基于Matlab 的突發(fā)干擾仿真平臺(tái)及應(yīng)用

于 佳 徐健輝

（1.吉林市第四中學(xué)，吉林 吉林 132000；2.沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件學(xué)院，遼寧 沈陽 110044）

0 緒論

本文首先介紹了課題的研究背景，其次概述Turbo 碼的起源和發(fā)展現(xiàn)狀，最后給出本文的框架安排。

1 信道編碼概述

信道編碼的起源

千百年來，努力創(chuàng)造更穩(wěn)定，更快速的信息傳輸方式，一直是人們不懈追求的目標(biāo)。在現(xiàn)代社會(huì)，通信技術(shù)飛速發(fā)展，通信技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。 可以傳輸?shù)膶?duì)象遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止最原始的電報(bào)那么單調(diào)。 得益于現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)，文本、語音、視頻等媒體信號(hào)均可以快速高質(zhì)量地進(jìn)行傳輸，現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)的基本框圖如圖1。

圖1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型

從圖1 中我們可以看到，最右側(cè)的框圖代表噪聲源。 在實(shí)際工程中，任何信道都會(huì)存在噪聲，從而在傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)誤，這是無法避免的。如何在噪聲的干擾下，盡量穩(wěn)定、可靠地將信息由發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗?，是貫穿通信理論的一個(gè)經(jīng)典問題。 信道編碼理論就是由此應(yīng)運(yùn)而生，它承擔(dān)著糾正信道傳輸中的各種錯(cuò)誤的功能。

信道編碼理論的基本思想是，在碼元發(fā)送端添入一定數(shù)量的冗余碼元[1]。 也就是所謂的監(jiān)督碼元，形成“抗干擾碼字”。 其中監(jiān)督碼元的產(chǎn)生和加入要嚴(yán)格按照一定的規(guī)則，即它與信息碼元之間必須滿足某種聯(lián)系規(guī)律。 這種聯(lián)系規(guī)律就叫做約束關(guān)系。 如果某位信息碼元在傳輸?shù)倪^程中受到了噪聲的影響而發(fā)生了差錯(cuò)，那么其和監(jiān)督碼元之間的約束關(guān)系肯定會(huì)受到破壞。當(dāng)受到破壞的約束關(guān)系在接收端被檢驗(yàn)時(shí)，錯(cuò)誤就會(huì)顯示出來，以便于我們對(duì)其進(jìn)行糾正。

我們知道，任何一種理論都不是完美的，都有自己的局限性。信道編碼理論也是如此。 其始終致力于改善系統(tǒng)通信的可靠性和正確性，但是因?yàn)楸O(jiān)督碼元的加入會(huì)占用通信資源，因而必須付出降低信息傳輸速率的代價(jià)[2]。在實(shí)際的通信工程設(shè)計(jì)中，信道編碼方案的設(shè)計(jì)者必須要綜合考慮，包括頻率的范圍，信道衰落的信道條件、通話質(zhì)量等因素，進(jìn)行合理均衡的設(shè)計(jì)。

2 Turbo 碼的簡(jiǎn)介

2.1 Turbo 碼的研究現(xiàn)狀

在譯碼算法方面，Turbo 碼目前所采用的譯碼算法主要是MAP 算法、Log-MAP 算法與SOVA 算法。 其中MAP 算法譯碼性能最優(yōu)，但也最復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用。SOVA 算法對(duì)簡(jiǎn)單，但是性能不太理想[11]。而Log-MAP 算法則進(jìn)行了一定的折中， 既對(duì)MAP 算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，降低了譯碼復(fù)雜度，同時(shí)還保持著優(yōu)于SOVA 算法的性能，是一種經(jīng)常被采用的譯碼算法。

目前，由于其在高數(shù)據(jù)率下良好的誤碼性能，Turbo 碼方案已經(jīng)被3G 系統(tǒng)采用[12]。 只是由于算法復(fù)雜度，硬件要求，時(shí)延等因素，一直未能真正應(yīng)用到實(shí)際工程中。

在硬件設(shè)備方面，已經(jīng)有國(guó)外公司開始批量生產(chǎn)為Turbo 碼量身定做的芯片。 國(guó)內(nèi)高校也在積極探索Turbo 碼的應(yīng)用， 總的來講，Turbo 碼仍處于試驗(yàn)階段。 然而，隨著各項(xiàng)科技成果的飛速進(jìn)展，硬件性能會(huì)逐步提高，算法實(shí)現(xiàn)的難度會(huì)逐漸降低，Turbo 碼一定會(huì)受到業(yè)界越來越多的重視

3 一種改進(jìn)的Turbo 碼編譯碼方案

3.1 改進(jìn)編譯碼方案的原理框圖

改進(jìn)后的Turbo 碼編譯碼方案框圖如下：

圖2 改進(jìn)后的Turbo 碼編譯碼方案

圖3 交織器示意圖

圖3是交織器內(nèi)部的示意簡(jiǎn)圖，a1-a10,b1-b10,c1-c10 分別是編碼器對(duì)同一信息序編碼輸出的三行碼字，按輸出先后順序以行的形式存儲(chǔ)在交織器中，交織器輸出時(shí)，如箭頭所示，按列輸出，順序依次為a1,b1,c1,...,a10,b10,c10, 加入突發(fā)干擾， 然后在譯碼之前恢復(fù)原來順序，按行輸出進(jìn)行譯碼，由于信道中的突發(fā)干擾往往是連續(xù)的，所以經(jīng)過譯碼之前的順序恢復(fù)之后， 突發(fā)干擾會(huì)均勻分布在三個(gè)碼字之中，其影響被間接削弱了。 這里交織器所儲(chǔ)存的碼字行數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)，稱之為交織深度。 可以推知，在編碼碼字長(zhǎng)度相同，突發(fā)干擾長(zhǎng)度相同的情況下，交織的深度越深，分?jǐn)偟矫總€(gè)碼字上的干擾就越少，抗突發(fā)干擾能力也就越強(qiáng)。

3.2 改進(jìn)編譯碼方案的驗(yàn)證

仿真參數(shù)如下：AWGN 信道，交織器類型采用隨機(jī)交織器，交織器類型為隨機(jī)交織器，碼率取1/2，交織長(zhǎng)度取400，Turbo 碼的生成多項(xiàng)式為（7,5），突發(fā)干擾序列在信息源序列中出現(xiàn)位置為隨機(jī)，突發(fā)干擾序列的均值取0，方差取2，突發(fā)干擾序列長(zhǎng)度N 取100，譯碼算法為L(zhǎng)og-MAP 算法，交織深度分別取5 和10。

圖4 改進(jìn)后譯碼方案的性能

從圖4 中可以看出，改進(jìn)后編譯碼方案的性能較之前有明顯的提升，在突發(fā)干擾長(zhǎng)度為50 的情況下，當(dāng)交織深度達(dá)到10 的時(shí)候，誤碼性能已經(jīng)接近原譯碼方案不加突發(fā)干擾的性能，而且，其抗干擾性能隨著交織深度的增加還在不斷改善。但是這種改進(jìn)的編譯碼方案也存在著一定的局限性，即其抗干擾性能的提升是以占用更多的資源和產(chǎn)生更大的延時(shí)為代價(jià)的。

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