基于WuYufei程序的Turbo码20x20分组交织器

资 源 简 介

本项目是针对WuYufei提供的经典Turbo码仿真框架进行的深度定制与优化，其核心任务是将原有的随机交织器（Random Interleaver）模块替换为结构化的分组交织器（Block Interleaver）。该分组交织器采用了20行乘以20列的固定矩阵结构，专门用于处理长度为400比特的数据帧。在具体实现过程中，程序体现了行入列出的核心置换逻辑：首先将输入的串行二进制信息流按照行优先的顺序依次填入预设的20x20矩阵寄存器中，待整个矩阵填满后，再按照列优先的顺序从上到下、由左至右地读取数据并输出，

详 情 说 明

基于WuYufei仿真框架的Turbo码20x20分组交织器性能分析

项目介绍

本项目是一个专门针对Turbo码交织策略进行深入研究的MATLAB仿真系统。它基于经典的WuYufei仿真框架，通过将标准的随机交织器替换为结构化的20x20分组交织器，实现了对400位固定长度信息帧的可靠传输仿真。该系统旨在评估在AWGN信道环境下，特定维度的分组交织器对Turbo码纠错性能的影响，并完整展示了从编码、信道传输到迭代译码的全过程。

功能特性

1. 结构化交织设计：采用20行乘以20列的矩阵式分组交织逻辑，能够处理400比特长度的固定数据块。
2. 经典的RSC编码：集成(1, 5/7)递归系统卷积码（RSC）作为分量码，通过两个编码器并行级联。
3. 高精度MAP译码：在译码端采用了对数域的最大后验概率（Log-MAP）算法，并结合雅可比对数（Jacobian Log）修正，确保译码精度接近理论极限。
4. 迭代处理机制：支持可自定义的交织迭代译码过程，默认进行6次迭代以实现性能收敛。
5. 全流程闭环仿真：涵盖了随机源产生、BPSK调制、AWGN信道模拟、硬判决输出以及误码率（BER）自动统计与曲线绘制。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016a 及以上版本。
2. 硬件需求：基础运算能力的计算机即可。
3. 知识背景：了解数字通信、信道编码以及迭代译码基本原理。

使用方法

1. 配置参数：在程序起始位置根据需求修改信噪比范围（Eb/N0）、迭代次数以及最大仿真帧数。
2. 运行程序：启动MATLAB脚本，程序将依次执行不同信噪比下的Monte Carlo仿真。
3. 观测结果：仿真结束后，系统会自动弹出误码率性能曲线图，并在控制台实时输出各信噪比点的具体BER数值。

功能实现逻辑

1. 参数与环境初始化

程序首先定义仿真所需的关键参数，包括信息位长度（400比特）、分组交织器的行列数（20x20）、信噪比范围（0-2.5dB）以及迭代次数。同时预定义了RSC分量码的状态转移表和输出表，对应(1, 5/7)生成多项式，其中反馈多项式为1+D^2，前向多项式为1+D+D^2。

1. 分组交织器设计

这是本程序的核心置换逻辑。系统首先生成一个1到400的原始索引序列，通过形状重塑操作将其填入20x20的矩阵中（行优先），随后通过转置或按列读取的方式生成交织映射向量。这种“行入列出”的方式将原始序列中的相邻比特物理分散，同时由于其固定结构，解交织映射向量可以通过简单的索引反转获得。

1. 编码阶段

输入的400比特随机序列经过第一个RSC编码器生成系统位和校验位1。随后，原始序列经过上述分组交织器进行顺序重排，再输入到第二个RSC编码器中生成校验位2。最终输出包含系统位、校验位1和校验位2，实现了码率为1/3的级联编码。

1. 信道模拟

采用BPSK调制方案，将二进制0映射为+1，1映射为-1。根据设定的信噪比和码率计算噪声标准差，在信号中加入加性高斯白噪声（AWGN），模拟真实物理信道的干扰情况。

1. 迭代译码过程

译码端由两个 Log-MAP 译码器组成。第一个译码器接收信道侧的系统位、校验位1以及来自第二个译码器的反馈（先验信息），计算出外信息。该外信息经过分组交织后，作为第二个译码器的先验输入。第二个译码器结合交织后的系统位、校验位2和先验信息进行运算，提取出的外信息经过解交织后反馈回第一个译码器。

1. 判决与统计

经过设定的迭代次数后，程序将信道可靠度、第一个译码器的外信息以及反馈的先验信息进行累加，计算最终的对数似然比（LLR）。通过零阈值判决恢复原始比特，并与发送端原始数据对比，计算误码数量及误码率。

关键算法与实现细节

1. RSC编码器实现

通过状态机模拟寄存器状态的转移。每次输入一个比特，程序依据当前状态和输入位，查表确定输出的校验位，并根据反馈多项式更新寄存器到下一个状态。初始状态始终设置为0点。

1. Log-MAP译码算法

算法在对数域进行运算，避免了复杂的乘法和指数运算。其核心包含三个维度的计算：

• 前向度量（Alpha）：从起始时刻向后递归计算每个状态的概率分布。
• 后向度量（Beta）：从结束时刻向前递归计算每个状态的预测概率。
• 分支度量（Gamma）：结合先验信息、系统位和校验位的接收值，计算状态间转移的可能性。

最后结合Alpha、Beta和Gamma计算各比特为0或1的概率比值，从而提取出外信息。

1. 雅可比对数（Jacobian Log）运算

在Log-MAP算法中，为了实现对数域的相加（即exp域的求和），使用了max*(x, y)算子。该算子通过 max(x, y) 加上一个修正项 log(1 + exp(-|x-y|)) 来实现，保证了译码过程不会因为线性近似（如Max-Log-MAP）而损失性能。

1. 结果可视化

程序内置了自动绘图功能，使用半对数坐标（semilogy）展示不同Eb/N0下的BER表现，方便直观地分析分组交织器在不同信噪比下的抗干扰能力。