傳數次,從而在每一次迭代中提高糾錯的整體質量。利用接收解調器中的軟數據,可以為每一個接收到的位賦予一個置信度值,并通過置信度值表明接收到的數據位是邏輯“1”或“0”的概率。解碼器將這一信息迭代數次,并在做出最后決策和硬決策輸出前盡可能獲得

7、最佳解(見圖3)。Turbo解碼器所用的迭代法與用鉛筆填寫縱橫字謎有相似之處。填第一遍時可能有錯誤,看似合適的答案在行與列交錯處的字母并不相配,必須回頭重新修改第一遍的數值。法國學者于1993年首次提出基于卷積碼的Turbo編碼(TCC),盡管它在BER高達10-3到10-5的系統中有效,但由于它存在很難處理的錯誤平層（error floor）,在要求BER低于10-6的系統中,便無法使用這種編碼方案。當時,Turbo碼的另一個問題是解碼算法過于復雜,以致于根本無法開發出可用的商業化IC。TPC的出現1998年,研究者重新提出了使用超高效解碼算法的分塊碼迭代解碼方案。由于用20年前提出的分塊碼

8、代替卷積碼,它使商業化可用Turbo碼IC的推出成為可能。現在人們稱之為Turbo乘積碼(TPC),因為它采用了兩維或三維擴展漢明碼和奇偶校驗分塊碼矩陣。在許多無線通信系統中,分塊碼的多維性和迭代解碼的強大功能使得這種編碼技術在高傳輸率,尤其是準無錯BER方面的性能超越了其它的編碼技術。TPC自重新起用以來,使無線和光學設計工程師受益匪淺。TPC在保證低BER的條件下,編碼增益高于串接RS和Veterbi編碼。高編碼增益可以提高數據吞吐量或減小所需帶寬,也可以增加傳輸距離,減小天線尺寸或發射機功率。使用TPC的主要優點包括:在沒有額外增加多個交織碼塊的復雜度和相關延遲的前提下,提高了糾正突發誤

9、碼的能力,因為編碼結構是兩維或三維分塊碼陣列。單行碼不能解決的突發誤碼可以在陣列中相應的列解碼后得到糾正。按螺旋方式發送碼組時,TPC糾正突發誤碼的能力幾乎可提高一倍。圖4所示為螺旋方式發送數據的方法。對于一個64×64的碼塊,TPC碼塊不必交織即可處理多達384位的突發誤碼。相比之下,典型的RS(2kb組,t=10)代碼交織至第二層,才可能在無清除信息時處理160位突發誤碼；當存在清除信息時,達到320位處理能力。圖3 迭代譯碼器圖4 TPC碼塊的螺旋傳輸為了測試實際系統糾正突發誤碼的能力,要建立一個視距激光通信系統。在系統的一端調節一個廉價的激光指示器,另一端使用信用卡大小的塑料

10、菲涅耳透鏡、光電二極管和解調器,這樣構造的數據通道在正常的天氣下可以達到幾乎無錯的傳輸。小雨時,光束被細小的雨滴中斷,在每1,000波特中產生一個突發誤碼。這些突發誤碼通常持續3到4波特。在雨滴較大時,突發誤碼持續延長至8個波特,雪天的測量結果相近。在這兩種情況下,TPC碼可以很容易地實現100%的糾錯,并能進一步提高編碼增益。TPC的增強型方案盡管TPC在滿足無線和光通信系統的糾錯要求方面邁出了一大步,它仍然有進一步提高的空間。前幾年,人們開始研究基于TPC架構的增強型方案,依據這一方案,一種新型的TPC已經出現,稱為增強型TPC(eTPC)。對數據可靠性要求極高的系統來說,eTPC具有重大

11、意義。eTPC在計算中增加了一維,即對角維。使用eTPC,代碼的最小距離增加了50%。另外,這一最小距離下的代碼字的數目也有所減少,使BER曲線更陡,并使BER曲線相關的漸進編碼界限值減小了幾個數量級。最終結果是BER曲線伸展到10-12以下區域。相反,普通TPC的BER曲線通常落在10-7之上(圖5)。圖5 eTPC和TPC的 BER對比圖eTPC增加了一條超軸(hyper axis)后,在BER較低的情況下,采用奇偶校驗碼作為一個或多個分碼(constituent code)的eTPC編碼的編碼增益將增加1dB以上。在數據傳輸率高的情況下,編碼增益的增加更為明顯。圖6是0.81高速率eTP

12、C的典型示例。在此情形下,選定的代碼將遵循自身的性能軌跡變化,直到在10-19附近與漸進邊界相交后才沿邊界變化。圖6 eTPC的漸進邊界總的來說,與現有的無線系統中采用的傳統RSV方案相比,eTPC技術提供高達3dB的編碼增益。實際上,eTPC編解碼器可以在全雙工模式下工作,并應用于目前廣泛使用的調制方案如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM和256QAM之中。該編碼的速率為155Mbps(OC-3數據率),并支持螺旋交織、同步標志插入和偵測、CRC計算、置亂以及高階調制字符映射。本文總結eTPC最具吸引力的應用是寬帶無線系統。在局域多點分配服務(LMDS)和多信道多點分配服務(MMDS)的寬帶無線系統中,采用了速率為100Mbps的一點對多點數據鏈路為語音、視頻和數據提供寬帶服務,這些系統利用微波信號在視距內傳輸信號,從而避免安裝電纜和電線的接入介質,通過FEC還可以大大改善這些系統的性價比。與任何一個無線系統一樣,寬帶無線系統也會受多徑效應的影響。雨雪等天氣會大大影響接收機的接收到的信號強度。家用電器和其它電子系統所產生的突發噪聲也會降低接收信號的質量。因為只通過一個統一的解碼器處理多種代碼速率,所以TPC和eTPC比較適用于寬帶無線系統。當信道條件差時,例如下雨時,可采用功率大,傳輸速率低的代碼,以提高糾錯能力。天氣晴好后,系統再恢復原來的