Многоуровневый декодер, декодер Витерби Опции

[Ivan55]

Написал программу многоуровневого кодера декодера, построил графики для жестких мягких решений и вот что получил

Вот код:

CODE

clear all; close all; clc

%% Input parametrs
robustens_mode = 2; % Режим помехоустойчивости 1; 2; 3; 4;
spectrum_mode = 5; % Размещение спектра 4.5кГц - 0; 5кГц - 1; 9кГц - 2; 10кГц - 3; 18кГц - 4; 20кГц - 5;

level_protection = 0; % Уровень защиты для QAM16 - 0; QAM4 - 1;

QAM_Pmax = 2; % 4-QAM Pmax = 1; 16-QAM Pmax = 2;

%% Initialization parametrs

% Колличество ячеек
N_mux_list = [167, 190, 359, 405, 754, 846; ...
130, 150, 282, 322, 588, 662; ...
NaN, NaN, NaN, 288, NaN, 607; ...
NaN, NaN, NaN, 152, NaN, 332];

% Кодовые скорости канала
Rate = cell(2,2,1);
Rate{1,1} = [1 3];
Rate{1,2} = [2 3];
Rate{2,1} = [1 2];
Rate{2,2} = [NaN];

% Схема выкалывания канала
puncpat = cell(2,2,1);
puncpat{1,1} = [1 1 1 0 0 0];
puncpat{1,2} = [1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0];
puncpat{2,1} = [1 1 0 0 0 0];
puncpat{2,2} = [NaN];

% Перфорирование остаточных 36 бит
puncpat_Rp = cell(12,1);
puncpat_Rp{1,1} = [1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0];
puncpat_Rp{2,1} = [1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0];
puncpat_Rp{3,1} = [1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0];
puncpat_Rp{4,1} = [1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0];
puncpat_Rp{5,1} = [1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0];
puncpat_Rp{6,1} = [1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0];
puncpat_Rp{7,1} = [1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0];
puncpat_Rp{8,1} = [1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0];
puncpat_Rp{9,1} = [1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0];
puncpat_Rp{10,1} = [1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0];
puncpat_Rp{11,1} = [1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0];
puncpat_Rp{12,1} = [1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0];

Rp = zeros(1,QAM_Pmax);
for k = 1:QAM_Pmax
Rp(k) = (2*N_mux_list(robustens_mode,spectrum_mode+1)-12) - Rate{level_protection+1,k}(2)...
*floor((2*N_mux_list(robustens_mode,spectrum_mode+1) - 12)./Rate{level_protection+1,k}(2)) + 1;
end

% Кодовая скорость материнского кода
mother_code = 1/6;

% Задание таблицы переходов
trellis = poly2trellis(7,[133, 171, 145, 133,171,145]);

Mbase = [2 4];
M=2.^Mbase(QAM_Pmax);

a = [1/sqrt(2), 1/sqrt(10)]; % Коэффициент нормализации QAM

% Модуляция QAM16 и QAM4
if QAM_Pmax == 1
SMQAM = [1+1*i, -1+1*i, -1-1*i, 1-1*i].*a(QAM_Pmax);

elseif QAM_Pmax == 2
SMQAM = [3+3*i, 3-1*i, 3+1*i, 3-3*i,...
-1+3*i, -1-1*i, -1+1*i, -1-3*i,...
1+3*i, 1-1*i, 1+1*i, 1-3*i,...
-3+3*i, -3-1*i, -3+1*i, -3-3*i].*a(QAM_Pmax);
end

% Расчет колличества бит
L_2 = 0;
for k = 1:QAM_Pmax
Mp_2(k) = Rate{level_protection+1,k}(1)*floor((2*N_mux_list(robustens_mode,spectrum_mode+1
)...
- 12)./Rate{level_protection+1,k}(2)); % Формула 77
end
L_2 = sum(Mp_2);

% Задаем схему выкалывания
punc = cell(QAM_Pmax,1);
for n = 1:QAM_Pmax
Num_puncpat = ((Mp_2(n)+ 6)/mother_code)./length(puncpat{level_protection+1,n});
m = [];
for k = 1:ceil(Num_puncpat)
m = [m ,puncpat{level_protection+1,n}];
end
punc{n,:} = [m(1:Num_puncpat*length(puncpat{level_protection+1,n}) - 36), puncpat_Rp{Rp(n),1}];
end

