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  • Matlab实现 维特比译码
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    2021-06-12 15:43:12

    利用matlab实现维特比译码

    话不多说,直接展示代码

    1. 首先是利用卷积码进行编码
    2. 然后加入awgn噪声
    3. 最后利用维特比译码
    4. 绘制误比特率图像

    同时我也上传所有的代码文件
    Matlab 实现维特比译码

    在使用时,首先运行encode,对于随机产生的N=1000个比特流进行卷积编码
    然后直接运行show errorbit,它会调用维特比译码的函数viterbi_hard(),同时绘制出在加入awgn白噪声后,不同信噪比下的误比特率。

    卷积码进行编码
    生成向量为 g1: [1,1,1], g2: [1,0,1]

    encode

    %%  初始化参数
    N = 1000; %序列长度
    
    code_in = randi(2,1,N)-1;
    %code_in = [1,1,0,1,1,1,0,0,1];
    N =  length(code_in);
    g1 = [1,1,1];
    g2 =  [1,0,1];
    
    %% 计算 卷积码
    %x_g1
    
    x0 = g1(1) * code_in;
    x1 = g1(2) * code_in;
    x2 = g1(3)* code_in;
    x = xor( x0(2:N), x1(1:N-1) );
    x = [ x0(1), x, x1(N) ];
    x3 = xor(x(3:N+1),x2(1:N-1));
    x_g1 = [x(1:2) ,x3, x2(N) ];
    %x_g2
    x0 = g2(1) * code_in;
    x1 = g2(2) * code_in;
    x2 = g2(3)* code_in;
    x = xor( x0(2:N), x1(1:N-1) );
    x = [ x0(1), x, x1(N) ];
    x3 = xor(x(3:N+1),x2(1:N-1));
    x_g2 = [x(1:2) ,x3, x2(N) ];
    
    %% 合并两路
    
     x = zeros(1,size(x_g1, 2)+size(x_g2, 2));
     x(1:2:end) = x_g1;
     x(2:2:end) = x_g2;
    x = x(1:length(x) - 4);
    
    

    维特比译码
    将状态转移图存在graph中
    decode

    function m = viterbi_hard(x)   
    %% 
    % a 00
    % b 10
    % c 01
    % d 11
    %x = [ 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1];
    sizex = size(x);
    s = sizex(2)/2;
    x = [0,0,0,0, x];
    % to record the value 
    val_a = 0;
    val_b = 0;
    val_c = 0;
    val_d = 0;
    
    % graph       aa0    ab1    bc0   bd1    ca0     cb1   dc0   dd1      
    gra =          [ 0,0;    1,1;    1,0;    0,1;    1,1;    0,0;    0,1;    1,0  ];
    
    % to record route 
    ma = zeros(1,s+2);
    mb = zeros(1,s+2);
    mc = zeros(1,s+2);
    md = zeros(1,s+2);
    %% stage 1 and 2
    
    val_a = val_a + dis(gra(1,:), x(1:2));
    ma(1)=0;
    val_b = val_b + dis(gra(2,:), x(1:2));
    mb(1)=1;
    
    mc = mb;
    md = mb;
    val_c = val_b + dis(gra(3,:), x(3:4));
    mc(2)=0;
    val_d = val_b + dis(gra(4,:), x(3:4));
    md(2)=1;
    
    val_a = val_a + dis(gra(1,:), x(3:4));
    ma(2)=0;
    val_b = val_b + dis(gra(2,:), x(3:4));
    mb(2)=1;
    
    for i = 3:s+2
    %     val_a_t =val_a;
    %     val_b_t =val_b;
    %     val_c_t =val_c;
    %     val_d_t =val_d;
    %     tempa = ma;
    %     tempb = mb;
    %     tempc = mc;
    %     tempd = md;
        % for val_a
            if val_a + dis(gra(1,:), x(2*i-1:2*i)) >= val_c + dis(gra(5,:),x(2*i-1:2*i))
                tempa = mc; 
                val_a_t = val_c + dis(gra(5,:),x(2*i-1:2*i));
                tempa(i)=0;
            else
                val_a_t = val_a + dis(gra(1,:),x(2*i-1:2*i));
                tempa = ma;
                tempa(i)=0;
            end
          %for val_b
             if val_a + dis(gra(2,:), x(2*i-1:2*i)) >= val_c + dis(gra(6,:),x(2*i-1:2*i))
                tempb = mc; 
                val_b_t = val_c + dis(gra(6,:),x(2*i-1:2*i));
                tempb(i)=1;
            else
                val_b_t = val_a + dis(gra(2,:),x(2*i-1:2*i));
                tempb = ma;
                tempb(i)=1;         
             end
            
             %for val_c 
                if val_b + dis(gra(3,:), x(2*i-1:2*i)) >= val_d + dis(gra(7,:),x(2*i-1:2*i))
                tempc = md; 
                val_c_t = val_d + dis(gra(7,:),x(2*i-1:2*i));
                tempc(i)=0;
                else
                val_c_t = val_b + dis(gra(3,:),x(2*i-1:2*i));
                tempc = mb;
                tempc(i)=0;
                end
                
