基于Matlab的Turbo码仿真研究

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1 绪论
随着通信技术和计算机技术的迅猛发展，每时每刻都在不断涌现出新的通信和信息 业务，同时各个用户对通信质量和数据传输速率的要求也不尽相同。由于传输信道本身 特有的噪声和衰落的原因，信号到达接收端时难免的会受到干扰而使信号失真。现在一 般采用差错控制码来检查并纠正由信道失真引起的信息传输错误。 由于差错控制码主要 用于实现信道纠错， 所以又称为纠错码。 编译码技术的日益成熟使其应用领域不断扩大， 比如在众多信息交换和存储设备中的广泛应用。 现代信息和编码理论的奠基人 C.E.Shannon 在 1948 年提出了著名的信道编码定理， 在定理中 Shannon 给出了在数字通信系统中实现可靠通信以及在特定信道上实现可靠通 信的信息传输速率上限的方法。Leabharlann 西华大学毕业设计说明书目 录
1 绪论 .................................................................... 1 1.1 数字通信系统的结构 ............................................... 1 1.2 Turbo 码的研究现状 ................................................ 2 1.3 Turbo 码系统仿真模型设计 .......................................... 3 2 Turbo 码的编码 .......................................................... 5 2.1 Turbo 码编码结构 .................................................. 5 2.2 本章小结 ......................................................... 8 3 译码 ................................................................... 9 3.1 Turbo 码的译码结构 ................................................ 9 3.2 基于后验概率的译码算法(MAP 算法) .................................. 9 3.3 MAP 算法的简化算法 ............................................... 13 3.4 迭代译码 ........................................................ 14 3.4.1 算法推导 .................................................. 15 3.4.2 不同迭代次数仿真 .......................................... 16 3.5 本章小结 ........................................................ 18 4 交织器的设计 .......................................................... 19 4.1 交织器的概述 .................................................... 19 4.2 交织器的设计 .................................................... 19 4.2.1 交织器的分析及设计 ........................................ 19 4.2.2 设计过程 .................................................. 20 4.2.3 S-随机交织后输出 .......................................... 22 4.3 本章小结 ........................................................ 23 5 程序设计 .............................................................. 24 5.1 软件介绍 ........................................................ 24 5.2 Turbo 码程序设计流程图： ......................................... 25 5.3 程序仿真及结果分析 .............................................. 27 6 总结与体会 ............................................................ 30 7 致谢 .................................................................. 31 8 参考文献 .............................................................. 32 9 附录：仿真程序 ........................................................ 33
1.1 数字通信系统的结构
信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。数字通信的基本特征是，它的消 息或信号具有离散或数字的特性。其一般结构由调制器/解调器、信道、编码器/译码器 等环节构成。在通信系统中是否全部采用，要取决于具体的设计条件和要求。任何通信 系统中，如果发送端有调制/加密/编码，接收端应有其相对应的设备。为更好地理解信 道编码在数字通信系统中的地位和作用，首先介绍通用数字通信系统的基本组成结构， 如图 1.1 所示。
图11数字通信系统基本组成结构信源信源编码器信道编码器数字调制器信源译码器信源译码器数字解调器西华大学毕业设计说明书12turbo码的研究现状对于turbo码的研究最初集中于对于其译码算法性能界和独特编码结构的研究上经过十多年来的发展历程已经取得了很大的成果在各方面也都走向使用阶段
