交織的定義及原理介紹

1、交織的定義與原理簡介交織器在 陸地移動通信這種變參信道上，比特差錯經(jīng)常是成串發(fā)生的。這是由于持續(xù)較長的深衰落谷點會影響到相繼一串的比特。然而，信道編碼僅在檢測和校正單個差錯和 不太長的差錯串時才有效。為了解決這一問題，希望能找到把一條消息中的相繼比特分散開的方法，即一條消息中的相繼比特以非相繼方式被發(fā)送。這樣，在傳輸過 程中即使發(fā)生了成串差錯，恢復成一條相繼比特串的消息時，差錯也就變成單個(或長度很短)，這時再用信道編碼糾錯功能糾正差錯，恢復原消息。這種方法就是 交織技術(shù)。 在通信中，傳輸信息比特差錯經(jīng)常是成串發(fā)生的。這是由于持續(xù)較長的深衰落谷點會影響到相繼一串 的比特。然而，信道編碼僅在檢測

2、和校正單個差錯和不太長的差錯串時才有效。為了解決這一問題，希望能找到把一條消息中的相繼比特分散開的方法，即一條消息 中的相繼比特以非相繼方式被發(fā)送。這樣，在傳輸過程中即使發(fā)生了成串差錯，恢復成一條相繼比特串的消息時，差錯也就變成單個(或長度很短)，這時再用信道 編碼糾錯功能糾正差錯，恢復原消息。這種方法就是交織技術(shù)。 假定由一些4比特組成的消息分組，把4個相繼分組中的第1個比特取出來，并讓這4個第1比特組 成一個新的4比特分組，稱作第一幀，4個消息分組中的比特24，也作同樣處理，如圖3-30所示。 然后依次傳送第1比特組成的幀，第2比特組成的幀，。在傳輸期間，幀2丟失，如果沒有交 織，那就會丟

3、失某一整個消息分組，但采用了交織，僅每個消息分組的第2比特丟失，再利用信道編碼， 全部分組中的消息仍能得以恢復，這就是交織技術(shù)的基本原理。概括地說，交織就是把碼字的b個比特分散到n個幀中，以改變比特間的鄰近關(guān)系，因此n值越大， 傳輸特性越好，但傳輸時延也越大，所以在實際使用中必須作折衷考慮。基本原理交織原理交 織原理交織其實是通信系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)處理而采用的一種技術(shù)，交織器從其本質(zhì)上來說就是一種實現(xiàn)最大限度的改變信息結(jié)構(gòu)而不改變信息內(nèi)容的器件。從傳統(tǒng)上來 講就是使信道傳輸過程中所突發(fā)產(chǎn)生集中的錯誤最大限度的分散化。因此，具體來講也許數(shù)據(jù)置亂器這個稱呼更加符合交織器其本質(zhì)，會讓人們對交織器的基本工

4、作 機理有更多的感性認識。 假定由一些4比特組成的消息分組，把4個相繼分組中的第1個比特取出來，并讓這4個第1比特組 成一個新的4比特分組，稱作第一幀，4個消息分組中的比特24，也作同樣處理，如圖所示。 然后依次傳送第1比特組成的幀，第2比特組成的幀，。在傳輸期間，幀2丟失，如果沒有交 織，那就會丟失某一整個消息分組，但采用了交織，僅每個消息分組的第2比特丟失，再利用信道編碼， 全部分組中的消息仍能得以恢復，這就是交織技術(shù)的基本原理。概括地說，交織就是把碼字的b個比特分散到n個幀中，以改變比特間的鄰近關(guān)系，因此n值越大， 傳輸特性越好，但傳輸時延也越大，所以在實際使用中必須作折衷考慮。規(guī)則交織

5、器分組交織器生成示意圖分 組交織器生成示意圖規(guī)則交織器是最早應(yīng)用于信道編碼中的，其實它就是通常我們所說的分組交織器，也就是行讀列出或列讀行出的交織器，從圖3這個簡單的3 x 3 交織矩陣可以看出一共有32種交織方式的存在，然而這32種讀法中雖然有許多在形式上不同，但就其本質(zhì)來講所表現(xiàn)的特性卻是完全一致的。所以它們又可以歸 納為有限的四種形式，我們用L代表左，R代表右，T代表上，B代表下，則這四種交織器依次可以表示成：LR/TB，LR/BT，RL/TB ，RL/BT 。其中LR 表示由左至右寫人，TB 表示由上至下讀出，其它的表示形式也依此類推。有文獻對第二、三種交織器進行了詳細的比較稱之為典型