          %for val_c
                if val_b + dis(gra(4,:), x(2*i-1:2*i)) >= val_d + dis(gra(8,:),x(2*i-1:2*i))
                tempd = md; 
                val_d_t = val_d + dis(gra(8,:),x(2*i-1:2*i));
                tempd(i)=1;
            else
                val_d_t = val_b + dis(gra(4,:),x(2*i-1:2*i));
                tempd = mb;
                tempd(i)=1;
                end
        val_a =val_a_t;        
        val_b =val_b_t;
        val_c =val_c_t;
        val_d =val_d_t;
        ma = tempa;
        mb = tempb;
        mc = tempc;
        md = tempd;        
    end
    
    if val_a <= val_b
        m = ma;
        t = val_a;
    else
        m = mb;
       t = val_a;
    end
    
    if val_c <= t
        m = mc;
        t =val_c;
    end
    
    if val_d <= t
        m = md;
        t = val_d;
    end
    %% 去掉最开始的00
    m = m(3:s+2);
    

    译码中间用到dis 函数,测量两段序列的海明距离

    dis

    %% function to compute distances between x,y in the form of [0,0]  [1,1]
    function d = dis(x, y)   
      d = sum(xor(x,y));
    
    

    加入噪声,绘制误比特率随snr变化的曲线
    show error bit

    
    errbit  = zeros(1,21);
    for j = -5:15 
    
    y = awgn(x, j, 'measured');
    for i = 1:2*N
        if y(i) >=0.5
            y(i)=1;
        else
            y(i)=0;
        end
    end
    
    
    % 译码
    m=viterbi_hard(y); 
    errbit(j+6) = sum(m~=code_in)/N ;
    
    end
    
    logerr = 10*log10(errbit);
    plot( -5:15, logerr );
    
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    提示:文章写完后,目录可以自动生成,如何生成可参考右边的帮助文档


    前言

    之前在北斗导航系统中的RDSS系统以及Galileo系统中接触到了其电文是有卷积编码的,这里我们就来回顾一下卷积编码和维特比译码的相关内容

    卷积编码的概念和定义

    通常以 (n, k, L) 来描述卷积编码
    • k 表示编码器的 输入码元数
    • n 表示编码器的 输出码元数
    • L表示编码器的 约束长度

    由输入的 k 个信息比特,得到 n 个编码结果,所以 编码效率 = k/n。约束长度 L 的意思是,编码结果不仅取决于当前输入的 k 比特信息,还取决于前 (L-1) 段时间内的信息位。在 k = 1 的条件下,编码器需要的 移位寄存器级数 m = L - 1。

    Galileo中采用的卷积码参数为:

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    因此:Galileo 卷积编码 (n, k, L) 描述为(2,1,7)

    这里有个特殊的地方:
    第二分支出来的数据要反向,这是Galileo特有的

    还有一个特点是,(2,1,7)卷积码的卷尾是6个0。

    卷积编码算法理解

    ICD的附录中有一个这样的例子

    编码前: 244个bit

    11111111 11110000 11001100 10101010 00000000 00001111 00110011 01010101
    11100011 11101100 11011111 10001010 00011100 00010011 00100000 01110101
    01010101 01100001 01100010 01100011 10101010 10011110 10011101 10011100
    00011100 00100011 00001101 00111001 11011100 11101100 0000
    

    编码后:

    10001100 00011010 10101010 01110011 00110001 01011010 01101111 01011001
    01111000 10010101 01010101 10001100 11001110 10100101 10010000 10100110
    10000100 00000010 00000010 00011011 10011001 11101011 01011100 00011000
    10111011 11111101 11111101 11100100 01100110 00010100 10100011 11100111
    10100110 01100110 01101011 00010000 00011100 00011101 01010001 10101110
    00111001 11101001 10010100 11101111 11100011 11100010 10101110 01010001
    11111101 00111101 11110000 10101001 11011000 00110010 00111111 10000100
    10010010 10010110 00100100 10101011 01001110
    

    正好,我可以这个数据作为算法验证的数据

    卷积编码的matlab程序,注意标红部分为额外取反处理

    a = '1111111111110000110011001010101000000000000011110011001101010101111000111110110011011111100010100001110000010011001000000111010101010101011000010110001001100011101010101001111010011101100111000001110000100011000011010011100111011100111011000000';
    
    for i = 1 : 244
    msg(i)=str2num(a(i));
    end
    
    trel = poly2trellis(7,[171,133]); % Define trellis
    code = convenc(msg,trel); % Encode
    code(2:2:end) = not(code(2:2:end))
    

    得出的结果与ICD上的一致。

    卷积编码FPGA实现

    卷积编码的verilog实现也非常简单,也就不多说了,直接上代码,与上面Galileo 卷积编码对应

    module Convolutional_Coding_2_1_7(
    		input clk, 
    		input encode_rst,
    		input data_in, 
    		input nd, 
    		output rdy, 
    		output [1:0]data_out_v,
    		output data_out_s,
    		output rdy_s
        );
    	 
