Документация

Функции перемежения блоков

Блочный перемежитель принимает набор символов и переставляет их, не повторяя и не опуская никаких символов в наборе. Количество символов в каждом наборе фиксировано для данного перемежителя. Операция перемежителя над набором символов не зависит от его операции над всеми другими наборами символов.

Перемежитель перераспределяет символы в соответствии с отображением. Соответствующий обратный перемежитель использует обратное отображение, чтобы восстановить исходную последовательность символов. Перемежение и перемежение могут быть полезны для уменьшения ошибок, вызванных ошибками пакета в системе связи.

Каждая функция перемежителя имеет соответствующую функцию перемежителя. В типичном использовании пар перемежитель/обратный перемежитель, входы обратного перемежителя совпадают с входами перемежителя, за исключением данных, которые переставляются.

Блочный перемежитель принимает набор символов и переставляет их, не повторяя и не опуская никаких символов в наборе. Количество символов в каждом наборе фиксировано для данного перемежителя.

Набор блочных перемежителей в этом тулбоксе включает общий блочный перемежитель, а также несколько особых случаев. Каждая функция перемежителя особых случаев использует тот же вычислительный код, что и функция перемежителя общих блоков, но предоставляет синтаксис, который больше подходит для специального случая. Функции перемежителя описаны ниже.

Типы Блока перемежителей.  Набор блочных перемежителей в этой библиотеке включает общую пару перемежитель/обратный перемежитель, а также несколько особых случаев. Каждый блок специального случая использует тот же вычислительный код, что и его более общий аналог, но предоставляет интерфейс, который больше подходит для специального случая.

Блок Matrix Interleaver выполняет перемежение блоков, заполняя матрицу с входными символами по строкам и затем отправляя содержимое матрицы в выходной столбец по столбцам. Например, если перемежитель использует матрицу 2 на 3 для выполнения внутренних расчетов, то для входа      [1 2 3 4 5 6]блок формирует выход      [1 4 2 5 3 6].

Блок Random Interleaver выбирает таблицу сочетаний случайным образом, используя параметр Initial seed, который вы предоставляете в маске блока. Используя то же Initial seed значение в соответствующем блоке Random Deinterleaver, можно восстановить их исходное упорядоченное расположение у перестановочных символов.

Блок Algebraic Interleaver использует таблицу сочетаний, которая алгебраически выведена. Он поддерживает перемежители Такешиты-Костелло и перемежители Уэлча-Костаса. Эти перемежители описаны в [4].

Улучшите частоту ошибок, используя Блок чередование в MATLAB

Следующий пример иллюстрирует, как перемежитель улучшает частоту ошибок в системе связи, чей канал производит всплеск ошибок. Случайный перемежитель переставляет биты многочисленных кодовых слов, прежде чем два смежных кодовых слова будут повреждены тремя ошибками.

Три ошибки превышают возможность исправления ошибок кода Хемминга. Однако пример показывает, что, когда код Hamming объединяется с перемежителем, эта система способна восстановить исходное сообщение, несмотря на 6-битный всплеск ошибок. Улучшение эффективности происходит потому, что перемежение эффективно распределяет ошибки между различными кодовыми словами, так что количество ошибок на кодовое слово находится в пределах возможности исправления ошибок кода.

st1 = 27221; st2 = 4831; % States for random number generator
n = 7; k = 4; % Parameters for Hamming code
msg = randi([0 1],k*500,1); % Data to encode
code = encode(msg,n,k,'hamming/binary'); % Encoded data
% Create a burst error that will corrupt two adjacent codewords.
errors = zeros(size(code)); errors(n-2:n+3) = [1 1 1 1 1 1];

% With Interleaving
%------------------
inter = randintrlv(code,st2); % Interleave.
inter_err = bitxor(inter,errors); % Include burst error.
deinter = randdeintrlv(inter_err,st2); % Deinterleave.
decoded = decode(deinter,n,k,'hamming/binary'); % Decode.
disp('Number of errors and error rate, with interleaving:');
[number_with,rate_with] = biterr(msg,decoded) % Error statistics

% Without Interleaving
%---------------------
code_err = bitxor(code,errors); % Include burst error.
decoded = decode(code_err,n,k,'hamming/binary'); % Decode.
disp('Number of errors and error rate, without interleaving:');
[number_without,rate_without] = biterr(msg,decoded) % Error statistics

Ниже приводятся выходы из примера.