6、的分組交織器，最后推出第二種交織器比較好，但是此種 交織方式對于奇數(shù)行乘以奇數(shù)列的方陣來說，會由于交織前后的不動點太多而使交織前后的相關(guān)性很大，而如果采用第一、四種交織則效果會更好，這是由于用此交 織方式在交織前后的不動點最多為1 ，從而大大減小了信息之間的相關(guān)性。不規(guī)則交織器交織方式示意圖其 實不規(guī)則交織器的形式大部分是由我們上面所提及的4種分組交織器演變而來的，目前主要有對角交織器、螺旋交織器、奇偶交織器等形式，對角交織器和螺旋交織 器都是采用行寫而對角讀出的方式，兩者不同是在于對角交織器是行寫然后從第一行的第一個元素開始以對角方式讀出，而螺旋交織器則是從最后一行的第一個元素 開始以對角的

7、方式讀出，具體的示意圖如圖所示。 交織方式示意圖圖中所示的是3 x 3的交織矩陣，箭頭所示的方向便為讀寫方向，從總體上來說這兩種交織器是由分組交織器演變而來的，其性能要比典型的分組交織器好一些。而下面提到的奇偶交 織器并不是一種獨立的交織器生成方法，而是配合刪余技術(shù)在交織器生成時加上限制條件的一種方法。刪余技術(shù)其實就是在編譯碼過程中將信息以刪余截短碼的形式 送入信道，收端通過加入模擬零的方式加以恢復，這本身對碼元的糾錯能力將打折扣，但是卻能提高編碼效率。因此，刪余技術(shù)在編碼中通常被廣泛使用，但研究者 發(fā)現(xiàn)，在Turbo碼中因為應(yīng)用此技術(shù)而帶來的影響比在其應(yīng)用于其它的傳統(tǒng)編碼中的影響會更大，這是

8、因為在Turbo碼中冗余位的作用很大，正是亂序編碼 產(chǎn)生的冗余位才引入了交織器的隨機性，一般的編碼在采取了刪余技術(shù)以后，冗余位對信息位的保護是平衡的，而在Turbo碼中由于交織器的使用，如果采取不 恰當?shù)慕豢椃绞骄蜁休^壞的情況發(fā)生，即有可能是有的信息位有重復的對應(yīng)冗余位送入信道而有的信息位卻無對應(yīng)的冗余位送入信道，這就造成了冗余位對信息位 保護不均的現(xiàn)象，也勢必會影響碼元的糾錯能力。為此采用奇偶交織方式就可以很好的解決這個問題，它會在生成截短Turbo碼的同時，每次分別將經(jīng)由編碼器 對應(yīng)于輸入的奇數(shù)和偶數(shù)信息位所產(chǎn)生的冗余位交替的送往信道，這樣就可以保證信息序列中的每一位均有對應(yīng)的元余位通過

9、信道傳輸送抵至譯碼器，從而使編譯碼 器工作在正常狀態(tài)下。隨機交織器Turbo碼編譯碼其結(jié)構(gòu)框圖隨 機交織器是最近剛剛興起的一種交織器，其實我們也可以說它是隨著Turbo碼的產(chǎn)生而被日益廣泛的應(yīng)用起來的。顧名思義，隨機交織器應(yīng)該實現(xiàn)的思想便是隨 機交織過程，但是我們現(xiàn)在所說的隨機交織器大部分恰當?shù)膩碇v應(yīng)該稱之為偽隨機交織器。這是因為從Turbo碼的編譯碼器結(jié)構(gòu)可以看出 。 Turbo碼編譯碼其結(jié)構(gòu)框圖譯碼器中的交織器是要與編碼器中的交織器相對應(yīng)的。而分組交織器 是以規(guī)則的順序進行交織的，所以在收發(fā)兩端可以通過一定的協(xié)議來確定交織器的工作方式。但是在采用了隨機交織器的Turbo碼系統(tǒng)中，由于對于每

