Декодирование входного сигнала с использованием схемы параллельного конкатенированного декодирования
comm.TurboDecoder Система object™ использует схему параллельного конкатенированного декодирования для декодирования кодированного входного сигнала. Входной сигнал обычно является выходным сигналом мягкого решения из операции демодуляции основной полосы частот. Дополнительные сведения см. в разделе Схема параллельного конкатенированного сверточного декодирования.
Для декодирования входного сигнала с использованием схемы параллельного конкатенированного декодирования:
Создать comm.TurboDecoder и задайте его свойства.
Вызовите объект с аргументами, как если бы это была функция.
Дополнительные сведения о работе системных объектов см. в разделе Что такое системные объекты?.
turbodec = comm.TurboDecoder
turbodec = comm.TurboDecoder(trellis,interlvrindices,numiter)TrellisStructure, InterleaverIndices, и numiterсоответственно. trellis входные данные должны быть указаны в соответствии с описанием TrellisStructure собственность. interlvrindices входные данные должны быть указаны в соответствии с описанием InterleaverIndices собственность. numiter входные данные должны быть указаны в соответствии с описанием NumIterations собственность.
turbodec = comm.TurboDecoder(___,Name,Value)comm.TurboDecoder('InterleaverIndicesSource','Input port') конфигурирует системный объект турбодекодера с индексами перемежителя, которые должны подаваться в качестве входного аргумента в системный объект при его вызове.
decmsg = turbodec(codeword)turbodec возвращает двоичные декодированные данные. Дополнительные сведения см. в разделе Схема параллельного конкатенированного сверточного декодирования.
decmsg = turbodec(codeword,interlvrindices)'Input port'. Индексы перемежителя определяют отображение, используемое для перестановки входного сигнала в декодере.
decmsg = turbodec(codeword,interlvrindices,inindices)'Input port'. Значения векторов входных индексов должны быть относительно полностью закодированных данных, включая конечные биты для схемы кодирования для всех потоков.
Чтобы использовать функцию объекта, укажите объект System в качестве первого входного аргумента. Например, для освобождения системных ресурсов объекта System с именем obj, используйте следующий синтаксис:
release(obj)
Определите выходные индексы с помощью OutputIndices для турбокодирования и определения входных индексов с помощью InputIndices свойство для турбодекодирования. Отображение полноразмерного проколотого кодирования и декодирования для кода со скоростью 1/2 и 10-битовой длины блока.
Инициализация параметров
Определите параметры для инициализации кодировщика.
blkLen = 10; trellis = poly2trellis(4,[13 15],13); n = log2(trellis.numOutputSymbols); mLen = log2(trellis.numStates);
Полноразмерное кодирование и декодирование
Инициализация переменных и турбокодирование и декодирование системных объектов для полноразмерного кодирования. Турбокодирование и декодирование сообщения. Отображение скорости турбокодирования. Проверьте длину закодированного выходного сигнала по сравнению с длиной вектора выходных индексов.
fullOut = (1:(mLen+blkLen)*2*n)'; outLen = length(fullOut); netRate = blkLen/outLen; data = randi([0 1],blkLen,1); intIndices = randperm(blkLen); turboEnc = comm.TurboEncoder('TrellisStructure',trellis); turboEnc.InterleaverIndices = intIndices; turboEnc.OutputIndicesSource = 'Property'; turboEnc.OutputIndices = fullOut; turboDec = comm.TurboDecoder('TrellisStructure',trellis); turboDec.InterleaverIndices = intIndices; turboDec.InputIndicesSource = 'Property'; turboDec.InputIndices = fullOut; encMsg = turboEnc(data); % Encode disp(['Turbo coding rate: ' num2str(netRate)])
Turbo coding rate: 0.19231
encOutLen = length(encMsg) % Display encoded lengthencOutLen = 52
isequal(encOutLen,outLen) % Check lengthsans = logical
1
rxMsg = turboDec(2*encMsg-1); % Decode isequal(data, rxMsg) % Compare bits with decoded bits
ans = logical
1
Проколотое кодирование и декодирование
Укажите выходные индексы для прокалывания второго систематического потока с помощью getTurboIOIndices функция. Инициализация переменных и турбокодирование и декодирование системных объектов для проколотого кодирования. Турбокодирование и декодирование сообщения. Отображение скорости турбокодирования. Проверьте длину закодированного выходного сигнала по сравнению с длиной вектора выходных индексов.
