基于MATLAB的Turbo碼分析系統(tǒng)設(shè)計

許 娜，陳美婕

(1.山西大學電子信息工程系，山西 太原 030013；2.重慶工商大學繼續(xù)教育學院，重慶 400067)

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基于MATLAB的Turbo碼分析系統(tǒng)設(shè)計

許 娜1，陳美婕2

(1.山西大學電子信息工程系，山西 太原 030013；2.重慶工商大學繼續(xù)教育學院，重慶 400067)

在介紹了Turbo碼的編譯碼原理之后，介紹了一個基于MATLAB的Turbo碼編譯碼以及在信道中傳輸?shù)姆抡嫦到y(tǒng)。本系統(tǒng)采用(GUI)圖形界面設(shè)計，可自行設(shè)定帶傳輸數(shù)據(jù)，得到Turbo碼的編譯碼結(jié)果，給Turbo碼的學習和教學都帶來了較大方便。

Turbo碼；迭代譯碼；MAP算法；GUI

自從香農(nóng)提出信道編碼定理以后，許多學者對信道碼的研究與改進就未曾停止過。1993年，Turbo碼在國際通信會議上首次被法國學者C.Berrou等提出[1]。在加性高斯白噪聲的環(huán)境下，采用編碼效率R=1/2、交織長度為65536的Turbo碼，經(jīng)過18次迭代譯碼后，在Eb/N0=0.7 dB時，其誤碼率已低于10-5，與香農(nóng)極限只相差0.7 dB。世界各國研究學者被Turbo碼的優(yōu)越性能所深深吸引，將其作為熱點研究課題[2]。雖然到目前為止Turbo碼在數(shù)學上的機理還沒有定論，但是，Turbo碼的優(yōu)越性能及其迭代譯碼算法的思想，很大程度上已經(jīng)被人們所理解。

本文是基于MATLAB仿真平臺，采用GUI圖形界面設(shè)計，實現(xiàn)用戶與計算機程序之間的交互，能夠更直觀地反映基于Turbo碼數(shù)據(jù)傳輸，給Turbo碼的教學與自學帶來了方便。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體方案

Turbo碼仿真系統(tǒng)按照Turbo碼的基本結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 Turbo碼的系統(tǒng)框圖

1.2 Turbo碼的編碼原理

一種常用的Turbo碼編碼器如圖2所示。一個交織器將兩個分量編碼器相連接，同一輸入信息分兩路進行傳輸，經(jīng)分量編碼器1和分量編碼器2進行編碼，這兩路輸出信息由交織器來實現(xiàn)盡量不相關(guān)。通常只需要從其中一路選取信息比特序列的輸出即可，由于要從實現(xiàn)方面進行考慮，所以要選取未經(jīng)交織處理的一路信息比特序列。同時，為了提高編碼的速率，校驗信息比特序列從2個分量編碼器輸出后，再經(jīng)刪余和復用，比特序列通常不采用刪余處理。

圖2 Turbo碼的編碼結(jié)構(gòu)

1.3 Turbo碼的譯碼器原理

圖3為常用的Turbo碼迭代譯碼結(jié)構(gòu)，其中Turbo碼編碼器中的兩個分量碼編碼器RSC1和RSC2分別與圖3中的分量譯碼器1和分量譯碼器2相對應(yīng)，編碼器中的交織器則與交織器、解交織器相對應(yīng)。

圖3 Turbo碼的譯碼結(jié)構(gòu)

基本譯碼過程為：先驗信息1，校驗信息1及系統(tǒng)信息通過分量譯碼器1，分量譯碼器1選取某種譯碼算法來實現(xiàn)對分量編碼器RSC1的譯碼，同時輸出信息比特的外信息1。外信息1通過交織后，輸出作為分量譯碼器2的信息比特的先驗信息2；接收到的信息序列經(jīng)過同樣的交織，作為分量譯碼器2的接收信息。交織后得到的先驗信息2、系統(tǒng)信息及校驗信息2通過分量譯碼器2實現(xiàn)分量編碼器RSC2的譯碼，生成外信息2。外信息2經(jīng)解交織后生成分量譯碼器1的先驗信息從而進入下一次迭代運算。當?shù)Y(jié)束或滿足其它某種判決要求時，再經(jīng)解交織、判決生成譯碼輸出。為了確保譯碼器彼此之間能最大程度地使用彼此的譯碼信息，軟判決譯碼信息應(yīng)該由成員譯碼器輸出，即采用二進制值0，1的概率。從以上的譯碼過程可以得出，Turbo碼的外部信息來自其他譯碼器的反饋，結(jié)構(gòu)如同渦輪發(fā)動機(turbo)，這就是“Turbo碼”名稱的由來。

