Turbo码高性能编解码仿真实验平台

资 源 简 介

该项目是一个全功能的MATLAB仿真环境，旨在深入探究Turbo码在不同信道条件下的纠错性能。系统实现了符合标准的Turbo编码器，由两路相同的递归正规卷积码（RSC）通过交织器进行并行级联而成，通过灵活的删余逻辑，用户可以根据需要在原始码率与各种高码率之间自由切换，以适应不同的带宽限制。在译码端，项目采用了经典的迭代译码架构，其核心算法完整涵盖了高精度的MAP算法及其在对数域的演进版本，包括Log-MAP和Max-Log-MAP，这有效地解决了MAP算法中指数运算带来的数值溢出问题，并在保证性能的同时显

详 情 说 明

基于MATLAB的高性能Turbo码编解码仿真实验平台

项目介绍

本项目是一个全功能的MATLAB仿真环境，致力于评估和研究Turbo码在AWGN（加性高斯白噪声）信道下的纠错性能。系统构建了一个符合业界标准的并行级联卷积码（PCCC）框架，涵盖了从信源生成、符号编码、删余处理、信号调制到信道模拟，以及核心的迭代译码的全流程仿真。通过该平台，用户能深入观察Turbo码在不同信噪比下的误比特率（BER）表现，尤其是其著名的“瀑布区”性能特性。

功能特性

• 灵活的码率配置：系统支持1/3原始码率以及通过删余逻辑实现的1/2码率，能够模拟不同带宽效率下的通信需求。
• 高精度译码算法：核心译码器实现了完整的SISO（软输入软输出）架构，支持Log-MAP（对数域最大后验概率）算法以及计算复杂度更低的Max-Log-MAP算法，兼顾了译码精度与运算效率。
• 动态迭代机制：支持自定义迭代次数（默认最大6次），并能实时统计并对比不同迭代轮次对纠错增益的提升。
• 严谨的统计评估：仿真流程引入了最小错误数跳出机制和最大帧数限制，确保在统计意义上误码率计算的准确性。
• 可视化分析：自动生成多曲线对比图，直观展现随着信噪比提升和迭代次数增加时系统性能的演进。

系统逻辑流程

系统仿真遵循标准的数字通信链路模型，具体步骤如下：

1. 参数初始化：配置信息帧长（1024比特）、寄存器个数、生成多项式（反馈13，前向15）、信噪比范围及译码算法类型。
2. 交织器设计：生成伪随机交织序列及其对应的解交织映射表，用于打破连贯错误。
3. Turbo编码：

- 信息位通过分量码1产生校验位1。 - 信息位经过随机交织后，通过分量码2产生校验位2。 - 根据删余标志位，将系统位与校验位进行复用拼接。

1. 信道传输：

- 采用BPSK调制（0映射为1，1映射为-1）。 - 计算对应码率下的噪声方差，向信号注入AWGN噪声。

1. 软解调与处理：计算接收信号的对数似然比（LLR），并根据删余模式进行去删余处理，在缺失位置补0以进行软信息恢复。
2. 迭代译码核心循环：

- 译码器1接收系统位与分量码1的校验位，计算外信息。 - 将外信息交织后作为译码器2的先验信息。 - 译码器2接收交织后的系统位与分量码2的校验位，计算新的外信息。 - 将外信息解交织后反馈回译码器1，循环往复。

1. 判决与统计：在每次迭代后进行硬判决，统计误比特数。

关键算法与实现细节

• 分量码结构：采用递归正规卷积码（RSC），约束长度为4。实现中利用了MATLAB自带的规范化格图描述，确保编码状态转移的严谨性。
• 删余逻辑实现：

- 在1/2码率模式下，系统交替保留分量码1和分量码2产生的校验位（例如保留P1的奇数位和P2的偶数位），从而在不改变基本编码算法的前提下提高码率。

• SISO译码器核心（Alpha-Beta-Gamma递推）：

- Gamma（分支度量）：基于接收到的软信息计算状态转移的似然度。 - Alpha（前向递推）：从初始状态出发，遍历格图计算到达各状态的累积概率。 - Beta（后向递推）：从结束状态出发，反向计算从各状态到达终点的累积概率。 - 归一化处理：在Alpha和Beta的递推过程中，通过减去最大值的方法有效地防止了浮点数溢出，保证了算法的稳定性。

• Jacobian对数运算（max_star）：

- 对于Log-MAP，使用 $max(a, b) + log(1 + exp(-|a-b|))$ 修正项来逼近精确的指数算和。 - 对于Max-Log-MAP，则简化为纯粹的 $max(a, b)$ 运算，大幅降低了硬件实现的复杂度。

使用方法

1. 确保计算机安装有MATLAB环境（建议包含Communications Toolbox以支持格图相关函数）。
2. 打开仿真主脚本，根据需要修改仿真参数（如 params.K 调整帧长，params.algorithm 切换算法类型）。
3. 直接运行脚本，MATLAB命令行窗口将实时显示当前信噪比、仿真进度以及误码率数据。
4. 仿真结束后，系统将自动弹出BER性能分析曲线图。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 核心工具箱：Communications Toolbox（用于 poly2trellis, convenc 等函数的调用）。
• 硬件环境：建议具备 8GB 以上内存，由于Turbo迭代译码计算量大，多核CPU将有助于缩短仿真时间。