puncOut = getTurboIOIndices(blkLen,n,mLen); outLen = length(puncOut); netRate = blkLen/outLen; data = randi([0 1],blkLen,1); intIndices = randperm(blkLen); turboEnc = comm.TurboEncoder('TrellisStructure',trellis); turboEnc.InterleaverIndices = intIndices; turboEnc.OutputIndicesSource = 'Property'; turboEnc.OutputIndices = puncOut; turboDec = comm.TurboDecoder('TrellisStructure',trellis); turboDec.InterleaverIndices = intIndices; turboDec.InputIndicesSource = 'Property'; turboDec.InputIndices = puncOut; encMsg = turboEnc(data); % Encode disp(['Turbo coding rate: ' num2str(netRate)])
Turbo coding rate: 0.25641
encOutLen = length(encMsg) % Display encoded lengthencOutLen = 39
isequal(encOutLen, outLen) % Check lengthsans = logical
1
rxMsg = turboDec(2*encMsg-1); % Decode isequal(data, rxMsg) % Compare bits with decoded bits
ans = logical
1
Сравнение полных и проколотых выходных данных
Выходной сигнал кодера чередует отдельные потоки битов. Третий бит каждого 4-битного кортежа удаляется из полноразмерного кода для получения проколотого кода. Этот третий выходной битовый поток соответствует второму систематическому битовому потоку. Отображение индексов полноразмерного кода и индексов проколотого кода, чтобы показать, что третий бит каждого 4-разрядного кортежа проколот.
fullOut'
ans = 1×52
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
puncOut'
ans = 1×39
1 2 4 5 6 8 9 10 12 13 14 16 17 18 20 21 22 24 25 26 28 29 30 32 33 34 36 37 38 40 41 42 44 45 46 48 49 50 52
Моделирование передачи и приема данных BPSK по каналу AWGN с использованием турбокодирования и декодирования.
Укажите параметры моделирования, а затем вычислите эффективную скорость кодирования и дисперсию шума. Для модуляции BPSK равно , поскольку количество битов на символ (бит/с) равно 1. Чтобы облегчить повторное использование этого кода для других схем модуляции, вычисления в этом примере включают в себя члены бит/с. Определите длину пакета, решетчатую структуру и количество итераций. Рассчитайте дисперсию шума с помощью и кодовой скорости. Установите генератор случайных чисел в состояние по умолчанию, чтобы гарантировать повторяемость результатов.
modOrd = 2; % Modulation order bps = log2(modOrd); % Bits per symbol EbNo = 1; % Energy per bit to noise power spectral density ratio in dB EsNo = EbNo + 10*log10(bps); % Energy per symbol to noise power spectral density ratio in dB L = 256; % Input packet length in bits trellis = poly2trellis(4,[13 15 17],13); numiter = 4; n = log2(trellis.numOutputSymbols); numTails = log2(trellis.numStates)*n; M = L*(2*n - 1) + 2*numTails; % Output codeword packet length rate = L/M; % Coding rate snrdB = EsNo + 10*log10(rate); % Signal to noise ratio in dB noiseVar = 1./(10.^(snrdB/10)); % Noise variance rng default
Формирование случайных индексов перемежителя.
intrlvrIndices = randperm(L);
Создайте пару турбокодера и декодера. Используйте определенную решетчатую структуру и индексы случайного перемежителя. Настройте декодер для выполнения максимум четырех итераций.
turboenc = comm.TurboEncoder(trellis,intrlvrIndices); turbodec = comm.TurboDecoder(trellis,intrlvrIndices,numiter);
Создайте пару модулятора BPSK и демодулятора, где демодулятор выводит мягкие биты, определенные с использованием метода LLR.
bpskmod = comm.BPSKModulator; bpskdemod = comm.BPSKDemodulator('DecisionMethod','Log-likelihood ratio', ... 'Variance',noiseVar);
Создайте объект канала AWGN и объект частоты ошибок.
awgnchan = comm.AWGNChannel('NoiseMethod','Variance','Variance',noiseVar); errrate = comm.ErrorRate;
Основной цикл обработки выполняет эти шаги.
