Turbo码因其逼近香农限的优异性能,获得了国内外学者的广泛关注,并被认为是信道编码理论发展史上的一个里程碑。目前,Turbo码已经在各类无线通信系统中得到了广泛应用。尽管Turbo码的理论基础已经日渐成熟,但是对于Turbo码的重量谱特性,瀑布区的性能分析以及迭代译码的收敛性等方面的研究尚不充分。并且随着无线通信技术的飞速发展,未来的移动通信系统对Turbo码的性能和吞吐率提出更高的要求。因此,研究Turbo码的优化设计和性能分析显得十分必要。论文首先介绍了Turbo码的编码结构及其重量谱特性,阐明了准确的重量谱是Turbo码优化设计和性能分析的基础。基于约束子码的Turbo码重量谱搜索算法是目前已知最为有效的Turbo码重量谱搜索算法,但该算法的复杂度依然较高。针对该问题,本文分析和验证了合并计算连续输入和采用增强界两种改进的基于约束子码的Turbo码重量谱搜索算法的有效性,揭示了Rosnes和Ytrehus所提出的采用增强界的改进约束子码搜索算法可能存在搜索结果不完整的问题。其后,本文讨论了速率匹配穿孔Turbo (RCPT, Rate-Compatible Puncturing Turbo)码穿孔矩阵的优化设计准则。利用约束子码算法计算的准确重量谱,本文提出了改进的最优重量谱序列准则,并将该准则应用到系统RCPT码和部分系统RCPT码周期穿孔的优化设计算法中。通过仿真,验证了上述准则和算法的有效性。相关的分析结果表明,在实际应用中采用穿孔周期足够长的周期穿孔,足以保证RCPT码的性能。基于重量谱优化设计的部分系统RCPT码的性能优于伪随机穿孔的RCPT码,并且综合性能优于相同码率的系统RCPT码。与此同时,1/2码率的部分系统RCPT码在错误平层区的性能可以优于其1/3码率的母码。这种既提高码率又提高性能的特性,使部分系统RCPT码在自适应纠错编码领域拥有了广阔的应用前景。接着,本文分别介绍了估计Turbo瀑布区性能的比例定律模型、曲线拟合模型和指数模型,并对它们的估算精确度进行了验证。相关的结果表明,指数模型可以简单有效估算各种信息长度的Turbo码在瀑布区的性能,并且可以广泛地应用于各种不同的信道。结合指数模型和一致界,本文提出了一个新的混合模型,利用该模型可以准确地估计Turbo码在整个信噪比区域的误码率和误帧率。最后,本文简要介绍了外信息转移(EXIT, Extrinsic Information Transfer)图的原理与计算,并以EXIT图为分析工具对基于分块归零的Turbo并行译码方案的译码收敛性进行分析,EXIT图的结果表明了该方案具有较好的收敛性。同时,仿真结果进一步表明了基于分块归零的Turbo并行译码方案比已有的方案具有更好的译码收敛性,并且可以达到接近常规串行译码的可靠性,特别是在分块数量较少或码率较高的情况下。因此,该方案十分适合在实际应用中实现高速并行Turbo编译码。