    	 
    
    wire [6:0]PolyA;
    wire [6:0]PolyB;	  
    reg [6:0]wA;
    reg [6:0]wB;
    reg [6:0]ShReg;
    reg nd_d1;
    reg nd_d2;
    reg nd_d3;
    
    
    assign PolyA = 7'b1_011_011;
    assign PolyB = 7'b1_111_001;
    
    always @(posedge clk)
    	if(encode_rst)
    		begin
    			ShReg <= 0;
    		end	
    	else if(nd)
    		begin
    			ShReg[6] <= data_in;
    			ShReg[5:0] <= ShReg[6:1];
    		end
    		
    always @(posedge clk)
    	if(encode_rst)
    		begin
    			wA <= 0;
    			wB <= 0;
    		end	
    	else
    		begin
    			wA <= PolyA & ShReg;
    			wB <= PolyB & ShReg;
    		end		
    
    assign data_out_v[0] = ^wA;
    assign data_out_v[1] = ^wB;
    
    
    always @(posedge clk)
    	if(encode_rst)
    		begin
    			nd_d1 <= 0;
    			nd_d2 <= 0;
    			nd_d3 <= 0;
    		end		
    	else
    		begin
    			nd_d1 <= nd;
    			nd_d2 <= nd_d1;
    			nd_d3 <= nd_d2;
    		end	
    
    assign rdy = nd_d2;
    
    
    assign rdy_s = nd_d2 | nd_d3;
    assign data_out_s = nd_d2 ? data_out_v[0] : ~data_out_v[1]; 
    

    维特比译码的说明

    卷积编码解码的过程就是维特比译码,编码容易解码难。难道什么程度,难道xilinx 的viterbi ip都是要收费的就知道这个有多复杂了。

    但我们可以先利用matlab提供的函数搞清楚先。

    维特比解码分为硬判决和软判决

    在无线通信系统中,编码后的数据经过调制由发射机发射出去,由接收机接收回来,一般来说接收机的ADC已经信号处理过程的中间数据都是有一定位宽的,将原始数据解调出来后送入译码器的数据保留了一定的幅度信息。硬判决只采用数据的符号为作为译码器的输入,而软判决将幅度信息也输入进去参与译码。

    根据之前的经验,软判决一般采用3,4,5bit输入即可,再增加输入性能增加不明显,而且资源显著增加。性能软判决相比较硬判决灵敏度可能有个3-5dB的提升。(精确的理论分析见一些论文,实际工程与设计好坏也有关系)

    维特比译码算法理解

    维特比的matlab算法如下,注意几个地方
    1、解码后的前42个为无效,与回溯深度tblen=42有关。
    2、如果译码不是以数据流的形式进行,再数据结尾需要再补齐tblen*2个随机数据才行,不然会少输出tblen个解码数据

    硬判决:

    clc;clear all;close all;
    
    a = '1111111111110000110011001010101000000000000011110011001101010101111000111110110011011111100010100001110000010011001000000111010101010101011000010110001001100011101010101001111010011101100111000001110000100011000011010011100111011100111011000000';
    
    for i = 1 : 244
    msg(i)=str2num(a(i));
    end
    
    %编码过程
    trel = poly2trellis(7,[171,133]); % Define trellis
    code = convenc(msg,trel); % Encode
    code(488+1:488+42*2) = randi([0 1],42*2,1)';
    code(2:2:end) = not(code(2:2:end))
    
    %译码过程
    
    tblen = 42;
    code(2:2:end) = not(code(2:2:end))
    decoded = vitdec(code,trel,tblen,'cont','hard');
    
    plot(msg == decoded(43:end))
    
    %decoded的前42个为无效,与tblen=42有关,所以输入需要多输入tblen*2个编码数据才行
    

    软判决:

    clc;clear all;close all;
    
    a = '1111111111110000110011001010101000000000000011110011001101010101111000111110110011011111100010100001110000010011001000000111010101010101011000010110001001100011101010101001111010011101100111000001110000100011000011010011100111011100111011000000';
    
    for i = 1 : 244
    msg(i)=str2num(a(i));
    end
    
    tblen = 48;
    
    trel = poly2trellis(7,[171,133]); % Define trellis
    code = convenc(msg,trel); % Encode
    code(488+1:488+tblen*2) = randi([0 1],tblen*2,1)';
    
    %code(1:5) = 0;
    %code(2:2:end) = not(code(2:2:end))
    
    decoded1 = vitdec(code,trel,tblen,'cont','hard');
    %decoded的前42个为无效,与tblen有关
    
    % Map "0" bit to 1.0 and "1" bit to -1.0.  Also add AWGN.
    ucode = real(awgn(1-2*code, 2, 'measured'));
    
    % Soft decision decoding with quantized inputs
    [x,qcode] = quantiz(ucode,[1/(2^(8-1))-1:1/(2^(8-1)):1-1/(2^(8-1))],...
    2^8-1:-1:0); % Values in qcode are between 0 and 2^8-1.
    decoded2 = vitdec(qcode,trel,tblen,'cont','soft',8);
    
    [n2,r2] = biterr(decoded2(tblen+1:end),msg(1:end));
    disp(['The bit error rates are:   ',num2str([r2])])
    

