摘 要：Turbo码以其优异的纠错性能被应用到许多领域，尝试把先进的urbo码技术引入到数字地面电视广播系统的信道编码方案中，并利用仿真系统针对译码算法、交织器技术、通信信道等不同的系统参数对改进后的系统的性能影响进行仿真研究。仿真结果表明，引入urbo码的系统性能优于原DVB-系统。
关键词：DVB-；Turbo码；信道编码；译码算法；交织器；通信信道
Research and imulation of urbo in DVB- ystem
MA Fei
(Department of Computer cience and Engineer,North University for Ethnics,Yinchuan,70021,China)
Abstract：urbo code is applied to many fields by reason of excellent performance of correctingIn this article, urbo code technology is inserted into the channel coding scheme of DVB-he performance is investigated between standard DVB- and improved DVB- with different parameters of decoding algorithms,interleavers,communication channels through simulationhe simulation result shows that the error-correcting performance of improved DVB- is better than standard DVB-
Keywords：DVB-;urbo codes;channel coding;decoding algorithm;interleaver;communication channel
1 引 言
DVB- COFDM［1］系统是欧洲数字电视广播(DVB)开发的系列标准中的数字地面电视广播标准,目前世界范围内已经或准备建设的地面数字电视项目大部分都采用的是DVB- CDFDM 标准。
由于地面广播条件最恶劣， DVB-系统采用比之于DVB-和DVB-C更复杂的纠错机制。该纠错机制的信道编码是经过外码R码编码，外码交织，内码卷积码编码，内码交织4个步骤，两层编码和两层交织保证了数据的正确接收。
随着信道编码技术的不断发展,研究人员提出了许多新兴的纠错码编码方案,urbo码［2］就是其中的佼佼者之一。urbo码巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起,实现了随机编码的思想；同时,采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。urbo码一经推出,就以其优异的接近香农极限的性能受到了大家的重视,其也不断的应用到实际系统中。能否采用urbo码对DVB-系统的纠错机制进行优化，本文利用仿真系统对该问题进行了研究。
2T urbo码的基本原理
21 编码器结构及原理
urbo码编码器由2个递归系统卷积码(RC)通过一个交织器并行级联而成，其编码结构如图1所示：
RC1对信息序列直接进行编码，产生相应的校验位1。RC2对经过交织后的信息序列进行编码，产生校验位2。校验位1与校验位2经删余矩阵(以产生不同的码率)压缩再与信息位复接组成码字后送往信道。
22 译码器结构及原理
译码是通过2个成员译码器进行交错重复译码实现,其结构如图2所示。
信道输出信息比特Xk′直接进入成员译码器1,校验比特经分解器分解后,将对应于成员译码器1 的校验比特Y′1k 送入成员译码器1,把对应于成员译码器2 的校验比特 Y2k′ 送入成员译码器2。成员译码器1 输出一个软判决经交织后得到的结果与经过交织器后的信息比特以及前面的校验比特Y2k′一起输入成员译码器2后,也输出一个软判决,再将此判决经过解交织器重新输入成员译码器1进行下轮译码。如此循环,进行多次迭代译码后,就有越来越多的错误被纠正,直到某一程度为止。
23 交织器与译码算法
urbo码系统性能的优劣很大程度上取决于分量码与交织器的选择。分量码通常选择系统递归卷积码，而交织器的选择则根据不同的应用环境选择特定结构,特定交织深度的交织器。交织器的作用主要可以从两个层面来考虑：
