一种新型数字交织技术的设计与仿真

贾明俊 陆安江

摘  要：信号特别是数字信号作为与国民生活息息相关的一部分，其处理效率直接影响着人民生活质量和生活水平的提高。而交织技术的使用大大提高了信息处理能力，它是一种思维技术的体现。在客观条件不变的情况下，提高通信质量。交织技术在当今社会的应用十分广，本文重点分析了其对数字通信的作用。文章中对于交织原理进行了形象化解释，对现有主流交织类型也进行了客观分析。与此同时，使用了MATLAB程序对多种交织过程进行数字模拟，此外还仿真进行交织信道与普通信道传输误码率对比。

关键词：通信;信道编码;MATLAB;交织技术

中图分类号：TN914.53;TN792      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）05-0053-03

Abstract：The signals，especially digital signals are closely related to national life，and their processing efficiency directly affects the improvement of peoples quality of life. The use of interleaving technology greatly improves the information processing capability，which is a reflection of thinking technology. Improve communication quality without changing objective conditions. Interlacing technology is widely used in todays society，this paper focuses on its role in digital communications. In the article，the interleaving principle is visualized and the existing mainstream interlacing types are also objectively analyzed. At the same time，the MATLAB program is used to digitally simulate a variety of interleaving processes. In addition，the embedding channel is compared with the normal channel transmission error rate.

Keywords：communication;channel coding ;MATLAB;interleaving technology

0  引  言

由于实际信道的存在无法消除且难以预测各种干扰，为了保证编码的有用信号可靠地传输到接收端，针对信号传输的信道特点，需要有针对性地对传输的信号进行保护性“包装”即信道编码。交织技术的运用不失为一个好的方法。交织便于将超出接收端纠错能力的码按照一定规律错开传送，接收端经去交织后还原为序列，从而达到在纠错能力范围内纠错。

1  交织技术

1.1  基本交织技术的理论

一般地，如果消息数据按照原顺序按部就班地传输，当受到信道的强干扰后，容易造成大面积出错，大规模错误又会因接收端的纠错能力的限制，而无法正确纠错。如果把原传输的消息数据，按照某种规格打亂后再传输，把这种有规则打乱称为“交织技术”，接收端纠错前按照相应规则，即解交织技术，还原数据原顺序，再纠错，此时即使在传输中产生大面积错误，经过复原后出现的出错数据得到分散，接收端又可以正常纠错了。[1]

在图1中，按照数据正常传输顺序，如果在第3个时间段出现突发性的大面积干扰，如图1（a）所示的灰色阴影区域，该大面积干扰很有可能因超出接受端的纠错能力范围而无法纠错。若将正常传输的数据码流或码组经过交织技术后再传输，如图1（b）所示，则此时在同样的时间段内，出现突发性的大面积干扰，问题解决就不是很难。因为接收端在解码前，经过解交织器恢复原顺序后，在传输信道上所产生的大面积干扰码组，将被分散开来，如图1（c）所示，其错码的表现形式处于接收端的纠错能力范围内，因而容易纠错。

1.2  此基本交织原理

交织方法主要包括随机交织、块交织、卷积交织等。[2]随机交织是伪随机交织。通过伪随机分类数据，获得近似随机输出，其主要用于安全和扩频通信领域。块交织（也称为矩阵交织）是指通过将要交错的序列存储在行列的矩阵中，读取行（列）中的列（行）来读取行（列）中的列（行）的原则。数据交错的优点是简单易行;缺点是存储空间大，交叉和去交错的延迟很长。就经典系统采用TCM编码和块交织而言，它比卷积交织更简单。卷积交织由B通道移位寄存器组成，延迟随着差值的增加而增加。输入数据顺序地进入B通道的不同输入端，并且通过延迟从相应的路径读出输出数据。由于延迟不同，相邻输入在输出端离散化。卷积交织的优点是输入和输出是同时的，并在相同情况下，所需的存储空间是块交织的一半。解交织是以与交错相反的方式将数据重新排列回原始顺序。它通常需要与交错相同的存储器，这在结构上是相似的。

在数字的信道编码中，应用最广就是卷积交织。卷积交织的特点是利用一个旋转矩阵盘。这个矩阵转盘给自己一个固定间隔时间M转动接收齿B，每个接受齿B就是一个信道通路，每次接收信息码的一部分，每次接收的信息量相同，根据信息复杂度将信息齿增加或减少、RS（n，k）的关系为：n=M*B。先举一个简单的例子：如B=4，M=3，因此这个交织旋转器有4行，第一齿没有延时，其余3齿分别延迟3字节、6字节、9字节。其卷积交织/解交织的原理图及输入与输出数据结构图如图2所示。

图2的旋转过程是：第一路旋转齿B接通信道接收信息将新信息存储，等M个延时后第二路旋转齿B接通接收信息二段，同样也存储着所接收的信息码，这样有过了M个延时，当然整体此时已经延时2M了。以此类推三路旋转齿以及四路旋转齿得到3M和4M。由于这样的接收方式，先被输入的信息则先输出，后接入的信息码片段则后出，这即是“先进先出后进后出”原则。[3]由于这样的原则导致信息接收时在发送端信息码没有因交织导致乱码，而同时顺利完成传输。