% QAM модулятор
H_QAM = modem.genqammod('Constellation', SMQAM, 'InputType', 'bit');

% Пременные
x_in = 2*N_mux_list(robustens_mode,spectrum_mode+1);
pBuff_out = zeros(x_in, 1);
decoded_out = [];
Input_Data_coder = [];
N_simbol = 1000;

%% Программа кодера декодера
tblen = 35;
quant = 3;
AmplQuant = 0.4;
delta = 2*AmplQuant/(2^quant-2);
for EbNo = 1:20
for l = 1:N_simbol
%% Формирование последовательности бит
Input_Data=randi([0 1],L_2,1);
Input_Data_coder = [Input_Data_coder; Input_Data];

%% Сверточный кодер
init_state = 0;
if QAM_Pmax == 2
[In_Data_1] = convenc([Input_Data(Mp_2(1)+1:Mp_2(1)+Mp_2(2)); [0 0 0 0 0 0]'],trellis,punc{2, 1}, init_state);
[In_Data_0] = convenc([Input_Data(1:Mp_2(1)); [0 0 0 0 0 0]'],trellis,punc{1, 1}, init_state);
else
[In_Data_0] = convenc([Input_Data(1:Mp_2(1)); [0 0 0 0 0 0]'],trellis,punc{1, 1}, init_state);
end

%% Мультиплексор
if QAM_Pmax == 2
pBuff_out = [In_Data_0; In_Data_1];
else
pBuff_out = In_Data_0;
end

% Отображение на созвездие QAM
Mod_qam=modulate(H_QAM,pBuff_out);

%% Канал передачи AWGN
k=log2(M);
Qam_rx=awgn(Mod_qam,EbNo+10*log10(k*1/2),'measured','dB');

%% Расчет ОСШ канала
EsNo = EbNo*k/2;
SNR = sum(real(Qam_rx).^2 + imag(Qam_rx).^2)/(EsNo*M);

%% Обратное отображение на созвездие QAM
HD_QAM = modem.genqamdemod('Constellation', SMQAM, 'OutputType', 'bit','DecisionType', 'approximate llr','NoiseVariance', SNR);
Demod_QAM=demodulate(HD_QAM,Qam_rx);

%% Демультиплексор
if QAM_Pmax == 2
In_Data_0 = Demod_QAM(1:x_in);
In_Data_1 = Demod_QAM(x_in+1:2*x_in);
else
In_Data_0 = Demod_QAM(1:x_in);
end

%% Декодирование
if QAM_Pmax == 2
[x,qcode_1] = quantiz(In_Data_1(:, 1),(-AmplQuant:delta:AmplQuant), (2^quant-1:-1:0));
[x,qcode_0] = quantiz(In_Data_0(:, 1),(-AmplQuant:delta:AmplQuant), (2^quant-1:-1:0));
[decoded_1] = vitdec(qcode_1,trellis,tblen,'trunc','soft', quant, punc{2, 1});
[decoded_0] = vitdec(qcode_0,trellis,tblen,'trunc','soft', quant, punc{1, 1});
else
[x,qcode_0] = quantiz(In_Data_0(:, 1),(-AmplQuant:delta:AmplQuant), (2^quant-1:-1:0));
[decoded_0] = vitdec(qcode_0,trellis,tblen,'trunc','soft', quant, punc{1, 1});
end

%% Мультиплексор
if QAM_Pmax == 2
decoded = [decoded_0(1:Mp_2(1)), decoded_1(1:Mp_2(2))];
else
decoded = decoded_0(1:Mp_2(1));
end

decoded_out = [decoded_out, decoded];
end
%% Подсчет количества ошибок
[num,BER]=biterr(Input_Data_coder(1:end),decoded_out(1:end)');
BERcod(EbNo) = BER;
fprintf('ОСШ: %f BER: %f \n', EbNo, BER);
Input_Data_coder = [];
decoded_out = [];
end

semilogy(BERcod);
grid on;

Вот графики:


Почему выигрышь жестких решений получился такой маленький, где косяк?

