Sürekli faz modülasyonununçok düzeyli turbo kodlanması
Multilevel turbo coded continuous phase modulation
Yazar: NİYAZİ ODABAŞIOĞLU
Danışman: PROF. DR. OSMAN NURİ UÇAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tezde, turbo kodların çok düzeyli kodlanmasına ilişkin bir yöntem geliştirilereksürekli faz modülasyonunun geliştirilen bu yöntemle kodlanması önerilmiştir. Önerilenyöntem için örnek sistemler tasarlanmış ve bu örnek sistemlerin hem toplamsal beyazgaus gürültülü (AWGN) kanallar hem de sönümlemeli kanallardaki hata başarımlarıincelenmiştir.Turbo kodlar literatürde şu ana kadar bulunmuş en verimli hata düzeltme kodlarındanbiridir. Turbo kodlar büyük boyutlu karıştırıcılar ve oldukça basit alt kodlayıcılarkullanarak Shannon limitine çok yakın bir performans gösterirler. Turbo kodların enönemli özelliği Claude Shannon tarafından öngörülen teorik limite oldukça yakın, güçverimliliği yüksek güvenilir bir iletişim sağlamasıdır. Büyük boyutlu serpiştiricikullanma ve kodçözmede çok sayıda iterasyon gerekliliği ise turbo kodların en önemlidezavantajlarıdır. Tezde, turbo kodlara ait bu dezavantajların giderilmesi için, turbokodların çok düzeyli kodlama tekniğiyle kodlanması üzerinde durulmuştur. Çok düzeylikodlama tekniği, kolay kodlayıcı tasarımlarına imkan veren ve kod çözmekarmaşıklığını arttırmadan güç kazancı sağlayan önemli bir kanal kodlama tekniğidir.Çok düzeyli kodlayıcı, birkaç hata düzeltme kodunun kombinasyonundan oluşmaktadır.Çok düzeyli kodlamada kanala iletilecek işareti oluşturmak için her bir işaretleşmearalığında hata denetleme kodlayıcılarının bir ya da daha fazla çıkış biti kullanılabilir.Tezde çok düzeyli kodlayıcının herbir düzeyinde bir turbo kodlayıcı kullanılmış böylecehem kodlayıcı tasarımları kolayca yapılmış hem de kod çözme karmaşıklığıarttırılmadan turbo kodların kodlama kazancı daha da arttırılmıştır.Sürekli Faz Modülasyonu (SFM) sabit zarf, band ve güç verimliliği özelliklerindendolayı güç ve band sınırlı kanallar için oldukça uygun bir modülasyon yöntemidir.viiiSFM bilinen faz modülasyonunun sürekli fazlı biçimidir ve faz sürekliliğinden dolayıradyo spektrumunu oldukça verimli kullanır. Bütün bu üstün özelliklerinden dolayı butezde sürekli faz modülasyonunun tasarlanan kodlama kazancı yüksek çok düzeyli turbokodlarla kodlanmasına ilişkin bir yöntem geliştirilmiştir. Sürekli Faz modülasyonununkodlanmasında en önemli kısıtlamayı kanala iletilecek işaretlerin sürekli faza sahipolma zorunluluğu oluşturur. Tezde önerilen yöntemde sürekli faz şartının sağlanmasıiçin çok düzeyli kodlayıcının son düzeyinde faz bilgisini tutan sürekli faz kodlayıcısıkullanılarak bu şart sağlanmıştır. Böylece sürekli faz modülasyonu, sürekli faz özelliğibozulmadan çok düzeyli turbo kodlarla kodlanarak hem iletim bandını verimli kullananhem de kodçözme karmaşıklığını arttırmadan yüksek kodlama kazancına sahip sistemleroluşturulmuştur.Ayrıca önerilen sisteme örnek olması açısından iki adet sistem tasarımı yapılmıştır. Busistemler iki düzeyli turbo kodlanmış 4'lü CPFSK sistemi ve üç düzeyli turbokodlanmış 8'li CPFSK sistemidir. Bu sistemlerin AWGN ve sönümlemeli kanallardakihata başarım eğrileri çıkarılmış literatürde bulunan benzer sistemlerle karşılaştırılarakhata başarım üstünlükleri ortaya konulmuştur.ix

Abstract:
In this thesis, multilevel turbo codes are first introduced and then applied to continuousphase modulation. Thus, multilevel turbo coded continuous phase modulation systems(MLTC-CPM) are also introduced. Performance issues of the proposed schemes areexplored based on the evaluation of Bit-Error rate (BER) bounds for both additive whiteGaussian channel (AWGN) and fading channels as well.Turbo codes are one of the most efficient error control codes that has ever beenproposed in the literature till now. The performance of these codes is close to theShannon-limit with relatively simple component codes and large size interleavers. Theimportance of turbo codes is that they enable reliable communications with powerefficiencies close to the theoretical limit predicted by Claude Shannon. Classical turbocodes require large frame sizes and high number of iterations at receiver side to obtainbetter bit error rates. These requirements bring two major disadvantages of turbo codestogether. To eleminate these disadvantages, multilevel coding (MLC) technique is usedtogether with turbo codes. Multilevel coding is one of the most important channelcoding technique which makes more simple encoder design process possible andprovides power efficiency without increasing decoding complexity. Multilevel encoderconsists of several error control encoder combinations. Multilevel coding schemeemploys, at each signalling interval, one or more output bits of each of several errorcontrol encoders. In this study, one turbo code is used in every level of multilevelencoder, thus encoder is simply designed without increasing the complexity of decodingand the coding gain of turbo codes are more increased.Continuos Phase Modulation (CPM) is very convenient for mobile radio and satellitecommunication because of its constant envelop property, power and spectral efficiency.CPM is the continous phase version of known phase modulation and via its phasexcontinuity it uses radio spectrum highly efficiently. Due to its superior propertiesmentioned above, in this thesis, a new coding technique for continuous phasemodulation by using multilevel turbo code is designed and the whole system is called?Multivel Turbo Coded Continuous Phase Modulation?. The most important constraintin encoding of continuous phase modulation is the fact that the signals which aretransmitted to the channel must have continuous phase. In the method proposed in thisstudy, this constraint is fullfilled by using continuous phase encoder which keeps phaseinformation at the last level of multilevel encoder. Hence, continuous phase modulationis encoded with multilevel turbo codes without loosing its continuous phase propertiesto get systems which not only uses trasmission band efficiently but also has highercoding gain without increasing the decoding complexity.In order to study the performance of the proposed scheme, two different system areconsidered. These systems are two level turbo coded 4-ary CPFSK and three level turbocoded 8-ary CPFSK. Error performance curves of these systems in AWGN and fadingchannels are obtained and compared with other systems which are used in the literatureand performace superiorities of the proposed system are presented.xi