10、一組信息 序列所產(chǎn)生的交織后的結(jié)果是隨機性的，而譯碼器則要求對每幀數(shù)據(jù)都要有相應(yīng)的交織順序，所以在傳輸編碼序列的同時，在信道上還要傳輸交織器的信息，這不僅 加大譯碼器的復雜度，而且也加大了信道負載，而且如果在中途交織器信息出現(xiàn)錯誤，則會使譯碼的i吳碼增多，所以現(xiàn)在所采用的隨機交織器都是偽隨機的，是事 先經(jīng)過隨機選擇而生成的一種性能較好的交織方式，然后將其做成表的形式存儲起來而進行讀取的。 隨機交織器的隨機性能主要取決于隨機數(shù)的產(chǎn)生方式、交織器主要參數(shù)S、取值的選取等方面?，F(xiàn)在 主要有利用基于線性取余貝斯-拉姆洗牌技術(shù)以及對系統(tǒng)時鐘進行隨機抽樣產(chǎn)生隨機數(shù)的方法。 除了隨機數(shù)的產(chǎn)生方法不同之外，現(xiàn)

11、在人們將目光都投向了如何利用交織器的主要參數(shù)而設(shè)計出較好 的隨機交織器這一方向上來，由此我們介紹幾種基本的隨機交織器。 1. S-隨機交織器這種交織器其實隨機數(shù)的產(chǎn)生是與其它交織器一樣的，只不過它有一個附加條件，要求在交織前的信息序列長為S的各信息位在交織后必須相鄰大于 S+1個單位，其實也就是讓交織器擁有最大分散因子參數(shù)的特性。目前在Turbo碼中采用的大部分都是這種交織器或是由此而情變出的S-隨機交織器。2. T-隨機交織器這種交織器其實是一種特殊的隨機交織器，它要求碼字中的任何一對相鄰的信息位在交織后的距離要大于整個碼的約束長度，它只適合于那些由重量 為2且兩個"1"

12、 信元相鄰K個單位的碼而產(chǎn)生的最小漢明重量的信息序列。一般來講，只有采用K3的卷積碼才能產(chǎn)生出符合此種要求的隨機交織器。3. S-T-隨機交織器此交織器其實是對S-隨機交織器和T-隨機交織器兩種產(chǎn)生條件的綜合，實現(xiàn)起來就更加困難了，屬于較為特殊的隨機交織器。 綜上所述，從總體上來講S隨機交織器比較容易生成，而且生成速度較快，是較為理想的隨機交織 器，而其它兩種只是在特殊場合下才得以應(yīng)用。所以現(xiàn)在應(yīng)用的大部分隨機交織器應(yīng)該都是屬于S-隨機交織器。我們在下面提到的隨機交織器都是指S-隨機交織 器。Turbo 碼中的應(yīng)用Turbo 碼的譯碼結(jié)構(gòu)圖在前文中我們已經(jīng)提到自從交 織器應(yīng)用到信道編碼中尤其是

13、在近幾年剛剛興起的Turbo 碼中，它的對編碼整體性能的影響已經(jīng)越來越受到人們的重視。每種事物的產(chǎn)生必定有它的原因，也肯定有優(yōu)劣不同的成分，對于交織器當然也不能違反這一客觀規(guī) 律。在Turbo碼中其實是可以利用任何一種交織器的，只是由于針對誤碼率，通信延時或幀長等一系列性能要求，人們就必須選擇一個能使編碼整體性能有所保 障的最佳交織器，下面我們就結(jié)合各種交織器的優(yōu)缺點將其在Turbo 碼不同場合下應(yīng)用中的情況簡要的分析一下： Turbo 碼的譯碼結(jié)構(gòu)圖在傳輸信息幀較短的通信系統(tǒng)中應(yīng)用Turbo碼，采用分組交織更有利一些。這是由于隨機交織器在數(shù)據(jù)幀較短時計算產(chǎn)生的隨機數(shù)之間存在著較 大的相關(guān)性。