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关键字：Turbo 码，编码，译码，交织器
Abstract:Turbo code, it will subtly two simple component code by intertwined parallel cascade structure with stochastic characteristics of long cycle code, and through many times at the decoder end USES iteration improves the decoding performance. At present, the Turbo code has become to large capacity, high data rate and bearing multimedia services for the purpose of the third generation mobile communication channel coding scheme, one of which, the representative of WCDMA and CDMA2000, and China's TD-SCDMA 3 used in channel coding scheme of the standard Turbo code. In addition, the Turbo code in the application of high definition digital television transmission system also look good, it can make a lot of digital signal transmission, accurate truly high-definition image quality. This design main content: using Matlab simulation software after encoder coding sequence of the information, through modulation modulator, adding noise, after demodulation into the decoder to decode. Through the performance of each process information simulation prove the superiority of Turbo codes. Keywords: Turbo code,coding ,decoding,intertwined
信源
信源编码器
信道编码器
数字调制器
信 道 调制信道
干 扰
信宿
信源译码器
信源译码器
数字解调器
图 1.1 数字通信系统基本组成结构
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1.2 Turbo 码的研究现状
对于 Turbo 码的研究最初集中于对于其译码算法、 性能界和独特编码结构的研究上， 经过十多年来的发展历程，已经取得了很大的成果，在各方面也都走向使用阶段。 Turbo 码由于很好地应用了香农信道编码定理中的随机性编译码条件而获得了接近香农理论 极限的译码性能。Turbo 码的优越性在于：在较低的信噪比环境下也能有很好的性能。 目前 Turbo 码主要以下研究方向。 （1）编译码技术 编码技术主要是对 PCCC（并行级联卷积码）与 SCCC（串行级联卷积码）的以及 HCCC（混合级联卷积码）的分析和研究；译码技术主要包括迭代译码、译码算法（最 大后验概率算法 MAP、简化的 MAP 算法 Log-MAP、软输出 Viterbi 算法 SOVA 等）的 研究。 （2）Turbo 码的设计和分析 主要包括交织器的设计、码的级联方式、译码算法、Turbo 码的性能分析等。在性 能分析中，主要对码重分布及距离谱进行分析，且相关理论还在研究中。在第三代移动 通信系统(IMT-2000）中己经将 Turbo 码作为其传输高速数据的信道编码标准。第三代 移动通信系统（IMT-2000）的特点是多媒体和智能化，要能提供多元传输速率、高性能、 高质量的服务，为支持大数据量的多媒体业务，必须在布限带宽信道上传输数据。由于 无线信道传输媒质的不稳定性及噪声的不确定性，一般的纠错码很难达到较高要求的译 码性能（一般要求比特误码率小于 10-6e） ，而 Turbo 码引起超乎寻常的优异译码性能， 可以纠正高速率数据传输时发生的误码。 （3）面向分组的 Turbo 码 主要面向分组的 Turbo 码的构造、译码及译码器的分析。Turbo 码与其它通信技术 的结合包括 Turbo 码与调制技术（如网格编码调制 TCM）的结合、Turbo 码与均衡技术 的结合（Turbo 码均衡） 、Turbo 码编码与信源编码的结合、Turbo 码译码与接收检测的 结合等等。Turbo 码与 OFDM（正交频分复用）调制、差分检测技术相结合，具有较高 的频率利用率，可有效地抑制短波信道中多径时延、频率选择性衰落、人为干扰与噪声 带来的不利影响。 （4）在 3G 中的应用 编辑信道编码技术可改善数字信息在传输过程中噪声和干扰造成的误差， 提高系统 可靠性。因而挺供高效的信道编译码技术成为 3G 移动通信系统中的关键技术之一。3G 移动通信系统所提供的业务种类的多样性、灵活性，对差错控制编译码提出了更高的要 求。WCDMA 和 CDMA2000 方案都建议采用除与 IS-95 CDMA 系统类似的卷积编码技 术和交织技术之外，采用 Turbo 编码技术。
基于 Matlab 的 Turbo 码仿真研究
摘 要：Turbo 码，它巧妙地将两个简单分量码通过交织器并行级联来构造具
有随机特性的长码，并通过在译码器端采用进行多次迭代提高了其译码性能。 目前，Turbo 码已经成为以大容量、高数据率和承载多媒体业务为目的的第三代 移动通信的信道编码方案之一，其中，具有代表性的 WCDMA，CDMA2000， 和我国的 TD-SCDMA 3 个标准中的信道编码方案都使用了 Turbo 码。 此外， Turbo 码在高清晰度数字电视传输系统的应用也很看好，它能使大量的数字信号准确 无误的传输，真正做到高清晰度的图像质量。 本次设计主要内容：使用 Matlab 仿真软件将信息序列经过编码器编码后， 经过调制器调制，加入噪声，解调后送入到译码端进行译码。通过对各个过程 对信息的性能仿真证明 Turbo 码的优越性。