(1) 从码重层次看:交织器增大了校验码重,尤其是改善了低码重输入信息序列的输出校验码重从而增大了码的最小自由距离,提高了纠错能力。
(2) 从相关性层次看:交织器最大可能地置乱输入信息序列的顺序,降低了输入/输出数据的相关性,使得邻近码元同时被噪声淹没的可能性都大大减小,从而增强了抗突发噪声的能力。
级联码中的交织器技术也是现在的研究热点，目前常见的交织器包括分组交织器,黄金分割互素交织器,卷积交织器,随机交织器等，研究人员把许多新兴理论也融入到交织器的设计中，如利用遗传算法对交织器进行优化，应用混沌学进行新型交织器的设计等。本文的仿真系统采用的交织器则是性能较优的随机交织器。
urbo码另一个重要特点就是在译码时采用了迭代译码的思想，迭代译码的复杂性仅是随着信息序列的大小增加而呈线性增长。与译码复杂性随码字长度增加呈指数形式增长的最优MLD相比，迭代译码具有更强的可实现性。为使urbo码达到比较好的译码性能，分量码译码必须采用IO算法，从而实现迭代译码过程中软信息在分量译码器之间的交换。Forney等人已经证明了最优的软输出译码器应该是后译概率(A Posteriori Probability,APP)译码器，它是以接收信号为条件的某个特定比特传输概率。目前常用的译码算法主要包括MAP译码算法，Log-MAP算法［3］，Max-Log-MAP算法及OVA算法(oft Output Viterbi Algorithm)等。其中Log-MAP算法和Max-Log-MAP算法是MAP算法的一种对数域下的简化形式。由于MAP算法要求大量的乘法和非线性运算，不利硬件实现，则利用对数域的特性，实现乘法运算向加法运算的转化。次最优算法Log-MAP算法及Max-Log-MAP 算法，二者虽然在一定程度上损失了性能，但却有利于硬件实现，因而是一种比较常用的算法。在本仿真系统则采用Log-MAP算法。
3 DVB-传输系统的信道编码基本原理
图3是DVB-传输系统的信道编码基本原理和调制原理框图。由于地面广播的条件较差,而且因为已有一些地面传输服务产生的较大的同频和邻频干扰，DVB-采用了更多的抗干扰和防误码的措施：首先输入数据被分为一定长度的的传输包,每组包含188个字节,经过能量扩散的数据流接下来进行外码编码，外码则是采用截短的R(204,188,=8)码，能够在204个字节帧内纠正8个错误字节。然后,经过外码编码的数据再由交织器在12个字节的深度内按字节进行交织。接下来进行内码编码，内码采用的是卷积收缩码，码率可以为1/2，2/3，3/4，/6，7/8，经过内编码的数据再经过内交织器进行交织，内交织主要分2步：位交织和符号交织,然后利用QPK，16QAM，64QAM的调制方式将其映射到星座图上。
4 仿真系统模型
图4是仿真系统的模型，首先随机数据产生器以188 B作为帧长度,按帧产生信息序列，虚线框图①对应的是原DVB-系统的信道编码模型，虚线框图②对应的是新的信道编码模型,该模型是把原虚线框图①的DVB-信道编码中的内卷积编码部分换成了并行级联卷积urbo码。信息帧序列分别由2个信道编码模型进行编码,形成码字后再分别进行QPK调制,然后分别经AWGN信道传输,最后送入信道译码器,经译码后输出的信息与随机数据产生器产生的初始信息序列进行比较,利用Monte Carlo方法计算出BER随NR变化的关系。
41 仿真系统一
411 仿真系统参数设置
(1) urbo码：码率R=1/2；生成式G=［37，21］；约束度；分组交织器，交织器深度(帧长度)=8204+4=1 636位(加了4个截止位)；迭代次数：16次；译码算法：OVA算法。
(2) 原DVB-系统中的所有参数都采用标准设置：
R (204,188,=8)；卷积交织器(I=12)；卷积编码器G=［171,133］(译码端采用Viterbi译码算法)，码率R=1/2；内交织(QPK方式)。
(3) 系统采用QPK调制，传输信道为AWGN信道。
412 仿真结果及分析
图是原DVB-系统与经改进后DVB-系统的BER与NR的关系曲线比较图：
从仿真结果图看到，随着NR的增加，原DVB-的纠错系统与改进后的DVB-的纠错系统的BER都不断下降，但改进后的系统下降的幅度更大，而且在BER约为10-7时，改进后的系统比原系统有大约1 dB的编码增益。但对于换成urbo码的DVB-纠错机制，译码时延明显比原DVB-系统的纠错机制要大，这其中一个重要的原因是urbo码中具有1个与2个分量编码器相级联的交织器，进入urbo码的2个分量编码器的信息：一路是数据信息直接进入其中的一个编码器;另一路是经过交织后的数据信息进入另一个编码器，交织器的存在增大了编译码过程中的时延。