Сообщение отредактировал Ivan55 - Feb 13 2013, 15:23

[Serg76]

нашел характеристику у AHA для 64КАМ, для некодированной передачи (без потерь демодулятора) BER - 10е-4 достигается при Eb/No = 16,5 дБ. отнимите от этого значения ваш ЭВК 4 дБ и получим 12,5 дБ. как для сверточного кода с кодовым ограничением К=7 и скоростью 0.6, то вроде нормально. А какой код приведен в рекомендации, я не нашел упоминания, может не Витерби, а TPC, например?

а зачем Вам вообще касаться вопросов модуляции, насколько я понимаю демодулятор Вы не проектируете. отбросьте вопросы модуляции и исследуйте характеристики только декодера. а характеристик BER для декодеров Витерби в сети полно.

[Ivan55]

нашел характеристику у AHA для 64КАМ, для некодированной передачи (без потерь демодулятора) BER - 10е-4 достигается при Eb/No = 16,5 дБ. отнимите от этого значения ваш ЭВК 4 дБ и получим 12,5 дБ. как для сверточного кода с кодовым ограничением К=7 и скоростью 0.6, то вроде нормально.

У меня гдето так и получается)

А какой код приведен в рекомендации, я не нашел упоминания, может не Витерби, а TPC, например?

по поводу этого не знаю, я декодировал сверточный код декодером Витерби, да и не думаю что в стандарте DRM кто то применяет ТРС

а зачем Вам вообще касаться вопросов модуляции, насколько я понимаю демодулятор Вы не проектируете. отбросьте вопросы модуляции и исследуйте характеристики только декодера. а характеристик BER для декодеров Витерби в сети полно.

Мы все проектируем) а демодулятор был нужен чтобы оценить эффективность декодера и сравнить с рекомендациями и стандартом, но возникла проблема, что все вроде правильно делаю, все по теории а цифры в рекомендациях очень отличаются. Есть подозрение, что в ITU-R они приводят в качестве S/N как раз Eb/No

[Serg76]

Мы все проектируем) а демодулятор был нужен чтобы оценить эффективность декодера и сравнить с рекомендациями и стандартом

ну чтобы оценить корректирующую способность декодера, демодулятор не нужен ). он нужен при оценке помехоустойчивости всего приемного тракта.

по поводу этого не знаю, я декодировал сверточный код декодером Витерби, да и не думаю что в стандарте DRM кто то применяет ТРС

так дело не пойдет, нужно иметь представление что с чем сравнивать, а то получается гадание на кофейной гуще. а как они получают на сверточных кодах такие скорости кодирования: 0.71, 0.78 и др? это что за перфорация такая или присутствуют еще какие-нибудь добавки в виде фрамера?

Есть подозрение, что в ITU-R они приводят в качестве S/N как раз Eb/No

ну вообще-то говоря, величины совершенно разные, а так не знаю. посмотрите еще другие стандарты.

[Ivan55]

ну чтобы оценить корректирующую способность декодера, демодулятор не нужен ). он нужен при оценке помехоустойчивости всего приемного тракта.

да не нужен, но в рекомендациях приводят BER = 10^-4, для QAM-64, при скорости кодирования 0,6 должен достигаться на 15 дБ. Поэтому и ставлю кодер модулятор, канал с учетом этих параметров, прогоняю модулированные данные через канал, демодулирую, декодирую, сравниваю. Если прикинуть по bertool в матлабе относительно EbNo то данные я получаю верные, то есть такая связка рабочая

так дело не пойдет, нужно иметь представление что с чем сравнивать, а то получается гадание на кофейной гуще. а как они получают на сверточных кодах такие скорости кодирования: 0.71, 0.78 и др? это что за перфорация такая или присутствуют еще какие-нибудь добавки в виде фрамера?

Да это сверточный кодер с жутким выкалыванием) посмотрите стандарт DRM версия помоему 3.1.1

ну вообще-то говоря, величины совершенно разные, а так не знаю. посмотрите еще другие стандарты.

