交织的定义及原理介绍

交织的定义与原理 简介 交织器 在 陆地移动通信这种变参信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续 较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。 然而， 信道编码仅在检测和校正单 个差错和 不太长的差错串时才有效。为了解决这一问题，希望能找到把一条消 息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。 这样，在传输过 程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时， 差错也就变成单个(或长度很短)， 这时再用信道编码纠错功能纠正差错， 恢复原 消息。这种方法就是 交织技术。 在通信中， 传输信息比特差错经常是成串发生的。 这是由于持续较长的深衰 落谷点会影响到相继一串 的比特。然而，信道编码仅在检测和校正单个差错和 不太长的差错串时才有效。 为了解决这一问题， 希望能找到把一条消息中的相继 比特分散开的方法，即一条消息 中的相继比特以非相继方式被发送。这样，在 传输过程中即使发生了成串差错， 恢复成一条相继比特串的消息时， 差错也就变 成单个(或长度很短)，这时再用信道 编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。这 种方法就是交织技术。 假定由一些4比特组成的消息分组， 把4个相继分组中的第1个比特取出来， 并让这 4 个第 1 比特组 成一个新的 4 比特分组，称作第一帧，4 个消息分组中 的比特 2～4，也作同样处理，如图 3-30 所示。 然后依次传送第 1 比特组成的帧，第 2 比特组成的帧，……。在传输期间， 帧 2 丢失，如果没有交 织，那就会丢失某一整个消息分组，但采用了交织，仅 每个消息分组的第 2 比特丢失，再利用信道编码， 全部分组中的消息仍能得以 恢复，这就是交织技术的基本原理。概括地说，交织就是把码字的 b 个比特分散 到 n 个帧中，以改变比特间的邻近关系，因此 n 值越大， 传输特性越好，但传 输时延也越大，所以在实际使用中必须作折衷考虑。 基本原理 交织原理 交 织原理交织其实是通信系统中进行数据处理而采用的一种技术，交织器从其 本质上来说就是一种实现最大限度的改变信息结构而不改变信息内容的器件。 从 传统上来 讲就是使信道传输过程中所突发产生集中的错误最大限度的分散化。 因此， 具体来讲也许数据置乱器这个称呼更加符合交织器其本质，会让人们对交 织器的基本工作 机理有更多的感性认识。 假定由一些4比特组成的消息分组， 把4个相继分组中的第1个比特取出来， 并让这 4 个第 1 比特组 成一个新的 4 比特分组，称作第一帧，4 个消息分组中 的比特 2～4，也作同样处理，如图所示。 然后依次传送第 1 比特组成的帧，第 2 比特组成的帧，……。在传输期间， 帧 2 丢失，如果没有交 织，那就会丢失某一整个消息分组，但采用了交织，仅 每个消息分组的第 2 比特丢失，再利用信道编码， 全部分组中的消息仍能得以 恢复，这就是交织技术的基本原理。概括地说，交织就是把码字的 b 个比特分散 到 n 个帧中，以改变比特间的邻近关系，因此 n 值越大， 传输特性越好，但传 输时延也越大，所以在实际使用中必须作折衷考虑。 规则交织器 分组交织器生成示意图 分 组交织器生成示意图规则交织器是最早应用于信道编码中的，其实它就是通 常我们所说的分组交织器， 也就是行读列出或列读行出的交织器， 从图 3 这个简 单的 3 x 3 交织矩阵可以看出一共有 32 种交织方式的存在，然而这 32 种读法 中虽然有许多在形式上不同， 但就其本质来讲所表现的特性却是完全一致的。 所 以它们又可以归 纳为有限的四种形式，我们用 L 代表左，R 代表右，T 代表上， B 代表下，则这四种交织器依次可以表示成：LR/TB，LR/BT，RL/TB ，RL/BT 。 其中 LR 表示由左至右写人，TB 表示由上至下读出，其它的表示形式也依此类 推。有文献对第二、三种交织器进行了详细的比较称之为典型的分组交织器，最 后推出第二种交织器比较好，但是此种 交织方式对于奇数行乘以奇数列的方阵 来说， 会由于交织前后的不动点太多而使交织前后的相关性很大，而如果采用第 一、四种交织则效果会更好，这是由于用此交 织方式在交织前后的不动点最多 为 1 ，从而大大减小了信息之间的相关性。 不规则交织器 交织方式示意图 其 实不规则交织器的形式大部分是由我们上面所提及的 4 种分组交织器演变而 来的，目前主要有对角交织器、螺旋交织器、奇偶交织器等形式，对角交织器和 螺旋交织 器都是采用行写而对角读出的方式，两者不同是在于对角交织器是行 写然后从第一行的第一个元素开始以对角方式读出，而螺旋交织器则是从最后一 行的第一个元素 开始以对角的方式读出，具体的示意图如图所示。 交织方式示意图图中所示的是 3 x 3 的交织矩阵，箭头所示的方向便为读写 方向， 从总体上来说这两种交织器是由分组交织器演变而来的， 其性能要比典型 的分组交织器好一些。而下面提到的奇偶交 织器并不是一种独立的交织器生成 方法， 而是配合删余技术在交织器生成时加上限制条件的一种方法。 删余技术其 实就是在编译码过程中将信息以删余截短码的形式 送入信道，收端通过加入模 拟零的方式加以恢复， 这本身对码元的纠错能力将打折扣， 但是却能提高编码效 率。因此，删余技术在编码中通常被广泛使用，但研究者 发现，在 Turbo 码中 因为应用此技术而带来的影响比在其应用于其它的传统编码中的影响会更大， 这 是因为在 Turbo 码中冗余位的作用很大，正是乱序编码 产生的冗余位才引入了 交织器的随机性， 一般的编码在采取了删余技术以后， 冗余位对信息位的保护是 平衡的，而在 Turbo 码中由于交织器的使用，如果采取不 恰当的交织方式就会 有较坏的情况发生， 即有可能是有的信息位有重复的对应冗余位送入信道而有的 信息位却无对应的冗余位送入信道，这就造成了冗余位对信息位 保护不均的现 象， 也势必会影响码元的纠错能力。 为此采用奇偶交织方式就可以很好的解决这 个问题，它会在生成截短 Turbo 码的同时，每次分别将经由编码器 对应于输入 的奇数和偶数信息位所产生的冗余位交替的送往信道， 这样就可以保证信息序列 中的每一位均有对应的元余位通过信道传输送抵至译码器，从而使编译码 器工 作在正常状态下。 随机交织器 Turbo 码编译码其结构框图 随 机交织器是最近刚刚兴起的一种交织器，其实我们也可以说它是随着 Turbo 码的产生而被日益广泛的应用起来的。顾名思义，随机交织器应该实现的思想便 是随 机交织过程，但是我们现在所说的随机交织器大部分恰当的来讲应该称之 为伪随机交织器。这是因为从 Turbo 码的编译码器结构可以看出 。 Turbo 码编译码其结构框图译码器中的交织器是要与编码器中的交织器相 对应的。而分组交织器 是以规则的顺序进行交织的，所以在收发两端可以通过 一定的协议来确定交织器的工作方式。 但是在采用了随机交织器的 Turbo 码系统 中，由于对于每一组信息 序列所产生的交织后的结果是随机性的，而译码器则 要求对每帧数据都要有相应的交织顺序，所以在传输编码序列的同时，在信道上 还要传输交织器的信息，这不仅 加大译码器的复杂度，而且