Number of errors and error rate, with interleaving:

number_with =

     0


rate_with =

     0

Number of errors and error rate, without interleaving:

number_without =

     4


rate_without =

    0.0020

Улучшите частоту ошибок, используя Блок чередование в Simulink

В следующем примере показано, как использовать перемежитель для улучшения частоты ошибок, когда канал производит пакеты ошибок.

Прежде чем запускать модель, вы должны создать двоичный вектор, который симулирует всплески ошибок, как описано в Улучшите Вероятность Ошибок Используя Блок Перемежение в Simulink. Блок Signal From Workspace импортирует этот вектор из рабочего пространства MATLAB в модель, где блок Logical Operator выполняет XOR вектора с сигналом.

Чтобы открыть завершенную модель, введите doc_interleaver в MATLAB^® командная строка. Чтобы создать модель, соберите и сконфигурируйте эти блоки:

На вкладке Simulation, в разделе Simulate, установите Stop time равным length(errors). Раздел Simulate появляется на нескольких вкладках.

Создание вектора ошибок.  Перед запуском модели используйте следующий код, чтобы создать двоичный вектор в рабочем пространстве MATLAB. Модель использует этот вектор, чтобы симулировать пакеты ошибок. Вектор содержит блоки трех 1с, представляющие пакеты ошибок, с случайными интервалами. Расстояние между двумя последовательными блоками 1с является случайным целым числом от 1 до 80.

errors=zeros(1,10^4);
n=1;
while n<10^4-80;
n=n+floor(79*rand(1))+3;
errors(n:n+2)=[1 1 1];
end

Чтобы определить отношение числа 1с к общему количеству символов в векторе errors войти

sum(errors)/length(errors)

Ваш ответ должен быть приблизительно 3/43, или 0698, поскольку после каждой последовательности из трех 1с ожидаемое расстояние до следующей последовательности 1с составляет 40. Следовательно, вы ожидаете увидеть три 1с в 43 терминах последовательности. Если бы в модели не было коррекции ошибок, вероятность битовой ошибки составляла бы приблизительно 0,0698.

Когда вы запускаете симуляцию с моделью, вероятность ошибки составляет приблизительно 0.19, что показывает улучшение из-за коррекции и перемежения ошибок. Эффект перемежения можно увидеть, удалив блоки Случайный перемежитель и Случайный перемежитель из модели, соединив линии и запустив другую симуляцию. Вероятность битовой ошибки выше без чередования, потому что код Хемминга может исправить только одну ошибку в каждом кодовом слове.

Функции сверточного перемежения

Сверточный перемежитель состоит из набора регистров сдвига, каждый с фиксированной задержкой. В типичном сверточном перемежителе задержки являются неотрицательными целыми кратными фиксированному целому числу (хотя общий мультиплексированный перемежитель допускает неограниченные значения задержки). Каждый новый символ из вектора входа поступает в следующий регистр сдвига, и самый старый символ в этом регистре становится частью вектора выхода. Сверточный перемежитель имеет память; то есть его операция зависит не только от текущих символов, но и от предыдущих символов.

Схема ниже изображает структуру общего сверточного перемежителя, показывая набор регистров сдвига и их значения задержки D (1), D (2),..., D (N). k-й регистр сдвига содержит D (k) символов, где k = 1,2,...,N. Функции сверточного перемежения в этом тулбоксе имеют входные параметры, которые указывают количество регистров сдвига и задержку для каждого регистра сдвига.

Communications Toolbox реализует функции сверточного перемежения с помощью Simulink^® блоки, системные объекты и функции MATLAB.