14、從現(xiàn)有的分析及計算機仿真結(jié)果可以得知對于幀長較短的信息序列，當信噪比( SNR)較低肘，分組交織器的性能要優(yōu)于隨機交織器性能。就是在信噪比較大時，前者還是稍優(yōu)于后者的。例如：在個人通信中最常用的話音標準率為 9.6kbit/s，相應(yīng)的每幀數(shù)據(jù)長度為192bit，在信噪比小于2.5dB時，采用分組交織器的效果明顯比隨機交織器好，就是在信噪比較大時，前者 也是略優(yōu)于后者的。所以，對于短幀通信，相比來說還是采用分組交織器比較好。 而當傳輸信息幀較大時，采用分組交織器的Turbo碼要比采用隨機交織器在譯碼性能的體現(xiàn)上遜 色不少。這是由于隨著交織長度的增大，分組交織前后信息序列的比特位不動點增多，相關(guān)性

15、加大，而隨機交織器隨機數(shù)的產(chǎn)生卻越來越均勻，交織前后序列相關(guān)性 將逐漸減小。但是相對于分組交織器它的生成時間卻會變得越來越長，從而導致整個系統(tǒng)時延的增大。所以，在信息幀長較長且對譯碼精確度要求較高但卻不要求太 高的實時性的通信系統(tǒng)中，最好是采用隨機交織器。這樣就可以使得Turbo碼的整體性能達到最佳狀態(tài)，例如，宇航器與地面之間的通信，要求宇航器的信息可 以在全部接收后慢慢譯，可以不考慮延時的影響，因此使用帶有隨機交織器的Turbo碼不失為一種好的選擇。不規(guī)則交織器雖然從形式土不同于兩種交織器，但 是大部分是對交織器的一種改進或限制。在本質(zhì)上是沒有什么變化的，其性能從總體上來說是介于兩種交織器之

16、間的，所以就不再詳細說明。而在具體工程應(yīng)用中， 有時針對分組交織器和隨機交織器各自的特點，將二者有機的結(jié)合起來組成新的交織器以滿足一定通信系統(tǒng)的要求，這就是混合型交織器。其生成的基本原理就是在 分組交織的思想下進行隨機的讀寫。從廣義上說其實亦是屬于隨機交織器的一種。GSM系統(tǒng)中的應(yīng)用 GSM 20ms話音編碼交織在 GSM系統(tǒng)中，信道編碼后進行交織，交織分為兩次，第一次交織為內(nèi)部交織，第二次交織為塊間交織。 GSM 20ms話音編碼交織話音編碼器和信道編碼器將每一20ms話音數(shù)字化并編碼，提供456個比特。首先對它進行內(nèi)部交織，即將456個比特分成8幀，每幀 57比特，見圖所示。 如果將同一2

17、0ms話音的2組57比特插入到同一普通突發(fā)脈沖序列中(見圖)，那么該突發(fā)脈沖 串丟失則會導致該20ms的話音損失25的比特，顯然信道編碼難以恢復這么多丟失的比特。因此必須在兩個話音幀間再進行一次交織，即塊間交織。普通突發(fā)脈沖串普通突發(fā)脈沖串把每20ms話音456比特分成的8幀為一個塊，假設(shè)有A、B、C、D四塊，見 圖所示，在第一個普通突發(fā)脈沖串中，兩個57比特組分別插入A塊和D塊的各1幀(插入方式如圖、所示，這就是二次交織)，這樣一個20ms的話音8幀分別 插入8個不同普通突發(fā)脈沖序列中，然后一個一個突發(fā)脈沖序列發(fā)送，發(fā)送的突發(fā)脈沖序列首尾相接處不是同一話音塊，這樣即使在傳輸中丟失一個脈沖串，只影響 每一話音比特數(shù)的12.5，而這能通過信道編碼加以校正。二次交織二次交織經(jīng)得住喪失一整 個突發(fā)脈沖串的打擊，但增加了系統(tǒng)時延。因此，在GSM系統(tǒng)中，移動臺和中繼電路上增加了回波抵消器，以改善由于時延而引起的通話回音。存在問題及發(fā)展方向二次交織交 織技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，使得好的長碼構(gòu)造置成了可能，使得迭代算法也得到了充分的利