Turbo码编解码

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：

输入信息 编码器1 开关交织器 编码器2 单元 复接器 输出码元

a、编码器

图中编码器的结构图如图

输入为10010001时，输出为1110010

1、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 a14 a21 a22 a23 a24 a31 a32 a33 a34 a41 a42 a43 a44 通过行列交织后变为： a11 a21 a31 a41 a12 a22 a32 a42 a13 a23 a33 a43 a14 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：

（1dk）zk 解码 器1 xk y1k yk 交织 （1dn）解码器2 交织 y2k 判决 解交织 dk  2（dk）

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

eP(dk|y1,L1)和P(dk|y2,Le2)，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eeeeLLLL121了近Shannon限的性能。和为附加信息。其中为译码器2输出，作为译码器1的先验信息；其中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 variable recept1 begin

if cs_turbo='1' then for i in 0 to 5 loop

if i=5 then else

--Encode one

m1:=reg1(1) xor reg1(0) xor datain(i); temp1:=m1 xor reg1(0); reg1:=m1 & reg1(1);

parity1:=temp1 & parity1(4 downto 1); --Encode two

m2:= reg2(1) xor reg2(0) xor sys2(i); temp2:=m2 xor reg2(0); reg2:=m2 & reg2(1); --Initialize

reg1:=\"00\";reg2:=\"00\"; --Interleave

recept1(4):=datain(4);recept1(3):=datain(2);recept1(2):=datain(0); recept1(1):=datain(1);recept1(0):=datain(3); sys2:=recept1; --Output

dataout<='0' & datain(4 downto 0) & parity1 & parity2;

: std_logic;

: std_logic_vector(4 downto 0);

parity2:=temp2 & parity2(4 downto 1); end if; --end if i=5

end loop; else

dataout<=\"0000000000000000\";

--end if cs_turbo

end if; end 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110010011101100，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

SW102-2,SW102-1,SW102-0 000 001 010 011 100 101 110 111 3、信道选择（选择加错位置）

SW103-6,SW103-5,SW103-4,SW103-3 0000 0001 0010 0011 …… 1111 4、加错数目选择

SW103-2,SW103-1 00 01 10 11 加错位置 加0位错 加1位错 加2位错 加3位错 加错位置 从0位置加错 从1位置加错 从2位置加错 从3位置加错 ……. 从15位置加错 编码方式 汉明码编码 CRC编码 BCH码编码 卷积码编码 Turbo码编码 扩展用 扩展用 汉明码交织编码 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

SW201-3,SW201-2,SW201-1 000 001 010 011 100 101 110 111 解码方式 汉明码解码 CRC解码 BCH码解码 卷积码解码 Turbo码解码 扩展用 扩展用 汉明码交织解码 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。看是否译码正确。

8、通过SW103-6，SW103-5，SW103-4，SW103-3，SW103-2，SW103-1选择在任意位置设置一位错误。

9、看看解码模块的解码输出数据D208,D207,D206,D205,D204,D203,D202,D201以及误码指示D220。看是否译码正确。

10、换几组数据(至少4组数据)重复上述步骤4-9。

七、实验仪表

1、电脑一台（装有matlab和quatus软件）； 2、ByteblasterII下载设备；

3、移动通信原理实验系统； 4、60M双踪示波器。 5、数字万用表。

八、思考题

1、交织器是如何改变输入信号的位置和码重的，举例说明。 2、推导出下例一组信号“10010101”的编码器1、2输出。

九、实验报告要求

1、整理数据，记录实验中得到的数据； 2、在实验报告中完成上述思考题。