基于Matlab的突發干擾仿真平臺及應用

2022年01月09日 09:38來源于:科技視界

于佳 徐健輝

【摘 要】在現代通信系統中,針對某些信道類型突發干擾多,目前有不少專門對抗突發錯誤的一些編碼方法。主要是各種糾錯碼,包括BCH碼、RS碼、卷積碼等。Turbo碼是其中最為著名的信道編碼之一。

【關鍵詞】Turbo碼;突發信道;抗干擾;交織

【Abstract】Currently,in the communication system, there are many special encoding methods against burst errors against certain type of channel burst interference, some of the encoding methods, mainly are several kinds of error correction codes, including BCH codes,RS codes,Convolutional Codes and so on.Turbo codes is one of the most famous encoding methods.

【Key words】Turbo code;Burst channel;Anti-jamming;Interlace

0 緒論

本文首先介紹了課題的研究背景,其次概述Turbo碼的起源和發展現狀,最后給出本文的框架安排。

1 信道編碼概述

信道編碼的起源

千百年來,努力創造更穩定,更快速的信息傳輸方式,一直是人們不懈追求的目標。在現代社會,通信技術飛速發展,通信技術的應用也越來越廣泛。可以傳輸的對象遠遠不止最原始的電報那么單調。得益于現代數字通信系統,文本、語音、視頻等媒體信號均可以快速高質量地進行傳輸,現代數字通信系統的基本框圖如圖1。

從圖1中我們可以看到,最右側的框圖代表噪聲源。在實際工程中,任何信道都會存在噪聲,從而在傳輸過程中發生錯誤,這是無法避免的。如何在噪聲的干擾下,盡量穩定、可靠地將信息由發送方傳輸到接收方,是貫穿通信理論的一個經典問題。信道編碼理論就是由此應運而生,它承擔著糾正信道傳輸中的各種錯誤的功能。

信道編碼理論的基本思想是,在碼元發送端添入一定數量的冗余碼元[1]。也就是所謂的監督碼元,形成“抗干擾碼字”。其中監督碼元的產生和加入要嚴格按照一定的規則,即它與信息碼元之間必須滿足某種聯系規律。這種聯系規律就叫做約束關系。如果某位信息碼元在傳輸的過程中受到了噪聲的影響而發生了差錯,那么其和監督碼元之間的約束關系肯定會受到破壞。當受到破壞的約束關系在接收端被檢驗時,錯誤就會顯示出來,以便于我們對其進行糾正。

我們知道,任何一種理論都不是完美的,都有自己的局限性。信道編碼理論也是如此。其始終致力于改善系統通信的可靠性和正確性,但是因為監督碼元的加入會占用通信資源,因而必須付出降低信息傳輸速率的代價[2]。在實際的通信工程設計中,信道編碼方案的設計者必須要綜合考慮,包括頻率的范圍,信道衰落的信道條件、通話質量等因素,進行合理均衡的設計。

2 Turbo碼的簡介

2.1 Turbo碼的研究現狀

在譯碼算法方面,Turbo碼目前所采用的譯碼算法主要是MAP算法、Log-MAP算法與SOVA算法。其中MAP算法譯碼性能最優,但也最復雜,不適合工程應用。SOVA算法對簡單,但是性能不太理想[11]。而Log-MAP算法則進行了一定的折中,既對MAP算法進行了簡化,降低了譯碼復雜度,同時還保持著優于SOVA算法的性能,是一種經常被采用的譯碼算法。

目前,由于其在高數據率下良好的誤碼性能,Turbo碼方案已經被3G系統采用[12]。只是由于算法復雜度,硬件要求,時延等因素,一直未能真正應用到實際工程中。

在硬件設備方面,已經有國外公司開始批量生產為Turbo碼量身定做的芯片。國內高校也在積極探索Turbo碼的應用,總的來講,Turbo碼仍處于試驗階段。然而,隨著各項科技成果的飛速進展,硬件性能會逐步提高,算法實現的難度會逐漸降低,Turbo碼一定會受到業界越來越多的重視

3 一種改進的Turbo碼編譯碼方案

3.1 改進編譯碼方案的原理框圖

改進后的Turbo碼編譯碼方案框圖如下:

圖3是交織器內部的示意簡圖,a1-a10,b1-b10,c1-c10分別是編碼器對同一信息序編碼輸出的三行碼字,按輸出先后順序以行的形式存儲在交織器中,交織器輸出時,如箭頭所示,按列輸出,順序依次為a1,b1,c1,...,a10,b10,c10,加入突發干擾,然后在譯碼之前恢復原來順序,按行輸出進行譯碼,由于信道中的突發干擾往往是連續的,所以經過譯碼之前的順序恢復之后,突發干擾會均勻分布在三個碼字之中,其影響被間接削弱了。這里交織器所儲存的碼字行數是一個重要參數,稱之為交織深度。可以推知,在編碼碼字長度相同,突發干擾長度相同的情況下,交織的深度越深,分攤到每個碼字上的干擾就越少,抗突發干擾能力也就越強。

3.2 改進編譯碼方案的驗證

仿真參數如下:AWGN信道,交織器類型采用隨機交織器,交織器類型為隨機交織器,碼率取1/2,交織長度取400,Turbo碼的生成多項式為(7,5),突發干擾序列在信息源序列中出現位置為隨機,突發干擾序列的均值取0,方差取2,突發干擾序列長度N取100,譯碼算法為Log-MAP算法,交織深度分別取5和10。

從圖4中可以看出,改進后編譯碼方案的性能較之前有明顯的提升,在突發干擾長度為50的情況下,當交織深度達到10的時候,誤碼性能已經接近原譯碼方案不加突發干擾的性能,而且,其抗干擾性能隨著交織深度的增加還在不斷改善。但是這種改進的編譯碼方案也存在著一定的局限性,即其抗干擾性能的提升是以占用更多的資源和產生更大的延時為代價的。

【參考文獻】

[1]王新梅,肖國鎮.糾錯碼:原理與方法[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003.

[2]王育民,梁傳甲.信息與編碼理論[M].西北電訊工程學院出版社,1986.

[3]C.Berrou,A.Glavieux and P.Thitimajshima. Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo-codes(1)[J]. ICC,93.1993:1064—1074.

[4]袁東風,張海霞.編碼調制技術原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2006.

[5]周炯磐,龐沁華,續大我,吳偉陵.通信原理(下)[M].北京郵電大學出版社,2002.

[6]David J C Mackay Good Error-Correcting Codes Based on Very Sparse Matrices[J].1999(02).

[7]譚明新.Turbo碼的研究[D].哈爾濱工程大學,2002,7.

[8]Mackay D J C Good error-correcting codes based on very sparse matrices[J].1999(02).

[9]樊昌信,等.通信原理[M].5版.北京:國防工業出版社,2005,5.

[10]劉東華.Turbo碼原理與應用技術[M].北京:電子工業出版社,2004,1.

[責任編輯:張濤]

【摘 要】在現代通信系統中,針對某些信道類型突發干擾多,目前有不少專門對抗突發錯誤的一些編碼方法。主要是各種糾錯碼,包括BCH碼、RS碼、卷積碼等。Turbo碼是其中最為著名的信道編碼之一。

【關鍵詞】Turbo碼;突發信道;抗干擾;交織

【Abstract】Currently,in the communication system, there are many special encoding methods against burst errors against certain type of channel burst interference, some of the encoding methods, mainly are several kinds of error correction codes, including BCH codes,RS codes,Convolutional Codes and so on.Turbo codes is one of the most famous encoding methods.

【Key words】Turbo code;Burst channel;Anti-jamming;Interlace

0 緒論

本文首先介紹了課題的研究背景,其次概述Turbo碼的起源和發展現狀,最后給出本文的框架安排。

1 信道編碼概述

信道編碼的起源

千百年來,努力創造更穩定,更快速的信息傳輸方式,一直是人們不懈追求的目標。在現代社會,通信技術飛速發展,通信技術的應用也越來越廣泛。可以傳輸的對象遠遠不止最原始的電報那么單調。得益于現代數字通信系統,文本、語音、視頻等媒體信號均可以快速高質量地進行傳輸,現代數字通信系統的基本框圖如圖1。

