Turbo码编解码

实验五Turbo码编码实验指导一、实验目的1、掌握TURBO码的编解码原理。

2、掌握TURBO码的软件仿真方法。

3、掌握TURBO码的硬件仿真方法。

4、掌握TURBO码的硬件设计方法。

二、预习要求1、掌握TURBO码的编解码原理和方法。

2、熟悉matlab的应用和仿真方法。

3、熟悉Quatus的应用和FPGA的开发方法。

三、实验原理1、Turbo码编码原理Turbo码是1993年法国人Berrou提出的一种新型编码方法。

它巧妙的将卷积码和随机交织器结合在一起；同时，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。

Turbo码编码原理框图如图所示：a、编码器图中编码器的结构图如图输入为10010001时，输出为11100101、寄存器为00：输入为1，反馈位为1，状态为100，输出为1；2、寄存器为10：输入为0，反馈位为1，状态为110，输出为1；3、寄存器为11：输入为0，反馈位为0，状态为011，输出为1；4、寄存器为01：输入为0，反馈位为1，状态为101，输出为0；5、寄存器为10：输入为1，反馈位为0，状态为010，输出为0；6、寄存器为01：输入为0，反馈位为1，状态为101，输出为0；7、寄存器为10：输入为0，反馈位为1，状态为110，输出为1；8、寄存器为11：输入为1，反馈位为1，状态为111，输出为0；图中，两个方框为移位寄存器，⊕为异或器。

b、交织器交织可以将长的突发错误分散到每个行码中去。

以最常用的交织器－行列交织器为例，它的交织方式是采用行顺序写入、列顺序读出的方式，而解交织列顺序写入，行顺序读出。

交织时，输入序列为：a11 a12 a13 a14a21 a22 a23 a24a31 a32 a33 a34a41 a42 a43 a44通过行列交织后变为：a11 a21 a31 a41a12 a22 a32 a42a13 a23 a33 a43a14 a24 a34 a44上述序列为四组长度为四的码组。

假设每组码的纠错能力为1位，设码组1：a11,a12 ,a13,a14在传输信道中遇到突发错误,a12,a13,a14出错。

那么，码组一将不能正确纠错。

如果输入码组在输入突发信道前先交织，则遇到相同突发错误后，a21,a31,a41出错，在数据收到并解交织后，错误分散到了各码组中（二、三、四组），因此错误可以正常识别和纠正。

因此，通过交织器将信道中产生的突发错误随机化，信道抗突发错误的能力得到了增强。

通过交织，原有的只能纠随机错误的码，可以纠正较长的突发错误或突发错误与随机错误的组合。

c、开关单元开关单元输入为两个编码器的编码输出，通过开关器件用于选择输出某一路或两路编码输出。

当码率为1/3时，将两路编码输出一起输出；当码率为1/2时，轮流输出两路编码输出。

d、复接器复接器将两路或三路信号，串接起来变为一路信号，码率为原来码率的1/2或1/3。

设：编码器输入为：a1,a2,a3……;编码器1输出为b1,b2,b3……;编码器2输出为c1, c2, c3 ……。

当码率为1/2时，开关电路的输出为：b1,c2,b3,c4……复接器的输出为：a1,b1,a2,c2,a3,b3,a4,c4……当码率为1/3时，开关电路的输出为：b1,c1,b2,c2……复接器的输出为：a1,b1,c1,a2,b2,c2,a3,b3,c3,a4,b4,c4……。

2、Turbo码的译码原理由于Turbo码是由两个或多个分量码经过不同交织后对同一信息序列进行编码，Turbo码译码算法为了更好利用译码器之间的信息，译码算法所用的应是软判决信息而不是硬判决。

一个由两个分量码构成Turbo 码的译码器是由两个与分量码对应的译码单元和交织器组成的，将一个译码单元的软输出信息作为下一个译码单元的输入；为了获得更好的译码性能，将此过程迭代数次。

这就是Turbo 码译码器的基本工作原理。

Turbo 码的译码结构如下图所示：如图所示Turbo 码译码器的接收序列为Rk ＝（xk ，yk ），yk 经过开关电路，分离为y1k ，y2k 分别输入解码器1和解码器2中。

为了使译码后的比特错误概率最小，根据最大概率译码准则，应该根据Rk 计算后验概率（APP ）P （dk ）＝P （dk|xk,yk ），但是当码较长时，计算复杂度太高。