Набор сверточных перемежителей в этом продукте включает общую пару перемежитель/обратный перемежитель, а также несколько особых случаев. Каждая функция специального случая использует тот же вычислительный код, что и его более общий аналог, но предоставляет синтаксис, который больше подходит для специального случая. Особые случаи описаны ниже.

helscanintrlv функции и helintrlv обе функции используют спиральный массив для внутренних расчетов. Однако эти две функции имеют некоторые важные различия:

Типы сверточных перемежителей.  Набор сверточных перемежителей в этой библиотеке включает общую пару перемежитель/перемежитель, а также несколько особых случаев. Каждый блок специального случая использует тот же вычислительный код, что и его более общий аналог, но предоставляет интерфейс, который больше подходит для специального случая.

Самый общий блок в этой библиотеке является General Multiplexed Interleaver блоком, который позволяет произвольные значения задержки для набора регистров сдвига. Для реализации предыдущей схемы с использованием этого блока используйте параметр Interleaver delay [D (1 ); D (2  );...; D (N)].

Более конкретным является Convolutional Interleaver блок, в котором значение задержки для k-го регистра сдвига (k-1) умножает на параметр Register length step блока. Количество регистров сдвига в этом блоке является значением параметра Rows of shift registers.

Наконец, блок Helical Interleaver поддерживает специальный случай сверточного перемежения, который заполняет массив символами по спирали и опустошает строку массива по строкам. Чтобы сконфигурировать этот перемежитель, используйте параметр Number of columns of helical array, чтобы задать ширину массива, и используйте параметры Group size и Helical array step size, чтобы определить, как символы помещаются в массив. Для получения дополнительной информации и примера см. страницу с описанием блока Helical Interleaver.

Задержки сверточных перемежителей

После того, как последовательность символов проходит через сверточный перемежитель и соответствующий сверточный перемежитель, восстановленная последовательность отстает от исходной последовательности. Задержка, измеренная в символах, между исходной и восстановленной последовательностями, показана в таблице ниже. Имена переменных во втором столбце (delay, nrows, slope, col, ngrp, и stp) см. входы на странице с описанием каждой функции.

Задержки сверточных перемежителей.  После того, как последовательность символов проходит через сверточный перемежитель и соответствующий сверточный перемежитель, восстановленная последовательность отстает от исходной последовательности. Задержка, измеренная в символах, между исходной и восстановленной последовательностями

для наиболее общего мультиплексированного перемежителя. Если ваша модель несет дополнительную задержку между выходом перемежителя и входом перемежителя, восстановленная последовательность отстает от исходной последовательности на сумму дополнительной задержки и величину в предыдущей формуле.

Блок Сверточного Перемежителя

В частном случае, реализованном парой Convolutional Interleaver/Convolutional Deinterleaver, количество регистров сдвига является Rows of shift registers параметром, в то время как максимальная задержка среди всех регистров сдвига является

где B - Register length step параметр, а N - Rows of shift registers параметр.

Блок Спирального Перемежителя

В частном случае, реализованном парой Helical Interleaver/Helical Deinterleaver, задержка между восстановленной последовательностью и исходной последовательностью является

где C - Number of columns in helical array параметр, N - Group size параметр, а s - Helical array step size параметр.

Эффект задержек на восстановление сверточно чередующихся данных с использованием MATLAB.  Если вы используете сверточный перемежитель, за которым следует соответствующий сверточный перемежитель, то ненулевая задержка означает, что восстановленные данные (то есть выход от перемежителя) не совпадают с исходными данными (то есть входом к перемежителю). Если вы сравниваете два набора данных непосредственно, то необходимо учесть задержку при помощи соответствующих операций усечения или заполнения.

Вот несколько типичных способов компенсировать задержку D в паре перемежитель/обратный перемежитель:

x = randi([0 63],20,1); % Original data
nrows = 3; slope = 2; % Interleaver parameters
D = nrows*(nrows-1)*slope; % Delay of interleaver/deinterleaver pair
hInt   = comm.ConvolutionalInterleaver('NumRegisters', nrows, ...
                    'RegisterLengthStep', slope);
hDeint = comm.ConvolutionalDeinterleaver('NumRegisters', nrows, ...
                    'RegisterLengthStep', slope);

% First approach.
x_padded = [x; zeros(D,1)]; % Pad x at the end before interleaving.
a1 = step(hInt, x_padded); % Interleave padded data.