还有一个因素就是urbo码采用的迭代译码算法要复杂于卷积码采用的译码算法，针对这个时延问题，现在随着超大规模集成电路的性能不断得到提高，运算时间不断下降，这个时延问题也可以得到一定的解决。
42 信息系统二
421 仿真系统参数设置
(1) urbo码:码率Rc=1/2；生成式G1=37 oct(oct表示8进制)，G2=21 oct；约束度k=；随机型交织器，交织器深度(帧长度)=8204+4=1 636位(加了4个截止位)；迭代次数：14次；译码算法：OVA算法。
(2) 原DVB-系统中的所有参数都采用标准设置：
R(204,188,=8)；卷积交织器(I=12)；卷积编码器G1(X)=171 oct,G2(X)=133 oct(译码端采用Viterbi译码算法)，码率Rc=1/2；内交织(QPK)。
(3) 系统采用QPK调制，传输信道为Rayleigh衰落信道。
422 仿真结果及分析
图6是新、旧纠错机制在Rayleigh衰落信道下的仿真结果图，从曲线的形态可以看出，他们与在AWGN信道下的仿真结果图大致相似，但这个结果比AWGN信道下的仿真结果更能说明真实的情况，因为DVB-的多媒体视频信息主要是在衰落信道上传输。从图中可以看到，换成urbo码的DVB-纠错系统在Rayleigh信道下比原纠错系统有大约3 dB的编码增益。
仿真系统三
431 仿真系统参数设置
(1) urbo码：码率R=1/2；生成式G=［37，21］；约束度；-随机型交织器，交织器深度(帧长度)=8204+4=1 636位(加了4个截止位)；迭代次数：14次；译码算法：Log-MAP算法。
(2) 原DVB-系统中的所有参数都采用标准设置：
R(204,188,=8)；卷积交织器(I=12)；卷积编码器G=［171,133］(译码端采用Viterbi译码算法)，码率R=1/2；内交织(QPK方式)。
(3) 系统采用QPK调制，传输信道为AWGN信道。
432 仿真结果及分析
图7是换成urbo码的DVB-纠错系统与原DVB-纠错系统性能仿真比较图，与仿真一的不同之处在于：此时urbo码的交织器为-随机型交织器，扩散度选择为8，这样做的目的是为了保证数据在交织前后有更好的扩散度。译码算法由原来的OVA算法换成了Log-MAP算法，迭代次数也减少为14次。从仿真结果看到，换成新参数的urbo码DVB-纠错系统的纠错性能要好于原DVB-纠错系统的性能。
为了更好地比较urbo码参数变化前后的DVB-系统的纠错性能变化，见图8的比较结果：
从图7看出，把采用-随机交织器，Log-MAP算法的urbo码引入到DVB-纠错系统的性能比采用分组交织器，OVA算法的urbo码的DVB-系统要性能优良，这其中的原因就是在于-随机型交织器的性能此时要好于分组交织器，而Log-MAP算法性能又优于OVA算法，所以在迭代次数减少的情况下，新urbo码参数的系统性能要好于旧urbo码参数的系统性能，但在译码时延上，采用Log-MAP算法的纠错机制比采用OVA算法的纠错机制要大。
结 语
本文分别介绍urbo码和DVB-系统中信道编码技术的基本原理，并把urbo码技术引入到DVB-信道编码系统中，就不同的系统参数对系统的性能影响进行了仿真研究。仿真结果表明，引入urbo码的系统性能优于原DVB-系统。
参 考 文 献
［1］DVB Project OfficeFacts about DVB-［J］Geneva,wi[CD4]tzerland,1998
［2］Berrou C,Glavieus A,hitimajshima PNear hannon Limit Error-Correcting Coding Decoding:urbo-codes［J］IEEE International Conference on Communication,1993:1 064-1 070
［3］Benedetto ,Divsalar D,Montorsi Goft-Output Decoding Algorithms in Iterative Decoding of urbo Codes［R］he elecommunication and Data Acquisition Progress Report,1996:63-87
［4］郭丽,蒋卓勤,邓玉元高速通信系统中两种urbo迭代译码算法的比较[J]现代电子技术,200,28(21):2-27
作者简介
马 飞 男，1976年出生，硕士，北方民族大学讲师。研究方向为信道编码、信息系统安全。