    软判决,软判决对编码后的数据加噪声,来体现它的性能

    clc;clear all;close all;
    
    a = '1111111111110000110011001010101000000000000011110011001101010101111000111110110011011111100010100001110000010011001000000111010101010101011000010110001001100011101010101001111010011101100111000001110000100011000011010011100111011100111011000000';
    
    for i = 1 : 244
    msg(i)=str2num(a(i));
    end
    
    %编码过程
    tblen = 48;
    
    trel = poly2trellis(7,[171,133]); % Define trellis
    code = convenc(msg,trel); % Encode
    code(2:2:end) = not(code(2:2:end)) %galileo 定义独有
    code(488+1:488+tblen*2) = randi([0 1],tblen*2,1)';
    
    code(2:2:end) = not(code(2:2:end))
    
    %硬判决
    decoded1 = vitdec(code,trel,tblen,'cont','hard');
    %decoded的前42个为无效,与tblen有关
    
    % Map "0" bit to 1.0 and "1" bit to -1.0.  Also add AWGN.
    ucode = real(awgn(1-2*code, 3, 'measured'));
    
    % Soft decision decoding with quantized inputs
    [x,qcode] = quantiz(ucode,[1/(2^(8-1))-1:1/(2^(8-1)):1-1/(2^(8-1))],...
    2^8-1:-1:0); % Values in qcode are between 0 and 2^8-1.
    
    %软判决
    decoded2 = vitdec(qcode,trel,tblen,'cont','soft',8);
    
    [n2,r2] = biterr(decoded2(tblen+1:end),msg(1:end));
    disp(['The bit error rates are:   ',num2str([r2])])
    

    维特比译码的FPGA实现

    1、xilinx ip的维特比译码器
    不交钱就不给你玩,不过幸好我以前玩过。我们可以看看里面的一些设置
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    可以看到,也就这些参数的设置,所以如果能用ip的话就挺简单的

    2、opencores网站上有一个开源项目

    在这里插入图片描述
    这个我也玩过,经过之前的验证,发现如果使用这个开源代码的话需要软判决位宽为6才能勉强和xilinx ip核的性能匹配上。有兴趣的小伙伴可以直接下载去验证下。

    3、自己写

    后面准备有空的时候,重新再去理解一下这个译码过程。当年虽然也花了些时间去理解,但始终云里雾里的感觉,忘的也差不多了,也许现在也不一定能看明白,到时候希望能搞明白点吧。有些东西可能过了几年回过头来看又有新的感悟呢

    展开全文
  • 维特比译码213,维特比译码217源码

    千次阅读 2021-04-11 13:02:08
    % 将经过信道的编码序列转换为以需要译码的个数为行数,以n为列数的矩阵 survivor_state=zeros(number_of_states,depth_of_trellis+1); % 4行,7列 (初始化) % 开始无尾信道输出解码 for i=1:depth_of_trellis-L+1 ...

    213

    function [mybit,decoder_output_table,BER,right_channel_output,channel_output_table,cumulated_metric_table,survivor_state]=viterbi_2_1_3
    changdu=input('Please input the length of the code sequence\n\n');   
    mybit=fix(rand(1,changdu)+0.5);

    %  (2,1,3)卷积编码
    G=[1 1 1;1 0 1];                                                                          %  (2,1,3)生成矩阵G=[1 1 1;1 0 1]; 
    k=1;
    right_channel_output=cnv_encd(mybit);
    lgth=length(right_channel_output);
    BER=zeros(1,lgth);
    cumulated_metric_table=zeros(1,lgth);
    decoder_output_table=zeros(lgth,lgth/2-2);
    channel_output_table=zeros(lgth,lgth);

    %  模拟信道误码
    for z=1:lgth                                                                             % 产生随机误码                                                                           

    %    channel=zeros(1,lgth);                                                              % 通过改变lgth的值 ,调整误码个数                                                 
    %    for i=1:z:lgth
    %        channel(i)=1;
    %    end

    if z==1
       channel=zeros(1,lgth);  
    else
        channel=fix(rand(1,lgth)+0.2);                                                       % 0.5可改
    end
    channel_output=mod(right_channel_output+channel,2);
    channel_output_table(z,:)=channel_output;                                                % 数据转移
    n=size(G,1);                                                                             % n=G的行数     

    %  检查大小
    if rem(size(G,2),k)~=0
        error('Size of G and k do not agree')                                                % 存在合理的约束长度
    end
    if rem(size(channel_output,2),n)~=0
        error('channel output not of the right size')                                        % 经过信道后,进入译码器前,卷积编码的个数合理
    end
    L=size(G,2)/k;                                                                           % 约束长度=寄存器个数+1
    number_of_states=2^((L-1)*k);                                                            % 状态数

    %  产生状态转移矩阵、输出矩阵和输入矩阵
    for j=0:number_of_states-1                                                               % 对(2,1,3) j=0,1,2,3
        for l=0:2^k-1                                                                        % l=0,1
            [next_state,memory_contents]=nxt_stat(j,l,L,k);
            input(j+1,next_state+1)=l;
            branch_output=rem(memory_contents*G',2);                                         % 状态图上根据寄存器状态和input作出的编码
            nextstate(j+1,l+1)=next_state;                                                   % 生成矩阵,含有十进制表示的下一状态
            output(j+1,l+1)=bin2deci(branch_output);                                         % 生成矩阵,含有十进制表示的卷积编码
        end
    end
    state_metric=zeros(number_of_states,2);                                                  % 4行,2列 (初始化)
    depth_of_trellis=length(channel_output)/n;                                               % 需要译码的个数   设为6
    channel_output_matrix=reshape(channel_output,n,depth_of_trellis);                        % 将经过信道的编码序列转换为以需要译码的个数为行数,以n为列数的矩阵
    survivor_state=zeros(number_of_states,depth_of_trellis+1);                               % 4行,7列 (初始化)

