Закодируйте входной сигнал с помощью параллельной конкатенированной схемы кодирования
The comm.TurboEncoder Система object™ применяет схему параллельного конкатенированного кодирования к двоичному входному сообщению. Эта схема кодирования использует два сверточных энкодеров и добавляет биты окончания в конец потока закодированных данных. Для получения дополнительной информации см. «Схема параллельного конкатенированного сверточного кодирования».
Для кодирования двоичного входного сообщения с использованием схемы параллельного конкатенированного кодирования:
Создайте comm.TurboEncoder Объекту и установите его свойства.
Вызывайте объект с аргументами, как будто это 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 турбо- энкодер Системного объекта с индексами перемежителя, которые будут поставляться в качестве входного параметра к Системному объекту при вызове. Заключайте каждое имя свойства в кавычки.
turboenc = comm.TurboEncoder(trellis,interlvrindices)TrellisStructure и InterleaverIndices свойства, установленные на trellis и interlvrindices, соответственно. The trellis вход должен быть задан как описано в TrellisStructure свойство. The interlvrindices вход должен быть задан как описано в InterleaverIndices свойство.
codeword = turboenc(message)turboenc возвращает двоичное кодовое слово. message и codeword являются векторы-столбцы числовых, логических или беззнаковых значений с фиксированной точкой с размером слова 1 (fi (объект Fixed-Point Designer). Для получения дополнительной информации см. «Схема параллельного конкатенированного сверточного кодирования».
codeword = turboenc(message,interlvrindices)interlvrindices должно быть вектором-столбцом, содержащей целые числа в области значений [1, L] без повторяющихся значений. L - длина двоичного входного сообщения, message. Этот синтаксис применяется, когда для свойства InterleaverIndicesSource задано значение 'Input port'. Индексы перемежителя определяют отображение, используемую для перестановки входа бит в энкодере.
codeword = turboenc(message,interlvrindices,outindices)'Input port'. Значения вектора выходных индексов должны быть относительно полностью закодированных данных для схемы кодирования, включая хвостовые биты для всех потоков.
Чтобы использовать функцию объекта, задайте системный объект в качестве первого входного параметра. Например, чтобы освободить системные ресурсы системного объекта с именем obj, используйте следующий синтаксис:
release(obj)
Закодируйте вход сообщение с помощью скорости 1/3 турбонаддува энкодера строения с решетчатой структурой по умолчанию poly2trellis(4,[13 15],13), как представлено на этом рисунке.
Для входа сообщения с 64 битами кодовое слово, выход из энкодера, составляет 204 бита. Первые 192 бита выхода соответствовать трем 64-битным потокам, чередующимся как , , и . Систематический поток битов, , и поток битов четности, , из первого энкодера и битового потока четности, , от второго энкодера. Когда переключатели находятся в более низком положении, сигналы следуют за штриховыми линиями, и последние 12 битов соответствуют хвостовым битам от двух энкодеров. Первая группа из шести битов (три систематических бита и три бита четности) являются выходными конечными битами от первого составляющего энкодера. Вторая группа из шести битов (три систематических бита и три бита четности) являются выходными конечными битами от второго составляющего энкодера.
Создайте турбо- энкодер с использованием настроек по умолчанию. Сгенерируйте систему координат 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 хвостовых бит выход кода энкодера чуть меньше 1/3.
codingrate = frameLen/codewordLen
codingrate = 0.3137
Определите выходные индексы при помощи OutputIndices свойство. Покажите полноразмерный закодированный выход и проколотый закодированный выход для кода со скоростью 1/2 и длины 10-битного блока.
Инициализация параметров
Задайте параметры, чтобы инициализировать энкодер.
blkLen = 10; trellis = poly2trellis(4,[13 15],13); n = log2(trellis.numOutputSymbols); mLen = log2(trellis.numStates);
Полноразмерный закодированный выход
Инициализируйте переменные и турбо- энкодер Системного объекта для полноразмерного кодирования. Отобразите скорость турбокодирования. Проверьте длину закодированного выхода в зависимости от длины 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
Проколотый закодированный выход
Задайте выходные индексы для прокалывания второго систематического потока при помощи getTurboIOIndices функция. Инициализируйте переменные и турбо- энкодер Системного объекта для пунктированного кодирования. Отобразите скорость турбокодирования. Проверьте длину закодированного выхода в зависимости от длины 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 пунктированных выходов
Выходные выходы энкодера чередуют отдельные битовые потоки. Третий бит каждого 4-битного кортежа удаляется из полноразмерного кода, чтобы получить проколотый код. Этот третий выходной поток битов соответствует второму систематическому потоку битов. Отобразите индексы полноразмерного кода и индексы проколотого кода, чтобы показать, что третий бит каждого 4-битного 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
Моделируют передачу и прием данных BPSK по каналу AWGN с помощью турбокодирования и декодирования.
Задайте параметры симуляции, а затем вычислите эффективную скорость кодирования и отклонение шума. Для BPSK модуляции, равняется потому что количество бит на символ (bps) равно 1. Чтобы облегчить повторное использование этого кода для других схем модуляции, вычисления в этом примере включают условия bps. Задайте длину пакета, структуру шпалеры и количество итераций. Вычислите отклонение шума, используя и скорость кода. Установите генератор случайных чисел в состояние по умолчанию, чтобы убедиться, что результаты повторяемы.
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
Сгенерируйте случайные индексы перемежителя.
intrlvrIndices = randperm(L);
Создайте пару турбо- энкодера и декодера. Используйте заданную структуру шпалеры и случайные индексы перемежителя. Сконфигурируйте декодер, чтобы запустить не более четырех итераций.
turboenc = comm.TurboEncoder(trellis,intrlvrIndices); turbodec = comm.TurboDecoder(trellis,intrlvrIndices,numiter);
Создайте пару модулятора и демодулятора BPSK, где демодулятор выводит мягкие биты, определенные с помощью 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.
