通信系统的数据吞吐量越来越大,与此同时,系统对数据错误的容错性能和数据延迟性能的要求却在持续提高,增强型透平乘积码eTPC能帮助设计工程师解决面临的难题,它主要用于对数据率高、编码成本低、数据完整性要求极高的系统,这些系统包括光纤传输系统、直播卫星、下一代WLAN和宽带无线接入系统。
Dave Williams
通信产品部经理
Advanced Hardware Architectures公司
davew@
目前,在提高数据传输率和减小误码率(BER)方面,新一代无线和光通信设计工程师面临许多困难,更为麻烦之处在于提高数据传输率和减小误码率是相互矛盾的要求,减小误码率将影响数据传输率,而提高数据传输率又不得不牺牲数据的完整性。为了解决这些设计难题,业界提出一种被称为透平码(Turbo)的新型前向纠错码(FEC),它可以同时提高数据吞吐量并减小BER。使用透平码,设计工程师可以更加灵活地选择设计方案。
在多种透平解码技术中,透平乘积码和增强型透平乘积码比较常用,本文将详细介绍这两种透平编码方法。
编码电路
FEC编码电路在发送数据前将纠错位插入数据包(见图1),接收端的解码器将利用这一纠错位首先判断收到的数据是否正确；如果出错,且错误落在编码自身的纠错能力的范围内,则纠正错误的编码。在传输数据中插入纠错位虽然可以提高某一类纠错码的纠错能力,但却降低了数据传输率、浪费了带宽。而提高数据完整性,却要以降低数据传输率为代价。
循环冗余码校验(CRC)是相对简单的纠错方案,当接收端检测到误码头时,可以请求重新发送受损的数据包。要求重发和重发数据的过程既占用带宽又增加延迟。当数据链路的质量退化至某一程度时,就传输量和带宽而言,重发法比FEC法速度慢得多。
FEC将纠错的任务赋予接收器,以避免占用不必要的带宽和增加延迟。FEC不需重发数据,因而可以减小带宽或提高数据传输率。在通信系统中使用FEC的主要目的是让设计工程师兼顾通信距离、天线尺寸及其它能直接降低成本的系统特性。例如,当希望减小系统功率时,可以使用体积较小且较为便宜的功率放大器。对于要求保证吞吐量或没有反向信道的实时系统而言,FEC则是唯一实用的解决方案。
FEC码的类型
传统的FEC码有几种不同类型,包括RS码、Viterbi码以及RSV码。目前在卷积码解码方面最常用的是Viterbi解码器。RS和RSV码则一直是纠错码的标准。
FEC属于透平码,它可以更大程度地逼近编码效率的最大值仙农极限。为了更好地理解RS、Viterbi、RSV、仙农极限和透平码的性能差异,请参看图2,该图是BER对信噪比(SNR)的曲线,单位是Eb/No。
图2将透平码与通用的带Viterbi译码的卷积码以及两层交织的RSV码进行比较。选用的代码的传输率近似相同。左边的红色曲线是0.8速率码的对极调制(antipodal modulation)仙农极限。贯穿图形的黑色粗线是未编码的BPSK/QPSK调制,假设这些曲线在高斯白噪声(AWGN)信道中产生。
由图2可见,并非所有的FEC码都是一样的。在传统编码和透平码之间存在根本差异。在使用RS、卷积代码(带Viterbi解码)或两者结合的系统中,对输入的发送数据仅解码一次。解码器随即产生硬决策(hard-decision)输出。
与此相反,透平码使用迭代解码方案。在分块码(block codes)中使用迭代解码方案的概念在二十世纪八十年代初期的文献中有过记载,1993年法国工程师在并行串接卷积代码中又重新应用了该技术,法国科学家将这种迭代解码方法称为“透平码”,意思是它可以像汽车的涡轮(透平)增压器改进普通引擎的性能一样,提高编码和解码的性能。
由于透平码是迭代解码,透平解码器的中间输出包含了软置信度(soft confidence)信息,这一信息在解码器中回传数次,从而在每一次迭代中提高纠错的整体质量。利用接收解调器中的软数据,可以为每一个接收到的位赋予一个置信度值,并通过置信度值表明接收到的数据位是逻辑“1”或“0”的概率。解码器将这一信息迭代数次,并在做出最后决策和硬决策输出前尽可能获得最佳解(见图3)。
透平解码器所用的迭代法与用铅笔填写纵横字谜有相似之处。填第一遍时可能有错误,看似合适的答案在行与列交错处的字母并不相配,必须回头重新修改第一遍的数值。
法国学者于1993年首次提出基于卷积码的透平编码(TCC),尽管它在BER高达10-3到10-5的系统中有效,但由于它存在很难处理的误差层,在要求BER低于10-6的系统中,便无法使用这种编码方案。当时,透平码的另一个问题是解码算法过于复杂,以致于根本无法开发出可用的商业化IC。
TPC的出现