    %  开始无尾信道输出解码
    for i=1:depth_of_trellis-L+1                                                             % i=1,2,3,4
        flag=zeros(1,number_of_states);                                                      % 1行,4列 (初始化)
        if i<=L
            step=2^((L-i)*k);                                                                % i=1,2,3  step= 4,2,1
        else
            step=1;                                                                          % i=4  step=1
        end
        for j=0:step:number_of_states-1                                                      % i=1 j=0;i=2 j=0, 2;i=3,4 j=0,1,2,3 
            for l=0:2^k-1                                                                    % l=0,1
                branch_metric=0;                                                             % 初始化
                binary_output=deci2bin(output(j+1,l+1),n);                                   % 将此时刻十进制的编码结果用二进制表示
                for ll=1:n                                                                   % ll=1,2
                    branch_metric=branch_metric+metric(channel_output_matrix(ll,i),...
                        binary_output(ll));                                                  % 将此时刻经过信道的编码与理论编码比较,得到分支度量值
                end
                if ((state_metric(nextstate(j+1,l+1)+1,2)>state_metric(j+1,1)...
                        +branch_metric)|flag(nextstate(j+1,l+1)+1)==0)
                    state_metric(nextstate(j+1,l+1)+1,2)=state_metric(j+1,1)+branch_metric;
                    survivor_state(nextstate(j+1,l+1)+1,i+1)=j;
                    flag(nextstate(j+1,l+1)+1)=1;
                end
            end
        end
        state_metric=state_metric(:,2:-1:1);
    end

    %  开始有尾信道输出解码
    for i=depth_of_trellis-L+2:depth_of_trellis
        flag=zeros(1,number_of_states);
        last_stop=number_of_states/(2^((i-depth_of_trellis+L-2)*k));
        for j=0:last_stop-1
            branch_metric=0;
            binary_output=deci2bin(output(j+1,1),n);
            for ll=1:n
                branch_metric=branch_metric+metric(channel_output_matrix(ll,i),binary_output(ll));
            end
            if ((state_metric(nextstate(j+1,1)+1,2)>state_metric(j+1,1)...
                    +branch_metric)|flag(nextstate(j+1,1)+1)==0)
                state_metric(nextstate(j+1,1)+1,2)=state_metric(j+1,1)+branch_metric;
                survivor_state(nextstate(j+1,1)+1,i+1)=j;
                flag(nextstate(j+1,1)+1)=1;
            end
        end
        state_metric=state_metric(:,2:-1:1);
    end

    %  从最佳路径中产生解码
    state_sequence=zeros(1,depth_of_trellis+1);
    state_sequence(1,depth_of_trellis)=survivor_state(1,depth_of_trellis+1);
    for i=1:depth_of_trellis
        state_sequence(1,depth_of_trellis-i+1)=survivor_state((state_sequence(1,depth_of_trellis+2-i)...
            +1),depth_of_trellis-i+2);
    end
    decoder_output_matrix=zeros(k,depth_of_trellis-L+1);
    for i=1:depth_of_trellis-L+1
        dec_output_deci=input(state_sequence(1,i)+1,state_sequence(1,i+1)+1);
        dec_output_bin=deci2bin(dec_output_deci,k);
        decoder_output_matrix(:,i)=dec_output_bin(k:-1:1)';
    end
    decoder_output=reshape(decoder_output_matrix,1,k*(depth_of_trellis-L+1));
    decoder_output_table(z,:)=decoder_output;                                                % 数据转移
    cumulated_metric=state_metric(1,1);
    cumulated_metric_table(z)=cumulated_metric;                                              % 数据转移
    BER(z)=Bit_Error_Rate(mybit,decoder_output);
    %  BER1(z)=Bit_Error_Rate(right_channel_output,channel_output)
    end

    %----------------------------------------subfunction Bit_Error_Rate-------------------------------------------------

    function y=Bit_Error_Rate(a,b)
    y=nnz(mod(a+b,2))/length(a);

    %-------------------------------------------subfunction cnv_encd----------------------------------------------------

    function the_output1=cnv_encd(mybit)       %  the_output1为完全正确译码,编码输出结果多出2*移位寄存器个数;  the_output2为不完全译码,译码结果与编码之前的原始信息差移位寄存器的个数
    g=[1 1 1 0 1 1];
    n=length(mybit);
    juzhen=zeros(n,(n-1)*2+6);                 %  多余个数=2*约束长度-2=2*移位寄存器个数
    for i=1:n
        juzhen(i,(i-1)*2+1:(i-1)*2+6)=g;
    end
    the_output=mybit*juzhen;
    the_output=mod(the_output,2);
    the_output1=the_output;                    %  需要时可以把分号去掉,看完全编码和不完全编码的结果
    the_output2=the_output(1,1:n*2);