посмотреть то можно, но это будет не интересно тем людям которым я буду что то доказывать) есть стандарт DRM, в нем описаны все параметры в соответсвии с которыми надо делать, в нем есть ссылка на ITU-R где для канала AWGN они приводят параметры которые должны получаться) но у меня чет не получается)) соответственно мои данные не аргументированы)

Сообщение отредактировал Ivan55 - Aug 13 2013, 09:57

[Serg76]

посмотреть то можно, но это будет не интересно тем людям которым я буду что то доказывать) есть стандарт DRM, в нем описаны все параметры в соответсвии с которыми надо делать, в нем есть ссылка на ITU-R где для канала AWGN они приводят параметры которые должны получаться) но у меня чет не получается)) соответственно мои данные не аргументированы)

ок, понятно. там по-ходу еще перемежение присутствует, его тоже надо учитывать. а так-то в алгоритме Витерби и ломаться нечему, он или работает или нет ))). может попробовать для увеличения корректирующей способности использовать MAP - алгоритм, но это правда потребует бОльших вычислительных затрат.

Сообщение отредактировал Serg76 - Aug 13 2013, 10:12

[Ivan55]

ок, понятно. там по-ходу еще перемежение присутствует, его тоже надо учитывать

да перемежение я делал) но оно не влияет когда канал Гауссов, оно эффективно при замираниях, когда пакеты ошибок надо размазать по всей длинне символа, а в awgn они ложаться случайно, т.е. равномерно, смысл перемешивать) когда они итак размазаны

[Ivan55]

А кто знает как правильно границы квантования метрик LLR выбрать, ведь они зависят от ОСШ и амплитуда их плавает?

[petrov]

А кто знает как правильно границы квантования метрик LLR выбрать, ведь они зависят от ОСШ и амплитуда их плавает?

Очевидно по формуле LLR поделить на дисперсию шума, а потом уже квантовать.

[Ivan55]

Очевидно по формуле LLR поделить на дисперсию шума, а потом уже квантовать.

Дак в формуле LLR она итак поделена на дисперсию) может наоборот умножить?

[petrov]

Дак в формуле LLR она итак поделена на дисперсию) может наоборот умножить?

Так в чём проблема? Если у вас LLR правильно посчитано, квантуйте и всё, так и должно быть, чем зашумлённей символ, тем меньше доверия к нему.

[Ivan55]

Так в чём проблема? Если у вас LLR правильно посчитано, квантуйте и всё, так и должно быть, чем зашумлённей символ, тем меньше доверия к нему.

Да, отлично)) именно так) но амлитуду квантования можно взять 0.00000001 а можно и 50, как с этим быть?) неужто наугад)

[petrov]

Да, отлично)) именно так) но амлитуду квантования можно взять 0.00000001 а можно и 50, как с этим быть?) неужто наугад)

А как вы тогда до этого места добрались, ведь для того чтобы LLR для QAM посчитать нужно с порогами сравнивать, т. е. кое-какие решения принимать, поэтому символы должны пройти через АРУ, эквалайзер, ничего плавать не должно?

[Serg76]

А как вы тогда до этого места добрались, ведь для того чтобы LLR для QAM посчитать нужно с порогами сравнивать, т. е. кое-какие решения принимать, поэтому символы должны пройти через АРУ, эквалайзер, ничего плавать не должно?

нет, имеется ввиду, что расчет LLR для многопозиционных модуляций сильно зависит от дисперсии и оценка для некоторых бит в символе может иметь сильный разброс, то о чем говорит Иван, мы с ним уже это обсуждали в какой-то ветке. там же я выкладывал доку от AHA, в которой приведен расчет LLR для КАМ созвездий. прежде, чем запускать блок расчета LLR, I/Q составляющие на выходе решающего устройства демодулятора должны быть приведены к эталонным значениям сигнально-кодовой конструкции, только так, иначе правильного расчета не получите.

[petrov]

прежде, чем запускать блок расчета LLR, I/Q составляющие на выходе решающего устройства демодулятора должны быть приведены к эталонным значениям сигнально-кодовой конструкции, только так, иначе правильного расчета не получите.

Это и имел ввиду, после этого не должно возникать вопросов по квантованию, если он LLR посчитал, то в чём проблема то?

[Ivan55]

Это и имел ввиду, после этого не должно возникать вопросов по квантованию, если он LLR посчитал, то в чём проблема то?

