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Turbo码的Simulink建模及性能测试

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turbo 基于Matlab的实现

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第 25卷  第 5期 2007年 9月 吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 ) Journal of J ilin University ( Information Science Edition) 文章编号 : 167125896 (2007) 0520495205 Vol. 25 No. 5 Sep t. 2007 Turbo码的 Simulink建模及性能测试 谢  伟 , 胡贵军 , 李公羽 , 邓  青 , 史新亮 (吉林大学 通信工程学院 , 长春 130012) 摘要 : 针对 Turbo码编译码器结构复杂 、仿真困难的问题 , 提出了一种完全基于 Simulink模块的 Turbo码仿真 模型 。编码器中 , 分量码采用循环系统卷积码 , 使分量码的奇序列与原始信息相同 。译码器采用流水线译码 方式 , 由 Simulink模型库中的后验概率译码 (A Posteriori Probability Decoder) 模块构成 , 使译码过程变得直 观和便捷 , 简化了编译码器的复杂性 。通过仿真 , 分析了迭代次数 、交织长度及不同译码算法对 Turbo码性 能的影响 。结果表明 , 单比特信噪比 ( Eb /No ) 为 2 dB 时 , 误比特率 (BER: B it Error Rate) 可以接近 10 - 7 ; 迭代次数增加到 7次以后接近饱和 ; 交织长度越大 , Turbo码性能越好 。 关键词 : Turbo码 ; Simulink仿真 ; 后验概率译码模块 ; 流水线译码 中图分类号 : TN915 文献标识码 : A Modeling in Simulink and Performance Test of Turbo Codes X IE W ei, HU Gui2jun, L I Gong2yu, DENG Q ing, SH I Xin2liang ( College of Communication Engineering, J ilin University, Changchun 130012, China) Abstract: A Simulink model of a Turbo encoder and decoder is p resented to make Turbo code simulate conven2 iently against the comp licated Turbo code structure. In the encoder, the odd outputs of convolutional encoders are the same as the original signal because of using recursive systematic convolutional encoders w ith feedback. The p ipelining decoder is based on APP (A Posteriori Probability ) decoder block in Simulink, so the p rocess of coding becomes convenient and vividly. B y simulating, the factors, such as number of iterations and length of interleave as well as different arithmetic, which influence on the perform ance of turbo codes are p resented. A s is shown in the results of simulation, the B ER (B it Error Rate) is near to 10 - 7 when Eb /No is 2 dB; the number of iterations comes to saturation at 7; the longer the length of interleave is, the better the performance of turbo code s. Key words: Turbo codes; simulink simulation; a posteriori p robability (APP) decoder; p ipelining decoding 引  言 在 1993年 ICC ( International Conference on Comm unications) 国际会议上 , B errou C loud 等提出了 Turbo码的概念 [ 1 ] 。计算机仿真结果表明 , 当码率为 1 /2、B ER 为 10 - 5时 , 单比特信噪比 Eb /No仅为 017 dB , 非常接近香农限 (0) 。 