Сгенерируйте двоичные данные.
Турбокодируйте данные.
Модулируйте закодированные данные.
Пропустите модулированный сигнал через канал AWGN.
Демодулируйте сигнал с шумом с помощью LLR для вывода мягких бит.
Турбодекодируйте демодулированные данные. Поскольку битовое отображение от демодулятора противоположно отображению, ожидаемому турбодекодером, вход декодера должен использовать обратное значение 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
Отобразите данные об ошибке.
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
Симулируйте сквозную линию связи с помощью 16-QAM сигнала и турбокодов в канале AWGN. Внутри цикла обработки системы координат размеры пакетов случайным образом выбираются равными 500, 1000 или 1500 битам. Поскольку размер пакета изменяется, индексы перемежителя подаются в турбодекодер и энкодер как входной параметр связанного с ними системного объекта. Сравнение результатов турбокодированной частоты битовой ошибки с незакодированными результатами битовой ошибки.
Инициализация симуляции
Установите порядок модуляции и область значений значения. Вычислите количество бит на символ и отношение энергии на символ к шуму () на основе порядка модуляции и . Чтобы получить повторяемые результаты, задайте 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 турбо- энкодера и декодера. Поскольку длина пакета изменяется для каждой системы координат, задайте, что индексы перемежителя передаются входному параметру 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;
Создайте объект частоты ошибок.
errRate = comm.ErrorRate;
Основной цикл обработки
Цикл обработки системы координат выполняет эти шаги.
Выберите случайную длину пакета и сгенерируйте случайные двоичные данные.
Вычислите выход кодового слова и скорость кодирования.
Вычислите отношение сигнал/шум (ОСШ) и отклонение шума.
Сгенерируйте индексы перемежителя.
Турбокодируйте данные.
Примените 16-QAM модуляцию и нормализуйте среднюю степень сигнала.
Пропустите модулированный сигнал через канал AWGN.
Демодулируйте сигнал с шумом с помощью метода LLR, выводите мягкие биты и нормализуйте среднюю степень сигнала.
Турбодекодируйте данные. Поскольку порядок отображения бит от демодулятора противоположен порядку отображения, ожидаемому турбодекодером, вход декодера должен использовать обратный сигнал 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
Графическое изображение результатов
Постройте график частоты битовой ошибки и сравните ее с незакодированной частотой битовой ошибки.
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')
Турбо- энкодер использует параллельную конкатенированную схему сверточного кодирования, чтобы кодировать двоичный входной сигнал. Схема кодирования использует два составляющих энкодеров и один внутренний перемежитель, как показано на этом рисунке. Каждый составляющий энкодер завершается независимо хвостовыми битами.
The OutputIndicesSource свойство задает источник для индексов выходов, используемых для прокалывания и повторения символов.
Когда вы устанавливаете OutputIndicesSource свойство к 'Auto'объект вычисляет выходные индексы. В этом случае у учредительных энкодеров есть уровень 1 код ∕ <reservedrangesplaceholder6>, и количество выхода бит от турбо энкодера - <reservedrangesplaceholder5> × (2 × <reservedrangesplaceholder4> - 1) + (2 × <reservedrangesplaceholder3>). L - длина входного вектора, а numTails задается log2 (TrellisStructure.numStates) × <reservedrangesplaceholder0>. Хвостовые биты из-за окончания добавляются в конце после закодированных входных бит.
Схема кодирования использует два одинаковых составляющих энкодера и один внутренний перемежитель. Каждый составляющий энкодер завершается независимо хвостовыми битами. Выход турбо- энкодер состоит из систематических (X) и четности (Z) бита потоков первого энкодера и только из четности (Z’) битовые потоки второго энкодера. Хвостовые биты добавляются в конце для всех потоков.
Когда вы устанавливаете OutputIndicesSource свойство к 'Input port' или 'Property', вы задаете выходные индексы с outindices входной параметр или OutputIndices свойство, соответственно. В этом случае объект запусков с использованием заданных вами индексов выхода. Индексы выхода заданы относительно полностью закодированного выхода для всех потоков.
Выход турбо- энкодер состоит из систематических (X и X’) и четность (Z и Z’) битовые потоки первого и второго составляющих энкодеров. Количество выходных бит равняется длине векторов выходных индексов, которые вы предоставляете.
Для получения дополнительной информации смотрите Скорость кодирования и Хвостовые биты.
[1] Berrou, C., A. Glavieux, and P. Thitimajshima. Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding: Turbo-Codes (неопр.) (недоступная ссылка). Материалы Международной конференции по коммуникациям ICC 93 - IEEE, Женева, Швейцария, май 1993, 1064-70 года. https://doi.org/10.1109/icc.1993.397441.
[2] Бенедетто, С., Г. Монторси, Д. Дивсалар и Ф. Поллара. Модуль Soft-Input Soft-Output MAP для декодирования параллельных и последовательных конкатенированных кодов. Прогресс лаборатории реактивного движения TDA, 42-127 (ноябрь 1996 года).
[3] Шлегель, Кристиан и Ланс Перес. Trellis и турбокодирование. Серия прессы IEEE по цифровой и мобильной связи. Piscataway, NJ; Hoboken, NJ: IEEE Press; Wiley-Interscience, 2004.
[4] 3GPP TS 36.212. «Мультиплексирование и канальное кодирование». 3rd Генерация Partnership Project; Группа технических спецификаций Radio Доступа Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA). https://www.3gpp.org.