在图2的解交织传送示意图中，类似地如果用“#”、“*”、数字表示解交织旋转齿初始状态值，&表示结束标志，假设有########0，4，8，12，16#####***1，5，9，13，&，###*****2，6，10，14，&********3，7，11，15，&…那么在输出数据端，数据读出顺序由读出信息齿表示，解交织的写入数据顺序对应卷积交织输出数据则为旋转方向。不难看出，输出数据为###*###*###*##**##**#***#***#***0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，&&&，…。可见，原来发送端由于信息齿分散的发送数据，经接收齿的去卷积交织后又恢复到交织前顺序。

2  交织码的MATLAB代码仿真

2.1  卷积交织的仿真

我们认为交织编码不仅是说分组编码，还包括卷积编码，这种方式在如今的社会应用广泛。交织码通常由（m，n）矩阵表示，分组长度可以表示为A=mn，并且交织矩阵由mn行列矩阵表示。分组和卷积式是常用的两种方法。交错矩阵按列写入并按行读取。解交織矩阵完全是相反的过程。然而，卷积交织的交织矩阵和解交织矩阵是按行读取和写入的。[4]

以下仿真采用（5，6）卷积交织编码即五行六列。

分组卷积交织前序号：[ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 ];

卷积交织后序号重排：[ 1 26 21 16 11 6 7 2 27 22 17 12 13 8 3 28 23 18 19 14 9 4 29 24 25 20 15 10 5 30 ];

性能分析：（1）一般长度等于小于m=6的突发性差错，经过交织、去交织后成为独立的差错;（2）通常长度大于m=6的突发性差错，通过交织、去交织后有可能变成短突发的差错;（3）特别的，间隔为m=6的独立差错，经交织、去交织后会变成长度为n=4的突发差错。[5]

运行结果如图3所示。

2.2  循环等差交织仿真

也可以执行循环等差交织编码。对于基本的循环等差交织器编码，其实质是将序列号从顺时针的大到小排列，然后从1到6的相等间隔取30个数字，从而依次取30个数，即序号排列。[6]

分组交织前序号：[ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30];

循环等差交织后序号重排：[ 1 24 17 10 3 26 19 12 5 28 21 14 7 30 23 16 9 2 25 18 11 4 27 20 13 6 29 22 15 8];

MATLAB仿真如图4所示。

2.3  交织技术优势

实际运用交织技术时往往与级联方式相结合，因为实际通信环境复杂多变，只有各种方法运用得当才能更好的完成通信。参照NASA 1984年给出的标准级联码系统，级联码它的编码可分成外编码、交织编码和内编码，这其中外编码部分采用分组线性码，内编码利用卷积码。系统如图5所示。[7]

本次仿真使用了（7，4）汉明码作为外部编码，并使用（2，1，3）卷积码进行内部编码。交织编码使用（7，4）卷积交织编码或循环等差交织编码。除非另有说明，交织编码使用前者（7，4）卷积交织编码。编码性能参数如前所述。

在仿真中，首先比较了级联码和内码的性能，然后比较了上述交织码的两种交织方法的性能。同时，对最后的（7，4）汉明码、（2，1，3）卷积码和级联码进行了综合比较。以下级联代码的性能和只有内部代码的性能比较，运行结果如图6所示。

3  结  论

经过MATLAB仿真，整理未编码与交织编码码流对比分析研究后得到：交织技术纠错能力大大提高，并且这种纠错能力是成倍的提高。可以看出交织编码能提高纠错的能力，大大降低了误码率。由此可见交织技术对于降低通信误码率不可或缺。综合以上说明此研究方案有指导实践的巨大意义。在研究交织技术的几个月里，我觉得它可以用一种更加通俗易懂的方式表达：交织就是可以理解为一种交错、编织的感觉，就像对原始数据的插入，一般的如果处理一段序列的话，就是将它送入信道，但是信道中存在大量干扰，使得数字信号出现差错，传统纠错器纠错能力有限，不能完全满足通信需要，一味提高仪器性能既不现实又不经济。所以交织器的应用非常高效的解决了这个矛盾。它的解决方法就是将数字序列分组或者截断或者循环，这样做的目的是分散已经出现的错误，本来成堆成片的错误相对于纠错器无能为力，现在将它分散开变成小片错误或一个的小问题，错误在可接受范围内，本来不可以纠错的现在可以进行纠错，在不改变物理条件的情况下使得通信质量得以极大地提高。

参考文献：

[1] 鲁业频，王年.数字电视原理与应用 [M].合肥：中国科技技术大学出版社，2013：163.

[2] Aleksandr Chuklin，Anne Schuth，Ke Zhou，et al. A Comparative Analysis of Interleaving Methods for Aggregated Search[J]. ACM Transactions on Information Systems （TOIS），2015，33（2）：1-38.

[3] Danzerl D ，Gill S ，Kockar I ，et al. Assessment of the last-in-first out principle of access for managing the connection of distributed wind generators[C]// Iet International Conference on Renewable Power Generation. IET，2017.

[4] 王炜，赵可萍.用FPGA实现交织编码器的设计 [J].现代电子技术，2005，28（19）：94-95+98.

[5] 唐玉玉，付娜.输入率可变且有差错服务的M/M/1排队模型 [J].重庆三峡学院学报，2011，27（3）：41-43.

[6] 薛昆.信号控制环形交叉口方式与通行能力关联性的研究 [J].上海建设科技，2010（4）：26-30.

[7] 王端怡，乐光新.一种新的多级码级联编码系统 [J].北京邮电大学学报，1994（1）：1-8.

作者简介：贾明俊（1995-），男，汉族，安徽合肥人，硕士研究生，主要研究方向：FPGA应用;陆安江（1978-），男，汉族，贵州贵阳人，博士，教授，主要研究方向：优化设通信与信息系统。