基于Turbo編碼的超寬帶系統性能分析

摘要：為了降低嚴重的時間彌散影響，提出了一種Turbo信道編碼方案引入超寬帶系統中，分析和仿真了在不同無線室內環境下基于Turbo編碼的超寬帶系統的誤比特率性能。無線室內環境是由IEEE802．15．3a提出的修正的SV信道模型。為了降低迭代譯碼的復雜度，采用了LOG-MAP算法。仿真結果表明，相比于無編碼的系統，具有Turbo編碼的超寬帶系統在不同無線室內環境下提供了可觀的編碼增益，隨著迭代次數的增加，超寬帶系統的性能得到了改善。
關鍵詞：Turbo碼；跳時脈沖位置調制；超寬帶；修正的SV信道

0 引言
近年來，超寬帶作為無線環境下的一種新型的短距離、低功耗、高數據率傳輸方案而備受人們的廣泛關注。與傳統的通信系統不同，超寬帶系統通過短脈沖來傳遞信息。在無線室內環境下，由于信道的多徑效應而引起的時間彌散，超寬帶傳輸的低功率信號經過多徑信道被扭曲從而使接收到的信號產生錯誤。為了提高超寬帶系統數據傳輸的可靠性、抗干擾性和降低誤碼率，把信道編碼方案引入超寬帶系統中。目前，許多信道編碼技術，比如：RS碼、卷積碼、LDPC編碼，已經被提出來提高信息傳輸的可靠性。尤其，由Berrou等在ICC’93的國際會議提出的Turbo編碼在高斯白噪聲信道下具有達到香農極限的錯誤糾錯能力。
文獻論證了Turbo信道編碼在超寬帶系統中的適用性及在高斯白噪聲信道下的誤比特率性能的改善度。文獻提出了雙二進制Turbo編碼應用于超寬帶系統的方案并驗證了在無符號干擾(ISI)下誤比特率性能改善。
本文將傳統的Turbo編碼和譯碼應用于跳時脈沖位置調制(TH-PPM)超寬帶系統；通過模特卡羅(Monte Carlo)計算機仿真驗證了，隨著迭代次數的增加，在有符號干擾下，具有Turbo編碼的超寬帶系統在不同的超寬帶實際信道模型下的誤比特率性能。

1 系統模型
1．1 發射機模型
圖1表示Turbo編碼和TH-PPM調制的發射機模型。本發射機模型中，二進制信息比特首先經過Turbo編碼，再經過跳時脈沖位置調制，即1，0分別被映射為+1，-1，最后通過一系列極短脈沖傳遞。二進制符號s=±1經過脈沖成形后，在Nf個時間幀內重復發射，每幀持續時間為Tf，所以符號持續時間為Ts=NfTf。

跳時脈沖位置調制是較早采用的超寬帶無線電信號模型，其發送波形的數學表達式為：

式中：sn∈{-1+1)表示第n個傳送符號；k表示多用戶系統中的第k個用戶；ε表示每個符號的能量；p(t)為具有單位能量的極短脈沖，即，它是二階高斯脈沖波形，其持續時間TpTf為納秒量級，從而使得傳送信號占據極寬的頻帶帶寬；Tc是幀內的一個時間碼片(一般為TpTc)；為分配給第k個用戶的偽隨機碼(PN)，用于調整發送脈沖在第j幀內的位置，以避免不同用戶間出現災難性的碰撞，，NhTc≤Tf；△是當傳送符號sn=1時的位置偏移，它的選擇決定著系統性能；確定了第n個符號在第j幀內的脈沖的起始位置。
1．2 信道模型
IEEE 802．15．3a采用基于S-V室內信道模型基礎上的修正模型。IEEE模型的信道沖激響應可以表示為：

式中：X是對數正態隨機變量，代表信道的幅度增益；N是觀測到的簇的數目；K(n)是第n簇內收到的多徑數目；ank是第n簇中第k條路徑的系數；Tn是第n簇到達時間；τnk是第n簇中第k條路徑的時延。