Turbo码的提出是编码界的一项最重大研究进展 , 在很多领域得到了广 泛应用 [ 2~9 ] 。 Turbo 码是一种非常复杂的信道编码方案 , 对 Turbo码的理论分析十分困难 , 而且只能是对运算复 杂度的一种宏观分析 , 对 Turbo 码的具体实现也没有一个清楚的度量 。因此 , 需要使用计算机对系统进 收稿日期 : 2007201219 作者简介 :谢伟 ( 1983— ) , 男 (白 族 ) , 贵 州毕节 人 , 吉林大 学硕士 研究生 , 主 要从事 光纤通 信及无 线通信 技术 研 究 , ( Tel) 862 13756674022 ( E2mail) jingliu - 1@1631com;胡贵军 (1970— ) ,男 ,辽宁绥中人 ,吉林大学教授 ,博士 ,硕士生导师 ,主要从事 光电子 、光通信研究 , ( Tel) 86288112200 ( E2mail) huguijun2000@ yahoo1com1cn。 496 吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 ) 第 25卷 行仿真分析 。目前的仿真大多采用编写程序形式 [ 10, 11 ] , 是一种复杂和重复的方式 。如何实现一种简便 的仿真模型 , 以满足各种研究的需要 , 具有重要的现实意义 。有人采用 Simulink进行仿真 [ 12 ] , 但对于 比较复杂的模块 (如交织 、删余 、子译码 ) , 仍需要重新编写程序 (如 S函数等 ) , 非常复杂 。笔者提 出了一种完全基于 Simulink模块的 Turbo码仿真模型 , 简化了编译码器的复杂性 , 简单方便 。通过仿 真 , 分析了迭代次数 、交织长度及不同译码算法对 Turbo码性能的影响 。 1 Turbo码的 Simulink设计 111  编码器设计 Turbo码编码器采用两个相同的分量编码器通过交织器并行级联而成 。分量编码器是码率为 R = 1 /2 的循环系统卷积码 (R SC: R ecu rsire System a tic Con ro lu tiona l) , 经过删除矩阵后总的 Turbo 码码率 R = 1 /3。 具体实现如图 1所示 , 序列的产生用贝努利发生器 (B ernoulli B inary Generator) , 帧大小和采样率 可以从参数面板调节 。原始序列进入第 1 卷积 编码 器 ( Convolutional Encoder) 并经 过随 机交 织器 (Random Interleaver) 后进入第 2卷积编码器 (Convolutional Encoder1) 。删余模块 1、2同时接在第 1卷 积编码器的后面 。删余模块 1 ( puncture1) 的输出为第 1 卷积编码输出的奇序列 , 模块 2 ( puncture2) 的输出为第 1卷积编码输出的偶序列 。第 3个删余模块 (puncture3) 接在第 2卷积编码器的后面 , 输出 为第 2卷积编码输出的偶序列 。这 3路序列经过串并变换后合成一路序列 , 作为 Turbo编码输出 。 卷积编码器参数 Trellis = poly2 trellis ( 3, [ 7 5 ] , 7) , 由于存在约束和反馈 , 删余模块 1的输出与 原始序列相同 , 测试结果如图 2所示 。 图 1 Turbo编码器的 Simulink模块图 Fig11 Turbo encoder developed in Sim ulink 112  译码器设计 Simulink提供的 APP Decode模块完成卷积码的后验概率译码 。可以用该模块构建 Turbo译码器 。它 有两个输入端 L ( u) , L ( c) 和两个输出端 L ( u) , L ( c) 。输入端 L ( u) 输入进入编码器的原始序列的对数似 然概率序列 , 输入端 L ( c) 输入编码器输出序列的对数似然概率序列 。输出端 L ( u) 和 L ( c) 输出基于编码 信息的更新序列的对数似然概率序列 。它有 True APP、M ax3 和 M ax 3种译码算法 。 Turbo码译码器如图 3a所示 , 从高斯白噪声信道 (AW GN: Add W hite Gaussian Noise) 接收到的信 号经解调 、映射 、重组 、分离后 , 成为与原来 3路序列对应的 3路对数似然概率序列 。 1, 2路序列进 入奇偶连接器 1 ( Interlacer1) 的 O 端和 E段 , 合成一路信号进入第 1个 A PP D ecode r的输入端 L ( c) 。它 的输入端 L ( u) 输入第 1路序列 。第 1路序列经过交织器 (Random Interlacer2) 后和第 3路序列进入奇偶 连接器 2 ( Interlacer2) 合成一路信号 , 进入第 2个 A PP D ecode r的输入端 L ( c) 。它的输入端 L ( u) 输入第 1个 A PP D ecode r输出端 L ( u) 经过交织后的序列 。这样就完成了一次迭代 。第 2个 A PP D ecode r输出端 L ( u) 输出序列经过解交织后 , 进入第 3 个 A PP D ecode r的输入端 L ( u) , 其输入端 L ( c) 接第 1 个 A PP 第 5期 谢伟 ,等 : Turbo码的 Simulink建模及性能测试 497 图 2 原始序列与删余模块一输出序列比较图 Fig12 Comparison of the original signal w ith signal after puncture1 D ecode r的输出端 L ( c) 。