基于Turbo码的水声信道编译码技术研究及其FPGA实现

论文摘要

海洋水声信道是一种极为复杂的时-空-频变参信道,并具有信道带宽窄、多径干扰强、信号衰落严重等特点,因此如何在海洋水声信道中实现数据的高速可靠传输成为世界性的研究难题。要保证信号在水声信道中可靠传输,除了应用先进的调制解调、信道均衡等技术外,还必须采用具有很好纠错性能的信道编码技术来进行差错控制,以进一步降低误码率。Turbo码是一种性能优异的信道编码方案,它在编码时巧妙地将交织器与递归系统卷积码结合起来,实现了近似随机编码的思想,并在译码时采用软输入软输出的迭代译码方法,在加性高斯白噪声信道下达到了接近香农限的纠错性能,是信道编码理论领域的一项重要研究成果。本文以提高水声通信中数据传输的可靠性为目标,对水声信道的特性、水声通信的原理与技术、Turbo码编码与迭代译码原理和如何用硬件描述语言实现Turbo编译码算法进行了深入研究。首先,本文对水声信道的特性和水声信道编码技术的研究现状做了介绍,并针对水声信道误码产生的随机错误和突发错误同时存在且以密集型突发错误为主的规律提出了将Turbo码作为信道纠错编码方案应用于水声通信技术中。其次,在参考了大量信道编码相关资料的基础上,对Turbo码编译码器的结构和组成、译码准则和软输出维特比算法（SOVA）做了深入研究,并且针对SOVA算法回溯过程运算量大的特点,提出了一种改进方案,其基本原理是在每个序列回溯之前增加一个判断过程,只对满足条件的序列进行回溯,这样在不影响纠错效果的前提下可以节省大量不必要的回溯操作,进而减少译码延时。在深入研究的基础上,对SOVA译码算法和影响其性能的编码长度、约束长度、迭代次数、码率、交织器等重要参数在不同的取值下做了Matlab仿真。再次,在综合考虑了仿真结果、综合性能、实现复杂程度、系统延时和系统兼容性等各个因素后,提出了一套用Altera公司的CycloneⅡ器件实现Turbo码编码和译码算法的方案,并详细介绍了方案整体和其各个组成部分,并说明如何降低编译码实现的复杂度和减少时延。最后,对课题来源中的水声无线传感器网络系统平台做了整体介绍,并说明了为提高通信性能在水声通信节点设计方面采取的措施,并对全文进行了总结与展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究的内容和意义
• 1.4 整体内容与结构安排
• 2 信道编码理论
• 2.1 信道编码定理
• 2.1.1 信道编码定理
• 2.1.2 香农限
• 2.2 纠错码的发展及研究现状
• 2.2.1 纠错码的发展
• 2.2.2 Turbo 码的提出与发展
• 2.3 水声信道的特性分析
• 2.3.1 水声信道的特性
• 2.3.2 水声信道误码产生的统计特性
• 2.3.3 水声通信系统
• 2.4 卷积码
• 3 Turbo 码的编译码原理
• 3.1 Turbo 码编码器结构
• 3.1.1 并行级联编码结构
• 3.1.2 串行级联编码结构
• 3.1.3 混合级联编码结构
• 3.2 Turbo 码编码的几个关键问题
• 3.2.1 分量编码器的选择
• 3.2.2 交织器的选择
• 3.2.3 删余矩阵
• 3.3 Turbo 码的译码
• 3.3.1 硬判决译码与软判决译码
• 3.3.2 Turbo 码的译码原理
• 3.3.3 PCCC 译码器结构
• 3.3.4 译码准则与译码算法的分类
• 3.3.5 软输出维特比译码算法
• 3.4 Turbo 码性能的物理解释
• 3.5 SOVA 算法中的回溯判决过程及其优化
• 3.5.1 回溯判决过程
• 3.5.2 回溯判决过程的优化
• 4 Turbo 码纠错性能的 Matlab 仿真
• 4.1 Matlab 简介
• 4.2 Turbo 码性能特点
• 4.3 Log-MAP 与SOVA 译码算法对比
• 4.4 不同参数对SOVA 译码算法性能的影响
• 4.4.1 编码长度的影响
• 4.4.2 分量编码器约束长度的影响
• 4.4.3 迭代次数的影响
• 4.4.4 码率的影响
• 4.4.5 交织器的影响
• 4.5 回溯判决过程优化结果仿真
• 5 Turbo 码的 FPGA 实现
• 5.1 FPGA 的简介
• 5.1.1 FPGA 的特点
• 5.1.2 Cyclone II 系列
• 5.2 Turbo 码编译码方案
• 5.3 Turbo 码编码器的实现
• 5.3.1 编码器整体结构
• 5.3.2 分量编码器模块
• 5.3.3 交织器模块
• 5.3.4 删余模块
• 5.3.5 复接器模块
• 5.3.6 编码器实现中的注意事项
• 5.3.6.1 同步处理
• 5.3.6.2 分量编码器的归零
• 5.4 Turbo 码译码器的实现
• 5.4.1 译码器硬件整体结构
• 5.4.2 解复用模块
• 5.4.3 SISO 模块
• 5.4.3.1 分支度量计算模块
• 5.4.3.2 ACS 模块
• 5.4.3.3 软信息计算模块
• 5.4.4 译码硬判决模块
• 5.4.5 解交织模块
• 5.5 SOVA 译码算法的一些考虑
• 5.5.1 路径存储的截断
• 5.5.2 译码的位同步
• 5.5.3 SOVA 算法的回溯修正
• 6 水下无线传感器网络实验平台
• 6.1 实验平台简介
• 6.2 水声通信节点设计
• 6.3 水声通信算法半物理仿真平台简介
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表（录用）论文