1998年,研究者重新提出了使用超高效解码算法的分块码迭代解码方案。由于用20年前提出的分块码代替卷积码,它使商业化可用透平码IC的推出成为可能。现在人们称之为透平乘积码(TPC),因为它采用了两维或三维扩展汉明码和奇偶校验分块码矩阵。在许多无线通信系统中,分块码的多维性和迭代解码的强大功能使得这种编码技术在高传输率,尤其是准无错BER方面的性能超越了其它的编码技术。
TPC自重新起用以来,使无线和光学设计工程师受益匪浅。TPC在保证低BER的条件下,编码增益高于串接RS和Veterbi编码。高编码增益可以提高数据吞吐量或减小所需带宽,也可以增加传输距离,减小天线尺寸或发射机功率。
使用TPC的主要优点包括:在没有额外增加多个交织码块的复杂度和相关延迟的前提下,提高了纠正突发误码的能力,因为编码结构是两维或三维分块码阵列。单行码不能解决的突发误码可以在阵列中相应的列解码后得到纠正。按螺旋方式发送码组时,TPC纠正突发误码的能力几乎可提高一倍。
图4所示为螺旋方式发送数据的方法。对于一个64×64的码块,TPC码块不必交织即可处理多达384位的突发误码。相比之下,典型的RS(2kb组,t=10)代码交织至第二层,才可能在无清除信息时处理160位突发误码；当存在清除信息时,达到320位处理能力。
为了测试实际系统纠正突发误码的能力,要建立一个视距激光通信系统。在系统的一端调节一个廉价的激光指示器,另一端使用信用卡大小的塑料菲涅耳透镜、光电二极管和解调器,这样构造的数据通道在正常的天气下可以达到几乎无错的传输。小雨时,光束被细小的雨滴中断,在每1,000波特中产生一个突发误码。这些突发误码通常持续3到4波特。在雨滴较大时,突发误码持续延长至8个波特,雪天的测量结果相近。在这两种情况下,TPC码可以很容易地实现100%的纠错,并能进一步提高编码增益。
TPC的增强型方案
尽管TPC在满足无线和光通信系统的纠错要求方面迈出了一大步,它仍然有进一步提高的空间。前几年,人们开始研究基于TPC架构的增强型方案,依据这一方案,一种新型的TPC已经出现,称为增强型TPC(eTPC)。
对数据可靠性要求极高的系统来说,eTPC具有重大意义。eTPC在计算中增加了一维,即对角维。
使用eTPC,代码的最小距离增加了50%。另外,这一最小距离下的代码字的数目也有所减少,使BER曲线更陡,并使BER曲线相关的渐进编码界限值减小了几个数量级。最终结果是BER曲线伸展到10-12以下区域。相反,普通TPC的BER曲线通常落在10-7之上(图5)。
eTPC增加了一条超轴(hyper axis)后,在BER较低的情况下,采用奇偶校验码作为一个或多个分码(constituent code)的eTPC编码的编码增益将增加1dB以上。在数据传输率高的情况下,编码增益的增加更为明显。
图6是0.81高速率eTPC的典型示例。在此情形下,选定的代码将遵循自身的性能轨迹变化,直到在10-19附近与渐进边界相交后才沿边界变化。
总的来说,与现有的无线系统中采用的传统RSV方案相比,eTPC技术提供高达3dB的编码增益。实际上,eTPC编解码器可以在全双工模式下工作,并应用于目前广泛使用的调制方案如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM和256QAM之中。该编码的速率为155Mbps(OC-3数据率),并支持螺旋交织、同步标志插入和侦测、CRC计算、置乱以及高阶调制字符映射。
本文总结
eTPC最具吸引力的应用是宽带无线系统。在局域多点分配服务(LMDS)和多信道多点分配服务(MMDS)的宽带无线系统中,采用了速率为100Mbps的一点对多点数据链路为语音、视频和数据提供宽带服务,这些系统利用微波信号在视距内传输信号,从而避免安装电缆和电线的接入介质,通过FEC还可以大大改善这些系统的性价比。
与任何一个无线系统一样,宽带无线系统也会受多径效应的影响。雨雪等天气会大大影响接收机的接收到的信号强度。家用电器和其它电子系统所产生的突发噪声也会降低接收信号的质量。因为只通过一个统一的解码器处理多种代码速率,所以TPC和eTPC比较适用于宽带无线系统。当信道条件差时,例如下雨时,可采用功率大,传输速率低的代码,以提高纠错能力。天气晴好后,系统再恢复原来的设置。
这种“实时变换代码”的方法可使多信道系统复用一个解码器,而且每一信道采用不同的编码。实际上,TPC编码解码器能够游刃有余地处理0.25到0.98的数据率,同时能提供较高的编码增益。
作者简介:
作者Dave Williams是Advanced Hardware Architectures公司通信产品部的产品经理。在加入AHA之前,曾任L-3通信公司的高级工程师,他拥有俄亥俄州Akron大学的理学士学位。
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