    % survivor_state的每一行对应每一个状态,每一列对应每一个时刻,它的数值为从前一时刻到这一时刻、进入到所在的行状态所保留的幸存路径的来源状态   
    % cumulated_metric为译码结果所对应的编码序列与信道输入含误码序列的汉明距离
                   
     

    217

    clc;
    clear;
    close all

    mybit=fix(rand(1,215)+0.5)
    lgth = 215;
    %  (2,1,7)卷积编码 
    G=[1 1 1 1 0 0 1;1 0 1 1 0 1 1];                                                       %  (2,1,7)生成矩阵G=[1 1 1 1 0 0 1;1 0 1 1 0 1 1]; 
    k=1;
    right_channel_output=cnv_encd(mybit); 
    BER=zeros(1,lgth);
    cumulated_metric_table=zeros(1,lgth);
    decoder_output_table=zeros(lgth,lgth/2-6);
    channel_output_table=zeros(lgth,lgth);

    %  模拟信道误码
    for z=1:lgth                                                                             % 产生随机误码                                                                           

    %    channel=zeros(1,lgth);                                                              % 通过改变lgth的值 ,调整误码个数                                                 
    %    for i=1:z:lgth
    %        channel(i)=1;
    %    end

    if z==1
       channel=zeros(1,lgth);  
    else
        channel=fix(rand(1,lgth)+0.2);                                                       % 0.5可改
    end
    channel_output=mod(right_channel_output+channel,2);
    channel_output_table(z,:)=channel_output;                                                % 数据转移
    n=size(G,1);                                                                             % n=G的行数     

    %  检查大小
    if rem(size(G,2),k)~=0
        error('Size of G and k do not agree')                                                % 存在合理的约束长度
    end
    if rem(size(channel_output,2),n)~=0
        error('channel output not of the right size')                                        % 经过信道后,进入译码器前,卷积编码的个数合理
    end
    L=size(G,2)/k;                                                                           % 约束长度=寄存器个数+1
    number_of_states=2^((L-1)*k);                                                            % 状态数

    %  产生状态转移矩阵、输出矩阵和输入矩阵
    for j=0:number_of_states-1                                                               % 对(2,1,3) j=0,1,2,3
        for l=0:2^k-1                                                                        % l=0,1
            [next_state,memory_contents]=nxt_stat(j,l,L,k);
            input(j+1,next_state+1)=l;
            branch_output=rem(memory_contents*G',2);                                         % 状态图上根据寄存器状态和input作出的编码
            nextstate(j+1,l+1)=next_state;                                                   % 生成矩阵,含有十进制表示的下一状态
            output(j+1,l+1)=bin2deci(branch_output);                                         % 生成矩阵,含有十进制表示的卷积编码
        end
    end
    state_metric=zeros(number_of_states,2);                                                  % 4行,2列 (初始化)
    depth_of_trellis=length(channel_output)/n;                                               % 需要译码的个数   设为6
    channel_output_matrix=reshape(channel_output,n,depth_of_trellis);                        % 将经过信道的编码序列转换为以需要译码的个数为行数,以n为列数的矩阵
    survivor_state=zeros(number_of_states,depth_of_trellis+1);                               % 4行,7列 (初始化)

    %  开始无尾信道输出解码
    for i=1:depth_of_trellis-L+1                                                             % i=1,2,3,4
        flag=zeros(1,number_of_states);                                                      % 1行,4列 (初始化)
        if i<=L
            step=2^((L-i)*k);                                                                % i=1,2,3  step= 4,2,1
        else
            step=1;                                                                          % i=4  step=1
        end
        for j=0:step:number_of_states-1                                                      % i=1 j=0;i=2 j=0, 2;i=3,4 j=0,1,2,3 
            for l=0:2^k-1                                                                    % l=0,1
                branch_metric=0;                                                             % 初始化
                binary_output=deci2bin(output(j+1,l+1),n);                                   % 将此时刻十进制的编码结果用二进制表示
                for ll=1:n                                                                   % ll=1,2
                    branch_metric=branch_metric+metric(channel_output_matrix(ll,i),...
                        binary_output(ll));                                                  % 将此时刻经过信道的编码与理论编码比较,得到分支度量值
                end
                if ((state_metric(nextstate(j+1,l+1)+1,2)>state_metric(j+1,1)...
                        +branch_metric)|flag(nextstate(j+1,l+1)+1)==0)
                    state_metric(nextstate(j+1,l+1)+1,2)=state_metric(j+1,1)+branch_metric;
                    survivor_state(nextstate(j+1,l+1)+1,i+1)=j;
                    flag(nextstate(j+1,l+1)+1)=1;
                end
            end
        end
        state_metric=state_metric(:,2:-1:1);
    end

