基于Matlab的Turbo碼仿真研究

摘 要：為了使Turbo碼仿真更容易,研究并建立了基于Matlab中Simulink通信模塊的Turbo碼仿真模型。Turbo碼編碼器采用兩個相同的分量編碼器通過交織器并行級聯而成。Turbo碼譯碼器采用不同的譯碼算法,這些算法由s函數調用m文件實現。使用所建立的模型進行仿真,結果表明,在信噪比相同的情況下,交織長度越大、迭代次數越多、譯碼算法越優,Turbo碼性能越好。設計實際系統時,應綜合考慮各因素。
????關鍵詞：Turbo碼；Simulink仿真；交織長度；迭代次數；譯碼算法
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????0 引 言
???? Shannon編碼定理指出：如果采用足夠長的隨機編碼,就能逼近Shannon信道容量。而Turbo碼以其接近Shannon理論極限的譯碼性能,已被采納為3G移動通信系統的信道編碼標準之一。Turbo碼巧妙地將兩個簡單分量碼通過偽隨機交織器并行級聯來構造具有偽隨機特性的長碼,并通過在兩個軟輸入/軟輸出(SISO)譯碼器之間進行多次迭代實現了偽隨機譯碼。采用迭代譯碼的方法來提高通信系統的譯碼性能是Turbo碼的最大特點。
???? Turbo碼的編碼器、譯碼器結構繁瑣,是一種非常復雜的信道編碼方案,這使得對Turho碼的理論分析十分困難,且只能對運算復雜度作宏觀分析,對Turbo碼的具體實現并沒有一個清楚的度量。因此,使用計算機對Turbo碼進行仿真分析是十分必要的。
???? 本文分析了Turbo碼編碼譯碼的原理,考慮到Turbo碼系統編譯碼的數據處理量很大,利用生成矩陣對信息序列進行編碼、譯碼時的迭代計算等等,都涉及了矩陣運算,故采用Matlab/Sireulink來進行建模仿真,同時分析了迭代次數、交織長度及不同譯碼算法對Turbo碼性能的影響。
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????l Turbo碼的編碼器和譯碼器原理
????1．1 Turbo碼編碼器組成
???? Turbo碼的編碼器的基本結構如圖1所示。
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???? Turbo碼編碼器主要由兩個遞歸系統卷積編碼器(RSC)、一個交織器與一個刪余和復用單元組成。遞歸系統卷積編碼器是指帶有反饋的系統卷積編碼器,其碼率可設為R=k/n；交織器用來改變信息序列的排列順序,獲得與原始信息序列內容相同,但排列不同的信息序列；刪余和復用單元的作用是從總體上改善Turbo碼碼率,因此通過刪余和復用單元,Turbo碼可以獲得不同碼率的碼字。編碼器的碼字通過信道輸出到譯碼器內。
????1．2 Turbo碼譯碼器原理
???? Turbo碼譯碼器基本結構如圖2所示。
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???? Turbo碼譯碼器由兩個軟輸入/軟輸出(SISO)譯碼器DECl和DEC2串行級聯組成,交織器與編碼器中所使用的交織器相同。譯碼器DECl對分量碼RSCl進行最佳譯碼,產生關于信息序列中每一比特的似然信息,并將其中的“新信息”經過交織送給DEC2,譯碼器DEC2將此信息作為先驗信息,對分量碼RSC2進行最佳澤碼,產生蓉于交織后的信息序列中每一比特的似然比信息,然后將其中的“外信息”經過解交織送給DECl,進行下一次譯碼。這樣,經過多次迭代,DECl或DEC2的外輸出信息趨于穩定,似然比漸近值逼近于對整個碼的最大似然譯碼,然后對此似然比進行硬判決,即可得到信息序列的最佳估計值。
2 仿真模型的建立
???? 仿真模型包括信源、編碼器、信道、譯碼器和信宿五個部分。
???? 在模型中,可以任意改變的參數值為：
???? N：交織器的大小,即Turbo碼的分組長度,也即每個分組所包含的信息序列的長度。
???? 信道類型選擇：Sireulink模塊中可以選擇設置高斯白噪聲信道(AWGN)或多徑瑞利衰落信道(ReyleighFading)。
???? 譯碼算法選擇：Log—MAP,Max—Log—MAP和SOVA三種譯碼算法。
???? SNR：信號與噪聲強度比值。
???? 迭代次數：迭代次數的不同對譯碼器輸出有著一定的影響。
????2．1 Turbo編碼模塊
???? 本模型中Turbo碼編碼器采用兩個相同的分量編碼器通過交織器并行級聯而成。分量編碼器是碼率為R=1/2的循環系統卷積碼。
???? 首先用貝努利發生器(Bernoulli Binary Genera—tor)產生序列,從參數面板調節幀大小和采樣率。原始序列進入第1卷積編碼器(Convolutional Encoder),并經過隨機交織器(Random Interleaver)后進入第2卷積編碼器(Convolutional Encoderl)。刪余模塊1,2同時接在第1卷積編碼器的后面。刪余模塊1(puncturel)的輸出為第1卷積編碼輸出的奇序列,刪余模塊2(puncture2)的輸出為第1卷積編碼輸出的偶序列。第3個刪余模塊(puncture3)接在第2卷積編碼器的后面,其輸出第2卷積編碼輸出的偶序列。這3路序列經過串并變換后合成一路序列,作為Turbo編碼輸出。

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