Возможно) просто не знаю какой диапазон взять для квантователя, как он расчитывается? брать просто максимальное значение метрики, при ОСШ например 1 дБ и в таком диапазоне квантовать, или как... чет туплю

[petrov]

Возможно) просто не знаю какой диапазон взять для квантователя, как он расчитывается? брать просто максимальное значение метрики, при ОСШ например 1 дБ и в таком диапазоне квантовать, или как... чет туплю

Всё понял о чём речь, вопрос правильный. Нет смысла учитывать большой диапазон метрик. Берёте для кода BER для AWGN, определяетесь с количеством уровней квантователя, чтобы потерями можно было пренебречь, определяетесь с минимальным Eb/N0 при котором достигается необходимый BER. Квантовать с более мелким шагом LLR более шумных символов бесполезно, грубо говоря там только шум. Вверх для менее шумных символов в лучшем случае на 1 бит уровней квантователя добавить есть смысл, всё что выше просто ограничиваем. В районе этих границ можно немного пооптимизировать квантователь на модельке.

[Ivan55]

Берёте для кода BER для AWGN, определяетесь с количеством уровней квантователя, чтобы потерями можно было пренебречь

т.е. 3х битный квантователь? в книгах пишут что дальнейшее увеличение не дает существенного результата

определяетесь с минимальным Eb/N0 при котором достигается необходимый BER.

необходимый BER = 10^-4, а вот Eb/No = S/N - 10*lg(M*R), где скорость кода R = 0.6, кол-во бит в созвездие M = log2(64) = 6, а S/N в ITU-R равен 15.4, соответственно необходимое Eb/No ~= 9.7 дБ. Т.е. для данного Eb/No посмотреть их уровень, и для такого уровня задать квантователь 3х битный?

[petrov]

т.е. 3х битный квантователь? в книгах пишут что дальнейшее увеличение не дает существенного результата

Вот и проверьте правильно ли в книгах пишут, может там немного другой случай имеют ввиду.

необходимый BER = 10^-4, а вот Eb/No = S/N - 10*lg(M*R), где скорость кода R = 0.6, кол-во бит в созвездие M = log2(64) = 6, а S/N в ITU-R равен 15.4, соответственно необходимое Eb/No ~= 9.7 дБ. Т.е. для данного Eb/No посмотреть их уровень, и для такого уровня задать квантователь 3х битный?

Т. е. для не AWGN канала в расчёте LLR мы учитываем шум символа, очевидно что может так получиться что в какой то момент искажений не будет, и допустим при Eb/No ~= 9.7 дБ мы должны получить BER = 10^-4, таким образом метрики должны быть проквантованы не грубее чем для случая AWGN.

[Ivan55]

Вот и проверьте правильно ли в книгах пишут, может там немного другой случай имеют ввиду.

Да, это я тоже проверяю

Т. е. для не AWGN канала в расчёте LLR мы учитываем шум символа, очевидно что может так получиться что в какой то момент искажений не будет, и допустим при Eb/No ~= 9.7 дБ мы должны получить BER = 10^-4, таким образом метрики должны быть проквантованы не грубее чем для случая AWGN.

Уже по всякому попробовал, но 10^-4 для таких параметров у меня достигается при ОСШ = 17 дБ, меньше никак... А в ITU-R 1615 приводят 15.3 дБ.
Не пойму в чем может быть косяк. Декодер собрал по стандарту, LLR вроде тоже правильно, думал может уровень квантования не правильно задаю, но я его уже по всякому покрутил самый лучший результат дал 17 дБ. Если посмотреть на QAM-64 без кодирования, то у него 10^-4 достигается гдето на 24 дБ, соответсвенно выигрышь я получаю приблизительно 7 дБ. Может декодер 3/5 давать выигрышь больше? то есть 24 дБ - 15.3 дБ = 8.7 дБ, это возможно получить?

[Serg76]

Декодер собрал по стандарту, LLR вроде тоже правильно, думал может уровень квантования не правильно задаю

решайте проблемы по мере поступления, проверьте сначала декодер, хотя бы на BPSK или QPSK. если с ядром декодера все нормально, то переходите к блоку расчета LLR и сравните потом эту связку с промышленными модемами на высоких модуляциях, большой разницы не должно быть, алгоритм Витерби или работает или нет, там ломаться нечему. сделать равномерный квантователь входных I/Q составляющих тоже не должно вызывать проблем.

Может декодер 3/5 давать выигрышь больше? то есть 24 дБ - 15.3 дБ = 8.7 дБ, это возможно получить?

для сверточного кода с кодовым ограничением К = 7 с декодированием по Витерби не получится. даже 1/2 не дает такого ЭВК.

Сообщение отредактировал Serg76 - Aug 15 2013, 15:33