從圖1中我們可以看到,最右側的框圖代表噪聲源。在實際工程中,任何信道都會存在噪聲,從而在傳輸過程中發生錯誤,這是無法避免的。如何在噪聲的干擾下,盡量穩定、可靠地將信息由發送方傳輸到接收方,是貫穿通信理論的一個經典問題。信道編碼理論就是由此應運而生,它承擔著糾正信道傳輸中的各種錯誤的功能。

信道編碼理論的基本思想是,在碼元發送端添入一定數量的冗余碼元[1]。也就是所謂的監督碼元,形成“抗干擾碼字”。其中監督碼元的產生和加入要嚴格按照一定的規則,即它與信息碼元之間必須滿足某種聯系規律。這種聯系規律就叫做約束關系。如果某位信息碼元在傳輸的過程中受到了噪聲的影響而發生了差錯,那么其和監督碼元之間的約束關系肯定會受到破壞。當受到破壞的約束關系在接收端被檢驗時,錯誤就會顯示出來,以便于我們對其進行糾正。

我們知道,任何一種理論都不是完美的,都有自己的局限性。信道編碼理論也是如此。其始終致力于改善系統通信的可靠性和正確性,但是因為監督碼元的加入會占用通信資源,因而必須付出降低信息傳輸速率的代價[2]。在實際的通信工程設計中,信道編碼方案的設計者必須要綜合考慮,包括頻率的范圍,信道衰落的信道條件、通話質量等因素,進行合理均衡的設計。

2 Turbo碼的簡介

2.1 Turbo碼的研究現狀

在譯碼算法方面,Turbo碼目前所采用的譯碼算法主要是MAP算法、Log-MAP算法與SOVA算法。其中MAP算法譯碼性能最優,但也最復雜,不適合工程應用。SOVA算法對簡單,但是性能不太理想[11]。而Log-MAP算法則進行了一定的折中,既對MAP算法進行了簡化,降低了譯碼復雜度,同時還保持著優于SOVA算法的性能,是一種經常被采用的譯碼算法。

目前,由于其在高數據率下良好的誤碼性能,Turbo碼方案已經被3G系統采用[12]。只是由于算法復雜度,硬件要求,時延等因素,一直未能真正應用到實際工程中。

在硬件設備方面,已經有國外公司開始批量生產為Turbo碼量身定做的芯片。國內高校也在積極探索Turbo碼的應用,總的來講,Turbo碼仍處于試驗階段。然而,隨著各項科技成果的飛速進展,硬件性能會逐步提高,算法實現的難度會逐漸降低,Turbo碼一定會受到業界越來越多的重視

3 一種改進的Turbo碼編譯碼方案

3.1 改進編譯碼方案的原理框圖

改進后的Turbo碼編譯碼方案框圖如下:

圖3是交織器內部的示意簡圖,a1-a10,b1-b10,c1-c10分別是編碼器對同一信息序編碼輸出的三行碼字,按輸出先后順序以行的形式存儲在交織器中,交織器輸出時,如箭頭所示,按列輸出,順序依次為a1,b1,c1,...,a10,b10,c10,加入突發干擾,然后在譯碼之前恢復原來順序,按行輸出進行譯碼,由于信道中的突發干擾往往是連續的,所以經過譯碼之前的順序恢復之后,突發干擾會均勻分布在三個碼字之中,其影響被間接削弱了。這里交織器所儲存的碼字行數是一個重要參數,稱之為交織深度。可以推知,在編碼碼字長度相同,突發干擾長度相同的情況下,交織的深度越深,分攤到每個碼字上的干擾就越少,抗突發干擾能力也就越強。

3.2 改進編譯碼方案的驗證

仿真參數如下:AWGN信道,交織器類型采用隨機交織器,交織器類型為隨機交織器,碼率取1/2,交織長度取400,Turbo碼的生成多項式為(7,5),突發干擾序列在信息源序列中出現位置為隨機,突發干擾序列的均值取0,方差取2,突發干擾序列長度N取100,譯碼算法為Log-MAP算法,交織深度分別取5和10。

從圖4中可以看出,改進后編譯碼方案的性能較之前有明顯的提升,在突發干擾長度為50的情況下,當交織深度達到10的時候,誤碼性能已經接近原譯碼方案不加突發干擾的性能,而且,其抗干擾性能隨著交織深度的增加還在不斷改善。但是這種改進的編譯碼方案也存在著一定的局限性,即其抗干擾性能的提升是以占用更多的資源和產生更大的延時為代價的。

【參考文獻】

[1]王新梅,肖國鎮.糾錯碼:原理與方法[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003.