1.4 常見譯碼算法

軟輸入軟輸出(SISO)譯碼算法大致分兩類：一類是MAP算法以及基于MAP算法的一些修正算法；另一類則是基于Viterbi算法的軟輸出Viterbi算法(SOVA)以及它的一些修正算法[3，4]。總體上講，MAP類算法性能優(yōu)于SOVA算法，但是實現(xiàn)復雜度要高于SOVA算法。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文主要是基于MATLAB的系統(tǒng)設(shè)計，采用GUI圖形化界面，使原本枯燥難懂的Turbo碼變得更易理解，能更加直觀地對Turbo碼中重要的參數(shù)形成感性認識。

2.1 界面設(shè)計

GUI界面如圖4，本界面的主要參數(shù)包括迭代次數(shù)、刪余選擇、譯碼算法選擇、RSC遞歸系統(tǒng)卷積編碼生成矩陣設(shè)置。

圖4 系統(tǒng)界面

另外本系統(tǒng)可以自行設(shè)置需要發(fā)送數(shù)據(jù)，并將發(fā)送過程中加入的噪聲和譯碼之前及譯碼之后的信號顯示在窗口，給出整個通信過程的大體過程。

2.2 參數(shù)說明

參數(shù)設(shè)置中，迭代次數(shù)是影響譯碼準確度的重要參數(shù)，理論上迭代次數(shù)越多，譯碼越準確，我們可以通過改變迭代次數(shù)，觀察發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的差異去驗證這一結(jié)論；不同的算法也有不同的譯碼結(jié)果，算法的優(yōu)劣也是決定譯碼準確度的重要因素，因此在本系統(tǒng)中也作為一個重要參數(shù)。

3 系統(tǒng)測試

基于MATLAB的Turbo碼分析系統(tǒng)設(shè)計采用GUI圖形界面設(shè)計，方便Turbo碼的編譯學習與實踐。如圖5，傳輸一組數(shù)據(jù)“1 0 1 1 1”，則其對應(yīng)的Turbo碼編碼將為“1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1”，加入噪聲“-0.088645 -0.090438 0.023337 0.17954 1.7577 1.0744 -0.063817 1.2625 -0.27937 -0.84734 -0.36192 -0.4822 -0.099039 -0.054559”，接收端收到的數(shù)據(jù)為“0.91136 0.90956 -0.97666 -0.82046 2.7577 0.07436 0.93618 0.26255 0.72063 -1.8473 -1.3619 0.5178 0.90096 0.94544”，譯碼之后的數(shù)據(jù)為“1 0 1 1 1”?？梢姡瑢崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)的無差錯傳輸。

圖5 系統(tǒng)測試實驗

4 不足與展望

本文基于MATLAB的Turbo碼GUI界面系統(tǒng)設(shè)計，能夠直觀地反映基于Turbo碼的數(shù)據(jù)傳輸過程，一方面有助于學生對數(shù)據(jù)傳輸形成初步的感性認識；另一方面，學生可將系統(tǒng)使用與理論學習相結(jié)合，從理論上對一組待傳輸數(shù)據(jù)進行編解碼，再通過系統(tǒng)去驗證，為Turbo碼的學習提供了方便。

另外，基于MATLAB的GUI界面設(shè)計運行速度較慢，可以嘗試基于C++、C#之類的語言進行仿真。

[1] 孫小東，于全與.Turbo碼技術(shù)最新進展[J].電信科學,2003，19(1):5-9.

[2] 謝玉明，曹素華，肖揚.Turbo編解碼結(jié)構(gòu)及基于LOG-MAP算法的性能仿真研究[J].中國鐵道科學,2005，26(1):83-89.

[3] 王學東，楊華.Turbo碼MAP譯碼器硬件實現(xiàn)的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2002，34(2):173-176.

[4] 樓喜中，毛志剛.Turbo碼Log-MAP譯碼算法簡化實現(xiàn)的研究[J].航空學報,2005，26(5):581-586.

An Analysis System for Turbo Code Technology Based on MATLAB

Xu Na1,Chen Meijie2

(1.ElectronicandInformationEngineeringDept.,ShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030013,China; 2.ContinuingEducationSchool,ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China)

Turbo code is a rather complicated code technology method.An analysis system for turbo code technology is designed and introduced in this paper.The graphics user interfaces (GUI) is developed to show the coding and decoding process of turbo code technology.On the other hand,the transmitting data can be set manually,which can provide convenience for teaching and studying.

Turbo code technology; iterative decoding; map algorithm; GUI

2016-09-06

許 娜(1986-)，女，河南周口人，助教，碩士，研究方向：視頻圖像處理及信息編碼。

1674-4578(2016)05-0064-02

TN914

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