    %  开始有尾信道输出解码
    for i=depth_of_trellis-L+2:depth_of_trellis
        flag=zeros(1,number_of_states);
        last_stop=number_of_states/(2^((i-depth_of_trellis+L-2)*k));
        for j=0:last_stop-1
            branch_metric=0;
            binary_output=deci2bin(output(j+1,1),n);
            for ll=1:n
                branch_metric=branch_metric+metric(channel_output_matrix(ll,i),binary_output(ll));
            end
            if ((state_metric(nextstate(j+1,1)+1,2)>state_metric(j+1,1)...
                    +branch_metric)|flag(nextstate(j+1,1)+1)==0)
                state_metric(nextstate(j+1,1)+1,2)=state_metric(j+1,1)+branch_metric;
                survivor_state(nextstate(j+1,1)+1,i+1)=j;
                flag(nextstate(j+1,1)+1)=1;
            end
        end
        state_metric=state_metric(:,2:-1:1);
    end

    %  从最佳路径中产生解码
    state_sequence=zeros(1,depth_of_trellis+1);
    state_sequence(1,depth_of_trellis)=survivor_state(1,depth_of_trellis+1);
    for i=1:depth_of_trellis
        state_sequence(1,depth_of_trellis-i+1)=survivor_state((state_sequence(1,depth_of_trellis+2-i)...
            +1),depth_of_trellis-i+2);
    end
    decoder_output_matrix=zeros(k,depth_of_trellis-L+1);
    for i=1:depth_of_trellis-L+1
        dec_output_deci=input(state_sequence(1,i)+1,state_sequence(1,i+1)+1);
        dec_output_bin=deci2bin(dec_output_deci,k);
        decoder_output_matrix(:,i)=dec_output_bin(k:-1:1)';
    end
    decoder_output=reshape(decoder_output_matrix,1,k*(depth_of_trellis-L+1));
    decoder_output_table(z,:)=decoder_output;                                                % 数据转移
    cumulated_metric=state_metric(1,1);
    cumulated_metric_table(z)=cumulated_metric;                                              % 数据转移
     
    end

    %----------------------------------------subfunction Bit_Error_Rate-------------------------------------------------

     

    %-------------------------------------------subfunction cnv_encd----------------------------------------------------

    D30
                    
                    
                
        

     

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    千次阅读 热门讨论 2017-04-17 20:48:06
    首先是演示代码,首先输入输入信号,用m序列加扰(演示里只用16位长度的m序列),再1/3卷积编码,接收端先维特比解码,再解扰,得到原始信号 Demo.m   function demo input=[1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1];%输入信号 ...

    首先是演示代码,首先输入输入信号,用m序列加扰(演示里只用16位长度的m序列),再1/3卷积编码,接收端先维特比解码,再解扰,得到原始信号

    Demo.m

     

    function demo
    
    input=[1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1];%输入信号
    subplot(2,3,1);
    drawSig(input);
    input_r=scramble(input);%加扰
    subplot(2,3,2);
    drawSig(input_r);
    Y=coder(input_r);%进行卷积编码
    subplot(2,3,3);
    drawSig(Y);
    O=decoder(Y);%维特比解码
    subplot(2,3,4);
    drawSig(O);
    Res=scramble(O);%解扰
    subplot(2,3,5);
    drawSig(Res);
    
    end

    得到图片

     

     

    mxulie.m

     

     

    %产生16位m序列
    function Y=mxulie()
    F(16)=0;
    a3=1;
    a2=0;
    a1=0;
    a0=0;
    for i=1:16
        F(i)=a0;
        a0=a1;
        a1=a2;
        a2=a3;
        a3=mod((a3+a0),2);
    end
    Y=F;
    end
    


    coder.m

     

     

    %1/3,3卷积编码
    function Y = coder( X )
    len=length(X);
    T=zeros(1,len+3,'int8');
    F=zeros(1,len*3,'int8');
    for i=4:len+3
        T(i)=X(i-3);
    end
    for i=1:len
        F(3*(i-1)+1)=T(i+3);
        F(3*(i-1)+2)=xor(T(i+3),T(i+1));
        F(3*(i-1)+3)=xor(xor(T(i+3),T(i+2)),T(i+1));
    end
    Y=F;
    end


    decoder.m

     

     