Создание двоичных данных.
Турбокодирование данных.
Модулировать закодированные данные.
Пропустить модулированный сигнал через канал AWGN.
Демодулируйте шумный сигнал, используя LLR для вывода мягких битов.
Турбодекодирование демодулированных данных. Поскольку битовое отображение от демодулятора противоположно отображению, ожидаемому турбодекодером, вход декодера должен использовать обратную сторону демодулированного сигнала.
Вычислите статистику ошибок.
for frmIdx = 1:100 data = randi([0 1],L,1); encodedData = turboenc(data); modSignal = bpskmod(encodedData); receivedSignal = awgnchan(modSignal); demodSignal = bpskdemod(receivedSignal); receivedBits = turbodec(-demodSignal); errorStats = errrate(data,receivedBits); end
Просмотрите данные об ошибках.
fprintf('Bit error rate = %5.2e\nNumber of errors = %d\nTotal bits = %d\n', errorStats)Bit error rate = 2.34e-04 Number of errors = 6 Total bits = 25600
Моделирование сквозной линии связи с использованием 16-QAM сигнала и турбокодов в канале AWGN. Внутри цикла обработки кадров размеры пакетов случайным образом выбираются равными 500, 1000 или 1500 битам. Поскольку размер пакета изменяется, индексы перемежителя подаются на турбокодер и декодер в качестве входного аргумента связанного с ними системного объекта. Сравнение результатов по частоте ошибок в турбокодированном бите с результатами по частоте ошибок в некодированном бите.
Инициализация моделирования
Установите порядок модуляции и диапазон значений Eb/N0. Вычисляют количество битов на символ и отношение энергии на символ к шуму () на основе порядка модуляции и . Чтобы получить повторяемые результаты, заполните случайное число.
modOrder = 16; % Modulation order bps = log2(modOrder); % Bits per symbol EbNo = (2:0.5:4); % Energy per bit to noise power spectral density ratio in dB EsNo = EbNo + 10*log10(bps); % Energy per symbol to noise power spectral density ratio in dB rng(1963);
Создайте пару турбокодера и декодера. Поскольку длина пакета варьируется для каждого кадра, укажите, что индексы перемежителя должны быть предоставлены входным аргументом объекта System при выполнении. Укажите, что декодер выполняет четыре итерации.
turboEnc = comm.TurboEncoder('InterleaverIndicesSource','Input port'); turboDec = comm.TurboDecoder('InterleaverIndicesSource','Input port','NumIterations',4); trellis = poly2trellis(4,[13 15 17],13); n = log2(turboEnc.TrellisStructure.numOutputSymbols); numTails = log2(turboEnc.TrellisStructure.numStates)*n;
Создание объекта частоты ошибок.
errRate = comm.ErrorRate;
Основной цикл обработки
Цикл обработки кадров выполняет эти шаги.
Выберите случайную длину пакета и создайте случайные двоичные данные.
Вычислите длину выходного кодового слова и скорость кодирования.
Вычислите отношение сигнал/шум (SNR) и дисперсию шума.
Сформировать индексы перемежителя.
Турбокодирование данных.
Примените 16-QAM модуляцию и нормализуйте среднюю мощность сигнала.
Пропустить модулированный сигнал через канал AWGN.
Демодулируют шумный сигнал, используя метод LLR, выводят мягкие биты и нормализуют среднюю мощность сигнала.
Турбо декодировать данные. Поскольку порядок отображения битов от демодулятора противоположен порядку отображения, ожидаемому турбодекодером, вход декодера должен использовать обратную сторону демодулированного сигнала.