[2]王育民,梁傳甲.信息與編碼理論[M].西北電訊工程學院出版社,1986.

[3]C.Berrou,A.Glavieux and P.Thitimajshima. Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo-codes(1)[J]. ICC,93.1993:1064—1074.

[4]袁東風,張海霞.編碼調制技術原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2006.

[5]周炯磐,龐沁華,續大我,吳偉陵.通信原理(下)[M].北京郵電大學出版社,2002.

[6]David J C Mackay Good Error-Correcting Codes Based on Very Sparse Matrices[J].1999(02).

[7]譚明新.Turbo碼的研究[D].哈爾濱工程大學,2002,7.

[8]Mackay D J C Good error-correcting codes based on very sparse matrices[J].1999(02).

[9]樊昌信,等.通信原理[M].5版.北京:國防工業出版社,2005,5.

[10]劉東華.Turbo碼原理與應用技術[M].北京:電子工業出版社,2004,1.

[責任編輯:張濤]

【摘 要】在現代通信系統中,針對某些信道類型突發干擾多,目前有不少專門對抗突發錯誤的一些編碼方法。主要是各種糾錯碼,包括BCH碼、RS碼、卷積碼等。Turbo碼是其中最為著名的信道編碼之一。

【關鍵詞】Turbo碼;突發信道;抗干擾;交織

【Abstract】Currently,in the communication system, there are many special encoding methods against burst errors against certain type of channel burst interference, some of the encoding methods, mainly are several kinds of error correction codes, including BCH codes,RS codes,Convolutional Codes and so on.Turbo codes is one of the most famous encoding methods.

【Key words】Turbo code;Burst channel;Anti-jamming;Interlace

0 緒論

本文首先介紹了課題的研究背景,其次概述Turbo碼的起源和發展現狀,最后給出本文的框架安排。

1 信道編碼概述

信道編碼的起源

千百年來,努力創造更穩定,更快速的信息傳輸方式,一直是人們不懈追求的目標。在現代社會,通信技術飛速發展,通信技術的應用也越來越廣泛。可以傳輸的對象遠遠不止最原始的電報那么單調。得益于現代數字通信系統,文本、語音、視頻等媒體信號均可以快速高質量地進行傳輸,現代數字通信系統的基本框圖如圖1。

從圖1中我們可以看到,最右側的框圖代表噪聲源。在實際工程中,任何信道都會存在噪聲,從而在傳輸過程中發生錯誤,這是無法避免的。如何在噪聲的干擾下,盡量穩定、可靠地將信息由發送方傳輸到接收方,是貫穿通信理論的一個經典問題。信道編碼理論就是由此應運而生,它承擔著糾正信道傳輸中的各種錯誤的功能。

信道編碼理論的基本思想是,在碼元發送端添入一定數量的冗余碼元[1]。也就是所謂的監督碼元,形成“抗干擾碼字”。其中監督碼元的產生和加入要嚴格按照一定的規則,即它與信息碼元之間必須滿足某種聯系規律。這種聯系規律就叫做約束關系。如果某位信息碼元在傳輸的過程中受到了噪聲的影響而發生了差錯,那么其和監督碼元之間的約束關系肯定會受到破壞。當受到破壞的約束關系在接收端被檢驗時,錯誤就會顯示出來,以便于我們對其進行糾正。

我們知道,任何一種理論都不是完美的,都有自己的局限性。信道編碼理論也是如此。其始終致力于改善系統通信的可靠性和正確性,但是因為監督碼元的加入會占用通信資源,因而必須付出降低信息傳輸速率的代價[2]。在實際的通信工程設計中,信道編碼方案的設計者必須要綜合考慮,包括頻率的范圍,信道衰落的信道條件、通話質量等因素,進行合理均衡的設計。