b1 = step(hDeint, a1)
% Omit input padding and the first D symbols of the recovered data and
% compare
servec1 = step(comm.ErrorRate('ReceiveDelay',D),x_padded,b1);
ser1 = servec1(1)

% Second approach.
release(hInt); release(hDeint)
a2 = step(hInt,x); % Interleave original data.
b2 = step(hDeint,a2)
% Omit the last D symbols of the original data and the first D symbols of
% the recovered data and compare.
servec2 = step(comm.ErrorRate('ReceiveDelay',D),x,b2);
ser2 = servec2(1)

b1 =

     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
    59
    42
     1
    28
    52
    54
    43
     8
    56
     5
    35
    37
    48
    17
    28
    62
    10
    31
    61
    39


ser1 =

     0


b2 =

     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
     0
    59
    42
     1
    28
    52
    54
    43
     8


ser2 =

     0

Объединение задержек перемежения и других задержек.  Если вы используете сверточные перемежители в скрипте, который несет дополнительную задержку, d, между выходом перемежителя и входом перемежителя (для примера, задержку от фильтра), то восстановленная последовательность отстает от исходной последовательности на сумму d и величину из таблицы Задержки пар перемежителя/перемежителя. В этом случае d должно быть целым числом, кратным количеству регистров сдвига, или же сверточный обратный перемежитель не может восстановить исходные символы правильно. Если d не является естественно целым числом, кратным количеству регистров сдвига, то можно настроить задержку вручную, заполнив вектор, который формирует вход в перемежитель.

Сверточное перемежение и перемежение с использованием последовательности последовательных целых чисел в MATLAB

x = [1:10]'; % Original data
delay = [0; 1; 2]; % Set delays of three shift registers.
hInt = comm.MultiplexedInterleaver('Delay', delay);
hDeint = comm.MultiplexedDeinterleaver('Delay', delay);
y = step(hInt,x) % Interleave.
z = step(hDeint,y) % Deinterleave.

y =

     1
     0
     0
     4
     2
     0
     7
     5
     3
    10


state_y =

    value: {3x1 cell}
    index: 2


z =

     0
     0
     0
     0
     0
     0
     1
     2
     3
     4

Сверточное перемежение и перемежение с использованием последовательности последовательных целых чисел в Simulink

Приведенный ниже пример иллюстрирует сверточное перемежение и обращенное перемежение с использованием последовательности последовательных целых чисел. Это также иллюстрирует внутреннюю задержку и эффект начальных условий перемежения блоков.

Чтобы открыть модель, введите doc_convinterleaver в командной строке MATLAB. Чтобы создать модель, соберите и сконфигурируйте эти блоки:

Соедините блоки как показано на предыдущем рисунке. На вкладке Simulation, в разделе Simulate, установите Stop time равным 20. Раздел Simulate появляется на нескольких вкладках. Запустите симуляцию и выполните следующую команду:

comparison = [[0:20]', interleaved, restored]

comparison =

     0     0    -1
     1    -2    -2
     2    -3    -3
     3     3    -1
     4    -2    -2
     5    -3    -3
     6     6    -1
     7     1    -2
     8    -3    -3
     9     9    -1
    10     4    -2
    11    -3    -3
    12    12     0
    13     7     1
    14     2     2
    15    15     3
    16    10     4
    17     5     5
    18    18     6
    19    13     7
    20     8     8

В этом выходе первый столбец содержит исходную последовательность символов. Второй столбец содержит чередующуюся последовательность, а третий - восстановленную последовательность.

Отрицательные числа в чередующихся и восстановленных последовательностях происходят из начальных условий блоков перемежения, а не из исходных данных. Первый из исходных символов появляется в восстановленной последовательности только после задержки в 12 символов. Задержка комбинации перемежитель-перемежитель является продуктом количества регистров сдвига (3) и максимальной задержки среди всех регистров сдвига (4).

Для аналогичного примера, который также указывает содержимое регистров сдвига на каждом шаге процесса, смотрите Сверточное перемежение и перемежение с использованием последовательности последовательных целых чисел в MATLAB.