    %1/3,3维特比卷积解码
    function Y = decoder( X )
    len=length(X);
    Path=zeros(4,len/3,'int8');%4条幸存路径
    Path_t=zeros(4,len/3,'int8');
    Da=0;Db=0;Dc=0;Dd=0;%抵达a,b,c,d总汉明距离
    Pa=1;Pb=2;Pc=3;Pd=4;%a,b,c,d路径指针
    T(9)=0;
    for i=1:9
        T(i)=X(i);
    end
    %a
    tp1=dist(T,[0 0 0 0 0 0 0 0 0],9);
    tp2=dist(T,[1 1 1 0 0 1 0 1 1],9);
    if(tp1<tp2)
        Da=tp1;
        Path(1,1)=0;Path(1,2)=0;Path(1,3)=0;
    else
        Da=tp2;
        Path(1,1)=1;Path(1,2)=0;Path(1,3)=0;
    end
    %b
    tp1=dist(T,[0 0 0 0 0 0 1 1 1],9);
    tp2=dist(T,[1 1 1 0 0 1 1 0 0],9);
    if(tp1<tp2)
        Db=tp1;
        Path(2,1)=0;Path(2,2)=0;Path(2,3)=1;
    else
        Db=tp2;
        Path(2,1)=1;Path(2,2)=0;Path(2,3)=1;
    end
    %c
    tp1=dist(T,[0 0 0 1 1 1 0 0 1],9);
    tp2=dist(T,[1 1 1 1 1 0 0 1 0],9);
    if(tp1<tp2)
        Dc=tp1;
        Path(3,1)=0;Path(3,2)=1;Path(3,3)=0;
    else
        Dc=tp2;
        Path(3,1)=1;Path(3,2)=1;Path(3,3)=0;
    end
    %d
    tp1=dist(T,[0 0 0 1 1 1 1 1 0],9);
    tp2=dist(T,[1 1 1 1 1 0 1 0 1],9);
    if(tp1<tp2)
        Dd=tp1;
        Path(4,1)=0;Path(4,2)=1;Path(4,3)=1;
    else
        Dd=tp2;
        Path(4,1)=1;Path(4,2)=1;Path(4,3)=1;
    end
    %迭代
    Dat=0;Dbt=0;Dct=0;Ddt=0;%交换缓冲
    fga=0;fgb=0;fgc=0;fgd=0;%路径标志
    rmSz=int32((len-9)/3);
    for i=1:rmSz
        T(1)=X(9+(i-1)*3+1);
        T(2)=X(9+(i-1)*3+2);
        T(3)=X(9+(i-1)*3+3);
        %a
        tp1=dist(T,[0 0 0],3)+Da;
        tp2=dist(T,[0 1 1],3)+Dc;
        if(tp1<tp2)
            Dat=tp1;
            fga=0;
        else
            Dat=tp2;
            fga=1;
        end
        %b
        tp1=dist(T,[1 1 1],3)+Da;
        tp2=dist(T,[1 0 0],3)+Dc;
        if(tp1<tp2)
            Dbt=tp1;
            fgb=0;
        else
            Dbt=tp2;
            fgb=1;
        end
        %c
        tp1=dist(T,[0 0 1],3)+Db;
        tp2=dist(T,[0 1 0],3)+Dd;
        if(tp1<tp2)
            Dct=tp1;
            fgc=0;
        else
            Dct=tp2;
            fgc=1;
        end
        %d
        tp1=dist(T,[1 1 0],3)+Db;
        tp2=dist(T,[1 0 1],3)+Dd;
        if(tp1<tp2)
            Ddt=tp1;
            fgd=0;
        else
            Ddt=tp2;
            fgd=1;
        end
        %更新幸存路径
        %a
        if(fga==0)
            Path_t(Pa,:)=Path(Pa,:);
            Path_t(Pa,3+i)=0;
            Da=Dat;
        else
            Path_t(Pa,:)=Path(Pc,:);
            Path_t(Pa,3+i)=0;
            Da=Dat;
        end
        %b
        if(fgb==0)
            Path_t(Pb,:)=Path(Pa,:);
            Path_t(Pb,3+i)=1;
            Db=Dbt;
        else
            Path_t(Pb,:)=Path(Pc,:);
            Path_t(Pb,3+i)=1;
            Db=Dbt;
        end
        %c
        if(fgc==0)
            Path_t(Pc,:)=Path(Pb,:);
            Path_t(Pc,3+i)=0;
            Dc=Dct;
        else
            Path_t(Pc,:)=Path(Pd,:);
            Path_t(Pc,3+i)=0;
            Dc=Dct;
        end
        %d
        if(fgd==0)
            Path_t(Pd,:)=Path(Pb,:);
            Path_t(Pd,3+i)=1;
            Dd=Ddt;
        else
            Path_t(Pd,:)=Path(Pd,:);
            Path_t(Pd,3+i)=1;
            Dd=Ddt;
        end
        %
        Path(Pa,:)=Path_t(Pa,:);
        Path(Pb,:)=Path_t(Pb,:);
        Path(Pc,:)=Path_t(Pc,:);
        Path(Pd,:)=Path_t(Pd,:);
    end
    k=min([Da Db Dc Dd]);
    if(k==Da)
        Y=Path(Pa,:);
    end
    if(k==Db)
        Y=Path(Pb,:);
    end
    if(k==Dc)
        Y=Path(Pc,:);
    end
    if(k==Dd)
        Y=Path(Pd,:);
    end
    end
    
    
    
    


    dist.m

     

     

    %汉明距离
    function d = dist(X1,X2,n)
    sum=0;
    for i=1:n
        if X1(i)~=X2(i)
            sum=sum+1;
        end
    end
    d=sum;
    end


    scramble.m

     

     

    %加扰
    function Y = scramble( X )
    n=length(X);
    M=mxulie();
    F(n)=0;
    for i=1:n;
       F(i)=xor(X(i),M(i));
    end
    Y=F;
    end


    drawSig.m

     

     

    %用于绘制信号图
    function drawSig(X)
    n=length(X);
    G(n*100)=0;
    for i=1:n
        if X(i)==0
            for j=1:100
                G((i-1)*100+j)=0;
            end
        else
            for j=1:100
                G((i-1)*100+j)=1;
            end
        end
    end
    plot(G);
    axis([0 n*100 -2 2]);
    end

     

     

     

    展开全文
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  • MATLAB实现的维特比译码

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