第 3个 APP Decoder类似第 1个 , 第 4个类似第 2个 , 如此重复下去 , 可以实现 多次迭代 。当迭代次数确定后 , 最后一个 A PP D ecode r输出端 L ( u) 的输出如果是未被交织的信号 , 则经 过硬判决后就为原始序列 ; 如果是被交织的信号 , 则经过解交织 , 硬判决后就为原始序列 。 一般认为迭代在 5 ~10次之间达到饱和 [11 ] , 所以这种方法是现实可行的 。可为输出是交织和未交 织的信号设计两种子块 , 如图 3b所示 。这样就可以很方便地调整迭代次数 。 图 3 Turbo码译码器的 Simulink模块图与迭代模块 Fig13 Turbo decoder developed in Simulink and blocks of iteration 2 仿真结果及分析 211 迭代次数对 Turbo码性能的影响 迭代译码结构是 Turbo 码具有良好译码性能的一个重要原因 。在交织深度为 500, 采用 APP译码算 法时 , 迭代次数为 3、7和 9时系统的误比特率比较如图 4所示 。可以看出 , 迭代次数为 7和 9没有多 大区别 。说明 7 次迭代后 , 译码性能改善很微小 , 再增加迭代次数显得没有必要了 。单比特信噪比 ( Eb /No ) 为 2 dB 时 , B ER ( eBER ) 可以接近 10 - 7 。 212 交织长度对 Turbo码性能的影响 在迭代次数为 6, 采用 APP译码算法时 , 本文中选取了交织长度为 50, 300, 1 000对 Turbo码性能 498 吉 林 大 学 学 报 (信 息 科 学 版 ) 第 25卷 的影响进行了比较 (见图 5 ) 。从图 5 可以看出 , 交织 长度越大 , Turbo码性能越好 。但是 , 随着交织器的增 大 , 帧长越长 , 译码的复杂程度也随之增加 , 编码时 延 、传输时延 、译码时延越大 , 所以在实际应用中 , 需 要根据系统要求选定最佳交织长度 。 213 不同算法对 Turbo码性能的影响 后验 概 率 译 码 器 有 3 种 译 码 算 法 , Ture APP, M ax3 和 M ax。 Ture APP是个纯粹的后验概率译码算法 , 而 M ax3 和 M ax都是后验概率的一种近似 。他们具有比 较高的运算速度 。M ax选项采用 M ax ( ai ) 作为近似 值 , 而 M ax3 采用 M ax ( ai ) 加上一个纠正值 。图 6中是交 图 4 不同迭代次数比较图 织长度为 250, 迭代次数为 6时不同算法的比较 , 可以 Fig14 Plot comparison of varying decoding iterations 看出 M ax算法提高了速度的同时也降低了性能 , M ax3 的纠正值使近似效果相当的好 。 图 5 不同交织长度比较图 Fig15 Plot comparison of varying length of interleaves 图 6 不同算法比较图 Fig16 Plot of comparison decoding algorithm s 3 结  语 笔者提出了一种完全基于 Simulink模块的 Turbo码仿真模型 , 编码器中 , 分量码采用循环系统卷积 码 , 使分量码的奇序列与原始信息相同 。译码器采用流水线译码方式 , 由 Simulink模型库中的后验概率 译码模块构成 。使 Turbo码的仿真易于实现 , 方便了对 Turbo码的分析和应用研究 。仿真分析了迭代次 数 、交织长度 、不同算法对译码性能影响 。仿真结果表明 , 单比特信噪比 ( Eb /No ) 为 2 dB 时 , BER ( eBER ) 可以接近 10 - 7 , 充分体现了该码超强的纠错能力 。 参考文献 : [ 1 ]BERROU C, GLAV IEUX A , TH ITIMAJSH IMA P. 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( Ed. : Z) ·待发表文章预告 · 518 GHz室外环境传播特性分析 刘杉坚 1, 2 , 周春晖 2 , 周世东 2 , 王庭昌 1 (1. 解放军理工大学 通信工程学院 , 南京 210007; 2. 清华大学 信息科学技术学院国家实验室无线中心 , 北京 100084) 摘要 : 为了给后 3代无线通信系统 (B3G: Beyond 3G) 参数设计提供参考以及为算法仿真提供信道建 模 , 针对国内城市室外环境不同的传播场景中 , 在 518 GHz频段和 20 MHz信道带宽的测量条件下 , 进 行了室外信道测量和研究 。根据测量数据统计分析 , 518 GHz频段路径损耗指数在视距通信时为 2153, 在非视距通信时为 313 ~318; 同时 , 对 COST2312W I路径损耗模型进行了修正 , 考虑到阴影衰落的影 响 , 修正后的模型能较准确地预测接收功率 , 为系统覆盖范围预测提供参考 。均方根时延扩展的累积概 率为 019时 , 在 015~018μs之间变化 。均方根角度扩展主要由发射天线位置和传播环境决定 。 关键词 : 信道测量 ; 路径损耗 ; 阴影衰落 ; 均方根时延扩展 ; 均方根方位角扩展码

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