Кодирование входного сигнала с использованием схемы параллельного конкатенированного кодирования
comm.TurboEncoder Система object™ применяет схему параллельного конкатенированного кодирования к двоичному входному сообщению. Эта схема кодирования использует два сверточных кодера и добавляет биты окончания в конце кодированного битового потока данных. Дополнительные сведения см. в разделе Схема параллельного конкатенированного сверточного кодирования.
Для кодирования двоичного входного сообщения с использованием схемы параллельного конкатенированного кодирования:
Создать comm.TurboEncoder 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?.
turboenc = comm.TurboEncoder
turboenc = comm.TurboEncoder(Name,Value)comm.TurboEncoder('InterleaverIndicesSource','Input port') конфигурирует системный объект турбокодера с индексами перемежителя, которые должны подаваться в качестве входного аргумента в системный объект при его вызове. Заключите каждое имя свойства в кавычки.
turboenc = comm.TurboEncoder(trellis,interlvrindices)TrellisStructure и InterleaverIndices свойства установлены в значение trellis и interlvrindicesсоответственно. trellis входные данные должны быть указаны в соответствии с описанием TrellisStructure собственность. interlvrindices входные данные должны быть указаны в соответствии с описанием InterleaverIndices собственность.
codeword = turboenc(message)turboenc возвращает двоичное кодированное кодовое слово. message и codeword - векторы столбцов числовых, логических или беззнаковых значений с фиксированной точкой и длиной слова 1 (fi (Конструктор фиксированных точек)). Дополнительные сведения см. в разделе Схема параллельного конкатенированного сверточного кодирования.
codeword = turboenc(message,interlvrindices)interlvrindices должен быть вектором-столбцом, содержащим целые числа в диапазоне [1, L] без повторяющихся значений. L - длина двоичного входного сообщения, message. Этот синтаксис применяется, если для свойства InterleaverAdingSource установлено значение 'Input port'. Индексы перемежителя определяют отображение, используемое для перестановки входных битов в кодере.
codeword = turboenc(message,interlvrindices,outindices)'Input port'. Значения векторов выходных индексов должны быть относительно полностью закодированных данных для схемы кодирования, включая конечные биты 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)
Кодирование входного сообщения с использованием конфигурации турбокодера со скоростью 1/3 со структурой решетки по умолчанию; poly2trellis(4,[13 15],13), как показано на этом рисунке.
Для входного сообщения с 64 битами кодовое слово, выходящее из кодера, составляет 204 бита. Первые 192 бита на выходе соответствуют трем 64-битовым потокам, чередующимся как , и ′. Поток систематических битов, Xk, и поток битов четности, Zk, поступают из первого кодера, а поток битов четности, ′, поступают из второго кодера. Когда переключатели находятся в нижнем положении, сигналы следуют по пунктирным линиям, и последние 12 битов соответствуют концевым битам от двух кодеров. Первая группа из шести битов (три систематических бита и три бита четности) являются выходными хвостовыми битами из первого составного кодера. Вторая группа из шести битов (три систематических бита и три бита четности) являются выходными хвостовыми битами второго составного кодера.
Создайте турбокодер, используя настройки по умолчанию. Создайте кадр двоичных данных сообщения, а затем закодируйте данные сообщения.
rng default turboenc = comm.TurboEncoder; frameLen = 64; % Frame length data = randi([0 1],frameLen,1); encData = turboenc(data); codewordLen = length(encData);
Вычислите скорость кодирования. Из-за концевых битов выходная кодовая скорость кодера немного меньше 1/3.
codingrate = frameLen/codewordLen
codingrate = 0.3137
Определите выходные индексы с помощью OutputIndices собственность. Отображение полноразмерных кодированных выходных данных и проколотых кодированных выходных данных 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);
Полноразмерные кодированные выходные данные
Инициализация переменных и объекта системы турбокодера для полноразмерного кодирования. 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; 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
Проколотые кодированные выходные данные
Укажите выходные индексы для прокалывания второго систематического потока с помощью getTurboIOIndices функция. Инициализация переменных и объекта системы турбокодера для проколотого кодирования. 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; 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
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 кодированные 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')
Турбокодер использует схему параллельного конкатенированного сверточного кодирования для кодирования двоичного входного сигнала. Схема кодирования использует два составляющих кодера и один внутренний перемежитель, как показано на этой фигуре. Каждый составной кодер завершается независимо хвостовыми битами.
OutputIndicesSource свойство указывает источник выходных индексов, используемых для прокалывания и повторения символов.
При установке OutputIndicesSource свойство для 'Auto', объект вычисляет выходные индексы. В этом случае составные кодеры а имеют код скорости 1 ∕ N, а число битов, выводимых из турбокодера, равно L × (2 × N - 1) + (2 × numTails). L - длина входного вектора, а numTails задается как log2 (TrellisStructure.numStates) × N. Концевые биты из-за окончания добавляются в конце после кодированных входных битов.
Схема кодирования использует два идентичных составляющих кодера и один внутренний перемежитель. Каждый составной кодер завершается независимо хвостовыми битами. Выход турбокодера состоит из систематических (X) и (Z) битовых потоков первого кодера и только битовых потоков (Z ") четности второго кодера. Хвостовые биты добавляются в конце для всех потоков.
При установке OutputIndicesSource свойство для 'Input port' или 'Property', вы указываете выходные индексы с помощью outindices входной аргумент или OutputIndices соответственно. В этом случае объект запускается с использованием указанных выходных индексов. Выходные индексы задаются относительно полностью закодированного выходного сигнала для всех потоков.
Выход турбокодера состоит из потоков битов систематических (X и X «) и четности (Z и Z») первого и второго составляющих кодеров. Количество выводимых битов равно длине вектора выходных индексов.
Дополнительные сведения см. в разделах Скорость кодирования и Конечные биты.
[1] 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.
[2] 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).
[3] 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.
[4] 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.