因此，在Turbo 码中，采用了一种次最优译码的规则，将y1k ，y2k 分开考虑，由两个分量码译码器分别计算后验概率),|(11ek L y d P 和),|(22e k L y d P ，然后通过两个译码器之间的多次迭代，使它们收敛于P(dk)，从而达到了近Shannon 限的性能。

e L 1和e L 2为附加信息。

其中e L 1为译码器2输出，作为译码器1的先验信息；其中eL 2为译码器1输出，作为译码器2的先验信息。

四、实验中的Turbo 码编解码框图1、Turbo 编码的实现 （1）端口设置cs_ turbo ：输入turbo 编码使能位，’1’电平有效； datain ：输入8位编码输入位，其中低5位为编码输入位；dataout ：输出16位编码输出位，其中低15位为编码输出位（高5位为系统信息，中5位为第一路编码输出，低5位为第二路编码输出），最高位补’0’。

（2）主程序process(cs_turbo,datain)variable sys2,parity2,parity1 :std_logic_vector(4 downto 0);variable i : integer range 0 to 5;variable reg1,reg2 : std_logic_vector(1 downto 0);variable m1,m2 : std_logic;variable temp1,temp2 : std_logic;variable recept1 : std_logic_vector(4 downto 0);beginif cs_turbo='1' thenfor i in 0 to 5 loopif i=5 then--Initializereg1:="00";reg2:="00";--Interleaverecept1(4):=datain(4);recept1(3):=datain(2);recept1(2):=datain(0);recept1(1):=datain(1);recept1(0):=datain(3);sys2:=recept1;--Outputdataout<='0' & datain(4 downto 0) & parity1 & parity2;else--Encode onem1:=reg1(1) xor reg1(0) xor datain(i);temp1:=m1 xor reg1(0);reg1:=m1 & reg1(1);parity1:=temp1 & parity1(4 downto 1);--Encode twom2:= reg2(1) xor reg2(0) xor sys2(i);temp2:=m2 xor reg2(0);reg2:=m2 & reg2(1);parity2:=temp2 & parity2(4 downto 1);end if; --end if i=5end loop;elsedataout<="0000000000000000";end if; --end if cs_turboend process;3、编码输出结果datain[4..0]为编码输入，dataout[14..10]为编码系统位输出，dataout[9..5]为编码器1的校验位输出，dataout[4..0]为编码器2的校验位输出。

如图所示，对应输入为10001的编码输出位为100010011101100。

4、turbo码的解码实现2、解码部分如图为Turbo码的解码框图如图所示，解码输入位为110010*********，通过多次迭代后的解码输出位为10001，其中j为迭代次数。

五、实验操作说明开关置ON表明输入0，OFF表明输入1；LED亮表明输出1，暗表明输出0。

1、编码输入：由SW101-8，SW101-7，SW101-6，SW101-5，SW101-4，SW101-3，SW101-2，SW101-1可以输入由高位到低位的8位编码输入位。

2、编码方式选择3、信道选择（选择加错位置）4、加错数目选择从SW103-6,SW103-5,SW103-4,SW103-3指示的位置开始，每帧加错的位数有SW103-2,SW103-1的状态决定。

5、编码输出设置D116，D115，D114，D113，D112，D111，D110，D109，D108，D107，D106，D105，D104，D103，D102，D101为16位编码输出位。

TP102和TP103分别可以测量编码输出的帧和对应该帧的时钟信号。

6、解码方式选择7、解码数据输出端：D208,D207,D206,D205,D204,D203,D202,D201。

错误指示灯（当判断出数据有错码时就指示）：D220。

8、其他：七段码显示表明维特比译码的四路路径度量。

六、实验内容1、用matalab中的simulink对(7，5)TURBO码进行软件仿真，绘制(7，5)TURBO码的误码率图，分析它的纠错能力；2、选择一种在移动通信中应用的TURBO码，通过simulnk进行软件仿真，绘制其误码率图，分析它的纠错能力；3、在Quatus中对(7，5)TURBO码的编码程序进行仿真，分析TURBO码的编解码过程；4、在实验系统中，分别置SW102-2，SW102-1，SW102-0为”101”和SW201-3，SW201-2，SW201-1为”101”，选择TURBO码编解码方式。

置SW103-6，SW103-5，SW103-4，SW103-3，SW103-2，SW103-1为”000000”,即不加任何错。

5、由SW101-5，SW101-4，SW101-3，SW101-2，SW101-1任意输入5位数据，观察并记录D115，D114，D113，D112，D111，D110，D109，D108，D107，D106，D105，D104，D103，D102，D101对应的编码后的15位输出数据。

6、用示波器分别测量TP102和TP103，观察并编码输出的帧的帧格式。

7、观察并记录解码数据输出端D208,D207,D206,D205,D204,D203,D202,D201的解码输出状态和错误指示灯（当判断出数据有错码时就指示）D220的输出状态。