Вычислите статистику ошибок.
ber = zeros(1,length(EbNo)); for k = 1:length(EbNo) % numFrames = 100; errorStats = zeros(1,3); %for pktIdx = 1:numFrames L = 500*randi([1 3],1,1); % Packet length in bits M = L*(2*n - 1) + 2*numTails; % Output codeword packet length rate = L/M; % Coding rate for current packet snrdB = EsNo(k) + 10*log10(rate); % Signal to noise ratio in dB noiseVar = 1./(10.^(snrdB/10)); % Noise variance while errorStats(2) < 100 && errorStats(3) < 1e7 data = randi([0 1],L,1); intrlvrIndices = randperm(L); encodedData = turboEnc(data,intrlvrIndices); modSignal = qammod(encodedData,modOrder, ... 'InputType','bit','UnitAveragePower',true); rxSignal = awgn(modSignal,snrdB); demodSignal = qamdemod(rxSignal,modOrder,'OutputType','llr', ... 'UnitAveragePower',true,'NoiseVariance',noiseVar); rxBits = turboDec(-demodSignal,intrlvrIndices); % Demodulated signal is negated errorStats = errRate(data,rxBits); end % Save the BER data and reset the bit error rate object ber(k) = errorStats(1); reset(errRate) end
Результаты графика
Постройте график частоты битовых ошибок и сравните его с частотой некодированных битовых ошибок.
semilogy(EbNo,ber,'-o') grid xlabel('Eb/No (dB)') ylabel('Bit Error Rate') uncodedBER = berawgn(EbNo,'qam',modOrder); % Estimate of uncoded BER hold on semilogy(EbNo,uncodedBER) legend('Turbo','Uncoded','location','sw')
Турбодекодер использует схему параллельного конкатенированного сверточного декодирования для декодирования кодированного входного сигнала. Схема параллельного конкатенированного декодирования использует итеративный декодер APP с двумя составляющими декодерами, перемежителем и обращенным перемежителем. На этом рисунке показана схема декодирования. Обычно входные данные декодера поступают с выхода демодулятора.
Два составляющих декодера используют одинаковую решетчатую структуру и алгоритм декодирования. Программно-входные программно-выходные декодеры APP (SISO 1 и SISO 2) выводят обновленную последовательность логарифмических вероятностей входных битов кодера, δ (u; O). Последовательность основана на принятой последовательности логарифмических вероятностей канальных (кодированных) битов, δ (c; I) и параметров кода.
Декодер итеративно обновляет эти возможности для фиксированного числа итераций декодирования и затем выводит биты решения. Перемежитель, используемый в декодере, идентичен перемежителю, используемому в кодере. Обращенный перемежитель выполняет обратную перестановку относительно перемежителя. Декодер не предполагает знания хвостовых битов и исключает эти биты из итераций.
Дополнительные сведения см. в разделе Скорость кодирования.
[1] Бенедетто, С., Г. Монторси, Д. Дивсалар и Ф. Поллара. «Модуль Soft-Input Soft-Output Maximum A Posterior (MAP) для декодирования параллельных и последовательных конкатенированных кодов». Доклад о ходе работы лаборатории реактивного движения TDA, 42-127 (ноябрь 1996 года).
[2] Витерби, A.J. «Интуитивное обоснование и упрощенная реализация декодера MAP для сверточных кодов». Журнал IEEE по отдельным областям в сообщениях № 16, № 2 (февраль 1998 года): 260-64. https://doi.org/10.1109/49.661114.
[3] Берру, К., А. Главье и П. Титимаджсима. «Около предела Шеннона - исправление ошибок при кодировании и декодировании: турбокоды». Материалы Международной конференции МТП 93-IEEE по коммуникациям, Женева, Швейцария, май 1993 года, 1064-70. https://doi.org/10.1109/icc.1993.397441.
[4] Шлегель, Кристиан и Лэнс Перес. Решетка и турбокодирование. Серия IEEE Press по цифровой и мобильной связи. Пискатауэй, Нью-Джерси; Хобокен, Нью-Джерси: IEEE Press; Wiley-Interscience, 2004.
[5] 3GPP TS 36.212. «Мультиплексирование и канальное кодирование». Проект партнерства 3-го поколения; техническая спецификация на сеть радиодоступа группы; Усовершенствованный универсальный наземный радиодоступа (E-UTRA). https://www.3gpp.org.
comm.APPDecoder | comm.ConvolutionalEncoder | comm.gpu.TurboDecoder | comm.TurboEncoder | comm.ViterbiDecoder