2 Turbo碼的簡介

2.1 Turbo碼的研究現狀

在譯碼算法方面,Turbo碼目前所采用的譯碼算法主要是MAP算法、Log-MAP算法與SOVA算法。其中MAP算法譯碼性能最優,但也最復雜,不適合工程應用。SOVA算法對簡單,但是性能不太理想[11]。而Log-MAP算法則進行了一定的折中,既對MAP算法進行了簡化,降低了譯碼復雜度,同時還保持著優于SOVA算法的性能,是一種經常被采用的譯碼算法。

目前,由于其在高數據率下良好的誤碼性能,Turbo碼方案已經被3G系統采用[12]。只是由于算法復雜度,硬件要求,時延等因素,一直未能真正應用到實際工程中。

在硬件設備方面,已經有國外公司開始批量生產為Turbo碼量身定做的芯片。國內高校也在積極探索Turbo碼的應用,總的來講,Turbo碼仍處于試驗階段。然而,隨著各項科技成果的飛速進展,硬件性能會逐步提高,算法實現的難度會逐漸降低,Turbo碼一定會受到業界越來越多的重視

3 一種改進的Turbo碼編譯碼方案

3.1 改進編譯碼方案的原理框圖

改進后的Turbo碼編譯碼方案框圖如下:

圖3是交織器內部的示意簡圖,a1-a10,b1-b10,c1-c10分別是編碼器對同一信息序編碼輸出的三行碼字,按輸出先后順序以行的形式存儲在交織器中,交織器輸出時,如箭頭所示,按列輸出,順序依次為a1,b1,c1,...,a10,b10,c10,加入突發干擾,然后在譯碼之前恢復原來順序,按行輸出進行譯碼,由于信道中的突發干擾往往是連續的,所以經過譯碼之前的順序恢復之后,突發干擾會均勻分布在三個碼字之中,其影響被間接削弱了。這里交織器所儲存的碼字行數是一個重要參數,稱之為交織深度。可以推知,在編碼碼字長度相同,突發干擾長度相同的情況下,交織的深度越深,分攤到每個碼字上的干擾就越少,抗突發干擾能力也就越強。

3.2 改進編譯碼方案的驗證

仿真參數如下:AWGN信道,交織器類型采用隨機交織器,交織器類型為隨機交織器,碼率取1/2,交織長度取400,Turbo碼的生成多項式為(7,5),突發干擾序列在信息源序列中出現位置為隨機,突發干擾序列的均值取0,方差取2,突發干擾序列長度N取100,譯碼算法為Log-MAP算法,交織深度分別取5和10。

從圖4中可以看出,改進后編譯碼方案的性能較之前有明顯的提升,在突發干擾長度為50的情況下,當交織深度達到10的時候,誤碼性能已經接近原譯碼方案不加突發干擾的性能,而且,其抗干擾性能隨著交織深度的增加還在不斷改善。但是這種改進的編譯碼方案也存在著一定的局限性,即其抗干擾性能的提升是以占用更多的資源和產生更大的延時為代價的。

【參考文獻】

[1]王新梅,肖國鎮.糾錯碼:原理與方法[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003.

[2]王育民,梁傳甲.信息與編碼理論[M].西北電訊工程學院出版社,1986.

[3]C.Berrou,A.Glavieux and P.Thitimajshima. Near Shannon limit error-correcting coding and decoding: Turbo-codes(1)[J]. ICC,93.1993:1064—1074.

[4]袁東風,張海霞.編碼調制技術原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2006.

[5]周炯磐,龐沁華,續大我,吳偉陵.通信原理(下)[M].北京郵電大學出版社,2002.

[6]David J C Mackay Good Error-Correcting Codes Based on Very Sparse Matrices[J].1999(02).

[7]譚明新.Turbo碼的研究[D].哈爾濱工程大學,2002,7.

[8]Mackay D J C Good error-correcting codes based on very sparse matrices[J].1999(02).

[9]樊昌信,等.通信原理[M].5版.北京:國防工業出版社,2005,5.

[10]劉東華.Turbo碼原理與應用技術[M].北京:電子工業出版社,2004,1.

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